JPH10137888A

JPH10137888A - 耐摩耗性に優れた熱間鍛造部品の製造方法

Info

Publication number: JPH10137888A
Application number: JP30158296A
Authority: JP
Inventors: Toyoaki Eguchi; 豊明江口
Original assignee: Toa Steel Co Ltd
Current assignee: Toa Steel Co Ltd
Priority date: 1996-11-13
Filing date: 1996-11-13
Publication date: 1998-05-26
Anticipated expiration: 2016-11-13
Also published as: JP3756272B2

Abstract

(57)【要約】【課題】焼入れ焼戻しや、切削後の表面硬化処理を施
すことなく、耐フレッチング磨耗に優れた熱間鍛造部品
の製造が可能となる。【解決手段】 C:0.40から0.60% 、Si:0.01 から0.50%
、Mn:0.3から2.0%、Cr:0.01 から2.00% 、V:0.03から
0.20% 、N:0.0050から0.0200%(以上、重量%)、残部：鉄
および不可避的不純物からなり、Ceq=C ＋Si/7＋Mn/5＋
Cr/9＋1.5Vによって表される炭素等量が0.80から1.10%
の範囲内の鋼を、1150から1300℃の範囲内の加熱温度の
もとで所望の部品形状に熱間鍛造して、鍛造まま部品を
調製し、次いで、このようにして調製した前記鍛造まま
部品を、0.2 から10℃/secの範囲内の冷却速度で空冷し
て、ブリネル硬さ(HB):250から290 、降伏応力(YP)600N
/mm²以上、伸び(El):15%以上、且つ、フェライト面積率
(f_F) が5%以下のパーライトを主体とする金属組織を有
する粗部品を調製し、次いで、このようにして調製した
前記粗部品における他部品との嵌合い部を、前記嵌合い
部の表面粗さが5 から25μm の範囲内になるように仕上
げ加工を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、耐摩耗性に優れ
た熱間鍛造部品の製造方法、特に、圧入されるベアリン
グ等の部品との嵌合い部に生じるフレッチング（微小滑
り）摩耗を大幅に軽減することができる、耐摩耗性に優
れた熱間鍛造部品の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車のクランクシャフト、ハブ等の機
械部品は、従来Ｓ４５Ｃに代表される機械構造用鋼を熱
間鍛造して、鍛造まま部品を調製し、次いで、このよう
にして調製した鍛造まま部品に焼入れ焼戻し処理を施し
て、即ち、調質処理を施して粗部品を調製し、次いで、
このようにして調製した粗部品に仕上げ加工を施して製
造される。このように鍛造まま部品に調質処理を施すの
は、製品部品に強靱性を持たせるためである。

【０００３】しかしながら、工程省略、省エネルギー化
の観点から、鍛造後に放冷または風冷ままで所望の強靱
性を得ることができる非調質鋼が広く採用されている。
このような非調質鋼からなる熱間鍛造まま部品は、調質
処理が施こされることなく、そのまま冷却され、次い
で、軸部に切削等の機械加工が施こされて製品部品に仕
上げられる。

【０００４】上記機械部品が例えばクランクシャフトで
ある場合、クランクシャフトが繰返し曲げを受けると、
クランクシャフトに圧入されるベアリングのインナーレ
ースとクランクシャフトとの嵌合い部に応力が集中する
結果、この嵌合い部にフレッチングによるフレッチング
摩耗が生じる。このフレッチング摩耗の程度が進行する
と、クランクシャフトとしての機能が失われる。

【０００５】図１および図２を参照しながらフレッチン
グ摩耗について説明する。図１は、車軸１とこれにプレ
スばめされたベアリング２との嵌合い部における応力分
布を示す図である。図２は、ベアリング２との嵌合い部
において上下方向に繰返し曲げを受ける車軸１を示す概
念図である。

【０００６】図１および図２に示すように、フレッチン
グ摩耗は、車軸１とベアリング２との嵌合い部におい
て、最も大きな応力（Ｐ）を受ける部分、即ち、嵌合い
部の両端部３において生じやすい。

【０００７】従来の非調質鋼は、例えば、特開昭６２−
９６６５３号公報、特開平４−９９２４９号公報、特開
平７−２３３４３５号公報に開示されているように、フ
ェライト＋パーライト組織を基本とするものであって、
靱性を確保する点からもフェライトの面積率が１０から
４０％と高かった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フェラ
イト相は、軟質で面圧のかかった状態において１０から
１００μｍのフレッチングが繰り返されると、この軟質
なフェライト相に応力が集中する結果、変形しやすくな
り、このために磨耗粉が生じる。この磨耗粉は、赤褐色
に酸化したざらざらした酸化磨耗粉である。この酸化磨
耗粉は、一般の滑り磨耗と異なり、磨耗面から排出され
ない。従って、磨耗が更に磨耗を促進することになる。

【０００９】このようなことから、従来の非調質鋼は、
熱間鍛造ままで使用することができないので、上述した
ような嵌合い部には、高周波焼入れ、あるいは、タフト
ライド等の表面硬化処理を施して、耐磨耗性の向上を図
る必要があった。

【００１０】しかしながら、このような表面硬化処理を
行うことは製造工程が増えることになって、コスト増に
つながっていた。本願発明者は、上述したような問題点
に鑑み、耐磨耗性に優れた熱間鍛造部品の製造方法を開
発すべく鋭意研究を重ねた。この結果、以下のような知
見を得た。フレッチング磨耗の特徴は、著しい酸化磨耗粉の形
成であり、磨耗過程における酸化磨耗粉は、アブレシブ
（研磨）作用として磨耗を促進する作用を有しているこ
とは上述した通りである。そこで、この酸化磨耗粉によ
るアブレシブ磨耗を防止することが重要になる。そのた
めに酸化磨耗粉の発生原因となる応力が集中する軟質な
フェライト相を極力少なくし、できれば、その発生を抑
止して、硬質なパーライト単相組織とすることが望まし
い。従来の非調質鋼の欠点は、降伏応力（ＹＳ）が低い
ことである。磨耗は、表層部の鋼が組成変形することに
よって進行することから、磨耗を抑制するには、鋼を組
成変形しにくくする必要がある。即ち、磨耗を抑制する
には、降伏応力を従来の調質鋼並みに高くする必要があ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、上述したよ
うな知見に基づきなされたものであって、請求項１記載
の発明は、Ｃ：０．４０から０．６０％、Ｓｉ：０．０
１から０．５０％、Ｍｎ：０．３から２．０％、Ｃｒ：
０．０１から２．００％、Ｖ：０．０３から０．２０
％、Ｎ：０．００５０から０．０２００％（以上、重量
％）、残部：鉄および不可避的不純物からなり、下式Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋１．５Ｖによって表される炭素等量（Ｃｅｑ）が０．８０から
１．１０％の範囲内の鋼を、１１５０から１３００℃の
範囲内の加熱温度の基で所望の部品形状に熱間鍛造し
て、鍛造まま部品を調製し、次いで、このようにして調
製した前記鍛造まま部品を、０．２から１０℃／ｓｅｃ
の範囲内の冷却速度で空冷して、下記機械的性質を有
し、ブリネル硬さ（ＨＢ）：２５０から２９０、降伏応力（ＹＰ）：６００Ｎ／ｍｍ²以上、伸び（Ｅｌ）：１５％以上、且つ、フェライト面積率（ｆ_F）が５％以下のパーライ
トを主体とする金属組織を有する粗部品を調製し、次い
で、このようにして調製した前記粗部品における他部品
との嵌合い部を、前記嵌合い部の表面粗さが５から２５
μｍの範囲内になるように仕上げ加工を施すことに特徴
を有するものである。

【００１２】請求項２記載の発明は、前記鋼は、Ｔｉ、
ＮｂおよびＡｌのうちの少なくとも１種を、０．００５
から０．１００重量％の範囲内で更に含んでいることに
特徴を有するものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、この発明における必須成分
元素を、上述したように限定した理由について説明す
る。

【００１４】Ｃ（炭素）：炭素は、鋼の強度を確保する
上および組織をパーライトにする上で重要な元素であ
る。しかしながら、炭素含有量が０．４０重量％（以
下、単に％と記載する。）未満では、組織をパーライト
にすることが困難である。一方、炭素含有量が０．６０
％を超えると鋼の強度が高くなり過ぎて、切削性が低下
するばかりか、靱性も低下する。従って、この発明にお
いては、炭素含有量を、０．４０から０．６０％の範囲
内に限定した。

【００１５】Ｓｉ（シリコン）：シリコンは、脱酸材と
して重要な元素であり、このために、０．０１％以上含
有させる必要がある。一方、シリコンは、フェライト形
成元素であり、その含有量が０．５０％を超えるとフェ
ライトが発生しやすくなると共に介在物が増加して、靱
性が低下する等の問題が生じる。従って、この発明にお
いては、シリコン含有量を０．０１から０．５０％の範
囲内に限定した。

【００１６】Ｍｎ（マンガン）：マンガンは、鋼の靱性
を確保するのに重要な元素であり、硫化鉄（ＦｅＳ）の
発生を防止して靱性を確保するには、０．３％以上含有
させる必要がある。一方、マンガン含有量が２．０％を
超えると、鋼が硬くなり過ぎて、靱性が低下する等の問
題が生じる。従って、この発明においては、マンガン含
有量を、０．３から２．０％の範囲内に限定した。

【００１７】Ｃｒ（クロム）：クロムは、鋼の焼入れ性
を高めて、フェライトの発生を抑制するのに重要な元素
であり、この目的を達成するために、０．０１％以上含
有させる必要がある。一方、クロム含有量が２．００％
を超えると組織の中にベイナイトが混在する割合が高く
なって、靱性が低下する。従って、この発明において
は、クロム含有量を。０．０１から２．００％の範囲内
に限定した。

【００１８】Ｖ（バナジウム）：バナジウムは、窒素と
結合して鍛造後の冷却中に窒化物（ＶＮ）を析出させて
鋼を強化し、降伏応力を高めるのに重要な元素であり、
この目的を達成するために、０．０３％以上含有させる
必要がある。一方、バナジウム含有量が０．２０％を超
えると、バナジウムは、フェライトを形成しやすくなる
ので、フェライトの面積率が多くなる。従って、この発
明においては、バナジウム含有量を、０．０３から０．
２０％の範囲内に限定した。

【００１９】Ｎ（窒素）：窒素は、バナジウムの析出硬
化を有効なものにするために必要であるが、窒素が０．
００５０％未満では、降伏応力（ＹＳ）を高めるのに、
多量のバナジウムが必要となる。一方、窒素含有量が
０．０２００％を超えても、上述した効果は変わらない
ばかりか、靱性が低下する。従って、この発明において
は、窒素含有量を、０．００５０から０．０２００％の
範囲内に限定した。

【００２０】次に、上記必須成分元素に付加的に添加す
る付加的成分元素を、上述したように限定した理由につ
いて説明する。Ｔｉ（チタン）：チタンは、結晶粒を微細化して鋼の靱
性を確保する作用を有している。従って、この発明にお
いては、必要に応じて、チタンを付加的に添加する。し
かしながら、チタン含有量が０．００５％未満では、上
述した作用による効果が十分に現れない。一方、チタン
含有量が０．１００％を超えても、上述した作用による
効果は変わらないばかりか、逆に、靱性を低下を低下さ
せる。従って、チタン含有量は、０．００５から０．１
００％の範囲内に限定した。

【００２１】Ｎｂ（ニオブ）：チタンと同様な理由によ
って、ニオブ含有量は、０．００５から０．１００％の
範囲内に限定した。Ａｌ（アルミニウム）：チタンと同様な理由によって、
アルミニウム含有量は、０．００５から０．１００％の
範囲内に限定した。

【００２２】なお、上記成分元素の他に、鋼には、不可
避的不純物として、Ｐ（燐）、Ｃｕ（カッパ）等が含ま
れている。また、切削性を向上させるために、Ｓ（硫
黄）、Ｃａ（カルシウム）、Ｐｂ（鉛）等の快削性向上
元素を添加しても良い。更に、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｏ
（モリブデン）等を焼入れ性向上のために添加しても良
い。

【００２３】次に、下式で表される炭素等量（Ｃｅｑ）
を、上述したように限定した理由について説明する。Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋１．５Ｖ炭素等量が０．８０％未満では、所望の硬さが得られ
ず、一方、１．１０％を超えると、硬くなり過ぎて、切
削性および靱性が低下する。従って、この発明において
は、炭素等量を０．８０から１．１０％の範囲内に限定
した。

【００２４】次に、熱間鍛造の際の加熱温度を、上述し
たように限定した理由について説明する。加熱温度が１
１５０℃未満では、鍛造時の鋼の変形抵抗が大きく、鍛
造治具の寿命が短くなる。一方、加熱温度が１３００℃
を超えると、オーステナイト粒が粗大化して、鍛造部品
に十分な靱性を確保することができない。従って、この
発明においては、熱間鍛造の際の加熱温度を１１５０か
ら１３００℃の範囲内に限定した。

【００２５】次に、鍛造後の冷却速度を、上述したよう
に限定した理由について説明する。冷却速度が０．２℃
／ｓｅｃ未満では、所望の強度を得ることが困難であ
り、しかも、組織内のフェライト面積が多くなってフレ
ッチング磨耗が生じやすくなる。一方、１０℃／ｓｅｃ
を超える冷却速度は、強力な扇風機を使用しても得るこ
とが困難であり、水冷、油冷等、他の冷却手段を採用す
る必要がある。従って、設備費が高くなり非調質鋼のメ
リットが相殺されてしまう。従って、この発明において
は、鍛造後の冷却速度を０．２から１０℃／ｓｅｃの範
囲内に限定した。

【００２６】次に、機械的性質を、上述したように限定
した理由について説明する。ブリネル硬さ（ＨＢ）を２
５０から２９０の範囲内に限定したのは、ブリネル硬さ
が２５０未満では、部品の疲労強度を確保することがで
きず、一方、２９０を超えると、切削性が低下するから
である。

【００２７】降伏応力（ＹＰ）を６００Ｎ／ｍｍ²以上
に限定したのは、次の理由による。即ち、部品の磨耗
は、相手材との接触部分が塑性変形することによって進
行する。この塑性変形を抑制するためには、降伏応力を
６００Ｎ／ｍｍ²以上に限定する必要があるからであ
る。

【００２８】伸び（Ｅｌ）を１５％以上に限定したの
は、次の理由による。即ち、自動車の足廻り部品には、
突然の衝撃により折損しないように、高い靱性が要求さ
れる。この高い靱性を確保するためには、伸びを１５％
以上に限定する必要があるからである。

【００２９】次に、フェライト面積率（ｆ_F）が５％以
下のパーライトを主体とする金属組織に限定するのは、
次の理由による。即ち、フェライト＋パーライト組織中
のフェライトが５％を超えると、軟質なフェライト相に
応力が集中して、磨耗が促進する。磨耗を抑制するに
は、フェライト面積率が５％以下、望ましくは、０％で
あることが必要である。このとき、パーライト中には、
靱性を低下させない範囲内において、ベイナイト等の低
温変態組織が一部混入することは差し支えない。

【００３０】次に、他部品との嵌合い部の表面粗さが５
から２５μｍの範囲内になるように、切削等により仕上
げ加工するのは、以下の理由による。部品の表面粗さ
は、フレッチング磨耗に大きな影響を及ぼす。図３に、
車軸１と、これより粗い表面を有するベアリング２との
接触の概念図を示す。図３に示すように、車軸１の表面
がある程度粗いときには、車軸１の表面の山部１Ａが弾
性変形して接線方向（Ｓ）の動きを吸収する。また、車
軸１表面の山部１Ａがベアリング２と接触することによ
って発生した酸化磨耗粉は、車軸１表面の谷部１Ｂ内に
入り込むことによって、磨耗の進行が抑制される。

【００３１】しかしながら、車軸１の表面粗さが５μｍ
未満では、上述した磨耗の進行の抑制効果が十分に現れ
ず、一方、２５μｍを超えても、上述した効果は変わら
ない。

【００３２】上述した現象を実証するために、次のよう
な試験を行った。試験片は、後述する表１における本発
明試験片Ｎｏ．１を使用した。そして、切削により表面
粗さを変化させて、表面粗さとフレッチング磨耗量との
関係について調べた。この結果を図４に示す。図４から
明らかなように、表面粗さが５μｍ未満では、フレッチ
ング磨耗量が急激に増加するが、表面粗さが２５μｍを
超えてもフレッチング磨耗量は顕著に変化しないことが
分かった。

【００３３】フレッチング磨耗試験は、図５の概略図で
示すフレッチング磨耗試験装置により、次のようにして
行った。即ち、台座４上に、両側にベアリング２を嵌め
込んだ車軸１を固定部材５を介して固定し、ベアリング
２に、振動数：４０Ｈｚ、振幅：８０μｍの条件で上下
に１００万回振動を加振機６によって付与した。そし
て、このときの車軸１のフレッチング磨耗量を測定し
た。フレッチング磨耗量は、車軸１に付着した酸化磨耗
粉を刷毛で取り除いた後の車軸１の重量を測定し、その
重量損失によって求めた。

【００３４】従って、この発明においては、他部品との
嵌合い部の表面粗さを５から２５μｍの範囲内に限定し
た。次に、この発明を実施例によって更に詳細に説明す
る。

【００３５】表１に示す成分組成および炭素等量を有す
る７０ｍｍφの鋼材Ｎｏ．１からＮｏ．１６を１１５０
から１３００℃の範囲内の温度に加熱し、それぞれ熱間
鍛造して自動車部品としてのハブを調製した。次いで、
このようにして調製した鍛造ままハブを、ブリネル硬さ
（ＨＢ）、降伏応力（ＹＰ）、伸び（Ｅｌ）およびフェ
ライト面積率（ｆ_F）が表１に示すような値となるよう
に、０．２から１０℃／ｓｅｃの範囲内の冷却速度で空
冷した。

【００３６】次いで、このようにして空冷した鍛造まま
ハブに、切削によって仕上げ加工を施して、表１に示す
ような表面粗さを有する製品ハブを製造した。なお、Ｎ
ｏ．１７の従来鋼Ｓ４５Ｃによる製品ハブは、鍛造後、
焼入れ焼戻し処理を施して製造したものである。

【００３７】そして、このようにして製造した製品ハブ
から本発明試験片、比較試験片および従来試験片を切り
出し、各試験片を、引張試験、硬さ試験、組織試験およ
びフレッチング磨耗試験に供した。フレッチング磨耗試
験は、上述したフレッチング磨耗試験装置により行っ
た。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１から明らかなように、炭素等量、ブリ
ネル硬さ（ＨＢ）、降伏応力（ＹＰ）、伸び（Ｅｌ）お
よびフェライト面積率（ｆ_F）が何れも本発明範囲内で
ある本発明試験片Ｎｏ．１からＮｏ．８は、フレッチン
グ磨耗量が比較試験片および従来試験片より少なく、後
述する調質材である従来試験片Ｎｏ．１７と同等かそれ
以上の優れた特性を有していた。

【００４０】これに対して、比較試験片Ｎｏ．９は、
Ｃ、Ｍｎ含有量およびＣｅｑの値が本発明範囲を下回
り、このためにＨＢ、ＹＰが本発明範囲より低く、フェ
ライト面積率は、本発明範囲を上回っていた。従って、
フレッチング磨耗量は、本発明試験片より多かった。比
較試験片Ｎｏ．１０は、Ｃ含有量およびＣｅｑの値が本
発明範囲を上回るために、ＨＢが本発明範囲より高く、
組織もベイナイトであった。従って、フレッチング磨耗
量は、それほど多くないものの、Ｅｌが本発明範囲より
低かった。比較試験片Ｎｏ．１１は、Ｍｎ含有量が本発
明範囲を上回り、Ｖ含有量が本発明範囲を下回るために
ＹＰが本発明範囲より低かった。従って、フレッチング
磨耗量は、本発明試験片より多かった。比較試験片Ｎ
ｏ．１２は、Ｃｒ含有量が本発明範囲を上回るために、
Ｅｌが本発明範囲より低かった。比較試験片Ｎｏ．１３
は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｎが何れも本発明範囲を上回るため
に、Ｅｌが本発明範囲より低かった。比較試験片Ｎｏ．
１４は、Ｔｉが本発明範囲を上回り、Ｎが本発明範囲を
下回るので、ＹＰが本発明範囲より低かった。従って、
フレッチング磨耗量は、本発明試験片に比べて多かっ
た。

【００４１】また、非調質材である従来試験片Ｎｏ．１
５およびＮｏ．１６は、何れもフェライト面積率が本発
明範囲を上回るので、フレッチング磨耗量は、本発明試
験片に比べて著しく多かった。これに対して、調質材で
ある従来試験片Ｎｏ．１７は、Ｅｌおよびフレッチング
磨耗量共に、優れた特性を有していた。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、焼入れ焼戻しや、切削後の表面硬化処理を施すこと
なく、耐フレッチング磨耗に優れた熱間鍛造部品の製造
が可能となるといった有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】車軸とこれにプレスばめされたベアリングとの
嵌合い部における応力分布を示す図である。

【図２】ベアリングとの嵌合い部において上下方向に繰
返し曲げを受ける車軸を示す概念図である。

【図３】車軸と、これより粗い表面を有するベアリング
との接触状態を示す概念図である。

【図４】表面粗さとフレッチング磨耗量との関係を示す
グラフである。

【図５】フレッチング磨耗試験装置を示す概略図であ
る。

【符号の説明】

１：車軸１Ａ：山部１Ｂ：谷部２：ベアリング３：嵌合いの端部４：台座５：固定部材６：加振機

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：０．４０から０．６０％、Ｓｉ：０．０１から０．５０％、Ｍｎ：０．３から２．０％、Ｃｒ：０．０１から２．００％、Ｖ：０．０３から０．２０％、Ｎ：０．００５０から０．０２００％（以上、重量
％）、残部：鉄および不可避的不純物からなり、下式Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋１．５Ｖによって表される炭素等量（Ｃｅｑ）が０．８０から
１．１０％の範囲内の鋼を、１１５０から１３００℃の
範囲内の加熱温度のもとで所望の部品形状に熱間鍛造し
て、鍛造まま部品を調製し、次いで、このようにして調
製した前記鍛造まま部品を、０．２から１０℃／ｓｅｃ
の範囲内の冷却速度で空冷して、下記機械的性質を有
し、ブリネル硬さ（ＨＢ）：２５０から２９０、降伏応力（ＹＰ）：６００Ｎ／ｍｍ²以上、伸び（Ｅｌ）：１５％以上、且つ、フェライト面積率（ｆ_F）が５％以下のパーライ
トを主体とする金属組織を有する粗部品を調製し、次い
で、このようにして調製した前記粗部品における他部品
との嵌合い部を、前記嵌合い部の表面粗さが５から２５
μｍの範囲内になるように仕上げ加工を施すことを特徴
とする、耐摩耗性に優れた熱間鍛造部品の製造方法。
【請求項２】前記鋼は、Ｔｉ、ＮｂおよびＡｌのうち
の少なくとも１種を、０．００５から０．１００重量％
の範囲内で更に含んでいることを特徴とする、請求項１
記載の方法。