JPH09176786A - 高強度・低延性非調質鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高い強度を有し、低延性で常温分割加工が可能
でその分割破面がフラットな脆性破面を呈する、コンロ
ッド用鋼として好適な鋼の提供。 【解決手段】Ｃ：０．２０〜１．２０％、Ｓｉ≦１．５
０％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｐ≦０．１５％、
Ｓ≦０．１０％、Ｃｕ≦０．２０％、Ｎｉ≦０．５０
％、Ｃｒ：０．０２〜２．００％、Ｍｏ≦０．５０％、
Ｖ≦０．５０％、Ｎｂ≦０．１７％、Ｔｉ≦０．２０
％、Ｂ≦０．０１００％、Ａｌ≦０．１００％、Ｎ≦
０．０３０％、Ｐｂ≦０．３０％、並びにＡｓ≦０．０
５％、Ｓｂ≦０．０５％及びＳｎ≦０．０５％のうちの
１種以上を総量で０．０３％以上含有し、残部はＦｅ及
び不可避不純物からなり、Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ
／５）＋（５Ｃｒ／２２）＋１．６５Ｖ−（５Ｓ／７）
−０．８≧０である高強度・低延性非調質鋼。なお式中
の元素記号は当該元素の重量％での含有量を表す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高強度・低延性非
調質鋼に関し、より詳しくは、高い強度が要求されるも
のの延性は必要とせず、むしろ常温での冷間分割加工が
可能でその破断面がフラットな脆性破面を呈し、自動車
エンジンのコネクティングロッドやコネクティングロッ
ドキャップ用鋼として好適な高強度・低延性非調質鋼に
関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車エンジンなどの部品である図１に
示すコネクティングロッド（通称コンロッド）本体１及
びコネクティングロッドキャプ（通称コンロッドキャッ
プ）２は、従来、別の工程で熱間鍛造された後で焼入れ
焼戻しの調質処理を施され、次いで、機械加工によるボ
ルト穴の加工と仕上げ整形加工を受け、その後でボルト
３によって形状の複雑なクランクシャフトに結合・組み
立てられていた。

【０００３】しかしながら、最近、厳しい経済情勢を反
映して、各種自動車部品の製造コスト低減の動きが活発
化しており、この動きはエンジン部品においても例外で
はなくなってきている。

【０００４】このため、前記のコネクティングロッド本
体１及びコネクティングロッドキャプ２に関しては、製
造コスト低減対策として、両者を熱間鍛造にて一体成形
しこれに焼入れ焼戻しの熱処理を施すか、あるいは熱間
鍛造後放冷し、その後でコネクティングロッド本体１及
びコネクティングロッドキャプ２に分割し、接合部（接
合面どうし）に対する仕上げ整形のための機械加工は施
すことなく、ボルト３でクランクシャフトに結合して組
み立てるという方法が検討されている。この方法では、
ボルト穴の加工は前記の一体成形材を分割する前あるい
は後に行う。

【０００５】上記の一体成形したコネクティングロッド
本体１及びコネクティングロッドキャプ２を分割する方
法としては、例えば治具を挿入することによって図１中
に矢印で示した方向に働く力を与えて分割する方法が考
えられる。この方法ではコネクティングロッド本体１及
びコネクティングロッドキャプ２に分割した分割面をフ
ラットにすることが極めて重要となる。

【０００６】しかしながら、従来使用されてきた鋼（Ｊ
ＩＳ規格のＳ４５ＣやＳ４８Ｃ相当鋼など）をそのまま
用いて熱間鍛造で一体成形し、その後常温でコネクティ
ングロッド本体１及びコネクティングロッドキャプ２に
分割すると、分割面がアメやガムを千切ったような所謂
「延性破断面」となってフラットな「脆性破面」が得ら
れず、機械加工による仕上げ整形加工を行わなければな
らないという問題がある。上記の分割を低温（例えば液
体窒素温度）で行えば脆性破壊が生じて容易にフラット
な脆性破面が得られるが、大量の製品が流れる実操業ラ
インにおいて低温状態とすることは技術的に容易ではな
く、更に設備を建設し維持する費用が嵩むため必ずしも
コスト低減には結びつかないといった問題がある。

【０００７】一方、熱間鍛造で一体成形した後の熱処理
はコストが嵩むため、熱処理を省略できる新しいタイプ
の鋼に対する要望も生じている。

【０００８】熱間圧延や熱間鍛造後に行う熱処理として
の調質処理を省略できる非調質鋼としては、例えば特開
平５−１９５１４０号公報に「非調質高強度鋼」が提案
されている。しかし、この公報に記載された非調質鋼
は、連続鋳造時にブルーム表面に生ずる割れを防止した
タイプの高強度非調質鋼である。そのため、上記の提案
鋼をコネクティングロッド本体１及びコネクティングロ
ッドキャプ２用鋼として用いた場合、所望の強度は得ら
れるものの、前記した一体成形した後でコネクティング
ロッド本体１及びコネクティングロッドキャプ２に常温
で分割する方法に対しては、延性が大き過ぎて脆性破面
が得られない。従って、機械加工による仕上げ整形加工
を行う必要がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記現状に
鑑みなされたもので、引張強度は従来鋼と同等以上であ
って、且つ熱間鍛造した一体成形材を前記したような方
法によって常温で分割した時の破面が、フラットな脆性
破面を呈する高強度・低延性非調質鋼の提供を課題とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の課題
を解決するため種々検討を重ねた結果、下記の知見を得
た。

【００１１】特定の化学組成を有する非調質鋼の常温
における破壊形態はＡｓ、Ｓｂ及びＳｎの含有量と相関
を有し、これらの１種以上の総量である下記ｆｎ１の値
が０．０３以上の場合に脆性破壊が促進される。なお、
ｆｎ１中の元素記号は当該元素の重量％での含有量を表
す。

【００１２】ｆｎ１＝Ａｓ＋Ｓｂ＋Ｓｎ 上記のｆｎ１≧０．０３を満たし、且つ常温引張試験
した時の鋼材の伸び値が１０％以下の場合に、熱間鍛造
した一体成形材の常温分割面はフラットな脆性破面とな
る。

【００１３】前記の特定の化学組成を有する非調質鋼
の場合、引張強度は下記ｆｎ２で整理でき、この値が０
以上の場合に８００ＭＰａ以上の引張強度が得られる。
ｆｎ２中の元素記号も当該元素の重量％での含有量を意
味する。

【００１４】ｆｎ２＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／
５）＋（５Ｃｒ／２２）＋１．６５Ｖ−（５Ｓ／７）−
０．８ 鋼の化学成分を厳密に制御した上で、上記のｆｎ１
≧０．０３と常温引張試験した時の鋼材の伸び値≦１０
％、並びにｆｎ２≧０の条件を満足できれば、常温で
の分割でフラットな脆性破面となり、且つ高強度が得ら
れるので、前記した新しいプロセスによって所望強度で
ある８００ＭＰａ以上の引張強度を有するコネクティン
グロッド本体１及びコネクティングロッドキャプ２を製
造することができる。

【００１５】上記知見に基づく本発明は、下記の高強度
・低延性非調質鋼を要旨とする。

【００１６】「重量％で、Ｃ：０．２０〜１．２０％、
Ｓｉ：１．５０％以下、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、
Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．１０％以下、Ｃｕ：０．
２０％以下、Ｎｉ：０．５０％以下、Ｃｒ：０．０２〜
２．００％、Ｍｏ：０．５０％以下、Ｖ：０．５０％以
下、Ｎｂ：０．１７％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、
Ｂ：０．０１００％以下、Ａｌ：０．１００％以下、
Ｎ：０．０３０％以下、Ｐｂ：０．３０％以下、並びに
Ａｓ：０．０５％以下、Ｓｂ：０．０５％以下及びＳ
ｎ：０．０５％以下のうちの１種以上を総量で０．０３
％以上含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、
且つ前記したｆｎ２≧０であることを特徴とする高強度
・低延性非調質鋼。」

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明における鋼の化学
組成を上記のように限定する理由について説明する。な
お、「％」は「重量％」を意味する。

【００１８】Ｃ：Ｃは鋼に所望の静的強度を付与するの
に必要な元素であるが、反面熱間での変形抵抗を高め、
又、熱間加工性を低下させる元素でもある。最低限の静
的強度（引張強度で８００ＭＰａ以上）を得るには、
０．２０％以上が必要である。一方、１．２０％を超え
て含有させると、熱間での変形抵抗が大きくなって大き
な加工設備を必要とするし、更に鋼の熱間加工性が低下
して、熱間での加工時に割れを生じ易くなる。従って、
Ｃの含有量を、０．２０〜１．２０％とした。なお、Ｃ
の含有量は０．３０〜１．１０％とすることが好まし
い。

【００１９】Ｓｉ：Ｓｉは添加しなくても良い。添加す
れば鋼の脱酸を促進するとともに、焼入れ性を向上させ
る作用も有する。これらの効果を確実に得るには、Ｓｉ
は０．０５％以上の含有量とすることが好ましい。しか
し、その含有量が１．５０％を超えると熱間加工性が極
めて低下し、熱間での加工時に割れを生じ易くなる。従
って、Ｓｉの含有量を１．５０％以下とした。なお、一
層の安定した熱間加工性を確保するために、Ｓｉ含有量
の上限を１．００％とすることが好ましい。

【００２０】Ｍｎ：Ｍｎは脱酸に必要であるとともに、
焼入れ性を高めて静的強度を向上させる作用がある。し
かし、その含有量が０．３０％未満では所望の効果が得
られず、２．００％を超えると熱間加工性が劣化するよ
うになるので、その含有量を０．３０〜２．００％とし
た。

【００２１】Ｐ：Ｐは添加しなくても良い。添加すれば
粒界脆化を引き起こし延性を低下させる作用があるの
で、前記したような常温での分割方法でフラットな脆性
破面を得るのに有効である。この効果を確実に得るに
は、Ｐは０．００５％以上の含有量とすることが好まし
い。しかし、その含有量が０．１５％を超えると熱間加
工性が著しく劣化する。従って、Ｐの含有量は０．１５
％以下とした。なお、安定した熱間加工性確保のため
に、Ｐの含有量を０．１０％以下とすることがより好ま
しい。

【００２２】Ｓ：Ｓも添加しなくても良い。添加すれば
粒界脆化を引き起こし延性を低下させる作用があるの
で、Ｐと同様に前記したような常温での分割方法でフラ
ットな脆性破面を得るのに有効である。又、Ｓにはボル
ト穴加工時の切削性を向上させる作用がある。これらの
効果を確実に得るには、Ｓは０．００５％以上の含有量
とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．１０
％を超えると熱間加工性が著しく劣化する。従って、Ｓ
含有量の上限を０．１０％とした。

【００２３】Ｃｕ：Ｃｕは添加しなくても良い。添加す
れば焼入れ性を高めて静的強度を向上させる効果を有す
る。この効果を確実に得るには、Ｃｕは０．０１％以上
の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が
０．２０％を超えると熱間加工性の劣化をもたらし、熱
間圧延時や熱間鍛造時に割れの発生を招く。従って、Ｃ
ｕの含有量は０．２０％以下とした。

【００２４】Ｎｉ：Ｎｉは添加しなくても良い。添加す
れば焼入れ性を高めて静的強度を向上させる効果を有す
る。この効果を確実に得るには、Ｎｉは０．０１％以上
の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が
０．５０％を超えると延性と靭性の増加をきたして、フ
ラットな脆性破面が得られなくなる。従って、Ｎｉの含
有量を０．５０％以下とした。

【００２５】Ｃｒ：Ｃｒは焼入れ性を向上させて静的強
度を高める効果がある。しかし、その含有量が０．０２
％未満では所望の効果が得られず、２．００％を超えて
含有してもその効果は飽和し、コストのみが上昇し経済
性を損うことになるので、その含有量を０．０２〜２．
００％とした。なお、Ｃｒ含有量は０．１０％以上とす
ることが好ましい。

【００２６】Ｍｏ：Ｍｏは添加しなくても良い。添加す
れば焼入れ性を高めて強度を向上させる効果を有する。
この効果を確実に得るには、Ｍｏは０．０１％以上の含
有量とすることが好ましい。しかし、０．５０％を超え
て含有させても前記の効果は飽和し、コストのみが上昇
して経済性を損うことになる。従って、Ｍｏの含有量を
０．５０％以下とした。なお、Ｍｏ含有量は０．０５％
以上とすることがより好ましい。

【００２７】Ｖ：Ｖも添加しなくても良い。添加すれば
強度を高める効果を有する。この効果を確実に得るに
は、Ｖは０．００５％以上の含有量とすることが好まし
い。しかし、０．５０％を超えて含有させても前記の効
果は飽和し、コストのみが上昇し経済性を損うことにな
るし、熱間加工性の劣化を招く場合もある。従って、Ｖ
の含有量を０．５０％以下とした。

【００２８】Ｎｂ：Ｎｂは添加しなくても良い。添加す
れば強度を高める効果を有する。この効果を確実に得る
には、Ｎｂは０．００３％以上の含有量とすることが好
ましい。しかし、０．１７％を超えて含有させても前記
の効果は飽和し、コストのみが上昇し経済性を損うこと
になる。更に、熱間加工性の劣化を招くこととなる。従
って、Ｎｂの含有量を０．１７％以下とした。なお、一
層の安定した熱間加工性の確保のためには、Ｎｂの含有
量は０．１０％以下とすることが好ましい。

【００２９】Ｔｉ：Ｔｉも添加しなくても良い。添加す
れば強度を高める効果を有する。この効果を確実に得る
には、Ｔｉは０．００５％以上の含有量とすることが好
ましい。しかし、０．２０％を超えて含有させても前記
の効果は飽和しコストのみが上昇して経済性を損うばか
りか、熱間加工性の劣化を招くようにもなる。従って、
Ｔｉの含有量を０．２０％以下とした。

【００３０】Ｂ：Ｂは添加しなくても良い。添加すれば
焼入れ性を向上させて強度を高める効果がある。この効
果を確実に得るには、Ｂは０．０００３％以上の含有量
とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．０１
００％を超えると、焼入れ性向上効果が飽和するばかり
か、熱間加工性が著しく劣化するようになる。従って、
Ｂの含有量を０．０１００％以下とした。

【００３１】Ａｌ：Ａｌは添加しなくても良い。添加す
れば鋼の脱酸の安定化及び均質化を図るとともに、窒化
物を生成して結晶粒を微細化し、強度を高める作用を有
する。これらの効果を確実に得るには、Ａｌは０．００
５％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、０．
１００％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コ
ストのみが上昇し経済性を損うことになるし、熱間加工
性の劣化を招く場合もある。

【００３２】従って、Ａｌの含有量を０．１００％以下
とした。

【００３３】Ｎ：Ｎは含有させなくても良い。含有させ
れば窒化物や炭窒化物を生成して結晶粒を微細化し、強
度を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、
Ｎは０．００３０％以上の含有量とすることが望まし
い。しかし、一般に、鋼の溶製においてＮを０．０３０
％を超えて含有させるには特殊な原料、設備や技術を必
要とするので、コストが嵩み経済性を損うことになる
し、熱間加工性の劣化を招く場合もある。従って、Ｎの
含有量を０．０３０％以下とした。

【００３４】Ｐｂ：Ｐｂは含有させなくても良い。含有
させればボルト穴加工時の切削性を向上させる効果を有
する。この効果を確実に得るには、Ｐｂは０．０１％以
上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｐｂを０．
３０％を超えて含有させると熱間加工性が劣化して熱間
圧延時や熱間鍛造時に割れの発生を招く。従って、Ｐｂ
の含有量を０．３０％以下とした。

【００３５】Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｎ：Ａｓ、Ｓｂ及びＳｎは
本発明において重要な元素である。すなわちこれらの元
素は、０．２０％以上のＣ、０．３０％以上のＭｎ及び
０．０２％以上のＣｒを含有する非調質鋼の常温におけ
る脆性破壊を促進する作用を有する。この効果を得るた
めには、Ａｓ、Ｓｂ及びＳｎの３元素の総量であるｆｎ
１の値が０．０３％以上であることを必要とする。従っ
て、Ａｓ、Ｓｂ及びＳｎのうち２元素は０であっても良
い（添加しなくても良い）が、少なくとも１種は添加す
る必要がある。一方、Ａｓ、Ｓｂ及びＳｎの含有量がそ
れぞれ０．０５％を超えると熱間加工性が著しく劣化す
る。従って、Ａｓ、Ｓｂ及びＳｎの各々の含有量を０．
０５％以下とした。

【００３６】ｆｎ１：既に述べたように、０．２０％以
上のＣ、０．３０％以上のＭｎ及び０．０２％以上のＣ
ｒを含有する非調質鋼の常温における破壊形態はＡｓ、
Ｓｂ及びＳｎの含有量と相関を有し、これらの１種以上
の総量である前記ｆｎ１の値が０．０３以上の場合に脆
性破壊が促進される。そしてｆｎ１≧０．０３、且つ常
温引張試験した時の鋼材の伸び値が１０％以下の場合
に、熱間鍛造した一体成形材の常温分割破面がフラット
な脆性破面となって、前記したような新しいプロセスに
よって、所望強度である８００ＭＰａ以上の引張強度を
有するコネクティングロッド本体及びコネクティングロ
ッドキャプを製造することができる。従って、ｆｎ１≧
０．０３とする。この値の上限は特に制限されるもので
はなく、ｆｎ１を構成する元素であるＡｓ、Ｓｂ及びＳ
ｎの含有量の上限値の和である０．１５であっても良
い。

【００３７】ｆｎ２：鋼の化学成分を厳密に制御し、且
つ前記ｆｎ２の値を０以上とした場合に始めて、コネク
ティングロッド本体及びコネクティングロッドキャプと
して必要な８００ＭＰａ以上の引張強度を非調質鋼に付
与できる。従って、ｆｎ２≧０とする。この値の上限に
は特に制限はなく、ｆｎ２から求められる最大値（２．
２３に近い値）であっても良い。

【００３８】上記の化学組成を有する鋼は通常の方法で
溶製された後、例えば、通常の方法による熱間での圧延
及び鍛造によって、コネクティングロッド本体１とコネ
クティングロッドキャプ２がつながった一体物に成形さ
れた後、ボルト穴加工を施される。その後、コネクティ
ングロッド本体１及びコネクティングロッドキャプ２に
前記したような方法によって常温で分割され、ボルト３
でクランクシャフトに結合されて組み立てられる。

【００３９】

【実施例】表１、２に示す化学組成を有する鋼を通常の
方法により試験炉を用いて真空溶製した。表１における
鋼１〜１５は本発明鋼であり、表２における鋼１６〜２
８は成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲か
ら外れた比較鋼である。

【００４０】次いで、これらの本発明鋼及び比較鋼を通
常の方法によって鋼片となした後、１２５０℃に加熱し
てから１２００〜９５０℃の温度で直径３０ｍｍの丸棒
に熱間鍛造し、その後常温まで空冷した。

【００４１】こうして得られた熱間鍛造ままの丸棒から
ＪＩＳ４号試験片を切り出し、常温で引張試験を行っ
た。更に、常温引張試験後の破面の状態を走査型電子顕
微鏡（ＳＥＭ）で観察した。

【００４２】なお、３０ｍｍに熱間鍛造した丸棒の表面
は目視で観察して鍛造割れの有無を確認した。

【００４３】常温引張試験結果、破面観察結果及び鍛造
割れ確認結果を表３に示す。

【００４４】本発明鋼である鋼１〜１５にあっては、い
ずれも鍛造割れを生ずることもなく、所望の８００ＭＰ
ａ以上の引張強度と１０％以下の伸びとが得られてお
り、常温引張試験後の破面はすべてフラットな脆性破面
であった。

【００４５】これに対して、成分のいずれかが本発明で
規定する含有量の範囲から外れた比較鋼のうち、Ｃ量と
ｆｎ２、Ｍｎ量、ｆｎ２がそれぞれ規定値から低目に外
れた鋼１６、１９と２８では引張強度が８００ＭＰａに
達していない。

【００４６】又、Ｃ量、Ｓｉ量、Ｍｎ量、Ｐ量、Ｔｉ
量、Ｎｂ量、Ｖ量及びＢ量がそれぞれ規定値に対して高
目に外れた鋼１７、１８、２０、２１、２２、２３、２
４及び２５には熱間での鍛造割れが認められた。

【００４７】鋼２６と２７においては前記ｆｎ１の値が
０を超えており、更に、常温伸びが１０％を超えるた
め、常温引張試験後の破面はすべて延性破面であった。

【００４８】次いで、前記の表１に記載した本発明鋼で
ある鋼１、５、１０、及び１５を素材として通常の熱間
鍛造法によって、コネクティングロッド本体１とコネク
ティングロッドキャプ２がつながった一体物を各々２０
体ずつ熱間成形した。次いで、前記した方法によって常
温でコネクティングロッド本体１及びコネクティングロ
ッドキャプ２への分割テストを行った。この結果、各鋼
とも２０体すべてにフラットな脆性破面が得られ、機械
加工による仕上げ整形なしで使用できることが分かっ
た。

【００４９】

【表１】

【００５０】

【表２】

【００５１】

【表３】

【００５２】

【発明の効果】本発明による高強度・低延性非調質鋼を
用いれば、コネクティングロッド本体及びコネクティン
グロッドキャプをコストの低い新プロセスで製造するこ
とが可能で、産業上の効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】コネクティングロッドの詳細を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．２０〜１．２０％、Ｓ
   ｉ：１．５０％以下、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、
   Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．１０％以下、Ｃｕ：０．
   ２０％以下、Ｎｉ：０．５０％以下、Ｃｒ：０．０２〜
   ２．００％、Ｍｏ：０．５０％以下、Ｖ：０．５０％以
   下、Ｎｂ：０．１７％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、
   Ｂ：０．０１００％以下、Ａｌ：０．１００％以下、
   Ｎ：０．０３０％以下、Ｐｂ：０．３０％以下、Ａｓ：
   ０．０５％以下、Ｓｂ：０．０５％以下、Ｓｎ：０．０
   ５％以下を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からな
   り、且つｆｎ１≧０．０３及びｆｎ２≧０であることを
   特徴とする高強度・低延性非調質鋼。但し、ｆｎ１＝Ａ
   ｓ＋Ｓｂ＋Ｓｎ、ｆｎ２＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ
   ／５）＋（５Ｃｒ／２２）＋１．６５Ｖ−（５Ｓ／７）
   −０．８、なお、式中の元素記号は当該元素の重量％で
   の含有量を表す。