(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ  ：０．１５〜０．５％（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：０．５〜１．５％、
Ｎｉ：０．１〜２．５％、
Ｃｒ：０．１〜２．５％、
Ｍｏ：０．０１〜０．７％、
Ｓ  ：０．０００２〜０．０１％、
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：鍛鋼品断面の円相当径）の位置における鋼断面は、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織で構成される健全部と残部（以下、「マクロ偏析部」と記載する）で構成され、前記鋼断面に対する前記健全部の割合が９０面積％以上であり、前記マクロ偏析部における（パーライトの平均粒径）／（フェライトの平均粒径）が３．０以上であることを特徴とする鍛鋼品。
【請求項２】
前記マクロ偏析部における（パーライトの平均粒径）／（フェライトの平均粒径）が３．５以上であり、パーライト中のセメンタイト間隔が０．３０μｍ以上である請求項１に記載の鍛鋼品。
【請求項３】
さらに、Ｃｕ：０．５％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、Ｖ：０．３％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】
さらに、Ｃａ：０．１％以下（０％を含まない）を含有する請求項１〜４のいずれかに記載の鍛鋼品。
【請求項６】
さらに、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆよりなる群から選択されるいずれか１種以上を合計０．１％以下（０％を含まない）含有する請求項１〜５のいずれかに記載の鍛鋼品。
【請求項７】
深さＤ／４（Ｄ：鍛鋼品断面の円相当径）の位置における前記マクロ偏析部で観察される介在物は、いずれも長径が２０μｍ以下であり、かつ、長径１〜１０μｍの介在物の密度が５〜５００個／ｃｍ２である請求項１〜６のいずれかに記載の鍛鋼品。
【請求項８】
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１〜７のいずれかに記載の鍛鋼品。
【請求項９】
請求項８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。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。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。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。
【０００３】
例えば、特許文献１のように、二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。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。しかしながら本技術では特に大型鍛鋼品の場合、高温での長時間保持による含有量の低下速度が遅く、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。また大型鍛鋼品において水素割れの生じる合金元素のマクロ偏析部における水素の濃化を制御することはできない。
【０００４】
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。しかしながら本技術では粗大なＭｎＳ系介在物は水素トラップサイトとならず逆に水素割れ起点になることが懸念される。また炭素鋼ではＳ含有量の増加は耐水素割れ性の向上にはあまり繋がらない。
【０００５】
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。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において相異する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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】
【０００７】
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割には、コストアップに見合った耐水素割れ性の効果がでない。
【０００８】
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、合金成分添加という手段によらずに、組織形態の制御によって炭素鋼からなる鍛鋼品の耐水素割れ性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成し得た本発明の鍛鋼品とは、
Ｃ  ：０．１５〜０．５％（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：０．５〜１．５％、
Ｎｉ：０．１〜２．５％、
Ｃｒ：０．１〜２．５％、
Ｍｏ：０．０１〜０．７％、
Ｓ  ：０．０００２〜０．０１％、
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：鍛鋼品断面の円相当径）の位置における鋼断面は、フェライト組織またはフェライト−パーライト混合組織で構成される健全部と残部（以下、「マクロ偏析部」と記載する）で構成され、前記鋼断面に対する前記健全部の割合が９０面積％以上であり、前記マクロ偏析部における（パーライトの平均粒径）／（フェライトの平均粒径）が３．０以上である鍛鋼品である。
【００１０】
前記マクロ偏析部における（パーライトの平均粒径）／（フェライトの平均粒径）が３．５以上であり、さらに、パーライト中のセメンタイト間隔が０．３０μｍ以上であることが好ましい。
【００１１】
本発明の鍛鋼品は、さらにＣｕ：０．５％以下（０％を含まない）を含有していてもよい。
【００１２】
本発明の鍛鋼品は、さらにＶ：０．３％以下（０％を含まない）を含有していてもよい。
【００１３】
本発明の鍛鋼品は、さらにＣａ：０．１％以下（０％を含まない）を含有していてもよい。
【００１４】
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）を含有していてもよい。
【００１５】
上記鍛鋼品において、深さＤ／４（Ｄ：鍛鋼品断面の円相当径）の位置における前記マクロ偏析部で観察される介在物は、いずれも長径が２０μｍ以下であり、かつ、長径１〜１０μｍの介在物の密度が５〜５００個／ｃｍ２であることが推奨される。
【００１６】
本発明の鍛鋼品は、例えばクランクジャーナルまたはクランクスローとして用いられる。また、本発明は、前記クランクジャーナルまたは前記クランクスローを有する組立型クランク軸を提供するものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の鍛鋼品は、マクロ偏析部における（パーライトの平均粒径）／（フェライトの平均粒径）を３．０以上とすること、すなわち、水素割れの原因であるフェライト粒を相対的に小さくすることにより、複数のフェライト粒とパーライト粒の間を伝播する水素割れの原因を抑制できるため、耐水素割れ性が向上した鍛鋼品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】鍛鋼品の断面に現れるマクロ偏析部の写真である。
【図２】横軸にパーライト粒径比、縦軸に鍛鋼品に割れが発生するまでにかかった時間（相対値）をとった模式的なグラフである。
【図３】（ａ）は、鍛鋼品の健全部のＳＥＭ画像であり、（ｂ）は、鍛鋼品のマクロ偏析部のＳＥＭ画像である。
【図４】（ａ）は、従来の鍛鋼品のマクロ偏析部のＳＥＭ画像、（ｂ）はその一部模式図である。
【図５】（ａ）は、本発明の鍛鋼品のマクロ偏析部のＳＥＭ画像、（ｂ）はその一部模式図である。
【図６】本発明の鍛鋼品を製造するための熱処理例である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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：２０ｔ以上の重さの鍛鋼品を意味する）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、マクロ偏析部に水素が濃化することによって偏析部を起点と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。
【００２０】
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フェライト、パーライトまたは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。
【００２１】
参考のため、図１に鍛鋼品の断面に現れるマクロ偏析部の写真を示す。図１の左側部は、顕微鏡を使わずに観察できる筋状のマクロ偏析部を示すものであり、図１の右側部は、一つのマクロ偏析部に着目した顕微鏡写真である。筋状のマクロ偏析部以外に白っぽく写っている部分は、健全部である。
【００２２】
このマクロ偏析部の組織形態は一般的な炭素鋼ではパーライト組織を主体とし、パーライト組織間の粒界三重点に存在する初析フェライトを起点として割れが発生し、発生した割れはパーライト粒、またはフェライト粒とパーライト粒の粒界を伝播する。
【００２３】
したがって、耐水素割れ性を改善するためには、これらマクロ偏析部の生成を防ぐことが有効な手段の一つと考えられるが、特に大型鍛鋼品の場合は、鋼材の全ての部分で冷却速度を均一にすることが困難であるため、マクロ偏析部の抑制にも限界がある。
【００２４】
一般的な鍛鋼品（特に大型の鍛鋼品）の場合には冷却速度が遅い（１〜２℃／分程度）ため、パーライトを主体とした組織となる場合が多い。そこで本発明者は、マクロ偏析部（特にパーライト組織を主とした偏析部）の組織形態を制御することにより、マクロ偏析部における水素の濃化を抑制し、割れの発生および進展（伝播）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見出した。
【００２５】
本発明に係わる耐水素割れ性に優れた鍛鋼品とは、所定の化学成分を有し、深さＤ／４（Ｄ：鍛鋼品の断面の円相当径）の位置における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、残部のマクロ偏析部（パーライトが主要組織）において、パーライト平均粒径／フェライト平均粒径の比が３．０以上とすることにより、マクロ偏析部における歪み部への水素濃化を防ぎ、良好な水素割れ性を確保できるようにした。
【００２６】
さらに、割れがより伝播しにくい組織として、パーライト中のセメンタイト間隔が０．３０μｍ以上であることが好ましい。
【００２７】
以下、本発明の基本的構成について順を追って説明する。まずは、本発明の鍛鋼品として適切な化学成分の含有量について説明する。
【００２８】
１．鍛鋼品の化学成分
Ｃ：０．１５〜０．５％
Ｃは鍛鋼品の強度向上に寄与する元素である。鍛鋼品に充分な強度を確保するには、Ｃを０．１５％以上、好ましくは０．２０％以上、より好ましくは０．３０％以上含有させることが望ましい。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、０．５％以下、好ましくは０．４５％以下、より好ましくは０．４２％以下に抑える。
【００２９】
Ｓｉ：０．６％以下（０％を含まない）
Ｓｉは脱酸元素であるとともに、鍛鋼品の強度向上元素として作用するため、含有することが許容される。しかしＳｉ量が多過ぎると鍛鋼品の逆Ｖ偏析が著しくなり、粗大な介在物が生成されるので、０．６％以下、好ましくは０．４５％以下、さらに好ましくは０．３５％以下（０％を含まない）とする。
【００３０】
Ｍｎ：０．５〜１．５％
Ｍｎは鍛鋼品の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％以上含有させる。なお、Ｍｎはベイナイト形成を促進する元素であること、およびＭｎ量が多すぎると逆Ｖ偏析を助長するので１．５％以下、好ましくは１．４５％以下、より好ましくは１．４％以下とする。
【００３１】
Ｎｉ：０．１〜２．５％
Ｎｉは鍛鋼品の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０．１５％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２．０％以下、より好ましくは１．５％以下とする。
【００３２】
Ｃｒ：０．１〜２．５％
Ｃｒは鍛鋼品の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。なおＣｒはベイナイト形成を促進する元素であり、またＣｒ量が多過ぎると逆Ｖ偏析を助長して粗大介在物が形成するので、２．５％以下、好ましくは２．３％以下とすることが望ましい。
【００３３】
Ｍｏ：０．０１〜０．７％
Ｍｏは鍛鋼品の焼入れ性、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０．０１％以上、好ましくは０．０５％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、Ｍｏ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。
【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。一方マクロ偏析部組織中の微細な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、マクロ偏析部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：０．５％以下（０％を含まない）
Ｃｕは鍛鋼品の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。この様な作用を有効に発揮させるには、例えば０．０１％以上、Ｃｕを含有させることが推奨される。しかしＣｕ量が過剰になるとコストアップとなるので０．５％以下、好ましくは０．４％以下とする（０％を含まない）。
【００３８】
Ｖ：０．３％以下（０％を含まない）
Ｖは鍛鋼品の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（０％を含まない）。
【００３９】
Ｃａ：０．１％以下（０％を含まない）
Ｃａは鍛鋼品における硫化物の延伸性を抑制できる作用を有し、この有効に作用を発揮させるために例えば、０．０００１％以上、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（０％を含まない）。
【００４０】
Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ：合計０．１％以下（０％を含まない）
Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆは、鍛鋼品の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。これらの作用を発揮させるため、例えば、０．００１％以上、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（０％を含まない）。
【００４１】
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（例えば、０．００１％以上、０．０１％以下）、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。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】
２．鍛鋼品の組織分率
（１）基本的組織
深さＤ／４の位置における鋼断面で観察される鋼組織は、鍛鋼品に必要な引張強度と必要な鍛造性を得るため、フェライト組織またはフェライトおよびパーライト混合組織が９０面積％以上（好ましくは９５面積％以上、さらに好ましくは９７面積％以上）である。フェライト組織またはフェライトおよびパーライト混合組織に該当する部分では、水素割れが発生することは少ないため、以下この部分を「健全部」と記載する。残部は、「偏析部」と記載し、詳しく後述するが、パーライト組織主体の組織である。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。本発明では、深さＤ／４は、鍛鋼品の側表面からの距離をいうものとする。上記「Ｄ」は、鍛鋼品断面（鍛鋼品の長手方向に垂直な断面）の円相当径（断面積と同じ面積を有する円の直径）を意味する。したがって、鍛鋼品が円柱状のものであれば、Ｄは該円の直径である。
【００４３】
（２）健全部とマクロ偏析部との判別
健全部とマクロ偏析部とを判別する方法について説明する。まず、鋼断面の５ｃｍ×５ｃｍの領域を写真撮影し、グレースケールのデータとして電子機器に取り込む。マクロ偏析部はパーライト組織を主体（パーライト組織が概ね７０面積％超）であるため、健全部（パーライト組織が概ね５０〜７０面積％）よりも暗めに写る（上述の図１参照）。このことを利用して、｛（健全部の平均明度）＋（マクロ偏析部の平均明度）｝／２を閾値とし、画像処理により、この閾値よりも明度の高い（白い）部分を健全部と定め、逆に閾値よりも明度の低い（黒い）部分は、マクロ偏析部と定める。このような手法により、健全部とマクロ偏析部との区別をして鋼断面に対する健全部の割合（面積％）を求める。
【００４４】
以上の手法を用いて別の観察領域（５ｃｍ×５ｃｍ）において上記の画像処理を行い、これら２視野の平均値を最終的な健全部の割合（面積％）とする。本発明では、鍛鋼品に必要な引張強度と必要な鍛造性を得るため、健全部（フェライト組織またはフェライトおよびパーライト混合組織）の割合を上述のように９０面積％以上とする。１００面積％から健全部の割合（面積％）を差し引いた値をマクロ偏析部の割合（面積％）とする。
【００４５】
健全部およびマクロ偏析部の平均明度：
健全部の平均明度は、次のようにして定める。まず、５ｃｍ×５ｃｍの領域で比較的明度が高く（白く）写っている領域が健全部であることを確認するため、後述のＦＥ−ＳＥＭを用いて組織観察を行う。組織が健全部（フェライト組織またはフェライトおよびパーライト混合組織）であること確認した後、健全部の任意の１０点の明度を平均した値を平均明度とする。マクロ偏析部についても同様に、マクロ偏析部の任意の１０点の明度を平均した値をマクロ偏析部の平均明度とする。
【００４６】
３．マクロ偏析部の組織構造および組織の粒径
鍛鋼品の水素割れは主にマクロ偏析部で発生する。割れはマクロ偏析部の界面を経由せず、マクロ偏析部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、マクロ偏析部の組織構造を制御することが重要である。水素割れの発生・伝播を詳細に観察すると、マクロ偏析部の組織形態がパーライト組織を主体とし、該パーライト組織の粒界三重点（三つのパーライト粒の境界となる部分）にフェライト（所謂初析フェライト）が生成する組織形態を有する場合、初析フェライトとパーライト粒の界面に変態で水素割れが発生し、それぞれの結晶粒界に沿って水素割れが伝播していると推察される。このような推察から、パーライトを主体とした組織における水素割れの伝播を抑制するには、マクロ偏析部における（パーライトの平均粒径）／（フェライトの平均粒径）の比の値（以下、「パーライト粒径比」と記載する）を制御する必要がある。なお、平均粒径の意味は後述する。
【００４７】
パーライト組織の粒界三重点に粗大な初析フェライトが生成した場合、パーライト組織とフェライト組織の組織間の硬度差が生じる粒界三重点は歪みが濃化しやすくなる。それに加えてフェライト組織とパーライト組織では水素拡散係数が異なるため、粒界三重点に水素が濃化しやすくなる。これらが重なり合うことで粒界三重点において水素割れが発生しやすく、発生した割れはフェライト組織とパーライト組織の組織間の硬度差の生じるこれら組織の粒界に沿って進展することが推察される。
【００４８】
本発明者らは、従来のようにマクロ偏析部におけるパーライト粒径比が約２以上３．０未満の場合、パーライト組織中に粗大な初析フェライトが生成した組織形態となり、パーライト粒の粒界三重点に存在する初析フェライトサイズが大きくなること、また初析フェライトどうしが連結することにより発生した割れはパーライト粒の粒界を伝播しやすくなることから水素の濃化や割れ発生が促進される傾向を見出した。そのためマクロ偏析部におけるパーライト粒径比を３．０以上に制御し、粗大な初析フェライトの生成を抑制する。
【００４９】
パーライト粒径比は、好ましくは３．２以上、より好ましくは３．５以上とする。パーライト粒径比の上限は特に定めないが、２０程度で実質ほとんどパーライト主体の組織形態となり、粒界三重点に析出した初析フェライトの影響が無くなるため、２０を上限とする。１０を上限としてもよい。
【００５０】
なお、マクロ偏析部に粗大なパーライト組織が存在すると割れ伝播しやすくなるため、また粗大なパーライト粒が存在する場合、組織の直線性がより高くなり、割れが伝播しやすくなると考えられるため、粗大なパーライト粒の生成を抑制することが望ましい。そのため、パーライト組織の最大粒径を、１００μｍ以下に制御することが望ましい。好ましくは７０μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下とすることが望ましい。さらに、パーライト組織粒径にバラツキが高い場合、特に割れが伝播しやすくなると考えられるため、（パーライトの最大粒径）と（パーライトの平均粒径）の比が３．０以下であることが望ましい。
【００５１】
前述したように、発生した割れはフェライト組織とパーライト組織の界面あるいはパーライト粒界を伝播する。セメンタイト間隔が狭いパーライトの場合、一般に硬度も高いことから、粒界三重点での歪みも大きい。さらには、セメンタイト間隔が狭いパーライトでは水素拡散係数が低下することから、パーライト中にも水素が濃化しやすく、フェライト組織とパーライト組織の界面あるいはパーライト粒界での割れ伝播が助長される傾向にある。割れ伝播を抑制するためには、パーライト中のセメンタイト間隔が０．３０μｍ以上であることが好ましい。より好ましくは０．４μｍ以上であることが望ましい。
【００５２】
図２は、横軸にパーライト粒径比、縦軸に鍛鋼品に割れが発生するまでにかかった時間（相対値）をとった模式的なグラフである。図２のように、パーライト粒径比がおよそ１の部分は、従来または本発明の鍛鋼品の健全部を表す部分であり、パーライト粒径比が２．５付近の部分は、従来の鍛鋼品のマクロ偏析部を示し、３．０以上の部分は、本発明の鍛鋼品のマクロ偏析部を示している。
【００５３】
図２から、従来の鍛鋼品のマクロ偏析部は、耐水素割れ性が劣るが、パーライトの平均粒径に対してフェライトの平均粒径を相対的に小さくすることにより（パーライト粒径比を大きくすることにより）、マクロ偏析部であっても健全部と同等の耐水素割れ性が発揮されることがわかる。
【００５４】
なお、参考に、図３（ａ）は、鍛鋼品の健全部のＳＥＭ画像であり、（ｂ）は、鍛鋼品のマクロ偏析部のＳＥＭ画像である。図４（ａ）は、従来の鍛鋼品のマクロ偏析部のＳＥＭ画像、（ｂ）はその一部模式図、図５（ａ）は、本発明の鍛鋼品のマクロ偏析部のＳＥＭ画像、（ｂ）はその一部模式図である。
【００５５】
４．介在物
マクロ偏析部の組織中の粗大介在物は、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、上記した結晶粒径の大小による影響よりも、その介在物と鋼組織との界面で水素割れの影響が大きくなる。そこで、マクロ鋼断面の２ｍｍ×２ｍｍの視野内で観察される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。
【００５６】
逆に長径が１〜１０μｍである微細介在物がマクロ偏析部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。そこでマクロ偏析部の組織中の長径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。一方、微細な介在物の密度が過剰になると、鍛鋼品の靭性等の機械的特性に悪影響を及ぼすため、５００個／ｃｍ２以下、好ましくは２００個／ｃｍ２以下、より好ましくは１００個／ｃｍ２以下とする。なお長径が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が、測定効率を向上させるために、長径が１μｍ未満の微細介在物は考慮対象から除外した。
【００５７】
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、Ｓ、Ｃａ、Ｍｇ及びＭｎ等の酸化物系介在物；などが挙げられる。本発明における最長介在物の長径および長径１〜１０μｍの介在物の密度は、表面から深さＤ／４（Ｄ：鍛鋼品の円相当径）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。
【００５８】
５．製造方法
（１）組織の制御
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。鋼組織の制御方法として、（Ａ）フェライト−パーライト混合組織を９０面積％以上とするため、および、（Ｂ）パーライト粒径比を３．０以上とするため、Ａｃ３点以上の温度から焼入れまたは焼ならし等の熱処理工程と、製品形状への成形工程（例えば熱間鍛造または冷間鍛造）とを含む基本工程を１回または２〜５回繰り返すことによってオーステナイト粒径を小さくでき、その結果パーライト組織の結晶粒径を微細化できるとともに、パーライト組織粒径のバラツキを低減でき、さらには、パーライト中のセメンタイト間隔を大きくできる効果もある。また、上記の基本工程の回数を増やすにつれてパーライト粒径比が大きくなる。なお、フェライト−パーライト混合組織を得ることだけであれば、Ａｃ１〜Ａｃ３点（オーステナイト−フェライト二相温度域）への加熱で足りるが本発明の要件を満たさない。
【００５９】
オーステナイト粒の微細化のためには、前記の成形工程を高加工率で行うことが望ましい。また上記成形工程は、焼入れまたは焼ならし等の熱処理中に行ってもパーライト組織の結晶粒径を微細化できる。図６は、本発明の鍛鋼品を製造するための熱処理例であり、上記基本工程を２回行った場合の例を示すものである。
【００６０】
上記熱処理工程の冷却工程では、（Ａ）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（すなわ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る）ため、および、（Ｂ）マクロ偏析部の割合を１０面積％未満とするため、Ａｃ３点以上から連続冷却変態曲線のＦｓ点（フェライト変態開始温度）からＰｓ点（パーライト変態開始温度）の間を通るように自然冷却（５℃／分以下）する。自然冷却のように冷却が遅いことで、パーライト中のセメンタイト間隔を大きくできるが、その効果はＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖの合金成分が少ない方が高い。セメンタイト間隔を０．３０μｍ以上とするためには、Ｍｎ≦１．４％、Ｃｒ≦２．３％、Ｍｏ≦０．５％、Ｖ≦０．１５％であることが必要である。
【００６１】
以上のような熱処理後、最終的には鍛鋼品の均質化を例えば６００℃〜９００℃で１時間〜２０時間行い、その後、焼戻処理を行う。
【００６２】
以上のような熱処理は、表面から深さＤ／４付近で温度制御を行えば良いが、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、温度制御を適宜実施すればよい。
【００６３】
（２）介在物の制御
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。
【００６４】
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。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、Ｔｉの多くは鋼中のＮと結合し、窒化物となる。従って鋼中のＮ量に応じてＴｉ添加量を制御すれば、Ｔｉ系介在物のサイズを制御できる。なおこれら介在物は、パーライト組織を主とした偏析部だけでなく、フェライト組織およびパーライト組織（すなわち鍛鋼品全体）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、フェライトまたはパーライト組織中の介在物は少ない方が良い。
【実施例】
【００６５】
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う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範囲に包含される。
【００６６】
（予備試験片による評価）
まず、真空誘導熔解にて表１に記載のＡ〜Ｎの化学成分を有するインゴットを１５０ｋｇ溶製した。次いで凝固した鋼塊を脱型した後、約１２００℃まで加熱して熱間鍛造を施し断面直径１００ｍｍ程度の鍛造材に仕上げた。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することにより行った。
【００６７】
次いでこの鋼塊を５０℃／時で８７０℃（記載鋼全てのＡｃ３点以上の温度である）まで加熱して２時間保持し、その後室温まで空冷（１〜２℃／分）する基本工程を１回、または２回繰り返すことによって結晶粒径を制御した。
【００６８】
【表１】
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【００６９】
次いで５０℃／時の昇温速度にて６４０℃まで加熱して、該温度で１０時間保持してから放冷することによって予備試験片（Ａ〜Ｎ）を得た。
【００７０】
さらにＡの鋼種については上記と同様に熱間鍛造後丸断面に成形し、その後は、鋼塊を５０℃／時で７２０℃（Ａ鋼のＡｃ１点以上の温度でかつＡｃ３点未満の温度）まで加熱して２時間保持し、その後、室温まで空冷（１〜２℃／分）する工程を１回施した。次いで５０℃／時の昇温速度にて６４０℃まで加熱して、該温度で１０時間保持してから放冷（１℃／分以下）することによって予備試験片Ａａを得た。各予備試験片の製造条件を表２に記載する。
【００７１】
【表２】
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【００７２】
予備試験片の組織構造は、側表面から深さ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に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、組織の種類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、この時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二次元で走査させ、所定のピッチ毎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。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比較することによって、各色相（各組織）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。
【００７３】
また上記ＳＥＭ装置を用いて、２ｍｍ×２ｍｍの測定範囲を約１００倍の倍率で鋼断面の観察を行い、介在物の最大長径、および長径１〜１０μｍの介在物の数を測定し、その密度を算出した。
【００７４】
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。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２ｍｏｌ／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。各試験片を前記水溶液に浸漬し、電流密度１．０Ａ／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、破断するまでの時間（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」と記載した。水素割れ時間が５０時間以下であるものは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、８５時間を超えるものを耐水素割れ性に特に優れると評価した。
【００７５】
本発明の要件である（１）化学成分、（２）健全部面積率（９０面積％以上）、（３）パーライト粒径比（３．０以上）、のいずれも満たさない予備試験片Ｎｏ．３，１６〜１９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片Ｎｏ．１，２，４〜１５，２０，２１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、本発明のパーライト粒径比、および所定の組織形態の要件を満たせば、耐水素割れ性が向上することが分かる。
【００７６】
（本試験による評価）
上記の様に予備試験鋼での結果を参考として、大型鋼塊から本試験品を製造し、評価を行った。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の鋼種Ｂ、鋼種Ｅ、鋼種Ｆ又はＫ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。
【００７７】
それぞれの鍛造品を、約９００℃の表面温度から、室温までゆっくりと自然冷却（約０．５℃／分）した後、再度約６００℃程度まで加熱した後、室温までゆっくりと自然冷却（約０．５℃／分）した。
【００７８】
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の位置における組織形態は鋼種Ｂ、鋼種Ｅおよび鋼種Ｆについてはフェライト−パーライト混合組織となっており、その面積率が９０％以上であり、マクロ偏析部でのパーライト粒径比が３．０以上であった。それに対して鋼種Ｋについてもフェライト−パーライト混合組織となっていたが、その面積率は９０％未満であり、マクロ偏析部でのパーライト粒径比は３．０未満であった。
【００７９】
本試験品の耐水素割れ性評価は前述の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−パーライト組織の微細割れの有無をそれぞれ調べた。その結果を表３に示す。なお、長さ１μｍ以上の割れが存在する場合に割れが発生したと判定した。
【００８０】
【表３】
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【００８１】
表３から分かるように、本発明の要件（化学成分、健全部面積率、パーライト粒径比）のいずれも満たさない鋼種Ｋには微細割れが発生したが、本発明の要件を全て満たす鋼種Ｂ，Ｅ，Ｆでは、微細割れが発生せず、耐水素割れ性が向上していることが分かった。
【００８２】
（セメンタイト間隔の測定）
次に、上記の試料のうち、パーライト粒径比が好適な範囲（３．５以上）である、試験Ｎｏ．１，２，４，５，７，９−１３，２０，２１について、約１０００倍の倍率で鋼断面の観察を行い、パーライト中のセメンタイト間隔を測定した。その結果、下記表４に示すようにパーライト中のセメンタイト間隔が０．３０μｍ以上である試験Ｎｏ．１，２，４，５，７，９−１３については、表２に示すように水素割れ時間が８５時間を超えていたのに対し、パーライト中のセメンタイト間隔が０．３０μｍ未満であるＮｏ．２０，２１については、表２に示すように水素割れ時間が８５時間を下回っていた。以上の結果から、パーライト粒径比を３．５以上にするとともに、パーライト中のセメンタイト間隔を０．３０μｍ以上にすれば、耐水素割れ性が一層向上することが分かる。なお、セメンタイト間隔の測定については、鋼断面の上記観察視野の中で１０個のパーライト粒を任意に選択し、各パーライト粒におけるセメンタイト間隔の平均値を取った。１個のパーライト粒におけるセメンタイト間隔は、セメンタイト層と垂直な方向におけるパーライト粒の長さをセメンタイト層の数で割り算して求めた。
【００８３】
【表４】
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【図２】
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【図６】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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