钢材及其制造方法

专利名称：钢材及其制造方法
技术领域：
本发明涉及钢材及其制造方法，具体而言，涉及适用于例如传动轴 的钢材及其制造方法。
背景技术：
机动车的发动机的传动轴一般由钢材制成。这种钢材要求通过切削 加工等来进行相对容易地加工。同时，为了确保作为传动轴的耐久性， 该钢材要求在施加扭转转矩直到断裂时的剪应力较高，换句话说，要求扭转强度较高。例如，使用相当于JIS-S40C的材料作为钢材以获得这样 的传动轴。近年，随着对环境保护的关注上升，在改善机动车燃料消耗以降低 如C02或N0x等废气量方面，进行了各种研究。从此观点出发，人们已 尝试了通过减小机动车部件的尺寸来减轻重量。当使用同一钢材制得较小尺寸的传动轴时，所得轴的强度等一般较 低。因而，需要可用于制造具有足够的强度的较小尺寸的传动轴的钢材。例如，在专利文献1中，提出用具有预定的构成元素组成比、表面 硬度、马氏体含量和硬化深度比的钢材构成的传动轴来满足所述需求。另外，在专利文献2中，公开了铁素体结晶粒径和铁素体相对于碳 (C)成分的面积比在预定值以下的感应淬火用钢。根据专利文献2，该感 应淬火用钢适合用作传动轴的材料。专利文献1:日本特开平10-036937号公报专利文献2:日本特开2002-069566号公报发明内容本发明的一般目的是提供一种可用于制造具有各种优异特性的小尺寸部件的钢材。本发明的主要目的是提供一种钢材的制造方法。根据本发明的第一方面，提供了一种钢材，以质量百分数计，所述钢材包含0.47% 0.52%的C、 0.03% 0.15%的Si、 0.6% 0.7%的Mn、 0.005% 0.03%的S、 0.025% 0.04%的Ti、 0.05% 0.3%的Cr、 0.04% 0.09%的Mo、 0.02% 0.04%的Al和0.0005% 0.004%的B，其余为铁和 不可避免的杂质，其中，所述钢材的表面的维氏硬度(Vickers Hardness) 为640 730，并且当所述钢材的半径为r且有效硬化深度(所述钢材表面 与维氏硬度为392的部位之间的距离)为t时，所述钢材的硬化层比例t/r 为0.4以上。通过如上对硬度和硬化层比例进行控制，该钢材可以确保足够的硬 度和强度。这是因为具有高硬度的材料通常表现出高强度。另外，该钢 材的硬度并不过高，从而该钢材具有韧性，难以发生脆性断裂。此外，通过使用上述成分和组成比，该钢材会在切削性方面优异。该钢材的氮含量优选为0.01质量％以下。此时，难以生成BN和TiN。 因此，该钢材的淬火可以在没有它们的阻碍的情况下进行，并且可以避 免该钢材由于硬度过度上升而加工性和切削性下降。根据本发明的另一方面，提供了一种钢材的制造方法，其中，所述 钢材的表面的维氏硬度为640 730，并且当所述钢材的半径为r且有效 硬化深度(所述钢材表面与维氏硬度为392的部位之间的距离)为t时，所 述钢材的比例t/r为0.4以上。所述方法包括对原材料钢进行感应淬火， 其中，以质量百分数计，所述原材料钢包含0.47% 0.52%的C、 0.03% 0.15Q/o的Si、 0.6% 0.7%的Mn、 0.005% 0.03%的S、 0.025% 0.04%的 Ti、 0.05% 0.3%的Cr、 0.02% 0.04%的Al和0.0005% 0.004%的B， 其余为铁和不可避免的杂质，并且所述原材料钢的铁素体的占有面积率 为30%以上，且B级洛氏硬度(B-scale Rockwell hardness)为85 95。因此，通过对具有上述成分和组成比的原材料钢实施感应淬火，可 以获得硬度、强度和切削性优异的钢材。可以使用具有上述特性的钢材制得强度优异的小尺寸部件。该钢材的切削性和塑性变形能力优异，可以极其容易地进行加工。另外，该钢 材的韧性也优异，因而难以在加工步骤中产生破裂。而且，该钢材具有高扭转强度，因而能够适合用作如传动轴等长轴 部件的材料。如上所述，通过对成分、组成比、硬度和硬化层比例进行控制，能 够制造强度、尤其是扭转强度优异并且切削性优异的钢材。


图1为沿由本发明的一个实施方式的钢材构成的传动轴的长度方向 的整体侧面示意图。图2为显示图1的传动轴的硬度与离表面的距离之间的关系的图。 图3为显示各钢材的成分和组成比的表格。图4为显示图3的钢材的各特性的表格。图5为显示各实施例的钢材的剪应力与硬化层比例r/t之间的关系的图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的钢材及制造方法的优选实施方式进行详 细说明。图1为传动轴10的沿长度方向的整体侧面示意图。传动轴10为长 的实心体，图1中附图标记12所表示的测定部位的直径为28mm。传动轴10包含钢材，该钢材除铁和不可避免的杂质以外，还含有C、 Si、 Mn、 S、 Ti、 Cr、 Mo、 A1和B。C是确保淬火和回火处理后的传动轴10的强度和硬度等的成分。其 组成比被控制在0.47% 0.52%(以质量计，下述组成比的数值也是质量百 分数)。当组成比低于0.47%时，难以确保钢材的硬度。反之，当其高于 0.52%时，硬度过度上升，从而难以通过塑性形变、切削等来加工该钢材， 并且传动轴10可能会因脆性断裂而强度降低。尤其是，该钢材的冷加工 变形能力降低。Si是对传动轴10的脱氧有用的元素，并且该传动轴10的Si组成比 被控制在0.03% 0.15%。当组成比低于0.03%时，Si显示出较差的脱氧 效果。反之，当其高于0.15%时，由于钢材的硬度过度上升，因而难以 通过塑性形变、切削等来加工该钢材。尤其是，该钢材的冷加工变形能 力降低。Mn起到提高传动轴10的感应淬火性的作用。因而，由于Mn的存 在，与淬火前相比，传动轴IO在感应淬火后的硬度显著上升。Mn组成 比被控制在0.6% 0.7%，以确实地获得此效果。当组成比高于0.7%时， 由于钢材的硬度过度上升，因而难以通过塑性形变、切削等来加工该钢 材。尤其是，该钢材的冷加工变形能力降低。S是在传动轴10的组织中与Mn —起形成MnS并由此提高传动轴 10的切削性的成分。S组成比被控制在0.005% 0.03%。当组成比低于 0.005%时，难以提高切削性。当其高于0.03%时，尤其是该钢材的冷加 工变形能力降低。Ti起到捕捉传动轴10中的游离N的作用。当游离N被捕捉后，后 述的B的添加效果得到提高。11组成比被控制在0.025% 0.04%。当组 成比低于0.025%时，Ti显示出较差的游离N捕捉效果。反之，当其高于 0.04%时，由于钢材含有过量的Ti，因而该钢材的切削性和冷加工变形能 力降低。Cr是改善传动轴10的淬火性的成分。换句话说，由于Cr的存在， 淬火处理之后的传动轴10的硬度显著上升。Cr组成比被控制在0.05°/。
0.3%。当组成比低于0.05%时，难以获得此效果。反之，当其高于0.3% 时，由于Cr集中在渗碳体中，因而在淬火处理时妨碍碳固溶于钢材中。Mo是对提高传动轴IO在淬火处理后的晶界强度、尤其是对提高扭 转强度有用的元素。Mo组成比被控制在0.04% 0.09%。当该组成比低 于0.04%时，晶界强度难以提高。反之，当其高于0.09%时，由于钢材的 硬度高度上升，因而难以通过塑性形变、切削等来加工该钢材。尤其是， 该钢材的冷加工变形能力降低。B是提高晶界强度并提高传动轴10的淬火性的成分。当钢材含有过量N时，此效果降低。这是因为B与过量N—起形成BN。因此，如上 所述，由预定量的Ti来捕捉N以确保此效果。B组成比被控制在0.0005% 0.004%(5 40 ppm)。当组成比低于5 ppm 时，B显示出较差的提高晶界强度的效果。反之，当其高于40ppm时， 淬火性降低。Al是以与Si相同的方式有助于脱氧的成分。当Al组成比低于0.02% 时，Al显示出较差的脱氧效果。反之，当该比例过大时，如Al2Cb等氧 化物杂质增多，以致该钢材的疲劳特性和塑性变形能力下降。因此，Al 组成比的上限为0.04%。在传动轴IO含有过量的游离N的情况中，如上所述，N与B结合 而形成BN，以致淬火性等降低。另外，当N与Ti结合而形成TiN时， 该钢材的硬度过度提高，以致该钢材的加工困难，并且韧性降低。在此 实施方式中，传动轴10的N(氮)组成比被控制在0.01%以下，以避免这 样的情况。在传动轴10的组织中观察到的铁素体的占有面积率为30%以上。因 此，相对于全视野面积(100%)，铁素体所占的面积率为30%以上。当铁 素体面积率在该范围内时，淬火后的传动轴10的韧性优异。传动轴10的表面硬度，用B级洛氏硬度(HRB)表示时，为85 95。 当表面硬度在该范围内时，确保了淬火和回火处理后的传动轴10的强度。例如，通过对由具有上述成分和组成比的钢材构成的圆柱体工件进 行车削或滚轧成形加工等，可以制得传动轴10。然后，对传动轴IO实施淬火和回火处理。在本实施方式中，在淬火处理中采用了使用高频加热的感应淬火法。 即，首先通过高频感应电流将传动轴10的表面快速加热，然后通过喷射 冷却液将该表面快速冷却。淬火条件可以为感应电流频率约为1 40kHz， 感应电流输出约为50 100kW，加热时间为1 5秒。然后，在150 200。C的温度范围内对传动轴IO进行回火处理。通 过该处理，可以消除传动轴10的残留应力，并可以减少传动轴10中的 时效变化或破裂。如上述那样实施了淬火和回火的传动轴10的表面的维氏硬度(Hv)为640 730。这样的具有高硬度的钢材一般显示出高强度，并且如果硬度 在上述范围内，则钢材的韧性不会不足。在传动轴10中，如图2所示，硬度沿半径方向从表面到内部降低。 在本实施方式中，传动轴10的硬度从表面测定，而以表面与Hv为392 的部位之间的距离为有效硬化层深度t。例如，由于如上述那样测定部位 12的直径为28mm，所以图2中所示的曲线图的横轴上的值14mm位于 测定部位12的半径方向的中心。当r表示传动轴10的半径时，有效硬化层深度t与半径r之比(硬化 层比例t/r)为0.4以上。当该比例小于0.4时，有效硬化层厚度不足，因 而传动轴10的扭转强度较低。因此，通过将表面Hv控制在640 730并将硬化层比例t/r控制在 0.4以上，可以获得强度和韧性优异的传动轴10。虽然在上述实施方式中对传动轴10被作为钢材的实例进行了说明， 但是该钢材的最终制品并非特别局限于此，还可以为如等速万向接头的 外构件等其他部件。使用真空熔炉分别制备具有图3所示成分和组成比的钢材的钢锭。 将各钢锭在95(TC加热并进行热锻造，从而制得直径为27 mm的圆柱体 工件。锻造结束时的温度在Ac3点与88(TC之间。使用光学显微镜观察各圆柱体工件，从而获得铁素体面积率。同时， 测定离表面7 8 mm深度处的圆柱体工件的Hrb。从该圆柱体工件切出直径为14mm、长度为21mm的小圆柱体工件。 然后，对该小圆柱体工件在冷加工温度范围内的温度下进行镦锻成形， 并求出直至发生破裂的镦锻率。另外，使用ST20E(商品名，住友电工社制造的切削工具)在切削速度 为150米/分钟、切削深度为0.5 mm和进给速度为0.2 mm/rev的条件下 对该圆柱体工件进行切削试验，并测定12分钟后的ST20E的磨耗量。另外，从各圆柱体工件制得形状如图l所示的传动轴10，并对传动轴IO在各种条件下实施感应淬火和回火处理，从而改变有效硬化层深度t和硬化层比例t/r。然后，对各传动轴10实施静态扭转试验。使用具有图3所示的组成和成分比的各钢材进行同样的实验以进行 比较。结果如图4所示。从图4可见，对成分、组成比、铁素体面积率和 硬度进行了控制的钢材具有优异的变形性、良好的切削性和高扭转强度。各实施例的钢材的剪应力与硬化层比例t/r之间的关系示于图5的曲 线图中。剪应力越大，静态扭转强度越高。应注意到图5中的虚线表示 与S40C相当的材料的剪应力与硬化层比例之间的关系。从图5可见，各实施例的钢材的静态扭转强度比与S40C相当的材料高。
权利要求
1. 一种钢材，以质量百分数计，所述钢材包含0.47％～0.52％的C、0.03％～0.15％的Si、0.6％～0.7％的Mn、0.005％～0.03％的S、0.025％～0.04％的Ti、0.05％～0.3％的Cr、0.04％～0.09％的Mo、0.02％～0.04％的Al和0.0005％～0.004％的B，其余为铁和不可避免的杂质，其中，所述钢材的表面的维氏硬度为640～730，并且当所述钢材的半径为r且有效硬化深度为t时，所述钢材的硬化层比例t/r为0.4以上，其中，所述有效硬化深度是从所述钢材表面到维氏硬度为392的部位的距离。
2. 如权利要求l所述的钢材，其中，所述钢材的氮含量为0.01质量％ 以下。
3. 如权利要求l所述的钢材，其中，所述钢材为传动轴(IO)。
4. 一种钢材的制造方法，其中，所述钢材的表面的维氏硬度为640 730，并且当所述钢材的半径为r且有效硬化深度为t时，所述钢材的比 例t/r为0.4以上，所述有效硬化深度是从所述钢材表面到维氏硬度为392 的部位的距离，所述方法包括对原材料钢实施感应淬火，其中，以质量百分数计，所述原材料钢包含0.47% 0.52%的C、 0.03% 0.15%的Si、 0.6% 0.7%的Mn、 0.005% 0.03%的S、 0.025% 0.04%的Ti、 0.05% 0.3%的Cr、 0.04% 0.09%的Mo、 0.02% 0.04%的 Al和0.0005% 0.004%的B，其余为铁和不可避免的杂质，并且所述原 材料钢的铁素体的占有面积率为30%以上，且B级洛氏硬度为85 95。
5. 如权利要求4所述的方法，其中，所述原材料钢被成型为传动轴 (10)，然后实施所述感应淬火。
全文摘要
本发明涉及钢材及其制造方法。所述钢材含有指定量的C、Si、Mn、S、Ti、Cr、Al和B，其余为铁和不可避免的杂质，并且铁素体的占有面积率为30％以上，H_RB为85～95，对所述钢材实施感应淬火。实施淬火后，所述钢材的表面显示640～730的H_V值。当所述钢材的有效硬化深度(即从其表面到H_V为392的部位的距离)为t且半径为r时，硬化层比例t/r为0.4以上。
文档编号C21D9/28GK101283111SQ200680037828
公开日2008年10月8日 申请日期2006年9月22日 优先权日2005年10月11日
发明者中名悟, 五十岚正彦, 佐藤裕, 柳田亘, 渡边英夫, 薄井好己 申请人:本田技研工业株式会社;山阳特殊制钢株式会社