JPS589813B2 - 非調質鍛鋼品の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、非調質で高強度と高靭性を有する鍛鋼品の
製造方法に関する。

鍛鋼品は、一般には熱間でプレス等によって成形加工し
た後、機械加工によって仕上げられるものであり、船舶
、自動車、その他多くの機械部品に広く用いられている
。

近年、かかる鍛鋼品に対する品質上の要求も一段ときび
しくなっているが、一方では、製品コストの低減も強く
要望されており、素材および製造工程についての種々の
提案がなされている。

鍛鋼品として代表的な量産品である自動車用クランク軸
について述べると、高強度とともに靭性および延性にす
ぐれていることが要求され、たとえば、降伏点５０Ｋｇ
／ｍｍ以上、引張強さ８０Ｋｇ／ｍｍ２以上、伸び８％
以上、絞り２０％以上であり、かつ衝撃性質としてはＪ
ＩＳ３号シャルビーの室温での値が５Ｋｇ・ｍ／ｃｍ３
以上で、特殊な場合には３ｍｍ深さのＵノツチシャルビ
ー値（室温）が２Ｋｇ・ｍ／ｓｅｃ以上であることが必
要とされる。

従来、このような機械的性質を有する鍛鋼品は、中炭素
鋼或いは中炭素一低合金鋼を、熱間鍛造した後、再加熱
して焼入れ一焼もどしの熱処理を施して製造されている
。

この処理には専用の熱処理ラインが必要であり加熱に要
するエネルギーも膨大なものになるばかりでナく、熱処
理に要する工程の増加、ランニングストツクの増大は必
然的に製品コストの上昇を招く。

本発明は、鍛鋼品製造の工程の簡略化、特に焼入れ一焼
もどしの熱処理工程を省いて製造コストの低減をはかり
、しかも熱処理品と同等以上の強度を有し、パーライト
組織による良好な切削性と耐摩耗性とを併せ有する鍛鋼
品を製造する方法を提供するものである。

熱処理工程を省いて、しかも熱処理品と同等以上の性能
をもつ鍛鋼品を得るには、素材となる鋼の改良とともに
、鍛造後の後処理についても十分な考慮を払わなければ
ならない。

本発明者は、素材鋼としてＣ０．３０〜０．６０％，Ｓ
ｉＯ．５０％以下、Ｍｎ０．６０〜２．００％．Ｖ０．
０３〜０．２０％，Ｓｏｔ．Ａ／Ｓ０．０２０〜０．０
６０％，Ｎ（窒素）０．００ｓ〜０．０２０％、必要に
応じてＣｒ０．５０％以下、または更に、ＳＯ．２０％
以下、ＰｂＯ．２５％以下、Ｂｉ０．１０％以下、Ｔｅ
０．１０％以下、Ｓｅ０．１０％以下、Ｃｅ０．２０％
以下、Ｃａ０．０１％以下のうちの１種以上を含有し、
Ｍｎ（％）／Ｃ（％）が２０以上である鋼を用いること
、およびこれを所定形状に熱間鍛造した後、直ちにＡ３
点直上まで０．７〜１５℃／ｓｅｃの冷却速度で調整冷
却し、更に変態開始から５００℃までを０．２〜１５℃
／ｓｅｃの冷却速度で調整冷却すること、の組合せを特
徴とする鍛鋼品の製造方法を開発した。

上記本発明の方法によって製造される鍛鋼品では、鍛造
後の調整冷却によってオーステナイト粒の成長が阻止さ
れ、変態時に■の炭窒化物ＶＮ（ｃ）が析出して、フエ
ライト変態の核として働き、微細なフエライト＋パーラ
イト組織が得られる。

更に変態後５００℃までの冷却速度の調整により、変態
後の結晶粒の成長を抑制し、パーライト層間隔を微細化
することができ、鍛造のまゝ即ち非調質で高い強度と靭
性および延性が確保できる。

まず、素材鋼の組成を前記のように定めた理由を説明す
る。

Ｃは、鍜鋼品の強度を確保する上で欠くことのできない
成分である。

フエライト・パーライト組織で、たとえば自動車用クラ
ンク軸に要求される強度を得るには、０．３０％以上の
Ｃが必要である。

一方、鍜鋼品の用途の中には、たとえば軸受との摺動面
の如く、部分的に焼入れ（表面硬化）をする必要のある
物があり、この場合Ｃ含有量が０．６０％をこえている
と焼割れの発生するおそれがある。

Ｓｉは、脱酸効果の外に、フエライト地の強度を向上さ
せる作用がある。

しかし、０．５０％をこえると、生地の硬さを高めて被
削性に悪影響を及ぼす。

Ｍｎは、強度の向上に必須の成分であり、又、前述した
如き、後に表面硬化処理を施される部品では、その焼入
性を向上させる成分である。

このような効果を得るには０．６０％以上の含有が必要
であるが、２．００％をこえると延性の低下が甚だしく
なり、また生地の硬さを高めて被削性にも悪影響を与え
る。

このＭｎはＣとの比率、即ちＭｎ（％）／Ｃ（％）で、
２０以上とすることが重要である。

即ち、強度を上げるために、Ｃを過度に含有させると、
靭性の低下が甚だしくなるが、Ｍｎ こよる強度の向上
にはこのような弊害が少ない。

従って、Ｃを比較的少ナくシて、Ｍｎを高めることによ
り、高強度と高靭性を兼備させることができる。

この点からＣおよびＭｎの総量を前記のとおり規定し、
かつＭｎ（％）／Ｃ（％）を２０以上とすることが必要
である。

Ｃｒは、鍜鋼品の表面硬化を行う場合の焼入性を増すた
めに、必要に応じて添加されるが、含有量が０．５％を
こえるとＭｎ量が比較的高いことと相まって、焼割れ発
生の原因となる。

■は、靭性を向上させる目的で添加する。

さらに、ＶＮ（Ｃ）は比較的切削性を害することが少な
いので、機械構造用鋼には有利である。

この目的を達する最少量が０．０３％であり、一方０．
２０％をこえて存在しても、効果の増大は小さく、経済
的にも好ましくない。

Ｓｏｔ．Ａｌは、脱酸および粒度調整のために０．０２
％以上の含有量が必要である。

しかし０．０６％をこえると、被削性（こ対する悪影響
が大きくなる。

Ｎ（窒素）は、前述した■と結合させて、■Ｎを析出さ
せるために積極的に添加されるものである。

結晶粒の微細化に寄与するのに十分な析出物を得るには
０．００８％以上の含有が必要であり、０．０１０％程
度含有されることが望ましい。

しかし、０．０２０％をこえても、効果の増加には期待
できず、他の悪影響が出るおそれがある。

素材鋼としては、上記成分の外、残部が実質的に鉄から
成るものと、更に、Ｓ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｃｅ
，Ｃａの１種以上を含有するものを使用することができ
る。

即ち、鍛鋼品は、鍜造成形の後、機械加工によって仕上
げられることが多いが、この時、特に被剛性のすぐれて
いることが要求される場合には、上記成分を１種又は２
種以上組合せて含有させるのがよい。

Ｓは０．２０％以下、Ｐｂは０．２５％以下、Ｂｉ．Ｔ
ｅ，Ｓｅはそれぞれ０．１％以下、Ｃｅは０．２０％以
下、Ｃａは０．０ｔ％以下で被削性改善の効果があり、
この範囲では鍜鋼品の機械的性質に実質的な悪影響はな
い。

上記素材鋼の鍜造後、冷却速度を調整することも重要で
ある。

鍜造終了直後Ａ３点直上までの冷却速度の調整は、オー
ステナイト結晶粒の成長を抑制して細粒化し靭性を向上
させるため、および変態後のパーライト層間隔を微細化
して強度を向上させるために必要である。

この目的のためには、冷却速度として０．７℃／ｓｅｃ
以上が必要である。

しかし、１５℃／ｓｅｃをこえる大きな冷却速度では、
冷却終了点を調節することが困難となり、変態点をこえ
て冷却されペイナイト組織を生じるおそれがある。

変態開始から５００℃までの冷却は、変態終了を早めて
、組織の微細化、細粒化をはかるために、０．２℃／ｓ
ｅｃ以上の冷却速度が必要である。

しかし、１５℃／ｓｅｃ以上になると、ベイナイト組織
が混入して、靭性および延性の低下をまねく。

次に、実施例によって、本発明を具体的に説明する。

第１表に示す１１種の鋼を溶製し、中心軸部７０φの６
気筒エンジン用クランク軸に熱間鍜造した。

鋼Ａ−Ｈは本発明で規定する素材鋼の例、■〜Ｋは比較
のための鋼である。

即ち、Ａ．Ｂは炭素０．３５％レベルでＳを変化させた
鋼、Ｃ−Ｅは炭素０．４５１％レベルのＳ添加鋼におい
て、Ｎ量を変化させた鋼、Ｆ−Ｈは炭素０，４５％レベ
ルでＳ以外の被削性改良成分を添加した鋼である。

比較例のＩは、Ｎ量が０．０６０％と低い鋼であり、Ｊ
．Ｋは焼入れ一焼もどしによって強度、靭性を付与する
中炭素鋼である。

上記第１表に示す鋼からクランク軸を、熱間鍜造によっ
て製造した後、下記の条件で処理した。

■鋼Ａ〜■ 鍛造後Ａ３点直上まで１．０℃／ｓｅｃで冷却、次いで
Ａ３点〜５００℃を０．２５℃／ｓｅＣで冷却。

■鋼Ｊ．Ｋ 鍛造後室温まで空冷し、その後８５０℃に再加熱して焼
入れし、次いで５３０℃で焼もどし空冷。

これらの製法によって得られたクランク軸の引張り試験
およびシャルビー衝撃試験（３ｍｍＵノツチ、室温）結
果を第１図に示す。

第１図に示されるように、本発明によって製造されたク
ランク軸は、引張り強さ、降伏点において、焼入れ一焼
もどしの調質処理品と十分匹敵する性能をもつ。

延性および靭性においては、調質処理品に比較して劣る
が、このクランク軸の目標性能が降伏点５０ＫｇＡｌ，
ｙ，以上、引張り強さ８０〜〆ｄ以上、伸び８％以上、
絞り２０％以上、シャルピー衝撃値（３ＭＵノツチ、室
温）が２Ｋｇ・ｍ／ｃｍ２であることを考慮すると、い
ずれにおいてもこの目標値を十分に上回っていることが
明らかである。

しかし、Ｎ含有量が０．００６０％と低い鋼Ｉでは靭性
が不十分である。

なお、上記機械的諸性質が、Ｓ．Ｐｂ，Ｃａ等の被削性
改善成分によって実質的に影響されていないことも明ら
かであり、このような傾向は、上記以外の成分について
も確認されている。

第２図は、第１表の鋼Ｄを用いて製造した前記と同サイ
ズのクランク軸について、冷却条件を変えた場合の機械
的性質の変化を示す。

即ち鍜造終了後、Ａ３点直上までの冷却速度を１．０〜
ｌ５’Ｃ／ｓｅｃの範囲で変化させ、Ａ３点から５００
℃までを０．２５℃／ｓｅｃ一定で冷却した場合、およ
び鍛造終了後Ａ３点直上までを上記のとおり変化させた
上、Ａ３点から５００°までの冷却速度も０．２５〜１
５’Ｃ／ｓｅｃの範囲で変化させた場合、についての試
験結果である。

第２図から明らかなとおり、鍛造後の冷却速度を大きく
することによって、強度だけでなく延性および靭性の向
上をはかることができ、更に、Ａ３点から５００℃まで
の冷却速度の調整と組合せれば、伸びおよび衝撃値にお
いても調質品と十分に対抗できる性能をもつに至る。

このような本発明の効果は、鍛造後の調整冷却によって
、オーステナイト粒成長が抑制されること、変態時に析
出するＶＮ（Ｃ）によるフエライト粒の微細化、変態後
の冷却速度調整による結晶粒成長の抑制、パーライト層
間隔の微細化が総合された結果であり、このような効果
を得るためには、素材鋼の組成と鍛造後の冷却条件の適
切な組合せが重要であることが分る。

以上の説明、特に実施例の結果から明らかなとおり、本
願発明は、冷却後の冷却調整だけで、焼入れ＝ＩＡもど
じのような調質処理を行うことなく機械的性質にすぐれ
た鍜鋼品を安価に製造することを可能とするもので、特
に大量生産される自動車用クランク軸の如き鍜鋼品の製
造に大きな利点をもつ。

【図面の簡単な説明】 第１図は、素材鋼種による機械的性質の相違を示す図。 第２図は、同一鋼種の冷却条件の相違による機械的性質
の相違を示す図、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃ０．３０ 〜０．６０％．Ｓｉ０．５０％ 以下
   、Ｍｎ０．６０〜２．００１％，Ｖ０．０３−０．２０
   ％，Ｓｏｌ．Ａｌ０．０２０ 〜０．０６０％．Ｎ０．
   ００８〜０．０２０％必要に応じてＣｒ０．５０％以下
   、残部実質的にＦｅからなり，Ｍｎ（イ）／Ｃ（％）が
   ２．０以上である鋼を、熱間鍛造後直ちにＡ３点直上ま
   で０．７℃／ｓｅｃ〜１５℃／ｓｅｃの冷却速度で調整
   冷却し、更に変態開始から５００℃までを０．２℃，／
   ｓｅｃ〜１５℃／ｓｅｃの冷却速度で調整冷却すること
   を特徴とする非調質鍛鋼品の製造方法。 ２ ＣＯ．３０〜０．６０％．ＳｉＯ．５０％以下、Ｍ
   ｎ０．６０〜２．００％，Ｖ０．０３〜０．２０％．Ｓ
   ｏｌ，Ａｌ０．０２０〜０．０６０％．ＮＯ．ＯＯ８〜
   ０．０２０％、必要に応じてＣｒ０．５０％以下、更に
   ＳＯ．２０％以下、ＰｂＯ．２５％以下、Ｂｉ０．１０
   ％以下、ＴｅＯ．１０％以下、Ｓｅ０．１０％以下、Ｃ
   ｅＯ．２０％以下、Ｃａ０．０１％以下、のうちの１種
   以上を含有し残部実質的にＦｅから成り、Ｍｎ（％）／
   Ｃ（％）が２０以上である鋼を、熱間鍛造後直ちにＡ３
   点直上まで０．７℃／ＳｅＣ〜１５℃／ｓｅｃの冷却速
   度で調整冷却し、更に変態開始から５００℃までを０．
   ２℃／ｓｅＣ〜ｌ５℃／ＳｅＣの冷却速度で調整冷却す
   ることを特徴とする非調質鍛鋼品の製造方法。