(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｖ含有率が０．０５質量％以下であり、
表１に示す炭素当量換算係数を、各添加元素の質量％含有率にそれぞれ乗じて合計した値により与えられる炭素当量Ｃeqが０．７３〜１．１０の範囲内のものとなるように、前記添加元素の合計含有量が調整され、
【表１】
0003779923.tif 000006
さらに、必須添加元素として、０．３５〜０．５５質量％のＣ、０．０１〜１質量％のＳｉ、０．５〜１．９質量％のＭｎ、０．０５〜１質量％のＣｒ、０．００５〜０．０５質量％のＡｌ及び０．０００５〜０．０５質量％のＮを含有するとともに、含有率９０質量％以上のＦｅと不可避不純物とにより残部が構成される組成を前提として、焼入焼戻し処理を行わない状態で冷間加工を施すことにより、
ロックウェルＣスケール硬さＨRCが１８〜３２の範囲に確保され、かつ引張強さをσm、０．２％耐力をσ0.2として、σ0.2／σmにて表される耐力比が０．７以上となしたことを特徴とする高耐力非調質鋼。
【請求項２】
Ｖ含有率が０．０５質量％以下であり、
表６に示す炭素当量換算係数を、各添加元素の質量％含有率にそれぞれ乗じて合計した値により与えられる炭素当量Ｃeqが０．７〜１．１０の範囲内のものとなるように、前記添加元素の合計含有量が調整され、
【表６】
0003779923.tif 000007
さらに、必須添加元素として、０．３５〜０．５５質量％のＣ、０．０１〜１質量％のＳｉ、０．５〜１．９質量％のＭｎ、０．４〜１質量％のＣｒ、０．００５〜０．０５質量％のＡｌ及び０．０００５〜０．０５質量％のＮを含有するとともに、含有率９０質量％以上のＦｅと不可避不純物とにより残部が構成される組成を前提として、焼入焼戻し処理を行わない状態で冷間加工を施すことにより、
ロックウェルＣスケール硬さＨRCが１８〜３２の範囲に確保され、かつ引張強さをσm、０．２％耐力をσ0.2として、σ0.2／σmにて表される耐力比が０．７以上としたことを特徴とする高耐力非調質鋼。
【請求項３】
前記冷間加工は、減面率５〜２５％の冷間引抜き加工にて行われたものである請求項１又は請求項２に記載の高耐力非調質鋼。
【請求項４】
前記冷間加工を施した状態の素材から切り出した試験片を用いて測定した０．２％耐力の値をσ0.2、同じく該試験片を４００℃にて０．５時間加熱を行った後に同様に測定した０．２％耐力の値をσ0.2’としたとき、σ0.2’／σ0.2が１．０以上となるように、前記冷間加工が施されたものである請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の高耐力非調質鋼。
【請求項５】
前記冷間加工を施した状態の素材から切り出した試験片を用い、直流四端子法にて液体窒素温度（７７Ｋ）にて測定した電気比抵抗値をρ（単位：μΩ・ｃｍ）、同じく該試験片を４００℃にて０．５時間加熱を行った後に同様に測定した電気比抵抗値をρ’（単位：μΩ・ｃｍ）としたとき、Δρ≡ρ−ρ’が０．００１〜０．５（単位：μΩ・ｃｍ）となるように、前記冷間加工が施されたものである請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の高耐力非調質鋼。
【請求項６】
快削性付与元素として、Ｓ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｃａ及びＭｇの１種又は２種以上を、Ｓ：０．３質量％以下、Ｐｂ：０．３質量％以下、Ｂｉ：０．２質量％以下、Ｔｅ：０．２質量％以下、Ｃａ：０．０１質量％以下、Ｍｇ：０．０２質量％以下の範囲で、合計で０．０１〜０．５質量％をさらに含有する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の高耐力非調質鋼。
【請求項７】
０．０５質量％以下のＴｉ、０．０５質量％以下のＮｂ、０．０５質量％以下のＶ、０．０５質量％以下のＺｒ、０．５質量％以下のＣｕ、０．５質量％以下のＮｉ、０．１質量％以下のＭｏ及び０．００５質量％以下のＢから選ばれる１種又は２種以上をさらに含有する請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の高耐力非調質鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用ステアリングラックバーや動力出力あるいは伝達用のシャフトなど、高耐久性が要求される機械部品等に好適に使用される、高耐力非調質鋼に関するものある。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような機械部品、例えば自動車用ステアリングラックバーは、例えば操舵操作が加わる度に比較的大きな曲げ荷重が繰り返し付与されるため、単に高荷重に耐える強度を有しているだけでなく、反復荷重付与に対する耐久性、例えば耐疲労強度等にも優れていることが求められる。このような特性が要求される材料は、具体的には降伏応力あるいはその近似パラメータである０．２％耐力（以下、単に耐力ともいう）σ0.2が高いこと、特に、引張強さをσmとしたときの、σ0.2／σmにて表される耐力比が高いことが要求される。鋼の耐力比を向上させる具体的な手法としては、従来、焼入焼戻しによる調質処理が採用されてきたが、熱処理によるコストアップが避けがたいため、非調質鋼への置き換えが進められつつある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非調質鋼の場合、合金元素添加による固溶強化や析出強化等に専ら頼る形で耐力向上を目指すこととなるので、十分な耐力比が得られない問題があり、例えばある程度合金元素含有量を増加させても、耐力比の到達レベルは０．６５前後が限界であるとみなされている。また、耐力比向上に効果のある合金元素は、その筆頭がＶであり、このほかＴｉやＮｂなどが候補として挙がるが、いずれも高価な元素であるため、大量添加はコストアップを招き、結局のところ非調質鋼とすることの利点が十分に活かせなくなってしまう問題がある。
【０００４】
本発明は、調質処理を行わず、かつ高価な添加元素の含有率を低く留めつつも、耐力比を大幅に向上させることができる高耐力非調質鋼を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明の高耐力非調質鋼は、まず、Ｖ含有率を０．０５質量％以下に留めることを前提とする。そして、下記表２に示す炭素当量換算係数を、各添加元素の質量％含有率にそれぞれ乗じて合計した値により与えられる炭素当量Ｃeqが０．７〜１．１０の範囲内のものとなるように、添加元素の合計含有量を調整する。
【０００６】
【表２】
0003779923.tif 000002
【０００７】
さらに、必須添加元素として、０．３５〜０．５５質量％のＣ、０．０１〜１質量％のＳｉ、０．５〜１．９質量％のＭｎ、０．０５〜１質量％のＣｒ、０．００５〜０．０５質量％のＡｌ及び０．０００５〜０．０５を質量％のＮを含有するとともに、含有率９０質量％以上のＦｅと不可避不純物とにより残部が構成される組成を前提として、焼入焼戻し処理を行わない状態で冷間加工を施すことにより、ロックウェルＣスケール硬さＨRCが１８〜３２の範囲に確保され、かつ引張強さをσm、０．２％耐力をσ0.2として、σ0.2／σmにて表される耐力比が０．７以上となしたことを特徴とする。
【０００８】
上記本発明によると、原料コスト削減のためＶの含有量を０．０５質量％以下に制限することを前提とする。そして、従来、耐力比向上のために積極添加されていたＶの含有率を上記のように低く留めつつも、必須添加元素として、０．３５〜０．５５質量％のＣ、０．０１〜１質量％のＳｉ、０．５〜１．９質量％のＭｎ、０．０５〜１質量％のＣｒ、０．００５〜０．０５質量％のＡｌ及び０．０００５〜０．０５を質量％のＮを含有させ、さらに、炭素当量Ｃeqの値が０．７〜１．１０となるように調整した組成をベースとして採用し、これに冷間加工履歴を付与して最終的な材料とする。これにより、調質処理を行わなくとも、ロックウェルＣスケール硬さＨRCにて１８〜３２に相当する高強度レベルを確保しつつ、従来の非調質鋼では困難であった耐力比０．７以上を実現することができ、ステアリングラックバーや動力出力あるいは伝達用のシャフトなど、高耐久性が要求される機械部品等を安価に製造することが可能となる。
【０００９】
以下、組成及び組成以外の各パラメータの数値限定理由について説明する。
まず、ロックウェルＣスケール硬さについては、荷重付加の環境下で使用される機械部品用鋼材として、実用上必要な強度確保の観点からＨRC１８以上に設定している。他方、硬さが過度に高くなりすぎると、被削性が低下して部品の加工コストアップを招くほか、靭性の劣化にもつながるので、その上限をＨRC３２に設定する。
【００１０】
そして、材料組成範囲を間接的に規定する炭素当量Ｃeqについては、これが０．７未満になると添加元素の量が不足してＨRCを１８以上に確保できなくなる。他方、Ｃeqが１．１０を超えるとＨRCを３２以下に留めることができなくなる。
【００１１】
次に、Ｃは材料の強度確保のために必須の元素である。その含有率が０．３５質量％未満では強度を十分に確保することができなくなり、０．５５質量％を超えると材料の被削性と靭性が損なわれることにつながる。
【００１２】
Ｓｉは脱酸剤として添加されるものであるが、強度向上効果も有する。ただし、その含有率が０．０１質量％未満では脱酸効果あるいは強度向上効果が少なく、１質量％を超えると靭性が損なわれることにつながる。
【００１３】
Ｍｎは材料の硬さと靭性向上に有効な元素である。しかし、含有率が０．５質量％未満では効果に乏しく、１．９質量％を超えると熱間圧延後の冷却時にベイナイトを生成しやすくなり、靭性が損なわれることにつながる。
【００１４】
Ｃｒは材料の硬さと靭性の向上に有効な元素である。しかし、含有量が０．０５質量％未満では効果に乏しく、１質量％を超えると熱間圧延時にベイナイト変態を起こしやすく、靭性が却って損なわれることにつながる。なお、特に自動車用ステアリングラックバーの構成素材として用いる場合は、ラックギア部の耐摩耗性確保及び耐疲労強度確保のため、Ｃｒの含有量を０．４質量％以上とすることが望ましい。他方、他部材との摺動がそれほど重荷重でなされない、トーションバー等の、その他の分野に適用する場合は、耐摩耗性がさほど要求されないこともあり、Ｃｒの含有量は０．４質量％未満とすることが望ましい。
【００１５】
Ａｌは脱酸剤として機能するほか、後述するＮと結合してＡｌＮを析出させるので、結晶粒粗大化ひいてはそれによる強度あるいは靭性低下を抑制する効果がある。ただし、含有率が０．００５質量％未満では効果に乏しく、０．０５質量％を超えて含有させても効果が飽和するほか、過度に多量の添加を行うと鋼材基質中の不要な介在物を増加させ、強度や靭性の低下につながる場合がある。また、Ｎは大気成分であるため、不可避的に材料に混入する側面もあるが、Ａｌとの共添加により上記のＡｌＮ析出による効果に寄与する。ただし、含有率が０．０００５質量％未満では効果に乏しく、０．０５質量％を超える含有率は効果が飽和する。
【００１６】
次に、材料に施される冷間加工履歴は、減面率５〜２５％の冷間引抜き加工、又はこれに相当する加工硬化をもたらす他の冷間加工とすることが望ましい。特に、ラックバーやシャフト類など、直線長尺形態の部品を製造する場合は、冷間引抜き加工を採用することが望ましい。冷間加工により材料が加工硬化すると耐力σ0.2は上昇する。他方、冷間加工を施した材料の引張強さσmの増加は、σ0.2の増加に比べ小さい。従って、材料に冷間加工履歴を施すことにより、耐力比を顕著に増加させることができる。本発明においては、上記の冷間加工を冷間引抜き加工にて行う場合、減面率（ＲＡ：Reduction of Area）が５％未満では、耐力比を０．７以上に確保することが困難である。他方、２５％を超える減面率で冷間引抜き加工を施しても耐力比増加効果が飽和し、靭性が却って低下する事態を招くこともありうる。
【００１７】
冷間加工により材料中には転位が導入され、加工による歪が増大すると転位密度も増加する。転位が高密度に形成されると自由な運動が阻害されやすくなり、加工硬化を生ずる直接の要因となる。そして、冷間加工によりもたらされる耐力の増分は、材料の転位密度の増分と密接な関係があると考えられる。蓄積された転位は、回復温度付近で一部再配列するとともに、侵入型原子％（Ｃ、Ｎ）等により固着される（例えば刃状転位におけるコットレル効果）。従って、一定条件にて歪時効温度付近で熱処理を行うと、加工によりもたらされた転位密度の増分に応じて耐力も増加する。従って、一定条件にて歪時効前後の耐力変化を測定することにより、冷間加工により材料にもたらされた加工硬化の程度を見積もることができる。本発明においては、前記冷間加工を施した状態の素材から切り出した試験片を用いて測定した０．２％耐力の値をσ0.2、同じく該試験片を４００℃にて０．５時間加熱を行った後に同様に測定した０．２％耐力の値をσ0.2’としたとき、σ0.2’／σ0.2が１．０以上となるように冷間加工が施されたものであることが望ましい。σ0.2’／σ0.2が１．０未満であると、材料の耐力比を０．７以上とすることが困難となる。
【００１８】
材料にもたらされた加工硬化の程度は、一定温度に加熱処理を行うとともに、その加熱の前後において材料の電気比抵抗を測定し、その電気比抵抗の変化量によっても見積もることができる。これは、転位が電子散乱の要因となるため、転位密度が高くなるほど電気比抵抗が増加することを利用するものである。ただし、格子振動によるバックグラウンド抵抗の影響を軽減するため、測定は極低温、たとえば液体窒素温度（７７Ｋ）にて行うことが望ましい。本発明においては、冷間加工を施した状態の素材から切り出した試験片を用い、直流四端子法にて液体窒素温度（７７Ｋ）にて測定した電気比抵抗値をρ（単位：μΩ・ｃｍ）、同じく該試験片を４００℃にて０．５時間加熱した後に同様に測定した電気比抵抗値をρ’（単位：μΩ・ｃｍ）としたとき、Δρ≡ρ−ρ’が０．００１〜０．５（単位：μΩ・ｃｍ）となるように、冷間加工が施されたものであることが望ましい。Δρが０．００１未満では材料の耐力比を０．７以上とすることが困難となり、Δρを０．５より大きくすることは、前記した加工硬化が飽和し、ロックウェルＣスケール硬さＨRC１８以上の維持が困難となる。
【００１９】
次に、本発明の高耐力非調質鋼には、快削性付与元素として、Ｓ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｃａ及びＭｇの１種又は２種以上を含有させることができる。このような快削性付与元素を含有させることにより、冷間加工後の素材に切削加工等の除去加工を施して最終製品とする場合に、その加工コストを大幅に削減することができる。例えば、ステアリングラックバーの場合、軸状の加工品を冷間引抜きにより製造した後、ラックギア部分を切削加工により刻設する加工を容易に行うことができる。また、ステアリングラックバーにおいては、油圧付与を行うための流体導入孔が、軸状素材の片側端面に開口する形態で軸線方向に形成されることが多いが、この流体導入孔を形成するための切削加工も、快削性付与元素の含有により容易に行うことができる。
【００２０】
上記の快削性付与元素は、Ｓ：０．３質量％以下、Ｐｂ：０．３質量％以下、Ｂｉ：０．２質量％以下、Ｔｅ：０．２質量％以下、Ｃａ：０．０１質量％以下、Ｍｇ：０．０２質量％以下の範囲で、合計で０．０１〜０．５質量％含有させることが望ましい。これらの合計含有量が０．０１質量％未満では快削性付与効果に乏しく、各元素のいずれかが上記の上限値を超えて含有されるか、又は、合計含有量が０．５質量％を超えると、材料の熱間加工性が悪化し、素材を分塊あるいは熱間圧延したりする際に割れ等を発生しやすくなる。
【００２１】
また、本発明の高耐力非調質鋼には、上記以外にも下記の添加元素の１種又は２種以上を含有させることができる。
（１）０．０５質量％以下のＴｉ、０．０５質量％以下のＮｂ、０．０５質量％以下のＶ及び０．０５質量％以下のＺｒ
いずれも炭化物あるいは窒化物形成元素であり、結晶粒微細化による靭性向上効果をもたらす。しかし、いずれの元素も高価であり、多量の含有はコストアップにつながるので、本発明においては、それぞれ上記のように上限を定める。また、結晶粒微細化効果を積極的に得ようとする場合は、少なくとも合計で０．１質量％程度は添加することが望ましい。
【００２２】
（２）０．５質量％以下のＣｕ及び０．５質量％以下のＮｉ
いずれも炭素当量Ｃeqの調整用として微量添加することができる。ただし、Ｃｕについては上限を超えての含有は熱間加工性の低下を引き起こすので、上記範囲内での添加にとどめるようにする。他方、Ｎｉは、多量の含有はコストアップにつながるので、本発明においては、上記のように上限を定める。
【００２３】
（３）０．１質量％以下のＭｏ
材料の硬さ向上に効果を有するが、多量の含有はコストアップにつながるので、本発明においては、上記のように上限を定める。
【００２４】
（４）０．００５質量％以下のＢ
粒界強度を向上させ、靭性向上に寄与する。ただし、過剰な添加は材料の高温強度の低下や、熱間加工性の劣化につながるので、本発明においては、上記のように上限を定める。また、粒界強度効果を積極的に得ようとする場合は、少なくとも０．００２０質量％程度は含有させることが望ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の高耐力非調質鋼により構成した自動車用ステアリングラックバーの一例を示すものである。該ステアリングラックバー１は、軸状に形成されるとともに、その一方の端部側において外周面に、軸長手方向に沿うラックギア部２が形成されている。そして、図２に示すように、軸外周面を含む表層部５と、それよりも内層に位置する本体部６とのうち、本体部６が少なくとも本発明の高耐力非調質鋼にて構成されている。なお、ステアリングラックバー１には、油圧付与を行うための流体導入孔３が、ラックギア部２が形成されているのと反対側の端面に開口する形態で軸線方向に形成されている。また、表層部５の少なくともラックギア部２を形成する部分は、表面硬さを高めて強度をより向上させるために、高周波焼入層とされている。本実施形態では、ラックギア部２以外の部分においても表層部５が高周波焼入部とされているが、この部分は高周波焼入部を施さない構成とすることもできる。本発明の高耐力非調質鋼を採用することにより、ステアリングラックバー１は耐久性、特に疲労耐久性に優れたものとすることができ、寿命あるいは信頼性を向上させることができる。
【００２６】
上記のステアリングラックバー１は、原料を溶解・鋳造後、分塊さらに熱間圧延を経て製造された素材を、通常のダイス引抜き法、あるいは線材コイルから引抜き→矯正→切断→研磨・矯正を連続して行うコンバインド法により軸状に加工する。材料の組成は、「課題を解決するための手段及び作用・効果の欄にて説明したものを用い、冷間引抜き加工は減面率を５〜２５％に設定して行う。その後、切削加工によりラックギア部２と流体導入孔３を形成し、必要に応じて表面に高周波焼入処理を施すことによりステアリングラックバー１が得られる。なお、材料組成中に快削性付与元素を前記した範囲内で含有させておくと、上記の切削加工を容易に行うことができ、切削工具の寿命も延ばすことができる。
【００２７】
【実施例】
本発明の効果を調べるために、以下の実験を行った。
（実施例１）
表２〜表４に示す組成が得られるように原料を配合し、電気炉で２５００ｋｇの鋼塊を溶製した後、分塊し、さらに熱間圧延により直径２８ｍｍの棒材を作製した。なお、材料中のＰの含有量は０．００５〜０．０２５質量％とした。また、Ｓの含有量は、表中に特に記載のあるものを除き、０．００３〜０．０２４質量％とした。さらに、Ｏの含有量は０．０００５〜０．００２０質量％とした。次に、これらの棒材に対し、コンバインド法による冷間引抜き加工を、最終減面率が表２〜４に示す種々の値となるように施して丸棒状の試験品を得た。
【００２８】
この試験品の外周面のロックウェルＣスケール硬さＨRCを、ＪＩＳ：Ｚ２２４５に規定された方法により測定した。また、試験品からはＪＩＳ：Ｚ２２０１に規定された４号試験片を、試験品長手方向に試験片長手方向が一致するように切り出し、ＪＩＳ：Ｚ２２４１に規定された引張試験を行うことにより、０．２％耐力σ0.2と引張強さσm、及び耐力比σ0.2／σmをそれぞれ求めた。他方、靭性の評価は、シャルピー衝撃試験により実施した。試験片は、試験品長手方向から切り出したＵノッチ試験片（ＪＩＳ：Ｚ２２０２記載  ノッチ下高さ８ｍｍ）とし、ＪＩＳ：Ｚ２２４２に規定された方法によりシャルピー衝撃試験を行って、衝撃値ＣＨを測定した。以上の結果を表３〜表５に示す。表中「＊」を付与したものは、本発明の範囲を逸脱した比較例である。
【００２９】
【表３】
0003779923.tif 000003
【００３０】
【表４】
0003779923.tif 000004
【００３１】
【表５】
0003779923.tif 000005
【００３２】
表３及び表４に示すように、本発明の範囲に属する試験品は、いずれも炭素当量Ｃeqが０．７〜１．１０の範囲内とされ、必須添加元素として、０．３５〜０．５５質量％のＣ、０．０１〜１質量％のＳｉ、０．５〜１．９質量％のＭｎ、０．０５〜１質量％のＣｒ、０．００５〜０．０５質量％のＡｌ及び０．０００５〜０．０５を質量％のＮを含有し、さらに、冷間引抜き加工の減面率を５〜２５％とすることにより、ロックウェルＣスケール硬さＨRCが１８〜３２を充足し、さらに耐力比が０．７以上確保されていることがわかる。
【００３３】
なお、炭素当量Ｃeqが０．７未満となる番号１の試験品（Ｃ量が不足）は硬さＨRCが不足し、１．１０を超える番号８の試験品（Ｃ量が過剰）は逆に硬さＨRCが過剰となっていることがわかる。また、Ｓｉが過剰となる番号２１の試験品は衝撃値ＣＨ（すなわち靭性）の低下が著しく、Ｍｎが過剰となる試験品２２は、硬さが過剰となっていることがわかる。
【００３４】
他方、表５は、表３の番号２，１３，１５の各組成を採用しつつ、冷間加工の減面率を種々に変化させて同様の評価を行った結果を示しているが、いずれも、５〜２０％の減面率にて冷間加工を施すことで、耐力比を０．７以上に確保することが可能であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高耐力非調質鋼を用いたステアリングラックバーの一例を示す平面図及び正面図。
【図２】図１のステアリングラックバーの、先端側及び後端側の横断面を拡大して示す図。
【図１】
0003779923.tif 000008
【図２】
0003779923.tif 000009