JP2952318B2

JP2952318B2 - 高周波焼入用高強度鋼

Info

Publication number: JP2952318B2
Application number: JP32747790A
Authority: JP
Inventors: 一衛野村; 雄一川瀬; 茂安田; 彰田辺
Original assignee: Toyota Motor Corp; Aichi Steel Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aichi Steel Corp
Priority date: 1990-11-28
Filing date: 1990-11-28
Publication date: 1999-09-27
Anticipated expiration: 2014-09-27
Also published as: JPH04193930A

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JISS43C〜S53C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S43C〜S53C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/mm²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量化、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
200kgf/mm²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Hv700
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Hv70
0が得られるＣ量は0.53％程度であり、これが従来方法
ではS43C〜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、Ｏの不純物量を低く抑え高周
波焼入層の高靱性化をはかることにより、Hv900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
の高靱性化をはかったうえでＣ量を0.55〜0.80％とする
ことにより、高周波焼入硬さをHv750〜Hv900として200k
gf/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:50％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じる可能
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。一方、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Mo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靱性の
低下を招く可能性がある。そのためにはAl及びＮ量を調
整し、AlN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Ｖ、Nb、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:0.10超〜0.50％、Mn:0.10〜0.60％、P:0.020以
下、S:0.020％以下、Cr:0.10〜0.70％、Ni:0.10％未
満、Cu:0.25以下、Mo:0.05超〜0.30％、Al:0.001〜0.05
0％、O:0.0020％以下、N:0.0040〜0.0200％を第１発明
とし、さらに第２発明は第１発明にV:0.03〜0.10％、N
b:0.01〜0.10％、Ti:0.005〜0.05％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。0.55％未満では高周波焼入硬さが不充分であり、充
分ねじり強度が得られない。一方0.80％を越えると高周
波焼入硬さの増加及びねじ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じるためにＣ含有
量を0.55〜0.80％とした。

Si:Siは脱酸及び焼入性に効果がある。0.10％以下で
は、その効果が充分に期待されていない。また0.50％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0.10超〜0.50％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
〜0.60％とした。

P:Pは高周波焼入層の靱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0.020％以下とした。ま
た製鋼工程上可能な場合はさらに0.010％以下とするの
が望ましい。

S:SはＰと同様に高周波焼入層の靱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、0.020％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。0.1
0％未満では、その効果が充分に期待されない。0.70％
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0.70％以下とした。

Ni: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、0.10％未満とした。

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0.05％以下では充分でなく、また0.30％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0.05〜0.30％とした。

Al:Al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A1N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0.
001％未満では充分でなく、また0.050％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〜
0.050％とした。

O:Oは酸化物を生成し、特に高周波焼入層の靱性を低下
させる有害な元素であり、極力低くする必要があり0.00
20％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。

N:NはAlとの化合物AlN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0.020％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
〜0.0200％とした。

V:V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Ｖ含有量は0.03〜0.10％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0.01％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。従ってNb含有量は0.01〜0.10％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0.005％以下で
は充分でなく、また0.05％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0.005〜0.05％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
って特に本発明が限定されるものではない。

第１表に示す組成を有する13種類の鋼を供試材とし
た。ここで発明鋼Ａ、Ｄ〜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Ｉ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
Ｋ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ＬはＯ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。

さらに従来鋼ＮはJISS53C相当鋼、従来鋼ＯはJISSCM4
40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
用コイルを用い定置焼き法として、また試験片表面温度
が900〜1000℃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℃
の水道水を用い、焼入後電気炉により180℃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じり試験片を300kgfm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
τmax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0.2mm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ッ
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。

発明鋼Ａ、Ｄ〜Ｆはいずれも200kgf/mm²以上の非常に
すぐれたねじ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０％と非常にすぐれているのがわか
る。

それに対して、本発明の組成範囲を外れる比較鋼Ｇ〜
Ｍ及び従来鋼ＮおよびＯ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
試材として発明鋼Ａ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300kgfm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じり強
度が向上するが、t/rが0.4〜0.5付近でほぼ飽和するこ
とがわかる。また発明鋼Ａはt/rが0.4以上にて最大ねじ
り強度200kgf/mm²以上達成できるが、従来鋼Ｎはt/rが
大きくなっても200kgf/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/mm²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
であった極めてすぐ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。

フロントページの続き (72)発明者田辺彰愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内審査官小川武 (56)参考文献特開平２−159347（ＪＰ，Ａ) 特開平２−66137（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 301

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比にして、C:0.55〜0.80％、Si:0.10
超〜0.50％、Mn:0.10〜0.60％、P:0.020以下、S:0.020
％以下、Cr:0.10〜0.70％、Ni:0.10％未満、Cu:0.25％
以下、Mo:0.05超〜0.30％、Al:0.001〜0.050％、O:0.00
20％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。
【請求項２】重量比にして、C:0.55〜0.80％、Si:0.10
超〜0.50％、Mn:0.10〜0.60％、P:0.020以下、S:0.020
％以下、Cr:0.10〜0.70％、Ni:0.10％未満、Cu:0.25％
以下、Mo:0.05超〜0.30％、Al:0.001〜0.050％、O:0.00
20％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
純物からなることを特徴とする高周波焼入用高強度鋼。