JP2010270390A - 鍛鋼品及びクランク軸 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】C:0.15〜0.50%、Si:0.6%以下、Mn:0.5〜1.4%、Ni:0.1〜2.5%、Cr:0.1〜1.1%、Mo:0.1〜0.7%、V:0.01〜0.3%、S:0.0002〜0.01%、及びO:0.002%以下を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、深さD/4(D:鍛鋼品の直径)の鋼断面において観察される組織が、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織が90面積%以上であり、且つベイナイト組織が0.008〜5面積%であり、ベイナイト組織の平均粒径が10μm以下であり、ベイナイト組織の最大粒径が50μm以下であり、ベイナイト組織のラス間隔が1.0μm以下である鍛鋼品。
【選択図】なし
Description
C:0.15〜0.50%(質量%の意味。成分組成について以下同じ。)、
Si:0.6%以下(0%を含まない)、
Mn:0.5〜1.4%、
Ni:0.1〜2.5%、
Cr:0.1〜1.1%、
Mo:0.1〜0.7%、
V:0.01〜0.3%、
S:0.0002〜0.01%、及び
O:0.002%以下(0%を含まない)、
を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、
深さD/4(D:鍛鋼品の直径)の鋼断面において観察される組織が、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織が90面積%以上であり、且つベイナイト組織が0.008〜5面積%であり、ベイナイト組織の平均粒径が10μm以下であり、ベイナイト組織の最大粒径が50μm以下であり、ベイナイト組織のラス間隔が1.0μm以下であることを特徴とする。
(C:0.15〜0.50%)
Cは強度向上に寄与する元素であり、鍛鋼品に充分な強度を確保するには、0.15%以上、好ましくは0.20%以上、より好ましくは0.30%以上含有させるのがよい。しかしC量が多過ぎると鍛鋼品の靭性を劣化させるので、0.50%以下、好ましくは0.45%以下、より好ましくは0.42%以下、更に好ましくは0.40%以下に抑える。
Siは脱酸元素であるとともに、強度向上元素として作用するため添加が許容される。しかしSiが多過ぎると逆V偏析が著しくなり、粗大介在物が形成するので、0.6%以下、好ましくは0.35%以下とする。
Mnは、焼入れ性を高めると共に、強度向上に寄与する元素であり、充分な強度と焼入れ性を確保するには0.5%以上、好ましくは0.7%以上、より好ましくは0.9%以上含有するものが望ましい。さらにMnはパーライト変態抑制元素としても知られており、ベイナイト形成に有効な元素である。しかしMnが多過ぎると逆V偏析を助長するので、1.4%以下、好ましくは1.35%以下とすることが望ましい。
Niは、靭性向上元素として有用な元素であり、0.1%以上、好ましくは0.2%以上含有させる。一方、Ni量が過剰になるとコストアップとなるので、2.5%以下、好ましくは1.5%以下とする。
Crは、焼入れ性を高めると共に、靭性を向上させる元素であり、それらの作用は0.1%以上、好ましくは0.2%以上含有させることによって有効に発揮される。さらにCrは、パーライト変態抑制元素としても知られており、ベイナイト形成に有効な元素である。しかしCrが多過ぎると逆V偏析を助長して粗大介在物が形成するので、1.1%以下、好ましくは1.0%以下とすることが望ましい。
Moは、焼入れ性、強度および靭性の向上に有効に作用する元素であり、それらの作用を有効に発揮させるには0.1%以上、好ましくは0.2%以上含有させることが望ましい。しかしMoは平衡分配係数が小さいので、その量が過剰になると、ミクロ偏析(正常偏析)を生じ易くなる。またMo量が過剰になると、コストアップにつながる。そこでMo量は、0.7%以下、好ましくは0.5%以下とすることが望ましい。
Vは、析出強化及び組織微細化の作用を有し、高強度化に有用な元素である。この様な作用を有効に発揮させるには、Vを0.01%以上、好ましくは0.02%以上含有させることが推奨される。但しVを過剰に含有させても、上記作用は飽和し、経済的に無駄であるので、その量を0.3%以下、好ましくは0.15%以下とすることが望ましい。
Sは、鋼中のMn、Mg、Ca等と結合し、逆V偏析を助長してS系介在物を形成する。細長い形状をしたS系介在物は、長径が大きな粗大介在物となり易く、水素割れの起点となり得る。従って粗大なS系介在物を減少させるために、S含有量は0.01%以下、好ましくは0.0015%以下とする。一方、ベイナイト組織中の微細なS系介在物は、多数の応力場を形成し、余剰水素を捕捉しやすく、ベイナイト組織の耐水素割れ性を改善する効果がある。このような微細S系介在物を確保するために、S含有量を、0.0002%以上、好ましくは0.0004%以上、より好ましくは0.0006%以上とする。
O(酸素)は、SiO2、Al2O3、MgO、CaO等の酸化物系介在物を形成する元素である。Oは極力低減することによって、粗大介在物を抑制し、微細な介在物を析出させることができる。そのためO量を、0.002%以下、好ましくは0.001%以下とする。但し工業生産上、O(酸素)を0%とすることは困難である。
Cuは、靭性向上及び組織微細化の作用を有し、これらの作用を発揮させるために鋼に含有させても良い。しかしCu量が過剰になるとコストアップとなるので、0.2%以下、好ましくは0.15%以下とする。
Caは、硫化物の延伸性を抑制できる作用を有し、この作用を有効に発揮させるために鋼に含有させても良い。しかしCa量が過剰になってもこの作用は飽和するため、0.1%以下とする。
Ti、Zr、Hfは、靭性向上及び組織微細化の作用を有し、これらの作用を有効に発揮させるためにいずれか1種以上を鋼に含有させても良い。しかしTi、Zr、Hf量が過剰になると粗大な炭化物が析出するため、合計で0.1%以下、好ましくは0.01%以下とする。
本発明の鍛鋼品における鋼組織は、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織が90面積%以上であって、ベイナイト組織が0.008〜5面積%であることが必要である。その他の組織として、残留オーステナイト組織などが存在しても良い。
鍛鋼品の水素割れは、偏析部にて発生するが、水素割れの伝播は偏析界面を経由せず、偏析内を経由することが多い。水素割れの発生・伝播は偏析部の組織に依存していると推定されるため、水素割れを抑制するためには、偏析部の組織構造を制御することが重要である。
粗大介在物は、水素割れの起点や伝播経路となって、耐水素割れ性に悪影響を及ぼす。長径が20μmを超える粗大介在物が存在すると、結晶粒界よりも、その介在物と鋼組織との界面で水素割れが発生しやすい。そこでベイナイト組織中の最長介在物の長径を、好ましくは20μm以下、より好ましくは15μm以下に制御することが推奨される。
本発明の鍛鋼品は、例えば以下のように鋼組織および介在物を制御して、製造することができる。
Ac3点以上の温度からの焼入れ又は焼ならし処理と製品形状への成形(例えば熱間鍛造または冷間鍛造)とを1回または2〜5回繰り返すことによって、或いは高加工率で成形することによって、オーステナイト粒径を低減し、その結果、ベイナイト組織の結晶粒径を微細化できる。また、焼入れ又は焼ならし等の熱処理中に成形することによっても、ベイナイト組織の結晶粒径を微細化できる。
本発明において、介在物を制御する方法は問わないが、本発明の成分範囲とすること、特にSi、Cr、S、O量を制御することが重要である。また水素割れを防止するために、微細な介在物を形成する元素を積極的に添加し、凝固時に晶析出する介在物を増加させると良いが、その添加量は、粗大介在物が形成されない程度の量に抑制することが望ましい。さらには以下のような方法で、S系介在物、Ti系介在物の制御を行うと良い。
まずは、ベイナイト組織がほぼ100面積%である予備試験品を使用する予備試験で、ベイナイト組織の耐水素割れ性を評価した。
真空誘導溶解で下記表1のa〜c、fの組成を有するインゴットを150kg溶製した後、10kgずつ分断した。これを冷間鍛造(室温、加工率20%、加工率=(h1−h2)×100/h1、h1:鍛造前の厚さ、h2:鍛造後の厚さ)し、次いで50℃/時間で870℃まで加熱して2時間保持し、次いで400℃または500℃まで油冷して、その温度で1時間保持し、その後、室温まで空冷(1〜2℃/分)する工程1(「工程1」=「冷間鍛造→加熱・870℃で保持→油冷・保持→空冷」)を1〜2回実施することによって、結晶粒径を制御した。この工程1を1〜2回実施した後に、50℃/時間にて640℃まで加熱して、その温度で10時間保持してから、放冷することによって、ベイナイト組織がほぼ100面積%である予備試験品を得た。各予備試験品の製造条件を表2に記載する。
予備試験品の組織構造は、後述する方法によって求めた。結果を表2に示す。
各予備試験品の耐水素割れ性を、以下のようにして、水素割れ破断が発生するまでの時間(以下「水素割れ時間」と略称する。)で評価した。なお大型品では、元々存在する水素により割れが発生するが、予備試験品のような小型品では水素が抜けきってしまうので、この耐水素割れ性は、水素チャージして評価した。
予備試験品の製造条件、ベイナイト組織及び耐水素割れ性の評価を表2にまとめて記載する。
予備試験鋼の結果を参考として、大型鋼塊から本試験品を製造し、評価した。
電極アーク加熱機能を備える溶鋼処理設備によって、上記表1のa、d又はeに示す化学成分の鋼をそれぞれ溶製し、40トンクラス(全高3m、直径1.5m)の鋳型に鋳造した。なお溶湯段階での水素量は、ハイドリス測定で3ppmであった。凝固した鋼塊を1000℃付近で脱型した後、約1200℃まで加熱し、同温度で熱間鍛造を施し、断面直径150mm(本試験品No.1〜6)又は断面直径700mm(本試験品No.7)の鍛造品に仕上げた。熱間鍛造は、鋼塊本体をプレス機により伸ばした後、専用工具を用いて丸断面に成形した。
本試験品の端部で、表面から深さD/4の位置から試料を採取し、残留オーステナイトの変態を防ぐため電解研磨を行った後、EBSP(Electron Back Scatter diffraction Pattern)検出器を備えたFE−SEM(Field Emission type Scanning Electron Microscope)で、組織の構造および面積率を測定した。なおEBSPは、試料表面に電子線を入射させ、このときに発生する反射電子から得られた菊池パターンを解析することにより、電子線入射位置の結晶方位を決定するものであり、電子線を試料表面に2次元で走査させ、所定のピッチごとに結晶方位を測定すれば、試料表面の方位分布を測定できる。
上記SEM装置にて、150μm×150μmの測定範囲および1000倍の倍率でフェライト−パーライト組織、ベイナイト組織の微細割れの有無をそれぞれ調べ、下記基準で評価した。結果を表3に示す。
○:長さ1μm以上の割れが存在しない。
△:長さ1μm以上の割れが1つでも存在する。
×:長さ10μm以上の割れが1つでも存在する。
本試験品の鋼種、冷却工程、組織観察の結果および水素割れの評価結果を、表3にまとめて示す。
Claims (8)
- C:0.15〜0.50%(質量%の意味。成分組成について以下同じ。)、
Si:0.6%以下(0%を含まない)、
Mn:0.5〜1.4%、
Ni:0.1〜2.5%、
Cr:0.1〜1.1%、
Mo:0.1〜0.7%、
V:0.01〜0.3%、
S:0.0002〜0.01%、及び
O:0.002%以下(0%を含まない)、
を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、
深さD/4(D:鍛鋼品の直径)の鋼断面において観察される組織が、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織が90面積%以上であり、且つベイナイト組織が0.008〜5面積%であり、ベイナイト組織の平均粒径が10μm以下であり、ベイナイト組織の最大粒径が50μm以下であり、ベイナイト組織のラス間隔が1.0μm以下であることを特徴とする鍛鋼品。 - さらにCu:0.2%以下(0%を含まない)を含有する請求項1に記載の鍛鋼品。
- さらにCa:0.1%以下(0%を含まない)を含有する請求項1または2に記載の鍛鋼品。
- さらにTi、Zr、Hfよりなる群から選択されるいずれか1種以上:合計0.1%以下(0%を含まない)を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の鍛鋼品。
- ベイナイト組織で観察される最長介在物の長径が20μm以下であり、ベイナイト組織で観察される長径1〜10μmの介在物の密度が5〜500個/cm2である請求項1〜4のいずれかに記載の鍛鋼品。
- ベイナイト組織で観察される最長介在物の長径が20μm以下であり、ベイナイト組織で観察され、Ti、Zr、Hfよりなる群から選択されるいずれか1種以上の元素を含有しかつ長径が0.005〜1μmの介在物の密度が10個/μm2以上である請求項4に記載の鍛鋼品。
- クランクジャーナルまたはクランクスローである請求項1〜6のいずれかに記載の鍛鋼品。
- 請求項7に記載のクランクジャーナルまたはクランクスローを有する組立型クランク軸。
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