JP2018162514A - Steel for steel forging, forging crank throw for assemble crankshaft, and forging journal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、組立型クランク軸の構成素材として有用な鍛鋼品用鋼に関する。 The present invention relates to steel for forgings useful as a constituent material of an assembled crankshaft.
地球環境を保全する意識の高まりから、近年では大型船舶用2ストロークエンジンをはじめとするディーゼル機関において、高出力化とコンパクト化を図り、CO2の排出量を低減することが要求されている。連接棒を介してピストンの上下運動を回転運動に変換するクランク軸は、曲げ応力がクランクスローのフィレット部に繰返し作用するため、特にフィレット部に対して高い疲労強度が求められる。 In recent years, with the growing awareness of preserving the global environment, diesel engines such as two-stroke engines for large ships have been required to achieve high output and compact size and to reduce CO 2 emissions. The crankshaft that converts the vertical movement of the piston into the rotational movement via the connecting rod requires a high fatigue strength especially for the fillet part because bending stress repeatedly acts on the fillet part of the crank throw.
加えて、回転の中心軸であるジャーナルと偏心部のクランクスローを焼嵌めにより接合して製造される組立型クランク軸では、エンジンの高出力化に伴い、焼嵌め部でのスリップが運転中に生じる恐れがある。このスリップを防止するためには、焼嵌め時のクランクスローがジャーナルを掴む焼嵌め面圧を向上させる必要があり、この面圧の向上にはクランクスローに使用される材料の降伏応力を向上させることが有効であることが知られている。 In addition, in an assembly-type crankshaft that is manufactured by joining the journal, which is the central shaft of rotation, and the crank throw of the eccentric part by shrink fitting, the slip at the shrink fitting part is in operation as the engine output increases. May occur. In order to prevent this slip, it is necessary to improve the shrink-fit surface pressure at which the crank throw at the time of shrink-fitting grips the journal. To improve this surface pressure, the yield stress of the material used for the crank throw is improved. Is known to be effective.
一般的に、鋼材の降伏応力および疲労強度を向上するには、焼入れを施し、金属組織をマルテンサイトやベイナイト等の引張強度の高い単相組織とすることが有効である。しかしながら、マルテンサイトやベイナイト組織を呈する鋼はフェライト・パーライト鋼と比較して被削性が悪いことが知られている。 Generally, in order to improve the yield stress and fatigue strength of a steel material, it is effective to perform quenching so that the metal structure has a single-phase structure with high tensile strength such as martensite or bainite. However, it is known that steel exhibiting a martensite or bainite structure has poor machinability compared to ferritic / pearlite steel.
組立型クランク軸の部品であるクランクスローやジャーナルは、これらの形状に成形した後、切削加工により最終形状に仕上げられるため、優れた被削性も同時に要求される。現在、高い疲労強度と優れた被削性を兼ね備えた鍛造用鋼若しくは鍛鋼品用鋼を得ることは困難な状況である。 Since crank throws and journals, which are parts of an assembly-type crankshaft, are formed into these shapes and then finished into a final shape by cutting, excellent machinability is also required. At present, it is difficult to obtain forging steel or forging steel having both high fatigue strength and excellent machinability.
強度および被削性に優れた鍛鋼品用鋼として、例えば特許文献1、2のような技術も提案されている。これらの技術では、化学成分組成を適切に調整するとともに、金属組織を、ベイナイト組織、マルテンサイト組織又はそれらの組み合わ組織を主体とし、残部がパーライト組織、フェライト組織又はそれらの組み合わせ組織とすることによって、強度と被削性の両特性に優れたものとしている。
As steels for forged steel products having excellent strength and machinability, for example, techniques such as
これらの技術では、金属組織がベイナイトやマルテンサイトなどの組織を主体としているため、フェライト・パーライト組織を有する炭素鋼と比較して切削性が劣ることは明らかである。 In these techniques, since the metal structure is mainly composed of a structure such as bainite or martensite, it is apparent that the machinability is inferior compared with carbon steel having a ferrite / pearlite structure.
一方、高強度化と被削性を両立させた鋼材として、特許文献3のような技術も提案されている。この技術では、フェライト中に微細な析出物を15nm以下の平均列間隔で点列状に存在させることで、軟質のフェライトを強化し、フェライト・パーライト組織における強度と切削性を両立している。 On the other hand, as a steel material that achieves both high strength and machinability, a technique such as Patent Document 3 has also been proposed. In this technique, fine precipitates are present in the form of a dotted line in the ferrite at an average line interval of 15 nm or less, thereby strengthening soft ferrite and achieving both strength and machinability in the ferrite / pearlite structure.
しかしながらこの技術で対象とするのは、自動車部品を初めとした比較的小さな鋼材であり、十数℃/秒以上の冷却速度を必要とする。組立型クランク軸を初めとする大型鍛鋼品では、質量効果が大きく、製品の中心においてもこのような冷却速度で冷却を施すことは不可能である。したがって、組立型クランク軸を初めとする大型鍛鋼品に、こうした技術を応用することは事実上不可能である。 However, this technology targets relatively small steel materials such as automobile parts, and requires a cooling rate of more than 10 ° C./second. Large forged steel products such as assembled crankshafts have a large mass effect, and it is impossible to perform cooling at such a cooling rate even at the center of the product. Therefore, it is virtually impossible to apply such technology to large forged steel products such as assembled crankshafts.
こうしたことから、組立型クランク軸のような大型鍛鋼品において、炭化物をフェライト中に微細分散させることで、優れた被削性と高降伏応力、および高疲労強度等の強度を両立させた技術は未だ完成されていない。 For this reason, in large forged steel products such as assembled crankshafts, the technology that achieves both excellent machinability, high yield stress, high fatigue strength, etc. by finely dispersing carbide in ferrite. It has not been completed yet.
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、優れた被削性を発揮するとともに、高い降伏応力と高い疲労強度を示すようなる鍛鋼品用鋼、および組立型クランク軸用鍛鋼クランクスロー、並びに鍛鋼ジャーナルを提供することにある。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and its purpose is to provide excellent machinability, as well as steel for forgings that exhibits high yield stress and high fatigue strength, and an assembly die. It is to provide a forged steel crank throw for a crankshaft and a forged steel journal.
上記課題を解決することのできた本発明の鍛鋼品用鋼は、
質量%で、
C :0.28%以上0.47%以下、
Si:0%超0.45%以下、
Mn:0.90%以上1.50%以下、
S :0%超0.006%以下、
Cu:0%超0.30%以下、
Mo:0%超0.15%以下および
V :0.06%以上0.32%以下
を夫々含有するとともに、残部が鉄および不可避的不純物からなり、
金属組織全体に占める割合で、初析フェライトおよびパーライトの合計面積率が90%以上であり、
且つ円相当直径が50nm以下のV系炭化物が、前記初析フェライト中の1μm2あたりに55個以上500個以下の個数密度で存在し、
降伏応力が420MPa以上であるとともに、疲労強度が330MPa以上であることを特徴とする。
The steel for forgings of the present invention that was able to solve the above problems,
% By mass
C: 0.28% or more and 0.47% or less,
Si: more than 0% and 0.45% or less,
Mn: 0.90% or more and 1.50% or less,
S: more than 0% and 0.006% or less,
Cu: more than 0% and 0.30% or less,
Mo: more than 0% and 0.15% or less and V: 0.06% or more and 0.32% or less, respectively, and the balance is made of iron and inevitable impurities,
The total area ratio of pro-eutectoid ferrite and pearlite is 90% or more in the ratio of the entire metal structure,
In addition, V-based carbides having an equivalent circle diameter of 50 nm or less are present at a number density of 55 to 500 per 1 μm 2 in the pro-eutectoid ferrite,
The yield stress is 420 MPa or more and the fatigue strength is 330 MPa or more.
上記のような本発明の鍛鋼品用鋼によって組立型クランク軸用鍛鋼クランクスローや鍛鋼ジャーナルを構成することによって、これらの製品の特性が極めて良好なものとなる。 By forming the forged steel crank throw for the assembled crankshaft and the forged steel journal with the forged steel product according to the present invention as described above, the characteristics of these products become extremely good.
本発明は上記のように構成されており、化学成分組成および金属組織を適切に調整するとともに、所定大きさのV系炭化物における初析フェライト中での個数密度を適切に調整することによって、優れた被削性を発揮するとともに、高い降伏応力と高い疲労強度を示すような鍛鋼品用鋼が実現できた。このような鍛鋼品用鋼は、組立型クランク軸用鍛鋼クランクスローや鍛鋼ジャーナルの素材として極めて有用である。 The present invention is configured as described above, and is excellent by appropriately adjusting the chemical component composition and the metal structure and by appropriately adjusting the number density in pro-eutectoid ferrite in a predetermined size V-based carbide. As a result, a steel for forgings that exhibits high machinability and high yield stress and high fatigue strength has been realized. Such steel for forged products is extremely useful as a material for forged steel crank throws for assembled crankshafts and forged steel journals.
本発明者は、優れた被削性を発揮するとともに、高い降伏応力と高い疲労強度を示すような鍛鋼品用鋼の実現を目指し、様々な角度から検討した。特に、鋼中の析出物の形態(大きさ、個数密度)と、降伏応力および強度の関係、および金属組織と鋼材の被削性との関係について検討した。 This inventor examined from various angles aiming at realization of the steel for forgings which exhibits the outstanding machinability, and shows high yield stress and high fatigue strength. In particular, the relationship between the form (size, number density) of precipitates in steel, the yield stress and the strength, and the relationship between the metal structure and the machinability of the steel material were examined.
その結果、所定大きさのV系炭化物における初析フェライト中での個数密度を適切に調整することによって、高い降伏応力と高い疲労強度が実現できること、および金属組織を適切に調整することによって、優れた被削性を発揮できることを見出し、本発明を完成した。まず本発明の鍛鋼品用鋼で規定する要件について説明する。 As a result, high yield stress and high fatigue strength can be realized by appropriately adjusting the number density in pro-eutectoid ferrite in a predetermined size of V-based carbide, and excellent by adjusting the metal structure appropriately. As a result, the present invention was completed. First, the requirements defined for the steel for forgings of the present invention will be described.
[初析フェライトおよびパーライトの合計面積率:90%以上]
優れた被削性を発揮させるためには、初析フェライトおよびパーライトの合計面積率を、金属組織全体に占める割合で、90%以上とする必要がある。初析フェライトおよびパーライトの合計面積率は、好ましくは95%以上であり、より好ましくは98%以上である。また、初析フェライトおよびパーライトの合計面積率は、100%であってもよい。
[Total area ratio of proeutectoid ferrite and pearlite: 90% or more]
In order to exhibit excellent machinability, it is necessary that the total area ratio of pro-eutectoid ferrite and pearlite is 90% or more as a percentage of the entire metal structure. The total area ratio of pro-eutectoid ferrite and pearlite is preferably 95% or more, and more preferably 98% or more. The total area ratio of pro-eutectoid ferrite and pearlite may be 100%.
[円相当直径が50nm以下のV系炭化物の初析フェライト中の1μm2あたりの個数密度:55個以上500個以下]
鍛鋼品用鋼の優れた降伏応力と疲労強度を実現するためには、初析フェライト中の1μm2あたりのに析出するV系炭化物の個数密度を55個/μm2以上とする必要がある。好ましくは100個/μm2以上であり、より好ましくは150個/μm2以上である。
[Number density per 1 μm 2 in pro-eutectoid ferrite of V-based carbide having an equivalent circle diameter of 50 nm or less: 55 or more and 500 or less]
In order to realize the excellent yield stress and fatigue strength of steel for forged steel, the number density of V-based carbides precipitated per 1 μm 2 in the pro-eutectoid ferrite needs to be 55 pieces / μm 2 or more. The number is preferably 100 / μm 2 or more, and more preferably 150 / μm 2 or more.
しかしながら、V系炭化物の個数密度が過剰になって500個/μm2を超えると、靱性が低下するおそれがある。V系炭化物の個数密度の上限は、好ましくは450個/μm2以下であり、より好ましくは400個/μm2以下である。 However, if the number density of the V-based carbide is excessive and exceeds 500 / μm 2 , the toughness may be lowered. The upper limit of the number density of the V-based carbide is preferably 450 pieces / μm 2 or less, and more preferably 400 pieces / μm 2 or less.
本発明で対象とするV系炭化物とは、Vは勿論のこと、Cr、Mo等の炭化物形成元素を含有している炭化物をも含む趣旨である。また、対象とするとするV系炭化物の大きさを、「円相当直径が50nm以下」としたのは、円相当直径が50nmを超えるようなV系炭化物では初析フェライトの強度向上に寄与しないからである。 The V-type carbides targeted in the present invention are intended to include not only V but also carbides containing carbide-forming elements such as Cr and Mo. Moreover, the size of the target V-based carbide is “the equivalent circle diameter is 50 nm or less” because the V-based carbide having an equivalent circle diameter exceeding 50 nm does not contribute to the improvement of the strength of pro-eutectoid ferrite. It is.
なお、「円相当直径」とは、V系炭化物の大きさに着目し、その面積が等しくなる円の直径に相当する値である。 Note that the “equivalent circle diameter” is a value corresponding to the diameter of a circle with the same area, focusing on the size of the V-based carbide.
上記のような要件を満足する本発明の鍛鋼品用鋼では、ベイナイト組織やマルテンサイト組織と同等の降伏応力や疲労強度を発揮するものとなる。具体的には、降伏応力が420MPa以上であるとともに、疲労強度が330MPa以上を満足するものとなる。なお、上記「疲労強度」は、JIS−Z2274:1978に準拠して測定される疲労限度(以下では、これを「疲労強度」と呼ぶ)に基づいて評価される。この疲労強度の下限は、330MPa以上であることが必要であるが、好ましくは350MPa以上である。鍛鋼品用鋼の疲労強度が上記下限に満たない場合には、この鍛鋼品用鋼を組立型クランク軸用鍛鋼クランクスローや鍛鋼ジャーナルの素材として適用したときに、これらの部品の耐久性が不十分となるおそれがある。 The steel for forgings according to the present invention that satisfies the above requirements exhibits the yield stress and fatigue strength equivalent to the bainite structure and martensite structure. Specifically, the yield stress is 420 MPa or more, and the fatigue strength is 330 MPa or more. The “fatigue strength” is evaluated based on a fatigue limit (hereinafter referred to as “fatigue strength”) measured in accordance with JIS-Z2274: 1978. The lower limit of the fatigue strength is required to be 330 MPa or more, preferably 350 MPa or more. If the fatigue strength of steel for forgings is less than the above lower limit, the durability of these parts will be poor when this steel for forging is applied as a material for forged steel crank throws for forged crankshafts or forged steel journals. May be sufficient.
本発明の鍛鋼品用鋼は、その化学成分組成も適切に調整する必要がある。すなわち、C:0.28%以上0.47%以下、Si:0%超0.45%以下、Mn:0.90%以上1.50%以下、S:0%超0.006%以下、Cu:0%超0.30%以下、Mo:0%超0.15%以下およびV:0.06%以上0.32%以下を夫々含有する鍛鋼品用鋼である。これらの元素における範囲を設定した理由は次の通りである。なお、下記化学成分組成における各元素の含有量の単位は、いずれも「質量%」である。 It is necessary to adjust the chemical composition of the steel for forgings of the present invention appropriately. That is, C: 0.28% to 0.47%, Si: more than 0% to 0.45% or less, Mn: 0.90% to 1.50%, S: more than 0% to 0.006%, It is a steel for forgings containing Cu: more than 0% and 0.30% or less, Mo: more than 0% and 0.15% or less, and V: 0.06% or more and 0.32% or less. The reason for setting the ranges for these elements is as follows. In addition, the unit of content of each element in the following chemical component composition is “mass%”.
(C:0.28%以上0.47%以下)
Cは、鋼材の強度を確保する上で有効な元素である。そのためには、Cは0.28%以上含有させる。しかしながら、C量が過剰になると、鋼材の靱性を低下させる。こうしたことから、C量は0.47%以下とする。C量の下限は、0.30%以上であることが好ましく、より好ましくは0.32%以上である。またC量の上限は、0.45%以下であることが好ましい。
(C: 0.28% to 0.47%)
C is an element effective in securing the strength of the steel material. For that purpose, C is contained by 0.28% or more. However, when the amount of C becomes excessive, the toughness of the steel material is lowered. For these reasons, the C content is set to 0.47% or less. The lower limit of the amount of C is preferably 0.30% or more, and more preferably 0.32% or more. Moreover, it is preferable that the upper limit of C amount is 0.45% or less.
(Si:0%超0.45%以下)
Siは、鋼材の脱酸および強度向上に寄与する元素である。その効果を有効に発揮させるためには、Siは0.1%以上含有させることが好ましく、より好ましくは0.15%以上である。しかしながら、Si量が過剰になると、逆V遍析が著しくなり靱性が低下するおそれがある。こうした観点から、Si量は0.45%以下とする必要がある。Si量の上限は、好ましくは0.40%以下であり、より好ましくは0.35%以下である。
(Si: more than 0% and 0.45% or less)
Si is an element contributing to deoxidation and strength improvement of steel materials. In order to exhibit the effect effectively, Si is preferably contained in an amount of 0.1% or more, more preferably 0.15% or more. However, when the amount of Si is excessive, reverse V homogenization is remarkable and the toughness may be reduced. From such a viewpoint, the Si amount needs to be 0.45% or less. The upper limit of the Si amount is preferably 0.40% or less, and more preferably 0.35% or less.
(Mn:0.90%以上1.50%以下)
Mnは、鋼材の焼入れ性や強度向上に寄与する元素である。こうした効果を発揮させるためには、Mn量は0.90%以上含有させる必要がある。Mn量の下限は、好ましくは1.0%以上であり、より好ましくは1.1%以上である。しかしながら、Mn量が過剰になると、ベイナイト組織やマルテンサイト組織等に変態し、被削性が低下するおそれがある。こうした観点から、Mn量は1.50質量%以下とする必要がある。Mn量の上限は、好ましくは1.4%以下であり、より好ましくは1.35質量%以下である。
(Mn: 0.90% to 1.50%)
Mn is an element that contributes to improving the hardenability and strength of the steel material. In order to exert such an effect, it is necessary to contain 0.90% or more of Mn. The lower limit of the amount of Mn is preferably 1.0% or more, more preferably 1.1% or more. However, when the amount of Mn becomes excessive, it transforms into a bainite structure, a martensite structure, or the like, and the machinability may be lowered. From such a viewpoint, the amount of Mn needs to be 1.50% by mass or less. The upper limit of the amount of Mn is preferably 1.4% or less, more preferably 1.35% by mass or less.
(S:0%超0.006%以下)
Sは、鋼中でMnと結合してMnSを形成する。MnSは、主鍛造方向に対して垂直方向の延性や靱性を低下させる。また粗大なMnSが存在すると、疲労強度が低下する。こうした観点から、Sはできるだけ低減することがよく、0.006%以下とする。好ましくは0.004%以下であり、より好ましくは0.002%以下である。但し、Sは鋼中に不可避的に混入してくる不純物であり、その量を0%にすることは工業生産上不可能である。
(S: more than 0% and 0.006% or less)
S combines with Mn in steel to form MnS. MnS reduces ductility and toughness in the direction perpendicular to the main forging direction. Further, when coarse MnS is present, the fatigue strength is lowered. From such a viewpoint, S is preferably reduced as much as possible, and is made 0.006% or less. Preferably it is 0.004% or less, More preferably, it is 0.002% or less. However, S is an impurity inevitably mixed in the steel, and it is impossible for industrial production to reduce the amount to 0%.
(Cu:0%超0.30%以下)
Cu量が過剰になると、熱間鍛造性を悪化させる。こうした観点から、Cu量は0.30%以下とする必要がある。好ましく0.28%以下である。但し、Cuは製錬時において溶鋼からの分離が困難な元素であるため、その量を0%にすることはできない。
(Cu: more than 0% and 0.30% or less)
When the amount of Cu becomes excessive, hot forgeability is deteriorated. From such a viewpoint, the amount of Cu needs to be 0.30% or less. Preferably it is 0.28% or less. However, since Cu is an element that is difficult to separate from molten steel at the time of smelting, its amount cannot be reduced to 0%.
(Mo:0%超0.15%以下)
Moは、鋼材の強度を向上させるとともに、焼入れ性を向上させるのに有効な元素である。添加量が多いとベイナイト組織やマルテンサイト組織へ変態し、被削性が低下するおそれがある。こうした観点から、Mo量は0.15%以下とする必要がある。好ましくは0.10%以下である。但し、Moはスクラップ中に不可避的に混入してくる元素であるため、その量を0%にすることはできない。
(Mo: more than 0% and 0.15% or less)
Mo is an element effective for improving the hardenability as well as improving the strength of the steel material. If the amount added is large, the material may be transformed into a bainite structure or a martensite structure, and the machinability may be reduced. From such a viewpoint, the Mo amount needs to be 0.15% or less. Preferably it is 0.10% or less. However, since Mo is an element inevitably mixed in scrap, its amount cannot be reduced to 0%.
(V:0.06%超0.32%以下)
Vは、初析フェライト中に微細なV系炭化物を析出することで鋼材の疲労強度を向上させるのに有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、V量は0.06%以上とする必要がある。好ましくは0.08%以上であり、より好ましくは0.10%以上である。しかしながら、V量が過剰になると、ミクロ遍析の発生を助長することによって鋼材の靱性を低下させるおそれがある。こうした観点から、V量は0.32%以下とする。好ましく0.30%以下である。
(V: more than 0.06% and 0.32% or less)
V is an element effective for improving the fatigue strength of a steel material by precipitating fine V-based carbides in pro-eutectoid ferrite. In order to exert such effects, the V amount needs to be 0.06% or more. Preferably it is 0.08% or more, More preferably, it is 0.10% or more. However, when the amount of V becomes excessive, there is a possibility that the toughness of the steel material is reduced by promoting the occurrence of micro-homogeneity. From such a viewpoint, the V amount is set to 0.32% or less. Preferably it is 0.30% or less.
本発明の鍛鋼品用鋼の基本成分は上記の通りであり、残部は実質的に鉄である。ただし、原材料、資材、製造設備等の状況によって不可避的に持ち込まれる不純物が鋼中に含まれることは当然に許容される。こうした不可避的不純物としては、上述したSの他、例えばP、N、O、Ni、Cr等が含まれる。 The basic components of the steel for forgings of the present invention are as described above, and the balance is substantially iron. However, it is naturally allowed that impurities that are inevitably brought in depending on the situation of raw materials, materials, manufacturing facilities, etc. are contained in the steel. Such unavoidable impurities include, for example, P, N, O, Ni, Cr and the like in addition to S described above.
本発明の鍛鋼品用鋼は、上述した本発明の効果に悪影響を与えない範囲で、不可避的不純物を含有してもよい。 The steel for forgings of the present invention may contain unavoidable impurities as long as the effects of the present invention described above are not adversely affected.
例えば、不可避的不純物であるNiはその含有量が増加するとベイナイト組織やマルテンサイト組織への変態を促進して、被削性が低下するおそれがある。こうした観点から、Ni量は0.35%以下であることが好ましく、0.30%以下であることがより好ましく、0.25%以下であることがより一層好ましい。 For example, Ni, which is an unavoidable impurity, increases the content thereof, promotes transformation into a bainite structure or a martensite structure, and there is a possibility that the machinability may decrease. From such a viewpoint, the Ni content is preferably 0.35% or less, more preferably 0.30% or less, and even more preferably 0.25% or less.
また、不可避的不純物であるCrもその含有量が増加するとベイナイト組織やマルテンサイト組織への変態を促進して、被削性が低下するおそれがある。こうした観点から、Cr量は0.35%以下であることが好ましく、0.30%以下であることがより好ましく、0.25%以下であることがより一層好ましい。 In addition, if the content of Cr, which is an inevitable impurity, is increased, the transformation to a bainite structure or a martensite structure is promoted, and the machinability may be lowered. From such a viewpoint, the Cr content is preferably 0.35% or less, more preferably 0.30% or less, and even more preferably 0.25% or less.
本発明の鍛鋼品用鋼は、上記のように化学成分組成を調整した鋼材を溶解・鋳造する溶解・鋳造工程と、鋳造工程で得られる鋼塊を加熱する加熱工程と、加熱した鋼塊を鍛造する鍛造工程と、鍛造工程で得られた鍛造品(以下、「ワーク」と呼ぶことがある)を焼ならし、焼戻しする熱処理工程と、熱処理工程後のワークを機械加工する機械加工工程とを備えることによって製造できる。これらの各工程における詳細は下記の通りである。 The steel for forgings of the present invention comprises a melting / casting process for melting / casting a steel material having a chemical composition adjusted as described above, a heating process for heating the steel ingot obtained in the casting process, and a heated steel ingot. A forging process for forging, a heat treatment process for normalizing and tempering a forged product obtained in the forging process (hereinafter sometimes referred to as “workpiece”), and a machining process for machining the workpiece after the heat treatment process, It can manufacture by providing. Details in each of these steps are as follows.
[溶解・鋳造工程]
高周波溶解炉や電気炉、転炉等を用いて所定の化学成分組成の鋼を溶解し、真空精錬等によって硫黄や酸素等の不純物元素を除去する。成分調整後に真空処理を施し、不純物元素やO、H等のガス成分を除去する。鋳造は、大型鍛鋼品用鋼の場合には、主としてインゴット(鋼塊)鋳造が採用される。
[Melting / Casting Process]
Steel with a predetermined chemical composition is melted using a high-frequency melting furnace, electric furnace, converter, etc., and impurity elements such as sulfur and oxygen are removed by vacuum refining or the like. After the component adjustment, vacuum processing is performed to remove impurity elements and gas components such as O and H. In the case of steel for large forged steel products, ingot (steel ingot) casting is mainly employed for casting.
[加熱工程]
鍛造加工は、材料の変形能の良好な限られた温度範囲で行うため、鍛造前の加熱温度は例えば1150℃以上1350℃以下とする。このとき鋼塊表面と内部の温度を均一にするため、0.5時間以上の加熱保持が必要である。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、大型の鋼材ほど保持時間が長くなる。このときの加熱温度の下限は、好ましくは1200℃以上であり、加熱温度の上限は好ましくは概ね1280℃以下である。
[Heating process]
Since the forging process is performed in a limited temperature range where the deformability of the material is good, the heating temperature before forging is, for example, 1150 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower. At this time, in order to make the temperature of the steel ingot surface and the inside uniform, heating and holding for 0.5 hour or more is necessary. Generally, it is thought that it is proportional to the square of the diameter of a workpiece, and a larger steel material has a longer holding time. The lower limit of the heating temperature at this time is preferably 1200 ° C. or higher, and the upper limit of the heating temperature is preferably about 1280 ° C. or lower.
[鍛造工程]
上記の温度範囲に加熱された鋼塊を鍛造する。このとき、ザク巣やミクロポロシティなどの鋳造欠陥を圧着させるには、3S以上の鍛錬成形比(JIS G0701:1957)を確保する必要がある。
[Forging process]
A steel ingot heated to the above temperature range is forged. At this time, it is necessary to ensure a forging ratio (JIS G0701: 1957) of 3S or more in order to press-fit casting defects such as a zaku nest and microporosity.
[熱処理工程]
本発明の鍛鋼品用鋼は化学成分組成だけでなく、ミクロ組織を適切に制御することによって、その目的を達成するため、目的のミクロ組織を得る目的で、焼ならしや焼戻し等の熱処理を実施する。オーステナイト化は少なくともAc3点以上(830℃以上)に徐加熱(昇温速度:30〜70℃/時程度)し、一定時間(0.5時間以上)以上保持する。このときV系炭化物を十分に固溶させるためには、850℃以上のオーステナイト化温度で処理する必要がある。
[Heat treatment process]
The steel for forgings of the present invention achieves its purpose by appropriately controlling not only the chemical component composition but also the microstructure, so that heat treatment such as normalization and tempering is performed for the purpose of obtaining the desired microstructure. carry out. In austenitization, at least Ac 3 points or more (830 ° C. or more) is gradually heated (temperature increase rate: about 30 to 70 ° C./hour) and held for a certain time (0.5 hours or more). At this time, in order to sufficiently dissolve the V-based carbide, it is necessary to perform the treatment at an austenitizing temperature of 850 ° C. or higher.
しかしながら、旧オーステナイト粒の結晶粒粗大化抑制の観点から、970℃以下のオーステナイト化温度で処理する必要がある。大型鍛鋼品用鋼の場合には、加熱時に材料の内外で温度差が生じるため、オーステナイト化温度まで徐加熱し、鋼材の表面と内部の温度を均一にするために一定時間保持して焼ならしする。保持時間は鋼材の直径に比例し、大型の鋼材ほど保持時間が長い。鋼材内部まで均一な温度になるまで冷却は行わない。 However, it is necessary to perform the treatment at an austenitizing temperature of 970 ° C. or lower from the viewpoint of suppressing coarsening of the prior austenite grains. In the case of steel for large forged steel products, a temperature difference occurs between the inside and outside of the material during heating. To do. The holding time is proportional to the diameter of the steel material, and the holding time is longer for larger steel materials. Cooling is not performed until the temperature reaches a uniform level inside the steel material.
上記の焼ならし温度から、500℃までを5℃/分以上の平均冷却速度で冷却することで、鋼の初析フェライト中に微細なV系炭化物を析出させることができる。しかしながら、100℃/分を超える平均冷却速度で冷却すると、マルテンサイト変態やベイナイト変態を起こす可能性があり、鋼材の被削性が低下させるおそれがある。そのため、このときの平均冷却速度は100℃/分以下とする必要がある。また、完全にパーライト変態を完了させるためには、400℃以下まで冷却する。このときの冷却が不十分であると、特性のばらつきの原因となり得る。 By cooling from the above normalizing temperature to 500 ° C. at an average cooling rate of 5 ° C./min or more, fine V-based carbides can be precipitated in the pro-eutectoid ferrite of the steel. However, when cooling at an average cooling rate exceeding 100 ° C./min, martensitic transformation or bainite transformation may occur, which may reduce the machinability of the steel material. Therefore, the average cooling rate at this time needs to be 100 ° C./min or less. Moreover, in order to complete the pearlite transformation completely, it cools to 400 degrees C or less. Insufficient cooling at this time may cause variations in characteristics.
焼戻しは、所定の温度(例えば、550〜650℃)まで徐加熱(例えば昇温速度30〜70℃/時)し、一定時間(例えば5〜20時間)保持する。この焼戻し処理は、鋼材の強度と延性、靱性のバランスを調整するとともに、相変態で生じた内部応力や変態応力を除去する効果がある。そのため、550℃以上に加熱して焼戻し処理を行う必要がある。但し、焼戻し温度が高温になると、炭化物の粗大化により、材料が軟化するため、十分に強度を確保できない可能性がある。そのため、650℃以下で焼戻しを行う必要がある。 Tempering is performed by gradually heating (for example, a heating rate of 30 to 70 ° C./hour) to a predetermined temperature (for example, 550 to 650 ° C.) and holding for a certain time (for example, 5 to 20 hours). This tempering treatment has the effect of adjusting the balance between strength, ductility and toughness of the steel material and removing internal stresses and transformation stresses caused by the phase transformation. Therefore, it is necessary to perform tempering by heating to 550 ° C. or higher. However, when the tempering temperature is high, the material is softened due to the coarsening of the carbide, so that there is a possibility that sufficient strength cannot be secured. Therefore, it is necessary to perform tempering at 650 ° C. or lower.
[機械加工工程]
必要に応じて、熱処理を施した鍛造品の少なくとも表層の一部を研削等の仕上げ機械加工を施すことによって、組立型クランク軸用鍛鋼スローや鍛鋼ジャーナル等の大型鍛鋼品を得ることができる。
[Machining process]
If necessary, at least a part of the surface layer of the heat-treated forged product is subjected to finish machining such as grinding, whereby a large forged product such as a forged steel throw for an assembled crankshaft or a forged steel journal can be obtained.
以下、実施例に基づいて、本発明の作用効果をより具体的に示すが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前記および後記の趣旨に徴して設計変更することは、いずれも本発明の技術的範囲に含まれる。 Hereinafter, based on the examples, the effects of the present invention will be described more specifically, but the following examples are not of a nature that limits the present invention, and the design change in the spirit of the above and the following description is Both are included in the technical scope of the present invention.
下記表1に示す化学成分を有する各種鋼材を、高周波溶解炉および電気炉にて溶製し、所定の化学成分組成に調整した後、成分調整後に真空処理施し、不純物元素やO、H等のガス成分を除去した。製錬後、鋳込みを行い、50kgまたは90tonのインゴット(鋼塊)に造塊した。なお、表1に示した鋼種Gを用い、後記表3の試験No.8に示した例が実機に相当している。 Various steel materials having chemical components shown in Table 1 below are melted in a high-frequency melting furnace and an electric furnace, adjusted to a predetermined chemical component composition, then subjected to vacuum treatment after adjusting the components, and impurities such as impurity elements, O, and H The gas component was removed. After smelting, casting was performed, and ingots (steel ingots) of 50 kg or 90 tons were formed. In addition, using the steel type G shown in Table 1, test No. The example shown in FIG. 8 corresponds to an actual machine.
90tonインゴットに関して、実機のクランクスローの形状にまでニアネット鍛造を施した。一方、50kgインゴットに関しては、実機の鍛造条件を模擬して熱間で角材形状へ鍛伸し、室温まで放冷した。なお、全てのインゴットにおいては、ザク巣やミクロポロシィティ等の鋳造欠陥を圧着させるために、3S以上の鍛錬成形比(JIS G0701:1957)を確保した。 For the 90 ton ingot, near net forging was applied to the shape of the actual crank throw. On the other hand, with respect to the 50 kg ingot, the forging conditions of the actual machine were simulated, the steel was forged into a square bar shape and was allowed to cool to room temperature. In all the ingots, a forging ratio (JIS G0701: 1957) of 3S or more was ensured in order to press-fit casting defects such as zaku nests and microporosities.
鍛伸したインゴットに対し、機械的特性を確保するための熱処理(焼ならし処理、焼戻し処理)を施した。このときの焼ならしは、下記表2に示すような、オーステナイト化温度(870〜950℃)まで昇温し、鋼塊の中心まで均一な温度になるまで保持した。 The forged ingot was subjected to heat treatment (normalizing treatment, tempering treatment) to ensure mechanical properties. The normalization at this time was raised to an austenitizing temperature (870 to 950 ° C.) as shown in Table 2 below, and maintained until the temperature became uniform to the center of the steel ingot.
大型クランク軸の場合には、保持温度まで徐加熱し、22時間のオーステナイト化処理を施した後、200℃以下まで冷却した。また焼戻しに関しては、620℃で22時間施した。なお、焼ならし後の平均冷却速度(焼ならし温度から500℃までの平均冷却速度)に関しては、最も冷却されにくいフィレット部における平均冷却速度を記載している。 In the case of a large crankshaft, it was gradually heated to a holding temperature, subjected to austenitizing treatment for 22 hours, and then cooled to 200 ° C. or lower. Moreover, regarding tempering, it applied at 620 degreeC for 22 hours. In addition, about the average cooling rate after normalization (average cooling rate from normalization temperature to 500 degreeC), the average cooling rate in the fillet part which is hard to cool down is described.
50kgインゴットに関しては、20mm×20mm×L200mmの角材を切り出した後、実機のクランク軸のフィレット部を模擬して、300℃以下までを平均冷却速度が0.5〜5℃/分の範囲で冷却を行い、その後、焼戻しは610℃で10時間以上保持し、炉冷または放冷した。 For a 50 kg ingot, after cutting a 20 mm × 20 mm × L 200 mm square, it simulates the fillet part of the crankshaft of the actual machine and cools it to 300 ° C. or less within an average cooling rate of 0.5 to 5 ° C./min. After that, tempering was held at 610 ° C. for 10 hours or more and cooled in a furnace or allowed to cool.
[ミクロ組織観察]
熱処理後、ミクロ観察用の試験片を切りだし、鍛伸方向に対して垂直な面を研磨し、研磨面をナイタールで腐食させて、光学顕微鏡でミクロ組織を観察した。
[Microstructure observation]
After the heat treatment, a specimen for micro observation was cut out, the surface perpendicular to the forging direction was polished, the polished surface was corroded with nital, and the microstructure was observed with an optical microscope.
[引張試験]
熱処理後、小型材に関しては、試験片の長手方向が鍛伸方向に対して平行となるように試験片を加工した。実機クランクスローに関しては、フィレット部から30mm×30mm×L250mm程度の角材を切り出した後、試験片加工を施した。引張試験片の形状はJIS14A号引張試験片(φ6mm×G.L.30mmまたはφ14mm×G.L.70mm)とした。引張試験は、JIS−Z2241:1998に基づいて実施し、0.2%耐力、引張強さ、伸びおよび絞り等の引張特性を測定した。
[Tensile test]
After the heat treatment, for the small material, the test piece was processed so that the longitudinal direction of the test piece was parallel to the forging direction. Regarding the actual crank throw, after cutting a square material of about 30 mm × 30 mm × L 250 mm from the fillet portion, the test piece was processed. The shape of the tensile test piece was a JIS No. 14A tensile test piece (φ6 mm × GL30 mm or φ14 mm × GL70 mm). The tensile test was performed based on JIS-Z2241: 1998, and tensile properties such as 0.2% proof stress, tensile strength, elongation and drawing were measured.
なお、上記「G.L.」とは、標点間距離(Gauge Length)、すなわち引張試験片において応力のかかる有効な距離を示す。 The “GL” indicates a distance between gauge points (Gauge Length), that is, an effective distance on which stress is applied to a tensile test piece.
[回転曲げ疲労試験]
熱処理後、試験片の長手方向が鍛伸方向に対して平行となるように回転曲げ疲労試験片を加工し、回転曲げ疲労試験を実施した。実機クランクスローに関しては、フィレット部から角材を30mm×30mm×L250mm程度の角材を切り出した後、試験片加工を施した。回転曲げ疲労試験片の形状はJIS1号回転曲げ疲労試験片(φ8mm,R30mm,G.L.22mmまたはφ10mm,R30mm,G.L.30mm)とし、回転曲げ疲労試験はJIS−Z2274:1978に基づいて実施した。疲労強度に関しては、或る応力水準を3×106回負荷し、未破断の場合は順次応力幅を増加させ、最も大きい未破断応力を疲労強度とする階差法により疲労強度を求め、同一条件の試料を3本作製し、その平均値を疲労強度とした。
[Rotating bending fatigue test]
After the heat treatment, the rotating bending fatigue test piece was processed so that the longitudinal direction of the test piece was parallel to the forging direction, and the rotating bending fatigue test was performed. Regarding the actual crank throw, a square piece of about 30 mm × 30 mm × L 250 mm was cut out from the fillet portion, and then a test piece was processed. The shape of the rotating bending fatigue test piece is JIS No. 1 rotating bending fatigue test piece (φ8 mm, R30 mm, GL22 mm or φ10 mm, R30 mm, GL30 mm), and the rotating bending fatigue test is based on JIS-Z2274: 1978. Carried out. Regarding fatigue strength, a certain stress level is applied 3 × 10 6 times, and when it is not ruptured, the stress width is sequentially increased, and the fatigue strength is obtained by the difference method in which the largest unbroken stress is the fatigue strength. Three samples of conditions were prepared, and the average value was defined as fatigue strength.
[V系炭化物の分散状態および個数密度の測定]
熱処理後、鍛伸方向に対して垂直な面を観察面とし、電解液での電解研磨により作製した薄膜またはサンプル抽出レプリカを作製し、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)で初析フェライト中における析出物、および析出物の分散状態を観察した。このときの加速電圧は200kVとし、5万倍〜500万倍の倍率にて観察を行った。
[Measurement of dispersion state and number density of V-based carbide]
After heat treatment, the surface perpendicular to the forging direction is taken as the observation surface, and a thin film or sample extraction replica prepared by electropolishing with an electrolytic solution is prepared, and proeutectoid ferrite is measured with a transmission electron microscope (TEM). The precipitate inside and the dispersion state of the precipitate were observed. At this time, the acceleration voltage was 200 kV, and observation was performed at a magnification of 50,000 to 5,000,000 times.
初析フェライト中の析出物の同定を行うために、上記TEMにより観察した抽出レプリカにてエネルギー分散型X線分析(Energy Dispensive X−ray Spectroscopy;EDS)により、成分分析を実施した。EDS分析を実施して析出物は、全てV系炭化物であることが判明したため、初析フェライト中の析出物は全てV系炭化物として扱った。 In order to identify the precipitate in the pro-eutectoid ferrite, component analysis was performed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) using the extracted replica observed by the TEM. Since the EDS analysis was performed and all the precipitates were found to be V-based carbides, all the precipitates in the pro-eutectoid ferrite were handled as V-based carbides.
薄膜またはサンプル抽出レプリカにより得られた組織写真を使用し、画像解析により、初析フェライト中に析出したV系炭化物の粒径(円相当直径)と個数を測定した。その測定結果から、粒径が50nm以下のV系炭化物の個数と測定面積の商により、1μm2あたりに存在する粒径50nm以下のV系炭化物の個数密度を算出した。 Using a structural photograph obtained with a thin film or a sample extraction replica, the particle size (equivalent circle diameter) and the number of V-based carbides precipitated in the pro-eutectoid ferrite were measured by image analysis. From the measurement results, the number density of V-based carbides having a particle size of 50 nm or less present per 1 μm 2 was calculated from the quotient of the number of V-type carbides having a particle size of 50 nm or less and the measurement area.
[評価基準]
ミクロ組織の観察結果、引張特性(0.2%耐力、引張強さ、伸びおよび絞り)、疲労特性、およびV系炭化物の個数密度の測定結果を、下記表3に示す。なお、下記表3において、「F」は初析フェライト、「P」はパーライト、「B」はベイナイトを夫々示し、ミクロ組織が、初析フェライト+パーライト(F+P)、または初析フェライト+パーライト+ベイナイト(F+P+B)の複合組織で、初析フェライトとパーライトの合計面積率が90%以上を満たすものを「○」、合計面積率が90%に満たないものを「×」と評価した。降伏応力は、引張試験時に降伏点が観察できた場合は上降伏点、観察できなかった場合は0.2%耐力で評価した。そして420MPa以上の高い降伏応力を示す例を「○」、420MPa未満の低い降伏応力を示す例を「×」と評価した。疲労強度については、330MPa以上の高い疲労強度を示す例を「○」、330MPa未満の疲労強度を示す例を「×」と評価した。V系炭化物の個数密度において、「−」で示した欄は、V系炭化物の観察を実施していない場合を示している。
[Evaluation criteria]
The observation results of the microstructure, tensile properties (0.2% yield strength, tensile strength, elongation and drawing), fatigue properties, and measurement results of the number density of V-based carbide are shown in Table 3 below. In Table 3 below, “F” indicates pro-eutectoid ferrite, “P” indicates pearlite, and “B” indicates bainite, and the microstructure is pro-eutectoid ferrite + pearlite (F + P), or pro-eutectoid ferrite + pearlite + A bainite (F + P + B) composite structure in which the total area ratio of pro-eutectoid ferrite and pearlite satisfies 90% or more was evaluated as “◯”, and a composite area ratio less than 90% was evaluated as “X”. The yield stress was evaluated based on the upper yield point when the yield point could be observed during the tensile test, and 0.2% proof stress when the yield point could not be observed. And the example which shows the high yield stress of 420 Mpa or more was evaluated as "(circle)", and the example which shows the low yield stress of less than 420 Mpa was evaluated as "*". Regarding the fatigue strength, an example showing a high fatigue strength of 330 MPa or more was evaluated as “◯”, and an example showing a fatigue strength of less than 330 MPa was evaluated as “X”. In the number density of V-based carbides, the column indicated by "-" indicates a case where observation of V-based carbides is not performed.
この結果から、下記のように考察できる。試験No.1〜8は、本発明で規定する要件のいずれをも満足する実施例であり、高降伏応力で高疲労強度である鍛鋼品用鋼が実現できていることが分かる。またこれらの鋼材では、初析フェライト+パーライト(F+P)の合計面積率が90%以上を満たしているので、優れた被削性を発揮することが予想される。 From this result, it can be considered as follows. Test No. Examples 1 to 8 are examples that satisfy all of the requirements defined in the present invention, and it can be seen that steel for forgings having high yield stress and high fatigue strength can be realized. Moreover, in these steel materials, since the total area ratio of pro-eutectoid ferrite + pearlite (F + P) satisfies 90% or more, it is expected that excellent machinability is exhibited.
これに対し試験No.9〜16は、本発明で規定するいずれかの要件を満足しない例であり、降伏応力および高疲労強度の少なくともいずれかの点で低下していることが分かる。 In contrast, test no. 9 to 16 are examples that do not satisfy any of the requirements defined in the present invention, and it can be seen that the yield stress and the high fatigue strength are reduced in at least one of the points.
具体的には、試験No.9〜15は、オーステナイト化温度から500℃までの平均冷却速度が遅くなった例であり、V系炭化物の個数密度が少なくなっており、降伏応力および疲労強度の少なくともいずれかが低下している。 Specifically, Test No. Nos. 9 to 15 are examples in which the average cooling rate from the austenitizing temperature to 500 ° C. is slow, the number density of V-based carbides is reduced, and at least one of yield stress and fatigue strength is reduced. .
試験No.16は、Vを含有していない鋼種Hを用いた例であり、適切な製造条件で製造しても、V系炭化物の析出が殆どないことが予想され、降伏応力および疲労強度が低下している。 Test No. No. 16 is an example using a steel type H that does not contain V, and even when manufactured under appropriate manufacturing conditions, it is expected that there will be almost no precipitation of V-based carbides, resulting in a decrease in yield stress and fatigue strength. Yes.
これらの結果に基づき、V系炭化物の個数密度が降伏応力に与える影響を図1に示す。またV系炭化物の個数密度が疲労強度に与える影響を図2に示す。図1、2から明らかなように、降伏応力:420MPa以上、疲労強度:330MPa以上を確保するためには、初析フェライト中のV系炭化物の個数密度を55個/μm2以上とする必要があることが分かる。 Based on these results, the influence of the number density of V-based carbides on the yield stress is shown in FIG. FIG. 2 shows the influence of the number density of V-based carbides on the fatigue strength. As is apparent from FIGS. 1 and 2, in order to ensure a yield stress of 420 MPa or more and a fatigue strength of 330 MPa or more, the number density of V-based carbides in the pro-eutectoid ferrite needs to be 55 pieces / μm 2 or more. I understand that there is.
Claims (3)
C :0.28%以上0.47%以下、
Si:0%超0.45%以下、
Mn:0.90%以上1.50%以下、
S :0%超0.006%以下、
Cu:0%超0.30%以下、
Mo:0%超0.15%以下および
V :0.06%以上0.32%以下
を夫々含有するとともに、残部が鉄および不可避的不純物からなり、
金属組織全体に占める割合で、初析フェライトおよびパーライトの合計面積率が90%以上であり、
且つ円相当径が50nm以下のV系炭化物が、初析フェライト中の1μm2あたりに55個以上500個以下の個数密度で存在し、
降伏応力が420MPa以上であるとともに、疲労強度が330MPa以上であることを特徴とする鍛鋼品用鋼。 % By mass
C: 0.28% or more and 0.47% or less,
Si: more than 0% and 0.45% or less,
Mn: 0.90% or more and 1.50% or less,
S: more than 0% and 0.006% or less,
Cu: more than 0% and 0.30% or less,
Mo: more than 0% and 0.15% or less and V: 0.06% or more and 0.32% or less, respectively, and the balance is made of iron and inevitable impurities,
The total area ratio of pro-eutectoid ferrite and pearlite is 90% or more in the ratio of the entire metal structure,
In addition, V-based carbide having an equivalent circle diameter of 50 nm or less exists in a number density of 55 to 500 per 1 μm 2 in the pro-eutectoid ferrite,
A steel for forged steel product having a yield stress of 420 MPa or more and a fatigue strength of 330 MPa or more.
A forged steel journal comprising the steel for forged products according to claim 1.
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