JPS63274719A - 強靭ボロン鋼を用いる熱間鍛造焼入れ品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は強靭ボロン鋼を用いる熱間鍛造焼入れ品の製造
方法に係り、省アロイ、省エネルギー。

省プロセス効果の大きい熱間鍛造部品の製造方法に関す
るものである。

〔従来の技術〕

機械構造用合金鋼を素材とする熱間鍛造により作成する
機械構造用部品等は、鍛造放冷後群加熱して焼入れ焼戻
しを施し、所要の機械的性質を付与して使用に供される
。これらの高強度強靭性を要求される重要な部品の素材
は、周知のようにＣｒ。

Ｍｏ、　Ｎｉなどの高価な合金元素が多量添加されてい
る。

近年、鋼材の焼入れ性をボロン（Ｂ）添加で確保するこ
とで高価な合金元素の添加量を節減あるいは省略し、か
つ、鍛造焼入れで所要の強度特性を得る熱間鍛造部品の
製造方法が一部で実用化されている。この場合、合金代
替鋼として主流をなしているものは、機械構造用マンガ
ン鋼（ＳＭｎ）系を基本とするＢ添加鋼とクロムモリブ
デンｍ（ＳＣＭ）系を基本とするＢ添加鋼である。これ
ら鋼材を用いる鍛造焼入れ部品は、Ｃ含有量が０．３５
％程度以上となると焼割れの危険性があるため、当該製
造プロセスは自ずと限定される。また、強度特性として
現状では、例えば、ニッケルクロムモリブデン鋼を代替
するような範囲にまでは至っていない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

現状の合金代替鋼は上記したようにＣ含有量が０．３５
％以上となると焼割れの危険性があるため、鍛造焼入れ
の長所をいかすことができない、また、合金元素添加量
を省略した代替鋼は、ニッケルクロムモリブデン鋼のよ
うな強度特性をカバーすることができない、また、これ
らの鋼材では、熱間鍛造時におけるスケールの剥離性が
悪く、作業性を著しく阻害する問題がある。

本発明は従来鋼の上記三つの問題を解決した鍛造部品の
製造方法で、その目的は、鋼材として従来合金鋼に含有
される高価な合金元素を省略または少量にとどめても焼
入れ性を損なうことなく、かつ、鍛造後の直接焼入れで
も焼割れが生じることなく、さらに、熱間鍛造時におけ
るスケールの剥離性が良好な熱間鍛造部品の製造方法を
提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の強靭ボロン鋼を用いる熱間鍛造焼入れ品の製造
方法の特徴とするところは、 重量％で Ｃ：　０．２０〜０．２７％、　　Ｓｉ：０．１５％以
下Ｍｎ　：　１．８０〜２．８０％、　　Ｃｒ　：　０
．２５〜０．５０％Ｃｕ：０．１３％以下、　　Ｓｏｌ
、Ａｊ！　：　　０．００５〜０．０１５％Ｔｉ　：　
０．０１０〜０．０３０％、　Ｎｂ：　０．０２０〜０
．０５０％Ｂ　：　０．００２０〜０．００５０％を含
有し、残部が実質的に鉄および不可避不純物よりなる熱
間圧延鋼材を、１０００〜１３００℃の温度に加熱し、
その後鍛造し、次いで９５０℃以上の温度で任意温度の
冷却水中に鍛造焼入れすることである。

本発明の方法において、鍛造焼入れ品の素材として用い
る鋼材の成分含有量の設定理由について説明する。なお
、本発明の要旨は、重量％で、上記したように、 Ｃ：　０．２０〜０．２７％、　Ｓｔ：　０．１５％以
上、　Ｍｎ：　１．８０〜２．８０％、　Ｃｒ＋　０．
２５〜０．５０％、　Ｃｕ：　０．１３％以下。

Ｓｏｌ、Ａｊ！　：　０．００５〜０．０１５％、　　
Ｔｉ　：　０．０１０〜０．０３０％、　　Ｎｂ：　０
．０２０〜０．０５０％、　　Ｂ　：　０．００２０〜
０．００５０％　であり、残りは実質的にＰａよりなる
。

鍛造焼入れ時における焼割れを防止する１通焼入れ温度
、鍛造作業性の向上を図るために、スケールの剥離性を
容易にするＳｉｒ　Ａｔの最適添加量とＣｕ含有量の効
果、さらに↑Ｌ、Ｎｂ含有量組含有量上るＢの焼入性助
長効果等を見出し本製造方法を発明するに至った。

本発明者らは、第１表に示す鋼を実機（７０トン電気炉
）溶製し、実機圧延により径８５０の棒鋼を製造し供試
材とした。

Ｃ！　０．２０〜０．２７％ Ｃは鍛造品の強度を確保するために欠くことのできない
元素である。高強度強靭性を付与することおよび焼入性
を上げることを狙いとして、含有量の下限は強度確保上
から０．２０％とし、上限は０．２７％としている。そ
の０．２７％を超えると高靭性が得がたく、また、Ｂ添
加による焼入性の向上効果が減少し、結果として部品の
総合強度が低下すること、また、焼割れの危険性も増大
するからである。

Ｓｉ　：　０．１５％以下 Ｓｉは脱酸に必要な元素で、真空脱ガス精錬法によれば
、添加量が０．１０％程度で充分な脱酸効果が得られる
。また、０．１５％以上添加すると、熱間鍛造時におけ
るスケールの剥離性を悪くする。

Ｍｎ：１．８０〜２．８０％ Ｍｎは強度と焼入性を上げる元素で、既述の理由でＣを
低含有量としているため、強度上Ｍｎ含有量を増加させ
る必要がある。一方、本発明鋼は鍛造時の加熱により、
ベイニテイックフエライトが粒界を分割する状態で形成
されるが、この変態析出過程がマルテンサイト変態にも
同様に引継がれる。すなわち、焼入れによるマルテンサ
イトが粒界粒内に無関係に析出する。このことは、加熱
により粗大化したオーステナイトが結果として細粒化さ
れたことになる。木調の強度と靭性はこの特有な変態過
程によるものである。この効果的な組織は、Ｃ，Ｍｎ、
　　Ｎｂの三成分相互作用によるもで、木調のＣ含有量
範囲でＭｎ量１．８％以上で形成される。その技術的検
証として、マルテンサイトのＳＥＭ像を第１図に示し、
比較鋼を示した第２図の写真と対比すれば、よく判るで
あろう。また、遷移温度の低下はＭｎ／Ｃ≧１０で飽和
する傾向にあるから、上限を２．８０％とした。

Ｃｒ：　０．２５〜０．５０％ Ｃｒは低Ｃ量とすることによる強度低下を、靭性をさほ
ど損うことなく回復させるのに非常に有効な元素で、０
．２５％以上で効果を発揮するが、多量添加は経済的で
ないので、上限を０．５０％とした。

Ｃｕ：０．１３％以下 Ｃｕは０．１３％を超えて含有すると、熱間鍛造時にお
けるスケールｓｔｍ性に悪影響を及ぼすので、含有量上
限値を規制した。

Ｓｏｌ、Ａｌ：　０．００５〜０．０１５％Ａｌは強制
脱酸に必要な元素であるとともに、Ｓｏｌ、Ａｆｆｉは
オーステナイト結晶粒粗大化抑制を、また、Ｂ添加鋼の
場合には固溶Ｎの固定化等を目的として、一般的には０
．０２０〜ｏ、ｏｓｏ％程度添加される。しかし、木調
の化学成分系においては種々の実験の結果、Ｓｏｌ、Ａ
ｊ！に上述のような機能を発現させる必要がないことを
確認した。一方、熱間鍛造時におけるスケールの剥離性
は、Ｓｏｌ、Ａｌ量が０．０１５％以下で良好となるた
め、添加量は脱酸に必要な量のみとした。

Ｔｉ　：　０．０１０〜０．０３０％ Ｔｉは焼入れ性向上に必要な有効Ｂの窒化物形成による
無効化の抑制に必要な元素である。０．０１０％未満で
は上記の抑制効果は充分でなく、また、０．０３０％を
超えて添加すると、靭性が低下してくる。

Ｎｂ：　０．０２０〜０．０５０％ Ｎｂは多量Ｍｎとの相互作用により粒界・粒内にペイニ
テイックフエライトの形成を促進する元素である。さら
に有効Ｂの確保には、Ｔｉ単味添加よりもＴｉとＮｂの
複合添加が極めて効果的であることを見出した。添加量
としては０．０２０％以上が必要であるが、多量に加え
ると靭性が低下してくるため、上限を０．０５０％とし
た。

Ｂ　：　０．００２０〜０．００５０％Ｂは通常いわゆ
る有効Ｂとして５〜１０　ｐｐｍの添加量が、焼入性を
上げる最適範囲とされている。

しかし、鋼中Ｎ量が８０　ｐｐｒａ以上となるとＢの無
効果を抑制するＡｊ２　、Ｔｉ等の窒化物形成元素を添
加するにも拘らず、焼入性は熱処理条件により大きく変
動する。これはオーステナイト状態でＢＮが非平衡的に
析出することによるものであるが、この現象は（Ｔｉ＋
Ｎｂ）の複合添加量が化学量論数としてＮ含有量の１．
５倍以上の共存下で、Ｂ量２０ｐｐｍ以上で焼入性が向
上し、安定することを見出した。一方添加量が５０　ｐ
ｐＩＩ＋を超えると混粒組織となる傾向が認められるの
で、上限を５０　ｐｐｍとした。

次に、鍛造焼入れなどについて説明する。

鍛造焼入れ温度：９５０℃〜１０５０℃機械的性質は、
鍛造焼入れ温度が８００℃〜１０５０℃の範囲でほとん
ど変動がなく、すぐれた特性の得られることが、第２表
に明示されている。しかし、焼入れ時の温度が９００℃
以下の場合には、境割れが発生することがあり、また、
１１００℃を超えると靭性が低下してくるため、鍛造焼
入温度を９５０℃〜１０５０℃に設定した。９５０℃以
上の鍛造焼入れで焼割れの発生が皆無となることについ
ては、９５０℃以上で各種の炭窒化物が固溶して内部切
欠効果が解消されるとともに、Ｂ原子が粒界に富化する
ことによる粒界強化現象によるものであろう。本鍛造焼
入れ法の価値は焼割れ発生を皆無とする焼入臨界温度を
見出したことにある。

冷却水の温度；任意温度 冷却剤は水を使用するが、冷却水温度にはほとんど無関
係に安定したｔＪｓｌｔ４的性質の得られることが確認
されている。このことは、実機鍛造焼入れにおいて冷却
水の温度管理を不要とするもので、現場的にも経済的に
も極めて有利な特性となるものである。

機械的性質が焼入れ水温度に影響されないことを、その
ミクロ組織をもって、第３図および第４図の写真に明示
した。前者では焼入れ水温度が２０℃、後者では１００
℃である。

〔発明の効果〕

上記の構成によれば、熱間鍛造による重要保安部品等の
製造において、ＳＣ？ｌおよび５ＮＣＩＩ鋼等のかなり
の範囲を代替可能となるため、鋼材費の大巾な低減が達
成できる。また、部品製造工程上では、現場的に容易に
管理できる鍛造焼入れを特色としており、熱処理費につ
いても従来法のそれを半減することができ、本発明の産
業上の技術的成果は極めて大きい。

〔実　施　例〕

（１）第１表に示す素材（φ８５）を１２００℃に加熱
後、表面温度を９５０℃まで降温させてから焼入れ焼戻
（５２０℃Ｘｉ、５ｎ警Ｃ）　した機械的性質の一例を
、比較鋼と対比して第３表に示す。既述のように、本発
明鋼は多量Ｍｎ共存におけるＮｂ、　Ｂ等の効果が明ら
かに示されている。

（２）熱間据込用金型を本発明の方法で製造し使第　　
３　　表 第　　４　　表 用した結果、従来金型（ＳＮＣＭ４３９　）と同等の性
能であることが確認された。その機械的性質例を第４表
に示す。

以上述べたように、熱間鍛造による重要保安部品等の製
造に本発明を適用すれば、ＳＣＭおよびＳＮＮ精鋼のか
なりの範囲を代替することができ、鋼材費の大巾な低減
が達成できる。また、部品製造工程上では、現場的に容
易に管理できる鍛造焼入れであり、熱処理費も半減され
、省アロイ、省エネルギー、省プロセス効果は極めて大
きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明鋼のマルテンサイトのＳＥＭ像を示す写
真、第２図は比較鋼のマルテンサイトのＳ叶像を示す写
真、第３図および第４図は機械的性質が焼入れ水温度に
影響されないことを示すミクロ組織の写真である。 特許出願人　　　　合同製鐵株式会社 代理人　弁理士　吉村勝俊（ばか１名）第１図　　　第
２図 第３図　　　第４図 Ｚソ 手続補正書（方式）７゜ ２、発明の名称 強靭ボロン鋼を用いる熱間鍛造焼入れ品の製造方法３゜
補正をする者 す 、ジ 代表者　加　藤　　　　健 ４、代理人 補正の内容 明細書の第１５頁第１３行目〜第１６行目「示す写真、
第２図は・・・組織の写真である。」とあるのを、 ［示す金属組織の写真、第２図は比較鋼のマルテンサイ
トのＳ［！Ｍ像を示す金属組織の写真、第３図および第
４図は機械的性質が焼入れ水温度に影響されないことを
示すミクロ組織の金属組織写真である。」と訂正いたし
ます。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で Ｃ：０．２０〜０．２７％、Ｓｉ：０．１５％以下Ｍｎ
   ：１．８０〜２．８０％、Ｃｒ：０．２５〜０．５０％
   Ｃｕ：０．１３％以下、Ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０
   ．０１５％Ｔｉ：０．０１０〜０．０３０％、Ｎｂ：０
   ．０２０〜０．０５０％Ｂ：０．００２０〜０．００５
   ０％ を含有し、残部が実質的に鉄および不可避不純物よりな
   る熱間圧延鋼材を、１０００〜１３００℃の温度に加熱
   し、その後鍛造し、次いで９５０℃以上の温度で任意温
   度の冷却水中に鍛造焼入れすることを特徴とする強靭ボ
   ロン鋼を用いる熱間鍛造焼入れ品の製造方法。