转向齿杆用轧制圆钢材和转向齿杆的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及转向齿杆用乳制圆钢材（以下，有时称为"齿杆用乳制圆钢材"）和转 向齿杆（以下，有时称为"齿杆"）。
[0002] 需要说明的是，上述的"乳制圆钢材"是指，通过乳制将截面的形状加工成圆形的 钢材。
【背景技术】
[0003] 汽车部件之中，转向装置所用的齿杆是操控汽车的行驶方向并且具有连接左右两 个轮的骨架作用的重要部件，其破损时，方向盘将无法操作。因此，要求齿杆所用的钢材有 高的可靠性。
[0004] 齿杆以往如下制造得到，对中碳钢的乳制圆钢材进行淬火回火的调质处理，根据 需要进行拉拔加工，通过切削加工进行开孔和切齿（齿形部的形成），对该齿形部进行高频 淬火和回火。
[0005] 因此，对于齿杆来说要求即便施加过大的负荷时也不会达到高频淬火层中产生的 龟裂加剧致使母材断裂的程度。
[0006] 此外，齿杆要在径向中心部的长度方向实施深孔加工。
[0007] 因此，为了兼顾制造性和部件特性，要求作为齿杆的原材料使用的圆钢材有深孔 加工时的良好的切削性以及阻止所产生的龟裂加剧的优异的母材冲击特性（母材韧性）。
[0008] 作为这样的齿杆所用的钢材，本发明人等提出例如如下的钢材。
[0009] 专利文献1中提出了如下的高频淬火用乳制钢材，其特征在于，具有如下的化学 成分：以质量％计，C :0? 38 ~0? 55%、Si :1. 0% 以下、Mn :0? 20 ~2. 0%、P :0? 020% 以下、 S :0? 10% 以下、Cr :0? 10 ~2. 0%、A1 :0? 10% 以下和 N :0? 004 ~0? 03%、以及余量由 Fe 和 杂质组成，式[fnl = C+(l/10)Si+(l/5)Mn+(5/22)Cr+1.65V-(5/7)S](其中，式中的 C、Si、 Mn、Cr、V和S表示各个元素的以质量％计的含量）所示的fnl的值为1. 20以下；显微组织 含有铁素体、层状珠光体和球状渗碳体，铁素体的平均晶体粒径为10 ym以下，层状珠光体 中的层的间隔为200nm以下的层状珠光体在显微组织中所占的面积比例为20~50%以及 球状渗碳体的个数为4X IO5个/mm 2以上。
[0010] 另外，该高频淬火用乳制钢材可以进一步含有选自Cu、Ni、Mo、Ti、Nb和V中的1 种以上。
[0011] 专利文献2中提出如下的高频淬火用乳制钢材，其特征在于，具有如下的化学成 分：以质量％计，C :0? 38 ~0? 55%、Si :1. 0% 以下、Mn :0? 20 ~2. 0%、P :0? 020% 以下、S : 0? 10% 以下、Cr :0? 10 ~2.0%、Al :0.010 ~0? 10%和 N :0.004 ~0.03%、以及余量由 Fe 和杂质组成，式[Ceq = C+(l/10)Si+(l/5)Mn+(5/22)Cr+1.65V-(5/7)S](其中，式中的 C、 Si、Mn、Cr、V和S表示各个元素的以质量％计的含量）所示的Ceq的值为1. 20以下以及 Si、Mn和Cr的总含量满足1. 2~3. 5% ;显微组织含有铁素体、层状珠光体和球状渗碳体， 该铁素体的平均晶体粒径为10 ym以下，层状珠光体在显微组织中所占的面积比例为20% 以下（包括0%)以及球状渗碳体的个数为6X IO5个/mm2以上。
[0012] 另外，该高频淬火用乳制钢材可以进一步含有选自Cu、Ni、Mo、Ti、Nb和V中的1 种以上。
[0013] 现有技术文献
[0014] 专利文献
[0015] 专利文献1 :日本特开2011-214130号公报
[0016] 专利文献2 :日本特开2011-241466号公报
【发明内容】
[0017] 发明要解决的问题
[0018] 对于前述的专利文献1和专利文献2所提出的乳制钢材，不断地期望用于防止破 损的母材韧性和用于加工深孔的切削性进一步提升。
[0019] 本发明是响应上述期望而做出的，因此目的在于提供可适合作为要进行高频淬火 的齿杆的原材料使用的乳制圆钢材以及使用其的齿杆。更具体而言，目的在于提供并不一 定需要昂贵的元素、即便不进行调质处理也可获得能够使齿杆中产生的龟裂停止的高的母 材韧性、而且具有在径向中心部的长度方向加工深孔所需的良好的切削性的转向齿杆用乳 制圆钢材以及使用其的转向齿杆。
[0020] 需要说明的是，高的母材韧性意指：在乳制钢材的状态下，使用了 JIS Z2242 (2005)中规定的带有缺口角度45。、缺口深度2mm且缺口底半径0.25mm的V型缺口 的宽度IOmm的标准试验片（以下，称为"V型缺口夏比冲击试验片"）的夏比冲击试验中的 试验温度25°C下的冲击值为120J/cm 2以上。
[0021] 用于解决问题的方案
[0022] 本发明人等对于可不对中碳钢实施调质处理地获得高的母材韧性并且用于确保 中心部的良好的切削性的方法进行了各种实验室规模的研究。
[0023] 具体而言，首先对基于含有铁素体和层状珠光体的显微组织使母材韧性提升的方 法进行了研究。结果得到下述见解。
[0024] (A)若使铁素体微细且沿平行于乳制方向的方向延伸，此外使层状珠光体中的渗 碳体为球状渗碳体且使层状珠光体小于特定的比例、并且含有特定量以上的球状渗碳体， 则对于在垂直于乳制方向的截面加剧的龟裂的阻力升高，因此可以提高母材韧性。
[0025] 接着，基于含有铁素体和层状珠光体的显微组织，对于组织对加工深孔时的切削 性造成的影响进行了调查。结果得到下述见解。
[0026] (B)显微组织中的球状渗碳体的量变得过多时，切肩处理性变差导致切削阻力升 高、切削性劣化。而若为含有特定比例以上的层状珠光体并且将球状渗碳体抑制为小于特 定量的组织，则切肩处理性变好，结果切削阻力降低，所以切削性提升。
[0027] 因此进而为了使母材韧性和切削性提升，调查了成分元素的影响。结果得到下述 见解。
[0028](C) S与Mn键合而形成MnS，在钢材的纵向（平行于乳制方向的方向）延伸而使韧 性提升。而且，若含有特定量的S，则切肩处理性提升而使切削阻力降低，所以切削性变得良 好。
[0029] 因此，基于上述（A)~（C)的见解，进行了更详细的研究。结果得到下述重要的见 解。
[0030] (D)作为转向齿杆用乳制圆钢材，需要用于防止破损的母材韧性的部位是圆钢材 的自表面至半径的1/2位置的区域。因此，若使上述区域的显微组织含有微细且沿平行于 乳制方向的方向延伸的铁素体、限于特定比例以下的层状珠光体以及特定量以上的球状渗 碳体，则可得到足以防止破损的母材韧性。
[0031] (E)另一方面，在显微组织含有铁素体、层状珠光体和球状渗碳体的乳制圆钢材的 中心部，若含有特定比例以上的层状珠光体并且使球状渗碳体小于特定量，则可得到优异 的切削性。
[0032] 本发明是基于上述见解而完成的，其要旨在于下述所示的转向齿杆用乳制圆钢材 和转向齿杆。
[0033] (1) 一种转向齿杆用乳制圆钢材，化学组成以质量％计为C :0.38~0.55%、Si : 1. 0% 以下、Mn :0? 20 ~2. 0%、S :0? 005 ~0? 10%、Cr :0? 01 ~2. 0%、A1 :0? 003 ~0? 10%、 N :0. 003 ~0. 03%、Cu :0 ~1. 0%、Ni :0 ~3. 0%、Mo :0 ~0. 50%、Ti :0 ~0. 10%、Nb : 0 ~0? 10%、V :0 ~0? 30%、Ca :0 ~0? 005%、Pb :0 ~0? 30%、余量：Fe 和杂质，杂质中的 P为0. 030%以下；显微组织含有铁素体、层状珠光体和渗碳体，在垂直于乳制方向的截面， 自表面至半径的1/2位置的区域的铁素体等平均粒径为10 ym以下、层状珠光体的面积率 小于20%、渗碳体中的球状渗碳体的个数为4X IO5个/mm2以上，中心部的层状珠光体的面 积率为20%以上、以及渗碳体中的球状渗碳体的个数小于4X IO5个/mm2,并且在穿过该圆 钢材的中心线并平行于乳制方向的截面，自表面至半径的1/2位置的区域的铁素体的平均 长径比为3以上。
[0034] (2)上述⑴的转向齿杆用乳制圆钢材以质量％计含有选自Cu :0. 10~1. 0%、 Ni :0? 10 ~3. 0%和 Mo :0? 10 ~0? 50% 中的 1 种以上。
[0035] (3)上述⑴或⑵的转向齿杆用乳制圆钢材以质量％计含有选自Ti :0. 010~ 0? 10%、Nb :0? 010 ~0? 10%和 V :0? 010 ~0? 30% 中的 1 种以上。
[0036] (4)上述⑴~（3)中任一项的转向齿杆用乳制圆钢材以质量％计含有选自Ca : 0? 0005 ~0? 005%和 Pb :0? 05 ~0? 30% 中的 1 种以上。
[0037] (5)不调质地直接使用上述（1)~（4)中任一项的转向齿杆用乳制圆钢材的转向 齿杆。
[0038] "杂质"是指，工业上制造钢铁材料的过程中，从作为原料的矿石、废料中混入或者 从制造环境等中混入的物质。
[0039] "球状渗碳体"是指，长径L与短径W之比（L/W)为2. 0以下的渗碳体。
[0040] "中心部"是指，处于从中心到半径的1/4为止的距离的部位。
[0041] "不调质地直接使用"是指，不进行淬火_回火的所谓"调质处理"地使用。
[0042] 发明的效果
[0043] 本发明的转向齿杆用乳制圆钢材并不一定需要含有昂贵的V，即便不进行调质处 理，在乳制圆钢材的状态下也具有使用了 V型缺口夏比冲击试验片的夏比冲击试验中的试 验温度25°C下的冲击值为120J/cm2以上的高的母材韧性，此外具有用于在中心部加工深孔 的良好的切削性，所以适合作为转向齿杆的原材料使用。
[0044] 另