JPH02145744A - 冷間鍛造性及び高周波焼入れ性に優れた機械構造用炭素鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、機械構造用炭素鋼、特に冷間鍛造時におけ
る変形抵抗が小さく、しかも高周波焼入れ性にも優れた
機械構造用炭素鋼に関するものである。

（従来の技術） 冷間鍛造は、仕上げ寸法精度、材料歩留りに浸れ、成形
後の切削工程が少ない等の利点からボルト・ナツトをは
じめとして、大型の自動車部品に至るまで広範囲にわた
って適用されている塑性加工方法である。

従来、冷間鍛造には、はとんどＣが０．４９ｗｔ％（以
下単に％で示す）・に満だない鋼材が用いられてきた。

この理由は、Ｃが０．４０％以上の鋼材は冷間鍛造時に
おける変形抵抗が高く、また厳しい加工に耐え得る変形
能に不足するからである。

、しかしながら近年では、機械部品の高強度化、特に焼
入れ焼戻し後の表面硬さに対する要請から、Ｃが０．４
０％以上の鋼材についても冷間鍛造が適用されつつある
。ところが、前述のようにこのような鋼材を用いた場合
には変形抵抗の増加が避けられないため、工具寿命が著
しく低下するだけでなく、変形荷重が鍛造機の能力以上
となり、より大型の鍛造機へのリプレースが必要となる
等の状況を呈している。

また、通常変形抵抗の低減は、添加元素の低減をはかる
ことによって達成できるけれども、添加元素の低減は一
方で焼入れ性の低下を招くという相反した面をそなえる
ため、いずれか一方の特性を犠牲にせざるを得ないとい
う問題があった。

これらの点については従来から種々改善策が提案されて
いる。

例えば、「昭和６２年度塑性加工春期講演会講演論文集
Ｊ　（１９８７，５，１５〜１７、Ｐ３０１〜３０２）
では焼入れ性を損うことなく変形抵抗を低減するものと
して、Ｃｒ添加鋼およびＣｒ−Ｂ添加鋼が開示されてい
る。しかしながら上記の鋼はＣｒが０．４１％以上と多
量に含有されているため、後述するように変形抵抗が依
然として高い。

また、特開昭６１−１１３７４４号公報では、Ｓｉ、　
Ｍｎ、　ＣｒさらにはＳ、　Ｐ、　Ｎ、　Ｏを制限する
ことによって変形抵抗の低減及び変形能の向上を図って
いる。

しかしながら、上記の技術では低変形抵抗化は実現され
るにしても、焼入れ性とくに高周波焼入れ性に劣るとこ
ろに問題を残していた。

（発明が解決しようとする課題） この発明は、上記の問題を有利に解決するもので、冷間
鍛造時における変形抵抗が小さくしかも高周波焼入れ性
にも優れた機械構造用炭素鋼を提案することを目的とす
る。

（課題を解決するための手段） この種鋼材は、フェライト・パーライト組織では、変形
抵抗が高いので球状化焼鈍を施した後、冷間鍛造に供さ
れ、その後高周波焼入れおよび焼戻し処理が施される。

そこで発明者らは、球状化焼鈍状態における変形抵抗お
よび高周波焼入れ性に対する各元素の影響を調査したと
ころ、以下の知見を得た。

まず球状化焼鈍状態における変形抵抗に及ぼす各元素の
影響は、Ｃ，Ｍｏ、　Ｃｒ、　Ｓｉ、　Ｍｎの順に大き
いことが判明した。かような元素の強化作用は、フェラ
イト・マトリックスの強化によるものと、セメンタイト
の微細化を通じてなされるものの２種類に分けて考える
ことができ、前者が支配的な元素はＳｌ、−右後者が支
配的な元素はＣｒである。

なおＣは、セメンタイト量を増加させることによって変
形抵抗を増大させる。またＭｎ、　Ｍｏはフェライト・
マトリックスへの固溶強化およびセメンタイトの微細化
の両者を通じてなされる。

次に球状化焼鈍状態における高周波焼入れ性に対する各
元素の影響は以下のとおりである。

表面硬度はＣ含有量でほぼ一義的に決定される。

また、有効硬化深さに対しては同一量添加した場合、Ｃ
＞Ｍｏ＞Ｍｎ＞Ｓｉの順に有効硬化深さを増大させる一
方、Ｃｒは有効硬化深さを減少せしめる。

これは、Ｃｒがセメンタイト中への濃縮効果が著しい元
素であり、この濃縮によって著しくセメンタイトを安定
化すると共に、極めて溶解し難いＣｒ系炭化物が形成さ
れるため、高周波加熱のような短時間の加熱では炭化物
が溶解しないことに起因する。

この発明は上記の新規知見に基づいて開発されたもので
あって、その要旨とするところは、Ｃ：０．４０〜０．
６０％、 Ｓｉ：０．０５　　％以下、 Ｍｎ　：　０．３０〜０．７５　　％、Ｃｒ　：　０．
１５　　％以下および Ｓ　　：０．００５〜０．０２０　　％、またときには
さらに Ｍｏ：０．０５〜０．３０　　％を、 ０．０１５％以下に制限したＰｌ ０、００２０％以下に制限した０およびｏ、　ｏｏｇｏ
％以下に制限したＮ と共に含有し、残部は実質的にＦｅの組成になる冷間鍛
造性および高周波焼入れ性に優れた機械構造用炭素鋼で
ある。

′（作　用） 以下、この発明において成分組成を上記の範囲に限定し
た理由について説明する。

Ｃコ高周波焼入れ時の表面硬さおよび有効硬化深さを確
保する上で有用な元素であり、積極的に活用するが、０
．４０％に満たないと機械部品として必要な強度を確保
することが難しく、一方０．６０％を超えて含有させる
と冷間鍛造時の変形抵抗が過大となって目的とする低変
形荷重が得られないので、Ｃは０．４０〜０６６０％の
範囲で添加するものとした。

Ｓｌ：冷間鍛造時の変形抵抗をＣ，Ｌ（ｏ、　Ｃｒにつ
いで増加させるだけでなく、高周波焼入れ時の有効硬化
深さの改善効果も小さいので、混入量は極力低減するこ
とが好ましいが、上限０，０５％までは許容される。

Ｍｎｚ高周波焼入れ時の有効硬化深さを増加させるので
積極的に添加するが、０．３０％未満ではその添加効果
に乏しく、一方０．７５％を超えて含有されると変形抵
抗が増加し目的とする低変形荷重が得られないので、０
．３０〜０．７５％の範囲で添加するものとした。

Ｃｒ：球状化焼鈍状態における変形抵抗をＣ，Ｍ。

についで増加させるだけでなく、高周波焼入れ時の有効
硬化深さを減少させる作用があるので、この意味では有
害元素である。しかしながら一方で、冷間鍛造時におけ
る変形能を向上させる働きがあるので、０．１５％を上
限として添加するものとした。

Ｓ：冷間鍛造時における変形能を低下させる一方で、切
削性の向上には有用な元素であるので、両者の兼ね合い
で０．００５〜０．０２０％の範囲で添加するものとし
た。

Ｐ：球状化焼鈍状態において、フェライト・マトリック
スを硬化し変形抵抗を増加せしめると同時に変形能を著
しく劣化させる元素であるので極力低減することが望ま
しいが、０．０１５％以下で許容される。

０二酸化物系非金属介在物を増加させ冷間鍛造時におけ
る変形能を低下させるので極力低減することが望ましい
が、０．００２０％以下で許容される。

Ｎ：冷間鍛造時に動的歪時効を生ぜしめ、変形抵抗の増
加と加工性の低下をもたらすので極力低下させることが
望ましいが、０．００８０％以下で許容される。

Ｍｏ＋微量の添加で有効硬化深さを増加させ得る有用元
素であり、焼入れ性の低下を招くことなしに変形抵抗の
低減を可能ならしめる。しかしながら極めて高価な元素
であるので必要な場合にのみ添加するものとし、添加量
としては少なくとも０゜０５％を必要とするが、０．３
０％を超えて添加すると変形抵抗の増大を招くので、０
．０５〜０．３０％の範囲で添加するものとした。

この発明に従うことによって、高周波焼入れ性を劣化さ
せることなしに冷間鍛造時における変形抵抗を低減し得
るのは、次の理由による。

一般にＭｎ、　Ｃｒ、　Ｍｏは、焼入れ性向上元素とし
て知られているが、前述したとおり発明者らは、球状化
焼鈍状態においては、Ｍｏの効果が最も大きく、次いで
Ｍｎが焼入れ性を向上させ、Ｃｒは逆に焼入れ性を低下
させることを新たに見出した。

すなわちＭｎ、Ｃｒは球状化焼鈍状態においてセメンタ
イト中に濃化するが、その程度はＣｒの方がＭｎよりも
大きい。一方、Ｍｏはこの発明の範囲内ではセメンタイ
ト中に濃縮しないことを見出した。

これら合金元素が、焼入れ性に効果を発揮するためには
、オーステナイト中に均一に固溶することが不可欠であ
るが、高周波加熱のような短時間加熱の場合には、セメ
ンタイトの溶解および合金元素の均一化は十分には行な
われない。このため実質的に焼入れ性に寄与するのは球
状化焼鈍時にセメンタイト中ではなくフェライト・マト
リックスに均一に残留した元素である。従って同一添加
量の場合、１．ｔｏ、Ｍｎの順に焼入れ性への寄与が大
きいことになる。

この点Ｃｒは、セメンタイト中への濃縮が著しいととも
に、難溶性のＣｒ炭化物を形成するので、Ｃｒの添加に
より焼入れ性はむしろ低下するのである。

発明者らは、上記の知見から、焼入れ性に効果が高いＭ
ｎさらにはＭＯを選択的に利用し、一方焼入れ性への寄
与が小さくしかも変形抵抗を増加せしめるＳｌ、　Ｃｒ
を低減するとの技術思想のもとに各元素の適正バランス
を検討した結果、この発明を完成するに至ったのであり
、かくして高周波焼入れ性を劣化させることなく、冷間
鍛造時における変形抵抗を低減させることが可能となっ
たのである。

（実施例） 表１に示す種々の成分組成になる５２ｍｍφ棒鋼を、転
炉溶製一連続鋳造一棒調圧延工程により製造した。これ
らの棒！Ｉ幌球状化焼鈍を実施した後、冷間鍛造試験お
よび高周波焼入れ試験に供した。

冷間鍛造試験（圧縮試験）は、供試鋼から切削加工によ
り１５ｍｍφＸ　２２．５　ｍｍＨの円柱型試験片を作
製し、日本塑性加工学会冷間鍛造分科会提唱の方法（塑
性と加工Ｖｏｌ、２２　　Ｎｏ、２４１１９８１）　に
準拠して行い、限界圧縮率および変形抵抗を求めた。

高周波焼入れ試験は、供試材から３０ｍｍφ×１５０叩
βの試験片を作製し、常法に従って高周波焼入れを実施
し、その後電気炉を用いて１５０℃、　３Ｑｍｉｎの焼
戻しを行った後、試片断面の硬度分布を測定し、Ｈｖ≧
３９２以上の深さを有効硬化深さとした。

これらの試験結果を表１に併記する。なお変形抵抗は、
圧縮率ニア０％のときの値を示した。

Ｎα１〜８は、ＪＩＳ規格５４０Ｃ〜５５５Ｃ相当鋼で
ある。

これに対してＮα９〜１６の適合例は有効硬化深さはＮ
α１〜８とほぼ同等であるが、変形抵抗は５〜１０％程
度低減している。

Ｎｏ、１７〜２０は、Ｎα１１にＣｒをこの発明の上限
を超えて多遺に添加した場合であり、Ｃｒ量の増加に伴
って有効硬化深さは低下し、一方変形抵抗は増大してふ
り、この発明の目的に対してＣｒの過剰添加が有害であ
ることを示している。

Ｎα２１〜４４はλ）０を用いた適合例である。Ｍｏ及
びその他の合金元素の添加量を調整することにより高周
波焼入れ性を劣化させることなく冷間鍛造時の変形抵抗
が一層低減されている。

Ｎα４５〜４６は、ＭＯが過剰の場合であり、適合例で
あるＮα２３．２６に比較し、変形抵抗が著しく高い。

またＮα４７〜５０は、Ｐ又はＳがこの発明の適正範囲
を逸脱した場合であり、限界圧縮率で示される変形能が
著しく低下している。Ｎα５０〜５１は、０又はＮがこ
の発明の適正範囲を逸脱した場合であり、変形能が劣化
するとともに変形抵抗が増大している。

（発明の効果） か（してこの発明によれば、変形抵抗が小さく冷間鍛造
性に優れ、かつ高周波焼入れ性にも優れた鋼材を容易に
得ることができ、工業的に安定した高品質の機械部品の
製造に寄与するところ大である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｃ：０．４０〜０．６０ｗｔ％、 Ｓｉ：０．０５ｗｔ％以下、 Ｍｎ：０．３０〜０．７５ｗｔ％、 Ｃｒ：０．１５ｗｔ％以下および Ｓ：０．００５〜０．０２０ｗｔ％を、 ０．０１５ｗｔ％以下に制限したＰ、 ０．００２０ｗｔ％以下に制限したＯおよび０．００８
   ０ｗｔ％以下に制限したＮ と共に含有し、残部は実質的にＦｅの組成になることを
   特徴とする冷間鍛造性および高周波焼入れ性に優れた機
   械構造用炭素鋼。 ２、Ｃ：０．４０〜０．６０ｗｔ％、 Ｓｉ：０．０５ｗｔ％以下、 Ｍｎ：０．３０〜０．７５ｗｔ％、 Ｃｒ：０．１５ｗｔ％以下、 Ｍｏ：０．０５〜０．３０ｗｔ％および Ｓ：０．００５〜０．０２０ｗｔ％を、 ０．０１５ｗｔ％以下に制限したＰ、 ０．００２０ｗｔ％以下に制限したＯおよび０．００８
   ０ｗｔ％以下に制限したＮ と共に含有し、残部は実質的にＦｅの組成になることを
   特徴とする冷間鍛造性および高周波焼入れ性に優れた機
   械構造用炭素鋼。