JP6776957B2 - 鍛造部品 - Google Patents
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Description
本発明は、鍛造部品に関する。
クランクシャフトに代表される摺動部品には、耐摩耗性及び疲労強度が求められる。
特許第４１４０２８３号公報には、表層から２００ｎｍまでの領域における組織が、面積率で５％以下の初析フェライトとラメラ間隔が３０ｎｍ以下のパーライトとの混合組織であることを特徴とする非調質鋼クランクシャフトが開示されている。同文献には、耐摩耗性に影響するのは表層から２００ｎｍまでの領域における硬さであり、ナノインデンテーション装置を用いてこの領域を測定した硬さが１０ＧＰａ以上であれば、優れた耐摩耗性が得られると記載されている。
摺動部品には、上記の特性に加えて、優れた耐焼付き性が求められる。自動車の軽量化ニーズを背景に、クランクシャフトの細軸化及び狭幅化に対する要求が高まっている。そのため、クランクシャフトと軸受けとの間の摺動条件は過酷になっている。したがって、クランクシャフトには、従来よりも優れた耐焼付き性が求められている。
特許第４５８９８８５号公報には、熱伝導率κが４０Ｗ／ｍＫ以上であって、かつ高周波焼入れ後の表面硬さＨｖが（２．７×κ＋４２０）よりも大きいことを特徴とするクランクシャフトが開示されている。同文献には、焼付きの支配因子は摺動面の温度上昇であると記載されている。温度上昇を抑制するためには、熱伝導率を高くすること、及び、摩擦係数を低減することが有効であると記載されている。
本発明者らの調査の結果、長時間摺動後の摺動部品は、表面に焼戻し組織や再結晶組織が観察されるなど、従来考えられていた以上に熱の影響を受けていることがわかった。再結晶組織が生成すると、局所的な軟化領域が選択的に摩耗するため、耐焼付き性が著しく低下する。
本発明の課題は、耐焼付き性に優れた鍛造部品を提供することである。
本発明者らは、熱間鍛造部品を構成する鋼材のＳｉ及びＭｎの含有量を低くし、Ｃｒ及びＰ含有量を高くすることにより、長時間摺動後の摺動部品のナノ硬さを高く維持できるという知見を得て、表面硬化処理を省略しても使用でき、摺動面の熱的安定性に優れた熱間鍛造部品として、下記の発明を特願２０１５−１９２５８８として出願した。
化学組成が、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．６５％、Ｓｉ：０．５０％未満、Ｍｎ：０．１０％以上０．８０％未満、Ｐ：０．０１％を超え０．１％以下、Ｓ：０．０６％以下、Ｃｒ：０．２〜１．５％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ｖ：０〜０．２％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、前記化学組成が、下記の式（１）を満たし、面積率で９０％以上のパーライトを含む組織を有し、前記パーライトの平均ラメラ間隔が５０〜１４０ｎｍである鋼材からなる、熱間鍛造部品。
［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］≦１．２・・・式（１）
ここで、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］にはＳｉ、Ｍｎの各含有量が質量％で代入される。
［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］≦１．２・・・式（１）
ここで、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］にはＳｉ、Ｍｎの各含有量が質量％で代入される。
本発明者らは、その後も検討を重ねた結果、上記熱間鍛造部品の表層の転位密度を高めると、さらに高い耐焼付き性が期待できるとの知見を得て本発明に至った。
本発明の一実施形態による鍛造部品は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．６５％、Ｓｉ：０．５０％未満、Ｍｎ：０．１０％以上０．８０％未満、Ｐ：０．０１％を超え０．１％以下、Ｓ：０．０６％以下、Ｃｒ：０．２〜１．５％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ｖ：０〜０．２％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、前記化学組成が、下記の式（１）を満たし、面積率で９０％以上のパーライトを含む組織を有し、前記パーライトの平均ラメラ間隔が５０ｎｍ未満であって、転位密度が１０１５ｍ−２以上である鋼材からなる。
［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］≦１．２・・・式（１）
ここで、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］にはＳｉ、Ｍｎの各含有量が質量％で代入される。
［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］≦１．２・・・式（１）
ここで、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］にはＳｉ、Ｍｎの各含有量が質量％で代入される。
本発明によれば、耐焼付き性に優れた鍛造部品が得られる。
本発明者らは、主に自動車用のクランクシャフトを対象として、焼付き現象について検討した。通常、クランクシャフトと軸受けとは、油膜を挟んで対向する流体潤滑の状態で摺動している。しかし、本発明者らの調査によって、長時間の摺動中には、流体潤滑から境界潤滑に至る局面が少なからずあることがわかった。一般的に境界潤滑環境下で鋼が長時間摺動を受けると、加工硬化や摩擦熱による軟化が生じ、摺動面近傍（表面から２０ｎｍ以内）の硬さが変化することが明らかになった。
組織観察の結果、摺動面では、摺動による加工層の形成と、摩擦熱による組織の変質（焼戻し、回復、及び再結晶）とが重畳的に起こっていることがわかった。このうち、摺動による加工層の形成はナノ硬さを向上させる因子であり、摩擦熱による組織の変質はナノ硬さを低下させる因子である。
したがって、摺動面のナノ硬さを向上させるためには、（１）加工硬化性の向上、（２）熱的安定性の向上、（３）熱伝導率の向上による摩擦熱散逸が有効である。
（１）加工硬化性の向上
本発明者らは、適正に組織制御されたパーライトを有する鋼材は、摺動によって大きく加工硬化し、優れたナノ硬さを示すことを見いだした。
本発明者らは、適正に組織制御されたパーライトを有する鋼材は、摺動によって大きく加工硬化し、優れたナノ硬さを示すことを見いだした。
図１は、パーライト鋼の摺動面の組織を示す断面図である。図１に示すように、摺動面ではパーライトのラメラが大きく塑性変形している。最表層では、パーライトを形成するセメンタイトが分断されて微細化し、パーライトがナノ結晶化している。ナノ結晶化した層（以下、ナノ結晶化層という。）では、セメンタイトの一部が分解してフェライトに固溶している。摺動後のパーライトが高いナノ硬さを示す要因は、摺動による強加工によってセメンタイトが微細化すること、及び微細化したセメンタイトが分解することによってフェライト中の固溶炭素量が増加すること、にあると考えられる。
Ｓｉ及びＭｎは、セメンタイトの分解を抑制する。そのため、Ｓｉ及びＭｎは、パーライトの加工硬化性を低下させる。したがって、加工硬化性を高めるためには、Ｓｉ及びＭｎの含有量を低くすることが好ましい。
Ｐは、パーライト内のフェライトに固溶し、パーライトの加工硬化性を高める。Ｐは一般的には、粒界に偏析して鋼の強度を低下させるが、ナノ結晶化層では粒界の面積が大きいため、Ｐが偏析しにくい。したがって、加工硬化性を高めるためには、Ｐ含有量を高くすることが好ましい。
また、パーライトのラメラ間隔が微細なほど、ナノ結晶化しやすく、加工硬化性が高くなる。
（２）熱的安定性の向上
パーライトは、マルテンサイトやベイナイトと比較して、蓄積歪が小さいため熱的安定性が高い。したがって、摺動面の熱的安定性を向上させる観点からも、パーライト分率の高い組織とすることが好ましい。
パーライトは、マルテンサイトやベイナイトと比較して、蓄積歪が小さいため熱的安定性が高い。したがって、摺動面の熱的安定性を向上させる観点からも、パーライト分率の高い組織とすることが好ましい。
ナノ結晶化層は、炭素が過飽和に固溶した非平衡状態であること、転位密度が極めて高い層であることから、熱的に不安定である。摺動により温度上昇すると、５００℃以下の温度域でも大きな組織変化を起こし、短時間でセメンタイトの析出、粗大化、再結晶が進行する。
Ｃｒは、セメンタイトの析出形態を制御して、セメンタイトの粗大化を抑制する。したがって、セメンタイトの粗大化を抑制するためには、Ｃｒを適量含有させることが好ましい。
Ｐは、ナノ結晶化層の結晶粒の粗大化を抑制する。したがって、ナノ結晶化層の結晶粒の粗大化を抑制するためには、Ｐ含有量を高くすることが好ましい。
従来は、摩擦熱の影響により摺動面で炭化物が粗大化しやすいという問題があった。しかしながら、ＳｉやＭｎの低減により炭化物の粗大化が抑えられ、その結果、微細な炭化物によるピンニング効果によりナノ結晶化層の結晶粒の粗大化が抑制されることを確認した。
（３）熱伝導率の向上による摩擦熱散逸
熱伝導率の向上には、Ｓｉ含有量の低減が有効であることが従来から知られている。本発明者らは、他の元素の影響を明らかにするため、中高炭素鋼をベースとして合金元素の添加量を変化させて、その熱伝導率を測定した。結果を図２に示す。図２に示すとおり、Ｃ、Ｓｉに加えて、Ｍｎも熱伝導率に大きく影響を与える元素であり、Ｍｎ含有量の低減によって熱伝導率を向上できることがわかった。したがって、熱伝導率を向上させるためには、Ｓｉ及びＭｎの含有量を低くすることが好ましい。
熱伝導率の向上には、Ｓｉ含有量の低減が有効であることが従来から知られている。本発明者らは、他の元素の影響を明らかにするため、中高炭素鋼をベースとして合金元素の添加量を変化させて、その熱伝導率を測定した。結果を図２に示す。図２に示すとおり、Ｃ、Ｓｉに加えて、Ｍｎも熱伝導率に大きく影響を与える元素であり、Ｍｎ含有量の低減によって熱伝導率を向上できることがわかった。したがって、熱伝導率を向上させるためには、Ｓｉ及びＭｎの含有量を低くすることが好ましい。
以上のとおり、摺動面のナノ硬さを向上させるためには、Ｐの含有量を高くし、Ｃｒを適量含有させ、Ｓｉ及びＭｎの含有量を低くする。さらに、パーライト分率の高い組織とし、かつパーライトのラメラ間隔を小さくすればよい。より具体的には、鍛造部品を構成する鋼材の化学組成が下記の式（１）を満たし、面積率で９０％以上のパーライトを含む組織とし、かつパーライトの平均ラメラ間隔が５０ｎｍ未満になるようにすれば、耐焼付き性に優れた鍛造部品が得られる。
［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］≦１．２・・・式（１）
ここで、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］にはＳｉ、Ｍｎの各含有量が質量％で代入される。
［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］≦１．２・・・式（１）
ここで、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］にはＳｉ、Ｍｎの各含有量が質量％で代入される。
（４）摺動面での剥離の抑制
上述のとおり、適量のナノ結晶化層は、摺動面のナノ硬さの向上に寄与する。一方、ナノ結晶化層が厚くなりすぎると、ナノ結晶化層内で割れや剥離が生じやすくなり、かえってナノ硬さが低下する。パーライトのラメラ間隔が小さすぎると、ナノ結晶化層が厚くなりすぎ、ナノ結晶化層内で割れや剥離が生じやすくなる。
上述のとおり、適量のナノ結晶化層は、摺動面のナノ硬さの向上に寄与する。一方、ナノ結晶化層が厚くなりすぎると、ナノ結晶化層内で割れや剥離が生じやすくなり、かえってナノ硬さが低下する。パーライトのラメラ間隔が小さすぎると、ナノ結晶化層が厚くなりすぎ、ナノ結晶化層内で割れや剥離が生じやすくなる。
しかしながら、摺動面の転位密度を高めれば、たとえパーライトの平均ラメラ間隔が小さくても、ナノ結晶化層での割れや剥離を抑制し、より高いナノ硬さを得ることができる。より具体的には、転位密度を１０１５ｍ−２以上とすれば、パーライトの平均ラメラ間隔が５０ｎｍより小さくても、ナノ結晶化層での割れや剥離を抑制することができる。
転位密度１０１５ｍ−２以上、パーライトの平均ラメラ間隔５０ｎｍ未満を両立させるためには、パーライト組織に冷間加工を付与するのが好適である。
以上の知見に基づいて、本発明は完成された。以下、本発明の一実施形態による鍛造部品について詳述する。
［化学組成］
本実施形態による鍛造部品を構成する鋼材は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「％」は、質量％を意味する。
本実施形態による鍛造部品を構成する鋼材は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「％」は、質量％を意味する。
Ｃ：０．３５〜０．６５％
炭素（Ｃ）は、パーライト組織を得るために必要な元素である。Ｃ含有量が０．３５％未満では、パーライト分率の高い組織が得られない。一方、Ｃ含有量が０．６５％を超えると、鋼の被削性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．３５〜０．６５％である。Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．４％であり、さらに好ましくは０．５％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．６％であり、さらに好ましくは０．５８％である。
炭素（Ｃ）は、パーライト組織を得るために必要な元素である。Ｃ含有量が０．３５％未満では、パーライト分率の高い組織が得られない。一方、Ｃ含有量が０．６５％を超えると、鋼の被削性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．３５〜０．６５％である。Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．４％であり、さらに好ましくは０．５％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．６％であり、さらに好ましくは０．５８％である。
Ｓｉ：０．５０％未満
シリコン（Ｓｉ）は、不純物として鋼中に含有される。Ｓｉは、パーライト組織を得るために積極的に含有することができる。Ｓｉはまた、パーライト内のフェライトに固溶してパーライトを強化する。一方、Ｓｉは鋼の熱伝導率を低下させる。そのため、Ｓｉ含有量が０．５０％以上になると、十分な耐焼付き性が得られない。したがって、Ｓｉ含有量は０．５０％未満である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．１０％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは０．４０％であり、さらに好ましくは０．３０％である。
シリコン（Ｓｉ）は、不純物として鋼中に含有される。Ｓｉは、パーライト組織を得るために積極的に含有することができる。Ｓｉはまた、パーライト内のフェライトに固溶してパーライトを強化する。一方、Ｓｉは鋼の熱伝導率を低下させる。そのため、Ｓｉ含有量が０．５０％以上になると、十分な耐焼付き性が得られない。したがって、Ｓｉ含有量は０．５０％未満である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．１０％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは０．４０％であり、さらに好ましくは０．３０％である。
Ｍｎ：０．１０％以上０．８０％未満
マンガン（Ｍｎ）は、パーライト組織を得るために必要な元素である。Ｍｎ含有量が０．１０％未満では、パーライト分率の高い組織が得られない。一方、Ｍｎは鋼の熱伝導率を低下させる。そのため、Ｍｎ含有量が０．８０％以上になると、十分な耐焼付き性が得られない。したがって、Ｍｎ含有量は０．１０％以上０．８０％未満である。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．４０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは０．７８％である。
マンガン（Ｍｎ）は、パーライト組織を得るために必要な元素である。Ｍｎ含有量が０．１０％未満では、パーライト分率の高い組織が得られない。一方、Ｍｎは鋼の熱伝導率を低下させる。そのため、Ｍｎ含有量が０．８０％以上になると、十分な耐焼付き性が得られない。したがって、Ｍｎ含有量は０．１０％以上０．８０％未満である。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．４０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは０．７８％である。
Ｐ：０．０１％を超え０．１％以下
リン（Ｐ）は、パーライト内のフェライトに固溶してパーライトを強化する。Ｐはまた、パーライトの加工硬化性を向上させるとともに、組織の熱的安定性を向上させる。Ｐ含有量が０．０１％以下では、これらの効果が得られない。一方、Ｐ含有量が０．１％を超えると、過剰なＰが粒界に偏析して、鋼の疲労強度が低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０１％を超え０．１％以下である。Ｐ含有量は、下限の観点では、好ましくは０．０２％以上であり、さらに好ましくは０．０２％よりも高い。Ｐ含有量の上限は、好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．０５％である。
リン（Ｐ）は、パーライト内のフェライトに固溶してパーライトを強化する。Ｐはまた、パーライトの加工硬化性を向上させるとともに、組織の熱的安定性を向上させる。Ｐ含有量が０．０１％以下では、これらの効果が得られない。一方、Ｐ含有量が０．１％を超えると、過剰なＰが粒界に偏析して、鋼の疲労強度が低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０１％を超え０．１％以下である。Ｐ含有量は、下限の観点では、好ましくは０．０２％以上であり、さらに好ましくは０．０２％よりも高い。Ｐ含有量の上限は、好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．０５％である。
Ｓ：０．０６％以下
硫黄（Ｓ）は、不純物として鋼中に含有される。Ｓは、積極的に含有させると、硫化物系介在物を形成し、鋼の被削性を向上させる。一方、Ｓ含有量が０．０６％を超えると、熱間加工性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０６％以下である。Ｓ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％である。Ｓ含有量の上限は、好ましくは０．０５５％である。
硫黄（Ｓ）は、不純物として鋼中に含有される。Ｓは、積極的に含有させると、硫化物系介在物を形成し、鋼の被削性を向上させる。一方、Ｓ含有量が０．０６％を超えると、熱間加工性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０６％以下である。Ｓ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％である。Ｓ含有量の上限は、好ましくは０．０５５％である。
Ｃｒ：０．２〜１．５％
クロム（Ｃｒ）は、鋼の強度を高める。Ｃｒはさらに、セメンタイトの析出形態を制御して、ナノ結晶化層の熱的安定性を向上させる。Ｃｒ含有量が０．２％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が１．５％を超えると、マルテンサイトやベイナイトが生成しやすくなる。したがって、Ｃｒ含有量は０．２〜１．５％である。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは０．２５％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは１．４％であり、さらに好ましくは１．３％である。
クロム（Ｃｒ）は、鋼の強度を高める。Ｃｒはさらに、セメンタイトの析出形態を制御して、ナノ結晶化層の熱的安定性を向上させる。Ｃｒ含有量が０．２％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が１．５％を超えると、マルテンサイトやベイナイトが生成しやすくなる。したがって、Ｃｒ含有量は０．２〜１．５％である。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは０．２５％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは１．４％であり、さらに好ましくは１．３％である。
Ａｌ：０．００５〜０．０５％
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する。Ａｌ含有量が０．００５％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ａｌ含有量が０．０５％を超えると鋼の被削性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．００５〜０．０５％である。Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ａｌ含有量の上限は、好ましくは０．０４５％であり、さらに好ましくは０．０４％である。
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する。Ａｌ含有量が０．００５％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ａｌ含有量が０．０５％を超えると鋼の被削性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．００５〜０．０５％である。Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ａｌ含有量の上限は、好ましくは０．０４５％であり、さらに好ましくは０．０４％である。
Ｎ：０．００１〜０．０２％
窒素（Ｎ）は、鋼の強度を高める。Ｎ含有量が０．００１％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｎ含有量が０．０２％を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００１〜０．０２％である。Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．００１５％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｎ含有量の上限は、好ましくは０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１％である。
窒素（Ｎ）は、鋼の強度を高める。Ｎ含有量が０．００１％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｎ含有量が０．０２％を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００１〜０．０２％である。Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．００１５％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｎ含有量の上限は、好ましくは０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１％である。
本実施形態による鍛造部品を構成する鋼材の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここでいう不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから混入する元素、あるいは製造過程の環境等から混入する元素をいう。
Ｖ：０〜０．２％
本実施形態による鍛造部品を構成する鋼材の化学組成は、Ｆｅの一部に代えて、バナジウム（Ｖ）を含有してもよい。Ｖは、鋼の強度を高める。一方、Ｖ含有量が０．２％を超えると、鋼の被削性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０〜０．２％である。Ｖ含有量が０．０５％以上であれば、上記の効果が顕著に得られる。Ｖ含有量の下限は、さらに好ましくは０．０８％である。Ｖ含有量の上限は、好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．１２％である。
本実施形態による鍛造部品を構成する鋼材の化学組成は、Ｆｅの一部に代えて、バナジウム（Ｖ）を含有してもよい。Ｖは、鋼の強度を高める。一方、Ｖ含有量が０．２％を超えると、鋼の被削性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０〜０．２％である。Ｖ含有量が０．０５％以上であれば、上記の効果が顕著に得られる。Ｖ含有量の下限は、さらに好ましくは０．０８％である。Ｖ含有量の上限は、好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．１２％である。
［式（１）について］
本実施形態による鍛造部品を構成する鋼材の化学組成は、下記の式（１）を満たす。
［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］≦１．２・・・式（１）
ここで、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］にはＳｉ、Ｍｎの各含有量が質量％で代入される。
本実施形態による鍛造部品を構成する鋼材の化学組成は、下記の式（１）を満たす。
［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］≦１．２・・・式（１）
ここで、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］にはＳｉ、Ｍｎの各含有量が質量％で代入される。
Ｓｉ及びＭｎは、鋼の熱伝導性を低下させる。そのため、これらの元素の含有量が多すぎると、十分な耐焼付き性が得られない。Ｓｉ及びＭｎの含有量は、それぞれの上限を制限するのに加えて、その合計量も１．２％以下に制限する。Ｓｉ及びＭｎの含有量の合計は、好ましくは１．１％以下である。
［組織］
本実施形態による鍛造部品を構成する鋼材は、面積率で９０％以上のパーライトを含む組織を有する。パーライトは、摺動によって大きく加工硬化する。パーライトはまた、熱的安定性に優れる。鋼材にマルテンサイトやベイナイト等が含まれていると、組織の熱的安定性が低下する。パーライトの面積率は、好ましくは９５％以上である。
本実施形態による鍛造部品を構成する鋼材は、面積率で９０％以上のパーライトを含む組織を有する。パーライトは、摺動によって大きく加工硬化する。パーライトはまた、熱的安定性に優れる。鋼材にマルテンサイトやベイナイト等が含まれていると、組織の熱的安定性が低下する。パーライトの面積率は、好ましくは９５％以上である。
パーライトの面積率は、次のように測定する。
表面から１００μｍの深さの位置を含むように、鍛造部品から試料を採取する。このとき、鍛造部品の表面と垂直な面が観察面となるように試料を採取する。観察面を機械研磨した後、電解研磨して組織を現出させる。観察面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により倍率１０００倍で５視野観察する。画像処理によって各視野のパーライトの面積率を求める。５視野について平均したものを、鋼材のパーライトの面積率とする。
本実施形態による鍛造部品を構成する鋼材は、パーライトの平均ラメラ間隔が、５０ｎｍ未満である。平均ラメラ間隔が５０ｎｍ以上になると、摺動中に分断されたセメンタイトが粗大化しやすくなり、摺動面の熱的安定性が低下する。平均ラメラ間隔の下限は、好ましくは１０ｎｍである。平均ラメラ間隔の上限は、好ましくは３５ｎｍである。
パーライトの平均ラメラ間隔は、次のように測定する。
パーライトの面積率の測定と同様に、鍛造部品の表面と垂直な面が観察面となるように試料を採取する。観察面を機械研磨した後、電解研磨して組織を現出させる。観察面をＳＥＭにより倍率５０００倍で５視野観察する。
各視野において、長さＬの試験線と交差するセメンタイトの数ｎを求める。図３は、試験線の引き方の具体例である。図３に示すように、各視野において、表面に平行及び垂直な試験線をそれぞれ５μｍ間隔で３本引き、各試験線について平均ラメラ間隔ｌａｖを、下記の式（Ａ）から求める。さらに、５視野×６試験線の平均値をパーライトの平均ラメラ間隔とする。
ｌａｖ＝０．５×（Ｌ／ｎ）・・・（Ａ）
ｌａｖ＝０．５×（Ｌ／ｎ）・・・（Ａ）
本実施形態による鍛造部品を構成する鋼材は、転位密度が１０１５ｍ−２以上である。転位密度は、好ましくは１．５×１０１５ｍ−２以上であり、さらに好ましくは２．０×１０１５ｍ−２以上である。
転位密度は、次のように測定する。
鍛造部品から試料を採取し、機械研磨及び電解研磨する。Ｃｕ−Ｋαを線源とするＸ線発生装置を用いて、フェライト相の回折ピークを４点以上測定する。測定した回折ピークは、専用解析ソフトウェアによってバックグラウンドを除去し、Ｋα１とＫα２とに分離する。分離したＫα１回折ピークに対して、各回折角θ［ｒａｄ］における半価幅（半値全幅）Δ２θ［ｒａｄ］を測定する。なお、半価幅は、ＬａＢ６(六ホウ化ランタン)の単結晶を用いて装置由来の半価幅を測定し、測定された半価幅から差し引いて補正する。
下記に示すＭｏｄｉｆｉｅｄ Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ−Ｈａｌｌの式から、転位密度ρ［ｍ−２］を求める。
ここで、ΔＫＦＷＨＭ＝Δ２θｃｏｓθ／λ、Ｋ＝２ｓｉｎθ／λ、λはＸ線の波長（０．１５４ｎｍ）、Ｄは結晶子サイズ、ｂはフェライトのバーガースベクトル（０．２４９ｎｍ）、Ｏは高次項である。
Ｃは、下記のように結晶異方性を示す定数である。
Ｍは転位配列を示す無次元の係数であり、ここではＭ＝１とした。
（＊）式において、高次項を無視すると、ΔＫＦＨＨＭとＫとは直線関係を示す。ΔＫＦＨＨＭとＫとをプロットすることによって、切片から結晶子サイズＤを、傾きから転位密度ρを求めることができる。
［製造方法］
以下、本実施形態による鍛造部品の製造方法の一例を説明する。本実施形態による鍛造部品の製造方法は、これに限定されない。
以下、本実施形態による鍛造部品の製造方法の一例を説明する。本実施形態による鍛造部品の製造方法は、これに限定されない。
図４は、本実施形態による鍛造部品の製造方法の一例を示すフロー図である。この製造方法は、素材を準備する工程（ステップＳ１）と、素材を加熱する工程（ステップＳ２）と、加熱された素材を熱間鍛造する工程（ステップＳ３）と、熱間鍛造された素材を冷却する工程（ステップＳ４）と、摺動面に冷間加工をする工程（ステップＳ５）とを備えている。
まず、上述した化学組成の素材を準備する（ステップＳ１）。例えば、上述した化学組成の鋼を溶製し、連続鋳造及び分塊圧延によってビレットを製造する。
素材を１０００〜１２５０℃に加熱する（ステップＳ２）。続いて、加熱された素材を熱間鍛造する（ステップＳ３）。熱間鍛造によって、素材を製品の粗形状に加工する。熱間鍛造の条件は特に限定されないが、仕上げ温度は例えば９００℃である。
熱間鍛造された素材を冷却する（ステップＳ４）。このとき、９００℃から４００℃までの平均冷却速度を、下記の式（２）で定義される冷却速度指数ＣＩ以下にする。
ＣＩ＝１０ｘ・・・式（２）
ただし、ｘ＝０．１×［Ａｌ］−［Ｓｉ］−［Ｍｎ］−０．５×［Ｃｒ］−５．８×［Ｖ］＋２．２
ここで、［Ａｌ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｖ］には素材のＡｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖの各含有量が質量％で代入される。冷却速度指数ＣＩの単位は℃／秒である。
ＣＩ＝１０ｘ・・・式（２）
ただし、ｘ＝０．１×［Ａｌ］−［Ｓｉ］−［Ｍｎ］−０．５×［Ｃｒ］−５．８×［Ｖ］＋２．２
ここで、［Ａｌ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｖ］には素材のＡｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖの各含有量が質量％で代入される。冷却速度指数ＣＩの単位は℃／秒である。
本実施形態で規定する化学組成の素材を、９００℃から４００℃までの平均冷却速度が冷却速度指数ＣＩ以下になるように冷却すれば、パーライトの面積率が９０％以上の組織を得ることができる。
上記に加えて、９００℃から４００℃までの平均冷却速度を、下記の式（３）で定義されるパーライト冷却速度指数ＰＩよりも大きくすることが好ましい。
ＰＩ＝５００×１０−ｙ・・・式（３）
ただし、ｙ＝０．６×［Ｓｉ］＋１．７×［Ｍｎ］＋４６×［Ｐ］＋６６×［Ｓ］＋１７×［Ｖ］＋１．２×［Ａｌ］＋０．２×［Ｃｒ］−１．９
ここで、［Ａｌ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｖ］、［Ｐ］、［Ｓ］には素材のＡｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｐ、Ｓの各含有量が質量％で代入される。パーライト冷却速度指数ＰＩの単位は℃／秒である。
ＰＩ＝５００×１０−ｙ・・・式（３）
ただし、ｙ＝０．６×［Ｓｉ］＋１．７×［Ｍｎ］＋４６×［Ｐ］＋６６×［Ｓ］＋１７×［Ｖ］＋１．２×［Ａｌ］＋０．２×［Ｃｒ］−１．９
ここで、［Ａｌ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｖ］、［Ｐ］、［Ｓ］には素材のＡｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｐ、Ｓの各含有量が質量％で代入される。パーライト冷却速度指数ＰＩの単位は℃／秒である。
９００℃から４００℃までの平均冷却速度がパーライト冷却速度指数ＰＩ以下であると、パーライトの平均ラメラ間隔が大きくなりすぎ、後述する冷間加工を施しても、パーライトの平均ラメラ間隔を５０ｎｍ未満にすることが困難になる場合がある。
冷却手段は特に限定されないが、冷却速度に応じて、断熱材を用いた緩空冷、通常の空冷、送風機による強制空冷、油冷、水冷、氷水冷等を用いることができる。
冷却された素材に冷間加工を施す（ステップＳ５）。冷間加工は、例えば、冷間ロール加工、冷間圧延、冷間鍛造等である。冷間加工は、フィレット加工のような局所的な冷間加工であってもよい。冷間加工は、例えば冷間圧延の場合、減面率が３０％以上になるようにする。冷間加工の加工度が小さいと、却って転位密度は低くなる。これは、冷間加工の発熱で局所的に再結晶が生じるためである。局所的に再結晶させると、その再結晶粒が選択的に摩耗し、表面に凹凸が生じ、さらなる摩耗や焼付きの原因となる。冷間加工の加工度を高め、減面率が３０％以上になるようにすれば、転位密度を１０１５ｍ−２以上にし、かつパーライトのラメラ間隔を５０ｎｍ未満にすることができる。冷間圧延の場合の減面率は、好ましくは４０％以上である。
以上、本発明の実施形態を説明した。本実施形態によれば、耐焼付き性に優れた鍛造部品が得られる。上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。
表１に示す化学組成の鋼を１５０ｋｇ真空誘導溶解炉（ＶＩＭ）によって溶製し、素材とした。各素材を１２００℃に加熱後、１１００℃で減面率４０％の熱間鍛造を実施した。熱間鍛造された素材の厚さは、７．２ｍｍであった。熱間鍛造された素材を、冷却速度を変えて室温まで冷却して供試材とした。なお、表１の「−」は、該当する元素の含有量が不純物レベルであることを示す。
室温まで冷却した厚さ７．２ｍｍの供試材に対して、冷間ロール加工を模擬し、冷間加工を実施した。具体的には、厚さ７．２ｍｍの素材の両面を研磨加工した後、減面率が３０〜５０％となるような冷間圧延を実施した。冷間圧延後の供試材表面から、摺動面が２．７ｍｍ×２．０ｍｍの面となるように、寸法：２．７ｍｍ×２．０ｍｍ×２．０ｍｍのブロックを複数個採取した。このブロックを用いて、パーライトの面積率、パーライトの平均ラメラ間隔、転位密度、及び摩耗試験後のナノ硬さを測定した。
９００℃から４００℃までの平均冷却速度と、組織との関係を表２に示す。表２において、「Ｐ」は、パーライトの面積率が９０％以上であったことを示す。「△」は、パーライトの面積率が９０％未満であったことを示す。「−」は、未測定であることを示す。
表２に示すように、９００℃から４００℃までの平均冷却速度が冷却速度指数ＣＩ以下であれば、パーライトの面積率が９０％以上である組織が得られることがわかった。
［耐焼付き性評価］
長時間摺動後のナノ硬さを評価するため、以下に説明するように、各供試材に対して摩耗試験を実施し、摩耗試験後のナノ硬さを測定した。
長時間摺動後のナノ硬さを評価するため、以下に説明するように、各供試材に対して摩耗試験を実施し、摩耗試験後のナノ硬さを測定した。
まず、表面の凹凸を除去するため、前記ブロックの２．７ｍｍ×２．０ｍｍの面に対して、ペーパー研磨及びコロイダルシリカを用いた研磨を実施した。さらに、ペーパー研磨及びコロイダルシリカを用いた研磨によって生成した加工層を除去するため、電解研磨を実施した。除去した加工層の厚さは、約３μｍであった。加工層を除去した試験片に対して、図５に示すピンオンディスク型摩耗試験を実施した。
ピンオンディスク型摩耗試験は、より具体的には、次のように実施した。ピンオンディスク試験機の回転ディスク１０の表面に、８００番のエメリーペーパー２０を貼り付けた。そして、エメリーペーパー２０に試験片（ブロック）３０の２．７ｍｍ×２．０ｍｍの面を０．３ＭＰａの面圧で押しつけたまま、摺動距離が２０００ｍになるように回転ディスク１０を回転させた。
試験片３０の表面に熱電対（不図示）を装着して摩耗試験中の表面の温度を計測した。摩耗試験開始後の数秒で表面温度は約５０℃まで上昇したが、その後の温度変化は小さいことを確認した。
摩耗試験後、摺動面（２．７ｍｍ×２．０ｍｍの面）のナノ硬さをナノインデテーション法によって測定した。
ナノ硬さの測定は、Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製ナノインデンター、ＸＰ／ＤＣＭ型を用いた。図６に示すように、ナノインデンターの探針４０を試験片３０の摺動面３０ａに接触させて測定した。より具体的には、ダイアモンド製のバーコビッチ型針を摺動面３０ａに連続剛性方式（ＣＳＭ式）で押し込んだ。連続剛性方式の条件は、振動数を４５Ｈｚ、振幅を２ｎｍ、押し込み深さを２５０ｎｍとした。
各供試材の冷却条件、組織、パーライトの面積率、平均ラメラ間隔、転位密度及び表層から２０ｎｍ以内の位置でのナノ硬さ（以下、表層ナノ硬さという。）を表３にまとめて示す。
試験番号５〜８の供試材は、それぞれ試験番号１、２、４、１の供試材に、「冷間圧延減面率（％）」の欄に記載された減面率の冷間加工を加えたものである。これらの供試材の「平均ラメラ間隔」、「転位密度」、「表層ナノ硬さ」の欄には、冷間加工後の測定値が記載されている。
表３の「組織」の欄において、「Ｐ」はパーライト組織を示す。
表３に示すように、試験番号５、６の供試材は、面積率で９０％以上のパーライトを含む組織を有し、転位密度が１０１５ｍ−２以上であり、かつパーライトの平均ラメラ間隔が５０ｎｍ未満であった。試験番号５、６の供試材は、優れたナノ硬さを示した。
試験番号１〜４の供試材は、試験番号５、６の供試材と比較すると、表層ナノ硬さが劣っていた。これは、転位密度が低すぎたためと考えられる。
試験番号７、８の供試材は、試験番号５、６の供試材と比較すると、表層ナノ硬さが劣っていた。これは、転位密度が低すぎたため、又はパーライトの平均ラメラ間隔が大きすぎたためと考えられる。試験番号７の供試材は、冷間加工前の鋼（供試材４）の平均ラメラ間隔が大きすぎたため、冷間加工を加えても、所定の転位密度及び平均ラメラ間隔に調整することができなかった。
以上の結果から、耐焼付き性に優れた鍛造部品が得られることが確認された。
Claims (2)
- 化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．３５〜０．６５％、
Ｓｉ：０．５０％未満、
Ｍｎ：０．１０％以上０．８０％未満、
Ｐ ：０．０１％を超え０．１％以下、
Ｓ ：０．０６％以下、
Ｃｒ：０．２〜１．５％、
Ａｌ：０．００５〜０．０５％、
Ｎ ：０．００１〜０．０２％、
Ｖ ：０〜０．２％、
残部：Ｆｅ及び不純物であり、
前記化学組成が、下記の式（１）を満たし、
面積率で９０％以上のパーライトを含む組織を有し、
前記パーライトの平均ラメラ間隔が５０ｎｍ未満であって、
転位密度が１０１５ｍ−２以上である鋼材からなる、鍛造部品。
［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］≦１．２・・・式（１）
ここで、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］にはＳｉ、Ｍｎの各含有量が質量％で代入される。 - 請求項１に記載の鍛造部品であって、
前記化学組成が、質量％で、
Ｖ ：０．０５〜０．２％、
を含有する鍛造部品。
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