(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量比で、
Ｃ：0.40〜0.80％、
Si：0.15〜1.20％、
Mn：0.40％未満、
Ｓ：0.020 ％以下、
Al：0.01〜0.05％未満、
Cr：0.10％以下、
Ｂ：0.0003〜0.0030％、
Ti：0.005 〜0.05％、
Ｎ：0.007 ％以下、
Ｏ：0.0020％以下
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする冷間鍛造性、高周波焼入れ性および転動疲労特性に優れた機械構造用鋼。
【請求項２】
重量比で、
Ｃ：0.40〜0.80％、
Si：0.15〜1.20％、
Mn：0.40％未満、
Ｓ：0.020 ％以下、
Al：0.01〜0.05％未満、
Cr：0.10％以下、
Ｂ：0.0003〜0.0030％、
Ti：0.005 〜0.05％、
Ｎ：0.007 ％以下、
Ｏ：0.0020％以下
を含み、さらに、
Mo：0.05〜0.50％
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする冷間鍛造性、高周波焼入れ性および転動疲労特性に優れた機械構造用鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用等の機械部品に使用される機械構造用鋼に関し、とくに、高周波焼入れ処理を施される、例えば等速ジョイント用アウターレースなど、転動部品に用いて好適な機械構造用鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題から、自動車部材に対して部品の軽量化の要求が強く、この点から自動車用部材の高強度化が要求されている。また、自動車用エンジンの高出力化に伴い、部品の大型化・重量増を避ける意味から、特に等速ジョイントアウターレースなどの駆動系部品に対し、高強度化による軽量化、および転動疲労寿命の向上など耐久性の向上が極めて強く要求されるようになっている。
【０００３】
従来、自動車用部材などの機械構造用部材は、熱間圧延棒鋼に熱間鍛造、あるいはさらに焼きならし、焼なまし処理を施し、切削、冷間鍛造等により所定の形状に加工したのち、高周波焼入れ焼戻しを行い、機械構造用部材として重要な特性を確保しているのが一般的である。しかし最近では、熱間鍛造では、寸法精度が悪く、その後重切削する必要があることから、球状化焼なまし後に冷間鍛造により加工するプロセスが採用される傾向にある。
【０００４】
高周波焼入れは、表層部のみを焼入れする一種の表面硬化処理であり、鋼材の強度や疲労特性の向上を図る目的で行われ、部品の最終品質を決定している。この高周波焼入れは、処理時間が非常に短いことから生産性、作業性に優れ、広く適用されている。このようなことから、部品の高強度化には、Ｃ量の増加により高周波焼入れ焼戻し後の硬さを上昇させる手段が容易に考えられる。現在、冷間鍛造を施す用途に用いる鋼材として、Ｃ：０．４８％のＳ４８Ｃがもっとも多く利用されている。
【０００５】
しかし、これ以上のＣ量の増加は、とくに、Ｃ：０．５０％以上の鋼において、冷間鍛造時の変形抵抗が高くなりすぎ、冷間鍛造機の能力を超える場合が生じるという問題があった。
このような状況から、鋼中Ｃ量を高めても、冷間鍛造が可能な鋼材の開発が要望され、たとえば、特開平２−１２９３４１号公報には、高周波焼入れ性および冷間鍛造性が優れた鋼材が提案されている。この鋼材は、フェライトの変形抵抗を低下させるため、Ｓｉの添加を制限し、Ｃ、Ｎと結合し易いＴｉを添加し、さらに焼入れ性の増加のためＢを添加し、Ｍｎ、Ｃｒ量を適正化することにより、冷間鍛造性を損なうことなく高周波焼入れ後の硬さを高めることで高強度化を図るものである。
【０００６】
一方、転動疲労寿命の向上にも、Ｃ量の増大による高周波焼入れ後の硬さの上昇が有効であるが、特開平２−１２９３４１号公報に記載された技術では、冷間鍛造性から添加可能なＣ量が０．６０％以下に限定されており、転動疲労寿命の向上に限界があるという問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した状況に鑑み、冷間鍛造性、高周波焼入れ性および転動疲労特性に優れた機械構造用鋼を提供することを目的とする。本発明では、機械部品として現在使用されているＳ４８Ｃ鋼と同等あるいはそれ以上の冷間鍛造性、高周波焼入れ性を有し、かつより一層の転動疲労寿命向上を達成する機械構造用鋼を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題点を有利に解決するため鋭意検討した結果、鋼中Ｓｉ量の増大、Ｍｏ、Ｂの添加ならびに鋼中Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎ量を適正値に制御することにより、球状化焼なまし後の冷間鍛造性および高周波焼入れ性を損なうことなく、高周波焼入れ後の転動疲労寿命を著しく向上できることを新たに見いだし、本発明を構成した。
【０００９】
すなわち、本発明は、重量比で、Ｃ：0.40〜0.80％、Si：0.15〜1.20％、Mn：0.40％未満、Ｓ：0.020 ％以下、Al：0.01〜0.05％未満、Cr：0.10％以下、Ｂ：0.0003〜0.0030％、Ti：0.005 〜0.05％、Ｎ：0.007 ％以下、Ｏ：0.0020％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする冷間鍛造性、高周波焼入れ性および転動疲労特性に優れた機械構造用鋼である。
【００１０】
また、本発明は上記組成に加えて、さらにＭｏ：０．０５〜０．５０％を添加できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
まず、本発明における、成分組成の限定理由について説明する。
Ｃ：０．４０〜０．８０％
Ｃは、高周波焼入れ性への影響が最も大きい元素であり、焼入れ硬化層の硬さおよび深さを高めるうえで有用である。その効果を得るためには少なくとも０．４０％以上必要であるが、０．８０％を超えると効果が飽和するとともに冷間鍛造性を劣化させる。このため、Ｃは０．４０〜０．８０％の範囲とした。なお、冷間鍛造性と高周波焼入性のバランスの観点から、好ましくは、０．５５〜０．７５％である。
【００１２】
Si：0.15〜1.20％
Siは、脱酸剤として作用し鋼の低酸素化に寄与する。また、高周波焼入れ焼戻し後の強度を高めるとともに、繰り返し応力負荷による硬さの低下を抑制し、転動疲労寿命の向上に有効な元素である。これらの効果を得るためには、少なくとも0.15％の添加が必要である。しかし、1.20％を超えると冷間鍛造時の変形抵抗を上昇させる。したがって、Siは0.15〜1.20％の範囲とする。なお、両者のバランスを最適とする好ましいSiの範囲は、0.15〜1.00％である。
【００１３】
Ｍｎ：０．４０％未満
Ｍｎは、高周波焼入れ性を高める元素であるが、球状化焼なまし処理時にフェライト中に固溶し、フェライトを強化し、冷間鍛造時の変形抵抗を上昇させる。このため、本発明では可能なかぎり低減する。フェライトの軟化のために許容できる上限は、０．４０％未満である。なお、好ましいＭｎの上限は０．３０％である。
【００１４】
Ｓ：０．０２０  ％以下
ＳはＭｎと結合してＭｎＳ  を形成し、冷間鍛造性を低下させるため極力低減することが望ましいが、０．０２０  ％までは許容できる。したがって、Ｓは０．０２０  ％以下とする。
Ａｌ：０．０１〜０．０５％未満
Ａｌは、強力な脱酸剤として、鋼中Ｏ量の低減に有効な元素であり、０．０１％未満ではこの効果が小さく、また、０．０５％以上添加すると、上記効果が飽和するうえ、固溶体強化により冷間鍛造性を劣化させるので、Ａｌは０．０１〜０．０５％未満の範囲とした。
【００１５】
Cr：0.10％以下
Crは、球状化焼なまし時に、炭化物中に固溶し、高周波焼入れ時に炭化物を難溶解性とし、高周波焼入れ性を劣化させ疲労特性を低下させるため、極力低減するのが望ましいが、好ましいCrの範囲は0.10％以下であるので、Crは0.10％以下とした。
【００１６】
Ｂ：０．０００３〜０．００３０％
Ｂは、焼入れ性を高め、高周波焼入れ時の焼入れ深さを高めるのに有効である。この効果は、０．０００３％以上の添加で認められる。しかし、０．００３０％を超えると鋳片割れを生じ易くなり、生産性を劣化させる。そのため、Ｂは０．０００３〜０．００３０％の範囲とした。なお、好ましくは０．０００５〜０．００３０％である。
【００１７】
Ｔｉ：０．００５  〜０．０５％
Ｔｉは、Ｂに比べＮとの結合力が強く、固溶Ｎを低減する効果を有している。固溶Ｎの減少により、歪時効を抑制し冷間鍛造時の変形抵抗が小さくなり、また、Ｂの高周波焼入れ性向上効果を有効に作用させる。このような効果は０．００５  ％以上の添加で認められる。しかし、０．０５％を超えて添加すると、巨大なＴｉＮ  を形成し、転動疲労寿命を低下させる。したがって、Ｔｉは、０．００５  〜０．０５％の範囲とした。なお、Ｂの焼入れ性向上効果を有効に作用させるためには、ＴｉはＮの３．５  倍以上とする必要がある。
【００１８】
Ｎ：０．００７  ％以下
Ｎは、フェライト中に固溶した場合には歪時効を生じ、冷間鍛造時の変形抵抗を増加させ、あるいはＢと結合しＢＮを形成した場合にはＢの高周波焼入れ性向上効果を阻害するため、極力低減することが望ましい。上記Ｔｉとの兼ね合いから０．００７  ％までは許容できる。このため、Ｎは０．００７  ％以下とした。
【００１９】
Ｏ：０．００２０％以下
Ｏは、酸化物を形成し、冷間鍛造性および転動疲労寿命を低下させるため、極力低減するのが望ましいが、０．００２０％までは許容できる。このため、Ｏは０．００２０％以下とした。
Ｍｏ：０．０５〜０．５０％
Ｍｏは、焼入れ性向上に有用な元素であり、焼入れ性が特に要求される場合に添加する。焼入れ性向上は、０．０５％以上の添加で効果が認められるが、０．５０％を超えると著しく硬化し冷間鍛造時の変形抵抗が上昇する。このため、Ｍｏは０．０５〜０．５０％の範囲とした。なお、好ましくは０．０５〜０．３０％である。
【００２０】
その他、不可避的不純物を含有するが、特にＰは、鋼を硬化させる元素であり、また、結晶粒界等に偏析し、材質を劣化させるため、極力低減するのが望ましいが、０．０２０  ％まで許容される。
本発明鋼の製造方法は、常法にしたがい製造すればよくとくに限定しない。溶製方法は、転炉あるいは電気炉で溶製し、ＲＨ脱ガス等の真空脱ガス、取鍋での精錬などを付加してもよい。溶鋼は連続鋳造法あるいは造塊法で凝固させ、凝固させた後、熱間圧延あるいは熱間・温間鍛造を経て所定の形状の素材とする。これら素材は、必要により焼ならしを施した後、球状化焼なましを行う。次いで、切削、鍛造などの冷間加工により所望の形状に仕上げられ、さらに、高周波焼入れ焼戻しなどの熱処理により、所望の特性を付与される。
【００２１】
【実施例】
表１に示す化学組成を有する鋼を転炉で溶製し、連続鋳造により４００  ×５６０ｍｍ  のブルームとしたのち熱間圧延により３４ｍｍφの棒鋼とした。ついで、これら棒鋼に焼ならし、球状化焼なましを施し、下記に示す試験を実施し、その結果を表２に示す。
【００２２】
【表１】
0003620935.tif 000002
【００２３】
【表２】
0003620935.tif 000003
【００２４】
（１）冷間鍛造試験
上記棒鋼から機械加工により、冷間鍛造試験用として、１５ｍｍφ×２２．５ｍｍの円柱状試験片を採取した。冷間鍛造試験は端面完全拘束の条件で、遂次圧縮を行い、限界圧縮率、圧縮率７０％での変形抵抗を求めた。冷間鍛造試験は１鋼種あたり１０個の試験片を用いた。ここで、限界圧縮率は、試験片の５０％が割れを発生する圧縮率をいう。
（２）高周波焼入れ試験
上記棒鋼から機械加工により、１２ｍｍφ×１００ｍｍ  の試験片を採取し、これに周波数１５ｋＨｚ  の高周波焼入れ装置を用いて焼入れし、  １５０℃×６０ｍｉｎ  の焼戻しを施して、表面硬さ、有効硬化深さを測定した。ここで、有効硬化深さとはＨｖ３９２  以上の硬さとなる表面からの距離をいう。
（３）転動疲労試験
上記棒鋼から機械加工により、１２ｍｍφ×１００ｍｍ  の試験片を採取し、これに周波数１５ｋＨｚ  の高周波焼入れ装置を用いて焼入れし、  １５０℃×６０ｍｉｎ  の焼戻しを施したのち切断し、１２ｍｍφ×２２ｍｍの試験片を採取し、ラジアル型転動疲労試験機により転動疲労寿命を求めた。試験条件は、ヘルツ最大接触応力：６００ｋｇｆ／ｍｍ２、繰り返し応力数：約４６５００ｃｐｍ、潤滑：＃６８タービン飛沫油である。これら試験結果がワイブル分布に従うものとして確率紙上にプロットし、Ｂ１０寿命（累積破損確率：１０％での剥離発生までの総負荷回数）を求めた。各鋼の転動疲労寿命を鋼Ｎｏ．１を基準として、鋼Ｎｏ．１の寿命に対する比で評価した。
【００２５】
鋼Ｎｏ．１はＳ４８Ｃの従来鋼で、限界圧縮率６３％、変形抵抗８５６ＭＰａの冷間鍛造性を、表面硬さＨＲＣ５５．０  、有効硬化深さ２．３ｍｍ  の高周波焼入れ性を有している。
鋼Ｎｏ．２３  はＳｉが本発明範囲より低い、特開平２−１２９３４１号相当鋼である。鋼Ｎｏ．１に比べてＣ量が高く、冷間鍛造性、高周波焼入れ性ならびに転動疲労寿命のいずれも鋼Ｎｏ．１と同等以上である。
【００２６】
鋼Ｎｏ．２〜Ｎｏ．１０  は、本発明例であり、表面硬さＨＲＣ５８．８  〜６２．２、有効硬化深さ  ２．５〜３．１ｍｍ  と鋼Ｎｏ．１にくらべ高い高周波焼入れ性を有している。また、限界圧縮率は６３〜６５％と鋼Ｎｏ．１と同等またはそれ以上に高く、圧縮率７０％における変形抵抗は  ７４８〜８１１ＭＰａと鋼Ｎｏ．１にくらべ低く、すぐれた冷間鍛造性を有している。さらに、Ｂ１０寿命は鋼Ｎｏ．１の３．１  〜８．３  倍と優れている。
【００２７】
一方、鋼Ｎｏ．１１  〜Ｎｏ．２２  は比較例である。
鋼Ｎｏ．１１  および鋼Ｎｏ．１６  はＭｎが、鋼Ｎｏ．１３  はＣが、鋼Ｎｏ．１５  はＳｉが、鋼Ｎｏ．２２  はＳが本発明範囲外であるため、高周波焼入れ性、転動疲労寿命は鋼Ｎｏ．１あるいは鋼Ｎｏ．２３  にくらべ優れているが、限界圧縮率が低いか、変形抵抗が高いかで、冷間鍛造性は鋼Ｎｏ．１に比較し不十分である。
【００２８】
鋼Ｎｏ．１２  はＣが本発明範囲より低いため、冷間鍛造性は鋼Ｎｏ．１と同等以上であるが、転動疲労寿命が鋼Ｎｏ．１にくらべ劣り、さらに、表面硬さがＨＲＣ５３．２  と鋼Ｎｏ．１にくらべ低い。
鋼Ｎｏ．１４  はＳｉが本発明範囲より低いため、冷間鍛造性、高周波焼入れ性は鋼Ｎｏ．１と同等以上であるが、転動疲労寿命が鋼Ｎｏ．１あるいは鋼Ｎｏ．２３  と大差なく不十分である。
【００２９】
鋼Ｎｏ．１７  はＣｒが、鋼Ｎｏ．１８  はＢが本発明範囲外であるため、冷間鍛造性、転動疲労寿命は鋼Ｎｏ．１あるいは鋼Ｎｏ．２３  と同等以上であるが、高周波焼入れ性のうち表面硬さは鋼Ｎｏ．１より高いものの、有効硬化深さが２．０  ｍｍと鋼Ｎｏ．１より劣る。
鋼Ｎｏ．１９  はＴｉが、鋼Ｎｏ．２１  はＯが本発明範囲外であるため、鋼Ｎｏ．１にくらべ転動疲労寿命が劣る。
【００３０】
鋼Ｎｏ．２０  はＴｉが本発明範囲より低いため、冷間鍛造性、転動疲労寿命は鋼Ｎｏ．１あるいはＮｏ．２３  と同等以上である。高周波焼入れ性のうち表面硬さは鋼Ｎｏ．１より高いが、有効硬化深さが２．０  ｍｍと鋼Ｎｏ．１より劣る。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｓ４８Ｃ鋼と同等あるいはそれ以上の冷間鍛造性を有し、かつ高周波焼入れ性および転動疲労特性に優れた機械構造用鋼材を容易に得ることができ、機械部品、とくに転動部品の高品質化に寄与でき、産業上の利用価値は大である。