JP2009263684A

JP2009263684A - 鋼製部品の製造方法

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Publication number: JP2009263684A
Application number: JP2008111140A
Authority: JP
Inventors: Takao Hayashi; 孝雄林; Yoshio Okada; 義夫岡田; Hideki Usuki; 秀樹臼木; Hiroshi Momozaki; 寛百▲崎▼
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-04-22
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2028-04-22
Also published as: JP5278660B2

Abstract

【課題】熱間鍛造と制御冷却による従来の強化手法に比べて、大幅な降伏強度、衝撃強度及び疲労強度特性の向上が可能な鋼製部品の製造方法と、このような方法によって製造された鋼製部品を提供する。
【解決手段】質量比で、０．２５〜０．８０％のＣ、０．０５〜２．２０％のＳｉ、０．１０〜１．５０％のＭｎと共に、１．２０％以下のＣｒ、０．３０％以下のＶ、０．０８％以下のＴｉ、０．０５％以下のＡｌのうちの１種以上を含有する鋼に、１０５０〜１１５０℃の温度に１０分以上保持したのち、６００〜８５０℃の温度範囲で１５〜５０％の加工率の鍛造（第１鍛造工程）と、５００〜８００℃の温度範囲で６０〜７５％の加工率の鍛造（第２鍛造工程）を順次施し、放冷する。
【選択図】図１

Description

本発明は、降伏強度、衝撃強度及び疲労強度が要求される機械構造用鍛造部品、例えば自動車等の輸送機器に用いられるコンロッド，クランク等のエンジン部品、ホイールハブ，ナックルスピンドル等のシャシー部品などの鋼製部品や鋼材の製造方法、さらにはこのような製造方法によって得られる鋼材や、上記のような鋼製部品に関するものである。

例えば、上記のような鋼製鍛造部品には、従来、クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４４０（ＪＩＳＧ４０５３）等の合金鋼を鍛造後、焼入れ焼戻し処理したものや、バナジウム添加の非調質鋼を熱間鍛造後、制御冷却することにより微細なバナジウム炭窒化物を析出させ、これによってフェライト組織を強化したものが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９‐１９４９３３号公報

しかしながら、最近の自動車の重量増加やエンジンの高出力化に伴い、降伏強度、衝撃強度及び疲労強度向上に対する要求が高く、上記した技術では、その達成が困難になってきている。
本発明は、従来の機械構造用鍛造部品における上記課題をブレークスルーするためになされたものであって、上記のような熱間鍛造と制御冷却による強化手法に比べて、大幅な降伏強度、衝撃強度及び疲労強度特性の向上が可能な鋼製部品の製造方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を行った結果、熱間鍛造時の温度、加工率、加工方向を調整することにより、微細な結晶粒を得ることができ、降伏強度、衝撃強度及び疲労強度が向上することを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の鋼製部品の製造方法は、質量比で、０．２５〜０．８０％のＣ、０．０５〜２．２０％のＳｉ、０．１０〜１．５０％のＭｎと共に、１．２０％以下のＣｒ、０．３０％以下のＶ、０．０８％以下のＴｉ及び０．０５％以下のＡｌから成る群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物から成る鋼に、１０５０〜１１５０℃の温度に１０分以上保持する加熱工程と、６００〜８５０℃の温度範囲で１５〜５０％の加工率の鍛造を行う第１鍛造工程と、５００〜８００℃の温度範囲で６０〜７５％の加工率の鍛造を行う第２鍛造工程を順次施した後、放冷することを特徴としている。

また、本発明の鋼製部品は、上記製造方法によって得られるものであって、フェライト粒径が１０μｍ以下の微細なフェライト−パーライト組織を有するものであり、さらに、このフェライト−パーライト組織が２５０〜４００ＨＶの硬さを有するものである。

本発明によれば、所定の化学成分を有する鋼を特定の温度範囲に所定時間保持した後、特定の温度範囲内で特定の加工率の第１及び第２の鍛造工程をそれぞれ施すようにしていることから、微細な結晶粒から成るフェライト−パーライト組織が得られ、従来の熱間鍛造非調質鋼に比べて、優れた引張強度−靭性バランス、疲労強度を有する鍛造部品を提供することができるという極めて優れた効果がもたらされる。

以下、各種合金成分の作用やその限定理由、鍛造条件の詳細と共に、本発明の実施の形態について、具体的に説明する。なお、本明細書において、「％」は、特記しない限り、質量百分率を意味するものとする。

本発明の鋼製部品の製造方法においては、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎを必須成分として含有すると共に、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ａｌを任意の選択的添加元素として含有する鋼を素材として用いるものであるが、これら合金成分の限定理由について、以下に説明する。

Ｃ：０．２５〜０．８０％
Ｃは、硬さを向上させて、強度を向上させる作用を有する。しかし、Ｃ含有量が０．２５％未満では添加効果に乏しい一方、ｃ含有量が０．８０％を超えると靭性の低下、衝撃強度の低下をもたらすので、０．２５〜０．８０％とした。

Ｓｉ：０．０５〜２．２０％
Ｓｉは、鋼のフェライト組織の固溶強化に有効な元素である。しかし、０．０５％未満では添加効果に乏しく、一方２．２０％を超える含有は脱炭を助長し、強度の低下をもたらすため、その範囲を０．０５〜２．２０％と定めた。

Ｍｎ：０．１０〜１．５０％
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を上げるのに有効な元素である。しかし、Ｍｎ含有量が０．１０％未満では添加効果に乏しい一方、過剰な含有は靭性の低下をもたらすため、その上限を１．５０％と定めた。

Ｃｒ：１．２０％以下
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を向上させるのに有効な元素であるが、過剰な添加は結晶粒界の脆化を招くことから、その上限を１．２０％と定めた。
なお、他の合金元素との組合せによっては、Ｃｒを必ずしも添加しなくてもよい場合があるため、任意の選択的成分とした。

Ｖ：０．３０％以下
Ｖは、微細炭化物を形成し、フェライト組織を析出強化するのに有効な元素であるが、０．３０％を超えて過剰に添加したとしても、上記効果が飽和してくるので、その上限を０．３０％と定めた。
なお、他の合金元素との組合せによっては、Ｖを添加しなくともよい場合があるため、任意の選択的成分とした。

Ｔｉ：０．０８％以下
Ｔｉは、微細炭化物を形成し、Ｖと同様にフェライト組織を析出強化するのに有効な元素である。しかし、０．０８％を超えて過剰に添加しても、上記効果が飽和するので、その上限を０．０８％と定めた。
なお、他の合金元素との組合せによっては、Ｔｉを添加しなくともよい場合があるため、任意の選択的成分とした。

Ａｌ：０．０５％以下
Ａｌは、鋼中のＮと反応してＡｌＮを形成し、オーステナイト結晶粒の粗大化を防止する作用がある。しかし、０．０５％を超えて添加したとしても、その効果が飽和することから、０．０５％以下とした。
なお、Ｎｂを添加した場合は、Ａｌを添加しなくともよい場合があるため、任意の選択的成分とした。

次に、鍛造条件について、その限定理由等について説明する。

加熱工程：１０５０〜１１５０℃×１０分以上
素材鋼の組織をオーステナイト化するためには、Ａ３変態点を超えた温度まで加熱することが必要である。しかし、温度が低いと鋼材の変形抵抗を下げることができず、鍛造荷重が上昇してしまうため、また、Ｖ，Ｔｉ等の元素を一度固溶させる必要があるため下限温度を１０５０℃とした。一方、高温にしすぎると、オーステナイト結晶粒が粗大化してしまう可能性があることと、その後の鍛造温度にまで下がるのに時間がかかりすぎて経済的でないことから、上限温度を１１５０℃とした。
当該温度における保持時間については、Ｖ，Ｔｉ等の元素を均一に固溶させる時間として１０分以上としたが、長時間の高温保持は鋼材表面が脱炭してしまう可能性があるため、好ましくは１０〜３０分とする。

第１鍛造工程：６００〜８５０℃において加工率１５〜５０％の鍛造
第２鍛造工程：５００〜８００℃においてか効率６０〜７５％の鍛造
動的α変態と動的α再結晶を起こさせるため、この温度範囲で鍛造を行うことが必要である。なお、好ましくは、第１段の鍛造を６７５〜７７５℃、第２段の鍛造を６１０〜７１０℃の温度範囲で行うことが好ましい。
さらに、等軸なα粒を得るためには、他方向からの歪量を増やす必要があり、第１段を据え込み鍛造、第２段を押出し鍛造とすることが好ましい。

なお、第２鍛造工程の終了後、再加熱によって素材温度を上げることなく、所定形状に近づけるため、さらに鍛造を施すことが望ましい。

本発明の鋼材又は鋼製部品は、上記の方法によって製造されるものであって、フェライト−パーライト組織を有し、このフェライト−パーライト組織におけるフェライト粒径が１０μｍ以下であることを特徴としている。すなわち、上記フェライト粒径が１０μｍを超えると、強度特性が低下するため好ましくない。

また、上記フェライト−パーライト組織の硬さについては、２５０〜４００ＨＶであることが望ましい。すなわち、上記組織の硬さが２５０Ｈｖに満たないと、引張り強度が低くなる一方、当該硬さが４００ＨＶを超えると、シャルピー値が悪化する傾向があることによる。

以下、本発明を実施例及び比較例を上げて具体的に説明するが、本発明は、これら実施例によって何ら制限されるものではない。

表１に示す化学組成を有する圧延バー材（φ４５×１４５ｍｍ）を１６００トンプレス機を用いて、表２に示す条件で鍛造した。
なお、このときのヒートパターンと鍛造過程で得られた形状を図１に示す。ここで、第１鍛造は据え込み鍛造、第２鍛造は押出し鍛造である。

そして、上記によって得られた鍛造部品から、各種試験片を切り出し、引張試験、硬さ試験、シャルピー衝撃試験、回転曲げ疲労試験を行った。
これらの試験結果を表３、図２及び図３に示す。さらに、ミクロ組織の代表例として、実施例１及び比較例によって得られた鍛造部品のミクロ組織写真を図４に示す。

以上の結果、本発明の実施例１〜５については、極めて微細なフェライト−パーライト組織が得られ、バランスに優れた引張強度及び靭性を有すると共に、疲労強度にも優れるのに対し、加熱保持温度が高く、しかも１２００℃もの高温で１回だけの鍛造を施した比較例の鍛造部品においては、極めて粗いフェライト粒子から成る組織を備え、上記実施例に較べて機械的性能全般、とくに靭性に劣ることが確認された。

実施例及び比較例における鍛造時のヒートパターンと鍛造粗材形状（断面）の変化を順次示す工程図である。実施例及び比較例により得られた鍛造部品における引張強度と靭性のバランスを示すグラフである。実施例及び比較例により得られた鍛造部品における０．２％耐力と疲労限強度の関係を示すグラフである。ミクロ組織の代表例として比較例と実施例１により得られた鍛造部品の組織を示す写真である。

Claims

質量比で、Ｃ：０．２５〜０．８０％、Ｓｉ：０．０５〜２．２０％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％を含有すると共に、Ｃｒ：１．２０％以下、Ｖ：０．３０％以下、Ｔｉ：０．０８％以下、Ａｌ：０．０５％以下のうちの少なくとも１種を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物から成る鋼を用いて、
１０５０〜１１５０℃の温度に１０分以上保持する加熱工程の後、６００〜８５０℃の温度範囲で１５〜５０％の加工率の鍛造を行う第１鍛造工程と、５００〜８００℃の温度範囲で６０〜７５％の加工率の鍛造を行う第２鍛造工程の後、放冷することを特徴とする鋼製部品の製造方法。
上記加熱工程における温度保持時間が３０分以下であると共に、第１鍛造工程における温度範囲が６７５〜７７５℃、第２鍛造工程における温度範囲が６１０〜７１０℃であることを特徴とする請求項１に記載の鋼製部品の製造方法。
第１鍛造工程が圧下率１５〜５０％の据え込み鍛造であって、第２鍛造工程が減面率６０〜７５％の押出し鍛造であることを特徴とする請求項２に記載の鋼製部品の製造方法。
請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の方法によって製造され、フェライト−パーライト組織を有すると共に、当該組織におけるフェライト粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする鋼製部品。
硬さが２５０〜４００ＨＶであることを特徴とする請求項４に記載の鋼製部品。