(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続して冷間鍛造を行い、この冷間鍛造後に焼き入れを行うための鉄鋼材のビレットであって、Ｃ（炭素）が０．４６〜０．４８wt％、Ｓｉ（珪素）が０．１４wt％以下、Ｍｎ（マンガン）が０．５５〜０．６５wt％、Ｐ（リン）が０．０１５wt％以下、Ｓ（硫黄）が０．０１５wt％以下、Ｃｕ（銅）が０．１５wt％以下、Ｎｉ（ニッケル）が０．２０wt％以下、Ｃｒ（クロム）が０．３５wt％以下含まれるとともに、該ビレットを構成する炭化物のアスペクト比は３００％以下で且つ該ビレットの限界据え込み率は９０％以上であることを特徴とする冷間鍛造用ビレット。
【請求項２】
請求項１に記載の冷間鍛造用ビレットにおいて、このビレットはクランク軸などの軸付きエンジン部品の素材であることを特徴とする冷間鍛造用ビレット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中間焼鈍を必要とせず高い変形能の冷間鍛造が連続して可能で且つ焼入れ性を損なわない冷間鍛造用ビレットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動二輪車等のエンジンのクランク軸やコンロッド等の成形は熱間鍛造が主流であり、材料を再結晶温度以上に加熱して鍛錬成形するのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
熱間鍛造による成形は、金型表面が摩耗しやすく、その結果鍛造品の精度が悪くなり、鍛造後の機械加工による取代が大きくなって加工効率が低下する。そして、レース加工代が大きい為に機械台数も多くなり初期投資が膨大になる。
また、熱間鍛造にあっては、加熱後に鍛造するためにスケールが発生し、更に離型剤等の塗布が必須になるので作業環境を最適に保つことが困難である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、冷間鍛造の連続成形によって成形可能で、焼入れ性が良く、更に連続成形の途中で軟化処理が不要な冷間鍛造用ビレットの成分組成を提供することを目的とする。
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明は、連続して冷間鍛造を行うための鉄鋼材のビレットの材料組成として、Ｃが０．４６〜０．４８ｗｔ％、Ｓｉが０．１４ｗｔ％以下、Ｍｎが０．５５〜０．６５ｗｔ％、Ｐが０．０１５ｗｔ％以下、Ｓが０．０１５ｗｔ％以下、Ｃｕが０．１５ｗｔ％以下、Ｎｉが０．２０ｗｔ％以下、Ｃｒが０．３５ｗｔ％以下含まれるものとした。
【０００６】
ここで、機械構造用炭素鋼のＪＩＳ  Ｓ４８Ｃ（以下、単にＳ４８Ｃと記す）は熱間鍛造用素材として使用されており、材料成分は、Ｃが０．４５〜０．５１ｗｔ％、Ｓｉが０．１５〜０．３５ｗｔ％、Ｍｎが０．６〜０．９ｗｔ％、Ｐが０．０３ｗｔ％以下、Ｓが０．０３５ｗｔ％以下、Ｃｕが０．３０ｗｔ％以下、Ｎｉが０．２０ｗｔ％以下、Ｃｒが０．３５ｗｔ％以下が基準とされている。
【０００７】
一方、上記のようなＳ４８Ｃの冷間鍛造能力は、例えば据込み率が７０〜７５％程度であり、据込み率が９０％以上の変形量の多い冷間鍛造を行うと材料割れが生じて成形することができない。
【０００８】
そしてこの変形能に影響を及ぼす元素として、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ或いはＣｕ等があり、Ｓｉは鋼の硬さや引張り強さ等を高め、熱処理にあたっては結晶粒の成長を早める作用があるものの、伸びや衝撃値を減じて鍛造性を害するようになり、またＰも、フェライト中に固溶すると硬さや引張り強さをやや増すが、衝撃値を減じて加工時に割れやすく、冷間脆さの原因となる。また、Ｓが多量に含まれると、冷間鍛造時にクラック発生の起点となる硫化マンガン（ＭｎＳ）が析出し、加工中に割れを生じやすくなり、Ｃｕの含有量が多くなるとフェライト硬さを増加させ、冷間鍛造性を損う原因となる。
【０００９】
一方、焼入れ性の確保の点から、Ｃの含有量は、上記熱間鍛造用素材と同等の量が望まれ、またＭｎもフェライト中に固溶すると、鋼の変態点を下げて焼きが入りやすくなるため、熱間鍛造用素材と同等の量が望まれる。
【００１０】
そこで、本発明にあっては、熱間鍛造用素材であるＳ４８Ｃの成分組成を基本にし、焼入れ性確保の点からＣの量をＳ４８Ｃと同等にした上で、冷間鍛造時の材料割れの原因になりやすいＳｉ、Ｐ、Ｓ及びＣｕの量をどの程度まで削減しなければならないかを検証し、前記組成の冷間鍛造用ビレットとした。
【００１１】
因みに、このような冷間鍛造用ビレットは、例えば、棒状素材を１回目の球状化焼鈍処理して内部の炭化物を球状化した後、所定の断面減少率で引抜き加工し、所望の寸法に切断した後、更に２回目の球状化焼鈍処理によって内部の炭化物の分散を促進し球状化率を高めるようにして製造すれば、硬度が低下して成形性が良くなり、また表層部の伸び率も良くなって好適である。また、冷間鍛造後の製品硬度は時効処理によって高めることができる。
【００１２】
上記の焼鈍処理にて、ビレットを構成する炭化物のアスペクト比を３００％以下にでき、結果として、上記組成のビレットは限界据込み率を９０％以上とすることが可能になる。
【００１３】
本発明に係るビレットは、連続した冷間鍛造により軸付きエンジン部品を成形するのに適している。
ここで、軸付きエンジン部品とは、例えばクランク軸等であり、従来、熱間鍛造で成形するのが主流であったため、高精度な製品形状のものを得ることが困難であったが、連続した冷間鍛造が適用可能となれば高精度な製品形状のものを生産性を高くして且つ安価に製造することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について添付図面に基づき説明する。ここで、図１は本発明に係る材料成分の棒材から冷間鍛造用ビレットを製造する具体的方法の工程図、図２は冷間引抜き率と限界据込み率の関係を表すグラフ、図３は引抜き前に球状化焼鈍を行う効果を説明した図、図４（Ａ）〜（Ｃ）はビレットの金属組織を示すＳＥＭ写真（１０００倍）図５は据込み率の説明図、図６は本発明に係る冷間鍛造用ビレットを用いてクランク軸を連続鍛造する鍛造工程の一例の説明図である。
【００１５】
本発明に係るビレットの成分組成は、Ｃが０．４６〜０．４８ｗｔ％、Ｓｉが０．１４ｗｔ％以下、Ｍｎが０．５５〜０．６５ｗｔ％、Ｐが０．０１５ｗｔ％以下、Ｓが０．０１５ｗｔ％以下、Ｃｕが０．１５ｗｔ％以下、Ｎｉが０．２０ｗｔ％以下、Ｃｒが０．３５ｗｔ％以下含まれる鋼材である。この組成の基本的な構成は、熱間鍛造素材であるＳ４８Ｃの成分組成をベースにし、焼入れ性確保のためＣの量をＳ４８Ｃと同等にするとともに、材料割れの要因になりやすいＳｉとＰとＳの量を削減した成分組成にしている。
【００１６】
ここで、Ｃは単位％当り最も冷間鍛造性に大きな効果をもつ元素であり、機械的性質、特に材料強度、焼入れ性の面から重要である。即ち、クランク軸にあっては全体的に所定の機械的強度を必要とするとともに、ウォーム及びテーパ部など局部的に高硬度が要求される。このように局部的に高硬度が要求される部分を鍛造後の焼入れで硬度を上げるには、Ｃの割合を０．４６〜０．４８ｗｔ％とする必要がある。
【００１７】
またＳｉは原料の銑鉄中に存在し、製鋼の過程で殆ど除去されるが、製鋼過程の最後に脱酸剤として添加されることがあり、Ｓ４８Ｃでは０．１５〜０．３５ｗｔ％含まれ、一部は鋼中に入りフェライトに固溶するが、鍛造性を阻害するので冷間鍛造素材としては除去することが好ましい。
【００１８】
またＭｎは製鋼の過程でも多少残るが、脱酸剤として添加されるため、Ｓ４８Ｃには０．６０〜０．９０ｗｔ％含まれている。このＭｎはＳと結合して硫化マンガンとして鋼中に分散し、一部はフェライト中に固溶するが、Ｓに結合しやすいＭｎはＭｎＳとなり、鍛造成形時の割れの起点となりやすい為、低減させることが望ましいが、フェライト中に固溶するＭｎは焼きを入りやすくし、結晶粒の成長を抑える。このため、Ｍｎ量は０．５５〜０．６５ｗｔ％にする。
【００１９】
またＰはフェライト中に固溶し、多量に含まれる場合は鉄の一部と化合してリン化鉄になるが、Ｐがフェライト中に固溶するとフェライトは伸びが減じられるようになり、常温における衝撃値も減じられて加工時に割れが生じやすくなる。そしてこのＰはＳ４８Ｃでは０．０３ｗｔ％まで許容されており、冷間鍛造素材としては、この許容値が高すぎる。
【００２０】
またＳはＭｎの一部と化合してＭｎＳになり、このＭｎＳは冷間鍛造時に生じる表面割れの起点となるため、Ｓ４８Ｃでは０．０３５ｗｔ％まで許容されているが、冷間鍛造素材としては、許容値が高すぎる。
本発明にあっては、加工性を阻害する元素、Ｓｉ、Ｐ、Ｓの含有量をできるだけ減らして冷間鍛造性を高めるべく、Ｓｉを０．１４ｗｔ％以下、Ｐを０．０１５ｗｔ％以下、Ｓを０．０１５ｗｔ％以下にしている。
【００２１】
またＣｕは高温加熱ではＦｅより酸化が少ないため、表面に富化して赤熱脆性を起こすので、概ね当量のＮｉを添加して赤熱脆性を防止する。一方、ＣｕはＰと同様に微量の含有によりフェライト硬さを増加させ、冷間鍛造性を損うと考えられる為、０．１５ｗｔ％以下とする。
【００２２】
またＮｉは前記した効果の他に、焼入れ性を増し、低温脆性を防止し、耐食性を改善するため、Ｓ４８Ｃと同量添加する。更にＣｒは焼入性、焼戻し抵抗を大にし、耐食性を高め安定した炭化物を作りやすいため、Ｓ４８Ｃと同量程度含有せしめる。
【００２３】
そして、以上のような成分組成の鋼材からなる棒材に対して、図１に示すように、酸洗を行った後、第１回目の球状化焼鈍を行い、セメンタイトを球状化して素材全体の加工性を向上させ、内部まで歪みを与えることができるようにするとともに、パーライトの微細化を図る。
この球状化焼鈍は、実施形態では７４０℃で６時間保持した後、２０℃／ｈで６８０℃まで降温させ、その後、炉冷する手順で行う。
【００２４】
次に、酸洗、ボンデ処理を行って引抜き加工を行い、限界据込み率の向上を図る。
ここで図２は球状化焼鈍を施した鋼材の冷間引抜き率（断面減少率）と限界据込み率の関係を示すグラフであるが、冷間引抜き率（断面減少率）が２０％程度で限界据込み率を最大にすることができることが分る。このことは従来から知られている。
【００２５】
上記した引抜きを行うことによって限界据込み率が上がる理由は、引抜きを実施することで、第２回目の焼鈍時にオーステナイト粒が微細化し、球状化速度を速めることができるからと推定されるが、本実施形態では、最大の限界据込み率が得られるよう、冷間引抜き率（断面減少率）２０％で引抜いた。
因みに、冷間引抜き率（断面減少率）は、図２に示すように、加工前の径がＤで加工後の径がｄの場合、（Ｄ２−ｄ２）／Ｄ２×１００で表される値である。
【００２６】
次に、この棒材を所望の寸法に切断し、これを酸洗した後、２回目の球状化焼鈍を行い、炭化物の分散を図るとともに球状化率を高める。
そして実施形態では、この２回目の球状化焼鈍は、７５０℃で２時間保持した後、２０℃／ｈで７３０℃まで降温させ、その後降温率を１５℃／ｈに下げて６８０℃まで降温させ、その後炉冷する手順で行う。
【００２７】
そしてこの２回目の球状化焼鈍を終えた後に、ショットブラスト、ボンデ処理を行って表面調整を行い、冷間鍛造用ビレットとした。
【００２８】
以上のような工程中、引抜き前と引抜き後にそれぞれ球状化焼鈍を行う（合計２回）場合と、引抜き後だけ１回行う場合の球状化レベルとビレット硬度（ＨＲＣ）と脱炭層深さ（ｍｍ）を比較すると図３の通りである。
ここで、球状化レベル（数値が少ないほど球形に近く良好）の向上とビレット硬度の低下は、成形性を良好にするために効果的であり、脱炭層深さ（表層のフェライト化）の浸透は、表層部の伸び率の向上に効果的である。
【００２９】
そこで、アスペクト比についての実験を行った。材料の成分組成は、Ｃが０．４６〜０．４８ｗｔ％、Ｓｉが０．１４ｗｔ％以下、Ｍｎが０．５５〜０．６５ｗｔ％、Ｐが０．０１５ｗｔ％以下、Ｓが０．０１５ｗｔ％以下、Ｃｕが０．１５ｗｔ％以下、Ｎｉが０．２０ｗｔ％以下、Ｃｒが０．３５ｗｔ％以下、残部はＦｅと不純物である。
【００３０】
引抜きを行わずに球状化焼鈍を行った場合（材料１）、引抜き前に球状化焼鈍を行わなずに引抜き率を２０％とした場合（材料２）、引抜き前と引抜き後に球状化焼鈍を行い引抜き率を２０％とした場合（材料３）の各材料の金属組織（１０００倍）を図４（Ａ）〜（Ｃ）に示す。
【００３１】
各材料の炭化物の球状化率を表すアスペクト比（ｂ／ａ×１００）は、（表１）に示すように、材料１については５０６％、材料２については３４７％、材料３については３００％であった。
そして、各材料を用いて、冷間鍛造（据込み）を行った。据込み率は図５に示すように（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１×１００＝９０（％）とした。この時の各材料の割れ発生率は、それぞれ３５％、５％及び０％であった。
したがって、球状化焼鈍を２回実施することにより、炭化物の結晶は、より球形に近づき、冷間鍛造の際に割れが生じにくくなることが判った。
【００３２】
【表１】
0003569158.tif 000002
【００３３】
次に、本発明に係る材料成分の有効性を確認するため、据込み試験した結果を以下の（表２）に示す。据込み率はは前記同様９０％とし、据込み試験の材料（ビレット）はいずれも引抜きの前後に球状化焼鈍を行ったものを用いた。
【００３４】
【表２】
0003569158.tif 000003
【００３５】
先ず、Ｓ４８Ｃを材料として据込み試験を行った場合には割れ発生は２０％（Ｎ＝１００）であった。割れ発生率が２０％ということは、冷間鍛造用の材料として不適である。
【００３６】
そこで、本発明者らはＭｎの割合を低減することを試みた。その結果、割れ発生は１２％に下がった。しかしながら、これでも冷間鍛造用の材料として不適である。尚、Ｓ４８Ｃでは、Ｍｎの割合は０．６０〜０．９０ｗｔ％であるので、０．６０〜０．６５ｗｔ％の範囲でＳ４８ＣとＭｎの割合を低減した材料とが重複することになる。これは、Ｍｎの割合を厳密に特定することはできず、ある程度のバラツキは不可避であることによる。これは、Ｓ４８Ｃを用いても割れが生じないものがあり、Ｍｎの割合を低減した材料を用いても割れが発生するものがあることからも是認できる。
【００３７】
Ｍｎの割合を低減しても十分ではないことが判明したので、本発明者らは、焼入れ性に悪影響を及ぼさない範囲でＣ（炭素）の量を低減してみた。その結果、割れ発生率は５％に下がった。しかしながら、これでも冷間鍛造用の材料としては不適である。
【００３８】
そこで、加工性を阻害する元素と考えられるＳｉ、Ｐ、Ｓ及びＣｕの含有量を減らして据込み試験を行った。即ちＳｉを０．１４ｗｔ％以下、Ｐを０．０１５ｗｔ％以下、Ｓを０．０１５ｗｔ％以下、Ｃｕを０．１５ｗｔ％以下とした。結果は、（表２）に示すように割れ発生率は０％であった。
【００３９】
そしてこのような冷間鍛造用ビレットを使用して、例えば図６に示すような複数段回の冷間鍛造を連続して行ってクランク軸を成形すれば、成形途中で中間焼鈍することなく連続成形することができる。また、焼入れ性も良好である。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る冷間鍛造用ビレットは、連続して冷間鍛造を行うための鉄鋼材のビレットの材料組成として、所定の成分含有量にしたため、連続した冷間鍛造を行っても割れ等が発生することなく、高い据込み率で効率的に成形できるようになった。
【００４１】
そしてこのような冷間鍛造用ビレットで、軸付きエンジン部品を製造するようにすれば、従来の熱間鍛造のような複数の段取り換えを行う必要がなくなり、また後加工の切削工程等も省略できて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る材料成分の棒材から冷間鍛造用ビレットを製造する方法の工程図
【図２】冷間引抜き率と限界据込み率の関係を表すグラフ
【図３】引抜き前の球状化焼鈍を行う効果を説明した図
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）はビレットの金属組織を示すＳＥＭ写真（１０００倍）
【図５】据込み率の説明図
【図６】本発明に係る冷間鍛造用ビレットでクランク軸を連続鍛造する鍛造工程の一例の説明図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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