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CN119032193A - 高频淬火用钢 - Google Patents

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CN119032193A CN202380034442.5A CN202380034442A CN119032193A CN 119032193 A CN119032193 A CN 119032193A CN 202380034442 A CN202380034442 A CN 202380034442A CN 119032193 A CN119032193 A CN 119032193A
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今浪祐太
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JFE Steel Corp
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Abstract

本发明提供一种能够在高频淬火部件的制造工序中省略冷锻前的退火和高频淬火前的调质热处理的、冷锻性优异的高频淬火用钢。所述高频淬火用钢，作为成分组成含有C：0.36～0.55质量％、Si：0.10质量％以下、Mn：0.15～0.45质量％、P：0.050质量％以下、S：0.050质量％以下、Al：0.010～0.090质量％、Mo：0.05～0.35质量％、Ti：0.010～0.200质量％、B：0.0005～0.0100质量％和N：0.0150质量％以下，剩余部分为Fe和杂质，并且，铁素体组织和珠光体组织的合计分率为80％以上，铁素体组织的分率为40％以上。

Description

高频淬火用钢
技术领域
本公开涉及高频淬火用钢。
背景技术
通常，汽车等中使用的机械结构用部件是通过热锻或冷锻来成型后实施切削而调整为最终形状。特别是冷锻的尺寸精度优异，因此具有锻造后的切削量减少的优点。因此，近年来，冷锻件的应用例在增大。
例如，在日本特许第5679440号(专利文献1)中，公开了规定渗碳体的球状化组织的冷锻性优异且高频淬火后的扭转强度优异的高频淬火用钢。另外，在日本特开2020-100896号公报(专利文献2)中，公开了规定合金元素的平衡的，正火后的高频淬火中得到优异的硬度、面疲劳强度的高频淬火用钢和高频淬火部件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5679440号
专利文献2：日本特开2020-100896号公报
发明内容
对于机械结构用部件，有时作为成型为部件形状后的最终热处理而实施高频淬火。如此的部件大多经过冷锻前的软化退火、高频淬火前的调质热处理(淬火回火)。而面对近年来的部件价格竞争的激增以及碳中和(CO2减排)的形势的提高，能够在部件制造工序中省略热处理的钢材的需求在增大。
在专利文献1所公开的高频淬火用钢中，在冷锻前需要球化退火。另外，在专利文献2所公开的高频淬火用钢中，需要高频淬火前的调质热处理。如此，在现有技术中，由追加热处理费用带来的部件制造成本的增大成为课题。
本公开是鉴于上述实际情况而完成的，其目的在于提供能够在高频淬火部件的制造工序中省略冷锻前的退火和高频淬火前的调质热处理的冷锻性优异的高频淬火用钢。
用于实现上述目的的本发明的高频淬火用钢如下所述。
(1)一种高频淬火用钢，成分组成为含有C：0.36～0.55质量％、Si：0.10质量％以下、Mn：0.15～0.45质量％、P：0.050质量％以下、S：0.050质量％以下、Al：0.010～0.090质量％、Mo：0.05～0.35质量％、Ti：0.010～0.200质量％、B：0.0005～0.0100质量％和N：0.0150质量％以下，剩余部分为Fe和杂质，并且，铁素体组织和珠光体组织的合计分率为80％以上，铁素体组织的分率为40％以上。
(2)根据上述(1)所述的高频淬火用钢，作为上述成分组成进一步含有选自Cr：0.65质量％以下、Cu：1质量％以下和Ni：1质量％以下中的一种以上。
(3)根据上述(1)或(2)所述的高频淬火用钢，作为上述成分组成进一步含有选自Se：0.3质量％以下、Ca：0.05质量％以下、Pb：0.3质量％以下、Bi：0.3质量％以下、Mg：0.05质量％以下、Zr：0.2质量％以下、REM：0.01质量％以下和O：0.025质量％以下中的一种以上。
(4)根据上述(1)～(3)中任一项所述的高频淬火用钢，作为上述成分组成进一步含有选自Nb：0.1质量％以下和V：0.3质量％以下中的一种以上。
(5)根据上述(1)～(4)中任一项所述的高频淬火用钢，作为所述成分组成进一步含有选自Sn：0.1质量％以下和Sb：0.1质量％以下中的一种以上。
根据本公开，可提供能够在高频淬火部件的制造工序中省略冷锻前的退火和高频淬火前的调质热处理的冷锻性优异的高频淬火用钢。
附图说明
图1是表示高频淬火的模式的坐标图。
图2是表示回火的模式的坐标图。
具体实施方式
对本公开的实施方式的高频淬火用钢进行说明。首先，对本实施方式的高频淬火用钢的概要进行说明。
本实施方式所涉及的高频淬火用钢，作为成分组成，包含C(碳)：0.36～0.55质量％、Si(硅)：0.10质量％以下、Mn(锰)：0.15～0.45质量％、P(磷)：0.050质量％以下、S(硫)：0.050质量％以下、Al(铝)：0.010～0.090质量％、Mo(钼)：0.05～0.35质量％、Ti(钛)：0.010～0.200质量％、B(硼)：0.0005～0.0100质量％和N(氮)：0.0150质量％以下，剩余部分是Fe(铁)和杂质。在本实施方式的高频淬火用钢中，铁素体组织和珠光体组织的合计分率为80％以上，铁素体组织的分率为40％以上。此外，在以下的说明中，在记载为“a～b”(其中，a以及b是数值，a＜b)的情况下，是“a以上b以下”的意思。
本实施方式的高频淬火用钢能够在高频淬火部件的制造工序中省略冷锻前的退火和高频淬火前的调质热处理，并且，冷锻性优异。
本实施方式的高频淬火用钢的一例是用于汽车等中的机械结构用部件的高频淬火用钢，具体而言，是棒钢和线材。
在汽车领域中，作为使用本公开的高频淬火钢的部件，例如可以举出发动机的曲轴、凸轮轴、定时齿轮以及柴油共轨、驱动系统的传动轴、驱动轴以及CVJ外圈、底盘的轮毂、转向小齿轮、蜗杆以及球窝接头、电装部件的转子轴以及电机轴等。在工业机械领域中，作为使用本公开的高频淬火钢的部件，例如可以举出滚珠丝杠的轴和直动轴承的轨道等，在建筑机械领域中，例如可以举出行驶减速器的齿圈和回旋轮的内外圈等。
以下，对本实施方式的高频淬火用钢的成分组成进行详述。
C：0.36～0.55质量％
为了确保高频淬火后的固化层强度，需要至少添加0.36质量％的C。若C的添加量超过0.55质量％，则冷锻性降低，并且容易发生高频淬火时的淬火裂纹。另外，为了提高冷锻性和高频淬火后的强度平衡，C的添加量为0.36质量％以上且0.55质量％以下，优选为0.36质量％以上且0.50质量％以下，进一步优选为0.36质量％以上且0.40质量％以下的范围。
Si：0.10质量％以下
Si作为脱氧剂有效，优选以0.01％以上添加。若Si的添加量超过0.10质量％，则使冷锻性降低。Si的添加量为0.10质量％以下，优选为0.08质量％以下，进一步优选为0.07质量％以下。
Mn：0.15～0.45质量％
Mn具有提高淬火性的效果，为了确保高频淬火后的强度，需要至少添加0.15质量％。若Mn的添加量超过0.45质量％，则冷锻性降低。Mn的添加量为0.15质量％以上且0.45质量％以下，优选为0.20质量％以上且0.40质量％以下，进一步优选为0.20质量％以上且0.35质量％以下。
P：0.050质量％以下
P使钢的韧性降低，因此优选降低其添加量，但极端的低P化导致制钢工序的成本增大。从该成本的观点出发，P的添加量优选为0.002质量％以上。作为机械结构部件用途，P的添加量为0.050质量％以下即可。P的添加量优选为0.030质量％以下，进一步优选为0.015质量％以下。
S：0.050质量％以下
S是作为硫化物系夹杂物存在而对切削性的提高有效的元素。S的添加量为0.050质量％以下。超过0.050质量％的S的添加，虽然冷锻时的变形抗力没有增大，但使裂纹的发生率增大。需要说明的是，在需要提高切削性的情况下，S可以添加0.005质量％以上，S的添加量优选为0.005质量％以上且0.050质量％以下的范围。S的添加量更优选为0.010质量％以上且0.035质量％以下。
Al：0.010～0.090质量％
Al是对脱氧有效的元素。另外，具有通过与N键合而形成微细的氮化物而使晶体粒径微细化的作用。为了得到这些效果，需要添加的Al的添加量为0.010质量％以上。另一方面，即使添加超过0.090质量％的Al，上述效果也只是饱和。Al的添加量为0.010质量％以上且0.090质量％以下，优选为0.015质量％以上且0.050质量％以下，进一步优选为0.015质量％以上且0.035质量％以下。
Mo：0.05～0.35质量％
Mo具有提高淬火性的效果，为了确保高频淬火后的强度，需要至少添加0.05质量％。另一方面，若Mo的添加量超过0.35质量％，则冷锻性降低。Mo的添加量为0.05质量％以上且0.35质量％以下，优选为0.07质量％以上且0.30质量％以下，进一步优选为0.07质量％以上且0.25质量％以下。
Ti：0.010～0.200质量％
Ti与N键合而形成氮化物，从而具有使钢中的固溶N减少的效果。另外，Ti与B相比形成氮化物的倾向强，因此B的氮化物形成得到抑制，通过使固溶B增大，能够提高钢的淬透性。为了得到该效果，需要至少添加0.010质量％的Ti。另一方面，若添加超过0.200质量％的Ti，则氮化物粗大化而成为疲劳破坏的原因。Ti的添加量为0.010质量％以上且0.200质量％以下，优选为0.010质量％以上且0.050质量％以下，进一步优选为0.012质量％以上且0.035质量％以下。
B：0.0005～0.0100质量％
B通过固溶于钢中而具有提高钢的淬透性的效果。特别是与Si、Mn、Cr等相比，能够在不增大变形抗力的情况下实现淬透性的增大，为了兼顾优异的冷锻性和充分的淬火性，B的添加是必不可少的。为了得到该效果，需要至少添加0.0005质量％的B。另一方面，B的添加量超过0.0100质量％时，容易发生连续铸造后的裂纹，引起成品率降低。B的添加量为0.0005质量％以上且0.0100质量％以下，优选为0.0005质量％以上且0.0050质量％以下的范围。进一步优选为0.0010质量％以上且0.0035质量％以下。
N：0.0150质量％以下
N与Al、Ti、B结合而形成氮化物。N的添加量为0.0150质量％以下。若N的添加量超过0.0150质量％，则BN(氮化硼)的生成变得显著，固溶B减少，从而钢的淬火性降低。另外，过度的低N化导致制钢工序的成本增大，因此优选的N的添加量的范围为0.0010质量％以上且0.0150质量％以下。N的添加量更优选为0.0015质量％以上且0.0080质量％以下，最优选为0.0020质量％以上且0.0065质量％以下。
在本实施方式的高频淬火用钢中，成分组成的剩余部分为Fe和杂质。在本实施方式中，杂质是在工业上制造钢材时从作为原料的矿石、废料或制造环境等混入的物质。在不对本实施方式的高频淬火用钢的特性造成不良影响的范围内允许杂质。
本实施方式的高频淬火用钢还可以包含以下所示的任意成分。
Cr：0.65质量％以下
Cr(铬)具有提高淬火性的效果，在需要提高高频淬火后的强度的情况下，优选以0.05质量％以上添加。但是，Cr在碳化物中富集，使碳化物的热稳定性增大的作用强，若添加超过0.65质量％，则在高频淬火的加热时碳化物不溶解，结果钢中的固溶碳减少，存在高频淬火后的强度降低的弊端。因此，Cr的添加量只要为0.65质量％以下的范围，则可以根据高频淬火的条件适当添加，但在必须稳定地避免前述的弊端的应用用途中，可以将Cr的添加量设为0.35质量％以下。Cr的添加量进一步优选为0.25质量％以下。
Cu：1质量％以下
Ni：1质量％以下
Cu(铜)和Ni(镍)具有提高淬火性的效果，在需要提高高频淬火后的强度的情况下，优选以0.01质量％以上添加。但是，若分别添加超过1质量％的Cu、Ni，则冷锻性降低。这些Cu和Ni添加量分别为1质量％以下，优选为0.5质量％以下，进一步优选为0.35质量％以下。
Se：0.3质量％以下、Ca：0.05质量％以下、Pb：0.3质量％以下、Bi：0.3质量％以下、Mg：0.05质量％以下、Zr：0.2质量％以下、REM：0.01质量％以下、O：0.025质量％以下
Se(硒)、Ca(钙)、Pb(铅)、Bi(铋)、Mg(镁)、Zr(锌)、REM(稀土金属)和O(氧)均具有提高切削性的效果，可以根据需要在上述范围内添加，但即使添加超过上述范围，其效果也饱和。
Nb：0.1质量％以下
V：0.3质量％以下
Nb(铌)和V(钒)通过与C结合而生成微细的碳化物，具有使钢析出强化的作用。为了得到该效果，这些Nb和V分别优选以0.005质量％以上添加。Nb的添加量可以为0.1质量％以下。V的添加量可以为0.3质量％以下。超过它们的Nb和V的添加会使连续铸造性降低而导致成品率降低。
Sn：0.1质量％以下
Sb：0.1质量％以下
Sb(锑)和Sn(锡)具有在喷丸、酸洗这样的脱氧化皮处理中容易除去氧化皮的效果，为了得到该效果，优选以0.003质量％以上添加。Sb和Sn的添加量可以为0.1质量％以下。但是，即使添加超过0.1质量％的Sb和Sn，脱氧化皮性提高效果也饱和。
以上，对本公开的成分进行了说明，但为了使钢材软质化而提高冷锻性，还需要控制显微组织。
铁素体组织的分率为40％以上
在本发明钢中，为了能够省略冷锻前的退火，需要使铁素体组织的分率为40％以上。如果铁素体组织的分率为40％以上，则变形抗力的降低变得显著，能够省略退火。因此，热轧中的加热温度可以为1050℃以下。若热轧的加热温度低温化，则奥氏体变得微细，之后的铁素体相变的核生成得到促进，由此铁素体的分率增大。
铁素体组织和珠光体组织的合计分率为80％以上
根据热轧后的冷却速度，本公开的钢中的显微组织至少包含铁素体，另外，可以包含珠光体、贝氏体和马氏体中的任一种。该冷却速度高的情况下产生的贝氏体和马氏体是比较硬质的组织，因此是使钢材硬度乃至变形抗力增大的显微组织。另一方面，在冷却速度低的情况下产生的铁素体和珠光体是比较软质的组织，因此是适合减少钢材硬度乃至变形抗力的显微组织。因此，在本公开的钢中，为了提高冷锻性，使铁素体组织和珠光体组织的合计分率为80％以上。更优选为90％以上。当然，也可以是100％。
另外，在想要进一步增厚固化层等的目的而需要促进高频加热时的奥氏体化的情况下，优选将铁素体组织和珠光体组织的合计分率设为90％以上，并且将珠光体中或铁素体中的渗碳体的长宽比设为2以上。这是因为，如果渗碳体的长宽比为2以上，则渗碳体的溶解速度大，能够迅速产生奥氏体化。
需要说明的是，为了得到期望的显微组织，在热轧后的冷却中，不推荐进行水冷(包含喷雾)、鼓风冷却及其他冷却促进。但是，如果在钢材的温度降低至400℃以下之后，则即使应用水冷(包含喷雾)、鼓风冷却及其他冷却促进也没有问题。冷却速度在热轧后1000～400℃的温度区域中设为5.0℃/s以下。优选为3.0℃/s以下，最佳为1.0℃/s以下。另外，在400℃以下可以为任意的冷却速度。
实施例
以下，根据实施例对本公开的结构和作用效果进行更具体的说明。此外，本公开不受下述实施例的限制，可以在能够符合本公开的主旨的范围内适当变更，而这些均包含于本公开的技术范围。
将表1所示的成分组成的钢通过表2所示的加热温度下的热轧而成型为直径30mm的圆棒，空冷(一部分为水冷或风冷)后，通过机械加工从圆棒的中心部采取直径20mm高度30mm的圆柱作为冷锻用的试验片。而且，对于No.1～41、No.44及No.45的钢，对该冷锻用的试验片进行冷锻。作为该冷锻，进行了高度减少率为30％的镦锻加工。然后，按照图1和图2所示的模式，进行高频淬火回火，制成高频淬火钢。需要说明的是，后述的微观组织观察用的显微镜试验片从冷锻用的试验片采取。需要说明的是，表1和表2中，下划线的部分表示在本公开的规定的范围外。
表1(质量％)
表2
另外，为了进行比较，对于No.42的钢，通过热轧成型为直径30mm的圆棒，空冷(一部分水冷或风冷)后，在760℃下保持4小时后实施炉冷的软化退火。然后，通过机械加工从圆棒的中心部采取直径20mm、高度30mm的圆柱作为冷锻用的试验片。以与No.1～41、No.44及No.45的钢的情况同样的顺序进行冷锻及高频淬火回火。
另外，对于No.43的钢，以与No.42同样的顺序进行冷锻后，在900℃下保持30分钟后进行骤冷，接着在150℃下保持30分钟后实施空冷的调质热处理(高频淬火回火前的调质热处理)。然后，对调质热处理后的No.43的钢进行了与No.1-41、No.44和No.45的钢的情况同样的高频淬火回火。
在此，微观组织的观察是在镜面研磨后以3％硝酸乙醇溶液对冷锻用的试验片的与圆柱轴方向垂直的截面进行蚀刻后，用光学显微镜进行的。使用经由光学显微镜拍摄的图像，使用图像解析软件Image-Pro PLUS求出铁素体的组织的面积率和珠光体的组织的面积率，基于这些面积率，作为这些组织的合计分率进行评价。
另外，关于冷锻性，测量上述的高度减少率30％的镦锻加工时的载荷，将其测量值按照日本塑性加工学会的论文志“塑性和加工”(第二十二卷第241号1981年2月)第139页中记载的冷镦锻试验方法换算为变形抗力值，进行比较评价。若该变形抗力值为730MPa以下，则能够省略退火。进而，对于高频淬火回火后的强度，对于处理后的试验片，在任意的10点测定距表面的深度0.1mm处的维氏硬度(载荷300g)，对它们的平均值进行比较评价。将以上的各评价结果一并示于表2。
钢No.40～No.44相当于通用的JIS标准钢的S38C。由表2所示的结果可知，本公开的钢(实施例的钢、No.1～27)均省略冷锻前的退火，也具有与退火后S38C(No.42及No.43)相同程度的冷锻性。此外，根据本公开的钢即使省略高频淬火前的调质热处理，也判断为具有与调质热处理后S38C(No.43)相同程度的强度。另外，可知钢的合金组成与冷锻前的退火密切相关。因此，根据本公开，能够同时省略冷锻前的退火和高频淬火回火前的调质热处理这两者。
如上所述，可提供能够在高频淬火部件的制造工序中省略冷锻前的退火和高频淬火前的调质热处理的、冷锻性优异的高频淬火用钢。

Claims (5)

1.一种高频淬火用钢，作为成分组成包含C：0.36～0.55质量％、Si：0.10质量％以下、Mn：0.15～0.45质量％、P：0.050质量％以下、S：0.050质量％以下、Al：0.010～0.090质量％、Mo：0.05～0.35质量％、Ti：0.010～0.200质量％、B：0.0005～0.0100质量％和N：0.0150质量％以下，剩余部分为Fe和杂质，
并且，铁素体组织和珠光体组织的合计分率为80％以上，铁素体组织的分率为40％以上。
2.根据权利要求1所述的高频淬火用钢，作为所述成分组成，进一步含有选自Cr：0.65质量％以下、Cu：1质量％以下和Ni：1质量％以下中的一种以上。
3.根据权利要求1或2所述的高频淬火用钢，作为所述成分组成，进一步含有选自Se：0.3质量％以下、Ca：0.05质量％以下、Pb：0.3质量％以下、Bi：0.3质量％以下、Mg：0.05质量％以下、Zr：0.2质量％以下、REM：0.01质量％以下和O：0.025质量％以下中的一种以上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的高频淬火用钢，作为所述成分组成进一步含有选自Nb：0.1质量％以下和V：0.3质量％以下中的一种以上。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的高频淬火用钢，作为所述成分组成，进一步含有选自Sn：0.1质量％以下和Sb：0.1质量％以下中的一种以上。
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