JP3671688B2 - 破断分断性に優れた破断分割型コンロッド用熱間鍛造用非調質鋼 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用部品等を冷間で破断分割加工するのに好適な熱間鍛造用非調質鋼に関する。より詳細には本発明は、自動車エンジン等の部品として用いられるコネクティングロッド(略称:コンロッド)を構成するコネクティングロッド本体(略称:コンロッド本体)とコネクティングロッドキャップ(略称:コンロッドキャップ)を冷間加工により容易に分割することが可能であり、且つ破断分割面の嵌合性が高められ、塑性変形量も低く抑えることのできる熱間鍛造用非調質鋼に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、コンロッド等の如く成形後に分割を必要とする部品は、コンロッド本体とコンロッドキャップを別個に熱間鍛造した後、切削による合わせ面の加工、更に必要に応じてズレを防止するためのピン加工を施していた。或いは、コンロッドを一体で熱間鍛造する場合においても、機械加工による切断と合わせ面の仕上げ加工等を施していた。しかしながら、上記加工を施すと、材料の歩留まり量が低下する他、多数の工程を経る為にコストが上昇するという問題があった。
【0003】
そこで、コンロッドを一体で熱間鍛造し、分割面の加工を施すことなく機械加工した後、冷間で破断分割加工し、クランクシャフトに結合して組立てる方法が検討されている。ところが、従来のコンロッド用鋼を冷間で破断分割すると、靱延性が良好である為、分割面が塑性変形して嵌合することができなかったり、コンロッド大端部内径の塑性変形量が大きくなり、仕上げ加工量が増大する等の不具合があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、靭性や延性を低くし、破断分割性に優れた破断分割型コンロッド用熱間鍛造用非調質鋼を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成し得た本発明に係る破断分割型コンロッド用熱間鍛造用非調質鋼は、
鋼成分が、質量%で(以下、同じ)
C :0.15〜0.6%,
Si:1.5%以下(0%を含まない),
P :0.15%以下(0%を含まない),
Cr:2%以下(0%を含まない),
Al:0.06%以下(0%を含まない),
N :0.03%以下(0%を含まない),
Mn:2.0%以下(0%を含まない),
S :0.038〜0.061%,
V :0.45%以下(0%を含まない)
Ca:0.0018%以下(0%を含まない)
を夫々含有し、更に
Zr :0.2%以下(0%を含まない)
Ti :0.1%以下(0%を含まない)
Mg :0.01%以下(0%を含まない)
REM:0.3%以下(0%を含まない)
よりなる群から選択される少なくとも一種を含有する
(但し、Zrを含有するときは、Zrを0.08%以上とする)
と共に、
鍛造材の表面から1/4厚さ位置における縦断面において、幅1μm以上の硫化物系介在物が100〜4000個/mm2存在すると共に、該硫化物の平均アスペクト比(長さ/幅)が10以下であるところに要旨を有するものである。
【0006】
本発明の破断分割型コンロッド用熱間鍛造用非調質鋼(以下、単に「熱間鍛造用非調質鋼」と呼ぶ)には、必要によって更に、(1)Nb:0.15%以下(0%を含まない)、(2)Pb:0.3%以下(0%を含まない)及び/又はBi:0.3%以下(0%を含まない)、等を含有することが推奨される。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、破断分割性に優れた熱間鍛造用非調質鋼を提供すべく鋭意検討してきた。その結果、硫化物系介在物の個数およびアスペクト比を適切に制御することにより、所期の目的を解決し得ることを見出し、本発明を完成した。
【0008】
本発明の如く鋼中の硫化物系介在物に着目し、所定の硫化物系介在物を形成させることによって冷間での熱間鍛造品の破断分割性が著しく高められるという知見は本願発明者らによって始めて見出されたものであり、従来法には全く開示されていない。
【0009】
例えば従来法としては、▲1▼脆化元素を積極的に添加することにより破断分割性の向上を目指すものとして特開平8−291373号公報及び特開平9−176786号公報が挙げられる。前者はPの添加により、後者はAs、Sb、Snの添加により破断分割性向上を図るものである。
【0010】
また、▲2▼フリーの固溶Nを増加させることにより脆性破壊を促進し、破断分割性を向上させるものとして特開平9−3589号公報、特開平9−176787号公が挙げられ、該固溶Nを高めるための条件が特定されている。
【0011】
更に、▲3▼フェライトを強化することにより脆性破壊を促進し、破断分割性を向上させるものとして例えば特開平9−31594号公報が挙げられ、固溶強化によってフェライトを強化するSiと、析出強化によってフェライトを強化するVを複合添加することにより破断分割性を高める方法が開示されている。
【0012】
この様に上記従来の方法は、いずれも鋼中の添加元素を調整することにより所定の金属組織を脆化しようというものであり、「所定の硫化物系介在物を形成させることにより、破断分割性に優れた熱間鍛造用非調質鋼を得る」という本発明の技術的思想は示唆されておらず、本発明とは異なるものである。
【0013】
上述した通り、本発明の破断分割性に優れた熱間鍛造用非調質鋼とは、鍛造材の表面から1/4厚さの位置における縦断面において、幅1μm以上の硫化物系介在物が100〜4000個/mm2 存在すると共に、該硫化物系介在物の平均アスペクト比(長さ/幅)が10以下であるという要件を満足するものである。
【0014】
この様に本発明において、硫化物系介在物の個数及びアスペクト比を特定した理由は以下の通りである。
【0015】
MnS等の硫化物系介在物は、圧延や熱間鍛造によって圧延方向や鍛造方向に延伸する。この延伸した硫化物系介在物が鍛造材などの破断分割時に縦目(破断分割面に対して垂直方向に延伸)に存在すると、クラックの進展に伴い、硫化物系介在物と金属マトリックスの間が剥離し、応力の緩和が起こる。その結果、脆性的な破断が阻害されて靱延性値が向上し、破断分割性の低下をもたらす様になる。これに対し、硫化物系介在物の延伸を抑制し、アスペクト比を小さくして球状化させた場合は、縦目で破断分割するに際し、硫化物系介在物の周辺に発生するクラック先端での応力が増大し、脆性的な破断が促進される。その結果、破断分割面の嵌合性が高まり、塑性変形量も低くすることができる。
【0016】
上述した硫化物系介在物の形成による作用を有効に発揮させる為には、アスペクト比の平均が10以下であることが必要である。前述の如く、アスペクト比が10を超え、縦目に延伸した硫化物系介在物が存在すると、破断分割性が低下するからである。更にアスペクト比を小さくして硫化物系介在物をできるだけ球状化させることにより、熱間加工性も向上し、圧延時や熱間鍛造時の割れを防止できるという効果も得られる。この様な作用を一層高める為には、このアスペクト比をできるだけ1に近づけることが推奨され、好ましくは6以下、より好ましいのは4以下である。
【0017】
これらの効果は、幅が1μm以上の硫化物系介在物の場合に有効である。幅が1μm未満の場合は、破断分割時に上述した剥離が生じず、硫化物系介在物自体の破断が生じてしまうからである。
【0018】
更に本発明では、上述した幅1μm以上の硫化物系介在物が、鍛造材の表面から1/4厚さの位置における縦断面において、100〜4000個/mm2 存在することが必要である。上記硫化物系介在物の個数が100個/mm2 未満の場合は、該硫化物系介在物を伝播するクラックが減少し、クラックの進展に伴う所望の効果が得られない。好ましくは300個/mm2 以上であり、より好ましいのは400個/mm2 以上である。一方、上記硫化物系介在物の個数が4000個/mm2 を超えると、圧延時や熱間鍛造時に割れ等の弊害が生じる。好ましくは3000個/mm2 以下であり、より好ましいのは2500個/mm2 以下である。
【0019】
尚、本発明における「硫化物系介在物」とは、主にMnSを意味するものであるが、その他、Mn,Zr,Ti,Mg,Ca,Se,Te,REM等の硫化物およびこれらの複合硫化物等も本発明の範囲内に包含される。
【0020】
次に、上述した本発明に係る熱間鍛造型非調質鋼の化学組成について説明する。前述の如く本発明では、特定の硫化物系介在物を存在させることに最重要ポイントがあり、その為には、基本的に下記元素を添加する。
【0021】
Mn:2.0%以下(0%を含まない)
Mnは溶製時における脱酸及び脱硫元素として有効な元素であり、また鍛造品のパーライト焼入性を高めてパーライト量を増加させ、パーライト中のラメラー間隔を細かくすることにより耐力や疲労強度等の強度増大に寄与する元素である。更に、Sと結合して硫化物系介在物MnSを形成し、破断分割時の切欠効果も得られる。この様な作用を有効に発揮させる為には、0.1%以上の添加が好ましい。ただし、Mn含有量が過剰になると、金属組織中にベイナイトが生成し、被削性に悪影響を及ぼす様になるので、その上限を2.0%以下に抑えることが好ましい。より好ましくは1.7%以下である。
【0022】
S:0.38〜0.061%
Sは硫化物系介在物MnS等を形成し、破断分割時の切欠効果を発揮すると共に、被削性向上にも寄与する元素である。この様な作用を有効に発揮させる為には、0.038%以上添加する。しかしながら、S含有量が過剰になると、圧延時や熱間鍛造時に割れなどの弊害が生じる為、0.061%以下に抑制する。
【0023】
更に、硫化物系介在物を球状化してアスペクト比を小さくする為には、Zr,Ti,Mg,CaおよびREMよりなる群から選択される少なくとも1種を積極的に添加する。これら元素の添加により、破断分割性を一層高めると共に、熱間加工性を向上させ、圧延時や熱間鍛造時の割れ防止作用も得られる。但し、多過ぎてもその効果が飽和し、コスト上昇を招くので、Zr:0.2%以下,Ti:0.1%以下,Mg:0.01%以下,Ca:0.01%以下,REM:0.3%以下(いずれの元素も0%を含まない)に制御する。
【0024】
更に本発明鋼では、下記のC,Si,P,Cr,Al,Nを積極的に添加する。
【0025】
C:0.15〜0.6%
Cは熱間鍛造・冷却後に鍛造品の金属組織中パーライト量を増大させ、所望の強度を確保するのに寄与する元素である。この様な作用を有効に発揮させる為いは、少なくとも0.15%以上添加することが好ましい。より好ましくは0.2%以上である。しかしながら、Cの含有量が過剰になると、被削性が低下してくるので、その上限を0.6%以下に抑えることが好ましい。強度と被削性のバランスを考慮すれば、より好ましいC含有量は0.5%以下である。
【0026】
Si:1.5%以下(0%を含まない)
Siは鋼材溶製時の脱酸に有効に作用する他、鋼材のフェライト地に固溶して熱間鍛造・冷却後の鍛造品を強化するのに有効な元素である。この様な作用を有効に発揮させる為には0.1%以上添加することが好ましい。しかしながら、Siの含有量が過剰になると、被削性および熱間加工性に悪影響が現れてくるので、その上限を1.5%にすることが好ましい。より好ましくは1.0%以下である。
【0027】
P:0.15%以下(0%を含まない)
Pは粒界への偏析により靱延性を低下させるのに有効な元素である。その為には0.01%以上添加することが好ましい。しかしながら、Pの含有量が過剰になると熱間加工性が低下するため、その上限を0.15%とすることが好ましい。より好ましくは0.10%以下である。
【0028】
Cr:2%以下(0%を含まない)
CrはMnと同様、パーライト焼入れ性を向上させ、耐力や疲労強度等の強度上昇に寄与する元素である。この様な作用を有効に発揮させる為には0.2%以上添加することが好ましい。しかしながら、Crの含有量が過剰になると硬さが大幅に上昇したり、金属組織中にベイナイトが生成して被削性に悪影響を及ぼす様になるので、その上限を2%以下にすることが好ましい。より好ましくは1.7%以下である。
【0029】
Al:0.06%以下(0%を含まない)
N :0.03%以下(0%を含まない)
これらの元素は、いずれも結晶粒を微細化して疲労特性の向上に寄与する。この様な作用を有効に発揮させる為には、Al:0.001%以上、N:0.002%以上添加することが好ましい。ただし、過剰に添加してもその効果は飽和してしまう他、逆に熱間加工性に悪影響を及ぼす様になるので、その上限をAl:0.06%、N:0.03%とすることが好ましい。より好ましくはAl:0.05%、N:0.020%以下である。
【0030】
更に本発明鋼では、Vを積極的に添加する。
【0031】
V :0.45%以下(0%を含まない)
Vは、微細な炭化物若しくは窒化物を形成してフェライト地に析出し、耐力や疲労強度等の強度上昇に寄与する元素である。この様な作用を有効に発揮させる為にはV:0.02%以上以上にすることが好ましい。しかしながら、過剰に含有させても効果が飽和し、コスト上昇を招くので、その上限をV:0.45%とすることが好ましい。より好ましくはV:0.35%以下である。
【0032】
所望の硫化物系介在物を得る為の基本成分は上述した通りであるが、更に、硫化物系介在物を球状化してアスペクト比を小さくする為には、SeおよびTeを積極的に添加することが推奨される。これら元素の添加により、破断分割性を一層高めると共に、熱間加工性を向上させ、圧延時や熱間鍛造時の割れ防止作用も得られる。但し、多過ぎてもその効果が飽和し、コスト上昇を招くので、Se:0.1%以下,Te:0.1%以下(いずれの元素も0%を含まない)に制御することが好ましい。
【0033】
更に本発明鋼では、Nbを積極的に添加することもできる。
【0034】
Nb:0.15%以下(0%を含まない)
Nbは、微細な炭化物若しくは窒化物を形成してフェライト地に析出し、耐力や疲労強度等の強度上昇に寄与する元素である。この様な作用を有効に発揮させる為にはNb:0.005%以上にすることが好ましい。しかしながら、過剰に含有させても効果が飽和し、コスト上昇を招くので、その上限をNb:0.15%とすることが好ましい。より好ましくはNb:0.1%以下である。
【0035】
更に本発明鋼では、下記のPb及び/又はBiを積極的に添加することもできる。
【0036】
Pb:0.3%以下(0%を含まない)
Bi:0.3%以下(0%を含まない)
これらの元素は、いずれも被削性の向上に寄与する元素である。この様な作用を有効に発揮させる為には、Pb:0.01%以上、Bi:0.01%以上添加することが好ましい。ただし、過剰に添加してもその効果は飽和してしまうので、その上限をPb:0.3%、Bi:0.3%とすることが好ましい。より好ましくはPb:0.25%、Bi:0.25%以下である。これらの元素は単独で使用しても良いし、2種以上を併用しても構わない。
【0037】
本発明鋼は上述した元素を必須的に、或いは必要に応じて含有するものであり、その他:実質的にFeからなるものであるが、本発明の作用を損なわない範囲で他の許容成分を含有することもできる。
【0038】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定するものではなく前・後記の趣旨に徴して適宜設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【0039】
【実施例】
表1に示す化学成分組成からなる鋼No.2〜12を50kg実験炉で溶製した後、熱間鍛造にて厚さ25mm、幅70mmの板に鍛伸し、所定の長さに切断した。
【0040】
この様にして得られた平板の幅1/4部の縦断面にて1mm2 の視野を光学顕微鏡(1000倍)で観察し、幅が1μm以上の硫化物系介在物の個数、および該介在物のアスペクト比平均を測定した。
【0041】
更に上記平板の鍛造方向に対して平行に引張試験片及び衝撃試験片を採取し、各試験を実施した。その際、15mm厚さに平潰し鍛造加工した平板の表面を目視により観察し、鍛造割れの有無についても同時に調査した。また、脆性破面率はJIS Z 2242に記載の方法に則って目視観察し、標準破面との比較で、破面の全面積に対する脆性破面の面積の割合を算出した。
【0042】
表1に、幅が1μm以上の硫化物系介在物の個数、該介在物の平均アスペクト比、鍛造時における割れ有無、引張強さ、衝撃値および脆性破面率を併記する。尚、表中、「引張強さ」、「衝撃値」および「脆性破面率」の各項目における「−」は、いずれも測定を中止したことを意味する。
【0043】
【表1】
【0044】
これらの結果から、以下の様に考察できる。
まずNo.4,5は本発明で規定する要件のいずれも満足する実施例であり、鍛造割れが発生することなく、衝撃値もその基準となる20J/cm2よりも小さく、脆性破面率も必須条件である100%を満たしており、良好な破断分割性が得られていることが分かる。
【0045】
これに対して、本発明で特定する要件のいずれかを満足しないNo.8〜12は、夫々以下の不具合を抱えている。
【0046】
No.8は、硫化物系介在物の個数が多い例であり、熱間での鍛造割れが認められる。一方、No.9は硫化物系介在物の個数が少ない例であり、衝撃値、脆性破面率ともに目標レベルに達していない。
【0047】
また、No.10は硫化物系介在物の個数は本発明の要件を満足するが、アスペクト比がその上限を超えており、衝撃値、脆性破面率ともに目標レベルに達していない。
【0048】
更にNo.11は、硫化物系介在物の個数およびアスペクト比の両方が本発明の要件を満足しない例であり、衝撃値、脆性破面率ともに目標レベルに達していない。
【0049】
また、No.12はS含有量が高く、硫化物系介在物のアスペクト比が大きい例であるが、熱間での鍛造割れが認められた。
【0050】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されているので、高強度、低靱延性を満足し、破断分割性にも優れた熱間鍛造用非調質鋼を得ることができる。
Claims (3)
- 鋼成分が、質量%で(以下、同じ)
C :0.15〜0.6%,
Si:1.5%以下(0%を含まない),
P :0.15%以下(0%を含まない),
Cr:2%以下(0%を含まない),
Al:0.06%以下(0%を含まない),
N :0.03%以下(0%を含まない),
Mn:2.0%以下(0%を含まない),
S :0.038〜0.061%,
V :0.45%以下(0%を含まない)
Ca:0.0018%以下(0%を含まない)
を夫々含有し、更に
Zr :0.2%以下(0%を含まない)
Ti :0.1%以下(0%を含まない)
Mg :0.01%以下(0%を含まない)
REM:0.3%以下(0%を含まない)
よりなる群から選択される少なくとも一種を含有し、
(但し、Zrを含有するときは、Zrを0.08%以上とする)
残部がFeおよび不可避不純物からなると共に、
鍛造材の表面から1/4厚さ位置における縦断面において、幅1μm以上の硫化物系介在物が100〜4000個/mm2存在すると共に、該硫化物の平均アスペクト比(長さ/幅)が10以下であることを特徴とする破断分断性に優れた破断分割型コンロッド用熱間鍛造用非調質鋼。 - 更に
Nb:0.15%以下(0%を含まない)
を含有するものである請求項1に記載の破断分割型コンロッド用熱間鍛造用非調質鋼。 - 更に
Pb:0.3%以下(0%を含まない)及び/又は
Bi:0.3%以下(0%を含まない)
を含有するものである請求項1または2に記載の破断分割型コンロッド用熱間鍛造用非調質鋼。
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