機械部品の製造方法
【課題】軟質の鋼材を用いても、製品の強度を十分に確保することができ、前記変形抵抗と部品強度との両立を図れる、冷間鍛造を用いた機械部品の製造方法を提供する。
【解決手段】Ｃ含有量を０．０６質量％以下の極低炭素領域に下げた軟質の機械構造用鋼を冷間鍛造して機械部品を製造するに際し、前記機械部品の部分的な高強度化領域に対応する素材機械構造用鋼における部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を高強度化のために必要な量に予め高めた上で、この部分的な高強度化領域に対して２００℃以下の雰囲気温度で塑性ひずみを付与する冷間鍛造を行い、前記機械部品の部分的な高強度化領域の強度を高めるとともに、前記機械部品形状とする。
【解決手段】Ｃ含有量を０．０６質量％以下の極低炭素領域に下げた軟質の機械構造用鋼を冷間鍛造して機械部品を製造するに際し、前記機械部品の部分的な高強度化領域に対応する素材機械構造用鋼における部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を高強度化のために必要な量に予め高めた上で、この部分的な高強度化領域に対して２００℃以下の雰囲気温度で塑性ひずみを付与する冷間鍛造を行い、前記機械部品の部分的な高強度化領域の強度を高めるとともに、前記機械部品形状とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械構造用鋼を冷間鍛造して機械部品を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車等の車両に用いられている機械部品は、一般的に、機械構造用炭素鋼材や機械構造用低合金鋼材を熱間鍛造および切削加工することによって製造されている。これらの機械部品としては、コンロッド、クランクシャフト、等速ジョイント、トランスミッションギア、大型ねじ（ネジ）、歯車、プーリー、ボルト・ナット、ピニオンギヤ、ステアリングシャフト、バルブリフター、コモンレール、トーションバー等が例示される。
【０００３】
ただ、近年では、前記機械部品の製造において、生産性の向上や地球環境の問題から、前記熱間鍛造工程から冷間鍛造工程による製造への切り替えが指向されている。すなわち、大きな熱量を必要とする熱間鍛造から冷間鍛造への切り替えで、機械部品製造工程における炭酸ガス排出量の削減をすることができる。また、冷間鍛造によって加工した成形品の寸法精度は高いので、最終の部品形状に仕上げるための切削加工工程での切削代を少なくする、あるいは切削加工工程を省略でき、生産性の向上や製造コストの低減を図ることができる。
【０００４】
しかしながら、熱間鍛造によって製造していたコンロッドや大型ねじなどの機械部品を、冷間鍛造に切り替えて製造する場合、熱間鍛造に比べて冷間鍛造は変形抵抗が高い。このため、球状化焼鈍、強化に寄与する合金元素の低減によって変形抵抗を低減し、変形能を向上させる必要がある。ただし、通常の冷間鍛造用鋼では、変形抵抗に応じた部品強度しか得られないため、冷間鍛造後に焼入れ焼戻し、時効処理を施し、必要とされる部品強度を得ている。
【０００５】
一方、冷間鍛造ままで必要とされる部品強度を得るためには、ある程度変形抵抗の高い鋼材を用いる必要があるが、そのような鋼材は加工性が劣るため、金型寿命を大きく低減させたり、冷間鍛造中の機械部品に割れが生じやすくなる懸念があった。
【０００６】
つまり、変形抵抗と部品強度は相反する関係にあり、従来技術で変形抵抗と部品強度を両立させるためには、熱処理など工程を追加する必要があった。このため、機械部品の最終形状（仕上げ形状）の完成までに、冷間鍛造と軟化のための熱処理を複数回繰返す必要があるので、却って、製造工程が多くなったり、処理時間が増加する。この結果、冷間鍛造による機械部品の製造が、必ずしも前記生産性の向上やコスト低減、あるいは製造工程における炭酸ガス排出量の削減に結びついてはいなかった。
【０００７】
これに対して、従来から、冷間鍛造用鋼の鋼成分や鋼組織を制御して、冷間鍛造性を高めた鋼が種々提案されている。例えば、代表的には、素材鋼材の、特にＳとＯ（酸素）の含有量などを制限し、また、鋼材に存在する、特定組成あるいは粗大な介在物あるいは非金属介在物を制限したり、ＭｎＳなどの形状を制御することが提案されている。また、冷間鍛造用鋼のフェライト・パーライト組織におけるセメンタイトの量を規制することなども提案されている。
【０００８】
しかしながら、これら従来の冷間鍛造用鋼の冷間鍛造性向上技術は、必要とされる部品強度を得るために、通常汎用される、０．３質量％以下で０．１質量％以上のＣ（炭素）を含む低炭素鋼あるいは０．３〜０．７質量％のＣを含む中炭素鋼を対象としている。このため、冷間鍛造性を向上し得たとしても、前記熱間鍛造並の低い変形抵抗、高い加工性を得ることはやはり困難である。
【０００９】
鋼の変形抵抗を低下させ、変形能を向上させるためには、Ｃ（炭素）、Ｓｉ、Ｍｎなどの添加元素を低下させればよいことが知られている。しかしながら、単純に添加元素を低減し、変形抵抗を低下させると、工具の寿命は改善できるものの、冷間鍛造後に必要な部品強度が得られないという問題が生じる。そのため、従来、鋼を所定形状に冷間鍛造した後は、所定の硬度を確保するために焼入れ焼戻し処理などの熱処理が施されていた。
【００１０】
しかしながら、部品加工後に熱処理を施すと、部品寸法が変化してしまうため、更に部品加工を行わなければならない。生産性向上や省エネルギーのためには、所定の硬度を確保すると同時に、冷間鍛造後の熱処理やその後の加工を省略できるような解決策が望まれている。
【００１１】
このような背景の下、固溶Ｎ（固溶窒素）か窒化化合物（窒化物、Ｎ化合物）かの窒素の存在状態によって、冷間鍛造性（変形抵抗および変形能）と冷間鍛造後の強度とを両立させる試みが従来からなされてきた。
【００１２】
特許文献１は、冷間鍛造加工中の変形抵抗の増大を抑制するために、フェライト粒内に微細な窒化化合物を析出させ、これを核としてセメンタイトなどの炭化物を析出させることについて開示している。これより、固溶Ｎおよび固溶炭素を窒化化合物および炭化物として固定化し、加工中の動的ひずみ時効を抑制することによって、変形抵抗の増大を抑制することを開示している。
【００１３】
特許文献２は、Ｎおよび固溶Ａｌ量を制御してＮをＡｌＮとして固定し、さらに時効処理により炭素を炭化物として析出させることによって、炭素および窒素による時効硬化を抑制することを開示している。
【００１４】
上記の特許文献１及び２の方法では、動的ひずみ時効を抑制し、変形抵抗の増加を抑制するために、フェライト粒内に固溶Ｎおよび固溶炭素を窒化化合物および炭化物として固定化している。固溶Ｎおよび固溶炭素を固定化するためには、Ａｌを添加する必要がある。実施例のようにＡｌが０．０３９〜０．０４５％あれば、窒素量が０．０１５％であっても、固溶Ｎは殆ど存在しないものと考えられる。
【００１５】
特許文献３は、Ｃｒ添加による固溶軟化による鋼材の硬さの低下とＡｌ添加による固溶Ｎの固定化で、冷間加工時の変形抵抗を低減する方法が開示されている。しかしながら、当該方法でもＡｌを添加することで固溶Ｎが固定化されているために、上記の特許文献１及び２と同様に固溶Ｎは殆ど存在しないと考えられる。
【００１６】
冷間加工後の冷間加工部品では、所定の硬度を確保するために硬化熱処理、例えば焼入れ焼戻しが行われることがあるが、上述したように、生産性向上および省エネルギーの観点から、焼入れ焼戻しを省略することが求められている。例えば、特許文献４では、冷間鍛造後の発熱温度から常温まで５０〜７０℃／ｈｒの冷却速度で冷却することにより、冷間鍛造後の時効処理（焼入れ焼戻し）を省略できることを開示している。
【００１７】
しかし、前記した通り、冷間鍛造加工性と冷間鍛造後の硬さは相反する性質であり、従来、これらの双方ともが良好な冷間加工用鋼は得られていない。これに対して、特許文献５では、予め素材鋼材に、固溶Ｎを所定量以上含有させ、冷間加工後の硬さを上昇させ、且つ高速冷間加工により、固溶Ｎの弊害を抑制して良好な冷間加工性を維持し、冷間加工後の焼入れ焼戻しを省略しても、冷間加工後の鋼部品の硬さを向上させることを提案している。
【００１８】
具体的には、高速冷間加工用鋼として、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：０．００５〜０．６％、Ｍｎ：０．０５〜２％、Ｐ：０．０５％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０５％以下（０％を含まない）、およびＮ：０．０４％以下（０％を含まない）を含有し、残部は鉄および不可避的不純物からなり、鋼中の固溶Ｎ量が０．００６％以上であることとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特許第３５１５９２３号公報
【特許文献２】特開昭６０−８２６１８号公報
【特許文献３】特公昭５７−６０４１６号公報
【特許文献４】特開２００３−２６６１４４号公報
【特許文献５】特開２００８−１６３４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかし、特許文献５でも、冷間加工後の焼入れ焼戻しを省略するための必要な強度を得るための、予め素材鋼材全体の固溶Ｎ量を高くした場合には、やはり冷間鍛造性が低下する。これは、固溶Ｎ量が高い素材鋼材の全体に亙って、動的ひずみ時効の影響が顕著になるため、強度の増加代よりも変形能の劣化が顕著になり、冷間鍛造中の製品に割れが発生しやすくなるからである。
【００２１】
このため、冷間鍛造性向上を図るために、Ｃ含有量を０．０６質量％以下の極低炭素領域に下げた軟質の鋼材を用いた場合に、前記機械部品（冷間鍛造製品）に要求される強度を十分に確保することができる製造技術は、これまで無かったのが実情である。
【００２２】
本発明はかかる問題に鑑みなされたものであって、前記軟質の鋼材を用いても、製品の強度を十分に確保することができ、前記変形抵抗と部品強度との両立を図れる、冷間鍛造を用いた機械部品の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
この目的を達成するための本発明機械部品の製造方法の要旨は、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０６％、Ｓｉ：０．００５〜０．０５％、Ｍｎ：０．４〜１％、Ｐ：０．０５％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．００５〜０．０５％、Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．００８〜０．０２％を各々含み、残部は鉄および不可避不純物からなる機械構造用鋼を冷間鍛造して機械部品を製造するに際し、前記機械部品の部分的な高強度化領域に対応する、前記冷間鍛造前の前記機械構造用鋼における部分的な高強度化領域を予め決定し、この部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を前記高強度化のために必要な量に予め高めた上で、少なくともこの部分的な高強度化領域に対して２００℃以下の雰囲気温度で塑性ひずみを付与する冷間鍛造を行い、前記機械部品の部分的な高強度化領域の強度を高めるとともに、前記機械部品形状とすることである。
【００２４】
ここで、前記機械部品の部分的な高強度化領域とは、前記機械部品において他の部分よりも高強度化が必要な部分の意味である。また、前記冷間鍛造前の素材機械構造用鋼における部分的な高強度化領域とは、前記冷間鍛造によって前記機械部品の部分的な高強度化領域となる領域である。ただ、この部分的な高強度化領域が、冷間鍛造性を阻害しない範囲で、それ以外の（高強度化が不要な）部分を含んで、前記部分的な高強度化領域よりも面積が大きくても良い。また、一方で、前記機械部品における高強度化が保証されるなら、この部分的な高強度化領域が、必ずしも、前記機械部品における部分的な高強度化領域全てを含む必要は無く、前記部分的な高強度化領域よりも面積が小さくても良い。本発明では、これらの意味を込めて、前記冷間鍛造前の前記機械構造用鋼における部分的な高強度化領域を、前記機械部品の部分的な高強度化領域に対応する、と記載している。
【００２５】
また、前記冷間鍛造の際には、前記冷間鍛造前の素材機械構造用鋼における部分的な高強度化領域に対して、２００℃以下の雰囲気温度での塑性ひずみ（歪）付与が必要であり、それ以外の部分に対しては、この条件を外れても良い。すなわち、前記部分的な高強度化領域に対する悪影響を与えなければ、２００℃を超える雰囲気温度となってもよく、塑性ひずみが与えられない部分があっても良い。したがって、本発明では、これらの意味を込めて、この冷間鍛造の際に少なくとも前記部分的な高強度化領域に対して２００℃以下の雰囲気温度で塑性ひずみを付与すると記載している。
【００２６】
本発明では、好ましい態様として、前記機械構造用鋼における部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を０．００８〜０．０１４％の範囲とするとともに、この部分的な高強度化領域に付与される冷間鍛造塑性ひずみを０．５〜５の範囲とする。また、好ましい態様として、前記部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を、変形抵抗（ＤＲ）、部品強度（Ｈｖ）、疲労強度（Ｆ）のいずれかに基づいたモデル式か、又は予め取得した経験値から求める。また、好ましい態様として、前記機械構造用鋼における部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を、この部分的な高強度化領域の熱処理によって高める。
【発明の効果】
【００２７】
本発明では、極低炭素で軟質な鋼材を冷間鍛造用素材に用いるに際して、前記機械部品において強度が必要な部分のみ固溶Ｎ量（固溶窒素量）を増加させ、冷間鍛造の塑性ひずみによって部分的に高強度化させる。この際、他の部分は全体として、元の固溶Ｎ量、すなわち元の軟質な冷間鍛造用鋼材のままとして、冷間鍛造性を確保する。言い換えると、この強度が必要な部分を熱処理するなどして、強度増加に必要な固溶Ｎ量に、部分的に固溶Ｎ量を増加させる。そして、この固溶Ｎ量が増加した部分領域への冷間鍛造塑性ひずみの付与によって、この部分（強度が必要な部分）の強度を前記必要強度にまで増加させる。本発明では、このような素材冷間鍛造用鋼材の固溶Ｎ量を部分的に増加させるものであり、前記特許文献５のように、素材冷間鍛造用鋼材全体の固溶Ｎ量を予め高くして、強度増加のために冷間鍛造性を犠牲にすることが無い。
【００２８】
極低炭素で軟質な冷間鍛造用鋼材は、通常は冷間鍛造しても、変形抵抗に応じた部品強度しか得られない。しかし、本発明者らの知見によれば、冷間鍛造時に前記固溶Ｎによって動的ひずみ時効を生じさせた場合、通常よりも可動転位が多く生成し、冷間鍛造時の発熱とその後の冷却によって、加工後に静的ひずみ時効が発生することが明らかになった。すなわち、鋼材の加工硬化代に、固溶Ｎによる静的ひずみ時効の強化代が相乗して付与されるため、通常の変形抵抗以上に、機械部品強度を高めることができる。しかも、元の固溶Ｎ量のままとした、他の部分は全体として通常の変形抵抗代しか強度が増加せず、冷間鍛造性を確保できる。
【００２９】
したがって、本発明によれば、Ｃ含有量が０．０６質量％以下の極低炭素領域にある軟質の鋼材を冷間鍛造によって機械部品とするに際し、製品の強度を十分に確保することができ、前記変形抵抗と部品強度との両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明における冷間鍛造の工程を順に示したフローチャートである。
【図２】本発明による大型ねじ（機械部品）の製造工程を順に示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の機械部品の製造方法について、以下に図面を用いて具体的に説明する。本発明では、前記した従来より熱間鍛造あるいは冷間鍛造により製造されてきた種々の機械部品に適用できるが、以下の説明では、大型ねじを代表的な例として説明する。
【００３２】
図１は、本発明における冷間鍛造の工程（機械部品の製造方法の手順）を順に示したフローチャートを示している。図２は、本発明による大型ねじの製造工程（機械部品の製造方法の手順）を順に示している。
【００３３】
以下の、この図１、2 に基づく、機械部品の製造方法の説明においては、設計段階の内容説明も含んでおり、後述するＳ１：製品形状決定工程〜Ｓ４：材料性状決定工程までが設計段階（加工前段階）であり、Ｓ５以降が具体的な加工段階となる。
【００３４】
Ｓ１：製品形状決定工程
図１及び図２に示すように、まず、大型ねじ１を製造するにあたっては、Ｓ１：製品形状決定工程のように、大型ねじ１の製品形状Ａを決定する。すなわち、冷間鍛造後（強度増加後）に機械加工が施されるが、この機械加工終了後の大型ねじ１の形状、即ち、製品にしたときの大型ねじ１の製品形状Ａを製作図面中から決定する。なお、この形状はユーザからの要求により決まることが多い。
【００３５】
Ｓ２：冷間鍛造前形状決定工程
次に、Ｓ２：冷間鍛造前形状決定工程として、前記製品形状決定工程Ｓ１で決定した製品形状Ａに、冷間鍛造中の鋼材の流れを考慮することで、冷間鍛造前形状Ｂを決定する。例えば、冷間鍛造工程では、ねじ部とヘッド部の鋼材が移動する量（例えば、鋼材の体積から計算される）の寸法を加算することによって、前記冷間鍛造前形状Ｂが決定される。
【００３６】
より具体的には、この工程Ｓ２では、点線で示す大型ねじ１における製品輪郭線（製造後の輪郭線）に、各箇所の機械加工代（例えば、数ｍｍ）の寸法を加算して、冷間鍛造後の輪郭線（強度増加後輪郭線）を求め、冷間鍛造によって形成できる冷間鍛造前形状Ｂを決定する。強度増加前形状（ひずみ前形状）を決定し、この強度増加前形状（幅や高さ、体積等）から、大型ねじ１の元になる丸棒３の直径、長さ等を決定して、材料の初期形状を決める。
【００３７】
部分的な高強度化領域：
ここで、前記製品形状Ａ（機械部品）の、他の部分よりも高強度化が必要な、部分的な高強度化領域に対応する、冷間鍛造前の素材機械構造用鋼における部分的な高強度化領域も予め決定する。機械部品が前記大型ねじ１とすると、高強度化が必要な部分は大型ねじ１の軸部およびねじ部の領域である。この大型ねじ１の軸部およびねじ部の部分的な高強度化領域に対応する冷間鍛造前の素材機械構造用鋼における部分的な高強度化領域とは、図２の素材機械構造用鋼形状Ｂにおける、Ｓ３で黒塗りされた部分である。
【００３８】
図２のＳ３で黒塗りされた部分（素材機械構造用鋼における部分的な高強度化領域）は、大型ねじ１の軸部およびねじ部の領域とほぼ一対一に対応している。言い換えると、冷間鍛造によって、ほぼ大型ねじ１の軸部およびねじ部の領域となるように、大きさと位置とが設定されている。ただ、前記した通り、素材機械構造用鋼におけるこの部分的な高強度化領域が、冷間鍛造性を阻害しない範囲で、それ以外の（高強度化が不要な）部分を含んでも良い。また、一方で、前記機械部品における高強度化が保証されるなら、この部分的な高強度化領域が、必ずしも、前記機械部品における部分的な高強度化領域全てを含む必要は無い。
【００３９】
Ｓ３：強度増加代決定工程（強度増加のための固溶Ｎ量決定工程）
本発明では、前記素材機械構造用鋼における部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量の制御と、この部分的な高強度化領域に付与される冷間鍛造による塑性ひずみ（歪）の制御とによって、機械部品における部分的な高強度化領域の必要強度を得る。このうち、先ず、Ｓ３：強度増加代決定工程として、前記冷間鍛造前形状決定工程Ｓ２で決定した冷間鍛造前形状Ｂに、強度が必要な部分に対して冷間鍛造時に付与される塑性ひずみ量εに基づき、固溶Ｎ量を決定する。この好ましい塑性ひずみ量εについては後述する。ここで、固溶Ｎ量は、前記部分的な高強度化領域の、機械部品の高強度化領域に対応する部分のみ高めればよいが、冷間鍛造性を阻害しない範囲で、他の箇所の固溶Ｎ量を増加させても良い。
【００４０】
例えば、前記大型ねじ１において、前記ねじの軸部およびねじ部に強度が必要な場合、必要とされる強化代を計算することによって、このねじの軸部およびねじ部の領域（高強度化領域、高強度化が必要な部分）で必要とされる固溶Ｎ量が決定される。このＳ３：強度増加代決定工程では、強度が必要な部分（部分的な高強度化領域）に対して、予め意図的あるいは強制的に、かつ、この高強度化領域に対応する素材領域のみ、部分的に固溶Ｎ量を増加させて、この部分のＹＳ（降伏強度）、ＴＳ（引張強度）を冷間鍛造によって増加させる。即ち、この高強度化領域での強度を増加させることを意図して、予め必要な固溶Ｎ量を計算している。
【００４１】
前記素材の部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量の決定には、変形抵抗（ＤＲ）、部品強度（硬度Ｈｖ）、疲労強度（Ｆ）のいずれかに基づいたモデル式か、又は予め取得した経験値を用いる。ここで、前記モデル式としては、例えば下記式(1)〜(4)に示したモデル式を用いて前記固溶Ｎ量を決定する。
【００４２】
固溶Ｎ量＝f-1（要求される降伏強度−鋼材の降伏強度） ・・・(1)
固溶Ｎ量＝g-1（要求される引張強度−鋼材の引張強度） ・・・(2)
固溶Ｎ量＝h-1（要求される硬度−鋼材の硬度） ・・・(3)
固溶Ｎ量＝i-1（要求される疲労強度−鋼材の疲労強度） ・・・(4)
ここで、f、g：応力−固溶Ｎ量曲線、あるいは、変形抵抗−固溶Ｎ量曲線の関数、h：硬度−固溶Ｎ量曲線の関数、i：疲労強度−固溶Ｎ量曲線の関数である。
【００４３】
固溶Ｎによる強度向上メカニズム：
固溶Ｎによる強度向上メカニズムについて説明する。固溶Ｎは一般的に、侵入型固溶元素として鋼中に存在し、冷間鍛造などの塑性変形中に、動的ひずみ時効を発生させることによって、鋼材の変形抵抗を増加させ、変形能（加工性）を劣化させる問題がある。したがって、この種、冷間鍛造用鋼分野では、有害な不純物として扱われ、通常は、ＡｌやＴｉなどで，窒化化合物として全量固定されることが行われてきた。
【００４４】
ところで、冷間鍛造用鋼におけるこのような変形能の劣化は、主に鋼中の硬質相（例えばパーライト）と軟質相（例えばフェライト）の界面で生じることが発明者の検討によって明らかとなった。そこで、極低炭素鋼として、炭素量を著しく下げて、前記硬質相を極力低減することで、変形能を向上させることができた。また、変形抵抗の増加に関しても、固溶Ｎ量の動的ひずみ時効によるフェライトの強化によって、硬質相にひずみが入りやすくなり、結果として変形抵抗が高くなっている可能性が考えられた。このため、本発明のような極低炭素鋼では、炭素量を著しく下げて、前記硬質相を極力低減している結果、変形抵抗はある固溶Ｎ量の範囲ではあまり増加しないことが明らかになった。
【００４５】
一方、部品強度に関しても、通常の冷間鍛造用鋼では、変形抵抗に応じた部品強度しか得られないが、冷間鍛造時に固溶Ｎによって動的ひずみ時効を生じさせた場合、通常よりも可動転位が多く生成し、冷間鍛造時の発熱とその後の冷却によって、加工後に静的ひずみ時効が発生することが明らかになった。すなわち、鋼材の加工硬化代に固溶Ｎによる静的ひずみ時効の強化代が付与されるため、変形抵抗以上に部品強度を高めることができることが明らかになった。これによって、鋼材の強度を増加させたい部分のみ固溶Ｎ量を増加させることによって、強度のそれほど要求されない箇所の変形抵抗は、そのままで、結果的に下げることができ、部品強度の保証と冷間金型寿命向上とを両立させることができる。従来の技術のように、固溶Ｎ量を制御せずに、大型ねじ１を単に冷間鍛造するだけでは、前記した通り、製品として必要な強度が得られない箇所が出てくる。
【００４６】
強度向上に必要な固溶Ｎ量：
ここで、前記素材の部分的な高強度化領域の強度向上に必要な固溶Ｎ量（予め調整される固溶Ｎ量）は０．００８〜０．０１４質量％である。この範囲に前記素材の部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を、冷間鍛造前に予め調整することで、変形抵抗をあまり上げず、固溶Ｎ量に応じた強化代を付与することが可能となる。
【００４７】
一方、前記固溶Ｎ量が０．００８質量％未満の場合には、固溶Ｎが少なすぎて、冷間鍛造によっても十分な強化代が得られない。また、固溶Ｎ量が０．０１４質量％を超える場合には、動的ひずみ時効の影響が顕著になるため、強度の増加代よりも変形能の劣化が顕著になり、冷間鍛造中の製品に割れが発生しやすくなる。
【００４８】
固溶Ｎ量の測定方法：
本発明における固溶Ｎ量の測定方法は、ＪＩＳ Ｇ１２２８に準拠し、鋼中の全Ｎ（全窒素）含有量から、全Ｎ（全窒素）化合物を差し引くことで鋼中の固溶Ｎ量を算出する。まず、鋼中の全Ｎ含有量測定には（ａ）不活性ガス融解法−熱伝導度法を用いる。供試鋼素材からサンプルを切り出し、サンプルをるつぼに入れ、不活性ガス気流中で融解してＮを抽出し、熱伝導度セルに搬送して熱伝導度の変化を測定して、鋼中の全Ｎ含有量を算出する。
【００４９】
次に、鋼中の全窒化化合物量は（ｂ）アンモニア蒸留分離インドフェノール青吸光光度法を用いる。供試鋼素材からサンプルを切り出し、１０％ＡＡ系電解液（鋼表面に不働態皮膜を生成させない非水溶媒系の電解液であり、具体的には１０％アセチルアセトン、１０％塩化テトラメチルアンモニウム、残部：メタノール）の中で、定電流電解を行なう。そして、約０．５ｇのサンプルを溶解させ、不溶解残渣（窒化化合物）を、穴サイズが０．１μｍのポリカーボネート製のフィルタでろ過する。この不溶解残渣を硫酸、硫酸カリウム及び純Ｃｕチップ中で加熱して分解し、ろ液に合わせる。この溶液を水酸化ナトリウムでアルカリ性にした後、水蒸気蒸留を行い、留出したアンモニアを希硫酸に吸収させる。フェノール、次亜塩素酸ナトリウム及びペンタシアノニトロシル鉄（III)酸ナトリウムを加えて青色錯体を生成させ、吸光光度計を用いて吸光度を測定し、鋼中の全窒化化合物量を求める。
【００５０】
そして、前記（ａ）の方法によって求められた全Ｎ量から、前記（ｂ）の方法によって求められた全窒化化合物量を差し引いて、固溶Ｎ量を求めることができる。
【００５１】
固溶Ｎ量の増加手段：
前記素材の部分的な高強度化領域の、強度向上に必要な固溶Ｎ量を増加させる（固溶Ｎ量を必要量確保する）手段は、窒化化合物として全量固定されているＮの制御、すなわち、窒化化合物の析出量を制御することで行う。固溶Ｎは、特にＡｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｒなどと窒化化合物（窒素化合物）を形成しやすい。ただ、本発明製造方法の固溶Ｎ量を必要量確保する熱処理温度範囲では、支配的には、概ねＡｌと窒素との結合状態によって、固溶Ｎ量が決定される。前記Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ、Ｈｆ、Ｔａ、ＺｒなどのＡｌ以外の元素の窒化化合物は、本発明製造方法の前記熱処理温度範囲では、分解しにくく、生産性良く、固溶Ｎ量を必要量確保することがＡｌよりも難しい。したがって、本発明では、固溶Ｎ量の必要量の確保にＡｌを主として用いる。
【００５２】
このためには、前記Ｓ２：冷間鍛造前形状決定工程によって決定された、大型ねじ１の軸部およびねじ部の領域（図２の冷間鍛造前の素材機械構造用鋼形状ＢにおけるＳ３で黒塗りされた部分）＝冷間鍛造前形状Ｂの（前記部分的な高強度化領域に対応する）部分的な高強度化領域に対して、後述する熱処理を行って、前記冷間鍛造時に付与される塑性ひずみ量εに基づき決定された固溶Ｎ量に調整する。
【００５３】
冷間鍛造で付与する塑性ひずみ量：
本発明では、前記した通り、前記素材の部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を、前記した０．００８〜０．０１４％の範囲に制御するとともに、この部分的な高強度化領域に付与される冷間鍛造塑性ひずみを制御して、機械部品として必要な強度を得る。冷間鍛造によって、前記した鋼材の加工硬化代に、固溶Ｎによる静的ひずみ時効の強化代を付与して、前記素材の部分的な高強度化領域の強度を、変形抵抗以上に高めるためには、前記素材の部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量の範囲を前提に、冷間鍛造塑性ひずみを０．５〜５の範囲とする。
【００５４】
この範囲の塑性ひずみを付与することで、鋼中に適度に可動転位が導入されるため、加工後の冷却中の静的ひずみ時効によって部品強度を向上させることができる。前記素材の部分的な高強度化領域に付与する塑性ひずみ量が０．５未満の場合、十分な強化代を付与することができない。なお、強化が必要な部位の塑性変形量が、通常の冷間鍛造工程において、０．５に満たない場合には、塑性加工代を予め加算し（その部分の鋼材量を予め増やしておく）、冷間鍛造を実施しても良い。
【００５５】
一方、前記素材の部分的な高強度化領域に付与する塑性ひずみ量が５を超える場合には鋼材の加工限界を超え、変形能が劣化し始めるため、部品に割れが生じやすくなり、冷間鍛造による部品加工ができなくなる。
【００５６】
前記塑性ひずみ量が０．５は、円柱状の鋼材の両端を拘束した状態から、円柱鋼材の高さが３４％減少（元の高さに対して６６％の高さ）するまで圧縮した時のひずみ量に相当する。前記塑性ひずみ量５は、同じように圧縮させた時に高さが９９％減少するまで圧縮した時のひずみ量に相当する。したがって本発明では塑性ひずみの単位は無次元とする。ただし、各種部品において多軸方向からひずみが付与された場合には、単純に高さが減少する加工方法とは異なるため、より少ない変形量でも、大きなひずみが付与される場合がある。
【００５７】
なお、前記素材の部分的な高強度化領域以外の鋼材部分に付与する塑性ひずみ量は、この部分的な高強度化領域（高強度化領域）と同じとしても良いが、変えても良く、この場合には１以上８以下の範囲から選択することが好ましい。塑性ひずみ量が８よりも大きい場合、強度が上がりすぎて鋼材の加工能が劣化し、冷間鍛造では部品加工ができなくなる。また、付与する塑性ひずみ量が１未満であると、機械部品全体で十分な部品強度が得られなくなる。
【００５８】
Ｓ４：材料性状決定工程：
以上を前提として、Ｓ４：材料性状決定工程として、鋼材のＮ含有量との関係で、前記素材の部分的な高強度化領域を必要な固溶Ｎ量とするための、前記熱処理条件（熱処理手段、加熱速度、加熱温度、保持温度・時間、冷却速度など）を選択、決定する。
【００５９】
固溶Ｎ量−温度曲線の求め方は、Thermo-calcによる計算、溶解度積による計算、各温度で固溶Ｎ量を調整した鋼材を前記した抽出残渣法によって実測する方法などが用いられる。
【００６０】
この熱処理では、前記素材の部分的な高強度化領域（高強度化領域）のみを部分的に加熱して、元の鋼材中の存在形態であるＡｌＮを分解して、前記素材の部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を高める方法がある。また、元々の鋼材の固溶Ｎ量を全体的に前記必要な量だけ高めておき、強度が必要でない部分にのみ熱処理を実施して、ＡｌＮを形成させることで、強度が必要でない部分のみ、固溶Ｎ量を低減させる方法がある。
【００６１】
ＡｌＮの結合状態は温度に依存する。加熱温度が高いほど、ＡｌＮは分解しやすく、加熱、保持後の冷却速度をある程度以上の速度（0.5℃/s以上）とすることで、冷却中にＡｌＮを析出させず、固溶Ｎ量を設計どおりに調整することができる。
【００６２】
具体的な熱処理条件としては、予め焼ならした鋼材の前記部分的な高強度化領域（高強度化領域である大型ねじ１の軸部およびねじ部に相当する領域）のみを、加熱して７００〜１１００℃の範囲で保持および前記冷却速度で冷却することによって、鋼中に生成しているＡｌＮをの一部を分解させて、固溶Ｎを必要量確保する。これによって、鋼材の前記部分的な高強度化領域のみを前記適量に固溶Ｎ量を増加、調整することができる。
【００６３】
このような部分的で、急速な加熱や冷却の熱処理に適した手段として、公知の高周波加熱手段が好適である。高強度化領域のみ、あるいは、強度が必要でない部分のみを、前記したように部分的に熱処理するためには、鋼材材料に対して部分的に適用できるとともに、急速に加熱（急熱）および急速に冷却（急冷）できる熱処理手段が必要となる。熱処理手段が鋼材全体に適用されたり（及んだり）、これら加熱速度や冷却速度が遅いと、熱伝導によって、鋼材全体が熱処理されて、前記部分的な固溶Ｎ量の制御が困難になる。
【００６４】
以上の工程設計の基に、図１、２では、Ｓ５〜Ｓ７の工程によって、冷間鍛造を中心とする機械部品の製造を行う。
【００６５】
Ｓ５：冷間鍛造前形状加工工程（予備加工工程）
大型ねじ１の元になる丸棒３の初期形状（直径、長さ等）が、冷間鍛造前の形状Ｂ（冷間鍛造に適した強度増加前形状、ひずみ前形状）となるように、Ｓ５として、予備の加工を行う。この予備の加工は、熱間鍛造、又は、切削などの機械加工により行う。
【００６６】
Ｓ６：材料性状処理工程
次いで、Ｓ６の材料性状処理工程（前記熱処理工程）によって、前記素材の部分的な高強度化領域（強度が必要な部分）の固溶Ｎ量を、前記した条件によって、高周波加熱などによる部分的な熱処理を行って制御する。
【００６７】
Ｓ７：強度増加工程（冷間鍛造工程）
このＳ６の材料性状処理工程（前記熱処理工程）後に、前記塑性ひずみを付与しながら冷間鍛造を行って、特に、前記素材の部分的な高強度化領域の強度を増加させるとともに、機械部品（製品）形状とする。この冷間鍛造（強度増加工程）は、前記冷間鍛造前形状Ｂの材料に対して、前記塑性ひずみ量が付与されて、前記素材の部分的な高強度化領域を必要な高強度とするとともに、図２の製品形状Ａにする。
【００６８】
例えば、設計段階にて説明したように、この大型ねじ１においては軸部２の強度を増加させることから、強度増加工程Ｓ６では、軸部２にひずみを入れつつ冷間鍛造を行っている。詳しくは、この強度増加工程Ｓ６では、軸部２に対応するひずみ付与前輪郭線Ｌ４が鍛造後輪郭線（強度増加後輪郭線）Ｌ２に一致するように圧縮等（部分圧下）を行い、塑性ひずみを入れ、これにより、軸部２のＴＳ（引っ張り強度）を増加させている。
【００６９】
冷間鍛造を行う方法については限定されず、軸方向への圧縮（圧縮部分圧下）を行ってもよいし、押し出し成形（押し出し型鍛造）を行ってもよいし、型鍛造を行っても良い。
【００７０】
冷間鍛造（冷間加工）時に、前記部分的な高強度化領域に対しては、２００℃以下の雰囲気温度での塑性ひずみ付与が必要であり、材料の加工前温度を１００℃未満とすることが好ましい。また、冷間鍛造時の加工発熱を抑制するために、前記部分的な高強度化領域を強制的に冷却しても良い。なお、それ以外の部分に対しては、この条件を外れても良い。すなわち、前記部分的な高強度化領域に対する悪影響を与えなければ、２００℃を超える雰囲気温度となってもよく、塑性ひずみが与えられない部分があっても良い。
【００７１】
なお、上記説明では、予備加工工程Ｓ５を経てから強度増加工程（冷間鍛造工程）Ｓ７を行っているが、図２のＳ２の上側から伸びる矢印でに示すように、この予備加工工程Ｓ５を行わずに、前記冷間鍛造前形状決定工程Ｓ２で決定した丸棒２に対して、直接冷間鍛造工程Ｓ７を行ってもよい。この場合は、機械加工代が付与された形状となるように冷間鍛造を行いつつ、強度の必要な部分（例えば、軸部）に塑性ひずみ量εに応じたひずみ付与を行うことになる。
【００７２】
鋼材の組成：
機械部品の材料（素材）である鋼材の組成について以下に説明する。素材鋼材には、冷間鍛造によって前記塑性ひずみを付与するとＴＳやＹＳが向上する特性が必要である。特に、与える塑性ひずみに比例してＴＳが向上する特性が必要である。また、前記部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を前記高強度化のために必要な量に予め調整できるだけの全Ｎ含有量が必要である。更に、機械部品用としての強度、加工性、切削性、耐食性などの諸特性を満たすことも必要である。
【００７３】
このための鋼材の組成は、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０６％、Ｓｉ：０．００５〜０．０５％、Ｍｎ：０．４〜１％、Ｐ：０．０５％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．００５〜０．０５％、Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．００８〜０．０２％を各々含み、残部は鉄および不可避不純物からなる機械構造用鋼である。ここで記載元素含有量は全て質量％である。
【００７４】
Ｃ：０．００５〜０．０６％
Ｃは、鋼材の組織の形成に大きな影響を及ぼす元素であり、鋼材の組織をフェライト単相組織とするために、極力低減する必要がある。また、冷間鍛造時の変形抵抗および変形能に大きな影響を及ぼす元素であり、冷間鍛造性のために、極力低減することが望ましい。過剰に含有すると、鋼材の組織中にパーライトが生成し、パーライトの加工硬化によって変形抵抗が過大となって冷間鍛造性が悪化する。したがって、Ｃ含有量は０．０６質量％とする必要があり、好ましくは０．０５５％以下、より好ましくは０．０４５質量％以下とする。しかし、Ｃ含有量が極端に少なくなると、鋼材の溶製中の脱酸が困難になるため、下限は０．００５％とし、好ましくは０．００８％以上、より好ましくは０．０１３％以上である。
【００７５】
Ｓｉ：０．００５〜０．０５％
Ｓｉは、溶製中の脱酸元素として有効である。Ｓｉ含有量が０．００５％未満であると、脱酸が不十分になって溶製中にブローホールを発生することになる。しかしながら、Ｓｉ含有量が過剰になって０．０５％を超えると、Ｓｉのフェライト相の固溶強化によって、変形抵抗の増大を招くと共に、変形能の低下を生じさせる。このため、割れの発生が顕著になり、冷間鍛造性が悪化する。したがって、Ｓｉ含有量は好ましくは０．００７％以上、より好ましくは０．０１２％以上であり、好ましくは０．０４４質量％以下、より好ましくは０．０３１％以下である。
【００７６】
Ｍｎ：０．４〜１％
Ｍｎは溶製中の脱酸、脱硫元素として有効である。また、鋼材中のＮ含有量を高めた場合、冷間鍛造加工中の発熱による動的ひずみ時効によって割れが発生しやすくなるが、Ｍｎは、ＭｎＳとして、そのときの（変形能）加工性を向上させ、割れを抑制する効果がある。この様な効果を有効に発揮させるには、０．４％以上含有させることが必要であり、好ましくは０．４２％以上、より好ましくは０．４８％以上である。一方、Ｍｎが過剰に含まれると変形抵抗が過大となるだけでなく、偏析による組織の不均一性が生じるので、１％以下とする必要があり、好ましくは０．９２％以下、より好ましくは０．８３％以下である。
【００７７】
Ｐ：０．０５％以下（０％を含まない）
リン（Ｐ）は不可避的不純物である。これが鋼材組織のフェライトに含有されると、フェライト粒界上に偏析して、変形能を劣化させ、冷間鍛造性を低下させる。また、前記フェライトを固溶強化させて変形抵抗の増大をもたらし、冷間鍛造性を劣化させる元素でもある。よって、冷間鍛造性向上のために、Ｐ含有量は０．０５％以下とする。また、好ましくは０．０２２％以下である。Ｐ含有量を０％にすることは、工業上困難で、経済的でもないので、０％を含まないと但し書きで規定した。
【００７８】
Ｓ：０．００５〜０．０５％
硫黄（Ｓ）もＰと同様に不可避的不純物である。ＳはＦｅＳとして結晶粒界上に膜状に析出し、冷間鍛造性などの加工性を劣化させる。また、熱間脆性を引き起こす作用がある。そこで、変形能を向上させる観点から、Ｓ含有量は０．０５％以下、好ましくは０．０１９％以下とする。但しＳ含有量を０％にすることは、工業上困難であるし、Ｓは被削性を向上させる効果も有する。このため、変形能と被削性および経済的に低減できる量のバランスを考慮して、Ｓ含有量の下限は０．００５％以上とする。好ましくは０．００８％以上含有させる。
【００７９】
Ａｌ：０．００５〜０．１％
Ａｌは、強い脱酸効果を有して、鋼材の内部品質を向上させることができる。また、鋼中のＮと結合して、ＡｌＮを形成し、フェライト結晶粒を整粒化する効果も有する。また、前記熱処理によって固溶Ｎ量を制御するのに重要な元素である。これらの効果を有効に発揮させるためには、０．００５％以上のＡｌが必要であり、０．００８％以上が好ましく、０．０１５％以上が更に好ましい。Ａｌの含有量が０．００５％未満であると、前記熱処理によって固溶Ｎ量を制御できなくなる。また、溶製時にガス欠陥が発生しやすく、冷間鍛造時に割れが発生しやすい。一方、０．１％を超えると、固溶Ｎとの結合力が顕著になるため、前記熱処理によって固溶Ｎ量を制御できなくなる。このため、固溶Ｎ量を低下させ、所定の部品強度が得られなくなる。したがって、Ａｌ含有量は０．１％以下とし、好ましくは０．０３２％以下、さらに好ましくは０．０２６％以下とする。
【００８０】
Ｎ：０．００８〜０．０２％
窒素（Ｎ）は、冷間鍛造後に所望の部品強度を得るために必要な固溶Ｎ量を確保するために所定量添加する必要がある。また、冷間鍛造加工後の静的ひずみ時効によって所定の強度を得るためにも重要な元素である。こうした効果を発揮させるためには、全Ｎ含有量を０．００８％以上とする必要がある。しかしながら、このＮ含有量が過剰になって０．０２％を超えると、静的ひずみ時効よりも加工中の動的ひずみ時効の影響が顕著になり、変形抵抗が増大することになる。Ｎ含有量の好ましい下限は０．０１０％以上、より好ましくは０．０１２％以上であり、好ましい上限は０．０１５５％、より好ましくは０．０１４０％以下である。
【００８１】
その他の元素：
本発明では、固溶Ｎと窒素化合物を形成しやすい元素として、例えば、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ（硼素）、Ｈｆ、Ｔａなどの元素を、不可避的不純物として、これらの合計の含有量で２％以下（０％を含む）含んでも良い。
【００８２】
また、例えば、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｍｇ、Ｌｉなどの他の元素も、不純物として溶解原料などから混入しやすい元素であるが、前記固溶Ｎの効果や機械部品の特性を損なわない範囲で、不可避的不純物として、各々下記する許容量だけ含んでも良い。Ｃｒ：２％以下（０％を含む）、Ｍｏ：１％以下（０％を含む）、Ｃｕ：５％以下（０％を含む）、Ｎｉ：５％以下（０％を含む）、Ｃａ、ＲＥＭ：各０．２％以下（０％を含む）、Ｍｇ、Ｌｉ：各０．０１％以下（０％を含む）。
【００８３】
以上の材料を用いて、大型ねじ１を本発明に示した鍛造方法により製造することにより、従来、熱間鍛造を用いてしか大型ねじ１を製造できなかったものが、冷間鍛造を用いて製造することができるようになった。なお、本発明の製造方法は、大型ねじ１のみならず、これまで熱間鍛造によって加工されていたクランクシャフト、コンロッド、トランスミッションギヤ等の自動車用部品、その他の機械部品)にも適用することができる。
【００８４】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００８５】
表１に記載の化学成分組成を有する鋼（各元素の含有量は質量％）を、転炉により溶製し、連続鋳造で鋼片とした後、φ１２ｍｍの線材に圧延した。その後、この圧延線材に８００℃×２時間の焼ならし熱処理を施し、圧延線材全体における固溶Ｎの一部をＡｌＮに形成した。ここで、表１の「Ｎ」は窒化化合物、固溶Ｎを全て含めた全窒素の量を示す。
【００８６】
得られた前記線材（冷間鍛造前の機械構造用鋼）の前記大型ねじ１（機械部品）における高強度化が必要な大型ねじ１の軸部およびねじ部の領域に対応する、部分的な高強度化領域を予め決定し、この部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を前記高強度化のために必要な量に予め高めた上で前記冷間鍛造を行った。すなわち、前記Ｓ１〜Ｓ７までの工程を経て前記大型ねじ１を製造した。
【００８７】
この際、Ｓ６：材料性状処理工程（前記熱処理工程）によって、前記部分的な高強度化領域（強度が必要な部分）の固溶Ｎ量を、高周波加熱によって、表２に示す部分的に異なる熱処理を行って制御した。ここで、前記部分的な高強度化領域（強度が必要な部分）のみを、表２に各々示す各温度に急速、短時間に加熱（前記φ１２ｍｍのねじ径で約１００℃／sec程度）することによって、素材中のＡｌＮなどの前記窒化化合物を分解させて、この高強度化領域の固溶Ｎ量を増加させた。この際、加熱および保持の合計時間は各例とも共通して３００秒程度の短時間とし、それ以外の強度が必要でない部分はできるだけ加熱されないようにした。すなわち、特に発明例においては、この高強度化領域以外の強度が必要でない部分は、加熱処理しなかった（熱処理無し）。
【００８８】
加熱保持後の冷却では、発明例を含めて、前記部分的な高強度化領域の冷却速度を1℃/ｓに制御し、前記部分的な高強度化領域に生成させた固溶Ｎが、冷却過程で再度析出し、冷間鍛造での強度増加に必要な量未満に減らないようにした。
【００８９】
素材鋼線材の前記部分的な高強度化領域と、それ以外の軸部相当部の「固溶Ｎ量」を前記分析方法で求めた。この結果を表２に示す。表２で「固溶Ｎ量」は質量％で示す。
【００９０】
また、冷間鍛造の際には、各例とも共通して、前記部分的な高強度化領域を含めて、それ以外の部分に対しても、２００℃以下の雰囲気温度で塑性ひずみを付与して、前記機械部品における高強度化が必要な部分の強度を部分的に高めることを試みるとともに、前記大型ねじ１形状とした。
【００９１】
冷間鍛造は、前記熱処理を施した線材に１０％の減面伸線加工を施した後、パーツフォーマを用いて、M12のねじ加工を行った。その後、仕上げのねじ加工を、連続4段の冷間鍛造にて行い、図1に示す大型ねじ部品のねじ形状に仕上げた。この4段の冷間鍛造の加工速度は６０個／分である。
【００９２】
得られた大型ねじ部品の強度の評価として、素材を前記部分的な高強度化領域とした、前記軸部およびねじ部の領域のビッカース硬さ（Ｈｖ）、それ以外の部分（首下部分）のビッカース硬さ（Ｈｖ）を、各々ビッカース硬さ試験機にて測定し、これらの部位の硬さの差（軸部およびねじ部の領域の硬さの増加）も求めた。この際、前記軸部およびねじ部の領域のビッカース硬さがは３００Ｈｖ以上である部品を強度に優れると判定し、３００Ｈｖ未満を強度に劣ると判定した。この結果も表２に示す。なお、前記部品のビッカース硬さは、前記ねじを軸心にて長手方向に亘って等分に２分割するように（縦方向に）切断し、この切断面における、前記軸部と首下との各長手方向位置で、かつ、これら各断面部のＤ／４（Ｄ：ねじ部品直径）の深さ位置での、硬さを各々測定した。ビッカース硬さの測定は、荷重：１０００ｇ、測定回数：５回の共通する条件で測定し、その平均をとった。
【００９３】
得られた大型ねじ部品の冷間鍛造性も評価した。すなわち、前記ねじの軸部と首下の各長手方向の中心部からφ１０ｍｍ×長さ１５ｍｍの試験片を各々切り出し、これらの試験片を、ひずみ速度：１０／Ｓ（加工中のひずみ速度の平均値）、加工温度：室温、圧縮率：８０％の加工条件で、１６００トンプレスを用いて、端部を拘束した状態で据え込み加工を行った。この加工後、観察倍率２０倍での実態顕微鏡で表面を観察して、割れの有無を確認し、冷間鍛造性を評価した。この結果も表２に示す。本実施例では、前記ねじの軸部と首下のいずれの試験においても割れが観察されない場合を冷間鍛造性に優れる（○）、前記ねじの軸部と首下のいずれか一方あるいは両方の試験において、小さくても部品に割れが観察される場合を冷間鍛造性に劣る（×）と判定した。
【００９４】
表１、２の発明例、鋼種Ａ４−Ａ５、Ｂ３−Ｂ５、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈは、鋼材組成を満足するとともに、高強度化が必要な部分に対応する冷間鍛造前の部分的な高強度化領域を予め決定し、この高強度化領域の固溶Ｎ量を高強度化のために必要な量に予め熱処理によって部分的に高めている。そして、その上で冷間鍛造を行い、この冷間鍛造の際に少なくとも前記部分的な高強度化領域に対して２００℃以下の雰囲気温度で塑性ひずみを付与して、機械部品における高強度化が必要な部分のみの強度を部分的に高めている。この結果、発明例は、冷間鍛造性に優れ、かつ前記ねじ軸部の硬度が３００ＨＶを超え、部品強度に優れている。
【００９５】
これに対して本発明で規定する要件を満たさないものは、以下に記載するように、冷間加工性または部品強度が劣っている。
【００９６】
鋼種Ａ１−Ａ３、Ｂ１−Ｂ２は、前記部分的な高強度化領域（強度が必要な部分）の加熱温度が低すぎて、この高強度化領域のＡｌＮなどの前記窒化化合物を分解させて、固溶Ｎ量を十分増加させることができず、この高強度化領域の固溶Ｎ量が不足している。この結果、冷間鍛造性は当然ながら良いものの、冷間鍛造によっても、前記ねじ軸部の硬度は３００ＨＶ未満であり、高強度化ができておらず、強度不足である。
【００９７】
鋼種Ｉは、素材鋼線材の全Ｎ量が不足している。このため、前記部分的な高強度化領域（強度が必要な部分）の加熱温度が低すぎることと相まって、前記高強度化領域の固溶Ｎ量が不足して、冷間鍛造によっても、前記ねじ軸部の硬度は３００ＨＶ未満であり、高強度化ができておらず、強度不足である。
【００９８】
鋼種Ｊ−１〜Ｊ−５はＡｌの含有量が少なすぎる。このため、発明例と同様な加熱条件、あるいは加熱温度が低すぎる条件であっても、前記熱処理によってＡｌと窒素との結合状態による固溶Ｎ量の制御ができない。この結果、共通して、元の素材鋼線材の固溶Ｎ量のままであり、前記高強度化領域やそれ以外の領域を含めて、素材鋼線材全体の固溶Ｎ量が多すぎて、冷間鍛造性が劣っている。
【００９９】
鋼種Ｋ−１は、前記した固溶Ｎ量を増す熱処理を、前記高強度化領域やそれ以外の領域を含めて、一切行っていない。このため、特に前記高強度化領域の固溶Ｎ量が不足して、冷間鍛造によっても、前記ねじ軸部の硬度は３００ＨＶ未満であり、高強度化ができておらず、強度不足である。
【０１００】
鋼種Ｋ−２は、前記した固溶Ｎ量を増す熱処理を、前記高強度化領域やそれ以外の領域を含めて、線材全体に行っている。このため、線材全体の固溶Ｎ量が多すぎて、冷間鍛造性が劣っている。
【０１０１】
【表１】
【０１０２】
【表２】
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明によれば、Ｃ含有量を０．０６質量％未満の極低炭素領域に下げた軟質の鋼材を用いても、製品の強度を十分に確保することができ、前記変形抵抗と部品強度との両立を図れる、冷間鍛造を用いた機械部品の製造方法を提供できる。したがって、自動車等の車両に用いられている機械部品の製造方法として、広く用いることができる。
【符号の説明】
【０１０４】
１：大型ねじ、２：軸部、３：丸棒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械構造用鋼を冷間鍛造して機械部品を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車等の車両に用いられている機械部品は、一般的に、機械構造用炭素鋼材や機械構造用低合金鋼材を熱間鍛造および切削加工することによって製造されている。これらの機械部品としては、コンロッド、クランクシャフト、等速ジョイント、トランスミッションギア、大型ねじ（ネジ）、歯車、プーリー、ボルト・ナット、ピニオンギヤ、ステアリングシャフト、バルブリフター、コモンレール、トーションバー等が例示される。
【０００３】
ただ、近年では、前記機械部品の製造において、生産性の向上や地球環境の問題から、前記熱間鍛造工程から冷間鍛造工程による製造への切り替えが指向されている。すなわち、大きな熱量を必要とする熱間鍛造から冷間鍛造への切り替えで、機械部品製造工程における炭酸ガス排出量の削減をすることができる。また、冷間鍛造によって加工した成形品の寸法精度は高いので、最終の部品形状に仕上げるための切削加工工程での切削代を少なくする、あるいは切削加工工程を省略でき、生産性の向上や製造コストの低減を図ることができる。
【０００４】
しかしながら、熱間鍛造によって製造していたコンロッドや大型ねじなどの機械部品を、冷間鍛造に切り替えて製造する場合、熱間鍛造に比べて冷間鍛造は変形抵抗が高い。このため、球状化焼鈍、強化に寄与する合金元素の低減によって変形抵抗を低減し、変形能を向上させる必要がある。ただし、通常の冷間鍛造用鋼では、変形抵抗に応じた部品強度しか得られないため、冷間鍛造後に焼入れ焼戻し、時効処理を施し、必要とされる部品強度を得ている。
【０００５】
一方、冷間鍛造ままで必要とされる部品強度を得るためには、ある程度変形抵抗の高い鋼材を用いる必要があるが、そのような鋼材は加工性が劣るため、金型寿命を大きく低減させたり、冷間鍛造中の機械部品に割れが生じやすくなる懸念があった。
【０００６】
つまり、変形抵抗と部品強度は相反する関係にあり、従来技術で変形抵抗と部品強度を両立させるためには、熱処理など工程を追加する必要があった。このため、機械部品の最終形状（仕上げ形状）の完成までに、冷間鍛造と軟化のための熱処理を複数回繰返す必要があるので、却って、製造工程が多くなったり、処理時間が増加する。この結果、冷間鍛造による機械部品の製造が、必ずしも前記生産性の向上やコスト低減、あるいは製造工程における炭酸ガス排出量の削減に結びついてはいなかった。
【０００７】
これに対して、従来から、冷間鍛造用鋼の鋼成分や鋼組織を制御して、冷間鍛造性を高めた鋼が種々提案されている。例えば、代表的には、素材鋼材の、特にＳとＯ（酸素）の含有量などを制限し、また、鋼材に存在する、特定組成あるいは粗大な介在物あるいは非金属介在物を制限したり、ＭｎＳなどの形状を制御することが提案されている。また、冷間鍛造用鋼のフェライト・パーライト組織におけるセメンタイトの量を規制することなども提案されている。
【０００８】
しかしながら、これら従来の冷間鍛造用鋼の冷間鍛造性向上技術は、必要とされる部品強度を得るために、通常汎用される、０．３質量％以下で０．１質量％以上のＣ（炭素）を含む低炭素鋼あるいは０．３〜０．７質量％のＣを含む中炭素鋼を対象としている。このため、冷間鍛造性を向上し得たとしても、前記熱間鍛造並の低い変形抵抗、高い加工性を得ることはやはり困難である。
【０００９】
鋼の変形抵抗を低下させ、変形能を向上させるためには、Ｃ（炭素）、Ｓｉ、Ｍｎなどの添加元素を低下させればよいことが知られている。しかしながら、単純に添加元素を低減し、変形抵抗を低下させると、工具の寿命は改善できるものの、冷間鍛造後に必要な部品強度が得られないという問題が生じる。そのため、従来、鋼を所定形状に冷間鍛造した後は、所定の硬度を確保するために焼入れ焼戻し処理などの熱処理が施されていた。
【００１０】
しかしながら、部品加工後に熱処理を施すと、部品寸法が変化してしまうため、更に部品加工を行わなければならない。生産性向上や省エネルギーのためには、所定の硬度を確保すると同時に、冷間鍛造後の熱処理やその後の加工を省略できるような解決策が望まれている。
【００１１】
このような背景の下、固溶Ｎ（固溶窒素）か窒化化合物（窒化物、Ｎ化合物）かの窒素の存在状態によって、冷間鍛造性（変形抵抗および変形能）と冷間鍛造後の強度とを両立させる試みが従来からなされてきた。
【００１２】
特許文献１は、冷間鍛造加工中の変形抵抗の増大を抑制するために、フェライト粒内に微細な窒化化合物を析出させ、これを核としてセメンタイトなどの炭化物を析出させることについて開示している。これより、固溶Ｎおよび固溶炭素を窒化化合物および炭化物として固定化し、加工中の動的ひずみ時効を抑制することによって、変形抵抗の増大を抑制することを開示している。
【００１３】
特許文献２は、Ｎおよび固溶Ａｌ量を制御してＮをＡｌＮとして固定し、さらに時効処理により炭素を炭化物として析出させることによって、炭素および窒素による時効硬化を抑制することを開示している。
【００１４】
上記の特許文献１及び２の方法では、動的ひずみ時効を抑制し、変形抵抗の増加を抑制するために、フェライト粒内に固溶Ｎおよび固溶炭素を窒化化合物および炭化物として固定化している。固溶Ｎおよび固溶炭素を固定化するためには、Ａｌを添加する必要がある。実施例のようにＡｌが０．０３９〜０．０４５％あれば、窒素量が０．０１５％であっても、固溶Ｎは殆ど存在しないものと考えられる。
【００１５】
特許文献３は、Ｃｒ添加による固溶軟化による鋼材の硬さの低下とＡｌ添加による固溶Ｎの固定化で、冷間加工時の変形抵抗を低減する方法が開示されている。しかしながら、当該方法でもＡｌを添加することで固溶Ｎが固定化されているために、上記の特許文献１及び２と同様に固溶Ｎは殆ど存在しないと考えられる。
【００１６】
冷間加工後の冷間加工部品では、所定の硬度を確保するために硬化熱処理、例えば焼入れ焼戻しが行われることがあるが、上述したように、生産性向上および省エネルギーの観点から、焼入れ焼戻しを省略することが求められている。例えば、特許文献４では、冷間鍛造後の発熱温度から常温まで５０〜７０℃／ｈｒの冷却速度で冷却することにより、冷間鍛造後の時効処理（焼入れ焼戻し）を省略できることを開示している。
【００１７】
しかし、前記した通り、冷間鍛造加工性と冷間鍛造後の硬さは相反する性質であり、従来、これらの双方ともが良好な冷間加工用鋼は得られていない。これに対して、特許文献５では、予め素材鋼材に、固溶Ｎを所定量以上含有させ、冷間加工後の硬さを上昇させ、且つ高速冷間加工により、固溶Ｎの弊害を抑制して良好な冷間加工性を維持し、冷間加工後の焼入れ焼戻しを省略しても、冷間加工後の鋼部品の硬さを向上させることを提案している。
【００１８】
具体的には、高速冷間加工用鋼として、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：０．００５〜０．６％、Ｍｎ：０．０５〜２％、Ｐ：０．０５％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０５％以下（０％を含まない）、およびＮ：０．０４％以下（０％を含まない）を含有し、残部は鉄および不可避的不純物からなり、鋼中の固溶Ｎ量が０．００６％以上であることとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特許第３５１５９２３号公報
【特許文献２】特開昭６０−８２６１８号公報
【特許文献３】特公昭５７−６０４１６号公報
【特許文献４】特開２００３−２６６１４４号公報
【特許文献５】特開２００８−１６３４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかし、特許文献５でも、冷間加工後の焼入れ焼戻しを省略するための必要な強度を得るための、予め素材鋼材全体の固溶Ｎ量を高くした場合には、やはり冷間鍛造性が低下する。これは、固溶Ｎ量が高い素材鋼材の全体に亙って、動的ひずみ時効の影響が顕著になるため、強度の増加代よりも変形能の劣化が顕著になり、冷間鍛造中の製品に割れが発生しやすくなるからである。
【００２１】
このため、冷間鍛造性向上を図るために、Ｃ含有量を０．０６質量％以下の極低炭素領域に下げた軟質の鋼材を用いた場合に、前記機械部品（冷間鍛造製品）に要求される強度を十分に確保することができる製造技術は、これまで無かったのが実情である。
【００２２】
本発明はかかる問題に鑑みなされたものであって、前記軟質の鋼材を用いても、製品の強度を十分に確保することができ、前記変形抵抗と部品強度との両立を図れる、冷間鍛造を用いた機械部品の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
この目的を達成するための本発明機械部品の製造方法の要旨は、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０６％、Ｓｉ：０．００５〜０．０５％、Ｍｎ：０．４〜１％、Ｐ：０．０５％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．００５〜０．０５％、Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．００８〜０．０２％を各々含み、残部は鉄および不可避不純物からなる機械構造用鋼を冷間鍛造して機械部品を製造するに際し、前記機械部品の部分的な高強度化領域に対応する、前記冷間鍛造前の前記機械構造用鋼における部分的な高強度化領域を予め決定し、この部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を前記高強度化のために必要な量に予め高めた上で、少なくともこの部分的な高強度化領域に対して２００℃以下の雰囲気温度で塑性ひずみを付与する冷間鍛造を行い、前記機械部品の部分的な高強度化領域の強度を高めるとともに、前記機械部品形状とすることである。
【００２４】
ここで、前記機械部品の部分的な高強度化領域とは、前記機械部品において他の部分よりも高強度化が必要な部分の意味である。また、前記冷間鍛造前の素材機械構造用鋼における部分的な高強度化領域とは、前記冷間鍛造によって前記機械部品の部分的な高強度化領域となる領域である。ただ、この部分的な高強度化領域が、冷間鍛造性を阻害しない範囲で、それ以外の（高強度化が不要な）部分を含んで、前記部分的な高強度化領域よりも面積が大きくても良い。また、一方で、前記機械部品における高強度化が保証されるなら、この部分的な高強度化領域が、必ずしも、前記機械部品における部分的な高強度化領域全てを含む必要は無く、前記部分的な高強度化領域よりも面積が小さくても良い。本発明では、これらの意味を込めて、前記冷間鍛造前の前記機械構造用鋼における部分的な高強度化領域を、前記機械部品の部分的な高強度化領域に対応する、と記載している。
【００２５】
また、前記冷間鍛造の際には、前記冷間鍛造前の素材機械構造用鋼における部分的な高強度化領域に対して、２００℃以下の雰囲気温度での塑性ひずみ（歪）付与が必要であり、それ以外の部分に対しては、この条件を外れても良い。すなわち、前記部分的な高強度化領域に対する悪影響を与えなければ、２００℃を超える雰囲気温度となってもよく、塑性ひずみが与えられない部分があっても良い。したがって、本発明では、これらの意味を込めて、この冷間鍛造の際に少なくとも前記部分的な高強度化領域に対して２００℃以下の雰囲気温度で塑性ひずみを付与すると記載している。
【００２６】
本発明では、好ましい態様として、前記機械構造用鋼における部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を０．００８〜０．０１４％の範囲とするとともに、この部分的な高強度化領域に付与される冷間鍛造塑性ひずみを０．５〜５の範囲とする。また、好ましい態様として、前記部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を、変形抵抗（ＤＲ）、部品強度（Ｈｖ）、疲労強度（Ｆ）のいずれかに基づいたモデル式か、又は予め取得した経験値から求める。また、好ましい態様として、前記機械構造用鋼における部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を、この部分的な高強度化領域の熱処理によって高める。
【発明の効果】
【００２７】
本発明では、極低炭素で軟質な鋼材を冷間鍛造用素材に用いるに際して、前記機械部品において強度が必要な部分のみ固溶Ｎ量（固溶窒素量）を増加させ、冷間鍛造の塑性ひずみによって部分的に高強度化させる。この際、他の部分は全体として、元の固溶Ｎ量、すなわち元の軟質な冷間鍛造用鋼材のままとして、冷間鍛造性を確保する。言い換えると、この強度が必要な部分を熱処理するなどして、強度増加に必要な固溶Ｎ量に、部分的に固溶Ｎ量を増加させる。そして、この固溶Ｎ量が増加した部分領域への冷間鍛造塑性ひずみの付与によって、この部分（強度が必要な部分）の強度を前記必要強度にまで増加させる。本発明では、このような素材冷間鍛造用鋼材の固溶Ｎ量を部分的に増加させるものであり、前記特許文献５のように、素材冷間鍛造用鋼材全体の固溶Ｎ量を予め高くして、強度増加のために冷間鍛造性を犠牲にすることが無い。
【００２８】
極低炭素で軟質な冷間鍛造用鋼材は、通常は冷間鍛造しても、変形抵抗に応じた部品強度しか得られない。しかし、本発明者らの知見によれば、冷間鍛造時に前記固溶Ｎによって動的ひずみ時効を生じさせた場合、通常よりも可動転位が多く生成し、冷間鍛造時の発熱とその後の冷却によって、加工後に静的ひずみ時効が発生することが明らかになった。すなわち、鋼材の加工硬化代に、固溶Ｎによる静的ひずみ時効の強化代が相乗して付与されるため、通常の変形抵抗以上に、機械部品強度を高めることができる。しかも、元の固溶Ｎ量のままとした、他の部分は全体として通常の変形抵抗代しか強度が増加せず、冷間鍛造性を確保できる。
【００２９】
したがって、本発明によれば、Ｃ含有量が０．０６質量％以下の極低炭素領域にある軟質の鋼材を冷間鍛造によって機械部品とするに際し、製品の強度を十分に確保することができ、前記変形抵抗と部品強度との両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明における冷間鍛造の工程を順に示したフローチャートである。
【図２】本発明による大型ねじ（機械部品）の製造工程を順に示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の機械部品の製造方法について、以下に図面を用いて具体的に説明する。本発明では、前記した従来より熱間鍛造あるいは冷間鍛造により製造されてきた種々の機械部品に適用できるが、以下の説明では、大型ねじを代表的な例として説明する。
【００３２】
図１は、本発明における冷間鍛造の工程（機械部品の製造方法の手順）を順に示したフローチャートを示している。図２は、本発明による大型ねじの製造工程（機械部品の製造方法の手順）を順に示している。
【００３３】
以下の、この図１、2 に基づく、機械部品の製造方法の説明においては、設計段階の内容説明も含んでおり、後述するＳ１：製品形状決定工程〜Ｓ４：材料性状決定工程までが設計段階（加工前段階）であり、Ｓ５以降が具体的な加工段階となる。
【００３４】
Ｓ１：製品形状決定工程
図１及び図２に示すように、まず、大型ねじ１を製造するにあたっては、Ｓ１：製品形状決定工程のように、大型ねじ１の製品形状Ａを決定する。すなわち、冷間鍛造後（強度増加後）に機械加工が施されるが、この機械加工終了後の大型ねじ１の形状、即ち、製品にしたときの大型ねじ１の製品形状Ａを製作図面中から決定する。なお、この形状はユーザからの要求により決まることが多い。
【００３５】
Ｓ２：冷間鍛造前形状決定工程
次に、Ｓ２：冷間鍛造前形状決定工程として、前記製品形状決定工程Ｓ１で決定した製品形状Ａに、冷間鍛造中の鋼材の流れを考慮することで、冷間鍛造前形状Ｂを決定する。例えば、冷間鍛造工程では、ねじ部とヘッド部の鋼材が移動する量（例えば、鋼材の体積から計算される）の寸法を加算することによって、前記冷間鍛造前形状Ｂが決定される。
【００３６】
より具体的には、この工程Ｓ２では、点線で示す大型ねじ１における製品輪郭線（製造後の輪郭線）に、各箇所の機械加工代（例えば、数ｍｍ）の寸法を加算して、冷間鍛造後の輪郭線（強度増加後輪郭線）を求め、冷間鍛造によって形成できる冷間鍛造前形状Ｂを決定する。強度増加前形状（ひずみ前形状）を決定し、この強度増加前形状（幅や高さ、体積等）から、大型ねじ１の元になる丸棒３の直径、長さ等を決定して、材料の初期形状を決める。
【００３７】
部分的な高強度化領域：
ここで、前記製品形状Ａ（機械部品）の、他の部分よりも高強度化が必要な、部分的な高強度化領域に対応する、冷間鍛造前の素材機械構造用鋼における部分的な高強度化領域も予め決定する。機械部品が前記大型ねじ１とすると、高強度化が必要な部分は大型ねじ１の軸部およびねじ部の領域である。この大型ねじ１の軸部およびねじ部の部分的な高強度化領域に対応する冷間鍛造前の素材機械構造用鋼における部分的な高強度化領域とは、図２の素材機械構造用鋼形状Ｂにおける、Ｓ３で黒塗りされた部分である。
【００３８】
図２のＳ３で黒塗りされた部分（素材機械構造用鋼における部分的な高強度化領域）は、大型ねじ１の軸部およびねじ部の領域とほぼ一対一に対応している。言い換えると、冷間鍛造によって、ほぼ大型ねじ１の軸部およびねじ部の領域となるように、大きさと位置とが設定されている。ただ、前記した通り、素材機械構造用鋼におけるこの部分的な高強度化領域が、冷間鍛造性を阻害しない範囲で、それ以外の（高強度化が不要な）部分を含んでも良い。また、一方で、前記機械部品における高強度化が保証されるなら、この部分的な高強度化領域が、必ずしも、前記機械部品における部分的な高強度化領域全てを含む必要は無い。
【００３９】
Ｓ３：強度増加代決定工程（強度増加のための固溶Ｎ量決定工程）
本発明では、前記素材機械構造用鋼における部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量の制御と、この部分的な高強度化領域に付与される冷間鍛造による塑性ひずみ（歪）の制御とによって、機械部品における部分的な高強度化領域の必要強度を得る。このうち、先ず、Ｓ３：強度増加代決定工程として、前記冷間鍛造前形状決定工程Ｓ２で決定した冷間鍛造前形状Ｂに、強度が必要な部分に対して冷間鍛造時に付与される塑性ひずみ量εに基づき、固溶Ｎ量を決定する。この好ましい塑性ひずみ量εについては後述する。ここで、固溶Ｎ量は、前記部分的な高強度化領域の、機械部品の高強度化領域に対応する部分のみ高めればよいが、冷間鍛造性を阻害しない範囲で、他の箇所の固溶Ｎ量を増加させても良い。
【００４０】
例えば、前記大型ねじ１において、前記ねじの軸部およびねじ部に強度が必要な場合、必要とされる強化代を計算することによって、このねじの軸部およびねじ部の領域（高強度化領域、高強度化が必要な部分）で必要とされる固溶Ｎ量が決定される。このＳ３：強度増加代決定工程では、強度が必要な部分（部分的な高強度化領域）に対して、予め意図的あるいは強制的に、かつ、この高強度化領域に対応する素材領域のみ、部分的に固溶Ｎ量を増加させて、この部分のＹＳ（降伏強度）、ＴＳ（引張強度）を冷間鍛造によって増加させる。即ち、この高強度化領域での強度を増加させることを意図して、予め必要な固溶Ｎ量を計算している。
【００４１】
前記素材の部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量の決定には、変形抵抗（ＤＲ）、部品強度（硬度Ｈｖ）、疲労強度（Ｆ）のいずれかに基づいたモデル式か、又は予め取得した経験値を用いる。ここで、前記モデル式としては、例えば下記式(1)〜(4)に示したモデル式を用いて前記固溶Ｎ量を決定する。
【００４２】
固溶Ｎ量＝f-1（要求される降伏強度−鋼材の降伏強度） ・・・(1)
固溶Ｎ量＝g-1（要求される引張強度−鋼材の引張強度） ・・・(2)
固溶Ｎ量＝h-1（要求される硬度−鋼材の硬度） ・・・(3)
固溶Ｎ量＝i-1（要求される疲労強度−鋼材の疲労強度） ・・・(4)
ここで、f、g：応力−固溶Ｎ量曲線、あるいは、変形抵抗−固溶Ｎ量曲線の関数、h：硬度−固溶Ｎ量曲線の関数、i：疲労強度−固溶Ｎ量曲線の関数である。
【００４３】
固溶Ｎによる強度向上メカニズム：
固溶Ｎによる強度向上メカニズムについて説明する。固溶Ｎは一般的に、侵入型固溶元素として鋼中に存在し、冷間鍛造などの塑性変形中に、動的ひずみ時効を発生させることによって、鋼材の変形抵抗を増加させ、変形能（加工性）を劣化させる問題がある。したがって、この種、冷間鍛造用鋼分野では、有害な不純物として扱われ、通常は、ＡｌやＴｉなどで，窒化化合物として全量固定されることが行われてきた。
【００４４】
ところで、冷間鍛造用鋼におけるこのような変形能の劣化は、主に鋼中の硬質相（例えばパーライト）と軟質相（例えばフェライト）の界面で生じることが発明者の検討によって明らかとなった。そこで、極低炭素鋼として、炭素量を著しく下げて、前記硬質相を極力低減することで、変形能を向上させることができた。また、変形抵抗の増加に関しても、固溶Ｎ量の動的ひずみ時効によるフェライトの強化によって、硬質相にひずみが入りやすくなり、結果として変形抵抗が高くなっている可能性が考えられた。このため、本発明のような極低炭素鋼では、炭素量を著しく下げて、前記硬質相を極力低減している結果、変形抵抗はある固溶Ｎ量の範囲ではあまり増加しないことが明らかになった。
【００４５】
一方、部品強度に関しても、通常の冷間鍛造用鋼では、変形抵抗に応じた部品強度しか得られないが、冷間鍛造時に固溶Ｎによって動的ひずみ時効を生じさせた場合、通常よりも可動転位が多く生成し、冷間鍛造時の発熱とその後の冷却によって、加工後に静的ひずみ時効が発生することが明らかになった。すなわち、鋼材の加工硬化代に固溶Ｎによる静的ひずみ時効の強化代が付与されるため、変形抵抗以上に部品強度を高めることができることが明らかになった。これによって、鋼材の強度を増加させたい部分のみ固溶Ｎ量を増加させることによって、強度のそれほど要求されない箇所の変形抵抗は、そのままで、結果的に下げることができ、部品強度の保証と冷間金型寿命向上とを両立させることができる。従来の技術のように、固溶Ｎ量を制御せずに、大型ねじ１を単に冷間鍛造するだけでは、前記した通り、製品として必要な強度が得られない箇所が出てくる。
【００４６】
強度向上に必要な固溶Ｎ量：
ここで、前記素材の部分的な高強度化領域の強度向上に必要な固溶Ｎ量（予め調整される固溶Ｎ量）は０．００８〜０．０１４質量％である。この範囲に前記素材の部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を、冷間鍛造前に予め調整することで、変形抵抗をあまり上げず、固溶Ｎ量に応じた強化代を付与することが可能となる。
【００４７】
一方、前記固溶Ｎ量が０．００８質量％未満の場合には、固溶Ｎが少なすぎて、冷間鍛造によっても十分な強化代が得られない。また、固溶Ｎ量が０．０１４質量％を超える場合には、動的ひずみ時効の影響が顕著になるため、強度の増加代よりも変形能の劣化が顕著になり、冷間鍛造中の製品に割れが発生しやすくなる。
【００４８】
固溶Ｎ量の測定方法：
本発明における固溶Ｎ量の測定方法は、ＪＩＳ Ｇ１２２８に準拠し、鋼中の全Ｎ（全窒素）含有量から、全Ｎ（全窒素）化合物を差し引くことで鋼中の固溶Ｎ量を算出する。まず、鋼中の全Ｎ含有量測定には（ａ）不活性ガス融解法−熱伝導度法を用いる。供試鋼素材からサンプルを切り出し、サンプルをるつぼに入れ、不活性ガス気流中で融解してＮを抽出し、熱伝導度セルに搬送して熱伝導度の変化を測定して、鋼中の全Ｎ含有量を算出する。
【００４９】
次に、鋼中の全窒化化合物量は（ｂ）アンモニア蒸留分離インドフェノール青吸光光度法を用いる。供試鋼素材からサンプルを切り出し、１０％ＡＡ系電解液（鋼表面に不働態皮膜を生成させない非水溶媒系の電解液であり、具体的には１０％アセチルアセトン、１０％塩化テトラメチルアンモニウム、残部：メタノール）の中で、定電流電解を行なう。そして、約０．５ｇのサンプルを溶解させ、不溶解残渣（窒化化合物）を、穴サイズが０．１μｍのポリカーボネート製のフィルタでろ過する。この不溶解残渣を硫酸、硫酸カリウム及び純Ｃｕチップ中で加熱して分解し、ろ液に合わせる。この溶液を水酸化ナトリウムでアルカリ性にした後、水蒸気蒸留を行い、留出したアンモニアを希硫酸に吸収させる。フェノール、次亜塩素酸ナトリウム及びペンタシアノニトロシル鉄（III)酸ナトリウムを加えて青色錯体を生成させ、吸光光度計を用いて吸光度を測定し、鋼中の全窒化化合物量を求める。
【００５０】
そして、前記（ａ）の方法によって求められた全Ｎ量から、前記（ｂ）の方法によって求められた全窒化化合物量を差し引いて、固溶Ｎ量を求めることができる。
【００５１】
固溶Ｎ量の増加手段：
前記素材の部分的な高強度化領域の、強度向上に必要な固溶Ｎ量を増加させる（固溶Ｎ量を必要量確保する）手段は、窒化化合物として全量固定されているＮの制御、すなわち、窒化化合物の析出量を制御することで行う。固溶Ｎは、特にＡｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｒなどと窒化化合物（窒素化合物）を形成しやすい。ただ、本発明製造方法の固溶Ｎ量を必要量確保する熱処理温度範囲では、支配的には、概ねＡｌと窒素との結合状態によって、固溶Ｎ量が決定される。前記Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ、Ｈｆ、Ｔａ、ＺｒなどのＡｌ以外の元素の窒化化合物は、本発明製造方法の前記熱処理温度範囲では、分解しにくく、生産性良く、固溶Ｎ量を必要量確保することがＡｌよりも難しい。したがって、本発明では、固溶Ｎ量の必要量の確保にＡｌを主として用いる。
【００５２】
このためには、前記Ｓ２：冷間鍛造前形状決定工程によって決定された、大型ねじ１の軸部およびねじ部の領域（図２の冷間鍛造前の素材機械構造用鋼形状ＢにおけるＳ３で黒塗りされた部分）＝冷間鍛造前形状Ｂの（前記部分的な高強度化領域に対応する）部分的な高強度化領域に対して、後述する熱処理を行って、前記冷間鍛造時に付与される塑性ひずみ量εに基づき決定された固溶Ｎ量に調整する。
【００５３】
冷間鍛造で付与する塑性ひずみ量：
本発明では、前記した通り、前記素材の部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を、前記した０．００８〜０．０１４％の範囲に制御するとともに、この部分的な高強度化領域に付与される冷間鍛造塑性ひずみを制御して、機械部品として必要な強度を得る。冷間鍛造によって、前記した鋼材の加工硬化代に、固溶Ｎによる静的ひずみ時効の強化代を付与して、前記素材の部分的な高強度化領域の強度を、変形抵抗以上に高めるためには、前記素材の部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量の範囲を前提に、冷間鍛造塑性ひずみを０．５〜５の範囲とする。
【００５４】
この範囲の塑性ひずみを付与することで、鋼中に適度に可動転位が導入されるため、加工後の冷却中の静的ひずみ時効によって部品強度を向上させることができる。前記素材の部分的な高強度化領域に付与する塑性ひずみ量が０．５未満の場合、十分な強化代を付与することができない。なお、強化が必要な部位の塑性変形量が、通常の冷間鍛造工程において、０．５に満たない場合には、塑性加工代を予め加算し（その部分の鋼材量を予め増やしておく）、冷間鍛造を実施しても良い。
【００５５】
一方、前記素材の部分的な高強度化領域に付与する塑性ひずみ量が５を超える場合には鋼材の加工限界を超え、変形能が劣化し始めるため、部品に割れが生じやすくなり、冷間鍛造による部品加工ができなくなる。
【００５６】
前記塑性ひずみ量が０．５は、円柱状の鋼材の両端を拘束した状態から、円柱鋼材の高さが３４％減少（元の高さに対して６６％の高さ）するまで圧縮した時のひずみ量に相当する。前記塑性ひずみ量５は、同じように圧縮させた時に高さが９９％減少するまで圧縮した時のひずみ量に相当する。したがって本発明では塑性ひずみの単位は無次元とする。ただし、各種部品において多軸方向からひずみが付与された場合には、単純に高さが減少する加工方法とは異なるため、より少ない変形量でも、大きなひずみが付与される場合がある。
【００５７】
なお、前記素材の部分的な高強度化領域以外の鋼材部分に付与する塑性ひずみ量は、この部分的な高強度化領域（高強度化領域）と同じとしても良いが、変えても良く、この場合には１以上８以下の範囲から選択することが好ましい。塑性ひずみ量が８よりも大きい場合、強度が上がりすぎて鋼材の加工能が劣化し、冷間鍛造では部品加工ができなくなる。また、付与する塑性ひずみ量が１未満であると、機械部品全体で十分な部品強度が得られなくなる。
【００５８】
Ｓ４：材料性状決定工程：
以上を前提として、Ｓ４：材料性状決定工程として、鋼材のＮ含有量との関係で、前記素材の部分的な高強度化領域を必要な固溶Ｎ量とするための、前記熱処理条件（熱処理手段、加熱速度、加熱温度、保持温度・時間、冷却速度など）を選択、決定する。
【００５９】
固溶Ｎ量−温度曲線の求め方は、Thermo-calcによる計算、溶解度積による計算、各温度で固溶Ｎ量を調整した鋼材を前記した抽出残渣法によって実測する方法などが用いられる。
【００６０】
この熱処理では、前記素材の部分的な高強度化領域（高強度化領域）のみを部分的に加熱して、元の鋼材中の存在形態であるＡｌＮを分解して、前記素材の部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を高める方法がある。また、元々の鋼材の固溶Ｎ量を全体的に前記必要な量だけ高めておき、強度が必要でない部分にのみ熱処理を実施して、ＡｌＮを形成させることで、強度が必要でない部分のみ、固溶Ｎ量を低減させる方法がある。
【００６１】
ＡｌＮの結合状態は温度に依存する。加熱温度が高いほど、ＡｌＮは分解しやすく、加熱、保持後の冷却速度をある程度以上の速度（0.5℃/s以上）とすることで、冷却中にＡｌＮを析出させず、固溶Ｎ量を設計どおりに調整することができる。
【００６２】
具体的な熱処理条件としては、予め焼ならした鋼材の前記部分的な高強度化領域（高強度化領域である大型ねじ１の軸部およびねじ部に相当する領域）のみを、加熱して７００〜１１００℃の範囲で保持および前記冷却速度で冷却することによって、鋼中に生成しているＡｌＮをの一部を分解させて、固溶Ｎを必要量確保する。これによって、鋼材の前記部分的な高強度化領域のみを前記適量に固溶Ｎ量を増加、調整することができる。
【００６３】
このような部分的で、急速な加熱や冷却の熱処理に適した手段として、公知の高周波加熱手段が好適である。高強度化領域のみ、あるいは、強度が必要でない部分のみを、前記したように部分的に熱処理するためには、鋼材材料に対して部分的に適用できるとともに、急速に加熱（急熱）および急速に冷却（急冷）できる熱処理手段が必要となる。熱処理手段が鋼材全体に適用されたり（及んだり）、これら加熱速度や冷却速度が遅いと、熱伝導によって、鋼材全体が熱処理されて、前記部分的な固溶Ｎ量の制御が困難になる。
【００６４】
以上の工程設計の基に、図１、２では、Ｓ５〜Ｓ７の工程によって、冷間鍛造を中心とする機械部品の製造を行う。
【００６５】
Ｓ５：冷間鍛造前形状加工工程（予備加工工程）
大型ねじ１の元になる丸棒３の初期形状（直径、長さ等）が、冷間鍛造前の形状Ｂ（冷間鍛造に適した強度増加前形状、ひずみ前形状）となるように、Ｓ５として、予備の加工を行う。この予備の加工は、熱間鍛造、又は、切削などの機械加工により行う。
【００６６】
Ｓ６：材料性状処理工程
次いで、Ｓ６の材料性状処理工程（前記熱処理工程）によって、前記素材の部分的な高強度化領域（強度が必要な部分）の固溶Ｎ量を、前記した条件によって、高周波加熱などによる部分的な熱処理を行って制御する。
【００６７】
Ｓ７：強度増加工程（冷間鍛造工程）
このＳ６の材料性状処理工程（前記熱処理工程）後に、前記塑性ひずみを付与しながら冷間鍛造を行って、特に、前記素材の部分的な高強度化領域の強度を増加させるとともに、機械部品（製品）形状とする。この冷間鍛造（強度増加工程）は、前記冷間鍛造前形状Ｂの材料に対して、前記塑性ひずみ量が付与されて、前記素材の部分的な高強度化領域を必要な高強度とするとともに、図２の製品形状Ａにする。
【００６８】
例えば、設計段階にて説明したように、この大型ねじ１においては軸部２の強度を増加させることから、強度増加工程Ｓ６では、軸部２にひずみを入れつつ冷間鍛造を行っている。詳しくは、この強度増加工程Ｓ６では、軸部２に対応するひずみ付与前輪郭線Ｌ４が鍛造後輪郭線（強度増加後輪郭線）Ｌ２に一致するように圧縮等（部分圧下）を行い、塑性ひずみを入れ、これにより、軸部２のＴＳ（引っ張り強度）を増加させている。
【００６９】
冷間鍛造を行う方法については限定されず、軸方向への圧縮（圧縮部分圧下）を行ってもよいし、押し出し成形（押し出し型鍛造）を行ってもよいし、型鍛造を行っても良い。
【００７０】
冷間鍛造（冷間加工）時に、前記部分的な高強度化領域に対しては、２００℃以下の雰囲気温度での塑性ひずみ付与が必要であり、材料の加工前温度を１００℃未満とすることが好ましい。また、冷間鍛造時の加工発熱を抑制するために、前記部分的な高強度化領域を強制的に冷却しても良い。なお、それ以外の部分に対しては、この条件を外れても良い。すなわち、前記部分的な高強度化領域に対する悪影響を与えなければ、２００℃を超える雰囲気温度となってもよく、塑性ひずみが与えられない部分があっても良い。
【００７１】
なお、上記説明では、予備加工工程Ｓ５を経てから強度増加工程（冷間鍛造工程）Ｓ７を行っているが、図２のＳ２の上側から伸びる矢印でに示すように、この予備加工工程Ｓ５を行わずに、前記冷間鍛造前形状決定工程Ｓ２で決定した丸棒２に対して、直接冷間鍛造工程Ｓ７を行ってもよい。この場合は、機械加工代が付与された形状となるように冷間鍛造を行いつつ、強度の必要な部分（例えば、軸部）に塑性ひずみ量εに応じたひずみ付与を行うことになる。
【００７２】
鋼材の組成：
機械部品の材料（素材）である鋼材の組成について以下に説明する。素材鋼材には、冷間鍛造によって前記塑性ひずみを付与するとＴＳやＹＳが向上する特性が必要である。特に、与える塑性ひずみに比例してＴＳが向上する特性が必要である。また、前記部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を前記高強度化のために必要な量に予め調整できるだけの全Ｎ含有量が必要である。更に、機械部品用としての強度、加工性、切削性、耐食性などの諸特性を満たすことも必要である。
【００７３】
このための鋼材の組成は、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０６％、Ｓｉ：０．００５〜０．０５％、Ｍｎ：０．４〜１％、Ｐ：０．０５％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．００５〜０．０５％、Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．００８〜０．０２％を各々含み、残部は鉄および不可避不純物からなる機械構造用鋼である。ここで記載元素含有量は全て質量％である。
【００７４】
Ｃ：０．００５〜０．０６％
Ｃは、鋼材の組織の形成に大きな影響を及ぼす元素であり、鋼材の組織をフェライト単相組織とするために、極力低減する必要がある。また、冷間鍛造時の変形抵抗および変形能に大きな影響を及ぼす元素であり、冷間鍛造性のために、極力低減することが望ましい。過剰に含有すると、鋼材の組織中にパーライトが生成し、パーライトの加工硬化によって変形抵抗が過大となって冷間鍛造性が悪化する。したがって、Ｃ含有量は０．０６質量％とする必要があり、好ましくは０．０５５％以下、より好ましくは０．０４５質量％以下とする。しかし、Ｃ含有量が極端に少なくなると、鋼材の溶製中の脱酸が困難になるため、下限は０．００５％とし、好ましくは０．００８％以上、より好ましくは０．０１３％以上である。
【００７５】
Ｓｉ：０．００５〜０．０５％
Ｓｉは、溶製中の脱酸元素として有効である。Ｓｉ含有量が０．００５％未満であると、脱酸が不十分になって溶製中にブローホールを発生することになる。しかしながら、Ｓｉ含有量が過剰になって０．０５％を超えると、Ｓｉのフェライト相の固溶強化によって、変形抵抗の増大を招くと共に、変形能の低下を生じさせる。このため、割れの発生が顕著になり、冷間鍛造性が悪化する。したがって、Ｓｉ含有量は好ましくは０．００７％以上、より好ましくは０．０１２％以上であり、好ましくは０．０４４質量％以下、より好ましくは０．０３１％以下である。
【００７６】
Ｍｎ：０．４〜１％
Ｍｎは溶製中の脱酸、脱硫元素として有効である。また、鋼材中のＮ含有量を高めた場合、冷間鍛造加工中の発熱による動的ひずみ時効によって割れが発生しやすくなるが、Ｍｎは、ＭｎＳとして、そのときの（変形能）加工性を向上させ、割れを抑制する効果がある。この様な効果を有効に発揮させるには、０．４％以上含有させることが必要であり、好ましくは０．４２％以上、より好ましくは０．４８％以上である。一方、Ｍｎが過剰に含まれると変形抵抗が過大となるだけでなく、偏析による組織の不均一性が生じるので、１％以下とする必要があり、好ましくは０．９２％以下、より好ましくは０．８３％以下である。
【００７７】
Ｐ：０．０５％以下（０％を含まない）
リン（Ｐ）は不可避的不純物である。これが鋼材組織のフェライトに含有されると、フェライト粒界上に偏析して、変形能を劣化させ、冷間鍛造性を低下させる。また、前記フェライトを固溶強化させて変形抵抗の増大をもたらし、冷間鍛造性を劣化させる元素でもある。よって、冷間鍛造性向上のために、Ｐ含有量は０．０５％以下とする。また、好ましくは０．０２２％以下である。Ｐ含有量を０％にすることは、工業上困難で、経済的でもないので、０％を含まないと但し書きで規定した。
【００７８】
Ｓ：０．００５〜０．０５％
硫黄（Ｓ）もＰと同様に不可避的不純物である。ＳはＦｅＳとして結晶粒界上に膜状に析出し、冷間鍛造性などの加工性を劣化させる。また、熱間脆性を引き起こす作用がある。そこで、変形能を向上させる観点から、Ｓ含有量は０．０５％以下、好ましくは０．０１９％以下とする。但しＳ含有量を０％にすることは、工業上困難であるし、Ｓは被削性を向上させる効果も有する。このため、変形能と被削性および経済的に低減できる量のバランスを考慮して、Ｓ含有量の下限は０．００５％以上とする。好ましくは０．００８％以上含有させる。
【００７９】
Ａｌ：０．００５〜０．１％
Ａｌは、強い脱酸効果を有して、鋼材の内部品質を向上させることができる。また、鋼中のＮと結合して、ＡｌＮを形成し、フェライト結晶粒を整粒化する効果も有する。また、前記熱処理によって固溶Ｎ量を制御するのに重要な元素である。これらの効果を有効に発揮させるためには、０．００５％以上のＡｌが必要であり、０．００８％以上が好ましく、０．０１５％以上が更に好ましい。Ａｌの含有量が０．００５％未満であると、前記熱処理によって固溶Ｎ量を制御できなくなる。また、溶製時にガス欠陥が発生しやすく、冷間鍛造時に割れが発生しやすい。一方、０．１％を超えると、固溶Ｎとの結合力が顕著になるため、前記熱処理によって固溶Ｎ量を制御できなくなる。このため、固溶Ｎ量を低下させ、所定の部品強度が得られなくなる。したがって、Ａｌ含有量は０．１％以下とし、好ましくは０．０３２％以下、さらに好ましくは０．０２６％以下とする。
【００８０】
Ｎ：０．００８〜０．０２％
窒素（Ｎ）は、冷間鍛造後に所望の部品強度を得るために必要な固溶Ｎ量を確保するために所定量添加する必要がある。また、冷間鍛造加工後の静的ひずみ時効によって所定の強度を得るためにも重要な元素である。こうした効果を発揮させるためには、全Ｎ含有量を０．００８％以上とする必要がある。しかしながら、このＮ含有量が過剰になって０．０２％を超えると、静的ひずみ時効よりも加工中の動的ひずみ時効の影響が顕著になり、変形抵抗が増大することになる。Ｎ含有量の好ましい下限は０．０１０％以上、より好ましくは０．０１２％以上であり、好ましい上限は０．０１５５％、より好ましくは０．０１４０％以下である。
【００８１】
その他の元素：
本発明では、固溶Ｎと窒素化合物を形成しやすい元素として、例えば、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ（硼素）、Ｈｆ、Ｔａなどの元素を、不可避的不純物として、これらの合計の含有量で２％以下（０％を含む）含んでも良い。
【００８２】
また、例えば、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｍｇ、Ｌｉなどの他の元素も、不純物として溶解原料などから混入しやすい元素であるが、前記固溶Ｎの効果や機械部品の特性を損なわない範囲で、不可避的不純物として、各々下記する許容量だけ含んでも良い。Ｃｒ：２％以下（０％を含む）、Ｍｏ：１％以下（０％を含む）、Ｃｕ：５％以下（０％を含む）、Ｎｉ：５％以下（０％を含む）、Ｃａ、ＲＥＭ：各０．２％以下（０％を含む）、Ｍｇ、Ｌｉ：各０．０１％以下（０％を含む）。
【００８３】
以上の材料を用いて、大型ねじ１を本発明に示した鍛造方法により製造することにより、従来、熱間鍛造を用いてしか大型ねじ１を製造できなかったものが、冷間鍛造を用いて製造することができるようになった。なお、本発明の製造方法は、大型ねじ１のみならず、これまで熱間鍛造によって加工されていたクランクシャフト、コンロッド、トランスミッションギヤ等の自動車用部品、その他の機械部品)にも適用することができる。
【００８４】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００８５】
表１に記載の化学成分組成を有する鋼（各元素の含有量は質量％）を、転炉により溶製し、連続鋳造で鋼片とした後、φ１２ｍｍの線材に圧延した。その後、この圧延線材に８００℃×２時間の焼ならし熱処理を施し、圧延線材全体における固溶Ｎの一部をＡｌＮに形成した。ここで、表１の「Ｎ」は窒化化合物、固溶Ｎを全て含めた全窒素の量を示す。
【００８６】
得られた前記線材（冷間鍛造前の機械構造用鋼）の前記大型ねじ１（機械部品）における高強度化が必要な大型ねじ１の軸部およびねじ部の領域に対応する、部分的な高強度化領域を予め決定し、この部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を前記高強度化のために必要な量に予め高めた上で前記冷間鍛造を行った。すなわち、前記Ｓ１〜Ｓ７までの工程を経て前記大型ねじ１を製造した。
【００８７】
この際、Ｓ６：材料性状処理工程（前記熱処理工程）によって、前記部分的な高強度化領域（強度が必要な部分）の固溶Ｎ量を、高周波加熱によって、表２に示す部分的に異なる熱処理を行って制御した。ここで、前記部分的な高強度化領域（強度が必要な部分）のみを、表２に各々示す各温度に急速、短時間に加熱（前記φ１２ｍｍのねじ径で約１００℃／sec程度）することによって、素材中のＡｌＮなどの前記窒化化合物を分解させて、この高強度化領域の固溶Ｎ量を増加させた。この際、加熱および保持の合計時間は各例とも共通して３００秒程度の短時間とし、それ以外の強度が必要でない部分はできるだけ加熱されないようにした。すなわち、特に発明例においては、この高強度化領域以外の強度が必要でない部分は、加熱処理しなかった（熱処理無し）。
【００８８】
加熱保持後の冷却では、発明例を含めて、前記部分的な高強度化領域の冷却速度を1℃/ｓに制御し、前記部分的な高強度化領域に生成させた固溶Ｎが、冷却過程で再度析出し、冷間鍛造での強度増加に必要な量未満に減らないようにした。
【００８９】
素材鋼線材の前記部分的な高強度化領域と、それ以外の軸部相当部の「固溶Ｎ量」を前記分析方法で求めた。この結果を表２に示す。表２で「固溶Ｎ量」は質量％で示す。
【００９０】
また、冷間鍛造の際には、各例とも共通して、前記部分的な高強度化領域を含めて、それ以外の部分に対しても、２００℃以下の雰囲気温度で塑性ひずみを付与して、前記機械部品における高強度化が必要な部分の強度を部分的に高めることを試みるとともに、前記大型ねじ１形状とした。
【００９１】
冷間鍛造は、前記熱処理を施した線材に１０％の減面伸線加工を施した後、パーツフォーマを用いて、M12のねじ加工を行った。その後、仕上げのねじ加工を、連続4段の冷間鍛造にて行い、図1に示す大型ねじ部品のねじ形状に仕上げた。この4段の冷間鍛造の加工速度は６０個／分である。
【００９２】
得られた大型ねじ部品の強度の評価として、素材を前記部分的な高強度化領域とした、前記軸部およびねじ部の領域のビッカース硬さ（Ｈｖ）、それ以外の部分（首下部分）のビッカース硬さ（Ｈｖ）を、各々ビッカース硬さ試験機にて測定し、これらの部位の硬さの差（軸部およびねじ部の領域の硬さの増加）も求めた。この際、前記軸部およびねじ部の領域のビッカース硬さがは３００Ｈｖ以上である部品を強度に優れると判定し、３００Ｈｖ未満を強度に劣ると判定した。この結果も表２に示す。なお、前記部品のビッカース硬さは、前記ねじを軸心にて長手方向に亘って等分に２分割するように（縦方向に）切断し、この切断面における、前記軸部と首下との各長手方向位置で、かつ、これら各断面部のＤ／４（Ｄ：ねじ部品直径）の深さ位置での、硬さを各々測定した。ビッカース硬さの測定は、荷重：１０００ｇ、測定回数：５回の共通する条件で測定し、その平均をとった。
【００９３】
得られた大型ねじ部品の冷間鍛造性も評価した。すなわち、前記ねじの軸部と首下の各長手方向の中心部からφ１０ｍｍ×長さ１５ｍｍの試験片を各々切り出し、これらの試験片を、ひずみ速度：１０／Ｓ（加工中のひずみ速度の平均値）、加工温度：室温、圧縮率：８０％の加工条件で、１６００トンプレスを用いて、端部を拘束した状態で据え込み加工を行った。この加工後、観察倍率２０倍での実態顕微鏡で表面を観察して、割れの有無を確認し、冷間鍛造性を評価した。この結果も表２に示す。本実施例では、前記ねじの軸部と首下のいずれの試験においても割れが観察されない場合を冷間鍛造性に優れる（○）、前記ねじの軸部と首下のいずれか一方あるいは両方の試験において、小さくても部品に割れが観察される場合を冷間鍛造性に劣る（×）と判定した。
【００９４】
表１、２の発明例、鋼種Ａ４−Ａ５、Ｂ３−Ｂ５、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈは、鋼材組成を満足するとともに、高強度化が必要な部分に対応する冷間鍛造前の部分的な高強度化領域を予め決定し、この高強度化領域の固溶Ｎ量を高強度化のために必要な量に予め熱処理によって部分的に高めている。そして、その上で冷間鍛造を行い、この冷間鍛造の際に少なくとも前記部分的な高強度化領域に対して２００℃以下の雰囲気温度で塑性ひずみを付与して、機械部品における高強度化が必要な部分のみの強度を部分的に高めている。この結果、発明例は、冷間鍛造性に優れ、かつ前記ねじ軸部の硬度が３００ＨＶを超え、部品強度に優れている。
【００９５】
これに対して本発明で規定する要件を満たさないものは、以下に記載するように、冷間加工性または部品強度が劣っている。
【００９６】
鋼種Ａ１−Ａ３、Ｂ１−Ｂ２は、前記部分的な高強度化領域（強度が必要な部分）の加熱温度が低すぎて、この高強度化領域のＡｌＮなどの前記窒化化合物を分解させて、固溶Ｎ量を十分増加させることができず、この高強度化領域の固溶Ｎ量が不足している。この結果、冷間鍛造性は当然ながら良いものの、冷間鍛造によっても、前記ねじ軸部の硬度は３００ＨＶ未満であり、高強度化ができておらず、強度不足である。
【００９７】
鋼種Ｉは、素材鋼線材の全Ｎ量が不足している。このため、前記部分的な高強度化領域（強度が必要な部分）の加熱温度が低すぎることと相まって、前記高強度化領域の固溶Ｎ量が不足して、冷間鍛造によっても、前記ねじ軸部の硬度は３００ＨＶ未満であり、高強度化ができておらず、強度不足である。
【００９８】
鋼種Ｊ−１〜Ｊ−５はＡｌの含有量が少なすぎる。このため、発明例と同様な加熱条件、あるいは加熱温度が低すぎる条件であっても、前記熱処理によってＡｌと窒素との結合状態による固溶Ｎ量の制御ができない。この結果、共通して、元の素材鋼線材の固溶Ｎ量のままであり、前記高強度化領域やそれ以外の領域を含めて、素材鋼線材全体の固溶Ｎ量が多すぎて、冷間鍛造性が劣っている。
【００９９】
鋼種Ｋ−１は、前記した固溶Ｎ量を増す熱処理を、前記高強度化領域やそれ以外の領域を含めて、一切行っていない。このため、特に前記高強度化領域の固溶Ｎ量が不足して、冷間鍛造によっても、前記ねじ軸部の硬度は３００ＨＶ未満であり、高強度化ができておらず、強度不足である。
【０１００】
鋼種Ｋ−２は、前記した固溶Ｎ量を増す熱処理を、前記高強度化領域やそれ以外の領域を含めて、線材全体に行っている。このため、線材全体の固溶Ｎ量が多すぎて、冷間鍛造性が劣っている。
【０１０１】
【表１】
【０１０２】
【表２】
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明によれば、Ｃ含有量を０．０６質量％未満の極低炭素領域に下げた軟質の鋼材を用いても、製品の強度を十分に確保することができ、前記変形抵抗と部品強度との両立を図れる、冷間鍛造を用いた機械部品の製造方法を提供できる。したがって、自動車等の車両に用いられている機械部品の製造方法として、広く用いることができる。
【符号の説明】
【０１０４】
１：大型ねじ、２：軸部、３：丸棒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０６％、Ｓｉ：０．００５〜０．０５％、Ｍｎ：０．４〜１％、Ｐ：０．０５％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．００５〜０．０５％、Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．００８〜０．０２％を各々含み、残部は鉄および不可避不純物からなる機械構造用鋼を冷間鍛造して機械部品を製造するに際し、前記機械部品の部分的な高強度化領域に対応する、前記冷間鍛造前の前記機械構造用鋼における部分的な高強度化領域を予め決定し、この部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を前記高強度化のために必要な量に予め高めた上で、少なくともこの部分的な高強度化領域に対して２００℃以下の雰囲気温度で塑性ひずみを付与する冷間鍛造を行い、前記機械部品の部分的な高強度化領域の強度を高めるとともに、前記機械部品形状とすることを特徴とする機械部品の製造方法。
【請求項２】
前記機械構造用鋼における部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を０．００８〜０．０１４％の範囲とするとともに、この部分的な高強度化領域に付与される冷間鍛造塑性ひずみを０．５〜５の範囲とする請求項１に記載の機械部品の製造方法。
【請求項３】
前記部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を、変形抵抗（ＤＲ）、部品強度（Ｈｖ）、疲労強度（Ｆ）のいずれかに基づいたモデル式か、又は予め取得した経験値から求める請求項１または２に記載の機械部品の製造方法。
【請求項４】
前記機械構造用鋼における部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を、この部分的な高強度化領域の熱処理によって高める請求項１乃至３のいずれか１項に記載の機械部品の製造方法。
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０６％、Ｓｉ：０．００５〜０．０５％、Ｍｎ：０．４〜１％、Ｐ：０．０５％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．００５〜０．０５％、Ａｌ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．００８〜０．０２％を各々含み、残部は鉄および不可避不純物からなる機械構造用鋼を冷間鍛造して機械部品を製造するに際し、前記機械部品の部分的な高強度化領域に対応する、前記冷間鍛造前の前記機械構造用鋼における部分的な高強度化領域を予め決定し、この部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を前記高強度化のために必要な量に予め高めた上で、少なくともこの部分的な高強度化領域に対して２００℃以下の雰囲気温度で塑性ひずみを付与する冷間鍛造を行い、前記機械部品の部分的な高強度化領域の強度を高めるとともに、前記機械部品形状とすることを特徴とする機械部品の製造方法。
【請求項２】
前記機械構造用鋼における部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を０．００８〜０．０１４％の範囲とするとともに、この部分的な高強度化領域に付与される冷間鍛造塑性ひずみを０．５〜５の範囲とする請求項１に記載の機械部品の製造方法。
【請求項３】
前記部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を、変形抵抗（ＤＲ）、部品強度（Ｈｖ）、疲労強度（Ｆ）のいずれかに基づいたモデル式か、又は予め取得した経験値から求める請求項１または２に記載の機械部品の製造方法。
【請求項４】
前記機械構造用鋼における部分的な高強度化領域の固溶Ｎ量を、この部分的な高強度化領域の熱処理によって高める請求項１乃至３のいずれか１項に記載の機械部品の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−１１５８１５（Ｐ２０１１−１１５８１５Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７４７０４（Ｐ２００９−２７４７０４）
【出願日】平成２１年１２月２日（２００９．１２．２）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２日（２００９．１２．２）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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