JPH0987805A

JPH0987805A - 高炭素薄鋼板およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0987805A
Application number: JP24766295A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Fukui; 清福井
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-09-26
Filing date: 1995-09-26
Publication date: 1997-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｃ量が共析から過共析の範囲（0.75〜1.00％）
のＣｒを含む薄鋼板であって、精密打抜き性にすぐれ、
調質後の耐摩耗性や耐ころがり疲れ性の良好な鋼板およ
びその製造方法の提供。【解決手段】重量割合にてＣ：0.75〜1.00％、Ｓｉ：0.
05〜0.35％、Ｍｎ：0.10〜0.60％、Ｐ：0.02％以下、
Ｓ：0.01％以下、Ｃｒ：0.50〜1.00％、Ｎｉ：0.50〜2.
00％、Ａｌ：0.10％、Ｏ：0.0015％以下、Ｍｏ： 0.5％
以下を含み、残部が実質的にＦｅ及び不可避的合金成分
から成り、平均粒径 0.5〜 2.0μm のセメンタイトの分
散したフェライト組織であることを特徴とする高炭素の
薄鋼板。その製造方法は、熱間圧延の仕上げおよび巻取
り温度を規制し、球状化焼鈍として 730〜 800℃の温度
範囲にて焼鈍をおこなうか、熱間圧延後20％以上の冷間
加工を施し、 650〜 800℃の温度範囲にて焼鈍する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は刃物、ばね、クラッ
チ、軸受けなどに使用される、Ｃｒを含む高炭素の薄鋼
板に関する。

【０００２】

【従来の技術】大きな接触面圧を受ける用途に耐える鋼
としてJIS-G-4805に規定される高Ｃ高Ｃｒの軸受鋼が規
定されている。みがき特殊鋼帯ないしはそれに類する薄
鋼板においても、ギヤ、スプロケット、あるいは刃物用
など、とくに摺動による摩耗やころがり疲れによるフレ
ーキングが重視される用途に、Ｃ量が共析（約0.75％）
から過共析に至る組成のこの軸受鋼相当の高炭素のＣｒ
添加鋼が適用される。

【０００３】素材が薄鋼板である場合、ことに軟鋼にお
いては、打抜き、曲げ、絞り、張り出し、などの塑性変
形を種々組合せてプレス成形する技術が長足の進歩をと
げ、様々な複雑かつ精密な形状が切削を用いずに作られ
るようになってきた。しかし上記のようなＣ量が高い薄
鋼板では、燒鈍状態でも塑性加工の変形能が低く、合理
的な量産方法であるプレス加工の適用は容易でない。

【０００４】このため、一般には、切削加工して目的形
状にすることが多く、成形後、焼入れ焼戻しなどの熱処
理により所要の硬さに調質する。また、Ｃ量の低い鋼板
を用いてプレス加工後、浸炭処理をして表面のＣ量を高
め、目的とする耐摩耗性や耐ころがり疲労性を得ている
こともある。このような切削加工による方法も、プレス
加工後浸炭する方法も工数のかかる方法であるが、もし
目的の組成の鋼がある程度の加工に耐える変形能を有し
ておれば、形状によってはプレス加工法の適用が可能に
なる。たとえば、ギヤやスプロケットなどであれば、歯
の形状などを精密打抜き法により最終形状に加工でき
る。通常の打抜きに比して、精密打抜きはポンチとダイ
スのクリアランスを小さくし、フランジ部をクランプし
てダイス内への材料の流入を抑え、さらに逆抑え用のポ
ンチを配備し、剪断面の静水圧を高めて打抜きをおこな
うものである。その結果、打抜き端の破断面比率が 0％
となり、切削加工したものと同等の端面が得られる。

【０００５】このような用途の部品では、調質後の耐摩
耗性や耐ころがり疲れ性からＣ量およびＣｒ量等が限定
され、さらに、調質後の組織として、焼戻しマルテンサ
イトの地の中に、適度の大きさの球状化セメンタイトが
均一に分布していることが要求される。そこで、加工素
材としての薄鋼板も、球状化セメンタイトの形状を整え
ておく必要があり、その上で所要の加工性を有すること
が好ましい。

【０００６】最終用途を配慮して、その組成と組織を調
整し、それに必要な加工に耐えるよう加工性を向上させ
るということは、素材に要求される課題であるが、この
ような高炭素鋼薄板において、これらの要求が必ずしも
十分対処されているとは言い難い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、Ｃ量
が共析から過共析の範囲（0.75〜1.00％）の、Ｃｒを含
む薄鋼板にて、精密打抜き性にすぐれ、調質後の耐摩耗
性や耐ころがり疲れ性の良好な鋼板およびその製造方法
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、Ｃｒを含む
過共析の高炭素薄鋼板に関し、加工用の素材として精密
打抜き性が良好で、かつ焼入れ焼戻しの調質後は、とく
に耐ころがり疲れ性にすぐれた、ギヤや軸受け部品用の
鋼を得るための製造方法を検討した。

【０００９】薄鋼板の加工性からは、ＣおよびＣｒは低
い方が望ましいが、その用途が高Ｃ高Ｃｒの軸受鋼と同
等の性能を必要とするのであれば、Ｃ：0.95〜1.10％で
Ｃｒ：0.90〜1.60％となる。しかし肉厚の薄い部品の場
合、面圧は多少緩和されることおよび熱処理の寸法効果
が小さいことから、許容できる限界として、Ｃ：0.75〜
1.00％、Ｃｒ：0.50〜1.00％の範囲であれば十分なの
で、この範囲の組成の鋼を対象に最終熱処理後の性能
と、その前の加工性、とくに精密打抜き性との両立可能
な条件を種々調査した。

【００１０】通常、打抜きの工具寿命の点からは、加工
用素材の硬さは低い方がよく、そのためには、球状化し
たセメンタイトは粗大であること、すなわちセメンタイ
ト粒子の平均間隔が大きいことが好ましい。また、素材
の伸びの点では、セメンタイト粒子が適度の大きさで均
一に分散している必要がある。これらの点に加えて精密
打抜きにおいては、打抜き方向と直角の、板面に平行な
端面割れが発生しやすい。この端面割れの防止には、材
料としてある程度の延性が必要であり、さらに、打抜き
時歪みが剪断面へ集中するので、加工硬化性の低い材料
がよいと推定された。そこで、高速変形時の加工硬化に
およぼす材料の要因を調べた結果、セメンタイトを粗大
化させることの他、Ｎｉの添加も加工硬化の緩和に有効
であることがわかった。

【００１１】一方、成形加工後調質熱処理された鋼中の
セメンタイトの分布状態は、熱処理前の状態に大きく支
配され、しかも、その鋼の耐ころがり疲れ性に大きく影
響し、粗大なセメンタイトはフレーキング発生までの寿
命を短くする。したがって、このような高炭素薄鋼板の
球状化セメンタイトの分布は、材料の加工性と、熱処理
後の性能とが両立する、ある範囲に限定されなければな
らない。

【００１２】そして、そのような球状化セメンタイトの
分布と、所要の性能を有する高炭素薄鋼板は、所定組成
の鋼を熱間圧延と焼鈍、または熱間圧延後、冷間圧延と
焼鈍との適切な組合せによる製造方法で得られることを
知って本発明を完成した。本発明の要旨は次のとおりで
ある。

【００１３】(1) 重量割合にてＣ：0.75〜1.00％、Ｓ
ｉ：0.05〜0.35％、Ｍｎ：0.10〜0.60％、Ｐ：0.02％以
下、Ｓ：0.01％以下、Ｃｒ：0.50〜1.00％、Ｎｉ：0.50
〜2.00％、Ｏ：0.0015％以下、Ｍｏ： 0.5％以下を含
み、残部が実質的にＦｅ及び不可避的合金成分から成
り、平均粒径 0.5〜 2.0μm の球状化セメンタイトの分
散したフェライト組織であることを特徴とする高炭素薄
鋼板。

【００１４】(2) 上記組成の鋼スラブにより仕上げ温度
を 820〜 900℃として熱間圧延し、550〜 650℃の温度
範囲で巻取った後、温度Ｔ（℃）および時間ｔ（ｈ）が
下記の式および式で示される範囲で均熱し、次いで
600〜 680℃の範囲の温度までの冷却速度を15℃／ｈ以
下とする焼鈍をおこなうことを特徴とする、(1) に記載
の高炭素薄鋼板の製造方法。

【００１５】 730≦Ｔ≦ 800 ・・・・・・・・・・・・・ 800−Ｔ≦ 167× logｔ≦1000−Ｔ・・・・ (3) (1) に記載の組成の鋼スラブによる熱延コイルを、
圧下率20％以上の冷間圧延後、温度Ｔ（℃）および時間
ｔ（ｈ）が下記の式および上記の式で示される範囲
で均熱し、 600〜 680℃の範囲の温度までの冷却速度を
15℃／ｈ以下とする焼鈍をおこなうことを特徴とする、
(1) に記載の高炭素薄鋼板の製造方法。

【００１６】 650≦Ｔ≦ 800 ・・・・・・・・・・なお、本発明の鋼およびその製造方法は、化学組成とそ
のセメンタイトの分布を規制するものであり、これらに
影響をおよぼさない範囲であれば、精密打抜きに先立っ
て鋼板の板厚精度向上や表面性状改善のために表面を研
削したり、冷間圧延をおこなったり、さらには歪み取り
焼鈍をおこなってもよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の薄鋼板における化学組
成、組織および製造条件の限定理由を以下に説明する。

【００１８】（Ａ）化学組成および組織 (1) Ｃ熱処理後の硬さ、耐摩耗性および耐ころがり疲れ性を十
分維持するために、Ｃの含有量を0.75％以上とする。し
かし、多くなると精密打抜きの端面割れ発生を抑制でき
なくなるので、上限は1.00％までとする。

【００１９】(2) ＳｉＳｉは、脱酸作用があり、耐ころがり疲れ性を阻害する
鋼中酸素量の低減に有効なので、0.05％以上含有させ
る。しかし、多くなると鋼を硬くし精密打抜きの際に端
面に割れを生じやすくなることから、その上限は0.35％
である。

【００２０】(3) ＭｎＭｎはＳによる熱間脆性を抑止し、焼戻し温度を高めて
靭性の向上や耐ころがり疲れ性を改善する効果があるの
で、0.10％以上含有させる。しかし、過剰の添加は球状
化焼鈍後の硬さを十分低くできなくするので、その含有
量は0.60％までとする。

【００２１】(4) ＰＰはフェライト粒界やセメンタイト−フェライト界面に
偏析し、打抜き時の端面割れを発生させる原因となり、
また、調質後の耐ころがり疲れ性を悪くするので、少な
ければ少ないほどよい。顕著な影響をおよぼさない限界
として、0.02％以下とするが、望ましいのは0.015 ％以
下である。

【００２２】(3) ＳＳは鋼中で非金属介在物を構成し、加工の際の割れの起
点となり、また耐ころがり疲れ性を低下させるので、少
なければ少ないほどよい。顕著な影響をおよぼさない限
界として、0.01％以下とするが、望ましいのは0.005 ％
以下である。

【００２３】(4) ＣｒＣｒは、焼入れ性向上の他、焼入加熱中のセメンタイト
の分解を抑制し、マルテンサイト中にセメンタイトを安
定して分散させるのに有効であり、さらにすぐれた靭性
と耐ころがり疲れ性の向上に有効な成分である。このた
め、0.50％以上を添加する。しかし、過度に添加すると
精密打抜性を阻害するので、その上限は1.00％とする。

【００２４】(5) ＮｉＮｉは、精密打抜き時の端面破断防止には有効であり、
そのために0.50％以上添加する。しかし過度に添加して
もその効果は飽和し、コスト上昇を招くことから、添加
量の上限を2.00％とする。

【００２５】(6) ＡｌＡｌはＳｉ添加や溶鋼真空処理など他の方法で、十分脱
酸がおこなわれるならとくには添加を必要としないが、
脱酸の目的に添加する場合は、0.10％までを限度に含有
させる。0.10％を超えて添加しても、効果は飽和し、鋼
を硬くして精密打抜き性を悪くする傾向がある。

【００２６】(6) Ｏ（酸素）ＯはＳと同様鋼中で非金属介在物を形成し、とくに耐こ
ろがり疲れ性を低下させるので極力低減する必要があ
り、少なければ少ないほどよい。顕著な影響をおよぼさ
ない限界として、0.0015％以下とする。

【００２７】なお、本発明鋼ではとくには規制しない
が、鋼の脱酸を目的に0.10％以下のＡｌを含有させても
よい。

【００２８】(7) ＭｏＭｏは添加しなくてもよいが、精密打抜き時の端面われ
の抑止に有効であり、調質後の耐ころがり疲れ性向上に
も効果があるので、必要に応じ添加する。その効果を得
るには 0.1％以上含有させることが好ましいが、過剰に
添加すると逆に打抜き時の端面われを多くするので、含
有量の上限を 0.5％とする。

【００２９】(8) セメンタイト粒子の粒径本発明鋼において、鋼中に分布する球状化セメンタイト
の大きさは極めて重要である。セメンタイト粒子が小さ
すぎる場合、通常の条件にて熱処理した後の耐ころがり
疲れ性がよくない。これは熱処理の加熱の際、オーステ
ナイト中への固溶Ｃ量が多くなりすぎ、焼き入れた時に
残留オーステナイトが生じたためではないかと思われ
る。耐ころがり疲れ性を劣化させないセメンタイト粒子
としては、平均粒径を 0.5μｍ以上とする必要がある。

【００３０】精密打抜きの加工性、ことに工具寿命に対
してはセメンタイト粒子は大きい方が良好である。しか
し、大きすぎると打抜き時の端面割れの発生頻度が高く
なる傾向があり、その上フレーキング発生までのころが
り疲れ寿命が低下してくる。

【００３１】これらの点から、セメンタイトの平均粒径
は 2.0μｍ以下にすべきであり、望ましいのは 1.0μｍ
以下である。

【００３２】このように、精密打抜きの加工性と熱処理
後の耐ころがり疲れ性が両立する限界として、セメンタ
イト粒子の平均粒径の範囲を 0.5〜 2.0μｍとする。

【００３３】（Ｂ）製造条件 (1) 熱間圧延本発明鋼の球状化したセメンタイトを得る製造方法とし
て、熱間圧延板を酸洗しそのまま焼鈍する方法と、冷間
圧延後焼鈍する方法とがある。前者の場合は、焼鈍前の
熱延板のセメンタイトの分布状態に大きく影響を受ける
ので、熱間圧延条件を十分管理する必要がある。この場
合仕上げ圧延温度範囲を 820〜 900℃、巻取り温度範囲
を 550〜 650℃とする。

【００３４】この仕上げ温度を規制する理由は、 820℃
を下回る場合、粗大な初析セメンタイトが生じ、焼鈍後
に粗大なセメンタイト粒となり精密打抜きの際の端面わ
れを生じやすくなるためであり、 900℃を超える場合、
球状化燒鈍後もパーライトが残りやすく、球状化率が低
下するためである。また、巻取り温度を上記範囲に規制
するのは、 650℃を超える場合も仕上げ温度の高すぎと
同様に焼鈍後の球状化率が不十分になり、 550℃を下回
るようになると熱延板が硬化し、酸洗作業時にコイルに
割れが発生するなるためである。

【００３５】(2) 冷間圧延熱延後の鋼板のセメンタイトの形態は、熱延条件の影響
を大きく受け、これをそのまま球状化焼鈍しても、本発
明鋼に必要なセメンタイト粒子の分布は容易には得られ
ないことがある。その場合、熱延条件の影響を排除し、
セメンタイトの形状を整えて十分な球状化を得るために
は、焼鈍前に冷間圧延をおこなう。この冷間圧延の圧下
率は、少なくとも20％あればこの目的は達成され、さら
に大きな圧下を加えても差し支えないが、材料が硬化し
圧延困難となるので、自ずから限定される。したがっ
て、50％位までが適当である。焼鈍前に冷間圧延をおこ
なう場合は、熱間圧延条件はとくには規制しないが、
(1) に示した条件で熱間圧延をおこなったものを用い
て、この冷間圧延を施す方法を適用する場合には、より
一層均一な球状化セメンタイトの分布を実現できる。

【００３６】(3) 焼鈍条件熱間圧延条件により調整された鋼中のセメンタイト、ま
たは冷間圧延により破壊された鋼中のセメンタイトを、
本発明鋼で定める状態に分布させるため以下の条件で焼
鈍をおこなう。すなわち均熱温度をＴ（℃）、均熱時間
をｔ（ｈ）としたとき 800−Ｔ≦ 167 logｔ≦1000−Ｔ・・・・・を満足する範囲とし、Ｔは熱間圧延後焼鈍する場合は、 730≦Ｔ≦ 800 ・・・・・・・・・・・・・冷間圧延後焼鈍する場合は、 650≦Ｔ≦ 800 ・・・・・・・・・・の範囲とする。均熱後 680〜 600℃までは15℃／ｈ以下
の冷却速度で徐冷する。

【００３７】このように、均熱の温度と時間を式によ
り規制するのは、均熱温度が低い場合は時間を十分取る
必要があり、均熱温度が高い場合は短時間で十分で、時
間を長くしても効果が変らないためである。熱間圧延後
の焼鈍では、セメンタイトを一部固溶させて球状化を促
進させるため、均熱の下限温度をＡc₁点以上、すなわち
730℃以上とする。冷間加工後の焼鈍ではセメンタイト
の再固溶は必ずし必要とはしないので下限温度は 650℃
である。どちらの場合も、均熱温度が高すぎるとセメン
タイトの再固溶量が増し冷却時パーライトがでてくるの
で、上限温度を800℃とする。

【００３８】また、均熱後の冷却は、球状化を十分おこ
なわせ、できるだけ硬さを下げ、延性を改善するため、
680〜 600℃までは15℃／ｈ以下の冷却速度で徐冷す
る。この温度範囲以下での冷却はとくに規制せず速くて
もよい。このように、徐冷を必要とする温度の下限の範
囲が広いのは、コイルの状態で焼鈍する場合、コイルの
部位により温度が異り、一定温度での管理が困難なため
である。なお、本発明のこの焼鈍条件は、いわゆる箱焼
鈍法で焼鈍を実施すれば、実現は容易である。

【００３９】上記の冷間圧延とその後の焼鈍は、熱間圧
延後、通常は１回おこなえば目的とする大きさのセメン
タイト粒子の分布が得られるが、もし１回で所要の状態
が得られない場合、２回以上繰り返し実施することによ
り、確実に本発明で規定する大きさのセメンタイト粒子
の鋼を得ることができる。

【００４０】

【実施例】表１に示すＡ〜Ｎの１４種の鋼スラブから熱
延鋼板を製造し、脱スケール後、一部の鋼については25
％の冷間圧延を施し、表２に示す焼鈍条件で球状化焼鈍
した。冷間圧延は、熱間圧延ままの状態でおこなう場合
を一次冷圧、熱延鋼板を燒鈍後、冷間圧延する場合を二
次冷圧と区分し表中に示した。得られた鋼板により引張
試験、および精密打抜試験をおこなった。打抜試験は、
100ｔの油圧プレス機に精密打抜き用金型を設置し、図
１に示す４段階に曲率の異なるコーナーを有する正方形
の試験片を打抜いて、コーナー端面に破断が生じない最
小曲率を比較した。この結果を表２に併記する。さらに
球状化焼鈍した鋼板により、表３に示す条件で焼入・焼
戻したときの耐ころがり疲れ性の評価を行い、結果を表
中に併記した。この時の耐ころがり疲れ性は、直径60mm
の試験片により、概念的に図２に示すようなスラスト式
転動疲労試験機を用い、接触面圧：560kgf／mm²、回転
速度：1860 rpm、潤滑油は日本石油 #60スピンドル油使
用の条件でフレーキング発生までの回転数を計測した。
この耐ころがり疲れ性の耐久性評価は、19個の試験片に
ついて試験をおこない、これらをフレーキング発生まで
の回転数の順にならべて、発生確率20％としては少ない
方から 4番目の試験片の回転数を、発生確率80％には16
番目の試験片の回転数を表示した。いずれも回転数の多
いほど耐久性は良好である。これらの結果を表３に示
す。

【００４１】

【表１】

【００４２】

【表２】

【００４３】

【表３】

【００４４】本発明で定める化学組成で、かつ平均粒径
が 0.5〜 2.0μm のセメンタイトの分散したフェライト
組織である場合、試験番号 3、 4、 5、 8、11、18およ
び19等にみられるように、球状化焼鈍後の精密打抜き性
にすぐれ、小さな曲率半径においても端面割れが発生し
ない。また表３の試験番号23、24、25、31、32、34お35
では、このような範囲のセメンタイトの平均粒径の鋼
は、熱処理後の耐ころがり疲れ性もすぐれた鋼であるこ
と示されている。とくに、試験番号 3、 8、 9、23、2
4、25等から、化学組成およびセメンタイトの平均粒径
を本発明範囲とすれば、精密打抜き性および熱処理後の
耐ころがり疲れ性とも優れた高炭素薄鋼板の製造が可能
であることがわかる。

【００４５】

【発明の効果】本発明の高炭素薄鋼板は、精密打抜き性
が良好で、かつ焼入れ焼戻し後の耐ころがり疲労にすぐ
れており、従来プレス打抜き後浸炭、あるいは切削加工
後熱処理していたギヤ、スプロケット、刃物等の製造に
適用すれば、その製造工程を大きく改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼板の精密打抜き性の評価に使用する、それぞ
れ曲率の異るコーナーを有する試験片を示す図面であ
る。

【図２】ころがり疲れ性の試験をおこなうスラスト式転
動疲労試験機の構造を概念的に説明する図面である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量割合にてＣ：0.75〜1.00％、Ｓｉ：0.
05〜0.35％、Ｍｎ：0.10〜0.60％、Ｐ：0.02％以下、
Ｓ：0.01％以下、Ｃｒ：0.50〜1.00％、Ｎｉ：0.50〜2.
00％、Ａｌ：0.10％以下、Ｏ：0.0015％以下、Ｍｏ：
0.5％以下を含み、残部が実質的にＦｅ及び不可避的合
金成分から成り、平均粒径 0.5〜 2.0μm のセメンタイ
トの分散したフェライト組織であることを特徴とする高
炭素薄鋼板。
【請求項２】請求項１に記載の化学組成の鋼を、仕上げ
温度を 820〜 900℃として熱間圧延し、 550〜 650℃の
温度範囲で巻取った後、温度Ｔ（℃）および時間ｔ
（ｈ）が下記の式および式で示される範囲で均熱
し、次いで 600〜 680℃の範囲の温度までの冷却速度を
15℃／ｈ以下とする焼鈍をおこなうことを特徴とする、
請求項１に記載の高炭素薄鋼板の製造方法。 730≦Ｔ≦ 800 ・・・・・・・・・・・・・ 800−Ｔ≦ 167× logｔ≦1000−Ｔ・・・・
【請求項３】請求項１に記載の化学組成の鋼の熱延コイ
ルを圧下率20％以上で冷間圧延した後、温度Ｔ（℃）お
よび時間ｔ（ｈ）が下記の式および上記の式で示さ
れる範囲で均熱し、 600〜 680℃の範囲の温度までの冷
却速度を15℃／ｈ以下とする焼鈍をおこなうことを特徴
とする請求項１に記載の高炭素薄鋼板の製造方法。 650≦Ｔ≦ 800 ・・・・・・・・・・