(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．５５から０．６０％、
Ｓｉ：０．０１から０．５０％、
Ｍｎ：０．３から２．０％、
Ｃｒ：０．０１から２．００％、
Ｖ：０．０３から０．２０％、
Ｎ：０．００５０から０．０２００％（以上、重量％）、
残部：鉄および不可避的不純物
からなり、下式
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋１．５Ｖ
によって表される炭素当量（Ｃｅｑ）が０．８０から１．１０％の範囲内の鋼を、１１５０から１３００℃の範囲内の加熱温度のもとで所望の部品形状に熱間鍛造して、鍛造まま部品を調製し、次いで、このようにして調製した前記鍛造まま部品を、０．２から１０℃／ｓｅｃの範囲内の冷却速度で空冷して、下記機械的性質を有し、
ブリネル硬さ（ＨＢ）：２５０から２９０、
降伏応力（ＹＰ）：６００Ｎ／ｍｍ2 以上、
伸び（Ｅｌ）：１５％以上、
且つ、フェライト面積率（ｆF ）が５％以下のパーライトを主体とする金属組織を有する粗部品を調製し、次いで、このようにして調製した前記粗部品における他部品との嵌合い部を、前記嵌合い部の表面粗さが５から２５μｍの範囲内になるように仕上げ加工を施すことを特徴とする、耐摩耗性に優れた熱間鍛造部品の製造方法。
【請求項２】
前記鋼は、Ｔｉ、ＮｂおよびＡｌのうちの少なくとも１種を、０．００５から０．１００重量％の範囲内で更に含んでいることを特徴とする、請求項１記載の耐摩耗性に優れた熱間鍛造部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、耐摩耗性に優れた熱間鍛造部品の製造方法、特に、圧入されるベアリング等の部品との嵌合い部に生じるフレッチング（微小滑り）摩耗を大幅に軽減することができる、耐摩耗性に優れた熱間鍛造部品の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のクランクシャフト、ハブ等の機械部品は、従来Ｓ４５Ｃに代表される機械構造用鋼を熱間鍛造して、鍛造まま部品を調製し、次いで、このようにして調製した鍛造まま部品に焼入れ焼戻し処理を施して、即ち、調質処理を施して粗部品を調製し、次いで、このようにして調製した粗部品に仕上げ加工を施して製造される。このように鍛造まま部品に調質処理を施すのは、製品部品に強靱性を持たせるためである。
【０００３】
しかしながら、工程省略、省エネルギー化の観点から、鍛造後に放冷または風冷ままで所望の強靱性を得ることができる非調質鋼が広く採用されている。このような非調質鋼からなる熱間鍛造まま部品は、調質処理が施こされることなく、そのまま冷却され、次いで、軸部に切削等の機械加工が施こされて製品部品に仕上げられる。
【０００４】
上記機械部品が例えばクランクシャフトである場合、クランクシャフトが繰返し曲げを受けると、クランクシャフトに圧入されるベアリングのインナーレースとクランクシャフトとの嵌合い部に応力が集中する結果、この嵌合い部にフレッチングによるフレッチング摩耗が生じる。このフレッチング摩耗の程度が進行すると、クランクシャフトとしての機能が失われる。
【０００５】
図１および図２を参照しながらフレッチング摩耗について説明する。図１は、車軸１とこれにプレスばめされたベアリング２との嵌合い部における応力分布を示す図である。図２は、ベアリング２との嵌合い部において上下方向に繰返し曲げを受ける車軸１を示す概念図である。
【０００６】
図１および図２に示すように、フレッチング摩耗は、車軸１とベアリング２との嵌合い部において、最も大きな応力（Ｐ）を受ける部分、即ち、嵌合い部の両端部３において生じやすい。
【０００７】
従来の非調質鋼は、例えば、特開昭６２−９６６５３号公報、特開平４−９９２４９号公報、特開平７−２３３４３５号公報に開示されているように、フェライト＋パーライト組織を基本とするものであって、靱性を確保する点からもフェライトの面積率が１０から４０％と高かった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フェライト相は、軟質で面圧のかかった状態において１０から１００μｍフレッチングが繰り返されると、この軟質なフェライト相に応力が集中する結果、変形しやすくなり、このために磨耗粉が生じる。この磨耗粉は、赤褐色に酸化したざらざらした酸化磨耗粉である。この酸化磨耗粉は、一般の滑り磨耗と異なり、磨耗面から排出されない。従って、磨耗が更に磨耗を促進することになる。
【０００９】
このようなことから、従来の非調質鋼は、熱間鍛造ままで使用することができないので、上述したような嵌合い部には、高周波焼入れ、あるいは、タフトライド等の表面硬化処理を施して、耐磨耗性の向上を図る必要があった。
【００１０】
しかしながら、このような表面硬化処理を行うことは製造工程が増えることになって、コスト増につながっていた。本願発明者は、上述したような問題点に鑑み、耐磨耗性に優れた熱間鍛造部品の製造方法を開発すべく鋭意研究を重ねた。この結果、以下のような知見を得た。
【００１１】
（１）フレッチング磨耗の特徴は、著しい酸化磨耗粉の形成であり、磨耗過程における酸化磨耗粉は、アブレシブ（研磨）作用として磨耗を促進する作用を有していることは上述した通りである。そこで、この酸化磨耗粉によるアブレシブ磨耗を防止することが重要になる。そのために酸化磨耗粉の発生原因となる応力が集中する軟質なフェライト相を極力少なくし、できれば、その発生を抑止して、硬質なパーライト単相組織とすることが望ましい。
（２）従来の非調質鋼の欠点は、降伏応力（ＹＳ）が低いことである。磨耗は、表層部の鋼が組成変形することによって進行することから、磨耗を抑制するには、鋼を組成変形しにくくする必要がある。即ち、磨耗を抑制するには、降伏応力を従来の調質鋼並みに高くする必要がある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上述したような知見に基づきなされたものであって、請求項１記載の発明は、Ｃ：０．５５から０．６０％、Ｓｉ：０．０１から０．５０％、Ｍｎ：０．３から２．０％、Ｃｒ：０．０１から２．００％、Ｖ：０．０３から０．２０％、Ｎ：０．００５０から０．０２００％（以上、重量％）、残部：鉄および不可避的不純物からなり、下式Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋１．５Ｖによって表される炭素当量（Ｃｅｑ）が０．８０から１．１０％の範囲内の鋼を、１１５０から１３００℃の範囲内の加熱温度の基で所望の部品形状に熱間鍛造して、鍛造まま部品を調製し、次いで、このようにして調製した前記鍛造まま部品を、０．２から１０℃／ｓｅｃの範囲内の冷却速度で空冷して、下記機械的性質を有し、ブリネル硬さ（ＨＢ）：２５０から２９０、降伏応力（ＹＰ）：６００Ｎ／ｍｍ2 以上、伸び（Ｅｌ）：１５％以上、且つ、フェライト面積率（ｆF ）が５％以下のパーライトを主体とする金属組織を有する粗部品を調製し、次いで、このようにして調製した前記粗部品における他部品との嵌合い部を、前記嵌合い部の表面粗さが５から２５μｍの範囲内になるように仕上げ加工を施すことに特徴を有するものである。
【００１３】
請求項２記載の発明は、前記鋼は、Ｔｉ、ＮｂおよびＡｌのうちの少なくとも１種を、０．００５から０．１００重量％の範囲内で更に含んでいることに特徴を有するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、この発明における必須成分元素を、上述したように限定した理由について説明する。
【００１５】
Ｃ（炭素）：炭素は、鋼の強度を確保する上および組織をパーライトにする上で重要な元素である。しかしながら、炭素含有量が０．５５重量％（以下、単に％と記載する。）未満では、組織をパーライトにすることが困難である。一方、炭素含有量が０．６０％を超えると鋼の強度が高くなり過ぎて、切削性が低下するばかりか、靱性も低下する。従って、この発明においては、炭素含有量を、０．５５から０．６０％の範囲内に限定した。
【００１６】
Ｓｉ（シリコン）：シリコンは、脱酸材として重要な元素であり、このために、０．０１％以上含有させる必要がある。一方、シリコンは、フェライト形成元素であり、その含有量が０．５０％を超えるとフェライトが発生しやすくなると共に介在物が増加して、靱性が低下する等の問題が生じる。従って、この発明においては、シリコン含有量を０．０１から０．５０％の範囲内に限定した。
【００１７】
Ｍｎ（マンガン）：マンガンは、鋼の靱性を確保するのに重要な元素であり、硫化鉄（ＦｅＳ）の発生を防止して靱性を確保するには、０．３％以上含有させる必要がある。一方、マンガン含有量が２．０％を超えると、鋼が硬くなり過ぎて、靱性が低下する等の問題が生じる。従って、この発明においては、マンガン含有量を、０．３から２．０％の範囲内に限定した。
【００１８】
Ｃｒ（クロム）：クロムは、鋼の焼入れ性を高めて、フェライトの発生を抑制するのに重要な元素であり、この目的を達成するために、０．０１％以上含有させる必要がある。一方、クロム含有量が２．００％を超えると組織の中にベイナイトが混在する割合が高くなって、靱性が低下する。従って、この発明においては、クロム含有量を。０．０１から２．００％の範囲内に限定した。
【００１９】
Ｖ（バナジウム）：バナジウムは、窒素と結合して鍛造後の冷却中に窒化物（ＶＮ）を析出させて鋼を強化し、降伏応力を高めるのに重要な元素であり、この目的を達成するために、０．０３％以上含有させる必要がある。一方、バナジウム含有量が０．２０％を超えると、バナジウムは、フェライトを形成しやすくなるので、フェライトの面積率が多くなる。従って、この発明においては、バナジウム含有量を、０．０３から０．２０％の範囲内に限定した。
【００２０】
Ｎ（窒素）：窒素は、バナジウムの析出硬化を有効なものにするために必要であるが、窒素が０．００５０％未満では、降伏応力（ＹＳ）を高めるのに、多量のバナジウムが必要となる。一方、窒素含有量が０．０２００％を超えても、上述した効果は変わらないばかりか、靱性が低下する。従って、この発明においては、窒素含有量を、０．００５０から０．０２００％の範囲内に限定した。
【００２１】
次に、上記必須成分元素に付加的に添加する付加的成分元素を、上述したように限定した理由について説明する。
【００２２】
Ｔｉ（チタン）：チタンは、結晶粒を微細化して鋼の靱性を確保する作用を有している。従って、この発明においては、必要に応じて、チタンを付加的に添加する。しかしながら、チタン含有量が０．００５％未満では、上述した作用による効果が十分に現れない。一方、チタン含有量が０．１００％を超えても、上述した作用による効果は変わらないばかりか、逆に、靱性を低下を低下させる。従って、チタン含有量は、０．００５から０．１００％の範囲内に限定した。
【００２３】
Ｎｂ（ニオブ）：チタンと同様な理由によって、ニオブ含有量は、０．００５から０．１００％の範囲内に限定した。
【００２４】
Ａｌ（アルミニウム）：チタンと同様な理由によって、アルミニウム含有量は、０．００５から０．１００％の範囲内に限定した。
【００２５】
なお、上記成分元素の他に、鋼には、不可避的不純物として、Ｐ（燐）、Ｃｕ（カッパ）等が含まれている。また、切削性を向上させるために、Ｓ（硫黄）、Ｃａ（カルシウム）、Ｐｂ（鉛）等の快削性向上元素を添加しても良い。更に、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｏ（モリブデン）等を焼入れ性向上のために添加しても良い。
【００２６】
次に、下式で表される炭素当量（Ｃｅｑ）を、上述したように限定した理由について説明する。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋１．５Ｖ
炭素当量が０．８０％未満では、所望の硬さが得られず、一方、１．１０％を超えると、硬くなり過ぎて、切削性および靱性が低下する。従って、この発明においては、炭素当量を０．８０から１．１０％の範囲内に限定した。
【００２７】
次に、熱間鍛造の際の加熱温度を、上述したように限定した理由について説明する。加熱温度が１１５０℃未満では、鍛造時の鋼の変形抵抗が大きく、鍛造治具の寿命が短くなる。一方、加熱温度が１３００℃を超えると、オーステナイト粒が粗大化して、鍛造部品に十分な靱性を確保することができない。従って、この発明においては、熱間鍛造の際の加熱温度を１１５０から１３００℃の範囲内に限定した。
【００２８】
次に、鍛造後の冷却速度を、上述したように限定した理由について説明する。冷却速度が０．２℃／ｓｅｃ未満では、所望の強度を得ることが困難であり、しかも、組織内のフェライト面積が多くなってフレッチング磨耗が生じやすくなる。一方、１０℃／ｓｅｃを超える冷却速度は、強力な扇風機を使用しても得ることが困難であり、水冷、油冷等、他の冷却手段を採用する必要がある。従って、設備費が高くなり非調質鋼のメリットが相殺されてしまう。従って、この発明においては、鍛造後の冷却速度を０．２から１０℃／ｓｅｃの範囲内に限定した。
【００２９】
次に、機械的性質を、上述したように限定した理由について説明する。ブリネル硬さ（ＨＢ）を２５０から２９０の範囲内に限定したのは、ブリネル硬さが２５０未満では、部品の疲労強度を確保することができず、一方、２９０を超えると、切削性が低下するからである。
【００３０】
降伏応力（ＹＰ）を６００Ｎ／ｍｍ2 以上に限定したのは、次の理由による。即ち、部品の磨耗は、相手材との接触部分が塑性変形することによって進行する。この塑性変形を抑制するためには、降伏応力を６００Ｎ／ｍｍ2 以上に限定する必要があるからである。
【００３１】
伸び（Ｅｌ）を１５％以上に限定したのは、次の理由による。即ち、自動車の足廻り部品には、突然の衝撃により折損しないように、高い靱性が要求される。この高い靱性を確保するためには、伸びを１５％以上に限定する必要があるからである。
【００３２】
次に、フェライト面積率（ｆF ）が５％以下のパーライトを主体とする金属組織に限定するのは、次の理由による。即ち、フェライト＋パーライト組織中のフェライトが５％を超えると、軟質なフェライト相に応力が集中して、磨耗が促進する。磨耗を抑制するには、フェライト面積率が５％以下、望ましくは、０％であることが必要である。このとき、パーライト中には、靱性を低下させない範囲内において、ベイナイト等の低温変態組織が一部混入することは差し支えない。
【００３３】
次に、他部品との嵌合い部の表面粗さが５から２５μｍの範囲内になるように、切削等により仕上げ加工するのは、以下の理由による。部品の表面粗さは、フレッチング磨耗に大きな影響を及ぼす。なお、表面粗さは、通常実施されている方法であって、ＪＩＳＢ０６０１に基づき、触針式粗さ計を使用して、算術平均粗さ（Ｒａ）を測定した結果である。
【００３４】
図３に、車軸１と、これより粗い表面を有するベアリング２との接触の概念図を示す。図３に示すように、車軸１の表面がある程度粗いときには、車軸１の表面の山部１Ａが弾性変形して接線方向（Ｓ）の動きを吸収する。また、車軸１表面の山部１Ａがベアリング２と接触することによって発生した酸化磨耗粉は、車軸１表面の谷部１Ｂ内に入り込むことによって、磨耗の進行が抑制される。
【００３５】
しかしながら、車軸１の表面粗さが５μｍ未満では、上述した磨耗の進行の抑制効果が十分に現れず、一方、２５μｍを超えても、上述した効果は変わらない。
【００３６】
上述した現象を実証するために、次のような試験を行った。試験片は、後述する表１における本発明試験片Ｎｏ．１を使用した。そして、切削により表面粗さを変化させて、表面粗さとフレッチング磨耗量との関係について調べた。この結果を図４に示す。図４から明らかなように、表面粗さが５μｍ未満では、フレッチング磨耗量が急激に増加するが、表面粗さが２５μｍを超えてもフレッチング磨耗量は顕著に変化しないことが分かった。
【００３７】
フレッチング磨耗試験は、図５の概略図で示すフレッチング磨耗試験装置により、次のようにして行った。即ち、台座４上に、両側にベアリング２を嵌め込んだ車軸１を固定部材５を介して固定し、ベアリング２に、振動数：４０Ｈｚ、振幅：８０μｍの条件で上下に１００万回振動を加振機６によって付与した。そして、このときの車軸１のフレッチング磨耗量を測定した。フレッチング磨耗量は、車軸１に付着した酸化磨耗粉を刷毛で取り除いた後の車軸１の重量を測定し、その重量損失によって求めた。
【００３８】
従って、この発明においては、他部品との嵌合い部の表面粗さを５から２５μｍの範囲内に限定した。次に、この発明を実施例によって更に詳細に説明する。
【００３９】
表１に示す成分組成および炭素当量を有する７０ｍｍφの鋼材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１１を１１５０から１３００℃の範囲内の温度に加熱し、それぞれ熱間鍛造して自動車部品としてのハブを調製した。次いで、このようにして調製した鍛造ままハブを、ブリネル硬さ（ＨＢ）、降伏応力（ＹＰ）、伸び（Ｅｌ）およびフェライト面積率（ｆF ）が表１に示すような値となるように、０．２から１０℃／ｓｅｃの範囲内の冷却速度で空冷した。
【００４０】
次いで、このようにして空冷した鍛造ままハブに、切削によって仕上げ加工を施して、表１に示すような表面粗さを有する製品ハブを製造した。なお、Ｎｏ．１２の従来鋼Ｓ４５Ｃによる製品ハブは、鍛造後、焼入れ焼戻し処理を施して製造したものである。
【００４１】
そして、このようにして製造した製品ハブから本発明試験片、比較試験片および従来試験片を切り出し、各試験片を、引張試験、硬さ試験、組織試験およびフレッチング磨耗試験に供した。フレッチング磨耗試験は、上述したフレッチング磨耗試験装置により行った。
【００４２】
【表１】
0003756272.tif 000002
【００４３】
表１から明らかなように、炭素当量、ブリネル硬さ（ＨＢ）、降伏応力（ＹＰ）、伸び（Ｅｌ）およびフェライト面積率（ｆF ）が何れも本発明範囲内である本発明試験片Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３は、フレッチング磨耗量が比較試験片および従来試験片より少なく、後述する調質材である従来試験片Ｎｏ．１２と同等かそれ以上の優れた特性を有していた。
【００４４】
これに対して、比較試験片Ｎｏ．４は、Ｃ、Ｍｎ含有量およびＣｅｑの値が本発明範囲を下回り、このためにＨＢ、ＹＰが本発明範囲より低く、フェライト面積率は、本発明範囲を上回っていた。従って、フレッチング磨耗量は、本発明試験片より多かった。比較試験片Ｎｏ．５は、Ｃ含有量およびＣｅｑの値が本発明範囲を上回るために、ＨＢが本発明範囲より高く、組織もベイナイトであった。従って、フレッチング磨耗量は、それほど多くないものの、Ｅｌが本発明範囲より低かった。比較試験片Ｎｏ．６は、Ｍｎ含有量が本発明範囲を上回り、Ｖ含有量が本発明範囲を下回るためにＹＰが本発明範囲より低かった。従って、フレッチング磨耗量は、本発明試験片より多かった。比較試験片Ｎｏ．７は、Ｃｒ含有量が本発明範囲を上回るために、Ｅｌが本発明範囲より低かった。比較試験片Ｎｏ．８は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｎが何れも本発明範囲を上回るために、Ｅｌが本発明範囲より低かった。比較試験片Ｎｏ．９は、Ｔｉが本発明範囲を上回り、Ｎが本発明範囲を下回るので、ＹＰが本発明範囲より低かった。従って、フレッチング磨耗量は、本発明試験片に比べて多かった。
【００４５】
また、非調質材である従来試験片Ｎｏ．１０およびＮｏ．１１は、何れもフェライト面積率が本発明範囲を上回るので、フレッチング磨耗量は、本発明試験片に比べて著しく多かった。これに対して、調質材である従来試験片Ｎｏ．１２は、Ｅｌおよびフレッチング磨耗量共に、優れた特性を有していた。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、焼入れ焼戻しや、切削後の表面硬化処理を施すことなく、耐フレッチング磨耗に優れた熱間鍛造部品の製造が可能となるといった有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  車軸とこれにプレスばめされたベアリングとの嵌合い部における応力分布を示す図である。
【図２】  ベアリングとの嵌合い部において上下方向に繰返し曲げを受ける車軸を示す概念図である。
【図３】  車軸と、これより粗い表面を有するベアリングとの接触状態を示す概念図である。
【図４】  表面粗さとフレッチング磨耗量との関係を示すグラフである。
【図５】  フレッチング磨耗試験装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１：車軸
１Ａ：山部
１Ｂ：谷部
２：ベアリング
３：嵌合いの端部
４：台座
５：固定部材
６：加振機
【図１】
0003756272.tif 000003
【図２】
0003756272.tif 000004
【図３】
0003756272.tif 000005
【図４】
0003756272.tif 000006
【図５】
0003756272.tif 000007