JP5375212B2

JP5375212B2 - 切削性とねじり疲労強度に優れた鋼材

Info

Publication number: JP5375212B2
Application number: JP2009053617A
Authority: JP
Inventors: 康正平井; 清史上井; 秀途木村
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2029-03-06
Also published as: JP2010209368A

Description

本発明は、切削性とねじり疲労強度に優れた鋼材に関し、詳しくは、鋼材への溝入れ切削加工性と高周波焼入れ後のねじり疲労強度に優れた機械構造用鋼材に関する。

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材は、熱間圧延棒鋼を、熱間鍛造、あるいは切削、冷間鍛造等により所定の形状に加工した後、端部付近に接続部品の抜け防止のためのスプリングワッシャーを取り付ける溝を円周方向に切削加工（以下、溝入れ切削加工と呼ぶ）し、高周波焼入れ‐炉加熱焼戻しを行い、機械構造用部材として重要特性であるねじり疲労強度を確保しているのが一般的である。

端部の溝入れ切削加工は、工具摩耗や破損により工具寿命に達するか、あるいは切削部のばり発生量（ばり高さ）が規定を超えた場合に工具交換を行っている。工具摩耗に関しては切削工具の開発や切削条件の最適化、素材面からはＭｎＳやＣａＳなどの非金属介在物の利用などが行われている。一方、ばり発生量の抑制の観点からは、例えば特許文献１に開示されているように、鋼中に析出させた黒鉛を利用することで、ドリル切削時のばり発生を抑制できることが知られている。

特許第３８９８８４１号公報

しかし、特許文献１に開示された技術では、鋼材の黒鉛化処理が必須でありコストが高くなることに加え、Ｓｉ量が1.0〜2.0ｍａｓｓ％必要となり低Ｓｉ材と比べたときに鍛造性・被削性の劣化を招く問題がある。また、その他のばり発生量抑制に関する検討は、本発明者らの調査では見当たらず、素材面からばりに対する検討が積極的に行われていなかったのが実情であった。すなわち、従来の素材面からのばり発生抑制手段には、コスト高や鍛造性・被削性の劣化を招くという、未解決の課題があった。

本発明は、上記従来技術の課題を解決し、溝入れ切削加工時のばり発生抑制性に優れかつシャフト部品に要求されることの多いねじり疲労強度に優れた機械構造用鋼材を提供することを目的としてなされたものである。
ばり発生抑制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、本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ばり発生抑制性が得られるという知見を得た。特に、ＮとＳｂ添加がばり発生抑制性の一層の向上に有効であることを新たに知見した。

本発明は、以上の知見をもと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）ｍａｓｓ％で、
Ｃ：0.35％以上0.48％以下、Ｓｉ：0.36％超0.40％未満、Ｍｎ：0.2％以上1.0％以下、Ｐ：0.025％以下、Ｓ：0.02％以下、Ｔｉ：0.03％未満、Ａｌ：0.06％超0.2％未満、Ｃｒ：0.15％以上0.5％未満、Ｎ：0.005％超0.008％以下、Ｏ：0.0030％以下、Ｂ：0.0002％以上0.0025％以下、Ｓｂ：0.0005％以上0.003％以下
を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有する切削性とねじり疲労強度に優れた鋼材。
（２）前項（１）において、前記組成に加えてさらに、ｍａｓｓ％で、Ｍｏ：0.02％未満、Ｃｕ：0.05％以上0.35％以下、Ｎｉ：0.05％以上0.5％以下の１種または２種を含有する組成としたことを特徴とする切削性とねじり疲労強度に優れた鋼材。

本発明によれば、溝入れ切削加工時のばり発生抑制性に優れかつシャフト部品に要求されることの多いねじり疲労強度に優れた機械構造用鋼材を提供することができる。黒鉛化処理は行わないからコスト上昇の憂いはない。

ばり高さとＳｂ量の関係を示すグラフ工具寿命とＳｂ量の関係を示すグラフねじり疲労強度とＳｂ量の関係を示すグラフばり高さとＳｉ量の関係を示すグラフ工具寿命とＳｉ量の関係を示すグラフねじり疲労強度とＳｉ量の関係を示すグラフ

以下、本発明の組成限定理由を述べる。本発明のうち、ＳｂおよびＳｉは最重要元素であるため、まずその成分含有量規定理由について説明する。なお、成分含有量単位はｍａｓｓ％またはｍａｓｓｐｐｍであり、それぞれ、％、ｐｐｍと略記される。
Ｓｂ：0.0005％以上0.003％以下
Ｓｂは本発明において非常に重要な元素である。本発明者らは0.45％Ｃ‐0.37％Ｓｉ‐0.35％Ｍｎ‐0.25％Ｃｒ‐20ｐｐｍＢ鋼にＳｂを諸量添加し、あるいはさらにＳｉ量を種々変更した供試鋼について、ばり発生状況、工具寿命、ねじり疲労強度に関して検討を行った。溝入れ切削試験については、直径20ｍｍの丸棒にＡＣＺ３１０（ホルダーＧＷＣＬ2020‐25、チップＴＧＡＬ4185、住友電工製）を使用し、切削速度170ｍ/分、送り0.2ｍｍ/rev.、切り込み深さ2.0ｍｍ、無潤滑の条件で実施し、溝入れ切削100回目でのばり高さを90°ピッチに４箇所測定し、平均を求めた。ばり高さについては、0.35ｍｍ（比較鋼としたＳ４５Ｃのばり高さ0.42ｍｍを15％抑制）以下となるＳｂ量を求めた。工具寿命に関しては、逃げ面摩耗量が0.03ｍｍとなるときの溝入れ回数を求めた。ねじり疲労強度に関しては、平行部直径20ｍｍのねじり試験片を作製し、周波数15ｋＨｚの高周波焼入れ装置を用い、焼入れ深さ5〜6ｍｍとなるように高周波焼入れを行い、ついで170℃で30分焼戻しを施した後、ねじり疲労試験を行った。ねじり疲労試験は最大トルク5ｋＮ・ｍのねじり試験機を用い、両振りでトルク条件を変えて行い、応力負荷回数が1×10⁵回となる時の試験応力を今回のねじり疲労強度とした。

溝入れ切削試験の結果を図１に示す。ばり高さについては、Ｓｂ量5ｐｐｍ以上の添加とすると大幅に抑制されることが判明した。一方、工具寿命に関しては、図２に示すとおり、Ｓｂ量30ｐｐｍ以下では摩耗は進まないが、30ｐｐｍを超えると大幅に劣化する。一方、ねじり疲労強度については、図３に示すように本発明ではＳｂ添加の影響は見られなかった。これらの結果より、Ｓｂ量は0.0005％以上0.0030％以下に限定する。

Ｓｉ：0.36％超0.40％未満
Ｓｉは本発明にとってＳｂとともに最重要元素の１つであり、Ｓｉ量の最適化により、溝入れ切削時のばり高さを抑制しつつ、ねじり疲労強度を１割以上向上させることができる。図４および図５にばり高さおよび工具寿命へのＳｉ量の影響を示す。Ｓｉ量0.40％未満とすることでばり高さは0.35ｍｍ以下となる。工具寿命についてはＳｉ量の影響は見られない。図６にねじり疲労強度へのＳｉ量の影響を示す。Ｓｉ量を0.36％超とすることで、ねじり疲労強度は750ＭＰａ（Ｓ４５Ｃの1.1倍）以上に改善する。これらの結果より、Ｓｉ量は0.36％超0.40％未満とする。

以下、その他の成分元素の含有量限定理由について述べる。
Ｃ：0.35％以上0.48％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、ねじり疲労強度を向上させる上で有用である。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は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ので0.35％以上とする。また、0.48％を超えて添加すると、ねじり疲労試験時に粒界破壊を起こし、かえってねじり疲労強度が低下するほか、焼入れ時に焼割れが発生しやすくなる。したがって0.35％以上0.48％以下とする。

Ｍｎ：0.2％以上1.0％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積極的に添加するが、0.2％未満の添加ではその効果に乏しく、1.0％を超えて添加すると焼入れ後の残留オーステナイトを増加させることによりかえって表面硬度を低下させ、ねじり強度および疲労強度を低下させるので0.2％以上1.0％以下の添加とする。

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。したがって、その含有量は極力低下させるのが望ましいが0.025％まで許容できる。なお、好ましくは0.020％以下とする。
Ｓ：0.02％以下
Ｓは鋼中でＭｎＳを形成し、切削性を向上させるため添加してもよいが、0.02％を超えて添加すると、ねじり疲労での破壊起点となりねじり疲労強度が低下する可能性があるため、0.02％以下の添加とする。なお、好ましくは0.010％以上0.015％以下である。

Ｔｉ：0.03％未満
Ｔｉを添加するとＴｉＮとして優先的にＮを固定するため、Ｂ添加の効果を有効に活用することができる。その添加量は、本発明のＮ量であれば、0.03％未満で十分である。
Ａｌ：0.06％超0.2％未満
Ａｌは脱酸に有効な元素であり低酸素化のために有用な元素である。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疲労強度を向上させる元素である。0.06％以下の添加ではその効果が小さく、0.2％以上添加してもその効果が飽和し、成分コストの上昇を招くので、0.06％超0.2％未満の添加とする。

Ｃｒ：0.15％以上0.5％未満
Ｃｒは焼入れ性に有効な元素であり、焼入れ時の硬化深さを確保するために、0.15％以上添加するが、0.5％以上添加すると、炭化物を安定化させて残留炭化物生成を促進し、粒界強度を低下させるためねじり疲労強度を劣化させる。したがって0.15％以上0.5％未満の添加とする。なお、好ましくは0.20％以上0.40％以下である。

Ｂ：0.0002％以上0.0025％以下
Ｂは微量の添加により焼入れ性を向上させ、焼入れ時の焼入深さを高めることによりねじり疲労強度を向上させる。0.0002％未満ではその効果が小さく、0.0025％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、0.0002％以上0.0025％以下の添加とする。

Ｏ：0.0030％以下
Ｏは硬質の酸化物系介在物として存在し、Ｏ量の増大は酸化物系介在物のサイズを粗大化させる。これらは、特にねじり疲労強度に有害であるため、極力低減することが望ましいが、0.0030％以下は許容される。なお、好ましくは0.0020％以下とする。
Ｎ：0.005％超0.008％以下
ＮはＡｌ，Ｔｉと窒化物あるいは炭窒化物を形成し、焼入れのための加熱時に、オーステナイトの成長を抑制することにより、粒界強度を向上させ、ねじり強度を向上させるので添加する。0.005％以下の添加ではその効果が小さく、0.008％を超えて添加すると熱間変形能を低下させることにより連続鋳造時に鋳片の表面欠陥を著しく増加させるので0.005％超0.008％以下の添加とする。なお、好ましくは0.006％以上0.007％以下とする。

さらに、上記に加えＭｏ、ＣｕおよびＮｉのうち１種または２種以上を添加してもよい。
Ｍｏ：0.02％未満
Ｍｏは焼入れ性に有用な元素であり本発明では含有してもよいが、合金コストが高騰しており、製品コスト向上を招くため、0.02％未満の添加とする。なお、好ましくは0.001％以上0.01％未満である。

Ｃｕ：0.05％以上0.35％以下
Ｃｕは焼入れ性を向上させる元素であるため、焼入れ性を調整する場合に用いてもよい。0.05％未満の添加ではその効果が小さいので、0.05％以上の添加とする。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。
Ｎｉ：0.05％以上0.5％以下
Ｎｉ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し、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るので、焼入れ性を調整する場合に用いることができる。0.05％未満の添加ではその効果が小さいので0.05％以上の添加とする。一方、Ｎｉは極めて高価な元素であるので添加量が多くなると鋼材価格が高くなる。本発明鋼材では0.5％以下の添加とするのが好ましい。なお、より好ましくは0.3％以下とする。

本発明鋼材の好ましい製造方法としては、本発明規定の組成になる鋼を転炉・連続鋳造プロセスにより溶製して鋳片となし、これを、ブレークダウン工程によりビレットとなし、ついで再加熱・圧延により棒鋼（本発明鋼材の１形態）とする方法が挙げられる。この棒鋼を素材として、熱間鍛造、あるいは切削、冷間鍛造等により所定の形状に加工→端部付近の溝入れ切削加工→高周波焼入れ→必要に応じて炉加熱焼戻しの工程により、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材（最終製品）が製造される。

前記素材（本発明鋼材）の組織は特に規定はしない。前記素材の組織はフェライト‐パーライト組織、フェライト‐セメンタイト組織、ベイナイト組織、およびこれらの混合組織等のうちいずれでもよい。通常の圧延工程で製造された場合、組織はフェライト‐パーライト組織となるため、好ましくはフェライト‐パーライト組織とする。
前記素材から前記最終製品を得る工程では、前記最終製品のねじり疲労強度を確保するために、高周波焼入れを行うが、この高周波焼入れ部分における組織はマルテンサイト組織もしくは焼戻しマルテンサイト組織とする。焼入れ深さについては、用途に応じて深さを調整するため限定はしない。焼入れ後の焼戻しは必要に応じて行えばよい。好ましくは、焼戻しを加熱温度170℃で30分間行うものとする。

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
表１に示す組成になる鋼を転炉‐連続鋳造プロセスにより溶製し、サイズ300ｍｍ×400ｍｍの鋳片を製造した。なお、組成はＳ３８ＣおよびＳ４５Ｃを基本鋼（基本１、基本２）とし、本発明規定の組成範囲内に制御した場合、および範囲外とした場合について、基本鋼の特性と比較する。これらの鋳片を、ブレークダウン工程を経て150ｍｍ角ビレットに圧延した後、1050℃に再加熱後、直径30ｍｍの棒鋼に圧延した。これらの棒鋼について、以下の試験方法により、溝入れ切削加工性、工具寿命、および高周波焼入れ後のねじり疲労強度を調査した。
（溝入れ切削加工性）
溝入れ切削試験片は、棒鋼を200ｍｍ長さに切断後、直径20ｍｍの丸棒に外周旋削して作製した。試験は、ＮＣ旋盤により、切削工具：住友電工製のＡＣＺ３１０（チップＴＧＡＬ4185、ホルダーＧＷＣＬ2020‐25）、切削速度：170ｍ/分、送り：0.2ｍｍ/rev.、切り込み深さ：2.0ｍｍ、潤滑有無：無潤滑、の条件で実施した。ばり高さについては溝入れ切削100回目の溝部を切り出し、もとの試験片に対するばり発生高さを90°ピッチに４箇所測定し、平均を求めた。
（工具寿命）
工具寿命に関しては、工具の逃げ面摩耗量が0.03ｍｍとなる時の溝入れ回数を求めた。
（ねじり疲労強度）
ねじり疲労試験片は、棒鋼から平行部直径20ｍｍのねじり試験片を作製し、周波数15ｋＨｚの高周波焼入れ装置を用いて、焼入れ硬化層深さ（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）が0.5〜0.6ｍｍとなるように焼入れした後、加熱炉にて170℃で30分の焼戻し処理を行い作製した。試験は最大トルク5ｋＮ・ｍのねじり試験機を用い、両振りでトルク（負荷応力）条件を変えて行い、応力負荷回数が1×10⁵回となる時の試験応力をねじり疲労強度とした。

上記調査の結果を表２に示す。表２より、本発明例はいずれも、ばり高さ0.35ｍｍ以下、工具寿命300回以上、ねじり疲労強度比（＝ねじり疲労強度／基本鋼のねじり疲労強度）1.10以上の３つの所期特性項目のすべてを満たす良好な性能を示すのに対し、比較例は前記３つの所期特性項目の少なくともいずれか１つは満たすことができず、本発明の効果が明らかである。

Claims

ｍａｓｓ％で、
Ｃ：0.35％以上0.48％以下、Ｓｉ：0.36％超0.40％未満、Ｍｎ：0.2％以上1.0％以下、Ｐ：0.025％以下、Ｓ：0.02％以下、Ｔｉ：0.03％未満、Ａｌ：0.06％超0.2％未満、Ｃｒ：0.15％以上0.5％未満、Ｎ：0.005％超0.008％以下、Ｏ：0.0030％以下、Ｂ：0.0002％以上0.0025％以下、Ｓｂ：0.0005％以上0.003％以下
を含有し残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有する切削性とねじり疲労強度に優れた鋼材。
請求項１において、前記組成に加えてさらに、ｍａｓｓ％で、Ｍｏ：0.02％未満、Ｃｕ：0.05％以上0.35％以下、Ｎｉ：0.05％以上0.5％以下の１種または２種以上を含有する組成としたことを特徴とする切削性とねじり疲労強度に優れた鋼材。