JP4347999B2 - Induction hardening steel and induction hardening parts with excellent torsional fatigue properties - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波焼入れ用鋼に関わり、さらに詳しくは、5〜40kHzの周波数で高周波焼入れすることにより製造されるドライブシャフトや外輪のような各種シャフト類の素材として好適な、捩り疲労特性に優れた高周波焼入れ用鋼に関するものである。本開発鋼を用いれば、高周波焼入れ時の焼き割れ防止にも有効である。本鋼の適用の対象となる部品の成形加工工程は、焼鈍を行わずに直接冷間鍛造を行う工程、冷間鍛造の前または中間に焼鈍を行う工程、これらに切削工程を含んだ工程、または主として切削により部品を成形加工する工程、一部焼鈍工程を含んだ切削で部品を成形加工する工程、さらにこれらのいずれかに転造加工を含む工程、あるいはこれらのいずれかに温間鍛造を組み合わせた工程等である。なお、本発明で対象としている部品はこのように切削や冷鍛等の冷間加工により製造されるために、冷間加工性についても留意されている。
【0002】
【従来の技術】
高周波焼入れ工程で製造される各種シャフト類は、近年の自動車エンジンの高出力化あるいは環境規制対応にともない、高強度化の指向が強い。これらの部品の主たる所要特性は捩り疲労特性である。
【0003】
本発明では、5〜40kHzの周波数で高周波焼入れする製品を対象としている。従来の主流である100kHz前後の周波数で高周波焼入れされる製品は、そもそも硬化層深さが浅く(例えば、硬化層深さは半径の4分の1程度)、耐磨耗性等の確保が主体であり、最表面の硬さの確保が重要な課題であった。これに対して、本発明で対象とする、5〜40kHzの周波数で高周波焼入れする技術は、硬化層深さを深くすることが可能なので、最近になって注目されている。
【0004】
特開平3−177537号公報には、C:0.38〜0.45%、Si:0.35%以下、Mn:0.3〜1.0%、B:0.0005〜0.0035%、Ti:0.01〜0.05、Al:0.01〜0.06%、N:0.01%以下、フェライト結晶粒度番号:6以上、ミクロ組織:フェライトとパーライト、硬さHRB80〜90、JIS0558で規定する脱炭深さ:DM−T0.2mm以下を有する直接切削・高周波焼入れ用鋼材が示されている。該発明では、被削性を一層高めるためにさらにS:0.005〜0.30%、Ca:0.0002〜0.005%、Pb:0.005〜0.30%、Te:0.005〜0.10%のような快削性成分を必要に応じて添加することができるとしている。該発明鋼材はB鋼を適用し、脱炭深さを規定した点が特徴である。該公報には、周波数100kHzで高周波焼入れした場合の特性は記載されているが、本発明で対象とする、5〜40kHzの周波数で高周波焼入れした場合の特性は記載されていない。また、該公報には、そもそも、本発明で着眼している捩り疲労強度特性については、全く言及されていない。実施例として提示されている鋼は、S:0.02前後添加されており、伸長MnSが多量に存在すると考えられ、また高周波焼入れ部の硬さムラの発生が問題になると考えられ、捩り疲労強度特性は十分ではないと考えられる。
【0005】
また、特開平5−179400号公報には、C:0.38〜0.45%、Si:0.35%以下、Mn:1.0%超〜1.5%、B:0.0005〜0.0035%、Ti:0.01〜0.05、Al:0.01〜0.06%、N:0.01%以下、フェライト結晶粒度番号:6以上の細粒組織を有する直接切削・高周波焼入れ用鋼材が示されている。該発明の請求項4では、Pb:0.01〜0.20%、S:0.005〜0.30%、Bi:0.01〜0.10%、 Te:0.0005〜0.10%、Ca:0.0003〜0.0050%の1種または2種以上を含有する旨が示されている。該発明鋼材は特開平3−177537号公報に対してMn量を増加させた鋼材である。該公報には、捩り強度は記載されているが、捩り疲労強度は記載されていない。実施例として提示されている鋼は、S:0.02前後添加されており、伸長MnSが多量に存在するため、また高周波焼入れ部の硬さムラの発生が問題になると考えられ、捩り疲労強度等は十分ではないと考えられる。
【0006】
また、特開平11−1749号公報には、線状または棒状圧延材の軸心を通る縦断面において、該軸心と平行でかつ該軸心から1/4・D(Dは圧延材の直径を表す)離れた仮想線を中心線として含む被検面積100mm2中に存在する、酸化物系と硫化物系からなる直径10μm以上の複合介在物が20個以下であることを特徴とする曲げ疲労強度および転動疲労強度に優れた高周波焼入れ用鋼が示されている。該発明では、選択元素として、S:0.1%以下、B:0.01%以下、Ca:0.0005〜0.01%、Te:0.1%以下、Zr:0.1%以下を含有することができるとしている。該発明のCa、Te、Zrの添加の狙いはMnSを球状化して異方性を改善することと、靭性や曲げ疲労特性を劣化させずに被削性を向上させることにある。該発明は高周波焼入れにより卓越した曲げ疲労特性と転動疲労特性を発現し得るような高周波焼入れ用鋼を提供することを目的とし、酸化物系と硫化物系からなる直径10μm以上の粗大な複合介在物を上記の範囲で制限した点が特徴である。しかしながら、該発明では、捩り疲労特性に関しては全く言及されていない。曲げ疲労は、表面または表面近傍において、引張応力により、軸方向と垂直な断面でき裂が発生伝播し、破壊に至る現象である。これに対して、本発明で取り上げている、捩り疲労は、表面または表面近傍において、剪断応力により、軸方向に平行な面でき裂が発生し、その後軸方向と45度をなす面で伝播する現象である。つまり、捩り疲労破壊と曲げ疲労破壊とでは、破壊の原因となる作用応力、き裂の発生する断面、破壊の形態がいずれも異なる。また、転動疲労は転動体の繰り返し接触現象において、接触部の表面または表面直下からき裂が発生・伝播する現象であり、転動疲労と捩り疲労では、応力状態、き裂の発生・伝播の機構が全く異なる。以上から、特開平11−1749号公報における曲げ疲労特性と転動疲労特性に関する記述は、本発明で取り上げた捩り疲労強度に関して何ら示唆を与えるものではない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような開示された鋼では、伸長MnSの存在や、フェライト組織が不適正なこと等が原因で捩り疲労特性が不十分であると考えられる。本発明はこのような問題を解決して、捩り疲労特性に優れた高周波焼入れ用鋼ならびに高周波焼入れ部品を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、以下の手段を用いて上記の課題を解決した。
【0009】
すなわち、質量%で、
C:0.3〜0.58%、
Si:0.01〜1.0%、
Mn:0.85〜1.7%、
S:0.005〜0.018%、
B:0.0005〜0.005%、
Al:0.001〜0.1%、
Zr:0.0003〜0.01%
を含有し、さらに、
Te:0.0005〜0.02%、
Ca:0.0005〜0.02%、
Zr:0.0003〜0.01%、
Mg:0.001〜0.035%、
Y:0.001〜0.1%、
希土類元素:0.001〜0.15%
のうち1種または2種以上を含有し、またはさらに、
Ti:0.05%以下
を含有し、またはさらに、
Nb:0.04%以下、
V:0.4%以下
のうち1種または2種を含有し、またはさらに、
Mo:0.3%以下、
Ni:1%以下
のうち1種または2種を含有し、
P:0.025%以下、
Cr:0.35%以下、
N:0.0070%未満、
O:0.0025%以下
に各々制限し、
残部が鉄および不可避的不純物からなり、
かつ、ミクロ組織は実質的にフェライト・パーライト組織であり、
フェライトの組織面積率が含有炭素量C(%)に対して、1−1.05×C以下であり、フェライト結晶粒径が25μm以下であり、またはさらに、熱間圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンドの評点が1〜5であることを特徴とする捩り疲労特性に優れた高周波焼入れ用鋼である。
【0010】
また、請求項6の発明は、請求項1〜5のいずれか1つに記載の高周波焼入れ用鋼を高周波焼入れした部品であって、MnSのアスペクト比が10以下であることを特徴とする捩り疲労特性に優れた高周波焼入れ部品である。
【0011】
本発明の鋼ならびに部品を用いることにより、高周波焼入れ後に捩り疲労特性に優れた製品を得ることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、高周波焼入れ部品の製造において、高周波焼入れ後に優れた捩り疲労特性を実現するために、鋭意調査し、次の点を明らかにした。
【0013】
(1)高周波焼入れ部材の捩り疲労破壊は次の過程で起きる。
A.表面または硬化層と芯部の境界で軸方向に平行な面でき裂が発生する。
B.軸方向に平行な面でき裂が初期伝播する。これを以下モードIII破壊と呼ぶ。
C.モードIII破壊の後、軸方向に45度の面で粒界割れを伴って脆性破壊を起こし、最終破壊を起こす。これを以下モードI破壊と呼ぶ。
【0014】
(2)捩り疲労き裂の発生、初期伝播は軸方向に平行な面で起きるが、この際、軸方向に伸長MnSが存在すると、伸長MnSに沿ってき裂の発生と初期伝播が起きるので、き裂の発生と初期伝播は促進される。図1の(c)は応力負荷時の破壊挙動を示したものであるが、伸長MnSは通常、図中で示した低炭素マルテンサイト部に沿って存在し、図中に示したき裂の発生が伸長MnSの存在によって促進される。以上の理由から、MnSを粒状化、微細化することによって、き裂の発生・初期伝播は抑制され、捩り疲労強度が飛躍的に向上する。伸長MnSの生成防止、MnSの粒状化、微細化のためにはTe、Ca、Zr、Mg、Y、希土類元素の添加が有効である。なおこれらの元素の多量添加は、粗大ZrN等の窒化物、酸化物生成の原因となり、冷間加工性を阻害するので、不適正である。これらの元素の添加によるMnSの粒状化は高周波焼入れ時の焼き割れ防止にも有効である。なお、先行技術のところで述べたように、特開平11−1749号公報には、MnSを球状化して異方性を改善することと、被削性を向上させることを狙いとして、Ca、Te、Zrを添加することが記述されている。しかしながらCa、Te、Zr添加してMnSを粒状化する狙いは、該公報では異方性を改善することと靭性や曲げ疲労特性を劣化させずに被削性を向上させることであるが、これに対して本発明では捩り疲労特性の向上と、両者で明らかに異なっている。また、該発明には曲げ疲労には言及しているものの、捩り疲労特性に関しては一切言及しておらず、上記のように、捩り疲労破壊と曲げ疲労破壊では、破壊の原因となる作用応力、き裂の発生する断面、破壊の形態がいずれも大きく異なることから、特開平11−1749号公報には本発明の上記の技術思想を示唆するような情報は全く含まれていない。
【0015】
(3)次に、フェライト分率が大きくフェライト粒が粗大であると、高周波焼入れ後、元々フェライトの部分が低炭素マルテンサイトとなり、硬さムラを生じる。フェライトは通常軸方向に平行にバンド状に存在するため、高周波焼入れ後、硬さの低い部分が軸方向に平行な面で存在することになる。図1は、高周波焼入れ前の組織にフェライトバンドが存在すると、高周波焼入れ後にどのような影響がでるかを模式的に表した図である。フェライトバンドが顕著であると、図1に示したように、高周波焼入れ後、元々パーライト組織の部分が高炭素マルテンサイト、元々フェライトバンドの部分が低炭素マルテンサイトとなり、硬い層と軟らかい層が軸方向に沿って層状に存在することになる。このような鋼材に、捩り応力を負荷した場合、軸方向が剪断応力最大の方向になるため、軟らかい低炭素マルテンサイト層に沿って、剪断き裂が発生・伝播し、低強度での破壊を招く。以上の理由から、フェライト分率が高く、フェライト粒が粗大であると、高周波焼入れ後軸方向に平行な面での捩り疲労き裂の発生、初期伝播が促進される。そのため、これを防止するためには、MnSの粒状化と併せて、フェライト分率を規制し、フェライト粒を微細化することが必須である。
【0016】
(4)次に、フェライト組織の適正化に加えて、フェライトバンド自体を抑制することも有効である。フェライトバンドの程度は、図2に示すように昭和45年社団法人日本金属学会発行「日本金属学会誌第34巻第9号第961頁」において1〜7の7段階に評点化されている。すなわち、上記の日本金属学会誌第34巻第9号の第957頁〜962頁には、標題のとおり「フェライト縞状組織に及ぼすオーステナイト結晶粒度と鍛造比の影響について」が記載されており、第961頁左欄第7〜8行には「縞状組織の程度を数量的に表示するために、Photo.4の基準写真を作成した。」と記載されており、同頁の「Photo.4 Classifications of ferrite bands (×50×2/3×5/6)」には1〜7の基準写真が掲載されている。該評点では、評点の番号が小さいほどフェライトバンドが軽微であり、評点の番号が大きいほどフェライトバンドが顕著であることを示している。高周波焼入れ後の捩り疲労特性の向上を図るには、熱間圧延方向に平行な断面の組織の、上記の日本金属学会誌第34巻第961頁で定義されたフェライトバンドの評点が1〜5であることが有効である。
【0017】
(5)さらに、フェライト分率が大きいことに起因する硬さムラの低減には、Cr含有量の上限値を規制することが有効である。これは、炭化物の溶け込み不良を防止し、フェライト分率起因による硬さムラを低減する効果による。
【0018】
(6)なお、捩り疲労特性の向上に及ぼすMnSの粒状化の効果とフェライト組織適正化の効果はほぼ同じ大きさである。
【0019】
(7)次に、上記捩り疲労破壊過程「C.」の欄で述べた、軸方向に45度の面で粒界割れを伴う脆性破壊モードIを抑制するためには、次の方法による粒界強化が有効である。
▲1▼必須元素としてBを添加。Bは粒界偏析Pを粒界から追い出す効果による。
▲2▼粒界偏析元素であるP、O量の低減。
▲3▼前組織のフェライト組織の微細化によるオーステナイト粒組織の微細化。
▲4▼より一層捩り疲労強度の向上を図るためには、Si増量による粒界炭化物の微細化が有効。
【0020】
(8)なお、本発明で対象としている部品は切削や冷鍛等の冷間加工により製造されるものが多いために、冷間加工性の確保も重要な課題である。素材の段階で硬さの向上を抑えて、高周波焼入れ性を向上させるためには、MnとBの添加が有効である。Bを焼入れ性に効かせるためには、Nの低減が必要であり、本発明では、N量を0.0070%未満に低減する。
【0021】
本発明は以上の新規なる知見にもとづいてなされたものである。
【0022】
以下、本発明について詳細に説明する。
【0023】
Cは高周波焼入れ後、鋼に必要な強度を与えるのに有効な元素であるが、0.3%未満では必要な強さを確保することができず、0.58%を超えると硬くなって冷間加工性が劣化するので、0.3〜0.58%の範囲内にする必要がある。好適範囲は0.4〜0.56%である。
【0024】
Siは鋼の脱酸に有効な元素であるとともに、鋼に必要な強度、焼入れ性を与え、焼戻し軟化抵抗を向上するのに有効な元素であるが、0.01%未満ではその効果は不十分である。一方、1.0%を超えると、硬さの上昇を招き冷間加工性が劣化する。以上の理由から、その含有量を0.01〜1.0%の範囲内にする必要がある。冷間加工性を重視する場合の好適範囲は0.01〜0.5%であり、特別に冷間加工性を重視する場合の好適範囲は0.01〜0.15%である。また、捩り疲労特性を重視する場合の好適範囲は0.35超〜1.0%であり、特に高強度化を指向する場合は、0.5〜1.0%の範囲の添加が望ましい。
【0025】
Mnは、高周波焼入れ性の向上に有効な元素である。捩り疲労特性を得るために十分な硬化層深さを得るためには、0.85%未満ではその効果は不十分である。一方、1.7%を超えると、硬さの顕著な上昇を招き冷間加工性が劣化するので、0.85%〜1.7%の範囲内にする必要がある。好適範囲は0.85〜1.4%である。
【0026】
Sは鋼中でMnSを形成し、これによる被削性の向上を目的として添加するが、0.005%未満ではその効果は不十分である。一方、0.018%を超えると、捩り疲労特性の劣化を招く。以上の理由から、Sの含有量を0.005〜0.018%の範囲内にする必要がある。なお、MnSが伸長していると、捩り疲労特性が劣化するために、MnSを粒状微細分散させるために、Te、Ca、Zr、Mg、希土類元素の1種または2種以上を必須元素として含有させる必要がある。
【0027】
Bは次の3点を狙いとして添加する。▲1▼棒鋼・線材圧延において、圧延後の冷却過程でボロン鉄炭化物を生成することにより、フェライトの成長速度を増加させ、圧延ままでの軟質化を促進する。▲2▼高周波焼入れに際して、鋼に焼入れ性を付与する。▲3▼高周波焼入れ材の粒界強度を向上させることにより、機械部品としての疲労強度・衝撃強度を向上させる。0.0005%未満の添加では、上記の効果は不十分であり、0.005%を超えるとその効果は飽和するので、その含有量を0.0005〜0.005%の範囲内にする必要がある。好適範囲は0.001〜0.003%である。
【0028】
Alは脱酸剤として有用であるとともに、鋼中に存在する固溶NをAlNとして固定し、固溶Bを確保するのに有用である。しかしAl量が多すぎるとAl2O3が過度に生成することとなり、内部欠陥が増大するとともに冷間加工性を劣化することとなる。したがって、本発明では0.001〜0.1%とした。また固溶Nを固定する作用を有するTi無添加の場合には、Alは0.04〜0.1%とすることが好ましい。
【0029】
次に、本発明では、Te、Ca、Zr、Y、Mg、希土類元素のうち1種または2種以上を必須元素として含有させる。これらの元素は各々酸化物を生成し、この酸化物がMnSの生成核となるとともに、MnSが(Mn,Ca)Sや(Mn,Mg)Sのように組成改質される。これにより熱間圧延時にこれらの硫化物の延伸性が改善され、粒状MnSが微細分散するため、高周波焼入れ後の捩り疲労特性が向上する。このような効果は、Te:0.0005%未満、Ca:0.0005%未満、Zr:0.0003%未満、Mg:0.001%未満、Y:0.001%未満、希土類元素:0.001%未満の添加は不十分である。一方、Te:0.02%超、Ca:0.02%超、Zr:0.01%超、Mg:0.035%超、Y:0.1%超、希土類元素:0.15%超を添加すると、上記のような効果は飽和し、これらの過剰添加はむしろCaO、MgO等の粗大酸化物やそのクラスターを生成したり、ZrN等の硬質析出物を生成し、冷間加工性の劣化を招く。以上の理由から、これらの含有量をTe:0.0005〜0.02%、Ca:0.0005〜0.02%、Zr:0.0003〜0.01%、Mg:0.001〜0.035%、Y:0.001〜0.1%、希土類元素:0.001〜0.15%とした。なお、本発明でいう希土類元素とは原子番号57〜71番の元素を指す。
【0030】
Pは冷間鍛造時の変形抵抗を高め、靭性を劣化させる元素であるため、冷間加工性が劣化する。また、高周波焼入れ、焼戻し後の部品の結晶粒界を脆化させることによって、最終製品の疲労強度を劣化させるのでできるだけ低減することが望ましい。したがってその含有量を0.025%以下に制限する必要がある。好適範囲は0.015%以下である。
【0031】
Crはセメンタイト中に固溶してセメンタイトを安定化する。そのために、高周波焼入れの短時間加熱時にセメンタイトの溶け込み不良を起こし、硬さムラの原因となり、捩り疲労特性の劣化を引き起こす。この挙動は、特に0.35%を超えると顕著になる。以上の理由から、その含有量を0.35%以下に制限する必要がある。好適範囲は0.15%以下である。
【0032】
Nは以下の2点の理由から極力制限することが望ましい。▲1▼Bは上記のように焼入れ性向上、粒界強化等を目的として添加するが、これらのBの効果は鋼中で固溶Bの状態で初めて効果を発現するため、N量を低減してBNの生成を抑制することが必須である。▲2▼また、Nは鋼中のAl、Tiと結びつくと粗大な窒化物を生成し、冷鍛割れの原因となるなど、冷間加工性が顕著に劣化する。上記の悪影響はN量が0.007%以上の場合特に顕著である。以上の理由から、その含有量を0.007%未満にする必要がある。好適範囲は0.005%以下である。
【0033】
また、Oは鋼中でAl2O3のような酸化物系介在物を形成する。酸化物系介在物が鋼中に多量に存在すると、冷間加工性が劣化する。O含有量が0.0025%を超えると特にその傾向が顕著になる。以上の理由から、その含有量を0.0025%以下に制限する必要がある。好適範囲は0.002%以下である。
【0034】
以上が本発明が対象とする鋼の基本成分であるが、本発明の第2請求項ではさらに、Tiを添加することにより、TiによりNをTiNとして固定し、Nを無害化することにした。また、Tiは脱酸作用を有する元素である。但し、Tiを0.05%を超えて添加すると、TiCによる析出硬化が顕著になり、冷間加工性が顕著に劣化する。このため、必要に応じて、Ti:0.05%以下含有させることとした。
【0035】
次に、本発明第3請求項では、Nb、Vの1種または2種を含有する。
【0036】
Nbは鋼中のC、Nと結びついてNb(CN)を形成し、結晶粒の微細化および析出硬化による芯部硬さの増加に有効な元素である。但し、0.04%を超えると、素材の硬さが硬くなって冷間加工性が劣化するとともに、棒鋼・線材圧延加熱時の溶体化が困難になる。以上の理由から、その含有量を0.04%以下にする必要がある。好適範囲は、0.03%以下である。
【0037】
VもNbと同様の効果を狙いとして添加する。但し、0.4%を超えると、素材の硬さが硬くなって冷間加工性が劣化するとともに、棒鋼・線材圧延加熱時の溶体化が困難になる。以上の理由から、その含有量を0.4%以下にする必要がある。好適範囲は、0.3%以下である。
【0038】
次に、本発明第4請求項では、Mo、Niの1種または2種を含有する。
【0039】
Moは鋼に強度、焼入れ性を与えるとともに、高周波焼入れ後の粒界強度を向上させて強度特性を増加させるのに有効な元素である。但し、0.3%を超えて添加すると硬さの上昇を招き冷間加工性が劣化する。以上の理由から、その含有量を0.3%以下にする必要がある。
【0040】
Niも鋼に強度、焼入れ性を与えるのに有効な元素であるが、1%を超えて添加すると硬さの上昇を招き冷間加工性が劣化する。以上の理由から、その含有量を1%以下にする必要がある。
【0041】
次は、本発明の組織について説明する。
【0042】
フェライト分率が大きくフェライト粒が粗大であると、上記のように高周波焼入れ後、元々フェライトの部分が低炭素マルテンサイトとなり、硬さムラを生じる。フェライトは通常軸方向に平行にバンド状に存在するため、高周波焼入れ後、硬さの低い部分が軸方向に平行な面で存在することになる。以上の理由から、フェライト分率が高く、フェライト粒が粗大であると、高周波焼入れ後軸方向に平行な面での捩り疲労き裂の発生、初期伝播が促進される。そのため、これを防止するためには、MnSの粒状化と併せて、フェライト分率を規制し、フェライト粒を微細化することが必須である。フェライトの組織面積率が含有炭素量C(%)に対して、1−1.05×Cを超えるか、フェライト結晶粒径が25μmを超える場合に、上記のようなフェライト組織に起因する悪影響が顕著になる。以上の理由から、組織をフェライトの組織面積率が含有炭素量C(%)に対して、1−1.05×C以下であり、フェライト結晶粒径が25μm以下であることが必要である。ここで、フェライトの組織面積率は分率で表示し、つまり組織全体の面積を1としたときのフェライトの組織面積率で表示する。例えば、0.4%C鋼では1−1.05×C=0.58であり、フェライトの組織面積率を0.58以下(百分率で表示すれば58%以下)に規制する。
【0043】
次に、本発明請求項5では、熱間圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンドの評点が1〜5の範囲に制限する。フェライトバンドの評点は、上記のように日本金属学会誌第34巻第961頁で定義された評点である。本発明において、組織因子をこのように限定した理由を以下に述べる。
【0044】
高周波焼入れは急速加熱であるために、高周波焼入れ前の組織のフェライトが粗大であると、フェライトの部分は、オーステナイト化後、炭素の拡散が不十分であり、炭素濃度が添加炭素濃度よりも低くなり、焼入れ後、その位置での硬さが小さくなる。ここで、一般的に、熱間圧延後の鋼材の圧延方向に平行な断面ではフェライトバンドと呼ばれる縞状組織が認められる。粗大なフェライトがフェライトバンドとして列状に連続して存在すると、焼入れ後の硬さムラが特に顕著になり、長手方向に元のフェライトバンドに対応して硬さの軟らかいバンドを形成する。そのため、最終部品に繰り返し捩りモーメントを負荷した時に、この軟質なバンドに沿って剪断応力によって疲労き裂が生成し、低い強度で破壊する。以上の現象は、フェライトバンドの評点が5を超えると特に顕著になる。以上の理由から、熱間圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンドの評点が1〜5とした。好適範囲は、熱間圧延方向に平行な断面の組織のフェライトバンドの評点が1〜4の範囲である。
【0045】
次に、請求項6の発明は、捩り疲労特性に優れた高周波焼入れ部品についての発明である。請求項1〜5のいずれか1つに記載の高周波焼入れ用鋼を高周波焼入れした部品であって、MnSのアスペクト比が10以下に制限する。図3に高周波焼入れ軸部品について、MnSのアスペクト比と捩り疲労における時間強度の関係を調査した結果を示す。MnSのアスペクト比が10を超えると捩り疲労特性は顕著に劣化する。以上の理由から、MnSのアスペクト比を10以下に制限した。
【0046】
本発明では、鋳片のサイズ、凝固時の冷却速度、分塊圧延条件、棒鋼圧延条件・冷却条件については特に限定するものではなく、本発明の要件を満足すればいずれの条件でも良い。
【0047】
【実施例】
以下に、本発明の効果を実施例により、さらに具体的に示す。
【0048】
(実施例1)
表1に示す組成を有する鋼を溶製した。ここで、鋼中のZrの分析方法であるが、JIS G 1237−1997付属書3と同様の方法でサンプル処理した後、鋼中Nb量の分析同様に鋼中Zr量をICP(誘導結合プラズマ発光分光分析法)によって測定した。但し本発明での実施例の測定に供したサンプルは2gで、ICPにおける検量線も微量Zrに適するように設定して測定した。すなわちZr濃度が1〜200ppmとなるようにZr標準液を希釈して異なるZr濃度の溶液を作成し、そのZr量を測定することで検量線を作成した。なおこれらのICPに関する共通的な方法についてはJIS K 0116−1995(発光分光分析方法通則)およびJIS Z 8002−1991(分析、試験の許容差通則)による。
【0049】
162mm角の圧延素材としたのち、熱間圧延により、直径36〜45mmの棒鋼を製造した。熱間圧延後の冷却は、一部の材料は空冷、また一部の材料は冷却床に設置した保温カバーを用いて冷却速度を空冷よりも遅くした。
【0050】
圧延後の棒鋼の組織観察を行い、フェライト分率、フェライト結晶粒径を求めた。
【0051】
また、圧延後の棒鋼のビッカース硬さを測定した。さらに、圧延ままの棒鋼から、据え込み試験片を作成し、冷間加工性の指標として、冷間変形抵抗と限界据え込み率を求めた。冷間変形抵抗は相当歪み1.0における変形抵抗で代表させた。
【0052】
さらに、圧延材から平行部直径20mmの静的捩り試験片、捩り疲労試験片を採取した。静的捩り試験片、捩り疲労試験片について周波数8.5kHz、最高加熱温度1000℃の条件で高周波焼入れを行い、その後170℃×1時間の条件で焼戻しを行った。その後、静的捩り試験、捩り疲労試験を行った。捩り疲労特性は1×105サイクルでの時間強度で評価した。また、捩り試験片の長手方向の断面において、画像解析装置を用いて、MnSのアスペクト比を求めた。
【0053】
これらの調査結果を表2、3に示す。高周波焼入れ材の硬化層深さは、HV450の深さtと半径rの比で表示した。
【0054】
比較例22はJISのS40Cの特性、比較例23はJISのS45Cの特性、また比較例24はJISのS53Cの特性である。また、比較例25は0.4C、比較例26は0.45C、比較例27は0.53Cのボロン鋼の特性である。これらの比較例では、いずれもMnSのアスペクト比が本発明規定の範囲を上回っている。そして、同一C量について、本発明例と比較例を比較すると、本発明例の捩り疲労強度は比較例に比べて顕著に優れている。
【0055】
次に、比較例28、29、30は圧延後、引き続いて650℃の炉において焼鈍を行った場合であり、比較例28、29はフェライト分率が本発明規定の範囲を上回った場合であり、比較例30はフェライト結晶粒径が本発明規定の範囲を上回った場合であり、ともに捩り疲労特性が本発明例に比べて劣っている。
【0056】
【表1】
【0057】
【表2】
【0058】
【表3】
【0059】
(実施例2)
次に、表1に示す鋼水準B、M、S、Xについて、圧延仕上げ温度850〜980℃および700〜840℃の二つの条件で圧延した。前者の条件が本発明例、後者の条件が比較例の圧延条件である。これらの材料について、実施例1と同様の評価を行った。さらに、圧延材について圧延方向に平行な断面のフェライトバンドの評点を求めた。
【0060】
調査結果を表4に示す。比較例35〜38では、フェライトバンドの評点が本発明規定の範囲を上回っている。そして、本発明例の捩り疲労強度は比較例に比べて顕著に優れている。
【0061】
【表4】
【0062】
【発明の効果】
本発明の捩り疲労特性に優れた高周波焼入れ用鋼ならびに高周波焼入れ部品を用いれば、高周波焼入れ部品の製造に際して、優れた捩り疲労特性を有する製品を得ることができる。本発明鋼と本発明部品を用いることによって、高周波焼入れすることにより製造されるCVJ部品等の各種シャフト類の捩り疲労強度の向上が可能になる。以上のように、本発明による産業上の効果は極めて顕著なるものがある。
【図面の簡単な説明】
【図1】高周波焼入れ前のフェライトバンド組織が高周波焼入れ後に及ぼす影響を示す図である。
【図2】縞状組織の程度を数量的に表示する金属組織の写真(倍率:28倍)である。
【図3】捩り疲労試験における時間強度とMnSのアスペクト比の関係を示す図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to steel for induction hardening, and more specifically, excellent torsional fatigue characteristics suitable as a material for various shafts such as drive shafts and outer rings manufactured by induction hardening at a frequency of 5 to 40 kHz. It relates to induction hardening steel. Use of the newly developed steel is effective for preventing cracking during induction hardening. The forming process of the parts to which the present steel is applied is a process of directly performing cold forging without annealing, a process of annealing before or during cold forging, a process including a cutting process, Alternatively, the process of forming the part mainly by cutting, the process of forming the part by cutting including a partial annealing process, and the process including rolling process in any of these, or warm forging in any of these processes These are combined processes. In addition, since the component made into object by this invention is manufactured by cold processing, such as cutting and cold forging, it is also noted about cold workability.
[0002]
[Prior art]
Various shafts manufactured by the induction hardening process have a strong tendency to increase in strength in accordance with the recent increase in output of automobile engines or compliance with environmental regulations. The main required characteristic of these parts is torsional fatigue characteristics.
[0003]
The present invention is intended for products that are induction-quenched at a frequency of 5 to 40 kHz. Products that are induction-quenched at a frequency of around 100 kHz, which is the mainstream in the past, have a hardened layer depth (for example, the hardened layer depth is about one-fourth of the radius) and are primarily responsible for ensuring wear resistance. Therefore, ensuring the hardness of the outermost surface was an important issue. On the other hand, the technique of induction hardening at a frequency of 5 to 40 kHz, which is an object of the present invention, has recently been attracting attention because it can increase the depth of the hardened layer.
[0004]
In JP-A-3-177537, C: 0.38 to 0.45%, Si: 0.35% or less, Mn: 0.3 to 1.0%, B: 0.0005 to 0.0035% , Ti: 0.01 to 0.05, Al: 0.01 to 0.06%, N: 0.01% or less, ferrite crystal grain size number: 6 or more, microstructure: ferrite and pearlite, hardness HRB 80 to 90 The steel material for direct cutting and induction hardening which has the decarburization depth prescribed | regulated by JIS0558: DM-T0.2mm or less is shown. In the present invention, in order to further improve the machinability, S: 0.005 to 0.30%, Ca: 0.0002 to 0.005%, Pb: 0.005 to 0.30%, Te: 0.00. It is said that a free-cutting component such as 005 to 0.10% can be added as necessary. The invention steel is characterized in that steel B is applied and the decarburization depth is defined. This publication describes the characteristics when induction-quenched at a frequency of 100 kHz, but does not describe the characteristics when induction-quenched at a frequency of 5 to 40 kHz, which is an object of the present invention. In addition, the gazette does not mention the torsional fatigue strength characteristics focused on in the present invention at all. In the steel presented as an example, S is added around 0.02, and it is considered that a large amount of stretched MnS is present, and the occurrence of uneven hardness in the induction-hardened part is considered to be a problem. Strength properties are not considered sufficient.
[0005]
JP-A-5-179400 discloses C: 0.38 to 0.45%, Si: 0.35% or less, Mn: more than 1.0% to 1.5%, and B: 0.0005. Direct cutting with a fine grain structure of 0.0035%, Ti: 0.01 to 0.05, Al: 0.01 to 0.06%, N: 0.01% or less, ferrite crystal grain size number: 6 or more Induction hardening steel is shown. In claim 4 of the present invention, Pb: 0.01-0.20%, S: 0.005-0.30%, Bi: 0.01-0.10%, Te: 0.0005-0.10 %, Ca: 0.0003 to 0.0050%, or one or more. The invention steel material is a steel material in which the amount of Mn is increased with respect to JP-A-3-177537. The publication describes torsional strength but does not describe torsional fatigue strength. The steel presented as an example is added at around S: 0.02, and a large amount of stretched MnS is present, and the occurrence of uneven hardness in the induction-hardened part is considered to be a problem, and the torsional fatigue strength Etc. are not considered sufficient.
[0006]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-1749 discloses that in a longitudinal section passing through the axis of a linear or rod-shaped rolled material, it is parallel to the axis and is 1/4 · D (D is the diameter of the rolled material). Bending characterized in that there are no more than 20 composite inclusions having a diameter of 10 μm or more, made of oxide and sulfide, existing in a test area of 100 mm 2 including a distant imaginary line as a center line A steel for induction hardening with excellent fatigue strength and rolling fatigue strength is shown. In the present invention, S: 0.1% or less, B: 0.01% or less, Ca: 0.0005 to 0.01%, Te: 0.1% or less, Zr: 0.1% or less as selective elements It can be contained. The aim of the addition of Ca, Te and Zr of the present invention is to improve the anisotropy by spheroidizing MnS and to improve the machinability without deteriorating toughness and bending fatigue properties. The object of the present invention is to provide a steel for induction hardening that can exhibit excellent bending fatigue characteristics and rolling fatigue characteristics by induction hardening, and is a coarse composite having a diameter of 10 μm or more made of oxide and sulfide. The feature is that inclusions are limited within the above range. However, in the invention, no mention is made regarding torsional fatigue characteristics. Bending fatigue is a phenomenon in which a crack is generated and propagated in a cross section perpendicular to the axial direction due to tensile stress at or near the surface, leading to fracture. In contrast, torsional fatigue, which is taken up in the present invention, causes a crack to occur in a plane parallel to the axial direction due to shear stress on the surface or in the vicinity of the surface, and then propagates on a plane that forms 45 degrees with the axial direction. It is a phenomenon. That is, the torsional fatigue failure and the bending fatigue failure differ in all of the working stress that causes the failure, the cross-section where the crack occurs, and the failure mode. Rolling fatigue is a phenomenon in which cracks are generated and propagated from the surface of the contact area or directly under the surface in the repeated contact phenomenon of rolling elements. In rolling fatigue and torsional fatigue, the stress state, crack initiation and propagation are The mechanism is completely different. From the above, the description regarding bending fatigue characteristics and rolling fatigue characteristics in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-1749 does not give any suggestion regarding torsional fatigue strength taken up in the present invention.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The disclosed steels as described above are considered to have insufficient torsional fatigue properties due to the presence of elongated MnS and the inappropriate ferrite structure. The present invention solves such problems and provides a steel for induction hardening and an induction-quenched component having excellent torsional fatigue characteristics.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has solved the above problems using the following means.
[0009]
That is, in mass%,
C: 0.3 to 0.58%,
Si: 0.01 to 1.0%,
Mn: 0.85 to 1.7%,
S: 0.005 to 0.018% ,
B: 0.0005 to 0.005%,
Al: 0.001 to 0.1%,
Zr: 0.0003 to 0.01%
In addition,
Te: 0.0005 to 0.02%,
Ca: 0.0005 to 0.02%,
Zr: 0.0003 to 0.01%
Mg: 0.001 to 0.035%,
Y: 0.001 to 0.1%
Rare earth elements: 0.001 to 0.15%
One or more of these, or
Ti: 0.05% or less, or further
Nb: 0.04% or less,
V: contains one or two of 0.4% or less, or
Mo: 0.3% or less,
Ni: Contains 1 or 2 of 1% or less,
P: 0.025% or less,
Cr: 0.35% or less,
N: less than 0.0070%,
O: Each is limited to 0.0025% or less,
The balance consists of iron and inevitable impurities,
And the microstructure is substantially a ferrite pearlite structure,
The structure area ratio of the ferrite is 1-1.05 × C or less with respect to the carbon content C (%), the ferrite crystal grain size is 25 μm or less, or a cross section parallel to the hot rolling direction. It is a steel for induction hardening excellent in torsional fatigue characteristics characterized by having a ferrite band score of 1 to 5 in the structure.
[0010]
The invention of claim 6 is a component obtained by induction hardening of the steel for induction hardening according to any one of claims 1 to 5 , wherein the aspect ratio of MnS is 10 or less. Induction-hardened parts with excellent fatigue characteristics.
[0011]
By using the steel and parts of the present invention, a product excellent in torsional fatigue characteristics after induction hardening can be obtained.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the production of induction-hardened parts, the present inventors have conducted intensive investigations and clarified the following points in order to realize excellent torsional fatigue characteristics after induction hardening.
[0013]
(1) Torsional fatigue failure of induction-hardened members occurs in the following process.
A. A crack is generated on the surface or a plane parallel to the axial direction at the boundary between the hardened layer and the core.
B. The crack propagates in the plane parallel to the axial direction. This is hereinafter referred to as mode III destruction.
C. After mode III fracture, a brittle fracture is caused with a grain boundary crack at a plane of 45 degrees in the axial direction, and a final fracture is caused. This is hereinafter referred to as mode I destruction.
[0014]
(2) Torsional fatigue crack generation and initial propagation occur in a plane parallel to the axial direction. At this time, if extended MnS exists in the axial direction, crack generation and initial propagation occur along the extended MnS. Crack initiation and initial propagation are promoted. FIG. 1 (c) shows the fracture behavior under stress loading, but the extended MnS usually exists along the low carbon martensite part shown in the figure, and the occurrence of cracks shown in the figure. Is promoted by the presence of elongated MnS. For the above reasons, the generation and initial propagation of cracks are suppressed and the torsional fatigue strength is dramatically improved by granulating and refining MnS. Addition of Te, Ca, Zr, Mg, Y and rare earth elements is effective for preventing the formation of elongated MnS, granulating and refining MnS. The addition of a large amount of these elements is inappropriate because it causes formation of nitrides and oxides such as coarse ZrN and inhibits cold workability. Granulation of MnS by adding these elements is also effective for preventing cracks during induction hardening. As described in the prior art, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-1749 discloses that Ca, Te, and MnS are spheroidized to improve anisotropy and to improve machinability. The addition of Zr is described. However, the aim of granulating MnS by adding Ca, Te, Zr is to improve anisotropy and improve machinability without degrading toughness and bending fatigue properties. On the other hand, in the present invention, the improvement in torsional fatigue characteristics is clearly different between the two. In addition, although the invention refers to bending fatigue, it does not refer to any torsional fatigue characteristics, and as described above, in torsional fatigue fracture and bending fatigue fracture, acting stress that causes fracture, Since both the cross-section where the crack occurs and the form of fracture differ greatly, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-1749 does not contain any information that suggests the above technical idea of the present invention.
[0015]
(3) Next, if the ferrite fraction is large and the ferrite grains are coarse, after the induction hardening, the ferrite portion originally becomes low carbon martensite and hardness unevenness occurs. Since ferrite normally exists in a band shape parallel to the axial direction, after induction hardening, a portion having low hardness exists on a plane parallel to the axial direction. FIG. 1 is a diagram schematically showing the influence after induction hardening when a ferrite band exists in the structure before induction hardening. When the ferrite band is prominent, as shown in FIG. 1, after induction hardening, the part of the pearlite structure originally becomes high carbon martensite and the part of the ferrite band originally becomes low carbon martensite, and the hard layer and the soft layer are axial. It will be present in layers along the direction. When torsional stress is applied to such a steel material, the axial direction becomes the direction of maximum shearing stress, so shear cracks are generated and propagated along the soft, low-carbon martensite layer, resulting in low-strength fracture. Invite. For the above reasons, when the ferrite fraction is high and the ferrite grains are coarse, generation of torsional fatigue cracks and initial propagation in a plane parallel to the axial direction after induction hardening are promoted. Therefore, in order to prevent this, it is essential to regulate the ferrite fraction and refine the ferrite grains together with the granulation of MnS.
[0016]
(4) Next, in addition to optimizing the ferrite structure, it is also effective to suppress the ferrite band itself. As shown in FIG. 2, the grade of the ferrite band is scored in seven stages of 1 to 7 in “Japan Institute of Metals, Vol. 34, No. 9, page 961” published by the Japan Institute of Metals in 1970. That is, the above-mentioned Journal of the Japan Institute of Metals, Vol. 34, No. 9, pp. 957 to 962, “As to the title,“ about the influence of austenite grain size and forging ratio on ferrite stripe structure ”is described, In the left column,
[0017]
(5) Furthermore, it is effective to regulate the upper limit of the Cr content in order to reduce the hardness unevenness caused by the large ferrite fraction. This is due to the effect of preventing the poor penetration of carbides and reducing the hardness unevenness due to the ferrite fraction.
[0018]
(6) It should be noted that the effect of granulating MnS and the effect of optimizing the ferrite structure on the improvement of torsional fatigue properties are almost the same.
[0019]
(7) Next, in order to suppress the brittle fracture mode I accompanied by intergranular cracking at a 45 degree surface in the axial direction described in the column of the torsional fatigue fracture process "C." Boundary strengthening is effective.
(1) Add B as an essential element. B is due to the effect of expelling the grain boundary segregation P from the grain boundaries.
(2) Reduction of the amount of P and O which are segregation elements at grain boundaries.
(3) Refinement of austenite grain structure by refinement of ferrite structure of previous structure.
(4) In order to further improve the torsional fatigue strength, it is effective to refine the grain boundary carbide by increasing the Si content.
[0020]
(8) Since many of the parts targeted by the present invention are manufactured by cold working such as cutting or cold forging, ensuring cold workability is also an important issue. Addition of Mn and B is effective for suppressing the improvement in hardness at the material stage and improving the induction hardenability. In order to make B effective for hardenability, it is necessary to reduce N. In the present invention, the amount of N is reduced to less than 0.0070%.
[0021]
The present invention has been made based on the above new findings.
[0022]
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[0023]
C is an element effective for imparting the necessary strength to steel after induction hardening, but if it is less than 0.3%, the required strength cannot be ensured, and if it exceeds 0.58%, it becomes hard. Since cold workability is deteriorated, it is necessary to be within the range of 0.3 to 0.58%. A preferable range is 0.4 to 0.56%.
[0024]
Si is an element effective for deoxidation of steel and is an element effective for imparting necessary strength and hardenability to steel and improving temper softening resistance. However, if it is less than 0.01%, the effect is ineffective. It is enough. On the other hand, if it exceeds 1.0%, the hardness is increased and the cold workability is deteriorated. For the above reasons, the content needs to be in the range of 0.01 to 1.0%. The preferred range when the cold workability is emphasized is 0.01 to 0.5%, and the preferred range when the cold workability is particularly important is 0.01 to 0.15%. Further, the preferred range when the torsional fatigue characteristics are emphasized is more than 0.35 to 1.0%, and in the case where high strength is particularly desired, the addition in the range of 0.5 to 1.0% is desirable.
[0025]
Mn is an element effective for improving induction hardenability. In order to obtain a sufficient hardened layer depth for obtaining the torsional fatigue characteristics, the effect is insufficient at less than 0.85%. On the other hand, if it exceeds 1.7%, the hardness is significantly increased and the cold workability is deteriorated, so it is necessary to set the content within the range of 0.85% to 1.7%. The preferred range is 0.85 to 1.4%.
[0026]
S forms MnS in the steel and is added for the purpose of improving machinability. However, if it is less than 0.005%, its effect is insufficient. On the other hand, if it exceeds 0.018% , the torsional fatigue characteristics are deteriorated. For these reasons, the S content needs to be in the range of 0.005 to 0.018% . In addition, when MnS is elongated, torsional fatigue characteristics are deteriorated. Therefore, one or more of Te, Ca, Zr, Mg, and rare earth elements are contained as essential elements in order to finely disperse MnS. It is necessary to let
[0027]
B is added for the following three points. (1) In steel bar / wire rolling, boron iron carbide is generated in the cooling process after rolling, thereby increasing the growth rate of ferrite and promoting softening during rolling. (2) Gives hardenability to steel during induction hardening. (3) By improving the grain boundary strength of the induction-hardened material, the fatigue strength and impact strength as a machine part are improved. When the amount is less than 0.0005%, the above effect is insufficient. When the amount exceeds 0.005%, the effect is saturated, so the content needs to be within the range of 0.0005 to 0.005%. There is. The preferred range is 0.001 to 0.003%.
[0028]
Al is useful as a deoxidizer and is useful for securing solid solution B by fixing solid solution N present in steel as AlN. However, if the amount of Al is too large, Al 2 O 3 will be generated excessively, increasing internal defects and degrading the cold workability. Therefore, in the present invention, it was 0.001 to 0.1%. In addition, when Ti is not added and has an action of fixing solute N, Al is preferably 0.04 to 0.1%.
[0029]
Next, in this invention, 1 type (s) or 2 or more types are contained as an essential element among Te, Ca, Zr, Y, Mg, and rare earth elements. Each of these elements generates an oxide, and this oxide serves as a nucleus for forming MnS, and MnS is compositionally modified such as (Mn, Ca) S or (Mn, Mg) S. This improves the stretchability of these sulfides during hot rolling and finely disperses the granular MnS, thereby improving the torsional fatigue characteristics after induction hardening. Such effects are Te: less than 0.0005%, Ca: less than 0.0005%, Zr: less than 0.0003%, Mg: less than 0.001%, Y: less than 0.001%, rare earth element: 0 Addition of less than 0.001% is insufficient. On the other hand, Te: more than 0.02%, Ca: more than 0.02%, Zr: more than 0.01%, Mg: more than 0.035%, Y: more than 0.1%, rare earth elements: more than 0.15% The above effects are saturated, and excessive addition of these produces rather coarse oxides such as CaO and MgO and their clusters, and hard precipitates such as ZrN, which are cold workable. It causes deterioration. For these reasons, these contents are set to Te: 0.0005 to 0.02%, Ca: 0.0005 to 0.02%, Zr: 0.0003 to 0.01%, Mg: 0.001 to 0 0.035%, Y: 0.001 to 0.1%, and rare earth elements: 0.001 to 0.15%. In addition, the rare earth element as used in the field of this invention refers to the element of atomic number 57-71.
[0030]
Since P is an element that increases deformation resistance during cold forging and deteriorates toughness, cold workability deteriorates. Further, the fatigue strength of the final product is deteriorated by embrittlement of the grain boundaries of the parts after induction hardening and tempering. Therefore, it is necessary to limit the content to 0.025% or less. The preferred range is 0.015% or less.
[0031]
Cr is dissolved in cementite to stabilize the cementite. For this reason, cementite is poorly melted during short-time heating by induction hardening, causing unevenness in hardness and deteriorating torsional fatigue characteristics. This behavior becomes remarkable especially when it exceeds 0.35%. For the above reasons, the content needs to be limited to 0.35% or less. The preferred range is 0.15% or less.
[0032]
It is desirable to limit N as much as possible for the following two reasons. (1) B is added for the purpose of improving hardenability and strengthening grain boundaries as described above. However, since the effect of these B is manifested only in the state of solid solution B in steel, the amount of N is reduced. Therefore, it is essential to suppress the generation of BN. (2) When N is combined with Al and Ti in the steel, coarse nitrides are formed, causing cold forging cracks and the cold workability is remarkably deteriorated. The above adverse effect is particularly remarkable when the N amount is 0.007% or more. For the above reasons, the content needs to be less than 0.007%. The preferred range is 0.005% or less.
[0033]
O forms oxide inclusions such as Al 2 O 3 in the steel. When a large amount of oxide inclusions are present in the steel, the cold workability deteriorates. This tendency becomes particularly noticeable when the O content exceeds 0.0025%. For the above reasons, the content needs to be limited to 0.0025% or less. The preferred range is 0.002% or less.
[0034]
The above are the basic components of steel targeted by the present invention. In the second claim of the present invention, by adding Ti, N is fixed as TiN by Ti, and N is rendered harmless. . Ti is an element having a deoxidizing action. However, if Ti is added in excess of 0.05%, precipitation hardening due to TiC becomes remarkable, and cold workability is remarkably deteriorated. For this reason, Ti: 0.05% or less was included as necessary.
[0035]
Next, in the third aspect of the present invention, one or two of Nb and V are contained.
[0036]
Nb combines with C and N in steel to form Nb (CN), and is an effective element for increasing the core hardness by refining crystal grains and precipitation hardening. However, if it exceeds 0.04%, the hardness of the material becomes so hard that the cold workability deteriorates and it becomes difficult to form a solution during heating of the steel bar and wire rod. For the above reasons, the content needs to be 0.04% or less. The preferred range is 0.03% or less.
[0037]
V is added for the same effect as Nb. However, if it exceeds 0.4%, the hardness of the material becomes hard and the cold workability deteriorates, and it becomes difficult to form a solution during heating of the steel bar and wire rod. For the above reasons, the content needs to be 0.4% or less. The preferred range is 0.3% or less.
[0038]
Next, the fourth aspect of the present invention contains one or two of Mo and Ni.
[0039]
Mo is an element effective for imparting strength and hardenability to steel and improving the grain boundary strength after induction hardening to increase strength characteristics. However, if added over 0.3%, the hardness increases and cold workability deteriorates. For the above reasons, the content needs to be 0.3% or less.
[0040]
Ni is also an element effective for imparting strength and hardenability to the steel, but if added over 1%, the hardness increases and cold workability deteriorates. For the above reasons, the content needs to be 1% or less.
[0041]
Next, the structure of the present invention will be described.
[0042]
If the ferrite fraction is large and the ferrite grains are coarse, after the induction quenching as described above, the ferrite portion originally becomes low carbon martensite and hardness unevenness occurs. Since ferrite normally exists in a band shape parallel to the axial direction, after induction hardening, a portion having low hardness exists on a plane parallel to the axial direction. For the above reasons, when the ferrite fraction is high and the ferrite grains are coarse, generation of torsional fatigue cracks and initial propagation in a plane parallel to the axial direction after induction hardening are promoted. Therefore, in order to prevent this, it is essential to regulate the ferrite fraction and refine the ferrite grains together with the granulation of MnS. When the ferrite structure area ratio exceeds 1-1.05 × C or the ferrite crystal grain size exceeds 25 μm with respect to the carbon content C (%), there is an adverse effect due to the ferrite structure as described above. Become prominent. For the above reasons, it is necessary that the structure area ratio of ferrite is 1-1.05 × C or less with respect to the carbon content C (%), and the ferrite crystal grain size is 25 μm or less. Here, the structure area ratio of ferrite is expressed as a fraction, that is, the structure area ratio of ferrite when the area of the entire structure is 1. For example, in the case of 0.4% C steel, 1-1.05 × C = 0.58, and the structure area ratio of ferrite is regulated to 0.58 or less (58% or less if expressed in percentage).
[0043]
Next, according to the fifth aspect of the present invention, the score of the ferrite band having a cross-sectional structure parallel to the hot rolling direction is limited to a range of 1 to 5. The score of the ferrite band is a score defined in the Japan Metallurgy Journal Vol. 34, page 961, as described above. The reason for limiting the tissue factor in this way in the present invention will be described below.
[0044]
Since induction hardening is rapid heating, if the ferrite in the structure before induction hardening is coarse, the ferrite part has insufficient carbon diffusion after austenitization, and the carbon concentration is lower than the added carbon concentration. After hardening, the hardness at that position becomes small. Here, generally, a striped structure called a ferrite band is recognized in a cross section parallel to the rolling direction of the steel material after hot rolling. When coarse ferrite is continuously present as a ferrite band in a row, hardness unevenness after quenching becomes particularly remarkable, and a soft band corresponding to the original ferrite band is formed in the longitudinal direction. Therefore, when a torsional moment is repeatedly applied to the final part, a fatigue crack is generated by shearing stress along the soft band and breaks with low strength. The above phenomenon becomes particularly prominent when the ferrite band score exceeds 5. For the above reasons, the ferrite band score of the cross-sectional structure parallel to the hot rolling direction was set to 1-5. A preferable range is a range in which the score of the ferrite band having a cross-sectional structure parallel to the hot rolling direction is 1 to 4.
[0045]
Next, the invention of claim 6 is an invention relating to an induction hardened component having excellent torsional fatigue characteristics. It is the component which induction-hardened the steel for induction hardening as described in any one of Claims 1-5 , Comprising: The aspect ratio of MnS restrict | limits to 10 or less. FIG. 3 shows the results of investigating the relationship between the aspect ratio of MnS and the time strength in torsional fatigue for induction-hardened shaft components. When the aspect ratio of MnS exceeds 10, the torsional fatigue characteristics are significantly deteriorated. For the above reasons, the aspect ratio of MnS was limited to 10 or less.
[0046]
In the present invention, the size of the slab, the cooling rate during solidification, the ingot rolling conditions, the bar rolling conditions and the cooling conditions are not particularly limited, and any conditions may be used as long as the requirements of the present invention are satisfied.
[0047]
【Example】
Hereinafter, the effects of the present invention will be described more specifically by way of examples.
[0048]
Example 1
Steel having the composition shown in Table 1 was melted. Here, it is a method for analyzing Zr in steel. After the sample was processed in the same manner as in Appendix 3 of JIS G 1237-1997, the amount of Zr in steel was measured by ICP (inductively coupled plasma) in the same manner as the analysis of Nb in steel. (Emission spectroscopy). However, the sample used for the measurement in the examples of the present invention was 2 g, and the calibration curve in ICP was set to be suitable for a very small amount of Zr. That is, the Zr standard solution was diluted so that the Zr concentration was 1 to 200 ppm to prepare solutions having different Zr concentrations, and the calibration curve was prepared by measuring the Zr amount. In addition, about the common method regarding these ICP, it is based on JISK0116-1995 (general rules of emission spectroscopic analysis method) and JIS Z 8002-1991 (general rules of tolerance of analysis and test).
[0049]
After forming a 162 mm square rolled material, a steel bar having a diameter of 36 to 45 mm was manufactured by hot rolling. For cooling after hot rolling, some materials were air-cooled, and some materials were cooled at a slower cooling rate than air-cooling using a heat insulating cover installed on the cooling floor.
[0050]
The structure of the rolled steel bar was observed to determine the ferrite fraction and the ferrite crystal grain size.
[0051]
Further, the Vickers hardness of the rolled steel bar was measured. Furthermore, an upsetting test piece was prepared from the rolled steel bar, and the cold deformation resistance and the limit upsetting rate were obtained as indicators of cold workability. The cold deformation resistance was represented by the deformation resistance at an equivalent strain of 1.0.
[0052]
Further, static torsional test pieces and torsional fatigue test pieces having a parallel part diameter of 20 mm were collected from the rolled material. The static torsional test piece and the torsional fatigue test piece were subjected to induction hardening under the conditions of a frequency of 8.5 kHz and a maximum heating temperature of 1000 ° C., and then tempered at 170 ° C. for 1 hour. Thereafter, a static torsion test and a torsional fatigue test were performed. The torsional fatigue characteristics were evaluated by time strength at 1 × 10 5 cycles. Moreover, the aspect ratio of MnS was calculated | required using the image analysis apparatus in the cross section of the longitudinal direction of a torsion test piece.
[0053]
These survey results are shown in Tables 2 and 3. The depth of the hardened layer of the induction-hardened material is indicated by the ratio of the depth t to the radius r of HV450.
[0054]
Comparative Example 22 is a characteristic of JIS S40C, Comparative Example 23 is a characteristic of JIS S45C, and Comparative Example 24 is a characteristic of JIS S53C. Comparative Example 25 is a characteristic of boron steel of 0.4C, Comparative Example 26 is 0.45C, and Comparative Example 27 is a characteristic of boron steel of 0.53C. In each of these comparative examples, the aspect ratio of MnS exceeds the range specified in the present invention. And when the example of this invention and a comparative example are compared about the same C amount, the torsional fatigue strength of the example of this invention is remarkably excellent compared with a comparative example.
[0055]
Next, Comparative Examples 28, 29, and 30 are cases where rolling was followed by annealing in a furnace at 650 ° C., and Comparative Examples 28 and 29 were cases where the ferrite fraction exceeded the range specified in the present invention. Comparative Example 30 is a case where the ferrite crystal grain size exceeds the range specified in the present invention, and the torsional fatigue characteristics are inferior to those of the present invention.
[0056]
[Table 1]
[0057]
[Table 2]
[0058]
[Table 3]
[0059]
(Example 2)
Next, the steel levels B, M, S, and X shown in Table 1 were rolled under two conditions of a rolling finishing temperature of 850 to 980 ° C and 700 to 840 ° C. The former condition is the example of the present invention, and the latter condition is the rolling condition of the comparative example. These materials were evaluated in the same manner as in Example 1. Furthermore, the score of the ferrite band of the cross section parallel to the rolling direction was calculated | required about the rolling material.
[0060]
The survey results are shown in Table 4. In Comparative Examples 35 to 38, the score of the ferrite band exceeds the range specified in the present invention. And the torsional fatigue strength of the example of this invention is remarkably excellent compared with the comparative example.
[0061]
[Table 4]
[0062]
【The invention's effect】
When the induction-quenched steel and the induction-quenched parts excellent in torsional fatigue characteristics of the present invention are used, a product having excellent torsional fatigue characteristics can be obtained when producing the induction-quenched parts. By using the steel of the present invention and the parts of the present invention, the torsional fatigue strength of various shafts such as CVJ parts produced by induction hardening can be improved. As described above, the industrial effects of the present invention are extremely remarkable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the influence of a ferrite band structure before induction hardening on after induction hardening.
FIG. 2 is a photograph (magnification: 28 times) of a metal structure that quantitatively displays the degree of striped structure.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between time strength and MnS aspect ratio in a torsional fatigue test.
Claims (6)
C:0.3〜0.58%、
Si:0.01〜1.0%、
Mn:0.85〜1.7%、
S:0.005〜0.018%、
B:0.0005〜0.005%、
Al:0.001〜0.1%
を含有し、さらに、
Te:0.0005〜0.02%、
Ca:0.0005〜0.02%、
Zr:0.0003〜0.01%、
Mg:0.001〜0.035%、
Y:0.001〜0.1%、
希土類元素:0.001〜0.15%
のうち1種または2種以上を含有し、
P:0.025%以下、
Cr:0.35%以下、
N:0.0070%未満、
O:0.0025%以下
に各々制限し、
残部が鉄および不可避的不純物からなり、
かつ、ミクロ組織は実質的にフェライト・パーライト組織であり、
フェライトの組織面積率が含有炭素量C(%)に対して、1−1.05×C以下であり、フェライト結晶粒径が25μm以下であることを特徴とする捩り疲労特性に優れた高周波焼入れ用鋼。% By mass
C: 0.3 to 0.58%,
Si: 0.01 to 1.0%,
Mn: 0.85 to 1.7%,
S: 0.005 to 0.018% ,
B: 0.0005 to 0.005%,
Al: 0.001 to 0.1%
In addition,
Te: 0.0005 to 0.02%,
Ca: 0.0005 to 0.02%,
Zr: 0.0003 to 0.01%
Mg: 0.001 to 0.035%,
Y: 0.001 to 0.1%
Rare earth elements: 0.001 to 0.15%
Containing one or more of them,
P: 0.025% or less,
Cr: 0.35% or less,
N: less than 0.0070%,
O: Each is limited to 0.0025% or less,
The balance consists of iron and inevitable impurities,
And the microstructure is substantially a ferrite pearlite structure,
Induction hardening with excellent torsional fatigue characteristics, wherein the ferrite structure area ratio is 1-1.05 × C or less with respect to the carbon content C (%) and the ferrite crystal grain size is 25 μm or less. Steel.
Ti:0.05%以下
を含有することを特徴とする請求項1記載の捩り疲労特性に優れた高周波焼入れ用鋼。Furthermore, in mass%,
The steel for induction hardening excellent in torsional fatigue characteristics according to claim 1, characterized by containing Ti: 0.05% or less.
Nb:0.04%以下、
V:0.4%以下
のうち1種または2種を含有することを特徴とする請求項1または2記載の捩り疲労特性に優れた高周波焼入れ用鋼。Furthermore, in mass%,
Nb: 0.04% or less,
V: Steel for induction hardening excellent in torsional fatigue properties according to claim 1 or 2, characterized by containing one or two of 0.4% or less.
Mo:0.3%以下、
Ni:1%以下
のうち1種または2種を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の捩り疲労特性に優れた高周波焼入れ用鋼。Furthermore, in mass%,
Mo: 0.3% or less,
The steel for induction hardening excellent in torsional fatigue characteristics according to any one of claims 1 to 3, characterized by containing one or two of Ni: 1% or less.
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