JP2003183773A - 冷間加工性および焼入れ性に優れた肌焼鋼,肌焼鋼鋼材および機械構造部品 - Google Patents
冷間加工性および焼入れ性に優れた肌焼鋼,肌焼鋼鋼材および機械構造部品Info
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Abstract
焼鋼よりなる機械構造部品を提供する。 【解決手段】 必須化学成分として,特定量のC,S
i,Mn,S,Cr,Mo,NおよびBを含有し,また
選択化学成分として,特定量のTi,NbおよびVから
選択される少なくとも一種を含有し,残部がFeおよび
不可避不純物からなり,C,Si,Mn,Cr,Moお
よびSの含有量から導かれるパラメータX1がX1≦
0.75であり,またC,Si,Mn,CrおよびMo
の含有量から導かれるパラメータX2がX2≧80であ
り,さらにSi,Mn,CrおよびMoの含有量から導
かれるパラメータX3がX3≧10であり,圧延後の硬
さHRがHR≦100HRBであり,また浸炭焼入れ後
の芯部硬さHRがHR≧25HRCであり,さらに浸炭
硬化層におけるトルースタイト面積率AがA≦5%であ
る。
Description
焼入れ性に優れた肌焼鋼,肌焼鋼鋼材および機械構造部
品に関する。
機械構造部品,特にシャフト,歯車等の表面硬化部品
は,肌焼鋼を素材として用い,球状化焼鈍−伸線または
伸線−球状化焼鈍−スキンパスによる鋼線の製造,冷間
鍛造および機械加工を経て所定の形状に形成され,次い
で浸炭,焼入れおよび焼戻しの各処理を順次行うことに
よって製造されており,これにより,疲労強度,耐摩耗
性等の特性を改善された前記部品を得ていた。この場
合,球状化焼鈍処理を省略することができれば,部品製
造コストの低減を図る上で有利であることから,その球
状化焼鈍処理を省略することを可能にすべく,B(ボロ
ン)を含む肌焼鋼が提案されている(例えば,特開平9
−296251号公報参照)。
を含む肌焼鋼は,Bの焼入れ性向上効果により部品芯部
硬さは確保できるものの,浸炭部の焼入れ性が不十分で
あることから,浸炭硬化層にトルースタイト等の不完全
焼入れ組織が発生し易い。浸炭硬化層におけるトルース
タイトの面積率が大きくなると,歯車やシャフト等の疲
労強度や耐摩耗性に悪影響をおよぼすことになる。ま
た,トルースタイトを低減すべく,浸炭焼入れ時に,焼
入れ能を向上し得る水焼入れを行った場合,焼割れや,
部品のひずみ増大による部品精度の悪化に配慮すること
も必要になる。
整することによって,鋼線の製造工程での球状化焼鈍の
省略を可能にした,冷間加工性および焼入れ性に優れた
肌焼鋼および肌焼鋼鋼材を提供することを目的とする。
必須化学成分として,質量%で,0.05≦C≦0.3
0,Si≦0.15,0.15≦Mn≦0.80,0.
001≦S≦0.070,1.25≦Cr≦2.50,
Mo≦0.15,N≦0.0100および0.0005
≦B≦0.0050を含有し,また選択化学成分とし
て,0.005≦Ti≦0.150,0.005≦Nb
≦0.100および0.005≦V≦0.100から選
択される少なくとも一種を含有し,残部がFeおよび不
可避不純物からなる肌焼鋼であって,X1を,X1=
[C]+(1/10)[Si]+(1/5)[Mn]+
(5/22)[Cr]+(1/3)[Mo]−(5/
7)[S](但し,[C]はC含有量の数値を意味し,
これは他の化学成分について同じである)としたとき,
X1≦0.75であり,X2を,X2=15.25(√
[C])(1+0.64[Si])(1+4.1[M
n])(1+2.33[Cr])(1+3.14[M
o])としたとき,X2≧80であり,X3を,X3=
[Si]+0.5[Mn]+8[Cr]+0.5[M
o]としたとき,X3≧10である,冷間加工性および
焼入れ性に優れた肌焼鋼が提供される。
て,質量%で,0.05≦C≦0.30,Si≦0.1
5,0.15≦Mn≦0.80,0.001≦S≦0.
070,1.25≦Cr≦2.50,Mo≦0.15,
N≦0.0100および0.0005≦B≦0.005
0を含有し,また選択化学成分として,0.005≦T
i≦0.150,0.005≦Nb≦0.100および
0.005≦V≦0.100から選択される少なくとも
一種を含有し,残部がFeおよび不可避不純物からなる
肌焼鋼鋼材であって,X1を,X1=[C]+(1/1
0)[Si]+(1/5)[Mn]+(5/22)[C
r]+(1/3)[Mo]−(5/7)[S](但し,
[C]はC含有量の数値を意味し,これは他の化学成分
について同じである)としたとき,X1≦0.75であ
り,X2を,X2=15.25(√[C])(1+0.
64[Si])(1+4.1[Mn])(1+2.33
[Cr])(1+3.14[Mo])としたとき,X2
≧80であり,X3を,X3=[Si]+0.5[M
n]+8[Cr]+0.5[Mo]としたとき,X3≧
10であり,圧延後の硬さHR(HR:ロックウエル硬
さ,以下同じ)がHR≦100HRBである,冷間加工
性および焼入れ性に優れた肌焼鋼鋼材が提供される。
および肌焼鋼鋼材においてその焼入れ性を向上させ,ま
たその他の合金元素の添加量を減少させることができ,
結果的に鋼および鋼材の硬さを低減することができる。
また,C,Si,Mn,Cr,Mo,Sについては,パ
ラメータX1をX1≦0.75に管理することによっ
て,圧延後の鋼材の硬さHRをHR≦100HRBに抑
制することが可能である。これにより球状化焼鈍を行わ
なくても冷間加工に支障のない鋼および鋼材を提供する
ことができる。前記硬さHRがHR>100HRBでは
冷間における変形抵抗が高く,例えば冷間鍛造時の鍛造
荷重が高くなり,金型等の寿命が劣化するだけでなく,
工具や鍛造機械の剛性が不足すること等により鍛造後の
被鍛材における寸法精度劣化等を招く。したがって,圧
延後球状化焼鈍を行わないと冷間加工を支障無く行うこ
とができず,生産性が悪化する。
ためには,前記と逆に合金元素量を高目に設定する必要
がある。そこで,B添加を前提として,パラメータX2
をX2≧80とすることによって芯部硬さHRをHR≧
25HRCにすることができる。前記硬さHRがHR<
25HRCでは機械構造部品において,その強度が不足
する。
における疲労強度や耐摩耗性を低下させる原因となるも
ので,その量を抑制するためには,焼入れ時の冷却速度
を上げて上部臨界冷却速度以上とする必要がある。しか
しながら,焼入れ設備上の制約や,焼入れ後のひずみの
問題から,冷却速度の向上には限界がある。そこで,S
i,Mn,Cr,Moに関するパラメータX3をX3≧
10に管理するもので,これにより上部臨界冷却速度を
下げて,浸炭硬化層におけるトルースタイト面積率Aを
A≦5%に抑えることができる。これは,機械構造部品
表面における疲労強度および耐摩耗性の低下を抑制して
その部品の延命を図る上に有効である。
る。
加される。ただし,C含有量がC<0.05では添加効
果が乏しく,一方,C>0.30では母材の靱性が低下
する。そこで,C含有量は0.05≦C≦0.30に設
定される。
がSi>0.15では鋼材の冷間鍛造性が低下するた
め,Si含有量はSi≦0.15に設定される。
る効果を有する。ただし,Mn含有量がMn<0.15
では十分な焼入れ性を得ることができず,一方,Mn>
0.80では熱間加工性が著しく低下する。そこで,M
n含有量は0.15≦Mn≦0.80に設定される。
有する。ただし,S含有量がS>0.070では鍛造性
の低下,表面硬化層の靱性劣化等が起こり,一方,S<
0.001では添加効果が乏しく,被削性の改善がみら
れない。そこで,S含有量は0.001≦S≦0.07
0に設定される。
量を抑制するためには,Cr含有量をCr≧1.25に
設定することが必要であり,好ましくは,Cr≧1.5
0である。一方,Cr>2.50では靱性が劣化する。
そこで,Cr含有量は1.25≦Cr≦2.50に設定
される。
硬さを向上させる効果を有するが,過剰に添加すると冷
間加工性が低下するため,Mo含有量はMo≦0.15
に設定される。
BNを形成し易い。BNを形成したBは母材の焼入れ性
向上に寄与しないのでNの含有量は極力低くする必要が
ある。そこで,N含有量はN≦0.0100に設定され
る。
効な元素である。ただし,B含有量がB<0.0005
では焼入れ性の向上が十分でなく,一方,B>0.00
50ではその効果が飽和する。そこで,B含有量は0.
0005≦B≦0.0050に設定される。
粒界にBが偏析することにより焼入れ性の向上が図られ
る反面,加熱時に結晶粒が粗大化し易いという欠点があ
る。粗粒化抑制のためには微細析出物による粒界のピン
留めが有効であり,これにはTi,NbおよびVから選
択され少なくとも一種により炭窒化物を形成するのが有
利である。これらの化学成分の添加量が少ないと粒成長
抑制効果が乏しく,一方,過剰に添加されると圧延後の
鋼材の硬さが上昇して冷間鍛造性が悪化する。そこで,
Ti含有量は0.005≦Ti≦0.150,Nb含有
量は0.005≦Nb≦0.100,V含有量は0.0
05≦V≦0.100にそれぞれ設定される。
びCaから選択される少なくとも一種を含有させること
は,それらの被削性を良好にして,部品の生産性の向上
を図り,その生産コストを低減する上で有効である。た
だし,PbおよびCa含有量がそれぞれPb>0.35
であるか,Ca>0.0050であると,被削性向上効
果が飽和し,添加コストが上昇する。一方,Pb<0.
01であるか,Ca<0.0005では添加効果が乏し
く,被削性の改善がみられない。そこで,それらの含有
量は0.01≦Pb≦0.35および0.0005≦C
a≦0.0050にそれぞれ設定される。
て,浸炭焼入れ後の芯部硬さを確保し,且つ,化学成分
と浸炭硬化層におけるトルースタイト面積率との関係を
明らかにすることによって疲労強度や耐摩耗性の低下を
抑制された,ひずみの少ない,肌焼鋼鋼材よりなる機械
構造部品を提供することを目的とする。
必須化学成分として,質量%で,0.05≦C≦0.3
0,Si≦0.15,0.15≦Mn≦0.80,0.
001≦S≦0.070,1.25≦Cr≦2.50,
Mo≦0.15,N≦0.0100および0.0005
≦B≦0.0050を含有し,また選択化学成分とし
て,0.005≦Ti≦0.150,0.005≦Nb
≦0.100および0.005≦V≦0.100から選
択される少なくとも一種を含有し,残部がFeおよび不
可避不純物からなる肌焼鋼鋼材であって,X1を,X1
=[C]+(1/10)[Si]+(1/5)[Mn]
+(5/22)[Cr]+(1/3)[Mo]−(5/
7)[S](但し,[C]はC含有量の数値を意味し,
これは他の化学成分について同じである)としたとき,
X1≦0.75に,X2を,X2=15.25(√
[C])(1+0.64[Si])(1+4.1[M
n])(1+2.33[Cr])(1+3.14[M
o])としたとき,X2≧80に,X3を,X3=[S
i]+0.5[Mn]+8[Cr]+0.5[Mo]と
したとき,X3≧10に,圧延後の硬さHRをHR≦1
00HRBにそれぞれ設定された鋼材を用いて得られた
ものであり,浸炭焼入れ後の芯部硬さHRがHR≧25
HRCであり,また浸炭硬化層におけるトルースタイト
面積率AがA≦5%である,冷間加工性および焼入れ性
に優れた肌焼鋼よりなる機械構造部品が提供される。
化焼鈍が省略可能な優れた冷間加工性と,良好な焼入れ
性を有する肌焼鋼鋼材を素材として,表面の疲労強度や
耐摩耗性を低下させることなく低ひずみで製造コストの
低減を実現させた機械構造部品を提供することができ
る。このような機械構造部品が得られる理由は前記の通
りである。
体温度Tは80℃≦T≦250℃に設定される。一般に
冷却媒体温度の低い方が焼入れ能が高いが,低すぎると
焼割れやひずみ等の問題が生じるため冷却媒体温度はT
≧80℃に設定される。一方,冷却媒体温度TがT>2
50℃では不完全焼入れを抑制するのに充分な冷却速度
が得られないので,上限温度TはT=250℃に設定さ
れる。
HRがHR≧25HRCであり,また浸炭硬化層におけ
るトルースタイト面積率AがA≦5%である機械構造部
品を得るための肌焼鋼鋼材であって,必須化学成分とし
て,質量%で,0.05≦C≦0.30,Si≦0.1
5,0.15≦Mn≦0.80,0.001≦S≦0.
070,1.25≦Cr≦2.50,Mo≦0.15,
N≦0.0100および0.0005≦B≦0.005
0を含有し,また選択化学成分として,0.005≦T
i≦0.150,0.005≦Nb≦0.100および
0.005≦V≦0.100から選択される少なくとも
一種を含有し,残部がFeおよび不可避不純物からな
り,X1を,X1=[C]+(1/10)[Si]+
(1/5)[Mn]+(5/22)[Cr]+(1/
3)[Mo]−(5/7)[S](但し,[C]はC含
有量の数値を意味し,これは他の化学成分について同じ
である)としたとき,X1≦0.75であり,X2を,
X2=15.25(√[C])(1+0.64[S
i])(1+4.1[Mn])(1+2.33[C
r])(1+3.14[Mo])としたとき,X2≧8
0であり,X3を,X3=[Si]+0.5[Mn]+
8[Cr]+0.5[Mo]としたとき,X3≧10で
あり,圧延後の硬さHRがHR≦100HRBである,
冷間加工性および焼入れ性に優れた肌焼鋼鋼材も提供さ
れる。
(1)〜(20),(21)〜(38)に関する化学成
分を示し,また表3,表4は,各種肌焼鋼鋼材(1)〜
(20),(21)〜(38)に関するパラメータX1
〜X3を示す。
8)に熱間圧延を施して線材を製造した。これらの線材
に断面減少率20%以下の伸線加工を施して鋼線を製造
し,その後,これらの鋼線に冷間鍛造を施して直径30
mmのシャフト素材を製造した。これらのシャフト素材
に,930℃,140分間,カーボンポテンシャル0.
8%の条件でのガス浸炭処理,焼入れ開始温度830℃
までの降温,120℃の油中への焼入れ(冷却媒体温度
T=120℃)および180℃,90分間の焼戻し,を
順次行って機械構造部品であるシャフト(1)〜(2
0),(21)〜(38)を得た。便宜上,これらのシ
ャフトの符号は,使用された鋼材と同一にした。上記条
件は,一般的な浸炭焼入れの例を示したものであり,こ
の例によって本発明が制限されるものではなく,本発明
の合致する範囲での変更を加え実施することは可能であ
る。
0),(21)〜(38)に関する圧延材の硬さ(HR
B)と,シャフトにおける浸炭焼入れ後の芯部の硬さ
(HRC)および浸炭硬化層におけるトルースタイト面
積率Aとを示す。
ように,シャフト(1)〜(20)は本発明における各
種要件を満足していることから実施例に該当する。シャ
フト(21)〜(38)は,前記各種要件の一部を欠如
しており,したがって比較例に該当する。
〜(20)および比較例に係るシャフト(21)〜(3
8)に関する結晶粒度Gc と切削性を示す。結晶粒度G
c は,シャフト断面における浸炭硬化層の旧オーステナ
イト粒径をJIS G0551に則って測定したもので
ある。また切削性については,シャフト断面の中心に,
直径10mmのドリルを用いて,送り速度60mm/min ,
回転数600rpm ,穴深さ70mmの条件で穴あけを行
い,300個以上の穴あけが可能であった場合を「◎」
とし,また100個以上の穴あけが可能であった場合を
「○」とし,さらに穴あけが100個未満であった場合
を「×」とした。
の作用で結晶粒の成長が抑制されていることが判る。シ
ャフト(37)はNb等の含有量が少ないため結晶粒の
一部が粗大化しており,実用には供し得ない。また特定
量のS,Pb,Caの作用で切削性の向上が図られてい
ることが判る。シャフト(25)はSの含有量が少な
く,またPbおよびCaを含まないことから切削性が著
しく低下しており,実用には供し得ない。
(1)において,前記浸炭焼入れ条件の冷却媒体温度T
を変化させた場合の,冷却媒体温度Tと,浸炭硬化層に
おけるトルースタイト面積率Aおよびひずみとの関係を
示す。
の場合は水を,また冷却媒体温度Tが60℃≦T≦18
0℃の場合は油を,それを超える温度Tの場合はソルト
をそれぞれ使用した。ひずみについては,図1に示すよ
うに,シャフト(1)から直径30mm,長さ400mmの
試験片1を作製し,その試験片1を300mmの間隔に置
いた2つのVブロック2上に載せて回転させ,二等分位
置hの変位を測定した。冷却媒体温度Tを80℃≦T≦
250℃の範囲内に設定すると,浸炭硬化層におけるト
ルースタイト面積率AをA≦5%に保持しつつひずみを
抑制することができる。
とによって,球状化焼鈍が省略可能な優れた冷間加工性
と,良好な焼入れ性を有する肌焼鋼および肌焼鋼鋼材を
提供することができると共に,その鋼材を素材として,
疲労強度や耐摩耗性を低下させることなく低ひずみで製
造コストの低減を実現させた機械構造部品を提供するこ
とができる。
Claims (9)
- 【請求項1】 必須化学成分として,質量%で,0.0
5≦C≦0.30,Si≦0.15,0.15≦Mn≦
0.80,0.001≦S≦0.070,1.25≦C
r≦2.50,Mo≦0.15,N≦0.0100およ
び0.0005≦B≦0.0050を含有し,また選択
化学成分として,0.005≦Ti≦0.150,0.
005≦Nb≦0.100および0.005≦V≦0.
100から選択される少なくとも一種を含有し,残部が
Feおよび不可避不純物からなる肌焼鋼であって,X1
を,X1=[C]+(1/10)[Si]+(1/5)
[Mn]+(5/22)[Cr]+(1/3)[Mo]
−(5/7)[S](但し,[C]はC含有量の数値を
意味し,これは他の化学成分について同じである)とし
たとき,X1≦0.75であり,X2を,X2=15.
25(√[C])(1+0.64[Si])(1+4.
1[Mn])(1+2.33[Cr])(1+3.14
[Mo])としたとき,X2≧80であり,X3を,X
3=[Si]+0.5[Mn]+8[Cr]+0.5
[Mo]としたとき,X3≧10であることを特徴とす
る,冷間加工性および焼入れ性に優れた肌焼鋼。 - 【請求項2】 第2の選択化学成分として,質量%で,
0.01≦Pb≦0.35および0.0005≦Ca≦
0.0050から選択される少なくとも一種を含有す
る,請求項1記載の冷間加工性および焼入れ性に優れた
肌焼鋼。 - 【請求項3】 必須化学成分として,質量%で,0.0
5≦C≦0.30,Si≦0.15,0.15≦Mn≦
0.80,0.001≦S≦0.070,1.25≦C
r≦2.50,Mo≦0.15,N≦0.0100およ
び0.0005≦B≦0.0050を含有し,また選択
化学成分として,0.005≦Ti≦0.150,0.
005≦Nb≦0.100および0.005≦V≦0.
100から選択される少なくとも一種を含有し,残部が
Feおよび不可避不純物からなる肌焼鋼鋼材であって,
X1を,X1=[C]+(1/10)[Si]+(1/
5)[Mn]+(5/22)[Cr]+(1/3)[M
o]−(5/7)[S](但し,[C]はC含有量の数
値を意味し,これは他の化学成分について同じである)
としたとき,X1≦0.75であり,X2を,X2=1
5.25(√[C])(1+0.64[Si])(1+
4.1[Mn])(1+2.33[Cr])(1+3.
14[Mo])としたとき,X2≧80であり,X3
を,X3=[Si]+0.5[Mn]+8[Cr]+
0.5[Mo]としたとき,X3≧10であり,圧延後
の硬さHRがHR≦100HRBであることを特徴とす
る,冷間加工性および焼入れ性に優れた肌焼鋼鋼材。 - 【請求項4】 第2の選択化学成分として,質量%で,
0.01≦Pb≦0.35および0.0005≦Ca≦
0.0050から選択される少なくとも一種を含有す
る,請求項3記載の冷間加工性および焼入れ性に優れた
肌焼鋼鋼材。 - 【請求項5】 浸炭焼入れ後の芯部硬さHRがHR≧2
5HRCであり,また浸炭硬化層におけるトルースタイ
ト面積率AがA≦5%である機械構造部品を得るための
肌焼鋼鋼材であって,必須化学成分として,質量%で,
0.05≦C≦0.30,Si≦0.15,0.15≦
Mn≦0.80,0.001≦S≦0.070,1.2
5≦Cr≦2.50,Mo≦0.15,N≦0.010
0および0.0005≦B≦0.0050を含有し,ま
た選択化学成分として,0.005≦Ti≦0.15
0,0.005≦Nb≦0.100および0.005≦
V≦0.100から選択される少なくとも一種を含有
し,残部がFeおよび不可避不純物からなり,X1を,
X1=[C]+(1/10)[Si]+(1/5)[M
n]+(5/22)[Cr]+(1/3)[Mo]−
(5/7)[S](但し,[C]はC含有量の数値を意
味し,これは他の化学成分について同じである)とした
とき,X1≦0.75であり,X2を,X2=15.2
5(√[C])(1+0.64[Si])(1+4.1
[Mn])(1+2.33[Cr])(1+3.14
[Mo])としたとき,X2≧80であり,X3を,X
3=[Si]+0.5[Mn]+8[Cr]+0.5
[Mo]としたとき,X3≧10であり,圧延後の硬さ
HRがHR≦100HRBであることを特徴とする,冷
間加工性および焼入れ性に優れた肌焼鋼鋼材。 - 【請求項6】 第2の選択化学成分として,質量%で,
0.01≦Pb≦0.35および0.0005≦Ca≦
0.0050から選択される少なくとも一種を含有する
請求項5記載の冷間加工性および焼入れ性に優れた肌焼
鋼鋼材。 - 【請求項7】 必須化学成分として,質量%で,0.0
5≦C≦0.30,Si≦0.15,0.15≦Mn≦
0.80,0.001≦S≦0.070,1.25≦C
r≦2.50,Mo≦0.15,N≦0.0100およ
び0.0005≦B≦0.0050を含有し,また選択
化学成分として,0.005≦Ti≦0.150,0.
005≦Nb≦0.100および0.005≦V≦0.
100から選択される少なくとも一種を含有し,残部が
Feおよび不可避不純物からなる肌焼鋼鋼材であって,
X1を,X1=[C]+(1/10)[Si]+(1/
5)[Mn]+(5/22)[Cr]+(1/3)[M
o]−(5/7)[S](但し,[C]はC含有量の数
値を意味し,これは他の化学成分について同じである)
としたとき,X1≦0.75に,X2を,X2=15.
25(√[C])(1+0.64[Si])(1+4.
1[Mn])(1+2.33[Cr])(1+3.14
[Mo])としたとき,X2≧80に,X3を,X3=
[Si]+0.5[Mn]+8[Cr]+0.5[M
o]としたとき,X3≧10に,圧延後の硬さHRをH
R≦100HRBにそれぞれ設定された鋼材を用いて得
られたものであり,浸炭焼入れ後の芯部硬さHRがHR
≧25HRCであり,また浸炭硬化層におけるトルース
タイト面積率AがA≦5%であることを特徴とする,冷
間加工性および焼入れ性に優れた肌焼鋼鋼材よりなる機
械構造部品。 - 【請求項8】 第2の選択化学成分として,質量%で,
0.01≦Pb≦0.35および0.0005≦Ca≦
0.0050から選択される少なくとも一種を含有す
る,請求項7記載の冷間加工性および焼入れ性に優れた
肌焼鋼鋼材よりなる機械構造部品。 - 【請求項9】 浸炭処理後の焼入れ処理における冷却媒
体温度Tを80℃≦T≦250℃に設定された,請求項
7または8記載の冷間加工性および焼入れ性に優れた肌
焼鋼鋼材よりなる機械構造部品。
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