(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼成分が、質量％で（以下、同じ）
Ｃ  ：０．１５〜０．６％，
Ｓｉ：１．５％以下（０％を含まない），
Ｐ  ：０．１５％以下（０％を含まない），
Ｃｒ：２％以下（０％を含まない），
Ａｌ：０．０６％以下（０％を含まない），
Ｎ  ：０．０３％以下（０％を含まない），
Ｍｎ：２．０％以下（０％を含まない），
Ｓ  ：０．０３８〜０．０６１％，
Ｖ  ：０．４５％以下（０％を含まない）
Ｃａ：０．００１８％以下（０％を含まない）
を夫々含有し、更に
Ｚｒ  ：０．２％以下（０％を含まない）
Ｔｉ  ：０．１％以下（０％を含まない）
Ｍｇ  ：０．０１％以下（０％を含まない）
ＲＥＭ：０．３％以下（０％を含まない）
よりなる群から選択される少なくとも一種を含有し、
（但し、Ｚｒを含有するときは、Ｚｒを０．０８％以上とする）
残部がＦｅおよび不可避不純物からなると共に、
鍛造材の表面から１／４厚さ位置における縦断面において、幅１μｍ以上の硫化物系介在物が１００〜４０００個／ｍｍ2存在すると共に、該硫化物の平均アスペクト比（長さ／幅）が１０以下であることを特徴とする破断分断性に優れた破断分割型コンロッド用熱間鍛造用非調質鋼。
【請求項２】
更に
Ｎｂ：０．１５％以下（０％を含まない）
を含有するものである請求項１に記載の破断分割型コンロッド用熱間鍛造用非調質鋼。
【請求項３】
更に
Ｐｂ：０．３％以下（０％を含まない）及び／又は
Ｂｉ：０．３％以下（０％を含まない）
を含有するものである請求項１または２に記載の破断分割型コンロッド用熱間鍛造用非調質鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用部品等を冷間で破断分割加工するのに好適な熱間鍛造用非調質鋼に関する。より詳細には本発明は、自動車エンジン等の部品として用いられるコネクティングロッド（略称：コンロッド）を構成するコネクティングロッド本体（略称：コンロッド本体）とコネクティングロッドキャップ（略称：コンロッドキャップ）を冷間加工により容易に分割することが可能であり、且つ破断分割面の嵌合性が高められ、塑性変形量も低く抑えることのできる熱間鍛造用非調質鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、コンロッド等の如く成形後に分割を必要とする部品は、コンロッド本体とコンロッドキャップを別個に熱間鍛造した後、切削による合わせ面の加工、更に必要に応じてズレを防止するためのピン加工を施していた。或いは、コンロッドを一体で熱間鍛造する場合においても、機械加工による切断と合わせ面の仕上げ加工等を施していた。しかしながら、上記加工を施すと、材料の歩留まり量が低下する他、多数の工程を経る為にコストが上昇するという問題があった。
【０００３】
そこで、コンロッドを一体で熱間鍛造し、分割面の加工を施すことなく機械加工した後、冷間で破断分割加工し、クランクシャフトに結合して組立てる方法が検討されている。ところが、従来のコンロッド用鋼を冷間で破断分割すると、靱延性が良好である為、分割面が塑性変形して嵌合することができなかったり、コンロッド大端部内径の塑性変形量が大きくなり、仕上げ加工量が増大する等の不具合があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、靭性や延性を低くし、破断分割性に優れた破断分割型コンロッド用熱間鍛造用非調質鋼を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成し得た本発明に係る破断分割型コンロッド用熱間鍛造用非調質鋼は、
鋼成分が、質量％で（以下、同じ）
Ｃ  ：０．１５〜０．６％，
Ｓｉ：１．５％以下（０％を含まない），
Ｐ  ：０．１５％以下（０％を含まない），
Ｃｒ：２％以下（０％を含まない），
Ａｌ：０．０６％以下（０％を含まない），
Ｎ  ：０．０３％以下（０％を含まない），
Ｍｎ：２．０％以下（０％を含まない），
Ｓ  ：０．０３８〜０．０６１％，
Ｖ  ：０．４５％以下（０％を含まない）
Ｃａ：０．００１８％以下（０％を含まない）
を夫々含有し、更に
Ｚｒ  ：０．２％以下（０％を含まない）
Ｔｉ  ：０．１％以下（０％を含まない）
Ｍｇ  ：０．０１％以下（０％を含まない）
ＲＥＭ：０．３％以下（０％を含まない）
よりなる群から選択される少なくとも一種を含有する
（但し、Ｚｒを含有するときは、Ｚｒを０．０８％以上とする）
と共に、
鍛造材の表面から１／４厚さ位置における縦断面において、幅１μｍ以上の硫化物系介在物が１００〜４０００個／ｍｍ2存在すると共に、該硫化物の平均アスペクト比（長さ／幅）が１０以下であるところに要旨を有するものである。
【０００６】
本発明の破断分割型コンロッド用熱間鍛造用非調質鋼（以下、単に「熱間鍛造用非調質鋼」と呼ぶ）には、必要によって更に、（１）Ｎｂ：０．１５％以下（０％を含まない）、（２）Ｐｂ：０．３％以下（０％を含まない）及び／又はＢｉ：０．３％以下（０％を含まない）、等を含有することが推奨される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、破断分割性に優れた熱間鍛造用非調質鋼を提供すべく鋭意検討してきた。その結果、硫化物系介在物の個数およびアスペクト比を適切に制御することにより、所期の目的を解決し得ることを見出し、本発明を完成した。
【０００８】
本発明の如く鋼中の硫化物系介在物に着目し、所定の硫化物系介在物を形成させることによって冷間での熱間鍛造品の破断分割性が著しく高められるという知見は本願発明者らによって始めて見出されたものであり、従来法には全く開示されていない。
【０００９】
例えば従来法としては、▲１▼脆化元素を積極的に添加することにより破断分割性の向上を目指すものとして特開平８−２９１３７３号公報及び特開平９−１７６７８６号公報が挙げられる。前者はＰの添加により、後者はＡｓ、Ｓｂ、Ｓｎの添加により破断分割性向上を図るものである。
【００１０】
また、▲２▼フリーの固溶Ｎを増加させることにより脆性破壊を促進し、破断分割性を向上させるものとして特開平９−３５８９号公報、特開平９−１７６７８７号公が挙げられ、該固溶Ｎを高めるための条件が特定されている。
【００１１】
更に、▲３▼フェライトを強化することにより脆性破壊を促進し、破断分割性を向上させるものとして例えば特開平９−３１５９４号公報が挙げられ、固溶強化によってフェライトを強化するＳｉと、析出強化によってフェライトを強化するＶを複合添加することにより破断分割性を高める方法が開示されている。
【００１２】
この様に上記従来の方法は、いずれも鋼中の添加元素を調整することにより所定の金属組織を脆化しようというものであり、「所定の硫化物系介在物を形成させることにより、破断分割性に優れた熱間鍛造用非調質鋼を得る」という本発明の技術的思想は示唆されておらず、本発明とは異なるものである。
【００１３】
上述した通り、本発明の破断分割性に優れた熱間鍛造用非調質鋼とは、鍛造材の表面から１／４厚さの位置における縦断面において、幅１μｍ以上の硫化物系介在物が１００〜４０００個／ｍｍ2 存在すると共に、該硫化物系介在物の平均アスペクト比（長さ／幅）が１０以下であるという要件を満足するものである。
【００１４】
この様に本発明において、硫化物系介在物の個数及びアスペクト比を特定した理由は以下の通りである。
【００１５】
ＭｎＳ等の硫化物系介在物は、圧延や熱間鍛造によって圧延方向や鍛造方向に延伸する。この延伸した硫化物系介在物が鍛造材などの破断分割時に縦目（破断分割面に対して垂直方向に延伸）に存在すると、クラックの進展に伴い、硫化物系介在物と金属マトリックスの間が剥離し、応力の緩和が起こる。その結果、脆性的な破断が阻害されて靱延性値が向上し、破断分割性の低下をもたらす様になる。これに対し、硫化物系介在物の延伸を抑制し、アスペクト比を小さくして球状化させた場合は、縦目で破断分割するに際し、硫化物系介在物の周辺に発生するクラック先端での応力が増大し、脆性的な破断が促進される。その結果、破断分割面の嵌合性が高まり、塑性変形量も低くすることができる。
【００１６】
上述した硫化物系介在物の形成による作用を有効に発揮させる為には、アスペクト比の平均が１０以下であることが必要である。前述の如く、アスペクト比が１０を超え、縦目に延伸した硫化物系介在物が存在すると、破断分割性が低下するからである。更にアスペクト比を小さくして硫化物系介在物をできるだけ球状化させることにより、熱間加工性も向上し、圧延時や熱間鍛造時の割れを防止できるという効果も得られる。この様な作用を一層高める為には、このアスペクト比をできるだけ１に近づけることが推奨され、好ましくは６以下、より好ましいのは４以下である。
【００１７】
これらの効果は、幅が１μｍ以上の硫化物系介在物の場合に有効である。幅が１μｍ未満の場合は、破断分割時に上述した剥離が生じず、硫化物系介在物自体の破断が生じてしまうからである。
【００１８】
更に本発明では、上述した幅１μｍ以上の硫化物系介在物が、鍛造材の表面から１／４厚さの位置における縦断面において、１００〜４０００個／ｍｍ2 存在することが必要である。上記硫化物系介在物の個数が１００個／ｍｍ2 未満の場合は、該硫化物系介在物を伝播するクラックが減少し、クラックの進展に伴う所望の効果が得られない。好ましくは３００個／ｍｍ2 以上であり、より好ましいのは４００個／ｍｍ2 以上である。一方、上記硫化物系介在物の個数が４０００個／ｍｍ2 を超えると、圧延時や熱間鍛造時に割れ等の弊害が生じる。好ましくは３０００個／ｍｍ2 以下であり、より好ましいのは２５００個／ｍｍ2 以下である。
【００１９】
尚、本発明における「硫化物系介在物」とは、主にＭｎＳを意味するものであるが、その他、Ｍｎ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｅ，Ｔｅ，ＲＥＭ等の硫化物およびこれらの複合硫化物等も本発明の範囲内に包含される。
【００２０】
次に、上述した本発明に係る熱間鍛造型非調質鋼の化学組成について説明する。前述の如く本発明では、特定の硫化物系介在物を存在させることに最重要ポイントがあり、その為には、基本的に下記元素を添加する。
【００２１】
Ｍｎ：２．０％以下（０％を含まない）
Ｍｎは溶製時における脱酸及び脱硫元素として有効な元素であり、また鍛造品のパーライト焼入性を高めてパーライト量を増加させ、パーライト中のラメラー間隔を細かくすることにより耐力や疲労強度等の強度増大に寄与する元素である。更に、Ｓと結合して硫化物系介在物ＭｎＳを形成し、破断分割時の切欠効果も得られる。この様な作用を有効に発揮させる為には、０．１％以上の添加が好ましい。ただし、Ｍｎ含有量が過剰になると、金属組織中にベイナイトが生成し、被削性に悪影響を及ぼす様になるので、その上限を２．０％以下に抑えることが好ましい。より好ましくは１．７％以下である。
【００２２】
Ｓ：０．３８〜０．０６１％
Ｓは硫化物系介在物ＭｎＳ等を形成し、破断分割時の切欠効果を発揮すると共に、被削性向上にも寄与する元素である。この様な作用を有効に発揮させる為には、０．０３８％以上添加する。しかしながら、Ｓ含有量が過剰になると、圧延時や熱間鍛造時に割れなどの弊害が生じる為、０．０６１％以下に抑制する。
【００２３】
更に、硫化物系介在物を球状化してアスペクト比を小さくする為には、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｇ，ＣａおよびＲＥＭよりなる群から選択される少なくとも１種を積極的に添加する。これら元素の添加により、破断分割性を一層高めると共に、熱間加工性を向上させ、圧延時や熱間鍛造時の割れ防止作用も得られる。但し、多過ぎてもその効果が飽和し、コスト上昇を招くので、Ｚｒ：０．２％以下，Ｔｉ：０．１％以下，Ｍｇ：０．０１％以下，Ｃａ：０．０１％以下，ＲＥＭ：０．３％以下（いずれの元素も０％を含まない）に制御する。
【００２４】
更に本発明鋼では、下記のＣ，Ｓｉ，Ｐ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｎを積極的に添加する。
【００２５】
Ｃ：０．１５〜０．６％
Ｃは熱間鍛造・冷却後に鍛造品の金属組織中パーライト量を増大させ、所望の強度を確保するのに寄与する元素である。この様な作用を有効に発揮させる為いは、少なくとも０．１５％以上添加することが好ましい。より好ましくは０．２％以上である。しかしながら、Ｃの含有量が過剰になると、被削性が低下してくるので、その上限を０．６％以下に抑えることが好ましい。強度と被削性のバランスを考慮すれば、より好ましいＣ含有量は０．５％以下である。
【００２６】
Ｓｉ：１．５％以下（０％を含まない）
Ｓｉは鋼材溶製時の脱酸に有効に作用する他、鋼材のフェライト地に固溶して熱間鍛造・冷却後の鍛造品を強化するのに有効な元素である。この様な作用を有効に発揮させる為には０．１％以上添加することが好ましい。しかしながら、Ｓｉの含有量が過剰になると、被削性および熱間加工性に悪影響が現れてくるので、その上限を１．５％にすることが好ましい。より好ましくは１．０％以下である。
【００２７】
Ｐ：０．１５％以下（０％を含まない）
Ｐは粒界への偏析により靱延性を低下させるのに有効な元素である。その為には０．０１％以上添加することが好ましい。しかしながら、Ｐの含有量が過剰になると熱間加工性が低下するため、その上限を０．１５％とすることが好ましい。より好ましくは０．１０％以下である。
【００２８】
Ｃｒ：２％以下（０％を含まない）
ＣｒはＭｎと同様、パーライト焼入れ性を向上させ、耐力や疲労強度等の強度上昇に寄与する元素である。この様な作用を有効に発揮させる為には０．２％以上添加することが好ましい。しかしながら、Ｃｒの含有量が過剰になると硬さが大幅に上昇したり、金属組織中にベイナイトが生成して被削性に悪影響を及ぼす様になるので、その上限を２％以下にすることが好ましい。より好ましくは１．７％以下である。
【００２９】
Ａｌ：０．０６％以下（０％を含まない）
Ｎ  ：０．０３％以下（０％を含まない）
これらの元素は、いずれも結晶粒を微細化して疲労特性の向上に寄与する。この様な作用を有効に発揮させる為には、Ａｌ：０．００１％以上、Ｎ：０．００２％以上添加することが好ましい。ただし、過剰に添加してもその効果は飽和してしまう他、逆に熱間加工性に悪影響を及ぼす様になるので、その上限をＡｌ：０．０６％、Ｎ：０．０３％とすることが好ましい。より好ましくはＡｌ：０．０５％、Ｎ：０．０２０％以下である。
【００３０】
更に本発明鋼では、Ｖを積極的に添加する。
【００３１】
Ｖ  ：０．４５％以下（０％を含まない）
Ｖは、微細な炭化物若しくは窒化物を形成してフェライト地に析出し、耐力や疲労強度等の強度上昇に寄与する元素である。この様な作用を有効に発揮させる為にはＶ：０．０２％以上以上にすることが好ましい。しかしながら、過剰に含有させても効果が飽和し、コスト上昇を招くので、その上限をＶ：０．４５％とすることが好ましい。より好ましくはＶ：０．３５％以下である。
【００３２】
所望の硫化物系介在物を得る為の基本成分は上述した通りであるが、更に、硫化物系介在物を球状化してアスペクト比を小さくする為には、ＳｅおよびＴｅを積極的に添加することが推奨される。これら元素の添加により、破断分割性を一層高めると共に、熱間加工性を向上させ、圧延時や熱間鍛造時の割れ防止作用も得られる。但し、多過ぎてもその効果が飽和し、コスト上昇を招くので、Ｓｅ：０．１％以下，Ｔｅ：０．１％以下（いずれの元素も０％を含まない）に制御することが好ましい。
【００３３】
更に本発明鋼では、Ｎｂを積極的に添加することもできる。
【００３４】
Ｎｂ：０．１５％以下（０％を含まない）
Ｎｂは、微細な炭化物若しくは窒化物を形成してフェライト地に析出し、耐力や疲労強度等の強度上昇に寄与する元素である。この様な作用を有効に発揮させる為にはＮｂ：０．００５％以上にすることが好ましい。しかしながら、過剰に含有させても効果が飽和し、コスト上昇を招くので、その上限をＮｂ：０．１５％とすることが好ましい。より好ましくはＮｂ：０．１％以下である。
【００３５】
更に本発明鋼では、下記のＰｂ及び／又はＢｉを積極的に添加することもできる。
【００３６】
Ｐｂ：０．３％以下（０％を含まない）
Ｂｉ：０．３％以下（０％を含まない）
これらの元素は、いずれも被削性の向上に寄与する元素である。この様な作用を有効に発揮させる為には、Ｐｂ：０．０１％以上、Ｂｉ：０．０１％以上添加することが好ましい。ただし、過剰に添加してもその効果は飽和してしまうので、その上限をＰｂ：０．３％、Ｂｉ：０．３％とすることが好ましい。より好ましくはＰｂ：０．２５％、Ｂｉ：０．２５％以下である。これらの元素は単独で使用しても良いし、２種以上を併用しても構わない。
【００３７】
本発明鋼は上述した元素を必須的に、或いは必要に応じて含有するものであり、その他：実質的にＦｅからなるものであるが、本発明の作用を損なわない範囲で他の許容成分を含有することもできる。
【００３８】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定するものではなく前・後記の趣旨に徴して適宜設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００３９】
【実施例】
表１に示す化学成分組成からなる鋼Ｎo.２〜１２を５０ｋｇ実験炉で溶製した後、熱間鍛造にて厚さ２５ｍｍ、幅７０ｍｍの板に鍛伸し、所定の長さに切断した。
【００４０】
この様にして得られた平板の幅１／４部の縦断面にて１ｍｍ2 の視野を光学顕微鏡（１０００倍）で観察し、幅が１μｍ以上の硫化物系介在物の個数、および該介在物のアスペクト比平均を測定した。
【００４１】
更に上記平板の鍛造方向に対して平行に引張試験片及び衝撃試験片を採取し、各試験を実施した。その際、１５ｍｍ厚さに平潰し鍛造加工した平板の表面を目視により観察し、鍛造割れの有無についても同時に調査した。また、脆性破面率はＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に記載の方法に則って目視観察し、標準破面との比較で、破面の全面積に対する脆性破面の面積の割合を算出した。
【００４２】
表１に、幅が１μｍ以上の硫化物系介在物の個数、該介在物の平均アスペクト比、鍛造時における割れ有無、引張強さ、衝撃値および脆性破面率を併記する。尚、表中、「引張強さ」、「衝撃値」および「脆性破面率」の各項目における「−」は、いずれも測定を中止したことを意味する。
【００４３】
【表１】
0003671688.tif 000002
【００４４】
これらの結果から、以下の様に考察できる。
まずNo.４，５は本発明で規定する要件のいずれも満足する実施例であり、鍛造割れが発生することなく、衝撃値もその基準となる２０Ｊ／ｃｍ2よりも小さく、脆性破面率も必須条件である１００％を満たしており、良好な破断分割性が得られていることが分かる。
【００４５】
これに対して、本発明で特定する要件のいずれかを満足しないＮo.８〜１２は、夫々以下の不具合を抱えている。
【００４６】
Ｎo.８は、硫化物系介在物の個数が多い例であり、熱間での鍛造割れが認められる。一方、Ｎo.９は硫化物系介在物の個数が少ない例であり、衝撃値、脆性破面率ともに目標レベルに達していない。
【００４７】
また、Ｎo.１０は硫化物系介在物の個数は本発明の要件を満足するが、アスペクト比がその上限を超えており、衝撃値、脆性破面率ともに目標レベルに達していない。
【００４８】
更にＮo.１１は、硫化物系介在物の個数およびアスペクト比の両方が本発明の要件を満足しない例であり、衝撃値、脆性破面率ともに目標レベルに達していない。
【００４９】
また、Ｎo.１２はＳ含有量が高く、硫化物系介在物のアスペクト比が大きい例であるが、熱間での鍛造割れが認められた。
【００５０】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されているので、高強度、低靱延性を満足し、破断分割性にも優れた熱間鍛造用非調質鋼を得ることができる。