JP2009191322A

JP2009191322A - 浸炭部品用の耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼

Info

Publication number: JP2009191322A
Application number: JP2008034189A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Fujimatsu; 威史藤松; Kazuya Hashimoto; 和弥橋本
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】ベイナイトを含有していても、従来の鋼に比して耐粗粒化抵抗に優れたはだ焼鋼からなる鋼材を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．６０％未満、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．１０％以下、Ｃｒ：１．５〜３．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、質量％比で［Ｍｎ／Ｃｒ］が０．３５未満で、ベイナイト組織分率が２０％以上である、熱間鍛造後に浸炭熱処理を行っても結晶粒粗大化を抑制することができる浸炭部品用の耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼。
【選択図】なし

Description

この発明は、はだ焼鋼から浸炭焼入・焼戻し処理を施して形成する浸炭部品、例えば、自動車、建設機械、工作機械などのギア、ＣＶＪやシャフトなどの部品に適用するはだ焼鋼の成分に関する。

従来では、以下に例示するように、結晶粒粗大化の原因となるベイナイトの量を可能な限り少なくすることで、鋼の結晶粒粗大化温度を向上させる技術が開示されている。

従来の技術において、鋼の主組織としてフェライト−パーライト組織を想定し、この主組織の形成への影響が大きいＭｎ量を特に鋼成分として規制した発明が提案されている。一方、この提案の発明では、ベイナイトが混在すると、結晶粒が粗大化し易くなることが指摘されている。さらに、その実施例で開示されているように、熱間鍛造後の冷却速度が０．７℃／ｓの徐冷であるため、ベイナイトはほとんど生成していない（例えば、特許文献１参照。）。

さらに、結晶粒粗大化抑制に有効なＡｌＮやＴｉ系析出物の量の制御とともに、結晶粒粗大化を生じやすくするベイナイト量について、熱間圧延後のミクロ組織に占めるベイナイト量を３０％以下にすることを規定し、ベイナイト量の規制のために熱間圧延後８００℃から５００℃の範囲を１℃／ｓｅｃ以下で徐冷する発明が提示されている（例えば、特許文献２参照。）。

さらに、結晶粒粗大化抑制に有効なＴｉ系ないしＮｂ系析出物を規定量以上に析出させるとともに、熱間鍛造後から５００℃までを２℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で冷却することで、熱間鍛造後の組織を５％以下のベイナイト組織と残部のフェライト−パーライト組織からなる鋼が提示されている（例えば、特許文献３参照。）。

特開２００６−２４９５７０号公報特開２００５−２４０１７５号公報特開２００５−１６３１６８号公報

本発明が解決しようとする課題は、従来の鋼に比して、ベイナイトを含有していても耐粗粒化抵抗に優れたはだ焼鋼からなる鋼材を提供することである。

従来であれば、はだ焼鋼の耐粗粒化特性の改善のために、熱間鍛造後に焼ならし工程を追加することにより鋼中のベイナイト量を軽減する、あるいは熱間鍛造後の冷却速度を制御することにより、ベイナイト生成を抑制するといった付帯的な処置を取っていた。しかし、鋼材が熱間鍛造後にベイナイト組織を含有していても、なお、耐粗粒化特性に優れた鋼であれば、上記のベイナイト量を抑制するといった付帯的な処置を省略ないし緩和することが可能であり、部品製造の工期短縮やコストダウンを可能とすることができることを見出し、本発明の手段としたものである。すなわち、質量％で、Ｍｎ＜０．６０％、Ｃｒ≧１．５％に規制し、さらに質量％比でＭｎ／Ｃｒ＜０．３５とし、ベイナイト組織分率を２０％以上に規制することにより、従来鋼よりも耐粗粒化抵抗に優れたすなわち耐粗粒化特性に優れた鋼材を得ることができることを発明者らは見出し、本発明の手段の発明としたものである。

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：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．６０％未満、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．１０％以下、Ｃｒ：１．５〜３．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、質量％比で［Ｍｎ／Ｃｒ］が０．３５未満で、ベイナイト組織分率が２０％以上であることを特徴とする熱間鍛造後に浸炭熱処理を行っても結晶粒粗大化を抑制することができる浸炭部品用の耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼である。

請求項２の発明では、質量％で、請求項１の手段の化学成分に加えて、Ｎｉ：０．３０〜４．０％、Ｍｏ：０．０４〜２．０％のいずれか１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、質量％比で［Ｍｎ／Ｃｒ］が０．３５未満で、ベイナイト組織分率が２０％以上であることを特徴とする熱間鍛造後に浸炭熱処理を行っても結晶粒粗大化を抑制することができる浸炭部品用の耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼である。

請求項３の発明では、質量％で、請求項１または請求項２の手段の化学成分に加えて、Ｖ：０．０２〜０．５０％、Ｎｂ：０．０２〜０．５０％のいずれか１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、質量％比で［Ｍｎ／Ｃｒ］が０．３５未満で、ベイナイト組織分率が２０％以上であることを特徴とする熱間鍛造後に浸炭熱処理を行っても結晶粒粗大化を抑制することができる浸炭部品用の耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼である。

請求項４の発明では、質量％で、請求項１または請求項２の手段の化学成分に加えて、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、質量％比で［Ｍｎ／Ｃｒ］が０．３５未満で、ベイナイト組織分率が２０％以上であることを特徴とする熱間鍛造後に浸炭熱処理を行っても結晶粒粗大化を抑制することができる浸炭部品用の耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼である。

請求項５の発明では、質量％で、請求項１〜請求項３のいずれか１項の手段の化学成分に加えて、Ｔｉ：０．０５０％未満、Ｂ：０．００１０〜０．００５０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、質量％比で［Ｍｎ／Ｃｒ］が０．３５未満で、ベイナイト組織分率が２０％以上であることを特徴とする熱間鍛造後に浸炭熱処理を行っても結晶粒粗大化を抑制することができる浸炭部品用の耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼である。

請求項６の発明では、質量％で、請求項４の手段の化学成分に加えて、Ｂ：０．００１０〜０．００５０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、質量％比で［Ｍｎ／Ｃｒ］が０．３５未満で、ベイナイト組織分率が２０％以上であることを特徴とする熱間鍛造後に浸炭熱処理を行っても結晶粒粗大化を抑制することができる浸炭部品用の耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼である。

上記の発明の手段における鋼の化学成分を限定し、［Ｍｎ／Ｃｒ］比およびベイナイト組織分率を限定した理由を以下に説明する。なお、％は質量％で示す。

Ｃ：０．１０〜０．３５％、望ましくは０．１０〜０．２５％
Ｃは機械構造用部品として鋼材の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る。しかし、Ｃが０．１０％未満では、その効果は十分に得られず、０．３５％を超えると加工性を低下し、かつ、靱性を低下させる。そこでＣは０．１０〜０．３５％、望ましくは０．１０〜０．２５％とする。

Ｓ１：０．０５〜２．０％、望ましくは０．０５〜１．０％
Ｓｉは脱酸に必要な元素である。しかし、Ｓｉが０．０５％未満では脱酸が十分に得られず、２．０％を超えると加工性を低下させる。そこでＳｉは０．０５〜２．０％とし、望ましくは０．０５〜１．０％とする。

Ｍｎ：０．６％未満
Ｍｎは焼入性を確保するために必要な元素である。しかし、本発明の主眼であるベイナイト組織を含む鋼を浸炭する場合には、Ｍｎは浸炭初期の結晶粒径分布の不均一をもたらして、耐粗粒化特性を低下させるため、その量を０．６％未満に規制する。

Ｐ：≦０．０３０％
Ｐはスクラップから含有される不可避な元素である。しかし、Ｐはオーステナイト粒界に偏析して衝撃強度や曲げ強度などの靱性を低下する。そこでＰは０．０３０％以下とする。

Ｓ：≦０．１０％
Ｓは被削性を向上させる元素である。しかし、非金属介在物であるＭｎＳを生成して横方向の靱性および疲労強度を低下する。そこでＳは０．１０％以下とする。

Ｃｒ：１．５〜３．０％、望ましくは、１．８〜２．５％、さらに望ましくは２．０〜２．５％
Ｃｒは焼入性を確保するために必要な元素であるとともに、ベイナイト組織を含む鋼を浸炭する場合に、浸炭初期の結晶粒径分布を均一なものとする作用を有し、耐粗粒化特性を改善する効果がある。この効果を得るためにはＣｒは、１．５％以上必要である。一方、Ｃｒは過剰に添加すると加工性を損ない、また、浸炭性を阻害するので３．０％以下とする。そこで、Ｃｒは１．５〜３．０％、望ましくは、１．８〜２．５％、さらに望ましくは２．０〜２．５％とする。

Ｎｉ：０．３０〜４．００％
Ｎｉは焼入性および靱性を向上させる元素である。しかし、Ｎｉは４．０％を超えて含有する加工性を著しく低下させ、かつ、コストアップとなる。そこでＮｉは４．０％以下とする。

Ｍｏ：０．０４〜２．０％
Ｍｏは焼入性および靱性を向上させる元素である。しかし、Ｍｏは２．０％を超えて含有すると加工性を低下させる。そこで、Ｍｏは２．０％以下とする。

Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、望ましくは０．０１５〜０．０５０％
Ａｌは脱酸材として使用される元素であり、また後述のようにＮと結合してＡｌＮとして析出し、結晶粒粗大化抑制効果をもたらす。この効果を得るため、Ａｌは０．００５％以上を添加する。一方、Ａｌは０．０５０％を超えるとアルミナ系酸化物が増加し、疲労特性および加工性を低下する。そこで、Ａｌは０．００５〜０．０５０％とし、望ましくは０．０１５〜０．０５０％とする。

Ｏ≦０．００３０％、望ましくは≦０．００２０％
Ｏは不可避的に含有される元素である。しかし、Ｏが０．００３０％を超えて含有されると、酸化物の増加による加工性や疲労強度の低下を招く。そこでＯは０．００３０％以下とし、望ましくは０．００２０％以下とする。

Ｎ：０．０１０〜０．０３０％、望ましくは０．０１０〜０．０２５％
Ｎは鋼中でＡｌＮやＮｂ窒化物として微細析出し、結晶粒粗大化防止効果を有する。しかし、Ｎが０．０１０％未満ではその効果は小さく、０．０３０％を超えると窒化物が増加し、疲労強度や加工性が低下する。そこで、請求項１〜３の発明では、Ｎは０．０１０〜０．０３０％とし、望ましくは０．０１０〜０．０２５％とする。

Ｎ：０．０１０％未満、望ましくは０．００５％以下
請求項４に係る発明の鋼材では、ＴｉＮが過剰に生成して加工性や疲労強度を損なう。そこで、請求項４の発明では、Ｎは０．０１０％未満、望ましくは０．００５％以下とする。また、Ｂを含有する鋼材では、Ｎが０．０１０％以上含有されると、化合物のＢＮが生成して固溶Ｂが減少し、焼入性の向上効果が阻害される。そこで、Ｂを含有する請求項５および請求項６の発明では、Ｎは０．０１０％未満とする。

Ｖ：０．０２〜０．５０％、望ましくは０．０５〜０．３５％
Ｖは炭化物を形成し、Ｔｉ同様にオーステナイト結晶粒度の粗大化を抑制する効果を有する。特に鋼中に微細に分散したナノオーダーのＶＣが結晶粒の成長を抑制する。また、Ｖを含有することにより熱間鍛造後のミクロ組織を微細化するという好ましい効果を有する。Ｖが０．０２％未満ではその効果が得られず、０．５０％を超えると析出物の量が過剰となり加工性を低下する。そこで、Ｖは０．０２〜０．５０％、望ましくは０．０５〜０．３５％とする。

Ｎｂ：０．０２〜０．５０％、望ましくは０．０２〜０．２０％
Ｎｂは炭化物あるいは窒化物を形成し、Ｔｉ同様にオーステナイト結晶粒度の粗大化を抑制する効果を有する。特に鋼中に微細に分散したナノオーダーのＮｂＣが結晶粒の成長を抑制する。また、ＮｂもＶと同様に熱間鍛造後のミクロ組織が微細化する効果がある。Ｎｂが０．０２％未満ではその効果が得られず、０．５０％を超えると析出物の量が過剰となり加工性を低下する。そこで、Ｎｂは０．０２〜０．５０％、望ましくは０．０２〜０．２０％とする。

Ｔｉ：０．０５０〜０．２０％、望ましくは０．１０〜０．２０％
Ｔｉは鋼中のｆｒｅｅ−Ｎを固定し、Ｂの焼入性の効果を向上させるとともに、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、ＡｌＮに代って浸炭時のオーステナイト結晶粒度の粗大化を抑制するために必要な元素である。特に、鋼中に微細分散したナノオーダーのＴｉＣが結晶粒の成長を抑制する。また、ＶやＮｂと同様に熱間鍛造後のミクロ組織を微細にする効果を有する。Ｔｉが０．０５０％未満ではこれらの効果は十分でなく、０．１０％以上が望ましい。しかし、０．２０％を超えると析出物の量が過剰となり加工性を低下する。そこで、請求項４および請求項６に記載の発明ではＴｉは０．０５０〜０．２０％、望ましくは０．１０〜０．２０％とする。

Ｔｉ：０．０５０％未満
請求項５の発明のようにＢを添加する鋼材では、前述した化合物ＢＮの生成にともなう固溶Ｂの減少によって焼入性が低下することを避けるため、Ｎを０．０１０％未満に規制することに加えて、Ｂよりも優先的にＮと化合しやすいＴｉを添加すると良い。そこで、請求項５の発明では、Ｔｉを０．０５０％未満添加する。

Ｂ：０．００１０〜０．００５０％
Ｂは極少量の含有によって鋼の焼入性を著しく向上させる元素で選択的に含有される。しかし、０．００１０％未満では焼入性の向上効果が小さく、０．００５０％を超えると強度を低下する。そこで、請求項５および請求項６に記載の発明ではＢは０．００１０〜０．００５０％とする。

質量％比で［Ｍn／Ｃｒ］＜０．３５、望ましくは［Ｍn／Ｃｒ］＜０．３０
本発明において、ベイナイト組織を含む鋼を浸炭する場合には、浸炭温度への昇温中に、より高温でオーステナイトを析出させる必要がある。これにより、オーステナイト化完了後の結晶粒径（浸炭初期の結晶粒径に該当する）が均一なものとなり、耐粗粒化特性が向上する。オーステナイトの析出がより高温で起こるようにするためには、質量％比で［Ｍｎ／Ｃｒ］＜０．３５を満足する必要がある。望ましくは［Ｍｎ／Ｃｒ］＜０．３０未満を満足することである。一方、［Ｍｎ／Ｃｒ］が０．３５以上の場合、浸炭温度への昇温中にオーステナイトが低温から析出し、かつ、昇温にともなって段階的にオーステナイトが析出するため、オーステナイト化完了後の結晶粒径が不均一なものとなり、その結果、結晶粒粗大化が起こりやすくなる。

ベイナイト含有率を２０％以上、望ましくは３０％以上、さらに望ましくは３５％以上
本発明の化学成分の範囲に規定した鋼は、ベイナイト含有率が高い場合にも耐粗粒化特性に優れている。通常、ベイナイト組織を含む鋼を浸炭する場合には、昇温中の段階的なオーステナイト析出を経由するために、オーステナイト化完了後の結晶粒径が不均一になることを回避しがたい。一方、本発明の鋼はＭｎ量およびＣｒ量、ならびに「Ｍｎ／Ｃｒ」比の規制により、ベイナイト組織を含む場合であっても、上述のごとく均一なオーステナイト形成が促進される。したがって、従来の発明のように付帯的な処置によりベイナイト生成量を低減しなくとも、浸炭処理時の結晶粒粗大化が抑制できる。従来の発明に対して本発明鋼の優れた効果を得るためには、ベイナイト含有率が少なくとも２０％以上とされる必要があり、望ましくは３０％以上とされ、さらに望ましくは３５％以上とされる。

本発明の効果は、上記の本発明の手段とすることで、ベイナイト組織分率が２０％以上でありながら、熱間鍛造後に浸炭熱処理を行っても、より高温度まで結晶粒粗大化を抑制することができる耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼が得られるものである。

本発明を実施するための最良の形態について、表を参照して以下に説明する。表１に示す化学成分の鋼を溶製する。

先ず、１００ｋｇＶＩＭ（真空誘導溶解）炉で、表１に示す各Ｎｏ．１〜１８の発明鋼およびＮｏ．１９〜３１の比較鋼を溶解した後、インゴットに鋳造した。その後、これらのインゴットを１２５０℃に５時間加熱する固溶化処理を実施した後、直径６５ｍｍの丸棒に鍛伸した。次いで、この直径６５ｍｍの丸棒からφ８ｍｍで長さ１２ｍｍの加工フォーマスター試験片を割り出して旋削により作製した。この加工フォーマスター試験片を用いて、１２００℃で１０分間、加熱保持した後、１１００℃で加工率７０％の熱間据込み加工を実施した。この熱間据込み加工した試験片を冷却速度５℃／ｓで２００℃まで冷却した。これにより、浸炭前のミクロ組織としてベイナイトとマルテンサイトの混合組織が得られた。なお、この浸炭前のミクロ組織の種類は、その後に浸炭する際の浸炭初期の結晶粒径に強く影響を及ぼし、従来は浸炭前のミクロ組織中のベイナイトを抑制することに主眼が置かれていた。

次に、上記の熱間据込みによる加工後の各試験片を８５０℃で３０分間保持した後に水冷し、水冷した試料を研磨および腐食して平均旧オーステナイト粒径を測定し、これらを表２に示した。これらは浸炭初期の平均結晶粒径の指標である。また、熱間鍛造後の試験片を用いて、９２５℃以上における２５℃刻みの任意の温度で、６時間保持する浸炭処理を模擬した熱処理を行った。これらの試料を研磨、腐食して結晶粒粗大化の有無を確認して、結晶粒粗大化温度を同じく表２に示した。この際、観察視野内にＪＩＳＧＯ５５２に準じた結晶粒度判定において、結晶粒度Ｎｏ．３と同等以上の粗大な旧オーステナイト粒が観察された温度を結晶粒粗大化温度とした。

表２に示すとおり、発明鋼と比較鋼はいずれも熱間加工後にベイナイトを２０％以上含有していた。また、発明鋼と比較鋼で浸炭初期の平均結晶粒径には大きな違いが見られないが（表２参照）、発明鋼は比較鋼に比べて結晶粒径の均一性が高かった。結晶粒粗大化はこの浸炭初期の平均結晶粒径が大きいほど、また、結晶粒径の均一性が高いほど起こり難いとされている。ところで発明鋼は特に結晶粒径が比較鋼に比べて均一になる効果によって、結晶粒粗大化がより高温まで発生せず、耐粗粒化特性に優れていることが分かる。この発明の効果は、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂなど結晶粒の成長抑制に有効な元素の添加に関わらずに得ることができる。

なお、本発明の表に発明鋼で示す実施例は、発明の効果を示す一例であり、ミクロ組織がベイナイト−マルテンサイト組織の場合に限定されるものではなく、フェライト−ベイナイト組織や、フェライト−パーライト−ベイナイト組織など、ベイナイト組織を含むミクロ組織を有している場合に同様の効果が得られるものである。

Claims

質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．６０％未満、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．１０％以下、Ｃｒ：１．５〜３．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、質量％比で［Ｍｎ／Ｃｒ］が０．３５未満で、ベイナイト組織分率が２０％以上であることを特徴とする熱間鍛造後に浸炭熱処理を行っても結晶粒粗大化を抑制することができる浸炭部品用の耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼。
質量％で、請求項１に記載の化学成分に加えて、Ｎｉ：０．３０〜４．０％、Ｍｏ：０．０４〜２．０％のいずれか１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、質量％比で［Ｍｎ／Ｃｒ］が０．３５未満で、ベイナイト組織分率が２０％以上であることを特徴とする熱間鍛造後に浸炭熱処理を行っても結晶粒粗大化を抑制することができる浸炭部品用の耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼。
質量％で、請求項１または請求項２に記載の化学成分に加えて、Ｖ：０．０２〜０．５０％、Ｎｂ：０．０２〜０．５０％のいずれか１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、質量％比で［Ｍｎ／Ｃｒ］が０．３５未満で、ベイナイト組織分率が２０％以上であることを特徴とする熱間鍛造後に浸炭熱処理を行っても結晶粒粗大化を抑制することができる浸炭部品用の耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼。
質量％で、請求項１または請求項２に記載の化学成分に加えて、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、質量％比で［Ｍｎ／Ｃｒ］が０．３５未満で、ベイナイト組織分率が２０％以上であることを特徴とする熱間鍛造後に浸炭熱処理を行っても結晶粒粗大化を抑制することができる浸炭部品用の耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼。
質量％で、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の化学成分に加えて、Ｔｉ：０．０５０％未満、Ｂ：０．００１０〜０．００５０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、質量％比で［Ｍｎ／Ｃｒ］が０．３５未満で、ベイナイト組織分率が２０％以上であることを特徴とする熱間鍛造後に浸炭熱処理を行っても結晶粒粗大化を抑制することができる浸炭部品用の耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼。
質量％で、請求項４に記載の化学成分に加えて、Ｂ：０．００１０〜０．００５０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、質量％比で［Ｍｎ／Ｃｒ］が０．３５未満で、ベイナイト組織分率が２０％以上であることを特徴とする熱間鍛造後に浸炭熱処理を行っても結晶粒粗大化を抑制することができる浸炭部品用の耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼。