JP4170212B2 - 冷間加工性に優れる高周波焼入用鋼 - Google Patents

Description

本発明は、機械構造用部品、例えば等速ジョイントアウターレース、ハブユニット、その他の高周波焼入れを施して機械構造部品に用いられる冷間加工性および曲げ疲労強度並びに転がり疲労強度に優れた高強度高周波焼入用鋼の開発に関する。

例えば、等速ジョイントアウターレース、ハブユニット等の部品は、鋼材を熱間鍛造にて成形し、特に強度の必要な部分には高周波焼入れしている。このような用途には、ＪＩＳ−Ｓ４８Ｃ、ＪＩＳ−Ｓ５３Ｃ等の機械構造用炭素鋼からなる鋼材が主に用いられている。

しかし、近年の使用環境の過酷化、あるいは軽量化を目指した小型化のため、従来の部品における焼入れ硬化部は、一層の耐転がり強度、耐摩耗性、疲労強度が求められるだけでなく、非硬化部の疲労強度向上も求められるようになっている。また、これらの部品は鍛造後に冷間加工を施す部位も有り、冷間加工性の向上も強く求められている。

このような要求に対しては、鋼成分のＣ、Ｓｉ、Ｃｒの増量や、Ｍｏなどの添加により、部品の焼入れ硬化部に求められる特性を向上させるとともに、さらに非硬化部の硬さ上昇により、非硬化部の疲労強度を上昇させる対策が考えられる。しかしながら、これらの部品には鍛造後に冷間加工を受ける部位も有り、いたずらに非硬化部の硬さを上げることは、冷間加工時の割れ発生を誘発し、狙いの形状に加工することも困難となる。

例えば、冷間鍛造性、高周波焼入性および転動疲労特性に優れた機械構造用鋼として、Ｓ４８Ｃ鋼と同等あるいはそれ以上の冷間鍛造性、高周波焼入性を有し、より一層の転動疲労寿命向上を達成する機械構造用鋼が知られている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、これは炭素含有量が０．６０％超のものである。

さらに、鋼成分のＣを増量し、ＳｉやＭｎを低減し、さらにＢを添加して焼入性を確保することにより加工性を損なうことなく、高い転動疲労寿命や疲労強度の向上を図った高周波焼入用鋼が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

さらに、軸部品や軸受部品が冷間鍛造工程で製造可能であり、かつ優れた強度特性、特に転動疲労特性を得ることができる高周波焼入れ用鋼が開発されている（例えば、特許文献３参照。）。

さらに、非硬化部の疲労強度向上に対しては、疲労強度不足部に焼入れを行う対策も考えられるが、部品の製造工程数の増加につながり、製造コストが上昇するといった問題がある。したがって、非硬化部の冷間加工性を確保しながら、非硬化部の疲労強度上昇および硬化部の要求特性向上を同時に達成することが、これらの部品に使用される材料の課題となる。

特開平９−２１７１４４号公報 特開平９−２６８３４４号公報 特開平９−２８７０５４号公報 特開２００２−２２６９３８号公報 特開２００２−３３２５３５号公報

本発明は、熱間鍛造後の冷間加工性に優れ、非硬化部の疲労強度、硬化部の耐転がり強度、耐ピッチング強度、耐摩耗性、疲労強度等を向上させた鋼材を提供することを目的とする。

本発明では、ＳｉやＭｎを低減して熱間鍛造後の硬さを低減する特許文献２に記載の方法と異なり、熱間鍛造後のフェライト面積率と形状を制御することにより上記の課題を解決するものである。

すなわち、上記の課題を解決するための本願の発明の手段は、請求項１の発明では、質量％で、Ｃ：０．４０〜０．６０％、Ｓｉ：０．５〜０．９％、Ｍｎ：０．５〜１．００％、Ｃｒ：０．４％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｖ：０．０１〜０．１５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、熱間鍛造後のフェライトの面積率が１５％以上であり、そのうち長径／短径比が５以下のフェライトが３０％以上を占め、炭素当量式を下記の（１）式で表すとき、炭素当量式は下記の（２）式を満足することを特徴とする冷間加工性と硬化部の転がり疲労寿命と非硬化部での曲げ疲労強度に優れる高周波焼入用鋼である。
Ｃ_eq＝Ｃ％＋（１／７）Ｓｉ％＋（１／５）Ｍｎ％＋（１／９）Ｃｒ％−（５／７）Ｓ％＋Ｖ％ （１）
０．７５≦Ｃ_eq≦０．９０ （２）

本発明における鋼成分の限定理由を説明する。なお、％は質量％で示す。
Ｃ：０．４０〜０．６０％
Ｃは、焼入性を確保するための元素で、Ｃ量の下限は、高周波焼入れ後の確保するため０．４０％とする。しかし、Ｃ量が多量になると冷間加工性が劣化するのでＣ量の上限は０．６０％とする。

Ｓｉ：０．５〜０．９％
Ｓｉは、本発明において最も重要な役割を果たすもので、非硬化時は疲労強度、冷間加工性、被削性を向上させ、硬化時は、耐転がり強度、耐ピッチング強度、耐摩耗性、疲労強度の向上に寄与する。その効果は０．５％以上で効果があり、１．０％を超えると効果は飽和するが、被削性に関しては、０．７〜０．９％が最も優れる。そこで、Ｓｉ量は、０．５〜０．９％とする。

Ｍｎ：０．５〜１．０％
Ｍｎは高周波焼入性を確保するために必要な元素で、０．５％未満であると高周波焼入れの短時間加熱によるオーステナイト化が不十分となり、十分な焼入れ硬さが得られない。そこで、Ｍｎは０．５％以上が最低限必要となる。しかし、０．６％以上が望ましい。また、Ｍｎの増量は非硬化部の疲労強度を向上させるが、初析フェライトを減少させ、被削性を著しく低下させるため、１．０％を上限とする。

Ｃｒ：０．４％以下
Ｃｒは、無添加でも０．０５％〜０．３５％程度不可避的に含有されるものである。Ｃｒは必要に応じて添加すればよいが、０．４％を超えるとセメンタイト中に濃縮し、焼入れ前の加熱の際、炭素のマトリックスへの固溶を阻害する。したがって、高周波焼入れ性を阻害させないため、０．４％を上限とする。

Ｓ：０．０３５％以下
Ｓは被削性を向上させる元素で、添加量を増やすと被削性には有利であるが、非金属介在物であるＭｎＳを生成するため、耐転がり強度を低下する。したがって、耐転がり強度への影響が見られない０．０３５％を上限とする。

Ｖ：０．０１〜０．１５％
ＶはＳｉと並んで、本発明において重要な役割を果たし、非硬化部の疲労強度の向上と被削性の向上に寄与する元素である。Ｖ添加により、組織中の最弱部である初析フェライトがＶＣの析出硬化により強化され、疲労強度が向上する。Ｖ添加より生成するＶＮを核として初析フェライトが安定して球状に析出して被削性を大幅に向上させる。しかし、０．１５％を超えて含まれると、冷間加工性と被削性を劣化する。そこで、Ｖは０．０１〜０．１５％とする。

熱間鍛造後のフェライトの面積率が１５％以上
熱間鍛造後のフェライトの面積率が１５％未満であると、冷間加工時に割れが発生する。そこで、熱間鍛造後のフェライトの面積率が１５％以上とする。

長径／短径比５以下のフェライトが３０％以上
さらに、長径／短径比５以下であるフェライトが３０％未満であると、冷間加工時に割れが発生する。そこで、長径／短径比５以下であるフェライトが３０％以上とする。

０．７５≦Ｃ_eq≦０．９０
熱間鍛造の、温間鍛造の硬さは、炭素当量：Ｃ_eqで予測できる。鍛造後の硬さは高いほど疲労強度には有利であるが、冷間加工に対しては不利となる。本発明の範囲付近で、炭素当量と熱間鍛造硬さの関係を確認し、炭素当量を０．７５≦Ｃ_eq≦０．９０とすることで、疲労強度と冷間加工方法による加工性が両立できる硬さとなる。したがって、この炭素当量：Ｃ_eqの範囲の成分とすることで、冷間加工性と疲労強度が両立する鋼を確実に得ることができる。しかし、炭素当量：Ｃ_eqが０．９０を超えると、硬さが上昇し過ぎて冷間加工で変形しずらくなる。そこで０．７５≦Ｃ_eq≦０．９０とする。

本発明による鋼は、Ｓｉ増量とＶの添加で長径／短径比５以下のフェライトが３０％以上である組織のフェライト形状とし、フェライト面積率を１５％以上に向上させることで、熱間鍛造後の冷間加工時の割れを抑制し、非硬化部の疲労強度、硬化部の耐転がり強度、耐ピッチング強度、耐摩耗性、疲労強度も従来に比して優れた効果を奏する鋼である。

本発明を実施するための最良の形態について以下に実施例を通じて説明する。表１に本発明鋼、従来鋼および比較鋼の化学成分を示す。

表１の化学成分からなる供試鋼を１００ｋｇ真空溶解炉で溶製して鋼塊とした。なお、発明鋼のＮｏ．２及びＮｏ．７はＣｒ添加材、その他はＣｒ無添加材である。これらの鋼塊を熱間鍛造によりφ３０ｍｍおよびφ２０ｍｍの棒材に加工して放冷した。この熱間鍛造により得られた棒材から下記の試験を実施した。

（１）冷間加工性（据え込み試験）
φ２０ｍｍの熱間鍛造材からφ１４ｍｍ×２１ｍｍの試験片を切り出し、冷間にて据え込み試験を実施し、割れの発生するまでの最終据え込み率を測定した。

（２）被削性（ドリル寿命試験）
φ３０ｍｍの熱間鍛造材をフライス盤にて２４×１８×３００ｍｍの角材に加工し、ドリル穿孔試験を行い、ドリル寿命に到るまでの穿孔数で被削性を評価した。試験条件は、ドリル径：φ５ｍｍ、ドリル材質：ＳＫＨ５１、切削速度：２０ｍ／ｍｉｎ、送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切削油：なし（乾式）、穿孔深度：１５ｍｍ、評価方法：穿孔不能までの孔数である。

（３）疲労強度（回転曲げ疲労試験）
φ２０ｍｍ×２２ｍｍの試験片を旋削にて試験部φ８ｍｍの回転曲げ疲労試験片に加工し、回転曲げ疲労試験を行い疲労強度で評価した。

（４）転がり寿命試験（ラジアル荷重）
φ２０ｍｍの鍛造材よりφ２０ｍｍ×２２ｍｍの試験片を切削により加工し、高周波焼入れ焼戻し後、表面検索して転がり寿命試験を、ＰＭＡＸ＝５８８０ＭＰａ、荷重：ラジアル方向、温度：室温の条件で行い、Ｌ₁₀寿命により評価した。

以上の試験の結果である、フェライト面積率と長径／短径比が５以下のフェライトの割合、据え込み試験による最終据え込み率、ドリル穿孔数、回転曲げ疲労試験による疲労強度およびラジアル方向の荷重における転がり寿命の各結果を表２に示す。

上記の表２における本発明の目標値は、（１）最終据え込み率：５７％以上（ＪＩＳ−Ｓ４８Ｃ以上）、（２）ドリル穿孔数：８０以上（ＪＩＳ−Ｓ４８Ｃ以上）、（３）回転曲げ疲労強度：２７０ＭＰａ以上（ＪＩＳ−Ｓ５３Ｃ以上）、（４）転がり疲労寿命のＬ₁₀寿命：３．０×１０⁷以上（ＪＩＳ−Ｓ５３Ｃ以上）である。

以上、表２に示されるとおり、発明鋼は最終据え込み率、ドリル穿孔数、疲労強度、Ｌ₁₀寿命ともに目標値を全て満足しているが、従来鋼、比較鋼ともに最終据え込み率、ドリル穿孔数、疲労強度、Ｌ₁₀寿命のいずれかで目標値を満足できなかった。

Claims (1)

1. 質量％で、Ｃ：０．４０〜０．６０％、Ｓｉ：０．５〜０．９％、Ｍｎ：０．５〜１．００％、Ｃｒ：０．４％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｖ：０．０１〜０．１５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、熱間鍛造後のフェライトの面積率が１５％以上であり、そのうち長径／短径比が５以下のフェライトが３０％以上を占め、炭素当量式を（１）式で表すとき、炭素当量式は（２）式を満足することを特徴とする冷間加工性と硬化部の転がり疲労寿命と非硬化部での曲げ疲労強度に優れる高周波焼入用鋼。
   Ｃ_eq＝Ｃ％＋（１／７）Ｓｉ％＋（１／５）Ｍｎ％＋（１／９）Ｃｒ％−（５／７）Ｓ％＋Ｖ％ （１）
   ０．７５≦Ｃ_eq≦０．９０ （２）