JP4411096B2 - 球状化後の冷間鍛造性に優れた肌焼用鋼線材・棒鋼 - Google Patents

Description

本発明は、高い表面硬さを有すると共に、軟化抵抗性が良好で耐ピッチングおよび耐摩耗性に優れ、しかも球状化焼鈍後の冷間鍛造における変形能にも優れた肌焼用鋼線材・棒鋼に関すものである。本発明の肌焼用鋼線材・棒鋼は、自動車部品や建築機械、その他の各種機械に使用される歯車やシャフト類等の素材として有用なものであるが、以下では自動車用歯車に適用する場合を中心にして説明を進める。

自動車用歯車は、過酷な条件下で使用されることから、耐ピッチング性や耐摩耗性が優れていることが要求される。こうした要求に対処するために、その素材として低ＣでしかもＳｉを比較的多く含有する鋼材（以下「低Ｃ高Ｓｉ鋼」と呼ぶ）を用い、最終製品の段階でその表面に浸炭処理を施して、表面硬さを高くして軟化抵抗性を高くする様にしている（例えば、特許文献１参照）。また上記歯車を製造するに際しては、熱間圧延によって鋼線材や棒鋼（これらを一括して「線材・棒鋼」と呼ぶ）にした後、鍛造、機械加工によって歯車形状とされるのが一般的である。

ところで鍛造は、比較的高い温度で行う熱間鍛造と、比較的低い温度で行う冷間鍛造が知られている。このうち冷間鍛造は、切削加工に匹敵する寸法精度が得られると共に、切削加工の省略が可能であるため、幅広い分野で利用されている。

但し、冷間鍛造に供される素材は、熱間鍛造に比べて変形抵抗が大きく、加工機械の容量や金型工具の強度等の点で制約があるために、材料割れによる不良の発生や、工具ダイスの破損などが発生し易い。こうしたことから、比較的高硬度で成形性の悪い中炭素鋼や低合金鋼を素材として冷間鍛造する場合には、冷間加工性を向上させるために鋼中の炭化物を球状化するための球状化焼鈍が行なわれるのが一般的である。この様な球状化焼鈍を施すことによって、鋼材の変形能の向上が図れると共に、ダイス寿命の延伸に効果がある変形抵抗低減が達成されることになる。

上記のような球状化焼鈍は、Ｓｉ含有量が０．５％以下の低Ｓｉ鋼材においては有効であるが（例えば、特許文献２参照）、自動車用歯車に適用されるような肌焼用低Ｃ高Ｓｉ鋼に適用しても、変形抵抗が高くなっているので冷間鍛造では割れが発生し易いという問題がある。

また、冷間鍛造性を向上させる技術として、鋼線材の組織を初析フェライトとパーライトまたはパーライトを主体とするものも提案されているが（例えば、特許文献３参照）、組織をこのように制御したとしても、肌焼用低Ｃ高Ｓｉ鋼では変形能がそれほど向上し得ない。

こうしたことから、肌焼用低Ｃ高Ｓｉ鋼についてはこれまで熱間鍛造によって成形されており（前記特許文献１参照）、上記のような肌焼用低Ｃ高Ｓｉ鋼についても冷間鍛造が有効に適用できる技術の確立が望まれているのが実状である。
特開平７−２４２９９４号公報、特許請求の範囲、実施例等 特開２００１−８９８３０号公報、特許請求の範囲等 特開２０００−１１９８０８号公報、特許請求の範囲等

本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、高い表面硬さを有すると共に、軟化抵抗性が良好で耐ピッチングおよび耐摩耗性に優れ、しかも球状化焼鈍後の冷間鍛造における変形能にも優れた肌焼用鋼線材・棒鋼を提供することにある。

上記目的を達成し得た本発明の肌焼用鋼線材・棒鋼とは、Ｃ：０．１〜０．３％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：０．５超〜１．２％、Ｍｎ：０．３〜０．８％、Ｃｒ：０．３〜１．２％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％およびＮ：０．０１〜０．０３％を夫々含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、フェライト、ベイナイトおよびパーライトを含む混合組織を有すると共に、ベイナイトの面積分率が３０％以上である点に要旨を有するものである。

また本発明の鋼線材・棒鋼においては、必要によって、（ａ）Ｍｏ：０．１〜０．５％、（ｂ）Ｎｂ：０．０２〜０．０９％等の元素を含有させることもできる。

本発明では、化学成分組成およびその組織を適切に制御することによって、高い表面硬さを有すると共に、軟化抵抗性が良好で耐ピッチングおよび耐摩耗性に優れ、しかも球状化焼鈍後の冷間鍛造における変形能にも優れた肌焼用鋼線材・棒鋼が実現でき、こうした線材・棒鋼は、自動車部品や建築機械、その他の各種機械に使用される歯車やシャフト類等の素材として有用である。

本発明者らは、肌焼用低Ｃ高Ｓｉ鋼線材・棒鋼に対して球状化焼鈍後の冷間鍛造時に割れが発生する原因について、様々な角度から検討した。そして、Ｓｉを多く含む鋼材では、球状化焼鈍した際に炭化物が大きくなると鋼材は柔らかくなるが、却って粗大化した炭化物が起点となって割れが発生し易くなることが判明した。

そこで、こうした不都合を回避し、球状化焼鈍後の冷間鍛造における変形能に優れた肌焼用低Ｃ高Ｓｉ鋼を実現するべく様々な角度から検討した。その結果、組織中のベイナイト面積分率をできるだけ高めてやれば、上記目的が見事に達成されることを見出し、本発明を完成した。

本発明の鋼線材・棒鋼では、上記の観点からベイナイトの面積分率を３０％以上とする必要がある。即ち、ベイナイトをできるだけ多く含む組織とすることによって、鋼材を球状化焼鈍したときに炭化物の微細化が図れ、軟化の程度は少なくなるにしても、割れが発生しにくくなるのである。こうした効果を発揮させるためには、ベイナイトの面積分率を３０％以上とする必要があるが、生産性、コストの観点から、ベイナイト組織を１００％とする必要はない。

上記ベイナイト以外は、フェライトおよびパーライトを含む混合組織となる。尚、ベイナイト面積分率の好ましい下限は３５％であり、より好ましくは４０％とするのが良い。

本発明の鋼線材・棒鋼において、組織を上記のように製造するためには、化学成分組成を適切に調整した鋼線材・棒鋼に対して、８００℃以上の温度（最終圧延温度）で熱間圧延を終了したのち、７００〜５００℃の温度範囲を０．５〜６℃／秒の平均冷却速度で冷却することが好ましい。

上記最終圧延温度が８００℃未満になると、圧延材組織が過度に微細化するため、ベイナイトの生成が抑制される。尚、この最終圧延温度の上限については、組織の粗大化を抑制するという観点から、１０００℃とすることが好ましい。熱間圧延した後は、０．５〜６℃／秒以上の平均冷却速度で７００〜５００℃の温度範囲を冷却し、ベイナイト変態させ易くする。

本発明の鋼線材・棒鋼は、基本成分であるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，ＡｌおよびＮを所定量含むものであるが、これらの元素の範囲限定理由は下記の通りである。

Ｃ：０．１〜０．３％
Ｃは、強度付与元素であり、０．１％未満では必要な強度が得られない。一方、０．３％を超えると冷間加工性の低下（変形能の低下）、被削性および靭性の低下があるので、これを上限とする。尚、Ｃ含有量の好ましい下限は０．１５％であり、好ましい上限は０．２５％である。

Ｓｉ：０．５超〜１．２％
Ｓｉは、軟化抵抗向上元素として作用し、本発明では積極的に含有させるものである。こうしたＳｉを含有させることによって、歯車などにおいて駆動中に接触部位の温度が上昇した際に、軟化抑制によって硬さを維持し、ピッチングなどの疲労強度向上、耐摩耗性向上に寄与する。こうした効果を発揮させる為には、０．５％を超えて含有させる必要があるが、多量に添加すると強度上昇が著しくなって、冷間加工性および被切削性が低下するので、その上限を１．２％とする。尚、Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．５５％であり、好ましい上限は１．１５％である。

Ｍｎ：０．３〜０．８％
Ｍｎは、脱酸・脱硫剤および焼入れ性向上元素として添加され、またベイナイトの生成に有効であるが、その効果を発揮させるためには０．２％以上含有させる必要がある。しかしながら、その含有量が過剰になると、球状化焼鈍後における変形能が低下して冷間鍛造性や靭性の低下を招くと共に、被削性も劣化するのでその上限を０．８％とする。尚、Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．３５％であり、好ましい上限は０．７％である。

Ｃｒ：０．３〜１．２％
ＣｒはＭｎと同様に焼入れ性向上元素として添加されるが、その効果を発揮させるためには０．３％以上含有させる必要がある。しかしながら、その含有量が過剰になると、球状化焼鈍後における変形能が低下して冷間鍛造性や靭性の低下を招くと共に、被削性も劣化するのでその上限を１．２％とする。尚、Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．５％であり、好ましい上限は１．１５％である。

Ａｌ：０．０１〜０．０６％
Ａｌは脱酸剤であると同時に、微細な窒化物形成により結晶粒を微細化し、靭性を向上させる効果を発揮する。こうした効果を有効に発揮させる為には、少なくとも０．０１％含有させる必要があるが、過剰になると窒化物の粗大化によって却って結晶粒を粗大化を招き、靭性に悪影響を及ぼすことになるので、その含有量は０．０６％以下とする必要がある。尚、Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０１５％であり、好ましい上限は０．０５％である。

Ｎ：０．０１〜０．０３％
Ｎは、Ａｌ等と窒化物を形成し、結晶粒を微細化し、靭性を向上させる効果があるので、少なくとも０．０１％含有させる必要があるが、過剰になるとその効果が飽和するので、その含有量は０．０３％以下とする。尚、Ｎ含有量の好ましい下限は０．０１１％であり、好ましい上限は０．０２５％である。

本発明の鋼線材・棒鋼における基本的な化学成分組成は上記の通りであり、残部は鉄および不可避不純物からなるものであるが、必要によって、Ｍｏ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．０２〜０．０９％を含有させることも有効であり、これによって鋼線材・棒鋼の特性を更に向上させることができる。これらの元素の範囲限定理由は、下記の通りである。尚これらの成分以外にも、本発明の鋼線材・棒鋼には、その特性を阻害しない範囲の微量成分（例えば、Ｐｂ，Ｃａ，Ｂｉ等）も含み得るものであり、こうした鋼線材・棒鋼も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

Ｍｏ：０．１〜０．５％
ＭｏはＭｎと同様に、焼入れ性向上に有効な元素であり、ベイナイトの生成に有効な元素である。その効果を発揮させるためには０．１％以上含有させることが好ましいが、過剰に含有させると変形能が低下して冷間鍛造性が劣化すると供に、被削性を低下させるので、その上限は０．５％とする必要がある。尚、Ｍｏのより好ましい下限は０．１２％であり、より好ましい上限は０．４５％である。

Ｎｂ：０．０２〜０．０９％
Ｎｂは、微細な炭窒化物形成により結晶粒の微細化を図り、そのピン止め効果によって靭性の向上に寄与するのに有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、少なくとも０．０２％以上含有させることが好ましい。しかしながら、過剰に含有させると粗大な炭窒化物が生成して、却って結晶粒が粗大化して靭性に悪影響を及ぼすので、０．０９％以下とすることが好ましい。尚、Ｎｂのより好ましい下限は０．０２５％程度であり、より好ましい上限は０．０７％程度である。

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

下記表１に示す化学成分組成の各種鋼材を溶製し、直径：３０ｍｍの棒鋼に熱間圧延した。このときの熱間圧延条件は、８５０〜９５０℃の温度で熱間圧延を終了した後、７００〜５００℃の温度範囲を、０．２、１．２、４、２０（℃／秒）の各平均冷却速度Ｖで冷却した。

得られた圧延材を切断して横断面組織を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察し、面積率からベイナイトが占める割合（分率）を求め、５視野の平均をとった。また、切断した圧延材を下記の条件で球状化処理を行い、直径：２０ｍｍ×長さ：３０ｍｍの冷間鍛造用試験片を作製した。

（球状化処理条件）
各圧延材について、７７０℃まで２時間で昇温した後、その温度で５時間保持し、その後６５０℃まで６℃／時の冷却速度で徐冷する条件で球状化処理した。

上記冷間鍛造用試験片を用いて据え込み試験を行い、側面に割れが発生する限界の変形量（％）で、冷間鍛造性のうちの変形能について評価した。尚、変形量値が大きいほど変形能は良好となることを示し、合格基準は６０％である。

また、上記冷間鍛造用試験片からローラピッチング試験片を下記の手順で作製し、得られた試験片について、面圧：３．７ＧＰａ、回転数：１５００ｒｐｍ、すべり率：−４０％、オートマチックオイル（油温：８０℃）使用の条件でローラピッチング試験を行いピッチングが発生するまでの回数によってピッチング寿命を評価した（合格基準：１０００万回）。このとき用いた相手ローラーは、ＳＵＪ２からなる調質品（表面硬さ：ＨＶ７００、クラウニングＲ：１５０ｍｍ）を用いた。

（ローラピッチング試験片の作製）
上記圧延材を用い、カーボンポテンシャルが０．８５％の浸炭ガス雰囲気中で浸炭処理（温度：９００℃×１０時間）した後油冷し、更に１７０℃で２時間の焼戻し処理を行った。浸炭処理を行った試験片を用い、その表面を、直径：０．６ｍｍの鋳鋼性ショット粒で、アークハイト：０．５ｍｍＡ、カバレージ：３００％以上の条件でショットピーニングを実施した後、表面から２０μｍ深さの表層部を研磨した。こうして得られたローラピッチング試験片の試験部の最終形状は直径：２６ｍｍである。

各試験片について、ベイナイト分率および変形量と平均冷却速度Ｖとの関係、並びにピッチング寿命を、一括して下記表２に示す。また、この表２の結果に基づいて、ベイナイト分率（面積％）と変形量の関係を図１に示す。

これらの結果から、次の様に考察できる。まず実験Ｎｏ．５のものでは、Ｃ含有量が本発明で規定する範囲よりも少なくなっており、芯部強度が低くなったために、陥没（最大せん断応力位置で座屈）が生じており、ピッチング評価ができなかった。実験Ｎｏ．６のものでは、Ｃ含有量が本発明で規定する範囲よりも多くなっており、マルテンサイトの面積分率が多くなっており（即ち、ベイナイトの面積分率が少なくなっており）、変形量が少なくなっている。実験Ｎｏ．７のものでは、Ｓｉ含有量が本発明で規定する範囲よりも少なくなっており、ピッチング寿命が低くなっている。実験Ｎｏ．８のものでは、Ｓｉ含有量が本発明で規定する範囲よりも多くなっており、変形能が不十分となって、変形量が小さくなっている。

実験Ｎｏ．９のものでは、Ｍｎ含有量が本発明で規定する範囲よりも少なくなっており、球状化焼鈍後における変形能が低下して冷間鍛造性や靭性が低下し、チッピング寿命が低下している。実験Ｎｏ．１０のものでは、Ｍｎ含有量が本発明で規定する範囲よりも多くなっており、変形能が不十分になって、変形量が小さくなっている。

実験Ｎｏ．１１のものでは、Ｃｒ含有量が本発明で規定する範囲よりも少なくなっており、ピッチング寿命が低くなっている。実験Ｎｏ．１２のものでは、Ｃｒ含有量が本発明で規定する範囲よりも多くなっており、変形能が不十分になって、変形量が小さくなっている。実験Ｎｏ．１３のものでは、Ｍｏ含有量が多過ぎるので、変形量が小さくなっている。

これらに対し、実験Ｎｏ．１〜４のものでは、化学成分組成が本発明で規定する範囲内のものであり、７００〜５００℃の温度範囲における平均冷却速度Ｖが１．２℃／秒および４℃／秒の場合には、ベイナイト分率が３０面積％以上になり、変形量が６０％以上と良好な冷間鍛造性を示すと共に、ピッチング寿命も１０００万回以上と良好であることが分かる。

ベイナイト分率を変形量の関係を示したグラフである。

Claims (3)

1. Ｃ：０．１〜０．３％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：０．５超〜１．２％、Ｍｎ：０．３〜０．８％、Ｃｒ：０．３〜１．２％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％およびＮ：０．０１〜０．０３％を夫々含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、フェライト、ベイナイトおよびパーライトを含む混合組織を有すると共に、ベイナイトの面積分率が３０％以上であることを特徴とする球状化後の冷間鍛造性に優れた肌焼用鋼線材・棒鋼。
2. 更に、Ｍｏ：０．１〜０．５％を含むものである請求項１に記載の肌焼用鋼線材・棒鋼。
3. 更に、Ｎｂ：０．０２〜０．０９％を含むものである請求項１または２に記載の肌焼用鋼線材・棒鋼。

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