JP3842429B2 - 快削性に優れた熱間加工鋼材及び製品並びにそれらの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、クランクシャフト、デファレンシャルギア等、自動車や産業機械の部品用素材として使用される棒鋼、及び、上記鋼製部品に関するものであって、黒鉛を析出させるための熱処理を行わなくても、熱間加工ままで微細な黒鉛を有し、被削性が良好で、且つ、従来の球状黒鉛鋳鉄より高い強度と靱性とを備えたものの製造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
棒鋼を熱処理したりせずに、直接切削して自動車や産業機械等の部品に加工する場合、例えば、ピストンロッド等に加工する場合、その加工に供される棒鋼は、優れた被削性を有することが求められる。また、棒鋼を熱間鍛造して製造した部品を切削により機械加工する場合、例えば、自動車のエンジン廻り部品であるコネクチングロッド、クランクシャフト、デファレンシャルギア等を、切削により機械加工する場合においても、これら部品の仕上げ前の鍛造品には優れた被削性が要求される。このような特性を備えた棒鋼や部品をできるだけ安価に製造するためには、上記棒鋼は熱処理が施されていない、熱間加工されたままの状態のものが使用できることが要求される。
【０００３】
上記棒鋼や、これから製造される仕上げ加工前の部品の被削性の良否は、切削工具の寿命と、切削時に発生する切り屑の処理性、即ち切り屑が適当な大きさに細かく分断されるか否か、とによって判断される。特に最近は、自動盤により無人で鋼材が機械加工されることが多く、発生する切り屑が長くつながって絡まってしまうと、機械の停止や切り屑を取り除くための余計な作業を行う必要が生じ、生産性を低下させる原因となる。
【０００４】
またコネクチングロッドやクランクシャフトの自動切削機械加工においては、自動盤には潤滑油を供給するための穴がいくつか設けられている。この潤滑油供給用の穴は径が細く深さが深いために、穴明け加工においては、切り屑が細かく分断して、ドリル穴から支障なく排出されることが必要である。即ち、分断しにくい切屑では切粉にならず、穴から排出されないので切屑が穴に詰まってドリル折損を引き起こすのである。
【０００５】
従って、上記のような部品の機械加工に当たっては、工具寿命の向上、及び切り屑処理性の改善のため、従来、快削元素である鉛を０．０５〜０．３０wt.%添加した、鉛快削鋼が広く用いられてきた。Ｐｂは低融点であるため、切削加工の熱により容易に溶解して、鋼の延性を低下させ、これによって工具寿命を延ばし、切り屑を適度な大きさに分断する効果を発揮する。しかしながら、鉛には毒性があるため、近年の地球環境保護の機運の高まりに伴って、無鉛の快削鋼が強く求められている。
【０００６】
鋼材の切削性を向上させる元素としては、Ｐｂの他に、Ｓ、Ｃａ、Ｂｉ、Ｓｅ及びＴｅ等の元素が知られている。しかし、これら元素は、▲１▼被削性改善効果がＰｂに及ばない、▲２▼高価である、▲３▼毒性がある、といった欠点を少なくとも１つはもっているので、Ｐｂ代替の元素にはなり得ない。
【０００７】
一方、黒鉛は、鋳鉄においてみられるように、被削性を極めて向上させる元素である。しかしながら、炭素を鋼に添加した場合には、一般にセメンタイトを析出するので、鋼材において黒鉛を得るのは容易ではない。
【０００８】
従来開示されている発明の中で、炭素を０．１０〜１．５wt.%含む鋼材の場合、例えば特開平２−１０７７４２号公報、及び特開平３−１４０４１１号公報には、６００〜８００℃の温度で数時間〜２００時間という長時間の焼鈍を行なって黒鉛を析出させる鋼材又はそのような方法が開示されている。また、特開昭４９−６７８１６号公報、及び特開昭４９−６７８１７号公報には、７５０〜９５０℃で焼入れ、６００〜７５０℃で焼戻して黒鉛を析出させた黒鉛快削鋼が開示されている。
【０００９】
このように、従来開示されている発明例においてはいずれも、鋼材に対して、黒鉛を得るための黒鉛化熱処理を施す必要がある。このため極めてコスト高になってしまう。また黒鉛化熱処理により金属組織がフェライトになってしまうので、従来技術では強度の低い部品や冷間鍛造によって製造可能な小さな部品の製造に限定されてしまい、クランクシャフトやコネクチングロッドといった大型の鍛造部品の製造には適用することができない。
【００１０】
一方、炭素含有率が３．８wt.%前後の鋳鉄、あるいは鋳鋼は、ＣａやＭｇ等の接種により鋳造ままで容易に球状黒鉛が析出し、被削性が良好であることは良く知られている。しかしながら、鋳鉄や鋳鋼は鋳込ままで使用されるため、部品等における成品形状の自由度はあるものの、伸び、絞り、衝撃値といった靱性が低いという欠点がある。
【００１１】
これに対して、近年、オーステンパー処理により基地組織をベイナイトにすることにより、その靱性が改善されてきてはいる。例えば特開昭６１−２４３１２１号公報には、球状黒鉛鋳鉄にオーステンパー処理を施すクランクシャフトの製造方法が、そして、特開昭６１−１７４３３２号公報には、同じく球状黒鉛鋳鉄にオーステンパー処理を施すコネクチングロッドの製造方法が開示されている。しかしながら、これら鋳造品は、Ｓ４８Ｃを基本成分にして０．１０wt.%程度のＶを添加した非調質鋼の鍛造品に較べると、ヤング率が低く、疲労強度に劣り、また靱性もこの鍛造品には及ばない。また、これら鋳造品には０．１ｍｍ程度の鋳造巣が発生することがあり、これは疲労破壊の起点となるので材料の信頼性が劣り、鋳造方法並びに製品の超音波検査に厳重な注意を払う必要がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した各種先行技術には、下記問題点のいずれかが未解決となっている。
問題点１：使用されている快削元素には毒性があり、環境対策上問題がある。
問題点２：毒性のない快削元素として炭素を利用し、黒鉛の形態に析出させて快削効果を発揮させ得るが、黒鉛化熱処理を施さなければならないので、コストが嵩む。
問題点３：炭素含有率の高い鋳鉄や鋳鋼であれば接種による球状黒鉛の析出により快削性が確保されるが、靱性が劣っている。
【００１３】
問題点４：快削鋳鉄や快削鋳鋼の熱処理により靱性改善を図っても、十分な靱性が得られず、また、鋳造巣欠陥により製品の信頼性に問題がある。
この発明では、上記問題点を解決して、自動車や産業機械の部品類の素材として用いられる棒鋼、及び、その棒鋼を熱間加工し、切削加工仕上げをして製品とし、熱処理を施さない上記部品類を製造するために、▲１▼被削性が良好であり、▲２▼強度及び靱性に優れており、しかも、▲３▼安価で且つ環境保護上問題なく製造し
得る方法を開発することを目的とする。
【００１４】
この目的を達成するために、本発明者等は、熱処理を行なわず熱間加工ままで微細な黒鉛を有し、しかも従来の球状黒鉛鋳鉄より高い強度と靱性とを有する特性を備えた棒鋼を、安定して製造する技術を開発することを課題とした。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上述した観点から、快削熱間加工鋼材及びその製品を得るために鋭意研究を重ねた。その結果、化学成分を適正に組み合わせることによって、良好な熱間延性を有し熱間での棒圧延が可能で、焼鈍を行なわなくても熱間鍛造等熱間加工ままで直接微細な黒鉛を有する、快削熱間加工鋼材あるいは鋼製品を得ることができるとの知見を得た。この発明は、上述した知見に基づきなされたものであって、以下の通りである。
【００１６】
請求項１記載の発明は、Ｃ：０．８０〜１．７０wt.%、Ｓｉ：０．７０〜２．５０wt.%、Ｍｎ：０．３０wt.%未満、Ｐ：０．０５０wt.%以下、Ｓ：０．０５０wt.%以下、Ｏ：０．００３０wt.%以下、及び、Ｎ：０．０１５wt.%以下を含有し、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有し、且つ、平均粒径が０．５μｍ以上の黒鉛が１００個／ｍｍ2 以上析出し、且つ金属組織がパーライトであることに特徴を有するものである。
【００１７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、鋼材の化学成分組成に、Ｃｕ：０．０５〜２．０wt.%、Ｎｉ：０．０５〜２．０wt.%、Ｃｏ：０．０５〜０．５０wt.%、Ｃｒ：０．０５〜１．０wt.%、Ｍｏ：０．０５〜０．５０wt.%、及び、Ｂ：０．０００５〜０．０１０wt.%の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種が、更に付加されて含まれていることに特徴を有するものである。
【００１８】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、鋼材の化学成分組成に、Ａｌ：０．０１〜０．５０wt.%、Ｔｉ：０．０１〜０．５０wt.%、Ｚｒ：０．０１〜０．５０wt.%、Ｖ：０．０１〜０．３０wt.%、及び、Ｎｂ：０．０１〜０．３０wt.%の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種が、更に付加されて含まれていることに特徴を有するものである。
【００１９】
請求項４記載の発明は、請求項１から３の何れか１つに記載の発明において、鋼材の化学成分組成に、Ｃａ：０．００１０〜０．０１０wt.%、Ｍｇ ：０．００１０〜０．１０wt.%、及び、ＲＥＭ：０．００５〜０．１０wt.%の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種が、更に付加されて含まれていることに特徴を有するものである。
【００２０】
請求項５記載の発明は、請求項１から４の何れか１つに記載の熱間加工鋼材を素材としたことに特徴を有するものである。
【００２１】
請求項６記載の発明は、Ｃ：０．８０〜１．７０wt.%、Ｓｉ：０．７０〜２．５０wt.%、Ｍｎ：０．３０wt.%未満、Ｐ：０．０５０wt.%以下、Ｓ：０．０５０wt.%以下、Ｏ：０．００３０wt.%以下、及び、Ｎ：０．０１５wt.%以下を含有し、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物からなる化学成分組成の鋼片を、８００℃以上、前記鋼片の固相線温度より５０℃低い温度以下、の範囲内の温度に加熱した後、熱間加工し、そして室温まで冷却して、平均粒径が０．５μｍ以上の黒鉛を１００個／ｍｍ2 以上析出させ、且つ金属組織をパーライトとすることに特徴を有するものである。
【００２２】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、鋼片として、Ｃｕ：０．０５〜２．０ wt.% 、Ｎｉ：０．０５〜２．０ wt.% 、Ｃｏ：０．０５〜０．５０ wt.% 、Ｃｒ：０．０５〜１．０ wt.% 、Ｍｏ：０．０５〜０．５０ wt.% 、及び、Ｂ：０．０００５〜０．０１０ wt.% の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種を、更に付加されて含まれているものを用いることに特徴を有するものである。
【００２３】
請求項８記載の発明は、請求項６または７記載の発明において、鋼片として、Ａｌ：０．０１〜０．５０ wt.% 、Ｔｉ：０．０１〜０．５０ wt.% 、Ｚｒ：０．０１〜０．５０ wt.% 、Ｖ：０．０１〜０．３０ wt.% 、及び、Ｎｂ：０．０１〜０．３０ wt.% の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種を、更に付加されて含まれているものを用いることに特徴を有するものであり、請求項９記載の発明は、請求項６から８の何れか１つに記載の発明において、鋼片として、Ｃａ：０．００１０〜０．０１０ wt.% 、Ｍｇ：０．００１０〜０．１０ wt.% 、及び、ＲＥＭ：０．００５〜０．１０ wt.% の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種を、更に付加されて含まれているものを用いることに特徴を有するものであり、そして、請求項１０記載の発明は、請求項６から９の何れか１つに記載の発明において、鋼片を鋼材として、熱間加工製品を製造することに特徴を有するものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の鋼材及びこの鋼材から製造された部品類等製品の、化学成分組成及び金属組織、並びに、上記鋼材及び製品の熱間加工条件を、上記の通り限定した理由について、以下に説明する。
【００２５】
先ず、化学成分組成の限定理由を説明する。
（１）炭素（Ｃ）
炭素は、黒鉛を析出させ、強度を確保するに重要な元素である。熱間加工ままで黒鉛を析出させるには０．８０wt.%以上は必要とする。しかしながら炭素含有量が１．７０wt.%を超えると熱間延性の低下が大きく, 加工に際して表面疵の発生が増大する。また熱間加工後に析出する黒鉛粒が粗大になり, 靱性を低下させる。従って、炭素含有率は０．８０〜１．７０wt.%の範囲内に限定する。
【００２６】
（２）珪素（Ｓｉ）
Ｓｉは本発明において重要な役目を果たす元素である。即ちＳｉはセメンタイトの黒鉛化を促進する元素であり、０．７０wt.%未満ではその効果は小さい。しかしＳｉが２．５０wt.%を超えると非金属介在物が増大して靱性の低下を招くのみならず, 加工時の加熱において脱炭を大きくするのでＳｉ含有率は、０．７０〜２．５０wt.%の範囲内に限定する。
【００２７】
（３）マンガン（Ｍｎ）
Ｍｎは、焼入れ性を高め、パーライトを微細にして、鋼を強靱化する元素であるが、黒鉛の析出を大きく阻害化する元素であり、０．３０wt.%未満とすることが必要である。
【００２８】
（４）燐（Ｐ）
Ｐは黒鉛化を促進する元素であるが、粒界に偏析して熱間延性を低下させ、表面疵の発生を助長する。従って、Ｐ含有率は０．０５０wt.%以下に限定する。
【００２９】
（５）硫黄（Ｓ）
ＳはＭｎと結合してＭｎＳを形成し、切削性を向上させる元素であるが、黒鉛化を阻害する元素でもある。Ｓの量が０．０５０wt.%を超えるとＳｉ等の黒鉛化促進元素を多量添加する必要があり、熱間延性の低下を招く。従って、Ｓ含有率は０．０５０wt.%以下に限定する。望ましくは０．０３０wt.%以下とする。
【００３０】
（６）酸素（Ｏ）
Ｏは鋼の清浄性を低下させるとともに、黒鉛化を阻害する元素であるのでできるかぎり低く抑えるべきである。しかし０．００３０wt.%までは許容されるので酸素含有率の上限を０．００３０wt.%とする。
【００３１】
（７）窒素（Ｎ）
Ｎは単独で鋼中に存在すると黒鉛化を阻害する。０．０１５wt.%を超えると黒鉛の析出が困難になる他、鋳造過程で窒素ガスによるブローホ─ルが多数形成されて、圧延後の表面疵の原因になるので、Ｎ含有率は０．０１５wt.%以下とする。
【００３２】
（８）銅（Ｃｕ）
Ｃｕは黒鉛の析出を促進させるとともに，焼入れ性を向上させる元素である。この目的で添加するときには０．０５wt.%以上の添加を必要とする。しかし２．０wt.%を超えると、圧延前，熱間加工前の加熱時に鋼の表面に濃化して熱間延性を低下させるので、Ｃｕを０．０５〜２．０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００３３】
（９）ニッケル（Ｎｉ）
ＮｉもＣｕと同様に黒鉛の析出を促進させるとともに，焼入れ性を向上させる元素である。この目的で添加するときには０．０５wt.%以上の添加を必要とする。しかし２．０wt.%を超えて添加しても効果は飽和するのみならず、コスト高になる。従って、Ｎｉを０．０５〜２．０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００３４】
（１０）コバルト（Ｃｏ）
ＣｏもＣｕやＮｉと同様に黒鉛の析出を促進させるとともに，焼入れ性を向上させる元素である。この目的で添加するときには０．０５wt.%以上の添加を必要とする。しかし、Ｃｏは高価な元素であり、０．５０wt.%を超えると実用に供する程度に安価な棒鋼の製造ができなくなる。従って、Ｃｏを０．０５〜０．５０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００３５】
（１１）クロム（Ｃｒ）
ＣｒはＭｎと同様に焼入れ性を大きく向上させ、パーライトを微細にする元素である。この目的で用いる場合には０．０５wt.%以上の添加を必要とする。しかしＣｒもＭｎと同様に黒鉛化を阻害する作用が強いので１．０wt.%を超えると，黒鉛化促進元素を多量に必要とし、コスト高になる。従って、Ｃｒを０．０５〜１．０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００３６】
（１２）モリブデン（Ｍｏ）
Ｍｏも鋼の焼入れ性を高める元素であり、０．０５wt.%未満ではその効果は小さい。しかしＭｏもＭｎ、Ｃｒと同様に黒鉛化を阻害する元素であり、０．５０wt.%を超えると、黒鉛化促進元素を多量必要とする。従って、Ｍｏを０．０５〜０．５０の範囲内で含有させることが望ましい。
【００３７】
（１３）ボロン（Ｂ）
Ｂは微量で焼入れ性を高める元素である。また鋼中のＮをＢＮとして固定し、Ｎの黒鉛化阻害作用を軽減する。この目的で用いる場合には０．０００５wt.%以上の添加を必要とする。しかし０．０１０wt.%を超えて添加しても効果は飽和するのみならず、熱間延性を低下させる。従って、Ｂを０．０００５〜０．０１０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００３８】
（１４）アルミニウム（Ａｌ）
ＡｌはＡｌＮを析出し結晶粒を微細化する元素である。またＳｉと同様に黒鉛化を促進する元素である。その含有率が０．０１wt.%未満ではこれらの効果は弱く、一方、０．５０wt.%を超えると、酸化物系介在物の量が多くなって、鋼の清浄性を低下させ、鍛造時の割れの原因となるので、Ａｌを０．０１〜０．５０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００３９】
（１５）チタン（Ｔｉ）
ＴｉはＴｉＮ、ＴｉＣを析出し、結晶粒を微細化する。またこれらは黒鉛析出の核として作用し、黒鉛の析出を促進する。その含有率が０．０１wt.%未満ではその効果は小さく、一方、０．５０wt.%を超えて添加すると、却って黒鉛化を阻害するのみならず、熱間延性を低下させるので、Ｔｉを０．０１〜０．５０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００４０】
（１６）ジルコニウム（Ｚｒ）
ＺｒもＴｉと同様に窒化物、炭化物を析出し、結晶粒を微細化するとともに、黒鉛の析出を促進させる。添加量が０．０１wt.%未満ではその効果は小さく、一方、０．５０wt.%を超えて添加すると、却って黒鉛化を阻害するのみならず、熱間延性を低下させるので、Ｚｒ含有率を０．０１〜０．５０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００４１】
（１７）バナジウム（Ｖ）
Ｖも窒化物、炭化物を析出し、結晶粒を微細化する。また析出物が微細であるので鋼の降伏応力を高め、疲労限応力を向上させる。添加量が０．０１wt.%未満ではその効果は小さく、一方、Ｖは黒鉛化を阻害する元素であり、０．３０wt.%を超えて添加すると、黒鉛化促進元素を多量添加する必要があるのみならず、熱間延性を低下させるので、Ｖを０．０１〜０．３０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００４２】
（１８）ニオブ（Ｎｂ）
Ｎｂも窒化物、炭化物を析出し、結晶粒を微細化するとともに、黒鉛の析出を促進させる。Ｎｂの炭窒化物は１１５０℃の高温でも鋼中に溶解せず、オーステナイト粒の粗大化を阻止し、鍛造後の粒を微細にして、靱性を向上させる。添加量が０．０１wt.%未満ではその効果は小さく、一方、０．３０wt.%を超えて添加すると、逆に黒鉛の析出を阻害するのみならず、熱間延性を低下させるので、Ｎｂを０．０１〜０．３０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００４３】
（１９）カルシウム（Ｃａ）
Ｃａは鋳鉄において接種材として使用され黒鉛化を促進させる。これはＣａが蒸気圧が高く鋳造中にＣａの蒸気が鉄内に微小な空洞を形成し、これが黒鉛析出の核となって、球状黒鉛を析出させるからであると考えられるが、鋳鉄と同様に鋼においても鍛造後の黒鉛析出を容易にする。また、Ｃａは酸化物系介在物として存在すると、超硬工具切削においてベラーグを形成し、工具寿命を延長する効果が大きいので、快削鋼には望ましい元素である。こうした目的のためにはＣａは０．００１０wt.%以上添加する必要があるが、０．０１０wt.%を超えて添加しても効果は飽和する。従って、Ｃａ含有率を０．００１０〜０．０１０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
間とする。
【００４４】
（２０）マグネシウム（Ｍｇ）
ＭｇもＣａと同じく鋳鉄において接種材として使用され黒鉛化を促進させ、鋼においても鍛造後の黒鉛析出を容易にする。その添加量が０．００１０wt.%未満では効果は小さく、一方、０．１０wt.%を超えて添加しても効果は飽和する。従って、Ｍｇを０．００１０〜０．１０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００４５】
（２１）ＲＥＭ（希土類元素）
Ｃｅ、Ｌａ等のＲＥＭも鍛造後の黒鉛析出を促進する。その添加量が０．００５wt.%未満では効果は小さく、一方、０．１０wt.%を超えて添加しても効果は飽和する。従って、ＲＥＭを０．００５〜０．１０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００４６】
鋼材には以上の他に、Ｓｎ、Ａｓ等の不可避的に混入する元素を含む。
【００４７】
次に、上記鋼材及び製品を製造するための熱間加工条件の限定理由を説明すると共に、その加熱及び熱間加工過程において鋼材中に析出する黒鉛の状態の限定理由を説明する。
【００４８】
（２２）加熱温度
熱間加工温度は、黒鉛の析出を促進するための重要な因子である。これは加工時の加熱温度が適正ならば、鋼材が高温に保持されている間に微細な黒鉛を析出する。また加工によって導入された格子欠陥を多量残存させることによって、その後の冷却中における黒鉛の析出を容易ならしめる。しかし過度の高温に長時間保持すると、高温状態で一旦析出した黒鉛は再固溶して、加工後に得られる黒鉛粒の数が少なくなる。
【００４９】
加工時の加熱温度は、鋼の共析温度（約７８０℃）より高い８００℃以上でないと変形抵抗が増大し、加工工具の寿命が短くなる。また、変形能が不足して鍛造割れの原因となる。
一方、加熱温度が、鋼材の固相線温度ＴS より５０℃だけ低い温度、即ち、（ＴS −５０）℃よりも高くなると、鋼材の熱間延性が急激に低下する。そのため、熱間圧延棒鋼には表面疵が発生したり、また、熱間鍛造品には割れが発生したりする。
【００５０】
従って、熱間加工前の鋼材加熱温度は、８００℃〜（固相線温度ＴS −５０）℃の範囲内とする。なお、黒鉛の析出が促進され、しかも鍛造を円滑に行なうことができる適正な温度は、ＴS −２００℃付近である。
【００５１】
例えば１．２wt.%Ｃ−１．５wt.%Ｓｉ鋼について、加熱温度の上限値について考えると、次の通りである。
まず、固相線温度（加熱したときに液相が出始める温度）ＴS は、鋼材の成分組成に依存し、例えば下記近似式：
ＴS （℃) ＝１４２０−２５０（Ｃ−０．５）−２０Ｓｉ
但し、
Ｃ、Ｓｉ：炭素、シリコン含有率（wt.%）表示
により、１２１５℃と算出される。よって、加熱上限温度は、（固相線温度ＴS −５０）℃＝１２１５−５０＝１１６５℃となる。
なお、この鋼材の共晶温度は約１１４０℃であり、固相線温度ＴS が共晶温度を下回ることはない。一般に、固相線温度ＴS が共晶温度を下回ることはないので、上記式での算出値が１１４０℃を下回った場合でも、現実の固相線温度は１１４０℃となる。
【００５２】
ここで、本発明にかかる鋼材の成分例として、例えば上記１．２wt.%Ｃ−１．５wt.%Ｓｉ鋼についてみると、固相線温度ＴS は１２１５℃であるから、従来の通常の機械構造用鋼である０．５wt.%Ｃの中炭素鋼の固相線温度（ＴS ＝１４２０℃程度）よりも、約２００℃低いことになる。このことは、本発明鋼材を用いれば、従来鋼材よりも２００℃程度低い加熱温度で熱間加工を行なっても、従来鋼材と同等の変形抵抗と変形能を有することが示唆され、省エネルギーの面からも好ましい鋼材ということができる。
【００５３】
なお、図１に、２wt.%Ｓｉを含有する場合のＦｅ−Ｃ系状態図を示す。同図中、Ｓ点の温度はＡ1 温度、Ｅ点の温度は共晶温度、ＨＥ線は固相線温度を示す。これにより、鋼材の固相線温度の低下に及ぼすＣ含有率の影響を推定することができる。但し、同図はＦｅ−Ｃ二元系状態図であるため、本発明鋼の、Ｓｉ含有率２．０wt.%のときの固相線温度を厳密に推定することはできない。従って、本発明における鋼片又は鋼材の加熱温度の上限値を正確に求めることはできないが、実用的に推定するために十分役立つ。同図中に斜線部で、本発明におけるＣ含有率に対する加熱温度領域を示した。
【００５４】
次に、熱間加工ままでの棒鋼や製品における黒鉛の析出状態を含む金属組織の限定理由を説明する。
（２３）黒鉛の粒径
析出した鋼材中の黒鉛は、その切削加工時の快削性を著しく向上させる。しかしながら、その黒鉛の平均粒径が０．５μｍ未満では、切削時に切り屑を小さく破砕する効果が小さく、切削性向上への寄与は小さい。従って、黒鉛の平均粒径は０．５μｍ以上とする。上限は特に制限しないが、粒径が３０μｍを超える黒鉛が多数析出すると靱性低下の原因となるので、黒鉛は３０μｍ以下であることが望ましい。
なお、本発明における黒鉛の形状は、一般的に塊状と表現されるものであるが、厚さ／長さ比が５以下ならば、球状でも粒状でもよく、特に限定する必要はない。
【００５５】
（２４）黒鉛の数
単位面積当たりに存在する黒鉛の数は、切り屑を小さく分断させるのに重要である。そして、黒鉛の数が１００個／ｍｍ2 未満では切り屑処理性の改善効果が小さいので、黒鉛の数は１００個／ｍｍ2 以上とする。一般に、成分組成一定の鋼材中に析出する黒鉛の数は、黒鉛の大きさに左右され、粒径が大きくなれば少なくなり、逆に粒径が小さくなれば多くなる。因みに、本発明では、径１０〜２５μｍの黒鉛が析出する場合、その数はおおよそ１００〜１０００個の間であるが、径０．５〜５μｍの黒鉛の場合には、おおよそ３０００〜５００００個に達する。
【００５６】
（２５）熱間加工ままでの棒鋼や製品の金属組織
熱間圧延された棒鋼や熱間鍛造されたクランクシャフト等製品の、熱間加工ままでの棒鋼や製品には微細な黒鉛を含み、且つ、金属組織の主体は、靱性を確保するためパーライトであることが必要である。パーライトの他には一部、粒界フェライト、黒鉛粒のまわりに発生するフェライト、ベイナイトが単独で、又は複合で存在していても差し支えない。
【００５７】
【実施例】
次に、この発明を、実施例によって更に詳細に説明する。ここでは、試験１から試験３を行なった。
【００５８】
〔試験１〕
表１及び表２に、試験に用いた供試材の化学成分組成、並びに、後述する黒鉛化指数ＣＥ及び固相線温度ＴS を示す。また表３及び表４には、主な製造条件及びその試験結果を示す。
【００５９】
【表１】
【００６０】
【表２】
【００６１】
【表３】
【００６２】
【表４】
【００６３】
鋼種Ｎo.１〜２２は、化学成分組成に関しては本発明の範囲にあり、対応する請求項の番号を併記した。この内、鋼種Ｎo.１〜２０を用いた試験は、製造条件も本発明の範囲内にあるから、本発明の範囲内の試験例である実施例に該当する。そこで、これらをそれぞれ実施例Ｎo.１〜２０とした。しかし、鋼種Ｎo.２１及び２２を用いた試験は、製造条件の内、後述する鋼片の加熱温度が本発明の範囲外にあるので、本発明の範囲外の試験例である比較例に該当する。そこで、それぞれ比較例Ｎo.２１及び２２とした。
【００６４】
鋼種Ｎo.２３〜４８は、化学成分組成が本発明の範囲外にあり、この内、Ｎo.２３〜４４は比較成分例、Ｎo.４５は従来の球状黒鉛鋳鉄、Ｎo.４６はＳ４８ＣにＶ：０．１０wt.%、Ｐｂ：０．２２wt.%を添加した従来の非調質鋼、Ｎo.４７は従来のＳ５０Ｃ、そしてＮo.４８は従来のＳＣＭ８２２である従来成分例である。そして、鋼種Ｎo.２３〜４８を用いた試験の製造条件は、本発明の範囲内・外の各種のものを含むが、いずれも試験としては本発明の範囲外の試験例である比較例に該当する。そこで、これらをそれぞれ比較例Ｎo.２３〜４８とした。
【００６５】
黒鉛の析出を促進するには、黒鉛化指数ＣＥが重要であり、他の条件が同じ場合には、ＣＥが大きい方が黒鉛の析出が促進される。このＣＥは主要元素については下記の式で表わされる。即ち、
ＣＥ＝Ｃ＋Ｓｉ／３＋Ｎｉ／９＋Ｃｕ／１５−Ｍｎ／１２−Ｃｒ／３．
元素記号は各元素の重量％（wt.%）を表わす。また式中にない元素は、ＣＥ係数が求められていないので記していないが、それぞれ元素の特性に応じて、黒鉛の析出に影響を及ぼす。
【００６６】
また黒鉛の析出は加熱温度、加工度、冷却速度により左右されるので、ＣＥによって一義的に決定されるものではないが、目安としてＣＥは１．３以上必要であり、表１に示す本発明鋼の化学成分組成はこの点を考慮して成分を調整した。
【００６７】
これらの化学成分組成の供試材を１３０トン電気炉により溶製後、連続鋳造又は造塊法により鋳片とした。鋳片は１６０ｍｍ角の鋼片に分塊圧延後、鋼片加熱炉にて７８０〜１２５０℃の間の温度に加熱して、２４ｍｍ又は８８ｍｍの直径の棒鋼に熱間圧延した。
【００６８】
熱間圧延後棒鋼は放冷、又はカバー徐冷して黒鉛を析出させた。２４ｍｍ棒鋼の放冷ままの８００℃〜６００℃までの平均冷却速度は約１．６℃／ｓｅｃ、カバー徐冷におけるそれは０．５℃／ｓｅｃ、８８ｍｍ棒鋼の放冷時の冷却速度は０．３℃／ｓｅｃ、カバー徐冷のそれは０．１℃／ｓｅｃであった。
【００６９】
棒鋼の表面は目視で疵を判定し、黒鉛の状態、金属組織を光学顕微鏡により調査した。さらに２４ｍｍの棒鋼はショックアブソーバ─のピストンロッドに、８８ｍｍの棒鋼は建設機械のピストンロッドに切削により機械加工して、切り屑処理性を判定した。
【００７０】
切り屑処理性の判定は図２に示す如く、切り屑が巻き以下で分断しているものを良好としてランク１、３〜６巻で分断しているものを普通としてランク２、８巻以上につながっているものを劣るとしてランク３と位置づけた。なお、切削は、超硬Ｐ２０の切削工具を用い、切削速度２００ｍ／ｍｉｎで２０ｍｉｎ切削した。
【００７１】
また棒鋼からＪＩＳ４号引張試験片を採取して、引張試験を行い、引張強さ、及び伸びを求めた。なお、比較例Ｎo.４５の球状黒鉛鋳鉄のみは、８８ｍｍφの砂型に直接鋳造したインゴットを比較材として用いた。
【００７２】
本発明の実施例である実施例Ｎo.１〜２０は化学成分組成、圧延加熱温度とも適正であり、圧延品に割れの発生はない。また、黒鉛粒の大きさは０．５〜２５μｍの間となっており、黒鉛粒の数は１００個／ｍｍ2 以上で十分に多い。このため切り屑は、全て２巻以下に小さく分断した良好な形状を呈していた。また金属組織はパーライト単相ないしパーライト主体のフェライト＋パーライトの組織になっていた。
【００７３】
図３には、実施例Ｎo.１の腐食なしでの検鏡面での黒鉛の析出状態を示すが、黒鉛は粒界と粒内の両方に存在する。図４には、その腐食された検鏡面での顕微鏡による金属組織を示す。その組織はパーライトである。
【００７４】
図５には、実施例Ｎo.５の腐食なしでの検鏡面での黒鉛の析出状態を示すが、黒鉛は粒界のみに存在する。図６には、その腐食された検鏡面での顕微鏡による金属組織を示す。その組織は粒界フェライト＋パーライトである。また、引張強さも全て８００Ｎ／ｍｍ2 以上と高く、伸びも１５％以上とピストンロッドとして十分な、強度、延性を有していた。
【００７５】
以上の実施例に対して、比較例Ｎo.２１は加熱温度が本発明の範囲より高いため、熱間延性が不足して、棒鋼に割れを生じた。
また比較例Ｎo.２２は逆に加熱温度が本発明の範囲より低いため、熱間延性が不足して、棒鋼に割れを生じた。
【００７６】
比較例Ｎo.２３はＣ量が本発明を外れて低く、このため黒鉛の析出は見られなかった。
比較例Ｎo.２４は逆にＣが本発明を外れて高く、熱間延性が不足して、棒鋼に大きな割れが発生した。
【００７７】
比較例Ｎo.２５はＳｉが本発明を外れて低く、このため炭素等量ＣＥが小さくなり、黒鉛の析出は見られず、切り屑が長くつながってしまった。このため機械を停止して切り屑を除去する必要があった。
比較例Ｎo.２６はＳｉが本発明を外れて高く、このため熱間延性が不足して、棒鋼に割れを生じた。
【００７８】
比較例Ｎo.２７はＭｎが本発明より高く、このため黒鉛の析出は見られなかった。
比較例Ｎo.２８はＰが本発明より高く、延性不足で、棒鋼に割れを発生した。
【００７９】
比較例Ｎo.２９はＳが本発明より高いため、やはり熱間延性が不足して、割れを発生したのみならず、Ｓの過剰添加が災いして見かけのＣＥは高いものの、黒鉛の析出はみられなかった。
【００８０】
比較例Ｎo.３０はＣｕが本発明より高く、加熱中にＣｕが表面に濃化して粒界に侵入し、圧延棒鋼に割れが発生した。
比較例Ｎo.３１はＣｒが本発明より高く、このため黒鉛の析出が起こらなかった。
【００８１】
比較例Ｎo.３２はＮｉが本発明より高く、このため熱間延性が不足して、棒鋼に割れを生じた。
比較例Ｎo.３３はＭｏが本発明より高く、やはり棒鋼に割れを生じた。
【００８２】
比較例Ｎo.３４はＢ、Ｎが本発明より高く、多量のＢＮが析出して延性不足から割れを生じた。
比較例Ｎo.３５はＴｉが、比較例Ｎo.３６はＺｒが、比較例Ｎo.３７はＶが、比較例Ｎo.３８はＡｌが、比較例Ｎo.３９はＮｂが、いずれも本発明の範囲より高く、このため延性不足で棒鋼に割れを生じてしまった。
【００８３】
また比較例Ｎo.４０はＣａが、比較例Ｎo.４１はＭｇが、比較例Ｎo.４２はＲＥＭが、本発明より高く、このため酸化物系介在物を多量に巻き込み、これが圧延疵の原因となり、棒鋼に割れを発生してしまった。
【００８４】
比較例Ｎo.４３及び４４は化学成分組成は本発明発明の範囲内であるが、ＣＥが１．３より低かったために黒鉛を析出しなかった。
比較例Ｎo.４５は従来の球状黒鉛鋳鉄の例であり、接種材としてのＭｇを含んでいる。本鋳造品の表面には０．１０ｍｍ程度の***がいくつか存在し、機械部品としては好ましい状態ではなかった。また引張強さは適当であるが、伸びが４％と延性に劣るものであった。
【００８５】
比較例Ｎo.４６は従来非調質の例であるが, これは諸特性は特に問題なく、またＰｂを含有しているため、切り屑処理性も良好であった。しかし環境保護の観点からこのＰｂは使用しない方向で部品を製造することが今後求められる。
【００８６】
比較例Ｎo.４７は従来Ｓ５０Ｃの例であり、Ｐｂを含まないため、切り屑処理性は劣る。また引張強さが７００Ｎ／ｍｍ2 程度とやや不足しており、焼入れ焼戻しを施して、引張強さを高める必要があった。
【００８７】
比較例Ｎo.４８は歯車用のＳＣＭ８２２の例であり、これについては後述する試験３の比較例Ｎo.４８Ｄで説明する。
以上述べたように、本発明によれば、従来の非調質棒鋼に匹敵する強度、延性を有する無鉛の非調質快削棒鋼を製造することができる。
【００８８】
〔試験２〕
表１に示した成分が本発明の範囲内にある鋼種Ｎo.３及び１７のＡグループ、並びに、表２に示した成分が本発明の範囲外にある鋼種Ｎo.４６、４７、及び４５のＢグループの鋼について下記の通りの試験を行なった。Ａグループの試験は本発明の範囲内のものであり、それぞれ実施例Ｎo.３Ａ、１７Ａとよび、Ｂグループの試験は本発明の範囲外のものであり、それぞれ比較例Ｎo.４６Ｂ、４７Ｂ、４５Ｂとよぶ。
【００８９】
実施例Ｎo.３Ａ及び１７Ａでは、８８ｍｍφ棒鋼を用いて、１０００℃に加熱後、クランクシャフトに熱間鍛造し、扇風機により空冷した。また、従来の非調質鋼である比較例Ｎo.４６Ｂ、従来のＳＣ材である比較例Ｎo.４７Ｂの８８ｍｍφ棒鋼を１２５０℃に加熱して同一形状のクランクシャフトに熱間鍛造し、やはり扇風機により空冷した。また更に、比較のために比較例Ｎo.４５Ｂの従来の球状黒鉛鋳鉄を同じ形状のクランクシャフトに直接鋳造して、凝固させた。
【００９０】
被削性試験として、これらの鍛造品、鋳造品を外周切削したのち、油穴を小径深穴ドリルにより、３ｍｍ径の穴を明けた。その時の切り屑の形態は実施例Ｎo.３Ａ及び１７Ａ、並びに、従来の球状黒鉛鋳鉄である比較例Ｎo.４５Ｂ及び従来の非調質鋼である比較例Ｎo.４６Ｂは、２巻き以下の細かく分断した良好な切り屑であったが、Ｐｂを含有しない従来のＳＣ材である比較例Ｎo.４７Ｂのみは切り屑が１０巻き以上に長くつながり、ドリル折損が多発した。
【００９１】
疲労試験として、製造されたクランクシャフトを曲げ疲労試験にかけて試験した。実施例Ｎo.３Ａの疲労強度は５００Ｎ／ｍｍ2 、実施例Ｎo.１７Ａの疲労強度は５３０Ｎ／ｍｍ2 、比較例Ｎo.４６Ｂの疲労強度は５００Ｎ／ｍｍ2 と良好な強度を有していた。
【００９２】
これに対して比較例Ｎo.４５Ｂの球状黒鉛鋳鉄は４２０Ｎ／ｍｍ2 の疲労強度しか有していなかった。これは、鋳鉄はヤング率が低いこと、及び小さい気泡が疲労の起点となり、疲労限を低下させたためと考えられる。
【００９３】
また比較例Ｎo.４７ＢのＳ５０Ｃの疲労強度も４３０Ｎ／ｍｍ2 程度しか有していなかった。そこで８７０℃焼入れ後５８０℃焼戻しを施したところ、疲労強度は５２０Ｎ／ｍｍ2 まで向上させることができた。
【００９４】
また、実施例Ｎo.３Ａ及び１７Ａのクランクシャフトについて、黒鉛の平均粒径及び黒鉛粒の数を測定した。いずれの実施例においても、本発明の要件を満たしていた。
【００９５】
以上示したように、本発明によれば、無鉛で被削性に優れた非調質の快削鋼部品の製造が可能であり、被削性は鉛快削鋼や球状黒鉛鋳鉄と同等であり、またその特性は、従来の球状黒鉛鋳鉄を上回り、焼入れ焼戻し材相当の高い疲労強度を有している。
【００９６】
〔試験３〕
表１に示した成分が本発明の範囲内にある鋼種Ｎo.１及び５のＣグループ、並びに、本発明の範囲外にある鋼種Ｎo.４８及び４５のＤグループの鋼について下記の通りの試験を行なった。Ｃグループの試験は本発明の範囲内のものであり、それぞれ実施例Ｎo.１Ｃ、５Ｃとよび、Ｄグループの試験は本発明の範囲外のものであり、それぞれ比較例Ｎo.４８Ｄ、４５Ｄとよぶ。
【００９７】
実施例Ｎo.１Ｃ及び５Ｃ、並びに、従来のＳＣＭ８２２による比較例Ｎo.４８Ｄでは、鋼片を１３０ｍｍ棒鋼に圧延し、外径３２０ｍｍのデファレンシャルドライブギアに熱間鍛造し、そのまま放冷した。また、比較例鋼種Ｎo.４５Ｄの従来球状黒鉛鋳鉄を同一形状のギア砂型に直接鋳込んだ。
【００９８】
実施例Ｎo.１Ｃ及び５Ｃでは、ギア素材をそのままホブ盤にて歯車に切削加工し、その後５７０℃、５時間のガス軟窒化を施して表面を硬化させた。
従来のＳＣＭ８２２による比較例Ｎo.４８Ｄでは、鍛造ままの組織がベイナイトであり、硬いのでそのまま切削加工することは困難であった。そこで９２０℃×３時間→６５０℃×１時間のサイクル焼鈍をして軟化させたのち、切削加工した。その後、表面を硬化せさるため、９２０℃×５時間→８５０℃×３０分の浸炭焼入れ処理を行って表面を硬化させた。
【００９９】
また、従来の球状黒鉛鋳鉄による比較例Ｎo.４５Ｄでは型から取り出して、直接切削加工したのち、９００℃×１時間→２５０℃×２時間ソルト浴浸漬のオーステンパー処理を施した。
【０１００】
ホブ切り加工においてはいずれも良好な切り屑処理性を示し、また工具の摩耗も少なく、切削面のむしれもなく、良好な切削状態であった。
各熱処理を施したギアを疲労試験に供した。本発明鋼を用いたガス軟窒化ギアの歯元曲げ疲労強度は４５０Ｎ／ｍｍ2 であり、ＳＣＭ８２２を用いた浸炭焼入れギアの疲労強度も４５０Ｎ／ｍｍ2 であった。しかしながら球状黒鉛鋳鉄のオーステンパー処理材の疲労強度は３２０Ｎ／ｍｍ2 と低いものであった。
【０１０１】
熱処理後のギアの変形は、歯車かみ合い時の騒音の原因となるため、各ギアのドライヴ側のプレッシャ−アングルの変形量を測定した。図７に、歯車のプレッシャアングルの歪みを説明する概略縦断面図を示す。浸炭焼入れ材のアングルのずれは１５分（１分は１°の６０分の１）であったが、軟窒化材は１分と殆ど変形のないものであった。またオーステンパー材は、熱処理直後の変形は３分と比較的変形の小さいものであったが、１０００回の疲労回数を超えると２０分と変形の大きいものであった。これはオーステンパー処理によって、組織内に留められた残留オーステナイトがマルテンサイトに変態したために、変形量が大きくなったものと考えられる。
また、実施例Ｎo.１Ｃ及び５Ｃのギア素材について、黒鉛の平均粒径及び黒鉛粒の数を測定した。いずれの実施例においても、本発明の要件を満たしていた。
【０１０２】
以上説明したように、本発明にかかるギアは軟化焼鈍を施さなくても、被削性が良好であり、疲労強度も球状黒鉛鋳鉄より高く、従来のＳＣＭ鋼の浸炭焼入れギアに匹敵する高い強度を有し、且つ歪みが小さく、騒音の発生が小さいものであることが確認された。
【０１０３】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、有毒なＰｂを用いることなく、被削性に優れ、また疲労強度、及び伸び特性に優れた熱間加工製品の製造が可能であり、非調質の快削鋼部品や低歪みで高い疲労強度を有する歯車を製造することが可能となる。このような快削熱間加工鋼材及びその製品、並びにそれらの製造方法を提供することができ、工業上有用な効果がもたらされ、本発明は産業界の発展に寄与するところ極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】２．０wt.%Ｓｉを含有する時のＦｅ−Ｃ系状態図である。
【図２】切り屑の形態分類と切り屑処理性の判定ランクとの例を示す図である。
【図３】実施例Ｎo.１の腐食なしでの検鏡面での黒鉛の析出状態を示す図である。
【図４】実施例Ｎo.１の腐食された検鏡面での金属組織を示す図である。
【図５】実施例Ｎo.５の腐食なしでの検鏡面での黒鉛の析出状態を示す図である。
【図６】実施例Ｎo.５の腐食された検鏡面での金属組織を示す図である。
【図７】歯車のプレッシャアングルの歪みを説明する概略縦断面図である。
【符号の説明】
１ 角度変位
２ 歯車
【発明の属する技術分野】
この発明は、クランクシャフト、デファレンシャルギア等、自動車や産業機械の部品用素材として使用される棒鋼、及び、上記鋼製部品に関するものであって、黒鉛を析出させるための熱処理を行わなくても、熱間加工ままで微細な黒鉛を有し、被削性が良好で、且つ、従来の球状黒鉛鋳鉄より高い強度と靱性とを備えたものの製造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
棒鋼を熱処理したりせずに、直接切削して自動車や産業機械等の部品に加工する場合、例えば、ピストンロッド等に加工する場合、その加工に供される棒鋼は、優れた被削性を有することが求められる。また、棒鋼を熱間鍛造して製造した部品を切削により機械加工する場合、例えば、自動車のエンジン廻り部品であるコネクチングロッド、クランクシャフト、デファレンシャルギア等を、切削により機械加工する場合においても、これら部品の仕上げ前の鍛造品には優れた被削性が要求される。このような特性を備えた棒鋼や部品をできるだけ安価に製造するためには、上記棒鋼は熱処理が施されていない、熱間加工されたままの状態のものが使用できることが要求される。
【０００３】
上記棒鋼や、これから製造される仕上げ加工前の部品の被削性の良否は、切削工具の寿命と、切削時に発生する切り屑の処理性、即ち切り屑が適当な大きさに細かく分断されるか否か、とによって判断される。特に最近は、自動盤により無人で鋼材が機械加工されることが多く、発生する切り屑が長くつながって絡まってしまうと、機械の停止や切り屑を取り除くための余計な作業を行う必要が生じ、生産性を低下させる原因となる。
【０００４】
またコネクチングロッドやクランクシャフトの自動切削機械加工においては、自動盤には潤滑油を供給するための穴がいくつか設けられている。この潤滑油供給用の穴は径が細く深さが深いために、穴明け加工においては、切り屑が細かく分断して、ドリル穴から支障なく排出されることが必要である。即ち、分断しにくい切屑では切粉にならず、穴から排出されないので切屑が穴に詰まってドリル折損を引き起こすのである。
【０００５】
従って、上記のような部品の機械加工に当たっては、工具寿命の向上、及び切り屑処理性の改善のため、従来、快削元素である鉛を０．０５〜０．３０wt.%添加した、鉛快削鋼が広く用いられてきた。Ｐｂは低融点であるため、切削加工の熱により容易に溶解して、鋼の延性を低下させ、これによって工具寿命を延ばし、切り屑を適度な大きさに分断する効果を発揮する。しかしながら、鉛には毒性があるため、近年の地球環境保護の機運の高まりに伴って、無鉛の快削鋼が強く求められている。
【０００６】
鋼材の切削性を向上させる元素としては、Ｐｂの他に、Ｓ、Ｃａ、Ｂｉ、Ｓｅ及びＴｅ等の元素が知られている。しかし、これら元素は、▲１▼被削性改善効果がＰｂに及ばない、▲２▼高価である、▲３▼毒性がある、といった欠点を少なくとも１つはもっているので、Ｐｂ代替の元素にはなり得ない。
【０００７】
一方、黒鉛は、鋳鉄においてみられるように、被削性を極めて向上させる元素である。しかしながら、炭素を鋼に添加した場合には、一般にセメンタイトを析出するので、鋼材において黒鉛を得るのは容易ではない。
【０００８】
従来開示されている発明の中で、炭素を０．１０〜１．５wt.%含む鋼材の場合、例えば特開平２−１０７７４２号公報、及び特開平３−１４０４１１号公報には、６００〜８００℃の温度で数時間〜２００時間という長時間の焼鈍を行なって黒鉛を析出させる鋼材又はそのような方法が開示されている。また、特開昭４９−６７８１６号公報、及び特開昭４９−６７８１７号公報には、７５０〜９５０℃で焼入れ、６００〜７５０℃で焼戻して黒鉛を析出させた黒鉛快削鋼が開示されている。
【０００９】
このように、従来開示されている発明例においてはいずれも、鋼材に対して、黒鉛を得るための黒鉛化熱処理を施す必要がある。このため極めてコスト高になってしまう。また黒鉛化熱処理により金属組織がフェライトになってしまうので、従来技術では強度の低い部品や冷間鍛造によって製造可能な小さな部品の製造に限定されてしまい、クランクシャフトやコネクチングロッドといった大型の鍛造部品の製造には適用することができない。
【００１０】
一方、炭素含有率が３．８wt.%前後の鋳鉄、あるいは鋳鋼は、ＣａやＭｇ等の接種により鋳造ままで容易に球状黒鉛が析出し、被削性が良好であることは良く知られている。しかしながら、鋳鉄や鋳鋼は鋳込ままで使用されるため、部品等における成品形状の自由度はあるものの、伸び、絞り、衝撃値といった靱性が低いという欠点がある。
【００１１】
これに対して、近年、オーステンパー処理により基地組織をベイナイトにすることにより、その靱性が改善されてきてはいる。例えば特開昭６１−２４３１２１号公報には、球状黒鉛鋳鉄にオーステンパー処理を施すクランクシャフトの製造方法が、そして、特開昭６１−１７４３３２号公報には、同じく球状黒鉛鋳鉄にオーステンパー処理を施すコネクチングロッドの製造方法が開示されている。しかしながら、これら鋳造品は、Ｓ４８Ｃを基本成分にして０．１０wt.%程度のＶを添加した非調質鋼の鍛造品に較べると、ヤング率が低く、疲労強度に劣り、また靱性もこの鍛造品には及ばない。また、これら鋳造品には０．１ｍｍ程度の鋳造巣が発生することがあり、これは疲労破壊の起点となるので材料の信頼性が劣り、鋳造方法並びに製品の超音波検査に厳重な注意を払う必要がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した各種先行技術には、下記問題点のいずれかが未解決となっている。
問題点１：使用されている快削元素には毒性があり、環境対策上問題がある。
問題点２：毒性のない快削元素として炭素を利用し、黒鉛の形態に析出させて快削効果を発揮させ得るが、黒鉛化熱処理を施さなければならないので、コストが嵩む。
問題点３：炭素含有率の高い鋳鉄や鋳鋼であれば接種による球状黒鉛の析出により快削性が確保されるが、靱性が劣っている。
【００１３】
問題点４：快削鋳鉄や快削鋳鋼の熱処理により靱性改善を図っても、十分な靱性が得られず、また、鋳造巣欠陥により製品の信頼性に問題がある。
この発明では、上記問題点を解決して、自動車や産業機械の部品類の素材として用いられる棒鋼、及び、その棒鋼を熱間加工し、切削加工仕上げをして製品とし、熱処理を施さない上記部品類を製造するために、▲１▼被削性が良好であり、▲２▼強度及び靱性に優れており、しかも、▲３▼安価で且つ環境保護上問題なく製造し
得る方法を開発することを目的とする。
【００１４】
この目的を達成するために、本発明者等は、熱処理を行なわず熱間加工ままで微細な黒鉛を有し、しかも従来の球状黒鉛鋳鉄より高い強度と靱性とを有する特性を備えた棒鋼を、安定して製造する技術を開発することを課題とした。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上述した観点から、快削熱間加工鋼材及びその製品を得るために鋭意研究を重ねた。その結果、化学成分を適正に組み合わせることによって、良好な熱間延性を有し熱間での棒圧延が可能で、焼鈍を行なわなくても熱間鍛造等熱間加工ままで直接微細な黒鉛を有する、快削熱間加工鋼材あるいは鋼製品を得ることができるとの知見を得た。この発明は、上述した知見に基づきなされたものであって、以下の通りである。
【００１６】
請求項１記載の発明は、Ｃ：０．８０〜１．７０wt.%、Ｓｉ：０．７０〜２．５０wt.%、Ｍｎ：０．３０wt.%未満、Ｐ：０．０５０wt.%以下、Ｓ：０．０５０wt.%以下、Ｏ：０．００３０wt.%以下、及び、Ｎ：０．０１５wt.%以下を含有し、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有し、且つ、平均粒径が０．５μｍ以上の黒鉛が１００個／ｍｍ2 以上析出し、且つ金属組織がパーライトであることに特徴を有するものである。
【００１７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、鋼材の化学成分組成に、Ｃｕ：０．０５〜２．０wt.%、Ｎｉ：０．０５〜２．０wt.%、Ｃｏ：０．０５〜０．５０wt.%、Ｃｒ：０．０５〜１．０wt.%、Ｍｏ：０．０５〜０．５０wt.%、及び、Ｂ：０．０００５〜０．０１０wt.%の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種が、更に付加されて含まれていることに特徴を有するものである。
【００１８】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、鋼材の化学成分組成に、Ａｌ：０．０１〜０．５０wt.%、Ｔｉ：０．０１〜０．５０wt.%、Ｚｒ：０．０１〜０．５０wt.%、Ｖ：０．０１〜０．３０wt.%、及び、Ｎｂ：０．０１〜０．３０wt.%の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種が、更に付加されて含まれていることに特徴を有するものである。
【００１９】
請求項４記載の発明は、請求項１から３の何れか１つに記載の発明において、鋼材の化学成分組成に、Ｃａ：０．００１０〜０．０１０wt.%、Ｍｇ ：０．００１０〜０．１０wt.%、及び、ＲＥＭ：０．００５〜０．１０wt.%の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種が、更に付加されて含まれていることに特徴を有するものである。
【００２０】
請求項５記載の発明は、請求項１から４の何れか１つに記載の熱間加工鋼材を素材としたことに特徴を有するものである。
【００２１】
請求項６記載の発明は、Ｃ：０．８０〜１．７０wt.%、Ｓｉ：０．７０〜２．５０wt.%、Ｍｎ：０．３０wt.%未満、Ｐ：０．０５０wt.%以下、Ｓ：０．０５０wt.%以下、Ｏ：０．００３０wt.%以下、及び、Ｎ：０．０１５wt.%以下を含有し、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物からなる化学成分組成の鋼片を、８００℃以上、前記鋼片の固相線温度より５０℃低い温度以下、の範囲内の温度に加熱した後、熱間加工し、そして室温まで冷却して、平均粒径が０．５μｍ以上の黒鉛を１００個／ｍｍ2 以上析出させ、且つ金属組織をパーライトとすることに特徴を有するものである。
【００２２】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、鋼片として、Ｃｕ：０．０５〜２．０ wt.% 、Ｎｉ：０．０５〜２．０ wt.% 、Ｃｏ：０．０５〜０．５０ wt.% 、Ｃｒ：０．０５〜１．０ wt.% 、Ｍｏ：０．０５〜０．５０ wt.% 、及び、Ｂ：０．０００５〜０．０１０ wt.% の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種を、更に付加されて含まれているものを用いることに特徴を有するものである。
【００２３】
請求項８記載の発明は、請求項６または７記載の発明において、鋼片として、Ａｌ：０．０１〜０．５０ wt.% 、Ｔｉ：０．０１〜０．５０ wt.% 、Ｚｒ：０．０１〜０．５０ wt.% 、Ｖ：０．０１〜０．３０ wt.% 、及び、Ｎｂ：０．０１〜０．３０ wt.% の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種を、更に付加されて含まれているものを用いることに特徴を有するものであり、請求項９記載の発明は、請求項６から８の何れか１つに記載の発明において、鋼片として、Ｃａ：０．００１０〜０．０１０ wt.% 、Ｍｇ：０．００１０〜０．１０ wt.% 、及び、ＲＥＭ：０．００５〜０．１０ wt.% の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種を、更に付加されて含まれているものを用いることに特徴を有するものであり、そして、請求項１０記載の発明は、請求項６から９の何れか１つに記載の発明において、鋼片を鋼材として、熱間加工製品を製造することに特徴を有するものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の鋼材及びこの鋼材から製造された部品類等製品の、化学成分組成及び金属組織、並びに、上記鋼材及び製品の熱間加工条件を、上記の通り限定した理由について、以下に説明する。
【００２５】
先ず、化学成分組成の限定理由を説明する。
（１）炭素（Ｃ）
炭素は、黒鉛を析出させ、強度を確保するに重要な元素である。熱間加工ままで黒鉛を析出させるには０．８０wt.%以上は必要とする。しかしながら炭素含有量が１．７０wt.%を超えると熱間延性の低下が大きく, 加工に際して表面疵の発生が増大する。また熱間加工後に析出する黒鉛粒が粗大になり, 靱性を低下させる。従って、炭素含有率は０．８０〜１．７０wt.%の範囲内に限定する。
【００２６】
（２）珪素（Ｓｉ）
Ｓｉは本発明において重要な役目を果たす元素である。即ちＳｉはセメンタイトの黒鉛化を促進する元素であり、０．７０wt.%未満ではその効果は小さい。しかしＳｉが２．５０wt.%を超えると非金属介在物が増大して靱性の低下を招くのみならず, 加工時の加熱において脱炭を大きくするのでＳｉ含有率は、０．７０〜２．５０wt.%の範囲内に限定する。
【００２７】
（３）マンガン（Ｍｎ）
Ｍｎは、焼入れ性を高め、パーライトを微細にして、鋼を強靱化する元素であるが、黒鉛の析出を大きく阻害化する元素であり、０．３０wt.%未満とすることが必要である。
【００２８】
（４）燐（Ｐ）
Ｐは黒鉛化を促進する元素であるが、粒界に偏析して熱間延性を低下させ、表面疵の発生を助長する。従って、Ｐ含有率は０．０５０wt.%以下に限定する。
【００２９】
（５）硫黄（Ｓ）
ＳはＭｎと結合してＭｎＳを形成し、切削性を向上させる元素であるが、黒鉛化を阻害する元素でもある。Ｓの量が０．０５０wt.%を超えるとＳｉ等の黒鉛化促進元素を多量添加する必要があり、熱間延性の低下を招く。従って、Ｓ含有率は０．０５０wt.%以下に限定する。望ましくは０．０３０wt.%以下とする。
【００３０】
（６）酸素（Ｏ）
Ｏは鋼の清浄性を低下させるとともに、黒鉛化を阻害する元素であるのでできるかぎり低く抑えるべきである。しかし０．００３０wt.%までは許容されるので酸素含有率の上限を０．００３０wt.%とする。
【００３１】
（７）窒素（Ｎ）
Ｎは単独で鋼中に存在すると黒鉛化を阻害する。０．０１５wt.%を超えると黒鉛の析出が困難になる他、鋳造過程で窒素ガスによるブローホ─ルが多数形成されて、圧延後の表面疵の原因になるので、Ｎ含有率は０．０１５wt.%以下とする。
【００３２】
（８）銅（Ｃｕ）
Ｃｕは黒鉛の析出を促進させるとともに，焼入れ性を向上させる元素である。この目的で添加するときには０．０５wt.%以上の添加を必要とする。しかし２．０wt.%を超えると、圧延前，熱間加工前の加熱時に鋼の表面に濃化して熱間延性を低下させるので、Ｃｕを０．０５〜２．０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００３３】
（９）ニッケル（Ｎｉ）
ＮｉもＣｕと同様に黒鉛の析出を促進させるとともに，焼入れ性を向上させる元素である。この目的で添加するときには０．０５wt.%以上の添加を必要とする。しかし２．０wt.%を超えて添加しても効果は飽和するのみならず、コスト高になる。従って、Ｎｉを０．０５〜２．０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００３４】
（１０）コバルト（Ｃｏ）
ＣｏもＣｕやＮｉと同様に黒鉛の析出を促進させるとともに，焼入れ性を向上させる元素である。この目的で添加するときには０．０５wt.%以上の添加を必要とする。しかし、Ｃｏは高価な元素であり、０．５０wt.%を超えると実用に供する程度に安価な棒鋼の製造ができなくなる。従って、Ｃｏを０．０５〜０．５０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００３５】
（１１）クロム（Ｃｒ）
ＣｒはＭｎと同様に焼入れ性を大きく向上させ、パーライトを微細にする元素である。この目的で用いる場合には０．０５wt.%以上の添加を必要とする。しかしＣｒもＭｎと同様に黒鉛化を阻害する作用が強いので１．０wt.%を超えると，黒鉛化促進元素を多量に必要とし、コスト高になる。従って、Ｃｒを０．０５〜１．０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００３６】
（１２）モリブデン（Ｍｏ）
Ｍｏも鋼の焼入れ性を高める元素であり、０．０５wt.%未満ではその効果は小さい。しかしＭｏもＭｎ、Ｃｒと同様に黒鉛化を阻害する元素であり、０．５０wt.%を超えると、黒鉛化促進元素を多量必要とする。従って、Ｍｏを０．０５〜０．５０の範囲内で含有させることが望ましい。
【００３７】
（１３）ボロン（Ｂ）
Ｂは微量で焼入れ性を高める元素である。また鋼中のＮをＢＮとして固定し、Ｎの黒鉛化阻害作用を軽減する。この目的で用いる場合には０．０００５wt.%以上の添加を必要とする。しかし０．０１０wt.%を超えて添加しても効果は飽和するのみならず、熱間延性を低下させる。従って、Ｂを０．０００５〜０．０１０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００３８】
（１４）アルミニウム（Ａｌ）
ＡｌはＡｌＮを析出し結晶粒を微細化する元素である。またＳｉと同様に黒鉛化を促進する元素である。その含有率が０．０１wt.%未満ではこれらの効果は弱く、一方、０．５０wt.%を超えると、酸化物系介在物の量が多くなって、鋼の清浄性を低下させ、鍛造時の割れの原因となるので、Ａｌを０．０１〜０．５０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００３９】
（１５）チタン（Ｔｉ）
ＴｉはＴｉＮ、ＴｉＣを析出し、結晶粒を微細化する。またこれらは黒鉛析出の核として作用し、黒鉛の析出を促進する。その含有率が０．０１wt.%未満ではその効果は小さく、一方、０．５０wt.%を超えて添加すると、却って黒鉛化を阻害するのみならず、熱間延性を低下させるので、Ｔｉを０．０１〜０．５０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００４０】
（１６）ジルコニウム（Ｚｒ）
ＺｒもＴｉと同様に窒化物、炭化物を析出し、結晶粒を微細化するとともに、黒鉛の析出を促進させる。添加量が０．０１wt.%未満ではその効果は小さく、一方、０．５０wt.%を超えて添加すると、却って黒鉛化を阻害するのみならず、熱間延性を低下させるので、Ｚｒ含有率を０．０１〜０．５０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００４１】
（１７）バナジウム（Ｖ）
Ｖも窒化物、炭化物を析出し、結晶粒を微細化する。また析出物が微細であるので鋼の降伏応力を高め、疲労限応力を向上させる。添加量が０．０１wt.%未満ではその効果は小さく、一方、Ｖは黒鉛化を阻害する元素であり、０．３０wt.%を超えて添加すると、黒鉛化促進元素を多量添加する必要があるのみならず、熱間延性を低下させるので、Ｖを０．０１〜０．３０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００４２】
（１８）ニオブ（Ｎｂ）
Ｎｂも窒化物、炭化物を析出し、結晶粒を微細化するとともに、黒鉛の析出を促進させる。Ｎｂの炭窒化物は１１５０℃の高温でも鋼中に溶解せず、オーステナイト粒の粗大化を阻止し、鍛造後の粒を微細にして、靱性を向上させる。添加量が０．０１wt.%未満ではその効果は小さく、一方、０．３０wt.%を超えて添加すると、逆に黒鉛の析出を阻害するのみならず、熱間延性を低下させるので、Ｎｂを０．０１〜０．３０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００４３】
（１９）カルシウム（Ｃａ）
Ｃａは鋳鉄において接種材として使用され黒鉛化を促進させる。これはＣａが蒸気圧が高く鋳造中にＣａの蒸気が鉄内に微小な空洞を形成し、これが黒鉛析出の核となって、球状黒鉛を析出させるからであると考えられるが、鋳鉄と同様に鋼においても鍛造後の黒鉛析出を容易にする。また、Ｃａは酸化物系介在物として存在すると、超硬工具切削においてベラーグを形成し、工具寿命を延長する効果が大きいので、快削鋼には望ましい元素である。こうした目的のためにはＣａは０．００１０wt.%以上添加する必要があるが、０．０１０wt.%を超えて添加しても効果は飽和する。従って、Ｃａ含有率を０．００１０〜０．０１０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
間とする。
【００４４】
（２０）マグネシウム（Ｍｇ）
ＭｇもＣａと同じく鋳鉄において接種材として使用され黒鉛化を促進させ、鋼においても鍛造後の黒鉛析出を容易にする。その添加量が０．００１０wt.%未満では効果は小さく、一方、０．１０wt.%を超えて添加しても効果は飽和する。従って、Ｍｇを０．００１０〜０．１０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００４５】
（２１）ＲＥＭ（希土類元素）
Ｃｅ、Ｌａ等のＲＥＭも鍛造後の黒鉛析出を促進する。その添加量が０．００５wt.%未満では効果は小さく、一方、０．１０wt.%を超えて添加しても効果は飽和する。従って、ＲＥＭを０．００５〜０．１０wt.%の範囲内で含有させることが望ましい。
【００４６】
鋼材には以上の他に、Ｓｎ、Ａｓ等の不可避的に混入する元素を含む。
【００４７】
次に、上記鋼材及び製品を製造するための熱間加工条件の限定理由を説明すると共に、その加熱及び熱間加工過程において鋼材中に析出する黒鉛の状態の限定理由を説明する。
【００４８】
（２２）加熱温度
熱間加工温度は、黒鉛の析出を促進するための重要な因子である。これは加工時の加熱温度が適正ならば、鋼材が高温に保持されている間に微細な黒鉛を析出する。また加工によって導入された格子欠陥を多量残存させることによって、その後の冷却中における黒鉛の析出を容易ならしめる。しかし過度の高温に長時間保持すると、高温状態で一旦析出した黒鉛は再固溶して、加工後に得られる黒鉛粒の数が少なくなる。
【００４９】
加工時の加熱温度は、鋼の共析温度（約７８０℃）より高い８００℃以上でないと変形抵抗が増大し、加工工具の寿命が短くなる。また、変形能が不足して鍛造割れの原因となる。
一方、加熱温度が、鋼材の固相線温度ＴS より５０℃だけ低い温度、即ち、（ＴS −５０）℃よりも高くなると、鋼材の熱間延性が急激に低下する。そのため、熱間圧延棒鋼には表面疵が発生したり、また、熱間鍛造品には割れが発生したりする。
【００５０】
従って、熱間加工前の鋼材加熱温度は、８００℃〜（固相線温度ＴS −５０）℃の範囲内とする。なお、黒鉛の析出が促進され、しかも鍛造を円滑に行なうことができる適正な温度は、ＴS −２００℃付近である。
【００５１】
例えば１．２wt.%Ｃ−１．５wt.%Ｓｉ鋼について、加熱温度の上限値について考えると、次の通りである。
まず、固相線温度（加熱したときに液相が出始める温度）ＴS は、鋼材の成分組成に依存し、例えば下記近似式：
ＴS （℃) ＝１４２０−２５０（Ｃ−０．５）−２０Ｓｉ
但し、
Ｃ、Ｓｉ：炭素、シリコン含有率（wt.%）表示
により、１２１５℃と算出される。よって、加熱上限温度は、（固相線温度ＴS −５０）℃＝１２１５−５０＝１１６５℃となる。
なお、この鋼材の共晶温度は約１１４０℃であり、固相線温度ＴS が共晶温度を下回ることはない。一般に、固相線温度ＴS が共晶温度を下回ることはないので、上記式での算出値が１１４０℃を下回った場合でも、現実の固相線温度は１１４０℃となる。
【００５２】
ここで、本発明にかかる鋼材の成分例として、例えば上記１．２wt.%Ｃ−１．５wt.%Ｓｉ鋼についてみると、固相線温度ＴS は１２１５℃であるから、従来の通常の機械構造用鋼である０．５wt.%Ｃの中炭素鋼の固相線温度（ＴS ＝１４２０℃程度）よりも、約２００℃低いことになる。このことは、本発明鋼材を用いれば、従来鋼材よりも２００℃程度低い加熱温度で熱間加工を行なっても、従来鋼材と同等の変形抵抗と変形能を有することが示唆され、省エネルギーの面からも好ましい鋼材ということができる。
【００５３】
なお、図１に、２wt.%Ｓｉを含有する場合のＦｅ−Ｃ系状態図を示す。同図中、Ｓ点の温度はＡ1 温度、Ｅ点の温度は共晶温度、ＨＥ線は固相線温度を示す。これにより、鋼材の固相線温度の低下に及ぼすＣ含有率の影響を推定することができる。但し、同図はＦｅ−Ｃ二元系状態図であるため、本発明鋼の、Ｓｉ含有率２．０wt.%のときの固相線温度を厳密に推定することはできない。従って、本発明における鋼片又は鋼材の加熱温度の上限値を正確に求めることはできないが、実用的に推定するために十分役立つ。同図中に斜線部で、本発明におけるＣ含有率に対する加熱温度領域を示した。
【００５４】
次に、熱間加工ままでの棒鋼や製品における黒鉛の析出状態を含む金属組織の限定理由を説明する。
（２３）黒鉛の粒径
析出した鋼材中の黒鉛は、その切削加工時の快削性を著しく向上させる。しかしながら、その黒鉛の平均粒径が０．５μｍ未満では、切削時に切り屑を小さく破砕する効果が小さく、切削性向上への寄与は小さい。従って、黒鉛の平均粒径は０．５μｍ以上とする。上限は特に制限しないが、粒径が３０μｍを超える黒鉛が多数析出すると靱性低下の原因となるので、黒鉛は３０μｍ以下であることが望ましい。
なお、本発明における黒鉛の形状は、一般的に塊状と表現されるものであるが、厚さ／長さ比が５以下ならば、球状でも粒状でもよく、特に限定する必要はない。
【００５５】
（２４）黒鉛の数
単位面積当たりに存在する黒鉛の数は、切り屑を小さく分断させるのに重要である。そして、黒鉛の数が１００個／ｍｍ2 未満では切り屑処理性の改善効果が小さいので、黒鉛の数は１００個／ｍｍ2 以上とする。一般に、成分組成一定の鋼材中に析出する黒鉛の数は、黒鉛の大きさに左右され、粒径が大きくなれば少なくなり、逆に粒径が小さくなれば多くなる。因みに、本発明では、径１０〜２５μｍの黒鉛が析出する場合、その数はおおよそ１００〜１０００個の間であるが、径０．５〜５μｍの黒鉛の場合には、おおよそ３０００〜５００００個に達する。
【００５６】
（２５）熱間加工ままでの棒鋼や製品の金属組織
熱間圧延された棒鋼や熱間鍛造されたクランクシャフト等製品の、熱間加工ままでの棒鋼や製品には微細な黒鉛を含み、且つ、金属組織の主体は、靱性を確保するためパーライトであることが必要である。パーライトの他には一部、粒界フェライト、黒鉛粒のまわりに発生するフェライト、ベイナイトが単独で、又は複合で存在していても差し支えない。
【００５７】
【実施例】
次に、この発明を、実施例によって更に詳細に説明する。ここでは、試験１から試験３を行なった。
【００５８】
〔試験１〕
表１及び表２に、試験に用いた供試材の化学成分組成、並びに、後述する黒鉛化指数ＣＥ及び固相線温度ＴS を示す。また表３及び表４には、主な製造条件及びその試験結果を示す。
【００５９】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
鋼種Ｎo.１〜２２は、化学成分組成に関しては本発明の範囲にあり、対応する請求項の番号を併記した。この内、鋼種Ｎo.１〜２０を用いた試験は、製造条件も本発明の範囲内にあるから、本発明の範囲内の試験例である実施例に該当する。そこで、これらをそれぞれ実施例Ｎo.１〜２０とした。しかし、鋼種Ｎo.２１及び２２を用いた試験は、製造条件の内、後述する鋼片の加熱温度が本発明の範囲外にあるので、本発明の範囲外の試験例である比較例に該当する。そこで、それぞれ比較例Ｎo.２１及び２２とした。
【００６４】
鋼種Ｎo.２３〜４８は、化学成分組成が本発明の範囲外にあり、この内、Ｎo.２３〜４４は比較成分例、Ｎo.４５は従来の球状黒鉛鋳鉄、Ｎo.４６はＳ４８ＣにＶ：０．１０wt.%、Ｐｂ：０．２２wt.%を添加した従来の非調質鋼、Ｎo.４７は従来のＳ５０Ｃ、そしてＮo.４８は従来のＳＣＭ８２２である従来成分例である。そして、鋼種Ｎo.２３〜４８を用いた試験の製造条件は、本発明の範囲内・外の各種のものを含むが、いずれも試験としては本発明の範囲外の試験例である比較例に該当する。そこで、これらをそれぞれ比較例Ｎo.２３〜４８とした。
【００６５】
黒鉛の析出を促進するには、黒鉛化指数ＣＥが重要であり、他の条件が同じ場合には、ＣＥが大きい方が黒鉛の析出が促進される。このＣＥは主要元素については下記の式で表わされる。即ち、
ＣＥ＝Ｃ＋Ｓｉ／３＋Ｎｉ／９＋Ｃｕ／１５−Ｍｎ／１２−Ｃｒ／３．
元素記号は各元素の重量％（wt.%）を表わす。また式中にない元素は、ＣＥ係数が求められていないので記していないが、それぞれ元素の特性に応じて、黒鉛の析出に影響を及ぼす。
【００６６】
また黒鉛の析出は加熱温度、加工度、冷却速度により左右されるので、ＣＥによって一義的に決定されるものではないが、目安としてＣＥは１．３以上必要であり、表１に示す本発明鋼の化学成分組成はこの点を考慮して成分を調整した。
【００６７】
これらの化学成分組成の供試材を１３０トン電気炉により溶製後、連続鋳造又は造塊法により鋳片とした。鋳片は１６０ｍｍ角の鋼片に分塊圧延後、鋼片加熱炉にて７８０〜１２５０℃の間の温度に加熱して、２４ｍｍ又は８８ｍｍの直径の棒鋼に熱間圧延した。
【００６８】
熱間圧延後棒鋼は放冷、又はカバー徐冷して黒鉛を析出させた。２４ｍｍ棒鋼の放冷ままの８００℃〜６００℃までの平均冷却速度は約１．６℃／ｓｅｃ、カバー徐冷におけるそれは０．５℃／ｓｅｃ、８８ｍｍ棒鋼の放冷時の冷却速度は０．３℃／ｓｅｃ、カバー徐冷のそれは０．１℃／ｓｅｃであった。
【００６９】
棒鋼の表面は目視で疵を判定し、黒鉛の状態、金属組織を光学顕微鏡により調査した。さらに２４ｍｍの棒鋼はショックアブソーバ─のピストンロッドに、８８ｍｍの棒鋼は建設機械のピストンロッドに切削により機械加工して、切り屑処理性を判定した。
【００７０】
切り屑処理性の判定は図２に示す如く、切り屑が巻き以下で分断しているものを良好としてランク１、３〜６巻で分断しているものを普通としてランク２、８巻以上につながっているものを劣るとしてランク３と位置づけた。なお、切削は、超硬Ｐ２０の切削工具を用い、切削速度２００ｍ／ｍｉｎで２０ｍｉｎ切削した。
【００７１】
また棒鋼からＪＩＳ４号引張試験片を採取して、引張試験を行い、引張強さ、及び伸びを求めた。なお、比較例Ｎo.４５の球状黒鉛鋳鉄のみは、８８ｍｍφの砂型に直接鋳造したインゴットを比較材として用いた。
【００７２】
本発明の実施例である実施例Ｎo.１〜２０は化学成分組成、圧延加熱温度とも適正であり、圧延品に割れの発生はない。また、黒鉛粒の大きさは０．５〜２５μｍの間となっており、黒鉛粒の数は１００個／ｍｍ2 以上で十分に多い。このため切り屑は、全て２巻以下に小さく分断した良好な形状を呈していた。また金属組織はパーライト単相ないしパーライト主体のフェライト＋パーライトの組織になっていた。
【００７３】
図３には、実施例Ｎo.１の腐食なしでの検鏡面での黒鉛の析出状態を示すが、黒鉛は粒界と粒内の両方に存在する。図４には、その腐食された検鏡面での顕微鏡による金属組織を示す。その組織はパーライトである。
【００７４】
図５には、実施例Ｎo.５の腐食なしでの検鏡面での黒鉛の析出状態を示すが、黒鉛は粒界のみに存在する。図６には、その腐食された検鏡面での顕微鏡による金属組織を示す。その組織は粒界フェライト＋パーライトである。また、引張強さも全て８００Ｎ／ｍｍ2 以上と高く、伸びも１５％以上とピストンロッドとして十分な、強度、延性を有していた。
【００７５】
以上の実施例に対して、比較例Ｎo.２１は加熱温度が本発明の範囲より高いため、熱間延性が不足して、棒鋼に割れを生じた。
また比較例Ｎo.２２は逆に加熱温度が本発明の範囲より低いため、熱間延性が不足して、棒鋼に割れを生じた。
【００７６】
比較例Ｎo.２３はＣ量が本発明を外れて低く、このため黒鉛の析出は見られなかった。
比較例Ｎo.２４は逆にＣが本発明を外れて高く、熱間延性が不足して、棒鋼に大きな割れが発生した。
【００７７】
比較例Ｎo.２５はＳｉが本発明を外れて低く、このため炭素等量ＣＥが小さくなり、黒鉛の析出は見られず、切り屑が長くつながってしまった。このため機械を停止して切り屑を除去する必要があった。
比較例Ｎo.２６はＳｉが本発明を外れて高く、このため熱間延性が不足して、棒鋼に割れを生じた。
【００７８】
比較例Ｎo.２７はＭｎが本発明より高く、このため黒鉛の析出は見られなかった。
比較例Ｎo.２８はＰが本発明より高く、延性不足で、棒鋼に割れを発生した。
【００７９】
比較例Ｎo.２９はＳが本発明より高いため、やはり熱間延性が不足して、割れを発生したのみならず、Ｓの過剰添加が災いして見かけのＣＥは高いものの、黒鉛の析出はみられなかった。
【００８０】
比較例Ｎo.３０はＣｕが本発明より高く、加熱中にＣｕが表面に濃化して粒界に侵入し、圧延棒鋼に割れが発生した。
比較例Ｎo.３１はＣｒが本発明より高く、このため黒鉛の析出が起こらなかった。
【００８１】
比較例Ｎo.３２はＮｉが本発明より高く、このため熱間延性が不足して、棒鋼に割れを生じた。
比較例Ｎo.３３はＭｏが本発明より高く、やはり棒鋼に割れを生じた。
【００８２】
比較例Ｎo.３４はＢ、Ｎが本発明より高く、多量のＢＮが析出して延性不足から割れを生じた。
比較例Ｎo.３５はＴｉが、比較例Ｎo.３６はＺｒが、比較例Ｎo.３７はＶが、比較例Ｎo.３８はＡｌが、比較例Ｎo.３９はＮｂが、いずれも本発明の範囲より高く、このため延性不足で棒鋼に割れを生じてしまった。
【００８３】
また比較例Ｎo.４０はＣａが、比較例Ｎo.４１はＭｇが、比較例Ｎo.４２はＲＥＭが、本発明より高く、このため酸化物系介在物を多量に巻き込み、これが圧延疵の原因となり、棒鋼に割れを発生してしまった。
【００８４】
比較例Ｎo.４３及び４４は化学成分組成は本発明発明の範囲内であるが、ＣＥが１．３より低かったために黒鉛を析出しなかった。
比較例Ｎo.４５は従来の球状黒鉛鋳鉄の例であり、接種材としてのＭｇを含んでいる。本鋳造品の表面には０．１０ｍｍ程度の***がいくつか存在し、機械部品としては好ましい状態ではなかった。また引張強さは適当であるが、伸びが４％と延性に劣るものであった。
【００８５】
比較例Ｎo.４６は従来非調質の例であるが, これは諸特性は特に問題なく、またＰｂを含有しているため、切り屑処理性も良好であった。しかし環境保護の観点からこのＰｂは使用しない方向で部品を製造することが今後求められる。
【００８６】
比較例Ｎo.４７は従来Ｓ５０Ｃの例であり、Ｐｂを含まないため、切り屑処理性は劣る。また引張強さが７００Ｎ／ｍｍ2 程度とやや不足しており、焼入れ焼戻しを施して、引張強さを高める必要があった。
【００８７】
比較例Ｎo.４８は歯車用のＳＣＭ８２２の例であり、これについては後述する試験３の比較例Ｎo.４８Ｄで説明する。
以上述べたように、本発明によれば、従来の非調質棒鋼に匹敵する強度、延性を有する無鉛の非調質快削棒鋼を製造することができる。
【００８８】
〔試験２〕
表１に示した成分が本発明の範囲内にある鋼種Ｎo.３及び１７のＡグループ、並びに、表２に示した成分が本発明の範囲外にある鋼種Ｎo.４６、４７、及び４５のＢグループの鋼について下記の通りの試験を行なった。Ａグループの試験は本発明の範囲内のものであり、それぞれ実施例Ｎo.３Ａ、１７Ａとよび、Ｂグループの試験は本発明の範囲外のものであり、それぞれ比較例Ｎo.４６Ｂ、４７Ｂ、４５Ｂとよぶ。
【００８９】
実施例Ｎo.３Ａ及び１７Ａでは、８８ｍｍφ棒鋼を用いて、１０００℃に加熱後、クランクシャフトに熱間鍛造し、扇風機により空冷した。また、従来の非調質鋼である比較例Ｎo.４６Ｂ、従来のＳＣ材である比較例Ｎo.４７Ｂの８８ｍｍφ棒鋼を１２５０℃に加熱して同一形状のクランクシャフトに熱間鍛造し、やはり扇風機により空冷した。また更に、比較のために比較例Ｎo.４５Ｂの従来の球状黒鉛鋳鉄を同じ形状のクランクシャフトに直接鋳造して、凝固させた。
【００９０】
被削性試験として、これらの鍛造品、鋳造品を外周切削したのち、油穴を小径深穴ドリルにより、３ｍｍ径の穴を明けた。その時の切り屑の形態は実施例Ｎo.３Ａ及び１７Ａ、並びに、従来の球状黒鉛鋳鉄である比較例Ｎo.４５Ｂ及び従来の非調質鋼である比較例Ｎo.４６Ｂは、２巻き以下の細かく分断した良好な切り屑であったが、Ｐｂを含有しない従来のＳＣ材である比較例Ｎo.４７Ｂのみは切り屑が１０巻き以上に長くつながり、ドリル折損が多発した。
【００９１】
疲労試験として、製造されたクランクシャフトを曲げ疲労試験にかけて試験した。実施例Ｎo.３Ａの疲労強度は５００Ｎ／ｍｍ2 、実施例Ｎo.１７Ａの疲労強度は５３０Ｎ／ｍｍ2 、比較例Ｎo.４６Ｂの疲労強度は５００Ｎ／ｍｍ2 と良好な強度を有していた。
【００９２】
これに対して比較例Ｎo.４５Ｂの球状黒鉛鋳鉄は４２０Ｎ／ｍｍ2 の疲労強度しか有していなかった。これは、鋳鉄はヤング率が低いこと、及び小さい気泡が疲労の起点となり、疲労限を低下させたためと考えられる。
【００９３】
また比較例Ｎo.４７ＢのＳ５０Ｃの疲労強度も４３０Ｎ／ｍｍ2 程度しか有していなかった。そこで８７０℃焼入れ後５８０℃焼戻しを施したところ、疲労強度は５２０Ｎ／ｍｍ2 まで向上させることができた。
【００９４】
また、実施例Ｎo.３Ａ及び１７Ａのクランクシャフトについて、黒鉛の平均粒径及び黒鉛粒の数を測定した。いずれの実施例においても、本発明の要件を満たしていた。
【００９５】
以上示したように、本発明によれば、無鉛で被削性に優れた非調質の快削鋼部品の製造が可能であり、被削性は鉛快削鋼や球状黒鉛鋳鉄と同等であり、またその特性は、従来の球状黒鉛鋳鉄を上回り、焼入れ焼戻し材相当の高い疲労強度を有している。
【００９６】
〔試験３〕
表１に示した成分が本発明の範囲内にある鋼種Ｎo.１及び５のＣグループ、並びに、本発明の範囲外にある鋼種Ｎo.４８及び４５のＤグループの鋼について下記の通りの試験を行なった。Ｃグループの試験は本発明の範囲内のものであり、それぞれ実施例Ｎo.１Ｃ、５Ｃとよび、Ｄグループの試験は本発明の範囲外のものであり、それぞれ比較例Ｎo.４８Ｄ、４５Ｄとよぶ。
【００９７】
実施例Ｎo.１Ｃ及び５Ｃ、並びに、従来のＳＣＭ８２２による比較例Ｎo.４８Ｄでは、鋼片を１３０ｍｍ棒鋼に圧延し、外径３２０ｍｍのデファレンシャルドライブギアに熱間鍛造し、そのまま放冷した。また、比較例鋼種Ｎo.４５Ｄの従来球状黒鉛鋳鉄を同一形状のギア砂型に直接鋳込んだ。
【００９８】
実施例Ｎo.１Ｃ及び５Ｃでは、ギア素材をそのままホブ盤にて歯車に切削加工し、その後５７０℃、５時間のガス軟窒化を施して表面を硬化させた。
従来のＳＣＭ８２２による比較例Ｎo.４８Ｄでは、鍛造ままの組織がベイナイトであり、硬いのでそのまま切削加工することは困難であった。そこで９２０℃×３時間→６５０℃×１時間のサイクル焼鈍をして軟化させたのち、切削加工した。その後、表面を硬化せさるため、９２０℃×５時間→８５０℃×３０分の浸炭焼入れ処理を行って表面を硬化させた。
【００９９】
また、従来の球状黒鉛鋳鉄による比較例Ｎo.４５Ｄでは型から取り出して、直接切削加工したのち、９００℃×１時間→２５０℃×２時間ソルト浴浸漬のオーステンパー処理を施した。
【０１００】
ホブ切り加工においてはいずれも良好な切り屑処理性を示し、また工具の摩耗も少なく、切削面のむしれもなく、良好な切削状態であった。
各熱処理を施したギアを疲労試験に供した。本発明鋼を用いたガス軟窒化ギアの歯元曲げ疲労強度は４５０Ｎ／ｍｍ2 であり、ＳＣＭ８２２を用いた浸炭焼入れギアの疲労強度も４５０Ｎ／ｍｍ2 であった。しかしながら球状黒鉛鋳鉄のオーステンパー処理材の疲労強度は３２０Ｎ／ｍｍ2 と低いものであった。
【０１０１】
熱処理後のギアの変形は、歯車かみ合い時の騒音の原因となるため、各ギアのドライヴ側のプレッシャ−アングルの変形量を測定した。図７に、歯車のプレッシャアングルの歪みを説明する概略縦断面図を示す。浸炭焼入れ材のアングルのずれは１５分（１分は１°の６０分の１）であったが、軟窒化材は１分と殆ど変形のないものであった。またオーステンパー材は、熱処理直後の変形は３分と比較的変形の小さいものであったが、１０００回の疲労回数を超えると２０分と変形の大きいものであった。これはオーステンパー処理によって、組織内に留められた残留オーステナイトがマルテンサイトに変態したために、変形量が大きくなったものと考えられる。
また、実施例Ｎo.１Ｃ及び５Ｃのギア素材について、黒鉛の平均粒径及び黒鉛粒の数を測定した。いずれの実施例においても、本発明の要件を満たしていた。
【０１０２】
以上説明したように、本発明にかかるギアは軟化焼鈍を施さなくても、被削性が良好であり、疲労強度も球状黒鉛鋳鉄より高く、従来のＳＣＭ鋼の浸炭焼入れギアに匹敵する高い強度を有し、且つ歪みが小さく、騒音の発生が小さいものであることが確認された。
【０１０３】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、有毒なＰｂを用いることなく、被削性に優れ、また疲労強度、及び伸び特性に優れた熱間加工製品の製造が可能であり、非調質の快削鋼部品や低歪みで高い疲労強度を有する歯車を製造することが可能となる。このような快削熱間加工鋼材及びその製品、並びにそれらの製造方法を提供することができ、工業上有用な効果がもたらされ、本発明は産業界の発展に寄与するところ極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】２．０wt.%Ｓｉを含有する時のＦｅ−Ｃ系状態図である。
【図２】切り屑の形態分類と切り屑処理性の判定ランクとの例を示す図である。
【図３】実施例Ｎo.１の腐食なしでの検鏡面での黒鉛の析出状態を示す図である。
【図４】実施例Ｎo.１の腐食された検鏡面での金属組織を示す図である。
【図５】実施例Ｎo.５の腐食なしでの検鏡面での黒鉛の析出状態を示す図である。
【図６】実施例Ｎo.５の腐食された検鏡面での金属組織を示す図である。
【図７】歯車のプレッシャアングルの歪みを説明する概略縦断面図である。
【符号の説明】
１ 角度変位
２ 歯車
Claims (10)
- Ｃ ：０．８０〜１．７０wt.%、
Ｓｉ：０．７０〜２．５０wt.%、
Ｍｎ：０．３０wt.%未満、
Ｐ ：０．０５０wt.%以下、
Ｓ ：０．０５０wt.%以下、
Ｏ ：０．００３０wt.%以下、及び、
Ｎ ：０．０１５wt.%以下
を含有し、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有し、且つ、平均粒径が０．５μｍ以上の黒鉛が１００個／ｍｍ2 以上析出し、且つ金属組織がパーライトであることを特徴とする、快削性に優れた熱間加工鋼材。 - 前記鋼材の化学成分組成に、下記６種の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種が、更に付加されて含まれていることを特徴とする、請求項１記載の、快削性に優れた熱間加工鋼材。
Ｃｕ：０．０５〜２．０wt.%、
Ｎｉ：０．０５〜２．０wt.%、
Ｃｏ：０．０５〜０．５０wt.%、
Ｃｒ：０．０５〜１．０wt.%、
Ｍｏ：０．０５〜０．５０wt.%、及び、
Ｂ ：０．０００５〜０．０１０wt.%。 - 前記鋼材の化学成分組成に、下記５種の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種が、更に付加されて含まれていることを特徴とする、請求項１または２記載の、快削性に優れた熱間加工鋼材。
Ａｌ：０．０１〜０．５０wt.%、
Ｔｉ：０．０１〜０．５０wt.%、
Ｚｒ：０．０１〜０．５０wt.%、
Ｖ ：０．０１〜０．３０wt.%、及び、
Ｎｂ：０．０１〜０．３０wt.%。 - 前記鋼材の化学成分組成に、下記３種の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種が、更に付加されて含まれていることを特徴とする、請求項１から３の何れか１つに記載の、快削性に優れた熱間加工鋼材。
Ｃａ ：０．００１０〜０．０１０wt.%、
Ｍｇ ：０．００１０〜０．１０wt.%、及び、
ＲＥＭ：０．００５〜０．１０wt.%。 - 請求項１から４の何れか１つに記載の発明の熱間加工鋼材を素材としたことを特徴とする、快削性に優れた熱間加工製品。
- Ｃ ：０．８０〜１．７０wt.%、
Ｓｉ：０．７０〜２．５０wt.%、
Ｍｎ：０．３０wt.%未満、
Ｐ ：０．０５０wt.%以下、
Ｓ ：０．０５０wt.%以下、
Ｏ ：０．００３０wt.%以下、及び、
Ｎ ：０．０１５wt.%以下
を含有し、残部鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物からなる化学成分組成の鋼片を、８００℃以上、前記鋼片の固相線温度より５０℃低い温度以下、の範囲内の温度に加熱した後、熱間加工し、そして室温まで冷却して、平均粒径が０．５μｍ以上の黒鉛を１００個／ｍｍ2 以上析出させ、且つ金属組織をパーライトとすることを特徴とする、快削性に優れた熱間加工鋼材の製造方法。 - 前記鋼片として、下記６種の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種を、更に付加されて含まれているものを用いることを特徴とする、請求項６記載の、快削性に優れた熱間加工鋼材の製造方法。
Ｃｕ：０．０５〜２．０ wt.% 、
Ｎｉ：０．０５〜２．０ wt.% 、
Ｃｏ：０．０５〜０．５０ wt.% 、
Ｃｒ：０．０５〜１．０ wt.% 、
Ｍｏ：０．０５〜０．５０ wt.% 、及び、
Ｂ ：０．０００５〜０．０１０ wt.% 。 - 前記鋼片として、下記５種の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種を、更に付加されて含まれているものを用いることを特徴とする、請求項６または７記載の、快削性に優れた熱間加工鋼材の製造方法。
Ａｌ：０．０１〜０．５０ wt.% 、
Ｔｉ：０．０１〜０．５０ wt.% 、
Ｚｒ：０．０１〜０．５０ wt.% 、
Ｖ ：０．０１〜０．３０ wt.% 、及び、
Ｎｂ：０．０１〜０．３０ wt.% 。 - 前記鋼片として、下記３種の化学成分組成からなる群から選ばれた少なくとも１種を、更に付加されて含まれているものを用いることを特徴とする、請求項６から８の何れか１つに記載の、快削性に優れた熱間加工鋼材の製造方法。
Ｃａ ：０．００１０〜０．０１０ wt.% 、
Ｍｇ ：０．００１０〜０．１０ wt.% 、及び、
ＲＥＭ：０．００５〜０．１０ wt.% 。 - 請求項６から９の何れか１つに記載の発明において、鋼片を鋼材として、熱間加工製品を製造することを特徴とする、快削性に優れた熱間加工製品の製造方法。
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