JPWO2011152206A1 - 焼入れ用鋼材及び動力伝達部品 - Google Patents
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Abstract
Description
ただし、[Cr]、[Al]、及び、[O]は、それぞれ、Cr、Al、及び、Oの含有量(質量%)を示す。
(3)上記(1)に記載の焼入れ用鋼材では、前記化学成分が質量%で、さらにTi:0.001〜0.05%を含有し、全N量(%)を[全N]、Ti量(%)を[Ti]としたとき、[全N]及び[Ti]が、0.006+[Ti]×(14/48)≦[全N]≦0.03を満たしてもよい。(4)上記(3)に記載の焼入れ用鋼材では、前記化学成分が質量%で、さらに、Cr:0.1〜3.0%、Mo:0.01〜1.5%、Cu:0.1〜2.0%、Ni:0.1〜5.0%、Ca:0.0002〜0.005%、Zr:0.0003〜0.005%、Mg:0.0003〜0.005%、REM:0.0001〜0.015%、Nb:0.01〜0.1%、V:0.03〜1.0%、W:0.01〜1.0%、Sb:0.0005〜0.0150%、Sn:0.005〜2.0%、Zn:0.0005〜0.5%、Te:0.0003〜0.2%、Bi:0.005〜0.5%、及びPb:0.005〜0.5%のうち少なくとも1種を含有してもよい。
(5)本発明の第2の態様は、上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載の化学成分を有する鋼片に対し、1260℃以上の加熱温度で20分以上保持する熱処理を行う、焼き入れ用鋼材の製造方法である。
(6)本発明の第3の態様は、上記(3)又は(4)に記載の化学成分を有する鋼片に対し、Tiが0.019%以上の場合に1200℃以上の加熱温度で20分以上保持する熱処理を行い、Tiが0.025%以上の場合に1150℃以上の加熱温度で20分以上保持する熱処理を行う、焼入れ用鋼材の製造方法である。
(7)本発明の第4の態様は、上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載の焼入れ用鋼材を機械加工及び焼入れすることにより得られる動力伝達部品である。
0.006+[Ti]×(14/48)≦[全N]≦0.03 ・・・式(1)
Cは、鋼の強度に大きく影響する元素である。Cが0.15%未満では、十分な強度が得られず、他の合金元素を多量に投入せざるを得なくなる。一方、Cが0.60%を超えると、硬さが上昇し、被削性が著しく低下する。十分な強度と所要の被削性を得るため、Cは、0.15〜0.60%とする。Cの下限値は、好ましくは0.30%である。Cの上限値は、好ましくは0.50%である。
Siは、鋼の脱酸に有効な元素であり、また、フェライトの強化及び焼戻し軟化抵抗を高めるのに有効な元素である。Siが0.01%未満では、添加効果が不十分であり、1.5%を超えると、鋼が脆化するとともに、被削性が大幅に低下し、さらに、浸炭性が阻害される。それ故、Siは、0.01〜1.5%とする。Siの下限値は、好ましくは0.03%である。Siの上限値は、好ましくは1.2%である。
Mnは、鋼中のSを、MnSとして固定し、分散させるとともに、マトリックスに固溶して、焼入れ性の向上や、焼入れ後の強度確保に寄与する元素である。Mnが0.05%未満では、鋼中のSが、Feと結合してFeSを形成して、鋼が脆化する。一方、Mnが2.5%を超えると、素地の硬さが上昇して冷間加工性が低下するとともに、強度や焼入れ性に及ぼす影響も飽和する。よって、Mnは、0.05〜2.5%とする。Mnの下限値は、好ましくは0.10%である。Mnの上限値は、好ましくは2.2%である。
Pは、被削性を良好にする元素であるが、0.005%未満では、添加効果が得られない。一方、Pが0.20%を超えると、素地の硬さが上昇し、冷間加工性だけでなく、熱間加工性及び鋳造特性も低下する。よって、Pは、0.005〜0.20%とする。Pの下限値は、好ましくは0.010%である。Pの上限値は、好ましくは0.15%である。
Sは、鋼中でMnSを形成し、被削性の向上に寄与する元素であるが、0.001%未満では、添加効果が十分に得られない。一方、Sが0.35%を超えると、添加効果は飽和し、むしろ、粒界偏析を起こして粒界脆化を引き起こす。それ故、Sは、0.001〜0.35%とする。Sの下限値は、好ましくは0.01%である。Sの上限値は、好ましくは0.1%である。
Alは、鋼の脱酸を目的として添加するが、Nが0.008%以下の状態で、Alが0.06%超存在すると、鋼中に固溶Alが形成され、この固溶Alが、被削性の向上に寄与する。一方、Alが0.3%を超えると、Al2O3介在物の粒径が大きくなり、高サイクル域での疲労強度が劣化する。よって、Alは、0.06超〜0.3%とする。Alの下限値は、好ましくは0.08%である。Alの上限値は、好ましくは0.15%である。
全N(Ti>0%):0.006+[Ti]×(14/48)〜0.03%
Nは、鋼中で、Al、Ti、Nb、及び/又は、Vと結合して、窒化物又は炭窒化物を形成し、結晶粒の粗大化を抑制する。また、Nは、不純物として含まれるBと結合してBNを形成することにより、オーステナイト粒界に偏析するB量(焼入れ性がばらつく要因となる)を低減する。
Bは、オーステナイト粒界に偏析して、鋼の焼入れ性を不安定に向上させる。本実施形態に係る焼入れ用鋼材では、不可避的不純物として混入するBを、0.0004%以下に制限する。Bは意図的に添加しなくても鉄原料から不可避的に鋼中に混入する元素であるため、下限としては0%超と規定する。ただし、B量を0.0001%以下に安定して制御するためにはコスト面から負荷が大きいため、下限値を0.0001%としてもよい。
Tiは、MnSの核となってMnSを微細化するTiNを形成する。TiNは、固溶Bと固溶Nを吸収して複合窒化物を形成する。これにより、焼入れ性のばらつき要因となるオーステナイト粒界に偏析するB量(すなわち、焼き入れ性を高めるB量)を低減する。Tiが0.001%未満では、添加効果が発現せず、一方、0.05%を超えると、Ti系硫化物が生成し、被削性を改善するMnS量が減少して、鋼の被削性が劣化する。よって、Tiは、0.001〜0.05%とする。
Crは、焼入れ性を向上させるとともに、焼戻し軟化抵抗を付与する元素であり、高強度化が必要な鋼に添加される。Crが0.2%未満では、添加効果が得られず、一方、3.0%を超えると、Cr炭化物が生成して鋼が脆化する。よって、Crは、0.1〜3.0%とする。
Moは、焼戻し軟化抵抗を付与するとともに、焼入れ性を向上させる元素であり、高強度化が必要な鋼に添加される。Moが0.01%未満では、添加効果が得られず、一方、1.5%を超えると、添加効果は飽和する。よって、Moは、0.01〜1.5%とする。
Cuは、フェライトを強化するとともに、焼入れ性の向上及び耐食性の向上に有効な元素である。Cuが0.1%未満では、添加効果が得られず、一方、2.0%を超えると、機械的性質の向上効果が飽和する。よって、Cuは、0.1〜2.0%とする。なお、Cuは、熱間延性を低下させ、圧延時の疵の原因となり易いので、Niと同時に添加することが好ましい。
Niは、フェライトを強化し、延性を向上させるとともに、焼入れ性の向上及び耐食性の向上に有効な元素である。Niが0.1%未満では、添加効果が得られず、一方、5.0%を超えると、機械的性質の向上効果が飽和するとともに、被削性が低下する。よって、Niは、0.1〜5.0%とする。
Caは、脱酸元素であり、酸化物を生成する。本実施形態に係る焼入れ用鋼材のように、Alを、全Al(T−Al)として、0.06%を超えて含有する鋼では、カルシウム−アルミネート(CaO−Al2O3)が生成するが、CaO−Al2O3は、Al2O3に比べて低融点の酸化物であるので、高速切削時に工具保護膜となり、被削性を向上させる。Caが0.0002%未満では、被削性向上効果が得られず、一方、Caが0.005%を超えると、鋼中にCaSが生成し、かえって、被削性が低下する。よって、Caは、0.0002〜0.005%とする。
Zrは、脱酸元素であり、鋼中で酸化物を生成する。酸化物は、ZrO2と考えられているが、ZrO2は、MnSの析出核となるので、MnSの析出サイトを増やし、MnSを均一に分散させる。また、Zrは、MnSに固溶して複合硫化物を形成し、その変形能を低下させ、圧延又は熱間鍛造時に、MnSの延伸を抑制する。このように、Zrは、鋼の異方性の低減に有効な元素である。
Mgは、脱酸元素であり、鋼中で酸化物を形成する。酸化物は、MnSの核となり、MnSを微細分散させる。Mgは、Al脱酸が前提の場合、被削性に有害なAl2O3を、比較的軟質で微細に分散するMgO又はAl2O3・MgOに改質する。また-、Mgは、MnSと複合硫化物を形成して、MnSを球状化する。
REM(希土類元素)は、脱酸元素であり、低融点酸化物を形成して、鋳造時のノズル詰りを抑制するだけでなく、MnSに固溶又は結合し、その変形能を低下させて、圧延及び熱間鍛造時に、MnS形状の延伸を抑制する。このように、REMは、機械特性の異方性の低減に有効な元素である。
Nbも、炭窒化物を形成し、二次析出硬化による鋼の強化、オーステナイト粒の成長の抑制及び強化に寄与する元素であり、高強度化が必要な鋼及び低歪を要求される鋼に、粗大粒防止のための整粒化元素として添加する。
Vも、炭窒化物を形成し、二次析出硬化により鋼を強化する元素であり、高強度化が必要な鋼に適宜添加する。Vが0.03%未満では、高強度化の効果が得られず、一方、1.0%を超えると、熱間割れの原因となる未固溶の粗大な炭窒化物を形成し、かえって、機械的性質を損なう。よって、Vは、0.03%〜1.0%とする。
Wも、炭窒化物を形成し、二次析出硬化により鋼を強化する元素である。Wが0.01%未満では、高強度化の効果が得られず、一方、1.0%を超えると、熱間割れの原因となる未固溶の粗大な炭窒化物を形成し、かえって、機械的性質を損なう。よって、Wは、0.01〜1.0%とする。
Sbは、フェライトを適度に脆化して、被削性を向上させる。その効果は、特に、固溶Al量が多い場合に顕著であるが、Sbが0.0005%未満では、添加効果が発現しない。一方、Sbが0.0150%を超えると、Sbのマクロ偏析が過多となり、衝撃値が大きく低下する。よって、Sbは、0.0005〜0.0150%とする。
Snは、フェライトを適度に脆化させて、工具寿命を延ばすとともに、表面粗さを向上させる。Snが0.005%未満では、添加効果が発現せず、一方、2.0%を超えると、添加効果は飽和する。よって、Snは、0.005〜2.0%とする。
Znは、フェライトを脆化させて、工具寿命を延ばすとともに、表面粗さを向上させる。Znが0.0005%未満では、添加効果が発現せず、一方、0.5%を超えると、添加効果は飽和する。よって、Znは、0.0005〜0.5%とする。
Teは、被削性向上元素である。また、Teは、MnTeを形成したり、MnSと共存してMnSの変形能を低下させ、MnS形状の延伸を抑制する。このように、Teは、機械特性の異方性の低減に有効な元素である。Teが0.0003%未満では、添加効果が発現せず、一方、0.2%を超えると、添加効果が飽和するだけでなく、熱間延性が低下して、疵の原因になり易い。よって、Teは、0.0003〜0.2%とする。
Biは、被削性向上元素である。Biが0.005%未満では、被削性向上効果が得られず、一方、0.5%を超えると、被削性向上効果が飽和するだけでなく、熱間延性が低下して疵の原因となり易い。よって、Biは、0.005%〜0.5%とする。
Pbは、被削性向上元素である。Pbが0.005%未満では、被削性向上効果が得られず、一方、0.5%を超えると、被削性向上効果が飽和するだけでなく、熱間延性が低下して疵の原因となり易い。よって、Pbは、0.005〜0.5%とする。
不可避的不純物は、本発明による効果を阻害しない程度の量であれば上述の成分以外の成分を含んでもよいが、出来る限り0%に近いことが好ましい。
上記の「焼入れ端からの距離が3/16inchの計算硬さHRC」は、非特許文献1の「5.ジョミニーカーブを計算で求める方法」の「5.3 C%とDIを知って求める方法(DI法)」のP67〜68に記載された手順によって、水冷端からの距離を3/16inchとして、算出することができる(但し、DI値は、ASTMの「A−255」に準じて算出したものを使用する。)。
ここで、
F(Si)=1.00+0.7×[Si]
F(Ni)=1.00+0.363×[Ni]
F(Cr)=1.00+2.16×[Cr]
F(Mo)=1.00+3.00×[Mo]
F(Cu)=1.00+0.365×[Cu]
F(V)=1.00+1.73×[V]
である。
F(C)=0.54×[C]
0.39質量%<[C]≦0.55質量%の場合
F(C)=0.171+0.001×[C]+0.265×[C]2
0.55質量%<[C]≦0.65質量%の場合
F(C)=0.115+0.268×[C]−0.038×[C]2
0.65質量%<[C]≦0.75質量%の場合
F(C)=0.143+0.2×[C]
0.75質量%<[C]の場合
F(C)=0.062+0.409×[C]−0.135×[C]2
[Mn]≦1.20質量%の場合
F(Mn)=3.3333×[Mn]+1.00
1.20質量%<[Mn]の場合
F(Mn)=5.10×[Mn]−1.12
なお、上記式中、[元素]は、鋼中の元素の量(質量%)を示している。
保持時間が20分未満の場合には、適切な加熱温度であっても、MnSの微細化が充分に行われず、その結果、オーステナイト粒界に偏析可能な固溶Bが多く残存し、十分な焼入れ安定性を得られない。
0.006+[Ti]×(14/48)≦[全N]≦0.03 ・・・式(4)
ジョミニー試験は、JIS G 0561に基づく方法で、一端焼入方法により表5の熱処理3に示す条件で実施し、JIS規定に従って実施した研削後に、焼入れ端から5mm位置において、ロックウェルCスケール硬さ測定を実施した。
被削性試験は、ドリル切削用試験片に、表6に示す切削条件でドリル穿孔試験を行い、実施例及び比較例の各焼入れ用鋼材の被削性を評価した。その際、評価指標として、ドリル穿孔試験では、累積穴深さ1000mmまで切削可能な最大切削速度VL1000(m/min)を採用した。
本願は、2010年5月31日に、日本に出願された特願2010−124536号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
(2)上記(1)に記載の焼入れ用鋼材では、前記化学成分が質量%で、さらに、Cr:0.1〜3.0%、Mo:0.01〜1.5%、Cu:0.1〜2.0%、Ni:0.1〜5.0%、Ca:0.0002〜0.005%、Zr:0.0003〜0.005%、Mg:0.0003〜0.005%、REM:0.0001〜0.015%、Nb:0.01〜0.1%、V:0.03〜1.0%、W:0.01〜1.0%、Sb:0.0005〜0.0150%、Sn:0.005〜2.0%、Zn:0.0005〜0.5%、Te:0.0003〜0.2%、Bi:0.005〜0.5%、及びPb:0.005〜0.5%のうち少なくとも1種を含有してもよい。
(3)上記(1)に記載の焼入れ用鋼材では、前記化学成分が質量%で、さらにTi:0.001〜0.05%を含有し、全N量(%)を[全N]、Ti量(%)を[Ti]としたとき、[全N]及び[Ti]が、0.006+[Ti]×(14/48)≦[全N]≦0.03を満たしてもよい。
(4)上記(3)に記載の焼入れ用鋼材では、前記化学成分が質量%で、さらに、Cr:0.1〜3.0%、Mo:0.01〜1.5%、Cu:0.1〜2.0%、Ni:0.1〜5.0%、Ca:0.0002〜0.005%、Zr:0.0003〜0.005%、Mg:0.0003〜0.005%、REM:0.0001〜0.015%、Nb:0.01〜0.1%、V:0.03〜1.0%、W:0.01〜1.0%、Sb:0.0005〜0.0150%、Sn:0.005〜2.0%、Zn:0.0005〜0.5%、Te:0.0003〜0.2%、Bi:0.005〜0.5%、及びPb:0.005〜0.5%のうち少なくとも1種を含有してもよい。
(5)本発明の第2の態様は、上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載の焼入れ用鋼材を機械加工及び焼入れすることにより得られる動力伝達部品である。
Claims (7)
- 化学成分が、質量%で、C:0.15〜0.60%、Si:0.01〜1.5%、Mn:0.05〜2.5%、P:0.005〜0.20%、S:0.001〜0.35%、Al:0.06超〜0.3%、及び全N:0.006〜0.03%を含有し、残部が0.0004%以下のBを有する不可避的不純物とFeからなり、
JIS G 0561で規定されるジョミニー式一端焼入法で測定される焼入れ端からの距離が5mmの位置における硬さRと、焼入れ端からの距離が4.763mmの位置における計算硬さHとが、下記式(1)を満たす
ことを特徴とする焼入れ用鋼材。
H×0.948≦R≦H×1.05 ・・・式(1) - 前記化学成分が質量%で、さらに、Cr:0.1〜3.0%、Mo:0.01〜1.5%、Cu:0.1〜2.0%、Ni:0.1〜5.0%、Ca:0.0002〜0.005%、Zr:0.0003〜0.005%、Mg:0.0003〜0.005%、REM:0.0001〜0.015%、Nb:0.01〜0.1%、V:0.03〜1.0%、W:0.01〜1.0%、Sb:0.0005〜0.0150%、Sn:0.005〜2.0%、Zn:0.0005〜0.5%、Te:0.0003〜0.2%、Bi:0.005〜0.5%、及びPb:0.005〜0.5%のうち少なくとも1種を含有することを特徴とする請求項1に記載の焼入れ用鋼材。
- 前記化学成分が質量%で、さらにTi:0.001〜0.05%を含有し、全N量(%)を[全N]、Ti量(%)を[Ti]としたとき、[全N]及び[Ti]が、下記式(2)を満たす
ことを特徴とする請求項1に記載の焼入れ用鋼材。
0.006+[Ti]×(14/48)≦[全N]≦0.03 ・・・式(2) - 前記化学成分が質量%で、さらに、Cr:0.1〜3.0%、Mo:0.01〜1.5%、Cu:0.1〜2.0%、Ni:0.1〜5.0%、Ca:0.0002〜0.005%、Zr:0.0003〜0.005%、Mg:0.0003〜0.005%、REM:0.0001〜0.015%、Nb:0.01〜0.1%、V:0.03〜1.0%、W:0.01〜1.0%、Sb:0.0005〜0.0150%、Sn:0.005〜2.0%、Zn:0.0005〜0.5%、Te:0.0003〜0.2%、Bi:0.005〜0.5%、及びPb:0.005〜0.5%のうち少なくとも1種を含有することを特徴とする請求項3に記載の焼入れ用鋼材。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の化学成分を有する鋼片に対し、1260℃以上の加熱温度で20分以上保持する熱処理を行う
ことを特徴とする焼き入れ用鋼材の製造方法。 - 請求項3又は4に記載の化学成分を有する鋼片に対し、Tiが0.019%以上の場合には1200℃以上の加熱温度で20分以上保持する熱処理を行い、Tiが0.025%以上の場合には1150℃以上の加熱温度で20分以上保持する熱処理を行う
ことを特徴とする焼入れ用鋼材の製造方法。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の焼入れ用鋼材を機械加工及び焼入れすることにより得られる動力伝達部品。
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