專利名稱：切削性優(yōu)良的機械結構用鋼的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機械結構用鋼，特別是涉及可供于制造高強度的汽車用部件的切削性優(yōu)良的機械結構用鋼。本申請基于2010年7月14日在日本提出申請的特愿2010-160136號公報、2010年7月14日在日本提出申請的特愿2010-160108號公報、2010年7月14日在日本提出申請的特愿2010-160141號公報及2010年7月14日在日本提出申請的特愿2010-160140號公報并主張其優(yōu)先權，這里引用其內容。
背景技術：
以往，為了提高鋼的切削性，有效的方法是添加S、Pb、Bi等提高切削性的元素，但如果添加Pb及Bi，則強度在對鍛造的影響小的范圍內降低。再有，從環(huán)境保護方面出發(fā)，Pb處于要降低使用量的趨勢。S通過形成MnS (在切削環(huán)境下為軟質的夾雜物)改善切削性，但MnS比Pb等的粒子更大，因此成為應力容易集中的部位。此外，如果MnS在鍛造及軋制中延伸，則鋼組織中產生各向異性，特定方向的強度極端下降。這樣，如果添加對提高切削性有效的元素則使強度下降，因此僅通過調節(jié)成分組成，難以使強度和切削性兼顧。為此，進行了通過高頻淬火確保所希望的強度的研究，目前為止提出了幾種高頻淬火用的鋼(參照專利文獻I 5)。例如，專利文獻4中提出了切削性及高頻淬火后的疲勞特性優(yōu)良的鋼材。該鋼材具有所要求的成分組成，母材組織含有鐵素體組織及珠光體組織(兩組織的合計為90vol%以上)。另外，該鋼材中的鐵素體組織的最大厚度為30μπι以下。此外，專利文獻5中提出了切削性優(yōu)良的小齒輪用高頻淬火用鋼。該鋼具有所要求的成分組成，該鋼的含有MnS的夾雜物的平均長寬比為10以下。在將高頻熱處理實施到該鋼的中心部硬化時，旋轉彎曲應力為280MPa，顯示出彎曲疲勞壽命為I. OX IO5次以上的彎曲疲勞特性。近年來，對于汽車用部件，要求進一步提高加工精度和疲勞強度，但實際情況是采用以往的機械結構用鋼并不能應對?，F(xiàn)有技術文獻專利文獻專利文獻I :日本特開2002-146473號公報專利文獻2 :日本特開2007-131871號公報專利文獻3 :日本特開2007-107020號公報專利文獻4 :日本特開2006-28598號公報專利文獻5 :日本特開2007-16271號公報
發(fā)明內容
發(fā)明要解決的課題作為以往的實施高頻淬火后使用的機械結構用鋼存在的主要課題，機械結構用鋼由于為了確保高頻淬火后的表面硬度而使C量增多(通常為0. 4質量％以上)，因此有時硬度高、切削性差。本發(fā)明鑒于上述情況，其目的在于通過使鋼的成分組成最佳化來解決上述課題，提供一種切削性優(yōu)良的機械結構用鋼。用于解決課題的手段本發(fā)明是基于上述見識而完成的，其要旨如下所述。(I) 一種機械結構用鋼，其特征在于所述鋼以質量％計含有C :大于等于0. 40%、且小于 0. 75%、Si :0. 01% 3. 0%、Mn :0. 1% I. 8%、S :0. 001% 0. 1%、Al :大于 0. 1% 且小于等于I. 0%及N :0. 001% 0. 02%, P :控制在0. 05%以下，剩余部分由Fe及不可避免的雜質構成；C 量[C]、Si 量:[Si]、Mn 量[Mn]及 Al 量[Al]滿足下述式(I)及式(2)。139. 38 彡 214X [C] + 30. 6X [Si] + 42. 8X [Mn] — 14. 7X [Al]彡 177 (I)0. 72 ^ [C] + 1/7X [Si] + 1/5X [Mn] < I. 539 (2)(2)根據(jù)上述(I)所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼進一步滿足下述式
(3)。113 — 135X [C] — 27X [Mn]彡 13 (3)(3)根據(jù)上述(I)所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼進一步滿足下述式
(4)。55 ^ 33 + 31 X [C] + 4. 5X [Si] + I. 5X [Mn] < 72. 45 (4)(4)根據(jù)上述(2)所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼進一步滿足下述式
(4)。55 ^ 33 + 31 X [C] + 4. 5X [Si] + I. 5X [Mn] < 72. 45 (4)(5)根據(jù)上述(I) (4)中任一項所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼進一步滿足下述式(5)。I. 5 < [Si] + I. 8X [Mn] < 6. 24 (5)(6)根據(jù)上述(I) (5)中任一項所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼以質量%計進一步含有B :0. 0001% 0. 015%。(7)根據(jù)上述(I) (6)中任一項所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼以質量 ％ 計進一步含有 Cr :0. 01% 0. 8%、Mo :0. 001% I. 0%、Ni :0. 001% 5. 0% 及 Cu 0. 001% 5. 0%中的I種或2種以上。其中，在含有Cr :0. 01% 0. 8%時，使用下述式(6)來代替所述式(I)，使用下述式(7 )來代替所述式(2 )，使用下述式(8 )來代替所述式(3 )，使用下述式(9 )來代替所述式
(4)。139.38 ( 214X [C] + 30. 6X [Si] + 42. 8X [Mn] + 23. 8X [Cr]—14. 7X [Al] ^ 177 (6)0. 72 ^ [C] + 1/7X [Si] + 1/5X [Mn] + 1/9X [Cr] < I. 627 (7)113 — 135X [C] — 27X [Mn] — 18X [Cr]彡 13 (8)
55 ^ 33 + 31 X [C] + 4. 5X [Si] + I. 5X [Mn] + 2. 4X [Cr] < 74. 37 (9)(8)根據(jù)上述(I) (7)中任一項所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼以質量 ％ 計進一步含有 Ca :0. 0001% 0. 02%、Mg :0. 0001% 0. 02%、Zr :0. 0001% 0. 02% 及Rem :0. 0001% 0. 02%中的I種或2種以上。(9)根據(jù)上述(I) (8)中任一項所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼以質量 ％ 計進一步含有 Ti :0. 005% 0. 5%、Nb :0. 0005% 0. 5%、W :0. 0005% 0. 5%、V 0. 0005% 0. 5%、Ta :0. 0001% 0. 2% 及 Hf :0. 0001% 0. 2% 中的 I 種或 2 種以上。(10)根據(jù)上述(I) (9)中任一項所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼以質量 % 計進一步含有 Sb :0. 0001% 0. 015%、Sn :0. 0005% 2. 0%、Zn :0. 0005% 0. 5%、Te 0. 0003% 0. 2%、Se :0. 0003% 0. 2%, Bi :0. 001% 0. 5% 及 Pb :0. 001% 0. 5% 中的 I 種或2種以上。
(11)根據(jù)上述(I) (10)中任一項所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼以質量 % 計進一步含有 Li :0. 00001% 0. 005%、Na :0. 00001% 0. 005%、K :0. 00001% 0. 005%、Ba :0. 00001% 0. 005% 及 Sr :0. 00001% 0. 005% 中的 I 種或 2 種以上。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種可供于制造疲勞強度高的高強度齒輪的、切削性優(yōu)良的機械結構用鋼。


圖I 是表示碳當量 Ceq (= [C] +1/7X [Si] + 1/5 X [Mn])及碳當量 Ceq (=[C] + 1/7X [Si] + 1/5X [Mn] + 1/9X [Cr])與硬度(Hv)的關系的圖。圖2是表示鋼所含的Al量與該鋼的硬度(Hv)及切削性(3m切削后的前傾面磨損[Pm])的關系的圖。圖3A表示鐵素體區(qū)域大、作為機械結構用鋼不優(yōu)選的顯微組織。圖3B表示鐵素體區(qū)域小、作為機械結構用鋼優(yōu)選的顯微組織。圖4是表示指標A(=113 — 135X [C] — 27X [Mn])及指標A(= 113 — 135X [C]—27X [Mn] - 18X [Cr])與先共析(也稱為初析)a分率(％)的關系的圖。圖5 是表示指標 RT (33 + 31X [C] + 4. 5X [Si] + I. 5X [Mn])及指標 RT (33 +31 X [C] + 4. 5X [Si] + I. 5X [Mn] + 2. 4X [Cr])與 300°C回火硬度(Hv)的關系的圖。圖6是表示300°C回火硬度(Hv)與IO7次疲勞極限(MPa)的關系的圖。
具體實施例方式以下，作為實施本發(fā)明的方式，對可供于制造高強度汽車用部件的切削性優(yōu)良的機械結構用鋼進行詳細說明。本發(fā)明的機械結構用鋼適合作為高頻淬火用鋼使用。本發(fā)明的機械結構用鋼(以下有時稱為“本發(fā)明鋼”。)是以質量％計含有C :大于等于 0. 40% 且小于 0. 75%,Si :0. 01% 3. 0%、Mn :0. 1% I. 8%、S :0. 001% 0. 1%、A1 :大于0. 1%且小于等于I. 0%、N :0. 001% 0. 02%, P :限制在0. 05%，剩余部分由Fe及不可避免的雜質構成的鋼。另外,在本發(fā)明鋼中,C量[C]、Si量:[Si]、Mn量:[Mn]及Al量[Al]滿足下述式(I)及式(2)。139. 38 彡 214X [C] + 30. 6X [Si] + 42. 8X [Mn] — 14. 7X [Al]彡 177 (I)O. 72 ^ [C] + 1/7X [Si] + 1/5X [Mn] < I. 539 (2)此外，在本發(fā)明鋼中，優(yōu)選[C]、[Si]、[Mn]及[Al]滿足下述式(3)、式(4)或式(5)中的一者或一者以上。113 — 135X [C] — 27X [Mn]彡 13 (3)55 ^ 33 + 31 X [C] + 4. 5X [Si] + I. 5X [Mn] < 72. 45 (4)
I. 5 < [Si] + I. 8X [Mn] < 6. 24 (5)對于各式的意義，將在后面敘述。首先，對限定本發(fā)明鋼的成分組成的理由進行說明。以下，％表示質量％。C :大于等于O. 40%且小于O. 75%C是為確保鋼的強度和高頻淬火后的表面硬度而添加的元素。如果C的添加量低于O. 40%,則得不到上述效果，另一方面，如果在O. 75%以上，則鋼的韌性劣化，有時軋制材產生自生裂紋。因此，將C量規(guī)定為大于等于O. 40%且小于O. 75%。為了穩(wěn)定地得到添加效果，C量優(yōu)選為O. 45% O. 73%。更優(yōu)選的C量為O. 48% O. 70%,進一步優(yōu)選為O. 50% O. 61%。Si :0· 01% 3. 0%Si是有助于煉鋼時的脫氧、而且有助于提高鋼強度的元素。如果Si的添加量低于O. 01%則不能得到添加效果，另一方面，如果超過3. 0%則鋼的韌性、延展性下降，生成硬質夾雜物，使切削性下降。因此，將Si量規(guī)定為O. 01% 3. 0%。優(yōu)選的Si量為O. 05% 2. 5%,更優(yōu)選為O. 1% I. 5%οMn 0. 1% I. 8%Mn與Si同樣，是有助于提高鋼強度的元素。如果Mn量低于O. 1%則不能得到添加效果，另一方面，如果超過I. 8%則因生成貝氏體或島狀馬氏體而使加工性下降。因此，將Mn量規(guī)定為O. 1% I. 8%。優(yōu)選的Mn量為O. 2% I. 0%,更優(yōu)選為O. 4% O. 8%。S :O. 001% O. 1%S是有助于提高切削性的元素。如果S量低于O. 001%則不能確保鋼的最低限的切削性，另一方面，如果S量超過O. 1%則鋼的韌性或疲勞強度劣化。因此，將S量規(guī)定為O. 001% O. 1%。優(yōu)選的S量為O. 005% O. 07%,更優(yōu)選為O. 01% O. 05%。Al :大于O. 1%且小于等于I. 0%Al是提高切削性的元素。固溶Al在切削中通過與氧反應而在工具表面形成Al2O3被膜，該被膜抑制工具的磨損。該被膜是通過鋼中的固溶Al與大氣中的氧、切削油中的氧或附著在工具表面上的Fe3O4或NiO被膜中的氧反應而形成的。在Al量為O. 1%以下時，Al2O3的生成量小，不能在工具表面形成Al2O3膜。另一方面，如果Al量超過I. 0%，則鋼的A3點(從鐵素體相向奧氏體相相變的相變點)增高，在高頻淬火時不能產生相變。因此，將Al量規(guī)定為大于O. 1%且小于等于I. 0%。優(yōu)選的Al量為O. 12% O. 8%,更優(yōu)選為 O. 14% O. 4%ON :O. 001% O. 02%N是形成A1N、有助于抑制晶粒粗大化的元素。如果N量低于O. 001%則不能得到添加效果，另一方面，如果超過0. 02%則在軋制時出現(xiàn)熱脆性。因此，將N量規(guī)定為0. 001% 0. 02%,優(yōu)選為 0. 002% 0. 012%,更優(yōu)選為 0. 004% 0. 008%。P :0. 05% 以下P的添加量也可以為0%或超過0%，但在添加適量的P時，有助于提高鋼的切削性。如果P量超過0. 05%,則鋼的硬度過于上升，使加工性下降，因此將P量規(guī)定為0. 05%以下。P量從切削性方面出發(fā)優(yōu)選為0. 005%以上，更優(yōu)選為0. 008% 0. 02%。本發(fā)明鋼中，除上述元素以外，也可以只含有不可避免的雜質和鐵。此外，在本發(fā)明鋼中也可以在不損害本發(fā)明鋼的特性的范圍內，作為選擇成分而含有其它元素。再有，關于選擇成分將在后面敘述。在本發(fā)明鋼中，[C]、[Si]、[Mn]及[Al]滿足上述式(I)及式(2)。
首先，對上述式(I)進行說明。對于高頻淬火用鋼，由于為了確保高頻淬火后的表面硬度而使C量增多(通常為0. 4質量％以上)，因此硬度高、切削性差。本發(fā)明者們?yōu)榱私鉀Q此課題，對高頻淬火用鋼的硬度調查了以下的2種相關關系。(al)硬度與對硬度產生較大影響的碳當量之間的關系(a2)硬度與受到硬度的影響的切削性的關系關于碳當量Ceq,著眼于影響硬度的C、Si及Mn,定義為Ceq = [C] +1/7 X [Si] +1/5X [MnJ0在作為選擇元素而含有Cr的情況下，定義為Ceq= [C] + 1/7X [Si] +1/5 X [Mn] + 1/9 X [Cr]。對硬度與碳當量的關系如下所述進行調查。準備具有C :大于等于 0. 45% 且小于 0. 75%,Si :0. 05% 2. 00%、Mn :0. 25% I. 8%、S :0. 005% 0. 1%、P 0. 05% 以下、N :0. 0030% 0. 0100%,Al :大于 0. 03% 且小于等于 I. 0%、而且在含Cr時Cr :0. 01% 0. 8%、0. 65 ( Ceq ( I. 02的范圍的組成的多個直徑為65mm的熱軋棒鋼。在將這些鋼材熱軋后，在900°C下保持I小時，然后進行空冷，在直徑方向的斷面切斷。在將這些試樣埋在樹脂中研磨后，在直徑的1/4處的位置測定了維氏硬度。其測定結果示于圖I。從圖I可知，Ceq和硬度(Hv)具有下述式(al)的關系。硬度(Hv)= 214XCeq + 49 (al)關于硬度和切削性的關系，使發(fā)揮生成Al2O3、在工具表面形成Al2O3膜的作用的Al的量在0. 03% I. 0%的范圍內變化，按以下進行了調查。假設對從上述棒鋼切下的40X40X250mm的方形試驗片，進行齒輪的切齒加工(滾切)，用飛刀進行切削試驗。再有，制品制造時的滾切工序中使用的刀具具有多個切削刃。與此相對應，飛刀是僅具有I片滾切切削刃的刀具。確認具有多個切刃的刀具和飛刀的切削結果具有良好的對應關系。因此，在滾切的代用試驗中采用飛刀。利用飛刀切削的試驗方法例如在“TOYOTA Technical Review Vol. 52No. 2Dec. 2002P78”中有詳細記載。表I中示出試驗條件。表I
權利要求
1.一種機械結構用鋼，其特征在于所述鋼以質量％計含有 C :大于等于O. 40%且小于O. 75%、Si 0. 01% 3. 0%、Mn 0. 1% I. 8%、S 0. 001% O. 1%、 Al :大于O. 1%且小于等于I. 0%、及 N 0. 001% O. 02%, P :控制在O. 05%以下， 剩余部分由Fe及不可避免的雜質構成； C量[C]、Si量:[Si]、Mn量[Mn]及Al量[Al]滿足下述式(I)及式(2)139. 38 ( 214X [C] + 30. 6X [Si] + 42. 8X [Mn] — 14. 7X [Al] ( 177 (I) 0.72 ( [C] + 1/7X [Si] + 1/5X [Mn] < I. 539 (2)。
2.根據(jù)權利要求I所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼進一步滿足下述式(3) 113 - 135X [C] - 27X [Mn] ^ 13 (3)。
3.根據(jù)權利要求I所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼進一步滿足下述式(4) 55 ^ 33 + 31 X [C] + 4. 5X [Si] + I. 5X [Mn] < 72. 45 (4)。
4.根據(jù)權利要求2所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼進一步滿足下述式(4) 55 ^ 33 + 31 X [C] + 4. 5X [Si] + I. 5X [Mn] < 72. 45 (4)。
5.根據(jù)權利要求I 4中任一項所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼進一步滿足下述式(5)1.5 < [Si] + I. 8X [Mn] < 6. 24 (5)。
6.根據(jù)權利要求I 4中任一項所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼以質量％計進一步含有 B 0. 0001% O. 015%。
7.根據(jù)權利要求I 4中任一項所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼以質量％計進一步含有 Cr 0. 01% O. 8%、Mo 0. 001% I. 0%、Ni 0. 001% 5. 0% 及 Cu 0. 001% 5.0%中的I種或2種以上。其中，在含有Cr 0. 01% O. 8%時，使用下述式(6)來代替所述式(I )，使用下述式(7)來代替所述式(2 )，使用下述式(8 )來代替所述式(3 )，使用下述式(9 )來代替所述式(4 )，139. 38 ( 214X [C] + 30. 6X [Si] + 42. 8X [Mn] + 23. 8X [Cr] — 14. 7X [Al] ( 177(6) O.72 ( [C] + 1/7X [Si] + 1/5X [Mn] + 1/9X [Cr] < I. 627 (7) 113 — 135X [C] — 27X [Mn] — 18X [Cr] ( 13 (8)55 ^ 33 + 31 X [C] + 4. 5X [Si] + I. 5X [Mn] + 2. 4X [Cr] < 74. 37 (9)。
8.根據(jù)權利要求I 4中任一項所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼以質量％計進一步含有 Ca 0. 0001% O. 02%、Mg 0. 0001% O. 02%、Zr 0. 0001% O. 02% 及 Rem O.0001% O. 02%中的I種或2種以上。
9.根據(jù)權利要求I 4中任一項所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼以質量％計進一步含有 Ti 0. 005% O. 5%, Nb 0. 0005% O. 5%、W 0. 0005% O. 5%、V 0. 0005% O.5%、Ta 0. 0001% O. 2% 及 Hf 0. 0001% O. 2% 中的 I 種或 2 種以上。
10.根據(jù)權利要求I 4中任一項所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼以質量 % 計進一步含有 Sb 0. 0001% O. 015%、Sn 0. 0005% 2. 0%、Zn 0. 0005% O. 5%、Te O. 0003% O. 2%、Se 0. 0003% O. 2%、Bi 0. 001% O. 5% 及 Pb 0. 001% O. 5% 中的 I 種或2種以上。
11.根據(jù)權利要求I 4中任一項所述的機械結構用鋼，其特征在于所述鋼以質量％計進一步含有 Li 0. 00001% O. 005%,Na 0. 00001% O. 005%,K 0. 00001% O. 005%,Ba ·O. 00001% O. 005% 及 Sr 0. 00001% O. 005% 中的 I 種或 2 種以上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種機械結構用鋼，所述鋼以質量%計含有C大于等于0.40%且小于0.75%、Si0.01%～3.0%、Mn0.1%～1.8%、S0.001%～0.1%、Al大于0.1%且小于等于1.0%及N0.001%～0.02%，P控制在0.05%以下，剩余部分由Fe及不可避免的雜質構成，而且滿足139.38≤214×[C]＋30.6×[Si]＋42.8×[Mn]－14.7×[Al]≤177及0.72≤[C]＋1/7×[Si]＋1/5×[Mn]＜1.539。
文檔編號C22C38/60GK102985577SQ20118003383
公開日2013年3月20日 申請日期2011年7月11日 優(yōu)先權日2010年7月14日
發(fā)明者間曾利治, 吉田卓, 久保田學, 宮西慶, 小澤修司 申請人:新日鐵住金株式會社