(57)【要約】  表面領域の誘導硬化によって、低合金ボロン鋼（例えば、軸用）に、改善された疲労強度および靜的強度が付与される。漸進的（走査式）誘導硬化で得られる応力に比して、表面における高い圧縮応力のため、疲労強度における最大の改善が静止（単発）誘導硬化によって得られている。しかしながら、軸中心における対応する高い引っ張り応力は、低合金ボロン鋼に中心割れを引き起こし得ることが立証されている。本発明の意味するところは、一般に、モリブデンおよびニッケル仕様のない標準組成のボロン鋼中の不純物であるとみなされる量と比較して僅かに多い量のモリブデンとニッケルを用いることにより、中心割れの発生がなくなるということである。【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、
炭素：  ０．３０〜０．５０％
珪素：  ０．１５〜０．４０％
マンガン：  １．１０〜１．５０％
燐：  ＜０．０３５％
硫黄：  ０．０２０〜０．０５０％
クロム：  ＜０．５０％
モリブデン：  ０．０３０〜０．１５％
ニッケル：  ０．１５〜０．４０％
チタン：  ０．０２０〜０．０５０％
アルミニウム：  ＜０．０５０％
ボロン（合計量）：  ＜０．００４０％
可溶性ボロン：  ＞０．０００５％、および
残部としての鉄および不純物を含む、静止誘導硬化用に適するボロン鋼。
【請求項２】
重量％で、
炭素：  ０．３０〜０．５０％
珪素：  ０．１５％超〜０．４０％
燐：  ＜０．０３５％
硫黄：  ０．０２０〜０．０５０％
クロム：  ＜０．５０％
モリブデン：  ０．０５〜０．１５％
ニッケル：  ０．２０〜０．４０％
チタン：  ０．０２０〜０．０５０％
アルミニウム：  ＜０．０５０％
ボロン（合計量）：  ＜０．００４０％、および
可溶性ボロン：  ＞０．０００５％
を含む請求項１記載されたボロン鋼。
【請求項３】
炭素の割合が０．３８〜０．４５％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたボロン鋼。
【請求項４】
ニッケルの割合が０．２０％超〜０．４０％であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載されたボロン鋼。
【請求項５】
クロムの割合が０．２０％超〜０．５０％であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載されたボロン鋼。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載されたボロン鋼で形成されていることを特徴とする軸。
【請求項７】
静止誘導硬化で生じた硬化層によって特徴づけられる請求項６に記載された軸。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、添付請求項１の前段部分に記載されたボロン鋼に関するものである。
また、本発明は、添付請求項６の前段部分に記載されたボロン鋼から成る軸に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
低合金ボロン鋼は、特に軸に用いられるが、該軸は、表面領域の誘導硬化によって、増大した疲労強度と静的強度が与えられるだけでなく、耐摩耗性の表面層も与えられる。
【０００３】
この種の誘導硬化は、表面領域に圧縮応力を生じさせ、この圧縮応力が、表面領域における疲労割れの発生を減殺し、それによって、疲労強度に対する抑制効果を有する。圧縮応力の大きさと疲労強度との間の関係は明白である。圧縮応力が大きくなるほど、疲労強度は増大する。
【０００４】
表面領域の圧縮応力は中心部（芯部）の引っ張り応力と均衡する。特に芯部においては、加えられた負荷から生ずる応力水準が低いので、芯部の引っ張り応力は、通常、強度に影響しない。
【０００５】
単発焼入れとも呼ばれる静止誘導硬化（すなわち、焼入れされるべき全体積が、先ず焼入れ温度まで加熱され、その後、直ちに、または、少し遅れて冷却される焼入れ作業である）では、表面領域の圧縮応力が特に高くなり、また、疲労強度は、漸進的誘導硬化（誘導機／冷却シャワーと硬化されるべき加工物との間の連続的な相互移動中に加熱と、その後の冷却が行なわれる）によって得られる疲労強度よりも良好である。
しかしながら、静止誘導硬化の場合の応力（特に、芯部における引っ張り応力）は、実際の焼入れ工程中に、芯部に亀裂（中心亀裂）が生ずるほどに大きくなる可能性がある。しかしながら、中心亀裂を回避できれば、軸の静止誘導硬化によって、極めて良好な疲労強度が得られる。典型的かつ代表的な比を挙げれば、漸進的誘導硬化の場合、２０ｋＮｍ捩り疲労で約２００００負荷サイクルであるのに対して、静止誘導硬化の場合、２０ｋＮｍ捩り疲労で約８００００負荷サイクルである。
【０００６】
低合金ボロン鋼は、前記現象に非常に敏感であることが、これまでに証明されており、それらの現象は、或る条件下では、中心亀裂を生じさせることがあり、勿論それらは、焼入れ製品には容認できない。この種の割れは、製品の表面に達していない時、通常は検出が難しい。それにもかかわらず、超音波検査で検出可能であることが判っている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、中心割れを起こさずに静止誘導硬化可能な低合金ボロン鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的は、添付の請求項１および請求項６に記載されたボロン鋼および軸によって達成される。
別の効果が、従属請求項に記載された内容で達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、具体例および添付図を見ながら本発明の細目を説明する。
【００１０】
説明中、鋼中の元素の百分率数字は、全て重量％で示されている。
【００１１】
本発明による鋼は低合金ボロン鋼であり、発明による成分の範囲を有する発明鋼は、対応相当する公知鋼と共に、表１に示されている。
【００１２】
炭素は、誘導硬化特性に実質的な影響を有しており、含有量０．３０〜０．５０％で存在し、焼入れ後、所望強度が得られる。好ましい炭素含有量は、０．３８〜０．４５％である。
【００１３】
珪素は、含有量０．１５〜０．４０％で存在し、好ましい含有量は０．１５％超〜０．４０％である。珪素は、主として他の合金元素の担体として加えられが、いくつかの強化効果をも有する。
【００１４】
マンガンは、含有量１．１０％〜１．５０％で存在するが、好ましい含有量は１．１０％超〜１．５０％であり、また、硬化能を高めることを一要因とする強化効果を有するが、大きな硬さ深度がある場合には、誘導硬化における硬さ深度に影響する可能性がある。マンガンは硫黄との結合のために添加される。さもなければ、硫黄が衝撃強度に悪影響を与えるからである。
【００１５】
燐は、結晶粒界の弱化による脆化と硬化割れを防ぐために、含有量を０．０３５％未満に維持しなければならない。
【００１６】
硫黄は、硫化マンガン（ＭｎＳ）の形成により、切削性を改善するが、同時に強度を低下させる。ＭｎＳが、高強度の鋼マトリックス中に弱化部分を作り、これが割れの切欠きとして働くからである。そこで、硫黄量は、０．０２０〜０．０５０％の範囲に維持すべきである。
【００１７】
クロム量は、０．５％未満、好ましくは０．２％超〜０．５％未満である。クロムは、硬化能を高め、かつ、脱炭のリスクを低下させる。
【００１８】
モリブデンは、０．０３０％〜０．１５％量で、以下に述べる或る量のニッケルと協働して、特に、静止誘導硬化における中心割れの発生を防止できることが、本発明で立証された。モリブデン量は、この種のボロン鋼の場合、指定されさえしないのが普通である。ニッケルとの組み合わでモリブデンを添加すると、他鋼種の硬化割れのリスクも減少させそうである。モリブデン量は、０．０５％〜０．１５％が好ましい。
【００１９】
ニッケルは、０．１５％〜０．４０％量で、前記モリブデンと協働して、特に、静止誘導硬化における中心割れの発生を防止できることが、本発明で立証された。ニッケル含有量は、同様に指定されないのが普通である。ニッケルは不純物と見なされる。ニッケルと組み合わせによるモリブデンの添加は、他鋼種の焼入れ割れのリスクも減少させそうである。ニッケル量は、０．２０％超〜０．４０％が好ましい。
【００２０】
チタンについては、硬化特性を改善するという観点で、或る量のボロンを鋼の固溶体中に維持するために、或る量のチタンが必要である。そのため、チタン量は、０．０２０〜０．０５０％にすべきである。
【００２１】
アルミニウムは脱酸素剤であり、低含有量で存在する。アルミニウムは酸化アルミを形成して疲労強度を損なう。よって、アルミニウム含有量は、０．０５０％未満に維持すべきである。
【００２２】
低含有量のボロンは硬化特性（例えば、硬化能）を改善する。大きな硬度深さがある場合には、低含有量ボロンが、誘導硬化の際の硬化深度に影響する可能性がる。固溶体中の望ましい含有量は、少なくとも０．０００５％、また全含有量は、０．００４％未満に制限すべきである。
【００２３】
通常の場合、モリブデンとニッケルは不純物を形成し、標準組成で指定されさえしない。それにもかかわらず、本発明において割れ排除効果があるとされるモリブデンとニッケルの成分範囲は、通常の不純物水準を明らかに超える量を含む。しかしながら、その範囲は、比較的少量の合金物質に相当し、モリブデンとニッケルは、多分、本発明に係わる低合金ボロン鋼の鋼コストに極く僅かな影響を与えるに過ぎないだろう。
【００２４】
一方、中心割れを起こすことなく静止誘導硬化を適用できることによって、事実上の強度増加が達成されるということは、或る場合には、そのこと自体で、疲労強度という観点での性能への影響なしに、対象となる加工物で、材料節約ができることを意味する。
【実施例】
【００２５】
実施例と試験
各種のモリブデンおよびニッケル量を有するボロン鋼ＴＢ１６３９製駆動軸（図３）は、静止誘導硬化によって、以下のように硬化された。
１．表面温度約１０００℃までの、約４０秒間の誘導加熱。
２．水性ポリマー混合物（ポリアルキレングリコール）による冷却。
３．表面温度約３００℃までの静止誘導加熱による焼き戻し（約９０秒間の再加熱）。
【００２６】
割れの発生は、軸端面からの超音波によって検出された。
【００２７】
図１の表は、互いに化学組成を変えた多数の溶解鋼による多数の駆動軸の割れ発生率を示す。表中、「割れ軸数」は割れが検出された軸の数を示す。「合計軸数」は、溶解鋼毎に、検査された軸の合計数を示す。「割れ発生率％」は、「割れ軸数」および「合計軸数」間の比、すなわち、割れが検出された軸の割合を示す。図２は、モリブデン量またはニッケル量の効果が分離されると云う製造上の理由からではあるが、モリブデン量およびニッケル量の関数として、「割れ発生率％」を示す。
【００２８】
割れが検出されなかった（図１の「発生率０％」）軸（試験片）の組成から、割れ発生防止のための、最小含有量約０．０３０％のモリブデンおよび約０．１５％のニッケルが抽出された。
【００２９】
示されている最小含有量は、割れなしで得られた０．０３５％モリブデン／０．１６７％ニッケル、および、０．０３８％モリブデン／０．１８８％ニッケルの各含有量の組み合わせから、僅かの量だけ調整されたものである。好ましい最小含有量は、抽出された最小含有量に対して、水増ししたものである。
【００３０】
上限値含有量も、モリブデンおよびニッケルの両者方について設定されている。この設定は、一部にはコスト上の理由で、また他の一部としてモリブデンおよびニッケル量の増加で生じる、不利益（例えば、切削性が損なわれること）を防止するためである。
【００３１】
前記試験調査の範囲内で、測定および計算の両者によって、漸進的誘導硬化に比して、静止誘導硬化で軸表面における高圧縮応力および軸中心における高い引っ張り応力の両者が得られることを確認することもできた。
【００３２】
化学組成
低合金材料として、スカニア・ボロン鋼ＴＢ１６３９が、以下の表１に示されている。低合金組成物には、通常、モリブデンおよびニッケル含有量は提示されない。それらの物質は、通常の不純物とみなされるからである。試験において、割れがないという結果が得られた発明による広い組成、好的組成および具体例組成も示されている。
【００３３】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】割れ発生率について、組成の関数として、主として、明かに変化するモリブデンおよびニッケル含有量の関数として、表形式で編集したものである。
【図２】モリブデンおよびニッケル含有量の関数として、図表形式で示される割れ発生率。
【図３】本発明鋼を用いて試験が行なわれた、軸線方向断面で示す駆動軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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