滚轧成形性、耐淬裂性及扭转特性优异的机械结构用钢材以及传动轴

摘要

本发明涉及机械结构用钢材以及传动轴，用质量％表示，含有C：0.35％以上　　0.50％以下、Si：0.15％以下、Mn：0.2％以上　　1.1％以下、P：0.020％以下、S：0.005％以上　0.035％以下、Cr：超过0.1％0.2％以下、Mo：　0.05％以上0.5％以下、Ti：0.01％以上0.05％以下、Al：　　　0.01％以上0.05％以下、N：0.01％以下、B：0.0005％以上　0.0050％以下、Cu：0.06％以上0.25％以下以及Ni：0.05％以上0.2％以下，剩余部分由Fe及不可避免的杂质组成，并且，用下式(1)表示的LD值为120以下。LD＝0.569×{7.98×(C) 1/2×(1+4.1Mn)(1+2.83P)(1－0.62S)(1+0.64Si) (1+2.33Cr) (1+0.52Ni) (1+3.14Mo)(1+0.27Cu)(1+1.5(0.9－C))}+52.6－(1)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械结构用钢材。特别涉及滚轧成形性、耐淬裂性及扭转特性优异的机械结构用钢材。提供使用电炉材料代替高炉材料制造的机械结构用钢材，该钢材即使混入Cu和Ni等夹杂元素，上述诸特性也不劣化。

背景技术

对于汽车用传动轴和等速万向节等机械结构用构件要求有所需的扭转强度。为了确保扭转强度，过去一般地将热轧棒钢热锻，必要的场合实施正火处理，通过切削、冷锻等加工成所规定的形状之后，实施高频淬火、回火。

近年来为了保护环境，以改善汽车的油耗为目的谋求着车体的重量减轻。为了减轻汽车部件的重量，希望提高汽车用构件的扭转强度。另一方面，在汽车部件的制造工序中，要求钢材的被切削性、耐淬裂性。

为了提高扭转强度，考虑通过高频淬火来增加淬火硬度和淬火深度。可是，要增加淬火硬度和深度只有改变高频淬火条件、或增加钢材的合金元素量，制造成本均增加。为了能够同时满足汽车用构件的扭转强度和被切削性、耐淬裂性，例如如专利文献1所示，提出了限定了合金元素量的技术。

可是，只采用上述技术限定化学成分，能同时满足被切削性、耐淬裂性和扭转特性的组成范围极为狭窄，存在这一问题。另外，还有品质不稳定的问题。

于是，作为解决上述问题的方案，本发明人通过在调整钢材的成分组成的同时，控制钢组织，例如如专利文献2所示，率先提出了被切削性、耐淬裂性及扭转特性优异的机械结构用钢材。

专利文献1：特开平4-218641号公报(权利要求书)

专利文献2：专利第3288563号公报(权利要求书)

可是，当使用电炉制造上述专利文献2所公开的机械结构用钢材时，得不到所要求的特性，特别判明滚轧成形性降低显著。与高炉材料比较，用电炉冶炼出的钢材中混入Cu和Ni等夹杂元素不能避免。认为该夹杂元素使滚轧成形性恶化。

本发明以解决上述问题为目的。即，目的是提供即使代替高炉材料使用电炉材料制造，也有效果地防止滚轧成形性劣化，同时具有优异的耐淬裂性及扭转特性的机械结构用钢材。另外，提供使用该钢材形成的传动轴。

发明内容

本发明人为达到上述目的而反复刻苦研究的结果得到下述见解。

(1)  为了减轻夹杂元素的坏影响，增加Cr量有效；

(2)  可是，Cr量的增大招致以滚轧成形性为首的扭转特性及被切削性降低；

(3)  与Cr量的增大相伴的扭转特性及被切削性的降低，通过增加Si量、且降低Mn量而被消除；

(4)  滚轧成形性的降低，通过将作为以淬透性来决定的硬度和组织的指标的LD值控制在所规定的范围而被消除；

本发明立足于上述知识见解而完成。发明的特定内容如下。

1.一种滚轧成形性、耐淬裂性及扭转特性优异的机械结构用钢材，其特征在于，为下述组成：用质量％表示，在用下述式(1)表示的LD值满足120以下的范围内含有

C：0.35％以上、0.50％以下、

Si：0.15％以下、

Mn：0.2％以上、1.1％以下、

P：0.020％以下、

S：0.005％以上、0.035％以下、

Cr：超过0.1％、0.2％以下、

Mo：0.05％以上、0.5％以下、

Ti：0.01％以上、0.05％以下、

Al：0.01％以上、0.05％以下、

N：0.01％以下、

B：0.0005％以上、0.0050％以下、

Cu：0.06％以上、0.25％以下及

Ni：0.05％以上、0.2％以下，

剩余部分为Fe及不可避免的杂质，

LD＝0.569×{7.98×(C)^1/2×(1+4.1Mn)(1+2.83P)(1-0.62S)(1+0.64Si)

    (1+2.33Cr)(1+0.52Ni)(1+3.14Mo)(1+0.27Cu)(1+1.5(0.9-C))}+52.6

                                                          ---(1)

其中，式中的C、Mn、P、S、Si、Cr、Ni、Mo、Cu意指各个元素的含量(质量％)。

2.根据上述第1项所述的滚轧成形性、耐淬裂性及扭转特性优异的机械结构用钢材，其特征在于，钢材为下述组成：用质量％表示，还进一步含有

V：0.01％以上、0.30％以下以及

Nb：0.005％以上、0.050％以下。

3.一种传动轴，其特征在于，采用上述第1项或第2项所述的机械结构用钢材形成，进行高频淬火、回火从而设置了固化层。

附图的简单说明

图1是表示LD值对滚轧成形性的影响的图。

图2是通过静态强度试验测定传动轴的静态强度的结果。

图3是通过疲劳强度试验测定发明例的传动轴和比较例的传动轴的疲劳强度的结果。

具体实施方式

以下具体说明本发明。说明在本发明中将钢材的成分组成限定在上述的范围的理由。关于成分的“％”表示只要不特别声明就意指质量％。

C：0.35％以上、0.50％以下

C是对高频淬透性的影响最大的元素，是在提高淬火固化层的硬度和深度、确保在高频淬火回火后扭转强度为1400MPa以上的方面有用的元素。可是，含量不足0.35％时其添加效果不足，而超过0.50％时招致被切削性及耐淬裂性降低，因此将C量限定在0.35％以上、0.50％以下的范围。

Si：0.15％以下

Si除了作为脱氧元素而起作用外，还是通过固溶在铁素体中强化钢来提高扭转强度的元素，优选添加量超过0.05％。可是，当Si量超过0.15％时，使被切削性显著劣化，因此限定在0.15％以下的范围。

Mn：0.2％以上、1.1％以下

Mn是提高淬透性、通过加深高频淬火时的硬度深度而有助于提高扭转强度的有用元素。可是，当含量不足0.2％时其添加效果不足，而超过1.1％时，不仅滚轧成形性劣化，也使被切削性和扭转强度劣化，因此将Mn量限定在0.2％以上、1.1％以下的范围。优选为0.2％以上、0.8％以下的范围。

P：0.020％以下

P在淬火时偏析于奥氏体晶界，助长淬火裂纹发生，因此优选极力降低，从该观点出发，规定抑制在0.020％以下。

S：0.005％以上、0.035％以下

S具有在钢中形成MnS并提高被切削性的效果，因此规定含有0.005％以上。可是，MnS易成为龟裂的起点，招致强度、韧性降低，因此S量的上限限定在0.035％。优选为0.010％以上、0.035％以下的范围。

Cr：超过0.1％、0.2％以下

Cr在本发明中是特别重要的元素，通过含有Cr，能够利于消除引起滚轧成形性和扭转特性、被切削性等降低的Cu和Ni等夹杂元素的坏影响。可是，Cr量为0.1％以下时，缺乏其添加效果，而超过0.2％时，滚轧成形性、被切削性及扭转强度降低，因此规定在超过0.1％、0.2％以下的范围含有Cr。

Mo：0.05％以上、0.5％以下

Mo不仅对提高淬透性有用，还促进贝氏体生成，有提高被切削性的作用。为此，需要含有0.05％以上，但含量超过0.5％时，招致被切削性劣化，因此将Mo量限定在0.05％以上、0.5％以下的范围。优选是0.1％以上、0.5％以下的范围。

Ti：0.01％以上、0.05％以下

Ti与N结合形成氮化物，微细化高温加热时的奥氏体晶粒。是为确保对提高淬透性有用的固溶B而必需的元素。为此，需要含有0.01％以上，但超过0.05％时损害韧性，因此将Ti量限定在0.01％以上、0.05％以下的范围。

Al：0.01％以上、0.05％以下

Al作为脱氧剂而有用，因此需要至少含有0.01％，但超过0.05％时，生成粗大的氧化铝，它成为疲劳破坏的起点，降低疲劳强度，因此将Al量限定在0.01％以上、0.05％以下的范围。

N：0.01％以下

N是通过与Al或Ti结合形成氮化物，细化高温加热时的奥氏体晶粒，从而提高疲劳强度的有用元素。可是含量超过0.01％时，氮化物粗化，反倒使疲劳强度劣化。另外，过剩的N添加形成BN，也有使对淬透性有效的固溶B量降低的不利方面。因此N量限定在0.01％以下。

B：0.0005％以上、0.0050％以下

B提高淬透性，提高高频淬火时的淬火深度，由此有提高扭转强度的效果。为此，需要添加0.0005％以上，但超过0.0050％时招致韧性劣化，因此将B限定在0.0005％以上、0.0050％以下的范围。

Cu：0.06％以上、0.25％以下

Cu是作为夹杂元素而不可避免地混入的元素。当含量超过0.25％时，招致滚轧成形性等劣化，因此定为0.25％以下。而降低至小于0.06％时，制造成本增加，因此规定为0.06％以上。

Ni：0.05％以上、0.2％以下

Ni是作为夹杂元素而不可避免地混入的元素。当含量超过0.2％时，招致滚轧成形性等劣化，因此定为0.2％以下。而降低至小于0.05％时，制造成本增加，因此规定为0.05％以上。

以上说明了基本成分，但本发明除此之外还可适宜当有以下叙述的元素。

V：0.01％以上、0.30％以下，Nb：0.005％以上、0.050％以下

V和Nb均形成碳氮化物，使奥氏体晶粒微细化，有效地有助于提高强度。可是，当V、Nb量分别为小于0.01％、小于0.005％时，缺乏其添加效果，而分别为超过0.30％、超过0.050％时，析出物粗化，损害韧性，因此分别限定在V：0.01％以上、0.30％以下、Nb：0.005％以上、0.050％以下的范围。

以上说明了适当的成分组成范围，但在本发明中，各成分只单单满足上述的组成范围是不充分的，有必要进行成分调整以使用下述式(1)表示的LD值达到120以下。

LD＝0.569×{7.98×(C)^1/2×(1+4.1Mn)(1+2.83P)(1-0.62S)(1+0.64Si)

    (1+2.33Cr)(1+0.52Ni)(1+3.14Mo)(1+0.27Cu)(1+1.5(0.9-C))}+52.6

                                                          ---(1)

其中，式中的C、Mn、P、S、Si、Cr、Ni、Mo、Cu意指各个元素的含量(质量％)。

该LD值是通过淬透性来决定硬度和组织的指标。

图1中关于本发明的高Cr、高Si钢显示出调查上述的LD值对滚轧成形性的影响的结果。另外，该图中，为了比较也一并显示出关于上述专利文献2中记载的低Cr、低Si钢的调查结果。

应注意的是，用滚轧试验中的模具寿命评价滚轧成形性。

如该图所示，当任何场合LD值都超过120时，模具寿命急剧降低，但LD值在120以下的范围的模具寿命即滚轧成形性，本发明的高Cr、高Si钢极为优异。

因此，本发明进行了成分调整以使上述的LD值为120以下。

在本发明中，钢组织没有特别限定，但优选为以铁素体为主体、含有面积率5-30％左右的贝氏体相的组织。

以上说明的本发明的钢材，用于动力传动部件、尤其是汽车用传动轴和等速万向节是最佳的。加工性优异不用说，由于负载容量增加，因此得到能够减轻重量这一大的效果。

其次，说明本发明的优选制造条件。

本发明钢材的冶炼方法，按照常规方法制造即可，不特别限定。本发明提供的机械结构用钢，即使含有使用电炉冶炼时难以除掉的Cu和Ni，也具有良好的滚轧成形性，因此特别适合于采用电炉冶炼。也可以附加RH脱气等真空脱气、在铁水包中精炼等。钢水用连铸法或铸锭法凝固，凝固后，经由热轧或热轧·中温锻造，制成规定形状的坯材。这些坯材根据需要实施正火、球化退火、软化退火等中间热处理，通过切削、锻造、滚轧等冷加工精加工成所要求的形状。

在本发明中，实施热轧或热锻、或者进一步正火处理，并精加工成制品形状。该热轧或热锻后进而正火等的奥氏体化后的冷却，为了生成适当量的贝氏体，优选在0.2-2.0℃/s左右。特别是粗径的棒钢，优选为调整了冷却的加速冷却。

另外，最终的高频淬火回火，使用15kHz左右的高频淬火装置，在输出功率：120kW左右下实施0.2-1.0秒左右的加热后，淬火，在170℃下实施30分左右的回火即可。

实施例

用转炉熔炼表1所示的成分组成的钢，通过连铸制成400×540mm的钢锭后，通过热轧制成150mm见方的坯段。接着将该坯段加热至1030℃后，通过热轧制成Ф25mm的直棒后，以冷却速度0.7℃/s空冷。

表2表示出关于这样得到的棒钢的组织、滚轧成形性、扭转特性以及耐淬裂性进行调查的结果。

钢的组织和各特性的评价方法如下。

(1)组织

关于冷却后的直棒，采用光学显微镜拍摄显微组织，从该照片解析钢的组织的同时，利用图象解析装置测定了贝氏体相的面积率。

(2)滚轧成形性

用滚轧试验中的模具寿命评价滚轧成形性。用能够滚轧直到由于模具的缺齿、表面破皮剥离、齿磨损等以至于不能滚轧为止的材料的个数评价该模具寿命。

模具材质是SKD11，齿条数据如下。

齿形：渐开线形，模数：1.27，压力角：30o，齿数：21，节距直径：26.27mm，大径：28.1mm，小径：24.88mm，滚柱直径(Ф2.5mm销(pin))：30.49mm

(3)扭转特性

从直棒制作平行部：Ф20mm的平滑圆棒扭转试验片，使用频率：15kHz的高频淬火装置对其淬火，实施170℃、30分的回火处理后，进行扭转试验。将高频淬火回火后的淬透深度定为约4mm。扭转试验使用4900J(500kgf·m)的扭转试验机求出最大扭转剪切强度，将它作为扭转强度。

(4)耐淬裂性

耐淬裂性，从上述的Ф25mm的直棒加工表面带有轴向的V字沟槽的圆棒(Ф20mm)，进行与上述(3)同样的高频淬火后，抛光观察圆棒的C截面10个部位，用其裂纹发生个数评价。

(5)被切削性

被切削性试验使用SKH4、Ф4mm的钻头，在转速：1500rpm的条件下进行12mm长的穿孔，求出直到不能切削为止的总开孔长(mm)，将它作为工具寿命评价。

由表2明确知道，按照本发明得到的钢材都具有优异的滚轧成形性、扭转特性、耐淬裂性及被切削性。

关于使用本发明的钢材形成，进行高频淬火、回火设置固化层而制造的传动轴的静态强度及疲劳强度，分别参照图2、图3说明。发明例的传动轴，使用表1的No.2钢材制造。比较例的传动轴，使用表1的No.18钢材制造。图2是通过静态强度试验测定传动轴的静态强度的结果。所谓静态强度试验(static strength test)，是测定传动轴破坏时的最大扭矩，评价静态强度的试验。供试验的传动轴根数，比较例为1根，发明例为2根。图2中，分别表示为比较例、发明例1、发明例2。将比较例的传动轴断裂时作用的最大扭矩记为1，用与它的比表示发明例的传动轴断裂时作用的最大扭矩。可知相对于比较例的传动轴，发明例的传动轴提高

静态强度约1.17倍。

图3是通过疲劳强度试验测定发明例的传动轴和比较例的传动轴的疲劳强度的结果。所谓疲劳强度试验(fatigue strengthtest)，是测定反复负荷扭矩时的疲劳强度的试验。对传动轴反复给予所规定的负荷扭矩，求出直到断裂为止的负荷反复数N。纵坐标是负荷扭矩除以比较例的传动轴的静态强度而得的值，为无量纲。横坐标是传动轴直到断裂为止的负荷的反复次数。从该试验结果知道，例如反复次数为10000次的场合，比较例的传动轴的纵坐标值为约0.49，发明例的传动轴的纵坐标值为约0.55，发明例的传动轴的疲劳强度提高约10％。

工业实用性

根据本发明，能够从使用Cu和Ni等夹杂元素不可避免地混入的电炉制造的机械结构用钢材消除夹杂元素的坏影响。能够得到具有优异的滚轧成形性、扭转特性、耐淬裂性及淬透性的钢材。本发明的钢材，通过在动力传动部件、尤其是汽车用传动轴和等速万向节中采用，加工性优异不用说，由于为高强度，因此能够得到可减轻重量这一大的效果。

表1

No.                                                                   成分组成(质量％)LD值  C  Si  Mn  P  S  Cu  Ni  Cr  Mo  Al  Ti  B  N  V  Nb    1  0.37  0.05  0.83  0.015  0.030  0.08  0.05  0.08  0.19  0.028  0.030  0.0032  0.0051  -  -    98.4    2  0.40  0.08  0.45  0.013  0.018  0.16  0.16  0.16  0.17  0.032  0.019  0.0022  0.0044  -  -    89.3    3  0.39  0.08  0.25  0.011  0.020  0.16  0.15  0.15  0.16  0.040  0.020  0.0020  0.0038  -  -    77.3    4  0.47  0.06  0.56  0.009  0.022  0.12  0.10  0.09  0.17  0.015  0.024  0.0017  0.0076  -  -    88.3    5  0.42  0.10  0.65  0.013  0.020  0.11  0.10  0.11  0.25  0.025  0.015  0.0023  0.0041  0.11  -    101.7    6  0.40  0.08  0.95  0.016  0.015  0.16  0.16  0.16  0.12  0.023  0.024  0.0022  0.0045  -  0.020    109.8    7  0.41  0.06  0.70  0.019  0.006  0.11  0.12  0.12  0.36  0.026  0.019  0.0019  0.0048  -  -    116.1    8  0.40  0.08  0.60  0.019  0.007  0.22  0.16  0.16  0.35  0.026  0.025  0.0020  0.0052  -  -    116.0    9  0.40  0.04  0.88  0.019  0.006  0.06  0.06  0.06  0.35  0.022  0.020  0.0025  0.0044  -  -    116.4    10  0.41  0.07  0.60  0.016  0.015  0.11  0.10  0.12  0.15  0.023  0.024  0.0022  0.0045  0.15  0.032    91.1    11  0.40  0.06  0.84  0.018  0.007  0.11  0.11  0.11  0.35  0.025  0.023  0.0020  0.0041  -  -    122.2    12  0.41  0.08  0.73  0.019  0.007  0.16  0.16  0.15  0.34  0.023  0.024  0.0023  0.0047  -  -    122.6    13  0.42  0.04  0.99  0.018  0.006  0.06  0.06  0.06  0.35  0.024  0.021  0.0018  0.0045  -  -    121.5    14  0.61  0.06  0.63  0.012  0.021  0.13  0.12  0.13  0.16  0.022  0.019  0.0019  0.0054  -  -    94.2    15  0.31  0.08  0.57  0.011  0.020  0.15  0.16  0.13  0.17  0.031  0.020  0.0018  0.0060  -  -    90.9    16  0.40  0.04  1.22  0.014  0.023  0.16  0.15  0.17  0.26  0.034  0.017  0.0018  0.0065  -  -    143.0    17  0.42  0.23  0.70  0.025  0.024  0.14  0.11  0.10  0.16  0.025  0.024  0.0016  0.0056  -  -    100.8    18  0.39  0.04  0.54  0.014  0.045  0.32  0.26  0.26  0.15  0.022  0.023  0.0022  0.0048  -  -    101.2    19  0.40  0.05  0.48  0.014  0.020  0.11  0.10  0.11  0.62  0.024  0.020  0.0025  0.0046  -  -    116.0    20  0.38  0.05  0.52  0.013  0.018  0.11  0.11  0.09  0.03  0.025  0.022  0.0017  0.0049  -  -    76.4    21  0.37  0.02  1.00  0.015  0.030  0.08  0.05  0.03  0.35  0.021  0.023  0.0032  0.0052  -  -    114.3

表2

No.  组织  ^*  贝氏体比率(％)模具寿命(个)  扭转强度(MPa)淬裂个数(个)  工具寿命(mm)备注  1  F+P+B    12    610    1540    15    2430  发明例  2  F+P+B    14    624    1580    16    2480    ″  3  F+P+B    10    642    1570    10    2300    ″  4  F+P+B    13    588    1630    19    2390    ″  5  F+P+B    18    591    1590    18    1740    ″  6  F+P+B    8    525    1570    18    2110    ″  7  F+P+B    23    493    1580    19    2470    ″  8  F+P+B    21    469    1590    19    2450    ″  9  F+P+B    20    512    1580    20    2440    ″  10  F+P+B    10    658    1620    16    2120    ″  11  F+P+B    21    253    1590    18    2300  比较例  12  F+P+B    19    218    1580    19    2320    ″  13  F+P+B    22    226    1600    21    2310    ″  14  F+P+B    11    599    1650    45    1120    ″  15  F+P+B    7    635    1190    4    2130    ″  16  F+P+B    14    151    1430    19    1940    ″  17  F+P+B    17    585    1560    24    1290    ″  18  F+P+B    16    523    1400    17    1270    ″  19  F+P+B    45    514    1600    16    1510    ″  20  F+P    0    663    1550    11    1330    ″  21  F+P+B    26    360    1530    17    2400    ″

*  F：铁素体、    P：珠光体、    B：贝氏体