JP2023140901A

JP2023140901A - 冷間加工用の高硬度鋼とこれを用いた機械部品

Info

Publication number: JP2023140901A
Application number: JP2022046957A
Authority: JP
Inventors: 幸生舘; Yukio Tate
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2022-03-23
Filing date: 2022-03-23
Publication date: 2023-10-05

Abstract

【課題】耐摩耗性、耐候性・耐食性、高い硬度、冷間加工性、靭性を備えた機械部品用の鋼の提供。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．７０～０．９５％、Ｓｉ：０．５０～１．２０％、Ｍｎ：０．１０～０．７０％、Ｃｒ：６．００～９．００％、ＭｏまたはＷのいずれか１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．８０～２．２０％、ＶまたはＮｂのいずれか１種または２種をＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．２０～１．００％、残部がＦｅ及び不可避的不純物である鋼が焼入れされた状態であってその一次炭化物量が３．０～８．０ｖｏｌ．％であり、高温焼戻しされたときのマトリクス中のＣｒ量が１．００％以上である、冷間加工用の高硬度鋼。【選択図】なし

Description

本発明は、冷間加工性、耐摩耗性および耐候性・耐食性に優れた冷間加工用の高硬度鋼と、これを用いて冷間鍛造にて製造された機械部品、特にこの鋼を用いた自動車や二輪車などの内燃機関を構成する摺動を伴う機械部品に関するものである。

自動車、精密機器、ＩＣＴ機器などを構成する高硬度、耐摩耗性が必要な機械部品には様々な鋼材が適用されている。例えばバルブリフターはカムの回転に連動して内燃機関（エンジン）の吸排気弁（バルブ）を開閉作動させるための部品であり、耐摩耗性が要求される部品の一つである。
こうした機械部品においては、ＪＩＳ（日本産業規格）に規定されるＳＣＭ４１５やＳＣＭ４２０といった機械構造用鋼にさらに表面処理を施して使用したり、比較的高硬度が得られる軸受鋼のＳＵＪ２を使用したりする場合もあるが、耐摩耗性や耐候性・耐食性が不十分な場合にはＳＫＤ１１を適用していた。

もっとも、ＳＫＤ１１は粗大な一次炭化物を多く含むために冷間加工性が悪い鋼である。また、ＳＫＤ１１は焼入焼戻しすることで高硬度を得ており、その一般的な焼戻温度としては、１７０℃～２００℃の低温焼戻しと、５００℃～５８０℃の高温焼戻しがある。もっとも、内燃機関の機械部品用途では使用中に温度が上昇し、低温焼戻しの温度領域よりも高い温度に曝される懸念から、高温焼戻しが適用されている。高温焼戻しを選択すると最大でも６０ＨＲＣ程度の硬度に留まっている。

そこで、冷間加工性と耐摩耗性を兼備するべく、これまでにも高硬度鋼の提案がなされている。
たとえば、本願出願人は、合金の成分組成と焼鈍硬さを９８ＨＲＢ以下と規定し、焼鈍後の炭化物粒度を２０μｍ以下に微細化することで冷鍛性の向上を図った、冷間加工性に優れた高硬度鋼を提案している（特許文献１参照。）。

また、合金成分組成を（Ｃ：０．５０～１．４０％未満、Ｃｒ：４．５％～１１．０％未満）と規定した鋼材で、かつ球状の２次炭化物が均一に分散された工具鋼であることを特徴とするバルブリフターの冷間鍛造用素材が提案されている（特許文献２参照。）。

所定の合金成分組成を規定し、冷間加工性、耐熱性および耐摩耗性に優れた高硬度材が提案されている（特許文献３参照。）。もっとも、Ｃｒ含有量（２．５～５．５％）およびＭｏ含有量（０．２％以下）が少なく、硬度および耐摩耗性が不十分である。

特開２００５－１２０４５５号公報特開平８－１９３２４６号公報特開２００５－２３３７５号公報

さて、特許文献１の提案では、依然として一次炭化物が少なすぎると耐摩耗性が劣る場合があり、他方で一次炭化物が多すぎるときは冷鍛性に未だ改善の余地があることが判明した。また、焼入焼戻し後（使用時）のマトリクス中のＣｒ固溶量が低く耐候性・耐食性が不十分な場合もあるので、さらなる改善の余地がある。

また、特許文献２の提案においても、マトリクス中のＣｒ固溶量は考慮がなされておらず、耐候性・耐食性にはさらなる改善の余地がある。また、一次炭化物量も適正ではないため、耐摩耗性あるいは冷鍛性が不十分であった。

そこで、本発明の解決しようとする課題は、冷間加工にて製造され、高い硬度と耐摩耗性ならびに耐候性・耐食性が要求される機械部品に適する冷間鍛造性に優れた高硬度鋼材および本鋼材を使用した機械部品を提供することである。そして、内燃機関を構成する摺動部品、たとえばバブルリフター、に必要とされる耐摩耗性、耐候性・耐食性、高い硬度、冷間加工性、靭性を兼ね備えていることである。

上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、所定の合金成分範囲ならびに焼入れ状態における一次炭化物量と高温焼戻し状態におけるマトリクス中のＣｒ固溶量を規定することで、冷間加工性に優れ、十分な硬度と耐摩耗性が得られるうえに優れた耐候性・耐食性も兼備する機械部品用に適した冷間加工用の高硬度鋼と、これを用いた機械部品が得られることを見出した。

そこで、本発明の課題を解決するための第１の手段は、質量％で、Ｃ：０．７０～０．９５％、Ｓｉ：０．５０～１．２０％、Ｍｎ：０．１０～０．７０％、Ｃｒ：６．００～９．００％、ＭｏまたはＷのいずれか１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．８０～２．２０％、ＶまたはＮｂのいずれか１種または２種をＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．２０～１．００％、残部がＦｅ及び不可避的不純物である鋼が焼入れされた状態であってその一次炭化物量が３．０～８．０ｖｏｌ．％であり、高温焼戻しされたときのマトリクス中のＣｒ量が１．００％以上である、冷間加工用の高硬度鋼である。
なお、本発明でいう高温焼戻しとは、５００℃～５８０℃で焼戻しすることをいう。

その第２の手段は、質量％で、Ｃ：０．７０～０．９５％、Ｓｉ：０．５０～１．２０％、Ｍｎ：０．１０～０．７０％、Ｃｒ：６．００～９．００％、ＭｏまたはＷのいずれか１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．８０～２．２０％、ＶまたはＮｂのいずれか１種または２種をＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．２０～１．００％、残部がＦｅ及び不可避的不純物である鋼材を冷間加工した、焼入れ後高温焼戻しされた状態の、一次炭化物量が３．０～８．０ｖｏｌ．％であり、マトリクス中のＣｒ量が１．００％以上である、機械部品である。
すなわち、第１の手段に記載の冷間加工用の高硬度鋼を用いて、冷間鍛造等で冷間加工した、焼入焼戻しされた状態の機械部品である。

本発明の冷間加工用の高硬度鋼及びこれを用いた機械部品は、冷間加工性、硬度、耐摩耗性、耐候性、耐食性、靭性に優れたものとなる。すなわち、冷間据込み試験で、割れが発生する圧下率が５０％以上と冷間か構成に優れ、焼なまし硬さが９８ＨＲＢ以下であり、高温焼戻しの場合の焼入焼戻し硬さが最高硬さ６１ＨＲＣ以上であり、耐摩耗性が所定の大越式摩耗試験後の摩耗量が９．０×１０^-8ｍｍ³／Ｎ・ｍｍ以下であり、発錆状態が良好に抑制されており耐候性に優れ、シャルピー衝撃試験における衝撃値が１５．０Ｊ／ｃｍ²以上であり靭性に優れるものとなる。

本発明を実施するための形態の説明に先立って、本発明の高硬度鋼の各成分の組成を規定する理由と、焼入れ状態における一次炭化物量を規定する理由、高温焼戻し状態におけるマトリクス中のＣｒ量について規定する理由について説明する。なお、成分組成における％とは質量％を意味する。

Ｃ：０．７０～０．９５％
Ｃは鋼中への固溶および炭化物形成にて必要な高硬さを付与させる必須元素である。この観点から、Ｃは少なくとも０．７０％以上必要であり、好ましくは０．７６％以上である。他方、Ｃは、０．９５％を超えると、粗大炭化物を多く形成し易くなり、濃化部の偏析を助長し、靭性や冷鍛における加工性を低下させる。より好ましくは、Ｃは０．８９％以下である。

Ｓｉ：０．５０～１．２０％
Ｓｉは、製鋼での脱酸効果、焼入性、二次硬化促進および耐候性・耐食性に寄与する。この観点から、Ｓｉは少なくとも０．５０％は必要であり、好ましくは０．７０％以上である。
他方、Ｓｉが１．２０％を超えると焼なまし硬さを上昇させ、冷鍛における加工性を阻害する。この観点から、好ましくはＳｉは１．００％以下である。
そこで、Ｓｉは０．５０～１．２０％である。好ましくは、Ｓｉは０．７０～１．００％である。

Ｍｎ：０．１０～０．７０％
Ｍｎは製鋼での脱酸効果、焼入性に寄与する。この観点から、Ｍｎは少なくとも０．１０％は必要であり、好ましくはＭｎは０．２０％以上である。
他方、Ｍｎは０．７０％を超えると、不可避的に混入するＳと介在物を生成して加工性を低下させたり、耐候性・耐食性を悪化させたりする要因となる。この観点から、好ましくは、Ｍｎは０．５０％以下である。
そこで、Ｍｎは０．１０～０．７０％とする。好ましくはＭｎは０．２０～０．５０％である。

Ｃｒ：６．００～９．００％
Ｃｒは焼入性の向上、焼戻硬さの確保および冷鍛部品の耐摩耗性に必要な成分である。この観点から、Ｃｒが６．００％未満ではこれらの効果が不十分である。この観点から、好ましくはＣｒは７．００％以上である。
他方、Ｃｒが９．００％を超えると、粗大炭化物を多く形成し易くなり、濃化部の偏析を助長し、靭性や冷鍛における加工性を低下させる。
そこで、Ｃｒは６．００～９．００％以上とする。好ましくはＣｒは７．００％～９．００％以上である。

Ｍｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．８０～２．２０％
ＭｏおよびＷは、共に焼入性改善と、焼戻硬さ向上に寄与する重要な元素である。ただし、その効果はＭｏの方がＷよりも２倍強く、同じ効果を得るのに、ＷはＭｏの２倍必要である。この両元素の効果は、Ｍｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で表すことができる。
本発明では、焼入性改善と、焼戻硬さ向上に寄与する観点から、Ｍｏ当量で０．８０％以上必要とする。望ましくはＭｏ当量は、１．１０％以上である。他方、Ｍｏ当量が２．２０％を超えると焼入性改善と、焼戻硬さ向上に寄与する効果は飽和し、過剰添加は濃化部の偏析を助長し、靭性や冷鍛における加工性を低下させる。そこで、Ｍｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の上限を２．２０％とし、好ましくは、２．００％以下である。

Ｖ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．２０～１．００％
Ｖ、Ｎｂは、共に焼戻し時に微細かつ硬質な析出硬化物を形成し二次硬化に寄与する。ただし、その効果はＶの方がＮｂよりも２倍強く、同じ効果を得るのに、ＮｂはＶの２倍必要である。この両元素の効果はＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）で表すことができる。
この観点から、微細かつ硬質な析出硬化物を形成し二次硬化を得るためには、Ｖ当量で０．２０％以上必要である。好ましくは、Ｖ当量は０．３０％以上である。
他方、Ｖ当量が１．００％を超えると過剰となって粗大炭化物の形成を促し、靭性の低下や冷鍛における加工性の低下を招くことから、その上限を１．００％とする。好ましくはＶ当量は０．８０％以下である。

本発明の高硬度鋼の成分は、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。

焼入れ状態における一次炭化物量：３．０～８．０ｖｏｌ．％
冷鍛部品には耐摩耗性が求められる。一次炭化物は耐摩耗性を得るために有効であるが、冷鍛部品としての使用状態で、体積率で３．０ｖｏｌ．％未満であると十分な効果が得られない。一方で、過剰な一次炭化物の存在は冷間鍛造時の割れを助長して加工性低下の原因となるため、その上限を体積率で８．０ｖｏｌ．％とする。
そこで、焼入れ状態における一次炭化物量：３．０～８．０ｖｏｌ．％とする。好ましくは、一次炭化物量の上限は６．０ｖｏｌ．％以下である。
なお、焼入れ状態における一次炭化物量は、Ｔｈｅｒｍｏ－Ｃａｌｃなどの市販の熱力学平衡計算ソフトウェアで算出が可能である。

高温焼戻し状態におけるマトリクス中のＣｒ量：１．００％以上
鋼材マトリクス中へのＣｒの固溶は、冷鍛部品の耐候性・耐食性を向上させる。高温焼戻し状態におけるマトリクス中のＣｒ量が１．００％より少ないと十分な効果が得られないので、１．００％以上とする。好ましくは、高温焼戻し状態におけるマトリクス中のＣｒ量は１．２０％以上である。
なお、高温焼戻し状態におけるマトリクス中のＣｒ量は、Ｔｈｅｒｍｏ－Ｃａｌｃなどの市販の熱力学平衡計算ソフトウェアで算出が可能である。

（実施の形態）
表１の実施例Ｎｏ．１～９と比較例Ｎｏ．５１～６６に記載の組成と残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる鋼を１００ｋｇ真空誘導溶解炉にて溶製し、得られた鋼塊をそれぞれ鍛伸温度１１２０～１１８０℃で鍛錬成形比５．０Ｓとなる丸棒に鍛伸した後、焼なましを行った鋼材を用いて、以下の各試験に供して、これらに適宜焼入れ、焼戻しを行うなどして特性を評価した。

なお、焼入れ状態における一次炭化物量（体積％）および高温焼戻し状態におけるマトリクス中のＣｒ固溶量は、熱力学平衡計算ソフトウェアＴｈｅｒｍｏ－Ｃａｌｃを用いて算出した。焼入れ状態の温度は１０３０℃とした。高温焼戻し状態は５２０℃を選定した。

各特性の評価方法を以下に示す。
焼なまし材の硬さは、鋼材の中周部（直径の１／４の位置）をロックウェル硬度計で測定して評価した。冷間加工性は、焼なまし材からφ１４×２１Ｌの円柱試験片を作製し、冷間据込み試験で評価した。

焼入焼戻し硬さ特性は、焼なまし状態の鋼材を２５Ｌに切断し、１０３０℃で３０分保持後に空冷による焼入れを実施し、その後４８０～５８０℃の各温度で６０分保持後に空冷する焼戻しを２回繰り返した試料を作製し、それらの中周部をロックウェル硬度計で測定して評価した。

前記の焼入焼戻し硬さ測定結果に基づき、焼なまし材である素材を１０３０℃で焼入れた後、最大硬さが得られる条件で焼戻しを施し、耐摩耗性、耐候性・耐食性および靭性の評価に用いた。

耐摩耗性は、大越式摩耗試験機を用いて、相手材であるＳＣＭ４２０製リング材（硬さ８６ＨＲＢ）を押し付けることによる摩耗量で評価した。耐候性・耐食性は、湿潤（４０℃、９８％ＲＨ、４時間）と乾燥（２時間）を１セットとして、それを５サイクル繰返し、発錆状態を評価した。

靭性は、シャルピー衝撃試験により評価した。

表２に、実施例Ｎｏ．１～９と比較例Ｎｏ．５１～６６の評価結果を示す。何れの評価項目も、以下に記載する観点から、Ａ（良好）、Ｂ（不十分）、Ｃ（悪い）で特性を評価して、表２に示した。

焼なまし硬さ：
９８ＨＲＢ以下を「Ａ」と評価した。９９ＨＲＢ以上は「Ｃ」と評価した。

冷間加工性：
冷間据込み試験で、割れが発生する圧下率が５０％以上を「Ａ」、５０％未満４０％以上を「Ｂ」、４０％未満を「Ｃ」と評価した。

焼入焼戻し硬さ：
前記焼戻し条件での最高硬さが６１ＨＲＣ以上を「Ａ」、６１ＨＲＣ未満５９ＨＲＣ以上を「Ｂ」、５８ＨＲＣ未満を「Ｃ」と評価した。

耐摩耗性：
摩耗速度３．６２ｍ／ｓ、摩耗距離２００ｍ、最終荷重６１．８Ｎでの大越式摩耗試験後の摩耗量が９．０×１０^-8ｍｍ³／Ｎ・ｍｍ以下を「Ａ」と、９．０×１０^-8ｍｍ³／Ｎ・ｍｍ超え１０．５×１０^-8ｍｍ³／Ｎ・ｍｍ以下を「Ｂ」と、１０．５×１０^-8ｍｍ³／Ｎ・ｍｍ超えを「Ｃ」と評価した。

耐候性・耐食性：
発錆状態に応じて、「Ａ」を良好、「Ｂ」を不十分、「Ｃ」を悪い、の３段階評価とした。

靭性：
鍛伸方向に平行に１０Ｒ－Ｃノッチのシャルピー衝撃試験片を作製し、その衝撃値が１５．０Ｊ／ｃｍ²以上を「Ａ」とし、１５．０Ｊ／ｃｍ²未満は「Ｃ」と評価した。

実施例のＮｏ．１～９は本発明鋼を用いており、優れた冷間加工性、耐摩耗性、耐候性・耐食性、高い硬さ、靭性を有していることが示された。

比較例Ｎｏ．５１～６６は比較鋼を用いての評価である。
Ｎｏ．５１はＣ量が少なすぎるため、焼入焼戻し硬さが低くなり、耐摩耗性も不足している。
Ｎｏ．５２はＣ量が多すぎるため、冷間加工性が十分ではない。焼入焼戻し後の靭性も劣っている。また、結果的に焼入焼戻し後のマトリクス中のＣｒ固溶量が低下しており、耐候性・耐食性も悪い。
Ｎｏ．５３はＳｉ量が少なすぎるため、十分な焼入焼戻し硬さが得られず、耐摩耗性が不足する。また、耐候性・耐食性も十分ではない。
Ｎｏ．５４はＳｉ量が多すぎるため、焼なましで軟化し難く、冷間加工性が良くない。また、焼入焼戻し後の靭性も十分ではなく、部品寿命に悪影響がある。
Ｎｏ．５５はＭｎ量が少なすぎるため焼入れ性が悪く、十分な焼入焼戻し硬さが得られず、耐摩耗性が不足する。
Ｎｏ．５６はＭｎ量が多すぎるため、マトリクスの延性低下や介在物の生成により冷間加工性が低下する。介在物の生成は耐候性・耐食性にも悪影響を及ぼす。
Ｎｏ．５７はＣｒ量が多すぎるため、一次炭化物が過剰に生成し、冷間加工性が悪い。また、焼入焼戻し後の靭性が低いので、部品の早期破損の要因となる。
Ｎｏ．５８はＣｒ量が少なすぎるため、十分な炭化物が生成せず、耐摩耗性が不足する。また、結果的に焼入焼戻し後のマトリクス中のＣｒ固溶量が低下しており、耐候性・耐食性も悪い。
Ｎｏ．５９はＭｏ当量（Ｍｏ＋０．５Ｗ）が少なすぎるため、十分な焼入焼戻し硬さが得られず、耐摩耗性が不足する。
Ｎｏ．６０はＭｏ当量が多すぎるため、偏析を助長し、冷間加工性や焼入焼戻し後の靭性が良くない。また、結果的に焼入焼戻し後のマトリクス中のＣｒ固溶量が低下しており、耐候性・耐食性も悪い。
Ｎｏ．６１はＶ当量（Ｖ＋０．５Ｎｂ）が少なすぎるため、十分な焼入焼戻し硬さが得られず、また、結果的に一次炭化物量も少なくなり、耐摩耗性が悪い。
Ｎｏ．６２はＶ当量が多すぎるため、偏析を助長し、冷間加工性や焼入焼戻し後の靭性が良くない。
Ｎｏ．６３は、化学成分は本発明の範囲内であるが、一次炭化物量が少ないため耐摩耗性が悪く、焼入焼戻し後のマトリクス中のＣｒ固溶量が低いために耐候性・耐食性が低下する例である。
Ｎｏ．６４は、化学成分は本発明の範囲内であるが、一次炭化物量が多すぎるため冷間加工性が悪くなる例である。焼入焼戻し後の靭性も良くない。
Ｎｏ．６５は、化学成分は本発明の範囲内であるが、焼入焼戻し後のマトリクス中のＣｒ固溶量が低いために耐候性・耐食性が低下する例である。
Ｎｏ．６６はＪＩＳで規格されるＳＫＤ１１鋼に相当する。焼なまし硬さが高く、一次炭化物量が多すぎるため、冷間加工性が悪い。また、高温焼戻しを施した場合に得られる焼戻し硬さは十分でないために耐摩耗性も不十分である。さらに、焼入焼戻し後の靭性も低いため、部品の早期破損をもたらす。

成分組成に加えて、一次炭化物量やマトリクス中のＣｒ固溶量を配慮した成分バランスをはかる必要があり、本発明の工夫によって、冷間加工性、硬度、耐摩耗性、耐候性、耐食性、靭性にバランスよく優れた鋼が選択可能となる。他方、Ｎｏ．６３～６５は本発明の成分組成ではあるものの、一次炭化物量やマトリクス中へのＣｒ固溶量などがそれぞれ外れているので、特性に偏りが生じてしまっており、成分組成のみでは、こうした鋼が選別できず含まれてしまうこととなるので、品質にバラツキが生じてしまっている。

Claims

質量％で、Ｃ：０．７０～０．９５％、Ｓｉ：０．５０～１．２０％、Ｍｎ：０．１０～０．７０％、Ｃｒ：６．００～９．００％、ＭｏまたはＷのいずれか１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．８０～２．２０％、ＶまたはＮｂのいずれか１種または２種をＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．２０～１．００％、残部がＦｅ及び不可避的不純物である鋼が焼入れされた状態であってその一次炭化物量が３．０～８．０ｖｏｌ．％であり、高温焼戻しされたときのマトリクス中のＣｒ量が１．００％以上である、冷間加工用の高硬度鋼。
質量％で、Ｃ：０．７０～０．９５％、Ｓｉ：０．５０～１．２０％、Ｍｎ：０．１０～０．７０％、Ｃｒ：６．００～９．００％、ＭｏまたはＷのいずれか１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．８０～２．２０％、ＶまたはＮｂのいずれか１種または２種をＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．２０～１．００％、残部がＦｅ及び不可避的不純物である鋼材を冷間加工した、焼入れ後高温焼戻しされた状態の、一次炭化物量が３．０～８．０ｖｏｌ．％であり、マトリクス中のＣｒ量が１．００％以上である、機械部品。