JP5304394B2

JP5304394B2 - 高強度鋼製粗形品の製造方法

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Publication number: JP5304394B2
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Inventors: 善弘大藤
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Description

本発明は、高強度鋼製粗形品の製造方法に関する。高強度鋼製粗形品とは、例えば、自動車、トラック、その他産業機械の部品であるシャフト、ハブユニット、等速ジョイントなど高強度鋼製部品の素材となるものである。

自動車、トラック、その他産業機械の部品であるシャフト、ハブユニット、等速ジョイントなどの鋼製部品は、棒鋼あるいは線材を熱間鍛造して粗形品を製造した後、これを素材として切削加工を施し、最終形状の部品に仕上げることが多い。

近年、燃費効率の向上の観点から、産業界から軽量化を目的とした、部品の高強度化を強く求められている。一方、部品を高強度化すると、熱間鍛造後の切削加工性が低下するという問題点がある。またコストの低減についても、産業界から強く求められている。

そこで、上記の問題を解決する技術が、例えば、特許文献１および２に開示されている。

特許文献１に、熱間鍛造後の部分冷却によって硬化部と非硬化部を有する熱間鍛造品、鍛造品に対する冷却条件などを規定した熱間鍛造品の製造方法が開示されており、高い疲労強度を得るとともに、被削性を低下させることがない、「疲労強度に優れた熱間鍛造品およびその製造方法並びに機械構造部品」が開示されている。

特許文献２に、強度の必要な部位の表層を亜熱間鍛造と熱処理によって細粒化し、高強度・高耐久比を実現した「表層細粒鋼部品とその製造方法」が開示されている。

特開２００７−３９７０４号公報特開２００８−５６９５６号公報

前述の特許文献１で開示された熱間鍛造品およびその製造方法の場合、その段落０００６および実施例を見ると、部分的に焼入れを行うことにより、その部分をマルテンサイトやベイナイト組織にしている。自己焼戻しを行うため、実施例にあるように、冷却停止温度だけでなく、復熱最高温度も制御する必要がある。このため、量産で安定した特性を得ることが難しい。また、部分的にマルテンサイトやベイナイト組織を得るためには、部分的に低温まで冷却する必要がある。このため、冷却中のひずみによる変形が大きくなりやすく、量産での歩留まりが低下し、しかも、最終形状の部品に仕上げるための切削量が増加することによって、コストの上昇を招く。

特許文献２で開示された技術は、表層部をマルテンサイト組織やベイナイト組織を主体の組織にするものである。しかしながら、表層部をマルテンサイト組織やベイナイト組織を主体とするためには、表層部を低温まで冷却する必要があるため、冷却中のひずみによる変形が大きくなりやすく、量産での歩留まりが低下し、しかも、最終形状の部品に仕上げるための切削量が増加することによって、コストの上昇を招く。また目標の特性を有する部品を得るためには、８００〜１０００℃という比較的低温で、相当歪み１．５以上の大きな加工を付与する必要があり、金型寿命の低下によってコストの上昇を招く。

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、高強度化および製造コストの低減が可能で、良好な被削性も兼ね備えた高強度鋼製粗形品の製造方法を提供することを目的とする。

自動車、トラック、その他産業機械の部品であるシャフト、ハブユニット、等速ジョイントなど、鋼製部品では、全ての部分で高強度が要求されるのではなく、高強度が必要な部分は一部分である。なお、一部分とは、部品の体積の半分未満とする。自動車、トラック、その他産業機械の部品の中で高強度が必要な部分としては、例えばハブユニットではフランジの付け根部分が挙げられる。

上記の部品には、引張試験での０．２％耐力、引張強さ、疲労強度などの性能が一定値以上であることが要求されるが、これらの性能は硬さと相関がある。現在量産化されている鋼製熱間鍛造部品のビッカース硬さは３２０程度が最高である。本発明においては、高強度が必要な部分のビッカース硬さは、この３２０を大きく上回る３８０以上にすることを目標とする。一方、被削性も硬さとの相関が強く、硬さを低減するほど、被削性が良くなる。従って、高強度が必要とされない部分のビッカース硬さは、高強度が必要な部分より５０以上低減することを目標とする。また上限については、量産性の観点から１００以下を目標とする。

以上により、本発明者らは、上記の部品の平均ビッカース硬さを、高強度が必要な部分では３８０以上とし、それ以外の部分では高強度が必要な部分より５０以上低減することを目標として、最適な化学組成、金属組織および加工熱処理条件について調査・研究を重ねた。

パーライト組織は、マルテンサイト組織やベイナイト組織よりも高い温度域で変態するため、熱処理歪みが小さいこと、および焼戻しによる強度変化量が小さいことが知られている。しかし、一般的にパーライト組織からなる部品は、マルテンサイト組織やベイナイト組織を有する部品に較べて強度が低い場合が多い。

本発明者は、パーライト単相組織、または、パーライト組織を主体とする金属組織を得ることを基本とし、このような金属組織であっても、高強度が必要な部分については、マルテンサイト組織やベイナイト組織を主体とする金属組織の場合と同等以上の強度が得られ、かつ、高強度が不要な部分については、被削性を低下させないことを目標として、最適な化学組成、金属組織および加工熱処理条件について調査・研究を重ねた。その結果、下記（ａ）〜（ｆ）の知見を得た。

なお、パーライト組織を主体とする金属組織とは、パーライトと、フェライト、ベイナイトおよびマルテンサイトのうちの１種以上との混合組織からなり、パーライト組織の面積分率が６０％以上であることを意味する。特に好ましくはベイナイト組織＋マルテンサイト組織の面積分率が１０％以下である。

（ａ）Ｖを添加することによる析出強化を最大限利用するには、パーライト組織が最も適しており、加工熱処理条件と成分を最適化すれば、パーライト単相組織、又はパーライト組織を主体とする金属組織であっても、マルテンサイト組織やベイナイト組織と同等以上の強度を得ることができる。

（ｂ）パーライト組織は、その変態温度の低い方が強度を高くできる。さらにＶを添加した鋼では、その強度変化量が大きくなる。したがって、高強度が必要な部位を、他の場所よりも低い温度でパーライト変態させることで、高強度化と被削性確保のための強度差の確保が可能となる。

（ｃ）局所的に高強度な部位を形成するためには、局所的に急速冷却することが有効である。

（ｄ）中〜高炭素鋼において、パーライト組織を主体とする金属組織が得られる温度域は５５０℃〜７００℃で、５５０℃未満ではベイナイト組織を主体とする金属組織となる。しかし、４８０〜５５０℃では相対的にベイナイト変態が進行するのに長時間を要するため、部分的に急速冷却すれば、４８０℃まで冷却しても、その後の復熱によりパーライト組織を主体とする金属組織が得られる。

（ｅ）パーライト変態が始まると、変態発熱によって、冷却速度が遅くなる、場合によっては昇温するため、急速冷却した後、放冷してもパーライト組織を主体とする金属組織を得やすい。

（ｆ）さらに所定の温度域の熱処理炉で保持することで、パーライト変態を進行させることにより安定した特性を得ることができる。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記（１）〜（４）に示す高強度鋼製粗形品の製造方法にある。

（１）質量％で、Ｃ：０．４〜０．９％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｖ：０．３〜０．９％、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．００５〜０．２％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％およびＮ：０．００３〜０．０２０％を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＯが０．００１５％以下である化学組成を有する鋼材を１１００〜１３００℃に加熱した後、仕上げ温度を９００℃以上として熱間鍛造を行い、熱間鍛造終了後、被鍛造材の一部分は３〜１００℃／秒の冷却速度で４８０〜６００℃まで急速冷却した後、放冷し、他の部分は該急速冷却せずに冷却する高強度鋼製粗形品の製造方法。

（２）質量％で、Ｃ：０．４〜０．９％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｖ：０．３〜０．９％、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．００５〜０．２％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％およびＮ：０．００３〜０．０２０％を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＯが０．００１５％以下である化学組成を有する鋼材を１１００〜１３００℃に加熱した後、仕上げ温度を９００℃以上として熱間鍛造を行い、熱間鍛造終了後、被鍛造材の一部分は３〜１００℃／秒の冷却速度で４８０〜６００℃まで急速冷却し、他の部分は該急速冷却せずに冷却した後、被鍛造材を炉内温度が４８０〜６３０℃の熱処理炉で２００〜３６００秒保持した後、放冷する高強度鋼製粗形品の製造方法。

（３）鋼材の化学組成が、質量％で、さらに、Ｎｉ：１．５％以下、Ｃｒ：１．５％以下およびＭｏ：０．５％以下のうちの１種以上を含有するものである上記（１）または（２）の高強度鋼製粗形品の製造方法。

（４）鋼材の化学組成が、質量％で、さらに、Ｎｂ：０．０８％以下およびＴｉ：０．０８％以下のうちの１種以上を含有するものである上記（１）〜（３）のいずれかの高強度鋼製粗形品の製造方法。

なお、本発明でいう「温度」、および「冷却速度」は、特に記載のない場合は対象となる鋼材、被鍛造材または該当部位の表面での値を指す。

本発明の高強度鋼製粗形品の製造方法によれば、高い強度を有するとともに製造コストの低減が可能で、また、良好な被削性も備えた高強度鋼製粗形品を得ることができる。この高強度粗形品は、自動車、トラック、その他産業機械の部品であるシャフト、ハブユニット、等速ジョイントなど、高強度鋼製部品の素材として好適に用いることができる。

加工熱処理のパターンを示す図試験片の冷却部位を示す図組織の観察および硬さの測定を行う位置を示す図

本発明において、鋼材の化学組成、および製造条件を上述のように規定した理由について、以下に詳述する。なお、各成分元素の含有量の「％」は「質量％」を意味する。

（Ａ）鋼材の化学組成
Ｃ：０．４〜０．９％
Ｃは、部品の強度を高めるのに有効な元素である。Ｃの含有量が０．４％未満では強度が不十分である。一方、Ｃの含有量が０．９％を超えると、その効果が飽和し、切削性が低下する。したがって、Ｃの含有量を０．４〜０．９％とした。なお、Ｃ含有量の望ましい下限は０．５％である。また、望ましい上限は０．７％である。

Ｓｉ：０．１〜１．５％
Ｓｉは、部品の強度を高めるのに有効な元素である。Ｓｉの含有量が０．１％未満では強度が不十分である。一方、Ｓｉの含有量が１．５％を超えると、その効果が飽和し、むしろ切削性が低下する。したがって、Ｓｉの含有量を０．１〜１．５％とした。なお、Ｓｉ含有量の望ましい下限は０．４％である。また、望ましい上限は１．０％である。

Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは、部品の強度を高めるのに有効な元素である。Ｍｎの含有量が０．５％未満では強度が不十分であり、他の要件を満たしていても所望の硬さが得られない。一方、Ｍｎの含有量が２．０％を超えると、その効果が飽和し、むしろ切削性が低下する。したがって、Ｍｎの含有量を０．５〜２．０％とした。なお、Ｍｎ含有量の望ましい下限は０．９％である。また、望ましい上限は１．５％である。

Ｖ：０．３〜０．９％
Ｖは、ＣおよびＮの一方または両方と結合して炭化物、窒化物または炭窒化物として鋼中に析出し、特にオーステナイトからパーライトに変態するときの界面で析出すると、微細に析出して部品の強度を高めるのに有効である。Ｖの含有量が０．３％未満では強度が不十分である。一方、Ｖの含有量が０．９％を超えると、その効果が飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｖの含有量を０．３〜０．９％とした。なお、Ｖ含有量の望ましい下限は０．４％である。また、望ましい上限は０．７％である。

Ｐ：０．１０％以下
Ｐは、粒界偏析して粒界を脆化させやすい元素である。このため、コンロッドのように、部品の製造中に破断分離させる工程が含まれる場合には、破断時の変形を抑制するために積極的に添加する必要がある。しかしながら、その含有量が多くなって０．１０％を超えると、疲労強度の低下が著しくなる。したがって、Ｐの含有量を０．１０％以下とした。なお、破断分離を行わない部品においては、Ｐの含有量は低減する方が好ましく、０．０３％以下とすることが好ましい。

Ｓ：０．００５〜０．２％
Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、被削性を向上させる作用を有する。しかしながら、その含有量が０．００５％未満では、前記の効果が得難い。一方、粗大なＭｎＳは疲労強度を低下させる傾向があり、Ｓの含有量が０．２％を超えると、粗大なＭｎＳを形成しやすくなって疲労強度の低下が著しくなる。したがって、Ｓの含有量を０．００５〜０．２％とした。なお、Ｓを０．０２％以上含有する場合には、被削性が一層向上するので、より被削性を重視する場合には、Ｓ含有量の下限は０．０２％とすることが好ましい。また、より疲労強度を重視する場合には、Ｓ含有量の上限は０．０５％とすることが好ましい。

Ａｌ：０．０１〜０．０５％
Ａｌは、脱酸作用を有すると同時に、Ｎと結合してＡｌＮを形成しやすく、結晶粒を微細化させるため、疲労強度向上に有効である。しかしながら、Ａｌの含有量が０．０１％未満ではこれらの効果は得難い。一方で、Ａｌは硬質な酸化物系介在物を形成して疲労強度を低下させてしまう。特に、Ａｌの含有量が０．０５％を超えると、疲労強度の低下が著しくなる。したがって、Ａｌの含有量を０．０１〜０．０５％とした。なお、Ａｌ含有量の望ましい下限は０．０２％である。また、望ましい上限は０．０４％である。

Ｎ：０．００３〜０．０２０％
Ｎは、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉと結合して窒化物、あるいは炭窒化物を形成しやすく、結晶粒を微細化させるため、疲労強度向上に有効である。しかしながら、Ｎの含有量が０．００３％未満ではこの効果は得難い。一方で、Ｎの含有量が０．０２０％を超えると、粗大な窒化物が形成されやすくなり、疲労強度の低下が著しくなる。したがって、Ｎの含有量を０．００３〜０．０２０％とした。なお、Ｎ含有量の望ましい下限は０．００６％である。また、望ましい上限は０．０１５％である。

本発明の鋼材の化学組成の一つは、上記元素のほか、残部がＦｅと不純物からなる。不純物とは、鉱石、スクラップ等の原料その他製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。不純物としてのＯ（酸素）は、０．００１５％以下とする必要がある。

Ｏ（酸素）：０．００１５％以下
Ｏは、Ａｌと結合して硬質な酸化物系介在物を形成しやすく、特にＯの含有量が０．００１５％を超えると、粗大な酸化物系介在物を形成しやすくなり、疲労強度が低下する場合がある。したがって、Ｏの含有量を０．００１５％以下とした。さらに、不純物としてのＯの含有量はできる限り少なくすることが望ましい。但し、製鋼でのコストを考慮すると、０．００１０％以下にすることが好ましい。

本発明の鋼材の化学組成の他の一つは、上記の元素に加えてさらに、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＮｂおよびＴｉのうちから選んだ１種以上の元素を含有するものである。以下、これらの元素の作用効果と、含有量の限定理由について説明する。

Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏは、いずれも強度を高める作用を有する。このため、より高い強度を具備させたい場合には、以下の範囲で含有させてもよい。

Ｎｉ：１．５％以下
Ｎｉは、強度を高めるのに有効な元素であるので、高強度化のためにＮｉを含有させてもよい。しかしながら、Ｎｉを１．５％を超えて含有させても、強度を高める効果が飽和して、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｎｉを含有させる場合には、その含有量を１．５％以下とする。なお、Ｎｉの含有量は１．０％以下とすることが望ましい。Ｎｉの強度向上効果を確実に得るためには、Ｎｉ含有量の下限は、０．１％とすることが望ましく、０．３％とすれば一層望ましい。

Ｃｒ：１．５％以下
Ｃｒは、強度を高めるのに有効な元素であるので、高強度化のためにＣｒを含有させてもよい。しかしながら、Ｃｒの含有量が１．５％を超えると、その効果が飽和し、むしろ切削性が低下する。したがって、Ｃｒを含有させる場合には、その含有量を１．５％以下とする。なお、Ｃｒの含有量は０．８％以下とすることが望ましい。Ｃｒの強度向上効果を確実に得るためには、Ｃｒ含有量の下限は、０．１％とすることが望ましく、０．２％とすれば一層望ましい。

Ｍｏ：０．５％以下
Ｍｏも、強度を高めるのに有効な元素であるので、高強度化のためにＭｏを含有させてもよい。しかしながら、Ｍｏを０．５％を超えて含有させても、強度を高める効果が飽和して、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｍｏを含有させる場合には、その含有量を０．５％以下とする。なお、Ｍｏの含有量は０．３％以下とすることが望ましい。Ｍｏの強度向上効果を確実に得るためには、Ｍｏ含有量の下限は、０．０３％とすることが望ましく、０．０８％とすれば一層望ましい。

なお、上記のＮｉ、ＣｒおよびＭｏは、そのうちのいずれか１種のみ、または２種以上の複合で含有させることができる。２種以上を複合で含有させる場合には、合計含有量を２．０％以下とすることが望ましい。

次に、ＮｂおよびＴｉは、いずれも結晶粒を微細化して疲労強度を高める作用を有する。このため、より優れた疲労強度を得たい場合には、以下の範囲で含有させてもよい。

Ｎｂ：０．０８％以下
Ｎｂは、Ｃ、Ｎと結合して炭化物、窒化物、あるいは炭窒化物を形成しやすく、結晶粒を微細化して疲労強度を高める作用を有するので、この効果を得るためにＮｂを含有させてもよい。しかしながら、Ｎｂの含有量が０．０８％を超えると、粗大な炭化物、窒化物、あるいは炭窒化物を形成しやすくなり、疲労強度の低下が著しくなる。したがって、Ｎｂを含有させる場合には、その含有量を０．０８％以下とする。なお、Ｎｂの含有量は０．０５％以下とすることが望ましい。Ｎｂの疲労強度向上効果を確実に得るためには、Ｎｂ含有量の下限は、０．００５％とすることが望ましく、０．０１％とすれば一層望ましい。

Ｔｉ：０．０８％以下
Ｔｉも、Ｃ、Ｎと結合して炭化物、窒化物、あるいは炭窒化物を形成しやすく、結晶粒を微細化して疲労強度を高める作用を有するので、この効果を得るためにＴｉを含有させてもよい。しかしながら、Ｔｉの含有量が０．０８％を超えると、粗大な炭化物、窒化物、あるいは炭窒化物を形成しやすくなり、疲労強度の低下が著しくなる。したがって、Ｔｉを含有させる場合には、その含有量を０．０８％以下ととする。なお、Ｔｉの含有量は０．０５％以下とすることが望ましい。Ｔｉの疲労強度向上効果を確実に得るためには、Ｔｉ含有量の下限は、０．００５％とすることが望ましく、０．０１％とすれば一層望ましい。

なお、上記のＮｂおよびＴｉは、そのうちのいずれか１種のみ、または２種の複合で含有することができる。２種を複合で含有させる場合には、合計含有量を０．１０％以下とすることが望ましい。

（Ｂ）製造条件
本発明においては、所定の組織状態、および硬さを得るために、鋼材を１１００〜１３００℃に加熱した後、仕上げ温度を９００℃以上として熱間鍛造を行い、熱間鍛造終了後、被鍛造材の一部分を３〜１００℃／秒の冷却速度で４８０〜６００℃まで急速冷却した後、放冷することが必要である。特に、急速冷却の後に、炉内温度が４８０〜６３０℃の熱処理炉で２００〜３６００秒保持し、その後、放冷するのが望ましい。

加熱温度：１１００〜１３００℃
熱間鍛造前の加熱温度が１１００℃未満の場合、その後に急速冷却しても、その部分のビッカース硬さを３８０以上にすることができないか、急速冷却をした部分と、急速冷却をしない部分とのビッカース硬さの差を５０以上にすることができない。一方、加熱温度が１３００℃を上回ると、脱炭や酸化スケールの生成が激しくなる。したがって、加熱温度は１１００〜１３００℃とした。

熱間鍛造の仕上げ温度：９００℃以上
鍛造の仕上げ温度が９００℃未満の場合、急速冷却をした部分と、急速冷却をしない部分とのビッカース硬さの差を５０以上にすることができない。したがって、熱間鍛造の仕上げ温度は９００℃以上とした。

被鍛造材の一部への冷却：
冷却速度：３〜１００℃／秒
冷却停止温度：４８０〜６００℃、その後、放冷
急速冷却をした部分の冷却速度が３℃／秒未満の場合、急速冷却した部分と急速冷却をしない部分とのビッカース硬さの差を５０以上にすることができない。一方、冷却速度を１００℃／秒にするには、コストが大幅に嵩む。したがって、冷却速度は３〜１００℃／秒とした。のぞましくは、５〜１００℃／秒、よりのぞましくは１１〜１００℃／秒である。

冷却終了温度が４８０℃未満の場合、パーライト単相組織、又はパーライト組織を主体とする金属組織を得ることができず、また急速冷却した部分と急速冷却をしない部分とのビッカース硬さの差を５０以上にすることができない。しかし、急速冷却の終了温度が６００℃を超えると、急速冷却した部分のビッカース硬さを３８０以上とすることができないか、急速冷却した部分と急速冷却をしない部分とのビッカース硬さの差を５０以上とすることができない。したがって、冷却終了温度は４８０〜６００℃とした。

冷却方法については、特に制限はないが、スプレーノズルを用いた空気や窒素による風冷、気体と液体を混合したミスト冷却が好適である。

急速冷却を４８０〜６００℃の温度域で終了させた後は、放冷してもよいが、炉内温度が４８０〜６３０℃の熱処理炉で２００〜３６００秒保持した後に放冷してもよい。特に、ベイナイト組織＋マルテンサイト組織の面積分率を安定して１０％以下とするためには、さらに、炉内温度が５００〜６３０℃の熱処理炉で３００〜３６００秒保持した後に放冷するのが好ましい。

ここで、上記熱処理炉の炉内温度が６３０℃を超える温度では、急速冷却した部分と急速冷却をしない部分とのビッカース硬さの差を５０以上にすることができない。また、炉内温度が４８０℃未満または保持時間が２００秒未満では、急速冷却した部分と急速冷却をしない部分とのビッカース硬さの差を５０以上にすることができない場合があり、３６００秒を超える保持時間では、効果が飽和して、コストが嵩むだけである。特に、上記熱処理炉の炉内温度を５００℃以上で、かつ保持時間を３００秒以上とすることで、ベイナイト組織＋マルテンサイト組織の面積分率を安定して１０％以下にすることができる。

この熱処理炉での２００〜３６００秒の保持は、４８０〜６３０℃の温度域のある特定の温度でもよいし、４８０〜６３０℃の温度域内で昇温や降温を行って上記温度域における合計の保持時間が２００〜３６００秒となるようにしてもよい。また熱処理炉としては、一般的なガス雰囲気の炉、液体を媒体とする塩浴炉、流動層炉のいずれでもよいが、一般的なガス雰囲気の炉の場合は、炉内温度を５００〜５８０℃とすることが望ましく、液体を媒体とする塩浴炉、および流動層炉の場合は、５５０〜６３０℃にすることが望ましい。

前記（Ａ）項に記載の化学組成を有する鋼材を、上記の方法によって製造すれば、低コストで、しかも容易に、パーライト単相組織、又はパーライト組織を主体とする金属組織となり、強化部の平均ビッカース硬さが３８０以上で、強化部以外の部分の平均ビッカース硬さが、強化部よりもビッカース硬さで５０以上低い鋼製粗形品が得られる。
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。

次に示す調査を実施し、その結果に基づいて、適正な製造方法を規定した。

表１に示す化学組成を有する鋼Ａ〜Ｓを５０ｋｇ真空溶解炉で溶解した後、鋳造してインゴットを得た。表１の鋼Ａ、Ｂ、Ｅ、Ｆおよび鋼Ｈ〜Ｓは、本発明で規定される化学組成を満足する鋼である。一方、鋼Ｃ、Ｄおよび鋼Ｇは、本発明で規定される化学組成の範囲を外れる比較例の鋼である。

各インゴットを一旦室温まで冷却した後、再度１２５０℃で３０分加熱し、仕上げ温度を９５０℃以上として熱間鍛造して、直径５０ｍｍの丸棒を得た。次いで、上記の直径５０ｍｍの各丸棒を、８５０℃で１時間保持して室温まで放冷する処理を行った後、機械加工によって、以下の加工熱処理試験に用いる直径３８．５ｍｍ、長さ５５ｍｍの試験片を作製した。

加工熱処理試験は、熱間鍛造を模擬するため、大気雰囲気炉２台、前方押出金型、プレス、および冷却装置を用い、熱間押出方法により行った。冷却は、試験片を円周方向に回転させながら、図２に示す位置を中心に行った。この部分の冷却開始前と冷却終了後の表面温度を放射温度計で測定し、冷却開始前および冷却終了後の温度ならびに冷却時間から冷却速度を求めた。なお、冷却速度１０℃／秒未満の例では圧縮空気による空冷、冷却速度１０℃／秒以上の例では空気と水を混合させたミスト冷却で行った。加工熱処理試験の条件を図１および表２に示す。

なお、図１における表示の意味は次のとおりである。
Ａ（℃）×３０分：温度Ａ（℃）で３０分保持したこと、
Ｂ（℃）×６０％：直径３８．５ｍｍの試験片を直径２４．３ｍｍに、すなわち断面減少率６０％の熱間押出を行った時の押出終了温度（仕上温度）がＢ（℃）であること、
Ｃ（℃／秒）：加工後の冷却速度、
Ｄ（℃）：加工後の冷却終了温度、
Ｅ（℃）×Ｆ（秒）：炉温Ｅ（℃）の炉内でＦ秒保持したこと。

上記の加工熱処理を行った各試験片から図３に示されるＸおよびＹの位置を切断し、軸方向に垂直な断面を得た。ＸおよびＹの位置における断面を鏡面研磨した後、表面から２ｍｍの位置について、次に示す条件でビッカース硬さを測定した。さらに、ナイタールで腐食した後、表面から１〜３ｍｍの位置について、次に示す条件で光学顕微鏡による金属組織の観察を行い、光学顕微鏡で撮影した写真を用いて、パーライト組織とフェライト組織の面積分率を測定した。また残部をベイナイト組織またはマルテンサイト組織とした。６視野の面積分率の平均値をその試験番号のパーライト組織の面積分率、ベイナイト組織＋マルテンサイト組織の面積分率とした。なお、位置Ｘが急速冷却をした部位、即ち、高強度化した部分である。これらの結果を表３および表４に示す。

〈ビッカース硬さ測定〉
・試験力：９．８Ｎ、
・測定数：１０点、
・測定間隔：１ｍｍ。

〈光学顕微鏡による金属組織観察〉
・倍率：４００倍、
・視野数：６、
・各視野の大きさ：０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍ。

金属組織は、マルテンサイト組織やベイナイト組織主体の組織となると、熱処理歪みが大きく、また焼戻しによる強度変化量も大きくなるため、パーライトの単相組織またはパーライト組織が主体とする金属組織となることを目標とした。ここでパーライト組織を主体とする金属組織の定義としては、パーライト組織の面積分率が６０％以上であることとした。より望ましくはベイナイト組織＋マルテンサイト組織が１０％以下とした。

表３および４に示すように、鋼材の化学組成が本発明で規定する条件から外れた鋼Ｃ、Ｄおよび鋼Ｇを用いた比較例の試験番号３３〜３６、４１および４２の場合、位置Ｘのビッカース硬さが本発明で目標とする３８０に達しておらず、また位置ＸとＹのビッカース硬さの差も５０未満である。

また、鋼材の化学組成が本発明で規定する範囲内であっても、製造条件が請求項１に係る発明で規定する条件から外れた試験番号３、５、７、８、１０、１９、２１、２３、２４、２６、３８、４０、４４、４６、４９、５１、５３、５６および５７の場合、位置Ｘのビッカース硬さが本発明で目標とする３８０に達していないか、位置ＸとＹのビッカース硬さの差も５０未満であるか、位置Ｘの金属組織におけるパーライト組織の面積分率が６０％未満である。

また、鋼材の化学組成が本発明で規定する範囲内であっても、製造条件が請求項２に係る発明で規定する条件から外れた試験番号１１、２７、４８および６４の場合、位置ＸとＹのビッカース硬さの差が５０未満である。

一方、化学組成も製造条件も本発明で規定される範囲を満足する試験番号１、２、４、６、９、１２〜１８、２０、２２、２５、２８〜３２、３７、３９、４３、４５、４７、５０、５２、５４、５５、５８〜６３、６５および６６では、いずれも位置Ｘのビッカース硬さが本発明で目標とする３８０以上であり、位置ＸとＹのビッカース硬さの差も５０以上である。また、位置Ｘの金属組織におけるパーライト組織の面積分率が６０％以上である。特に、熱処理炉の炉内温度が５００℃以上で、かつ保持時間が３００秒以上であった試験番号１２、１３、１６、２８、２９、３２、５０、５４、５８および６６では、いずれも位置Ｘの金属組織におけるベイナイト組織＋マルテンサイト組織の面積分率が１０％以下である。

本発明の高強度鋼製粗形品の製造方法によって、高い強度を有するとともに製造コストの低減が可能で、また、良好な被削性も備えた、自動車、トラック、その他産業機械の部品であるシャフト、ハブユニット、等速ジョイントなど、高強度鋼製部品の素材として好適な高強度鋼製粗形品を製造することができる。

Claims

質量％で、Ｃ：０．４〜０．９％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｖ：０．３〜０．９％、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．００５〜０．２％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％およびＮ：０．００３〜０．０２０％を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＯが０．００１５％以下である化学組成を有する鋼材を１１００〜１３００℃に加熱した後、仕上げ温度を９００℃以上として熱間鍛造を行い、熱間鍛造終了後、被鍛造材の一部分は３〜１００℃／秒の冷却速度で４８０〜６００℃まで急速冷却した後、放冷し、他の部分は該急速冷却せずに冷却することを特徴とする高強度鋼製粗形品の製造方法。
質量％で、Ｃ：０．４〜０．９％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｖ：０．３〜０．９％、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．００５〜０．２％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％およびＮ：０．００３〜０．０２０％を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＯが０．００１５％以下である化学組成を有する鋼材を１１００〜１３００℃に加熱した後、仕上げ温度を９００℃以上として熱間鍛造を行い、熱間鍛造終了後、被鍛造材の一部分は３〜１００℃／秒の冷却速度で４８０〜６００℃まで急速冷却し、他の部分は該急速冷却せずに冷却した後、被鍛造材を炉内温度が４８０〜６３０℃の熱処理炉で２００〜３６００秒保持した後、放冷することを特徴とする高強度鋼製粗形品の製造方法。
鋼材の化学組成が、質量％で、さらに、Ｎｉ：１．５％以下、Ｃｒ：１．５％以下およびＭｏ：０．５％以下のうちの１種以上を含有するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の高強度鋼製粗形品の製造方法。
鋼材の化学組成が、質量％で、さらに、Ｎｂ：０．０８％以下およびＴｉ：０．０８％以下のうちの１種以上を含有するものであることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の高強度鋼製粗形品の製造方法。