JP3927355B2 - 高強度高靭性肌焼き鋼 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車や産業機械等において耐衝撃特性と高い疲労強度が要求される部品、特に歯車等に好適な高強度高靭性の肌焼き鋼に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車の高出力化および軽量化に伴い、構造用部品の高強度化が要望されている。歯車部品等においてはJISに規定されている、SCr鋼、SCM鋼、SNCM鋼等を素材とし、熱間鍛造や冷間鍛造、機械加工後に浸炭処理を施して用いるのが通例である。しかし、浸炭焼入れを施した部品は表面硬さが大幅に向上するため靭性が著しく低下し、従来の材料では耐衝撃性が不十分であるという問題があった。このような問題に対して特開平6−100974号公報が提案されているが歯元曲げ疲労強度(高サイクル疲労強度)に対しては不明である。また、特開平9−53149号公報では鋼材のジョミニ値および浸炭時の冷却速度を調整する方法が提案されているが、本公報においても衝撃特性と105回以上高サイクル疲労の両立については述べられていない。すなわち従来は衝撃特性と高サイクル疲労を両立させることが難しい問題があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような事情に着目してなされたものであって、その目的は浸炭処理された歯車部品等の構造用部品の耐衝撃特性と高サイクル疲労が両立する高強度高靭性の肌焼き鋼を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記の課題を解決するために肌焼き鋼の化学成分および浸炭処理後の特性について鋭意研究した結果、鋼材に適量のCuを添加することにより、衝撃特性と高サイクル疲労強度がともに大幅に向上することを見出した。
【0005】
すなわち、本発明は、質量%で、C:0.01%〜0.25%、Si:0.01%〜0.16%、Mn:0.25%〜2.0%、Cu:1.11%〜2.0%、Cr:0.3%〜3.0%、を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐衝撃特性と高サイクル疲労強度を有する高強度高靭性肌焼き鋼であり、更に必要に応じて、Ni:0.5〜5.0%、Mo:0.05〜1.5%の内の1種以上を含有し、更に必要に応じて、V:0.05〜0.5%、Nb:0.005〜0.5%、Ti:0.005〜0.5%の内の1種以上を含有し、更に必要に応じて、Te:0.05%以下、Zr:0.05%以下、Mg:0.05%以下(何れも0を含まない)の内の1種以上を含有することを特徴とする耐衝撃特性と高サイクル疲労強度を有する高強度高靭性肌焼き鋼である。
【0006】
【発明の実施の形態】
本発明者らは前述のような従来技術の問題点に着目し、対衝撃性と高サイクル疲労の両立する歯車やシャフト部品等の機械部品として優れた性能を有する肌焼き鋼の開発に対して鋭意研究を行った結果、適量のCuを添加することにより、衝撃特性と高サイクル疲労特性が両立する優れた特性が得られることを見出した。
【0007】
特開平9−53149号公報ではCuの添加も可能としているが、上述した効果にではなく、添加目的が耐食性であり本発明の目的とは根本的に異なっており、実施例における最大添加量は0.42%である。
【0008】
次に以下に本発明で使用する鋼材化学成分を規定した詳細を説明する。
【0009】
C:0.01%〜0.25%
通常、鋼の強度を得る上でCは必要である。そのため、下限を0.01%とした。しかし、C量を高くすると衝撃特性が低下するため0.25%を上限とした。
【0010】
Si:0.01%〜0.16%
Siは溶製時の脱酸剤として有用な元素であり、耐ピッチング性の向上に効果がある。その効果を得るために0.01%以上とした。しかし、0.16%を超えると浸炭時に粒界酸化により衝撃特性、高サイクル疲労特性を低下させるため、0.16%を上限とした。
【0011】
Mn:0.25%〜2.0%
Mnは溶製時の脱酸剤として有用な元素であり、浸炭時の焼入れ性を確保するの必要な元素である。その効果を得るには0.25%以上必要である。しかし、多すぎると加工性を劣化させるため上限を2.0%以下とした。
【0012】
Cu:1.11%〜2.0%
Cuは本発明で最も重要な元素であり、靭性および高サイクル疲労の向上を得るためには1.11%以上が必要である。しかし、2.0%を超えて添加しても更なる効果が得られず、鋼の熱間延性を低下させるため、2.0%を上限とした。
【0013】
Cr:0.3%〜3.0%
Crは鋼の焼入れ性を確保する上で重要な元素であり、歯車の面疲労現象である耐ピッチング性の向上にも効果がある。それらの効果を得るためには0.3%以上の添加が必要である。しかし、3%を超えて添加しても効果が飽和し鋼材の加工性も劣化させるため上限とした。
【0014】
Ni:0.5%〜5.0%
Niは鋼の焼入れ性の向上は衝撃靭性の向上に効果があり、更にCuによる熱間脆性を抑制する効果がある。それらの効果を得るためには0.5%以上が必要であり、5.0%を超えて添加しても加工性を低下させるため、上限とした。
【0015】
Mo:0.05%〜1.5%
Moは鋼の焼入れ性の向上は衝撃靭性の向上に効果があり、それらの効果を得るためには0.05%以上が必要であり、1.5%を超えて添加しても加工性を低下させるため、上限とした。
【0016】
V:0.05〜0.5%
Vは結晶粒を微細化し、衝撃靭性の向上や高サイクル疲労強度の向上に効果がある。それらの効果を得るためには0.05%以上が必要であり、0.5%を超えても効果が飽和し加工性を劣化させるなどの問題が生じるため0.5%以下とした。
【0017】
Nb:0.005〜0.5%
Nbは結晶粒を微細化し、衝撃靭性の向上や高サイクル疲労強度の向上に効果がある。それらの効果を得るためには0.005%以上が必要であり、0.5%を超えても効果が飽和し加工性を劣化させるなどの問題が生じるため0.5%以下とした。
【0018】
Ti:0.005〜0.5%
Ti:は結晶粒を微細化し、衝撃靭性の向上や高サイクル疲労強度の向上に効果がある。それらの効果を得るためには0.005%以上が必要であり、0.5%を超えても効果が飽和し加工性を劣化させるなどの問題が生じるため0.5%以下とした。
【0020】
Te:0.05%以下(0は含まない)
TeはMnSを微細化するとともに球状化することにより熱間圧延や熱間鍛造時のMnSの延伸を抑制する効果がある。延伸したMnSは衝撃値の低下するため、Zrの添加は衝撃値の向上に効果がある。しかし、0.05%を超えても効果が飽和するため上限とした。
【0021】
Zr:0.05%以下(0は含まない)
ZrはMnSを微細化するとともに球状化することにより熱間圧延や熱間鍛造時のMnSの延伸を抑制する効果がある。延伸したMnSは衝撃値の低下するため、Zrの添加は衝撃値の向上に効果がある。しかし、0.05%を超えても効果が飽和するため上限とした。
【0022】
Mg:0.05%以下(0は含まない)
ZrはMnSを微細化するとともに球状化することにより熱間圧延や熱間鍛造時のMnSの延伸を抑制する効果がある。延伸したMnSは衝撃値の低下するため、Zrの添加は衝撃値の向上に効果がある。しかし、0.05%を超えてもコスト高とるため上限とした。
【0023】
なお、本発明に係る肌焼き鋼に浸炭(もしくは浸炭浸窒)を施すときの具体的な方法や条件には一切制限がなく、従来から知られているガス浸炭(または浸炭浸窒)法、固体浸炭(または浸炭浸窒)法、液体浸炭(または浸炭浸窒)法、プラズマ浸炭(または浸炭浸窒)法、真空浸炭(または浸炭浸窒)法などを全て採用することができる。
【0024】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を説明する。表1に示す化学成分の組成を150kg真空溶解炉で溶製後、熱間圧延により直径30φの丸棒を製造した。この丸棒を925℃に加熱し空冷し焼きならし処理を行った。この材料を素材とし、図1に示す半円弧(R=2)の切欠3を有するシャルピー衝撃試験片、図2に示す半円弧(R=1.14)の切欠4を有する小野式回転曲げ試験片、図3に示す試験部laが26mmのローラーピッチング試験用の小ローラー試験片1を機械加工により作成した。また、ローラーピッチング試験に用いる負荷ローラー2は同様に150kg真空溶解、熱間圧延により70φの棒鋼を製造し、その後、所定の長さに切り出し、軸方向に熱間鍛造を行うことにより150φ×30mmの粗形材とした。その後925℃に加熱し焼きならし処理を行い、図3に示す直径が130mmで接触部となる幅lbが18mmでクラウニングが150mmに機械加工を行い負荷ローラー2を作成した。
【0025】
浸炭処理は図4に示すように930℃で4時間の処理を行い、100℃の油焼入れを行った後に180℃で2時間の焼戻し処理を行った。
【0026】
シャルピー衝撃試験は室温で行い衝撃値を評価した。小野式回転曲げ疲労試験は3000rpmで1×107回を疲労限度として測定した。ローラーピッチング試験方法は図3に示すように試験片1の試験部laに負荷ローラー2を荷重を付与した状態で接触させ、試験部laが破損するまでの繰り返し数を評価し1×107回を拾う限度とした。試験条件は下記のように行った。
試験面圧:2077〜3528MPa(3528MPaは試験機の最大負荷であり、その面圧で破損しなかった場合は疲労強度を>3528MPaとした
滑り率:−40%
潤滑油:ギヤオイル(−80℃)
回転数:1000rpm
【0027】
【表1】
【0028】
以上の結果を一括して表2に示した。
【0029】
本発明鋼1〜17は衝撃値、小野式回転曲げ疲労強度、ローラーピッチング試験によるピッチングの何れにおいても優れ、衝撃特性と高サイクル疲労強度の両立が図ることができることができた。
【0030】
それに対して比較鋼18はC量が高いために衝撃値が劣化し、比較例19はCu添加量が不足し、衝撃値、小野式回転曲げ疲労、ローラーピッチング疲労強度の何れも低下した。比較例20においても高い衝撃値、小野式回転曲げ疲労、ローラーピッチング疲労強度が得られているが、熱間圧延や熱間鍛造時に割れが発生し、生産性が劣化した。比較例21はSi添加量が高く、衝撃値と小野式回転曲げ疲労強度が低下した。比較例22はJIS−SCM420鋼である。本発明鋼は何れにおいても優れた特性を示した。
【0031】
【表2】
【0032】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の肌焼き鋼は衝撃特性と高サイクルの疲労強度の両立を図る優れた特性を得られ、高サイクル疲労が求められる歯車部品から衝撃特性が求められる歯車部品まで幅広い範囲での適用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例で用いたシャルピー衝撃試験片を示す図である。
【図2】実施例で用いた小野式回転曲げ疲労試験片を示す図である。
【図3】実施例で用いたローラーピッチング試験を示す図である。
【図4】実施例で施した浸炭焼入れのヒートパターンを示す図である。
【符号の説明】
1 試験片
2 負荷ローラー
3 切欠
4 切欠
la 試験部
lb 幅
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.01%〜0.25%、
Si:0.01%〜0.16%、
Mn:0.25%〜2.0%
Cu:1.11%〜2.0%
Cr:0.3%〜3.0%
を含有し、残部がFeおよび不可避的な不純物元素からなることを特徴とする耐衝撃特性と高サイクル疲労強度を有する高強度高靭性肌焼き鋼。 - 質量%で、
C:0.01%〜0.25%、
Si:0.01%〜0.16%、
Mn:0.25%〜2.0%、
Cu:1.11%〜2.0%、
Cr:0.3%〜3.0%
を含有し、更に
Ni:0.5〜5.0%、
Mo:0.05〜1.5%
の内の1種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的な不純物元素からなることを特徴とする耐衝撃特性と高サイクル疲労強度を有する高強度高靭性肌焼き鋼。 - 質量%で、更に、
V:0.05〜0.5%、
Nb:0.005〜0.5%、
Ti:0.005〜0.5%
の内の1種以上を含有することを特徴とする請求項1または2記載の耐衝撃特性と高サイクル疲労強度を有する高強度高靭性肌焼き鋼。 - 質量%で、更に、
Te:0.05%以下(0は含まない)、
Zr:0.05%以下(0は含まない)、
Mg:0.05%以下(0は含まない)
の内の1種以上を含有することを特徴とする請求項1、2または3記載の耐衝撃特性と高サイクル疲労強度を有する高強度高靭性肌焼き鋼。
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