JP4281501B2 - 被削性並びに疲労特性に優れた鋼材およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のドライブシャフトおよび等速ジョイントなどに適用して好適な、被削性並びに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。

一般に、自動車のドライブシャフトおよび等速ジョイントや、産業機械の動力伝達部材等の機械構造部品は、機械構造用炭素鋼や合金鋼に、熱間鍛造、必要に応じて圧延、そして切削や冷間鍛造などを施して所定の形状に加工し製品とするものであり、特性上の要求によっては、さらに焼入れ焼戻しの熱処理を施して表面に強靭性を付加して疲労強度を確保している。
他方、近年の環境問題から、自動車用部材に対する軽量化への要求に代表されるように、上記部品のコンパクト化、軽量化および長寿命化への要求が強く、この観点からこの種部品の疲労強度の一層の向上が要求されている。

一般的に、疲労強度の向上に寄与する材質の高強度化には、鋼材の合金化と冷間加工条件の規制が有効であるが、合金添加は加工性および被削性の低下を招くため、工業生産の効率化および低コスト化の観点からは問題を残すものである。また、冷間加工において大きな加工率を付与するためには、冷間加工中に焼鈍工程を適宜挟まなければならず、この場合も、生産性と製造コストに問題を残すものである。

上記の問題の解決策として、特許文献１には、鋼中のＣを黒鉛化することによって、冷間鍛造性を維持しつつ被削性を向上させる技術が開示されている。しかし、当技術では、Si量が1.9 〜3.0 mass％と高いために冷間鍛造時における変形抵抗が大きく、また形成される黒鉛も大きく変形能が低いことから、この技術を工業的に利用することは難しい。

また、特許文献２には、同じく鋼中のＣを黒鉛化することによって被削性を改善する技術が開示されているが、この方法では黒鉛化処理前の焼入れ処理が不可欠であることから、製造コストおよび製造能率に問題がある。

さらに、特許文献３には、黒鉛を析出させて冷間加工性を向上させる技術が開示されているが、やはり黒鉛化に長時間を要するため、工業的に利用するには問題が残るものである。

一方、特許文献４には、Ｃ、Si、Mn、Ｂ、Al、ＮおよびCrの含有量を規定した鋼材を熱間加工するに当たり、熱間加工後の冷却速度を特定することによって、黒鉛を微細析出させて被削性を向上させる技術が開示されている。
特開昭51−57621 号公報 特開昭49−103817号公報 特開平３−140411号公報 特開2002−180185号公報

ここに、特許文献４に記載された技術によって、強度の劣化を招くことなしに被削性の向上をはかることが可能になったが、上述したように、近年の環境問題から疲労強度の一層の向上が求められる中、より高い疲労強度を得るためにＣの固溶を抑制した際に、一方で黒鉛の析出も抑制されて被削性が大きく変動してしまい、この被削性と疲労強度とが高次にバランスした鋼材を安定して得ることが難しいところに改善の余地を残していた。

そこで、本発明は、黒鉛を微細析出させる技術を基本として、さらに被削性と疲労強度とを高い次元で兼ね備えた鋼材を提供するための方途について提案することを目的とする。

さて、発明者らの検討によれば、鋼材中の炭素を黒鉛化して析出させることが機械部品の被削性を高めるのに有効であるのは、炭素が黒鉛化されることによって鋼の母相の硬さ自体が低下し、しかも黒鉛が切削時に潤滑剤として作用することにより、工具の温度上昇を抑制する結果であることが判明した。また、被削性の向上には、黒鉛を微細に分散させることが不可欠である。その理由は、黒鉛の被削性向上効果が、黒鉛の潤滑効果と共に、切削時のせん断領域において材料が変形し黒鉛と母相の界面に亀裂が入り、その亀裂の連結によって切削の形成が容易になるという機構に基づくためである。即ち、黒鉛が微細に分散しかつ黒鉛と黒鉛との平均距離が短いほど、亀裂の連結は容易である。

一方、疲労強度を上昇させるためには、母材組織を高硬度化すること、そして鋼材中に含有される非金属介在物量を最小限とすること、が重要である。特に、硬度上昇については、高Ｃ化のもたらす効果が著しい。さらに、この硬度上昇をもたらす高Ｃ化はまた同時に、鋼のＣ過飽和度を上昇させて黒鉛を析出しやすい状態とすることに着目し、高硬度化と同時に被削性向上を達成できる条件について、検討を重ねた。

ところで、ドライブシャフト等の棒形状部品に求められる性能は、製造性、高いねじり強度および高いねじり疲労強度、そして高い回転曲げ疲労強度である。これらについては、前述のように、Ｃ添加がねじり強度を向上させる効果が著しいため、Ｃ量を増加することが安価かつ簡便に材料特性を改善するのに有効である。ここで、高い割合で含有されたＣが黒鉛として析出してくる場合、黒鉛化したＣは被削性を向上させるものの、その析出量に関する被削性向上効果には飽和点があり、逆に黒鉛の析出に伴う疲労強度の低下には、Ｃ自体の強化寄与分、すなわち固溶およびパーライトとして鋼の強化に寄与する割合自体の低下と、黒鉛による疲労亀裂の伝播との両面が関係して、疲労強度が低下することが明らかになった。

ここで、添加Ｃについて、黒鉛として切削性の向上に寄与する分、固溶分およびパーライト析出を通じた強化寄与分を、後述する方法で分離して評価した結果、まず黒鉛としての析出は、添加したＣの１mass％未満ではほとんど寄与しないことが判明した。すなわち、黒鉛としてのＣ析出量が増加すれば、疲労強度の代償の下に被削性が向上するが、疲労強度と被削性の２特性を兼備させるには、添加Ｃ量の１mass％以上のＣを黒鉛として析出させる必要があることを新規に知見した。

さらに、検討を加えたところ、Ｃの析出量は母相の過飽和成分の量に関係することから、添加Ｃの１mass％以上のＣを黒鉛として析出させるには、熱間加工前の加熱温度を950℃以上とすることが有効であることも見出すに到った。すなわち、工業的には、鍛造等の熱間加工に先立つ加熱の温度として950 ℃以上を採用することによって、Ｃ固溶化の効果を得ることができ、その後の加工後の冷却中に所定の黒鉛量の析出を得ることができるのである。

一方、疲労亀裂の伝播に関する鋼材の特性として、発明者らは次の点に注目した。
すなわち、強度の上昇にもかかわらず、必ずしも疲労強度が向上しないことがある点である。この疲労強度の低下は、直接部品の寿命を左右する問題点である。発明者らは、これを黒鉛の析出部が疲労亀裂の発生そして伝播のサイトとなりやすいことが原因と推定し、鋭意検討した結果、一定の析出寸法を下回って微細に析出した黒鉛は、析出量によらず実質的に疲労強度低下の原因とはならないことを明らかにした。また、黒鉛の微細析出は熱間加工時の総加工度を70％以上とし、金属組織全体を微細組織とすることで著しい効果をもって達成可能であることも、併せて明らかにした。

この知見を上記した被削性の向上と併せて検討した結果、加工度が70％以上の場合、黒鉛の粒子径が５μｍ以下という微細なレベルに達しており、疲労強度劣化の悪影響が無いばかりかむしろ強度は向上し、しかも被削性の向上も同時に容易に達成されることを明らかにした。すなわち、被削性と疲労強度とのバランスの観点から、添加するＣの黒鉛としての析出量を制御すること、さらに被削性と疲労強度との両立の観点からは、黒鉛の析出形態を微細にすることが肝要になる。
以上の知見に基いて、本発明を導くに到った。

すなわち、本発明の要旨構成は、次の通りである。
（１）Ｃ：0.2 〜 1.5mass％、Si：0.3 〜 2.0mass％、Mn：1.5 mass％以下、Ｂ：0.0005〜0.015 mass％およびＮ：0.0013〜0.015 mass％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物の組成を有し、鋼組織が、フェライト、セメンタイトおよび黒鉛からなり、該黒鉛は平均粒径が５μｍ以下で、しかも粒径が10μｍ以下の黒鉛粒として析出したＣ量が全Ｃ量の１mass％以上である、炭素鋼からなることを特徴とする被削性並びに疲労特性に優れた鋼材。

（２）上記（１）において、炭素鋼は、さらに、
Cu：0.3 mass％以下、
Ni：0.3 mass％以下、
Mo：0.6 mass％以下、
Ti：0.05mass％以下および
Nb：0.07mass％以下
から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする被削性並びに疲労特性に優れた鋼材。

（３）Ｃ：0.2 〜 1.5mass％、
Si：0.3 〜 2.0mass％、
Mn：1.5 mass％以下、
Ｂ：0.0005〜0.015 mass％および
Ｎ：0.0013〜0.015 mass％
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する炭素鋼を素材とし、該素材に、950 ℃以上で加熱を施し、その後加工率が70％以上の熱間加工を施すことを特徴とする被削性並びに疲労特性に優れた鋼材の製造方法。

（４）上記（３）において、炭素鋼は、さらに、
Cu：0.3 mass％以下、
Ni：0.3 mass％以下、
Mo：0.6 mass％以下、
Ti：0.05mass％以下および
Nb：0.07mass％以下
から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする被削性並びに疲労特性に優れた鋼材の製造方法。

本発明によれば、たとえば自動車のドライブシャフト等の素材として好適の、優れた被削性および疲労特性を兼ね備えた鋼材を安定して得ることができる。その結果、例えば自動車用部品の軽量化の要求に対し偉功を奏する。

以下、本発明を具体的に説明する。
本発明の鋼材は、主として軸まわりに回転する要素部品を典型例とする構造部品の素材として供するものであり、まずフェライト、セメンタイト（鉄の炭化物）および黒鉛から成る鋼組織を有する炭素鋼からなることが必要である。なお、パーライトはフェライトとセメンタイトの層状組織であるため、上記に含まれるものとする。
ここで、上述したように、被削性と疲労強度とのバランスの観点から、添加するＣの黒鉛としての析出量を制御すること、さらに被削性と疲労強度との両立の観点から、黒鉛の析出形態を微細にすることが肝要になる。従って、黒鉛は平均粒径を５μｍ以下に、しかも粒径が10μｍ以下の黒鉛粒として析出したＣ量を全Ｃ量の１mass％以上とし、被削性と疲労強度との高次での両立を実現する。

すなわち、本発明においては、鋼組織が、フェライト、セメンタイトおよび黒鉛からなり、該黒鉛は平均粒径が５μm 以下であり、しかも粒径10μm 以下の黒鉛粒として析出したＣ量が全Ｃ量の１mass％以上である必要がある。
先ず、組繊中に黒鉛が必要である理由は、鋼材に切削加工を加える際に黒鉛が析出していないと、被削性が劣るからである。黒鉛以外の残部をフェライトおよびセメンタイトとした理由は、鋼材において後述する量およびサイズの黒鉛粒を析出させると、鋼組織はフェライトおよびセメンタイトと、両者の混合組織であるパーライトとになるからである。

また、黒鉛は平均粒径が５μm 以下である必要がある。すなわち、黒鉛粒の平均粒径が５μm を超えると、黒鉛粒が疲労亀裂の発生・伝播サイトとなり疲労強度が低下してしまう。さらに、黒鉛として析出したＣ量は鋼中全Ｃ量の１mass％以上である必要がある。鋼中Ｃの１mass％以上が黒鉛として析出していないと、鋼材に切削加工を施すに際に、鋼材の被削性が悪いために、切削工具の寿命が短くなり、生産性の悪化や製造コストの上昇を招くこととなる。好ましくは、析出Ｃ量を鋼中全Ｃ量の５mass％以上とする。
一方、本発明においては、疲労強度を上昇するために、固溶Ｃあるいは炭化物（セメンタイト）による高強度化を図ることが好ましく、従って黒鉛として析出するＣ量は、鋼中全Ｃ量に対して50mass％以下であることが好ましい。

ここで、鋼中全Ｃ量に対する黒鉛として析出したＣ量の比率は、走査型電子顕微鏡にて観察を行い、析出黒鉛の面積率を画像解析装置により測定し、これを析出黒鉛体積率として、黒鉛の比重と析出黒鉛体積率とから、黒鉛化したＣ量率を算出することにより求めることができる。本発明においては、微細に析出した黒鉛が全Ｃ量の１mass％以上であることを必要とするから、粒径10μm 以下の黒鉛粒について上記の面積率を測定して、Ｃ量率を算出するものとする。粒径10μm 以下の黒鉛粒の面積率を測定することとした理由は、10μm 超の黒鉛粒は析出していても被削性向上に寄与しないからである。

次に、本発明の鋼材を構成する炭素鋼について、その成分組成について具体的に説明する。
Ｃ：0.2 〜1.5 mass％
Ｃは疲労強度の向上に直接作用する。Ｃ含有量が0.2 mass％未満であると、疲労強度向上の効果が十分でなく、一方1.5 mass％を超えると、組織制御を行っても黒鉛の析出の絶対量が多くなりすぎて疲労強度が低下するため、Ｃ含有量は0.2 〜1.5 mass％とする。

Si：0.3 〜2.0 mass％
Siは、黒鉛の析出形態を制御する上で重要な元素である。Si含有量が0.3 mass％未満であると、黒鉛の析出速度が遅くなり、後述する条件の熱間加工を行っても黒鉛を十分に析出させることができなくなる結果、被削性が悪くなる。一方、2.0 mass％を超えて含有すると、疲労強度が低下し、また黒鉛の寸法が大きくなって変形能が低下する傾向があるため、0.3 〜2.0 mass％の範囲に限定した。

Mn：1.5 mass％以下
Mnは、鋼の強度および疲労強度の向上に効果がある元素であり、好ましくは0.1 mass％以上、より好ましくは0.35mass％以上で含有させる。一方、1.5 mass％を超えて含有すると、強度の向上効果が飽和する上、疲労強度はかえって低下する傾向に転じるため、1.5mass％以下の範囲に限定した。

Ｂ：0.0005〜0.015 mass％
Ｂは、鋼中のＮと結合してBNとして鋼中に存在することで黒鉛の析出サイトを増加させ、黒鉛の微細析出を促がす作用がある。Ｂの含有量が0.0005mass％未満では、その効果が十分でなく、微細な黒鉛粒を得ることができなくなる。一方、0.015 mass％を超えると、粒界強度が低下して疲労強度を低下させるため、Ｂの添加量は0.0005〜0.015 mass％の範囲に限定した。

Ｎ：0.0013〜0.015 mass％
前述のBNを形成するために、Ｎは0.0013mass％以上を含有させる必要がある。一方、0.015 mass％を超えて含有すると、やはり疲労強度が低下するため、0.0013〜0.015 mass％の範囲に限定した。

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：0.3 mass％以下
Cuは、さらに焼入れ処理を施す場合に、焼入れ性の向上に有効であり、Cuを添加することにより焼入れ性を調整することができる。しかしながら、Cu含有量が0.3 mass％を超えると、熱間加工時に割れが発生し易くなるため、その含有量は0.3 mass％を上限とする。

Ni：0.3 mass％以下
Niは、Cuと同様に焼入れ性の向上に有効であるため含有させてもよいが、その含有量が0.3 mass％を超えても、それ以上の焼入れ性向上効果は期待できないから、0.3 mass％を上限とする。

Mo：0.6 mass％以下
Moは、焼入れ性の向上に有用な元素であるため、Cuと同様に焼入れ性を調整するために添加してもよい。しかし、0.6 mass％を超えて含有させると、鋼材の硬さが著しく上昇し、加工性の低下を招く。よって、Moを添加する場合は0.6 mass％を上限とする。

Ti：0.05mass％以下
Tiは、鋼中でＣおよび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作用も有するので、添加してもよい。しかしながら、0.05mass％を超えて添加してもその効果は飽和するため、0.05mass％を上限とする。

Nb：0.07mass％
Nbは、鋼中でＣおよびＮと結合し析出強化元素として作用する。また、焼戻し軟化抵抗性を向上させる作用も有するため添加してもよい。しかしながら、0.07mass％を超えて添加してもその効果は飽和するため、0.07mass％を上限とする。

上記した元素以外の残部はFeおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としては、Ｐ、Ｓ、Ｏ、CrおよびAl等があげられる。
すなわち、Ｐは、粒界強度を低下させることにより疲労強度を低下させ、また焼割れを助長する弊害もあるが、0.05mass％までは許容できる。
Ｓは、鋼中でMnS を形成し、切削性を向上させる作用を有するが、0.02mass％を超えて含有されると粒界に偏析して粒界強度を低下させるため、0.02mass％までが許容できる。
Ｏは、酸化物系介在物として鋼中に存在するが、Ｏ含有量が多いと疲労寿命が低下する。この点を考慮すると、許容できる上限は0.02mass％である。
Crは、黒鉛の析出を抑制するため、含有されることは好ましくない。しかし、0.1mass％以下であれば許容できる。
Alは、脱酸に有効な元素であるので、Ｏ量を低下させるために混入されてもよいが、0.05mass％を超えて含有されてもその効果は飽和するので、0.05mass％まで許容できる。
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あり、鋼組織を上記のように調整することが重要である。

次に、本発明の製造条件について説明する。
まず、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などの熱間加工後に、必要に応じて冷間圧延、冷間鍛造または切削加工を施して製品とする。この際、熱間加工するに当っての加熱温度を、950 ℃以上とし、次いで70％以上の加工率とする必要がある。熱間加工時の加熱温度を950 ℃以上とすることによって、鋼中のＣを固溶させておき、さらに熱間加工時の加工率を70％以上とすることによって、組織を微細化する。そして、加工率70％以上という強加工による組織の微細化および、適量のＢおよびＮ含有によるBN析出により、多量に黒鉛析出サイトを生成し、熱間加工後の冷却過程において、鋼中Ｃの１mass％以上を微細な黒鉛粒として析出させ、かつ黒鉛の平均粒径を５μm 以下の微細なものとする。

すなわち、熱間加工時の加熱温度が950 ℃未満であると、加工率を70％以上としたとしても、後の冷却過程でのＣの黒鉛化が不十分となるため、全Ｃ量に対する黒鉛となったＣ量の比率を１mass％以上とすることができなくなる。なお、熱間加工時の加熱温度が1200℃超であると、結晶粒径の粗大化を招くので、1200℃以下が好ましい。
また、加工率が70％未満であると、黒鉛粒が粗大化するため、黒鉛粒の平均粒径を５μm 以下とすることができなくなる。なお、本発明において、熱間加工時の加工率とは、加工前後での、加工方向と直交する断面の面積の変化率のことを言い、加工前断面積Ｓ₁ 、、加工後断面積Ｓ₂ とから（Ｓ₂ −Ｓ₁ ）／Ｓ₂ ×100 で求められる値（％）である。

かくして得られた鋼材に、さらに高周波による熱処理を施すことによって、極めて高い強度及び疲労強度を付与することが可能である。すなわち、析出した黒鉛が部品の外周部分で母相に再固溶し、焼き入れられることによって、硬化層を形成することができる。

表１に示す化学組成の鋼を転炉で溶製し、連続鋳造機により400 ×540mm のブルームに鋳造した後、熱間圧延により150mm 角のビレットとした。このビレットを表２に示すように、種々の加熱温度および加工率で加熱後、熱間圧延にてφ27mm〜φ57mmの直棒となした後、空冷した。
この空冷後に、直棒の断面の金属組織を観察すると共に、走査型電子顕微鏡組織において観察される、析出黒鉛の平均面積率を画像解析装置により測定し、比重と析出量率とから析出Ｃ量率を算出した。但し、一部の試料では、未固溶の大型黒鉛が組織中に残存していたが、これらと区別して、析出径10μｍ以下の黒鉛を析出した黒鉛とみなして処理した。また、得られた直棒の被削性、ねじり強度、ねじり疲労強度および回転曲げ疲労強度を評価した。これらの測定および評価結果を表２にまとめて示す。

ここで、被削性は、 SKH４、φ４mmのドリルを用い、1500RPM の切削速度で材料に12mmの穿孔を連続して行い、切削不能になるまでの穿孔全長を計測して評価した。
ねじり強度は、直棒の軸方向に平行部がφ20mmの平滑丸棒ねじり試験片を作製し、4900Ｎ・ｍ（500kgf・ｍ）のねじり試験機を用いて最大ねじりせん断強さを求め、ねじり強度とした。
ねじり疲労強度は、上記と同寸の試験片を用い、ねじり疲労試験機で繰り返し捻回荷重を付与し、破断までの回数からねじり疲労曲線を作成し、２×10⁵ 回ねじり負荷応力を求めた。
回転曲げ疲労強度は、直棒の軸方向を試験片の長さ方向にとって、JIS Z 2274に準拠した１号試験片（平行部８mmφ）を採取し、小野式回転曲げ疲労試験機を用いて試験し、1.2 ×10⁷ 回で破断しない限界応力を疲労限として求め、評価した。

被削性は、組織中の黒鉛の存在と密接に関わり、表２に示したように、黒鉛が含まれている素材でいずれも良好な被削性が得られることがわかる。

さらに、圧延後の直棒を自動車用ドライブシャフト形状に切削加工後、高周波熱処理して外周部に焼入れ（一部は焼入れ焼き戻し）処理を施した後、スプライン部を仕上げ加工し、その際の加工速度をやはりS40C材の同等材と比較した。その結果を、仕上加工性として表３中に示す。また、剛性の大きいチャックを使用してドライブシャフト直棒部を直接試験片とし、上記と同様にねじり強度、２×10⁵ 回ねじり疲労強度および回転曲げ疲労強度を測定した。その結果をまとめて表３中に示すが、いずれも自動車ドライブシャフトとして実用のS40Cの性能を上回る良好な特性が得られることがわかる。

上記実施例では、丸棒形状の機械部品として自動車ドライブシャフトの特性を取り上げたが、本発明によって得られる優れた被削性、強度そして疲労強度の特性を兼備した鋼材は、他種の部品においても良好に利用しうるものであり、ドライブシャフトに限定されないことは勿論である。

Claims (4)

1. Ｃ：0.2 〜 1.5mass％、
   Si：0.3 〜 2.0mass％、
   Mn：1.5 mass％以下、
   Ｂ：0.0005〜0.015 mass％および
   Ｎ：0.0013〜0.015 mass％
   を含有し、残部Feおよび不可避的不純物の組成を有し、
   鋼組織が、フェライト、セメンタイトおよび黒鉛からなり、該黒鉛は平均粒径が５μｍ以下で、しかも粒径が10μｍ以下の黒鉛粒として析出したＣ量が全Ｃ量の１mass％以上である、炭素鋼からなることを特徴とする被削性並びに疲労特性に優れた鋼材。
2. 請求項１において、炭素鋼は、さらに、
   Cu：0.3 mass％以下、
   Ni：0.3 mass％以下、
   Mo：0.6 mass％以下、
   Ti：0.05mass％以下および
   Nb：0.07mass％以下
   から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする被削性並びに疲労特性に優れた鋼材。
3. Ｃ：0.2 〜 1.5mass％、
   Si：0.3 〜 2.0mass％、
   Mn：1.5 mass％以下、
   Ｂ：0.0005〜0.015 mass％および
   Ｎ：0.0013〜0.015 mass％
   を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する炭素鋼を素材とし、該素材に、950 ℃以上で加熱を施し、その後加工率が70％以上の熱間加工を施すことを特徴とする被削性並びに疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
4. 請求項３において、炭素鋼は、さらに、
   Cu：0.3 mass％以下、
   Ni：0.3 mass％以下、
   Mo：0.6 mass％以下、
   Ti：0.05mass％以下および
   Nb：0.07mass％以下
   から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする被削性並びに疲労特性に優れた鋼材の製造方法。