JPH04193931A - 疲労強度の優れた熱間鍛造品 - 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） 本発明は熱間鍛造後、焼入焼もどし等の熱処理を行わず
、非調質のままで優れた疲労強度を有し、かつ表面が黒
皮鍛造肌のまま使用する場合においても疲労強度の低下
が極めて少ない特徴を有し、特に自動車エンジンのコン
ロッド等の粗形材として有用な熱間鍛造品に関する。

（従来技術） 従来、自動車エンジンのコンロッド等は、機械構造用炭
素鋼である５５０Ｃ，５５５Ｃなどを用い、熱間鍛造に
より成形後、高強度、高靭性を付与させるため、焼入焼
もどし等の熱処理（以下調質と記す）が施されていた。

また、熱間鍛造後の調質処理が真人なエネルギーを必要
とすることから、省エネルギーの社会的要請に応えるた
めに、熱間鍛造後の自然空冷にて必要な性能の得られる
非調質鋼の開発が近年盛んに行われ、Ｃを０．２〜０．
５χ程度含有する中炭素鋼に０．０３〜０．２０χのＶ
を添加した非調質鋼が提案され、使用されている。

しかしながら、表面が黒皮鍛造肌のまま使用するコンロ
ンド等の部品は、疲労強度がその表面性状によりほぼ決
定されてしまう。そして、問題となる表面は製造時に高
温にさらされ、脱炭、スケールなどが生成するため、本
来材料が持っている特性を十分に生かすことは非常に難
しい。従って、実際の部品が持つ強度は材料が本来持つ
強度に比べ著しく低くなってしまうのが通常であり、実
部品の疲労強度を上げることができず、高強度化は困難
であった。

よって、表面が黒皮鍛造肌のまま使用する部品を高強度
化しようとする場合には、使用する材料の強度を上げる
だけでは不十分であり、表面性状を改善することが必要
となる。しかし、実部品の強度と使用する材料や鍛造条
件などとの関係は明確になっておらず、黒皮鍛造肌のま
までも優れた強度を有する熱間鍛造品の製造技術の開発
が強く望まれていた。

（発明が解決しようとする課Ｂ） 本発明は、表面が黒皮鍛造肌のまま使用する部品の疲労
強度向上に対する前記のごとき問題点を考慮してなされ
たもので、熱間鍛造で成形し、黒皮鍛造肌のまま使用す
る場合においても優れた疲労強度を有する熱間鍛造品を
提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明者は前記目的の下に、熱間鍛造品の表面性状、中
でも特に表面脱炭層の改善について鋭意研究を重ねた結
果、以下の知見をなし本発明を得た。すなわち、調質炭
素綱に比べて、■添加のフェライト・パーライト型非調
質鋼はフェライト脱炭量が少なく、フェライト脱炭層の
硬さも高いことを発見した。そして、さらに検討を進め
た結果、フェライト脱炭量はＣ量、Ｖ量に反比例しＳｉ
量に比例すること、Ｖを含有すると、フェライト脱炭層
がＶ炭窒化物により析出強化され硬さの低下を抑えるた
め、■を含有しない場合に比べ芯部硬さに対するフェラ
イト脱炭層の硬さ低下が小さくなることを見出した。そ
して、以上の知見をもとにフェライト脱炭しにくく、か
つ芯部硬さに対するフェライト脱炭層の硬さ低下が少な
い成分組成について検討した結果、使用する鋼の成分組
成を１００　Ｘ　Ｖ　（χ）Ｘ（Ｃ（χ）−Ｓｔ（χ）
／３）＞５に限定すると効果があることを見出したもの
である。

さらにこの鋼を使用した場合の疲労強度向上効果をより
高くする鍛造時の加熱条件についても検討した結果、９
００℃以上の加熱時間を１０分以下とすればよいことを
実験により確認し、本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明の第１発明は、重量比にしてＣ：０．
１５〜０．５０％、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．
５０〜１．２０％、Ｃｒ：０．５０％以下、Ａｌ：０．
０１０〜０．０６０％、Ｖ：０．１５〜０．６０２を含
有し、かツ１００ｘＶ（Ｘ）　Ｘ　（Ｃ（Ｘ）−Ｓｉ（
Ｘ）／３）〉５を満足し、残部がＦｅならびに不純物元
素からなる鋼を用い、９００℃以上の加熱時間が１０分
以下となる加熱で熱間鍛造後自然空冷を行うことを特徴
とする疲労強度の優れた熱間鍛造品であり、第２発明は
、第１発明に比べ被削性を改善するために、さらにＳ：
０．０４〜０．１２％、Ｐｂ：０．０５〜０．３０％、
Ｃａ：Ｏ，０００５〜０．０１χのうち１種または２種
以上を使用する鋼中に含有させたものである。

次に本発明の疲労強度の優れた熱間鍛造品の鋼の成分組
成限定理由及び製造条件限定理由について以下に説明す
る。

Ｃ：０．１５〜０．５０χ Ｃは強度の確保ならびにフェライト脱炭量の低減に必要
な元素であり、０．１５％以上の含有が必要である。し
かし０．５０χを越えて含有させても効果が飽和すると
ともに、靭性が低下するので上限を０．５０χとした。

Ｓｉ：０．３０％以下 Ｓｉはフェライト脱炭量の低減のため極力含有量を低く
することが望ましいが、製鋼時の脱酸材として不可欠で
あるため、上限を０．３０χとした。

Ｍｎ：０．５０〜１．２０χ Ｍｎは製鋼時の脱酸ならびに鋼の強度・靭性バランスを
調節するため添加される元素であり、０．５０１以上の
含有が必要である。しかし過剰に添加すると焼入性が向
上しすぎてヘイナイト組織が生成し、■炭窒化物による
フェライト脱炭層の析出強化が不十分となり、フェライ
ト脱炭層の強化ならびに疲労強度の向上に対して妨げと
なる。よって本発明においては鍛造放冷でヘイナイト組
織が生成しないようにするため、上限を１．２０χとし
た。

Ｃｒ：０．５０％以下 Ｃｒも鋼の強度・靭性バランスを調節するために有効な
元素であり、必要に応して添加されるが、過剰の添加は
Ｍｎと同様ベイナイトを生成するため、上限を０．５０
χとした。

ＡＩ：Ｏ，ＯＩＯ〜０．０６０χ ＡＩは強力な脱酸効果を持つ元素であるが、０．０１０
χ未満の含有では脱酸効果が認められなくなるので、下
限を０．０１０χとした。しかし０．０６０χを越えて
含有させると前記効果が飽和するとともに被削性を低下
させるので、上限を０．０６０χとした。

Ｖ：０．１５〜０．６０χ νは鋼中のＣ，Ｎと結びついて炭窒化物となって鍛造後
の冷却中に微細に析出することにより、フェライトを析
出強化するという非調質鋼にとっては必須の元素であり
、通常は０．１χ前後添加されている。ただし、本発明
の場合にはそれ以外の効果として、ＶがＣと結びついて
トランプし、フェライト脱炭量を低減させることと、生
成したフェライト脱炭層をＶの炭窒化物により強固に析
出強化させることをも狙いとしており、それらの効果が
得られる最低量である０、１５！を下限とした。しかし
ながら、０．６０χを越えて含有させても前記効果が飽
和するとともにコスト高となるため、上限を０．６０χ
とした。

Ｓ：０．０４〜０．１２％、Ｐｂ：０．０５〜０．３０
Ｚ　、Ｃａ：０．０００５〜０．０１χ Ｓ　、　Ｐｂ、　Ｃａは被削性の改善に有効な元素であ
り、熱間鍛造後の切削の程度に応じて必要量添加される
ものである。前記効果を得るためにはそれぞれ０．０４
％、０．０５％、０．０００５％の含をが必要である。

しかし多量に含有させてもその効果が飽和するとともに
靭性を低下させるので、上限をそれぞれ０．１２％、０
．３０％、０．０１χとした。

１００　Ｘ　Ｖ　（χ）Ｘ（Ｃ（χ）−Ｓｉ（χ）／３
）＞５１００×Ｖ（Ｘ）　Ｘ　（Ｃ（Ｚ）−３ｉ（χ）
／３）＞５はフェライト脱炭の生成やそれによる硬さ低
下を極力小さくし、優れた疲労強度を得るための必須条
件である。Ｃ１νの含有量が少なかったり、Ｓｉを過剰
に含有して１００　×Ｖ（χ）Ｘ（Ｃ（Ｘ）−Ｓｉ（り
／３）≦５　トナルト、フェライト脱炭層が増加し、表
面近傍の硬さが大きく低下して部品の疲労強度が低下す
るので、１００ｘｖ（ｚ）ｘ（Ｃ（＄）−Ｓｉ（＄）／
３）＞５とする必要がある。

９００℃以上の加熱時間が１０分以下 ９００℃以上の加熱時間が１０分以下という製造時の限
定条件は、前記した鋼を使用して製造した熱間鍛造品の
性能を最大限に生かす必須条件である。

もし９００℃以上の加熱時間が１０分を越えると表面性
状が悪化し疲労強度が大きく低下するので、９００℃以
上の加熱時間を１０分以下とした。

（実施例） 以下に本発明の特徴を実施例でもって明らかにする。

第１表は実施例に用いた供試材の化学成分を示すもので
ある。

（以下余白） 第１表 （ｇｌ）−、−１（ＸｌｘＶ（Ｘ）ｘ（Ｃ（Ｘ）−３ｉ
１ｍ／３）＞５．０−　満足する、×−満足しない）第
１表においてＡ−Ｈｔ＃は前述した本発明の条件を満足
する銅であり、Ａ−Ｄ銅は第１発明、Ｅ〜ＨＥは第２発
明に該当する鋼である。またＩ〜ＭＥは本発明に使用す
る鋼としての条件を部分的に満足しない比較鋼であり、
Ｎ鋼は従来から使用されている網である５５５Ｃである
。

実施例として使用した供試材は熱間圧延にて製造した直
径５０ｍｍの丸棒を高周波加熱炉により９００℃以上の
加熱時間が約５分となるような条件で１２００゛Ｃに加
熱後１１５０〜１１００℃で第１図に示すような形状に
鍛造し、室温まで自然空冷したものであり、従来鋼のＮ
ｍを使用して製造した鍛造品のみ空冷後８８０℃にて加
熱後油浴中にて焼入、５８０℃にて焼もどしを行った。

これらの各供試材を機械加工によりコンロノド完成品と
して試験材とし、電気油圧式疲労試験機により引張・圧
縮荷重負荷方式の実体疲労試験を行い、耐久限を求めた
。また表面から０．１ｍｍと中心部における硬さ、フェ
ライト脱炭層の深さの測定及びミクロ組織の観察も併せ
て行った。以上の測定結果により、使用する鋼の成分の
違いによる実部品の耐久限への影響及び硬さ、脱炭レヘ
ルの変化について検討を行った。第２表にこれらの結果
を示す。なお、硬さの測定はピンカース硬度計により測
定荷重５００ｇｆで行い、フェライト脱炭層の深さ測定
およびミクロ組織の観察は光学顕微鏡を用い４００倍の
倍率で行った。

（以下余白） 第２表 （ト）ν。、１−　表ｍカ・ら０．１ｍの七コｒでの硬
さ）第２表から明らかなように比較鋼、従来鋼を使用し
て製造した熱間鍛造品である実施例Ｎｏ、９〜１４を本
発明の熱間鍛造品と比較すると、９はＣ含有率が低いた
め、フェライト脱炭層の深さが大きく、表面から０．１
ｍｍの硬さが低（なって、耐久限が劣るものであり、１
０はＳｉ含有率が高いため、９と同様な理由により耐久
限が劣るものであり、１１はＣｒ含有率が高いため、焼
入性が向上しすぎてフェライトパーライト組織にヘイナ
イト組織が混在し、フェライト脱炭層がＶ炭窒化物によ
り十分に析出強化されなかったため耐久限が劣るもので
あり、１２はＶの含有率が低く、１３は化学成分は本発
明の範囲に入っているが、弐（１）（第１表参照）を満
足しないため、フェライト脱炭層の深さが大きく表面近
傍の硬さが低くなってしまい、耐久限が劣るものである
。また、５５５Ｃを使用した従来の熱間鍛造品である１
４は調質を行っても表面性状は改善されず、むしろ調質
時の加熱によりフェライト脱炭層の深さが大きくなって
しまい耐久限が劣るものである。

これに対して、本発明の熱間鍛造品である実施例Ｎ０．
１〜８はＣ，■を適量添加し、Ｓｉの添加量を抑え、１
００　Ｘ　Ｖ　（χ）Ｘ（Ｃ（％）−Ｓｉ（χ）／３）
＞５を満足する鯖を使用じて適当な加熱条件で鍛造を行
ったことにより、フェライト脱炭量が０．２ｍｍ以下と
なり、表面近傍の硬さ低下を最小限に抑えられた結果、
実体疲労試験における耐久限が３４ｋｇｆ／ｍｍ２以上
という優れた疲労強度を示すものである。

次に鍛造時の加熱条件の変化による影響を調査した実施
例について以下に示す。第１表に示す鍛のうち本発明対
象網であるり、ＨＩ３と比較鋼のＪ鋼および従来針であ
るＮ鋼の直径５０ｍｍの熱間圧延棒鋼を各種の加熱条件
で１２００”Ｃに加熱後、１１５０〜１１００℃で図１
に示す部品に鍛造し、室温まで空冷して、ＮｗＡについ
てのみその後８８０℃にて加熱後油浴中にて焼入れ、続
いて５８０℃にて焼もどしを行い、試験材を作製した。

そして出来上がった試験材を用いて実体疲労試験、硬さ
試験、脱炭層およびミクロ組織の観察を前記実施例と同
一の方法で行い、その性能を評価した。第３表にこれら
の結果を示す。なお、加熱条件は高周波炉および電気炉
を用いることにより９００℃以上の加熱時間を５〜３０
分に変化させて、加熱時間の変化による影響を評価した
。

Ｃ以下余白） 第３表から明らかなように、本発明対象鋼であるり、Ｈ
調を使用しても９００℃以上の加熱時間が一定時間を越
えて長くなるとフェライト脱炭の深さが大きく、表面近
傍の硬さ低下が大きくなり耐久限が低くなっている。こ
のデータから本発明の効果を充分に引き出すためには高
周波炉等を用いて、９００″Ｃ以上の加熱時間を１０分
以下とする必要があることがわかる。

（発明の効果） 本発明により熱間鍛造品の製造において従来不明確であ
った実部品の疲労強度と製造条件の関係を明らかにする
ことができた。その結果、表面が黒皮鍛造肌のまま使用
する場合においても、使用する材料の本来保有する疲労
強度に比べ実部品の強度が大きく低下することなく、優
れた疲労強度を有する熱間鍛造品の提供を可能とするも
のである。特に自動車エンジンのコンロシト等の粗形材
として有用なものであって、軽量化、低燃費化等産業上
寄与するところは極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例として作製したコンロッドの形状を示す
図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量比にしてＣ：０．１５〜０．５０％、Ｓｉ：
   ０．３０％以下、Ｍｎ：０．５０〜１．２０％、Ｃｒ：
   ０．５０％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０６０％、Ｖ
   ：０．１５〜０．６０％を含有し、かつ１００×Ｖ（％
   ）×（Ｃ（％）−Ｓｉ（％）／３）＞５を満足し、残部
   がＦｅならびに不純物元素からなる鋼を用い、９００℃
   以上の加熱時間が１０分以下となる加熱で熱間鍛造後自
   然空冷を行うことを特徴とする疲労強度の優れた熱間鍛
   造品。
2. （２）重量比にしてＣ：０．１５〜０．５０％、Ｓｉ：
   ０．３０％以下、Ｍｎ：０．５０〜１．２０％、Ｃｒ：
   ０．５０％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０６０％、Ｖ
   ：０．１５〜０．６０％を含有し、さらにＳ：０．０４
   〜０．１２％、Ｐｂ：０．０５〜０．３０％、Ｃａ：０
   ．０００５〜０．０１％のうち１種または２種以上を含
   有し、かつ１００×Ｖ（％）×（Ｃ（％）−Ｓｉ（％）
   ／３）＞５を満足し、残部がＦｅならびに不純物元素か
   らなる鋼を用い、９００℃以上の加熱時間が１０分以下
   となる加熱で熱間鍛造後自然空冷を行うことを特徴とす
   る疲労強度の優れた熱間鍛造品。