JP2014034683A - 肌焼用棒鋼または線材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】C:0.13〜0.25%、Si:0.02〜0.35%、Mn:0.50〜0.90%、S:0.005〜0.030%、Cr:0.50〜1.60%、Al:0.010〜0.060%及びN:0.0100〜0.0250%を含有するとともに、残部はFe及び不純物からなり、不純物中のP≦0.030%、Ti≦0.005%、V≦0.005%及びO≦0.0015、かつ、Ti+V≦0.006%であり、更に、長手方向に垂直な断面内における上記各不純物元素の濃度差が、Pで0.005%以下、Tiで0.003%以下、Vで0.003%以下及びOで0.0005%以下である肌焼用棒鋼または線材。この肌焼用棒鋼または線材は、Feの一部に代えて、特定量のCu、Ni、Mo、Nb、Caの内の1種以上を含んでもよい。
【選択図】なし
Description
C:0.13〜0.25%、
Si:0.02〜0.35%、
Mn:0.50〜0.90%、
S:0.005〜0.030%、
Cr:0.50〜1.60%、
Al:0.010〜0.060%および
N:0.0100〜0.0250%、
を含有するとともに、残部はFeおよび不純物からなり、
不純物中のP、Ti、VおよびO(酸素)がそれぞれ、
P:0.030%以下、
Ti:0.005%以下、
V:0.005%以下および
O:0.0015%以下、かつ、
TiとVの合計含有量が、0.006%以下であり、さらに
長手方向に垂直な断面内における上記の各不純物元素の濃度差が、Pで0.005%以下、Tiで0.003%以下、Vで0.003%以下、およびOで0.0005%以下であることを特徴とする、
肌焼用棒鋼または線材。
Cu:0.20%以下、
Ni:0.20%以下および
Mo:0.50%以下、
のうちの1種以上を含有することを特徴とする、
上記(1)に記載の肌焼用棒鋼または線材。
Nb:0.050%以下、
を含有することを特徴とする、
上記(1)または(2)に記載の肌焼用棒鋼または線材。
Ca:0.0050%以下、
を含有することを特徴とする、
上記(1)から(3)までのいずれかに記載の肌焼用棒鋼または線材。
Cは、浸炭部品の強度確保のために必須の元素である。この効果を十分得るには、0.13%以上のC含有量が必要である。しかしながら、Cの含有量が多すぎると、硬さの増大により被削性の低下を招く。したがって、Cの含有量を0.13〜0.25%とした。好ましいC含有量の下限は0.15%である。また、好ましいC含有量の上限は0.23%である。
Siは、焼入れ性を向上させる作用および脱酸作用を有する。これらの効果を十分得るには、0.02%以上のSi含有量が必要である。しかしながら、Siは酸化性の元素であり、その含有量が多過ぎると、浸炭ガス中に含まれる微量のH2OまたはCO2によってSiが選択酸化され、鋼表面にSi酸化物が生成されるため、浸炭異常層である粒界酸化層および不完全焼入れ層の深さが大きくなる。浸炭異常層の深さが大きくなると、曲げ疲労強度およびピッチング強度の低下を招くおそれがある。したがって、Siの含有量を0.02〜0.35%とした。好ましいSi含有量の下限は0.05%である。また、好ましいSi含有量の上限は0.30%である。
Mnは、焼入れ性を向上させる作用および脱酸作用を有する。これらの効果を十分に得るには、0.50%以上のMn含有量が必要である。しかしながら、Mnの含有量が多過ぎると、硬さの増大により被削性の低下を招く恐れがある。また、Siと同様に、Mnは酸化性の元素であるため、その含有量が多過ぎると、鋼表面にMn酸化物が生成されるため、浸炭異常層である粒界酸化層および不完全焼入れ層の深さが大きくなる。浸炭異常層の深さが大きくなると、曲げ疲労強度およびピッチング強度の低下を招くおそれがある。したがって、Mnの含有量を0.50〜0.90%とした。好ましいMn含有量の下限は0.55%である。また、好ましいMn含有量の上限は0.80%である。
Sは、Mnと結合してMnSを形成し、被削性を向上させる作用を有する。この効果を十分得るには0.005%以上のS含有量が必要である。しかしながら、Sの含有量が多過ぎると、粗大なMnSの形成により、熱間加工性、冷間鍛造性、曲げ疲労強度およびピッチング強度の低下を招く。したがって、Sの含有量を0.005〜0.030%とした。好ましいS含有量の下限は0.010%である。また、好ましいS含有量の上限は0.025%である。
Crは、焼入れ性を向上させる効果を有する。この効果を十分得るには、0.50%以上のCr含有量が必要である。しかしながら、Crの含有量が多過ぎると、硬さの増大による被削性の低下を招くおそれがある。また、SiおよびMnと同様、Crは酸化性の元素であるため、その含有量が多過ぎると、鋼表面にCr酸化物が生成されるため、浸炭異常層である粒界酸化層および不完全焼入れ層の深さが大きくなる。浸炭異常層の深さが大きくなると、曲げ疲労強度およびピッチング強度の低下を招くおそれがある。したがって、Crの含有量を0.50〜1.60%とした。好ましいCr含有量の下限は0.80%である。また、好ましいCr含有量の上限は1.50%である。
Alは、脱酸作用を有する。また、Alには、Nと結合してAlNを形成し、結晶粒を微細化して鋼を強化する作用もある。しかしながら、Alの含有量が0.010%未満では、前記の効果を得難い。一方、Alの含有量が過剰になると、硬質で粗大なAl2O3形成による被削性の低下をきたし、さらに、曲げ疲労強度とピッチング強度も低下する。特に、Alの含有量が0.060%を超えると、被削性、曲げ疲労強度およびピッチング強度の低下が著しくなる。したがって、Alの含有量を0.010〜0.060%とした。好ましいAl含有量の下限は0.020%である。また、好ましいAl含有量の上限は0.050%である。
Nは、窒化物を形成することにより結晶粒を微細化させ、曲げ疲労強度を向上させる効果を有する。この効果を得るには、Nを0.0100%以上含有する必要がある。しかしながら、Nの含有量が過剰になると、粗大な窒化物を形成して靱性の低下を招き、特に、その含有量が0.0250%を超えると、靱性の低下が著しくなる。したがって、Nの含有量を0.0100〜0.0250%とした。なお、好ましいN含有量の下限は0.0130%である。また、好ましいN含有量の上限は0.0230%である。
Pは、鋼に含有される不純物であり、結晶粒界に偏析して鋼を脆化させる。特に、その含有量が0.030%を超えると、脆化の程度が著しくなる。したがって、本発明においては、不純物中のPの含有量を0.030%以下とした。より好ましいPの含有量は0.020%以下である。
Tiは、Nとの親和性が高いので、鋼中のNと結合して硬質で粗大な非金属介在物であるTiNを形成し、曲げ疲労強度とピッチング強度を低下させ、さらに、被削性も低下させる。したがって、本発明においては、不純物中のTiの含有量を0.005%以下とした。より好ましいTiの含有量は0.004%以下である。
Vは、C、Nと結合することで炭窒化物を形成する。不純物中のV含有量が多いと、粗大なV炭窒化物を形成し高温浸炭での結晶粒粗大化を招く。したがって、本発明においては、不純物中のVの含有量を0.005%以下とした。より好ましいVの含有量は0.004%以下である。
O(酸素)は、鋼中のSiやAlと結合して、酸化物を生成する。酸化物のうちでも、特に、Al2O3は硬質であるため、被削性を低下させ、さらに、曲げ疲労強度およびピッチング強度の低下も招く。したがって、本発明においては、不純物中のOの含有量を0.0015%以下とした。
不純物中のTiおよびVの個々の含有量を上記の範囲に制限してもTi+Vの量が0.006%を超えると、高い曲げ疲労強度、ピッチング強度や安定した結晶粒粗大化抑制効果が得られない。したがって、本発明においては、Ti+Vの量を0.006%以下とした。より好ましいTi+Vの量は0.005%以下である。
肌焼用棒鋼または線材は、熱間鍛造または冷間鍛造により所定の粗形状に成形された後に、切削で歯車などの部品に仕上加工され、浸炭焼入れや浸炭窒化焼入れなどの表面硬化処理を行った後、焼戻しを施される。
図1(a)に示すような、同一の断面の上記[1]〜[9]に対応する合計9位置からそれぞれ、切粉とO分析試料を採取する。具体的には、図1(b)に示すように、任意の断面1において、上記[1]〜[9]に対応する合計9位置からそれぞれ、直径3mmのドリルで切粉を採取し、また、上記断面1から長手方向に100mm以内にある断面2において、上記[1]〜[9]に対応する合計9位置からそれぞれ、直径3mmで長さ50mmのO分析試料を採取する。
図2に示すように、任意の断面1および断面1から長手方向に100mm以内にある断面2において、上記[1]〜[9]に対応する合計9位置からそれぞれ、直径3mmのドリルで切粉を採取し、また、上記断面2から長手方向に100mm以内にある断面3および断面3から長手方向に100mm以内にある断面4において、上記[1]〜[9]に対応する合計9位置からそれぞれ、直径3mmで長さ50mmのO分析試料を採取する。
図3に示すように、隣り合う断面からそれぞれ長手方向に100mm以内にある断面1〜4において、上記[1]〜[9]に対応する合計9位置からそれぞれ、直径3mmのドリルで切粉を採取し、また、断面4から長手方向に100mm以内にあり、しかも、隣り合う断面からそれぞれ長手方向に100mm以内にある断面5〜8において、上記[1]〜[9]に対応する合計9位置からそれぞれ、直径3mmで長さ50mmのO分析試料を採取する。
図4に示すように、隣り合う断面からそれぞれ長手方向に100mm以内にある断面1〜9において、上記[1]〜[9]に対応する合計9位置からそれぞれ、直径3mmのドリルで切粉を採取し、また、断面9から長手方向に100mm以内にあり、しかも、隣り合う断面からそれぞれ長手方向に100mm以内にある断面10〜18において、上記[1]〜[9]に対応する合計9位置からそれぞれ、直径3mmで長さ50mmのO分析試料を採取する。
Cuは、焼入れ性を高める作用を有するので、さらなる焼入れ性向上のために含有させてもよい。しかしながら、Cuは高価な元素であるとともに、含有量が多くなると熱間加工性の低下を招く。したがって、含有させる場合のCuの量に上限を設け、0.20%以下とした。含有させる場合のCuの量は、0.15%以下であることが好ましい。
Niは、焼入れ性を高める作用を有する。Niには、靱性を向上させる作用があり、非酸化性の元素であるため、浸炭時に粒界酸化層の深さを増大させずに鋼表面を強靱化することができる。これらの効果を得るためにNiを含有させてもよい。しかしながら、Niは高価な元素であり、過度の添加は成分コストの上昇につながる。したがって、含有させる場合のNiの量に上限を設け、0.20%以下とした。含有させる場合のNiの量は、0.20%以下であることが好ましい。
Moは、焼入れ性を高める作用を有する。また、Moは、非酸化性の元素であるため、浸炭時に粒界酸化層の深さを増大させずに鋼表面を強靱化することができる。このため、Moを含有させてもよい。しかしながら、Moは高価な元素であり、過度の添加は成分コストの上昇につながるばかりか、強度向上の効果が飽和する。したがって、含有させる場合のMoの量に上限を設け、0.50%以下とした。含有させる場合のMoの量は、0.45%以下であることが好ましい。
Nbは、CおよびNと結合して微細な炭化物、窒化物や炭窒化物を形成してオーステナイト結晶粒を微細化し、曲げ疲労強度およびピッチング強度を向上させる効果を有する。このため、さらなる曲げ疲労強度の向上およびピッチング強度の向上のためにNbを含有させてもよい。しかしながら、Nbの含有量が過剰になると熱間延性が低下し、熱間圧延や熱間鍛造時に表面きずが発生しやすくなる。したがって、含有させる場合のNbの量に上限を設け、0.080%以下とした。含有させる場合のNbの量は、0.060%以下であることが好ましい。
Caは、被削性を改善する作用を有する。このため、被削性向上のためにCaを含有させてもよい。しかしながら、過度の添加は成分コストの上昇につながり、特に、Caの含有量が0.0050%を超えると、被削性向上効果が飽和するのでコストが嵩むばかりであって経済性が損なわれる。しかも、Caの含有量が0.0050%を超える場合には、粗大な酸化物を形成して曲げ疲労強度およびピッチング強度の低下も招く。したがって、含有させる場合のCaの量を0.0050%以下とした。含有させる場合のCaの量は、0.0030%以下であることが好ましい。
鋼を転炉を用いて溶製する場合、脱P、脱酸の処理を十分に施し、二次精錬を二回行なって成分調整する。次いで、垂直曲げ型の連続鋳造機を用いて、鋳型内で溶鋼を冷却し、鋳込むことで鋳片を製造する。この際、鋳型内で電磁撹拌を行うことにより、未凝固の溶鋼は撹拌され、鋳片内部の組織を等軸晶とし不純物の偏析を分散させることができる。鋳型を出た鋳片は、高速水などでスプレー冷却しながら、かつ、ロールで圧下・矯正しながら引き抜く。ロールの配列ピッチおよびアライメント、ならびにロールによる押し付け力を適正化することにより、不純物の偏析が少ない鋳片が得られる。また、鋳片が均一に冷却されるようにスプレー冷却することで、均一で不純物の偏析が少ない凝固組織の鋳片にすることができる。鋳込み速度、すなわち鋳片を引き抜く速度が速すぎると、鋳片軸方向の最終凝固位置が変動しやすく、内部の不純物の偏析が大きくなるので、鋳込み速度は1m/分以下とすることが好ましい。
鋳片を加熱炉に装入して、加熱温度1200〜1300℃程度、かつ、加熱時間1時間以上の加熱を施してから分塊圧延し、一旦、表面温度が50℃以下になるまで冷却して鋼片を得る。ここでいう「加熱温度」は炉内の平均温度を意味し、「加熱時間」は在炉時間を意味する。
鋼片は、表面きずをグラインダーなどで除去した後、加熱炉に装入して、加熱温度1100〜1300℃程度、加熱時間30分以上の加熱を施してから熱間圧延して棒鋼または線材を得る。ここでいう「加熱温度」も炉内の平均温度を意味し、「加熱時間」も在炉時間を意味する。
〈1〉式でいう断面積は、長手方向(すなわち鋳込み方向または圧延方向)に対して垂直な断面積(いわゆる「横断面積」)を意味する。
の式から求めた熱間鍛造による総減面率RA’は91%であった。
前記直径が70mmの各棒鋼のR/2部(「R」は棒鋼の半径を表す。)と中心部から、圧延方向または鍛錬軸に平行に図5に示す粗形状の切欠付き小野式回転曲げ疲労試験片および図6に示す粗形状のローラーピッチング小ローラー試験片を切り出した。
上記〔1〕で切り出した粗形状の回転曲げ疲労試験片および小ローラー試験片に対して、図8に示すヒートパターンによる「浸炭焼入れ−焼戻し」を施した。また、上記〔1〕で切り出した粗形状の大ローラーに対して、図9に示すヒートパターンによる「浸炭焼入れ−焼戻し」を施した。なお、図8および図9中の「Cp」はカーボンポテンシャルを表す。また、「150℃油焼入れ」は油温150℃の油中に焼入れしたことを、「50℃油焼入れ」は油温50℃の油中に焼入れしたことを、さらに「AC」は空冷したことを表す。
浸炭焼入れ−焼戻し処理を施した上記の各試験片および大ローラーを仕上加工して、図10に示す切欠付き小野式回転曲げ疲労試験片、図11に示すローラーピッチング試験用小ローラー試験片および図12に示すローラーピッチング試験用大ローラーを作製した。図12において、(a)は大ローラーを中心線で半割りにした場合の正面図で、また(b)は中心線における断面図である。
前記〔3〕の仕上加工した小野式回転曲げ疲労試験片を用いて、下記の試験条件によって小野式回転曲げ疲労試験を実施し、繰返し数が107回において破断しない最大の強度で曲げ疲労強度を評価した。
・雰囲気:大気中、
・回転数:3000rpm。
前記〔3〕の仕上加工した小ローラー試験片および大ローラーを用いて、下記の試験条件でローラーピッチング試験(二円筒転がり疲労試験)を実施し、繰返し数が107回において、上記の小ローラー試験片に、長辺が1mm以上の大きさのピッチングが発生しない最大の面圧によってピッチング強度を評価した。
・回転数:1000rpm、
・潤滑:油温100℃のオートマチックトランスミッション用潤滑油を2.0リットル/分の割合で、小ローラー試験片と大ローラーの接触部に噴出させて実施。
{(V2−V1)/V1}×100。
前記〔1〕で作製した直径が65mm、長さが450mmの試験片の外周部を、NC旋盤を用いて旋削加工して被削性を評価した。
切削抵抗=(主分力2+送り分力2+背分力2)0.5
の式によって求めて評価した。切削抵抗が900N以下であれば、切削抵抗が小さいとして、これを目標とした。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.13〜0.25%、
Si:0.02〜0.35%、
Mn:0.50〜0.90%、
S:0.005〜0.030%、
Cr:0.50〜1.60%、
Al:0.010〜0.060%および
N:0.0100〜0.0250%、
を含有するとともに、残部はFeおよび不純物からなり、
不純物中のP、Ti、VおよびO(酸素)がそれぞれ、
P:0.030%以下、
Ti:0.005%以下、
V:0.005%以下および
O:0.0015%以下、かつ、
TiとVの合計含有量が、0.006%以下であり、さらに
長手方向に垂直な断面内における上記の各不純物元素の濃度差が、Pで0.005%以下、Tiで0.003%以下、Vで0.003%以下、およびOで0.0005%以下であることを特徴とする、
肌焼用棒鋼または線材。 - Feの一部に代えて、質量%で、
Cu:0.20%以下、
Ni:0.20%以下および
Mo:0.50%以下、
のうちの1種以上を含有することを特徴とする、
請求項1に記載の肌焼用棒鋼または線材。 - Feの一部に代えて、質量%で、
Nb:0.050%以下、
を含有することを特徴とする、
請求項1または2に記載の肌焼用棒鋼または線材。 - Feの一部に代えて、質量%で、
Ca:0.0050%以下、
を含有することを特徴とする、
請求項1から3までのいずれかに記載の肌焼用棒鋼または線材。
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