JP2938322B2 - 疲労寿命に優れた円筒状肌焼部品の製造方法 - Google Patents

疲労寿命に優れた円筒状肌焼部品の製造方法

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【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】本発明は、疲労強度および寿命特
性に優れた円筒形状の肌焼部品の製造方法に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】ギア、シャフト等優れた耐摩耗性や疲労
強度の要求される用途には、一般に肌焼鋼に浸炭あるい
は浸炭窒化が施されて用いられる。しかし、最近、自動
車や建設機械業界では、出力の増大、軽量化等により、
さらに高品質な材料の要求があり、従来Ni、Mo、
V、Nb等の添加により靱性および強度を向上させたも
ので対応していた。しかし、Ni、Mo、V、Nb等を
添加したのみではコスト的に不利であり、かつ、より一
層の疲労強度および寿命特性の要求には充分に応えられ
なかった。
【0003】ところで、従来、肌焼部品の製造におい
て、肌焼鋼を冷間引抜き→低温焼なまし→冷間引抜き→
低温焼なまし→冷間引抜き→低温焼なましという繰り返
しの工程を経て製造する場合、合計の加工率を60%以
上にしても、酸化物系介在物とTi系介在物の破砕の程
度は不十分で、しかも、硫化物が延びにくいために寿命
の著しい向上は認められなかった。このことは、冷間引
抜きでなくコールドピルガーミルを用いた場合でも、2
回以上繰り返して冷間ピルガー圧延して、その合計減面
率を60%以上にした場合も同様で、寿命の著しい向上
は認められなかった。
【0004】一方、円筒状肌焼部品は従来アッセル圧延
のまま、あるいはそれを更に冷間引抜きして製造してお
り、生産性の問題、設備上の問題などで、円筒状肌焼部
品の製造に冷間ピルガー圧延を適用していなかった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の解決しようと
する課題は、非金属介在物の微細化とγ結晶粒度の微細
化を図って、疲労強度および寿命特性を一層向上させた
円筒形状の肌焼部品の製造方法を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の手段は重量%で、C:0.10〜0.35
%、Si:0.35%以下、Mn:0.3〜1.2%、
P:0.020%以下、S:0.015%以下、Cr:
0.2〜2.0%、O:0.0012%以下を含有し、
さらに、Al:0.02〜0.035%、N:0.0
10〜0.024%の2種をAl/Nが2.05以下に
Al量およびN量をコントロールして含有し、残部がF
eおよび不可避不純物からなる肌焼鋼を熱間加工して製
造した母管を一回の圧下率60%以上の冷間ピルガー圧
延を一回行なうことにより非金属介在物および浸炭後の
γ結晶粒度を微細化することを特徴とする疲労強度およ
び寿命特性に優れた円筒状肌焼部品の製造方法、あるい
は、上記の製造方法において、その肌焼鋼がMo:
0.15〜0.75%、Ni:0.40〜3.5%、N
b:0.03〜0.20%、V:0.05〜0.20%
のいずれか1種または2種以上をさらに含有することと
する。
【0007】
【作用】円筒状肌焼部品の製造において、熱間加工して
製造した母管をコールドピルガーミルを用いて1回の減
面率を60%以上にして冷間ピルガー圧延すると、肌焼
鋼中の非金属介在物は十分に微細化され、疲労強度およ
び寿命特性は向上する。1回の減面率は高い程よいが、
実際の製造では割れが発生するので、85%程度が限界
である。
【0008】すなわち、AlおよびNをコントロールし
た肌焼鋼を一回の圧下率60%以上の冷間ピルガー圧延
を一回行うことにより、A系、B系、C系、Ti系非金
属介在物を微細化し、かつオーステナイト結晶粒の7.
5のものを8.5に微細化し、定格寿命B10で2〜3倍
に向上し、また疲労強度も向上する。
【0009】次に、本発明において用いる肌焼鋼の組成
の限定理由を述べる。
【0010】Cは、芯部の強度を確保する上で必須の元
素である。そのためには、少なくとも0.10%以上の
添加が必要であるが、高くなり過ぎると靱性や加工性の
劣化が生じるために上限を0.35%とする。
【0011】Siは、通常脱酸剤としておよび焼入れ向
上のために添加されるが、固溶Siは、浸炭中に優先酸
化され、粒界酸化物を形成し疲労強度を低下させるため
出来るだけ低いことが望ましい。そこで製造上の点も考
慮して、上限を0.35%とする。
【0012】Mnは、Siと同様に脱酸剤としても添加
されるが浸炭時に粒界酸化物を形成し易い元素であり、
この意味では少ないほど好ましい。しかし、焼入性を向
上させる効果が大きく、機械部品の強度を確保する上で
は必須の元素である。それには最低0.3%の添加が必
要であり、1.2%を超すと粒界酸化物の形成傾向が大
きくなり加工性も劣化してくるため、上限を1.2%と
する。
【0013】Pは、粒界に偏析して靱性を劣化させるた
めに出来るだけ少ないほうが望ましい。しかし本発明に
使用する鋼はMoの添加によりPの粒界偏析効果の低減
が図られており、実際の製造上の点からも上限を0.0
20%とする。
【0014】Sは、被削性を改善させるために有効であ
るが、機械的性質の異方性を増大させ靱性を劣化させ、
この意味では少ないほうが好ましい。本発明では、実用
性も考慮して上限を0.015%とする。
【0015】Crは、焼入性を向上させて強度を確保す
るためには最低0.2%の添加が必要であり、また、S
iやMnと同様に浸炭時に粒界酸化物を形成し易く、さ
らに2.0%を超えると過剰浸炭を起こし易い。そこで
上限を2.0%とする。
【0016】AlおよびNは、化合物AlNを形成し、
オーステナイト結晶粒を微細化すると共に歪みの発生を
防止するのに有効な元素であり、そのためにはAlを
0.020%以上、Nを0.010%以上含有させる必
要がある。しかし、Alが多すぎると鋼の清浄度を低下
させるのでAlは0.035%以下とする。また、Nが
0.024%を超えるとブローが発生し易くなるので、
Nは0.024%以下とする。また、Al量とN量をA
l/Nを2.05以下とすることにより、適切なAlN
の分布、析出形態を図ることができ、高温で長時間加熱
しても結晶粒が粗大化することはない。
【0017】Oは、酸化物系介在物、特にAl23
して鋼中に存在し、その周辺の応力集中作用により破壊
の起点となる。また伝播の際にもボイドの形成場所とな
り、靱性や疲労強度を低下させるため、O量は出来る限
り低いことが望ましい。かつ、O量が12ppm以上存
在すると冷間圧延加工を加えて介在物を微細にしても寿
命の著しい向上は見られない。従って、O量は12pp
m以下に限定する。
【0018】本発明の請求項2の発明では、その方法に
適用する肌焼鋼の成分として、さらに、Mo、Ni、N
b、Vのいずれか1種又は2種以上を含有しているの
で、これらの元素の含有限定理由を以下に述べる。
【0019】Moは、強度および靱性の向上に有効であ
り、またケース部の焼入性も増加させ、表面異常物や粒
界酸化物の低減に有効である。0.15%未満ではこの
効果が十分でなく、0.75%を超えるとこの効果が飽
和してしまい、また炭化物の安定かが起こるためにオー
ステナイトが不十分な場合には炭化物の残留が起こるよ
うになり、かえって特性の劣化が起こるようになる。従
って、下限を0.15%、上限を0.75%とする。
【0020】NIは、焼入性に有効な元素である。0.
40%未満では焼入性向上の効果が小さいので好ましく
なく、3.5%を超えて含有しても焼入性向上の効果は
高くならず、高価な元素でもあるので3.5%以下とす
る。
【0021】Nbは、一層の結晶粒の安定化と微細化に
有効な元素で、0.03%未満では効果が十分でなく、
0.20%を超えると粗大な炭窒化物の残留により、逆
に靱性や疲労強度が劣化するようになる。そこで下限を
0.03%、上限を0.20%とする。
【0022】Vは、ケースの靱性および強度を向上させ
るのに有効であり、特に剪断疲労強度を向上させる。そ
れには、0.05%以上の添加が必要であり、0.20
%を超すと炭化物が安定し、逆に靱性が劣化するように
なる。そこで下限を0.05%、上限を0.20%とす
る。
【0023】
【実施例】表1に示す9種の化学成分の鋼のスラスト寿
命試験材について、本発明方法では、加工率を67%の
ただ1回のコールドピルガー圧延を行い、比較方法1で
は、加工率を30%、および加工率45%で2種のコー
ルドピルガー圧延を行い、比較方法2では、720℃×
4hrのLA(低温焼なまし)→冷間引抜き→720℃×
4hrのLA→冷間引抜き(2回目減面率25.4%)の
加工率67%の繰返し冷間圧延を行った。従来法は熱間
圧延材である。
【0024】
【表1】
【0025】本発明の方法によるコールドピルガー材、
比較方法1によるコールドピルガー材、比較方法2によ
る引抜き材および従来方法による熱間圧延材について、
それぞれスラスト寿命試験、シャルピー衝撃試験、およ
びγ結晶粒度の測定を実施し、その結果のスラストB10
寿命、シャルピー衝撃値およびγ結晶粒度の各試験値お
よび測定値を表2に示す。
【0026】表2に見るとおり、スラストB10寿命は比
較方法1、比較方法2、従来法に比して極めて優れてい
ることが判る。
【0027】
【表2】
【0028】図1に、結晶粒度特性を調査するために実
施する擬似浸炭条件をを示し、図2に、従来方法による
KA素管(アッセル圧延鋼管)、本発明方法によるCA
鋼管(KA素管をコールドピルガー圧延)、比較方法に
よる引抜鋼管(KA素管を冷間引抜)の擬似浸炭におけ
るγ結晶粒度の顕微鏡写真の模写図を示す。擬似浸炭に
おける熱処理温度が925℃、950℃、975℃のい
ずれの場合も、本発明方法によるコールドピルガー鋼管
の結晶粒度は、他の方法によるものに比し、微細である
ことが判る。
【0029】図3に、本発明方法によるCA鋼管、従来
方法によるKA鋼管、比較方法による引抜鋼管における
A系介在物、硫化物+酸化物系介在物、C系介在物の代
表的な3種の介在物の顕微鏡写真の模写図を示す。本発
明によるCA鋼管の介在物はA系介在物、硫化物+酸化
物系介在物、C系介在物のいずれも、他の方法によるも
のに比し、圧延により延伸、破砕され十分に微細化され
ていることが判る。
【0030】図4に、本発明方法によるCA鋼管、従来
方法によるKA鋼管、比較方法による引抜鋼管における
スラスト寿命試験結果をグラフで示す。図に見られると
おり、本発明方法によるCA鋼管は、全ての範囲で他の
方法によるものに比し、スラスト寿命は大幅に向上して
いることが判る。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、冷間引抜き低温焼
なまし、冷間引抜き低温焼なまし、冷間引抜きという工
程の繰返しにより、その合計の減面率を60%以上にし
ても、酸化物系介在物とTi系介在物の十分な破砕およ
び微細化が得られない従来方法に比し、本発明の肌焼部
品の製造方法は、鋼成分のAl量およびN量をコントロ
ールし、この肌焼鋼を60%以上の加工率でただ1回コ
ールドピルガー圧延するのみで、鋼中のA系、B系、C
系、Ti系の非金属介在物の微細化およびγ結晶粒度の
微細化を図ることができ、この結果、疲労強度および寿
命特性が大幅に向上した円筒状の肌焼部品を製造するこ
とができるという従来の方法では得られなかった顕著な
効果を、本発明方法は奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】擬似浸炭条件を示す図である。
【図2】擬似浸炭におけるγ結晶粒度特性を示す顕微鏡
写真の模写図である。
【図3】加工後の鋼管の代表的介在物の顕微鏡写真の模
写図である。
【図4】スラスト寿命試験の結果を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−21757(JP,A) 特開 昭63−243219(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C21D 7/02 B21B 21/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、C:0.10〜0.35%、
    Si:0.35%以下、Mn:0.3〜1.2%、P:
    0.020%以下、S:0.015%以下、Cr:0.
    2〜2.0%、O:0.0012%以下、を含有し、さ
    らに、Al:0.02〜0.035%、N:0.01
    0〜0.024%、の2種を、Al/Nが2.05以下
    になるようにAl量およびN量をコントロールして含有
    し、残部がFeおよび不可避不純物からなる肌焼鋼を熱
    間加工して製造した母管を一回の圧下率60%以上の冷
    間ピルガー圧延を一回行なうことにより非金属介在物お
    よび浸炭後のγ結晶粒度を微細化することを特徴とする
    疲労強度および寿命特性に優れた円筒状肌焼部品の製造
    方法。
  2. 【請求項2】 重量%で、C:0.10〜0.35%、
    Si:0.35%以下、Mn:0.3〜1.2%、P:
    0.020%以下、S:0.015%以下、Cr:0.
    2〜2.0%、O:0.0012%以下、を含有し、さ
    らに、Al:0.02〜0.035%、N:0.01
    0〜0.024%、の2種をAl/Nが2.05以下
    になるようにAl量およびN量をコントロールして含有
    し、さらに、Mo:0.15〜0.75%、Ni:0.
    40〜3.5%、Nb:0.03〜0.20%、V:
    0.05〜0.20%、のいずれか1種または2種以上
    を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる肌焼
    鋼を熱間加工して製造した母管を一回の圧下率60%以
    上の冷間ピルガー圧延を一回行なうことにより非金属介
    在物および浸炭後のγ結晶粒度を微細化することを特徴
    とする疲労強度および寿命特性に優れた円筒状肌焼部品
    の製造方法。
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