JP3713805B2 - 冷鍛性に優れた高周波焼入用鋼とその製造法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は,機械構造用部品,例えば変速ギヤ,無段変速機用転動体,等速ジョイントアウターレース,その他の高周波焼入を施して機械構造部品に用いられる静的強度や曲げ疲労強度および転がり接触疲労強度に優れた高強度高周波焼入用鋼とその製造法の開発に関する。
【0002】
【従来の技術】
これまで機械構造用炭素鋼のうちS40C−S45Cなどの中炭素鋼は高周波焼入により表面硬化処理を行い,曲げ疲労強度や転がり接触疲労強度および静的強度を得てきた。しかしながら冷間鍛造によって成形される部品では冷鍛性を向上させるためその前処理として炭化物の球状化焼きなまし処理が行われている。
【0003】
冷間鍛造性の向上には炭化物の球状化処理が有効であるが,球状化処理後の炭化物は焼ならし状態の層状炭化物と異なり,熱的に安定化し高周波焼入のような極短時間の加熱では十分に固溶できず,均質な硬化層が得られなかったり,表面硬さが低下し,高い転がり接触疲労強度や静的強度が要求される部品には不適当であった。しかし,短時間の加熱でも容易に固溶できる層状の炭化物のままでは著しく冷鍛性を損なうと言う問題がある。
【0004】
また,焼ならし状態での冷鍛性を向上させるために,固溶強化元素のSiやMn,Cr含有量を低減することも考えられるが,この場合には高周波焼入性が低下したり,層状炭化物の層間隔が粗大化し,かえって冷鍛性が低下するという問題があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は,上記のような事情を背景としてなされたもので,本発明の目的とするところは,冷間加工性に優れかつ十分な高周波焼入性を有し優れた静的強度や曲げ疲労強度および転がり接触疲労強度を得ることができる高強度高周波焼入用鋼に関する。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は,種々の合金元素の組み合わせについて検討した結果,静的強度や曲げ疲労強度および転がり接触疲労強度を向上させるためにC含有量を通常のS40C〜S45Cの炭素鋼より高い0.45%以上の添加とした。また,Si含有量を低減し,焼ならし硬さを下げるとともに焼入性向上元素であるBを添加することによりSi含有量低減による焼入性低下を補い,安定した高周波焼入性を確保した。
【0007】
また,炭化物球状化処理によって炭化物が安定化する原因であるところの炭化物形成元素Cr含有量の上限および炭化物の平均粒径と平均粒子間隔を規定することにより,高周波加熱のような短時間の加熱でも均質な硬化層が得られることを見いだした。これにより優れた冷鍛性と高周波焼入性を併せ持つ高強度高周波焼入用鋼を開発した。
【0008】
すなわち,本発明の高強度高周波焼入用鋼(請求項1)は重量基準で
C :0.45〜0.60%
Si:0.01〜0.15%
Mn:0.10〜1.00%
Cr:0.3%以下
B :0.0005〜0.0050%
Ti:0.005〜0.050%
s−Al:0.015〜0.050%
残部Feおよび不純物よりなる鋼において,平均粒径が5μm以下の炭化物を平均粒子間隔20μm以下で分散させることを特徴とする。また,800〜1000℃より焼入,さらに600℃〜A1cで炭化物の析出処理を行うことを特徴とする。
【0009】
以下に各合金成分の限定理由について説明する。
C:0.45〜0.60%
Cは高周波焼入後,鋼の強度を保持するための必須の元素であり,高周波焼入後の表面硬さを確保し,静的強度や曲げ疲労強度および転がり接触疲労強度を向上させるために0.45%以上添加する必要がある。しかし,その含有量が0.60%を超えて添加すると硬さが高くなり冷鍛性を著しく損なうなどの弊害をもたらすので,C含有量の上限を0.60%にした。
【0010】
Si:0.01〜0.15%
Siは溶製時の脱酸剤として作用する元素であるが,通常の脱酸剤として含有される量であると素材硬さを高め冷鍛性の劣化をまねくので0.01〜0.15%の規定した。
【0011】
Mn:0.10〜1.00%
Mnは溶製時の脱酸剤として作用する元素であり,また高周波焼入性を向上させる元素であが,十分な焼入性を得るために必要な量を添加すると素材硬さを高め被削性および加工性を劣化させる。このため,Mn含有量は0.10〜1.00%にする必要がある。
【0012】
Cr:0.3%以下
CrはMnと同様に高周波焼入性を向上させる元素であるため,しばしば利用されている。しかし,冷鍛性を高めるために炭化物の球状化処理を行った場合には炭化物中に濃化し,炭化物の熱的な安定性を著しく高める。このため高周波焼入のような短時間の加熱で炭化物が固溶できず,かえって高周波焼入性を低下させる。このためCr含有量を0.3%以下に規定した。
【0013】
B:0.0005〜0.0050%
Bは素材の硬さを高めることなく,硬化層深さを深める元素である。このB添加によりSi含有量の低減およびMn含有量の変化による焼入性の変動を効果的に抑制することができる。この効果を安定して得るためにも0.0005%以上の添加を必要とする。しかし,過剰に添加してもその効果はかえって低下するので上限を0.005%以下にした。
【0014】
Ti:0.005〜0.05%
Tiは鋼中のNと結びつき,TiN化合物の生成によりBN化合物の生成を抑制し,Bによる焼入性向上効果を確保するために必要な元素である。しかし,多量に添加すると靭性や疲労強度の低下をきたすので0.05%以下に限定した。また,Ti望ましい添加量はTi/N≧3.4である。
【0015】
s−Al:0.015〜0.050%
s−Alは溶製時の脱酸剤として作用する元素であり,0.015%以上添加する必要がある。しかし,多量に添加すると靭性や疲労強度の低下をきたすので0.050%以下に限定した。
【0016】
炭化物の粒径は炭化物の固溶時間に影響を及ぼし,粒径の大きなものほど固溶に長い時間が必要になる。また,分布状態が均一なほど冷鍛性は高くなり,微細な炭化物を均一に分散させることが優れた冷鍛性と高周波焼入性をあわせ持つために必要である。このような炭化物の分布状態を得るため,本発明請求項2にかかわる手段は以下のとおりである。すなわち上述した成分範囲の鋼を800〜1000℃より焼入,さらに600℃〜Ac1で炭化物の析出処理を行うことにより炭化物の平均粒径を5μm以下,平均粒子間核を20μm以下にすることができる。なお焼入温度は800℃未満では均一なオーステナイト化ができず,1000℃をこえると結晶粒が粗大化する。また,析出処理温度は600℃未満では硬さが高くなりすぎ,Ac1をこえると組織の一部がオーステナイト化するために上記の条件とした。
【0017】
【実施例】
表1に示す化学組成をもつ各鋼材を高周波誘導炉で溶解し150kgの鋼塊に鋳造した。その後,鍛造によって直径32mmの丸棒に鍛造した。このようにして得られた丸棒を850℃より油中に焼入を行い。さらに700℃で5時間の炭化物析出処理を行い1/2R部の硬さ測定を行った。またこれらの丸棒より下記の試験条件にて転動試験,高周波焼入試験,圧縮試験を下記の条件で行い評価した。その結果を表2に示す。また実施例に示される鋼には通常の鋼に含まれるP:0.030%以下,Cu:0.30%以下,Ni:0.20%以下,N:0.030%以下,0:0.003%以下の不純物が含有されてもよい。
【0018】
転動試験は試験部直径12.3mmの疲労試験片を削りだし,周波数:100kHz,方式:定置焼入,加熱時間:2.5s,電力:50kW,最高加熱温度:980℃.冷却水:水,焼戻し:160℃×1時間の条件で高周波焼入焼戻し処理を施した。試験はラジアル型転動試験機により,SUJ2製ボールを用いて面圧5880MPaにて試験を実施した。
【0019】
高周波焼入性は直径25mm,長さ100mmの丸棒試験片を加工し,周波数:10kHz,電力:55kW,加熱時間:4sの条件で高周波焼入をし,表面からビッカース硬さで450HVになる硬さまでの距離を測定した。
【0020】
圧縮試験は試験片端面に潤滑剤を塗布し,加工速度2mm/minで行い,き裂発生までの圧縮加工率を求めた。
【0021】
さらに発明鋼No.1において表3に示す炭化物析出処理条件により,炭化物平均粒径と平均粒子間隔を変化させた場合の特性を表4に示す。炭化物の平均粒径および平均粒子間隔の測定は走査型電子顕微鏡により5000倍で20視野の観察をおこない,画像解析により求めた。
【0022】
【表1】
【0023】
【表2】
【0024】
【表3】
【0025】
【表4】
【0026】
表1の実施例1〜9は本発明にかかわる成分組成,焼ならし硬さおよび焼入性指数の全ての条件を満足する実施例であり,転動疲労特性,限界圧縮率,および高周波焼入性のすべてに優れている。
【0027】
これに対して比較鋼AはC含有量が低すぎるため十分な転動疲労強度が得られていない。また.B鋼はC含有量が高すぎるため硬さが高くなり冷間鍛造に適さない。
【0028】
比較鋼C,D,EはそれぞれMn,Cr,Si含有量が高すぎるため,硬さが高くなりすぎてB鋼と同様に冷間鍛造性を著しく低下させている。また,Cr含有量が高いD鋼は炭化物析出処理時に炭化物を安定化させるため高周波焼入性も著しく低下させている。
【0029】
比較鋼FはB含有量が低すぎるために十分な高周波焼入性が得られず,そのため転動疲労強度も低下する。また,比較鋼HはTi含有量が不足しているためBの効果が十分に得られず,高周波焼入性が低下する。このためG鋼と同様に転動疲労強度が低下している。比較鋼Hはs−Alが過剰に添加されているため転動疲労強度の低下が見られる。
【0030】
次に炭化物析出処理条件および炭化物分布状態の実施例を示す。表3に示す炭化物析出処理条件および炭化物分布状態が請求範囲内である条件b,cでは硬さ,限界圧縮率,転動疲労強度,高周波焼入性の全てが優れていることがわかる。
【0031】
条件aでは処理温度が低く炭化物の平均粒子間隔が狭いため,硬さが高くなりすぎ冷鍛性を著しく低下させている。また,通常のSA条件であるdでは焼入処理を省略しているため初析フェライト部に炭化物がない領域が存在するため平均粒子間隔が広くなり高周波焼入性および限界圧縮率が低下している。
【0032】
【発明の効果】
以上説明してきたように,本発明に係わる高強度高周波焼入用鋼は重量基準でC:0.45〜0.60%,Si:0.01〜0.15%,Mn:0.10〜1.50%,Cr:0.10〜1.00%,B :0.0005〜0.0050%,Ti:0.005〜0.050%,s−Al:0.015〜0.050%
残部Feおよび不純物よりなる鋼を800〜1000℃より焼入,さらに600℃〜A1cで炭化物の析出処理をおこない,平均粒径が5μm以下の炭化物を平均粒子間隔20μm以下で分散させることを特徴とし,優れた冷鍛性と優れた高周波焼入性をあわせもつ冷鍛高周波焼入用鋼を得ることができる。
Claims (2)
- 重量基準で
C :0.45〜0.60%
Si:0.01〜0.15%
Mn:0.10〜1.00%
Cr:0.3%以下
B :0.0005〜0.0050%
Ti:0.005〜0.050%
s−Al:0.015〜0.050%
残部Feおよび不純物よりなる鋼において平均粒径が5μm以下の炭化物を平均粒子間隔20μm以下で分散させることを特徴とする冷鍛性に優れた高周波焼入用鋼。 - 重量基準で
C :0.45〜0.60%
Si:0.01〜0.15%
Mn:0.10〜1.00%
Cr:0.3%以下
B :0.0005〜0.0050%
Ti:0.005〜0.050%
s−Al:0.015〜0.050%
残部Feおよび不純物よりなる鋼を800〜1000℃より焼入,さらに600℃〜A1cで炭化物の析出処理をおこない,平均粒径が5μm以下の炭化物を平均粒子間隔20μm以下で分散させることを特徴とする冷鍛性に優れた高周波焼入用鋼の製造法。
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JP11405296A JP3713805B2 (ja) | 1996-04-02 | 1996-04-02 | 冷鍛性に優れた高周波焼入用鋼とその製造法 |
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