JPH02153019A - 鋼部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は鋼部材の製造方法に関し、特にベイナイト又は
ベイナイト＋ソルバイト組織を主体とする高強度・高靭
性の鋼部材を製造する方法に関するものである。

〔従来技術〕

従来、７０〜１００　ｋｇｆ／ｍｍ”級（相当硬さＨｖ
２２０〜３２０）の強張り強さの必要な鋼部材は、炭素
鋼又は合金鋼を焼入れ焼戻し処理（調質処理）すること
により製造されることが多かった。

これに対して、近年、熱処理コスト低減の観点から、熱
間鍛造後空冷するだけで調質鋼と伺等の強度が得られる
ように■（バナジウム）を添加した非調質鋼が多く用い
られるようになって来た。

ところで、非調質鋼を熱間鍛造して空冷するのみでは結
晶粒度が粗くかつ実質的にパーライト組織またはフェラ
イト士パーライト組織であることがら調質鋼に比較して
靭性（衝撃強さ）が低いという問題があり、その用途が
限られている。

一方、特公昭６１−３１１８４号公報には、非調質鋼の
組織を、調整冷却により窒化処理に適するフェライト士
パーライト組織にしてから窒化処理することによって、
疲労強度、耐摩性、耐ビッチング性及び耐スポーリング
性に優れた鋼部品を製造する技術が開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

通常の非調質鋼の靭性が低いのは、（１）その鋼組織が
パーライトまたはフェライト＋パーライト組織であるこ
と、（２）鋼組織の結晶粒度が粗いこと、などが主なる
理由である。

上記理由（１）の対策として、鋼組織をベイナイト又は
フェライト十ベイナイト組織にすることが有効であるこ
とは知られている。

ベイナイト組織とする為には、オーステナイト化温度（
約７３０°Ｃ）以上の温度から恒温冷却（オーステンパ
ー処理）すればよいが、その処理時間と処理コストの面
で実用性に欠ける。

そこで、連続冷却によってベイナイト組織とする為、焼
入れ性向上元素であるＭ７やＣ１の添加量も増加して焼
入れ性を高めることも検討されている。しかし、このよ
うにすると、冷却速度の設定が難しく、安定的にベイナ
イト組織とすることが非常に難しぐなる。即ち、冷却速
度が過小のときにはパーライト組織となり、また冷却速
度が過大のときにはマルテンサイト組織となってしまう
。

上記理由（２）の対策として、鋼素材を熱間鍛造後焼準
して結晶粒度をＮＯ，６以上に細かくすることも有効で
ある。しかし、結晶粒度を細かくすると、鋼の焼入れ性
が低下し、通常の鋼組織では安定的にベイナイト又はフ
ェライト十ベイナイト組織とすることが困難になる。

そこで、本発明者は先の出願において、夫々適量のＭｎ
％ｃｒ、及び■を含み適量のＭｏを添加した鋼材料から
なる鋼索材を、熱間鍛造後、オーステナイト化温度以上
の所定範囲の温度（８５０〜９５０℃）から所定の冷却
速度（０，４〜４．０°Ｃ／５ｅｃ）で調整冷却するこ
とにより、実質的にベイナイト又はフェライト十ベイナ
イト組織の鋼部材を製造する方法を提案した。

しかし、この鋼部材の製造方法では、高価なＭｏを添加
するので鋼材料の材料コストが高価になり、また多くの
場合ベイナイト単相ではなくフェライト＋ベイナイトの
複相となり易いため強度が若干低くなること、調整冷却
の速度範囲が狭いので種々のサイズの鋼部材を実際に製
造するときに冷却速度のコントロールが難しいことなど
の問題がある。

本発明の目的は、連続冷却によって鋼組織を実質的にベ
イナイト又はベイナイト士マルテンサイト組織とし、更
に焼戻し処理によって鋼組織を実質的にベイナイト又は
ベイナイト＋ソルバイト組熾とする技術を確立して強度
・靭性に優れる鋼部材の製造方法を提供することである
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る鋼部材の製造方法は、少なくともＣ，Ｓｌ
　、Ｍｆｉ及びＣ１を含んだ鋼材料からなる鋼索材を熱
間鍛造し、次に上記鋼素材を、熱間鍛造に伴なうオース
テナイト化温度以上の温度から、または熱間鍛造後オー
ステナイト化温度以上に再過熱した温度から、０．４〜
１０．０’Ｃ／　ｓｅｃの冷却速度で連続冷却して実質
的にベイナイトまたはベイナイト士マルテンサイト組織
とし、次に上記鋼素材をマルテンサイトが軟化する温度
範囲で焼戻し処理して実質的にベイナイトまたはベイナ
イト＋ソルバイト組織にするものである。

〔作用〕

本発明に係る鋼部材の製造方法においては、少な（とも
Ｃ，ｓｔ　、Ｍ、及びＣ，を含んだ鋼材料からなる鋼索
材を用いる。Ｃは基地硬さを確保し、且つオーステナイ
ト化温度以上の温度から冷却してベイナイト又はベイナ
イト士マルテンサイト組織を析出する為に必要であり、
焼戻し処理を可能とする為にも必要である。Ｓ、はＣと
共に基地硬さを確保する為に必要である。

Ｍｌ及びＣｒは焼入れ性向上元素であり、マルテンサイ
ト変態とベイナイト変態を促進する為に必要である。

尚、上記以外に、Ｖ、Ｍ、　、Ｓ及びＰ、を含んだ鋼材
料であることが望ましいが、■はその炭窒化物の析出に
より基地硬さを向上させ、Ｍｏはオーステナイトからベ
イナイトへの変態を促進させ、Ｓ及びＰ、は加工性の面
で難点のあるベイナイト組織の被削性を向上させる。

上記鋼材料からなる鋼索材を熱間鍛造し、熱間鍛造に伴
なうオーステナイト化温度以上の温度から、または熱間
鍛造後オーステナイト化温度に再加熱した温度から、０
．４〜１０．０°Ｃ／ｓｅｃの冷却速度で連続冷却して
実質的にベイナイトまたはベイナイト＋マルテンサイト
組織とする。

上記オーステナイト化温度以上の温度としては、焼入れ
性に関与する合金元素（Ｍ、、、ＣｒＭ。

）が十分固溶する温度に設定するが、本発明でねらいと
する強度と硬さを得るような鋼組成の場合８５０〜９５
０°Ｃが適当である。

冷却速度について、ベイナイトまたはベイナイト＋マル
テンサイト組織を得る為には０．４〜１０．０”Ｃ／　
ｓｅｃの冷却速度が必要である。０．４″Ｃ／ｓｅｃ未
満の場合にはかなりの部分に亙ってパーライトが析出す
る。一方、１０．０’Ｃ／　ｓｅｃより速くなるとマル
テンサイトの析出が多くなる。特に、ベイナイト士マル
テンサイト複相であってもマルテンサイト相が面積率５
０％より多くなると、焼戻しに多大の熱エネルギを要す
るので好ましくなく、面積率５０％以上のベイナイト相
を析出させる為には１０．０°Ｃ／ｓｅｃ以下の冷却速
度が必要である。

次に、上記ベイナイトまたはベイナイト＋マルテンサイ
ト組織の鋼索材をマルテンサイトが軟化する温度範囲で
焼戻し処理して実質的にベイナイトまたはベイナイト＋
ソルバイト組織にする。

上記鋼素材において、ベイナイト相が軟化せず、マルテ
ンサイト相のみが軟化する温度範囲は１５０〜６００°
Ｃであり、１５０　’Ｃ未満ではマルテンサイトがソル
バイトにならず、６００°Ｃより高温ではベイナイトが
軟化して焼戻しベイナイトとなり硬さが低下してしまう
。

上記の製造方法によって得られる鋼部材の組織は、ベイ
ナイトまたはベイナイト＋ソルバイト組織であり、強度
と硬さと靭性に優れる。

〔発明の効果〕

本発明に係る鋼部材の製造方法によれば、上記〔作用〕
の項で説明したように、オーステナイト化温度以上の温
度からの調整冷却によってベイナイトまたはベイナイト
＋マルテンサイト組織とずルノで、Ｍｏの添加が必須不
可欠でなくなるため鋼素材の材料コストが高価にならな
いこと、また調整冷却の速度範囲が０．４〜１０．０″
Ｃ／ｓｅｃと広いので種々のサイズ・形状の鋼部材を製
造するときの冷却速度のコントロールが容易となりそれ
だけ製造コストを低減し得ること、ベイナイト＋マルテ
ンサイトの複相となる場合でもマルテンサイトの面積率
が比較的少ないので焼戻し処理するときの熱エネルギが
比較的少なくて済むため焼戻し処理コストを低減できる
こと、などの効果が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明す
る。

本実施例は、少なくともＣとＳｔ　とＭ、、とＣ，。

とを含む鋼材料からなる鋼素材を用いて、熱間鍛造後又
は熱間鍛造後の再過熱後、連続冷却によって実質的にベ
イナイト又はベイナイ上＋マルテンサイト組織を形成し
、次にその鋼索材を焼戻し処理して実質的にベイナイト
またはベイナイト＋ソルバイト組織とし、強度と硬さと
靭性に優れる鋼部材を製造する方法に関するものである
。

先ず、第１図に基いてこの綱部材の製造方法について説
明する。

使用する鋼材料の組成は次のような合金元素を添加した
ものが望ましい。但し、重量％にて示す。

Ｃ：　０．１５〜０．４０％、　Ｓｚ　：　０．５０％
以下、Ｍｏ　：０．５０％以下、　Ｍ、　　：　０．５
０〜１．５０％、Ｃ，：　０．１０〜１．３０％、　Ｖ
　：　０．２０％以下、Ｎ　：　０．０２％以下、　Ａ
ｊ２：０．１０％以下、上記以外に必要に応じてＳ　：
　０．２０％以下、Ｐｂ：０．３５％以下。

Ｃ：　０．１５〜０．４０％ Ｃは基地硬さの基本となる元素であり、ベイナイト又は
ベイナイト＋ソルバイト（焼戻しマルテンサイト）組織
で硬さＨｖ２２ｏ〜３２０を得る為には少なくとも０．
１５％以上必要であるが、０゜４０％より多くなると靭
性及び加工性が低下するので好ましくない。

Ｓｌ：０．５０％以下 ＳｉはＣとともに基地硬さを確保する為に有効な元素で
あるが０．５０％より多くなると加工性が低下するので
き好ましくない。

Ｍ、、：０．５０〜１．５０％ Ｍ、は５！鋼時の脱酸の為に必要な元素であると同時に
、マルテンサイト変態及びベイナイト変態のときの焼入
れ性を向上させる元素であり、ベイナイトを析出させる
焼入れ性を得る為には０．５０％以上必要であるが、１
．５０％より多くなると焼入れ性が過大となってマルテ
ンサイトの析出が増加し、また加工性も低下する。

Ｃ，：０．１０〜１．３０％ Ｃ１はＭ、ｌと同様にマルテンサイト変態及びベイナイ
ト変態のときの焼入れ性を向上させる元素であり、窒化
処理したときにＮと結合して表層部に窒化物を生成して
硬さを高める元素である。上記焼入れ性向上の効果を得
る為には０．１０％以上必要であるが、１．３０％より
多くなると焼入れ性が過大となってマルテンサイトを多
量に析出させるので好ましくない。

Ｍｏ：０．５０％以下 ＭｏはＭ７やＣｒと同様に焼入れ性を向上させる元素で
あるが、特にベイナイト変態のときの焼入れ性を高めベ
イナイト化を促進する重要な元素である。０．５０％よ
り多くなるとベイナイト化を促進する効果が飽和するだ
けでなく加工性が低下するので好ましくない。

Ｖ　：　０．２０％以下 ■は鋼材料中のＣ及びＮと結合して炭窒化物を生成し、
基地硬さを向上させる効果があり、０．２０％より多く
なると靭性と加工性の低下を招くので好ましくない。

へｇ：ｏ、ｉｏ％以下 Ａ２は鋼材料中のＮと化合して硬いＡｆｆｉＮを生成し
、オーステナイト化温度以上に過熱するときに結晶粒度
粗大化を防止する作用があるが、０．１０％より多くな
るとその効果が飽和すると共に加工性が低下するので好
ましくない。

Ｎ　：　０．０２％以下 Ｎは鋼材料中のＡｆｆｉと化合して硬いＡλＮを生成し
、且つ■と化合して硬い化合物を析出して基地の硬さを
向上させるうえ、鋼の結晶の粗大化を防止するので靭性
向上に寄与する。但し、０．０２％より多くなると上記
の諸効果が飽和するとともに加工性の低下を招くので好
ましくない。

Ｓ　：　０．２０％以下且つＰｂ：０．３５％以下Ｓと
Ｐｂは何れも被剛性向上元素である。ベイナイト組織は
被削性に多少難点があるためこれらの添加は被削性向上
に有効である。Ｓ：０．２０％以下、Ｐｂ：０．３５％
以下であれば鋼の機械的性質を大きく損うことなく上記
の効果が得られる。

次に、上記組成の鋼材料からなる鋼索材を鍛造する為の
所定の形状に切断し、その鋼素材を熱間鍛造する。この
熱間鍛造に引続いて調整冷却する場合には、この熱間鍛
造に伴なう８５０〜９５０°Ｃの温度から以下のように
調整冷却し、また熱間鍛造−後８５０°Ｃ未満の温度に
低下した場合には、熱間鍛造後焼準としての再過熱を施
して８５０〜９５０°Ｃの温度まで過熱し、その温度か
ら以下のように調整冷却する。

このよう、に、８５０〜９５０　’Ｃの範囲のオーステ
ナイト状態から調整冷却するのは次の理由による。

８５０°Ｃ未満ではＭ、％、ｃｒ　、ＭＯなどの合金元
素の固溶が不十分なため、十分な熱処理特性が得られな
い。また、９５０℃より高温では熱間鍛造後微細析出し
た■の炭窒化物の一部が再固溶するため十分な硬さが得
られない。また、結晶粒の粗大が生じ、靭性が低下する
。

次に、上記のように８５０〜９５０°Ｃの温度のオース
テナイトＭｉ襟の鋼索材を０．４〜１０．０°Ｃ／ｓｅ
ｃの冷却速度で連続的に常温まで調整冷却し、鋼素材を
実質的にベイナイト又はベイナイト士マルテンサイトの
組織とする。上記ベイナイト士マルテンサイトの組織に
おいて、マルテンサイトの面積率が５０％より大きいと
きには、後述の焼戻し処理に多大の熱エネルギを要する
ので、焼戻し処理コストが高価になる。従って、ベイナ
イト相の面積率が５０％以上であることが望ましい。

この調整冷却の冷却速度が、０．４°Ｃ／ｓｅｃ未満で
は鋼索材のかなりの部分にパーライトの析出が生じ、ま
た１０．０°Ｃ／ｓｅｃより速いときには鋼素材の大部
分にマルテンサイトの析出が生じるので好ましくない。

次に、上記のように実質的にベイナイト又はベイナイト
士マルテンサイト組織の鋼索材を、マルテンサイトが軟
化する温度範囲（１５０〜６００”Ｃ）で焼戻し処理し
て実質的にベイナイト又はベイナイト士ソルバイト組織
にする。１５０°Ｃ以下ではマルテンサイトがソルバイ
トに変らず、また６００°Ｃより高温ではベイナイトも
軟化して焼戻しベイナイトになるので好ましくない。

次に、上記のようにベイナイト又はベイナイト＋ソルバ
イトの組織の鋼索材に機械加工を施して所定の形状の鋼
部材に形成する。

上記のようにして、恒温冷却ではなく連続的な調整冷却
によって、鋼部材の基地組織をベイナイト又はベイナイ
ト士マルテンサイト組織にしてから、焼戻し処理を施し
てベイナイト又はベイナイト＋ソルバイト組熾とし、強
度と硬さと靭性に優れる鋼素材とすることが出来、通常
の非調質鋼に比べ靭性（衝撃強さ））を大幅に改善でき
る。

この鋼部材の製造方法によって、例えばエンジンのコン
ロッド、クランクシャフト、各種機械の歯車類を製造す
ることが出来るが、歯車類などは必要に応じて窒化処理
や軟窒化処理を施すことが望ましい。

上記の鋼部材の製造方法によれば、熱処理コストの高い
恒温冷却ではなく連続冷却よってベイナイト又はベイナ
イト士マルテンサイト組織とし、次に焼戻し処理を施す
ことによってベイナイト又はベイナイト十ソルバイト組
織の鋼部材であって従来の通常の非調質鋼に比べて靭性
が大幅に改善された鋼部材を製造するこ・とが出来る。

上記調整冷却によって、ベイナイト又はベイナイト士フ
ェライト組織ではなく、ベイナイト又はベイナイト士マ
ルテンサイト組織にすればよいので、その冷却速度範囲
が広いから種々のサイズ・形状の鋼部材を製造するとき
の冷却速度コントロールが容易で製造コストを低減でき
る。

加えて、ベイナイ！・＋マルテンサイト複相のマルテン
サイトの面積率が５０％未満なので焼戻し処理の処理コ
ストが余り高価にならない。

しかも、その鋼部材にはＮと強力に化合して硬い窒化物
を析出するＣｒ、■及びＡｔ　も適量台まれているので
、その鋼部材に窒化処理や軟窒化処理を施す場合には、
鋼部材の表層部及び内部深くまで硬化層を形成して、疲
労強度を大幅に高めることが出来る。

しかも、基地組繊が強靭なベイナイト又はベイナイト＋
ソルバイト’ｆＡ　精であるため、硬化層内の亀裂の伝
播が抑制される。加えて、■とＭｏが焼戻し軟化抵抗を
高める元素であるため、窒化処理時にも基地硬さが低下
しにくい。

次に、焼戻し処理の温度と基地硬さの相関関係を得る為
に行なった実験例について説明する。

く実験例〉・・・・・第２図参照 第１表に示す各種合金元素を添加した鋼材料からなる鋼
素材を用いて、熱間鍛造（１１００〜１２５０゛Ｃ）に
より３０ｍｍφの丸棒を複数本製作し、ごれらをその熱
間鍛造に伴なう８５０〜９５０　”Ｃの温度から５．０
″（：　／ｓｅｃの冷却速度にて調整冷却して、ベイナ
イト又はベイナイト士マルテンサイト組織とした。この
鋼組職はベイナイト面積率８０％、マルテンサイト面積
率２０％であった。

次に、上記組織の丸棒について種々の温度で１．５時間
保持の焼戻し処理を施し、各丸棒の表面硬さを測定した
ところ第２図のような結果が得られた。

第２図から判るように、１５０〜６００°Ｃの温度の焼
戻し処理では硬さが緩やかに低下し、６００℃より高温
の焼戻し処理では硬さが急激に低下している。即ち、１
５０°Ｃ未満の焼戻し処理では殆んどマルテンサイトの
軟化が生じずマルテンサイトがソルバイトに変態せず、
また６００°Ｃより高温の焼戻しし処理ではマルテンサ
イトの軟化及びベイナイトの軟化が生じ硬さが著しく低
下してしまう。

つまり、１５０〜６００°Ｃの温度範囲で焼戻し処理す
ると、ベイナイトが軟化せずに、マルテンサイトのみが
軟化してソルバイトになりベイナイト又はベイナイト＋
ソルバイトの組織とすることが出来る。しかも、焼戻し
処理温度を１５０〜６００°Ｃの範囲で適宜選定するこ
とにより所定範囲のうちの所望の硬さの鋼部材とするこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例に係るもので、第１図は鋼部材の
製造工程説明図、第２図は実験により得られた焼戻し処
理温度と硬さの関係を示す線図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくともＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、及びＣｒを含んだ鋼
   材料からなる鋼素材を熱間鍛造し、 次に上記鋼素材を、熱間鍛造に伴なうオーステナイト化
   温度以上の温度から、または熱間鍛造後オーステナイト
   化温度以上の温度に再過熱した温度から、０．４〜１０
   ．０℃／ｓｅｃの冷却速度で連続冷却して実質的にベイ
   ナイトまたはベイナイト＋マルテンサイト組織とし、 次に上記鋼素材をマルテンサイトが軟化する温度範囲で
   焼戻し処理して実質的にベイナイトまたはベイナイト＋
   ソルバイト組織にすることを特徴とする鋼部材の製造方
   法。