(57)【要約】【課題】  曲げ疲れ強さや異物混入環境での転がり疲れ寿命に優れる部品の素材となる継目無鋼管を表面疵や脱炭による品質を損なうことなく安価に製造する方法を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．３５〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．５０〜３．００％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｎ：０．００３〜０．０２５％を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる鋼材を、加熱温度１２４０℃以上として穿孔圧延を行なって鋼管とし、この熱間により穿孔圧延した鋼管を仕上げ圧延する前に、Ａｒ1点以下に０．０５℃／ｓ以上の速度で冷却した後、９００〜１０８０℃に再加熱して仕上げ圧延を行なうことからなる曲げ疲れ強さおよび異物混入環境下での転がり疲れ寿命に優れた高強度浸炭焼部品用継目無し鋼管の製造方法。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．３５〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．５０〜３．００％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｎ：０．００３〜０．０２５％を含み、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる鋼材を加熱温度１２４０℃以上として穿孔圧延を行なって熱間圧延鋼管とし、この熱間圧延鋼管を仕上げ圧延する前に、Ａｒ1点以下に０．０５℃／ｓ以上の速度で冷却した後、９００〜１０８０℃に再加熱して仕上げ圧延を行なうことを特徴とする曲げ疲れ強さおよび異物混入環境下での転がり疲れ寿命に優れた高強度浸炭焼部品用継目無し鋼管の製造方法。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．３５〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．５０〜３．００％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｎ：０．００３〜０．０２５％を含み、さらに、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％を含み、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる鋼材を加熱温度１２４０℃以上として穿孔圧延を行なって熱間圧延鋼管とし、この熱間圧延鋼管を仕上げ圧延前に、Ａｒ1点以下に０．０５℃／ｓ以上の速度で冷却した後、９００〜１０８０℃に再加熱して仕上げ圧延を行なうことを特徴とする曲げ疲れ強さおよび異物混入環境下での転がり疲れ寿命に優れた高強度浸炭焼部品用継目無し鋼管の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２の成分に加え、質量％で、Ｎｉ：０．１０〜２．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％の２元素のうち１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる鋼材を加熱温度１２４０℃以上として穿孔圧延を行なって熱間圧延鋼管とし、この熱間圧延鋼管を仕上げ圧延前に、Ａｒ1点以下に０．０５℃／ｓ以上の速度で冷却した後、９００〜１０８０℃に再加熱して仕上げ圧延を行なうことを特徴とする曲げ疲れ強さおよび異物混入環境下での転がり疲れ寿命に優れた高強度浸炭焼部品用継目無し鋼管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車の等速ジョイントの保持器や軸受軌道輪のような継目無鋼管を用いて切削もしくは冷間鍛造で製造されるリング形状の浸炭部品の製造や、継目無鋼管を用いた冷間圧延もしくは冷間引抜き鋼管の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の等速ジョイントの構成部品である保持器などの用途に使用する高強度高靭性肌焼鋼は、成分や不純物を最適化することにより浸炭中に発生する表面異常層を減らし、曲げ疲れ強さの向上を図って製造されている。また、軸受のように軌道表面を研磨仕上げして使用される転動部品において、特に異物が混入する環境や潤滑油の膜厚さが十分でない状態で使用される場合では、鋼材に表面起点型のはく離形態を示す。このため、そのはく離を防止する対策として、浸炭や浸炭窒化による残留オーステナイト量の適正化や成分の調整による転がり疲れ寿命の向上や面圧疲れ強さの向上が図られている。さらに、これらの鋼材からなる部品は高清浄度操業による非金属介在物の低減と相俟って長寿命化が指向されている。
【０００３】
さらに、出願人は冷間加工性および結晶粒度特性に優れた高強度肌焼鋼としてＴｉを０．１５％程度添加した高清浄度鋼を開発しており、その特性を引出すための棒鋼や鋼管の製造工程も開発している（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。しかし、これらの特許文献は、高強度肌焼鋼の冷間加工性や結晶粒度特性の改善に着目した材料とその製造方法である。しかしながら、対象としている曲げ疲れ強さや異物混入環境下での転がり疲れ寿命に重点を置いた要求を満足させるためには、異なった成分系の鋼種を用い、かつ工業的に高い品質の材料を低コストで供給できるように、それに適した製造方法を開発する必要があった。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−９２８２４号公報
【特許文献２】特開２００５−１０５３７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、曲げ疲れ強さや異物混入環境での転がり疲れ寿命に優れる部品の素材となる継目無鋼管を、表面疵や脱炭による品質を損なうことなく、安価に製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．３５〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．５０〜３．００％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｎ：０．００３〜０．０２５％を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる鋼材を、加熱温度１２４０℃以上として穿孔圧延を行なって鋼管とし、この熱間により穿孔圧延した鋼管を仕上げ圧延する前に、Ａｒ1点以下に０．０５℃／ｓ以上の速度で冷却した後、９００〜１０８０℃に再加熱して仕上げ圧延を行なうことを特徴とする曲げ疲れ強さおよび異物混入環境下での転がり疲れ寿命に優れた高強度浸炭焼部品用継目無し鋼管の製造方法である。
【０００７】
請求項２の発明では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．３５〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．５０〜３．００％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｎ：０．００３〜０．０２５％を含有し、さらに、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる鋼材を、加熱温度１２４０℃以上として穿孔圧延を行なって鋼管とし、この熱間により穿孔圧延した鋼管を仕上げ圧延する前に、Ａｒ1点以下に０．０５℃／ｓ以上の速度で冷却した後、９００〜１０８０℃に再加熱して仕上げ圧延を行なうことを特徴とする曲げ疲れ強さおよび異物混入環境下での転がり疲れ寿命に優れた高強度浸炭焼部品用継目無し鋼管の製造方法である。
【０００８】
請求項３の発明では、請求項１または請求項２の手段における成分に加え、質量％で、Ｎｉ：０．１０〜２．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％の２元素のうち１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる鋼材を加熱温度１２４０℃以上として穿孔圧延を行なって鋼管とし、この熱間により穿孔圧延した鋼管を仕上げ圧延する前に、Ａｒ1点以下に０．０５℃／ｓ以上の速度で冷却した後、９００〜１０８０℃に再加熱して仕上げ圧延を行なうことを特徴とする曲げ疲れ強さおよび異物混入環境下での転がり疲れ寿命に優れた高強度浸炭焼部品用継目無し鋼管の製造方法である。
【０００９】
本願発明における鋼成分の限定理由を以下に説明する。なお、％は質量％を示す。
【００１０】
Ｃ：０．１０〜０．３５％
Ｃは、機械構造用部品として浸炭あるいは浸炭窒化処理後の芯部強度を確保するために必要な元素である。しかし、Ｃが０．１０％未満では、その効果は十分に得られず、０．３５％を超えると、靱性が低下するとともに素材の硬度が上昇して加工性が劣化する。そこで、Ｃは０．１０〜０．３５％とし、望ましくは０．１３〜０．２０％とする。
【００１１】
Ｓｉ：０．３５〜１．００％
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な元素であるとともに、鋼に必要な強度および焼入性を付与し焼戻し軟化抵抗を向上して面圧強度を確保するために有効な元素である。しかし、Ｓｉが０．３５％未満では、強度向上効果の確保ができず、１.００％を超えると、靱性が低下して素材硬度が上昇して加工性が劣化する。そこで、Ｓｉは０．３５〜１．００％とし、望ましくは、０．４０〜０．８０％とする。
【００１２】
Ｍｎ：０．２０〜０．６０％
Ｍｎは、鋼の焼入性を向上させる元素である。しかし、Ｍｎが０．２０％未満では、焼入性の向上を確保することができず、また製造性を悪化し、０．６０％を超えると、素材の硬度が上昇して加工性が劣化する。そこで、Ｍｎは０．２０〜０．６０％とする。
【００１３】
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、粒界に偏析して靱性および疲れ強さを低下させて部品強度を低下させる元素である。そこで、Ｐは出来るだけ少なくしてこれらの問題を解消するために、０．０３０％以下とする。
【００１４】
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、粒界に偏析して粒界の脆化を招き、冷間加工性および靱性を劣化させる元素である。そこで、Ｓは出来るだけ少なくしてこれらの問題を解消するために、０．０３０％以下とする。
【００１５】
Ｃｒ：１．５０〜３．００％
Ｃｒは、鋼に焼入性や強度向上を与えるために、また、焼戻し軟化抵抗を向上して面圧強度を確保するために有効な元素である。しかし、Ｃｒが１．５０％未満では、その効果は十分に得られず、３．００％を超えると硬さの上昇を招き加工性を劣化する。そこで、Ｃｒは、１．５０〜３．００％とし、望ましくは、１．８０〜２．５０％とする。
【００１６】
Ａｌ：０．００５〜０．０５０％
Ａｌは、脱酸に必要な元素であり、また固溶Ｎと結合してＡｌＮを形成し結晶粒の粗大化を抑制する効果を確保するために有効な元素であるが、Ａｌが０．００５％未満ではその効果は十分ではなく、Ａｌが多すぎると効果は飽和し、さらに非金属介在物を生成して疲れ強さが低下する。そこで、Ａｌは０．００５〜０．０５０％とする。
【００１７】
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％
Ｎｂは、微細ＮｂＣ、微細ＮｂＣＮを形成して浸炭時の結晶粒の粗大化を抑制する効果を確保するために必要な元素であるが、Ｎｂが０．０１％未満ではその効果は十分でなく、Ｎｂが０．１０％を超えるとその効果は飽和し、かつ、コストアップとなる。そこで、Ｎｂは０．０１〜０．１０％とする。
【００１８】
Ｎ：０．００３〜０．０２５％
Ｎは、鋼中のＡｌやＮｂとＡｌＮやＮｂＣＮを形成して浸炭時の結晶粒の粗大化を抑制する効果を確保するために有効な元素であるが、Ｎが０．００３％未満ではその効果は十分ではなく、０．０２５％を超えてもその効果は飽和し、かつ熱間加工性を劣化させる。そこで、Ｎは０．００３〜０．０２５％とする。ただし、後述するがＢを添加する場合は鋼中にＢをフリーで存在させる必要がある。その場合は、Ｎ量を低減し、さらにＴｉを添加してＴｉＮとしてＮを固定することでＢＮの生成を抑制してＢの強度および焼入性の向上効果を確保する必要がある。したがって、Ｂを添加する場合のＮは０．０１０％以下とすることが望ましい。
【００１９】
Ｂ：０．０００３〜０．００５０％
Ｂは、添加しなくても良い。しかし、固溶Ｂとして鋼中に存在させた場合に、強度および焼入性の向上効果が得られる。Ｂが０．０００３％未満では、その効果は十分でなく、０．００５０％を超えてもその効果は飽和する。そこで、Ｂは０．０００３〜０．００５０％とする。
【００２０】
Ｔｉ：０．０１〜０．０５％
Ｔｉは、Ｂを添加する場合、あるいはＮｂと同様に結晶粒粗大化を抑制する場合に添加する。Ｔｉを添加すると固溶ＮをＴｉＮとして固定してＢＮ生成を抑制し、固溶Ｂを確保するために有効な元素であるが、０．０１％未満では、その効果は十分ではない。しかし、０．０５％を超えてると加工性を劣化させる。そこで、Ｔｉは０．０１〜０．０５％とする。
【００２１】
Ｎｉ：０．１０〜２．００％
Ｎｉは、添加しなくても良い。しかし、鋼の焼入性および靭性の向上に有効な元素で、Ｎｉが、０．１０％未満では、これらの効果は十分でなく、２．００％を超えると素材の硬度が上昇しすぎて加工性を劣化し、さらにコストアップとなる。そこで、Ｎｉは０．１０〜２．００％とする。
【００２２】
Ｍｏ：０．０５〜０．５０％
Ｍｏは、添加しなくても良い。しかし、鋼の焼入性および靭性の向上に有効な元素で、Ｍｏが０．０５％未満では、これらの効果は十分でなく、０．５０％を超えると素材の硬度が上昇しすぎて加工性を劣化し、さらにコストアップとなる。そこで、Ｍｏは０．０５〜０．５０％とする。
【００２３】
ＮｉおよびＭｏは上記のそれぞれの成分の範囲で１種又は２種を選択的に含有できる。
【００２４】
さらに、製造方法における限定理由を説明する。
穿孔圧延時の加熱温度は、１２４０℃未満では加熱前の素材状態で存在していたＮｂの炭化物や炭窒化物がさらに成長し、個数が減少する。その結果、部品を浸炭する際にオーステナイト結晶粒の粗大化、すなわち混粒を引起こす原因となる。したがって、穿孔圧延時の加熱温度は１２４０℃以上とする。加熱温度が１２４０℃以上であれば、それ以前に存在したＮｂの炭化物や炭窒化物が一旦固溶し、固溶したＮｂは、その後の熱処理によって微細な炭化物や炭窒化物として再析出するため、浸炭時のオーステナイト結晶粒粗大化抑制に有効に働く。
【００２５】
再加熱前の冷却温度をＡｒ1点以下とする理由は、上記の固溶したＮｂの炭化物や炭窒化物を析出させるためであり、望ましくは再加熱前の冷却温度をＡｒ1点−１００℃以下とする。
【００２６】
上記の温度への冷却速度については、０．０５℃／ｓ未満とすると、Ｎｂの炭化物や炭窒化物が再析出する際、同時に成長が進むため、析出物を微細に存在させるためには、冷却速度を０．０５℃／ｓ以上とする。
【００２７】
仕上げ圧延前の再加熱温度を９００〜１０５０℃とする理由は、９００℃以上とすることで既に析出したＮｂの炭化物や炭窒化物の成長を最小限に抑えて、仕上げ圧延時の変形抵抗を減少させるためであり、１０５０℃を超えると微細なＮｂの炭化物や炭窒化物の成長が進むこと、ならびに析出物の再固溶が始まるので１０５０℃以下とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、上記のそれぞれの手段としたことで、曲げ疲れ強さや異物混入環境での転がり疲れ寿命に優れる部品の素材となる継目無鋼管を、表面疵や脱炭による品質を損なうことなく、特別にコストをかけることなく製造することができるなど、本願の各請求項にかかる発明は、従来にない優れた効果を奏する方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明を実施するための最良の形態について、表および図面を参照しながらそれぞれの発明例および比較例の各鋼成分および試験を通じて説明する。
【００３０】
先ず、本発明の試験に適用した試験片の製造工程について説明する。１ｔ真空溶解炉により、表１に示す発明用鋼および比較用鋼の化学成分からなる鋼を溶製して鋳造により鋼塊とした。これらの鋼塊をφ１２０ｍｍの棒鋼に分解圧延し、棒鋼からなる鋼管母材とした。なお、表１において、発明用鋼のＮｏ．２およびＮｏ．３のＮｉおよびＭｏの含有量は、工場生産する際に不可避不純物として含有されるもので、本願発明における各成分範囲に満たないものである。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
上記で分解圧延して得られた鋼管母材を、表２に示す穿孔圧延加熱温度、再加熱前温度、冷却速度および仕上圧延前加熱温度の製造条件により、穿孔して鋼管に製造した。この場合、表２における鋼種の発明用鋼および比較用鋼ならびにそのＮｏ．は、表１における発明用鋼と比較用鋼の各Ｎｏ．の化学成分の鋼に対応している。すなわち、詳細には、上記の鋼管母材であるφ１２０ｍｍの棒鋼を、表２に示す製造条件である各穿孔圧延加熱温度の熱間での穿孔圧延を行い、次いで、この穿孔加熱温度からＡｒ1以下の温度に各冷却速度で冷却して各再加熱前温度とし、次いで、これらの各再加熱前温度から各仕上圧延前再加熱温度に再加熱して、仕上げ圧延を行ってφ７２ｍｍで肉厚１８ｍｍの鋼管とした。さらに、これらの鋼管を冷間圧延によりφ４５ｍｍで肉厚１２．５ｍｍの冷間圧延鋼管とした。
【００３３】
【表２】
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【００３４】
このようにして製造した鋼管から、機械加工により、焼なまし硬さ測定試験片、小野式回転曲げ疲労試験片、スラスト型転がり疲れ試験片をそれぞれ製作した。
【００３５】
焼なまし硬さ測定試験片は、最高温度７５０℃で合計１０時間の焼なましを行った後、試験片厚さ方向の中央部を切出し、ＨＲＢで焼なまし硬さを測定した。なお、焼なまし後の硬さは冷間加工性を評価するための一つの指標となる。
【００３６】
小野式回転曲げ疲労試験片は、平行部がφ８ｍｍ、形状係数α＝１．９３の切欠き試験片であり、これらの試験片を図１の熱処理パターンに示す浸炭条件で浸炭焼入れおよび焼戻しを実施した後、切欠き部は熱処理のままで試験に供した。疲労限度は１０7サイクルにおける疲れ強さとした。
【００３７】
スラスト型転がり疲れ試験片は、鋼管を幅９ｍｍに切断して、図１の熱処理パターンに示す浸炭条件で浸炭焼入れおよび焼戻しを実施した後、平面研磨およびラップ・バフ研磨を実施して、異物混入環境におけるスラスト型転がり疲れ試験に供した。異物として１００〜１５０μｍの粉末ハイスを潤滑油１リットルあたり１ｇを添加した。スラスト型転がり疲れ試験における最大接触面圧は５．３ＧＰａとした。
【００３８】
本発明例の試験結果と比較例の結果を併せて表３に示す。本発明用鋼の成分からなる鋼を発明条件により製造した発明例の発明用鋼のＮｏ．１〜Ｎｏ．５の場合、全て焼なまし硬さが８５ＨＲＢ以下となり、冷間加工性が優れるものと判断できた。さらに、回転曲げ１０7サイクルの疲れ強さは４５０ＭＰａ以上であり、異物混入環境における転がり疲れ寿命Ｌ10は０．３０×１０6サイクル以上であり、これらの鋼は、本発明の対象部品用鋼として要求される曲げ疲れ強さや転がり疲れ寿命がともに良好であった。
【００３９】
【表３】
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【００４０】
一方、比較例に示すように、比較用鋼の化学成分が本発明用鋼の成分から外れるものあるいは発明用鋼の成分であるもので、鋼管の製造条件が発明条件の範囲から外れる場合には、焼鈍硬さ、回転曲げ疲れ強さ、あるいは異物混入環境でのスラスト型転がり疲れ寿命のうちの一つの項目以上の項目において、表３においてハッチングを入れて示すように、一定の値以下の劣った結果となっている。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】浸炭および熱処理のパターンを示す図である。
【図１】
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