JP5217486B2 - 黒皮外周旋削性とねじり強度に優れた鋼材 - Google Patents
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Description
本発明は、ねじり強度の優れた機械構造用部品に適した鋼材に関し、特に切削加工を施す際の黒皮外周旋削性が良好な鋼材に関する。
従来、自動車用ドライブシャフトや等速ジョイント等の機械構造用部品は、熱間圧延棒鋼に、熱間鍛造あるいは、切削や冷間鍛造等を施して所定の形状に加工した後、高周波焼入れ−炉加熱焼戻しを行い、機械構造用部品としての重要な特性であるねじり強度を確保しているのが一般的である。
すなわち、高周波焼入れ前に良好な切削性及び冷間鍛造性を確保しつつ、高周波焼入れ−焼戻し後には高いねじり強度を有する種々の鋼材が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
すなわち、高周波焼入れ前に良好な切削性及び冷間鍛造性を確保しつつ、高周波焼入れ−焼戻し後には高いねじり強度を有する種々の鋼材が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、シャフト部品の製造においては、熱処理あるいは鍛造加工等を行うことなく圧延ままの棒鋼材（以降、黒皮材と呼ぶ）から直接、外周旋削加工により所定の形状に仕上げる場合がある。この黒皮材の外周旋削加工は、鋼材表面のスケール層（黒皮）が鋼材に比べて高硬度であるため、外周旋削工具の損耗が激しく、工具寿命の低下を招いていた。これに伴い、工具の交換頻度が増加して生産性が低下すること、そして工具コストが上昇すること、が問題になっていた。
従来、より高硬度の工具の使用あるいは、表面に硬質の皮膜をコーティングした工具を使用するといった、工具側からの対策は講じられているが、工具コストが上昇するという問題は依然として解消されていない。なお、外周旋削前に酸洗あるいはショットブラスト等によりスケールを除去し、その後外周旋削加工を施すといった対策も考えられるが、新たな工程を付加しなくてはならないことや、新たな設備導入が必要となることから、やはり製造コストの増加につながる。
特開平９−１１１４０１号公報
一方、機械構造用部品の素材となる鋼材側からは、上記の問題に対する対策は積極的になされていなかったのが実情である。
そこで、本発明は従来技術の上記した問題を鋼材において解決すること、すなわち黒皮外周旋削性に優れ、かつシャフト部品等に要求されることの多い、ねじり強度に優れた機械構造用部品に適した鋼材の提供を目的とする。
そこで、本発明は従来技術の上記した問題を鋼材において解決すること、すなわち黒皮外周旋削性に優れ、かつシャフト部品等に要求されることの多い、ねじり強度に優れた機械構造用部品に適した鋼材の提供を目的とする。
黒皮外周旋削性の向上に関する検討はこれまでほとんどなされておらず、この点につき発明者らは鋭意検討を行った。その結果、鋼の化学組成を工夫することにより優れた黒皮外周旋削性が得られるという知見を新規に得て、本発明を完成するに到った。
本発明は、上記の知見を基になされたものであり、その要旨とするところは、以下の通りである。
（１）Ｃ：0.35質量％以上0.46質量％以下、
Si：0.16質量％以上0.24質量％以下、
Mn：1.0質量％超1.4質量％以下、
Ｐ：0.025質量％以下、
Ｓ：0.015質量％超0.04質量％以下、
Cu：0.21質量％以上0.35質量％以下、
Al：0.03質量％超0.1質量％以下、
Cr：0.5質量％未満、
Ti：0.005質量％以上0.04質量％未満、
Ｂ：0.0003質量％以上0.0070質量％以下、
Ｎ：0.002質量％以上0.02質量％以下及び
Ｏ：0.0030質量％以下
を含有し、残部Fe及び不可避的不純物の成分組成を有することを特徴とする黒皮外周旋削性とねじり強度に優れた鋼材。
（１）Ｃ：0.35質量％以上0.46質量％以下、
Si：0.16質量％以上0.24質量％以下、
Mn：1.0質量％超1.4質量％以下、
Ｐ：0.025質量％以下、
Ｓ：0.015質量％超0.04質量％以下、
Cu：0.21質量％以上0.35質量％以下、
Al：0.03質量％超0.1質量％以下、
Cr：0.5質量％未満、
Ti：0.005質量％以上0.04質量％未満、
Ｂ：0.0003質量％以上0.0070質量％以下、
Ｎ：0.002質量％以上0.02質量％以下及び
Ｏ：0.0030質量％以下
を含有し、残部Fe及び不可避的不純物の成分組成を有することを特徴とする黒皮外周旋削性とねじり強度に優れた鋼材。
（２）前記（１）において、さらに
Ni：0.05質量％以上3.5質量％以下
を含有する黒皮外周旋削性とねじり強度に優れた鋼材。
Ni：0.05質量％以上3.5質量％以下
を含有する黒皮外周旋削性とねじり強度に優れた鋼材。
（３）前記（１）または（２）において、さらに
Nb：0.005質量％以上0.1質量％以下及び
Ｖ：0.01質量％以上0.5質量％以下
から選ばれる１種または２種を含有する黒皮外周旋削性とねじり強度に優れた鋼材。
Nb：0.005質量％以上0.1質量％以下及び
Ｖ：0.01質量％以上0.5質量％以下
から選ばれる１種または２種を含有する黒皮外周旋削性とねじり強度に優れた鋼材。
本発明によれば、黒皮外周旋削性に優れかつねじり強度の高い、機械構造用部品に適した鋼材を提供することができる。特に、シャフト部品等に要求されることの多い、黒皮外周旋削性の改善を鋼材によって図ることができるから、本発明による産業上の効果は極めて顕著である。
以下、本発明の限定理由について、成分毎に詳しく説明する。なお、以下の「％」表示は、特に断らない限り「質量％」を意味する。
Ｃ：0.35％以上0.46％以下
Ｃは、焼入れ性への影響が最も大きい元素であり、焼入硬化層の硬さおよび深さを高めて、ねじり強度を向上させる上で有用である。含有量が0.35％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、焼入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ることから、Ｃ含有量は0.35％以上とする。一方、0.46％を超えて含有させると、ねじり試験時に脆性破壊を起こし、かえってねじり強度が低下する他、焼入れ時に焼割れが発生しやすくなる。従って、Ｃ含有量は0.35％以上0.46％以下とする。好ましくは、0.38％以上0.42％以下である。
Ｃ：0.35％以上0.46％以下
Ｃは、焼入れ性への影響が最も大きい元素であり、焼入硬化層の硬さおよび深さを高めて、ねじり強度を向上させる上で有用である。含有量が0.35％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、焼入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ることから、Ｃ含有量は0.35％以上とする。一方、0.46％を超えて含有させると、ねじり試験時に脆性破壊を起こし、かえってねじり強度が低下する他、焼入れ時に焼割れが発生しやすくなる。従って、Ｃ含有量は0.35％以上0.46％以下とする。好ましくは、0.38％以上0.42％以下である。
Si：0.16％以上0.24％以下
Siは、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。また、フェライト中に固溶し強化するほか、焼入れ後の焼戻し時の焼戻し軟化抵抗を向上させる元素であり、このことによりねじり強度を向上させる。さらに、脱酸元素としても有用であるため、0.16％以上で含有させるが、0.24％を超えて含有させると、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含有量は、0.16％以上0.24％以下とする。好ましくは、0.22％以下である。
Siは、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。また、フェライト中に固溶し強化するほか、焼入れ後の焼戻し時の焼戻し軟化抵抗を向上させる元素であり、このことによりねじり強度を向上させる。さらに、脱酸元素としても有用であるため、0.16％以上で含有させるが、0.24％を超えて含有させると、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含有量は、0.16％以上0.24％以下とする。好ましくは、0.22％以下である。
Mn：1.0％超1.4％以下
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必須の成分であり、そのためには1.0％を超える含有が必要である。一方、1.4％を超えて含有させると、焼入れ後の残留オーステナイトが増加して、かえって表面硬度を低下させ、ねじり強度及び疲労強度を低下させるため、1.4％以下の含有とする。好ましくは、1.3％以下、さらに好ましくは1.2％以下である。
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必須の成分であり、そのためには1.0％を超える含有が必要である。一方、1.4％を超えて含有させると、焼入れ後の残留オーステナイトが増加して、かえって表面硬度を低下させ、ねじり強度及び疲労強度を低下させるため、1.4％以下の含有とする。好ましくは、1.3％以下、さらに好ましくは1.2％以下である。
Ｐ：0.025％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強度を低下させ、また焼入れ時に焼割れを助長する。従って、その含有量は極力低下させることが望ましいが、0.025％までは許容される。好ましくは、0.020％以下とする。
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強度を低下させ、また焼入れ時に焼割れを助長する。従って、その含有量は極力低下させることが望ましいが、0.025％までは許容される。好ましくは、0.020％以下とする。
Ｓ：0.015％超0.04％以下
Ｓは、鋼中でMnSを形成し切削性を向上させるために含有させる。この効果は、0.015％以下で乏しく、一方0.04％を超えて添加すると、粒界強度を低下させてねじり強度が低下するため、0.04％以下の添加とする。
Ｓは、鋼中でMnSを形成し切削性を向上させるために含有させる。この効果は、0.015％以下で乏しく、一方0.04％を超えて添加すると、粒界強度を低下させてねじり強度が低下するため、0.04％以下の添加とする。
Cu：0.21％以上0.35％以下
Cuは、本発明において最も重要な元素であり、本発明の鋼において0.21%以上で含有させれば、鋼材の黒皮下にCuが濃化し、これにより黒皮外周旋削時に工具表面に付着し工具摩耗を抑制する効果を発揮する。しかし、0.35％を超えて添加すると、熱間加工性を阻害するため0.35％以下の添加とする。好ましくは、0.30％以下とする。
Cuは、本発明において最も重要な元素であり、本発明の鋼において0.21%以上で含有させれば、鋼材の黒皮下にCuが濃化し、これにより黒皮外周旋削時に工具表面に付着し工具摩耗を抑制する効果を発揮する。しかし、0.35％を超えて添加すると、熱間加工性を阻害するため0.35％以下の添加とする。好ましくは、0.30％以下とする。
Al：0.03％超0.1％以下
Alは、脱酸に有効な元素であり、また低酸素化のために有用な元素であるとともに、Ｎと結合してAlNを形成し、これが焼入れ加熱時のオーステナイト粒の成長を抑制する。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。これらのことによりねじり強度を向上させる元素である。これらの効果は、0.03％以下の含有では小さく、一方0.1％を超えて添加してもその効果が飽和し、成分コストの上昇を招くため、0.03％超え0.1％以下の添加とする。好ましくは、0.07％以下とする。
Alは、脱酸に有効な元素であり、また低酸素化のために有用な元素であるとともに、Ｎと結合してAlNを形成し、これが焼入れ加熱時のオーステナイト粒の成長を抑制する。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。これらのことによりねじり強度を向上させる元素である。これらの効果は、0.03％以下の含有では小さく、一方0.1％を超えて添加してもその効果が飽和し、成分コストの上昇を招くため、0.03％超え0.1％以下の添加とする。好ましくは、0.07％以下とする。
Cr：0.5％未満
Crは、焼入れ性に有用な元素であり、焼入れ時の硬化深さを確保するために、好ましくは0.06％以上で添加するが、0.5％以上になると、炭化物を安定化させて残留炭化物の生成を促進し、粒界強度を低下してねじり強度を劣化させる。従って、Cr の含有量は、0.5％未満とする。好ましくは0.4％以下、さらに好ましくは0.3％以下とする。
Crは、焼入れ性に有用な元素であり、焼入れ時の硬化深さを確保するために、好ましくは0.06％以上で添加するが、0.5％以上になると、炭化物を安定化させて残留炭化物の生成を促進し、粒界強度を低下してねじり強度を劣化させる。従って、Cr の含有量は、0.5％未満とする。好ましくは0.4％以下、さらに好ましくは0.3％以下とする。
Ti：0.005％以上0.04％未満
Tiは、Ｎと結合することによって、ＢがBNとなりＢの焼入れ性の向上効果が消失するのを防止し、Ｂの焼入れ性の向上効果を十分に発揮させるために添加する。そのためには、0.005％以上で含有させる必要がある。一方、含有量が0.04％以上になると、TiNが多量に形成されてねじり強度を低下するため、0.04％未満の添加とする。好ましくは、0.01％以上0.03％以下とする。
Tiは、Ｎと結合することによって、ＢがBNとなりＢの焼入れ性の向上効果が消失するのを防止し、Ｂの焼入れ性の向上効果を十分に発揮させるために添加する。そのためには、0.005％以上で含有させる必要がある。一方、含有量が0.04％以上になると、TiNが多量に形成されてねじり強度を低下するため、0.04％未満の添加とする。好ましくは、0.01％以上0.03％以下とする。
Ｂ：0.0003％以上0.0070％以下
Ｂは、微量の添加により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。また、Ｂは粒界に優先的に偏析し、粒界に偏析するＰの濃度を低減し、粒界強度を向上してねじり強度を向上させる元素であり、積極的に添加する。この含有量が0.0003％未満ではその効果が小さく、一方0.0070％を超えて添加すると、その効果が飽和し成分コストの上昇を招くため、0.0070％以下で含有する。好ましくは、0.0005％以上0.0040％以下である。
Ｂは、微量の添加により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。また、Ｂは粒界に優先的に偏析し、粒界に偏析するＰの濃度を低減し、粒界強度を向上してねじり強度を向上させる元素であり、積極的に添加する。この含有量が0.0003％未満ではその効果が小さく、一方0.0070％を超えて添加すると、その効果が飽和し成分コストの上昇を招くため、0.0070％以下で含有する。好ましくは、0.0005％以上0.0040％以下である。
Ｎ：0.002％以上0.02％以下
Ｎは、Al、Ti又はNbと窒化物を形成しあるいは、Al、Ti又はNbとＣとともに結合して炭窒化物を形成し、これが焼入れ加熱時のオーステナイトの成長を抑制することにより、粒界強度、強いてはねじり強度を向上させる。そのためには、0.002％以上で含有させる必要があり、一方0.02％を超えて含有させると、熱間変形能を低下させて連続鋳造時に鋳片の表面欠陥を著しく増加させるため、Ｎの含有量は0.002％以上0.02％以下とする。好ましくは、0.003％以上0.01％以下である。
Ｎは、Al、Ti又はNbと窒化物を形成しあるいは、Al、Ti又はNbとＣとともに結合して炭窒化物を形成し、これが焼入れ加熱時のオーステナイトの成長を抑制することにより、粒界強度、強いてはねじり強度を向上させる。そのためには、0.002％以上で含有させる必要があり、一方0.02％を超えて含有させると、熱間変形能を低下させて連続鋳造時に鋳片の表面欠陥を著しく増加させるため、Ｎの含有量は0.002％以上0.02％以下とする。好ましくは、0.003％以上0.01％以下である。
Ｏ：0.0030％以下
Ｏは、硬質の酸化物系非金属介在物として存在するとともに、粒界に偏析し粒界強度を低下させる原因になる。また、Ｏ量の増大は酸化物系非金属介在物のサイズを極めて粗大化させる。これらは、特に疲労強度に有害であるため、極力低減することが望ましく、0.0030％以下に低減する必要がある。好ましくは、0.0020％以下まで抑制する。
Ｏは、硬質の酸化物系非金属介在物として存在するとともに、粒界に偏析し粒界強度を低下させる原因になる。また、Ｏ量の増大は酸化物系非金属介在物のサイズを極めて粗大化させる。これらは、特に疲労強度に有害であるため、極力低減することが望ましく、0.0030％以下に低減する必要がある。好ましくは、0.0020％以下まで抑制する。
本発明においては、上記の化学組成の他にも、次の成分を適宜添加することが可能である。
Ni：0.05％以上3.5％以下
Niは、炭化物生成を抑制し、この炭化物による粒界強度の低下を抑えてねじり強度を向上させる元素である。また、焼入れ性を向上させる元素であり、焼入れ性を調整する場合に用いることができる。そのためには、0.05％以上で添加することが好ましい。一方、Niは、極めて高価な元素であり、3.5％を超えて添加すると鋼材のコストが上昇するため、3.5％未満の添加とする。より好ましくは、1.0％以下とする。
Ni：0.05％以上3.5％以下
Niは、炭化物生成を抑制し、この炭化物による粒界強度の低下を抑えてねじり強度を向上させる元素である。また、焼入れ性を向上させる元素であり、焼入れ性を調整する場合に用いることができる。そのためには、0.05％以上で添加することが好ましい。一方、Niは、極めて高価な元素であり、3.5％を超えて添加すると鋼材のコストが上昇するため、3.5％未満の添加とする。より好ましくは、1.0％以下とする。
さらに、本発明においては、Nb：0.005％以上0.1％以下及びＶ：0.01質量％以上0.5質量％以下から選ばれる１種または２種を添加することができる。これら成分の作用は、以下の通りである。
Nb：0.005％以上0.1％以下
Nbは、鋼中でＣ、Ｎと結合し微細球状の炭化物あるいは炭窒化物を形成し、これが高周波焼戻し後の粒界炭化物を球状化することのよって、粒界強度の低下を抑制する。また、析出強化作用の極めて強い元素であり、焼戻し軟化抵抗を向上させる元素である。これらのことによりねじり強度を向上させる。そのためには、0.005％以上で添加することが好ましく、一方0.1％を超えて添加してもその効果が飽和するため、0.005％以上0.1％以下の添加とする。より好ましくは、0.01％以上0.05％以下とする。
Nb：0.005％以上0.1％以下
Nbは、鋼中でＣ、Ｎと結合し微細球状の炭化物あるいは炭窒化物を形成し、これが高周波焼戻し後の粒界炭化物を球状化することのよって、粒界強度の低下を抑制する。また、析出強化作用の極めて強い元素であり、焼戻し軟化抵抗を向上させる元素である。これらのことによりねじり強度を向上させる。そのためには、0.005％以上で添加することが好ましく、一方0.1％を超えて添加してもその効果が飽和するため、0.005％以上0.1％以下の添加とする。より好ましくは、0.01％以上0.05％以下とする。
Ｖ：0.01％以上0.5％以下
Ｖは、鋼中でＣ、Ｎと結合し微細球状の炭化物あるいは炭窒化物を形成し、これが高周波焼戻し後の粒界炭化物形状を球状化することによって粒界強度の低下を抑制する。また、Ｖは析出強化作用の極めて強い元素であることと、焼戻し軟化抵抗を向上させる元素である。これらのことによりねじり強度を向上させる。そのためには、0.01％以上で添加することが好ましく、一方0.5％を超えて添加してもその効果が飽和するため、0.01％以上0.5％以下の添加とする。より好ましくは、0.03％以上0.3％以下である。
Ｖは、鋼中でＣ、Ｎと結合し微細球状の炭化物あるいは炭窒化物を形成し、これが高周波焼戻し後の粒界炭化物形状を球状化することによって粒界強度の低下を抑制する。また、Ｖは析出強化作用の極めて強い元素であることと、焼戻し軟化抵抗を向上させる元素である。これらのことによりねじり強度を向上させる。そのためには、0.01％以上で添加することが好ましく、一方0.5％を超えて添加してもその効果が飽和するため、0.01％以上0.5％以下の添加とする。より好ましくは、0.03％以上0.3％以下である。
なお、本発明の鋼材では、その組織を特に限定する必要はなく、フェライト、パーライト又はベイナイト等のいずれでも良い。中でも、フェライト−パーライト主体組織が好適である。
なお、本発明の鋼材の製造方法については特に限定されるものではなく、従来法に従って製造すれば良い。
以下、本発明の実施例について説明する。
表1に示す化学組成の鋼を、転炉−連続鋳造プロセスにより溶製した。この鋳造時の鋳片サイズは300×400mmあった。この鋳片を、ブレークダウン工程を経て150mm角ビレットに圧延したのち、1050℃に再加熱後、30mmφの棒鋼に圧延した。
表1に示す化学組成の鋼を、転炉−連続鋳造プロセスにより溶製した。この鋳造時の鋳片サイズは300×400mmあった。この鋳片を、ブレークダウン工程を経て150mm角ビレットに圧延したのち、1050℃に再加熱後、30mmφの棒鋼に圧延した。
ここで、この棒鋼を200mm長さに切断後、ＮＣ旋盤にてJIS P10、コーナーＲ0.8の超硬工具を用い、切り込み1mm、切削速度200m/min、送り0.2mm/rev.の条件の乾式にて、黒皮外周旋削試験を行った。また、工具寿命について、工具逃げ面摩耗VBが0.2mmとなるまでの切削時間で評価した。
さらに、得られた棒鋼を用いて、平行部20mmφのねじり試験片を作製し、周波数15kHzの高周波焼入装置を用いて焼入れた後、加熱炉にて170℃で30分の焼戻し処理を施し、その後ねじり強度試験を行った。ねじり強度試験は、最大トルク５kN・mのねじり試験機を用いて、ねじり破断強度を求め、ねじり強度とした。
なお、ねじり試験片の硬化層深さは、表層から硬さがビッカース硬さで450ポイントとなるまでの距離とした。
以上の測定並びに評価の結果を、表１に併記する。
なお、ねじり試験片の硬化層深さは、表層から硬さがビッカース硬さで450ポイントとなるまでの距離とした。
以上の測定並びに評価の結果を、表１に併記する。
Claims (3)
- Ｃ：0.35質量％以上0.46質量％以下、
Si：0.16質量％以上0.24質量％以下、
Mn：1.0質量％超1.4質量％以下、
Ｐ：0.025質量％以下、
Ｓ：0.015質量％超0.04質量％以下、
Cu：0.21質量％以上0.35質量％以下、
Al：0.03質量％超0.1％質量％以下、
Cr：0.5質量％未満、
Ti：0.005質量％以上0.04％質量％未満、
Ｂ：0.0003質量％以上0.0070質量％以下、
Ｎ：0.002質量％以上0.02質量％以下及び
Ｏ：0.0030質量％以下
を含有し、残部Fe及び不可避的不純物の成分組成を有することを特徴とする黒皮外周旋削性とねじり強度に優れた鋼材。 - 請求項１において、さらに
Ni：0.05質量％以上3.5質量％以下
を含有する黒皮外周旋削性とねじり強度に優れた鋼材。 - 請求項１または２において、さらに
Nb：0.005質量％以上0.1質量％以下及び
Ｖ：0.01質量％以上0.5質量％以下
から選ばれる１種または２種を含有する黒皮外周旋削性とねじり強度に優れた鋼材。
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