CN100374603C - 高频淬火用热锻非调质钢 - Google Patents

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Abstract

一种高频淬火用热锻非调质钢，含有C：0.35～0.45%；Si：0.20～0.60%；Mn：0.40～0.80%；S：0.040～0.070%；Cr：0.10～0.40%；Ti：0.020～0.100%；Ca：0.0005～0.0050%；B：0.0005～0.0030%；O：0.0015～0.0050%；Mo：0～0.05%；P≤0.025%；V≤0.03%；Al≤0.009%；N≤0.0100%，剩余部由Fe和杂质组成，Fn1＝C+(Si/10)+(Mn/5)+(5Cr/22)+1.65V-(5/7S)+1.51×(Ti-3.4N)≤0.63，Ca/O≤1.0，并且25.9×Fn1+27.5×(Ti-3.4N)-7.9≥5.7。该钢将热锻状态的钢材作为初始材料，比现有钢的切削性均优异，并且具有与现有钢同等以上的疲劳强度。

Description

高频淬火用热锻非调质钢
技术领域
本发明涉及一种高频淬火用热锻非调质钢。详细地说，是适用于汽车和工业用车辆等所使用的曲轴等的机械结构部件的高频淬火用热锻非调质钢。
背景技术
历来，在用于汽车、工业用车辆等的曲轴等中，为了要求耐磨损性及疲劳强度，而使用由JIS所规定的S48C等的机械结构用钢。在此，S48C是所谓的“调质钢”。为此，在热加工后进行淬火回火处理以赋予规定的强度，再进行机械加工等加工成规定的形状，之后，在需要的部位实施高频淬火而形成表面硬化层，由此提高耐磨损性及疲劳强度。
然而，上述的这种调质钢，在热锻后实施淬火-回火的热处理，以至大量的能源与时间和设备成本被消耗，近年来，应该顺应节能这样的社会呼声，通过热锻就可以使用的非调质钢的开发盛行，到现在为止，也有一些关于高频淬火用非调质钢的报告。
例如，在专利文献1中所公示，“一种高频淬火用非调质钢，其特征在于，具有如下组织：以重量％计，含有C：0.30～0.60％、Si：0.03～1.0％及Mn：0.5～2.0％；还含有Mo：0.05～0.5％及Nb：0.01～0.3％的1种或2种；剩余部实质上由Fe组成；贝氏体的所占体积率为75％以上”等。
还有，在特利文献2中所公示，“一种高频淬火用非调质钢，其特征在于，以重量％计，含有C：0.30～0.60％；Si：0.10～0.80％；Mn：0.60～2.00％；Cr：0.60以下；V：0.05～0.30％；Al：0.030～0.100％；N：0.0080～0.0200％；B：0.0005～0.0050％，剩余部由Fe及杂质元素组成”等。
专利文献1：特开昭63-100157号公报
专利文献2：特开平2-179841号公报
本发明的目的在于，提供一种高频淬火用热锻非调质钢，其将热锻状态的钢材作为初始材料，与现有钢相比，切削性提高，并且具有与现有钢同等以上的疲劳强度。
由前述的专利文献1提出的钢，由于母材的组织是由贝氏体率75％以上构成，所以，存在作为机械结构用钢所需的重要特性之1的切削性降低的问题。
还有，由专利文献2提出的技术的情况，存在如下问题：为了利用Al充分地固定N，需要添加比较大量的Al，但是若过量地添加Al，则形成硬的Al2O3相，与由V而确保与现有钢相同的内部强度的点结合，切削性降低。
发明内容
因此，本发明者们为了解决上述课题而进行种种研究，特别是进行关于热锻非调质钢的切削性的提高、和高频淬火后的疲劳强度的确保的研究，从而得出以下的结论。
(a)为了使切削性大幅度提高，要使内部硬度的降低，即，将由后述的公式(1)表示的Fn1所规定的C当量控制在0.63以下，并且，还有以下必要：作为易切削元素的S及Ca的添加；及用于确保切削处理性的Al的限制；及对由后述的公式(2)表示的Fn2的值的1.0以下的控制。
(b)还有，为了确保与现有钢(例如，对由JIS规定的S48C等实施淬火处理及回火处理的钢)同等的疲劳强度，按图1所示的这样，有必要使以图1中符号b表示的高频淬火时的淬火深度增加图1中符号a表示的内部硬度降低的量，为了得到规定的淬火深度，需要作为淬火性提高元素的B的添加，以及将由后述的公式(3)表示的Fn3的值控制在5.7以上。此外，为了抑制成为非调质钢中的铁素体析出时的生成核的V碳氮化物的形成，需要将V控制在0.03％以下。
本发明根据上述的结论而完成。
本发明的主旨在于下述(1)所示的高频淬火用热锻非调质钢。
(1)一种高频淬火用热锻非调质钢，其特征在于，以质量％计，含有C：0.35～0.45％；Si：0.20～0.60％；Mn：0.40～0.80％；S：0.040～0.070％；Cr：0.10～0.40％；Ti：0.020～0.100％；Ca：0.0005～0.0050％；B：0.0005～0.0030％；O(氧)：0.0015～0.0050％；Mo：0～0.05％；P：0.025％以下；V：0.03％以下；Al：0.009％以下及N：0.0100％以下，剩余部由Fe及杂质构成，由下述公式(1)表示的Fn1的值为0.63以下，由下述公式(2)表示的Fn2的值为1.0以下，并且由下述公式(3)表示的Fn3的值为5.7以上。
公式(1)：Fn1＝C+(Si/10)+(Mn/5)+(5Cr/22)+1.65V-(5/7S)
+1.51×(Ti-3.4N)
公式(2)：Fn2＝Ca/O
公式(3)：Fn3＝25.9×Fn1+27.5×(Ti-3.4N)-7.9
在此，上述公式(1)、公式(2)及公式(3)中的各元素标号，表示该元素的质量％的含量。
以下，上述(1)记载的称为发明(1)。
在本发明的高频淬火用热锻非调质钢中，将热锻的钢材作为初始材料，比现有钢的切削性均优异，且具有与现有钢同等以上的疲劳强度。
附图说明
图1是表示切削性与疲劳强度确保的概念的图。
图2是表示Fn1及Fn2与切削性的关系一例的图。
图3是表示Fn1及Fn3与回转弯曲疲劳特性及切削性的关系的一个例子的图。
具体实施方式
以下，根据本发明的各要件详细说明。还有，各元素的含量的“％”表示“质量％”的意思。
(A)化学成分
C：0.35～0.45％
C具有使淬火性及内部强度提高的效果，为了得到最低限度的淬火性及内部强度，需要含有0.35％以上的C。另一方面，若含量超过0.45％，则母材的硬度上升，切削性恶化。因此，C的含量设为0.35～0.45％。并且，C的含量更优选范围为0.35～0.40％。
Si：0.20～0.60％
Si作为钢的脱氧剂为必需，并且具有强化铁素体，使疲劳强度提高的效果，为了得到该效果，需要含有0.20％以上的Si。另一方面，若含量超过0.60％，则促进热锻时的脱碳而强度降低。因此，Si的含量设为0.20～0.60％。并且，Si含量更优选范围为0.30～0.50％。
Mn：0.40～0.80％
Mn作为钢的脱氧剂为必需，并且具有提升淬火性而使钢的强度提高的效果，为了得到该效果，需要含有0.40％以上的Mn。另一方面，若含量超过0.80％，则使基材硬度上升而切削性降低。因此，Mn的含量设为0.40～0.80％。并且，Mn含量更优选范围为0.50～0.70％。
S：0.040～0.070％
S与Mn一起形成MnS，具有使切削性提高的效果，为了得到该效果，需要含有0.040％以上的S。另一方面，若含量超过0.070％，则钢的热锻性劣化，同时疲劳强度降低。因此，S的含量设为0.040～0.070％。并且，S含量的更优选范围为0.040～0.060％。
Cr：0.10～0.40％
Cr具有使钢的淬火性提高而提高强度的效果，为了得到规定的效果，需要含有0.10％以上的Cr。另一方面，若含量超过0.40％，则钢的热锻性劣化，并且切削性也降低。因此，Cr的含量设为0.10～0.40％。并且，Cr含量的更优选范围为0.10～0.20％。
Ti：0.020～0.100％
Ti为钢的脱氧剂，并且与钢中的N结合生成TiN，有固定N的作用。并且，钢中的固溶Ti具有强化钢的效果。在本发明钢中Al含量少，为了抑制由B添加的BN的生成，需要利用Ti固定N，为了得到理想的效果，要求含有0.020％以上的Ti。另一方面，若含量超过0.100％，则钢的切削性降低。因此，Ti的含量为0.020～0.100％。并且，Ti含量的更优选范围为0.030～0.060％。
Ca：0.0005～0.0050％
Ca具有使MnS细微分散，使钢的切削性大大提高的效果，为了得到该效果，需要含有0.0005％以上的Ca。另一方面，若含量超过0.0050％，则Ca的切削性提高的效果不仅会饱和，并且形成粗大的Ca系氧化物使疲劳强度降低。因此，Ca的含量设为0.0005～0.0050％。并且，Ca含量的更优选范围为0.0005～0.0030％。
B：0.0005～0.0030％
B具有使钢的淬火性提高这样重要的效果，在本发明中，为了使内部硬度减低而使切削性提高，要将C和Mn、Cr等提高淬火性的元素的含量，控制得比现有钢都低。因此，为了确保高频淬火时的淬火深度，而需要添加B，为了取得淬火性提高效果，需要含有0.0005％以上的B。另一方面，若含量超过0.0030％，则淬火性提高效果饱和。因此，B的含量为0.0005～0.0030％。
O(氧)：0.0015～0.0050％
O(氧)与Ca结合，具有抑制切削性、特别是高速切削时的工具磨损的效果，为了发挥该效果，需要含有0.0015％以上的O(氧)。另一方面，若含量超过0.0050％，相反则切削性劣化，粗大的氧化物系夹杂物形成使疲劳强度降低。因此，O(氧)的含量设为0.0015～0.0050％。并且，O含量的更优选范围为0.0015～0.0035％。
Mo：0～0.05％
Mo的添加可任意。如果添加，则具有使钢的淬火性提高的效果。为了确实地得到该效果，Mo可以设为0.02％以上的含量。另一方面，若含量超过0.05％，则钢的热锻性和切削性恶化，并且经济性也恶化。因此，Mo的含量设为0～0.05％。
Al：0.009％以下
Al有使钢脱氧的效果，但是若过量添加，则与氧结合生成硬质的Al2O3夹杂物，使切削性降低。特别是若Al的含量超过0.009％，则切削性的降低变得显著。因此，Al的含量设为0.009％以下。
在本发明中，P、V及N的含量按照下述限制。这些元素在钢中均作为杂质而包含。
P：0.025％以下
P是钢的不可避免的杂质，若在钢中大量存在，则有助长在高频淬火中的裂缝的情况。特别是若P的含量超过0.025％，则有高频淬火时的裂缝发生变得显著的情况。因此，P的含量设为0.025％以下。并且，P的含量更优选为0.015％以下。
V：0.03％以下
V与C及N结合形成碳氮化物。因为此碳氮化物在热锻后成为铁素体的稳定的生成核，成为使热锻后的高频淬火后的硬度发生偏差的重要原因。特别是若V的含量超过0.03％，则高频淬火后的硬度偏差变得显著。因此，V的含量设为0.03％以下。
N：0.0100％以下
因为N与Ti亲和力大，所以容易生成TiN，若N的含量超过0.0100％，则粗大的TiN生成，导致疲劳强度的降低。因此，N的含量设为0.0100％以下。并且，N含量的更优选范围为0.0060％以下。
涉及上述(1)的发明的高频淬火用热锻非调质钢的化学组成，由上述的从C到N的元素，和Fe及杂质的剩余部构成。
(B)Fn1、Fn2及Fn3
Fn1≤0.63
为了确保切削性，降低内部硬度是有效的，但特别是在深孔钻(gundrill)穿孔中，由于内部硬度的降低而工具寿命显著提高。因此，为了使热锻造后的内部硬度降低，得到良好的切削性，由所述的公式(1)表示的Fn1的值设为0.63以下。还有，若Fn1的值过低则内部硬度变低，有无法获得充分强度的情况，所以Fn1的值的下限优选为0.50左右。
Fn2≤1.0
Fn2设为1.0以下，即，Ca与O(氧)的比为1.0以下，从而钢中的MnS细微地分散，在切削时，此细微的MnS在钢中发挥切口效果，使切削处理性显著提高。因此，由所述的公式(2)表示的Fn2的值设为1.0以上。还有，Fn2的值的下限没有特别规定，但是，作为Ca含量的下限为0.0005％，和作为O(氧)含量的上限为0.0050％，由此计算的0.1为Fn2的值的下限。
Fn3≥5.7
关系到高频淬火深度的参数，在B的含量为所述0.0005～0.0030％的情况下，其由所述的公式(3)表示为Fn3。为了兼有切削性的提高与疲劳强度的确保；而使内部硬度降低，并且需要实现高频淬火深度的增大。然后，如果将Fn1的值设为0.63以下，并且将Fn3的值控制在5.7以上，则能够不破坏切削性而增大高频淬火深度。因此，由所述的公式(3)表示的Fn3的值设为5.7以上。还有，Fn3的值的上限没有特别规定，但是，使高频淬火深度提高的元素同时作为内部硬度的指标的Fn1的值上升，存在切削性降低的情况，所以Fn3的值的上限优选为10.0左右。
还有，在B的含量低于0.0005％的情况下，关系到高频淬火深度的参数，是由所述公式(3)表示的Fn3的0.56倍，不过，在以下的说明中，在B的含量低于0.0005％的情况下，与高频淬火深度相关的参数也称为Fn3。
以下，本发明者们，采用由表1所示的编号1～20表示的钢进行研究，将其结果作为一个例子，从而详细说明有关上述的Fn1～Fn3的值的规定。
[表1]
  试验编号   化学组成(质量％)剩余部：Fe以及杂质
  C   Si   Mn   P   S   Cr   Mo   V   Al   Ti   N   B   Ca   O
  12345678910   0.350.360.360.350.370.350.390.360.380.39   0.460.220.470.210.490.450.500.440.560.56   0.470.590.430.580.470.730.590.470.550.55   0.0080.0080.0080.0080.0100.0110.0110.0110.0110.011   0.0680.0580.0410.0550.0440.0460.0440.0400.0410.040   0.180.240.220.330.120.110.120.280.220.22   -0.02---0.02----   0.010.010.010.010.010.010.010.010.010.01   0.0010.0040.0010.0040.0020.0040.0050.0010.0030.001   0.0500.0440.0420.0380.0480.0460.0460.0450.0560.049   0.00800.00800.00600.00800.00800.00900.00800.01000.00700.0100   0.00250.00190.00250.00160.00170.00140.00120.00200.00180.0020   0.00090.00180.00110.00110.00110.00140.00210.00120.00230.0011   0.00180.00200.00250.00350.00250.00220.00360.00320.00300.0033
  11121314151617181920   0.420.390.380.400.380.390.480.460.460.45   0.210.200.200.220.230.480.200.220.220.20   0.840.820.800.850.840.580.710.690.830.81   0.0150.0110.0120.0130.0100.0090.0120.0080.0160.009   0.0580.0420.0440.0420.0460.0460.0410.0440.0530.061   0.130.220.180.180.140.140.160.160.160.13   --0.020.02--0.02-0.02-   0.090.100.010.010.010.010.010.010.010.01   0.0020.0020.0030.0040.0040.0060.0060.0030.0020.002   0.0030.0010.0380.0350.0020.0010.0050.0040.0310.033   0.00700.01000.00600.00700.00600.00700.00700.00800.00600.0050   --0.00190.0014----0.00160.0022   0.00130.00130.00220.00210.00210.00200.00090.00120.00120.0009   0.00310.00240.00150.00150.00260.00160.00210.00160.00170.0013
首先，将具有表1所示的化学组成的钢，用3吨电炉熔炼铸造，以钢锭的状态进行放冷。接着，将各钢锭通过分块轧制成为180mm角的坯料之后，以常规的方法加热到1200℃以上，通过热轧制成直径100mm及直径20mm的棒钢。
在此，直径100mm的棒钢，在1200℃保持60分钟后放冷，实施高温正火之后切割为70mm长度，从而得到切削性评价试验片。
还有，使用水溶性润滑剂，采用超硬制的直径6.2mm的深孔钻，以转速6000rpm，送给量200mm/min，对试验片的横截面垂直钻切削深度55mm的孔300个，根据深孔钻的折损的有无评价切削性。
并且，切削处理性，通过在上述的切削试验之时排出的切屑，是否包含长度30mm以上的而进行评价。即，在切屑长度包含30mm以上的时候，判断为切削处理性差，在切屑长度不包含30mm以上的时候，判断为切削处理性为良好。
另一方面，直径20mm的棒钢，在1200℃保持30分钟后放冷，实施高温正火之后，从此直径20mm的棒钢取得平行部直径10mm的小野式回转弯曲疲劳试验片。此外，在试验片的平行部，实施输入功率50kW、频率200kHz的高频淬火，在150℃进行30分钟的低温回火，而实施了小野式回转弯曲疲劳试验。
还有，回转弯曲疲劳特性，采用上述的平行部直径10mm、平行部长度为30mm、角部半径为30mm的JIS1号回转弯曲疲劳试验片，通过常规的方法在室温下进行小野式回转变曲疲劳试验，将反复次数1.0×107回的应力作为回转变曲疲劳强度而进行评价。在此，如果回转弯曲疲劳强度为500MPa以上，则是为了超过JIS规定的S48C的热锻材料的回转疲劳强度，以具有500MPa以上的回转弯曲疲劳强度为目标。
以上的试验结果在图2及图2中显示。
图2表示Fn1及Fn2与切削性的关系。
由图2可知，由于Fn1的值在0.63以下，并且Fn2的值在1.0以下，切削性(深孔钻的寿命及切削处理性)为良好。
图3表示Fn1及Fn3与回转弯曲疲劳特性及切削性的关系。还有，在图3中，删除了Fn2的值超过1.0的。
由图3可知，由于Fn1的值在0.63以下，并且Fn3的值在5.7以上，回转弯曲疲劳特性及切削性为良好。即可知，由于Fn1的值在0.63以下，Fn2的值在1.0以下，并且Fn3的值在5.7以上，切削性且疲劳强度变得良好。
实施例
以下，通过实施例详细说明本发明。
将上述的表1所示的试验编号1～20表示的钢，用3吨电炉熔炼铸造，在钢锭状态进行放冷。还有，在表1中由试验编号1～10表示的钢，是化学组成在本发明规定的范围内的本发明例的钢，在表1中由试验编号11～20表示的钢，是化学组成在本发明规定的范围以外的比较例的钢。
接着，将各钢锭通过分块轧制成为180mm角的坯料之后，以常规的方法加热到1200℃以上，通过热轧制成直径100mm及直径20mm的棒钢。
然后，直径100mm的棒钢，在1200℃保持60分钟后放冷，实施高温正火后切割为70mm长度，从而得到切削性评价试验片。
还有，使用水溶性润滑剂，采用超硬制的直径6.2mm的深孔钻，以转速6000rpm，送给量200mm/min，对试验片的横截面垂直钻切削深55mm的孔300个，根据深孔钻的折损的有无评价切削性。
并且，切削处理性，通过在上述的切削试验之时排出的切屑，是否包含长度30mm以上的而进行评价。即，在切屑长度包含30mm以上的时候，判断为切削处理性差，在切屑长度不包含30mm以上的时候，判断为切削处理性良好。
另一方面，直径20mm的棒钢，在1200℃保持30分钟后放冷，实施高温正火之后，从此直径20mm的棒钢取得平行部直径10mm的小野式回转弯曲疲劳试验片。此外，在试验片的平行部，实施输入功率50kW、频率200kHz的高频淬火，在150℃进行30分钟的低温回火，而实施了的小野式回转弯曲疲劳试验。
还有，回转弯曲疲劳特性，采用上述的平行部直径10mm、平行部长度为30mm、角部半径为30mm的JIS1号回转弯曲疲劳试验片，通过常规的方法在室温下进行小野式回转变曲疲劳试验，将反复次数1.0×107回的应力作为回转变曲疲劳强度而进行评价。在此，如果回转弯曲疲劳强度为500MPa以上，则是为了超过JIS规定的S48C的热锻材料的回转疲劳强度，以具有500MPa以上的回转弯曲疲劳强度为目标。
以上的各试验结果由表2整理显示。
[表2]
  试验编号   Fn1   Fn2   Fn3   切削性   小野式回转弯曲疲劳试验疲劳强度(MPa)   备注
  钻头寿命   切削处理性
  12345678910   0.530.550.560.560.560.570.600.570.630.62   0.500.900.440.310.440.640.580.380.770.33   6.56.97.36.87.17.48.17.19.48.5   ○○○○○○○○○○   ○○○○○○○○○○   510519539519559578657549853715 本发明例
  11121314151617181920   0.710.710.610.640.560.540.640.610.680.66   0.420.541.471.400.811.250.430.750.710.69   5.65.48.48.93.43.04.54.010.09.6   ××××○××○××   ○○××○×○○○○   647617676764#412#363#480#461813794 比较例
  钻头寿命的○标记表示能够达到300个钻孔。钻头寿命的×标记表示低于300个孔钻头已折损。切削处理性的○标记表示切屑不包含长度30mm以上的。切削处理性的×标记表示切屑包含30mm以上的。#标记表示作为目标回转变曲疲劳强度未达到500MPa的。
如表2明示的那样，在所述(1)的发明规定的条件以外的试验编号11～20的情况下，深孔钻寿命或切削处理性任一个均差，切削性差，或者疲劳强度任一个均低。
相对于此，在满足所述(1)的发明规定的条件的试验编号1～10的情况下，在切削性提高的同时，能够实现疲劳强度500MPa以上。
产业上的利用可能性
本发明的高频淬火用热锻非调制钢，将热锻状态的钢材作为初始材料，比现有钢的切削性均优异，并且，因为具有与现有钢同等以上的疲劳强度，所以能够作为汽车和工业用车辆用的曲轴等、机械结构部件的原料。

Claims (1)

1.一种高频淬火用热锻非调质钢，其特征在于，以质量％计，含有C：0.35～0.45％；Si：0.20～0.60％；Mn：0.40～0.80％；S：0.040～0.070％；Cr：0.10～0.40％；Ti：0.020～0.100％；Ca：0.0005～0.0050％；B：0.0005～0.0030％；O：0.0015～0.0050％；Mo：0～0.05％；P：0.025％以下；V：0.03％以下；Al：0.009％以下及N：0.0100％以下，剩余部由Fe及杂质组成，
由下式(1)表示的Fn1的值为0.63以下，
由下式(2)表示的Fn2的值为1.0以下，
并且由下式(3)表示的Fn3的值为5.7以上，
其中：
式(1)：Fn1＝C+(Si/10)+(Mn/5)+(5Cr/22)+1.65V-(5/7S)+1.51×(Ti-3.4N)；
式(2)：Fn2＝Ca/O；
式(3)：Fn3＝25.9×Fn1+27.5×(Ti-3.4N)-7.9。
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