JPH0115561B2

JPH0115561B2 -

Info

Publication number: JPH0115561B2
Application number: JP56006288A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Tanaka; Norioki Uehara
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1981-01-21
Filing date: 1981-01-21
Publication date: 1989-03-17
Also published as: JPS57120616A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は靭性に優れた機械構造用部品の製造方
法に関し、とくに熱間加工後の焼入れ焼もどし処
理を必要としない靭性に優れた機械構造用部品の
製造方法に関する。たとえば、自動車用のクランクシヤフト、コネ
クテイングロツド等の機械構造用部品は、通常の
場合、機械構造用炭素鋼（SC）あるいは機械構
造用合金鋼（SCr，SCM等）を素材として、こ
れを熱間鍛造加工により所定の形状に加工した
後、焼入れ焼もどし処理を施して所望の強度およ
び靭性を付与し、その後必要に応じて仕上げ加工
等をおこなうことにより製造されている。このように、通常の機械構造用部品の製造に際
しては、必要な強度および靭性を確保するため
に、熱間加工後に焼入れ焼もどし処理をおこなう
ことが必須の工程となつている。一方、焼入れ焼
もどし処理は歪の発生を伴いやすいため、その処
理に際しては加熱温度および冷却速度等について
きめ細かい管理が必要であり、高価な設備を要す
ると共に多大な熱エネルギを消費するため原価の
上昇をもたらすなどの種々の問題点を有してい
る。それゆえ、熱間加工後に焼入れ焼もどし処理
を施すことなく必要な強度および靭性を得るため
に、鋼中にＶやNb等の元素を添加することも考
えられているが、この場合には焼入れ焼もどし後
に得られるソルバイト組織と異なつて、粗大なフ
エライト＋パーライト組織であるため、靭性が低
いという欠点を有している。他方、熱間加工条件
を制御して組織の微細化による靭性向上をはかる
ことも考えられるが、この種の鋼の変態点は全般
的に低く、しかもAr₃変態点とAr₁変態点との温
度幅がせまいために、熱間加工条件を厳密に制御
する必要があると同時に、熱間加工温度が低いの
で加工用金型等の寿命を短かくするなどの問題点
を有している。そこで、本発明者らは、熱間加工のままで、従
来の焼入れ焼もどし処理を施したものにまさると
も劣らない優れた強度および靭性を有する機械構
造用部品を製造することを目的として、鋼組成な
らびに熱間加工条件等を詳細に研究したところ、
本発明を完成するに至つた。すなわち、本発明は、機械構造用部品を製造す
るにあたり、重量で、Ｃ：0.30〜0.60％、Si：
0.10〜2.0％、Mn：0.20〜2.0％、Ｎ：0.005〜
0.020％、およびＶ：0.50％以下、Nb：0.50％以
下のうちの１種または２種、さらにAl：2.0％以
下、Ti：2.0％以下のうちの１種または２種を含
有し、さらにまた必要に応じて、Ni：3.50％以
下、Cr：2.0％以下、Mo：1.0％以下のうちの１
種または２種以上を含み、残部Feおよび不可避
的不純物からなる鋼を用い、これを950〜1300℃
の温度で熱間加工たとえば熱間鍛造加工を加え、
前記熱間加工において少なくとも700〜900℃の温
度で加工率５％以上の加工を加えたのち、１〜
100℃／minの冷却速度で冷却するようにしたこ
とを特徴とし、これによつて、熱間加工のまま
で、従来の焼入れ焼もどし処理を施したものにま
さるとも劣らない優れた強度および靭性を有する
機械構造用部品を製造することを目的としてい
る。次に、本発明を構成する鋼の化学成分（重量
％）および熱間加工条件等の限定理由を以下に述
べる。Ｃ（炭素）：0.30〜0.60％Ｃは強度を確保するために必要な元素であり、
とくに熱間加工そのままの状態でも十分な強度を
維持するために少なくとも0.30％以上含有させる
必要がある。しかし、多量に含有させると靭性が
低下するため0.60以下に限定した。 Si（ケイ素）：0.10〜2.0％ Siは溶解時の脱酸用として必要な元素であり、
このためには少なくとも0.10％以上含有させる必
要がある。また、積極的に含有させることによつ
て加工後の強度は向上するが、その反面被削性が
劣化するため2.0％以下に限定した。 Mn（マンガン）：0.20〜2.0％ MnはSiと同様に溶解時の脱酸用として必要な
元素であり、このためには少なくとも0.20％以上
含有させる必要がある。また、積極的に含有させ
ることによつて加工後の強度は向上するが、その
反面被削性が劣化するため2.0％以下に限定した。Ｎ（窒素）：0.005〜0.020％Ｎは加工後における強度を確保するために重要
な元素である。すなわち、鋼中に含有されるＶや
Nbと結合して析出硬化に大きく寄与する。した
がつて、このためには少なくとも0.005％以上含
有させる必要がある。しかしながら、多量に含有
させると靭性が低下するため0.020％以下に限定
した。Ｖ（バナジウム）、Nb（ニオブ）：0.50％以下ＶおよびNbは加工後における強度を確保する
ために重要な元素である。すなわち、鋼中のＮと
結合して析出硬化に大きく寄与する。また、Nb
は組織の微細化にも寄与する。したがつて、この
ためには上記元素を１種または２種含有させる必
要がある。しかしながら、多量に添加しても強度
の増大にはそれほど寄与しないため、いずれも
0.50％以下に限定した。 Al（アルミニウム）、Ti（チタン）：2.0％以下 AlおよびTiは鋼の変態点を上げ、Ar₃変態点と
Ar₁変態点との温度幅を広くし、組織微細化のた
めの加工条件を緩和するのに有効な元素である。
また、Tiは鋼中のＮと結合して析出硬化にも寄
与する元素である。しかしながら、AlおよびTi
の含有量がそれぞれ2.0％を超えても上記した効
果はそれ以上多く期待できないため、いずれも
2.0％以下に限定した。このような化学成分の鋼を用いて所定の条件で
熱間加工することによつて、熱間加工後に焼入れ
焼もどし処理をしなくとも強度および靭性に優れ
た機械構造用部品を得ることができるが、さらに
以下の成分割合でいくつかの元素を含有させある
いは規制することによつて、本発明に係る機械構
造用部品の特性を一層向上させることができる。 Ni（ニツケル）：3.50％以下、Cr（クロム）：2.0％
以下、Mo（モリブデン）：1.0以下 Ni，Cr，Moは、熱間加工後の機械的強度を確
実に向上できる元素であり、必要に応じて上記元
素の１種または２種以上を適量含有させることが
望ましい。しかしながら、多量に添加すると靭性
ならびに被削性が低下するため、Niにあつては
3.50％以下、Crにあつては2.0％以下、Moにあつ
ては1.0％以下に限定した。さらに、耐候性を向上させるために2.0％以下
のCu（銅）を含有させることも望ましく、疲労強
度を向上させるためにＯ（酸素）を0.0030％以下
に抑制することも望ましく、さらには熱間加工後
の切削加工の際における被削性を向上させるため
にPb（鉛）、Bi（ビスマス）、Se（セレン）、Te（テ
ルル）のうちの１種または２種以上を0.4％以下、
Ｓ（イオウ）を0.2％以下、Ca（カルシウム）を
0.01％以下の範囲で含有させることも望ましい。次に加熱温度について説明すれば、本発明にお
いて使用する鋼は、ＣおよびＮとともにＶおよび
Nbを単独または複合で含有させ、これらの炭窒
化物を微細に析出させることによつて強度を確保
するものである。また、Tiを含有させた場合に
も同様のことが言える。したがつて、これらＶ，
Nb，Tiをいつたんオーステナイトに完全固溶さ
せる必要があるため、加熱温度を950℃以上とす
る。しかしながら、加熱温度が1300℃を超える
と、過熱によつて脆化を生ずるおそれがでてくる
ため、その上限を1300℃とする必要がある。次に、上記加熱後の熱間加工たとえば鍛造や圧
造等の塑性加工に際しては、600〜1300℃の温度
でおこなう必要がある。すなわち、加工温度が
600℃より低い場合には、加工用金型等の寿命が
低下するおそれを生ずるためであり、1300℃より
も高い場合には、上述した如く過熱による脆化を
生ずるおそれがでてくるためである。そして、こ
の熱間加工において、少なくとも700〜900℃の温
度で加工率５％以上の加工を施す。これは、上記
加工温度900℃および700℃がそれぞれ変態点のほ
ぼ上限および下限に相当し、少なくともこの間で
加工率５％以上の加工を加えることによつて、組
織の微細化をはかることができるためである。な
お、上記熱間加工は、少なくとも700〜900℃の温
度で加工率５％以上の加工を施す必要があるので
あつて、そのほか、600〜700℃および900〜1300
℃の温度で加工をおこなうことももちろん可能で
あり、この温度範囲で加工を加えることによつて
組織の微細化に一層寄与する。この場合でも上記
の如く、700〜900℃の温度で加工率５％以上で加
工することは必須である。上記熱間加工後の冷却速度は１〜100℃／min
とする必要がある。これは、加工後の冷却速度が
小さいと炭窒化物が凝集して粗粒となるため、強
度の向上は望めないことによる。したがつて、加
工後の冷却速度は炭窒化物の凝集が起らないよう
に、すみやかに冷却する必要があるため、１℃／
min以上とした。しかしながら、加工後の冷却速
度が大きくなるとベイナイトあるいはマルテンサ
イト等の硬質な組織が形成され、靭性の確保が困
難となるため100℃／min以下におさえる必要が
ある。次に、本発明の実施例を説明する。実施例１電気アーク炉によつて第１表に示す化学成分の
鋼を溶製し、圧延により一辺が50mm、長さ200mm
の棒材を製造した。

【表】次に、上記棒材を1200℃の温度に加熱したの
ち、温度1200〜900℃で加工率50％、温度900〜
800℃で加工率25％、温度800〜700℃で加工率０
％、温度700〜600℃で加工率０％の加工条件を設
定して直径25mmの丸棒に鍛造加工をしたのち、50
℃／minの冷却速度で冷却し、各供試材について
硬さを測定すると共に、JIS Z2202に規定する３
号試験片によりシヤルピー衝撃値を測定した。ま
た、比較材11として、第１表に示す比較材１と同
一化学成分になる供試材を850℃×30分保持後水
冷して焼入れし、600℃×１時間保持後水冷して
焼もどしした場合の硬さおよびシヤルピー衝撃値
を測定した。これらの結果を第２表に示す。

【表】第２表からわかるように、本発明によるもので
は、AlおよびTiのうちの１種または２種を適量
添加することによつて鋼の変態点を上げることが
でき、少なくとも700〜900℃において加工率５％
以上の加工を加えることによつて組織の微細化を
はかることが可能であるため、熱間加工後に焼入
れ焼もどしをしなくともシヤルピー衝撃値の高い
ものが得られ、従来の熱間加工後に焼入れ焼もど
しを施したものにまさるとも劣らない優れた靭性
を有していることが明らかである。また、Tiを
含有させた場合には、鋼中のＮと結合して析出硬
化に寄与し、硬度の向上をもたらすことも確認さ
れた。実施例２第１表に示す供試材No.４の鋼について、一辺が
50mm、長さ200mmの棒材を第３表に示す各温度に
加熱したのち、同じく第３表に示す加工温度およ
び加工率で加工し、その後同じく第３表に示す冷
却速度で冷却して各供試材の硬さおよびシヤルピ
ー衝撃値を測定した。その結果を第４表に示す。

【表】

【表】第３表および第４表から明らかなように、本発
明の化学成分を満足する鋼を用いた場合におい
て、加熱温度が950〜1300℃の範囲内で、その後
の熱間加工が600〜1300℃の温度でおこなわれ、
しかもその熱間加工において少なくとも700〜900
℃の温度で加工率５％以上で加工した供試材Ａ，
Ｂではすぐれた靭性を有しているのに対し、600
〜1300℃の温度で加工をおこなつたとしても上記
700〜900℃の温度で加工をおこなわなかつた供試
材Ｃ，Ｄでは、熱間加工による十分な組織微細化
をはかることができないため、靭性の低いことが
確認された。実施例３第１表に示す供試材No.１，２および４の鋼を溶
製し、圧延により直径65mmφの棒材をそれぞれ製
造した。次いで各棒材を1100℃の温度に加熱した
のち、加工温度900〜800℃で鍛造をおこなつてク
ランクシヤフト（単量５Kg）を製造した。このと
きの加工率はおよそ10〜60％であつた。そして加
工後すみやかに平均15℃／minの冷却速度で冷却
した。次いで各製品について硬度およびシヤルピ
ー衝撃値を測定したところ、第５表に示す結果を
得た。

【表】第５表から明らかなように、測定値に多少のば
らつきはあるものの、供試材No.１のものでは、
Ｖ，Nb，Tiが含有されていないたため、これら
の炭窒化物の析出硬化を期待することができず、
また、Al，Tiが含有されていないため、熱間加
工による組織微細化がはかれないので、硬度およ
び衝撃値とも低い値となつている。一方、供試材
No.２のものでは、Ｖの含有によつてこの炭窒化物
の析出硬化による強度上昇がある程度得られる
が、AlおよびTiが含有されていないため変態点
が低く、上記900〜800℃での加工熱間による組織
微細化をはかることができず、衝撃値のかなり低
いものとなつている。これに対して供試材No.４の
ものでは、炭窒化物の析出硬化による硬度上昇が
はかれると同時に、鋼の変態点上昇が可能であ
り、上記900〜800℃での加工による組織微細化に
よつて衝撃値の高いものとすることができ、強度
ならびに靭性のすぐれたクランクシヤフトである
ことが確認された。なお、本発明法が適用される機械構造用部品と
しては、たとえば自動車用型打鍛造部品であるナ
ツクルアーム、ナツクルスピンドル、リヤーハ
ブ、フロントハブ、コネクテイングロツド、クラ
ンクシヤフト等があり、その他各種産業機械用シ
ヤフト類などにも適用でき、本発明法により鍛造
あるいは圧造等の動的ないしは静的な塑性加工を
おこなつたのち切削加工により部品として仕上げ
られる。以上詳述したように、本発明によれば、熱間加
工のままで、従来の焼入れ焼もどし処理を施した
ものにまさるとも劣らない優れた強度および靭性
を有する各種機械構造用部品を製造することがで
き、鋼の変態点の温度幅を広くすることができる
ために従来技術に比べて熱間加工条件を格段に緩
和することができ、工業的な適用に対して非常に
有利であり、高価な熱処理設備、熱処理工程を必
要としない点でも工業的に非常に有利であり、機
械構造用部品の製造原価の上昇をおさえることが
できるなどのすぐれた効果をもたらす。

Claims

【特許請求の範囲】

１重量で、Ｃ：0.30〜0.60％、Si：0.10〜2.0％、
Mn：0.20〜2.0％、Ｎ：0.005〜0.020％、および
Ｖ：0.50％以下、Nb：0.50％以下のうちの１種ま
たは２種、さらにAl：2.0％以下、Ti：2.0％以下
のうちの１種または２種を含有し、残部Feおよ
び不可避的不純物からなる鋼を用い、これを950
〜1300℃の温度に加熱した後600〜1300℃の温度
で熱間加工を加え、前記熱間加工において少なく
とも700〜900℃の温度で加工率５％以上の加工を
加えたのち、１〜100℃／minの冷却速度で冷却
することを特徴とする機械構造用部品の製造方
法。