鋼材及其製造方法
2023-05-06 02:00:51
專利名稱：鋼材及其製造方法
技術領域：
本發明涉及鋼材及其製造方法，具體而言，涉及適用於例如傳動軸 的鋼材及其製造方法。
背景技術：
機動車的發動機的傳動軸一般由鋼材製成。這種鋼材要求通過切削 加工等來進行相對容易地加工。同時，為了確保作為傳動軸的耐久性， 該鋼材要求在施加扭轉轉矩直到斷裂時的剪應力較高，換句話說，要求扭轉強度較高。例如，使用相當於JIS-S40C的材料作為鋼材以獲得這樣 的傳動軸。近年，隨著對環境保護的關註上升，在改善機動車燃料消耗以降低 如C02或N0x等廢氣量方面，進行了各種研究。從此觀點出發，人們已 嘗試了通過減小機動車部件的尺寸來減輕重量。當使用同一鋼材製得較小尺寸的傳動軸時，所得軸的強度等一般較 低。因而，需要可用於製造具有足夠的強度的較小尺寸的傳動軸的鋼材。例如，在專利文獻1中，提出用具有預定的構成元素組成比、表面 硬度、馬氏體含量和硬化深度比的鋼材構成的傳動軸來滿足所述需求。另外，在專利文獻2中，公開了鐵素體結晶粒徑和鐵素體相對於碳 (C)成分的面積比在預定值以下的感應淬火用鋼。根據專利文獻2，該感 應淬火用鋼適合用作傳動軸的材料。專利文獻1:日本特開平10-036937號公報專利文獻2:日本特開2002-069566號公報發明內容本發明的一般目的是提供一種可用於製造具有各種優異特性的小尺寸部件的鋼材。本發明的主要目的是提供一種鋼材的製造方法。根據本發明的第一方面，提供了一種鋼材，以質量百分數計，所述鋼材包含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，其餘為鐵和 不可避免的雜質，其中，所述鋼材的表面的維氏硬度(Vickers Hardness) 為640 730，並且當所述鋼材的半徑為r且有效硬化深度(所述鋼材表面 與維氏硬度為392的部位之間的距離)為t時，所述鋼材的硬化層比例t/r 為0.4以上。通過如上對硬度和硬化層比例進行控制，該鋼材可以確保足夠的硬 度和強度。這是因為具有高硬度的材料通常表現出高強度。另外，該鋼 材的硬度並不過高，從而該鋼材具有韌性，難以發生脆性斷裂。此外，通過使用上述成分和組成比，該鋼材會在切削性方面優異。該鋼材的氮含量優選為0.01質量％以下。此時，難以生成BN和TiN。 因此，該鋼材的淬火可以在沒有它們的阻礙的情況下進行，並且可以避 免該鋼材由於硬度過度上升而加工性和切削性下降。根據本發明的另一方面，提供了一種鋼材的製造方法，其中，所述 鋼材的表面的維氏硬度為640 730，並且當所述鋼材的半徑為r且有效 硬化深度(所述鋼材表面與維氏硬度為392的部位之間的距離)為t時，所 述鋼材的比例t/r為0.4以上。所述方法包括對原材料鋼進行感應淬火， 其中，以質量百分數計，所述原材料鋼包含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， 其餘為鐵和不可避免的雜質，並且所述原材料鋼的鐵素體的佔有面積率 為30%以上，且B級洛氏硬度(B-scale Rockwell hardness)為85 95。因此，通過對具有上述成分和組成比的原材料鋼實施感應淬火，可 以獲得硬度、強度和切削性優異的鋼材。可以使用具有上述特性的鋼材製得強度優異的小尺寸部件。該鋼材的切削性和塑性變形能力優異，可以極其容易地進行加工。另外，該鋼 材的韌性也優異，因而難以在加工步驟中產生破裂。而且，該鋼材具有高扭轉強度，因而能夠適合用作如傳動軸等長軸 部件的材料。如上所述，通過對成分、組成比、硬度和硬化層比例進行控制，能 夠製造強度、尤其是扭轉強度優異並且切削性優異的鋼材。
圖1為沿由本發明的一個實施方式的鋼材構成的傳動軸的長度方向 的整體側面示意圖。圖2為顯示圖1的傳動軸的硬度與離表面的距離之間的關係的圖。 圖3為顯示各鋼材的成分和組成比的表格。圖4為顯示圖3的鋼材的各特性的表格。圖5為顯示各實施例的鋼材的剪應力與硬化層比例r/t之間的關係的圖。
具體實施方式
下面將參照附圖對本發明的鋼材及製造方法的優選實施方式進行詳 細說明。圖1為傳動軸10的沿長度方向的整體側面示意圖。傳動軸10為長 的實心體，圖1中附圖標記12所表示的測定部位的直徑為28mm。傳動軸10包含鋼材，該鋼材除鐵和不可避免的雜質以外，還含有C、 Si、 Mn、 S、 Ti、 Cr、 Mo、 A1和B。C是確保淬火和回火處理後的傳動軸10的強度和硬度等的成分。其 組成比被控制在0.47% 0.52%(以質量計，下述組成比的數值也是質量百 分數)。當組成比低於0.47%時，難以確保鋼材的硬度。反之，當其高於 0.52%時，硬度過度上升，從而難以通過塑性形變、切削等來加工該鋼材， 並且傳動軸10可能會因脆性斷裂而強度降低。尤其是，該鋼材的冷加工 變形能力降低。Si是對傳動軸10的脫氧有用的元素，並且該傳動軸10的Si組成比 被控制在0.03% 0.15%。當組成比低於0.03%時，Si顯示出較差的脫氧 效果。反之，當其高於0.15%時，由於鋼材的硬度過度上升，因而難以 通過塑性形變、切削等來加工該鋼材。尤其是，該鋼材的冷加工變形能 力降低。Mn起到提高傳動軸10的感應淬火性的作用。因而，由於Mn的存 在，與淬火前相比，傳動軸IO在感應淬火後的硬度顯著上升。Mn組成 比被控制在0.6% 0.7%，以確實地獲得此效果。當組成比高於0.7%時， 由於鋼材的硬度過度上升，因而難以通過塑性形變、切削等來加工該鋼 材。尤其是，該鋼材的冷加工變形能力降低。S是在傳動軸10的組織中與Mn —起形成MnS並由此提高傳動軸 10的切削性的成分。S組成比被控制在0.005% 0.03%。當組成比低於 0.005%時，難以提高切削性。當其高於0.03%時，尤其是該鋼材的冷加 工變形能力降低。Ti起到捕捉傳動軸10中的游離N的作用。當游離N被捕捉後，後 述的B的添加效果得到提高。11組成比被控制在0.025% 0.04%。當組 成比低於0.025%時，Ti顯示出較差的游離N捕捉效果。反之，當其高於 0.04%時，由於鋼材含有過量的Ti，因而該鋼材的切削性和冷加工變形能 力降低。Cr是改善傳動軸10的淬火性的成分。換句話說，由於Cr的存在， 淬火處理之後的傳動軸10的硬度顯著上升。Cr組成比被控制在0.05°/。
0.3%。當組成比低於0.05%時，難以獲得此效果。反之，當其高於0.3% 時，由於Cr集中在滲碳體中，因而在淬火處理時妨礙碳固溶於鋼材中。Mo是對提高傳動軸IO在淬火處理後的晶界強度、尤其是對提高扭 轉強度有用的元素。Mo組成比被控制在0.04% 0.09%。當該組成比低 於0.04%時，晶界強度難以提高。反之，當其高於0.09%時，由於鋼材的 硬度高度上升，因而難以通過塑性形變、切削等來加工該鋼材。尤其是， 該鋼材的冷加工變形能力降低。B是提高晶界強度並提高傳動軸10的淬火性的成分。當鋼材含有過量N時，此效果降低。這是因為B與過量N—起形成BN。因此，如上 所述，由預定量的Ti來捕捉N以確保此效果。B組成比被控制在0.0005% 0.004%(5 40 ppm)。當組成比低於5 ppm 時，B顯示出較差的提高晶界強度的效果。反之，當其高於40ppm時， 淬火性降低。Al是以與Si相同的方式有助於脫氧的成分。當Al組成比低於0.02% 時，Al顯示出較差的脫氧效果。反之，當該比例過大時，如Al2Cb等氧 化物雜質增多，以致該鋼材的疲勞特性和塑性變形能力下降。因此，Al 組成比的上限為0.04%。在傳動軸IO含有過量的游離N的情況中，如上所述，N與B結合 而形成BN，以致淬火性等降低。另外，當N與Ti結合而形成TiN時， 該鋼材的硬度過度提高，以致該鋼材的加工困難，並且韌性降低。在此 實施方式中，傳動軸10的N(氮)組成比被控制在0.01%以下，以避免這 樣的情況。在傳動軸10的組織中觀察到的鐵素體的佔有面積率為30%以上。因 此，相對於全視野面積(100%)，鐵素體所佔的面積率為30%以上。當鐵 素體面積率在該範圍內時，淬火後的傳動軸10的韌性優異。傳動軸10的表面硬度，用B級洛氏硬度(HRB)表示時，為85 95。 當表面硬度在該範圍內時，確保了淬火和回火處理後的傳動軸10的強度。例如，通過對由具有上述成分和組成比的鋼材構成的圓柱體工件進 行車削或滾軋成形加工等，可以製得傳動軸10。然後，對傳動軸IO實施淬火和回火處理。在本實施方式中，在淬火處理中採用了使用高頻加熱的感應淬火法。 即，首先通過高頻感應電流將傳動軸10的表面快速加熱，然後通過噴射 冷卻液將該表面快速冷卻。淬火條件可以為感應電流頻率約為1 40kHz， 感應電流輸出約為50 100kW，加熱時間為1 5秒。然後，在150 200。C的溫度範圍內對傳動軸IO進行回火處理。通 過該處理，可以消除傳動軸10的殘留應力，並可以減少傳動軸10中的 時效變化或破裂。如上述那樣實施了淬火和回火的傳動軸10的表面的維氏硬度(Hv)為640 730。這樣的具有高硬度的鋼材一般顯示出高強度，並且如果硬度 在上述範圍內，則鋼材的韌性不會不足。在傳動軸10中，如圖2所示，硬度沿半徑方向從表面到內部降低。 在本實施方式中，傳動軸10的硬度從表面測定，而以表面與Hv為392 的部位之間的距離為有效硬化層深度t。例如，由於如上述那樣測定部位 12的直徑為28mm，所以圖2中所示的曲線圖的橫軸上的值14mm位於 測定部位12的半徑方向的中心。當r表示傳動軸10的半徑時，有效硬化層深度t與半徑r之比(硬化 層比例t/r)為0.4以上。當該比例小於0.4時，有效硬化層厚度不足，因 而傳動軸10的扭轉強度較低。因此，通過將表面Hv控制在640 730並將硬化層比例t/r控制在 0.4以上，可以獲得強度和韌性優異的傳動軸10。雖然在上述實施方式中對傳動軸10被作為鋼材的實例進行了說明， 但是該鋼材的最終製品並非特別局限於此，還可以為如等速萬向接頭的 外構件等其他部件。使用真空熔爐分別製備具有圖3所示成分和組成比的鋼材的鋼錠。 將各鋼錠在95(TC加熱並進行熱鍛造，從而製得直徑為27 mm的圓柱體 工件。鍛造結束時的溫度在Ac3點與88(TC之間。使用光學顯微鏡觀察各圓柱體工件，從而獲得鐵素體面積率。同時， 測定離表面7 8 mm深度處的圓柱體工件的Hrb。從該圓柱體工件切出直徑為14mm、長度為21mm的小圓柱體工件。 然後，對該小圓柱體工件在冷加工溫度範圍內的溫度下進行鐓鍛成形， 並求出直至發生破裂的鐓鍛率。另外，使用ST20E(商品名，住友電工社製造的切削工具)在切削速度 為150米/分鐘、切削深度為0.5 mm和進給速度為0.2 mm/rev的條件下 對該圓柱體工件進行切削試驗，並測定12分鐘後的ST20E的磨耗量。另外，從各圓柱體工件製得形狀如圖l所示的傳動軸10，並對傳動軸IO在各種條件下實施感應淬火和回火處理，從而改變有效硬化層深度t和硬化層比例t/r。然後，對各傳動軸10實施靜態扭轉試驗。使用具有圖3所示的組成和成分比的各鋼材進行同樣的實驗以進行 比較。結果如圖4所示。從圖4可見，對成分、組成比、鐵素體面積率和 硬度進行了控制的鋼材具有優異的變形性、良好的切削性和高扭轉強度。各實施例的鋼材的剪應力與硬化層比例t/r之間的關係示於圖5的曲 線圖中。剪應力越大，靜態扭轉強度越高。應注意到圖5中的虛線表示 與S40C相當的材料的剪應力與硬化層比例之間的關係。從圖5可見，各實施例的鋼材的靜態扭轉強度比與S40C相當的材料高。
權利要求
1. 一種鋼材，以質量百分數計，所述鋼材包含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，其餘為鐵和不可避免的雜質，其中，所述鋼材的表面的維氏硬度為640～730，並且當所述鋼材的半徑為r且有效硬化深度為t時，所述鋼材的硬化層比例t/r為0.4以上，其中，所述有效硬化深度是從所述鋼材表面到維氏硬度為392的部位的距離。
2. 如權利要求l所述的鋼材，其中，所述鋼材的氮含量為0.01質量％ 以下。
3. 如權利要求l所述的鋼材，其中，所述鋼材為傳動軸(IO)。
4. 一種鋼材的製造方法，其中，所述鋼材的表面的維氏硬度為640 730，並且當所述鋼材的半徑為r且有效硬化深度為t時，所述鋼材的比 例t/r為0.4以上，所述有效硬化深度是從所述鋼材表面到維氏硬度為392 的部位的距離，所述方法包括對原材料鋼實施感應淬火，其中，以質量百分數計，所述原材料鋼包含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，其餘為鐵和不可避免的雜質，並且所述原 材料鋼的鐵素體的佔有面積率為30%以上，且B級洛氏硬度為85 95。
5. 如權利要求4所述的方法，其中，所述原材料鋼被成型為傳動軸 (10)，然後實施所述感應淬火。
全文摘要
本發明涉及鋼材及其製造方法。所述鋼材含有指定量的C、Si、Mn、S、Ti、Cr、Al和B，其餘為鐵和不可避免的雜質，並且鐵素體的佔有面積率為30％以上，HRB為85～95，對所述鋼材實施感應淬火。實施淬火後，所述鋼材的表面顯示640～730的HV值。當所述鋼材的有效硬化深度(即從其表面到HV為392的部位的距離)為t且半徑為r時，硬化層比例t/r為0.4以上。
文檔編號C21D9/28GK101283111SQ200680037828
公開日2008年10月8日 申請日期2006年9月22日 優先權日2005年10月11日
發明者中名悟, 五十嵐正彥, 佐藤裕, 柳田亙, 渡邊英夫, 薄井好己 申請人:本田技研工業株式會社;山陽特殊制鋼株式會社