JP4556334B2 - 軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品、詳細には疲労強度および曲げ矯正性に優れた機械部品などに用いる軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、歯車、シャフト類、クランクシャフト、コネクティングロッドなどの機械部品は、機械構造用炭素鋼（JIS Ｓ４８Ｃ）を熱間鍛造、焼きならし処理および機械加工をした後、耐焼付け性、耐摩耗性および疲れ特性を改善させる目的で軟窒化処理をし、その後長尺材やわずかな曲がりでも問題になるクランクシャフトなどには曲げ矯正をし、仕上げ加工をすることによって製造されている。
【０００３】
上記従来の工程おいては、熱間鍛造後に焼きならし処理を実施しているが、この焼きならし処理は、硬さを調節するとともに熱間鍛造によって粗大化した組織を微細・整粒化し、軟窒化性および曲げ矯正性を改善することを目的としているものである。しかし、コスト低減および省エネルギーなどの観点から焼きならし処理が省略できる軟窒化用非調質鋼（ここで言う非調質鋼とは、鍛造後に焼きならし処理をしない鋼のこと。）の開発が要求されている。
【０００４】
上記焼きならし処理を省略することができる鋼、すなわち非調質鋼を用いて軟窒化処理をした鍛造部品として、Ｃ：０．０２〜０．３０％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｐ：０．１０％以下、Ｃｒ：０〜０．１５％、ｓ−Ａｌ：０〜０．０１％、Ｔｉ：０．０２％以下、Ｎ：０．０１０〜０．０３０％、Ｖ：０〜０．０２％を含有し、必要に応じてＳ：０．０４〜０．１０％、Ｃａ：０．０００３〜０．００３０％、Ｐｂ：０．０５〜０．２０％のうちの１種以上を含有し、不可避不純物元素を含有することを特徴とする非調質軟窒化鋼鍛造部品が特開２０００−８１４１号公報に開示されている。
【０００５】
上記公報に開示されている鍛造部品に用いる非調質軟窒化鋼は、微量のＴｉを含有させることによって鍛造加熱時のオーステナイトの粒成長を抑制し、冷却後に発生するパーライト粒の径を小さくし、曲げ矯正時の初期き裂を小さくするもの（パーライト粒にき裂が発生しても、フェライト粒が組織全体に分布しているので、そのフェライト粒によりき裂の進展が阻止される。）であるが、パーライト粒が均一に小さくならないため、大きなパーライト粒にき裂が発生した場合、き裂の進展が生じ易く、曲げ矯正をすることができる量が小さくなるという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、鍛造後の焼きならし処理を省略することができ、かつＳ４８Ｃ鋼を鍛造後焼なまし処理をし、その後軟窒化処理をしたものより軟窒化処理後の曲げ矯正時のき裂が発生する限界の歪み量が高く、かつ疲労強度が高い軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品を提供することを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者らは、非調質軟窒化鋼および調質軟窒化鋼において、き裂を発生する機構、パーライト粒の径が均一で、かつ小さくなる軟窒化用非調質鋼について鋭意研究していたところ、曲げ矯正時の歪みの小さい初期においては表面の化合物相にき裂が発生し、歪みが増加すると化合物相に接した一単位のパーライト粒にき裂が発生し、更に歪みが増加するとその一単位のパーライト粒（以下、「パーライトブロック」という。）を初期き裂として、き裂がより内部のフェライトまたはパーライトに進展し、部品としての機能を損なうようになること、よって化合物相に接した一単位のパーライト粒の大きさが小さいほど、初期き裂の長さが短くなり、その初期き裂の長さが短いほどき裂の進展が発生し難いこと、それ故曲げ矯正性を向上させるためにはパーライトブロックの大きさを小さくする必要があること、非調質鋼は、１１００℃以上に加熱後９５０℃以上で鍛造を終了し、そのまま放冷却を実施するため、その組織は旧オーステナイト粒界に沿って析出する初析フェライトと残りの部分からなるパーライトの混合組織から構成され、また調質鋼は、８００℃付近の温度領域に加熱し放冷するため、旧オーステナイト粒は粗大化せず微細なため、微細なフェライトとパーライトの混合組織から構成されたものとなることなどの知見を得た。
【０００８】
また、非調質鋼は、調質鋼と比較して旧オーステナイト粒が大きく、焼入性が大きいためにフェライト変態が抑制されてフェライトが析出し難く、オーステナイトの大部分がパーライトとなり易いこと、そのためパーライトブロックの大きさが調質鋼より大きくなり易く、これが曲げ矯正性を低下させる原因となること、調質鋼とパーライトブロックの大きさを同等にするためには、冷却時における旧オーステナイト粒内からフェライト析出を促進させる必要があること、そのために介在物のＭｎＳを旧オーステナイト粒内に存在させ、フェライトの析出の核としてフェライトの析出を促進させる手法が取られてきたが、ＭｎＳを鋼中に微細に均一に分散させることは難しく、パーライトブロックの大きさは部位によりばらつきが生じ、曲げ矯正性にばらつきがあること、Ｃ，Ｍｎ，Ｃｒ，ｓ−Ａｌ，Ｔｉ，ＮおよびＯの含有量を適正化すると、強度、窒化性、曲げ矯正性が改善されること、Ｏの含有量を適正化することにより介在物であるＭｎＳが鋼材中に微細に、かつ均一に分散されることにより、熱間鍛造後の旧オーステナイト粒内からのフェライトの析出を促進させ、パーライトブロックの大きさをばらつきなく小さくすることにより曲げ矯正性が改善されることなどの知見を得た。
本発明は、これらの知見に基づいて発明をされたものである。
【０００９】
すなわち、本発明の軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品においては、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．２５〜１．０％、Ｓ：０．０３〜０．２％、Ｃｒ：０．２％以下、ｓ−Ａｌ：０．０４５％以下、Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％、Ｎ：０．００５〜０．０２５％およびＯ：０．００１〜０．００５％を含有し、必要に応じて更にＰｂ：０．０１〜０．４０％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％およびＢｉ：０．００５〜０．４０％のうちの１種または２種以上を含有し、かつ０．１２×Ｔｉ％＜Ｏ％＜２．５×Ｔｉ％および０．０４×Ｎ％＜Ｏ％＜０．７×Ｎ％の条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、組織がフェライトとパーライトの混合組織であり、且つパーライトブロックの大きさが２１．８μｍ以下であるものとすることである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品において成分組成を上記のように特定した理由を説明する。
Ｃ：０．２〜０．６％
Ｃは、強度を高くするので、そのために含有させる元素である。この作用効果を得るためには０．２％以上、好ましくは０．３％以上含有させる必要があるが、０．６％、好ましくは０．５％を超えると硬くなり過ぎて被削性が低下するので、その含有量を０．２〜０．６％にする。好ましい含有量は０．３〜０．５％である。
【００１１】
Ｓｉ：０．０５〜１．０％
Ｓｉは、鋼溶製時の脱酸剤であり、また固溶強化により強度を向上させるので、これらのために含有させる元素である。これらの作用効果を得るためには０．０５％以上、好ましくは０．１５％以上含有させる必要があるが、１．０％、好ましくは０．５％を超えると不必要に硬さを増加させて被削性を低下させるので、その含有量を０．０５〜１．０％にする。好ましい含有量は０．１５〜０．５％である。
【００１２】
Ｍｎ：０．２５〜１．０％
Ｍｎは、疲労強度を高くすると共に、介在物のＭｎＳを生成させるために必要であるので、これらのために含有させる元素である。これらの作用効果を得るためには０．２５％以上、好ましくは０．３０％以上含有させる必要があるが、１．０％、好ましくは０．７０％を超えて含有させると、パーライトの体積率を増加させ、曲げ矯正性を低下させるので、その含有量を０．２５〜１．０％にする。好ましい含有量は０．３０〜０．７０％である。
【００１３】
Ｃｒ：０．２％以下
Ｃｒは、不純物であり、含有しないことが好ましい。Ｃｒを含有すると、軟窒化処理により、窒化物を生成し、表面の硬さを高め、曲げ矯正性を低下させるので、その含有量は少ないほど好ましいが、製造時のコストを考慮すると０．２％以下、好ましくは０．１％以下、より好ましくは０．０５％以下にする。
ｓ−Ａｌ：０．０４５％以下
ｓ−Ａｌは、Ｃｒと同様に不純物であり、含有しないことが好ましい。多量に含有するとＣｒと同様に窒化層に窒化物として析出し、表面硬さを著しく高め、曲げ矯正性を低下させるので、０．０４５％以下、好ましくは０．０１０％以下にする。
【００１４】
Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％
Ｔｉは、鋼中のＮと窒化物を形成し、熱間鍛造時の旧オーステナイト粒の成長を抑制し、フェライトパーライト組織を微細化し、その結果パーライトブロックの大きさを小さくすることにより曲げ矯正性を向上させるので、このために含有させる元素である。この作用効果を得るこめには０．００２％以上を含有させる必要があるが、０．０１０％以上、好ましくは、０．００８％を超えると鋼中の固溶Ｎ量が減少して疲労強度を低下させるので、その含有量を０．００２〜０．０１０％にする。好ましい含有量は０．００２〜０．００８％である。
【００１５】
Ｎ：０．００５〜０．０２５％
Ｎは、疲労強度を向上させると共に、Ｔｉと窒化物を形成し、この窒化物の微細な析出により熱間鍛造時の旧オーステナイト粒の成長を抑制し、上記Ｔｉの欄で記載したように曲げ矯正性を向上させるので、これらのために含有させる元素である。これらの作用効果を得るためには０．００５％以上、好ましくは０．００９％以上含有させる必要があるが、０．０２５％以上、好ましくは０．０２４％以上を含有させても効果が飽和するので、その含有量を０．００５〜０．０２５％にする。好ましい含有量は、０．００９〜０．０２４％である。
【００１６】
Ｏ：０．００１〜０．００５％
Ｏは、鋼中のＴｉ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａと酸化物を形成し、ＭｎＳの析出核となることによりＭｎＳを鋼中に微細かつ均一に分散させ、またこのＭｎＳが熱間鍛造後の冷却時に旧オーステナイト粒内に析出する粒内フェライトの析出を促進させ、パーライトブロックの大きさを均一に小さくし、曲げ矯正性を向上させるので、このために含有させる元素である。この作用効果を得るためには０．００１％以上、好ましくは０．００１２％以上含有させる必要があるが、０．００５％、好ましくは０．００４８％を超えるとＴｉと酸化物を形成し、ＴｉＮの形成を抑え、熱間鍛造時の結晶粒成長を抑制する効果を抑えるので、その含有量を０．００１〜０．００５％にする。好ましい含有量は０．００１２〜０．００４８％である。
【００１７】
０．１２×Ｔｉ％＜Ｏ％＜２．５×Ｔｉ％および０．０４×Ｎ％＜Ｏ％＜０．７×Ｎ％
Ｔｉの酸化物と窒化物とのバランスをとるため、上記２つの式を満足させる必要がある。
Ｏが０．１２×Ｔｉ％以下および０．０４×Ｎ％以下では、ＭｎＳの析出核となる酸化物の量が少なくなってＭｎＳを鋼中に微細かつ均一に分散させなくなり、また２．５×Ｔｉ％以上および０．７×Ｎ％以上ではＴｉの酸化物が多くなり過ぎて、窒化物が少なくなって熱間鍛造時の旧オーステナイト粒の成長を抑制しなくなるので、上記２つの式を満足させる必要がある。
【００１８】
Ｓ：０．０３〜０．２％、Ｐｂ：０．０１〜０．４０％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％およびＢｉ：０．００５〜０．４０％
Ｓ，Ｐｂ，ＣａおよびＢｉは、被削性を改善させるので、そのために含有させる元素である。この作用効果を得るためにはＳを０．０３％以上、Ｐｂを０．０１％以上、Ｃａを０．０００５％以上およびＢｉを０．００５％以上含有させる必要があるが、Ｓを０．２％、Ｐｂを０．４０％、Ｃａを０．００５０％およびＢｉを０．４０％を超えて含有させると熱間加工性および疲れ限度を低下させるので、それらの含有量を上記のとおりとする。
【００１９】
その他の不純物
Ｐ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｎｉ：２０％以下、Ｍｏ：０．０２％以下
Ｐは、不純物であり、衝撃値を低下させるので、なるべく少ないほうが好ましいが、低下させるにはコストが高くなるので、影響の少ない０．０３％以下とする。
Ｃｕ，ＮｉおよびＭｏは、曲げ矯正性を劣化させるので、なるべく少ないほうがよい。ただし、溶解原料から混入する量のＣｕ：０．３０％以下、Ｎｉ：０．２０％以下、Ｍｏ：０．０２％以下は許容できる。
【００２０】
【作用】
本発明の軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品は、Ｃ，Ｍｎ，Ｃｒ，ｓ−Ａｌ，Ｔｉ，ＮおよびＯを適正化することにより、強度、窒化性および疲労強度を改善することができ、また特にＯの含有量を適正化することにより、熱間鍛造時の旧オーステナイト粒の成長を抑制すると共に、介在物であるＭｎＳが鋼材中に微細に、かつ均一に分散されて熱間鍛造後の旧オーステナイト粒内からのフェライトの析出を促進させるので、パーライトブロックの大きさをばらつきなく小さくすることにより曲げ矯正性などが改善される。
【００２１】
本発明に用いる軟窒化用非調質鋼の製造方法一例は次のとおりである。
アーク式電気炉で溶解し、取鍋精錬炉で成分調整をし、真空脱ガス炉で酸素量を調整した後鋳造して鋳塊とする。その後この鋳塊を分塊圧延し、熱間圧延をして鋼材とすることである。
本発明の軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品は、歯車、シャフト類、クランクシャフト、コネクティングロッドなど軟窒化処理をして使用する機械部品、特にシャフト類、クランクシャフトなどの長尺材で軟窒化処理後に曲げ矯正をする必要があるものに適している。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって説明する。
下記表１に示す成分組成の本発明例および比較例の鋼を高周波誘導炉を用いて溶製し、通常の鋳造方法で鋳造してインゴットを得た。これらのインゴットを熱間鍛造を行って□７０ｍｍの鍛造素材とし、これを１２００℃で６０分間加熱保持した後熱間鍛造し、放冷して□４０ｍｍの鋼材を製造した。これらより試験材を切り出して下記方法で疲労強度、硬さ、パーライトブロックの大きさ、ＭｎＳの分散性、曲げ矯正性および被削性を試験し、その結果を下記表２に示す。
【００２３】
疲労強度
疲労強度は、上記鋼材から図１に示す形状の長さ２１０ｍｍの試験片を作製し、５８０℃で１．５時間の塩浴軟窒化処理（浴の成分組成：ＮａＣＮ）を施した後、小野式回転曲げ試験を実施して測定した。
硬さ
硬さは、上記疲労強度の測定に用いた試験片と同様な試験片を作成し、図１のＲ部から試験片を切り出して表層から０．０５ｍｍの位置をビッカース硬度計（荷重３００ｇ）にて測定した。
パーライトブロックの大きさ
パーライトブロックの大きさは、ＪＩＳ Ｇ ０５５２に規定されている切断法にて測定した。
【００２４】
ＭｎＳの分散性
ＭｎＳの分散性は、熱間鍛造品の任意の部位の１０ｍｍ×１６ｍｍの視野を１５視野を観察し、数密度（個／ｍｍ2 ）、数密度のばらつき（標準偏差）およびＭｎＳの平均長さ（μｍ）で評価した。
【００２５】
曲げ矯正性
曲げ矯正性は、図１に示すよう長さ２１０ｍｍの試験片を作製し、５８０℃で１．５時間の塩浴軟窒化処理を施した後、図１に示すようにスパン１８２ｍｍの３点曲げ試験を行ってき裂が発生するまでの押し込み量で評価した。
被削性
被削性は、上記鋼材からφ９０ｍｍの試験片を作成し、１０００℃に加熱後空冷したものを超硬工具による旋削試験で評価した。旋削条件は、切削速度が２００ｍｍ／ｍｉｎ、送りが０．２ｍｍ／回転、切り込みが２ｍｍで、工具の逃げ面摩耗が０．２ｍｍになるまでの切削時間を本発明例６を１００として相対評価した。
【００２６】
【表１】
【００２７】
【表２】
【００２８】
表２の結果によると、本発明例は、何れも硬さが２５８〜３０７ＨＶ、疲労強度が３６５〜４１３ＭＰａ、パーライトブロックの大きさが１７．５〜２１．８μｍ、ＭｎＳの分散性を示すＭｎＳの数密度が３８．９〜３９．６（個／ｍｍ2 ）、ＭｎＳの数密度の標準偏差が４．２〜４．８およびＭｎＳの平均長さが１６．４〜１８．１μｍ、曲げ矯正性が８．８〜１２．８ｍｍ、また被削性がＳの外にＰｂ，Ｃａ又はＢｉを含有させたものが、Ｓのみ含有させた本発明例６に比較して２．５〜７．２倍であった。
これに対して、Ｃ合有量が少ない比較例Ａは、硬さが２２７ＨＶで低いため疲労強度が３１５ｍｐａで本発明例よりかなり低くなっていた。
Ｃ合有量が多い比較例Ｂは、硬さが３１９ＨＶで高過ぎると共に、パーライトブロックが２５．２μｍで大きいため、曲げ矯正性が６．２ｍｍと低くなっていた。
【００２９】
Ｍｎ合有量が多い比較例ＣとＣｒ合有量が上限値であるＤは、硬さが４４２ＨＶと４２８ＨＶで高過ぎると共に、パーライトブロックが２３．５μｍと２４．５μｍで本発明例より大きいため、曲げ矯正性が６．１ｍｍと５．１ｍｍで低くなっていた。
ｓ−Ａｌ合有量が多い比較例Ｅは、パーライトブロックが２３．６μｍで大きいため曲げ矯正性が７．８ｍｍとやや低くなっていた。
Ｔｉ含有量が少ない比較例Ｆ，ＧおよびＨは、パーライトブロックが２４．２μｍ，２３．９μｍ，２３．７μｍで大きいため曲げ矯正性が６．８ｍｍ，７．２ｍｍ，７．１ｍｍで低くなっていた。
Ｏ含有量が多い比較例Ｉは、パーライトブロックが２２．２μｍでやや大きいため曲げ矯正性が８．２ｍｍでやや低くなっていた。
【００３０】
Ｏ含有量が少ない比較例Ｊは、パーライトブロックが２１．９μｍでやや大きいため、曲げ矯正性が７．８ｍｍとやや低くなっていた。
Ｏ含有量が０．１２×Ｔｉ＜Ｏの条件を満たさない、すなわちＯがＴｉに対して少な過ぎる比較例Ｋは、介在物が均一に分散されず曲げ矯正性が８．１ｍｍでやや低くなっていた。
Ｏ含有量がＯ＜０．７×Ｎの条件を満たさない、すなわちＯがＮに対して多過ぎる比較例Ｌは、介在物が均一に分散されず曲げ矯正性が７．７ｍｍで低くなっていた。
Ｏ含有量がＯ％＜２．５×Ｔｉ％の条件を満たさない、すなわちＯがＴｉに対して多過ぎる比較例Ｍは、曲げ矯正性が８．６ｍｍでやや低くなっていた。
また、比較例は、何れもＭｎＳの分散性を表すＭｎＳの数密度が２４．０〜３１．９（個／ｍｍ2 ）で本発明例より小さく、さらにＭｎＳの数密度の標準偏差が４．９〜９．０で本発明例より大きく、またＭｎＳの平均長さが１８．６〜２３．４μｍで本発明例より大きかった。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品は、上記成分組成にすることにより、鍛造後の焼きならし処理を省略しても、Ｓ４８Ｃを鍛造後焼なまし処理をし、その後軟窒化処理をしたもの（比較例Ｍ）と比較して軟窒化処理後の曲げ矯正時のき裂が発生する限界の歪み量が同等またはそれより高く、かつ疲労強度も同等またはそれより高いという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例において疲労強度、硬さおよび曲げ矯正性を測定するために使用した試 験片および試験方法を説明するための概念図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品、詳細には疲労強度および曲げ矯正性に優れた機械部品などに用いる軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、歯車、シャフト類、クランクシャフト、コネクティングロッドなどの機械部品は、機械構造用炭素鋼（JIS Ｓ４８Ｃ）を熱間鍛造、焼きならし処理および機械加工をした後、耐焼付け性、耐摩耗性および疲れ特性を改善させる目的で軟窒化処理をし、その後長尺材やわずかな曲がりでも問題になるクランクシャフトなどには曲げ矯正をし、仕上げ加工をすることによって製造されている。
【０００３】
上記従来の工程おいては、熱間鍛造後に焼きならし処理を実施しているが、この焼きならし処理は、硬さを調節するとともに熱間鍛造によって粗大化した組織を微細・整粒化し、軟窒化性および曲げ矯正性を改善することを目的としているものである。しかし、コスト低減および省エネルギーなどの観点から焼きならし処理が省略できる軟窒化用非調質鋼（ここで言う非調質鋼とは、鍛造後に焼きならし処理をしない鋼のこと。）の開発が要求されている。
【０００４】
上記焼きならし処理を省略することができる鋼、すなわち非調質鋼を用いて軟窒化処理をした鍛造部品として、Ｃ：０．０２〜０．３０％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｐ：０．１０％以下、Ｃｒ：０〜０．１５％、ｓ−Ａｌ：０〜０．０１％、Ｔｉ：０．０２％以下、Ｎ：０．０１０〜０．０３０％、Ｖ：０〜０．０２％を含有し、必要に応じてＳ：０．０４〜０．１０％、Ｃａ：０．０００３〜０．００３０％、Ｐｂ：０．０５〜０．２０％のうちの１種以上を含有し、不可避不純物元素を含有することを特徴とする非調質軟窒化鋼鍛造部品が特開２０００−８１４１号公報に開示されている。
【０００５】
上記公報に開示されている鍛造部品に用いる非調質軟窒化鋼は、微量のＴｉを含有させることによって鍛造加熱時のオーステナイトの粒成長を抑制し、冷却後に発生するパーライト粒の径を小さくし、曲げ矯正時の初期き裂を小さくするもの（パーライト粒にき裂が発生しても、フェライト粒が組織全体に分布しているので、そのフェライト粒によりき裂の進展が阻止される。）であるが、パーライト粒が均一に小さくならないため、大きなパーライト粒にき裂が発生した場合、き裂の進展が生じ易く、曲げ矯正をすることができる量が小さくなるという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、鍛造後の焼きならし処理を省略することができ、かつＳ４８Ｃ鋼を鍛造後焼なまし処理をし、その後軟窒化処理をしたものより軟窒化処理後の曲げ矯正時のき裂が発生する限界の歪み量が高く、かつ疲労強度が高い軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品を提供することを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者らは、非調質軟窒化鋼および調質軟窒化鋼において、き裂を発生する機構、パーライト粒の径が均一で、かつ小さくなる軟窒化用非調質鋼について鋭意研究していたところ、曲げ矯正時の歪みの小さい初期においては表面の化合物相にき裂が発生し、歪みが増加すると化合物相に接した一単位のパーライト粒にき裂が発生し、更に歪みが増加するとその一単位のパーライト粒（以下、「パーライトブロック」という。）を初期き裂として、き裂がより内部のフェライトまたはパーライトに進展し、部品としての機能を損なうようになること、よって化合物相に接した一単位のパーライト粒の大きさが小さいほど、初期き裂の長さが短くなり、その初期き裂の長さが短いほどき裂の進展が発生し難いこと、それ故曲げ矯正性を向上させるためにはパーライトブロックの大きさを小さくする必要があること、非調質鋼は、１１００℃以上に加熱後９５０℃以上で鍛造を終了し、そのまま放冷却を実施するため、その組織は旧オーステナイト粒界に沿って析出する初析フェライトと残りの部分からなるパーライトの混合組織から構成され、また調質鋼は、８００℃付近の温度領域に加熱し放冷するため、旧オーステナイト粒は粗大化せず微細なため、微細なフェライトとパーライトの混合組織から構成されたものとなることなどの知見を得た。
【０００８】
また、非調質鋼は、調質鋼と比較して旧オーステナイト粒が大きく、焼入性が大きいためにフェライト変態が抑制されてフェライトが析出し難く、オーステナイトの大部分がパーライトとなり易いこと、そのためパーライトブロックの大きさが調質鋼より大きくなり易く、これが曲げ矯正性を低下させる原因となること、調質鋼とパーライトブロックの大きさを同等にするためには、冷却時における旧オーステナイト粒内からフェライト析出を促進させる必要があること、そのために介在物のＭｎＳを旧オーステナイト粒内に存在させ、フェライトの析出の核としてフェライトの析出を促進させる手法が取られてきたが、ＭｎＳを鋼中に微細に均一に分散させることは難しく、パーライトブロックの大きさは部位によりばらつきが生じ、曲げ矯正性にばらつきがあること、Ｃ，Ｍｎ，Ｃｒ，ｓ−Ａｌ，Ｔｉ，ＮおよびＯの含有量を適正化すると、強度、窒化性、曲げ矯正性が改善されること、Ｏの含有量を適正化することにより介在物であるＭｎＳが鋼材中に微細に、かつ均一に分散されることにより、熱間鍛造後の旧オーステナイト粒内からのフェライトの析出を促進させ、パーライトブロックの大きさをばらつきなく小さくすることにより曲げ矯正性が改善されることなどの知見を得た。
本発明は、これらの知見に基づいて発明をされたものである。
【０００９】
すなわち、本発明の軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品においては、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．２５〜１．０％、Ｓ：０．０３〜０．２％、Ｃｒ：０．２％以下、ｓ−Ａｌ：０．０４５％以下、Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％、Ｎ：０．００５〜０．０２５％およびＯ：０．００１〜０．００５％を含有し、必要に応じて更にＰｂ：０．０１〜０．４０％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％およびＢｉ：０．００５〜０．４０％のうちの１種または２種以上を含有し、かつ０．１２×Ｔｉ％＜Ｏ％＜２．５×Ｔｉ％および０．０４×Ｎ％＜Ｏ％＜０．７×Ｎ％の条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、組織がフェライトとパーライトの混合組織であり、且つパーライトブロックの大きさが２１．８μｍ以下であるものとすることである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品において成分組成を上記のように特定した理由を説明する。
Ｃ：０．２〜０．６％
Ｃは、強度を高くするので、そのために含有させる元素である。この作用効果を得るためには０．２％以上、好ましくは０．３％以上含有させる必要があるが、０．６％、好ましくは０．５％を超えると硬くなり過ぎて被削性が低下するので、その含有量を０．２〜０．６％にする。好ましい含有量は０．３〜０．５％である。
【００１１】
Ｓｉ：０．０５〜１．０％
Ｓｉは、鋼溶製時の脱酸剤であり、また固溶強化により強度を向上させるので、これらのために含有させる元素である。これらの作用効果を得るためには０．０５％以上、好ましくは０．１５％以上含有させる必要があるが、１．０％、好ましくは０．５％を超えると不必要に硬さを増加させて被削性を低下させるので、その含有量を０．０５〜１．０％にする。好ましい含有量は０．１５〜０．５％である。
【００１２】
Ｍｎ：０．２５〜１．０％
Ｍｎは、疲労強度を高くすると共に、介在物のＭｎＳを生成させるために必要であるので、これらのために含有させる元素である。これらの作用効果を得るためには０．２５％以上、好ましくは０．３０％以上含有させる必要があるが、１．０％、好ましくは０．７０％を超えて含有させると、パーライトの体積率を増加させ、曲げ矯正性を低下させるので、その含有量を０．２５〜１．０％にする。好ましい含有量は０．３０〜０．７０％である。
【００１３】
Ｃｒ：０．２％以下
Ｃｒは、不純物であり、含有しないことが好ましい。Ｃｒを含有すると、軟窒化処理により、窒化物を生成し、表面の硬さを高め、曲げ矯正性を低下させるので、その含有量は少ないほど好ましいが、製造時のコストを考慮すると０．２％以下、好ましくは０．１％以下、より好ましくは０．０５％以下にする。
ｓ−Ａｌ：０．０４５％以下
ｓ−Ａｌは、Ｃｒと同様に不純物であり、含有しないことが好ましい。多量に含有するとＣｒと同様に窒化層に窒化物として析出し、表面硬さを著しく高め、曲げ矯正性を低下させるので、０．０４５％以下、好ましくは０．０１０％以下にする。
【００１４】
Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％
Ｔｉは、鋼中のＮと窒化物を形成し、熱間鍛造時の旧オーステナイト粒の成長を抑制し、フェライトパーライト組織を微細化し、その結果パーライトブロックの大きさを小さくすることにより曲げ矯正性を向上させるので、このために含有させる元素である。この作用効果を得るこめには０．００２％以上を含有させる必要があるが、０．０１０％以上、好ましくは、０．００８％を超えると鋼中の固溶Ｎ量が減少して疲労強度を低下させるので、その含有量を０．００２〜０．０１０％にする。好ましい含有量は０．００２〜０．００８％である。
【００１５】
Ｎ：０．００５〜０．０２５％
Ｎは、疲労強度を向上させると共に、Ｔｉと窒化物を形成し、この窒化物の微細な析出により熱間鍛造時の旧オーステナイト粒の成長を抑制し、上記Ｔｉの欄で記載したように曲げ矯正性を向上させるので、これらのために含有させる元素である。これらの作用効果を得るためには０．００５％以上、好ましくは０．００９％以上含有させる必要があるが、０．０２５％以上、好ましくは０．０２４％以上を含有させても効果が飽和するので、その含有量を０．００５〜０．０２５％にする。好ましい含有量は、０．００９〜０．０２４％である。
【００１６】
Ｏ：０．００１〜０．００５％
Ｏは、鋼中のＴｉ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａと酸化物を形成し、ＭｎＳの析出核となることによりＭｎＳを鋼中に微細かつ均一に分散させ、またこのＭｎＳが熱間鍛造後の冷却時に旧オーステナイト粒内に析出する粒内フェライトの析出を促進させ、パーライトブロックの大きさを均一に小さくし、曲げ矯正性を向上させるので、このために含有させる元素である。この作用効果を得るためには０．００１％以上、好ましくは０．００１２％以上含有させる必要があるが、０．００５％、好ましくは０．００４８％を超えるとＴｉと酸化物を形成し、ＴｉＮの形成を抑え、熱間鍛造時の結晶粒成長を抑制する効果を抑えるので、その含有量を０．００１〜０．００５％にする。好ましい含有量は０．００１２〜０．００４８％である。
【００１７】
０．１２×Ｔｉ％＜Ｏ％＜２．５×Ｔｉ％および０．０４×Ｎ％＜Ｏ％＜０．７×Ｎ％
Ｔｉの酸化物と窒化物とのバランスをとるため、上記２つの式を満足させる必要がある。
Ｏが０．１２×Ｔｉ％以下および０．０４×Ｎ％以下では、ＭｎＳの析出核となる酸化物の量が少なくなってＭｎＳを鋼中に微細かつ均一に分散させなくなり、また２．５×Ｔｉ％以上および０．７×Ｎ％以上ではＴｉの酸化物が多くなり過ぎて、窒化物が少なくなって熱間鍛造時の旧オーステナイト粒の成長を抑制しなくなるので、上記２つの式を満足させる必要がある。
【００１８】
Ｓ：０．０３〜０．２％、Ｐｂ：０．０１〜０．４０％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％およびＢｉ：０．００５〜０．４０％
Ｓ，Ｐｂ，ＣａおよびＢｉは、被削性を改善させるので、そのために含有させる元素である。この作用効果を得るためにはＳを０．０３％以上、Ｐｂを０．０１％以上、Ｃａを０．０００５％以上およびＢｉを０．００５％以上含有させる必要があるが、Ｓを０．２％、Ｐｂを０．４０％、Ｃａを０．００５０％およびＢｉを０．４０％を超えて含有させると熱間加工性および疲れ限度を低下させるので、それらの含有量を上記のとおりとする。
【００１９】
その他の不純物
Ｐ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｎｉ：２０％以下、Ｍｏ：０．０２％以下
Ｐは、不純物であり、衝撃値を低下させるので、なるべく少ないほうが好ましいが、低下させるにはコストが高くなるので、影響の少ない０．０３％以下とする。
Ｃｕ，ＮｉおよびＭｏは、曲げ矯正性を劣化させるので、なるべく少ないほうがよい。ただし、溶解原料から混入する量のＣｕ：０．３０％以下、Ｎｉ：０．２０％以下、Ｍｏ：０．０２％以下は許容できる。
【００２０】
【作用】
本発明の軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品は、Ｃ，Ｍｎ，Ｃｒ，ｓ−Ａｌ，Ｔｉ，ＮおよびＯを適正化することにより、強度、窒化性および疲労強度を改善することができ、また特にＯの含有量を適正化することにより、熱間鍛造時の旧オーステナイト粒の成長を抑制すると共に、介在物であるＭｎＳが鋼材中に微細に、かつ均一に分散されて熱間鍛造後の旧オーステナイト粒内からのフェライトの析出を促進させるので、パーライトブロックの大きさをばらつきなく小さくすることにより曲げ矯正性などが改善される。
【００２１】
本発明に用いる軟窒化用非調質鋼の製造方法一例は次のとおりである。
アーク式電気炉で溶解し、取鍋精錬炉で成分調整をし、真空脱ガス炉で酸素量を調整した後鋳造して鋳塊とする。その後この鋳塊を分塊圧延し、熱間圧延をして鋼材とすることである。
本発明の軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品は、歯車、シャフト類、クランクシャフト、コネクティングロッドなど軟窒化処理をして使用する機械部品、特にシャフト類、クランクシャフトなどの長尺材で軟窒化処理後に曲げ矯正をする必要があるものに適している。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって説明する。
下記表１に示す成分組成の本発明例および比較例の鋼を高周波誘導炉を用いて溶製し、通常の鋳造方法で鋳造してインゴットを得た。これらのインゴットを熱間鍛造を行って□７０ｍｍの鍛造素材とし、これを１２００℃で６０分間加熱保持した後熱間鍛造し、放冷して□４０ｍｍの鋼材を製造した。これらより試験材を切り出して下記方法で疲労強度、硬さ、パーライトブロックの大きさ、ＭｎＳの分散性、曲げ矯正性および被削性を試験し、その結果を下記表２に示す。
【００２３】
疲労強度
疲労強度は、上記鋼材から図１に示す形状の長さ２１０ｍｍの試験片を作製し、５８０℃で１．５時間の塩浴軟窒化処理（浴の成分組成：ＮａＣＮ）を施した後、小野式回転曲げ試験を実施して測定した。
硬さ
硬さは、上記疲労強度の測定に用いた試験片と同様な試験片を作成し、図１のＲ部から試験片を切り出して表層から０．０５ｍｍの位置をビッカース硬度計（荷重３００ｇ）にて測定した。
パーライトブロックの大きさ
パーライトブロックの大きさは、ＪＩＳ Ｇ ０５５２に規定されている切断法にて測定した。
【００２４】
ＭｎＳの分散性
ＭｎＳの分散性は、熱間鍛造品の任意の部位の１０ｍｍ×１６ｍｍの視野を１５視野を観察し、数密度（個／ｍｍ2 ）、数密度のばらつき（標準偏差）およびＭｎＳの平均長さ（μｍ）で評価した。
【００２５】
曲げ矯正性
曲げ矯正性は、図１に示すよう長さ２１０ｍｍの試験片を作製し、５８０℃で１．５時間の塩浴軟窒化処理を施した後、図１に示すようにスパン１８２ｍｍの３点曲げ試験を行ってき裂が発生するまでの押し込み量で評価した。
被削性
被削性は、上記鋼材からφ９０ｍｍの試験片を作成し、１０００℃に加熱後空冷したものを超硬工具による旋削試験で評価した。旋削条件は、切削速度が２００ｍｍ／ｍｉｎ、送りが０．２ｍｍ／回転、切り込みが２ｍｍで、工具の逃げ面摩耗が０．２ｍｍになるまでの切削時間を本発明例６を１００として相対評価した。
【００２６】
【表１】
【表２】
表２の結果によると、本発明例は、何れも硬さが２５８〜３０７ＨＶ、疲労強度が３６５〜４１３ＭＰａ、パーライトブロックの大きさが１７．５〜２１．８μｍ、ＭｎＳの分散性を示すＭｎＳの数密度が３８．９〜３９．６（個／ｍｍ2 ）、ＭｎＳの数密度の標準偏差が４．２〜４．８およびＭｎＳの平均長さが１６．４〜１８．１μｍ、曲げ矯正性が８．８〜１２．８ｍｍ、また被削性がＳの外にＰｂ，Ｃａ又はＢｉを含有させたものが、Ｓのみ含有させた本発明例６に比較して２．５〜７．２倍であった。
これに対して、Ｃ合有量が少ない比較例Ａは、硬さが２２７ＨＶで低いため疲労強度が３１５ｍｐａで本発明例よりかなり低くなっていた。
Ｃ合有量が多い比較例Ｂは、硬さが３１９ＨＶで高過ぎると共に、パーライトブロックが２５．２μｍで大きいため、曲げ矯正性が６．２ｍｍと低くなっていた。
【００２９】
Ｍｎ合有量が多い比較例ＣとＣｒ合有量が上限値であるＤは、硬さが４４２ＨＶと４２８ＨＶで高過ぎると共に、パーライトブロックが２３．５μｍと２４．５μｍで本発明例より大きいため、曲げ矯正性が６．１ｍｍと５．１ｍｍで低くなっていた。
ｓ−Ａｌ合有量が多い比較例Ｅは、パーライトブロックが２３．６μｍで大きいため曲げ矯正性が７．８ｍｍとやや低くなっていた。
Ｔｉ含有量が少ない比較例Ｆ，ＧおよびＨは、パーライトブロックが２４．２μｍ，２３．９μｍ，２３．７μｍで大きいため曲げ矯正性が６．８ｍｍ，７．２ｍｍ，７．１ｍｍで低くなっていた。
Ｏ含有量が多い比較例Ｉは、パーライトブロックが２２．２μｍでやや大きいため曲げ矯正性が８．２ｍｍでやや低くなっていた。
【００３０】
Ｏ含有量が少ない比較例Ｊは、パーライトブロックが２１．９μｍでやや大きいため、曲げ矯正性が７．８ｍｍとやや低くなっていた。
Ｏ含有量が０．１２×Ｔｉ＜Ｏの条件を満たさない、すなわちＯがＴｉに対して少な過ぎる比較例Ｋは、介在物が均一に分散されず曲げ矯正性が８．１ｍｍでやや低くなっていた。
Ｏ含有量がＯ＜０．７×Ｎの条件を満たさない、すなわちＯがＮに対して多過ぎる比較例Ｌは、介在物が均一に分散されず曲げ矯正性が７．７ｍｍで低くなっていた。
Ｏ含有量がＯ％＜２．５×Ｔｉ％の条件を満たさない、すなわちＯがＴｉに対して多過ぎる比較例Ｍは、曲げ矯正性が８．６ｍｍでやや低くなっていた。
また、比較例は、何れもＭｎＳの分散性を表すＭｎＳの数密度が２４．０〜３１．９（個／ｍｍ2 ）で本発明例より小さく、さらにＭｎＳの数密度の標準偏差が４．９〜９．０で本発明例より大きく、またＭｎＳの平均長さが１８．６〜２３．４μｍで本発明例より大きかった。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品は、上記成分組成にすることにより、鍛造後の焼きならし処理を省略しても、Ｓ４８Ｃを鍛造後焼なまし処理をし、その後軟窒化処理をしたもの（比較例Ｍ）と比較して軟窒化処理後の曲げ矯正時のき裂が発生する限界の歪み量が同等またはそれより高く、かつ疲労強度も同等またはそれより高いという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例において疲労強度、硬さおよび曲げ矯正性を測定するために使用した試 験片および試験方法を説明するための概念図である。
Claims (2)
- 質量％で（以下同じ）、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．２５〜１．０％、Ｓ：０．０３〜０．２％、Ｃｒ：０．２％以下、ｓ−Ａｌ：０．０４５％以下、Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％、Ｎ：０．００５〜０．０２５％およびＯ：０．００１〜０．００５％を含有し、かつ０．１２×Ｔｉ％＜Ｏ％＜２．５×Ｔｉ％および０．０４×Ｎ％＜Ｏ％＜０．７×Ｎ％の条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、熱間鍛造後の組織がフェライトとパーライトの混合組織であり、且つパーライトブロックの大きさが２１．８μｍ以下であることを特徴とする軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品。
- Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．２５〜１．０％、Ｓ：０．０３〜０．２％、Ｃｒ：０．２％以下、ｓ−Ａｌ：０．０４５％以下、Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％、Ｎ：０．００５〜０．０２５％およびＯ：０．００１〜０．００５％を含有し、更にＰｂ：０．０１〜０．４０％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％およびＢｉ：０．００５〜０．４０％のうちの１種または２種以上を含有し、かつ０．１２×Ｔｉ％＜Ｏ％＜２．５×Ｔｉ％および０．０４×Ｎ％＜Ｏ％＜０．７×Ｎ％の条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、熱間鍛造後の組織がフェライトとパーライトの混合組織であり、且つパーライトブロックの大きさが２１．８μｍ以下であることを特徴とする軟窒化用非調質鋼熱間鍛造部品。
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