JP2003113419A - 非調質鋼熱間鍛造部品の製造方法およびその非調質鋼熱間鍛造部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】降伏比が0.80以上で、790MPa以上の降伏強度が
得られ、被削性に優れ、クラッキング特性にも優れた非
調質鋼製のコンロッドおよび他の熱間鍛造部品を提供す
る。 【解決手段】質量％で、Ｃ：0.20〜0.30％、Si：0.40〜
1.00％、Mn：0.50〜1.30％、Ｓ：0.04〜0.12％、Ｐ：0.
04〜0.08％、Cr：0.20％以下、Ｖ：0.15〜0.40％％、T
i：0.30％以下、Nb：0.10％以下、残部：Feおよび不純
物からなる鋼を1100〜1300℃で加熱し、950℃を超える
仕上げ温度で鍛錬比４以上に鍛造し、600℃以下に冷却
して、500〜700℃で保持する製造方法、およびそれを用
いて製造される、クラッキング特性に優れた非調質鋼熱
間鍛造部品である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、非調質鋼製の熱間鍛
造部品、なかでもエンジン部品としてのコネクティング
ロッド（本明細書では、コンロッドと略記する）の製造
方法およびこれを用いて製造される非調質鋼熱間鍛造部
品に関するものであり、特に降伏比および降伏強度が大
きく、被削性に優れ、またクラッキング特性にも優れた
部品を安価に製造する方法およびその部品に関する。以
下の説明は、コネクティングロッドの製造方法に基づく
ものであるが、この発明が対象とする熱間鍛造部品は、
単にコネクティングロッドに限定されるものではなく、
例えば、ホィールハブ、スピンドル関連部品、サスペン
ション関連部品にも適用することができる。

【０００２】

【従来の技術】熱間鍛造用機械構造用鋼で製造される自
動車部品等は、従来、熱間鍛造後に焼入れおよび焼戻し
の調質処理を施し、それによって所定の機械的性質が付
与されていた。しかし、熱間鍛造後の調質処理を省略で
きる非調質鋼が開発され、上記のような部品の製造コス
トの削減が可能になってきた。自動車等のエンジンでピ
ストンとクランクシャフトを連結するコネクティングロ
ッド（通称、コンロッド）としても、この非調質鋼製の
ものが採用されつつある。

【０００３】コンロッドには強い圧縮応力がかかるの
で、座屈強度の高いことが要求される。座屈強度は降伏
強度（0.2％耐力）とよい相関が認められるが、一般に
非調質鋼製のコンロッドは、調質鋼製のものに較べて降
伏比、即ち、降伏強度と引張り強度の比が0.65程度と小
さい。従って、引張強度を一定水準にすると降伏強度が
低くなってコンロッドの耐座屈性が小さくなる。そこ
で、降伏強度を高めようとすると、引張強度が高くなり
すぎて被削性が悪化してしまう。

【０００４】コンロッドにはクラッキングタイプと称さ
れるものがある。図２はそれを概念的に説明する図であ
る。まず、図２(a)のようにコンロッドを熱間鍛造によ
り一体成形し、その大端部１を(b)のようにキャップ1-2
と本体２に分割する（これをクラッキングという）ので
ある。コンロッドをクランクシャフトと連結する際には
キャップと本体とでクランクシャフトを挟み、両者をボ
ルトで連結する。

【０００５】上記のクラッキングには、大端部の穴に治
具を挿入して応力を負荷して端部を破断させる方法、い
わゆる「かち割り」が適用される。このとき、破断面が
平滑な脆性破面であれば、分割されたキャップと本体と
でクランクシャフトを挟み込んだ後、破断面を合わせて
連結するだけでよい。

【０００６】特開平10-235447号公報には750〜1050℃と
いう温度域で熱間鍛造を行って高降伏比の非調質鋼鍛造
品を製造する方法が開示されている。しかし、このよう
な低温域での鍛造では鍛造時の変形抵抗が大きくなるた
め、鍛造に要するエネルギーも大きくなり、能力の高い
設備が必要になる。さらに鍛造用金型の寿命が大きく短
縮する。また、この方法で製造される部品として、コン
ロッドも例示されているが、それはクラッキングタイプ
のものではない。

【０００７】特開平7-157824号公報には仕上げ温度が75
0〜900℃という亜熱間鍛造を行い、その後に200〜700℃
で時効処理を施す非調質鋼材の製造方法が開示されてい
る。しかし、この方法で製造されるのは機械構造部品と
いうだけで、コンロッドに関しては何の記載もない。ま
た、この方法によれば、降伏強度や靱性に優れたものが
製造できるというのであるが、これも低温鍛造であるた
めに、前記のように変形抵抗の増大に対する設備能力の
増強や金型寿命の短縮という問題がある。

【０００８】特開平9-111412号公報にはコンロッド用と
して好適な非調質鋼が開示されている。この鋼は、クラ
ッキング特性も備えたものである。しかし、その製造方
法は、通常の方法であり、具体的には熱間鍛造後に常温
まで空冷するという方法である。この方法は降伏比が0.
7以上のコンロッドの製造を目的としているが、実施例
に示されているように0.8以上の降伏比が確実に得られ
るわけではない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、降伏
比が0.80以上で、降伏強度（0.2%耐力）が790MPa以上で
あり、かつクラッキング特性に優れた非調質鋼製のコン
ロッドおよび他の熱間鍛造部品を製造する方法およびそ
れを用いて製造される非調質鋼熱間鍛造部品を提供する
ことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の製造方法は、下
記１の素材鋼を下記２の工程で加工熱処理することを特
徴とし、本発明の非調質鋼熱間鍛造部品は、下記１の素
材鋼から下記２の工程で加工熱処理を経て製造すること
を特徴とする。

【００１１】１．素材鋼 素材鋼は、下記の組成を持つ鋼である。質量％で、Ｃ：
0.20〜0.30％、Si：0.40〜1.00％、Mn：0.50〜1.30％、
Ｓ：0.04〜0.12％、Ｐ：0.04〜0.08％、Cr：0.20％以
下、Ｖ：0.15〜0.40％％、Ti：0.30％以下、Nb：0.10％
以下、残部：Feおよび不純物からなる鋼。

【００１２】２．加工熱処理 これは、下記〜の工程を含むものである。 素材を1100〜1300℃で加熱し、950℃を超える仕上げ
温度で鍛錬比４以上に鍛造する工程。 鍛造後、600℃以下に冷却する工程。 500〜700℃で保持する工程。 ただし、鍛錬比は（鍛造後の断面積／鍛造前の断面積）
を示す。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明方法では、化学組成を調整
した素材鋼に特殊な加工熱処理を施すことによって、加
工性に優れるフェライト・パーライト組織を維持しなが
ら降伏比を大きくする。以下、まず素材鋼の組成を限定
した理由を説明する。なお、成分含有量についての
「％」は「質量％」である。

【００１４】Ｃ：0.20〜0.30％ Ｃは、鋼の強化に有効なので0.20％以上含有させる。し
かし、0.30％を超えると、フェライト−パーライト変態
後のフェライト体積率が小さくなり、後述するＶおよび
Tiの析出硬化の効果が小さくなるので、上限は0.30％と
する。

【００１５】Si：0.40〜1.00％ Siは、鋼の脱酸に有効であるとともに固溶体硬化の作用
によって鋼の強度を高める。0.40％未満ではその効果が
小さい。しかし、1.00％を超えると固溶体硬化の作用が
飽和し、また鋼の熱間加工性が悪化する。

【００１６】Mn：0.50〜1.30％ Mnは鋼の脱酸剤として有効であるとともに焼入れ性を高
めて鋼の強度向上に寄与する。これらの効果を得るには
0.50％以上が必要である。しかし、Mn含有量が1.30％を
超えると鋼の熱間加工性が悪化し、また焼入れ性が高く
なりすぎてベイナイト組織になりやすい。ベイナイト組
織が生じると被削性が悪化するので、上限は1.30％とす
る。

【００１７】Ｓ：0.04〜0.12％ Ｓは、MnとともにMnＳを形成し鋼の被削性を改善する。
この効果を得るには0.04％以上の含有が必要である。た
だし、Ｓ含有量が0.12％を超えると上記の効果は飽和す
る。また、鋼の熱間加工性も劣化する。従って、Ｓの適
正含有量は0.04〜0.12％である。

【００１８】Ｐ：0.04〜0.08％ Ｐは、一般には鋼の靱性等を劣化させる不純物として好
ましくないものとされる。しかし、本発明では、前述の
クラッキング特性を向上させるために積極的に利用す
る。即ち、Ｐは結晶粒界に偏析して鋼を脆化させるか
ら、コンロッド大端部の分割（かち割り）の際の破面を
平滑な脆性破面とするのに有効である。また、鋼の降伏
強度を高める作用もある。これらの効果を得るには0.04
％以上の含有が必要である。しかし、0.08％を超えるＰ
は、鋼の熱間加工性を悪化させるので、上限は0.08％と
する。

【００１９】Cr：0.20％以下 Crは無添加でもよい。しかし、Crは鋼の焼入れ性を向上
させ、強度を高める元素であるから必要に応じて含有さ
せればよい。その効果は0.02％以上で顕著になるので、
添加する場合には Cr含有量は0.02％以上とするのが望
ましい。ただし、0.20％を超えると鋼の経済性が損なわ
れるので上限は0.20％とする。

【００２０】Ｖ：0.15〜0.40％ Ｖは、後述する時効処理によってフェライト中に炭窒化
物として析出し、鋼の強度を高める。この効果を得るに
は0.15％以上の含有が必要である。しかし、0.40％を超
えると効果の増大はほとんどなく鋼の経済性が損なわれ
る。

【００２１】Ti：0.30％以下 Tiは無添加でもよい。しかし、Tiは、Ｖと同様に時効処
理によって炭窒化物として析出し、鋼を強化するので必
要に応じて添加することができる。その場合、上記の効
果が顕著になる0.06％以上の含有が望ましい。しかし、
Ti含有量が0.30％を超えると鋼の熱間加工性が悪化する
ので上限は0.30％とする。

【００２２】Nb：0.10％以下 Nbも無添加でもよい。しかし、Nbは、ＶおよびTiと同様
に炭窒化物として析出し、鋼を強化するので必要に応じ
て添加することができる。その含有量は、0.01％未満で
は効果が小さく、0.10％を超えると鋼の熱間加工性が損
なわれる。従って、Nbを添加する場合にはその含有量を
0.01〜0.10％とするのが望ましい。

【００２３】上記の素材鋼は、下記(1)式で定義されるf
1の値が0.90％以上であることが望ましい。(1)式は炭素
当量を表す式で、熱間鍛造後の鋼の引張強度と良い相関
がある。1000MPa以上の引張強度を得るためには、f1の
値が0.90％以上になる必要がある。1000MPa以上の引張
強度を得られれば、降伏比が0.8以上の場合に、790MPa
以上の降伏強度が得られることになる。 f1＝Ｃ＋（Si/10）＋（Mn/5）＋（5Cr/22）＋1.65Ｖ−（5Ｓ/7）・・・(1) ただし、(1)式中の元素記号は各元素の含有量（質量
％）を示す。

【００２４】次に加工熱処理条件について説明する。降
伏比は、引張強度に対する降伏強度の比、即ち、「降伏
強度／引張強度」である。この降伏比を大きくする方法
としては、フェライト中に微細な析出物を分散させて析
出硬化させる方法がある。例えば、Ｖ、Tiのような元素
を含有させて、これらの炭窒化物を析出させるのであ
る。しかし、析出物が微細に分布していれば析出硬化に
よる強化が期待できるが、析出が過度に進行して析出物
が粗大化すると析出硬化の効果は減少する。また、含有
される成分元素に応じて、析出が起きる温度や冷却速度
には相違がある。従って、析出硬化によるフェライトの
強化は、合金成分だけでなく加工熱処理の条件にも依存
する。

【００２５】図１は、本発明方法の原理を説明するため
の加工熱処理のパターンとその各工程で得られる金属組
織を示す図である。なお、素材はＶを含有する鋼であ
る。

【００２６】図１において、素材の加熱時にはＶはオー
ステナイト中に固溶している。これを鍛造するとオース
テナイトは微細化しかつ再結晶するが、Ｖは依然として
オーステナイトに固溶したままである。鍛造後に変態点
以下に冷却するとオーステナイトはフェライトとパーラ
イトに変態する。

【００２７】この変態の過程でも幾分かの炭窒化物が析
出するが、その量は少なく析出硬化の効果は不十分であ
る。しかし、その後に変態点よりも低い温度で保持すれ
ば、フェライト中での炭窒化物の析出が促進されてフェ
ライトが強化され、充分な析出硬化が得られ、降伏比が
大きくなる。

【００２８】以上が本発明方法による降伏比を高める原
理であるが、ここで重要なのは素材の加熱温度
（Ｔ_１）、鍛造後の冷却停止温度（Ｔ_２）ならびに再加
熱温度（Ｔ_３）およびその温度での保持時間である。そ
こで、これらの影響を確認すべく多数の試験を行って、
本発明を完成した。

【００２９】１．素材の加熱温度（Ｔ_１）について 鍛造前の素材の加熱温度が1300℃を超えると結晶粒が粗
大化する。一方、1100℃より低温での加熱では析出硬化
に有効なＶ、Ti等の固溶が十分でなく、また素材の変形
抵抗が大きく、鍛造金型等の寿命低下を招く。従って、
加熱温度は1100〜1300℃が適当である。

【００３０】２．鍛造温度について 鍛造はオーステナイト温度域で行うが、ここで重要なの
は鍛造仕上げ温度である。仕上げ温度が950℃以下の場
合には、素材の変形抵抗が大きく、鍛造用金型の寿命短
縮を招く。従って、鍛造の仕上げ温度は950℃を超える
温度とする。仕上げ温度の上限には特に制約はないが、
素材の加熱温度を前記範囲の上限近くにしても、加熱炉
から取り出して鍛造を開始するまでの温度低下等がある
ので、実際には1200℃程度が上限になる。

【００３１】３．鍛錬比について 鍛錬比は（鍛造後の断面積／鍛造前の断面積）で示され
る。鍛造時の鍛錬比が４未満だと、オーステナイトの微
細化が不十分であり、フェライト・パーライト変態後に
微細組織を得られず、充分な降伏強度を得ることができ
ない。このため、鍛錬比を４以上にする必要がある。

【００３２】４．鍛造後の冷却停止温度（Ｔ_２）および
冷却速度について 鍛造終了後はオーステナイトからフェライト−パーライ
ト組織への変態が完了する温度以下まで冷却する。変態
完了温度は鋼種および冷却速度等によって多少異なる
が、本発明の素材鋼を用いたコンロッドの製造では、冷
却速度を約45〜150℃／分として600℃以下まで冷却すれ
ば変態は完了する。

【００３３】５．時効処理の温度（Ｔ_３）および保持時
間について 時効処理は保熱炉内で所定時間保持し、変態によって生
成したフェライト中にＶの炭窒化物および素材がTiまた
は／およびNbを含む場合はそれらの炭窒化物を充分に析
出させる処理である。処理温度は、オーステナイトへの
変態温度以下でできるだけ高い方が処理時間が短くなっ
て有利である。具体的には500〜700℃で15〜60分保持す
ればよい。500℃よりも低温では析出硬化が不十分であ
る。なお、時効処理温度の上限の700℃は、オーステナ
イトへの逆変態が起きない温度である。

【００３４】前記４の冷却の停止温度が上記の時効温度
の範囲内にあれば、図１に破線で示すように、そのまま
熱処理炉内で保持すればよいが、冷却停止温度が低い場
合、あるいは鍛造後に長時間経過して鍛造製品の温度が
（例えば常温まで）下がっている場合には再加熱して時
効処理を行うことになる。なお、時効処理の保持温度は
一定である必要はなく、上記の温度範囲内で変動しても
差し支えはない。時効処理後の冷却方法は任意である
が、炉から出して自然放冷するのが実際的である。

【００３５】以上の熱処理の後、機械加工によってコン
ロッドの形状となし、クラッキングを行う場合はこの状
態で前記のクラッキングを行う。

【００３６】

【実施例】表１に示す化学組成を有する鋼を真空溶解炉
を用いて溶製した。表１における鋼ａ〜ｅが本発明で規
定する条件を満たす鋼（以下「本発明の素材鋼」とい
う）であり、鋼イ〜ホは、本発明で規定する条件から外
れた鋼（以下「比較鋼」という）である。

【００３７】これらの鋼を1200〜1250℃に加熱して直径
35mmの丸棒に成形し、表面の凹凸や脱炭層をピーリング
で除去し、直径33mmの鍛造用素材とした。上記の鍛造用
素材を1250℃に加熱し、仕上げ温度1100℃で図２(a)に
示すコンロッドの形状に熱間鍛造して、自然冷却によっ
て600℃まで冷却した。次いで、600℃に保った熱処理炉
に装入して30分間保持する時効処理を施し、常温まで自
然冷却した。なお、鋼種イだけは、焼入れ温度1000℃、
焼戻し温度500℃で調質処理を施した。さらに、鋼種ａ
については、鍛錬比の効果を確認するため、鍛錬比６お
よび２の２種形状のコンロッドに鍛造した。

【００３８】引張試験 上記コンロッドのレール部（図２の符号３の部分）から
平行部の直径3mm、標点距離15mmの引張試験片を切り出
して室温で引張試験を行い引張強度と降伏強度を測定し
た。

【００３９】被削性試験 コンロッドの大端部（図２の符号１の部分）に深さ15mm
のブラインドホールをドリルで穿孔する試験を行って被
削性を評価した。この試験は、高速度工具鋼（SKH51）
の8 mm径のストレートシャンクドリルを回転数754rpm、
送り0.15mm/revの条件で水溶性潤滑剤を用いて行った。

【００４０】被削性は次のようにしての評価した。即
ち、100穴穿孔した後のドリルのコーナー摩耗量（ドリ
ル最外周部の摩耗量）を測定し、その値を表１の鋼イ
（JIS S48C鋼）を同じ条件で穿孔したときの摩耗量を10
0とした相対量に換算した。なお、被削性に影響する引
張強度（即ち、硬度）の影響をなくするため、鋼イと強
度差のある鋼ロ（S30C）、鋼ニ（低炭素鋼）および鋼ホ
（高炭素鋼）については試験を行わなかった。

【００４１】クラッキング性試験 熱処理後のコンロッドの各10本を図２(b)に示すように
コンロッド本体２とキャップ1-2に破断分割し、破面が
脆性破面であるものをクラッキング性良好と判定した。
以上の試験結果を表２に示す。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】表２の試験結果から、下記の結論が得られ
る。 (1)本発明例に相当する試験No.１〜５では、時効処理後
の降伏比はすべて0.80以上で、790MPa以上の降伏強度が
得られ、被削性、クラッキング特性ともに良好である。

【００４５】(2)試験No.１は、Ｖを含み、Ｐ含有量の高
い鋼を素材としたものである。時効処理によって降伏比
の上昇が見られ、被削性およびクラッキング特性ともに
良好である。しかし、Ｐの含有量が少ない鋼を用いた試
験No.８では、クラッキング特性が不良である。

【００４６】(3)試験No２および３は、Ｖに加えてそれ
ぞれTi、またはNbを含む鋼を素材としてものである。い
ずれも時効処理後の降伏比はNo.１よりも大きい。

【００４７】(4)試験No.４はNo.１〜３よりもS含有量が
大きい素材綱を用いたものである。時効処理後の降伏比
が高くクラッキング特性も良好である上に、被削性はN
o.１〜３よりも更に向上している。

【００４８】(5)試験No.５は、Crを含まない鋼ｅを素材
としたものである。強度はやや低いが時効硬化してお
り、降伏比、被削性およびクラッキング特性ともに良好
である。

【００４９】(6)試験No.６は、被削性評価の標準試料と
して作製したものである。素材はJISのS48C相当鋼で、
熱処理は焼入れ−焼戻しである。引張強度を本発明例に
合わせるために1000MPaに調整してある。

【００５０】(7)試験No.７は、Ｖを含まないJISのS30C
相当鋼を素材としたものである。時効硬化性がなく、降
伏比も小さい。

【００５１】(8)試験No.８は、前記のとおりクラッキン
グ特性が悪い。

【００５２】(9)試験No.９は、Ｖを含む低炭素鋼を素材
としている。これにはわずかながら時効硬化がみられる
が、時効処理後も強度が低く、降伏比も0.8には達しな
い。クラッキング特性も不良である。

【００５３】(10)試験No.10の素材鋼はＣが約0.5％の高
炭素鋼である。Ｖを含むので時効硬化はしているが、Ｃ
含有量が多いのでフェライト分率が小さく降伏強度の上
昇率が低く降伏比は小さい。

【００５４】(11)試験No.11は、本発明の素材鋼を用い
ているが、鍛錬比が２と低いために、降伏強度、降伏比
ともに小さい。

【００５５】

【発明の効果】実施例でも明らかにしたように、本発明
方法によれば降伏比が0.80以上で、790MPa以上の降伏強
度が得られ、被削性に優れ、さらにクラッキング特性に
も優れたコンロッドが製造できる。この方法は、熱間鍛
造、その後の冷却および時効処理を一連の工程で実施で
きる。本発明の非調質鋼熱間鍛造部品は、コンロッドを
はじめその他の熱間鍛造部品の製造にも適用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の原理を説明する図である。

【図２】クラッキング型のコンロッドを説明する図であ
る。

【符号の説明】

１…コンロッドの大端部、 1-2…クラッキング後のキ
ャップ、２…本体、 ３…レール部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 38/28 Ｃ２２Ｃ 38/28 (72)発明者 長谷川 達也 福岡県北九州市小倉北区許斐町１番地 株 式会社住友金属小倉内 (72)発明者 佐藤 武史 福岡県北九州市小倉北区許斐町１番地 株 式会社住友金属小倉内 (72)発明者 西郡 榮 滋賀県甲賀郡石部町大字石部2190番地の５ 株式会社ゴーシュー内 (72)発明者 青石 祐和 滋賀県甲賀郡石部町大字石部2190番地の５ 株式会社ゴーシュー内 (72)発明者 佐藤 慎也 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内 (72)発明者 近江 竜司 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内 (72)発明者 加藤 和彦 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4E087 AA10 BA02 CB01 DB14 DB16 HA34 4K032 AA05 AA11 AA16 AA22 AA27 AA29 AA31 AA35 AA36 BA00 CA03

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】質量％で、Ｃ：0.20〜0.30％、Si：0.40〜
   1.00％、Mn：0.50〜1.30％、Ｓ：0.04〜0.12％、Ｐ：0.
   04〜0.08％、Cr：0.20％以下、Ｖ：0.15〜0.40％％、T
   i：0.30％以下、Nb：0.10％以下、残部：Feおよび不純
   物からなる鋼を下記〜の工程で処理することを特徴
   とする非調質鋼熱間鍛造部品の製造方法。 素材を1100〜1300℃で加熱し、950℃を超える仕上げ
   温度で鍛錬比４以 上に鍛造する工程。 鍛造後、600℃以下に冷却する工程。 500〜700℃で保持する工程。 ただし、鍛錬比は（鍛造後の断面積／鍛造前の断面積）
   を示す。
2. 【請求項２】質量％で、Ｃ：0.20〜0.30％、Si：0.40〜
   1.00％、Mn：0.50〜1.30％、Ｓ：0.04〜0.12％、Ｐ：0.
   04〜0.08％、Cr：0.20％以下、Ｖ：0.15〜0.40％％、T
   i：0.30％以下、Nb：0.10％以下、残部：Feおよび不純
   物からなる鋼を素材として、下記〜の工程を経て製
   造されることを特徴とするクラッキング特性に優れた非
   調質鋼熱間鍛造部品。 素材を1100〜1300℃で加熱し、950℃を超える仕上げ
   温度で鍛錬比４以 上に鍛造する工程。 鍛造後、600℃以下に冷却する工程。 500〜700℃で保持する工程。 ただし、鍛錬比は（鍛造後の断面積／鍛造前の断面積）
   を示す。