【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械構造用中炭素鋼からなる部品、例えば歯車などの高強度化が要求される自動車用鋼部品に関する。
【0002】
【従来の技術】
これまで機械構造部品である歯車等の機械構造用鋼として、JIS S45C、S53Cに代表される中炭素鋼に高周波焼入れ処理などを施したものが用いられてきたものの、機械構造部品の高強度化の要求はますます高まっている。そこで、Ni、Cr、Moなどの合金元素を添加して高強度化を図っている。例えば、Moを0.30〜2.00%、及びNbを0.010〜0.100%添加することによって高強度化を図っている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
また、JISレベル(0.15〜0.35%)に比してSiを増量添加することによって焼戻軟化抵抗性の向上し、それにより耐ピッチング性が向上することが分かっている(特許文献2参照)。焼戻し軟化抵抗性とは、高周波焼入れ焼戻し時の焼戻し温度以上に再加熱した場合に起こる硬さの低下の起こりにくさのことである。
【0004】
さらに、Ti添加及びB添加により靭性を向上させた中炭素鋼について開示されている(特許文献3参照)が、Siの添加量はJISレベル以下である。
【0005】
【特許文献1】
特開平3−47948号公報
【特許文献2】
特開平7−258793号公報
【特許文献3】
特開2000−63979号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような事情を背景としてなされたもので、本発明の目的とするところは、高価な合金元素の添加を抑え、耐ピッチング性及び衝撃強度の優れる中炭素鋼を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
耐ピッチング性向上のために、本発明では、Ti添加により微細なTiCを鋼中に分散させ、鋼マトリックスの分散強化を図り、かつさらにSi含有量を0.40〜1.50%とすることによって焼戻し軟化抵抗性を向上させることを特徴とする。
【0008】
衝撃強度の向上のために、Bを添加し粒界強化により靭性を向上させることを特徴とする。
【0009】
すなわち、上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項1の発明では、質量%で、C:0.40〜0.80%、Si:0.40〜1.50%、Mn:0.30〜2.00%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Ti:0.02〜0.30%、B:0.0005〜0.0050%、N:0.015%以下を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、B添加により衝撃強度を大幅に向上させ、かつTi添加により鋼中に微細なTiCを分散させ、さらにSi添加により焼戻軟化抵抗性に優れることを特徴とする高強度中炭素鋼である。
【0010】
請求項2の発明では、請求項1の手段の合金元素に加えて、質量%で、Cr:0.15〜3.00%、Mo:0.03〜1.50%、Ni:0.03〜3.50%以下のうち、1種以上を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、B添加により衝撃強度を大幅に向上させ、かつTi添加により鋼中に微細なTiCを分散させ、さらにSi添加により焼戻軟化抵抗性に優れることを特徴とする高強度中炭素鋼である。
【0011】
請求項3の発明では、請求項1の手段の合金元素に加えて、質量%で、Nb:0.02〜0.15%以下、V:0.02〜0.15%のうち、1種以上を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、B添加により衝撃強度を大幅に向上させ、かつTi添加により鋼中に微細なTiCを分散させ、さらにSi添加により焼戻軟化抵抗性に優れることを特徴とする高強度中炭素鋼である。
【0012】
請求項4の発明では、請求項2の手段の合金元素に加えて、質量%で、Nb:0.02〜0.15%以下、V:0.02〜0.15%のうち、1種以上を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、B添加により衝撃強度を大幅に向上させ、かつTi添加により鋼中に微細なTiCを分散させ、さらにSi添加により焼戻軟化抵抗性に優れることを特徴とする高強度中炭素鋼である。
【0013】
合金元素の限定理由を以下に説明する。なお、%は質量%で示す。
【0014】
C:0.40〜0.80%
Cは、機械構造用部品として芯部強度を確保するために必要な元素であるが、0.40%未満では焼入れ時の硬さが低くなり、反対に0.80%を超えると焼入れ時の硬さは飽和し、かつ加工性が低下する。そのため、含有量を0.40〜0.80%とした。
【0015】
Si:0.40〜1.50%
Siは、本発明において重要な役割を持つ元素であって、耐ピッチング性向上に非常に効果が高い焼戻軟化抵抗性を向上させるために添加する。この効果を得るためには0.40%以上含有する必要があるが、多すぎると靭性を阻害するので上限を1.50%とする。上記の効果を最も発揮させるには、0.55〜1.50%の添加が望ましい。
【0016】
Mn:0.30〜2.00%
Mnは、焼入れ性や焼戻軟化抵抗性を向上させる元素であるために添加され、その効果を得るためには、0.30%以上を必要とする。しかし、過剰に添加するとその効果が飽和するとともに被削性や冷温間加工性が劣化するので、上限を2.00%とする。
【0017】
P:0.030%以下
Pは、オーステナイト粒界に偏析して衝撃強度や曲げ強度などの靭性を低下させるため、含有量の上限を0.030%以下とする。
【0018】
S:0.030%以下
Sは冷間加工性を害し、また鋼中でMnSなる非金属介在物を形成して、横方向性の靭性を損なうので、その上限を0.030%以下とする。
【0019】
Ti:0.02〜0.30%
Tiは、TiCとして鋼中に微細に析出することにより、鋼マトリックスを分散強化し、疲労破壊やピッチングに至る亀裂の生成、伝播を遅延させる元素であり、このような効果を得るために、0.02%以上とする。しかし、0.30%を超えて添加すると被削性を劣化させるので、上限を0.30%とする。
【0020】
N:0.0150%以下
Nは、Al、Ti、Nb、Vなどと結合して窒化物や炭窒化物を形成し、高周波焼入れ時の結晶粒の粗大化を防ぐのに有効な元素であるが、多量に添加するとTi、Nb、Vと大形で硬質な一次窒化物を形成して転動疲労特性や曲げ疲労特性、及び被削性を低下させる。従って上限を0.0150%とする。
【0021】
B:0.0005〜0.0050%
Bは、極微量の添加によって鋼の焼入れ性を著しく向上させる元素であり、かつ粒界に偏析し粒界破壊を抑制することによって高周波焼入れ焼戻し後の強度や靭性を大幅に改善するが、0.0005%未満ではその効果が十分でなく、0.0050%を超えると熱間加工性を低下させる。従って上限を0.0050%とする。
【0022】
Cr:0.15〜3.00%、Mo:0.03〜1.50%、Ni:0.03〜3.50%
Crは、焼入れ性の向上に寄与するとともに、焼戻軟化抵抗性を増大させて耐ピッチング性を向上させるのに寄与する元素であり、このような効果を得るために0.15%以上とする。しかし、3.00%を超えて添加しても耐ピッチング性向上の効果は飽和し、かえって被削性を劣化させるので3.00%以下とする。Moは、焼入れ性の向上に寄与するとともに、鋼の靭性を向上させるので、焼入れ性と靭性を確保するため任意に添加することができる。0.03%未満ではそのような効果が得られず、1.50%を超えて添加すると素材の軟化焼きなましを困難とし、被削性や冷鍛性を劣化させる。経済性も損なうため上限を1.50%とする。Niは、鋼に所定の焼入れ性を付与するとともに、鋼の靭性を向上させるので、焼入れ性と靭性を確保するため任意に添加することができる。0.03%未満ではそのような効果が得られず、3.50%を超えて含有させても、その効果は飽和し経済性を損なうので3.50%を上限とする。必要に応じてこれらの1種以上を適宜添加してもよい。
【0023】
Nb:0.02〜0.15%、V:0.02〜0.15%以下
Nb、Vは、いずれも微細な炭化物あるいは炭窒化物を形成し、高周波焼入れ処理時の結晶粒微細化に寄与して機械構造部材の靭性を高めるのに有効な元素であるので、必要に応じてこれらの1種または2種を適宜添加し、オーステナイト結晶粒を微細化するが、0.02%未満の添加ではその効果が得られない。また、添加量が多すぎても微細効果は飽和し、かえって機械的性質を劣化させることもあるため、上限を0.15%とする。
【0024】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の鋼について表1および以下の表ならびに実施例を通じて示す。表1において、鋼種A、鋼種H、鋼種Iは請求項1の発明の実施の形態である。鋼種B、鋼種Cは請求項2の発明の実施の形態である。鋼種D、鋼種Fは請求項3の発明の実施の形態である。鋼種E、鋼種Gは請求項4の発明の実施の形態である。また、鋼種A〜CはSi量が0.40〜0.55%である発明の実施の形態であり、鋼種D〜IはSi量が0.55〜1.50%である発明の実施の形態である。
【0025】
比較鋼はそれぞれ、鋼種JがJIS S53C、鋼種KがJIS S53CにTi及びBを添加したもの、鋼種LがJIS S53CにBを添加したもの、鋼種MがJIS S53CにTiを添加したもの、鋼種NがJIS S53CにSi及びBを添加したものである。
【0026】
【表1】
【0027】
【実施例】
表1に示す化学組成の鋼を100kg真空溶解炉で溶製した後、1200℃の熱間鍛造によって直径32mmの棒鋼を製造した。次いで、前記各素材に対して900℃以上の温度に加熱した後空冷して焼きならし処理を施した後、各種試験用の試験片を作製した。各試験片に対して、硬化層比率(表面から500HVとなる点までの距離/部品半径)が0.25以上となるように高周波焼入れ処理を施した後、150℃で焼戻し、各試験を行った。それぞれの特性評価は、耐ピッチング性については、図1に示すローラーピッチング試験片を用いたローラーピッチング試験、衝撃強度については、図2に示す角10mm×長さ55mmの試験片に2mmUノッチを設けた試験片を用いたシャルピー衝撃試験にて行った。
【0028】
衝撃強度は、シャルピー衝撃試験を行い、その際の吸収エネルギーをノッチ底の断面積80mm2で除した値をシャルピー衝撃値として評価した。
【0029】
ここで、ローラーピッチング試験の原理を図3に示す。すなわち、ローラーピッチング試験片1(小ローラー:材質は表1の鋼種A〜N)と相手材2(大ローラー:JIS SCM420相当)とを340kgf/mm2すなわち、3334MPaの面圧下で高速回転させ、ピッチングが発生するまでの寿命である回転数を求めて耐ピッチング性を評価した。なお、この場合、ローラーピッチング試験片1(小ローラー)と相手材2(大ローラー)との周速の差、すなわち滑り率は40%である。そして、各条件についてそれぞれ5本のローラーピッチング試験片1を対象として試験を行った後、ワイブルプロットを行い、50%破損確率寿命(B50寿命)を求めて耐ピッチング性を評価した。
【0030】
また、ローラーピッチング試験片1を用いて表面硬化層断面の表面から80μm位置における硬さを300℃の高温条件下にて測定し焼戻軟化抵抗性の評価とした。以上の試験結果を表2に示す。
【0031】
【表2】
【0032】
表2により、比較例J(JIS S53C)に対して本発明の鋼が耐ピッチング性、衝撃強度のいずれも優れる鋼であることが分かる。また、SiをJIS中炭素鋼レベル(0.15〜0.35%)に対して0.40〜1.50%に増量添加することによって高温硬さの上昇すなわち焼戻軟化抵抗性が向上したことが分かる。さらに、比較例L、M、Nの結果から耐ピッチング性、衝撃強度をともに大幅に向上させるには、Siの0.40〜1.50%の添加、望ましくは0.55〜1.50%の添加及びTiとBの添加が必須であることが分かる。
【0033】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、B添加により衝撃強度を大幅に向上させ、かつTi添加により鋼中に微細なTiCを分散させ、さらにSi添加により焼戻軟化抵抗性に優れることが特徴である。それにより、高価な合金元素の添加を抑えた耐ピッチング性、衝撃強度に優れる中炭素鋼が得られ、この発明鋼に高周波焼入れ処理を施すことにより機械構造部品である歯車などの構造用鋼として優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】ローラーピッチング試験片の概略を示す側面図である。
【図2】シャルピー衝撃試験片の概略を示す側面図である。
【図3】ローラーピッチング試験の原理を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 ローラーピッチング試験片
2 相手材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a part made of medium carbon steel for a machine structure, for example, a steel part for an automobile that requires high strength such as a gear.
[0002]
[Prior art]
In the past, medium-strength steel such as gears, which are mechanical structural parts, which had been subjected to induction hardening or the like on medium carbon steel represented by JIS S45C and S53C, was used. Is increasingly demanding. Therefore, alloy elements such as Ni, Cr, and Mo are added to increase the strength. For example, high strength is achieved by adding 0.30 to 2.00% of Mo and 0.010 to 0.100% of Nb (for example, see Patent Document 1).
[0003]
Further, it has been found that by increasing the amount of Si added compared to the JIS level (0.15 to 0.35%), the tempering softening resistance is improved, and thereby the pitting resistance is improved (Patent Document 1). 2). Temper softening resistance refers to the difficulty in lowering the hardness that occurs when reheating is performed at or above the tempering temperature during induction quenching and tempering.
[0004]
Furthermore, a medium carbon steel in which toughness is improved by adding Ti and B is disclosed (see Patent Document 3), but the amount of Si added is below the JIS level.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-3-47948 [Patent Document 2]
JP-A-7-258793 [Patent Document 3]
JP 2000-63979 A
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a medium-carbon steel which suppresses the addition of expensive alloy elements and has excellent pitting resistance and impact strength. It is.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to improve pitting resistance, in the present invention, fine TiC is dispersed in steel by adding Ti, thereby strengthening the dispersion of the steel matrix, and further, the Si content is set to 0.40 to 1.50%. The tempering softening resistance is thereby improved.
[0008]
In order to improve impact strength, B is added to enhance toughness by strengthening grain boundaries.
[0009]
In other words, the means of the present invention for solving the above-mentioned problems are, in the invention of claim 1, C: 0.40 to 0.80%, Si: 0.40 to 1.50%, Mn : 0.30 to 2.00%, P: 0.030% or less, S: 0.030% or less, Ti: 0.02 to 0.30%, B: 0.0005 to 0.0050%, N: 0.015% or less, the balance consists of Fe and unavoidable impurities, the impact strength is greatly improved by adding B, and fine TiC is dispersed in steel by adding Ti, and tempering is softened by adding Si. It is a high-strength medium-carbon steel characterized by excellent resistance.
[0010]
According to the second aspect of the present invention, in addition to the alloy elements of the first aspect, Cr: 0.15 to 3.00%, Mo: 0.03 to 1.50%, and Ni: 0.03% by mass. 33.50% or less, one or more of which contain Fe and unavoidable impurities, greatly improve the impact strength by adding B, and disperse fine TiC in steel by adding Ti, Further, it is a high-strength medium carbon steel characterized by having excellent temper softening resistance by adding Si.
[0011]
According to the third aspect of the present invention, in addition to the alloy element of the first aspect, one of Nb: 0.02 to 0.15% or less and V: 0.02 to 0.15% by mass%. It contains the above, and the balance consists of Fe and unavoidable impurities. The addition of B greatly improves the impact strength, the addition of Ti disperses fine TiC in the steel, and the addition of Si provides excellent temper softening resistance. It is a high-strength medium-carbon steel characterized by the following.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, in addition to the alloy element of the second aspect, one of Nb: 0.02 to 0.15% or less and V: 0.02 to 0.15% by mass%. It contains the above, and the balance consists of Fe and unavoidable impurities. The addition of B greatly improves the impact strength, the addition of Ti disperses fine TiC in the steel, and the addition of Si provides excellent temper softening resistance. It is a high-strength medium-carbon steel characterized by the following.
[0013]
The reasons for limiting the alloying elements will be described below. In addition,% is shown by mass%.
[0014]
C: 0.40 to 0.80%
C is an element necessary for securing the core strength as a component for a mechanical structure, but if it is less than 0.40%, the hardness at the time of quenching becomes low, and if it exceeds 0.80%, it becomes hard at the time of quenching. Hardness is saturated and workability is reduced. Therefore, the content is set to 0.40 to 0.80%.
[0015]
Si: 0.40 to 1.50%
Si is an element having an important role in the present invention, and is added to improve tempering softening resistance, which is very effective in improving pitting resistance. To obtain this effect, the content needs to be 0.40% or more, but if it is too large, the toughness is impaired, so the upper limit is made 1.50%. To exert the above effects most, it is desirable to add 0.55 to 1.50%.
[0016]
Mn: 0.30-2.00%
Mn is added because it is an element that improves quenching properties and tempering softening resistance, and requires 0.30% or more to obtain the effect. However, if added in excess, the effect is saturated and the machinability and cold-workability deteriorate, so the upper limit is made 2.00%.
[0017]
P: 0.030% or less Since P segregates at austenite grain boundaries and lowers toughness such as impact strength and bending strength, the upper limit of the content is made 0.030% or less.
[0018]
S: 0.030% or less S impairs cold workability and forms non-metallic inclusions of MnS in steel to impair the toughness in the lateral direction, so the upper limit is made 0.030% or less. .
[0019]
Ti: 0.02 to 0.30%
Ti is an element that precipitates finely in the steel as TiC, thereby dispersing and strengthening the steel matrix, and delaying the generation and propagation of cracks that lead to fatigue fracture and pitting. 0.02% or more. However, if added in excess of 0.30%, machinability deteriorates, so the upper limit is made 0.30%.
[0020]
N: 0.0150% or less N is an element effective to combine with Al, Ti, Nb, V and the like to form nitrides and carbonitrides and to prevent crystal grains from being coarsened during induction hardening. However, when added in a large amount, a large hard primary nitride is formed with Ti, Nb, and V, thereby lowering the rolling fatigue properties, bending fatigue properties, and machinability. Therefore, the upper limit is set to 0.0150%.
[0021]
B: 0.0005 to 0.0050%
B is an element that significantly improves the hardenability of steel by adding a trace amount thereof, and significantly improves the strength and toughness after induction hardening and tempering by segregating at grain boundaries and suppressing grain boundary fracture. If it is less than 0.0005%, the effect is not sufficient, and if it exceeds 0.0050%, the hot workability is reduced. Therefore, the upper limit is made 0.0050%.
[0022]
Cr: 0.15 to 3.00%, Mo: 0.03 to 1.50%, Ni: 0.03 to 3.50%
Cr is an element that contributes to improvement of hardenability and also contributes to increase tempering softening resistance and improve pitting resistance. To obtain such an effect, Cr is made 0.15% or more. . However, even if it is added in excess of 3.00%, the effect of improving the pitting resistance is saturated and the machinability is rather deteriorated. Mo contributes to the improvement of the hardenability and also improves the toughness of the steel. Therefore, Mo can be optionally added to secure the hardenability and the toughness. If the content is less than 0.03%, such an effect cannot be obtained. If the content is more than 1.50%, it becomes difficult to soften and anneal the material, and the machinability and cold forgeability are deteriorated. The upper limit is set to 1.50% because the economy is impaired. Ni imparts a predetermined hardenability to the steel and improves the toughness of the steel. Ni can be arbitrarily added in order to secure the hardenability and the toughness. If the content is less than 0.03%, such an effect cannot be obtained. Even if the content exceeds 3.50%, the effect is saturated and the economy is impaired, so the upper limit is 3.50%. One or more of these may be added as needed.
[0023]
Nb: 0.02 to 0.15%, V: 0.02 to 0.15% or less Nb and V both form fine carbides or carbonitrides, and are used for the refinement of crystal grains during induction hardening. Since it is an element that contributes and is effective in increasing the toughness of the mechanical structural member, one or two of these elements are appropriately added as necessary to refine the austenite crystal grains. The effect cannot be obtained by addition. Also, if the added amount is too large, the fine effect is saturated and the mechanical properties may be rather deteriorated. Therefore, the upper limit is set to 0.15%.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The steel according to the embodiment of the present invention is shown in Table 1 and the following tables and examples. In Table 1, steel type A, steel type H, and steel type I are embodiments of the first aspect of the present invention. Steel type B and steel type C are embodiments of the invention of claim 2. Steel type D and steel type F are embodiments of the third aspect of the present invention. Steel type E and steel type G are an embodiment of the invention of claim 4. Steel types A to C are embodiments of the invention in which the amount of Si is 0.40 to 0.55%, and steel types D to I are embodiments of the invention in which the amount of Si is 0.55 to 1.50%. It is a form.
[0025]
The comparative steels are steel type J with JIS S53C, steel type K with JIS S53C with Ti and B added, steel type L with JIS S53C with B added, steel type M with JIS S53C with Ti added, steel type N is obtained by adding Si and B to JIS S53C.
[0026]
[Table 1]
[0027]
【Example】
After 100 kg of steel having the chemical composition shown in Table 1 was melted in a vacuum melting furnace, a steel bar having a diameter of 32 mm was manufactured by hot forging at 1200 ° C. Next, each material was heated to a temperature of 900 ° C. or higher, air-cooled, and subjected to normalizing treatment, and then test specimens for various tests were prepared. Each test piece was subjected to induction hardening treatment so that the ratio of the hardened layer (the distance from the surface to the point at which 500 HV was reached / the part radius) was 0.25 or more, then tempered at 150 ° C., and each test was performed. Was. For each property evaluation, for the pitting resistance, a roller pitting test using the roller pitting test piece shown in FIG. 1 was used, and for the impact strength, a 2 mm U notch was provided on a 10 mm square × 55 mm long test piece shown in FIG. The test was performed in a Charpy impact test using the obtained test piece.
[0028]
For the impact strength, a Charpy impact test was performed, and the value obtained by dividing the absorbed energy at that time by the sectional area of the notch bottom of 80 mm 2 was evaluated as the Charpy impact value.
[0029]
Here, the principle of the roller pitching test is shown in FIG. That is, the roller pitching test piece 1 (small roller: materials are steel types A to N in Table 1) and the mating material 2 (large roller: JIS SCM420 equivalent) are rotated at a high speed under a surface pressure of 340 kgf / mm 2, that is, 3334 MPa, The number of revolutions, which is the life until the occurrence of pitting, was determined, and the pitting resistance was evaluated. In this case, the difference in the peripheral speed between the roller pitching test piece 1 (small roller) and the mating material 2 (large roller), that is, the slip ratio is 40%. Then, after performing a test for each of the five roller pitching test pieces 1 under each condition, Weibull plotting was performed, and a 50% failure probability life ( B50 life) was obtained to evaluate pitting resistance.
[0030]
Further, the hardness at a position of 80 μm from the surface of the cross section of the surface hardened layer was measured under a high temperature condition of 300 ° C. using the roller pitting test piece 1 to evaluate the tempering softening resistance. Table 2 shows the test results.
[0031]
[Table 2]
[0032]
Table 2 shows that the steel of the present invention is a steel excellent in both pitting resistance and impact strength compared to Comparative Example J (JIS S53C). In addition, by increasing the amount of Si to 0.40 to 1.50% with respect to the carbon steel level (0.15 to 0.35%) in JIS, the increase in high-temperature hardness, that is, the resistance to temper softening, was improved. You can see that. Further, from the results of Comparative Examples L, M and N, in order to greatly improve both the pitting resistance and the impact strength, 0.40 to 1.50% of Si is added, preferably 0.55 to 1.50%. And the addition of Ti and B are indispensable.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, the present invention is characterized by significantly improving impact strength by adding B, dispersing fine TiC in steel by adding Ti, and being excellent in temper softening resistance by adding Si. is there. As a result, a medium carbon steel with excellent pitting resistance and impact strength, in which the addition of expensive alloying elements is suppressed, can be obtained. Demonstrates excellent effects.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view schematically showing a roller pitching test piece.
FIG. 2 is a side view schematically showing a Charpy impact test piece.
FIG. 3 is a perspective view showing the principle of a roller pitching test.
[Explanation of symbols]
1 Roller pitching test piece 2 Counterpart material