(57)【要約】【課題】高価な合金元素の添加を抑え、耐ピッチング性及び衝撃強度の優れる中炭素鋼を提供する【解決手段】質量％で、Ｃ：０．４０〜０．８０％、Ｓｉ：０．４０〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｔｉ：０．０２〜０．３０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ｎ：０．０１５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる高強度中炭素鋼で、この鋼はＢ添加により衝撃強度を大幅に向上させ、かつＴｉ添加により鋼中に微細なＴｉＣを分散させ、さらにＳｉ添加により焼戻軟化抵抗性に優れる。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．４０〜０．８０％、Ｓｉ：０．４０〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｔｉ：０．０２〜０．３０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ｎ：０．０１５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、Ｂ添加により衝撃強度を大幅に向上させ、かつＴｉ添加により鋼中に微細なＴｉＣを分散させ、さらにＳｉ添加により焼戻軟化抵抗性に優れることを特徴とする高強度中炭素鋼。
【請求項２】
請求項１記載の合金元素に加えて、質量％で、Ｃｒ：０．１５〜３．００％、Ｍｏ：０．０３〜１．５０％、Ｎｉ：０．０３〜３．５０％以下のうち、１種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、Ｂ添加により衝撃強度を大幅に向上させ、かつＴｉ添加により鋼中に微細なＴｉＣを分散させ、さらにＳｉ添加により焼戻軟化抵抗性に優れることを特徴とする高強度中炭素鋼。
【請求項３】
請求項１記載の合金元素に加えて、質量％で、Ｎｂ：０．０２〜０．１５％以下、Ｖ：０．０２〜０．１５％のうち、１種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、Ｂ添加により衝撃強度を大幅に向上させ、かつＴｉ添加により鋼中に微細なＴｉＣを分散させ、さらにＳｉ添加により焼戻軟化抵抗性に優れることを特徴とする高強度中炭素鋼。
【請求項４】
請求項２記載の合金元素に加えて、質量％で、Ｎｂ：０．０２〜０．１５％以下、Ｖ：０．０２〜０．１５％のうち、１種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、Ｂ添加により衝撃強度を大幅に向上させ、かつＴｉ添加により鋼中に微細なＴｉＣを分散させ、さらにＳｉ添加により焼戻軟化抵抗性に優れることを特徴とする高強度中炭素鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械構造用中炭素鋼からなる部品、例えば歯車などの高強度化が要求される自動車用鋼部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで機械構造部品である歯車等の機械構造用鋼として、ＪＩＳ  Ｓ４５Ｃ、Ｓ５３Ｃに代表される中炭素鋼に高周波焼入れ処理などを施したものが用いられてきたものの、機械構造部品の高強度化の要求はますます高まっている。そこで、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏなどの合金元素を添加して高強度化を図っている。例えば、Ｍｏを０．３０〜２．００％、及びＮｂを０．０１０〜０．１００％添加することによって高強度化を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、ＪＩＳレベル（０．１５〜０．３５％）に比してＳｉを増量添加することによって焼戻軟化抵抗性の向上し、それにより耐ピッチング性が向上することが分かっている（特許文献２参照）。焼戻し軟化抵抗性とは、高周波焼入れ焼戻し時の焼戻し温度以上に再加熱した場合に起こる硬さの低下の起こりにくさのことである。
【０００４】
さらに、Ｔｉ添加及びＢ添加により靭性を向上させた中炭素鋼について開示されている（特許文献３参照）が、Ｓｉの添加量はＪＩＳレベル以下である。
【０００５】
【特許文献１】
特開平３−４７９４８号公報
【特許文献２】
特開平７−２５８７９３号公報
【特許文献３】
特開２０００−６３９７９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような事情を背景としてなされたもので、本発明の目的とするところは、高価な合金元素の添加を抑え、耐ピッチング性及び衝撃強度の優れる中炭素鋼を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
耐ピッチング性向上のために、本発明では、Ｔｉ添加により微細なＴｉＣを鋼中に分散させ、鋼マトリックスの分散強化を図り、かつさらにＳｉ含有量を０．４０〜１．５０％とすることによって焼戻し軟化抵抗性を向上させることを特徴とする。
【０００８】
衝撃強度の向上のために、Ｂを添加し粒界強化により靭性を向上させることを特徴とする。
【０００９】
すなわち、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：０．４０〜０．８０％、Ｓｉ：０．４０〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｔｉ：０．０２〜０．３０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ｎ：０．０１５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、Ｂ添加により衝撃強度を大幅に向上させ、かつＴｉ添加により鋼中に微細なＴｉＣを分散させ、さらにＳｉ添加により焼戻軟化抵抗性に優れることを特徴とする高強度中炭素鋼である。
【００１０】
請求項２の発明では、請求項１の手段の合金元素に加えて、質量％で、Ｃｒ：０．１５〜３．００％、Ｍｏ：０．０３〜１．５０％、Ｎｉ：０．０３〜３．５０％以下のうち、１種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、Ｂ添加により衝撃強度を大幅に向上させ、かつＴｉ添加により鋼中に微細なＴｉＣを分散させ、さらにＳｉ添加により焼戻軟化抵抗性に優れることを特徴とする高強度中炭素鋼である。
【００１１】
請求項３の発明では、請求項１の手段の合金元素に加えて、質量％で、Ｎｂ：０．０２〜０．１５％以下、Ｖ：０．０２〜０．１５％のうち、１種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、Ｂ添加により衝撃強度を大幅に向上させ、かつＴｉ添加により鋼中に微細なＴｉＣを分散させ、さらにＳｉ添加により焼戻軟化抵抗性に優れることを特徴とする高強度中炭素鋼である。
【００１２】
請求項４の発明では、請求項２の手段の合金元素に加えて、質量％で、Ｎｂ：０．０２〜０．１５％以下、Ｖ：０．０２〜０．１５％のうち、１種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、Ｂ添加により衝撃強度を大幅に向上させ、かつＴｉ添加により鋼中に微細なＴｉＣを分散させ、さらにＳｉ添加により焼戻軟化抵抗性に優れることを特徴とする高強度中炭素鋼である。
【００１３】
合金元素の限定理由を以下に説明する。なお、％は質量％で示す。
【００１４】
Ｃ：０．４０〜０．８０％
Ｃは、機械構造用部品として芯部強度を確保するために必要な元素であるが、０．４０％未満では焼入れ時の硬さが低くなり、反対に０．８０％を超えると焼入れ時の硬さは飽和し、かつ加工性が低下する。そのため、含有量を０．４０〜０．８０％とした。
【００１５】
Ｓｉ：０．４０〜１．５０％
Ｓｉは、本発明において重要な役割を持つ元素であって、耐ピッチング性向上に非常に効果が高い焼戻軟化抵抗性を向上させるために添加する。この効果を得るためには０．４０％以上含有する必要があるが、多すぎると靭性を阻害するので上限を１．５０％とする。上記の効果を最も発揮させるには、０．５５〜１．５０％の添加が望ましい。
【００１６】
Ｍｎ：０．３０〜２．００％
Ｍｎは、焼入れ性や焼戻軟化抵抗性を向上させる元素であるために添加され、その効果を得るためには、０．３０％以上を必要とする。しかし、過剰に添加するとその効果が飽和するとともに被削性や冷温間加工性が劣化するので、上限を２．００％とする。
【００１７】
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、オーステナイト粒界に偏析して衝撃強度や曲げ強度などの靭性を低下させるため、含有量の上限を０．０３０％以下とする。
【００１８】
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは冷間加工性を害し、また鋼中でＭｎＳなる非金属介在物を形成して、横方向性の靭性を損なうので、その上限を０．０３０％以下とする。
【００１９】
Ｔｉ：０．０２〜０．３０％
Ｔｉは、ＴｉＣとして鋼中に微細に析出することにより、鋼マトリックスを分散強化し、疲労破壊やピッチングに至る亀裂の生成、伝播を遅延させる元素であり、このような効果を得るために、０．０２％以上とする。しかし、０．３０％を超えて添加すると被削性を劣化させるので、上限を０．３０％とする。
【００２０】
Ｎ：０．０１５０％以下
Ｎは、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖなどと結合して窒化物や炭窒化物を形成し、高周波焼入れ時の結晶粒の粗大化を防ぐのに有効な元素であるが、多量に添加するとＴｉ、Ｎｂ、Ｖと大形で硬質な一次窒化物を形成して転動疲労特性や曲げ疲労特性、及び被削性を低下させる。従って上限を０．０１５０％とする。
【００２１】
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｂは、極微量の添加によって鋼の焼入れ性を著しく向上させる元素であり、かつ粒界に偏析し粒界破壊を抑制することによって高周波焼入れ焼戻し後の強度や靭性を大幅に改善するが、０．０００５％未満ではその効果が十分でなく、０．００５０％を超えると熱間加工性を低下させる。従って上限を０．００５０％とする。
【００２２】
Ｃｒ：０．１５〜３．００％、Ｍｏ：０．０３〜１．５０％、Ｎｉ：０．０３〜３．５０％
Ｃｒは、焼入れ性の向上に寄与するとともに、焼戻軟化抵抗性を増大させて耐ピッチング性を向上させるのに寄与する元素であり、このような効果を得るために０．１５％以上とする。しかし、３．００％を超えて添加しても耐ピッチング性向上の効果は飽和し、かえって被削性を劣化させるので３．００％以下とする。Ｍｏは、焼入れ性の向上に寄与するとともに、鋼の靭性を向上させるので、焼入れ性と靭性を確保するため任意に添加することができる。０．０３％未満ではそのような効果が得られず、１．５０％を超えて添加すると素材の軟化焼きなましを困難とし、被削性や冷鍛性を劣化させる。経済性も損なうため上限を１．５０％とする。Ｎｉは、鋼に所定の焼入れ性を付与するとともに、鋼の靭性を向上させるので、焼入れ性と靭性を確保するため任意に添加することができる。０．０３％未満ではそのような効果が得られず、３．５０％を超えて含有させても、その効果は飽和し経済性を損なうので３．５０％を上限とする。必要に応じてこれらの１種以上を適宜添加してもよい。
【００２３】
Ｎｂ：０．０２〜０．１５％、Ｖ：０．０２〜０．１５％以下
Ｎｂ、Ｖは、いずれも微細な炭化物あるいは炭窒化物を形成し、高周波焼入れ処理時の結晶粒微細化に寄与して機械構造部材の靭性を高めるのに有効な元素であるので、必要に応じてこれらの１種または２種を適宜添加し、オーステナイト結晶粒を微細化するが、０．０２％未満の添加ではその効果が得られない。また、添加量が多すぎても微細効果は飽和し、かえって機械的性質を劣化させることもあるため、上限を０．１５％とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の鋼について表１および以下の表ならびに実施例を通じて示す。表１において、鋼種Ａ、鋼種Ｈ、鋼種Ｉは請求項１の発明の実施の形態である。鋼種Ｂ、鋼種Ｃは請求項２の発明の実施の形態である。鋼種Ｄ、鋼種Ｆは請求項３の発明の実施の形態である。鋼種Ｅ、鋼種Ｇは請求項４の発明の実施の形態である。また、鋼種Ａ〜ＣはＳｉ量が０．４０〜０．５５％である発明の実施の形態であり、鋼種Ｄ〜ＩはＳｉ量が０．５５〜１．５０％である発明の実施の形態である。
【００２５】
比較鋼はそれぞれ、鋼種ＪがＪＩＳ  Ｓ５３Ｃ、鋼種ＫがＪＩＳ  Ｓ５３ＣにＴｉ及びＢを添加したもの、鋼種ＬがＪＩＳ  Ｓ５３ＣにＢを添加したもの、鋼種ＭがＪＩＳ  Ｓ５３ＣにＴｉを添加したもの、鋼種ＮがＪＩＳ  Ｓ５３ＣにＳｉ及びＢを添加したものである。
【００２６】
【表１】
2004300551.tif 000002
【００２７】
【実施例】
表１に示す化学組成の鋼を１００ｋｇ真空溶解炉で溶製した後、１２００℃の熱間鍛造によって直径３２ｍｍの棒鋼を製造した。次いで、前記各素材に対して９００℃以上の温度に加熱した後空冷して焼きならし処理を施した後、各種試験用の試験片を作製した。各試験片に対して、硬化層比率（表面から５００ＨＶとなる点までの距離／部品半径）が０．２５以上となるように高周波焼入れ処理を施した後、１５０℃で焼戻し、各試験を行った。それぞれの特性評価は、耐ピッチング性については、図１に示すローラーピッチング試験片を用いたローラーピッチング試験、衝撃強度については、図２に示す角１０ｍｍ×長さ５５ｍｍの試験片に２ｍｍＵノッチを設けた試験片を用いたシャルピー衝撃試験にて行った。
【００２８】
衝撃強度は、シャルピー衝撃試験を行い、その際の吸収エネルギーをノッチ底の断面積８０ｍｍ２で除した値をシャルピー衝撃値として評価した。
【００２９】
ここで、ローラーピッチング試験の原理を図３に示す。すなわち、ローラーピッチング試験片１（小ローラー：材質は表１の鋼種Ａ〜Ｎ）と相手材２（大ローラー：ＪＩＳ  ＳＣＭ４２０相当）とを３４０ｋｇｆ／ｍｍ２すなわち、３３３４ＭＰａの面圧下で高速回転させ、ピッチングが発生するまでの寿命である回転数を求めて耐ピッチング性を評価した。なお、この場合、ローラーピッチング試験片１（小ローラー）と相手材２（大ローラー）との周速の差、すなわち滑り率は４０％である。そして、各条件についてそれぞれ５本のローラーピッチング試験片１を対象として試験を行った後、ワイブルプロットを行い、５０％破損確率寿命（Ｂ５０寿命）を求めて耐ピッチング性を評価した。
【００３０】
また、ローラーピッチング試験片１を用いて表面硬化層断面の表面から８０μｍ位置における硬さを３００℃の高温条件下にて測定し焼戻軟化抵抗性の評価とした。以上の試験結果を表２に示す。
【００３１】
【表２】
2004300551.tif 000003
【００３２】
表２により、比較例Ｊ（ＪＩＳ  Ｓ５３Ｃ）に対して本発明の鋼が耐ピッチング性、衝撃強度のいずれも優れる鋼であることが分かる。また、ＳｉをＪＩＳ中炭素鋼レベル（０．１５〜０．３５％）に対して０．４０〜１．５０％に増量添加することによって高温硬さの上昇すなわち焼戻軟化抵抗性が向上したことが分かる。さらに、比較例Ｌ、Ｍ、Ｎの結果から耐ピッチング性、衝撃強度をともに大幅に向上させるには、Ｓｉの０．４０〜１．５０％の添加、望ましくは０．５５〜１．５０％の添加及びＴｉとＢの添加が必須であることが分かる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、Ｂ添加により衝撃強度を大幅に向上させ、かつＴｉ添加により鋼中に微細なＴｉＣを分散させ、さらにＳｉ添加により焼戻軟化抵抗性に優れることが特徴である。それにより、高価な合金元素の添加を抑えた耐ピッチング性、衝撃強度に優れる中炭素鋼が得られ、この発明鋼に高周波焼入れ処理を施すことにより機械構造部品である歯車などの構造用鋼として優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ローラーピッチング試験片の概略を示す側面図である。
【図２】シャルピー衝撃試験片の概略を示す側面図である。
【図３】ローラーピッチング試験の原理を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  ローラーピッチング試験片
２  相手材
【図１】
2004300551.tif 000004
【図２】
2004300551.tif 000005
【図３】
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