JP4013969B2

JP4013969B2 - 疲労強度に優れた熱間鍛造品およびその製造方法並びに機械構造部品

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Publication number: JP4013969B2
Application number: JP2005205170A
Authority: JP
Inventors: 和邦長谷; 秀途木村; 高明豊岡
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2025-07-14
Also published as: TWI329676B; KR100939462B1; KR20070110397A; EP1897961A4; EP1897961A1; TW200720443A; US20080264530A1; JP2007039704A; US7806992B2; WO2007000888A1

Description

本発明は、鋼を用いた自動車部品、たとえば等速ジョイントおよびハブなどの足回り部品や、クランクシャフト等のエンジン部品に代表される機械構造部品の、仕上げ加工前の半製品として供される熱間鍛造品、特に疲労強度に優れた熱間鍛造品に関するものである。

自動車の足回り部品やエンジン部品に用いられる鋼製品は、熱間鍛造を行い、その後切削加工による仕上げを行って製造するのが一般的である。近年、かかる用途の製品に対して、その適用先である自動車の軽量化を所期した小型化や薄肉化の実現に向けて、疲労強度を高めることが希求されている。

例えば、熱間鍛造品の疲労強度を高める技術として、特許文献１には、熱間鍛造後に鍛造品全体を焼入れ、さらに焼戻し処理によりマトリックスを析出強化する高疲労強度熱間鍛造品の製造方法が開示されている。
特許第3100492号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、熱間鍛造後に部品そのものを直接冷却するため、部品全体の硬度が上がり疲労強度が要求されない部位の加工性が低下する。すなわち、上記使途の機械構造部品は、熱間鍛造によって概略の製品形状を与えた後、この熱間鍛造品の表層を通常は全面的に切削する仕上げ加工を施して製造される。従って、この種の機械構造部品の製造において、切削加工と表面研削が不可欠であるところ、部品全体の硬度が高くなると、必然的に被削性の低下が大きな問題となる。
また、析出強化処理のために別途焼戻し処理が必要となるため、省エネルギーの観点からも好ましくない。

本発明は、上記の事情に鑑み開発されたものであり、熱間鍛造工程において組織を適切に制御することにより、鍛造品の軽量化やコンパクト化による発生応力の増大から要求される疲労強度が、従来法で得られた鍛造品に比べて例えば20％以上という優れた疲労強度を有し、しかも疲労強度が必要とされない部分は勿論、それ以外の部分についても熱間鍛造後に切削加工が施された際の被削性が良好であり、容易に仕上げ加工を行うことのできる熱間鍛造品を、その有利な製造方法に併せて提供することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく、特に熱間鍛造後に部分冷却を施すことに関して鋭意研究を重ねた結果、以下に示す（Ｉ）〜（III）の知見を得た。
（Ｉ）熱間鍛造品の特に疲労強度が必要な部分を冷却して部分的に焼入れを行うことによって、その部分の硬度上昇率が10％以上になれば、部品としての疲労強度を20％以上向上させることが可能であること。
（II）また、部分冷却による部分焼入れを施した部分は、冷却されていない部位の保有熱量により自己焼戻しされる結果、従来付加工程として行ってきた焼戻し処理と同等の効果が得られること。そして、その効果を得るためには、この自己焼戻しが特定のパラメータを満足すること。
（III）従って、鍛造品を室温まで冷却後に改めて焼戻しをする必要がないため、非常に安価に高疲労強度部品を製造することが可能であること。

本発明は、上記の知見に基づくものである。
すなわち、本発明の要旨構成は、次の通りである。
１．熱間鍛造後の部分冷却によって導入された硬化部と、非硬化部とを有し、表面における前記硬化部のビッカース硬さＶ_１と前記非硬化部のビッカース硬さＶ_２が下記式（１）を満足することを特徴とする熱間鍛造品。
記
（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２：0.1〜0.8 ----（１）

２．前記硬化部は、マルテンサイト組織および／またはベイナイト組織からなる上記１に記載の熱間鍛造品。

３．上記１または２に記載の熱間鍛造品に冷間仕上げ加工を施してなる機械構造部品。

４．Ｃ：0.3〜0.9mass％、
Si：0.01〜1.2mass％および
Mn：0.01〜2.0mass％
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼を、熱間鍛造を施して得た鍛造品に対して、Ａ_ｃ３＋100℃以上からＡ_ｃ１−150℃以下まで20℃／ｓ以上の速度にて冷却する冷却処理を部分的に行って、次いで、その部分にＡ_Ｃ１点を超えない温度域での復熱による焼戻しを、前記冷却を停止後、復熱後の降温過程で300℃に到達するまでの間について、ΔＴ _ｎ秒毎の平均温度Ｔ _ｎ（Ｋ）から、下記式（２）にて定義されるパラメータＨを、
65≦Ｈ≦85
として施すことを特徴とする熱間鍛造品の製造方法。
記
Ｈ＝ｌｏｇ _１０ Σ１０ ^ｆｎ ----（２）
但し、ｆ _ｎ＝logΔＴ _ｎ −1.597×10 ⁴ ／Ｔ _ｎ＋100
ΔＴ _ｎ ≦0.5秒

５．前記鋼は、さらに
Mo：0.05〜0.60mass％、
Al：0.01〜0.06mass％、
Ti：0.005〜0.050mass％、
Ni：1.0mass％以下、
Cr：1.0mass％以下、
Ｖ：0.1mass％以下、
Cu：1.0mass％以下、
Nb：0.05mass％以下、
Ca：0.008mass％以下および
Ｂ：0.004mass％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする上記４に記載の熱間鍛造品の製造方法。

本発明によれば、疲労強度が従来の熱間鍛造品に比べて20％以上の高疲労強度化を、良好な被削性の下に実現できる。

本発明の熱間鍛造品は、熱間鍛造後の部分冷却によって導入された硬化部と、それ以外の非硬化部とを有し、表面における前記硬化部のビッカース硬さＶ_１と前記非硬化部のビッカース硬さＶ_２が、次式
（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２：0.1〜0.8
を満足することが肝要である。

すなわち、比（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２が0.1未満では、硬化部の強度上昇が少なく十分な疲労強度の向上効果が得られない。一方、比（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２が0.8を超えると、硬度が高くなりすぎて被削性などの冷間加工性が大幅に低下する。特に、本発明では熱間鍛造後に直接部分焼入れを行うことから、その後の切削加工は不可欠であり、（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２を0.8以下にすることは重要である。最適な範囲は、0.2〜0.6である。

かような硬度差を持つ前記硬化部は、マルテンサイト組織および／またはベイナイト組織からなり、一方の非硬化部は、フェライト組織および／またはパーライト組織を主体とし、一部ベイナイト組織が混入することもある。

以上の熱間鍛造品は、熱間鍛造後に直接部分焼入れ、そして自己焼きもどしを経て得られたものであり、その後の切削仕上げ加工を経て機械構造部品となる。

次に、（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２：0.1〜0.8となる熱間鍛造品を製造するための製造条件について説明する。
すなわち、この種部品の製造の一般に倣って、鋼素材を加熱して熱間鍛造機に導いて熱間鍛造を施すが、かくして得た鍛造品に対して、Ａ_ｃ３＋100℃以上からＡ_ｃ１−150℃以下まで20℃／ｓ以上の速度にて冷却する冷却処理を部分的に行うことが肝要である。すなわち、熱間鍛造後に高疲労強度が要求される部位を、Ａ_ｃ３＋100℃以上からＡ_ｃ１−150℃以下まで20℃／s以上の速度にて冷却することによって、冷却中のフェライト生成を抑制し、組織をマルテンサイトおよび／またはベイナイトとすることが可能である。

ここで、熱間鍛造後の部分冷却をＡ_ｃ３＋100℃以上からＡ_ｃ１−150℃以下までの温度域で行うのは、冷却後に十分な復熱効果を得るためにはＡ_ｃ３＋100℃以上からの冷却が不可欠で、Ａ_ｃ１−150℃以下で冷却するのは、フェライトの生成を抑制するためである。

また、上記温度域での冷却速度を20℃／ｓ以上とするのは、冷却中のフェライト変態を抑制し、組織をマルテンサイトおよび／またはベイナイトとするためである。

その後、当該部品の保有する熱量に基づく復熱によって、連続的にＡ_Ｃ１点を超えない温度域で焼戻しさせることが重要である。すなわち、復熱による焼戻し温度がＡ_Ｃ１点を超えると部分焼入れにより形成された組織が再びオーステナイトとなり、その後の冷却過程においてフェライト・パーライト組織となるためである。これを防止するためにはＡ_Ｃ１点を超えない温度域で焼戻しさせることが重要である。

さらに、前記復熱による焼戻しは、前記冷却を停止後、復熱後の降温過程で300℃に到達するまでの間について、ΔＴ_ｎ秒毎の平均温度Ｔ_ｎ（Ｋ）から、下記式（２）にて定義されるパラメータＨが、
65≦Ｈ≦85
を満足することが好ましい。
記
Ｈ＝ｌｏｇ_１０Σ１０^ｆｎ ----（２）
但し、ｆ_ｎ＝logΔＴ_ｎ−1.597×10⁴／Ｔ_ｎ＋100

ここで、図１に部分冷却部の復熱時の温度履歴を示す。図１に示すように冷却停止後の冷却カーブから、冷却停止時ｔ_１から、復熱後の降温過程で300℃に達した時点ｔ_２までについて、それぞれのΔｔ_ｎにおける平均温度Ｔ_ｎ（Ｋ）を求め、これを上記（２）式に適用することでパラメータＨが決まる。この際、自己焼戻し過程における温度Ｔ_ｎは連続的に変化するため、Δｔ_ｎは0.5秒以下として求めるものとする。

図２に前述した比（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２とパラメータＨとの関係を示す。図２に示すようにパラメータＨと硬度比は良い相関があり、パラメータＨが65未満になると、焼戻し効果が不十分なため、硬度比（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２が0.8を超えてしまい、被削性が問題となる。また、パラメータＨが85を超えると、過度に軟化されるために（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２が0.1未満になって疲労強度の向上効果が得られない。

以上述べたように、本発明の熱間鍛造品は、所定条件の下に部分冷却処理を施すことによって得られ、成分組成に依存するものではないが、好適成分として以下の成分組成が推奨される。
Ｃ：0.3〜0.9mass％
Ｃは、鋼の強度を向上させるために必要な元素である。Ｃ量が0.3mass％未満では必要な強度が得られず、一方0.9mass％を越えると非作製や疲労強度、さらに鍛造性の低下を招くため、0.3〜0.9mass％を好適範囲とした。

Si：0.01〜1.2mass％
Siは、脱酸剤として作用するだけではなく、強度の向上にも有効に寄与するが、含有量が0.01mass％未満ではその効果は不十分であり、1.2mass％を超えると鍛造性や冷間加工性の低下を招くため、0.01〜1.2mass％を好適範囲とした。

Mn：0.01〜2.Omass％
Mnは、強度の向上だけでなく、疲労強度の向上に有効に作用するが、含有量が0.01mass％未満ではその効果は不十分であり、2.Omass％を超えると鍛造性や被削性を劣化させるため、0.01〜2.Omass％を好適範囲とした。

以上が好適な基本成分であるが、さらなる疲労強度の向上を求める場合には、以下に述べる元素を適宜含有させることができる。

Mo：0.05〜0.60mass％
Moは、フェライト粒の成長を抑制する上で有用な元素であり、そのためには少なくとも0.05mass％以上必要とするが、0.60mass％を超えて添加すると被削性の劣化を招くため、0.05〜0.60mass％とすることが好ましい。

Al：0.01〜0.06mass％
Alは、鋼の脱酸剤として作用する。しかしながら、含有量が0.01mass％未満ではその効果に乏しく、0.06mass％を超えると被削性および疲労強度の低下を招くため、0.01〜0.06mass％とすることが好ましい。

Ti：0.005〜0.050mass％
Tiは、TiNのピンニング効果により、結晶粒を微細化するために有用な元素であり、この効果を得るためには少なくとも0.005mass％以上の添加を必要とするが、0.050mass％を超えて添加すると疲労強度の低下を招くため、0.005〜0.050mass％の範囲とすることが好ましい。

Ni：1.0mass％以下
Niは、強度上昇およびCu添加時の割れ防止に有効な元素であり、好ましくは0.05mass％の添加を必要とするが、Ni量は1.Omass％を超えて添加すると焼割れを起こしやすくなるため、1.Omass％以下に制限することが好ましい。

Cr：1.0mass％以下
Crは、強度上昇に有効であり、好ましくは0.05mass％以上添加するが、1.Omass％を超えて添加すると、炭化物を安定化させて残留炭化物の生成を促進し、粒界強度を低下させ、また疲労強度の低下も招くことから、1.Omass％以下に制限することが好ましい。

Ｖ：0.1mass％以下
Ｖは、炭化物形成元素でありピンニングによる組織微細化効果を発揮する元素である。好ましくは0.005mass％以上添加するが、0.1mass％を超えても効果が飽和するため0.1mass％に制限することが好ましい。

Cu：1.0mass％以下
Cuは、固溶強化、析出強化により強度を向上させる元素であり、また、焼入性の向上にも有効であるため好ましくは0.1mass％以上添加するが、1.Omass％を超えて含有すると熱間加工時の割れが発生するため1.Omass％以下に制限することが好ましい。

Nb：0.05mass％以下
Nbは炭化物もしくは炭窒化物として析出し、ピンニングにより粒成長を抑制する効果があり、好ましくは0.005mass％以上添加するが、0.05mass％を超えて添加してもその効果は飽和するため、0.05mass％以下に制限することが好ましい。

Ca：0.008mass％以下
Caは、介在物を球状化し、疲労特性を改善する効果がある。このましくは0.001mass％以上添加するが、0.008mass％を超えて添加すると介在物が粗大化し、疲労特性を劣化させる傾向にあるため、0.008mass％以下に制限することが好ましい。

Ｂ：0.004mass％以下
Ｂは、粒界に偏析し粒界強化により疲労強度を改善するだけでなく、強度を向上させる有用な元素である。好ましくは0.003mass％以上添加するが、0.004mass％を超えて添加してもその効果は飽和するため、0.008mass％以下に制限することが好ましい。

なお、残部はFeおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としてはＰ、Ｓ、ＯおよびＮが挙げられる。

表１に示す化学成分組成の鋼を真空溶解炉にて溶製し、100kgのインゴットに鋳造した。次いで、インゴットを熱間鍛造により65mmφの圧延棒鋼とした。この圧延棒鋼を1000〜1200℃に加熱後、図３に示す、３段階の熱間鍛造を施して同図（ｄ）に示すフランジを有する熱間鍛造品１に成形した。この熱間鍛造後、ただちにフランジ根元部１ａに限局した部分冷却を行った後、放冷した。

なお、熱間鍛造の温度は、放射温度計にて測定し、熱間鍛造後はフランジ根元部１ａに熱電対を取り付け、温度履歴を測定し、自己能もどしパラメータＨを算出した。この計算においては、Δｔ＝0.5秒とし、温度Ｔは各Δｔにおける平均温度（Ｋ）を用いた。

かくして得られた熱間鍛造品について、組織観察、硬さ測定、曲げ疲労状態試験および切削試験を以下の要領にて実施した。比較のために、従来一般的に用いられている熱間鍛造・空冷プロセス、および熱間鍛造・全体焼入れ焼もどしプロセスでも鍛造品を作製した。全体焼入後、焼戻し温度600℃×１hrの焼戻し処理を行った。また、熱間鍛造・空冷材の一部において、さらに高周波焼入れ処理を行った。

まず、組織観察は、得られた熱間鍛造品のフランジ根元部１ａおよび軸端部１ｂから組織観察用サンプルを切り出し、そのナイタール腐食組織を光学顕微鏡および電子顕微鏡にて観察した。
ビッカース硬さ測定は、フランジ根元部１ａおよび軸端部１ｂからそれぞれ表皮下１mm部について荷重300ｇにてビッカース硬さを測定した。

また、曲げ疲労状態試験は、図４に示すように、固定ボルトにより熱間鍛造品を回転軸に取り付け、図４に示す要領で荷重を付与し回転数800rpmで回転させながらフランジ部に荷重を付与する耐久試験を行い、耐久時間が120時間となる疲労強度を求めた。

切削試験による切削性は、外周施削で評価した。すなわち、超硬工具P10を用い、切削速度200ｍ／min、切込み0.25mmおよび送り0.5mm/revにて、潤滑剤を噴霧して実施し、施削により部品全体を切削するのに要する時間で評価した。この際、従来の熱間鋳造・空冷プロセス材の切削に要した時間ｔ１に対して要した時間をｔ２とし、（ｔ２−ｔ１）／ｔ１として評価した。

表２において、Ｎｏ．２〜５、14、16、18および20は本発明例であり、従来プロセスでの製造材に比較して25％以上の疲労強度の向上と切削性の両立が達成されている。

Ｎｏ．６および７は、冷却開始温度が低く、自己焼もどしパラメータＨが低くなった場合であり、硬化部の焼もどしが不十分で硬度上昇が大きく、被削性に劣る。Ｎｏ．８は、冷却停止温度が高いため組織の焼入れ効果が不十分であり疲労強度が上昇していない。Ｎｏ．９は、パラメータＨが85を超えるため、疲労強度が十分に上昇しない。Ｎｏ．10は、熱間鋳造後の冷却速度が不十分であり、十分な硬化組織が得られず疲労強度が上昇していない。Ｎｏ．11は従来の一般的な熱間鋳造プロセスで製造した比較例である。Ｎｏ．12は、熱間鋳造後、全体焼入れしたものであり、疲労強度の向上は見られるが被削性に劣る。Ｎｏ．13は、熱間鋳造後に局部的に焼入れ処理したものであり、疲労強度の向上は見られるが被削性が劣化している。Ｎｏ．11、15、17、19および21は、従来プロセスで製造したものであり、局部冷却材との疲労強度比較のために実施した。

復熱における温度履歴の概念図である。パラメータＨと（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２との関係を示す図である。熱間鍛造の手順を示す工程図である。曲げ疲労状態試験の要領を示す図である。

符号の説明

１熱間鍛造品１
１ａフランジ根元部
１ｂ軸端部

Claims

熱間鍛造後の部分冷却によって導入された硬化部と、非硬化部とを有し、表面における前記硬化部のビッカース硬さＶ_１と前記非硬化部のビッカース硬さＶ_２が下記式（１）を満足することを特徴とする熱間鍛造品。
記
（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２：0.1〜0.8 ----（１）
前記硬化部は、マルテンサイト組織および／またはベイナイト組織からなる請求項１に記載の熱間鍛造品。
請求項１または２に記載の熱間鍛造品に冷間仕上げ加工を施してなる機械構造部品。
Ｃ：0.3〜0.9mass％、
Si：0.01〜1.2mass％および
Mn：0.01〜2.0mass％
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼を、
熱間鍛造を施して得た鍛造品に対して、Ａ_ｃ３＋100℃以上からＡ_ｃ１−150℃以下まで20℃／ｓ以上の速度にて冷却する冷却処理を部分的に行って、次いで、その部分にＡ_Ｃ１点を超えない温度域での復熱による焼戻しを、前記冷却を停止後、復熱後の降温過程で300℃に到達するまでの間について、ΔＴ _ｎ秒毎の平均温度Ｔ _ｎ（Ｋ）から、下記式（２）にて定義されるパラメータＨを、
65≦Ｈ≦85
として施すことを特徴とする熱間鍛造品の製造方法。
記
Ｈ＝ｌｏｇ _１０ Σ１０ ^ｆｎ ----（２）
但し、ｆ _ｎ＝logΔＴ _ｎ −1.597×10 ⁴ ／Ｔ _ｎ＋100
ΔＴ _ｎ ≦0.5秒
前記鋼は、さらに
Mo：0.05〜0.60mass％、
Al：0.01〜0.06mass％、
Ti：0.005〜0.050mass％、
Ni：1.0mass％以下、
Cr：1.0mass％以下、
Ｖ：0.1mass％以下、
Cu：1.0mass％以下、
Nb：0.05mass％以下、
Ca：0.008mass％以下および
Ｂ：0.004mass％以下
のうちから選ばれる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４に記載の熱間鍛造品の製造方法。