JP2015117419A - 鍛鋼品用高強度鋼及び鍛鋼品 - Google Patents

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Abstract

【課題】高強度でかつ被削性及び研磨性に優れる鍛鋼品用高強度鋼を提供する。
【解決手段】本発明の鍛鋼品用高強度鋼は、Ｃ：０．３５質量％以上０．４７質量％以下、Ｓｉ：０質量％以上０．４質量％以下、Ｍｎ：０．６質量％以上１．５質量％以下、Ｎｉ：０質量％超２．０質量％以下、Ｃｒ：０．８質量％以上２．５質量％以下、Ｍｏ：０．１０質量％以上０．７質量％以下、Ｖ：０．０３５質量％以上０．２０質量％以下、Ａｌ：０．０１５質量％以上０．０５０質量％以下、Ｎ：３０ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下、Ｏ：０ｐｐｍ超３０ｐｐｍ以下の基本成分を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、金属組織が、ベイナイト、マルテンサイト、又はベイナイト及びマルテンサイトの混合組織を主体とし、立方晶系Ｂ１型析出物のうち直径３０ｎｍ以下の整合析出物の個数が５０個／μｍ２以下である。
【選択図】なし

Description

本発明は、鍛鋼品用高強度鋼及び鍛鋼品に関する。
船舶用ディーゼルエンジンや発電用ディーゼルエンジンの出力向上及びコンパクト化を実現するために、これらの部品に使用する鋼材には高疲労強度化が要求され、８５０ＭＰａ以上の高い引張強度が求められる。
このような高い引張強度を有する大型鍛鋼品用鋼として、ＮｉＣｒＭｏ系の高強度鋼が開発されており（特許第３８９６３６５号公報及び特許第４３３２０７０号公報参照）、これらの鋼は高強度及び高靱性を有する。
一方、船舶などの駆動力伝達に使用される大型クランク軸用の鋼は、鍛造及び熱処理後に、最終形状に仕上げるために機械加工が実施される。この場合、この機械加工の際に被削性及び研磨性（仕上げ加工のし易さ）が高いことも同時に求められる。
しかし、大型クランク軸用の鍛造用鋼は、その引張強度が８５０ＭＰａ以上と高強度であり切削抵抗が大きい。そのため、機械加工による最終形状への仕上げに時間がかかり生産性が低下する。通常、切削抵抗は材料の強度（硬さ）に比例して増加するため、８５０ＭＰａ以上という引張強度と優れた被削性及び研磨性とを両立させることは極めて困難である。
特許第３８９６３６５号公報 特許第４３３２０７０号公報
本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、高強度でかつ被削性及び研磨性に優れる鍛鋼品用高強度鋼及び鍛鋼品の提供を目的とする。
本発明者らは、鍛造用鋼の高強度化と被削性及び研磨性向上という相反する特性の両立化を目指し、最適な組織形態について鋭意研究を重ねた。その結果、高強度化と被削性及び研磨性向上との両立には、立方晶系Ｂ１型析出物のうち直径が３０ｎｍ以下の整合析出物の個数を低減することが重要であることを知見し、高強度化と被削性及び研磨性向上とを両立できる以下の鍛鋼品用高強度鋼の構成を見出した。
すなわち、上記課題を解決するためになされた発明は、Ｃ（炭素）：０．３５質量％以上０．４７質量％以下、Ｓｉ（ケイ素）：０質量％以上０．４質量％以下、Ｍｎ（マンガン）：０．６質量％以上１．５質量％以下、Ｎｉ（ニッケル）：０質量％超２．０質量％以下、Ｃｒ（クロム）：０．８質量％以上２．５質量％以下、Ｍｏ（モリブデン）：０．１０質量％以上０．７質量％以下、Ｖ（バナジウム）：０．０３５質量％以上０．２０質量％以下、Ａｌ（アルミニウム）：０．０１５質量％以上０．０５０質量％以下、Ｎ（窒素）：３０ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下、Ｏ（酸素）：０ｐｐｍ超３０ｐｐｍ以下の基本成分を含み、残部がＦｅ（鉄）及び不可避的不純物である組成を有し、金属組織が、ベイナイト、マルテンサイト、又はベイナイト及びマルテンサイトの混合組織を主体とし、立方晶系Ｂ１型析出物のうち直径３０ｎｍ以下の整合析出物の個数が５０個／μｍ２以下である鍛鋼品用高強度鋼である。
当該鍛鋼品用高強度鋼は、鋼材の各組成の含有量を上記範囲とし、金属組織をベイナイト、マルテンサイト、又はベイナイト及びマルテンサイトの混合組織を主体とすることで、例えば船舶又は発電機に使用されるディーゼル機関用の伝達部材等として十分な強度を有する。また、当該鍛鋼品用高強度鋼は、金属組織に含まれる整合析出物の個数が上記上限以下であることにより、切削時及び研磨時に抵抗となる粒子が低減すると考えられるため、高強度を確保しつつ優れた被削性及び研磨性を有する。
当該鍛鋼品用高強度鋼が、他の成分としてＣｕ（銅）：０質量％超１．５質量％以下、Ｎｂ（ニオブ）：０質量％超０．５質量％以下、又はＢ（ホウ素）：０ｐｐｍ超３０ｐｐｍ以下を含むとよい。このような元素を含むことで、焼入れ性を向上できる。
当該鍛鋼品用高強度鋼のセメンタイト中のＣｒ（クロム）濃度が２．７質量％以上、又はＭｎ（マンガン）濃度が１．２質量％以上であるとよい。セメンタイト中のＣｒ濃度又はＭｎ濃度が上記範囲であることにより、疲労亀裂発生源の１つの因子と考えられるセメンタイト周囲に適度に軟らかい領域が発現し、この領域が亀裂発生の応力を緩和する働きを有し、疲労特性が大きく改善されると考えられる。その結果、上述の被削性及び研磨性をより向上できる。
また、上記課題を解決するためになされた別の発明は、鍛鋼品用高強度鋼を切削又は研削して得られる鍛鋼品である。当該鍛鋼品は、当該鍛鋼品用高強度鋼からなることから、上述のように高強度でかつ優れた被削性及び研磨性を有する。
なお、「整合析出物」とは、母材と原子配列が連続的である析出物であり、「整合析出物の直径」とは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって拡大した組織写真における整合析出物の定方向接線径（Ｆｅｒｅｔ径）とする。また、「主体」の金属組織とは、全組織に対し９５面積％以上占めるものをいう。
以上説明したように、本発明の鍛鋼品用高強度鋼及び鍛鋼品は、高強度でかつ被削性及び研磨性に優れるので、船舶又は発電機に使用されるディーゼル機関用の伝達部材等に好適に使用できる。
実施例における引張強度と工具摩耗量との関係を示すグラフ
以下、本発明に係る鍛鋼品用高強度鋼及び鍛鋼品の実施形態について説明する。
＜金属組織＞
当該鍛鋼品用高強度鋼の金属組織は、ベイナイト、マルテンサイト、又はベイナイト及びマルテンサイトの混合組織を主体とする。上記主体とする金属組織の面積分率の下限は、９５％であり、９８面積％が好ましく、１００面積％がより好ましい。このように金属組織がベイナイト、マルテンサイト、又はベイナイト及びマルテンサイトの混合組織を主体とすることにより、当該鍛鋼品用高強度鋼が高い強度を有する。また、ベイナイト、マルテンサイト、又はベイナイト及びマルテンサイトの混合組織の面積分率の測定方法としては、ナイタールエッチングを施した鍛鋼品用高強度鋼の断面を光学顕微鏡で写真撮影し、その顕微鏡写真を目視でベイナイト、マルテンサイト、ベイナイトとマルテンサイトとの混合組織及びこれら以外の金属組織に分け、それらの面積比を求めることにより行うことができる。
当該鍛鋼品用高強度鋼は、立方晶系Ｂ１型析出物のうち直径３０ｎｍ以下の整合析出物の存在個数の上限としては５０個／μｍ２であり、４０個／μｍ２が好ましく、３０個／μｍ２がより好ましい。当該鍛鋼品用高強度鋼の金属組織は、主としてベイナイト、マルテンサイト又はこれらの混合組織となるが、金属組織中の整合析出物の個数を上記上限以下とすることにより被削性が改善される。このメカニズムは明確ではないが、切削時の抵抗となる粒子が低減して被削性及び研磨性が改善され、切削時間及び研磨時間が短縮化できるものと推定される。従って、整合析出物の個数が上記上限を超えると十分な被削性及び研磨性が得られないおそれがある。
上記整合析出物は、次のような方法により特定することができる。試料を直径３ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円盤状に切り出し、この試料をエメリー紙で３０μｍまで研磨した後、ツインジェット法によってこの試料から電子顕微鏡サンプルを作成する。この電子顕微鏡サンプルを加速電圧２００ｋＶで透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によってｇ１＊ベクトルを励起させて観察した際に一対の半月状のコントラストで示されるものが整合析出物である（例えば「結晶電子顕微鏡学―材料研究者のための」内田老鶴圃出版（第１４９−１５１頁）参照）。そして、例えば５０００倍で観察した組織写真の中で、ｇ１＊ベクトルが励起されて析出物が最もはっきり観察される点を中心とする所定範囲を撮影することにより、その中に含まれる整合析出物と特定した粒子のうち直径が３０ｎｍ以下と観測されるものの個数をカウントする。なお、組織写真の中で、定方向接線径（Ｆｅｒｅｔ径）を整合析出物の直径として観測する。
＜組成＞
当該鍛鋼品用高強度鋼は、Ｃ：０．３５質量％以上０．４７質量％以下、Ｓｉ：０質量％以上０．４質量％以下、Ｍｎ：０．６質量％以上１．５質量％以下、Ｎｉ：０質量％超２．０質量％以下、Ｃｒ：０．８質量％以上２．５質量％以下、Ｍｏ：０．１０質量％以上０．７質量％以下、Ｖ：０．０３５質量％以上０．２０質量％以下、Ａｌ：０．０１５質量％以上０．０５０質量％以下、Ｎ：３０ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下、Ｏ：０ｐｐｍ超３０ｐｐｍ以下の基本成分を含み残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有する。
当該鍛鋼品用高強度鋼のＣ含有率の下限としては、０．３５質量％であり、０．３７質量％が好ましい。一方、当該鍛鋼品用高強度鋼のＣ含有率の上限としては、０．４７質量％であり、０．４０質量％が好ましい。当該鍛鋼品用高強度鋼のＣ含有率が上記下限未満であると、十分な焼入れ性と強度とを確保できないおそれがある。逆に、当該鍛鋼品用高強度鋼のＣ含有率が上記上限を超えると、靭性が極端に低下すると共に、大型鋳塊では逆Ｖ偏析を助長し、靭性及び被削性が低下するおそれがある。当該鍛鋼品用高強度鋼のＣ含有率を上記範囲とすることで、当該鍛鋼品用高強度鋼の焼入れ性及び強度を適切に確保することができる。
当該鍛鋼品用高強度鋼のＳｉ含有率の下限としては０質量％であり、Ｓｉは含まれていなくてもよい。一方、当該鍛鋼品用高強度鋼のＳｉ含有率の上限としては、０．４質量％であり、０．３質量％が好ましく、０．２質量％がより好ましい。当該鍛鋼品用高強度鋼のＳｉ含有率が上記上限を超えると、偏析を助長して被削性が低下するおそれがある。当該鍛鋼品用高強度鋼のＳｉ含有率を上記範囲とすることで、当該鍛鋼品用高強度鋼の被削性を適切に確保することができる。
当該鍛鋼品用高強度鋼のＭｎ含有率の下限としては、０．６質量％であり、０．８質量％が好ましい。一方、当該鍛鋼品用高強度鋼のＭｎ含有率の上限としては、１．５質量％であり、１．０質量％が好ましい。当該鍛鋼品用高強度鋼のＭｎ含有率が上記下限未満であると、十分な強度と焼入れ性とを確保できないおそれがあり、また結晶粒度のばらつきが十分に低減されないおそれがある。逆に、当該鍛鋼品用高強度鋼のＭｎ含有率が上記上限を超えると、逆Ｖ偏析を助長し被削性が低下するおそれがある。当該鍛鋼品用高強度鋼のＭｎ含有率を上記範囲とすることで、当該鍛鋼品用高強度鋼の焼入れ性及び強度を適切に確保することができるとともに、結晶粒度のばらつきを十分に低減することができる。
当該鍛鋼品用高強度鋼のＮｉ含有率としては、０質量％超である。一方、当該鍛鋼品用高強度鋼のＮｉ含有率の上限としては、２．０質量％であり、１．６質量％が好ましく、１．２質量％がより好ましい。当該鍛鋼品用高強度鋼のＮｉ含有率が上記下限未満であると、十分な強度と靭性とを確保できないおそれがある。逆に、当該鍛鋼品用高強度鋼のＮｉ含有率が上記上限を超えると、十分な被削性を確保できなくなるおそれがある。当該鍛鋼品用高強度鋼のＮｉ含有率を上記範囲とすることで、当該鍛鋼品用高強度鋼の強度、靭性及び被削性を適切に確保することができる。
当該鍛鋼品用高強度鋼のＣｒ含有率の下限としては、０．８質量％であり、１．０質量％が好ましい。一方、当該鍛鋼品用高強度鋼のＣｒ含有率の上限としては、２．５質量％であり、２．０質量％が好ましく、１．６質量％がより好ましい。当該鍛鋼品用高強度鋼のＣｒ含有率が上記下限未満であると、十分な焼入れ性と靭性とを確保できないおそれがある。逆に、当該鍛鋼品用高強度鋼のＣｒ含有率が上記上限を超えると、逆Ｖ偏析を助長し被削性が低下するおそれがある。当該鍛鋼品用高強度鋼のＣｒ含有率を上記範囲とすることで、当該鍛鋼品用高強度鋼の焼入れ性及び靭性を適切に確保することができる。
当該鍛鋼品用高強度鋼のＭｏ含有率の下限としては、０．１０質量％であり、０．２質量％が好ましい。一方、当該鍛鋼品用高強度鋼のＭｏ含有率の上限としては、０．７質量％であり、０．５質量％が好ましい。当該鍛鋼品用高強度鋼のＭｏ含有率が上記下限未満であると、逆Ｖ偏析を助長し被削性が低下するおそれがある。逆に、当該鍛鋼品用高強度鋼のＭｏ含有率が上記上限を超えると、鋼塊中のミクロ偏析（正常偏析）を助長して靭性及び被削性が低下するおそれ、又は重量偏析が発生しやすくなるおそれがある。当該鍛鋼品用高強度鋼のＭｏ含有率を上記範囲とすることで、当該鍛鋼品用高強度鋼の焼入れ性、強度及び靭性を適切に確保することができる。
当該鍛鋼品用高強度鋼のＶ含有率の下限としては、０．０３５質量％であり、０．０５質量％が好ましい。一方、当該鍛鋼品用高強度鋼のＶ含有率の上限としては、０．２０質量％であり、０．１５質量％が好ましく、０．１０質量％がより好ましい。当該鍛鋼品用高強度鋼のＶ含有率が上記下限未満であると、十分な強度と焼入れ性とを確保できないおそれがある。逆に、当該鍛鋼品用高強度鋼のＶ含有率が上記上限を超えると、Ｖは平衡分配係数が低いのでミクロ偏析（正常偏析）が発生しやすくなり、靭性及び被削性が低下するおそれがある。当該鍛鋼品用高強度鋼のＶ含有率を上記範囲とすることで、当該鍛鋼品用高強度鋼の焼入れ性及び強度を適切に確保することができる。
当該鍛鋼品用高強度鋼のＡｌ含有率の下限としては、０．０１５質量％であり、０．０１９質量％が好ましい。一方、当該鍛鋼品用高強度鋼のＡｌ含有率の上限としては、０．０５０質量％であり、０．０３０質量％が好ましい。当該鍛鋼品用高強度鋼のＡｌ含有率が上記下限未満であると、十分に酸素量を低減できなくなるおそれがある。逆に、当該鍛鋼品用高強度鋼のＡｌ含有率が上記上限を超えると、酸化物の粗大化を招き靭性及び被削性が低下するおそれがある。当該鍛鋼品用高強度鋼のＡｌ含有率を上記範囲とすることで、脱酸素効果が適切に作用し靭性及び被削性を適切に確保することができる。
当該鍛鋼品用高強度鋼のＮ含有率の下限としては、３０ｐｐｍであり、５０ｐｐｍが好ましい。一方、当該鍛鋼品用高強度鋼のＮ含有率の上限としては、１００ｐｐｍであり、８０ｐｐｍが好ましく、６０ｐｐｍがより好ましい。当該鍛鋼品用高強度鋼のＮ含有率が上記下限未満であると、船舶又は発電機に使用されるディーゼル機関用の伝達部材等に用いる鋼として要求される靭性を確保できないおそれがある。逆に、当該鍛鋼品用高強度鋼のＮ含有率が上記上限を超えると、十分な靭性及び被削性を確保できなくなるおそれがある。当該鍛鋼品用高強度鋼のＮ含有率を上記範囲とすることで、Ｎが窒化物を形成して結晶粒を細粒化することにより当該鍛鋼品用高強度鋼の靭性及び被削性を適切に確保することができる。
当該鍛鋼品用高強度鋼は、不可避的不純物としてＯを含有し、Ｏは当該鍛造用鋼中で酸化物として存在する。当該鍛鋼品用高強度鋼のＯ含有率の上限としては、３０ｐｐｍであり、１５ｐｐｍが好ましく、１０ｐｐｍがより好ましい。当該鍛鋼品用高強度鋼のＯ含有率が上記上限を超えると、粗大な酸化物が生成して被削性が低下するおそれがある。
当該鍛鋼品用高強度鋼は、上述した基本成分以外に残部としてＦｅと不可避的不純物とを含む。また、不可避的不純物としては、例えば原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれるＰ（リン）、Ｓ（硫黄）、Ｓｎ（スズ）、Ａｓ（ヒ素）、Ｐｂ（鉛）、Ｔｉ（チタン）等の元素の混入が許容される。
当該鍛鋼品用高強度鋼の不可避不純物であるＰの含有率の上限としては、０．１質量％が好ましく、０．０５質量％がより好ましく、０．０１質量％がさらに好ましい。当該鍛鋼品用高強度鋼のＰ含有率が上記上限を超えると、粒界編析による粒界破壊を助長するおそれがある。
当該鍛鋼品用高強度鋼の不可避不純物であるＳの含有率の上限としては、０．０２質量％が好ましく、０．０１質量％がより好ましく、０．００５質量％がさらに好ましい。当該鍛鋼品用高強度鋼のＳ含有率が上記上限を超えると、硫化物系介在物が増大して強度を劣化させるおそれがある。
当該鍛鋼品用高強度鋼は、さらにその他の元素を積極的に含有させることも有効であり、含有される元素（化学成分）の種類によって鍛鋼材の特性がさらに改善される。
例えば当該鍛鋼品用高強度鋼は、その他の元素としてＣｕを添加してもよい。Ｃｕを添加する場合の当該鍛鋼品用高強度鋼におけるＣｕ含有率の下限としては、０．１質量％が好ましく、０．２質量％がより好ましい。一方、当該鍛鋼品用高強度鋼のＣｕ含有率の上限としては、１．５質量％が好ましく、１．２質量％がより好ましい。当該鍛鋼品用高強度鋼のＣｕ含有率が上記下限未満であると、焼入れ性向上効果が十分に発揮されないおそれがある。逆に、当該鍛鋼品用高強度鋼のＣｕ含有率が上記上限を超えると、靭性及び被削性が低下するおそれがある。当該鍛鋼品用高強度鋼のＣｕ含有率を上記範囲とすることで、焼入れ性向上効果が有効に発揮され、靭性及び被削性が向上する。
また、当該鍛鋼品用高強度鋼は、その他の元素としてＮｂを添加してもよい。Ｎｂを添加する場合の当該鍛鋼品用高強度鋼のＮｂ含有率の上限としては、０．５質量％が好ましく、０．３質量％がより好ましい。Ｎｂを添加することにより焼入れ性が向上するが、当該鍛鋼品用高強度鋼のＮｂ含有率が上記上限を超えると、靭性及び被削性が低下するおそれがある。
また、当該鍛鋼品用高強度鋼は、その他の元素としてＢを添加してもよい。Ｂを添加する場合の当該鍛鋼品用高強度鋼のＢ含有率の上限としては、３０ｐｐｍが好ましく、２０ｐｐｍがより好ましい。Ｂを添加することにより焼入れ性が向上するが、当該鍛鋼品用高強度鋼のＢ含有率が上記上限を超えると、靭性及び被削性が低下するおそれがある。
＜セメンタイト中の合金元素濃度＞
当該鍛鋼品用高強度鋼の金属組織は、ベイナイト、マルテンサイト、又はベイナイト及びマルテンサイトの混合組織を主体とするが、セメンタイト中に所定濃度のＣｒ又はＭｎを含むことが好ましい。セメンタイト中のＣｒ濃度の下限としては、２．７質量％が好ましく、３．０質量％がより好ましい。一方、上記セメンタイト中のＣｒ濃度の上限としては、４．０質量％が好ましく、３．５質量％がより好ましい。また、セメンタイト中のＭｎ濃度の下限としては、１．２質量％が好ましく、１．３質量％がより好ましい。一方、上記セメンタイト中のＭｎ濃度の上限としては、２．０質量％が好ましく、１．８質量％がより好ましい。上記セメンタイト中のＣｒ濃度が上記下限未満であり、かつ上記Ｍｎ濃度が上記下限未満であると、被削性を十分に改善できないおそれがある。逆に、上記セメンタイト中のＣｒ濃度が上記上限を超え、又は上記Ｍｎ濃度が上記上限を超えると、逆Ｖ偏析を助長して被削性が低下するおそれがある。セメンタイト中のＣｒ濃度又はＭｎ濃度を上記範囲とすることにより、疲労亀裂発生源の１つの因子と考えられるセメンタイト周囲にＭｎ濃度の低く軟らかい領域が発現し、この領域が切削時の応力を緩和する働きを有し、鋼材全体としての被削性がより大きく改善されると推定される。
＜機械的性質＞
当該鍛鋼品用高強度鋼の引張強度（ＴＳ）の下限としては、８５０ＭＰａが好ましい。当該鍛鋼品用高強度鋼の引張強度が上記下限以上であると、船舶又は発電機に使用されるディーゼル機関用の伝達部材に要求される強度を満たすことができる。なお、引張強度は、例えばＪＩＳ−Ｚ２２４１（２０１１）に準拠した引張試験により測定できる。
当該鍛鋼品用高強度鋼の吸収エネルギーｖＥ（室温での吸収エネルギー）の下限としては、４５Ｊが好ましい。当該鍛鋼品用高強度鋼の吸収エネルギーが上記下限以上であると、船舶又は発電機に使用されるディーゼル機関用の伝達部材に要求される靭性を満たすことができる。吸収エネルギーは、例えばＪＩＳ−Ｚ２２４２（２００５）に準拠したシャルピー衝撃試験により測定できる。
＜鍛鋼品用高強度鋼及び鍛鋼品の製造方法＞
当該鍛鋼品用高強度鋼は、例えば、以下の溶解工程、鋳造工程、加熱工程、鍛造工程、焼入前処理工程及び熱処理工程により製造される。さらに、当該鍛鋼品用高強度鋼を機械加工工程により加工することで当該鍛鋼品が製造される。
（溶解工程）
溶解工程では、まず高周波溶解炉、電気炉、転炉などを用いて、上述した所定の組成に調整した鋼を溶解する。その後、成分調整後の溶解した鋼に真空処理を施し、Ｏ（酸素）、Ｈ（水素）等のガス成分や不純元素を除去する。
（鋳造工程）
鋳造工程では、大型鍛造用鋼の場合は主としてインゴット（鋼塊）鋳造が採用される。比較的小型の鍛鋼品の場合は連続鋳造法を採用することも可能である。
（加熱工程）
加熱工程では、所定の温度で所定時間、鋼塊を加熱する。低温になると材料の変形抵抗が増大するので、材料の変形能の良好な範囲で加工を行うために、加熱温度は１１５０℃以上とする。また、鋼塊の表面と内部との温度を均一にするために所定の加熱時間が必要であり、加熱時間を３時間以上とする。加熱時間は、一般的に被加工物の直径の２乗に比例すると考えられており、大型材ほど加熱保持時間は長くなる。
（鍛造工程）
鍛造工程では、加熱工程で１１５０℃以上の温度に加熱された鋼塊を鍛造する。ザク巣やミクロポロシティなどの鋳造欠陥を圧着させるために、鍛錬成形比としては３Ｓ以上が好ましい。
（焼入前処理工程）
焼入前処理工程では、鍛造した鋼材を大気中で放冷した後、所定温度（例えば５５０℃〜６５０℃）まで加熱して所定時間（例えば１０時間以上）保持し、その後冷却する。焼入れ処理を行う前に焼入前処理工程を行うことにより、鋼材中の整合析出物を減少させることができる。
（熱処理工程）
熱処理工程では、焼入れ処理を行った後、焼戻し処理を行う。焼入れ処理は、焼入前処理工程で冷却された鋼材を、所定温度（例えば８００℃〜９５０℃）まで昇温して所定時間（例えば１時間以上）保持した後、所定温度（例えば４５０℃〜５３０℃）まで冷却する。その後、焼戻し処理を行うことにより当該鍛鋼品用高強度鋼が得られる。鋼材の焼戻しは、所定の温度まで昇温速度３０〜７０℃／ｈｒで徐加熱し、一定時間（例えば５〜２０時間）保持した後、冷却する。焼戻しは、強度、延性及び靭性のバランスを調整するとともに、相変態で生じた内部応力（残留応力）を除去するために５５０℃以上で行う。ただし、高温になると炭化物の粗大化、転位組織の回復などにより鋼材が軟化し、十分な強度が確保できないため６５０℃以下とする。
（機械加工工程）
熱処理工程後の当該鍛鋼品用高強度鋼の表層に切削又は研削を含む仕上げ機械加工を施すことで、当該鍛鋼品を得ることができる。
以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
［試験試料の作成］
（実施例１）
表１の実施例１の欄に示す組成を有する鋼原料を高周波炉により溶製し、鋳造して直径１３２ｍｍ〜１５８ｍｍ、長さ３２３ｍｍの鋼塊（５０ｋｇ）を得た。得られた鋼塊の押湯部分を切除し、１２３０℃で５〜１０時間加熱した後、自由鍛造プレス機を用いて高さ比で１／２まで圧縮し、鋼塊中心線を９０°回転させて鍛造して９０ｍｍ×９０ｍｍ×４５０ｍｍにまで引き伸ばした後、大気中で放冷した。次に、焼入れ処理を行う前に、室温にまで放冷した素材を加熱（５００℃以上では５０℃／ｈｒ以下で加熱）し、６５０℃で１０時間保持してから炉冷した（焼入前処理）。その後、小型シミュレート炉を用いて焼入れ処理を施した。なお、焼入れ処理は、素材を昇温速度５０℃／ｈｒで８７０℃まで昇温して３時間保持した後、素材を８７０℃〜５００℃の温度域において平均冷却速度５０℃／ｍｉｎで冷却した。その後、焼戻し処理として素材を６００℃で１０時間保持してから炉冷した。このようにして実施例１の鍛鋼品用高強度鋼の試験試料を作成した。なお、表１中「−」は測定限界以下を示す。
（実施例２〜１２及び比較例１〜１７）
表１の実施例２〜１２及び比較例１〜１７の欄に示す組成としたこと、上記焼入前処理における保持温度及び上記焼戻し処理における保持温度を表１に示す温度としたこと以外は実施例１と同様の手順で実施例２〜１２及び比較例１〜比較例１７の鍛鋼品用高強度鋼の試験試料を作成した。なお、上記焼入前処理における保持時間は、実施例１と同じ１０時間とした。
実施例１〜１２は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｌ、Ｎ、Ｏの含有率が本発明の範囲内である。比較例１〜１７は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｌ、Ｎ、Ｏの少なくともいずれかの含有率が本発明の範囲外である。
（比較例１８〜２０）
比較例１８〜２０の鍛鋼品用高強度鋼に用いる鋼原料は、表１に示すように同じ組成とした。なお、この組成は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｌ、Ｎ、Ｏの含有率が本発明の範囲内である。比較例１８〜２０の鍛鋼品用高強度鋼は、上記焼入前処理における保持時間を実施例１における保持時間よりも短い８時間とし、上記焼入前処理における保持温度をそれぞれ５５０℃、６００℃、６５０℃とした。
（比較例２１〜２２）
比較例２１及び２２の鍛鋼品用高強度鋼の試験試料は、上記焼入前処理を行わない従来の製造方法により作成した。比較例２１及び２２の鍛鋼品用高強度鋼に用いる鋼原料は、特許第３８９６３６５号公報及び特許第４３３２０７０号公報で用いられている組成のものとした。なお、これらの組成は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｌ、Ｎ、Ｏの含有率が本発明の範囲内である。
［整合析出物の個数密度の測定］
試験試料を直径３ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円盤状に切り出し、エメリー紙で３０μｍまで研磨した後、ツインジェット法によってこの試料から電子顕微鏡サンプルを作成した。この電子顕微鏡サンプルを、加速電圧２００ｋＶで透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって確認することにより、整合析出物を特定した。具体的には、ＴＥＭによって５０００倍で観察した組織写真の中から、ｇ１＊ベクトルが励起されて析出物が最もはっきり観察される点を中心に５ｃｍ×５ｃｍの正方形に撮影し、その中に含まれる整合析出物（直径３０ｎｍ以下のもの）の個数をカウントし、１０視野のカウントした個数の平均値を整合析出物の個数密度とした。
［セメンタイト中の合金元素の濃度分析］
セメンタイト中の合金元素の濃度分析は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）付属のＥＤＸにて定量分析することにより行った。ＥＤＸは、電子線照射により発生する特性Ｘ線を検出し、エネルギーで分光することによって元素分析や組成分析を行う手法である。
［機械的性質の測定］
熱処理後、試験片の長手方向が鍛伸方向に平行になるよう上記試験試料を加工して引張試験を実施した。試験片形状は、ＪＩＳ−Ｚ２２４１（２０１１）の１４号試験片でφ６×Ｇ．Ｌ．３０ｍｍとし、引張強度（ＴＳ）を測定した。本試験では、引張強度が８５０ＭＰａ以上のものを合格と判定した。
また、シャルピー衝撃試験により上記試験試料の吸収エネルギー（ｖＥ）（室温での吸収エネルギー）を測定し、靭性の評価を行った。シャルピー衝撃試験はＪＩＳ−Ｚ２２４２（２００５）に準拠して実施し、このときの試験片形状はＪＩＳ−Ｚ２２４２（２００５）の２ｍｍＶノッチを採用した。本試験では吸収エネルギーが４５Ｊ以上のものを合格と判定した。
被削性の評価として、エンドミル切削試験を行い、鋼材を断続切削したときの工具摩耗量を測定した。エンドミル切削試験では、上記試験試料をスケール除去した後、表面を約２ｍｍ研削したものをエンドミル切削試験片（被削材）として用いた。具体的には、マニシングセンタ主軸にエンドミル工具を取り付け、上記のようにして製造した２５ｍｍ×８０ｍｍ×８０ｍｍの試験片をバイスにより固定し、乾式の切削雰囲気下でダウンカット加工を行った。より具体的には、試験片に対して、外径φ１０．０ｍｍのＴｉＡｌＮコーティングされたハイスエンドミル（三菱マテリアル株式会社の「Ｋ−２ＳＬ」）により、軸方向切込み量１．０ｍｍ、径方向切込み量１．０ｍｍ、送り量０．１１７ｍｍ／ｒeｖ、送り速度５５６．９ｍｍ／ｍｉｎで切削長２９ｍの切削を行った。断続切削を２００カット行った後、ハイスエンドミル表面を光学顕微鏡によって観察倍率１００倍で観察し、逃げ面摩耗量（工具摩耗量）Ｖｂを測定し平均値を求めた。本試験では、逃げ面摩耗量Ｖｂが7０μｍ以下のものを、断続切削時の被削性に優れるものとし合格と判定した。
本試験では、引張強度、吸収エネルギー及び被削性が共に合格と判定されたものを総合評価「Ａ」とし、それ以外のものを総合評価「Ｂ」とした。これらの測定結果を表１に示す。
Figure 2015117419
［測定結果］
実施例１〜１２は、いずれも高強度であると共に靭性及び被削性も優れており総合評価Ａであった。
これに対し、比較例１〜１７は、引張強度及び靭性のいずれかが合格の範囲とならず総合評価Ｂであった。これらの試験試料は、本発明の基本成分の範囲を満たさない組成を有する鋼を用いて作成したものである。本発明の基本成分の範囲は、Ａｌ及びＮを除き強度を向上させる組成を規定するものなので、本発明で規定する含有量の下限未満の元素（Ａｌ及びＮを除く）を有する組成のもの（比較例１、４、７、９、１１）の引張強度が低下しているといえる。一方、本発明で規定する含有量の上限を超える元素（Ａｌ及びＮを除く）を有する組成のもの（比較例２、３、５、６、８、１０、１２、１４、１６、１７）の引張強度は向上しているものの、切削抵抗が強度に比例して増加するため、靭性及び被削性が低下している。また、Ａｌ及びＮは、適切な含有量とすることで靱性を向上させる元素なので、これらの元素が本発明で規定する含有量の下限未満又は上限を超える組成のもの（比較例１３及び１５）は、靭性及び被削性が低下している。
比較例１８〜２２は、引張強度及び靭性共に優れているものの被削性が劣っている。これは、直径３０ｎｍ以下の整合析出物が多く、その個数密度が５０個／μｍ２超えているためと考えられる。このメカニズムは明確ではないが、整合析出物が多くなると切削時の抵抗となる粒子が増加するために、被削性が低下すると推定される。また、表１に示す結果より、焼入前処理の保持時間を変化させることで析出する直径３０ｎｍ以下の整合析出物の個数を制御できると考えられる。
（引張強度と工具摩耗量との関係）
上記実施例及び比較例で測定した引張強度と工具摩耗量との関係を図１に示す。図１より、実施例１〜１２では、高強度でありかつ被削性も優れていることがわかる。一方、比較例１〜２２では、引張強度が８５０ＭＰａ以上の場合には工具摩耗量が７０μｍを超え、工具摩耗量が７０μｍ以下の場合は引張強度が８５０ＭＰａ未満となっており、高強度と被削性とが両立していないことがわかる。
（他成分の付加）
実施例７の組成は、実施例４の組成にＣｕを付加したものである。実施例８の組成は、実施例４の組成にＮｂを付加したものである。実施例９の組成は、実施例５の組成にＢを付加したものである。これらの各実施例の測定結果を比較すると、Ｃｕ、Ｎｂ又はＢを付加することにより、靭性及び被削性を十分に確保しながら強度を大きく向上できることがわかる。
（セメンタイト中の元素濃度）
実施例４の組成は、実施例２の組成と略同じで、セメンタイト中のＣｒ濃度が２．７質量％以上と実施例２よりも大きい。これらの測定結果を比較すると、実施例４は、実施例２に対して、被削性を損なわず引張強度が大きく向上していることがわかる。また、実施例１０〜１２は組成が略同じであるが、実施例１１のみセメンタイト中のＭｎ濃度が１．２質量％以上と実施例１０及び１２よりも大きい。実施例１１は、引張強度が実施例１０及び１２と同等でありながら、被削性が実施例１０及び１２よりも向上していることがわかる。
以上説明したように、当該鍛鋼品用高強度鋼及び鍛鋼品は、高強度でかつ被削性及び研磨性に優れるので、船舶用駆動源の伝達部材として用いられる中間軸、推進軸、連接棒、ラダーストック、ラダーホーン、及びクランク軸等の素材として有用である。

Claims (4)

  1. Ｃ：０．３５質量％以上０．４７質量％以下、
    Ｓｉ：０質量％以上０．４質量％以下、
    Ｍｎ：０．６質量％以上１．５質量％以下、
    Ｎｉ：０質量％超２．０質量％以下、
    Ｃｒ：０．８質量％以上２．５質量％以下、
    Ｍｏ：０．１０質量％以上０．７質量％以下、
    Ｖ：０．０３５質量％以上０．２０質量％以下、
    Ａｌ：０．０１５質量％以上０．０５０質量％以下、
    Ｎ：３０ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下、
    Ｏ：０ｐｐｍ超３０ｐｐｍ以下
    の基本成分を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、
    金属組織が、ベイナイト、マルテンサイト、又はベイナイト及びマルテンサイトの混合組織を主体とし、
    立方晶系Ｂ１型析出物のうち直径３０ｎｍ以下の整合析出物の個数が５０個／μｍ２以下である鍛鋼品用高強度鋼。
  2. 他の成分として
    Ｃｕ：０質量％超１．５質量％以下、
    Ｎｂ：０質量％超０．５質量％以下、又は
    Ｂ：０ｐｐｍ超３０ｐｐｍ以下
    を含む請求項１に記載の鍛鋼品用高強度鋼。
  3. セメンタイト中のＣｒ濃度が２．７質量％以上、又はＭｎ濃度が１．２質量％以上である請求項１又は請求項２に記載の鍛鋼品用高強度鋼。
  4. 請求項１、請求項２又は請求項３のいずれか１項に記載の鍛鋼品用高強度鋼を切削又は研削して得られる鍛鋼品。
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