JPH10152748A - 冷間鍛造性、高周波焼入れ性および転動疲労特性に優れた機械構造用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷間鍛造性、高周波焼入れ性および転動疲労
特性に優れた機械構造用鋼を提供する。 【解決手段】 Ｃ：0.40〜0.80％とし、Mo：0.05〜0.50
％を添加し、Si：0.50％以下、Al：0.01〜0.05％に制御
し、さらに、TiN を生成させるTiを0.005 ％以下、Cr：
0.10％以下、Ｓ：0.020 ％以下、Ｐ：0.020 ％以下、
Ｎ：0.007 ％以下、Ｏ：0.0020％以下と低く制限するこ
とに加え、Mn：0.30％以下、あるいはMn：0.30超1.20％
以下でかつ4.7(％Ｃ）＋1.8(％Si）＋（％Mn）を2.4 〜
3.8 の範囲に調整することにより、球状化焼なまし後の
冷間鍛造性および高周波焼入れ性を損なうことなく、高
周波焼入れ後の転動疲労寿命を著しく向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車用等の機械
部品に使用される機械構造用鋼に関し、とくに、高周波
焼入れ処理を施される、例えば等速ジョイント用アウタ
ーレースなど、転動部品に用いて好適な機械構造用鋼に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境問題から、自動車部材に対し
て部品の軽量化の要求が強く、この点から自動車用部材
の高強度化が要求されている。また、自動車用エンジン
の高出力化に伴い、部品の大型化・重量増を避ける意味
から、特に等速ジョイントアウターレースなどの駆動系
部品に対し、高強度化による軽量化、および転動疲労寿
命の向上など耐久性の向上が極めて強く要求されるよう
になっている。

【０００３】従来、自動車用部材などの機械構造用部材
は、熱間圧延棒鋼に熱間鍛造、あるいはさらに焼きなら
し、焼なまし処理を施し、切削、冷間鍛造等により所定
の形状に加工したのち、高周波焼入れ焼戻しを行い、機
械構造用部材として重要な特性を確保しているのが一般
的である。しかし最近では、熱間鍛造では、寸法精度が
悪く、その後重切削する必要があることから、球状化焼
なまし後に冷間鍛造により加工するプロセスが採用され
る傾向にある。

【０００４】高周波焼入れは、表層部のみを焼入れする
一種の表面硬化処理であり、鋼材の強度や疲労特性の向
上を図る目的で行われ、処理時間が非常に短いことから
生産性、作業性に優れ、広く適用されて、部品の最終品
質を決定している。このようなことから、部品の高強度
化には、Ｃ量の増加により高周波焼入れ焼戻し後の硬さ
を上昇させる手段が容易に考えられる。現在、冷間鍛造
を施す用途に用いる鋼材として、Ｃ：0.48％のJIS 規格
Ｓ48Ｃがもっとも多く利用されている。

【０００５】しかし、これ以上のＣ量の増加は、とく
に、Ｃ：0.50％以上の鋼において、冷間鍛造時の変形抵
抗が高くなりすぎ、冷間鍛造機の能力を超える場合が生
じるという問題があった。このような状況から、鋼中Ｃ
量を高めても、冷間鍛造が可能な鋼材が要望され、たと
えば、特開平2-129341号公報には、高周波焼入れ性およ
び冷間鍛造性が優れた鋼材が提案されている。この鋼材
は、フェライトの変形抵抗を低下させるため、Siの添加
を制限し、Ｃ、Ｎと結合し易いTiを添加し、さらに焼入
れ性の増加のためＢを添加し、Mn、Cr量を適正化するこ
とにより、冷間鍛造性を損なうことなく高周波焼入れ後
の硬さを高めることで高強度化を図るものである。

【０００６】しかしながら、特開平2-129341号公報に記
載された技術では、Tiを添加しているため、大型で硬質
のTiN が生成し、転動時に剥離の起点となる場合があ
り、転動疲労寿命の向上に限界があるという問題を残し
ていた。一方、転動疲労寿命の向上にも、Ｃ量の増大に
よる高周波焼入れ後の硬さの上昇が有効であるが、特開
平2-129341号公報に記載された技術では、冷間鍛造性か
ら添加可能なＣ量が0.60％以下に限定されており、転動
疲労寿命の向上に限界があるという問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記した状
況に鑑み、冷間鍛造性、高周波焼入れ性および転動疲労
特性に優れた機械構造用鋼を提供することを目的にす
る。本発明では、機械部品として現在使用されているＳ
48Ｃ鋼と同等あるいはそれ以上の冷間鍛造性、高周波焼
入れ性を有し、かつより一層の転動疲労寿命向上を達成
する機械構造用鋼を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記問題
点を有利に解決するため鋭意検討した結果、鋼中Ｃ、S
i、Mn、AlおよびMo量を適正値に制御し、さらに、TiN
を生成しやすい鋼中Ti、Ｎ量、および鋼中Cr、Ｓ、Ｐ、
Ｏ量を低く制限することにより、球状化焼なまし後の冷
間鍛造性および高周波焼入れ性を損なうことなく、高周
波焼入れ後の転動疲労寿命を著しく向上できることを新
たに見いだし、本発明を構成した。

【０００９】すなわち、本発明は、重量比で、Ｃ：0.40
〜0.80％、Si：0.50％以下、Mn：0.30％以下、Al：0.01
〜0.05％、Mo：0.05〜0.50％、を含み、さらに、不純物
としての下記元素を、Ｓ：0.020 ％以下、Ｐ：0.020 ％
以下、Cr：0.10％以下、Ti：0.005 ％以下、Ｎ：0.007
％以下、Ｏ：0.0020％以下に制限し、残部Feおよび不可
避的不純物からなることを特徴とする冷間鍛造性、高周
波焼入れ性および転動疲労特性に優れた機械構造用鋼で
ある。また、本発明は、重量比で、Ｃ：0.40〜0.80％、
Si：0.50％以下、Mn：0.30％超1.20％以下、Al：0.01〜
0.05％、Mo：0.05〜0.50％を含み、不純物としての下記
元素を、Ｓ：0.020 ％以下、Ｐ：0.020％以下、Cr：0.1
0％以下、Ti：0.005 以下、Ｎ：0.007 ％以下、Ｏ：0.0
020％以下に制限し、さらに、 2.4≦｛4.7 ×（％Ｃ）＋1.8 ×（％Si）＋（％Mn）｝
≦3.8 を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなることを
特徴とする冷間鍛造性、高周波焼入れ性および転動疲労
特性に優れた機械構造用鋼である。

【００１０】

【発明の実施の形態】まず、本発明における、成分組成
の限定理由について説明する。 Ｃ：0.40〜0.80％ Ｃは、球状化焼なまし後の冷間鍛造性を劣化させるが、
高周波焼入れ性への影響が最も大きい元素であり、焼入
れ硬化層の硬さおよび深さを高めるうえで有用である。
その効果を得るためには少なくとも0.40％以上必要であ
るが、0.80％を超えると効果が飽和するとともに冷間鍛
造性を著しく劣化させる。このため、Ｃは0.40〜0.80％
の範囲とした。

【００１１】Si：0.50％以下 Siは、高周波焼入れ焼戻し後の強度を高めるとともに、
繰り返し応力負荷による硬さの低下を抑制し、転動疲労
寿命の向上に有効な元素である。しかし、0.50％を超え
ると、球状化焼なまし時にフェライト中に固溶して冷間
鍛造時の変形抵抗を著しく上昇させる。したがって、Si
は0.50％以下とする。なお、両者のバランスを最適とす
る好ましいSiの範囲は、0.10〜0.30％である。

【００１２】Mn：0.30％以下、あるいは0.30％超1.20％
以下 Mnは、高周波焼入れ性を高める元素であるが、球状化焼
なまし処理時にフェライト中に固溶し、フェライトを強
化し、冷間鍛造時の変形抵抗を著しく上昇させる。フェ
ライトの軟化のためには、0.30％以下、高周波焼入れ性
と冷鍛性のバランスから0.10〜0.30％とするのが好まし
い。なお、Ｃ、Si量とともに調整しＣ、Si、Mnの関係式
を所定の範囲内とする場合には0.30％超1.20％以下とす
ることができる。なお、高周波焼入れ性と冷鍛性のバラ
ンスを最適とするには、Mnは0.30％超0.70％の範囲とす
るのが好ましい。

【００１３】Al：0.01〜0.05％ Alは、強力な脱酸剤として、鋼中Ｏ量の低減に有効な元
素であり、0.01％未満ではこの効果が小さく、また、0.
05％を超えて添加すると、上記効果が飽和するうえ、固
溶体強化により冷間鍛造性を劣化させるので、Alは0.01
〜0.05％の範囲とした。

【００１４】Mo：0.05〜0.50％ Moは、冷間鍛造時の変形抵抗を増加させることなく高周
波焼入れ性を向上させる有用な元素であり本発明では積
極的に添加する。0.05％以上の添加で効果が認められる
が、0.50％を超えるとMo炭化物を形成し基地中のＣ量を
減少させるため、高周波焼入れ性が低下する。このた
め、Moは0.05〜0.50％の範囲とした。

【００１５】本発明では、不純物として鋼中に含まれる
Ｓ、Ｐ、Cr、Ｎ、Ｏを、冷間鍛造性向上、転動疲労寿命
向上のために、とくに低減する。 Ｓ：0.020 ％以下 ＳはMnと結合してMnS を形成し、冷間鍛造性を低下させ
るため極力低減することが望ましいが、0.020 ％までは
許容できる。したがって、Ｓは0.020 ％以下とする。

【００１６】Ｐ：0.020 ％以下 Ｐは、鋼を硬化させる元素であり、冷間鍛造性、転動疲
労寿命を低下させるため、極力低減するのが望ましい
が、0.020 ％までは許容できる。このためＰは0.020 ％
以下とする。 Cr：0.10％以下 Crは、冷間鍛造時の変形抵抗を上昇させるとともに、球
状化焼なまし時に炭化物中に固溶し、高周波焼入れ時に
炭化物を難溶解性とし、高周波焼入れ性を劣化させ疲労
特性を低下させる。このため、Crは極力低減するのが望
ましいが、0.10％以下の含有であれば冷鍛性および高周
波焼入れ性に及ぼす影響は極めて小さいため、Crは0.10
％以下とした。

【００１７】Ti：0.005 ％以下 Tiは、Ｎとの結合力が強く、巨大な硬質TiN を生成し、
転動疲労寿命を低下させるため、極力低減するのが望ま
しいが、0.0005％まで許容できる。したがって、Tiは0.
005 ％以下とした。 Ｎ：0.007 ％以下 Ｎは、フェライト中に固溶した場合には歪時効を生じ、
冷間鍛造時の変形抵抗を増加させるため、極力低減する
ことが望ましいが、0.007 ％までは許容できる。このた
め、Ｎは0.007 ％以下とした。

【００１８】Ｏ：0.0020％以下 Ｏは、酸化物を形成し、冷間鍛造性および転動疲労寿命
を低下させるため、極力低減するのが望ましいが、0.00
20％までは許容できる。このため、Ｏは0.0020％以下と
した。 ｛4.7 ×（％Ｃ）＋1.8 ×（％Si）＋（％Mn）｝：2.4
〜 3.8 Ｃ、Si、Mnはいずれも冷間鍛造時の変形抵抗および高周
波焼入れ性を増大させる元素であり、冷間鍛造性と高周
波焼入れ性のバランスを最適とするためにＣ、Si、Mn量
を調整し、Ｃ、Si、Mn含有量（％Ｃ、％Si、％Mn）の関
係式：｛4.7 ×（％Ｃ）＋1.8 ×（％Si）＋（％Mn）｝
を2.4 〜 3.8の範囲とする。上記関係式が2.4 未満で
は、Moを適正量添加してもＳ48Ｃと同等の高周波焼入れ
性を確保できない。一方、上記関係式が3.8 を超える
と、Crを許容値以下に低減してもＳ48Ｃと同等の冷間鍛
造性を維持できない。

【００１９】その他、残部はFeと不可避的不純物であ
る。本発明鋼の製造方法は、常法にしたがい製造すれば
よくとくに限定しない。溶製方法は、転炉あるいは電気
炉で溶製し、ＲＨ脱ガス等の真空脱ガス、取鍋での精錬
などを付加してもよい。溶鋼は連続鋳造法あるいは造塊
法で凝固させ、凝固させた後、熱間圧延あるいは熱間・
温間鍛造を経て所定の形状の素材とする。これら素材
は、必要により焼ならしを施した後、球状化焼なましを
行う。次いで、切削、鍛造などの冷間加工により所望の
形状に仕上げられ、さらに、高周波焼入れ焼戻しなどの
熱処理により、所望の特性を付与される。

【００２０】

【実施例】表１に示す化学組成を有する鋼を転炉で溶製
し、連続鋳造により400 ×560mmのブルームとしたのち
熱間圧延により34mmφの棒鋼とした。ついで、これら棒
鋼に焼ならし、球状化焼なましを施し、下記に示す試験
を実施し、その結果を表２に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】

【表３】

【００２４】（１）冷間鍛造試験 上記棒鋼から機械加工により、冷間鍛造試験用として、
15mmφ×22.5mmの円柱状試験片を採取した。冷間鍛造試
験は端面完全拘束の条件で、遂次圧縮を行い、限界圧縮
率、圧縮率70％での変形抵抗を求めた。冷間鍛造試験は
１鋼種あたり10個の試験片を用いた。ここで、限界圧縮
率は、試験片の50％が割れを発生する圧縮率をいう。 （２）高周波焼入れ試験 上記棒鋼から機械加工により、12mmφ×100mm の試験片
を採取し、これに周波数15kHz の高周波焼入れ装置を用
いて焼入れし、 150℃×60min の焼戻しを施して、表面
硬さ、有効硬化深さを測定した。ここで、有効硬化深さ
とはHv392 以上の硬さとなる表面からの距離をいう。 （３）転動疲労試験 上記棒鋼から機械加工により、12mmφ×100mm の試験片
を採取し、これに周波数15kHz の高周波焼入れ装置を用
いて焼入れし、 150℃×60min の焼戻しを施したのち切
断し、12mmφ×22mmの試験片を採取し、ラジアル型転動
疲労試験機により転動疲労寿命を求めた。試験条件は、
ヘルツ最大接触応力：600kgf/mm²、繰り返し応力数：約
46500cpm、潤滑：＃68タービン飛沫油である。これら試
験結果がワイブル分布に従うものとして確率紙上にプロ
ットし、Ｂ₁₀寿命（累積破損確率：10％での剥離発生ま
での総負荷回数）を求めた。各鋼の転動疲労寿命を鋼N
o.１を基準として、鋼No.1の寿命に対する比で評価し
た。

【００２５】鋼No.1はＳ48Ｃの従来鋼で、限界圧縮率63
％、変形抵抗856MPaの冷間鍛造性を、表面硬さHRC55.0
、有効硬化深さ2.3mm の高周波焼入れ性を有してい
る。鋼No.2〜No.14 は、本発明例であり、表面硬さHRC5
8.1 〜62.4、有効硬化深さ2.3〜3.1mm と鋼No.1に比べ
高い高周波焼入れ性を有している。また、限界圧縮率は
63〜65％と鋼No.1と同等であり、圧縮率70％における変
形抵抗は 708〜807MPaと鋼No.1に比べ低く、すぐれた冷
間鍛造性を有している。さらに、Ｂ₁₀寿命は鋼No.1の
3.7〜11.9倍と優れている。

【００２６】一方、鋼No.15 〜No.25 は比較例である。
鋼No.15 、No.22 、No.23 は、関係式：4.7 ×（％Ｃ）
＋1.8 ×（％Si）＋（％Mn）が4.91、4.22、4.15と高い
ため、鋼No.1に比べ冷間鍛造時の変形抵抗が高い。鋼N
o.20 、No.21 は、関係式：4.7 ×（％Ｃ）＋1.8 ×
（％Si）＋（％Mn）が2.23、2.27と低いため、変形抵抗
は鋼No.1に比べ低いものの高周波焼入れ性のうち有効硬
化深さが鋼No.1に比べ劣る。

【００２７】鋼No.16 はCrが、鋼No.17 はMoが本発明範
囲外であるため、冷間鍛造性、転動疲労寿命は鋼No.1と
同等以上であるが、高周波焼入れ性のうち表面硬さは鋼
No.1より高いものの、有効硬化深さが1.9 〜2.1 mmと鋼
No.1より劣る。鋼No.18 はAl、Ｏが、鋼No.19 はＮが、
本発明範囲外であるため、高周波焼入れ性、冷間鍛造性
は鋼No.1と同等あるいはそれ以上であるが、転動疲労寿
命が劣る。

【００２８】鋼No.24 はＣが本発明範囲より低いため、
冷間鍛造性は鋼No.1と同等以上であるが、転動疲労寿命
が鋼No.1に比べ劣り、さらに、高周波焼入れ性鋼No.1に
比べ低い。鋼No.25 は、Ｐ、Ｓが本発明範囲外であるた
め、高周波焼入れ性、転動疲労寿命は鋼No.1と同等ある
いはそれ以上であるが、冷間鍛造性のうち限界圧縮率が
56％と鋼No.1の63％に比べ劣っている。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、Ｓ48Ｃ鋼と同等あるい
はそれ以上の冷間鍛造性を有し、かつ高周波焼入れ性お
よび転動疲労特性に優れた機械構造用鋼材を容易に得る
ことができ、機械部品、とくに転動部品の高品質化に寄
与でき、産業上の利用価値は大である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 星野 俊幸 岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地な し） 川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者 天野 虔一 岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地な し） 川崎製鉄株式会社水島製鉄所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比で、 Ｃ：0.40〜0.80％、 Si：0.50％以下、 Mn：0.30％以下、 Al：0.01〜0.05％、 Mo：0.05〜0.50％ を含み、さらに、不純物としての下記元素を、 Ｓ：0.020 ％以下、 Ｐ：0.020 ％以下、 Cr：0.10％以下、 Ti：0.005 以下、 Ｎ：0.007 ％以下、 Ｏ：0.0020％以下 に制限し、残部Feおよび不可避的不純物からなることを
   特徴とする冷間鍛造性、高周波焼入れ性および転動疲労
   特性に優れた機械構造用鋼。
2. 【請求項２】 重量比で、 Ｃ：0.40〜0.80％、 Si：0.50％以下、 Mn：0.30％超1.20％以下、 Al：0.01〜0.05％、 Mo：0.05〜0.50％ を含み、不純物としての下記元素を、 Ｓ：0.020 ％以下、 Ｐ：0.020 ％以下、 Cr：0.10％以下、 Ti：0.005 以下、 Ｎ：0.007 ％以下、 Ｏ：0.0020％以下 に制限し、さらに、 2.4 ≦｛4.7 ×（％Ｃ）＋1.8 ×（％Si）＋（％Mn）｝
   ≦3.8 を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなることを
   特徴とする冷間鍛造性、高周波焼入れ性および転動疲労
   特性に優れた機械構造用鋼。