JP5333682B2 - 熱間鍛造用圧延棒鋼または線材 - Google Patents

熱間鍛造用圧延棒鋼または線材 Download PDF

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Description

本発明は歯車、プーリーなどの部品の素材となる熱間鍛造用圧延棒鋼または線材である。より詳しくは、浸炭または浸炭窒化前の被削性に優れ、かつ浸炭または浸炭窒化後の部品の曲げ疲労強度および面疲労強度に優れた、熱間鍛造で粗成形される熱間鍛造用圧延棒鋼または線材に関する。
従来、自動車や産業機械の歯車、プーリーなどの鋼製の部品は、ＪＩＳ規格のＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０やＳＮＣＭ４２０などの機械構造用合金鋼の熱間圧延棒鋼または線材を素材として、熱間鍛造、あるいは冷間鍛造により粗成形された後、必要に応じて焼きならしを行った後、切削加工を施し、その後、浸炭焼入れ又は浸炭窒化焼入れを施し、その後、２００℃以下の焼戻しを行い、更に、必要に応じてショットピーニング処理を施すことにより製造され、接触疲労強度、曲げ疲労強度や耐摩耗性など、それぞれの部品に要求される特性を確保することがなされていた。
しかしながら、近年、自動車の燃費向上やエンジンの高出力化への対応のために部品の軽量・小型化が進み、これに伴って、部品にかかる負荷が増加する傾向にある。一方、コスト低減の観点から浸炭焼入れ後のショットピーニングなどの付加的な表面処理を省略したい、との要望も大きい。また部品の加工費用に占める切削加工コストの割合が大きいため、被削性の向上の要望も大きい。
部品の疲労強度を向上させるためには、一般に合金元素を多く添加することが多いが、そうすると被削性が低下することが多い。従って、部品の曲げ・接触疲労強度と被削性とを高いレベルで両立することが望まれている。
なお上記の「接触疲労」には「面疲労」、「線疲労」及び「点疲労」が含まれるが、実際には「線」接触や「点」接触になることはほとんどないため、接触疲労強度として「面疲労強度」を取り扱う。
なお、「ピッチング」は、面疲労の破壊形態の一つであり、歯車の歯面、プーリー等における面疲労の損傷形態は主にピッチングである。このため、ピッチング強度を向上させることが、上記の面疲労強度の向上に対応することになるので、以下、「面疲労」としての「ピッチング」について説明し、「ピッチング強度」を「面疲労強度」という。
特開昭６０−２１３５９号公報、特開平７−２４２９９４号公報、及び、特開平７−１２６８０３号公報は、歯車用鋼の改善について提案している。具体的には、特開昭６０−２１３５９号公報には、Ｓｉ：０．１％以下、Ｐ：０．０１％以下などを規定した、強度が高く、強靭で信頼性の高い歯車を与える歯車用鋼が開示されている。また、特開平７−２４２９９４号公報には、Ｃｒ：１．５０〜５．０％、さらに必要に応じて７．５％＞２．２×Ｓｉ（％）＋２．５×Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）＋５．７×Ｍｏ（％）、又はＳｉ：０．４０〜１．０％などを規定した歯面強度の優れた歯車用鋼、歯車および歯車の製造方法が開示されている。また、特開平７−１２６８０３号公報には、Ｓｉ：０．３５〜３．０％以下、Ｖ：０．０５〜０．５％などを規定した、曲げ疲労強度に加えて、耐摩耗性と面疲労強度に優れた歯車を得るのに好適な浸炭歯車用鋼が開示されている。
しかしながら、特開昭６０−２１３５９号公報では、面疲労強度について配慮されていないため、面疲労強度が不十分である。特開平７−２４２９９４号公報では、曲げ疲労強度について配慮されていないため、曲げ疲労強度が不十分である。また、被削性についても不十分である。特開平７−１２６８０３号公報では、曲げ疲労強度について十分には配慮されていないため、曲げ疲労強度が不十分である。また、Ｖ添加は熱間鍛造後の硬さを大幅に増加させるため、被削性についても不十分である。
特開昭６０−２１３５９号公報、特開平７−２４２９９４号公報、及び、特開平７−１２６８０３号公報にも示されるとおり、Ｓｉ、およびＣｒ含有量の調整などによって、浸炭、あるいは浸炭窒化後の曲げ、および面疲労強度の優れた鋼材については従来から知られていた。しかし、一般には相反する曲げ・面疲労強度と被削性を高いレベルで両立することはできていなかった。
本発明の目的は被削性と浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れ後の部品の曲げ・面疲労強度とを高いレベルで両立することができる、熱間鍛造で粗成形される熱間鍛造用圧延棒鋼または線材を提供することである。
課題を解決するための手段及び発明の効果
本発明による熱間鍛造用圧延棒鋼または線材は、質量％で、Ｃ：０．１〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜０．１０％、Ｍｎ：０．４〜１．０％、Ｓ：０．００３〜０．０５％、Ｃｒ：１．６０〜２．００％、Ｍｏ：０．１０％以下（０％を含む）、Ａｌ：０．０２５〜０．０５％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％、を含有するとともに、ＣｒおよびＭｏの含有量が、下記の（１）式で表されるｆｎ１の値で、１．８２≦ｆｎ１≦２．１０を満たし、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物中のＰ、ＴｉおよびＯがそれぞれ、Ｐ：０．０２５％以下、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｏ（酸素）：０．００２％以下、である組成を有し、フェライト・パーライト組織、フェライト・パーライト・ベイナイト組織、またはフェライト・ベイナイト組織からなり、横断面において、１視野あたりの面積を６２５００μｍ２としてランダムに１５視野観察測定したときの、フェライト平均粒径の最大値／最小値が２．０以下である。
ｆｎ１＝Ｃｒ＋２×Ｍｏ ・・・（１）
但し、（１）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
本発明による熱間鍛造用圧延棒鋼または線材は、被削性と浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れ後の部品の曲げ・面疲労強度を高いレベルで両立することができる。
本発明による熱間鍛造用圧延棒鋼または線材は、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ：０．０８％以下を含有してもよい。
本発明による熱間鍛造用圧延棒鋼または線材は、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：０．４％以下及びＮｉ：０．８％以下のうち１種以上を含有してもよい。
図１は、実施例で作製したローラーピッチング小ローラー試験片の寸法形状を示す側面図である。 図２は、実施例で作製した切欠き付き小野式回転曲げ疲労試験片の寸法形状を示す側面図である。 図３は、実施例における浸炭焼入れ条件を示す図である。 図４は、実施例におけるローラーピッチング試験で使用した、大ローラーの寸法形状を示す正面図である。
上述のとおり、ＳｉおよびＣｒ含有量の調整などによって、浸炭または浸炭窒化後の曲げ・面疲労強度に優れた鋼材が得られることが知られていた。しかし、一般には相反する曲げ・面疲労強度と被削性とを高いレベルで両立することはできていなかった。そこで、曲げ・面疲労強度と被削性とを高いレベルで両立することのできる、熱間鍛造用圧延棒鋼または線材の開発を目標に調査・研究を重ね、その結果、下記の知見を得た。
（ａ）曲げ疲労強度を高めるためには、Ｓｉ含有量を低減することが有効であるが、それだけでは不十分であり、Ｃｒ，Ｍｏの含有量を高める必要がある。
（ｂ）面疲労強度を高めるためには、Ｃｒ，Ｍｏの含有量を高める必要がある。
（ｃ）Ｍｏ含有量を高めると、熱間鍛造後、あるいはさらに焼きならしを行った後もフェライト組織、パーライト組織に加えてベイナイト組織の生成が促進されて、硬くなるため、被削性が低下する。またＭｏを添加しない場合でもＣｒ含有量が多くなり過ぎると、同様にベイナイト組織の生成が促進されて、被削性が低下する。
（ｄ）曲げ疲労強度、面疲労強度及び被削性のすべてを高い次元で両立できる成分範囲は狭く、Ｓｉ、Ｃｒ及びＭｏの各含有量の限定に加えて、「Ｃｒ％＋２×Ｍｏ％」の範囲を限定する必要がある。
（ｅ）熱間鍛造用圧延棒鋼または線材中の結晶粒径が不均一な場合、曲げ疲労強度及び面疲労強度ともに低下する傾向があった。結晶粒径の不均一性は、フェライト粒径で評価できた。
本発明の熱間鍛造用圧延棒鋼または線材は、上述の知見に基づいて完成されたものである。以下、本発明について詳しく説明する。なお、化学成分の含有量の「％」は「質量％」を意味する。
（Ａ）化学組成
Ｃ：０．１〜０．２５％
Ｃは浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れされた部品の芯部強度を確保するために必須の元素である。その含有量が０．１％未満では不十分である。一方、Ｃの含有量が０．２５％を超えると、浸炭焼入れ、あるいは浸炭窒化焼入れしたときの部品の変形量の増加が顕著になる。したがって、Ｃの含有量を０．１〜０．２５％とした。Ｃの含有量は、０．１８％以上とするのが好ましく、また、０．２３％以下とするのが好ましい。
Ｓｉ：０．０１〜０．１０％
Ｓｉは、焼入れ性を高める作用を有する元素である。一方、Ｓｉは、浸炭処理或いは浸炭窒化処理の際、粒界酸化層の増加を引き起こす。特に、その含有量が０．１０％を超えると、粒界酸化層が大幅に増加して曲げ疲労強度が低下して、本発明での目標値を満たさない。Ｓｉの含有量が０．０１％未満では、焼入れ性を高める効果が不十分である。したがって、Ｓｉの含有量を０．０１〜０．１０％とした。Ｓｉの含有量は０．０６〜０．１０％とすることが好ましい。
Ｍｎ：０．４〜１．０％
Ｍｎは、焼入れ性を高める効果が大きく、浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れされた部品の芯部強度を確保するために必須の元素である。その含有量が０．４％未満では不十分である。一方、Ｍｎの含有量が１．０％を超えると、その効果が飽和するだけでなく、熱間鍛造後の被削性の低下が顕著になる。したがって、Ｍｎの含有量を０．４〜１．０％とした。Ｍｎの含有量は、０．５％以上とするのが好ましく、０．６％以上とするのがより好ましい。Ｍｎの含有量は、０．９％以下とするのが好ましい。
Ｓ：０．００３〜０．０５％
ＳはＭｎと結合してＭｎＳを形成し、切削加工性の向上に有効な元素である。その含有量が０．００３％未満では、前記の効果が得難い。一方、Ｓの含有量が多くなると、粗大なＭｎＳを生成しやすくなり、疲労強度を低下させる傾向がある。その含有量が０．０５％を超えると、疲労強度低下が顕著になる。したがって、Ｓの含有量を０．００３〜０．０５％とした。Ｓの含有量は、０．０１％以上とするのが好ましく、また、０．０２％以下とするのが好ましい。
Ｃｒ：１．６０〜２．００％
Ｃｒは、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高める効果が大きく、曲げ疲労強度及び面疲労強度の向上に有効な元素である。その含有量が１．６０％未満では、Ｍｏを０．１０％含有していても、目標とする曲げ疲労強度、および面疲労強度が得られない。一方、Ｃｒの含有量が２．００％を超えると、熱間鍛造後や焼きならし後にベイナイト組織が生成しやすくなり、被削性が低下する。したがって、Ｃｒの含有量を１．６０〜２．００％とした。Ｃｒの含有量は、１．８０％以上とするのが好ましく、また、１．９０％以下とするのが好ましい。
Ｍｏ：０．１０％以下（０％を含む）
Ｍｏは、添加しなくてもよいが、焼入れ性、焼戻し軟化抵抗を高める効果が大きく、曲げ疲労強度、面疲労強度の向上に有効な元素である。Ｃｒ含有量が１．８２％未満の場合、「Ｃｒ％＋２×Ｍｏ％」が１．８２以上になるようにＭｏを含有することによって、目標とする曲げ疲労強度および面疲労強度が得られる。一方、Ｍｏの含有量が０．１０％を超えると、熱間鍛造後や焼きならし後にベイナイト組織の生成が促進され、被削性が低下する。したがって、Ｍｏの含有量を０．１０％以下（０％を含む）とした。上述の効果を確実に得るために、好ましいＭｏの含有量は、０．０２％以上である。
Ａｌ：０．０２５〜０．０５％
Ａｌは、脱酸作用を有すると同時に、Ｎと結合してＡｌＮを形成しやすく、浸炭加熱時のオーステナイト粒粗大化防止に有効な元素である。しかしＡｌの含有量が０．０２５％未満では、安定してオーステナイト粒の粗大化を防止できず、粗大化した場合は、曲げ疲労強度が低下する。一方、Ａｌの含有量が０．０５％を越えると、粗大な酸化物を形成しやすくなり、曲げ疲労強度が低下する。したがって、Ａｌの含有量を０．０２５〜０．０５％とした。Ａｌの含有量は、０．０３０％以上とするのが好ましく、また、０．０４０％以下とするのが好ましい。
Ｎ：０．０１０〜０．０２５％
Ｎは、Ａｌ、Ｎｂと結合してＡｌＮ、ＮｂＮを形成しやすい元素である。本発明では、ＡｌＮ及びＮｂＮは浸炭加熱時のオーステナイト粒の粗大化防止に有効である。Ｎの含有量が０．０１０％未満では、安定してオーステナイト粒の粗大化を防止できない。一方、Ｎ含有量が０．０２５％を越えると、製鋼工程において量産で安定して製造することが難しい。したがって、Ｎの含有量を０．０１０〜０．０２５％とした。Ｎの含有量は、０．０１８％以下とするのが好ましい。
本発明による熱間鍛造用圧延棒鋼または線材の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここでいう不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップ、あるいは製造過程の環境等から混入する元素をいう。本発明においては、不純物元素としてのＰ、Ｔｉ及びＯ（酸素）の含有量を下記のとおりに制限する。
Ｐ：０．０２５％以下
Ｐは粒界偏析して粒界を脆化させやすい元素である。Ｐの含有量が０．０２５％を超えると、疲労強度が低下する。したがって、Ｐの含有量を０．０２５％以下とした。Ｐの含有量は、０．０２０％以下とするのが好ましい。
Ｔｉ：０．００３％以下
Ｔｉは、Ｎと結合して硬質で粗大なＴｉＮを形成しやすく、このＴｉＮは疲労強度低下の原因となる。Ｔｉの含有量が０．００３％を越えると、疲労強度の低下が著しくなる。不純物元素としてのＴｉの含有量はできる限り少なくすることが望ましいが、製鋼工程でのコストを考慮すると、０．００２％以下にすることが好ましい。
Ｏ（酸素）：０．００２％以下
Ｏは、Ａｌと結合して硬質な酸化物系介在物を形成しやすく、この酸化物系介在物は曲げ疲労強度低下の原因となる。Ｏ含有量が０．００２％を越えると、疲労強度の低下が著しくなる。不純物元素としてのＯ含有量はできる限り少なくすることが望ましいが、製鋼工程でのコストを考慮すると、０．００１％以下にすることが好ましい。
ｆｎ１＝Ｃｒ＋２×Ｍｏ：１．８２〜２．１０
ＣｒおよびＭｏは、前述したように焼入れ性、焼戻し軟化抵抗を高める効果が大きく、曲げ疲労強度、面疲労強度の向上に有効な元素である。ＭｏはＣｒの半分の含有量で、Ｃｒと同等の効果があったため、ｆｎ１＝Ｃｒ＋２×Ｍｏと定義した。ｆｎ１中の各元素記号（Ｃｒ、Ｍｏ）には、その元素の質量％での含有量を代入する。ｆｎ１の値が１．８２未満の場合、目標とする曲げ疲労強度、および面疲労強度が得られない。ｆｎ１の値が２．１０を超えると、熱間鍛造後や焼きならし後にベイナイト組織の生成が促進され、被削性が低下する。したがって、ｆｎ１の値を１．８２〜２．１０とした。ｆｎ１の値の好ましい上限は、２．００未満である。
本発明において、より優れた特性を得るためには、下記の元素を添加してもよい。
Ｎｂ：０．０８％以下
ＮｂはＣ，Ｎと結合してＮｂＣ，ＮｂＮ，Ｎｂ(Ｃ,Ｎ)を形成しやすく、前述したＡｌＮによる浸炭加熱時のオーステナイト粒粗大化防止を補完するのに有効な元素である。一方、Ｎｂの含有量が０．０８％を超えると、オーステナイト粒粗大化防止の効果がむしろ低下する。したがって、Ｎｂの含有量を０．０８％以下とした。この効果を確実に得るためには、Ｎｂを０．０１％以上含有するのが好ましい。好ましいＮｂの含有量は、０．０５％以下である。
本実施の形態による棒鋼又は線材はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃｕ及びＮｉのうち一種以上を含有しても良い。Ｃｕ及びＮｉはいずれも焼入れ性を高め、疲労強度を高める。
Ｃｕ：０．４％以下
Ｃｕは，焼入れ性を高める効果があり、より疲労強度を高めるために有効な元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｕの含有量が０．４％を超えると、熱間延性を低下させて、熱間加工性の低下が顕著となる。したがって、含有させる場合のＣｕ含有量を０．４％以下とした。含有させる場合のＣｕの含有量は０．３％以下であることが好ましい。好ましいＣｕ含有量の下限は０．１％以上である。
Ｎｉ：０．８％以下
Ｎｉは、焼入れ性を高める効果があり、より疲労強度を高めるために有効な元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｎｉの含有量が０．８％を超えると、焼入れ性の向上による疲労強度を高める効果が飽和する。さらに、熱間鍛造後の被削性の低下が顕著になる上、合金コストも高くなる。したがって、含有させる場合のＮｉの含有量を０．８％以下とした。含有させる場合のＮｉの含有量は０．６％以下であることが好ましい。好ましいＮｉ含有量の下限は、０．１％以上である。
（Ｂ）ミクロ組織
熱間圧延材（熱間圧延まま材）の段階での結晶粒径の不均一性は、熱間鍛造、さらに浸炭焼入れ後にも傾向としては引き継がれ、曲げ疲労強度、面疲労強度に影響すると予想される。そのため、熱間圧延材での結晶粒径の不均一性と浸炭焼入れ後の曲げ疲労強度、面疲労強度との関係について調査した。結晶粒径の不均一性の評価の指標は、各視野での平均フェライト粒径の最大値／最小値とした。フェライト粒径を選定したのは、パーライトやベイナイトと比較して、フェライトはエッチングにより粒界を容易に観察でき、フェライト粒径を利用すれば、組織の均一性を評価しやすいためである。最大値／最小値を指標としたのは、疲労強度が最も低い部分を起点として破壊が発生するため、標準偏差を指標とするより適していると考えられるためである。
このため、ミクロ組織を適正なものにする必要がある。すなわち、熱間圧延在において、組織がフェライト・パーライト組織、フェライト・パーライト・ベイナイト組織、またはフェライト・ベイナイト組織で構成され、横断面を１視野あたりの面積を６２５００μｍ２としてランダムに１５視野観察測定したときの、各視野のフェライト平均粒径の最大値／最小値が２．０以下の場合に、浸炭焼入れ後に曲げ疲労強度、面疲労強度を高くすることができる。
ここでいう「フェライト・パーライト組織」は、フェライトとパーライトとからなる２相組織を意味する。「フェライト・パーライト・ベイナイト組織」は、フェライトと、パーライトと、ベイナイトとからなる３相組織を意味する。「フェライト・ベイナイト組織」は、フェライトとベイナイトとからなる２相組織を意味する。
組織中にマルテンサイトを含む場合には、マルテンサイトが硬質で延性が低いことに起因して、熱間圧延棒鋼または線材の矯正や運搬時に割れが発生しやすくなる。
なお、組織が上記のフェライト組織を含む各種混合組織であって、前記のフェライト平均粒径の最大値／最小値が２．０以下であれば、熱間鍛造用圧延棒鋼または線材（圧延まま材）の段階での断面内の結晶粒径のバラツキが少なく、浸炭焼入れ後に曲げ疲労強度、面疲労強度を高めることが可能になる。
上記の組織における「相」は、例えば、熱間鍛造用圧延棒鋼または線材の長手方向に垂直、かつ、中心部を含む断面（横断面）を切り出した後、鏡面研磨してナイタールで腐食した試験片について、倍率４００倍で、視野の大きさを２５０μｍ×２５０μｍとしてランダムに各１５視野観察することによって同定することができる。上記の各視野について通常の方法による画像解析を行って求めた各視野のフェライト平均粒径から、最大値／最小値を算出する。前記最大値／最小値は１．６以下であることが好ましい。上述の横断面からフェライト平均粒径を測定するとき、横断面のうち、表層の脱炭層を除いた領域で観察する。
本発明の熱間鍛造用圧延棒鋼または線材を得るための製造方法の一例として、以下、上記（Ａ）で示す化学組成を有する鋼を用いた場合について示す。本発明の熱間鍛造用圧延棒鋼または線材の製造方法は、これに限るものではない。
上記化学組成の鋼を溶製し、鋳片を製造する。このとき、凝固途中の鋳片に圧下を加える。製造された鋳片を分塊圧延し、鋼片を製造する。このとき、鋳片に加熱温度１２５０〜１３００℃、かつ、加熱時間１０時間以上の加熱を施してから分塊圧延する。製造された鋼片を熱間圧延して熱間鍛造用圧延棒鋼または線材を製造する。このとき、鋼片の加熱温度を１１５０〜１２００℃、かつ、加熱時間を１．５時間以上の加熱を施してから熱間圧延する。また、熱間圧延の仕上げ温度を９００〜１０００℃とし、仕上げ圧延前の水冷を行わず、且つ仕上げ圧延後は、大気中での放冷（以下、単に「放冷」という。）以下の冷却速度で６００℃以下の温度まで冷却する。また、鋼片から棒鋼、線材への断面減少率（｛１−（棒鋼、線材の断面積／鋼片の断面積）｝×１００）を８７．５％以上にする。
熱間圧延における仕上げ圧延後は放冷以下の冷却速度で室温まで冷却する必要はなく、６００℃以下の温度に至った時点で、空冷、ミスト冷却、水冷など、適宜の手段で冷却してもよい。
本明細書における加熱温度とは加熱炉の炉内温度の平均値、加熱時間とは在炉時間を意味する。熱間圧延の仕上げ温度とは、仕上げ圧延直後の棒鋼、線材の表面温度を指し、さらに、仕上げ加工後の冷却速度も、棒鋼、線材の表面冷却速度を指す。
本発明による熱間鍛造用圧延棒鋼または線材は、被削性と部品の曲げ・面疲労強度とを高いレベルで両立することができる。
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。
表１に示す化学成分を有する鋼Ａ〜Ｃを７０トン転炉で成分調整した後、連続鋳造を行って、４００ｍｍ×３００ｍｍ角のブルームを得て、６００℃以下まで冷却した。
Figure 0005333682
連続鋳造の凝固途中の段階で圧下を加えた。表２に示す条件でブルームを加熱した後、分塊圧延にて１８０ｍｍ×１８０ｍｍ角の鋼片を作製し、室温まで冷却した。次に、表２に示す条件で鋼片を加熱した後、表２に示す条件で熱間圧延を行い、直径５０ｍｍ、および直径７０ｍｍの棒鋼を得た。
Figure 0005333682
直径５０ｍｍの棒鋼の長手方向に垂直且つ中心部を含む断面（横断面）を切り出した後、鏡面に研磨した後、ナイタールで腐食した試験片について、倍率４００倍で、ランダムに各１５視野観察した。このとき、横断面のうち、表層の脱炭層を除いた領域から、ランダムに１５視野観察した。各視野の大きさは２５０μｍ×２５０μｍとした。各視野について通常の方法による画像解析によって、フェライトの平均粒径を求めた。すべての試料において、ミクロ組織は、マルテンサイト組織を含んでおらず、フェライト・パーライト組織、フェライト・パーライト・ベイナイト組織、及びフェライト・ベイナイト組織のいずれかからなっていた。
表１の鋼を表２の条件で製造した直径５０ｍｍの熱間鍛造用圧延棒鋼を１２００℃で３０分加熱し、仕上げ温度を９５０℃以上として熱間鍛造して、直径３５ｍｍの丸棒を得た。次いで、機械加工により、図１に示すローラーピッチング小ローラー試験片、および図２に示す形状の切欠き付き小野式回転曲げ疲労試験片（図１及び図２ともに、図中の寸法の単位はｍｍ）を作製した。上記の試験片に対し、ガス浸炭炉を用いて、図３に示す条件で浸炭焼入れを行い、次いで、１７０℃で１．５時間の焼戻しを行った。さらに、これらの試験片に対し、熱処理ひずみを除く目的で、つかみ部の仕上げ加工を行った。
ローラーピッチング試験は、上記の小ローラー試験片と図４に示す形状の大ローラー（図中の寸法の単位はｍｍ）の組み合わせで、表３に示す条件で行った。
Figure 0005333682
上記ローラーピッチング試験用大ローラーは、ＪＩＳ規格ＳＣＭ４２０Ｈの規格を満たす鋼を用いて、一般的な製造工程で作成したものである。つまり、「焼きならし、試験片加工、ガス浸炭炉による共析浸炭、低温焼戻し及び研磨」の工程によって作製したものである。
各試験番号について、ローラーピッチング試験における試験数は６とした。縦軸に面圧、横軸にピッチング発生までの繰り返し数をとったＳ−Ｎ線図を作成し、繰り返し数２．０×１０７回までピッチングが発生しなかった内、最も高い面圧を面疲労強度とした。小ローラーの試験部の表面が損傷している箇所のうち、最大のものの面積が１ｍｍ２以上になった場合をピッチング発生と判定した。
各試験番号について、小野式回転曲げ疲労試験での試験数は８とした。回転数３０００ｒｐｍとし、その他は通常の方法により試験を行い、繰り返し数１．０×１０４回、および１．０×１０７回まで破断しなかった内、最も高い応力をそれぞれ、中サイクル回転曲げ疲労強度、および高サイクル回転曲げ疲労強度とした。
後述の表４に、上記の各試験結果をまとめて示す。ローラーピッチング試験での面疲労強度の目標値は、汎用鋼種として一般的な、ＪＩＳ規格ＳＣｒ４２０Ｈの規格を満たす鋼Ａを浸炭した試験番号１の面疲労強度を１００として規格化し、２０％以上上回ることとした。小野式回転曲げ疲労強度の目標値は、鋼Ａを浸炭した試験番号１の中サイクル、高サイクルの回転曲げ疲労強度をそれぞれ１００として規格化し、ともに１５％以上上回ることとした。
切削試験においては、上記の熱間圧延で作製した直径７０ｍｍの熱間鍛造用圧延棒鋼を１２００℃で３０分加熱し、仕上げ温度を９５０℃以上として熱間鍛造して、直径５０ｍｍの丸棒を得た。この丸棒から機械加工によって、直径４６ｍｍ、長さ４００ｍｍの試験材を得た。この試験材を用いて、下記の条件で切削試験を行った。
切削試験（旋削）
チップ：母材材質 超硬Ｐ２０種グレード、コーティング なし
条件：周速２００ｍ／分、送り０．３０ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み１．５ｍｍ、水溶性切削油を使用
測定項目：切削時間１０分後の逃げ面の主切刃摩耗量
表４に、上記の各試験結果をまとめて示す。切削試験での目標値は、高強度材として一般的であるＪＩＳ規格ＳＣＭ８２２Ｈの規格を満たす鋼Ｂを浸炭した試験番号２の逃げ面の主切刃摩耗量を１００として規格化し、これを２０％以上下回ることとした。
Figure 0005333682
表４に示す通り、本発明で規定する条件から外れた試験番号の場合には、目標とする曲げ疲労強度、面疲労強度、及び被削性のいずれかが得られていない。
本発明で規定する条件を満たす試験番号の場合には、目標とする曲げ疲労強度、面疲労強度、及び被削性が得られた。
表５に示す化学成分を有する鋼Ｄ〜Ｔを７０トン転炉で成分調整した後、連続鋳造を行って、４００ｍｍ×３００ｍｍ角のブルームを得て、６００℃以下まで冷却した。
Figure 0005333682
なお連続鋳造の凝固途中の段階で圧下を加えた。表２に示す条件で鋳片を加熱した後、分塊圧延にて１８０ｍｍ×１８０ｍｍ角の鋼片を作製し、室温まで冷却した。次に表２に示す条件で鋼片を加熱した後、表２に示す条件で熱間圧延を行い、直径５０ｍｍ、および直径７０ｍｍの棒鋼を得た。調査項目及び調査方法は、上記実施例１に記載の方法と同様とした。
表６に、各試験結果をまとめて示す。
Figure 0005333682
表６に示す通り、本発明で規定する条件から外れた試験番号の場合には、目標とする曲げ疲労強度、面疲労強度、及び被削性のいずれかが得られていない。
本発明で規定する条件を満たす試験番号の場合には、目標とする曲げ疲労強度、面疲労強度、及び被削性が得られた。Ｎｂを含有している、試験番号３１、および３３は、目標を大きく上回った。また、Ｃｕ及びＮｉのうち一種以上を含有している、試験番号３９〜４１は、目標を大きく上回った。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

Claims (3)

  1. 質量％で、
    Ｃ：０．１〜０．２５％、
    Ｓｉ：０．０１〜０．１０％、
    Ｍｎ：０．４〜１．０％、
    Ｓ：０．００３〜０．０５％、
    Ｃｒ：１．６０〜２．００％、
    Ｍｏ：０．１０％以下（０％を含む）、
    Ａｌ：０．０２５〜０．０５％、
    Ｎ：０．０１０〜０．０２５％、
    を含有するとともに、
    ＣｒおよびＭｏの含有量が、下記の（１）式で表されるｆｎ１の値で、１．８２≦ｆｎ１≦２．１０を満たし、
    残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物中のＰ、ＴｉおよびＯがそれぞれ、
    Ｐ：０．０２５％以下、
    Ｔｉ：０．００３％以下、
    Ｏ（酸素）：０．００２％以下、
    である組成を有し、
    フェライト・パーライト組織、フェライト・パーライト・ベイナイト組織、またはフェライト・ベイナイト組織からなり、
    横断面において、１視野あたりの面積を６２５００μｍ２として、ランダムに１５視野観察測定したときの、フェライト平均粒径の最大値／最小値が２．０以下である、
    ことを特徴とする熱間鍛造後に、浸炭または浸炭窒化して用いられる圧延棒鋼または線材。
    ｆｎ１＝Ｃｒ＋２×Ｍｏ ・・・（１）
    但し、（１）式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
  2. Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ：０．０８％以下を含有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の熱間鍛造後に、浸炭または浸炭窒化して用いられる圧延棒鋼または線材。
  3. Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：０．４％以下及びＮｉ：０．８％以下のうち１種以上を含有する
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱間鍛造後に、浸炭または浸炭窒化して用いられる圧延棒鋼または線材。
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