JP7356036B2 - 鍛造用材料、鍛造部材および鍛造部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鍛造用材料、鍛造部材、および鍛造部材の製造方法に関するものである。

機械、自動車等に使用される鋼製の鍛造部材のうち、軸受、歯車など、特に高い耐摩耗性を必要とされるものは、例えば、ＪＩＳ Ｇ４０５３規定のクロム鋼を素材として、浸炭焼入焼戻し処理を行ってから使用されている。また、ＪＩＳ Ｇ４８０５規定の高炭素クロム鋼を素材として、焼戻し処理をして使用されている鍛造部材もある。これらの鍛造部材は、鋼材をオーステナイト単相域、あるいは、オーステナイトとセメンタイトの二相域となる高温に加熱した後に焼入れ・焼戻し処理を行い、表層を５５０ＨＶ以上の高硬度にすることで高い耐摩耗性を得ている。このような鍛造部材は、高い面圧で他部材と接触・摺動することで起きる摩耗に強いことが要求される。

鍛造部材の耐摩耗性を向上させる手段として、浸炭焼入焼戻し処理により表層部のＣ濃度を上げる方法、又は鍛造部材の素材（鍛造用材料）として高炭素鋼を用いる方法がある。また、合金工具鋼、高速度工具鋼のように、鍛造用材料にＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗを添加し、セメンタイトよりも硬い合金炭化物（Ｍｏ_２Ｃ、ＷＣなど）を鋼中に分散させる方法が知られている。

たとえば、特許文献１には、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｃｏを多量に添加した鋼に浸炭焼入焼戻し処理を施し、耐摩耗性、特に３００℃～４００℃の高温における耐摩耗性を向上させる発明が記載されている。

特許文献２には、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖを多く添加した鋼に浸炭焼入焼戻し処理を施し、表面から深さ５０μｍ位置までの領域に存在する炭化物の面積率を６～２５％とすることで、耐摩耗性を向上させる発明が記載されている。

特開平７－０１９２５２号公報 特開２０１５－１０５４１９号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載された従来技術は、鍛造用材料における合金成分の含有量が高いので、鍛造時の成形荷重が高く、金型寿命が低いという欠点があった。

本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、優れた鍛造性を有し、鍛造加工及び浸炭焼入焼戻し処理後に優れた耐摩耗性を発揮可能な鍛造用材料及び鍛造部材、並びにこの鍛造部材の製造方法を提供するものである。

本発明の要旨は以下の通りである。
（１）本発明の一態様に係る鍛造用材料は、外側鋼材と内側鋼材とを備える、側方押出しによる鍛造用材料であって、前記外側鋼材の組成が、質量％で、Ｃ：０．１５～０．４０％、Ｓｉ：０．０５～０．５０％、Ｍｎ：０．２０～１．５０％、Ｃｒ：０．０５～１．５０％、Ｐ：０．００１～０．０３０％、Ｓ：０．００５～０．０２５％、Ａｌ：０．００５～０．１００％、Ｎ：０．００１～０．０２５％、Ｖ：０．５０～３．００％、及びＭｏ：０．８０～６．００％を含有し、残部がＦｅおよび不純物より成り、前記内側鋼材の組成が、質量％で、Ｃ：０．０５～０．３０％、Ｓｉ：０．０５～０．３５％、Ｍｎ：０．２０～１．００％、Ｃｒ：０．０１～１．５０％、Ｐ：０．００１～０．０３０％、Ｓ：０．００５～０．０２５％、Ａｌ：０．００５～０．１００％、及びＮ：０．００１～０．０２５％、を含有し、残部がＦｅおよび不純物より成り、前記鍛造用材料が、側方押出しされる箇所において、前記鍛造用材料の軸方向と垂直な面における前記外側鋼材の面積Ｓ１と前記内側鋼材の面積Ｓ２とが式１を満たし、端面拘束圧縮試験にてひずみ速度１０ｓ^－１で得られた変形抵抗で、相当塑性ひずみ１．５における前記外側鋼材の変形抵抗σ’１と前記内側鋼材の変形抵抗σ’２とが、式２を満たす。
０．９０≧Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）＜式１＞
σ’１×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）＋σ’２×Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）≦７５０［ＭＰａ］＜式２＞
（２）上記（１）に記載の鍛造用材料では、前記外側鋼材の組成が質量％で、Ｂ：０～０．００５０％、Ｎｂ：０～０．１００％、Ｔｉ：０～０．１００％、及びＲＥＭ：０～０．０２０％、からなる群から選択される１種以上をさらに含有してもよい。
（３）上記（１）又は（２）に記載の鍛造用材料では、前記外側鋼材と前記内側鋼材との間のクリアランスが０．１ｍｍ～２ｍｍであってもよい。
（４）上記（１）～（３）のいずれか一項に記載の鍛造用材料では、前記外側鋼材が、ボンデリューベ処理皮膜を有してもよい。
（５）本発明の別の態様に係る鍛造部材は、上記（１）または（２）に記載の組成を備える前記外側鋼材と前記内側鋼材とで形成された基部と、前記基部から外方に突出した突出部とを備え、前記突出部が、前記基部における前記外側鋼材の部分から突設させた外側突部と、前記基部における前記内側鋼材の部分から突設され、且つ前記外側突部内の少なくとも一部の空間に充填された内側突部とを備え、前記外側突部の厚さが０．５ｍｍ以上である。
（６）上記（５）に記載の鍛造部材では、前記突出部の根元における前記外側鋼材の面積Ｓ_Ｐ１と前記内側鋼材の面積Ｓ_Ｐ２との比率Ｒ_Ｐと、前記基部における、前記突出部近傍における前記外側鋼材の面積Ｓ_Ｂ１と前記内側鋼材の面積Ｓ_Ｂ２との比率Ｒ_Ｂとが、下記式３～式５を満たしてもよい。
Ｒ_Ｐ＝Ｓ_Ｐ２／（Ｓ_Ｐ１＋Ｓ_Ｐ２）＜式３＞
Ｒ_Ｂ＝Ｓ_Ｂ２／（Ｓ_Ｂ１＋Ｓ_Ｂ２）＜式４＞
｜（Ｒ_Ｐ－Ｒ_Ｂ）／Ｒ_Ｐ｜≦５％＜式５＞
（７）上記（５）又は（６）に記載の鍛造部材では、前記外側突部のビッカース硬さが７４０ＨＶ以上であってもよい。
（８）本発明の別の態様に係る鍛造部材の製造方法は、上記（５）～（７）のいずれか一項に記載の鍛造部材の製造方法であって、上記（１）～（４）のいずれか一項に記載の鍛造用材料を鍛造加工する工程と、鍛造された前記鍛造用材料に浸炭焼入焼戻し処理をする工程と、を備え、前記鍛造を、前記鍛造用材料に対する側方押出しとし、前記側方押出しによって、前記基部および前記突出部を成形し、前記突出部は、前記側方押出しに際して、前記内側突部が前記外側突部内に入り込んだ状態とし、前記突出部を、０．９０≧Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）が満たされる箇所に設ける。

本発明によれば、優れた鍛造性を有し、鍛造加工及び浸炭焼入焼戻し処理後に優れた耐摩耗性を発揮可能な鍛造用材料及び鍛造部材、並びにこの鍛造部材の製造方法を提供することができる。

本発明の鍛造用材料の一例の斜視図である。 本発明の鍛造用材料の一例の断面図である。 本発明の鍛造用材料の一例の断面図である。 本発明の鍛造用材料の一例の断面図である。 本発明の鍛造部材の一例の模式図である。 実施例の鍛造用材料及びその鍛造用材料を鍛造して成形された鍛造部材の形状を説明する図である。ただし、（ａ）鍛造前の鍛造用材料の正面図、（ｂ）鍛造により成形された鍛造部材の正面図、（ｃ）同平面図をそれぞれ示す。 （ａ）端面拘束圧縮試験に用いる試験片の形状、及び（ｂ）使用する治具の形状をそれぞれ説明する図である。 西原式摩耗試験片の形状を説明する図である。

従来技術によれば、鍛造部材の耐摩耗性を高めるためには、鋼を強化する効果を有する合金元素の量を増大させる必要がある。一方、鍛造部材の製造段階での加工性を高めるためには、鍛造部材の素材（鍛造用材料）の硬さを低くする必要があり、そのためには、合金元素の量を減少させる必要がある。従来技術によれば、これら２つの要求を同時に満たすことが困難であった。

本発明では、以下の４点を、詳述の課題の解決手段として採用することとした。
１．鍛造用材料を、外側鋼材と内側鋼材とから構成される複合材料とした。
２．鍛造用材料の外側鋼材においては、Ｍｏ、Ｖ等の合金炭化物生成元素を含有させる成分設計とした。鍛造用材料の外側鋼材は、鍛造後に鍛造部材の表層部を構成することとなる。従って、鍛造用材料の外側部材の成分を上述のように制御することで、鍛造部材の耐摩耗性を確保することができる。
３．鍛造用材料の内側鋼材においては、外側鋼材と比較して、Ｍｏ及びＶ等の合金元素の含有量を低いものとした。これにより、鍛造用材料の鍛造時に成形荷重を低減できる。
４．外側鋼材と内側鋼材とから構成される複合材料に大きな塑性変形を生じさせると、外側鋼材の破断などが生じる場合がある。そこで、外側鋼材の断面積Ｓ１と内側鋼材の断面積Ｓ２との比率を所定範囲内とした。さらに、外側鋼材の変形抵抗と内側鋼材の変形抵抗とが所定の関係を満たすこととした。これにより、例えば側方押出しのような複雑形状を形成する鍛造加工を、複合材料に適用することが可能となった。

上述の知見によって得られた、本発明の一態様に係る鍛造用材料１は、側方押出しによる鍛造用材料であって、外側鋼材１１と内側鋼材１２とを備え、外側鋼材１１の組成が、質量％で、Ｃ：０．１５～０．４０％、Ｓｉ：０．０５～０．５０％、Ｍｎ：０．２０～１．５０％、Ｃｒ：０．０５～１．５０％、Ｐ：０．００１～０．０３０％、Ｓ：０．００５～０．０２５％、Ａｌ：０．００５～０．１００％、Ｎ：０．００１～０．０２５％、Ｖ：０．５０～３．００％、及びＭｏ：０．８０～６．００％を含有し、残部がＦｅおよび不純物より成り、内側鋼材１２の組成が、質量％で、Ｃ：０．０５～０．３０％、Ｓｉ：０．０５～０．３５％、Ｍｎ：０．２０～１．００％、Ｃｒ：０．０１～１．５０％、Ｐ：０．００１～０．０３０％、Ｓ：０．００５～０．０２５％、Ａｌ：０．００５～０．１００％、及びＮ：０．００１～０．０２５％、を含有し、残部がＦｅおよび不純物より成り、鍛造用材料１が、側方押出しされる箇所において、鍛造用材料１の軸方向と垂直な面における外側鋼材１１の面積Ｓ１と内側鋼材１２の面積Ｓ２とが式１を満たし、端面拘束圧縮試験にてひずみ速度１０ｓ^－１で得られた変形抵抗で、相当塑性ひずみ１．５における外側鋼材１１の変形抵抗σ’１と内側鋼材１２の変形抵抗σ’２とが、式２を満たす。
０．９０≧Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２） ＜式１＞
σ’１×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）＋σ’２×Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）≦７５０［ＭＰａ］ ＜式２＞
以下に、まず、本実施形態に係る鍛造用材料について詳細に述べる。

（鋼材成分）
本実施形態に係る鍛造用材料１を構成する外側鋼材１１と内側鋼材１２の化学成分について説明する。以下に示す各元素の割合（％）は全て質量％を意味する。外側鋼材及び内側鋼材それぞれの化学成分においては、同じ数値範囲の元素もあるし、異なる数値範囲の元素もある。以下の説明では、化学成分毎にその含有量の限定理由を説明する。

Ｃ（外側鋼材）：０．１５～０．４０％
Ｃ（内側鋼材）：０．０５～０．３０％
炭素（Ｃ）は鋼材の強度を確保する上で必須の元素である。鍛造後に鍛造部材の表層部を構成することとなる、鍛造用材料の外側鋼材は、高い耐摩耗性を実現するために、浸炭焼入焼戻し後の硬さが７４０ＨＶ以上である必要がある。外側鋼材のＣ含有量が０．１５％未満では、必要な強度が得られない。一方、外側鋼材のＣ含有量が０．４０％を超えると、外側鋼材の鍛造性が劣化する。そのため、外側鋼材のＣ含有量を０．１５～０．４０％とする。外側鋼材のＣ含有量を０．１８％以上、０．２０％以上、又は０．２５％以上としてもよい。外側鋼材のＣ含有量を０．３８％以下、０．３５％以下、又は０．３０％以下としてもよい。

一方、鍛造部材の基材部には高い耐摩耗性は必要ない。従って、鍛造後に鍛造部材の基材部を構成することとなる、鍛造用材料の内側鋼材においては、鍛造用材料に求められる鍛造性が優先される。そのため、内側鋼材のＣ含有量は０．０５～０．３０％とする。内側鋼材のＣ含有量を０．０８％以上、０．１０％以上、又は０．１５％以上としてもよい。内側鋼材のＣ含有量を０．２８％以下、０．２５％以下、又は０．２０％以下としてもよい。

Ｓｉ（外側鋼材）：０．０５～０．５０％
Ｓｉ（内側鋼材）：０．０５～０．３５％
シリコン（Ｓｉ）は、焼戻し時に析出するε炭化物が粗大なセメンタイトへと遷移することを抑制し、低温焼戻しマルテンサイト鋼の焼戻し軟化抵抗を顕著に増加させるための元素である。外側鋼材において、Ｓｉ含有量が０．０５％未満では前記作用が発揮できない。一方、外側鋼材においてＳｉ含有量が０．５０％を超えると、浸炭焼入焼戻し処理時に表層に酸化層が形成され、表面起点の剥離寿命が低下する。そのため、鍛造後に鍛造部材の表層部を構成することとなる、鍛造用材料の外側鋼材のＳｉ含有量を０．０５～０．５０％とする。外側鋼材のＳｉ含有量を０．０８％以上、０．１０％以上、又は０．２０％以上としてもよい。外側鋼材のＳｉ含有量を０．４５％以下、０．４０％以下、又は０．３０％以下としてもよい。

一方、鍛造用材料の内側鋼材には高い焼戻し軟化抵抗は必要なく、鍛造性および機械加工時の被削性が優先される。そのため、内側鋼材のＳｉ含有量を０．０５～０．３５％とする。内側鋼材のＳｉ含有量を０．０８％以上、０．１０％以上、又は０．１５％以上としてもよい。内側鋼材のＳｉ含有量を０．３２％以下、０．３０％以下、又は０．２５％以下としてもよい。

Ｍｎ（外側鋼材）：０．２０～１．５０％
Ｍｎ（内側鋼材）：０．２０～１．００％
マンガン（Ｍｎ）は焼入性を高めると同時に、赤熱脆性を抑制し、熱間延性を向上させる元素である。外側鋼材のＭｎ含有量が０．２０％未満では前記作用が発揮できない。一方、外側鋼材のＭｎ含有量が１．５０％を超えると、含有量に見合う効果が期待できない。そのため、外側鋼材のＭｎ含有量を０．２０～１．５０％とする。外側鋼材のＭｎ含有量を０．２５％以上、０．３０％以上、又は０．４０％以上としてもよい。外側鋼材のＭｎ含有量を１．４０％以下、１．３０％以下、又は１．２０％以下としてもよい。

一方、鍛造用材料の内側鋼材には高い焼入性は必要なく、鍛造性および機械加工時の被削性が優先して求められる。内側鋼材のＭｎ含有量が１．００％を超えると鍛造性が悪化する。そのため、内側鋼材のＭｎ含有量を０．２０～１．００％とする。内側鋼材のＭｎ含有量を０．２５％以上、０．３０％以上、又は０．４０％以上としてもよい。内側鋼材のＭｎ含有量を０．９０％以下、０．８０％以下、又は０．７０％以下としてもよい。

Ｃｒ（外側鋼材）：０．０５～１．５０％
Ｃｒ（内側鋼材）：０．０１～１．５０％
クロム（Ｃｒ）は鋼材の焼入性を高めると同時に、硬い炭化物を形成し耐摩耗性を向上させる有用な元素である。外側鋼材のＣｒ含有量が０．０５％未満では、焼入性向上の効果が得られない。一方、外側鋼材のＣｒ含有量が１．５０％を超えると、鍛造性および被削性が劣化するだけでなく、浸炭焼入焼戻し処理時にオーステナイト粒界に粗大な炭化物が形成する。したがって、外側鋼材のＣｒ含有量を０．０５～１．５０％とする。外側鋼材のＣｒ含有量を０．１０％以上、０．２０％以上、又は０．３０％以上としてもよい。外側鋼材のＣｒ含有量を１．３０％以下、１．１０％以下、又は１．００％以下としてもよい。

一方、内側鋼材には高い焼入性及び耐摩耗性は必要なく、部品加工時の鍛造性および被削性が優先される。また、Ｃｒはセメンタイトを安定化させる元素でもあり、球状化焼鈍時に球状セメンタイト生成に必要な核をわずかに残すために、微量添加する。内側鋼材のＣｒ含有量が０．０１％未満だとその効果が小さい。一方、内側鋼材のＣｒ含有量が１．５０％を超えると、鍛造性及び被削性が劣化する。そのため、内側鋼材のＣｒ含有量を０．０１～１．５０％とする。内側鋼材のＣｒ含有量を０．１０％以上、０．１５％以上、又は０．２０％以上としてもよい。内側鋼材のＣｒ含有量を１．２０％以下、１．００％以下、又は０．８０％以下としてもよい。

Ｐ（外側鋼材および内側鋼材）：０．００１～０．０３０％
リン（Ｐ）は不純物として含まれる元素である。Ｐは粒界に偏析して粒界強度を下げる。そのため、Ｐ含有量はなるべく低い方が良い。そのため、外側鋼材および内側鋼材の両方におけるＰ含有量の上限を０．０３０％以下とする。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２０％以下である。外側鋼材および内側鋼材の両方におけるＰ含有量の好ましい上限は０．０１８％、０．０１５％、又は０．０１０％である。一方、Ｐは製鋼工程において低減することができるものの、０．００１％未満とするには製造コストがかかり、また０．００１％未満としても粒界強度が顕著に向上することはない。そのため、外側鋼材および内側鋼材の両方におけるＰ含有量の下限を０．００１％以上、０．００２％以上、又は０．００５％以上としてもよい。外側鋼材及び内側鋼材においてＰ含有量の数値範囲を異ならせてもよい。

Ｓ（外側鋼材および内側鋼材）：０．００５～０．０２５％
硫黄（Ｓ）は鍛造用材料の被削性を向上させる。そのため、外側鋼材および内側鋼材の両方において、０．００５％以上のＳを含有させる。しかし、Ｓ含有量が多すぎると、Ｍｎによって固定されなかったＳがＦｅＳとして粒界に生成することで、熱間延性が低下する。また、大量に生成したＭｎＳによって、耐摩耗性が低下する。そのため、外側鋼材および内側鋼材の両方におけるＳ含有量の上限を０．０２５％以下とする。したがって、外側鋼材および内側鋼材のＳ含有量をともに０．００５～０．０２５％とする。外側鋼材および内側鋼材のＳ含有量を０．００８％以上、０．０１０％以上、又は０．０１５％以上としてもよい。外側鋼材および内側鋼材のＳ含有量を０．０２２％以下、０．０２０％以下、又は０．０１８％以下としてもよい。外側鋼材及び内側鋼材においてＳ含有量の数値範囲を異ならせてもよい。

Ａｌ（外側鋼材および内側鋼材）：０．００５～０．１００％
アルミニウム（Ａｌ）は脱酸作用を有するとともに、熱処理の際、Ｎと結合してＡｌＮを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止し、靭性を高める効果を持つ。外側鋼材および内側鋼材のＡｌ含有量が０．００５％未満ではこれらの効果が発揮されない。一方、外側鋼材および内側鋼材のＡｌ含有量が０．１００％を超えると上記効果が飽和する。そのため、外側鋼材および内側鋼材のＡｌ含有量をともに０．００５～０．１００％とする。外側鋼材および内側鋼材のＡｌ含有量を０．００８％以上、０．０１０％以上、又は０．０１５％以上としてもよい。外側鋼材および内側鋼材のＡｌ含有量を０．０８０％以下、０．０６０％以下、又は０．０５０％以下としてもよい。外側鋼材及び内側鋼材においてＡｌ含有量の数値範囲を異ならせてもよい。

Ｎ（外側鋼材および内側鋼材）：０．００１～０．０２５％
窒素（Ｎ）はＡｌ、Ｖと結合して窒化物を形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止し、靭性を高める効果を有する。外側鋼材および内側鋼材のＮ含有量が０．００１％未満ではその効果が小さい。一方、外側鋼材および内側鋼材のＮ含有量が０．０２５％を超えると上記効果が飽和する。そのため、外側鋼材および内側鋼材のＮ含有量をともに０．００１～０．０２５％とする。外側鋼材および内側鋼材のＮ含有量を０．００２％以上、０．００５％以上、又は０．０１０％以上としてもよい。外側鋼材および内側鋼材のＮ含有量を０．０２２％以下、０．０２０％以下、又は０．０１８％以下としてもよい。外側鋼材及び内側鋼材においてＮ含有量の数値範囲を異ならせてもよい。

Ｖ（外側鋼材）：０．５０～３．００％
バナジウム（Ｖ）はＭｎ、Ｃｒと同様に、鋼の焼入性を高める。Ｖはさらに、Ｃと結合して硬く微細な炭化物を形成して耐摩耗性を向上させるとともに、結晶粒を微細化して靭性を向上させる有用な元素である。外側鋼材のＶ含有量が０．５０％未満では、耐摩耗性向上効果が発揮できない。一方、外側鋼材のＶ含有量が３．００％を超えると、鍛造性および被削性が低下する。そのため、外側鋼材のＶ含有量を０．５０～３．００％とする。外側鋼材のＶ含有量を０．６０％以上、０．８０％以上、又は１．００％以上としてもよい。外側鋼材のＶ含有量を２．５０％以下、２．００％以下、又は１．５０％以下としてもよい。

Ｍｏ（外側鋼材）：０．８０～６．００％
モリブデン（Ｍｏ）は鋼材の焼入性を高めると同時に、硬い炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる有用な元素である。外側鋼材のＭｏ含有量が０．８０％未満では上記作用が発揮できない。一方、外側鋼材のＭｏ含有量が６．００％を超えると、鍛造性および被削性が低下する。そのため、外側鋼材のＭｏ含有量を０．８０～６．００％とする。外側鋼材のＭｏ含有量を１．００％以上、１．２０％以上、又は１．５０％以上としてもよい。外側鋼材のＭｏ含有量を５．００％以下、４．００％以下、又は３．００％以下としてもよい。

外側鋼材及び内側鋼材における化学組成の残部は鉄（Ｆｅ）及び不純物である。不純物とは、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップ、又は、製造工程の環境等から混入する成分であって、本実施形態に係る鍛造用材料の特性を損なわない範囲で許容される成分を意味する。また、外側鋼材が、以下に説明する任意選択的元素をさらに含有してもよい。ただし、これらの任意選択的元素を含有することなく、本実施形態に係る鍛造用材料はその課題を解決することができる。そのため、任意選択的元素の含有量の下限値は０％である。

（外側鋼材の任意選択的元素）
Ｂ（外側鋼材）：０～０．００５０％
ホウ素（Ｂ）はオーステナイト中に僅かに固溶させただけで鋼の焼入性を高める。そのため、浸炭焼入焼戻し時にマルテンサイト組織を効率的に得るために、外側鋼材に含有させてもよい。一方、Ｂを、０．００５０％を超えて外側鋼材に含有させると、多量のＢＮを形成してＮを消費するため、オーステナイト粒の粗大化を招来するおそれがある。そのため、外側鋼材のＢ含有量を０～０．００５０％としてもよい。外側鋼材のＢ含有量を０．０００５％以上、０．００１０％以上、又は０．００１５％以上としてもよい。外側鋼材のＢ含有量を０．００４５％以下、０．００４０％以下、又は０．００３０％以下としてもよい。

Ｎｂ（外側鋼材）：０～０．１００％
ニオブ（Ｎｂ）は、鋼中でＮ、Ｃと結合して炭窒化物を形成する元素である。この炭窒化物はオーステナイト結晶粒界をピンニングし、ひいては粒成長を抑制して組織の粗大化を防止する。この組織の粗大化の防止効果を得るために、外側鋼材に、Ｎｂを０．１００％以下含有させてもよい。一方、Ｎｂを、０．１００％を超えて外側鋼材に含有させると、素材硬さの上昇に起因して鍛造性が顕著に劣化するおそれがある。そのため、外側鋼材のＮｂ含有量を０～０．１００％としてもよい。外側鋼材のＮｂ含有量を０．００５％以上、０．０１０％以上、又は０．０２０％以上としてもよい。外側鋼材のＮｂ含有量を０．０９０％以下、０．０８０％以下、又は０．０７０％以下としてもよい。

Ｔｉ（外側鋼材）：０～０．１００％
チタン（Ｔｉ）は、鋼中でＮ、Ｃと結合して炭窒化物を形成する元素である。この炭窒化物はオーステナイト結晶粒界をピンニングし、ひいては粒成長を抑制して組織の粗大化を防止する。この組織の粗大化の防止効果を得るために、外側鋼材に、Ｔｉを０．１００％以下含有させてもよい。一方、Ｔｉを、０．１００％を超えて外側鋼材に含有させると、素材硬さの上昇に起因して鍛造性が顕著に劣化するおそれがある。そのため、外側鋼材のＴｉ含有量を０～０．１００％としてもよい。外側鋼材のＴｉ含有量を０．００５％以上、０．０１０％以上、又は０．０２０％以上としてもよい。外側鋼材のＴｉ含有量を０．０９０％以下、０．０８０％以下、又は０．０７０％以下としてもよい。

ＲＥＭ（外側鋼材）：０～０．０２０％
希土類元素（ＲＥＭ）とは、原子番号５７のランタンから原子番号７１ルテチウムまでの１５元素と、原子番号２１のスカンジウム及び原子番号３９のイットリウムと、の合計１７元素の総称である。ＲＥＭの含有量とは、これら元素の含有量の合計値である。外側鋼材にＲＥＭが含有されると、圧延時にＭｎＳ粒子の伸延が抑制される。但し、ＲＥＭ含有量が０．０２０％を超えると、ＲＥＭを含む硫化物が大量に生成され、鋼の被削性が劣化するおそれがある。そのため、外側鋼材のＲＥＭ含有量は０～０．０２０％としてもよい。外側鋼材のＲＥＭ含有量を０．００２％以上、０．００５％以上、又は０．００８％以上としてもよい。外側鋼材のＲＥＭ含有量を０．０１８％以下、０．０１５％以下、又は０．０１０％以下としてもよい。

次に、外側鋼材及び内側鋼材の化学成分以外の構成について説明する。
外側鋼材１１は中空状の鋼材であり、内側鋼材１２は外側鋼材１１の内部に配置されている。本実施形態に係る鍛造用材料１を側方押出しに供する場合、図１に示されるように、内側鋼材１２を例えば棒鋼とし、外側鋼材１１をパイプ状形状とすることが好ましい。図１に示される鍛造用材料１を側方押出しすることによって、図５に示される鍛造部材２を得ることができる。

（外側鋼材）
外側鋼材１１は、本実施形態に係る鍛造用材料１を加工して得られる鍛造部材２において、他の鋼部材と接触して摺動する部位である表層部を構成する。よって、本実施形態に係る鍛造用材料１の外側鋼材１１は、鍛造部材の表面のうち、摺動を受ける部分を覆ったものでなければならない。外側鋼材１１には、浸炭焼入焼戻し後に高い耐摩耗性が必要となる。そのため、外側鋼材１１は、前述のようにＣｒ、Ｍｏ等の硬質な合金炭化物生成元素と、高濃度のＣとを含有させ、所定条件の浸炭焼入焼戻し後にビッカース硬さを７４０ＨＶ以上とする。鍛造用材料の表層部にあたる外側鋼材１１の、所定条件の浸炭焼入焼戻し後にビッカース硬さが７４０ＨＶ未満であると、表層部の耐摩耗性を確保できなくなる。ただし、浸炭焼入焼戻し前の段階における外側鋼材１１の硬さは特に規定されない。鍛造加工前の段階では、加工性を考慮すると、外側鋼材１１の硬さが低いほうが好ましい。

さらに、外側鋼材１１の断面積割合も重要である。外側鋼材１１の面積割合が１０％未満である肉厚の薄い箇所において側方押出しが行われると、鍛造時に外側鋼材１１が破壊されてしまう。よって、側方押出しされる箇所において、鍛造用材料１の軸方向と垂直な面における外側鋼材の面積Ｓ１と前記内側鋼材の面積Ｓ２が、式１を満たさなければならない。
０．９０≧Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２） ＜式１＞
なお、鍛造用材料１の全域にわたり式１が満たされる必要はない。少なくとも鍛造によって大きな変形を受ける箇所、即ち側方押出しされる箇所において式１が満たされていればよい。例えば、図２に示されるように、外側鋼材１１の面積Ｓ１と内側鋼材１２の面積Ｓ２との割合が一様であってもよい。一方、鍛造用材料１が側方押出しによる鍛造加工用である場合、少なくとも側方押出しされる箇所において式１が満たされていれば足りる。従って、例えば図３に示されるように、鍛造用材料１の一部に外側鋼材１１が配されていてもよい。図３の鍛造用材料１では、その両端において式１が満たされないこととなるが、側方押出しされる箇所に外側鋼材１１が配されており、この箇所において式１が満たされていればよい。また、例えば図４に示されるように、外側鋼材１１の両端がテーパー形状を有することも妨げられない。図４の鍛造用材料１でも、その両端において式１が満たされないこととなるが、側方押出しされる箇所に外側鋼材１１が配されており、この箇所において式１が満たされていればよい。

Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）の上限を、鍛造部材の形状に応じて変更してもよい。例えば、Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）を０．８８未満、０．８５未満、又は０．８０未満としてもよい。例えば鍛造用材料１から自動車のスパイダーを製造する場合、外側突部２４１の厚さを確保する観点から、Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）を０．９０未満としておくことが好ましいと考えられる。

一方、外側鋼材の断面積割合が多すぎると、変形抵抗が高い外側鋼材１１が鍛造用材料１に占める割合が過剰となる。そのため、鍛造用材料１の鍛造性が悪化し金型負荷が増大する。金型負荷は外側鋼材１１の断面積Ｓ１及び内側鋼材１２の断面積Ｓ２に加え、外側鋼材１１及び内側鋼材１２それぞれの変形抵抗に大きく影響される。十字軸継手のように、側方押出し加工により成形された鍛造部材２の、側方押出し軸表層に発生するひずみは１．２～１．７である。この範囲における鍛造用材料の変形抵抗が７５０［ＭＰａ］を超えると、成形荷重が高くなり、金型寿命の低下が顕著になる。よって、外側鋼材１１の断面積Ｓ１、外側鋼材１１の相当塑性ひずみ量が１．５となる変形抵抗σ’１、内側鋼材１２の面積Ｓ２、及び内側鋼材１２の相当塑性ひずみ量が１．５となる変形抵抗σ’２が式２を満たすことが必要である。
σ’１×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）＋σ’２×Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）≦７５０［ＭＰａ］ ＜式２＞
ここで、上記変形抵抗はひずみ速度１０ｓ^－１で端面拘束圧縮試験を行った際の結果である。

外側鋼材１１が、表面処理されていてもよい。例えば、外側鋼材１１がボンデリューベ処理皮膜を有していてもよい。ボンデリューベ処理皮膜とは、リン酸亜鉛系化成皮膜と石けん系潤滑剤を用いた処理によって得られる潤滑皮膜である。通常、ボンデリューベ皮膜はリン酸塩皮膜と、未反応石けん（例えばステアリン酸ナトリウム）と、これらの間に形成された金属石けんとの三層構造を有する（「冷間鍛造用潤滑技術」清水秋雄、素形材、素形材センター、２０１０年、Ｖｏｌ．５１、Ｎｏ．１０、第２４～２５頁等参照）。ボンデリューベ処理皮膜によって、型離れを良くし、冷間鍛造時に生じる熱や接触圧力による金型の破損が防止される。

なお、上述の断面積要件を満たす限り、外側鋼材１１の厚さは特に規定されないが、例えば、側方押出しされる箇所において０．５ｍｍ以上、１．０ｍｍ以上、又は１．５ｍｍ以上としてもよい。換言すると、外側鋼材１１が、厚さ０．５ｍｍ以上、１．０ｍｍ以上、又は１．５ｍｍ以上となる箇所をその一部に備える、と規定してもよい。また、外側鋼材１１の厚さは、周方向に沿って一様であっても、一様でなくてもよい。外側鋼材１１の厚さが周方向に沿って一様ではない場合、外側鋼材１１の側方押出しされる箇所において、周方向に沿って最も薄い箇所の厚さを０．５ｍｍ以上、１．０ｍｍ以上、又は１．５ｍｍ以上としてもよい。

（内側鋼材）
本実施形態の鍛造用材料１における内側鋼材１２は、必ずしもその全面が外側鋼材１１に覆われていなくともよい。他の部品と接触しない表面に内側鋼材１２が露出していてもよい（図３参照）。例えば、本実施形態の鍛造用材料１からなる十字軸継手における中心軸方向には内側鋼材１２が露出する場合があるが、この部分には耐摩耗性が要求されないため、内側鋼材１２が露出していてもよい。また、内側鋼材１２の内部に空洞が設けられてもよい。このような鍛造用材料を側方押出しに供した場合、内側鋼材１２の内部の空洞は、側方押出し軸が形成される前に内側鋼材１２によって充填され、消失すると考えられる。従って、上述した鍛造用材料１の軸方向と垂直な面における内側鋼材１２の面積Ｓ２に、空洞部の面積は算入しない。

外側鋼材１１と、内側鋼材１２との間にクリアランスが設けられていてもよい。クリアランスを設けることにより、外側鋼材１１を内側鋼材１２の内部に配置する工程の実施が容易となり、鍛造用材料１の製造効率が改善される。また、側方押出しの際には、外側鋼材１１及び内側鋼材１２によってクリアランスが充填されるので、クリアランスが鍛造部材２の製造を妨げることもない。クリアランスの大きさは特に限定されず、外側鋼材１１及び内側鋼材１２の形状に応じて適宜定めることができる。例えば、クリアランスを０．１ｍｍ～２．０ｍｍとしてもよい。

鍛造用材料１の大きさ（具体的には、鍛造によって大きな変形を受ける箇所である、側方押出しされる箇所の外径）は特に限定されない。例えば、鍛造用材料１を冷間鍛造に供する場合、加工性を考慮すると、鍛造用材料１の外径をφ２０ｍｍ～φ５５ｍｍの範囲内とすることが望ましい。一方、鍛造用材料１を熱間鍛造に供するのであれば、鍛造用材料１のサイズを上述の範囲を超えるものとしても、鍛造設備に負荷をかけることがないと考えられる。

鍛造用材料１の形状も、目的に応じて適宜選択することができる。図１において、鍛造用材料１、及び内側鋼材１２は丸棒形状であるが、鍛造用材料１、及び／又は内側鋼材１２が角棒形状であってもよい。この場合、鍛造用材料１、外側鋼材１１、及び内側鋼材１２の「径」（内径及び外径の両方を含む）とは、円相当径を意味する。

次に、本発明の別の態様に係る鍛造部材２について説明する。図５に示されるように、本実施形態に係る鍛造部材２は、外側鋼材２１と内側鋼材２２とで形成された基部２３と、該基部２３から外方に突出した突出部２４とを備え、突出部２４が、基部２３における外側鋼材２１の部分から突設させた外側突部２４１と、基部２３における内側鋼材２２の部分から突設され、且つ外側突部２４１内の少なくとも一部の空間に充填された内側突部２４２とで一体に成形されており、外側突部２４１の厚さが０．５ｍｍ以上である。

（鍛造部材）
本実施形態の鍛造用材料１を鍛造加工することにより鍛造部材２が成形される。本実施形態の鍛造部材は、外側鋼材２１と内側鋼材２２とで形成された基部２３と、基部２３から外方に突出した突出部２４とを備えている。鍛造部材２の外側鋼材２１及び内側鋼材２２の成分は、上述された鍛造用材料１の外側鋼材２１及び内側鋼材２２の成分と同じである。また、突出部２４は、基部２３を形成する外側鋼材２１の所定の部分から突設させた外側突部２４１と、基部２３を形成する内側鋼材２２の部分から突設され、且つ外側突部２４１内の少なくとも一部の空間に充填された内側突部２４２とで一体に成形されている。ここで、突出部２４を形成する内側突部２４２は、外側突部２４１内の全空間に充填されていてもよいが、必ずしも外側突部２４１内の全空間に充填されている必要はなく、外側突部２４１内の一部に入り込んだ状態、すなわち、外側突部２４１と内側突部２４２との間に空間が形成された状態であってもよい。

また、外側突部２４１の厚さは、０．５ｍｍ以上とされる。これにより、十分な耐摩耗性を得ることができる。外側突部２４１の厚さを０．６ｍｍ以上、０．８ｍｍ以上、又は１．０ｍｍ以上としてもよい。外側突部２４１の厚さの上限を規定する必要はないが、例えば厚さを５．０ｍｍ以下、４．０ｍｍ以下、又は３．０ｍｍ以下と規定してもよい。

また、鍛造部材２において、下記式３～５が満たされることがさらに好ましい。
Ｒ_Ｐ＝Ｓ_Ｐ２／（Ｓ_Ｐ１＋Ｓ_Ｐ２） ＜式３＞
Ｒ_Ｂ＝Ｓ_Ｂ２／（Ｓ_Ｂ１＋Ｓ_Ｂ２） ＜式４＞
｜（Ｒ_Ｐ－Ｒ_Ｂ）／Ｒ_Ｐ｜≦５％ ＜式５＞
ここで、式３～５における記号は、以下の事項を示す。
Ｓ_Ｐ１：突出部２４の根元における外側鋼材２１の面積
Ｓ_Ｐ２：突出部２４の根元における内側鋼材２２の面積
Ｒ_Ｐ：Ｓ_Ｐ１及びＳ_Ｐ２の比率
Ｓ_Ｂ１：基部２３における、突出部２４の近傍における外側鋼材２１の面積
Ｓ_Ｂ２：基部２３における、突出部２４の近傍における内側鋼材２２の面積
Ｒ_Ｂ：Ｓ_Ｂ１及びＳ_Ｂ２の比率

式３～式５が満たされる鍛造部材２では、比率Ｒ_ＰとＲ_Ｂが、実質的に等しい。このような鍛造部材２は、鍛造部材２における外側鋼材２１の破断が抑制されるように鍛造がなされていると考えられる。

さらに、外側突部２４１において、外側鋼材２１の面積と内側鋼材２２の面積との割合は、上述した鍛造用材料１における割合を引き継いでいると推定される。従って、鍛造用材料１と同様に、０．９０≧Ｒ_Ｐと規定してもよい。０．８８＞Ｒ_Ｐ、０．８５＞Ｒ_Ｐ、又は０．８０＞Ｒ_Ｐとしてもよい。

鍛造部材２において、外側鋼材２１のビッカース硬さが７４０Ｈｖ以上であることが好ましい。これにより、鍛造部材２の耐摩耗性が一層高められることとなる。なお、外側鋼材２１のビッカース硬さとは、外側鋼材２１の表面から５０μｍ深さの位置におけるビッカース硬さのことである。外側鋼材２１のビッカース硬さを測定する際の荷重は２．９４Ｎとする。

鍛造部材の種類には、例えば自動車用部品のスパイダー、その他インナーレース、トリポード、あるいは歯車等が含まれる。図５は、本実施形態に係る鍛造用材料１を側方押出しすることで成形したスパイダーを示す。中央部分が基部２３に該当し、この基部２３の周面から外方に突出している軸受部分が突出部２４に相当する。

（鍛造部材の製造方法）
以下、本実施形態の鍛造用材料を用いた鍛造部材の製造方法を説明する。本実施形態に係る鍛造部材の製造方法は、本実施形態に係る鍛造用材料１を鍛造加工する工程と、鍛造された鍛造用材料１に浸炭焼入焼戻し処理をする工程と、を備え、鍛造加工を、鍛造用材料１に対する側方押出しとし、側方押出しによって基部２３および突出部２４を成形し、突出部２４は、側方押出しに際して、内側突部２４２が外側突部２４１内に入り込んだ状態とし、突出部２４を、０．９０≧Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）が満たされる箇所に設ける。以下、この製造方法について詳細に説明する。

上述したように、本実施形態の鍛造用材料１は、外側鋼材１１の化学成分を有する鋼材の内側に、内側鋼材１２の化学成分を有する鋼材を挿入したものである。例えば図１及び図２に示される実施形態の場合、内側鋼材１２は例えば円柱状であり、外側鋼材１１は内側鋼材の外径とほぼ同径の内径と、ほぼ同じ軸線方向長さ（高さ）を有する円筒状である。なお、図１及び図２に示される鍛造用材料１においては、その全長にわたり０．９０≧Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）の関係が満たされている。

そして、この鍛造用材料１の軸線方向の両端（上下端）を挟圧して、側方押出しによる鍛造加工を行うことにより、基部２３および突出部２４を成形する。側方押出しを行うことにより、外側鋼材１１（２１）および内側鋼材１２（２２）の所定の部分が軸線と交差する方向に押出される。そのため、外側鋼材１１（２１）には外側突部２４１が成形され、内側鋼材１２（２２）には内側突部２４２が成形される。このとき、内側鋼材１２（２２）は外側突部２４１内に押出され、外側突部２４１内の空間には内側突部２４２が入り込んだ状態となる。そのため、突出部２４は、外側突部２４１と内側突部２４２とが一体に成形されたものとなる。

上述したように、鍛造用材料１の形状は図１及び図２に例示されたものに限られず、図３又は図４に例示されるような、その他の形状を有する鍛造用材料１に対しても、適宜側方押出しを実施することができる。この際は、突出部を、０．９０≧Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）が満たされる箇所に設けることが必要である。例えば、図３に示される鍛造用材料１を、側方押出しによって鍛造する場合、突出部２４を設ける箇所が、外側鋼材１１が配された箇所と一致するように金型を設計する必要がある。これにより、突出部２４における外側鋼材２１の破断を防ぎ、突出部２４の外側突部２４１の厚さを０．５ｍｍ以上とすることができる。

また、鍛造加工の後は、鍛造部材に浸炭焼入焼戻しを施す。これにより、外側鋼材２１の硬さを高め、鍛造部材２の耐摩耗性を確保することができる。

（浸炭処理工程）
鍛造加工後、鍛造部材に対して８５０～１１００℃で浸炭処理を施す。浸炭処理は炭素の拡散現象を利用する処理であり、例えば、ガス浸炭を行う場合には、アセチレン、プロパン及びエチレン等の炭化水素ガスを用いる。浸炭温度が８５０℃未満では、鍛造部材に十分な炭素を拡散させるために長時間の加熱処理を要し、コストが嵩む。一方、浸炭温度が１１００℃を超えると、著しい粗粒化や混粒化を招来する。そのため、浸炭は８５０～１１００℃の温度域で行う。コストの低廉化や粗粒化の抑制及び混粒化の抑制をさらに高いレベルで実現させるためには、浸炭温度を９００～１０５０℃の温度域で行うことが好ましい。なお、浸炭処理は、真空浸炭、又はプラズマ浸炭であってもよい。

（保持工程）
浸炭終了後焼入れ前に、所定の温度で一定時間保持してもよい。浸炭終了後、一定時間保持する目的は、焼入れ時の焼割れの防止やひずみの低減にある。保定温度はＣを効率よく拡散させるため８５０℃以上で１０分以上とする。一方、９００℃超で６０分超保定しても、焼入れ時の焼割れ防止、ひずみ低減の効果は飽和する。従って、保定温度の上限を９００℃としてもよい。また、保定時間の上限を６０分としてもよい。

（焼入れ工程）
浸炭処理終了後、８５０～１１００℃の温度域から焼入れを行う。浸炭処理後に焼入れを行うのは、表層の組織をマルテンサイトとして、硬さを向上させるためである。焼入れ温度８５０℃未満であれば、フェライト相など、軟質相の割合が増加する可能性があり、十分なマルテンサイト面積率を確保できないため、鋼の硬さが低下する。

一方、焼入れ温度が１１００℃より高い場合、著しい粗粒化や混粒化が生じる。従って、焼入れ温度は８５０℃～１１００℃であることが好ましい。また、焼入れ方法としては、冷却特性に優れる油焼入れが好ましいが、水による焼入れも可能であり、小さな歯車であれば高圧の不活性ガスによる焼入れも可能である。

（焼戻し工程）
焼入れ終了後、１３０～２００℃で焼戻しを行う。焼戻し温度を１３０℃以上とした場合には、靱性の高い焼戻しマルテンサイトを得ることができる。また、焼戻し温度を２００℃以下とすることで、焼戻しによる硬さ低下を防止することができる。なお、これらの効果をそれぞれさらに高いレベルで奏するにためには、焼戻し温度を１５０～１８０℃とすることが好ましい。この焼戻し工程を経ることで、本実施形態に係る鍛造部材を得ることができる。

なお、本実施形態の鍛造部材は、表層部を構成する外側鋼材と基材部を構成する内側鋼材との境界で成分、硬さが急激に変化するため、表層部の厚さや使用条件によっては、当該境界が破壊起点となることが考えられる。そのような場合、鍛造部材において、外側鋼材と内側鋼材との中間の成分を有する層を間に挟んで成分を段階的に変化させる、あるいは、高温で拡散処理を施して成分を連続的に変化させるなどの対策を講じることができる。

本発明の効果を確認するため、本発明に係る鍛造用材料、及び本発明の範囲外となる鍛造用材料から鍛造部材を製造し、所定の性能について評価を行った。

まず、表１の「外側鋼材」と「内側鋼材」に示す化学成分を有する鋼を溶製し、連続鋳造によりビレットを作製した。表１において、下線が付された値は、本発明の発明範囲外である。また、表１において、意図的に添加されていない元素の含有量は、記号「－」で示した。

次に、このビレットに熱間圧延を施して直径５５ｍｍの丸棒を製造した。さらに、丸棒を球状化焼鈍（ＳＡ：Ｓｐｈｅｒｏｄｉｚｉｎｇ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）に供した。

表１の「外側鋼材」に示す化学成分を有し、球状化焼鈍後（ＳＡ工程後）の丸棒から外径５０ｍｍ、内径４４．７ｍｍの中空筒上の外側鋼材を作製した。また、表１の「内側鋼材」に示す化学成分を有し、球状化焼鈍後（ＳＡ工程後）の丸棒から外径４４．７ｍｍの棒状の内側鋼材を作製した。

ただし、表１の本発明例１は、外側鋼材の内径と内側鋼材の外径を４７．５ｍｍとし、比較例１０は外側鋼材の内径と内側鋼材の外径を４８ｍｍとすることで、内側鋼材の割合を増加させた。また、本発明例８は、外側鋼材の内径と内側鋼材の外径を４１ｍｍとし、比較例９は外側鋼材の内径と内側鋼材の外径を３１．６ｍｍとすることで、内側鋼材の割合を減少させた。さらに、単一鋼材からなる比較例１８も作成した。これらの例の製造方法などについては後述する。

次に、外側鋼材の内側に内側鋼材を挿入した状態で（比較例１８に関しては、単一鋼材に対して）側方押出し加工を行い、図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）に示す十字軸形状の鍛造部材を成形した。成形時の最大荷重が３２４ｋＮ以下の場合を、鍛造性に優れるとして合格と判定した。また、成形時の最大荷重が３２４ｋＮ超の場合を、鍛造性に劣るとして不合格と判定した。

また、上記球状化焼鈍後（ＳＡ工程後）の丸棒のｒ／２位置（丸棒の半径ｒの１／２の深さの位置）から、図７の端面拘束溝付き圧縮試験片を作製した。端面拘束溝付き圧縮試験片は、直径Ｒ／２位置を中心とした直径８ｍｍ、長さ１２ｍｍの試験片であり、丸棒試験片の長手方向は、直径５５ｍｍの丸棒の鍛伸軸と平行であった。切欠き形状は、「冷間据込み試験方法」冷間鍛造材料強度班、塑性と加工、ｖｏｌ．２２．ｎｏ．２４１、ｐ１３９に記載の１号試験片の切欠きに準じた。

各鋼について、図７（ａ）に示す端面拘束溝付き圧縮試験片を３個作製した。冷間圧縮試験には、富士電波工機（株）製、サーメックマスターＺ（登録商標）を使用した。使用した治具はＪＩＳ ＳＫＨ５１製で、φ４０ｍｍ×Ｌ５０ｍｍの端面拘束溝付き治具である（図７（ｂ）参照）。試験片を圧縮させるときのひずみ速度は、１０ｓ^－１として、７５％以上の圧縮率で冷間圧縮を行い、その後、相当塑性ひずみ量が１．５となる変形抵抗を求めた。

外側鋼材の面積Ｓ１および相当塑性ひずみ量が１．５となる変形抵抗σ’１と、内側鋼材の面積Ｓ２と相当塑性ひずみ量が１．５となる変形抵抗σ’２が以下の関係
σ’１×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）＋σ’２×Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）≦７５０［ＭＰａ］
を満たす場合を、本発明の範囲内であるとして合格と判定した。

耐摩耗性は、西原式摩耗試験によって評価した。ただし、この摩耗試験を、作製した上記鍛造部材に対して実施することはできない。図８に示す西原式摩耗試験片を上記鍛造部材から製造した場合、外側鋼材が空転するので、試験片を回転させて摺動を生じさせることができない。そこで、上記鍛造部材の外側鋼材を模擬するために、外側鋼材と同一の化学成分を有する鋼材から、図８に示す西原式摩耗試験片（評価材）を機械加工にて作製した。これら試験片には、表２に示す条件の浸炭焼入焼戻し処理を行った。

次に、上記西原式摩耗試験片について摩耗試験前の重量を測定し、すべり率９．１％、油潤滑２ｃｃ／ｍｉｎ、面圧１．５ＭＰａ、回転数１００ｒｐｍ、相手材ＪＩＳ Ｇ４８０５ ＳＵＪ２の条件で、摩耗試験を４時間行った。その後、西原式摩耗試験片の重量を再測定し、試験前後の西原式摩耗試験片の重量を算出した。上記西原式摩耗試験を同一水準で３回実施し、摩耗重量の平均値を求めた。摩耗重量の平均値が９ｍｇ未満の場合を、耐摩耗性に優れるとして合格と判定した。また、摩耗重量の平均値が９ｍｇ以上の場合を、耐摩耗に劣るとして不合格と判定した。摩耗重量の平均値が９ｍｇ未満である場合、損耗領域の厚さは、上記鍛造部材の外側鋼材の厚さよりも十分に小さいはずである。従って、上述の判断基準で合格となる鋼材と同一成分の外側鋼材を備える鍛造部材は、耐摩耗性に優れるとみなすことができる。

比較例１８は、単一鋼材から構成されたものである。その外径は、上述の例１～１７の外側鋼材の外径と同一とした。その製造方法は、上述の例１～１７の内側鋼材の製造方法と同一とした。これに、例１～１７と同じ条件で側方押出しをした。そして、例１～１７と同じ方法で耐摩耗性評価と硬さ測定を行った。

また、上記鍛造部材にも表２に示す条件の浸炭焼入焼戻し処理を行い、その側方押出し軸の、長手方向に対して垂直な面において、半径方向外側の表面５０μｍ深さの位置で、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠して、試験力を２．９４Ｎとしてビッカース硬さを測定した。表層部のビッカース硬さが７４０ＨＶ以上の場合を、本発明の範囲内であるとして合格と判定した。

表１のＮｏ．１～８が本発明例で、その他（Ｎｏ．９～１８）は比較例である。これら発明例及び比較例の内側鋼材面積割合、σ、最大成形荷重、摩耗重量、及び外側鋼材の浸炭焼入れ焼戻し後硬さを表３に記載した。表３において、発明範囲外の値、及び合否基準に満たない値には下線を付した。なお、表３中の「σ」とは、σ’１×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）＋σ’２×Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）によって得られる値である。

本発明例１～８の鍛造用材料は、化学成分が本発明の範囲内であり、Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）が９０％以下であり、さらにσが７５０ＭＰａ以下であった。そのため、本発明例１～８の鍛造用材料は側方押出しの際の成形荷重が抑制された。さらに、本発明例１～８の鍛造用材料から得られた鍛造部材は、摩耗重量が小さく、耐摩耗性に優れていた。従って、本発明例１～８の鍛造用材料からは、優れた鍛造性を有し、鍛造加工及び浸炭焼入焼戻し処理後に優れた耐摩耗性を発揮する鍛造部材を得ることができた。

一方、比較例９の鍛造用材料は、外側部材が占める面積率が大きすぎ、σが７５０ＭＰａを上回ったので、側方押出しの際の成形荷重が過剰となった。
比較例１０の鍛造用材料は、外側部材の厚さが小さすぎたので、側方押出しの際に外側部材が割れてしまった。このため、比較例１０の鍛造用材料からは、鍛造部材を製造することができなかった。
比較例１１の鍛造用材料は、その外側鋼材の炭素量が過剰であった。そのため、比較例１１ではσが７５０ＭＰａを上回り、側方押出しの際の成形荷重が過剰となった。
比較例１２の鍛造用材料は、その内側鋼材の炭素量が過剰であった。そのため、比較例１２ではσが７５０ＭＰａを上回り、側方押出しの際には、成形荷重が過剰となった。
比較例１３の鍛造用材料は、その外側鋼材においてＳｉ含有量が不足していた。そのため、比較例１３の鍛造用材料から得られた鍛造部材は、耐摩耗性が不足した。
比較例１４の鍛造用材料は、その外側鋼材においてＭｎ含有量が不足していた。そのため、比較例１４の鍛造用材料から得られた鍛造部材は、耐摩耗性が不足した。
比較例１５の鍛造用材料は、その外側鋼材においてＣｒ含有量が不足していた。そのため、比較例１５の鍛造用材料から得られた鍛造部材は、耐摩耗性が不足した。
比較例１６の鍛造用材料は、その外側鋼材においてＶ含有量が不足していた。そのため、比較例１６の鍛造用材料から得られた鍛造部材は、耐摩耗性が不足した。
比較例１７の鍛造用材料は、その外側鋼材においてＭｏ含有量が不足していた。そのため、比較例１７の鍛造用材料から得られた鍛造部材は、耐摩耗性が不足した。
比較例１８の鍛造用材料は、単一鋼材からなるものであり、その化学成分は本発明の外側鋼材の化学成分と近い。ただし、Ｖ量が本発明の外側鋼材よりも少なくされている。この比較例１８の側方押出の際には、成形荷重は過剰とならなかったが、比較例１８の鍛造用材料から得られた鍛造部材は、耐摩耗性が不足した。

本発明によれば、優れた鍛造性を有し、鍛造加工及び浸炭焼入焼戻し処理後に優れた耐摩耗性を発揮可能な鍛造用材料及び鍛造部材、並びにこの鍛造部材の製造方法を提供することができる。これにより、鍛造時の成形荷重の抑制による金型の長寿命化などの効果が得られる。従って、本発明は高い産業上の利用可能性を有する。

１ 鍛造用材料
１１ 外側鋼材
１２ 内側鋼材
２ 鍛造部材
２１ 外側鋼材
２２ 内側鋼材
２３ 基部
２４ 突出部
２４１ 外側突部
２４２ 内側突部

Claims (8)

1. 外側鋼材と内側鋼材とを備える、側方押出しによる鍛造用材料であって、
   前記外側鋼材の組成が、質量％で、
   Ｃ：０．１５～０．４０％、
   Ｓｉ：０．０５～０．５０％、
   Ｍｎ：０．２０～１．５０％、
   Ｃｒ：０．０５～１．５０％、
   Ｐ：０．００１～０．０３０％、
   Ｓ：０．００５～０．０２５％、
   Ａｌ：０．００５～０．１００％、
   Ｎ：０．００１～０．０２５％、
   Ｖ：０．５０～３．００％、及び
   Ｍｏ：０．８０～６．００％
   を含有し、残部がＦｅおよび不純物より成り、
   前記内側鋼材の組成が、質量％で、
   Ｃ：０．０５～０．３０％、
   Ｓｉ：０．０５～０．３５％、
   Ｍｎ：０．２０～１．００％、
   Ｃｒ：０．０１～１．５０％、
   Ｐ：０．００１～０．０３０％、
   Ｓ：０．００５～０．０２５％、
   Ａｌ：０．００５～０．１００％、及び
   Ｎ：０．００１～０．０２５％、
   を含有し、残部がＦｅおよび不純物より成り、
   前記鍛造用材料が、側方押出しされる箇所において、前記鍛造用材料の軸方向と垂直な面における前記外側鋼材の面積Ｓ１と前記内側鋼材の面積Ｓ２とが式１を満たし、
   端面拘束圧縮試験にてひずみ速度１０ｓ^－１で得られた変形抵抗で、相当塑性ひずみ１．５における前記外側鋼材の変形抵抗σ’１と前記内側鋼材の変形抵抗σ’２とが、式２を満たす
   鍛造用材料。
   ０．９０≧Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２） ＜式１＞
   σ’１×Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）＋σ’２×Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）≦７５０［ＭＰａ］ ＜式２＞
2. 前記外側鋼材の組成が質量％で、
   Ｂ：０～０．００５０％、
   Ｎｂ：０～０．１００％、
   Ｔｉ：０～０．１００％、及び
   ＲＥＭ：０～０．０２０％、
   からなる群から選択される１種以上をさらに含有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の鍛造用材料。
3. 前記外側鋼材と前記内側鋼材との間のクリアランスが０．１ｍｍ～２ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の鍛造用材料。
4. 前記外側鋼材が、ボンデリューベ処理皮膜を有することを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の鍛造用材料。
5. 請求項１または２に記載の組成を備える前記外側鋼材と前記内側鋼材とで形成された基部と、前記基部から外方に突出した突出部とを備え、
   前記突出部が、前記基部における前記外側鋼材の部分から突設させた外側突部と、前記基部における前記内側鋼材の部分から突設され、且つ前記外側突部内の少なくとも一部の空間に充填された内側突部とを備え、
   前記外側突部の厚さが０．５ｍｍ以上である
   ことを特徴とする鍛造部材。
6. 前記突出部の根元における前記外側鋼材の面積Ｓ_Ｐ１と前記内側鋼材の面積Ｓ_Ｐ２との比率Ｒ_Ｐと、
   前記基部における、前記突出部近傍における前記外側鋼材の面積Ｓ_Ｂ１と前記内側鋼材の面積Ｓ_Ｂ２との比率Ｒ_Ｂとが、下記式３～式５を満たすことを特徴とする請求項５に記載の鍛造部材。
   Ｒ_Ｐ＝Ｓ_Ｐ２／（Ｓ_Ｐ１＋Ｓ_Ｐ２） ＜式３＞
   Ｒ_Ｂ＝Ｓ_Ｂ２／（Ｓ_Ｂ１＋Ｓ_Ｂ２） ＜式４＞
   ｜（Ｒ_Ｐ－Ｒ_Ｂ）／Ｒ_Ｐ｜≦５％ ＜式５＞
7. 前記外側突部のビッカース硬さが７４０ＨＶ以上であることを特徴とする請求項５又は６に記載の鍛造部材。
8. 請求項５～７のいずれか一項に記載の鍛造部材の製造方法であって、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の鍛造用材料を鍛造加工する工程と、
   鍛造された前記鍛造用材料に浸炭焼入焼戻し処理をする工程と、
   を備え、
   前記鍛造を、前記鍛造用材料に対する側方押出しとし、
   前記側方押出しによって、前記基部および前記突出部を成形し、
   前記突出部は、前記側方押出しに際して、前記内側突部が前記外側突部内に入り込んだ状態とし、
   前記突出部を、０．９０≧Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）が満たされる箇所に設ける
   ことを特徴とする鍛造部材の製造方法。

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