JP3091792B2 - 段付きシャフトの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、棒鋼材を、クロスロ
ーリングマシーンを用いて成形加工することからなる各
種段付きシャフトの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に上記したシャフトは、圧延材を所
望の長さ、寸法に分割又は長尺のまま加熱昇温し、クロ
スローリング加工を施して所定の段付きとしたのち、旋
削、穴開け、歯切り、浸炭及び研磨等の加工を施して製
造される。上記の加工に供する鋼材は、圧延材を所望の
寸法、形状に仕上げる際のクロスローリング成形加工に
おけるロール成形性、穴開け工程での加工性、さらには
切削性等に優れることが要求される。従って鋼材として
は内部欠陥のないことが肝要であり、とくに鋼材の中心
部にみられる中心偏析は、クロスローリング成形時にマ
ンネスマン割れを発生させたり、穴開け加工時に真直性
を阻害することがあり、生産性及び歩留りの低下を招
く。

【０００３】このような弊害をもたらす中心偏析は、連
続鋳造で得られる鋳片の場合、特に凝固先端部の凝固収
縮のほか、凝固シェルのバルジングなどによって生じる
空隙の真空吸収力が加わって、凝固先端部にＣ，Ｐ，Ｓ
などの濃化溶鋼成分が吸込まれる結果、鋳片の断面中心
部に正偏析となって残るものであり、かかる中心偏析に
起因して圧延後の中心部に粒界セメンタイトの析出やミ
クロ組織の不均一などが生じる結果、ロール成形性や穴
開け加工の真直性が阻害されるのである。

【０００４】かかる中心偏析の防止策として、例えば２
次冷却帯域における電磁攪拌などが試みられたが、セミ
ミクロ偏析までを軽減するには至ってなく、その効果は
十分とはいえない。また、鋳片の凝固末期に一対のロー
ルを用いて大圧下を施すいわゆるインラインリダクショ
ン法｛鉄と鋼 第60年(1974) 第７号 875〜884 頁｝の
適用も試みられたが、この方法では、未凝固層の大きい
鋳片領域における圧下が不十分な場合には凝固界面に割
れが発生するという問題があった。その他、特開昭49-1
21738 号公報には、鋳片の凝固先端部付近でロール対に
よる軽圧下を施して、該部分の凝固収縮量を圧下により
補償する方法が、また特開昭52-54623号公報には、鍛造
金型を用いて鋳片の凝固完了点近傍を大圧下する方法が
それぞれ提案されている。

【０００５】しかしながらロールによる軽圧下の場合に
は、複数対のロールにより数mm/mの圧下を施したとして
も、ロールピッチ間に生じる凝固収縮やバルジングを十
分に防止することができず、また圧下位置が適切でなけ
ればかえって中心偏析が悪化する不利があった。他方、
鍛造金型を用いて鋳片の凝固完了点近傍を大圧下する方
法は、インラインリダクション法のようなロールによる
大圧下に比べて凝固界面が割れにくく、また負偏析も極
力回避することが可能で、セミマクロ偏析まで改善でき
ることが明らかになっているものの、依然として未凝固
層の大きい鋳片領域における圧下が不十分だと凝固界面
に割れが発生し、また未凝固層の小さい領域を圧下して
もその効果が得られないことから、最適な圧下条件を模
索しているのが現状である。従って鋳片に生成する中心
偏析を飛躍的に改善するまでには至ってなく、鋼種や用
途によっては鋳片段階において拡散焼鈍などを施して対
処しているのが実状であり、大幅なコストアップは免れ
ず、とくに圧延材をクロスローリング加工によって段付
きシャフトを製造する場合、ロール成形時のマンネスマ
ン割れや穴開け加工時の真直性を低下させることが問題
となっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記の問
題を有利に解決するもので、連続鋳造法を利用する場合
であっても、中心偏析の生成を極力低減し、もってクロ
スローリング加工時におけるマンネスマン割れの防止な
らびに穴開け加工を施す場合における真直性の向上を可
能ならしめた段付きシャフトの有利な製造方法を提案す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】すなわちこの発明は、
Ｃ：0.10〜0.50wt％（以下単に％で示す）、 Si：0.01〜0.50％、 Mn：0.20〜2.00％ を含み、かつ Cr：0.50〜2.00％、 Mo：0.05〜2.00％ Al：0.002 〜0.100 ％、 Ti：0.002 〜0.050 ％、 Nb：0.005 〜0.050 ％、 Ｖ：0.005 〜0.050 ％及び Ｂ：0.0002〜0.0030％ のうちから選んだ少なくとも一種を含有し、残部はFeお
よび不可避的不純物の組成になる溶鋼を連続鋳造し、そ
の際、鋳片内部溶鋼が凝固を完了するクレータエンド近
傍にて、取鍋中溶鋼のＣ含有量(C₀)に対する鋳片軸心部
におけるＣ含有量（Ｃ）の比Ｃ／C₀が0.50〜0.95となる
成分濃化防止処理を施し、ついで熱間圧延にて棒鋼とし
たのち、クロスローリング加工を施すことからなる段付
きシャフトの製造方法（第１発明）である。

【０００８】またこの発明は、上記した第１発明におい
て、素材成分としてさらに Sb：0.0005〜0.0500％ を含有させた段付きシャフトの製造方法（第２発明）で
ある。

【０００９】

【作用】まず、この発明において溶鋼の成分組成を上記
の範囲に限定した理由について説明する。 Ｃ：0.10〜0.50％ 主に機械部品に用いることから加工後の強度を保証する
必要があり、この観点からＣ量は0.10％を下限とした。
一方Ｃ量を高めるほど高強度の棒鋼を得ることができる
が、反面で高Ｃ化は材料を脆化させ加工中の割れ発生頻
度を高める。故にこの点を考慮して上限を0.50％に定め
た。

【００１０】Si：0.01〜0.50％ Siは、脱酸剤としてだけでなく、マトリックスの強化を
図る上で有用な元素であり、少なくとも0.01％を必要と
する。一方Siは、Ｃの活量を上げる作用があり、特に0.
50％を超えて含有すると脱炭層の生成が進行して表面硬
さが不十分になり、脱炭層を除去する工程が必要になる
上、歩留りの低下をも招く。かかる理由からSiの含有量
は0.01〜0.50％の範囲とした。

【００１１】Mn：0.20〜2.00％ Mnは、Siと同様、脱酸剤として作用するだけでなく、鋼
の脆化をもたらすＳを固定し、またさらには焼入性を向
上させて強度及び延性を高める上でも有用な元素である
が、含有量が0.20％より少ないとその添加効果に乏し
く、一方2.00％を超えると高価となるばかりか熱間圧延
後の制御冷却あるいは加工途中の熱処理工程においてミ
クロマルテンサイト組織の生成を促し、ローリング成形
性、穴開け加工性を害するので、0.20〜2.00％の範囲で
添加するものとした。

【００１２】Cr：0.50〜2.00％、Mo：0.05〜2.00％ Cr及びMoはそれぞれ、焼入性を高め、強度を向上させる
成分として均等である。しかしながらいずれも含有量が
あまりに少ないとその添加効果がなく、一方多すぎると
高価となりコストアップを伴うので、それぞれ上記の範
囲で含有させるものとした。

【００１３】Al：0.002 〜0.100 ％ Alは、強脱酸剤であると同時に、結晶粒径を細かくし、
焼入性を制御する作用をもつ。しかしながら含有量が
0.002％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 0.10
0％を超えるとその効果は飽和に達するだけでなく、ア
ルミナ系の非金属酸化物の増加を招くので、 0.002〜0.
100 ％の範囲で含有させるものとした。

【００１４】Ti：0.002 〜0.050 ％ Tiは、Alと同様、強脱酸剤であると同時に、結晶粒径を
細かくし、焼入性を制御する作用をもつ。しかしながら
含有量が 0.002％に満たないとその添加効果に乏しく、
一方 0.050％を超えるとその効果は飽和に達するので、
0.002〜0.050％の範囲で含有させるものとした。

【００１５】Nb：0.005 〜0.050 ％、Ｖ：0.005 〜0.05
0 ％ Nb及びＶはそれぞれ、強度の向上に有効に寄与すると共
に、結晶粒径を細かくする作用をもつ。しかしながら含
有量が 0.005％に満たないとその添加効果に乏しく、一
方 0.050％を超えるとその効果は飽和に達するので、そ
れぞれ 0.005〜0.050 ％の範囲で含有させるものとし
た。

【００１６】Ｂ：0.0002〜0.0030％ Ｂは、焼入性の向上に有用な元素であるが、含有量が0.
0002％に満たないとその添加効果に乏しく、一方0.0030
％を超えてもその効果は飽和し、それ以上の効果は望め
ないので、0.0002〜0.0030％の範囲で含有させるものと
した。

【００１７】Sb：0.0005〜0.0500％ この発明で対象とする段付きシャフトは、クロスローリ
ング成形時の加熱及び歯切り・浸炭処理後の焼入れ時の
加熱によって表層部の脱炭が進行するが、Sbはかかる脱
炭の抑制に有効に寄与する。しかしながら0.0005％に満
たないとその効果に乏しく、一方0.0500％を超えてもそ
の効果は飽和に達するので、Sbは0.0005〜0.0500％の範
囲で含有させるものとした。なおSbは、表層部における
結晶粒の粗大化を防止する上でも有効である。

【００１８】さてこの発明では、上述したような好適成
分組成になる溶鋼の連続鋳造に際し、鋳片の内部溶鋼が
凝固を完了するクレータエンド近傍にて成分濃化防止処
理を施すことによって、取鍋中溶鋼のＣ含有量(C₀)に対
する鋳片軸心部におけるＣ含有量（Ｃ）の比Ｃ／C₀を0.
50〜0.95に制御する。ここに成分濃化防止処理として
は、鍛圧加工がとりわけ有利に適合するけれども、この
発明は、これだけに限るものではなく、Ｃ／C₀比を0.50
〜0.95に制御することができるならば、他の手段であっ
ても良い。

【００１９】以下、上記した鍛圧加工によってＣ／C₀比
の制御が可能な理由について説明する。すなわち内部溶
鋼の凝固末期には、Ｃの濃化が進んだ溶鋼がクレータエ
ンド近傍に存在するため、そのまま凝固すれば中心偏析
となるわけであるが、凝固前に鍛圧加工を施すと、かよ
うなＣ濃化溶鋼は上方に押し出される結果、中心部にお
けるＣ濃度はさほど上昇することはない。従って鍛圧加
工の実施時期をＣの濃化程度に応じて調節すれば、鋳片
軸心部におけるＣ含有量を調整できるわけである。

【００２０】図１に、Ｃ／C₀比が種々の値になるような
鍛圧加工を施して得た棒鋼に、クロスローリング加工を
施したときの、Ｃ／C₀比とマンネスマン割れ発生率との
関係について調べた結果を示す。同図より明らかなよう
に、Ｃ／C₀比が0.95以下になるとマンネスマン割れの発
生が激減している。

【００２１】次に図２に、上記のようなクロスローリン
グ加工を施した段付きシャヤトに、穴開け加工を施した
ときのドリルの真直性について調べた結果を示す。同図
より明らかなように、ドリルの真直性はＣ／C₀比が0.95
以下の範囲で良好となるが、Ｃ／C₀比が0.50を下回るほ
ど負偏析度が強まると真直性はかえって劣化する。

【００２２】従ってこの発明では、鍛圧加工の如き成分
濃化防止処理によって制御すべき鋳片軸心部におけるＣ
／C₀比を0.50〜0.95の範囲に限定したのである。なお、
好ましい鍛圧加工法としては、発明者らが先に特開昭60
-82257号公報において開示した連続鍛圧法が有利に適合
する。

【００２３】

【実施例】表１に示す化学組成になる溶鋼（鋼種Ａ〜
Ｆ）を 400×560mm のモールドで連続鋳造し、引き抜き
中の鋳片に対し、鋳片内部の溶鋼が凝固を完了するクレ
ータエンド近傍にて、鋳片軸心部のＣ／C₀比：0.80を目
標として連続的に鍛圧加工を施し、Ｃ／C₀比を0.70〜0.
90の範囲に制御してブルームを製造した。その後、分塊
及び鋼片ミルによって 150×150 mmのビレットとした
後、棒鋼ミルにて55mmφの棒鋼に熱間圧延した。ついで
図３に示すようなクロスローリングマシンによって段付
きとしたのち、直径：３mmの穴開け加工を施した。

【００２４】なおクロスローリング条件及び穴開け加工
条件は次のとおりである。 (1) クロスローリング条件 ・加熱温度：1200±50℃ ・加工前後における試料の寸法、形状…図４(a), (b)に
示すとおりである。 (2) 穴開け加工条件 ・図４(b) に示したクロスローリング加工後の段付きシ
ャフトの中心部に、ドリル加工により、シャフト全長に
わたって３mmφの穴を穿った。

【００２５】一方比較材は、従来工程どうり、連続鋳造
後、鍛圧加工を行わずに棒鋼としたのち、同様にしてク
ロスローリング加工及び穴開け加工を施した。なお出鋼
時の溶鋼加熱度は、すべて25〜30℃の範囲で鋳込んだ。
また分塊圧延から棒鋼圧延までの熱間圧延温度は、この
発明に従って得られた鋼材及び比較材共に同一温度履歴
となるよう配慮した。上記のクロスローリング加工時に
おける割れ発生状況及びドリルの直真性について調べた
結果を表２に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】同表より明らかなように、この発明に従い
鍛圧加工を施したものは、クロスローリング加工時にお
けるマンネスマン割れの発生が皆無であり、また穴開け
加工時における真直性も良好であった。これに対し比較
材はいずれも、クロスローリング加工時にマンネスマン
割れの発生が認められただけでなく、真直性にも劣って
いた。

【００２９】

【発明の効果】かくしてこの発明に従い、連続鋳造時に
鍛圧加工の如き成分濃化防止処理を連続的に付与し鋳片
軸心部のＣ／C₀を制御することによって、特に熱間圧延
後のクロスローリング加工時における割れが防止され、
かつ穴開け加工における真直性が向上した段付きシャフ
トを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｃ／C₀比と割れ発生率との関係を示したグラフ
である。

【図２】Ｃ／C₀比とドリル真直性との関係を示したグラ
フである。

【図３】クロスローリングマシンの模式図である。

【図４】クロスローリング加工前後における試料の寸法
・形状を示した図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天野 虔一 岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地な し） 川崎製鉄株式会社 水島製鉄所内 (56)参考文献 特開 平２−84237（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−226337（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−281049（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−131292（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−177245（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−192743（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−192744（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−192736（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−199307（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−199308（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−260010（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−207812（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−183739（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−122218（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−147148（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−212720（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−8713（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−253644（ＪＰ，Ａ) 特公 昭48−40535（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22D 11/00 B21H 1/00 B22D 11/128 350 C22C 38/00 301 C22C 38/32

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｃ：0.10〜0.50wt％、 Si：0.01〜0.50wt％、 Mn：0.20〜2.00wt％ を含み、かつ Cr：0.50〜2.00wt％、 Mo：0.05〜2.00wt％、 Al：0.002 〜0.100 wt％、 Ti：0.002 〜0.050 wt％、 Nb：0.005 〜0.050 wt％、 Ｖ：0.005 〜0.050 wt％及び Ｂ：0.0002〜0.0030wt％ のうちから選んだ少なくとも一種を含有し、残部はFeお
   よび不可避的不純物の組成になる溶鋼を連続鋳造し、そ
   の際、鋳片内部溶鋼が凝固を完了するクレータエンド近
   傍にて、取鍋中溶鋼のＣ含有量(C₀)に対する鋳片軸心部
   におけるＣ含有量（Ｃ）の比Ｃ／C₀が0.50〜0.95となる
   成分濃化防止処理を施し、ついで熱間圧延にて棒鋼とし
   たのち、クロスローリング加工を施すことを特徴とする
   段付きシャフトの製造方法。
2. 【請求項２】Ｃ：0.10〜0.50wt％、 Si：0.01〜0.50wt％、 Mn：0.20〜2.00wt％ を含み、かつ Cr：0.50〜2.00wt％、 Mo：0.05〜2.00wt％、 Al：0.002 〜0.100 wt％、 Ti：0.002 〜0.050 wt％、 Nb：0.005 〜0.050 wt％、 Ｖ：0.005 〜0.050 wt％及び Ｂ：0.0002〜0.0030wt％ のうちから選んだ少なくとも一種を含有し、さらに Sb：0.0005〜0.0500wt％ を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になる
   溶鋼を連続鋳造し、その際、鋳片内部溶鋼が凝固を完了
   するクレータエンド近傍にて、取鍋中溶鋼のＣ含有量(C
   ₀)に対する鋳片軸心部におけるＣ含有量（Ｃ）の比Ｃ／
   C₀が0.50〜0.95となる成分濃化防止処理を施し、ついで
   熱間圧延にて棒鋼としたのち、クロスローリング加工を
   施すことを特徴とする段付きシャフトの製造方法。