JPH08170146A - 窒化非調質鍛造用鋼および窒化非調質鍛造品 - Google Patents

窒化非調質鍛造用鋼および窒化非調質鍛造品

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JPH08170146A
JPH08170146A JP6311877A JP31187794A JPH08170146A JP H08170146 A JPH08170146 A JP H08170146A JP 6311877 A JP6311877 A JP 6311877A JP 31187794 A JP31187794 A JP 31187794A JP H08170146 A JPH08170146 A JP H08170146A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 調質処理を行わずに直接窒化処理を行っても
疲労限度および曲げ矯正可能ひずみ量が高く、しかも熱
処理変形量のバラツキが小さい鍛造品を提供する。 【構成】 重量比で、C:0.30〜0.60%、Si:0.05〜1.
50%、Mn:0.20〜2.00%、P:0.07%以下、 S:0.10
%以下、Cr:0.30%以下、Al:0.005 %以下、Ca:0.00
03〜0.003 %、Pb:0.01〜0.20%、N:0.01〜0.02%、
残部がFeならびに不可避不純物元素から構成する。ただ
し、不純物としてのVの含有量は0.01%以下である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、熱間鍛造を行った後
に、調質処理を行うことなく窒化処理を行うことによ
り、高い疲労限度および優れた曲げ特性を発揮できる鍛
造品とそれの素材である鋼に関するものである。
【0002】ここに言う「曲げ特性」とは、曲げ矯正可
能ひずみ量、つまり鍛造品に窒化処理後の曲げ矯正を施
す際に割れが発生しない限界ひずみ量で評価される特性
のことであり、その限界ひずみ量が大きい程曲げ特性が
良好となる。
【0003】
【従来の技術】従来、クランク軸、コネクティングロッ
ド、ナックル等の自動車用鍛造部品は、機械構造用炭素
鋼あるいは合金鋼を原料とし、図1(a) に示すように、
まず素材インゴット (ビレット) を所望の部品形状に熱
間鍛造を施し、その後、まず高い疲労限度を付与するた
めの調質処理 (焼入焼戻処理あるいは焼準処理) を施し
てから、切削等の機械加工を行い、次いで窒化処理をし
て製造されていた。つまり、耐焼付き性、耐かじり性、
さらにより高い疲労限度を必要とされるものについて
は、調質処理後に窒化処理が行われていた。
【0004】ところで、近年、コストの削減、省力化の
観点や熱処理変形等の問題から調質処理を省略すること
が検討されている。しかしながら鍛造を施した後に調質
を施すことなく窒化処理を行って製造された鍛造品 (以
後、窒化非調質鍛造品と呼ぶ) の疲労限度は、同一組成
の原料を用いて、調質後に窒化処理を施して製造した鍛
造品 (以後、窒化調質鍛造品と呼ぶ) のそれと比較して
低い。また、窒化処理時に生じた変形に対しては静的に
曲げ荷重を負荷して矯正するが、窒化非調質鍛造品では
割れ (き裂) が発生しないひずみ量 (以後、曲げ矯正可
能ひずみ量と呼ぶ) が窒化調質鍛造品のそれと比較して
小さくなってしまう。
【0005】窒化非調質鍛造品の内部組織は、まず、鍛
造開始に先立って高温に加熱 (通常1100℃以上) され、
また高温で鍛造後放冷するため、オーステナイト粒径が
粗大化し、窒化処理前ではその組織が粗大なオーステナ
イト粒径に沿ったネット状フェライトと残りのパーライ
トから構成されるものとなる。これが窒化非調質鍛造品
の特性が窒化調質鍛造品に比べ劣る原因である。
【0006】このような背景のもと、窒化処理後の疲労
限度および曲げ矯正可能ひずみ量が高い材料の開発が望
まれている。鍛造後に調質も窒化処理も行わないままで
高い疲労限度を有する鋼については、特開平4−193931
号公報および特開昭64−684245号公報などに示されてい
るように既にいくつか開発されている。しかしながら、
それらは窒化析出物生成元素であるVを疲労限度向上の
ため意図的に多量に含有している。
【0007】このように特開平4−193931号公報および
特開昭64−684245号公報などに示されている非調質鍛造
用鋼から製造した窒化非調質鍛造品は曲げ矯正可能ひず
み量が小さいという欠点を有している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、調質
処理を省略しても、窒化処理後の疲労限度および曲げ矯
正可能ひずみ量が高く、しかも窒化による熱処理変形量
のバラツキが従来の調質を行った熱間鍛造品のそれと比
べて小さい窒化非調質鍛造品とその素材である窒化非調
質鍛造用鋼を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる目
的を達成すべく、種々検討を重ね、次のような知見を得
て本発明を完成した。すなわち、Vは、疲労限度を向上
するために有効な元素である一方、鍛造品の表面を著し
く硬化し、曲げ矯正可能ひずみ量を著しく小さくしてし
まうという問題点を有する元素であることが判明した。
【0010】そこで、さらに研究・開発をすすめた結
果、鋼中のNの含有量を0.01〜0.02%、Crの含有量を0.
30%以下、不純物としてのVの含有量を0.01%以下とす
ることにより、窒化処理後の非調質鍛造品の表面に現
れる窒化層が深くなり、窒化層の最大硬さは小さくな
り、そしてこれらの相乗的作用により、窒化非調質鍛
造品の疲労限度が向上し、かつ曲げ矯正可能ひずみ量が
向上することが判明した。
【0011】これに伴って、鋼組成を下記のように限定
することにより、疲労限度および曲げ矯正可能ひずみ量
が高く、しかも熱処理変形量のバラツキが少ないという
優れた性質を有する窒化非調質鍛造用鋼を得ることがで
きた。ここに、本発明の要旨は以下の通りである。
【0012】重量比で、C:0.30〜0.60%、 Si:
0.05〜1.50%、 Mn:0.20〜2.00%、P:0.02%以
下、 S:0.04%以下、 Cr:0.30%以下、A
l:0.005 %以下、 N:0.01〜0.02%、残部がFeな
らびに不可避不純物元素 ただし、不純物としてのVの含有量は0.01%以下、から
成る鋼組成を有する窒化非調質鍛造用鋼。
【0013】重量比で、上記鋼組成がさらに、P:0.
02〜0.07%、S:0.04〜0.10%、Ca:0.0003〜0.003
%、Pb:0.01〜0.20%から成る群から選んだ少なくとも
1種を含んだ窒化非調質鍛造用鋼。
【0014】上記またはの鋼組成を有し、調質処
理を施すことなく窒化処理を行って形成された窒化層を
鋼の表面に備えたことを特徴とする窒化非調質鍛造品。
【0015】かくして、本発明にかかる窒化非調質鍛造
用鋼は、熱間鍛造 (例えば、鍛伸、型打ち) を施した後
に、調質処理を施すことなく窒化処理 (例えば、ガス軟
窒化、タフトライド、イオン窒化) を施して製造する鍛
造品の原料として使用される。
【0016】また、調質処理を施すことなく窒化処理を
行って形成される窒化層は、熱間鍛造 (例えば、鍛伸、
型打ち) を施して得られた製品表面に通常の窒化処理
(例えば、ガス軟窒化、タフトライド、イオン窒化) を
施して得られるものであって、従来の窒化調質鍛造品の
それと比較して、実用硬化層深さが深いことが特徴であ
る。実用硬化層深さが深いと、製品の使用によって製品
内部に応力がかかる場合であっても、き裂点部の引張残
留応力が低減されるので疲労限度が向上する。
【0017】
【作用】次に、本発明において鋼組成を上述のように限
定した理由を、その作用とともに詳述する。なお、本明
細書において特にことわりがない限り、「%」は「重量
%」を意味している。
【0018】C:Cは必要な引張強度を確保するため最
も基本的な元素であり、高い引張強度を得るためには0.
30%以上の添加が必要である。しかしながら過剰な添加
は、曲げ矯正可能ひずみ量および被削性を低下させてし
まう。そのために添加量を0.30〜0.60%とした。好まし
くは、0.30〜0.40%である。
【0019】Si:Siは溶製時の脱酸用として必要な元素
であり、かかる効果を得るためには少なくとも0.05%の
添加は必要である。しかしながら過剰な添加は曲げ矯正
可能ひずみ量の低下を招くとともに鍛造時に表面の脱炭
を促すため、適切な添加量の範囲を0.05〜1.50%とし
た。好ましくは、0.2 〜0.5 %である。
【0020】Mn:Mnは製鋼時の脱酸のため、あるいは鍛
造時の脱炭を低減するために少なくとも0.20%の添加は
必要である。しかしながら過剰な添加は、焼入れ性が向
上しベイナイトが生成するために被削性が低下する。さ
らに曲げ矯正可能ひずみ量の低下も招く。このため適切
な添加量の範囲を0.20〜2.00%とした。好ましくは、0.
8〜1.4 %である。
【0021】P:Pは不可避的に鋼に混入する元素であ
り、靱性の低下を起こすので好ましくない。このため通
常は、含有量を0.02%以下とする。しかしながら、適当
な量の添加により衝撃値は犠牲になるものの被削性向上
の効果がある。したがって靱性よりも被削性を優先する
場合にはPを添加する。かかる効果を得るためには0.02
%以上は必要であるが、過剰な添加は実用上靱性の低下
が問題となるため0.07%以下とした。つまり、最も広義
には、0.07%以下であり、被削性改善には0.02〜0.07%
の添加が好ましく、靱性のより一層の改善を図るために
は0.02%以下に制限するのが好ましい。
【0022】S:Sは不可避的に鋼に混入する元素であ
り、靱性および疲労強度の低下を起こすので好ましくな
い。このため通常は、含有量を0.04%未満とする。しか
しながら適当な量の添加により靱性および疲労強度は犠
牲になるものの被削性向上の効果ある。したがって被削
性を優先する場合にはSを添加する。かかる効果を得る
ためには0.04%以上は必要であるが、過剰な添加は実用
上靱性および疲労強度の低下が問題となるため0.10%以
下とした。つまり、Sの場合も、最も広義には、0.10%
以下であり、被削性改善には0.04〜0.10%の添加が好ま
しく、靱性および疲労強度のより一層の改善を図るため
には0.04%未満に制限するのが好ましい。
【0023】Cr:Crは摩耗性を向上する元素であるが、
多量に添加すると、窒化処理により硬質の析出物が生成
するために、曲げ矯正可能ひずみ量を低下させてしま
う。0.30%を越えて添加すると曲げ矯正可能ひずみ量は
急激に低下するため添加量を0.30%以下とした。下限は
有効量以上であれば特に規定されないが、好ましくは0.
03%以上である。
【0024】Al:Alは脱酸剤として有効な元素である。
しかし、多量に添加すると硬質の介在物の発生を促す有
害な元素でもある。そこで含有量を0.005 %以下とし
た。
【0025】Ca:Caは、被削性向上の効果がある。かか
る効果を得るためには0.0003%以上は必要であるが、過
剰な添加により介在物が多くなり熱間加工性および疲労
限度が低下するので0.003 %以下とした。
【0026】Pb:Pbは被削性の改善に極めて有効な元素
である。したがって、鍛造部品に被削性が要求される場
合には、Pbを添加することが好ましい。かかる効果を得
るためには0.01%以上の添加が必要である。しかしなが
ら過剰な添加により介在物が多くなり熱間加工性および
疲労限度が低下するのでその添加量を0.20%以下とし
た。
【0027】N:Nは、疲労限度および曲げ矯正可能ひ
ずみ量いずれの向上にも効果的な元素である。かかる効
果を得るためには0.01%以上の添加が必要である。しか
しながらNは0.02%を越えて添加することが操業上困難
な元素であり、また過剰に添加してもその効果が飽和す
るため、適切な添加量を0.01〜0.02%とした。
【0028】V:Vは疲労限度向上に効果的な元素であ
るが、窒化処理により硬質の析出物が生成するため、高
々0.01%程度の添加でも矯正可能ひずみ量を著しく低下
させてしまう。このため、本発明においてはVは積極的
に添加すべき元素ではない。また不純物として含まれる
量も0.01%未満にしなければならない。なお、析出物生
成元素であるNbも同様の理由で不純物量レベルでのみ存
在が許容される。本発明における疲労限度および曲げ矯
正可能ひずみ量の向上の機構は以下のように考えられ
る。
【0029】(1) 疲労限度の向上について 窒化処理前にすでに多量に固溶している窒素が固溶強化
の作用を有し、疲労試験時のき裂起点 (母材部と窒化層
の境界部近傍) を強化する。さらに窒化処理後もすでに
窒素が鋼中内部に固溶しているため、窒化層の硬さ分布
(固溶窒素量分布に相当) の勾配が比較的緩やかにな
り、き裂起点部近傍の残留応力 (従来鋼の場合、き裂起
点部近傍では引張残留応力が発生) が小さくなる。この
ため、疲労限度は高くなる。
【0030】(2) 曲げ矯正可能ひずみ量の向上について 一般に鍛造品の表面の硬さ (最高硬さ) が高いほど割れ
が生じやすくなる。表面の硬さは固溶窒素量よりもむし
ろ窒化処理により生成する析出物の寄与が大きい。前述
したようにVは硬質の析出物を生成し、製品の表面硬さ
を増加させ、曲げ矯正可能ひずみ量を小さくする元素で
ある。しかし、本発明においてはVを添加しないので曲
げ特性が優れている。また本発明は、Nを0.01〜0.02%
含有するものである。Nを添加することにより旧オース
テナイト粒が細粒化され、曲げ矯正可能ひずみ量が高く
なる。
【0031】図1(b) は本願第1発明の窒化非調質鍛造
用鋼から本願第2発明である窒化非調質鍛造品を製造す
るまでの工程を示したものである。本発明の窒化非調質
鍛造用鋼を加熱し、鍛造加工を施して、目的製品の形状
とする。その際の鍛造加工自体には特に制限はなく、通
常行われている方法でよい。
【0032】目的製品の形状に整えられた後に、調質処
理を施すことなく窒化処理を施す。図1(b) に示したよ
うに、鍛造加工後に必要ならば切削等の機械加工を施し
てもよい。
【0033】ここでいう調質処理とは、通常の熱間鍛造
加工を施した後に製品に疲労限度を向上するために通常
行われる焼入焼戻し処理や焼準処理等の熱処理を意味し
ている。また、曲げ特性および疲労特性のいずれもが窒
化層および生地部 (窒化処理による窒素の拡散が認めら
れない部分) の性質 (硬さ、化学成分) によって決まる
ものであるため、ここでいう窒化処理については特に制
限がなく、例えばガス窒化、ガス軟窒化、イオン窒化、
タフトライド処理等を用いることができる。
【0034】窒化層は、窒化処理によって製品の表面に
形成されるものであって、厚さ約10μm の化合物層と化
合物層下にある0.05〜0.1 mmの拡散層からなる。耐焼付
き性を向上するためには化合物層が必要であり、疲労強
度および曲げ特性 (曲げ矯正可能ひずみ量) を向上する
ためには拡散層の特性が重要となる。同一の窒化処理を
行っても鋼の成分元素により窒化層の最高硬さおよび深
さ (工業的にはビッカース硬さで生地よりも50高い硬さ
となる実用硬化層深さで評価される) は異なり、このた
め成分元素により疲労強度および曲げ特性が異なる。
【0035】
【実施例】
(1) 予備試験 本予備試験では、窒化非調質鋼の疲労限度および曲げ矯
正可能ひずみ量に及ぼす各種添加元素の影響を明らかに
するため、S48C鋼材を基本とし、各種元素の添加量を変
更した16鋼種を溶解試作した。これらの鋼組成を表1に
示す。
【0036】これらの供試材を1150℃に加熱し、熱間に
て直径30mmの丸棒に鍛伸し、小野式回転曲げ疲労試験片
および3点曲げ (直径20mm丸棒) の試験片に加工し、調
質処理を施すことなくガス軟窒化処理 (N2:NH3 =1:
1の雰囲気中、570 ℃で3時間保持した後に油冷した)
を施した。
【0037】なお、比較のために供試材No.X1 について
は鍛伸後、焼準処理 (調質の1種であり、860 ℃で15分
間保持した後に空冷する) を行い、以後同様の処理を施
した。この焼準処理を施したX1材のガス軟窒化後の疲労
限度および曲げ矯正可能ひずみ量を本発明の目的値とし
た。
【0038】疲労試験は、室温・大気中にて繰り返し速
度50Hzで実施し、破断繰り返し数107 回となる応力振幅
を疲労限度と定義した。一方、3点曲げ試験は、室温大
気中にて発生ひずみが最大となる部位のひずみ速度 (約
100 μ/sec) で荷重を負荷し、ひずみ量が500 μとなる
毎に試験を中断し磁粉探傷にて割れの発生を調査した。
曲げ矯正可能ひずみ量は割れが検出される直前に磁粉探
傷時のひずみ量とした。
【0039】図2は、疲労限度と曲げ矯正可能ひずみ量
に及ぼす、各元素の添加量を示したものである。図より
Nは疲労限度および曲げ矯正可能ひずみ量いずれも効果
的に向上させる元素であり、本発明の目標であるS48C焼
準材以上のガス軟窒化後の疲労限度、曲げ矯正可能ひず
み量を得るためには、0.01%以上を添加する必要がある
ことがわかる。
【0040】また、Cr、Vの添加は疲労限度の向上には
有効であるが曲げ矯正可能ひずみ量を低下させることが
わかる。また、C、Si、Mnの添加の影響は小さいことが
わかる。
【0041】次に、3点曲げ試験片と同じ試験片を用い
て熱処理変形量を調査した。評価は、図3に示すよう
に、直径20mm×長さ400 mmの丸棒のガス軟窒化処理後の
変形量(δ) を測定することにより行った。全種類の供
試材 (X1〜X16)から各々10本ずつ任意に選択し、それら
の熱処理変形量を測定しその標準偏差を求めた。その結
果、X1〜X16 ではいずれも標準偏差が10〜20μm(ただし
供試材X9:31μm 、X10:35μm)であったのに対し、調質
処理を行った試材では46μm であった。これらのことか
ら窒化非調質鍛造品の方が窒化調質鍛造品よりも熱処理
変形量のバラツキが小さく、優れていることがわかっ
た。
【0042】実施例1 表2に示す各化学組成を有する鋼を50kg大気中溶解炉で
溶製した後、1150℃まで加熱し、鋼材温度が900 ℃を下
らぬように保持しつつ、直径30mm丸棒に熱間鍛伸した。
得られた丸棒から小野式回転曲げ疲労試験片と3点曲げ
用試験片 (直径20mm) を採取し、ガス軟窒化を施した。
その際のガス軟窒化は、ガス比N2:NH3=1:1の雰囲
気中において、試験片を570 ℃に加熱し3時間保持した
後、150℃の油中に浸す油冷を行った。
【0043】被削性の評価については、S48CにPbを0.05
%添加した鋼にて調質処理を施したものと同等の工具寿
命を有するものを合格とし、表3に○印で示した。試験
結果を表3に示す。本発明鋼は、疲労限度および曲げ矯
正可能ひずみの両方において目標値 [S48C焼準処理材の
ガス軟窒化後の疲労限度 (38kgf/mm2)、曲げ矯正可能ひ
ずみ量(15000μ)]を達していた。それに対し比較鋼、従
来鋼は、目標値を達成していない。
【0044】以上より本発明鋼において製造した本発明
の窒化非調質鍛造品は窒化処理後の疲労限度および曲げ
矯正可能ひずみ量が高く、優れた特性を有するものであ
ることがわかった。
【0045】
【表1】
【0046】
【表2】
【0047】
【表3】
【0048】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明にかかる窒
化非調質鍛造用鋼を原料として製造した窒化非調質鍛造
品は、窒化処理後の疲労特性・曲げ特性が、窒化調質鍛
造品のそれと同等であり、かつ熱処理変形量のバラツキ
は窒化調質鍛造品よりも小さいという優れた性能を有す
るものであり、従来行われている調質処理を省略できる
ことから、その経済的利益は大きく、実用上からも意義
ある発明である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a) は従来の鍛造品の製造工程を、図1
(b) は本発明に適用する製造工程をそれぞれ示す工程図
である。
【図2】疲労限度および曲げ矯正可能ひずみ量に及ぼす
各元素の添加量の影響を示すグラフである。
【図3】熱処理変形量の測定方法の説明図である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量比で、 C:0.30〜0.60%、 Si:0.05〜1.50%、 Mn:0.
    20〜2.00%、 P:0.02%以下、 S:0.04%以下、 Cr:0.
    30%以下、 Al:0.005 %以下、 N:0.01〜0.02%、 残部がFeならびに不可避不純物元素 ただし、不純物としてのVの含有量は0.01%以下、から
    成る鋼組成を有する窒化非調質鍛造用鋼。
  2. 【請求項2】 前記鋼組成がさらに、P:0.02〜0.07
    %、S:0.04〜0.10%、Ca:0.0003〜0.003 %、Pb:0.
    01〜0.20%から成る群から選んだ少なくとも1種を含む
    請求項1記載の窒化非調質鍛造用鋼。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載の鋼組成を有し、
    調質処理を施すことなく窒化処理を行って形成された窒
    化層を鋼の表面に備えたことを特徴とする窒化非調質鍛
    造品。
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