JP5768734B2 - 冷鍛窒化用圧延鋼材 - Google Patents
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Description
1)一時均熱:900±15℃に加熱
2)中間冷却:10℃/秒の以下の速度で冷却
3)二次均熱:680±30℃に加熱
した後、冷間鍛造により部品形状を与え、500〜650℃におけるガス軟窒化により表面を硬化させることからなる製造方法である。
Fn1=35(C+N)+5(Si+Mn)+Cr+3(Cu+Ni)+4(Mo+V)・・・(1)
Fn2={V+(9/20)Mo}/C・・・(2)
ただし、上記の(1)式および(2)式におけるC、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、VおよびNは、その元素の質量%での含有量を意味する。
C:0.06〜0.15%
Cは、冷鍛窒化部品の強度確保のために必須の元素であり、0.06%以上の含有量が必要である。しかし、Cの含有量が多すぎると硬さが高くなりすぎて冷間鍛造性が低下する。このため、上限を設けて、Cの含有量を0.06〜0.15%とした。冷間鍛造性がより重視されるときは、Cの含有量は0.13%以下にすることが好ましい。
Siは、脱酸作用を有する。この効果を得るには、0.02%以上のSi含有量が必要である。しかし、Siの含有量が多すぎると、フェライトが硬くなり冷間鍛造性を低下させる。このため、上限を設けて、Siの含有量を0.02〜0.35%とした。なお、Siの含有量は0.15%以下にすることが好ましい。
Mnは、冷鍛窒化部品の強度を確保する作用および脱酸作用を有する。これらの効果を得るには、0.10%以上のMn含有量が必要である。しかし、Mnの含有量が多すぎると、フェライトの硬さが高くなりすぎて冷間鍛造性が低下する。このため、上限を設けて、Mnの含有量を0.10〜0.90%とした。なお、冷間鍛造性が重視される場合には、Mnの含有量は0.70%以下にすることが好ましい。
Sは、鋼に不純物として含有される元素である。また、Sは含有すると、Mnと結合してMnSを形成し、被削性を向上させる作用を有するものの、その含有量が0.030%を超えると、粗大なMnSを形成して、冷間鍛造性が低下する。そのため、Sの含有量を0.030%とした。なお、Sの含有量は、被削性がより重視されるときは、0.010%以上にすることが好ましく、また冷間鍛造性が重視される場合は、0.015%以下とすることが好ましい。
Crは、窒化での表面硬さを高め、冷鍛窒化部品の耐摩耗性を向上させる効果がある.Crの含有量が0.50%未満では前記の効果を得ることができない。一方、Crの含有量が2.0%を超えると、硬くなって冷間鍛造性が低下する。そのため、Crの含有量を0.50〜2.0%とした。なお、冷間鍛造性がより重視される場合には、Crの含有量は1.5%以下とすることが好ましい。
Vは、窒化温度域でCと結合し、VCとして析出することで、窒化後の芯部硬さを向上させる効果がある。この効果を得るには、Vを0.10%以上含有する必要がある。しかし、Vの含有量が多いと硬くなって冷間鍛造性が低下する。そのため、上限を設けて、Vの含有量を0.10〜0.50%とした。なお、Vの含有量は0.40%以下とすることが好ましい。
Alは、窒化での表面硬さを高め、冷鍛窒化部品の耐摩耗性を向上させる効果がある。この効果を得るには、Alを0.010%以上含有させる必要がある。しかし、Alの含有量が多すぎると、窒化での硬化層が浅くなり耐摩耗性が低下する問題が生じる。そのため、上限を設けて、Alの含有量を0.010〜0.090%とした。なお、Alの含有量は、0.020%以上とすることが好ましく、また0.050%以下とすることが好ましい。
Pは、鋼に含有される不純物であり、結晶粒界に偏析して鋼を脆化させ、特に、Pの含有量が0.030%を超えると、脆化の程度が顕著になる場合がある。したがって、Pの含有量を0.030%以下とした。なお、Pの含有量は0.020%以下とすることが好ましい。
Nは、鋼に含有される不純物であり、フェライト中に固溶することにより、フェライト硬さを増大させ、冷間鍛造性を低下させる。また、Vと結合して固溶温度の高いVNを形成するため、固溶V量が低減し、窒化温度でのVCの析出硬化の効果が得にくくなる。そのため、上限を設けて、Nの含有量を0.0080%以下とした。なお、Nの含有量は0.0070%以下とすることが好ましい。
Oは、鋼に含有される不純物であり、酸化物系の介在物を形成し、冷間鍛造時の割れの原因となることがある。特に、Oの含有量が0.0030%を超えると、粗大な酸化物が生成して冷間鍛造性が低下する。そのため、Oの含有量を0.0030%以下とした。なお、Oの含有量は0.0020%以下とすることが好ましい。
Moは、窒化温度でCと結合して、炭化物(Mo2C)を形成し、窒化後の芯部硬さを増大させる効果がある。したがって、Moを含有させてもよい。しかしながら、0.50%を超えてMoを含有すると、硬くなって冷間鍛造性が低下する。そのため、含有させる場合のMoの量を0.50%以下とした。なお、冷間鍛造性が重視される場合、含有させる場合のMoの量は0.40%以下とすることが好ましい。
Tiは、窒化中に表面から侵入、拡散するNと結合して窒化物を生成することで表面硬さを高めるのに有効な元素である。したがって、Tiを含有させてもよい。しかしながら、0.50%を超える量のTiを含有させても上記の効果は飽和してコストが嵩むばかりである。そのため、含有させる場合のTiの量を0.50%以下とした。なお、含有させる場合のTiの量は0.20%以下とすることが好ましい。
Nbは、窒化中に表面から侵入、拡散するNと結合して窒化物を生成することで表面硬さを高めるのに有効な元素である。したがって、Nbを含有させてもよい。しかしながら、0.50%を超える量のNbを含有させても上記の効果は飽和してコストが嵩むばかりである。そのため、含有させる場合のNbの量を0.50%以下とした。なお、含有させる場合のNbの量は0.10%以下とすることが好ましい。
Zrも窒化中に表面から侵入、拡散するNと結合して窒化物を生成することで表面硬さを高めるのに有効な元素である。したがって、Zrを含有させてもよい。しかしながら、0.50%を超える量のZrを含有させても上記の効果は飽和してコストが嵩むばかりである。そのため、含有させる場合のZrの量を0.50%以下とした。なお、含有させる場合のZrの量は0.10%以下とすることが好ましい。
Cuは、芯部硬さを増大させる作用を有する。したがって、Cuを含有させてもよい。しかしながら、0.30%を超えてCuを含有すると、硬くなって冷間鍛造性が低下することに加えて、熱間脆性が生じやすくなる。そのため、含有させる場合のCuの量を0.30%以下とした。なお、冷間鍛造性が重視される場合、含有させる場合のCuの量は0.20%以下とすることが好ましい。
Niは、芯部硬さを増大させる作用を有する。Niには、Cuによる熱間脆性の発生を抑制する作用もある。したがって、Niを含有させてもよい。しかしながら、0.20%を超えてNiを含有すると、硬くなって冷間鍛造性が低下する。そのため、含有させる場合のNiの量を0.20%以下とした。なお、含有させる場合のNiの量は0.10%以下とすることが好ましい。
本発明の冷鍛窒化用圧延鋼材は、
Fn1=35(C+N)+5(Si+Mn)+Cr+3(Cu+Ni)+4(Mo+V)・・・(1)
で表されるFn1が5.0〜10.0でなければならない。ただし、(1)式におけるC、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、VおよびNは、その元素の質量%での含有量を意味する。
本発明の冷鍛窒化用圧延鋼材は、
Fn2={V+(9/20)Mo}/C・・・(2)
で表されるFn2が1.8〜9.0でなければならない。ただし、(2)式におけるC、MoおよびVは、その元素の質量%での含有量を意味する。
(B−1)相
本発明の冷鍛窒化用圧延鋼材は、ミクロ組織(相)が、フェライト・パーライト組織でなければならない。たとえ、前記(A)項に記載の化学組成を有していても、ミクロ組織に、低温変態組織、具体的には、ベイナイトまたは/およびマルテンサイトが含まれる場合には、硬さが高いため、事前に熱処理しなければ冷間鍛造することができないし、冷間鍛造できたとしても、その後の切削加工時の被削性が極めて低下してしまうからである。
本発明の冷鍛窒化用圧延鋼材は、ミクロ組織であるフェライト・パーライト組織におけるフェライトの平均粒径が50μm以下でなければならない。たとえ、ミクロ組織が、フェライト・パーライト組織であっても、フェライトの平均粒径が50μmを超えると、冷間鍛造後の表面粗さが大きくなるため、冷間鍛造の自由端に生じた凹凸を軽切削または研磨で除去することができないからである。上記フェライトの平均粒径は30μm以下であることが好ましい。
圧延後の鋼1〜21の直径38mmの丸棒の、前記樹脂に埋め込んで鏡面研磨した断面の中心部1点とR/2部(「R」は丸棒の半径を表す。)4点の計5点について、JIS Z 2244(2009)に記載の「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠して、試験力を9.8Nとしてビッカース硬さを測定し、5点の算術平均値を圧延後のHVと定義した。なお、圧延後の硬さは、HVで100〜160を目標とした。
圧延後の鋼1〜21の直径38mmの丸棒の、前記樹脂に埋め込んで鏡面研磨した断面をナイタルで腐食し、倍率を1000倍として光学顕微鏡で径方向に5視野観察して「相」を同定した。
圧延後の鋼1〜21の直径38mmの丸棒から採取した図1に示す形状の平滑試験片を冷間圧縮(冷間鍛造)して、変形抵抗を調査した。この時、圧縮面の滑りを拘束するため日本塑性加工学会の冷間据え込み試験法の暫定基準である非特許文献1を参考に、同心円溝付きの圧縮板を用いた。10%刻みで10〜70%の圧縮率(平均の真ひずみは0.13〜1.40に相当)で冷間圧縮し、プレスに取り付けられたロードセルでそのときの荷重を計測した。荷重は小坂田らの提案した非特許文献2に準拠して応力に換算した。なお、試験片中心部の相当塑性ひずみの値が1となるときの応力を変形抵抗として定義した。なお、圧延後の変形抵抗は550MPa以下を目標とした。
圧延後の鋼1〜21の直径38mmの丸棒から採取した図1に示す形状の平滑試験片を高さ4.2mmまで80%の圧縮率(平均の真ひずみは2.23に相当)で冷間圧縮(冷間鍛造)した。この時、圧縮板には平滑な板を用い、圧縮板には事前に二硫化モリブデンを塗布した。高さ4.2mmまで冷間圧縮した試験片は、超音波洗浄した後、側面部の表面粗さを軸方向に測定した。なお、触針先端半径2μm、測定長さは1.0mm、測定速度は0.3mm/s、傾斜補正は最小自乗曲線補正とし、粗さ曲線を採取した。得られた粗さパラメータのうち、JIS B 0601(2001)に記載の最大高さ粗さ(「RZ」)を冷間鍛造後の側面の表面粗さとした。なお、冷間鍛造した場合の側面の表面粗さは、RZが10μm以下であることを目標とした。
冷間引抜きした直径が24mmの丸棒を軸方向に対して垂直に切断し、切断面が被検面になるように樹脂に埋め込んだ後、鏡面研磨し、断面の中心部1点とR/2部4点の計5点について、JIS Z 2244(2009)に記載の「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠して、試験力を9.8Nとしてビッカース硬さを測定し、5点の算術平均値を冷間引抜き後のHVとした。なお、冷間引抜き後の硬さは、HVで200以上を目標とした。
冷間引抜きした直径が24mmの丸棒から長さ400mmの円柱状試験片を切り出し、旋削加工を実施して、切削抵抗を測定するとともに「むしれ」の発生を調査した。切削条件は、P20種の超硬工具を使用して、20倍に希釈した水溶性エマルジョンによる湿式加工(供給量:20L/min)、切削速度を150m/min、送りを0.20mm/rev、切り込み量を0.8mmとした。なお、旋削加工中に超硬工具にかかる反力のうち、円周方向反力である主分力の値を切削動力計で測定し、これを切削抵抗とした。なお、冷間引抜き後の切削抵抗は600N以下を目標とした。また、「むしれ」の発生がないことを目標とした。
冷間引抜きした直径が24mmの丸棒から採取後、図3に示すヒートパターンでガス軟窒化処理した、図2に示す形状のブロック状試験片を中央部で横断し、樹脂に埋め込んで鏡面研磨した。軟窒化表面から3mm位置にある任意の5点について、JIS Z 2244(2009)に記載の「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠して、試験力を2.94Nとしてビッカース硬さを測定し、5点の算術平均値を軟窒化後の芯部のHVとした。なお、軟窒化後の芯部硬さはHVで250以上を目標とした。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.06〜0.15%、Si:0.02〜0.35%、Mn:0.10〜0.90%、S:0.030%以下、Cr:0.50〜2.0%、V:0.10〜0.50%およびAl:0.025〜0.090%を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中のP、NおよびOがそれぞれ、P:0.030%以下、N:0.0080%以下およびO:0.0030%以下であり、さらに、下記の(1)式で表されるFn1が5.0〜10.0、下記の(2)式で表されるFn2が1.8〜9.0である化学組成を有し、ミクロ組織がフェライト・パーライト組織で、フェライトの面積割合が70%以上であり、かつ、フェライトの平均粒径が50μm以下であることを特徴とする、冷鍛窒化用圧延鋼材。
Fn1=35(C+N)+5(Si+Mn)+Cr+3(Cu+Ni)+4(Mo+V)・・・(1)
Fn2={V+(9/20)Mo}/C・・・(2)
ただし、上記の(1)式および(2)式におけるC、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、VおよびNは、その元素の質量%での含有量を意味する。 - Feの一部に代えて、質量%で、Mo:0.50%以下を含有することを特徴とする、請求項1に記載の冷鍛窒化用圧延鋼材。
- Feの一部に代えて、質量%で、Ti:0.50%以下、Nb:0.50%以下およびZr:0.50%以下のうちの1種以上を含有することを特徴とする、請求項1または2に記載の冷鍛窒化用圧延鋼材。
- Feの一部に代えて、質量%で、Cu:0.30%以下およびNi:0.20%以下のうちの1種以上を含有することを特徴とする、請求項1から3までのいずれかに記載の冷鍛窒化用圧延鋼材。
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