JP2012020298A

JP2012020298A - 鍛造品の製造方法

Info

Publication number: JP2012020298A
Application number: JP2010158230A
Authority: JP
Inventors: Jun Yoshida; 純吉田; Daisuke Kaneko; 大輔金子; Noriyuki Iwata; 範之岩田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2012-02-02

Abstract

【課題】良好な強度を有しかつ安価な鍛造品の製造方法を提供する。
【解決手段】鋼を熱間鍛造して得られるフェライト・パーライト組織を有する中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位に、３５０〜６００℃の温度域で鍛造加工を施すことにより、前記疲労強度を必要とする部位の強度を向上させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、鍛造品の製造方法に関する。

鍛造品の強度（耐力および疲労強度）を向上させるためや熱処理を省略するため、材料に元素Ｖが添加されるが、Ｖの資源枯渇による価格変動や、添加コストに問題を有している。

そのため、高レベルの強度が要求される部位を、熱間鍛造後の冷却過程でＡｒ１変態点以下〜２００℃の温度域で鍛造加工を施すことにより、良好な強度を確保している（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−０５５７１４号公報

しかし、鍛造加工が青熱脆性域で施される場合、脆化回復のための熱処理が必要となり、製造コストの低減が困難である。一方、６００℃以上の温度域が適用される場合、Ａｒ１変態点に近い加熱となるため、先に得られたフェライト＋パーライト組織が成長を始め、パーライト粒の粗大化が始まり、また、加工後の歪を基点にパーライト粒内にフェライト析出が起こることにより、目標とする強度を得ることが難しい。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好な強度を有しかつ安価な鍛造品の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、鋼を熱間鍛造して得られるフェライト・パーライト組織を有する中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位に、鍛造加工を施すことにより、その強度を向上させる鍛造品の製造方法であり、前記鍛造加工は、３５０〜６００℃の温度域で実施される。

本発明によれば、６００℃以下での鍛造加工であるため、当該鍛造加工によって発熱しても、オーステナイトが析出する温度に到達することはなく、また、パーライト粒の粗大化が抑制されるため、鍛造加工により目標とする強度（耐力および疲労強度）を得ることが可能である。また、３５０℃以上の温度での鍛造加工であるため、青熱脆性域（青熱脆性が発生する温度域：約２００〜３５０℃未満）より高温であり、脆化回復のための熱処理を不要とすることで製造コストを低減することができる。つまり、良好な強度を有しかつ安価な鍛造品の製造方法を提供することが可能である。

本発明の実施の形態に係る鍛造品を説明するための斜視図である。本発明の実施の形態に係る鍛造品の製造方法を説明するための工程図である。図２に示される鍛造工程を説明するためのタイムチャートである。図３に示される鍛造加工が適用されるフランジ部の部分加工を説明するための斜視図である。図３に示される鍛造加工が適用されるギアシャフト部の部分加工を説明するための斜視図である。図５に係る鍛造加工が適用されるフランジ部に係るテストピースを説明するための平面図である。図５に係る鍛造加工前および鍛造加工後の内部硬さと相対歪との相関を示しているグラフである。図５に係る鍛造加工による内部硬さと相対歪との相関における温度の影響を示しているグラフである。鍛造加工が適用されるギアシャフト部に係るテストピースを説明するための斜視図である。図９に係る鍛造加工による内部硬さと相対歪との相関における温度の影響を示しているグラフである。本発明の実施の形態に係る変形例を説明するための工程図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る鍛造品を説明するための斜視図である。

本発明の実施の形態に係る鍛造品は、複雑な形状を有する大型部品であるクランクシャフト１００である。クランクシャフト１００は、フランジ部１１０、ギアシャフト部１２０、クランクピン１３０およびジャーナル１４０を有しており、例えば、レシプロエンジン内のピストンの往復運動を回転運動に変換する自動車エンジン等の内燃機関用部品として適用される。

フランジ部１１０は、クランクシャフト１００の後端であり、例えば、フライホイールやトルクコンバータが取り付けられる。ギアシャフト部１２０は、クランクシャフト１００の前端であり、例えば、クランクギアやクランクプーリが取り付けられる。クランクピン１３０は、円形状の断面を有しており、ジャーナル１４０の軸心と偏心した位置に配置されて、ピストンのコネクティングロッド（コンロッド）と摺動可能に連結される。ジャーナル１４０は、円形状の断面を有しており、エンジンの気筒数に相当する数のクランク部が配置され、回転自在に軸支される。

図２は、本発明の実施の形態に係る鍛造品の製造方法を説明するための工程図、図３は、図２に示される鍛造工程を説明するためのタイムチャート、図４および図５は、図３に示される鍛造加工が適用されるフランジ部およびギアシャフト部の部分加工を説明するための斜視図である。

本発明の実施の形態に係る鍛造品の製造方法は、切断工程、鍛造工程および機械加工工程を概して有する。

切断工程においては、例えば、機械構造用炭素鋼鋼材が切断されてクランクシャフト素材が得られる。

鍛造工程においては、クランクシャフト素材に対して熱間鍛造および鍛造加工が施されて、疲労強度を必要とする部位（目的部位）の強度（耐力および疲労強度）が向上させられる。目的部位は、例えば、フランジ部１１０（図４参照）やギアシャフト部１２０（図５参照）である。

機械加工工程においては、鍛造工程を経た常温の中間鍛造品に対して、切削加工および研削加工が施されて、完成品のクランクシャフト１００が得られる。切削加工においては、例えば、張り出しているバリ等が除去される。研削加工においては、例えば、円形状の断面を有するクランクピン１３０およびジャーナル１４０の外周面が処理される。

次に、図２および図３を参照して鍛造工程を詳述する。

鍛造工程においては、まず、切断工程から投入されるクランクシャフト素材が加熱され、約１２００℃に昇温したのち、変態点を下回らない、例えば、１分の間で熱間鍛造が施される。その後、所定の冷却速度によって制御冷却されることによりフェライト・パーライト組織を有する中間鍛造品が得られる。

そして、５〜１０分経過して３５０〜６００℃の温度域に到達すると、中間鍛造品における目的部位に鍛造加工が施される。鍛造加工は、例えば、１分であり、０．１ｍｍ／ｍｍ以上の相対歪が付与される。

鍛造加工は６００℃以下で施されるため、鍛造加工によって中間鍛造品の目的部位が発熱しても、Ａｃ１変態点およびＡｒ１変態点に略一致する７２７℃に到達することはない。つまり、中間鍛造品は、オーステナイトが析出する温度に到達することはなく、また、パーライト粒の粗大化は抑制されるため、鍛造加工により目標とする強度（耐力および疲労強度）を得ることが可能である。

一方、鍛造加工は３５０℃以上の温度で施されるため、青熱脆性域より高温であり、脆化回復の熱処理（例えば、焼戻しやサブゼロ処理）を不要とすることで、製造コストを低減することができる。

したがって、中間鍛造品の目的部位が、クランクシャフト１００のフランジ部１１０である場合、フランジ強度が向上するため、フランジ部１１０を小型化することによって、クランクシャフト１００を軽量化することが可能である。また、フライホイール締結ボルトを小径化することによって、エンジン質量を軽量化することが可能である。また、中間鍛造品の目的部位が、クランクシャフト１００のギアシャフト部１２０である場合、ギアシャフト強度が向上するため、ギアシャフト部１２０を小径化することによって、クランクシャフトを軽量化することが可能である。

なお、中間鍛造品の目的部位は、熱間鍛造の余熱を利用して、前記温度域に到達させており、熱エネルギーを削減（節約）することが可能である。

その後、概鍛造加工を施した中間鍛造品は、常温まで冷却され、機械加工工程に投入される。冷却時間は、例えば、２〜３時間である。

なお、クランクシャフトは複雑な形状を有するため、材料変形能および成形時の変形抵抗を下げる目的で１０００℃〜１２５０℃で熱間鍛造し、直後に５℃／秒以下となる冷却速度でフェライトとパーライト混合組織が得られる制御冷却を実施することが好ましい。５℃／秒以上では、ベイナイト組織となり機械加工性を著しく損ねてしまうためである。

部分的な強度の向上を必要としているため、冷却時に目的部位の冷却速度を上げる必要がある。表面から３ｍｍ未満の範囲では焼入れなどによりマルテンサイト化し強度を向上することが可能であるが、機械加工性を損ない、また、必要部分が表面から３ｍｍ以上内部に及ぶ場合、内部まで表面と均一な冷却速度を与えることは困難である。

中間鍛造品に施す鍛造加工の温度は、相対的に低く、材料熱膨張率が小さいため、寸法精度を向上させることが可能である。また、鍛造加工における材料変形抵抗は、冷間に比べて小さくなるため、設備規模を縮小したり、変形量を上げること（例えば、芯部まで歪付与できる強加工）が可能となる。

次に、フランジ部に係るテストピースによる実験結果およびＣＡＥ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析結果を説明する。

図６は、鍛造加工が適用されるフランジ部に係るテストピースを説明するための平面図、図７は、図５に係る鍛造加工前および鍛造加工後の内部硬さと相対歪との相関を示しているグラフ、図８は、図５に係る鍛造加工による内部硬さと相対歪との相関における温度の影響を示しているグラフである。なお、強度は、硬さ（ＨＲＣ：ロックウェル硬さ）によって評価している。

中間鍛造品の目的部位が、クランクシャフト１００のフランジ部１１０であることを想定し、図６に示されるカットモデルのテストピースを作成した。テストピースの材質は、Ｓ４０Ｃである。なお、Ｃ量は、クランクシャフト強度を満足する下限値であり、かつ、材料強度向上のために用いられる合金成分が除かれている。鍛造加工は、３００〜６００℃の温度域で施され、楕円形状から円形状へ成形されている。

後工程である機械加工工程において切削加工および研削加工によって除去される部位より内部および芯部まで、鍛造加工の効果を残すため、一定以上の相対歪（例えば、０．０５ｍｍ／ｍｍ以上、好ましくは０．１ｍｍ／ｍｍ以上）を導入することが必要であった。したがって、前記相対歪を導入できる形状を設計することが必須である。

また、各温度条件における鍛造加工前と鍛造加工後の内部硬さを、相対歪で相関を取った結果を示している図７から理解されるように、歪が導入された部位は、内部硬さが向上し、かつ、導入された歪が大きくなるほど（相対歪が大きくなるほど）内部硬さも上昇する傾向を示している。

鍛造加工による内部硬さと相対歪との相関における温度の影響を示している図８から理解されるように、Ａｃ１温度以下（６００℃以下）かつ青熱脆性域（約２００〜３５０℃未満）を超える温度域においては、歪が導入された部位の内部硬さが向上し、かつ、導入された歪が大きくなるほど（相対歪が大きくなるほど）内部硬さも上昇する傾向を示している。つまり、３５０〜６００℃の温度域で鍛造加工を施すことより、変態完了した組織に歪（転位）を与えて硬化するとともに、鍛造加工時の保有熱により時効され、脆化することなく強度が向上することになる。このことは鍛造加工温度に伴う硬さ水準の変化から保有熱が関係していることが読み取ることができる。

なお、熱間鍛造後に鍛造加工なしで常温まで冷却された中間鍛造品を、その後、３５０〜６００℃の温度域まで加熱し、鍛造加工を施したところ、同様の効果（現象）が得られた。しかし、６００℃以上での鍛造加工においては、パーライト粒成長とパーライト粒内にフェライトが析出することにより、加工前の値との差異が生じなかった。

次に、テストピースによる実験結果およびＣＡＥ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析結果を説明する。

図９は、鍛造加工が適用されるギアシャフト部に係るテストピースを説明するための斜視図、図１０は、図９に係る鍛造加工による内部硬さと相対歪との相関における温度の影響を示しているグラフである。

中間鍛造品の目的部位が、クランクシャフト１００のギアシャフト部１２０であることを想定し、図９に示されるカットモデルのテストピースを作成した。テストピースの材質は、フランジ部１１０に係るテストピースと同様である。

鍛造加工による内部硬さと相対歪との相関における温度の影響を示している図１０から理解されるように、歪の導入量が大きくなるに従い、内部硬さの上昇が認められる。また、６００℃での鍛造加工は、図８の場合に比べて、内部硬さに差（平均５ＨＲＣ）が生じている。これは、ギアシャフト部に係るテストピースは、フランジ部に係るテストピースの場合に比べて、十分な冷却が行われるため、鍛造後の未変態（準安定オーステナイト）が少なくなり、パーライト粒成長やフェライト析出が発生しないためである。

図１１は、本発明の実施の形態に係る変形例を説明するための工程図である。

本変形例は、熱間鍛造に係る第１鍛造工程と鍛造加工に係る第２鍛造工程とを独立して有しており、熱間鍛造後、中間鍛造品の温度を常温まで冷却し、その後、中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位の温度を、３５０〜６００℃の温度域まで昇温し（加熱）、相対歪０．１ｍｍ／ｍｍ以上の鍛造加工が施される。

この場合、鍛造加工を熱間鍛造後において連続的に実施する必要がないため、工程上の自由度が向上する。また、鍛造加工は、中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位（目的部位）に対する部分的な処理であるため、全体を加熱して等温保持が必要となる通常の焼戻し処理に比べ、所要エネルギーを削減することが可能である。また、目的部位以外の部位の強度低下（焼きなまし効果）が抑制される。

以上のように、本実施の形態においては、６００℃以下での鍛造加工であるため、当該鍛造加工によって発熱しても、オーステナイトが析出する温度に到達することはなく、また、パーライト粒の粗大化は抑制されるため、鍛造加工により目標とする強度（耐力および疲労強度）を得ることが可能である。また、３５０℃以上の温度での鍛造加工であるため、青熱脆性域より高温であり、脆化回復の熱処理を不要とすることで、製造コストを低減することができる。つまり、良好な強度を有しかつ安価な鍛造品の製造方法を提供することが可能である。

鍛造加工を施す際、熱間鍛造の余熱を利用して、疲労強度を必要とする部位の温度を前温度域に到達させる場合、疲労強度を必要とする部位の温度を３５０〜６００℃の温度域に到達させるための熱エネルギーを削減（節約）することが可能である。

熱間鍛造後、中間鍛造品の温度を常温まで低下させ、その後、中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位の温度を、３５０〜６００℃の温度域に上昇させて、鍛造加工を施す場合、鍛造加工を熱間鍛造後において連続的に実施する必要がないため、工程上の自由度が向上する。また、鍛造加工は、中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位（目的部位）に対する部分的な処理であるため、全体を加熱して等温保持が必要となる通常の焼戻し処理に比べ、所要エネルギーを削減することが可能である。また、目的部位以外の部位の強度低下（焼きなまし効果）が抑制される。

中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位が、クランクシャフトのフランジ部である場合、フランジ強度が向上するため、フランジ部を小型化することによって、クランクシャフトを軽量化することが可能である。また、フライホイール締結ボルトを小径化することによって、エンジン質量を軽量化することが可能である。

中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位が、クランクシャフトのギアシャフト部である場合、ギアシャフト強度が向上するため、ギアシャフト部を小径化することによって、クランクシャフトを軽量化することが可能である。

なお、中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位は、クランクシャフトのフランジ部およびギアシャフト部に限定されない。例えば、中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位としてクランクシャフトのピン部を適用する場合、クランクシャフトのピン強度が向上するため、ピンを小径化することによって、クランクシャフトを軽量化することが可能であり、また、取り付けられるコンロッドを小型化することによって、エンジン質量の軽量化および摺動フリクションを低減することが可能である。例えば、中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位としてクランクシャフトのジャーナル部を適用する場合、クランクシャフトのジャーナル強度が向上するため、ジャーナルを小径化することによって、クランクシャフトの軽量化および摺動フリクションを低減することが可能である。

また、強度の向上等の良好な物性を広い温度範囲で発揮させるためには、鍛造品の素材鋼の化学成分は、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．６０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．０％、Ｃｒ：１．５％以下（０％は含まない）、Ａｌ：０．００１〜０．０６％を含むものであることが好ましく、また、高価なＮ、Ｖ、Ｂを含まないため、材料コストを低減することが可能である。

つまり、Ｃは、強度向上元素として重要な成分であり、０．３０％未満では強度不足となる虞があり、０．６０％を超えると、靱延性が低下すると共に引張強度が過度に大きくなり、切削性の低下を招く虞がある。したがって、Ｃの含有量は、０．３０〜０．６０％が好ましい。

Ｓｉは、脱酸性元素として作用し、また、フェライト地に固溶して耐力や疲労強度の向上に有効であり、０．０５％未満では効果が顕著でなく、１．５０％を超えると、切削性の低下や熱間鍛造後の脱炭を増加させる虞がある。したがって、Ｓｉの含有量は、０．０５〜１．５０％が好ましい。

Ｍｎは、熱間鍛造後の強度や靱性を高める元素であり、０．３０％未満では効果が顕著でなく、２．００％を超えると、ベイナイトが生成して切削性が低下する虞がある。したがって、Ｍｎの含有量は、０．３０〜２．０％が好ましい。

Ｃｒは、強度向上元素として作用し、また、パーライトラメラー間隔を小さくして延性や耐力を向上させ、疲労強度を高める作用を発揮するが、１．５％を超えると、ベイナイトが生成し、切削性を低下させる傾向を有する。したがって、Ｃｒの含有量は、１．５％以下が好ましい。

Ａ１は、脱酸性元素として作用し、また、Ｎと結合してＡ１Ｎを形成し熱間加工時におけるオーステナイト粒の粗大化を抑制し、組織微細化を促して耐力比の向上にも寄与するが、０．００１未満では効果が顕著でなく、０．０６％を超えると、酸化物系介在物であるＡ１_２Ｏ_３が増加して切削性低下を招く。したがって、Ａ１の含有量は、０．００１〜０．０６％が好ましい。

さらに、切削性を向上させるためには、鍛造品の素材鋼は、他の元素として、Ｓ：０．１０％以下、Ｂｉ：０．３０％以下（０％は含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種以上を含有することが好ましく、また、Ｐｂを含まないため、環境負荷を低減することが可能である。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。例えば、鍛造品は、クランクシャフトに限定されず、内燃機関用コンロッドに適用することも可能である。また、鍛造品の素材鋼は、Ｓ４０Ｃ以外の機械構造用炭素鋼を適用することも可能である。

１００クランクシャフト、
１１０フランジ部、
１２０ギアシャフト部、
１３０クランクピン、
１４０ジャーナル。

Claims

鋼を熱間鍛造して得られるフェライト・パーライト組織を有する中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位に、３５０〜６００℃の温度域で鍛造加工を施すことにより、前記疲労強度を必要とする部位の強度を向上させる
ことを特徴とする鍛造品の製造方法。
前記鋼の化学成分が質量％で、Ｃ：０．３０〜０．６０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．０％、Ｃｒ：１．５％以下（０％は含まない）およびＡｌ：０．００１〜０．０６％を含むものであることを特徴とする請求項１に記載の鍛造品の製造方法。
前記鋼は、他の元素として、Ｓ：０．１０％以下（０％は含まない）およびＢｉ：０．３０％以下（０％は含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種以上を含有することを特徴とする請求項２に記載の鍛造品の製造方法。
前記鍛造加工を施す際、前記熱間鍛造の余熱を利用して、前記疲労強度を必要とする部位の温度を前記温度域に到達させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鍛造品の製造方法。
前記熱間鍛造後、前記中間鍛造品の温度を常温まで低下させ、その後、前記中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位の温度を、前記温度域に上昇させて、前記鍛造加工を施すことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鍛造品の製造方法。
前記中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位は、クランクシャフトのフランジ部であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の鍛造品の製造方法。
前記中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位は、クランクシャフトのギアシャフト部であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の鍛造品の製造方法。
前記中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位は、クランクシャフトのピン部であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の鍛造品の製造方法。
前記中間鍛造品における疲労強度を必要とする部位は、クランクシャフトのジャーナル部であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の鍛造品の製造方法。