(57)【要約】【課題】炭素鋼からなる鍛鋼品の耐水素割れ性を、合金元素添加という手段によらずに、組織設計によって向上させること。【解決手段】Ｃ：０．１５〜０．５０％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：０．５〜１．４％、Ｎｉ：０．１〜２．５％、Ｃｒ：０．１〜１．１％、Ｍｏ：０．１〜０．７％、Ｖ：０．０１〜０．３％、Ｓ：０．０００２〜０．０１％、及びＯ：０．００２％以下を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、深さＤ／４（Ｄ：鍛鋼品の直径）の鋼断面において観察される組織が、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織が９０面積％以上であり、且つベイナイト組織が０．００８〜５面積％であり、ベイナイト組織の平均粒径が１０μｍ以下であり、ベイナイト組織の最大粒径が５０μｍ以下であり、ベイナイト組織のラス間隔が１．０μｍ以下である鍛鋼品。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．１５〜０．５０％（質量％の意味。成分組成について以下同じ。）、
Ｓｉ：０．６％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：０．５〜１．４％、
Ｎｉ：０．１〜２．５％、
Ｃｒ：０．１〜１．１％、
Ｍｏ：０．１〜０．７％、
Ｖ：０．０１〜０．３％、
Ｓ：０．０００２〜０．０１％、及び
Ｏ：０．００２％以下（０％を含まない）、
を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、
深さＤ／４（Ｄ：鍛鋼品の直径）の鋼断面において観察される組織が、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織が９０面積％以上であり、且つベイナイト組織が０．００８〜５面積％であり、ベイナイト組織の平均粒径が１０μｍ以下であり、ベイナイト組織の最大粒径が５０μｍ以下であり、ベイナイト組織のラス間隔が１．０μｍ以下であることを特徴とする鍛鋼品。
【請求項２】
さらにＣｕ：０．２％以下（０％を含まない）を含有する請求項１に記載の鍛鋼品。
【請求項３】
さらにＣａ：０．１％以下（０％を含まない）を含有する請求項１または２に記載の鍛鋼品。
【請求項４】
さらにＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆよりなる群から選択されるいずれか１種以上：合計０．１％以下（０％を含まない）を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の鍛鋼品。
【請求項５】
ベイナイト組織で観察される最長介在物の長径が２０μｍ以下であり、ベイナイト組織で観察される長径１〜１０μｍの介在物の密度が５〜５００個／ｃｍ２である請求項１〜４のいずれかに記載の鍛鋼品。
【請求項６】
ベイナイト組織で観察される最長介在物の長径が２０μｍ以下であり、ベイナイト組織で観察され、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆよりなる群から選択されるいずれか１種以上の元素を含有しかつ長径が０．００５〜１μｍの介在物の密度が１０個／μｍ２以上である請求項４に記載の鍛鋼品。
【請求項７】
クランクジャーナルまたはクランクスローである請求項１〜６のいずれかに記載の鍛鋼品。
【請求項８】
請求項７に記載のクランクジャーナルまたはクランクスローを有する組立型クランク軸。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械、船舶、発電機等の産業分野で広く利用されている鍛鋼品、特にクランクジャーナル及びクランクスロー、並びにこれらから得られる組立型クランク軸に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
船舶や発電機等に使用されているディーゼル機関の駆動源の伝達部材であるクランク軸には、一体型クランク軸と組立型クランク軸がある。その中でも大型のディーゼル機関には組立型クランク軸が用いられ、そのクランクジャーナル及びクランクスローには、主に鍛鋼品が用いられる。
【０００３】
低コストで、且つ同製品に必要な５００ＭＰａ以上の引張強度と鍛造性を得るために、従来では、低Ｃで、Ｍｎ、Ｃｒ等を微量添加した炭素鋼を用い、焼入れまたは焼ならし処理を行い、焼戻し処理を行って、フェライト−パーライト混合組織を主体とする鍛鋼品が用いられている。本来、引張強度が８００ＭＰａにも満たない炭素鋼では水素割れは生じにくいとされているが、熱処理等の温度低下時に常温付近の温度にて水素割れが発生することがある。
【０００４】
一般に、水素割れは、高強度化および高疲労度化に伴って発生しやすくなるとされている。そのため高疲労強度の低合金鋼では、鋼の精錬技術、熱履歴、成分組成の各面から様々な技術が提案されている。
【０００５】
精錬技術の面からは、溶鋼の精錬時における水素量の上限値を規制し、それを超えるときには脱水素処理することが実操業にて実施されている。例えば、特許文献１のように、２次精錬にて介在物を低減させ、ＲＨ真空脱ガス時、取鍋と脱ガス槽間にて溶鋼を還流して介在物を除去する方法が提案されている。
【０００６】
熱履歴の面からは、例えば高温に長時間保持することによって、水素を拡散・逃散させ、水素含有量を低減することが実作業的に実施される。
【０００７】
成分組成の面からは、特許文献２のように、鋼中のＳ含有量を増加させることにより、ＭｎＳ系介在物を鋼中に導入し、水素の濃化を防ぐことにより、耐水素割れ性を向上させる方法が提案されている。また特許文献３では、鋼中のＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ含有量を増加させ、２０μｍ以上の介在物の個数、円形度、１〜１０μｍの介在物の個数を規定することが提案されている。その結果、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ化合物を鋼中に導入し、水素の濃化を防ぐことにより、耐水素割れ性が向上する。
【０００８】
なお鋼線の分野における水素脆化の抑制法として、腐食等の外的要因による水素の侵入の抑制、又は焼戻しによる析出炭窒化物を利用した水素拡散の抑制が知られている。しかしこれらは、冷却中又は常温放置中のように、腐食が生ずる場合よりも短時間に発生する水素割れとは、水素の挙動が相異する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１８３７２２号公報
【特許文献２】特開２００３−２６８４３８号公報
【特許文献３】特開２００６−３３６０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のような脱水素処理は、処理時間およびコストの点で、水素量の低減化に限界がある。一般的には１〜数ｐｐｍレベルの水素量で製造管理しているが、水素割れは微量の水素で発生するため、この程度の管理では水素割れを完全に防止できない。特に大型製品の場合、高温での長時間保持による水素含有量の低下速度は遅く、時間およびコストがかかることに比べて、水素割れの防止効果は少ない。またＳ濃度の増加による手段は、炭素鋼では、耐水素割れ性の向上にあまりつながらない。またＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ濃度を増加させる手段では、確かに耐水素割れ性が向上するが、これらの濃度増加は製品のコストアップを招くわりには、耐水素割れ性を充分に防止できない。
【００１１】
本発明は上記のような事情に着目してなされたものであって、その目的は、炭素鋼からなる鍛鋼品の耐水素割れ性を、合金成分添加という手段によらずに、組織設計によって向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明者らが鋭意研究した結果、鍛鋼品（特に大型の鍛鋼品）では、合金元素のマクロ偏析部が存在し、この偏析部を起点として水素割れが生じること、特に偏析部がベイナイト組織となった際に水素が濃化して水素割れが生じやすいことを見出した。そのためベイナイト組織の偏析を防ぐことが水素割れの解決法の一つとして考えられる。しかし大型鍛鋼品の場合は特に、全ての部分で冷却速度を均一にしてマクロ偏析部を低減させることには限界があり、またベイナイト組織ではなく、フェライト−パーライト混合組織であっても、偏析部が水素割れの起点となってしまう場合がある。
【００１３】
そこで本発明者らは、（１）逆にベイナイト組織を積極的に活用し、ベイナイト組織に水素を濃化させて、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織の水素量を低減し、それらの組織では水素割れが発生しないようにすること、及び（２）ベイナイト組織の構造を制御することによりベイナイト組織での水素割れを抑制することによって、優れた耐水素割れ性を有する鍛鋼品が得られることを見出し、本発明を完成した。
【００１４】
上記目的を達成し得た本発明の鍛鋼品とは、
Ｃ：０．１５〜０．５０％（質量％の意味。成分組成について以下同じ。）、
Ｓｉ：０．６％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：０．５〜１．４％、
Ｎｉ：０．１〜２．５％、
Ｃｒ：０．１〜１．１％、
Ｍｏ：０．１〜０．７％、
Ｖ：０．０１〜０．３％、
Ｓ：０．０００２〜０．０１％、及び
Ｏ：０．００２％以下（０％を含まない）、
を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、
深さＤ／４（Ｄ：鍛鋼品の直径）の鋼断面において観察される組織が、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織が９０面積％以上であり、且つベイナイト組織が０．００８〜５面積％であり、ベイナイト組織の平均粒径が１０μｍ以下であり、ベイナイト組織の最大粒径が５０μｍ以下であり、ベイナイト組織のラス間隔が１．０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の鍛鋼品は、さらにＣｕ：０．２％以下（０％を含まない）を含有していても良い。
【００１６】
本発明の鍛鋼品は、さらにＣａ：０．１％以下（０％を含まない）を含有していても良い。
【００１７】
本発明の鍛鋼品は、さらにＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆよりなる群から選択されるいずれか１種以上：合計０．１％以下（０％を含まない）を含有していても良い。
【００１８】
上記鍛鋼品において、ベイナイト組織で観察される最長介在物の長径が２０μｍ以下であり、ベイナイト組織で観察される長径１〜１０μｍの介在物の密度が５〜５００個／ｃｍ２であることが好ましい。
【００１９】
もしくは、上記鍛鋼品において、ベイナイト組織で観察される最長介在物の長径が２０μｍ以下であり、ベイナイト組織で観察され、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆよりなる群から選択されるいずれか１種以上の元素を含有しかつ長径が０．００５〜１μｍの介在物の密度が１０個／μｍ２以上であることが望ましい。
【００２０】
本発明の鍛鋼品は、好ましくはクランクジャーナルまたはクランクスローである。本発明は、前記クランクジャーナルまたはクランクスローを有する組立型クランク軸も提供する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、適正量のベイナイト組織を存在させることによって、鍛鋼品中の水素をベイナイト組織に拡散させて、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織の水素量を低減し、これらの組織での水素割れを抑制できる。またベイナイト組織の粒径およびラス間隔を適切に制御することによって、ベイナイト組織自体の水素割れも抑制できる。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の鍛鋼品を、以下で詳しく説明する。なお以下で用いられる「大型鍛鋼品」とは、２０ｔ以上の重さの鍛鋼品を意味する。
【００２３】
本発明者らは、水素割れの原因を解明することを目標として、鋼組織が鍛鋼品（特に大型鍛鋼品）の水素割れに及ぼす影響を、水素割れ発生の起点や冷却中の水素挙動との相関から検討を進めた。その結果、鍛鋼品（特に大型鍛鋼品）では連鋳材と異なり、合金元素のマクロ偏析部が存在し、偏析部を起点として水素割れが生じること、特に偏析部がベイナイト組織となった際に、水素が濃化して水素割れが生じやすいことを見出した。この現象は以下のように生じると推定される。すなわち、冷却時のフェライト変態後に、鋼組織はフェライト−オーステナイトの混合状態となる。フェライトとオーステナイトとでは水素固溶度及び水素拡散速度に差異があるため、オーステナイト部に水素が濃化する。そしてオーステナイトがベイナイトに変態する際に、変態に伴う歪み部に水素が濃化して、その結果、水素割れが生じると推定される。
【００２４】
そのためベイナイト組織の偏析を防ぐことが解決法の一つとして考えられるが、特に大型鍛鋼品では、全ての箇所で冷却速度を均一にしてマクロ偏析部を低減させることには限界がある。またベイナイト組織の偏析を防ぎ、鋼組織を全てフェライト−パーライト混合組織としても、フェライト組織とパーライト組織との分率が偏析部で異なり、各組織の粒径も異なるために、上記と同様に歪みが形成され、偏析部が水素割れの起点となる場合がある。
【００２５】
そこで本発明者らは、発想を転換して、逆にオーステナイトおよびベイナイト組織を積極的に活用することに着目した。即ちオーステナイトに水素を濃化させて、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織の水素量を低減することによって、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織の偏析部において水素割れが発生しないようにした。これに加えてさらにベイナイト組織の構造を制御することによって、ベイナイト組織に形成する歪み部への水素濃化を防ぎ、ベイナイト組織自体の水素割れを抑制するようにした。こうすることによって鍛鋼品全体で、良好な耐水素割れ性を確保できる。
【００２６】
以下、本発明で規定する鍛鋼品の化学成分、組織および介在物について順に説明する。
【００２７】
［鋼の化学成分］
（Ｃ：０．１５〜０．５０％）
Ｃは強度向上に寄与する元素であり、鍛鋼品に充分な強度を確保するには、０．１５％以上、好ましくは０．２０％以上、より好ましくは０．３０％以上含有させるのがよい。しかしＣ量が多過ぎると鍛鋼品の靭性を劣化させるので、０．５０％以下、好ましくは０．４５％以下、より好ましくは０．４２％以下、更に好ましくは０．４０％以下に抑える。
【００２８】
（Ｓｉ：０．６％以下（０％を含まない））
Ｓｉは脱酸元素であるとともに、強度向上元素として作用するため添加が許容される。しかしＳｉが多過ぎると逆Ｖ偏析が著しくなり、粗大介在物が形成するので、０．６％以下、好ましくは０．３５％以下とする。
【００２９】
（Ｍｎ：０．５〜１．４％）
Ｍｎは、焼入れ性を高めると共に、強度向上に寄与する元素であり、充分な強度と焼入れ性を確保するには０．５％以上、好ましくは０．７％以上、より好ましくは０．９％以上含有するものが望ましい。さらにＭｎはパーライト変態抑制元素としても知られており、ベイナイト形成に有効な元素である。しかしＭｎが多過ぎると逆Ｖ偏析を助長するので、１．４％以下、好ましくは１．３５％以下とすることが望ましい。
【００３０】
（Ｎｉ：０．１〜２．５％）
Ｎｉは、靭性向上元素として有用な元素であり、０．１％以上、好ましくは０．２％以上含有させる。一方、Ｎｉ量が過剰になるとコストアップとなるので、２．５％以下、好ましくは１．５％以下とする。
【００３１】
（Ｃｒ：０．１〜１．１％）
Ｃｒは、焼入れ性を高めると共に、靭性を向上させる元素であり、それらの作用は０．１％以上、好ましくは０．２％以上含有させることによって有効に発揮される。さらにＣｒは、パーライト変態抑制元素としても知られており、ベイナイト形成に有効な元素である。しかしＣｒが多過ぎると逆Ｖ偏析を助長して粗大介在物が形成するので、１．１％以下、好ましくは１．０％以下とすることが望ましい。
【００３２】
（Ｍｏ：０．１〜０．７％）
Ｍｏは、焼入れ性、強度および靭性の向上に有効に作用する元素であり、それらの作用を有効に発揮させるには０．１％以上、好ましくは０．２％以上含有させることが望ましい。しかしＭｏは平衡分配係数が小さいので、その量が過剰になると、ミクロ偏析（正常偏析）を生じ易くなる。またＭｏ量が過剰になると、コストアップにつながる。そこでＭｏ量は、０．７％以下、好ましくは０．５％以下とすることが望ましい。
【００３３】
（Ｖ：０．０１〜０．３％）
Ｖは、析出強化及び組織微細化の作用を有し、高強度化に有用な元素である。この様な作用を有効に発揮させるには、Ｖを０．０１％以上、好ましくは０．０２％以上含有させることが推奨される。但しＶを過剰に含有させても、上記作用は飽和し、経済的に無駄であるので、その量を０．３％以下、好ましくは０．１５％以下とすることが望ましい。
【００３４】
（Ｓ：０．０００２〜０．０１％）
Ｓは、鋼中のＭｎ、Ｍｇ、Ｃａ等と結合し、逆Ｖ偏析を助長してＳ系介在物を形成する。細長い形状をしたＳ系介在物は、長径が大きな粗大介在物となり易く、水素割れの起点となり得る。従って粗大なＳ系介在物を減少させるために、Ｓ含有量は０．０１％以下、好ましくは０．００１５％以下とする。一方、ベイナイト組織中の微細なＳ系介在物は、多数の応力場を形成し、余剰水素を捕捉しやすく、ベイナイト組織の耐水素割れ性を改善する効果がある。このような微細Ｓ系介在物を確保するために、Ｓ含有量を、０．０００２％以上、好ましくは０．０００４％以上、より好ましくは０．０００６％以上とする。
【００３５】
（Ｏ：０．００２％以下（０％を含まない））
Ｏ（酸素）は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ等の酸化物系介在物を形成する元素である。Ｏは極力低減することによって、粗大介在物を抑制し、微細な介在物を析出させることができる。そのためＯ量を、０．００２％以下、好ましくは０．００１％以下とする。但し工業生産上、Ｏ（酸素）を０％とすることは困難である。
【００３６】
本発明で使用される鍛鋼品（鋼）の基本成分は上記の通りであり、残部成分は実質的に鉄であるが、不可避的不純物の混入はもちろん許容される。さらに本発明の鍛鋼品には、前記本発明の効果に悪影響を与えない範囲で、更に他の元素を積極的に含有させても良い。
【００３７】
（Ｃｕ：０．２％以下（０％を含まない））
Ｃｕは、靭性向上及び組織微細化の作用を有し、これらの作用を発揮させるために鋼に含有させても良い。しかしＣｕ量が過剰になるとコストアップとなるので、０．２％以下、好ましくは０．１５％以下とする。
【００３８】
（Ｃａ：０．１％以下（０％を含まない））
Ｃａは、硫化物の延伸性を抑制できる作用を有し、この作用を有効に発揮させるために鋼に含有させても良い。しかしＣａ量が過剰になってもこの作用は飽和するため、０．１％以下とする。
【００３９】
（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ：０．１％以下（０％を含まない））
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆは、靭性向上及び組織微細化の作用を有し、これらの作用を有効に発揮させるためにいずれか１種以上を鋼に含有させても良い。しかしＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ量が過剰になると粗大な炭化物が析出するため、合計で０．１％以下、好ましくは０．０１％以下とする。
【００４０】
積極添加が許容される他の元素の例としては、製鋼工程における脱酸および鋼の耐割れ性にも有効であるＡｌ；焼入れ性改善効果を有するＢ；固溶強化元素または析出強化元素であるＷ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｚｒ及びＴｅ；などが挙げられ、これらを、単独で又は２種以上を組み合わせて含有させることができる。これらの添加元素は、例えば、合計で１％程度以下とすることが望ましい。
【００４１】
なお、後述するように、微細介在物を導入するために、不可避的不純物であるＮも制御することが望ましい。
【００４２】
［鋼の組織分率］
本発明の鍛鋼品における鋼組織は、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織が９０面積％以上であって、ベイナイト組織が０．００８〜５面積％であることが必要である。その他の組織として、残留オーステナイト組織などが存在しても良い。
【００４３】
本発明における鋼の組織分率は、水素割れが生じやすい表面から深さＤ／４（Ｄ：鍛鋼品の直径）の位置で観察される値である。なお鍛鋼品の直径Ｄは、円相当径（鍛鋼品断面と同じ面積を有する円の直径）を意味する。また鋼の組織分率は、下記実施例で示す方法によって測定できる。
【００４４】
ベイナイト組織が少なすぎると、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織の水素吸蔵量が多く、これらの偏析部で水素割れが生じる場合がある。そこでベイナイト組織に水素を濃化させてフェライト組織等での水素割れを抑制するために、ベイナイト組織の面積率は、０．００８面積％以上、好ましくは０．０１０面積％以上、より好ましくは０．１０面積％以上、さらに好ましくは１．０面積％以上とすることが望ましい。一方、ベイナイト組織が過剰に存在すると、鍛鋼品の硬度が高く、加工が困難になる場合があるため、その量は、５面積％以下、好ましくは３面積％以下、より好ましくは２面積％以下とすることが望ましい。
【００４５】
ベイナイト組織は、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織に微細分散していることが好ましい。
【００４６】
［ベイナイト組織の構造］
鍛鋼品の水素割れは、偏析部にて発生するが、水素割れの伝播は偏析界面を経由せず、偏析内を経由することが多い。水素割れの発生・伝播は偏析部の組織に依存していると推定されるため、水素割れを抑制するためには、偏析部の組織構造を制御することが重要である。
【００４７】
水素割れの発生・伝播を詳細に観察すると、鍛鋼品の偏析部がベイナイト組織である場合、その結晶粒界で水素割れが発生し、そのラス界面・結晶粒界に沿って水素割れが伝播していると推察された。このような推察から、ベイナイト組織における水素割れの発生を抑制するには、特にその最大粒径を制御することが必要であり、水素割れの伝播を抑制するには、その平均粒径・ラス間隔を制御することが必要であると考えられる。
【００４８】
水素割れの発生についての上記推察を、より詳しく説明する。ベイナイトの結晶粒界には、粗大なセメンタイト、不純物偏析、歪み欠陥濃化があるため、水素割れが発生し、この傾向は、ベイナイトが粗大なほど大きくなると考えられる。そこで水素割れの発生を抑制するためには、ベイナイトの最大粒径を制限することが必要である。
【００４９】
なお粗大なベイナイトを抑制して、水素割れの発生を抑制するためには、最大粒径と共に、平均粒径も制限することが必要である。またベイナイトの結晶粒界で割れが発生しにくい場合、ラスで割れが発生する可能性がある。そこで水素割れの発生を抑制するためには、ベイナイトの最大粒径だけでなく、ベイナイトの平均粒径およびラス間隔を制限することも必要である。
【００５０】
次に水素割れの伝播についての上記推察を、より詳しく説明する。ベイナイトの結晶粒界およびラス界面は、歪み欠陥が多く、すべりやすいため、水素割れが伝播しやすいと考えられる。またベイナイトの結晶粒が細かいと、水素割れの伝播が分断されるが、結晶粒が大きいと、粒界が直線的となるため水素割れが伝播しやすいと考えられる。またベイナイトのラス間隔が狭いほど応力が分散され、割れの伝播経路も複数となるため、割れ伝播が抑制されると考えられる。そこで水素割れの伝播を抑制するためには、ベイナイトの平均粒径およびラス間隔を制限することが必要である。
【００５１】
水素割れの発生を抑制するために、ベイナイト組織の最大粒径は、５０μｍ以下に、好ましくは３０μｍ以下に制御すると良い。
【００５２】
またベイナイト組織の平均粒径が大きいと、応力下で歪みに水素が濃化するため、水素割れが発生しやすく、且つ伝播しやすい。そのためベイナイト組織の平均粒径は、１０μｍ以下、好ましくは９μｍ以下、より好ましくは７μｍ以下に抑制すると良い。
【００５３】
ベイナイト組織のラス間隔が大きいと、応力下で歪みに水素が濃化するため、水素割れが発生しやすく、且つ伝播しやすい。そのためベイナイト組織のラス間隔は、１．０μｍ以下、好ましくは０．８μｍ以下に制御すると良い。
【００５４】
またベイナイト組織中の介在物のサイズおよびその量が同等である場合、ベイナイト組織の結晶粒径が細かく、ラス間隔が小さいほど、応力をかけた際の水素拡散係数が大きく、水素拡散しやすく、水素割れが発生しにくいことが分かった。逆に結晶粒径が大きく、ラス間隔が大きいと、応力がかかった際に歪みが集中して水素が拡散しにくいため、水素割れが生じやすいと考えられる。
【００５５】
本発明におけるベイナイト組織の最大粒径、平均粒径およびラス間隔は、表面から深さＤ／４（Ｄ：鍛鋼品の直径）の位置で観察される値である。またこれらの値は、下記実施例で示す方法によって測定できる。
【００５６】
［ベイナイト組織中の介在物］
粗大介在物は、水素割れの起点や伝播経路となって、耐水素割れ性に悪影響を及ぼす。長径が２０μｍを超える粗大介在物が存在すると、結晶粒界よりも、その介在物と鋼組織との界面で水素割れが発生しやすい。そこでベイナイト組織中の最長介在物の長径を、好ましくは２０μｍ以下、より好ましくは１５μｍ以下に制御することが推奨される。
【００５７】
逆に、長径が１０μｍ以下である微細介在物がベイナイト組織中に存在すると、多数の応力場が形成され、固溶限を超えた鋼中の余剰水素を捕捉しやすく、歪み部への水素濃化を抑制できるため、耐水素割れ性が改善される。そこでベイナイト組織中の長径１〜１０μｍの介在物の密度を、５個／ｃｍ２以上、好ましくは１０個／ｃｍ２以上、より好ましくは２０個／ｃｍ２以上とすることが望ましい。しかし長径１〜１０μｍの介在物の密度が過剰になると、靭性等の機械的特性に悪影響を及ぼすため、この密度は、好ましくは５００個／ｃｍ２以下、より好ましくは２００個／ｃｍ２以下、さらに好ましくは１００個／ｃｍ２以下とすることが望ましい。
【００５８】
上記介在物の種類は限定されず、例えばＳ系介在物；Ｔｉ系介在物；Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇ及びＭｎ等の酸化物系介在物；などが挙げられる。
【００５９】
一方、長径が１μｍ未満であって、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆからなる群より選択される一種以上の元素を含む微細介在物（以下、「Ｔｉ系微細介在物」と記載する。）がベイナイト組織中に存在すると、固溶限を超えた鋼中の余剰水素が強く捕捉される。そのため水素の拡散が防止され、歪み部への水素濃化が抑制され、耐水素割れ性が改善される。そこで、Ｔｉ系微細介在物の密度を、１０個／μｍ２以上、好ましくは２０個／μｍ２以上とすることが望ましい。これらのＴｉ系微細介在物は、靭性等の機械的特性に悪影響を及ぼさないから密度の上限は特に定めないが、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの添加量が増加するほど、これらの窒化物の長径が大きくなる傾向にあるため、最長介在物が２０μｍを超えないようにすることが望ましい。なお、上記「Ｔｉ系微細介在物」とは、ＥＤＸ測定を行い、ＧＩＦ形式のマッピングによって介在物の組成分析を実施した結果、最も多く検出される金属元素がＴｉ等（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆのいずれか）であることをいうものとする。また、通常は、０．００５μｍ未満の極微細の介在物は観察しきれないため、カウントの対象にはしていないが、この程度の極微細介在物はカウントされなくても無視できる程度に影響は小さい。
【００６０】
なお、Ｓ系介在物、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇ及びＭｎ等の酸化物系介在物は、長径が１〜１０μｍの微細介在物だけでなく、１μｍ未満の微細介在物も耐水素割れ性を向上させる作用を有する。しかし１μｍ未満の微細介在物は、１〜１０μｍの微細介在物とほぼ同様の分布特性を有する。そのため１〜１０μｍの微細介在物の密度を制御すれば、耐水素割れ性を充分に向上させることができる。そこで測定の利便性を向上させるために、長径が１μｍ未満のＳ系介在物、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇ及びＭｎ等の酸化物系の微細介在物は、対象から除外した。
【００６１】
一方、Ｔｉ系の介在物は、溶湯が凝固する前に形成した介在物は主に窒化物であり、長径が大きく、殆どが１μｍ以上の長径となるが、凝固後に固溶限を越えて析出してきた介在物は主に炭化物や炭化物＋硫化物であり、その殆どが１μｍ未満の小さい長径となる傾向にある（Ｔｉ系微細介在物）。したがって、長径１μｍ以上のＴｉ系の介在物とは分布が異なり、水素や機械的特性に及ぼす作用も上述のように長径１μｍ以上のＴｉ系の介在物とは異なる。
【００６２】
本発明における最長介在物の長径および長径１０μｍ以下の介在物の密度は、表面から深さＤ／４（Ｄ：鍛鋼品の直径）の位置で観察される値である。またこれらの値は、下記実施例で示す方法によって測定できる。
【００６３】
［鍛鋼品の製造方法］
本発明の鍛鋼品は、例えば以下のように鋼組織および介在物を制御して、製造することができる。
【００６４】
（鋼組織の制御方法）
Ａｃ３点以上の温度からの焼入れ又は焼ならし処理と製品形状への成形（例えば熱間鍛造または冷間鍛造）とを１回または２〜５回繰り返すことによって、或いは高加工率で成形することによって、オーステナイト粒径を低減し、その結果、ベイナイト組織の結晶粒径を微細化できる。また、焼入れ又は焼ならし等の熱処理中に成形することによっても、ベイナイト組織の結晶粒径を微細化できる。
【００６５】
その後、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織からオーステナイト組織に水素を拡散させるため（即ちフェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織の水素量を低減させ、ベイナイト組織に水素を濃化させるため）、Ａｃ３点以上または「Ａｃ１〜Ａｃ３点（オーステナイト−フェライト二相温度域）」から冷却する際、「Ｆｓ点（フェライト変態開始温度）」から「Ｂｓ点（ベイナイト変態開始温度）＋１０〜５０℃」までは、自然冷却などにより５℃／分以下の低い速度にて冷却する。さらにベイナイト組織のラス間隔の増大を防ぐために、「Ｂｓ点＋１０〜５０℃」から「Ｂｆ点（ベイナイト変態終了温度）＋１０〜５０℃」までは、ファンなどを用いた空冷などにより１℃／分以上の高い速度で冷却する。さらにはベイナイト組織のラス間隔を小さくするために、「Ｂｆ点＋１０〜５０℃」の温度にて１０分以上、望ましくは１時間以上保持する。
【００６６】
以上のような熱処理の後、最終的には、鍛鋼品の均質化を約６００℃で行うと共に、焼戻処理を行う。
【００６７】
以上のような熱処理は、表面から深さＤ／４（Ｄ：鍛鋼品直径）付近で温度制御を行えばよいが、大型鋼塊ではこの位置での温度実測は困難である。そのため例えば表面温度を基準に温度制御して鍛鋼品を製造し、その組織観察の結果をフィードバックして、温度制御を適宜調整すれば良い。
【００６８】
また鋼組織を制御するために、成分偏析を利用することも可能である。Ｍｎ成分が多いとベイナイト変態しやすくなるため、Ｍｎ偏析部をベイナイト組織、それ以外をフェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織とすることもできる。Ｍｎ偏析の割合は、造塊方法や鍛鋼品サイズ等に依存するが、通常５〜２０％の濃化度にて偏析部が形成する。このような偏析成分のベイナイト生成挙動を予め調査し、偏析成分の上部ベイナイト組織形成温度での冷却速度を高め、下部ベイナイト組織形成温度での冷却速度を低下させる、又はその温度で保持することによって、ラス間隔の低減したベイナイト組織を偏析部に形成することが可能である。
【００６９】
（ベイナイト組織中の介在物の制御方法）
本発明において、介在物を制御する方法は問わないが、本発明の成分範囲とすること、特にＳｉ、Ｃｒ、Ｓ、Ｏ量を制御することが重要である。また水素割れを防止するために、微細な介在物を形成する元素を積極的に添加し、凝固時に晶析出する介在物を増加させると良いが、その添加量は、粗大介在物が形成されない程度の量に抑制することが望ましい。さらには以下のような方法で、Ｓ系介在物、Ｔｉ系介在物の制御を行うと良い。
【００７０】
例えばＳ系介在物を球状化させる効果のあるＣａを添加することによって、長径の小さいＣａＳ介在物の存在比率を増大させて、Ｓ系介在物の平均サイズを小さくし、微細介在物の数を増大させることができる。またＴｉを添加して析出物を形成する場合、鋼中のＮ量に応じてＴｉ添加量を制御することにより、ＴｉＮ介在物の量（密度）、サイズ（長径）を制御でき、また、焼き入れ温度や時間、冷却速度に応じてＴｉ添加量を制御することにより、微小なＴｉ炭化物、Ｔｉ硫化物、或いはこれらの複合物の量（密度）、サイズ（長径）を制御できる。
【００７１】
なお介在物は、ベイナイト組織だけでなく、フェライト組織およびパーライト組織（即ち鍛鋼品全体）に存在させても良い。しかし鍛鋼品の機械的特性を考慮した場合、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織中の１μｍ以上の介在物は少ないほうが良い。マクロ偏析部にベイナイト組織を形成する場合、介在物形成元素もそこに偏析するので、ベイナイト組織のみの介在物数を増加させることが可能である。また介在物の粗大化は偏析部で生じやすいため、最大介在物の制御に留意する必要がある。
【実施例】
【００７２】
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、上記・下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。
【００７３】
実施例１（予備試験）
まずは、ベイナイト組織がほぼ１００面積％である予備試験品を使用する予備試験で、ベイナイト組織の耐水素割れ性を評価した。
【００７４】
（１）予備試験品の製造
真空誘導溶解で下記表１のａ〜ｃ、ｆの組成を有するインゴットを１５０ｋｇ溶製した後、１０ｋｇずつ分断した。これを冷間鍛造（室温、加工率２０％、加工率＝（ｈ１−ｈ２）×１００／ｈ１、ｈ１：鍛造前の厚さ、ｈ２：鍛造後の厚さ）し、次いで５０℃／時間で８７０℃まで加熱して２時間保持し、次いで４００℃または５００℃まで油冷して、その温度で１時間保持し、その後、室温まで空冷（１〜２℃／分）する工程１（「工程１」＝「冷間鍛造→加熱・８７０℃で保持→油冷・保持→空冷」）を１〜２回実施することによって、結晶粒径を制御した。この工程１を１〜２回実施した後に、５０℃／時間にて６４０℃まで加熱して、その温度で１０時間保持してから、放冷することによって、ベイナイト組織がほぼ１００面積％である予備試験品を得た。各予備試験品の製造条件を表２に記載する。
【００７５】
【表１】
2010270390.tif 000002
【００７６】
【表２】
2010270390.tif 000003
【００７７】
（２）組織構造の測定
予備試験品の組織構造は、後述する方法によって求めた。結果を表２に示す。
【００７８】
（３）予備試験品の耐水素割れ性評価
各予備試験品の耐水素割れ性を、以下のようにして、水素割れ破断が発生するまでの時間（以下「水素割れ時間」と略称する。）で評価した。なお大型品では、元々存在する水素により割れが発生するが、予備試験品のような小型品では水素が抜けきってしまうので、この耐水素割れ性は、水素チャージして評価した。
【００７９】
各予備試験品を、長さ１５０ｍｍ、標線間距離を１０ｍｍのダンベル状に加工し、中央部分を直径４ｍｍに、両端のつかみ具部分を直径８ｍｍにして長さ１５ｍｍにわたってねじを設け、耐水素割れ性評価用の試験片を作製した。この試験片が２．５ｍｏｌ／ＬのＨ２ＳＯ４＋０．０１ｍｏｌ／ＬのＫＳＣＮ水溶液に囲まれるように、前記水溶液中に完全に浸漬させた。
【００８０】
各試験片を前記水溶液に浸漬し、電流密度０．５Ａ／ｄｍ２にて陰極電解し、水素を添加しつつ、降伏点以下となる３５０ＭＰａの引張荷重を長軸方向に負荷し、水素割れ時間を測定した。各予備試験品についてこの試験を３回行い、水素割れ時間の平均値を求めた。結果を表２に示す。なお試験は１００時間まで行い、それでも破断しなかったものは、表２で「＞１００」と記載する。水素割れ時間が５０時間以下であるものを耐水素割れ性に劣ると評価し、この時間が５０時間を超えるものを耐水素割れ性に優れると評価した。
【００８１】
（４）予備試験品の評価結果
予備試験品の製造条件、ベイナイト組織及び耐水素割れ性の評価を表２にまとめて記載する。
【００８２】
本発明のベイナイト組織の要件（平均粒径、最大粒径またはラス間隔）を満たさない予備試験品Ｎｏ．２、６、８〜１０及び１２は、水素割れ時間が５０時間以下であり、耐水素割れ性に劣っている。これに対して予備試験品Ｎｏ．１、３〜５、７、１１及び１３〜１６の水素割れ時間は５０時間を大きく超えている。これらの結果から、本発明のベイナイト組織の要件を満たせば、ベイナイト組織の耐水素割れ性が向上することが分かる。
【００８３】
実施例２（本試験）
予備試験鋼の結果を参考として、大型鋼塊から本試験品を製造し、評価した。
【００８４】
（１）本試験品の製造
電極アーク加熱機能を備える溶鋼処理設備によって、上記表１のａ、ｄ又はｅに示す化学成分の鋼をそれぞれ溶製し、４０トンクラス（全高３ｍ、直径１．５ｍ）の鋳型に鋳造した。なお溶湯段階での水素量は、ハイドリス測定で３ｐｐｍであった。凝固した鋼塊を１０００℃付近で脱型した後、約１２００℃まで加熱し、同温度で熱間鍛造を施し、断面直径１５０ｍｍ（本試験品Ｎｏ．１〜６）又は断面直径７００ｍｍ（本試験品Ｎｏ．７）の鍛造品に仕上げた。熱間鍛造は、鋼塊本体をプレス機により伸ばした後、専用工具を用いて丸断面に成形した。
【００８５】
それぞれの鍛造品を、約９００℃の表面温度から、フェライト変態開始温度にあたる約６５０℃までファンにて急速冷却（２〜５℃／分）し、その後、Ｂｓ点＋１０〜５０℃となるまで、ファンを止めてゆっくりと自然冷却（約０．５℃／分）した。その後、２つの冷却工程（Ａ工程またはＢ工程）で冷却した。Ａ工程では、室温まで、引き続きゆっくりと自然冷却（約０．５℃／分）した。一方、Ｂ工程では、ベイナイト変態終了温度よりやや高い約３５０℃までファンにて急速冷却（２〜５℃／分）し、約３５０℃で１０時間保持した後、室温までゆっくりと自然冷却（約０．５℃／分）した。
【００８６】
以上のようにして本試験品を製造した。なお表面から深さＤ／４の位置におけるベイナイト組織以外の残部は、全ての本試験品で、実質的にフェライト−パーライト混合組織であった。また鋼種ｄ又はｅを用いた本試験品では、ベイナイト組織で成分偏析が生じているところが認められた。
【００８７】
（２）組織および介在物の測定
本試験品の端部で、表面から深さＤ／４の位置から試料を採取し、残留オーステナイトの変態を防ぐため電解研磨を行った後、ＥＢＳＰ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂａｃｋ  Ｓｃａｔｔｅｒ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｐａｔｔｅｒｎ）検出器を備えたＦＥ−ＳＥＭ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｔｙｐｅ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で、組織の構造および面積率を測定した。なおＥＢＳＰは、試料表面に電子線を入射させ、このときに発生する反射電子から得られた菊池パターンを解析することにより、電子線入射位置の結晶方位を決定するものであり、電子線を試料表面に２次元で走査させ、所定のピッチごとに結晶方位を測定すれば、試料表面の方位分布を測定できる。
【００８８】
上記ＳＥＭ装置の鏡筒内にセットした試料について、１５０μｍ×１５０μｍの測定範囲にて０．１μｍ間隔で電子線を照射し、スクリーン上に投影されるＥＢＳＰ画像を高感度カメラで撮影し、コンピューターに画像として取込んでコンピューターで画像解析を行い、既知の結晶系を用いたシミュレーションによるパターンとの比較によって、各相をカラーマップした。このようにしてマッピングされた各組織（領域）の面積率を求めた。また、各組織の視野内にある全ての結晶粒から、結晶粒分布を得て、平均粒径、最大粒径を算出した。尚、平均粒径とは、観察視野における粒径（円相当径）の算術平均（相加平均）値を意味し、最大粒径とは、観察視野における粒径の最大値を意味する。また、上記解析に係るハードウェアおよびソフトとして、ＴｅｘＳＥＭ  ＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓＩｎｃ．のＯＩＭ（Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙＴＭ）システムを用いることができる。これらの結果を表３に示す。
【００８９】
また上記ＳＥＭ装置を用いて、２０ｍｍ×２０ｍｍの測定範囲を１００倍〜２００倍の倍率で鋼断面の観察を行い、ベイナイト組織における介在物の最大長径を測定した。同様に２０ｍｍ×２０ｍｍの測定範囲を１００倍〜２００倍の倍率で観察し、長径１〜１０μｍの介在物の数を測定し、その密度を算出した。さらに上記ＳＥＭ装置を用いて、１００μｍ×１００μｍの測定範囲を１０００倍〜５０００倍の倍率で観察し、無作為に１０箇所のベイナイト組織のラス間隔を測定し、その算術平均（相加平均）値を求めた。
【００９０】
さらに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆよりなる群から選択される１種以上の元素を含有し長径が０．００５〜１μｍの介在物（Ｔｉ系微細介在物）数の測定は以下のように実施した。まず、上記ＳＥＭ装置を用いて、１００μｍ×１００μｍの測定範囲を１０００倍の倍率で任意の５箇所で観察し、ＥＤＸ法による測定結果を画像としてマッピングすることによって各介在物の組成分析を実施し、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆよりなる群から選択される１種以上の元素を含有し長径が０．１〜１μｍである介在物の数を測定し、任意の５箇所の平均密度を算出した。
【００９１】
次に、別途、抽出レプリカ法により抽出した介在物を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて加速電圧２００ｋＶにて、倍率１０万倍で写真撮影をした。写真撮影は１サンプルにつき任意の５箇所にて１μｍ四方のサイズ分とし、その視野中で観察される長径が０．１μｍ未満のＴｉ系微細介在物について、ＥＤＸ測定を行い、ＧＩＦ形式のマッピングによって各介在物の組成分析を実施し、Ｔｉ系微細介在物の数を測定し、５箇所の平均密度を算出した。ただし、ＴＥＭでも観察されない極微細（通常、長径０．００５μｍ未満）のＴｉ系微細介在物はカウントの対象にはしていない。
【００９２】
以上の方法により得られた、ＳＥＭ観察による長径が０．１〜１μｍであるＴｉ系微細介在物の密度、ＴＥＭ観察による長径が０．００５〜０．１μｍのＴｉ系微細介在物の密度を足し合わせて、長径が０．００５〜１μｍのＴｉ系微細介在物の密度とした。これらの結果を表３に示す。
【００９３】
（３）本試験品の耐水素割れ性評価
上記ＳＥＭ装置にて、１５０μｍ×１５０μｍの測定範囲および１０００倍の倍率でフェライト−パーライト組織、ベイナイト組織の微細割れの有無をそれぞれ調べ、下記基準で評価した。結果を表３に示す。
○：長さ１μｍ以上の割れが存在しない。
△：長さ１μｍ以上の割れが１つでも存在する。
×：長さ１０μｍ以上の割れが１つでも存在する。
【００９４】
（４）本試験品の評価結果
本試験品の鋼種、冷却工程、組織観察の結果および水素割れの評価結果を、表３にまとめて示す。
【００９５】
【表３】
2010270390.tif 000004
【００９６】
本発明で規定するベイナイト組織の要件を満たす本試験品Ｎｏ．２、４及び６は、フェライト−パーライト混合組織およびベイナイト組織のいずれにも、長さ１０μｍ以上の割れが存在せず、耐水素割れ性に優れることが分かる。