JP2010216008A - 高強度機械部品用素材鋼板およびその製造方法並びに高強度機械部品製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%で、C:0.32〜0.70%好ましくは0.45超え〜0.70%、Si:0.5%以下、Mn:0.1〜1.5%、P:0.03%以下、S:0.02%以下、Nb:0.1〜0.5%であり、必要に応じてTi:0.1%未満を含有し、さらに必要に応じてCr:1.5%以下、Mo:0.5%以下、V:0.5%以下、Ni:2%以下、B:0.005%の1種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、Nbを含有する粒子径1μm以上の炭化物が200〜1000個/mm2の密度でマトリクス中に存在する焼鈍組織を有する、機械部品用素材鋼板。この素材を焼入れ焼戻し処理すると耐摩耗性および靭性に優れた鋼材が得られる。
【選択図】なし
Description
上記組成範囲に成分調整された鋼を鋳造後、冷却過程において1500〜900℃の温度領域の滞在時間を30min以上とすることによりNbあるいはNb、Tiの1種以上を含有する粗大炭化物を析出させる工程(鋳造工程)、
前記の粗大炭化物が存在する鋼を1100〜1350℃の範囲かつ下記(1)式により定まるA値が0.077〜0.383となる温度T(℃)で加熱保持して、前記炭化物の一部を固溶化する工程(固溶化熱処理工程)、
前記固溶化熱処理を終えた鋼を熱間圧延して、NbあるいはNb、Tiの1種以上を含有する粒子径1μm以上の炭化物が200〜1000個/mm2の密度でマトリクス中に存在する熱延鋼板を得る工程(熱延工程)、
Ac1点未満の温度域に加熱する仕上焼鈍を施して焼鈍組織とする工程(仕上焼鈍工程)、
を有する製造方法が提供される。
A=Nb−10x/C …(1)
たたし、x=3.42−7900/(T+273)
(1)式のNbおよびCの箇所にはそれぞれ質量%で表された当該鋼のNbおよびC含有量の値が代入される。
本明細書において、鋼の成分元素に関する「%」は特に断らない限り「質量%」を意味する。
Cは、調質硬さや強度、耐摩耗性を確保するために重要な元素であり、本発明では0.02%以上のCを含有する鋼を対象とする。0.32%を超えるC含有量、あるいは更に0.45%を超えるC含有量を確保することがより望ましい。ただしC含有量が多くなると焼入れ焼戻しやオーステンパー等の調質熱処理時に未溶解セメンタイトが残留しやすくなる。また焼入れ時にはレンズ状マルテンサイトが生成しやすくなる。このような組織状態は靭性の低下を招くことがあるので好ましくない。種々検討の結果、本発明ではC含有量は0.70%以下の範囲とする。0.60%以下あるいは0.60%未満とすることがより望ましい。
本発明では耐摩耗性を顕著に向上させるためにNbを含有する硬質炭化物を利用する。Tiを添加した鋼組成においてはTiを含有する硬質炭化物も有効となる。ただし、靱性を確保するために、その分散形態に配慮する必要がある。詳細な検討の結果、調質熱処理を終えた最終的な部品において、NbあるいはNb、Tiの1種以上を含有する粒子径1μm以上の硬質炭化物が200〜1000個/mm2の密度でマトリクス中に存在する金属組織としたときに、耐摩耗性が顕著に向上し、かつ靱性を損なう弊害も回避されることがわかった。そして、そのような組織状態を実現するためには、調質熱処理前の素材鋼板の段階で上記の炭化物密度としておき、調質熱処理での溶体化温度を1000℃以下に制限すればよいことが確認された。したがって本発明では、素材鋼板において、NbあるいはNb、Tiの1種以上を含有する粒子径1μm以上の硬質炭化物が200〜1000個/mm2の密度でマトリクス中に存在する焼鈍組織を有するものを提供する。
〔鋳造工程〕
まず、鋳造後の冷却過程を利用してNbあるいはNb、Tiの1種以上を含有する粗大炭化物を析出させる。具体的には、この種の硬質炭化物が成長しやすい1500〜900℃の温度領域の滞在時間が30min以上となるような冷却パターンとすることが効果的である。後述実施例のものはいずれもこの冷却パターンを満たしている。このような冷却パターンは、鋳造後に鋳片を放冷することによって実現できる他、連続鋳造においては各ロールの冷却条件や鋳片表面の冷却条件をコントロールすることによって実現できる。放冷とは鋳片を強制的に冷却することなく、自然冷却することをいう。「粗大炭化物」は、粒子径が概ね1μm以上の炭化物をいう。なお、本明細書でいう「鋳片」には造塊法におけるインゴットや、連続鋳造におけるスラブが含まれる。
前記の粗大炭化物が存在する鋼を1100〜1350℃の範囲かつ下記(1)式により定まるA値が0.077〜0.383となる温度T(℃)で加熱保持する。加熱温度範囲は1150〜1300℃とすることがより好ましい。
A=Nb−10x/C …(1)
たたし、x=3.42−7900/(T+273)
(1)式のNbおよびCの箇所にはそれぞれ質量%で表された当該鋼のNbおよびC含有量の値が代入される。
上記の固溶化熱処理を終えた鋼を熱間圧延することにより、NbあるいはNb、Tiの1種以上を含有する粒子径1μm以上の硬質炭化物が200〜1000個/mm2の密度でマトリクス中に存在する熱延鋼板を得ることができる。硬質炭化物のこのような分布形態は、通常の熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延、仕上焼鈍の各工程を経てもほぼ維持される。熱間圧延は例えば、加熱抽出温度1100〜1300℃、仕上圧延温度800〜900℃、巻取温度750℃以下の条件で行うことができる。
必要に応じて熱延板焼鈍および冷間圧延を行い、目標板厚に調整する。熱延板焼鈍は、例えば600℃以上Ac1点未満の温度域に10〜50h加熱保持する条件が採用できる。「焼鈍→冷間圧延」の工程を複数回行っても構わない。その場合、中間焼鈍も600℃以上Ac1点未満の温度域に加熱することが望ましい。
所定の板厚に調整された熱延鋼板または冷延鋼板に対して、仕上焼鈍を施し、軟質化された再結晶フェライト組織(焼鈍組織)を有する素材鋼板を得る。仕上焼鈍はAc1点未満の温度域で行う必要がある。再結晶化を促進させるために、600℃以上Ac1点未満の温度域に加熱することが望ましい。保持時間は8〜40hの範囲で最適条件を設定すればよい。前述の固溶化熱処理工程を経ることによって調整された熱延鋼板における硬質炭化物の分布状態(粒子径1μm以上の硬質炭化物の存在密度)は、この仕上焼鈍後もほぼ維持されることが確認されている。仕上焼鈍後の素材鋼板の断面硬さは概ね150〜250HVの範囲にあり、部品形状への成形加工が十分可能である。
素材鋼板から部品形状に成形加工された部材は、焼入れ焼戻し、オーステンパー等の調質熱処理に供され、高強度化される。ただし、調質熱処理の溶体化温度はオーステナイト領域かつ1000℃以下の範囲で行う必要がある。前記温度を超えると、前述の固溶加熱処理工程を経ることによって調整された硬質炭化物の分布形態が崩れるおそれがある。調質熱処理条件は、溶体化の上限温度を規制する他は、一般的な手法に従えばよい。本発明の素材鋼板を用いると、動力伝達部材や刃物部材に適する500〜600HVに調質したとき、耐摩耗性および靭性を高いレベルで兼ね備えた高強度機械部品を得ることができる。
焼入れ処理に供する前の素材鋼板について、圧延方向および板厚方向に平行な断面(L断面)を分析走査型電子顕微鏡により観察し、観察面積61×61μm2×20視野中に存在する「Nb、Tiの少なくとも一方を含有する粒子径1μm以上の炭化物」の数をカウントし、その存在密度を算出した。粒子径は前述の円相当径であり、粒子径1μm以上の粒子を画像処理によってピックアップした。
〔焼入れ焼戻し条件〕
820℃×15min→60℃油焼入れ→Tt℃×30min焼戻し
焼戻し温度Tt(℃)は組成に応じて、断面硬さが550HVの硬度レベルに調質される温度とした。得られた供試材のL断面について硬さを測定した結果、いずれも550HV±10HVの範囲に収まっていた。
焼入れ焼戻し後の供試材から、摩擦面が1.5mm四方となる試験片を切り出し、ピンオンディスク型摩耗試験機を用いて試験を行った。摩耗相手材は、塩浴処理によりフラットな鋼板表面上に形成したVC(バナジウムカーバイド)皮膜とした。この皮膜硬さは2400HV程度に相当する。試験片を試料ホルダに固定して、回転する摩耗相手材に試験片表面を試験荷重F=500Nで押し付けながら、摩擦速度1m/sec、摩擦距離L=3600mの条件で摩耗試験を行った。試験前後の試料板厚差から摩耗により消失した材料の体積を算出し、これを摩耗減量W(mm3)とした。そして、下記(2)式により比摩耗量C(mm3/Nm)を求めた。
比摩耗量C=摩耗減量W/(試験荷重F×摩擦距離L) …(2)
調質硬さ550HVの材料において、この比摩耗量Cが0.35×10-7mm3/Nm以下であれば、C含有量0.70%以下の亜共析鋼を用いた動力伝達部材や刃物部材に使用されている現用鋼と比べ非常に優れた耐摩耗性を有すると判断される。
焼入れ焼戻し後の供試材表面を研磨した板厚1.35mmの板材から、圧延方向を長手方向とし、ハンマー打撃方向が圧延方向と板厚方向に垂直な方向となる2mmVノッチ衝撃試験片(ノッチ先端半径は0.25mm)を作製した。この試験片を用いて室温(25℃±2℃)でのシャルピー衝撃試験を行った。
C含有量0.70%以下の亜共析鋼の調質硬さ550HVの材料において、この試験における衝撃値が25J/cm2以上であれば、安全性の観点から十分な靱性を有すると判断される。
Claims (10)
- 質量%で、C:0.32〜0.70%、Si:0.5%以下、Mn:0.1〜1.5%、P:0.03%以下、S:0.02%以下、Nb:0.1〜0.5%、残部Feおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、Nbを含有する粒子径1μm以上の炭化物が200〜1000個/mm2の密度でマトリクス中に存在する焼鈍組織を有する、機械部品用素材鋼板。
- 質量%で、C:0.32〜0.70%、Si:0.5%以下、Mn:0.1〜1.5%、P:0.03%以下、S:0.02%以下、Nb:0.1〜0.5%であり、さらにCr:1.5%以下、Mo:0.5%以下、V:0.5%以下、Ni:2%以下、B:0.005%の1種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、Nbを含有する粒子径1μm以上の炭化物が200〜1000個/mm2の密度でマトリクス中に存在する焼鈍組織を有する、機械部品用素材鋼板。
- C含有量が0.45超え〜0.70%である請求項1または2に記載の機械部品用素材鋼板。
- 質量%で、C:0.32〜0.70%、Si:0.5%以下、Mn:0.1〜1.5%、P:0.03%以下、S:0.02%以下、Nb:0.1〜0.5%、Ti:0.1%未満、残部Feおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、Nb、Tiの1種以上を含有する粒子径1μm以上の炭化物が200〜1000個/mm2の密度でマトリクス中に存在する焼鈍組織を有する、機械部品用素材鋼板。
- 質量%で、C:0.32〜0.70%、Si:0.5%以下、Mn:0.1〜1.5%、P:0.03%以下、S:0.02%以下、Nb:0.1〜0.5%、Ti:0.1%未満であり、さらにCr:1.5%以下、Mo:0.5%以下、V:0.5%以下、Ni:2%以下、B:0.005%の1種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、Nb、Tiの1種以上を含有する粒子径1μm以上の炭化物が200〜1000個/mm2の密度でマトリクス中に存在する焼鈍組織を有する、機械部品用素材鋼板。
- C含有量が0.45超え〜0.70%である請求項4または5に記載の機械部品用素材鋼板。
- 成分調整された鋼を鋳造後、冷却過程において1500〜900℃の温度領域の滞在時間を30min以上とすることによりNbを含有する粗大炭化物を析出させる工程(鋳造工程)、
前記の粗大炭化物が存在する鋼を1100〜1350℃の範囲かつ下記(1)式により定まるA値が0.077〜0.383となる温度T(℃)で加熱保持して、前記炭化物の一部を固溶化する工程(固溶化熱処理工程)、
前記固溶加熱処理を終えた鋼を熱間圧延して、Nbを含有する粒子径1μm以上の炭化物が200〜1000個/mm2の密度でマトリクス中に存在する熱延鋼板を得る工程(熱延工程)、
Ac1点未満の温度域に加熱する仕上焼鈍を施して焼鈍組織とする工程(仕上焼鈍工程)、
を有する請求項1〜3のいずれかに記載の機械部品用素材鋼板の製造方法。
A=Nb−10x/C …(1)
ただし、x=3.42−7900/(T+273)
(1)式のNbおよびCの箇所にはそれぞれ質量%で表された当該鋼のNbおよびC含有量の値が代入される。 - 成分調整された鋼を鋳造後、冷却過程において1500〜900℃の温度領域の滞在時間を30min以上とすることによりNb、Tiの1種以上を含有する粗大炭化物を析出させる工程(鋳造工程)、
前記の粗大炭化物が存在する鋼を1100〜1350℃の範囲かつ下記(1)式により定まるA値が0.077〜0.383となる温度T(℃)で加熱保持して、前記炭化物の一部を固溶化する工程(固溶化熱処理工程)、
前記固溶化熱処理を終えた鋼を熱間圧延して、Nb、Tiの1種以上を含有する粒子径1μm以上の炭化物が200〜1000個/mm2の密度でマトリクス中に存在する熱延鋼板を得る工程(熱延工程)、
Ac1点未満の温度域に加熱する仕上焼鈍を施して焼鈍組織とする工程(仕上焼鈍工程)、
を有する請求項4〜6のいずれかに記載の機械部品用素材鋼板の製造方法。
A=Nb−10x/C …(1)
ただし、x=3.42−7900/(T+273)
(1)式のNbおよびCの箇所にはそれぞれ質量%で表された当該鋼のNbおよびC含有量の値が代入される。 - 熱延工程と仕上焼鈍工程の間において、Ac1点未満の温度域に加熱する焼鈍および冷間圧延(焼鈍・冷間圧延工程)を1回以上行う、請求項7または8に記載の機械部品用素材鋼板の製造方法。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の素材鋼板から成形加工した部材に対して、オーステナイト温度域での溶体化を1000℃以下とする焼入れ焼戻し処理またはオーステンパー処理を施して500〜600HVに調質する、耐摩耗性および靭性に優れた機械部品の製造方法。
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