(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記化学組成（重量％）を有する鍛造品製造用鋼：
0.1 ％≦Ｃ≦0.4 ％
1 ％≦Mn≦1.8 ％
1.2 ％≦Si≦1.7 ％
0 ＜ Ni≦1 ％
0 ％ ＜ Cr≦1.2 ％
0 ％ ＜ Mo≦0.3 ％
0 ％ ＜ Ｖ≦0.3 ％
Cu≦0.35％
0.0005％≦Ｂ≦0.01％
0.005 ％≦Ｔｉ≦0.03％
残部は鉄と不可避不純物。
【請求項２】
任意成分としての下記元素の少なくとも一種を下記組成範囲でさちに含む請求項１に記載の物の鋼：
アルミニウム  ：0.005 ％〜0.06％
ニオブ      ：0.005 ％〜0.06％
硫黄        ：0.005 ％〜0.1 ％
カルシウム  ：0.006 ％以下
テルル      ：0.03％以下
セレン      ：0.05％以下
ビスマス    ：0.05％以下
鉛          ：0.1 ％以下
【請求項３】
下記化学組成（重量％）：
0.1 ％≦Ｃ≦0.4 ％
1 ％≦Mn≦1.8 ％
0.15％≦Si≦1.7 ％
0 ＜ Ni≦1 ％
0 ％ ＜ Cr≦1.2 ％
0 ％ ＜ Mo≦0.3 ％
0 ％ ＜ Ｖ≦0.3 ％
Cu≦0.35％
0.0005％≦Ｂ≦0.01％
0.005 ％≦Ｔｉ≦0.03％
残部は鉄と不可避不純物、
を有する鋼のビレットを作り、このビレットを高温鍛造して鍛造品を製造し、得られた鍛造品を、鋼が完全にオーステナイト構造を取る温度からＭs＋100℃〜Ｍs−20℃の範囲の温度Ｔm （ここでＭs は鋼のマルテンサイト変態開始温度）まで速度Ｖrを0.5℃／秒以上にして冷却し、次いで鍛造品をＴm〜Ｔfの間の温度（ただし、Ｔf≧Ｔm−100℃）に少なくとも２分間保つて、Ｔm〜Ｔfで生成する低ベイナイトを少なくとも15％、パーライト＋フェライトを20％以下の割合で含む構造とすることを特徴とする鍛造品の製造方法。
【請求項４】
鋼が任意成分としての下記元素の少なくとも一種を下記組成範囲でさちに含む請求項３に記載の物の方法：
アルミニウム  ：0.005 ％〜0.06％
ニオブ      ：0.005 ％〜0.06％
硫黄        ：0.005 ％〜0.1 ％
カルシウム  ：0.006 ％以下
テルル      ：0.03％以下
セレン      ：0.05％以下
ビスマス    ：0.05％以下
鉛          ：0.1 ％以下
【請求項５】
鋼が0.3 ％以下の炭素を含む請求項３または４に記載の方法。
【請求項６】
鋼が1.6 ％以下のマンガンを含む請求項３〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
鋼が0.8 ％以下の珪素を含む請求項３〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
鋼が1.2 ％以上の珪素を含む請求項３〜６のいずれか一項に記載のに記載の方法。
【請求項９】
構造物がＴm〜Ｔfで生成する低ベイナイトを少なくとも30％含むように保持温度を選択する請求項３〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
Ｔf がＴm−60℃以上である請求項３〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
冷却速度Ｖr が２℃／秒以上である請求項３〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
Ｔm〜Ｔfの温度に保持した後、鍛造品を室温に冷却する請求項３〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
熱処理でさらに150℃〜650℃でアニーリングする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
Ｔm〜Ｔfの温度に保持した後、鍛造品を650℃以下の温度に加熱してから室温に冷却する請求項３〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
鍛造品をＡＣ3以上の温度に加熱してから熱処理する請求項３〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
鍛造操作直後に熱処理する請求項３〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は優れた特性を有する鋼の鍛造品の製造法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
優れた特性を有する鋼の鍛造品、特に自動車用鍛造品は種々の方法で製造されているが、それらの方法にはいずれも何らかの欠点がある。
第１の方法では鍛造品が炭素0.25〜0.45％、クロム約１％、モリブデン約0.25％の化学組成（重量％）を有するCr-Mo 型の鋼を用いて作られ、ワークピースを鍛造後に急冷−アニール熱処理して引張強度Ｒm が約1,000MPaのアニーリ・マルテンサイト構造を得ている。この方法はコストが高く、鍛造品の形状に歪みが生じるという欠点がある。
【０００３】
別の方法では0.3 ％〜0.4 ％の炭素、１〜1.7 ％のマンガン、0.25〜１％の珪素および0.1 ％以下のバナジウムを含む鋼を用いて鍛造品を作り、鍛造操作後に鍛造品を徐冷してフェライト−パーライト構造にする。この方法は第１の方法よりもコストは低いが、下記の欠点がある：
a)  引張強度Ｒm を1000MPa 以上にできない。
b)  引張強度に対する降伏応力の比Ｒp0.2／Ｒm が 0.75 以下であるため、降伏応力を考慮して寸法を決めると鍛造品の軽量化が制限される。
c)  破断靱性遷移温度が50℃以上で、衝撃強度が低い。
d)  鍛造後に適切な冷却操作を行うために製造設備に冷却トンネルを設置しなければならない場合がある。
【０００４】
この鋼よりも炭素含有率の低い鋼を用いて鍛造品を作り、鍛造後に高温のうちに水で急冷してベイナイト構造またはベイナイト／マルテンサイト構造にすることもできる。この方法によって引張強度Ｒm を1,000MPa以上にすることができ、降伏応力Ｒp0.2は800 MPa 以上にすることができる。しかし、この方法は水による急冷操作を必要とし、その結果、形状に歪みが生じて仕上げ工程が必要になるか、場合によってはそれが致命的欠陥になるという欠点もある。
さらに、0.3 ％〜0.4 ％の炭素と、1.9 ％〜2.5 ％のマンガンとを含む鋼を用いて作られた鍛造品もある。この鍛造品は鍛造後に空冷されて優れた機械特性を有するベイナイト構造になる。しかし、この鍛造品は切削が困難なマルテンサイト構造の偏析分離層を含むことが多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は上記欠点を解決した、優れた特性を有する鍛造品を製造するための鋼と、その製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の対象は下記化学組成（重量％）を有する鍛造品製造用の鋼にある：
0.1 ％≦Ｃ≦0.4 ％
1 ％≦Mn≦1.8 ％
0.15％≦Si≦1.7 ％
0 ≦Ni≦1 ％
0 ％≦Cr≦1.2 ％
0 ％≦Mo≦0.3 ％
0 ％≦Ｖ≦0.3 ％
Cu≦0.35％
アルミニウム（任意成分）：0.005 ％〜0.06％
ホウ素（任意成分）      ：0.0005％〜0.01％
チタン（任意成分）      ：0.005 ％〜0.03％
ニオブ（任意成分）      ：0.005 ％〜0.06％
硫黄  （任意成分）      ：0.005 ％〜0.1 ％
カルシウム（任意成分）  ：0.006 ％以下
テルル（任意成分）      ：0.03％以下
セレン（任意成分）      ：0.05％以下
ビスマス（任意成分）    ：0.05％以下
鉛（任意成分）          ：0.1 ％以下
残部は鉄と不可避不純物。
【０００７】
炭素含有率は 0.3％以下であるのが好ましく、マンガン含有率は 1.6％以下であるのが好ましい。用途の種類によっては珪素含有率を1.2 ％以上または0.8 ％以下にすることができる。
本発明はさらに下記操作からなる鍛造品の製造方法に関するものである：
a)  本発明の鋼からなるビレットを作り、それを高温鍛造して鍛造品とし、
b)  得られた鍛造品を鋼が完全にオーステナイト構造を取る温度からＭs ＋100 ℃〜Ｍs −20℃の範囲の温度Ｔm まで、冷却速度Ｖr を0.5 ℃／秒以上で冷却し、次いで鍛造品をＴm 〜Ｔf の温度（ただし、Ｔf ≧Ｔm −100 ℃、好ましくはＴf ≧Ｔm −60℃）に少なくとも２分間保つて、Ｔm 〜Ｔf で生成するベイナイトを少なくとも15％、好ましくは少なくとも30％含む構造にする。
【０００８】
冷却速度Ｖr は２℃／秒以上にするのが好ましい。
Ｔm 〜Ｔf の温度に保持した後、鍛造品を室温まで冷却し、必要に応じて150 ℃〜650 ℃でアニールすることができる。
Ｔm 〜Ｔf の温度に保持した後、鍛造品を650 ℃以下の温度に加熱し、その後室温まで冷却することもできる。
熱処理は鍛造品をＡＣ3 以上の温度に加熱した後か、鍛造操作直後に行うことができる。
【０００９】
本発明の鋼は下記化学組成（重量％）を有している：
a)  炭素：十分な硬度を与えるためには0.1 ％以上、好ましくは0.15％以上、しかし、引張強度Ｒm を1200MPa に制限するためには0.4 ％以下、好ましくは    0.3 ％以下
b)  マンガン：十分な焼き入れ性を与えるためには１％以上、しかし、偏析分離層の形成を防ぐためには1.8 ％以下、好ましくは1.6 ％以下
c)  珪素：フェライトを硬化させ、必要に応じて残留オーステナイトの生成を促進させて耐疲労限界を向上させるためには0.15％以上、しかし、珪素によってフェライトが脆弱化するのを防ぐためには1.7 ％以下。珪素は、0.15％〜    0.8 ％で残留オーステナイトの形成を促進させずにフェライトを硬化させ、    1.2 ％〜1.7 ％の珪素は耐疲労限界を向上させるのに十分な残留オーステナイトの形成を促進させる。珪素含有率は用途に応じて上記いずれかの範囲に設定することができる。
【００１０】
d)  ニッケルは焼入れ性を調節するために０％〜１％、クロムは０％〜1.2 ％、モリブデンは０〜0.3 ％
e)  任意成分として0.005 ％〜0.03％のチタン
f)  任意成分として0.005 〜0.06％のニオブ
g)  任意成分として焼き入れ性に関する上記各元素の効果を補うために0.0005％〜0.01％のホウ素（この場合、ホウ素の効果を補強するために鋼はチタンを含有するのが好ましい）
h)  補完的な硬化を補償して焼き入れ性を向上させるために０％〜0.3 ％のバナジウム
i)  0.35％以下の銅（スクラップ鉄を精錬した鋼中にしばしば含まれる残留元素であるが、その量が多過ぎると鍛造性が損なわれるという欠点がある）
【００１１】
j)  鋼から酸素を取り除いてオーステナイト系粒子が粗くなるのを調節するための、特に珪素含有率が0.5 ％以下の場合の任意成分としての0.005 ％〜0.06％のアルミニウム
k)  切削性を改良するためにの任意成分としての0.005 ％〜0.1 ％の硫黄、任意成分としての0.006 ％以下のカルシウム、任意成分としての0.03％以下のテルル、任意成分としての0.05％のセレン、任意成分としての0.05％以下のビスマスおよび切削性を改良するための任意成分としての0.1 ％以下の亜鉛残部は鉄と不可避不純物である。
【００１２】
鍛造品を製造する場合には、本発明鋼からなるビレットを作り、それをＡＣ3 以上の温度、好ましくは1150℃以上、さらに好ましくは1200℃〜1280℃に加熱した後に高温鍛造して完全なオーステナイト構造とし、流れ応力を十分に小さくする。鍛造加工後、鍛造品を熱処理する。この熱処理は鍛造操作直後の高温の状態で行うか、鍛造品を冷却後に鋼をＡＣ3 温度以上に再加熱してから行う。
熱処理は、冷却速度Ｖr （700 ℃を通って測定される）を0.5 ℃／秒以上、好ましくは２℃／秒以上にし、Ｍs ＋100 ℃〜Ｍs −20℃の範囲内にある温度Ｔm まで冷却する（ここで、Ｍs は鋼のマルテンサイト変態開始温度である）。冷却後、Ｔm からＴf ≧Ｔm −100 ℃までの温度、好ましくはＴf ≧Ｔm −60℃までの温度に２分以上保持する。この保温操作後、室温に冷却し、必要に応じて補足的に150 ℃〜650 ℃でアニールするか、650 ℃以下の温度に再加熱してから室温まで冷却する。
【００１３】
熱処理の目的は、鍛造品にフェライト含有率が20％以下で、Ｔm 〜Ｔf で生成する低ベイナイト(lower bainite) の含有率が15％以上、好ましくは30％以上であるベイナイトを主成分とする構造を与えることにある。熱処理は鍛造品全体に対して行うか、特定の機能のその一部についてのみ行うことができる。
温度保持条件（Ｔm 、Ｔf 、継続時間）と各構造の割合、特に低ベイナイトの割合はテスト棒の膨張量を測定することによって当業者に周知の方法で求めることができる。
こうして得られる鍛造品は、引張強度Ｒm が 950 MPa〜1150MPa で、降伏応力Ｒp0.2が 750 MPa以上で、20℃での Mesnager 破壊靱性Ｋが25Ｊ／cm2 以上で、切削性が少なくともフェライト−パーライト構造を有する鍛造品と同じかそれ以上で、２×106 サイクルの回転曲げ試験で耐疲労挙動すなわちσD ／Ｒm ＞0.5 を示す。
【００１４】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明が下記実施例に限定されるものではない。
【実施例】
実施例１
下記化学組成（重量％）を有する鋼を用いて車軸を製造した：
0003915043.tif 000002
【００１５】
この鋼は切削性を改良するために0.065 ％のＳをさらに含有し、この鋼のＭs 温度は380 ℃である。
ワークピースを1280℃〜1050℃の温度で高温鍛造する。鍛造後に空気を吹付けて鍛造品を 2.6℃／秒の速度で 425℃まで冷却し、その後、 425℃〜400 ℃に10分間保持し、最後に鍛造品を室温まで自然放冷する。
こうして得られた鍛造品は少なくとも80％のベイナイト構造を含む。鍛造品の特性は下記の通り：
Ｒm ＝1100MPa
Ｒp0.2＝870 MPa
Ａ％＝10％
Ｚ＝60％
【００１６】
実施例２
下記化学組成（重量％）を有する鋼を用いてスタッブ車軸(stub axle) を製造した：
0003915043.tif 000003
【００１７】
この鋼は切削性を改良するために0.05％のＳをさらに含有し、Ｍs 温度は385 ℃である。
ワークピースは1270℃〜1040℃の温度で高温鍛造する。鍛造後に空気を吹付けて鍛造品を 2.6℃／秒の速度で 400℃まで冷却する。その後、鍛造品を 400℃〜380 ℃に10分間保持し、 550℃に１時間加熱してから、最後に室温まで自然放冷する。
こうして得られる鍛造品は少なくとも80％のベイナイト構造を含み、その特性は下記の通り：
Ｒm ＝967MPa
Ｒp0.2＝822 MPa
Ａ％＝12％
Ｚ＝60％
【００１８】
実施例３
この実施例では下記化学組成（重量％）を有する鋼を用いてボール継手を製造した：
0003915043.tif 000004
【００１９】
この鋼は切削性を改良するために0.06％のＳをさらに含み、Ｍs 温度は350 ℃である。
ワークピースは1270℃〜1060℃の温度で高温鍛造する。鍛造後に 1.19 ℃／秒の速度で静止空気中で 380℃まで冷却し、その後、 380℃〜360 ℃に10分間保持し、最後に鍛造品を室温まで自然に放冷する。
こうして得られた鍛造品は少なくとも80％のベイナイト構造を含み、その特性は下記の通り：
Ｒm ＝1170MPa
Ｒp0.2＝947 MPa
Ａ％＝８％
Ｚ＝50％
本発明で得られた鍛造品は自動車用鍛造品、例えばウィッシュボーン、駆動シャフトおよび連結棒用の鍛造品にすることができる他、シャフト、カム、その他各種機械の鍛造品にすることもできる。