JP4763551B2 - 破断分離性と加工性に優れた機械構造用鋼およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鍛造、切削などによって成形部品にした後、破断させて使用する部品、例えばクラッキングコンロッドなどの素材として好適な破断分離性および加工性に優れた機械構造用鋼およびその製造方法に関する。

クラッキングコンロッドに代表されるような製品の素材鋼として、加工コストを低下するために破断分離性に優れた鋼材の要望がある。

従来、コンロッド本体とコンロッドキャップは、別々の工程で熱間鍛造されて製造されてきた。そして、最終的に機械加工によるボルト穴加工と両者の接合面の仕上げ加工がなされた後、クランクシャフトに結合して組み立てられていた。

コンロッドには疲労強度と座屈抵抗が必要とされる。したがって、その素材としては強度が高いことが求められている。しかし、一般に強度が高い程、機械加工の際の被削性が乏しくなる。つまり、コンロッド用の素材には、高強度に加えて被削性にも優れるという相反する性質が要求されるのである。

上記の問題点を解決するため、熱間鍛造によってコンロッド本体とコンロッドキャップとが一体化したものを作製し、最終段階で素材の脆性を利用して、本体とキャップに破断分離させる、いわゆるクラッキングコンロッドが開発されている。

このようなクラッキングコンロッド用の素材として好適な鋼には、強度レベルが高いこと、破断分離がしやすいように適度の脆性を有すること、およびボルト穴加工のための優れた切削性を有することが求められる。

破断分離性に優れた機械構造用鋼に関する発明は、下記のとおりこれまでにもいくつか開示されている。

特許文献１には、Crをはじめとする鋼材の化学組成を規定することにより、伸びを10％以下に安定させる技術が記載されている。しかし、この発明は、800MPa以上の引張強度を持つ鋼を狙っており、実施例を見ると実質的には1000MPa（HB硬さ換算で約300）を超える強度になっている。これは本発明が狙うHB300以下を満足させながら伸び2〜10％を達成することと相反する。

特許文献２には、硬さ（引張り強さ）を上げずに座屈強度と曲げ疲労強度を向上させる技術が記載されている。しかし、この発明の鋼も好ましくはCrを含有し、実施例を見ると実質1000MPa（HB硬さ換算で約300）を超える強度になっている。これも本発明が狙うHB300以下を満足させながら伸び2〜10％を達成することと相反する。

特許文献３では、Crを含有し、より好ましくは更にV等を含有することで強度を高め、Ti（より好ましくは更にP）を含有させることで脆性破面を得、Sを含有させることでTi炭硫化物を生成させて被削性を高めた鋼材が提案されている。

特開平9−176785号公報 特開平9−310146号公報 特開平11−199967号公報

従来、クラッキングコンロッドは、高強度のコンロッドが必要とされる排気量の大きい一部の乗用車や高級車にしか適用されていなかった。高強度の鋼では、被削性が劣ることが問題になるので、クラッキングコンロッドとすることの利点が大きいからである。しかし、最近ではその製造のし易さから、中程度の排気量の乗用車にも搭載されつつある。搭載される乗用車の排気量が小さい場合には、当然ながら必要とされるコンロッドの強度レベルは低くてもよく、前記の特許文献１〜３に開示される鋼材のような高価な合金元素であるCrやVを含有する必要はない。

しかしながら、このような強度レベルの低い鋼材においては、当然ながら従来のクラッキングコンロッド用の高強度鋼材に比べて延性が高くなるため、クラッキングコンロッドを製造する際に必要な充分な破断分離性を得ることができない。そのために、コンロッド本体とコンロッドキャップを別々の工程で熱間鍛造によって製造し、機械加工およびで仕上げ加工を施して組み合わせるという従来のコンロッドの製造方法を凌ぐだけのメリットを得ることはできなかった。

本発明は、このような問題を解決するものであり、強度レベルが低くても、優れた破断分離性を有する鋼およびその製造方法の提供を目的とする。具体的には、高価な合金元素を含まない鋼材であって、硬度（HB）が300以下で、伸びが2〜10％で、破断分離性に優れ、さらに被削性にも優れる安価な鋼とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、下記の基本方針で上記の目的を達成することとした。

(1) 従来の高強度コンロッド材に強度を上げるために添加されていた高価な元素であるCrおよびVは添加しない。

(2) 強度を下げながら延性をも下げるには、TiやPを積極的に含有させるだけでは不充分であるため、旧オーステナイト粒径を100μｍ以上とする。

(3) 被削性向上のためSを含有させるが、Sを過剰に含有させると旧オーステナイト粒径を100μｍ以上とすることができないのでSの上限を制限する。

(4) 旧オーステナイト粒径を100μm以上とするために、製造工程では熱間加工の後、1150℃で30分以上加熱する。

上記の方針の下になされた本発明は、下記の鋼およびその製造方法を要旨とする。

（１）質量％で、Ｃ：0.50〜0.70％、Si：0.40％以下、Mn：0.90％以下、Ｐ：0.01〜0.15％、Ｓ：0.002〜0.03％およびAl：0.05％以下を含み、残部がFeおよび不純物からなり、旧オーステナイト粒径の平均値が100μｍ以上であることを特徴とする破断分離性と被削性に優れる低硬度機械構造用鋼（以下、これを第１発明の鋼という）。

（２）Feの一部に代えて、さらにTi：0.30％以下を含有することを特徴とする上記（１）の破断分離性と被削性に優れる低硬度機械構造用鋼（以下、これを第２発明の鋼という）。

（３）質量％で、Ｃ：0.50〜0.70％、Si：0.40％以下、Mn：0.90％以下、Ｐ：0.01〜0.15％、Ｓ：0.002〜0.03％およびAl：0.05％以下を含み、残部がFeおよび不純物からなる鋼を熱間加工後、1150℃以上で30分以上加熱することを特徴とする破断分離性と被削性に優れる低硬度機械構造用鋼の製造方法。

（４）質量％で、Ｃ：0.50〜0.70％、Si：0.40％以下、Mn：0.90％以下、Ｐ：0.01〜0.15％、Ｓ：0.002〜0.03％、Al：0.05％およびTi：0.30％以下を含み、残部がFeおよび不純物からなる鋼を熱間加工後、1150℃以上で30分以上加熱することを特徴とする破断分離性と被削性に優れる低硬度機械構造用鋼の製造方法。

本発明の鋼は、破断分離性に優れ、また機械加工性にも優れている。しかも、高価な合金元素を含有しないので安価である。したがって、軽自動車やコンパクトカーなどのような大衆車用のクラッキングコンロッド用素材等としてきわめて有用である。

以下、本発明鋼の成分の作用効果と含有量の限定理由を説明する。なお、成分含有量に関する％は「質量％」である。

C：0.50〜0.70%
Cは硬さに大きな影響を及ぼす元素である。硬さと伸びには相関があり、硬さが低すぎると伸びが大きくなり破断分離性は劣化する。そのため、0.50%を下限とした。また、C含有量が多すぎると硬さが高くなりすぎるため、上限を0.70%とした。

Si：0.40%以下
Siは脱酸元素である。ただし過度に含有させると熱間延性の低下を招くとともに製造コストが高くなる。したがって、その含有量の上限を0.40％とした。なお、脱酸の効果を有効に発揮させるためには0.01％以上含有させるのが望ましい。

Mn：0.90%以下
MnもSiと同様に脱酸元素である。しかし、Mnの含有量が過大になると熱間延性の低下を招くだけでなく製造コストが高くなる。したがって上限を0.90％とした。なお、脱酸効果を十分に発揮させるためには0.10％以上含有させるのが望ましい。

P：0.01〜0.15%
Pは粒界を脆化させて延性を低下させる元素である。その含有量が少な過ぎる場合は、その効果は小さいので下限を0.01%とした。しかし、Ｐの含有量が多すぎると熱間鍛造性が著しく劣化するので、上限を0.15%とした。

Ｓ：0.002〜0.03%
ＳはMnとともに硫化物を形成する元素である。Sの含有量が多すぎるとMnSの量が多くなり、高温焼ならし処理（後述の1150℃以上での熱処理）を施してもMnSのピンニング効果により粗粒化の程度が小さくなる。粗粒化の程度が小さいと伸びが大きくなってしまうため、Sの上限を0.03%とした。Ｓの含有量を抑えることによって結晶粒が粗大化すると、延性および靭性が低下し、破断分離性は向上する。しかし、S含有量が過少な場合は被削性が著しく劣化するので、下限は0.002%とした。

Al：0.05%以下
Alは脱酸元素として有効である。一方、Al含有量が多すぎるとその効果は飽和し、製造コストが高くなる。したがって上限を0.05%とした。なお、脱酸の効果を十分に発揮させるためには0.001%以上含有させるのが望ましい。

本発明鋼の一つは、上記の成分のほか、残部がFeと不純物からなる鋼である。本発明鋼の他の一つは、上記の成分に加えてさらに下記のTiを含有するものである。

Ti：0.30%以下
Tiは常温における破壊形態に影響を及ぼし、脆性破壊を促進する効果がある。しかし、Tiの含有量を増やしすぎると硬さが高くなりすぎるので、上限を0.30%とした。なお、Tiの効果を十分に得るためには0.005%以上の含有が望ましい。

本発明の鋼は、その旧オーステナイト粒径の平均値が100μm以上であることを特徴の一つとする。このようにすることによって、鋼の延性および靱性を低下させ、破断分離性を高めることができる。なお、旧オーステナイト粒径の平均値は、次のようにして算出する。

鋼材に所定の加熱を施した後に水焼入れを施す。次いで、横断面が検鏡面になるように鋼材の表面と中心の中央部に当たる位置から試験片を採取する。そして、倍率50倍または100倍で４視野について顕微鏡写真を撮影して画像解析し、JIS G0552 (2005) の切断法に準じて旧オーステナイト粒径を測定した後、４視野の平均値を算出する。

次に本発明の製造方法について述べる。

本発明の製造方法では、前述した化学組成の鋼を鍛造、切削などによって部品に成形した後に、1150℃以上に加熱し30分以上保持する。この加熱温度が1150℃よりも低いと粗粒化の程度が小さく、旧オーステナイト粒径の平均値を100μm以上とすることが困難で、所望の低延性および低靭性を得ることができない。また、保持時間が30分未満の場合も同じである。なお、通常の熱処理炉の能力および実生産における生産効率から、加熱温度の上限は1300℃、保持時間の上限は120分とするのが望ましい。

本発明の製造方法を用いることにより、硬度（HB）が300以下で、かつ延性および靭性が小さく、破断分離性が大きく改善され、しかも加工性にも優れた鋼が得られる。

表１に示す組成の鋼を真空溶解炉で溶製し、インゴットに鋳造した。なお、表１の鋼No.12は欧州で実用化されているクラッキングコンロッド用鋼である。これを参考例とし、破断分離性評価の基準材とした。即ち、表２には、破断分離性がこの基準材より優れるものを「○」、劣るものを「×」として示した。

上記のインゴットを1200℃に加熱し、径が25ｍｍの棒鋼に鍛造して供試材とし、これを1050℃または1200℃でそれぞれ60分保持した後に放冷した。

上記熱処理後の供試材から引張試験、硬さ試験、被削性試験、粒度測定用の試料を採取した。

被削性は、10mm×10mmの断面の板状試験片を切り出し、深さ10mmの貫通孔をドリルで穿孔し、孔を50個あけた後のドリルのコーナー摩耗量を測定して評価した。試験No.15の摩耗量を基準とし、その70%未満の摩耗量の場合に被削性が良好と判断した。なお、ドリルは、８ｍｍ径のJIS SKH51の高速度鋼のドリルを使用し、切削速度15m/min、潤滑ありの条件で試験を行った。

引張試験は、JIS14A号（平行部φ8×L56）の試験片を用いて、標点距離40mmで実施した。

表２に熱処理温度、旧オーステナイト平均粒径、硬さ（ＨＢ）、伸び、被削性および破断分離性に関する評価結果を示す。この表２から下記の事項が明らかである。

(1) 試験No.１、No.３からNo.６まで、およびNo.８は、第１発明の鋼を使用した例である。これらの例では、硬さ、伸びともに目標を満足し、破断分離性が良好である。また、ドリル摩耗量が少ないことから明らかなように被削性にも優れている。

(2) 試験No.９とNo.10は第２発明の鋼を使用した例で、これらも硬さ、伸びともに目標を満足し、破断分離性および被削性に優れている。

(3) 試験No.２、No.7およびNo.11は、化学組成は本発明で定める範囲にある鋼を用いた例であるが、鍛造後の熱処理の温度が低すぎて、旧オーステナイトの平均粒径が小さすぎる例である。これらの例では、伸びが大きくなり、破断分離性は劣化している。

(4) 試験No.12はC含有量が低い鋼（鋼No.９）を用いた例で、伸びが大きくなりすぎて破断分離性が劣る。また、試験No.13はTi含有量が多すぎる鋼（鋼No.10）を用いた例で、伸びと破断分離性は目標に達しているが、硬さが高くなりすぎて被削性に劣る。試験No.14はS含有量が高すぎる鋼（鋼No.11）を使用した例で、伸びが大きくなりすぎて破断分離性が劣る。

試験No.15は、前記のように欧州で実用化されているクラッキングコンロッド用鋼を用いた例で、破断分離性および被削性の評価基準とした。

本発明によれば、伸びを10%以下にすることにより破断分離性に優れ、かつHB300以下にすることにより機械加工性にも優れた鋼を提供することできる。この鋼は、安価であるから大衆車用のクラッキングコンロッドの素材、その他の優れた破断分離性を要求される各種製品の素材として好適である。

Claims (4)

1. 質量％で、Ｃ：0.50〜0.70％、Si：0.40％以下、Mn：0.90％以下、Ｐ：0.01〜0.15％、Ｓ：0.002〜0.03％およびAl：0.05％以下を含み、残部がFeおよび不純物からなり、旧オーステナイト粒径の平均値が100μｍ以上であることを特徴とする破断分離性と被削性に優れる低硬度機械構造用鋼。
2. Feの一部に代えて、さらにTi：0.30％以下を含有することを特徴とする請求項１記載の破断分離性と被削性に優れる低硬度機械構造用鋼。
3. 質量％で、Ｃ：0.50〜0.70％、Si：0.40％以下、Mn：0.90％以下、Ｐ：0.01〜0.15％、Ｓ：0.002〜0.03％およびAl：0.05％以下を含み、残部がFeおよび不純物からなる鋼を熱間加工後、1150℃以上で30分以上加熱することを特徴とする破断分離性と被削性に優れる低硬度機械構造用鋼の製造方法。
4. 質量％で、Ｃ：0.50〜0.70％、Si：0.40％以下、Mn：0.90％以下、Ｐ：0.01〜0.15％、Ｓ：0.002〜0.03％、Al：0.05％以下およびTi：0.30％以下を含み、残部がFeおよび不純物からなる鋼を熱間加工後、1150℃以上で30分以上加熱することを特徴とする破断分離性と被削性に優れる低硬度機械構造用鋼の製造方法。