JP3297500B2 - 被削性の優れた高強度棒鋼 - Google Patents

被削性の優れた高強度棒鋼

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JP3297500B2 JP17574393A JP17574393A JP3297500B2 JP 3297500 B2 JP3297500 B2 JP 3297500B2 JP 17574393 A JP17574393 A JP 17574393A JP 17574393 A JP17574393 A JP 17574393A JP 3297500 B2 JP3297500 B2 JP 3297500B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はシャフト、ピン、ロッド
等の軸部品を製作するための素材棒鋼にかかわり、さら
に詳しくは、圧延ままで切削される上記軸類部用棒鋼と
して引張強さが100kgf/mm 2 以上である熱間圧延まま
で用いる被削性の優れた高強度棒鋼に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】シャフト、ピン、ロッド等の軸部品は、
従来中炭素鋼を用い、切削加工−焼入れ焼戻し(または
焼きならし)−仕上げ切削加工(−さらに一部の部品で
は高周波焼入れ・焼戻し)の工程により製造されてい
る。ここで、焼入れ焼戻しまたは焼きならしは軸部品と
して必要な強度と延性を確保するために行う処理である
が、低コスト化の視点から焼入れ焼戻しまたは焼きなら
し処理省略の指向が強い。さらに一方では、近年このよ
うな軸部品についても高強度化の指向が強い。
【0003】これに対して、特公昭57−21008号
公報には特定成分系の材料を特定条件で圧延する靭性の
優れた軸用棒鋼の製造方法が示されている。本方法によ
り80kgf/mm2 クラスの焼きならし処理省略棒鋼の製造
は可能である。しかしながら、80kgf/mm2 以上に強度
をアップすると切削が困難になるため、圧延まま材を用
いて、現状で実現できる強度の最大は約80kgf/mm2
ある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記した強度
80kgf/mm2 の強度レベルは、軸部品の強度レベルとし
て十分であるとは言えないのが現状である。本発明の目
的は、100kgf/mm2 以上の優れた強度を有し、かつ切
削加工が可能である熱間圧延ままで用いる被削性の優れ
た高強度棒鋼を提供しようとするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、被削性の
優れた高強度棒鋼を実現するために、鋭意検討を行い、
被削性は通常高強度化により低下するが、「組織を軟質
相(フェライト)と硬質相(マルテンサイト、ベイナイ
ト)の二相組織」とすることにより、高強度と被削性の
両立が可能であるという知見を得た。
【0006】本発明は以上の新規なる知見にもとづいて
なされたものであり、本発明の要旨は以下の通りであ
る。重量比として、 C :0.10〜0.60%、 Si:0.02〜4.0%、 Mn:0.75〜3.0%、 S :0.005〜0.15%、 Al:0.01〜0.08%、 N :0.002〜0.0065%、 を含有し P :0.02%以下に制限し、 または/さらに Nb:0.01〜0.3%、 V :0.03〜0.7%、 Ti:0.005〜0.05% の1種または2種以上を含有し、 または/さらに Cr:0.05〜2.5%、 Mo:0.05〜1.5%、 Ni:0.1〜3.5% の1種または2種以上を含有し、 または/さらに Ca:0.0005〜0.005%、 Pb:0.05〜0.5% の1種または2種を含有し、残部が鉄および不可避的不
純物からなり、外周部に「フェライトの組織分率が10
〜60%であり、残部が実質的にマルテンサイトまたは
/およびベイナイトからなる混合組織」である深さ3mm
以上の層を有し引張強さが100kgf/mm 2 以上である熱
間圧延ままで用いる被削性の優れた高強度棒鋼。
【0007】
【作用】以下に、本発明を詳細に説明する。本発明の成
分含有範囲を上記の如く限定した理由について説明す
る。
【0008】まず、Cは強度を増加させるのに有効な元
素であるが、0.10%未満では強度が不足し、また
0.6%を超えると、延性の劣化を招くため、含有量を
0.10〜0.60%とした。
【0009】次に、Siは固溶体硬化による強度の増加
を図ることを目的としておよび脱酸元素として添加する
が、0.02%未満ではその効果は不十分であり、一
方、4.0%を超えるとその効果は飽和し、むしろ延性
の劣化を招くので、その含有量を0.02〜4.0%と
した。
【0010】Mnは焼入れ性の向上を目的として添加す
る。しかしながら、0.75%未満ではこの効果は不十
分であり、一方、3.0%を超えるとその効果は飽和
し、むしろ延性の劣化を招くので、その含有量を0.7
〜3.0%とした。
【0011】また、Sは鋼中でMnSとして存在し、組
織の微細化および被削性の向上に寄与するが、0.00
5%未満ではその効果は不十分である。一方、0.15
%を超えるとその効果は飽和し、むしろ延性の劣化およ
び異方性の増加を招く。以上の理由から、Sの含有量を
0.005〜0.15%とした。
【0012】次に、Alは脱酸元素として添加するが、
0.01%未満ではその効果は不十分であり、一方、
0.08%を超えるとその効果は飽和し、むしろ延性を
劣化させるので、その含有量を0.01〜0.080%
とした。
【0013】さらに、NはAlN等の炭窒化物析出によ
る組織の微細化を目的として添加するが、0.002%
未満ではその効果は不十分であり、一方、0.0065
%超では、その効果は飽和し、むしろ延性の劣化を招く
ので、その含有量を0.002〜0.0065%とし
た。
【0014】一方、Pは鋼中で粒界偏析や中心偏析を起
こし、延性劣化の原因となる。特にPが0.02%を超
えると延性の劣化が顕著となるため、0.02%を上限
とした。
【0015】請求項2は、組織を一層微細化し、圧延ま
までの強靭化を図った鋼材である。Nb,V,Tiは鋼
中で炭窒化物を形成し、組織を微細化させる効果を有す
る。しかしながら、Nb含有量が0.01%未満、V含
有量が0.03%未満、Ti含有量が0.005%未満
ではその効果は不十分であり、一方、Nb:0.30%
超、V:0.70%超、Ti:0.05%超ではその効
果は飽和し、むしろ延性を劣化させるので、これらの含
有量をNb:0.010〜0.3%、V:0.03〜
0.7%、Ti:0.005〜0.05%とした。
【0016】請求項3は、焼入れ性の増加を図り一層の
強靭化を図った鋼材である。Cr,Mo,Niは焼入れ
性の増加により、圧延まま棒鋼の強度延性を増加させる
ために添加する。しかしながら、Crの含有量が0.0
5%未満、Moの含有量が0.05%未満、Niの含有
量が0.1%未満ではその効果は不十分であり、一方、
Cr:2.5%超、Mo:1.5%超、Ni:3.5%
超ではその効果は飽和し、むしろ延性を劣化させるの
で、これらの含有量をCr:0.05〜2.5%、M
o:0.05〜1.5%、Ni:0.1〜3.5%とし
た。
【0017】請求項4は、より一層被削性を向上させた
鋼材である。本発明鋼では、被削性向上を目的としてC
a,Pbの1種または2種を含有させることができる。
しかしながら、Ca含有量が0.0005%未満、Pb
含有量が0.05%未満ではその効果は不十分であり、
一方、Ca:0.005%超、Pb:0.50%超で
は、その効果は飽和し、むしろ延性を劣化させるので、
これらの含有量をCa:0.0005〜0.005%、
Pb:0.05〜0.5%とした。
【0018】次に本発明では、棒鋼の外周部に「フェラ
イトの組織分率が10〜60%であり、残部が実質的に
マルテンサイトまたは/およびベイナイトからなる混合
組織」である深さ3mm以上の層を有する。棒鋼の外周部
組織を「フェライトの組織分率が10〜60%であり、
残部が実質的にマルテンサイトまたは/およびベイナイ
トからなる混合組織」とするのは、軟質相(フェライ
ト)と硬質相(マルテンサイト、ベイナイト)の二相組
織とすることにより、高強度と被削性を両立させるため
である。フェライトの組織分率が10〜60%としたの
は、フェライトの組織分率が10%未満では被削性が劣
化し、フェライトの組織分率が60%超では強度が不足
するためである。また、この二相組織の深さを3mm以上
としたのは、3mm未満では高強度と被削性を両立させる
のに十分な効果が得られないためである。なお、本発明
では、二相組織の深さの上限は規定せず、つまり中心ま
で本要件を満たす二相組織とすることができる。また、
本発明の被削性の優れた高強度棒鋼では、製造のための
加熱−圧延条件−冷却条件は特に限定せず、本発明の要
件を満足すればいずれの条件でも良い。例えば、棒鋼の
外周部に所定の二相組織を得るには、熱間圧延に際し
て、仕上げ圧延後の冷却過程で、Ar3 −5℃〜Ar1
+5℃の温度範囲で鋼材表面部を30℃/sec以上の冷却
速度で冷却する等の方法があり、また延性向上のために
は熱間圧延を仕上げ温度;850〜700℃とするのが
望ましいが、本発明では製造条件を特に限定せず、本発
明の要件を満足すればいずれの条件でも良い。以下に、
本発明の効果を実施例により、さらに具体的に示す。
【0019】
【実施例】表1の組成を有する162mm角の鋼片を40
mmφの棒鋼に熱間圧延し、冷却途中で水冷(冷却速度:
30℃/sec以上)し、表1に示すフェライト分率を有す
るフェライトと硬質相(マルテンサイト、ベイナイト)
の二相組織を得た。この棒鋼について機械的性質よび
被削性の評価を行った。
【0020】被削性の評価は、超硬旋削性については基
材がP20でありTiNでCVDコーティングされた市
販の超硬工具を用いて長手外周旋削し、10分切削後
の工具逃げ面摩耗幅を測定して行った。試験に先立ち、
切削位置の黒皮を旋削で片側0.5mm除去した。切削条
件は切削速度150mm/min、送り0.2mm/rev、切り込
み2.0mmとし、切削油は用いなかった。また、ドリル
穴あけ性はJIS−SKH51で直径3mmのハイスドリ
ルを用い、切削速度を種々変化させて各切削速度におけ
る切削不能になるまでのドリル寿命から切削速度−ドリ
ル寿命曲線を求め、この曲線から寿命穴あけ総深さが1
000mmでドリル寿命となる最大切削速度を求め指標と
した。ドリル寿命に及ぼす黒皮の影響を排除するため、
丸棒の外周表面の黒皮部に幅約5.5mmの平坦部を設け
るために、圧延方向に平行に深さ0.2mm研削し、ドリ
ル穴あけはこの面に対して垂直に行った。穴あけ条件は
送り0.1mm/rev、穴深さ5mmとし、切削油はスピンド
ル油を用い、2リットル/分とした。
【0021】さらに、高周波焼入れによって深さ3mmの
硬化層を有する軸状試験片を製作し、捩り強度を評価し
た。表2に圧延まま材の機械的性質、被削性の評価結果
および高周波焼入れ後の捩り強度を示す。
【0022】本発明鋼は熱間圧延まま材でいずれも10
kgf/mm2 以上の優れた引張強度を有し、同時に優れた
被削性を有しており、また高周波焼入れにより優れた捩
り強度を有していることがわかる。
【0023】一方、比較例は、C,Si,M
のいずれかの含有量が本発明の範囲を下回った場合で
あり、いずれも引張強さが不足している。比較例
101112はC,Si,Mn,S,
Al,N,Pの1種以上の含有量が本発明の範囲を上回
った場合であり、いずれも伸びが不十分である。比較例
1819203940415354はN
b,V,Ti,Cr,Mo,Ni,Ca,Pbの含有量
が本発明の範囲を上回った場合であり、いずれも伸びが
不十分である。
【0024】比較例13214255はフェライ
トの組織分率が本発明の範囲を下回った場合であり、優
れた被削性が得られていない。また、比較例14
4356はフェライトの組織分率が本発明の範囲
を上回った場合であり、いずれも引張強さが不足してい
る。
【0025】
【表1】
【0026】
【表2】
【0027】
【表3】
【0028】
【表4】
【0029】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明に係る鋼を用
いれば、シャフト、ピン、ロッド等の軸部品を製作する
ための素材棒鋼として、100kgf/mm2 以上の優れた強
度を有し、かつ切削加工が可能である被削性の優れた高
強度棒鋼が得られ、産業上の効果は極めて顕著なるもの
がある。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−104049(JP,A) 特開 昭61−261464(JP,A) 特開 昭59−50116(JP,A) 特開 平2−66137(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量比として、 C :0.10〜0.60%、 Si:0.02〜4.0%、 Mn:0.75〜3.0%、 S :0.005〜0.15%、 Al:0.01〜0.08%、 N :0.002〜0.0065%、 を含有し P:0.02%以下に制限し、 残部が鉄および不可避的不純物からなり、外周部に「フ
    ェライトの組織分率が10〜60%であり、残部が実質
    的にマルテンサイトまたは/およびベイナイトからなる
    混合組織」である深さ3mm以上の層を有し引張強さが1
    00kgf/mm 2 以上である熱間圧延ままで用いる被削性の
    優れた高強度棒鋼。
  2. 【請求項2】 さらに、成分が、 Nb:0.01〜0.3%、 V :0.03〜0.7%、 Ti:0.005〜0.05% の1種または2種以上を含有する請求項1記載の被削性
    の優れた高強度棒鋼。
  3. 【請求項3】 さらに、成分が、 Cr:0.05〜2.5%、 Mo:0.05〜1.5%、 Ni:0.1〜3.5% の1種または2種以上を含有する請求項1または請求項
    2記載の被削性の優れた高強度棒鋼。
  4. 【請求項4】 さらに、成分が、 Ca:0.0005〜0.005%、 Pb:0.05〜0.5% の1種または2種以上を含有する請求項1、2または3
    記載の被削性の優れた高強度棒鋼。
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