JP4487482B2 - 疲労強度に優れた高強度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、等速ジョイント、ドライブシャフト、クランクシャフトおよびハブ等の条鋼製品に用いて好適な、疲労強度に優れた高強度鋼材およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
等速ジョイント、ドライブシャフト、クランクシャフトおよびハブ等の条鋼製品は、機械加工性を高めるための焼なましまたは球状化焼なまし後に、熱間鍛造または転造を行い、その後、部分的あるいは全体的に高周波焼入れを行うあるいは窒化処理を行って製造されてきた。
かかる用途の製品については、車体軽量化のために、高強度化と高疲労寿命化が求められている。
【０００３】
従来、上記の目的を達成するために、線状または棒状の圧延鋼材の軸心を通る断面において、軸心と平行でかつ軸心から 1/4Ｄ離れた位置の単位面積：100mm2中に存在する酸化物および硫化物を20個以下に抑制することによって、疲労特性および転動疲労特性を改善する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
しかしながら、この方法では、疲労強度の最大値は 770 MPa程度にすぎず、最近の曲げ疲労強度に対する要求には応えられない。
【０００４】
【特許文献１】
特開平11−1749号公報（特許請求の範囲）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、母材組織と表層部組織を適切に制御することにより、母材強度が1000 MPa以上で、回転曲げ疲労強度が 800 MPa以上という、優れた強度と疲労強度を併せ持つ高強度鋼材を、その有利な製造方法と共に提案することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、以下に述べる知見を得た。
(1) 鋼材の結晶粒径を微細にすると、強度および疲労強度が共に向上するが、単に結晶粒径を微細にしただけでは、その後の高周波焼入れによって結晶粒が粗大化するので、本発明で所望するほどの疲労強度の向上は望めない。
(2) この点、成分調整を行って、鋼組織を、微細フェライトだけでなく、微細セメンタイトが生成するようにすると、この微細分散セメンタイトおよび母材フェライト粒界が、高周波加熱時にオーステナイト化の核として作用し、多数の核からオーステナイト化が起こるようになるため、最終的に得られるマルテンサイトの旧オーステナイト粒径も微細化する。
その結果、高周波焼入れ後においても、強度および疲労強度が格段に向上する。
(3) 高周波焼入れに際しては、比較的低温とした方が、改善効果は大きい。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００７】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．Ｃ：0.3 〜0.8 mass％、
Si：0.01〜0.9 mass％、
Mn：0.01〜2.0 mass％および
Mo：0.05〜0.6 mass％
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成であり、母材組織が粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイト組織、または粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイトとパーライト組織で、該セメンタイトの組織分率が４ vol％以上、該パーライトの組織分率が20 vol％以下、該フェライトの組織分率が40 vol％以上であり、かつ、表層部に高周波焼入れが施されてなり、該表層部が旧オーステナイト粒径：12μm 以下のマルテンサイト組織とされていることを特徴とする疲労強度に優れた高強度鋼材。
【０００８】
２．上記１において、鋼材が、さらに
Al：0.015〜0.06mass％、
Ti：0.005〜0.030 mass％、
Ni：1.0 mass％以下、
Cr：1.0 mass％以下、
Ｖ：0.1 mass％以下、
Cu：1.0 mass％以下、
Nb：0.05mass％以下、
Ca：0.008 mass％以下および
Ｂ：0.004 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であることを特徴とする疲労強度に優れた高強度鋼材。
【０００９】
３．Ｃ：0.3 〜0.8 mass％、
Si：0.01〜0.9 mass％、
Mn：0.01〜2.0 mass％および
Mo：0.05〜0.6 mass％
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成である鋼素材を、550〜700 ℃の温度域で、歪み：1.0 以上の加工を施して、粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイト組織、または粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイトとパーライト組織で、該セメンタイトの組織分率が４ vol％以上、該パーライトの組織分率が20 vol％以下、該フェライトの組織分率が40 vol％以上の組織とし、しかる後に、表層部に加熱温度：800〜1000℃の条件で高周波焼入れを施して、該表層部を旧オーステナイト粒径：12μm 以下のマルテンサイト組織とすることを特徴とする疲労強度に優れた高強度鋼材の製造方法。
【００１０】
４．上記３において、鋼素材が、さらに
Al：0.015 〜0.06mass％、
Ti：0.005 〜0.030 mass％、
Ni：1.0 mass％以下、
Cr：1.0 mass％以下、
Ｖ：0.1 mass％以下、
Cu：1.0 mass％以下、
Nb：0.05mass％以下、
Ca：0.008 mass％以下および
Ｂ：0.004 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であることを特徴とする疲労強度に優れた高強度鋼材の製造方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体的に説明する。
まず、この発明において鋼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：0.3 〜0.8 mass％
Ｃは、高周波焼入れにより十分な表面硬さを得ると共に、必要量のセメンタイトを確保するために必要な元素である。ここに、Ｃ含有量が 0.3mass％に満たないと上記の効果が得られず、一方 0.8mass％を超えると被削性や疲労強度、鍛造性の低下を招くので、Ｃ量は 0.3〜0.8 mass％の範囲に限定した。
【００１２】
Si：0.01〜0.9 mass％
Siは、脱酸剤として作用するだけでなく、強度の向上にも有効に寄与するが、含有量が0.01mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 0.9mass％を超えると被削性および鍛造性の低下を招くので、Si量は0.01〜0.9 mass％の範囲に限定した。
【００１３】
Mn：0.01〜2.0 mass％
Mnは、強度の向上だけでなく、高周波焼入性の向上に有効に寄与するが、含有量が0.01mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 2.0mass％を超えると被削性や鍛造性を劣化させるので、Mn量は0.01〜2.0 mass％の範囲に限定した。
【００１４】
Mo：0.05〜0.6 mass％
Moは、高周波焼入れ時におけるオーステナイト粒の成長を抑制する上で有用な元素であり、そのためには少なくとも0.05mass％を必要とするが、0.6 mass％を超えて添加すると被削性の劣化を招くので、Mo量は0.05〜0.6 mass％の範囲に限定した。
【００１５】
以上、基本成分について説明したが、この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。
Al：0.015 〜0.06mass％
Alは、鋼の脱酸剤として作用する他、高周波焼入れ時におけるオーステナイト粒の成長を抑制する効果がある。しかしながら、含有量が 0.015mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方0.06mass％を超えると被削性および疲労強度の低下を招くので、Al量は 0.015〜0.06mass％の範囲に限定した。
【００１６】
Ti：0.005 〜0.030 mass％
Tiは、TiＮのピンニング効果により、高周波焼入れ時のオーステナイト粒の成長を抑制し、結晶粒を微細化するために有用な元素であり、この効果を得るためには少なくとも 0.005mass％の添加を必要とするが、0.030 mass％を超えて添加すると疲労強度の低下を招くので、Ti量は 0.005〜0.030 mass％の範囲に限定した。
【００１７】
Ni：1.0 mass％以下
Niは、焼入性の向上に有効であるが、1.0 mass％を超えて添加すると焼割れを起こし易くなるので、1.0 mass％以下に限定した。
【００１８】
Cr：1.0 mass％以下
Crは、高周波焼入性の向上に有効であるが、1.0 mass％を超えて添加すると疲労強度の低下を招くので、1.0 mass％以下に限定した。
【００１９】
Ｖ：0.1 mass％以下
Ｖは、炭化物となり析出することで、ピンニングによる組織微細化効果を発揮する有用元素であるが、0.1 mass％を超えて添加すると焼入性が劣化するので、0.1 mass％以下に限定した。
【００２０】
Cu：1.0 mass％以下
Cuは、固溶強化および析出強化によって強度を向上させる有用元素であり、また焼入性の向上にも有効に寄与するが、含有量が 1.0mass％を超えると熱間加工時の変形抵抗が大きくなり、製造が困難となるので、1.0 mass％以下に限定した。
【００２１】
Nb：0.05mass％以下
Nbは、析出によりオーステナイト粒をピンニングする効果があるが、0.05mass％を超えて添加してもその効果は飽和するので、0.05mass％以下に限定した。
【００２２】
Ca：0.008 mass％以下
Caは、介在物を球状化し、疲労特性を改善する有用元素であるが、0.008 mass％を超えて添加すると介在物が粗大化し、逆に疲労特性を劣化させる傾向にあるので、0.008 mass％以下に限定した。
【００２３】
Ｂ：0.004 mass％以下
Ｂは、粒界強化により疲労特性を改善するだけでなく、焼入性を高めて強度を向上させる有用元素であるが、0.004 mass％を超えて添加してもその効果は飽和するので、0.004 mass％以下に限定した。
【００２４】
以上、好適成分組成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、以下に述べるとおり、鋼組織の調整も重要である。
母材組織が粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイト組織、または粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイトとパーライト組織
母材組織すなわち高周波焼入れ前の組織（高周波焼入れ後の表層部焼入れ組織以外の部分に相当）が、粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイト組織、または粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイトとパーライト組織でないと、本発明で所期した母材強度≧1000 MPaが得られない。また、フェライト粒径が７μm 以下でないと、その後に高周波焼入れを適用した場合、高周波焼入れ適用部の旧オーステナイト粒径が12μm 以下にならず、疲労強度が向上しない。よって、母材のフェライト粒径は７μm 以下に限定した。より好ましくは５μm 以下である。
なお、フェライト粒径が２μm 以下になるとパーライト組織が消失し、フェライト−セメンタイト組織となる場合があるが、これは本発明を阻害するものではない。
【００２５】
また、析出するセメンタイトの量（組織分率）は、体積分率（ vol％）で４％以上とする必要がある。
セメンタイトは、多量、微細に析出することで、均一伸びを大きくする作用があり、材料の加工性を向上させる。さらに、セメンタイトは、高周波焼入れ時にはオーステナイト生成の核となるため、微細に分散させることで、焼入れ部分の微細化にも寄与する。
ここに、析出したセメンタイトの大きさは１μm 以下程度とすることが望ましい。より望ましくは 0.5μm 以下である。
さらに、析出するパーライト量は20 vol％以下とする必要がある。このパーライトは、前述したとおり、全く析出しなくてもかまわない。
なお、セメンタイト、パーライト以外の母材の残部組織はフェライトである。このフェライト量は、加工性確保の観点から40 vol％以上とする必要がある。
【００２６】
なお、上記したようなフェライトとセメンタイト組織またはフェライトとセメンタイトとパーライト組織は、鋼材の製造工程中、温間鍛造工程において、 550〜700 ℃の温度域で、歪み：1.0 以上の加工を施すことによって、好適に得ることができる。
【００２７】
高周波焼入れ後の表層部が旧オーステナイト粒径：12μm 以下のマルテンサイト組織
旧オーステナイト粒径が12μm 以下でないと、本発明で所期した 800 MPa以上という高い曲げ疲労強度を得ることができない。
そのため、高周波焼入れ後の組織における旧オーステナイト粒径は12μm 以下に限定した。好ましくは５μm 以下である。
なお、上記した高周波焼入れ後の組織は、母材組織を、粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイト組織、または粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイトとパーライト組織とした上で、後述する条件で高周波焼入れを行うことによって、得ることができる。
【００２８】
次に、本発明鋼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、線棒圧延後、温間鍛造し、ついで必要に応じて冷牽工程を経たのち、高周波焼入れを施して、製品とする。
焼入れ前の母材のフェライト粒径を７μm 以下にするためには、上記の温間鍛造工程において、 550〜700 ℃の温度域で歪み：1.0 以上の加工を施すことが有利である。ここに、加工温度が 550℃未満では、組織が加工組織のままで、微細化しない。一方、加工温度が 700℃を超えると結晶粒径が７μm 超となり、やはり微細化しない。また、加工量が真歪みで 1.0未満では、加工が不十分で小角粒界が大半を占めるようになるため、強度は勿論のこと、疲労特性が向上しない。
【００２９】
上記の母材組織としたのち、高周波焼入れを行って、表層部を硬化させる。
この際の高周波焼入れ条件は、加熱温度：800 〜1000℃、周波数：0.3 〜400 kHz が採用できる。
加熱温度が 800℃に満たないとオーステナイト化が不十分であり、一方1000℃を超えるとオーステナイト粒径が粗大になる。
また、周波数が 0.3 kHzに満たないと急速かつ十分な温度上昇が得られず、一方 400 kHzを超えると焼入れ深さが浅くなり、曲げ疲労強度が向上しない。
【００３０】
【実施例】
表１に示す成分組成になる鋼材を、棒圧延後、表２に示す条件で温間鍛造し、60×60×120 mmの母材を得た。この母材より、引張り試験片、回転曲げ疲労試験片および被削性試験片を採取した。
ついで、回転曲げ疲労試験片には、加熱温度：900 ℃、周波数：12 kHzの条件で高周波焼入れを行った。
母材のフェライト結晶粒径、セメンタイト量、パーライト量、引張強度および被削性ならびに高周波焼入れ後の焼入れ組織の旧オーステナイト結晶粒径および高周波焼入れ後の試験片の回転曲げ疲労強度について調べた結果を表２に併記する。
なお、温間鍛造時における歪み量は、有限要素解析法により、鍛造面の摩擦係数を 0.3として算出した。
また、被削性は、外周旋削試験での工具寿命が、通常のＳＣ材と同等またはそれ以上の場合を○、ＳＣ材よりも劣る場合を×で、評価した。
【００３１】
【表１】
【００３２】
【表２】
【００３３】
表２から明らかなように、本発明に従い、母材組織を粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイト組織、または粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイトとパーライト組織とした発明例はいずれも、母材強度≧1000 MPaという優れた強度が得られるだけでなく、高周波焼入れ後の表層部組織も、旧オーステナイト粒径が12μm 以下の微細なマルテンサイト組織となり、回転曲げ疲労強度≧800MPa という優れた疲労強度を得ることができた。
【００３４】
これに対し、母材のフェライト粒径が７μm を超えていると母材強度が不足すると共に、高周波焼入れ後の旧オーステナイト粒径も粗大化し、回転曲げ疲労強度も不十分であった。
特に鍛造温度が低いNo.7の比較例では、組織が加工組織となり、一方鍛造温度が高いNo.8の比較例では、フェライト粒が微細化しなかった。また、そのような粗大なフェライト組織に、高周波焼入れを行っても、得られるマルテンサイトの旧オーステナイト粒径は12μm 以下にはならなかった。
また、Moが無添加の No.12の比較例では、母材フェライト粒は微細化したものの、高周波焼入れ後の旧オーステナイト粒径が粗大となった。一方、Mo量が過剰の No.13の比較例では、被削性が低下した。
さらに、Ｃ量が不足している No.14の比較例では焼きが入らず、一方Ｃが過剰の No.15の比較例では、被削性の低下を招いた。
【００３５】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、母材強度が1000 MPa以上で、回転曲げ疲労強度が 800 MPa以上という、優れた強度と疲労強度を併せ持つ高強度鋼材を安定して得ることができる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、等速ジョイント、ドライブシャフト、クランクシャフトおよびハブ等の条鋼製品に用いて好適な、疲労強度に優れた高強度鋼材およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
等速ジョイント、ドライブシャフト、クランクシャフトおよびハブ等の条鋼製品は、機械加工性を高めるための焼なましまたは球状化焼なまし後に、熱間鍛造または転造を行い、その後、部分的あるいは全体的に高周波焼入れを行うあるいは窒化処理を行って製造されてきた。
かかる用途の製品については、車体軽量化のために、高強度化と高疲労寿命化が求められている。
【０００３】
従来、上記の目的を達成するために、線状または棒状の圧延鋼材の軸心を通る断面において、軸心と平行でかつ軸心から 1/4Ｄ離れた位置の単位面積：100mm2中に存在する酸化物および硫化物を20個以下に抑制することによって、疲労特性および転動疲労特性を改善する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
しかしながら、この方法では、疲労強度の最大値は 770 MPa程度にすぎず、最近の曲げ疲労強度に対する要求には応えられない。
【０００４】
【特許文献１】
特開平11−1749号公報（特許請求の範囲）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、母材組織と表層部組織を適切に制御することにより、母材強度が1000 MPa以上で、回転曲げ疲労強度が 800 MPa以上という、優れた強度と疲労強度を併せ持つ高強度鋼材を、その有利な製造方法と共に提案することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、以下に述べる知見を得た。
(1) 鋼材の結晶粒径を微細にすると、強度および疲労強度が共に向上するが、単に結晶粒径を微細にしただけでは、その後の高周波焼入れによって結晶粒が粗大化するので、本発明で所望するほどの疲労強度の向上は望めない。
(2) この点、成分調整を行って、鋼組織を、微細フェライトだけでなく、微細セメンタイトが生成するようにすると、この微細分散セメンタイトおよび母材フェライト粒界が、高周波加熱時にオーステナイト化の核として作用し、多数の核からオーステナイト化が起こるようになるため、最終的に得られるマルテンサイトの旧オーステナイト粒径も微細化する。
その結果、高周波焼入れ後においても、強度および疲労強度が格段に向上する。
(3) 高周波焼入れに際しては、比較的低温とした方が、改善効果は大きい。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００７】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．Ｃ：0.3 〜0.8 mass％、
Si：0.01〜0.9 mass％、
Mn：0.01〜2.0 mass％および
Mo：0.05〜0.6 mass％
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成であり、母材組織が粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイト組織、または粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイトとパーライト組織で、該セメンタイトの組織分率が４ vol％以上、該パーライトの組織分率が20 vol％以下、該フェライトの組織分率が40 vol％以上であり、かつ、表層部に高周波焼入れが施されてなり、該表層部が旧オーステナイト粒径：12μm 以下のマルテンサイト組織とされていることを特徴とする疲労強度に優れた高強度鋼材。
【０００８】
２．上記１において、鋼材が、さらに
Al：0.015〜0.06mass％、
Ti：0.005〜0.030 mass％、
Ni：1.0 mass％以下、
Cr：1.0 mass％以下、
Ｖ：0.1 mass％以下、
Cu：1.0 mass％以下、
Nb：0.05mass％以下、
Ca：0.008 mass％以下および
Ｂ：0.004 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であることを特徴とする疲労強度に優れた高強度鋼材。
【０００９】
３．Ｃ：0.3 〜0.8 mass％、
Si：0.01〜0.9 mass％、
Mn：0.01〜2.0 mass％および
Mo：0.05〜0.6 mass％
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成である鋼素材を、550〜700 ℃の温度域で、歪み：1.0 以上の加工を施して、粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイト組織、または粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイトとパーライト組織で、該セメンタイトの組織分率が４ vol％以上、該パーライトの組織分率が20 vol％以下、該フェライトの組織分率が40 vol％以上の組織とし、しかる後に、表層部に加熱温度：800〜1000℃の条件で高周波焼入れを施して、該表層部を旧オーステナイト粒径：12μm 以下のマルテンサイト組織とすることを特徴とする疲労強度に優れた高強度鋼材の製造方法。
【００１０】
４．上記３において、鋼素材が、さらに
Al：0.015 〜0.06mass％、
Ti：0.005 〜0.030 mass％、
Ni：1.0 mass％以下、
Cr：1.0 mass％以下、
Ｖ：0.1 mass％以下、
Cu：1.0 mass％以下、
Nb：0.05mass％以下、
Ca：0.008 mass％以下および
Ｂ：0.004 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であることを特徴とする疲労強度に優れた高強度鋼材の製造方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体的に説明する。
まず、この発明において鋼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：0.3 〜0.8 mass％
Ｃは、高周波焼入れにより十分な表面硬さを得ると共に、必要量のセメンタイトを確保するために必要な元素である。ここに、Ｃ含有量が 0.3mass％に満たないと上記の効果が得られず、一方 0.8mass％を超えると被削性や疲労強度、鍛造性の低下を招くので、Ｃ量は 0.3〜0.8 mass％の範囲に限定した。
【００１２】
Si：0.01〜0.9 mass％
Siは、脱酸剤として作用するだけでなく、強度の向上にも有効に寄与するが、含有量が0.01mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 0.9mass％を超えると被削性および鍛造性の低下を招くので、Si量は0.01〜0.9 mass％の範囲に限定した。
【００１３】
Mn：0.01〜2.0 mass％
Mnは、強度の向上だけでなく、高周波焼入性の向上に有効に寄与するが、含有量が0.01mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 2.0mass％を超えると被削性や鍛造性を劣化させるので、Mn量は0.01〜2.0 mass％の範囲に限定した。
【００１４】
Mo：0.05〜0.6 mass％
Moは、高周波焼入れ時におけるオーステナイト粒の成長を抑制する上で有用な元素であり、そのためには少なくとも0.05mass％を必要とするが、0.6 mass％を超えて添加すると被削性の劣化を招くので、Mo量は0.05〜0.6 mass％の範囲に限定した。
【００１５】
以上、基本成分について説明したが、この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。
Al：0.015 〜0.06mass％
Alは、鋼の脱酸剤として作用する他、高周波焼入れ時におけるオーステナイト粒の成長を抑制する効果がある。しかしながら、含有量が 0.015mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方0.06mass％を超えると被削性および疲労強度の低下を招くので、Al量は 0.015〜0.06mass％の範囲に限定した。
【００１６】
Ti：0.005 〜0.030 mass％
Tiは、TiＮのピンニング効果により、高周波焼入れ時のオーステナイト粒の成長を抑制し、結晶粒を微細化するために有用な元素であり、この効果を得るためには少なくとも 0.005mass％の添加を必要とするが、0.030 mass％を超えて添加すると疲労強度の低下を招くので、Ti量は 0.005〜0.030 mass％の範囲に限定した。
【００１７】
Ni：1.0 mass％以下
Niは、焼入性の向上に有効であるが、1.0 mass％を超えて添加すると焼割れを起こし易くなるので、1.0 mass％以下に限定した。
【００１８】
Cr：1.0 mass％以下
Crは、高周波焼入性の向上に有効であるが、1.0 mass％を超えて添加すると疲労強度の低下を招くので、1.0 mass％以下に限定した。
【００１９】
Ｖ：0.1 mass％以下
Ｖは、炭化物となり析出することで、ピンニングによる組織微細化効果を発揮する有用元素であるが、0.1 mass％を超えて添加すると焼入性が劣化するので、0.1 mass％以下に限定した。
【００２０】
Cu：1.0 mass％以下
Cuは、固溶強化および析出強化によって強度を向上させる有用元素であり、また焼入性の向上にも有効に寄与するが、含有量が 1.0mass％を超えると熱間加工時の変形抵抗が大きくなり、製造が困難となるので、1.0 mass％以下に限定した。
【００２１】
Nb：0.05mass％以下
Nbは、析出によりオーステナイト粒をピンニングする効果があるが、0.05mass％を超えて添加してもその効果は飽和するので、0.05mass％以下に限定した。
【００２２】
Ca：0.008 mass％以下
Caは、介在物を球状化し、疲労特性を改善する有用元素であるが、0.008 mass％を超えて添加すると介在物が粗大化し、逆に疲労特性を劣化させる傾向にあるので、0.008 mass％以下に限定した。
【００２３】
Ｂ：0.004 mass％以下
Ｂは、粒界強化により疲労特性を改善するだけでなく、焼入性を高めて強度を向上させる有用元素であるが、0.004 mass％を超えて添加してもその効果は飽和するので、0.004 mass％以下に限定した。
【００２４】
以上、好適成分組成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、以下に述べるとおり、鋼組織の調整も重要である。
母材組織が粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイト組織、または粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイトとパーライト組織
母材組織すなわち高周波焼入れ前の組織（高周波焼入れ後の表層部焼入れ組織以外の部分に相当）が、粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイト組織、または粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイトとパーライト組織でないと、本発明で所期した母材強度≧1000 MPaが得られない。また、フェライト粒径が７μm 以下でないと、その後に高周波焼入れを適用した場合、高周波焼入れ適用部の旧オーステナイト粒径が12μm 以下にならず、疲労強度が向上しない。よって、母材のフェライト粒径は７μm 以下に限定した。より好ましくは５μm 以下である。
なお、フェライト粒径が２μm 以下になるとパーライト組織が消失し、フェライト−セメンタイト組織となる場合があるが、これは本発明を阻害するものではない。
【００２５】
また、析出するセメンタイトの量（組織分率）は、体積分率（ vol％）で４％以上とする必要がある。
セメンタイトは、多量、微細に析出することで、均一伸びを大きくする作用があり、材料の加工性を向上させる。さらに、セメンタイトは、高周波焼入れ時にはオーステナイト生成の核となるため、微細に分散させることで、焼入れ部分の微細化にも寄与する。
ここに、析出したセメンタイトの大きさは１μm 以下程度とすることが望ましい。より望ましくは 0.5μm 以下である。
さらに、析出するパーライト量は20 vol％以下とする必要がある。このパーライトは、前述したとおり、全く析出しなくてもかまわない。
なお、セメンタイト、パーライト以外の母材の残部組織はフェライトである。このフェライト量は、加工性確保の観点から40 vol％以上とする必要がある。
【００２６】
なお、上記したようなフェライトとセメンタイト組織またはフェライトとセメンタイトとパーライト組織は、鋼材の製造工程中、温間鍛造工程において、 550〜700 ℃の温度域で、歪み：1.0 以上の加工を施すことによって、好適に得ることができる。
【００２７】
高周波焼入れ後の表層部が旧オーステナイト粒径：12μm 以下のマルテンサイト組織
旧オーステナイト粒径が12μm 以下でないと、本発明で所期した 800 MPa以上という高い曲げ疲労強度を得ることができない。
そのため、高周波焼入れ後の組織における旧オーステナイト粒径は12μm 以下に限定した。好ましくは５μm 以下である。
なお、上記した高周波焼入れ後の組織は、母材組織を、粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイト組織、または粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイトとパーライト組織とした上で、後述する条件で高周波焼入れを行うことによって、得ることができる。
【００２８】
次に、本発明鋼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、線棒圧延後、温間鍛造し、ついで必要に応じて冷牽工程を経たのち、高周波焼入れを施して、製品とする。
焼入れ前の母材のフェライト粒径を７μm 以下にするためには、上記の温間鍛造工程において、 550〜700 ℃の温度域で歪み：1.0 以上の加工を施すことが有利である。ここに、加工温度が 550℃未満では、組織が加工組織のままで、微細化しない。一方、加工温度が 700℃を超えると結晶粒径が７μm 超となり、やはり微細化しない。また、加工量が真歪みで 1.0未満では、加工が不十分で小角粒界が大半を占めるようになるため、強度は勿論のこと、疲労特性が向上しない。
【００２９】
上記の母材組織としたのち、高周波焼入れを行って、表層部を硬化させる。
この際の高周波焼入れ条件は、加熱温度：800 〜1000℃、周波数：0.3 〜400 kHz が採用できる。
加熱温度が 800℃に満たないとオーステナイト化が不十分であり、一方1000℃を超えるとオーステナイト粒径が粗大になる。
また、周波数が 0.3 kHzに満たないと急速かつ十分な温度上昇が得られず、一方 400 kHzを超えると焼入れ深さが浅くなり、曲げ疲労強度が向上しない。
【００３０】
【実施例】
表１に示す成分組成になる鋼材を、棒圧延後、表２に示す条件で温間鍛造し、60×60×120 mmの母材を得た。この母材より、引張り試験片、回転曲げ疲労試験片および被削性試験片を採取した。
ついで、回転曲げ疲労試験片には、加熱温度：900 ℃、周波数：12 kHzの条件で高周波焼入れを行った。
母材のフェライト結晶粒径、セメンタイト量、パーライト量、引張強度および被削性ならびに高周波焼入れ後の焼入れ組織の旧オーステナイト結晶粒径および高周波焼入れ後の試験片の回転曲げ疲労強度について調べた結果を表２に併記する。
なお、温間鍛造時における歪み量は、有限要素解析法により、鍛造面の摩擦係数を 0.3として算出した。
また、被削性は、外周旋削試験での工具寿命が、通常のＳＣ材と同等またはそれ以上の場合を○、ＳＣ材よりも劣る場合を×で、評価した。
【００３１】
【表１】
【表２】
表２から明らかなように、本発明に従い、母材組織を粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイト組織、または粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイトとパーライト組織とした発明例はいずれも、母材強度≧1000 MPaという優れた強度が得られるだけでなく、高周波焼入れ後の表層部組織も、旧オーステナイト粒径が12μm 以下の微細なマルテンサイト組織となり、回転曲げ疲労強度≧800MPa という優れた疲労強度を得ることができた。
【００３４】
これに対し、母材のフェライト粒径が７μm を超えていると母材強度が不足すると共に、高周波焼入れ後の旧オーステナイト粒径も粗大化し、回転曲げ疲労強度も不十分であった。
特に鍛造温度が低いNo.7の比較例では、組織が加工組織となり、一方鍛造温度が高いNo.8の比較例では、フェライト粒が微細化しなかった。また、そのような粗大なフェライト組織に、高周波焼入れを行っても、得られるマルテンサイトの旧オーステナイト粒径は12μm 以下にはならなかった。
また、Moが無添加の No.12の比較例では、母材フェライト粒は微細化したものの、高周波焼入れ後の旧オーステナイト粒径が粗大となった。一方、Mo量が過剰の No.13の比較例では、被削性が低下した。
さらに、Ｃ量が不足している No.14の比較例では焼きが入らず、一方Ｃが過剰の No.15の比較例では、被削性の低下を招いた。
【００３５】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、母材強度が1000 MPa以上で、回転曲げ疲労強度が 800 MPa以上という、優れた強度と疲労強度を併せ持つ高強度鋼材を安定して得ることができる。
Claims (4)
- Ｃ：0.3 〜0.8 mass％、
Si：0.01〜0.9 mass％、
Mn：0.01〜2.0 mass％および
Mo：0.05〜0.6 mass％
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成であり、母材組織が粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイト組織、または粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイトとパーライト組織で、該セメンタイトの組織分率が４ vol％以上、該パーライトの組織分率が20 vol％以下、該フェライトの組織分率が40 vol％以上であり、かつ、表層部に高周波焼入れが施されてなり、該表層部が旧オーステナイト粒径：12μm 以下のマルテンサイト組織とされていることを特徴とする疲労強度に優れた高強度鋼材。 - 請求項１において、鋼材が、さらに
Al：0.015〜0.06mass％、
Ti：0.005〜0.030 mass％、
Ni：1.0 mass％以下、
Cr：1.0 mass％以下、
Ｖ：0.1 mass％以下、
Cu：1.0 mass％以下、
Nb：0.05mass％以下、
Ca：0.008 mass％以下および
Ｂ：0.004 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であることを特徴とする疲労強度に優れた高強度鋼材。 - Ｃ：0.3 〜0.8 mass％、
Si：0.01〜0.9 mass％、
Mn：0.01〜2.0 mass％および
Mo：0.05〜0.6 mass％
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成である鋼素材を、550〜700 ℃の温度域で、歪み：1.0 以上の加工を施して、粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイト組織、または粒径：７μm 以下のフェライトとセメンタイトとパーライト組織で、該セメンタイトの組織分率が４ vol％以上、該パーライトの組織分率が20 vol％以下、該フェライトの組織分率が40 vol％以上の組織とし、しかる後に、表層部に加熱温度：800〜1000℃の条件で高周波焼入れを施して、該表層部を旧オーステナイト粒径：12μm 以下のマルテンサイト組織とすることを特徴とする疲労強度に優れた高強度鋼材の製造方法。 - 請求項３において、鋼素材が、さらに
Al：0.015〜0.06mass％、
Ti：0.005〜0.030 mass％、
Ni：1.0 mass％以下、
Cr：1.0 mass％以下、
Ｖ：0.1 mass％以下、
Cu：1.0 mass％以下、
Nb：0.05mass％以下、
Ca：0.008 mass％以下および
Ｂ：0.004 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であることを特徴とする疲労強度に優れた高強度鋼材の製造方法。
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