JP2591807B2 - 冷間鍛造性及び高周波焼入れ性に優れた機械構造用炭素鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、機械構造用炭素鋼、特に冷間鍛造時にお
ける変形抵抗が小さく、しかも高周波焼入れ性にも優れ
た機械構造用炭素鋼に関するものである。

（従来の技術） 冷間鍛造は、仕上げ寸法精度、材料歩留りに優れ、成
形後の切削工程が少ない等の利点からボルト・ナットを
はじめとして、大型の自動車部品に至るまで広範囲にわ
たって適用されている塑性加工方法である。

従来、冷間鍛造には、ほとんどＣが0.40wt％（以下単
に％で示す）に満たない鋼材が用いられてきた。この理
由は、Ｃが0.40％以上の鋼材は冷間鍛造時における変形
抵抗が高く、また厳しい加工に耐え得る変形能に不足す
るからである。

しかしながら近年では、機械部品の高強度化、特に焼
入れ焼戻し後の表面硬さに対する要請から、Ｃが0.40％
以上の鋼材についても冷間鍛造が適用されつつある。と
ころが、前述のようにこのような鋼材を用いた場合には
変形抵抗の増加が避けられないため、工具寿命が著しく
低下するだけでなく、変形荷重が鍛造機の能力以上とな
り、より大型の鍛造機へのリプレースが必要となる等の
状況を呈している。

また、通常変形抵抗の低減は、添加元素の低減をはか
ることによって達成できるけれども、添加元素の低減は
一方で焼入れ性の低下を招くという相反した面をそなえ
るため、いずれか一方の特性を犠牲にせざるを得ないと
いう問題があった。

これらの点については従来から種々改善策が提案され
ている。

例えば、「昭和62年度塑性加工春期講演会講演論文
集」（1987.5.15〜17、P301〜302）では焼入れ性を損う
ことなく変形抵抗を低減するものとして、Cr添加鋼およ
びCr−Ｂ添加鋼が開示されている。しかしながら上記の
鋼はCrが0.41％以上と多量に含有されているため、後述
するように変形抵抗が依然として高い。

また、特開昭61−113744号公報では、Si,Mn,Crさらに
はS,P,N,Oを制限することによって変形抵抗の低減及び
変形能の向上を図っている。

しかしながら、上記の技術では低変形抵抗化は実現さ
れるにしても、焼入れ性とくに高周波焼入れ性に劣ると
ころに問題を残していた。

（発明が解決しようとする課題） この発明は、上記の問題を有利に解決するもので、冷
間鍛造時における変形抵抗が小さくしかも高周波焼入れ
性にも優れた機械構造用炭素鋼を提案することを目的と
する。

（課題を解決するための手段） この種鋼材は、フェライト・パーライト組織では、変
形抵抗が高いので球状化焼鈍を施した後、冷間鍛造に供
され、その後高周波焼入れおよび焼戻し処理が施され
る。

そこで発明者らは、球状化焼鈍状態における変形抵抗
および高周波焼入れ性に対する各元素の影響を調査した
ところ、以下の知見を得た。

まず球状化焼鈍状態における変形抵抗に及ぼす各元素
の影響は、C,Mo,Cr,Si,Mnの順に大きいことが判明し
た。かような元素の強化作用は、フェライト・マトリッ
クスの強化によるものと、セメンタイトの微細化を通じ
てなされるものの２種類に分けて考えることができ、前
者が支配的な元素はSi、一方後者が支配的な元素はCrで
ある。なおＣは、セメンタイト量を増加させることによ
って変形抵抗を増大させる。またMn,Moはフェライト・
マトリックスへの固溶強化およびセメンタイトの微細化
の両者を通じてなされる。

次に球状化焼鈍状態における高周波焼入れ性に対する
各元素の影響は以下のとおりである。

表面硬度はＣ含有量でほぼ一義的に決定される。ま
た、有効硬化深さに対しては同一量添加した場合、Ｃ＞
Mo＞Mn＞Siの順に有効硬化深さを増大させる一方、Crは
有効硬化深さを減少せしめる。

これは、Crがセメンタイト中への濃縮効果が著しい元
素であり、この濃縮によって著しくセメンタイトを安定
化すると共に、極めて溶解し難いCr系炭化物が形成され
るため、高周波加熱のような短時間の加熱では炭化物が
溶解しないことに起因する。

この発明は上記に新規知見に基づいて開発されたもの
であって、その要旨とするところは、 C:0.40〜0.60％、 Si:0.05％以下、 Mn:0.30〜0.75％、 Cr:0.15％以下および S:0.005〜0.020％、 またときにはさらに Mo:0.05〜0.30％を、 0.015％以下に制限したＰ、 0.0020％以下に制限したＯおよび 0.0080％以下に制限したＮ と共に含有し、残部は実質的にFeの組成になる冷間鍛造
性および高周波焼入れ性に優れた機械構造用炭素鋼であ
る。

（作 用） 以下、この発明において成分組成を上記の範囲に限定
した理由について説明する。

C:高周波焼入れ時の表面硬さおよび有効硬化深さを確保
する上で有用な元素であり、積極的に活用するが、0.40
％に満たないと機械部品として必要な強度を確保するこ
とが難しく、一方0.60％を超えて含有させると冷間鍛造
時の変形抵抗が過大となって目的とする低変形荷重が得
られないので、Ｃは0.40〜0.60％の範囲で添加するもの
とした。

Si:冷間鍛造時の変形抵抗をC,Mo,Crについで増加させる
だけでなく、高周波焼入れ時の有効硬化深さの改善効果
も小さいので、混入量は極力低減することが好ましい
が、上限0.05％までは許容される。

Mn:高周波焼入れ時の有効硬化深さを増加させるので積
極的に添加するが、0.30％未満ではその添加効果に乏し
く、一方0.75％を超えて含有されると変形抵抗が増加し
目的とする低変形荷重が得られないので、0.30〜0.75％
の範囲で添加するものとした。

Cr:球状化焼鈍状態における変形抵抗をC,Moについで増
加させるだけでなく、高周波焼入れ時の有効硬化深さを
減少させる作用があるので、この意味では有害元素であ
る。しかしながら一方で、冷間鍛造時における変形能を
向上させる働きがあるので、0.15％を上限として添加す
るものとした。

S:冷間鍛造時における変形能を低下させる一方で、切削
性の向上には有用な元素であるので、両者の兼ね合いで
0.005〜0.020％の範囲で添加するものとした。

P:球状化焼鈍状態において、フェライト・マトリックス
を硬化し変形抵抗を増加せしめると同時に変形能を著し
く劣化させる元素であるので極力低減することが望まし
いが、0.015％以下で許容される。

O:酸化物系非金属介在物を増加させ冷間鍛造時における
変形能を低下させるので極力低減することが望ましい
が、0.0020％以下で許容される。

N:冷間鍛造時に動的歪時効を生ぜしめ、変形抵抗の増加
と加工性の低下をもたらすので極力低下させることが望
ましいが、0.0080％以下で許容される。

Mo:微量の添加で有効硬化深さを増加させ得る有用元素
であり、焼入れ性の低下を招くことなしに変形抵抗の低
減を可能ならしめる。しかしながら極めて高価な元素で
あるので必要な場合にのみ添加するものとし、添加量と
しては少なくとも0.05％を必要とするが、0.30％を超え
て添加すると変形抵抗の増大を招くので、0.05〜0.30％
の範囲で添加するものとした。

この発明に従うことによって、高周波焼入れ性を劣化
させることなしに冷間鍛造時における変形抵抗を低減し
得るのは、次の理由による。

一般にMn,Cr,Moは、焼入れ性向上元素として知られて
いるが、前述したとおり発明者らは、球状化焼鈍状態に
おいては、Moの効果が最も大きく、次いでMnが焼入れ性
を向上させ、Crは逆に焼入れ性を低下させることを新た
に見出した。

すなわちMn,Crは球状化焼鈍状態においてセメンタイ
ト中に濃化するが、その程度はCrの方がMnよりも大き
い。一方、Moはこの発明の範囲内ではセメンタイト中に
濃縮しないことを見出した。

これら合金元素が、焼入れ性に効果を発揮するために
は、オーステナイト中に均一に固溶することが不可欠で
あるが、高周波加熱のような短時間加熱の場合には、セ
メンタイトの溶解および合金元素の均一化は十分には行
なわれない。このため実質的に焼入れ性に寄与するのは
球状化焼鈍時にセメンタイト中ではなくフェライト・マ
トリックスに均一に残留した元素である。従って同一添
加量の場合、Mo,Mnの順に焼入れ性への寄与が大きいこ
とになる。

この点Crは、セメンタイト中への濃縮が著しいととも
に、難溶性のCr炭化物を形成するので、Crの添加により
焼入れ性はむしろ低下するのである。

発明者らは、上記の知見から、焼入れ性に効果が高い
MnさらにはMoを選択的に利用し、一方焼入れ性への寄与
が小さくしかも変形抵抗を増加せしめるSi,Crを低減す
るとの技術思想のもとに各元素の適正バランスを検討し
た結果、この発明を完成するに至ったのであり、かくし
て高周波焼入れ性を劣化させることなく、冷間鍛造時に
おける変形抵抗を低減させることが可能となったのであ
る。

（実施例） 表１に示す種々の成分組成になる52mmφ棒鋼を、転炉
溶製−連続鋳造−棒鋼圧延工程により製造した。これら
の棒鋼に球状化焼鈍を実施した後、冷間鍛造試験および
高周波焼入れ試験に供した。

冷間鍛造試験（圧縮試験）は、供試鋼から切削加工に
より15mmφ×22.5mmHの円柱型試験片を作製し、日本塑
性加工学会冷間鍛造分科会提唱の方法（塑性と加工Vol.
22 No.241 1981）に準拠して行い、限界圧縮率および
変形抵抗を求めた。

高周波焼入れ試験は、供試材から30mmφ×150mmlの試
験片を作製し、常法に従って高周波焼入れを実施し、そ
の後電気炉を用いて150℃,30minの焼戻しを行った後、
試片断面の硬度分布を測定し、Hv≧392以上の深さを有
効硬化深さとした。

これらの試験結果を表１に併記する。なお変形抵抗
は、圧縮率:70％のときの値を示した。

No.1〜８は、JIS規格S40C〜S55C相当鋼である。これ
に対してNo.9〜16の適合例は有効硬化深さはNo.1〜８と
ほぼ同等であるが、変形抵抗は５〜10％程度低減してい
る。

No.17〜20は、No.11にCrをこの発明の上限を超えて多
量に添加した場合であり、Cr量の増加に伴って有効硬化
深さは低下し、一方変形抵抗は増大しており、この発明
の目的に対してCrの過剰添加が有害であることを示して
いる。

No.21〜44はMoを用いた適合例である。Mo及びその他
の合金元素の添加量を調整することにより高周波焼入れ
性を劣化させることなく冷間鍛造時の変形抵抗が一層低
減されている。

No.45〜46は、Moが過剰の場合であり、適合例であるN
o.23,26に比較し、変形抵抗が著しく高い。

またNo.47〜50は、Ｐ又はＳがこの発明の適正範囲を
逸脱した場合であり、限界圧縮率で示される変形能が著
しく低下している。No.50〜51は、Ｏ又はＮがこの発明
の適正範囲を逸脱した場合であり、変形能が劣化すると
ともに変形抵抗が増大している。

（発明の効果） かくしてこの発明によれば、変形抵抗が小さく冷間鍛
造性に優れ、かつ高周波焼入れ性にも優れた鋼材を容易
に得ることができ、工業的に安定した高品質の機械部品
の製造に寄与するところ大である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 町田 功 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式 会社本田技術研究所内 (72)発明者 嵯峨 正芳 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式 会社本田技術研究所内 (72)発明者 高木 武 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式 会社本田技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−159971（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−113744（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−139845（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−230960（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】C:0.40〜0.60wt％、 Si:0.05wt％以下、 Mn:0.30〜0.75wt％、 Cr:0.15wt％以下および S:0.005〜0.020wt％を、 0.015wt％以下に制限したＰ、 0.0020wt％以下に制限したＯおよび 0.0080wt％以下に制限したＮ と共に含有し、残部は実質的にFeの組成になることを特
   徴とする冷間鍛造性および高周波焼入れ性に優れた機械
   構造用炭素鋼。
2. 【請求項２】C:0.40〜0.60wt％、 Si:0.05wt％以下、 Mn:0.30〜0.75wt％、 Cr:0.15wt％以下、 Mo:0.05〜0.30wt％および S:0.005〜0.020wt％を、 0.015wt％以下に制限したＰ、 0.0020wt％以下に制限したＯおよび 0.0080wt％以下に制限したＮ と共に含有し、残部は実質的にFeの組成になることを特
   徴とする冷間鍛造性および高周波焼入れ性に優れた機械
   構造用炭素鋼。