(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．３２〜０．６質量％、Ｓｉ：０．０５〜１．５質量％、Ｍｎ：０．３０〜２．０質量％、Ａｌ：０．００８質量％以下、Ｃｒ：１．５質量％以下、Ｖ：０．０１〜０．２５質量％、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物であり、熱間加工後の組織がフェライト面積率５％超、２５％以下のフェライト−パーライト組織であり、前記フェライト部の硬さが１７０〜２７０ＨＶであることを特徴とする耐摩耗性に優れた熱間加工用非調質鋼。
【請求項２】
更に他の元素として、Ｓ：０．１質量％以下（０％を含まない）、Ｐｂ：０．３質量％以下（０％を含まない）、Ｂｉ：０．３質量％以下（０％を含まない）、Ｃａ：０．０１質量％以下（０％を含まない）、及びＭｇ：０．０１質量％以下（０％を含まない）
から選択された少なくとも１種を含有する請求項１又は２に記載の熱間加工用非調質鋼。
【請求項３】
Ｃ：０．３２〜０．６質量％、Ｓｉ：０．０５〜１．５質量％、Ｍｎ：０．３０〜２．０質量％、Ａｌ：０．００８質量％以下、Ｃｒ：１．５質量％以下、Ｖ：０．０１〜０．２５質量％、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物であり、熱間加工後の組織がフェライト面積率５％超、２５％以下のフェライト−パーライト組織であり、前記フェライト部の硬さが１７０〜２７０ＨＶであることを特徴とする耐摩耗性に優れた熱間加工品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性向上のための高周波焼入を省略する用途に使用する鋼であって、前記高周波焼入処理を省略しても耐摩耗性を確保できる非調質鋼、及び高周波焼入処理を省略しても耐摩耗性に優れる熱間加工品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車部品などの機械構造用部品は、耐摩耗性が要求される場合がある。特に、近年の自動車の高出力化に対応して、クランクシャフトやカムシャフトなどのエンジン摺動部に使用される部品の耐摩耗性の向上が強く求められるようになってきている。機械構造用部品の耐摩耗性を高める場合、多くは、摺動部の表面硬化処理を施しており、例えば、高周波焼入れ処理、窒化処理、浸炭処理などを実施している。なお芯部の強度を高めるためには、Ｖなどの強化元素を添加している。このＶ添加鋼は、熱間鍛造後、制御冷却プロセスに従って冷却することによって芯部の強度が高められている。
【０００３】
近年、表面硬化処理時のリードタイムや電気燃料費によるコスト高の改善が求められており、省エネルギーやコストダウンを目的に、表面硬化処理（高周波焼入処理など）を省略する事も検討されている。高周波焼入処理を省略できれば、エネルギーを大幅に節約できる利点がある。高周波焼入処理を省略しても高周波焼入鋼並に耐摩耗性を向上させるためには、例えば、Ｃを増量添加させることが考えられる。しかし、その場合、被削性の低下が懸念され、部品の製造が困難となる。
【０００４】
表面硬化処理を省略しながら耐摩耗性を高める鋼として、例えば、特開２０００−２６５２４２号公報には、Ｃ：０．４０〜０．７０％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．９０〜１．８０％、Ｃｒ：０．０５〜１．００％、ｓ−Ａｌ：０．０１〜０．０４５％、およびＮ：０．００５〜０．０２５％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、熱間鍛造後の組織がフェライト＋パーライトであり、初析フェライト面積率が１０％以下であるＶを含有しない熱間鍛造用非調質鋼が開示されている。この公報開示の発明では、初析フェライト面積率を１０％以下に抑制することで耐摩耗性を高めている。より詳細には、実施例の欄では７つの例の鋼が用いられており、そのうち６例ではフェライト面積率を０％にして耐摩耗性を高めており、１つの例ではフェライト面積率を６．９％にして耐摩耗性を高めている。しかしフェライト面積率を確実に０％にするのは困難である。一方、フェライト面積率が０％ではない６．９％の例では、いまだ耐摩耗性が不十分である。しかもこの公報では「初析フェライト面積率を１０％以下に止める条件は、各合金成分の実際の添加量を、上記合金組成の範囲内で組み合わせ、適切な組み合わせを実験的に求めることによって決定できる」と記載されているのみで、具体的にどのようにすればよいかについては全く記載されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、熱間加工後の高周波焼入れを行わないような非調質鋼において、フェライト面積率を０％としないでも、所定レベルの被削性を確保しながら、耐摩耗性に優れるような非調質鋼及び熱間加工品を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは前記課題を解決するために摩耗損傷の原因究明検討を行った。そして非調質鋼を用いて軸受形状の試験部材を製造し、４ＭＰａの荷重をかけながら１８０００回の回転摩耗試験を行い、摺動部分の損傷状態を顕微鏡写真で観察したところ、小さな亀裂がフェライト部を割って形成されていることを発見した。従って耐摩耗性の向上のためには、特開２０００−２６５２４２号公報が開示しているようなフェライト面積率の低減だけではなく、フェライト部を硬くすることも重要であることを突き止めた。
【０００７】
フェライト部を硬くするためには、ＳｉやＶを添加することが有効であると思われる。一方、フェライト面積率を低減するためにはどのようにすればよいかについては知られていないため、さらに検討を重ねた結果、ＣやＭｎが多い程、フェライト面積率が小さくなることを突き止めた。
【０００８】
従って耐摩耗性を高めるためには、ＳｉやＶを添加してフェライト部を硬くすると共に、ＣやＭｎを多くしてフェライト面積率を低減することが考えられたが、そのようにすると被削性が悪化し、所定レベルの被削性を確保するのが困難となる。
【０００９】
そこでさらに検討を進めた結果、Ａｌ量を抑制した場合にもフェライト面積率が小さくなることを発見した。そしてＳｉやＶを添加してフェライト部が硬くなっていても、Ａｌ量の抑制によってフェライト面積率を小さくすれば、ＣやＭｎの増大によってフェライト面積率を小さくする場合に比べて被削性は悪化せず、所定レベルの被削性を確保できることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
すなわち本発明に係る耐摩耗性に優れた非調質鋼は、Ｃ：０．３２〜０．６質量％、Ｓｉ：０．０５〜１．５質量％、Ｍｎ：０．３０〜２．０質量％、Ａｌ：０．００８質量％以下、Ｃｒ：１．５質量％以下、Ｖ：０．０１〜０．２５質量％、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物であり、熱間加工後の組織がフェライト面積率５％超、２５％以下のフェライト−パーライト組織であり、前記フェライト部の硬さが１７０〜２７０ＨＶである点に要旨を有するものである。前記非調質鋼は、更に他の元素として、Ｓ：０．１質量％以下（０％を含まない）、Ｐｂ：０．３質量％以下（０％を含まない）、Ｂｉ：０．３質量％以下（０％を含まない）、Ｃａ：０．０１質量％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０．０１質量％以下（０％を含まない）などを含有していてもよい。
【００１１】
本発明にはＣ：０．３２〜０．６質量％、Ｓｉ：０．０５〜１．５質量％、Ｍｎ：０．３０〜２．０質量％、Ａｌ：０．００８質量％以下、Ｃｒ：１．５質量％以下、Ｖ：０．０１〜０．２５質量％、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物であり、フェライト面積率５％超、２５％以下のフェライト−パーライト組織であり、前記フェライト部の硬さが１７０〜２７０ＨＶであることを特徴とする耐摩耗性に優れた熱間加工品も含まれる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明では、鋼を熱間加工した後において、フェライト面積率０％超、３５％以下のフェライト−パーライト組織となり、フェライト部の硬さ（ビッカース硬さ）が１７０〜２７０ＨＶとなるようにしている。フェライト面積率が小さいところでフェライト部の硬さを硬くすれば、耐摩耗性をさらに高めることができる。
【００１３】
フェライト部の硬さは、１７０ＨＶ以上、好ましくは１７５ＨＶ以上、さらに好ましくは１８０ＨＶ以上である。フェライト部が硬いほど、より確実に耐摩耗性を向上できる。ただし、フェライト部が硬すぎると被削性が低下する虞がある。従ってフェライト硬さは、２７０ＨＶ以下、好ましくは２６０ＨＶ以下、さらに好ましくは２５０ＨＶ以下である。
【００１４】
フェライト面積率は、５％超、好ましくは１０％超である。一方、フェライト面積率が大きすぎると、フェライト硬さを硬くしても耐摩耗性を十分に高めることができない。従ってフェライト面積率は、２５％以下である。
【００１５】
なお前記フェライト面積率とは、フェライト組織とパーライト組織との合計に対するフェライト組織の面積基準の割合のことをいう。
【００１６】
また前記熱間加工後の組織は、実質的にフェライト−パーライト組織ではあるが、若干の他の組織の存在を完全に否定するものではなく、フェライト組織とパーライト組織との合計は、全組織に対して、例えば、９５面積％以上、好ましくは９９面積％以上、さらに好ましくは１００面積％程度である。
【００１７】
フェライト部の硬さを前記所定範囲に制御する場合、ＳｉやＶの量を調節するのが有効である。ＳｉやＶの適切な量は、Ｃや他の元素によって異なってくるものの、ＳｉやＶが多くなる程フェライト部が硬くなる性質を考慮しながら、下記に示す範囲から選択することができる。
【００１８】
Ｓｉ：０．０５〜１．５質量％
Ｓｉの量が少なすぎると、Ｖを加えてもフェライト硬さが不足する場合がある。従ってＳｉの量は、０．０５質量％以上、好ましくは０．１０質量％以上、さらに好ましくは０．１５質量％以上とする。一方、Ｓｉが過剰であると、被削性が不十分となる場合がある。また非調質鋼の熱間加工時の脱炭が増加するといった不具合も生じる。従って本発明では、Ｓｉ含有量は、１．５質量％以下、好ましくは１．２質量％以下、さらに好ましくは１．０質量％以下とする。
【００１９】
Ｖ：０．０１〜０．２５質量％
Ｖは、上述したように、フェライト硬さを硬くするのに有効な元素である。Ｖの含有量は、０．０１質量％以上、好ましくは０．０５質量％以上、さらに好ましくは０．０８質量％以上とする。一方、Ｖを過剰にすると、フェライト硬さが硬くなりすぎる場合がある。従って、Ｖ含有量は、０．２５質量％以下とする。
【００２０】
一方、フェライト面積率を低減する場合、ＣやＭｎの含有量を多くしたり、Ａｌの含有量を少なくするのが有効である。しかし、本発明では上述したように、フェライト硬さを硬くするためにＳｉやＶを所定量以上添加しており、さらなるＣの増量やＭｎの増量は、被削性を悪化させる。そこで本発明では、Ａｌの含有量（total-Ａｌの量）を下記に示す範囲で抑制することによって、所定レベルの被削性を確保しながら、フェライト面積率を低減している。
【００２１】
Ａｌ：０．００８質量％以下
Ａｌの範囲は、０．００８質量％以下である。
【００２２】
なお前記非調質鋼は、Ｃ，Ｍｎ，Ｃｒを下記の範囲で含有している。
【００２３】
Ｃ：０．３２〜０．６質量％
Ｃの含有量を大きくするとフェライト面積率を小さくできるものの、靭延性が低下すると共に引張強度が高くなって鋼の被削性が低下する。そこで本発明では、上述したようにＡｌの抑制によってフェライト面積率を小さくすることとし、Ｃを増量しないようにしている。Ｃの含有量は、０．６質量％以下、好ましくは０．５５質量％以下、さらに好ましくは０．５質量％以下とする。一方、Ｃの含有量が少なすぎると、Ａｌ量を抑制してもフェライト面積率が十分に小さくならない場合があり、鋼の強度や耐摩耗性が不足する場合がある。従ってＣの含有量は、０．３２質量％以上、好ましくは０．３５質量％以上、さらに好ましくは０．４質量％以上とする。
【００２４】
Ｍｎ：０．３０〜２．０質量％
Ｍｎの含有量を大きくしてもフェライト面積率を小さくできるものの、ベイナイトが生成して被削性が低下する。そこで本発明では、上述したようにＡｌの抑制によってフェライト面積率を小さくすることとし、Ｍｎも増量しないようにしている。Ｍｎの含有量は、２．０質量％以下、好ましくは１．７質量％以下、さらに好ましくは１．５質量％以下とする。一方、Ｍｎの含有量が少なすぎると、鋼の強度や靭性が不足する場合があるだけでなく、Ａｌ量を抑制してもフェライト面積率が十分に小さくならない場合がある。従ってＭｎの含有量は、０．３０質量％以上、好ましくは０．３５質量％以上、さらに好ましくは０．４質量％以上とする。
【００２５】
Ｃｒ：１．５質量％以下
Ｃｒは、パーライトラメラー間隔を小さくして延性あるいは耐力を向上し、疲労強度を向上させるのに有用であるためである。Ｃｒの含有量は、例えば、０．１０質量％以上、好ましくは０．１５質量％以上、さらに好ましくは０．２０質量％以上である。一方、Ｃｒが過剰となればベイナイトが生成するため、被削性が不足する場合がある。Ｃｒの含有量は、１．５質量％以下、好ましくは１．３質量％以下、さらに好ましくは１．０質量％以下である。
【００２６】
上記非調質鋼は、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。上記非調質鋼は、必要に応じて、以下に記載の他の元素を含有していてもよい。
【００２７】
例えば上記非調質鋼鋼は、快削性元素（Ｓ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｍｇなど）を含有していてもよい。これら快削性元素の添加量は、例えば、以下の通りである。
【００２８】
Ｓ：０．１質量％以下（０％は含まない）
Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、鋼の被削性を高めるのに有用である。Ｓの含有量は、例えば、０．０３質量％以上、好ましくは０．０４質量％以上、さらに好ましくは０．０５質量％以上である。ただしＳが過剰になると、熱間加工時に割れが発生しやすくなるため、Ｓの含有量は、０．１質量％以下、好ましくは０．０８質量％以下とするのが望ましい。
【００２９】
Ｐｂ：０．３質量％以下（０％は含まない）
Ｐｂは被削性を向上するのに有効な元素である。Ｐｂの含有量は、例えば、０．０３質量％以上、好ましくは０．０４質量％以上、さらに好ましくは０．０５質量％以上である。ただしＰｂを過剰に添加してもその効果は飽和するため、Ｐｂの含有量は０．３質量％以下、好ましくは０．２質量％以下とするのが望ましい。
【００３０】
Ｂｉ：０．３質量％以下（０％は含まない）
Ｂｉも被削性を向上するのに有効な元素である。Ｂｉの含有量は、例えば、０．０２質量％以上、好ましくは０．０３質量％以上、さらに好ましくは０．０４質量％以上である。ただしＢｉを過剰に添加してもその効果は飽和するため、Ｂｉの含有量は０．３質量％以下、好ましくは０．２質量％以下とするのが望ましい。
【００３１】
Ｃａ：０．０１質量％以下（０％は含まない）
Ｃａも被削性を向上するのに有効な元素である。Ｃａの含有量は、例えば、０．００１５質量％以上、好ましくは０．００２０質量％以上、さらに好ましくは０．００３０質量％以上である。ただしＣａを過剰に添加してもその効果は飽和するため、Ｃａの含有量は０．０１質量％以下、好ましくは０．００８質量％以下とするのが望ましい。
【００３２】
Ｍｇ：０．０１質量％以下（０％は含まない）
Ｍｇは被削性の向上、及びＭｎＳによる異方性を改善するのに有効な元素である。Ｍｇの含有量は、例えば、０．００１０質量％以上、好ましくは０．００１５質量％以上、さらに好ましくは０．００２０質量％以上である。ただしＭｇを過剰に添加してもその効果は飽和するため、Ｍｇの含有量は、０．０１質量％以下、好ましくは０．００５質量％以下とするのが望ましい。
【００３３】
なお前記快削性元素は、単独で又は２種以上組み合わせて添加することができる。
【００３４】
前記非調質鋼は、熱間加工（例えば、熱間鍛造など）した後、高周波焼入処理などの表面効果処理をしない用途に極めて有用である。すなわち熱間加工後の耐摩耗性に優れているため、高周波焼入処理を省略しても耐摩耗性に優れた製品（クランクシャフト、カムシャフトなどのエンジン部摺動部品など）を得ることができる。また熱間加工後の被削性も確保されているため、前記製品を簡便に製造することができる。
【００３５】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００３６】
実験例３〜１９
表１に示す化学組成の鋼（残部はＦｅ及び不可避的不純物である）を真空炉によって溶製した後、温度１２５０℃に加熱し、熱間鍛造によって直径６０ｍｍの丸棒に鍛伸し、放冷した。得られた丸棒鋼のフェライト面積率、フェライト硬さを測定するとともに、下記試験によって耐摩耗性及び被削性を評価した。
【００３７】
［耐摩耗性］
上記丸棒鋼からディスク状試験片を切り出した。この試験片とピン（ＪＩＳ
ＳＵＪ２鋼製）とを用い、周速：０．０５ｍ／ｓ、面圧：０．０５ＧＰａの条件でピンオンディスク摩耗試験を行い、試験片の摩耗減量を測定した。
【００３８】
［被削性］
直径１０ｃｍのドリル（ＪＩＳ  ＳＫＨ９鋼製）を使用し、切削速度３０ｍ／ｍｉｎ、送り０．２１ｍｍ／ｒｅｖ、無潤滑の条件で前記丸棒鋼を切削した。ドリルが溶損するまでに切削できた合計長さを測定し、Ｌ３０ドリル寿命とした。
【００３９】
結果を表１、及び図１，図２に示す。
【００４０】
【表１】
0003992500.tif 000002
【００４１】
図１及び図２から明らかなように、フェライト部分を１７０ＨＶ以上にし、フェライト面積率を３５％以下にすることによって耐摩耗性を高めることができる。
【００４２】
また表１から明らかなように、実験例１１，１３では、ＳｉやＶが比較的すくなく、Ｃなどの他の元素の影響もあってフェライト硬さが柔らかくなってしまっているため、フェライト面積率が小さくても耐摩耗性が不十分である。一方、実験例１８では、ＳｉやＶの量が適切であってフェライト硬さが十分であっても、Ａｌが多いためにフェライト面積率が大きすぎ、耐摩耗性が不十分である。
【００４３】
これらに対して、実験例３〜１０では、ＳｉやＶの量が適切であってフェライト部が硬く、さらにＡｌ量が抑制されているためにフェライト面積率が小さいため、高い耐摩耗性を有している。しかもＣの増量やＭｎの増量ではなく、Ａｌの抑制によってフェライト面積率を下げているため、十分なレベルの被削性を有している。
【００４４】
なお実験例１２ではＣが少なすぎるため、また実験例１５ではＭｎが少なすぎるため、Ａｌを抑制してもフェライト面積率を十分に下げることができず、耐摩耗性が不十分となる。また実験例１４ではＳｉが多すぎ、実験例１６ではＭｎが多すぎ、実験例１７ではＣｒが多すぎるため、被削性が悪くなる。実験例１９では、Ｃや他の元素との関係において、ＳｉやＶが多すぎるためにフェライト硬さが硬すぎ、被削性が悪くなっている。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、ＳｉやＶなどによってフェライト硬さを硬くし、そしてフェライト面積率を小さくしているため、耐摩耗性を高めることができる。しかもフェライト面積率の低下をＡｌの抑制によって行っているため、ＣやＭｎを増大させる場合に比べて被削性を良好なレベルに維持できる。そのため、熱間加工後の高周波焼入れを行わないような非調質鋼において、フェライト面積率を０％としないでも、所定レベルの被削性を確保しながら耐摩耗性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は実験例のデータに基づいてフェライト面積率と摩耗量との関係を示すグラフである。
【図２】図２は実験例のデータに基づいてフェライト硬さと摩耗量との関係を示すグラフである。
【図１】
0003992500.tif 000003
【図２】
0003992500.tif 000004