JP4745017B2 - 冷間鍛造および耐摩耗用合金鋼およびその製造方法 - Google Patents

冷間鍛造および耐摩耗用合金鋼およびその製造方法 Download PDF

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本発明は、冷鍛成形に適し、焼入れ焼戻し後、窒化後に高い表面硬さと内部硬さが得られる耐摩耗用合金鋼およびその製造方法に関するものである。
冷間鍛造部品は自動車等の小物部品として非常に多く使用されている。これら冷間鍛造品は切削加工等の他の加工法に比べ、高生産性、寸法精度良好、高い歩留りといった優れた特徴を有しているためである。従って、これらの有利な特徴を活かせる部位には、積極的に冷間鍛造部品が使用されている。一方、冷間鍛造という加工法は加工時に大きな力が必要で、加工に使用する金型、パンチ等に多大な負荷がかかるという課題がある。
また、冷間鍛造部品の中には、使用時の環境から高強度かつ高面圧に耐えられることが要求される部品が多くあり、そのために、冷間鍛造後に浸炭や窒化等の表面硬化処理を行って使用される場合も多い。従って、優れた冷間鍛造性が要求されるのは勿論のこと、それ以外に表面硬化処理特性についても同時に優れた材料の開発が強く要求されている。
そこで、例えば特開2001−329339号公報(特許文献1)に開示されているように、特に冷間鍛造性に優れた歯車用鋼に関し、成分と介在物を制御することにより高い冷間鍛造性を得るというものである。また、特開平6−93384号公報(特許文献2)に開示されているように、冷間鍛造による成形が可能な耐熱鋼であって、重量比にして、C:0.35〜0.42%、Si:1.80〜2.20%、Mn:0.60%以下、S:0.010%以下、Cr:10.00〜11.00%、Mo:0.70〜1.30%、O:0.010%以下を含有し、残部がFeおよび不純物元素からなり、750〜850℃の温度で焼鈍する冷鍛用耐熱鋼にある。
さらに、特開2004−300473号公報(特許文献3)に開示されているように、重量比にして、C:0.05〜0.20%、Si:0.30%未満、Mn:1.00%以下、Cr:0.50〜1.50%、Al:0.040%以下、N:0.010%以下:Ti:0.50〜1.50%を含有し、かつTi−4×C−3.4N≧0.20を満足し、残部がFeおよび不純物元素からなる熱間圧延材であって、TiCが分散析出したフェライトのみからなる組織を有し、硬さがHv130以下である窒化特性の優れた冷鍛用鋼が提案されている。
特開2001−329339号公報 特開平6−93384号公報 特開2004−300473号公報
しかしながら、上述した特許文献1では、成分と介在物を制御することにより高い冷間鍛造性を実現しているが、しかし、低合金のために、目的とした硬さ、耐摩耗性は得られない。また、特許文献2は、耐熱性の向上を狙った成分系であるが、しかし、特許文献1と同様に、目的とした硬さ、耐摩耗性は得られない。さらに、特許文献3は窒化による表面硬さに適した鋼であるが、しかし、これも低合金のために、目的とした硬さ、耐摩耗性は得られない。
一方、Si、Cr、Moなどの合金元素を多く含有するほど冷間鍛造性が悪くなる。また、熱処理、表面処理後の特性を高めるには、これらの合金元素が必須となる。自動車、家電などの小さい部品では、歩留り、表面性状、寸法精度の点で冷間鍛造が適している場合が多いが、合金元素を多く含む材料では冷間鍛造性が悪く、合金元素が少ない材料では材料特性、特に耐摩耗性が不十分である。そのため、冷間鍛造性と製品の材料特性を両立させることが困難であった。
上述したように問題を解消するために、発明者らは鋭意研究を進めた結果、Mo,V,Wを添加総量で制限し、多くの合金元素を少しづつ適量添加することにより、冷間鍛造性と製品の材料特性の両立を可能にした。さらに、酸素量、焼鈍条件を最適化することで、より安定した冷間鍛造性を得ることができる。また、焼入れ焼戻し状態でも40HRC以上の硬さにより優れた摩耗性が得られるが、窒化後の高い表面硬さと内部硬さにより、さらに優れた耐摩耗性を得ることができることを見出し発明に至ったものである。
その発明の要旨とするところは、
(1)質量%で、C:0.40〜0.60%、Si:0.10〜1.50%、Mn:0.40〜1.00%、P:0.030%以下、S:0.010%以下、Ni:0.25%以下、Cr:4.0〜6.0%、Mo:0.05〜1.5%、V:0.05〜1.5%、W:0.05〜1.5%、Mo+V+W:3.00%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼であることを特徴とする冷間鍛造および耐摩耗用合金鋼。
(2)前記(1)に記載に鋼に、さらにO:20ppm以下としたことを特徴とする冷間鍛造および耐摩耗用合金鋼。
(3)前記(1)または(2)に記載の鋼を400〜600℃で窒化処理し、表面から0.05mmの位置で600HV以上、母材硬さ400HV以上とすることを特徴とする冷間鍛造および耐摩耗用合金鋼の製造方法。
(4)前記(1)または(2)に記載の鋼を800〜950℃に加熱し、600℃までを30℃/h以下で冷却する焼鈍工程を1回以上施すことを特徴とする冷間鍛造および耐摩耗用合金鋼の製造方法にある。
以上述べたように、本発明により冷間鍛造化による省エネルギー、低コスト化および熱処理、表面処理後の部品の寿命向上を図ることが出来る極めて優れた効果を奏するものである。
以下、本発明に係る成分組成の限定理由を説明する。
C:0.40〜0.60%
Cは、硬さ、強度および耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、0.40%未満ではその効果が得られず、また、0.60%を超えると焼鈍硬さを高め、冷間鍛造性を低下させ、据込み時に割れが発生し、高い加工応力が必要な場合、変形量の大きい加工ができない。従って、その範囲を0.40〜0.60%とした。好ましくは、0.45〜0.55%である。
Si:0.10〜1.50%
Siは、冷間鍛造後の切削、研磨性を高め、二次硬化を得るために必要な元素である。しかし、0.10%未満ではその効果が得られず、また、1.50%を超えると焼鈍硬さを高め、冷間鍛造性を低下させる。従って、その範囲を0.10〜1.50%とした。
Mn:0.40〜1.00%
Mnは、鋼の脱酸に有効であり、焼入れ性を高める元素である。しかし、0.40%未満ではその効果が得られず、また、1.00%を超えると焼鈍硬さを高め、冷間鍛造性を低下させる。従って、その範囲を0.40〜1.00%とした。
P:0.030%以下
Pは、0.030%を超えると粒界に偏析し冷間鍛造性を低下させ、焼入れ焼戻し後の靱性を著しく低下させる。従って、その上限を0.030%とした。
S:0.010%以下
Sは、0.010%を超えると硫化物を生成し、冷間鍛造性を低下させ、焼入れ焼戻し後の靱性を著しく低下させる。従って、その上限を0.010%とした。
Ni:0.25%以下
Niは、0.25%を超えると焼鈍硬さを高め、冷間鍛造性を低下させる。従って、その上限を0.025%とした。
Cr:4.0〜6.0%
Crは、焼入れ性、強度、耐摩耗性を高める。また、窒化による硬化に寄与する元素である。しかし、4.0%未満ではその効果は得られず、また、6.0%を超えると焼鈍硬さを高め、冷間鍛造性を低下させる。さらに、粗大炭化物を生成し、冷間鍛造性を低下させる。従って、その範囲を4.0〜6.0%とした。好ましくは4.5〜5.5%とする。
Mo:0.05〜1.5%
Moは、硬さ、強度、耐摩耗性を高める。また、500〜600℃焼戻しでの二次硬化に寄与する。さらに、窒化による硬化に寄与する元素である。しかし、0.05%未満ではその効果は得られず、また、1.5%を超えると焼鈍硬さを高め、冷間鍛造性を低下させる。さらに、炭化物が凝集し冷間鍛造性を低下させる。従って、その範囲を0.05〜1.5%とした。好ましくは、0.8〜1.2%とする。
V:0.05〜1.5%
Vは、硬さ、強度、耐摩耗性を高める。また、500〜600℃焼戻しでの二次硬化に寄与する。さらに、窒化による硬化に寄与する元素である。しかし、0.05%未満ではその効果は得られず、また、1.5%を超えると焼鈍硬さを高め、冷間鍛造性を低下させる。従って、その範囲を0.05〜1.5%とした。
W:0.05〜1.5%
Wは、硬さ、強度、耐摩耗性を高める。また、500〜600℃焼戻しでの二次硬化に寄与する。さらに、窒化による硬化に寄与する元素である。しかし、0.05%未満ではその効果は得られず、また、1.5%を超えると焼鈍硬さを高め、冷間鍛造性を低下させる。さらに、炭化物が凝集し冷間鍛造性を低下させる。従って、その範囲を0.05〜1.5%とした。好ましくは、0.8〜1.2%とする。
Mo+V+W:3.00%以下
Mo+V+Wが3.00%超えると3種の合金元素を少しづつ添加し、添加総量で制限することにより冷間鍛造性の低下を著しく抑制する。従って、その上限を3.00%とした。
O:20ppm以下
Oは、20ppmを超えると酸化物を生成し冷間鍛造性を著しく低下させる。従って、その上限を20ppmとした。
焼鈍条件として、800〜950℃で加熱し、600℃まで30℃/h以下で冷却する。この処理を1回以上、冷間鍛造後も可能である。800〜950℃で加熱し、徐冷することにより炭化物が球状化する。その際、30℃/h以下で冷却することにより出来るだけ多くの合金元素を炭化物中へ排出、焼鈍硬さを下げることができる。この処理を1回以上繰り返すこと、特に冷間鍛造時の予備成形後に施すことによりよりさらに焼鈍硬さを下げることが出来る。
窒化条件として、400〜600℃で窒化した場合、表面から0.05mmの位置で600HV以上、母材硬さが400HV以上を特徴とする。耐摩耗性を高めるため窒化することができる。500〜600℃焼戻しでの二次硬化を利用することで窒化後の母材硬化を低下させず、高い表面硬度が得られる。
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表1に示す各種鋼を100kg真空誘導溶解炉で溶解し、インゴットに鋳造した。このインゴットを1200℃に加熱した後、φ60mmに鍛伸し、870℃で焼鈍した後、1000〜1050℃で焼入れし、500〜650℃に焼戻し、400〜600℃で窒化処理を施した。その結果を表2に示す。表2に示す冷間鍛造性評価は、φ12×21Lの据込み試験片を作製し、端面拘束圧縮試験から割れ発生限界を求めた。また、耐摩耗試験は、大越式摩耗試験により焼入れ焼戻し後、窒化処理後の比摩耗量を測定した。摩擦距離200mm、最終荷重6.3kg、摩擦速度1m/sec、相手材SCM420を用いた。
Figure 0004745017
Figure 0004745017
表2に示すように、No.1〜10は本発明例であり、No.11〜20は比較例である。比較例No.11は焼鈍温度が高いために、焼鈍硬さが高く、限界据込み率が低い。比較例No.12はMo+V+Wの値が大きいために、焼鈍硬さが高く、限界据込み率が低い。比較例No.13はC含有量が低いために、窒化後の内部硬さが低く、表面から0.05mmの位置での窒化硬さも低い。比較例No.14はO含有量が高いために、限界据込み率が低い。比較例No.15は焼戻温度が高いために、焼入焼戻し硬さが低く、比摩耗量も多い。比較例No.16はCr含有量が高いために、焼鈍硬さが高く、限界据込み率が低い。
比較例No.17はMo含有量が高いために、限界据込み率が低い。比較例No.18は焼鈍温度が高いために、焼鈍硬さが高く、限界据込み率が低い。比較例No.19はC含有量が高いために、焼鈍硬さが高く、限界据込み率が低い。比較例No.20はSi含有量が高いために、限界据込み率が低い。
これに対し、本発明例No.1〜10はいずれも本発明の条件を満たしていることから各特性について優れていることが分かる。
上述したように、本発明による焼入焼戻し後の耐摩耗性、窒化特性のためにC,Cr,Mo,V,Wを添加しその添加量の最適化を図り、また、冷間鍛造性のためOを20ppm以下、さらには、800〜950℃で加熱し、600℃まで30℃/h以下で冷却する焼鈍処理を1回以上施す(冷間鍛造後も可能)ことにより炭化物生成を促進し焼鈍硬さを低下させ、冷間鍛造性を向上することを可能としたものである。これにより冷間鍛造化による省エネルギー、低コスト、熱処理および表面処理後の部品の寿命延長を図ることが出来、工業上極めて優れた効果を奏するものである。


特許出願人 山陽特殊製鋼株式会社
代理人 弁理士 椎 名 彊

Claims (4)

  1. 質量%で、
    C:0.40〜0.60%、
    Si:0.10〜1.50%、
    Mn:0.40〜1.00%、
    P:0.030%以下、
    S:0.010%以下、
    Ni:0.25%以下、
    Cr:4.0〜6.0%、
    Mo:0.05〜1.5%、
    V:0.05〜1.5%、
    W:0.05〜1.5%、
    Mo+V+W:3.00%以下
    を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼であることを特徴とする冷間鍛造および耐摩耗用合金鋼。
  2. 請求項1に記載に鋼に、さらにO:20ppm以下としたことを特徴とする冷間鍛造および耐摩耗用合金鋼。
  3. 請求項1または2に記載の鋼を400〜600℃で窒化処理し、表面から0.05mmの位置で600HV以上、母材硬さ400HV以上とすることを特徴とする冷間鍛造および耐摩耗用合金鋼の製造方法。
  4. 請求項1または2に記載の鋼を800〜950℃に加熱し、600℃までを30℃/h以下で冷却する焼鈍工程を1回以上施すことを特徴とする冷間鍛造および耐摩耗用合金鋼の製造方法。
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