JPH04193930A - 高周波焼入用高強度鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ねじり強度に優れた高周波焼入用高強度鋼に
関し、さらに詳しくは、機械装置類等、特に自動車等に
おいて高いねじり強度が要求されるシャフト等軸形状を
有する部品に使用することが可能な高周波焼入用鋼に関
するものである。

（従来の技術） ねじり強度が要求されるシャフト等軸形状を有する自動
車部品等においては高周波焼入処理を前提としてさらに
Ｊ　Ｉ　Ｓ　５４３Ｃ−３５３Ｃ等の中炭素鋼が広く使
用されている。

高周波焼入処理は浸炭焼入、窒化等の他の表面硬化法に
比べて、硬化層深さが深くできるために、ねじり強度等
の向上方法としては、非常に有効的な方法であり、また
高周波焼入処理においては硬化層の硬さを高くする必要
があり、そのため比較的炭素量の多いＳ　４３　Ｃ−Ｓ
　５３　Ｃ等の中炭素鋼が用いられている。

（発明が解決すべき問題点） しかしながら、これら従来技術を用いて得られるねじり
強度は最大でも２００ｋｇｆ／ｌ１ｍ２程度であり、最
近のますます高まる自動車用部品の小型軽重化、高強度
化のニーズに対してはまだ充分とはいえず、より高いね
じり強度を有する高周波焼入用高強度鋼が望まれている
。

従って本発明は従来技術では得ることが困難であった２
００ｋｇｆ／ａ＋ｍ２以上の高いねじり強度が得られる
高周波焼入高強度鋼を提供するものである。

（問題を解決するための手段） 上記問題点を解決するために、本発明者等は、ねじり強
度およびその製造性に及ぼす高周波焼入条件および鋼の
組成の影響について鋭意研究を進めた結果、以下の知見
をなし本発明を得た。

第１に高周波焼入硬さとねじり強度の関係について研究
した結果、中炭素鋼等の従来鋼においては高周波焼入硬
さが増加するに伴い、ねじり強度が向上するがＨｖ７０
０程度でその効果は飽和し、それ以上硬さが増加すると
かえってねじり強度が低下することがわかった。またＨ
ｖ７００が得られるＣ量は０．５３χ程度であり、これ
が従来方法では５４３Ｃ−Ｓ５３Ｃが広く使用されてい
る理由と考えられる。

しかしながら、Ｐ、Ｓ、０の不純物量を低く抑え高周波
焼入層の高靭性化をはかることにより、Ｈν９００程度
の高い硬さまでねじり強度の向上が可能となることがわ
かった。すなわちＰ、Ｓ及びＯ量を低減し、高周波焼入
層の高靭性化をはかったうえでＣ量を０．５５〜０．８
０Ｘとすることにより、高周波焼入硬さをＨｖ７５０〜
Ｈｖ９００として２００ｋｇｆ／ｍｍ２以上のねじり強
度を得ることができる。ただし、ＮｉあるいはＭｎ量が
多いと高周波焼入時の残留オーステナイト量が多くなり
、焼入硬さが低下し、ねじり強度を低下させるために、
Ｎｉ及びＭｎ量は低く抑える必要がある。

第２に高周波焼入深さとねじり強度の関係を研究した結
果ｔ／ｒ　　（硬化層比、ｔ：５０χマルテンサイト硬
さまでの硬化深さ、ｒ：高周波焼入される部分の軸半径
）が０．４以上の時にねじり強度が最大となることがわ
かった。しかしながら通常の鋼にｔ／ｒが０．４以上の
深い高周波焼入を施すと、部品の切欠部等を起点として
焼割れを生しる可能性が高くなる。そこでこれら焼割れ
を防止するためには高周波焼入時のマルテンサイト組織
変態膨張量を小さくすれば良いことがわかった。そのた
めには、Ｍｎ、　Ｎｉ及びＣｕ量を極力低く抑える必要
がある。−方、これら合金元素を低くすることにより鋼
の焼入性が低下し、ｔ／ｒが０．４以上の深い高周波焼
入が困難となる。

そこで、マルテンサイト変態膨張量が比較的少なく、か
つ焼入性を大きく向上させるＭｏを適量添加する方法を
知見した。また部品が大きく、さらに焼入性向上の必要
がある場合には適量のＣｒ添加が効果的である。

すなわちＭｎ、　Ｎｉ、　Ｃｕの合金添加量を低く抑え
Ｍ。

およびＣｒにより鋼の焼入性を向上させることにより、
ｔ／ｒが０．４以上の深い高周波焼入処理が焼割れの発
生がなく可能となる。

第３にｔ／ｒが０．４以上の深い高周波焼入層を得るた
めには、従来の高周波焼入条件と比べると比較的長時間
の加熱時間を要するために、ミクロ組織が粗大化して靭
性の低下を招く可能性がある。

そのためにはＡＩ及びＮ量を調整し、ＡＩＮによりミク
ロ組織を微細化することが効果的である。さらに■、Ｎ
ｂ、あるいはＴｉを適量添加することも高周波焼入層の
ミクロ組織を微細化するのに有効である。

以上述べた通り、本発明は重量比でＣ：０．５５〜０゜
８０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．１０
〜０．６０Ｘ　、Ｐ：０．０２０以下、Ｓ　：　：０．
０２０以下、Ｃｒ：０．７０％以下、Ｎｉ：０．１５Ｘ
以下、Ｃｕ：０．２５Ｘ以下、Ｍｏ：０．０５〜０．３
０Ｚ、ＡＩ：０．００１〜０．０５０＄、○：０．００
２０Ｚ以下、Ｎ：０．００４０〜０．０２００χを第１
発明とし、さらに第２発明は第１発明ニＶ：０．０３〜
０．１０Ｚ　、Ｎｂ：０．０１〜０．１０Ｘ、Ｔｉ：０
．００５〜０．０５χをのうち１種または２種以上を含
有することを特徴とする高周波焼入用高強度鋼である。

（作用） 次に本発明の化学組成の限定理由を示す。

Ｃ：Ｃは高周波焼入硬さを決める最も基本的な元素であ
る。０．５５Ｘ未満では高周波焼入硬さが不充分であり
、充分ねしり強度が得られない。一方０゜８０χを越え
ると高周波焼入硬さの増加及びねしり強度の向上が飽和
し、また高周波焼入時の焼割れ発生の可能が生しるため
にＣ含有量を０．５５〜０．８０χとした。

Ｓｉ　：　Ｓｉは脱酸及び焼入性に効果がある。０．０
５Ｘ未満では、その効果が充分に期待されない。また０
゜５０Ｘを越えるとかえって焼入性が向上しすぎて焼割
れの発生の可能性が高まるためにＳｉ含有量を０゜０５
〜０．５０χとした。

Ｍｎ　：　Ｍｎは高周波焼入時の焼割れ発生を助長する
元素であり、また残留オーステナイト量を多くする元素
でもありその添加を極力抑える必要があるが製鋼工程上
、脱酸補助材として必要な場合もあるために、その含有
量は０．１０〜０．６０χとした。

Ｐ：Ｐは高周波焼入層の靭性を低下させる有害な元素で
あり、極力低減させる必要があり０．０２０Ｘ以下とし
た。また製網工程上可能な場合はさらに０゜０１０ｚ以
下とするのが望ましい。

ＳＯ３はＰと同様に高周波焼入層の靭性を低下させる有
害な元素であり、極力低減させる必要があり、０．０２
０Ｘ以下とした。さらに切削加工時に問題なき場合は０
．０１０％以下とするのが望ましい。

Ｃｒ　：　Ｃｒは焼入性を向上させるのに有効な元素で
あるが、０．７０χを越えると高周波焼入時の焼割れ発
生を助長する可能性があるために、その含有量を０．７
０％以下とした。

Ｎｉ　：　Ｎｉは焼入性を向上させる元素であるが、高
周波焼入時の残留オーステナイト量を増加させ、ねじり
強度を低下させる。また、焼割れ発生の可能性を極めて
高くするために、その含有量は極力低減させる必要があ
り、０．１５Ｘ以下とした。

Ｃｕ　：　ＣｕはＮｉと同様に高周波焼入時の焼割れ発
生の可能性を高めるためにその含有量は極力低減させる
必要があり０．２５％以下とした。

Ｍｏ　：　Ｍｏは高周波焼入時の焼割れ発生の可能性を
高めることなく、効果的に焼入性を向上する元素である
。その効果は０．０５Ｘ未満では充分でなく、また０、
３０χを越えると焼入性を向上しすぎて、焼割れ発生の
可能性がでてるために、その含有量を０゜０５〜０．３
０χとした。

Ａ１：４１は脱酸材として効果のある元素であり、また
Ｎとの化合物ＡＩＮを生成し、高周波焼入時のミクロ組
織の粗大化を防止するために有効な元素である。その効
果はｏ、ｏｏ１ｚ未満では充分でなく、また０、０５０
χを越えて添加してもその効果は飽和するために、その
含有量を０．００１〜０．０５０２とした。

Ｏ：０は酸化物を生成し、特に高周波焼入層の靭性を低
下させる有害な元素であり、極力低くする必要があり０
．００２０％以下とした。望ましくは真空脱ガス法等を
用いて０．００１５％以下にすると良い。

ＮＵＮはＡ１との化合物ＡＩＮを生成し、高周波焼入−
時のミクロ組織の粗大化防止に効果のある元素である。

その効果は０．００４０％以下では不充分であり、また
０、０２００χを越えると熱間変形能を低下させて、熱
間圧延、熱間鍛造等の工程にて割れを生じやすくする。

従ってＮ含有量は０．００４０−０．０２００χとした
。

■：■は微細な炭窒化物を生成し、高周波焼入時のミク
ロ組織微細化に効果がある。その効果は０゜０３％以下
では充分でなく、また０、１０！を越えて添加してもそ
の効果は飽和する。したがって■含有量は０．０３〜０
．１０χとした。

Ｎｂ　：　Ｎｂは微細な炭窒化物を生成し、高周波焼入
時のミクロ組織微細化に効果がある。その効果は０゜０
１ｚ以下では充分でなく、また０、１０２を越えて添加
してもその効果は飽和する。従ってＮｂ含有量は０．０
１〜０．１０％とした。

Ｔｉ　：　Ｔｉは微細な炭窒化物を生成し、高周波焼入
時のミクロ組織微細化に効果がある。その効果は０゜０
０５ｚ以下では充分でなく、また０、０５Ｘを越えて添
加してもその効果は飽和する。従ってＴｉ含有量は０．
００５〜０．０５χとした。

（実施例） 次に本発明をその実施例によってさらに具体的に説明す
るが、それらは単に本発明の例示であって、それによっ
て特に本発明が制限されるものではない。

第１表に示す組成を有する１５種類の鋼を供試材とした
。ここで発明１ｉｉＩＡ−Ｆは本発明の組成範囲の鋼で
ある。また比較鋼Ｇは本発明に対してＣ量が下限値に満
たないものである。比較鋼Ｈは本発明に対してＰおよび
Ｓ量が上限値を越えるものである。比較鋼■は本発明に
対してＭｎ量が上限値を越えるものである。比較鋼Ｊは
本発明に対してＣｕ量が上限値を越えるものである。比
較鋼には本発明に対してＮｉ量が上限値を越えるもので
ある。比較鋼りは０量が本発明に対して上限値を越える
ものである。比較鋼Ｍは本発明に対してＭｏ量が下限値
に満たないものである。

さらに従来ｆｍＮはＪＩＳＳ５３Ｃ相当綱、従来鋼０は
Ｊ　Ｉ　ＳＳＣＭ４４０相当鋼である。

これら供試材の熱間圧延材より、第１図に示すねじり試
験片を機械加工により作製した。そして、これら試験片
の平′行部（１６φ部分）の硬化層−比ｔ／ｒが０．５
となる様に高周波焼入処理を行った。高周波焼入条件と
しては、専用コイルを用いた定置焼き法として、また試
験片表面温度が９００〜１０００°Ｃの範囲となる様に
加熱周波数、加熱電力および加熱時間を調整した。さら
に焼入液としては２０°Ｃの水道水を用い、焼入後電気
炉により１８０°Ｃの焼もどしを行った。またねじり試
験時にチャック部よりの破断を防止するために、チャッ
ク部も高周波焼入範囲に含めた。

上述の方法にて作製されたねしり試験片を３００ｋｇｆ
ｍねじり試験機を用いてねじり試験を行ない最大ねじり
強度τ＋ｗａメを求めた。また、一方各々の試験片につ
いて高周波焼入硬さ分布を測定し、硬化層比ｔ／ｒの確
認し、さらに表面より０．２　ｍｍ深さの硬さを高周波
焼入硬さとした。

次に高周波焼入処理における焼割れ性を調査するために
、ねじり試験に用いたものと同一の圧延材より第２図に
示す試験片を作製した。この試験片は実部品の形状を参
考として、インボリュートセレーション及び環状ノツチ
を有しており、特に高周波焼入時の焼割れ性を調査する
ために、特に考案したものである。試験方法として、各
々試験片を高周波焼入処理により硬化層比ｔ／ｒが０．
５となる様に焼入を行った。高周波焼入条件としては、
上述のねじり試験片作製時と同様な方法で行った。

焼割れ性の評価として、各供試材について１０試験片の
高周波焼入処理を行い、処理後磁粉探傷機を用いて割れ
の有無を確認し、割れ発生試験片の数をパーセントにて
表した。

これらの各供試材のねじり試験結果および焼割れ性試験
結果を第２表に示す。

（以下余白） 第２表 発明ｍＡ−Ｆはいずれも２００ｋｇｆ／ｍｍ２以上の非
常にすくれたねしり強度を有すると共に、高周波焼入処
理における割れ発生率が０χと非常にすくれているのが
わかる。

それに対して、本発明の組成範囲を外れる比較ｆｉＧ−
Ｍ及び従来ｚＮおよび０は、ねじり強度あるいは割れ発
生率において本発明鋼に及ばないことがわかる。その理
由としては、前記（作用）の項にて述べた通りである。

次に硬化層比ｔ／ｒとねじり強度の関係を評価した。供
試材として発明１１ｉ１Ａと従来鋼Ｎの圧延材を用い第
１図に示すねじり試験片を機械加工した。

高周波焼入条件としては、前述のねじり試験片と同様で
あるが、硬化層比ｔ／ｒを種々に変えるために、加熱周
波数及び加熱時間を調整した。これら試験片を３００ｋ
ｇｆｎ＋ねじり試験機にてねじり試験を行い、各々の最
大ねじり強度を求めた。

試験結果を第３図に示す。発明鋼Ａ及び従来鋼Ｎのいず
れも硬化層比ｔ／ｒが大きくなるにつれて最大ねしり強
度が向上するが、Ｌ／ｒが０，４〜０．５付近でほぼ飽
和することがわかる。また発明ｍＡはｔ／ｒが０．４以
上にて最大ねしり強度２００ｋｇｆ／ｍｍ”以上達成で
きるが、従来１ｉｌＮはｔ／ｒか大きくなっても２００
ｋｇｆ／ｍｍ２を満足できないことがわかる。

従って、最大ねじり強度を向上させるには硬化層比ｔ／
ｒを０．４以上とすることが効果的であることがわかり
、さらに本発明鋼を用いることにより２００ｋｇｆ／ｍ
ｍ２以上の非常にすぐれたねじり強度を得ることができ
る。

以上に説明したごとく本発明鋼は従来鋼では達成困難で
あった極めてずくれたねじり強度を得ることができる高
周波焼入用高強度鋼であり、従って近年の部品の小型軽
量化あるいは高強度化に対して要求されるねじり強度を
充分満足するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ねじり試験片の形成を示したもので、第２図
は高周波焼入時の焼割れ性を評価する試験片の形状を示
したもので、第３図は硬化層比と最大ねじり強度との関
係を示した線図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量比にして、Ｃ：０．５５〜０．８０％、Ｓｉ
   ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．１０〜０．６０％
   、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ
   ：０．７０％以下、Ｎｉ：０．１５％以下、Ｃｕ：０．
   ２５％以下、Ｍｏ：０．０５〜０．３０％、Ａｌ：０．
   ００１〜０．０５０％、Ｏ：０．００２０％以下、Ｎ：
   ０．００４０〜０．０２００％を含有し、残部Ｆｅおよ
   び不可避不純物からなることを特徴とする高周波焼入用
   高強度鋼。
2. （２）重量比にして、Ｃ：０．５５〜０．８０％、Ｓｉ
   ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．１０〜０．６０％
   、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ
   ：０．７０％以下、Ｎｉ：０．１５％以下、Ｃｕ：０．
   ２５％以下、Ｍｏ：０．０５〜０．３０％、Ａｌ：０．
   ００１〜０．０５０％、Ｏ：０．００２０％以下、Ｎ：
   ０．００４０〜０．０２００％を含有し、さらに、Ｖ：
   ０．０３〜０．１０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、
   Ｔｉ：０．００５〜０．０５％のうち１種または２種以
   上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるこを
   特徴とする高周波焼入用高強度鋼。