JP4596577B2

JP4596577B2 - 冷間鍛造用ビレットの製造方法

Info

Publication number: JP4596577B2
Application number: JP17380399A
Authority: JP
Inventors: 省一安藤; 博史小野; 正小林; 満上川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-06-21
Filing date: 1999-06-21
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2019-06-21
Also published as: JP2001001031A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中間焼鈍を必要とせず高い変形能の冷間鍛造が連続して可能で且つ焼入れ性を損なわない冷間鍛造用ビレットの製造技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動二輪車等のエンジンのクランク軸やコンロッド等の成形は熱間鍛造が主流であり、材料を再結晶温度以上に加熱して鍛錬成形するのが一般的である。
【０００３】
熱間鍛造用の素材としては調質鋼と非調質鋼がある。調質鋼は加熱（約１２００℃）した後、焼入れと焼戻しを施して強度及び靱性の向上を図ったものであり、クランク軸の素材として用いる炭素鋼には通常調質が施される。
また、非調質鋼は予めバナジウム等を添加しておいた材料を加熱（約１２００℃）した後、空冷することで強度及び靱性の向上を図ったものである。
【０００４】
また、クランク軸について説明すれば、クランク軸の一部、即ちウォームやテーパ部等は他の部分よりも高硬度が要求される。これらの部分を後に高周波焼入れ等によって部分的に高硬度にするには、Ｃ（炭素）が含まれていなければならないので、クランク軸用の熱間鍛造の素材としては、ＪＩＳＳ４８Ｃ（以下、単にＳ４８Ｃと記す）等の炭素鋼が用いられている。
【０００５】
因みに、Ｓ４８Ｃの成分割合は、Ｃが０．４５〜０．５１wt％、Ｓｉが０．１５〜０．３５wt％、Ｍｎが０．６〜０．９wt％、Ｐが０．０３wt％以下、Ｓが０．０３５wt％以下、Ｃｕが０．３wt％以下、Ｎｉが０．２wt％以下、Ｃｒが０．２wt％以下が基準とされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
熱間鍛造による成形は、金型表面が摩耗しやすく、その結果鍛造品の精度が悪くなり、鍛造後の機械加工による取代が大きくなって加工効率が低下する。そして、レース加工代が大きい為に機械台数も多くなり初期投資が膨大になる。
また、熱間鍛造にあっては、加熱後に鍛造するためにスケールが発生し、更に離型剤等の塗布が必須になるので作業環境を最適に保つことが困難である。
【０００７】
冷間鍛造によれば、成形精度や作業環境更には初期投資の問題を解消することができるのであるが、最大の問題は変形能が小さく割れが発生してしまうことである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷間鍛造の連続成形によって成形可能で、更に連続成形の途中で軟化処理が不要な冷間鍛造用ビレットの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
即ち、本発明に係る冷間鍛造用ビレットの製造方法は、棒材中の炭化物を球状化する第１の球状化焼鈍工程と、所定の断面減少率で引抜き加工する引抜き工程と、内部の炭化物の分散を促進し球状化率を高める第２の球状化焼鈍工程を経て冷間鍛造用ビレットを製造するようにした。
尚、棒材を所望の寸法に切断する場合には、前記引抜き工程と第２の球状化焼鈍工程との間で行うのが好ましい。
【００１０】
前記第１の球状化焼鈍工程では、素材全体の加工性を向上させて内部まで歪みを与えることができるようにするとともに、パーライトの微細化を図り、引抜き工程では素材内部に変形エネルギーを一部蓄積することによって焼鈍中に生じるオーステナイト粒の微細化を図って球状化速度を速める効果を得る。また第２の球状化焼鈍では、炭化物の分散を図り、一層球状化率を高める。
【００１１】
因みに、このような鉄鋼材のビレットとしては、例えば材料組成として、Ｃ（炭素）が０．４６〜０．４８wt％、Ｓｉ（珪素）が０．１４wt％以下、Ｍｎ（マンガン）が０．５５〜０．６５wt％、Ｐ（リン）が０．０１５wt％以下、Ｓ（硫黄）が０．０１５wt％以下、Ｃｕ（銅）が０．１５wt％以下、Ｎｉ（ニッケル）が０．２０wt％以下、Ｃｒ（クロム）が０．３５wt％以下含まれるビレットが好適である。
【００１２】
そしてこのような材料に上記のような処理を施すことにより、冷間鍛造を連続して行っても、材料割れ等が生じることがなく、また中間焼鈍を行わなくても成形できるようになり、特に据込み率の高い製品を成形するのに適用すれば効果的である。
【００１３】
据込み率の高い製品としてクランク軸等の軸付きエンジン部品があるが、この軸付きエンジン部品の成形は従来では熱間鍛造が主流であり、後加工で駄肉を削除するため、切削加工や表面処理等を必要としていた。このことから、歩留りが悪く、材料費がかかっていたが、これを連続した冷間鍛造で成形できれば、歩留りを向上させて材料費も削減できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について添付した図面に基づき説明する。図１は本発明に係る冷間鍛造用ビレットの製造方法の工程図、図２は冷間引抜き率と限界据込み率の関係を表すグラフである。
【００１５】
本発明に係る冷間鍛造用ビレットは、図１に示すような工程で製造され、素材の好適な成分組成としては、以下の（表１）に示すように、Ｃ（炭素）が０．４６〜０．４８wt％、Ｓｉ（珪素）が０．１４wt％以下、Ｍｎ（マンガン）が０．５５〜０．６５wt％、Ｐ（リン）が０．０１５wt％以下、Ｓ（硫黄）が０．０１５wt％以下、Ｃｕ（銅）が０．１５wt％以下、Ｎｉ（ニッケル）が０．２０wt％以下、Ｃｒ（クロム）が０．３５wt％以下含まれる鋼材とし、これは熱間鍛造素材であるＳ４８Ｃの成分組成を基本にし、焼入れ性確保のためＣ量をＳ４８Ｃと同等にするとともに、材料割れの要因になりやすいＳｉ、Ｐ、Ｓ及びＣuの量を削減した成分組成にしたものである。
【００１６】
【表１】

【００１７】
以下に成分組成割合を上記の範囲とした理由を記す。ただし、本発明に係る調質方法（ビレットの製造方法）を適用し得る材料の組成割合はこれに限定されるものではない。
【００１８】
先ず、Ｃは単位％当り最も冷間鍛造性に大きな効果をもつ元素であり、機械的性質、特に材料強度、焼入れ性の面から重要である。即ち、クランク軸にあっては全体的に所定の機械的強度を必要とするとともに、ウォーム及びテーパ部など局部的に高硬度が要求される。このように局部的に高硬度が要求される部分を機械加工後に高周波焼入れで硬度を上げるために、本実施例では、Ｃの割合を０．４６〜０．４８wt％とした。
【００１９】
またＳｉは原料の銑鉄中に存在し、製鋼の過程で殆ど除去されるが、製鋼過程の最後に脱酸剤として添加されることがあり、Ｓ４８Ｃでは０．１５〜０．３５wt％含まれ、一部は鋼中に入りフェライトに固溶するが、鍛造性を阻害するので冷間鍛造素材としては除去することが好ましく、本実施例では０．１４wt％以下とした。
【００２０】
またＭnは製鋼の過程でも多少残るが、脱酸剤として添加されるため、Ｓ４８Ｃには０．６０〜０．９０wt％含まれている。このＭｎはＳと結合して硫化マンガンとして鋼中に分散し、一部はフェライト中に固溶するが、Ｓに結合しやすいＭｎはＭｎＳとなり、このＭｎＳは鍛造成形時の割れの起点となりやすい為、低減させることが望ましいが、フェライト中に固溶するＭｎは焼きを入りやすくし、結晶粒の成長を抑える。このため、本実施例ではＭｎ量を０．５５〜０．６５wt％にした。
【００２１】
またＰはフェライト中に固溶し、多量に含まれる場合は鉄の一部と化合してリン化鉄になるが、Ｐがフェライト中に固溶するとフェライトは伸びが減じられるようになり、常温における衝撃値も減じられて加工時に割れが生じやすくなる。
そしてこのＰはＳ４８Ｃでは０．０３wt％まで許容されており、冷間鍛造素材としては、この許容値が高すぎる。そこで本実施例では、Ｐの割合を０．０１５wt％以下とした。
【００２２】
またＳはＭｎの一部と化合してＭｎＳになり、このＭｎＳは冷間鍛造時に生じる表面割れの起点となり、Ｓ４８Ｃでは０．０３５wt％まで許容されているが、冷間鍛造素材としては、許容値が高すぎる。そこで本実施例では、Ｓの割合を０．０１５wt％以下とした。
【００２３】
またＣuは高温加熱ではＦeより酸化が少ないため、表面に富化して赤熱脆性を起こすので、概ね当量のＮiを添加して赤熱脆性を防止する。一方ＣuはＰと同様に微量の含有によりフェライト硬さを増加させ、冷間鍛造性を損うことが考えられる為、本実施例では、０．１５wt％以下とした。
【００２４】
またＮiは前記した効果の他に、焼入れ性を増し、低温脆性を防止し、耐食性を改善するため、Ｓ４８Ｃと同量添加する。更にＣrは焼入性、焼戻し抵抗を大にし、耐食性を高め安定した炭化物を作りやすいため、本実施例では、Ｓ４８Ｃと同量程度含有せしめた。
【００２５】
そして、上記の成分組成の鋼材からなる棒材に対して、図１に示すように、酸洗を行った後、第１回目の球状化焼鈍を行い、セメンタイトを球状化して素材全体の加工性を向上させ、内部まで歪みを与えることができるようにするとともに、パーライトの微細化を図る。
【００２６】
この第１回目の球状化焼鈍は、実施形態では７４０℃で６時間保持した後、２０℃／ｈで６８０℃まで降温させ、その後、炉冷する手順で行った。
【００２７】
次に、酸洗、ボンデ処理を行って引抜き加工を行い、限界据込み率の向上を図る。ここで図２は球状化焼鈍を施した鋼材の冷間引抜き率（断面減少率）と限界据込み率の関係を示すグラフであるが、冷間引抜き率（断面減少率）が２０％程度で限界据込み率を最大にすることができることが分る。このことは従来から知られている。
【００２８】
このように引抜きを行うことによって限界据込み率が上がる理由は、引抜きを実施することで、第２の焼鈍時にオーステナイト粒が微細化し、球状化速度を速めることができるからだと推定される。本実施例では、最大の限界据込み率が得られるよう、冷間引抜き率（断面減少率）約２０％で引抜いた。
因みに、冷間引抜き率（断面減少率）は、図１に示すように、加工前の径がＤで加工後の径がｄの場合、（Ｄ²−ｄ²）／Ｄ²×１００で表される値である。
【００２９】
次に、この棒材を所望の寸法に切断し、これを酸洗した後、２回目の球状化焼鈍を行い、炭化物の分散を図るとともに球状化率を高めた。
そして本実施例では、この２回目の球状化焼鈍は、図１に示すように、７５０℃で２時間保持した後、２０℃／ｈで７３０℃まで降温させ、その後降温率を１５℃／ｈに下げて６８０℃まで降温させ、その後炉冷する手順で行う。
【００３０】
そして、２回目の球状化焼鈍を終えたならば、ショットブラスト、ボンデ処理を行って表面調整を行い、冷間鍛造用ビレットとする。
【００３１】
上記した棒材、及び上記した引抜き及び球状化焼鈍の調質を施したビレットの金属組織の相違を図３〜図５に示す。
ここで、図３（ａ）及び（ｂ）は丸棒素材の金属組織を示す顕微鏡写真であり、（ａ）は１００倍、（ｂ）は４００倍である。また、図４（ａ）及び（ｂ）は引抜き前に球状化焼鈍を行わないで引抜き後に球状化焼鈍を行って得たビレットの金属組織を示す顕微鏡写真であり、（ａ）は１００倍、（ｂ）は４００倍である。更に、図５（ａ）及び（ｂ）は引抜きの前後にそれぞれ球状化焼鈍を行って得たビレットの金属組織を示す顕微鏡写真であり、（ａ）は１００倍、（ｂ）は４００倍である。
【００３２】
図３〜図５の金属組織写真から明かなように、引抜き前に球状化焼鈍を行わなかったビレットについては、素材に比較して、炭化物は球状化しているが、パーライト組織が所々に残っており、これに比べて、引抜き前と引抜き後に球状化焼鈍を行った場合は、炭化物が微細化して分散しており、引抜き工程を挟んだ２回の球状化処理が有効に作用していることが推察される。
【００３３】
ここで、球状化レベル（数値が少ないほど球形に近く良好）の向上とビレット硬度の低下は、成形性を良好にするために効果的であり、脱炭層深さ（表層のフェライト化）の浸透は、表層部の伸び率の向上に効果的である。
【００３４】
そこで、アスペクト比についての実験を行った。材料の成分組成は、Ｃが０．４６〜０．４８wt％、Ｓｉが０．１４wt％以下、Ｍｎが０．５５〜０．６５wt％、Ｐが０．０１５wt％以下、Ｓが０．０１５wt％以下、Ｃｕが０．１５wt％以下、Ｎｉが０．２０wt％以下、Ｃｒが０．３５wt％以下、残部はＦeと不純物である。
【００３５】
引抜きを行わずに球状化焼鈍を行った場合（材料１）、引抜き前に球状化焼鈍を行わなずに引抜き率を２０％とした場合（材料２）、引抜き前と引抜き後に球状化焼鈍を行い引抜き率を２０％とした場合（材料３）の各材料の金属組織（１０００倍）を図６（Ａ）〜（Ｃ）に示す。
【００３６】
各材料の炭化物の球状化率を表すアスペクト比（ｂ／ａ×１００）は、（表２）に示すように、材料１については５０６％、材料２については３４７％、材料３については３００％であった。
そして、各材料を用いて、冷間鍛造（据込み）を行った。据込み率は図７に示すように（Ｌ₁−Ｌ₂）／Ｌ₁×１００＝９０（％）とした。この時の各材料の割れ発生率は、それぞれ３５％、５％及び０％であった。
したがって、球状化焼鈍を２回実施することにより、炭化物の結晶は、より球形に近づき、冷間鍛造の際に割れが生じにくくなることが判った。
【００３７】
【表２】

【００３８】
更に、球状化焼鈍を１回行う場合と２回行う場合の球状化レベルとビレット硬度（ＨＲＣ）と脱炭層深さ（ｍｍ）を比較すると図７の通りであった。
ここで、球状化レベル（数値が少ないほど球形に近く良好）の向上とビレット硬度の低下は、成形性を良好にするために効果的であり、脱炭層深さ（表層のフェライト化）の浸透は、表層部の伸び率の向上に効果的である。
【００３９】
次に、上記各材料を使用して据込み試験を行った結果は、上記（表２）に通りであり、図８に示すように、（Ｌ₁−Ｌ₂）／Ｌ₁×１００＝９０（％）の据込み試験を行ったところ、引抜き前に球状化焼鈍を行わなかった場合では、割れが発生したのに対し、引抜き前と引抜き後に球状化焼鈍を行った場合で、引抜き率を１８％〜２０％とした場合は割れが発生しなかった。
因みに、引抜き前に球状化焼鈍を行わない場合の据込み限界は、７０〜７５％であるのに対して、引抜き前と引抜き後に球状化焼鈍を行った場合の据込み限界は９０％以上であることが確認され、本発明の有効性が立証された。
【００４０】
そしてこのような冷間鍛造用ビレットを使用して、図９に示すような複数段階の冷間鍛造を連続して行ってクランク軸を成形すれば、成形途中で中間焼鈍することなく、連続成形することができる。また、焼入れ性も良好である。
【００４１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、棒材から冷間鍛造用ビレットを製造する際、第１の球状化焼鈍工程において、棒材中の炭化物を球状化し、引抜き工程において所定の断面減少率で引抜き加工するとともに、所望の寸法に切断して、第２の球状化焼鈍工程で内部の炭化物の分散を促進し球状化率を高めるようにしたので、連続した冷間鍛造により高い据込み率で成形できる。
【００４２】
したがって、エンジンのクランク軸の如き軸付き部品を製造するにあたり、従来では熱間鍛造で成形していたため、後工程で切削加工等の後処理が必要になり、また加熱炉設備等の費用がかかるとともに、工程系列の段取り換えが頻繁に発生する等の問題があったが、これらの問題を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る冷間鍛造用ビレットの製造方法の工程図
【図２】冷間引抜き率と限界据込み率の関係を示したグラフ
【図３】（ａ）及び（ｂ）は丸棒素材の金属組織を示す顕微鏡写真であり、（ａ）は１００倍、（ｂ）は４００倍である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は引抜き前に球状化焼鈍を行わないで引抜き後に球状化焼鈍を行って得たビレットの金属組織を示す顕微鏡写真であり、（ａ）は１００倍、（ｂ）は４００倍である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は引抜きの前後にそれぞれ球状化焼鈍を行って得たビレットの金属組織を示す顕微鏡写真であり、（ａ）は１００倍、（ｂ）は４００倍である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）はビレットの金属組織を示すＳＥＭ写真（１０００倍）
【図７】本発明に係る材料成分のビレットで引抜き前に球状化焼鈍を行う場合と行わない場合の球状化レベル、硬度、表層組織の比較図
【図８】据込み条件を示す図
【図９】本発明に係る材料成分のビレットで製品を連続鍛造する鍛造工程の説明図

Claims

Ｃ（炭素）が０．４６〜０．４８wt％、Ｓｉ（珪素）が０．１４wt％以下、Ｍｎ（マンガン）が０．５５〜０．６５wt％、Ｐ（リン）が０．０１５wt％以下、Ｓ（硫黄）が０．０１５wt％以下、Ｃｕ（銅）が０．１５wt％以下、Ｎｉ（ニッケル）が０．２０wt％以下、Ｃｒ（クロム）が０．３５wt％以下、残部がＦｅ（鉄）と不純物の成分割合からなる棒材中の炭化物を球状化する第１の球状化焼鈍工程と、この第１の球状化焼鈍工程の後に所定の断面減少率で引抜き加工する引抜き工程と、この引抜き工程の後に内部の炭化物の分散を促進し球状化率を高めるために行う第２の球状化焼鈍工程からなることを特徴とする冷間鍛造用ビレットの製造方法。
請求項１に記載の冷間鍛造用ビレットの製造方法において、前記引抜き工程における引抜き率を約２０％にしたことを特徴とする冷間鍛造用ビレットの製造方法。
請求項１に記載の冷間鍛造用ビレットの製造方法において、前記引抜き工程と第２の球状化焼鈍工程との間で、棒材を所望の寸法に切断することを特徴とする冷間鍛造用ビレットの製造方法。