JP3900690B2 - 時効硬化型高強度ベイナイト鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車エンジンのクランクシャフト、コネクティングロッドのように、高い強度と優れた被削性を必要とする部品に最適な、熱間鍛造用時効硬化型ベイナイト鋼およびその鍛造品の製造方法を提供するものであり、自動車エンジン部品の軽量化を可能とする。
【０００２】
【従来の技術】
自動車エンジンのクランクシャフトやコネクティングロッド等のエンジン部品は、高い強度と優れた被削性が要求されるために、炭素鋼や低合金鋼にＳやＰｂ等の快削元素を添加した鋼を熱間鍛造し、焼入焼もどしの熱処理を施した後、機械加工して使用されている。
近年では低コスト化ニーズより、前記部品において、焼入焼もどしの熱処理を省略する、いわゆる非調質鋼の採用が活発となっており、部品に要求される強度特性に応じてフェライト・パーライト型、ベイナイト型、あるいはマルテンサイト型等、各種の非調質鋼が開発、実用化されている。
【０００３】
一方、最近では自動車の燃費規制やエンジンの高出力化の動向を受けて、自動車エンジン部品の軽量化ニーズが強く、高強度の鋼材を用いて部品を薄肉軽量化する動きが活発となっている。そこで上記の低コスト化ニーズと軽量化ニーズを両立させる手法として、高強度非調質鋼の適用が考えられ、例えば特開平4-193931では、フェライト・パーライト型非調質鋼において化学成分のコントロールと鍛造加熱条件のコントロールにより、表面が黒皮鍛造肌のまま使用される部品の疲労強度を改善した発明が、特開平5-302116では、ベイナイトあるいはベイナイト＋マルテンサイト型非調質鋼において鍛造放冷後に焼もどし処理を施すことにより、降伏比、耐久比を改善した発明が、特開平10-140285では、非調質鋼の硬さの冷却速度依存性と鍛造部品の形状，寸法とをうまく組み合わせて、被削性と高強度化を両立させた発明がそれぞれ開示されている。
【０００４】
しかしながらチタン合金やアルミ合金に匹敵する軽量化効果を得るまでに鋼を高強度化しようとした場合には、硬さの大幅な上昇が避けられず被削性の低下を招くという問題が生ずる。この問題に対して、前記の特開平4-193931では目標の軽量化効果の達成は不可能であり、特開平5-302116では被削性確保のために多量の快削元素の含有が必要不可欠となるため、材料のコスト増加を招くとともに、快削元素含有量増加による介在物量増加によって、圧延や鍛造等，塑性加工性の劣化や疲労強度低下の問題が生ずる。また特開平10-140285では、非切削加工部位を薄肉化し切削加工部位は厚肉とすることで、快削元素の添加量を増加させなくても、高強度化と被削性確保の両立がある程度確保はされるものの、その効果には限界があるとともに、前記のような部品形状に制約されてしまうことが課題となる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記のように、チタン合金やアルミ合金に匹敵する軽量化効果を得るまでに鋼を高強度化するとともに、快削元素含有量を大幅に増加させることなく、かつ部品の設計形状を制約しなくても被削性を確保するための方策について、発明者らは種々の検討を試みた結果、以下の着想に至った。すなわち、Ｖ量が高くかつベイナイト組織が主体の鋼において、時効処理前後での硬さが大きく変化し、時効前の硬さを低く、時効後の硬さを高くすることができることが知見された。よって時効前に切削粗加工を行った後に時効処理することで、高強度化と被削性確保の両立が可能となる。
【０００６】
また、前記のような鋼の高強度化による軽量化に際しては、特に降伏強度（0.2%耐力）の向上が重要となるが、Ｖ量の高いベイナイト鋼を時効処理すると、一般の調質鋼および非調質鋼に比べて同一硬さでの0.2%耐力が高くなる、すなわち高い降伏比が得られることが知見された。よって前記のような時効前の切削加工は勿論、時効処理後に切削加工する場合においても、 Ｖ量の高いベイナイト鋼では一般の調質鋼および非調質鋼に比べて、同一の0.2%耐力の値における硬さが低くできるので、被削性を向上させることが可能となる。
【０００７】
そして前記効果を得るためには、Ｖ含有量を0.51％以上とすることが必要であり、更には1150〜1300℃の加熱温度にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を、40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%） ≦ ＣＶ ≦ 500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）として200℃以下の温度まで冷却することで硬さをHv400以下、組織をベイナイト率70%以上とさせることが必要となることを知見した。また、上記の鋼材もしくは鍛造品においては、加工熱処理中にＶ炭窒化物が析出して結晶粒を微細化させるために、80μm以下の旧オーステナイト結晶粒径が得られ、これを550〜700℃の温度にて時効処理することで、結果として降伏点もしくは0.2%耐力を900MPa以上とすることが可能となることを知見し、本発明に至ったものである。
【０００８】
第１の発明は、化学組成が質量%で、C：0.06〜0.20%、Si：0.03〜1.00%、Mn：1.50〜3.00%、Cr：0.50〜2.00%、Mo：0.05〜1.00%、Al：0.002〜0.100%、V:0.51〜1.00%、N：0.0080〜0.0200%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を1150〜1300℃の加熱温度にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を、40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）
≦ ＣＶ ≦ 500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）として200℃以下の温度まで冷却することで硬さをHv400以下、組織をベイナイト率70%以上でかつ旧オーステナイト結晶粒径80μm以下とし、その後切削加工又は切削加工及び塑性加工を加え、更にその後550〜700℃の温度にて時効処理を施すことにより、降伏点もしくは0.2%耐力を900MPa以上とすることを特徴とする時効硬化型高強度ベイナイト鋼である。
【０００９】
第２の発明は、化学組成が質量%で、C：0.06〜0.20%、Si：0.03〜1.00%、Mn：1.50〜3.00%、Cr：0.50〜2.00%、Mo：0.05〜1.00%、Al：0.002〜0.100%、V:0.51〜1.00%、N：0.0080〜0.0200%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を1150〜1300℃の加熱温度にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を、40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）
≦ ＣＶ ≦ 500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）として200℃以下の温度まで冷却することで硬さをHv400以下、組織をベイナイト率70%以上でかつ旧オーステナイト結晶粒径80μm以下とし、その後切削加工又は切削加工及び塑性加工を加え、更にその後550〜700℃の温度にて時効処理を施すことにより、降伏点もしくは0.2%耐力を900MPa以上とすることを特徴とする時効硬化型高強度ベイナイト鋼の製造方法である。
【００１０】
第３の発明は、化学組成が質量％で、Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%から選択した1種または2種を含有することを特徴とする請求項１に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼である。
【００１１】
第４の発明は、化学組成が質量％で、Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%から選択した1種または2種を含有することを特徴とする請求項２に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼の製造方法である。
【００１２】
第５の発明は、化学組成が質量％で、S：0.04〜0.12%、
Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、 REM：0.001〜0.10%から選択した1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼である。
【００１３】
第６の発明は、化学組成が質量％で、S：0.04〜0.12%、
Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、 REM：0.001〜0.10%から選択した1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項２に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼の製造方法である。
【００１４】
第７の発明は、化学組成が質量％で、Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%から選択した1種または2種を含有し、かつ、S：0.04〜0.12%、
Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、 REM：0.001〜0.10%から選択した1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼である。
【００１５】
第８の発明は、化学組成が質量％で、Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%から選択した1種または2種を含有し、かつ、S：0.04〜0.12%、
Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、 REM：0.001〜0.10%から選択した1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項２に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼の製造方法である。
【００１６】
次に、本発明における構成成分の限定理由について述べる。
C：0.06〜0.20%
Cは、機械構造用鋼としての強度を確保するための必須元素であり、0.06%以上、望ましくは0.08%以上必要である。しかし、多すぎると硬さ増加から被削性の劣化を招くため上限を0.20%、望ましくは0.18%以下とする。
Si：0.03〜1.00%
Siは、製鋼時の脱酸材として不可欠であるため下限を0.03%、望ましくは0.10%以上とする。しかし、過剰に添加すると鋼中に高硬度の介在物であるSiO2を生成させて被削性を劣化させるため上限を1.00%、望ましくは0.80%以下とする。
【００１７】
Mn：1.50〜3.00%
Mnは、熱間圧延もしくは熱間鍛造後の冷却過程でベイナイト組織が得られるための焼入性を確保する上で重要な元素であり、ベイナイト組織を得るためには少なくとも1.50%以上、望ましくは1.80%以上必要である。しかし、多すぎるとマルテンサイト主体の組織となり、時効処理前の硬さが増加して被削性が劣化するため上限を3.00%、望ましくは2.70%以下とする。
Cr：0.50〜2.00%
CrはMnと同様、熱間圧延もしくは熱間鍛造後の冷却過程でベイナイト組織が得られるための焼入性を確保する上で重要な元素であり、ベイナイト組織を得るためには少なくとも0.50%以上、望ましくは0.70%以上必要である。しかし、多すぎるとマルテンサイト主体の組織となり、時効処理前の硬さが増加して被削性が劣化するため上限を2.00%、望ましくは1.60%以下とする。
【００１８】
Mo：0.05〜1.00%
MoはMn,Crと同様、熱間圧延もしくは熱間鍛造後の冷却過程でベイナイト組織を安定して得るために必要な元素であるとともに、ベイナイト組織を微細化させて強靭性を高め、また時効処理時にMo2Cを析出させて時効硬化させる働きがあり、前記効果を得るためには少なくとも0.05%以上、望ましくは0.10%以上必要である。しかし必要以上に多く添加しても、その効果が飽和するとともにコスト高となるため、上限を1.00%、望ましくは0.60%以下とする。
Al：0.002〜0.100%
Alは脱酸のために不可欠の元素であり0.002%以上、望ましくは0.005%以上必要であるが、必要以上に添加させるとAl2O3の形成によって被削性を劣化させるため、上限を0.100%、望ましくは0.060%以下とする。
【００１９】
V:0.51〜1.00%
Vは本発明において、時効処理後にV(CN)を析出させて硬さおよび降伏強度を高める点で最も重要な働きをする元素であり、前記効果を必要十分に得るためには、少なくとも0.51%以上、望ましくは0.53%以上必要である。しかしながら必要以上に多く添加してもその効果が飽和するとともに、著しい靭性の劣化やコスト増加を招くため、上限を1.00%、望ましくは0.70%以下とする。
N：0.0080〜0.0200%
NはVとの親和力が高い元素であり、本発明においては、熱間圧延もしくは熱間鍛造中にVNとして析出し、そのピン止め効果によってオーステナイト結晶粒径を80μm以下にする働きがあるとともに、時効処理後のV(CN)析出による強度増加に対して必要不可欠な元素であり、前記効果を必要十分に得るためには、少なくとも0.0080%以上、望ましくは0.0100%以上必要である。しかしながら必要以上に多く添加してもその効果が飽和するとともに、著しい靭性の劣化やコスト増加を招くため、上限を0.0200%、望ましくは0.0180%以下とする。
【００２０】
Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%
Ti、Nbは、Vと同様にTi(CN)、Nb(CN)として鋼中に析出し、そのピン止め効果によってオーステナイト結晶粒径を微細化させる働きがあり、必要に応じて添加されるものである。前記効果を得るためには、それぞれ最低でも0.01%以上の含有が必要である。しかしながら必要以上に多く添加してもその効果が飽和するとともにコスト増加を招くため、上限を0.10%とする。
S：0.04〜0.12%、 Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、 REM：0.001〜0.10%
S、Pb、Bi、Ca、REMは被削性の改善に有効な元素であり、必要に応じて添加されるものである。前記効果を得るためには、それぞれ0.04%、0.01%、0.01%、0.0005%、0.001%の含有が必要である。しかし多量に含有させると、コスト増加を招くとともに、介在物量増加によって、圧延や鍛造等，塑性加工性の劣化や疲労強度低下の問題が生ずるため、上限をそれぞれ0.12%、0.30%、0.30%、0.01%、0.10%とした。
【００２１】
次に本発明の製造条件限定理由について説明する。
熱間圧延もしくは熱間鍛造時の加熱温度を1150〜1300℃に限定したのは、加熱温度が1150℃未満になると時効処理前の段階で鋼中にＶが十分に固溶せず、その後の時効硬化が十分に得られないためであり、また1300℃を超える加熱温度になると加熱段階でのオーステナイト粒が粗大化したり混粒を生じたりして、最終的に旧オーステナイト粒径80μm以下が達成不可能となるためである。ここで、熱間圧延もしくは熱間鍛造時の加熱温度としているのは、部品の製造工程によって加熱温度制御する工程が異なることを意味しており、熱間鍛造を実施する場合には、熱間鍛造時の加熱温度を上記温度範囲に限定し、熱間鍛造を行わない場合、例えば圧延鋼材より直接部品を切削加工して製造する場合には、熱間圧延時の加熱温度を上記温度範囲に限定する必要がある。
【００２２】
熱間圧延もしくは熱間鍛造後の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を800〜500℃の温度範囲で限定したのは、平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）が40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）未満になると、初析フェライトやパーライトが生成してベイナイト率70%以上を確保することが困難になるためであり、またＣＶ（℃/min）が500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）を超えると、マルテンサイトが生成してしまい、ベイナイト率70%以上を確保することが困難になるためである。ここで平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）は、冷却中に800℃に達してから500℃に達するまでに要した時間（min）でもって300℃（＝800℃−500℃）を除した数値を示す。
【００２３】
冷却を200℃以下の温度までと限定した理由は、冷却中のベイナイト変態を十分に生じさせてベイナイト率70%以上を確保するためである。
硬さをHv400以下と限定した理由は、その後に施される切削加工ないし塑性加工の加工性を確保させるためであり、硬さがHv400を超えると急激に切削加工性、塑性加工性が劣化する。なお、前記請求範囲内の組成の鋼を加熱温度1150〜1300℃にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、前記限定条件にて冷却した場合に、硬さはHv400以下となる。
【００２４】
組織をベイナイト率70%以上と限定した理由は、V(CN)による必要十分な時効硬化特性を得るためであり、ベイナイト率が70%未満となってフェライト・パーライトやマルテンサイトの組織分率が増えると、必要十分な時効硬化特性が得られなくなる、即ち時効処理前の硬さが高くなってしまったり、時効処理後の硬さが低くなってしまったりする。なお、前記請求範囲内の組成の鋼を加熱温度1150〜1300℃にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、前記限定条件にて冷却した場合に、ベイナイト率は70%以上となる。
旧オーステナイト結晶粒径を80μm以下と限定した理由は、高い降伏強度や疲労強度を達成する上で必要なためであり、旧オーステナイト結晶粒径が80μmを超えると強度特性が劣化する。なお、前記請求範囲内の組成の鋼を加熱温度1150〜1300℃にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、前記限定条件にて冷却した場合に、旧オーステナイト結晶粒径は80μmとなる。
【００２５】
時効処理温度を550〜700℃に限定した理由は、ベイナイト主体の組織の鋼中にV(CN)を必要十分に微細析出させて時効硬化させるためである。時効処理温度が550℃未満であると、 V(CN)の析出量が少なく十分な時効硬化が得られず、また時効処理温度が700℃を超えると、析出したV(CN)が粗大化するとともにかえって軟化を生じてしまうので、時効処理温度は550〜700℃に限定する必要がある。
降伏点もしくは0.2%耐力：900MPa以上は、チタン合金やアルミ合金に匹敵する軽量化効果を鋼で得るために必要な強度レベルであり、前記請求範囲内の組成の鋼を加熱温度1150〜1300℃にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、前記限定条件にて冷却し、その後550〜700℃にて時効処理することにより達成される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
第１、２の発明を実施するには、質量%で、 C：0.06〜0.20%、Si：0.03〜1.00%、Mn：1.50〜3.00%、Cr：0.50〜2.00%、Mo：0.05〜1.00%、Al：0.002〜0.100%、V:0.51〜1.00%、N：0.0080〜0.0200%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を1150〜1300℃の加熱温度にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を、40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）
≦ ＣＶ ≦ 500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）として200℃以下の温度まで冷却することで硬さをHv400以下、組織をベイナイト率70%以上でかつ旧オーステナイト結晶粒径80μm以下とし、その後切削加工又は切削加工及び塑性加工を加え、更にその後550〜700℃の温度にて時効処理を施すことにより、降伏点もしくは0.2%耐力を900MPa以上とする。このようにして得られた鋼材およびその鍛造品は、チタン合金やアルミ合金に匹敵する軽量化効果を得るまでに高強度化することが可能であるとともに、快削元素含有量を大幅に増加させることなく、かつ部品の設計形状を制約しなくても被削性を確保できる。
【００２７】
第３、４の発明を実施するには、第1、２の発明に記載の元素に加えて、質量%で、Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%から選択した1種または2種を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を1150〜1300℃の加熱温度にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を、40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）
≦ ＣＶ ≦ 500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）として200℃以下の温度まで冷却することで硬さをHv400以下、組織をベイナイト率70%以上でかつ旧オーステナイト結晶粒径80μm以下とし、その後切削加工又は切削加工及び塑性加工を加え、更にその後550〜700℃の温度にて時効処理を施すことにより、降伏点もしくは0.2%耐力を900MPa以上とする。このようにして得られた鋼材およびその鍛造品は、チタン合金やアルミ合金に匹敵する軽量化効果を得るまでに高強度化することが可能であるとともに、快削元素含有量を大幅に増加させることなく、かつ部品の設計形状を制約しなくても被削性を確保できる。
【００２８】
第５、６の発明を実施するには、第1、２の発明に記載の元素に加えて、質量%で、S：0.04〜0.12%、
Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、 REM：0.001〜0.10%から選択した1種または2種以上を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を1150〜1300℃の加熱温度にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を、40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）
≦ ＣＶ ≦ 500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）として200℃以下の温度まで冷却することで硬さをHv400以下、組織をベイナイト率70%以上でかつ旧オーステナイト結晶粒径80μm以下とし、その後切削加工又は切削加工及び塑性加工を加え、更にその後550〜700℃の温度にて時効処理を施すことにより、降伏点もしくは0.2%耐力を900MPa以上とする。このようにして得られた鋼材およびその鍛造品は、チタン合金やアルミ合金に匹敵する軽量化効果を得るまでに高強度化することが可能であるとともに、快削元素含有量を大幅に増加させることなく、かつ部品の設計形状を制約しなくても被削性を確保できる。
【００２９】
第７、８の発明を実施するには、第１、２の発明に記載の元素に加えて、質量%で、Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%から選択した1種または2種を含有し、かつ、S：0.04〜0.12%、
Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、 REM：0.001〜0.10%から選択した1種または2種以上を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を1150〜1300℃の加熱温度にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を、40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）
≦ ＣＶ ≦ 500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）として200℃以下の温度まで冷却することで硬さをHv400以下、組織をベイナイト率70%以上でかつ旧オーステナイト結晶粒径80μm以下とし、その後切削加工又は切削加工及び塑性加工を加え、更にその後550〜700℃の温度にて時効処理を施すことにより、降伏点もしくは0.2%耐力を900MPa以上とする。このようにして得られた鋼材およびその鍛造品は、チタン合金やアルミ合金に匹敵する軽量化効果を得るまでに高強度化することが可能であるとともに、快削元素含有量を大幅に増加させることなく、かつ部品の設計形状を制約しなくても被削性を確保できる。
【００３０】
【実施例】
下に本発明の実施例について、比較鋼および従来鋼との比較によって説明する。
表１、２は、実施例に用いた供試材の化学成分を示すものである。
【００３１】
【表１】
【００３２】
【表２】
【００３３】
成分組成が表１からなる本発明鋼と表２からなる比較鋼（従来鋼を含む）を30kg真空溶解炉にて溶製し、1200℃でφ30mmへ鍛伸した。その後φ30mm材を、1200℃加熱、1050℃鍛造の条件にて15mm厚の板材に鍛造した後、室温まで空冷処理を行い、その後A〜W鋼については600℃にて時効処理を行い、Ｘ、Ｙ、Ｚ鋼については880℃にて焼入れ後580℃にて焼戻し処理を行い、引張試験、小野式回転曲げ疲労試験、ドリル穿孔試験、ミクロ組織観察に用いた。なお、この場合の鍛造後の空冷時における800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度は、72℃/minであった。またA〜W鋼については、上記以外に鍛造後空冷ままで時効処理しない状態でもドリル穿孔試験を行うとともに、硬さ試験を実施した。
【００３４】
引張試験はJIS14A号試験片を作製して引張速度1mm/secの条件で行い、0.2%耐力および引張強さを測定した。
小野式回転曲げ疲労試験は平行部φ8の平滑試験片を作製して試験し、107回での疲労強度を求め、これと引張強さとの比率をとった耐久比（＝107回疲労強度／引張強さ）でもって評価した。
ドリル穿孔試験は、時効処理前、時効処理後のいずれの場合も、ドリルがφ6mmのストレートシャンク、ドリルの材質はSKH51、ドリル回転数は966rpm、潤滑油なし、荷重75kgの条件で行い、測定した結果は従来鋼であるＺ鋼の穿孔距離を100とし、それぞれの穿孔距離を整数比で評価した。
【００３５】
硬さ試験については、時効処理前に行ったドリル穿孔試験用の試料を用い、ビッカース硬度計にて測定荷重10kgfで行った。
ミクロ組織観察については、前記引張試験片の試験後のつかみ部を切断、研磨したものを試料として用い、光学顕微鏡にて倍率400倍で観察し、ベイナイト率ならびに旧オーステナイト結晶粒径を測定した。
【００３６】
各種試験評価結果を本発明鋼についてを表３、比較鋼（従来鋼を含む）についてを表４に示す。
【００３７】
【表３】
【００３８】
【表４】
【００３９】
ここに示すように、本発明鋼であるＡ〜Ｎ鋼はいずれも時効処理前の硬さがHv331以下であり、請求範囲に該当するHv400以下を十分に満足しており、ベイナイト率は82%以上、旧オーステナイト粒径は54μm以下であって、請求範囲に該当するベイナイト率70%以上、旧オーステナイト粒径80μm以下を十分に満足しており、また時効処理後の0.2%耐力はいずれも958MPa以上あって、請求範囲に該当する900MPa以上を十分に満足している。また耐久比についても0.54以上と優れた値を示し、ドリル穿孔性については時効処理前にて特に優れた値を示すとともに、時効処理前後のいずれも従来鋼であるＺ鋼よりも優れていることが確認された。
【００４０】
これに対して比較鋼のＯ鋼は、C量が本特許請求範囲よりも低いために0.2%耐力に劣り、またＰ鋼は逆にC量が本特許請求範囲よりも高いために、時効前の硬さがHv400を超えてしまうとともに、ドリル穿孔性が従来鋼のＺ鋼よりも劣る結果となっている。比較鋼のＱ鋼については、Si量が本特許請求範囲よりも高いためにドリル穿孔性が従来鋼のＺ鋼よりも劣り、Ｒ鋼はMn量が本特許請求範囲よりも低いために、フェライト・パーライトが生成してベイナイト率が70%未満であるとともに0.2%耐力が900MPa未満と低くなっている。Ｓ鋼はMn量およびCr量が共に本特許請求範囲よりも高いために、マルテンサイト主体の組織となってベイナイト率が低く、かつ時効前の硬さがHv400を超えてしまって、ドリル穿孔性が従来鋼のＺ鋼よりも劣る結果となっている。Ｔ鋼はMo量が本特許請求範囲よりも低いために、フェライト・パーライトが生成してベイナイト率が70%未満であるとともに0.2%耐力が900MPa未満と低くなっている。Ｕ鋼はV量およびN量が共に本特許請求範囲よりも低いために、時効硬化が十分にされず、0.2%耐力が900MPa未満と低くなっている。
【００４１】
また従来鋼であるＶ鋼およびＷ鋼はベイナイト＋マルテンサイト型の従来の焼入省略鋼であり、いずれも900MPa以上の0.2%耐力が達成されてはいるものの、Ｖ鋼はドリル穿孔性に劣り、Ｗ鋼は快削元素を含有させることによりドリル穿孔性はＺ鋼並みとなっているが、快削元素を多量に含有させたために耐久比が低くなっている。Ｘ、Ｙ、Ｚ鋼はそれぞれＪＩＳに規定されているＳ４８Ｃ、ＳＣｒ４４０、ＳＣＭ４４０に相当する鋼であり、焼入焼もどし処理を付与しても、0.2%耐力は900MPaに達していない。
【００４２】
次に製造条件の影響、すなわち鍛造加熱温度，鍛造後の冷却条件，時効処理温度の変化による影響を調査した実施例を示す。
表１に示す本発明鋼のうちＢ、Ｄ、Ｇ、Ｍ鋼について、φ30mmの丸棒を1050、1170、1200、1270、1350℃の各温度に加熱した後15mm厚の板材に鍛造し、その後の冷却条件を炉冷、空冷、弱ファン冷却、強ファン冷却と変化させ、さらにその後の時効処理温度を、500、570、600、650、750℃の５条件で行い、引張試験、ドリル穿孔試験（時効処理前のみ）、硬さ試験（時効処理前のみ）、ミクロ組織観察に用いた。なお、この場合の鍛造後の800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度は、炉冷が5℃/min 、空冷が72℃/min、弱ファン冷却が103℃/min、強ファン冷却が131℃/min であった。また試験条件については、前記の試験条件と同様である。
【００４３】
各種試験評価結果を本発明鋼についてを表５、比較例についてを表６に示す。
【００４４】
【表５】
【００４５】
【表６】
【００４６】
No.1〜15の本発明範囲においては、鋼種や製造条件が変化しても、時効処理前の硬さHv400以下，ベイナイト率70%以上，旧オーステナイト結晶粒径80μm以下，0.2%耐力900MPa以上の全てを満足するとともに、ドリル穿孔性についても従来鋼SCM440の調質（前記実施例のＺ鋼）より優れていることが確認された。これに対してNo.16〜27の比較例の結果より、化学成分が本特許請求範囲内であっても、鍛造加熱温度，鍛造後の冷却条件，時効処理温度の製造条件の内、いずれか１項目でも満足しない場合には、前記特性が得られなくなることが明らかとなった。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明は自動車エンジンのクランクシャフト、コネクティングロッドのように、高い強度と優れた被削性を必要とする部品に最適な、熱間鍛造用時効硬化型ベイナイト鋼およびその鍛造品の製造方法を提供するものであり、自動車エンジン部品の軽量化を可能とする。
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車エンジンのクランクシャフト、コネクティングロッドのように、高い強度と優れた被削性を必要とする部品に最適な、熱間鍛造用時効硬化型ベイナイト鋼およびその鍛造品の製造方法を提供するものであり、自動車エンジン部品の軽量化を可能とする。
【０００２】
【従来の技術】
自動車エンジンのクランクシャフトやコネクティングロッド等のエンジン部品は、高い強度と優れた被削性が要求されるために、炭素鋼や低合金鋼にＳやＰｂ等の快削元素を添加した鋼を熱間鍛造し、焼入焼もどしの熱処理を施した後、機械加工して使用されている。
近年では低コスト化ニーズより、前記部品において、焼入焼もどしの熱処理を省略する、いわゆる非調質鋼の採用が活発となっており、部品に要求される強度特性に応じてフェライト・パーライト型、ベイナイト型、あるいはマルテンサイト型等、各種の非調質鋼が開発、実用化されている。
【０００３】
一方、最近では自動車の燃費規制やエンジンの高出力化の動向を受けて、自動車エンジン部品の軽量化ニーズが強く、高強度の鋼材を用いて部品を薄肉軽量化する動きが活発となっている。そこで上記の低コスト化ニーズと軽量化ニーズを両立させる手法として、高強度非調質鋼の適用が考えられ、例えば特開平4-193931では、フェライト・パーライト型非調質鋼において化学成分のコントロールと鍛造加熱条件のコントロールにより、表面が黒皮鍛造肌のまま使用される部品の疲労強度を改善した発明が、特開平5-302116では、ベイナイトあるいはベイナイト＋マルテンサイト型非調質鋼において鍛造放冷後に焼もどし処理を施すことにより、降伏比、耐久比を改善した発明が、特開平10-140285では、非調質鋼の硬さの冷却速度依存性と鍛造部品の形状，寸法とをうまく組み合わせて、被削性と高強度化を両立させた発明がそれぞれ開示されている。
【０００４】
しかしながらチタン合金やアルミ合金に匹敵する軽量化効果を得るまでに鋼を高強度化しようとした場合には、硬さの大幅な上昇が避けられず被削性の低下を招くという問題が生ずる。この問題に対して、前記の特開平4-193931では目標の軽量化効果の達成は不可能であり、特開平5-302116では被削性確保のために多量の快削元素の含有が必要不可欠となるため、材料のコスト増加を招くとともに、快削元素含有量増加による介在物量増加によって、圧延や鍛造等，塑性加工性の劣化や疲労強度低下の問題が生ずる。また特開平10-140285では、非切削加工部位を薄肉化し切削加工部位は厚肉とすることで、快削元素の添加量を増加させなくても、高強度化と被削性確保の両立がある程度確保はされるものの、その効果には限界があるとともに、前記のような部品形状に制約されてしまうことが課題となる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記のように、チタン合金やアルミ合金に匹敵する軽量化効果を得るまでに鋼を高強度化するとともに、快削元素含有量を大幅に増加させることなく、かつ部品の設計形状を制約しなくても被削性を確保するための方策について、発明者らは種々の検討を試みた結果、以下の着想に至った。すなわち、Ｖ量が高くかつベイナイト組織が主体の鋼において、時効処理前後での硬さが大きく変化し、時効前の硬さを低く、時効後の硬さを高くすることができることが知見された。よって時効前に切削粗加工を行った後に時効処理することで、高強度化と被削性確保の両立が可能となる。
【０００６】
また、前記のような鋼の高強度化による軽量化に際しては、特に降伏強度（0.2%耐力）の向上が重要となるが、Ｖ量の高いベイナイト鋼を時効処理すると、一般の調質鋼および非調質鋼に比べて同一硬さでの0.2%耐力が高くなる、すなわち高い降伏比が得られることが知見された。よって前記のような時効前の切削加工は勿論、時効処理後に切削加工する場合においても、 Ｖ量の高いベイナイト鋼では一般の調質鋼および非調質鋼に比べて、同一の0.2%耐力の値における硬さが低くできるので、被削性を向上させることが可能となる。
【０００７】
そして前記効果を得るためには、Ｖ含有量を0.51％以上とすることが必要であり、更には1150〜1300℃の加熱温度にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を、40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%） ≦ ＣＶ ≦ 500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）として200℃以下の温度まで冷却することで硬さをHv400以下、組織をベイナイト率70%以上とさせることが必要となることを知見した。また、上記の鋼材もしくは鍛造品においては、加工熱処理中にＶ炭窒化物が析出して結晶粒を微細化させるために、80μm以下の旧オーステナイト結晶粒径が得られ、これを550〜700℃の温度にて時効処理することで、結果として降伏点もしくは0.2%耐力を900MPa以上とすることが可能となることを知見し、本発明に至ったものである。
【０００８】
第１の発明は、化学組成が質量%で、C：0.06〜0.20%、Si：0.03〜1.00%、Mn：1.50〜3.00%、Cr：0.50〜2.00%、Mo：0.05〜1.00%、Al：0.002〜0.100%、V:0.51〜1.00%、N：0.0080〜0.0200%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を1150〜1300℃の加熱温度にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を、40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）
≦ ＣＶ ≦ 500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）として200℃以下の温度まで冷却することで硬さをHv400以下、組織をベイナイト率70%以上でかつ旧オーステナイト結晶粒径80μm以下とし、その後切削加工又は切削加工及び塑性加工を加え、更にその後550〜700℃の温度にて時効処理を施すことにより、降伏点もしくは0.2%耐力を900MPa以上とすることを特徴とする時効硬化型高強度ベイナイト鋼である。
【０００９】
第２の発明は、化学組成が質量%で、C：0.06〜0.20%、Si：0.03〜1.00%、Mn：1.50〜3.00%、Cr：0.50〜2.00%、Mo：0.05〜1.00%、Al：0.002〜0.100%、V:0.51〜1.00%、N：0.0080〜0.0200%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を1150〜1300℃の加熱温度にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を、40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）
≦ ＣＶ ≦ 500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）として200℃以下の温度まで冷却することで硬さをHv400以下、組織をベイナイト率70%以上でかつ旧オーステナイト結晶粒径80μm以下とし、その後切削加工又は切削加工及び塑性加工を加え、更にその後550〜700℃の温度にて時効処理を施すことにより、降伏点もしくは0.2%耐力を900MPa以上とすることを特徴とする時効硬化型高強度ベイナイト鋼の製造方法である。
【００１０】
第３の発明は、化学組成が質量％で、Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%から選択した1種または2種を含有することを特徴とする請求項１に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼である。
【００１１】
第４の発明は、化学組成が質量％で、Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%から選択した1種または2種を含有することを特徴とする請求項２に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼の製造方法である。
【００１２】
第５の発明は、化学組成が質量％で、S：0.04〜0.12%、
Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、 REM：0.001〜0.10%から選択した1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼である。
【００１３】
第６の発明は、化学組成が質量％で、S：0.04〜0.12%、
Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、 REM：0.001〜0.10%から選択した1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項２に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼の製造方法である。
【００１４】
第７の発明は、化学組成が質量％で、Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%から選択した1種または2種を含有し、かつ、S：0.04〜0.12%、
Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、 REM：0.001〜0.10%から選択した1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼である。
【００１５】
第８の発明は、化学組成が質量％で、Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%から選択した1種または2種を含有し、かつ、S：0.04〜0.12%、
Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、 REM：0.001〜0.10%から選択した1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項２に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼の製造方法である。
【００１６】
次に、本発明における構成成分の限定理由について述べる。
C：0.06〜0.20%
Cは、機械構造用鋼としての強度を確保するための必須元素であり、0.06%以上、望ましくは0.08%以上必要である。しかし、多すぎると硬さ増加から被削性の劣化を招くため上限を0.20%、望ましくは0.18%以下とする。
Si：0.03〜1.00%
Siは、製鋼時の脱酸材として不可欠であるため下限を0.03%、望ましくは0.10%以上とする。しかし、過剰に添加すると鋼中に高硬度の介在物であるSiO2を生成させて被削性を劣化させるため上限を1.00%、望ましくは0.80%以下とする。
【００１７】
Mn：1.50〜3.00%
Mnは、熱間圧延もしくは熱間鍛造後の冷却過程でベイナイト組織が得られるための焼入性を確保する上で重要な元素であり、ベイナイト組織を得るためには少なくとも1.50%以上、望ましくは1.80%以上必要である。しかし、多すぎるとマルテンサイト主体の組織となり、時効処理前の硬さが増加して被削性が劣化するため上限を3.00%、望ましくは2.70%以下とする。
Cr：0.50〜2.00%
CrはMnと同様、熱間圧延もしくは熱間鍛造後の冷却過程でベイナイト組織が得られるための焼入性を確保する上で重要な元素であり、ベイナイト組織を得るためには少なくとも0.50%以上、望ましくは0.70%以上必要である。しかし、多すぎるとマルテンサイト主体の組織となり、時効処理前の硬さが増加して被削性が劣化するため上限を2.00%、望ましくは1.60%以下とする。
【００１８】
Mo：0.05〜1.00%
MoはMn,Crと同様、熱間圧延もしくは熱間鍛造後の冷却過程でベイナイト組織を安定して得るために必要な元素であるとともに、ベイナイト組織を微細化させて強靭性を高め、また時効処理時にMo2Cを析出させて時効硬化させる働きがあり、前記効果を得るためには少なくとも0.05%以上、望ましくは0.10%以上必要である。しかし必要以上に多く添加しても、その効果が飽和するとともにコスト高となるため、上限を1.00%、望ましくは0.60%以下とする。
Al：0.002〜0.100%
Alは脱酸のために不可欠の元素であり0.002%以上、望ましくは0.005%以上必要であるが、必要以上に添加させるとAl2O3の形成によって被削性を劣化させるため、上限を0.100%、望ましくは0.060%以下とする。
【００１９】
V:0.51〜1.00%
Vは本発明において、時効処理後にV(CN)を析出させて硬さおよび降伏強度を高める点で最も重要な働きをする元素であり、前記効果を必要十分に得るためには、少なくとも0.51%以上、望ましくは0.53%以上必要である。しかしながら必要以上に多く添加してもその効果が飽和するとともに、著しい靭性の劣化やコスト増加を招くため、上限を1.00%、望ましくは0.70%以下とする。
N：0.0080〜0.0200%
NはVとの親和力が高い元素であり、本発明においては、熱間圧延もしくは熱間鍛造中にVNとして析出し、そのピン止め効果によってオーステナイト結晶粒径を80μm以下にする働きがあるとともに、時効処理後のV(CN)析出による強度増加に対して必要不可欠な元素であり、前記効果を必要十分に得るためには、少なくとも0.0080%以上、望ましくは0.0100%以上必要である。しかしながら必要以上に多く添加してもその効果が飽和するとともに、著しい靭性の劣化やコスト増加を招くため、上限を0.0200%、望ましくは0.0180%以下とする。
【００２０】
Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%
Ti、Nbは、Vと同様にTi(CN)、Nb(CN)として鋼中に析出し、そのピン止め効果によってオーステナイト結晶粒径を微細化させる働きがあり、必要に応じて添加されるものである。前記効果を得るためには、それぞれ最低でも0.01%以上の含有が必要である。しかしながら必要以上に多く添加してもその効果が飽和するとともにコスト増加を招くため、上限を0.10%とする。
S：0.04〜0.12%、 Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、 REM：0.001〜0.10%
S、Pb、Bi、Ca、REMは被削性の改善に有効な元素であり、必要に応じて添加されるものである。前記効果を得るためには、それぞれ0.04%、0.01%、0.01%、0.0005%、0.001%の含有が必要である。しかし多量に含有させると、コスト増加を招くとともに、介在物量増加によって、圧延や鍛造等，塑性加工性の劣化や疲労強度低下の問題が生ずるため、上限をそれぞれ0.12%、0.30%、0.30%、0.01%、0.10%とした。
【００２１】
次に本発明の製造条件限定理由について説明する。
熱間圧延もしくは熱間鍛造時の加熱温度を1150〜1300℃に限定したのは、加熱温度が1150℃未満になると時効処理前の段階で鋼中にＶが十分に固溶せず、その後の時効硬化が十分に得られないためであり、また1300℃を超える加熱温度になると加熱段階でのオーステナイト粒が粗大化したり混粒を生じたりして、最終的に旧オーステナイト粒径80μm以下が達成不可能となるためである。ここで、熱間圧延もしくは熱間鍛造時の加熱温度としているのは、部品の製造工程によって加熱温度制御する工程が異なることを意味しており、熱間鍛造を実施する場合には、熱間鍛造時の加熱温度を上記温度範囲に限定し、熱間鍛造を行わない場合、例えば圧延鋼材より直接部品を切削加工して製造する場合には、熱間圧延時の加熱温度を上記温度範囲に限定する必要がある。
【００２２】
熱間圧延もしくは熱間鍛造後の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を800〜500℃の温度範囲で限定したのは、平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）が40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）未満になると、初析フェライトやパーライトが生成してベイナイト率70%以上を確保することが困難になるためであり、またＣＶ（℃/min）が500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）を超えると、マルテンサイトが生成してしまい、ベイナイト率70%以上を確保することが困難になるためである。ここで平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）は、冷却中に800℃に達してから500℃に達するまでに要した時間（min）でもって300℃（＝800℃−500℃）を除した数値を示す。
【００２３】
冷却を200℃以下の温度までと限定した理由は、冷却中のベイナイト変態を十分に生じさせてベイナイト率70%以上を確保するためである。
硬さをHv400以下と限定した理由は、その後に施される切削加工ないし塑性加工の加工性を確保させるためであり、硬さがHv400を超えると急激に切削加工性、塑性加工性が劣化する。なお、前記請求範囲内の組成の鋼を加熱温度1150〜1300℃にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、前記限定条件にて冷却した場合に、硬さはHv400以下となる。
【００２４】
組織をベイナイト率70%以上と限定した理由は、V(CN)による必要十分な時効硬化特性を得るためであり、ベイナイト率が70%未満となってフェライト・パーライトやマルテンサイトの組織分率が増えると、必要十分な時効硬化特性が得られなくなる、即ち時効処理前の硬さが高くなってしまったり、時効処理後の硬さが低くなってしまったりする。なお、前記請求範囲内の組成の鋼を加熱温度1150〜1300℃にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、前記限定条件にて冷却した場合に、ベイナイト率は70%以上となる。
旧オーステナイト結晶粒径を80μm以下と限定した理由は、高い降伏強度や疲労強度を達成する上で必要なためであり、旧オーステナイト結晶粒径が80μmを超えると強度特性が劣化する。なお、前記請求範囲内の組成の鋼を加熱温度1150〜1300℃にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、前記限定条件にて冷却した場合に、旧オーステナイト結晶粒径は80μmとなる。
【００２５】
時効処理温度を550〜700℃に限定した理由は、ベイナイト主体の組織の鋼中にV(CN)を必要十分に微細析出させて時効硬化させるためである。時効処理温度が550℃未満であると、 V(CN)の析出量が少なく十分な時効硬化が得られず、また時効処理温度が700℃を超えると、析出したV(CN)が粗大化するとともにかえって軟化を生じてしまうので、時効処理温度は550〜700℃に限定する必要がある。
降伏点もしくは0.2%耐力：900MPa以上は、チタン合金やアルミ合金に匹敵する軽量化効果を鋼で得るために必要な強度レベルであり、前記請求範囲内の組成の鋼を加熱温度1150〜1300℃にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、前記限定条件にて冷却し、その後550〜700℃にて時効処理することにより達成される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
第１、２の発明を実施するには、質量%で、 C：0.06〜0.20%、Si：0.03〜1.00%、Mn：1.50〜3.00%、Cr：0.50〜2.00%、Mo：0.05〜1.00%、Al：0.002〜0.100%、V:0.51〜1.00%、N：0.0080〜0.0200%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を1150〜1300℃の加熱温度にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を、40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）
≦ ＣＶ ≦ 500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）として200℃以下の温度まで冷却することで硬さをHv400以下、組織をベイナイト率70%以上でかつ旧オーステナイト結晶粒径80μm以下とし、その後切削加工又は切削加工及び塑性加工を加え、更にその後550〜700℃の温度にて時効処理を施すことにより、降伏点もしくは0.2%耐力を900MPa以上とする。このようにして得られた鋼材およびその鍛造品は、チタン合金やアルミ合金に匹敵する軽量化効果を得るまでに高強度化することが可能であるとともに、快削元素含有量を大幅に増加させることなく、かつ部品の設計形状を制約しなくても被削性を確保できる。
【００２７】
第３、４の発明を実施するには、第1、２の発明に記載の元素に加えて、質量%で、Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%から選択した1種または2種を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を1150〜1300℃の加熱温度にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を、40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）
≦ ＣＶ ≦ 500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）として200℃以下の温度まで冷却することで硬さをHv400以下、組織をベイナイト率70%以上でかつ旧オーステナイト結晶粒径80μm以下とし、その後切削加工又は切削加工及び塑性加工を加え、更にその後550〜700℃の温度にて時効処理を施すことにより、降伏点もしくは0.2%耐力を900MPa以上とする。このようにして得られた鋼材およびその鍛造品は、チタン合金やアルミ合金に匹敵する軽量化効果を得るまでに高強度化することが可能であるとともに、快削元素含有量を大幅に増加させることなく、かつ部品の設計形状を制約しなくても被削性を確保できる。
【００２８】
第５、６の発明を実施するには、第1、２の発明に記載の元素に加えて、質量%で、S：0.04〜0.12%、
Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、 REM：0.001〜0.10%から選択した1種または2種以上を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を1150〜1300℃の加熱温度にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を、40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）
≦ ＣＶ ≦ 500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）として200℃以下の温度まで冷却することで硬さをHv400以下、組織をベイナイト率70%以上でかつ旧オーステナイト結晶粒径80μm以下とし、その後切削加工又は切削加工及び塑性加工を加え、更にその後550〜700℃の温度にて時効処理を施すことにより、降伏点もしくは0.2%耐力を900MPa以上とする。このようにして得られた鋼材およびその鍛造品は、チタン合金やアルミ合金に匹敵する軽量化効果を得るまでに高強度化することが可能であるとともに、快削元素含有量を大幅に増加させることなく、かつ部品の設計形状を制約しなくても被削性を確保できる。
【００２９】
第７、８の発明を実施するには、第１、２の発明に記載の元素に加えて、質量%で、Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%から選択した1種または2種を含有し、かつ、S：0.04〜0.12%、
Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、 REM：0.001〜0.10%から選択した1種または2種以上を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を1150〜1300℃の加熱温度にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を、40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）
≦ ＣＶ ≦ 500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）として200℃以下の温度まで冷却することで硬さをHv400以下、組織をベイナイト率70%以上でかつ旧オーステナイト結晶粒径80μm以下とし、その後切削加工又は切削加工及び塑性加工を加え、更にその後550〜700℃の温度にて時効処理を施すことにより、降伏点もしくは0.2%耐力を900MPa以上とする。このようにして得られた鋼材およびその鍛造品は、チタン合金やアルミ合金に匹敵する軽量化効果を得るまでに高強度化することが可能であるとともに、快削元素含有量を大幅に増加させることなく、かつ部品の設計形状を制約しなくても被削性を確保できる。
【００３０】
【実施例】
下に本発明の実施例について、比較鋼および従来鋼との比較によって説明する。
表１、２は、実施例に用いた供試材の化学成分を示すものである。
【００３１】
【表１】
【表２】
成分組成が表１からなる本発明鋼と表２からなる比較鋼（従来鋼を含む）を30kg真空溶解炉にて溶製し、1200℃でφ30mmへ鍛伸した。その後φ30mm材を、1200℃加熱、1050℃鍛造の条件にて15mm厚の板材に鍛造した後、室温まで空冷処理を行い、その後A〜W鋼については600℃にて時効処理を行い、Ｘ、Ｙ、Ｚ鋼については880℃にて焼入れ後580℃にて焼戻し処理を行い、引張試験、小野式回転曲げ疲労試験、ドリル穿孔試験、ミクロ組織観察に用いた。なお、この場合の鍛造後の空冷時における800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度は、72℃/minであった。またA〜W鋼については、上記以外に鍛造後空冷ままで時効処理しない状態でもドリル穿孔試験を行うとともに、硬さ試験を実施した。
【００３４】
引張試験はJIS14A号試験片を作製して引張速度1mm/secの条件で行い、0.2%耐力および引張強さを測定した。
小野式回転曲げ疲労試験は平行部φ8の平滑試験片を作製して試験し、107回での疲労強度を求め、これと引張強さとの比率をとった耐久比（＝107回疲労強度／引張強さ）でもって評価した。
ドリル穿孔試験は、時効処理前、時効処理後のいずれの場合も、ドリルがφ6mmのストレートシャンク、ドリルの材質はSKH51、ドリル回転数は966rpm、潤滑油なし、荷重75kgの条件で行い、測定した結果は従来鋼であるＺ鋼の穿孔距離を100とし、それぞれの穿孔距離を整数比で評価した。
【００３５】
硬さ試験については、時効処理前に行ったドリル穿孔試験用の試料を用い、ビッカース硬度計にて測定荷重10kgfで行った。
ミクロ組織観察については、前記引張試験片の試験後のつかみ部を切断、研磨したものを試料として用い、光学顕微鏡にて倍率400倍で観察し、ベイナイト率ならびに旧オーステナイト結晶粒径を測定した。
【００３６】
各種試験評価結果を本発明鋼についてを表３、比較鋼（従来鋼を含む）についてを表４に示す。
【００３７】
【表３】
【表４】
ここに示すように、本発明鋼であるＡ〜Ｎ鋼はいずれも時効処理前の硬さがHv331以下であり、請求範囲に該当するHv400以下を十分に満足しており、ベイナイト率は82%以上、旧オーステナイト粒径は54μm以下であって、請求範囲に該当するベイナイト率70%以上、旧オーステナイト粒径80μm以下を十分に満足しており、また時効処理後の0.2%耐力はいずれも958MPa以上あって、請求範囲に該当する900MPa以上を十分に満足している。また耐久比についても0.54以上と優れた値を示し、ドリル穿孔性については時効処理前にて特に優れた値を示すとともに、時効処理前後のいずれも従来鋼であるＺ鋼よりも優れていることが確認された。
【００４０】
これに対して比較鋼のＯ鋼は、C量が本特許請求範囲よりも低いために0.2%耐力に劣り、またＰ鋼は逆にC量が本特許請求範囲よりも高いために、時効前の硬さがHv400を超えてしまうとともに、ドリル穿孔性が従来鋼のＺ鋼よりも劣る結果となっている。比較鋼のＱ鋼については、Si量が本特許請求範囲よりも高いためにドリル穿孔性が従来鋼のＺ鋼よりも劣り、Ｒ鋼はMn量が本特許請求範囲よりも低いために、フェライト・パーライトが生成してベイナイト率が70%未満であるとともに0.2%耐力が900MPa未満と低くなっている。Ｓ鋼はMn量およびCr量が共に本特許請求範囲よりも高いために、マルテンサイト主体の組織となってベイナイト率が低く、かつ時効前の硬さがHv400を超えてしまって、ドリル穿孔性が従来鋼のＺ鋼よりも劣る結果となっている。Ｔ鋼はMo量が本特許請求範囲よりも低いために、フェライト・パーライトが生成してベイナイト率が70%未満であるとともに0.2%耐力が900MPa未満と低くなっている。Ｕ鋼はV量およびN量が共に本特許請求範囲よりも低いために、時効硬化が十分にされず、0.2%耐力が900MPa未満と低くなっている。
【００４１】
また従来鋼であるＶ鋼およびＷ鋼はベイナイト＋マルテンサイト型の従来の焼入省略鋼であり、いずれも900MPa以上の0.2%耐力が達成されてはいるものの、Ｖ鋼はドリル穿孔性に劣り、Ｗ鋼は快削元素を含有させることによりドリル穿孔性はＺ鋼並みとなっているが、快削元素を多量に含有させたために耐久比が低くなっている。Ｘ、Ｙ、Ｚ鋼はそれぞれＪＩＳに規定されているＳ４８Ｃ、ＳＣｒ４４０、ＳＣＭ４４０に相当する鋼であり、焼入焼もどし処理を付与しても、0.2%耐力は900MPaに達していない。
【００４２】
次に製造条件の影響、すなわち鍛造加熱温度，鍛造後の冷却条件，時効処理温度の変化による影響を調査した実施例を示す。
表１に示す本発明鋼のうちＢ、Ｄ、Ｇ、Ｍ鋼について、φ30mmの丸棒を1050、1170、1200、1270、1350℃の各温度に加熱した後15mm厚の板材に鍛造し、その後の冷却条件を炉冷、空冷、弱ファン冷却、強ファン冷却と変化させ、さらにその後の時効処理温度を、500、570、600、650、750℃の５条件で行い、引張試験、ドリル穿孔試験（時効処理前のみ）、硬さ試験（時効処理前のみ）、ミクロ組織観察に用いた。なお、この場合の鍛造後の800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度は、炉冷が5℃/min 、空冷が72℃/min、弱ファン冷却が103℃/min、強ファン冷却が131℃/min であった。また試験条件については、前記の試験条件と同様である。
【００４３】
各種試験評価結果を本発明鋼についてを表５、比較例についてを表６に示す。
【００４４】
【表５】
【表６】
No.1〜15の本発明範囲においては、鋼種や製造条件が変化しても、時効処理前の硬さHv400以下，ベイナイト率70%以上，旧オーステナイト結晶粒径80μm以下，0.2%耐力900MPa以上の全てを満足するとともに、ドリル穿孔性についても従来鋼SCM440の調質（前記実施例のＺ鋼）より優れていることが確認された。これに対してNo.16〜27の比較例の結果より、化学成分が本特許請求範囲内であっても、鍛造加熱温度，鍛造後の冷却条件，時効処理温度の製造条件の内、いずれか１項目でも満足しない場合には、前記特性が得られなくなることが明らかとなった。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明は自動車エンジンのクランクシャフト、コネクティングロッドのように、高い強度と優れた被削性を必要とする部品に最適な、熱間鍛造用時効硬化型ベイナイト鋼およびその鍛造品の製造方法を提供するものであり、自動車エンジン部品の軽量化を可能とする。
Claims (8)
- 化学組成が質量%で、C：0.06〜0.20%、Si：0.03〜1.00%、Mn：1.50〜3.00%、Cr：0.50〜2.00%、Mo：0.05〜1.00%、Al：0.002〜0.100%、V:0.51〜1.00%、N：0.0080〜0.0200%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を1150〜1300℃の加熱温度にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を、40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）
≦ＣＶ ≦ 500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）として200℃以下の温度まで冷却することで硬さをHv400以下、組織をベイナイト率70%以上でかつ旧オーステナイト結晶粒径80μm以下とし、その後切削加工又は切削加工及び塑性加工を加え、更にその後550〜700℃の温度にて時効処理を施すことにより、降伏点もしくは0.2%耐力を900MPa以上とすることを特徴とする時効硬化型高強度ベイナイト鋼。 - 化学組成が質量%で、C：0.06〜0.20%、Si：0.03〜1.00%、Mn：1.50〜3.00%、Cr：0.50〜2.00%、Mo：0.05〜1.00%、Al：0.002〜0.100%、V:0.51〜1.00%、N：0.0080〜0.0200%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を1150〜1300℃の加熱温度にて熱間圧延もしくは熱間鍛造後、800〜500℃の温度範囲の平均冷却速度：ＣＶ（℃/min）を、40／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）
≦ＣＶ ≦ 500／（Mn%＋0.8Cr%＋1.2Mo%）として200℃以下の温度まで冷却することで硬さをHv400以下、組織をベイナイト率70%以上でかつ旧オーステナイト結晶粒径80μm以下とし、その後切削加工又は切削加工及び塑性加工を加え、更にその後550〜700℃の温度にて時効処理を施すことにより、降伏点もしくは0.2%耐力を900MPa以上とすることを特徴とする時効硬化型高強度ベイナイト鋼の製造方法。 - 化学組成が質量％で、Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%から選択した1種または2種を含有することを特徴とする請求項１に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼。
- 化学組成が質量％で、Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%から選択した1種または2種を含有することを特徴とする請求項２に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼の製造方法。
- 化学組成が質量％で、S：0.04〜0.12%、 Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、
REM：0.001〜0.10%から選択した1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼。 - 化学組成が質量％で、S：0.04〜0.12%、 Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、
REM：0.001〜0.10%から選択した1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項２に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼の製造方法。 - 化学組成が質量％で、Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%から選択した1種または2種を含有し、かつ、S：0.04〜0.12%、
Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、 REM：0.001〜0.10%から選択した1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼。 - 化学組成が質量％で、Ti：0.01〜0.10%、Nb：0.01〜0.10%から選択した1種または2種を含有し、かつ、S：0.04〜0.12%、
Pb：0.01〜0.30%、Bi：0.01〜0.30%、Ca：0.0005〜0.01%、 REM：0.001〜0.10%から選択した1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項２に記載の時効硬化型高強度ベイナイト鋼の製造方法。
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