JP2001329333A - 冷間鍛造用高周波焼入れ用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複雑な冷鍛前の熱処理を施すことなく、Ｓ５
３Ｃ等の機械構造用鋼より優れた冷間鍛造性、特に限界
据込率が向上し、高周波焼入性を有する鋼を提供する。 【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．４０〜０．６５％、
Ｓｉ：０．１５％以下、Ｍｎ：０．６０％以下、Ｓ：
０．０２０％以下、Ｃｒ：０．３０超〜０．７０％、Ａ
ｌ：０．０１５超〜０．０５０％、Ｎ：０．０１５％以
下、Ｏ：０．００２０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび
不可避不純物からなる鋼からなり、炭化物の平均アスペ
クト比が２以下に均一分散したことを特徴とする冷間鍛
造性に優れた高周波焼入れ用鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は機械構造用中炭素鋼
に比べ変形能に優れ、冷間鍛造により製造される部品に
適した冷間鍛造用高周波焼入れ用鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常冷間鍛造に供される機械構造用鋼
は、設備能力、金型寿命向上の目的で軟化焼鈍もしくは
球状化焼鈍により冷間鍛造性を改善したものが使用され
ており、さらなる変形抵抗低減のために特開平２−１４
５７４５号や特開平５−５９４８６号では、Ｓｉ、Ｍｎ
等の合金元素低減鋼が提案されている。しかしながら、
複雑形状部品の精密冷間鍛造においては、変形能不足に
より複数回の軟化焼きなましと冷間鍛造の繰り返しによ
り製造しており、近年の設備能力向上もあり、変形抵抗
低減に加え、さらなる変形能の向上が必要となってい
る。特開平９−２６８３４４号では、焼入れに引き続い
て炭化物析出処理を行うことにより、冷鍛性と高周波焼
入性を兼ね備えた鋼が提案されている。しかしながら、
このような製造方法の場合は熱処理コストがかかる上、
より苛酷な冷間鍛造に耐え得る変形能を十分には得られ
ない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明では上述した問
題点を鑑み、複雑な冷間鍛造前（以下、「冷鍛前」とい
う。）の熱処理を施すことなく、Ｓ５３Ｃ等の機械構造
用鋼より優れた冷間鍛造性、高周波焼入性を有する鋼を
提供することにある。なお、冷間鍛造性には、変形抵
抗、限界据込率の二つの意味がある。従来は、設備能
力の面から上述のように変形抵抗低減を主体に材料開発
が進んできたが、近年のニアネットシェイプ化の流れか
ら苛酷な成形が増加している。そこで、本発明は繰り返
して球状化焼鈍を行うなどのコストアップ要因もなく、
容易に限界据込率を向上させることが可能な鋼をも提供
することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】変形能、変形抵抗の向上
には、冷鍛前熱処理によりそれぞれ優れた組織・硬さに
制御することが有効である。優れた組織とは、フェライ
ト地に球状化炭化物が微細分散された組織であり、この
組織は冷鍛前焼鈍を繰り返すことにより向上する。優れ
た硬さとはできる限り軟質なことであり、冷鍛前熱処理
により大きく左右される。

【０００５】さらに、良好な球状化組織を得るには炭化
物生成元素であるＣｒ、Ｍｏ等の添加が有効であるが、
過剰添加の場合には硬化するため変形抵抗をあげる弊害
が出てくる。さらに安定な球状化炭化物が生成すること
で、高周波焼入性を阻害する恐れがある。

【０００６】そこで、適正な炭化物生成元素量を見極め
た上で、一般的な焼鈍条件においても適正な炭化物の平
均粒径とアスペクト比を得ることにより、高周波焼入れ
において均質な硬化層が得られかつ優れた冷間鍛造性を
得ることを見出した。

【０００７】すなわち、上記の課題を解決するための本
発明の手段は、請求項１の発明では、質量％で、Ｃ：
０．４０〜０．６５％、Ｓｉ：０．１５％以下、Ｍｎ：
０．６０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：０．３
０超〜０．７０％、Ａｌ：０．０１５超〜０．０５０
％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｏ：０．００２０％以下を
含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼からな
り、炭化物の平均アスペクト比が２以下に均一分散した
ことを特徴とする冷間鍛造性に優れた高周波焼入れ用鋼
である。

【０００８】請求項２の発明では、請求項１の手段にお
ける合金成分に加え、質量％で、Ｍｏ：０．０１〜０．
３０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる
鋼からなり、炭化物の平均アスペクト比が２以下に均一
分散したことを特徴とする冷間鍛造性に優れた高周波焼
入れ用鋼である。

【０００９】請求項３の発明では、請求項１の手段にお
ける合金成分に加え、質量％で、Ｔｉ：０．００５〜
０．２０％、Ｎｂ：０．００５〜０．２０％から選択し
た１種または２種以上を含有し、さらにＢ：０．０００
５〜０．００５０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不
純物からなる鋼からなり、炭化物の平均アスペクト比が
２以下に均一分散したことを特徴とする冷間鍛造性に優
れた高周波焼入れ用鋼である。

【００１０】請求項４の発明では、請求項２の手段にお
ける合金成分に加え、質量％で、Ｔｉ：０．００５〜
０．２０％、Ｎｂ：０．００５〜０．２０％から選択し
た１種または２種以上を含有し、さらにＢ：０．０００
５〜０．００５０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不
純物からなる鋼からなり、炭化物の平均アスペクト比が
２以下に均一分散したことを特徴とする冷間鍛造性に優
れた高周波焼入れ用鋼である。

【００１１】請求項５の発明では、請求項１〜４のいず
れか１項の手段における鋼において、平均炭化物粒径が
２μｍ以下であることを特徴とする冷間鍛造性に優れた
高周波焼入れ用鋼である。以下に本発明の冷間鍛造用鋼
の成分選定の理由を示す。なお、質量％で表す。

【００１２】Ｃ：０．４０〜０．６５％ Ｃは、必要な強度、高周波焼入性を得るために必要な元
素であり、０．４０％未満ではその効果が少なく、０．
６５％を超えると変形抵抗の増大に伴い冷鍛性が損なわ
れるので、０．４０〜０．６５％とする。

【００１３】Ｓｉ：０．１５％以下 Ｓｉは、フェライトを固溶硬化し変形抵抗を上げるため
に必要な元素であるが、０．１５％を超えると脆くなる
ので０．１５％以下とする。

【００１４】Ｍｎ：０．６０％以下 Ｍｎは、フェライトを固溶硬化し変形抵抗を上げるため
に低減することが必要であるが、安価で焼入性を向上さ
せる元素でもあるため上限を０．６０％とする。

【００１５】Ｓ：０．０２０％以下 Ｓは、ＭｎＳ介在物を生成し冷間鍛造時の割れの起点に
なるため、０．０２０％以下とする。

【００１６】Ｃｒ：０．３０超〜０．７０％ Ｃｒは、炭化物中に濃化し安定した球状化炭化物を生成
するためには０．３％を超える添加量が必要であるが、
過剰に添加した場合巨大炭化物となり不均質な高周波焼
入れ硬化層を生成するとともに、変形抵抗を増大させる
ため、上限を０．７０％する。

【００１７】Ｍｏ：０．０１〜０．３０％ Ｍｏは、焼入性向上元素であり炭化物生成元素でありそ
の効果を得るには０．０１％以上必要であるが、高価で
あり変形抵抗を増大させるため、０．３０％以下の範囲
で必要により添加するものとする。

【００１８】Ａｌ：０．０１５超〜０．０５０％ Ａｌは、溶製時の脱酸剤として必要な元素であり、０．
０１５％以上の添加が必要であるが、多量に添加すると
靱性を劣化させるため上限を０．０５０％とする。

【００１９】Ｎ：０．０１５％以下 Ｎは、フェライトへ固溶すると硬さが増大し変形抵抗を
上げるため、０．０１５％以下とする。

【００２０】Ｏ：０．００２０％以下 Ｏは、酸化物系介在物を生成し、冷間鍛造時の割れの起
点となるため０．００２０％以下とする。

【００２１】炭化物の粒径は、高周波焼入れ時のオース
テナイトへの固溶に影響を及ぼし、大きいほど固溶し難
くなるため、平均粒径が２μｍ以下とする。また、炭化
物の形状は冷間鍛造時の割れ発生に影響を与え、アスペ
クト比が大きいほど割れ発生率が高くなるため、炭化物
の平均アスペクト比は２以下とする。

【００２２】Ｔｉ：０．００５〜０．２０％ Ｔｉは、Ｂの焼入れ性を確保するためにＢＮの生成を防
止する目的で、Ｎの固定に有効な元素である。その効果
を得るためには０．００５％は必要である。しかしなが
ら、過剰に添加した場合にはフェライト地を炭化物生成
により析出硬化するため、変形抵抗低減のためには少な
くする方が望ましい。しかしながら、高周波焼入れ条件
によっては、結晶粒の粗大化抑制が必要な場合もあり、
必要に応じて０．２％まで添加できるものとする。

【００２３】Ｎｂ：０．００５〜０．２０％ Ｎｂは、過剰に添加した場合にはフェライト地を炭窒化
物生成により析出硬化するため、変形抵抗低減のために
は少なくする方が望ましい。しかしながら、高周波焼入
れ条件によっては、結晶粒の粗大化抑制が必要な場合も
あり、その効果を得るには０．００５％以上必要であ
る。しかしながら過剰に添加してもその効果が飽和する
だけでなく著しく変形抵抗をあげるため、上限を０．２
％とする。

【００２４】Ｂ：０．０００５〜０．００５０％ Ｂは、安価で高周波焼入れ性を向上させる元素であるが
０．０００５％未満ではその効果が少なく、過剰に添加
してもその効果は逆に低下するため、０．００５０％以
下とする。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、表１に示
す合金組成（質量％、残部は実質上Ｆｅ）をもつ鋼材お
よび以下の表の記載で示す。本発明である開発鋼２、開
発鋼３、開発鋼４は請求項１に係る鋼であり、開発鋼５
は請求項２に係る鋼であり、開発鋼７は請求項３に係る
鋼であり、開発鋼１、開発鋼６、開発鋼８は請求項４に
係る発明の鋼である。

【００２６】

【表１】

【００２７】これらの鋼材は、溶製後、Φ２０ｍｍへ圧
延した。球状化焼鈍処理後、冷間鍛造性を調査するた
め、Φ１４ｍｍ×２１ｍｍの円柱試験片を作製し、端面
拘束圧縮試験から、割れ発生限界と変形抵抗（加工率６
０％の値）を求めた。その結果を表２に示す。

【００２８】

【表２】

【００２９】さらに高周波焼入れ性を調査するために、
供試材をΦ３０に圧縮後、球状化焼鈍を行い、Φ２５ｍ
ｍ×１００ｍｍの円柱試験片を作製した。なお、球状化
焼鈍条件は７５０℃に加熱後７２０℃から６８０℃まで
を１０℃／ｈで冷却した。次に、出力４０ＫＷ、周波数
２００ＫＨＺ、電圧９．５ＫＶ、電流３．２Ａ、コイル
移動速度７ｍｍ／ｓｅｃの条件で高周波焼入れを実施
し、１５０℃で焼戻し処理を行った。表面硬さと有効硬
化層深さ（４５０ＨＶ以上を有する深さ）の結果を表３
に示す。

【００３０】

【表３】

【００３１】なお、炭化物平均粒径とアスペクト比は走
査型電子顕微鏡により２０００倍で観察し、画像解析に
より測定した。

【００３２】表２に示すように、本発明の鋼である開発
鋼１〜８は、同一炭素量である比較鋼１、２、３、５に
比べていずれも変形抵抗が低減され、また炭化物の平均
アスペクト比が小さく、限界据込率が著しく改善されて
いる。そして、開発鋼１〜８の全ては請求項５に係る鋼
の実施の形態を示す。比較鋼４の場合には、平均アスペ
クト比が小さいものの平均炭化物粒径が大きく、高周波
焼入れ硬化層に球状炭化物が残存し、十分な特性が得ら
れない。比較鋼６の場合には、平均アスペクト比、平均
炭化物粒径ともに小さいもののＭｎが多いため、変形抵
抗が著しく上昇し、冷間鍛造には適さない。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明の鋼は、炭
化物の平均アスペクト比が２以下に均一に分散してお
り、複雑な冷鍛前熱処理を施さなくとも、変形抵抗が小
さく、限界据込率が大きく、優れた冷間鍛造性を有して
おり、低コストでニアネットシェイプ化することがで
き、さらに高周波焼入れにおいて均質な硬化層が得られ
冷間鍛造性に優れているなど従来にない効果を奏するも
のである。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、Ｃ：０．４０〜０．６５％、
   Ｓｉ：０．１５％以下、Ｍｎ：０．６０％以下、Ｓ：
   ０．０２０％以下、Ｃｒ：０．３０超〜０．７０％、Ａ
   ｌ：０．０１５超〜０．０５０％、Ｎ：０．０１５％以
   下、Ｏ：０．００２０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび
   不可避不純物からなる鋼からなり、平均アスペクト比が
   ２以下に均一分散したことを特徴とする冷間鍛造性に優
   れた高周波焼入れ用鋼。
2. 【請求項２】 請求項１記載の合金成分に加え、質量％
   で、Ｍｏ：０．０１〜０．３０％を含有し、残部Ｆｅお
   よび不可避不純物からなる鋼からなり、炭化物の平均ア
   スペクト比が２以下に均一分散したことを特徴とする冷
   間鍛造性に優れた高周波焼入れ用鋼。
3. 【請求項３】 請求項１記載の合金成分に加え、質量％
   で、Ｔｉ：０．００５〜０．２０％、Ｎｂ：０．００５
   〜０．２０％から選択した１種または２種以上を含有
   し、さらにＢ：０．０００５〜０．００５０％を含有
   し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼からなり、
   炭化物の平均アスペクト比が２以下に均一分散したこと
   を特徴とする冷間鍛造性に優れた高周波焼入れ用鋼。
4. 【請求項４】 請求項２記載の合金成分に加え、質量％
   で、Ｔｉ：０．００５〜０．２０％、Ｎｂ：０．００５
   〜０．２０％から選択した１種または２種以上を含有
   し、さらにＢ：０．０００５〜０．００５０％を含有
   し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼からなり、
   炭化物の平均アスペクト比が２以下に均一分散したこと
   を特徴とする冷間鍛造性に優れた高周波焼入れ用鋼。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋼
   において、平均炭化物粒径が２μｍ以下であることを特
   徴とする冷間鍛造性に優れた高周波焼入れ用鋼。