專利名稱：機械結構用鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于制造被實施切削加工的機械部件的機械結構用鋼，特別涉及在滾刀(hob)加工之類的低速的斷續切削中具有優異的被削性、并且具有優異的熱加工性的機械結構用鋼。
背景技術：
對于以汽車用變速器和差動裝置為首的各種齒輪傳動裝置中所用的齒輪、軸、滑輪或等速萬向接頭等、以及曲軸、連桿等機械結構用部件，一般來說是在實施鍛造等加工后，通過實施切削加工而精整為最終形狀的。由于該切削加工所需的成本在制作費用中所占的比例很大，因此對于構成上述機械結構部件的鋼材要求被削性良好。由此，以往公開過用于改善被削性的技術。作為此種技術的代表性例子，例如有添加1 的技術、或添加S而生成MnS的技術。 但是，由于1 對人體有害，因此使用受到限制。另外，在起因于硫化物的機械的特性劣化成為問題的部件中，在S的使用中存在極限。此外，特別是在齒輪等的切削加工中，一般的做法是進行借助滾刀的切齒，而此時的切削與所謂的旋削等連續切削不同，是被稱作斷續切削的樣式。在現實狀況下，在滾切中改善被削性的鋼材基本上尚未得到實用化。作為滾刀使用的工具坯料是高速鋼(high-speed steel)，一般實施有TiAlN等的涂覆。已知在該情況下，因在比較低速的加工中反復進行切削和空轉，工具表面在被氧化的同時發生磨損。作為改善斷續切削性的方法，在專利文獻1中，記載有通過含有0. 04 0. 20%的 Α1、0· 0030%以下的0而在高速(切削速度為200m/min以上)下的斷續切削(工具壽命) 方面優異的鋼材。專利文獻2中，記載有如下的機械結構用鋼，S卩，分別含有C :0. 05 1.2%、Si 0. 03 2%、Mn :0. 2 1.8%、P :0. 03% 以下、S :0. 03% 以下、Cr :0. 1 3%、Al :0. 06 0. 5 N 0. 004 0. 025 0 :0. 003 % 以下，并且含有 Ca :0. 0005 0. 02 % 以及 Mg 0. 0001 0. 005%，鋼中的固溶N為0. 002%以上，余量由鐵及不可避免的雜質組成，并且滿足(0. IX [Cr] +[Al])/
彡 150。另外，專利文獻3中，記載有如下的機械結構用鋼，S卩，含有C :0. 1 0.85%、Si 0. 01 1. 0%,Mn :0. 05 2. 0%,P :0. 005 0. 2%、全部 Al 超過 0. 而為 0. 3% 以下、 全部N 0. 0035 0. 020%，并且固溶N被限制為0. 0020%以下。專利文獻1 日本特開2001-342539號公報專利文獻2 日本專利第4193998號公報專利文獻3 日本特開2008-13788號公報但是，專利文獻1中記載的鋼材并非以低速(例如切削速度為150m/min左右)下的斷續切削為對象。另外，一旦Al的含量增加，加熱時的延展性就會降低，從而出現在熱軋或熱鍛等熱加工中容易產生裂紋等問題。另外，專利文獻2中，前提是添加Mg及Ca，通過Mg和Ca的氧化物發生軟化來改善斷續切削中的被削性。但是，由于Mg和Ca還容易生成硫化物，因此會有這些硫化物在鑄造時附著于噴嘴內部而導致噴嘴堵塞的問題。另外，專利文獻2中認為，通過確保0.002%以上的鋼中的固溶N量，可以改善被削性。但是，如果固溶N量增多，機械結構用鋼的熱加工性就會降低。另外，專利文獻3中記載，通過主要使AlN析出而限制固溶N量，借此來改善工具磨損。但是，在鋼材制造時的連續鑄造或熱鍛等中如果加熱到大約1100°c以上，就會將AlN 固溶，從而會有其后的熱加工中的延展性降低的問題。
發明內容
本發明是著眼于所述的事情而完成的，其目的在于，提供一種機械結構用鋼，其不依靠導致機械的特性降低的S添加量的增加，另外，不依靠Ca及Mg的添加，確保熱加工性等制造性，并且在高速鋼工具的低速下的斷續切削(例如滾刀加工)中可以發揮優異的被削性(特別是工具壽命)。可以達成上述目的的本發明的機械結構用鋼含有C :0. 05 0.9質量％、Si 0. 03 2質量％、Mn :0. 2 1. 8質量％、P :0. 03質量％以下(不包括0質量％ )、S :0. 03 質量％以下(不包括0質量％ )、Al :0. 1 0. 5質量％、N 0. 002 0. 017質量％以及0 0.003質量％以下(不包括0質量％ )，并且含有選自Ti :0. 05質量％以下(不包括0質量％)以及B :0. 008質量％以下(不包括0質量％)中的1種以上，余量為鐵及不可避免的雜質，滿足下述式⑴ (3)。式(1) [N]-0. 3X [Ti]-1. 4X [B] < (0. 0004/[Al])-0. 002式(2) [Ti]-[N]/0. 3 < 0. 005式(3):[Ti]-[N]/0. 3 < 0 時，[B]-([N]-0. 3X [Ti])/1. 4 < 0. 003，[Ti]-[N]/0. 3 彡 0 時，[B] < 0.003。其中，上述式(1) (3)中[N]、[Ti]、[B]、[Al]分別表示機械結構用鋼中的N、 Ti、B、Al的含量(質量％ )。另外，本發明的機械結構用鋼根據需要優選含有Cr 3質量％以下(不包括0質量％ )、或者Mo :1.0質量％以下(不包括0質量％ )、或者Nb 0. 15質量％以下(不包括0 質量％ )。另外，本發明的機械結構用鋼優選含有選自ττ :0. 02質量％以下(不包括0質量％ )、Hf :0· 02質量％以下(不包括0質量％ )以及I1a 0. 02質量％以下(不包括0質量％ )中的1種以上，或者含有選自V :0. 5質量％以下(不包括0質量％ )、Cu :3質量％ 以下(不包括0質量％ )以及Ni :3質量％以下(不包括0質量％ )中的1種以上。根據本發明，可以恰當地調整機械結構用鋼的化學成分，并且可以按照滿足特定的關系的方式使N、Ti、B、Al這4種元素平衡。由此，就可以獲得如下的機械結構用鋼，即， 滿足作為機械結構用鋼的強度特性，并且在利用高速鋼工具的斷續切削及利用超硬工具的連續切削兩方面都發揮優異的被削性(特別是工具壽命)。
圖1是表示在本發明的實施例中所用的拉伸試驗片的形狀的圖。
具體實施例方式本發明人等為了提高低速下的斷續切削的被削性，從各種角度進行了研究。結果發現，通過恰當地調整機械結構用鋼的化學成分，并且按照滿足特定的關系的方式使N、Ti、 B、A1這4種元素平衡，就可以提高鋼的被削性(特別是工具壽命)，從而完成了本發明。本發明的機械結構用鋼中所規定的化學成分組成的范圍限定理由如下所示。[C :0· 05 0. 9 質量％ ]C是為了確保作為機械結構部件來說所必需的強度而必需的元素，因此需要含有 0. 05質量％以上。但是，如果C含量過多，則硬度就會過度升高，被削性或韌性降低，因此需要為0.9質量％以下。而且，C含量的優選的下限為0. 10質量％ (更優選為0. 15質量％)， 優選的上限為0. 7質量％ (更優選為0. 5質量％ )。[Si :0· 03 2 質量％ ]Si作為脫氧元素是對于提高鋼材的內部品質有效的元素。為了有效地發揮此種效果，Si含量需要為0. 03質量％以上，優選為0. 07質量％以上(更優選為0. 1質量％以上)。另外，如果Si含量過多，在滲碳時會生成異常組織，另外熱加工性及冷加工性受損。 所以，Si含量需要為2質量％以下，優選為1.7質量％以下(更優選為1.5質量％以下)。[Mn :0· 2 1. 8 質量％ ]Mn是提高淬火性而可以有效提高鋼材的強度的元素。為了有效地發揮此種效果， Mn含量為0. 2質量％以上(優選為0. 4質量％以上，更優選為0. 5質量％以上)。但是，如果Mn含量過多，則淬火性就會過度增大，即使在正火后也會生成過冷組織，被削性降低。所以，Mn含量為1.8質量％以下(優選為1.6質量％以下，更優選為1.5質量％以下)。[P :0.03質量％以下(不包括0質量％ )]P是鋼材中不可避免地含有的元素(雜質)，然而由于會促進熱加工時的裂紋，因此P含量越少越好。為此，將P含量設為0. 03質量％以下(更優選為0. 02質量％以下，進一步優選為0. 015質量％以下)。將P含量設為0質量％在工業上難以實現。[S :0.03質量％以下(不包括0質量％ )]S是提高被削性的元素，然而如果過多地含有S，則鋼材的延展性 韌性就會降低。 由此，S含量的上限為0. 03質量％ (更優選為0. 02質量％，進一步優選為0. 015質量％ )。 特別是，如果S含量過多，則S與Mn反應而形成的MnS夾雜物的量就會增大，該夾雜物在壓延時沿壓延方向伸展而使垂直于壓延方向的韌性(橫向的韌性)劣化。但是，S是鋼中不可避免地含有的雜質，將S含量設為0質量％在工業上難以實現。
如果0含量過多，則會生成粗大的氧化物夾雜物，對被削性或延展性·韌性、鋼的熱加工性以及延展性造成不良影響。所以將0含量的上限設為0. 003質量％ (優選為0. 002 質量％，更優選為0. 0015質量％ )。[Al :0. 1 0. 5 質量％ ]為了提高斷續切削性，與以往的表面硬化鋼相比需要增多Al，特別是需要以固溶狀態存在0. 05質量％以上。另外，由于Al的一部分除了與N結合而抑制滲碳處理時的異常粒子生長以外，還作為脫氧劑發揮作用，因此Al作為整體來說需要含有0. 1質量％以上 (優選為0. 15質量％以上，更優選為0. 2質量％以上)。另一方面，如果Al過多，則Al容易在高溫下與N結合而生成A1N，熱加工性降低。由此，Al含量的上限為0.5質量％ (優選為0. 45質量％，更優選為0. 4質量％ )。[N :0· 002 0. 017 質量％ ]N與Al結合而抑制粒子生長，發揮提高強度的效果。為了有效地發揮此種效果， N含量為0.002質量％以上(優選為0.003質量％以上，更優選為0.004質量％以上，進一步優選為0. 005質量％以上)。另一方面，如果N含量過多，則在高溫下生成AlN而降低熱加工性。由此，N含量為0.017質量％以下(優選為0.015質量％以下，更優選為0.013質量％以下，進一步優選為0. 011質量％以下)。[Ti 禾口 / 或 B]在添加了 Ti的情況下，會生成TiN而有助于抑制粒子生長。另外，因所添加的Ti 的大部分與N結合，N的固溶量得到抑制，從而改善鋼材的熱加工性。由于Ti的氮氧化物在高溫下穩定，因此即使在1200°C以上的加熱狀態下也很少有再次固溶的情況，可以有效地改善熱加工性。此外，由于Ti的一部分通過進入氧化物系夾雜物中而降低夾雜物的熔點， 有助于改善被削性，因此在本發明中發揮重要的作用。在添加了 B的情況下，B與N結合而生成BN，該BN有助于改善熱加工性和被削性。 雖然BN與TiN相比易于在高溫下再次固溶，然而由于通過在冷卻過程中再次生成BN而抑制AlN的生成，因此熱加工性得到改善。此外，由于B還具有被削性改善效果，因此它們是本發明的重要的方面。如上所述，因Ti、B都與N結合，N的固溶量得到抑制，高溫下的AlN得到抑制，因此可以改善鋼材的熱加工性。所以，本發明的機械結構用鋼取代為了改善連續切削性以往一直使用的Ca，為了提高斷續切削性而含有Ti、B中的至少一方。而且，上述的Ti、B的含量是下述的范圍。[Ti :0.05質量％以下(不包括0質量％ )]為了有效地發揮上述的Ti的效果，最好Ti的含量為0.001質量％以上(優選為 0. 005質量％以上，更優選為0. 009質量％以上，進一步優選為0. 0012質量％以上)。另一方面，如果過多地添加Ti，則粗大的TiN會降低機械結構用鋼的被削性。所以，Ti的含量為 0. 05質量％以下(優選為0. 04質量％以下，更優選為0. 03質量％以下，進一步優選為0. 02 質量％以下)。而且，如果相對于N添加量添加某個一定量以上的量的Ti，則未變成TiN而余下的固溶Ti在機械結構用鋼的冷卻過程中大量地析出微細的TiC，因此被削性或韌性降低。對于用于避免該情況的條件將在后面敘述。[B :0.008質量％以下(不包括0質量％ )]為了有效地發揮上述的B的效果，最好B的含量為0. 0005質量％以上(優選為 0. 0006質量％以上，更優選為0. 0007質量％以上，進一步優選為0. 0008質量％以上)。另一方面，如果過多地添加B，則淬火性就會升高到必需程度以上，機械結構用鋼的硬度變高， 被削性降低。所以，B的含量為0.008質量％以下(優選為0.0075%以下，更優選為0.007 質量％以下，進一步優選為0. 0065質量％以下)。本發明中所用的機械結構用鋼的基本成分如上所述，余量實際上是鐵。但是，在機械結構用鋼中當然容許含有不可避免的雜質，也可以使用在對本發明的作用不會造成不良影響的范圍中還主動地含有其他元素的機械結構用鋼。本發明中十分重要的是，除了將機械結構用鋼的化學成分調整為上述規定范圍以外，還要按照滿足下述式(1) (3)的關系的方式調整機械結構用鋼中的N、Ti、B、Al這4 種元素的含量。式(1) [N]-0. 3X [Ti]-1. 4X [B] < (0. 0004/[Al])-0. 002式(2) [Ti]-[N]/0. 3 < 0. 005 ζ (3) [Ti]-[N]/0. 3 < 0 0 ， [Β]-([Ν]-0. 3X [Ti])/1. 4 < 0. 003, [Ti]-[N]/0. 3 彡 0 時，[B] < 0. 003。其中，上述式(1) (3)中[N]、[Ti]、[B]、[Al]分別表示機械結構用鋼中的N、 Ti、B、Al的含量(質量％ )。對式⑴ (3)的內容進行說明。首先，式⑴有關固溶N量的抑制。固溶N在機械結構用鋼的冷卻過程中利用與Al的結合形成A1N，使機械結構用鋼的熱加工性降低。由此，本發明中，固溶N量受到抑制。更具體來說，由于N更優先地與Ti、B結合，而不是Al， 因此如果適量地添加Ti、B，則Ti、B的大致全部量都形成氮化物。基于此種前提，式(1)的左邊是從總N量中減去乘以特定系數的總Ti量及總B量的值，相當于機械結構用鋼的固溶 N量。另外，式(1)的右邊表示由Al量決定的固溶N的容許量。其次，式⑵有關固溶Ti量的抑制。Ti因N的添加而形成TiN，然而如果相對于 N添加量添加某個一定量以上的量的Ti，則過多的Ti (固溶Ti)在機械結構用鋼的冷卻過程中會大量地析出微細的TiC，使被削性和韌性降低。由此，利用式O)的條件，將固溶Ti 量抑制為小于0. 005質量％ (優選為小于0. 002質量％ )。最后，式(3)有關固溶B量的抑制。B因N的添加而形成BN，然而由此將淬火性提高到必需程度以上，機械結構用鋼變硬，從而使被削性降低。所以，利用式(3)，將固溶B量抑制為小于0. 003質量％。這里，在由于機械結構用鋼中的Ti量少而存在沒有完全與Ti結合的N的情況下 ([Ti]-[N]/0. 3 < 0時)，殘存的固溶N在機械結構用鋼的冷卻過程中與B結合。由此，限制固溶B量的式子可以用[B]-([N]-0. 3 X [Ti] )/1. 4 < 0. 003表示。另一方面，在因充分地添加Ti而不殘存固溶N的情況下([Ti]-[N]/0. 3彡0時)， 限制固溶B量的式子可以用[B] < 0.003表示。本發明的機械結構用鋼中，通過如上所述地恰當地控制化學成分組成(尤其是 Ti、B、N、Al的平衡)，來保持作為機械結構用鋼的強度，并且提高低速下的斷續切削性。另外，本發明的機械結構用鋼根據需要，也可以含有以下的選擇元素。與所含有的元素的種類對應地進一步改善鋼材的特性。[Cr :3質量％以下(不包括0質量％ )]Cr是提高鋼材的淬火性從而有效地提高機械結構用鋼的強度的元素。另外，Cr是通過與Al的復合添加而可以有效地提高鋼材的斷續切削性的元素。為了有效地發揮此種效果，Cr含量例如為0. 1質量％以上(更優選為0. 3質量％以上，進一步優選為0. 7質量％ 以上)。但是，如果Cr含量過多，則因粗大碳化物的生成或過冷組織的發達而使被削性變差。所以，最好Cr含量為3質量％以下(更優選為2質量％以下，進一步優選為1. 6質量％
7以下)。[Mo :1.0質量％以下(不包括0質量％ )]Mo是確保母材的淬火性從而有效地抑制不完全淬火組織的生成的元素，也可以根據需要包含于機械結構用鋼中。為了有效地發揮此種效果，Mo的含量例如為0. 05質量％ 以上(更優選為0. 1質量％以上，進一步優選為0. 15質量％以上)。此種效果隨著Mo的含量增加而增大。但是，如果過多地含有Mo，則即使在正火后也會生成過冷組織，降低機械結構用鋼的被削性。所以，最好Mo的含量為1. 0質量％以下(更優選為0. 8質量％以下，進一步優選為0.6質量％以下)。[Nb :0· 15質量％以下(不包括0質量％ )]機械結構用鋼當中，特別是表面硬化鋼，通常來說進行滲碳處理而將表面硬化，在該處理之時，有時因滲碳溫度 時間、加熱速度等會產生晶粒的異常生長。Nb具有抑制此種現象的效果。為了有效地發揮此種效果，Nb的含量例如為0. 01質量％以上(更優選為0. 03 質量％以上，進一步優選為0.05質量％以上)。此種效果隨著Nb含量增加而增大。但是， 如果過多地含有Nb，就會生成硬質的碳化物而降低被削性。所以，最好Nb的含量為0. 15質量％以下(更優選為0. 12質量％以下，進一步優選為0. 1質量％以下)。[選自&:0.02質量％以下(不包括0質量％ )、Hf :0.02質量％以下(不包括0 質量％)以及Ta :0.02質量％以下(不包括0質量％)中的1種以上]Zr、Hf及Ta與Nb相同，具有抑制晶粒的異常生長的效果，因此也可以根據需要包含于鋼中。此種效果隨著這些元素的含量(1種以上的合計量)增加而增大。但是，如果過多地含有這些元素，則會生成硬質的碳化物而降低機械結構用鋼的被削性，因此優選分別以上述的量作為上限。進一步優選這些元素的含量合計為0. 02質量％以下。[選自V:0. 5質量％以下(不包括0質量％ )、Cu:3質量％以下(不包括0質量％ )以及Ni :3質量％以下(不包括0質量％ )中的1種以上]這些元素提高鋼材的淬火性而有效地使之高強度化，因此也可以根據需要包含于機械結構用鋼中。此種效果隨著這些元素的含量(1種以上的合計量)增加而增大。但是， 如果過多地含有這些元素，就會生成過冷組織，另外，會降低延展性 韌性，因此優選分別以上述的量作為上限。本發明的機械結構用鋼是通過對在規定好的范圍內添加有上述合金元素的熔鋼進行鑄造、鍛造而制造的。本發明通過特別對Ti和/或B的添加量進行調整，除了當然可以調節固溶Ti量、固溶B量以外，還可以調節固溶N量。而且，在添加Ti時，如果在Al的添加前將Ti添加量中的例如一半投入熔鋼中，在 Al的添加后投入剩下的Ti，則可以使氧化物夾雜物中含有Ti的一部分。這樣，就可以進一步提高機械結構用鋼的被削性。如果最先投入Al，然后添加Ti，則由于Al與Ti相比氧化力更強，因此氧的大部分與Al結合，無法形成Ti的氧化物。但是，如果將Ti的例如一半的量在Al之前投入，則可以使Ti作為氧化物存在。實施例下面，舉出實施例對本發明進行更具體的說明，然而本發明并不受以下的實施例限制。當然也可以在能夠適合前述·下述的宗旨的范圍中適當地加以變更來實施本發明， 它們都包含于本發明的技術范圍中。
[試驗片的制成]將表1所示的化學成分的鋼150kg在真空感應爐中熔化，分別鑄造成上面的直徑為M5mm、下面的直徑為210mm、長為480mm的近似圓柱狀的鋼錠。而且，表1中，除了鋼材的化學成分以外，還分別顯示有根據化學成分量計算的將上述(1)的右邊的值從左邊的值中減去的值、式⑵的左邊的值、以及式⑶的左邊的值。式⑶的左邊的值如上述的規定所示，在[Ti]-[N]/0.3 < 0 時，是[B]-([N]-0.3X[Ti])/1.4 的值，在[Ti]-[N]/0. 3 彡 0 時，是[B]的值。[表 1]
權利要求
1.一種機械結構用鋼，其特征在于，含有C :0.05 0.9質量％、Si :0. 03 2質量％、 Mn 0. 2 1. 8質量％、P :0. 03質量％以下但不包括0質量％、S :0. 03質量％以下但不包括0質量％、A1 :0. 1 0.5質量％、N :0. 002 0.017質量％以及0:0. 003質量％以下但不包括0質量％，并且含有選自Ti 0. 05質量％以下但不包括0質量％以及B 0. 008質量％以下但不包括0質量％中的1種以上的元素， 余量是鐵和不可避免的雜質， 并且，全部滿足下述式⑴ ⑶；式(1) :[N]-0. 3X [Ti]-1. 4X [B] < (0. 0004/[Al])-0. 002式 O) :[Ti]-[N]/0. 3 < 0. 005式(3) :[Ti]-[N]/0. 3 < 0 時，[B]-([N] -0. 3 X [Ti] )/1. 4 < 0. 003，[Ti]-[N]/0. 3 彡 0 時，[B] < 0. 003，其中，上述式(1) (3)中的[N]、[Ti]、[B]、[Al]分別表示機械結構用鋼中的N、Ti、 B、A1的質量百分比含量。
2.根據權利要求1所述的機械結構用鋼，其中，含有Cr:3質量％以下但不包括0質量％。
3.根據權利要求1所述的機械結構用鋼，其中，含有Mo:1. 0質量％以下但不包括0質量％。
4.根據權利要求1所述的機械結構用鋼，其中，含有Nb0. 15質量％以下但不包括0質量％。
5.根據權利要求1所述的機械結構用鋼，其中，含有選自&:0. 02質量％以下但不包括0質量％、Hf 0. 02質量％以下但不包括0質量％以及I1a 0. 02質量％以下但不包括0 質量％中的1種以上的元素。
6.根據權利要求1所述的機械結構用鋼，其中，含有選自V:0. 5質量％以下但不包括0 質量％、Cu :3質量％以下但不包括0質量％以及Ni :3質量％以下但不包括0質量％中的 1種以上的元素。
全文摘要
本發明提供一種機械結構用鋼，其在滿足作為機械結構用鋼的強度特性的同時，在利用高速鋼工具的斷續切削及利用超硬工具的連續切削兩方面發揮優異的被削性(特別是工具壽命)。本發明的機械結構用鋼含有C0.05～0.9質量％、Si0.03～2質量％、Mn0.2～1.8質量％、P0.03質量％以下、S0.03質量％以下、Al0.1～0.5質量％、N0.002～0.017質量％、以及O0.003質量％以下，并且含有選自Ti0.05質量％以下(不包括0質量％)、以及B0.008質量％以下(不包括0質量％)中的1種以上，余量由鐵及不可避免的雜質組成，滿足下述式(1)～(3)。式(1)[N]-0.3×[Ti]-1.4×[B]＜(0.0004/[Al])-0.002；式(2)[Ti]-[N]/0.3＜0.005；式(3)[Ti]-[N]/0.3＜0時，[B]-([N]-0.3×[Ti])/1.4＜0.003，[Ti]-[N]/0.3≥0時，[B]＜0.003。
文檔編號C22C38/58GK102439187SQ20108002228
公開日2012年5月2日 申請日期2010年6月1日 優先權日2009年6月5日
發明者土田武廣, 增田智一, 島本正樹, 永濱睦久 申請人:株式會社神戶制鋼所