JP2009030089A - 粒径粗大化防止特性に優れた浸炭部品用鋼と浸炭部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 連続鋳造により鋼片を製造する際に表面疵を生じることがなく、粒径粗大化防止特性に優れた浸炭部品用鋼、更に、その浸炭部品用鋼を素材とし、靭性など特性に優れた浸炭部品の製造方法を提供する。
【解決する手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４０％、Ｓ：０．００５〜０．１００％を含有し、Ｐ：０．０２５％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．０２０％以下に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｍｎの含有量とＳの含有量とが、（Ｍｎ／５５）／（Ｓ／３２）：１．５〜１５．０を満足すること特徴とする粒径粗大化防止特性に優れた浸炭部品用鋼。
【選択図】 図２

Description

本発明は、浸炭時の粒径の粗大化や、粗大粒の発生を抑制した、粒径粗大化防止特性に優れた浸炭部品用鋼と、その浸炭部品用鋼を素材とする浸炭部品の製造方法に関するものである。

歯車、軸受部品、転動部品、シャフト、等速ジョイント部品は、通常、例えばＪＩＳ Ｇ ４０５２、ＪＩＳ Ｇ ４１０４、ＪＩＳ Ｇ ４１０５、ＪＩＳ Ｇ ４１０６などに規定されている中炭素の機械構造用合金鋼を使用し、熱間鍛造、冷間鍛造、転造、切削により所定の形状に加工された後、浸炭処理などの熱処理を施して製造される。

冷間鍛造は、熱間鍛造と比較して、製造コストが低く、また、製品の表面肌、寸法精度も良好である。そのため、熱間鍛造で製造されていた部品のうち、冷間鍛造後、浸炭して製造される浸炭部品が増加している。鋼材を成形後、特に冷間鍛造後、浸炭して浸炭部品を製造する際の大きな課題として、熱処理歪みの低減が挙げられる。

熱処理歪みは、成形後、例えば冷間鍛造を施した後、熱処理時に生じる部品の変形の総称である。例えば、冷間鍛造で成形したシャフトを浸炭処理する場合、高温に加熱して焼入れを行った際に偏心すると、シャフトとしての機能が損なわれてしまう。また、歯車や等速ジョイント部品では、浸炭処理による熱処理歪みが大きければ、騒音や振動の原因となる。

このような浸炭処理における熱処理歪みの最大の原因は、加熱時に発生する粗大粒である。そのため、従来は、例えば、鋼材を冷間鍛造した後、浸炭処理を施す前に焼鈍を行い、粗大粒の発生を抑制していた。しかし、近年、製造コストの削減を目的として、焼鈍が省略されるようになり、浸炭時に粗大粒を生じない鋼材が要求されている。

また、歯車、軸受部品、転動部品のなどの高面圧が負荷される部品は、耐摩耗性を向上させるために浸炭層を深くすることが必要であり、高深度浸炭が行われるようになっている。しかし、通常の浸炭温度である９３０℃程度で高深度浸炭を行うと、十数時間から数十時間という長時間を要する。浸炭時間を短縮するには、浸炭温度の高温化が有効であるが、１０００℃以上の温度域で、いわゆる高温浸炭を行った場合、部品が変形して必要な疲労特性、転動疲労特性等が得られなくなるという問題がある。この原因も、浸炭処理を高温で行った際に発生する粗大粒である。

以上のことから、冷間鍛造後に浸炭処理を行う場合や、高温浸炭を行う場合でも粗大粒が発生しない浸炭部品用鋼、浸炭部品の製造方法が要求されている。このような問題に対して、微細なＭｎＳを分散させて、粒成長を抑制する、いわゆるピンニング効果を発現するピン止め粒子として活用し、粗大粒の生成を防止した肌焼鋼が提案されている（例えば、特許文献１〜３）。

しかしながら、この肌焼鋼は、快削性を向上させるためにＳ量を多く含有させると、連続鋳造により鋼片を製造する際に表面疵を生じることがあった。また、浸炭温度の高温化や、靭性の向上などのために、更に優れた粗大粒防止特性が要求されている。

特開２００４−６８０６６号公報 特開２００４−３３２０１１号公報 特開２００５−１０５３９０号公報

本発明は、連続鋳造により鋼片を製造する際に表面疵を生じることがなく、浸炭時の粒径の粗大化、粗大粒の発生を抑制した、粒径粗大化防止特性に優れた浸炭部品用鋼、更に、その浸炭部品用鋼を素材とし、靭性など特性に優れた浸炭部品の製造方法の提供を目的とするものである。

本発明は、微細析出させたＭｎを主体とする硫化物の生成が、粗大粒防止特性の向上に有効であり、また、連続鋳造時の表面疵の発生の抑制や、靭性の向上には、ＭｎとＳのモル比、（Ｍｎ／５５）／（Ｓ／３２）を適正な範囲に制御することが有効であるという知見に基づいてなされたものであり、その要旨は、以下のとおりである。

（１） 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４０％、Ｓ：０．００５〜０．１００％を含有し、Ｐ：０．０２５％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．０２０％以下に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｍｎの含有量とＳの含有量とが、
（Ｍｎ／５５）／（Ｓ／３２）：１．５〜１５．０
を満足すること特徴とする粒径粗大化防止特性に優れた浸炭部品用鋼。

（２） １２２５℃におけるＭｎＳの平衡モル分率と、１０１０℃におけるＭｎＳの平衡モル分率との差が、０．０１００ｍｏｌ％以上であることを特徴とする上記（１）に記載の粒径粗大化防止特性に優れた浸炭部品用鋼。

（３） 質量％で、Ｖ：０．０５〜０．２０％、Ｔｉ：０．００５〜０．２００％、Ｎｂ：０．０１〜０．０６％のうち１種又は２種以上を含有することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の粒径粗大化防止特性に優れた浸炭部品用鋼。

（４） 質量％で、Ｃｒ：３．０％以下、Ｍｏ：０．５０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｕ：３．０％以下、Ｂ：０．００２０％以下のうち１種又は２種以上を含有することを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の粒径粗大化防止特性に優れた浸炭部品用鋼。

（５） 上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の粒径粗大化防止特性に優れた浸炭部品用鋼を、１１５０〜１３００℃の範囲内で加熱し、熱間加工を施して冷却し、熱間加工の加熱温度におけるＭｎＳの平衡モル分率と、浸炭処理温度における平衡ＭｎＳのモル分率との差が０．０１００ｍｏｌ％以上となるように、９５０℃超から１１３０℃以下までの温度域で浸炭処理を行うことを特徴とする浸炭部品の製造方法。

（６）熱間加工後、冷間加工によって成形し、浸炭処理を行うことを特徴とする上記（５）に記載の浸炭部品の製造方法。

（７）熱間加工後、球状化焼鈍を施して冷間加工によって成形し、浸炭処理を行うことを特徴とする上記（５）に記載の浸炭部品の製造方法。

（８）熱間加工によって成形し、浸炭処理を行うことを特徴とする上記（５）に記載の浸炭部品の製造方法。

本発明によれば、連続鋳造により鋼片を製造する際に表面疵を生じることがない、浸炭時の粒径の粗大化、粗大粒の発生を抑制した、粒径粗大化防止特性に優れた浸炭部品用鋼、更に、その浸炭部品用鋼を素材とし、靭性など特性に優れた浸炭部品の製造方法の提供が可能になり、鋼の合金コストの削減による低コスト化、浸炭温度の高温化による浸炭処理の効率化など、産業上の貢献が極めて顕著である。

本発明者は、浸炭部品用鋼を浸炭処理する際に、結晶粒の粗大化の防止に作用するピン止め粒子として、ＭｎＳを利用する方法を検討した。その結果、次のような知見を得た。
（ａ）ピン止め粒子として有効に作用するＭｎＳは、熱間圧延、熱間鍛造などの熱間加工の加熱時に溶解して鋼中に固溶したＭｎ及びＳが、熱間加工後、浸炭処理時に再析出したものである。
（ｂ）一方、鋼中に液相で晶出した粗大なＭｎＳや、鋳造時に固相で析出したＭｎＳのうち、加熱時に溶解せずに残存したものは粗大であり、ピン止め粒子としては有効ではない。

図１は、浸炭処理時のピン止め粒子として作用するＭｎＳの析出挙動を模式的に示したものであり、横軸は温度、縦軸はＭｎＳのモル分率である。図１の平衡析出曲線１よりも下の領域ではＭｎＳが生成し、鋼の融点２以上ではＭｎＳは晶出し、融点２未満ではＭｎＳは析出する。即ち、図１の融点２と平衡曲線１の交点以下のＭｎＳモル分率は晶出ＭｎＳ量である。また、領域５は、凝固後、浸炭処理までの工程を行った後、鋼中に析出しているＭｎＳの合計量（析出ＭｎＳ量）である。

鋳造後、熱間加工を行う際、例えば熱間圧延時に、図１の熱間加工加熱温度３に加熱されると、熱間加工加熱温度３と平衡析出曲線１の交点と、鋼の融点２と平衡析出曲線１の交点の間のＭｎＳが析出し、熱間加工加熱温度３と平衡析出曲線１の交点よりも過剰なＭｎＳは固溶する。その後、熱間加工を行い、冷却し、更に、浸炭温度４に加熱すると、浸炭温度４と平衡析出曲線１の交点と、熱間加工加熱温度３と平衡析出曲線１の交点との間のＭｎＳ、即ち、再析出するＭｎＳのモル分率６に相当する量のＭｎＳ（再析出ＭｎＳ量）が微細に分散する。この再析出するＭｎＳは、浸炭時にピン止め粒子として作用する微細なＭｎＳである。

鋼中に再析出したＭｎＳは、高倍率の電子顕微鏡を使用すれば、観察することができる。しかし、再析出したＭｎＳは極めて微細であり、粒径、密度を、高倍率の電子顕微鏡を用いた直接的なミクロ観察によって精度良く評価し、信頼性を確保するには、多大なデータの蓄積が要求される。

そのため、簡易な代替方法として、熱力学平衡計算によって、再析出ＭｎＳ量を推定することができる。具体的には、熱力学平衡計算ソフトウェアであるサーモカルク（登録商標）により、熱力学データベースＴＣＦＥ２を用いて、所定の成分を入力し、鉄の相、即ち、面心立方晶（ＦＣＣ）、体心立方晶（ＢＣＣ）、セメンタイト（Ｃｅｍｅｎｔｉｔｅ）、液相（Ｌｉｑｕｉｄ）に加えて、ＭｎＳ相を選択して浸炭処理温度及び熱間加工加熱温度での平衡計算を実施する方法である。この方法によれば、浸炭処理温度及び熱間加工加熱温度でのＭｎＳの平衡モル分率をそれぞれ計算し、熱間加工の加熱温度でのＭｎＳ平衡モル分率と浸炭処理温度でのＭｎＳの平衡モル分率との差として再析出ＭｎＳ量を求めることができる。

図２に、Ｍｎ量、Ｍｎ／Ｓモル比率と、熱力学平衡計算によって評価した再析出ＭｎＳ量との関係を示す。図２の縦軸の再析出ＭｎＳ量は、成分組成と、仮想の熱間加工の加熱温度及び浸炭処理温度から平衡熱力学計算によって求めた、熱間加工の加熱温度におけるＭｎＳの平衡モル分率と浸炭処理温度におけるＭｎＳの平衡モル分率の差である。図２の横軸は、ＭｎとＳの量の比をモル比率で示したものであるが、これはＭｎとＳの含有量により、（Ｍｎ／５５）／（Ｓ／３２）として求めることができる。

なお、熱力学平衡計算は、仮想の熱間加工の加熱温度を代表的な温度である１２２５℃とし、仮想の浸炭処理温度を通常よりも高温である１０１０℃として行った。また、成分組成は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４０％、Ｓ：０．００５〜０．１００％、Ｐ：０．０２５％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．０２０％以下の範囲とした。

図２に示したように、再析出ＭｎＳ量は、Ｍｎ／Ｓモル比率及びＭｎ量の増加とともに減少する。これは、Ｍｎ／Ｓモル比率及びＭｎ量が多いと、ＭｎＳが安定になり、熱間加工の加熱時にＭｎＳが固溶し難くなるためである。図２に示したように再析出ＭｎＳ量を確保するには、Ｍｎ量の上限を０．４％以下とし、更に、Ｍｎ／Ｓモル比率の上限を１５．０以下にすることが必要である。

更に、本発明者は、再析出ＭｎＳ量の確保による浸炭処理時の粒粗大化抑制効果について検討を行った。まず、種々の成分組成を有する鋼を溶製し、円柱形状の鋼片とし、１２２５℃に加熱し、熱間鍛造を施し、円柱形状に成形した。なお、熱間鍛造は９００〜１０００℃の範囲内で鍛錬比を５０％として行った。また、円柱形状の鋼片を１２２５℃に加熱し、熱間圧延後、冷却し、一部の鋼材には球状化処理を施し、残りの鋼材はそのまま、室温で鍛錬比を５０％として冷間鍛造を行い、円柱形状に成形した。ここで、鍛錬比は、成形前の鋼材の高さと成形後の部材の高さとの差を成形前の鋼材の高さで除した値を、百分率として表した数値である。

次に、熱間鍛造及び冷間鍛造によって得られた円柱形状の部材を、浸炭処理を想定して９００〜１１００℃に加熱し、急冷した。その後、円柱長手方向の断面を観察面として、試料を採取し、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に準拠して、旧オーステナイト結晶粒界を現出させた。光学顕微鏡により、部材の特に中心部と角部を、５０〜２００倍で観察し、最大のオーステナイト粒径を測定し、粗大粒が観察される温度を限界浸炭処理温度とした。また、成分組成から、熱間加工の代表的な加熱温度である１２２５℃と、通常よりも高温の浸炭温度である１０１０℃におけるＭｎＳの平衡モル分率を平衡熱力学計算によって求めた。

図３は、１２２５℃におけるＭｎＳの平衡モル分率と、１０１０℃におけるＭｎＳの平衡モル分率との差、即ち、析出ＭｎＳ量に対して、限界浸炭温度を示したものである。図３において、○は熱間圧延後、更に冷間鍛造したもの、△は熱間鍛造まま、□は熱間圧延後、球状化処理を施して冷間鍛造したものである。図３に示したように、１２２５℃におけるＭｎＳモル分率と、１０１０℃におけるＭｎＳモル分率の差が、０．０１００％以上になると、限界浸炭温度が１０００℃以上になる。したがって、１２２５℃におけるＭｎＳモル分率と、１０１０℃におけるＭｎＳモル分率の差を、０．０１００％以上にすることが好ましい。

更に、本発明の浸炭部品用鋼を素材として、浸炭部品を製造する場合、素材の製造における熱間加工の加熱温度と、浸炭処理の温度の条件を、ＭｎＳのモル分率に応じて決定することが好ましい。これは、以下の検討によって得られた知見に基づくものである。

質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４０％、Ｓ：０．００５〜０．１００％を含有し、Ｐ：０．０２５％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．０２０％以下に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる、種々の成分組成を有する鋼を溶製し、加熱温度を変化させて熱間鍛造を行った。また、同様の成分組成を有する鋼材に、加熱温度を変化させて熱間圧延を施して冷却し、一部の鋼材には、必要に応じて球状化処理を施した後、冷間鍛造を行った。熱間鍛造は９００〜１０００℃の範囲内で鍛錬比を５０％として行い、冷間鍛造は室温で５０％の鍛錬比で行った。得られた部材に、浸炭処理を想定し、９００〜１１００℃に加熱して急冷する熱処理を施した。

熱処理後、光学顕微鏡を用いて旧オーステナイト粒径を測定し、限界浸炭処理温度を求めた。また、成分組成から、熱間圧延又は熱間鍛造の加熱温度と、限界浸炭処理温度におけるＭｎＳの平衡モル分率を平衡熱力学計算によって求めた。

図４は、熱間加工加熱温度におけるＭｎＳの平衡モル分率と、限界浸炭処理温度におけるＭｎＳの平衡モル分率の差に対して、限界浸炭温度を示したものであり、●は熱間圧延後、更に冷間鍛造したもの、▲は熱間鍛造まま、■は熱間圧延後、球状化処理を施して冷間鍛造したものである。図４に示したように、熱間加工加熱温度におけるＭｎＳの平衡モル分率と、浸炭処理温度におけるＭｎＳの平衡モル分率の差が、０．０１００％以上になると、限界浸炭温度が１０００℃以上になることがわかる。

以下、本発明について詳細に説明する。

まず、本発明において、圧延に供する鋼片の化学成分を限定した理由について説明する。なお、％は、質量％を意味する。

Ｃは、鋼の強度を上昇させる元素であり、浸炭部品に要求される引張強さを確保するため、０．１０％以上を添加することが必要である。一方、Ｃを過剰に添加すると硬さが上昇し、０．４０％を超えると加工性が劣化し、浸炭部品の靭性が劣化する。したがって、Ｃの含有量は、０．１０〜０．４０％の範囲内にすることが必要である。

Ｓｉは、鋼の脱酸剤として使用される元素であり、本発明では、鋼の強度の上昇、焼入れ性の向上、更には焼戻し軟化抵抗の向上に有効な元素である。本発明の浸炭部品用鋼に要求される特性を得るには、Ｓｉを０．０５％以上添加することが必要である。また、Ｓｉは粒界強化の増加に有効な元素であり、更に、例えば、軸受部品、転動部品においては、転動疲労過程での組織変化、材質劣化の抑制による高寿命化に有効な元素である。この効果を有効に活用するには、Ｓｉ量の下限を０．２０％以上にすることが好ましい。

一方、Ｓｉ量が１．００％を超えると硬さの上昇を招き、加工性が劣化するため、上限を１．００％とすることが必要である。また、Ｓｉは、浸炭時の内部酸化を助長する元素であり、内部酸化によって生成したＳｉの酸化物が疲労き裂の起点となることがあるため、上限を０．５０％以下にすることが好ましい。

Ｍｎは、微細に析出するＭｎＳによる結晶粒のピン止め効果を得るために、本発明において極めて重要な元素である。本発明者は、Ｍｎ量を低減させると、ＭｎＳが分解して鋼中に固溶する温度、即ちＭｎＳの溶体化温度が低下することを見出した。熱間加工の加熱時にＭｎＳの固溶を促進させ、微細なＭｎＳを析出させるためには、上限を０．４０％以下とすることが必要である。また、Ｍｎは、ＭｎＳの生成挙動に大きく影響する元素であり、溶鋼中でのＭｎＳの晶出による粗大なＭｎＳの残存に起因する靭性の低下を防止するためには、上限を０．２５％以下とすることが好ましい。一方、Ｍｎは、ＭｎＳを生成してＳを固定する元素であり、ＭｎＳの生成量を確保し、鋳造疵の発生を抑制するには、０．０５％以上添加することが必要である。

Ｓも、ＭｎＳの析出に関与し、本発明において極めて重要な元素である。本発明者は、ＭｎＳの析出量がＭｎ及びＳの濃度に依存するものの、Ｓは、Ｍｎとは異なり、ＭｎＳの溶体化温度には殆ど影響を及ぼさないことを見出した。したがって、結晶粒のピン止めに活用する微細なＭｎＳの再析出量はＳの濃度により調整することが可能である。Ｓ量が０．００５％未満では再析出ＭｎＳ量が不十分である。一方、０．１００％を超えるＳを添加すると、粒界に偏析して、粒界脆化を招く。したがって、Ｓの含有量を０．００５〜０．１００％の範囲内にする必要がある。なお、軸受部品、転動部品においてはＭｎＳが転動疲労寿命を劣化させるため、Ｓの上限を０．０１０％以下にすることが好ましい。

Ｍｎの含有量とＳの含有量から、（Ｍｎ／５５）／（Ｓ／３２）によって計算されるＭｎ／Ｓモル比率は、上述のように、本発明においては極めて重要である。浸炭処理時の再析出ＭｎＳ量を確保するには、（Ｍｎ／５５）／（Ｓ／３２）を１５．０以下にすることが必要である。一方、（Ｍｎ／５５）／（Ｓ／３２）の下限は、Ｓに起因する鋳造疵の発生を防止するため、１．５以上にすることが必要である。

Ｐは、不純物であり、浸炭部品の結晶粒界を脆化させて疲労強度を劣化させるため、０．０２５％以下に制限する必要がある。Ｐは、浸炭部品の靭性等にも悪影響を及ぼすため、０．０１０％以下とすることが好ましい。なお、製鋼コストの観点から許容されるＰの下限値は、通常、０．００１％である。

Ａｌは、脱酸元素であり、介在物の生成を抑制するため、０．０５％を上限として添加する。また、Ａｌ量が０．０３％を超えると、粗大なＡｌＮが析出し、靭性を損なうことがあるため、上限を０．０３％以下にすることが好ましい。一方、Ａｌは、浸炭加熱の際に、ＡｌＮを形成し、浸炭処理時の結晶粒粗大化の抑制に寄与することもあり、０．０１％以上を添加することが好ましい。

Ｎは、不純物であり、鋼を脆化させるため、上限を０．０２０％以下とすることが必要である。また、鋳造、圧延時の割れ、キズの発生を抑制するには、上限を０．１５０％とすることが好ましい。一方、Ｎは、ＡｌＮやＮｂ（ＣＮ）等の析出により、浸炭時の結晶粒粗大化の抑制に寄与することもあり、０．００３％以上を含有させることが好ましい。
次に本発明において選択的に添加する合金元素について説明する。

Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂは、鋼中のＣ、Ｎと炭窒化物を形成し、浸炭時の結晶粒粗大化の抑制に寄与する元素であり、１種又は２種以上を含有させることが好ましい。なお、粒径粗大化防止の効果を得るには、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂを、それぞれ、０．０５％以上、０．００５％以上、０．０１％以上添加することが好ましい。一方、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂの含有量が、それぞれ、０．２０％、０．２００％、０．０６％を超えると、硬さの上昇を招き加工性が劣化することがある。また、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂは、強度の向上にも有効な元素であり、下限を、それぞれ、０．０７％、０．０２０％、０．０２％とすることが更に好ましい。

Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｂは、鋼材の焼入れ性を向上させる元素であり、浸炭部品に必要な強度を確保するために、１種又は２種以上を含有させることが好ましい。

Ｃｒ、Ｍｏは、軸受部品、転動部品として使用される際には、転動疲労過程での組織変化及び材質劣化を抑制し、高寿命化を図るためにも有効な元素である。効果を得るためには、Ｃｒ、Ｍｏを、それぞれ、０．８％以上、０．０５％以上添加することが好ましい。一方、３．０％超のＣｒを添加すると、硬さが上昇し、加工性が劣化することがある。したがって、Ｃｒ量の上限は、３．０％以下にすることが好ましい。なお、Ｃｒ量の好ましい上限は２．５％である。また、Ｍｏは、０．５０％超を含有させても効果が飽和するため、上限を０．５０％以下とすることが好ましい。

Ｎｉ及びＣｕは、靭性の向上にも有効な元素であり、それぞれ、０．４％以上、０．３％以上を添加することが好ましい。一方、１．０％超のＮｉを添加しても効果が飽和する。なお、好ましいＮｉ量の上限は０．９％である。Ｃｕは過剰に添加すると、加熱時に粒界に濃化し、表面性状を劣化させることがあるため、３．０％を上限とすることが好ましい。更に、Ｃｕによる表面性状の劣化を抑制するには、Ｎｉとの複合添加が好ましく、好適範囲はＮｉ濃度の３倍以下である。Ｎｉを添加しない場合は、Ｃｕの含有量を０．６％以下とすることが好ましい。

Ｂは、鋼材の焼入れ性を著しく向上させる元素であり、０．０００５％以上の添加が好ましい。一方、０．００２０％を超えるＢを添加すると、焼入れ性の向上によって靭性が損なわれることがある。なお、Ｂの含有量の好適な範囲は、０．００１０〜０．００１８％である。

次に、本発明の浸炭部品用鋼及び浸炭部品の製造方法について説明する。
常法によって、鋼を溶製、鋳造し、得られた鋼片、鋼塊を熱間加工し、鋼材を得る。この熱間加工は、熱間圧延、熱間鍛造であり、複数回行っても良く、熱間圧延と熱間鍛造を組み合わせても良い。

なお、熱間加工として、複数回の熱間圧延や、熱間圧延と熱間鍛造を組み合わせて行う場合は、浸炭処理の直前に行った熱間加工の加熱温度が極めて重要である。これは、浸炭処理の直前に行った加熱によって固溶し、浸炭処理時に析出した微細なＭｎＳが、粒径の粗大化の防止に大きく寄与するためである。一方、浸炭処理の直前に行った加熱によって固溶しないＭｎＳは粗大化するため、粒界をピンニングする効果が小さい。したがって、本発明の熱間加工の加熱温度は、浸炭処理の直前に行った熱間加工の加熱温度とする。

熱間加工の加熱温度は、ＭｎＳを固溶させ、熱間加工から浸炭処理までに析出するＭｎＳ量を確保するため、１１５０℃以上にすることが必要である。なお、加熱温度が高いほど、析出ＭｎＳ量が増加するため、１２００℃以上に加熱することが好ましい。一方、加熱温度が１３００℃を超えると、３０分以上保持した場合、粒径が粗大化して、熱間加工性が低下する。

また、熱間加工の加熱温度を１１５０℃以上にして、ＭｎＳを固溶させるには、保持時間を３０分以上にすることが好ましい。加熱を、例えば、高周波加熱によって１２５０℃以上の高温で行う場合は、保持時間は３０分未満でも良い。保持時間の上限は規定しないが、１２０時間を超えて保持すると生産性を損なうことがある。

浸炭部品用鋼を、熱間加工後、成形して浸炭処理を施し、浸炭部品を製造する。なお、成形は、熱間鍛造などの熱間加工によって行っても良く、熱間加工後、冷間鍛造などの冷間加工を施して成形しても良い。また、浸炭処理の前後に切削加工を施しても良い。製造コストの観点から、熱間加工後の素材に冷間鍛造などの冷間加工による成形を施すことが好ましい。熱間鍛造、冷間鍛造で部品を成形する際の加工率は、生産性の観点から、３０％以上とすることが好ましい。

更に、冷間加工を施す前には、成形性を向上させるために、球状化焼鈍を行っても良い。球状化焼鈍は、７００〜８００℃の温度範囲内で行うことが好ましい。

従来、浸炭処理は９５０℃以下で行うことが多いが、生産性の観点から、高深度浸炭として９５０℃超で浸炭処理を行う。本発明の浸炭部品用鋼は、９５０℃超で浸炭処理を高温で行っても、粗大粒の発生が抑制される。これにより、高深度浸炭の生産性を向上することが可能になる。また、熱間加工の加熱温度を下限である１１５０℃とする場合は、再析出ＭｎＳ量を確保するために、浸炭処理を１１３０℃以下で行うことが必要である。浸炭処理温度は、１０１０℃以上の高温で行うことが好ましいが、処理温度が高すぎると設備への負担が大きい。したがって、浸炭処理温度は１１００℃以下とすることが好ましい。

更に、熱間加工の加熱温度におけるＭｎＳの平衡モル分率と、浸炭処理温度における平衡ＭｎＳのモル分率との差を、０．０１００％以上にすると、浸炭処理前後のＭｎ、Ｓの固溶量の差が大きくなり、微細なＭｎＳの析出量が増加する。これにより、浸炭処理時の粗大粒発生の防止に寄与する微細な再析出ＭｎＳ量を確保することができる。加熱温度及び浸炭処理温度におけるＭｎＳの平衡モル分率は、汎用の熱力学平衡計算ソフトウェアによって計算することができる。

表１に示した化学成分を有する鋼片を、表２に示した温度に加熱して６０分保持し、表２に示した条件で、棒又は線材に熱間圧延した。なお、Ｍｎ／Ｓモル比は、Ｍｎ量及びＳ量から、（Ｍｎ／５５）／（Ｓ／３２）として計算した。Ｎｏ．１９は、Ｍｎ／Ｓモル比が小さく、熱間圧延時にキズが発生し、鍛造素材を得ることができなかった例である。

したがって、Ｎｏ．１〜１８の鋼材から円柱状の素材を採取し、冷間鍛造による成形を行い、円柱型試料を採取した。なお、冷間鍛造を行う前には、必要に応じて球状化処理を施した。球状化処理は、最高温度を７６０℃として行った。加工率は、冷間鍛造前の素材の高さと冷間鍛造後の試料の高さの差を、冷間鍛造前の素材の高さで除して求め、百分率で示した。

得られた成形品を、浸炭処理を想定して９００〜１１００℃に加熱し、５時間保時し、急冷した。その後、歪み量が最大の部位となる中央部近傍の断面を観察面として、試料を採取し、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に準拠して、旧オーステナイト結晶粒界を現出させた。光学顕微鏡により、５０〜２００倍で観察し、最大のオーステナイト粒径を測定し、粗大粒が観察される温度を限界浸炭処理温度とした。したがって、Ｎｏ．１〜９の本発明の部材は、９５０℃超から限界浸炭温度以下で浸炭処理、即ち高温浸炭を行っても粗大粒が発生しない。なお、Ｎｏ．２は、限界浸炭温度が１１３０℃を超えており、本発明の浸炭処理の上限温度である１１３０℃で浸炭処理を行うことが可能である。一方、Ｎｏ．１１〜１９は、本発明の範囲外の成分であり、限界浸炭温度が９５０℃以下であり、高温浸炭を行った場合は、粒径の粗大化が問題になる。

更に、それぞれの鋼の１２２５℃、１０１０℃、熱間加工の加熱温度及び限界浸炭処理温度におけるＭｎＳの平衡析出モル分率を、熱力学平衡計算ソフトウェアであるサーモカルク（登録商標）により計算した。表２のＭｎＳ再析出量の１０１０℃は、１２２５℃におけるＭｎＳ平衡モル分率と１０１０℃におけるＭｎＳ平衡析出モル分率との差を意味する。また、表２のＭｎＳ再析出量の浸炭限界温度は、熱間圧延加熱温度におけるＭｎＳ平衡モル分率と限界浸炭温度におけるＭｎＳ平衡析出モル分率との差を意味する。表２のＮｏ．２は限界浸炭温度が１１３０℃を超えたため、限界浸炭温度を１１３０℃としてＭｎＳ平衡析出モル分率を計算した。

表２から明らかなように、本発明鋼は微細なＭｎＳの析出量を示すＭｎＳ再析出量が０．０１ｍｏｌ％以上であり、浸炭限界温度が１０００℃を超える。一方、本発明の範囲外の成分では、限界浸炭温度が９５０℃以下であり、高温浸炭を行うことができない。

表３に示した化学成分を有する円柱形状の鋼片を、表４に示した温度に加熱して６０分保持し、表４に示した条件で、熱間鍛造を行った。なお、加工率は、鋼片の高さと熱間鍛造後の試料の高さの差を、鋼片の高さで除して求め、百分率で示した。

得られた成形品を、浸炭処理を想定して９００〜１１００℃に加熱し、５時間保時し、急冷した。その後、歪み量が最大の部位となる中央部近傍の断面を観察面として、試料を採取し、実施例１と同様にして限界浸炭処理温度を求めた。したがって、Ｎｏ．２０〜２５の本発明の部材は、９５０℃超から限界浸炭温度以下で浸炭処理を行っても粗大粒が発生しない。なお、Ｎｏ．２５は、限界浸炭温度が１１３０℃を超えており、本発明の浸炭処理の上限温度である１１３０℃で浸炭処理を行うことが可能である。一方、Ｎｏ．２６〜２８は、本発明の範囲外の成分であり、限界浸炭温度が９５０℃以下であり、高温浸炭を行った場合は、粒径の粗大化が問題になる。

更に、実施例１と同様にして、熱力学平衡計算を行い、１２２５℃におけるＭｎＳ平衡モル分率と１０１０℃におけるＭｎＳ平衡析出モル分率との差、熱間圧延加熱温度におけるＭｎＳ平衡モル分率と限界浸炭温度におけるＭｎＳ平衡析出モル分率との差を求めた。表４のＮｏ．２５は限界浸炭温度が１１３０℃を超えたため、限界浸炭温度を１１３０℃としてＭｎＳ平衡析出モル分率を計算した。

表４から明らかなように、本発明鋼は微細なＭｎＳの析出量を示すＭｎＳ再析出量が０．０１ｍｏｌ％以上であり、浸炭限界温度が１０００℃を超える。一方、本発明の範囲外の成分では、限界浸炭温度が９５０℃以下であり、高温浸炭を行うことができない。

本発明の鋼の析出ＭｎＳ量を説明する模式図である。 Ｍｎ／Ｓと再析出ＭｎＳ量の関係を示す図である。 １２２５℃と１０１０℃におけるＭｎＳ平衡モル分率の差と浸炭限界温度との関係を示す図である。 熱間加工の加熱温度と浸炭処理温度におけるＭｎＳ平衡モル分率の差と浸炭限界温度との関係を示す図である。

符号の説明

１ ＭｎＳの平衡析出曲線
２ 鋼の融点
３ 熱間加工の加熱温度
４ 浸炭処理温度
５ 析出ＭｎＳ量
６ 再析出ＭｎＳ量

Claims (8)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．１０〜０．４０％、
   Ｓｉ：０．０５〜１．００％、
   Ｍｎ：０．０５〜０．４０％、
   Ｓ ：０．００５〜０．１００％
   を含有し、
   Ｐ ：０．０２５％以下、
   Ａｌ：０．０５％以下、
   Ｎ ：０．０２０％以下
   に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｍｎの含有量とＳの含有量とが、
   （Ｍｎ／５５）／（Ｓ／３２）：１．５〜１５．０
   を満足すること特徴とする粒径粗大化防止特性に優れた浸炭部品用鋼。
2. １２２５℃におけるＭｎＳの平衡モル分率と、１０１０℃におけるＭｎＳの平衡モル分率との差が、０．０１００ｍｏｌ％以上であることを特徴とする請求項１に記載の粒径粗大化防止特性に優れた浸炭部品用鋼。
3. 質量％で、
   Ｖ ：０．０５〜０．２０％、
   Ｔｉ：０．００５〜０．２００％、
   Ｎｂ：０．０１〜０．０６％
   のうち１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の粒径粗大化防止特性に優れた浸炭部品用鋼。
4. 質量％で、
   Ｃｒ：３．０％以下、
   Ｍｏ：０．５０％以下、
   Ｎｉ：１．０％以下、
   Ｃｕ：３．０％以下、
   Ｂ ：０．００２０％以下
   のうち１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の粒径粗大化防止特性に優れた浸炭部品用鋼。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の粒径粗大化防止特性に優れた浸炭部品用鋼を、１１５０〜１３００℃の範囲内で加熱し、熱間加工を施して冷却し、熱間加工の加熱温度におけるＭｎＳの平衡モル分率と、浸炭処理温度における平衡ＭｎＳのモル分率との差が０．０１００ｍｏｌ％以上となるように、９５０℃超から１１３０℃以下までの温度域で浸炭処理を行うことを特徴とする浸炭部品の製造方法。
6. 熱間加工後、冷間加工によって成形し、浸炭処理を行うことを特徴とする請求項５に記載の浸炭部品の製造方法。
7. 熱間加工後、球状化焼鈍を施して冷間加工によって成形し、浸炭処理を行うことを特徴とする請求項５に記載の浸炭部品の製造方法。
8. 熱間加工によって成形し、浸炭処理を行うことを特徴とする請求項５に記載の浸炭部品の製造方法。

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