JP2016145380A - 大型鍛造用鋼及び大型鍛造部品 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は強度及び靭性に優れ、かつ材質ばらつきを抑制することにより耐久性に優れる大型鍛造用鋼及びこの大型鍛造用鋼を用いた大型鍛造部品の提供を目的とする。【解決手段】本発明の大型鍛造用鋼は、Ｃ：０．１８質量％以上０．３５質量％以下、Ｓｉ：０質量％以上０．３質量％以下、Ｍｎ：１質量％以上２．７質量％以下、Ｎｉ：０質量％以上１質量％以下、Ｃｕ：０質量％以上１質量％以下、Ｃｒ：１．５質量％以上２．５質量％以下、Ｍｏ：０．３５質量％以上０．５５質量％以下、Ｖ：０質量％以上０．１５質量％以下、Ａｌ：０．０１５質量％以上０．０５質量％以下、Ｎ：３０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下、Ｏ：０質量ｐｐｍ超３０質量ｐｐｍ以下、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、金属組織がベイナイトを主体とし、下記式（１）及び（２）を満たすことを特徴とする。【選択図】なし

Description

本発明は、大型鍛造用鋼及び大型鍛造部品に関する。

船舶用駆動源の伝達部材として用いられるクランク軸、中間軸、推進軸、連接棒、ラダーストック、ラダーホーン等の部品には、大型鍛造用鋼が用いられる。船舶用ディーゼルエンジンの出力向上やコンパクト化を実現するため、これらの部品に用いられる大型鍛造用鋼には高強度、高靭性及び高耐久性が必要とされている。

強度及び靭性の高い大型鍛造用鋼としては、その元素組成等を工夫した大型鍛造用鋼が提案されている（特許第３６６３１７０号公報、特許第３８９６３６５号公報、及び特許第４３３２０７０号公報参照）。

このような大型鍛造用鋼は、一般に焼きなまし又は焼き入れを行った後、焼き戻しして製造される。この大型鍛造用鋼の製造において、一般に内部と表面との冷却速度の差によって材質ばらつきが生じる。特に船舶用駆動源の伝達部材の大型鍛造部品では、例えば大型クランクスローであれば全長３５００ｍｍ、ウェブ幅２０００ｍｍというように厚肉の大型鍛造用鋼が必要となる。このような厚肉の大型鍛造用鋼を製造する場合、冷却速度が大型鍛造用鋼の厚み方向や各大型鍛造用鋼間で異なり易い。冷却速度が異なると製造される大型鍛造用鋼の組織が異なり易くなるため、大型鍛造用鋼の厚み方向や複数の大型鍛造用鋼間で材質ばらつきが発生し易い。また、例えばクランク軸のウェブやフィレット部位のように形状の異なる部分において冷却が不均一となり易く、部位による冷却速度の相違から大型鍛造用鋼の材質ばらつきが発生する場合もある。

大型鍛造用鋼の強度が高くとも材質ばらつきが大きい場合、材質ばらつきにより大型鍛造用鋼内に強度の差が生じ、大型鍛造用鋼が振動や変形し易くなるため耐久性が低下し易い。このため、従来の大型鍛造用鋼では、強度及び靭性と材質ばらつきの低減とを両立することが難しい。

特許第３６６３１７０号公報 特許第３８９６３６５号公報 特許第４３３２０７０号公報

本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、強度及び靭性に優れ、かつ材質ばらつきを抑制することにより耐久性にも優れる大型鍛造用鋼及びこの大型鍛造用鋼を用いた大型鍛造部品の提供を目的とする。

本発明者は、鋭意検討した結果、製造される大型鍛造用鋼の組織が冷却速度によって異なり難い元素組成が存在することを知得した。つまり、発明者は、元素組成の異なる多数の大型鍛造用鋼を分析したところ、冷却速度依存性の少ない元素組成とすることで、大型鍛造用鋼の材質ばらつきを抑制できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、上記課題を解決するためになされた本発明の大型鍛造用鋼は、Ｃ（炭素）：０．１８質量％以上０．３５質量％以下、Ｓｉ（ケイ素）：０質量％以上０．３質量％以下、Ｍｎ（マンガン）：１質量％以上２．７質量％以下、Ｎｉ（ニッケル）：０質量％以上１質量％以下、Ｃｕ（銅）：０質量％以上１質量％以下、Ｃｒ（クロム）：１．５質量％以上２．５質量％以下、Ｍｏ（モリブデン）：０．３５質量％以上０．５５質量％以下、Ｖ（バナジウム）：０質量％以上０．１５質量％以下、Ａｌ（アルミニウム）：０．０１５質量％以上０．０５質量％以下、Ｎ（窒素）：３０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下、Ｏ（酸素）：０質量ｐｐｍ超３０質量ｐｐｍ以下、残部がＦｅ（鉄）及び不可避的不純物である組成を有し、金属組織がベイナイトを主体とし、下記式（１）及び（２）を満たすことを特徴とする。

当該大型鍛造用鋼は、その金属組織がベイナイトを主体とするので、強度に優れる。また、この金属組織は、当該大型鍛造用鋼の製造時に主としてベイナイト組織に変態したものであり、この変態時に、上記式（１）を満たすことで、高冷却速度での変態開始温度の低温化が抑制でき、上記式（２）を満たすことで、低冷却速度での変態開始温度の高温化を抑制できる。このように冷却速度による変態開始温度の相違を抑制することで、当該大型鍛造用鋼の材質ばらつきを抑制することができる。さらに当該大型鍛造用鋼の各元素組成を上記範囲内とすることにより、強度及び靭性が確保できる。従って、当該大型鍛造用鋼は、強度及び靭性と共に耐久性に優れる。

当該大型鍛造用鋼がＰ（リン）及びＳ（硫黄）をさらに有し、下記式（３）をさらに満たすとよい。本発明者は、このように当該大型鍛造用鋼が下記式（３）をさらに満たすことで、耐水素割れ性に優れることを見出した。

本発明は、当該大型鍛造用鋼を鍛造した大型鍛造部品を含む。当該大型鍛造部品は、当該大型鍛造用鋼を鍛造して製造されるので、強度及び靭性と共に耐久性にも優れる。従って、当該大型鍛造部品は、船舶用ディーゼルエンジンや発電用ディーゼルエンジンの出力向上やコンパクト化を実現するための部品として好適に用いることができる。

なお、式（１）乃至（３）において、元素記号はその元素の含有率［質量％］を意味する。また、金属組織の「主体」とは、その面積分率が全組織に対し９０面積％以上占めるものをいい、好ましくは面積分率が９９面積％以上のものをいう。

以上説明したように、本発明の大型鍛造用鋼は、強度及び靭性と共に耐久性に優れるので、例えば船舶用ディーゼルエンジンや発電用ディーゼルエンジン等の大型鍛造部品に好適に用いることができる。

関数Ｇの値と低冷却速度時の大型鍛造用鋼の強度との関係を示すグラフである。 関数Ｇの値と低冷却速度時の大型鍛造用鋼の靭性との関係を示すグラフである。 関数Ｆの値と高冷却速度時の大型鍛造用鋼の強度との関係を示すグラフである。 実施例の耐水素割れ性の評価においてＳＳＲＴ（低歪み速度試験）を行っている状態を示す模式的正面図である。

以下、本発明に係る大型鍛造用鋼及び大型鍛造部品の実施形態について説明する。

［大型鍛造用鋼］
＜金属組織＞
当該大型鍛造用鋼は、その金属組織がベイナイトを主体とする。このように金属組織がベイナイトを主体とすることにより、当該大型鍛造用鋼は強度に優れる。

＜組成＞
また、当該大型鍛造用鋼は、Ｃ（炭素）：０．１８質量％以上０．３５質量％以下、Ｓｉ（ケイ素）：０質量％以上０．３質量％以下、Ｍｎ（マンガン）：１質量％以上２．７質量％以下、Ｎｉ（ニッケル）：０質量％以上１質量％以下、Ｃｕ（銅）：０質量％以上１質量％以下、Ｃｒ（クロム）：１．５質量％以上２．５質量％以下、Ｍｏ（モリブデン）：０．３５質量％以上０．５５質量％以下、Ｖ（バナジウム）：０質量％以上０．１５質量％以下、Ａｌ（アルミニウム）：０．０１５質量％以上０．０５質量％以下、Ｎ（窒素）：３０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下、Ｏ（酸素）：０質量ｐｐｍ超３０質量ｐｐｍ以下、残部がＦｅ（鉄）及び不可避的不純物である組成を有する。

〔Ｃ（炭素）〕
当該大型鍛造用鋼のＣ含有率の下限としては、０．１８質量％であり、０．２３質量％がより好ましい。また、当該大型鍛造用鋼のＣ含有率の上限としては、０．３５質量％であり、０．３質量％がより好ましい。Ｃは焼き入れ性を高めると共に強度向上に寄与する元素であり、当該大型鍛造用鋼のＣ含有率が上記下限未満である場合、当該大型鍛造用鋼の十分な強度と焼き入れ性とが確保できないおそれがある。一方、当該大型鍛造用鋼のＣ含有率が上記上限を超える場合、当該大型鍛造用鋼の靭性が低下するおそれや、Ｃの逆Ｖ偏析が助長されるため当該大型鍛造用鋼の被削性が低下するおそれがある。

〔Ｓｉ（ケイ素）〕
当該大型鍛造用鋼のＳｉ含有率の下限としては、０質量％であり、Ｓｉは含まれていなくてもよい。また、当該大型鍛造用鋼のＳｉ含有率の上限としては、０．３質量％であり、０．２質量％がより好ましく、０．１質量％がさらに好ましい。Ｓｉは脱酸元素として酸素量低減に寄与する元素であり、必要により添加される。一方、当該大型鍛造用鋼のＳｉ含有率が上記上限を超える場合、Ｓｉの逆Ｖ偏析が助長されるため当該大型鍛造用鋼の靭性や耐水素割れ性が低下するおそれがある。

〔Ｍｎ（マンガン）〕
当該大型鍛造用鋼のＭｎ含有率の下限としては、１質量％である。また、当該大型鍛造用鋼のＭｎ含有率の上限としては、２．７質量％であり、２．５質量％がより好ましく、１．５質量％がさらに好ましい。Ｍｎは焼き入れ性を高めると共に強度向上に寄与する元素である。当該大型鍛造用鋼のＭｎ含有率が上記下限未満である場合、当該大型鍛造用鋼の十分な強度と焼き入れ性とが確保できないおそれや結晶粒度のばらつきを十分に抑制できないおそれがある。一方、当該大型鍛造用鋼のＭｎ含有率が上記上限を超える場合、Ｍｎの逆Ｖ偏析が助長されるため当該大型鍛造用鋼の靭性や耐水素割れ性が低下するおそれがある。

〔Ｎｉ（ニッケル）〕
当該大型鍛造用鋼のＮｉ含有率の下限としては、０質量％であり、Ｎｉは含まれていなくてもよい。また、当該大型鍛造用鋼のＮｉ含有率の上限としては、１質量％であり、０．５質量％がより好ましく、０．２質量％がさらに好ましい。Ｎｉは強度及び靭性の向上に寄与する元素であり、必要により添加される。一方、当該大型鍛造用鋼のＮｉ含有率が上記上限を超える場合、Ｎｉの逆Ｖ偏析が助長されるため当該大型鍛造用鋼の靭性が低下するおそれがある。下限としては、１．５質量％である。

〔Ｃｕ（銅）〕
当該大型鍛造用鋼のＣｕ含有率の下限としては、０質量％であり、Ｃｕは含まれていなくてもよい。当該大型鍛造用鋼のＣｕ含有率の上限としては、１質量％であり、０．５質量％がより好ましい。Ｃｕは、靭性向上に寄与する元素であり、必要により添加される。一方、当該大型鍛造用鋼のＣｕ含有率が上記上限を超える場合、製造コストが増大するおそれや熱間割れが生じるおそれがある。

〔Ｃｒ（クロム）〕
当該大型鍛造用鋼のＣｒ含有率の下限としては、１．５質量％である。また、当該大型鍛造用鋼のＣｒ含有率の上限としては、２．５質量％であり、２質量％がより好ましく、１．６質量％がさらに好ましい。Ｃｒは焼き入れ性を高めると共に靭性向上に寄与する元素であり、当該大型鍛造用鋼のＣｒ含有率が上記下限未満である場合、当該大型鍛造用鋼の十分な靭性と焼き入れ性とが確保できないおそれがある。一方、当該大型鍛造用鋼のＣｒ含有率が上記上限を超える場合、Ｃｒの逆Ｖ偏析が助長されるため当該大型鍛造用鋼の被削性が低下するおそれがある。

〔Ｍｏ（モリブデン）〕
当該大型鍛造用鋼のＭｏ含有率の下限としては、０．３５質量％であり、０．４５質量％がより好ましい。また、当該大型鍛造用鋼のＭｏ含有率の上限としては、０．５５質量％であり、０．５質量％がより好ましい。Ｍｏは焼き入れ性、強度及び靭性の向上に寄与する元素であり、当該大型鍛造用鋼のＭｏ含有率が上記下限未満である場合、当該大型鍛造用鋼の十分な焼き入れ性、強度及び靭性が確保できないおそれがある。一方、当該大型鍛造用鋼のＭｏ含有率が上記上限を超える場合、Ｍｏのミクロ偏析や重量偏析が助長されるため当該大型鍛造用鋼の靭性が低下するおそれがある。

〔Ｖ（バナジウム）〕
当該大型鍛造用鋼のＶ含有率の下限としては、０質量％であり、０．０３５質量％がより好ましい。また、当該大型鍛造用鋼のＶ含有率の上限としては、０．１５質量％であり、０．１質量％がより好ましい。Ｖは焼き入れ性を高めると共に強度向上に寄与する元素であり、必要により添加される。一方、当該大型鍛造用鋼のＶ含有率が上記上限を超える場合、Ｖの平衡分配係数の低さに起因してミクロ偏析が助長されるため当該大型鍛造用鋼の靭性が低下するおそれがある。

〔Ａｌ（アルミニウム）〕
当該大型鍛造用鋼のＡｌ含有率の下限としては、０．０１５質量％である。また、当該大型鍛造用鋼のＡｌ含有率の上限としては、０．０５質量％である。Ａｌは脱酸元素として酸素量低減に寄与する元素であり、当該大型鍛造用鋼のＡｌ含有率が上記下限未満である場合、当該大型鍛造用鋼の十分な酸素量低減ができないおそれがある。一方、当該大型鍛造用鋼のＡｌ含有率が上記上限を超える場合、酸化物の粗大化を招き、当該大型鍛造用鋼の靭性が低下するおそれがある。

〔Ｎ（窒素）〕
当該大型鍛造用鋼のＮ含有率の下限としては、３０質量ｐｐｍである。また、当該大型鍛造用鋼のＮ含有率の上限としては、１００質量ｐｐｍであり、８０質量ｐｐｍがより好ましく、６０質量ｐｐｍがさらに好ましい。Ｎは窒化物を形成して結晶粒を細粒化し、靭性の確保に寄与する元素であり、当該大型鍛造用鋼のＮ含有率が上記下限未満である場合、当該大型鍛造用鋼の靭性が確保できないおそれがある。一方、当該大型鍛造用鋼のＮ含有率が上記上限を超える場合、固溶Ｎとしてひずみ時効をもたらし、当該大型鍛造用鋼の靭性を低下させるおそれがある。

〔Ｏ（酸素）〕
当該大型鍛造用鋼のＯ含有率は、０質量ｐｐｍ超である。また、当該大型鍛造用鋼のＯ含有率の上限としては、３０質量ｐｐｍであり、１５質量ｐｐｍがより好ましく、１０質量ｐｐｍがさらに好ましい。Ｏは、当該大型鍛造用鋼中に酸化物として存在し、Ｏの含有量は０にはできない。従って、当該大型鍛造用鋼のＯ含有率の下限としては、０質量％超である。一方、当該大型鍛造用鋼のＯ含有率が上記上限を超える場合、酸化物の粗大化を招き、当該大型鍛造用鋼の靭性が低下するおそれがある。

〔他の成分〕
当該大型鍛造用鋼は、上述した成分以外に残部にＦｅ及び不可避的不純物を含む。また、不可避的不純物としては、例えば原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれるＰ（リン）、Ｓ（硫黄）、Ｓｎ（スズ）、Ａｓ（ヒ素）、Ｐｂ（鉛）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔｉ（チタン）等の元素の混入が許容される。

当該大型鍛造用鋼の不可避不純物であるＰの含有率の上限としては、０．１質量％が好ましく、０．０１質量％がより好ましい。当該大型鍛造用鋼のＰ含有率が上記上限を超える場合、粒界編析による粒界破壊を助長するおそれがある。

当該大型鍛造用鋼の不可避不純物であるＳの含有率の上限としては、０．０２質量％が好ましく、０．０１質量％がより好ましい。当該大型鍛造用鋼のＳ含有率が上記上限を超える場合、硫化物系介在物が増大して強度を劣化させるおそれがある。

＜各成分含有量間の関係＞
当該大型鍛造用鋼は、下記式（１）及び（２）を満たす。

当該大型鍛造用鋼の金属組織は、製造時に主としてベイナイト組織に変態したものであるが、この時、上記式（１）及び（２）を満たすことで、当該大型鍛造用鋼の材質ばらつきを低減することができる。今のところ、そのメカニズムは明確ではないが、上記式（１）を満たすことで、高冷却速度での変態開始温度の低温化が抑制でき、上記式（２）を満たすことで、低冷却速度での変態開始温度の高温化を抑制できると考えられる。これにより冷却速度の相違から大型鍛造用鋼の材質ばらつきが抑制され、材質ばらつきによる大型鍛造用鋼内の強度差が発生し難くなる。

さらに詳細に説明すると、式（１）及び式（２）の不等号に挟まれた下記式（４）及び式（５）で表される関数Ｆ及び関数Ｇは、元素組成の異なる多数の大型鍛造用鋼を回帰分析することにより導出した式である。

式（５）の関数Ｇは、図１に示すように主に焼き入れ処理後時の平均冷却速度が１℃／ｍｉｎである低冷却速度時の大型鍛造用鋼の強度と正の相関がある。また、関数Ｇは、図２に示すように低冷却速度時の靭性と負の相関がある。

なお、「強度」はＪＩＳ−Ｚ２２０１の１４号試験片（φ６×Ｇ．３０）を用いＪＩＳ−Ｚ２２４１に基づいて引張強さ（ＴＳ）を測定した値を意味し、「靭性」はＪＩＳ−Ｚ２２０２の試験片（２ｍｍＶノッチ）を用いＪＩＳ−Ｚ２２４２に基づいてシャルピー衝撃試験により室温で吸収エネルギー（ｖＥ）を測定した値を意味する。強度及び靭性共に数値が大きいほど優れていることを意味する。

ここで図１及び図２に示すように関数Ｇの値が増加すると低冷却速度時の大型鍛造用鋼の強度が向上するが、関数Ｇの値が０．５３を超えると大型鍛造用鋼の靭性が１５０Ｊ未満となり、大型鍛造用鋼として靭性不足となるおそれがある。逆に、関数Ｇの値が減少すると大型鍛造用鋼の靭性が向上するが、関数Ｇの値が０．４５未満となると低冷却速度時の大型鍛造用鋼の強度が６５０ＭＰａ未満となり、大型鍛造用鋼として強度不足となるおそれがある。従って、強度及び靭性に優れた大型鍛造用鋼を得るには、式（２）を満たす必要がある。

同様に式（４）の関数Ｆは、図３に示すように主に焼き入れ処理後時の平均冷却速度が１０℃／ｍｉｎである高冷却速度時の大型鍛造用鋼の強度と正の相関がある。関数Ｆの値が０．９５未満となると高冷却速度時の大型鍛造用鋼の強度が６５０ＭＰａ未満となり、大型鍛造用鋼として強度不足となるおそれがある。従って、強度に優れた大型鍛造用鋼を得るには、関数Ｆの値を０．９５以上とする必要がある。

また、関数Ｆの値が大きくなる際、高冷却速度時の大型鍛造用鋼の強度の増加は、低冷却速度時の大型鍛造用鋼の強度の増加よりも大きい。このため、関数Ｆの値が大きくなると、高冷却速度時の大型鍛造用鋼の強度と低冷却速度時の大型鍛造用鋼の強度との差が大きくなり易い。つまり、冷却速度の相違により大型鍛造用鋼の強度差が発生し易くなり、耐久性が低下するおそれがある。ここで関数Ｇが上述の０．５３付近では、低冷却速度時の大型鍛造用鋼の強度は７００ＭＰａ程度である。これに対し、関数Ｆの値が１．１５を超えると高冷却速度時の大型鍛造用鋼の強度が８００ＭＰａを超えるため、低冷却速度時の大型鍛造用鋼の強度との強度差が１００Ｊを超え、大型鍛造用鋼が耐久性不足となるおそれがある。従って、耐久性に優れた大型鍛造用鋼を得るには、関数Ｆの値を１．１５以下とする必要がある。これにより式（１）が導出される。

当該大型鍛造用鋼がＰ（リン）及びＳ（硫黄）をさらに有し、下記式（３）をさらに満たすとよい。このように当該大型鍛造用鋼が下記式（３）をさらに満たすことで、耐水素割れ性に優れる。

今のところ、そのメカニズムは明確ではないが、式（３）を満たすことで耐水素割れの発生起点となるマクロ偏析の量が減少すると共に、偏析が生じた部分の硬度も低減できるため、耐水素割れ性が大きく改善すると推定される。

＜機械的性質＞
当該大型鍛造用鋼の引張強さ（ＴＳ）の下限としては、６５０ＭＰａが好ましく、７００ＭＰａがより好ましい。また、当該大型鍛造用鋼の引張強さの上限としては、８５０ＭＰａが好ましく、８００ＭＰａがより好ましい。当該大型鍛造用鋼の引張強さが上記下限未満である場合、当該大型鍛造用鋼の強度が不足するおそれがある。一方、当該大型鍛造用鋼の引張強さが上記上限を超える場合、当該大型鍛造用鋼の強度の冷却温度依存性が発生し易くなり、当該大型鍛造用鋼の耐久性が不足するおそれがある。

焼き入れ処理時の平均冷却速度を１０℃／ｍｉｎとして製造した大型鍛造用鋼と焼き入れ処理時の平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした以外は同様の条件で製造した大型鍛造用鋼との引張強さ（ＴＳ）の差分の上限としては、１００ＭＰａが好ましく、５０ＭＰａがより好ましい。上記差分が上記上限を超える場合、当該大型鍛造用鋼の強度の冷却温度依存性が発生し易くなり、当該大型鍛造用鋼の耐久性が不足するおそれがある。

シャルピー衝撃試験により室温で測定した当該大型鍛造用鋼の吸収エネルギーの下限としては、１５０Ｊが好ましく、１８０Ｊがより好ましい。また、上記吸収エネルギーの上限としては、２６０Ｊが好ましい。上記吸収エネルギーが上記下限未満である場合、当該大型鍛造用鋼の靭性が不足するおそれがある。一方、上記吸収エネルギーが上記上限を超える場合、当該大型鍛造用鋼の強度が低下するおそれがある。

当該大型鍛造用鋼の水素割れ感受性Ｓ値の上限としては、５０％が好ましく、４０％がより好ましく、３０％がさらに好ましい。上記水素割れ感受性Ｓ値が上記上限を超える場合、大型鍛造用鋼の粒界への水素侵入及び蓄積による粒界破壊で割れが発生するおそれがある。一方、上記水素割れ感受性Ｓ値の下限としては、特に限定されず、低いほどよい。ここで、「水素割れ感受性Ｓ値」とは、０．５Ｍｏｌ／ＬのＨ_２ＳＯ_４及び０．０１Ｍｏｌ／ＬのＫＳＣＮを混合した水溶液に浸漬し、水素を添加しつつ、電流密度０．５Ａ／ｄｍ^２にて陰極電解を行った大型鍛造用鋼の破断応力（伸び）をＳ１、上記水溶液への浸漬を省略した状態、すなわち大気中で測定した大型鍛造用鋼の破断応力をＳ０とするとき、（１−Ｓ１／Ｓ０）×１００で計算される量である。

＜大型鍛造部品＞
当該大型鍛造部品は、当該大型鍛造用鋼を鍛造して製造される。このため、当該大型鍛造用鋼は強度及び靭性と共に耐久性にも優れる。従って、当該大型鍛造部品は、船舶用ディーゼルエンジンの出力向上やコンパクト化を実現するための部品として好適に用いることができる。

＜製造方法＞
当該大型鍛造用鋼は、例えば溶製工程、鋳造工程、加熱工程、素材鍛造工程により製造され、当該大型鍛造用鋼を用いた大型鍛造部品は、部品鍛造工程、焼き入れ前処理工程、焼き入れ処理工程及び機械加工工程を備える製造方法により製造される。

（溶製工程）
溶製工程では、まず高周波溶解炉、電気炉、転炉等を用いて、上述した所定の組成に調整した鋼を溶製する。その後、その溶鋼に真空処理を施し、Ｏ（酸素）、Ｈ（水素）等のガス成分や不純元素を除去する。

（鋳造工程）
鋳造工程では、上記溶製工程で成分調整した鋼を用いて鋼塊（インゴット）を鋳造する。大型鍛造用鋼の場合は、主としてインゴット鋳造が採用されるが、連続鋳造法を採用することも可能である。

（加熱工程）
加熱工程では、所定の温度で所定時間、鋼塊を加熱する。低温になると材料の変形抵抗が増大するので、材料の変形能の良好な範囲で加工を行うために、加熱温度は例えば１１５０℃以上１３５０℃以下とする。また、鋼塊の表面と内部との温度を均一にするために所定の加熱時間が必要であり、加熱時間は例えば３時間以上とする。加熱時間は、一般的に被加工物の直径の２乗に比例すると考えられており、大型材ほど加熱保持時間は長くなる。

（素材鍛造工程）
素材鍛造工程では、加熱工程で加熱された鋼塊を鍛造する。ザク巣やミクロポロシティ等の鋳造欠陥を圧着させるために、鍛錬成形比としては３Ｓ以上が好ましい。このようにして当該大型鍛造用鋼が得られる。

（部品鍛造工程）
部品鍛造工程では、素材鍛造工程で鍛造された鋼塊（大型鍛造用鋼）をクランク軸等の大型鍛造部品に加工する。例えばクランク軸への加工方法としては、クランクアームとクランクピンを一体としたブロックとして鍛造し、ガス切断及び機械加工によってクランク軸形状に仕上る自由鍛造法や、鋼塊の軸心がクランク軸の軸心部となる様に鍛造加工し、中心偏析により特性の劣化を起こし易い部分をクランク軸の全ての軸心部となる様に一体に鍛造加工するＲＲ鍛造法及びＴＲ鍛造法が例示される。中でもＲＲ鍛造法及びＴＲ鍛造法が、クランク軸の表層側を清浄度の高い部分で占めさせることができ、強度及び耐久性に優れたクランク軸が得られ易いので好ましい。

（焼き入れ前処理工程）
焼き入れ前処理工程では、部品鍛造工程の鍛造品を所定温度まで加熱した後、所定時間保持し、その後室温まで冷却する。上記加熱温度としては、５５０℃以上６５０℃以下が好ましく、上記保持時間としては、１０時間以上が好ましい。また、５００℃以上の温度領域では保持温度まで５０℃／ｈｒ以下の昇温速度で加熱するとよい。焼き入れ処理を行う前に焼き入れ前処理工程を行うことにより、鍛造品中の整合析出物を減少させることができる。

（焼き入れ処理工程）
焼き入れ処理工程では、焼き入れ処理を行った後、焼き戻し処理を行う。焼き入れ処理は、焼き入れ前処理工程で冷却された鍛造品を、所定温度まで昇温して所定時間保持した後、所定温度まで冷却する処理である。焼き入れ温度としては、８００℃以上９５０℃以下が好ましく、上記保持時間としては１時間以上が好ましい。また冷却温度としては、４５０℃以上５３０℃以下が好ましい。また、昇温速度としては、３０℃／ｈｒ以上７０℃／ｈｒ以下が好ましく、冷却速度としては、１５℃／ｍｉｎ以下が好ましい。

焼き戻し処理は、焼き入れ処理を行った鍛造品を所定の温度まで徐加熱し、一定時間保持した後、室温まで冷却する処理である。焼き戻し温度としては、５５０℃以上６５０℃以下が好ましく、上記保持時間としては５時間以上２０時間以下が好ましい。また、昇温速度としては、３０℃／ｈｒ以上７０℃／ｈｒ以下が好ましく、冷却速度としては、１５℃／ｍｉｎ以下が好ましい。焼き戻しを行うことにより、強度、延性及び靭性のバランスが調整されるとともに、相変態で生じた内部応力（残留応力）が除去される。

（機械加工工程）
焼き入れ処理工程後の鍛造品から、必要に応じ表層の一部を切削又は研削を含む仕上げ機械加工を施すことで、当該大型鍛造用部品を得ることができる。

＜利点＞
当該大型鍛造用鋼は、その金属組織がベイナイトを主体とするので、強度に優れる。また、この金属組織は、当該大型鍛造用鋼の製造時に主としてベイナイト組織に変態したものであり、この変態時に、上記式（１）を満たすことで、高冷却速度での変態開始温度の低温化が抑制でき、上記式（２）を満たすことで、低冷却速度での変態開始温度の高温化を抑制できる。このように冷却速度による変態開始温度の相違を抑制することで、当該大型鍛造用鋼の材質ばらつきを抑制することができる。さらに当該大型鍛造用鋼の各元素組成を上記範囲内とすることにより、強度及び靭性が確保できる。従って、当該大型鍛造用鋼は、強度及び靭性と共に耐久性に優れる。このため、当該大型鍛造用鋼を用いた当該大型鍛造部品は、船舶用ディーゼルエンジンや発電用ディーゼルエンジン等の出力向上やコンパクト化を実現するための部品として好適に用いることができる。

以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

［実施例１〜１５、比較例１〜２１］
高周波炉を用いて表１に示す成分の鍛造用鋼を溶製し、鋳造して直径１３２ｍｍ以上１５８ｍｍ以下、長さ３２３ｍｍの鋼塊５０ｋｇを製造した。

得られた鋼塊の押湯部分を切除し、温度１２３０℃で５時間以上１０時間以下の加熱をした後、自由鍛造プレス機を用いて高さ比１／２まで圧縮した。次に、この鋼塊を鋼塊中心線を９０°回転させて鍛造し、９０ｍｍ×９０ｍｍ×４５０ｍｍにまで引き伸ばして鋼材を得た。この鋼材を室温となるまで大気中で放冷した。この鋼材を焼き入れ処理前に５５０℃以上６５０℃以下で１０時間以上保持した後、炉冷した。なお、５００℃以上の温度領域では保持温度まで５０℃／ｈｒ以下の昇温速度で加熱した。

その後、小型シミュレート炉を用いて上記鋼材に焼き入れ処理を施した。焼き入れは、上記鋼材を昇温速度５０℃／ｈｒで８７０℃まで昇温し３時間保持した後、５００℃まで冷却した。この時、平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした鋼材及び平均冷却速度を１０℃／ｍｉｎとした鋼材をそれぞれ用意した。その後、それぞれの鋼材に焼き戻し処理を施した。この焼き戻し処理としては、６２０℃の温度で１０時間保持してから炉冷する方法を採用した。このようにして実施例１〜１５及び比較例１〜２１の大型鍛造用鋼を得た。

［評価方法］
実施例１〜１５及び比較例１〜２１の大型鍛造用鋼について以下の評価を行った。評価結果を表２に示す。

＜強度評価＞
強度評価として、各大型鍛造用鋼について引張試験を実施した。引張試験は、ＪＩＳ−Ｚ２２０１の１４号試験片（φ６×Ｇ．３０）を用いＪＩＳ−Ｚ２２４１に基づいて引張強さ（ＴＳ）を測定することで行った。引張強さ（ＴＳ）の数値が大きいほど大型鍛造用鋼が強度に優れることを意味する。なお、引張試験は、平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした大型鍛造用鋼及び平均冷却速度を１０℃／ｍｉｎとした大型鍛造用鋼の双方について実施した。上述のようにこの引張強さの数値が６５０ＭＰａ以上である場合、大型鍛造用鋼が強度に優れると判断できる。また、平均冷却速度の異なる大型鍛造用鋼間の引張強さの差が１００ＭＰａ以下である場合、大型鍛造用鋼が耐久性に優れると判断できる。

＜靭性評価＞
靭性評価として、各大型鍛造用鋼についてシャルピー衝撃試験を実施した。シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳ−Ｚ２２０２の試験片（２ｍｍＶノッチ）を用いＪＩＳ−Ｚ２２４２に基づいて室温で吸収エネルギー（ｖＥ）を測定することで行った。吸収エネルギーの数値が大きいほど大型鍛造用鋼が靭性に優れることを意味する。なお、シャルピー衝撃試験は、平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした大型鍛造用鋼について実施した。上述のようにこの吸収エネルギーの数値が１５０Ｊ以上である場合、大型鍛造用鋼が靭性に優れると判断できる。

＜耐水素割れ性評価＞
耐水素割れ性評価として、各大型鍛造用鋼について比較試験法により水素割れ感受性を比較評価した。耐水素割れ性評価は以下の手順で行った。まず、各大型鍛造用鋼から丸棒形の試験片を採取した。採取した試験片を、長さ１５０ｍｍ、標線間距離１０ｍｍのダンベル状に加工し、中央部分を直径４ｍｍに加工すると共に、両端のつかみ具部分を直径８ｍｍに加工して長さ１５ｍｍにわたってネジを設けた。なお、水素割れ感受性の比較評価は、平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした大型鍛造用鋼について実施した。

次に、図４に示すように、試験片１を、試験装置２にセットして、０．５Ｍｏｌ／ＬのＨ_２ＳＯ_４及び０．０１Ｍｏｌ／ＬのＫＳＣＮを混合した水溶液３に浸漬した。その状態で水素を添加しつつ、電流密度０．５Ａ／ｄｍ^２にて陰極電解を行った。以上の準備を完了した試験片１に、長軸方向の引張負荷Ｎを加えてその破断応力Ｓ１（伸び）を測定するＳＳＲＴ（低歪み速度試験）を実施した。この時、試験装置２のクロスヘッドの引張速度は２×１０^−３ｍｍ／ｍｉｎとした。

一方、水溶液３への浸漬を省略した状態、すなわち大気中で測定した以外は、上記条件と同条件でＳＳＲＴ（低歪み速度試験）を実施して、大型鍛造用鋼の破断応力Ｓ０を測定した。

これらの測定で得られた測定値を下記式（６）に代入して水素割れ感受性Ｓ値を算出した。この水素割れ感受性Ｓ値が５０％以下である場合、大型鍛造用鋼が耐水素割れ性に優れると判断できる。
Ｓ値＝（１−Ｓ１／Ｓ０）×１００ ・・・（６）

なお、表２において、関数Ｈとは、式（３）の左辺の下記式（７）の関数を意味する。

［評価結果］
表２に示すように、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｌ、Ｎ及びＯの含有率が本発明の範囲内であり、かつ式（１）及び式（２）を満たす実施例１〜１５の大型鍛造用鋼は、引張強さ、平均冷却速度の異なる大型鍛造用鋼間の引張強さの差、及び吸収エネルギーが高く、強度、耐久性及び靱性に優れることが分かる。

これに対し、比較例１、４、及び８の大型鍛造用鋼は、関数Ｇの値が小さ過ぎるため、平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした大型鍛造用鋼の引張強さが小さくなったと考えられ、強度が不足することが分かる。また、比較例２、９及び１９の大型鍛造用鋼は、関数Ｆの値が大き過ぎるため、平均冷却速度の異なる大型鍛造用鋼間の引張強さの差が大きくなったと考えられ、耐久性が不足することが分かる。さらに、比較例３、５〜７、及び１１〜１７の大型鍛造用鋼は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｌ、Ｎ及びＯのいずれかの元素が本発明の範囲外であるため、吸収エネルギーが低くなったと考えられ、靭性が不足することが分かる。また、比較例１０の大型鍛造用鋼は、Ｍｏが本発明の範囲よりも少ないため、平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした大型鍛造用鋼の引張強さが小さくなったと考えられ、強度が不足することが分かる。比較例１８、２０、及び２１については、そのメカニズムは明確ではないが、関数Ｆ又は関数Ｇの値が本発明の範囲外であるため、平均冷却速度の異なる大型鍛造用鋼間の引張強さの差を小さくすることができなかったと考えられ、耐久性が不足することが分かる。

また、式（３）を満たす実施例１〜１４は、式（３）を満たさない実施例１５よりも耐水素割れ感受性が低い。このことから、式（３）をさらに満たすことで、大型鍛造用鋼は耐水素割れ性に優れることが分かる。

以上説明したように、本発明の大型鍛造用鋼は、強度及び靭性と共に耐久性に優れるので、例えば船舶用ディーゼルエンジンや発電用ディーゼルエンジン等の大型鍛造部品に好適に用いることができる。

１ 試験片
２ 試験装置
３ 水溶液
Ｎ 引張負荷

Claims (3)

1. Ｃ：０．１８質量％以上０．３５質量％以下、
   Ｓｉ：０質量％以上０．３質量％以下、
   Ｍｎ：１質量％以上２．７質量％以下、
   Ｎｉ：０質量％以上１質量％以下、
   Ｃｕ：０質量％以上１質量％以下、
   Ｃｒ：１．５質量％以上２．５質量％以下、
   Ｍｏ：０．３５質量％以上０．５５質量％以下、
   Ｖ：０質量％以上０．１５質量％以下、
   Ａｌ：０．０１５質量％以上０．０５質量％以下、
   Ｎ：３０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下、
   Ｏ：０質量ｐｐｍ超３０質量ｐｐｍ以下、
   残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、
   金属組織がベイナイトを主体とし、
   下記式（１）及び（２）を満たすことを特徴とする大型鍛造用鋼。
   

   
2. 上記大型鍛造用鋼がＰ及びＳをさらに有し、
   下記式（３）をさらに満たす請求項１に記載の大型鍛造用鋼。
   

   
3. 請求項１又は請求項２に記載の大型鍛造用鋼を鍛造した大型鍛造部品。

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