(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で
Ｃ  ：０．１５〜０．４０％
Ｓｉ：０．１５％超０．４０％以下
Ｍｎ：０．１０〜０．４０％
Ｐ  ：０．０１５％以下（０％を含む）
Ｓ  ：０．０１５％以下（０％を含む）
Ｔｉ：０．０１〜０．０５％
Ｂ  ：０．０００５〜０．００３５％
Ｎ  ：０．００５０％以下（０％を含む）
の要件を満足すると共に、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、且つ下記式(1a)によって求められるＦa 値が０．２５〜０．４５であることを特徴とする冷間鍛造性と高周波焼入れ性に優れた機械構造用鋼。
Ｆa 値＝[C] + 0.2[Si] + 0.2[Mn] ……(1a)
式中の［元素］は、鋼中の各元素の含有率（％）を表わす。
【請求項２】
質量％で
Ｃ  ：０．１５〜０．４０％
Ｓｉ：０．１５超０．４０％以下
Ｍｎ：０．１０〜０．４０％
Ｃｒ：０．４０％以下（０％を含まない）
Ｐ  ：０．０１５％以下（０％を含む）
Ｓ  ：０．０１５％以下（０％を含む）
Ｔｉ：０．０１〜０．０５％
Ｂ  ：０．０００５〜０．００３５％
Ｎ  ：０．００５０％以下（０％を含む）
の要件を満足すると共に、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、且つ下記式(1b)によって求められるＦb 値が０．２８〜０．４８であることを特徴とする冷間鍛造性と高周波焼入れ性に優れた機械構造用鋼。
Ｆb 値＝[C] + 0.2[Si] + 0.2[Mn] + 0.2[Cr] ……(1b)
式中の［元素］は、鋼中の各元素の含有率（％）を表わす。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械構造用鋼の素材として製造される自動車や産業機械用部品、例えばトランスミッション部品やエンジン部品などの製造に供される鋼材に関するものであり、更に詳しくは中・低炭素鋼のＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ量を調整することによって、冷間鍛造性を改善し、特に優れた耐割れ性を与えると共に、優れた高周波焼入れ性を兼ね備えた機械構造用鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車や産業機械用部品、例えばトランスミッション部品やエンジン部品などは、従来の熱間鍛造や切削加工から次第に冷間鍛造化が進んできており、特に最近では、大型で且つ複雑な形状をした部品までも冷間鍛造により加工される様にになってきた。複雑形状部品の冷間鍛造を行なうには、当然のことながら優れた冷間鍛造性が求められる他、例えば耐摩耗性等の表面特性も必要となり、更に最近では高周波焼入れによる表面硬化処理が実施されることも多いので、高周波焼入れ性も必要になってくる。
【０００３】
冷間鍛造性を向上させるには、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ等の強化元素や焼入れ性向上元素の含有量を低減すれば良いのであるが、そうすると高周波焼入れ性が低下して満足のいく表面硬度や硬化層深さが得られなくなるといった問題が生じてくる。
【０００４】
こうした問題を解消する為の手段として、冷間鍛造性向上の観点からＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒ等の強化元素量を抑えて冷間鍛造性を確保する一方、ＢやＴｉを添加することによって焼入れ性を確保する技術（例えば特公平７−５９６０号公報など）が既に公知となっている。ところがこの公告発明は、鋼材の冷間鍛造性のうち特に変形抵抗を低くする為の技術として開発されたものであり、冷間鍛造性の他の評価項目として挙げられる変形能については、必ずしも満足のいく性能を有しているとは言えない。
【０００５】
即ち鋼材の冷間鍛造性のうち変形抵抗とは、被加工材に変形荷重をかけたとき、変形時に生じる抵抗により工具にかかる負荷（即ち、加工時に工具にかかる抵抗）を意味しており、変形能とは、被加工材に割れを生じることなく変形させることのできる性能（即ち変形し易さ）を意味しており、両者は同一ではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、機械構造用鋼としての冷間鍛造性、特に変形能を改善すると共に、最近の高周波焼入れ処理による表面硬質化技術にも適合し得る様、優れた高周波焼入れ性を兼ね備えた機械構造用鋼を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明の機械構造用鋼とは、質量％で
Ｃ  ：０．１５〜０．４０％
Ｓｉ：０．１５％超０．４０％以下
Ｍｎ：０．１０〜０．４０％
Ｐ  ：０．０１５％以下（０％を含む）
Ｓ  ：０．０１５％以下（０％を含む）
Ｔｉ：０．０１〜０．０５％
Ｂ  ：０．０００５〜０．００３５％
Ｎ  ：０．００５０％以下（０％を含む）
の要件を満足し、あるいは更に他の元素として
Ｃｒ：０．４０％以下（０％を含まない）
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、且つ下記式(1a)によって求められるＦa 値を０．２５〜０．４５の範囲に規制し、あるいは下記式(1b)によって求められるＦb 値を０．２８〜０．４８の範囲に規制し、冷間鍛造性（特に変形能）と高周波焼入れ性を共に改善したところに特徴が存在する。
Ｆa 値＝[C] + 0.2[Si] + 0.2[Mn] ……(1a)
Ｆb 値＝[C] + 0.2[Si] + 0.2[Mn] + 0.2[Cr] ……(1b)
式中の［元素］は、鋼中の各元素の含有率（％）を表わす。
【０００８】
即ち本発明では、後記実施例などによっても具体的に立証する如く、冷間鍛造性を特に変形能改善の観点から追求すると共に、前記公告発明では全く認識されていない「高周波焼入れ性」に注目し、それらの特性を兼備させる為の要件として、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ等の強化元素あるいは焼入れ性向上元素の個々の含有率を規定すると共に、前記Ｆa 値またはＦb 値という新たな指標を規定したものであり、それにより、特に変形能という評価において優れた冷間鍛造性を有すると共に、高周波焼入れ性にも優れた機械構造用鋼を提供し得ることになったものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
上記の様に本発明では、冷間鍛造性のうち特に変形能（即ち変形時における割れの生じ難さ）と高周波焼入れ性の両立、という目的に沿って研究を進めた結果完成されたものであって、特に鋼材中に含まれる元素のうちＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒについて、その含有量からＦa 値またはＦb 値という新たな指標を設定してこれらの値を適正に調整してやれば、優れた変形能と高周波焼入れ性を兼ね備えた機械構造用鋼が得られるという知見に基づいてなされたものであり、以下、それら各元素の含有率とＦa 値またはＦb 値を規定した理由を詳細に説明していく。
まず、含有元素の種類と含有率を定めた理由を明らかにする。
【００１０】
Ｃ：０．１５〜０．４０％
Ｃは、強化元素として最低限の強度を確保すると共に焼入れ性を高めるうえで欠くことのできない元素であり、０．１５％未満では満足な高周波焼入れ強度が得られない。しかしＣ量が過度に多くなると、鋼が硬質化し過ぎて変形能を大幅に阻害するので０．４０％以下に抑えなければならない。変形能と高周波焼入れ性の両面からより好ましいＣ量は０．２５〜０．３０％の範囲である。
【００１１】
Ｓｉ：０．１５％超０．４０％以下
Ｓｉは鋼の脱酸に有効な元素であり、また高周波焼入れ性を高めるうえでも欠くことのできない元素であり、それらの作用を有効に発揮させるには０．１５％を超えて含有させなければならない。しかし、Ｓｉ量が多くなり過ぎると酸化物系介在物の生成量が増大すると共に、焼入れ等の熱処理時における粒界酸化を助長して変形能を劣化させるので、０．４０％以下に抑えなければならない。Ｓｉの上記利害得失を考えて、そのより好ましい含有率は０．１８〜０．２５％の範囲である。
【００１２】
Ｍｎ：０．１０〜０．４０％
Ｍｎは、鋼の脱酸と高周波焼入れ性の向上に有効に作用する元素であり、また、鋼中に不可避的に混入してくるＳを固定して熱間脆性を防止するうえでも有効に作用する。こうした作用を有効に発揮させるには０．１０％以上含有させなければならないが、多過ぎると鋼組織を硬化させると共に粒界偏析を起こして変形能を劣化させるので、０．４０％以下に抑えなければならない。Ｍｎのより好ましい含有率は０．２５〜０．３５％の範囲である。
【００１３】
Ｃｒ：０．４０％以下
Ｃｒは、高周波焼入れ性の向上に特に有効な元素であり、とりわけ優れた高周波焼入れ性が求められる場合は、積極的に含有させることが望ましい。しかし、添加量が多くなり過ぎると、鋼が硬質化して変形能に悪影響が現われてくるので、０．４０％以下に抑えなければならない。
【００１４】
Ｐ：０．０１５％以下
Ｐは不可避的に混入してくる有害元素であり、Ｍｎと同様に粒界に偏析して変形能を低下させるので、０．０１５％以下、より好ましくは０．０１０％以下に抑えなければならない。
【００１５】
Ｓ：０．０１５％以下
Ｓも不可避不純物として混入してくる有害元素であり、熱間脆性を引き起こすばかりでなく、Ｍｎと結合してＭｎＳを生成し変形能を阻害するので、０．０１５％以下、より好ましくは０．０１０％以下に抑えなければならない。
【００１６】
Ｔｉ：０．０１〜０．０５％
Ｔｉは鋼中のＮを固定し、後述するＢ添加による高周波焼入れ性を有効に発揮させる為に必須の元素であり、しかも結晶粒の微細化によって靭性の向上にも有効に作用する。こうした効果を有効に発揮させるには０．０１％以上含有させなければならないが、含有量が多くなり過ぎると多量のＴｉＮが生成して変形能を却って劣化させるので、０．０５％以下に抑えなければならない。
【００１７】
Ｂ：０．０００３〜０．００３５％
Ｂは、高周波焼入れ性を高めるために欠くことのできない元素であり、０．０００５％未満ではその効果が有効に発揮されない。しかし含有量が多くなり過ぎると、鋼材の靭性を劣化させて変形能に悪影響を及ぼす様になるので、０．００３５％以下に抑えなければならない。Ｂのより好ましい含有率は０．００１５〜０．００２５％の範囲である。
【００１８】
Ｎ：０．００５０％以下
Ｎは、鋼中に固溶して鋼材の靭性を劣化させ変形能に悪影響を及ぼす有害元素であり、その含有率が０．００５０％を超えるとその障害が顕著に現われてくるので、０．００５０％を上限として定めた。
【００１９】
上記以外の残部成分はＦｅと不可避不純物であり、不可避不純物としては、脱酸剤として混入してくるＡｌや溶製時に混入してくるＯ（酸）、あるいはその他様々の微量混入元素が挙げられるが、それらは不可避不純物量である限り本発明の要求性能に悪影響を及ぼすことはない。
【００２０】
本発明では、上記元素個々の含有量に加えて、変形能と高周波焼入れ性を両立させる為の要件として、前記Ｆa 値が０．２５〜０．４５、あるいはＦb 値が０．２８〜０．４８の範囲にあることが極めて重要な要件となる。しかして、個々の含有元素量が前述の要件を全て満たすものであっても、上記Ｆa 値またはＦb 値が下限値に満たないものでは、満足な高周波焼入れ性が得られず、焼入れ処理後の表面硬度や焼入れ深さを目標レベルまで高めることができなくなる。一方、上限値を超えると、強度や高周波焼入れ性は向上するものの、鋼材が硬質化し過ぎて変形能が劣悪になる。変形能と高周波焼入れ性の両面から考えてより好ましいＦa 値は０．３０〜０．４０、より好ましいＦb 値は０．３３〜０．４３の範囲である。
【００２１】
かくして本発明によれば、鋼材中の含有元素の種類と夫々の含有率を特定する他、上記Ｆa 値またはＦb 値の範囲を特定することによって、冷間鍛造性のうち特に変形能に優れると共に高周波焼入れ性に優れ、加工性が良好で焼入れにより優れた強度特性の機械構造部品を与える鋼を提供し得ることになった。
【００２２】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明の構成および作用効果をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００２３】
実施例
小型溶解炉（１５０ｋｇ／ｃｈ）を用いて表１に示す成分組成の鋼材を溶製した後、１５５角のビレットに鍛伸し、ダミービレットを溶接して直径２０．０ｍｍの棒鋼に熱間圧延した。得られた棒鋼を長さ１ｍに切断した後、電気炉中、７４０℃×６Ｈｒ→炉冷のヒートパターンで球状化焼鈍を行ない、次いで、機械加工によって図１に示す寸法・形状の冷間鍛造試験片を作製し、冷間鍛造試験を行なった。冷間鍛造試験は、１６００トンのリンク式メカニカルプレスを使用し、拘束圧縮金型を用いて圧縮率で６５％〜８５％までの圧縮試験を行ない、１圧縮率毎にＮ＝５個ずつ圧縮し、目視で試験片外側面の割れ発生の有無をチェックし、割れが発生した圧縮率の１つ前の圧縮率を割れ発生限界とした。結果を表２に示す。なお目標の割れ発生限界としては、本発明鋼を用いた機械構造部品の形状が複雑で加工率も高いことを考慮し、８０％以上の割れ発生限界を目標とした。
【００２４】
また、上記の球状化焼鈍材を用いて図２に示す寸法・形状の試験片を機械加工によって製作し、外周部に高周波焼入れを行った。高周波焼入れ装置としては１５０ＫＷ、１００ＫＨｚの加熱装置を用い、円筒面外周部の焼入れを行なった後、１８０℃×２Ｈｒで焼戻し処理を行ない、焼入れ・焼戻し後、円筒試験片の横断面硬度を測定して高周波焼入れ性を評価した。なお目標硬度としては、最表面より０．３ｍｍの位置におけるビッカース硬度で４５０以上を目標とした。結果を表２に併記する。
【００２５】
【表１】
0003728014.tif 000002
【００２６】
【表２】
0003728014.tif 000003
【００２７】
表１，２より次の様に考察することができる。
符号１，２は、化学成分とＦa 値ともに本発明の規定要件を満足する実施例であり、割れ発生限界は８０％以上で優れた変形能を有しており、高周波焼入れ後の硬度もＨｖで４８０，４９０の目標レベルを満たしている。また符号９は、Ｃｒを添加した例で、化学成分とＦb 値共に規定要件を満足する実施例であり、割れ発生限界は８２．５％で優れた変形能を有しており、高周波焼入れ後の硬度もＨｖ：４７５の優れた値を示している。
【００２８】
符号３，４は、Ｃ量が規定範囲を外れる比較例であり、Ｃ量不足の符号３では硬度不足、Ｃ量過剰の符号４では割れ発生限界が８０％に達していない。
符号５，６は、Ｓｉ量が規定範囲を外れる比較例であり、Ｓｉ量不足の符号５では硬度不足、Ｓｉ量過剰の符号６では割れ発生限界が劣悪になっている。
【００２９】
符号７，８は、Ｍｎ量が規定範囲を外れる比較例であり、Ｍｎ量不足の符号７では硬度が不足し、Ｍｎ量が過剰の符号８では、高周波焼入れ後の硬度は良好であるが割れ発生限界が低く変形能に欠ける。
符号１０はＣｒ量が多過ぎる比較例であり、高周波焼入れ後の硬度は良好であるが、割れ発生限界が低く変形能が乏しい。
【００３０】
符号１１〜１４は、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ等の夫々の含有量は規定要件を満たしているが、Ｆa 値またはＦb 値が規定値から外れる比較例であり、低目の場合は硬度不足となり、高目の場合は割れ発生限界が低くなっている。
符号１５は、Ｐ量が規定値を超える比較例であり、Ｐ粒界偏析の影響により靭性低下を招き、割れ発生限界が低くなっている。
【００３１】
符号１６は、Ｓ量が規定値を超える比較例であり、ＭｎＳの影響により靭性低下を招き、割れ発生限界が低くなっている。
符号１７は、Ｔｉ量が規定範囲を外れる比較例であり、低目に外れる符号１７では、ＴｉによるＮの固定効果が不十分でＢの焼入れ性改善効果が有効に発揮されない為、高周波焼入れ後の硬度が低く、高目に外れる符号１８では、ＴｉＮ系の介在物の影響により加工能が低下し、割れ発生限界が悪くなっている。
【００３２】
符号１９，２０は、Ｂ量が規定範囲を外れる比較例であり、低目に外れる符号１９では、Ｂの焼入れ性改善効果が有効に発揮されないため、高周波焼入れ後の硬度が低く、高目に外れる符号２０では、焼入れ性は良好で高い高度が得られているものの、割れ発生限界が低く変形能に乏しい。
符号２１は、Ｎ量が規定値を超える比較例であり、焼入れ性は良好で硬度は目標値を満足しているが、割れ発生限界が低く変形能に欠ける。
【００３３】
符号２２，２３は、先行技術の一例として特公平７−５９６０号公報に実施例として示された表１の鋼種Ｎｏ．１，２について行なった比較例であり、符号２２では、Ｃ，Ｓｉ量およびＦb 値がいずれも本発明の規定要件を外れているため、割れ発生限界が低く変形能が劣悪であり、また符号２３では、Ｓｉ，Ｃｒ量およびＦb 値が本発明の規定範囲を外れているため、やはり割れ発生限界が低くて変形能が劣悪であり、いずれも本発明の目的を果たせないことが確認できる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、鋼材中の含有元素の種類と夫々の含有率を特定する他、上記Ｆa 値またはＦb 値の範囲を特定することによって、冷間鍛造性のうち特に変形能に優れると共に高周波焼入れ性に優れ、加工性が良好で焼入れにより優れた強度特性の機械構造部品を与える鋼を提供できる。特に本発明鋼は変形能が高く変形量を大きく取ることができるため、複雑な形状の機械構造部品の鍛造工程を簡略化することができ、しかも優れた高周波焼入れ性を有しているので、表面硬度の高い機械構造部品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で採用した冷間鍛造試験片の寸法・形状を示す図である。
【図２】実施例で採用した高周波焼入れ試験用試験片の寸法・形状を示す図である。
【図１】
0003728014.tif 000004
【図２】
0003728014.tif 000005