2013年日本特殊钢企业新产品

2013年日本特殊钢企业新产品日本特殊钢企业新产品1 神户制钢所的纯铁系软磁材料ELCH2、ELCH2S为了提高汽车的安全性和舒适性并降低燃耗，车上多采用电子控制AT、电动转向装置、防振破坏系统等电子电磁控制部件。

在采用电磁力的部件上，为了提高对控制信号的应答性和能源利用效率，在产生磁场的线圈中装入了铁芯材。

原来多使用含碳0.10%左右的低C钢。

然而近几年由于电磁控制技术的进步，要求各部件进一步高性能化并减少电耗。

作为可满足这些要求的钢材，以下介绍神户制钢所开发的纯铁系列软磁材料。

1.1 特点除了材料的磁矩大小之外，软磁材料的磁特性也由其晶粒尺寸和析出物等金相组织因子所左右。

特别是在多晶体的磁特性方面，因晶界和析出物变成了阻止磁畴壁移动的场所，成为降低磁特性的原因。

因此，决定从以下观点提高ELCH2系列产品的磁特性：◆降低钢中C含量，使之成为高纯铁素体单相组织而增大磁矩。

◆减少钢中Al、N含量以降低晶界面积，从而减小磁畴壁移动阻力。

◆减低钢中Si含量并实现Mn含量最佳化。

提高钢的冷锻性、增大S含量以提高钢的切削性能，从而改善钢的加工性，以提高部件生产率并降低生产成本。

结果是ELCH2系列产品具有优良磁特性，并兼具良好冷锻性和易切削性。

其代表成分如表1所示。

1.2 用途ELCH2系列产品实现了电磁控制部件的高性能化和高功能化，是能降低生产成本的软磁材料。

至今为止，首先是将之用作油压控制螺线管的铁芯材料，也作为电磁离合器使用，为降低电耗并提高部件生产率作出了大的贡献。

伴随HEV和EV等新能源汽车的普及，新的电磁控制部件的开发和使用范围将会进一步扩大，向市场提供省电并降低生产成本的该类产品可以为降低环境负荷作出贡献。

2 神户制钢所开发耐凹坑性优良的齿轮钢KSCM418H为降低汽车燃耗而进行的各种部件的轻量化已取得显著进步。

然而，变速箱齿轮由于采用高强度钢材而实现了高转矩化和小型化，从而进一步增大了齿轮负荷。

利用喷丸硬化技术和降低钢中杂质物含量虽可极大提高齿根强度，但高强度齿轮的损坏形态正持续转向齿面磨损、剥离，特别是断裂面的剥离损坏正在成为重要课题。

为了开发耐剥离寿命优良的齿轮而着眼于渗C-N处理，以最大限度发挥表面硬化的作用。

以下概要介绍开发齿轮钢的特征和特性。

2.1 特征凹坑损坏由龟裂及其扩展构成，主要受到表面硬度、光洁度和润滑状态等的影响。

特别是汽车用变速箱齿轮处于苛刻使用环境下，即使有油润滑的齿面温度也会升高至300℃，钢材软化就会恶化齿轮表面耐凹坑性。

齿轮表面硬化处理广泛采用在高温下将丙烷和丁烷扩散至表层的工艺。

另一方面，渗C-N化处理则是用氨气等含N气体向表面渗N以生成N化物，从而增大钢的回火软化阻力。

由于KSCM418H采用了高浓度渗C和渗C-N化技术，一方面抵制了因不完全淬火组织生成引起的凹坑寿命下降，另一方面将硬质的C化物、N化物细微分散，从而大幅度提高了凹坑寿命。

2.2 特性由于增加了Si、Cr含量，在提高回火软化阻力的同时，还抵制了因加Mo所产生的不完全淬火组织。

如此设计成分的钢材，其耐凹坑寿命要比一般齿轮用钢JIS渗C钢SCM420H高出10倍以上。

此开发钢可用于需有优良耐凹坑性的滑动部件，如齿轮和转动轴等。

开发钢的代表性化学成分如表2所示。

3 山阳特钢所开发的新型轴承钢PJ2近年因CO2过度排放造成地球温度上升，迫切要求汽车部件（包括轴承等）小型化、轻量化，以降低燃耗，减排CO2，并使之在充分润滑条件下能最大限度延长使用寿命。

然而，在承受高应力的转动疲劳领域，若钢中存在非金属夹杂物，就会生成将之作为起点的龟裂，并向四周扩展，从而引起剥离导致断裂。

为此，山阳特钢所作为轴承钢的主导生产厂家，以掌握的轴承钢破坏的实际调查知识和高洁净度轴承钢生产技术为基础，开发了与更加长寿命化、小型化需求相对应的新型轴承钢——PJ2，并确立了此钢的批量生产技术。

山阳特钢所长年推进有助于小型轻量化轴承钢的研发结果表明，为了满足提高负荷的要求，提高寿命波动的下限值是有效的。

为此，需降低单位体积特定尺寸以上的有害夹杂物，开发了以下两种技术。

1）在炼钢方面，将成为凹坑起因的有害非金属夹杂物降低到极限的技术。

2）相对于原来所使用的ASTM E45A法和JIS G0555规定的方法，新开发大范围评价有害非金属夹杂物存在频率的检查技术。

而且，由于将以上两种技术组合而减少了成为短期剥离原因的有害非金属夹杂物，并在大范围内检查这些夹杂物，从而成功开发了高可靠性、长寿命轴承钢PJ2。

与钢的洁净度对应的可靠性的大幅改善、抵制了轴承这种终端产品的短期剥离，从而可以期待实现长寿命化、小型化。

另外，此开发钢轴承在本公司进行的转动疲劳寿命试验结果表明，较之一般轴承钢（SUJ2）制造的轴承，开发钢制造的轴承寿命的下限值是其3倍左右，见图1。

4 新日铁开发的高耐久比钢为了实现汽车部件轻量化和高功能化，原来就一直在增加对钢铁材料的高强度化需求——大多要求疲劳强度的提高，针对的是过去单纯追求抗拉强度而忽视疲劳强度的情况。

然而，在须经切削加工的部件（如引擎和车轮部位的热锻部件、齿轮等）上，因切削加工费占生产成本的40%-70%，抗拉强度的上升就会降低切削性能而大幅度增加生产成本。

因此，切削成本的增加就成了阻碍钢材高疲劳强度化的因素之一。

为了解决此问题，若不增大对切削性能影响大的抗拉强度，仅提高钢的疲劳强度，就可能同时获得高疲劳强度和良好切削性能。

以下介绍新日铁开发的高耐久比（疲劳强度/抗拉强度）钢材的机理与特征。

一般钢材的疲劳强度约为其抗拉强度的1/2（即其耐久比约为0.5左右），且耐久比值根据钢的不同强化方式而变化，对提高耐久比特别有效的是析出（也称沉淀）强化。

因此，新日铁用析出强化（即将毫微尺寸的VC多量分散）成功开发了兼具高疲劳强度化和良好切削性能的高耐久比钢。

图2表示非调质钢和高耐久比钢的抗拉强度、疲劳强度及耐久比。

开发钢的耐久比从原来的0.50提高到0.65，虽然抗拉强度没有提高，却将疲劳强度提高130MPa（切削性能没有下降）。

此开发钢的疲劳强度相当于原来耐久比0.5钢抗拉强度达到1000MPa时的疲劳强度水平。

开发钢经热锻后放冷成为最终强度，可以作为切削性低下的非调质钢的代替材使用，从而有助汽车部件的轻量化，预计将会有广泛用途。

5 支撑汽车升级的住友金属特殊钢环境保护使得气体排放与环境负荷物质排放的规则变得更加严格，而在汽车部件的开发中，对于以低成本谋求低燃耗的轻量化和无Pb化（减少环境负荷物质）的要求正越来越高。

以下介绍住友金属工业公司开发的代表性商品。

5.1 曲轴用钢曲轴是汽车引擎的主要构成部件，为实现其高功率化和轻量化，在要求进一步高强度化的同时，还需在制造工程中实现工艺合理化以减排CO2，降低生产成本。

在高强度软N化曲轴用钢中加入Mo和Ti。

可以在省略正火工序的条件下，改善热锻产生的晶粒粗大化和软N化处理后的表面硬度，从而使钢兼具高疲劳强度和良好弯曲矫直性。

5.2 裂化连杆用钢连杆是汽车引擎内部连接曲轴与活塞的部件，由杆和盖组成。

所谓裂化，就是在整体制成为连杆后再将杆和盖裂化分开的工艺。

较之原来二者分别制造的方法，此法可以在热锻和机加工方面降低生产成本。

住友金属开发了加入Ti和V的高强度裂化连杆用钢，在促进部件轻量化的同时，还大幅度降低了生产成本。

另外，在此连杆和上述的曲轴用钢中，因提高了切削性能而成功地减少了向钢中加入Pb这种环境负荷物质。

5.3 车轮、转向装置用钢以非调质（即不进行淬火-回火处理）钢制造轮毂和转向齿条杆部件正在成为主流。

住友为了满足用户对部件的特殊要求，提供了能组合各种强度和切削性能的非调质钢，促进了成本下降和环保。

5.4 高强度螺栓用钢由于将螺栓高强度化，一方面减少了所使用的螺栓；另一方面还可满足部件高功率化要求，但高强度化引起的延迟断裂就成了需要解决的问题。

一般延迟断裂面是晶界裂纹造成的，住友利用晶界偏析元素的减少和晶粒细化而开发了难以产生晶界裂纹的耐延迟断裂的螺栓用钢。

而且，通过增加Mo含量并加入了V，也抵制了由马氏体造成的晶界脆化。

5.5 齿轮用钢作为动力传输部件的齿轮，要求良好的耐磨性和疲劳强度，须实施渗C和软N化等表面硬化热处理。

该公司渗C齿轮用开发钢包括降低了渗C异常的高强度钢和利用加B强化了渗C层晶界的高强度表面渗C处理钢。

另外，高强度软N化用钢可同时获得齿轮的高强度化和低变形化。

上述开发钢和相关技术都通过部件的高强度化和高性能支撑了传动装置的进化。

总而言之，针对各种部件，除了采用原来的冶金材料手段之外，还根据用户实际需求和对部件评价进行热处理模拟和强度解析，同时从用户视点进行产品和技术开发。

表1 纯铁系软磁材料开发钢的成分 %性能钢种 C Si Mn P S 磁特性优先组ELCH2 0.005 0.004 0.25 0.009 0.008 切削性改善型ELCH2S 0.005 0.004 0.26 0.010 0.025 JIS SUY 0.03以下0.2以下0.5以下0.03以下0.03以下表2 齿轮用开发钢的成分钢种化学成分，%备注C SI Mn Cr MoSCM418H 0.18 0.50 0.45 1.40 0.40 开发钢SCM420H 0.20 0.20 0.75 1.00 0.15 JIS对成分的调整方案提高软化抗力析出硬化抵制不完全淬火造成硬度下降。