(57)【要約】【課題】熱間、温間鍛造後に焼鈍することなく、被削性、冷間加工性を向上させ、かつ非硬化部の疲労強度を向上させた鋼を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．４５〜０．６５％、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．５０〜０．９０％、Ｃｒ：０．４０％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｖ：０．０１〜０．１５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする鍛造後に焼鈍することなく部品の一部を高周波焼入れして使用する高強度高周波焼入用鋼で、炭素当量（Ｃｅｑ．）を０．６５以上０．８５以下とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．４５〜０．６５％、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．５０〜０．９０％、Ｃｒ：０．４０％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｖ：０．０１〜０．１５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする鍛造後に焼鈍することなく部品の一部を高周波焼入れして使用する高強度高周波焼入用鋼。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．４５〜０．６５％、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．５０〜０．９０％、Ｃｒ：０．４０％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｖ：０．０１〜０．１５％、Ａｌ：０．０１５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする鍛造後に焼鈍することなく部品の一部を高周波焼入れして使用する高強度高周波焼入用鋼。
【請求項３】
炭素当量：Ｃｅｑ．を下記の式（１）とするとき、下記の式（２）を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鍛造後に焼鈍することなく部品の一部を高周波焼入れして使用する高強度高周波焼入用鋼。
【数１】
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【数２】
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【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の等速ジョイントやハブユニットなどの部品用の鋼、特に鋼材を熱間鍛造あるいは温間鍛造にて成形した後、冷間加工、切削加工、高周波焼入れ処理などが施される鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車の等速ジョイントやハブユニットなどの部品は、鋼材を熱間鍛造や温間鍛造し、あるいはこれらの熱間鍛造や温間鍛造をして焼鈍を実施した後に冷間鍛造し、これらをさらに切削加工して、特に強度が必要な部分に高周波焼入れを実施し硬化部を形成して製造している。これらに用いる従来鋼としては、一般的にＪＩＳ−Ｓ５３Ｃ、ＳＡＥ１０５５、ＳＡＥ１０７０などの鋼材が使用されている。
【０００３】
ところで、近年、これらの部品の製造は、コストダウンやニアネットシェイプ化を目指し、より過酷な冷間鍛造が行われるようになっている。さらに、コストダウンの一層の向上を目指してこれらの鋼材の被削性の向上が求められている。
さらに、これらの部品では、使用環境の過酷化や、あるいは、軽量化を目指した小型化や、薄肉化のため、従来の焼入れ硬化部はより耐転がり強度、耐ピッチング強度、耐摩耗性、疲労強度が求められるだけでなく、従来では鍛造上がりの強度で十分であった非硬化部の疲労強度向上も求められるようになっている。
【０００４】
このような要求に対し、これらの鋼は成分のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの増量やＭｏなどの添加により、焼入れ部に求められる特性を向上させるとともに、非硬化部の硬度を上昇することによる非硬化部の疲労強度を上昇させる対策が考えられている。しかし、いたずらに非硬化部の硬度を上げることは切削加工や冷間加工で不利となるだけでなく、成分のＣｒ、Ｍｏの増量は素材費の上昇にもつながる問題がある。
【０００５】
一方、冷間加工性を向上させるために、熱間鍛造あるいは温間鍛造後に焼鈍を実施するという方法が考えられるが、この焼鈍はコストアップの要因となるだけでなく、高周波焼入れ性を低下させる要因ともなる問題がある。したがって、熱間鍛造あるいは温間鍛造の上がりのままで、非硬化部の被削性、冷間加工性を向上させ、かつ非硬化部の疲労強度上昇および硬化部の要求特性向上を同時に達成することが、これらの部品に使用される材料の課題となっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３２９３３３号公報
【特許文献２】
特開平９−２６８３４４号公報
【特許文献３】
特開２００２−３３２５３５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、熱間、温間鍛造後に焼鈍することなく、被削性、冷間加工性を向上させ、かつ非硬化部の疲労強度を向上させた鋼材を提供することを目的とする。
【０００８】
【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：０．４５〜０．６５％、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．５０〜０．９０％、Ｃｒ：０．４０％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｖ：０．０１〜０．１５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする鍛造後に焼鈍することなく部品の一部を高周波焼入れして使用する高強度高周波焼入用鋼である。
【０００９】
請求項２の発明では、質量％で、Ｃ：０．４５〜０．６５％、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．５０〜０．９０％、Ｃｒ：０．４０％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｖ：０．０１〜０．１５％、Ａｌ：０．０１５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする鍛造後に焼鈍することなく部品の一部を高周波焼入れして使用する高強度高周波焼入用鋼である。
【００１０】
請求項３の発明では、炭素当量：Ｃｅｑ．を下記の式（１）とするとき、下記の式（２）を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鍛造後に焼鈍することなく部品の一部を高周波焼入れして使用する高強度高周波焼入用鋼である。
【数３】
Ｃｅｑ．＝Ｃ％＋１／７Ｓｉ％十１／５Ｍｎ％＋１／９Ｃｒ％−５／７Ｓ％＋Ｖ％    （１）
【数４】
０．６５≦Ｃｅｑ．≦０．８５    （２）
【００１１】
上記の手段の特徴を説明すると、Ｖを少量添加することで、Ｖ炭窒化物を生成し、熱間鍛造や温間鍛造後に焼鈍することなくその結晶粒を微細化し、粒界フェライトを球状化し、粒内フェライトを生成し、限界据込み率、被削性および強度を向上する。また、ＶＣの析出によりさらに強度を向上させる。さらに、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎを低めに抑えることで、変形抵抗を低くして変形能を向上し、限界据込み率および被削性を向上する。
【００１２】
本発明の鋼成分の限定理由を説明する。なお、％は質量％を示す。
【００１３】
Ｃ：０．４５〜０．６５％
通常の高周波焼入焼戻しにより硬さ６５０ＨＶ以上を確保するために、Ｃ量の下限を０．４５％とする。一方、０．６５％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。
さらに、組織的には非焼入れ部の初析フェライト量が減少して冷鍛性や被削性が大きく低下する。特に高い硬さが要求される場合を除いては、初析フェライトを十分に残し、狙いの炭素当量：Ｃｅｑ．に対し、他の合金元素添加の余地を残すため、Ｃは０．４５〜０．６０％とする。
【００１４】
Ｓｉ：０．３０％以下
Ｓｉの増量はフェライトを固溶強化し、非硬化部の疲労強度を向上させるが、同時に変形抵抗も上昇させるため、冷鍛性が悪くなる。そこで上限を０．３０％とし、Ｓｉは０．３０％以下とする。
【００１５】
Ｍｎ：０．５０〜０．９０％
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。そこで、本発明ではＭｎは０．５０％以上が最低限必要となる。特にＭｎは０．６０％以上が望ましい。一方、Ｍｎの増量は非硬化部の疲労強度を向上させるが、初析フェライトを減少させ、冷鍛性、被削性を著しく低下させるため、０．９０％を上限とする。そこでＭｎは０．５０〜０．９０％とする。
【００１６】
Ｃｒ：０．４０％以下
Ｃｒは焼入れ性や鍛造硬さを調整するために添加量を調整して添加すればよい。しかし、セメンタイト中に濃縮し、焼入れ前の加熱の際、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、これが問題となるため、上限を０．４０％とし、Ｃｒは０．４０％以下とする。
【００１７】
Ｓ：０．０３５％以下
Ｓは被削性を向上させるため、添加量を増やすと被削性には有利であるが、非金属介在物であるＭｎＳを生成するため、耐転がり強度を低下させ、また冷間鍛造時の割れの起点となるので、０．０３５％を上限とし、Ｓは０．０３５％以下とする。
【００１８】
Ｖ：０．０１〜０．１５％
Ｖは本発明において最も重要な役割を果たし、非硬化部の疲労強度の向上と冷間鍛造性、被削性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、疲労強度が向上する。
また、Ｖ添加により生成するＶ（ＣＮ）を核として初析フェライトが粒界、あるいは粒内に安定して球状に析出し、かつ、ピンニング粒子として働くため、結晶粒の粗大化を抑制し、冷間加工性、被削性、衝撃特性を大幅に向上させる。ここでＶが０．０１％未満ではその効果は十分に得られない。ただし、Ｖの増量は変形抵抗を上昇させるため、上限を０．１５％とする。そこでＶは０．０１〜０．１５％とする。
【００１９】
Ａｌ：０．０１５〜０．０５０％
ＡｌはＮと化合して、ＡｌＮとして鋼中に析出する。熱間鍛造時あるいは温間鍛造時において、このＡｌＮのピンニング効果により結晶粒の粗大化が防止でき、冷間加工性や被削性が向上する。０．０１５％未満ではその効果が十分には得られず、０．０５０％を超えると靭性を劣化させる。そこでＡｌは０．０１５〜０．０５０％とする。
【００２０】
Ｎ：０．０１０〜０．０２５％
ＮはＡｌと化合して、ＡｌＮとして鋼中に析出する。上記のＡｌの作用効果と同様に、熱間鍛造時あるいは温間鍛造時において、このＡｌＮのピンニング効果により結晶粒の粗大化が防止でき、冷間加工性、被削性が向上する。０．０１０％未満ではその効果が十分には得られず、Ｎ：０．０２５％を超えるとその効果が飽和する。そこでＮは０．０１０〜０．０２５％とする。
【００２１】
０．６５≦Ｃｅｑ．≦０．８５
熱間鍛造、温間鍛造後の硬さはＣ当量（Ｃｅｑ．）で予測できる。鍛造後の硬さは高いほど疲労強度には有利であるが、冷間加工に対しては不利となる。本発明鋼の範囲付近でＣ当量と熱間鍛造（１２００℃）硬さの関係を実験にて確認したところ、図１に示す関係が得られた。そこで０．６５≦Ｃｅｑ．≦０．８５とすることで、非焼入れ部の優れた冷間加工性と、疲労強度が両立できる２２０〜２８５ＨＶ硬度とすることができる。したがって、このＣｅｑ．の範囲の鋼成分とすることで、加工性と疲労強度が両立する鋼を確実に得ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面および以下の実施例を通じて説明する。
【００２３】
【実施例】
１００ｋｇＶＩＭ炉にて、表１に示す成分の鋼を溶製し、各ヒートナンバーの鋼とした。得られた各ヒートナンバーの鋼を熱間鍛造にて所定寸法に鍛伸し、焼鈍することなく、旋削加工にて下記の試験片に加工した。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
冷間加工性（冷間据込み試験）
φ２０ｍｍの熱間鍛造材を旋削にてφ１４ｍｍ、長さ２１ｍｍの円柱試験片に作製し、この試験片を使用して端面拘束圧縮試験をして割れ発生限界（限界振込み率）と変形抵抗（加工率５０％の値）を求めた。これらの結果を表２に示す。
【００２６】
表１において、ヒート１〜ヒート５はＣ含有量を、ヒート６〜ヒート９はＭｎ含有量を本発明の範囲内で、それぞれ順次に増加させたもので、これらの試験の結果、表２に見られるようにＣ、Ｍｎの上昇と共に限界据込み率は低下し、変形抵抗は上昇した。
【００２７】
さらに、同様に表１において、ヒート１０〜ヒート１３はＳの含有量を本発明の範囲内で順次に増量させたもので、表２に見られるようにＳの増量と共に限界据込み率は低下した。
【００２８】
さらに表１において、ヒート１４〜ヒート１７はＶの含有量を本発明の範囲内で順次に増量させたもので、表２に見られるようにＶの増加と共に限界据込み率は向上し、変形抵抗は上昇した。これらの例を、図２のＶ量と限界据込み率の関係のグラフ、図３のＶ量と変形抵抗の関係のグラフにより示す。なお、ヒート１８〜ヒート２１はＡｌやＮを不可避不純物として含有する請求項１の発明である。
【００２９】
さらに、表１の全ての発明例と比較例の各ヒートの鋼の硬さと炭素当量の関係を示すと図１のグラフに示すとおりである。黒丸で示す本発明のものはヒート４、ヒート５、ヒート１７の３例を除いて残りの全ては本発明の請求項３の炭素当量の式（２）を満足する０．６５以上で０．８５以下の範囲にあり、硬さは２４１ＨＶ〜２８４ＨＶで冷間加工性および切削加工性において満足し得るものである。これに対し、白丸の比較例ものはヒート２５〜２８のものは本発明の炭素当量の式（２）を満足するが、ヒート２６およびヒート２７を除いて、硬さは２４１ＨＶ〜２８４ＨＶの範囲外で、硬過ぎて冷間加工性および切削加工性が満足できないか、硬度不足となる恐れがあり、本発明の請求項３を満たさない。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
被削性（ドリル寿命試験）
φ３０ｍｍの熱間鍛造材をフライス盤にて幅２４ｍｍ、厚さ１８ｍｍ、長さ３００ｍの角材に加工し、幅２４ｍｍの面にφ５ｍｍのドリルで穿孔し、ドリル寿命までの穿孔数で被削性を評価した。
【００３２】
表１において、ヒート１〜ヒート５のＣ量およびヒート６〜ヒート９のＭｎ量の増加と共に表２に見られるように被削性は低下した。一方、ヒート１０〜ヒート１３のＳ量の増量と共に被削性は向上した。
【００３３】
さらに、ヒート１４〜ヒート１７のＶ量の増加と共に被削性は向上した。ただし、比較例のヒート２９、ヒート３０に見られるように、Ｖ量が０．１５％を超えるとその効果はなくなる。この例を、図４のＶ量とドリル穿孔数の関係のグラフにより示す。
【００３４】
疲労強度（回転曲げ疲労試験）
φ２０ｍｍの熱間鍛造材を旋削にて試験部φ８ｍｍの試験片に加工し、回転曲げ疲労試験をし、疲労強度を評価した。
【００３５】
表１において、ヒート１〜ヒート５のＣ量、ヒート６〜ヒート９のＭｎ量およびヒート１４〜ヒート１７のＶ量の増加と共に、表２に見られるように疲労強度は向上した。このうち図５で本発明例のヒート１４〜ヒート１７と比較例のヒート２８、ヒート２９、ヒート３０によりＶ量と疲労強度の関係のグラフを示す。
比較例のヒート２６はＶは０％のもので疲労強度は十分でない。
【００３６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の鋼は、自動車用の部品の等速ジョイントやハブユニットなどの鋼材としてＶ添加により、焼鈍を実施することなく、被削性、冷間加工性に優れ、かつ非硬化部の疲労強度が向上しているなど、従来にない優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭素当量（Ｃｅｑ．）と熱間鍛造後の硬さとの関係を示すグラフである。
【図２】Ｖ量と限界据込み率との関係を示すグラフである。
【図３】Ｖ量と変形抵抗との関係を示すグラフである。
【図４】Ｖ量とドリル穿孔数との関係を示すグラフである。
【図５】Ｖ量と疲労強度との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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