JPH06306460A - 高疲労強度熱間鍛造品の製造方法 - Google Patents

高疲労強度熱間鍛造品の製造方法

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JPH06306460A
JPH06306460A JP9010393A JP9010393A JPH06306460A JP H06306460 A JPH06306460 A JP H06306460A JP 9010393 A JP9010393 A JP 9010393A JP 9010393 A JP9010393 A JP 9010393A JP H06306460 A JPH06306460 A JP H06306460A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は高疲労強度熱間鍛造品の製造方法を
提供するものである。 【構成】 特定量の合金元素を含有する鋼を熱間鍛造す
るに際して、900〜1350℃に加熱後、その加熱温
度で圧下率10〜90%の鍛造を行い、直ちに20℃/
秒以上の冷却速度で焼入れを行う工程と、その後400
℃〜Ac1の温度範囲で焼戻しを行う工程により、引張強
度80〜130 kgf/mm2 で、降伏比0.85以上、疲
労限度比0.51以上を有する高疲労強度機械部品の製
造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高疲労強度熱間鍛造品の
製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、高強度高靭性を必要とする自動車
用部品、機械構造用部品等には、所定の形状に熱間鍛造
後、調質処理としてオフラインでの焼入れ・焼戻しが施
されていた。近年、地球環境保護のため、自動車の低燃
費化が求められるようになってきているが、自動車の低
燃費化を達成するための有効な方法の一つは車両軽量化
であり、鋼材の降伏強度、疲労強度向上による小型化が
指向されている。しかし従来、機械部品の高降伏比化を
図るためにはオフラインでの焼入れ・焼戻しによる調質
処理が必要であった。また「鋼の熱処理、改訂5版p1
89」にみられるように調質鋼の疲労限度比(疲労強度
/引張強度)は0.35〜0.5であり、疲労強度を向
上させるためには焼戻し温度を下げて強度を上げるしか
方法はない。強度上昇に伴い被削性も低下することにな
るので、被削性という点からは、疲労強度向上のために
強度を必要以上に上げるのは好ましくない。
【0003】また、特開昭64−56821号公報に見
られるように、鍛造後直接冷却により、組織をマルテン
サイトまたはベイナイトあるいはマルテンサイト+ベイ
ナイトの混合とすることにより疲労強度向上を狙ったも
のもあった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】熱間鍛造後のオフライ
ンでの焼入れ・焼戻しによる調質処理では、被削性を落
とさないで疲労強度を向上させることは望めず、部品の
軽量化は不可能である。また、直接冷却により組織をマ
ルテンサイトまたはベイナイトあるいはマルテンサイト
+ベイナイトの混合とするだけでは、疲労強度の飛躍的
な向上は望むべくもない。
【0005】本発明の目的は、引張強度80〜130 k
gf/mm2 で、降伏比0.85以上、疲労限度比0.51
以上を有する高疲労強度熱間鍛造品の製造方法を提供す
ることである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、熱間鍛造
品の降伏強度および疲労強度の向上手法を提供するため
に、鋭意検討を行ない、降伏比0.85以上、疲労限度
比0.51以上を得るためには、鋼をマルテンサイト変
態させ、さらに焼戻し過程においてマトリックスを析出
物により強化しなくてはならないという以下の知見を得
た。
【0007】 特定量のV,Ti,Nbを含有した鋼
であること。 V,Ti,Nbの炭窒化物を十分に固溶させるため
に必要なオーステナイト化温度以上での加熱を行うこ
と。 加熱温度で圧下率10〜90%の鍛造を行い、その
後直ちに焼入れを行うことにより、VNb,Tiの炭窒
化物を固溶したオーステナイトをマルテンサイト変態さ
せること。 フリーの転位を固着させ、更にマトリックスを微細
分散させた析出物により均一に強化するため、400以
上Ac1変態点未満の温度範囲で焼戻しを行うこと。
【0008】また、大型部品などの焼入れの際に十分な
焼入れ性を確保する必要がある場合には、ある特定量の
Bを添加し、N量を特定値以下に抑える。本発明は以上
の新規なる知見に基づいてなされたものであって、その
要旨とするところは下記のとおりである。
【0009】(1)重量比として、 C:0.20〜0.60%、 Si:0.15〜2.00%、 Mn:0.55〜2.00%、 S:0.01〜0.10%、 P:0.035%以下、 Al:0.015〜0.05%、 N:0.020%以下を含有し、更に、 V:0.03〜0.70%、 Ti:0.005〜0.050% Nb:0.005〜0.20% のうち一種または二種以上を含有し、残部が鉄および不
可避的不純物からなる成分の鋼を熱間鍛造するに際し
て、 A)加熱温度960〜1350℃以下に加熱する工程
と、 B)鍛造開始温度を該加熱温度として圧下率10〜90
%の鍛造を行い、直ちに20℃/秒以上の冷却速度で焼
入れを行う工程と、 C)その後、400℃以上Ac1変態点未満の温度範囲で
焼戻しを行う工程を特徴とする、引張強度80〜130
kgf/mm2 で、降伏比0.85以上、疲労限度比0.5
1以上を有する高疲労強度熱間鍛造品の製造方法。
【0010】(2)成分が更に、 B:0.0003〜0.005%、 を含有する(1)記載の高疲労強度熱間鍛造品の製造方
法。
【0011】(3)成分が更に、 Cr:0.10〜1.50%、 Mo:0.05〜1.00%、 Ni:0.10〜3.60%、 のうち一種または二種以上を含有する(1)または
(2)の高疲労強度熱間鍛造品の製造方法。
【0012】以下に、本発明を詳細に説明する。まず、
Cは機械部品としての最終製品の強度を増加させるのに
有効な元素であるが、0.20%未満では最終製品の強
度が不足し、また0.60%を超えるとむしろ最終製品
の靭性の劣化を招くので、含有量を0.20〜0.60
%とした。
【0013】次に、Siは脱酸元素として、また固溶体
硬化および焼戻し軟化抵抗による最終製品の強度を増加
させることを目的として添加するが、0.15%未満で
はこれらの効果は不十分であり、一方、2.00%を超
えるとこれらの効果は飽和しむしろ最終製品の靭性の劣
化を招くので、その含有量を0.15〜2.00%とし
た。
【0014】Mnは焼入れ性の向上により、最終製品の
強度を増加させるのに有効な元素であり、また鋼中でS
とMnSを形成することにより被削性の向上に寄与する
が、0.55%未満ではこの効果は不十分であり、一
方、2.00%を超えるとこの効果は飽和しむしろ最終
製品の靭性の劣化を招くので、その含有量を0.55〜
2.00%とした。
【0015】一方、Pは鋼中で粒界偏析や中心偏析を起
こし、靭性劣化の原因となる。特にPが0.035%を
超えると靭性の劣化が顕著となるため、0.035%以
下とした。また、Sは鋼中でMnSとして存在し、被削
性の向上および組織の微細化に寄与するが、0.01%
未満ではその効果は不十分である。一方、0.10%を
超えるとその効果は飽和し、むしろ靭性の劣化および異
方性の増加を招く。以上の理由から、Sの含有量を0.
01〜0.10%とした。
【0016】次に、Alは脱酸元素および結晶粒微細化
元素として添加するが、0.015%未満ではその効果
は不十分であり、一方、0.05%を超えるとその効果
は飽和し、むしろ靭性を劣化させるので、その含有量を
0.015〜0.05%とした。さらに、NはNbN,
TiN,VNの析出挙動を通じて、オーステナイト組織
の微細化、焼戻し時の析出強化に寄与する。N含有量
0.020%超では粗大窒化物が形成されてしまい靭性
を低下させるので、N含有量の上限を0.020%とし
た。また焼入れ性確保のためのBを添加する場合には、
BN形成によるBの効果消滅防止のため望ましくはN含
有量0.006%以下がよい。
【0017】また、本発明においてはオーステナイト組
織の微細化、析出強化の目的で、V,Ti,Nbの1種
又は2種以上を必須元素として含有させる。しかしなが
ら、V含有量が0.03%未満、Ti含有量が0.01
%未満、Nb含有量が0.005%未満ではその効果は
不十分であり、一方、V含有量0.70%超、Ti含有
量0.05%超、Nb含有量0.2%超では、その効果
は飽和し、むしろ靭性を劣化させるので、これらの含有
量をV:0.03〜0.70%,Ti:0.005〜
0.05%,Nb:0.005〜0.20%とした。ま
たB添加の場合には、N固定のために必須元素としてT
iを上記の量添加する。
【0018】本発明(2)は内部まで焼きが入り難い大
型の機械部品等の焼入れ性の向上を図った鍛造品であ
る。そのためBを添加するが、0.0003%未満では
焼入れ性の向上は期待できず、また0.005%超では
この効果は飽和し、コスト高になるばかりでなく、逆に
焼入れ性の低下にもつながるので、添加量は0.000
3〜0.005%とした。
【0019】本発明(3)は本発明(2)同様、内部ま
で焼きが入り難い大型の機械部品等の焼入れ性の向上を
図り、更に重要保安部品等に使用することができるよう
に、強度、靭性両方の向上を図った鍛造品である。その
ためCr,Mo,Niを添加する。Crは、焼入れ性の
向上により最終製品の強度を増加させるのに有効な元素
である。含有量0.10%未満ではその効果はなく、ま
た1.50%超では硬度が高くなりすぎ、靭性の低下を
招き、また経済性の点で好ましくないためその含有量を
0.10〜1.50%とした。またはMoも焼入れ性の
向上により最終製品の強度を増加させるのに有効な元素
であるが、含有量0.05%未満ではその効果はなく、
また1.00%超では硬さの増加を招き、また経済性の
点で好ましくないためその含有量を0.05〜1.00
%とした。更にNiも最終製品の強度、靭性を向上させ
るのに有効な元素であるが、含有量0.10%未満では
その効果はなく、また3.60%超では強度、靭性の向
上は飽和し、また経済上の点で好ましくないのでその含
有量を0.10〜3.60%とした。
【0020】なお、被削性向上のため0.3%までのP
b、0.005%までのCaの添加を行っても、本発明
の効果は何等損なわれない。次に、本発明において、加
熱条件を限定した理由について述べる。まず、加熱温度
の下限を960℃としたのは、960℃未満の加熱温度
では、V,Ti,Nbの炭窒化物がオーステナイト中に
ほとんど固溶しないために焼戻し時の析出効果に効かな
くなるためで、また加熱温度の上限を1350℃とした
のは、1350℃超の加熱温度ではオーステナイト粒が
急に粗大化し始めるためである。次に該加熱温度で圧下
率10〜90%の鍛造を行うのは、圧下率10%未満で
は鍛造によるオーステナイト粒の再結晶微細化等の効果
が小さいためであり、上限を90%としたのは、その効
果が飽和するからである。これをこのまま直ちに20℃
/秒以上の冷却速度で急冷するが、20℃/秒以上の冷
却速度で焼入れを行うのは、オーステナイトにマルテン
サイト変態を起こさせるためであた、これ未満の冷却速
度ではベイナイト等が混入するためである。冷却速度2
0℃/秒以上が得られるのであれば、焼入れ溶媒は水、
油等任意のものでよい。
【0021】次に、焼入れ後、400℃以上Ac1変態点
未満の温度範囲で焼戻しを行うのは、疲労亀裂の発生源
となるフリーの転位を消滅させ、更にV,Nb,Tiの
炭窒化物を析出させ、マトリックスを微細分散させた析
出物により均一に強化するためである。焼戻し温度が4
00℃未満であると、V,Nb,Tiの炭窒化物の析出
量も少なく、またAc1変態点以上であると焼戻しマルテ
ンサイトがオーステナイト変態を起こしてしまうため
で、焼戻しは400℃以上Ac1変態点未満の温度範囲で
行う。焼戻しの時間は望ましくは0.3〜2時間がよ
い。
【0022】以下に本発明の効果を実施例により、さら
に具体的に示す。
【0023】
【実施例】表1,2に示す化学成分の鋼を高周波炉にて
溶製し、150kgのインゴットに鋳造した。これから試
験片を切り出し、表5に示す条件で鍛造焼入れ−焼戻し
を行った。また、比較法は表3に示す条件で鍛造焼入れ
−焼戻しを行った。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】
【表3】
【0027】それらの材料の中央部よりJIS14号引
張試験片、JIS3号衝撃試験片、JIS1号回転曲げ
試験片、およびドリル穴あけ試験片を採取し、引張強
度、−50℃シャルピー衝撃値、疲労強度、および被削
性を求めた。被削性の評価にはVL1000 を使用した。送
り速度0.33mm/sのドリル(材質:SKH51−φ
10mm)の周速を種々変化させ、各速度においてドリル
が切削不能になる総穴深さを求め、周速−ドリル寿命曲
線を作成し、ドリル寿命が1000mmとなる最大速度を
L1000 と規定し、被削性の評価基準とした。表4,
6,7に各鋼材の材質特性の本発明と比較法を対比して
示す。
【0028】
【表4】
【0029】
【表5】
【0030】
【表6】
【0031】
【表7】
【0032】表4に示すように、比較法において本発明
の成分から外れた鋼 No.1〜5で鍛造 No.I〜IVの鍛造
焼入れ−焼戻し行ったものは降伏比、疲労限度比共に本
発明の下限値に達しなかった。また本発明鋼 No.6で本
発明の下限値未満であった冷却速度の鍛造 No.IVで行っ
たもの、本発明鋼 No.9で本発明の下限値未満であった
圧下率の鍛造 No.III で行ったもの、本発明鋼 No.12
で本発明の下限値未満であった冷却速度の鍛造 No.IV
で、更に焼戻し温度が本発明の範囲外であったもの、本
発明鋼 No.17で本発明の上限値以上の加熱温度の鍛造
No.IIで行ったものもまた降伏比、疲労限度比共に本発
明の下限値に達しなかった。
【0033】これに比べ、表6,7に示している鋼 No.
6〜50による鍛造 No.V〜XIの本発明では、例えば第
1発明の鋼 No.11、鍛造 No.VIIIの降伏比0.96、
疲労限度比0.55や、鋼 No.13、鍛造 No.IXの降伏
比0.92、疲労限度比0.59や、鋼 No.22、鍛造
No.IXの降伏比0.95、疲労限度比0.56や、第2
発明の鋼 No.27、鍛造 No.Xの降伏比0.96、疲労
限度比0.55や、鋼No.31、鍛造 No.IXの降伏比
0.92、疲労限度比0.58や第3発明の鋼 No.3
5、鍛造 No.IXの降伏比0.95、疲労限度比0.56
や、鋼 No.48、鍛造 No.IXの降伏比0.95、疲労限
度比0.55のように降伏比、疲労限度比共に高い。
【0034】このように本発明法によると引張強度8
0.4〜126.5 kgf/mm2 で降伏強度73.7〜1
17.6 kgf/mm2 、降伏比0.92〜0.96、疲労
強度42.6〜69.1 kgf/mm2 、疲労限度比0.5
2〜0.59を得ることができ、比較法より高い降伏
比、優れた耐久性を有することがわかる。
【0035】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明法を用いれ
ば、高疲労強度を有する熱間鍛造品の製造が可能であ
り、機械構造部品の軽量化が可能となり、産業上の効果
は極めて顕著なるものがある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 子安 善郎 北海道室蘭市仲町12番地 新日本製鐵株式 会社室蘭製鐵所内 (72)発明者 中野 修 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量比として、 C:0.20〜0.60%、 Si:0.15〜2.00%、 Mn:0.55〜2.00%、 S:0.01〜0.10%、 P:0.035%以下、 Al:0.015〜0.05%、 N:0.020%以下を含有し、更に、 V:0.03〜0.70%、 Ti:0.005〜0.050% Nb:0.005〜0.20% のうち一種または二種以上を含有し、残部が鉄および不
    可避的不純物からなる成分の鋼を熱間鍛造するに際し
    て、 A)加熱温度960〜1350℃以下に加熱する工程
    と、 B)鍛造開始温度を該加熱温度として圧下率10〜90
    %の鍛造を行い、直ちに20℃/秒以上の冷却速度で焼
    入れを行う工程と、 C)その後、400℃以上Ac1変態点未満の温度範囲で
    焼戻しを行う工程を特徴とする、引張強度80〜130
    kgf/mm2 で、降伏比0.85以上、疲労限度比0.5
    1以上を有する高疲労強度熱間鍛造品の製造方法。
  2. 【請求項2】 成分が更に、 B:0.0003〜0.005%、を含有する請求項1
    記載の高疲労強度熱間鍛造品の製造方法。
  3. 【請求項3】 成分が更に、 Cr:0.10〜1.50%、 Mo:0.05〜1.00%、 Ni:0.10〜3.60%、 のうち一種または二種以上を含有する請求項1または2
    記載の高疲労強度熱間鍛造品の製造方法。
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