(57)【要約】      （修正有）【課題】介在物を起点とする疲労破壊の発生を抑制することができ、クランクシャフト等の繰り返し応力を受ける環境で使用される部品の素材として用いるのに好適な高周波焼入用鋼の提供。【解決手段】Ｃ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．２０〜０．６０％、Ｍｎ：０．６０〜１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０４０〜０．０７０％、Ｃｒ：０．１０〜０．４０％、Ａｌ：０．０１０％未満、Ｔｉ：０．０２０〜０．１００％、Ｎ：０．０１００％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００３０％、Ｃａ：０．０００１〜０．０００４％およびＯ：０．００３０％以下を含有するとともに、Ｃａ／Ａｌ：０．０１５〜０．２０を満たし、残部はＦｅおよび不純物からなる高周波焼入用鋼。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．２０〜０．６０％、Ｍｎ：０．６０〜１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０４０〜０．０７０％、Ｃｒ：０．１０〜０．４０％、Ａｌ：０．０１０％未満、Ｔｉ：０．０２０〜０．１００％、Ｎ：０．０１００％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００３０％、Ｃａ：０．０００１〜０．０００４％およびＯ：０．００３０％以下を含有するとともに、Ｃａ／Ａｌ：０．０１５〜０．２０を満たし、残部はＦｅおよび不純物からなることを特徴とする高周波焼入用鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波焼入用鋼に関する。詳しくは、介在物起点による疲労破壊を抑制することが可能で、クランクシャフト等の繰り返し応力を受ける環境で使用される部品の素材として好適に使用できる高周波焼入用鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、建設車両等のクランクシャフト等繰り返し応力を受ける環境で使用される部品は、一般に、機械構造用鋼を素材として、熱間鍛造および切削加工により成形した後、耐摩耗性と疲労強度を向上させるために表面硬化処理を施して製造される。
【０００３】
種々の表面硬化処理のうちで、高周波焼入処理は、
・必要な部位のみ硬化できること、
・短時間加熱のため結晶粒粗大化などの悪影響が少ないこと、
・インラインで処理できるので、軟窒化等のバッチ式表面処理などに比べて工程の自由度が高いこと、
といったメリットを有している。このため、上述の部品は高周波焼入処理で製造されることも多い。
【０００４】
一方、素材である機械構造用鋼は、転炉や電気炉で精錬した後にＡｌを添加し、脱酸処理して鋳片や鋼塊とされる。しかしながら、Ａｌで脱酸を行なうＡｌキルド鋼では、脱酸生成物である鋼材中のＡｌ2Ｏ3が非常に硬いために、切削時の工具寿命が短くなる傾向がある。
【０００５】
このため、例えば、特許文献１に、鋼材中の酸化物を低融点化する、つまり、軟質化することによって、工具寿命を改善させるＣａ処理鋼が提案されている。
【０００６】
すなわち、特許文献１には、
『質量％で、Ｃ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．２０〜０．６０％、Ｍｎ：０．４０〜０．８０％、Ｓ：０．０４０〜０．０７０％、Ｃｒ：０．１０〜０．４０％、Ｔｉ：０．０２０〜０．１００％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％、Ｂ：０．０００５〜０．００３０％、Ｏ（酸素）：０．００１５〜０．００５０％、Ｍｏ：０〜０．０５％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｖ：０．０３％以下、Ａｌ：０．００９％以下及びＮ：０．０１００％以下を含有し、残部がＦｅ及び不純物よりなり、
下記（１）式で表されるＦｎ１の値が０．６３以下であり、
下記（２）式で表されるＦｎ２の値が１．０以下であると共に、
下記（３）式で表されるＦｎ３の値が５．７以上である
ことを特徴とする高周波焼入用熱間鍛造非調質鋼。
【０００７】
式（１）：Ｆｎ１＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／５）＋（５Ｃｒ／２２）＋１．６５Ｖ−（５／７Ｓ）＋１．５１×（Ｔｉ−３．４Ｎ）
式（２）：Ｆｎ２＝Ｃａ／Ｏ
式（３）：Ｆｎ３＝２５．９×Ｆｎ１＋２７．５×（Ｔｉ−３．４Ｎ）−７．９』
が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−６８５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述の特許文献１で提案された技術は、現状における自動車のクランクシャフト用鋼としては、良好な疲労特性と被削性とを両立さることができるものである。しかしながら、軽量化および高出力化が高いレベルで要求される将来的な自動車のクランクシャフト用鋼としては、その疲労特性はまだまだ十分なものとはいえないものである。
【００１０】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、繰り返し応力を受ける環境において、介在物起点による疲労破壊を抑制できる高周波焼入用鋼を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、前記特許文献１で提案されたＣａ処理鋼に比べて疲労強度を向上させるために、先ず、Ｍｎの含有量を増やして鋼の焼入性を高めることについて検討した。
【００１２】
しかしながら、鋼の焼入性を高めると硬さは上昇するものの、必ずしも意図した疲労強度の向上効果を得ることができなかった。
【００１３】
そこで詳しく検討した結果、
・高周波焼入によって表面硬化した部分に存在する非金属介在物を起点として破壊が起こり、疲労強度が低下する場合があること、
・Ｃａ含有量が多いことにより生成する粗大な酸化物が破壊の起点となること、
が明らかになった。
【００１４】
上記のことから、本発明者らは、疲労強度を高めるには鋼中に生成する個々の酸化物を微細化する必要があるとの結論に達した。
【００１５】
そこで次に、本発明者らは、酸化物について種々の検討を行い、下記の知見を得た。
【００１６】
Ａｌで脱酸を行なうＡｌキルド鋼では、微細なＡｌ2Ｏ3がクラスター状となって鋼材中に生成される。そして、Ａｌキルド鋼の酸化物は、圧延されると個々のＡｌ2Ｏ3は延伸されることはないものの、そのクラスターが圧延方向に崩れながら延ばされていき、クラスターとしての大きさは小さくなっていく。
【００１７】
一方、Ｃａ処理鋼の酸化物は、ＣａＯとＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の三元系の酸化物であり、凝固で生成する個々の酸化物の大きさは、Ａｌキルド鋼の酸化物であるＡｌ2Ｏ3に比べて大きく、またクラスター状には生成しない。上記のＣａＯとＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の三元系の酸化物は、Ａｌキルド鋼の酸化物であるＡｌ2Ｏ3に比べれば軟質ではあるものの、圧延方向に延伸しづらい。したがって、圧延後で比較した場合には、Ｃａ処理鋼の酸化物のサイズは、圧延によって崩れていくＡｌキルド鋼のＡｌ2Ｏ3のクラスターとしてのサイズに比べて大きい。
【００１８】
ただし、Ｃａを含有させなければ、クラスター状の硬質のＡｌ2Ｏ3系酸化物を起点として破壊する。
【００１９】
そこで、さらに検討を加えた結果、
Ｃａは含有させるもののその含有量を極微量とし、かつＡｌの含有量を制限することによって、ＣａＯとＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の三元系の酸化物をＳｉＯ2リッチである一層軟質な酸化物に変えることが可能になり、圧延によって個々の酸化物を延伸させて微細化することができる。そして、酸化物を形態を上記のように変化させれば、介在物を起点とする疲労破壊の発生を抑制することができる。
という新たな知見を得た。
【００２０】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記に示す高周波焼入鋼にある。
【００２１】
「質量％で、Ｃ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．２０〜０．６０％、Ｍｎ：０．６０〜１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０４０〜０．０７０％、Ｃｒ：０．１０〜０．４０％、Ａｌ：０．０１０％未満、Ｔｉ：０．０２０〜０．１００％、Ｎ：０．０１００％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００３０％、Ｃａ：０．０００１〜０．０００４％およびＯ：０．００３０％以下を含有するとともに、Ｃａ／Ａｌ：０．０１５〜０．２０を満たし、残部はＦｅおよび不純物からなることを特徴とする高周波焼入用鋼。」
【発明の効果】
【００２２】
本発明の高周波焼入用鋼は、切削時の工具寿命が短くなることがなく、しかも、介在物を起点とする疲労破壊の発生を抑制することができ、疲労特性に優れているのでクランクシャフト等の繰り返し応力を受ける環境で使用される部品の素材として用いるのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】高周波焼入れと焼戻しを施した超音波疲労試験用粗加工試験片の形状を示す図である。
【図２】図１の粗加工試験片に高周波焼入れと焼戻しを施した後、さらに仕上加工を行って超音波疲労試験に供した試験片の形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」は「質量％」を意味する。
【００２５】
Ｃ：０．３５〜０．４５％
Ｃは、焼入性および母材硬さを上昇させる作用がある。最低限の焼入性および強度を得るためには、０．３５％以上のＣを含有する必要がある。しかしながら、Ｃの含有量が余りに多くなると、母材硬さの上昇が著しくなり、被削性が低下する。このため、Ｃの含有量を０．３５〜０．４５％とした。なお、より良好な被削性の確保のためには、Ｃ含有量は０．４０％以下とすることが好ましい。
【００２６】
Ｓｉ：０．２０〜０．６０％
Ｓｉは、鋼の脱酸剤として必要であるとともに、フェライトを強化し、疲労強度を上昇させる作用がある。これらの効果を得るには、０．２０％以上のＳｉを含有する必要がある。しかしながら、Ｓｉの含有量が多くなりすぎると、熱間鍛造時の脱炭を促進し、疲労強度の低下を招く。このため、Ｓｉの含有量を０．２０〜０．６０％とした。なお、Ｓｉ含有量は０．３０％以上とすることが好ましく、また、０．５０％以下とすることが好ましい。
【００２７】
Ｍｎ：０．６０〜１．５０％
Ｍｎは、鋼の脱酸剤として必要であるとともに、焼入性を高めて鋼の強度を向上させる作用を有する。こうした効果を得るには０．６０％以上のＭｎを含有する必要がある。一方、Ｍｎ含有量が多くなりすぎると、硬さの上昇が著しくなり、被削性が低下する。したがって、Ｍｎの含有量を０．６０〜１．５０％とした。なお、Ｍｎ含有量は０．８０％以上とすることが好ましく、また、１．２０％以下とすることが好ましい。
【００２８】
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、不純物元素であり、その含有量が多くなると、熱間鍛造性の低下を招く。したがって、Ｐの含有量を０．０３０％以下とした。より好ましいＰの含有量は０．０２０％以下である。
【００２９】
Ｓ：０．０４０〜０．０７０％
Ｓは、ＭｎとともにＭｎＳを形成して、被削性を向上させる効果がある。この効果を得るには０．０４０％以上のＳを含有する必要がある。しかしながら、Ｓの含有量が多くなりすぎると、鋼の熱間鍛造性が低下するとともに、疲労強度の低下をきたす。このため、Ｓの含有量を０．０４０〜０．０７０％とした。なお、Ｓ含有量は０．０６０％以下とすることが好ましい。
【００３０】
Ｃｒ：０．１０〜０．４０％
Ｃｒは、鋼の焼入性を上昇させて強度を高める効果がある。こうした効果を得るには０．１０％以上のＣｒを含有する必要がある。しかしながら、Ｃｒの含有量が多くなりすぎると、鋼の熱間鍛造性が低下するとともに被削性も低下する。このため、Ｃｒの含有量を０．１０〜０．４０％とした。なお、Ｃｒ含有量は０．２０％以下とすることが好ましい。
【００３１】
Ａｌ：０．０１０％未満
Ａｌは、Ｏと結合して硬質なＡｌ2Ｏ3系介在物を生成する。上記の硬質なＡｌ2Ｏ3系介在物は、疲労破壊の起点となって疲労強度低下の原因となるばかりか、被削性の低下も招き、Ａｌの含有量が多くなって、特に０．０１０％以上になると、硬質なＡｌ2Ｏ3系介在物による疲労強度低下および被削性の低下が著しくなる。したがって、Ａｌの含有量を０．０１０％未満とした。なお、Ａｌの含有量は０．００８％未満とすることが好ましい。
【００３２】
Ｔｉ：０．０２０〜０．１００％
Ａｌの含有量が少ない本発明に係る鋼において、Ｔｉは、Ｎを固定してＢの焼入性向上効果を低下させるＢＮの生成を抑制する作用を有する。また、鋼中の固溶Ｔｉには鋼を強化する作用がある。こうした効果を得るには、Ｔｉを０．０２０％以上含有する必要がある。一方、Ｔｉの含有量が多くなりすぎると、鋼の被削性が低下する。このため、Ｔｉの含有量を０．０２０〜０．１００％とした。なお、Ｔｉ含有量は０．０３０％以上とすることが好ましく、また、０．０６０％以下とすることが好ましい。
【００３３】
Ｎ：０．０１００％以下
本発明においては、Ｂの焼入性向上効果を低下させするＢＮの生成を抑制するために、Ｎの含有量は低くする必要がある。また、ＮはＴｉを含有させることにより、ＴｉＮとして固定されるものの、Ｎの含有量が多いと、粗大なＴｉＮが生成し、疲労強度の低下を招く。そのため、Ｎの含有量を０．０１００％以下とした。なお、Ｎ含有量の好ましい範囲は、０．００６０％以下である。
【００３４】
Ｂ：０．０００５〜０．００３０％
本発明においては、母材硬さを低減させて被削性を向上させるために、Ｃ、Ｃｒなどの焼入性を高める元素の含有量を制限し、ＭｏやＶも含有させない。そのため、高周波焼入時の焼入深さを確保するために、Ｂを含有させる必要があって、焼入性向上効果を得るためには、Ｂの含有量を０．０００５％以上とする必要がある。しかしながら、Ｂの含有量を多くしても、上述の効果が飽和してコストが嵩むばかりである。このため、Ｂの含有量を０．０００５〜０．００３０％とした。
【００３５】
Ｃａ：０．０００１〜０．０００４％
Ｃａを０．０００１％以上含有させることによって、クラスター状の硬質のＡｌ2Ｏ3系酸化物を起点とした破壊を抑止できる。しかしながら、Ｃａの含有量が多くなって０．０００４％を超えると、粗大な酸化物の割合が増加し、酸化物を起点とした破壊が助長される。したがって、Ｃａの含有量を０．０００１〜０．０００４％とした。なお、Ｃａ含有量は０．０００３％以下とすることが好ましい。
【００３６】
Ｏ：０．００３０％以下
Ｏは、不純物元素であり、その含有量が多くなって、特に０．０３０％を超えると、粗大な酸化物が生成し、疲労強度を低下させる場合がある。このため、Ｏの含有量を０．００３０％以下とした。なお、Ｏの含有量は０．００２５％未満とすることが好ましい。
【００３７】
Ｃａ／Ａｌ：０．０１５〜０．２０
ＣａとＡｌの含有量の比であるＣａ／Ａｌの値が０．２０を超えると、粗大な酸化物が生成して疲労強度の低下を招く。一方、Ｃａ／Ａｌの値が０．０１５未満になると、クラスター状のＡｌ2Ｏ3系介在物が生成して疲労強度の低下を招く。このため、Ｃａ／Ａｌの値を０．０１５〜０．２０とした。なお、Ｃａ／Ａｌの値は０．１５以下とすることが好ましい。
【００３８】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００３９】
７０トン転炉および二次精錬して表１に示す化学組成に調整した鋼Ａ１〜Ａ３および鋼Ｂ１〜Ｂ３の連続鋳造機によって製造した３００ｍｍ×４００ｍｍの鋳片を、１８０ｍｍ×１８０ｍｍの鋼片に分塊圧延し、さらにその後、１２００℃に加熱して、直径７０ｍｍの棒鋼に熱間圧延した。
【００４０】
表１中の鋼Ａ１〜Ａ３は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼であり、一方、鋼Ｂ１〜Ｂ３は、化学組成が本発明で規定する条件から外れた比較例の鋼である。
【００４１】
鋼Ａ１〜Ａ３、鋼Ｂ１および鋼Ｂ３は、転炉出鋼時に微量のＡｌを添加して脱酸し、一方、鋼Ｂ２は通常のＡｌ脱酸処理を行った。
【００４２】
なお、二次精錬において、鋼Ａ１〜Ａ３および鋼Ｂ３には微量のＣａを添加し、一方、鋼Ｂ１には通常のＣａ処理鋼と同等レベルのＣａを添加した。
【００４３】
【表１】
2010285677.tif 000002
【００４４】
上記のようにして作製した直径７０ｍｍの棒鋼のＲ／２部（「Ｒ」は棒鋼の半径を表す。）から、図１に示す形状の粗加工試験片を棒鋼の長手方向と平行に切り出した。
【００４５】
次いで、上記の試験片に、周波数４０ｋＨｚ、電圧６ｋＶ、加熱時間３．０ｓの条件で高周波焼入れを施し、その後さらに、１５０℃で１時間加熱してから大気中で放冷する焼戻しを行った。
【００４６】
上記の高周波焼入れと焼戻しを施した粗加工試験片に仕上加工を行って、図２に示す形状の試験片を作製し、各鋼について、試験片の総数を１５本ずつとして、超音波疲労試験に供した。
【００４７】
なお、図１および図２に示す試験片の寸法単位はいずれも「ｍｍ」である。
【００４８】
超音波疲労試験機は（株）島津製作所製の超音波疲労試験機ＵＳＦ−２０００を使用し、周波数を２０ｋＨｚ、負荷応力を９００ＭＰａとして最長１０7回のサイクル数まで試験を実施した。
【００４９】
上記の９００ＭＰａの負荷応力で破断に至らなかった試験片の場合には、さらに負荷応力を１００ＭＰａ上げて１０００ＭＰａで再試験し、上記の負荷応力９００ＭＰａの場合と同様に１０7回のサイクル数まで試験を実施した。
【００５０】
１０００ＭＰａの負荷応力で破断に至らなかった試験片の場合には、さらに負荷応力を１００ＭＰａ上げて１１００ＭＰａで再度試験した。この負荷応力が１１００ＭＰａの場合には、１０7回のサイクル数に至る前に全ての試験片が破断した。
【００５１】
上記のようにして超音波疲労試験に供した各鋼１５本ずつの破断試験片の全てについて、倍率５００倍で走査型電子顕微鏡によって破断面を観察した。なお、上記の破断面観察によって破断面に介在物が認められた場合には、さらに、ＥＰＭＡによる介在物組成の分析を行い、各鋼について、酸化物起点で破断した試験片の割合を求めた。
【００５２】
また、疲労特性については、９００ＭＰａの負荷応力における、１０％破断確率の繰返し数で評価した。なお、１０％破断確率については、９００ＭＰａの負荷応力での試験結果（破断繰返し数）をワイブル分布確率紙にプロットし、１０％破断確率を求めた。
【００５３】
表２に、上記の超音波疲労試験した破断面のＥＰＭＡ調査結果および９００ＭＰａの負荷応力における１０％破断確率の繰返し数を示す。
【００５４】
【表２】
2010285677.tif 000003
【００５５】
表２に示すように、本発明で規定する条件を満たす鋼Ａ１〜Ａ３の高周波焼入用鋼の場合には、介在物起点による破壊は発生していなかった。また、９００ＭＰａの負荷応力における１０％破断確率の繰返し数はいずれも１×１０6回以上であった。
【００５６】
これに対して、化学組成が本発明で規定する条件から外れた鋼Ｂ１〜Ｂ３の高周波焼入用鋼の場合には、介在物起点よる破壊が発生していた。また、９００ＭＰａの負荷応力における１０％破断確率の繰返し数はいずれも１×１０6回未満であり、疲労寿命も低かった。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の高周波焼入用鋼は、切削時の工具寿命が短くなることがなく、しかも、介在物を起点とする疲労破壊の発生を抑制することができ、疲労特性に優れているのでクランクシャフト等の繰り返し応力を受ける環境で使用される部品の素材として用いるのに好適である。
【図１】
2010285677.tif 000004
【図２】
2010285677.tif 000005