JP5556191B2 - 熱間鍛造非調質鋼部品及びこれに用いる熱間鍛造用非調質鋼 - Google Patents
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Description
本発明は、自動車の足廻り部品、クランクシャフト、コンロッド等に適した熱間鍛造非調質鋼部品及びこれに用いる熱間鍛造用非調質鋼に関する。
自動車等の足廻り部品、クランクシャフト、コンロッド等は、炭素鋼や若干の合金元素を添加した低合金鋼を熱間鍛造することにより製造されている。そして、従来より、エネルギーの節約のため、熱間鍛造時の熱を利用し、その後、大気中で空冷するだけで必要とする強度の得られる非調質鋼が多く用いられている。そして、自動車等の燃費改善要求は極めて強く、強度向上に対する要求は強く求められている。
しかし、高強度を得るとは、言い換えれば硬さが高くなるということであり、被削性の低下を意味する。そのため、上記自動車の足廻り部品、クランクシャフト、コンロッド等に要求される、高強度及び被削性の両立は容易ではない。従って、従来から多数の熱間鍛造用鋼が提案されているが、ＨＶ３００を大きく超える硬さで、優れた被削性を維持できる非調質鋼となると、ほとんど提案されていないのが現状である。
例えば、特許文献１には、鋼の成分組成やＡc3変態温度等を限定した、疲労強度に優れた非調質鍛造品の製造方法が記載されている。
上記特許文献１の鋼を含め、多数の非調質鋼が開発されており、これらは大量生産可能な被削性を確保しているが、硬さがＨＶ３００未満であり、本発明で目的とする強度が得られない。そして、この鋼の強度を単純に高めても、被削性が低下してしまう。そのため、硬さを高めても優れた被削性を維持できる技術開発が必要であった。
上記特許文献１の鋼を含め、多数の非調質鋼が開発されており、これらは大量生産可能な被削性を確保しているが、硬さがＨＶ３００未満であり、本発明で目的とする強度が得られない。そして、この鋼の強度を単純に高めても、被削性が低下してしまう。そのため、硬さを高めても優れた被削性を維持できる技術開発が必要であった。
そして、特許文献２には、熱処理は必要となるものの高強度と大量生産可能な被削性の両立が可能で、自動車の足廻り部品の大幅な軽量化を達成可能とする被削性に優れた時効硬化型高強度ベイナイト鋼部品及びその製造方法が記載されている。
特許文献２の鋼部品は、硬さがＨＶ３４０以上で高強度を有しながら、被削性の優れる材料として提案されており、コストの問題、熱処理が必要であるという点を除けば、従来からの高強度、及び優れた被削性の要求を満足するものである。しかしながら、時効処理が必須であるため、コスト高になる共に、ＣＯ2発生量の点で問題がある。
特許文献２の鋼部品は、硬さがＨＶ３４０以上で高強度を有しながら、被削性の優れる材料として提案されており、コストの問題、熱処理が必要であるという点を除けば、従来からの高強度、及び優れた被削性の要求を満足するものである。しかしながら、時効処理が必須であるため、コスト高になる共に、ＣＯ2発生量の点で問題がある。
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、時効処理に頼ることなく、ＨＶ３４０以上、引張強さ１１００ＭＰａ以上の高強度を確保しつつ、優れた被削性を確保できる熱間鍛造非調質鋼部品及びこれに用いる熱間鍛造用非調質鋼を提供しようとするものである。
第１の発明は、化学成分が、質量％でＣ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．９０〜１．４０％、Ｓ：０．０４０〜０．１００％、Ｃｒ：１．００％以下、Ｖ：０．２０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、
２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒ＜３．１であり、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋Ｖが０．９〜１．１であり、
硬さがＨＶ３４０以上であり、
引張強さが１１００ＭＰａ以上であり、
降伏比が０．７０以上であり、
組織がベイナイトが１０％以下のフェライト・パーライト組織であることを特徴とする熱間鍛造非調質鋼部品にある（請求項１）。
２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒ＜３．１であり、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋Ｖが０．９〜１．１であり、
硬さがＨＶ３４０以上であり、
引張強さが１１００ＭＰａ以上であり、
降伏比が０．７０以上であり、
組織がベイナイトが１０％以下のフェライト・パーライト組織であることを特徴とする熱間鍛造非調質鋼部品にある（請求項１）。
第２の発明は、上記第１の発明の熱間鍛造非調質鋼部品を製造するための熱間鍛造用非調質鋼であって、
化学成分が、質量％でＣ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．９０〜１．４０％、Ｓ：０．０４０〜０．１００％、Ｃｒ：１．００％以下、Ｖ：０．２０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、
２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒ＜３．１であり、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋Ｖが０．９〜１．１であることを特徴とする熱間鍛造用非調質鋼にある（請求項２）。
化学成分が、質量％でＣ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．９０〜１．４０％、Ｓ：０．０４０〜０．１００％、Ｃｒ：１．００％以下、Ｖ：０．２０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、
２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒ＜３．１であり、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋Ｖが０．９〜１．１であることを特徴とする熱間鍛造用非調質鋼にある（請求項２）。
上述したように、高強度を追及し、硬さを高くすると、それにより一般的には被削性は低下する。しかしながら、被削性は硬さのみで定まるわけではなく、特定の条件を備えることにより、高強度で高硬度であっても優れた被削性を実現できる場合があると考えられる。
そこで、本発明の熱間鍛造非調質鋼部品及びこれに用いる熱間鍛造用非調質鋼は、コストを増大させることなく、高強度及び優れた被削性が得られるように、鋼を構成する各化学成分等の条件について鋭意検討を重ね、その条件を明確にしたものである。
そこで、本発明の熱間鍛造非調質鋼部品及びこれに用いる熱間鍛造用非調質鋼は、コストを増大させることなく、高強度及び優れた被削性が得られるように、鋼を構成する各化学成分等の条件について鋭意検討を重ね、その条件を明確にしたものである。
本発明において、高強度とは、引張強さ１１００ＭＰａ以上であり、０．２％耐力が７７０ＭＰａ以上であることとする。また、優れた被削性とは、従来のＨＶ２５０程度の硬さの非調質鋼と比べ同等以上の被削性を有することとした。
本発明の熱間鍛造非調質鋼部品は、上記強度を実現するために、硬さがＨＶ３４０以上であることを必須要件とする。また、同じ硬さであっても、降伏比が低いと耐力が下がって強度が低下するため、降伏比が０．７０以上であることを必須要件とする。
そして、上記硬さ及び降伏比を満足し、かつ被削性を得ることができるように、成分元素の含有率、及びその配合比率を規定した。
そして、上記硬さ及び降伏比を満足し、かつ被削性を得ることができるように、成分元素の含有率、及びその配合比率を規定した。
上記化学成分は、質量％でＣ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．９０〜１．４０％、Ｓ：０．０４〜０．１０％、Ｃｒ：１．００％以下、Ｖ：０．２０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる。
Ｃ：０．３５〜０．４５質量％，
Ｃは強度を確保するための基本元素である。そのため、Ｃの含有率を０．３５質量％以上とすることにより、上述の高強度（引張強さ１１００ＭＰａ以上、０．２％耐力７７０ＭＰａ以上）を確保することができる。しかし、含有率が０．４５質量％を超えると、急激に被削性が低下するため、上限を０．４５質量％とした。
Ｃは強度を確保するための基本元素である。そのため、Ｃの含有率を０．３５質量％以上とすることにより、上述の高強度（引張強さ１１００ＭＰａ以上、０．２％耐力７７０ＭＰａ以上）を確保することができる。しかし、含有率が０．４５質量％を超えると、急激に被削性が低下するため、上限を０．４５質量％とした。
Ｓｉ：０．４０質量％以下，
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として有効な元素であるが、鍛造後の冷却時に生じる脱炭量が増加し疲労強度を低下させるため、添加は脱酸に必要な最低限の量とすることが好ましい。そのため、Ｓｉの含有率の上限を０．４０質量％とした。
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として有効な元素であるが、鍛造後の冷却時に生じる脱炭量が増加し疲労強度を低下させるため、添加は脱酸に必要な最低限の量とすることが好ましい。そのため、Ｓｉの含有率の上限を０．４０質量％とした。
Ｍｎ：０．９０〜１．４０質量％，
Ｍｎは、製鋼時の脱酸ならびに鋼の強度、靭性バランスを調整するために添加される元素であり、０．９０質量％以上が必要である。しかし、Ｍｎは多量添加すると、ベイナイト組織が生じ、耐力、被削性が大きく低下するため、上限を１．４０質量％とした。
Ｍｎは、製鋼時の脱酸ならびに鋼の強度、靭性バランスを調整するために添加される元素であり、０．９０質量％以上が必要である。しかし、Ｍｎは多量添加すると、ベイナイト組織が生じ、耐力、被削性が大きく低下するため、上限を１．４０質量％とした。
Ｓ：０．０４０〜０．１００質量％，
Ｓは、鋼中でＣａＳ、ＭｇＳ、ＭｎＳ、（Ｃａ，Ｍｎ）Ｓ、（Ｃａ，Ｍｇ）Ｓ、（Ｃａ，Ｍｇ，Ｍｎ）Ｓ等の硫化物系介在物を形成し、被削性向上に効果のある元素であり、ＨＶ３４０以上の硬さで必要な被削性を確保するためには不可欠な元素であるため、下限を０．０４０質量％とした。しかし、添加量を増加すると被削性に効果のある一方で、鍛造時に割れの発生が生じ易くなるため、上限を０．１００質量％とした。
Ｓは、鋼中でＣａＳ、ＭｇＳ、ＭｎＳ、（Ｃａ，Ｍｎ）Ｓ、（Ｃａ，Ｍｇ）Ｓ、（Ｃａ，Ｍｇ，Ｍｎ）Ｓ等の硫化物系介在物を形成し、被削性向上に効果のある元素であり、ＨＶ３４０以上の硬さで必要な被削性を確保するためには不可欠な元素であるため、下限を０．０４０質量％とした。しかし、添加量を増加すると被削性に効果のある一方で、鍛造時に割れの発生が生じ易くなるため、上限を０．１００質量％とした。
Ｃｒ：１．００質量％以下，
Ｃｒは、鋼の強度、靭性バランスを調整するために有効な元素である。しかしながら、添加量を増加するとＭｎの場合と同様にベイナイトが生じ、耐力、被削性が大きく低下するため、上限を１．００質量％とした。
Ｃｒは、鋼の強度、靭性バランスを調整するために有効な元素である。しかしながら、添加量を増加するとＭｎの場合と同様にベイナイトが生じ、耐力、被削性が大きく低下するため、上限を１．００質量％とした。
Ｖ：０．２０〜０．５０質量％，
Ｖは、鋼中で炭窒化物となって鍛造後の冷却中に金属組織において微細に析出することにより、フェライトを強化するという非調質鋼にとっては必須の元素である。そして、Ｖを０．２０質量％以上含有させることにより、降伏比を０．７０以上とすることができ、同一硬さで比較した場合の得られる耐力を高め、強度を改善することができる。しかしながら、０．５０質量％を超えて含有させても、効果が飽和するため、上限を０．５０質量％とした。
Ｖは、鋼中で炭窒化物となって鍛造後の冷却中に金属組織において微細に析出することにより、フェライトを強化するという非調質鋼にとっては必須の元素である。そして、Ｖを０．２０質量％以上含有させることにより、降伏比を０．７０以上とすることができ、同一硬さで比較した場合の得られる耐力を高め、強度を改善することができる。しかしながら、０．５０質量％を超えて含有させても、効果が飽和するため、上限を０．５０質量％とした。
また、２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒ＜３．１である。
上記式における、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｒは、それぞれ、上記化学成分における含有率（質量％）である。
上記成分元素の含有率がそれぞれ上記範囲を満たし、かつ、２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒ＜３．１を満たすことにより、ベイナイトの発生を１０％以下に抑制し、主な組織をフェライト・パーライトとすることができ、被削性、及び降伏比０．７０以上を確保することができる。ここで、ベイナイトの発生率は、断面観察による面積率によって評価する。
上記式における、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｒは、それぞれ、上記化学成分における含有率（質量％）である。
上記成分元素の含有率がそれぞれ上記範囲を満たし、かつ、２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒ＜３．１を満たすことにより、ベイナイトの発生を１０％以下に抑制し、主な組織をフェライト・パーライトとすることができ、被削性、及び降伏比０．７０以上を確保することができる。ここで、ベイナイトの発生率は、断面観察による面積率によって評価する。
また、Ｃｅｑ（炭素当量）＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋Ｖが０．９〜１．１である。なお、上記式における、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖは、それぞれ、上記化学成分における含有率（質量％）である。
上記成分元素の含有率がそれぞれ上記範囲を満たし、かつ、Ｃｅｑが上記範囲を満たすことにより、ＨＶ３４０以上の硬さを有しつつ、優れた被削性を得ることができる。
上記成分元素の含有率がそれぞれ上記範囲を満たし、かつ、Ｃｅｑが上記範囲を満たすことにより、ＨＶ３４０以上の硬さを有しつつ、優れた被削性を得ることができる。
このように、上述の条件を全て満足することにより、両立することが困難である高強度及び優れた被削性を非調質で達成することができる。すなわち、特許文献２に記載された発明のように時効処理に頼る必要がなく、コストの増大を防ぐことができる。
つまり、本発明によれば、時効処理に頼ることなく、高強度を確保しつつ、優れた被削性を確保できる熱間鍛造非調質鋼部品及びこれに用いる熱間鍛造用非調質鋼を提供することができる。
つまり、本発明によれば、時効処理に頼ることなく、高強度を確保しつつ、優れた被削性を確保できる熱間鍛造非調質鋼部品及びこれに用いる熱間鍛造用非調質鋼を提供することができる。
本発明の熱間鍛造非調質鋼部品及び熱間鍛造用非調質鋼における化学成分は、上述したように、質量％でＣ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．９０〜１．４０％、Ｓ：０．０４０〜０．１００％、Ｃｒ：１．００％以下、Ｖ：０．２０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる。
そして、上記各成分の条件は、後述する実施例に示すごとく、様々な成分組成を有す鋼を用いた多くの実験を重ねて検討することにより得た条件である。
そして、上記各成分の条件は、後述する実施例に示すごとく、様々な成分組成を有す鋼を用いた多くの実験を重ねて検討することにより得た条件である。
（実施例１）
本例は、本発明の実施例にかかる熱間鍛造非調質鋼部品及び熱間鍛造用非調質鋼について説明する。
本例では、本発明の実施例として、表１に示す組成を有する鋼（試料Ｅ１〜試料Ｅ１２）、本発明の比較例として、表１、２に示す組成を有する鋼（試料Ｃ１〜試料Ｃ２６）を作製した。また、後述するごとく、Ｓ含有量と被削性との関係を評価するための比較例及び実施例として、表２に示す組成のを有する鋼（比較例としての試料Ｃ２７、Ｃ２８、Ｃ３０〜Ｃ３２、及び実施例としての試料Ｃ２９）も作製した。
本例は、本発明の実施例にかかる熱間鍛造非調質鋼部品及び熱間鍛造用非調質鋼について説明する。
本例では、本発明の実施例として、表１に示す組成を有する鋼（試料Ｅ１〜試料Ｅ１２）、本発明の比較例として、表１、２に示す組成を有する鋼（試料Ｃ１〜試料Ｃ２６）を作製した。また、後述するごとく、Ｓ含有量と被削性との関係を評価するための比較例及び実施例として、表２に示す組成のを有する鋼（比較例としての試料Ｃ２７、Ｃ２８、Ｃ３０〜Ｃ３２、及び実施例としての試料Ｃ２９）も作製した。
熱間圧延した棒鋼を鍛伸し、φ３５ｍｍの丸棒を製造した後、１２００℃×３０ｍｉｎで加熱保持後ファン空冷し、表１及び表２に示す組成を有する鋼（試料Ｅ１〜試料Ｅ１２、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ３２）を作製した。
＜硬さ、ベイナイト面積率＞
次に、試料Ｅ１〜試料Ｅ１２、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ２６について、Ｔ断面のＤ／４部（丸棒の軸方向に直交する断面（Ｔ断面）における、外周面から中心に向かう深さが直径Ｄの１／４の部位）の硬さ及びミクロ組織を観察し、ベイナイト面積率を測定した。
硬さは、ビッカース硬さ（ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００３）に準拠）を測定することにより測定した。
ミクロ組織は、ナイタールで腐食し、光学顕微鏡を用いて観察した。
表３、表４に、硬さ及びベイナイト面積率（％）を示す。
組織は、大部分がフェライト・パーライト組織でベイナイト組織は含まれていない（後述する図１〜図９において◆で表示）が、一部でベイナイト組織の存在が面積率１０％を超えて確認された試料については、図１〜図７において、◇で表した。また、ベイナイト組織の存在が面積率１０％以下の範囲で確認された試料については、図１〜図７において、△で表した。
次に、試料Ｅ１〜試料Ｅ１２、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ２６について、Ｔ断面のＤ／４部（丸棒の軸方向に直交する断面（Ｔ断面）における、外周面から中心に向かう深さが直径Ｄの１／４の部位）の硬さ及びミクロ組織を観察し、ベイナイト面積率を測定した。
硬さは、ビッカース硬さ（ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００３）に準拠）を測定することにより測定した。
ミクロ組織は、ナイタールで腐食し、光学顕微鏡を用いて観察した。
表３、表４に、硬さ及びベイナイト面積率（％）を示す。
組織は、大部分がフェライト・パーライト組織でベイナイト組織は含まれていない（後述する図１〜図９において◆で表示）が、一部でベイナイト組織の存在が面積率１０％を超えて確認された試料については、図１〜図７において、◇で表した。また、ベイナイト組織の存在が面積率１０％以下の範囲で確認された試料については、図１〜図７において、△で表した。
＜旋削試験＞
次に、試料Ｅ１〜試料Ｅ１２（試料Ｅ８は除く）、および試料Ｃ１〜試料Ｃ２６について、切込速度２００ｍ／ｍｉｎ、送り０．３０ｍｍ／ｒｅｖ、仕込み２．０ｍｍ、水溶性切削油シンセティック♯７７０ＴＧ（２０倍希釈）、刃具材質：超硬ＡＣ２０００コートの条件で、旋削試験を実施（試験時間１０００秒）した。試験後の刃具の横逃げ面摩耗幅を測定し、評価した。
次に、試料Ｅ１〜試料Ｅ１２（試料Ｅ８は除く）、および試料Ｃ１〜試料Ｃ２６について、切込速度２００ｍ／ｍｉｎ、送り０．３０ｍｍ／ｒｅｖ、仕込み２．０ｍｍ、水溶性切削油シンセティック♯７７０ＴＧ（２０倍希釈）、刃具材質：超硬ＡＣ２０００コートの条件で、旋削試験を実施（試験時間１０００秒）した。試験後の刃具の横逃げ面摩耗幅を測定し、評価した。
試験結果は、成分がＣ：０．２０−Ｓｉ：０．２５−Ｍｎ：０．８０−Ｃｒ：０．２−Ｖ：０．２３−Ｓ：０．０６で、硬さがＨＶ２５０のフェライト・パーライト型非調質鋼（従来の非調質鋼）に対して旋削試験を行った場合の横逃げ面摩耗幅を１とし、各試料に対して旋削試験を行った場合の横逃げ面摩耗幅を比率（これを第１被削性指数とする）で表３及び表４に併せて示した。
本発明は、上述したように、ＨＶ３４０以上の硬さであるにも関わらず、硬さがＨＶ２５０程度の従来の非調質鋼と同等以上の被削性を得ることを課題としている。そして、まず、Ｃの含有率、及びＣｅｑに着目し、Ｃの含有率、被削性、及びＣｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋Ｖとの関係から、第１被削性指数を１以下とすることが可能な炭素の含有率、及びＣｅｑの条件を規定した。
図１に、試料Ｅ１〜試料Ｅ１２（試料Ｅ８は除く）、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ２６について、上記旋削試験により得られた第１被削性指数、Ｃ含有率、及びＣｅｑの関係を示す。図１は、横軸にＣｅｑをとり、縦軸に第１被削性指数とった。上述したように、図１において、◇はベイナイト組織の存在が面積率１０％を超えて確認された試料（Ｃ含有率０．３５〜０．４０質量％）の結果を示し、△はベイナイト組織の存在が面積率１０％以下の範囲で確認された試料を示す。また、図１における曲線ＡはＣ含有率が０．３５〜０．４５質量％である試料の結果の近似曲線を示し、曲線ＢはＣ含有率が０．５０質量％程度である試料の結果の近似曲線を示し、曲線ＣはＣ含有率が０．７０質量％程度である試料の結果の近似曲線を示す。
なお、図１より、ベイナイト組織が１０％を超えて生じると被削性が大きく低下することが確認できたため、上記した近似曲線は、ベイナイト組織が１０％を超えて生じた試料のデータを除外して作製したものである。
なお、図１より、ベイナイト組織が１０％を超えて生じると被削性が大きく低下することが確認できたため、上記した近似曲線は、ベイナイト組織が１０％を超えて生じた試料のデータを除外して作製したものである。
図１より、Ｃの含有率及びＣｅｑの値が大きくなるに従い第１被削性指数が大きくなるものの、Ｃ含有率が０．３５〜０．４５質量％の場合にはＣｅｑが１．１％以下の範囲であればその変化は小さく、本発明で定めた成分範囲内において、Ｖ、Ｓｉ含有率等の他の成分組成が変化しても大きな影響はなく、第１被削性指数は１以下を満足できることがわかる。そして、Ｃの含有率が０．４５質量％を超えると、急激に被削性が悪化し、Ｃｅｑの値に関わらず第１被削性指数１以下を満足し難くなることがわかる。そのため、Ｃ含有率の上限を０．４５質量％とし、Ｃｅｑの上限値を１．１とした。
Ｃの含有率が少なければ必要となる被削性を確保することができる。しかしながら、上述したように、Ｃは強度を確保するために必要な基本元素であり、Ｃの含有率を低減すると、強度が得難くなる。そして、Ｖを多く含有させて強度を確保しようとすると、コストが高くなる。また、被削性の確保のためＭｎ、Ｃｒの含有率を増加することができず、また、脱炭の抑制のためＳｉの含有率を増加することもできない。そのため、強度確保、及び他の成分元素の影響を考慮し、Ｃの下限値を０．３５質量％とした。
そして、被削性及び強度についてより厳しい条件が要求される場合には、Ｃの含有率を０．３７〜０．４３質量％とすることがより好ましい。
そして、被削性及び強度についてより厳しい条件が要求される場合には、Ｃの含有率を０．３７〜０．４３質量％とすることがより好ましい。
続いて、Ｃｅｑと硬さＨＶとの関係を検討し、Ｃｅｑの下限値を規定した。
図２には、試料Ｅ１〜試料Ｅ１２、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ２６について、Ｃｅｑと硬度ＨＶとの関係を示す。図２は、横軸をＣｅｑ、縦軸を硬さＨＶをとした。上述したように、◇はベイナイト組織の存在が面積率１０％を超えて確認された試料の結果であり、△はベイナイト組織の存在が面積率１０％以下の範囲で確認された試料の結果である。
図２には、試料Ｅ１〜試料Ｅ１２、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ２６について、Ｃｅｑと硬度ＨＶとの関係を示す。図２は、横軸をＣｅｑ、縦軸を硬さＨＶをとした。上述したように、◇はベイナイト組織の存在が面積率１０％を超えて確認された試料の結果であり、△はベイナイト組織の存在が面積率１０％以下の範囲で確認された試料の結果である。
上述したように、本発明は、高強度を実現するために、硬度がＨＶ３４０以上を満足することを条件としている。硬さがＨＶ３４０未満である場合には、引張強さで１１００ＭＰａ以上の高強度を得られないおそれがある。そして、本発明で規定した成分からなる非調質鋼を鍛造し、空冷した後の硬度は、本発明で規定した成分範囲内であれば成分の種類に関係なくＣｅｑで整理することができ、図２より、Ｃｅｑが０．９以上の範囲となる配合比率である場合に、ＨＶ３４０以上を満足できることが分かる。そのため、Ｃｅｑの下限値を０．９とした。
次に、炭素以外の成分の含有率の最適化を行った。
図３は、上記試料Ｅ１〜試料Ｅ１２（試料Ｅ８をの除く）、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ２６のうち、Ｃ含有率が０．４３質量％以下であり、Ｃｒ含有率が１．０質量％以下である試料ついての、Ｍｎ含有率、第１被削性指数、及びＣｅｑの関係を示す。図３は、横軸をＣｅｑ、縦軸を第１被削性指数とした。上述したように、◇はベイナイト組織の存在が面積率１０％を超えて確認された試料の結果であり、△はベイナイト組織の存在が面積率１０％以下の範囲で確認された試料の結果である。図３における曲線ＤはＭｎ含有率が１．４質量％以下である試料の結果近似曲線を示し、曲線ＥはＭｎ含有率が１．４質量％を超える試料の近似曲線を示す。
図３は、上記試料Ｅ１〜試料Ｅ１２（試料Ｅ８をの除く）、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ２６のうち、Ｃ含有率が０．４３質量％以下であり、Ｃｒ含有率が１．０質量％以下である試料ついての、Ｍｎ含有率、第１被削性指数、及びＣｅｑの関係を示す。図３は、横軸をＣｅｑ、縦軸を第１被削性指数とした。上述したように、◇はベイナイト組織の存在が面積率１０％を超えて確認された試料の結果であり、△はベイナイト組織の存在が面積率１０％以下の範囲で確認された試料の結果である。図３における曲線ＤはＭｎ含有率が１．４質量％以下である試料の結果近似曲線を示し、曲線ＥはＭｎ含有率が１．４質量％を超える試料の近似曲線を示す。
図３においてＣ含有率及びＣｒ含有率が上記範囲内にある試料に限定することにより、Ｃ及びＣｒを多量に含有することによる被削性低下の影響を排除し、Ｍｎ含有率の被削性低下への影響を検証できる。そして、Ｍｎ含有率、第１被削性指数、及びＣｅｑとの関係からＭｎ含有率の上限値を規定した。
図３より、ベイナイト組織が１０％以下となる範囲でのＭｎ含有率の変化は被削性に大きな影響はないが、Ｍｎの含有率が増加し、ベイナイト組織が１０％を超えて生じると被削性が急激に低下することがわかる。
そして、Ｍｎ含有率が１．４０質量％以下であり、ベイナイト組織が１０％以下となる範囲については、Ｃｅｑ０．９〜１．１の範囲において、第１被削性指数１以下を満足できることがわかる。この結果より、Ｍｎの含有率の上限を１．４０質量％とした。
そして、Ｍｎ含有率が１．４０質量％以下であり、ベイナイト組織が１０％以下となる範囲については、Ｃｅｑ０．９〜１．１の範囲において、第１被削性指数１以下を満足できることがわかる。この結果より、Ｍｎの含有率の上限を１．４０質量％とした。
そして、Ｍｎは、上述したように、製鋼時の脱酸ならびに鋼の強度、靭性バランスを調整するために添加される元素である。そして、この効果を得るために、Ｍｎの含有率の下限を０．９０質量％とした。
図４は、上記試料Ｅ１〜試料Ｅ１２（試料Ｅ８を除く）、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ２６のうち、Ｃ含有率が０．４３質量％以下であり、Ｍｎ含有率が１．４質量％以下である試料ついての、Ｃｒ含有率、第１被削性指数、及びＣｅｑの関係を示す。図４は、横軸をＣｅｑ、縦軸を第１被削性指数とした。上述したように、◇はベイナイト組織の存在が面積率１０％を超えて確認された試料の結果であり、△はベイナイト組織の存在が面積率１０％以下の範囲で確認された試料の結果である。図４における曲線ＦはＣｒ含有率が１．０質量％以下である試料の結果の近似曲線を示し、曲線ＧはＣｒ含有率が１．０質量％を超える試料の結果の近似曲線を示す。
図４においてＣ含有率及びＭｎ含有率が上記範囲内である試料に限定することにより、Ｃ及びＭｎを多量に含有することによる被削性低下の影響を排除し、Ｃｒ含有率の被削性低下への影響を検証できる。そして、Ｃｒ含有率、第１被削性指数、及びＣｅｑとの関係からＣｒ含有率の上限値を規定した。
図４より、ベイナイト組織が１０％以下となる範囲でのＣｒ含有率の変化は、被削性に大きな影響はないが、Ｃｒの含有率が増加し、ベイナイト組織が１０％を超えて生じると被削性が急激に低下することが分かる。
そして、Ｃｒ含有率が１．００質量％以下の場合には、Ｃｅｑ０．９〜１．１の範囲において第１被削性指数１以下を満足できることが分かる。この結果より、Ｃｒの含有率の上限を１．００質量％とした。
そして、Ｃｒ含有率が１．００質量％以下の場合には、Ｃｅｑ０．９〜１．１の範囲において第１被削性指数１以下を満足できることが分かる。この結果より、Ｃｒの含有率の上限を１．００質量％とした。
＜引張試験＞
次に、試料Ｅ１〜試料Ｅ１２、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ２６のＤ／４部から試験片を切り出し、試験片加工後、引張試験の実施を行った。
表３、表４に、引張強さＴＳ（ＭＰａ）、０．２％耐力ＰＳ（ＭＰａ）、及び降伏比を示す。
次に、試料Ｅ１〜試料Ｅ１２、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ２６のＤ／４部から試験片を切り出し、試験片加工後、引張試験の実施を行った。
表３、表４に、引張強さＴＳ（ＭＰａ）、０．２％耐力ＰＳ（ＭＰａ）、及び降伏比を示す。
図５は、試料Ｅ１〜試料Ｅ１２、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ２６について、引張試験において得られた降伏比と、Ｖ含有率との関係を示す図である。図５は、横軸をＶ含有率（質量％）、縦軸を降伏比とした。上述したように、図５において、◇はベイナイト組織の存在が面積率１０％を超えて確認された試料の結果であり、△はベイナイト組織の存在が面積率１０％以下の範囲で確認された試料の結果である。
上述したように、本発明においては、強度確保のため、降伏比が０．７０以上を満足することを条件としている。降伏比が０．７０未満である場合には、耐力が劣るため、強度の点で劣るものとなる。
そして、図５より、Ｖの含有率が増加するにしたがって降伏比は向上することがわかる。そして、Ｖの含有率が０．２０質量％以上であり、かつ、ベイナイト組織が１０％以下である場合には、降伏比０．７０以上を満足できることがわかる。以上の結果より、主となる組織をフェライト・パーライト組織に限定し、許容するベイナイト組織の上限を面積率で１０％以下にすると共に、Ｖの含有率の下限を０．２０質量％とした。
そして、図５より、Ｖの含有率が増加するにしたがって降伏比は向上することがわかる。そして、Ｖの含有率が０．２０質量％以上であり、かつ、ベイナイト組織が１０％以下である場合には、降伏比０．７０以上を満足できることがわかる。以上の結果より、主となる組織をフェライト・パーライト組織に限定し、許容するベイナイト組織の上限を面積率で１０％以下にすると共に、Ｖの含有率の下限を０．２０質量％とした。
また、図５より、Ｖの含有率が０．５０質量％以上となると、降伏比の向上効果が飽和し降伏比が上昇してないことが分かる。また、Ｖの多量添加はコストの増大につながる。また、Ｖの含有率が多くなると、硬くなり、被削性を低下させるおそれがある。そのため、Ｖの含有率の上限を０．５０質量％とした。
また、上述したように、ＨＶ３４０以上の高い硬さ領域で優れた被削性を確保するには、熱間鍛造非調質鋼部品の組織をベイナイト組織が面積率で１０％以下であるフェライト・パーライト組織とすることが必要であるが、ベイナイト組織が生じるかどうかはＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏの３元素の含有率が問題となる。そのため、その上限を把握するために、上記３元素とベイナイト面積率の関係を示した図が図６である。
図６には、試料Ｅ１〜試料Ｅ１２、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ２６についての、２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒとベイナイト面積率との関係を示す。図６は、横軸に２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒをとり、縦軸にベイナイト面積率（％）をとった。上述したように、◇はベイナイト組織の存在が面積率１０％を超えて確認された試料の結果であり、△はベイナイト組織の存在が面積率１０％以下の範囲で確認された試料の結果である。
そして、図６より、２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒが３．１未満である場合には、ベイナイトの発生を１０％以下に抑制できることが確認できる。
特にＭｏは、Ｍｎ、Ｃｒに比べ少量の添加でベイナイト組織が生じると共に、Ｍｎ、Ｃｒに比べ高価な元素であるため、本発明では不純物としての含有のみ許容しているので、その含有率は０．０２質量％以下であることが好ましい。
上記熱間鍛造非調質鋼部品が、フェライト・パーライト以外の組織であるベイナイト組織を有している場合には、上述したように、被削性が低下するだけでなく、降伏比も低下し、強度、被削性で共に劣る結果となる。
特にＭｏは、Ｍｎ、Ｃｒに比べ少量の添加でベイナイト組織が生じると共に、Ｍｎ、Ｃｒに比べ高価な元素であるため、本発明では不純物としての含有のみ許容しているので、その含有率は０．０２質量％以下であることが好ましい。
上記熱間鍛造非調質鋼部品が、フェライト・パーライト以外の組織であるベイナイト組織を有している場合には、上述したように、被削性が低下するだけでなく、降伏比も低下し、強度、被削性で共に劣る結果となる。
＜疲労試験＞
次に、試料Ｅ１〜試料Ｅ１２、試料Ｃ８、試料Ｃ９、試料Ｃ２２、及び試料Ｃ２３について、応力比＝−１、周波数３０Ｈｚの条件で、両振り引張圧縮疲労試験を行った。
表３及び表４に１０7回疲労限度（ＭＰａ）、及び耐久比（＝１０7回疲労限度／引張強さ）を示す。
次に、試料Ｅ１〜試料Ｅ１２、試料Ｃ８、試料Ｃ９、試料Ｃ２２、及び試料Ｃ２３について、応力比＝−１、周波数３０Ｈｚの条件で、両振り引張圧縮疲労試験を行った。
表３及び表４に１０7回疲労限度（ＭＰａ）、及び耐久比（＝１０7回疲労限度／引張強さ）を示す。
＜脱炭性＞
その後、試料Ｅ６、試料Ｅ７、試料Ｅ９、試料Ｅ１０、試料Ｃ８、試料Ｃ９、及び試料Ｃ２１〜試料Ｃ２６について、ＪＩＳ Ｇ ００５８（２００７）に規定された「鋼の脱炭層深さ測定方法」を行い、脱炭層深さを比較することにより脱炭性を評価した。
なお、表３、表４に示した脱炭性指数は、機械構造用炭素鋼Ｓ５５Ｃの脱炭層深さを１とし、比率で示したものである。
その後、試料Ｅ６、試料Ｅ７、試料Ｅ９、試料Ｅ１０、試料Ｃ８、試料Ｃ９、及び試料Ｃ２１〜試料Ｃ２６について、ＪＩＳ Ｇ ００５８（２００７）に規定された「鋼の脱炭層深さ測定方法」を行い、脱炭層深さを比較することにより脱炭性を評価した。
なお、表３、表４に示した脱炭性指数は、機械構造用炭素鋼Ｓ５５Ｃの脱炭層深さを１とし、比率で示したものである。
脱炭が少ないと強度低下少なく、脱炭量が増加すると、表面硬さが低下すると共に、鋼表面のスケールの影響で表面正常が低下し、切欠効果により、鋼自体が本来もつ疲労強度を十分に発揮できなくなる問題が起きる。そのため、脱炭による疲労強度の低下を評価するために、図７に、脱炭性指数と耐久比との関係を示した。図７は、横軸に脱炭性指数をとり、縦軸に耐久比をとった。
本発明の熱間鍛造非調質鋼部品は、強度確保のため、０．３８以上の耐久比を有することが望ましい。そして、図７より、脱炭性指数と耐久比との関係から、脱炭性指数が０．２以下であれば、耐久比０．３８以上を満足できることが分かる。
また、Ｓｉの含有率が大きくなると熱間鍛造非調質鋼部品の脱炭量が増加してしまう。そのため、脱炭量との関係から、０．３８以上の耐久比を有することができるＳｉの含有率を規定した。
図８に、脱炭性に影響を与えるＳｉの含有率と脱炭性指数との関係を示す。図８は、横軸にＳｉ含有率（質量％）、縦軸に脱炭性指数をとった。
図８より、Ｓｉ含有率０．４０質量％以下で脱炭性指数０．２以下を満足でき、疲労強度の低下を抑制できることが分かる。そのため、Ｓｉの含有率の上限値を０．４０質量％とした。
図８に、脱炭性に影響を与えるＳｉの含有率と脱炭性指数との関係を示す。図８は、横軸にＳｉ含有率（質量％）、縦軸に脱炭性指数をとった。
図８より、Ｓｉ含有率０．４０質量％以下で脱炭性指数０．２以下を満足でき、疲労強度の低下を抑制できることが分かる。そのため、Ｓｉの含有率の上限値を０．４０質量％とした。
＜ドリル試験＞
次に、試料Ｅ８、及びＳ以外の成分、Ｃｅｑ、及び２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒが上述の範囲を満たす試料Ｃ２７〜試料Ｃ３２（なお、試料Ｃ２９については、Ｓ成分も上述の範囲内にある本発明品に相当する）について、日立ツール株式会社製強力型ロングドリルφ５（材質 ハイス）を使用してドリル試験を行った。回転数１１２７ｒｐｍ、送り０．１３ｍｍ／ｒｅｖ、加工深さ４０ｍｍ、穴数１５０（未貫通穴）の条件で行った。１５０穴加工後の逃げ面コーナー磨耗量を測定し、比較、評価を行った。
次に、試料Ｅ８、及びＳ以外の成分、Ｃｅｑ、及び２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒが上述の範囲を満たす試料Ｃ２７〜試料Ｃ３２（なお、試料Ｃ２９については、Ｓ成分も上述の範囲内にある本発明品に相当する）について、日立ツール株式会社製強力型ロングドリルφ５（材質 ハイス）を使用してドリル試験を行った。回転数１１２７ｒｐｍ、送り０．１３ｍｍ／ｒｅｖ、加工深さ４０ｍｍ、穴数１５０（未貫通穴）の条件で行った。１５０穴加工後の逃げ面コーナー磨耗量を測定し、比較、評価を行った。
試験結果は、成分が、Ｃ：０．２０−Ｓｉ：０．２５−Ｍｎ：０．８０−Ｃｒ：０．２−Ｖ：０．２３−Ｓ：０．０６で、硬さがＨＶ２５０のフェライト・パーライト型非調質鋼（従来の非調質鋼）に対し１５０穴加工を行った後のドリルの逃げ面磨耗量を１とし、各試料に対して１５０穴加工を行った後のドリルの逃げ面磨耗量の結果を比率（これを第２被削性指数とする）で表３及び表４に示す。
図９には、上記ドリル試験により得られた試料Ｅ８、及び試料Ｃ２７〜試料Ｃ３２の第２被削性指数と、Ｓ含有率との関係を示す。図９は、横軸にＳ含有率（％）、縦軸に第２被削性指数をとった。
Ｓは、上述したように、被削性向上に効果のある元素である。そして、Ｓ含有率と第２被削性指数の関係からＳ含有率の下限を規定した。
図９より、Ｓは、含有率が多くなるほど、被削性が向上することが分かる。そして、Ｓ以外の成分、Ｃｅｑ、及び２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒが上記範囲を満たす場合には、Ｓの含有率が０．０４０質量％以上であれば、第２被削性指数１以下を満足できることが分かる。これにより、Ｓの含有率の下限を０．０４０質量％とした。
Ｓは、上述したように、被削性向上に効果のある元素である。そして、Ｓ含有率と第２被削性指数の関係からＳ含有率の下限を規定した。
図９より、Ｓは、含有率が多くなるほど、被削性が向上することが分かる。そして、Ｓ以外の成分、Ｃｅｑ、及び２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒが上記範囲を満たす場合には、Ｓの含有率が０．０４０質量％以上であれば、第２被削性指数１以下を満足できることが分かる。これにより、Ｓの含有率の下限を０．０４０質量％とした。
＜割れ性＞
次に、試料Ｅ６、試料Ｅ７、試料Ｃ８、試料Ｃ９、及び試料Ｃ２１〜試料Ｃ２６ついて、それぞれ１００個鍛造し、割れの発生の有無を確認することにより割れ性を評価した。
鍛造は、φ３５×２００の鋼材を１２００℃に加熱後、鍛造し、コンロッド部品を１００個製造した。鍛造後、割れの発生の有無を確認した。
割れ性は、１００個中１個でも割れが発生した場合を不合格（評価×）とし、１００個全てに割れが発生していない場合を合格（評価○）とする。
次に、試料Ｅ６、試料Ｅ７、試料Ｃ８、試料Ｃ９、及び試料Ｃ２１〜試料Ｃ２６ついて、それぞれ１００個鍛造し、割れの発生の有無を確認することにより割れ性を評価した。
鍛造は、φ３５×２００の鋼材を１２００℃に加熱後、鍛造し、コンロッド部品を１００個製造した。鍛造後、割れの発生の有無を確認した。
割れ性は、１００個中１個でも割れが発生した場合を不合格（評価×）とし、１００個全てに割れが発生していない場合を合格（評価○）とする。
Ｓの含有率が多くなると、延伸したＭｎＳが増加して異方性が生じ、圧延直角方向での強度特性低下の原因となり、割れが発生し易くなる。そのため、Ｓの含有率と割れ発生の関係からＳ含有率の上限を規定した。
図１０は、Ｓ含有率と、割れ発生の有無の関係を示す図である。
図１０より、Ｓ含有率が０．１００質量％を超えると割れが発生することがわかる。また、図１０には示していないが、Ｓ含有率の増加とともに、割れ個数が増加した。そのため、Ｓの含有率の上限を０．１００質量％とした。
そして、大量生産した場合に確実に割れを防止するためには、Ｓ含有率の上限を低めとするのが望ましく、Ｓの含有率は、０．０４〜０．０７質量％であることが好ましい。
図１０は、Ｓ含有率と、割れ発生の有無の関係を示す図である。
図１０より、Ｓ含有率が０．１００質量％を超えると割れが発生することがわかる。また、図１０には示していないが、Ｓ含有率の増加とともに、割れ個数が増加した。そのため、Ｓの含有率の上限を０．１００質量％とした。
そして、大量生産した場合に確実に割れを防止するためには、Ｓ含有率の上限を低めとするのが望ましく、Ｓの含有率は、０．０４〜０．０７質量％であることが好ましい。
なお、不可避的不純物としては、他に、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｃｕ：０．３０質量％以下、Ｎｉ：０．３０質量％以下等が挙げられる。
以上説明した多数の実験の結果を総合的に組み合わせることによって初めて高強度と優れた被削性の両方の特性を兼ね備えた熱間鍛造非調質鋼部品の条件が判明し、本発明を完成させることができた。即ち、質量％でＣ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．９０〜１．４０％、Ｓ：０．０４０〜０．１００％、Ｃｒ：１．００％以下、Ｖ：０．２０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒ＜３．１であり、Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋Ｖが０．９〜１．１であり、硬さがＨＶ３４０以上であり、降伏比が０．７０以上であり、かつ、組織がベイナイトが１０％以下のフェライト・パーライトである熱間鍛造非調質鋼（試料Ｅ１〜試料Ｅ１２）は、時効処理を行っていなくても、引張強さ１１００ＭＰａ以上、及び０．２％耐力が７７０ＭＰａ以上を満足することができ、また、従来のＨＶ２５０程度の硬さの非調質鋼と比べ同等以上の被削性を有することができる。さらに、脱炭を抑制して優れた疲労強度を確保することができる。
Claims (2)
- 化学成分が、質量％でＣ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．９０〜１．４０％、Ｓ：０．０４０〜０．１００％、Ｃｒ：１．００％以下、Ｖ：０．２０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、
２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒ＜３．１であり、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋Ｖが０．９〜１．１であり、
硬さがＨＶ３４０以上であり、
引張強さが１１００ＭＰａ以上であり、
降伏比が０．７０以上であり、
組織がベイナイトが１０％以下のフェライト・パーライト組織であることを特徴とする熱間鍛造非調質鋼部品。 - 請求項１に記載の熱間鍛造非調質鋼部品を製造するための熱間鍛造用非調質鋼であって、
化学成分が、質量％でＣ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．９０〜１．４０％、Ｓ：０．０４０〜０．１００％、Ｃｒ：１．００％以下、Ｖ：０．２０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、
２Ｍｎ＋５Ｍｏ＋Ｃｒ＜３．１であり、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋Ｖが０．９〜１．１であることを特徴とする熱間鍛造用非調質鋼。
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