JP5299104B2 - 高周波焼入用鋼 - Google Patents

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Description

本発明は、高周波焼入用鋼に関する。詳しくは、介在物起点による疲労破壊を抑制することが可能で、クランクシャフト等の繰り返し応力を受ける環境で使用される部品の素材として好適に使用できる高周波焼入用鋼に関する。
自動車、建設車両等のクランクシャフト等繰り返し応力を受ける環境で使用される部品は、一般に、機械構造用鋼を素材として、熱間鍛造および切削加工により成形した後、耐摩耗性と疲労強度を向上させるために表面硬化処理を施して製造される。
種々の表面硬化処理のうちで、高周波焼入処理は、
・必要な部位のみ硬化できること、
・短時間加熱のため結晶粒粗大化などの悪影響が少ないこと、
・インラインで処理できるので、軟窒化等のバッチ式表面処理などに比べて工程の自由度が高いこと、
といったメリットを有している。このため、上述の部品は高周波焼入処理で製造されることも多い。
一方、素材である機械構造用鋼は、転炉や電気炉で精錬した後にAlを添加し、脱酸処理して鋳片や鋼塊とされる。しかしながら、Alで脱酸を行なうAlキルド鋼では、脱酸生成物である鋼材中のAl23が非常に硬いために、切削時の工具寿命が短くなる傾向がある。
このため、例えば、特許文献1に、鋼材中の酸化物を低融点化する、つまり、軟質化することによって、工具寿命を改善させるCa処理鋼が提案されている。
すなわち、特許文献1には、
『質量%で、C:0.35〜0.45%、Si:0.20〜0.60%、Mn:0.40〜0.80%、S:0.040〜0.070%、Cr:0.10〜0.40%、Ti:0.020〜0.100%、Ca:0.0005〜0.0050%、B:0.0005〜0.0030%、O(酸素):0.0015〜0.0050%、Mo:0〜0.05%、P:0.025%以下、V:0.03%以下、Al:0.009%以下及びN:0.0100%以下を含有し、残部がFe及び不純物よりなり、
下記(1)式で表されるFn1の値が0.63以下であり、
下記(2)式で表されるFn2の値が1.0以下であると共に、
下記(3)式で表されるFn3の値が5.7以上である
ことを特徴とする高周波焼入用熱間鍛造非調質鋼。
式(1):Fn1=C+(Si/10)+(Mn/5)+(5Cr/22)+1.65V−(5/7S)+1.51×(Ti−3.4N)
式(2):Fn2=Ca/O
式(3):Fn3=25.9×Fn1+27.5×(Ti−3.4N)−7.9』
が提案されている。
特開2005−68518号公報
前述の特許文献1で提案された技術は、現状における自動車のクランクシャフト用鋼としては、良好な疲労特性と被削性とを両立さることができるものである。しかしながら、軽量化および高出力化が高いレベルで要求される将来的な自動車のクランクシャフト用鋼としては、その疲労特性はまだまだ十分なものとはいえないものである。
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、繰り返し応力を受ける環境において、介在物起点による疲労破壊を抑制できる高周波焼入用鋼を提供することを目的とする。
本発明者らは、前記特許文献1で提案されたCa処理鋼に比べて疲労強度を向上させるために、先ず、Mnの含有量を増やして鋼の焼入性を高めることについて検討した。
しかしながら、鋼の焼入性を高めると硬さは上昇するものの、必ずしも意図した疲労強度の向上効果を得ることができなかった。
そこで詳しく検討した結果、
・高周波焼入によって表面硬化した部分に存在する非金属介在物を起点として破壊が起こり、疲労強度が低下する場合があること、
・Ca含有量が多いことにより生成する粗大な酸化物が破壊の起点となること、
が明らかになった。
上記のことから、本発明者らは、疲労強度を高めるには鋼中に生成する個々の酸化物を微細化する必要があるとの結論に達した。
そこで次に、本発明者らは、酸化物について種々の検討を行い、下記の知見を得た。
Alで脱酸を行なうAlキルド鋼では、微細なAl23がクラスター状となって鋼材中に生成される。そして、Alキルド鋼の酸化物は、圧延されると個々のAl23は延伸されることはないものの、そのクラスターが圧延方向に崩れながら延ばされていき、クラスターとしての大きさは小さくなっていく。
一方、Ca処理鋼の酸化物は、CaOとSiO2とAl23の三元系の酸化物であり、凝固で生成する個々の酸化物の大きさは、Alキルド鋼の酸化物であるAl23に比べて大きく、またクラスター状には生成しない。上記のCaOとSiO2とAl23の三元系の酸化物は、Alキルド鋼の酸化物であるAl23に比べれば軟質ではあるものの、圧延方向に延伸しづらい。したがって、圧延後で比較した場合には、Ca処理鋼の酸化物のサイズは、圧延によって崩れていくAlキルド鋼のAl23のクラスターとしてのサイズに比べて大きい。
ただし、Caを含有させなければ、クラスター状の硬質のAl23系酸化物を起点として破壊する。
そこで、さらに検討を加えた結果、
Caは含有させるもののその含有量を極微量とし、かつAlの含有量を制限することによって、CaOとSiO2とAl23の三元系の酸化物をSiO2リッチである一層軟質な酸化物に変えることが可能になり、圧延によって個々の酸化物を延伸させて微細化することができる。そして、酸化物を形態を上記のように変化させれば、介在物を起点とする疲労破壊の発生を抑制することができる。
という新たな知見を得た。
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記に示す高周波焼入鋼にある。
「質量%で、C:0.35〜0.45%、Si:0.20〜0.60%、Mn:0.60〜1.50%、P:0.030%以下、S:0.040〜0.070%、Cr:0.10〜0.40%、Al:0.010%未満、Ti:0.020〜0.100%、N:0.0100%以下、B:0.0005〜0.0030%、Ca:0.0001〜0.0004%およびO:0.0030%以下を含有するとともに、Ca/Al:0.015〜0.20を満たし、残部はFeおよび不純物からなることを特徴とする高周波焼入用鋼。」
本発明の高周波焼入用鋼は、切削時の工具寿命が短くなることがなく、しかも、介在物を起点とする疲労破壊の発生を抑制することができ、疲労特性に優れているのでクランクシャフト等の繰り返し応力を受ける環境で使用される部品の素材として用いるのに好適である。
高周波焼入れと焼戻しを施した超音波疲労試験用粗加工試験片の形状を示す図である。 図1の粗加工試験片に高周波焼入れと焼戻しを施した後、さらに仕上加工を行って超音波疲労試験に供した試験片の形状を示す図である。
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「%」は「質量%」を意味する。
C:0.35〜0.45%
Cは、焼入性および母材硬さを上昇させる作用がある。最低限の焼入性および強度を得るためには、0.35%以上のCを含有する必要がある。しかしながら、Cの含有量が余りに多くなると、母材硬さの上昇が著しくなり、被削性が低下する。このため、Cの含有量を0.35〜0.45%とした。なお、より良好な被削性の確保のためには、C含有量は0.40%以下とすることが好ましい。
Si:0.20〜0.60%
Siは、鋼の脱酸剤として必要であるとともに、フェライトを強化し、疲労強度を上昇させる作用がある。これらの効果を得るには、0.20%以上のSiを含有する必要がある。しかしながら、Siの含有量が多くなりすぎると、熱間鍛造時の脱炭を促進し、疲労強度の低下を招く。このため、Siの含有量を0.20〜0.60%とした。なお、Si含有量は0.30%以上とすることが好ましく、また、0.50%以下とすることが好ましい。
Mn:0.60〜1.50%
Mnは、鋼の脱酸剤として必要であるとともに、焼入性を高めて鋼の強度を向上させる作用を有する。こうした効果を得るには0.60%以上のMnを含有する必要がある。一方、Mn含有量が多くなりすぎると、硬さの上昇が著しくなり、被削性が低下する。したがって、Mnの含有量を0.60〜1.50%とした。なお、Mn含有量は0.80%以上とすることが好ましく、また、1.20%以下とすることが好ましい。
P:0.030%以下
Pは、不純物元素であり、その含有量が多くなると、熱間鍛造性の低下を招く。したがって、Pの含有量を0.030%以下とした。より好ましいPの含有量は0.020%以下である。
S:0.040〜0.070%
Sは、MnとともにMnSを形成して、被削性を向上させる効果がある。この効果を得るには0.040%以上のSを含有する必要がある。しかしながら、Sの含有量が多くなりすぎると、鋼の熱間鍛造性が低下するとともに、疲労強度の低下をきたす。このため、Sの含有量を0.040〜0.070%とした。なお、S含有量は0.060%以下とすることが好ましい。
Cr:0.10〜0.40%
Crは、鋼の焼入性を上昇させて強度を高める効果がある。こうした効果を得るには0.10%以上のCrを含有する必要がある。しかしながら、Crの含有量が多くなりすぎると、鋼の熱間鍛造性が低下するとともに被削性も低下する。このため、Crの含有量を0.10〜0.40%とした。なお、Cr含有量は0.20%以下とすることが好ましい。
Al:0.010%未満
Alは、Oと結合して硬質なAl23系介在物を生成する。上記の硬質なAl23系介在物は、疲労破壊の起点となって疲労強度低下の原因となるばかりか、被削性の低下も招き、Alの含有量が多くなって、特に0.010%以上になると、硬質なAl23系介在物による疲労強度低下および被削性の低下が著しくなる。したがって、Alの含有量を0.010%未満とした。なお、Alの含有量は0.008%未満とすることが好ましい。
Ti:0.020〜0.100%
Alの含有量が少ない本発明に係る鋼において、Tiは、Nを固定してBの焼入性向上効果を低下させるBNの生成を抑制する作用を有する。また、鋼中の固溶Tiには鋼を強化する作用がある。こうした効果を得るには、Tiを0.020%以上含有する必要がある。一方、Tiの含有量が多くなりすぎると、鋼の被削性が低下する。このため、Tiの含有量を0.020〜0.100%とした。なお、Ti含有量は0.030%以上とすることが好ましく、また、0.060%以下とすることが好ましい。
N:0.0100%以下
本発明においては、Bの焼入性向上効果を低下させするBNの生成を抑制するために、Nの含有量は低くする必要がある。また、NはTiを含有させることにより、TiNとして固定されるものの、Nの含有量が多いと、粗大なTiNが生成し、疲労強度の低下を招く。そのため、Nの含有量を0.0100%以下とした。なお、N含有量の好ましい範囲は、0.0060%以下である。
B:0.0005〜0.0030%
本発明においては、母材硬さを低減させて被削性を向上させるために、C、Crなどの焼入性を高める元素の含有量を制限し、MoやVも含有させない。そのため、高周波焼入時の焼入深さを確保するために、Bを含有させる必要があって、焼入性向上効果を得るためには、Bの含有量を0.0005%以上とする必要がある。しかしながら、Bの含有量を多くしても、上述の効果が飽和してコストが嵩むばかりである。このため、Bの含有量を0.0005〜0.0030%とした。
Ca:0.0001〜0.0004%
Caを0.0001%以上含有させることによって、クラスター状の硬質のAl23系酸化物を起点とした破壊を抑止できる。しかしながら、Caの含有量が多くなって0.0004%を超えると、粗大な酸化物の割合が増加し、酸化物を起点とした破壊が助長される。したがって、Caの含有量を0.0001〜0.0004%とした。なお、Ca含有量は0.0003%以下とすることが好ましい。
O:0.0030%以下
Oは、不純物元素であり、その含有量が多くなって、特に0.030%を超えると、粗大な酸化物が生成し、疲労強度を低下させる場合がある。このため、Oの含有量を0.0030%以下とした。なお、Oの含有量は0.0025%未満とすることが好ましい。
Ca/Al:0.015〜0.20
CaとAlの含有量の比であるCa/Alの値が0.20を超えると、粗大な酸化物が生成して疲労強度の低下を招く。一方、Ca/Alの値が0.015未満になると、クラスター状のAl23系介在物が生成して疲労強度の低下を招く。このため、Ca/Alの値を0.015〜0.20とした。なお、Ca/Alの値は0.15以下とすることが好ましい。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
70トン転炉および二次精錬して表1に示す化学組成に調整した鋼A1〜A3および鋼B1〜B3の連続鋳造機によって製造した300mm×400mmの鋳片を、180mm×180mmの鋼片に分塊圧延し、さらにその後、1200℃に加熱して、直径70mmの棒鋼に熱間圧延した。
表1中の鋼A1〜A3は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼であり、一方、鋼B1〜B3は、化学組成が本発明で規定する条件から外れた比較例の鋼である。
鋼A1〜A3、鋼B1および鋼B3は、転炉出鋼時に微量のAlを添加して脱酸し、一方、鋼B2は通常のAl脱酸処理を行った。
なお、二次精錬において、鋼A1〜A3および鋼B3には微量のCaを添加し、一方、鋼B1には通常のCa処理鋼と同等レベルのCaを添加した。
Figure 0005299104
上記のようにして作製した直径70mmの棒鋼のR/2部(「R」は棒鋼の半径を表す。)から、図1に示す形状の粗加工試験片を棒鋼の長手方向と平行に切り出した。
次いで、上記の試験片に、周波数40kHz、電圧6kV、加熱時間3.0sの条件で高周波焼入れを施し、その後さらに、150℃で1時間加熱してから大気中で放冷する焼戻しを行った。
上記の高周波焼入れと焼戻しを施した粗加工試験片に仕上加工を行って、図2に示す形状の試験片を作製し、各鋼について、試験片の総数を15本ずつとして、超音波疲労試験に供した。
なお、図1および図2に示す試験片の寸法単位はいずれも「mm」である。
超音波疲労試験機は(株)島津製作所製の超音波疲労試験機USF−2000を使用し、周波数を20kHz、負荷応力を900MPaとして最長107回のサイクル数まで試験を実施した。
上記の900MPaの負荷応力で破断に至らなかった試験片の場合には、さらに負荷応力を100MPa上げて1000MPaで再試験し、上記の負荷応力900MPaの場合と同様に107回のサイクル数まで試験を実施した。
1000MPaの負荷応力で破断に至らなかった試験片の場合には、さらに負荷応力を100MPa上げて1100MPaで再度試験した。この負荷応力が1100MPaの場合には、107回のサイクル数に至る前に全ての試験片が破断した。
上記のようにして超音波疲労試験に供した各鋼15本ずつの破断試験片の全てについて、倍率500倍で走査型電子顕微鏡によって破断面を観察した。なお、上記の破断面観察によって破断面に介在物が認められた場合には、さらに、EPMAによる介在物組成の分析を行い、各鋼について、酸化物起点で破断した試験片の割合を求めた。
また、疲労特性については、900MPaの負荷応力における、10%破断確率の繰返し数で評価した。なお、10%破断確率については、900MPaの負荷応力での試験結果(破断繰返し数)をワイブル分布確率紙にプロットし、10%破断確率を求めた。
表2に、上記の超音波疲労試験した破断面のEPMA調査結果および900MPaの負荷応力における10%破断確率の繰返し数を示す。
Figure 0005299104
表2に示すように、本発明で規定する条件を満たす鋼A1〜A3の高周波焼入用鋼の場合には、介在物起点による破壊は発生していなかった。また、900MPaの負荷応力における10%破断確率の繰返し数はいずれも1×106回以上であった。
これに対して、化学組成が本発明で規定する条件から外れた鋼B1〜B3の高周波焼入用鋼の場合には、介在物起点よる破壊が発生していた。また、900MPaの負荷応力における10%破断確率の繰返し数はいずれも1×106回未満であり、疲労寿命も低かった。
本発明の高周波焼入用鋼は、切削時の工具寿命が短くなることがなく、しかも、介在物を起点とする疲労破壊の発生を抑制することができ、疲労特性に優れているのでクランクシャフト等の繰り返し応力を受ける環境で使用される部品の素材として用いるのに好適である。

Claims (1)

  1. 質量%で、C:0.35〜0.45%、Si:0.20〜0.60%、Mn:0.60〜1.50%、P:0.030%以下、S:0.040〜0.070%、Cr:0.10〜0.40%、Al:0.010%未満、Ti:0.020〜0.100%、N:0.0100%以下、B:0.0005〜0.0030%、Ca:0.0001〜0.0004%およびO:0.0030%以下を含有するとともに、Ca/Al:0.015〜0.20を満たし、残部はFeおよび不純物からなることを特徴とする高周波焼入用鋼。
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