JP3851552B2

JP3851552B2 - Steering rack steel and manufacturing method thereof

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Publication number: JP3851552B2
Application number: JP2001363051A
Authority: JP
Inventors: 敦彦太田; 亮亀井; 弘井戸尻; 吾郎阿南
Original assignee: Kobe Steel Ltd; JTEKT Corp
Current assignee: Kobe Steel Ltd; JTEKT Corp
Priority date: 2001-11-28
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2021-11-28
Also published as: JP2003166036A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のステアリングギアに使用するラック（ステアリングラック）を製造するのに有用な棒鋼及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステアリングは自動車の方向を制御する装置であり、その機能が失われると重大な事故となるため重要保安部品に指定されている。中でもステアリングラックは、骨組み的役割も有しているため、例えば自動車が縁石に乗り上げた時などのように大きな衝撃荷重が作用しても大きく割損しないことが望まれている。従ってステアリングラック用の鋼材は、高い耐衝撃特性と曲げ変形能（耐割れ性）が求められている。さらにステアリングラックは、ピニオンと噛合うための歯型部（ラック）を有している。この歯形部は耐磨耗性が要求される。
【０００３】
上記の要求を満たすため、ステアリングラックは、通常、中炭素鋼から製造される。すなわち中炭素鋼を圧延し、得られた棒鋼を焼入れ焼戻し処理した後、切削によって歯型部（ラック）を形成し、高周波焼入れすることによってステアリングラックを製造している。焼入れ焼戻し処理した中炭素鋼は、高い耐衝撃特性と曲げ変形能を有している。また中炭素鋼は高周波熱処理硬化特性も有しているため、歯形部（ラック）の耐磨耗性を高めることもできる。
【０００４】
しかし前記焼入れ焼戻し処理は、一般には、焼入炉で加熱した後、水冷し、温度６００℃で２時間程度焼戻し処理を行うことによって行っており、生産性が低く、高コストになっている。コストダウンするためには、焼戻し時間を短縮することが考えられるものの、焼戻し時間を短縮すると棒鋼の軟化が不十分となって、歯形部（ラック）の切削加工性が低下してしまいコストダウンの効果が相殺されてしまう。なお切削加工を行うためには、ビッカース硬さで、例えば３０５ＨＶ以下であることが要求される。
【０００５】
一方、コストダウンのために鋼の非調質化を提案している発明もある。例えば、特開平１０−８１８９号公報に記載の発明は、ステアリングラックなど高周波焼入れ処理を施される部品において、部品に過大な負荷が作用しても脆性的な破断を生じることなく、曲げ変形することによって破断を防止することを課題としており、さらには製造コストの低減を図るため従来から実施されている焼入れ焼戻し処理を省略すると共に、これら焼入れ焼戻し処理を省略しても同等の強度特性を得ることを課題としている。そしてこの発明では、前記課題を解決するため、鋼にＢを添加することによって高周波焼入れ処理部の曲げ特性を改善すると共に、高周波焼入れ部の有効深さをｔ、部品半径をｒとしたとき、ｔ／ｒを０．３以上にすることによって、強度を高めている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、低コストでありながら曲げ特性に極めて優れるステアリングラックを製造するのに有用なステアリングラック用鋼及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記低コストの課題を達成するため、中炭素鋼を圧延・焼入れした後に焼戻しする際の焼戻し時間を２０分以下にすることを目標とした。そしてこのような短い焼戻し時間でも、切削性を維持できる（コストダウンの効果を相殺しない）と共に、高周波誘導加熱した後の曲げ特性をも高めることができる製造条件について鋭意研究を重ねた結果、焼戻し温度を６８０℃以上にすれば焼戻し時間を短時間（２０分以下）にしても、切削加工可能な程度にまで（例えば、３０５ＨＶ以下程度まで）硬さを低減できること、しかも短時間の焼戻し処理を行う際に鋼の組織を制御すると鋼をステアリングラックに加工したときの曲げ特性を高めることができることを発見した。すなわち、前記中炭素鋼にＭｎを添加し、焼入れ時に制御冷却することによってベイナイト組織やマルテンサイト組織を合計で２０％（面積百分率）以上導入しておくと共に、前記短時間の焼戻しの際に、焼戻しベイナイト組織及び焼戻しマルテンサイト組織の合計の面積が２０％を下まわらないように、かつ再生パーライト組織が５０％（面積百分率）を超えないように焼戻しを行えば、得られた鋼（棒鋼）を、切削・高周波焼入れしてステアリングラックを製造したとき、例えば、１５０°程度の極めて大きな曲げを行っても、ステアリングラックの表層部に形成された高周波焼入れ部には割れが入るものの、高周波焼入れ部と高周波焼入れされなかった部分との境界［通常、棒鋼の表面から深さＤ／４（Ｄは棒鋼の直径を示す）の部分；以下、前記深さＤ／４の部分を単にＤ／４部と称する場合がある］に残存している前記焼戻しベイナイト組織や焼戻しマルテンサイト組織によって割れの伝播を防止でき、ステアリングラック自体が割れるのを防止できることを発見した。
【０００８】
以上のことをデータに基づいて説明すると、下記の通りになる。
【０００９】
１）切削加工性について
図１は昇温過程を含めて２０分間棒鋼を焼戻しするときの炉の温度と焼戻し後の棒鋼のＤ／４部の硬さとの関係を示すグラフであり、図２は、温度７５０℃で２０分間の焼戻しを行った後のＤ／４部の電子顕微鏡写真であり、図３は、従来の条件で焼入れ・焼戻し処理（温度６００℃、１２０分間）を行った後のＤ／４部の電子顕微鏡写真である。図１より明らかなように、焼戻し時間を２０分間に短縮しても、炉の温度を６８０℃以上にすれば、棒鋼の硬さを３０５ＨＶ以下程度にすることができ、切削加工性の低下を防止できる。短時間の焼戻しでも棒鋼の硬さを低減できるのは、棒鋼の温度が上がるために炭化物の周辺がオーステナイト化し、炭化物の球状化が促進されているためと推定される（図２、図３参照）。
【００１０】
２）曲げ特性について
曲げ特性は、焼戻し後の棒鋼（直径３０ｍｍ）を直径２７．５ｍｍに引抜き加工した後、歯型切削加工を施し、高周波熱処理したもの（ステアリングラック）について曲げ試験を行うことで評価した。曲げ試験では、３点曲げ試験（支点間距離４００ｍｍ）によって歯の反対側を押圧し、角度１５０°の曲げを行い、割れの有無を目視で観察した。なおこの試験で「割れ有り（下記表１中、×印で表記）」とは、高周波焼入れ部（棒鋼の表面からＤ／４部程度までの部分）のみならず、高周波焼入れされていない部分まで（Ｄ／４部よりも深い部分から中心部付近まで）割れが伝播していることを意味し、「割れ無し（下記表１中、○印で表記）」とは、完全に割れがないか又は割れがあっても中心部付近まで伝播していないことを意味する。表１に、焼戻し後の棒鋼のＤ／４部の組織と、この棒鋼から得られるステアリングラックの曲げ試験結果との関係を示す。なお前記特開平１０−８１８９号公報に記載の方法に従って、焼入れ焼戻しを省略することによって得られるステアリングラックについても同様に曲げ試験を行った。この結果も併せて表１に示す。
【００１１】
【表１】

【００１２】
表１より明らかなように、Ｄ／４部の焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織の合計の面積百分率（以下、Ｂ＋Ｍ百分率と表記する場合がある）が０％であればステアリングラックが割れてしまうのに対して（Ｎｏ．２）、Ｂ＋Ｍ百分率が２０％以上であれば、高周波焼入れ部からの割れの伝播を防止できるため、ステアリングラック自体の割れを防止できる（Ｎｏ．１，３〜６）。なお上述したように、短時間焼戻しでは、温度６８０℃以上の高温で焼戻しを行っているため、制御冷却によってベイナイト組織やマルテンサイト組織を導入しても、焼戻し後は球状化した炭化物が分散した組織になっている（上記図２参照）。しかし球状化した焼戻しベイナイト組織や焼戻しマルテンサイト組織であっても、割れの伝播を抑制する効果は何ら損なわれない。
【００１３】
さらに短時間焼戻し処理では、再生パーライト組織の割合が大きくなり過ぎないようにすることが重要である（例えば、焼戻し温度を高くしすぎないことにより、又は焼戻し時間を２０分よりもさらに短くすることにより、パーライト組織の再生を抑制できる）。再生パーライトは組織が粗く靭性に乏しいため、５０％（面積百分率）を超えると、たとえＢ＋Ｍ百分率を２０％以上にしても充分な曲げ特性を確保できない（表１のＮｏ．７）。
【００１４】
なお電子顕微鏡写真において、再生パーライト組織、焼戻しベイナイト組織及び焼戻しマルテンサイト組織は、以下のようにして識別している。図４は、再生パーライト組織が形成された棒鋼の一例を示す電子顕微鏡写真である。この図４から明らかなように、再生パーライトのラメラー組織はほとんど分断されていない。再生パーライトのラメラー組織が分断されていないのは、短時間（高温）焼戻し時に生じたオーステナイトが空冷されることによってパーライト組織を生成するためである。一方、焼戻し前にあったパーライト組織は、焼戻し時の加熱により分断されている。従って、再生パーライト組織（分断されていないパーライト組織）は、焼戻し前から存在していたパーライト組織と容易に区別できる。
【００１５】
またフェライト及びパーライト組織（ラメラー組織）以外の焼戻し組織を焼戻しベイナイト組織及び焼戻しマルテンサイト組織としている。すなわち焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織とを区別することは困難であるものの、フェライト及びパーライト組織（ラメラー組織）以外の焼戻し組織の面積を計測することにより、Ｂ＋Ｍ百分率を求めることができる。
【００１６】
本発明は、以上のような知見に基づいてなされたものである。すなわち上記目的を達成し得た本発明の曲げ特性に優れたステアリングラック用鋼とは、Ｃ：０．４０〜０．６０％（質量％を意味する、以下同じ）、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜１．５０％、及びＳ：０．００４〜０．１００％を含有し、
更に他の元素として、Ｃｒ：１．５％以下（０％を含まず）、Ａｌ：０．０００５〜０．１０％、及びＮ：０．００２〜０．０２０％よりなる群から選択される少なくとも１種の元素を含有し、
残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる棒鋼であって、
焼入れ及び短時間焼戻しによって、棒鋼の表面から深さＤ／４（Ｄは棒鋼の直径を示す）の部分の焼入れ・焼戻し組織が、下記１）及び２）のように調整されている点に要旨を有するものである。
【００１７】
１）焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織が合計で２０〜１００％（面積百分率）
２）再生パーライト組織が０〜５０％（面積百分率）
前記ステアリングラック用鋼は、更にＢ：０．０００５〜０．００２０％を、単独で又はＴｉ：０．００５〜０．０５０％と共に、含有していてもよい。
【００１８】
また本発明に係る曲げ特性に優れたステアリングラック用鋼の製造方法とは、Ｃ：０．４０〜０．６０％（質量％を意味する、以下同じ）、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜１．５０％、及びＳ：０．００４〜０．１００％を含有し、
更に他の元素として、Ｃｒ：１．５％以下（０％を含まず）、Ａｌ：０．０００５〜０．１０％、及びＮ：０．００２〜０．０２０％よりなる群から選択される少なくとも１種の元素を含有し、
残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼材を圧延し、
得られる棒鋼を温度８２０℃以上に加熱し、水冷にて室温まで制御冷却した後、
温度６８０℃以上の雰囲気温度に加熱した炉に入れて２０分以下の短時間焼戻し処理を行い室温まで空冷することによって、
棒鋼の表面から深さＤ／４（Ｄは棒鋼の直径を示す）の部分を、焼戻しベイナイト組織と焼戻しマルテンサイト組織が合計で２０〜１００％（面積百分率）となるようにし、かつ再生パーライト組織が０〜５０％（面積百分率）となるようにする点に要旨を有するものである。
【００１９】
なお以下本明細書においては、用語「焼入れ」は、圧延後の棒鋼の焼入れ・焼戻し時の焼入れを意味し、用語「高周波焼入れ」と区別して使用する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明では、Ｃ：０．４０〜０．６０％（質量％を意味する、以下同じ）、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜１．５０％、及びＳ：０．００４〜０．１００％を含有し、
更に他の元素として、Ｃｒ：１．５％以下（０％を含まず）、Ａｌ：０．０００５〜０．１０％、及びＮ：０．００２〜０．０２０％よりなる群から選択される少なくとも１種の元素を含有する鋼材を用いる（以下、鋼材１と称する）。なお残部はＦｅ及び不可避的不純物である。
上記成分の限定理由は、以下の通りである。
【００２１】
Ｃの含有量を０．４０％以上とするのは、鋼材に高周波硬化特性を付与して、得られるステアリングラックの歯形部（ラック部）の耐磨耗性を高めるためである。好ましいＣの含有量は、０．４５％以上、特に０．４８％以上である。ただしＣの含有量が多過ぎると、ステアリングラックの耐衝撃特性が低下し、また高周波熱処理時に焼割れを生じ易くなる。そのためＣの含有量は、０．６０％以下、好ましくは０．５５％以下、さらに好ましくは０．５３％以下にする。
【００２２】
Ｓｉの含有量を０．０５％以上とするのは、鋼材の脱酸を行うためである。好ましいＳｉの含有量は、０．１５％以上、特に０．２０％以上である。ただしＳｉの含有量が多過ぎると、歯形部（ラック部）を形成する際の切削加工性が低下する。そのためＳｉの含有量は、０．５０％以下、好ましくは０．３５％以下、さらに好ましくは０．３０％以下にする。
【００２３】
Ｍｎの含有量を０．０５％以上とするのは、鋼材の強度を高めるためだけでなく、焼入れ性を高めてベイナイト組織を導入し易くすることにより、鋼材をステアリングラックに加工したときの曲げ特性を高めるためである。好ましいＭｎの含有量は、０．７０％以上、特に０．８０％以上である。ただしＭｎの含有量が多過ぎると、高周波熱処理時に焼き割れが生じ易くなる。そのためＭｎの含有量は、１．５０％以下、好ましくは１．３０％以下、さらに好ましくは１．２０％以下にする。
【００２４】
Ｓの含有量を０．００４％以上とするのは、歯形部（ラック部）を形成する際の切削加工性を高めるためである。好ましいＳの含有量は、０．０４０％以上、特に０．０５０％以上である。ただしＳの含有量が多過ぎると、鋼材をステアリングラックに加工したときの曲げ特性が低下する。そのためＳの含有量は、０．１００％以下、好ましくは０．０８０％以下、さらに好ましくは０．０７０％以下にする。
【００２５】
Ｃｒを含有させるのは、焼入れ性向上のためである。Ｃｒの含有量の下限は特に限定されないが、例えば、０．０５％程度、好ましくは０．１０％程度、さらに好ましくは０．１５％程度である。ただしＣｒの含有量が多過ぎると、高周波熱処理時に焼割れが生じ易くなる。そのためＣｒの含有量は、例えば、１．５％以下、好ましくは１．０％以下、さらに好ましくは０．５０％以下にする。
【００２６】
Ａｌを含有させるのは、Ｎと結合してＡｌＮを形成させることにより、高周波熱処理時のオーステナイト粒を微細化するためである。Ａｌの含有量は、例えば、０．０００５％以上、好ましくは０．０１０％以上、さらに好ましくは０．０２０％以上である。ただしＡｌの含有量を多くし過ぎてもその効果が飽和する。そのためＡｌの含有量は、例えば、０．１０％以下、好ましくは０．０５０％以下、さらに好ましくは０．０４０％以下にする。
【００２７】
Ｎを含有させるのは、Ａｌと結合してＡｌＮを形成させることにより、高周波熱処理時のオーステナイト粒を微細化するためである。Ｎの含有量は、例えば、０．００２％以上、好ましくは０．００３％以上、さらに好ましくは０．００４％以上である。ただしＮの含有量を多くし過ぎてもその効果が飽和する。そのためＮの含有量は、例えば、０．０２０％以下、好ましくは０．０１０％以下、さらに好ましくは０．００７％以下にする。
【００２８】
前記鋼材１は、更にＢ：０．０００５〜０．００２０％を、単独で又はＴｉ：０．００５〜０．０５０％と共に、含有していてもよい（以下、鋼材２と称する）。
【００２９】
Ｂを含有させるのは、高周波焼入れ性を高めるためである。Ｂの含有量は、例えば、０．０００５％以上、好ましくは０．００１０％以上、さらに好ましくは０．００１５％以上である。ただしＢの含有量を多くし過ぎてもその効果が飽和する。そのためＢの含有量は、例えば、０．００２０％以下、好ましくは０．００１７％以下にする。
【００３０】
ＴｉをＢと併用するのは、鋼中のＮと結びついてＴｉＮを形成することによってＢＮの生成を抑制し、Ｂによる高周波焼入れ性向上効果を確保するためである。Ｔｉの含有量は、例えば、０．００２％以上、好ましくは０．０１５％以上、さらに好ましくは０．０２０％以上である。ただしＴｉの含有量を多くし過ぎると、ステアリングラックの靭性や疲労強度が低下する。そのためＴｉの含有量は、例えば、０．０５０％以下、好ましくは０．０４０％以下、さらに好ましくは０．０３５％以下にする。
【００３１】
本発明では前記鋼材１〜２を圧延することによって棒鋼にしている。得られる棒鋼の直径は特に限定されないが、ステアリングラックに加工することを考慮すると、通常、２０〜４０ｍｍ程度、好ましくは２３〜３８ｍｍ程度、さらに好ましくは２５〜３５ｍｍ程度である。
【００３２】
得られた棒鋼は、温度８２０℃以上に加熱し、水冷にて室温まで制御冷却することによって、焼入れする。この焼入れ操作によって、棒鋼にベイナイト組織と、必要に応じてマルテンサイト組織とを導入することができる。ベイナイト組織やマルテンサイト組織を導入しておくと、後述の焼戻し処理の条件を適切に制御することによって焼戻しベイナイト組織や焼戻しマルテンサイト組織を残存させることができ、ステアリングラックに加工したときの曲げ特性を高めることができる。なおフェライトとパーライトだけの組織の鋼を焼戻ししても組織は殆ど変化せず、曲げによる割れを防止することができない。
【００３３】
加熱の温度を８２０℃以上とするのは、粗大なフェライト組織の生成を抑制するためである。粗大フェライトが多くなると、制御冷却によってベイナイト組織やマルテンサイト組織を導入しても、棒鋼の靭性が低下してしまい、この棒鋼を加工することによって得られるステアリングラックの割れの防止が困難になる。加熱温度は、好ましくは８４０℃以上、さらに好ましくは８６０℃以上である。なお加熱温度の上限は、通常、９００℃程度である。
【００３４】
制御冷却では、棒鋼のＤ／４部でのベイナイト組織及びマルテンサイト組織の合計が２０％（面積百分率）以上、好ましくは３５％（面積百分率）以上、さらに好ましくは５０％（面積百分率）以上となるように行う必要がある。このような制御冷却の条件は、鋼の組成などに応じて適宜設定できるが、例えば、温度８８０〜３００℃（好ましくは８５０〜３５０℃）程度の領域を、冷却速度３０〜８０℃／秒（好ましくは４０〜７０℃／秒）で冷却するのが望ましい。
【００３５】
上述のようにして得られたベイナイト組織やマルテンサイト組織が導入された棒鋼は、昇温過程を含めて２０分以下（好ましくは１５分以下、さらに好ましくは１０分以下）の焼戻し処理をする。焼戻し時間を２０分以下としたのは、生産コストを低減するためである。なお焼戻し時間は、通常、３分以上、好ましくは４分以上、さらに好ましくは５分以上である。
【００３６】
そして本発明では、前記のような短時間の焼戻しであっても、棒鋼の切削加工性の低下を抑制してコストダウンの効果が相殺されるのを防止すると共に、棒鋼の曲げ特性を高めることが重要である。そこで本発明では、焼戻し処理に使用する炉の雰囲気温度を６８０℃以上にしている。炉の温度を６８０℃以上にすれば、２０分以下の短時間焼戻しであっても、棒鋼のビッカース硬さを低減でき（例えば、３０５ＨＶ以下にすることができ）、切削加工性を高めることができる。なお前記炉の温度は、好ましくは７００℃以上である。炉の温度を高くする程、棒鋼の硬さを確実に低減でき、例えば、通常の焼戻し材と同程度の硬さ（例えば、２００〜２７０ＨＶ程度）にすることができる場合もある。
【００３７】
一方、棒鋼の曲げ特性を高めるためには、焼戻し後のＤ／４部の焼戻しベイナイト組織及び焼戻しマルテンサイト組織の合計の面積百分率（Ｂ＋Ｍ百分率）が２０％以上を維持するようにし、かつＤ／４部のパーライト組織の再生を５０％（面積百分率）以下（０％を含む）に抑制する必要がある。焼戻し後の組織を前記のように制御することによって、この棒鋼を切削・高周波熱処理することによって得られるステアリングラックに曲げを加えても、高周波焼入れ部に発生する割れの伝播を前記組織によって停止することができ、ステアリングラック自体の割れを防止できる。Ｂ＋Ｍ百分率は、好ましくは３５％以上、さらに好ましくは５０％以上である。なおＢ＋Ｍ百分率の上限は特に限定されず、例えば、１００％であってもよい。また再生パーライト組織は、好ましくは３０％以下、さらに好ましくは２０％以下である。
【００３８】
焼戻し後の組織を制御するためには、上記焼戻し条件（６８０℃以上、２０分以内）の範囲内で、焼戻し条件を強くし過ぎないことが重要である。焼戻し条件を強くするほど、制御冷却によって導入したベイナイト組織及びマルテンサイト組織が低減しやすくなり、かつパーライトが再生しやすくなるため、曲げ特性が低下しやすくなる。
【００３９】
焼戻し後の組織を制御するための焼戻し条件（温度、時間）は、鋼の組成や制御冷却時に導入されたベイナイト組織やマルテンサイト組織の量に応じて適宜設定できるが、例えば、焼戻し時間が３〜２０分程度の場合、温度は８００℃以下（好ましくは７５０℃以下）程度とするのが望ましい。
【００４０】
以上のようにして焼戻しした棒鋼は、室温まで空冷する。
【００４１】
上述のようにして得られた棒鋼は、ステアリングラック用鋼として有用である。すなわち前記棒鋼は、例えば、必要に応じてさらなる引抜加工や切断を施した後、切削によって歯形部（ラック部）を形成し、高周波熱処理（高周波焼入れ）をすることによってステアリングラックに加工される。前記歯形部としては、深さＤ／４程度の歯形を形成することが多い。また前記高周波熱処理では、Ｄ／４部程度の深さまで高周波焼入れすることが多く、高周波焼入れ部の硬さは６００〜８００ＨＶ程度とすることが多い。
【００４２】
上記のようにしてステアリングラックを製造する場合、上述のようにして得られた棒鋼を用いると、棒鋼はＤ／４部の表面の硬さが低く、例えば、３０５ＨＶ以下程度であるため、前記切削加工時に容易に歯形部を形成できる。しかもステアリングラックは高周波焼入れ部（表層部）が極めて硬いために大きな曲げを施すと高周波焼入れ部に割れが発生しやすいものの、上記ようにして得られた棒鋼を用いれば、高周波焼入れ部と高周波焼入れされなかった部分との境界（通常、Ｄ／４部付近）に焼戻しベイナイト組織や焼戻しマルテンサイト組織が残存しているため、高周波焼入れ部の割れが内部に伝播するのを防止でき、ステアリングラック自体の割れを防止できる。
【００４３】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００４４】
実験例Ａ１〜Ａ１７、Ｂ１〜Ｂ５、及びＣ１
所定の組成の鋼材を用いて、圧延によって直径３０ｍｍの棒鋼にした後、所定の温度に加熱した後、室温まで制御冷却した。制御冷却の条件は、目的の棒鋼組織を得るため、水量や水冷時間を変えて調製した。冷却した棒鋼は、所定の雰囲気温度に加熱した炉に所定時間滞留させることによって焼戻しした。焼戻し後の棒鋼は放冷した。
【００４５】
焼入れ後の棒鋼のＤ／４部の組織、及び焼戻し後の棒鋼のＤ／４部の組織を電子顕微鏡で観察し、また焼戻し後の棒鋼のＤ／４部のビッカース硬さを測定した。さらに焼戻し後の棒鋼を下記のようにしてステアリングラックに加工し、その曲げ特性を曲げ試験によって評価すると共に、ステアリングラックのラック部のビッカース硬さを測定した。
【００４６】
［ステアリングラック加工］
上記のようにして得られた棒鋼を引抜き加工して直径２７．５ｍｍにした後、切削して歯型（ラック）を形成した。歯型の深さは約Ｄ／４程度である。そして歯底から約１ｍｍ程度の深さまでの有効硬化層深さで高周波焼入れした。
【００４７】
［曲げ試験］
支点間距離４００ｍｍの３点曲げ試験において、ステアリングラックの歯の反対側を押圧して角度１５０°までの曲げを行い、下記基準に従って割れの有無を判断した。
【００４８】
（×）割れ有り：高周波焼入れ部（表面からＤ／４部程度までの部分）のみならず、高周波焼入れされていない部分まで（Ｄ／４部よりも深い部分から中心部付近まで）割れが伝播している
（○）割れ無し：完全に割れがないか又は割れがあっても中心部付近まで伝播していない
結果を表２に示す。
【００４９】
【表２】

【００５０】
実験例Ａ１〜Ａ４では、焼戻し炉の滞留時間（焼戻し時間）の影響について検討した。滞留時間が２０分以下である実験例Ａ１〜Ａ３の場合は、焼戻し後の棒鋼のＢ＋Ｍ百分率が２０％以上であり再生パーライト組織が５０％以下であるため、曲げ試験においてステアリングラックの割れが発生しない。これに対して、滞留時間が３０分である実験例Ａ４の場合は、生産性が低下するのみならず、焼戻し後の棒鋼のＢ＋Ｍ百分率が完全に消失し、略焼ならし組織の状態となって全体がフェライト＋パーライト組織になってしまうため、曲げ試験においてステアリングラックが割れてしまう。
【００５１】
実験例Ａ５〜Ａ１０は、前記実験例Ａ３の焼戻し条件（炉温度＝８００℃、滞留時間＝２０分）のうち、炉の温度（焼戻し温度）を変更した例である。実験例Ａ５では炉の温度が６５０℃と低すぎるために焼戻し後の硬さが３１０ＨＶとなって切削加工性が低下する。実験例Ａ９〜Ａ１０では炉の温度が８８０〜９３０℃と高すぎるために再生パーライト組織が５０％を超えてしまい、曲げ試験においてステアリングラックが割れてしまう。これに対して、実験例Ａ６〜Ａ８では、炉の温度を６８０℃以上としているため焼戻し後の硬さを３０５ＨＶ以下にでき、切削加工性の低下を防止できると共に、炉の温度を上げすぎていないためＢ＋Ｍ百分率の低減やパーライト組織の再生を抑制でき、曲げ試験においてステアリングラックが割れるのを防止できる。なお前記実験例Ａ９〜Ａ１０程度の炉の温度であっても、滞留時間を短くしてパーライト組織の再生を抑制すれば、ステアリングラックの割れを防止できる。
【００５２】
実験例Ａ１１〜Ａ１４では、前記実験例Ａ１に対して制御冷却の条件を変更することにより、制御冷却後の組織の影響について検討した。実験例Ａ１１〜Ａ１２では、制御冷却後のＢ＋Ｍ百分率が０〜１５％と小さいため、その後の焼戻し棒鋼でもＢ＋Ｍ百分率が小さく、曲げ試験においてステアリングラックが割れてしまう。これに対して、実験例Ａ１３〜Ａ１４では、制御冷却によってＢ＋Ｍ百分率を３５〜６０％とし、その後の焼戻し棒鋼でもＢ＋Ｍ百分率の低減を抑制しているため、曲げ試験においてステアリングラックが割れるのを防止できる。
【００５３】
実験例Ａ１５〜Ａ１６では、焼入れ時の加熱温度の影響について検討した。加熱温度が７９０℃である実験例Ａ１６では、Ｂ＋Ｍ百分率が３０％であるにも拘らず加熱時に粗大フェライトが生成するため、曲げ試験においてステアリングラックが割れてしまう。これに対して加熱温度が８２０℃である実験例Ａ１５では、目的どおり、ステアリングラックの割れを防止できる。
【００５４】
実験例Ｂ１〜Ｂ３では、鋼材のＣ量の影響について検討した。Ｃ量が０．３８％と少ない実験例Ｂ３では、高周波硬化特性が低下するため、ステアリングラックのラック部の硬さが低下し、耐磨耗性が低下する。これに対してＣ量が０．５３〜０．５５％である実験例Ｂ１〜Ｂ２では、耐磨耗性に優れたステアリングラックを得ることができる。
【００５５】
実験例Ｂ４〜Ｂ５では、鋼材のＭｎ量の影響について検討した。Ｍｎ量が０．０１％と少ない実験例Ｂ４では、制御冷却を行ってもＢ＋Ｍ百分率を２０％以上とするのが困難であり、曲げ試験においてステアリングラックが割れてしまう。これに対してＭｎ量が１．５％である実験例Ｂ５では、制御冷却によってＢ＋Ｍ百分率を容易に２０％以上にすることができ、曲げ試験においてステアリングラックの割れを防止できる。
【００５６】
実験例Ｃ１では、Ｂの添加効果について検討した。Ｂを添加することによって高周波焼入れ性を高めることができる。しかもＢを添加しても、Ｂ＋Ｍ百分率を２０％以上にでき所定の曲げ特性を維持できるだけでなく、所定の焼戻しによって、焼戻し棒鋼の硬さを低減できるため、切削加工性を損なうことはない。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、焼戻し温度を２０分以下としても、所定温度以上で焼戻ししているため、切削加工性を犠牲にする虞がなく、棒鋼の生産コストを低減できる。しかも前記焼戻しによって棒鋼の組織を制御しているために曲げ特性を向上でき、この棒鋼を加工することによって得られるステアリングラックに１５０°程度の曲げを加えても、ステアリングラックの割れを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は焼戻し炉の温度と焼戻し後の棒鋼の硬さとの関係を示すグラフである。
【図２】図２は温度７５０℃で２０分間の焼戻しを行った後の棒鋼のＤ／４部の電子顕微鏡写真である。
【図３】図３は従来の条件で焼入れ・焼戻し処理（温度６００℃、１２０分間）を行った後の棒鋼のＤ／４部の電子顕微鏡写真である。
【図４】図４は再生パーライト組織を示す電子顕微鏡写真である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a steel bar useful for manufacturing a rack (steering rack) used for a steering gear of an automobile and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Steering is a device that controls the direction of an automobile, and if its function is lost, it becomes a serious accident and is designated as an important safety part. In particular, since the steering rack also has a skeletal role, it is desired that the steering rack is not greatly damaged even when a large impact load is applied, for example, when an automobile rides on a curb. Therefore, steel materials for steering racks are required to have high impact resistance and bending deformability (crack resistance). Furthermore, the steering rack has a tooth mold part (rack) for meshing with the pinion. The tooth profile is required to have wear resistance.
[0003]
In order to meet the above requirements, steering racks are usually manufactured from medium carbon steel. That is, after rolling a medium carbon steel and quenching and tempering the obtained bar steel, a tooth mold part (rack) is formed by cutting and induction hardening is performed to manufacture a steering rack. The medium carbon steel that has been quenched and tempered has high impact resistance and bending deformability. In addition, since medium carbon steel also has high-frequency heat treatment hardening characteristics, it is possible to improve the wear resistance of the tooth profile (rack).
[0004]
However, the quenching and tempering treatment is generally carried out by heating in a quenching furnace, followed by water cooling and tempering treatment at a temperature of 600 ° C. for about 2 hours, resulting in low productivity and high cost. In order to reduce the cost, the tempering time can be shortened. However, if the tempering time is shortened, the steel bar becomes insufficiently softened, and the cutting workability of the tooth profile (rack) is lowered. The effect will be offset. In addition, in order to perform a cutting process, it is requested | required that it is Vickers hardness, for example, 305HV or less.
[0005]
On the other hand, there is an invention that proposes non-tempering of steel for cost reduction. For example, in the invention described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-8189, a part subjected to induction hardening processing such as a steering rack is bent and deformed without causing a brittle fracture even if an excessive load is applied to the part. In order to reduce the manufacturing cost, the conventional quenching and tempering treatment is omitted to obtain the same strength characteristics even if these quenching and tempering treatments are omitted. It is an issue. And in this invention, in order to solve the above-mentioned problem, when B is added to the steel to improve the bending characteristics of the induction hardening treatment part, the effective depth of the induction hardening part is t, and the component radius is r, The strength is increased by setting t / r to 0.3 or more.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made paying attention to the circumstances as described above, and its object is to provide a steel for a steering rack useful for manufacturing a steering rack which is low in cost but extremely excellent in bending characteristics, and a method for manufacturing the same. Is to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the low-cost problem, the present inventors have aimed to set the tempering time at the time of tempering after rolling and quenching the medium carbon steel to 20 minutes or less. And even after such a short tempering time, as a result of earnest research on manufacturing conditions that can maintain machinability (does not offset the effect of cost reduction) and can also improve the bending characteristics after high-frequency induction heating, tempering If the temperature is set to 680 ° C. or higher, even if the tempering time is shortened (20 minutes or less), the hardness can be reduced to such a level that cutting can be performed (for example, to about 305 HV or less), and a short tempering treatment can be performed. It has been discovered that controlling the steel structure during the process can enhance the bending properties when the steel is processed into a steering rack. That is, Mn is added to the medium carbon steel, and a bainite structure and a martensite structure are introduced in a total of 20% (area percentage) or more by controlled cooling during quenching, and during the tempering for a short time, Steel obtained by tempering so that the total area of the tempered bainite structure and tempered martensite structure does not fall below 20% and the regenerated pearlite structure does not exceed 50% (area percentage). When a steering rack is manufactured by cutting and induction hardening, for example, even if an extremely large bending of about 150 ° is performed, the induction hardening portion formed in the surface layer portion of the steering rack will crack, but induction hardening is performed. Boundary between the part and the part not induction hardened [usually at a depth D / 4 from the surface of the steel bar (D is the diameter of the steel bar) Hereinafter, the portion of the depth D / 4 may be simply referred to as a D / 4 portion], and the remaining tempered bainite structure or tempered martensite structure can prevent crack propagation and break the steering rack itself. We found that we can prevent.
[0008]
The above is explained based on data as follows.
[0009]
1) Cutting workability
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the furnace temperature when the steel bar is tempered for 20 minutes including the temperature raising process and the hardness of the D / 4 part of the steel bar after tempering. FIG. FIG. 3 is an electron micrograph of D / 4 part after tempering for minutes, and FIG. 3 shows the electron of D / 4 part after quenching and tempering treatment (temperature 600 ° C., 120 minutes) under conventional conditions. It is a micrograph. As is apparent from FIG. 1, even if the tempering time is shortened to 20 minutes, if the furnace temperature is increased to 680 ° C. or higher, the hardness of the steel bar can be reduced to about 305 HV or less, and the machinability is reduced. Can be prevented. The reason why the hardness of the steel bar can be reduced even by tempering for a short time is presumed to be because the temperature of the steel bar rises, so that the periphery of the carbide is austenitized and the spheroidization of the carbide is promoted (see FIGS. 2 and 3). ).
[0010]
2) Bending characteristics
The bending characteristics were evaluated by performing a bending test on a tempered steel bar (diameter 30 mm) which was drawn to a diameter of 27.5 mm, then subjected to tooth cutting and subjected to high-frequency heat treatment (steering rack). In the bending test, the opposite side of the tooth was pressed by a three-point bending test (distance between fulcrums of 400 mm), bent at an angle of 150 °, and the presence or absence of cracks was visually observed. In this test, “with cracks (indicated by x in the following Table 1)” means not only induction-hardened parts (parts from the surface of the steel bar to about D / 4 parts) but also parts not induction-hardened. It means that the crack propagates (from the deeper than D / 4 part to the vicinity of the center part), and “No crack (indicated in the following Table 1 by ○ mark)” means that there is no crack. Or even if there is a crack, it means that it has not propagated near the center. Table 1 shows the relationship between the structure of D / 4 part of the steel bar after tempering and the bending test result of the steering rack obtained from this steel bar. In addition, according to the method of the said Unexamined-Japanese-Patent No. 10-8189, the bending test was similarly done also about the steering rack obtained by omitting quenching and tempering. The results are also shown in Table 1.
[0011]
[Table 1]

[0012]
As is clear from Table 1, if the total area percentage of the tempered bainite structure and the tempered martensite structure of D / 4 part (hereinafter sometimes referred to as B + M percentage) is 0%, the steering rack will be cracked. On the other hand (No. 2), if the B + M percentage is 20% or more, the propagation of cracks from the induction-quenched portion can be prevented, so that the steering rack itself can be prevented from cracking (Nos. 1, 3 to 6). . In addition, as described above, since tempering is performed at a high temperature of 680 ° C. or higher in short-time tempering, even if a bainite structure or a martensite structure is introduced by controlled cooling, spheroidized carbides are dispersed after tempering. It is an organization (see Figure 2 above). However, even if it is a tempered tempered bainite structure or a tempered martensite structure, the effect of suppressing the propagation of cracks is not impaired.
[0013]
Furthermore, it is important that the ratio of the regenerated pearlite structure is not excessively increased in the short-time tempering process (for example, by not setting the tempering temperature too high, or making the tempering time shorter than 20 minutes). Can suppress the regeneration of the pearlite structure). Recycled pearlite has a rough structure and poor toughness, so if it exceeds 50% (area percentage), sufficient bending properties cannot be secured even if the B + M percentage is 20% or more (No. 7 in Table 1).
[0014]
In the electron micrograph, the regenerated pearlite structure, the tempered bainite structure, and the tempered martensite structure are identified as follows. FIG. 4 is an electron micrograph showing an example of a steel bar on which a regenerated pearlite structure is formed. As is clear from FIG. 4, the lamellar structure of the regenerated perlite is hardly divided. The reason why the lamellar structure of the regenerated pearlite is not divided is that the austenite generated during the tempering for a short time (high temperature) is air-cooled to generate a pearlite structure. On the other hand, the pearlite structure existing before tempering is divided by heating during tempering. Accordingly, the regenerated pearlite structure (undivided pearlite structure) can be easily distinguished from the pearlite structure existing before tempering.
[0015]
Further, tempered structures other than ferrite and pearlite structure (lamellar structure) are tempered bainite structure and tempered martensite structure. That is, although it is difficult to distinguish between the tempered bainite structure and the tempered martensite structure, the B + M percentage can be obtained by measuring the area of the tempered structure other than the ferrite and the pearlite structure (lamellar structure).
[0016]
The present invention has been made based on the above findings. That is, the steel for steering racks having excellent bending characteristics according to the present invention that can achieve the above object is C: 0.40 to 0.60% (meaning mass%, the same applies hereinafter), Si: 0.05 to 0.50%, Mn: 0.05 to 1.50%, and S: 0.004 to 0.100%,
Further, other elements are selected from the group consisting of Cr: 1.5% or less (excluding 0%), Al: 0.0005-0.10%, and N: 0.002-0.020%. Contains at least one element,
The balance is a steel bar made of Fe and inevitable impurities,
The summary is that the quenching and tempering structure of the depth D / 4 (D indicates the diameter of the steel bar) from the surface of the steel bar is adjusted by quenching and short-time tempering as shown in 1) and 2) below. It is what has.
[0017]
1) 20-100% in total of tempered bainite structure and tempered martensite structure (area percentage)
2) Regenerated pearlite structure is 0 to 50% (area percentage)
The steel for a steering rack may further contain B: 0.0005 to 0.0020% alone or together with Ti: 0.005 to 0.050%.
[0018]
Moreover, the manufacturing method of the steel for steering racks which was excellent in the bending characteristic based on this invention is C: 0.40-0.60% (it means the mass%, and the following is same), Si: 0.05-0.50. %, Mn: 0.05 to 1.50%, and S: 0.004 to 0.100%,
Further, other elements are selected from the group consisting of Cr: 1.5% or less (excluding 0%), Al: 0.0005-0.10%, and N: 0.002-0.020%. Contains at least one element,
The balance is a steel material made of Fe and inevitable impurities,
After heating the resulting steel bar to a temperature of 820 ° C. or higher and controlling cooling to room temperature with water cooling,
By placing in a furnace heated to an ambient temperature of 680 ° C. or higher and performing a tempering treatment for a short time of 20 minutes or less and air cooling to room temperature
The portion of depth D / 4 (D represents the diameter of the steel bar) from the surface of the steel bar is such that the tempered bainite structure and the tempered martensite structure total 20 to 100% (area percentage), and the regenerated pearlite structure Is a point which makes it 0 to 50% (area percentage).
[0019]
In the following description, the term “quenching” means quenching at the time of quenching and tempering of the steel bar after rolling, and is used separately from the term “induction quenching”.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, C: 0.40 to 0.60% (meaning mass%, the same shall apply hereinafter), Si: 0.05 to 0.50%, Mn: 0.05 to 1.50%, and S: Contains 0.004 to 0.100%,
Further, other elements are selected from the group consisting of Cr: 1.5% or less (excluding 0%), Al: 0.0005-0.10%, and N: 0.002-0.020%. A steel material containing at least one element is used (hereinafter referred to as steel material 1). The balance is Fe and inevitable impurities.
The reasons for limiting the above components are as follows.
[0021]
The reason why the C content is 0.40% or more is to impart high-frequency hardening characteristics to the steel material and to improve the wear resistance of the tooth profile portion (rack portion) of the obtained steering rack. The preferable C content is 0.45% or more, particularly 0.48% or more. However, if the C content is too large, the impact resistance of the steering rack will be reduced, and cracking will easily occur during induction heat treatment. Therefore, the C content is 0.60% or less, preferably 0.55% or less, and more preferably 0.53% or less.
[0022]
The reason why the Si content is 0.05% or more is to perform deoxidation of the steel material. A preferable Si content is 0.15% or more, particularly 0.20% or more. However, when there is too much content of Si, the machinability at the time of forming a tooth profile part (rack part) will fall. Therefore, the Si content is 0.50% or less, preferably 0.35% or less, and more preferably 0.30% or less.
[0023]
The reason why the Mn content is 0.05% or more is not only to increase the strength of the steel material, but also to increase the hardenability and facilitate the introduction of the bainite structure, thereby bending the steel material when processed into a steering rack. This is to enhance the characteristics. The preferable Mn content is 0.70% or more, particularly 0.80% or more. However, if the content of Mn is too large, a burning crack is likely to occur during high-frequency heat treatment. Therefore, the Mn content is 1.50% or less, preferably 1.30% or less, more preferably 1.20% or less.
[0024]
The reason why the content of S is set to 0.004% or more is to improve the machinability when forming the tooth profile (rack part). The preferable S content is 0.040% or more, particularly 0.050% or more. However, when there is too much content of S, the bending characteristic when processing steel materials into a steering rack will fall. Therefore, the S content is 0.100% or less, preferably 0.080% or less, and more preferably 0.070% or less.
[0025]
The reason for containing Cr is to improve hardenability. The lower limit of the Cr content is not particularly limited, but is, for example, about 0.05%, preferably about 0.10%, and more preferably about 0.15%. However, if the content of Cr is too large, fire cracks are likely to occur during induction heat treatment. Therefore, the Cr content is, for example, 1.5% or less, preferably 1.0% or less, and more preferably 0.50% or less.
[0026]
The reason why Al is contained is to refine the austenite grains during the high-frequency heat treatment by forming AlN by combining with N. The Al content is, for example, 0.0005% or more, preferably 0.010% or more, and more preferably 0.020% or more. However, the effect is saturated even if the Al content is increased too much. Therefore, the Al content is, for example, 0.10% or less, preferably 0.050% or less, and more preferably 0.040% or less.
[0027]
The reason for containing N is to make the austenite grains fine during high-frequency heat treatment by forming AlN by bonding with Al. The N content is, for example, 0.002% or more, preferably 0.003% or more, and more preferably 0.004% or more. However, the effect is saturated even if the content of N is excessively increased. Therefore, the N content is, for example, 0.020% or less, preferably 0.010% or less, and more preferably 0.007% or less.
[0028]
The steel material 1 may further contain B: 0.0005 to 0.0020% alone or together with Ti: 0.005 to 0.050% (hereinafter referred to as the steel material 2).
[0029]
The reason for containing B is to improve induction hardenability. The B content is, for example, 0.0005% or more, preferably 0.0010% or more, and more preferably 0.0015% or more. However, the effect is saturated even if the content of B is excessively increased. Therefore, the B content is, for example, 0.0020% or less, preferably 0.0017% or less.
[0030]
Ti is used in combination with B in order to suppress the formation of BN by forming TiN in combination with N in the steel, and to ensure the effect of improving the induction hardenability by B. The Ti content is, for example, 0.002% or more, preferably 0.015% or more, and more preferably 0.020% or more. However, when the Ti content is excessively increased, the toughness and fatigue strength of the steering rack are lowered. Therefore, the Ti content is, for example, 0.050% or less, preferably 0.040% or less, and more preferably 0.035% or less.
[0031]
In the present invention, the steel materials 1 and 2 are rolled into a bar steel. The diameter of the steel bar to be obtained is not particularly limited, but is usually about 20 to 40 mm, preferably about 23 to 38 mm, and more preferably about 25 to 35 mm in consideration of processing into a steering rack.
[0032]
The obtained steel bar is quenched by heating to a temperature of 820 ° C. or higher and controlled cooling to room temperature with water cooling. By this quenching operation, a bainite structure and, if necessary, a martensite structure can be introduced into the steel bar. If a bainite structure or martensite structure is introduced, the tempered bainite structure or tempered martensite structure can be left by appropriately controlling the conditions of the tempering treatment described later, and the bending characteristics when processed into a steering rack. Can be increased. It should be noted that even when tempering steel having a structure of only ferrite and pearlite, the structure hardly changes and cracking due to bending cannot be prevented.
[0033]
The reason for setting the heating temperature to 820 ° C. or higher is to suppress the formation of a coarse ferrite structure. When the coarse ferrite increases, even if a bainite structure or a martensite structure is introduced by controlled cooling, the toughness of the steel bar is lowered, and it becomes difficult to prevent the steering rack from being cracked by processing this steel bar. The heating temperature is preferably 840 ° C or higher, more preferably 860 ° C or higher. In addition, the upper limit of heating temperature is about 900 degreeC normally.
[0034]
In the controlled cooling, the sum of the bainite structure and the martensite structure at D / 4 part of the steel bar is 20% (area percentage) or more, preferably 35% (area percentage) or more, more preferably 50% (area percentage) or more. It is necessary to do so. The conditions for such controlled cooling can be set as appropriate according to the composition of the steel. For example, a region with a temperature of about 880 to 300 ° C. (preferably 850 to 350 ° C.) is set at a cooling rate of 30 to 80 ° C./second ( It is desirable to cool at 40 to 70 ° C./second).
[0035]
The steel bar introduced with the bainite structure or martensite structure obtained as described above is tempered for 20 minutes or less (preferably 15 minutes or less, more preferably 10 minutes or less) including the temperature rising process. The reason for setting the tempering time to 20 minutes or less is to reduce the production cost. The tempering time is usually 3 minutes or longer, preferably 4 minutes or longer, more preferably 5 minutes or longer.
[0036]
And in this invention, even if it is tempering for a short time as mentioned above, while suppressing the fall of the cutting workability of a bar steel, it is prevented that the effect of a cost reduction is offset and improving the bending characteristic of a bar steel. is important. Therefore, in the present invention, the atmospheric temperature of the furnace used for the tempering process is set to 680 ° C. or higher. If the furnace temperature is set to 680 ° C. or higher, the Vickers hardness of the steel bar can be reduced (for example, 305 HV or lower) and cutting workability can be improved even when tempering for 20 minutes or less. it can. The furnace temperature is preferably 700 ° C. or higher. The higher the temperature of the furnace, the more reliably the hardness of the steel bar can be reduced. For example, the hardness of the steel bar can be almost the same as that of a normal tempered material (for example, about 200 to 270 HV).
[0037]
On the other hand, in order to improve the bending characteristics of the steel bar, the total area percentage (B + M percentage) of the tempered bainite structure and tempered martensite structure of D / 4 part after tempering is maintained at 20% or more, and D / It is necessary to suppress the regeneration of the 4 part pearlite structure to 50% (area percentage) or less (including 0%). By controlling the structure after tempering as described above, even if the steering rack obtained by cutting and induction-heating the steel bar is bent, propagation of cracks occurring in the induction-hardened portion is stopped by the structure. This can prevent the steering rack itself from cracking. The B + M percentage is preferably 35% or more, more preferably 50% or more. In addition, the upper limit of B + M percentage is not specifically limited, For example, 100% may be sufficient. The regenerated pearlite structure is preferably 30% or less, more preferably 20% or less.
[0038]
In order to control the structure after tempering, it is important not to make the tempering conditions too strong within the range of the tempering conditions (above 680 ° C. and within 20 minutes). The stronger the tempering condition, the easier it is to reduce the bainite structure and martensite structure introduced by controlled cooling, and the easier it is to regenerate pearlite.
[0039]
Tempering conditions (temperature, time) for controlling the structure after tempering can be appropriately set according to the composition of the steel and the amount of bainite structure and martensite structure introduced during controlled cooling. In the case of about ˜20 minutes, the temperature is desirably about 800 ° C. or less (preferably 750 ° C. or less).
[0040]
The steel bar tempered as described above is air-cooled to room temperature.
[0041]
The steel bar obtained as described above is useful as a steel for a steering rack. That is, the steel bar is processed into a steering rack by, for example, further drawing or cutting as necessary, forming a tooth profile portion (rack portion) by cutting, and performing induction heat treatment (induction hardening). As the tooth profile, a tooth profile having a depth of about D / 4 is often formed. In the induction heat treatment, induction hardening is often performed to a depth of about D / 4 part, and the hardness of the induction hardening part is often set to about 600 to 800 HV.
[0042]
When the steering rack is manufactured as described above, when the steel bar obtained as described above is used, the steel bar has a low D / 4 surface hardness, for example, about 305 HV or less. The tooth profile can be easily formed during processing. In addition, the induction rack is extremely hard in the induction hardened part (surface layer part), so cracking is likely to occur in the induction hardened part when subjected to large bending, but if the steel bar obtained as described above is used, the induction hardened part and the induction hardening are performed. Since the tempered bainite structure and the tempered martensite structure remain at the boundary (usually around D / 4) with the part that has not been made, it is possible to prevent cracks in the induction-hardened part from propagating inside, and the steering rack itself Can be prevented from cracking.
[0043]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited by the following examples, but may be appropriately modified within a range that can meet the purpose described above and below. Of course, it is possible to implement them, and they are all included in the technical scope of the present invention.
[0044]
Experimental Examples A1-A17, B1-B5, and C1
A steel material having a predetermined composition was used to form a steel bar having a diameter of 30 mm by rolling, heated to a predetermined temperature, and then controlled and cooled to room temperature. The controlled cooling conditions were prepared by changing the amount of water and the water cooling time in order to obtain the target steel bar structure. The cooled steel bar was tempered by staying in a furnace heated to a predetermined atmospheric temperature for a predetermined time. The steel bar after tempering was allowed to cool.
[0045]
The structure of D / 4 part of the steel bar after quenching and the structure of D / 4 part of the steel bar after tempering were observed with an electron microscope, and the Vickers hardness of D / 4 part of the steel bar after tempering was measured. Further, the steel bar after tempering was processed into a steering rack as described below, the bending characteristics thereof were evaluated by a bending test, and the Vickers hardness of the rack portion of the steering rack was measured.
[0046]
[Steering rack processing]
The steel bar obtained as described above was drawn to a diameter of 27.5 mm, and then cut to form a tooth mold (rack). The depth of the tooth mold is about D / 4. Then, induction hardening was performed at an effective hardened layer depth from the tooth bottom to a depth of about 1 mm.
[0047]
[Bending test]
In a three-point bending test with a fulcrum distance of 400 mm, the opposite side of the teeth of the steering rack was pressed and bent to an angle of 150 °, and the presence or absence of cracks was judged according to the following criteria.
[0048]
(×) With cracks: Cracks propagate not only to induction-hardened parts (parts from the surface to about D / 4 parts) but also to parts not induction-hardened (from parts deeper than D / 4 parts to near the center). is doing
(○) No cracking: There is no cracking, or even if there is a crack, it has not propagated to the vicinity of the center.
The results are shown in Table 2.
[0049]
[Table 2]

[0050]
In Experimental Examples A1 to A4, the influence of the residence time (tempering time) of the tempering furnace was examined. In the case of Experimental Examples A1 to A3 in which the residence time is 20 minutes or less, the B + M percentage of the steel bar after tempering is 20% or more, and the reclaimed pearlite structure is 50% or less. do not do. On the other hand, in the case of Experimental Example A4 in which the residence time is 30 minutes, not only the productivity is lowered, but also the B + M percentage of the steel bar after tempering is completely lost, and a state of a substantially normalized structure is obtained. As a result, the entire structure becomes a ferrite + pearlite structure, and the steering rack is cracked in the bending test.
[0051]
Experimental Examples A5 to A10 are examples in which the furnace temperature (tempering temperature) was changed among the tempering conditions (furnace temperature = 800 ° C., residence time = 20 minutes) of Experimental Example A3. In Experimental Example A5, since the furnace temperature is too low at 650 ° C., the hardness after tempering becomes 310 HV, and the machinability is lowered. In Experimental Examples A9 to A10, the furnace temperature is too high at 880 to 930 ° C., so that the regenerated pearlite structure exceeds 50%, and the steering rack is broken in the bending test. On the other hand, in Experimental Examples A6 to A8, since the furnace temperature is set to 680 ° C. or higher, the hardness after tempering can be reduced to 305 HV or less, the deterioration of cutting workability can be prevented, and the furnace temperature is increased too much. Therefore, the reduction of the B + M percentage and the regeneration of the pearlite structure can be suppressed, and the steering rack can be prevented from cracking in the bending test. Even if the furnace temperature is about the above experimental examples A9 to A10, cracking of the steering rack can be prevented by shortening the residence time and suppressing the regeneration of the pearlite structure.
[0052]
In Experimental Examples A11 to A14, the influence of the structure after the control cooling was examined by changing the control cooling condition with respect to the Experimental Example A1. In Experimental Examples A11 to A12, since the B + M percentage after the controlled cooling is as small as 0 to 15%, the B + M percentage is small even in the tempered steel bar thereafter, and the steering rack is cracked in the bending test. On the other hand, in Experimental Examples A13 to A14, the B + M percentage is set to 35 to 60% by controlled cooling, and the reduction of the B + M percentage is suppressed even in the tempered steel bar thereafter, so that the steering rack is prevented from cracking in the bending test. it can.
[0053]
In Experimental Examples A15 to A16, the influence of the heating temperature during quenching was examined. In Experimental Example A16 where the heating temperature is 790 ° C., although the B + M percentage is 30%, coarse ferrite is generated during heating, and thus the steering rack is broken in the bending test. On the other hand, in Experimental Example A15 where the heating temperature is 820 ° C., the steering rack can be prevented from cracking as intended.
[0054]
In Experimental Examples B1 to B3, the influence of the C amount of the steel material was examined. In Experimental Example B3 where the amount of C is as low as 0.38%, the high-frequency curing characteristics are lowered, so the hardness of the rack portion of the steering rack is lowered and the wear resistance is lowered. In contrast, in Experimental Examples B1 and B2 in which the C content is 0.53 to 0.55%, a steering rack having excellent wear resistance can be obtained.
[0055]
In Experimental Examples B4 to B5, the influence of the Mn amount of the steel material was examined. In Experimental Example B4 where the amount of Mn is as small as 0.01%, even if controlled cooling is performed, it is difficult to make the B + M percentage 20% or more, and the steering rack is broken in the bending test. In contrast, in Experimental Example B5 in which the Mn amount is 1.5%, the B + M percentage can be easily increased to 20% or more by controlled cooling, and cracking of the steering rack can be prevented in the bending test.
[0056]
In Experimental Example C1, the effect of adding B was examined. By adding B, induction hardenability can be improved. Moreover, even if B is added, the B + M percentage can be increased to 20% or more and the predetermined bending characteristics can be maintained, and the hardness of the tempered steel bar can be reduced by the predetermined tempering, so that the machinability is not impaired.
[0057]
【The invention's effect】
According to the present invention, even if the tempering temperature is set to 20 minutes or less, since tempering is performed at a predetermined temperature or higher, there is no risk of sacrificing cutting workability, and the production cost of the steel bar can be reduced. In addition, since the structure of the bar steel is controlled by the tempering, the bending characteristics can be improved. Even if the steering rack obtained by processing the bar steel is bent at about 150 °, cracking of the steering rack can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the temperature of a tempering furnace and the hardness of a steel bar after tempering.
FIG. 2 is an electron micrograph of D / 4 part of a steel bar after tempering at a temperature of 750 ° C. for 20 minutes.
FIG. 3 is an electron micrograph of D / 4 part of a steel bar after quenching and tempering treatment (temperature 600 ° C., 120 minutes) under conventional conditions.
FIG. 4 is an electron micrograph showing a regenerated perlite structure.

Claims

C: 0.40 to 0.60% (meaning mass%, the same shall apply hereinafter), Si: 0.05 to 0.50%, Mn: 0.05 to 1.50%, and S: 0.004 to Containing 0.100%,
Further, other elements are selected from the group consisting of Cr: 1.5% or less (excluding 0%), Al: 0.0005-0.10%, and N: 0.002-0.020%. Contains at least one element,
The balance is a steel bar made of Fe and inevitable impurities,
By quenching from a temperature of 820 ° C. or more and tempering at a temperature of 680 ° C. or more and 20 minutes or less, the quenching / tempering structure of the portion of depth D / 4 from the surface of the steel bar (D indicates the diameter of the steel bar) is Steel for steering racks with excellent bending characteristics adjusted as in 2) and 2).
1) 20-100% in total of tempered bainite structure and tempered martensite structure (area percentage)
2) Regenerated pearlite structure is 0 to 50% (area percentage)

The steel for steering racks according to claim 1, further comprising B: 0.0005 to 0.0020% alone or together with Ti: 0.005 to 0.050%.

C: 0.40 to 0.60% (meaning mass%, the same applies hereinafter), Si: 0.05 to 0.50%, Mn: 0.05 to 1.50%, and S: 0.004 to Containing 0.100%, and further elements: Cr: 1.5% or less (not including 0%), Al: 0.0005-0.10%, and N: 0.002-0.020 %, Containing at least one element selected from the group consisting of Fe and unavoidable impurities, and rolling the resulting steel bar to a temperature of 820 ° C. or higher, and controlled cooling to room temperature with water cooling Then, it is placed in a furnace heated to an atmospheric temperature of 680 ° C. or more, and is tempered for a short time of 20 minutes or less and air-cooled to room temperature, so that the depth D / 4 from the surface of the steel bar (D is the diameter of the steel bar). ) Tempered bainite structure and tempered martensite structure 20-100% as a (area percent), and reproduction pearlite structure 0-50% (area percentage) and a way bending method for producing steel steering rack having excellent characteristics in total.