JP2004353005A - Steel bar for steering rack - Google Patents

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JP2004353005A
JP2004353005A JP2003148906A JP2003148906A JP2004353005A JP 2004353005 A JP2004353005 A JP 2004353005A JP 2003148906 A JP2003148906 A JP 2003148906A JP 2003148906 A JP2003148906 A JP 2003148906A JP 2004353005 A JP2004353005 A JP 2004353005A
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敦彦 太田
Akira Kamei
亮 亀井
Shoichi Ikeda
正一 池田
Goro Anami
吾郎 阿南
Hiroshi Idojiri
弘 井戸尻
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Koyo Seiko Co Ltd
Kobe Steel Ltd
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Koyo Seiko Co Ltd
Kobe Steel Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a steel bar for a steering rack, which has superior impact resistance in addition to improved abrasion resistance, and prevents propagation/penetration of cracks. <P>SOLUTION: The steel bar for the steering rack includes 0.50-0.60% C, 0.05-0.5% Si, 0.2-1.5% Mn, 0.0005-0.003% B, 0.005-0.05% Ti, 0.0005-0.1% Al, 0.002-0.02% N and 1.5% or less Cr. Besides, the quenched/tempered structure of a D/4 part is adjusted so as to satisfy the following conditions (1) to (3). (1) The total of a tempered bainite structure and a tempered martensite structure occupies 30-100% (by area percentage). (2) A reproduced pearlite structure occupies 0-50% (by area percentage). (3) The total of the tempered bainite structure, the tempered martensite structure and the reproduced pearlite structure occupies 50-100% (by area percentage). <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のステアリングギアに使用するラック(ステアリングラック)を製造するのに有用な棒鋼及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
自動車のステアリングは油圧によってパワーアシストされるタイプ(油圧式パワーステアリング)と、電気によってパワーアシストされるタイプ(電動式パワーステアリング)とに分類される。油圧式パワーステアリングは、従来の主流をなしており、エンジン出力を利用して稼働するオイルポンプから吐出される圧油によって操舵力をアシストするものである。しかし油圧式パワーステアリングでは、エンジン出力の一部を動力源として使用するため、自動車の燃費が低下するという問題があった。これに対し電動式パワーステアリングは、バッテリーからの電気エネルギーで稼働する電動モーターによって操舵力をアシストするものであり、前記油圧式パワーステアリングと比較すると、自動車の燃費を向上させることができるため、近年その普及が進みつつある。
【0003】
ところでステアリングラックは、前記ステアリングを構成する主要部品の一つであり、自動車の骨組み的役割をも果たしている。しかもステアリングラックが破断するとハンドル操作が不能となることから、重要保安部品に指定されており、高い信頼性と強度特性とが要求される。すなわちステアリングラックは、1)自動車が縁石などに乗り上げて衝撃を受けても破損しない程度の優れた耐衝撃特性、2)曲げ応力が作用しても破断しない特性(耐割れ性)、及び3)ラック歯の耐摩耗性が要求される。
【0004】
このようなステアリングラックには、従来S45C鋼(特許文献1,2参照)、中炭素鋼(特許文献3,4参照)などが使用されており、高周波焼入によって表面硬化層を形成することによって耐摩耗性を高めると共に、曲げ応力に対する強度(耐割れ性)をも高めている(特許文献1,2参照)。
【0005】
しかし、高周波焼入れによって曲げ強度を高めたとしても、過大な負荷が作用して該高周波焼入層で一旦亀裂が発生すると、この亀裂が内部にまで進展・貫通して破断に至り、ハンドル操作が不能となる。さらに近年普及が進んでいる電動式パワーステアリングでは、ステアリングラックとピニオンギアとの接触面圧が油圧式パワーステアリングに比べて高くなる傾向にあり、S45C鋼(特許文献1,2)では耐摩耗性が不足する。また中炭素鋼(特許文献3,4)のC量は明確ではないが、仮にCを多めに使用して耐摩耗性を高めたとしても、耐衝撃特性が低下する。
【0006】
なお特許文献5には、Bを添加して高周波焼入すると、過大負荷が作用しても脆性破壊を発生せず、曲げ変形することによって破壊を防止することが記載されている。この該特許文献5のステアリングラック用鋼は、焼入れ焼戻し処理省略鋼であり、組織は実質的にフェライト・パーライトである。
【0007】
【特許文献1】
特開昭62−178472号公報(第3頁左上欄第3行、従来技術の欄)
【特許文献2】
特開昭62−180018号公報(第2頁左下欄第15行、従来技術の欄)
【特許文献3】
特開2000−153336号公報(段落0013第2行)
【特許文献4】
特開2001−79639号公報(段落0015第2行)
【特許文献5】
特開平10−8189号公報(段落0006、実施例の欄)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
なお前記特許文献5の方法に準じてB添加焼入れ焼戻し処理省略鋼を調製し、高周波焼入した後、曲げ試験を行ってみても、亀裂が進展・貫通して破断に至ることを本発明者らは確認している(後述の実験例31参照)。
【0009】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、耐摩耗性が改善されながらも耐衝撃特性にも優れており、しかも亀裂の進展・貫通を防止できるステアリングラック用棒鋼及びその製造方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、C量を増量してもBを添加すれば耐衝撃特性の低下を防止できること、さらには焼戻しベイナイト組織、焼戻しパーライト組織、並びに再生パーライト組織を所定の範囲に制御すれば曲げ変形能が高められ、一旦亀裂が発生しても亀裂の進展・貫通を防止できることを見出し、本発明を完成した。
【0011】
すなわち、本発明に係るステアリングラック用棒鋼は、C:0.50〜0.60%(質量%を意味する、以下同じ)、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.2〜1.5%、B:0.0005〜0.003%、及びTi:0.005〜0.05%を含有し、更に他の元素として、0.0005〜0.1%のAlと0.002〜0.02%のNの両方、及び/又は1.5%以下(0%を含まず)のCrを含有し、残部はFe及び不可避的不純物からなり、
棒鋼の表面から深さD/4(Dは棒鋼の直径を示す)の部分の焼入れ・焼戻し組織が、下記1)、2)及び3)のように調整されていることを要旨とするものである。
【0012】
1)焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織が合計で30〜100%(面積百分率)
2)再生パーライト組織が0〜50%(面積百分率)
3)焼戻しベイナイト組織、焼戻しマルテンサイト組織、および再生パーライト組織が合計で50〜100%(面積百分率)
なお上記ステアリングラック用棒鋼は、さらに快削性元素(S、Pb、Bi、Te、Mg、Ca、REM、Zrなど)を含有していてもよい。
【0013】
本発明のステアリングラック用棒鋼は、鋼片を圧延して得られる棒鋼を温度780℃以上から焼入れして深さD/4の部分のベイナイト組織及びマルテンサイト組織を合計で30〜100%(面積百分率)とした後、
温度660〜720℃の雰囲気温度に加熱した炉に入れて20分以下の短時間焼戻し処理を行い、室温まで冷却することにより製造できる。
【0014】
なお本明細書においては、用語「焼入れ」は、圧延後の棒鋼の焼入れ・焼戻し時の焼入れを意味し、用語「高周波焼入れ」と区別して使用する。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明のステアリングラック用棒鋼は、C:0.50〜0.60%(質量%を意味する、以下同じ)、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.2〜1.5%、B:0.0005〜0.003%、及びTi:0.005〜0.05%を含有し、更に他の元素として、0.0005〜0.1%のAlと0.002〜0.02%のNの両方、及び/又は1.5%以下(0%を含まず)のCrを含有する。なお残部はFe及び不可避的不純物である。
【0016】
上記成分の限定理由は、以下の通りである。
【0017】
Cの含有量を0.50%以上とするのは、ステアリングラック(例えば、電動式パワーステアリング用のステアリングラック)としたときの耐摩耗性を十分に高めるためである。好ましいCの含有量は、0.52%以上である。ただしCの含有量が多過ぎると、ステアリングラックの耐衝撃特性が低下する。そのためCの含有量は、0.60%以下、好ましくは0.58%以下にする。
【0018】
Siの含有量を0.05%以上とするのは、鋼材の脱酸を行うためである。好ましいSiの含有量は、0.10%以上、特に0.15%以上である。ただしSiの含有量が多過ぎると、ラック歯を形成する際の被削性が低下する。そのためSiの含有量は、0.5%以下、好ましくは0.35%以下、さらに好ましくは0.30%以下にする。
【0019】
Mnの含有量を0.2%以上とするのは、鋼材の強度を高めるためだけでなく、焼入れ性を高めてベイナイト組織を導入し易くすることにより、鋼材をステアリングラックに加工したときの曲げ変形能を高めるためである。好ましいMnの含有量は0.5%以上、特に0.7%以上である。ただしMnの含有量が多過ぎると、高周波焼入れによる硬化層が深くなりすぎ、曲げ変形能が低下する。そのためMnの含有量は、1.5%以下、好ましくは1.3%以下、さらに好ましくは1.2%以下にする。
【0020】
Bの含有量を0.0005%以上とするのは、C量を多くした本発明鋼でも耐衝撃特性を確保するためである。好ましいBの含有量は、0.0007%以上である。ただしBの含有量を多くし過ぎると、有害なB系化合物を生成して耐衝撃特性が却って低下する。そのためBの含有量は、0.003%以下、好ましくは0.0025%以下、さらに好ましくは0.0020%以下にする。
【0021】
Tiは鋼中のNと結びついてTiNを形成することによってBNの生成を抑制し、Bによる前記効果を確保するのに有効である。従ってTiの含有量は、0.005%以上、好ましくは0.010%以上、さらに好ましくは0.012%以上である。ただしTiの含有量を多くし過ぎると、ステアリングラックの耐衝撃特性が却って低下する。そのためTiの含有量は、0.05%以下、好ましくは0.04%以下、さらに好ましくは0.035%以下にする。
【0022】
Al及びNを含有させるのは、AlNを形成させることにより、高周波焼入れ時のオーステナイト粒を微細化することができるためである。Alの含有量は、0.0005%以上、好ましくは0.010%以上、さらに好ましくは0.020%以上である。またNの含有量は、0.002%以上、好ましくは0.003%以上、さらに好ましくは0.004%以上である。ただしAl、Nの含有量を多くし過ぎると耐衝撃特性が低下する。そのためAlの含有量は、0.1%以下、好ましくは0.08%以下、さらに好ましくは0.05%以下にする。Nの含有量は0.02%以下、好ましくは0.01%以下、さらに好ましくは0.007%以下とする。
【0023】
Crを含有させるのは、焼入れ性を向上させるためである。Crの含有量の下限は特に限定されないが、例えば、0.05%程度、好ましくは0.08%程度、さらに好ましくは0.10%程度である。ただしCrの含有量が多過ぎると、高周波焼入れによる硬化層が深くなり過ぎ、曲げ変形能が不足する。そのためCrの含有量は、例えば、1.5%以下、好ましくは1.0%以下、さらに好ましくは0.50%以下にする。
【0024】
なお本発明のステアリングラック用棒鋼は、必要により快削性元素(S、Pb、Bi、Te、Mg、Ca、REM、Zrなど)を含有していてもよい。これら快削性元素の量は、例えば、S:0.06%以下(0%を含まない)、Pb:0.3%以下(0%を含まない)、Bi:0.2%以下(0%を含まない)、Te:0.1%以下(0%を含まない)、Mg:0.01%以下(0%を含まない)、Ca:0.01%以下(0%を含まない)、REM:0.01%以下(0%を含まない)、Zr:0.3%以下(0%を含まない)程度である。これら快削性元素は、単独で又は2種以上を組み合わせて添加できる。
【0025】
そして本発明のステアリングラック用棒鋼は、棒鋼表面から深さD/4(Dは棒鋼の直径を示す)の部分の焼入れ・焼戻し組織が、下記1)、2)及び3)のように調整されている。
【0026】
1)焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織の合計[以下、「TB+TM」と表記する場合がある]が30〜100%(面積百分率)
2)再生パーライト組織が0〜50%(面積百分率)
3)焼戻しベイナイト組織、焼戻しマルテンサイト組織、および再生パーライト組織の合計[以下、TB+TM+RP」と表記する場合がある]が50〜100%(面積百分率)
以下、これらの組織制御を行う理由について説明する。
【0027】
焼戻しベイナイト組織及び焼戻しマルテンサイト組織は、圧延後の棒鋼を焼入れ・焼戻しすることによって導入される組織であり、ステアリングラックとしたときに高周波焼入層で発生した亀裂の進展・貫通を防止するのに有効である。すなわちステアリングラックは高周波焼入れ部(表層部)が極めて硬いために大きな曲げを施すと、ステアリング歯の根元付近(通常、D/4部付近)の高周波焼入れ層に割れが発生しやすいものの、高周波焼入れ部と高周波焼入れされなかった部分との境界に焼戻しベイナイト組織や焼戻しマルテンサイト組織が残存していれば、高周波焼入れ層で発生した亀裂が内部に進展するのを防止でき、ステアリングラック自体の割れを防止できる。そのためD/4部分のベイナイト組織及び焼戻しマルテンサイト組織の合計(TB+TM)を30%以上とした。好ましくは40%以上、さらに好ましくは50%以上である。
【0028】
再生パーライト組織は、焼戻し工程で導入される組織であり、圧延まま鋼のパーライト組織とは区別されるものである。該再生パーライト組織は、前記焼戻しベイナイト組織及び焼戻しマルテンサイト組織とは異なって亀裂の進展・貫通を防止するのに役立たないばかりか、再生パーライト組織ばかりが多くなるとむしろ曲げ変形能が低下する。従って再生パーライト組織は50%以下とする。好ましくは40%以下、さらに好ましくは30%以下である。また再生パーライト組織が少なくなると、耐衝撃特性がさらによくなる傾向もある。
【0029】
また焼入れ・焼戻しによって焼戻しベイナイト組織及び焼戻しマルテンサイト組織を導入しても、圧延まま材からのフェライト・パーライト組織や軟質なフェライト組織が残っていると、やはり亀裂の進展・貫通を防止できない。したがってこれら圧延まま材からの組織は低減する必要があり、換言すれば焼戻しベイナイト組織、焼戻しマルテンサイト組織、及び再生パーライト組織を多くする必要がある。これら焼入れ・焼戻し工程によって導入される3組織の合計(TB+TM+RP)は、50%以上、好ましくは60%以上、さらに好ましくは70%以上である。
【0030】
本発明のステアリングラック用棒鋼の直径は特に限定されないが、ステアリングラックに加工することを考慮すると、通常、10〜40mm程度、好ましくは15〜38mm程度、さらに好ましくは20〜36mm程度である。
【0031】
上記の様なステアリングラック用棒鋼は、例えば、上記成分組成の鋼片を圧延し、得られる棒鋼を焼入れしてベイナイト組織及びマルテンサイト組織を導入した後、高温・短時間の焼戻し処理を行うことによって製造できる。
【0032】
このような製造方法において焼入れの加熱温度は、780℃以上、好ましくは800℃以上とする。焼入れの加熱温度が低すぎると、焼戻し後のTB+TM+RPが小さくなる傾向がある。また柔らかいフェライト層を生成してしまい、ステアリングラックの強度が不足する。加熱温度の上限は、例えば、860℃程度、好ましくは850℃程度である。加熱温度が高すぎると焼入れ時に棒鋼の曲がりが大きくなる傾向がある。
【0033】
焼入れの冷却条件は、該焼入れによって導入されるベイナイト組織及びマルテンサイト組織の合計量(D/4部での合計量;面積百分率)が、少なくとも前述の焼戻しベイナイト組織及びマルテンサイト組織の合計量と同じとなるように設定する必要がある。このような冷却には制御冷却を利用するのが便利である。制御冷却の条件は、鋼の組成などに応じて適宜設定できるが、例えば、温度800〜300℃までの温度範囲を、冷却速度30〜80℃/秒で冷却するのが望ましい。
【0034】
焼戻し温度(炉温度)は660〜720℃程度、好ましくは680〜700℃程度であり、焼戻し時間(昇温過程を含めた滞留時間)は20分以下程度、好ましくは15分以下程度である。焼戻し温度が高すぎたり、焼戻し時間が長すぎると、再生パーライト組織が多くなり過ぎる。
【0035】
本発明のステアリングラック用棒鋼は、耐摩耗性が改善されながらも耐衝撃特性にも優れており、しかも曲げ変形能にも優れているため、ステアリングラック(特に電動式パワーステアリング用のステアリングラック)に極めて有用である。
【0036】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【0037】
実験例1〜36
表1〜2に示す成分の鋼材を溶製し、直径30mmの棒鋼に圧延した。次いで表1〜2に示す温度に加熱した後、室温まで制御冷却することによって焼入れした。なお該制御冷却では、水量や水冷時間を変えて棒鋼の組織を制御した。冷却した棒鋼は、表1〜2に示す雰囲気温度に加熱した炉に表1〜2に示す時間滞留させることによって焼戻した。焼戻し後の棒鋼は放冷した。
【0038】
焼入れ後の棒鋼のD/4部の組織、及び焼戻し後の棒鋼のD/4部の組織を電子顕微鏡で観察し(倍率5000倍)、マルテンサイト組織及びベイナイト組織、並びに焼戻しマルテンサイト組織、焼戻しベイナイト組織、及び再生パーライト組織の面積率を求めた。
【0039】
また焼戻し後の棒鋼をステアリングラックにしたときの耐割れ性(曲げ変形能)、耐衝撃特性、耐摩耗特性を調べるため、以下の試験を行った。
【0040】
[曲げ試験]
焼戻し後の棒鋼を引抜き加工して直径27.5mmにした後、切削してラック歯を形成した。ラック歯の深さは約D/4程度である。次いで下記の条件で歯部を高周波焼入れすることとによってステアリングラックを調製した。
【0041】
高周波焼入れ条件
使用コイル:面焼入れ用(直径40mm、厚さ2mm)
電圧:4.0kV
電流:4.5A
周波数:40kHz
加熱方式:移動焼入れ(移動速度3.0mm/秒)
冷却:ソリュブル油と水との混合溶媒
得られたステアリングラックを用い、支点間距離を400mm、押圧箇所をステアリングラックの歯の反対側とする3点曲げ試験を行い、下記基準に従って評価した。
【0042】
×:高周波焼入層で発生した亀裂が内部にまで進展・貫通し、ステアリングラックが2つに破断した
○:亀裂が途中で止まり、破断に至らなかった
[衝撃試験]
焼戻し後の棒鋼を引抜き加工して直径27.5mmにした後、D/4部からJIS3号Uノッチ試験片を切り出し、ノッチ形成側の表層を高周波焼入れした。高周波焼入条件は、移動速度を3.5mm/秒とする以外は、前記曲げ試験の場合と同じとした。得られた試験片をJIS Z2242に従ってシャルピー衝撃試験(試験温度:室温)を行い、衝撃値を求めた。
【0043】
[摩耗試験]
実験例で得られた焼戻し棒鋼と同じ特徴を有する円板を調製した。すなわち実験例の棒鋼と同じ成分の鋼材を溶製し、熱間鍛造によって直径53mmに鍛伸し、厚さ15mmの円板に切断した後、各実験例と同様の条件で焼入れ、焼戻しを行った。
【0044】
次いで図1に示すような2段形状の半円板(上段の直径44mm、上段の厚さ3mm;下段の直径50mm、下段の厚さ5mm)に機械加工し、上段部の表層を高周波焼入れした。高周波焼入条件は、移動速度を2.5mm/秒とする以外は、前記曲げ試験の場合と同じとした。得られた試験ディスクに対してピンオンディスク摩耗試験を行い、試験片の摩耗減量を測定した。なお摩耗試験の詳細条件は、下記の通りである。
【0045】
潤滑:乾式
試験片表面粗さ:Ra0.25μm
周速:0.05m/秒
面圧:0.05GPa
ピン:SUJ2[直径5mm、硬さ(HRC)64]
結果を表1〜2に示す。
【0046】
【表1】

Figure 2004353005
【0047】
【表2】
Figure 2004353005
【0048】
表1〜2のうち実験例20〜28は成分設計が不適切な例である。すなわち実験例20ではC量が不足しているため、耐摩耗性が不十分である。実験例21は逆にC量が多いため耐衝撃特性が不十分である。実験例22ではMn量が少なく焼入性に劣る為、焼戻しベイナイト組織及び焼戻しマルテンサイト組織の合計量が不足しており、曲げ変形能が不十分である。実験例23はMn量が過剰となっているため、高周波焼入れの際に硬化層が深くなってしまい、曲げ変形能が不十分となる。実験例24〜27では、B又はTi量が不適切であるために耐衝撃性が不十分である。実験例28はCr量が過剰であるため、高周波焼入れの際に硬化層が深くなってしまい、曲げ変形能が不十分となる。
【0049】
また実験例29〜36から明らかなように、成分設計が適切であっても、組織が不適切であると諸特性が不十分となる。すなわち実験例29〜31では焼戻しベイナイト組織及び焼戻しマルテンサイト組織の合計量が不足しており、曲げ変形能が不十分となる。実験例32〜34では再生パーライト組織が多すぎるため、曲げ変形能が不十分となる。実験例35〜36では、焼戻しベイナイト組織、焼戻しマルテンサイト組織、及び再生パーライト組織の合計量が不足しているため、曲げ変形能が不十分となる。
【0050】
これらに対して実験例1〜19は、成分設計及び組織の両方が適切であるため、耐衝撃特性及び耐摩耗性の両方に優れており、しかも亀裂の進展・貫通を防止できる。
【0051】
【発明の効果】
本発明のステアリングラック用棒鋼によれば、成分及び組織の両方が適切に制御されているため、耐摩耗性が改善されながらも耐衝撃特性にも優れており、しかも亀裂の進展・貫通を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は実験例で用いる試験ディスクの形状を示す概略斜視図である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a steel bar useful for manufacturing a rack (steering rack) used for a steering gear of an automobile, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Automobile steering is classified into a type that is power assisted by hydraulic pressure (hydraulic power steering) and a type that is power assisted by electric power (electric power steering). BACKGROUND ART Hydraulic power steering is a conventional mainstream, and assists a steering force by pressure oil discharged from an oil pump that operates using an engine output. However, the hydraulic power steering uses a part of the engine output as a power source, and thus has a problem in that the fuel efficiency of the vehicle is reduced. On the other hand, the electric power steering assists the steering force by an electric motor operated by electric energy from a battery. Compared with the hydraulic power steering, the electric power steering can improve the fuel efficiency of an automobile. Its spread is increasing.
[0003]
By the way, the steering rack is one of the main components constituting the steering, and also plays a role of a framework of the automobile. Moreover, if the steering rack breaks, the steering wheel cannot be operated, so it is designated as an important security component, and high reliability and strength characteristics are required. That is, the steering rack is excellent in 1) excellent impact resistance such that the vehicle does not break even if it receives an impact when it gets on a curb or the like, 2) does not break even when bending stress acts (crack resistance), and 3). The wear resistance of the rack teeth is required.
[0004]
Conventionally, such a steering rack is made of S45C steel (see Patent Documents 1 and 2), medium carbon steel (see Patent Documents 3 and 4), and the like. By forming a surface hardened layer by induction hardening. In addition to increasing the wear resistance, the strength (cracking resistance) against bending stress is also increased (see Patent Documents 1 and 2).
[0005]
However, even if the bending strength is increased by induction hardening, once an excessive load acts and a crack is generated in the induction hardened layer, the crack propagates and penetrates into the inside, leading to breakage, and the handle operation becomes difficult. Becomes impossible. Further, in electric power steering, which has been widely used in recent years, the contact surface pressure between the steering rack and the pinion gear tends to be higher than that in hydraulic power steering, and S45C steel (Patent Documents 1 and 2) has wear resistance. Run out. Although the amount of carbon in medium carbon steels (Patent Documents 3 and 4) is not clear, even if the wear resistance is increased by using a large amount of C, the impact resistance decreases.
[0006]
Patent Document 5 describes that when induction hardening is performed by adding B, brittle fracture does not occur even when an excessive load is applied, and fracture is prevented by bending deformation. The steel for a steering rack disclosed in Patent Document 5 is a steel whose quenching and tempering treatment is omitted, and has a substantially ferrite-pearlite structure.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-62-178472 (page 3, upper left column, third line, prior art column)
[Patent Document 2]
JP-A-62-180018 (page 15, lower left column, line 15, conventional technology column)
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[Patent Document 5]
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[0008]
[Problems to be solved by the invention]
It should be noted that, even after preparing a steel omitting B-added quenching and tempering treatment in accordance with the method of Patent Document 5 and performing a bending test after induction hardening, the inventors of the present invention found that cracks propagated and penetrated to break. (See Experimental Example 31 described later).
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and an object of the present invention is to improve the abrasion resistance and also have an excellent impact resistance, and furthermore, a steering that can prevent crack propagation and penetration. An object of the present invention is to provide a steel bar for a rack and a method of manufacturing the same.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies in order to solve the above-mentioned problems. As a result, even if the amount of C is increased, the addition of B can prevent a decrease in impact resistance, and furthermore, a tempered bainite structure, a tempered pearlite structure. By controlling the regenerated pearlite structure within a predetermined range, the bending deformability can be enhanced, and even if a crack is generated, it is possible to prevent the propagation and penetration of the crack, and the present invention has been completed.
[0011]
That is, the steel bar for a steering rack according to the present invention has C: 0.50 to 0.60% (meaning mass%, the same applies hereinafter), Si: 0.05 to 0.5%, Mn: 0.2 to 0.2%. It contains 1.5%, B: 0.0005 to 0.003%, and Ti: 0.005 to 0.05%, and further contains 0.0005 to 0.1% of Al and 0.1 to 0.05% as other elements. Containing both 002-0.02% N and / or 1.5% or less (excluding 0%) Cr, with the balance consisting of Fe and unavoidable impurities,
The gist is that the quenched and tempered structure at a depth D / 4 (D indicates the diameter of the bar) from the surface of the bar is adjusted as in 1), 2) and 3) below. is there.
[0012]
1) The total of the tempered bainite structure and the tempered martensite structure is 30 to 100% (area percentage).
2) Regenerated pearlite structure of 0 to 50% (area percentage)
3) Tempered bainite structure, tempered martensite structure, and regenerated pearlite structure in total of 50 to 100% (area percentage)
The steel bar for a steering rack may further contain free-cutting elements (S, Pb, Bi, Te, Mg, Ca, REM, Zr, etc.).
[0013]
The steel bar for a steering rack of the present invention is obtained by quenching a steel bar obtained by rolling a slab from a temperature of 780 ° C. or higher to obtain a bainite structure and a martensite structure in a portion having a depth of D / 4 in a total of 30 to 100% (area). Percentage)
It can be manufactured by placing it in a furnace heated to an atmosphere temperature of 660 to 720 ° C., performing a tempering treatment for a short time of 20 minutes or less, and cooling to room temperature.
[0014]
In the present specification, the term “quenching” refers to quenching during quenching and tempering of a steel bar after rolling, and is used in distinction from the term “induction quenching”.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The steel bar for a steering rack of the present invention has C: 0.50 to 0.60% (meaning mass%, the same applies hereinafter), Si: 0.05 to 0.5%, Mn: 0.2 to 1.5. %, B: 0.0005 to 0.003%, and Ti: 0.005 to 0.05%, and as other elements, 0.0005 to 0.1% Al and 0.002 to 0%. It contains both 0.02% N and / or 1.5% or less (excluding 0%) Cr. The balance is Fe and inevitable impurities.
[0016]
The reasons for limiting the above components are as follows.
[0017]
The reason why the content of C is set to 0.50% or more is to sufficiently enhance wear resistance when a steering rack (for example, a steering rack for electric power steering) is used. The preferred C content is 0.52% or more. However, when the content of C is too large, the impact resistance of the steering rack is deteriorated. Therefore, the content of C is set to 0.60% or less, preferably 0.58% or less.
[0018]
The reason why the content of Si is set to 0.05% or more is to deoxidize the steel material. The preferred Si content is 0.10% or more, particularly 0.15% or more. However, if the content of Si is too large, the machinability at the time of forming the rack teeth decreases. Therefore, the content of Si is set to 0.5% or less, preferably 0.35% or less, and more preferably 0.30% or less.
[0019]
The reason why the Mn content is set to 0.2% or more is not only to enhance the strength of the steel material, but also to enhance the hardenability and facilitate the introduction of the bainite structure, thereby bending the steel material into a steering rack. This is to enhance the deformability. The preferred Mn content is 0.5% or more, particularly 0.7% or more. However, if the content of Mn is too large, the hardened layer formed by induction hardening becomes too deep, and the bending deformability decreases. Therefore, the content of Mn is set to 1.5% or less, preferably 1.3% or less, and more preferably 1.2% or less.
[0020]
The content of B is set to 0.0005% or more in order to secure impact resistance even in the steel of the present invention in which the C content is increased. The preferred B content is 0.0007% or more. However, when the content of B is too large, a harmful B-based compound is generated, and the impact resistance is rather deteriorated. Therefore, the content of B is set to 0.003% or less, preferably 0.0025% or less, and more preferably 0.0020% or less.
[0021]
Ti is effective in suppressing the generation of BN by forming TiN in combination with N in steel, and ensuring the above-mentioned effect of B. Therefore, the content of Ti is 0.005% or more, preferably 0.010% or more, and more preferably 0.012% or more. However, if the content of Ti is too large, the impact resistance of the steering rack is rather deteriorated. Therefore, the content of Ti is set to 0.05% or less, preferably 0.04% or less, and more preferably 0.035% or less.
[0022]
The reason why Al and N are contained is that by forming AlN, austenite grains during induction hardening can be refined. The content of Al is 0.0005% or more, preferably 0.010% or more, and more preferably 0.020% or more. The N content is 0.002% or more, preferably 0.003% or more, and more preferably 0.004% or more. However, if the contents of Al and N are excessively large, the impact resistance decreases. Therefore, the content of Al is set to 0.1% or less, preferably 0.08% or less, and more preferably 0.05% or less. The N content is 0.02% or less, preferably 0.01% or less, and more preferably 0.007% or less.
[0023]
The inclusion of Cr is for improving the hardenability. Although the lower limit of the Cr content is not particularly limited, it is, for example, about 0.05%, preferably about 0.08%, and more preferably about 0.10%. However, if the content of Cr is too large, the hardened layer formed by induction hardening becomes too deep, and the bending deformability becomes insufficient. Therefore, the content of Cr is, for example, 1.5% or less, preferably 1.0% or less, and more preferably 0.50% or less.
[0024]
The steel bar for a steering rack of the present invention may contain a free-cutting element (S, Pb, Bi, Te, Mg, Ca, REM, Zr, etc.) as necessary. The amounts of these free-cutting elements are, for example, S: 0.06% or less (excluding 0%), Pb: 0.3% or less (excluding 0%), Bi: 0.2% or less (0%). %: Te: 0.1% or less (excluding 0%), Mg: 0.01% or less (excluding 0%), Ca: 0.01% or less (excluding 0%) , REM: about 0.01% or less (excluding 0%) and Zr: about 0.3% or less (excluding 0%). These free-cutting elements can be added alone or in combination of two or more.
[0025]
In the steel bar for a steering rack of the present invention, the quenched and tempered structure at a depth D / 4 (D indicates the diameter of the steel bar) from the surface of the steel bar is adjusted as in the following 1), 2) and 3). ing.
[0026]
1) The total of the tempered bainite structure and the tempered martensite structure [hereinafter, sometimes referred to as “TB + TM”] is 30 to 100% (area percentage).
2) Regenerated pearlite structure of 0 to 50% (area percentage)
3) The total of the tempered bainite structure, the tempered martensite structure, and the regenerated pearlite structure [hereinafter, sometimes referred to as TB + TM + RP] is 50 to 100% (area percentage).
Hereinafter, the reason for performing these organization controls will be described.
[0027]
The tempered bainite structure and the tempered martensite structure are structures introduced by quenching and tempering a rolled steel bar, and prevent the growth and penetration of cracks generated in the induction hardened layer when used as a steering rack. It is effective for In other words, the steering rack is very hard at the induction hardened part (surface layer), so that when subjected to a large bend, the induction hardened layer near the root of the steering tooth (usually near the D / 4 part) tends to crack, If a tempered bainite structure or a tempered martensite structure remains at the boundary between the part and the part that has not been induction hardened, the cracks generated in the induction hardened layer can be prevented from developing inside, and cracks in the steering rack itself can be prevented. Can be prevented. Therefore, the total (TB + TM) of the bainite structure and the tempered martensite structure in the D / 4 portion is set to 30% or more. It is preferably at least 40%, more preferably at least 50%.
[0028]
The recycled pearlite structure is a structure introduced in the tempering step, and is distinguished from the pearlite structure of as-rolled steel. Unlike the tempered bainite structure and the tempered martensite structure, the regenerated pearlite structure does not help to prevent the growth and penetration of cracks, and the bending deformability decreases when only the regenerated pearlite structure increases. Therefore, the reproduced pearlite structure is set to 50% or less. It is preferably at most 40%, more preferably at most 30%. Also, when the regenerated pearlite structure is reduced, the impact resistance tends to be further improved.
[0029]
Further, even if a tempered bainite structure and a tempered martensite structure are introduced by quenching and tempering, if a ferrite-pearlite structure or a soft ferrite structure remains from the as-rolled material, crack propagation and penetration cannot be prevented. Therefore, the structure from the as-rolled material needs to be reduced, in other words, the tempered bainite structure, the tempered martensite structure, and the regenerated pearlite structure need to be increased. The total (TB + TM + RP) of the three structures introduced by these quenching / tempering steps is 50% or more, preferably 60% or more, and more preferably 70% or more.
[0030]
The diameter of the steel bar for a steering rack of the present invention is not particularly limited, but is generally about 10 to 40 mm, preferably about 15 to 38 mm, and more preferably about 20 to 36 mm in consideration of processing into a steering rack.
[0031]
For the steel bars for steering racks as described above, for example, rolling a slab having the above-mentioned composition, quenching the resulting steel bars to introduce a bainite structure and a martensite structure, and then performing a high-temperature, short-time tempering treatment. Can be manufactured by
[0032]
In such a manufacturing method, the quenching heating temperature is set to 780 ° C. or higher, preferably 800 ° C. or higher. If the heating temperature for quenching is too low, TB + TM + RP after tempering tends to be small. In addition, a soft ferrite layer is generated, and the strength of the steering rack is insufficient. The upper limit of the heating temperature is, for example, about 860 ° C, preferably about 850 ° C. If the heating temperature is too high, the bending of the steel bar during quenching tends to increase.
[0033]
The cooling conditions for the quenching are such that the total amount of bainite structure and martensite structure introduced by the quenching (total amount in D / 4 parts; area percentage) is at least the total amount of the above-mentioned tempered bainite structure and martensite structure. It must be set to be the same. It is convenient to use controlled cooling for such cooling. The conditions of the controlled cooling can be appropriately set according to the composition of the steel and the like. For example, it is desirable to cool a temperature range of 800 to 300 ° C. at a cooling rate of 30 to 80 ° C./sec.
[0034]
The tempering temperature (furnace temperature) is about 660 to 720 ° C, preferably about 680 to 700 ° C, and the tempering time (residence time including the temperature raising process) is about 20 minutes or less, preferably about 15 minutes or less. If the tempering temperature is too high or the tempering time is too long, the regenerated pearlite structure becomes too large.
[0035]
The steel bar for a steering rack according to the present invention has improved abrasion resistance, excellent impact resistance, and excellent bending deformability. Therefore, a steering rack (particularly a steering rack for an electric power steering). Is extremely useful.
[0036]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples. However, the present invention is not limited to the following Examples, and may be appropriately modified within a range that can be adapted to the purpose of the preceding and the following. It is of course possible to carry out them, and all of them are included in the technical scope of the present invention.
[0037]
Experimental Examples 1-36
Steel materials having the components shown in Tables 1 and 2 were melted and rolled into steel bars having a diameter of 30 mm. Next, after heating to the temperature shown in Tables 1-2, it was quenched by controlled cooling to room temperature. In the controlled cooling, the structure of the steel bar was controlled by changing the amount of water and the cooling time. The cooled steel bars were tempered by staying in a furnace heated to the ambient temperature shown in Tables 1 and 2 for the time shown in Tables 1 and 2. The steel bars after tempering were allowed to cool.
[0038]
The structure of D / 4 part of the quenched steel bar and the structure of D / 4 part of the tempered steel bar were observed with an electron microscope (magnification: 5000 times), and the martensite structure and bainite structure, the tempered martensite structure, and the tempered structure. The area ratio of the bainite structure and the regenerated pearlite structure was determined.
[0039]
In addition, the following tests were conducted to examine the crack resistance (bending deformability), impact resistance, and abrasion resistance when the tempered steel bars were used as steering racks.
[0040]
[Bending test]
After the tempered steel bar was drawn to a diameter of 27.5 mm, it was cut to form rack teeth. The depth of the rack teeth is about D / 4. Next, a steering rack was prepared by induction hardening the teeth under the following conditions.
[0041]
Coil used for induction hardening conditions: Surface hardening (diameter 40 mm, thickness 2 mm)
Voltage: 4.0 kV
Current: 4.5A
Frequency: 40kHz
Heating method: Moving quenching (moving speed 3.0 mm / sec)
Cooling: Using a steering rack obtained from a mixed solvent of soluble oil and water, a three-point bending test was performed in which the distance between fulcrums was 400 mm and the pressed part was on the opposite side of the teeth of the steering rack, and evaluated according to the following criteria.
[0042]
×: The crack generated in the induction hardened layer propagated and penetrated to the inside, and the steering rack broke into two parts. ○: The crack stopped halfway and did not lead to breakage [impact test].
After the tempered steel bar was drawn to a diameter of 27.5 mm, a JIS No. 3 U notch test piece was cut out from the D / 4 part, and the surface layer on the notch forming side was induction hardened. The induction quenching conditions were the same as in the bending test except that the moving speed was 3.5 mm / sec. The obtained test piece was subjected to a Charpy impact test (test temperature: room temperature) according to JIS Z2242 to determine an impact value.
[0043]
[Wear test]
A disk having the same characteristics as the tempered steel bar obtained in the experimental example was prepared. That is, a steel material having the same composition as the steel bar of the experimental example was melted, forged to a diameter of 53 mm by hot forging, cut into a disk having a thickness of 15 mm, and then quenched and tempered under the same conditions as in each experimental example. Was.
[0044]
Next, as shown in FIG. 1, it was machined into a two-stage semicircle (upper stage diameter: 44 mm, upper stage thickness: 3 mm; lower stage diameter: 50 mm, lower stage thickness: 5 mm), and the surface layer of the upper stage was induction hardened. . The induction quenching conditions were the same as in the bending test except that the moving speed was 2.5 mm / sec. A pin-on-disc wear test was performed on the obtained test disc to measure the loss on wear of the test piece. The detailed conditions of the wear test are as follows.
[0045]
Lubrication: Dry test specimen surface roughness: Ra 0.25 μm
Circumferential speed: 0.05 m / sec Surface pressure: 0.05 GPa
Pin: SUJ2 [diameter 5 mm, hardness (HRC) 64]
The results are shown in Tables 1 and 2.
[0046]
[Table 1]
Figure 2004353005
[0047]
[Table 2]
Figure 2004353005
[0048]
In Tables 1 and 2, Experimental Examples 20 to 28 are examples in which the component design is inappropriate. That is, in Experimental Example 20, the amount of carbon was insufficient, so that the wear resistance was insufficient. On the contrary, in Experimental Example 21, the impact resistance was insufficient due to the large amount of C. In Experimental Example 22, since the amount of Mn was small and the hardenability was poor, the total amount of the tempered bainite structure and the tempered martensite structure was insufficient, and the bending deformability was insufficient. In Experimental Example 23, since the amount of Mn was excessive, the hardened layer was deepened during induction hardening, and the bending deformability was insufficient. In Experimental Examples 24 to 27, the impact resistance was insufficient because the amount of B or Ti was inappropriate. In Experimental Example 28, since the amount of Cr was excessive, the hardened layer was deepened during induction hardening, and the bending deformability was insufficient.
[0049]
Moreover, as is clear from Experimental Examples 29 to 36, even if the component design is appropriate, if the structure is inappropriate, various characteristics become insufficient. That is, in Experimental Examples 29 to 31, the total amount of the tempered bainite structure and the tempered martensite structure is insufficient, and the bending deformability is insufficient. In Experimental Examples 32 to 34, since the regenerated pearlite structure was too large, the bending deformability was insufficient. In Experimental Examples 35 to 36, since the total amount of the tempered bainite structure, the tempered martensite structure, and the regenerated pearlite structure was insufficient, the bending deformability was insufficient.
[0050]
On the other hand, in Experimental Examples 1 to 19, since both the component design and the structure are appropriate, both the impact resistance and the wear resistance are excellent, and furthermore, the propagation and penetration of cracks can be prevented.
[0051]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the steel bar for steering racks of this invention, since both a component and a structure are controlled appropriately, it is excellent in impact resistance while improving abrasion resistance, and also prevents crack propagation and penetration. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing the shape of a test disk used in an experimental example.

Claims (3)

C:0.50〜0.60%(質量%を意味する、以下同じ)、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.2〜1.5%、B:0.0005〜0.003%、及びTi:0.005〜0.05%を含有し、
更に他の元素として、0.0005〜0.1%のAlと0.002〜0.02%のNの両方、及び/又は1.5%以下(0%を含まず)のCrを含有し、
残部はFe及び不可避的不純物からなる棒鋼であって、
棒鋼の表面から深さD/4(Dは棒鋼の直径を示す)の部分の焼入れ・焼戻し組織が、下記1)、2)及び3)のように調整されていることを特徴とするステアリングラック用棒鋼。
1)焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織が合計で30〜100%(面積百分率)
2)再生パーライト組織が0〜50%(面積百分率)
3)焼戻しベイナイト組織、焼戻しマルテンサイト組織、および再生パーライト組織が合計で50〜100%(面積百分率)
C: 0.50 to 0.60% (meaning mass%, the same applies hereinafter), Si: 0.05 to 0.5%, Mn: 0.2 to 1.5%, B: 0.0005 to 0 0.003% and Ti: 0.005 to 0.05%,
Still other elements include both 0.0005-0.1% Al and 0.002-0.02% N, and / or 1.5% or less (excluding 0%) Cr. ,
The balance is a bar made of Fe and unavoidable impurities,
A steering rack characterized in that the quenched / tempered structure at a depth D / 4 (D indicates the diameter of the bar) from the surface of the bar is adjusted as described in 1), 2) and 3) below. For steel bars.
1) The tempered bainite structure and the tempered martensite structure are 30 to 100% in total (area percentage).
2) Regenerated pearlite structure of 0 to 50% (area percentage)
3) The total of the tempered bainite structure, the tempered martensite structure, and the regenerated pearlite structure is 50 to 100% (area percentage).
さらにS:0.06%以下(0%を含まない)、Pb:0.3%以下(0%を含まない)、Bi:0.2%以下(0%を含まない)、Te:0.1%以下(0%を含まない)、Mg:0.01%以下(0%を含まない)、Ca:0.01%以下(0%を含まない)、REM:0.01%以下(0%を含まない)、Zr:0.3%以下(0%を含まない)から選択される少なくとも一種を含有する請求項1に記載のステアリングラック用棒鋼。Further, S: 0.06% or less (excluding 0%), Pb: 0.3% or less (excluding 0%), Bi: 0.2% or less (excluding 0%), Te: 0. 1% or less (excluding 0%), Mg: 0.01% or less (excluding 0%), Ca: 0.01% or less (excluding 0%), REM: 0.01% or less (0%) %, And at least one selected from the group consisting of Zr: 0.3% or less (not including 0%). 請求項1又は2に記載の元素を含有する鋼片を圧延し、
得られる棒鋼を温度780℃以上から焼入れして深さD/4の部分のベイナイト組織及びマルテンサイト組織を合計で30〜100%(面積百分率)とした後、
温度660〜720℃の雰囲気温度に加熱した炉に入れて20分以下の短時間焼戻し処理を行い、室温まで冷却することを特徴とするステアリングラック用棒鋼の製造方法。
Rolling a billet containing the element according to claim 1 or 2,
After the obtained steel bar is quenched from a temperature of 780 ° C. or higher to make the bainite structure and the martensite structure in a portion having a depth of D / 4 to a total of 30 to 100% (area percentage),
A method for producing a steel bar for a steering rack, wherein the steel bar is placed in a furnace heated to an ambient temperature of 660 to 720 ° C., subjected to a short tempering treatment for 20 minutes or less, and cooled to room temperature.
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