JPH07305139A

JPH07305139A - 非調質機械部品およびその製造方法

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Publication number: JPH07305139A
Application number: JP9483494A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Miki; 三木武司; Masahiro Toda; 戸田正弘; Osamu Kada; 修加田; Hideo Kanisawa; 蟹澤秀雄; Hirotada Takada; 高田啓督
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-05-09
Filing date: 1994-05-09
Publication date: 1995-11-21
Anticipated expiration: 2015-12-18
Also published as: JP3117601B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】自動車、建設機械などの用途に量産される高
強度機械部品を非調質で供することで、熱処理を省略。【構成】Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｂを特定し、Ｓ、Ｐｂ、Ｃ
ａ、Ｂｉ、Ｔｅのうち一種以上の総和を特定し、Ａｌ、
Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖのうち一種以上の総和を特定し、Ｃｒ、
Ｍｏ、Ｎｉを規定量以下とするか又は含まず、残部がＦ
ｅ及び不可避的不純物であり、一部あるいは全部の結晶
粒の最大直径と最小直径の比が１．４〜２．５の冷間あ
るいは温間加工組織を有し、引張強さが８０〜１５０ｋ
ｇｆ／ｍｍ^２の範囲にあることを特徴とする非調質機械
部品および再結晶温度未満の温度下にある棒鋼、線材
に、加工ひずみ０．３〜１．８の冷間あるいは温間加工
を施して強度を高めることによって、変態を伴う熱処理
を省略して機械部品を作る非調質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、自動車、建設機械など
の用途に量産される高強度機械部品の鍛造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車、建設機械の駆動系や足廻りに用
いられる高強度部品の多くが熱間、あるいは冷間鍛造に
よって作られている。

【０００３】高強度を必要とする部品の多くは、鍛造後
に焼入れ焼戻しによって強化されるのが一般的である。
この工程は、加熱炉と冷却層を保有して厳密な温度管理
のもとに行われるもので、部品製造コストの非常に大き
な部分を占める。

【０００４】そこで近年、焼入れ焼戻しを省略してコス
トダウンを図るべく、熱間鍛造時に材料中の析出現象を
利用して強度を確保する非調質化技術が確立された。

【０００５】ところが、熱間鍛造はスケールや熱ひずみ
の生成により加工後の精度が低いため、切削による仕上
げが不可欠であり、それが材料歩留まりと生産性の低下
を来たしている。

【０００６】一方、冷間鍛造や温間鍛造は熱間鍛造に比
べてはるかに高精度で加工できるので、切削は全く不要
か、あっても僅かな仕上げ加工に留まり、材料歩留ま
り、生産性が大幅に向上する。しかしながら、冷間鍛造
では、熱間鍛造に比べて材料の変形抵抗が高い状態で加
工する結果、工具の早期破損を招くため、使用される材
料や部品の形状が限られてくる。そこで、さらに強度の
高い材料を加工する場合はスケールのほとんど生じない
温度範囲に加熱して鍛造する温間鍛造が用いられるが、
この場合でもやはり変形抵抗が高くなると工具摩耗が急
増するので、使用対象は制限される。従って、冷間鍛造
や温間鍛造で成形することによって得られた材料の強化
を利用して非調質化、即ち焼入れ焼戻しを省略した場合
に、部品としての強度は大幅に制限されることになる。

【０００７】さらに、冷間鍛造や温間鍛造で得られた強
度を利用して非調質化した場合には靱性がかなり低下す
る。ことに強度の高い素材を冷間鍛造、温間鍛造すると
この傾向が顕著となる。従って、冷間鍛造あるいは温間
鍛造の非調質によって製造した部品は比較的強度の低い
範囲にしか実用化されておらず、例えば冷間鍛造非調質
では素材強度で見ると一般的には５５０ＭＰａ以下とな
っているのが現状である。これ以上の強度のものが冷間
鍛造非調質で用いられることもあるが、極めて単純な形
状を有する部品に制限されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、冷間鍛造あ
るいは温間鍛造時の工具寿命を向上させるとともに高強
度部品の非調質化と切削の簡省略を実現するものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は重量でＣ０．
０５〜０．３５％、Ｓｉ０．０２〜１．５％、Ｍｎ
０．３〜１．５％、Ｂ０．０００５〜０．０１１０
％、Ｓ，Ｐｂ，Ｃａ，Ｔｅ，Ｂｉのうち一種以上を合わ
せてその総和を０．００１〜０．６％、およびＡｌ，Ｎ
ｂ，Ｔｉ，Ｖのうち一種以上を合わせて０．００５〜
０．２％を含み、その他必要に応じＭｏ０．２％以
下、Ｎｉ０．３％以下の元素を含み、残部がＦｅ及び
不可避的不純物であり、一部あるいは全部の結晶粒の最
大直径と最小直径の比が１．４〜２．５の冷間あるいは
温間加工組織を有し、引張強さが８０〜１５０ｋｇｆ／
ｍｍ²の範囲にあることを特徴とする非調質機械部品、
および上記成分を有し、再結晶温度未満の温度下にある
棒鋼、線材に、加工ひずみ０．３〜１．８の冷間あるい
は温間加工を施して強度を高めることによって、変態を
伴う熱処理を省略して機械部品を作ることを特徴とする
非調質機械部品の製造方法であって、必要に応じて圧延
仕上げ温度９５０℃以下７００℃以上とし、圧延直後に
少なくとも表面を５℃／秒以上の冷却速度で５００℃以
下までに冷却した棒鋼、線材を用いたり、また圧延・冷
却終了した素材に５５０〜８００℃の加熱を１０分〜２
０時間施したり、さらに鍛造終了後、場合によっては１
００〜３５０℃の温度域で１０分以上保持したりするも
のである。

【００１０】

【作用】本発明になる部品製造法において、素材となる
棒鋼、線材は成分において靱性を低下させる元素は極力
削減し、一方、変形を容易にする元素を積極的に添加す
る。まず、Ｃは０．０５〜０．３５％とし、製鋼上経済
的に実現できる下限値と、靱性低下を防ぐための上限値
を定めた。Ｓｉは強化元素として最低０．０２％添加す
るが、多すぎると靱性を阻害するので上限を１．５％と
した。Ｍｎも強化元素として最低０．３％添加し、靱性
確保のため上限を１．５％とする。

【００１１】Ｂは加工性を向上させる元素として、０．
０００５％以上添加するが過剰添加は析出物が過剰とな
り靱性を低下させるので０．０１１％を上限とした。

【００１２】Ｓ，Ｐｂ，Ｃａ，Ｂｉ，Ｔｅは切削性を確
保するために併せて０．００１％以上添加するが、靱性
低下を避けるために最大０．６％とした。なお、これら
の元素は切削性に対して、ほぼ等価に効くことが判って
おり、総量で規定している。さらにＡｌ，Ｎｂ，Ｔｉ，
Ｖを添加するが、その量は組織制御に必要かつ十分な量
として、それらのうち一種以上を合わせて０．００５〜
０．２％とする。

【００１３】その他強度を確保するにはＣｒ，ＭｏやＮ
ｉを適宜追加するが、靱性低下を避けるためそれぞれ
１．５％以下、０．２％以下、および０．３％以下とす
る。

【００１４】こうした成分設計により、部品の冷間鍛造
あるいは温間鍛造時において容易に成形ができ、従来、
工具寿命の低下で実現できなかった引張強さ５５０ＭＰ
ａを超える材料を用いて、各種形状の部品に冷間鍛造あ
るいは温間鍛造が施せるようになった。上記の中で、Ｂ
が加工性を格段に向上させることは本発明者らの詳細な
実験により見いだされており、このＢの添加が本発明の
重要な構成要件の一つである。なお、Ｂ添加鋼は従来か
ら冷間鍛造材としては多用されてきているが、従来のＢ
の用途はあくまで焼入性向上のためであった。ところが
本発明では後述するように、焼入することなく部品を作
るのであって、Ｂの使い方において全く新しい技術であ
る。

【００１５】つぎにこうした棒鋼、線材には加工ひずみ
０．３〜１．８の室温ないし再結晶温度未満の冷間ある
いは温間加工を施して加工組織を得ることによって強度
を高める。ここに言うひずみの数値は対数ひずみであ
り、ひずみを０．３以上とするのはこれ未満では十分な
強化が達成されないからであり、１．８以下とするの
は、これを超えると部品の靱性が低下するためである。
ここでいう再結晶温度とは組織全体が再結晶する温度を
指し、温間鍛造時に見られる部分的に再結晶していて他
の多くは加工組織である場合でも、本発明の目的は達成
される。

【００１６】この加工ひずみを付与した部品においては
結晶粒が変形し伸長する。このときの伸長比として、最
大直径ｄ₁と最小直径ｄ₂の比を取り、これを１．４以
上２．５以下とした。それは、この範囲より下では強度
が不足し、それより上では靱性が不足するからである。

【００１７】こうして部品は強化されるとともに、成分
調整により十分な靱性を付与しているので、このあと変
態を伴うような熱処理は全く必要ない。この熱処理の省
略により大幅な製造コストダウンが図れる。しかも熱処
理をしないと成形時の寸法精度がそのまま確保されて、
熱処理後にしばしば必要となっている矯正工程も省略で
き、その効果は大きい。

【００１８】以上のように、従来冷間鍛造や温間鍛造が
困難であった高強度素材を用いて、靱性を有する部品を
非調質で製造できることになった。

【００１９】なお、棒鋼、線材としては圧延によって組
織を改善しておくのが部品に加工したときの靱性を確保
する上で有効である。即ち、細粒組織を得るために、圧
延仕上げ温度を９５０℃以下とするが、圧延負荷が急増
しないよう７００℃以上とする。

【００２０】さらに圧延直後少なくとも表面を５℃／秒
以上の冷却速度で冷却すると微細組織が得られ、より高
い靱性を達成する。ここで少なくとも表面と規定するの
は、機械部品の靱性や疲労などの特性改善には表層組織
が重要であるためである。冷却は水冷のほか、塩浴、流
動層、鉛バスなどの恒温槽にいれて冷やすなど種々の方
法を取り得る。急速冷却は５００℃以下になった時点ま
では重要であるが、それ以降はさらに急速冷却するも、
放冷するも、あるいは多少加熱するも任意に選択でき
る。

【００２１】さらに、圧延・冷却終了後、５５０〜８０
０℃の加熱を１０分〜２０時間施せば材料が軟化し、鍛
造後の靱性が大幅に改善される。温度の下限５５０℃は
靱性確保から、上限８００℃は強度確保から定めた。加
熱時間の下限１０分も靱性確保から、上限２０時間も強
度確保から定めたものである。

【００２２】さて鍛造を終了した部品には微視的なひず
みが残存するため、これを低温加熱によって除去するの
が望ましい。この低温加熱温度は１００〜３５０℃が適
正である。なぜなら、１００℃未満では靱性不足、３５
０℃を超えると軟化が進むからである。保持時間は、効
果が現れるのに最低１０分間必要であり、それ以上では
かなり長くなっても大差ない。

【００２３】

【実施例】

実施例１六角頭のアプセットボルトを従来法と、本発明法とで比
較して製造試験した。ボルト強度としては９０ｋｇｆ／
ｍｍ²級とし、寸法はＪＩＳ−Ｍ１０×５０ｍｍとし
た。素材は表１に示すように、比較法１，２、本発明法
１，２の成分の原料を用い、表２のそれぞれに対応する
製造法を採用した。これら素材をボルト成形して、表３
に示す結果を得た。

【００２４】結晶粒の形状は比較法２の焼入れ焼戻しの
場合を除いてｄ₁／ｄ₂＝２．３〜２．４である。

【００２５】比較法１は圧延仕上げ温度を８８０℃と低
くしてしかも１０℃で急冷した素材に伸線ひずみを０．
４９付与して強度を高めたものをそのままボルト成形し
たものである。その結果、アプセットボルト成形時のパ
ンチ寿命は５２００と非常に低く、通常の採算ベースに
のらないことが分かる。なお、ボルトの衝撃値は３．７
ｋｇｆ／ｍｍ²でやや低い。

【００２６】また、比較法２は高炭素鋼を用いて球状化
焼鈍した後、ボルト成形したものでパンチ寿命は３９０
００と高くなっている。しかしながら、この工程では、
ボルト成形後に焼入焼戻し処理を施しており、靱性は
４．２ｋｇｆ／ｍｍ²と高いが焼入焼戻し処理コストが
大きな負担となる。

【００２７】一方、本発明法１は比較法１と圧延工程、
伸線工程ともほぼ同一であり、基本成分としてＢが添加
されているものであるが、比較法１に対してパンチ寿命
が４３０００と大幅に向上しており、球状化焼鈍した比
較法２よりむしろ高い。この場合、ボルト成形後２５０
℃１時間の加熱を施しており、衝撃値が４．５ｋｇｆ／
ｍｍ²と比較法２の焼入焼戻しと同等以上となってい
る。

【００２８】また、本発明法１のＮｂ，Ａｌに代えてＴ
ｉを用い、やはりＢを添加した本発明法２の成分ではパ
ンチ寿命が４６０００と高い。この場合はボルト成形後
の加熱処理をしておらず、衝撃値は４．１ｋｇｆ／ｍｍ
²と本発明法１よりやや低い。

【００２９】実施例２底付きのスリーブを後方押出しで製造するに当たって従
来法と、本発明法を比較した。

【００３０】スリーブ強度としては８０ｋｇｆ／ｍｍ²
級とし、寸法は外径４０ｍｍ、内径１６ｍｍ、長さ６０
ｍｍとした。素材は表１に示すように、比較法３〜４、
本発明法３〜６の成分の原料を用い、表２のそれぞれに
対応する製造法を採用した。これら素材を後方押出しし
て、表３に示す結果を得た。

【００３１】結晶粒の形状は比較法３の焼入焼戻しの場
合を除いてｄ₁／ｄ₂＝２．０〜２．１である。

【００３２】これによると、比較法３は高炭素鋼を球状
化焼鈍した後、後方押出したものであるが、スリーブ成
形時のパンチ寿命は７０００と非常に低くなっている。
なお、その後、焼入焼戻しを施しているので衝撃値は
４．７ｋｇｆ／ｍｍ²と高い値を得ているが、焼鈍、焼
入焼戻し工程が生産コストを大きく上げている。

【００３３】また、比較法４は低炭素Ｃｒ添加鋼を用い
て焼鈍した後、スリーブ成形したものでパンチ寿命は６
５００と低く、靱性も３．５ｋｇｆ／ｍｍ²とやや低
い。

【００３４】一方、本発明法３は比較法４と圧延工程、
伸線工程ともほぼ同一であるが、基本成分としてＶとＢ
が添加され、かつ焼鈍を施していない。しかしながら、
比較法４に対してパンチ寿命が４５０００と大幅に向上
している。

【００３５】また、本発明法３のＶに代えてＮｂを用
い、やはりＢを添加し圧延仕上げ温度９２０℃として、
６℃／ｓで急冷した本発明法４の工程ではパンチ寿命３
８０００と高い。衝撃値は４．９ｋｇｆ／ｍｍ²と高
い。

【００３６】比較法５は、Ｃｒ添加鋼を軽伸線後７００
℃で温間鍛造したものであるが、パンチ寿命は１６５０
０と不十分である。衝撃値は４．８ｋｇｆ／ｍｍ²と高
い。それに対して本発明法５は、Ｃｒ添加鋼にＢを加え
ており、軽伸線後５７０℃にてスリーブ成形したもの
で、同じく温間鍛造した比較法５よりパンチ寿命が大き
く向上している。加工後の靱性も４．６ｋｇｆ／ｍｍ²
と高い。また本発明法６は圧延仕上げ温度を９３０℃に
下げ、７℃／ｓで５００℃まで冷却後、軽伸線して７０
０℃温間鍛造したもので、パンチ寿命は３１０００と高
く、衝撃値も焼入焼戻しした比較法３を上回る。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】

【表３】

【００４０】

【発明の効果】本発明は、高強度部品の製造に当たっ
て、冷間鍛造あるいは温間鍛造時の工具寿命を大幅に向
上させるとともに、焼入焼戻しを省略し、熱間鍛造に比
べてはるかに高精度の寸法形状、表面性状を与えて切削
工程を省略、あるいは簡略化して、生産性を飛躍的に高
め、製造コストを削減することができ、産業上の寄与は
極めて大きいものがある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者蟹澤秀雄室蘭市仲町12番地新日本製鐵株式会社室蘭製鐵所内 (72)発明者高田啓督室蘭市仲町12番地新日本製鐵株式会社室蘭製鐵所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比でＣ０．０５〜０．３５％、Ｓ
ｉ０．０２〜１．５％、Ｍｎ０．３〜１．５％、Ｂ
０．０００５〜０．０１１０％、Ｓ，Ｐｂ，Ｃａ，Ｂ
ｉ，Ｔｅのうち一種以上を合わせてその総和を０．００
１〜０．６％、およびＡｌ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｖのうち一種
以上を合わせて０．００５〜０．２％を含み、その他Ｃ
ｒ１．５％以下、Ｍｏ０．２％以下、Ｎｉ０．３％
以下の元素を含み、又は含まず残部がＦｅ及び不可避的
不純物であり、一部あるいは全部の結晶粒の最大直径と
最小直径の比が１．４〜２．５の冷間あるいは温間加工
組織を有し、引張強さが８０〜１５０ｋｇｆ／ｍｍ²の
範囲にあることを特徴とする非調質機械部品。
【請求項２】重量比でＣ０．０５〜０．３５％、Ｓ
ｉ０．０２〜１．５％、Ｍｎ０．３〜１．５％、Ｂ
０．０００５〜０．０１１０％、Ｓ，Ｐｂ，Ｃａ，Ｂ
ｉ，Ｔｅのうち一種以上を合わせてその総和を０．００
１〜０．６％、およびＡｌ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｖのうち一種
以上を合わせて０．００５〜０．２％を含み、その他Ｃ
ｒ１．５％以下、Ｍｏ０．２％以下、Ｎｉ０．３％
以下の元素を含み、又は含まず残部がＦｅ及び不可避的
不純物であり、再結晶温度未満の温度下にある棒鋼、線
材を用いて、一部あるいは全部に対して、加工ひずみ
０．３〜１．８の冷間あるいは温間加工を施して強度を
高めることによって、変態を伴う熱処理を省略して機械
部品を作ることを特徴とする非調質機械部品の製造方
法。
【請求項３】圧延仕上げ温度９５０℃以下７００℃以
上とし、圧延直後に少なくとも表面を５℃／秒以上の冷
却速度で５００℃以下までに冷却した棒鋼、線材を用い
ることを特徴とする請求項２記載の非調質機械部品の製
造方法。
【請求項４】圧延・冷却終了後、５５０〜８００℃の
加熱を１０分〜２０時間施した棒鋼、線材を用いること
を特徴とする請求項２または請求項３記載の非調質機械
部品の製造方法。
【請求項５】鍛造終了後、１００〜３５０℃の温度域
で１０分以上保持することを特徴とする請求項２ないし
請求項４記載の何れかの項の非調質機械部品の製造方
法。