JP4609112B2 - 疲労特性に優れた機械構造用棒状部品 - Google Patents
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一方、近年の環境問題から、自動車用部品に対する軽量化への要求に代表されるように、上記部品のコンパクト化、軽量化および長寿命化への要求が強く、この観点からこの種部品の疲労強度の一層の向上が要求されている。
すなわち、強度の上昇にもかかわらず、必ずしも疲労強度が向上しないことがある点である。この疲労強度の低下は、直接部品の寿命を左右する問題点である。発明者らは、これを黒鉛の析出部が疲労亀裂の発生そして伝播のサイトとなりやすいことが原因と推定し、鋭意検討した結果、一定の析出寸法を下回って微細に析出した黒鉛は、析出量によらず実質的に疲労強度低下の原因とはならないことを明らかにした。また、黒鉛の微細析出は熱間加工時の総加工率を70%以上とし、金属組織全体を微細組織とすることで著しい効果をもって達成可能であることも、併せて明らかにした。
以上の知見に基いて、本発明を導くに到った。
(1)鋼組織が、フェライト、セメンタイトおよび黒鉛からなり、熱間加工により機械構造用棒状部品に成形され、該熱間加工後の冷却後に黒鉛化処理を施さず、該熱間加工後の冷却過程で黒鉛を析出させた機械構造用棒状部品であって、
C:0.2〜1.5 mass%、
Si:0.3〜2.0 mass%、
Mn:1.5 mass%以下、
B:0.0005〜0.015 mass%および
N:0.001〜0.015 mass%
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、
上記黒鉛は平均粒径が1μm以上5μm以下で、しかも粒径が10μm以下の黒鉛粒として析出したC量が全C量の1mass%以上50mass%以下である、炭素鋼からなることを特徴とする疲労特性に優れた機械構造用棒状部品。
C:0.2〜1.5 mass%、
Si:0.3〜2.0 mass%、
Mn:1.5 mass%以下、
B:0.0005〜0.015 mass%および
N:0.001〜0.015 mass%
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、
上記黒鉛は平均粒径が1μm以上5μm以下で、しかも粒径が10μm以下の黒鉛粒として析出したC量が全C量の1mass%以上50mass%以下である組織と、少なくとも疲労特性が要求される部位に施された表面硬化熱処理による硬化組織とを有する、炭素鋼からなることを特徴とする疲労特性に優れた機械構造用棒状部品。
Mo:3.0mass%以下、
W:3.0mass%以下、
Al:0.06mass%以下、
Ti:0.05mass%以下、
Ni:3.0mass%以下、
Co:3.0mass%以下、
V:0.1mass%以下、
Cu:1.5mass%以下、
Nb:0.07mass%以下および
Ta:0.20mass%以下
から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする疲労特性に優れた機械構造用棒状部品。
Ca:0.008mass%以下、
Mg:0.005mass%以下、
Zr:0.10mass%以下、
Pb:0.30mass%以下、
Bi:0.30mass%以下、
Te:0.30mass%以下、
Se:0.30mass%以下および
REM:0.20mass%以下
から選ばれる1種又は2種以上を含有することを特徴とする疲労特性に優れた機械構造用棒状部品。
本発明の機械構造用棒状部品は、主として軸まわりに回転する要素部品であり、まずフェライト、セメンタイト(鉄の炭化物)および黒鉛から成る鋼組織を有する炭素鋼からなることが必要である。なお、パーライトはフェライトとセメンタイトの層状組織であるため、上記に含まれるものとする。
ここで、上述したように、被削性と疲労強度とのバランスの観点から、添加するCの黒鉛としての析出量を制御すること、さらに被削性と疲労強度との両立の観点から、黒鉛の析出形態を微細にすることが肝要になる。従って、黒鉛は平均粒径を5μm以下に、しかも粒径が10μm以下の黒鉛粒として析出したC量を全C量の1mass%以上とし、被削性と疲労強度との高次での両立を実現する。
先ず、組繊中に黒鉛が必要である理由は、鋼材に切削加工を加える際に黒鉛が析出していないと、被削性が劣るからである。黒鉛以外の残部をフェライトおよびセメンタイトとした理由は、鋼材において後述する量およびサイズの黒鉛粒を析出させると、鋼組織はフェライトおよびセメンタイトと、両者の混合組織であるパーライトとになるからである。
一方、本発明においては、疲労強度を上昇するために、固溶Cあるいは炭化物(セメンタイト)による高強度化を図ることが好ましく、従って黒鉛として析出するC量は、鋼中全C量に対して50mass%以下である必要がある。
C:0.2 〜1.5 mass%
Cは、疲労強度の向上に直接作用する。C含有量が0.2 mass%未満であると、疲労強度向上の効果が十分でなく、一方1.5 mass%を超えると、組織制御を行っても黒鉛の析出の絶対量が多くなりすぎて疲労強度が低下するため、C含有量は0.2 〜1.5 mass%とする。より好ましいC量は、0.3〜0.9mass%である。
Siは、黒鉛の析出形態を制御する上で重要な元素である。Si含有量が0.3 mass%未満であると、黒鉛の析出速度が遅くなり、後述する条件の熱間加工を行っても黒鉛を十分に析出させることができなくなる結果、被削性が悪くなる。一方、2.0 mass%を超えて含有すると、疲労強度が低下し、また黒鉛の寸法が大きくなって変形能が低下する傾向があるため、0.3 〜2.0 mass%の範囲に限定した。より好ましいSi量は、1.3〜2.0mass%である。
Mnは、強度および疲労強度の向上に効果がある元素であり、好ましくは0.1 mass%以上、より好ましくは0.35mass%以上で含有させる。一方、1.5 mass%を超えて含有すると、強度の向上効果が飽和する上、疲労強度はかえって低下する傾向に転じるため、1.5 mass%以下の範囲に限定した。
Bは、鋼中のNと結合してBNとして鋼中に存在することで黒鉛の析出サイトを増加させ、黒鉛の微細析出を促がす作用がある。Bの含有量が0.0005mass%未満では、その効果が十分でなく、微細な黒鉛粒を得ることができなくなる。一方、0.015 mass%を超えると、黒鉛が粗大化する傾向にあり、また、粒界強度が低下して疲労強度を低下させるため、Bの添加量は0.0005〜0.015 mass%の範囲に限定した。
前述のBNを形成するために、Nは0.001mass%以上を含有させる必要がある。一方、0.015 mass%を超えて含有すると、やはり疲労強度が低下するため、0.001〜0.015 mass%の範囲に限定した。
Mo:3.0mass%以下
Moは、強度向上を通じて疲労強度の向上に有用な元素であり、好ましくは0.1mass%以上で添加するが、3.0mass%を超えて添加すると被削性の劣化を招くため、3.0mass%以下の範囲とすることが好ましい。
Wも強度の向上を通じて疲労強度の向上に有用な元素であり、好ましくは0.1mass%以上で添加するが、3.0mass%を超えて添加すると被削性の劣化を招くため、3.0mass%以下の範囲とする。
Alは、鋼の脱酸剤として、好ましくは0.005mass%以上で添加する。しかしながら、含有量が0.06mass%を超えると、被削性および疲労強度の低下を招くため、0.06mass%以下の範囲とすることが好ましい。
Tiは、TiNのピンニング効果により、結晶粒を微細化するために有用な元素であり、好ましくは0.002mass%以上で添加するが、0.05mass%を超えて添加すると疲労強度の低下を招くため、0.05mass%以下の範囲とすることが好ましい。
Niは、強度上昇およびCu添加時の割れ防止に有効であり、好ましくは0.05mass%以上で添加するが、3.0mass%を超えて添加すると焼割れを起こし易くなるため、3.0mass%以下の範囲とすることが好ましい。
Coも強度上昇に有効な元素であり、好ましくは0.1mass%以上で添加するが、3.0mass%を超えて添加すると焼割れを起こし易くなるため、3.0mass%以下の範囲とすることが好ましい。
Vは、炭化物となり析出することでピンニングによる組織微細化効果を発する有用元素であり、好ましくは0.005mass%以上で添加するが、0.1mass%を超えて添加しても効果が飽和するばかりか、鋼材価格の上昇を招くため、0.1mass%以下の範囲とすることが好ましい。
Cuは、固溶強化および析出強化によって強度を向上させる有用元素であり、また焼入性の向上にも有効に寄与することから、好ましくは0.05mass%以上で添加する。しかし、含有量が1.5mass%を超えると熱間加工時に割れが発生し易くなり、製造が困難となるため、1.5mass%以下の範囲で含有しても良い。
Nbは、析出により粒成長をピンニングする効果があり、好ましくは0.005mass%以上で添加するが、0.07mass%を超えて添加してもその効果は飽和するため、0.07mass%以下の範囲とすることが好ましい。
Taも析出により粒成長をピンニングする有用元素であり、好ましくは0.02mass%以上で添加するが、0.2mass%を超えて添加しても効果は飽和するばかりか、熱間加工性が低下する傾向にあるため、0.2mass%以下の範囲とする。
Caは、介在物を球状化し、疲労特性を改善する有用元素であり、好ましくは0.0001mass%以上で添加するが、0.008mass%を超えて添加すると介在物が粗大化し疲労特性を劣化させる傾向にあるため、0.008mass%以下の範囲とすることが好ましい。
Mgは酸化物を形成して切削性向上に寄与する元素であり、0.0001mass%以上で添加することが好ましいが、過度の添加は酸化物の粗大化につながり疲労特性を低下させるため、0.005mass%以下の添加とすることが好ましい。
Zrも酸化物を形成して切削性向上に寄与する元素であり、0.005mass%以上で添加することが好ましいが、過度の添加は酸化物の粗大化につながり疲労特性を低下させるため、0.1mass%以下の添加とすることが好ましい。
Pb、Bi、Te、SeおよびREMはいずれも被削性向上に寄与する元素であり、Pbは0.003mass%以上、Biは0.003mass%以上、Teは0.005mass%以上、Seは0.005mass%以上、REMは0.001mass%以上で添加することが好ましいが、過度の添加は疲労強度に有害であるため、Pbは0.3mass%以下、Biは0.3mass%以下、Teは0.3mass%以下、Seは0.3mass%以下、REMは0.2mass%以下の添加とすることが好ましい。
すなわち、Pは、粒界強度を低下させることにより疲労強度を低下させ、また焼割れを助長する弊害もあるが、0.05mass%までは許容できる。
Sは、鋼中でMnS を形成し、切削性を向上させる作用を有するが、0.02mass%を超えて含有されると粒界に偏析して粒界強度を低下させるため、0.02mass%までが許容できる。さらには、0.003mass%以下にまで低減することがより好ましい。
Oは、酸化物系介在物として鋼中に存在するが、O含有量が多いと疲労寿命が低下する。この点を考慮すると、許容できる上限は0.02mass%である。
Crは、黒鉛の析出を抑制するため、含有されることは好ましくない。しかし、0.1mass%以下であれば許容できる。
以上、好適成分組成範囲について説明したが、本発明では、成分組成を上記の範囲に限定するだけでは不十分であり、機械構造用棒状部品の鋼組織を上記のように調整することが重要である。
所定の成分組成に調整した鋼材を、棒鋼圧延または熱間鍛造による熱間加工後、所定の長さに切断し、ついで表面切削加工を施したのち、図1に示すように、スプライン部2について転造加工を施し、さらに必要に応じてドライブシャフト1全体に高周波焼入れ−焼戻し処理を施して、製品とする。
R1(%)=(S0−S1)/S0×100
R2(%)=(S1−S2)/S0×100
R3(%)=(S2−S3)/S0×100
とする。本発明の製造方法では、R1+R3を70%以上とし、R2を10%以下とすることが最も好ましい。
この空冷後に、丸棒の断面の金属組織を観察すると共に、走査型電子顕微鏡組織において観察される、析出黒鉛の平均面積率を画像解析装置により測定し、比重と析出量率とから析出C量率を算出した。但し、一部の試料では、未固溶の大型黒鉛が組織中に残存していたが、これらと区別して、析出径10μm以下の黒鉛を析出した黒鉛とみなして処理した。また、得られた丸棒の被削性も評価した。これらの測定および評価結果を表2にまとめて示す。
2 スプライン部
3 つかみ具
Claims (4)
- 鋼組織が、フェライト、セメンタイトおよび黒鉛からなり、熱間加工により機械構造用棒状部品に成形され、該熱間加工後の冷却後に黒鉛化処理を施さず、該熱間加工後の冷却過程で黒鉛を析出させた機械構造用棒状部品であって、
C:0.2〜1.5 mass%、
Si:0.3〜2.0 mass%、
Mn:1.5 mass%以下、
B:0.0005〜0.015 mass%および
N:0.001〜0.015 mass%
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、
上記黒鉛は平均粒径が1μm以上5μm以下で、しかも粒径が10μm以下の黒鉛粒として析出したC量が全C量の1mass%以上50mass%以下である、炭素鋼からなることを特徴とする疲労特性に優れた機械構造用棒状部品。 - 鋼組織が、フェライト、セメンタイトおよび黒鉛からなり、熱間加工により機械構造用棒状部品に成形され、該熱間加工後の冷却後に黒鉛化処理を施さず、該熱間加工後の冷却過程で黒鉛を析出させた機械構造用棒状部品であって、
C:0.2〜1.5 mass%、
Si:0.3〜2.0 mass%、
Mn:1.5 mass%以下、
B:0.0005〜0.015 mass%および
N:0.001〜0.015 mass%
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、
上記黒鉛は平均粒径が1μm以上5μm以下で、しかも粒径が10μm以下の黒鉛粒として析出したC量が全C量の1mass%以上50mass%以下である組織と、少なくとも疲労特性が要求される部位に施された表面硬化熱処理による硬化組織とを有する、炭素鋼からなることを特徴とする疲労特性に優れた機械構造用棒状部品。 - 請求項1または2において、前記炭素鋼は、さらに
Mo:3.0mass%以下、
W:3.0mass%以下、
Al:0.06mass%以下、
Ti:0.05mass%以下、
Ni:3.0mass%以下、
Co:3.0mass%以下、
V:0.1mass%以下、
Cu:1.5mass%以下、
Nb:0.07mass%以下および
Ta:0.20mass%以下
から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする疲労特性に優れた機械構造用棒状部品。 - 請求項1乃至3のいずれかにおいて、前記炭素鋼は、さらに
Ca:0.008mass%以下、
Mg:0.005mass%以下、
Zr:0.10mass%以下、
Pb:0.30mass%以下、
Bi:0.30mass%以下、
Te:0.30mass%以下、
Se:0.30mass%以下および
REM:0.20mass%以下
から選ばれる1種又は2種以上を含有することを特徴とする疲労特性に優れた機械構造用棒状部品。
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