JP5729273B2 - 高周波焼入れ用鋼 - Google Patents
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218≦257.7C+10.7Si+43Mn+17.2(Cu+Ni)+51.5Cr+48.4≦280・・・(2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
ここで、式(3)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。対応する元素が含有されない場合、「0」が代入される。
(b)鋼の硬さと被削性とは、密接な関係を有することは知られている。具体的には、熱間鍛造後に焼準された鋼の硬さが高すぎれば、被削性は低い。優れた被削性を得るためには、鋼の硬さがビッカース硬さで280HV以下であるのが好ましい。一方、熱間鍛造後に焼準された鋼の硬さが低すぎれば、転動部品として使用される際、転動面直下で発生する応力に対し、高周波焼入れ層よりも内部で素材が降伏して転動疲労特性が低下する可能性がある。これを回避するためには、鋼の硬さがビッカース硬さで210HV以上であるのが好ましい。したがって、高周波焼入れ用鋼の被削性及び転動疲労特性を高めるには、熱間鍛造後に焼準された高周波焼入れ用鋼の硬さがビッカース硬さで210〜280HVとなればよい。
F2=257.7C+10.7Si+43Mn+17.2(Cu+Ni)+51.5(Cr+Mo+V)+48.4・・・(B)
ここで、F1及びF2中の各元素記号は、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。鋼中にMo及びVが含有されない場合、本発明の鋼の硬さは、F1と相関関係を示す。鋼中にMo及び/又はVが含有される場合、本発明の鋼の硬さは、F2と相関関係を示す。F2において、Mo又はVが含有されない場合、F2中の含有されない元素記号には「0」が代入される。
210≦257.7C+10.7Si+43Mn+17.2(Cu+Ni)+51.5Cr+48.4≦280・・・(2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
ここで、式(3)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。対応する元素が含有されない場合、「0」が代入される。
上述の高周波焼入れ用鋼は、Feの一部に代えて、Nb:0.10%以下を含有してもよい。
本実施の形態による高周波焼入れ用鋼は、以下の化学組成を有する。
炭素(C)は、鋼の強度、硬さ及び焼入れ性を高める。一方、Cが過剰に含有されれば、鋼の鍛造性及び被削性が低下する。したがって、C含有量は0.48〜0.90%である。好ましいC含有量の下限は、0.48%よりも高く、さらに好ましくは、0.50%以上である。
珪素(Si)は、鋼を脱酸する。Siはさらに、鋼の硬さを高める。一方、Siが過剰に含有されれば、鋼の鍛造性及び被削性が低下する。したがって、Si含有量は0.15〜0.35%である。好ましいSi含有量の下限は0.15%よりも高い。好ましいSi含有量の上限は0.35%未満であり、さらに好ましくは0.30%以下であり、さらに好ましくは0.27%以下である。
マンガン(Mn)は、鋼の強度、硬さ及び焼入れ性を高める。Mnはさらに、鋼中のS含有量が低い場合、水素発生環境下における鋼の耐食性を高める。一方、Mnが過剰に含有されれば、粒界に偏析して粒界割れを引き起こす。したがって、Mn含有量は0.50〜0.90%である。好ましいMn含有量の下限は0.50%よりも高く、さらに好ましくは0.60%以上である。好ましいMn含有量の上限は0.90%未満である。
クロム(Cr)は、鋼の強度、硬さ、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高める。Crはさらに、鋼中への水素の侵入を抑制する。そのため、Crは鋼の転動疲労特性を高める。一方、Crが過剰に含有されれば、鋼の鍛造性及び被削性が低下する。したがって、Cr含有量は0.10〜2.0%である。好ましいCr含有量の下限は0.10%よりも高い。
銅(Cu)は水素の鋼への侵入を抑制する。そのため、Cuは鋼の転動疲労特性を高める。Cuはさらに、鋼の硬さを高める。一方、Cuが過剰に含有されれば、鋼の鍛造性及び被削性が低下する。Cuが過剰に含有されればさらに、熱間脆性を引き起こす。したがって、Cu含有量は0.10〜1.0%である。好ましいCu含有量の下限は0.10%よりも高く、さらに好ましくは0.30%以上である。
ニッケル(Ni)は水素の鋼への侵入を抑制する。そのため、Niは鋼の転動疲労特性を高める。Niはさらに、鋼の硬さ及び靭性を高める。一方、Niが過剰に含有されれば、上記効果が飽和する。したがって、Ni含有量は0.05〜1.0%である。Ni含有量の好ましい下限は0.05%よりも高く、さらに好ましくは0.20%以上である。
窒素(N)は、鋼中のAlと結合してAlNを形成する。AlNは、高周波焼入れ時の結晶粒粗大化を抑制する。一方、Nが過剰に含有されれば、鋼中にブローホールが生成されやすくなる。ブローホールは、加工された鋼材(軸受等)に疵を発生する要因となる。したがって、N含有量は0.0030〜0.020%である。好ましいN含有量の下限は0.0030%よりも高く、好ましいN含有量の上限は0.020%未満であり、さらに好ましくは0.010%以下である。
アルミニウム(Al)は鋼を脱酸する。Alはさらに、鋼中のNと結合してAlNを形成する。AlNは上述のとおり、高周波焼入れ時の結晶粒粗大化を抑制する。一方、Alが過剰に含有されれば、鋼の焼入れ性が低下する。したがって、Al含有量は0.005〜0.050%である。
燐(P)は不純物である。Pは高周波焼入れ時に粒界に偏析しやすい。そのため、Pは粒界割れを引き起こしやすく、転動疲労強度を低下する。したがって、P含有量はなるべく低い方が好ましい。P含有量は0.025%以下である。
硫黄(S)は不純物である。SはMnと結合してMnSを形成する。上述のとおり、MnSは、腐食により溶解するときに硫化水素を発生し、鋼中への水素侵入を促進する。Sが過剰に含有されればさらに、MnSが粗大化する。粗大なMnSは転動疲労強度を低下し、スポーリング損傷を発生しやすくする。したがって、S含有量はなるべく低い方が好ましい。S含有量は0.035%以下である。
チタン(Ti)は不純物である。Tiは鋼中のNと結合してTiNを形成する。TiNは非金属介在物であり疲労破壊の起点となる。そのため、TiNは鋼の転動疲労寿命を低下する。TiNはさらに、鋼の鍛造性及び被削性を低下する。したがって、Ti含有量はなるべく低い方が好ましい。Ti含有量は0.0020%以下である。
酸素(O)は不純物である。OはAlと結合して硬質な酸化物系介在物を形成する。この酸化物系介在物は鋼の転動疲労強度を低下する。したがって、O含有量はなるべく低い方が好ましい。O含有量は0.0020%以下である。
210≦257.7C+10.7Si+43Mn+17.2(Cu+Ni)+51.5Cr+48.4≦280・・・(2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
上述のとおり、Cuは転動疲労特性を高める。しかしながら、Cuが粒界に析出すれば、粒界強度が低下する。そのため、熱間鍛造時に割れが起こりやすくなる。つまり、鍛造性が低下する。
熱間鍛造後に焼準された高周波焼入れ用鋼の硬さが低すぎれば、転動部品として使用される際、転動面直下で発生する応力に対し、高周波焼入れ層よりも内部で素材が降伏して転動疲労特性が低下する。一方、熱間鍛造後に焼準された高周波焼入れ用鋼の硬さが高すぎれば、被削性が低い。熱間鍛造後に焼準された高周波焼入れ用鋼の硬さがビッカース硬さで210HV〜280HVであれば、優れた被削性及び転動疲労特性が得られる。
モリブデン(Mo)は選択元素である。Moは、鋼の強度、硬さ、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高める。Moが少しでも含有されれば、上述の効果が得られる。一方、Moが過剰に含有されれば、鋼の鍛造性及び被削性が低下する。したがって、Mo含有量は0.20%以下である。Mo含有量の好ましい下限は0.05%以上である。
バナジウム(V)は、鋼中に微細な炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化する。そのため、鋼の硬さ及び靭性が高まる。Vが少しでも含有されれば、上述の効果が得られる。一方、過剰に含有されれば、鋼の鍛造性及び被削性が低下する。したがって、V含有量は0.50%以下である。好ましいV含有量の下限は0.05%以上である。
[式(3)について]
選択元素であるMo及びVは、鋼の硬さに影響を与える。式(B)に示すF2(F2=257.7C+10.7Si+43Mn+17.2(Cu+Ni)+51.5(Cr+Mo+V)+48.4)は、F1にMo及びVを加えた式である。F1と同様の理由により、F2が210未満であれば、鋼の硬さが210HV未満になり転動疲労特性が低下する。一方、F2が280を超えれば、鋼の硬さが280HVを超え、被削性が低下する。F2が式(3)を満たせば、優れた被削性及び転動疲労特性が得られる。
ニオブ(Nb)は、鋼中に微細な炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化する。そのため、鋼の靭性が高まる。Nbが少しでも含有されれば、上述の効果が得られる。一方、過剰に含有されれば、鋼の鍛造性及び被削性が低下する。したがって、Nb含有量は0.10%以下である。好ましいNb含有量の下限は0.02%以上である。
Mg:0.020%以下
カルシウム(Ca)及びマグネシウム(Mg)はいずれも選択元素である。これらの元素は介在物の形態を制御して鋼の被削性を高める。これらの元素の1種以上が少しでも含有されれば、上記効果が得られる。一方、Ca及び/又はMgが過剰に含有されれば、Ca及びMgの酸化物が過剰に生成される。これらの酸化物は溶解しやすいため、孔食の起点となる。そのため、転動疲労破壊が発生しやすくなり、転動疲労特性が低下する。したがって、Ca含有量は0.020%以下である、Mg含有量は0.020%以下である。好ましいCa、Mg含有量の下限は0.001%以上である。
Te:0.020%以下
Zr:0.020%以下
Pb:0.30%以下
Bi:0.30%以下
セレン(Se)、テルル(Te)、ジルコニウム(Zr)、鉛(Pb)及びビスマス(Bi)はいずれも選択元素であり、鋼の被削性を高める。具体的には、Se及びTeはMnと結合して介在物を形成し、鋼の被削性を高める。Zrは酸化物を形成し、鋼の被削性を高める。Pb及びBiは切削時に溶融又は脆化して、鋼の被削性を高める。これらの元素の1種以上が少なくとも含有されれば、上記効果が得られる。一方、これらの元素が過剰に含有されれば、鋼の鍛造性及び被削性が低下する。したがって、Se含有量は0.020%以下であり、Te含有量は0.020%以下であり、Zr含有量は0.020%以下である。Pb含有量は0.30%以下であり、Bi含有量は0.30%以下である。好ましいSe含有量、Te含有量及びZr含有量の下限はいずれも、0.0001%以上である。好ましいPb含有量及びBi含有量の下限はいずれも、0.01%以上である。
上述の高周波焼入れ用鋼の製造方法を説明する。本実施の形態では、一例として、高周波焼入れ用鋼からなる熱間鍛造品を製造する工程を説明する。熱間鍛造品はたとえば、自動車及び産業機械等に利用される機械部品であり、たとえば、軸受である。
表1に示す化学組成を有する鋼A1〜A13、鋼B1〜B8及び鋼Cの溶鋼を真空溶解炉により製造した。
焼準後の各丸棒の中心部から、図2に示す小ローラ試験片10を採取した。小ローラ試験片10の長手方向は、丸棒の長手方向に一致した。図2に示すとおり、小ローラ試験片10は、円柱状の試験部1と、試験部1と同軸に配置される円柱状の一対の掴み部2とを備えた。試験部1の直径D1は26mmであり、長さL1は28mmであった。小ローラ試験片10の全長L0は130mmであった。
試験中、潤滑剤(市販のオートマチックトランスミッション油)を油温90℃、塗布量1.0リットル/minの条件で、大ローラ試験片20と小ローラ試験片10との接触部分に回転方向と反対の方向から吹き付けた。以上の条件でローラピッチング試験を実施し、転動疲労特性を評価した。
ローラピッチング試験中、大ローラ試験片20と小ローラ試験片10との接触により潤滑剤が分解されて水素が発生する。そして、発生した水素が小ローラ試験片10の試験部1の表層から内部に侵入する。そこで、ローラピッチング試験後の小ローラ試験片10の試験部1の吸蔵水素量を分析して、鋼の水素侵入抑制効果を評価した。
水素濃度=T×Σ(C×I/W)・・・(II)
ここで、Cは換算係数である。Iはイオン化電流である。Wは水素分析試験片の質量である。Tはイオン化電流の測定間隔(sec)である。
なお、ローラピッチング試験を実施する前の水素濃度は、いずれの試験番号においても0.15ppm以下であった。
表3に試験結果を示す。
表5に示す化学組成を有する鋼X1〜X7の溶鋼を真空溶解炉により製造した。
10 小ローラ試験片
20 大ローラ試験片
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.48〜0.90%、
Si:0.15〜0.35%、
Mn:0.50〜0.90%(但し、0.60%以下を除く)、
Cr:0.10〜0.82%、
Cu:0.10〜0.52%、
Ni:0.05〜0.48%、
N:0.0030〜0.020%、及び、
Al:0.005〜0.050%、
を含有し、残部はFe及び不可避的不純物からなり、
不可避的不純物中のP、S、Ti及びOがそれぞれ、
P:0.025%以下、
S:0.035%以下、
Ti:0.0020%以下、及び、
O:0.0020%以下であり、
式(1)及び式(2)を満たす、高周波焼入れ用鋼。
Ni≧Cu/2・・・(1)
218≦257.7C+10.7Si+43Mn+17.2(Cu+Ni)+51.5Cr+48.4≦280・・・(2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。 - Feの一部に代えて、
Mo:0.20%以下、及び、
V:0.10%以下、
の1種以上を含有し、
式(2)に代えて、式(3)を満たす、請求項1に記載の高周波焼入れ用鋼。
218≦257.7C+10.7Si+43Mn+17.2(Cu+Ni)+51.5(Cr+Mo+V)+48.4≦280・・・(3)
ここで、式(3)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。対応する元素が含有されない場合、「0」が代入される。 - Feの一部に代えて、
Nb:0.02%以下
を含有する、請求項1又は請求項2に記載の高周波焼入れ用鋼。 - Feの一部に代えて、
Ca:0.004%以下、
Mg:0.005%以下、
Se:0.007%以下、
Te:0.006%以下、
Zr:0.008%以下、
Pb:0.09%以下、及び、
Bi:0.04%以下
からなる群から選択される1種以上を含有する、請求項1〜請求項3のいずれかに記載の高周波焼入れ用鋼。
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