JP3733967B2 - Steel material with excellent fatigue characteristics and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、表面に高周波焼入れによる硬化層をそなえる、自動車ドライブシャフトおよび等速ジョイントなどに適用して好適な、疲労特性に優れた鋼材ならびにそれらの製造方法に関するものである。 The present invention is provided with a hardened layer by induction hardening on the surface, and applied to a motor vehicle drive shaft and a constant velocity joint suitable relates excellent steel and methods for their preparation in fatigue characteristics.
従来,自動車用ドライブシャフトや等速ジョイントなどの機械構造用部材は、熱間圧延棒鋼に、熱間鍛造、さらには切削、冷間鍛造などを施して所定の形状に加工したのち、高周波焼入れ−焼戻しを行うことにより、機械構造用部材としての重要な特性であるねじり疲労強度、曲げ疲労強度、転動疲労強度およびすべり転動疲労強度等の疲労強度を確保しているのが一般的である。
他方、近年、環境問題から自動車用部材に対する軽量化への要求が強く、この観点から自動車用部材の疲労強度の一層の向上が要求されている。
Conventionally, mechanical structural members such as automobile drive shafts and constant velocity joints are processed by hot forging, hot cutting, further cutting, cold forging, etc. into a predetermined shape and induction hardening. By tempering, it is common to ensure fatigue strength such as torsional fatigue strength, bending fatigue strength, rolling fatigue strength, and sliding rolling fatigue strength, which are important characteristics as a machine structural member. .
On the other hand, in recent years, there is a strong demand for weight reduction of automobile members due to environmental problems, and further improvement in fatigue strength of automobile members is required from this viewpoint.
上述したような疲労強度を向上させる手段としては、これまでにも種々の方法が提案されている。
例えば、ねじり疲労強度を向上させるためには、高周波焼入れによる焼入れ深さを増加させることが考えられる。しかしながら、焼入れ深さを増加してもある深さで疲労強度は飽和する。
また、ねじり疲労強度の向上には、粒界強度の向上も有効であり、この観点から、TiCを分散させることによって旧オーステナイト粒径を微細化する技術が提案されている(例えば特許文献1参照のこと)。
As means for improving the fatigue strength as described above, various methods have been proposed so far.
For example, in order to improve the torsional fatigue strength, it is conceivable to increase the quenching depth by induction quenching. However, even if the quenching depth is increased, the fatigue strength is saturated at a certain depth.
Further, improvement of the grain boundary strength is also effective for improving the torsional fatigue strength. From this viewpoint, a technique for refining the prior austenite grain size by dispersing TiC has been proposed (see, for example,
上記の特許文献1に記載された技術では、高周波焼入れ加熱時に微細なTiCを多量に分散させることで、旧オーステナイト粒径の微細化を図るものであるため、焼入れ前にTiCを溶体化しておく必要があり、熱間圧延工程で1100℃以上に加熱する工程を採用している。そのため、熱延時に加熱温度を高くする必要があり、生産性に劣るという問題があった。
また、上記の特許文献1に開示された技術をもってしても、近年のねじり疲労強度に対する要求には十分に応えられないところにも問題を残していた。
In the technique described in
Further, even with the technique disclosed in the above-mentioned
さらに、特許文献2には、硬化層深さCDと高周波焼入れ軸物部品の半径Rとの比(CD/R)を 0.3〜0.7 に制限した上で、このCD/Rと高周波焼入れ後の表面から1mmまでのオーステナイト結晶粒径γf、高周波焼入れままの(CD/R)=0.1 までの平均ビッカース硬さHfおよび高周波焼入れ後の軸中心部の平均ビッカース硬さHcで規定される値Aを、C量に応じて所定の範囲に制御することによってねじり疲労強度を向上させた機械構造用軸物部品が提案されている。
しかしながら、この部品では、焼入れ硬化層の全厚にわたる旧オーステナイト粒径に考慮が払われていないため、やはり近年のねじり疲労強度に対する要求には十分に応えることができなかった。
Further, in Patent Document 2, the ratio (CD / R) between the hardened layer depth CD and the radius R of the induction-hardened shaft component is limited to 0.3 to 0.7, and the CD / R and the surface after induction hardening are used. The value A defined by the austenite grain size γf up to 1 mm, the average Vickers hardness Hf up to (CD / R) = 0.1 as induction-quenched, and the average Vickers hardness Hc at the center of the shaft after induction hardening is expressed as C There has been proposed a shaft object part for a machine structure in which torsional fatigue strength is improved by controlling it within a predetermined range according to the amount.
However, in this component, since the prior austenite grain size over the entire thickness of the hardened hardened layer is not taken into consideration, it is still impossible to sufficiently meet the recent demand for torsional fatigue strength.
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、従来よりも疲労強度を一層向上させた鋼材を、その有利な製造方法と共に提案することを目的とする。 The present invention has been developed in view of the above situation, the than conventional fatigue strength is above further improvement steel, and an object thereof is to propose with its advantageous production method.
さて、発明者らは、前記したような疲労強度を効果的に向上させるべく、鋭意検討を行った。特に、かかる疲労強度の代表例としてねじり疲労強度に着目して、詳細な検討を行った。
その結果、以下に述べるように、鋼の化学組成、組織、焼入れ条件および焼入れ後の硬化層全厚にわたる旧オーステナイト粒径を最適化することにより、優れたねじり疲労強度が得られるとの知見を得た。
The inventors have intensively studied to effectively improve the fatigue strength as described above. In particular, a detailed study was conducted focusing on torsional fatigue strength as a representative example of such fatigue strength.
As a result, as described below, the knowledge that excellent torsional fatigue strength can be obtained by optimizing the chemical composition, structure, quenching conditions of steel, and the prior austenite grain size over the entire thickness of the hardened layer after quenching. Obtained.
(1) 適正な化学組成に調整した鋼に、焼入れを施し、焼入れ硬化層全厚にわたる旧オーステナイト粒径を12μm 以下とすることで、ねじり疲労強度が顕著に向上する。具体的には、化学組成に関しては、特にSiおよびMoを適正な範囲で添加することで、高周波焼入れ加熱時におけるオーステナイトの核生成サイト数が増加し、またオーステナイト粒の成長が抑制されることにより、焼入れ硬化層の粒径が効果的に微細化し、その結果ねじり疲労強度が顕著に向上する。特にSiを0.30mass%以上添加することにより、高周波焼入れ後に、硬化層全厚にわたり粒径:12μm 以下の硬化層が得られる。 (1) The torsional fatigue strength is remarkably improved by quenching the steel adjusted to an appropriate chemical composition and setting the prior austenite grain size over the entire thickness of the hardened hardened layer to 12 μm or less. Specifically, regarding the chemical composition, the addition of Si and Mo in an appropriate range increases the number of austenite nucleation sites during induction hardening and suppresses the growth of austenite grains. The grain size of the quenched and hardened layer is effectively refined, and as a result, the torsional fatigue strength is significantly improved. In particular, by adding 0.30 mass% or more of Si, a hardened layer having a particle size of 12 μm or less can be obtained over the entire thickness of the hardened layer after induction hardening.
(2) 母材の組織、すなわち焼入れ前の組織を、ベイナイト組織および/またはマルテンサイト組織が特定の分率で含有された組織にすると、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織がフェライト−パーライト組織に比べて炭化物が微細に分散した組織であるため、焼入れ加熱時にオーステナイトの核生成サイトであるフェライト/炭化物の界面の面積が増えて、生成したオーステナイトが微細化する。その結果、焼入れ硬化層の粒径が微細となり、これにより粒界強度が向上し、ねじり疲労強度が増加する。 (2) When the structure of the base material, that is, the structure before quenching, is a structure in which the bainite structure and / or the martensite structure is contained in a specific fraction, the bainite structure or the martensite structure is compared with the ferrite-pearlite structure. Since the carbide is a finely dispersed structure, the area of the ferrite / carbide interface, which is the nucleation site of austenite, increases during quenching heating, and the generated austenite becomes finer. As a result, the grain size of the quenched and hardened layer becomes fine, thereby improving the grain boundary strength and increasing the torsional fatigue strength.
(3) 上記したように、化学組成および組織を調整した鋼材を使用し、高周波焼入れ条件(加熱温度、時間、焼入れ回数)を適正に制御することで、硬化層粒径が顕著に微細化し、粒界強度が向上する。具体的には、加熱温度:800 〜1000℃、より好ましくは 800〜950℃で、加熱時間:5秒以下とすることにより、硬化層全厚にわたり粒径:12μm 以下の微細粒を安定して得ることができる。特に、Mo添加鋼に対して、加熱温度:800 〜1000℃、より好ましくは 800〜950 ℃に制御して高周波焼入れを行うことにより、一層微細な硬化層粒径が得られる。さらに、上記条件での焼入れ処理を2回以上繰り返すことにより、1回の焼入れに比べてさらに微細な硬化層粒径が得られる。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
(3) As described above, using hardened steel with a chemical composition and structure, and appropriately controlling induction hardening conditions (heating temperature, time, number of times of quenching), the hardened layer particle size is remarkably reduced, Grain boundary strength is improved. Specifically, by heating temperature: 800-1000 ° C., more preferably 800-950 ° C. and heating time: 5 seconds or less, fine particles having a particle size of 12 μm or less can be stabilized over the entire thickness of the cured layer. Obtainable. In particular, by subjecting the Mo-added steel to induction quenching by controlling the heating temperature: 800 to 1000 ° C., more preferably 800 to 950 ° C., a finer hardened layer particle size can be obtained. Furthermore, by repeating the quenching process under the above conditions twice or more, a finer hardened layer particle size can be obtained as compared with one quenching.
The present invention is based on the above findings.
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
1.C:0.35〜0.7 mass%、
Si:0.30〜1.1 mass%、
Mn:0.2 〜2.0 mass%、
Al:0.25mass%以下、
Ti:0.005 〜0.1 mass%、
Mo:0.05〜0.6 mass%、
B:0.0003〜0.006 mass%、
S:0.06mass%以下、
P:0.02mass%以下および
Cr:0.2 mass%以下
を、Ti(mass%)/N(mass%)≧3.42の下に含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、母材組織が、ベイナイト組織および/またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率が10%以上であり、さらに高周波焼入れ後の硬化層の旧オーステナイト粒径が硬化層全厚にわたり12μm 以下であることを特徴とする、疲労特性に優れた鋼材。
That is, the gist configuration of the present invention is as follows.
1. C: 0.35-0.7 mass%
Si: 0.30 to 1.1 mass%,
Mn: 0.2-2.0 mass%
Al: 0.25 mass% or less,
Ti: 0.005 to 0.1 mass%,
Mo: 0.05-0.6 mass%,
B: 0.0003 to 0.006 mass%,
S: 0.06 mass% or less,
P: 0.02 mass% or less and
Cr: 0.2 mass% or less is contained under Ti (mass%) / N (mass%) ≧ 3.42 , the balance is composed of Fe and inevitable impurities, and the base material structure is bainite structure and / or martense. It has a site structure, the total structure fraction of these bainite structure and martensite structure is 10% or more, and the prior austenite grain size of the hardened layer after induction hardening is 12 μm or less over the entire thickness of the hardened layer. A steel material with excellent fatigue characteristics.
2.上記1において、高周波焼入れ後の硬化層厚みが2mm以上であることを特徴とする、疲労特性に優れた鋼材。 2. In the above 1, wherein the hardened layer thickness after induction hardening is 2mm or more, excellent steel fatigue properties.
3.上記1または2において、前記鋼材が、さらに
Cu:1.0 mass%以下、
Ni:3.5 mass%以下、
Co:1.0 mass%以下、
Nb:0.1 mass%以下および
V:0.5 mass%以下
のうちから選んだ1種または2種以上を含有する組成になることを特徴とする、疲労特性に優れた鋼材。
3. In the above 1 or 2 , the steel material further includes
Cu: 1.0 mass% or less,
Ni: 3.5 mass% or less,
Co: 1.0 mass% or less,
A steel material excellent in fatigue characteristics, characterized by having a composition containing one or more selected from Nb: 0.1 mass% or less and V: 0.5 mass% or less.
4.C:0.35〜0.7 mass%、
Si:0.30〜1.1 mass%、
Mn:0.2 〜2.0 mass%、
Al:0.25mass%以下、
Ti:0.005 〜0.1 mass%、
Mo:0.05〜0.6 mass%、
B:0.0003〜0.006 mass%、
S:0.06mass%以下、
P:0.02mass%以下および
Cr:0.2 mass%以下
を、Ti(mass%)/N(mass%)≧3.42の下に含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になる鋼素材を、熱間加工し、その後0.2 ℃/s以上の速度で冷却したのち、焼入れ時の加熱温度:800 〜1000℃の条件下で高周波焼入れを行うことを特徴とする、疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
4). C: 0.35-0.7 mass%
Si: 0.30 to 1.1 mass%,
Mn: 0.2-2.0 mass%
Al: 0.25 mass% or less,
Ti: 0.005 to 0.1 mass%,
Mo: 0.05-0.6 mass%,
B: 0.0003 to 0.006 mass%,
S: 0.06 mass% or less,
P: 0.02 mass% or less and
Cr: 0.2 mass% or less is contained under Ti (mass%) / N (mass%) ≧ 3.42, and the remainder is hot-worked with a steel material having a composition of Fe and inevitable impurities, and then 0.2 ° C. A method for producing a steel material with excellent fatigue characteristics, characterized by performing induction hardening under conditions of a heating temperature of 800 to 1000 ° C. after cooling at a rate of at least / s.
5.上記4において、前記鋼素材が、さらに
Cu:1.0 mass%以下、
Ni:3.5 mass%以下、
Co:1.0 mass%以下、
Nb:0.1 mass%以下および
V:0.5 mass%以下
のうちから選んだ1種または2種以上を含有する組成になることを特徴とする、疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
5. In the above 4 , the steel material is further
Cu: 1.0 mass% or less,
Ni: 3.5 mass% or less,
Co: 1.0 mass% or less,
A method for producing a steel material having excellent fatigue characteristics, characterized in that the composition contains one or more selected from Nb: 0.1 mass% or less and V: 0.5 mass% or less.
6.上記4または5において、前記冷却後に、高周波焼入れを複数回繰り返し、最終の高周波焼入れ時の加熱温度を 800〜1000℃とすることを特徴とする、疲労特性に優れた鋼材の製造方法。 6. The method for producing a steel material having excellent fatigue characteristics according to 4 or 5 , wherein after the cooling, induction hardening is repeated a plurality of times, and a heating temperature at the final induction hardening is set to 800 to 1000 ° C.
7.上記6において、前記複数回の高周波焼入れの全てについて、高周波焼入れ時の加熱温度を 800〜1000℃とすることを特徴とする、疲労特性に優れた鋼材の製造方法。 7. The method for producing a steel material having excellent fatigue characteristics according to 6, wherein a heating temperature at the time of induction hardening is set to 800 to 1000 ° C. for all of the plurality of induction hardenings.
8.上記4〜7のいずれかにおいて、前記加熱温度範囲での加熱時間を、1回の高周波焼入れ当たり5秒以下とすることを特徴とする、疲労特性に優れた鋼材の製造方法。 8. The method for producing a steel material having excellent fatigue characteristics according to any one of 4 to 7 , wherein the heating time in the heating temperature range is 5 seconds or less per induction hardening.
9.上記4〜8のいずれかにおいて、高周波焼入れによる鋼材表面の硬化層厚みが2mm以上であることを特徴とする、疲労特性に優れた鋼材の製造方法。 9. The method for producing a steel material excellent in fatigue characteristics according to any one of the above 4 to 8 , wherein the thickness of the hardened layer on the steel material surface by induction hardening is 2 mm or more.
本発明によれば、ねじり疲労特性をはじめとして、曲げ疲労特性、転動疲労特性およびすべり転動疲労特性等の全ての疲労特性に優れた鋼材を安定して得ることができ、その結果、自動車用部材の軽量化等の要求に対し偉功を奏する。 According to the present invention, it is possible to stably obtain a steel material excellent in all fatigue characteristics such as bending fatigue characteristics, rolling fatigue characteristics, and sliding rolling fatigue characteristics as well as torsional fatigue characteristics. This is a great achievement for the demand for lighter parts.
以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明において、鋼材および鋼素材の成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。
C:0.35〜0.7 mass%
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0.35mass%に満たないと必要とされる疲労強度を確保するためには焼入れ硬化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、0.35mass%以上を添加する。一方、0.7 mass%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き割れ性も低下する。このためCは、0.35〜0.7 mass%の範囲に限定した。好ましくは 0.4〜0.6 mass%の範囲である。
The present invention will be specifically described below.
First, the reason why the steel material and the component composition of the steel material are limited to the above range in the present invention will be described.
C: 0.35-0.7 mass%
C is an element having the greatest influence on the hardenability, and contributes to the improvement of fatigue strength by increasing the hardness and depth of the hardened hardened layer. However, in order to secure the required fatigue strength when the content is less than 0.35 mass%, the quench hardening depth must be dramatically increased, and the occurrence of quenching cracks becomes remarkable at that time, and the bainite structure Therefore, 0.35 mass% or more is added. On the other hand, when the content exceeds 0.7 mass%, the grain boundary strength is lowered, and accordingly, the fatigue strength is lowered, and the machinability, cold forgeability and fire cracking resistance are also lowered. For this reason, C was limited to the range of 0.35 to 0.7 mass%. Preferably it is the range of 0.4-0.6 mass%.
Si:0.30〜1.1 mass%
Siは、焼入れ加熱時にオーステナイトの核生成サイト数を増加させると共に、オーステナイトの粒成長を抑制し、焼入れ硬化層の粒径を微細化する作用を有する。また、炭化物生成を抑制し、炭化物による粒界強度の低下を抑制する。さらに、ベイナイト組織の生成にも有用な元素であり、これらのことにより疲労強度を向上させる。
このように、Siは、本発明において非常に重要な元素であり、0.30mass%以上の含有を必須とする。というのは、Si量が0.30mass%に満たないと、製造条件および焼入れ条件をいかように調整しても硬化層全厚にわたって旧オーステナイト粒径が12μm 以下の微細粒とすることができないからである。しかしながら、Si量が 1.1mass%を超えると、フェライトの固溶硬化により硬さが上昇し、切削性および冷間鍛造性の低下を招く。従って、Siは、0.30〜1.1 mass%の範囲に限定した。好ましくは0.40〜1.0 mass%の範囲である。
Si: 0.30 to 1.1 mass%
Si has the effect of increasing the number of nucleation sites of austenite during quenching heating, suppressing the grain growth of austenite, and reducing the grain size of the quenched hardened layer. Moreover, carbide | carbonized_material production | generation is suppressed and the fall of the grain boundary strength by carbide | carbonized_material is suppressed. Furthermore, it is an element useful for the formation of a bainite structure, and these improve the fatigue strength.
Thus, Si is a very important element in the present invention, and it is essential to contain 0.30 mass% or more. This is because if the Si content is less than 0.30 mass%, it is impossible to obtain fine grains with a prior austenite grain size of 12 μm or less over the entire thickness of the hardened layer, no matter how the manufacturing conditions and quenching conditions are adjusted. is there. However, if the Si content exceeds 1.1 mass%, the hardness increases due to the solid solution hardening of ferrite, leading to a decrease in machinability and cold forgeability. Therefore, Si was limited to the range of 0.30 to 1.1 mass%. Preferably it is the range of 0.40-1.0 mass%.
Mn:0.2 〜2.0 mass%
Mnは、焼入れ性を向上させ、焼入れ時の硬化深さを確保する上で不可欠の成分であるため、積極的に添加するが、含有量が 0.2mass%未満ではその添加効果に乏しいので、0.2mass%以上とした。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%以下とした。なお、Mnは含有量が多いと、母材の硬質化を招き、被削性に不利となるきらいがあるので、1.2 mass%以下とするのが好適である。さらに好ましくは 1.0mass%以下である。
Mn: 0.2 to 2.0 mass%
Mn is an essential component for improving the hardenability and ensuring the hardening depth during quenching, so it is actively added, but if the content is less than 0.2 mass%, the effect of addition is poor, so 0.2% More than mass%. Preferably it is 0.3 mass% or more. On the other hand, when the amount of Mn exceeds 2.0 mass%, the retained austenite after quenching increases, and on the contrary, the surface hardness decreases, and consequently the fatigue strength decreases. Therefore, Mn is set to 2.0 mass% or less. It should be noted that if the Mn content is large, the base material is hardened, which may be disadvantageous in machinability. Therefore, the content is preferably 1.2 mass% or less. More preferably, it is 1.0 mass% or less.
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り、好ましくは0.005mass%以上で添加する。一方、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%以下の範囲に限定した。好ましくは0.10mass%以下の範囲である。
Al: 0.25 mass% or less
Al is an element effective for deoxidation. Moreover, it is an element useful also for refinement | miniaturizing the particle size of a hardening hardening layer by suppressing the austenite grain growth at the time of quenching heating , Preferably it adds at 0.005 mass% or more. On the other hand, even if it contains more than 0.25 mass%, the effect is saturated, and disadvantages that cause an increase in the component cost occur. Therefore, Al is limited to the range of 0.25 mass% or less . Preferably it is the range of 0.10 mass% or less .
Ti:0.005 〜0.1 mass%
Tiは、不可避的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、少なくとも 0.005mass%の含有を必要とするが、0.1 mass%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ので、Tiは 0.005〜0.1 mass%の範囲に限定した。好ましくは0.01〜0.07mass%の範囲である。さらに、Nを確実に固定して、Bによる焼入れ性向上により、ベイナイトとマルテンサイト組織を得る観点から、Ti(mass%)/N(mass%)≧3.42を満足させることが必要である。
Ti: 0.005 to 0.1 mass%
Ti combines with N mixed as an unavoidable impurity to prevent B from becoming BN and the effect of improving the hardenability of B to disappear, and has the effect of sufficiently exerting the effect of improving the hardenability of B. . In order to obtain this effect, the content of at least 0.005 mass% is required. However, if the content exceeds 0.1 mass%, a large amount of TiN is formed. Ti is limited to the range of 0.005 to 0.1 mass% because it causes a significant decrease. Preferably it is the range of 0.01-0.07 mass%. Furthermore, it is necessary to satisfy Ti (mass%) / N (mass%) ≧ 3.42 from the viewpoint of securing N securely and improving hardenability by B to obtain a bainite and martensite structure.
Mo:0.05〜0.6 mass%
Moは、ベイナイト組織の生成を促進することにより、焼入れ加熱時のオーステナイト粒径を微細化し、焼入れ硬化層の粒径を細粒化する作用がある。また、焼入れ加熱時におけるオーステナイトの粒成長を抑制することにより、焼入れ硬化層の粒径を微細化する作用がある。特にこの効果は、高周波焼入れ時の加熱温度を 800〜1000℃より好ましくは 800〜950 ℃とすることにより、一層顕著となる。さらに、焼入れ性の向上に有用な元素であるため、焼入れ性を調整するために用いられる。加えて、Moは、炭化物の生成を抑制し、炭化物による粒界強度の低下を有効に阻止する元素でもある。
このように、Moは、本発明において非常に重要な元素であり、含有量が0.05mass%に満たないと、製造条件や焼入れ条件をいかように調整しても硬化層全厚にわたって旧オーステナイト粒径が12μm 以下の微細粒とすることができない。しかしながら、 0.6mass%を超えて含有させると、圧延材の硬さが著しく上昇し、加工性の低下を招く。従って、Moは0.05〜0.6 mass%の範囲に限定した。好ましくは 0.1〜0.6 mass%の範囲である。さらに好ましくは 0.3〜0.4 mass%の範囲である。
Mo: 0.05-0.6 mass%
Mo promotes the formation of a bainite structure, thereby minimizing the austenite grain size during quenching and heating and reducing the grain size of the quenched hardened layer. Moreover, it has the effect | action which refines | miniaturizes the particle size of a hardening hardening layer by suppressing the grain growth of austenite at the time of quenching heating. In particular, this effect becomes more prominent by setting the heating temperature during induction hardening to 800 to 1000 ° C, more preferably 800 to 950 ° C. Furthermore, since it is an element useful for improving hardenability, it is used for adjusting hardenability. In addition, Mo is an element that suppresses the formation of carbides and effectively prevents a decrease in grain boundary strength due to carbides.
Thus, Mo is a very important element in the present invention, and if the content is less than 0.05 mass%, the prior austenite grains over the entire thickness of the hardened layer no matter how the manufacturing conditions and quenching conditions are adjusted. Fine particles having a diameter of 12 μm or less cannot be obtained. However, if the content exceeds 0.6 mass%, the hardness of the rolled material is remarkably increased, and the workability is reduced. Therefore, Mo is limited to the range of 0.05 to 0.6 mass%. Preferably it is the range of 0.1-0.6 mass%. More preferably, it is in the range of 0.3 to 0.4 mass%.
B:0.0003〜0.006 mass%
Bは、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織の生成を促進する効果を有する。またBは、微量の添加によって焼入れ性を向上させ、焼入れ時の焼入れ深さを高めることによりねじり強度を向上させる効果もある。さらにBは、粒界に優先的に偏析して、粒界に偏析するPの濃度を低減し、粒界強度を向上させ、もって疲労強度を向上させる作用もある。
このため、本発明では、Bを積極的に添加するが、含有量が0.0003mass%に満たないとその添加効果に乏しく、一方 0.006mass%を超えて含有させるとその効果は飽和し、むしろ成分コストの上昇を招くため、Bは0.0003〜0.006 mass%の範囲に限定した。好ましくは0.0005〜0.004 mass%の範囲である。さらに好ましくは0.0015〜0.003 mass%の範囲である。
B: 0.0003 to 0.006 mass%
B has an effect of promoting the formation of a bainite structure or a martensite structure. B also has the effect of improving the torsional strength by improving the hardenability by adding a small amount and increasing the quenching depth during quenching. Further, B preferentially segregates at the grain boundary, reduces the concentration of P segregating at the grain boundary, improves the grain boundary strength, and thus has the effect of improving fatigue strength.
For this reason, in the present invention, B is positively added, but if the content is less than 0.0003 mass%, the effect of addition is poor. On the other hand, if the content exceeds 0.006 mass%, the effect is saturated, rather the component In order to raise the cost, B is limited to the range of 0.0003 to 0.006 mass%. Preferably it is the range of 0.0005-0.004 mass%. More preferably, it is the range of 0.0015-0.003 mass%.
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。
S: 0.06 mass% or less S is a useful element that forms MnS in steel and improves the machinability. However, when it exceeds 0.06 mass%, it segregates at the grain boundary and lowers the grain boundary strength. , S was limited to 0.06 mass% or less. Preferably it is 0.04 mass% or less.
P:0.020 mass%以下
Pは、オーステナイトの粒界に偏析し、粒界強度を低下させることにより、疲労強度を低下させる。また、焼割れを助長する弊害もある。従って、Pの含有は極力低減することが望ましいが、0.020 mass%までは許容される。
P: 0.020 mass% or less P segregates at the austenite grain boundaries and lowers the grain boundary strength, thereby reducing the fatigue strength. In addition, there is a harmful effect that promotes burning cracks. Therefore, it is desirable to reduce the P content as much as possible, but it is allowed up to 0.020 mass%.
Cr:0.2 mass%以下
Crは、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、0.2 mass%までは許容できる。好ましくは0.05mass%以下である。
Cr: 0.2 mass% or less
Cr stabilizes carbides and promotes the formation of residual carbides, lowers the grain boundary strength, and degrades fatigue strength. Therefore, it is desirable to reduce the Cr content as much as possible, but up to 0.2 mass% is acceptable. Preferably it is 0.05 mass% or less.
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、以下に述べる元素を適宜含有させることができる。
Cu:1.0 mass%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1.0 mass%を超えると熱間加工時に割れが発生するため、1.0 mass%以下の添加とする。なお好ましくは0.5 mass%以下である。
The basic components have been described above. However, in the present invention, other elements described below can be appropriately contained.
Cu: 1.0 mass% or less
Cu is effective in improving the hardenability, and also dissolves in ferrite, and this solid solution strengthening improves fatigue strength. Furthermore, by suppressing the formation of carbides, a decrease in grain boundary strength due to carbides is suppressed, and fatigue strength is improved. However, if the content exceeds 1.0 mass%, cracks occur during hot working, so 1.0 mass% or less is added. In addition, Preferably it is 0.5 mass% or less.
Ni:3.5 mass%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、3.5 mass%を超えて添加すると鋼材のコストが上昇するので、3.5 mass%以下の添加とする。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。好ましくは 0.1〜1.0 mass%である。
Ni: 3.5 mass% or less
Since Ni is an element that improves hardenability, Ni is used when adjusting hardenability. Moreover, it is an element which suppresses the production | generation of a carbide | carbonized_material and suppresses the fall of the grain boundary strength by a carbide | carbonized_material, and improves fatigue strength. However, Ni is an extremely expensive element, and adding more than 3.5 mass% increases the cost of the steel material. In addition, since the effect of improving hardenability and the effect of suppressing the decrease in grain boundary strength are small when added at less than 0.05 mass%, it is desirable to add 0.05 mass% or more. Preferably it is 0.1-1.0 mass%.
Co:1.0 mass%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、強度および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、1.0 mass%を超えて添加すると鋼材のコストが上昇するので、1.0 mass%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0.02〜0.5 mass%である。
Co: 1.0 mass% or less
Co is an element that suppresses the formation of carbides, suppresses the decrease in grain boundary strength due to carbides, and improves the strength and fatigue strength. However, Co is an extremely expensive element, and if added in excess of 1.0 mass%, the cost of the steel material increases, so 1.0 mass% or less should be added. In addition, since addition of less than 0.01 mass% has a small effect of suppressing the decrease in grain boundary strength, it is desirable to add 0.01 mass% or more. Preferably it is 0.02-0.5 mass%.
Nb:0.1 mass%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、0.1 mass%を超えて含有させてもその効果は飽和するので、0.1 mass%を上限とする。なお、0.005 %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、0.005 mass%以上添加することが望ましい。好ましくは0.01〜0.05mass%である。
Nb: 0.1 mass% or less
Nb not only has an effect of improving hardenability, but also combines with C and N in steel and acts as a precipitation strengthening element. It is also an element that improves tempering and softening resistance, and these effects improve fatigue strength. However, since the effect is saturated even if it contains exceeding 0.1 mass%, 0.1 mass% is made an upper limit. In addition, if less than 0.005% is added, the effect of improving precipitation strengthening and tempering softening resistance is small, so it is desirable to add 0.005 mass% or more. Preferably it is 0.01-0.05 mass%.
V:0.5 mass%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もあり、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、0.5 mass%を超えて含有させてもその効果は飽和するので、0.5 mass%以下とする。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。好ましくは0.03〜0.3 mass%である。
V: 0.5 mass% or less V combines with C and N in steel and acts as a precipitation strengthening element. It is also an element that improves tempering and softening resistance, and these effects improve fatigue strength. However, since the effect is saturated even if it contains exceeding 0.5 mass%, it shall be 0.5 mass% or less. In addition, since the improvement effect of fatigue strength is small when added less than 0.01 mass%, it is desirable to add 0.01 mass% or more. Preferably it is 0.03-0.3 mass%.
以上、好適成分組成範囲について説明したが、本発明では、成分組成を上記の範囲に限定するだけでは不十分で、母材組織の調整も重要である。
すなわち、本発明においては、母材の組織、すなわち焼入れ前の組織(高周波焼入れ後の硬化層以外の組織に相当)が、ベイナイト組織および/またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率を体積分率( vol%)で10%以上とする必要がある。この理由は、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織は、フェライト−パーライト組織に比べて炭化物が微細に分散した組織であるため、焼入れ加熱時にオーステナイトの核生成サイトである、フェライト/炭化物界面の面積が増加し、生成したオーステナイトが微細化するため、焼入れ硬化層の粒径を微細化するのに有効に寄与するからである。そして、焼入れ硬化層の粒径の微細化により、粒界強度が上昇し、疲労強度が向上する。
ここに、ベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率は20 vol%以上とすることがより好ましい。
また、ベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率の上限は90 vol%程度とするのが好適である。というのは、これらの合計の組織分率が90vol %を超えると焼入れによる硬化層の旧オーステナイト粒の微細化効果が飽和するだけでなく、被削性が急激に劣化するからである。
The preferred component composition range has been described above, but in the present invention, it is not sufficient to limit the component composition to the above range, and adjustment of the matrix structure is also important.
That is, in the present invention, the structure of the base material, that is, the structure before quenching (corresponding to the structure other than the hardened layer after induction hardening) has a bainite structure and / or a martensite structure, and these bainite structure and martensite structure. The total tissue fraction of the site organization must be 10% or more in terms of volume fraction (vol%). The reason for this is that the bainite structure or martensite structure is a structure in which carbides are finely dispersed compared to the ferrite-pearlite structure, so the area of the ferrite / carbide interface, which is an austenite nucleation site, is increased during quenching heating. This is because the generated austenite is refined, and thus contributes effectively to refine the grain size of the quenched and hardened layer. And the grain boundary intensity | strength rises and fatigue strength improves by refinement | miniaturization of the particle size of a hardening hardening layer.
Here, the total structure fraction of the bainite structure and the martensite structure is more preferably 20 vol% or more.
The upper limit of the total structure fraction of the bainite structure and the martensite structure is preferably about 90 vol%. This is because when the total structural fraction exceeds 90 vol%, not only the refinement effect of the prior austenite grains of the hardened layer by quenching is saturated, but also machinability deteriorates rapidly.
なお、焼入れ後の硬化層の粒径の微細化に関しては、マルテンサイト組織もベイナイト組織と同程度の効果を有するが、工業的な観点からは、マルテンサイト組織に比べてベイナイト組織の方がより合金元素の添加量が少なくて済み、また被削性の点でも有利であり、さらに低冷却速度で生成させることが可能であるため、製造上有利である。 In addition, regarding the refinement of the grain size of the hardened layer after quenching, the martensite structure has the same effect as the bainite structure, but from an industrial viewpoint, the bainite structure is more preferable than the martensite structure. The addition amount of the alloy element is small, it is advantageous in terms of machinability, and it can be generated at a low cooling rate, which is advantageous in production.
図1に、鋼中のベイナイト組織分率およびマルテンサイト組織分率が被削性および高強度化に及ぼす影響について調べた結果を示す。
同図に示したとおり、ベイナイト組織とマルテンサイト組織は、微細化による高強度化の面ではほぼ同等であったが、被削性(硬さ)の面ではベイナイト組織の方が優れていた。特にベイナイト組織分率が25〜85%の範囲では、高強度化と被削性の両者をバランス良く得ることができた。特に好ましいベイナイト組織分率は30〜70%の範囲である。
FIG. 1 shows the results of examining the influence of the bainite and martensite structure fractions in steel on the machinability and the strengthening.
As shown in the figure, the bainite structure and the martensite structure were almost the same in terms of increasing the strength by miniaturization, but the bainite structure was superior in terms of machinability (hardness). In particular, when the bainite structure fraction was in the range of 25 to 85%, both high strength and machinability could be obtained with a good balance. A particularly preferred bainite structure fraction is in the range of 30 to 70%.
なお、ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織以外の残部組織は、フェライト、パーライト等いずれでもよく、特に規定しない。 The remaining structure other than the bainite structure or the martensite structure may be ferrite, pearlite, or the like, and is not particularly defined.
また、本発明では、高周波焼入れ後の硬化層の旧オーステナイト粒径の調整も重要である。すなわち、高周波焼入れ後の硬化層に関し、その全厚にわたって旧オーステナイト粒径を12μm 以下とする必要がある。というのは、焼入れ硬化層の全厚にわたる粒径が12μm を超えると、十分な粒界強度が得られず、満足いくほどの疲労強度の向上が望めないからである。なお、好ましくは10μm 以下、さらに好ましくは5μm 以下である。 In the present invention, it is also important to adjust the prior austenite particle size of the hardened layer after induction hardening. That is, regarding the hardened layer after induction hardening, the prior austenite grain size needs to be 12 μm or less over the entire thickness. This is because if the grain size over the entire thickness of the quenched and hardened layer exceeds 12 μm, sufficient grain boundary strength cannot be obtained, and satisfactory improvement in fatigue strength cannot be expected. The thickness is preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less.
ここに、焼入れ硬化層の全厚にわたる旧オーステナイト粒径の測定は、次のようにして行う。
高周波焼入れ後の本発明の鋼材では、高周波焼入れした部分の鋼材最表層は面積率で 100%のマルテンサイト組織を有する。そして、表面から内部にいくに従い、ある深さまでは 100%マルテンサイト組織の領域が続くが、ある深さから急激にマルテンサイト組織の面積率が減少する。
本発明では、高周波焼入れした部分について、鋼材表面から、マルテンサイト組織の面積率が98%に減少するまでの深さ領域を硬化層と定義する。
そして、この硬化層について、表面から硬化層厚の 1/5位置、1/2 位置および4/5 位置それぞれの位置における平均旧オーステナイト粒径を測定し、いずれの平均旧オーステナイト粒径も12μm 以下である場合に、焼入れ硬化層の全厚にわたる旧オーステナイト粒径が12μm 以下であるとする。
なお、平均旧オーステナイト粒径の測定は、光学顕微鏡により、400 倍(1視野の面積:0.25mm×0.225 mm)から1000倍(1視野の面積:0.10mm×0.09mm)で、各位置毎に5視野観察し、画像解析装置により平均粒径を測定することにより行う。
Here, the measurement of the prior austenite grain size over the entire thickness of the hardened hardened layer is performed as follows.
In the steel material of the present invention after induction hardening, the outermost steel layer of the induction-hardened portion has a martensite structure with an area ratio of 100%. And as it goes from the surface to the inside, the area of 100% martensite structure continues at a certain depth, but the area ratio of the martensite structure decreases rapidly from a certain depth.
In the present invention, for the induction-quenched portion, the depth region from the steel material surface until the area ratio of the martensite structure is reduced to 98% is defined as a hardened layer.
For this hardened layer, the average prior austenite grain size was measured from the surface at each of the 1/5 position, 1/2 position and 4/5 position of the hardened layer thickness. In this case, it is assumed that the prior austenite grain size over the entire thickness of the quenched and hardened layer is 12 μm or less.
The average prior austenite grain size is measured 400 times (1 field area: 0.25 mm x 0.225 mm) to 1000 times (1 field area: 0.10 mm x 0.09 mm) at each position using an optical microscope. This is done by observing 5 fields of view and measuring the average particle size with an image analyzer.
さらに、本発明において、高周波焼入れによる硬化層厚みは2mm以上とすることが好適である。というのは、所望特性が転動疲労寿命のような極表層付近の組織のみに依存するような場合には、硬化層厚みが1mm程度でもそれなりの効果は得られるが、本発明のように疲労強度を問題とする場合には、硬化層厚みは厚いほど好ましいからである。従って、より好ましい硬化層厚みは 2.5mm以上、さらに好ましくは3mm以上である。 Furthermore, in the present invention, the thickness of the hardened layer by induction hardening is preferably 2 mm or more. This is because when the desired properties depend only on the structure near the extreme surface layer such as the rolling fatigue life, even if the thickness of the hardened layer is about 1 mm, a certain effect can be obtained. This is because when the strength is a problem, the hardened layer thickness is preferably as thick as possible. Therefore, a more preferable cured layer thickness is 2.5 mm or more, and more preferably 3 mm or more.
次に、本発明の製造条件について説明する。
所定の成分組成に調整した鋼材を、棒鋼圧延または熱間鍛造後、必要に応じて冷間圧延、冷間鍛造または切削加工を施したのち、高周波焼入れを施して、製品とする。
本発明では、母材組織を、上述したベイナイト組織および/またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率が10 vol%以上の組織とするために、高周波焼入れを施す前の素材鋼材については、圧延・鍛造等の熱間加工により所定の形状に加工したのち、0.2 ℃/s以上の速度で冷却する必要がある。というのは、冷却速度が0.2 ℃/s未満の場合には、ベイナイトあるいはマルテンサイト組織が得られ難くなり、これら組織の合計の組織分率が10 vol%に達しない場合が生じるからである。熱間加工後の冷却速度の好適範囲は 0.3〜30℃/sである。
なお、熱間加工は 900℃超〜1150℃の温度範囲で行うことが好ましい。900 ℃以下では、必要なベイナイト組織および/またはマルテンサイト組織が得られず、一方1150℃超では加熱コストが大きくなるため、経済的に不利となるからである。
Next, the manufacturing conditions of the present invention will be described.
The steel material adjusted to a predetermined component composition is subjected to induction hardening and then subjected to induction hardening after being subjected to cold rolling, cold forging or cutting as necessary after steel bar rolling or hot forging.
In the present invention, the base material structure has the above-described bainite structure and / or martensite structure, and the total structure fraction of these bainite structure and martensite structure is 10 vol% or more. The material steel before quenching needs to be cooled at a rate of 0.2 ° C / s or higher after being processed into a predetermined shape by hot working such as rolling and forging. This is because when the cooling rate is less than 0.2 ° C./s, it becomes difficult to obtain a bainite or martensite structure, and the total structure fraction of these structures may not reach 10 vol%. The preferable range of the cooling rate after hot working is 0.3 to 30 ° C./s.
The hot working is preferably performed in a temperature range of more than 900 ° C. to 1150 ° C. If the temperature is 900 ° C. or lower, the necessary bainite structure and / or martensite structure cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds 1150 ° C., the heating cost increases, which is economically disadvantageous.
次に、本発明では、上述した硬化層を得るために高周波焼入れを施すが、この高周波焼入れ時の加熱温度範囲は 800〜1000℃とする必要がある。というのは、加熱温度が 800℃未満の場合、オーステナイト組織の生成が不十分となり、上述した硬化層組織の生成が不十分となる結果、十分な疲労強度を確保することができず、一方、加熱温度が1000℃超えの場合、オーステナイト粒の成長が促進されて粗大となり、硬化層の粒径が粗大となるため、やはり疲労強度の低下を招くからである。より好ましい加熱温度範囲は 800〜950 ℃である。 Next, in the present invention, induction hardening is performed in order to obtain the above-described hardened layer, and the heating temperature range during this induction hardening needs to be 800 to 1000 ° C. This is because when the heating temperature is less than 800 ° C., the austenite structure is not sufficiently generated, and as a result of insufficient generation of the hardened layer structure described above, sufficient fatigue strength cannot be ensured. When the heating temperature exceeds 1000 ° C., the growth of austenite grains is promoted and becomes coarse, and the grain size of the hardened layer becomes coarse, so that the fatigue strength is also lowered. A more preferable heating temperature range is 800 to 950 ° C.
なお、上記の効果は、Moを本発明範囲で含有させた鋼において、より顕著に発現する。 図2に、Mo添加鋼(Mo:0.05〜0.6 mass%)とMo無添加鋼について、高周波焼入れ時の加熱温度と硬化層の旧オーステナイト粒径との関係について調べた結果を示す。
同図に示したとおり、Mo添加鋼およびMo無添加鋼いずれにおいても、高周波焼入れ時の加熱温度を低下させることで硬化層の旧オーステナイト粒径を小さくできるが、Mo添加鋼においては、加熱温度を1000℃以下好ましくは 950℃以下とすることにより、特に顕著に硬化層粒径の微細化が達成される。
In addition, said effect expresses more notably in steel which contained Mo in the range of this invention. FIG. 2 shows the results of examining the relationship between the heating temperature during induction hardening and the prior austenite grain size of the hardened layer for Mo-added steel (Mo: 0.05 to 0.6 mass%) and Mo-free steel.
As shown in the figure, in both Mo-added steel and Mo-free steel, the prior austenite grain size of the hardened layer can be reduced by lowering the heating temperature during induction hardening. By setting the temperature to 1000 ° C. or lower, preferably 950 ° C. or lower, the hardened layer particle size can be remarkably reduced.
上記した高周波焼入れを複数回繰り返す場合には、少なくとも最終の高周波焼入れを、加熱温度:800 〜1000℃として行えばよい。さらに、高周波焼入れを複数回繰り返す場合には、全ての高周波焼入れについて、加熱温度:800 〜1000℃とすることが最も望ましい。そして、2回以上の繰り返し焼入れを行うことで、1回焼入れに比べてさらに微細な硬化層粒径を得ることができる。
なお、高周波焼入れを複数回繰り返す場合、少なくとも最終の高周波焼入れによる焼入れ深さは、それ以前の高周波焼入れによる焼入れ深さと同等またはそれ以上とすることが好ましい。というのは、硬化層の結晶粒径は、最後の高周波焼入れに一番強く影響されるので、最後の高周波焼入れによる焼入れ深さが、それ以前の高周波焼入れによる焼入れ深さよりも小さいと、硬化層全厚にわたる平均結晶粒径がむしろ大きくなり、かえって疲労強度が低下する傾向にあるからである。
When the above-described induction hardening is repeated a plurality of times, at least the final induction hardening may be performed at a heating temperature of 800 to 1000 ° C. Furthermore, when the induction hardening is repeated a plurality of times, the heating temperature is most preferably set to 800 to 1000 ° C. for all induction hardening. Further, by performing repeated quenching twice or more, a finer cured layer particle size can be obtained as compared with the single quenching.
When induction hardening is repeated a plurality of times, it is preferable that at least the final quenching depth by induction hardening be equal to or greater than the previous quenching depth by induction hardening. This is because the crystal grain size of the hardened layer is most strongly affected by the last induction hardening, so if the hardening depth by the last induction hardening is smaller than the previous hardening depth by the induction hardening, This is because the average grain size over the entire thickness is rather increased and the fatigue strength tends to decrease.
また、本発明においては、高周波焼入れは、上記加熱温度範囲における加熱時間を5秒以下とすることが好ましい。というのは、加熱時間を5秒以下とした場合には、5秒を超える場合に比べて、オーステナイトの粒成長をさらに抑制することができ、非常に微細な硬化層粒径を得ることができる。より好ましい加熱時間は3秒以下である。
さらに、高周波焼入れ時の加熱速度および上記加熱時間で保持した後の降温速度が大きいと、オーステナイトの粒成長が生じ易くなるので、高周波焼入れ時の加熱速度および加熱保持後の降温速度は 200℃/s以上とすることが好ましい。より好ましくは 500℃/s以上である。
Further, in the present invention, the induction hardening is preferably performed with the heating time in the above heating temperature range being 5 seconds or less. This is because when the heating time is 5 seconds or less, it is possible to further suppress the grain growth of austenite and to obtain a very fine hardened layer particle size as compared with the case of exceeding 5 seconds. . A more preferable heating time is 3 seconds or less.
Furthermore, since the austenite grain growth is likely to occur when the heating rate during induction hardening and the temperature decreasing rate after holding for the above heating time are large, the heating rate during induction hardening and the temperature decreasing rate after heating holding are 200 ° C / It is preferable to set it as s or more. More preferably, it is 500 ° C./s or more.
表1に示す成分組成になる鋼素材を、転炉により溶製し、連続鋳造により鋳片とした。鋳片サイズは 300×400mm であった。この鋳片を、ブレークダウン工程を経て150 mm角ビレットに圧延したのち、24〜60mmφの棒鋼に圧延した。圧延の仕上温度はベイナイトあるいはマルテンサイト組織生成の観点から好適な温度として 900℃超とした。圧延後の冷却は表2に示す条件とした。
ついで、この棒鋼から、平行部:20mmφ、応力集中係数α=1.5 の切欠を有するねじり試験片を作成し、このねじり試験片に、周波数:15 kHzの高周波焼入れ装置を用いて、加熱速度は 800℃/s、加熱保持後の降温速度は1000℃/sとして、表2に示す加熱温度、保持時間で焼入れを行った後、加熱炉を用いて 170℃×30分の条件で焼もどしを行い、その後ねじり疲労試験を行った。
ねじり疲労試験は、最大トルク:4900 N・m (= 500 kgf・m )のねじり疲労試験機を用いて、両振りで応力条件を変えて行い、1×105 回の寿命となる応力を疲労強度として評価した。
得られた結果を表2に併記する。
Steel materials having the composition shown in Table 1 were melted by a converter and cast into continuous slabs. The slab size was 300 × 400mm. The slab was rolled into a 150 mm square billet through a breakdown process, and then rolled into a steel bar having a diameter of 24 to 60 mm. The finishing temperature of rolling was over 900 ° C. as a suitable temperature from the viewpoint of bainite or martensite structure formation. Cooling after rolling was performed under the conditions shown in Table 2.
Next, a torsional test piece having a notch with a parallel part of 20 mmφ and a stress concentration factor α = 1.5 was prepared from this bar, and a heating rate of 800 kHz was used for this torsional test piece using an induction hardening apparatus with a frequency of 15 kHz. ℃ / s, the cooling rate after heating and holding is 1000 ℃ / s. After quenching at the heating temperature and holding time shown in Table 2, tempering is performed in a heating furnace at 170 ℃ for 30 minutes. Thereafter, a torsional fatigue test was conducted.
The torsional fatigue test is performed using a torsional fatigue testing machine with a maximum torque of 4900 N · m (= 500 kgf · m), changing the stress conditions with both swings, and fatigue the stress that will result in a life of 1 × 10 5 times. The strength was evaluated.
The obtained results are also shown in Table 2.
また、同じ条件で作製したねじり試験片について、鋼材の母材組織、焼入れ後の硬化層厚み、硬化層の全厚にわたって得られる平均硬化層粒径(旧オーステナイト粒径)を、光学顕微鏡を用いて測定した。
表2には、これらの結果も併記する。
ここで、硬化層厚みについては、前述したように、鋼材表面からマルテンサイト組織の面積率が98%に減少する深さまでとした。また、高周波焼入れを複数回実施したものについては、それぞれの焼入れ後の硬化層厚みを測定した。さらに、硬化層粒径については、表面から硬化層厚の 1/5位置、1/2 位置および4/5 位置それぞれの位置における平均旧オーステナイト粒径を測定し、それらの最大値を示した。なお、硬化層粒径の測定は、硬化層の厚さ方向に切断した断面について、水:500 gに対しピクリン酸:50gを溶解させたピクリン酸水溶液に、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム:11g、塩化第1鉄:1gおよびシュウ酸:1.5 gを添加したものを腐食液として作用させ、旧オーステナイト粒界を現出させて行った。また、高周波焼入れを複数回実施したものについては、最終焼入れ後の平均旧オーステナイト粒径を測定した。
In addition, for the torsional test piece produced under the same conditions, the average hardened layer particle size (old austenite particle size) obtained over the base material structure of the steel material, the hardened layer thickness after quenching, and the total thickness of the hardened layer was measured using an optical microscope. Measured.
Table 2 also shows these results.
Here, as described above, the thickness of the hardened layer was from the steel surface to the depth at which the area ratio of the martensite structure was reduced to 98%. Moreover, about what performed induction hardening several times, the hardening layer thickness after each hardening was measured. Further, regarding the hardened layer particle size, the average prior austenite particle size at each of the 1/5 position, 1/2 position and 4/5 position of the hardened layer thickness from the surface was measured, and the maximum value was shown. In addition, the measurement of the particle size of the hardened layer was carried out with respect to a cross section cut in the thickness direction of the hardened layer. What added 1 g of ferrous iron and 1.5 g of oxalic acid was made to act as a corrosive liquid, and the prior austenite grain boundary was made to appear. Moreover, about what performed induction hardening several times, the average prior-austenite particle size after final hardening was measured.
表2から明らかなように、本発明で規定した成分組成範囲を満足し、かつ本発明の高周波焼入れ条件を満たす条件で製造した鋼材はいずれも、硬化層の旧オーステナイト粒径が全厚にわたって12μm 以下を満たしており、その結果 700 MPa以上の高いねじり疲労強度を得ることができた。
なお、表2中のNo.1と2あるいはNo.4と5を比較すると、焼入れ回数を1回から2回に増やすことで、硬化層の粒径が微細化し、ねじり疲労強度がさらに上昇することが分かる。
また、No.8, No.36, No.37を比較すると、焼入れ回数を1回から2回に増やした場合において、2回目の焼入れ深さの方が浅い場合(No.36)には、1回しか施さなかった場合よりもねじり疲労強度はむしろ低下するのに対し、2回目の焼入れ深さを深くした場合(No.37)には、1回しか施さなかった場合に比べてねじり疲労強度は大幅に向上した。No.37では、硬化層厚方向で、表面から硬化層厚の 4/5位置で最も旧オーステナイト粒径が大きく、3.5 μm であったが、表層近傍(表面から硬化層厚の 1/5位置)では旧オーステナイト粒径は 2.6μm であり、表層の粒径が微細化していることが、疲労強度の向上に寄与したものと考えられる。
No.38〜47は、Al量がより好ましい範囲(0.05〜0.1 mass%)にあるものであるが、これらはいずれも粒径がより細かくなり、疲労強度も向上している。
As is clear from Table 2, all the steel materials manufactured under the conditions satisfying the component composition range defined in the present invention and satisfying the induction hardening conditions of the present invention have a prior austenite grain size of the hardened layer of 12 μm over the entire thickness. As a result, high torsional fatigue strength of 700 MPa or higher was obtained.
In addition, comparing No. 1 and 2 or No. 4 and 5 in Table 2, increasing the number of times of quenching from 1 to 2 refines the grain size of the hardened layer and further increases the torsional fatigue strength. I understand that.
In addition, comparing No.8, No.36, and No.37, when the number of quenching is increased from 1 to 2 and the second quenching depth is shallower (No.36), The torsional fatigue strength decreases rather than the case where it is only applied once, whereas the torsional fatigue is increased when the second quenching depth is increased (No. 37) compared to the case where it is only applied once. The strength was greatly improved. In No. 37, in the direction of the thickness of the hardened layer, the oldest austenite grain size was 3.5 μm at the 4/5 position from the surface to the hardened layer thickness. ), The prior austenite grain size is 2.6μm, and the refinement of the surface grain size is thought to have contributed to the improvement of fatigue strength.
Nos. 38 to 47 are those in which the Al amount is in a more preferable range (0.05 to 0.1 mass%), but all of these have finer particle sizes and improved fatigue strength.
これに対し、No.11 は、加工後の冷却速度が小さいため、ベイナイトとマルテンサイトの合計組織分率が10%未満となっており、その結果、硬化層粒径が粗大となり、ねじり疲労強度が低い。
No.24 は、硬化層粒径は微細であるものの、C含有量が本発明の範囲より高いため、粒界強度の低下を招き、そのためねじり疲労強度が劣っている。
No,25, 26, 27 は、それぞれC, Si, Moの含有量が本発明の適正範囲よりも低いため、硬化層粒径が粗大となり、ねじり疲労強度が劣っている。
No.28 はB含有量が低く、またNo.29 はMn含有量が、No.30 はSおよびP含有量が、No.31 はCr含有量が、それぞれ本発明の適正範囲を超えているため、いずれも粒界強度の低下を招き、ねじり疲労強度が劣っている。
No.32 は、Ti含有量が本発明の適正範囲を超えているため、ねじり疲労強度が劣っており、逆にNo.35 はTi含有量が低いため、硬化層粒径が粗大となり、ねじり疲労強度が劣っている。
No.33 は、高周波焼入れ時の加熱温度が高すぎるため硬化層の粒径が粗大となり、一方No.34 は、高周波焼入れ時の加熱温度が低すぎるため硬化層が形成されず、いずれもねじり疲労強度に劣っている。
No.52〜54は、Moを含有しない鋼の場合であるが、それぞれNo.6, 4, 3との比較から明らかなように、加熱温度が1000℃以下でMoによる細粒化効果が顕著になることが分かる。
In contrast, No. 11 has a low cooling rate after processing, so the total structural fraction of bainite and martensite is less than 10%. As a result, the hardened layer particle size becomes coarse, and the torsional fatigue strength Is low.
In No. 24, although the hardened layer particle size is fine, since the C content is higher than the range of the present invention, the grain boundary strength is lowered, and therefore the torsional fatigue strength is inferior.
In Nos. 25, 26, and 27, the contents of C, Si, and Mo are lower than the appropriate ranges of the present invention, respectively, so that the hardened layer particle size is coarse and the torsional fatigue strength is inferior.
No. 28 has a low B content, No. 29 has an Mn content, No. 30 has an S and P content, and No. 31 has a Cr content exceeding the proper range of the present invention. For this reason, any of these results in a decrease in grain boundary strength and inferior torsional fatigue strength.
No.32 is inferior in torsional fatigue strength because the Ti content exceeds the appropriate range of the present invention, and conversely No.35 has a low Ti content, resulting in a coarse hardened layer particle size and Fatigue strength is inferior.
In No.33, the heating temperature during induction hardening is too high, and the particle size of the hardened layer becomes coarse. On the other hand, in No.34, the heating temperature during induction hardening is too low to form a hardened layer. It is inferior in fatigue strength.
Nos. 52-54 are for steels that do not contain Mo, but as is clear from comparisons with Nos. 6, 4, and 3, respectively, the heating effect is 1000 ° C or less, and the effect of grain refinement by Mo is remarkable. I understand that
なお、上記の実施例では、疲労特性として主にねじり疲労特性を例に挙げて説明したが、本発明によれば、他の疲労特性、すなわち曲げ疲労特性、転動疲労特性およびすべり転動疲労特性等のような旧オーステナイト粒界での破壊、亀裂進転が関与する疲労特性についても、同様な優れた効果を得られることは言うまでもない。 In the above-described embodiments, the torsional fatigue characteristics are mainly exemplified as the fatigue characteristics. However, according to the present invention, other fatigue characteristics, that is, bending fatigue characteristics, rolling fatigue characteristics, and sliding rolling fatigue are described. Needless to say, the same excellent effect can be obtained with respect to fatigue properties such as fracture and crack advancement in the prior austenite grain boundaries.
Claims (9)
Si:0.30〜1.1 mass%、
Mn:0.2 〜2.0 mass%、
Al:0.25mass%以下、
Ti:0.005 〜0.1 mass%、
Mo:0.05〜0.6 mass%、
B:0.0003〜0.006 mass%、
S:0.06mass%以下、
P:0.02mass%以下および
Cr:0.2 mass%以下
を、Ti(mass%)/N(mass%)≧3.42の下に含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、母材組織が、ベイナイト組織および/またはマルテンサイト組織を有し、かつこれらベイナイト組織とマルテンサイト組織の合計の組織分率が10%以上であり、さらに高周波焼入れ後の硬化層の旧オーステナイト粒径が硬化層全厚にわたり12μm 以下であることを特徴とする、疲労特性に優れた鋼材。 C: 0.35-0.7 mass%
Si: 0.30 to 1.1 mass%,
Mn: 0.2-2.0 mass%
Al: 0.25 mass% or less,
Ti: 0.005 to 0.1 mass%,
Mo: 0.05-0.6 mass%,
B: 0.0003 to 0.006 mass%,
S: 0.06 mass% or less,
P: 0.02 mass% or less and
Cr: 0.2 mass% or less is contained under Ti (mass%) / N (mass%) ≧ 3.42 , the balance is composed of Fe and inevitable impurities, and the base metal structure is a bainite structure and / or martensite. It has a site structure, the total structure fraction of these bainite structure and martensite structure is 10% or more, and the prior austenite grain size of the hardened layer after induction hardening is 12 μm or less over the entire thickness of the hardened layer. A steel material with excellent fatigue characteristics.
Cu:1.0 mass%以下、
Ni:3.5 mass%以下、
Co:1.0 mass%以下、
Nb:0.1 mass%以下および
V:0.5 mass%以下
のうちから選んだ1種または2種以上を含有する組成になることを特徴とする、疲労特性に優れた鋼材。 The steel material according to claim 1 or 2, further comprising:
Cu: 1.0 mass% or less,
Ni: 3.5 mass% or less,
Co: 1.0 mass% or less,
A steel material excellent in fatigue characteristics, characterized by having a composition containing one or more selected from Nb: 0.1 mass% or less and V: 0.5 mass% or less.
Si:0.30〜1.1 mass%、
Mn:0.2 〜2.0 mass%、
Al:0.25mass%以下、
Ti:0.005 〜0.1 mass%、
Mo:0.05〜0.6 mass%、
B:0.0003〜0.006 mass%、
S:0.06mass%以下、
P:0.02mass%以下および
Cr:0.2 mass%以下
を、Ti(mass%)/N(mass%)≧3.42の下に含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になる鋼素材を、熱間加工し、その後0.2 ℃/s以上の速度で冷却したのち、焼入れ時の加熱温度:800 〜1000℃の条件下で高周波焼入れを行うことを特徴とする、疲労特性に優れた鋼材の製造方法。 C: 0.35-0.7 mass%
Si: 0.30 to 1.1 mass%,
Mn: 0.2-2.0 mass%
Al: 0.25 mass% or less,
Ti: 0.005 to 0.1 mass%,
Mo: 0.05-0.6 mass%,
B: 0.0003 to 0.006 mass%,
S: 0.06 mass% or less,
P: 0.02 mass% or less and
Cr: 0.2 mass% or less is contained under Ti (mass%) / N (mass%) ≧ 3.42, and the remainder is hot-worked with a steel material having a composition of Fe and inevitable impurities, and then 0.2 ° C. A method for producing a steel material with excellent fatigue characteristics, characterized by performing induction hardening under conditions of a heating temperature of 800 to 1000 ° C. after cooling at a rate of at least / s.
Cu:1.0 mass%以下、
Ni:3.5 mass%以下、
Co:1.0 mass%以下、
Nb:0.1 mass%以下および
V:0.5 mass%以下
のうちから選んだ1種または2種以上を含有する組成になることを特徴とする、疲労特性に優れた鋼材の製造方法。 5. The steel material according to claim 4, further comprising:
Cu: 1.0 mass% or less,
Ni: 3.5 mass% or less,
Co: 1.0 mass% or less,
A method for producing a steel material having excellent fatigue characteristics, characterized in that the composition contains one or more selected from Nb: 0.1 mass% or less and V: 0.5 mass% or less.
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