JP5119715B2 - 熱間鍛造品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼を用いた自動車部品、例えばクランクシャフト等のエンジン部品や等速ジョイントおよびハブなどの足回り部品に代表される機械構造部品を典型例とする、鍛造品の部分に熱処理を施す際に好適である、熱間鍛造品の製造方法に関するものである。

通常、鋼を用いた機械構造部品は、熱間鍛造、亜熱間鍛造もしくは温間鍛造により所定の形状に成形した後、切削加工による仕上加工を行って製造するのが一般的である。かような部品の製造工程として、例えば非特許文献１には、鍛造生産工程の代表的なプロセス、すなわち、材料を切断、そして加熱後、鍛造工程により成形し、必要に応じて熱処理を行うプロセスが開示されている。

ところで、近年、上記用途の製品に対して、その適用先である部品の軽量化を所期した小型化や薄肉化の実現に向けて疲労強度を高めることが希求されている。
ここで、熱間鍛造品の疲労強度を高める技術として、特許文献１には、熱間鍛造後に部品全体を焼入れ、さらに焼戻し処理によりマトリックスを析出強化する、高疲労強度熱間鍛造品の製造方法が開示されている。

また、特許文献２には、熱間鍛造後に鍛造品全体の冷却速度むらをなくして、全体の冷却速度を制御する冷却装置が開示されている。
（社）日本塑性加工学会編 塑性加工技術シリーズ４ 鍛造 コロナ社 特許第３１００４９２号公報 特許第２９３６１９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、熱間鍛造後に部品そのものを直接冷却するため、部品全体の強度が上昇し、疲労強度が要求されない部位についても不必要に高強度化が進むこととなる。そして、素材の強度と加工性とは相反する特性であるため、疲労強度が問題となる部位について高強度化を進めると、当該部位での加工性は犠牲になる。すなわち、上記使途の機械構造部品は、熱間鍛造によって概略の製品形状を与えた後、この熱間鍛造品の表層を、通常は全面的に切削する仕上加工を施して製造される。したがって、この種の機絨構造部品の製造において切削加工と表面研削が不可欠であるところ、部品全体の硬度が高くなると、必然的に被削性の低下が大きな問題となる。

さらに、この方法を実現する製造設備としては、析出処理のために別途焼戻し処理を行うための加熱設備が必要となるため、省エネルギーの観点からも好ましくない。

また、特許文献２に記載の技術も同様に、鍛造品全体の冷却速度を制御するため、切削性の低下が大きな問題となる。

すなわち、鍛造品の軽量化やコンパクト化による発生応力の増大に伴って要求される疲労強度を、従来法で得られた鍛造品に比べて高めるとともに、疲労強度が必要とされない部位はもちろん、それ以外の部位についても被削性が良好であり、容易に仕上加工を行うことのできる、疲労強度ならびに冷間加工性に優れる熱間鍛造品の提供を所期した際、上記した特許文献１または２に記載された設備では、その実現が困難であった。

特に、自動車用ハブに代表されるようなフランジ部を有する軸部品においては、その使用状況において繰り返し入力される負荷は、フランジ付け根部、すなわち、フランジと軸部との境界領域に対して最も大きくなるため、疲労強度においても熱間、亜熱間もしくは温間鍛造により、部品形状に粗成形された後は、切削等の冷間加工が施されて最終部品となることから、熱間鍛造後には冷間加工性が要求される。

また、ピストンとクランクシャフトをつなぐコネクティングロッドにおいては、ピストンの上下運動を回転運動に変えるため軸部には常に高い引張り、もしくは圧縮荷重が付与されることになるが、ピストンやクランクシャフトとの連結部については切削加工が施されるため、高い切削加工性が要求される。

そこで、本発明の目的は、鋼素材を熱間鍛造により製造される部品の疲労強度が要求される部位を部分的に冷却する際に、部分冷却に起因する割れの発生を抑制可能な熱間鍛造品の製造方法について提供しようとするものである。

発明者らは、熱間鍛造品を製造するにあたり、部品の疲労強度が必要とされる部位のみを鍛造中もしくは鍛造後に局部的に冷却することにより、疲労特性と切削加工性の両方に優れた熱間鍛造品が得られるとの発想に至った。例えば、フランジ部と軸部からなるハブのような部品の場合、フランジ部と軸部との境界部を局部的に冷却して焼入れると、焼入れ後にはフランジ部等の非局部冷却領域が保有する熱量により自己焼もどし作用が生じ、疲労強度に優れた境界部と、切削加工などの冷間加工性に優れた軸部とフランジ部が得られる。また、フランジ部と軸部とを有する形状に粗成形した後、フランジ部と軸部との境界部を局部的に冷却して、境界部の温度をフランジ部よりも低温化し、さらに鍛造を施すことで境界部の鋼組織が、その他の部位の鋼組織よりも微細化して高強度化することにより疲労強度に優れた境界部と、冷間加工性に優れたフランジ部とを得ることができる。鋼成分に析出強化元素を含む場合、部分的な冷却制御によって析出強化量を制御し、疲労強度に優れた境界部と、冷間加工性に優れたフランジ部とを得ることも可能である。

ここで、前述のような疲労強度が必要な部位を冷却する場合、境界部のみに限局した局所部分の温度を低下させ、それ以外の部分の温度低下を抑制することが重要となる。この場合、強制的に冷却される部分とそうでない部分との境界部で冷却時の熱応力に起因した割れが発生するが、冷媒を適切な流量範囲で噴射することで割れの発生を抑制可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、鋼素材に熱間鍛造を施して熱間鍛造品を製造するに際して、熱間鍛造中もしくは熱間鍛造後の熱間鍛造品の局所部分に、単位面積当たりの噴射量Ｌ（ｌ／mm²・分）と噴射時間t（s）とを、下記式を満足する条件に制御して冷媒を吹き付け、
前記局所部分を硬化部とし、該局所部分以外を非硬化部とし、該硬化部のビッカース硬さＶ _１ および該非硬化部のビッカース硬さＶ _２ に、（Ｖ _１ −Ｖ _２ ）／Ｖ _２ ≧0.1を満足させることを特徴とする熱間鍛造品の製造方法。
記
0.5×t^-0.85 ≦ Ｌ ≦ 2.83×t^-0.51

なお、本発明でいう熱間鍛造とは、800℃以上に加熱して鍛造する工程を意味するものである。

本発明によれば、疲労強度と切削などの冷間加工性が要求される部品を製造するにあたり、強化部と非強化部との境界部もしくはその周辺部において部分冷却に起因する割れを抑制し、疲労強度と冷間加工性の両方に優れた熱間鍛造品を得ることが可能になる。

まず、疲労強度並びに冷間加工性に優れる熱間鍛造品を得るには、熱間鍛造後の部分冷却によって、鍛造品の特に疲労強度が要求される部位に硬化部を導入し、それ以外は非硬化部とすること、とりわけ表面における前記硬化部のビッカース硬さV_lと前記非硬化部のビッカース硬さV₂が次式を満足することが好ましい。
（V_l−V₂）／V₂≧0.1

すなわち、（V_l−V₂）／V₂の値が0.l未満では、硬化部の強度上昇が少なく十分な疲労強度の向上効果が得られない。なお、（V_l−V₂）／V₂の値を大きくするために、熱間鍛造後に部品全体をまず、非硬化部とし（通常の熱間鍛造・空冷、焼入れ、部分制御鍛造を行わない）、その後に、疲労強度が要求される部位のみに対して、高周波焼入等を施すことは従来から実施されているものの、この場合には、熱間鍛造後に別途焼入れ工程が必要となるため、熱間鍛造後の高温の部品に対して部分冷却により焼入れを施したり、熱間鍛造工程の途中段階で部分冷却を施して鋼組織を微細化することは、工程省略の観点からも有益となる。

このような熱間鍛造部品を製造する設備について、図１に示すところに従って詳しく説明する。
すなわち、図１において、符号１は、鋼素材を加熱する加熱炉であり、この加熱炉１の出側に延びる、加熱後の鋼素材２の搬送ライン３上に熱間鍛造機４を配置し、さらに熱間鍛造機４の出側の搬送ライン３に沿う位置に、部分冷却装置５を配置してなる。
そして、加熱後の素材２は熱間鍛造機４において、所望の形状に型鍛造される。ここで、フランジ部21と軸部22とを有する部品の場合には、例えば図２（a）に示す鋼素材２を、熱間鍛造機４において図２（b）〜（d）に示す工程に通して、仕上加工前の製品形状を有する鍛造品20に成形する。

ここで、図１は熱間鍛造後に部分冷却する場合の設備例を示したものであるが、熱間鍛造プロセスの中で部分冷却装置５を用いて部分冷却を行うことも可能である。
部分冷却装置５には、例えば図４に示すように、鍛造品20に対して、その円周等分複数位置に上下二段で複数のノズル５ａを設けて、これらノズル５ａから例えば鍛造品20のフランジ根元部20ａに向けて冷却液を吹き付けることによって、フランジ根元部20ａに限局した冷却を行うことができる。

図４に示す部分冷却装置は、鍛造品20を載置する回転台座６を有し、該回転台座６はモータ８により回転可能となっている。複数のノズル５ａは回転台座６に載置した状態の鍛造品20のフランジ根元部20ａに対して冷却水を噴出するように位置が固定されている。ノズル５ａは冷却水供給管12に接続されており、冷却水供給管12には、冷却水を供給するための昇圧ポンプ11、噴出量を制御するための流量調整弁10および流量を監視するための流量計９が設けられている。さらに、鍛造品20のフランジ根元部20ａのみを局部的に冷却し、その他の部分が冷却されることを抑制するために、ノズル５ａの上側には上部冷却水仕切り板７ａ、ノズル５ａの下側には下部冷却水仕切り板７ｂが設けられている。上部冷却水仕切り板７ａ、下部冷却水仕切り板７ｂは、いずれも環状の仕切り板であり、それぞれ、鍛造品20の非冷却対象部分への冷却水の漏れ出しを抑制できるよう構成されている。さらに、回転台座６についても、鍛造品20の回転台座６に接触した部分の熱が放出されないように、セラミック製の台座を使用している。

以上のように構成した部分冷却装置では、回転台座６を回転させながらノズル５ａより冷却水を噴出させると、フランジ根元部20ａのみを冷却し、その他の部分は強制冷却されないので、局部冷却部分、すなわちこの例においてはフランジ根元部20ａのみを焼入れすることが可能となる。そして、冷却終了後には、非局部冷却部分からの熱により自己焼戻しが施される。

このような部分冷却を実施する場合、部分冷却部と周囲との冷却速度差に起因した割れが発生する場合がある。割れが発生すると部品としての機能が損なわれるため、部分冷却に起因した割れの発生抑止技術が必要とされていた。

そこで、発明者らは、鍛造部品の部分冷却時の割れ発生防止の観点から、鋭意検討を行った。その結果、冷媒の噴射流量を適正範囲に制御することによって、割れ発生の防止が可能であることを見出したのである。以下に、その具体的内容について示す。

表１に示す60mmφのS48C棒鋼（JIS G4051）を、図１に示した熱間鍛造設備に導いた。そして、まず、この圧延棒鋼を加熱炉にて1200℃に加熱後、図２（b）〜（d）に示した、３段階の熱間鍛造を熱間鍛造機４において施して、同図（d）に示すフランジ部を有する熱間鍛造品20に成形した。熱間鍛造品におけるフランジ付け根部における軸部の径は475mmφである。この鍛造品を直ちに冷却装置５に搬入し、フランジ根元部（フランジ部と軸部の境界部）20ａに限局し、冷却される局所部分の単位面積当たりの流量Ｌを0.006〜４リットル/mm²・分として冷却水で２〜80s間の部分冷却を施し、その後放冷した。部分冷却の開始温度は、部分冷却部に十分な冷却を行った際には、硬化組織（マルテンサイトおよび／またはベイナイト）が得られるよう、Ａｒ₃変態点以上とした。冷却部近傍の割れ発生の有無および硬化層の硬さV_lと非硬化層の硬さV₂を測定し、（V_l−V₂）／V₂の値が0.1を超えるか否かを確認し、その結果を図３にまとめた。

図３から明らかなように、冷却時の割れ発生がなく、かつ（V_l−V₂）／V₂≧0.1の条件を両立する領域は、冷媒噴射量Ｌ（リットル/mm²・分）と冷却時間t（s）を用いて、次式で表されることが分かった。
0.5×t^-0.85 ≦ L ≦ 2.83×t^-0.51
すなわち、冷媒噴射量Ｌが0.5×t^-0.85未満であると、部分冷却部と非冷却部とで冷却速度の差が小さくなったり、部分冷却部を十分に硬化させる程度の冷却速度で必要な冷却完了温度まで冷却できなくなり、一方、冷媒噴射量Ｌが2.83×t^-0.51超となると、部分冷却部と非冷却部の温度差が大きくなりすぎて、冷却部近傍に割れが発生するようになる。

前述した例は、フランジ部を有する軸部品の例であるが、このほかにもコンロッド、クランクシャフトなどの熱間鍛造部品において、部分的に高い強度が要求される場合にも適用可能である。

表２に示す化学組成の鋼を真空溶解炉にて溶製し、100kgのインゴットに鋳造した。ついで、60mmφの棒鋼に熱間鍛造した。このようにして得られた棒鋼を、加熱炉１にて1200℃に加熱後、図２（b）〜（d）に示した、３段階の熱間鍛造を熱間鍛造機４において施し、同図（d）に示すフランジを有する熱間鍛造品20に成形した。鍛造工程においては、図２（c）のフランジ部と軸部の境界部に部分冷却を行い、図２（d）に示す最終工程を行う場合と、熱間鍛造が終了したのちに鍛造品20を直ちに冷却装置に搬入し、フランジ根元部（フランジと軸部の境界部）20aに対して限局した部分冷却を0.01〜５リットル／mm²・分、冷却時間２〜60秒の部分冷却を行って空冷する場合と、をそれぞれ実施した。

各場合について、それぞれサンプルを10個冷却したのち、外観上割れが全く発生していないものについては○、割れ発生率20％以下のものは△、割れ発生率が20％を超えるものについては×、として評価した。また、それぞれのサンプルを切断研磨したのち、硬化部の表皮１mmの部位について荷重300gでビッカース硬さV_lを測定し、軸部で空冷された部分の硬さV₂から（V_l−V₂）/V₂の値を求めた。

以上の測定結果を、表３に示す。表３に示すように、本発明の条件を満たす鍛造品は、（V₁−V₂）／V₂≧0.1を満足し、かつ部分冷却に起因する割れの発生が抑制されている。

熱間鍛造部品を製造する設備を示す図である。 鍛造品の成形工程を示す図である。 冷却部近傍の割れ発生の調査結果を示す図である。 部分冷却装置を示す図である。

符号の説明

１ 加熱炉
２ 鋼素材
３ 搬送ライン
４ 熱間鍛造機
５ 部分冷却装置

Claims (1)

1. 鋼素材に熱間鍛造を施して熱間鍛造品を製造するに際して、熱間鍛造中もしくは熱間鍛造後の熱間鍛造品の局所部分に、単位面積当たりの噴射量Ｌ（ｌ／mm²・分）と噴射時間t（s）とを、下記式を満足する条件に制御して冷媒を吹き付け、
   前記局所部分を硬化部とし、該局所部分以外を非硬化部とし、該硬化部のビッカース硬さＶ _１ および該非硬化部のビッカース硬さＶ _２ に、（Ｖ _１ −Ｖ _２ ）／Ｖ _２ ≧0.1を満足させることを特徴とする熱間鍛造品の製造方法。
   記
   0.5×t^-0.85 ≦ Ｌ ≦ 2.83×t^-0.51

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