JP2004084075A - 曲げ強度に優れた肌焼鋼 - Google Patents

Abstract

【課題】　高価なＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｎなどの合金元素を低減し、Ｂを添加することで焼入性を補い、浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制し、曲げ強度に優れた肌焼鋼を提供する。
【解決手段】　質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０３〜０．０９％、Ｍｎ：０．２０〜２．０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ｔｉ：０．１％超〜０．２％、Ｎ：０．０１％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｃｒ：１．０４〜２．０％を含有し、さらにＭｏ：１．５％以下、Ｎｉ：３．０％以下のうち１種または２種を含有し、かつＶ：０．０２〜０．１０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１０％を１種または２種含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、Ｔｉ炭化物を鋼中に微細分散させた曲げ強度に優れた肌焼鋼である。
【選択図】　　　なし

Description

　本発明は浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制することができることを特徴とする曲げ強度に優れた肌焼鋼に関するものである。

　近年、低コスト化の傾向が強まり材料費の低減や冷間鍛造による生産工程の簡略化が望まれている。そのような流れの中で使用される材料も高価なＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｎなどの合金元素を低減しＢを添加することによって焼入性を補った肌焼鋼が使用されるようになっている。しかしながら、Ｂ添加鋼では、鋼中のｆｒｅｅ−Ｎが存在するとＢＮを形成して固溶Ｂがなくなり、焼入性を向上させる効果がなくなる。そこで、通常Ｔｉを０．０１〜０．０５％程度添加しｆｒｅｅ−Ｎを固定する方法が採られるが、このことによってオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制するＡｌＮが減少し、浸炭時に混粒あるいは粗粒となり曲げ強度特性に悪影響を及ぼす。そのため、浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を防ぎ整粒かつ微細粒にする必要がある。
特開平１０−８１９３８号公報

　本発明が解決しようとする課題は、高価なＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｎなどの合金元素を低減し、Ｂを添加することによって焼入性を補い、かつ、曲げ強度を大幅に向上させた肌焼鋼において、浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制し、曲げ強度に優れた肌焼鋼を提供することである。

　上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０３〜０．０９％、Ｍｎ：０．２０〜２．０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ｔｉ：０．１％超〜０．２％、Ｎ：０．０１％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｃｒ：１．０４〜２．０％を含有し、さらにＭｏ：１．５％以下、Ｎｉ：３．０％以下のうち１種または２種を含有し、かつ、Ｖ：０．０２〜０．１０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１０％を１種または２種含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、Ｔｉ炭化物を鋼中に微細分散させたことを特徴とし、Ｂ添加により曲げ強度を大幅に向上させ、かつＴｉを０．１％超〜０．２％添加することによってｆｒｅｅ−Ｎを固定し、Ｔｉ炭化物、Ｔｉを含有する複合炭化物、Ｔｉ窒化物を微細に析出させることによって浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制した、曲げ強度に優れた肌焼鋼である。

　本発明は、上記のようにＢ添加により曲げ強度を大幅に向上させ、かつＴｉを含有する微細析出物によって浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制し、さらにＶ、Ｎｂを添加することによってより結晶粒粗大化抑制効果を高め、曲げ強度を向上させたものである。

　本発明の組成割合の限定理由を述べる。以下％は質量％を表す。
　Ｃ：Ｃは機械構造用部品として浸炭処理後の芯部強度を確保するために必要な元素であり、０．１０％未満ではその効果が十分に得られず、反対に０．３５％を超えると芯部の靭性を低下させる。そのため、含有量を０．１０〜０．３５％とした。

　Ｓｉ：Ｓｉは０．０３％未満では脱酸効果が十分に得られず、過剰に含有させると加工性を低下させると共に、ガス浸炭時の粒界酸化層の形成を助長し、疲労特性についても低下させるためる。すなわち、低減するほどガス選択時の粒界酸化が抑制されるため初期欠陥が小さくなり、疲労限度が向上する。したがって上限を０．０９％とした。

　Ｍｎ：Ｍｎは焼入性を確保するのに必要な元素であり、０．２０％以下ではその効果が十分に得られず、また２．０％を超えると鋼中で偏析し加工性を低下させる。そのため、含有量を０．２０〜２．０％とした。

　Ｂ：Ｂは極微量の添加によって鋼の焼入性を著しく向上させる元素であり、かつ浸炭焼入焼戻処理後の曲げ特性を大幅に改善するが、０．０００５％未満ではその効果は十分でなく、０．００５０％を超えると逆に焼入性を低下させる。そのため、含有量を０．０００５〜０．００５０％とした。

　Ｔｉ：Ｔｉは鋼中のｆｒｅｅ−Ｎを固定しＢの焼入性への効果を向上させると共にＴｉ炭化物、Ｔｉを含有する複合炭化物、Ｔｉ窒化物を微細に析出させることによって浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制するために必要な元素であり、０．１％以下ではその効果は十分でなく、０．２％を超えると析出物の量が過剰となり加工性を低下させる。そのため、含有量を０．１％超〜０．２％とした。

　Ｎ：Ｎは０．０１％を超えて含有するとＴｉＮが増加し、疲労特性に悪影響を及ぼす。そのため、含有量を０．０１％以下とした。

　Ａｌ：Ａｌは脱酸材として使用される元素であり、０．００５％未満ではその効果が十分でなく０．０５０％を超えるとアルミナ系酸化物が増加し疲労特性、加工性を低下させる。そのため、含有量を０．００５〜０．０５０％とした。

　Ｃｒ：浸炭層の焼入性の向上および曲げ強度向上に効果のある元素であり、下限が１．０４％未満であるとその効果は十分でなく、２．０％より多すぎると効果は飽和するので上限を２．０％とする。

　Ｍｏ、Ｎｉ：焼入性の向上および曲げ強度向上に効果のある元素で選択的に添加できるが、多すぎると効果は飽和する。Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：１．５％以下、Ｎｉ：３．０％以下のうち１種または２種を材料の用途に応じて適宜に選択して使用しても良い。

　Ｖ、Ｎｂ：炭化物を形成しＴｉ同様にオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する効果があり、０．０２％未満ではその効果が得られず、０．１０％を超えて含有させると析出物の量が過剰となり加工性を低下させる。Ｖ：０．０２〜０．１０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１０％のうち１種または２種を材料の用途に応じて適宜使用しても良い。

　以上に説明した通り、本発明の鋼は、Ｔｉを０．１％超〜０．２％添加することにより、結晶粒の粗大化を抑制し、さらにＳｉを０．０９％以下とすることにより、ガス浸炭時の粒界酸化を抑制して初期欠陥を小さくし、疲労限度を向上させ、Ｃｒを１．０４〜２．０％添加することで浸炭層の焼入性を改善し、曲げ強度を向上させ、さらにＭｏ、Ｎｉを選択的に添加することによって焼入性および曲げ強度をさらに向上させ、なお、さらに、Ｖ、Ｎｂを選択的に添加することによって、結晶粒粗大化抑制効果をより高めるという優れた効果を奏するものである。

　表１に示す化学成分組成の供試鋼を１００kg真空溶解炉にて溶製し、熱間鍛造で３２ｍｍφに鍛伸し、焼ならし後、曲げ試験片（カク１０ｍｍ×７０ｍｍＬ、２ｍｍＶノッチ）に加工し、浸炭焼入焼戻処理後、曲げ試験に供した。

　本発明を実施するための最良の形態の鋼組成は、表１の実施例１あるいは実施例２に示すものである。これらの実施例は、炭素含有量がＳ２０Ｃ鋼を基本とする鋼に相当するものであり、実施例１はＢを０．００１９％、Ｔｉを０．１４５％、Ｃｒを１．０５％、Ｍｏを０．１５％、さらにＶを０．０５％を含有するものであり、実施例２はＢを０．００１７％、Ｔｉを０．１４５％、Ｃｒを１．０４％、Ｍｏを０．１５％、さらにＶに代えてＮｂを０．０４％を含有したものである。さらにＡｌはそれぞれの鋼の溶製中に脱酸材として添加されて含有されるものである。

　曲げ試験の試験条件を示す。上記の表１に示す種々の成分組成材を３２ｍｍφ棒鋼に鍛伸し、カク１０ｍｍ×７０ｍｍＬに加工し、９３０℃×６時間で浸炭後８３０℃から６０℃の油中に焼入れ、１８０℃で焼戻した後、曲げ試験を行った。初期亀裂発生荷重の比および破断荷重の比で評価した。

　表１に今回実験に用いた鋼の成分を示す。比較例１はＳ２０Ｃ鋼にＢとＴｉを添加したものである。比較例２は比較例１にＣｒを添加したもの、比較例３は比較例１にＭｏを添加したもの、比較例４は比較例１にＮｉを添加したものである。比較例５は比較例１にＣｒとＭｏを添加したものである。

　これらの比較例に比してＴｉを０．１４５％添加した実施例１または実施例２は、本発明の実施の形態を示す実施例である。

　比較例１の初期亀裂発生荷重および破断荷重をそれぞれ１とし、これに対する初期亀裂発生荷重比および破断荷重比で評価を行い、表２に示した。なお、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉにおいてハッチで示したものは本発明の範囲にあるものである。

　表２に示すように、Ｃｒを添加している比較例２、Ｍｏを添加している比較例３、Ｎｉを添加している比較例４、ＣｒおよびＭｏを添加している比較例５に対し、Ｔｉを０．１４５％を添加し、さらに実施例１はＶを０．０５％を添加し、あるいは実施例２はＮｂを０．０４％添加しており、これらは、それぞれ初期亀裂発生荷重および破断荷重が向上していることがわかる。

　さらに、実施例１あるいは実施例２は比較例に対して浸炭時の結晶粒はいずれも粒度Ｎｏ．で１０．５であり、安定していることが確認された。

Claims (1)

1. 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０３〜０．０９％、Ｍｎ：０．２０〜２．０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ｔｉ：０．１％超〜０．２％、Ｎ：０．０１％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｃｒ：１．０４〜２．０％を含有し、さらにＭｏ：１．５％以下、Ｎｉ：３．０％以下のうち１種または２種を含有し、かつ、Ｖ：０．０２〜０．１０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１０％を１種または２種含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、Ｔｉ炭化物を鋼中に微細分散させたことを特徴とする曲げ強度に優れた肌焼鋼。