JP5392443B1

JP5392443B1 - 摩擦圧接用鋼材及びその製造方法

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Publication number: JP5392443B1
Application number: JP2013534117A
Authority: JP
Inventors: 孔明牧野; 浩行水野
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: JPWO2013146880A1; WO2013146880A1; US20150159247A1; US9194033B2; CN104204260A

Abstract

化学成分組成が、質量％において、Ｃ：０．３０〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜０．９％、Ｐ：０．００１〜０．０３０％、Ｓ：０．００５〜０．１２％、Ｃｒ：０．０５〜２．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．００５０〜０．０２００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、固溶Ｎが０．００２０％以上であり、ＭｎとＳの含有量の関係が以下の関係を満たす。
２．６≦Ｍｎ／Ｓ＜１５（１）
Ｍｎ＋６Ｓ＜１．２（２）

Description

本発明は、他の鋼材と摩擦圧接により接合させる用途に用いられる摩擦圧接用鋼材及びその製造方法に関する。

２つの鋼部材を接合する方法として、両者の接合面を当接させて相対回転させ、接合面に摩擦熱を生じさせ、その摩擦熱によって接合面を軟化させた後に、両者の間に強い加圧力を付与して拡散結合させるという摩擦圧接方法がある。摩擦圧接方法を利用して作製する部品としては、例えば、自動車用のプロペラシャフト等、様々なものがある。

摩擦圧接用鋼材には、摩擦圧接性に優れることが要求されるだけでなく、被削性にも優れることが要求される場合が多い。例えば上述したプロペラシャフトは、摩擦圧接が施されるだけでなく、切削加工も施される。

鋼の被削性の向上には従来からＰｂの添加が有効であることが知られている。一方、環境問題の観点から、鋼にＰｂを添加しないＰｂフリー化が望まれている。Ｐｂに換えてＳを添加することによって、鋼の被削性向上効果を得ることができるが、摩擦圧接性と両立させることは容易ではない。

特許文献１には、Ｐｂフリーであって、摩擦圧接に適した機械構造用鋼材として、鋼中のＮを化合物Ｎとして予め存在させるとともに、固溶Ｎとしての存在量を０．００１５％以下に規制し、かつ、特定の大きさのＭｎＳの個数を規定したものが示されている。そして、固溶Ｎ量の規制とＭｎＳの制御には、ビレットの加熱温度を１０００〜１２５０℃の範囲で行うと共に、熱間圧延の開始から終了までの温度を８００〜１０００℃に制限する必要があることが明示されている（段落００９１）。

また、摩擦圧接の前後で鋼中のＮの存在形態を変化させることで、摩擦圧接後の接合強度向上と冷間加工性や被削性の向上を図ることが明示されている（段落００２９）。

特開２０１１−１８４７４２号公報

しかしながら、上記特許文献１の鋼材では、摩擦圧接性は問題ないものの、固溶Ｎ量が少なく化合物Ｎが多いため、熱間加工後での切削加工時において被削性を評価する項目である切屑処理性や工具摩耗性が十分には向上しておらず、また、比較的低温で熱間圧延や熱間鍛造を行う必要があるため、熱間加工性も良くないという問題が残っている。

本発明は、かかる背景に鑑み、切削時の切屑処理性や工具摩耗性に優れ、かつ、熱間加工性にも優れた摩擦圧接用鋼材及びその製造方法を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、化学成分組成が、質量％において、Ｃ：０．３０〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜０．９％、Ｓ：０．００５〜０．１２％、Ｃｒ：０．２２〜２．００％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．００５０〜０．０２００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
固溶Ｎが０．００２０％以上であり、
ＭｎとＳの含有量の関係が、
２．６≦Ｍｎ／Ｓ＜１５（１）
Ｍｎ＋６Ｓ＜１．２（２）
（各式において、Ｍｎ、Ｓは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。）
の関係を満たすことを特徴とする摩擦圧接用鋼材にある。

本発明の他の態様は、化学成分組成が、質量％において、Ｃ：０．３０〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜０．９％、Ｓ：０．００５〜０．１２％、Ｃｒ：０．２２〜２．００％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．００５０〜０．０２００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
ＭｎとＳの含有量の関係が、
２．６≦Ｍｎ／Ｓ＜１５（１）
Ｍｎ＋６Ｓ＜１．２（２）
（各式において、Ｍｎ、Ｓは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。）
の関係を満たす素材を用い、
該素材に熱間加工を施すに当たり、最後の熱間加工は、９５０℃を超える加工温度で行い、かつ、当該熱間加工後の冷却を少なくとも５００℃に達するまで０．３℃／秒以上の冷却速度で行うことを特徴とする摩擦圧接用鋼材の製造方法にある。

上記摩擦圧接用鋼材は、上記特定の化学成分組成を具備するうえで、ＭｎとＳの含有量の関係を上記式（１）及び式（２）を満たす関係に制限し、かつ、固溶Ｎ量を上記特定値以上にしたものである。このような要件をすべて具備することによって、前述した特許文献１のように摩擦圧接に伴う鋼中Ｎの存在形態を変化させることなく微細なＭｎＳが溶解・鋳造時の段階で生成されるので、摩擦圧接性に優れるだけでなく、切削時の切屑処理性や工具摩耗性に優れ、かつ、熱間加工性にも優れたものとすることができる。

摩擦圧接性については、上記のＭｎとＳの含有量の制限、特に上記式（２）のＭｎ＋６Ｓ＜１．２の関係を満足することによって、鋳造時に粗大なＭｎＳが生成することを抑制することができ、粗大なＭｎＳが圧接部に存在することによる不具合を防止して圧接部の強度低下を防止することができる。

切削時の工具摩耗性の向上は、鋼材中に比較的多量に存在する固溶Ｎが、切削加工中に工具表面において窒化物を生成し、これが一種のコーティング膜の役割を果たし、工具の摩耗を抑制することかできるためと考えられる。

切削時の切屑処理性の向上は、上記のＭｎとＳの含有量の制限、特に上記式（１）のＭｎ／Ｓ＜１５の関係を満足することによって、ＭｎＳを１μｍ以下の微細な状態として多数分散させることができるため、これらが切削時の応力集中源として作用して、切屑の分断され易さを向上させることができるためと考えられる。

熱間加工の向上は、上記のＭｎとＳの含有量の制限、特に上記式（１）の２．６≦Ｍｎ／Ｓの関係を満足することによって、結晶粒界上にＦｅＳが生成することを抑制することができ、ＦｅＳの存在による熱間脆性の増大を抑制することができるためと考えられる。また、熱間加工性の向上は、固溶Ｎを上記特定量以上とするために、熱間加工温度を比較的高めに設定する必要から、熱間加工しやすい温度を選択できることによっても得られる。

また、上記摩擦圧接用鋼材の製造方法においては、上記特定の化学成分組成を具備するうえで、ＭｎとＳの含有量の関係を上記式（１）及び式（２）を満たす関係に制限した素材を用いる。これにより、鋳造して得られた鋳塊は、ＭｎＳが微細な状態に制御されたものとなり、また、結晶粒界上のＦｅＳ生成を抑制したものとなる。

また、上記最後の熱間加工においては、その加工温度、つまり、加工前の加熱の温度ではなく、熱間加工を開始して終了するまでの鋼材の温度を９５０℃を超えるように制限する。これにより、鋼材中に化合物の状態で存在していたＮを鋼の母相中に固溶させ、固溶Ｎ量を増加させることができる。また、この熱間加工後の冷却速度を上記のごとく速めることにより、Ｎの析出を抑制して固溶Ｎ量を所定量以上に維持することができる。

従って、得られる摩擦圧接用鋼材は、摩擦圧接性に優れるだけでなく、微細なＭｎＳの分散と、固溶Ｎ量の確保によって、切削時の切屑処理性及び工具摩耗性の向上を図ることが可能となる。

まず、上記摩擦圧接用鋼材の化学成分組成における各元素の限定理由を説明する。

Ｃ（炭素）：０．３０〜０．５５％、
Ｃは、強度を確保するための基本元素である。Ｃ含有量が少なすぎると、機械構造用あるいはプロペラシャフト等の自動車部品用として必要な強度が確保できない。一方、Ｃ含有量が多すぎると、靱性が低下すると共に被削性や加工性の劣化を招いてしまう。このため、Ｃ含有量は０．３０〜０．５５％とする。好ましくは、０．３５〜０．５５％がよい。

Ｓｉ：０．０５〜１．０％、
Ｓｉ（ケイ素）は、製鋼時の脱酸剤として不可欠な元素であると共に固溶強化元素として働き、強度の向上に有効な元素である。Ｓｉ含有量が少なすぎるとその効果が十分得られないという問題があり、一方、Ｓｉ含有量が多すぎると被削性が悪化するという問題がある。このため、Ｓｉ含有量は０．０５〜１．０％とする。

Ｍｎ：０．０５〜０．９％、
Ｍｎ（マンガン）は、必要な強度の確保、ならびにＳと結合することによりＭｎＳを生成し、被削性の向上を図るために有効な元素である。Ｍｎ含有量が少なすぎると粒界上にＦｅＳが生成し熱間脆性が大きくなり圧延割れ等が発生しやすくなるという問題があり、一方、Ｍｎ含有量が多すぎると強度が高くなり被削性が悪化するという問題がある。このため、Ｍｎ含有量は０．０５〜０．９％とし、好ましくは０．０５〜０．８％、より好ましくは０．０５〜０．７％がよい。

Ｓ：０．００５〜０．１２％、
Ｓ（硫黄）は、Ｍｎと共にＭｎＳを生成させ、被削性向上に有効な元素である。Ｓ含有量が少なすぎると十分な被削性が得られないという問題があり、一方、Ｓ含有量が多すぎると熱間加工性や圧接性が低下するという問題がある。このため、Ｓ含有量は０．００５〜０．１２％とし、好ましくは０．０１０〜０．１０％、より好ましくは０．０２０〜０．０８％がよい。

Ｃｒ：０．２２〜２．００％、
Ｃｒ（クロム）は、Ｍｎと同様に必要な強度を確保するのに有効な元素である。Ｃｒ含有量が多すぎると、強度が増加しすぎて被削性に悪影響を及ぼすおそれがある。このため、Ｃｒ含有量は２．０％以下とする。また、Ｃｒ含有による効果を十分に得るため、Ｃｒ含有量は０．２２％以上とする。

Ａｌ：０．００５〜０．０５％、
Ａｌ（アルミニウム）は、製鋼時の脱酸剤として有効な元素である。Ａｌ含有量が少なすぎるとその効果が十分に得られないという問題があり、一方、Ａｌ含有量が多すぎるとＮと結合してＡｌＮを生成し、固溶Ｎを減少させてしまうという問題がある。このため、Ａｌ含有量は０．００５〜０．０５％とし、好ましくは０．００５〜０．０４％、より好ましくは０．００５〜０．０３％がよい。

Ｎ：０．００５０〜０．０２００％、
Ｎ（窒素）は、鋼中に固溶Ｎとして存在することで被削性を向上させるのに有効な元素である。Ｎ含有量が少なすぎると十分な被削性が得られないという問題があり、一方、Ｎ含有量が多すぎると鋳造時に鋳片の割れを促してしまうという問題がある。このため、Ｎ含有量は０．００５０〜０．０２００％とする。

固溶Ｎ：０．００２０％以上、
固溶Ｎ量は、鋼中の全Ｎ量から化合物Ｎとして存在しているＮ量を差し引くことにより算出することができる。化合物Ｎとして存在しているＮ量は、鋼供試材をメタノールにアセチルアセトンを加えた電極溶液中で電解処理し、電解溶液を濾過し、その残渣を用いて、アンモニア蒸留分離アミド硫酸液定法により測定することができる。固溶Ｎが少なすぎると、上述した工具摩耗性の向上による被削性向上効果が十分に得られない。このため、固溶Ｎは０．００２０％以上とし、好ましくは０．００３０％以上、より好ましくは０．００４０％以上がよい。

さらに、上記摩擦圧接用鋼材の化学成分組成は、ＭｎとＳの含有量の関係が、
２．６≦Ｍｎ／Ｓ＜１５（１）
Ｍｎ＋６Ｓ＜１．２（２）
（各式において、Ｍｎ、Ｓは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。）
の関係を満たす。

２．６≦Ｍｎ／Ｓ＜１５、
まず、２．６≦Ｍｎ／Ｓは、熱間加工性の低下を抑制するのに有効な規定である。Ｍｎ／Ｓが２．６よりも小さくなると、結晶粒界上にＦｅＳが生成し、熱間脆性が大きくなり圧延割れ等が発生しやすくなる。
次に、Ｍｎ／Ｓ＜１５は、切屑処理性を向上させるために有効な規定である。すなわち、Ｍｎ／Ｓが１５よりも小さいとき、凝固時に液相から生成する晶出型のＭｎＳの割合が減少し、固相から生成する析出型のＭｎＳの割合が増加するため、１μｍ以下の微細なＭｎＳが多数生成する。これらのＭｎＳは切削時に応力集中源として作用するため、切屑が効率よく分断され、切屑処理性を向上させることができる。Ｍｎ／Ｓが１５以上の場合にはこのような効果が得られにくい。

Ｍｎ＋６Ｓ＜１．２
この関係は、ＭｎＳによる圧接強度（摩擦圧接後の接合部の強度）の低下を抑制するのに有効である。Ｍｎ＋６Ｓが１．２以上の場合に、鋳造時に晶出型ＭｎＳの生成量が多くなるために粗大なＭｎＳが生成してしまう。粗大なＭｎＳは圧接時に引伸ばされた状態で圧接部に残存し、切り欠き効果により圧接部の強度を低下させる。

上記摩擦圧接用鋼材の製造方法においては、まず、上記特定の化学成分組成を有する素材を準備する。この素材としては、通常の溶製法より作製した鋳塊を用いることができる。この鋳塊は、上記のごとくＭｎとＳとの含有量の規制により、ＭｎＳを微細な状態とすることができる。一方、鋳塊の段階では、鋳造後の冷却速度が比較的遅いために、含有されるＮのほとんどが化合物として析出した状態となる。

次に、上記素材に対しては１回又は複数回の熱間加工を施す。複数回行う場合には最後の熱間加工を上記特定の条件で行う。また、熱間加工を１回だけ実施する場合には、その熱間加工が最後の熱間加工に該当する。切削加工よりも前に行う最後の熱間加工は、上記特定の条件で、つまり、９５０℃を超える加工温度で行い、かつ、当該熱間加工後の冷却を少なくとも５００℃に達するまで０．３℃／秒以上、好ましくは０．４℃／秒以上、さらに好ましくは０．５℃／秒以上の冷却速度で行う。上記加工温度は、上述したごとく、加工前の加熱の温度ではなく、熱間加工を開始して終了するまでの鋼材の温度である。

このような比較的高い加工温度での熱間加工及びその後の冷却条件の具備によって、次のような効果が得られる。
まず、得られる鋼材の硬さを高くすることができる。すなわち、熱間加工温度が高いほど、加工後のオーステナイト粒径が大きくなりオーステナイト粒界面積が減る。オーステナイト粒界はフェライト生成サイトであるため、これが減少することによって最終的にフェライト分率が減り、その分パーライト分率が増えて硬さが増加する。

また、固溶Ｎ量を増加させることができる。すなわち、熱間加工温度が高いほどＮは鋼中に固溶Ｎとして溶け込み、一定以上の速度で冷却すれば冷却時にもＮ化合物をほとんど生成せず、固溶Ｎ量を多く確保することができる。

また、熱間加工時の変形抵抗を低下させることができる。すなわち、熱間加工温度が高いほど鉄鋼材料は柔らかくなり、変形抵抗は低下し、熱間加工しやすくなる。これにより、省エネルギー化や使用する型等の摩耗減の効果も得られる。

上記加工温度が９５０℃以下の場合には、このような効果が十分には得られない。なお、加工温度の上限は、素材と型との溶着や型の損傷などを防ぐために、１３００℃とすることが好ましい。

また、上記熱間加工としては、熱間鍛造、熱間圧延等の公知の熱間加工方法を適用することができる。

また、上記製造方法における熱間加工の工程は、上述したごとく１回でも複数回行ってもよいが、切削加工前に最後に行う熱間加工を上記のごとく加工温度と冷却速度を制限する。そして、ここでいう最後の熱間加工の前には、種々の熱間加工を行ってもよいし、最後の熱間加工の後には、温間あるいは冷間加工を加えてもいい。

また、上記摩擦圧接用鋼材の化学成分組成は、任意成分として、さらに、Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、Ｎｂ：０．０１〜０．２０％、Ｔｉ：０．０１〜０．２０％、Ｖ：０．０１〜０．３０％、Ｃａ：０．０００１〜０．００５０％、Ｍｇ：０．０００１〜０．００５０％のうち１種以上を含有してもよい。

Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、
Ｍｏ（モリブデン）は、強度を向上させるのに有効であり、その効果を得るためには上記下限値以上のＭｏを含有させることが好ましい。一方、Ｍｏ含有量が多すぎるとコスト上昇のおそれがあるため、上記上限値以下に抑えることが好ましい。

Ｎｂ：０．０１〜０．２０％、
Ｎｂ（ニオブ）は、微細な炭化物や窒化物を生成し強度を高めるのに有効であり、その効果を得るためには上記下限値以上のＮｂを含有させることが好ましい。一方、Ｎｂ含有量が多すぎるとコスト上昇のおそれがあるため、上記上限値以下に抑えることが好ましい。

Ｔｉ：０．０１〜０．２０％、
Ｔｉ（チタン）は、炭化物や窒化物を生成しオーステナイト結晶の成長を抑制することで靱性を向上するのに有効であり、その効果を得るためには上記下限値以上のＴｉを含有させることが好ましい。一方、Ｔｉ含有量が多すぎると硬質な酸化物が多量に生成し、被削性が悪化するおそれがあるため、上記上限値以下に抑えることが好ましい。

Ｖ：０．０１〜０．３０％、
Ｖ（バナジウム）は、微細な炭化物や窒化物を生成し強度を高めるのに有効であり、その効果を得るためには上記下限値以上のＶを含有させることが好ましい。一方、Ｖ含有量が多すぎるとコスト上昇のおそれがあるため、上記上限値以下に抑えることが好ましい。

Ｃａ：０．０００１〜０．００５０％、
Ｃａ（カルシウム）は、被削性の改善に有効であり、その効果を得るためには上記下限値以上のＣａを含有させることが好ましい。一方、Ｃａ含有量が多すぎると上記効果が飽和するため、上記上限値以下に抑えることが好ましい。

Ｍｇ：０．０００１〜０．００５０％、
Ｍｇ（マグネシウム）は、被削性の改善及び機械的性質の異方性改善に有効であり、その効果を得るためには上記下限値以上のＭｇを含有させることが好ましい。一方、Ｍｇ含有量が多すぎると上記効果が飽和するため、上記上限値以下に抑えることが好ましい。

（実施例１）
上記摩擦圧接用鋼材に関わる実施例として、表１に示す化学成分組成を有する鋼材（試料１〜試料１７及び試料２１〜３１）を、次の製造工程によって作製した。
まず、溶解・鋳造工程では、真空溶解炉にて溶解を行い、鋳型に鋳造して、サイズφ１５０ｍｍ×長さ３００ｍｍ程度のインゴットを作製した。

このインゴットの表層付近から、直径１０ｍｍφ×長さ１２０ｍｍのグリーブル試験片（第１試験片）を作製した。

また、上記インゴットに対して、熱間鍛造を施して、サイズφ６５ｍｍの丸棒材を得た。熱間鍛造の加工温度は加工直後の材料温度から求めた。その値は表２に示すとおりである。また、熱間鍛造により得られた丸棒材は、熱間鍛造直後に放冷した。このときの５００℃に達するまでの冷却速度は、０．３℃／秒以上、具体的には０．５〜０．６℃／秒の範囲の冷却速度で冷却した。得られた丸棒の一部を切り出し、直径６０ｍｍφ×長さ３９０ｍｍの第２試験片を作製した。

＜熱間加工性及び熱間変形抵抗評価試験＞
上記第１試験片を用いてグリーブル試験機により、熱間加工性及び熱間変形抵抗を求めた。熱間加工性（％）は、｛（試験前の断面積）−（試験後の破断面面積）｝÷（試験前の断面積）×１００という定義で求めた絞り（％）で表す。熱間加工性は、絞りが９５％以上の場合に良好であると判断できる。また、変形抵抗は、（最大変形荷重）÷（試験前の断面積）という定義で求めたものであり、これが１５０ＭＰａ以下であれば良好と評価できる。

＜切屑処理性評価及び工具摩耗試験＞
ＮＣ旋盤を用い、上記第２試験片に切削加工を行った。切削条件は、切削速度２００ｍ／ｍｉｎ、送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ、切りこみ量０．５ｍｍ、切削時間２０分とした。
切屑処理性は、切削時に生じる切屑を観察して評価した。切屑が１００ｍｍ以下の長さで分断された場合を合格（○）とし、１００ｍｍを超える長さとなった場合を不合格（×）とした。
工具摩耗は、工具の逃げ面をマイクロスコープで観察し、工具摩耗量の測定を行って評価した。工具摩耗は、０．３ｍｍ以下であれば良好であると評価できる。

＜摩擦圧接性評価試験＞
摩擦圧接性（圧接性）は、上記第２試験片のＤ／４から切り出した試験片（サイズ：φ１５ｍｍ×長さ７０ｍｍ）同士をブレーキ法によって圧接した。具体的には次の条件により行った。

全寄り代：６〜１０ｍｍ、摩擦圧力：５５ＭＰａ、アップセット圧力：１１０ＭＰａ、摩擦時間：１５秒、アップセット時間：５秒、回転数３０００ＲＰＭという条件で摩擦圧接した後、圧接した試験片中央位置から接合部がノッチ底となるようにＶノッチシャルピー試験片を採取した。この試験片に対し、支点間４０ｍｍで三点曲げ試験を施した。圧接性評価は、三点曲げ試験時の最大荷重が１３０００Ｎ以上の場合に良好であると評価できる。

＜硬さ＞
上記第２試験片における外表面から内部に直径の１／４入った深さの部分の表面を鏡面研磨し、ＪＩＳＺ２２４４の規定に準じて、その部分のビッカース硬さ測定を行った。ビッカース硬さは２３０Ｈｖ以上であれば好ましい。

これらの試験の測定結果を表２に示す。

表１及び表２から知られるように、試料Ｎｏ．１〜１７については、すべての評価項目において良好であった。
試料Ｎｏ．２１は、上記式（１）におけるＭｎ／Ｓ＜１５の関係を満足しないことに起因して切屑処理性が悪く、上記式（２）のＭｎ＋６Ｓ＜１．２の関係を満足しないことに起因して圧接性が良くない結果となった。

試料Ｎｏ．２２は、上記式（２）のＭｎ＋６Ｓ＜１．２の関係を満足しないことに起因して圧接性が良くない結果となった。
試料Ｎｏ．２３は、化学成分組成におけるＣ含有量が多すぎることに起因して工具摩耗性が良くない結果となった。

試料Ｎｏ．２４は、上記式（１）におけるＭｎ／Ｓ＜１５の関係を満足しないことに起因して切屑処理性が悪い結果となった。
試料Ｎｏ．２５は、上記式（１）における２．６≦Ｍｎ／Ｓの関係を満足しないことに起因して熱間加工性が良くない結果となった。

試料Ｎｏ．２６は、上記式（１）におけるＭｎ／Ｓ＜１５の関係を満足しないことに起因して切屑処理性が悪く、かつ、化学成分におけるＳ含有量が少なすぎることに起因して工具摩耗性も良くない結果となった。
試料Ｎｏ．２７、２８及び３１は、固溶Ｎ量が少なすぎることに起因して工具摩耗性が良くない結果となった。

試料Ｎｏ．２９は、熱間加工温度が低すぎることに起因して熱間加工性が悪く、熱間変形抵抗が高くなりすぎ、さらには硬さも低くなる結果となった。
試料Ｎｏ．３０は、熱間加工温度が低すぎることに起因して熱間加工性が悪く、熱間変形抵抗が高くなりすぎ、固溶Ｎ量が少なすぎることに起因して工具摩耗性が良くない結果となった。

以上の評価結果から、上記特定の化学成分組成を具備し、ＭｎとＳの含有量の関係を上記式（１）及び式（２）を満たす関係に制限し、かつ、固溶Ｎ量を上記特定値以上にすることによって、摩擦圧接性だけでなく、切削時の切屑処理性や工具摩耗性に優れた摩擦圧接用鋼材を得ることができることがわかる。また、その製造方法において、上記化学成分組成と式（１）及び式（２）の関係を満たすだけでなく、熱間加工時の加工温度を９５０℃超えとし、かつ、熱間加工後の冷却を少なくとも５００℃に達するまで０．３℃／秒以上の冷却速度で行うことによって、上記の優れた特性を発揮する摩擦圧接用鋼材を得ることができると共に、その製造過程の熱間加工性を高めることができることもわかる。

Claims

化学成分組成が、質量％において、Ｃ：０．３０〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜０．９％、Ｓ：０．００５〜０．１２％、Ｃｒ：０．２２〜２．００％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．００５０〜０．０２００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
固溶Ｎが０．００２０％以上であり、
ＭｎとＳの含有量の関係が、
２．６≦Ｍｎ／Ｓ＜１５（１）
Ｍｎ＋６Ｓ＜１．２（２）
（各式において、Ｍｎ、Ｓは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。）
の関係を満たすことを特徴とする摩擦圧接用鋼材。
請求項１に記載の摩擦圧接用鋼材において、上記化学成分組成は、上記残部の一部に代えて、さらに、Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、Ｎｂ：０．０１〜０．２０％、Ｔｉ：０．０１〜０．２０％、Ｖ：０．０１〜０．３０％、Ｃａ：０．０００１〜０．００５０％、Ｍｇ：０．０００１〜０．００５０％のうち１種以上を含有することを特徴とする摩擦圧接用鋼材。
請求項１又は２に記載の摩擦圧接用鋼材において、ビッカース硬さが２３０Ｈｖ以上であることを特徴とする摩擦圧接用鋼材。
化学成分組成が、質量％において、Ｃ：０．３０〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜０．９％、Ｓ：０．００５〜０．１２％、Ｃｒ：０．２２〜２．００％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．００５０〜０．０２００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
ＭｎとＳの含有量の関係が、
２．６≦Ｍｎ／Ｓ＜１５（１）
Ｍｎ＋６Ｓ＜１．２（２）
（各式において、Ｍｎ、Ｓは、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。）
の関係を満たす素材を用い、
該素材に熱間加工を施すに当たり、最後の熱間加工は、９５０℃を超える加工温度で行い、かつ、当該熱間加工後の冷却を少なくとも５００℃に達するまで０．３℃／秒以上の冷却速度で行うことを特徴とする摩擦圧接用鋼材の製造方法。
請求項４に記載の摩擦圧接用鋼材の製造方法において、上記化学成分組成は、上記残部の一部に代えて、さらに、Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、Ｎｂ：０．０１〜０．２０％、Ｔｉ：０．０１〜０．２０％、Ｖ：０．０１〜０．３０％、Ｃａ：０．０００１〜０．００５０％、Ｍｇ：０．０００１〜０．００５０％のうち１種以上を含有することを特徴とする摩擦圧接用鋼材の製造方法。