JP2003027135A - 高温浸炭用鋼の製造方法及びその方法により製造された高温浸炭用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特に異常粒成長が発生しやすい冷間加工して
から高温浸炭処理される場合でも、結晶粒粗大化や混粒
化が起こりにくい高温浸炭用鋼の製造方法を提供。 【解決手段】 重量比でＣ：０．１０〜０．３０％、Ｓ
ｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．５０
％、Ｃｒ：０．３０〜２．００％、Ａｌ：０．０２０〜
０．０６０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１０％、Ｎ：０．
００８０〜０．０２５０％、Ｖ：０．０１％以下と必要
に応じてＭｏ：０．８０％以下を含有し、残部Ｆｅ及び
不純物元素からなる鋼を１１５０℃以上に加熱後、１０
００℃以上で熱間加工し、５００℃までを２５℃／分以
上の速度で冷却した後、９００〜１０００℃の温度に再
加熱し、３０分以上加熱保持後５００℃までを２５℃／
分以下の速度で冷却することを特徴とする高温浸炭用鋼
の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１０００℃以上の
高温浸炭処理での粗粒化及び混粒化を抑制するための高
温浸炭用鋼の製造方法及びその方法により製造された高
温浸炭用鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車、建設車両、建設機器等に使用さ
れる歯車やシャフト等の動力伝達に使用される鋼部品に
は、浸炭処理により表面に硬化層を形成する肌焼鋼が多
用される。これは、前記部品には優れた耐摩耗性と高靭
性を同時に要求されるため、表面は浸炭処理により硬い
組織として耐摩耗性を確保し、内部は低Ｃのままとして
高い靭性をもたせるためである。

【０００３】最近、これらの部品の高強度化と共に大幅
な製造コスト低減が大きな課題になっている。部品の製
造コストは、材料自体のコストと浸炭等の熱処理コスト
に大きく分けることができるが、前者については、特に
高価な成分元素が多量に添加されていない肌焼鋼の場
合、大きなコスト低減は困難であり、後者の熱処理コス
トの削減方法の研究が盛んに検討されている。

【０００４】その中でも、最近検討が進められている方
法は高温浸炭処理である。現在肌焼鋼の浸炭処理は、そ
の大部分がガス浸炭処理法により行われており、所定の
硬化深さを得るために、４〜１０時間程度もの長時間の
処理が実施されている。その結果、生産性の面でも問題
になるとともに、多大なエネルギーを消費するため、改
善が強く要望されていた。高温浸炭処理は、浸炭温度を
高く設定して反応を促進させることにより、短時間でよ
り多くの炭素原子を侵入及び拡散させて処理時間の短縮
を図る方法で、時間短縮に最も効果的な方法として古く
から知られている。

【０００５】しかしながら、高い浸炭温度での処理は、
処理時間の短縮には効果的な方法であるが、一方で大き
な問題が生じる。すなわち、浸炭処理後にオーステナイ
ト粒が粗大化したり混粒が生じることである。浸炭処理
後においてこのようなオーステナイト粒の粗大化や混粒
が生じると、強度が低下したり、熱処理歪のバラツキが
生じる。通常、浸炭処理後は研磨等の必要最小限の機械
加工を施すだけであるのが普通であり、このような歪の
バラツキは製品寸法不良の原因となり、問題となる。そ
のため、実際には処理時間の短縮が期待通りに進めるこ
とができていないのが現状である。

【０００６】このような浸炭処理時におきる結晶粒粗大
化と混粒化現象はかなり以前から知られており、様々な
対策が検討され、新しい技術が提案されており、多数の
特許出願がされている。

【０００７】その中でも最も良く知られている方法は、
ＡｌＮを微細分散させてピン止め効果により粗大化を防
止する方法であり、例えば、特開昭５６−７５５５１
号、特開昭５９−１２３７１４号に示される提案がされ
ている。

【０００８】また、ＡｌＮのピン止め効果よりもより高
温での結晶粒の安定化を図るため、Ｎｂを添加して粗大
化防止を図るという提案もされている。例えば特開昭４
９−１２５２２０号、特開昭６２−９９４１６号等があ
る。

【０００９】さらに、高温浸炭でのオーステナイト粒の
粗粒化や混粒化を抑制するために、例えば特開平４−１
７６８１６号、特開平５−１２５４３７号、特開平１０
−１５２７５４号、特開平１０−１２１１２８号公報等
の発明が提案されている。

【００１０】このうち、特開平４−１７６８１６号に
は、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ等の炭窒化物形
成元素の添加によるピンニング効果と、所定の条件での
熱間加工を組み合わせることによる結晶粒粗大化防止技
術について記載されている。

【００１１】また、特開平５−１２５４３７号、特開平
１０−１５２７５４号には、熱間加工条件とその後の冷
却条件の最適化によって結晶粒粗大化を防止する技術に
ついて記載されている。

【００１２】さらに、特開平１０−１２１１２８号に
は、浸炭焼入処理前に６００〜７００℃の温度に３０分
以上保持するという熱処理により、Ｎｂ炭窒化物を凝集
させることによって、結晶粒の粗大化と混粒を防止する
技術について記載されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た今までに提案された方法には、次の問題がある。即
ち、ＡｌＮによるピン止め効果は９８０℃未満の浸炭処
理ではある程度の効果を得ることができるものの９８０
℃以上の浸炭温度になると微細分散させたＡｌＮのかな
りの割合が固溶してしまいピン止め効果による結晶粒粗
大化防止効果が十分に得られなくなる。従って、本発明
で狙いとしている１０００℃程度の高温での浸炭処理に
おいては、その効果は非常に小さいものとなり、粗大化
を完全に防止することができない。

【００１４】また、ＡｌＮに比べ高温での結晶粒安定化
効果を期待してＮｂを添加したことを特徴とする特開昭
４９−１２５２２０号の発明は、単にＮｂを添加したに
すぎず、どのように析出させた場合に大きな粗大化防止
効果が得られるかについての検討が不十分であり、特開
昭６２−９９４１６号の発明は、Ｎｂを微細析出させる
ための熱処理法について記載されているが、本発明者等
が検討した結果によると、冷間加工材を浸炭処理する場
合、析出物を微細にしすぎると、かえって部分的に異常
成長しやすく混粒化しやすいことが判明した。

【００１５】また、特開平４−１７６８１６号で提案さ
れた技術は、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ等の微
細な炭窒化物の析出により確かに従来鋼に比べ優れたピ
ンニング効果を得ることができるが、本発明では大幅な
コスト低減を達成するため、より高い温度での浸炭処理
を可能にすることを目的としており、特に１０００℃を
超える浸炭温度で、１時間以上の処理が施された場合に
は、結晶粒粗大化防止効果が十分に得られないことがわ
かった。

【００１６】また、特開平５−１２５４３７号、特開平
１０−１５２７５４号に記載の発明は、本発明者等が調
査した結果、１０００℃以下の温度で熱間加工後に制御
冷却した場合、Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）が不均一に析出しやす
く、１０００℃以上の浸炭処理温度の場合では、期待し
た程の、結晶粒粗大化防止効果が得られないことがわか
った。

【００１７】さらに、特開平１０−１２１１２８号公報
に記載の発明は、熱間加工後に６００〜７００℃という
低目の温度で処理するため、本発明者等が調査した結
果、明細書には炭窒化物を凝集させると記載されてはい
るものの、依然としてＮｂ炭窒化物の大きさが適当な大
きさに比べ小さく、冷間加工した材料を高温浸炭処理し
た場合には結晶粒の異常成長が起きやすいことが判明し
た。

【００１８】本発明は、以上記載した問題点を解決する
ために成されたものであり、浸炭処理して使用される部
品の中でも特に結晶粒異常成長が発生しやすい冷鍛等の
冷間加工を施した後に高温で浸炭処理される場合でも、
結晶粒粗大化及び混粒化を防止することができる高温浸
炭用鋼の製造方法を新規に提案することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、重量
比でＣ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜０．
５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．５０％、Ｃｒ：０．３０
〜２．００％、 Ａｌ：０．０２０〜０．０６０％、Ｎ
ｂ：０．０４〜０．１０％、Ｎ：０．００８０〜０．０
２５０％、Ｖ：０．０１％以下を含有し、残部Ｆｅ及び
不純物元素からなる鋼を１１５０℃以上に加熱後、１０
００℃以上で熱間加工し、５００℃までを２５℃／分以
上の速度で冷却した後、９００〜１０００℃の温度に再
加熱し、３０分以上加熱保持後５００℃までを２５℃／
分以下の速度で冷却することを特徴とする高温浸炭用鋼
の製造方法にある。

【００２０】本発明において注目すべきことは、上記特
定組成の肌焼鋼を用いて熱間加工後浸炭処理する際にお
いて、従来の結晶粒粗大化防止鋼のように、ＡｌＮやＮ
ｂの炭窒化物を単純に微細析出させるのではなく、熱間
加工時において高温で加熱して析出物を十分鋼中に固溶
させた後、９００〜１０００℃に加熱処理することによ
って、その後の浸炭処理において、最も結晶粒の異常成
長が起きにくい大きさ、数となるよう均一に分散させた
ことにある。

【００２１】従来のように、炭窒化物を微細分散させた
場合、特に異常粒成長の生じ易い冷間加工材において
は、９８０℃以上の高温浸炭処理をした場合、異常粒成
長が起きる確率が高くなることが判明した。その理由に
ついて詳しく分析してみると、Ｎｂ等の炭窒化物を微細
分散させた場合、浸炭時の初期においては、析出物のピ
ン止め効果が寄与して、細かい粒径が得られるが、逆に
細かいために結晶粒成長の駆動力が極めて大きくなり、
比較的温度の低い浸炭処理では問題が生じないが、高温
浸炭処理の場合温度が高く粒成長エネルギーが大きくな
るため、浸炭処理中にピン止め効果が粒成長エネルギー
を抑制することができず、異常粒成長が起きてしまうこ
とがわかった。

【００２２】そこで、本発明者等は、結晶粒異常成長が
起きにくいＮｂ炭窒化物の分散状態（大きさ、個数）に
ついて検討を繰返した結果、浸炭温度に非常に近い温度
域である９００〜１０００℃に３０分以上あらかじめ加
熱処理しておくことによって、従来の微細分散状態に比
べかなり大きく個数は少なくなるが、ＡｌＮ、Ｎｂ炭窒
化物を適度の大きさで均一に分散析出処理させた場合に
おいて、浸炭処理時の異常粒成長を防止できることを見
出したものである。

【００２３】但し、この処理をする前において熱間加工
時の高温加熱を利用して析出物を十分に固溶させておく
必要がある。析出物を固溶させた状態でこの加熱処理を
施すことにより、適度の大きさのＮｂ炭窒化物を均一に
分散させることができ、その後の浸炭処理時における大
きな異常粒成長防止効果を得ることができる。

【００２４】この処理は、冷間加工により鋼中に塑性歪
が導入された後に浸炭処理する際に大きな効果を発揮す
る。前記したように、塑性歪が導入された材料を浸炭処
理すると、浸炭時の初期粒径が小さくなって結晶粒成長
の駆動力が大きくなり、異常成長を起こしやすくなるた
めである。なお、浸炭処理時の加熱を短時間に実施する
と、冷間加工材であっても浸炭時の初期粒径を大きくで
きるので、異常粒成長を起きにくくすることができる。
具体的には、７００〜８５０℃の間を４℃／分以上の速
度で温度を上げると、初期粒径の微細化を抑えられるの
で、より好ましい。

【００２５】次に、請求項１の製造方法で用いられる肌
焼鋼の化学成分の限定理由について説明する。 Ｃ：０．１０〜０．３０％ 浸炭処理を行った部品に要求される強度、内部硬さを確
保するためには、０．１０％以上のＣを含有する必要が
ある。しかし、０．３０％を超えて含有させると内部の
靱性が劣化し、さらには被削性の低下や冷間鍛造性を悪
化させるため、上限を０．３０％とした。

【００２６】Ｓｉ：０．０５〜０．５０％ Ｓｉは鋼の製造時において脱酸のために必要な元素であ
り、最低でも０．０５％以上の含有が必要である。しか
しながら、Ｓｉは浸炭処理時、浸炭雰囲気中の酸素と反
応して酸化物を形成する。このため被処理品の表層付近
は焼入性が低下し、いわゆる浸炭異常層を形成する。従
って、多量に含有させると浸炭異常層の生成による悪影
響が大きくなって強度が低下するとともに、被削性が低
下するので、上限を０．５０％とした。

【００２７】Ｍｎ：０．３０〜１．５０％ Ｍｎは、必要な焼入性を確保して内部まで強度を確保す
るのに必要な硬さ（Ｈｖ２００〜５００）を保証するた
めには、０．３０％以上のＭｎを含有する必要がある。
しかしながら、多量に含有させると、残留オーステナイ
トが増加して、硬さ低下、内部の靭性が劣化するととも
に、被削性が低下するので、上限を１．５０％とした。

【００２８】Ｐ：０．０３５％以下 Ｐは製造時に混入が避けられない不純物である。本発明
では特に必須の条件としては限定していないが、粒界の
強度を低下させ、疲労特性を悪化させる原因となる元素
であるので、その上限を０．０３５％以下とすることが
好ましい。

【００２９】Ｓ：０．０３０％以下 ＳはＰと同様に製造時に少量の混入が避けられない不純
物であり、例えばＭｎＳ等のような硫化物系介在物とな
って存在している。しかし、この介在物は、疲労破壊の
起点となったり、耐ピッチング性を低下させたり、鋼材
の異方性が大きくなる原因となる元素である。従って、
本発明では、必須では限定していないが、理想的には極
力低減することが好ましく、上限を０．０３０％とした
方がより好ましい。

【００３０】Ｃｒ：０．３０〜２．００％ Ｃｒは、焼入性を向上させ、必要な強度を確保し、本発
明により製造した鋼の性能を向上させるために必要な元
素であり、０．３０％以上の含有が必要である。しかし
ながら、多量に含有させると靭性が劣化するとともに被
削性が低下するため、上限を２．００％とした。

【００３１】Ａｌ：０．０２０〜０．０６０％、 Ａｌは、Ｓｉと同様に脱酸に必要な元素であるととも
に、ＡｌＮとして存在し、ピン止め効果により浸炭処理
後の異常粒成長防止に効果のある元素である。従って、
この効果を得るために必要なＡｌＮ量を確保するために
は、０．０２０％以上のＡｌを含有させる必要がある。
しかし、０．０６０％を超えて含有させると、鋼中に生
成されるＡｌ₂Ｏ₃介在物が増加しすぎて、強度や被削性
への悪影響が無視できなくなるため、上限を０．０６０
％とした。

【００３２】Ｎ：０．００８０〜０．０２５０％ Ｎは上述の通り、ＡｌやＮｂと化合し、ＡｌＮやＮｂ
（Ｃ、Ｎ）となって鋼中に存在し、浸炭処理後の異常粒
成長を防止するために効果のある元素である。この効果
を十分に得るためには、０．００８０％以上のＮを含有
させる必要がある。しかしながら、ＡｌＮやＮｂ（Ｃ、
Ｎ）の析出量には適量があり、多すぎると浸炭初期粒径
が細かくなって却って異常粒成長が起きやすくなってし
まうため、上限を０．０２５０％とした。

【００３３】Ｎｂ：０．０４〜０．１０％ Ｎｂは本発明において最も重要な元素であり、炭窒化物
となって鋼中に存在し、特にＡｌに比べ高温度での浸炭
処理における結晶粒異常成長を防止する効果のある元素
である。Ｎｂ添加量が少ない場合、特に１０５０℃以上
の浸炭では浸炭処理前に析出していた炭窒化物の一部が
固溶し、ピン止め効果に寄与するＮｂ炭窒化物の量が不
足して粗粒化抑制作用が十分に得られなくなるので、下
限を０．０４％とした。一方、多量に含有させると、熱
間加工時の加熱によってＮｂ（Ｃ、Ｎ）が十分に固溶せ
ず、その後の９００〜１０００℃加熱による熱処理後に
おいて均一にＮｂ炭窒化物を分布させることが困難とな
るため、上限を０．１０％に規定した。

【００３４】Ｖ：０．０１％以下 ＶはＮｂと同様に炭窒化物を形成し、ピン止め効果によ
り結晶粒成長の防止に寄与する元素であるが、Ｖの炭窒
化物はＮｂの炭窒化物に比べ高温で固溶しやすく、１０
００℃以上の高温浸炭の場合、浸炭加熱によって固溶し
て浸炭中にピン止め効果が消失し、結晶粒成長抑制効果
が得られなくなるので、高温浸炭される場合には、Ｖよ
りも高温浸炭処理温度において固溶しにくい炭窒化物を
形成する元素に、鋼中のＣ、Ｎを優先的に結合させてお
く必要がある。Ｖが含有していると、鋼中のＣ、Ｎの一
部がＶと結合し、浸炭初期粒径を細かくする作用が生
じ、かつ１０００℃以上の浸炭中にそれらが固溶して、
ピン止め効果を消失させるので、異常粒成長を助長す
る。従って、高温浸炭時にはＶが存在すると逆に異常粒
成長が起きやすくなる。Ｖは積極添加しなくても鋼の製
造時に使用するスクラップ等から少量混入する可能性の
ある元素であるため、不純物として含有するＶ量を少な
く抑える必要があり、上限を０．０１％に規制した。

【００３５】次に、請求項１の発明の製造条件の限定理
由について、以下に説明する。熱間加工時の加熱温度の
下限を１１５０℃、熱間加工温度を１０００℃以上、そ
の後の冷却速度を２５℃／分以上としたのは、後の９０
０〜１０００℃の加熱処理でＡｌＮ、Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）を
鋼中に均一に析出させるためには、ＡｌＮ、Ｎｂ（Ｃ、
Ｎ）を十分に固溶させた状態が必要であるからである。
加熱温度が１１５０℃未満になるとこれらの析出物が十
分に固溶しない場合があり、また、熱間加工温度が１０
００℃未満で冷却速度が遅くなると、一度固溶しても部
分的に加工誘起により再析出したりして、熱間加工後に
おいて析出物が残存した状態となり、後の９００〜１０
００℃の加熱処理後において析出物を均一分散させた状
態とすることが困難になり、異常粒成長を防止すること
が難しくなる。故に、加熱温度、加工温度、冷却速度の
下限はそれぞれ１１５０℃、１０００℃、２５℃／分に
限定する必要がある。

【００３６】なお、本発明で限定した温度は表面の温度
であり、加熱温度は、加熱炉から出た直後の温度、加工
温度は加工を開始する温度を言う。加工中は被加工物に
比べて温度の低い型に熱を奪われるが、加工により発生
する熱があるため、温度低下が大きくないが、熱間加工
中の加工誘起による再析出を完全に防止するためには、
加工開始から終了までを含めて１０００℃以上を保つこ
とがより望ましい。

【００３７】熱間加工後の冷却時においては、その速度
が遅くなると、析出物が再析出する時間的余裕が生じて
しまうので、２５℃／分以上で冷却することにより、再
析出しないうちに５００℃以下まで冷却するものとす
る。制御冷却の温度範囲の下限を５００℃に設定したの
は、５００℃未満の温度では、ＡｌＮやＮｂ（Ｃ、Ｎ）
等の炭窒化物の析出反応が生じることがないからであ
る。

【００３８】上記の条件で加熱、熱間加工、冷却を行う
ことにより、ＡｌＮ、Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）の析出物が鋼中に
固溶した状態で、冷却される。次に、この鋼材を９００
〜１０００℃の温度範囲で３０分以上加熱する。前の加
熱、熱間加工、冷却の処理によって、ＡｌＮ、Ｎｂ
（Ｃ、Ｎ）は、鋼中に固溶した状態となっているので、
この温度域に加熱することにより、容易に鋼中に均一に
析出させることが可能となる。なお、３０分以上加熱す
るのは、素材中心部まで十分に加熱して、中心部におい
ても鋼中に均一に析出させた状態とするために必要な加
熱時間であるからである。

【００３９】また、加熱温度の範囲を９００〜１０００
℃としたのは、低い温度で析出させる程、析出物が微細
になって数が多くなり、温度を高くする程、析出物が大
きく数が少なくなるが、９００〜１０００℃で加熱した
場合に生成される析出物の大きさ、数が、高温浸炭処理
した場合の異常粒成長防止のために適しているからであ
る。温度が低すぎると析出物が微細（大部分が大きさ１
０ｎｍ未満）かつ数が多くなって、浸炭初期の結晶粒径
が細かくなりすぎ、高温浸炭中に異常成長しやすくなっ
て異常粒成長を防止することが困難になり、温度が高す
ぎると、析出物が大きく、数が少なくなりすぎて、ピン
止め効果がほとんどなくなり、浸炭初期から粒径が大き
くなりすぎ、処理後の粒径も大きい状態のままとなって
しまうからである。

【００４０】また、本熱処理温度は浸炭温度にかなり近
い温度領域で実施されるため、浸炭処理中において析出
物の変化が少なく極めて安定しており、安定したピン止
め効果を得ることができる。

【００４１】９００〜１０００℃に加熱した後、５００
℃までを２５分／℃以下で冷却するのは、冷間加工性、
切削性の優れた鋼とするためである。冷却が速すぎる
と、素材硬度が上昇して加工性が低下する。なお、冷却
途中に温度を保持してより加工性を向上させる熱処理を
施すこともできる。例えば、６６０℃で４０分以上保持
する熱処理をすることにより、加工性の優れた鋼を得る
ことができる。この熱処理を施した場合でも、優れた異
常粒抑制効果が得られることは言うまでもない。

【００４２】次に、請求項２の発明のように、請求項１
の製造方法で使用される鋼にさらにＭｏを０．８０％以
下含有させた鋼を用いることもできる。以下、その限定
理由を記載する。

【００４３】Ｍｏ：０．８０％以下 Ｍｏは、焼入性およひ靱性を向上させるとともに、浸炭
異常層を抑制して強度を向上させる効果を有する元素で
あり、必要に応じ少量添加して使用することができる元
素である。しかしながら、多量に添加すると、残留オー
ステナイトが増加し、浸炭硬さの低下の原因になるとと
もに、内部の靭性、被削性を低下させるため、０．８０
％を上限とした。

【００４４】また、請求項３の発明のように、請求項
１、２の方法により製造された、ＡｌＮ、Ｎｂ（Ｃ、
Ｎ）の単独析出物、複合析出物が、素地中に３〜２０個
／μｍ^２析出している高温浸炭用鋼がある。

【００４５】従来の結晶粒粗大化防止鋼のように、炭窒
化物を微細かつ均一に析出させた場合（１０ｎｍ未満の
微細析出物が多数）、浸炭初期の結晶粒径は小さくなる
が、逆に浸炭処理中においては結晶粒が異常成長しやす
くなってしまう。特に高温浸炭の場合それが顕著とな
る。請求項３の発明では、ＡｌＮ、Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）を従
来のように微細分散させるのではなく、適当な大きさ、
個数となるよう調節してやることによって、浸炭初期に
おける粒径は若干大きくなるが、その後の浸炭処理中の
異常粒成長が起きにくくなる条件を見出したものであ
る。具体的には、ＡｌＮ、Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）の単独析出
物、複合析出物が素地中に３〜２０個／μｍ^２存在した
状態とする。なお、炭窒化物の個数は、ＴＥＭ、ＦＥＳ
ＥＭを用いることにより容易に測定することができる。
なお、使用する測定機器の精度によって同じ試験片を測
定した場合の測定結果の誤差を防止するため、ここで対
象とする炭窒化物は、大きさ（最も長い部分の長さ）が
１０ｎｍ以上のものに限定する。存在する炭窒化物のう
ち１０ｎｍ以上の大きさの個数が素地中に３〜２０個／
μｍ^２とする。

【００４６】なお、１０ｎｍの析出物を確認するには、
少なくとも５万倍、好ましくは１０万倍程度に拡大して
観察する（１０ｎｍの析出物が１０万倍で１ｍｍとな
る。）ことが必要である。低倍率で観察すると、小さい
析出物を見落とす可能性があるので、個数測定時は注意
が必要である。

【００４７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の効果を実施例を示
すことにより明らかにする。表１は準備した供試鋼の化
学成分を示すものである。表１に示す供試鋼のうち、１
〜４鋼は本発明の条件を満足する鋼、５〜８鋼は一部の
成分が本発明の条件を満足しない比較鋼、９鋼は従来鋼
であるＳＣＭ４２０Ｈである。

【００４８】

【表１】

【００４９】各供試鋼は、電気炉で溶解し、圧延してφ
５０の丸棒を製造し、１２００℃で加熱後、１１００℃
で熱間鍛造を施し、その後５００℃以下となるまで空冷
（７５℃／分）した。さらに、９５０℃の温度に再加熱
し、１時間保持後５００℃までの平均冷却速度１５℃／
分の条件で冷却するという熱処理を施した。この熱間鍛
造された供試材の一部を切出してφ２０×高さ３０ｍｍ
の円筒型試験片を作製し、この試験片に据込み率７０％
の圧縮加工を行った。そして、実際の浸炭処理で異常粒
成長が起きるかどうかをシミュレートするために、９０
０〜１０５０℃の各温度で２時間加熱保持する熱処理を
施した。

【００５０】各試験片の結晶粒異常成長の判定は、光学
顕微鏡（倍率は１００倍）でランダムに１０視野観察す
ることにより評価した。そして、１０視野観察した範囲
内において３以上異なった粒度の視野が２０％以上存在
する場合に「混粒」と判断し、異常粒成長が生じたとみ
なすこととした。また、結晶粒度６未満の場合に結晶粒
粗大化したと判断した。なお、結晶粒度の測定は全てＪ
ＩＳＧ０５５１の基準に準拠した方法で行った。そし
て、この基準で評価した結果、混粒又は結晶粒粗大化が
認められた試験片を×、異常が認められなかった試験片
を○で示した。

【００５１】また、９５０℃×２時間保持の熱処理を施
した直後の試験片の全てについて、ＴＥＭを用いてＡｌ
Ｎ及びＮｂ（Ｃ、Ｎ）の析出物の個数を測定した。結果
を表２に示す。

【００５２】

【表２】

【００５３】表２から明らかなように、本発明の条件を
満足する１〜４鋼は、全て、１０５０℃の高い温度ま
で、異常粒成長をすることがなかった。それに対し、一
部の成分が本発明の条件を満足しない比較鋼は従来鋼Ｓ
ＣＭ４２０Ｈに比べれば優れた結果が得られたが、本発
明鋼に比べ劣るものであった。このうち、５、８鋼は、
ピン止め効果を得るために必要な元素であるＮｂ、Ａｌ
含有率が低いためピン止め効果が十分に得られず１００
０℃以上の温度で異常粒成長が生じたものであり、６鋼
はＮｂ含有率が高いため、熱間加工時に十分に炭窒化物
を固溶させることができず、不均一な析出状態となって
１０５０℃での異常粒成長が防止できなかったものであ
る。また、従来鋼ＳＣＭ４２０Ｈである９鋼は、著しく
劣り、９５０℃以上の温度で異常粒成長が発生した。

【００５４】なお、Ｖ含有率が高いＮｏ．７鋼は析出物
数が本発明の範囲内であるにもかかわらず１０５０℃の
加熱で異常粒が発生したが、これは組織内に析出してい
たＶ炭窒化物が１０５０℃の加熱により固溶してしま
い、組織の一部において炭窒化物の少ない領域が生じ異
常粒成長が起きたものと推定される。

【００５５】次に、前記実施例で行った条件を基本に前
記供試鋼のうち、本発明の成分範囲の条件を満足する
１、２鋼を使用して、熱間加工条件、熱処理条件を種々
変化させた場合の別の実施例を示す。実験した熱間加工
条件は表３に示す通りである。評価した項目及び評価方
法は前記実施例と同様である。なお、前記実施例の評価
に加え、冷間加工性の評価として、据込み率７５％の加
工を行った際の割れの有無を測定した。そして、割れが
認められなかったものを○、割れが認められたものを×
で示した。

【００５６】

【表３】

【００５７】表３から明らかなように、本発明で規定し
た成分範囲内の鋼であっても、加熱温度、熱間加工温
度、熱処理温度等のいずれかの条件が本発明で規定した
条件の範囲外である、試験Ｎｏ．９〜１２は、優れた結
果が得られないことが分かった。このうち、試験Ｎｏ．
９は、熱間加工時の加熱温度、加工温度が低く、かつ冷
却速度が遅いため、熱間加工時の炭窒化物の固溶が不十
分となったものであり、Ｎｏ．１０、１１は熱処理時の
加熱温度が低く、析出物の個数、大きさが異常粒防止に
とって適切な状態にならなかったものであり、Ｎｏ．１
２は熱処理時の冷却速度が速く、ベイナイトが生成して
冷間加工性が低下したものである。また、試験Ｎｏ．１
３は、熱間鍛造後に本発明で規定する熱処理を施さなか
った場合の実施例であるが、析出させるための熱処理を
施していないため、析出物の大部分が固溶した状態とな
り、狙いとするピン止め効果が得られず、異常粒成長が
防止できなかったものである。

【００５８】これに対し、本発明の条件を満足する実施
例である試験Ｎｏ．１〜８はすべて０５０℃で加熱した
場合でも異常粒成長を生じないことが確認できた。

【００５９】また、この実施例では、熱処理時間が３０
分未満の場合について示していないが、これは本実施例
では非常に小さな据込み試験片を使用したため、極めて
短時間に内部まで十分に加熱されるため、３０分未満の
時間（例えば２０分）でも十分な熱処理効果が得られて
しまうからである。しかし、実際の部品はより大きな部
品が多く、３０分以上の加熱保持を行って十分に析出さ
せることが必要である。

【００６０】

【発明の効果】本発明による高温浸炭用鋼の製造方法
は、Ｎｂを少量添加した鋼を用い、高温で熱間加工し
て、析出物を鋼中に十分に固溶させた後、浸炭処理前に
９００〜１０００℃という浸炭温度に近い温度に加熱保
持することによって、析出物を均一かつ適当な大きさに
分散させることによって、冷間加工材を高温浸炭した場
合でも、確実に異常粒成長を防止することができる。従
って、浸炭温度を高め、浸炭処理時間を大幅に短縮する
ことが可能となり、自動車等の部品のうち浸炭処理され
る部品の製造コストの中の、熱処理コストを大幅に低減
することが可能になるとともに品質を向上させることが
できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤原 輝元 愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地 愛知製 鋼株式会社内 (72)発明者 福田 康弘 愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地 愛知製 鋼株式会社内 (72)発明者 嬉野 欣成 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 中野 修 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 福田 耕一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 4K032 AA01 AA05 AA11 AA12 AA16 AA19 AA21 AA22 AA31 AA36 CA02 CA03 CC04 CD01 CD02 CF03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比でＣ：０．１０〜０．３０％、Ｓ
   ｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．５０
   ％、Ｃｒ：０．３０〜２．００％、Ａｌ：０．０２０〜
   ０．０６０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１０％、Ｎ：０．
   ００８０〜０．０２５０％、Ｖ：０．０１％以下を含有
   し、残部Ｆｅ及び不純物元素からなる鋼を１１５０℃以
   上に加熱後、１０００℃以上で熱間加工し、５００℃ま
   でを２５℃／分以上の速度で冷却した後、９００〜１０
   ００℃の温度に再加熱し、３０分以上加熱保持後５００
   ℃までを２５℃／分以下の速度で冷却することを特徴と
   する高温浸炭用鋼の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１において使用される鋼にさらに
   Ｍｏ：０．８０％以下を含有する鋼に対し、請求項１記
   載の製造方法を施すことを特徴とする高温浸炭用鋼の製
   造方法。
3. 【請求項３】 請求項１、２の方法により製造され、Ａ
   ｌＮ、Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）の単独析出物、複合析出物が、素
   地中に３〜２０個／μｍ^２析出していることを特徴とす
   る高温浸炭用鋼。