JPH07188858A - 冷間鍛造用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 自動車用の駆動系部品などを冷間鍛造により
提供するものである。 【構成】 Ｃ：０．２５〜０．３９％、Ｓｉ：０．０３
〜０．１０％、Ｍｎ：０．６０〜１．００％、Ｎｉ：
０．０５％以下、Ｃｒ：０．３０％以下、Ｍｏ：０．０
３％以下、Ｃｕ：０．０５％以下、Ａｌ：０．０１０〜
０．０３０％、Ｔｉ：０．０１０〜０．０５０％、Ｂ：
０．０００３〜０．００５０％、Ｎ：０．００５０〜
０．０１００％、Ｏ：０．００１５％以下、Ｐ：０．０
２０％以下、Ｓ：０．００５〜０．０２０％、残部Ｆｅ
よりなる鋼で、熱間圧延終了後０．７℃／秒以下の冷却
速度で冷却し、そのままもしくは焼ならし処理したまま
で冷間鍛造するもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車用の駆動系部品
などを冷間鍛造により提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車用の駆動力伝達部品であるシャフ
トやヨークは、価格、強度の面からＳ４０Ｃ〜Ｓ４５Ｃ
のような中炭素鋼を素材として熱間鍛造により成形さ
れ、その後必要な機械的強度を得るため、焼入れ、焼戻
し処理され、さらに切削等の機械加工がなされて製造さ
れている。あるいは、前記の中炭素鋼を球状化焼鈍処理
のような軟化熱処理を施した後、冷間又は温間鍛造によ
り成形した後、焼入れ、焼戻し処理、仕上加工を経て製
造される。しかるに近年これらの機械部品は製造コスト
の低減を目的とした省エネルギ、省工程を達成するため
に、熱間鍛造の省略と機械加工代の軽減から、冷間鍛造
化が図られている。しかしながら、従来素材として使用
されてきた中炭素鋼は、冷間鍛造を実施するには、その
前処理としての球状化焼鈍の如き軟化熱処理が余儀なく
されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は熱間
圧延ままもしくは焼きならし処理ままで冷間鍛造を施す
ことができるように、鋼の化学成分と冷間鍛造性との関
係について調査研究を行い、冷間鍛造性を損なわずに、
従来鋼の強度を確保するための化学成分範囲を研究し
た。加えて、高周波焼入処理による表面硬化にも適する
よう化学成分の硬化層深さ並びに表面硬度への影響につ
いて研究し、もって、球状化処理の如き軟化熱処理を要
せずに冷間鍛造によって加工し、優れた加工材を得よう
とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、重量％で、
Ｃ：０．２５〜０．３９％、Ｓｉ：０．０３〜０．１０
％、Ｍｎ：０．６０〜１．００％、Ｎｉ：０．０５％以
下、Ｃｒ：０．３０％以下、Ｍｏ：０．０３％以下、Ｃ
ｕ：０．０５％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０３０
％、Ｔｉ：０．０１０〜０．０５０％、Ｂ：０．０００
３〜０．００５０％、Ｎ：０．００５０〜０．０１００
％、Ｏ：０．００１５％以下、Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．００５〜０．０２０％を含有し、残部がＦｅお
よび不可避的不純物元素よりなることを特徴とする冷間
鍛造用鋼および上記組成の鋼を素材とし、熱間圧延終了
後０．７℃／秒以下の冷却速度で冷却し、そのままもし
くは焼ならし処理したままで冷間鍛造してなることを特
徴とする冷間鍛造用鋼である。本発明者らは、熱間圧延
ままもしくは焼きならし処理ままで冷間鍛造を施すこと
ができるように鋼の化学成分と冷間鍛造性とについて調
査を行い、冷間鍛造性を損なわずに、従来鋼の強度を確
保するための化学成分範囲を研究した。加えて、高周波
焼入処理による表面硬化にも適するよう化学成分の硬化
層深さ並びに表面硬度への影響について研究を行った。

【０００５】まず、本発明鋼並びに現用鋼であるＳ４３
Ｃを用い「８７０℃×１時間保持後冷却」の条件での焼
きならし処理（Ｓ４３Ｃ−Ｎ）並びに「７６０℃×２０
時間保持後１０℃／ｈで冷却」の条件で球状化焼鈍処理
（Ｓ４３Ｃ−ＳＡ）を行った比較鋼を、図１に示す冷間
圧縮試験片に機械加工し、種々の圧縮率で圧縮変形させ
た時の変形率５０％と６０％の変形に要する荷重と化学
成分との関係を試験した。結果を表１に示す。

【０００６】

【表１】

【０００７】表２は高周波焼入性と化学成分の関係を求
めるために実施した試験結果を示したものである。すな
わち、種々の化学成分を有する供試材を「８７０℃×１
時間保持後空冷」の条件で焼ならし処理を実施した後、
図２に示す試験片を作製し、下記条件で高周波焼入を実
施した。 形式：真空管、能力：１５０ＫＷ、周波数：２５ＫＨ
ｚ、電圧：９．７ＫＶ、電流：７．０Ａ、コイル径：３
５ｍｍφ、送り送度：８．４ｍｍ／Ｓ。 その後、硬度測定を行い、表面硬度、硬化層（Ｈｖ４５
０までの表面からの距離）を求めた結果を示している。
これらの結果より、６０％の冷間圧縮率と化学成分との
関係における化学成分元素の冷間鍛造性を阻害する程度
は、Ｃ＞Ｍｎ＞Ｓｉ＞Ｃｒ＞Ｎｉ＞Ｍｏの順であること
が判り、一方、高周波焼入性についてはＭｏ＞Ｍｎ＞Ｃ
ｒ＞Ｓｉ＞Ｃの順で硬化層深さの増加に寄与することが
明らかになった。

【０００８】

【表２】

【０００９】そこで、これらの研究結果をもとに、冷間
鍛造性についてはＣ，Ｓｉの含有量を抑制すること並び
にＮｉ，Ｃｕ，Ｍｏの含有量をできるだけ低くするこ
と、そして高周波焼入性についてはＭｏはコスト上昇要
因となることと、先のとおり冷間鍛造性を悪くすること
から、コスト的に低廉な元素であるＭｎ，Ｃｒ，Ｂにて
確保することを目的として化学成分範囲を前述のように
規定した。そして、かかる鋼は熱間圧延終了後、０．７
℃／秒以下の冷却速度で冷却し、そのままもしくは焼な
らし処理したままで冷間鍛造をすることが可能である。

【００１０】本発明の成分限定の理由は下記のとおりで
ある。 Ｃ：Ｃは焼入れ、焼戻し処理後の強度を確保する上から
必須の元素であり、本発明鋼を適用しようとする対象部
品においては高周波焼入処理による表面硬度の確保を考
慮すると最低でも０．２５％が必要である。しかし、多
量の添加は冷間鍛造性を阻害することから好ましくな
い。よって、Ｃの上限は０．３９％とする。

【００１１】Ｓｉ：Ｓｉは通常、製鋼時に脱酸材として
必要な元素であり、充分なる脱酸を実施するためには少
なくとも０．０３％は必要である。しかしＳｉも多量に
添加すると冷間鍛造性を阻害することから、上限を０．
１０％とする。 Ｍｎ：Ｍｎも通常、製鋼時に脱酸材として必要な元素で
あり、かつ焼入れ、焼戻し処理後の焼入性を確保する上
で必須の元素である。加えて高周波焼入処理時の硬化層
深さの確保には必須の元素である。したがって、０．６
０％未満ではこの効果が期待できないので０．６０％を
下限とする。一方、多量の添加冷間鍛造性を阻害すると
共に、仕上加工時の切削性を低下させる。そこで上限を
１．００％とする。

【００１２】Ｃｒ：Ｃｒは焼入性を向上させる元素であ
り、同時に熱間圧延まま、もしくは焼きならし処理まま
の芯部の硬度を高める元素でもある。したがって必要に
応じて焼入性を調整する目的で使用することはあるが、
多量に添加された場合には冷間鍛造性を阻害するため
０．３０％を上限とする。 Ｎｉ：Ｎｉも焼入性を向上させる元素であるが、多量の
添加は熱間圧延まま、若しくは焼きならし処理ままの芯
部の硬度を高める元素であり、冷間鍛造性を阻害するた
め上限を０．０５％とする。

【００１３】Ｍｏ：Ｍｏも焼入性を向上させる元素であ
るが、多量の添加は熱間圧延まま、若しくは焼きならし
処理ままの芯部の硬度を高める元素であり、冷間鍛造性
を阻害するため上限を０．０３％とする。 Ｃｕ：Ｃｕは不可避的不純物元素ではあるが、多量の含
有は熱間圧延まま、若しくは焼きならし処理ままの芯部
の硬度を高める元素であり、冷間鍛造性を阻害すること
から上限を０．０５％とする。

【００１４】Ａｌ：Ａｌは製鋼時、脱酸材として必須の
元素であると共にＮと共にＡｌＮを生成し鋼のオーステ
ナイト結晶粒度を細粒化させる。そのためには、０．０
１０％以上の含有量は必要である。したがって、下限を
０．０１０％とする。一方、多量の添加は溶鋼時に大気
中の酸素と結合し、酸化物系の非金属介在物の量を増し
これが起点となり冷間鍛造時に割れの発生を助長する。
したがって、０．０３０％を上限とする。

【００１５】Ｔｉ：ＴｉはＡｌと同様にＮと結合しＢの
焼入性を向上させる元素である。しかし、０．０１０％
ではその効果は少ない、反面、０．０５０％を越えて添
加された場合には大形のＴｉＮ介在物が形成され冷間鍛
造時の割れの起点となる。そこで、０．０５０％とす
る。 Ｂ：Ｂは微量の添加で焼入性を向上させる元素であり、
０．０００３％未満ではその効果は発揮されないので
０．０００３％を下限とする。しかし過剰なる添加は鋼
材の強靭性を低下させるので０．００５０％を上限とす
る。

【００１６】Ｎ：ＮはＢの焼入性に対する効果を充分に
発揮させるためには可能な限り低い方が好ましい。した
がって、上限を０．０１００％とする。一方、Ａｌと結
合させＡｌＮの析出物によるオーステナイト結晶粒の微
細化を達成させるためには少なくとも０．００５０％必
要であることから、これを下限とする。 Ｏ：Ｏは酸化物介在物を形成し、冷間鍛造時に割れの起
点となることから極力低減されることが望ましい、した
がって上限を０．００１５％とする。

【００１７】Ｐ：Ｐはオーステナイト結晶粒界に濃化し
焼入れ時の割れ発生を助長する。したがって、可能な限
り低減されることが望ましく上限を０．０２０％とす
る。 Ｓ：Ｓは冷間鍛造性を阻害する元素であることから上限
を０．０２０％とする。しかし、低く過ぎると切削性を
阻害することから下限を０．００５％とする。又、冷間
鍛造において熱間圧延終了後の冷却速度を０．７℃／秒
以下とするのは、これを越える冷却速度では素材が硬く
なり冷間鍛造性を阻害するからである。

【００１８】

【実施例】本発明鋼並びに従来鋼の中炭素鋼（Ｓ４３
Ｃ）を比較鋼としたものをそれぞれ特性評価を試験した
例を以下に示す。表３に示す化学成分の発明鋼を２．１
ｔ鋼塊で溶製し、ビレット圧延した後２５ｍｍ丸へ熱間
圧延し、さらに８７０℃×１時間保持後空冷の焼ならし
処理を実施した。そして、従来鋼のＳ４３Ｃ−ＮとＳ４
３Ｃ−ＳＡは表１と同一材料である。これを母材とし
て、図１並びに図２に示した試験片を作製し、冷間圧縮
変形試験と高周波焼入特性確認試験を実施した。結果を
表３に併記する。

【００１９】

【表３】

【００２０】この結果から明らかなように、本発明鋼は
従来鋼であるＳ４３Ｃの焼ならし処理材ばかりでなく球
状化焼鈍材よりも冷間加工性に優れていることが確認さ
れた。加えて、高周波焼入性についても、硬化層深さ
（Ｈｖ４５０の硬さの深さ）も従来鋼より深く、又、表
面硬さについても、通常高周波焼入れで要求される最低
硬さＨＲＣ５０（Ｈｖ５１０）に対して高い値となって
おり、充分な特性を有することが確認された。このよう
な特性を有する本発明鋼を使用して図３に示す試験片を
作製し、高周波焼入後ねじり疲労試験を実施した。結果
を図４に示したが、従来鋼Ｓ４３Ｃのレベルに対して勝
るとも劣らない疲労特性が確認された。

【００２１】

【発明の効果】本発明鋼は、従来熱間鍛造で母材が成形
された後、機械加工により仕上げ成形が施され、さらに
表面を高周波焼入れされて使用される中炭素高強度部品
類において、前熱処理として長時間を要する球状化焼鈍
処理をせずに冷間鍛造で成形することが可能となった。
したがって、従来に比して、作業性の改善、生産性の向
上、コストの低減に多大な貢献をする。

【図面の簡単な説明】

【図１】冷間圧縮試験片の説明図である。

【図２】高周波焼入特性試験片の説明図である。

【図３】ねじり疲労試験片の説明図である。

【図４】ねじり疲労試験結果を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 城井 幸保 愛知県岡崎市橋目町字中新切１番地 三菱 自動車工業株式会社乗用車開発本部内 (72)発明者 谷口 庸一 愛知県岡崎市橋目町字中新切１番地 三菱 自動車工業株式会社乗用車開発本部内 (72)発明者 加藤 欽也 愛知県岡崎市橋目町字中新切１番地 三菱 自動車工業株式会社乗用車開発本部内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃ：０．２５〜０．３９％、
   Ｓｉ：０．０３〜０．１０％、Ｍｎ：０．６０〜１．０
   ０％、Ｎｉ：０．０５％以下、Ｃｒ：０．３０％以下、
   Ｍｏ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．０５％以下、Ａｌ：
   ０．０１０〜０．０３０％、Ｔｉ：０．０１０〜０．０
   ５０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％、Ｎ：０．
   ００５０〜０．０１００％、Ｏ：０．００１５％以下、
   Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００５〜０．０２０％
   を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物元素よりな
   ることを特徴とする冷間鍛造用鋼。
2. 【請求項２】 請求項１記載の組成の鋼を素材とし、熱
   間圧延終了後０．７℃／秒以下の冷却速度で冷却し、そ
   のままもしくは焼ならし処理したままで冷間鍛造してな
   ることを特徴とする冷間鍛造用鋼。