JP2005350690A - 靭性と耐摩耗性に優れた冷間鍛造部品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低Ｃ合金鋼の円柱状素材を低圧力荷重による冷間鍛造によって最終製品である
カップ形状品と同一形状の中間製品を生産し、この中間製品に浸炭又は浸炭窒化及び焼入
れ，焼戻しによって所望の靭性と硬さを付与した最終製品を高効率で得ることができる冷
間鍛造製カップ形状部品及びその製造方法を提供することにある。
【解決手段】 素材硬さ９３ＨＲＢ以下の延伸性が高い低Ｃ合金鋼を素材とし、その円柱
状素材を冷間鍛造によって成形した肉厚３．５ｍｍ以下のカップ形状品であって、浸炭又
は浸炭窒化及び焼入れ，焼戻しによって中心部まで７５０Ｈｖ以上の硬度と微細なマルテ
ンサイト組織とした。
【選択図】 なし

Description

本発明は、冷間鍛造部品及びその製造方法に関し、更に詳しくは、延性が高い低Ｃ合金
鋼の円柱状素材を使用し、冷間鍛造によりカップ形状品を効率よく生産し、その後の浸炭
又は浸炭窒化により成形品内部まで微細な炭化物又は炭窒化物を均一に生成せしめ、通常
の熱処理又は浸炭焼入れによりマトリクスをマルテンサイトに変態せしめて所望の靭性と
硬さを付与した靭性と耐摩耗性に優れた冷間鍛造部品及びその製造方法に関する。

ＳＫＤ１１等の冷間加工用工具鋼や、溶製又は粉末冶金によって製造される高速度鋼等
（以下、高速度鋼等と称する）は優れた耐摩耗性を有するが、高強度で延性が低いため冷
間鍛造が困難である。そのために、高速度鋼等を利用して製造する耐摩耗部品等には冷間
鍛造の適用は困難であり、切削加工や熱間鍛造により製造される。

しかし、切削加工で製造する方法では製品の最大外径より大きな素材が必要であり、製
品にならない部分は全て切削屑として捨てられるため歩留が極めて悪く、高価な素材であ
るだけにコスト的にも大きな問題である。また、製品１個，１個を単品ごとに切削加工す
るために生産性が悪いといった欠点がある。

これに対し、熱間鍛造では切削加工に比べて素材の歩留と生産性は向上するものの、寸
法精度が悪いために後加工として切削加工が必要で歩留の悪化は避けられず、また鍛造後
の急冷により材料が硬化するため、切削加工前に焼きなまし処理が必要になるなど製造コ
ストが高くなるという問題点がある。

また、熱間鍛造では、鍛造中の温度低下による中間素材の割れを防止するために再加熱
と鍛造を繰り返して所定の製品形状に成形する必要があり、このため工程ごとの温度管理
を厳しく行わないと製品に割れを生じ易く、生産性や熱効率が低くコスト高に繋がってい
るといった問題点もある。

高速度鋼等を熱間鍛造する際の上記のような問題点を解決する方法として、特開平１０
ー９９９３０号公報には、１ヒートで多段連続鍛造することにより生産性と熱効率の向上
を図った高速度鋼の高速熱間鍛造方法が提案されている。しかしながら、この高速熱間鍛
造方法は温度低下による割れや、加熱による金属組織の局部溶融を発生させないために厳
しい温度管理が必要である。また、基本的に高強度の高速度鋼をカップ形状等に成形加工
するために高温の加熱を必要とすることに変わりなく、脱炭層の除去や鍛造後の急冷によ
り材料が硬化する問題も解消されておらず、生産性や熱効率向上の効果は不十分で本質的
な解決にはなっていない。

さらに、特開２００２ー２２４７８４号には、素材硬さを１０２ＨＲＢ以下とし、内部
に長径で２５μｍ以上の粗大共晶炭化物片がなく、且つ、表面に長径で１５μｍ以上の粗
大共晶炭化物及び粗大共晶炭化物片が露出していないために、冷間鍛造しても割れが生じ
ることがない高速度工具鋼製カップ形状品を冷間鍛造により製造可能とする冷間鍛造用高
速度工具鋼素材，高速度工具鋼製カップ形状品及びその製造方法が提案されている。

しかしながら、このような特性を有する素材を製造するためには、鋼塊の大きさの限定
やＥＳＲ法の採用、熱間加工を大きな加工率にて行うこと等が必要である。また、鍛造後
の焼きなましを雰囲気調整した炉で実施することや、焼きなまし後の引き抜き加工の減面
率を５％以下とする必要があること等いくつかの制約があり、生産性やコストの面におい
て課題は十分には解決されていない。

一方、特開昭６２ー１４２０１９号公報には、重量比で０．５０％以上のＣを含有する
高炭素合金において、所望する最終組成よりＣを０．２〜０．５％低減し、線径２．０ｍ
ｍ以下まで加工した後に浸炭及び拡散焼きなましを行うことで伸線時の生産性を向上させ
る技術が提案されている。

しかしながら、この技術では、例えば最終組成のＣが０．８％程度以上である溶解法に
より製造する高速度鋼では、Ｃを最大限低減しても凝固時に巨大な一時炭化物を生成し、
マトリクス強度も高くなるため伸線が困難になる。また浸炭時の材料表層部〜芯部のＣ濃
度差が大きくなるためＣ濃度の平準化ができず、内部まで均一なＣ濃度を工業的に製造す
ることが困難である。

このような問題点を解消するため、出願人は先に、凝固過程で一次炭化物の生成しない
低Ｃの合金鋼を熱間加工及び冷間加工により、厚さ５ｍｍ以下の薄板もしくは径６ｍｍ以
下の細線に成形し、この成形素材に浸炭もしくは浸炭窒化により外部からＣを添加するこ
とで、成形素材の中心部まで微細で均一な炭化物又は炭窒化物を生成させ、その後の熱処
理により靭性と耐摩耗性に優れた金属部材を提案した（特開平１１ー２２２６４９号）。

本発明は、凝固過程で一次炭化物の生成しない前記特開平１１ー２２２６４９号に挙げ
た組成からなる低Ｃ合金鋼を素材として使用し、その円柱状素材を低圧力荷重による冷間
鍛造によって最終製品であるカップ形状部品と同一形状の中間製品を効率よく生産し、こ
の中間製品に浸炭又は浸炭窒化及び焼入れ，焼戻しによって所望の靭性と硬さを付与した
最終製品を高効率で得ることができる冷間鍛造製カップ形状部品及びその製造方法を提供
することを目的としたものである。

上記の目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明は、素材硬さ９３ＨＲＢ以下の
延性が高い低Ｃ合金鋼を素材とし、その円柱状素材を冷間鍛造によって成形した肉厚３．
５ｍｍ以下のカップ形状品であって、浸炭又は浸炭窒化及び焼入れ，焼戻しによって中心
部まで７５０Ｈｖ以上の硬度と微細なマルテンサイト組織である冷間鍛造部品とした。

このような構成とすることにより、鍛造荷重１００ＴＯＮ以下でカップ形状品（中間製
品）を成形できるとゝもに、その円筒部の外周面及び端面に割れが発生しない。そして、
最終製品であるカップ形状部品はその中心部まで７５０Ｈｖ以上の硬度を有し、且つマト
リックスをマルテンサイト組織とした構成の所望の靭性と硬度を有する、靭性と耐摩耗性
に優れたカップ形状部品（最終製品）を得ることができる。

そして、本願の請求項２に係る発明は、前記円柱状素材が、質量％で、Ｃ：０．３％以
下、Ｃｒ：３．０％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．５％以下、２Ｍｏ＋Ｗとして
Ｗｅｑ：８．０〜２４．０％、Ｖ：１．０〜１０．０％、残部がＦｅと不可避の不純物か
らなる組成である構成とした。このような構成とすることにより、溶製時の素材が凝固過
程で巨大一次炭化物を生成しない素材を高い製造効率で量産化できる。

更に、本願の請求項４に係る発明は、素材硬さ９３ＨＲＢ以下の延性が高い低Ｃ合金鋼
を素材とし、その円柱状素材を冷間鍛造によって肉厚３．５ｍｍ以下のカップ形状品に成
形し、１０００°Ｃ以上で浸炭又は浸炭窒化処理を実施して微細な硬質の炭化物又は炭窒
化物を均一に分散させた後、１１００°Ｃ以上の焼入れ，５００°Ｃ以上の焼戻し工程を
順次行うことを特徴とする靭性と耐摩耗性に優れた冷間鍛造部品の製造方法である。

冷間鍛造時に素材に発生する割れの素材側の原因としては表面キズ，組織不良及び延伸
性が挙げられるが、表面キズ及び組織不良は素材製造工程にて改善することができる。し
かし、延性は材質により決まってしまう。本発明では素材硬さＨＲＢ９３以下の低Ｃ合金
で延性が高い素材を使用し、低圧力荷重による冷間鍛造によりカップ形状品を成形し、鍛
造後に真空浸炭・拡散及び焼入れ，焼戻しを行なうことで、中心部まで微細で均一な炭化
物又は炭窒化物が浸透した高硬度及び高耐摩耗性のカップ形状部品を得る。

つぎに、素材鋼の成分について以下説明するに、Ｃの含有量が重量％（以下、同じ）で
０．３０％以下の低Ｃ鋼とする。浸炭温度下でマトリックス組織がオーステナイトに変態
するとＣの拡散が阻害されて内部まで浸炭され難くなるため、Ｃは浸炭温度下でマトリッ
クスがフェライトを形成する範囲内でなければならない。さらに、Ｃを０．３０％以上多
く含有すると溶製材にあってはその凝固過程で巨大な一次炭化物を生成し、マトリックス
強度も高くなるため、冷間加工性を阻害する。また巨大炭化物の存在が最終製品の靭性を
も低下させるため、上限を０．３０％とする。

また、Ｓｉの含有量は０．５％以下とする。このＳｉは脱酸剤として使用するものであ
るが、Ｓｉが少なすぎると製造上精錬が困難となる。しかしながら、多量に入れ過ぎると
靭性が低下するため工業上０．５％以下とする。そして、Ｍｎの含有量も０．５％以下と
する。このＭｎもまた、脱酸，脱硫剤として添加するのであるが、多量に入れ過ぎると靭
性が低下するため、０．５％以下とする。

２Ｍｏ＋Ｗの含有量は８．０〜２４．０％の範囲内とする。Ｍｏ及びＷは浸炭および浸炭窒化によりＭ₆Ｃ型の複炭化物およびＭ₆ＣＮ型炭窒化物をそれぞれ形成するとゝもに、二次硬化により熱処理硬さを高めて耐摩耗性に寄与する。重量％でＭｏ１％はＷ２％と等価であり、Ｗ当量（Ｗｅｑ＝２Ｍｏ＋Ｗ）として表される。Ｗｅｑは少なくとも８．０％以上添加させる必要があるが、高硬度を得るにはＷｅｑに比例して浸炭時のＣ濃度を高くする必要があり、ガス浸炭やガス浸炭窒化では高硬さが得にくくなるため、上限を２４％とする。

更に、Ｖの含有量は１．０％〜１０．０％の範囲内とする。Ｖは浸炭および浸炭窒化に
より非常に硬度の高いＭＣ型炭化物およびＭＣＮ型炭窒化物を形成するとゝもに、二次硬
化により熱処理硬さを高めて耐摩耗性に寄与する。これらの効果を得るには少なくとも１
．０％含有させる必要があるが、Ｖ量に比例してフェライト層が残存しやすくなるため浸
炭時のＣ濃度を高くする必要があり、ガス浸炭やガス浸炭窒化では高硬度が得にくくなる
上、生成する炭化物も粗大化しやすく靭性を阻害するため上限を１０．０％とする。

Ｃｒの含有量は３．０％以下とする。ＣｒはＣと結合して複炭化物を形成し、耐摩耗性
に寄与する。しかしながら、Ｃｒ量に比例して炭化層の硬さが低下し、多量に添加すると
かえって耐摩耗性を低下させるため、上限を３．０％とする。

次に、本発明について、具体的な実施例を比較例と共に説明する。表１は使用素材及び
成分を示す。使用素材は１０ＫｇＶＩＦで熔製し、直径２８．０ｍｍに熱間鍛造後固溶化
処理した丸棒素材に切削加工を行ったものである。

図１はカップ形状品の鍛造工程をその工程順に示す説明図である。図１（ａ）に示すよ
うに、前記直径２８．０ｍｍの丸棒素材を切削加工して直径２３．０ｍｍの丸棒素材に形
成し、この丸棒素材を円柱状素材１に切断加工した。つぎに、同図（ｂ）に示すように、
この円柱状素材１に対して冷間据込加工を施して第二加工品２とした後、同図（ｃ）に示
すように、この第二加工品２に対して再度据込加工を施して第三加工品３とした。そして
、同図（ｄ）に示すように、前記第三加工品３に対して図２に示す冷間押出鍛造法により
カップ形状品４を成形した。

本実施例の冷間押出鍛造法で使用する金型は、図２に示すように、ダイス１０と、この
ダイス１０内の成形部１０ａ内に挿入された前記第三加工品３をその上方から押し込む押
し込みポンチ１１と、前記第三加工品３をその下方から押し出す押出しポンチ１２をそれ
ぞれ備えている。更に、押出成形後の前記カップ形状品４を取り出すための素材けりだし
スリーブ１３が前記押出しポンチ１２の周囲に設けられており、前記素材けりだしスリー
ブ１３の下方にはこのスリーブ１３を押し上げるピン１４が設けられている。

ここで、前記第三加工品３に対して冷間押出鍛造によりカップ形状品４を成形する際の
押出し力を比較すると、本願発明に係る前記表１に示す組成からなる低Ｃ素材は、鍛造荷
重９７ＴＯＮによる押出鍛造によりカップ形状品の成形ができる。しかし、ＳＫＤ１１材
は、鍛造荷重１２２ＴＯＮによる押出鍛造を実施したがカップ形状品を成形することがで
きない。また、ＳＫＨ５１材は、１００ＴＯＮの鍛造荷重で外径端面部に無数の割れが発
生するカップ形状品が形成された。表２に実施素材鍛造における形状品質を示す。

前記表１に示す組成からなる低Ｃ素材を冷間押出鍛造によってカップ形状品４に成形し
た後、これに真空浸炭処理を施し、真空焼入れ・焼戻し処理をそれぞれ施した後のカップ
形状部品（最終部品）の寸法変化は次の通りである。すなわち、内外径及び長さは１％前
後プラス側に変化し、底厚は１％前後マイナス側に変化しており、熱処理後でも冷間鍛造
品の高寸法精度と品質を保持している。

また、前記カップ形状品４に浸炭処理を施す前のＣ量は０．０８３Ｗｔ％であるが、浸
炭温度１０００℃以上の真空浸炭・拡散で１．１５Ｗｔ％以上の高濃度の浸炭量を添加す
ることができる。また、浸炭処理後１１００°Ｃ以上の焼入れ、５８０℃高温焼戻しで、
カップ形状部品の肉厚による硬度を表３に示す。また、１０００℃以上の浸炭処理後１１
００℃以上の焼入れ，５８０℃の焼戻しにより、カップ形状部品の内部まで微細な結晶粒
のマルテンサイト組織が得られた。

本発明は上記のように、素材硬さ９３ＨＲＢ以下の延伸性が高い低Ｃ合金鋼の円柱状素
材から冷間鍛造によりカップ形状品に成形すことで、材料歩留りの減少及び生産性の向上
が図られるとゝもに、このカップ形状品に浸炭処理を施すことで、高速度鋼等を利用して
切削加工や熱間鍛造により製造するものと同等の耐摩耗性と靭性に優れた、例えば高性能
バルブリフタとして使用するカップ形状部品を素材製造上の制約条件が少なく低コストで
量産することができる。

カップ形状品の製造工程をその工程順に示す説明図である。 冷間押出鍛造に使用する実施例の金型断面図である。

符号の説明

１：円柱状素材
２：冷間据込加工後の第二加工品
３：再据込加工後の第三加工品
４：冷間押出鍛造法により形成したカップ形状品
１０：ダイス
１０ａ：同成形部
１１：押し込みポンチ
１２：押出しポンチ
１３：素材けりだしスリーブ
１４：ピン

Claims (4)

1. 素材硬さ９３ＨＲＢ以下の延性が高い低Ｃ合金鋼を素材とし、その円柱状素材を冷間鍛
   造によって成形した肉厚３．５ｍｍ以下のカップ形状品であって、浸炭又は浸炭窒化後に
   熱処理を実施することにより、中心部まで７５０Ｈｖ以上の硬度と微細なマルテンサイト
   組織であることを特徴とする靭性と耐摩耗性に優れた冷間鍛造部品。
2. 前記円柱状素材が、質量％でＣ：０．３％以下、Ｃｒ：３．０％以下、Ｓｉ：０．５％
   以下、Ｍｎ：０．５％以下、２Ｍｏ＋ＷとしてＷｅｑ：８．０〜２４．０％、Ｖ：１．０
   〜１０．０％、残部がＦｅと不可避の不純物からなる組成であることを特徴とする請求項
   １記載の靭性と耐摩耗性に優れた冷間鍛造部品。
3. 前記円柱状素材の直径が３０．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載
   の靭性と耐摩耗性に優れた冷間鍛造部品。
4. 素材硬さ９３ＨＲＢ以下の延性が高い低Ｃ合金鋼を素材とし、その円柱状素材を冷間鍛
   造によって肉厚３．５ｍｍ以下のカップ形状品に成形し、１０００°Ｃ以上で浸炭又は浸
   炭窒化処理を実施して微細な硬質の炭化物又は炭窒化物を均一に分散させた後、１１００
   °Ｃ以上の焼入れ，５００°Ｃ以上の焼戻し工程を順次行うことを特徴とする靭性と耐摩
   耗性に優れた冷間鍛造部品の製造方法。

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