JP2002256394A - 破断分離が容易な熱間鍛造用非調質鋼 - Google Patents
破断分離が容易な熱間鍛造用非調質鋼Info
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- F16C2204/64—Medium carbon steel, i.e. carbon content from 0.4 to 0,8 wt%
Abstract
ように、破断により分離したのち組み合わせて使用する
部品を製造する技術であって、高い疲労強度および耐力
を有し、しかも破断分離したときに破面に塑性変形が実
質上生じることがなく、よく密着する破面が得られる熱
間鍛造用非調質鋼を提供する。 【解決手段】 重量で、C:0.2〜0.7%、Si:
0.1〜2.0%、Mn:0.1〜2.0%、Cr:
0.05〜1.00%、S:0.01〜0.20%、
P:0.01〜0.20%、V:0.50%以下、sol-
Al:0.005〜0.05%、N:0.005〜0.
030%およびO:0.0005〜0.010%を含有
し、残部がFeおよび不純物からなり、ただし、sol-A
l、NおよびOの含有量が、つぎの条件を満たす熱間鍛
造用非調質鋼: 式1 0.01[sol-Al%]≦[O%]≦1.5[so
l-Al%]および、 式2 0.03[N%]≦[O%]≦1.6[N%]
Description
品形状に成形し、その後に衝撃を与えて2個以上の部品
に分離し、破断面どうしを組み合わせて使用する、破断
分離が容易な熱間鍛造用非調質鋼と、その製品である機
械部品に関する。
グロッド(以下、「コンロッド」と略称する)は、最終
製品の形状をもったものを鍛造により一体に製作し、必
要により仕上げ加工を行なった後、機械加工により大端
部と小端−ロッド部とを切断分離する、という手順に従
って製作されていた。二つの部分を機械的に切断すると
いうことは、切り代として失われる部分がある上に、切
断後の切削や研磨を必要とし、工数が多くかかる。その
ため、従来のコンロッドの製造コストは、高いものであ
った。
は、溶製品の熱間鍛造のほかに、粉末燒結鍛造による技
術もあるが、粉末燒結鍛造自体が複雑なプロセスであ
り、生産性が低いから、コスト問題の解決には役立たな
い。
て、非調質鋼を使用することと並んで、機械的な切断に
代えて破断分離を行なうことが提案された。これは、鍛
造部品の分離を行ないたい部分に機械加工で切り欠きを
設けておき、衝撃を与えて、この切り欠きを起点とする
破断を起こさせるという手法である(特開平9−358
9号、特開平9−176787号、特開平9−1787
85号)。この技術においては、コンロッドに求められ
る基礎特性のうちで最も重要な疲労強度や耐力は、合金
成分系の選択・調整により、所望のレベルを得るように
している。
よび耐力を向上させるには、熱間鍛造時のオーステナイ
ト組織の結晶粒を微細化(換言すれば粗大化を防止)す
ることが有効であるとされている。ところが、溶製材を
熱間鍛造して得られる、結晶粒が微細な部品は、機械構
造用部品として用いられるものが通常示す、硬さ20〜
32HRCの範囲では十分な靭性を有しているため、破
断により分離すると、破断面の一部が大きく塑性変形し
(衝撃試験時に見られるシアーリップのようなものが生
じ)、分離したものの破面を合わせても、正確には合わ
ない。それゆえ、疲労強度や耐力と破断分離性とは、両
立し難い特性であるとされていた。
は、破断により分離して使用する部品に関する上述の問
題を解決し、高い疲労強度および耐力を有し、しかも破
断分離したときに破面に塑性変形が実質上生じることが
なく、密着性が高い破面が得られるような熱間鍛造用非
調質鋼を提供することにある。
製造した機械部品、とくに自動車用エンジンのコンロッ
ドを提供することにある。
達成する、破断分離が容易な熱間鍛造用非調質鋼は、重
量で、C:0.2〜0.7%、Si:0.1〜2.0
%、Mn:0.1〜2.0%、Cr:0.05〜1.0
0%、S:0.01〜0.20%、P:0.01〜0.
20%、V:0.50%以下、sol-Al:0.005〜
0.050%、N:0.005〜0.030%および
O:0.0005〜0.0100%を含有し、残部がF
eおよび不純物からなり、ただし、sol-Al、Nおよび
Oの含有量が、つぎの条件を満たす熱間鍛造用非調質鋼
である。 式1 0.01[sol-Al%]≦[O%]≦1.5[so
l-Al%]および、 式2 0.03[N%]≦[O%]≦1.6[N%]
製造の製品は、上記の合金組成をもつ非調質鋼を熱間鍛
造して得た鍛造製品であって、2個以上の部品が連結し
た形状を有し、製造後に破断分離し、ついで破断面どう
しを組み合わせて使用する製品である。その代表は、上
述のとおり、自動車用エンジンのコンロッドの大端部お
よび小端−ロッド部である。
用非調質鋼は、上記した基本的な合金成分に加えて、下
記の任意添加成分のグループに属する合金成分を単独
で、または複数組み合わせて、含有することができる。 (I)Pb:0.3%以下、Te:0.3%以下、C
a:0.01%以下およびBi:0.3%以下の1種ま
たは2種以上 (II)Cu:0.3%以下、Ni:0.3%以下および
Mo:0.05%以下の1種または2種以上 (III)Ti:0.2%以下、Nb:0.2%以下およ
びZr:0.5%以下の1種または2種以上
有量は、下記の条件を満たすことが好ましい。 式3 P≧0.007Gf−0.02 (ここで、「Gf」はオーステナイト結晶粒度番号をあ
らわし、通常6〜10、代表的には7または8の数字で
ある。)
金組成を上記のように選択した理由を、以下に説明す
る。
十分な強度を得るためには0.2%以上の含有が必要で
ある。多すぎると硬さが高くなりすぎて被削性が低下す
るので、0.7%までの添加に止めなければならない。
か、フェライト中に固溶してその強度を高める。フェラ
イト相は軟質相であって、破断分離のときに塑性変形が
生じる主な原因になるが、十分なSiを存在させてフェ
ライトを硬くしておくことにより、脆性破面率を高め、
破面の密着性を高めることができる。この効果を確実に
得るには、0.1%以上の添加が必要である。ただし、
Si含有量が多すぎると不必要に硬さが増し、被削性が
悪くなるから、2.0%を添加の限度とする。
であり、さらに、被削性にとって重要な介在物であるM
nSを生成する元素であって、少なくとも0.1%を添
加する。しかし、過大な添加はパーライトの面積率を増
大させ、硬さを引き下げるので、2.0%以下の添加量
とする。
をする。しかし、破断分離にとっては、パーライト部の
靱性があまり高くない方が、破断時の組成変形が少なく
て好ましいので、0.05〜1.0%の範囲内の添加量
を選ぶ。
一般にその含有量は、なるべく低く抑えられる。しか
し、破断分離を行なう本発明の場合、破断時の変形を抑
制して破面の密着性を高める上では有用な成分であるか
ら、0.01%を下限として、むしろ積極的に添加す
る。しかし、その効果は多量になると飽和するし、硬さ
を高くしてしまうから、0.20%を上限とする。
される疲労強度や耐力のレベルによって、つまり所望す
る結晶粒の微細化の程度、具体的にはGfすなわちオー
ステナイト結晶粒度番号によって異なる。コンロッドの
ような製品に望ましい結晶粒度番号は、通常、6番以上
9番までの細粒ないし微細粒、代表的には7番、8番で
ある。結晶粒度が微細であるほど、破断性能を確保する
ためには、多量のPを存在させなければならない。この
関係を表したのが、前記した 式3 P≧0.007Gf−0.02 の式である。通常のGf=4〜10の範囲において、P
量の下限値は0.008〜0.05%、代表的なGf=
7または8において、0.029%または0.036%
ということになる。
中に分散して、熱間鍛造時の結晶粒成長を抑制する。こ
の効果を得るには、少なくとも0.005%のAlが必
要である。多量に添加してもその効果が飽和するだけで
なく、疲労強度を低下させるから、0.050%を添加
の限度と定めた。
鍛造時の結晶粒粗大化を防ぐ。このためには、0.00
5%以上の存在を要する。その効果は、Alと同様に、
多量になると飽和するし、疲労強度の低下を招くから、
0.030%までの添加に止める。
aと、それらの酸化物を形成し、この酸化物がMnS析
出の核となることにより、MnSを鋼中に微細かつ均一
に分散させる。MnSは熱間鍛造後の冷却時に旧オース
テナイト粒内に析出する粒内フェライトの析出を促進
し、それによって結晶粒の粗大化が防止され、微細かつ
均一な組織が得られる。この効果は、0.0005%と
いう微量の存在で認められる。
酸化物を形成するものの割合が高くなり、窒化物の形成
が抑制される。その結果、上記したAlNによる熱間鍛
造時の結晶粒成長抑制の作用が不十分になるから、上限
値0.010%までの存在に止めなければならない。
とAl量の間には適切な存在比があり、かつ、O量とN
量との間にはバランスが必要である、この関係を表した
のが、前掲の二つの式 式1 0.01[sol-Al%]≦[O%]≦1.5[so
l-Al%]および、 式2 0.03[N%]≦[O%]≦1.6[N%] にほかならない。
様において添加する合金成分の作用と、組成範囲の限定
理由はつぎのとおりである。
ら、添加することにより、破断分離した面の密着性をよ
くするし、疲労強度を大きく向上させる。この効果は、
0.005%程度の添加量で明確に認められる。多量に
添加しても意義が薄いので、0.50%以下の量を選択
するのが賢明である。
以下、Ca:0.01%以下、およびBi:0.30%
以下の1種または2種以上 これらの元素はいずれも被削性を向上させる快削元素で
あり、より高い被削性を鍛造製品に要求する場合は、必
要に応じてこれらの中から、1種または2種以上を選ん
で適量添加するとよい。ただし、いずれも多量の添加は
疲労強度を低下させるので、それぞれ上記した限界内の
添加に止める。
下、およびMo:0.05%以下の1種または2種以上 これらは、いずれも組織を緻密化して強度を確保するの
に有用な元素であるから、適量を添加するとよい。添加
量が多すぎると、鍛造後の冷却中にベイナイトが生成し
て硬さが高くなりすぎ、被削性が損なわれるので、それ
ぞれについて上記した限度内の添加量を選ぶ。
およびZr:0.5%以下の1種または2種以上 これらは、高温における結晶粒の粗大化を防ぐのに有効
なの元素であるから、1種または2種以上添加すること
が好ましい。多量に添加すると、凝固時に粗大な炭窒化
物が析出するから、上に記した限度以下の添加量を選択
する。
した合金組成を有する非調質鋼を溶製してインゴットに
鋳造し、各インゴットを熱間鍛造して、50mm角の鍛造
素材とした。
してから熱間鍛造し、直径22mmの丸棒にした。非調質
鋼の製造条件に似せて、適宜の間隔で床上に放置し、室
温に冷却した。この丸棒材から試験片を切り出し、結晶
粒度を決定するとともに、種々の試験に供した。試験法
は、つぎのとおりである。
クウエル硬度計で測定した。
た。JIS4号に準拠した平行部直径10mmの引張り試
験片の中央部に、底部の半径が0.2mm、深さが1mmの
環状の切り欠きを設けた後、室温において、引張速度1
0mm/秒で引張って破断させたときの伸びを記録した。
波面の密着性が良好というためには、伸びが0.25mm
以下であることが必要であり、なるべくは0.20mm以
下にしたい。
げ試験片を用意して、疲れ限度を測定した。
ない、実施例No.2のデータを100として、相対的に
評価した。 工 具: SKH51 送 り: 0.1mm/rev 穴深さ: 10mm 切削油: なし 寿命判定:切削不能
(比較例)に示す。
さ,すなわちHRC23〜31未満の範囲で、破断伸び
がごく小さく、実質上無視できるレベルにあるから、破
面の密着性がきわめて高いといえる。No.12〜14の
快削元素を添加したものは、ドリル加工能率が格段に改
善されている。No.15〜17の、組織緻密化に有効な
元素を添加したもの、または高温における結晶粒粗大化
を防止したものは、結晶粒度が微細であり、高い疲労強
度と小さい破断伸びとが両立している。
発明の範囲を逸脱しているため、それぞれ下記の欠点を
有する。 A鋼:C含有量が低く硬さが低いため、疲れ限度が低
い。また、破断時の伸びが大きいから、破面の密着性が
よくない。 B鋼:C含有量が過大であるため、硬さが高すぎる。 C鋼:Siの含有量が過大で、硬さが高く被削性が劣
る。 D鋼およびE鋼:MnまたはCrの含有量が過大である
ため、硬さが高いにもかかわらずパーライトの靱性が高
く、破断伸びが大きい。 F鋼:P含有量が低すぎ、破断伸びが大きい。 G鋼:P含有量が高すぎ、硬くなりすぎている。 H鋼およびI鋼:sol-AlまたはNの添加量が多すぎ、
疲労強度が不足。 J鋼:O含有量が高く、結晶粒が粗大化した。 K鋼:O含有量が高く、[O%]≦1.5[sol-Al
%]の条件を満たしていないため、結晶粒の粗大化傾向
がみられる。 L鋼:O含有量が高く、[O%]≦1.6[N%]の条
件を満たしていないために、結晶粒の粗大化傾向がみら
れる。 M鋼:S含有量が高すぎ、疲労強度が低い。 N鋼およびO鋼:被削性を改善するための成分の添加量
が多すぎ、そのため疲労強度が低い。 P鋼およびQ鋼:組織を緻密化するための元素の添加量
が過大であるため、硬さが高すぎたり(P)、疲労強度
が低かったりする(Q)。
合金組成を選択することによって、破断時の塑性変形が
きわめて小さい部品を製造することができ、中間製品を
破断して得た破面は、よく密着する。このような本発明
は、自動車エンジンのコンロッドの製作に適用したと
き、とりわけ有用である。
Claims (7)
- 【請求項1】 重量で、C:0.2〜0.7%、Si:
0.1〜2.0%、Mn:0.1〜2.0%、Cr:
0.05〜1.00%、S:0.01〜0.20%、
P:0.01〜0.20%、V:0.50%以下、sol-
Al:0.005〜0.050%、N:0.005〜
0.030%およびO:0.0005〜0.0100%
を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、ただし、
sol-Al、NおよびOの含有量が、つぎの条件を満たす
ことにより、 式1 0.01[sol-Al%]≦[O%]≦1.5[so
l-Al%]および、 式2 0.03[N%]≦[O%]≦1.6[N%] 熱間鍛造後に鍛造部品の破断分離が容易な熱間鍛造用非
調質鋼。 - 【請求項2】 請求項1に記載した合金成分に加えて、
さらにPb:0.3%以下、Te:0.3%以下、C
a:0.01%以下およびBi:0.3%以下の1種ま
たは2種以上を含有する熱間鍛造後に鍛造部品の破断分
離が容易な熱間鍛造用非調質鋼。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載した合金成分に
加えて、さらに、Cu:0.3%以下、Ni:0.3%
以下およびMo:0.05%以下の1種または2種以上
を含有する熱間鍛造後に鍛造部品の破断分離が容易な熱
間鍛造用非調質鋼。 - 【請求項4】 請求項1ないし3のいずれかに記載した
合金成分に加えて、さらに、Ti:0.2%以下、N
b:0.2%以下およびZr:0.5%以下の1種また
は2種以上を含有する熱間鍛造後に鍛造部品の破断分離
が容易な熱間鍛造用非調質鋼。 - 【請求項5】 請求項1ないし4のいずれかに規定した
合金組成において、P含有量が下記の条件を満たす熱間
鍛造後に鍛造部品の破断分離が容易な熱間鍛造用非調質
鋼。 式3 P≧0.007Gf−0.02 (ただし、「Gf」はオーステナイト結晶粒度番号をあ
らわす) - 【請求項6】 請求項1ないし5のいずれかに規定する
合金組成の非調質鋼を熱間鍛造して得た鍛造製品であっ
て、2個以上の部品が連結した形状を有し、製造後に破
断分離し、ついで破断面どうしを組み合わせて使用する
製品。 - 【請求項7】 連結した2個以上の部品が、内燃往復動
エンジンのコネクティングロッドの大端部および小端−
ロッド部である請求項6の製品。
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JP2001058928A JP5023410B2 (ja) | 2001-03-02 | 2001-03-02 | 破断分離が容易な熱間鍛造用非調質鋼 |
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