专利名称：热锻用轧制棒钢或线材的制作方法
技术领域：
本发明为成为齿轮、滑轮等部件的原材料的热锻用轧制棒钢或线材。更具体而言，涉及渗碳或碳氮共渗之前的切削性优异、且渗碳或碳氮共渗之后的部件的弯曲疲劳强度和面疲劳强度优异的通过热锻而粗成型的热锻用轧制棒钢或线材。
背景技术：
以往，汽车、工业机械的齿轮、滑轮等钢制的部件如下制造:以JIS标准的SCr420、SCM420.SNCM420等机械结构用合金钢的热轧棒钢或线材作为原材料，通过热锻或冷锻进行粗成型后，根据需要进行正火后，实施切削加工，然后实施渗碳淬火或碳氮共渗淬火，然后进行200°C以下的回火，进而根据需要实施喷丸硬化处理，由此制造上述齿轮、滑轮等钢制的部件，并确保接触疲劳强度、弯曲疲劳强度、耐磨耗性等各部件所要求的特性。
但是，近年，为了应对汽车的油耗升高、引擎的高输出功率化而加深部件的轻量、小型化，随之存在对部件施加的负荷增加的倾向。另一方面，从降低成本的观点考虑，欲省略渗碳淬火后的喷丸硬化等附加的表面处理的要求也大。另外，切削加工成本在部件的加工费用中所占的比例大，因此提高切削性的要求也大。为了提高部件的疲劳强度，通常大多添加大量的合金元素，但是若如此则切削性大多降低。因此，期待以高的水平兼具部件的弯曲-接触疲劳强度和切削性。需要说明的是，上述“接触疲劳”包括“面疲劳”、“线疲劳”和“点疲劳”，但是实际上几乎不会形成“线”接触、“点”接触，因此接触疲劳强度使用“面疲劳强度”。需要说明的是，“点状腐蚀”为面疲劳的破坏形态之一，齿轮的齿面、滑轮等的面疲劳的损伤形态主要为点状腐蚀。因此，提高点状腐蚀强度对应于提高上述面疲劳强度，因此以下对作为“面疲劳”的“点状腐蚀”进行说明，将“点状腐蚀强度”称为“面疲劳强度”。日本特开昭60-21359号公报、日本特开平7_242994号公报和日本特开平7-126803号公报提出了齿轮用钢的改善方案。具体而言，日本特开昭60-21359号公报中公开了一种齿轮用钢，其规定了 Si:0.1%以下、P:0.01%以下等，提供强度高、坚韧且可靠性高的齿轮。另外，日本特开平7-242994号公报中公开了齿面强度优异的齿轮用钢、齿轮以及齿轮的制造方法，该齿轮用钢规定了 Cr:1.50 5.0%、进而根据需要7.5% > 2.2 X Si (%) +2.5 XMn (%) + Cr (%) + 5.7 XMo (%)、或 S1:0.40 1.0% 等。另外，日本特开平 7-126803号公报中公开了一种渗碳齿轮用钢，其规定了 Si:0.35 3.0%以下、V:0.05 0.5%等，其适于得到除了弯曲疲劳强度优异之外、耐磨耗性和面疲劳强度也优异的齿轮。
发明内容
但是，对于日本特开昭60-21359号公报而言，未考虑到面疲劳强度，因此面疲劳强度不充分。对于日本特开平7-242994号公报而言，未考虑到弯曲疲劳强度，因此弯曲疲劳强度不充分。另外，切削性也不充分。对于日本特开平7-126803号公报而言，未充分考虑到弯曲疲劳强度，因此弯曲疲劳强度不充分。另外，V的添加使热锻后的硬度大幅增加，因此切削性也不充分。如日本特开昭60-21359号公报、日本特开平7_242994号公报和日本特开平7-126803号公报所述，一直以来已知通过调整Si和Cr含量等而渗碳或碳氮共渗后的弯曲和面疲劳强度优异的钢材。但是，不能以高的水平兼具通常相反的弯曲-面疲劳强度和切削性。本发明的目的在于，提供可以以高的水平兼具切削性和渗碳淬火或碳氮共渗淬火后的部件的弯曲-面疲劳强度的、通过热锻而粗成型的热锻用轧制棒钢或线材。用于解决问题的方案和发明的效果通过本发明提供的热锻用轧制棒钢或线材，其具有下述组成:按质量％计含有C:0.1 0.25%、Si:0.01 0.10%、Mn:0.4 1.0%、S:0.003 0.05%、Cr:1.60 2.00%、Mo:0.10% 以下(包括 0%)、A1:0.025 0.05%,N:0.010 0.025%,并且 Cr 和 Mo 的含量按下述(I)式所示的fnl的值计满足1.82 ( fnl ( 2.10,剩余部分由Fe和杂质组成,杂质中的P、Ti和O分别为P:0.025%以下、Ti:0.003%以下、0(氧):0.002%以下，所述热锻用轧制棒钢或线材由铁素体-珠光体组织、铁素体-珠光体-贝氏体组织或铁素体-贝氏体组织构成，横断面中使每I个视野的面积为62500 μ m2来随机观察测定15个视野时的铁素体平均粒径的最大值/最小值为2.0以下。
fnl=Cr + 2 XMo (I)其中，(I)式中的元素符号表示该元素的按质量％计的含量。通过本发明提供的热锻用轧制棒钢或线材，能够以高的水平兼具切削性和渗碳淬火或碳氮共渗淬火后的部件的弯曲-面疲劳强度。通过本发明提供的热锻用轧制棒钢或线材，可以按质量％计含有Nb:0.08%以下来替代Fe的一部分。通过本发明提供的热锻用轧制棒钢或线材，可以按质量％计含有Cu:0.4%以下和Ni:0.8%以下中的一种以上来替代Fe的一部分。
图1为表示实施例中制作的滚轴点蚀小滚轴试验片的尺寸形状的侧视图。图2为表示实施例中制作的带切口小野式旋转弯曲疲劳试验片的尺寸形状的侧视图。图3为表示实施例中的渗碳淬火条件的图。图4为表示实施例中的滚轴点蚀试验中使用的大滚轴的尺寸形状的主视图。
具体实施例方式如上所述，已知通过调整Si和Cr含量等能得到渗碳或碳氮共渗后的弯曲-面疲劳强度优异的钢材。但是，不能以高的水平兼具通常相反的弯曲-面疲劳强度和切削性。因此，为了开发可以以高的水平兼具弯曲-面疲劳强度和切削性的热锻用轧制棒钢或线材而进行了调查、研究，其结果得到下述发现。(a)为了提高弯曲疲劳强度，降低Si含量是有效的，但是仅如此是不充分的，还需要提高Cr、Mo的含量。
(b)为了提高面疲劳强度，需要提高Cr、Mo的含量。(c)若提高Mo含量，则即使在热锻后或进而进行正火后，除了铁素体组织、珠光体组织的生成得到促进之外，贝氏体组织的生成也得到促进，而变硬，因此切削性降低。另外，即使不添加Mo时，若Cr含量过多，则也同样地促进贝氏体组织的生成，从而切削性降低。(d)可以以高的水平兼具弯曲疲劳强度、面疲劳强度和切削性全部性能的成分范围窄，除了需要限定S1、Cr和Mo的各含量之外，还需要限定“Cr% + 2 XMo%”的范围。(e)热锻用轧制棒钢或线材中的晶体粒径不均匀时，存在弯曲疲劳强度和面疲劳强度都降低的倾向。晶体粒径的不均匀性可以以铁素体粒径评价。本发明的热锻用轧制棒钢或线材是基于上述发现而完成的。以下对本发明进行详细说明。需要说明的是，化学成分的含量的“％”指的是“质量％”。⑷化学组成C:0.1 0.25%C为对于确保经过渗碳淬火或碳氮共渗淬火的部件的芯部强度而言必须的元素。其含量不足0.1%时是不充分的。另一方面，若C的含量超过0.25%，则渗碳淬火或碳氮共渗淬火时的部件的变形量的增加变得显著。因此，C的含量为0.1 0.25%。优选C的含量为0.18%以上，另外，优选为0.23%以下。Si:0.01 0.10%Si为具有提高淬火性的作用的元素。另一方面，Si在渗碳处理或碳氮共渗处理时引起晶界氧化层的增加。特别是若其含量超过0.10%，则晶界氧化层大幅增加而弯曲疲劳强度降低，不能满足本发明中的目标值。Si的含量不足0.01%时，提高淬火性的效果不充分。因此，Si的含量为0.01 0.10%O优选Si的含量为0.06 0.10%。
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Mn:0.4 1.0%Mn为提高淬火性的效果大、对于确保经过渗碳淬火或碳氮共渗淬火的部件的芯部强度而言必须的元素。其含量不足0.4%时是不充分的。另一方面，若Mn的含量超过1.0%，则不仅其效果饱和、而且热锻后的切削性的降低变得显著。因此，Mn的含量为0.4 1.0%。Mn的含量优选为0.5%以上，更优选为0.6%以上。Mn的含量优选为0.9%以下。S:0.003 0.05%S与Mn结合而形成MnS，为对于切削加工性的提高有效的元素。其含量不足0.003%时，难以得到前述效果。另一方面，若S的含量增多，则存在容易生成粗大的MnS、使疲劳强度降低的倾向。若S的含量超过0.05%则疲劳强度降低变得显著。因此，S的含量为0.003 0.05%。S的含量优选为0.01%以上，另外，优选为0.02%以下。Cr: 1.60 2.00%Cr为提高淬火性和回火软化抵抗的效果大、对于弯曲疲劳强度和面疲劳强度的提高有效的元素。Cr的含量不足1.60%时，即使含有0.10%的Mo，也得不到目标的弯曲疲劳强度和面疲劳强度。另一方面，若Cr的含量超过2.00%，则热锻后、正火后容易生成贝氏体组织，切削性降低。因此，Cr的含量为1.60 2.00%ο Cr的含量优选为1.80%以上，另外，优选为1.90%以下。Mo:0.10% 以下(包括 0%)Mo也可以不添加，但是Mo为提高淬火性、回火软化抵抗的效果大、对于弯曲疲劳强度、面疲劳强度的提高有效的元素。Cr的含量不足1.82%时，通过以使“Cr% + 2XMo%”为1.82以上的量来含有Mo，能得到目标的弯曲强度和面疲劳强度。另一方面，若Mo的含量超过0.10%，则热锻后、正火后贝氏体组织的生成得到促进，切削性降低。因此，Mo的含量为
0.10%以下(包括0%)。为了切实地得到上述效果，优选的Mo的含量为0.02%以上。Al:0.025 0.05%Al为具有脱氧作用的同时，容易与N结合而形成A1N，对于防止渗碳加热时的奥氏体颗粒粗化有效的元素。但是，Al的含量不足0.025%时，不能稳定地防止奥氏体颗粒的粗化，粗化时弯曲疲劳强度降低。另一方面，若Al的含量超过0.05%，则容易形成粗大的氧化物，弯曲疲劳强度降低。因此，Al的含量为0.025 0.05%。Al的含量优选为0.030%以上，另外，优选为0.040%以下。N:0.010 0.025%N为容易与Al、Nb结合而形成AIN、NbN的元素。本发明中，AlN和NbN对于防止渗碳加热时的奥氏体颗粒的粗化是有效的。N的含量不足0.010%时，不能稳定地防止奥氏体颗粒的粗化。另一方面，若N含量超过0.025%，则制钢工序中难以以批量生产方式稳定地制造。因此，N的含量为0.010 0.025%。N的含量优选为0.018%以下。
通过本发明提供的热锻用轧制棒钢或线材的化学组成的剩余部分由Fe和杂质组成。在此所称的杂质指的是由用作钢的原料的矿石、废料、或制造过程的环境等混入的元素。本发明中，如下所述限制作为杂质元素的P、Ti和0(氧)的含量。P:0.025% 以下P为容易晶界偏析而使晶界脆化的元素。若P的含量超过0.025%则疲劳强度降低。因此，P的含量为0.025%以下。P的含量优选为0.020%以下。Ti:0.003% 以下Ti容易与N结合而形成硬质且粗大的TiN，该TiN成为疲劳强度降低的原因。若Ti的含量超过0.003%则疲劳强度的降低变得显著。优选尽量减少作为杂质元素的Ti的含量，若考虑到制钢工序的成本，则优选为0.002%以下。0(氧):0.002% 以下O容易与Al结合而形成硬质的氧化物系夹杂物，该氧化物系夹杂物成为弯曲疲劳强度降低的原因。若O的含量超过0.002%则疲劳强度的降低变得显著。优选尽量减少作为杂质元素的O含量，若考虑到制钢工序的成本，则优选为0.001%以下。fnl=Cr + 2ΧΜο:1.82 2.10Cr和Mo，如前述所述为提高淬火性、回火软化抵抗的效果大，对于弯曲疲劳强度、面疲劳强度的提高有效的元素。Mo由于以Cr的一半的含量就具有与Cr同等的效果，因此定义为fnl=Cr + 2XMo。向fnl中的各元素符号(Cr、Mo)代入该元素的按质量％计的含量。fnl的值不足1.82时，得不到目标的弯曲疲劳强度和面疲劳强度。若fnl的值超过2.10，则热锻后、正火后贝氏体组织的生成得到促进，切削性降低。因此，fnl的值为1.82 2.10。fnl的值的优选上限为不足2.00。本发明中，为了得到更优异的特性，还可以添加下述元素。Nb:0.08% 以下Nb为容易与C、N结合而形成NbC、NbN、Nb (C，N)，对于补充通过前述AlN实现的防止渗碳加热时的奥氏体颗粒粗化有效的元素。另一方面，若Nb的含量超过0.08%则防止奥氏体颗粒粗化的效果反倒降低。因此，Nb的含量为0.08%以下。为了切实地得到该效果，优选含有0.01%以上的Nb。优选的Nb的含量为0.05%以下。本实施方式提供的棒钢或线材进而可以含有Cu和Ni中的一种以上来替代Fe的一部分。Cu和Ni均提高淬火性、提高疲劳强度。Cu:0.4% 以下Cu由于为具有提高淬火性的效果、对于进一步提高疲劳强度有效的元素，因此可以根据需要含有。但是，若Cu的含量超过0.4%，则热延展性降低，热加工性的降低变得显著。因此，含有Cu时的Cu含量为0.4%以下。含有Cu时的Cu的含量优选为0.3%以下。优选的Cu含量的下限为0.1%以上。N1:0.8% 以下Ni由于为具有提高淬火性的效果、对于进一步提高疲劳强度有效的元素，因此可以根据需要含有。但是，若Ni的含量超过0.8%，则通过提高淬火性来提高疲劳强度的效果饱和。进而，不仅热锻后的切削性降低变得显著，而且合金成本也升高。因此，含有Ni时的Ni的含量为0.8%以下。含有Ni时的Ni的含量优选为0.6%以下。优选的Ni含量的下限为0.1%以上。⑶显微组织预想热轧材料(保持热轧原样的材料)的阶段中的晶体粒径的不均匀性即使在热锻、进而渗碳淬火后也作为倾向被继承，对弯曲疲劳强度、面疲劳强度有影响。因此，对热轧材料的晶体粒径的不均匀性与渗碳淬火后的弯曲疲劳强度、面疲劳强度的关系进行了调查。晶体粒径的不均匀 性的评价的指标为各视野下的平均铁素体粒径的最大值/最小值。选择铁素体粒径是由于，与珠光体、贝氏体相比，铁素体通过蚀刻可以容易地观察到晶界，若利用铁素体粒径，则容易评价组织的均匀性。将最大值/最小值作为指标是由于认为，以疲劳强度最低的部分作为起点产生断裂，因此比以标准偏差作为指标更合适。因此，需要使显微组织适当。即，热轧中，组织由铁素体-珠光体组织、铁素体-珠光体-贝氏体组织、或铁素体-贝氏体组织构成，对于横断面，使每I个视野的面积为62500 μ m2来随机观察测定15个视野时的各视野的铁素体平均粒径的最大值/最小值为
2.0以下时，在渗碳淬火后可以提高弯曲疲劳强度、面疲劳强度。在此所称的“铁素体-珠光体组织”指的是由铁素体和珠光体构成的两相组织。“铁素体-珠光体-贝氏体组织”指的是由铁素体、珠光体和贝氏体构成的三相组织。“铁素体-贝氏体组织”指的是由铁素体和贝氏体构成的两相组织。组织中含有马氏体时，由于马氏体硬质且延展性低，在热轧棒钢或线材的矫正、搬运时易产生裂纹。需要说明的是，若组织为上述含有铁素体组织的各种混合组织，前述铁素体平均粒径的最大值/最小值为2.0以下，则热锻用轧制棒钢或线材(保持轧制原样的材料)的阶段中的断面内的晶体粒径的偏差小，在渗碳淬火后能够提高弯曲疲劳强度、面疲劳强度。上述组织中的“相”可以如下鉴定:切出热锻用轧制棒钢或线材的垂直于长度方向且含有中心部的断面(横断面)后，进行镜面研磨，并用硝酸乙醇腐蚀液腐蚀，得到试验片，对于该试验片，以400倍的倍率，使视野的尺寸为250 μ mX 250 μ m来随机观察各15个视野，由此鉴定上述组织中的“相”。对于上述各视野，利用通常的方法进行图像解析，求出各视野的铁素体平均粒径，由该平均粒径算出最大值/最小值。优选前述最大值/最小值为1.6以下。由上述横断面测定铁素体平均粒径时，在横断面中的、除了表层的脱碳层之外的区域进行观察。作为用于得到本发明的热锻用轧制棒钢或线材的制造方法的一例，以下对使用具有上述(A)所示的化学组成的钢的情况进行说明。本发明的热锻用轧制棒钢或线材的制造方法不限于此。将上述化学组成的钢熔炼，制造铸坯。此时，对凝固中途的铸坯施加轧制。对所制造的铸坯进行开坯，制造钢坯。此时，对铸坯实施加热温度1250 1300°C且加热时间为10小时以上的加热后进行开坯。对所制造的钢坯进行热轧而制造热锻用轧制棒钢或线材。此时，实施钢坯的加热温度为1150 1200°C且加热时间为1.5小时以上的加热后进行热轧。另外，使热轧的精加工温度为900 1000°C，不进行精轧之前的水冷，并且精轧后，以大气中自然冷却(以下仅称为“自然冷却”)以下的冷却速度冷却至600°C以下的温度。另外，由钢坯向棒钢、线材的断面收缩率({1_(棒钢、线材的断面积/钢坯的断面积MX100)为87.5%以上。热轧中的精轧后也 可以无需以自然冷却以下的冷却速度冷却至室温，在达到600°C以下的温度的时点，利用空气冷却、喷雾冷却、水冷等适当方法冷却。本说明书中的加热温度指的是加热炉的炉内温度的平均值，加热时间指的是在炉时间。热轧的精加工温度指的是刚精轧之后的棒钢、线材的表面温度，进而，精加工之后的冷却速度指的是棒钢、线材的表面冷却速度。通过本发明提供的热锻用轧制棒钢或线材，可以以高的水平兼具切削性和部件的弯曲-面疲劳强度。以下通过实施例对本发明进行具体说明。实施例1在70吨转炉中对具有表I所示化学成分的钢A C进行成分调整后，进行连续铸造，得到400mmX 300mm方形的大方还，并冷却至600°C以下。
权利要求
1.一种热锻用乳制棒钢或线材，其特征在于，其具有下述组成:按质量％计含有 C:0.1 0.25%、Si:0.0l 0.10%、Mn:0.4 1.0%、S:0.003 0.05%、Cr:1.60 2.00%、 Mo:0.10%以下、其中包括0%、Al:0.025 0.05%、N:0.010 0.025%, 并且Cr和Mo的含量按下述(I)式所示的fnl的值计满足1.82 ( fnl ( 2.10， 剩余部分由Fe和杂质组成，杂质中的P、Ti和O分别为 P:0.025% 以下、Ti:0.003% 以下、 0(氧):0.002% 以下， 所述热锻用轧制棒钢或线材由铁素体-珠光体组织、铁素体-珠光体-贝氏体组织或铁素体-贝氏体组织构成， 横断面中使每I个视野的面积为62500 μ m2来随机观察测定15个视野时的铁素体平均粒径的最大值/最小值为2.0以下，fnI=Cr + 2 XMo (I) 其中，(I)式中的元素符号表示该元素的按质量％计的含量。
2.根据权利要求1所述的热锻用轧制棒钢或线材，其特征在于，按质量％计含有Nb:0.08%以下来替代Fe的一部分。
3.根据权利要求1或2所述的热锻用轧制棒钢或线材，其特征在于，按质量％计含有Cu:0.4%以下和Ni:0.8%以下中的一种以上来替代Fe的一部分。
全文摘要
提供可以以高的水平兼具部件的弯曲-面疲劳强度和切削性的热锻用轧制棒钢或线材。通过本发明提供的热锻用轧制棒钢或线材，其按质量%计含有C0.1～0.25%、Si0.01～0.10%、Mn0.4～1.0%、S0.003～0.05%、Cr1.60～2.00%、Mo0.10%以下(包括0%)、Al0.025～0.05%、N0.010～0.025%，(1)式所示的fn1满足1.82≤fn1≤2.10，杂质中的P、Ti和O分别为P0.025%以下、Ti0.003%以下、O(氧)0.002%以下，横断面中使每1个视野的面积为62500μm2来随机观察测定15个视野时的铁素体平均粒径的最大值/最小值为2.0以下。fn1=Cr＋2×Mo (1)。
文档编号C22C38/28GK103228810SQ201180057448
公开日2013年7月31日 申请日期2011年11月28日 优先权日2010年11月29日
发明者大藤善弘, 今高秀树, 堀本雅之, 志贺聪 申请人:新日铁住金株式会社