(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
C:0.35〜0.7mass%、
Si: 0.80mass%以下、
Mn:0.2〜2.0mass%、
Al: 0.25mass%以下、
Ti:0.005〜0.1mass%、
Mo:0.05〜0.6mass%、
B:0.0003〜0.006mass%、
S:0.06mass%以下、
P:0.020mass%以下および
Cr:2.5mass%以下
を含有し、残部はFeおよび不可避不純物の組成になる鋼材を熱間加工して部品形状とし、その後、少なくとも一部に高周波焼入れを施す部品の製造方法において、該高周波焼入れ前の熱間加工直後の部品に対して、前記高周波焼入れを施す部位を強制冷却し、該部位の温度がAr1点〜（Ar1−50）℃になった時点で強制冷却を中止し、該部位をAc1点以上に復熱させる耐焼き割れ性に優れた部品の製造方法。
【請求項２】
請求項1において、前記鋼材の熱間加工を1100℃以上の温度域で行う耐焼き割れ性に優れた部品の製造方法。
【請求項３】
請求項1または２において、前記鋼材が、さらに
Cu:1.0mass%以下、
Ni:3.5mass%以下、
Co:1.0mass%以下、
Nb:0.1mass%以下、
V:0.5mass%以下および
W:1.0mass%以下
のうちの１種または２種以上を含有する耐焼き割れ性に優れた部品の製造方法。
【請求項４】
請求項1、２または３において、前記鋼材が、さらに
Zr:0.1mass%以下、
Ta:0.5mass%以下、
Hf:0.5mass%以下および
Sb:0.1mass%以下
のうちの１種または２種以上を含有する耐焼き割れ性に優れた部品の製造方法
【請求項５】
請求項1ないし４のいずれかにおいて、前記鋼材が、さらに
Pb:0.1mass%以下、
Bi:0.1mass%以下、
Se:0.1mass%以下、
Te:0.1mass%以下、
Ca:0.01mass%以下、
Mg:0.01mass%以下および
REM:0.1mass%以下
のうちの１種または２種以上を含有する耐焼き割れ性に優れた部品の製造方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも部分的に焼入れによる硬化層をそなえる部品の製造方法に関する。ここで、部品としては、特に機械構造用部品、例えば自動車用のドライブシャフト、インプットシャフト、アウトプットシャフト、クランクシャフト、等速ジョイントの内輪および外輪、ハブ、そしてギア等を挙げることができる。
【背景技術】
【０００２】
鋼材を1100℃以上で加工して所定形状とする機械構造用部品では、焼入れ前組織が粗大化するために、焼入れ後のマルテンサイトの旧γ粒径も粗大化する。旧γ粒径の粗大化は、単位粒界面積当たりの粒界を劣化させる、例えばＰのような不純物元素濃度が高くなることから、粒界破壊を起こしやすくなる。そして、このような部位に引張残留応力が発生した場合に、焼き割れが発生していた。
【０００３】
特許文献１では、特に快削性を向上させたＳ快削鋼の高周波焼入れでの焼き割れ発生を、Ｃａの添加にて硫化物の形態を制御し、従来鋼に見られるような細長く延伸された硫化物を減少させることによって、高周波焼入れ時に割れの起点となることを防止している。ただし、特許文献１に記載のＳ快削鋼は、Ｃ量が低い領域のものであり、さらなる高強度化を目指してＣ量を高めた鋼材では、特許文献１のCa添加手段を用いただけでは焼き割れは回避できなかった。
【０００４】
また、特許文献２では、さらに高強度を目指したＣ：０．４〜０．８％、Ｍｎ：０．２５〜０．７０％、Ｃｒ：０．３〜１．５％ほか特定組成を含有する鋼について１０００℃以下のオーステナイト温度域で鍛造後、鍛造温度〜５００℃間を０．５℃／秒以上の平均冷却速度で冷却し、その後高周波焼入れ−焼戻しを行うことを特徴とする焼き割れの少ない高周波焼入れ部品の製造方法を示している。これはAl量、N量の適性制御と鍛造温度を1000℃以下という低い温度に設定することで焼入前組織の微細化を計り、焼き割れを回避している。しかし、例えばクランクシャフトのような大型の部品では1000℃以下という低い鍛造温度で鍛造することは鍛造荷重が増大し事実上不可能であった。
【特許文献１】特開2004−27259号公報
【特許文献２】特開平５−17821号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、従来よりも耐焼割れ性を一層向上させた部品の製造方法について提案することを目的とする。特に、本発明では、高強度鋼(高炭素鋼)で、かつ高温での加工(鍛造)を行う場合にあっても、焼き割れを防止できる手法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
さて、発明者らは、前記した耐焼割れ性を効果的に向上させるべく、特に部品形状に加工後の冷却について鋭意検討を行った。
その結果、焼入れ組織の旧オーステナイト粒の平均粒径に着目し、旧オーステナイト粒の平均粒径を微細化することにより、焼割れ性が改善することを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００７】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
（１）C:0.35〜0.7mass%、Si: 0.80mass%以下、Mn:0.2〜2.0mass%、Al: 0.25mass%以下、Ti:0.005〜0.1mass%、Mo:0.05〜0.6mass%、B:0.0003〜0.006mass%、S:0.06mass%以下、P:0.020mass%以下およびCr:2.5mass%以下を含有し、残部はFeおよび不可避不純物の組成になる鋼材を熱間加工して部品形状とし、その後、少なくとも一部に高周波焼入れを施す部品の製造方法において、該高周波焼入れ前の熱間加工直後の部品に対して、前記高周波焼入れを施す部位を強制冷却し、該部位の温度がAr1点〜（Ar1−50）℃になった時点で強制冷却を中止し、該部位をAc1点以上に復熱させる耐焼き割れ性に優れた部品の製造方法。
【０００８】
（２）上記（１）において、前記鋼材の熱間加工を1100℃以上の温度域で行う耐焼き割れ性に優れた部品の製造方法。
【０００９】
（３）上記（１）または（２）において、前記鋼材が、さらにCu:1.0mass%以下、Ni:3.5mass%以下、Co:1.0mass%以下、Nb:0.1mass%以下、V:0.5mass%以下およびW:1.0mass%以下のうちの１種または１種以上を含有する耐焼き割れ性に優れた部品の製造方法。
【００１０】
（４）上記（１）、（２）または（３）において、前記鋼材が、さらにZr:0.1mass%以下、Ta:0.5mass%以下、Hf:0.5mass%以下およびSb:0.1mass%以下のうちの1種または2種以上を含有する耐焼き割れ性に優れた部品の製造方法
【００１１】
（５）上記（１）ないし（４）のいずれかにおいて、前記鋼材が、さらにPb:0.1mass%以下、Bi:0.1mass%以下、Se:0.1mass%以下、Te:0.1mass%以下、Ca:0.01mass%以下、Mg:0.01mass%以下およびREM:0.1mass%以下のうちの1種または2種以上を含有する耐焼き割れ性に優れた部品の製造方法
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、耐焼割れ性に優れた部品を安定して得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
まず、本発明の部品の製造方法について、部品の鋼成分から順に説明する。
C：0.30〜0.7mass%
Cは、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て疲労強度の向上に有効に寄与する。しかしながら、含有量が0.30mass%に満たないと、必要とされる疲労強度を確保するために焼入れ硬化層深さを飛躍的に高めねばならず、その際焼割れの発生が顕著となり、またベイナイト組織も生成し難くなるため、0.3mass%以上を添加する。一方、0.7mass%を超えて含有させると、粒界強度が低下し、それに伴い疲労強度も低下し、また、切削性、冷間鍛造性および耐焼割れ性も低下する。このため、Cは0.3〜0.7mass%の範囲に限定した。好ましくは0.4〜0.6mass%の範囲である。
【００１４】
Si：0.80mass%以下
Siは脱酸剤として作用するだけでなく、強度の向上にも有効に寄与するが、含有量が0.8mass%を超えると、被削性および鍛造性の低下を招くため、Si量は0.8mass%以下にすることが必要である。
なお、強度向上のためには0.05mass%以上とすることが好ましい。
【００１５】
Mn：0.2〜2.0mass%
Mnは、焼入れ性を向上させ、焼入れ時の硬化層深さを確保する上で有用な成分であるため、添加できる。含有量が0.2mass%未満ではその添加効果に乏しいので、0.2mass%以上必要である。好ましくは、0.3mass%以上である。一方、Mn量が2.0mass%を超えると焼入れ後の残留オーステナイトが増加し、かえって表面硬度が低下し、ひいては疲労強度の低下を招くので、Mnは2.0mass%以下にすることが必要である。
【００１６】
Al： 0.25mass%以下
Alは、脱酸に有効な元素である。また、焼入れ加熱時におけるオーステナイト粒成長を抑制することによって焼入れ硬化層の粒径を微細化する上でも有用な元素である。しかしながら、0.25mass%を超えて含有させてもその効果は飽和し、むしろ成分コストの上昇を招く不利が生じるので、Alは0.25mass%以下の範囲で含有させることが必要である。好ましくは0.01〜0.10mass%の範囲である。
【００１７】
Ti：0.005〜0.1mass%以下
Tiは、不可避不純物として混入するNと結合することで、BがBNとなってBの焼入れ性向上効果が消失するのを防止し、Bの焼入れ性向上効果を十分に発揮させる作用を有する。この効果を得るためには、0.005mass%以上添加する必要がある。一方、0.1mass%を超えて含有されるとTiNが多量に形成される結果、これが疲労破壊の起点となって疲労強度の著しい低下を招くため、Tiは0.1mass%以下とすることが好ましい。好ましくは0.01〜0.07mass%の範囲である。
【００１８】
Mo：0.05〜0.6mass%
Moは、オーステナイト粒の成長を抑制する上で有用な元素であり、そのためには0.05mass%以上添加する必要がある。0.6mass%を超えて添加すると、被削性の劣化を招くため、Moは0.6mass%以下とすることが好ましい。
【００１９】
Ｂ：0.0003〜0.006mass％
Ｂは、粒界強化により疲労特性を改善するだけでなく、強度を向上させる有用な元素であり、0.0003mass%以上添加するが、0.006mass%を超えて添加しても、その効果は飽和するため、0.006mass％以下に限定した。
【００２０】
Ｓ：0.06mass％以下
Ｓは、鋼中でMnＳを形成し、切削性を向上させる有用元素であるが、0.06mass％を超えて含有させると粒界に偏析して粒界強度を低下させるため、Ｓは0.06mass％以下に制限した。好ましくは0.04mass％以下である。
【００２１】
Ｐ：0.020mass%以下、
Ｐは、不純物元素として粒界に偏析し、粒界強度を低下させるために0.020mass%以下にする必要がある。
【００２２】
Cr：2.5mass%以下
Crは、焼入れ性の向上に有効であり、硬化深さを確保する上で有用な元素である。しかし、過度に含有されると炭化物を安定化させて残留炭化物の生成を助長し、粒界強度を低下させて疲労強度を劣化させる。従って、Crの含有は極力低減することが望ましいが、2.5mass%までは許容できる。好ましくは1.5mass%以下である。
【００２３】
以上、基本成分について説明したが、本発明ではその他にも、以下に述べる６成分のうちの１種または２種以上を適宜含有させることができる。
Cu：1.0mass%以下
Cuは、焼入れ性の向上に有効であり、またフェライト中に固溶し、この固溶強化によって、疲労強度を向上させる。さらに、炭化物の生成を抑制することにより、炭化物による粒界強度の低下を抑制し、疲労強度を向上させる。しかしながら、含有量が1.0mass%を超えると熱間加工時に割れが発生するため、1.0mass%以下の添加とすることが好ましい。なお、より好ましくは0.5mass%以下である。なお、0.03mass%未満の添加では焼入れ性の向上効果および粒界強度の低下抑制効果が小さいので、0.05mass%以上含有させることが望ましい。
【００２４】
Ni：3.5mass%以下
Niは、焼入れ性を向上させる元素であるので、焼入れ性を調整する場合に用いる。また、炭化物の生成を抑制し、炭化物による粒界強度の低下を抑制して、疲労強度を向上させる元素でもある。しかしながら、Niは極めて高価な元素であり、3.5mass%を超えて添加すると鋼材のコストが上昇するので、3.5mass%以下の添加とすることが好ましい。なお、0.05mass%未満の添加では焼入れ性の向上効果および粒界強度の低下抑制効果が小さいので、0.05mass%以上含有させることが望ましい。さらに、好ましくは0.1〜1.0mass%である。
【００２５】
Co：1.0mass%以下
Coは、炭化物の生成を抑制して、炭化物による粒界強度の低下を抑制し、疲労強度を向上させる元素である。しかしながら、Coは極めて高価な元素であり、1.0mass%を超えて添加すると鋼材のコストが上昇するので、1.0mass%以下の添加とする。なお、0.01mass%未満の添加では、粒界強度の低下抑制効果が小さいので、0.01mass%以上添加することが望ましい。好ましくは0.02〜0.5mass%である。
【００２６】
Nb：0.1mass%以下
Nbは、焼入れ性の向上効果があるだけでなく、鋼中でC，Nと結合し析出強化元素として作用する。また、焼もどし軟化抵抗性を向上させる元素でもあり、これらの効果によって疲労強度を向上させる。しかしながら、0.1mass%を超えて含有させてもその効果は飽和するので、0.1mass%以下とすることが好ましい。なお、0.005mass%未満の添加では、析出強化作用および焼もどし軟化抵抗性の向上効果が小さいため、0.005mass%以上添加することが望ましい。さらに好ましくは0.01〜0.05mass%である。
【００２７】
Ｖ：0.5mass%以下
Ｖは、鋼中でＣ，Ｎと結合し析出強化元素として作用する。また、焼もどし軟化抵抗性を向上させる元素であり、これらの効果により疲労強度を向上させる。しかしながら、0.5mass%を超えて含有させてもその効果は飽和するので、0.5mass%以下とすることが好ましい。なお、0.01mass%未満の添加では、疲労強度の向上効果が小さいので、0.01mass%以上添加することが望ましい。さらに好ましくは0.03〜0.3mass%である。
【００２８】
Ｗ：1.0mass%以下
Ｗは、オーステナイト粒の成長を抑制する上で有用な元素であり、そのためには0.005mass%以上で含有することが好ましいが、1.0mass%を超えて添加すると、被削性の劣化を招くため、Ｗは1.0mass%以下とすることが好ましい。
【００２９】
Zr：0.1mass%以下
Zrは、焼入れ性向上効果があるだけでなく、鋼中でC，Nと結合し析出強化元素として作用する。また、焼もどし軟化抵抗性を向上させる元素であり、これらの効果によって疲労強度を向上させる。しかしながら、0.1mass%を超えて含有させてもその効果は飽和するため、0.1mass%以下とすることが好ましい。なお、0.005mass%未満の添加では、析出強化作用および焼もどし軟化抵抗性の向上効果が小さいため、0.005mass%以上添加することが望ましい。さらに、好ましくは0.01〜0.05mass%である。
【００３０】
Ta：0.5mass%以下
Taは、ミクロ組織変化の遅延に対して効果があり、疲労強度、特に転動疲労の劣化を防止する効果があるので、添加してもよい。しかし、その含有量が0.5mass%を超えて含有を増加させても、それ以上強度向上に寄与しないので、0.5mass%以下とする。なお、疲労強度の向上作用を発現させるためには、0.02mass%以上とすることが好ましい。
【００３１】
Hf：0.5mass%以下
Hfは、ミクロ組織変化の遅延に対して効果があり、疲労強度、特に転動疲労の劣化防止する効果があるので、添加してもよい。しかし、その含有量が0.5mass%を超えて含有量を増加させても、それ以上強度向上に寄与しないので、0.5mass%以下とする。なお、疲労強度の向上作用を発現させるためには、0.02mass%以上とすることが好ましい。
【００３２】
Sb：0.01mass%以下
Sbは、ミクロ組織変化の遅延に対して効果があり、疲労強度、特に転動疲労の劣化防止する効果があるので、添加してもよい。しかし、その含有量が0.01mass%を超えて含有量を増加させると靭性が劣化するので、0.01mass%以下とする。疲労強度の向上作用を発現させるためには、0.005mass%以上とすることが好ましい。
【００３３】
さらにまた、本発明では、Pb：0.1mass％以下、Bi：0.1mass％以下、Se：0.1mass％以下、Te：0.1mass％以下、Ca：0.01mass％以下、Mg：0.01mass％以下およびREM：0.1mass％以下を含有させることができる。
【００３４】
Pb：0.1mass％以下
Bi：0.1mass％以下
PbおよびBiはいずれも、切削時の溶融、潤滑および脆化作用により、被削性を向上させるので、この目的で添加することができる。しかしながら、Pb：0.1 mass％、Bi：0.1 mass％を超えて添加しても効果が飽和するばかりか、成分コストが上昇するため、それぞれ上記の範囲で含有させるものとした。なお、被削性の改善のためには、Pbは0.01mass％以上、Biは0.01mass％以上含有させることが好ましい。
【００３５】
Se：0.1mass％以下
Te：0.1mass％以下
SeおよびTeはそれぞれ、Mnと結合してMnSeおよびMnTeを形成し、これがチップブレーカーとして作用することにより被削性を改善する。しかしながら、含有量が0.1 mass％を超えると、効果が飽和する上、成分コストの上昇を招くので、いずれも0.1 mass％以下で含有させるものとした。また、被削性の改善のためには、Seの場合は 0.003mass％以上およびTeの場合は 0.003mass％以上で含有させることが好ましい。
【００３６】
Ca：0.01mass％以下
REM：0.1mass％以下
CaおよびREMはそれぞれ、MnＳと共に硫化物を形成し、これがチップブレーカーとして作用することにより被削性を改善する。しかしながら、CaおよびREMをそれぞれ、0.01mass％および0.1mass％を超えて含有させても、効果が飽和する上、成分コストの上昇を招くので、それぞれ上記の範囲で含有させるものとした。なお、被削性の改善のためには、Caは0.0001mass％以上およびREM は0.0001mass％以上含有させることが好ましい。
【００３７】
Mg：0.01mass％以下
Mgは、脱酸元素であるだけでなく、応力集中源となって被削性を改善する効果があるので、必要に応じて添加することができる。しかしながら、過剰に添加すると効果が飽和する上、成分コストが上昇するため、0.01mass％以下で含有させるものとした。なお、被削性の改善のためには、Mgは0.0001mass％以上で含有させることが好ましい。
【００３８】
以上説明した元素以外の残部はFeおよび不可避不純物であることが好ましく、不可避不純物としてはO，Nが挙げられ、それぞれ、N：0.015mass%、O：0.008mass%までをそれぞれ許容できる。
【００３９】
次に、本発明の製造方法について説明する。
上記した所定の成分組成に調整した鋼材を、棒鋼圧延後に熱間鍛造などの熱間加工を施して部品形状とし、部品の少なくとも一部に加熱温度：800〜1000℃の条件下で焼入れを施す。この少なくとも一部を疲労強度が要求される部位とする。
【００４０】
この一連の工程において、まず、熱間加工を1100〜1250℃の温度域で加工を行った後、少なくとも800℃〜Ar1点の温度域を0.5℃／ｓ以上の速度で強制冷却し、次いで、Ar1点以下の温度域で強制冷却を中止することにより、Ac1点以上、好ましくはAc3点以上に復熱させ、焼入前組織を微細化する。その後、高周波焼入れを含む焼入れを行い、必要に応じて焼戻し、さらに仕上加工を行って、例えば自動車構造用の部品を製造する。
【００４１】
以下、各製造条件の規制について詳しく説明する。
［加工条件］
熱間加工の温度を1100〜1250℃としたのは、加工荷重をできる限り低くするためである。その後800℃〜Ar1の温度域を0.5℃／ｓ以上の速度で強制冷却するのは、部品内部の熱をできる限り奪わずに、表面に近い領域を変態させるためである。このとき、冷却停止はAr1直下とするのがよい。冷却速度は、冷却停止後に部品表面近傍がAc1以上に復熱するように、調節する必要がある。そして、Ar1以下の温度で冷却を中止し放冷することにより、部品内部の熱により表面近傍をAc1以上の温度に復熱する。
【００４２】
この条件により、高周波焼入れ前組織が微細化し、結果として高周波焼入れ後に得られる硬化層における旧オーステナイト粒の平均粒径が微細化する。オーステナイト粒が微細化すると、粒界に偏析しやすいＰなどの粒界強度低下元素の単位粒界面積当たりの濃度が低下するため、粒界強度が上昇する。従って、焼入後の引張残留応力による焼割れ(粒界破壊)を抑制することができる。
【実施例】
【００４３】
表１に示す成分の鋼100kgを出鋼し、1130℃で50mmφの丸棒に鍛造した。これを、直ちに種々の濃度のクエンチャントにより油冷し途中で冷却を停止した。冷却停止後の棒材表面は復熱により温度上昇した。その最高温度をサーモビュアーにて調査した。
次いで、得られた棒材から図１に示す焼き割れ調査試験片を採取し、950℃の高周波焼入れを行い、そのまま1日以上放置した後、試験片を6分割し断面内の割れ数を測定した。これらの結果を表２に示す。
【００４４】
また、得られた棒材から、平行部８mmφの回転曲げ疲労試験片を採取し、小野式回転曲げ疲労試験機を用い、107疲労強度を求めた。この結果についても表２に示す。
【００４５】
【表１】
0004835178.tif 000002
【００４６】
【表２】
0004835178.tif 000003
【００４７】
鋼記号ＢのようにＣ量が低い場合は疲労強度が不十分となる。鋼記号ＥのようにAl量が過剰の場合にはコストが上昇する。鋼記号ＦのようにCrが過剰であると疲労強度が低下する。鋼記号ＧのようにMo量不足でも疲労強度が低下する。また、逆に鋼記号Ｈのように過剰であるとコストが上昇する。鋼記号ＩのようにTiが不足すると疲労強度が低下し、逆に鋼記号Ｊのように添加しすぎても疲労強度は低下する。鋼記号ＫのようにＢが不足すると疲労強度が低下し、鋼記号Ｌのように添加しすぎても効果が飽和するだけである。
【００４８】
しかし、表２のNo.23以降のように鍛造後の冷却速度が0.5℃／ｓ以下であると内部からの復熱が不十分となるため逆変態が起こらずに焼入前組織が粗大なままとなり、高周波焼入れ後のマルテンサイト組織も粗大となってしまう。従って、焼き割れしやすくなる。
また、冷却停止温度が低くなりすぎると、やはり、その後の復熱が不十分となり逆変態が起こらないことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】焼き割れ調査試験片の仕様を示す図である。
【図１】
0004835178.tif 000004