JP2012251184A

JP2012251184A - 疲労特性および靱性に優れた鋼

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Publication number: JP2012251184A
Application number: JP2011122885A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Goto; 洋昭後藤; Kazuya Hashimoto; 和弥橋本
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: JP5783805B2

Abstract

【課題】合金元素の添加量を抑え、かつ、焼入性を向上させ、疲労特性および靭性の点で満足できる鋼材を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．２２〜０．６０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．２０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００５〜０．０６０％、Ａｌ：０．０３〜０．３０％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｏ：０．００２０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、これらのＡｌの含有量とＮの含有量から求められる固溶Ａｌの含有量が、これらのＡｌ％からＮ％の２７／１４を減じた値において、０．０２０％以上を満足する疲労特性および靱性に優れた鋼。
【選択図】なし

Description

本発明は自動車や各種産業機械の分野にて、所定の形状に成形した後ずぶ焼入れ、場合によっては高周波焼入れ処理により材料を硬化する部品に使用される疲労特性および靭性に優れた鋼に関する。

一般的に、炭素鋼のように比較的焼入性が悪い材料は、不完全焼入れ組織が生成し易いため、これが疲労強度を低下させる要因となる可能性がある。さらに、不完全焼入れ組織が生成すると靭性の低下を招く。不完全焼入れ組織の生成を抑制し疲労強度および靭性を改善するためには、焼入性を向上させて完全焼入れ組織を得る必要がある。

焼入性の向上ならびに疲労特性の向上に関する従来の技術として、鋼成分中のＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、およびＯ量を低減することにより、球状化焼なまし材の冷間鍛造性の尺度である変形抵抗を低下させ、Ｂを添加した成分系における、ＣｒとＭｏの複合添加量をＣｒ＋Ｍｏで０．３０〜０．８０％の範囲内として高周波焼入性、ねじり疲労強度および転動疲労寿命の向上を図ることができるとした冷間鍛造用鋼が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。さらに、被削性改善のために、Ｓｉ含有量を低減し、焼ならし硬さを下げるとともに、焼入性向上元素であるＢを添加することにより、Ｓｉ含有量の低減による焼入性の低下を補い、安定した高周波焼入性を確保した高強度高周波焼入用鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。また、冷間鍛造性を向上させるために、Ｓｉ、Ｍｎ、および固溶Ｎ量を低減し、Ａｌを０．１０％以上含有させることで球状化焼なましを施した鋼の高周波焼入れによる短時間加熱における均一オーステナイト化を促進し、高周波焼入性を向上した冷間鍛造用鋼が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

特開平５−５９４８６号公報特開平９−２４１７９４号公報特許第３７３８５０１号公報

しかし、上記の先行技術文献における、焼入性を向上させるＢの添加は、複合的に添加されるＴｉがＴｉＮを生成するため、疲労特性を劣化させる恐れがある。さらに焼入性を向上させるＣｒやＭｏの増量は素材の硬さを上昇させて加工性の低下を引き起こす。さらに、Ｍｏは鋼材コストを上昇させる元素であるので、Ｍｏの添加は可能な限り避けたい元素である。また、特許文献３の発明のように焼入性向上のためにＡｌを添加する手法があるが、合金元素量の低減、特にＳｉの低減は疲労特性を劣化させる。つまり、焼入性向上とともに疲労特性を確保するには、合金元素量のバランスが必要である。

本発明はこれらの問題を解決するために、焼入性を向上させることで、疲労特性及び靱性を満足する鋼材を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の手段では、質量％で、Ｃ：０．２２〜０．６０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．２０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００５％〜０．０６０％、Ａｌ：０．０３〜０．３０％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｏ：０．００２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする鋼である。しかも、これらの鋼は上記組成のＡｌの含有量とＮの含有量から求められる固溶Ａｌの含有量が、上記のＡｌ％からＮ％の２７／１４を減じた値における、０．０２０％以上を満足することを特徴とする疲労特性および靱性に優れた鋼である。

本発明における炭素鋼の化学成分の限定理由を以下に説明する。なお、以下において％は質量％を示す。

Ｃ:０．２２〜０．６０％
Ｃは、必要な強度および焼入れ硬さを確保するために必要な元素である。しかし、０．２２％未満では焼入れ後の表面硬さが確保できず、疲労寿命が低下する。一方、０．６０％を超えると靭性が低下するとともに素材の硬さが上昇するため被削性や冷間加工性等の加工性の劣化は避けられない。そこで、Ｃは０．２２〜０．６０％とし、望ましくは０．３２〜０．５５％とする。

Ｓｉ:０．１０〜０．５０％
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な元素であり、鋼に必要な焼入性を付与し強度を高めるために添加する。さらに、Ｓｉは焼戻し軟化抵抗を向上させる、すなわち金属接触時の温度上昇による硬さ低下を抑制するため疲労特性の向上に有効な元素でもあるが、０．１０％未満ではその効果は確保できない。一方、０．５０％を超えると靭性が低下するとともに素材の硬さが上昇して加工性が劣化する。そこで、Ｓｉは０．１０〜０．５０％とし、望ましくは０．１５〜０．３５％とする。

Ｍｎ：０．３０〜１．２０％
Ｍｎは、鋼の脱酸に有効な元素である。さらに、鋼の焼入性を向上させるために非常に有効な元素であり、焼入性向上により不完全焼入れ組織のない完全なマルテンサイト組織を得ることは疲労特性および靱性を向上させる効果がある。鋼に必要な焼入性を付与し、強度を高めるために、０．３０％以上を添加する。しかし、１．２０％を超えると靭性が低下するとともに素材の硬さが上昇して加工性が劣化する。そこで、Ｍｎは０．３０〜１．２０％し、望ましくは０．５０〜１．００％とする。

Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、不可避不純物として粒界に偏析し、０．０３０％を超えると靭性、疲労特性を低下させる。そこで、Ｐは０．０３０％以下とする。

Ｓ：０．００５〜０．０６０％
Ｓは、ＭｎＳの介在物を形成して被削性を改善する効果があるので０．００５％以上添加する。しかし、０．０６０％を超えると冷間加工性、靭性を低下させる。そこで、Ｓは０．００５〜０．０６０％とする。望ましくは、０．０１０〜０．０３５％とする。

Ａｌ：０．０３〜０．３０％
Ａｌは、鋼の脱酸に有効な元素であり、さらにＮと結合しＡｌＮを生成するため、結晶粒粗大化の抑制に有効である。しかし、Ａｌは多すぎると非金属介在物を生成して疲労強度が低下する。そこで、Ａｌは０．０３〜０．３０％とし、望ましくは０．０５％〜０．１０％とする。

［Ａｌ％−（２７／１４）×Ｎ％］≧０．０２０％
固溶Ａｌ、すなわち［Ａｌ％−（２７／１４）×Ｎ％］は焼入性が向上し、焼入れ時の不完全焼入れ組織を抑制する効果があるので０．０２０％以上とする。望ましくは０．０３５％以上で、より望ましくは０．０５０％とする。

Ｎ：０．０１５０％以下
Ｎは、Ａｌと結合してＡｌＮを生成するため結晶粒粗大化の抑制に有効である。しかし、Ｎは多すぎると、固溶Ａｌ％を確保するためにＡｌを増量させる必要があるため、Ｎは０．０１５０％以下とし、望ましくは０．０１００％以下とする。

Ｏ：０．００２０％以下
Ｏは、０．００２０％を超えて含有すると、疲労寿命を低下させる酸化物系介在物を生成する。そこで、疲労寿命を低下させる酸化物系介在物の生成を抑制するために、Ｏは０．００２０％以下とし、望ましくは０．００１５％以下とする。

上記の手段の化学成分の合金組成の鋼材とすることで、焼入性が向上でき、かつ疲労特性および靱性の点で満足できる鋼材を得ることができる。

回転曲げ疲労試験片を示す。シャルピー衝撃試験片を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

表１に示す化学組成の鋼を１００ｋｇ真空溶解炉で溶製した。得られた鋼を１１５０℃〜１２５０℃で熱間鍛造し、直径３２ｍｍおよび直径２０ｍｍの棒鋼を作製した。

なお、表１において、固溶Ａｌは、次式の
固溶Ａｌ＝Ａｌ％−（２７／１４）×Ｎ％
から求めた値である。
また、表１の網掛け部は本発明の請求項から外れることを示している。

ジョミニ一端焼入性試験
上記で作製した直径３２ｍｍの棒鋼を、ジョミニ一端焼入試験片に加工し、焼ならし温度８７０℃、焼入れ温度８４５℃から水冷の条件で焼入性を評価した。

回転曲げ疲労試験
上記で作製した直径２０ｍｍの棒鋼を、８６５℃で６０分の焼ならし処理を施した後、回転曲げ疲労試験片に粗加工し、８４５℃で２０分の水焼入れ、１５０℃で９０分の焼戻し処理を施し、図１の通り、仕上げ加工を行って回転曲げ疲労試験片１とした。疲労強度については、回転曲げ疲労試験の１×１０⁷サイクル到達時の強度を採用した。

シャルピー衝撃試験
さらに上記で作製した直径２０ｍｍの棒鋼を、８６５℃で６０分の焼ならし処理を施した後、シャルピー衝撃試験片に粗加工し、８４５℃で水焼入れ、１５０℃で９０分の焼戻し処理を施し、図２の通り、仕上げ加工を行ってシャルピー衝撃試験片２とした。

以上の、ジョミニ一端焼入性試験、回転曲げ疲労試験およびシャルピー衝撃試験の結果として、焼入端からの硬さ、ジョミニ距離、曲げ疲労試験、室温での衝撃値について表２に記載する。

表２において、ジョミニ距離¹⁾は、焼入端からジョミニ曲線における軟化の変曲点までの距離である。さらに、表２の焼入端からの硬さ、ジョミニ距離、曲げ疲労試験、室温での衝撃値における、それぞれの目標値は、焼入端からの硬さ：４５０Ｈｖ以上、ジョミニ距離：５．０ｍｍ以上、曲げ疲労強度：５００ＭＰａ以上、室温での衝撃値：５０Ｊ／ｃｍ²以上である。

上記の表２において説明した目標値に関して、発明鋼のＮｏ．Ａ〜Ｎｏ．Ｉまでと、比較鋼のＮｏ．Ｊ〜Ｎｏ．Ｑについて、説明すると、発明鋼Ｎｏ．Ａ〜Ｉは、焼入端からの硬さ、ジョミニ距離、曲げ疲労強度、室温での衝撃値が目標値を満足している。一方、比較鋼のＮｏ．Ｊ〜Ｎｏ．Ｑは、表１に示すように化学成分において請求項から外れたものがあるために、表２に網掛けで示すものは、焼入端からの硬さ、ジョミニ距離、曲げ疲労強度、室温での衝撃値において、目標値に未達である。

１回転曲げ疲労試験片
２シャルピー衝撃試験片

Claims

質量％で、Ｃ：０．２２〜０．６０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．２０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００５〜０．０６０％、Ａｌ：０．０３〜０．３０％、Ｎ：０．０１５％以下、Ｏ：０．００２０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、これらのＡｌの含有量とＮの含有量から求められる固溶Ａｌの含有量が、これらのＡｌ％からＮ％の２７／１４を減じた値において、０．０２０％以上を満足することを特徴とする疲労特性および靭性に優れた鋼。