JPH0637669B2 - 機械的特性のばらつきの小さい熱間鍛造非調質部品の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は機械的特性のばらつきの小さい熱間鍛造非調質
部品の製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 自動車、産業機械の分野で使用されている機械部品の多
くは機械構造用鋼を熱間鍛造により粗形材に加工後、焼
入焼戻処理（調質）切削加工の工程を経て製造されて来
たが、最近熱間鍛造後の調質処理を省略しても十分な強
度と、靭性等の機械的性質を確保出来るいわゆる熱間鍛
造用の非調質鋼が開発され、その実用化が広がりつつあ
る。

なお、本発明に係る先行技術としては本出願人が出願提
出（昭和62年11月６日）した特願昭62−279058号（特開
平１−123031号があるが、これは冷間又は熱間で鍛造し
た後に調質処理を対象とする調質鋼に関わり、その焼
入、焼戻し調質処理の冷却時に冷却媒体として泡沫を用
いるというものである。

［発明が解決しようとする課題］ ところでこの様な熱間鍛造後冷却されたままで使用され
る非調質部品は、形状の複雑さ、表面粗さの不均一さ、
スケールの付着状況の不均一さ等の影響により、冷却速
度が均一でなく、部品間に機械的特性の大きなばらつき
を生じていた。このため非調質鋼の実用化が阻害される
原因ともなっていた。

［課題を解決するたるための手段］ 本発明者らは上記の問題点を解決するため種々の研究を
重ね発明を完成した。即ち本発明は (1) 重量％で Ｃ：0.02〜0.15％，Ｓｉ：0.10〜1.00％，Ｍｎ：0.60〜
3.00％，Ｃｒ：0.50〜3.00％，Ｔｉ0.010〜0.050％，
Ｂ：0.0005〜0.0050％，Ａｌ：0.01〜0.05％，Ｎ：0.01
20％以下 を含み残りは実質的に不可避の不純物とFeよりなる熱間
鍛造用非調質棒鋼を1300℃以下の温度に加熱し熱間鍛造
を行いその後、水に発泡剤を添加して得られる含水量0.
01〜60ｇ／100mlの泡の中で冷却することを特徴とする
ベーナイト組織を有する機械的特性のばらつきの小さい
熱間鍛造非調質部品の製造方法である。

なお、さらに鍛造部品の靭性、強度を必要とする場合は
上記(1)項熱間鍛造用非調質棒鋼の成分に0.50％以下のM
o，2.0％以下のNi，0.30％以下のＶ又はNbを添加するこ
とが効果的である。

(2) 重量％で Ｃ：0.18〜0.55％，Ｓｉ：0.10〜2.00％，Ｍｎ：0.60〜
2.00％，Ｃｒ：1.00％以下，Ｖ：0.03〜0.20％，Ｓ：0.
01〜0.10％，Ｎ：0.0030〜0.020％，Ａｌ：0.01〜0.06
％， を含み残りは実質的に不可避の不純物とFeよりなる熱間
鍛造用非調質棒鋼を1300℃以下の温度に加熱し熱間鍛造
を行いその後、水に発泡剤を添加して得られる含水量0.
01〜50ｇ／100mlの泡の中で冷却することを特徴とする
フェライト・パーライト組織を有する機械的特性のばら
つきの小さい熱間鍛造非調質部品の製造方法である。

なお、さらに鍛造部品の靭性と強度を必要とする場合
は、上記(2)項熱間鍛造用非調質棒鋼の成分に0.03〜0.2
0％Nb，0.005〜0.07％Tiの一種又は二種を添加すること
が効果的である。

［作用］ 以下に本発明の技術的構成要件について説明する。

化学成分は得られる非調質部品の機械的特性を左右する
重要な要件で、各元素は以下に述べる範囲に制御する必
要がある。まず、請求項(1)及び(2)の熱間鍛造用非調質
棒鋼の成分範囲について述べる。

Ｃは、得られる非調質部品の強度と靭性を調節するため
に必要で、0.02％未満では所要の強度を得るため極めて
多量の合金元素の添加が必要で経済的に得策でない。ま
た0.15％を越えて添加した場合部品の靭性が低くなるた
め避けなければならない。

Siは脱酸と強度の調節に必要な元素で脱酸のため0.10％
以上必要である。又1.00％をこして添加した場合強度が
高くなり過ぎるので避けなければならない。

Mnは鋼の脱酸及び焼入れ性を調節し、得られる部品の強
度と靭性に影響を与える元素であり、0.60％未満ではそ
の効果が十分ではなく、一方3.00％を越えると、製造上
の困難性が増すと共に、強度が高くなり過ぎ更に被削性
も劣化するのでは避けなければならない。

CrはMnと同様に焼入れ性を調節し、得られる部品の強度
と靭性に影響を与える元素であり、0.5％未満ではその
効果が十分でなく又3.00％を越して添加しても強度が高
くなり過ぎるだけなので避けなければならない。

Tiは鋼中のＮを固定しＢを有効に働かすために必要で、
0.010％未満ではその効果が十分ではなく、また0.05％
を越して添加した場合、それ以上の効果が得られないば
かりか、靭性が低下するので避けなければならない。

Ｂは鋼の焼入性を向上させ高価な合金元素を節約せしめ
るための元素で0.0005％未満では効果が十分得られず又
0.005％を越えた場合、不経済であり且つ靭性を損うの
で避けなければならない。

Ａｌは鋼の脱酸及び結晶粒の粗大化防止に必要な元素で
0.01％未満では脱酸の効果が十分でなく、又0.05％を越
えて添加してもそれ以上の効果が得られないため請求の
範囲から除いた。

Ｎは鋼中のＢと化合してＢの焼入向上効果を損うので低
く抑える必要があり、その限界は0.0120％でありこの量
を越えた場合靭性が低下するので避けなければならな
い。

MoはCrと同様強度靭性を調節するために添加するもの
で、このため0.50％以下を添加する。

Niは主として靭性の向上を図るため添加するものでこの
ために必要な量は2.0％以下である。

Ｖ，Nbは結晶粒の粗大化抑制、析出硬化に寄与し材料の
強度と靭性を調節するための元素で、0.3％以下添加す
る。

次に請求項(3)及び(4)の熱間鍛造用非調質棒鋼について
の成分範囲の限定理由を延べる。

Ｃは非調質部品の強度と靭性を支配する元素で0.18％未
満では必要な強度が得られず、又0.55％を越えると、必
要以上に強度が高くなりすぎ且つ靭性も低下するので避
けなければならない。

Siは鋼の脱酸および強度の調整に必要な元素で、0.10％
未満では、十分な脱酸効果が得られず、又2.00％を越す
と、強度が高くなり過ぎると共に、表面の脱炭が顕著に
なるので避けなければならない。

Mnは鋼の脱酸及び焼入性を調節し、得られる部品の強度
と靭性に影響を与える元素であり、0.06％未満ではその
効果が十分ではなく、一方、2.00％を越えると、製造上
の困難性が増すと共に、強度が高くなり過ぎ更に被削性
も劣化するので避けなければならない。

CrはMnと同様に焼入性を調節し、得られる部品の強度と
靭性に影響を与える元素であり、1.00％を越して添加し
ても強度が高くなり過ぎるだけなので避けなければなら
ない。

Ｓは被削性を付与する元素で、0.01％未満ではその効果
が十分ではなく、又0.10％を越して添加すると靭性の低
下、材質特性の異方性が増すので避けなければならな
い。

ＮはＶＮあるいはＡＩＮとして存在し熱間鍛造時の結晶
粒の粗大化の抑制、あるいは鍛造冷却時に析出し、部品
の強度、靭性に影響を与える元素である。0.0030％未満
ではその効果が期待できず又0.020％以上添加しても、
それ以上の効果が得られず製造上の困難さが増すだけな
ので特許請求の範囲から除いた。

Ａｌは鋼の脱酸及び結晶粒の粗大化防止に必要な元素で
0.01％未満では脱酸の効果が十分でなく、又0.06％を越
えて添加してもそれ以上の効果が得られないため請求の
範囲から除いた。

Ｖは熱間鍛造後の冷却過程で析出し、硬さを上げて部品
の強度を確保するために必要な元素で0.03％未満では効
果が十分ではなく、一方0.20％を越して添加すると、強
度が上がり過ぎ靭性が劣化するので避けなければならな
い。

Nbは結晶粒の粗大化抑制、析出硬化に寄与し材料の強度
と靭性を調節するための元素で、0.03％未満の添加では
その効果が認められず一方0.20％を越えて添加しても、
硬くなり過ぎて靭性を損うだけなので避けなければなら
ない。

Tiも結晶粒の粗大化抑制、析出硬化に寄与し材料の強度
と靭性を調節するための元素で、0.005％未満の添加で
はその効果が認められず一方0.07％を越えて添加して
も、硬くなり過ぎて靭性を損うだけなので避けなければ
ならない。

請求項(1)〜(4)における部品の鍛造時の加熱温度が1300
℃を越した場合、著しい結晶粒の粗大化が生じ靭性が劣
化するとともに、焼入性が大きくなり、硬さのばらつき
の原因となるので避けなければならない。

鍛造後の冷却を含水量0.01〜60ｇ／100ml（請求項1,
2），及び0.01〜50ｇ／100ml（請求項3,4）の泡の中で
行うことにより機械的特性のばらつきが小さくなる理由
はつぎのことによることを見出し発明を完成した。

第１は冷却媒体である泡が適度な流動性を有し、被熱処
理材の断面形状が異なるようなことがあっても、熱容量
が大きく放熱量の大きい部位は消費泡量も多く、他の部
位に比べより多くの泡沫が供給されることにより、結果
として冷却速度が従来の熱処理方法のように被熱処理材
の外観形状の変化の影響を受け難いことである。

第２には泡沫冷却が沸騰伝熱であるため、被熱処理材が
高温の場合にあっては冷水や熱水を使用する従来の冷却
法と同様に、被熱処理材と冷却媒体の間に蒸気膜が介在
することに変りはないが、泡沫冷却はその蒸気膜（境界
膜）厚さが著しく厚くなることにより、均一に冷却が得
られるということである。

従って泡沫冷却は、被熱処理材の表面性状、特にスケー
ルの厚さや、その付着状態あるいは凹凸等の表面粗さの
影響を受け難く均一冷却出来るということを見出し発明
を成し遂げた。

そこで請求項(1)，(2)の冷却媒体である泡沫の含水量は
0.01〜60ｇ／100mlの範囲で使用する必要がある。この
含水量範囲は20〜70mmφの丸棒の空気中での自然冷却か
ら温水、冷水中で冷却した場合に得られる冷却速度を得
る条件である。

温水、冷水中で冷却した場合にえられる冷却速度を得る
場合、泡沫を攪拌したり、泡沫を被冷却物に直接噴射し
て泡の供給量を増したりすることにより達成できる。

ここで含水量0.01ｇ／100ml未満では冷却速度が遅すぎ
て必要な強度が得られないし、一方60ｇ／100mlを越え
た場合冷却速度が大きすぎて、強度が高くなり過ぎ、靭
性が劣化するので避けなければならない。

又、請求項(3)，(4)の冷却媒体である泡沫の含水量は0.
01〜50ｇ／100mlの範囲で使用する必要がある。この含
水量範囲は20〜70mmφの丸棒を空気中で自然冷却あるい
は空気中で若干の強制冷却を行った場合に得られる冷却
速度を得る条件である。

ここで含水量0.01ｇ／100ml未満では冷却速度が遅すぎ
て必要な強度が得られないし、一方50ｇ／100mlを越え
た場合冷却速度が大きすぎて、強度が高くなり過ぎ、靭
性が劣化するので避けなければならない。

泡沫冷却を行うための発泡剤として界面活性剤あるいは
水溶性ポリマーを使用する必要がある。これは発泡剤と
して界面活性剤を使用すると界面活性剤が気液表面に吸
着し表面張力を低下させると共に表面粘度を増加させ、
泡沫生成時の発泡性、泡の大きさあるいは均一性、安定
性等を改善し、又水溶性ポリマーを使用すると、これら
が主として気液表面の表面粘性あるいは表面弾性を向上
させ、安定な泡沫を生成することによるものである。

界面活性剤としては、脂肪酸塩類、高級アルコール硫酸
エステル類等の気液表面に吸着して表面活性を低下させ
る水可溶性の有機系化合物を使うことができる。

又水溶性ポリマーとしては澱粉類あるいはポリビニール
アルコール等の天然あるいは合成の水可溶性ポリマーを
使うことが出来る。

［実施例］ 以下に本発明の実施例を挙げて更に本発明について説明
する。なお、実施例の(1)〜(3)は請求項(1)，(2)のもの
で、実施例(4)〜(6)は請求項(3)，(4)の対応である。

実施例１ 第１表に示す化学成分を有する鋼を通常の方法で直径70
mmの圧延棒鋼とした。この棒鋼を第２表に示す条件で自
動車の軸部品に鍛造した。得られた部品の硬さを測定し
その結果を第２表に示した。表からわかるごとく本発明
方法によると得られた非調質鍛造部品の硬さのばらつき
が極めて小さくなっている。

実施例２ 第３表に示す化学成分を有する鋼を通常の方法で一辺が
65mmの圧延角鋼とした。この角鋼を第４表に示す条件で
自動車の足回り部品に鍛造した。得られた部品の硬さを
測定しその結果を第４表に示した。表からわかるごとく
本発明方法によると得られた非調質鍛造部品の機械的性
質のばらつきが極めて小さくなっている。

実施例３ 第５表に示す化学成分を有する鋼を通常の方法で直径80
mmの圧延棒鋼とした。この棒鋼を第６表に示す条件で自
動車の足回り部品に鍛造した。得られた部品の硬さを測
定しその結果を第６表に示した。表からわかるごとく本
発明方法によると得られた非調質鍛造部品の機械的性質
のばらつきが極めて小さくなっている。

実施例４ 第７表に示す化学成分を有する鋼を通常の方法で直径70
mmの圧延棒鋼とした。この棒鋼を第８表に示す条件で自
動車の軸部品に鍛造した。得られた部品の硬さを測定し
その結果を第８表に示した。表からわかるごとく本発明
方法によると得られた非調質鍛造部品の硬さのばらつき
が極めて小さくなっている。

実施例５ 第９表に示す化学成分を有する鋼を通常の方法で直径50
mmの圧延棒鋼とした。この棒鋼を第10表に示す条件で自
動車の推進軸の部品に鍛造した。得られた部品の硬さを
測定しその結果を第10表に示した。表からわかるごとく
本発明方法によると得られた非調質鍛造部品の機械的性
質のばらつきが極めて小さくなっている。

実施例６ 第11表に示す化学成分を有する鋼を通常の方法で直径80
mmの圧延棒鋼とした。この棒鋼を第１ ２表に示す条件で自動車の足回り部品に鍛造した。得ら
れた部品の硬さを測定しその結果を第12表に示した。表
からわかるごとく本発明方法によると得られた非調質鍛
造部品の機械的性質のばらつきが極めて小さくなってい
る。

［発明の効果］ 以上詳しく述べた如く本発明方法により、熱間鍛造後冷
却したままで用いる熱間鍛造非調質部品の機械的特性の
ばらつきを極めて小さくすることができ、非調質鋼化が
推進できる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で Ｃ：0.02〜0.15％，Ｓｉ：0.10〜1.00％，Ｍｎ：0.60〜
   3.00％，Ｃｒ：0.50〜3.00％，Ｔｉ0.010〜0.050％，
   Ｂ：0.0005〜0.0050％，Ａｌ：0.01〜0.05％，Ｎ：0.01
   20％以下 を含み残りは実質的に不可避の不純物とFeよりなる熱間
   鍛造用非調質棒鋼を1300℃以下の温度に加熱し熱間鍛造
   により機械部品の形状に加工を行いその後、水に発泡剤
   を添加して得られる含水量0.01〜60ｇ／100mlの泡の中
   で冷却することを特徴とする、ベーナイト組織を有す
   る、機械的特性のばらつきの小さい熱間鍛造非調質部品
   の製造方法。
2. 【請求項２】熱間鍛造用非調質棒鋼が、さらに0.50％以
   下のMo，2.0％以下のNi，0.30％以下のＶ又はNbを含む
   請求項(1)に記載の機械的特性のばらつきの小さい熱間
   鍛造非調質部品の製造方法。
3. 【請求項３】重量％で、 Ｃ：0.18〜0.55％，Ｓｉ：0.10〜2.00％，Ｍｎ：0.60〜
   2.00％，Ｃｒ：1.00％以下，Ｖ：0.03〜0.20％，Ｓ：0.
   01〜0.10％，Ｎ：0.0030〜0.020％，Ａｌ：0.01〜0.06
   ％， を含み残りは実質的に不可避の不純物とFeよりなる熱間
   鍛造用非調質棒鋼を1300℃以下の温度に加熱し熱間鍛造
   を行いその後、水に発泡剤を添加して得られる含水量0.
   01〜50ｇ／100mlの泡の中で冷却することを特徴とする
   フェライト・パーライト組織を有する機械的特性のばら
   つきの小さい熱間鍛造非調質部品の製造方法。
4. 【請求項４】熱間鍛造用非調質棒鋼が、さらに0.03〜0.
   20％Nb，0.005〜0.07％Ｔｉの一種又は二種を含む請求
   項(3)に記載の機械的特性のばらつきの小さい熱間鍛造
   非調質部品の製造方法。