JP2017061746A - 鋼材及び摺動部品、並びに鋼材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
熱伝導率の向上には、Si含有量の低減が有効であることが従来から知られている。本発明者らは、他の元素の影響を明らかにするため、中高炭素鋼をベースとして合金元素の添加量を変化させて、その熱伝導率を測定した。結果を図1に示す。図1に示すとおり、C、Siに加えて、Mnも熱伝導率に大きく影響を与える元素であり、Mn含有量の低減によって熱伝導率を向上できることがわかった。一方、MoやWは、熱伝導率に大きく影響しないことがわかった。
摺動部品の耐摩耗性や耐焼付き性を向上させるためには、摺動面を硬化させる必要がある。しかしながら、単に硬化させるだけでは表層が脆くなるばかりである。耐摩耗性や耐焼付き性を向上させるためには、加工硬化率を高めなければならない。ただし、加工硬化量が増すと再結晶が生じやすくなる。再結晶は、加工硬化された硬質の組織の中に、部分的に発生する。再結晶部は軟質組織であるため、摩耗の起点になりやすい。したがって、摺動部品には、加工硬化率が高く、かつ、再結晶が起こりにくい鋼材及び鋼材組織を選択する必要がある。上記の条件を満たす組織を形成させる表面硬化処理として、高周波焼入れ及び冷間ロール加工が好適である。その理由は、高周波焼入れにより生成するマルテンサイトには、可動転位が多く含まれるためである。また、冷間ロール加工による加工硬化組織においても可動転位が多く含まれるためである。
本発明者らは、MoとPとを複合添加することによって、鋼の熱的安定性を向上できることを見いだした。このメカニズムは明らかではないが、Pが転位の移動を妨げ、焼戻し、回復、及び再結晶を抑制するためと考えられる。また、MoとPとを複合添加することによって、MoとPとがクラスタを形成し、この効果を促進している可能性がある。
Mo2Cは、粒成長を抑制する。そのため、細粒化(析出)処理した鋼材に、表面硬化処理として高周波焼入れを実施すれば、高周波焼入れによって形成されるマルテンサイトの旧オーステナイト粒を顕著に微細化することができる。より具体的には、Mo2Cの平均粒子間隔を1.0μm以下にしておくことで、旧オーステナイト粒の平均粒径を10μm以下にすることができる。また、Mo2Cは転位の運動に対するピンニング作用を有し、転位の回復を抑制する。そのため、細粒化(析出)処理した鋼材に、表面硬化処理として冷間ロール加工を実施すれば、高い転位密度を付与することができる。
(A)熱間鍛造された素材を焼入れし、さらに500〜650℃の温度で焼戻しする。
(B)熱間鍛造中に、500〜650℃の温度において減面率が10%以上の加工を素材に加える。
[化学組成]
本実施形態による鋼材は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
炭素(C)は、鋼の焼入れ性を高め、硬さの向上に寄与する。C含有量が0.35%未満では、鋼の焼入れ性が不足する。一方、C含有量が0.6%を超えると、鋼の被削性が低下する。したがって、C含有量は0.35〜0.6%である。C含有量の下限は、好ましくは0.36%であり、さらに好ましくは0.38%である。C含有量の上限は、好ましくは0.5%であり、さらに好ましくは0.45%である。
シリコン(Si)は、不純物として鋼に含有される。さらに、Siを積極的に含有させると、粗大なセメンタイトの生成を抑制する効果がある。一方、Si含有量が0.50%以上になると、鋼の熱伝導率が低下して十分な耐焼付き性が得られない。したがって、Si含有量は0.50%未満である。粗大なセメンタイトの生成を抑制する効果を顕著に得るためには、Si含有量は、0.05%以上とすることが好ましく、さらに0.10%以上とすることがより好ましい。Si含有量の上限は、好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.30%である。
マンガン(Mn)は、不純物として鋼に含有される。さらに、Mnを積極的に含有させると、鋼の焼入れ性を高める効果がある。また、転位の回復を抑制する効果がある。一方、Mn含有量が0.80%以上になると、鋼の熱伝導率が低下して十分な耐焼付き性が得られない。したがって、Mn含有量は0.80%未満である。焼入れ性を高める効果を顕著に得るためには、Mn含有量は、0.05%以上とすることが好ましく、さらに0.10%以上とすることが好ましい。Mn含有量の上限は、好ましくは0.60%であり、さらに好ましくは0.50%であり、さらに好ましくは0.40%である。
リン(P)は、固溶元素として転位の移動を妨げ、転位密度を向上させる。Pはさらに、オーステナイトの粒成長を抑制することで、マルテンサイトの旧オーステナイト粒を微細化する。その結果、摺動による加工硬化性が高まり、耐摩耗性を向上させる。耐摩耗性が向上すると、焼付きを抑制することができる。これらの効果は、PをMoと複合添加することで顕著になる。P含有量が0.02%以下では、これらの効果が得られない。一方、P含有量が0.1%を超えると、過剰なPが粒界に偏析して、鋼の疲労強度が低下する。したがって、P含有量は0.02%を超え0.1%以下である。P含有量の下限は、好ましくは0.03%であり、さらに好ましくは0.04%である。P含有量の上限は、好ましくは0.08%であり、さらに好ましくは0.06%である。
硫黄(S)は、不純物として鋼に含有される。さらに、Sを積極的に含有させると、硫化物系介在物を形成し、鋼の被削性を向上させる。一方、S含有量が0.05%以上になると、熱間加工性が低下する。したがって、S含有量は0.05%未満である。S含有量の下限は、好ましくは0.01%である。S含有量の上限は、好ましくは0.04%である。
モリブデン(Mo)は、鋼の焼入れ性を高める。さらに、固溶状態においても、Mo2Cとして析出した状態においても、転位の移動を妨げて転位密度を向上させる。また鋼にMoを添加しても、鋼の熱伝導率を大きく低下させない。本実施形態による鋼材は、熱伝導率を高めるためにMn含有量を低くしているので、MnをMoで代替することにより、焼入れ性と高熱伝導率とを両立させることが可能となる。Moはまた、Pと複合添加することで、鋼の熱的安定性の向上や粒成長の抑制に寄与する。Mo含有量が0.5%未満では、これらの効果が十分に得られない。一方、Mo含有量が3.5%を超えると、鋼の被削性が低下する。したがって、Mo含有量は0.5〜3.5%である。Mo含有量の下限は、好ましくは0.8%であり、さらに好ましくは1.2%であり、さらに好ましくは2.0%である。Mo含有量の上限は、好ましくは3.3%であり、さらに好ましくは3.2%である。
アルミニウム(Al)は、窒化物を形成し、窒化物のピンニング効果によってオーステナイト粒の微細化に寄与する。Alはさらに、Mo2Cの微細化に寄与することが明らかになった。Al含有量が0.005%未満では、この効果が十分に得られない。一方、Al含有量0.06%を超えると、鋼の被削性が低下する。したがって、Al含有量は0.005〜0.06%である。Al含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。Al含有量の上限は、好ましくは0.055%であり、さらに好ましくは0.05%である。
窒素(N)は、窒化物や炭窒化物を形成し、窒化物や炭窒化物のピンニング効果によってオーステナイト粒の微細化に寄与する。N含有量が0.001%未満では、この効果が十分に得られない。一方、N含有量が0.02%を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、N含有量は0.001〜0.02%である。N含有量の下限は、好ましくは0.0015%であり、さらに好ましくは0.002%である。N含有量の上限は、好ましくは0.015%である。
本実施形態による鋼材の化学組成は、Feの一部に代えて、ニオブ(Nb)を含有してもよい。Nbは、窒化物や炭窒化物を形成し、窒化物や炭窒化物のピンニング効果によってオーステナイト粒の微細化に寄与する。一方、Nb含有量が0.05%を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、Nb含有量は0〜0.05%である。Nb含有量の下限は、好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.010%である。Nb含有量の上限は、好ましくは0.04%であり、さらに好ましくは0.03%である。
本実施形態による鋼材は、少なくともその表層にMo2Cが析出した組織を有する。
(1)2次元分布像から、単位面積当たりの粒子数PAを測定する。
(2)2次元平面上での平均粒子間隔Δ2を、下式で導出する。
Δ2=0.500PA −1/2
(参考文献)佐久間、西澤:日本金属学会報,10,(1971),P.279−289
本実施形態による摺動部品は、上述した鋼材から製造され、かつ少なくともその一部に高周波焼入れ又は冷間ロール加工が実施された摺動部品である。そのため、本実施形態による摺動部品は、上述した鋼材と実質的に同じ化学組成を有する。
表面硬化処理として高周波焼入れが実施された摺動部品は、少なくともその表層の組織がマルテンサイトである。さらに、マルテンサイトの旧オーステナイト粒の平均粒径は、10μm以下である。旧オーステナイト粒の平均粒径が10μmを超えると、十分な加工硬化性が得られない。旧オーステナイト粒の平均粒径は、好ましくは5μm以下である。なお、旧オーステナイト粒の平均粒径の下限を規定する意味は特にないが、1μm程度が実質的な下限である。
表面硬化処理として冷間ロール加工が実施された摺動部品は、少なくともその表層の組織が、転位密度が1015m−2以上の高転位密度組織である。具体的には、表面から100μm以内の深さの組織が、転位密度が1015m−2以上の高転位密度組織である。表層部の転位密度が1015m−2未満だと、十分な表層ナノ硬さが得られない。表層部の転位密度は、好ましくは1.5×1015m−2以上であり、さらに好ましくは2.0×1015m−2以上である。
本実施形態による摺動部品は、好ましくは、少なくとも表層に炭化物が析出した組織を有し、炭化物の平均長径が10nm以下である。
以下、本実施形態による鋼材及び摺動部品の製造方法の一例を説明する。本実施形態による鋼材及び摺動部品の製造方法は、これに限定されない。
図3は、本実施形態による鋼材の製造方法の一例を示すフロー図である。この製造方法は、素材を準備する工程(ステップA1)と、素材を加熱する工程(ステップA2)と、加熱された素材を熱間鍛造する工程(ステップA3)と、熱間鍛造された素材を焼入れする工程(ステップA4)と、焼入れされた素材を焼戻しする工程(ステップA5)とを備えている。
(1)表面硬化処理として高周波焼入れをする場合
図5は、本実施形態による摺動部品の製造方法の一例を示すフロー図である。この製造方法は、鋼材を準備する工程(ステップC1)と、鋼材を切削加工する工程(ステップC2)と、切削加工された鋼材を高周波焼入れする工程(ステップC3)と、高周波焼入れされた鋼材を低温焼戻しする工程(ステップC4)とを備えている。
図6は、本実施形態による摺動部品の製造方法の他の例を示すフロー図である。この製造方法は、鋼材を準備する工程(ステップD1)と、鋼材を切削加工する工程(ステップD2)と、切削加工された鋼材を冷間ロール加工する工程(ステップD3)とを備えている。
試験番号1〜15の供試材に対し、高周波焼入れ相当の熱処理を実施した。具体的には、鍛造材表面から12mm角、60mm長さの試験片を切り出し、各供試材を950℃の到達温度になるまで加熱し、その後、直ちに室温まで2℃/秒の冷却速度で冷却した。これは油冷相当の冷却速度である。高周波焼入れ相当の熱処理を実施した後、各供試材を150〜200℃で低温焼戻しした。
試験番号16〜21の供試材に対し、冷間ロール加工を実施した。具体的には、50mm角、150mm長さの供試材から、図7に示すようなφ50mm、150mm長さの形状に機械加工し、さらにR6.5mmの溝加工を加えた。当該溝部分に、R6のピンからなる冷間ロールで摺動距離2000mの冷間加工を加えた。ロール加工条件は、最大接触面圧(ヘルツ面圧)が3500MPa以上になるように圧延荷重を調整した。
長時間摺動後のナノ硬さを評価するため、以下に説明するように、各ブロックに対して摩耗試験を実施し、摩耗試験後のナノ硬さを測定した。
Claims (7)
- 鋼材であって、
化学組成が、質量%で、
C :0.35〜0.6%、
Si:0.50%未満、
Mn:0.80%未満、
P :0.02%を超え0.1%以下、
S :0.05%未満、
Mo:0.5〜3.5%、
Al:0.005〜0.06%、
N :0.001〜0.02%、
Nb:0〜0.05%、
残部:Fe及び不純物であり、
前記鋼材の少なくとも表層にMo2Cが析出した組織を有し、
前記Mo2Cの平均粒子間隔が1.0μm以下である、鋼材。 - 請求項1に記載の鋼材であって、
前記化学組成が、質量%で、
Nb:0.005〜0.05%、
を含有する鋼材。 - 摺動部品であって、
化学組成が、質量%で、
C :0.35〜0.6%、
Si:0.50%未満、
Mn:0.80%未満、
P :0.02%を超え0.1%以下、
S :0.05%未満、
Mo:0.5〜3.5%、
Al:0.005〜0.06%、
N :0.001〜0.02%、
Nb:0〜0.05%、
残部:Fe及び不純物であり、
前記摺動部品の少なくとも表層の組織はマルテンサイトであり、
前記マルテンサイトの旧オーステナイト粒の平均粒径が10μm以下である、摺動部品。 - 摺動部品であって、
化学組成が、質量%で、
C :0.35〜0.6%、
Si:0.50%未満、
Mn:0.80%未満、
P :0.02%を超え0.1%以下、
S :0.05%未満、
Mo:0.5〜3.5%、
Al:0.005〜0.06%、
N :0.001〜0.02%、
Nb:0〜0.05%、
残部:Fe及び不純物であり、
前記摺動部品の少なくとも表層の組織は、転位密度が1015m−2以上の高転位密度組織である、摺動部品。 - 請求項3又は4に記載の摺動部品であって、
前記摺動部品の少なくとも表層に炭化物が析出した組織を有し、
前記炭化物の平均長径が10nm以下である、摺動部品。 - 化学組成が、質量%で、C:0.35〜0.6%、Si:0.50%未満、Mn:0.80%未満、P:0.02%を超え0.1%以下、S:0.05%未満、Mo:0.5〜3.5%、Al:0.005〜0.06%、N:0.001〜0.02%、Nb:0〜0.05%、残部:Fe及び不純物である素材を準備する工程と、
前記素材を1000〜1250℃に加熱する工程と、
前記加熱された素材を熱間鍛造する工程と、
前記熱間鍛造された素材を850℃以上の温度から焼入れする工程と、
前記焼入れされた素材を500〜650℃の温度で焼戻しする工程とを備える、鋼材の製造方法。 - 化学組成が、質量%で、C:0.35〜0.6%、Si:0.50%未満、Mn:0.80%未満、P:0.02%を超え0.1%以下、S:0.05%未満、Mo:0.5〜3.5%、Al:0.005〜0.06%、N:0.001〜0.02%、Nb:0〜0.05%、残部:Fe及び不純物である素材を準備する工程と、
前記素材を1000〜1250℃に加熱する工程と、
前記加熱された素材を熱間鍛造する工程とを備え、
前記熱間鍛造する工程は、500〜650℃の温度において減面率が10%以上の加工を前記素材に加える温間加工工程を含む、鋼材の製造方法。
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