JP2020186427A

JP2020186427A - 機械部品

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Publication number: JP2020186427A
Application number: JP2019090504A
Authority: JP
Inventors: 一幸才田; Kazuyuki Saida; 智小椋; Tomo OGURA; 山下　正太郎; Shotaro Yamashita; 正太郎山下; 正和柴原; Masakazu Shibahara; 裕佑本藤; Yusuke Hondo; 小野　数彦; Kazuhiko Ono; 数彦小野; 浅田　毅; Takeshi Asada; 毅浅田; 韋明蘭; Weiming Lan
Original assignee: Komatsu Ltd; Osaka University NUC; University Public Corporation Osaka
Current assignee: Komatsu Ltd; Osaka University NUC; University Public Corporation Osaka
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2020-11-19
Anticipated expiration: 2039-05-13
Also published as: JP7352253B2

Abstract

【課題】溶接部を有する機械部品において溶接割れの発生を抑制する。【解決手段】機械部品１は、炭素鋼からなる第１部材１０と、炭素鋼からなる第２部材２０と、第１部材１０と第２部材２０とを接続する溶接部３０と、を備える。溶接部３０は、０．０２質量％以上０．２５質量％以下の炭素と、０．１０質量％以上１．３５質量％以下の珪素と、０．６質量％以上２．２５質量％以下のマンガンと、０．３質量％を超え２．５質量％以下のチタンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。不可避的不純物であるリンが０．０５質量％以下、硫黄が０．０５質量％以下である。炭素の含有量に対するチタンの含有量の割合が０．５４を超え２４．４未満である。【選択図】図１

Description

本発明は、機械部品に関するものである。

作業機械、輸送機械などの機械のフレーム、ボディ、足回り構造などを構成する機械部品は、複数の部材が溶接部により接続された部分を有する場合がある。このように溶接部を有する機械部品においては、溶接部における溶接割れの発生が問題となる場合がある。特に、厚板同士を溶接部によって接続した構造を含む機械部品においては、溶接棒や溶接ワイヤなどの溶加材の使用量を低減する観点から溶接部における開先角度を小さくする場合がある。このような場合、溶接割れが発生しやすい。

開先角度を小さくしたレーザ溶接において、溶接割れを防止する方法が提案されている（たとえは、特許文献１参照）。

特開２０１５−１２０１８８号公報

上述のように、溶接部を有する機械部品においては、溶接割れの発生を抑制することが必要である。溶接部を有する機械部品において溶接割れの発生を抑制することが、本発明の目的の１つである。

本発明に従った機械部品は、炭素鋼からなる第１部材と、炭素鋼からなる第２部材と、第１部材と第２部材とを接続する溶接部と、を備える。溶接部は、０．０２質量％以上０．２５質量％以下の炭素と、０．１０質量％以上１．３５質量％以下の珪素と、０．６質量％以上２．２５質量％以下のマンガンと、０．３質量％以上２．５質量％以下のチタンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。不可避的不純物であるリンは０．０５質量％以下、硫黄は０．０５質量％以下である。炭素の含有量に対するチタンの含有量の割合は０．５４を超え２４．４未満である。

上記機械部品によれば、溶接割れの発生を抑制することができる。

図１は、機械部品の構造の一例を示す概略断面図である。図２は、機械部品の製造方法の一例を説明するための概略断面図である。図３は、凝固脆性温度範囲と固液共存温度範囲との相関を示す図である。図４は、固液共存温度範囲に及ぼす各元素の含有量の寄与率を示す図である。図５は、固液共存温度範囲に及ぼすＴｉ／Ｃの値の影響を示す図である。

［実施形態の概要］
本願の機械部品は、炭素鋼からなる第１部材と、炭素鋼からなる第２部材と、第１部材と第２部材とを接続する溶接部と、を備える。溶接部は、０．０２質量％以上０．２５質量％以下の炭素と、０．１０量％以上１．３５質量％以下の珪素と、０．６質量％以上２．２５質量％以下のマンガンと、０．３質量％以上２．５質量％以下のチタンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。不可避的不純物であるリンは０．０５質量％以下、硫黄は０．０５質量％以下である。炭素の含有量に対するチタンの含有量の割合は０．５４を超え２４．４未満である。

上記機械部品において、不可避的不純物である窒素は０．０２質量％以下であることが好ましい。

まず、本願の機械部品の溶接部の成分組成を上記範囲に限定した理由について説明する。

炭素（Ｃ）：０．０２質量％以上０．２５質量％以下
炭素は、鋼の強度に大きな影響を及ぼす元素である。炭素含有量が０．０２質量％未満では、溶接部に十分な強度を付与することが難しくなる。一方、炭素含有量が０．２５質量％を超えると、溶接部の靱性が低下する。また、炭素含有量が０．２５質量％を超えると、溶接部の凝固時における液相中の炭素量が増加することで凝固完了温度が低下し、溶接割れ（溶接高温割れ、より詳細には凝固割れ）が発生しやすくなる。そのため、炭素含有量は上記範囲とすることが必要である。また、十分な強度を容易に確保する観点から、炭素含有量は０．０４質量％以上とすることが好ましい。一方、十分な靱性を確保しつつ溶接割れの発生を抑制する観点から、炭素含有量は０．２３質量％以下とすることが好ましい。

珪素（Ｓｉ）：０．１０質量％以上１．３５質量％以下
珪素は、溶接部の母相の強化に寄与する元素である。また、珪素は、製鋼プロセスにおいては脱酸効果を有する元素である。珪素含有量が０．１０質量％未満では、上記効果が十分に得られない。一方、珪素含有量が１．３５質量％を超えると、溶接部の靱性が低下するおそれがある。そのため、珪素含有量は上記範囲とすることが必要である。珪素の添加は鋼の強度を向上させることから、珪素含有量は０．２０質量％以上であることが好ましい。一方、鋼の靭性確保の観点から、珪素含有量は１．１０質量％以下であることが好ましい。

マンガン（Ｍｎ）：０．６質量％以上２．２５質量％以下
マンガンは、溶接部の母相の強化に寄与する元素である。また、マンガンは、珪素と同様に製鋼プロセスにおいては脱酸効果を有する元素である。マンガン含有量が０．６質量％未満では、上記効果が十分に得られない。一方、マンガン含有量が２．２５質量％を超えると、溶接部の靱性が低下するおそれがある。そのため、マンガン含有量は上記範囲とすることが必要である。マンガンは、溶接割れの発生を促進する不可避的不純物元素である硫黄と結合してＭｎＳ（硫化マンガン）を形成することで、溶接割れの発生を抑制する。このような機能を十分に発揮させる観点から、マンガン含有量は０．９質量％以上であることが好ましい。一方、鋼の靭性を確保する観点から、マンガン含有量は２．１質量％以下であることが好ましい。

チタン（Ｔｉ）：０．３質量％を超え２．５質量％以下
チタンは、本願において溶接割れの抑制に寄与する重要な元素である。本発明者らの検討によれば、溶接部の凝固時における液相に含まれる炭素は、凝固完了温度を低下させる。そのため、溶接部の液相に含まれる炭素は、溶接割れの発生を促進する。チタンは、液相に含まれる炭素と結合して炭化物（炭化チタン；ＴｉＣ）を形成する。そのため、溶接部にチタンを導入することにより、凝固時の液相に含まれる炭素量が低減され、溶接割れを抑制することができる。チタン含有量が０．３質量％以下では、上記効果が十分に得られない。一方、チタン含有量が２．５質量％を超えると、液相中に含まれるチタン量が多くなって凝固完了温度が低下することで、溶接割れが促進されるおそれがある。そのため、チタン含有量は上記範囲とすることが必要である。溶接割れを抑制する上記チタンの機能をより確実に発揮させる観点から、チタン含有量は０．３５質量％以上であることが好ましい。一方、チタン含有量が多いことによる上記溶接割れの促進を回避する観点から、チタン含有量は２．４５質量％以下であることが好ましい。

不可避的不純物
意図的に導入された成分以外に、不可避的不純物として、溶接部に上記以外の元素が含まれる場合がある。不可避的不純物であるリン（Ｐ）は、０．０５質量％以下とする必要がある。不可避的不純物である硫黄（Ｓ）は、０．０５質量％以下必要がある。リンおよび硫黄の含有量を低減することにより、溶接割れの発生を抑制することができる。不可避的不純物である窒素（Ｎ）は、０．０２質量％以下であることが好ましい。窒素は、溶接割れを抑制するために添加されたチタンと結合してＴｉＮ（窒化チタン）を形成することで、チタンの添加の効果を低下させる。そのため、不可避的不純物である窒素は低減することが好ましく、具体的には上記の通り窒素含有量は０．０２質量％以下であることが好ましい。また、不可避的不純物であるニッケル（Ｎｉ）は０．０８質量％以下、クロム（Ｃｒ）は０．０３質量％以下、モリブデン（Ｍｏ）は０．０５質量％以下、銅（Ｃｕ）は０．０４質量％以下、アルミニウム（Ａｌ）は０．０２５質量％以下、その他の不可避的不純物の総量は０．１質量％以下が好ましい。

本発明者らは、炭素鋼からなる第１部材と第２部材とが溶接部により接続された構造を有する機械部品において、溶接部における溶接割れを抑制する方策について検討を行った。その結果、以下のような知見を得て本願の発明に想到した。

炭素鋼からなる第１部材と第２部材とを接続する溶接部の成分組成は、上記観点から、炭素、珪素、マンガンの各成分が上記範囲であって、不可避的不純物であるリンおよび硫黄が上記範囲に低減されていることが適切である。本発明者らは、このような成分組成の溶接部における溶接割れ（凝固割れ）の発生に、リンおよび硫黄だけでなく炭素が大きく影響することを見出した。より具体的には、溶接部の凝固時における液相に含まれる炭素が凝固完了温度を低下させることにより、溶接割れの発生を促進する。しかし、炭素は溶接部の強度に寄与する元素であるため、リンおよび硫黄のように、単に含有量を低減する対応を採用すると、溶接部の強度が不十分となるおそれがある。本発明者らは、さらに検討した結果、溶接部にチタンを導入することにより、溶接部の凝固時における液相中でＴｉＣが形成されて液相中の炭素が低減され、凝固完了温度の低下を抑制できることを見出した。

一方、凝固時の液相中におけるチタンの含有量が過剰になると、チタンの存在に起因して凝固完了温度が低下する。その結果、溶接割れが促進される。チタンの含有量が十分であるか否か、および過剰であるか否かは、チタンの含有量だけでなく、炭素の含有量に対するチタンの含有量の割合によって定まる。溶接部におけるチタンの含有量は、上記の通り、０．３質量％を超え２．５質量％以下とする必要がある。

さらに、炭素の含有量に対するチタンの含有量の割合（本願において「Ｔｉ／Ｃの値」ともいう）が０．５４以下では、炭化物の形成による上記効果が十分に発揮されない。一方、Ｔｉ／Ｃの値が２４．４以上となると、凝固時の液相中におけるチタンの含有量が過剰となって、溶接割れの発生が促進される。そのため、Ｔｉ／Ｃの値は０．５４を超え２４．４未満とする必要がある。ＴｉＣの形成による上記効果をより確実に発揮する観点から、Ｔｉ／Ｃの値は３以上とすることが好ましく、５以上、さらには８以上とすることが好ましい。一方、液相中におけるチタンの含有量が過剰となることをより確実に回避する観点から、Ｔｉ／Ｃの値は２０以下とすることが好ましく、１８以下、さらには１５以下とすることがより好ましい。

本願の機械部品の溶接部においては、炭素、珪素、マンガンの各成分が上記適切な範囲に設定され、かつ不可避的不純物であるリンおよび硫黄が上記範囲に低減された成分組成を有する。そして、チタンの含有量が上記適切な範囲とされるとともに、Ｔｉ／Ｃの値が上記適切な範囲に設定されている。その結果、本願の機械部品によれば、溶接割れの発生を抑制することができる。

［実施形態の具体例］
次に、本願の機械部品の具体的な実施の形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

まず、図１を参照して、本実施の形態における機械について説明する。図１は、機械部品の構造の一例を示す概略断面図である。図１は、機械部品の一部である溶接部付近の構造を示す。機械部品は、たとえば作業機械、輸送機械などの機械のフレーム、ボディ、足回り構造などを構成する。

図１を参照して、本実施の形態の機械部品１は、炭素鋼からなる第１部材１０と、炭素鋼からなる第２部材２０と、第１部材１０と第２部材２０とを接続する溶接部３０とを備えている。本実施の形態において、第１部材１０および第２部材２０は、鋼板である。第１部材１０は、互いに平行な第１主面１１と、第２主面１２とを含む。第２部材２０は、互いに平行な第３主面２１と、第４主面２２とを含む。第１主面１１と第３主面２１とが１つの平面に含まれ、第２主面１２と第４主面２２とが他の１つの平面に含まれにように、第１部材１０と第２部材２０とは接続されている。第１部材１０および第２部材２０の厚みは特に限定されるものではないが、たとえば３．２ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。また、第１部材１０および第２部材２０を構成する鋼は特に限定されるものではないが、たとえばＪＩＳ規格ＳＳ４００、ＳＭ４００Ｂ、ＳＭ４９０Ｂなどを採用することができる。

溶接部３０は、紙面に垂直な方向に延びるように形成されている。溶接部３０の長手方向に垂直な断面において（図１に示す断面において）、溶接部３０の幅は、第２主面１２および第４主面２２側に比べて、第１主面１１および第３主面２１側において大きい。溶接部３０の一部は、第１主面１１および第３主面２１を含む平面から突出している。

溶接部３０は、０．０２質量％以上０．２５質量％以下の炭素と、０．１０質量％以上１．３５質量％以下の珪素と、０．６質量％以上２．２５質量％以下のマンガンと、０．３質量％を超え２．５質量％以下のチタンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼から構成されている。不可避的不純物であるリンは０．０５質量％以下、硫黄は０．０５質量％以下である。炭素の含有量に対するチタンの含有量の割合は０．５４を超え２４．４未満である。

本実施の形態の機械部品１の溶接部３０においては、炭素、珪素、マンガンの各成分が上記範囲に設定され、かつ不可避的不純物であるリンおよび硫黄が上記範囲に低減された適切な成分組成を有している。そして、チタンの含有量が上記適切な範囲とされるとともに、Ｔｉ／Ｃの値が上記適切な範囲に設定されている。その結果、本実施の形態の機械部品１は、溶接割れの発生が抑制された機械部品となっている。

上記本実施の形態の機械部品１において、不可避的不純物である窒素は０．０２質量％以下であることが好ましい。これにより、溶接割れを抑制するために添加されたチタンの添加の効果が低下することを抑制することができる。

次に、本実施の形態の機械部品１の製造方法の一例について、図２および図１を参照して説明する。まず、互いに接続されるべき上記第１部材１０および第２部材２０が準備される。

次に、第１部材１０および第２部材２０の端面が互いに向かい合うように第１部材１０および第２部材２０が配置される。具体的には、図２を参照して、第１部材１０の端面には、第１主面１１と鈍角をなし、第２主面１２と鋭角をなす平面に沿う第１傾斜面１３が形成されている。第１部材１０の端面の第１傾斜面１３以外の領域は、第１主面１１および第２主面１２と垂直な平面に沿う第１ベース面１４である。第２部材２０の端面には、第３主面２１と鈍角をなし、第４主面２２と鋭角をなす平面に沿う第２傾斜面２３が形成されている。第２部材２０の端面の第２傾斜面２３以外の領域は、第３主面２１および第４主面２２と垂直な平面に沿う第２ベース面２４である。そして、第１ベース面１４と第２ベース面２４とが向かい合い、第１傾斜面１３と第２傾斜面２３とが向かい合うように、第１部材１０と第２部材２０とが配置される。第１主面１１と第３主面２１とが１つの平面に含まれ、第２主面１２と第４主面２２とが他の１つの平面に含まれにように、第１部材１０と第２部材２０とは配置される。

このとき、第１主面１１と第３主面２１との距離が開先幅Ｗ_１、第１ベース面１４と第２ベース面２４との距離がルート間隔Ｗ_２、第１傾斜面１３と第２傾斜面２３とのなす角が開先角θである。

次に、第１部材１０と第２部材２０とが溶接されることにより、溶接部３０が形成される。溶接は、たとえばＴＩＧ（ＴｕｎｇｓｔｅｎＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接により実施することができる。シールドガスとしては、たとえば不活性ガスであるＡｒ（アルゴン）を採用することができる。これにより、第１部材１０と第２部材２０とを接続する溶接部３０が形成されて、図１に示す本実施の形態の機械部品１が得られる。このとき、溶接部３０が上記成分組成を有するように、溶接が実施される。具体的には、溶接棒や溶接ワイヤなどの溶加材として、たとえばＪＩＳ規格ＹＧＷ１１、ＹＧＷ１５などに、適量のチタンを添加したものを採用することができる。以上の手順により、本実施の形態の機械部品１を製造することができる。

本願の発明の効果を検証する実験および理論解析を行った。まず、表１に示す６種の鋼（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６）を準備し、トランスバレストレイン試験を実施した。

表１において、数値の単位は質量％である。表１に示される成分のうち、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ、Ｎ、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｎ（錫）は意図的に添加されたものではなく、不可避的に混入した不純物、すなわち不可避的不純物である。表１における「−」との表示は、当該成分が分析の測定限界値以下であったことを示す。

Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の鋼から試験片を作成してトランスバレストレイン試験を実施した。試験片の温度履歴と凝固割れの最大長さの飽和値とに基づいて、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の鋼のそれぞれについて、溶接部における凝固時の凝固脆性温度範囲（ＢＴＲ；ＢｒｉｔｔｌｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＲａｎｇｅ）を導出した。ＢＴＲは、溶接割れ（凝固割れ）感受性の指標とすることができる。

一方、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の組成の鋼について、溶接部の凝固時における固液共存温度範囲を理論解析により算出した。具体的には、Ｔｈｅｒｍｏ−ＣａｌｃＳｏｆｔｗａｒｅ社製熱力学ソフトウェアであるＴｈｅｒｍｏ−ｃａｌｃ（データベース：ＴＣＦＥ９）を用いて所定の解析条件で凝固完了温度を求めた。そして、これに基づいてＮｏ．１〜Ｎｏ．６の組成の鋼について、溶接部の凝固時における固液共存温度範囲を導出した。なお、影響が小さいと考えられる銅、アルミニウム、錫については、解析から除外した。トランスバレストレイン試験から導出されたＢＴＲと理論解析により導出された固液共存温度範囲との関係を図３に示す。

図３を参照して、トランスバレストレイン試験から導出されたＢＴＲと理論解析により導出された固液共存温度範囲との間には、正の相関があることが分かる。すなわち、上記理論解析により導出される固液共存温度範囲により、溶接部における溶接割れ（凝固割れ）感受性を評価することに妥当性があるといえる。

図４は、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の組成の鋼に関する上記理論解析により導出された固液共存温度範囲に及ぼす各元素の含有量の寄与率を示す図である。図４を参照して、珪素およびマンガンが固液共存温度範囲に及ぼす影響は非常に小さいことが分かる。一方、固液共存温度範囲に対して、リンおよび硫黄だけでなく、炭素の影響が大きいことが確認される。リンおよび硫黄は不純物であるため含有量が小さく、その変動量も小さい。また、ニッケル、クロム、モリブデン、窒素も不純物であり、その変動量は小さいため、溶接割れへの影響は小さいと考えられる。これに対し、意図的に添加されるため含有量が大きく、その変動量も大きい炭素の影響が重要であるといえる。

図５は、炭素の含有量に対するチタンの含有量の割合（Ｔｉ／Ｃの値）が固液共存温度範囲に及ぼす影響を示す図である。図５は、上記Ｎｏ．５の鋼の成分組成において、チタン含有量変化させた場合を示している。図５において、横軸に平行な一点鎖線は、Ｎｏ．５の鋼の固液共存温度範囲に対応する。図５を参照して、溶接部の凝固時における液相中の炭素含有量は、溶接部にチタンを添加してＴｉＣを形成することにより低減することができる。そのため、炭素に対するチタンの割合（Ｔｉ／Ｃの値）を増加させることにより、Ｔｉ／Ｃの値が１１．７に到達するまでは固液共存温度範囲が小さくなっている。一方、Ｔｉ／Ｃの値が１１．７を超えると、Ｔｉ／Ｃの値が大きくなるにつれて固液共存温度範囲が大きくなっている。これは、凝固時の液相中におけるチタンの含有量が過剰となって、凝固完了温度が低下するためである。

そして、Ｔｉ／Ｃの値が０．５４以上２４．４以下の範囲内において、チタンの添加により固液共存温度範囲が小さくなっている。すなわち、Ｔｉ／Ｃの値が０．５４以上２４．４以下の範囲内において、溶接割れの発生を抑制することができる。また、図５を参照して、ＴｉＣの形成による上記効果をより確実に発揮する観点から、Ｔｉ／Ｃの値は３以上とすることが好ましく、５以上、さらには８以上とすることが好ましい。一方、液相中におけるチタンの含有量が過剰となることをより確実に回避する観点から、Ｔｉ／Ｃの値は２０以下とすることが好ましく、１８以下、さらには１５以下とすることがより好ましい。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって規定され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１機械部品、１０第１部材、１１第１主面、１２第２主面、１３第１傾斜面、１４第１ベース面、２０第２部材、２１第３主面、２２第４主面、２３第２傾斜面、２４第２ベース面、３０溶接部。

Claims

炭素鋼からなる第１部材と、
炭素鋼からなる第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材とを接続する溶接部と、を備え、
前記溶接部は、
０．０２質量％以上０．２５質量％以下の炭素と、
０．１０質量％以上１．３５質量％以下の珪素と、
０．６質量％以上２．２５質量％以下のマンガンと、
０．３質量％を超え２．５質量％以下のチタンと、を含有し、
残部が鉄および不可避的不純物からなり、
前記不可避的不純物であるリンが０．０５質量％以下、硫黄が０．０５質量％以下であり、
炭素の含有量に対するチタンの含有量の割合が０．５４を超え２４．４未満である、機械部品。
前記不可避的不純物である窒素が０．０２質量％以下である、請求項１に記載の機械部品。