(57)【要約】【課題】従来鋼に比べ耐面疲労特性、耐摩耗性を向上して高強度化し、かつ鋼を非調質化することにより素材の焼入れを省略することにより熱処理コストを削減した高強度非調質鋼を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．４〜０．６％、Ｓｉ：０．３〜０．７％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｃｒ：０．４％以下、Ｖ：０．０１〜０．２０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼片を熱間圧延し、熱間圧延ままの鋼素材を部品形状に切削し、切削後に部品形状の一部を高周波焼入れして使用する高強度非調質鋼で、上記の熱間圧延に先立って、鋼片は１１００℃〜１３００℃に加熱してＶを固溶させ、熱間圧延の終止温度を９２０℃以下の範囲に制御して、必要とする耐衝撃性を確保して熱間圧延ままの鋼素材の芯部硬さを２５０〜３５０ＨＶ、高周波焼入れ硬さを６５０ＨＶ〜７５０ＨＶとし、図３に示す優れた耐ピッチング性を有するものである。【選択図】　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．４〜０．６％、Ｓｉ：０．３〜０．７％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｃｒ：０．４％以下、Ｖ：０．０１〜０．２０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼片を熱間圧延し、熱間圧延ままの鋼素材を部品形状に切削し、切削後に部品形状の一部を高周波焼入れして使用することを特徴とする高強度非調質鋼。
【請求項２】
鋼片は、上記の鋼成分に、さらに、質量％で、Ｓ：０．０１０〜０．１０％、Ｐｂ：０．０１０〜０．１０％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％から選択の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の高強度非調質鋼。
【請求項３】
熱間圧延に先立って、鋼片は１１００℃〜１３００℃に加熱してＶを固溶させ、熱間圧延の終止温度を９２０℃以下の範囲に制御して必要とする耐衝撃性を確保して熱間圧延ままの鋼素材芯部硬さ：２５０〜３５０ＨＶ、高周波焼入れ硬さ：６５０ＨＶ〜７５０ＨＶであることを特徴とする請求項１または２に記載の高強度非調質鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車に使用されるドライブシャフト、ギヤ・シャフトあるいはピニオンシャフトなどの部品のように鋼材を切削後、部品の一部を高周波焼入れして用いられる部材用の耐面疲労特性および耐摩耗性に優れる非調質鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の部品の小型化あるいは動力伝達系の高出力化により、例えば、ピニオンシャフトは加わる面圧が大幅に増加するため、主としてＳＣＭ４４０である従来鋼では耐面疲労特性および耐摩耗性が不足する。
【０００３】
ピニオンシャフトなどの部品には、従来鋼では調質鋼を高周波焼入れして使用している。例えば、調質鋼からなる鋼片を熱間圧延した後、焼入れし、鋼部品形状に切削し、さらにその一部を高周波焼入れし、焼戻して鋼部品としているが、この調質鋼によるものではピニオンシャフトなどの部品の機能に対しては合金元素を添加することで耐面疲労特性や耐摩耗性などを解決しているが、その場合、素材コストが増加する問題点があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来鋼に比べ耐面疲労特性、耐摩耗性を向上して高強度化し、かつ鋼を非調質化することにより素材の焼入れを省略して熱処理コストを削減することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
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：０．４〜０．６％、Ｓｉ：０．３〜０．７％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｃｒ：０．４％以下、Ｖ：０．０１〜０．２０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼片を熱間圧延し、熱間圧延ままの鋼素材を部品形状に切削し、切削後に部品形状の一部を高周波焼入れして使用することを特徴とする高強度非調質鋼である。
【０００６】
請求項２の発明では、鋼片は、上記の鋼成分に、さらに、質量％で、Ｓ：０．０１０〜０．１０％、Ｐｂ：０．０１０〜０．１０％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％から選択の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の高強度非調質鋼である。
【０００７】
請求項３の発明では、熱間圧延に先立って、鋼片は１１００℃〜１３００℃に加熱してＶを固溶させ、熱間圧延の終止温度を９２０℃以下の範囲に制御して必要とする耐衝撃性を確保して熱間圧延ままの鋼素材の芯部硬さ：２５０〜３５０ＨＶ、高周波焼入れ硬さ：６５０ＨＶ〜７５０ＨＶであることを特徴とする請求項１または２に記載の高強度非調質鋼である。
【０００８】
本発明の鋼成分の限定理由を以下に説明する。なお、％は質量％を示す。
Ｃ：０．４〜０．６％
Ｃは、焼入れ性を確保するための元素で、通常の高周波焼入れ焼戻しにより硬さ６５０ＨＶ以上を確保するために、Ｃ量の下限を０．４％とする。また、０．６％を超えると焼入れ時に残留オーステナイトが多く発生するようになり、硬さに対するＣ増量の効果が小さくなる。そこでＣ：０．４〜０．６％とする
【０００９】
Ｓｉ：０．３〜０．７％
Ｓｉは、添加により焼戻し軟化抵抗が向上し、それによって硬化部の耐ピッチング強度、耐摩耗性、疲労強度の向上に寄与する。硬化部の耐ピッチング強度、耐摩耗性に対しては０．３％以上で効果があり、０．７％を超えると効果は飽和する。そこでＳｉ：０．３〜０．７％とする。
【００１０】
Ｍｎ：０．５〜１．０％
Ｍｎ量を低下させると、高周波焼入れの短時間加熱によるオーステナイト化が不十分となり、十分な焼入れ硬さが得られない。本発明鋼の範囲では０．５％以上が最低限必要となる。また、Ｍｎの増量は被削性を著しく低下させるため、１．０％を上限とする。そこでＭｎ：０．５〜１．０％とする。
【００１１】
Ｃｒ：０．４％以下
Ｃｒは、必須の成分ではないが、焼入れ性、鍛造硬さを調整するために添加量を調整して添加することができる。しかし、少な過ぎるとその効果は十分でなく、０．４％を超えて添加されると、セメンタイト中に濃縮し、焼入れ前の加熱の際に炭素のマトリックスへの固溶を阻害する。高周波焼入れの短時間加熱ではこれが問題となる。そこでＣｒ：０．４％以下とする。
【００１２】
Ｖ：０．０１〜０．２０％
Ｖは、疲労強度の向上に寄与する元素である。Ｖ添加により、組織中の最弱部である初析フェライトがＶＣの析出硬化により強化され強度が向上する。０．０１％未満では効果がなく、０．２０％以上ではＶ添加による強度向上の効果は減少する。そこでＶ：０．０１〜０．２０％とする。
【００１３】
Ｓ：０．０１０〜０．１０％、Ｐｂ：０．０１０〜０．１０％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％から選択の１種または２種以上
Ｓ、Ｐｂ、Ｃａは被削性を向上させる元素で、添加量を増やすと被削性には有利である。しかし、Ｓ、Ｐｂが０．０１０％未満あるいはＣａが０．０００５％未満ではその効果はなく、Ｓ、Ｐｂが０．１０％あるいはＣａが０．００５０％より多いと非金属介在物を生成するため、耐転がり強度を低下する。従って、Ｓ、Ｐｂ、Ｃａはそれらから選択した１種あるいは２種以上をＳ：０．０１０〜０．１０％、Ｐｂ：０．０１０〜０．１０％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％とする。
【００１４】
本発明の作用について述べると、鋼片加熱温度を１１００℃〜１３００℃とすることでＶを固溶させ、熱間圧延終止温度を９２０℃以下の範囲とすることで、所要の芯部硬さおよび耐衝撃性を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に試験例を通じて説明する。表１に示す化学成分の本発明に係る実施鋼および比較鋼のＪＩＳ　ＳＣＭ４４０鋼をそれぞれ１００ｋｇ真空溶解炉で溶製して鋼片とし、この鋼片を加熱炉で加熱して、表１に示す圧延加熱温度を１２００℃としてＶを固溶させた後、圧延終止温度を９１０℃として熱間圧延により鍛伸してφ６５の鋼素材とした。本発明に係る実施鋼では、この熱間圧延ままの鋼素材を部品形状の図１に示す試験片１の形状に切削して、切削後に形状の一部の中央の大径部３を焼入れ深さ３ｍｍとして高周波焼入れした。一方、表１に示す比較鋼では、上記により得られた熱間圧延により鍛伸したφ６５の鋼素材を焼入れ焼戻した焼入れ材を試験片１の形状に切削して、切削後に形状の一部の中央部３を焼入れ深さ３ｍｍとして高周波焼入れした。以上で得られた本発明に係る実施鋼の試験片と比較鋼の試験片について、上記の高周波焼入れ深さ３ｍｍとして表面近傍をビッカースにて測定した。本発明に係る実施鋼の試験片の高周波焼入れ硬さは７５０ＨＶであった。一方、比較鋼のそれは６２０ＨＶであった。さらに、以上で得られた本発明に係る実施鋼の試験片と比較鋼の試験片について、それらのＬ面、Ｄ／４部をビッカースにて測定して芯部硬さを得た。本発明に係る実施鋼の試験片の芯部硬さは２７０ＨＶであった。一方、比較鋼のそれは２８０ＨＶであった。
【００１６】
【表１】
2004027292.tif 000003
【００１７】
次いで、試験片の摩耗試験を大越式摩耗試験により行った。回転リングをＪＩＳ　ＳＣＭ４２０鋼とし、相手となるプレートを本発明に係る実施鋼と比較鋼とし、摩耗距離を２００ｍとし表２に示す摩耗速度で、最終荷重を６．３ｋｇとして実施した。なお、回転リング材のＳＣＭ４２０鋼の硬さは９０．５ＨＲＢであった。試験結果は、比較鋼の比摩耗量を１００とした時の本発明に係る実施鋼の摩耗量を表２に示す。この結果、本発明に係る実施鋼が耐摩耗性で極めて高い耐磨耗性を有することが判る。
【００１８】
【表２】
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【００１９】
次いで、本発明に係る実施鋼と比較鋼の各素材を焼ならしを施し、図１に示すローラーピッチング試験片１を作成した。このローラーピッチング試験片１は、中央の大径部３の直径が２６ｍｍ、長さが２８ｍｍであり、両側の小径部４の直径が２２ｍｍ、長さが５１ｍｍの寸法を有するものである。各ローラーピッチング試験片１に対して高周波焼入れを行った後、各ローラーピッチング試験を行った。ローラーピッチング試験の原理は図２に示す。すなわち小ローラーであるローラーピッチング試験片１とＪＩＳ　ＳＣＭ４２０鋼よりなる相手材の大ローラー２とを３３３．４Ｎ／ｍｍ２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、この場合のローラーピッチング試験片１と相手材の大ローラー２との周速の差、即ちすべり率は４０％である。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を対象とした試験を行った後、図３に示すように、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。この図３に見られるとおり本発明に係る実施鋼が優れた耐ピッチング性を有することが判明した。
【００２０】
他の実施の形態として、上記の鋼片の化学成分にさらに、質量％で、Ｓを０．０１０〜０．０３０％を含有せしめることで非金属介在物ＭｎＳを生成すること無く切削性の良好な高強度非調質鋼を得た。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、Ｓｉ、Ｖを添加し、Ｍｎ、Ｃｒを最適正化し、熱間圧延に先立って鋼片を１１００℃〜１３００℃に加熱してＶを固溶させすることにより、従来の調質鋼に比べ面疲労特性および耐摩耗性が向上し、かつ非調質化することで素材焼入れ省略できたことにより熱処理コストを低減できるなど、ピニオンシャフトなどのステアリング部品などに適用できる鋼として、従来にない優れた特性を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る鋼の耐ピッチング試験に用いるローラーピッチング試験片を示す図である。
【図２】ローラーピッチング試験の模式図である。
【図３】ローラーピッチング試験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１　ローラーピッチング試験片
２　大ローラー
３　大径部
４　小径部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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