JP2005105390A - 高温浸炭用鋼 - Google Patents
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Abstract
【課題】 旧オーステナイト粒径微細化に効果がありかつ浸炭時の混粒発生や異常粒成長の抑制に効果のあるTi炭窒化物ならびに高融点の微細MnSを高温浸炭時のピンニング粒子として活用することにより、高温浸炭時に整細粒を保持した高温浸炭用鋼を提供する。
【解決手段】 質量%で、C:0.07〜0.35%、Si:0.05〜0.60%、Mn:0.05〜0.40%、S:0.05〜0.15%、Cr:0.5〜2.5%、Al:0.005〜0.060%、N:0.003〜0.030%、Ti:0.03〜0.30%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなり、原子%比でMn/S:0.6〜1.4である微細なMnSを主成分とする硫化物系介在物が単位面積当たり5000個/mm2以上存在している高温浸炭用鋼。
【選択図】 なし
【解決手段】 質量%で、C:0.07〜0.35%、Si:0.05〜0.60%、Mn:0.05〜0.40%、S:0.05〜0.15%、Cr:0.5〜2.5%、Al:0.005〜0.060%、N:0.003〜0.030%、Ti:0.03〜0.30%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなり、原子%比でMn/S:0.6〜1.4である微細なMnSを主成分とする硫化物系介在物が単位面積当たり5000個/mm2以上存在している高温浸炭用鋼。
【選択図】 なし
Description
例えば各種産業機械、自動車などの駆動系部品であるギヤやシャフト等。冷間もしくは温・熱間鍛造によって成形し、鍛造まま、もしくは熱処理(焼きならしや焼鈍など)を行った後、切削加工により製品形状に仕上げた後、部品強度向上を目的として表面に浸炭処理を施して使用する機械構造用鋼。
主に自動車のギヤ部品に用いられる機械構造用鋼は、強度や転動疲労特性を向上させるために、多くの場合、表面に浸炭処理を施して製品としている。ところで浸炭処理は920℃程度の比較的高温で行われるため、浸炭時に結晶粒の粗大化や混粒(部分的な異常粒成長による)を発生するという問題がある。近年、浸炭処理時間の短縮による部品コストの削減を目的として、より高温での浸炭処理が検討されている。しかし、その場合には結晶粒粗大化や混粒の問題がさらに顕在化することとなる。そこでTiやNbの炭窒化物、AIN等の微細析出物による結晶粒成長防止効果を利用した浸炭特性に優れた鋼が開発され使用されている。ただし、それでも、なお高温浸炭処理中に微細析出物の基地中へ
の固溶が進行してしまい、結晶粒成長防止に必要な析出物量が不足となり、混粒や異常粒成長を防止しきれていないのが現状となっている。一方、高温浸炭特性を改善するため、Al、Ti、Zrなどの酸化物をMnSの晶析出核として利用し、MnSにより結晶粒成長防止を行う方法が示されている(特許文献1参照)。
の固溶が進行してしまい、結晶粒成長防止に必要な析出物量が不足となり、混粒や異常粒成長を防止しきれていないのが現状となっている。一方、高温浸炭特性を改善するため、Al、Ti、Zrなどの酸化物をMnSの晶析出核として利用し、MnSにより結晶粒成長防止を行う方法が示されている(特許文献1参照)。
なお、出願人の出願に係る先願の「被削性および転動疲労特性に優れた機械構造用鋼」(特許文献2参照)には、Mn/S原子量比を0.6〜1.4に規制して微細にMnSを晶析出させ、微細なMnSを利用して被削性、転動疲労特性を向上させた鋼を提案している。
本発明が解決しようとする課題は、旧オーステナイト粒径微細化に効果がありかつ浸炭時の混粒発生や異常粒成長の抑制に効果のあるTi炭窒化物、ならびに浸炭時の混粒発生や異常粒成長の抑制に効果のある高融点の微細MnSを、高温浸炭時のピンニング粒子として活用することで高温浸炭時に整細粒を保持する優れた浸炭用鋼を提供するものである。
なお、出願人の出願に係る先願の「被削性および転動疲労特性に優れた機械構造用鋼」は、Mn/S原子量比を0.6〜1.4に規制して微細にMnSを晶析出させ、微細なMnSを利用して被削性、転動疲労特性を向上させた鋼であるが、本願の発明は上記のとおり、旧オーステナイト粒径の微細化に効果がありかつ浸炭時の混粒発生や異常粒成長の抑制に効果のあるTi炭窒化物、ならびに浸炭時の混粒発生や異常粒成長の抑制に効果のある高融点の微細MnSを、高温浸炭時のピンニング粒子として活用することにより、高温浸炭時に整細粒を保持することのできる浸炭用鋼であり、上記の先願の発明と発明思想において相違するものである。
発明者らは、Ti添加を特徴とする浸炭用鋼において、Mn、Sの原子%比を1:1前後(Mn/S=0.6〜1.4)に調整し、微細なMnSを主成分とする硫化物系介在物を5000個/mm2以上を均一分散させる。このために、質量%で、Sを0.05〜0.15%(望ましくは0.07〜0.12%)とし、Mn量をS量に準じて増減した。まず、Tiを0.03〜0.30%を添加することにより、熱間加工後あるいは焼きならし処理後の冷却中に微細なTi炭窒化物を形成し、これが初期オーステナイト結晶粒を微細化する。次いで、950〜1100℃の高温浸炭を行う時には、この微細なTi炭窒化物とともに微細MnSをピンニング粒子として活用することで結晶粒粗大化を抑制し、整細粒を保持可能な高温浸炭用鋼が得られる。
すなわち、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:0.07〜0.35%、Si:0.05〜0.60%、Mn:0.05〜0.40%、S:0.05〜0.15%、Cr:0.5〜2.5%、Al:0.005〜0.060%、N:0.003〜0.030%、Ti:0.03〜0.30%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなり、原子%比でMn/S:0.6〜1.4である微細なMnSを主成分とする硫化物系介在物が単位面積当たり5000個/mm2以上存在していることを特徴とする高温浸炭用鋼である。
請求項2の発明では、請求項1の手段の成分に、さらに、質量%で、Ni:0.1〜2.5%、Mo:0.05〜1.0%、Nb:0.01〜0.3%、B:0.0003〜0.005%から選択した1種または2種以上を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなり、原子%比でMn/S:0.6〜1.4である微細なMnSを主成分とする硫化物系介在物が単位面積当たり5000個/mm2以上存在していることを特徴とする高温浸炭用鋼である。
請求項3の発明では、請求項1の手段の成分に、さらに、質量%で、Ca:0.0005〜0.010%、Mg:0.0005〜0.010%、Pb:0.005〜0.15%、Bi:0.005〜0.15%から選択した1種または2種以上を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなり、原子%比でMn/S:0.6〜1.4である微細なMnSを主成分とする硫化物系介在物が単位面積当たり5000個/mm2以上存在していることを特徴とする高温浸炭用鋼である。
請求項4の発明では、請求項2の手段の成分に、さらに、質量%で、Ca:0.0005〜0.010%、Mg:0.0005〜0.010%、Pb:0.005〜0.15%、Bi:0.005〜0.15%から選択した1種または2種以上を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなり、原子%比でMn/S:0.6〜1.4である微細なMnSを主成分とする硫化物系介在物が単位面積当たり5000個/mm2以上存在していることを特徴とする高温浸炭用鋼である。
上記の各手段における鋼成分の限定理由を説明する。なお、%は質量%である。
C:0.07〜0.35%
Cは、強度確保に必要な元素であり、0.07%未満ではその効果は十分でなく、0.35%を超えると被削性を阻害する。そこでCは0.07〜0.35%とする。
Cは、強度確保に必要な元素であり、0.07%未満ではその効果は十分でなく、0.35%を超えると被削性を阻害する。そこでCは0.07〜0.35%とする。
Si:0.05〜0.60%
Siは、脱酸剤として必要な元素であり、0.05%未満ではその効果は十分でなく、0.60%を超えると被削性阻害し、かつ、浸炭時に粒界酸化層を増加させることにより、衝撃値、疲労強度の低下を招く。そこでSiは0.05〜0.60%とする。
Siは、脱酸剤として必要な元素であり、0.05%未満ではその効果は十分でなく、0.60%を超えると被削性阻害し、かつ、浸炭時に粒界酸化層を増加させることにより、衝撃値、疲労強度の低下を招く。そこでSiは0.05〜0.60%とする。
Mn:0.05〜0.40%
Mnは、粒界脆化させるFeSの生成を抑制するために必要な元素であり、0.05%未満ではその効果は十分でなく、0.40%を超えると切削性を低下する。そこでMnは0.05〜0.40%とする。
Mnは、粒界脆化させるFeSの生成を抑制するために必要な元素であり、0.05%未満ではその効果は十分でなく、0.40%を超えると切削性を低下する。そこでMnは0.05〜0.40%とする。
Cr:0.5〜2.5%
Crは、焼入性向上に必要な元素であるが、0.5%未満ではその効果は十分でなく、2.5%を超えるとコストの上昇を招く。そこでCrは0.5〜2.5%とする。
Crは、焼入性向上に必要な元素であるが、0.5%未満ではその効果は十分でなく、2.5%を超えるとコストの上昇を招く。そこでCrは0.5〜2.5%とする。
Al:0.005〜0.060%
Alは、脱酸剤として必要な元素であり、さらにまたAlNを生成して結晶粒粗大化を抑制する効果がある。0.005%以下では、その効果が十分ではなく、0.060%を超えると、結晶粒粗大化抑制効果が飽和する。そこでAlは0.005〜0.060%とする。
Alは、脱酸剤として必要な元素であり、さらにまたAlNを生成して結晶粒粗大化を抑制する効果がある。0.005%以下では、その効果が十分ではなく、0.060%を超えると、結晶粒粗大化抑制効果が飽和する。そこでAlは0.005〜0.060%とする。
N:30〜300ppm
Nは、結晶粒粗大化抑制に効果を有するAlNの形成に必要な元素であり、30ppm未満ではその効果は十分でなく、300ppmを超えるとその効果が飽和する。そこでN:30〜300ppmとする。
Nは、結晶粒粗大化抑制に効果を有するAlNの形成に必要な元素であり、30ppm未満ではその効果は十分でなく、300ppmを超えるとその効果が飽和する。そこでN:30〜300ppmとする。
Ti:0.03〜0.30%
Tiは、Ti炭窒化物により旧オーステナイト粒径を微細化し、強度を高める元素であるが、0.03%未満では、その効果は十分でなく、0.30%を超えると結晶粒微細化効果が飽和するのみならず、切削性の低下を招く。そこでTiは0.03〜0.30%とする。
Tiは、Ti炭窒化物により旧オーステナイト粒径を微細化し、強度を高める元素であるが、0.03%未満では、その効果は十分でなく、0.30%を超えると結晶粒微細化効果が飽和するのみならず、切削性の低下を招く。そこでTiは0.03〜0.30%とする。
S:0.05〜0.15%、望ましくは0.07〜0.12%
Sは、Mn/Sを原子%比で0.6〜1.4に規制するために、0.05%未満では不十分であり、0.1%を超えると大型のMnSの生成を抑制できず、衝撃異方性が劣化し、冷鍛性が低下する。そこでMnは0.05〜0.40%とし、望ましくは0.07〜0.12%とする。
Sは、Mn/Sを原子%比で0.6〜1.4に規制するために、0.05%未満では不十分であり、0.1%を超えると大型のMnSの生成を抑制できず、衝撃異方性が劣化し、冷鍛性が低下する。そこでMnは0.05〜0.40%とし、望ましくは0.07〜0.12%とする。
Mn/S:原子%比で0.6〜1.4%、望ましくは0.8〜1.2%
Mn/Sは、原子%比で0.6未満では、FeS生成による熱間脆性が大きくなる。一方、1.4を超えると、大型MnS生成によって機械的性質および冷鍛性を低下する。そこでMn/Sは原子%比で0.6〜1.4、望ましくは0.8〜1.2とする。
Mn/Sは、原子%比で0.6未満では、FeS生成による熱間脆性が大きくなる。一方、1.4を超えると、大型MnS生成によって機械的性質および冷鍛性を低下する。そこでMn/Sは原子%比で0.6〜1.4、望ましくは0.8〜1.2とする。
SおよびMn/Sを以上に記載したように規定することにより、大型のMnSの晶出を抑制し、1μm程度の非常に微細なMnSが多数分散することとなる。従って、本発明の鋼材を、高温で浸炭処理を行う際には、この微細なMnSが微細Ti炭窒化物と共に結晶粒をピンニングすることにより、異常粒成長を防止して整細粒を保つことができる。
Ni:0.1〜2.5%
Niは、焼入性向上による強度向上および靭性確保に必要な元素であるが、0.1%未満ではその効果は十分でなく、2.5%を超えるとコストを上昇し、かつ、切削性を低下する。そこでNiは0.1〜2.5%とする。
Niは、焼入性向上による強度向上および靭性確保に必要な元素であるが、0.1%未満ではその効果は十分でなく、2.5%を超えるとコストを上昇し、かつ、切削性を低下する。そこでNiは0.1〜2.5%とする。
Mo:0.05〜1.0%
Moは、焼入れ性向上および靱性向上に必要な元素であるが、0.5%未満ではそれらの効果は十分でなく、1.0%を超えるとコストが上昇し、かつ、切削性を低下する。そこでMoは0.05〜1.0%とする。
Moは、焼入れ性向上および靱性向上に必要な元素であるが、0.5%未満ではそれらの効果は十分でなく、1.0%を超えるとコストが上昇し、かつ、切削性を低下する。そこでMoは0.05〜1.0%とする。
Nb:0.01〜0.3%
Nbは、Nb炭窒化物による旧オーステナイト粒微細化し強度向上させるために必要な元素であるが、0.01%未満ではそれらの効果は十分でなく、0.3%を超えるとコストが上昇し、かつ、切削性を損なう粗大なNbCの析出が抑制出来なくなる。そこでNbは0.01〜0.3%とする。
Nbは、Nb炭窒化物による旧オーステナイト粒微細化し強度向上させるために必要な元素であるが、0.01%未満ではそれらの効果は十分でなく、0.3%を超えるとコストが上昇し、かつ、切削性を損なう粗大なNbCの析出が抑制出来なくなる。そこでNbは0.01〜0.3%とする。
B:0.0003〜0.005%
Bは、焼入性の確保と粒界強化による強度向上に必要な元素であるが、0.0003%未満ではその効果は十分でなく、0.005%を超えてもその効果は飽和する。そこでBは0.0003〜0.005%とする。
Bは、焼入性の確保と粒界強化による強度向上に必要な元素であるが、0.0003%未満ではその効果は十分でなく、0.005%を超えてもその効果は飽和する。そこでBは0.0003〜0.005%とする。
なお、上記のNi、Mo、Nb、Bは選択成分として1種又は2種以上を添加することができる。
Ca:0.0005〜0.010%
Caは、旋削加工性を向上して工具を保護する元素であるが、0.0005%未満ではその効果は十分でなく、0.010%を超えるとコストが上昇し、また効果は飽和する。そこでCaは0.0005〜0.010%とする。
Caは、旋削加工性を向上して工具を保護する元素であるが、0.0005%未満ではその効果は十分でなく、0.010%を超えるとコストが上昇し、また効果は飽和する。そこでCaは0.0005〜0.010%とする。
Mg:0.0005〜0.010%
Mgは、旋削加工性を向上して工具を保護する元素であるが、0.0005%未満ではその効果は十分でなく、0.010%を超えるとコストが上昇し、また効果は飽和する。そこでMgは0.0005〜0.010%とする。
Mgは、旋削加工性を向上して工具を保護する元素であるが、0.0005%未満ではその効果は十分でなく、0.010%を超えるとコストが上昇し、また効果は飽和する。そこでMgは0.0005〜0.010%とする。
Pb:0.005〜0.15%
Pbは、切削性を確保するために必要な元素であるが、0.005%未満ではその効果は十分でなく、0.15%を超えると熱間加工性が低下する。そこでPbは0.005〜0.15%とする。
Pbは、切削性を確保するために必要な元素であるが、0.005%未満ではその効果は十分でなく、0.15%を超えると熱間加工性が低下する。そこでPbは0.005〜0.15%とする。
Bi:0.005〜0.15%
Biは、切削性を確保するために必要な元素であるが、0.005%未満ではその効果は十分でなく、0.15%を超えると熱間加工性が低下する。そこでBiは0.005〜0.15%とする。
Biは、切削性を確保するために必要な元素であるが、0.005%未満ではその効果は十分でなく、0.15%を超えると熱間加工性が低下する。そこでBiは0.005〜0.15%とする。
なお、上記のCa、Mg、Pb、Biは選択成分として1種又は2種以上を添加することができる。
本願の発明の高温浸炭用鋼は、旧オーステナイト粒径微細化に効果がありかつ浸炭時の混粒発生や異常粒成長の抑制に効果のあるTi炭窒化物、ならびに浸炭時の混粒発生や異常粒成長の抑制に効果のある高融点の微細MnSを、高温浸炭時のピンニング粒子として活用することにより、高温浸炭時に整細粒を保持するものであり、従来にない優れた浸炭粒度特性と強度特性と冷間および熱間加工特性を有する。
本発明を実施するための最良の形態を実施例を通じて説明する。本発明の実施の形態の各請求項に係る発明の高温浸炭用鋼の実施の形態の成分組成とその比較鋼の成分組成を表1に示す。
表1に示す各成分組成の鋼を、100kg真空誘導加熱炉で溶解し、インゴットに鋳造し、1200℃に加熱した後、(1)φ20mmの棒材、(2)45mm×65mmの角材、(3)φ65mmの棒材の3種の鋼材に圧鍛し、これらの鋼材を900℃で3600秒間保持した後、空冷する焼きならし処理を実施して下記の試験の供試材とした。
ア)上記の焼きならし処理をしたφ20mmの棒材を780℃にて球状化焼鈍し、冷間加工により50%据え込みを行った。次いで、950℃、1000℃、1050℃、1100℃の各温度で3600秒保持した後、水冷する熱処理を実施し、混粒もしくは異常粒成長の発生状況を調査した。その結果を表4に示す。
イ)上記の焼きならし処理をした、φ65mmの棒材を、φ60mmに旋削加工し、これを用いて表2に示すハイス工具による旋削加工試験および表3に示す超硬工具による旋削加工試験を行い、その結果を表4に示す。
ウ)上記の焼きならし処理をした、45mm×65mmの角材から圧鍛方向に垂直な方向(以下、「T方向」という)から切欠形状10RCノッチのシャルピー衝撃性試験片を割り出し、次いで浸炭処理(1100℃で1400秒間保持した後、870℃まで徐冷し、その後油冷)を行い、切欠き部浸炭ままのシャルピー衝撃性試験片を作製した。強度評価指標として10RCノッチのシャルピー衝撃性試験片を用いて室温でのT方向衝撃値を測定した。その結果を表4に示す。
エ)上記の焼きならし処理をした、φ20mm×長さ110mmの棒材をφ12mmに旋削加工し、次いで切欠き部加工をした後、浸炭処理(1100℃で1400秒間保持した後、870℃まで徐冷し、その後油冷)を実施した。次いで、切欠き部浸炭ままで試験片研磨して切り欠き回転曲げ試験を行った。疲労特性評価指標として、切り欠き回転曲げ疲労試験における破断サイクル数1×107サイクル時の応力値を疲労限として評価し、表4に示す。
オ)上記の焼きならし処理をしたφ20mmの棒材を、780℃で球状化焼鈍し、φ14mmに旋削加工し、φ14mm×長さ21mmの冷間据込み試験片を作製した。冷間加工性の指標として、常温で割れ発生までの限界据込み率を測定した。その結果を表4に示す。
カ)上記の焼きならし処理をしたφ20mm×長さ110mm棒材をφ8mmに旋削し、φ8mm×長さ100mmの熱間加工性試験片とし、これを800℃で引張加工し、その際の絞り値{=100%−(破断面の断面積/初期断面積)×100}から熱間加工性を評価した。
比較鋼8、9はTiは、不可避不純物として含有されているのみで微細MnSも無く、さらに比較鋼12、13も、微細MnSが無く、このため混粒が発生している。
比較鋼10、11は、Tiを添加し、微細MnSも存在するが、Sが下限以下の添加であるためMnSの分布量が少なく、高温浸炭時に混粒を発生した。
また、比較鋼8〜13は、MnSの分布量が不足し、さらに比較鋼10、11はSの含有量が本願の下限値より少なく、被削性に劣る。さらに比較鋼11はNbが本願の上限値より多く、このため被削性を阻害する粗大なNbCが多く存在するので特に被削性に劣る。
さらに比較鋼8〜13は高温浸炭によって粒粗大化が発生しており、衝撃値、疲労限強度とも発明鋼に若干劣っている。
比較鋼9は、Siの含有量が本願の上限値より多いため、浸炭時の粒界酸化層が増加し衝撃値、疲労限強度ともに劣っている。
比較鋼8、9、12、13は晶出した大型MnSが多く存在しており、冷間加工性に劣る。
比較鋼13は、Pbの含有量が本願の上限値より多いため、ハイス工具摩耗量が良好であるが、熱間加工性に劣っている。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.07〜0.35%、Si:0.05〜0.60%、Mn:0.05〜0.40%、S:0.05〜0.15%、Cr:0.5〜2.5%、Al:0.005〜0.060%、N:0.003〜0.030%、Ti:0.03〜0.30%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなり、原子%比でMn/S:0.6〜1.4である微細なMnSを主成分とする硫化物系介在物が単位面積当たり5000個/mm2以上存在していることを特徴とする高温浸炭用鋼。
- 請求項1に記載の成分に、さらに、質量%で、Ni:0.1〜2.5%、Mo:0.05〜1.0%、Nb:0.01〜0.3%、B:0.0003〜0.005%から選択した1種または2種以上を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなり、原子%比でMn/S:0.6〜1.4である微細なMnSを主成分とする硫化物系介在物が単位面積当たり5000個/mm2以上存在していることを特徴とする高温浸炭用鋼。
- 請求項1に記載の成分に、さらに、質量%で、Ca:0.0005〜0.010%、Mg:0.0005〜0.010%、Pb:0.005〜0.15%、Bi:0.005〜0.15%から選択した1種または2種以上を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなり、原子%比でMn/S:0.6〜1.4である微細なMnSを主成分とする硫化物系介在物が単位面積当たり5000個/mm2以上存在していることを特徴とする高温浸炭用鋼。
- 請求項2に記載の成分に、さらに、質量%で、Ca:0.0005〜0.010%、Mg:0.0005〜0.010%、Pb:0.005〜0.15%、Bi:0.005〜0.15%から選択した1種または2種以上を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなり、原子%比でMn/S:0.6〜1.4である微細なMnSを主成分とする硫化物系介在物が単位面積当たり5000個/mm2以上存在していることを特徴とする高温浸炭用鋼。
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