JP4196766B2 - 耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に高周波焼入れによる硬化層をそなえる、自動車ドライブシャフトおよび等速ジョイント、さらにはハブ軸受、クランクシャフトなどに適用して好適な、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材ならびにその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来，自動車用ドライブシャフトや等速ジョイントなどの機械構造用部材は、熱間圧延棒鋼に、熱間鍛造、さらには切削、冷間鍛造などを施して所定の形状に加工したのち、高周波焼入れ−焼戻しを行うことにより、機械構造用部材としての重要な特性であるねじり疲労強度を確保しているのが一般的である。
他方、近年、環境問題から自動車用部材に対する軽量化への要求が強く、この観点から自動車用部材のねじり疲労強度の一層の向上が要求されている。
【０００３】
ねじり疲労強度を向上させるためには、例えば高周波焼入れによる焼入れ深さを増加させることが考えられる。しかしながら、焼入れ深さを増加してもある深さで疲労強度は飽和する。
また、ねじり疲労強度の向上には、粒界強度の向上も有効であり、この観点から、TiＣを分散させることによって旧オーステナイト粒径を微細化する技術が提案されている（例えば特許文献１参照のこと）。
【０００４】
上記の特許文献１に記載された技術では、高周波焼入れ加熱時に微細なTiＣを多量に分散させることで、旧オーステナイト粒径の微細化を図るものであるため、焼入れ前にTiＣを溶体化しておく必要があり、熱間圧延工程で1100℃以上に加熱する工程を採用している。そのため、熱延時に加熱温度を高くする必要があり、生産性に劣るという問題があった。
また、上記の特許文献１に開示された技術をもってしても、近年のねじり疲労強度に対する要求には十分に応えられないところにも問題を残していた。
【０００５】
さらに、特許文献２には、硬化層深さＣＤと高周波焼入れ軸物部品の半径Ｒとの比（ＣＤ／Ｒ）を 0.3〜0.7 に制限した上で、このＣＤ／Ｒと高周波焼入れ後の表面から１mmまでのオーステナイト結晶粒径γｆ、高周波焼入れままの（ＣＤ／Ｒ）＝0.1 までの平均ビッカース硬さＨｆおよび高周波焼入れ後の軸中心部の平均ビッカース硬さＨｃで規定される値Ａを、Ｃ量に応じて所定の範囲に制御することによってねじり疲労強度を向上させた機械構造用軸物部品が提案されている。
しかしながら、この部品では、焼入れ硬化層の全厚にわたる旧オーステナイト粒径に考慮が払われていないため、やはり近年のねじり疲労強度に対する要求には十分に応えることができない。
【０００６】
ところで、発明者らは先に、上記の問題を解決するものとして、鋼の化学組成、組織、焼入れ条件および焼入れ後の硬化層全厚にわたる旧オーステナイト粒径を最適化することにより、優れたねじり疲労強度が得られる鋼材を開発し、特許文献３として提案した。
この特許文献３は、以下に述べるような新規知見に基づいて開発されたものである。
【０００７】
(1) 適正な化学組成に調整した鋼に、焼入れを施し、焼入れ硬化層全厚にわたる旧オーステナイト粒径を12μm 以下とすることで、ねじり疲労強度が顕著に向上する。具体的には、化学組成に関しては、特にSiおよびMoを適正な範囲で添加することで、高周波焼入れ加熱時におけるオーステナイトの核生成サイト数が増加し、またオーステナイト粒の成長が抑制されることにより、焼入れ硬化層の粒径が効果的に微細化し、その結果ねじり疲労強度が顕著に向上する。特に、Siを0.30mass％以上添加することにより、高周波焼入れ後に硬化層全厚にわたり粒径：12μm 以下の硬化層が得られる。
【０００８】
(2) 母材の組織、すなわち焼入れ前の組織を、ベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織が特定の分率で含有された組織にすると、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織がフェライト−パーライト組織に比べて炭化物が微細に分散した組織であるため、焼入れ加熱時にオーステナイトの核生成サイトであるフェライト／炭化物の界面の面積が増えて、生成したオーステナイトが微細化する。その結果、焼入れ硬化層の粒径が微細となり、これにより粒界強度が向上し、ねじり疲労強度が増加する。
【０００９】
(3) 上記したように、化学組成および組織を調整した鋼材を使用し、高周波焼入れ条件（加熱温度、時間、焼入れ回数）を適正に制御することで、硬化層粒径が顕著に微細化し、粒界強度が向上する。具体的には、加熱温度：800 〜1000℃、加熱時間：５秒以下とすることにより、硬化層全厚にわたり粒径：12μm 以下の微細粒を安定して得ることができる。さらに、上記条件での焼入れ処理を２回以上繰り返すことにより、１回の焼入れに比べてさらに微細な硬化層粒径が得られる。
【００１０】
【特許文献１】
特開2000−154819号公報（特許請求の範囲、段落〔０００８〕）
【特許文献２】
特開平８−53714 号公報（特許請求の範囲）
【特許文献３】
特願2003−9349号明細書（特許請求の範囲）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記特許文献３の技術をさらに改良したもので、優れたねじり疲労強度に加え、良好な耐遅れ破壊特性を兼備させた鋼材を、その有利な製造方法と共に提案することを目的とする。
【００１２】
ここで、耐遅れ破壊特性とは、応力が存在する状態で鋼製品が使用される場合に、鋼中の水素または使用環境から侵入した水素が拡散し、粒界などの応力集中部に集積して粒界結合力を弱め、時間の経過につれて粒界破壊を起こす現象に対する抵抗性のことである。したがって、大気中、とくに腐食が進行するような環境で用いられ、さらに応力負荷される部材、すなわちドライブシャフトや等速ジョイント等の製品に耐遅れ破壊特性が必要である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
【００１５】
１．Ｃ：０．３５〜０．７ ｍａｓｓ％、
Ｓｉ：０．３０〜１．１ ｍａｓｓ％、
Ｍｎ：０．２ 〜２．０ ｍａｓｓ％、
Ａｌ：０．００５ 〜０．２５ｍａｓｓ％、
Ｍｏ：０．０５〜０．６ ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００３〜０．００６ ｍａｓｓ％、
Ｓ：０．０６ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０２ ｍａｓｓ ％以下および
Ｃｒ：０．２ ｍａｓｓ％以下
を含み、かつ
Ｔｉ：０．０６〜０．１０ｍａｓｓ％および
Ｖ：０．２５〜０．５０ｍａｓｓ％
のうちから選んだ１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の組成になり、母材組織が、ベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率が１０％以上であり、さらに高周波焼入れ後の硬化層の旧オーステナイト粒径が硬化層全厚にわたり５μｍ 以下であることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材。
【００１６】
２．上記１において、高周波焼入れ後の硬化層厚みが２ｍｍ以上であることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材。
【００１７】
３．上記１または２において、前記鋼材が、さらに
Ｃｕ：１．０ ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：３．５ ｍａｓｓ％以下、
Ｃｏ：１．０ ｍａｓｓ％以下および
Ｎｂ：０．１ ｍａｓｓ％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材。
【００２０】
４．Ｃ：０．３５〜０．７ ｍａｓｓ％、
Ｓｉ：０．３０〜１．１ ｍａｓｓ％、
Ｍｎ：０．２ 〜２．０ ｍａｓｓ％、
Ａｌ：０．００５ 〜０．２５ｍａｓｓ％、
Ｍｏ：０．０５〜０．６ ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００３〜０．００６ ｍａｓｓ％、
Ｓ：０．０６ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０２ｍａｓｓ％以下および
Ｃｒ：０．２ ｍａｓｓ％以下
を含み、かつ
Ｔｉ：０．０６〜０．１０ｍａｓｓ％および
Ｖ：０．２５〜０．５０ｍａｓｓ％
のうちから選んだ１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の組成になる鋼素材を、熱間加工後、０．２ ℃／ｓ以上の速度で冷却したのち、焼入れ時の加熱温度：８００ 〜１０００℃の条件下で高周波焼入れを行うことを特徴とする、耐耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
【００２１】
５．上記４において、前記鋼素材が、さらに
Ｃｕ：１．０ ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：３．５ ｍａｓｓ％以下、
Ｃｏ：１．０ ｍａｓｓ％以下および
Ｎｂ：０．１ ｍａｓｓ％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
【００２２】
６． 上記４または５において、前記冷却後に、高周波焼入れを複数回繰り返し、最終の高周波焼入れ時の加熱温度を ８００〜１０００℃とすることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
【００２３】
７． 上記６において、前記複数回の高周波焼入れの全てについて、高周波焼入れ時の加熱温度を ８００〜１０００℃とすることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
【００２４】
８． 上記４〜７のいずれかにおいて、前記加熱温度範囲での加熱時間を、１回の高周波焼入れ当たり５秒以下とすることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
【００２５】
９． 上記４〜８のいずれかにおいて、高周波焼入れによる鋼材表面の硬化層厚みが２ｍｍ以上であることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明において、鋼材および鋼素材の成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。
Ｃ：0.35〜0.7 mass％
Ｃは、焼入れ性への影響が最も大きい元素であり、焼入れ硬化層の硬さおよび深さを高めてねじり強度の向上に有効に寄与する。しかしながら、含有量が0.35mass％に満たないと、必要とされるねじり強度を確保するためには焼入れ硬化深さを飛躍的に高めねばならず、その際焼割れの発生が顕著となり、またベイナイト組織も生成し難くなるため、0.35mass％以上を添加する。一方、0.7 mass％を超えて含有させると粒界強度が低下し、それに伴いねじり疲労強度が低下し、また切削性、冷間鍛造性および耐焼き割れ性も低下する。このためＣは、0.35〜0.7 mass％の範囲に限定した。好ましくは 0.4〜0.6 mass％の範囲である。
【００２７】
Si：0.30〜1.1 mass％
Siは、焼入れ加熱時にオーステナイトの核生成サイト数を増加させると共に、オーステナイトの粒成長を抑制し、焼入れ硬化層の粒径を微細化する作用を有する。また、炭化物生成を抑制し、炭化物による粒界強度の低下を抑制する。さらに、ベイナイト組織の生成にも有用な元素であり、これらのことによりねじり疲労強度を向上させる。
このように、Siは、本発明において非常に重要な元素であり、0.30mass％以上の含有を必須とする。というのは、Si量が0.30mass％に満たないと、製造条件および焼入れ条件をいかように調整しても硬化層全厚にわたって粒径が12μm 以下の微細粒とすることができないからである。しかしながら、Si量が 1.1mass％を超えると、フェライトの固溶硬化により硬さが上昇し、切削性および冷間鍛造性の低下を招く。従って、Siは、0.30〜1.1 mass％の範囲に限定した。好ましくは0.40〜1.0 mass％の範囲である。
【００２８】
Mn：0.2 〜2.0 mass％
Mnは、焼入れ性を向上させ、焼入れ時の硬化深さを確保する上で不可欠の成分であるため、積極的に添加するが、含有量が 0.2mass％未満ではその添加効果に乏しいので、0.2 mass％以上とした。好ましくは0.3 mass％以上である。一方、2.0mass％を超えると焼入れ後の残留オーステナイトが増加し、かえって表面硬度が低下し、ひいてはねじり疲労強度の低下を招くので、Mnは2.0 mass％以下とした。なお、Mnは含有量が多いと、母材の硬質化を招き、被削性に不利となるきらいがあるので、1.2 mass％以下とするのが好適である。さらに好ましくは1.0 mass％以下である。
【００２９】
Al：0.005 〜0.25mass％
Alは、脱酸に有効な元素である。また、焼入れ加熱時におけるオーステナイト粒成長を抑制することによって焼入れ硬化層の粒径を微細化する上でも有用な元素である。しかしながら、含有量が 0.005mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方0.25mass％を超えて含有させてもその効果は飽和し、むしろ成分コストの上昇を招く不利が生じるので、Alは 0.005〜0.25mass％の範囲に限定した。好ましくは0.05〜0.10mass％の範囲である。
【００３０】
Mo：0.05〜0.6 mass％
Moは、ベイナイト組織の生成を促進することにより、焼入れ加熱時のオーステナイト粒径を微細化し、焼入れ硬化層の粒径を細粒化する作用がある。また、焼入れ加熱時におけるオーステナイトの粒成長を抑制することにより、焼入れ硬化層の粒径を微細化する作用がある。さらに、焼入れ性の向上に有用な元素であるため、焼入れ性を調整するために用いられる。加えて、Moは、炭化物の生成を抑制し、炭化物による粒界強度の低下を有効に阻止する元素でもある。
このように、Moは、本発明において非常に重要な元素であり、含有量が0.05mass％に満たないと、製造条件や焼入れ条件をいかように調整しても硬化層全厚にわたって粒径が12μm 以下の微細粒とすることができない。しかしながら、 0.6mass％を超えて含有させると、圧延材の硬さが著しく上昇し、加工性の低下を招く。従って、Moは0.05〜0.6 mass％の範囲に限定した。好ましくは 0.1〜0.6 mass％の範囲である。
【００３１】
Ｂ：0.0003〜0.006 mass％
Ｂは、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織の生成を促進する効果を有する。またＢは、微量の添加によって焼入れ性を向上させ、焼入れ時の焼入れ深さを高めることによりねじり強度を向上させる効果もある。さらにＢは、粒界に優先的に偏析して、粒界に偏析するＰの濃度を低減し、粒界強度を向上させ、もってねじり疲労強度を向上させる作用もある。
このため、本発明では、Ｂを積極的に添加するが、含有量が0.0003mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 0.006mass％を超えて含有させるとその効果は飽和し、むしろ成分コストの上昇を招くため、Ｂは0.0003〜0.006 mass％の範囲に限定した。好ましくは0.0005〜0.004 mass％の範囲である。
【００３２】
Ｓ：0.06mass％以下
Ｓは、鋼中でMnＳを形成し、切削性を向上させる有用元素であるが、0.06mass％を超えて含有させると粒界に偏析して粒界強度を低下させるため、Ｓは0.06mass％以下に制限した。好ましくは0.04mass％以下である。
【００３３】
Ｐ：0.020 mass％以下
Ｐは、オーステナイトの粒界に偏析し、粒界強度を低下させることにより、ねじり疲労強度を低下させる。また、焼割れを助長する弊害もある。従って、Ｐの含有は極力低減することが望ましいが、0.020 mass％までは許容される。
【００３４】
Cr：0.2 mass％以下
Crは、炭化物を安定化させて残留炭化物の生成を助長し、粒界強度を低下させてねじり疲労強度を劣化させる。従って、Crの含有は極力低減することが望ましいが、0.2 mass％までは許容できる。好ましくは0.05mass％以下である。
【００３５】
本発明では、その他に、耐遅れ破壊特性を改善する成分として、TiおよびＶのうちから選んだ１種または２種を含有させる。すなわち、遅れ破壊は、鋼中または環境から侵入した水素が拡散し、応力集中部に集積して粒界強度が低下することにより生じる。従って、鋼中の水素の拡散を抑制することは、耐遅れ破壊特性の向上に極めて有効である。そして、TiやＶの炭窒化物は、この水素のトラップサイトになり得るため、TiおよびＶのいずれか１種または２種を添加する。
【００３６】
Ti：0.06〜0.10mass％
Tiは、炭窒化物を形成することによって、鋼中水素の拡散を抑制するのに有効な成分であり、そのためには、0.06mass％以上の添加が必要である。しかし、過剰に添加すると、炭窒化物が粗大になり、耐遅れ破壊特性に与える効果も小さくなるため、0.10mass％を上限とする。
【００３７】
Ｖ：0.25〜0.50mass％
Ｖは、炭窒化物を形成することによって、鋼中水素の拡散を抑制するのに有効な成分であり、そのためには、0.25mass％以上の添加が必要である。しかし、過剰に添加すると、炭窒化物が粗大になり、耐遅れ破壊特性に与える効果も小さくなるため、0.50mass％を上限とする。
【００３８】
以上、基本成分について説明したが、本発明ではその他にも、以下に述べる元素を適宜含有させることができる。
Cu：1.0 mass％以下
Cuは、焼入れ性の向上に有効であり、またフェライト中に固溶し、この固溶強化によって、ねじり疲労強度を向上させる。また炭化物の生成を抑制することにより、炭化物による粒界強度の低下を抑制し、ねじり疲労強度を向上させる。しかしながら、含有量が 1.0mass％を超えると熱間加工時に割れが発生するため、1.0 mass％以下の添加とする。なお好ましくは0.5 mass％以下である。
【００３９】
Ni：3.5 mass％以下
Niは、焼入れ性を向上させる元素であるので、焼入れ性を調整する場合に用いる。また、炭化物の生成を抑制し、炭化物による粒界強度の低下を抑制して、ねじり疲労強度を向上させる元素でもある。しかしながら、Niは極めて高価な元素であり、3.5 mass％を超えて添加すると鋼材のコストが上昇するので、3.5 mass％以下の添加とする。なお、0.05mass％未満の添加では焼入れ性の向上効果および粒界強度の低下抑制効果が小さいので、0.05mass％以上含有させることが望ましい。好ましくは 0.1〜1.0 mass％である。
【００４０】
Co：1.0 mass％以下
Coは、炭化物の生成を抑制して、炭化物による粒界強度の低下を抑制し、ねじり強度およびねじり疲労強度を向上させる元素である。しかしながら、Coは極めて高価な元素であり、1.0 mass％を超えて添加すると鋼材のコストが上昇するので、1.0 mass％以下の添加とする。なお、0.01mass％未満の添加では、粒界強度の低下抑制効果が小さいので、0.01mass％以上添加することが望ましい。好ましくは0.02〜0.5 mass％である。
【００４１】
Nb：0.1 mass％以下
Nbは、焼入れ性の向上効果があるだけでなく、鋼中でＣ, Ｎと結合し析出強化元素として作用する。また、焼もどし軟化抵抗性を向上させる元素でもあり、これらの効果によってねじり疲労強度を向上させる。しかしながら、0.1 mass％を超えて含有させてもその効果は飽和するので、0.1 mass％を上限とする。なお、0.005 ％未満の添加では、析出強化作用および焼もどし軟化抵抗性の向上効果が小さいため、0.005 mass％以上添加することが望ましい。好ましくは0.01〜0.05mass％である。
【００４２】
Mg≦0.02mass％、Hf≦0.1 mass％
MgおよびHfはいずれも、脱酸元素であるだけでなく、応力集中源となって耐遅れ破壊特性を改善する効果があるので、必要に応じて添加することができる。しかしながら、過剰に添加すると効果が飽和する上、成分コストが上昇するため、それぞれ上記の範囲で含有させるものとした。より好ましくは、Mg≦0.01％、Hf≦0.05％の範囲である。
【００４３】
以上、好適成分組成範囲について説明したが、本発明では、成分組成を上記の範囲に限定するだけでは不十分で、母材組織の調整も重要である。
すなわち、本発明においては、母材の組織、すなわち焼入れ前の組織（高周波焼入れ後の硬化層以外の組織に相当）が、ベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率を体積分率（ vol％）で10％以上とする必要がある。この理由は、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織は、フェライト−パーライト組織に比べて炭化物が微細に分散した組織であるため、焼入れ加熱時にオーステナイトの核生成サイトである、フェライト／炭化物界面の面積が増加し、生成したオーステナイトが微細化するため、焼入れ硬化層の粒径を微細化するのに有効に寄与するからである。そして、焼入れ硬化層の粒径の微細化により、粒界強度が上昇し、ねじり疲労強度が向上する。
ここに、ベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率は20 vol％以上とすることがより好ましい。
【００４４】
なお、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織以外の残部組織は、フェライト、パーライト等いずれでもよく、特に規定しない。
また、焼入れ後の硬化層の粒径の微細化に関しては、マルテンサイト組織もベイナイト組織と同程度の効果を有するが、工業的な観点からは、マルテンサイト組織に比べてベイナイト組織の方がより合金元素の添加量が少なくて済み、また低冷却速度で生成させることが可能であるため、製造上有利となる。
【００４５】
また、本発明では、高周波焼入れ後の硬化層の旧オーステナイト粒径の調整も重要である。すなわち、高周波焼入れ後の硬化層に関し、その全厚にわたって旧オーステナイト粒径を５μm 以下とする必要がある。というのは、焼入れ硬化層の全厚にわたる粒径が５μm を超えると、遅れ破壊に対する十分な抵抗が得られず、満足いくほどの耐遅れ破壊特性の向上が望めないからである。なお、好ましくは３μm 以下である。
【００４６】
ここに、焼入れ硬化層の全厚にわたる旧オーステナイト粒径の測定は、次のようにして行う。
高周波焼入れ後の本発明の鋼材では、高周波焼入れした部分の鋼材最表面は面積率で100 ％のマルテンサイト組織を有する。そして、表面から内部にいくに従い、ある深さまでは100 ％マルテンサイト組織の領域が続くが、ある深さから急激にマルテンサイト組織の面積率が減少する。
本発明では、高周波焼入れした部分について、鋼材表面から、マルテンサイト組織の面積率が98％に減少するまでの深さ領域を硬化層と定義する。
そして、この硬化層について、表面から硬化層厚の1/5 位置、1/2 位置および4/5 位置それぞれの位置における平均旧オーステナイト粒径を測定し、いずれの平均旧オーステナイト粒径も５μm 以下である場合に、焼入れ硬化層の全厚にわたる旧オーステナイト粒径が５μm 以下であるとする。なお、平均旧オーステナイト粒径の測定は、光学顕微鏡により、400 倍（1 視野の面積：0.25mm×0.225mm ）から1000倍（1 視野の面積：0.10mm×0.09mm）で、各位置毎に５視野観察し、画像解析装置により平均粒径を測定することにより行う。
【００４７】
さらに、本発明において、高周波焼入れによる硬化層厚みは２mm以上とすることが好適である。というのは、所望特性が転動疲労寿命のような極表層付近の組織のみに依存するような場合には、硬化層厚みが１mm程度でもそれなりの効果は得られるが、本発明のようにねじり疲労強度を問題とする場合には、硬化層厚みは厚いほど好ましいからである。従って、より好ましい硬化層厚みは 2.5mm以上、さらに好ましくは３mm以上である。
【００４８】
次に、本発明の製造条件について説明する。
所定の成分組成に調整した鋼材を、棒鋼圧延または熱間鍛造後、必要に応じて冷間圧延や冷間鍛造を施し、ついで切削加工を施したのち、高周波焼入れを施して、製品とする。
本発明では、母材組織を、上述したベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率が10 vol％以上の組織とするために、高周波焼入れを施す前の素材鋼材については、圧延・鍛造等の熱間加工により所定の形状に加工したのち、0.2 ℃/s以上の速度で冷却する必要がある。というのは、冷却速度が0.2 ℃/s未満の場合には、ベイナイトあるいはマルテンサイト組織が得られ難くなり、これら組織の合計の組織分率が10 vol％に達しない場合が生じるからである。熱間加工後の冷却速度の好適範囲は 0.3〜30℃/sである。
なお、熱間加工は 900℃超〜1150℃の温度範囲で行うことが好ましい。900 ℃以下では、必要なベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織が得られず、一方1150℃超では加熱コストが大きくなるため、経済的に不利となるからである。
【００４９】
次に、本発明では、上述した硬化層を得るために高周波焼入れを施すが、この高周波焼入れ時の加熱温度範囲は 800〜1000℃とする必要がある。というのは、加熱温度が 800℃未満の場合、オーステナイト組織の生成が不十分となり、上述した硬化層組織の生成が不十分となる結果、十分なねじり疲労強度を確保することができず、一方、加熱温度が1000℃超えの場合、オーステナイト粒の成長が促進されて粗大となり、硬化層の粒径が粗大となるため、やはりねじり疲労強度の低下を招くからである。より好ましい加熱温度範囲は 800〜950 ℃である。
【００５０】
上記した高周波焼入れを複数回繰り返す場合には、少なくとも最終の高周波焼入れを、加熱温度：800 〜1000℃として行えばよい。ここに、高周波焼入れを複数回繰り返す場合には、全ての高周波焼入れについて、加熱温度：800 〜1000℃とすることが最も望ましい。そして、２回以上の繰り返し焼入れを行うことで、１回焼入れに比べてさらに微細な硬化層粒径を得ることができる。
なお、高周波焼入れを複数回繰り返す場合、少なくとも最終の高周波焼入れによる焼入れ深さは、それ以前の高周波焼入れによる焼入れ深さと同等またはそれ以上とすることが好ましい。というのは、硬化層の結晶粒径は、最後の高周波焼入れに一番強く影響されるので、最後の高周波焼入れによる焼入れ深さが、それ以前の高周波焼入れによる焼入れ深さよりも小さいと、硬化層全厚にわたる平均結晶粒径がむしろ大きくなり、かえってねじり疲労強度が低下する傾向にあるからである。
【００５１】
また、本発明においては、高周波焼入れは、上記加熱温度範囲における加熱時間を５秒以下とすることが好ましい。というのは、加熱時間を５秒以下とした場合には、５秒を超える場合に比べて、オーステナイトの粒成長をさらに抑制することができ、非常に微細な硬化層粒径を得ることができる。より好ましい加熱時間は３秒以下である。
【００５２】
【実施例】
表１に示す成分組成になる鋼素材を、転炉により溶製し、連続鋳造により鋳片とした。鋳片サイズは 300×400mm であった。この鋳片を、ブレークダウン工程を経て150 mm角ビレットに圧延したのち、24〜60mmφの棒鋼に圧延した。圧延の仕上温度はベイナイトあるいはマルテンサイト組織生成の観点から好適な温度として 900℃超とした。熱間圧延後の冷却は表２に示す条件とした。
【００５３】
ついで、この棒鋼から、平行部６mmφ、Ｖ字環状切欠（切欠底径３mmφ、ノッチ底Ｒ＝0.05mm）付の耐遅れ破壊試験片を作製し、さらに同棒鋼から、平行部：20mmφ、応力集中係数α＝1.5 の切欠を有するねじり試験片を作製した。次いで、両試験片に、周波数：15 kHzの高周波焼入れ装置を用いて、表２に示す条件下で焼入れを行った後、加熱炉を用いて 170℃×30分の条件で焼もどしを行い、その後、それぞれの試験片を用いて、耐遅れ破壊試験およびねじり疲労試験を行った。
【００５４】
ここで、耐遅れ破壊試験は、試験片を10％塩酸に１時間浸漬して水素を侵入させた後に、大気中で定荷重の引張荷重を加える試験を行った。そして、破断時間が100 時間になる応力を求め、これを、同一の鋼材を用いて作製した試験片を塩酸に浸漬することなく同様に求めた破断時間が100 時間になる応力値に対する比（耐遅れ破壊強度比）で評価した。得られた結果を表２に併記する。
【００５５】
また、ねじり疲労試験は、最大トルク：4900 N・m （＝ 500 kgf・m ）のねじり疲労試験機を用いて、両振りで応力条件を変えて行い、１×105 回の寿命となる応力を疲労強度として評価した。
得られた結果を表２に併記する。
また、同じ条件で作製したねじり疲労試験片について、鋼材の母材組織、焼入れ後の硬化層厚み、硬化層の全厚にわたって得られる平均硬化層粒径（旧オーステナイト粒径）を、光学顕微鏡を用いて測定した。
表２には、これらの結果も併記する。
ここで、硬化層厚みについては、前述したように、鋼材表面からマルテンサイト組織の面積率が98％に減少する深さまでとした。また、高周波焼入れを複数回実施したものについては、それぞれの焼入れ後の硬化層厚みを測定した。さらに、硬化層粒径については、表面から硬化層厚の1/5 位置、1/2 位置および4/5 位置それぞれの位置における平均旧オーステナイト粒径を測定し、それらの最大値を示した。なお、高周波焼入れを複数回実施したものについては、最終焼き入れ後の平均旧オーステナイト粒径を測定した。
【００５６】
【表１】
【００５７】
【表２】
【００５８】
表２から明らかなように、本発明で規定した成分組成範囲を満足し、かつ本発明の高周波焼入れ条件を満たす条件で製造した鋼材はいずれも、硬化層の旧オーステナイト粒径が全厚にわたって５μm 以下を満たしており、その結果良好な耐遅れ破壊特性と 700 MPa以上の高いねじり疲労強度とを得ることができた。
【００５９】
なお、表２中のNo.1と２あるいはNo. ４と５を比較すると、焼入れ回数を１回から２回に増やすことで、硬化層の粒径が微細化し、耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度がさらに上昇することが分かる。
【００６０】
また、No．８, No.35, No.36を比較すると、焼入れ回数を１回から２回に増やした場合において、２回目の焼入れ深さの方が浅い場合（No.35)には、１回しか施さなかった場合よりも耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度はむしろ低下するのに対し、２回目の焼入れ深さを深くした場合（No.36)には、１回しか施さなかった場合に比べて耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度は大幅に向上することが分かる。No.36 では、硬化層厚方向で、表面から硬化層厚の4/5 位置で最も旧オーステナイト粒径が大きく4.2 μm であったが、表層近傍（表面から硬化層厚の1/5 位置）では旧オーステナイト粒径は2.8 μm であり、表層の粒径が微細化していることが、疲労強度、耐遅れ破壊特性の向上に寄与したものと考えられる。
【００６１】
これに対し、No. ９は、加工後の冷却速度が小さいため、ベイナイトとマルテンサイトの合計組織分率が10％未満となっており、その結果、硬化層粒径が粗大となり、耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度が低い。
No.22 は、硬化層粒径は微細であるものの、Ｃ含有量が本発明の範囲より高いため、粒界強度の低下を招き、そのため耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度が劣っている。
No.23, 24, 25 は、それぞれＣ, Si, Moの含有量が本発明の適正範囲よりも低いため、硬化層粒径が粗大となり、耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度が劣っている。
No.26 はＢ含有量が低く、またNo.27 はMn含有量が、No.28 はＳおよびＰ含有量が、No.29 はCr含有量が、それぞれ本発明の適正範囲を超えているため、いずれも粒界強度の低下を招き、耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度が劣っている。
No.30 は、Ti及びＶ含有量が本発明の適正範囲を超えているため、耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度が劣っており、逆にNo.33 はTi及びＶ含有量が低いため、耐遅れ破壊特性が劣っている。
No.31 は、高周波焼入れ時の加熱温度が高すぎるため硬化層の粒径が粗大となり、一方No.32 は、高周波焼入れ時の加熱温度が低すぎるため硬化層が形成されず、いずれも耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度に劣っている。
No.34 は、Si量が本発明の下限に満たない0.28mass％の場合であるが、この例のように、Si量が本発明の下限をわずかでも下回る場合には、硬化層全厚にわたって12μm 以下の粒径を得ることができず、その結果、耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度に劣っている。
【００６２】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、耐遅れ破壊特性および高いねじり疲労強度を有する鋼材を安定して得ることができ、その結果、自動車用部材の軽量化の要求に対し偉功を奏する。
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に高周波焼入れによる硬化層をそなえる、自動車ドライブシャフトおよび等速ジョイント、さらにはハブ軸受、クランクシャフトなどに適用して好適な、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材ならびにその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来，自動車用ドライブシャフトや等速ジョイントなどの機械構造用部材は、熱間圧延棒鋼に、熱間鍛造、さらには切削、冷間鍛造などを施して所定の形状に加工したのち、高周波焼入れ−焼戻しを行うことにより、機械構造用部材としての重要な特性であるねじり疲労強度を確保しているのが一般的である。
他方、近年、環境問題から自動車用部材に対する軽量化への要求が強く、この観点から自動車用部材のねじり疲労強度の一層の向上が要求されている。
【０００３】
ねじり疲労強度を向上させるためには、例えば高周波焼入れによる焼入れ深さを増加させることが考えられる。しかしながら、焼入れ深さを増加してもある深さで疲労強度は飽和する。
また、ねじり疲労強度の向上には、粒界強度の向上も有効であり、この観点から、TiＣを分散させることによって旧オーステナイト粒径を微細化する技術が提案されている（例えば特許文献１参照のこと）。
【０００４】
上記の特許文献１に記載された技術では、高周波焼入れ加熱時に微細なTiＣを多量に分散させることで、旧オーステナイト粒径の微細化を図るものであるため、焼入れ前にTiＣを溶体化しておく必要があり、熱間圧延工程で1100℃以上に加熱する工程を採用している。そのため、熱延時に加熱温度を高くする必要があり、生産性に劣るという問題があった。
また、上記の特許文献１に開示された技術をもってしても、近年のねじり疲労強度に対する要求には十分に応えられないところにも問題を残していた。
【０００５】
さらに、特許文献２には、硬化層深さＣＤと高周波焼入れ軸物部品の半径Ｒとの比（ＣＤ／Ｒ）を 0.3〜0.7 に制限した上で、このＣＤ／Ｒと高周波焼入れ後の表面から１mmまでのオーステナイト結晶粒径γｆ、高周波焼入れままの（ＣＤ／Ｒ）＝0.1 までの平均ビッカース硬さＨｆおよび高周波焼入れ後の軸中心部の平均ビッカース硬さＨｃで規定される値Ａを、Ｃ量に応じて所定の範囲に制御することによってねじり疲労強度を向上させた機械構造用軸物部品が提案されている。
しかしながら、この部品では、焼入れ硬化層の全厚にわたる旧オーステナイト粒径に考慮が払われていないため、やはり近年のねじり疲労強度に対する要求には十分に応えることができない。
【０００６】
ところで、発明者らは先に、上記の問題を解決するものとして、鋼の化学組成、組織、焼入れ条件および焼入れ後の硬化層全厚にわたる旧オーステナイト粒径を最適化することにより、優れたねじり疲労強度が得られる鋼材を開発し、特許文献３として提案した。
この特許文献３は、以下に述べるような新規知見に基づいて開発されたものである。
【０００７】
(1) 適正な化学組成に調整した鋼に、焼入れを施し、焼入れ硬化層全厚にわたる旧オーステナイト粒径を12μm 以下とすることで、ねじり疲労強度が顕著に向上する。具体的には、化学組成に関しては、特にSiおよびMoを適正な範囲で添加することで、高周波焼入れ加熱時におけるオーステナイトの核生成サイト数が増加し、またオーステナイト粒の成長が抑制されることにより、焼入れ硬化層の粒径が効果的に微細化し、その結果ねじり疲労強度が顕著に向上する。特に、Siを0.30mass％以上添加することにより、高周波焼入れ後に硬化層全厚にわたり粒径：12μm 以下の硬化層が得られる。
【０００８】
(2) 母材の組織、すなわち焼入れ前の組織を、ベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織が特定の分率で含有された組織にすると、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織がフェライト−パーライト組織に比べて炭化物が微細に分散した組織であるため、焼入れ加熱時にオーステナイトの核生成サイトであるフェライト／炭化物の界面の面積が増えて、生成したオーステナイトが微細化する。その結果、焼入れ硬化層の粒径が微細となり、これにより粒界強度が向上し、ねじり疲労強度が増加する。
【０００９】
(3) 上記したように、化学組成および組織を調整した鋼材を使用し、高周波焼入れ条件（加熱温度、時間、焼入れ回数）を適正に制御することで、硬化層粒径が顕著に微細化し、粒界強度が向上する。具体的には、加熱温度：800 〜1000℃、加熱時間：５秒以下とすることにより、硬化層全厚にわたり粒径：12μm 以下の微細粒を安定して得ることができる。さらに、上記条件での焼入れ処理を２回以上繰り返すことにより、１回の焼入れに比べてさらに微細な硬化層粒径が得られる。
【００１０】
【特許文献１】
特開2000−154819号公報（特許請求の範囲、段落〔０００８〕）
【特許文献２】
特開平８−53714 号公報（特許請求の範囲）
【特許文献３】
特願2003−9349号明細書（特許請求の範囲）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記特許文献３の技術をさらに改良したもので、優れたねじり疲労強度に加え、良好な耐遅れ破壊特性を兼備させた鋼材を、その有利な製造方法と共に提案することを目的とする。
【００１２】
ここで、耐遅れ破壊特性とは、応力が存在する状態で鋼製品が使用される場合に、鋼中の水素または使用環境から侵入した水素が拡散し、粒界などの応力集中部に集積して粒界結合力を弱め、時間の経過につれて粒界破壊を起こす現象に対する抵抗性のことである。したがって、大気中、とくに腐食が進行するような環境で用いられ、さらに応力負荷される部材、すなわちドライブシャフトや等速ジョイント等の製品に耐遅れ破壊特性が必要である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
【００１５】
１．Ｃ：０．３５〜０．７ ｍａｓｓ％、
Ｓｉ：０．３０〜１．１ ｍａｓｓ％、
Ｍｎ：０．２ 〜２．０ ｍａｓｓ％、
Ａｌ：０．００５ 〜０．２５ｍａｓｓ％、
Ｍｏ：０．０５〜０．６ ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００３〜０．００６ ｍａｓｓ％、
Ｓ：０．０６ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０２ ｍａｓｓ ％以下および
Ｃｒ：０．２ ｍａｓｓ％以下
を含み、かつ
Ｔｉ：０．０６〜０．１０ｍａｓｓ％および
Ｖ：０．２５〜０．５０ｍａｓｓ％
のうちから選んだ１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の組成になり、母材組織が、ベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率が１０％以上であり、さらに高周波焼入れ後の硬化層の旧オーステナイト粒径が硬化層全厚にわたり５μｍ 以下であることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材。
【００１６】
２．上記１において、高周波焼入れ後の硬化層厚みが２ｍｍ以上であることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材。
【００１７】
３．上記１または２において、前記鋼材が、さらに
Ｃｕ：１．０ ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：３．５ ｍａｓｓ％以下、
Ｃｏ：１．０ ｍａｓｓ％以下および
Ｎｂ：０．１ ｍａｓｓ％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材。
【００２０】
４．Ｃ：０．３５〜０．７ ｍａｓｓ％、
Ｓｉ：０．３０〜１．１ ｍａｓｓ％、
Ｍｎ：０．２ 〜２．０ ｍａｓｓ％、
Ａｌ：０．００５ 〜０．２５ｍａｓｓ％、
Ｍｏ：０．０５〜０．６ ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００３〜０．００６ ｍａｓｓ％、
Ｓ：０．０６ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０２ｍａｓｓ％以下および
Ｃｒ：０．２ ｍａｓｓ％以下
を含み、かつ
Ｔｉ：０．０６〜０．１０ｍａｓｓ％および
Ｖ：０．２５〜０．５０ｍａｓｓ％
のうちから選んだ１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の組成になる鋼素材を、熱間加工後、０．２ ℃／ｓ以上の速度で冷却したのち、焼入れ時の加熱温度：８００ 〜１０００℃の条件下で高周波焼入れを行うことを特徴とする、耐耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
【００２１】
５．上記４において、前記鋼素材が、さらに
Ｃｕ：１．０ ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：３．５ ｍａｓｓ％以下、
Ｃｏ：１．０ ｍａｓｓ％以下および
Ｎｂ：０．１ ｍａｓｓ％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
【００２２】
６． 上記４または５において、前記冷却後に、高周波焼入れを複数回繰り返し、最終の高周波焼入れ時の加熱温度を ８００〜１０００℃とすることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
【００２３】
７． 上記６において、前記複数回の高周波焼入れの全てについて、高周波焼入れ時の加熱温度を ８００〜１０００℃とすることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
【００２４】
８． 上記４〜７のいずれかにおいて、前記加熱温度範囲での加熱時間を、１回の高周波焼入れ当たり５秒以下とすることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
【００２５】
９． 上記４〜８のいずれかにおいて、高周波焼入れによる鋼材表面の硬化層厚みが２ｍｍ以上であることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明において、鋼材および鋼素材の成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。
Ｃ：0.35〜0.7 mass％
Ｃは、焼入れ性への影響が最も大きい元素であり、焼入れ硬化層の硬さおよび深さを高めてねじり強度の向上に有効に寄与する。しかしながら、含有量が0.35mass％に満たないと、必要とされるねじり強度を確保するためには焼入れ硬化深さを飛躍的に高めねばならず、その際焼割れの発生が顕著となり、またベイナイト組織も生成し難くなるため、0.35mass％以上を添加する。一方、0.7 mass％を超えて含有させると粒界強度が低下し、それに伴いねじり疲労強度が低下し、また切削性、冷間鍛造性および耐焼き割れ性も低下する。このためＣは、0.35〜0.7 mass％の範囲に限定した。好ましくは 0.4〜0.6 mass％の範囲である。
【００２７】
Si：0.30〜1.1 mass％
Siは、焼入れ加熱時にオーステナイトの核生成サイト数を増加させると共に、オーステナイトの粒成長を抑制し、焼入れ硬化層の粒径を微細化する作用を有する。また、炭化物生成を抑制し、炭化物による粒界強度の低下を抑制する。さらに、ベイナイト組織の生成にも有用な元素であり、これらのことによりねじり疲労強度を向上させる。
このように、Siは、本発明において非常に重要な元素であり、0.30mass％以上の含有を必須とする。というのは、Si量が0.30mass％に満たないと、製造条件および焼入れ条件をいかように調整しても硬化層全厚にわたって粒径が12μm 以下の微細粒とすることができないからである。しかしながら、Si量が 1.1mass％を超えると、フェライトの固溶硬化により硬さが上昇し、切削性および冷間鍛造性の低下を招く。従って、Siは、0.30〜1.1 mass％の範囲に限定した。好ましくは0.40〜1.0 mass％の範囲である。
【００２８】
Mn：0.2 〜2.0 mass％
Mnは、焼入れ性を向上させ、焼入れ時の硬化深さを確保する上で不可欠の成分であるため、積極的に添加するが、含有量が 0.2mass％未満ではその添加効果に乏しいので、0.2 mass％以上とした。好ましくは0.3 mass％以上である。一方、2.0mass％を超えると焼入れ後の残留オーステナイトが増加し、かえって表面硬度が低下し、ひいてはねじり疲労強度の低下を招くので、Mnは2.0 mass％以下とした。なお、Mnは含有量が多いと、母材の硬質化を招き、被削性に不利となるきらいがあるので、1.2 mass％以下とするのが好適である。さらに好ましくは1.0 mass％以下である。
【００２９】
Al：0.005 〜0.25mass％
Alは、脱酸に有効な元素である。また、焼入れ加熱時におけるオーステナイト粒成長を抑制することによって焼入れ硬化層の粒径を微細化する上でも有用な元素である。しかしながら、含有量が 0.005mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方0.25mass％を超えて含有させてもその効果は飽和し、むしろ成分コストの上昇を招く不利が生じるので、Alは 0.005〜0.25mass％の範囲に限定した。好ましくは0.05〜0.10mass％の範囲である。
【００３０】
Mo：0.05〜0.6 mass％
Moは、ベイナイト組織の生成を促進することにより、焼入れ加熱時のオーステナイト粒径を微細化し、焼入れ硬化層の粒径を細粒化する作用がある。また、焼入れ加熱時におけるオーステナイトの粒成長を抑制することにより、焼入れ硬化層の粒径を微細化する作用がある。さらに、焼入れ性の向上に有用な元素であるため、焼入れ性を調整するために用いられる。加えて、Moは、炭化物の生成を抑制し、炭化物による粒界強度の低下を有効に阻止する元素でもある。
このように、Moは、本発明において非常に重要な元素であり、含有量が0.05mass％に満たないと、製造条件や焼入れ条件をいかように調整しても硬化層全厚にわたって粒径が12μm 以下の微細粒とすることができない。しかしながら、 0.6mass％を超えて含有させると、圧延材の硬さが著しく上昇し、加工性の低下を招く。従って、Moは0.05〜0.6 mass％の範囲に限定した。好ましくは 0.1〜0.6 mass％の範囲である。
【００３１】
Ｂ：0.0003〜0.006 mass％
Ｂは、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織の生成を促進する効果を有する。またＢは、微量の添加によって焼入れ性を向上させ、焼入れ時の焼入れ深さを高めることによりねじり強度を向上させる効果もある。さらにＢは、粒界に優先的に偏析して、粒界に偏析するＰの濃度を低減し、粒界強度を向上させ、もってねじり疲労強度を向上させる作用もある。
このため、本発明では、Ｂを積極的に添加するが、含有量が0.0003mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 0.006mass％を超えて含有させるとその効果は飽和し、むしろ成分コストの上昇を招くため、Ｂは0.0003〜0.006 mass％の範囲に限定した。好ましくは0.0005〜0.004 mass％の範囲である。
【００３２】
Ｓ：0.06mass％以下
Ｓは、鋼中でMnＳを形成し、切削性を向上させる有用元素であるが、0.06mass％を超えて含有させると粒界に偏析して粒界強度を低下させるため、Ｓは0.06mass％以下に制限した。好ましくは0.04mass％以下である。
【００３３】
Ｐ：0.020 mass％以下
Ｐは、オーステナイトの粒界に偏析し、粒界強度を低下させることにより、ねじり疲労強度を低下させる。また、焼割れを助長する弊害もある。従って、Ｐの含有は極力低減することが望ましいが、0.020 mass％までは許容される。
【００３４】
Cr：0.2 mass％以下
Crは、炭化物を安定化させて残留炭化物の生成を助長し、粒界強度を低下させてねじり疲労強度を劣化させる。従って、Crの含有は極力低減することが望ましいが、0.2 mass％までは許容できる。好ましくは0.05mass％以下である。
【００３５】
本発明では、その他に、耐遅れ破壊特性を改善する成分として、TiおよびＶのうちから選んだ１種または２種を含有させる。すなわち、遅れ破壊は、鋼中または環境から侵入した水素が拡散し、応力集中部に集積して粒界強度が低下することにより生じる。従って、鋼中の水素の拡散を抑制することは、耐遅れ破壊特性の向上に極めて有効である。そして、TiやＶの炭窒化物は、この水素のトラップサイトになり得るため、TiおよびＶのいずれか１種または２種を添加する。
【００３６】
Ti：0.06〜0.10mass％
Tiは、炭窒化物を形成することによって、鋼中水素の拡散を抑制するのに有効な成分であり、そのためには、0.06mass％以上の添加が必要である。しかし、過剰に添加すると、炭窒化物が粗大になり、耐遅れ破壊特性に与える効果も小さくなるため、0.10mass％を上限とする。
【００３７】
Ｖ：0.25〜0.50mass％
Ｖは、炭窒化物を形成することによって、鋼中水素の拡散を抑制するのに有効な成分であり、そのためには、0.25mass％以上の添加が必要である。しかし、過剰に添加すると、炭窒化物が粗大になり、耐遅れ破壊特性に与える効果も小さくなるため、0.50mass％を上限とする。
【００３８】
以上、基本成分について説明したが、本発明ではその他にも、以下に述べる元素を適宜含有させることができる。
Cu：1.0 mass％以下
Cuは、焼入れ性の向上に有効であり、またフェライト中に固溶し、この固溶強化によって、ねじり疲労強度を向上させる。また炭化物の生成を抑制することにより、炭化物による粒界強度の低下を抑制し、ねじり疲労強度を向上させる。しかしながら、含有量が 1.0mass％を超えると熱間加工時に割れが発生するため、1.0 mass％以下の添加とする。なお好ましくは0.5 mass％以下である。
【００３９】
Ni：3.5 mass％以下
Niは、焼入れ性を向上させる元素であるので、焼入れ性を調整する場合に用いる。また、炭化物の生成を抑制し、炭化物による粒界強度の低下を抑制して、ねじり疲労強度を向上させる元素でもある。しかしながら、Niは極めて高価な元素であり、3.5 mass％を超えて添加すると鋼材のコストが上昇するので、3.5 mass％以下の添加とする。なお、0.05mass％未満の添加では焼入れ性の向上効果および粒界強度の低下抑制効果が小さいので、0.05mass％以上含有させることが望ましい。好ましくは 0.1〜1.0 mass％である。
【００４０】
Co：1.0 mass％以下
Coは、炭化物の生成を抑制して、炭化物による粒界強度の低下を抑制し、ねじり強度およびねじり疲労強度を向上させる元素である。しかしながら、Coは極めて高価な元素であり、1.0 mass％を超えて添加すると鋼材のコストが上昇するので、1.0 mass％以下の添加とする。なお、0.01mass％未満の添加では、粒界強度の低下抑制効果が小さいので、0.01mass％以上添加することが望ましい。好ましくは0.02〜0.5 mass％である。
【００４１】
Nb：0.1 mass％以下
Nbは、焼入れ性の向上効果があるだけでなく、鋼中でＣ, Ｎと結合し析出強化元素として作用する。また、焼もどし軟化抵抗性を向上させる元素でもあり、これらの効果によってねじり疲労強度を向上させる。しかしながら、0.1 mass％を超えて含有させてもその効果は飽和するので、0.1 mass％を上限とする。なお、0.005 ％未満の添加では、析出強化作用および焼もどし軟化抵抗性の向上効果が小さいため、0.005 mass％以上添加することが望ましい。好ましくは0.01〜0.05mass％である。
【００４２】
Mg≦0.02mass％、Hf≦0.1 mass％
MgおよびHfはいずれも、脱酸元素であるだけでなく、応力集中源となって耐遅れ破壊特性を改善する効果があるので、必要に応じて添加することができる。しかしながら、過剰に添加すると効果が飽和する上、成分コストが上昇するため、それぞれ上記の範囲で含有させるものとした。より好ましくは、Mg≦0.01％、Hf≦0.05％の範囲である。
【００４３】
以上、好適成分組成範囲について説明したが、本発明では、成分組成を上記の範囲に限定するだけでは不十分で、母材組織の調整も重要である。
すなわち、本発明においては、母材の組織、すなわち焼入れ前の組織（高周波焼入れ後の硬化層以外の組織に相当）が、ベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率を体積分率（ vol％）で10％以上とする必要がある。この理由は、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織は、フェライト−パーライト組織に比べて炭化物が微細に分散した組織であるため、焼入れ加熱時にオーステナイトの核生成サイトである、フェライト／炭化物界面の面積が増加し、生成したオーステナイトが微細化するため、焼入れ硬化層の粒径を微細化するのに有効に寄与するからである。そして、焼入れ硬化層の粒径の微細化により、粒界強度が上昇し、ねじり疲労強度が向上する。
ここに、ベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率は20 vol％以上とすることがより好ましい。
【００４４】
なお、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織以外の残部組織は、フェライト、パーライト等いずれでもよく、特に規定しない。
また、焼入れ後の硬化層の粒径の微細化に関しては、マルテンサイト組織もベイナイト組織と同程度の効果を有するが、工業的な観点からは、マルテンサイト組織に比べてベイナイト組織の方がより合金元素の添加量が少なくて済み、また低冷却速度で生成させることが可能であるため、製造上有利となる。
【００４５】
また、本発明では、高周波焼入れ後の硬化層の旧オーステナイト粒径の調整も重要である。すなわち、高周波焼入れ後の硬化層に関し、その全厚にわたって旧オーステナイト粒径を５μm 以下とする必要がある。というのは、焼入れ硬化層の全厚にわたる粒径が５μm を超えると、遅れ破壊に対する十分な抵抗が得られず、満足いくほどの耐遅れ破壊特性の向上が望めないからである。なお、好ましくは３μm 以下である。
【００４６】
ここに、焼入れ硬化層の全厚にわたる旧オーステナイト粒径の測定は、次のようにして行う。
高周波焼入れ後の本発明の鋼材では、高周波焼入れした部分の鋼材最表面は面積率で100 ％のマルテンサイト組織を有する。そして、表面から内部にいくに従い、ある深さまでは100 ％マルテンサイト組織の領域が続くが、ある深さから急激にマルテンサイト組織の面積率が減少する。
本発明では、高周波焼入れした部分について、鋼材表面から、マルテンサイト組織の面積率が98％に減少するまでの深さ領域を硬化層と定義する。
そして、この硬化層について、表面から硬化層厚の1/5 位置、1/2 位置および4/5 位置それぞれの位置における平均旧オーステナイト粒径を測定し、いずれの平均旧オーステナイト粒径も５μm 以下である場合に、焼入れ硬化層の全厚にわたる旧オーステナイト粒径が５μm 以下であるとする。なお、平均旧オーステナイト粒径の測定は、光学顕微鏡により、400 倍（1 視野の面積：0.25mm×0.225mm ）から1000倍（1 視野の面積：0.10mm×0.09mm）で、各位置毎に５視野観察し、画像解析装置により平均粒径を測定することにより行う。
【００４７】
さらに、本発明において、高周波焼入れによる硬化層厚みは２mm以上とすることが好適である。というのは、所望特性が転動疲労寿命のような極表層付近の組織のみに依存するような場合には、硬化層厚みが１mm程度でもそれなりの効果は得られるが、本発明のようにねじり疲労強度を問題とする場合には、硬化層厚みは厚いほど好ましいからである。従って、より好ましい硬化層厚みは 2.5mm以上、さらに好ましくは３mm以上である。
【００４８】
次に、本発明の製造条件について説明する。
所定の成分組成に調整した鋼材を、棒鋼圧延または熱間鍛造後、必要に応じて冷間圧延や冷間鍛造を施し、ついで切削加工を施したのち、高周波焼入れを施して、製品とする。
本発明では、母材組織を、上述したベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率が10 vol％以上の組織とするために、高周波焼入れを施す前の素材鋼材については、圧延・鍛造等の熱間加工により所定の形状に加工したのち、0.2 ℃/s以上の速度で冷却する必要がある。というのは、冷却速度が0.2 ℃/s未満の場合には、ベイナイトあるいはマルテンサイト組織が得られ難くなり、これら組織の合計の組織分率が10 vol％に達しない場合が生じるからである。熱間加工後の冷却速度の好適範囲は 0.3〜30℃/sである。
なお、熱間加工は 900℃超〜1150℃の温度範囲で行うことが好ましい。900 ℃以下では、必要なベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織が得られず、一方1150℃超では加熱コストが大きくなるため、経済的に不利となるからである。
【００４９】
次に、本発明では、上述した硬化層を得るために高周波焼入れを施すが、この高周波焼入れ時の加熱温度範囲は 800〜1000℃とする必要がある。というのは、加熱温度が 800℃未満の場合、オーステナイト組織の生成が不十分となり、上述した硬化層組織の生成が不十分となる結果、十分なねじり疲労強度を確保することができず、一方、加熱温度が1000℃超えの場合、オーステナイト粒の成長が促進されて粗大となり、硬化層の粒径が粗大となるため、やはりねじり疲労強度の低下を招くからである。より好ましい加熱温度範囲は 800〜950 ℃である。
【００５０】
上記した高周波焼入れを複数回繰り返す場合には、少なくとも最終の高周波焼入れを、加熱温度：800 〜1000℃として行えばよい。ここに、高周波焼入れを複数回繰り返す場合には、全ての高周波焼入れについて、加熱温度：800 〜1000℃とすることが最も望ましい。そして、２回以上の繰り返し焼入れを行うことで、１回焼入れに比べてさらに微細な硬化層粒径を得ることができる。
なお、高周波焼入れを複数回繰り返す場合、少なくとも最終の高周波焼入れによる焼入れ深さは、それ以前の高周波焼入れによる焼入れ深さと同等またはそれ以上とすることが好ましい。というのは、硬化層の結晶粒径は、最後の高周波焼入れに一番強く影響されるので、最後の高周波焼入れによる焼入れ深さが、それ以前の高周波焼入れによる焼入れ深さよりも小さいと、硬化層全厚にわたる平均結晶粒径がむしろ大きくなり、かえってねじり疲労強度が低下する傾向にあるからである。
【００５１】
また、本発明においては、高周波焼入れは、上記加熱温度範囲における加熱時間を５秒以下とすることが好ましい。というのは、加熱時間を５秒以下とした場合には、５秒を超える場合に比べて、オーステナイトの粒成長をさらに抑制することができ、非常に微細な硬化層粒径を得ることができる。より好ましい加熱時間は３秒以下である。
【００５２】
【実施例】
表１に示す成分組成になる鋼素材を、転炉により溶製し、連続鋳造により鋳片とした。鋳片サイズは 300×400mm であった。この鋳片を、ブレークダウン工程を経て150 mm角ビレットに圧延したのち、24〜60mmφの棒鋼に圧延した。圧延の仕上温度はベイナイトあるいはマルテンサイト組織生成の観点から好適な温度として 900℃超とした。熱間圧延後の冷却は表２に示す条件とした。
【００５３】
ついで、この棒鋼から、平行部６mmφ、Ｖ字環状切欠（切欠底径３mmφ、ノッチ底Ｒ＝0.05mm）付の耐遅れ破壊試験片を作製し、さらに同棒鋼から、平行部：20mmφ、応力集中係数α＝1.5 の切欠を有するねじり試験片を作製した。次いで、両試験片に、周波数：15 kHzの高周波焼入れ装置を用いて、表２に示す条件下で焼入れを行った後、加熱炉を用いて 170℃×30分の条件で焼もどしを行い、その後、それぞれの試験片を用いて、耐遅れ破壊試験およびねじり疲労試験を行った。
【００５４】
ここで、耐遅れ破壊試験は、試験片を10％塩酸に１時間浸漬して水素を侵入させた後に、大気中で定荷重の引張荷重を加える試験を行った。そして、破断時間が100 時間になる応力を求め、これを、同一の鋼材を用いて作製した試験片を塩酸に浸漬することなく同様に求めた破断時間が100 時間になる応力値に対する比（耐遅れ破壊強度比）で評価した。得られた結果を表２に併記する。
【００５５】
また、ねじり疲労試験は、最大トルク：4900 N・m （＝ 500 kgf・m ）のねじり疲労試験機を用いて、両振りで応力条件を変えて行い、１×105 回の寿命となる応力を疲労強度として評価した。
得られた結果を表２に併記する。
また、同じ条件で作製したねじり疲労試験片について、鋼材の母材組織、焼入れ後の硬化層厚み、硬化層の全厚にわたって得られる平均硬化層粒径（旧オーステナイト粒径）を、光学顕微鏡を用いて測定した。
表２には、これらの結果も併記する。
ここで、硬化層厚みについては、前述したように、鋼材表面からマルテンサイト組織の面積率が98％に減少する深さまでとした。また、高周波焼入れを複数回実施したものについては、それぞれの焼入れ後の硬化層厚みを測定した。さらに、硬化層粒径については、表面から硬化層厚の1/5 位置、1/2 位置および4/5 位置それぞれの位置における平均旧オーステナイト粒径を測定し、それらの最大値を示した。なお、高周波焼入れを複数回実施したものについては、最終焼き入れ後の平均旧オーステナイト粒径を測定した。
【００５６】
【表１】
【表２】
表２から明らかなように、本発明で規定した成分組成範囲を満足し、かつ本発明の高周波焼入れ条件を満たす条件で製造した鋼材はいずれも、硬化層の旧オーステナイト粒径が全厚にわたって５μm 以下を満たしており、その結果良好な耐遅れ破壊特性と 700 MPa以上の高いねじり疲労強度とを得ることができた。
【００５９】
なお、表２中のNo.1と２あるいはNo. ４と５を比較すると、焼入れ回数を１回から２回に増やすことで、硬化層の粒径が微細化し、耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度がさらに上昇することが分かる。
【００６０】
また、No．８, No.35, No.36を比較すると、焼入れ回数を１回から２回に増やした場合において、２回目の焼入れ深さの方が浅い場合（No.35)には、１回しか施さなかった場合よりも耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度はむしろ低下するのに対し、２回目の焼入れ深さを深くした場合（No.36)には、１回しか施さなかった場合に比べて耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度は大幅に向上することが分かる。No.36 では、硬化層厚方向で、表面から硬化層厚の4/5 位置で最も旧オーステナイト粒径が大きく4.2 μm であったが、表層近傍（表面から硬化層厚の1/5 位置）では旧オーステナイト粒径は2.8 μm であり、表層の粒径が微細化していることが、疲労強度、耐遅れ破壊特性の向上に寄与したものと考えられる。
【００６１】
これに対し、No. ９は、加工後の冷却速度が小さいため、ベイナイトとマルテンサイトの合計組織分率が10％未満となっており、その結果、硬化層粒径が粗大となり、耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度が低い。
No.22 は、硬化層粒径は微細であるものの、Ｃ含有量が本発明の範囲より高いため、粒界強度の低下を招き、そのため耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度が劣っている。
No.23, 24, 25 は、それぞれＣ, Si, Moの含有量が本発明の適正範囲よりも低いため、硬化層粒径が粗大となり、耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度が劣っている。
No.26 はＢ含有量が低く、またNo.27 はMn含有量が、No.28 はＳおよびＰ含有量が、No.29 はCr含有量が、それぞれ本発明の適正範囲を超えているため、いずれも粒界強度の低下を招き、耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度が劣っている。
No.30 は、Ti及びＶ含有量が本発明の適正範囲を超えているため、耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度が劣っており、逆にNo.33 はTi及びＶ含有量が低いため、耐遅れ破壊特性が劣っている。
No.31 は、高周波焼入れ時の加熱温度が高すぎるため硬化層の粒径が粗大となり、一方No.32 は、高周波焼入れ時の加熱温度が低すぎるため硬化層が形成されず、いずれも耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度に劣っている。
No.34 は、Si量が本発明の下限に満たない0.28mass％の場合であるが、この例のように、Si量が本発明の下限をわずかでも下回る場合には、硬化層全厚にわたって12μm 以下の粒径を得ることができず、その結果、耐遅れ破壊特性およびねじり疲労強度に劣っている。
【００６２】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、耐遅れ破壊特性および高いねじり疲労強度を有する鋼材を安定して得ることができ、その結果、自動車用部材の軽量化の要求に対し偉功を奏する。
Claims (9)
- Ｃ：０．３５〜０．７ ｍａｓｓ％、
Ｓｉ：０．３０〜１．１ ｍａｓｓ％、
Ｍｎ：０．２ 〜２．０ ｍａｓｓ％、
Ａｌ：０．００５ 〜０．２５ｍａｓｓ％、
Ｍｏ：０．０５〜０．６ ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００３〜０．００６ ｍａｓｓ％、
Ｓ：０．０６ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０２ ｍａｓｓ ％以下および
Ｃｒ：０．２ ｍａｓｓ％以下
を含み、かつ
Ｔｉ：０．０６〜０．１０ｍａｓｓ％および
Ｖ：０．２５〜０．５０ｍａｓｓ％
のうちから選んだ１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の組成になり、母材組織が、ベイナイト組織および／またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率が１０％以上であり、さらに高周波焼入れ後の硬化層の旧オーステナイト粒径が硬化層全厚にわたり５μｍ 以下であることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材。 - 請求項１において、高周波焼入れ後の硬化層厚みが２ｍｍ以上であることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材。
- 請求項１または２において、前記鋼材が、さらに
Ｃｕ：１．０ ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：３．５ ｍａｓｓ％以下、
Ｃｏ：１．０ ｍａｓｓ％以下および
Ｎｂ：０．１ ｍａｓｓ％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材。 - Ｃ：０．３５〜０．７ ｍａｓｓ％、
Ｓｉ：０．３０〜１．１ ｍａｓｓ％、
Ｍｎ：０．２ 〜２．０ ｍａｓｓ％、
Ａｌ：０．００５ 〜０．２５ｍａｓｓ％、
Ｍｏ：０．０５〜０．６ ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００３〜０．００６ ｍａｓｓ％、
Ｓ：０．０６ｍａｓｓ％以下、
Ｐ：０．０２ｍａｓｓ％以下および
Ｃｒ：０．２ ｍａｓｓ％以下
を含み、かつ
Ｔｉ：０．０６〜０．１０ｍａｓｓ％および
Ｖ：０．２５〜０．５０ｍａｓｓ％
のうちから選んだ１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の組成になる鋼素材を、熱間加工後、０．２ ℃／ｓ以上の速度で冷却したのち、焼入れ時の加熱温度：８００ 〜１０００℃の条件下で高周波焼入れを行うことを特徴とする、耐耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。 - 請求項４において、前記鋼素材が、さらに
Ｃｕ：１．０ ｍａｓｓ％以下、
Ｎｉ：３．５ ｍａｓｓ％以下、
Ｃｏ：１．０ ｍａｓｓ％以下および
Ｎｂ：０．１ ｍａｓｓ％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する組成になることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。 - 請求項４または５において、前記冷却後に、高周波焼入れを複数回繰り返し、最終の高周波焼入れ時の加熱温度を ８００〜１０００℃とすることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
- 請求項６において、前記複数回の高周波焼入れの全てについて、高周波焼入れ時の加熱温度を ８００〜１０００℃とすることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
- 請求項４〜７のいずれかにおいて、前記加熱温度範囲での加熱時間を、１回の高周波焼入れ当たり５秒以下とすることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
- 請求項４〜８のいずれかにおいて、高周波焼入れによる鋼材表面の硬化層厚みが２ｍｍ以上であることを特徴とする、耐遅れ破壊特性および疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
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