JP3900102B2 - 非調質鋼及び非調質鋼製品 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非調質鋼及び非調質鋼製品に関し、詳しくは、被削性に優れ、高周波焼入れや軟窒化などの表面硬化処理を省略しても、優れた耐摩耗性を有する熱間加工用非調質鋼製品の素材となる非調質鋼及び上記の鋼を素材として、熱間加工及び機械加工によって部品形状に成形するだけで、高周波焼入れや軟窒化などの表面硬化処理を省略しても、優れた耐摩耗性を有する熱間加工用非調質鋼製品、なかでも軸受と摺動する部位において優れた耐摩耗性を有する熱間加工用非調質鋼製品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のクランクシャフト、ハブなどの機械部品の製造に当たって、熱間加工後に行う「焼入れ−焼戻し」の調質処理を省略することを意図して、Ｃ含有量が０．４〜０．６質量％のいわゆる「中炭素鋼」をベースとするフェライト・パーライト型の非調質鋼が広く用いられている。
【０００３】
上記クランクシャフトなどの機械部品においては、耐摩耗性が要求される。このため、従来は、機械加工の後で、高周波焼入れや軟窒化などの表面硬化処理が施されていた。
しかしながら、最近、工程の簡略化や省エネルギーの観点から、部品形状に成形した後の高周波焼入れや軟窒化といった表面硬化処理を施すことなく、所望の耐摩耗性を確保できる非調質鋼製品に対する要求が大きくなっている。
【０００４】
一般に、鋼の硬さを高めることで耐摩耗性を向上させることができる。しかし、例えばＣの含有量を増やして硬さを増大させても、被削性が低下するので、単に硬さを増大させるだけでは問題の解決にならない。
【０００５】
一方、クランクシャフトを鋳鉄で製造することも行われている。鋳鉄の場合、鋳込み後の組織はグラファイトと硬質なパーライトとからなるため、表面硬化処理を施すことなく或る程度の耐摩耗性を確保することはできる。しかし、その耐摩耗性は表面硬化処理を施した場合に比べれば劣るものであり、更に、鋳鉄製の製品には多量のグラファイトが含まれることになるため剛性も低い。
【０００６】
高周波焼入れや軟窒化などの表面硬化処理を省略して、非調質鋼製品に耐摩耗性を確保させる技術が特許文献１〜５に開示されている。
【０００７】
特許文献１には、特定の化学組成を有し、熱間鍛造後の組織がフェライト＋パーライトであり、初析フェライトの面積率が１０％以下である「耐摩耗性にすぐれた熱間鍛造用非調質鋼」が開示されている。しかし、特許文献１で提案された鋼は、単にフェライト＋パーライト組織からなる非調質鋼の組織をパーライト主体の組織にしただけのものであり、必ずしも表面硬化処理を施した場合と同等の耐摩耗性が得られるというものでもなかった。
【０００８】
特許文献２には、特定の化学組成を有し、酸化物系介在物であるＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２ の含有量を低く抑えた「耐摩耗性に優れたクランクシャフト用鋼」が開示されている。しかし、特許文献２で提案されたクランクシャフト用鋼は、その組織がＶ炭化物によって十分に析出硬化された単なるフェライト−パーライト組織でしかない。このため、エンジンの軽量化を目的にクランクシャフトの細軸化が進められている近年の過酷な条件下では、軟質のフェライト相から摩耗が進行し、十分な耐摩耗性を確保することが困難である。
【０００９】
特許文献３には、特定の化学組成を有し、熱間鍛造後の組織が初析フェライト分率３％以下のパーライトを主体とし、厚み２０μｍ以下の硫化物系介在物を含有する「被削性及び耐摩耗性に優れたクランクシャフト用鋼」及びこの鋼を用いて作成されたクランクシャフトが開示されている。しかし、この特許文献３で提案された鋼は、Ｃの含有量が０．６２〜０．８０％と高いので、直径の小さい深穴をドリル加工するような過酷な加工条件では、切り粉詰まりが発生するなど被削性の点で不十分な場合があるし、被削性の低下も免れない。
【００１０】
また、特許文献４には、成分含有量とパーライトインデックスを規定した「耐摩耗性に優れた鍛造用鋼」が開示されている。しかし、この特許文献４で提案された鋼は、Ｔｉを含んでいないためＭｎＳを核として初析フェライトが析出しやすく、このため十分な耐摩耗性を確保できない場合があり、特にその実施例に記載されているようなＴｉを含まずにＶを含むものには初析フェライトが多量に析出して耐摩耗性が低下する場合がある。
【００１１】
特許文献５には、特定の化学組成を有する鋼に特定の条件で熱間鍛造と空冷とを施した、フェライト面積率が５％以下のパーライトを主体とする金属組織を有する粗部品における他部品との嵌合い部を、その嵌合い部の表面粗さが５から２５μｍの範囲内になるように仕上げ加工する「耐摩耗性に優れた熱間鍛造部品の製造方法」が開示されている。しかし、特許文献５の技術では、フェライト強化元素であるＶの添加が必須である。Ｖを添加すると、後述のようにパーライト中のフェライトが強化されることにより、パーライトラメラー間隔の微細化が阻害され、顕著な耐摩耗性が期待できない。また、この技術は必ずしも被削性に配慮された技術ではない。
【００１２】
なお、組織がパーライトからなる場合の耐摩耗性を高める技術が特許文献６に開示されている。
【００１３】
すなわち、特許文献６には、重量％で、Ｃを０．８５％を超えて１．２０％以下含有し、その一部が少なくともパーライト組織を呈する鋼レールにおいて、上記パーライト組織のラメラー間隔と、パーライト組織中のフェライト厚さに対するセメンタイト厚さの比を規定した「高耐摩耗パーライト系レール」が開示されている。しかし、０．８５％を超えて１．２０％以下というＣ含有量は、前記の特許文献３における０．６２〜０．８０％というＣ含有量よりも更に高いものであり、したがって、深穴ドリル加工性、特に直径の小さい深穴をドリル加工する場合の加工性に極めて劣る。
【００１４】
【特許文献１】
特開２０００−２６５２４２号公報
【特許文献２】
特開平６−１２８６９０号公報
【特許文献３】
特開２００２−１９４５０２号公報
【特許文献４】
特開平４−１１０４４４号公報
【特許文献５】
特開平１０−１３７８８８号公報
【特許文献６】
特許第３０７８４６１号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、その目的は、被削性に優れ、高周波焼入れや軟窒化などの表面硬化処理を省略しても、優れた耐摩耗性を有する熱間加工用非調質鋼製品の素材となる非調質鋼、及び上記の鋼を素材とし、熱間加工及び機械加工により部品形状に成形するだけで、表面硬化処理した場合と同等の優れた耐摩耗性を有する熱間加工用非調質鋼製品、特に、軸受と摺動する部位で優れた耐摩耗性を有する熱間加工用非調質鋼製品を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）〜（４）に示す非調質鋼、並びに、（５）及び（６）に示す非調質鋼製品にある。
【００１７】
（１）質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｓ：０．０４〜０．３％、Ｃｒ：０．５０％を超えて２．０％まで、Ｔｉ：０．００３〜０．０２０％及びＮ：０．００５〜０．０１５％を含み、残部はＦｅ及び不純物からなり、組織が初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織であることを特徴とする非調質鋼。
【００１８】
（２）質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｓ：０．０４〜０．３％、Ｃｒ：０．５０％を超えて２．０％まで、Ｔｉ：０．００３〜０．０２０％及びＮ：０．００５〜０．０１５％を含むとともに、Ａｌ：０．００５％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、組織が初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織であることを特徴とする非調質鋼。
【００１９】
（３）質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｓ：０．０４〜０．３％、Ｃｒ：０．５０％を超えて２．０％まで、Ｔｉ：０．００３〜０．０２０％及びＮ：０．００５〜０．０１５％を含むとともに、Ｃａ：０．０２％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、組織が初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織であることを特徴とする非調質鋼。
【００２０】
（４）質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｓ：０．０４〜０．３％、Ｃｒ：０．５０％を超えて２．０％まで、Ｔｉ：０．００３〜０．０２０％及びＮ：０．００５〜０．０１５％を含むとともに、Ａｌ：０．００５％以下及びＣａ：０．０２％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、組織が初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織であることを特徴とする非調質鋼。
【００２１】
（５）上記（１）から（４）までのいずれかに記載の非調質鋼を素材とし、表層から２００ｎｍまでの領域におけるパーライトのラメラー間隔が３０ｎｍ以下であることを特徴とする非調質鋼製品。
【００２２】
（６）非調質鋼製品がクランクシャフトである上記（５）に記載の非調質鋼製品。
【００２３】
ここで、定量金属組織学的検討から、或る相の体積割合は面積割合に等しいことが知られており、したがって、上記の初析フェライトが組織に占める割合は、例えば、通常の２次元的な評価方法、すなわち、光学顕微鏡や電子顕微鏡を用いた観察によって求めた初析フェライトの割合から決定すればよい。
【００２４】
「フェライト・パーライト組織」とは、フェライトとパーライトの混合組織をいう。
【００２５】
上記の「初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織」には、組織に占める初析フェライトの割合が０となる組織、すなわち、パーライト単相の組織を含む。
【００２６】
以下、上記（１）〜（４）の非調質鋼に係る発明、並びに、（５）及び（６）の非調質鋼製品に係る発明をそれぞれ（１）〜（６）の発明という。
【００２７】
本発明者らは、前記した課題を達成するために、材料の組織を種々変化させて被削性と耐摩耗性に及ぼす影響を調査した。その結果、下記（ａ）〜（ｅ）の知見を得た。
【００２８】
（ａ）鋼材の組織がマルテンサイトやベイナイトといった低温変態組織の場合よりも、特定割合以下の初析フェライトを含むフェライト・パーライト組織の場合に良好な被削性が得られる。
【００２９】
（ｂ）例えば自動車用機械部品として用いられるクランクシャフトなど非調質鋼製品の通常の使用環境を想定した場合、耐摩耗性に影響するのは表層から２００ｎｍまでの領域における組織である。
【００３０】
（ｃ）上記（ａ）と（ｂ）から、良好な被削性と良好な耐摩耗性を兼備させるには、組織を特定割合以下の初析フェライトを含むフェライト・パーライト組織とし、且つ、表層から２００ｎｍまでの領域における組織を特定の組織とすればよい。
【００３１】
（ｄ）耐摩耗性を高めるためには、表層から２００ｎｍまでの領域におけるパーライトのラメラー間隔を微細化すればよい。
【００３２】
（ｅ）表層から２００ｎｍまでの領域におけるパーライトのラメラー間隔が３０ｎｍであれば、表面硬化処理した場合と同等の良好な耐摩耗性が得られる。
【００３３】
更に、本発明者らは成分元素と耐摩耗性との関係を調査して次の知見（ｆ）〜（ｈ）を得た。
【００３４】
（ｆ）Ｓｉ、Ｖなどフェライト強化元素の含有量を制限してフェライトの変形能を大きくすれば、研磨などの機械加工で前記の表層領域における混合組織中のパーライトのラメラー間隔を一層微細にすることができるので、耐摩耗性をより高めることができる。
【００３５】
（ｇ）Ｓｉを多く含む鋼の場合には、摩擦による温度上昇で機械的に脆い酸化層が表面に生じやすくなる。したがって、摩擦による温度上昇に伴う表面酸化を防止し、酸化層の脱離によって摩耗が促進することを防止するためにも、Ｓｉの含有量を制限することが極めて重要になる。
【００３６】
（ｈ）Ｔｉを含むがＶは含まない鋼の場合、Ｔｉ硫化物が初析フェライトの析出核になり難いので、組織に占める初析フェライトの割合を小さくすることができる。
【００３７】
本発明は、上記（ａ）〜（ｈ）の知見に基づいて完成されたものである。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
（Ａ）鋼の化学組成
Ｃ：０．３５〜０．５５％
Ｃはパーライト組織を得るのに最も有効な元素であるが、その含有量が０．３５％未満では十分な効果が得られない。一方、０．５５％を超えると鋼が硬化して被削性の低下を招く。したがって、Ｃの含有量を０．３５〜０．５５％とした。
【００３９】
Ｓｉ：０．０５〜０．５０％
Ｓｉは、脱酸作用及び強化作用を有する。しかし、その含有量が０．０５％未満ではこれらの効果が得難い。一方、０．５０％を超えると、摩擦による温度上昇に伴う表面酸化が著しくなり、酸化層が脱離して摩耗が大きくなったり、フェライトが強化されてその変形能が小さくなるので、パーライトのラメラー間隔の微細化が困難になって、パーライトのラメラー間隔微細化による耐摩耗性の向上効果も小さくなることがある。したがって、Ｓｉの含有量を０．０５〜０．５０％とした。
【００４０】
Ｍｎ：０．８〜２．０％
Ｍｎは、強度及び靱性を高める作用がある。更に、焼入れ性を上げてＣの共析濃度を下げ、初析フェライトの析出を抑制する作用も有する。これらの効果はＭｎの含有量が０．８％以上で得られる。一方、Ｍｎの過剰な添加はベイナイト組織の生成を招いて耐摩耗性及び被削性に悪影響を及ぼすこととなり、特に、Ｍｎの含有量が２．０％を超えると耐摩耗性及び被削性の低下が著しくなる。したがって、Ｍｎの含有量を０．８〜２．０％とした。
【００４１】
Ｓ：０．０４〜０．３％
Ｓは、硫化物として析出して被削性を改善する作用がある。この効果を得るには０．０４％以上の含有量が必要である。しかし、０．３％を超えると熱間加工性が低下する。したがって、Ｓの含有量を０．０４〜０．３％とした。
【００４２】
Ｃｒ：０．５０％を超えて２．０％まで
Ｃｒは、強度及び靱性を向上させる作用がある。更に、焼入れ性を高めてＣの共析濃度を下げ、初析フェライトの析出を抑制する作用も有する。しかし、その含有量が０．５０％以下では添加効果に乏しい。一方、Ｃｒの過剰な添加はベイナイト組織の生成を招き、耐摩耗性及び被削性に悪影響を及ぼし、特に、その含有量が２．０％を超えると耐摩耗性及び被削性の低下が著しくなる。したがって、Ｃｒの含有量を０．５０％を超えて２．０％までとした。
【００４３】
Ｔｉ：０．００３〜０．０２０％
本発明においてＴｉは重要な意味を持つ元素である。すなわち、Ｖ非添加のＴｉを含む鋼においては、Ｔｉ硫化物が初析フェライトの析出核になり難く、したがって、組織に占める初析フェライトの割合が小さくなって、耐摩耗性を高めることができる。Ｔｉには、Ｎと結合してＴｉＮを形成し、Ｎのフェライト中への固溶量を抑制して耐摩耗性を高める作用もある。また、ＴｉはＡｌＮの形成を抑えるので、鋳造時に鋼塊の内部割れを防止する作用を有する。これらの効果を得るにはＴｉは０．００３％以上の含有量が必要である。しかし、Ｔｉを０．０２０％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｔｉの含有量を０．００３〜０．０２０％とした。
【００４４】
Ｎ：０．００５〜０．０１５％
Ｎは、窒化物や炭窒化物を形成して組織の微細化、或いは析出強化に寄与する。これらの効果はＮの含有量が０．００５％以上で得られる。しかし、Ｎを多量に添加すると青熱脆性が生じ、特に、その含有量が０．０１５％を超えると青熱脆性が顕著になることがある。したがって、Ｎの含有量を０．００５〜０．０１５％とした。
【００４５】
前記（１）の発明に係る非調質鋼は、上記のＣからＮまでの元素と、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有する鋼である。
【００４６】
前記（２）の発明に係る非調質鋼は、脱酸作用を高めることを目的として、前記（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ａｌ：０．００５％以下を含有させた化学組成を有する鋼である。
【００４７】
上記のＡｌは脱酸作用を有するので、以下に述べる範囲内で含有させてもよい。
【００４８】
Ａｌ：０．００５％以下
Ａｌは、添加すれば、脱酸作用を有する。この効果を確実に得るには、Ａｌは０．００２％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、その含有量が０．００５％を超えると硬質のＡｌ２Ｏ３が多量に生成し、被削性の低下をきたす。したがって、Ａｌを添加する場合には、その含有量を０．００５％以下とするのが好ましい。
【００４９】
前記（３）の発明に係る非調質鋼は、被削性を一層高めることを目的として、前記（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ｃａ：０．０２％以下を含有させた化学組成を有する鋼である。
【００５０】
上記のＣａは鋼の被削性を一段と高める作用を有するので、以下に述べる範囲内で含有させてもよい。
Ｃａ：０．０２％以下
Ｃａは、添加すれば、被削性を高める作用を有する。また、ＭｎＳに固溶し、ＭｎＳの延伸抑制効果を発揮する。これらの効果を確実に得るには、Ｃａは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｃａの含有量が０．０２％を超えても前記効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｃａを添加する場合には、その含有量を０．０２％以下とするのが好ましい。なお、被削性向上効果が著しいのは０．００３０％以下であるため、Ｃａの含有量の上限は０．００３０％とするのがより好ましい。
【００５１】
前記（４）の発明に係る非調質鋼は、脱酸作用を高めること、及び被削性を一層高めることを目的として、前述の（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ａｌ：０．００５％以下及びＣａ：０．０２％以下を含有させた化学組成を有する鋼である。
（Ｂ）鋼の組織
本発明に係る非調質鋼の組織は、初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織とする必要がある。
【００５２】
先ず、フェライト・パーライト組織とするのは、被削性を良好にするためである。マルテンサイトやベイナイトといった低温変態組織を含む場合の被削性はフェライト・パーライト組織に比べて劣る。ここで、既に述べたように、「フェライト・パーライト組織」とはフェライトとパーライトの混合組織を指す。
【００５３】
フェライト・パーライト組織において、初析フェライトが占める割合を３％以下とすることで、十分な硬さが確保され、耐摩耗性を高めることができる。
【００５４】
したがって、本発明に係る非調質鋼においては、その組織を初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織とした。
【００５５】
なお、初析フェライトの占める割合は、３％以下で小さければ小さいほど加工後の製品の表層部において高い硬さが安定、且つ確実に確保でき、組織に占める初析フェライトの面積率が０となる場合、すなわち、パーライト単相の組織が最も好ましい。前記した「初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織」に、組織に占める初析フェライトの割合が０となる組織、すなわち、パーライト単相の組織が含まれることは既に述べたとおりである。
（Ｃ）表層部の組織
非調質鋼を熱間加工して作製した粗成形品を、最終形状に仕上げ機械加工する場合、被加工材の組織がマルテンサイトやベイナイトといった低温変態組織の場合よりも、フェライト・パーライト組織の場合に良好な被削性が得られる。
【００５６】
前記（５）及び（６）の発明においては、上記（Ｂ）項で述べた初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織を有する非調質鋼からなる粗成形品を最終形状の製品に機械加工した場合の、製品表層から２００ｎｍまでの領域におけるパーライトのラメラー間隔を規定する。
【００５７】
すなわち、前記した（５）の発明及び（６）の発明に係る非調質鋼製品においては、表層から２００ｎｍまでの領域におけるパーライトのラメラー間隔を３０ｎｍ以下とする。
【００５８】
これは、表層から２００ｎｍまでの領域におけるパーライトのラメラー間隔が微細であると耐摩耗性が向上し、特に前記領域におけるパーライトのラメラー間隔が３０ｎｍ以下であれば、表面硬化処理した場合と同等の良好な耐摩耗性が得られるからである。
【００５９】
なお、上記組織におけるパーライトのラメラー間隔は微細であればあるほど好ましく、その下限値は特に規定しなくてもよい。
【００６０】
前記（Ａ）項で述べた成分組成からなる鋼は、通常の方法で熱間加工して粗成形品にした後、大気中放冷するだけで初析フェライトが３％以下のフェライト・パーライト組織になる。
【００６１】
また、パーライト組織は、これに一方向の変形を加えることでそのラメラー間隔を小さくすることができる。したがって、最終の非調質鋼製品は、例えば、前記（１）〜（４）の発明に係る非調質鋼を素材とする粗成形品を切削加工した後、ラッピング加工して粗成形品の表層部に一方向の変形を加えることで、容易に表層から２００ｎｍまでの領域を所望の３０ｎｍ以下のラメラー間隔とすることができる。
【００６２】
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。
【００６３】
【実施例】
表１に示す化学組成を有する１３種の鋼を１５０ｋｇの真空誘導加熱炉で溶製し、直径２１０ｍｍのインゴットにした。表１において、鋼A1〜A5は化学組成が本発明で規定する範囲内の本発明例の鋼であり、鋼B1〜B8は成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例の鋼である。
【００６４】
【表１】
【００６５】
上記の各インゴットを通常の方法で１２５０℃に加熱した後、熱間鍛造して直径６５ｍｍの丸棒にした。なお、鍛造仕上げ温度は１０００℃とし、熱間鍛造後は室温まで大気中放冷した。
【００６６】
上記の直径６５ｍｍの丸棒に、通常の方法で旋削加工を施し、更にラッピング加工を行った。ここで、ラッピング加工は、ラッピング用砥石に対して旋削加工した丸棒を５０ＭＰａの一定荷重で押し付けた上、旋削方向と同一方向である一方向に回転させることで、直径５３ｍｍの丸棒に仕上げた。
【００６７】
このようにして得た直径５３ｍｍの各丸棒について、組織を調査した。
【００６８】
すなわち、ミクロ試料を切り出し、鏡面研磨した後ナイタルで腐食して光学顕微鏡観察して組織を判定するとともに写真を撮影し、画像解析して初析フェライトの面積率を測定した。
【００６９】
パーライトのラメラー間隔は、透過型電子顕微鏡写真から測定した。すなわち、透過型電子顕微鏡観察用試料は、上記直径５３ｍｍのラッピング加工を施した丸棒の表層部を観察するために、集束イオンビーム加工（ＦＩＢ加工）を行うことで断面に切り出し、その後通常のイオンミリング法を施すことで薄膜試料とし、透過型電子顕微鏡写真を撮影して、その写真からパーライトのラメラー間隔を求めた。
【００７０】
前記直径５３ｍｍの各丸棒の被削性調査のためにドリル穿孔試験も行った。すなわち、通常の直径が５ｍｍの高速度鋼（ハイス）製ドリルを用いて潤滑剤として水溶性切削油剤（エマルジョン型）を使用し、１５ｍ／分の周速、９５５ｒｅｖ／分の回転数、０．１５ｍｍ／ｒｅｖの送りの条件で深さが５０ｍｍの孔を加工した。なお、異音を生じることなく穿孔可能な個数を調査し、１５０個の孔を穿孔しても異音が生じない場合には被削性良好として穿孔試験を中止した。
【００７１】
前記直径５３ｍｍの各丸棒の耐摩耗性についても調査した。すなわち、通常の回転荷重試験機を用いて下記の条件で摩耗試験を行い、その時の摩耗量を摩耗深さとして測定した。試験は一般的な条件である３５ＭＰａの面圧、１５ｍ／秒の周速で２０時間行い、軸受にはＡｌ合金を用いて行った。なお、潤滑油にはモーターオイル＃２０を用い、入り口温度は１３０℃、給油圧を０．４ＭＰａとした。
【００７２】
なお、比較のために鋼B1の前記直径５３ｍｍの丸棒に、表面硬化処理として通常の高周波焼入れも行った。なお、この高周波焼入れ時の加熱温度は１０００℃とした。
【００７３】
上記の表層部を高周波焼入れした鋼B1の直径５３ｍｍの丸棒についても前述の方法で組織を調査した。
【００７４】
この表面硬化処理した鋼B1の直径５３ｍｍの丸棒についても、既に述べた他の直径５３ｍｍの丸棒と同様に耐摩耗性を調査した。なお、被削性調査のためのドリル穿孔試験は行わなかった。
【００７５】
表２に、上記の各試験結果を整理して示す。
【００７６】
【表２】
【００７７】
表２から、本発明の条件を満たす試験番号１〜５の場合には、従来タイプの表面硬化処理した試験番号１４と同等の良好な耐摩耗性が得られていることが明らかである。更に、ドリル穿孔試験結果から被削性も良好であることがわかる。
【００７８】
これに対して、本発明で規定する条件から外れた試験番号６〜１３の場合には、従来タイプの表面硬化処理した試験番号１４試験と同等の耐摩耗性と良好な被削性との双方を兼備できないことが明らかである。
【００７９】
【発明の効果】
本発明の非調質鋼製品は、熱間加工及び機械加工により部品形状に成形するだけで、表面硬化処理した場合と同等の優れた耐摩耗性を有するので、自動車のクランクシャフト、ハブ等の機械部品に用いることができる。本発明の非調質鋼製品は、本発明の非調質鋼を素材として比較的容易に製造することができる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、非調質鋼及び非調質鋼製品に関し、詳しくは、被削性に優れ、高周波焼入れや軟窒化などの表面硬化処理を省略しても、優れた耐摩耗性を有する熱間加工用非調質鋼製品の素材となる非調質鋼及び上記の鋼を素材として、熱間加工及び機械加工によって部品形状に成形するだけで、高周波焼入れや軟窒化などの表面硬化処理を省略しても、優れた耐摩耗性を有する熱間加工用非調質鋼製品、なかでも軸受と摺動する部位において優れた耐摩耗性を有する熱間加工用非調質鋼製品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のクランクシャフト、ハブなどの機械部品の製造に当たって、熱間加工後に行う「焼入れ−焼戻し」の調質処理を省略することを意図して、Ｃ含有量が０．４〜０．６質量％のいわゆる「中炭素鋼」をベースとするフェライト・パーライト型の非調質鋼が広く用いられている。
【０００３】
上記クランクシャフトなどの機械部品においては、耐摩耗性が要求される。このため、従来は、機械加工の後で、高周波焼入れや軟窒化などの表面硬化処理が施されていた。
しかしながら、最近、工程の簡略化や省エネルギーの観点から、部品形状に成形した後の高周波焼入れや軟窒化といった表面硬化処理を施すことなく、所望の耐摩耗性を確保できる非調質鋼製品に対する要求が大きくなっている。
【０００４】
一般に、鋼の硬さを高めることで耐摩耗性を向上させることができる。しかし、例えばＣの含有量を増やして硬さを増大させても、被削性が低下するので、単に硬さを増大させるだけでは問題の解決にならない。
【０００５】
一方、クランクシャフトを鋳鉄で製造することも行われている。鋳鉄の場合、鋳込み後の組織はグラファイトと硬質なパーライトとからなるため、表面硬化処理を施すことなく或る程度の耐摩耗性を確保することはできる。しかし、その耐摩耗性は表面硬化処理を施した場合に比べれば劣るものであり、更に、鋳鉄製の製品には多量のグラファイトが含まれることになるため剛性も低い。
【０００６】
高周波焼入れや軟窒化などの表面硬化処理を省略して、非調質鋼製品に耐摩耗性を確保させる技術が特許文献１〜５に開示されている。
【０００７】
特許文献１には、特定の化学組成を有し、熱間鍛造後の組織がフェライト＋パーライトであり、初析フェライトの面積率が１０％以下である「耐摩耗性にすぐれた熱間鍛造用非調質鋼」が開示されている。しかし、特許文献１で提案された鋼は、単にフェライト＋パーライト組織からなる非調質鋼の組織をパーライト主体の組織にしただけのものであり、必ずしも表面硬化処理を施した場合と同等の耐摩耗性が得られるというものでもなかった。
【０００８】
特許文献２には、特定の化学組成を有し、酸化物系介在物であるＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２ の含有量を低く抑えた「耐摩耗性に優れたクランクシャフト用鋼」が開示されている。しかし、特許文献２で提案されたクランクシャフト用鋼は、その組織がＶ炭化物によって十分に析出硬化された単なるフェライト−パーライト組織でしかない。このため、エンジンの軽量化を目的にクランクシャフトの細軸化が進められている近年の過酷な条件下では、軟質のフェライト相から摩耗が進行し、十分な耐摩耗性を確保することが困難である。
【０００９】
特許文献３には、特定の化学組成を有し、熱間鍛造後の組織が初析フェライト分率３％以下のパーライトを主体とし、厚み２０μｍ以下の硫化物系介在物を含有する「被削性及び耐摩耗性に優れたクランクシャフト用鋼」及びこの鋼を用いて作成されたクランクシャフトが開示されている。しかし、この特許文献３で提案された鋼は、Ｃの含有量が０．６２〜０．８０％と高いので、直径の小さい深穴をドリル加工するような過酷な加工条件では、切り粉詰まりが発生するなど被削性の点で不十分な場合があるし、被削性の低下も免れない。
【００１０】
また、特許文献４には、成分含有量とパーライトインデックスを規定した「耐摩耗性に優れた鍛造用鋼」が開示されている。しかし、この特許文献４で提案された鋼は、Ｔｉを含んでいないためＭｎＳを核として初析フェライトが析出しやすく、このため十分な耐摩耗性を確保できない場合があり、特にその実施例に記載されているようなＴｉを含まずにＶを含むものには初析フェライトが多量に析出して耐摩耗性が低下する場合がある。
【００１１】
特許文献５には、特定の化学組成を有する鋼に特定の条件で熱間鍛造と空冷とを施した、フェライト面積率が５％以下のパーライトを主体とする金属組織を有する粗部品における他部品との嵌合い部を、その嵌合い部の表面粗さが５から２５μｍの範囲内になるように仕上げ加工する「耐摩耗性に優れた熱間鍛造部品の製造方法」が開示されている。しかし、特許文献５の技術では、フェライト強化元素であるＶの添加が必須である。Ｖを添加すると、後述のようにパーライト中のフェライトが強化されることにより、パーライトラメラー間隔の微細化が阻害され、顕著な耐摩耗性が期待できない。また、この技術は必ずしも被削性に配慮された技術ではない。
【００１２】
なお、組織がパーライトからなる場合の耐摩耗性を高める技術が特許文献６に開示されている。
【００１３】
すなわち、特許文献６には、重量％で、Ｃを０．８５％を超えて１．２０％以下含有し、その一部が少なくともパーライト組織を呈する鋼レールにおいて、上記パーライト組織のラメラー間隔と、パーライト組織中のフェライト厚さに対するセメンタイト厚さの比を規定した「高耐摩耗パーライト系レール」が開示されている。しかし、０．８５％を超えて１．２０％以下というＣ含有量は、前記の特許文献３における０．６２〜０．８０％というＣ含有量よりも更に高いものであり、したがって、深穴ドリル加工性、特に直径の小さい深穴をドリル加工する場合の加工性に極めて劣る。
【００１４】
【特許文献１】
特開２０００−２６５２４２号公報
【特許文献２】
特開平６−１２８６９０号公報
【特許文献３】
特開２００２−１９４５０２号公報
【特許文献４】
特開平４−１１０４４４号公報
【特許文献５】
特開平１０−１３７８８８号公報
【特許文献６】
特許第３０７８４６１号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、その目的は、被削性に優れ、高周波焼入れや軟窒化などの表面硬化処理を省略しても、優れた耐摩耗性を有する熱間加工用非調質鋼製品の素材となる非調質鋼、及び上記の鋼を素材とし、熱間加工及び機械加工により部品形状に成形するだけで、表面硬化処理した場合と同等の優れた耐摩耗性を有する熱間加工用非調質鋼製品、特に、軸受と摺動する部位で優れた耐摩耗性を有する熱間加工用非調質鋼製品を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）〜（４）に示す非調質鋼、並びに、（５）及び（６）に示す非調質鋼製品にある。
【００１７】
（１）質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｓ：０．０４〜０．３％、Ｃｒ：０．５０％を超えて２．０％まで、Ｔｉ：０．００３〜０．０２０％及びＮ：０．００５〜０．０１５％を含み、残部はＦｅ及び不純物からなり、組織が初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織であることを特徴とする非調質鋼。
【００１８】
（２）質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｓ：０．０４〜０．３％、Ｃｒ：０．５０％を超えて２．０％まで、Ｔｉ：０．００３〜０．０２０％及びＮ：０．００５〜０．０１５％を含むとともに、Ａｌ：０．００５％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、組織が初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織であることを特徴とする非調質鋼。
【００１９】
（３）質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｓ：０．０４〜０．３％、Ｃｒ：０．５０％を超えて２．０％まで、Ｔｉ：０．００３〜０．０２０％及びＮ：０．００５〜０．０１５％を含むとともに、Ｃａ：０．０２％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、組織が初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織であることを特徴とする非調質鋼。
【００２０】
（４）質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｓ：０．０４〜０．３％、Ｃｒ：０．５０％を超えて２．０％まで、Ｔｉ：０．００３〜０．０２０％及びＮ：０．００５〜０．０１５％を含むとともに、Ａｌ：０．００５％以下及びＣａ：０．０２％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、組織が初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織であることを特徴とする非調質鋼。
【００２１】
（５）上記（１）から（４）までのいずれかに記載の非調質鋼を素材とし、表層から２００ｎｍまでの領域におけるパーライトのラメラー間隔が３０ｎｍ以下であることを特徴とする非調質鋼製品。
【００２２】
（６）非調質鋼製品がクランクシャフトである上記（５）に記載の非調質鋼製品。
【００２３】
ここで、定量金属組織学的検討から、或る相の体積割合は面積割合に等しいことが知られており、したがって、上記の初析フェライトが組織に占める割合は、例えば、通常の２次元的な評価方法、すなわち、光学顕微鏡や電子顕微鏡を用いた観察によって求めた初析フェライトの割合から決定すればよい。
【００２４】
「フェライト・パーライト組織」とは、フェライトとパーライトの混合組織をいう。
【００２５】
上記の「初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織」には、組織に占める初析フェライトの割合が０となる組織、すなわち、パーライト単相の組織を含む。
【００２６】
以下、上記（１）〜（４）の非調質鋼に係る発明、並びに、（５）及び（６）の非調質鋼製品に係る発明をそれぞれ（１）〜（６）の発明という。
【００２７】
本発明者らは、前記した課題を達成するために、材料の組織を種々変化させて被削性と耐摩耗性に及ぼす影響を調査した。その結果、下記（ａ）〜（ｅ）の知見を得た。
【００２８】
（ａ）鋼材の組織がマルテンサイトやベイナイトといった低温変態組織の場合よりも、特定割合以下の初析フェライトを含むフェライト・パーライト組織の場合に良好な被削性が得られる。
【００２９】
（ｂ）例えば自動車用機械部品として用いられるクランクシャフトなど非調質鋼製品の通常の使用環境を想定した場合、耐摩耗性に影響するのは表層から２００ｎｍまでの領域における組織である。
【００３０】
（ｃ）上記（ａ）と（ｂ）から、良好な被削性と良好な耐摩耗性を兼備させるには、組織を特定割合以下の初析フェライトを含むフェライト・パーライト組織とし、且つ、表層から２００ｎｍまでの領域における組織を特定の組織とすればよい。
【００３１】
（ｄ）耐摩耗性を高めるためには、表層から２００ｎｍまでの領域におけるパーライトのラメラー間隔を微細化すればよい。
【００３２】
（ｅ）表層から２００ｎｍまでの領域におけるパーライトのラメラー間隔が３０ｎｍであれば、表面硬化処理した場合と同等の良好な耐摩耗性が得られる。
【００３３】
更に、本発明者らは成分元素と耐摩耗性との関係を調査して次の知見（ｆ）〜（ｈ）を得た。
【００３４】
（ｆ）Ｓｉ、Ｖなどフェライト強化元素の含有量を制限してフェライトの変形能を大きくすれば、研磨などの機械加工で前記の表層領域における混合組織中のパーライトのラメラー間隔を一層微細にすることができるので、耐摩耗性をより高めることができる。
【００３５】
（ｇ）Ｓｉを多く含む鋼の場合には、摩擦による温度上昇で機械的に脆い酸化層が表面に生じやすくなる。したがって、摩擦による温度上昇に伴う表面酸化を防止し、酸化層の脱離によって摩耗が促進することを防止するためにも、Ｓｉの含有量を制限することが極めて重要になる。
【００３６】
（ｈ）Ｔｉを含むがＶは含まない鋼の場合、Ｔｉ硫化物が初析フェライトの析出核になり難いので、組織に占める初析フェライトの割合を小さくすることができる。
【００３７】
本発明は、上記（ａ）〜（ｈ）の知見に基づいて完成されたものである。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
（Ａ）鋼の化学組成
Ｃ：０．３５〜０．５５％
Ｃはパーライト組織を得るのに最も有効な元素であるが、その含有量が０．３５％未満では十分な効果が得られない。一方、０．５５％を超えると鋼が硬化して被削性の低下を招く。したがって、Ｃの含有量を０．３５〜０．５５％とした。
【００３９】
Ｓｉ：０．０５〜０．５０％
Ｓｉは、脱酸作用及び強化作用を有する。しかし、その含有量が０．０５％未満ではこれらの効果が得難い。一方、０．５０％を超えると、摩擦による温度上昇に伴う表面酸化が著しくなり、酸化層が脱離して摩耗が大きくなったり、フェライトが強化されてその変形能が小さくなるので、パーライトのラメラー間隔の微細化が困難になって、パーライトのラメラー間隔微細化による耐摩耗性の向上効果も小さくなることがある。したがって、Ｓｉの含有量を０．０５〜０．５０％とした。
【００４０】
Ｍｎ：０．８〜２．０％
Ｍｎは、強度及び靱性を高める作用がある。更に、焼入れ性を上げてＣの共析濃度を下げ、初析フェライトの析出を抑制する作用も有する。これらの効果はＭｎの含有量が０．８％以上で得られる。一方、Ｍｎの過剰な添加はベイナイト組織の生成を招いて耐摩耗性及び被削性に悪影響を及ぼすこととなり、特に、Ｍｎの含有量が２．０％を超えると耐摩耗性及び被削性の低下が著しくなる。したがって、Ｍｎの含有量を０．８〜２．０％とした。
【００４１】
Ｓ：０．０４〜０．３％
Ｓは、硫化物として析出して被削性を改善する作用がある。この効果を得るには０．０４％以上の含有量が必要である。しかし、０．３％を超えると熱間加工性が低下する。したがって、Ｓの含有量を０．０４〜０．３％とした。
【００４２】
Ｃｒ：０．５０％を超えて２．０％まで
Ｃｒは、強度及び靱性を向上させる作用がある。更に、焼入れ性を高めてＣの共析濃度を下げ、初析フェライトの析出を抑制する作用も有する。しかし、その含有量が０．５０％以下では添加効果に乏しい。一方、Ｃｒの過剰な添加はベイナイト組織の生成を招き、耐摩耗性及び被削性に悪影響を及ぼし、特に、その含有量が２．０％を超えると耐摩耗性及び被削性の低下が著しくなる。したがって、Ｃｒの含有量を０．５０％を超えて２．０％までとした。
【００４３】
Ｔｉ：０．００３〜０．０２０％
本発明においてＴｉは重要な意味を持つ元素である。すなわち、Ｖ非添加のＴｉを含む鋼においては、Ｔｉ硫化物が初析フェライトの析出核になり難く、したがって、組織に占める初析フェライトの割合が小さくなって、耐摩耗性を高めることができる。Ｔｉには、Ｎと結合してＴｉＮを形成し、Ｎのフェライト中への固溶量を抑制して耐摩耗性を高める作用もある。また、ＴｉはＡｌＮの形成を抑えるので、鋳造時に鋼塊の内部割れを防止する作用を有する。これらの効果を得るにはＴｉは０．００３％以上の含有量が必要である。しかし、Ｔｉを０．０２０％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｔｉの含有量を０．００３〜０．０２０％とした。
【００４４】
Ｎ：０．００５〜０．０１５％
Ｎは、窒化物や炭窒化物を形成して組織の微細化、或いは析出強化に寄与する。これらの効果はＮの含有量が０．００５％以上で得られる。しかし、Ｎを多量に添加すると青熱脆性が生じ、特に、その含有量が０．０１５％を超えると青熱脆性が顕著になることがある。したがって、Ｎの含有量を０．００５〜０．０１５％とした。
【００４５】
前記（１）の発明に係る非調質鋼は、上記のＣからＮまでの元素と、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有する鋼である。
【００４６】
前記（２）の発明に係る非調質鋼は、脱酸作用を高めることを目的として、前記（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ａｌ：０．００５％以下を含有させた化学組成を有する鋼である。
【００４７】
上記のＡｌは脱酸作用を有するので、以下に述べる範囲内で含有させてもよい。
【００４８】
Ａｌ：０．００５％以下
Ａｌは、添加すれば、脱酸作用を有する。この効果を確実に得るには、Ａｌは０．００２％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、その含有量が０．００５％を超えると硬質のＡｌ２Ｏ３が多量に生成し、被削性の低下をきたす。したがって、Ａｌを添加する場合には、その含有量を０．００５％以下とするのが好ましい。
【００４９】
前記（３）の発明に係る非調質鋼は、被削性を一層高めることを目的として、前記（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ｃａ：０．０２％以下を含有させた化学組成を有する鋼である。
【００５０】
上記のＣａは鋼の被削性を一段と高める作用を有するので、以下に述べる範囲内で含有させてもよい。
Ｃａ：０．０２％以下
Ｃａは、添加すれば、被削性を高める作用を有する。また、ＭｎＳに固溶し、ＭｎＳの延伸抑制効果を発揮する。これらの効果を確実に得るには、Ｃａは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｃａの含有量が０．０２％を超えても前記効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｃａを添加する場合には、その含有量を０．０２％以下とするのが好ましい。なお、被削性向上効果が著しいのは０．００３０％以下であるため、Ｃａの含有量の上限は０．００３０％とするのがより好ましい。
【００５１】
前記（４）の発明に係る非調質鋼は、脱酸作用を高めること、及び被削性を一層高めることを目的として、前述の（１）の発明の鋼のＦｅの一部に代えて、Ａｌ：０．００５％以下及びＣａ：０．０２％以下を含有させた化学組成を有する鋼である。
（Ｂ）鋼の組織
本発明に係る非調質鋼の組織は、初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織とする必要がある。
【００５２】
先ず、フェライト・パーライト組織とするのは、被削性を良好にするためである。マルテンサイトやベイナイトといった低温変態組織を含む場合の被削性はフェライト・パーライト組織に比べて劣る。ここで、既に述べたように、「フェライト・パーライト組織」とはフェライトとパーライトの混合組織を指す。
【００５３】
フェライト・パーライト組織において、初析フェライトが占める割合を３％以下とすることで、十分な硬さが確保され、耐摩耗性を高めることができる。
【００５４】
したがって、本発明に係る非調質鋼においては、その組織を初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織とした。
【００５５】
なお、初析フェライトの占める割合は、３％以下で小さければ小さいほど加工後の製品の表層部において高い硬さが安定、且つ確実に確保でき、組織に占める初析フェライトの面積率が０となる場合、すなわち、パーライト単相の組織が最も好ましい。前記した「初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織」に、組織に占める初析フェライトの割合が０となる組織、すなわち、パーライト単相の組織が含まれることは既に述べたとおりである。
（Ｃ）表層部の組織
非調質鋼を熱間加工して作製した粗成形品を、最終形状に仕上げ機械加工する場合、被加工材の組織がマルテンサイトやベイナイトといった低温変態組織の場合よりも、フェライト・パーライト組織の場合に良好な被削性が得られる。
【００５６】
前記（５）及び（６）の発明においては、上記（Ｂ）項で述べた初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織を有する非調質鋼からなる粗成形品を最終形状の製品に機械加工した場合の、製品表層から２００ｎｍまでの領域におけるパーライトのラメラー間隔を規定する。
【００５７】
すなわち、前記した（５）の発明及び（６）の発明に係る非調質鋼製品においては、表層から２００ｎｍまでの領域におけるパーライトのラメラー間隔を３０ｎｍ以下とする。
【００５８】
これは、表層から２００ｎｍまでの領域におけるパーライトのラメラー間隔が微細であると耐摩耗性が向上し、特に前記領域におけるパーライトのラメラー間隔が３０ｎｍ以下であれば、表面硬化処理した場合と同等の良好な耐摩耗性が得られるからである。
【００５９】
なお、上記組織におけるパーライトのラメラー間隔は微細であればあるほど好ましく、その下限値は特に規定しなくてもよい。
【００６０】
前記（Ａ）項で述べた成分組成からなる鋼は、通常の方法で熱間加工して粗成形品にした後、大気中放冷するだけで初析フェライトが３％以下のフェライト・パーライト組織になる。
【００６１】
また、パーライト組織は、これに一方向の変形を加えることでそのラメラー間隔を小さくすることができる。したがって、最終の非調質鋼製品は、例えば、前記（１）〜（４）の発明に係る非調質鋼を素材とする粗成形品を切削加工した後、ラッピング加工して粗成形品の表層部に一方向の変形を加えることで、容易に表層から２００ｎｍまでの領域を所望の３０ｎｍ以下のラメラー間隔とすることができる。
【００６２】
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。
【００６３】
【実施例】
表１に示す化学組成を有する１３種の鋼を１５０ｋｇの真空誘導加熱炉で溶製し、直径２１０ｍｍのインゴットにした。表１において、鋼A1〜A5は化学組成が本発明で規定する範囲内の本発明例の鋼であり、鋼B1〜B8は成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例の鋼である。
【００６４】
【表１】
上記の各インゴットを通常の方法で１２５０℃に加熱した後、熱間鍛造して直径６５ｍｍの丸棒にした。なお、鍛造仕上げ温度は１０００℃とし、熱間鍛造後は室温まで大気中放冷した。
【００６６】
上記の直径６５ｍｍの丸棒に、通常の方法で旋削加工を施し、更にラッピング加工を行った。ここで、ラッピング加工は、ラッピング用砥石に対して旋削加工した丸棒を５０ＭＰａの一定荷重で押し付けた上、旋削方向と同一方向である一方向に回転させることで、直径５３ｍｍの丸棒に仕上げた。
【００６７】
このようにして得た直径５３ｍｍの各丸棒について、組織を調査した。
【００６８】
すなわち、ミクロ試料を切り出し、鏡面研磨した後ナイタルで腐食して光学顕微鏡観察して組織を判定するとともに写真を撮影し、画像解析して初析フェライトの面積率を測定した。
【００６９】
パーライトのラメラー間隔は、透過型電子顕微鏡写真から測定した。すなわち、透過型電子顕微鏡観察用試料は、上記直径５３ｍｍのラッピング加工を施した丸棒の表層部を観察するために、集束イオンビーム加工（ＦＩＢ加工）を行うことで断面に切り出し、その後通常のイオンミリング法を施すことで薄膜試料とし、透過型電子顕微鏡写真を撮影して、その写真からパーライトのラメラー間隔を求めた。
【００７０】
前記直径５３ｍｍの各丸棒の被削性調査のためにドリル穿孔試験も行った。すなわち、通常の直径が５ｍｍの高速度鋼（ハイス）製ドリルを用いて潤滑剤として水溶性切削油剤（エマルジョン型）を使用し、１５ｍ／分の周速、９５５ｒｅｖ／分の回転数、０．１５ｍｍ／ｒｅｖの送りの条件で深さが５０ｍｍの孔を加工した。なお、異音を生じることなく穿孔可能な個数を調査し、１５０個の孔を穿孔しても異音が生じない場合には被削性良好として穿孔試験を中止した。
【００７１】
前記直径５３ｍｍの各丸棒の耐摩耗性についても調査した。すなわち、通常の回転荷重試験機を用いて下記の条件で摩耗試験を行い、その時の摩耗量を摩耗深さとして測定した。試験は一般的な条件である３５ＭＰａの面圧、１５ｍ／秒の周速で２０時間行い、軸受にはＡｌ合金を用いて行った。なお、潤滑油にはモーターオイル＃２０を用い、入り口温度は１３０℃、給油圧を０．４ＭＰａとした。
【００７２】
なお、比較のために鋼B1の前記直径５３ｍｍの丸棒に、表面硬化処理として通常の高周波焼入れも行った。なお、この高周波焼入れ時の加熱温度は１０００℃とした。
【００７３】
上記の表層部を高周波焼入れした鋼B1の直径５３ｍｍの丸棒についても前述の方法で組織を調査した。
【００７４】
この表面硬化処理した鋼B1の直径５３ｍｍの丸棒についても、既に述べた他の直径５３ｍｍの丸棒と同様に耐摩耗性を調査した。なお、被削性調査のためのドリル穿孔試験は行わなかった。
【００７５】
表２に、上記の各試験結果を整理して示す。
【００７６】
【表２】
表２から、本発明の条件を満たす試験番号１〜５の場合には、従来タイプの表面硬化処理した試験番号１４と同等の良好な耐摩耗性が得られていることが明らかである。更に、ドリル穿孔試験結果から被削性も良好であることがわかる。
【００７８】
これに対して、本発明で規定する条件から外れた試験番号６〜１３の場合には、従来タイプの表面硬化処理した試験番号１４試験と同等の耐摩耗性と良好な被削性との双方を兼備できないことが明らかである。
【００７９】
【発明の効果】
本発明の非調質鋼製品は、熱間加工及び機械加工により部品形状に成形するだけで、表面硬化処理した場合と同等の優れた耐摩耗性を有するので、自動車のクランクシャフト、ハブ等の機械部品に用いることができる。本発明の非調質鋼製品は、本発明の非調質鋼を素材として比較的容易に製造することができる。
Claims (6)
- 質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｓ：０．０４〜０．３％、Ｃｒ：０．５０％を超えて２．０％まで、Ｔｉ：０．００３〜０．０２０％及びＮ：０．００５〜０．０１５％を含み、残部はＦｅ及び不純物からなり、組織が初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織であることを特徴とする非調質鋼。
- 質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｓ：０．０４〜０．３％、Ｃｒ：０．５０％を超えて２．０％まで、Ｔｉ：０．００３〜０．０２０％及びＮ：０．００５〜０．０１５％を含むとともに、Ａｌ：０．００５％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、組織が初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織であることを特徴とする非調質鋼。
- 質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｓ：０．０４〜０．３％、Ｃｒ：０．５０％を超えて２．０％まで、Ｔｉ：０．００３〜０．０２０％及びＮ：０．００５〜０．０１５％を含むとともに、Ｃａ：０．０２％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、組織が初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織であることを特徴とする非調質鋼。
- 質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｓ：０．０４〜０．３％、Ｃｒ：０．５０％を超えて２．０％まで、Ｔｉ：０．００３〜０．０２０％及びＮ：０．００５〜０．０１５％を含むとともに、Ａｌ：０．００５％以下及びＣａ：０．０２％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、組織が初析フェライトの割合が３％以下のフェライト・パーライト組織であることを特徴とする非調質鋼。
- 請求項１から４までのいずれかに記載の非調質鋼を素材とし、表層から２００ｎｍまでの領域におけるパーライトのラメラー間隔が３０ｎｍ以下であることを特徴とする非調質鋼製品。
- 非調質鋼製品がクランクシャフトである請求項５に記載の非調質鋼製品。
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