JP5423571B2 - 高周波焼入れ部品用熱間加工高炭素鋼材 - Google Patents
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質量%で、C:0.85〜1.10%、Si:0.1〜1.2%、Mn:0.3〜1.5%、S:0.05%以下、Cr:0.1〜1.0%、Al:0.015〜0.05%およびN:0.006〜0.020%を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中のP、TiおよびO(酸素)がそれぞれ、P:0.025%以下、Ti:0.003%以下およびO:0.002%以下の化学組成を有し、
AlNとして析出しているAl量が0.005%以下で、かつ、直径100nm以上のAlNの個数密度が5個/100μm2以下であり、
さらに、組織がパーライトと初析セメンタイトで構成され、
極値統計法によって求められる初析セメンタイトの最大長径が、100mm2中で60μm以下である、
ことを特徴とする高周波焼入れ部品用熱間加工高炭素鋼材。
ことを特徴とする上記(1)に記載の高周波焼入れ部品用熱間加工高炭素鋼材。
ことを特徴とする上記(1)または(2)に記載の高周波焼入れ部品用熱間加工高炭素鋼材。
yj=−ln[−ln{j/(n+1)}]。
y=−ln[−ln{(T−1)/T}]。
C:0.85〜1.10%
Cは、高周波焼入れ後の鋼材組織中のマトリックス中のC濃度、およびセメンタイト残存量を適正化して面疲労強度と耐摩耗性を高める作用を有する。しかし、その含有量が0.85%未満ではその効果が不十分であり、所望の耐摩耗性を確保し難い。一方、Cの含有量が1.10%を超えると鋼の凝固時に非常に粗大なセメンタイトが生成しやすいために、目標とする面疲労寿命が得られない。したがって、Cの含有量を0.85〜1.10%とした。なお、Cの含有量は0.90%以上、1.00%以下とすることが好ましい。
Siは、面疲労寿命を高めるとともに脱酸作用を有する。これらの効果を発揮させるためには、0.1%以上のSiを含有させることが必要である。一方、Siの含有量が1.2%を超えると冷間加工性の低下が顕著になる。したがって、Siの含有量を0.1〜1.2%とした。なお、Siの含有量は0.2%以上、0.8%以下とすることが好ましい。
Mnは、鋼の焼入れ性を高めるとともにSによる熱間脆性を防止する作用を有する。これらの効果を発揮させるためには、Mnを0.3%以上含有させる必要がある。一方、Mnの含有量が1.5%を超えると冷間加工性の低下が顕著になる。したがって、Mnの含有量を0.3〜1.5%とした。なお、Mnの含有量は0.5%以上、1.0%以下とすることが好ましい。
Sは、鋼中に不純物として含有される元素である。また、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作用を有するが、Sの含有量が多くなると、粗大なMnSを生成しやすくなり、面疲労強度を低下させる傾向があり、特に、その含有量が0.05%を超えると、面疲労強度の低下が顕著になる。したがって、Sの含有量0.05%以下とした。なお、Sの含有量は0.015%以下であることが好ましい。一方、被削性を高める観点からは、Sは0.001%以上を含有させることが好ましく、0.003%以上含有させればより好ましい。
Crは、鋼の焼入れ性を向上させる元素である。この効果を発揮させるためには、Crを0.1%以上含有させる必要がある。しかし、Crは過剰に含有するとセメンタイト中に濃化してオーステナイト中でセメンタイトを安定化させるので、高周波加熱後に粗大なセメンタイトが残存してしまう。特に、その含有量が1.0%を超えると、その傾向が顕著になる。したがって、Crの含有量を0.1〜1.0%とした。なお、Crの含有量は0.2%以上、0.7%以下とすることが好ましい。
Alは、脱酸作用を有すると同時に、Nと結合してAlNを形成しやすく、高周波加熱時のオーステナイト粒粗大化防止に有効な元素である。しかしながら、Al含有量が0.015%未満では、他の要件を満たしていても、本発明で目標とするオーステナイト粒粗大化防止効果が得られない。また、Al含有量が0.05%を超えると、粗大な酸化物系介在物の生成が顕著になり、面疲労強度が低下する。したがって、Alの含有量を0.015〜0.05%とした。なお、Alの含有量は0.02%以上、0.04%以下であることが好ましい。
Nは、Alと結合して窒化物を、Nb、V、Tiと結合して炭化物、窒化物、炭窒化物を形成しやすい元素である。本発明においては、上記の窒化物のうちAlの窒化物、Nbの炭化物、窒化物、炭窒化物、Vの炭化物、窒化物、炭窒化物、が、高周波加熱時のオーステナイト粒粗大化防止効果を有する。しかしながら、Nの含有量が0.006%未満では、他の要件を満たしていても、本発明で目標とするオーステナイト粒粗大化防止効果が得られない。一方、Nの含有量が0.020%を超えると、特に製鋼工程において、安定して量産することが難しくなる。したがって、Nの含有量を0.006〜0.020%とした。なお、Nの含有量は0.008%以上、0.015%以下であることが好ましい。
Pは、粒界偏析して粒界を脆化させやすい元素で、0.025%を超えると、面疲労強度を低下させる。したがって、不純物中のPの含有量を0.025%以下とした。なお、不純物中のPの含有量は0.015%以下とすることが好ましい。
Tiは、Nと結合して硬質で粗大な窒化物を形成しやすく、面疲労強度を低下させてしまう。特に、Tiの含有量が0.003%を超えると、面疲労強度の低下が著しくなる。したがって、不純物中のTi含有量を0.003%以下とした。なお、不純物元素としてのTiの含有量は0.002%以下にすることが好ましく、製鋼工程でのコスト上昇をきたさない範囲で、できる限り少なくすることがさらに望ましい。
Oは、Alと結合して硬質な酸化物系介在物を形成しやすく、面疲労強度を低下させてしまう。特に、Oの含有量が0.002%を超えると、面疲労強度の低下が著しくなる。したがって、不純物中のO含有量を0.002%以下とした。なお、不純物元素としてのOの含有量は0.001%以下にすることが好ましく、製鋼工程でのコスト上昇をきたさない範囲で、できる限り少なくすることがさらに望ましい。
Niは、焼入れ性を高める効果があり、より面疲労強度を高めるために有効な元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Niの含有量が1.5%を超えると、焼入れ性の向上による面疲労強度を高める効果が飽和するだけでなく、冷間加工性の低下が顕著になる。したがって、含有させる場合のNiの含有量を1.5%以下とした。なお、含有させる場合のNiの含有量は0.8%以下であることが好ましい。
Moは、焼入れ性を高める効果があり、より面疲労強度を高めるために有効な元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Moの含有量が0.8%を超えると、面疲労強度を高める効果が飽和するだけでなく、冷間加工性の低下が顕著になる。したがって、含有させる場合のMoの含有量を0.8%以下とした。なお、含有させる場合のMoの含有量は0.4%以下であることが好ましい。
Nbは、C、Nと結合して炭化物、窒化物、炭窒化物を形成しやすく、前述したAlNによる高周波加熱時のオーステナイト粒粗大化防止を補完するのに有効な元素である。しかしながら、Nbの含有量が0.05%を超えると、オーステナイト粒粗大化防止の効果がむしろ低下する。このため、合金コストが嵩んで、経済性を損なうことになる。したがって、含有させる場合のNbの含有量を0.05%以下とした。なお、含有させる場合のNbの含有量は0.03%以下であることが好ましい。
Vは、C、Nと結合して炭化物、窒化物、炭窒化物を形成しやすく、前述したAlNによる高周波加熱時のオーステナイト粒粗大化防止を補完するのに有効である。しかしながら、Vの含有量が0.2%を超えると、オーステナイト粒粗大化防止の効果がむしろ低下する。このため、合金コストが嵩んで、経済性を損なうことになる。したがって、含有させる場合のVの含有量を0.2%以下とした。なお、含有させる場合のVの含有量は0.1%以下であることが好ましい。
熱間加工鋼材において、AlNとして析出しているAl量が0.005%以下で、かつ、直径100nm以上のAlNの個数密度が5個/100μm2以下であれば、高周波加熱時のオーステナイト粒粗大化を抑制することができる。
熱間圧延後、あるいは熱間鍛造後のミクロ組織は、球状化焼鈍を行った後も粗大なセメンタイトの分布状態などに傾向としては引き継がれ、それが、高周波焼入れ後の面疲労強度に影響を及ぼすと考えられる。
・分塊圧延後の鋼片の冷却は放冷とすること、
・鋼片の加熱温度を1230〜1250℃、かつ、加熱時間を1.5時間以上として熱間加工すること、
・熱間加工仕上げ温度を950〜1050℃とし、仕上げ加工後は、大気中での放冷(以下、単に「放冷」という。)程度の平均冷却速度で600℃以下の温度まで冷却すること、
・熱間加工鋼材が断面の形状が円形の棒鋼または線材の場合には、直径が15〜50mmであること。熱間加工鋼材が断面の形状が円形でない棒鋼または線材の場合には、長手方向に垂直な横断での断面積が180〜2000mm2であること。熱間加工鋼材が粗形部品の場合には、主たる部位の横断での断面積が180〜2000mm2であること。
表1に示す化学組成を有する鋼Z、鋼αおよび鋼βを70トン転炉で成分調整した後、連続鋳造を行って、400mm×300mm角の鋳片(ブルーム)を作製し、600℃まで冷却した。なお、連続鋳造の凝固途中の段階で圧下を加えた。上記の鋼αおよび鋼βはいずれも、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼である。一方、鋼Zは、化学組成が本発明で規定する範囲外にある鋼である。なお、この鋼Zは、高周波焼入れ部品の素材として一般的に用いられるJIS規格のS55C鋼に相当する鋼であり、面疲労強度および耐摩耗性の評価基準とするために用いた。
〔1〕検査基準面積を0.01mm2とし、
〔2〕上記検査基準面積0.01mm2中で最大の長径を有する初析セメンタイトを選び、その長径Lmax(μm)を測定し、
〔3〕上述した測定を、重複しない場所で15回繰り返して行い、
〔4〕測定した15個のLmaxを小さい順に並べ直し、それぞれLmaxj(j=1〜15)とし、
〔5〕それぞれのjについて、
yj=−ln{−ln(j/16)}
の式から基準化変数yjを計算し、
〔6〕極値確率用紙の座標横軸にLmaxj、縦軸に基準化変数yjをとって、j=1〜15についてプロットし、最小二乗法により近似直線を求め、
〔7〕T=100/0.01=10000を、
y=−ln[−ln{(T−1)/T}]
の式に代入して、yの値9.2を求め、上記の近似直線を用いて、前記yの値におけるLmaxの値を読みとることによって、
評価面積100mm2中での初析セメンタイトの最大長径を求めた。
表5に示す化学組成を有する鋼a〜lを70トン転炉で成分調整した後、連続鋳造を行って、400mm×300mm角の鋳片(ブルーム)を作製し、600℃まで冷却した。なお、連続鋳造の凝固途中の段階で圧下を加えた。
Claims (3)
- 高周波焼入れ部品用熱間加工高炭素鋼材であって、
質量%で、C:0.85〜1.10%、Si:0.1〜1.2%、Mn:0.3〜1.5%、S:0.05%以下、Cr:0.1〜1.0%、Al:0.015〜0.05%およびN:0.006〜0.020%を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中のP、TiおよびO(酸素)がそれぞれ、P:0.025%以下、Ti:0.003%以下およびO:0.002%以下の化学組成を有し、
AlNとして析出しているAl量が0.005%以下で、かつ、直径100nm以上のAlNの個数密度が5個/100μm2以下であり、
さらに、組織がパーライトと初析セメンタイトで構成され、
極値統計法によって求められる初析セメンタイトの最大長径が、100mm2中で60μm以下である、
ことを特徴とする高周波焼入れ部品用熱間加工高炭素鋼材。 - Feの一部に代えて、質量%で、Ni:1.5%以下およびMo:0.8%以下のうちから選ばれる1種以上を含有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の高周波焼入れ部品用熱間加工高炭素鋼材。 - Feの一部に代えて、質量%で、Nb:0.05%以下およびV:0.2%以下のうちから選ばれる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に記載の高周波焼入れ部品用熱間加工高炭素鋼材。
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