JP3852415B2 - 高周波焼入れ用非調質鋼 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波焼入れ用非調質鋼に関し、詳しくは、例えば自動車の部品であるハブユニットや等速ジョイントなどのように、その表面全体又は一部を高周波焼入れ処理する部品、又は、必要に応じて上記高周波焼入れの後に更に焼戻し処理を施す部品の素材として好適な高周波焼入れ用非調質鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車の部品であるハブユニットや等速ジョイントは、その転動部分にはＪＩＳで規定されたＳＵＪ２鋼などの軸受鋼が用いられ、その他の部分には非調質鋼或いは調質鋼が用いられるというように、複数の鋼を組み合わせて製造されてきた。
【０００３】
しかし、部品の軽量化及びコストダウンに対する産業界からの要望がますます大きくなり、１つの鋼に多くの機能を確保させることが必要になってきた。このため、例えば、上記のハブユニットや等速ジョイントの素材にも、非調質鋼或いは調質鋼に要求されていた引張強さ、回転曲げ疲労強度及び靱性などの特性、並びに、軸受鋼に要求されていた転動疲労特性を兼備する鋼が求められるようになっている。
【０００４】
こうした要求に対し、ＪＩＳのＳ５５ＣやＳＡＥの１０６５などＣ含有量の高い鋼を用い、それに高周波焼入れ処理、更には必要に応じて焼戻し処理を施すことによって、引張強さ、回転曲げ疲労強度及び靱性などの非調質鋼或いは調質鋼が有する特性と、軸受鋼の有する転動疲労特性とを兼備させることが行われ、一応の効果が得られている。しかし、部品の小型化の進展とともに、転動部分に一層高い面圧がかかるようになり、上記したＪＩＳのＳ５５ＣやＳＡＥの１０６５などの従来鋼に高周波焼入れ処理を施した場合に十分な転動疲労寿命が得られなくなってきた。
【０００５】
このような状況の下、特許文献１〜３に、優れた転動疲労寿命、疲労強度、加工性及び切削性などを兼ね備えた鋼が開示されている。
【０００６】
すなわち、特許文献１には、軸部品及び軸受部品が冷間鍛造で製造可能であり、且つ軸部品及び軸受部品において優れた転動疲労特性を得ることができる特定の化学組成からなる「冷間鍛造−高周波焼入れ用鋼」が開示されている。この鋼は、固溶硬化元素であるＭｎ及びＰの低減とＴｉ及びＮ量の適正化によって素材の段階での冷間鍛造性を確保し、Ｍｎ低減によって劣化した焼入れ性をＢの添加によって補うことを特徴とするものである。なお、特許文献１で提案された鋼が重量比で、０．００５〜０．０２０％未満のＴｉを含むのは、固溶Ｎの完全固定によるＢＮ析出の防止のためである。つまり、特許文献１で提案された技術は鋼中にＴｉＮを生成させようとするものであり、したがって、前記の「冷間鍛造−高周波焼入れ用鋼」にはＴｉＮが存在することになる。
【０００７】
ここで、ＴｉＮは転動疲労破壊の起点となり得る析出物であり、工業的規模の量産設備で鋼塊を製造する場合には、凝固偏析を完全に防止することが困難なため、Ｔｉ及びＮの量を規制していても粗大なＴｉＮが生成して転動疲労寿命が短くなることがあり、したがって、転動疲労特性がばらついて不安定である。なお、特許文献１に記載された発明に係る技術は、ＴｉＮが多量に析出することを防止するために、Ｎの含有量を０．００１５％から０．００５％未満に制御するものであるが、Ｎの含有量を０．００５％未満にするためには二次精錬が必須であり、製鋼コストが嵩んでしまう。
【０００８】
特許文献２には、熱間鍛造後に所定の部品形状に加工し、調質処理を行うことなく、超短時間加熱の高周波焼入れで均質な硬化層組織が得られ、高い曲げ又は捻り疲労強度及び転がり接触疲労強度を有する「高周波輪郭焼入用非調質鋼」が開示されている。この特許文献２で提案された非調質鋼は、Ｃ、Ｍｎ及びＣｒの含有量の関係式からなる焼入れ性指数を規定するものであるが、Ｂを含有しない鋼の場合には安定した焼入れ硬化層深さを確保できず、このため十分な転動疲労特性が得られないことがある。一方、Ｂを含有する場合には、安定した焼入れ硬化層深さが確保されるものの、ＢＮの生成を抑制するために０．００５〜０．０５０％のＴｉを同時に含有させてＮをＴｉＮとして固定する必要がある。このため、上記した特許文献１に係る鋼の場合と同様、粗大なＴｉＮが生成して転動疲労寿命が短くなることがあり、転動疲労特性がばらついて不安定になる。なお、特許文献２で提案された鋼の場合、不純物としてのＮ及びＯ（酸素）の含有量は、実施例でそれぞれ０．０３０％以下及び０．００３％以下と述べられているだけで、転動疲労寿命や疲労強度を高めるためにその含有量を十分低く制御するという配慮がなされているとは言い難く、したがって、転動疲労寿命や疲労強度が不安定になることを避け難い。
【０００９】
特許文献３には、転動寿命が良好であって、レース、コロ、ボールなどの軸受素材として利用するのに適したＢを０．００４〜０．０２０％含有する「被削性に優れた軸受鋼」が開示されている。しかし、Ｂは極めて偏析しやすい元素で、Ｂの含有量が多いとその偏析部の融点低下が顕著になり、熱間加工性が大きく低下してしまう。又、この偏析が原因となって、機械的性質のバラツキも大きくなる。
【００１０】
上述のように、特許文献１〜３で提案された鋼は、優れた特性を安定して得ることが難しかったり、コストが嵩んだり、熱間加工性が低下するという問題を有するものであった。
【００１１】
【特許文献１】
特開平９−２８７０５４号公報
【特許文献２】
特開平１０−３１７０９５号公報
【特許文献３】
特開平３−５６６４１号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、その目的は、例えば自動車の部品であるハブユニットや等速ジョイントなどのように、その表面全体又は一部を高周波焼入れ処理する部品、又は、必要に応じて上記高周波焼入れの後に更に焼戻し処理を施す部品の素材として好適な、高周波焼入れ処理した部分や高周波焼入れ処理後更に焼戻し処理を施した部分の転動疲労寿命が工業的規模で大量生産する場合にも安定して極めて優れている高周波焼入れ用非調質鋼を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）及び（２）に記載の高周波焼入れ用非調質鋼にある。
【００１４】
（１）質量％で、Ｃ：０．５〜０．７％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｓ：０．００２〜０．０５％、Ａｌ：０．０１〜０．０４％、Ｂ：０．０００５〜０．００３５％、Ｎ：０．００５〜０．０１２％、Ｃｒ：０〜１．５％及びＶ：０〜０．１０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＴｉが０．００３％以下、Ｏ（酸素）が０．００１５％以下及びＰが０．０２％以下で、更に、下記▲１▼式で表されるｆｎ１の値が−０．００５未満であることを特徴とする高周波焼入れ用非調質鋼。
【００１５】
ｆｎ１＝Ｎ（％）−（１４／４８）Ｔｉ（％）−（１４／２７）Ａｌ（％）−（１４／５１）Ｖ（％）・・・▲１▼。
【００１６】
（２）質量％で、Ｃ：０．５〜０．７％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｓ：０．００２〜０．０５％、Ａｌ：０．０１〜０．０４％、Ｂ：０．０００５〜０．００３５％、Ｎ：０．００５〜０．０１２％、Ｃｒ：０〜１．５％及びＶ：０〜０．１０％、並びに、Ｃａ：０．０００３〜０．００２０％及びＭｇ：０．０００３〜０．００２０％の１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＴｉが０．００３％以下、Ｏ（酸素）が０．００１５％以下及びＰが０．０２％以下で、更に、下記▲１▼式で表されるｆｎ１の値が−０．００５未満であることを特徴とする高周波焼入れ用非調質鋼。
【００１７】
ｆｎ１＝Ｎ（％）−（１４／４８）Ｔｉ（％）−（１４／２７）Ａｌ（％）−（１４／５１）Ｖ（％）・・・▲１▼。
【００１８】
以下、上記（１）及び（２）の高周波焼入れ用非調質鋼に係る発明をそれぞれ（１）及び（２）の発明という。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、前記した課題を達成するために、非調質鋼を前提とした熱処理条件、つまり鋼を熱間鍛造して放冷した後、高周波焼入れ処理及び高周波焼入れ−焼戻し処理を施し、鋼の化学成分が転動疲労寿命に与える影響について調査・研究を重ねた。その結果、下記の知見を得た。
【００２０】
（ａ）鋼にＴｉを添加すると、ＴｉＮを形成して転動疲労寿命が大幅に低下するため、Ｔｉの含有量は不純物レベルまで下げて低く抑える必要がある。
【００２１】
（ｂ）Ｂが鋼中でフリーな状態（いわゆる「フリーＢ」）で存在すると焼入れ性や捻り強度が向上することはよく知られているとおりであるが、鋼にＴｉを添加することなしにフリーＢを存在させると、転動疲労寿命が著しく向上する。
【００２２】
（ｃ）鋼にＴｉを添加せず、且つ、鋼を熱間鍛造して放冷した状態でフリーＢを残すためには、Ｎの鋼中含有量を例えば０．００２０％以下にまで低減し、Ｂを０．００１６％以上含有させればよいものの、Ｎの含有量を０．００５％未満にするには製鋼コストが嵩む。
【００２３】
（ｄ）窒化物にはＴｉＮ、ＢＮ、ＡｌＮやＶＮなどがある。例えば非特許文献１には、鋼のオーステナイト中における窒化物の溶解度積が示されており、例えば、１１００℃における溶解度積はＴｉＮが最も小さく、次にＢＮ、そしてＡｌＮ、ＶＮの順になっている。つまり、一般的な化学組成の鋼がオーステナイト域に加熱後、冷却された場合、上記４種の窒化物のうちではＴｉＮが最も生成しやすく、次にＢＮ、そしてＡｌＮ、ＶＮの順になることが知られているが、Ｎの含有量に対して、Ａｌ、Ｖ及び不純物としてのＴｉの含有量がある量以上であれば、Ｔｉを添加することなく、フリーＢを残すことが可能である。
【００２４】
（ｅ）転動疲労寿命に大きく影響する不純物元素はＴｉとＯ（酸素）であるため、これらの含有量を低く抑えることで転動疲労寿命を大きく改善することができる。
【００２５】
本発明は、上記（ａ）〜（ｅ）の知見に基づいて完成されたものである。
【００２６】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００２７】
Ｃ：０．５〜０．７％
Ｃは、強度確保及び高周波焼入れ後の表面硬さ確保のために必須の元素である。しかし、その含有量が０．５％未満では、高周波焼入れを施す部分（以後、「焼入れ部」という）の表面硬さが不十分で、他の要件を満たしていても所望の転動疲労寿命（後述の実施例における転動疲労試験で、２．０×１０7 以上の転動疲労寿命）が得られないし、引張強さや回転曲げ疲労強度も目標とする値（後述の実施例における引張試験での８５０ＭＰａ以上の引張強さと小野式回転曲げ疲労試験での３５０ＭＰａ以上の回転曲げ疲労強度）に達しない。一方、Ｃの含有量が０．７％を超えると、高周波焼入れを施さない部分（以後、「母材」という）の靱性が著しく低下して目標とする靱性（後述の実施例における常温での衝撃試験で、３０Ｊ／ｃｍ2 以上の衝撃値）が得られない。したがって、Ｃの含有量を０．５〜０．７％とした。
【００２８】
Ｓｉ：０．１〜１．５％
Ｓｉは、母材の引張強さ及び回転曲げ疲労強度、並びに焼入れ部の転動疲労寿命を高めるのに有効な元素である。Ｓｉには脱酸作用や鋼の切削性を向上させる作用もある。しかし、その含有量が０．１％未満では前記の効果が得難い。一方、Ｓｉの含有量が１．５％を超えると、前記の効果が飽和するし、母材の靱性も低下する。したがって、Ｓｉの含有量を０．１〜１．５％とした。
【００２９】
Ｍｎ：０．２〜１．５％
Ｍｎは、母材の引張強さ及び焼入れ性を向上させる作用を有すると同時に、Ｓによる熱間脆性の防止に必要な元素である。これらの効果を発揮させるためにはＭｎを０．２％以上含有させる必要があるが、含有量が１．５％を超えると、Ｍｎの偏析が顕著になり、転動疲労寿命の低下が著しくなって他の要件を満たしていても所望の転動疲労寿命が得られなくなる。したがって、Ｍｎの含有量を０．２〜１．５％とした。
【００３０】
Ｓ：０．００２〜０．０５％
ＳはＭｎと結合してＭｎＳを形成し、切削性を高める作用を有する。しかし、その含有量が０．００２％未満では、前記の効果が得難い。一方、粗大なＭｎＳは焼入れ部の転動疲労寿命を低下させる傾向があり、特にＳの含有量が０．０５％を超えると、粗大なＭｎＳを形成しやすくなり転動疲労寿命の低下が著しくなって所望の転動疲労寿命が得られない。したがって、Ｓの含有量を０．００２〜０．０５％とした。なお、切削性をより向上させるためにはＳは０．０２％を超える含有量とすることが好ましい。このため、切削性を重視する場合には、Ｓの含有量は０．０２％を超えて０．０５％までとするのがよい。一方、後述の転動疲労試験で、３．０×１０7 以上のより長い転動疲労寿命を得るためには、Ｓの含有量は０．０１５％以下にすることが好ましい。このため、転動疲労寿命を重視する場合には、Ｓの含有量は０．００２〜０．０１５％とするのがよい。
【００３１】
Ａｌ：０．０１〜０．０４％
Ａｌは、脱酸作用を有する。ＡｌにはＮと結合してＡｌＮを形成し、焼入れ部の結晶粒を微細化する作用もある。しかし、Ａｌの含有量が０．０１％未満ではこうした効果は得難い。一方、Ａｌは硬質な酸化物系介在物を形成して転動疲労寿命を低下させてしまう。特に、その含有量が０．０４％を超えると、粗大な酸化物系介在物を形成しやすくなるので、転動疲労寿命の低下が著しくなって所望の転動疲労寿命が得られなくなる。したがって、Ａｌの含有量を０．０１〜０．０４％とした。
【００３２】
Ｂ：０．０００５〜０．００３５％
Ｂは、フリーＢの状態でＴｉ非添加鋼における転動疲労寿命を高める作用を有する。すなわち、鋼にＴｉを添加することなしにフリーＢを存在させると、転動疲労寿命が著しく向上する。ＢをフリーＢとして残すためには、既に述べた▲１▼式の値が−０．００５未満である必要があり、更に、前記の効果を得るためにはＢの含有量を０．０００５％以上とする必要がある。一方、Ｂは偏析しやすい元素であり、Ｂの含有量が０．００３５％を超えると、鋼の熱間加工性が著しく低下するため、熱間での圧延や鍛造で割れや疵が発生しやすくなる。したがって、Ｂの含有量を０．０００５〜０．００３５％とした。
【００３３】
Ｎ：０．００５〜０．０１２％
Ｎは、Ａｌと結合してＡｌＮを形成し、焼入れ部の結晶粒を微細化する作用がある。一方、Ｎは、Ｔｉ非添加のＢ鋼においてはＢと結合してＢＮを形成しやすいので、本発明に係るＴｉ非添加の高周波焼入れ用鋼においてフリーＢを残し転動疲労寿命を高めるためには、Ｎの含有量はできるだけ低くするのがよい。しかし、Ｎの含有量を０．００５％未満にするには、製鋼コストが嵩む。なお、Ｎの含有量が０．０１２％を超えると、不純物元素としてのＴｉの含有量を０．００３％以下に制限しても粗大なＴｉＮが形成されやすくなり、転動疲労寿命の低下が著しくなって、所望の転動疲労寿命が得られなくなる。したがって、Ｎの含有量を０．００５〜０．０１２％とした。
【００３４】
Ｃｒ：０〜１．５％
Ｃｒは添加しなくてもよい。添加すれば、鋼の焼入れ性を高める作用及び転動疲労寿命を向上させる作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｃｒは０．３％以上の含有量とすることが望ましい。一方、Ｃｒは炭化物に濃化しやすい元素で炭化物を安定化し、特に、その含有量が１．５％を超えると、焼入れ部に炭化物が多量に残存するために硬度が低下して、所望の転動疲労寿命が得られなくなる。したがって、Ｃｒの含有量を０〜１．５％とした。
【００３５】
Ｖ：０〜０．１０％
Ｖは添加しなくてもよい。添加すれば、Ｎ及びＣと結合して窒化物、炭化物或いは炭窒化物として析出し、母材の引張強さ、回転曲げ疲労寿命を向上させる作用を有する。この効果を確実に得るためには、Ｖの含有量は０．０２％以上とすることが望ましい。一方、Ｖの含有量が０．１０％を超えると、粗大な窒化物、炭化物或いは炭窒化物鋼が残存し、焼入れ部で所望の転動疲労寿命が得られなくなる。したがって、Ｖの含有量を０〜０．１０％とした。
【００３６】
本発明においては、不純物元素としてのＴｉ、Ｐ及びＯ（酸素）の含有量を下記のとおりに制限する。
【００３７】
Ｔｉ：０．００３％以下
Ｔｉは、Ｎと結合してＴｉＮを形成し、転動疲労寿命を低下させてしまう。特に、その含有量が０．００３％を超えると、転動疲労寿命の低下が著しくなり、所望の転動疲労寿命が得られない。したがって、Ｔｉの含有量を０．００３％以下とした。なお、不純物元素としてのＴｉの含有量はできるだけ少なくすることが望ましい。
【００３８】
Ｏ（酸素）：０．００１５％以下
Ｏは、酸化物系介在物を形成し、転動疲労寿命を低下させてしまう。特に、その含有量が０．００１５％を超えると転動疲労寿命の低下が著しくなり、所望の転動疲労寿命が得られない。したがって、Ｏの含有量を０．００１５％以下とした。なお、不純物元素としてのＯの含有量はできる限り少なくすることが望ましい。
【００３９】
Ｐ：０．０２％以下
Ｐは、粒界に偏析して粒界を脆化し、靱性を低下させてしまう。特に、その含有量が０．０２％を超えると靱性の低下が著しくなり、所望の靱性が得られなくなる。したがって、Ｐの含有量を０．０２％以下とした。なお、不純物元素としてのＰの含有量はできる限り少なくすることが望ましい。
【００４０】
ｆｎ１の値：−０．００５未満
本発明においては、前記▲１▼式で表されるｆｎ１の値を−０．００５未満に制限する。以下、その理由について詳述する。
【００４１】
Ｔｉの含有量を不純物レベルまで下げて低く抑えたＴｉ非添加鋼においてフリーＢを存在させると、転動疲労寿命が著しく向上するが、Ｂを鋼中でフリーＢの状態で存在させるためには、Ｂと結合しやすいＮを他の元素と結合させておく必要がある。
【００４２】
本発明に係る高周波焼入れ用非調質鋼において、特にＮと結合しやすい元素はＢの他にはＡｌ、Ｖ及び不純物元素としてのＴｉである。そこで、表１に示すように、主にＡｌ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎ及びＢの含有量が異なる鋼ａ〜ｊを真空誘導加熱炉で溶製し、１８０ｋｇのインゴットにした。なお、鋼ａ〜ｈは、ＣからＰまでの含有量が前記した本発明の規定を満たす鋼である。一方、鋼ｉと鋼ｊは、本発明のＣからＡｌ及びＮからＰまでの成分規定を満たすもののＢを含まない鋼である。
【００４３】
【表１】
【００４４】
次いで、各インゴットを通常の方法で１２５０℃に加熱した後、鍛造温度を１２５０〜１１００℃として熱間鍛造し、直径６０ｍｍの丸棒にした。
【００４５】
このようにして得た直径６０ｍｍの丸棒から、機械加工によって直径が５８ｍｍで厚さが７．０ｍｍの試験片を切り出し、高周波加熱により急速加熱した後、油冷し、次いで、試験片全体を１６０℃で１時間焼戻し処理した。なお、上記の高周波焼入れの最高加熱温度は９５０〜１０００℃で有効焼入れ深さ（有効硬化層深さ）は２〜２．５ｍｍである。
【００４６】
上記の熱処理を施した直径が５８ｍｍで厚さが７．０ｍｍの試験片を鏡面研磨した後、次の条件で転動疲労試験を行った。
【００４７】
試験機：森式スラスト型転動疲労試験機、
最大面圧：５５００ＭＰａ、
試験片回転数：１８００回／分、
潤滑油：＃６８タービン油、
試験片数：各１２個。
【００４８】
１２個の各試験片の転動疲労試験結果を縦軸に累積破損確率、横軸に転動疲労寿命をとったワイブル確率紙にプロットし、それに対する線形近似直線を引いて、累積頻度破損確率が１０％になる応力繰返し数を転動疲労寿命（以下、Ｌ10寿命という）とした。なお、表１に鋼ａ〜ｊのＬ10寿命を併せて示した。
【００４９】
Ｎと結合しやすい元素で、その含有量を変化させた前記のＡｌ、Ｖ、Ｔｉ及びＢのうち、Ｂ以外の各元素の原子量はＡｌが２７、Ｖが５１、Ｔｉが４８であり、又、Ｎの原子量は１４である。
【００５０】
上記のＴｉ、Ａｌ及びＶがＮと結合して形成する窒化物はＴｉＮ、ＡｌＮ及びＶＮと考えられ、したがって、これらの窒化物がすべて生成した場合に残存するＮ量は下記▲１▼式で求めることができる。
【００５１】
ｆｎ１＝Ｎ（％）−（１４／４８）Ｔｉ（％）−（１４／２７）Ａｌ（％）−（１４／５１）Ｖ（％）・・・▲１▼。
【００５２】
図１に、上記▲１▼式で求めたｆｎ１の値と前記の転動疲労寿命（Ｌ10寿命）の関係を整理して示す。
【００５３】
図１から、▲１▼式で表されるｆｎ１の値が−０．００５を下回り、且つＢを含有している場合に、転動疲労寿命が格段に向上していることが明らかである。したがって、Ｔｉ非添加のＢ添加鋼である本発明に係る高周波焼入れ用非調質鋼においては、前記▲１▼式で表されるｆｎ１の値を−０．００５未満に制限した。
【００５４】
前記（１）の発明に係る高周波焼入れ用非調質鋼は、上記のＣからＶまでの化学成分を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＴｉ、Ｏ（酸素）及びＰの含有量が上記した範囲にあり、更に、前記▲１▼式で表されるｆｎ１の値が−０．００５未満の鋼である。
【００５５】
前記（２）の発明に係る高周波焼入れ用非調質鋼は、転動疲労寿命を一層向上させることを目的として、上記（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ｃａ：０．０００３〜０．００２０％及びＭｇ：０．０００３〜０．００２０％の１種以上を含有させた鋼である。以下、ＣａとＭｇについて説明する。
【００５６】
Ｃａ：０．０００３〜０．００２０％
Ｃａは、添加すれば、ＭｎＳ中に固溶して、アスペクト比を小さくし、転動疲労寿命を一層高める作用を有する。この効果を得るには、Ｃａは０．００３％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．００２０％を超えると粗大なＣａ系酸化物を形成して、却って転動疲労寿命の低下をきたし、所望の転動疲労寿命が得られない。したがって、Ｃａを添加する場合には、その含有量を０．０００３〜０．００２０％とするのがよい。
【００５７】
Ｍｇ：０．０００３〜０．００２０％
Ｍｇは、添加すれば、ＭｎＳ中に固溶して、アスペクト比を小さくし、転動疲労寿命を一層高める作用を有する。この効果を得るには、Ｍｇは０．００３％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．００２０％を超えると粗大なＭｇ系酸化物を形成して、却って転動疲労寿命の低下をきたし、所望の転動疲労寿命が得られない。したがって、Ｍｇを添加する場合には、その含有量を０．０００３〜０．００２０％とするのがよい。
【００５８】
【非特許文献１】
今井勇之進編著「鋼の物性と窒素」株式会社アグネ技術センター、１９９４年１１月３０日、ｐ．３５
【００５９】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。
【００６０】
表２に示す化学組成を有する鋼Ａ〜Ｘを真空誘導加熱炉で溶製し、１８０ｋｇのインゴットにした。表２における鋼Ｃ、鋼Ｅ〜Ｇ、鋼Ｉ及び鋼Ｖ〜Ｘは、化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例の鋼である。一方、表２における鋼Ａ、鋼Ｂ、鋼Ｄ、鋼Ｈ及び鋼Ｊ〜Ｕは、成分のいずれかが本発明で規定する範囲から外れた比較例の鋼である。
【００６１】
【表２】
【００６２】
次いで、上記の鋼Ａ〜Ｘの各インゴットを通常の方法で１２５０℃に加熱した後、鍛造温度を１２５０〜１１００℃として熱間鍛造し、直径が６０ｍｍと３０ｍｍの丸棒を得た。
【００６３】
このようにして得た各丸棒のうちで鋼Ｏの直径３０ｍｍの丸棒には割れが生じていた。このため、鋼Ｏについては熱間加工性が不十分と判断し、以後の各試験を中止した。
【００６４】
直径６０ｍｍの丸棒から、機械加工によって直径が５８ｍｍで厚さが７．０ｍｍの試験片を切り出し、高周波加熱により急速加熱した後、油冷し、次いで、試験片全体を１６０℃で１時間焼戻し処理した。なお、上記の高周波焼入れの最高加熱温度は９５０〜１０００℃で有効焼入れ深さは２〜２．５ｍｍである。
【００６５】
上記の熱処理を施した直径が５８ｍｍで厚さが７．０ｍｍの試験片を鏡面研磨した後、次の条件で転動疲労試験を行った。
【００６６】
試験機：森式スラスト型転動疲労試験機、
最大面圧：５５００ＭＰａ、
試験片回転数：１８００回／分、
潤滑油：＃６８タービン油、
試験片数：各１２個。
【００６７】
１２個の各試験片の転動疲労試験結果を縦軸に累積破損確率、横軸に転動疲労寿命をとったワイブル確率紙にプロットし、それに対する線形近似直線を引いて、累積頻度破損確率が１０％になる転動疲労寿命（Ｌ10寿命）を求めた。
【００６８】
一方、直径３０ｍｍの丸棒から、引張試験片、衝撃試験片及び平滑回転曲げ疲労試験片を作製し、室温での引張特性、衝撃特性及び回転曲げ疲労特性を調査した。
【００６９】
引張特性は、ＪＩＳ４号の引張試験片を用いて調査した。すなわち、通常の方法により室温で引張試験を行い、各２回の引張強さの平均値を母材の引張強さとした。なお、引張強さが８５０ＭＰａ以上であれば、ＪＩＳのＳ５５Ｃの熱間鍛造材における通常の引張強さを上回っているため、８５０ＭＰａ以上の引張強さを有することを目標とした。
【００７０】
衝撃特性は、JIS Z 2202(1998)に記載の幅１０ｍｍのＵノッチ試験片を用いて調査した。すなわち、通常の方法により室温でシャルピー衝撃試験を行い、各２回の衝撃値の平均値を母材の衝撃値とした。なお、衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2 以上であれば、ＪＩＳのＳ５５Ｃの熱間鍛造材における通常の衝撃値を上回っているため、３０Ｊ／ｃｍ2 以上の衝撃値を有することを目標とした。
【００７１】
回転曲げ疲労特性は、平行部の直径が８ｍｍで長さが２５ｍｍ、コーナー部のＲが２５ｍｍのＪＩＳ１号（１−８）回転曲げ疲労試験片を用いて調査した。すなわち、通常の方法により室温で小野式回転曲げ疲労試験を行い、繰り返し数１．０×１０7 回における応力を母材の回転曲げ疲労強度とした。なお、回転曲げ疲労強度が３５０ＭＰａ以上であれば、ＪＩＳのＳ５５Ｃの熱間鍛造材における通常の回転曲げ疲労強度を上回っているため、３５０ＭＰａ以上の回転曲げ疲労強度を有することを目標とした。
【００７２】
表３に、上記の各試験結果を整理して示す。
【００７３】
【表３】
【００７４】
表３から、本発明で規定する条件から外れた試験番号の場合には、焼入れ部における転動疲労寿命、母材における引張強さ、回転曲げ疲労強度及び衝撃値、のいずれかが目標値に達していないことが明らかである。
【００７５】
上記の比較例に対し、本発明で規定する条件を満たす試験番号の場合には、焼入れ部の転動疲労寿命は２．０×１０7 回以上で、且つ、母材部の引張強さ、回転曲げ疲労強度及び衝撃値もそれぞれ目標を満足する良好なものであることが明らかである。
【００７６】
【発明の効果】
本発明の鋼材は、その表面全体又は一部に高周波焼入れ処理を施すか、必要に応じて上記高周波焼入れの後に更に焼戻し処理を施せば、焼入れ部の転動疲労寿命が優れるとともに、母材部の引張強さ、回転曲げ疲労強度及び衝撃値にも優れるので、例えば自動車の部品であるハブユニットや等速ジョイントなどの素材として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａｌ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎ及びＢの含有量が異なる１０種の鋼のｆｎ１の値と転動疲労寿命（Ｌ10寿命）の関係を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波焼入れ用非調質鋼に関し、詳しくは、例えば自動車の部品であるハブユニットや等速ジョイントなどのように、その表面全体又は一部を高周波焼入れ処理する部品、又は、必要に応じて上記高周波焼入れの後に更に焼戻し処理を施す部品の素材として好適な高周波焼入れ用非調質鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車の部品であるハブユニットや等速ジョイントは、その転動部分にはＪＩＳで規定されたＳＵＪ２鋼などの軸受鋼が用いられ、その他の部分には非調質鋼或いは調質鋼が用いられるというように、複数の鋼を組み合わせて製造されてきた。
【０００３】
しかし、部品の軽量化及びコストダウンに対する産業界からの要望がますます大きくなり、１つの鋼に多くの機能を確保させることが必要になってきた。このため、例えば、上記のハブユニットや等速ジョイントの素材にも、非調質鋼或いは調質鋼に要求されていた引張強さ、回転曲げ疲労強度及び靱性などの特性、並びに、軸受鋼に要求されていた転動疲労特性を兼備する鋼が求められるようになっている。
【０００４】
こうした要求に対し、ＪＩＳのＳ５５ＣやＳＡＥの１０６５などＣ含有量の高い鋼を用い、それに高周波焼入れ処理、更には必要に応じて焼戻し処理を施すことによって、引張強さ、回転曲げ疲労強度及び靱性などの非調質鋼或いは調質鋼が有する特性と、軸受鋼の有する転動疲労特性とを兼備させることが行われ、一応の効果が得られている。しかし、部品の小型化の進展とともに、転動部分に一層高い面圧がかかるようになり、上記したＪＩＳのＳ５５ＣやＳＡＥの１０６５などの従来鋼に高周波焼入れ処理を施した場合に十分な転動疲労寿命が得られなくなってきた。
【０００５】
このような状況の下、特許文献１〜３に、優れた転動疲労寿命、疲労強度、加工性及び切削性などを兼ね備えた鋼が開示されている。
【０００６】
すなわち、特許文献１には、軸部品及び軸受部品が冷間鍛造で製造可能であり、且つ軸部品及び軸受部品において優れた転動疲労特性を得ることができる特定の化学組成からなる「冷間鍛造−高周波焼入れ用鋼」が開示されている。この鋼は、固溶硬化元素であるＭｎ及びＰの低減とＴｉ及びＮ量の適正化によって素材の段階での冷間鍛造性を確保し、Ｍｎ低減によって劣化した焼入れ性をＢの添加によって補うことを特徴とするものである。なお、特許文献１で提案された鋼が重量比で、０．００５〜０．０２０％未満のＴｉを含むのは、固溶Ｎの完全固定によるＢＮ析出の防止のためである。つまり、特許文献１で提案された技術は鋼中にＴｉＮを生成させようとするものであり、したがって、前記の「冷間鍛造−高周波焼入れ用鋼」にはＴｉＮが存在することになる。
【０００７】
ここで、ＴｉＮは転動疲労破壊の起点となり得る析出物であり、工業的規模の量産設備で鋼塊を製造する場合には、凝固偏析を完全に防止することが困難なため、Ｔｉ及びＮの量を規制していても粗大なＴｉＮが生成して転動疲労寿命が短くなることがあり、したがって、転動疲労特性がばらついて不安定である。なお、特許文献１に記載された発明に係る技術は、ＴｉＮが多量に析出することを防止するために、Ｎの含有量を０．００１５％から０．００５％未満に制御するものであるが、Ｎの含有量を０．００５％未満にするためには二次精錬が必須であり、製鋼コストが嵩んでしまう。
【０００８】
特許文献２には、熱間鍛造後に所定の部品形状に加工し、調質処理を行うことなく、超短時間加熱の高周波焼入れで均質な硬化層組織が得られ、高い曲げ又は捻り疲労強度及び転がり接触疲労強度を有する「高周波輪郭焼入用非調質鋼」が開示されている。この特許文献２で提案された非調質鋼は、Ｃ、Ｍｎ及びＣｒの含有量の関係式からなる焼入れ性指数を規定するものであるが、Ｂを含有しない鋼の場合には安定した焼入れ硬化層深さを確保できず、このため十分な転動疲労特性が得られないことがある。一方、Ｂを含有する場合には、安定した焼入れ硬化層深さが確保されるものの、ＢＮの生成を抑制するために０．００５〜０．０５０％のＴｉを同時に含有させてＮをＴｉＮとして固定する必要がある。このため、上記した特許文献１に係る鋼の場合と同様、粗大なＴｉＮが生成して転動疲労寿命が短くなることがあり、転動疲労特性がばらついて不安定になる。なお、特許文献２で提案された鋼の場合、不純物としてのＮ及びＯ（酸素）の含有量は、実施例でそれぞれ０．０３０％以下及び０．００３％以下と述べられているだけで、転動疲労寿命や疲労強度を高めるためにその含有量を十分低く制御するという配慮がなされているとは言い難く、したがって、転動疲労寿命や疲労強度が不安定になることを避け難い。
【０００９】
特許文献３には、転動寿命が良好であって、レース、コロ、ボールなどの軸受素材として利用するのに適したＢを０．００４〜０．０２０％含有する「被削性に優れた軸受鋼」が開示されている。しかし、Ｂは極めて偏析しやすい元素で、Ｂの含有量が多いとその偏析部の融点低下が顕著になり、熱間加工性が大きく低下してしまう。又、この偏析が原因となって、機械的性質のバラツキも大きくなる。
【００１０】
上述のように、特許文献１〜３で提案された鋼は、優れた特性を安定して得ることが難しかったり、コストが嵩んだり、熱間加工性が低下するという問題を有するものであった。
【００１１】
【特許文献１】
特開平９−２８７０５４号公報
【特許文献２】
特開平１０−３１７０９５号公報
【特許文献３】
特開平３−５６６４１号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、その目的は、例えば自動車の部品であるハブユニットや等速ジョイントなどのように、その表面全体又は一部を高周波焼入れ処理する部品、又は、必要に応じて上記高周波焼入れの後に更に焼戻し処理を施す部品の素材として好適な、高周波焼入れ処理した部分や高周波焼入れ処理後更に焼戻し処理を施した部分の転動疲労寿命が工業的規模で大量生産する場合にも安定して極めて優れている高周波焼入れ用非調質鋼を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）及び（２）に記載の高周波焼入れ用非調質鋼にある。
【００１４】
（１）質量％で、Ｃ：０．５〜０．７％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｓ：０．００２〜０．０５％、Ａｌ：０．０１〜０．０４％、Ｂ：０．０００５〜０．００３５％、Ｎ：０．００５〜０．０１２％、Ｃｒ：０〜１．５％及びＶ：０〜０．１０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＴｉが０．００３％以下、Ｏ（酸素）が０．００１５％以下及びＰが０．０２％以下で、更に、下記▲１▼式で表されるｆｎ１の値が−０．００５未満であることを特徴とする高周波焼入れ用非調質鋼。
【００１５】
ｆｎ１＝Ｎ（％）−（１４／４８）Ｔｉ（％）−（１４／２７）Ａｌ（％）−（１４／５１）Ｖ（％）・・・▲１▼。
【００１６】
（２）質量％で、Ｃ：０．５〜０．７％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｓ：０．００２〜０．０５％、Ａｌ：０．０１〜０．０４％、Ｂ：０．０００５〜０．００３５％、Ｎ：０．００５〜０．０１２％、Ｃｒ：０〜１．５％及びＶ：０〜０．１０％、並びに、Ｃａ：０．０００３〜０．００２０％及びＭｇ：０．０００３〜０．００２０％の１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＴｉが０．００３％以下、Ｏ（酸素）が０．００１５％以下及びＰが０．０２％以下で、更に、下記▲１▼式で表されるｆｎ１の値が−０．００５未満であることを特徴とする高周波焼入れ用非調質鋼。
【００１７】
ｆｎ１＝Ｎ（％）−（１４／４８）Ｔｉ（％）−（１４／２７）Ａｌ（％）−（１４／５１）Ｖ（％）・・・▲１▼。
【００１８】
以下、上記（１）及び（２）の高周波焼入れ用非調質鋼に係る発明をそれぞれ（１）及び（２）の発明という。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、前記した課題を達成するために、非調質鋼を前提とした熱処理条件、つまり鋼を熱間鍛造して放冷した後、高周波焼入れ処理及び高周波焼入れ−焼戻し処理を施し、鋼の化学成分が転動疲労寿命に与える影響について調査・研究を重ねた。その結果、下記の知見を得た。
【００２０】
（ａ）鋼にＴｉを添加すると、ＴｉＮを形成して転動疲労寿命が大幅に低下するため、Ｔｉの含有量は不純物レベルまで下げて低く抑える必要がある。
【００２１】
（ｂ）Ｂが鋼中でフリーな状態（いわゆる「フリーＢ」）で存在すると焼入れ性や捻り強度が向上することはよく知られているとおりであるが、鋼にＴｉを添加することなしにフリーＢを存在させると、転動疲労寿命が著しく向上する。
【００２２】
（ｃ）鋼にＴｉを添加せず、且つ、鋼を熱間鍛造して放冷した状態でフリーＢを残すためには、Ｎの鋼中含有量を例えば０．００２０％以下にまで低減し、Ｂを０．００１６％以上含有させればよいものの、Ｎの含有量を０．００５％未満にするには製鋼コストが嵩む。
【００２３】
（ｄ）窒化物にはＴｉＮ、ＢＮ、ＡｌＮやＶＮなどがある。例えば非特許文献１には、鋼のオーステナイト中における窒化物の溶解度積が示されており、例えば、１１００℃における溶解度積はＴｉＮが最も小さく、次にＢＮ、そしてＡｌＮ、ＶＮの順になっている。つまり、一般的な化学組成の鋼がオーステナイト域に加熱後、冷却された場合、上記４種の窒化物のうちではＴｉＮが最も生成しやすく、次にＢＮ、そしてＡｌＮ、ＶＮの順になることが知られているが、Ｎの含有量に対して、Ａｌ、Ｖ及び不純物としてのＴｉの含有量がある量以上であれば、Ｔｉを添加することなく、フリーＢを残すことが可能である。
【００２４】
（ｅ）転動疲労寿命に大きく影響する不純物元素はＴｉとＯ（酸素）であるため、これらの含有量を低く抑えることで転動疲労寿命を大きく改善することができる。
【００２５】
本発明は、上記（ａ）〜（ｅ）の知見に基づいて完成されたものである。
【００２６】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
【００２７】
Ｃ：０．５〜０．７％
Ｃは、強度確保及び高周波焼入れ後の表面硬さ確保のために必須の元素である。しかし、その含有量が０．５％未満では、高周波焼入れを施す部分（以後、「焼入れ部」という）の表面硬さが不十分で、他の要件を満たしていても所望の転動疲労寿命（後述の実施例における転動疲労試験で、２．０×１０7 以上の転動疲労寿命）が得られないし、引張強さや回転曲げ疲労強度も目標とする値（後述の実施例における引張試験での８５０ＭＰａ以上の引張強さと小野式回転曲げ疲労試験での３５０ＭＰａ以上の回転曲げ疲労強度）に達しない。一方、Ｃの含有量が０．７％を超えると、高周波焼入れを施さない部分（以後、「母材」という）の靱性が著しく低下して目標とする靱性（後述の実施例における常温での衝撃試験で、３０Ｊ／ｃｍ2 以上の衝撃値）が得られない。したがって、Ｃの含有量を０．５〜０．７％とした。
【００２８】
Ｓｉ：０．１〜１．５％
Ｓｉは、母材の引張強さ及び回転曲げ疲労強度、並びに焼入れ部の転動疲労寿命を高めるのに有効な元素である。Ｓｉには脱酸作用や鋼の切削性を向上させる作用もある。しかし、その含有量が０．１％未満では前記の効果が得難い。一方、Ｓｉの含有量が１．５％を超えると、前記の効果が飽和するし、母材の靱性も低下する。したがって、Ｓｉの含有量を０．１〜１．５％とした。
【００２９】
Ｍｎ：０．２〜１．５％
Ｍｎは、母材の引張強さ及び焼入れ性を向上させる作用を有すると同時に、Ｓによる熱間脆性の防止に必要な元素である。これらの効果を発揮させるためにはＭｎを０．２％以上含有させる必要があるが、含有量が１．５％を超えると、Ｍｎの偏析が顕著になり、転動疲労寿命の低下が著しくなって他の要件を満たしていても所望の転動疲労寿命が得られなくなる。したがって、Ｍｎの含有量を０．２〜１．５％とした。
【００３０】
Ｓ：０．００２〜０．０５％
ＳはＭｎと結合してＭｎＳを形成し、切削性を高める作用を有する。しかし、その含有量が０．００２％未満では、前記の効果が得難い。一方、粗大なＭｎＳは焼入れ部の転動疲労寿命を低下させる傾向があり、特にＳの含有量が０．０５％を超えると、粗大なＭｎＳを形成しやすくなり転動疲労寿命の低下が著しくなって所望の転動疲労寿命が得られない。したがって、Ｓの含有量を０．００２〜０．０５％とした。なお、切削性をより向上させるためにはＳは０．０２％を超える含有量とすることが好ましい。このため、切削性を重視する場合には、Ｓの含有量は０．０２％を超えて０．０５％までとするのがよい。一方、後述の転動疲労試験で、３．０×１０7 以上のより長い転動疲労寿命を得るためには、Ｓの含有量は０．０１５％以下にすることが好ましい。このため、転動疲労寿命を重視する場合には、Ｓの含有量は０．００２〜０．０１５％とするのがよい。
【００３１】
Ａｌ：０．０１〜０．０４％
Ａｌは、脱酸作用を有する。ＡｌにはＮと結合してＡｌＮを形成し、焼入れ部の結晶粒を微細化する作用もある。しかし、Ａｌの含有量が０．０１％未満ではこうした効果は得難い。一方、Ａｌは硬質な酸化物系介在物を形成して転動疲労寿命を低下させてしまう。特に、その含有量が０．０４％を超えると、粗大な酸化物系介在物を形成しやすくなるので、転動疲労寿命の低下が著しくなって所望の転動疲労寿命が得られなくなる。したがって、Ａｌの含有量を０．０１〜０．０４％とした。
【００３２】
Ｂ：０．０００５〜０．００３５％
Ｂは、フリーＢの状態でＴｉ非添加鋼における転動疲労寿命を高める作用を有する。すなわち、鋼にＴｉを添加することなしにフリーＢを存在させると、転動疲労寿命が著しく向上する。ＢをフリーＢとして残すためには、既に述べた▲１▼式の値が−０．００５未満である必要があり、更に、前記の効果を得るためにはＢの含有量を０．０００５％以上とする必要がある。一方、Ｂは偏析しやすい元素であり、Ｂの含有量が０．００３５％を超えると、鋼の熱間加工性が著しく低下するため、熱間での圧延や鍛造で割れや疵が発生しやすくなる。したがって、Ｂの含有量を０．０００５〜０．００３５％とした。
【００３３】
Ｎ：０．００５〜０．０１２％
Ｎは、Ａｌと結合してＡｌＮを形成し、焼入れ部の結晶粒を微細化する作用がある。一方、Ｎは、Ｔｉ非添加のＢ鋼においてはＢと結合してＢＮを形成しやすいので、本発明に係るＴｉ非添加の高周波焼入れ用鋼においてフリーＢを残し転動疲労寿命を高めるためには、Ｎの含有量はできるだけ低くするのがよい。しかし、Ｎの含有量を０．００５％未満にするには、製鋼コストが嵩む。なお、Ｎの含有量が０．０１２％を超えると、不純物元素としてのＴｉの含有量を０．００３％以下に制限しても粗大なＴｉＮが形成されやすくなり、転動疲労寿命の低下が著しくなって、所望の転動疲労寿命が得られなくなる。したがって、Ｎの含有量を０．００５〜０．０１２％とした。
【００３４】
Ｃｒ：０〜１．５％
Ｃｒは添加しなくてもよい。添加すれば、鋼の焼入れ性を高める作用及び転動疲労寿命を向上させる作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｃｒは０．３％以上の含有量とすることが望ましい。一方、Ｃｒは炭化物に濃化しやすい元素で炭化物を安定化し、特に、その含有量が１．５％を超えると、焼入れ部に炭化物が多量に残存するために硬度が低下して、所望の転動疲労寿命が得られなくなる。したがって、Ｃｒの含有量を０〜１．５％とした。
【００３５】
Ｖ：０〜０．１０％
Ｖは添加しなくてもよい。添加すれば、Ｎ及びＣと結合して窒化物、炭化物或いは炭窒化物として析出し、母材の引張強さ、回転曲げ疲労寿命を向上させる作用を有する。この効果を確実に得るためには、Ｖの含有量は０．０２％以上とすることが望ましい。一方、Ｖの含有量が０．１０％を超えると、粗大な窒化物、炭化物或いは炭窒化物鋼が残存し、焼入れ部で所望の転動疲労寿命が得られなくなる。したがって、Ｖの含有量を０〜０．１０％とした。
【００３６】
本発明においては、不純物元素としてのＴｉ、Ｐ及びＯ（酸素）の含有量を下記のとおりに制限する。
【００３７】
Ｔｉ：０．００３％以下
Ｔｉは、Ｎと結合してＴｉＮを形成し、転動疲労寿命を低下させてしまう。特に、その含有量が０．００３％を超えると、転動疲労寿命の低下が著しくなり、所望の転動疲労寿命が得られない。したがって、Ｔｉの含有量を０．００３％以下とした。なお、不純物元素としてのＴｉの含有量はできるだけ少なくすることが望ましい。
【００３８】
Ｏ（酸素）：０．００１５％以下
Ｏは、酸化物系介在物を形成し、転動疲労寿命を低下させてしまう。特に、その含有量が０．００１５％を超えると転動疲労寿命の低下が著しくなり、所望の転動疲労寿命が得られない。したがって、Ｏの含有量を０．００１５％以下とした。なお、不純物元素としてのＯの含有量はできる限り少なくすることが望ましい。
【００３９】
Ｐ：０．０２％以下
Ｐは、粒界に偏析して粒界を脆化し、靱性を低下させてしまう。特に、その含有量が０．０２％を超えると靱性の低下が著しくなり、所望の靱性が得られなくなる。したがって、Ｐの含有量を０．０２％以下とした。なお、不純物元素としてのＰの含有量はできる限り少なくすることが望ましい。
【００４０】
ｆｎ１の値：−０．００５未満
本発明においては、前記▲１▼式で表されるｆｎ１の値を−０．００５未満に制限する。以下、その理由について詳述する。
【００４１】
Ｔｉの含有量を不純物レベルまで下げて低く抑えたＴｉ非添加鋼においてフリーＢを存在させると、転動疲労寿命が著しく向上するが、Ｂを鋼中でフリーＢの状態で存在させるためには、Ｂと結合しやすいＮを他の元素と結合させておく必要がある。
【００４２】
本発明に係る高周波焼入れ用非調質鋼において、特にＮと結合しやすい元素はＢの他にはＡｌ、Ｖ及び不純物元素としてのＴｉである。そこで、表１に示すように、主にＡｌ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎ及びＢの含有量が異なる鋼ａ〜ｊを真空誘導加熱炉で溶製し、１８０ｋｇのインゴットにした。なお、鋼ａ〜ｈは、ＣからＰまでの含有量が前記した本発明の規定を満たす鋼である。一方、鋼ｉと鋼ｊは、本発明のＣからＡｌ及びＮからＰまでの成分規定を満たすもののＢを含まない鋼である。
【００４３】
【表１】
次いで、各インゴットを通常の方法で１２５０℃に加熱した後、鍛造温度を１２５０〜１１００℃として熱間鍛造し、直径６０ｍｍの丸棒にした。
【００４５】
このようにして得た直径６０ｍｍの丸棒から、機械加工によって直径が５８ｍｍで厚さが７．０ｍｍの試験片を切り出し、高周波加熱により急速加熱した後、油冷し、次いで、試験片全体を１６０℃で１時間焼戻し処理した。なお、上記の高周波焼入れの最高加熱温度は９５０〜１０００℃で有効焼入れ深さ（有効硬化層深さ）は２〜２．５ｍｍである。
【００４６】
上記の熱処理を施した直径が５８ｍｍで厚さが７．０ｍｍの試験片を鏡面研磨した後、次の条件で転動疲労試験を行った。
【００４７】
試験機：森式スラスト型転動疲労試験機、
最大面圧：５５００ＭＰａ、
試験片回転数：１８００回／分、
潤滑油：＃６８タービン油、
試験片数：各１２個。
【００４８】
１２個の各試験片の転動疲労試験結果を縦軸に累積破損確率、横軸に転動疲労寿命をとったワイブル確率紙にプロットし、それに対する線形近似直線を引いて、累積頻度破損確率が１０％になる応力繰返し数を転動疲労寿命（以下、Ｌ10寿命という）とした。なお、表１に鋼ａ〜ｊのＬ10寿命を併せて示した。
【００４９】
Ｎと結合しやすい元素で、その含有量を変化させた前記のＡｌ、Ｖ、Ｔｉ及びＢのうち、Ｂ以外の各元素の原子量はＡｌが２７、Ｖが５１、Ｔｉが４８であり、又、Ｎの原子量は１４である。
【００５０】
上記のＴｉ、Ａｌ及びＶがＮと結合して形成する窒化物はＴｉＮ、ＡｌＮ及びＶＮと考えられ、したがって、これらの窒化物がすべて生成した場合に残存するＮ量は下記▲１▼式で求めることができる。
【００５１】
ｆｎ１＝Ｎ（％）−（１４／４８）Ｔｉ（％）−（１４／２７）Ａｌ（％）−（１４／５１）Ｖ（％）・・・▲１▼。
【００５２】
図１に、上記▲１▼式で求めたｆｎ１の値と前記の転動疲労寿命（Ｌ10寿命）の関係を整理して示す。
【００５３】
図１から、▲１▼式で表されるｆｎ１の値が−０．００５を下回り、且つＢを含有している場合に、転動疲労寿命が格段に向上していることが明らかである。したがって、Ｔｉ非添加のＢ添加鋼である本発明に係る高周波焼入れ用非調質鋼においては、前記▲１▼式で表されるｆｎ１の値を−０．００５未満に制限した。
【００５４】
前記（１）の発明に係る高周波焼入れ用非調質鋼は、上記のＣからＶまでの化学成分を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＴｉ、Ｏ（酸素）及びＰの含有量が上記した範囲にあり、更に、前記▲１▼式で表されるｆｎ１の値が−０．００５未満の鋼である。
【００５５】
前記（２）の発明に係る高周波焼入れ用非調質鋼は、転動疲労寿命を一層向上させることを目的として、上記（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ｃａ：０．０００３〜０．００２０％及びＭｇ：０．０００３〜０．００２０％の１種以上を含有させた鋼である。以下、ＣａとＭｇについて説明する。
【００５６】
Ｃａ：０．０００３〜０．００２０％
Ｃａは、添加すれば、ＭｎＳ中に固溶して、アスペクト比を小さくし、転動疲労寿命を一層高める作用を有する。この効果を得るには、Ｃａは０．００３％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．００２０％を超えると粗大なＣａ系酸化物を形成して、却って転動疲労寿命の低下をきたし、所望の転動疲労寿命が得られない。したがって、Ｃａを添加する場合には、その含有量を０．０００３〜０．００２０％とするのがよい。
【００５７】
Ｍｇ：０．０００３〜０．００２０％
Ｍｇは、添加すれば、ＭｎＳ中に固溶して、アスペクト比を小さくし、転動疲労寿命を一層高める作用を有する。この効果を得るには、Ｍｇは０．００３％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．００２０％を超えると粗大なＭｇ系酸化物を形成して、却って転動疲労寿命の低下をきたし、所望の転動疲労寿命が得られない。したがって、Ｍｇを添加する場合には、その含有量を０．０００３〜０．００２０％とするのがよい。
【００５８】
【非特許文献１】
今井勇之進編著「鋼の物性と窒素」株式会社アグネ技術センター、１９９４年１１月３０日、ｐ．３５
【００５９】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。
【００６０】
表２に示す化学組成を有する鋼Ａ〜Ｘを真空誘導加熱炉で溶製し、１８０ｋｇのインゴットにした。表２における鋼Ｃ、鋼Ｅ〜Ｇ、鋼Ｉ及び鋼Ｖ〜Ｘは、化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例の鋼である。一方、表２における鋼Ａ、鋼Ｂ、鋼Ｄ、鋼Ｈ及び鋼Ｊ〜Ｕは、成分のいずれかが本発明で規定する範囲から外れた比較例の鋼である。
【００６１】
【表２】
次いで、上記の鋼Ａ〜Ｘの各インゴットを通常の方法で１２５０℃に加熱した後、鍛造温度を１２５０〜１１００℃として熱間鍛造し、直径が６０ｍｍと３０ｍｍの丸棒を得た。
【００６３】
このようにして得た各丸棒のうちで鋼Ｏの直径３０ｍｍの丸棒には割れが生じていた。このため、鋼Ｏについては熱間加工性が不十分と判断し、以後の各試験を中止した。
【００６４】
直径６０ｍｍの丸棒から、機械加工によって直径が５８ｍｍで厚さが７．０ｍｍの試験片を切り出し、高周波加熱により急速加熱した後、油冷し、次いで、試験片全体を１６０℃で１時間焼戻し処理した。なお、上記の高周波焼入れの最高加熱温度は９５０〜１０００℃で有効焼入れ深さは２〜２．５ｍｍである。
【００６５】
上記の熱処理を施した直径が５８ｍｍで厚さが７．０ｍｍの試験片を鏡面研磨した後、次の条件で転動疲労試験を行った。
【００６６】
試験機：森式スラスト型転動疲労試験機、
最大面圧：５５００ＭＰａ、
試験片回転数：１８００回／分、
潤滑油：＃６８タービン油、
試験片数：各１２個。
【００６７】
１２個の各試験片の転動疲労試験結果を縦軸に累積破損確率、横軸に転動疲労寿命をとったワイブル確率紙にプロットし、それに対する線形近似直線を引いて、累積頻度破損確率が１０％になる転動疲労寿命（Ｌ10寿命）を求めた。
【００６８】
一方、直径３０ｍｍの丸棒から、引張試験片、衝撃試験片及び平滑回転曲げ疲労試験片を作製し、室温での引張特性、衝撃特性及び回転曲げ疲労特性を調査した。
【００６９】
引張特性は、ＪＩＳ４号の引張試験片を用いて調査した。すなわち、通常の方法により室温で引張試験を行い、各２回の引張強さの平均値を母材の引張強さとした。なお、引張強さが８５０ＭＰａ以上であれば、ＪＩＳのＳ５５Ｃの熱間鍛造材における通常の引張強さを上回っているため、８５０ＭＰａ以上の引張強さを有することを目標とした。
【００７０】
衝撃特性は、JIS Z 2202(1998)に記載の幅１０ｍｍのＵノッチ試験片を用いて調査した。すなわち、通常の方法により室温でシャルピー衝撃試験を行い、各２回の衝撃値の平均値を母材の衝撃値とした。なお、衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ2 以上であれば、ＪＩＳのＳ５５Ｃの熱間鍛造材における通常の衝撃値を上回っているため、３０Ｊ／ｃｍ2 以上の衝撃値を有することを目標とした。
【００７１】
回転曲げ疲労特性は、平行部の直径が８ｍｍで長さが２５ｍｍ、コーナー部のＲが２５ｍｍのＪＩＳ１号（１−８）回転曲げ疲労試験片を用いて調査した。すなわち、通常の方法により室温で小野式回転曲げ疲労試験を行い、繰り返し数１．０×１０7 回における応力を母材の回転曲げ疲労強度とした。なお、回転曲げ疲労強度が３５０ＭＰａ以上であれば、ＪＩＳのＳ５５Ｃの熱間鍛造材における通常の回転曲げ疲労強度を上回っているため、３５０ＭＰａ以上の回転曲げ疲労強度を有することを目標とした。
【００７２】
表３に、上記の各試験結果を整理して示す。
【００７３】
【表３】
表３から、本発明で規定する条件から外れた試験番号の場合には、焼入れ部における転動疲労寿命、母材における引張強さ、回転曲げ疲労強度及び衝撃値、のいずれかが目標値に達していないことが明らかである。
【００７５】
上記の比較例に対し、本発明で規定する条件を満たす試験番号の場合には、焼入れ部の転動疲労寿命は２．０×１０7 回以上で、且つ、母材部の引張強さ、回転曲げ疲労強度及び衝撃値もそれぞれ目標を満足する良好なものであることが明らかである。
【００７６】
【発明の効果】
本発明の鋼材は、その表面全体又は一部に高周波焼入れ処理を施すか、必要に応じて上記高周波焼入れの後に更に焼戻し処理を施せば、焼入れ部の転動疲労寿命が優れるとともに、母材部の引張強さ、回転曲げ疲労強度及び衝撃値にも優れるので、例えば自動車の部品であるハブユニットや等速ジョイントなどの素材として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａｌ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎ及びＢの含有量が異なる１０種の鋼のｆｎ１の値と転動疲労寿命（Ｌ10寿命）の関係を示す図である。
Claims (2)
- 質量％で、Ｃ：０．５〜０．７％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｓ：０．００２〜０．０５％、Ａｌ：０．０１〜０．０４％、Ｂ：０．０００５〜０．００３５％、Ｎ：０．００５〜０．０１２％、Ｃｒ：０〜１．５％及びＶ：０〜０．１０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＴｉが０．００３％以下、Ｏ（酸素）が０．００１５％以下及びＰが０．０２％以下で、更に、下記▲１▼式で表されるｆｎ１の値が−０．００５未満であることを特徴とする高周波焼入れ用非調質鋼。
ｆｎ１＝Ｎ（％）−（１４／４８）Ｔｉ（％）−（１４／２７）Ａｌ（％）−（１４／５１）Ｖ（％）・・・▲１▼ - 質量％で、Ｃ：０．５〜０．７％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｓ：０．００２〜０．０５％、Ａｌ：０．０１〜０．０４％、Ｂ：０．０００５〜０．００３５％、Ｎ：０．００５〜０．０１２％、Ｃｒ：０〜１．５％及びＶ：０〜０．１０％、並びに、Ｃａ：０．０００３〜０．００２０％及びＭｇ：０．０００３〜０．００２０％の１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＴｉが０．００３％以下、Ｏ（酸素）が０．００１５％以下及びＰが０．０２％以下で、更に、下記▲１▼式で表されるｆｎ１の値が−０．００５未満であることを特徴とする高周波焼入れ用非調質鋼。
ｆｎ１＝Ｎ（％）−（１４／４８）Ｔｉ（％）−（１４／２７）Ａｌ（％）−（１４／５１）Ｖ（％）・・・▲１▼
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