JPH04202741A - 疲労強度の優れた熱間鍛造品 - 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） 本発明は熱間鍛造後、焼入焼もどし等の熱処理を行わず
、非調質のままで優れた疲労強度を有し、かつ表面が黒
皮鍛造肌のまま使用する場合においても疲労強度の低下
が極めて少ない特徴を有し、特に自動車エンジン部品の
粗形材として有用な熱間鍛造品に関する。

（従来技術） 従来、自動車エンジン部品であるコンロノド等は、機械
構造用炭素鋼である５５０Ｃ，５５５Ｃなどを用い、熱
間鍛造により目的形状に成形後、高強度、高靭性などの
優れた機械的特性を付与させるため、焼入焼もどし等の
熱処理（以下調質と記す）が施されていた。

また、熱間鍛造後の調質処理が草大なエネルギーを必要
とすることから、省エネルギーの社会的要請に応えるた
めに、熱間鍛造後の自然空冷にて必要な性能が得られ、
熱処理を必要としない非調質鋼の開発が近年盛んに行わ
れている。非調質鋼の中でもＣを０．２〜０．５χ程度
含有する中炭素鋼に０．０３〜０．２０χのＶを添加し
たフェライト・パーライト組織を有する非調質鋼は昭和
５０年代後半から従来の調質炭素鋼の代替材として使用
されてきている。

しかしながら、最近軽量化に対する要求がますます強く
なり、熱間鍛造品の中でも特に表面が黒皮鍛造肌のまま
使用する部品の場合、疲労強度の点で劣り、問題となっ
ていた。すなわち、疲労強度はその表面性状によりほぼ
決定されるが、表面は製造時に高温にさらされ、脱炭、
スケールなどが生成するために、本来材料が持っている
特性を十分に生かすことが非常に難しいためである。従
って、黒皮鍛造肌のままで使用される部品の場合、部品
強度は材料が本来持つ強度に比べ著しく低くなってしま
うのが通常であり、実部品の疲労強度を上げることがで
きず、高強度化は困難であった。

以上の理由から、表面が黒皮鍛造肌のまま使用する部品
を高強度化しようとする場合には、使用する材料の強度
を上げるだけでは不十分であり、表面性状を改善するだ
めの製造条件の確立が必要となる。しかし、実部品の強
度と使用する材料や鍛造条件などとの関係はほとんど明
らかになっておらず、黒皮鍛造肌のままでも優れた強度
を有する熱間鍛造品の製造技術の開発が強く望まれてい
た。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、表面が黒皮鍛造肌のまま使用する熱間鍛造部
品の疲労強度向上に対する前記のごとき問題点を考慮し
てなされたもので、表面性状を改善できる製造技術を確
立し、優れた疲労強度を有する熱間鍛造品を提供するこ
とを目的とする。

（課題を解決するだめの手段） 本発明者は前記目的の下に、熱間鍛造品の表面性状、中
でも特に表面脱炭層の改善について鋭意研究を重ねた結
果、以下の知見をなし本発明を得た。すなわち、調質炭
素鋼に比べて、Ｖ添加のフェライト・パーライト型非調
質綱はフェライト脱炭量が少なく、フェライト脱炭層の
硬さも高いことを発見した。そして、さらに検討を進め
た結果、フェライト脱炭量はＣ，Ｖ量に反比例し、Ｓｉ
量に比例すること、およびＶを添加した場合フェライト
脱炭層がＶ炭窒化物により析出強化されるため、−量の
増加に伴いフェライト脱炭層の硬さが上昇することを発
見した。そして前記効果はより低温でフェライト・パー
ライト変態した場合、すなわちヘイナイトが生成しない
限界の焼入性とした場合にもっとも大きくなるが、ベイ
ナイト組織が混在するとＶ炭窒化物の析出量が減少して
析出強化能が劣ってしまうことを知見した。

そこで適量のＣ，Ｎを添加し、Ｓｊの添加を抑えること
により、フェライト脱炭量を少なくするとともに、フェ
ライト脱炭層をＶ炭窒化物により析出強化し、さらにそ
の効果を大きくするため、Ｍｎを適度に添加し、鍛造後
の８００〜６００℃における平均冷却速度を２００″Ｃ
／ｍｉｎ以下の適切な速度にしてヘイナイトが生成しな
い限界条件に調節することにより、フェライト脱炭量の
低減ならびにフェライト脱炭層の硬さを高めることがで
き、黒皮鍛造肌の熱間鍛造品の疲労強度を向上させるこ
とに成功し、本発明の完成に到ったものである。

すなわち、本発明の第１発明は重量比にしてＣ：０．１
５〜０．５０Ｘ　、Ｓｉ：０．３０！以下、Ｍｎ＋　１
．２０超〜１．８０％、Ｃｒ：０．５０％以下、Ａｌ　
：０．０１０〜０．０６０！、Ｖ：０．１５〜０．６０
χを含有し、残部がＦｅならびに不純物元素からなる綱
を用い、熱間鍛造後８００〜６００℃における平均冷却
速度が２００“Ｃ／ｍｉｎ以下となるように冷却するこ
とを特徴とする疲労強度の優れた熱間鍛造品であり、第
２発明は第１発明に比べ被削性を改善するために、さら
にＳ：０．０４〜０，１２％、Ｐｂ：０．０５〜０．３
０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％のうち１種また
は２種以上を鋼中↓こ含有させたものである。

次に本発明の疲労強度の優れた熱間鍛造品の鋼の成分組
成限定理由及び製造条件限定理由について以下に説明す
る。

Ｃ：０．１５〜０．５０χ Ｃは強度の確保ならびにフェライト脱炭量の低減に必要
な元素であり、０．１５％以上の含有が必要である。し
かし０．５０χを越えて含有させても効果が飽和すると
ともに、靭性が低下するので上限を０．５０χとした。

Ｓｉ：０．３０Ｘ以下 Ｓｉはフェライト脱炭量の低減のため極力含有量を低く
することが望ましいが、製鋼時の脱酸材として不可欠で
あるため、上限を０．３０χとした。

Ｍｎ：　１．２０超〜１．８０！ Ｍｎは製鋼時の脱酸ならびに鋼の強度・靭性バランスを
調節するとともに、焼入性を上げてフェライト・パーラ
イト変態温度を下げることによりＣ２νによるフェライ
ト脱炭量低減効果ならびにフェライト脱炭層の析出強化
を助長する働きがある。前記効果を得るためには少なく
とも１．２０χを越える添加が必要であるが、１．８０
χを越えると焼入性が向上し過ぎてヘイナイト組織が生
成し、■炭窒化物による析出強化が起こらなくなるので
上限を１．８０χとした。

Ｃｒ：０．５０％以下 Ｃｒも鋼の強度・靭性バランスを調節するために有効な
元素であるが、過剰の添加はＭｎと同様ヘイナイトを生
成するため、上限を０．５０χとした。

Ａｌ：０．０１０〜０．０６０χ ＡＩは強力な脱酸効果を持つ元素であるが、０．０１０
χ未満の含有では脱酸効果が認められなくなるので、下
限を０．０１０χとした。しかし０．０６０χを越えて
含有させると前記効果が飽和するとともに被削性を低下
させるので、上限を０．０６０χとした。

Ｖ：０．１５〜０．６０χ νは鋼中のＣ、ｌ？と結びついて炭窒化物となって鍛造
後の冷却中に微細に析出することにより、フェライトを
析出強化するという非調質調にとっては必須の元素であ
り、通常は０．１χ前後添加されている。ただし、本発
明の場合にはそれ以外の効果として、〜“がＣと結びつ
いてトラップし、フェライト脱炭量を低減させることと
、生成したフェライト脱炭層をＶの炭窒化物により強固
に析出強化させることをも狙いとしており、それらの効
果が得られる最低量である０、１５χを下限とした。し
かしながら、０．６０χを越えて含有させても前記効果
が飽和するとともにコスト高となるため、上限を０．６
０χとした。

Ｓ：０．０４〜０．１２％、Ｐｂ：０．０５〜０．３０
％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１χ Ｓ、Ｐｂ、、Ｃａは被削性の改善に有効な元素であり、
熱間鍛造後の切削の程度に応して必要量添加されるもの
である。前記効果を得るためにはそれぞれ０，０４％、
０．０５％、０．０００５χの含有が必要である。しか
し多量に含有させてもその効果が飽和するとともに靭性
を低下させるので、上限をそれぞれ０．１２％、０．３
０％、０．０１χとした。

８００〜６００”Ｃの平均冷却速度が２００℃／ｍｉｎ
以下本発明による効果を十分に得るためには、熱間鍛造
後の組織にベイナイトを析出させないことが必要である
。そのためには熱間鍛造後８００〜６００℃の平均冷却
速度を２００℃／ｍｉｎ以下とする必要がある。

（実施例） 以下に本発明の特徴を比較鋼および従来鋼による熱間鍛
造品と比較し、実施例でもって明らかにする。

第１表は実施例に用いた供試材の化学成分を示すもので
ある。

（以下余白） 第１男 第１表においてＡ−Ｈｆｉは前述した本発明の条件を満
足する鋼であり、Ａ−Ｄ！１ｉｉｌは第１発明、Ｅ〜Ｈ
ａは第２発明に該当する鋼である。また１〜Ｍ鋼は本発
明に使用する鋼としての条件を部分的に満足しない比較
鋼であり、Ｎ綱は従来から使用されている崎である５５
５Ｃである。また、第１表でＥ、Ｈａ以外に記載された
Ｓ含有率は製造時に積極添加することなく含有される不
純物である。

実施例として使用した供試材は熱間圧延にて製造した直
径５０ｍｍの丸棒を１２００℃に加熱後、１１５０〜１
１００℃で第１図に示すような形状の部品に鍛造し、そ
の後８００〜６００″Ｃにおける平均冷却速度が９５℃
ノｍｉｎとなるように冷却したものであり、従来鋼のＮ
Ｍについてのみ表面が黒皮鍛造肌の鍛造品を８８０℃に
て加熱後油浴中にて焼２い続いて５８０℃にて焼もどし
を行った。これらの各供試材は機械加工によりコンロノ
ド完成品とした後電気−油圧式引張−圧縮荷重負荷方式
の疲労試験機によｌり実体疲労試験を行い、耐久限を求
めた。またその他に表面から０．１ｍｍと中心部におけ
る硬さ、フェライト脱炭層の深さの測定およびミクロ組
織の観察を併せて行った。第２表にこれらの結果を示す
。

なお、硬さの測定はピンカース硬度計により測定荷重５
００ｇｆで行い、フェライト脱炭層の深さ測定およびミ
クロ組織の観察乙こは倍率４００倍の光学題微鏡を用い
た。

（以下余白） 第２表 （Ｈν０．１　　　５（ｒ［ｔす）ら０．１ｍｍ　（７
１）ｌ’ａｎ（／−）ｈ！！Ｅ）第２表から明らかなよ
うに比較鋼、従来節である工〜Ｎｍを使用して製造した
熱間鍛造品を本発明の熱間鍛造品と比較すると、Ｉ＆ｉ
ｌによる熱間鍛造品（以下網記号のみを記す）はＣ含有
率が低いため、フェライト脱炭層の深さが大きく、表面
から０．１ｍｍの硬さが低くなって、耐久限が劣るもの
であり、ＪはＳｉ含有率が高いため、■と同様な理由に
より耐久限が劣るものであり、Ｋ、Ｌはｌ’Ｉｎあるい
はＣｒ含有率が高いため、焼入性が向上しすぎてヘイナ
イト組織が生成し、フェライト脱炭層がＶ炭窒化物によ
り十分に析出強化されなかったため耐久限が劣るもので
あり、ＭはＶの含有率が低いためフェライト脱炭層の深
さが大きく表面近傍の硬さが低くなってしまい、耐久限
が劣るものである。また、５５５Ｃを使用した熱間鍛造
品であるＮは調質を行っても表面性状は改善されず、む
しろ調質時の加熱によりフェライト脱炭層の深さが大き
くなってしまい耐久限が劣るものである。

これに対して、本発明の熱間鍛造品であるＡ〜ＨはＣ，
Ｍｎを適量添加し、Ｓｌの添加量を抑え、かつＶを多量
に添加した綱を用い、鍛造後の冷却速度を適切に制御す
ることによって、フェライト脱炭量が少なくかつ表層か
ら０．１ｍｍの硬さがＨν２３０以上と高くなったため
、実体疲労試験における耐久限が３４ｋｇｆ／ｍｍ２以
上いう優れた疲労強度を示すものである。

次に鍛造後の冷却速度の変化による影響を調査した実施
例について以下ｔこ示す。第１表に示す鋼のうち本発明
対象鋼であるり、Ｈ鍛と比較鋼のに銅の直径５０ｍｍの
熱間圧延棒長を１２００℃に加熱後、１１５０〜１１０
０℃で第１図に示す部品に鍛造し、その後８００〜６０
０℃における平均冷却速度を４５〜２２０”（：／ｍｉ
ｎの間で変化させて供試材を作成した。そしてできあが
った供試材を用いて実体疲労試験、硬さ試験、脱炭層お
よびミクロ組織の観察を行い、耐久限、表層から０．１
ｍｍおよび中心部の硬さ、フェライト脱炭層の深さの測
定およびミクロ組織の判定を行った。第３表にこれらの
結果を示す。なお、試験方法については第２表に示す実
施例と全く同様に行ったものである。

第３表から明らかなように、本発明対象鋼であるり、Ｈ
鋼を使用した熱間鍛造品は比較＠に鋼使用の熱間鍛造品
に比べ優れた耐久限を有しているが、８００〜６００℃
の平均冷却速度が２００℃／ｍｉｎを越えると、フェラ
イト・パーライトにベイナイト組織が生成してＶ炭窒化
物による析出強化が不十分となり、表面から０．１ｍｍ
の硬さが低くなるために、耐久限が低下することが明ら
かである。従って、本発明の効果を十分に引き出すため
には、熱間鍛造後８００〜６００℃の平均冷却速度を２
００℃／ｒｅｉｎ以下とする必要があることがわかる。

（発明の効果） 本発明により熱間鍛造品の製造における実部品の疲労強
度と製造条件の関係を明らかにすることができた。その
結果、表面が黒皮鍛造肌のまま使用する場合においても
、使用する材料の本来保有する疲労強度に比べ実部品の
強度が大きく低下することのない、優れた疲労強度を有
する熱間鍛造品の製造を可能とするものである。特に自
動車エンジンのコンロノド等の粗形材として有用なもの
であって、軽量化、低燃費化等産業上寄与するところは
極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例として作製したコンロッドの形状を示す
図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量比にしてＣ：０．１５〜０．５０％、Ｓｉ：
   ０．３０％以下、Ｍｎ：１．２０超〜１．８０％、Ｃｒ
   ：０．５０％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０６０％、
   Ｖ：０．１５〜０．６０％を含有し、残部がＦｅならび
   に不純物元素からなる鋼を用い、熱間鍛造後８００〜６
   ００℃における平均冷却速度が２００℃／ｍｉｎ以下と
   なるように冷却することを特徴とする疲労強度の優れた
   熱間鍛造品。
2. （２）重量比にしてＣ：０．１５〜０．５０％、Ｓｉ：
   ０．３０％以下、Ｍｎ：１．２０超〜１．８０％、Ｃｒ
   ：０．５０％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０６０％、
   Ｖ：０．１５〜０．６０％を含有し、さらにＳ：０．０
   ４〜０．１２％、Ｐｂ：０．０５〜０．３０％、Ｃａ：
   ０．０００５〜０．０１％のうち１種または２種以上を
   含有し、残部がＦｅならびに不純物元素からなる鋼を用
   い、熱間鍛造後８００〜６００℃における平均冷却速度
   が２００℃／ｍｉｎ以下となるように冷却することを特
   徴とする疲労強度の優れた熱間鍛造品。