JP2013018999A - 冷鍛窒化用鋼材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】C:0.01〜0.15%、Si≦0.35%、Mn:0.10〜0.90%、P≦0.030%、S≦0.030%、Cr:0.50〜2.0%、V:0.10〜0.50、Al:0.01〜0.10%、N≦0.0080%及びO≦0.0030%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、[399×C+26×Si+123×Mn+30×Cr+32×Mo+19×V≦160]、[20≦(669.3×logeC−1959.6×logeN−6983.3)×(0.067×Mo+0.147×V)≦80]、[140×Cr+125×Al+235×V≧160]及び[90≦511×C+33×Mn+56×Cu+15×Ni+36×Cr+5×Mo+134×V≦170]である化学組成を有し、組織がフェライトおよび炭化物の混合組織であり、該炭化物は、粒径≦3.0μm、平均アスペクト比≦5.0、かつ母材組織中に占める面積率が0.2〜8.0%である冷鍛窒化用鋼材。
【選択図】なし
Description
Fn1=399×C+26×Si+123×Mn+30×Cr+32×Mo+19×V・・・(1)
Fn2=(669.3×logeC−1959.6×logeN−6983.3)×(0.067×Mo+0.147×V)・・・(2)
Fn3=140×Cr+125×Al+235×V・・・(3)
Fn4=511×C+33×Mn+56×Cu+15×Ni+36×Cr+5×Mo+134×V・・・(4)
ただし、上記の(1)〜(4)式におけるC、Si、Mn、Cr、Mo、V、N、Al、CuおよびNiは、その元素の質量%での含有量を意味する。
C:0.01〜0.15%
Cは、冷鍛窒化部品の曲げ疲労強度と芯部硬さ確保のために必須の元素であり、0.01%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冷間鍛造性が低下する。このため、上限を設け、Cの含有量を0.01〜0.15%とした。Cの含有量は0.03%以上とすることが好ましく、また0.10%以下とすることが好ましい。
Siは、鋼に不純物として含有される元素である。一方で、脱酸作用を有する元素でもある。Siの含有量が多すぎると硬さが高くなり冷間鍛造性が低下する。このため、上限を設け、Siの含有量を0.35%以下とした。脱酸作用を得るには、Siは0.02%以上の含有量とするのが好ましい。Siの含有量は0.02%以上とすることが好ましく、また0.15%以下とすることが好ましい。
Mnは、冷鍛窒化部品の曲げ疲労強度と芯部硬さ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%以上の含有量が必要である。しかし、Mnの含有量が多すぎると、硬さが高くなり冷間鍛造性が低下する。このため、上限を設け、Mnの含有量を0.10〜0.90%とした。Mnの含有量は0.10%以上とすることが好ましく、また0.70%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る。Pの含有量が多すぎると、結晶粒界に偏析したPが鋼を脆化させる場合がある。このため、上限を設け、Pの含有量を0.030%以下とした。より好ましいPの含有量は0.020%以下である。
Sは、鋼に含有される不純物である。また、Sを積極的に含有させれば、Mnと結合してMnSを形成し、被削性を向上させる効果を有する。しかしながら、Sの含有量が0.030%を超えると、粗大なMnSを形成して、熱間加工性および曲げ疲労強度が低下する。そのため、Sの含有量を0.030%以下とした。Sの含有量は、0.015%以下とすることが好ましい。なお、被削性の向上効果を得る場合には、Sの含有量は0.003%以上とすることが好ましく、0.005%以上とすることが一層好ましい。
Crは、窒化の際にNと結合して窒化物を生成し、窒化での表面硬さを向上させ、冷鍛窒化部品の曲げ疲労強度と耐摩耗性を確保する効果がある。しかしながら、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。Crの含有量は0.70%以上とすることが好ましく、また1.5%以下とすることが好ましい。
Vは、窒化の際にCまたは/およびNと結合して、炭化物、窒化物および炭窒化物を形成し、表面硬さを向上する効果を有する。また、窒化温度における時効硬化作用により、すなわち炭化物を形成することにより、芯部硬さを向上させる効果がある。これらの効果を得るには、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さが高くなりすぎるばかりか、冷間鍛造性が低下する。このため、上限を設け、Vの含有量を0.10〜0.50%とした。Vの含有量は0.15%以上とすることが好ましく、また0.40%以下とすることが好ましい。
Alは、脱酸作用を有する。また、窒化時にNと結合してAlNを形成し、表面硬さを向上させる効果を有する。これらの効果を得るには、Alを0.01%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、硬質で粗大なAl2O3を形成して冷間鍛造性が低下するばかりか、窒化での有効硬化層が浅くなり曲げ疲労強度およびピッチング強度が低下する問題が生じる。そのため、上限を設け、Alの含有量を0.01〜0.10%とした。Alの含有量は0.02%以上とすることが好ましく、また0.07%以下とすることが好ましい。
Nは、Cとともに、Vなどの元素と結合して、炭窒化物を形成する。熱間圧延時に炭窒化物が析出してしまうと、硬さが高くなり、冷間鍛造性が低下する。また、窒化温度での時効硬化による芯部硬さの向上効果も十分に得られなくなる。そのため、Nの含有量は制限する必要があり、0.0080%以下とした。好ましいNの含有量は0.0070%以下である。
Oは、酸化物系の介在物を形成し、介在物起点の疲労破壊の原因となり、曲げ疲労強度を低下させる。Oの含有量が0.0030%を超えると、曲げ疲労強度の低下が著しい。そのため、Oの含有量を0.0030%以下とした。なお、好ましいOの含有量は0.0020%以下である。
Moは、窒化温度でCと結合して炭化物を形成し、時効硬化により芯部硬さを向上させる作用を有するので、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。したがって、含有させる場合のMoの量を0.50%以下とした。なお、含有させる場合のMoの量は0.40%以下であることが好ましい。
Cuは、芯部硬さを向上させる作用を有するので、含有させてもよい。しかしながら、Cuの含有量が多くなると、冷間鍛造性が低下し、加えて、熱間圧延などの高温下ではCuが溶融して液体となる。液体化したCuは結晶粒間に浸潤し、粒界を脆化させ、熱間圧延での表面疵の原因となる。したがって、含有させる場合のCuの量に上限を設け、0.50%以下とした。含有させる場合のCuの量は、0.40%以下であることが好ましい。
Niは、芯部硬さを向上させる作用を有するので、含有させてもよい。しかしながら、Niの含有量が多くなると、冷間鍛造性が低下する。したがって、含有させる場合のNiの量に上限を設け、0.50%以下とした。含有させる場合のNiの量は、0.40%以下であることが好ましい。
Tiは、Cまたは/およびNと結合して、微細な炭化物、窒化物および炭窒化物を形成して結晶粒を微細化し、曲げ疲労強度を向上させる作用を有する。したがって、Tiを含有させてもよい。しかしながら、Tiの含有量が多い場合には、粗大なTiNが生成するので、却って曲げ疲労強度が低下する。そのため、含有させる場合のTiの量に上限を設け、0.20%以下とした。含有させる場合のTiの量は、0.15%以下であることが好ましい。
Nbは、Cまたは/およびNと結合して、微細な炭化物、窒化物および炭窒化物を形成して結晶粒を微細化し、曲げ疲労強度を向上させる作用を有する。したがって、Nbを含有させてもよい。しかしながら、Nbの含有量が多い場合には、硬さが上昇し、冷間鍛造性が低下する。そのため、含有させる場合のNbの量に上限を設け、0.10%以下とした。含有させる場合のNbの量は、0.07%以下であることが好ましい。
Zrも、Cまたは/およびNと結合して、微細な炭化物、窒化物および炭窒化物を形成して結晶粒を微細化し、曲げ疲労強度を向上させる作用を有する。したがって、Zrを含有させてもよい。しかしながら、Zrの含有量が多い場合には、硬さが上昇し、冷間鍛造性が低下する。そのため、含有させる場合のZrの量に上限を設け、0.10%以下とした。含有させる場合のZrの量は、0.07%以下であることが好ましい。
Pbは、被削性を向上させる作用を有する。したがって、Pbを含有させてもよい。しかしながら、Pbの含有量が多い場合には、熱間加工性が低下し、さらに、冷鍛窒化部品の靱性低下も招く。そのため、含有させる場合のPbの量に上限を設け、0.50%以下とした。含有させる場合のPbの量は、0.20%以下であることが好ましい。
Caは、被削性を向上させる作用を有する。したがって、Caを含有させてもよい。しかしながら、Caの含有量が多い場合には、熱間加工性が低下し、さらに、冷鍛窒化部品の靱性低下も招く。そのため、含有させる場合のCaの量に上限を設け、0.010%以下とした。含有させる場合のCaの量は、0.005%以下であることが好ましい。
Biも、被削性を向上させる作用を有する。したがって、Biを含有させてもよい。しかしながら、Biの含有量が多い場合には、熱間加工性が低下し、さらに、冷鍛窒化部品の靱性低下も招く。そのため、含有させる場合のBiの量に上限を設け、0.30%以下とした。含有させる場合のBiの量は、0.10%以下であることが好ましい。
Teは、被削性を向上させる作用を有する。したがって、Teを含有させてもよい。しかしながら、Teの含有量が多い場合には、熱間加工性が低下し、さらに、冷鍛窒化部品の靱性低下も招く。そのため、含有させる場合のTeの量に上限を設け、0.30%以下とした。含有させる場合のTeの量は、0.10%以下であることが好ましい。
Seも、被削性を向上させる作用を有する。したがって、Seを含有させてもよい。しかしながら、Seの含有量が多い場合には、熱間加工性が低下し、さらに、冷鍛窒化部品の靱性低下も招く。そのため、含有させる場合のSeの量に上限を設け、0.30%以下とした。含有させる場合のSeの量は、0.15%以下であることが好ましい。
Sbは、被削性を向上させる作用を有する。したがって、Sbを含有させてもよい。しかしながら、Sbの含有量が多い場合には、熱間加工性が低下し、さらに、冷鍛窒化部品の靱性低下も招く。そのため、含有させる場合のSbの量に上限を設け、0.30%以下とした。含有させる場合のSbの量は、0.15%以下であることが好ましい。
本発明の冷鍛窒化用鋼材は、
Fn1=399×C+26×Si+123×Mn+30×Cr+32×Mo+19×V・・・(1)
で表されるFn1が160以下でなければならない。ただし、(1)式におけるC、Si、Mn、Cr、MoおよびV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鋼材は、
Fn2=(669.3×logeC−1959.6×logeN−6983.3)×(0.067×Mo+0.147×V)・・・(2)
で表されるFn2が20〜80でなければならない。ただし、(2)式におけるC、N、MoおよびV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鋼材は、
Fn3=140×Cr+125×Al+235×V・・・(3)
で表されるFn3が160以上でなければならない。ただし、(3)式におけるCr、AlおよびV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鋼材は、
Fn4=511×C+33×Mn+56×Cu+15×Ni+36×Cr+5×Mo+134×V・・・(4)
の(4)式で表されるFn4が90〜170でなければならない。ただし、(4)式におけるC、Mn、Cu、Ni、Cr、MoおよびV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鋼材は、前記(A)項に記載の化学組成を有することに加えて、組織が、フェライトおよび炭化物の混合組織であり、該炭化物は、粒径が3.0μm以下、平均アスペクト比が5.0以下、かつ母材組織中に占める面積率が0.2〜8.0%でなければならない。
前記(A)項に記載の化学組成および(B)項に記載の組織を有する冷鍛窒化用鋼材を素材として、例えば、鋼材が円筒状の形状を有する場合、50%以上の圧縮率で冷間鍛造を行った後、400〜650℃で1〜30時間の窒化を施すことによって、容易に所望の冷鍛窒化部品を製造することができる。圧縮率とは、冷間鍛造前の鋼材の高さをH0、冷間鍛造後の部品の高さをHとした場合、{(H0−H)/H0}×100で表わされる値である。
鏡面仕上した冷間加工前のビッカース硬さ測定用試験片の中心部1点とR/2部(「R」は棒鋼の半径を表す。)4点の計5点のHVを、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試験機で測定し、5点の算術平均値を冷間加工前の硬さとした。
鏡面仕上した冷間加工前のミクロ組織観察用試験片をナイタルで腐食し、倍率を400倍として光学顕微鏡でR/2部を5視野観察して、「相」を同定した。
前記「調査1」の場合と同様に、JIS Z 2244(2009)に準拠して、鏡面仕上した冷間加工後のビッカース硬さ測定用試験片の中心部1点とR/2部4点の計5点のHVを、試験力を9.8Nとしてビッカース硬さ試験機で測定し、5点の算術平均値を冷間加工後の硬さとした。
図1に示した平滑試験片を10%、20%、30%、40%、50%および60%の各圧縮率で、端面拘束圧縮により冷間圧縮し、その際の変形抵抗を測定した。各変形抵抗は、社団法人日本塑性加工学会編の「鍛造」(1997年、初版第2刷、コロナ社)の158ページの表5.2に記載の方法にしたがって、平均変形抵抗(公称圧力/見掛けの拘束係数)を算出した。
図2に示した切欠き試験片を、切欠き部に肉眼で割れが発生するまで冷間圧縮し、割れが発生した時の圧縮率を求めた。そして、5個の試験片について、各々割れが発生した時の圧縮率を求め、この圧縮率の低い方から3番目の試験片の圧縮率を限界圧縮率とした。そして、その限界圧縮率が70%以上である場合、冷間鍛造性に優れるとして、これを目標とした。
直径29mmに冷間引抜き後、長さ300mmに切断した試験片の外周部を、NC旋盤を用いて旋削加工して被削性を調査した。
切削抵抗=(主分力2+送り分力2+背分力2)0.5
の式によって求めて評価した。切削抵抗が620N以下であれば、切削抵抗が小さいとして、これを目標とした。
ガス軟窒化した前記直径10mmの丸棒試験片を横断し、切断面が被検面になるように樹脂に埋め込んだ後、前記面が鏡面仕上げになるように研磨し、ビッカース硬さ試験機を使用して、芯部硬さを測定した。また、マイクロビッカース硬さ測定機を使用して、表面硬さおよび有効硬化層深さを調査した。
窒化(軟窒化)後に仕上加工した小野式回転曲げ疲労試験片を用いて、下記の試験条件によって小野式回転曲げ疲労試験を実施し、繰返し数が107回において破断しない最大の強度を「回転曲げ疲労強度」とした。回転曲げ疲労強度が400MPa以上である場合、回転曲げ疲労強度が優れるとして、これを目標とした。
・雰囲気:大気中、
・回転数:3000rpm。
ブロックオンリング式摩耗試験によって、耐摩耗性を調査した。すなわち、図10に示すように、窒化(軟窒化)したブロック試験片Aの長さ15.75mmで厚さ6.35mmの面(以下、「試験面」という。)をリング試験片に押し付けて、リング試験片を回転させて摩耗試験を実施した。
押し込み試験によって、耐変形性を調査した。すなわち、図14に示すように、窒化(軟窒化)したブロック試験片Bの長さ25mmで厚さ12.5mmの面(以下、「試験面」という。)に図15に示す形状の押し込み試験治具を押し込んで、耐変形性を調査した。押し込み試験治具は、ブロックオンリング式摩耗試験のリング試験片と同様に、JIS G 4053(2008)で規定されたSCM420の直径45mmの棒鋼から、その棒鋼と軸方向を揃えて、概ね図15に示す形状に試験片を切り出した。図12に示すヒートパターンによる「ガス浸炭焼入れ−焼戻し」を施し、その後、外周部を100μm研削して、図15に示す寸法形状に仕上げたものを使用した。
Claims (5)
- 質量%で、C:0.01〜0.15%、Si:0.35%以下、Mn:0.10〜0.90%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:0.50〜2.0%、V:0.10〜0.50%、Al:0.01〜0.10%、N:0.0080%以下およびO:0.0030%以下を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、さらに、下記の(1)式で表されるFn1が160以下、下記の(2)式で表されるFn2が20〜80、下記の(3)式で表されるFn3が160以上で、かつ下記の(4)式で表されるFn4が90〜170である化学組成を有し、組織が、フェライトおよび炭化物の混合組織であり、該炭化物は、粒径が3.0μm以下、平均アスペクト比が5.0以下、かつ母材組織中に占める面積率が0.2〜8.0%であることを特徴とする、冷鍛窒化用鋼材。
Fn1=399×C+26×Si+123×Mn+30×Cr+32×Mo+19×V・・・(1)
Fn2=(669.3×logeC−1959.6×logeN−6983.3)×(0.067×Mo+0.147×V)・・・(2)
Fn3=140×Cr+125×Al+235×V・・・(3)
Fn4=511×C+33×Mn+56×Cu+15×Ni+36×Cr+5×Mo+134×V・・・(4)
ただし、上記の(1)〜(4)式におけるC、Si、Mn、Cr、Mo、V、N、Al、CuおよびNi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鋼材。
- Feの一部に代えて、質量%で、Cu:0.50%以下およびNi:0.50%以下から選択される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鋼材。
- Feの一部に代えて、質量%で、Ti:0.20%以下、Nb:0.10%以下およびZr:0.10%以下から選択される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鋼材。
- Feの一部に代えて、質量%で、Pb:0.50%以下、Ca:0.010%以下、Bi:0.30%以下、Te:0.30%以下、Se:0.30%以下およびSb:0.30%以下から選択される1種以上を含有することを特徴とする、請求項1から4までのいずれかに記載の冷鍛窒化用鋼材。
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