| 【発明の名称】 |
鍛流線方向にヤング率の高い型鍛造部材の製造方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】山本 祐義
【氏名】阿佐部 和孝
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| 【目的】 |
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| 【構成】 |
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【特許請求の範囲】
【請求項１】 フェライト組成を有する鋼基地に粒子を分散させた複合粉末に押出加工を施して成形した後、型鍛造による熱間加工によって仕上げ形状とし、次いで熱処理を施す型鍛造部材の製造方法であって、該押出加工の押出比が３以上で、該型鍛造の予備加熱温度が再結晶温度以下であり、そして該熱処理が２次再結晶熱処理であることを特徴とする、鍛流線方向にヤング率の高い型鍛造部材の製造方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車用部材、ロボット用部材等のように、優れた剛性を必要とする構造部材のうち、屈曲部位または湾曲部位を含むコンロッド等の型鍛造部材であって、特に鍛流線方向にヤング率の高い型鍛造部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、自動車用等の機械部品においては軽量化や小型化が盛んに検討され、それに伴って、ヤング率の高い材料に対するニーズが高まっている。それは、材料のヤング率を向上させれば、応力負荷状態における弾性歪の量を小さくでき、また部品形状を小さくでき、軽量化が図れるという利点があるからである。
【０００３】このような期待に応えるため、本発明者らは特開平６−25804 号公報に開示される高剛性材料とその製造方法を提案した。すなわち、加工熱処理によりヤング率の高い結晶方位であるフェライト系鋼の＜111 ＞方位を特定方向に揃えること、つまり｛111 ｝面を集積化することにより高ヤング率化を実現する手法であった。
【０００４】フェライト系鋼中で最大の高ヤング率方位である＜111 ＞方位を一方向に揃えるためには、粒子を微細分散させたフェライト鋼素材を作製し、これに熱間押出を施し、加工歪の導入された微細な結晶粒組織を形成させ、次いで高温の熱処理を行って急激な２次再結晶を進行させるのである。これにより、押出方向に｛111 ｝面が著しく集積し、その結果、押出方向にヤング率が向上するというものであった。
【０００５】しかしながら、このような高ヤング率鋼を鍛造部材に適用する場合、再結晶熱処理を施した高ヤング率鋼に型鍛造加工を施すと、特に屈曲部位および湾曲部位において割れが発生し易く、事実上、型鍛造加工が不可能なことである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ここに、本発明の目的は、自動車用部材、ロボット用部材等のように、優れた剛性を必要とする構造部材のうち、屈曲部位または湾曲部位を含む型鍛造部材の製造方法を提供することである。
【０００７】より具体的には、本発明の目的は、屈曲部位または湾曲部位を含む型鍛造部材の流線方向のヤング率が24,000kgf/mm2 以上である、割れ発生の見られないフェライト系鋼型鍛造部材の製造方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上述のように押出材に再結晶熱処理を施した高ヤング率鋼を鍛造すると屈曲部位または湾曲部位に容易に割れが発生し、熱間加工が事実上不可能であるという問題に直面し、その問題が次に示す現象に起因することを知った。
【０００９】すなわち、押出再結晶材は異常粒成長によって押出方向に長く伸長した結晶粒組織を形成し、このような組織を有する材料に鍛造加工を施すと、特に加工歪みの集中する屈曲部位および湾曲部位においてその粒界面が割れ発生の起点となって容易に亀裂が進展するために、それ以上鍛造による加工ができなくなるのである。そこで、型鍛造を施す工程について種々検討を重ねた結果、次の点を見出し、本発明を完成した。
【００１０】■再結晶熱処理を施す前の熱間押出ままの材料においては、組織がサブミクロンレベルの微細な亜結晶粒組織を呈しており、このような微細組織を有する材料においては型鍛造加工を容易に施すことが可能であること。
【００１１】■ただし、型鍛造加工に先立つ予備加熱処理工程においては、再結晶温度以下に温度管理することが、特に屈曲部および湾曲部における割れ防止のための必須条件であること。
【００１２】■熱間押出後に型鍛造加工を施した材料は、鍛流線に沿って微細な亜結晶粒組織を呈しており、これに再結晶熱処理を施すことによって、鍛流線方向に異常粒成長が進行すること。
【００１３】■さらに、その再結晶粒においては、鍛流線方向に著しく＜111 ＞方位が集積しているために、鍛流線方向のヤング率が高くなること。
【００１４】ここに、本発明は、フェライト組成を有する鋼基地に粒子を分散させた複合粉末に押出加工を施して成形した後、型鍛造による熱間加工によって仕上げ形状とし、次いで熱処理を施す型鍛造部材の製造方法であって、該押出加工の押出比が３以上で、該型鍛造の予備加熱温度が再結晶温度以下であり、そして該熱処理が２次再結晶熱処理であることを特徴とする、鍛流線方向にヤング率の高い型鍛造部材の製造方法である。
【００１５】「鍛流線方向」にヤング率が高いことは、例えば自動車用コンロッドのように屈曲部位または湾曲部位をもった型鍛造部材の場合には、応力集中しやすい屈曲部位または湾曲部位の変形を抑止する効果が大きいことを意味し、これまでにない高剛性や軽量化の効果を発揮できるなど、実用上の意義は大きい。
【００１６】ここに、「型鍛造」とは屈曲部位または湾曲部位をもった部材を熱間鍛造で製造することを言い、この型鍛造によって最終形状とする。また、従来にあっては、通常、型鍛造の後には単なる歪み取り焼鈍等の軽度の仕上げ熱処理を行って最終成品としてきたが、本発明によれば２次再結晶を行うのであって、この点からも従来の型鍛造とは異なると言える。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明にかかる型鍛造部材の製造方法は、加工熱処理によりヤング率の高い結晶方位を特定方向に揃えること、つまり集積化することにより高ヤング率化を実現する手法を取り入れている。すなわち、フェライト系鋼の｛111 ｝面の集積化をねらった材料設計、プロセス設計である。フェライト系鋼中で最大の高ヤング率方位である＜111 ＞方位を一方向に揃えるためには、以下の工程を踏む。
【００１８】まず、粒子を微細分散させたフェライト鋼素材を作製する。具体的には例えばフェライト鋼粉末とイットリアなどの酸化物等の粉末に機械的合金化処理を施し、フェライト組成を有する鋼基地に酸化物等の粒子が微細に分散した複合粉末を用いる。ここに、機械的合金化法 (メカニカルアロイング法：ＭＡ法) とは、ボールミルを用いて、粉末を強制的に冷間で混合し、圧延、鍛造、圧着を繰り返し行わせる方法である。
【００１９】あるいは、フェライト鋼を急冷凝固することによって、フェライト組成を有する鋼基地に晶出した酸化物や窒化物などの粒子が微細に分散した複合粉末を用いても良い。
【００２０】本発明において、複合材料の基地、つまりマトリックスを体心立方格子の結晶構造を有するフェライト系鋼でもって構成したのは、フェライト鉄の単結晶で確認されているように＜111 ＞方向がもっともヤング率が高く、その値はほぼ、29,000kgf/mm2 であるからである。
【００２１】本発明におけるフェライト系鋼とは、Cr、Mo、Ｖ、Si、Alのようなフェライト安定化元素を含有する鉄基の合金であって、鋼がフェライト相である限りにおいて、フェライト安定化元素の種類、添加量に制約されるものではないが、一般的には上述のフェライト形成元素を次の範囲で少なくとも一種添加することが望ましい。
【００２２】Cr：30％以下、Mo：4.0 ％以下、Ｖ：5.0 ％以下Si：5.0 ％以下、Al：8 ％以下 (いずれも重量％、以下同じ)上述のように鋼組成を限定した理由は次の通りである。
【００２３】Crはフェライト相形成のためその添加が望ましいが、30％超の添加は脆化・強度低下の原因となる。好ましくは、20％以下である。
【００２４】Ｖは5.0 ％超添加すると、粒界への炭化物析出のため脆化が認められる。好ましくは、２％以下である。Siは５％超添加すると鋼の熱間加工性を著しく低下させる。好ましくは３％以下である。
【００２５】Moは４％超添加すると、σ相等金属間化合物の粒界析出のため脆化が認められる。好ましくは、１％以下である。Alは８％超の添加により、マトリックス相の脆化が認められる。好ましくは、５％以下である。
【００２６】鉄とフェライト安定化元素の配合率は、例えばFe−16Cr、Fe−２Al、Fe−13Cr−２Al等が挙げられる。本発明におけるマトリックス相は、主に高ヤング率を発現するフェライト相により構成されるものとするが、オ−ステナイト相やマルテンサイト相など他の相については、ヤング率が24,000kgf/mm2 を下回らない範囲において、もちろん混相組織となっても良い。そのようなマトリックス合金組成としては、次式を満足するものが望ましい。
[(％Ni)＋30(％Ｃ)＋0.5(％Mn)]−0.5[(％Cr)＋(％Mo)＋1.5(％Si)＋2.5(％Ｖ)＋3.0(％Al)]＋２≦0ただし、 (％Ni), (％Ｃ), (％Mn), (％Cr), (％Mo), (％Si), (％Ｖ),(％Al)：それぞれの元素の添加量 (重量％)次いで、このようにして用意した粒子の微細分散したフェライト系鋼素材に熱間押出を施し、加工歪の導入された微細な結晶粒組織を形成させる。この押出材は、分散粒子の作用によって転位などの格子欠陥が大量に導入された微細組織を有すると同時に、押出方向に＜110 ＞方位が揃った集合組織を形成する。加工歪の導入には分散粒子による転位のピン止が有効であり、そのような分散粒子を含む材料系においてはたとえば押出比３以上という熱間押出成形によって十分な歪の付与が行われる。この押出比は、好ましくは５〜10である。
【００２７】その分散粒子の種類、形状、大きさ、量には限定はないが、好ましくは、熱的に安定であり、かつ、効果的に転位がピン止めされる大きさであり、また、実用材料として延性・靱性を確保するためには少量に制限することがよい。
【００２８】例えば、そのような分散粒子としては、Al、Ti、Mn、Y 等の酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物などがあり、それらの平均粒径は、好ましくは0.005 〜0.1 μm 、配合割合は、好ましくは0.2 〜5 体積％である。
【００２９】この熱間押出材は、次いで再結晶温度以下の加熱条件にて予備加熱した後に、型鍛造によって成形される。再結晶温度以下に限定したのは、再結晶温度を超えた温度では予備加熱時に再結晶粒成長により組織が粗大化し、鍛造割れしやすくなるからである。このときの加熱温度は一般には 800〜1200℃程度である。
【００３０】本発明において行う型鍛造加工は、すでに述べたように屈曲部位または湾曲部位を含む最終形状とする型を用いた鍛造加工を言い、最終形状が得られれば特定条件に制限されないが、好ましくは鍛造比 1.5〜５で行う。この押出−鍛造材は分散粒子の働きにより、押出まま材と同様に微細な亜結晶粒組織と加工歪を保ちつつ鍛流線方向に伸びた組織を呈する。
【００３１】このように分散粒子によりピン止めされた転位が導入された押出−鍛造材は、次いで２次再結晶熱処理、例えば1300℃という高温の熱処理を行うことにより急激な２次再結晶が起こるとともに鍛流線方向に｛111 ｝面が著しく集積する。その結果、鍛流線方向にヤング率が向上する。特に、本発明にかかる型鍛造材は加工歪みの集積し易い屈曲部位または湾曲部位を備えているため、そのような部位において鍛流線方向にヤング率が向上することは、応力集中がみられる屈曲部位または湾曲部位において特に十分な強度が発揮されことを意味し、そのような型鍛造部材の高剛性化および軽量化は大幅に促進されることになる。
【００３２】このように、鋼材の高ヤング率化を図るためにはフェライト系鋼において一つの方向に対する垂直面において｛111 ｝面をより高度に集積化することが重要である。フェライト系鋼における｛111 ｝面の集積化は加工歪＝転位の蓄積量が多いほど容易である。そこで、加工工程で与えられた歪＝転位を、分散粒子によってピン止めし、蓄積量を増すのである。
【００３３】一般に、押出等の強加工により格子歪の導入された微細組織を有する材料は熱処理により、格子歪エネルギーを駆動力として、一次再結晶を開始し、格子欠陥のきわめて少ない結晶粒に埋めつくされる。一次再結晶を完了した材料は、さらに長時間または高温で熱処理する事により、粒界エネルギーを駆動力とした一次再結晶粒の粗大化が開始し、きわめて粗大な２次再結晶粒組織を形成する。
【００３４】この一連の再結晶現象の過程において＜110 ＞押出集合組織は＜111 ＞２次再結晶集合組織に変化し、それにともなって鍛流線方向のヤング率は約22,000kgf/mm2 から約27,000kgf/mm2 にまで向上するのである。
【００３５】そして、本発明にかかるような型鍛造部材の場合には、屈曲部位または湾曲部位においてそのような傾向は特に顕著に表れ、鍛流線方向に大きなヤング率が発揮される結果、部品全体としての弾性変形が大幅に低減できるというような予想外の効果が奏されるのである。
【００３６】
【実施例】以下、実施例により本発明の作用効果を詳細に説明する。
【００３７】(実施例１)[鍛造用素材作製１]表１の鍛造用素材１〜３に示す成分の供試フェライト鋼の複合粉末をMA法によって作製した。MA処理は、バッチ式の乾式アトライタを用いてAr雰囲気中で48hr時間処理することで行った。
【００３８】得られた供試複合粉末は金属カプセルに封入しビレットを作製し (サイズ：直径120 ×長さ200mm)、次いでこれらのビレットを1050℃で予備加熱し、熱間押出を行った (押出ダイス直径: 50mm) 。得られた押出材を外削してカプセル材を除去し、鍛造用素材１〜３とした (サイズ：直径45×長さ200mm)。
【００３９】[鍛造用素材作製２]表１の鍛造用素材４に示す成分の供試フェライト鋼を1700℃でAr雰囲気において溶解し、アトマイズ法により急冷凝固処理し、アトマイズ急冷凝固による複合粉末を作製した。アトマイズ媒体にはArガスを用いた。
【００４０】得られたアトマイズ急冷凝固複合粉末を金属カプセルに封入しビレットを作製し (サイズ：直径120 ×長さ200mm)、次いでこれらのビレット封入物には熱間押出の予備加熱と兼用して850 ℃×10分の熱処理を施し、熱間押出を行った (押出ダイス直径：50mm) 。得られた押出材を外削してカプセル材を除去し、鍛造用素材４とした (サイズ：直径45×長さ200mm)。
【００４１】[鍛造]上記の鍛造用素材の再結晶温度を確認するために、それぞれ950 ℃から1400℃まで50℃ピッチで１時間熱処理を施し、表面をエッチングした後に光学顕微鏡で組織を観察した。その結果、上記工程で得られた鍛造用素材の再結晶完了温度はいずれも1200℃であった。
【００４２】したがって、型鍛造の予備加熱温度をそれぞれ再結晶温度以下である1000℃として１時間予熱し平均鍛造比３で型鍛造した。型鍛造品の形状は、図１(a) 、(b) にそれぞれ平面図および側面図で示すような屈曲部位をもった自動車エンジン用コンロッドの本体 (キャップ部分を除く) であった。図中、矢印で示すのが鍛流線方向であり、また斜線部がヤング率測定用試験片採取位置である。
【００４３】[再結晶熱処理]上記鍛造材に1250℃で１時間再結晶熱処理を施し、空冷した。
【００４４】[評価]ロッド部 (図１のａ部) よりヤング率測定用試験片 (10mm×２mm×60mm) を採取し、横共振法により鍛流線方向のヤング率を測定した。
【００４５】ロッド部 (図１のｂ部) よりヤング率測定用試験片 (15mm×15mm×15mm) を採取し、超音波法により鍛流線方向のヤング率を測定した。
【００４６】また、鍛流線に垂直な断面から採取した試験片から等方性結晶材料に対する｛111 ｝面のＸ線積分強度比を測定した。これらの結果を比較例のそれらとともに、表２にまとめてしめす。
【００４７】表３に、本発明にかかる型鍛造加工を熱処理前後に行った場合の割れの発生状況を示す。表３に示す結果からも分かるように、再結晶熱処理後に鍛造を試みた材料は、全数に割れが発生した。従って鍛造プロセスは再結晶による高ヤング率化熱処理工程の前に施すことが重要である。
【００４８】また表３に示す結果からも分かるように、本発明にしたがって再結晶熱処理前に型鍛造加工を施した材料は、鍛造後の再結晶熱処理によって、鍛流線方向に＜111 ＞を揃えることが可能である。したがって、鍛流線方向のヤング率を飛躍的に向上させることが可能となる。
【００４９】
【表１】
【００５０】
【表２】
【００５１】
【表３】
【００５２】(実施例２)[鍛造用素材]実施例１の鍛造用素材１〜４を直径30×長さ200mm に外削して鍛造用素材に供試した。
【００５３】[鍛造]上記の鍛造用素材の再結晶温度を確認するために、それぞれ950 ℃から1400℃まで50℃ピッチで１時間熱処理を施し、表面をエッチングした後に光学顕微鏡で組織を観察した。その結果、上記工程で得られた鍛造用素材の再結晶完了温度はいずれも1200℃であった。
【００５４】したがって、鍛造の予備加熱温度をそれぞれ再結晶温度以下である1000℃として１時間予熱し型鍛造した。型鍛造品の形状は、図２に示すような自動車エンジン用コンロッドのキャップ部分とした。図中、矢印で示すのが鍛流線方向であり、また斜線部がヤング率測定用試験片採取位置である。
【００５５】[再結晶熱処理]上記鍛造材に1250℃で１時間再結晶熱処理を施し、空冷した。
【００５６】[評価]キャップ部( 図２のａ、ｂ部) よりヤング率測定用試験片 (15mm×15mm×15mm) を採取し、超音波法により鍛流線方向のヤング率を測定した。
【００５７】また、鍛流線に垂直な断面から採取した試験片から等方性結晶材料に対する｛111 ｝面のＸ線積分強度比を測定した。これらの結果を比較例とともに、表４にまとめて示す。
【００５８】表５に、鍛造プロセスを熱処理前後に行った場合の割れの発生状況を示す。再結晶熱処理後に鍛造を試みた材料は、全数に割れが発生した。したがって、鍛造プロセスは再結晶による高ヤング率化熱処理工程の前に施すことが重要である。
【００５９】表５に示す結果からも分かるように、本発明にしたがって再結晶熱処理前に鍛造を施した材料は、鍛造後の再結晶熱処理によって、鍛流線方向に＜111 ＞を揃えることが可能である。したがって、鍛流線方向のヤング率を飛躍的に向上させることが可能となる。
【００６０】
【表４】
【００６１】
【表５】
【００６２】
【発明の効果】粒子分散フェライト鋼の押出材を再結晶熱処理することによって得られる高ヤング率鋼を、型鍛造部材に適用するにあたり、押出材に型鍛造を施した後に再結晶熱処理することによって、割れの発生を防止し、鍛流線方向に高ヤング率を得ることができた。その結果、ヤング率25,000kgf/mm2 超の高ヤング率型鍛造部材の製造が可能となり、各種シャフトならびにロッド材、振動吸収を必要とする自動車をはじめとする各種構造部品への適用が可能となった。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２１１８
【氏名又は名称】住友金属工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成８年（１９９６）１月２３日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】広瀬 章一
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| 【公開番号】 |
特開平９−２０２９１７ |
| 【公開日】 |
平成９年（１９９７）８月５日 |
| 【出願番号】 |
特願平８−９３８６ |
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