鍛造用鋼、並びに、鍛造品及びその製造方法
【課題】高耐力及び高疲労強度を兼ね備え、しかも疲労強度のばらつきが少ない鍛造用鋼、並びに、これを用いて製造される鍛造品及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】０．２≦Ｃ≦０．６ｍａｓｓ％、０．０５≦Ｓｉ≦２．０ｍａｓｓ％、０．３≦Ｍｎ≦１．１ｍａｓｓ％、及び、０．０４≦Ｓ≦０．１５ｍａｓｓ％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鍛造用鋼。フェライト面積率が１８％以上であり、室温における０．２％耐力が７００ＭＰａ以上であり、ΔＳが１０ＭＰａ以上である鍛造品。このような鍛造品は、上述の組成を有する鍛造用鋼をＡ3点以上１３００℃以下の温度で加熱し、Ａ3点以上１３００℃以下の温度において８％以上の圧下率で熱間鍛造し、２００℃以上６５０℃以下の温度において７％以上５０％未満の圧下率で温間鍛造することにより得られる。
【解決手段】０．２≦Ｃ≦０．６ｍａｓｓ％、０．０５≦Ｓｉ≦２．０ｍａｓｓ％、０．３≦Ｍｎ≦１．１ｍａｓｓ％、及び、０．０４≦Ｓ≦０．１５ｍａｓｓ％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鍛造用鋼。フェライト面積率が１８％以上であり、室温における０．２％耐力が７００ＭＰａ以上であり、ΔＳが１０ＭＰａ以上である鍛造品。このような鍛造品は、上述の組成を有する鍛造用鋼をＡ3点以上１３００℃以下の温度で加熱し、Ａ3点以上１３００℃以下の温度において８％以上の圧下率で熱間鍛造し、２００℃以上６５０℃以下の温度において７％以上５０％未満の圧下率で温間鍛造することにより得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鍛造用鋼、並びに、鍛造品及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、高耐力及び高疲労強度を兼ね備えた鍛造品の製造に用いられる鍛造用鋼、並びに、このような鍛造用鋼を用いて製造される鍛造品及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械、車両、航空機、船舶などに用いられる機械部品には、炭素鋼や低合金鋼からなる構造用鋼が用いられている。構造用鋼は、切削、圧延、鍛造などの加工方法を用いて所定の部品形状に仕上げられる。構造用鋼から作られる各種機械部品には、その用途に応じて、破断分離性、耐力、疲労強度、被削性等の複数の特性が求められる場合が多い。しかしながら、構造用鋼の複数の特性を同時に向上させるのは、一般に難しい。
【０００３】
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、
（イ）Ｃ：０．４１質量％、Ｓｉ：０．６５質量％、Ｍｎ：０．８２質量％、Ｐ：０．０６質量％、Ｃｒ：０．２４質量％、Ｖ：０．０８質量％、Ｎ：０．０１９質量％、Ｓ：０．０５１質量％、及び、Ｐｂ：０．１４質量％を含み残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるフェライト・パーライト型非調質鋼（発明例Ｎｏ．１３）を素材とし、
（ロ）熱間鍛造を行って５０ｍｍ角の鍛造素材とし、これを１２００℃で６０分間加熱保持した後、直径２２ｍｍの丸棒に熱間鍛造し、
（ハ）さらにその後の冷却過程でコンロッドの連接部に加えるコイニングに対応するものとして６００℃で１５％の加工を施し、再度室温まで放冷する
ことを特徴とする破断分離が容易な高強度コネクティングロッド用鍛造品の製造方法が開示されている。
同文献には、
（ａ）このようにして得られた材料は、疲れ限度が４６５ＭＰａであり、０．０１％耐力が６８１ＭＰａである点、
（ｂ）このようなフェライト・パーライト型非調質鋼に所定量のＳを添加すると、被削性が向上する点、
が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、
（イ）Ｃ：０．４２質量％、Ｓｉ：０．２５質量％、Ｍｎ：１．１２質量％、Ｓ：０．０７０質量％、Ｃｒ：０．１６質量％、Ａｌ：０．０１８質量％、及び、Ｎ：０．００５３質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼（発明鋼Ｎｏ．７）を１２５０℃に加熱してから熱間鍛造により直径２０ｍｍの丸棒に鍛伸し、
（ロ）熱間加工後の放冷過程で、Ａｒ1点以下の６００℃で直径１８ｍｍ（加工率：２０％）まで温間加工してから放冷する
ことを特徴とする非調質鍛造加工品の製法が開示されている。
同文献には、
（ａ）このようにして得られた材料は、加工後ＹＰが８１５ＭＰａである点、及び、
（ｂ）このようなフェライト・パーライト組織を有する非調質鋼に所定量のＳを添加すると、被削性が向上する点、
が記載されている。
【０００５】
特許文献１、２に記載されているように、フェライト・パーライト組織を有する非調質鋼に対して、熱間鍛造及び温間鍛造（コイニング）を行うと、耐力及び疲労強度を向上させることができる。しかしながら、２００〜６５０℃の加工温度範囲で加工し、歪時効を施す鋼部材においては、一般に、加工温度の低下に伴って耐力が上昇するのに対し、疲労強度は、加工温度４００℃付近を境として急激に低下する。そのため、最も大きな耐力を得ることのできる温度域での加工は、疲労強度との両立が不可能であった。
さらに、工業的には、加工温度が大きくばらつくことがあるため、加工温度の管理幅を大きく取れることが望ましい。しかしながら、従来の材料では、高耐力が得られる低温域で加工を行うと、加工温度の僅かな変動によって疲労強度が大きく変動するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−０５２４３２号公報
【特許文献２】特開２００３−０５５７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、高耐力及び高疲労強度を兼ね備えた鍛造品の製造に用いられる鍛造用鋼、並びに、このような鍛造用鋼を用いて製造される鍛造品及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする課題は、高耐力が得られる低温域で加工を行っても、疲労強度のばらつきが少ない鍛造用鋼、並びに、このような鍛造用鋼を用いて製造される鍛造品及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明に係る鍛造用鋼は、
０．２≦Ｃ≦０．６ｍａｓｓ％、
０．０５≦Ｓｉ≦２．０ｍａｓｓ％、
０．３≦Ｍｎ≦１．１ｍａｓｓ％、及び、
０．０４≦Ｓ≦０．１５ｍａｓｓ％
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを要旨とする。
【０００９】
本発明に係る鍛造品の製造方法は、
本発明に係る鍛造用鋼をＡ3点以上１３００℃以下の温度で加熱する加熱工程と、
前記鍛造用鋼をＡ3点以上１３００℃以下の温度において、８％以上の圧下率で熱間鍛造する１次加工工程と、
前記鍛造用鋼を２００℃以上６５０℃以下の温度において、７％以上５０％未満の圧下率で温間鍛造する２次加工工程と
を備えていることを要旨とする。
【００１０】
さらに、本発明に係る鍛造品は、
本発明に係る方法により得られ、
フェライト面積率が１８％以上であり、
室温における０．２％耐力が７００ＭＰａ以上であり、
ΔＳ（＝Ｓ2−Ｓ1）が１０ＭＰａ以上であることを要旨とする。
但し、
Ｓ2は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％の条件で前記熱間鍛造を行い、さらに鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％の条件で前記温間鍛造を行った後の室温における疲労強度。
Ｓ1は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％の条件で前記熱間鍛造を行った後の室温における疲労強度。
【発明の効果】
【００１１】
フェライト・パーライト組織を有する構造用鋼に対して、相対的に過剰のＳを添加し、所定の条件下で熱間鍛造及び温間鍛造を行うと、耐力及び疲労強度がともに向上する。また、高耐力が得られる低温域で温間鍛造を行っても、疲労強度のばらつきが小さくなる。
これは、
（１）熱間鍛造後の冷却過程において、過剰に添加したＳが多量のＭｎＳを析出させ、析出したＭｎＳの周囲に多量のフェライト相が析出するため（すなわち、フェライト面積率が増大するため）、及び、
（２）多量に析出したフェライト相が温間鍛造時の歪時効によって強化されるため、
と考えられる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 鍛造用鋼］
［１．１． 主構成元素］
本発明に係る鍛造用鋼は、以下のような元素を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
【００１３】
（１） ０．２≦Ｃ≦０．６ｍａｓｓ％。
Ｃは、温間鍛造時に可動転位を固着させ、鍛造品の耐力を向上させるのに有効な元素である。このような効果を得るためには、Ｃ含有量は、０．２ｍａｓｓ％以上である必要がある。
一方、Ｃ含有量が過剰になると、パーライトが過剰となり、耐力は増加するが、疲労強度、及び被削性が低下する。従って、Ｃ含有量は、０．６ｍａｓｓ％以下である必要がある。
【００１４】
（２） ０．０５≦Ｓｉ≦２．０ｍａｓｓ％。
Ｓｉは、鋼溶製時において脱酸剤及び脱硫剤として加えられるだけでなく、フェライト中に固溶してフェライトを強化し、耐力を向上させるのに有効な元素である。このような効果を得るためには、Ｓｉ含有量は、０．０５ｍａｓｓ％以上である必要がある。
一方、Ｓｉ含有量が過剰になると、熱間鍛造性が低下する。従って、Ｓｉ含有量は、２．０ｍａｓｓ％以下である必要がある。
【００１５】
（３） ０．３≦Ｍｎ≦１．１ｍａｓｓ％。
Ｍｎは、フェライト中に固溶してフェライトを強化し、耐力を向上させるのに有効な元素である。また、Ｍｎの一部は、鋼中にＭｎＳとして析出し、その周囲にフェライト相を析出させる作用がある。このような効果を得るためには、Ｍｎ含有量は、０．３ｍａｓｓ％以上である必要がある。
一方、Ｍｎ含有量が過剰になると、パーライトが過剰となり、疲労強度、及び被削性が低下する。従って、Ｍｎ含有量は、１．１ｍａｓｓ％以下である必要がある。
【００１６】
（４） ０．０４≦Ｓ≦０．１５ｍａｓｓ％。
Ｓは、通常、被削性の向上のために添加される元素であるが、本発明においては、熱間鍛造後のフェライト面積率を増大させるために添加される。このような効果を得るためには、Ｓ含有量は、０．０４ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ｓ含有量は、さらに好ましくは、０．０６ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは、０．０８ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｓ含有量が過剰になると、熱間鍛造性が低下する。従って、Ｓ含有量は、０．１５ｍａｓｓ％以下である必要がある。
【００１７】
［１．２． 副構成元素］
本発明に係る鍛造用鋼は、上述した主構成元素に加えて、以下の１種以上の副構成元素をさらに含んでいてもよい。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
【００１８】
［１．２．１． 破断分離性向上元素］
（５）Ｐ≦１．２ｍａｓｓ％。
Ｐは、粒界への偏析により靱性を低下させる元素である。従って、一般的には、Ｐ含有量は少ないほどよい。しかしながら、Ｐは、逆に脆性破面率を高める作用があり、必要に応じてＰを添加することができる。
一方、Ｐ含有量が過剰になると、効果が飽和するだけでなく、熱間鍛造性を低下させる。従って、Ｐ含有量は、１．２ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００１９】
［１．２．２． 固溶強化元素］
（６）Ｃｕ≦０．５ｍａｓｓ％。
（７）Ｎｉ≦０．５ｍａｓｓ％。
（８）Ｃｒ≦０．５ｍａｓｓ％。
（９）Ｍｏ≦０．１ｍａｓｓ％。
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏは、いずれもフェライト中に固溶してフェライトを強化し、耐力を向上させるのに有効な元素であるため、必要に応じて添加することができる。なお、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏは、通常、不純物として０．０１ｍａｓｓ％程度含まれる場合がある。
一方、これらの元素が過剰になると、パーライトが過剰となり、疲労強度、及び被削性が低下する。従って、これらの元素は、それぞれ、上記の上限値以下が好ましい。
【００２０】
［１．２．３． 析出強化元素］
（１０）Ｖ≦０．３５ｍａｓｓ％。
Ｖは、熱間鍛造後に炭窒化物を形成し、強度及び耐力の向上に有効な元素であるため、必要に応じて添加することができる。
一方、Ｖ含有量が過剰になると、効果が飽和し、実益がない。従って、Ｖ含有量は、０．３５ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００２１】
［１．２．４． 歪時効硬化元素］
（１１）Ｎ≦０．０３ｍａｓｓ％。
Ｎは、Ｃと同様に、温間鍛造時に可動転位を固着させ、鍛造品の耐力を向上させるのに有効な元素であるため、必要に応じて添加することができる。なお、Ｎは、通常、不純物として０．００２ｍａｓｓ％程度含まれる場合がある。
一方、Ｎ含有量が過剰になると、熱間鍛造性が低下する。従って、Ｎ含有量は、０．０３ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００２２】
［２． 鍛造品の製造方法］
本発明に係る鍛造品の製造方法は、加熱工程と、１次加工工程と、２次加工工程とを備えている。
【００２３】
［２．１． 加熱工程］
加熱工程は、本発明に係る鍛造用鋼をＡ3点以上１３００℃以下の温度で加熱する工程である。
加熱は、鍛造用鋼をオーステナイト単相にするために行われる。従って、加熱温度は、Ａ3点以上である必要がある。
一方、加熱温度が高すぎると、熱間鍛造後の結晶粒が粗大化し、耐力及び疲労強度が低下する。従って、加熱温度は、１３００℃以下である必要がある。
加熱時間は、特に限定されるものではなく、鍛造用鋼全体がオーステナイト単相になる時間であればよい。通常は、１ｈｒ程度である。
【００２４】
［２．２． １次加工工程］
１次加工工程は、前記鍛造用鋼をＡ3点以上１３００℃以下の温度において、８％以上の圧下率で熱間鍛造する工程である。熱間鍛造は、鍛造品の粗形状を形成するため、及び、熱間鍛造後の冷却過程において、フェライト相の析出を促進させるために行われる。
熱間鍛造は、加熱工程において所定の温度に素材を加熱した後、必要に応じて所定の鍛造温度まで空冷して行われる。熱間鍛造は、オーステナイト域で行う必要がある。すなわち、鍛造温度は、Ａ3点以上である必要がある。
一方、鍛造温度が高すぎると、パーライトが過剰となり、耐力、疲労強度、及び被削性が低下する。従って、鍛造温度は、１３００℃以下である必要がある。鍛造温度は、さらに好ましくは、１２００℃以下である。
【００２５】
一般に、熱間鍛造時の圧下率が高くなるほど、フェライト相の析出量が増大する。高耐力及び高疲労強度を兼ね備えた鍛造品を得るためには、熱間鍛造時の圧下率は、８％以上である必要がある。圧下率は、さらに好ましくは、１０％以上である。
圧下率は、鍛造可能な限りにおいて、高いほど良い。しかしながら、圧下率が高すぎると、鍛造性が低下する場合がある。
【００２６】
ここで、「圧下率」とは、次の（１）式から求められる値をいう。
圧下率（％）＝（Ｈ0−Ｈ1）×１００／Ｈ0 ・・・（１）
但し、Ｈ0は、熱間鍛造前の素材の厚さ（加圧方向の長さ）
Ｈ1は、熱間鍛造後の鍛造品の厚さ（加圧方向の長さ）
鍛造品の厚さや変形量が部位によって異なるときは、「圧下率」とは、各部位において測定される圧下率の最大値をいう。
【００２７】
［２．３． ２次加工工程］
２次加工工程は、前記鍛造用鋼を２００℃以上６５０℃以下の温度において、７％以上５０％未満の圧下率で温間鍛造する工程である。温間鍛造は、熱間鍛造で得られた粗成形体の形状矯正を行うため、及び、歪時効によって耐力及び疲労強度を増大させるために行われる。
温間鍛造は、通常、熱間鍛造後の冷却過程において行われるが、熱間鍛造後に一旦室温まで冷却し、再度温間鍛造温度に加熱しても良い。
一般に、鍛造温度が低いほど、高耐力が得られる。しかしながら、鍛造温度が低すぎると、耐力が低下する。これは、十分な歪時効が生じないためである。従って、鍛造温度は、２００℃以上である必要がある。
一方、鍛造温度が高すぎると、かえって耐力が低下する。従って、鍛造温度は、６５０℃以下である必要がある。
【００２８】
一般に、温間鍛造時の圧下率が大きくなるほど、高耐力及び高疲労強度が得られる。このような効果を得るためには、圧下率は、７％以上である必要がある。
一方、圧下率が大きくなりすぎると、鍛造性が低下する。従って、圧下率は、５０％未満である必要がある。
なお、温間鍛造時の「圧下率」の定義は、熱間鍛造時の圧下率の定義と同様である。
【００２９】
［３． 鍛造品］
本発明に係る鍛造品は、
本発明に係る方法により得られ、
フェライト面積率が１８％以上であり、
室温における０．２％耐力が７００ＭＰａ以上であり、
ΔＳ（＝Ｓ2−Ｓ1）が１０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
但し、
Ｓ2は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％の条件で前記熱間鍛造を行い、さらに鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％の条件で前記温間鍛造を行った後の室温における疲労強度。
Ｓ1は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％の条件で前記熱間鍛造を行った後の室温における疲労強度。
【００３０】
［３．１． フェライト面積率］
本発明に係る鍛造品は、フェライト・パーライト組織からなる。フェライト面積率とは、組織全体の面積に占めるフェライト相の面積の割合をいう。フェライト相の面積率は、例えば、組織写真の画像解析により求めることができる。
一般に、フェライト面積率が大きくなるほど、耐力及び疲労強度が高く、しかも、低温域において温間鍛造を行った場合であっても、疲労強度のばらつきが小さくなる。このような効果を得るためには、フェライト面積率は、１８％以上である必要がある。
【００３１】
［３．２． 耐力］
材料組成や製造条件を最適化すると、室温における０．２％耐力が７００ＭＰａ以上である鍛造品が得られる。製造条件をさらに最適化すると、室温における０．２％耐力は、７５０ＭＰａ以上、８００ＭＰａ以上、８５０ＭＰａ以上、あるいは、９００ＭＰａ以上となる。
【００３２】
［３．３． ΔＳ］
上述したように、所定の条件下で熱間鍛造を行うと、熱間鍛造後の冷却過程において相対的に多量のフェライト相が析出する。次いで、所定の条件下で温間鍛造を行うと、歪時効が起こり、耐力だけでなく、疲労強度も増大する。また、温間鍛造温度の僅かな変動による疲労強度のばらつきも小さくなる。ここで、ΔＳは、歪時効により疲労強度が増加する効果（歪時効効果）の程度を表す。
材料組成を最適化すると、ΔＳ（＝Ｓ2−Ｓ1）が１０ＭＰａ以上である鍛造品が得られる。材料組成をさらに最適化すると、ΔＳは、２０ＭＰａ以上、３０ＭＰａ以上、４０ＭＰａ以上、あるいは、５０ＭＰａ以上となる。
【００３３】
［４． 鍛造用鋼、並びに、鍛造品及びその製造方法の作用］
フェライト・パーライト組織を有する従来の構造用鋼に対して、熱間鍛造後に歪時効を施すための温間鍛造を行うと、温間鍛造時の鍛造温度が低くなるほど、耐力が増大する。しかしながら、疲労強度は、温間鍛造時の鍛造温度が４００℃の時に最大となり、それより鍛造温度が低くなると、急激に低下する。そのため、従来の構造用鋼では、高耐力と高疲労強度を両立させることができなかった。また、温間鍛造時の鍛造温度が低くなるほど、疲労強度が低下するため、温間鍛造時の鍛造温度が変動すると、疲労強度が大きくばらつくという問題があった。
【００３４】
これに対し、フェライト・パーライト組織を有する構造用鋼に対して、相対的に過剰のＳを添加し、所定の条件下で熱間鍛造及び温間鍛造を行うと、耐力及び疲労強度がともに向上する。また、高耐力が得られる低温域で温間鍛造を行っても、疲労強度のばらつきが小さくなる。
これは、
（１）熱間鍛造後の冷却過程において、過剰に添加したＳが多量のＭｎＳを析出させ、析出したＭｎＳの周囲に多量のフェライト相が析出するため（すなわち、フェライト面積率が増大するため）、及び、
（２）多量に析出したフェライト相が温間鍛造時の歪時効によって強化されるため、
と考えられる。
【実施例】
【００３５】
（実施例１〜２０、比較例１〜１３）
［１． 試料の作製］
表１に示す組成となるように原料を溶解した後、造塊し、熱間鍛造によりφ３０ｍｍの１次加工用素材を作製した。この１次加工用素材を、γ相単相となる温度域に加熱し、１ｈｒ保持後、１次加工（熱間鍛造）を行った。１次加工後の材料を所定の温度まで空冷した後、続いて２次加工を行った。１次加工条件は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％とした。また、２次加工条件は、鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％とした。
なお、比較として、γ相単相となる温度域に加熱した後、１次加工を加えることなく室温まで冷却した加熱放冷材、及び、１次加工の後、２次加工を加えることなく室温まで冷却した１次加工まま材も作製した。
【００３６】
【表１】
【００３７】
［２． 試験方法］
［２．１． 引張試験］
上記の製法で作製した材料から、ＪＩＳ Ｚ２２０１ １４Ａ号引張試験片を切り出した。得られた試験片を用いて引張試験を行い、０．２％耐力を求めた。
［２．２． 疲労試験］
上記の製法で作製した材料から、平行部φ８ｍｍ平滑形状の小野式回転曲げ疲労試験片を切り出した。得られた試験片を用いて小野式回転曲げ疲労試験を行い、Ｓ−Ｎ線図を作成した。繰り返し数１０7回で破断しない限度応力を疲労強度とした。
［２．３． フェライト面積率］
２次加工後の材料の近接する位置から、３個の試料を切り出した。各試料について組織写真を撮影し、画像解析によりフェライト面積率を測定した。さらに、各試料のフェライト面積率の平均値を算出した。
［２．４． 鍛造割れ］
鍛造割れの有無を目視により判定した。
【００３８】
［３． 結果］
表２に結果を示す。表２より、以下のことがわかる。
（１）比較例１〜１３の内、０．２％耐力が７００ＭＰａ以上であるものは、いずれもΔＳが１０ＭＰａ未満である。これは、Ｃが過剰であるため（比較例１）、Ｍｎが過剰であるため（比較例４）、Ｓが過少であるため（比較例８）、Ｃｕが過剰であるため（比較例９）、Ｎｉが過剰であるため（比較例１０）、Ｃｒが過剰であるため（比較例１１）、又は、Ｍｏが過剰であるため（比較例１２）である。
（２）比較例１〜１３の内、ΔＳが１０ＭＰａ以上であるものは、いずれも０．２％耐力が７００ＭＰａ未満である。これは、Ｃが過少であるため（比較例２）、又は、Ｍｎが過少であるため（比較例５）である。
（３）比較例１〜１３の内、一部の試料には鍛造割れが生じた。これは、Ｓｉが過剰であるため（比較例３）、Ｐが過剰であるため（比較例６）、Ｓが過剰であるため（比較例７）、又は、Ｎが過剰であるため（比較例１３）である。
【００３９】
（４）実施例１〜２０は、成分範囲が適切であるため、いずれも、０．２％耐力が７００ＭＰａ以上であり、ΔＳが１０ＭＰａ以上であった。
（５）他の成分が同等である場合、Ｓ含有量が多くなるほど、０．２％耐力及びΔＳが増大する（例えば、実施例８と実施例１６を参照）。
【００４０】
【表２】
【００４１】
（実施例２１）
［１． 試料の作製］
実施例１で得られた１次加工用素材に対し、種々の条件下で１次加工及び２次加工を行った。１次加工条件は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：０〜８０％とした。また、２次加工条件は、鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％とした。
［２． 試験方法］
実施例１と同様にして、０．２％耐力、疲労強度、フェライト面積率、及び鍛造割れの有無を評価した。
【００４２】
［３． 結果］
表３に、結果を示す。表３より、以下のことがわかる。
（１）１次加工時の圧下率が大きくなるほど、２次加工後の０．２％耐力及び疲労強度が増大する。これは、１次加工時の圧下率が大きくなるほど、フェライト面積率が増大するためである。
（２）一次加工時の圧下率を８％以上とすると、フェライト面積率は１８％となる。
【００４３】
【表３】
【００４４】
（比較例２１）
［１． 試料の作製］
比較例１で得られた１次加工用素材に対し、種々の条件下で１次加工及び２次加工を行った。１次加工条件は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：０〜９０％とした。また、２次加工条件は、鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％とした。
［２． 試験方法］
実施例１と同様にして、０．２％耐力、疲労強度、フェライト面積率、及び鍛造割れの有無を評価した。
【００４５】
［３． 結果］
表４に、結果を示す。表４より、以下のことがわかる。
（１）１次加工時の圧下率が大きくなるほど、２次加工後の０．２％耐力は向上するが、２次加工後の疲労強度はあまり変化しない。
（２）比較例１の場合、一次加工時の圧下率を増大させても、フェライト面積率は５％以下である。これは、Ｃが過剰であるためである。
【００４６】
【表４】
【００４７】
（実施例２２）
［１． 試料の作製］
実施例１で得られた１次加工用素材（Ａ3点：８３０℃）に対し、種々の条件下で１次加工及び２次加工を行った。１次加工条件は、鍛造温度：８５０〜１３５０℃、圧下率：４０％とした。また、２次加工条件は、鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％とした。
［２． 試験方法］
実施例１と同様にして、０．２％耐力、疲労強度、フェライト面積率、及び鍛造割れの有無を評価した。
【００４８】
［３． 結果］
表５に、結果を示す。表５より、以下のことがわかる。
（１）１次加工時の鍛造温度が低くなるほど、２次加工後の０．２％耐力及び疲労強度が増大する。これは、１次加工時の鍛造温度が低くなるほど、フェライト面積率が増大するためである。
（２）１次加工時の鍛造温度が１３００℃を超えると、フェライト面積率は１８％未満となる。
【００４９】
【表５】
【００５０】
（実施例２３）
［１． 試料の作製］
実施例８で得られた１次加工用素材に対し、種々の条件下で１次加工及び２次加工を行った。１次加工条件は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：０〜８０％とした。また、２次加工条件は、鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％とした。
［２． 試験方法］
実施例１と同様にして、０．２％耐力、疲労強度、フェライト面積率、及び鍛造割れの有無を評価した。
【００５１】
［３． 結果］
表６に、結果を示す。表６より、以下のことがわかる。
（１）１次加工時の圧下率が大きくなるほど、２次加工後の０．２％耐力及び疲労強度が増大する。これは、１次加工時の圧下率が大きくなるほど、フェライト面積率が増大するためである。
（２）一次加工時の圧下率を８％以上とすると、フェライト面積率は１８％となる。
【００５２】
【表６】
【００５３】
（比較例２２）
［１． 試料の作製］
比較例８で得られた１次加工用素材に対し、種々の条件下で１次加工及び２次加工を行った。１次加工条件は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：０〜８０％とした。また、２次加工条件は、鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％とした。
［２． 試験方法］
実施例１と同様にして、０．２％耐力、疲労強度、フェライト面積率、及び鍛造割れの有無を評価した。
【００５４】
［３． 結果］
表７に、結果を示す。表７より、以下のことがわかる。
（１）１次加工時の圧下率が大きくなるほど、２次加工後の０．２％耐力は増大するが、２次加工後の疲労強度は、あまり変化しない。
（２）比較例８の場合、１次加工時の圧下率を増大させても、フェライト面積率は１８％未満である。これは、Ｓ含有量が少ないためである。
【００５５】
【表７】
【００５６】
（実施例２４）
［１． 試料の作製］
実施例１で得られた１次加工用素材に対し、種々の条件下で１次加工及び２次加工を行った。１次加工条件は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％とした。また、２次加工条件は、鍛造温度：３００℃、圧下率：０〜５０％とした。
［２． 試験方法］
実施例１と同様にして、０．２％耐力、疲労強度、フェライト面積率、及び鍛造割れの有無を評価した。
【００５７】
［３． 結果］
表８に、結果を示す。表８より、以下のことがわかる。
（１）２次加工時の圧下率が大きくなるほど、２次加工時の０．２％耐力及び疲労強度が増大する。これは、２次加工時の圧下率が増大するほど、歪時効によってフェライト相が強化されるためである。
【００５８】
【表８】
【００５９】
（実施例２５）
［１． 試料の作製］
実施例１で得られた１次加工用素材に対し、種々の条件下で１次加工及び２次加工を行った。１次加工条件は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％とした。また、２次加工条件は、鍛造温度：３００℃〜６５０℃、圧下率：１５％とした。
［２． 試験方法］
実施例１と同様にして、０．２％耐力、疲労強度、フェライト面積率、及び鍛造割れの有無を評価した。
【００６０】
［３． 結果］
表９に、結果を示す。表９より、以下のことがわかる。
（１）２次加工時の鍛造温度が低くなるほど、２次加工後の０．２％耐力が大きくなる。また、２次加工時の鍛造温度が４００℃以下になっても、２次加工後の疲労強度は、低下しない。これは、成分元素及び１次加工条件を最適化することにより、フェライト面積率が増大したためである。
【００６１】
【表９】
【００６２】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明に係る鍛造用鋼、並びに、鍛造品及びその製造方法は、機械、車両、航空機、船舶などに用いられる機械部品の材料、並びに、そのような機械部品及びその製造方法として使用することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鍛造用鋼、並びに、鍛造品及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、高耐力及び高疲労強度を兼ね備えた鍛造品の製造に用いられる鍛造用鋼、並びに、このような鍛造用鋼を用いて製造される鍛造品及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械、車両、航空機、船舶などに用いられる機械部品には、炭素鋼や低合金鋼からなる構造用鋼が用いられている。構造用鋼は、切削、圧延、鍛造などの加工方法を用いて所定の部品形状に仕上げられる。構造用鋼から作られる各種機械部品には、その用途に応じて、破断分離性、耐力、疲労強度、被削性等の複数の特性が求められる場合が多い。しかしながら、構造用鋼の複数の特性を同時に向上させるのは、一般に難しい。
【０００３】
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、
（イ）Ｃ：０．４１質量％、Ｓｉ：０．６５質量％、Ｍｎ：０．８２質量％、Ｐ：０．０６質量％、Ｃｒ：０．２４質量％、Ｖ：０．０８質量％、Ｎ：０．０１９質量％、Ｓ：０．０５１質量％、及び、Ｐｂ：０．１４質量％を含み残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるフェライト・パーライト型非調質鋼（発明例Ｎｏ．１３）を素材とし、
（ロ）熱間鍛造を行って５０ｍｍ角の鍛造素材とし、これを１２００℃で６０分間加熱保持した後、直径２２ｍｍの丸棒に熱間鍛造し、
（ハ）さらにその後の冷却過程でコンロッドの連接部に加えるコイニングに対応するものとして６００℃で１５％の加工を施し、再度室温まで放冷する
ことを特徴とする破断分離が容易な高強度コネクティングロッド用鍛造品の製造方法が開示されている。
同文献には、
（ａ）このようにして得られた材料は、疲れ限度が４６５ＭＰａであり、０．０１％耐力が６８１ＭＰａである点、
（ｂ）このようなフェライト・パーライト型非調質鋼に所定量のＳを添加すると、被削性が向上する点、
が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、
（イ）Ｃ：０．４２質量％、Ｓｉ：０．２５質量％、Ｍｎ：１．１２質量％、Ｓ：０．０７０質量％、Ｃｒ：０．１６質量％、Ａｌ：０．０１８質量％、及び、Ｎ：０．００５３質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼（発明鋼Ｎｏ．７）を１２５０℃に加熱してから熱間鍛造により直径２０ｍｍの丸棒に鍛伸し、
（ロ）熱間加工後の放冷過程で、Ａｒ1点以下の６００℃で直径１８ｍｍ（加工率：２０％）まで温間加工してから放冷する
ことを特徴とする非調質鍛造加工品の製法が開示されている。
同文献には、
（ａ）このようにして得られた材料は、加工後ＹＰが８１５ＭＰａである点、及び、
（ｂ）このようなフェライト・パーライト組織を有する非調質鋼に所定量のＳを添加すると、被削性が向上する点、
が記載されている。
【０００５】
特許文献１、２に記載されているように、フェライト・パーライト組織を有する非調質鋼に対して、熱間鍛造及び温間鍛造（コイニング）を行うと、耐力及び疲労強度を向上させることができる。しかしながら、２００〜６５０℃の加工温度範囲で加工し、歪時効を施す鋼部材においては、一般に、加工温度の低下に伴って耐力が上昇するのに対し、疲労強度は、加工温度４００℃付近を境として急激に低下する。そのため、最も大きな耐力を得ることのできる温度域での加工は、疲労強度との両立が不可能であった。
さらに、工業的には、加工温度が大きくばらつくことがあるため、加工温度の管理幅を大きく取れることが望ましい。しかしながら、従来の材料では、高耐力が得られる低温域で加工を行うと、加工温度の僅かな変動によって疲労強度が大きく変動するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−０５２４３２号公報
【特許文献２】特開２００３−０５５７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、高耐力及び高疲労強度を兼ね備えた鍛造品の製造に用いられる鍛造用鋼、並びに、このような鍛造用鋼を用いて製造される鍛造品及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする課題は、高耐力が得られる低温域で加工を行っても、疲労強度のばらつきが少ない鍛造用鋼、並びに、このような鍛造用鋼を用いて製造される鍛造品及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明に係る鍛造用鋼は、
０．２≦Ｃ≦０．６ｍａｓｓ％、
０．０５≦Ｓｉ≦２．０ｍａｓｓ％、
０．３≦Ｍｎ≦１．１ｍａｓｓ％、及び、
０．０４≦Ｓ≦０．１５ｍａｓｓ％
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを要旨とする。
【０００９】
本発明に係る鍛造品の製造方法は、
本発明に係る鍛造用鋼をＡ3点以上１３００℃以下の温度で加熱する加熱工程と、
前記鍛造用鋼をＡ3点以上１３００℃以下の温度において、８％以上の圧下率で熱間鍛造する１次加工工程と、
前記鍛造用鋼を２００℃以上６５０℃以下の温度において、７％以上５０％未満の圧下率で温間鍛造する２次加工工程と
を備えていることを要旨とする。
【００１０】
さらに、本発明に係る鍛造品は、
本発明に係る方法により得られ、
フェライト面積率が１８％以上であり、
室温における０．２％耐力が７００ＭＰａ以上であり、
ΔＳ（＝Ｓ2−Ｓ1）が１０ＭＰａ以上であることを要旨とする。
但し、
Ｓ2は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％の条件で前記熱間鍛造を行い、さらに鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％の条件で前記温間鍛造を行った後の室温における疲労強度。
Ｓ1は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％の条件で前記熱間鍛造を行った後の室温における疲労強度。
【発明の効果】
【００１１】
フェライト・パーライト組織を有する構造用鋼に対して、相対的に過剰のＳを添加し、所定の条件下で熱間鍛造及び温間鍛造を行うと、耐力及び疲労強度がともに向上する。また、高耐力が得られる低温域で温間鍛造を行っても、疲労強度のばらつきが小さくなる。
これは、
（１）熱間鍛造後の冷却過程において、過剰に添加したＳが多量のＭｎＳを析出させ、析出したＭｎＳの周囲に多量のフェライト相が析出するため（すなわち、フェライト面積率が増大するため）、及び、
（２）多量に析出したフェライト相が温間鍛造時の歪時効によって強化されるため、
と考えられる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 鍛造用鋼］
［１．１． 主構成元素］
本発明に係る鍛造用鋼は、以下のような元素を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
【００１３】
（１） ０．２≦Ｃ≦０．６ｍａｓｓ％。
Ｃは、温間鍛造時に可動転位を固着させ、鍛造品の耐力を向上させるのに有効な元素である。このような効果を得るためには、Ｃ含有量は、０．２ｍａｓｓ％以上である必要がある。
一方、Ｃ含有量が過剰になると、パーライトが過剰となり、耐力は増加するが、疲労強度、及び被削性が低下する。従って、Ｃ含有量は、０．６ｍａｓｓ％以下である必要がある。
【００１４】
（２） ０．０５≦Ｓｉ≦２．０ｍａｓｓ％。
Ｓｉは、鋼溶製時において脱酸剤及び脱硫剤として加えられるだけでなく、フェライト中に固溶してフェライトを強化し、耐力を向上させるのに有効な元素である。このような効果を得るためには、Ｓｉ含有量は、０．０５ｍａｓｓ％以上である必要がある。
一方、Ｓｉ含有量が過剰になると、熱間鍛造性が低下する。従って、Ｓｉ含有量は、２．０ｍａｓｓ％以下である必要がある。
【００１５】
（３） ０．３≦Ｍｎ≦１．１ｍａｓｓ％。
Ｍｎは、フェライト中に固溶してフェライトを強化し、耐力を向上させるのに有効な元素である。また、Ｍｎの一部は、鋼中にＭｎＳとして析出し、その周囲にフェライト相を析出させる作用がある。このような効果を得るためには、Ｍｎ含有量は、０．３ｍａｓｓ％以上である必要がある。
一方、Ｍｎ含有量が過剰になると、パーライトが過剰となり、疲労強度、及び被削性が低下する。従って、Ｍｎ含有量は、１．１ｍａｓｓ％以下である必要がある。
【００１６】
（４） ０．０４≦Ｓ≦０．１５ｍａｓｓ％。
Ｓは、通常、被削性の向上のために添加される元素であるが、本発明においては、熱間鍛造後のフェライト面積率を増大させるために添加される。このような効果を得るためには、Ｓ含有量は、０．０４ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ｓ含有量は、さらに好ましくは、０．０６ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは、０．０８ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｓ含有量が過剰になると、熱間鍛造性が低下する。従って、Ｓ含有量は、０．１５ｍａｓｓ％以下である必要がある。
【００１７】
［１．２． 副構成元素］
本発明に係る鍛造用鋼は、上述した主構成元素に加えて、以下の１種以上の副構成元素をさらに含んでいてもよい。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
【００１８】
［１．２．１． 破断分離性向上元素］
（５）Ｐ≦１．２ｍａｓｓ％。
Ｐは、粒界への偏析により靱性を低下させる元素である。従って、一般的には、Ｐ含有量は少ないほどよい。しかしながら、Ｐは、逆に脆性破面率を高める作用があり、必要に応じてＰを添加することができる。
一方、Ｐ含有量が過剰になると、効果が飽和するだけでなく、熱間鍛造性を低下させる。従って、Ｐ含有量は、１．２ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００１９】
［１．２．２． 固溶強化元素］
（６）Ｃｕ≦０．５ｍａｓｓ％。
（７）Ｎｉ≦０．５ｍａｓｓ％。
（８）Ｃｒ≦０．５ｍａｓｓ％。
（９）Ｍｏ≦０．１ｍａｓｓ％。
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏは、いずれもフェライト中に固溶してフェライトを強化し、耐力を向上させるのに有効な元素であるため、必要に応じて添加することができる。なお、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏは、通常、不純物として０．０１ｍａｓｓ％程度含まれる場合がある。
一方、これらの元素が過剰になると、パーライトが過剰となり、疲労強度、及び被削性が低下する。従って、これらの元素は、それぞれ、上記の上限値以下が好ましい。
【００２０】
［１．２．３． 析出強化元素］
（１０）Ｖ≦０．３５ｍａｓｓ％。
Ｖは、熱間鍛造後に炭窒化物を形成し、強度及び耐力の向上に有効な元素であるため、必要に応じて添加することができる。
一方、Ｖ含有量が過剰になると、効果が飽和し、実益がない。従って、Ｖ含有量は、０．３５ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００２１】
［１．２．４． 歪時効硬化元素］
（１１）Ｎ≦０．０３ｍａｓｓ％。
Ｎは、Ｃと同様に、温間鍛造時に可動転位を固着させ、鍛造品の耐力を向上させるのに有効な元素であるため、必要に応じて添加することができる。なお、Ｎは、通常、不純物として０．００２ｍａｓｓ％程度含まれる場合がある。
一方、Ｎ含有量が過剰になると、熱間鍛造性が低下する。従って、Ｎ含有量は、０．０３ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００２２】
［２． 鍛造品の製造方法］
本発明に係る鍛造品の製造方法は、加熱工程と、１次加工工程と、２次加工工程とを備えている。
【００２３】
［２．１． 加熱工程］
加熱工程は、本発明に係る鍛造用鋼をＡ3点以上１３００℃以下の温度で加熱する工程である。
加熱は、鍛造用鋼をオーステナイト単相にするために行われる。従って、加熱温度は、Ａ3点以上である必要がある。
一方、加熱温度が高すぎると、熱間鍛造後の結晶粒が粗大化し、耐力及び疲労強度が低下する。従って、加熱温度は、１３００℃以下である必要がある。
加熱時間は、特に限定されるものではなく、鍛造用鋼全体がオーステナイト単相になる時間であればよい。通常は、１ｈｒ程度である。
【００２４】
［２．２． １次加工工程］
１次加工工程は、前記鍛造用鋼をＡ3点以上１３００℃以下の温度において、８％以上の圧下率で熱間鍛造する工程である。熱間鍛造は、鍛造品の粗形状を形成するため、及び、熱間鍛造後の冷却過程において、フェライト相の析出を促進させるために行われる。
熱間鍛造は、加熱工程において所定の温度に素材を加熱した後、必要に応じて所定の鍛造温度まで空冷して行われる。熱間鍛造は、オーステナイト域で行う必要がある。すなわち、鍛造温度は、Ａ3点以上である必要がある。
一方、鍛造温度が高すぎると、パーライトが過剰となり、耐力、疲労強度、及び被削性が低下する。従って、鍛造温度は、１３００℃以下である必要がある。鍛造温度は、さらに好ましくは、１２００℃以下である。
【００２５】
一般に、熱間鍛造時の圧下率が高くなるほど、フェライト相の析出量が増大する。高耐力及び高疲労強度を兼ね備えた鍛造品を得るためには、熱間鍛造時の圧下率は、８％以上である必要がある。圧下率は、さらに好ましくは、１０％以上である。
圧下率は、鍛造可能な限りにおいて、高いほど良い。しかしながら、圧下率が高すぎると、鍛造性が低下する場合がある。
【００２６】
ここで、「圧下率」とは、次の（１）式から求められる値をいう。
圧下率（％）＝（Ｈ0−Ｈ1）×１００／Ｈ0 ・・・（１）
但し、Ｈ0は、熱間鍛造前の素材の厚さ（加圧方向の長さ）
Ｈ1は、熱間鍛造後の鍛造品の厚さ（加圧方向の長さ）
鍛造品の厚さや変形量が部位によって異なるときは、「圧下率」とは、各部位において測定される圧下率の最大値をいう。
【００２７】
［２．３． ２次加工工程］
２次加工工程は、前記鍛造用鋼を２００℃以上６５０℃以下の温度において、７％以上５０％未満の圧下率で温間鍛造する工程である。温間鍛造は、熱間鍛造で得られた粗成形体の形状矯正を行うため、及び、歪時効によって耐力及び疲労強度を増大させるために行われる。
温間鍛造は、通常、熱間鍛造後の冷却過程において行われるが、熱間鍛造後に一旦室温まで冷却し、再度温間鍛造温度に加熱しても良い。
一般に、鍛造温度が低いほど、高耐力が得られる。しかしながら、鍛造温度が低すぎると、耐力が低下する。これは、十分な歪時効が生じないためである。従って、鍛造温度は、２００℃以上である必要がある。
一方、鍛造温度が高すぎると、かえって耐力が低下する。従って、鍛造温度は、６５０℃以下である必要がある。
【００２８】
一般に、温間鍛造時の圧下率が大きくなるほど、高耐力及び高疲労強度が得られる。このような効果を得るためには、圧下率は、７％以上である必要がある。
一方、圧下率が大きくなりすぎると、鍛造性が低下する。従って、圧下率は、５０％未満である必要がある。
なお、温間鍛造時の「圧下率」の定義は、熱間鍛造時の圧下率の定義と同様である。
【００２９】
［３． 鍛造品］
本発明に係る鍛造品は、
本発明に係る方法により得られ、
フェライト面積率が１８％以上であり、
室温における０．２％耐力が７００ＭＰａ以上であり、
ΔＳ（＝Ｓ2−Ｓ1）が１０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
但し、
Ｓ2は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％の条件で前記熱間鍛造を行い、さらに鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％の条件で前記温間鍛造を行った後の室温における疲労強度。
Ｓ1は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％の条件で前記熱間鍛造を行った後の室温における疲労強度。
【００３０】
［３．１． フェライト面積率］
本発明に係る鍛造品は、フェライト・パーライト組織からなる。フェライト面積率とは、組織全体の面積に占めるフェライト相の面積の割合をいう。フェライト相の面積率は、例えば、組織写真の画像解析により求めることができる。
一般に、フェライト面積率が大きくなるほど、耐力及び疲労強度が高く、しかも、低温域において温間鍛造を行った場合であっても、疲労強度のばらつきが小さくなる。このような効果を得るためには、フェライト面積率は、１８％以上である必要がある。
【００３１】
［３．２． 耐力］
材料組成や製造条件を最適化すると、室温における０．２％耐力が７００ＭＰａ以上である鍛造品が得られる。製造条件をさらに最適化すると、室温における０．２％耐力は、７５０ＭＰａ以上、８００ＭＰａ以上、８５０ＭＰａ以上、あるいは、９００ＭＰａ以上となる。
【００３２】
［３．３． ΔＳ］
上述したように、所定の条件下で熱間鍛造を行うと、熱間鍛造後の冷却過程において相対的に多量のフェライト相が析出する。次いで、所定の条件下で温間鍛造を行うと、歪時効が起こり、耐力だけでなく、疲労強度も増大する。また、温間鍛造温度の僅かな変動による疲労強度のばらつきも小さくなる。ここで、ΔＳは、歪時効により疲労強度が増加する効果（歪時効効果）の程度を表す。
材料組成を最適化すると、ΔＳ（＝Ｓ2−Ｓ1）が１０ＭＰａ以上である鍛造品が得られる。材料組成をさらに最適化すると、ΔＳは、２０ＭＰａ以上、３０ＭＰａ以上、４０ＭＰａ以上、あるいは、５０ＭＰａ以上となる。
【００３３】
［４． 鍛造用鋼、並びに、鍛造品及びその製造方法の作用］
フェライト・パーライト組織を有する従来の構造用鋼に対して、熱間鍛造後に歪時効を施すための温間鍛造を行うと、温間鍛造時の鍛造温度が低くなるほど、耐力が増大する。しかしながら、疲労強度は、温間鍛造時の鍛造温度が４００℃の時に最大となり、それより鍛造温度が低くなると、急激に低下する。そのため、従来の構造用鋼では、高耐力と高疲労強度を両立させることができなかった。また、温間鍛造時の鍛造温度が低くなるほど、疲労強度が低下するため、温間鍛造時の鍛造温度が変動すると、疲労強度が大きくばらつくという問題があった。
【００３４】
これに対し、フェライト・パーライト組織を有する構造用鋼に対して、相対的に過剰のＳを添加し、所定の条件下で熱間鍛造及び温間鍛造を行うと、耐力及び疲労強度がともに向上する。また、高耐力が得られる低温域で温間鍛造を行っても、疲労強度のばらつきが小さくなる。
これは、
（１）熱間鍛造後の冷却過程において、過剰に添加したＳが多量のＭｎＳを析出させ、析出したＭｎＳの周囲に多量のフェライト相が析出するため（すなわち、フェライト面積率が増大するため）、及び、
（２）多量に析出したフェライト相が温間鍛造時の歪時効によって強化されるため、
と考えられる。
【実施例】
【００３５】
（実施例１〜２０、比較例１〜１３）
［１． 試料の作製］
表１に示す組成となるように原料を溶解した後、造塊し、熱間鍛造によりφ３０ｍｍの１次加工用素材を作製した。この１次加工用素材を、γ相単相となる温度域に加熱し、１ｈｒ保持後、１次加工（熱間鍛造）を行った。１次加工後の材料を所定の温度まで空冷した後、続いて２次加工を行った。１次加工条件は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％とした。また、２次加工条件は、鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％とした。
なお、比較として、γ相単相となる温度域に加熱した後、１次加工を加えることなく室温まで冷却した加熱放冷材、及び、１次加工の後、２次加工を加えることなく室温まで冷却した１次加工まま材も作製した。
【００３６】
【表１】
【００３７】
［２． 試験方法］
［２．１． 引張試験］
上記の製法で作製した材料から、ＪＩＳ Ｚ２２０１ １４Ａ号引張試験片を切り出した。得られた試験片を用いて引張試験を行い、０．２％耐力を求めた。
［２．２． 疲労試験］
上記の製法で作製した材料から、平行部φ８ｍｍ平滑形状の小野式回転曲げ疲労試験片を切り出した。得られた試験片を用いて小野式回転曲げ疲労試験を行い、Ｓ−Ｎ線図を作成した。繰り返し数１０7回で破断しない限度応力を疲労強度とした。
［２．３． フェライト面積率］
２次加工後の材料の近接する位置から、３個の試料を切り出した。各試料について組織写真を撮影し、画像解析によりフェライト面積率を測定した。さらに、各試料のフェライト面積率の平均値を算出した。
［２．４． 鍛造割れ］
鍛造割れの有無を目視により判定した。
【００３８】
［３． 結果］
表２に結果を示す。表２より、以下のことがわかる。
（１）比較例１〜１３の内、０．２％耐力が７００ＭＰａ以上であるものは、いずれもΔＳが１０ＭＰａ未満である。これは、Ｃが過剰であるため（比較例１）、Ｍｎが過剰であるため（比較例４）、Ｓが過少であるため（比較例８）、Ｃｕが過剰であるため（比較例９）、Ｎｉが過剰であるため（比較例１０）、Ｃｒが過剰であるため（比較例１１）、又は、Ｍｏが過剰であるため（比較例１２）である。
（２）比較例１〜１３の内、ΔＳが１０ＭＰａ以上であるものは、いずれも０．２％耐力が７００ＭＰａ未満である。これは、Ｃが過少であるため（比較例２）、又は、Ｍｎが過少であるため（比較例５）である。
（３）比較例１〜１３の内、一部の試料には鍛造割れが生じた。これは、Ｓｉが過剰であるため（比較例３）、Ｐが過剰であるため（比較例６）、Ｓが過剰であるため（比較例７）、又は、Ｎが過剰であるため（比較例１３）である。
【００３９】
（４）実施例１〜２０は、成分範囲が適切であるため、いずれも、０．２％耐力が７００ＭＰａ以上であり、ΔＳが１０ＭＰａ以上であった。
（５）他の成分が同等である場合、Ｓ含有量が多くなるほど、０．２％耐力及びΔＳが増大する（例えば、実施例８と実施例１６を参照）。
【００４０】
【表２】
【００４１】
（実施例２１）
［１． 試料の作製］
実施例１で得られた１次加工用素材に対し、種々の条件下で１次加工及び２次加工を行った。１次加工条件は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：０〜８０％とした。また、２次加工条件は、鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％とした。
［２． 試験方法］
実施例１と同様にして、０．２％耐力、疲労強度、フェライト面積率、及び鍛造割れの有無を評価した。
【００４２】
［３． 結果］
表３に、結果を示す。表３より、以下のことがわかる。
（１）１次加工時の圧下率が大きくなるほど、２次加工後の０．２％耐力及び疲労強度が増大する。これは、１次加工時の圧下率が大きくなるほど、フェライト面積率が増大するためである。
（２）一次加工時の圧下率を８％以上とすると、フェライト面積率は１８％となる。
【００４３】
【表３】
【００４４】
（比較例２１）
［１． 試料の作製］
比較例１で得られた１次加工用素材に対し、種々の条件下で１次加工及び２次加工を行った。１次加工条件は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：０〜９０％とした。また、２次加工条件は、鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％とした。
［２． 試験方法］
実施例１と同様にして、０．２％耐力、疲労強度、フェライト面積率、及び鍛造割れの有無を評価した。
【００４５】
［３． 結果］
表４に、結果を示す。表４より、以下のことがわかる。
（１）１次加工時の圧下率が大きくなるほど、２次加工後の０．２％耐力は向上するが、２次加工後の疲労強度はあまり変化しない。
（２）比較例１の場合、一次加工時の圧下率を増大させても、フェライト面積率は５％以下である。これは、Ｃが過剰であるためである。
【００４６】
【表４】
【００４７】
（実施例２２）
［１． 試料の作製］
実施例１で得られた１次加工用素材（Ａ3点：８３０℃）に対し、種々の条件下で１次加工及び２次加工を行った。１次加工条件は、鍛造温度：８５０〜１３５０℃、圧下率：４０％とした。また、２次加工条件は、鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％とした。
［２． 試験方法］
実施例１と同様にして、０．２％耐力、疲労強度、フェライト面積率、及び鍛造割れの有無を評価した。
【００４８】
［３． 結果］
表５に、結果を示す。表５より、以下のことがわかる。
（１）１次加工時の鍛造温度が低くなるほど、２次加工後の０．２％耐力及び疲労強度が増大する。これは、１次加工時の鍛造温度が低くなるほど、フェライト面積率が増大するためである。
（２）１次加工時の鍛造温度が１３００℃を超えると、フェライト面積率は１８％未満となる。
【００４９】
【表５】
【００５０】
（実施例２３）
［１． 試料の作製］
実施例８で得られた１次加工用素材に対し、種々の条件下で１次加工及び２次加工を行った。１次加工条件は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：０〜８０％とした。また、２次加工条件は、鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％とした。
［２． 試験方法］
実施例１と同様にして、０．２％耐力、疲労強度、フェライト面積率、及び鍛造割れの有無を評価した。
【００５１】
［３． 結果］
表６に、結果を示す。表６より、以下のことがわかる。
（１）１次加工時の圧下率が大きくなるほど、２次加工後の０．２％耐力及び疲労強度が増大する。これは、１次加工時の圧下率が大きくなるほど、フェライト面積率が増大するためである。
（２）一次加工時の圧下率を８％以上とすると、フェライト面積率は１８％となる。
【００５２】
【表６】
【００５３】
（比較例２２）
［１． 試料の作製］
比較例８で得られた１次加工用素材に対し、種々の条件下で１次加工及び２次加工を行った。１次加工条件は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：０〜８０％とした。また、２次加工条件は、鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％とした。
［２． 試験方法］
実施例１と同様にして、０．２％耐力、疲労強度、フェライト面積率、及び鍛造割れの有無を評価した。
【００５４】
［３． 結果］
表７に、結果を示す。表７より、以下のことがわかる。
（１）１次加工時の圧下率が大きくなるほど、２次加工後の０．２％耐力は増大するが、２次加工後の疲労強度は、あまり変化しない。
（２）比較例８の場合、１次加工時の圧下率を増大させても、フェライト面積率は１８％未満である。これは、Ｓ含有量が少ないためである。
【００５５】
【表７】
【００５６】
（実施例２４）
［１． 試料の作製］
実施例１で得られた１次加工用素材に対し、種々の条件下で１次加工及び２次加工を行った。１次加工条件は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％とした。また、２次加工条件は、鍛造温度：３００℃、圧下率：０〜５０％とした。
［２． 試験方法］
実施例１と同様にして、０．２％耐力、疲労強度、フェライト面積率、及び鍛造割れの有無を評価した。
【００５７】
［３． 結果］
表８に、結果を示す。表８より、以下のことがわかる。
（１）２次加工時の圧下率が大きくなるほど、２次加工時の０．２％耐力及び疲労強度が増大する。これは、２次加工時の圧下率が増大するほど、歪時効によってフェライト相が強化されるためである。
【００５８】
【表８】
【００５９】
（実施例２５）
［１． 試料の作製］
実施例１で得られた１次加工用素材に対し、種々の条件下で１次加工及び２次加工を行った。１次加工条件は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％とした。また、２次加工条件は、鍛造温度：３００℃〜６５０℃、圧下率：１５％とした。
［２． 試験方法］
実施例１と同様にして、０．２％耐力、疲労強度、フェライト面積率、及び鍛造割れの有無を評価した。
【００６０】
［３． 結果］
表９に、結果を示す。表９より、以下のことがわかる。
（１）２次加工時の鍛造温度が低くなるほど、２次加工後の０．２％耐力が大きくなる。また、２次加工時の鍛造温度が４００℃以下になっても、２次加工後の疲労強度は、低下しない。これは、成分元素及び１次加工条件を最適化することにより、フェライト面積率が増大したためである。
【００６１】
【表９】
【００６２】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明に係る鍛造用鋼、並びに、鍛造品及びその製造方法は、機械、車両、航空機、船舶などに用いられる機械部品の材料、並びに、そのような機械部品及びその製造方法として使用することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．２≦Ｃ≦０．６ｍａｓｓ％、
０．０５≦Ｓｉ≦２．０ｍａｓｓ％、
０．３≦Ｍｎ≦１．１ｍａｓｓ％、及び、
０．０４≦Ｓ≦０．１５ｍａｓｓ％
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鍛造用鋼。
【請求項２】
０．０６≦Ｓ≦０．１５ｍａｓｓ％である請求項１に記載の鍛造用鋼。
【請求項３】
Ｐ≦１．２ｍａｓｓ％をさらに含む請求項１又は２に記載の鍛造用鋼。
【請求項４】
Ｃｕ≦０．５ｍａｓｓ％、
Ｎｉ≦０．５ｍａｓｓ％、
Ｃｒ≦０．５ｍａｓｓ％、及び、
Ｍｏ≦０．１ｍａｓｓ％
から選ばれる１種以上の元素をさらに含む請求項１から３までのいずれかに記載の鍛造用鋼。
【請求項５】
Ｖ≦０．３５ｍａｓｓ％をさらに含む請求項１から４までのいずれかに記載の鍛造用鋼。
【請求項６】
Ｎ≦０．０３ｍａｓｓ％をさらに含む請求項１から５までのいずれかに記載の鍛造用鋼。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれかに記載の鍛造用鋼をＡ3点以上１３００℃以下の温度で加熱する加熱工程と、
前記鍛造用鋼をＡ3点以上１３００℃以下の温度において、８％以上の圧下率で熱間鍛造する１次加工工程と、
前記鍛造用鋼を２００℃以上６５０℃以下の温度において、７％以上５０％未満の圧下率で温間鍛造する２次加工工程と
を備えた鍛造品の製造方法。
【請求項８】
前記１次加工工程における圧下率が１０％以上である請求項７に記載の鍛造品の製造方法。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の方法により得られ、
フェライト面積率が１８％以上であり、
室温における０．２％耐力が７００ＭＰａ以上であり、
ΔＳ（＝Ｓ2−Ｓ1）が１０ＭＰａ以上である鍛造品。
但し、
Ｓ2は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％の条件で前記熱間鍛造を行い、さらに鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％の条件で前記温間鍛造を行った後の室温における疲労強度。
Ｓ1は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％の条件で前記熱間鍛造を行った後の室温における疲労強度。
【請求項１０】
前記室温における０．２％耐力が７５０ＭＰａ以上である請求項９に記載の鍛造品。
【請求項１】
０．２≦Ｃ≦０．６ｍａｓｓ％、
０．０５≦Ｓｉ≦２．０ｍａｓｓ％、
０．３≦Ｍｎ≦１．１ｍａｓｓ％、及び、
０．０４≦Ｓ≦０．１５ｍａｓｓ％
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鍛造用鋼。
【請求項２】
０．０６≦Ｓ≦０．１５ｍａｓｓ％である請求項１に記載の鍛造用鋼。
【請求項３】
Ｐ≦１．２ｍａｓｓ％をさらに含む請求項１又は２に記載の鍛造用鋼。
【請求項４】
Ｃｕ≦０．５ｍａｓｓ％、
Ｎｉ≦０．５ｍａｓｓ％、
Ｃｒ≦０．５ｍａｓｓ％、及び、
Ｍｏ≦０．１ｍａｓｓ％
から選ばれる１種以上の元素をさらに含む請求項１から３までのいずれかに記載の鍛造用鋼。
【請求項５】
Ｖ≦０．３５ｍａｓｓ％をさらに含む請求項１から４までのいずれかに記載の鍛造用鋼。
【請求項６】
Ｎ≦０．０３ｍａｓｓ％をさらに含む請求項１から５までのいずれかに記載の鍛造用鋼。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれかに記載の鍛造用鋼をＡ3点以上１３００℃以下の温度で加熱する加熱工程と、
前記鍛造用鋼をＡ3点以上１３００℃以下の温度において、８％以上の圧下率で熱間鍛造する１次加工工程と、
前記鍛造用鋼を２００℃以上６５０℃以下の温度において、７％以上５０％未満の圧下率で温間鍛造する２次加工工程と
を備えた鍛造品の製造方法。
【請求項８】
前記１次加工工程における圧下率が１０％以上である請求項７に記載の鍛造品の製造方法。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の方法により得られ、
フェライト面積率が１８％以上であり、
室温における０．２％耐力が７００ＭＰａ以上であり、
ΔＳ（＝Ｓ2−Ｓ1）が１０ＭＰａ以上である鍛造品。
但し、
Ｓ2は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％の条件で前記熱間鍛造を行い、さらに鍛造温度：３００℃、圧下率：１５％の条件で前記温間鍛造を行った後の室温における疲労強度。
Ｓ1は、鍛造温度：１０５０℃、圧下率：４０％の条件で前記熱間鍛造を行った後の室温における疲労強度。
【請求項１０】
前記室温における０．２％耐力が７５０ＭＰａ以上である請求項９に記載の鍛造品。
【公開番号】特開２０１３−７０８７（Ｐ２０１３−７０８７Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３９９４２（Ｐ２０１１−１３９９４２）
【出願日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【出願人】（０００００３７１３）大同特殊鋼株式会社 (916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【出願人】（０００００３７１３）大同特殊鋼株式会社 (916)
【Ｆターム（参考）】
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