(57)【要約】【課題】本発明は、強度、靭性及び耐久性に優れ、かつガス切断性に優れる鍛造用鋼を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の鍛造用鋼は、それぞれ所定量のＣ元素、Ｓｉ元素、Ｍｎ元素、Ｃｕ元素、Ｎｉ元素、Ｃｒ元素、Ｍｏ元素、Ｖ元素、Ｎ元素、Ａｌ元素、Ｓ元素及びＯ原子、並びに残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成を有し、金属組織の主体がベイナイト組織、平均ラス幅が３．０μｍ以下であり、下記式（１）及び（２）を満たすことを特徴としている。  １．１５≧Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４≧０．８９  ・・・（１）  ０．５３≧Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０≧０．４０  ・・・（２）【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．２０質量％以上０．３５質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上０．５質量％以下、
Ｍｎ：０．５０質量％以上２．７０質量％以下、
Ｃｕ：０質量％以上１質量％以下、
Ｎｉ：０質量％以上２．００質量％以下、
Ｃｒ：１．００質量％以上２．５０質量％以下、
Ｍｏ：０．１０質量％以上０．５５質量％以下、
Ｖ：０質量％以上０．２０質量％以下、
Ｎ：３０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下、
Ａｌ：０質量％以上０．０５０質量％以下、
Ｓ：０質量％以上０．０２０質量％以下、
Ｏ：０質量ｐｐｍ超５０質量ｐｐｍ以下、並びに
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
である組成を有し、
金属組織の主体がベイナイト組織、平均ラス幅が３．０μｍ以下であり、
下記式（１）及び（２）を満たすことを特徴とする鍛造用鋼。
１．１５≧Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４≧０．８９  ・・・（１）
０．５３≧Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０≧０．４０  ・・・（２）
【請求項２】
平均ブロック幅が５０μｍ以下である請求項１に記載の鍛造用鋼。
【請求項３】
Ｎｂ：０質量％以上０．０７質量％以下、又は
Ｂ：０質量％以上０．０３質量％以下、
の少なくとも一方をさらに含有する請求項１又は請求項２に記載の鍛造用鋼。
【請求項４】
上記Ａｌの含有量が０．０１０質量％以上、
上記Ｓの含有量が０質量％超０．００３０質量％以下、
上記Ｏの含有量が１５質量ｐｐｍ以下である請求項１、請求項２又は請求項３に記載の鍛造用鋼。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の鍛造用鋼を用いた大型鍛鋼品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鍛造用鋼及び大型鍛鋼品に関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶用駆動源の伝達部材として用いられるクランク軸、中間軸、推進軸、連接棒、ラダーストック、ラダーホーン等の大型鍛鋼品には、鍛造用鋼が用いられる。発電用、船舶用ディーゼルエンジンの出力向上やコンパクト化を実現するため、これらの大型鍛鋼品に用いられる鍛造用鋼には高強度、高靭性、耐久性及び生産性向上が必要とされている。
【０００３】
強度及び靭性の高い鍛造用鋼としては、その元素組成等を工夫した鍛造用鋼が提案されている（特許文献１〜３参照）。
【０００４】
このような大型鍛鋼品では、強度及び靭性を高めるため、一般に焼きなまし又は焼き入れを行い、その後焼き戻しが行われる。この熱処理において、一般に内部と表面との冷却速度の差によって材質ばらつきが生じる。特に、船舶用駆動源の伝達部材の大型鍛鋼品では、例えば大型クランクスローであれば全長３５００ｍｍ、ウェブ幅２０００ｍｍというように厚肉の鍛造用鋼が必要となる。このような厚肉の鍛造用鋼を製造する場合、冷却速度が鍛造用鋼の厚み方向や各鍛造用鋼間で異なり易い。
【０００５】
このように鍛造用鋼の強度が高くとも組織が不均一な場合、鍛造用鋼内に強度の差が生じ、振動や変形により耐久性するおそれがある。このため、従来の鍛造用鋼では、強度及び靭性と材質ばらつきの低減とを両立することが難しいという不都合がある。また、従来の鍛造用鋼は、ジャーナル穴加工のガス切断に時間がかかりすぎるため生産性が低下する不都合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２４１８９２号公報
【特許文献２】特開２００４−２１１２０６号公報
【特許文献３】特開２００５−３４４１４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、強度、靭性及び耐久性に優れ、かつガス切断性に優れる鍛造用鋼を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、鋭意検討した結果、製造される鍛造用鋼の組織が冷却速度によって異なり難い元素組成が存在することを知得した。つまり、発明者は、元素組成の異なる多数の鍛造用鋼を分析したところ、冷却速度依存性の少ない元素組成とした上で、平均ラス幅を所望の形態とすることによりガス切断性が向上するこことを見出し、本発明を完成させた。
【０００９】
すなわち、上記課題を解決するためになされた本発明の鍛造用鋼は、
Ｃ：０．２０質量％以上０．３５質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上０．５質量％以下、
Ｍｎ：０．５０質量％以上２．７０質量％以下、
Ｃｕ：０質量％以上１質量％以下、
Ｎｉ：０質量％以上２．００質量％以下、
Ｃｒ：１．００質量％以上２．５０質量％以下、
Ｍｏ：０．１０質量％以上０．５５質量％以下、
Ｖ：０質量％以上０．２０質量％以下、
Ｎ：３０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下、
Ａｌ：０質量％以上０．０５０質量％以下、
Ｓ：０質量％以上０．０２０質量％以下、
Ｏ：０質量ｐｐｍ超５０質量ｐｐｍ以下、並びに
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
である組成を有し、
金属組織の主体がベイナイト組織、平均ラス幅が３．０μｍ以下であり、
下記式（１）及び（２）を満たすことを特徴とする。
１．１５≧Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４≧０．８９  ・・・（１）
０．５３≧Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０≧０．４０  ・・・（２）
【００１０】
当該鍛造用鋼は、３．０μｍ以下の平均ラス幅であるのでガス切断性が向上する。そして、当該鍛造用鋼は、その金属組織がベイナイト組織を主体とするので強度に優れ、さらには靭性と共に耐久性に優れる。当該鍛造用鋼の金属組織は、製造時に主としてベイナイト組織に変態したものであり、この変態時、上記式（１）及び（２）を満たすことで、当該鍛造用鋼の材質ばらつきを低減することができる。今のところ、そのメカニズムは明確ではないが、上記式（１）を満たすことで高冷却速度での変態開始温度の低温化が抑制でき、上記式（２）を満たすことで低冷却速度での変態開始温度の高温化が抑制できると考えられる。これにより冷却速度の相違から鍛造用鋼の材質ばらつきが抑制され、材質ばらつきによる鍛造用鋼内の強度差が発生し難くなる。従って、当該鍛造用鋼は、ガス切断性に優れると共に、強度、靭性及び耐久性にも優れる。
【００１１】
また、当該鍛造用鋼は、平均ブロック幅が５０μｍ以下であるとよく、これによって靭性がより向上する。
【００１２】
また、当該鍛造用鋼は、
Ｎｂ：０質量％以上０．０７質量％以下、又は
Ｂ：０質量％以上０．０３質量％以下、
の少なくとも一方をさらに含有するとよく、これによって焼き入れ性及び強度がより向上する。
【００１３】
また、当該鍛造用鋼は、上記Ａｌの含有量が０．０１０質量％以上、上記Ｓの含有量が０質量％超０．００３０質量％以下、上記Ｏの含有量が１５質量ｐｐｍ以下であるとよく、これによって疲労特性がより向上する。
【００１４】
本発明の大型鍛鋼品は、当該高強度鍛鋼を用いて製造される。このため、当該大型鍛鋼品は、強度及び靭性と共に耐久性に優れる。
【００１５】
なお、金属組織の主体がベイナイト組織であるとは、ベイナイト組織の面積分率が全組織に対して９０面積％以上を占めることをいう。上記下限は、好ましくは９９面積％である。また、ベイナイト組織の面積分率の測定方法としては、ナイタールエッチングを施した鍛鋼品用高強度鋼の断面を光学顕微鏡で写真撮影し、その顕微鏡写真を目視することにより、ベイナイト組織とそれ以外の金属組織とに分け、それらの面積比を求めることにより行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の鍛造用鋼及び高強度鍛鋼は、強度及び靭性と共に耐久性に優れる。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［鍛造用鋼］
以下、本発明に係る鍛造用鋼の実施形態について説明する。
【００１８】
＜金属組織＞
当該鍛造用鋼は、その金属組織がベイナイト組織を主体とする。このように金属組織がベイナイト組織を主体とすることにより、当該鍛造用鋼は強度に優れる。
【００１９】
当該鍛造用鋼における平均ラス幅は３μｍ以下である。この平均ラス幅の上限は２．５μｍがより好ましい。平均ラス幅の下限は、特に限定されないが、例えば１μｍとすることができる。平均ラス幅は、鍛造用鋼の表層から１／４厚の部位から採取したサンプルを用いて、倍率：１，０００倍にて走査型顕微鏡（ＳＥＭ）観察を行い、３視野の平均値を平均ラス幅とする。なお、表層から１／４厚の部位とは、例えば当該高強度鍛造用鋼が横断面方形の板状である場合には表面から当該鍛造用鋼の厚みの１／４の深さの部位を意味する。
【００２０】
当該鍛造用鋼における平均ブロック幅は５０μｍ以下である。この平均ブロック幅の上限は４０μｍが好ましく、３０μｍがより好ましい。平均ブロック幅の下限は、特に限定されないが、例えば１μｍとすることができ、１０μｍとすることが好ましい。平均ブロック幅は、鍛造用鋼の表層から１／４厚の部位から採取したサンプルを用いて、以下の手順により決定した。まず、前処理として、試験片にエメリー紙による湿式研磨及びダイヤモンドペースト（粒子サイズ３μｍ）によるバフ研磨を施した後、クロム酸・氷酢酸による電解研磨を施し鏡面に仕上げた。次に、この前処理を行った試料及びＳＥＭを用いて得られた電子線後方散乱回折図形（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｐａｔｔｅｒｎ：  ＥＢＳＰ）を解析することによりベイニティックフェライトの結晶方位を決定した。試料の結晶方位の測定は、ＴＳＬ社製のＯＩＭ測定装置を備えた日立製作所製Ｓ３１００走査電子顕微鏡又は日本電子製ＪＳＭ−６５００Ｆ電界放射操作電子顕微鏡を用いて、加速電圧１５ｋＶ又は２５ｋＶで行った。測定用ソフトウェアとしては、ＴＳＬ社製測定用ソフトウェア“ＯＩＭ  Ｄａｔａ  Ｃｌｌｅｃｔｉｏｎ  ３．０”及び“ＯＩＭ  Ｄａｔａ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ３．５”を用いた。次に、ＴＳＬ社製解析用ソフトウェア“ＯＩＭ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ３”により解析を行い、結晶方位マップを作成した。最後に、結晶方位マップ上でラス断面の長手方向と垂直に線を引き、１５°以上の方位差を持つ境界との交点の数を数え、その平均切片長さを平均ブロック幅とした。
【００２１】
＜組成＞
当該鍛造用鋼は、
Ｃ（炭素）：０．２０質量％以上０．３５質量％以下、
Ｓｉ（ケイ素）：０質量％以上０．５質量％以下、
Ｍｎ（マンガン）：０．５０質量％以上２．７０質量％以下、
Ｃｕ（銅）：０質量％以上１質量％以下、
Ｎｉ（ニッケル）：０質量％以上２．００質量％以下、
Ｃｒ（クロム）：１．００質量％以上２．５０質量％以下、
Ｍｏ（モリブデン）：０．１０質量％以上０．５５質量％以下、
Ｖ（バナジウム）：０質量％以上０．２０質量％以下、
Ｎ（窒素）：３０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下、
Ａｌ（アルミニウム）：０質量％以上０．０５０質量％以下、
Ｓ（硫黄）：０質量％以上０．０２０質量％以下、
Ｏ（酸素）：０質量ｐｐｍ超５０質量ｐｐｍ以下、並びに
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
である組成を有する。
【００２２】
（Ｃ元素の含有量）
Ｃ元素は、焼き入れ性を高めると共に強度向上に寄与する元素である。当該鍛造用鋼においてＣ元素の含有量の下限は０．２０質量％である。このＣ元素の含有量の下限としては０．２５質量％が好ましい。また、Ｃ元素の含有量の上限は０．３５質量％であり、この上限としては０．３２質量％が好ましい。Ｃ元素の含有量が上記下限未満である場合、当該鍛造用鋼の十分な強度と焼き入れ性とが確保できないおそれがある。一方、Ｃ元素の含有量が上記上限を超える場合、当該鍛造用鋼の靭性が低下するおそれや、Ｃの逆Ｖ偏析が助長されるため当該鍛造用鋼の被削性が低下するおそれがある。
【００２３】
（Ｓｉ元素の含有量）
Ｓｉ元素は、脱酸元素として酸素量低減に寄与する元素であり、必要により添加される。すなわち、当該鍛造用鋼におけるＳｉ元素の含有量の下限は０質量％であり、Ｓｉは含まれていなくてもよい。また、Ｓｉ元素の含有量の上限は０．５質量％であり、この上限としては０．３質量％が好ましく、０．２質量％がより好ましい。Ｓｉ元素の含有量が上記上限を超える場合、Ｓｉ元素の逆Ｖ偏析が助長されるため、当該鍛造用鋼の靭性や耐水素割れ性が低下するおそれがある。
【００２４】
（Ｍｎ元素の含有量）
Ｍｎ元素は、焼き入れ性を高めると共に強度向上に寄与する元素である。当該鍛造用鋼におけるＭｎ元素の含有量の下限は０．５０質量％である。また、Ｍｎ元素の含有率の上限は２．７０質量％であり、この上限としては２．５０質量％が好ましく、１．５０質量％がより好ましい。Ｍｎ元素の含有量が上記下限未満である場合、当該鍛造用鋼の十分な強度と焼き入れ性とが確保できないおそれや結晶粒度のばらつきを十分に抑制できないおそれがある。一方、Ｍｎ元素の含有量が上記上限を超える場合、Ｍｎ元素の逆Ｖ偏析が助長されるため、当該鍛造用鋼の靭性や耐水素割れ性が低下するおそれがある。
【００２５】
（Ｃｕ元素の含有量）
Ｃｕ元素は、靭性向上に寄与する元素であり、必要により添加される。すなわち、当該鍛造用鋼におけるＣｕ元素の含有量の下限は０質量％であり、Ｃｕ元素は含まれていなくてもよい。当該鍛造用鋼におけるＣｕ元素の含有量の上限は１質量％であり、この上限としては０．５質量％が好ましい。一方、Ｃｕ元素の含有量が上記上限を超える場合、製造コストが増大するおそれや熱間割れが生じるおそれがある。
【００２６】
（Ｎｉ元素の含有量）
Ｎｉ元素は、強度及び靭性の向上に寄与する元素であり、必要により添加される。つまり、当該鍛造用鋼におけるＮｉ元素の含有量の下限は０質量％であり、Ｎｉ元素は含まれていなくてもよい。また、当該鍛造用鋼におけるＮｉ元素の含有量の上限は２．００質量％であり、この上限としては１．００質量％が好ましく、０．８０質量％がより好ましい。Ｎｉ元素の含有量が上記上限を超える場合、Ｎｉ元素の逆Ｖ偏析が助長されるため、当該鍛造用鋼の靭性が低下するおそれがある。
【００２７】
（Ｃｒ元素の含有量）
Ｃｒ元素は、焼き入れ性を高めると共に靭性向上に寄与する元素である。当該鍛造用鋼におけるＣｒ元素の含有量の下限は１．００質量％である。また、当該鍛造用鋼におけるＣｒ含有量の上限は２．５０質量％であり、この上限としては、２．００質量％が好ましく、１．６０質量％がより好ましい。当該鍛造用鋼におけるＣｒ元素の含有量が上記下限未満である場合には、当該鍛造用鋼の十分な靭性と焼き入れ性とが確保できないおそれがある。一方、Ｃｒ元素の含有量が上記上限を超える場合、Ｃｒ元素の逆Ｖ偏析が助長されるため、当該鍛造用鋼の被削性が低下するおそれがある。
【００２８】
（Ｍｏ元素の含有量）
Ｍｏ元素は、焼き入れ性、強度及び靭性の向上に寄与する元素である。当該鍛造用鋼におけるＭｏ元素の含有量の下限は０．１０質量％であり、この下限としては０．３０質量％が好ましい。また、当該鍛造用鋼におけるＭｏ元素の含有量の上限は０．５５質量％であり、この上限としては０．５質量％が好ましい。Ｍｏ元素の含有量が上記下限未満である場合、当該鍛造用鋼の十分な焼き入れ性、強度及び靭性が確保できないおそれがある。一方、Ｍｏ元素の含有量が上記上限を超える場合、Ｍｏ元素のミクロ偏析や重量偏析が助長されるため、当該鍛造用鋼の靭性が低下するおそれがある。
【００２９】
（Ｖ元素の含有量）
Ｖ元素は、焼き入れ性を高めると共に強度向上に寄与する元素であり、必要により添加される。すなわち、当該鍛造用鋼におけるＶ含有量の下限は０質量％であり、この下限としては０．０４質量％が好ましく、０．０８質量％がより好ましい。また、当該鍛造用鋼におけるＶ元素の含有量の上限は０．２０質量％であり、この上限としては０．１５質量％が好ましい。Ｖ元素の含有量が上記上限を超える場合、Ｖの平衡分配係数の低さに起因してミクロ偏析が助長されるため、当該鍛造用鋼の靭性が低下するおそれがある。
【００３０】
（Ｎ元素の含有量）
Ｎ元素は、窒化物を形成して結晶粒を細粒化し、靭性の確保に寄与する元素である。当該鍛造用鋼におけるＮ元素の含有量の下限は３０質量ｐｐｍである。また、当該鍛造用鋼におけるＮ元素の含有量の上限は１００質量ｐｐｍであり、この上限としては８０質量ｐｐｍが好ましく、６０質量ｐｐｍがより好ましい。Ｎ元素の含有量が上記下限未満である場合、当該鍛造用鋼の靭性が確保できないおそれがある。一方、Ｎ元素の含有量が上記上限を超える場合、固溶Ｎとしてひずみ時効をもたらし、当該鍛造用鋼の靭性を低下させるおそれがある。
【００３１】
（Ａｌ元素の含有量）
Ａｌ元素は、脱酸元素として酸素量低減に寄与する元素であり、必要により添加される。すなわち、当該鍛造用鋼におけるＡｌ元素の含有量の下限は０質量％であり、Ａｌ元素は含まれていなくてもよい。当該鍛造用鋼におけるＡｌ元素の含有量の下限は、０．０１０質量％が好ましく、０．０１５質量％がより好ましい。また、当該鍛造用鋼におけるＡｌ元素の含有量の上限は０．０５０質量％である。Ａｌ元素の含有量が０．０１０質量％以上又は０．０１５質量％以上であることで、当該鍛造用鋼の十分な酸素量低減が可能となる。逆に、Ａｌ元素の含有量が上記上限を超える場合、酸化物の粗大化を招き、当該鍛造用鋼の靭性が低下するおそれがある。
【００３２】
（Ｏ原子の含有量）
Ｏ原子は、当該鍛造用鋼中に酸化物として存在し、Ｏ原子の含有量は０質量％にできない。従って、当該鍛造用鋼のＯ原子の含有量の下限は０質量％超である。一方、当該鍛造用鋼におけるＯ原子の含有量の上限は３０質量ｐｐｍであり、この上限としては１５質量ｐｐｍが好ましく、１０質量ｐｐｍがより好ましい。Ｏ原子の含有量が上記上限を超える場合、酸化物の粗大化を招き、当該鍛造用鋼の靭性が低下するおそれがある。
【００３３】
（Ｓ元素の含有量）
当該鍛造用鋼におけるＳ元素の含有量の下限は０質量％であり、Ｓ元素は含まれていなくてもよい。ただし、当該鍛造用鋼は、上記Ａｌ元素の含有量が０．０１０質量％以上であり、上記Ｏ原子の含有量が１５質量ｐｐｍ以下であると共に、Ｓ元素の含有量が０質量％超０．００３０質量％以下であることが好ましい。これによって、当該鍛造用鋼の疲労特性がより向上する。
【００３４】
（他の成分）
当該鍛造用鋼は、上述した成分以外に残部にＦｅ（鉄）及び不可避的不純物を含む。また、不可避的不純物としては、例えば原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれるＰ（リン）、Ｓ、Ｓｎ（スズ）、Ａｓ（ヒ素）、Ｐｂ（鉛）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔｉ（チタン）等の元素の混入が許容される。
【００３５】
上記不可避的不純物であるＰ元素の含有量の上限としては、０．１質量％が好ましく、０．０１質量％がより好ましい。当該鍛造用鋼のＰ元素の含有量が上記上限を超える場合、粒界偏析による粒界破壊を助長するおそれがある。
【００３６】
上記不可避的不純物であるＳ元素の含有量の上限としては、０．０２０質量％が好ましく、０．０１０質量％がより好ましい。当該鍛造用鋼のＳ元素の含有量が上記上限を超える場合には、硫化物系介在物が増大して強度を劣化させるおそれがある。Ｓ元素の含有量は、上記上限以下の範囲にあっても、当該鍛造用鋼の精錬（脱硫）によりＳ元素の含有量をさらに減少させて、上述の疲労特性を向上させる範囲内とすることが好ましい。
【００３７】
＜各成分含有量間の関係＞
当該鍛造用鋼は、下記式（１）及び（２）を満たす。
１．１５≧Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４≧０．８９  ・・・（１）
０．５３≧Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０≧０．４０  ・・・（２）
【００３８】
当該鍛造用鋼の金属組織は、製造時に主としてベイナイト組織に変態したものであり、この時、上記式（１）及び（２）を満たすことで、当該鍛造用鋼の材質ばらつきを低減することができる。今のところ、そのメカニズムは明確ではないが、上記式（１）を満たすことで高冷却速度での変態開始温度の低温化が抑制でき、上記式（２）を満たすことで低冷却速度での変態開始温度の高温化を抑制できると考えられる。これにより冷却速度の相違から鍛造用鋼の材質ばらつきが抑制され、材質ばらつきによる鍛造用鋼内の強度差が発生し難くなる。
【００３９】
さらに詳細に説明すると、式（１）及び式（２）の不等号に挟まれた下記式（３）及び式（４）で表される関数Ｆ及び関数Ｇは、元素組成の異なる多数の鍛造用鋼を回帰分析することにより導出した式である。
Ｆ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４  ・・・（３）
Ｇ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０  ・・・（４）
【００４０】
式（３）で表される関数Ｆは、主に焼き入れ処理後時の平均冷却速度が１℃／ｍｉｎである低冷却速度時の鍛造用鋼の強度と正の相関がある。また、式（４）の関数Ｇは、低冷却速度時の靭性と負の相関がある。
【００４１】
なお、「強度」はＪＩＳ−Ｚ２２０１（２０１１）の１４号試験片（φ６×Ｇ．３０）を用いＪＩＳ−Ｚ２２４１（２０１１）に基づいて引張強さ（ＴＳ）を測定した値を意味し、「靭性」はＪＩＳ−Ｚ２２０２（２００５）の試験片（２ｍｍＶノッチ）を用いＪＩＳ−Ｚ２２４２（２００５）に基づいてシャルピー衝撃試験により室温で吸収エネルギー（ｖＥ）を測定した値を意味する。強度及び靭性共に数値が大きいほど優れていることを意味する。
【００４２】
ここで、式（４）で表される関数Ｇの値が増加すると低冷却速度時の鍛造用鋼の強度が向上するが、関数Ｇの値が０．５３を超えると鍛造用鋼の靭性が１５０Ｊ未満となり、鍛造用鋼として靭性不足となるおそれがある。逆に、関数Ｇの値が減少すると鍛造用鋼の靭性が向上するが、関数Ｇの値が０．４０未満となると低冷却速度時の鍛造用鋼の強度が６５０ＭＰａ未満となり、鍛造用鋼として強度不足となるおそれがある。従って、強度及び靭性に優れた鍛造用鋼を得るには、式（２）を満たす必要がある。
【００４３】
同様に式（３）で表される関数Ｆは、主に焼き入れ処理後時の平均冷却速度が１０℃／ｍｉｎである高冷却速度時の鍛造用鋼の強度と正の相関がある。関数Ｆの値が０．９０未満となると高冷却速度時の鍛造用鋼の強度が６５０ＭＰａ未満となり、鍛造用鋼として強度不足となるおそれがある。従って、強度に優れた鍛造用鋼を得るには、関数Ｆの値を０．９０以上とする必要がある。
【００４４】
また、関数Ｆの値が大きくなる際、高冷却速度時の鍛造用鋼の強度の増加は、低冷却速度時の鍛造用鋼の強度の増加よりも大きい。このため、関数Ｆの値が大きくなると、高冷却速度時の鍛造用鋼の強度と低冷却速度時の鍛造用鋼の強度との差が大きくなり易い。つまり、冷却速度の相違により鍛造用鋼の強度差が発生し易くなり、耐久性が低下するおそれがある。ここで、関数Ｇが上述の０．５３付近では、低冷却速度時の鍛造用鋼の強度は７００ＭＰａ程度である。これに対し、関数Ｆの値が１．１５を超えると高冷却速度時の鍛造用鋼の強度が８００ＭＰａを超えるため、低冷却速度時の鍛造用鋼の強度との強度差が１００Ｊを超え、鍛造用鋼が耐久性不足となるおそれがある。従って、耐久性に優れた鍛造用鋼を得るには、関数Ｆの値を１．１５以下とする必要がある。これにより式（１）が導出される。
【００４５】
今のところ、そのメカニズムは明確ではないが、上記を満たすことで金属疲労の発生起点となる粗大介在物が減少するため、疲労特性が大きく改善していると推定される。
【００４６】
＜機械的性質＞
当該鍛造用鋼の引張強さ（ＴＳ）の下限としては、６５０ＭＰａが好ましく、７００ＭＰａがより好ましい。また、当該鍛造用鋼の引張強さの上限としては、８５０ＭＰａが好ましく、８００ＭＰａがより好ましい。当該鍛造用鋼の引張強さが上記下限未満である場合、当該鍛造用鋼の強度が不足するおそれがある。一方、当該鍛造用鋼の引張強さが上記上限を超える場合、当該鍛造用鋼の強度の冷却温度依存性が発生し易くなり、当該鍛造用鋼の耐久性が不足するおそれがある。
【００４７】
焼き入れ処理時の平均冷却速度を１０℃／ｍｉｎとして製造した鍛造用鋼と焼き入れ処理時の平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした以外は同様の条件で製造した鍛造用鋼との引張強さ（ＴＳ）の差分の上限としては、１００ＭＰａが好ましく、７５ＭＰａがより好ましく、５０ＭＰａがさらに好ましい。上記差分が上記上限を超える場合、当該鍛造用鋼の強度の冷却温度依存性が発生し易くなり、当該鍛造用鋼の耐久性が不足するおそれがある。
【００４８】
シャルピー衝撃試験により室温で測定した当該鍛造用鋼の吸収エネルギーの下限としては、１５０Ｊが好ましく、１８０Ｊがより好ましい。また、上記吸収エネルギーの上限としては、２６０Ｊが好ましい。上記吸収エネルギーが上記下限未満である場合、当該鍛造用鋼の靭性が不足するおそれがある。一方、上記吸収エネルギーが上記上限を超える場合、当該鍛造用鋼の強度が低下するおそれがある。
【００４９】
＜大型鍛鋼品＞
当該大型鍛鋼品は、当該鍛造用鋼を用いて製造される。このため、当該鍛造用鋼は強度及び靭性と共に耐久性にも優れる。従って、当該大型鍛鋼品は、船舶用、発電用ディーゼルエンジンの出力向上やコンパクト化を実現するための部品として好適に用いることができる。
【００５０】
＜製造方法＞
当該鍛造用鋼は、例えば溶製工程、鋳造工程、加熱工程、素材鍛造工程を経ることで製造され、当該鍛造用鋼を用いた大型鍛鋼品は、部品鍛造工程、焼き入れ前処理工程、焼き入れ処理工程及び機械加工工程を備える製造方法により製造される。
【００５１】
（鋳造工程）
鋳造工程では、溶製工程で成分調整した鋼を用いて鋼塊（インゴット）を鋳造する。鍛造用鋼の場合は、主としてインゴット鋳造が採用されるが、連続鋳造法を採用することも可能である。
【００５２】
（加熱工程）
加熱工程では、所定の温度で所定時間、鋼塊を加熱する。低温になると材料の変形抵抗が増大するので、材料の変形能の良好な範囲で加工を行うために、加熱温度は例えば１１５０℃以上１３５０℃以下とする。また、鋼塊の表面と内部との温度を均一にするために所定の加熱時間が必要であり、加熱時間は例えば３時間以上とする。加熱時間は、一般的に被加工物の直径の２乗に比例すると考えられており、大型材ほど加熱保持時間は長くなる。
【００５３】
（素材鍛造工程）
素材鍛造工程では、加熱工程で加熱された鋼塊を鍛造する。ザク巣やミクロポロシティ等の鋳造欠陥を圧着させるために、鍛錬成形ではガス切断性向上のため以下の条件が必要となる。このようにして当該鍛造用鋼が得られる。
【００５４】
［１，１００℃〜１，０００℃までの累積圧下率を２０％〜３０％］
この温度は再結晶により旧オーステナイトが微細になる最適温度である。この温度範囲での累積圧下率を２０％以上、好ましくは２５％以上とすることによって、適正サイズのラス組織が得られる。この温度範囲から外れると粗大な組織となりガス切断性が確保できない。また、この温度範囲において、Ｓ＝Ａ０／Ａ≧３．０、好ましくはＳ≧３．５とするとよい。ここで、Ａ０は鍛造前の断面積を示し、Ａは鍛造後の断面積を示す。
【００５５】
（部品鍛造工程）
部品鍛造工程では、素材鍛造工程で鍛造された鋼塊（鍛造用鋼）をクランク軸等の大型鍛鋼品に加工する。例えばクランク軸への加工方法としては、クランクアームとクランクピンを一体としたブロックとして鍛造し、ガス切断及び機械加工によってクランク軸形状に仕上げる自由鍛造法や、鋼塊の軸心がクランク軸の軸心部となる様に鍛造加工し、中心偏析により特性の劣化を起こし易い部分をクランク軸の全ての軸心部となるように一体に鍛造加工するＲＲ鍛造法及びＴＲ鍛造法が例示される。中でもＲＲ鍛造法及びＴＲ鍛造法が、クランク軸の表層側を清浄度の高い部分で占めさせることができ、強度及び耐久性に優れたクランク軸が得られ易いので好ましい。
【００５６】
（焼き入れ処理工程）
焼き入れ処理工程では、焼き入れ処理を行った後、焼き戻し処理を行う。焼き入れ処理の前に、鍛造品を冷却する焼き入れ前処理工程が実施される。焼き入れ処理は、焼き入れ前処理工程で冷却された鍛造品を、所定温度まで昇温して所定時間保持した後、所定温度まで冷却する処理である。焼き入れ温度としては８００℃以上９５０℃以下が好ましく、上記保持時間としては１時間以上が好ましい。また冷却温度としては、４５０℃以上５３０℃以下が好ましい。また、昇温速度としては、３０℃／ｈｒ以上７０℃／ｈｒ以下が好ましく、冷却速度としては、１５℃／ｍｉｎ以下が好ましい。
【００５７】
また、焼き入れ処理における冷却では、上記冷却に替えてサブゼロ処理を実施してもよい。サブゼロ処理とは、深冷処理とも呼ばれているものであり、鍛造品を焼き入れ温度から直ちに０℃以下の冷却温度に冷やす処理である。サブゼロ処理として、メタノール又はエタノールと、ドライアイスとを寒剤として用いて鍛造品を約−８０℃まで冷やす処理を採用してもよい。また、寒剤として炭酸ガスを用いて鍛造品を約−１３０℃まで冷やす処理を採用してもよいし、液体窒素を用いて鍛造品を冷やす処理を採用してもよい。サブゼロ処理における冷却温度としては、−１９０℃以上−８０℃以下が好ましい。冶金学的なメカニズムは不明確であるが、サブゼロ処理を実施することによってブロック幅を５０μｍ以下にすることができる。
【００５８】
焼き戻し処理は、焼き入れ処理を行った鍛造品を所定の温度まで徐加熱し、一定時間保持した後、室温まで冷却する処理である。焼き戻し温度としては、５５０℃以上６５０℃以下が好ましく、上記保持時間としては５時間以上２０時間以下が好ましい。また、昇温速度としては、３０℃／ｈｒ以上７０℃／ｈｒ以下が好ましく、冷却速度としては、１５℃／ｍｉｎ以下が好ましい。焼き戻しを行うことにより、強度、延性及び靭性のバランスが調整されるとともに、相変態で生じた内部応力（残留応力）が除去される。
【００５９】
（機械加工工程）
焼き入れ処理工程後の鍛造品から、ガス切断後に切削、研削を含む仕上げ機械加工を施すことで、当該大型鍛造用部品を得ることができる。
【００６０】
＜利点＞
当該鍛造用鋼は、その金属組織がベイナイト組織を主体とするので、強度に優れる。この金属組織は、当該鍛造用鋼の製造時に主としてベイナイト組織に変態したものであり、この変態時に、上記式（１）を満たすことで、高冷却速度での変態開始温度の低温化が抑制でき、上記式（２）を満たすことで、低冷却速度での変態開始温度の高温化を抑制できる。このように冷却速度による変態開始温度の相違を抑制することで、当該鍛造用鋼の材質ばらつきを抑制することができる。さらに当該鍛造用鋼の各元素組成を上記範囲内とすることにより、強度及び靭性が確保できる。従って、当該鍛造用鋼は、強度及び靭性と共に耐久性に優れる。また、平均ラス幅が所定範囲内であるので、ガス切断性に優れ、生産性の向上を図ることができる。このため、当該鍛造用鋼を用いた大型鍛鋼品は、船舶用ディーゼルエンジンや発電用ディーゼルエンジン等の出力向上やコンパクト化を実現するための部品として好適に用いることができる。
【００６１】
［変形実施形態］
上述した鍛造用鋼が、０質量％以上０．０７質量％以下のＮｂ、又は０質量％以上０．０３質量％以下のＢの少なくとも一方をさらに含有することも可能である。つまり、当該鍛造用鋼は、
Ｃ：０．２０質量％以上０．３５質量％以下、
Ｓｉ：０質量％以上０．５質量％以下、
Ｍｎ：０．５０質量％以上２．７０質量％以下、
Ｃｕ：０質量％以上１質量％以下、
Ｎｉ：０質量％以上２．００質量％以下、
Ｃｒ：１．００質量％以上２．５０質量％以下、
Ｍｏ：０．１０質量％以上０．５５質量％以下、
Ｖ：０質量％以上０．２０質量％以下、
Ｎ：３０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下、
Ａｌ：０質量％以上０．０５０質量％以下、
Ｓ：０質量％以上０．０２０質量％以下、
Ｏ：０質量ｐｐｍ超５０質量ｐｐｍ以下、
Ｎｂ（ニオブ）：０質量％以上０．０７質量％以下、
Ｂ（ホウ素）：０質量％以上０．０３質量％以下、並びに
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
の組成を有することも可能である。これにより、当該鍛造用鋼の焼き入れ性及び強度を向上させることができる。
【００６２】
（Ｎｂ元素の含有量）
Ｎｂ元素は、焼き入れ性を高めると共に強度向上に寄与する元素であり、必要により添加される。すなわち、当該鍛造用鋼におけるＮｂ含有量の下限は０質量％であり、この下限としては０．０１質量％が好ましく、０．０２質量％がより好ましい。また、当該鍛造用鋼におけるＮｂ元素の含有量の上限は０．０７質量％であり、この上限としては０．０５質量％が好ましい。Ｎｂ元素の含有量が上記上限を超える場合、Ｎｂの平衡分配係数の低さに起因してミクロ偏析が助長されるため、当該鍛造用鋼の靭性が低下するおそれがある。
【００６３】
（Ｂ元素の含有量）
Ｂ元素は、焼き入れ性を高めると共に強度向上に寄与する元素であり、必要により添加される。すなわち、当該鍛造用鋼におけるＢ含有量の下限は０質量％であり、この下限としては０．０１質量％が好ましい。また、当該鍛造用鋼におけるＢ元素の含有量の上限は０．０３質量％であり、この上限としては０．０２質量％が好ましい。Ｂ元素の含有量が上記上限を超える場合、Ｂの平衡分配係数の低さに起因してミクロ偏析が助長されるため、当該鍛造用鋼の靭性が低下するおそれがある。
【実施例】
【００６４】
以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。
【００６５】
［評価方法］
表１及び表３に示す組成を有し、所定の平均ラス幅（表１及び表３に示す平均ラス幅）を有するＮｏ．１〜Ｎｏ．４２及びＮｏ．５１〜Ｎｏ．６７の４５０ｍｍ厚の板状の鍛鋼について後述する評価を行った。平均ラス幅は、鍛鋼のｔ／４位置（ｔ：板厚）から採取したサンプルを用いて、倍率：１，０００倍にて走査型顕微鏡（ＳＥＭ）観察を行い、３視野の平均値をその鋼種の平均ラス幅とした。また、Ｎｏ．５１〜Ｎｏ．５８の鍛鋼については、表４に示す冷却温度でサブゼロ処理を実施し、平均ブロック幅を決定した。平均ブロック幅は、鍛鋼のｔ／４位置（ｔ：板厚）から採取したサンプルを用いて、倍率：４００倍にてＥＢＳＤ測定を行い、得られた結晶方位マップ上でラス断面の長手方向と垂直に線を引き、１５°以上の方位差を持つ境界との交点の数を数え、その平均切片長さを平均ブロック幅とした。なお、表３の平均ブロック幅に記した×は、鍛鋼に割れが発生して平均ブロック幅を決定できなかったことを示す。
【００６６】
【表１】
2017128795.tif 000002
【００６７】
【表２】
2017128795.tif 000003
【００６８】
【表３】
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【００６９】
【表４】
2017128795.tif 000005
【００７０】
＜強度評価＞
強度評価として、表１及び表３に示す各成分組成の鍛造用鋼の上記ｔ／４位置からの試験片について引張試験を実施した。引張試験は、ＪＩＳ−Ｚ２２０１（２０１１）の１４号試験片（φ６×Ｇ．３０）を用いＪＩＳ−Ｚ２２４１（２０１１）に基づいて引張強さ（ＴＳ）を測定することで行った。この引張強さ（ＴＳ）の数値が大きいほど、鍛造用鋼が強度に優れることを意味する。引張試験は、平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼の上記引張強さと、平均冷却速度を１０℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼の上記引張強さとについて測定し、それぞれの測定結果を表２及び表４の強度１及び強度２に記した。平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼の上記引張強さと、平均冷却速度を１０℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼の上記引張強さとの双方が６５０ＭＰａ以上である場合、「良好」と判断し、６５０ＭＰａ未満を「良好でない」と判断した。また、平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼の上記引張強さと、平均冷却速度を１０℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼の上記引張強さとの差（表２及び表４における強度差）が１００ＭＰａ以下である場合、鍛造用鋼が耐久性に優れ、「良好」と判断し、１００ＭＰａ超の場合「良好でない」と判断した。この差を表２及び表４の強度差に記した。
【００７１】
＜靭性評価＞
靭性評価として、表１及び表３に示す各成分組成の鍛造用鋼（ｔ／４位置）についてシャルピー衝撃試験を実施した。シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳ−Ｚ２２０２（２００５）の試験片（２ｍｍＶノッチ）を用いＪＩＳ−Ｚ２２４２（２００５）に基づいて室温で吸収エネルギー（ｖＥ）を測定することで行った。吸収エネルギーの数値が大きいほど鍛造用鋼が靭性に優れることを意味する。なお、シャルピー衝撃試験は、平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼について実施した。上述のようにこの吸収エネルギーの数値が１５０Ｊ以上である場合、鍛造用鋼が靭性に優れ、「良好」と判断し、１５０Ｊ未満の場合「良好でない」と判断した。この吸収エネルギーを表２及び表４の靱性に記した。なお、表４の靱性に記した×は、鍛鋼に割れが発生して靱性を判断できなかったことを示す。
【００７２】
＜ガス切断性評価＞
ガス切断性は、切断速度１７０ｍｍ／ｍｉｎ、酸素圧５．５ｋｇ／ｃｍ２、プロパンガス圧０．５５ｋｇ／ｃｍ２にて鍛鋼を切断し、ガス切断面粗さが５．５μｍ以下であるものを「良好」と判断し、５．５μｍ超の場合「良好でない」と判断した。なお、ガス切断面粗さは、ＪＩＳ−Ｂ０６０１（２０１３）に準拠して測定した。このガス切断面粗さを表２及び表４のガス切断性に記した。
【００７３】
表２に示すように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１５の実施例の鍛造用鋼は、平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼の引張強さ、平均冷却速度を１０℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼の引張強さ、耐久性、靭性及びガス切断性のいずれも良好であることが確認された。
【００７４】
一方、Ｎｏ．１６〜Ｎｏ．４２の比較例の鍛造用鋼は、平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼の引張強さ、平均冷却速度を１０℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼の引張強さ、耐久性、靭性及びガス切断性の少なくとも一つが良好でないことが確認された。以下、各比較例について検討する。
【００７５】
Ｎｏ．１６〜Ｎｏ．３４の鍛造用鋼は、組成が本発明で規定する範囲を満たしていない比較例である。このＮｏ．１６〜Ｎｏ．３４の鍛造用鋼のそれぞれは、平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼の引張強さ、及び平均冷却速度を１０℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼の引張強さ、並びに靱性の少なくとも一つが良好でない。
【００７６】
Ｎｏ．３５〜Ｎｏ．３９の鍛造用鋼は、上記式（１）及び式（２）の少なくとも一方を満たしていない比較例である。このＮｏ．３５〜Ｎｏ．３９の鍛造用鋼は、平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼の引張強さと、平均冷却速度を１０℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼の引張強さとの差が大きく、耐久性が良好でない。
【００７７】
Ｎｏ．４０〜Ｎｏ．４２の鍛造用鋼は、本発明が規定する平均ラス幅を満たしていない比較例である。このＮｏ．４０〜Ｎｏ．４２の鍛造用鋼は、本発明で規定する平均ラス幅を有するものではないので、ガス切断性が良好でない。
【００７８】
また、表４に示すように、Ｎｏ．４３〜Ｎｏ．５３の実施例の鍛造用鋼は、平均冷却速度を１℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼の引張強さ、平均冷却速度を１０℃／ｍｉｎとした鍛造用鋼の引張強さ、耐久性、靭性及びガス切断性のいずれも良好であることが確認された。特に、Ｎｏ．４３〜Ｎｏ．４６の実施例の鍛造用鋼は、平均ブロック幅が２０μｍ〜２７μｍであり、優れた引張強さ、耐久性、靭性及びガス切断性を示すことが確認された。
【００７９】
一方、Ｎｏ．５４〜Ｎｏ．５９の比較例の鍛造用鋼は、靭性が良好でないことが確認された。以下、各比較例について検討する。
【００８０】
Ｎｏ．５４〜Ｎｏ．５７の鍛造用鋼は、好ましい冷却温度である−１９０℃以上−８０℃以下の範囲から外れた冷却温度でサブゼロ処理を実施した比較例である。Ｎｏ．５４〜Ｎｏ．５５の鍛造用鋼は、好ましい冷却温度の下限を下回る温度でサブゼロ処理を実施した比較例であり、鍛造用鋼に割れが発生し、靱性が良好でない。また、Ｎｏ．５６〜Ｎｏ．５７の鍛造用鋼は、好ましい冷却温度の上限を上回る温度でサブゼロ処理を実施した比較例であり、平均ブロック幅が好ましい範囲の上限である５０μｍを上回り、かつ靱性が良好でない。
【００８１】
Ｎｏ．５８〜Ｎｏ．５９の鍛造用鋼は、組成についてＮｂ元素の含有量又はＢ元素の含有量の少なくとも一方が好ましい範囲から外れた比較例である。Ｎｏ．５８の鍛造用鋼は、Ｎｂ元素の含有量が好ましい範囲の上限である０．０７質量％を超えた比較例であり、Ｎｏ．５９の鍛造用鋼は、Ｂ元素の含有量が好ましい範囲の上限である０．０３質量％を超えた比較例であり、いずれも靱性が良好でない。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
以上のように、本発明の鍛造用鋼及び大型鍛鋼品は、例えば船舶用ディーゼルエンジンや発電用ディーゼルエンジン等に好適に採用することができる。