JP2017031451A

JP2017031451A - 鋳鋼部材

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Publication number: JP2017031451A
Application number: JP2015150639A
Authority: JP
Inventors: チャクラワラアナン; Cakrawala Anang; 泰斗土屋; Taito TSUCHIYA
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2035-07-30
Also published as: CN107923009A; JP6628999B2; EP3330397A4; WO2017017989A1; US20190003022A1; EP3330397A1

Abstract

【課題】強度と靱性に共に優れ、肉厚の低減及び軽量化を実現可能な鋳鋼部材を提供する。【解決手段】質量％で、C：0.10〜1.00％、Si: 0.7%超え2.0％以下、Mn：0.3〜2.0％、Cu：2.0%以下を含有し、残部をFeおよび不可避的不純物からなり、Si(％)≦C(％)×10である鋳鋼部材である。【選択図】図４

Description

本発明は、鋳鋼部材に関し、例えば車両のステアリングナックル等の足廻り部品に好適に適用される鋳鋼部材に関する。

近年、環境への対応として自動車の燃費向上が図られ、自動車部品全般に小型化、軽量化が求められている。例えば、従来から、自動車の足廻り部品にはＦＣＤ（Ferrum Casting Ductile）鋳鉄材、鉄鋼材及び鍛鋼材が多用されているが、これらの材料からなる部品の小型軽量化を実現するためには、その高強度化が求められる。ところで、鉄鋼材や鍛鋼材は、剛性、靭性および強度の確保は比較的容易であるが、成形や加工できる形状が制限されるため、厚さの低減や小型化を図り難く、大幅な軽量化に対応するのが困難である。
一方、鋳鉄に比べて高強度である鋳鋼が構造材料として着目されており、例えば引張強さを１０００ＭＰａに向上させた鋳鋼が開発されている（特許文献１）。

特開2008-7820号公報

ところで、鋳鋼は鋳鉄に比べて欠陥が発生しやすく、内部応力（残留応力）も大きいため、材料特性、特に疲労強度や衝撃値が低下し、使用時に折損等が生じるおそれがあることから、自動車足廻り部品には殆ど適用されていないのが実情である。特に、鋳鋼は肉厚が厚くなるほど、引け巣やガス欠陥などが生じやすくなる。さらに、鋳鋼の組織（偏析および粗大化組織）を均一化し、内部応力を除去して組織を安定化するためには熱処理が不可欠であり、コストアップを招く。
一方、ＦＣＤ鋳鉄は自動車足廻り部品に多用されているものの、その強度を概ね1000MPa以上に高くすると、伸び（延性）と衝撃値（靭性）が著しく低下する傾向にある。また、鋳鉄は延性、靭性だけでなく、剛性（ヤング率）が鋳鋼に比べて低い（鋳鉄は170〜180GPa、鋳鋼は190〜210GPa）。このため、自動車の足廻り部品に必要な剛性や靭性を鋳鉄で確保しようとしても、厚さの低減に限界があるので、大幅な軽量化が期待できないという問題がある。

本発明は、上記問題を解決するものであり、強度と靱性に共に優れ、厚さの低減及び軽量化を実現可能な鋳鋼部材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究を行った結果、所定の組成の鋳鋼により、強度と靱性を共に向上できることを見出した。特に、最小厚み10ｍｍ以下として鋳造すると、強度と靱性を確実に向上できる。
すなわち、本発明の鋳鋼部材は、質量％で、C：0.10〜1.00％、Si: 0.7%超え2.0％以下、Mn：0.3〜2.0％、Cu：2.0%以下を含有し、残部をFeおよび不可避的不純物からなり、Si(％)≦C(％)×10である。

本発明の鋳鋼部材は、質量％で、C：0.15〜0.40％、Si: 1.1%〜2.0%、Mn：0.5〜1.5％、Cu：0.5〜1.5％を含有し、残部をFeおよび不可避的不純物からなることが好ましい。
衝撃値（常温）15J/cm2以上、引張強度680MPa以上1000MPa未満、0.2%耐力450MPa以上、かつ伸び12%以上であることが好ましい。
最小厚みを10ｍｍ以下として鋳造されてなることが好ましい。
最小厚みを1〜6ｍｍとして鋳造されてなることが好ましい。
鋳放しままであることが好ましい。
車両足廻り部品用であることが好ましい。
ステアリングナックルに形成されてなることが好ましい。

本発明によれば、強度と靱性に共に優れ、肉厚の低減及び軽量化を実現可能な鋳鋼部材が得られる。

実施例を作成するための鋳型を示す断面斜視図である。実施例および比較例の引張強度を測定するための引張試験片の寸法を示す図である。実施例および比較例の衝撃値を測定するための衝撃試験片の寸法を示す図である。本発明の鋳鋼部材をステアリングナックルに適用した例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明において％とは、特に断らない限り、質量％を示すものとする。
本発明の実施形態に係る鋳鋼部材は、質量％で、C：0.10〜1.00％、Si：0.7％超え2.0％以下、Mn：0.3〜2.0％、Cu：2.0％以下を含有し、残部をFeおよび不可避的不純物からなり、Si(％)≦C(％)×10である。

＜組成＞
Ｃ（炭素）は、鋳鋼の引張強度、耐力を著しく向上させる一方、伸び、衝撃値を低下させる。Ｃが0.10％未満では耐力と引張強度を向上させる効果が得られず、1.00％を超えると硬く脆くなり伸び、衝撃値が低下する。従って、Ｃを0.10〜1.00％とする。
特に、Ｃを0.15〜0.40％とすると伸び、衝撃値が減じずに引張強度と剛性を向上できるので好ましい。

Ｓｉは、フェライトを強化し、伸びの低下を抑えながら耐力を向上することができるが、結晶粒を粗大化させ衝撃値を低下させる。Ｓｉが0.7％以下では耐力向上の効果が十分に得られず、2.0％を超えると衝撃値が低下する。従って、Ｓｉを0.7％超え2.0％以下とする。
特に、Ｓｉを1.1%以上2.0％以下とすると、耐力（疲労強度）をさらに向上することができる。
又、Si(％)≦C(％)×10とすると、溶湯中でSiとCの含有割合が適切となり、ガス欠陥が生じ難く、安定した鋳造品が得られ、衝撃値と引張強度を共に向上させ、衝撃特性（常温）を確実に15J/cm2以上とすることができる。一方、SiとCが上記関係を満たしていない場合は、ガス欠陥が生じやすくなり、大気溶解で正常な鋳造品を製造することが困難になる。

Ｍｎは、基地組織を強度の高いパーライト化することを促進し、結晶粒を微細化する元素で、衝撃値の低下を抑えながら引張強度を大きく上昇させる。一方、Ｍｎは伸びを低下させる。Ｍｎが0.3％未満では高強度化の効果が十分に得られず、2.0％を超えると伸びが著しく低下する。従って、Ｍｎを0.3〜2.0％とする。
特に、Ｍｎを0.50〜1.50％とすると耐力（疲労強度）を大きく向上できるので好ましい。

Ｃｕは、結晶粒微細化効果が高く、フェライトに固溶するので、伸び、衝撃値の低下を抑えながら特に耐力（疲労強度）を向上させる。Ｃｕが2.0％を超えるとフェライト以外の組織も析出するため、組織を著しく脆化させ、製造時の割れを生じやすくなる。従ってＣｕは2.0％以下とする。
特に、Ｃｕを0.5％〜1.50％とすると、結晶粒微細化効果が高く、伸び、衝撃値の低下量を抑えながら耐力（疲労強度）、引張強度を向上することができるので好ましい。

Ｆｅを95％以上含むことが好ましい。又、不可避不純物としては、P、S、Ni、Cr、Alが挙げられる。特に、Alを脱酸剤として添加することができる。又、鋳造時のガス欠陥防止のため、酸素量は全酸素量で80質量ppm以下に制御することが好ましい。

＜最小厚み＞
本発明の実施形態に係る鋳鋼部材は、最小厚みを10ｍｍ以下として鋳造されてなることが好ましい。一般的な鋳鋼は、肉厚が厚くなるほど引け巣やガス欠陥などが生じやすくなる。また、偏析および粗大化組織を均一化して内部応力を除去し、組織を安定化するための熱処理を施さないと、衝撃値や疲労強度といった材料特性が劣化し、特に自動車部品（足廻り部品）への適用が困難になる。
そこで、最小厚みを10ｍｍ以下として上記組成の鋳鋼を鋳造したところ、結晶粒の微細化により内部応力を低減し、熱処理を施さなくても疲労強度を向上させることに成功した。ここで、最小厚みとは、鋳造品の鋳放しの最小厚みであり、例えば肉厚の厚い鋳造品を後から研削加工したものの厚みを含まない。この場合、鋳放し品は表面（堰やバリ取部を除く）に鋳肌が残るので、研削品と区別できる。
特に、最小厚みを1〜6ｍｍとして鋳造されてなることが好ましい。

本発明の実施形態に係る鋳鋼部材は、上述のように鋳造後に熱処理を施さなくても疲労強度を向上させることができるので、鋳放しままで使用することができる。

本発明の実施形態に係る鋳鋼部材は、常温における衝撃値15J/cm2以上、引張強度680MPa以上1000MPa未満、0.2%耐力450MPa以上、かつ伸び12%以上であることが好ましい。
又、本発明の実施形態に係る鋳鋼部材は、ヤング率が190〜210GPaとなり、ＦＣＤ鋳鉄材のヤング率（約166GPa)よりも高いヤング率を達成できる。
なお、引張強度は「強度」を、0.2%耐力は「疲労強度」を、伸び（破断伸び）は「延性」を、ヤング率は「剛性」を、衝撃値は「靱性」を評価する指標である。

本発明の実施形態に係る鋳鋼部材は、公知の方法で製造することができ、溶解炉や溶解方法は制限されない。鋳造方法も、湯流れ性が満足できれば特に制限されず、重力鋳造法、減圧鋳造法など必要に応じた鋳造法を用いてよい。
又、鋳造時の引け巣欠陥を防止するため、指向性凝固となるように鋳型の各部位の冷却速度を制御するのが好ましく、適宜冷やし金や押し湯を用いるとよい。この場合、肉厚の厚い部位が早く優先的に冷やされるよう、冷やし金を鋳型にセットすると共に、最終凝固部が押し湯になるように調整することができる。上記方法によれば、肉厚の薄い（好ましくは最小厚み10ｍｍ以下）の鋳鋼部材を安定的に鋳造できるので好ましい。

なお、本発明は上述のように強度と靱性のバランスに優れ、高剛性でかつ安定した機械的性質を有するため、車両用部品の軽量化に好適である。特に、自動車用足廻り部品（ナックル、アッパーアーム、ロアアーム、ブレーキキャリパー、トレーリングアーム、ブラケット（ブレーキサポート）等に本発明を好ましく用いることができる。特に高強度と高靭性（衝撃特性）を必要とするステアリングナックルに適用すると、強度だけを向上させた材料を適用させた場合と比べ、強度と剛性を両方向上させているため、更に部品を軽量化することができる。
図４は、本発明の鋳鋼部材をステアリングナックルに適用した例を示し、図４（ａ）、（ｂ）はそれぞれステアリングナックル１００の平面図、側面図である。
なお、ステアリングナックル１００のうち、符号Ａ〜Ｇの部位は他の部品と接続する部分（穴部）であり、接続位置を合わせるための穴部の加工が必要となるので鋳放しではない。従って、ステアリングナックル１００の最小厚みは、符号Ａ〜Ｇの部位を除く鋳放し部位の最小厚みである。

＜鋳造＞
表１に示す成分組成となる鋳鋼を100Kg高周波溶解炉で溶解し、脱酸剤を添加して全酸素量が80質量ppm以下となるように制御し、溶湯を調製した。ベータセット法により造型したY形ブロック鋳型（図１参照）に、指向性凝固するように冷や金と押し湯を設け、上記溶湯を鋳込み、鋳鋼１０Ｃを鋳造した。
図１に示すように、この鋳鋼１０Ｃは、肉厚が１０ｍｍ以下の下方部２Ｐと、肉厚が１０ｍｍを超える幅広の厚肉の上方部４Ｐとを有する。実施例の組織は、フェライトとパーライトを主体（両組織の合計が鋳鋼の６０％以上を占める）とする組織であった。

＜試験片＞
この鋳鋼１０を熱処理することなく、鋳放しままとし、各実施例および比較例の引張試験片及び衝撃試験片を、それぞれ図２、図３に示す寸法で旋盤加工により作製した。引張試験片はJIS Z 2241 に準拠し、衝撃試験片はJIS Z 2242に準拠したＵノッチ付きサブサイズ試験片とした。又、一辺10mmの立方体を鋳鋼１０Ｃから切り出し、ヤング率試験片を作製した。
なお、各実施例と比較例１、２、４〜６は、鋳鋼１０の下方部２Ｐの領域２Ｒから各試験片を作製し、比較例３は鋳鋼１０の上方部４Ｐの領域４Ｒから各試験片を作製した。又、図１〜図３の数値の単位はｍｍである。図２（ａ）及び図３（ａ）はそれぞれ試験片の断面図を示し、図２（ｂ）及び図３（ｂ）はそれぞれ試験片の平面図を示す。又、図３（ｂ）において、Ｕノッチの部分拡大図を矢印で示す。

＜評価＞
以下の評価を行った。
引張り強度、0.2％耐力、破断伸び：上記引張試験片につき、アムスラー万能試験機を用いてJIS Z 2241 に準拠して引張試験を行い、引張り強度、0.2％耐力、破断伸びを測定した。
ヤング率：上記ヤング率試験片につき、アルキメデス法で密度を測定した後、超音波パルス法で縦波音速と横波音速を測定し、これら値からヤング率を算出した。超音波パルス法の測定装置には、菱電湘南エレクトロニクス社製の「デジタル超音波探傷器UI-25」（製品名）を用い、振動子としては栄進化学社製の縦波及び横波用振動子を用いた。
衝撃値：上記衝撃試験片につき、常温（２５℃）でシャルピー衝撃試験機(50J)を用いてJIS Z 2242に準拠した衝撃試験を行い、衝撃値を測定した。
得られた結果を表１に示す。

表１から明らかなように、C：0.10〜1.00％、Si：0.7超〜2.0％、Mn：0.3〜2.0％を含有し、残部をFeおよび不可避的不純物からなり、最小厚みを10ｍｍ以下として鋳造されてなる実施例１〜１１の場合、耐力、強度、靱性に共に優れていた。
特に、Ｃを0.15〜0.40％とした実施例１〜７、９〜１１の場合、実施例８に比べて伸び、衝撃値が減じずに引張強度と剛性を向上できた。

一方、Ｓｉが2.0％を超えた比較例１の場合、衝撃値が大幅に減少した。
Ｓｉが0.7％以下の比較例２、６の場合、耐力が大幅に減少した。
Si(％)＞C(％)×10とした比較例１、４の場合、伸びと衝撃値が著しく低下した。
鋳造時の最小厚みが10ｍｍを超えた比較例３の場合、同一組成の比較例１よりも耐力（疲労強度）、強度、衝撃値がさらに低下した。これは、比較例３の場合、鋳造時に肉厚となったため、内部欠陥が多くなり、偏析や粗大化組織が生じたためと考えられる。従って、鋳造時の最小厚みを10ｍｍ以下とすることが好ましいこととなる。
Ｍｎが0.5％未満の比較例５の場合、強度と耐力が減少した。

２Ｐ鋳鋼の下方部（肉厚が１０ｍｍ以下の肉厚低減部）
４Ｐ鋳鋼の上方部（肉厚が１０ｍｍを超える厚肉部）
１０Ｃ鋳鋼
１００鋳鋼部材（ステアリングナックル）

Claims

質量％で、C：0.10〜1.00％、Si: 0.7%超え2.0％以下、Mn：0.3〜2.0％、Cu：2.0%以下を含有し、残部をFeおよび不可避的不純物からなり、Si(％)≦C(％)×10である鋳鋼部材。
質量％で、C：0.15〜0.40％、Si: 1.1%〜2.0%、Mn：0.5〜1.5％、Cu：0.5〜1.5％を含有し、残部をFeおよび不可避的不純物からなる請求項１記載の鋳鋼部材。
衝撃値（常温）15J/cm2以上、引張強度680MPa以上1000MPa未満、0.2%耐力450MPa以上、かつ伸び12%以上である請求項１又は２に記載の鋳鋼部材。
最小厚みを10ｍｍ以下として鋳造されてなる請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋳鋼部材。
最小厚みを1〜6ｍｍとして鋳造されてなる請求項４に記載の鋳鋼部材。
鋳放しままである請求項１〜５のいずれか一項に記載の鋳鋼部材。
車両足廻り部品用である請求項１〜６のいずれか一項に記載の鋳鋼部材。
ステアリングナックルに形成されてなる請求項７に記載の鋳鋼部材。