JPS582243B2 - 自動車用非調質鍛造部品の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、自動車用鍛造部品の低廉価な製造方法に関す
るものである。

従来、多くの自動車用鍛造部品は、中炭素鋼または低合
金鋼素材を用い、型打鍛造後焼入れ、焼戻し等の熱処理
を施して目的の強度に調整して実用に供されている。

しかしながら、最近業界において、エネルギー問題がク
ローズアップされこれらの鍛造部品を素材成形、すなわ
ち熱間型打成形時のエネルギーと、自動車用部品として
の機械的性質を満足させるための後熱処理すなわち、焼
入れ焼戻し、または焼準に熱エネルギーを要するため、
部品完成のコストの高騰化が余儀なくされてきている。

そこで本発明者等は、これらの部品コストの高騰化に対
し、素材ならびにその製造方法から種々検討した結果、
中炭素鋼ベースの素材に以下に示す合金元素を微量含有
させ、かつ型打鍛造後の余熱を利用して冷却速度をコン
トロールして基地（マトリックス）中に微細な炭窒化物
を析出させることにより、型打鍛造後の焼入れ焼戻し処
理もしくは焼準等の熱処理を行わなくても、自動車用部
品として要求される強度耐久性が充分満足でき、さらに
被削性の面でも、従来材の焼入れ焼戻し品に比して切削
効率の向上が得られることを見い出し本発明に到った。

すなわち、本発明はＣ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：
０． ３０ 〜０． ６ ０％、Ｍｎ：０．６０ 〜１
．２０％、Ｖ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．０２
〜０．０６％、Ｎ：０．００８ 〜０．０２％および必
要に応じてＣｒ：０．３０％以下、Ｐｂ：０．３％以下
、Ｓ：０．１３％以下を含有し、残余が実質的にＦｅか
らなる低合金鋼を素材として、１１００℃以上の温度に
加熱後、型打鍛造により成形し、そのまま１０〜１００
℃／ｍｉｎの冷却速度で空冷し、フエライト中に直径５
００Å以下の微細なＶ炭窒化物が均一に析出したフエラ
イト＋パーライト組織に調整したことを特徴とする自動
車用非調質鍛造部品の製造方法である。

以上のごとく、本発明は、素材の成分組成ならびに型打
鍛造後の冷却速度を組合せた製造方法であり、従来の焼
入れ焼戻しを施した部品と対比して同等の強度耐久性が
満足でき、そのうえ被削性の面でも効率の向上がなされ
るため、型打鍛造後の熱処理を不要とすることによる熱
エネルギーの節減と工程の簡略化と被削性の向上とによ
るコストダウンが可能となり、自動車用鍛造部品の大巾
な低廉化が可能となった。

次に本発明の製造方法に関する限定理由を以下に詳述す
る。

Ｃ：０．３０〜０．５０％ Ｃは引張強度を高め、さらにＶ・Ｃｒなどとの炭化物を
形成し、マトリックスの強化をはかるうえで不可欠な元
素であるが、０．３０％未満では鍛造後の空冷において
、強度が不足し、０．５０％を越えると炭化物の過剰析
出により必要以上に高硬度化し靭性が低下することから
０．３０〜０．５０％との範囲に限定した。

Ｓｉ：０．３０〜０．６０％ Ｓｉは脱酸以外に鍛造空冷後のマトリツクスのフエライ
トを強化する上で有効な元素であり、その含有量が０．
３０％未満では強度が不足し、また０．６０％以上含有
すると、靭性と被削性が低下するため０．３０％〜０．
６０％の範囲に限定した。

Ｍｎ：０．６０−１．２０％ Ｍｎは脱硫と焼入れ性の向上をはかるうえで、安価で有
効な元素であるが、０．６０％未満では強度が不足し、
また１．２０％以上含有すると鍛造空冷時に質量効果に
よる内外の硬度不均一を生じ被削性を低下させるため０
．６０〜１．２０％の範囲に限定した。

Ｖ：０．０５〜０．２０％ Ｖは本発明鋼の鍛造後の空冷処理において、ＣおよびＮ
との炭窒化物をつくり、マトリックスの強化をはかるた
めの重要な元素であり、その効果は０．０５％未満では
乏しく、また０．２０％以上含有すると強度上昇に拌う
靭性の低下が生ずるため０．０５〜０．２０％の範囲に
限定した。

Ａｌ：０．０２〜０．０６％ Ａｌは脱酸効果と結晶粒度の細粒化に効果のある元素で
あるが０．０２％以下ではその効果が乏しく、０．０６
％を越えても増量効果があまり期待できないことから０
．０２〜０．０６％の範囲に限定した。

Ｎ：０．００８〜０．０２％ ＮはＶ，Ｃとの炭窒化物を生成し、マトリックスの析出
強化をはかるうえで有効な元素であるが、０．００８％
未満では、その効果が乏しく、０．０２％を越えると靭
性が低下することから０．００８〜０．０２％の範囲に
限定した。

Ｃｒ：０．３０％以下 Ｃｒは、機械的性質の広汎な改善に有効な元素であるが
、本発明においては、硬度レベルの調整用として必要に
応じて０．３０％以下の範囲に限定した。

Ｐｂ：０．３０％以下、Ｓ：０．１３％以下Ｐｂおよび
Ｓは被削性の改善用として、部品の各加工ラインに合せ
、必要に応じて単独、または複合含有するもので、Ｐｂ
は０．３０％以下、Ｓは０．１３％以下の範囲に限定し
た。

なお、これら以外にＣｅ，Ｓｅ，Ｔｅ，ＢｉおよびＣｅ
等の被削性元素を０．２％を越えない範囲で単独または
被合含有してもよい。

型打鍛造前の加熱：１１００℃以上 型打鍛造前の加熱目的は素材自体の軟化と同時にＶをマ
トリックス中に完全に固溶化するものであり、１１００
℃以下の温度ではＶがマトリックス中に完全に固溶化せ
ず鍛造後の空冷処理によりＶの炭化物が微細に析出せず
マトリックスの強度が低下する、従って鍛造前の加熱温
度は１１００℃以上と限定した。

型打鍛造後の冷却速度：１０〜１００℃／ｍｉｎ型打鍛
造後の冷却速度の調整目的は、直径５００Å以下の微細
な炭窒化物を均一に析出させ、鍛造空冷処理のままで、
従来材の焼入れ焼戻し処理材と同程度の強度特性を確保
するところにある。

また炭窒化物の析出による強化を効果的に行うためには
マトリックス組織がフエライトとパーライトの混合組織
が望ましい。

従って型打鍛造後の冷却はＶの微細な炭窒化物が析出し
たフエライト＋パーライト組織が得られるような冷却条
件を選択する必要がある。

この冷却条件は素材の成分組成および型打成形部品の形
状を考慮して決定されるが、本発明者等の多くの実験に
よれば、鍛造終了後から５００℃に至るまでの温度範囲
を１０〜１００℃／ｍｉｎの冷却速度で降下させること
により、上記組織が得られることが確認された。

なお、この他に、特定温度に一定時間保持して変態を終
了させる等温処理を行ってもよい。

次に本発明を実施例にもとづいて詳細に説明する。

実施例 １ 第１表に示した成分組成を有する供試材の鍛造・加熱後
の処理について種々検討をするために、上記供試材の３
０ｍｍ■×１００ｍｌの丸棒を用い、１２００℃の温度
に加熱し充分均熱した後、冷却速度を５０℃／ｍｉｎに
制御しながら、そのまま常温まで冷却した。

なお供試材Ｎｏ．１は、本発明鋼と同条件での空冷処理
と、従来の自動車部品として用いられている場合の焼入
れ焼戻し処理（焼入れ：８５０℃、焼戻し：６００℃）
の２条件を比較のため行った。

上記処理を施した後の供試材について硬さおよびＪＩＳ
３号試験片におけるシャルピー衝撃値を測定し、その結
果を第２表に示す。

第２表から明らかなごとく供試材Ａ１の焼入焼戻し材で
は硬さがＨＲＣ２２でシャルピー衝撃値が６．０ｋｇ．
ｆ．ｍ／ｃｍ２程度の強度特性を示しているが、加熱後
徐冷処理したものは、ＨＲＣ１３と硬さが低く、自動車
用の鍛造調質部品で要求されている硬さレベル（目標値
ＨＲＣ２０）を確保できないことがわかる。

これに対し適量のＶを含有した供試材Ｎｏ．２， ３，
７および８の本発明材では、加熱後の徐冷により硬さ
がＨＲＣ２０を確保し、またシャルピー衝撃値も４．０
ｋｇ．ｆ．ｍ／ｃｍ２以上の値を示し、実用上特に問題
のない強度が維持できることが確認できた。

ただしＶならびにＣの高い供試材Ｎｏ．４およびＮｏ．
６ではいずれも硬さは充分高い値を示すが衝撃値が低い
ため好ましくないこともわかった。

また被削性の面からＰｂとＰｂ，Ｓを含有した供試材屋
７，８について強度特性が懸念されたが、Ｐｂのみ含有
の４７は全く問題なく、Ｐｂ＋Ｓ複合含有のＮｏ．８は
シャルピー値が若干低下するが、実用面上充分対処可能
なレベルにあることが確認できた。

以上の結果より、ＣおよびＶを適量含有した本発明材は
加熱後の冷却速度を制御することにより、従来の焼入れ
、焼戻し材にほぼ匹敵する強度特性が得られることを確
認した。

実施例 ２ ■を含有する低合金鋼において鍛造加熱後の最適な冷却
条件を確認するために各種の処理を行った。

供試材は第１表に示したＮｏ．２およびＮｏ．３を用い
、これを１０００〜１２００℃の温度に加熱し、充分固
溶させた後、供試材の温度が５００℃に到達するまで冷
却速度を種々変えて処理を行い各供試材の硬さ、衝撃値
、および炭化物の形態を調査した。

その結果を第３表に示す。同表に示すごとく、供試材の
硬さおよびシャルピー衝撃値は、加熱温度と、その後の
冷却速度により大きく影響されることがわかる。

即ち、加熱温度が１０００℃程度ではＨＲＣ２０の硬さ
を維持することが困難であり、鍛造する際の加熱温度は
１１００℃以上にする必要があることを確認した。

また加熱後の冷却については冷却速度が遅いと目標硬さ
が得られず、逆に冷却速度が早いと高硬さが得られる反
面、シャルピー衝撃値が低下するため好ましくなく、最
適な冷却速度の範囲は１０〜１００℃／ｍｉｎであるこ
とが確認された。

この結果は、供試材のマトリックス組織およびマトリッ
クス中に析出した炭窒化物粒子の大きさによりほぼ決定
されることを確認した。

すなわち、加熱温度が低くＶの固溶が充分でない場合に
は材料の強化に寄与するＶ炭窒化物の析出が少く目標硬
さの確保が困難である。

一方鍛造後の冷却速度が早すぎると炭窒化物の析出が生
じず主にペイナイトの生成による硬化が進み衝撃値の低
下をみる。

従って自動車用鍛造部品として好適な性能を得るために
は微細な炭窒化物粒子、即ち平均直径５００Å以下の粒
子をフエライト＋パーライト組織中に均一に析出させる
必要があり、そのような組織状態が得られるような冷却
条件を設定することにより、本発明の目的を達成するこ
とを確認した。

実施例 ３ 第１表に示した供試材のうちＮｏ．１（従来鋼）および
Ｎｏ．２，３，７，８を用い、Ｎｏ．１については自動
車用鍛造調質部品（ここでは足廻り部品）の製造条件に
合せた、焼入れ焼戻し処理を施し、Ｎｏ２，３，７およ
び８については型打鍛造における加熱温度に加熱し、そ
の後５００℃までの冷却速度を２０℃／ｍｉｎに調整し
ながら降温した冷却処理を施した。

各供試材ともＨＲＣ２０程度の硬さを示したが、ミクロ
組織については、従来鋼と本発明鋼の間に大きな差が認
められた、即ちＮｏ．１鋼では充分に焼戻しされたソル
バイト組織であるのに対し、Ｎｏ．２，３，７および８
鋼ではフエライト＋パーライト組織であってかつ微細に
炭窒化物が均一に分布している組織状態を呈していた。

次に、上記処理を施した各供試材についてドリルによる
穿孔テストを行い被削性を確認した。

その試験条件および試験結果を第４表にまとめて示した
。

同表から明らかなごとく、本発明鋼の被削性は、同一硬
度レベルに焼入れ焼戻しされたＮｏ．１鋼に比較して極
めて良好であることが確認された。

このすぐれた被削性はミクロ組織に起因するものであり
、本発明法のごとく冷却速度の調整により、フエライト
＋パーライト組織が生成されるため、従来材のようなソ
ルバイト組織に比較して被削性の面でも有利であること
が確認された。

また本発明鋼の中でより被削性の向上を狙って、Ｐｂ単
独またはＰｂ，Ｓを複合含有したＮｏ．７ならびに屋８
はフエライト＋パーライト組織の良好な被削性を更に一
段と向上させることが確認され、このようなすぐれた被
削性は中炭素鋼の焼準部材や鋳鉄の鋳放し部材にも匹敵
することから、これらの部品の高強度化ならびに軽量化
のニーズに対し現状の加工設備のままで対応できる極め
てすぐれた特徴が確認された。

実施例 ４ 第１表に示した供試材のうち従来鋼であるＮｏ．１およ
び本発明材であるＮｏ．２，７を用いて参考写真に示す
ような自動車足廻り部品のフロントハブの製造に際して
Ｎｏ．１の従来鋼の場合一方を型打鍛造後通常の焼入れ
焼戻し処理（Ｈ：８５０℃×１ｈｒ，・Ｔ：６００℃×
２ｈｒ）により調整し、もう一方を本発明材のＡ２およ
びＡ７と同じ条件すなわち型打鍛造後の冷却速度を２０
℃／ｍｉｎに制御して冷却した。

第５表に製造したフロントハブの機械的性質および、フ
ロントハブ実体での耐久テスト結果を示した。

なおフロントハブ実体の耐久テスト方法は特殊設計した
ホイル代替用治具にハブボルトを介して結合し、台上回
転曲げ耐久テスト装置にて、曲げモーメント：２００ｋ
ｇ．ｍの負荷を与えフロントハブ自体の破壊寿命を確認
した。

同表から明らかなごとく、供試材Ｎｏ．１の従来鋼から
製造したフロントハブについては、焼入れ焼戻し処理に
より約８０ｋｇ．ｆ／ｍｉｎの引張強度が得られるが本
発明法のように型打鍛造後の冷却速度を調整したものは
、焼入れ焼戻し処理を施した材料と同程度の機械的強度
特性は得られないことを示している。

またフロントハブの実体耐久テストにおいても機械的性
質と同様に従来鋼の冷却速度を制御したものは寿命が短
かく本発明法による供試材Ｎｏ．２およびＮｏ．７はＰ
ｂ含有の有無に関係なく従来の焼入れ焼戻し材と同等の
耐久寿命を有することが確認できた。

なお、本実施例においては、フロントハブについてのみ
述べたがこの他にナックル、ハブキャリア等の従来鍛造
調質している部品に全て応用でき、また被削性のすぐれ
た効果により、従来鍛造焼準じている部品ならびに鋳物
部品等にも応用できることも確認している。

以上、詳述したごとく本発明法による自動車用非調質鍛
造部品の製造方法は、従来の中炭素鋼を用い型打鍛造後
、焼入れ焼戻し処理を行う製造方法に対し、中炭素鋼ベ
ースの成分にＶを微量含有した低合金鋼を型打鍛造後余
熱を利用して冷却速度を調整することにより、従来の焼
入れ焼戻し処理材と同等の強度耐久性が満足でき、かつ
鍛造後の冷却処理と成分組成の最適なマッチングにより
、被削性の向上をも期待できる特徴を有し、自動車用鍛
造部品の低廉価で高強度化もしくは軽量化の可能な製造
方法として極めて有効である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ Ｃ：０．３０ 〜０．５０％Ｓｉ： ０．３ ０
   〜０．６ ０％、Ｍｎ：０．６〜１．２０％、Ｖ：０．
   ０５〜０．２０％、Ａｌ：０．０２〜０．０６％、Ｎ：
   ０．０ ０ ８〜０．０ ２％および必要に応じてＣｒ
   ：０．３０％以下、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｓ ： ０
   ．１ ３％以下を含有し、残余が実質的にＦｅからなる
   低合金鋼を素材として、１１００℃以上の温度にて型打
   鍛造により成形し、その後５００℃まで１０〜１００℃
   ／ｍｉｎの冷却速度で空冷し、フエライト中に直径５０
   ０Å以下の微細な■炭窒化物が均一に析出したフエライ
   ト＋パーライト組織に調整したことを特徴とする自動車
   用非調質鍛造部品の製造方法。