JP2014139346A

JP2014139346A - 球状化処理性に優れる炭素鋼

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Publication number: JP2014139346A
Application number: JP2014036528A
Authority: JP
Inventors: Takako Yamashita; 孝子山下; Akihiro Matsuzaki; 明博松崎
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2014-07-31

Abstract

【課題】機械構造部材、自動車の動力伝達部材、軸受けおよび工具等に好適な、球状化処理性に優れる炭素鋼を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．４０％以上、１．８０％以下、Ｂ：０．００１％以上、１．０％以下を含有し、更に、質量％で、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下の１種または２種以上を含有し、ＢおよびＣの含有量（質量％）がＢ含有量（質量％）に応じて（１）式または（２）式を満たし、残部は鉄および不可避的不純物の組成になる球状化処理性に優れる炭素鋼。
Ｃ≧１．９４−Ｂ×５１４（０．００１≦Ｂ≦０．００３）・・・・（１）
Ｃ≧０．４６７−Ｂ×０．０５３（０．００３＜Ｂ≦１．０）・・・・（２）
但し、各式において、ＢおよびＣは、含有量（質量％）を示す。
【選択図】なし

Description

本発明は、機械構造部材、自動車の動力伝達部材、軸受けおよび工具等に好適な、球状化処理性に優れる炭素鋼に関する。

機械構造部材、自動車の動力伝達部材、軸受けおよび工具等に使用される中炭素鋼あるいは高炭素鋼は、通常、熱間圧延により棒状または板状に圧延されたのち、鍛造、引き抜き、切削および切断等の冷間加工により所定の製品形状に加工される。

しかしながら、熱間圧延後の鋼組織はパーライトまたは冷却速度が速い場合はマルテンサイト組織が主体で、冷間加工性が極めて悪いため、一般的には、熱間圧延後に球状化焼きなまし焼鈍を施し、パーライト組織を球状化することにより鋼材を軟質化し冷間加工を行う。

球状化焼きなまし焼鈍は、板状のセメンタイト相を含有する鋼を、Ａｃ_１変態点以上の溶体化温度（亜共析鋼ではＡｃ_３点温度近傍、過共析鋼ではＡｃ_ｍ点温度近傍）に加熱し、セメンタイト相をわずか残して固溶させ、その後、Ａｃ_１変態点直下の温度に保持して残存したセメンタイトを核として新たなセメンタイトを析出させるものである。

球状化焼きなまし焼鈍処理後のセメンタイトは球状化し、母相であるフェライト相の面積が増加することにより軟化する。このような球状化焼鈍において、溶体化温度が高すぎる場合にはセメンタイトが完全に固溶するので、その後、Ａｃ_１変態点直下の温度に保持した時のセメンタイト相の析出が遅滞し、長時間の加熱が必要となる。

長時間保持のために炭化物が粗大化しやすく、加工性や製品特性の劣化を招き、核となるセメンタイトがないために球状化されないまま冷却された場合においては、微細パーライトが生成し再び硬化してしまう。したがって、従来鋼の球状化焼鈍においては、特に溶体化処理について緻密な操業管理が要求され、また、焼鈍時間が長いため製造コストの上昇を招いている。

このような問題を克服するために、例えば、非特許文献１には種々の焼鈍方法（以下で説明する（１）〜（４））が記載されている。
（１）Ａｃ_１以上、Ａｃ_ｍ以下の温度に適当な時間加熱したのち、Ａｒ_１完了まで徐々に冷却するか、またはＡｃ_１直下の適当な温度に冷却し、一定時間この温度に保持して変態を完了させたのち空冷する。
（２）Ａｃ_１直下の温度に長時間加熱したのち、冷却する。
（３）Ａｃ_１の上下を繰返して加熱冷却する。
（４）Ａｃ_３またはＡｃ_ｍ直上の温度に加熱しのち、適当な速さで冷却して、網目状および粗大な層状炭化物の生成を妨ぎ、次いで、（１）、（２）または（３）の方法で炭化物を球状に凝集させる。

また、特許文献１は、球状化処理性に優れる高炭素鋼に関し、発明者らが球状化焼鈍に供される高炭素鋼において、セメンタイトと同時に析出するＦｅ_２Ｂの存在がセメンタイトの球状化に極めて有利であることを見出してなされたもので、球状化焼鈍における処理温度の範囲を拡大し、処理時間を短縮することが可能な高炭素鋼が記載されている。

特開平１０−２３７５８８号公報

「鉄鋼便覧（新版）、ｐ．１２０４〜１２０５、昭和４２年」

しかしながら、非特許文献１に記載の焼鈍方法は、いずれも未固溶セメンタイトを核として、新たにセメンタイトを析出させるものであり、加熱温度の影響を受けやすく、球状化焼鈍においては、特に溶体化処理について緻密な操業管理が要求され、また、焼鈍時間が長いため製造コストの上昇を招くものであって、抜本的な解決にはなっていない。

また、特許文献１に記載の技術は、Ｆｅ_２Ｂは未固溶セメンタイトよりは析出核として存在する温度範囲が広く非特許文献１における問題点を改善するが、Ｆｅ_２Ｂが析出可能な成分範囲が限定されること、Ａｌ，Ｎなどが添加されているとＦｅ_２Ｂの析出が阻害される等、全ての炭素鋼に適用することは難しく、軸受け鋼など多くの中炭素鋼では球状化焼鈍に時間がかかり生産上の問題となっていた。

そこで、本発明は、上述した問題点を抜本的に解決した、球状化処理性に優れた鋼を提供することを目的とする。

発明者らは、Ｂが炭化物を安定にする元素で、それ自身がＦｅ_２３Ｃ_６などに固溶し硼炭化物：Ｆｅ_２３（Ｃ，Ｂ）_６を形成することに着目し、特許文献１で得られた知見をもとに、更に、種々の実験・検討を重ね、以下の知見を得た。
１．鋼中Ｃ量が質量％で０．４％の中炭素鋼から１．８％の高炭素鋼までの比較的広い炭素濃度範囲の炭素鋼において、鋼中のＣ，Ｂ含有量のバランスを調整すると、１１００℃以上の高温よりセメンタイトが安定的に析出する。
２．当該セメンタイトはセメンタイト中のＣ：Ｂ比が４：６程度であり、Ｂを多く固溶した熱力学的に安定なＦｅ_３（Ｃ，Ｂ）で、Ａ_１温度以上の溶体化温度で保持時に溶解しない。
３．Ｆｅ_３（Ｃ，Ｂ）はＦｅ_３Ｃと同じ結晶構造を有するため、Ｆｅ_２Ｂよりもセメンタイトとの結晶構造的な整合性が高く、α域で析出するセメンタイト：Ｆｅ_３Ｃの析出核として優れている。
４．Ｆｅ_２Ｂの析出を確保するにはＢを０．００５％以上確保し、さらにＡｌＮ、ＢＮの析出を抑制するためにＡｌ，Ｎ量を低減しなければならないが、Ｆｅ_３（Ｃ，Ｂ）の場合、そのような成分の制約は不要になる。

本発明は得られた知見をもとに更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は、
１．質量％で、Ｃ：０．４０％以上、１．８０％以下、Ｂ：０．００１％以上、１．０％以下を含有し、ＢおよびＣの含有量（質量％）がＢ含有量（質量％）に応じて（１）式または（２）式を満たし、残部は鉄および不可避的不純物の組成になる球状化処理性に優れる炭素鋼。
Ｃ≧１．９４−Ｂ×５１４（０．００１≦Ｂ≦０．００３）・・・・（１）
Ｃ≧０．４６７−Ｂ×０．０５３（０．００３＜Ｂ≦１．０）・・・・（２）
但し、各式において、ＢおよびＣは、含有量（質量％）を示す。
２．鋼組成に更に、質量％で、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下の１種または２種以上を含有する１記載の球状化処理性に優れる炭素鋼。

本発明によれば、球状化焼鈍処理におけるＡｃ_１温度以上での適正温度範囲が大幅に拡大され、その操業管理が容易となるとともにかつ、Ａｃ_１直下の温度での析出、球状化時間を短縮できて処理時間が大幅に短縮でき、また、熱間加工ままでも球状化、軟質化が実現可能で、産業上極めて有用である。

球状化焼鈍処理の基本パターンを示す説明図。

発明鋼の成分組成の限定理由について以下に述べる。尚、説明において％は質量％とする。
Ｃ：０．４０％以上、１．８０％以下
Ｃは、セメンタイト相を形成し、製品の強度確保に重要であり、この発明鋼の対象とする用途のために必須の成分である。セメンタイトが析出するには、通常の炭素鋼では０．６０％以上の炭素が必要であるが、Ｂを同時に添加すると共析点が低炭素側に移動し、０．４０％の炭素量があればセメンタイトが析出可能となる。従って、炭素を０．４０％以上含有させる。

一方、１．８０％を超えて含有させるとセメンタイト量が過剰になり靱性、延性の劣化が著しくなる。したがって、０．４０％以上、１．８０％以下とする。

Ｂ：０．００１％以上、１．０％以下
Ｂは、本発明にとって最も重要な成分である。球状化処理における核生成サイトとして作用するＦｅ_３（Ｃ，Ｂ）を析出させるためには、固溶限以上のＢを含有させる必要で、０．００１％以上とする。

一方、１．０％を超えて含有させてもその効果が飽和するばかりでなく、Ｆｅ_２Ｂにより硬さが過剰となり、靱性劣化を招くため、０．００１％以上、１．０％以下とする。

Ｃ≧１．９４−Ｂ×５１４（０．００１≦Ｂ≦０．００３）・・・・（１）
Ｃ≧０．４６７−Ｂ×０．０５３（０．００３＜Ｂ≦１．０）・・・・（２）
但し、各式において、ＢおよびＣは、含有量（質量％）を示す。

本パラメータ式は、鋼中のＣ，Ｂの含有量のバランスを規定するもので、Ｆｅ_３（Ｃ，Ｂ）を高温から析出させ、Ｂをより多く含有させるために、０．００１≦Ｂ≦０．００３の場合は、Ｃ≧１．９４−Ｂ×５１４、０．００３＜Ｂ≦１．０の場合はＣ≧０．４６７−Ｂ×０．０５３とする。

本パラメータ式は、Ｆｅ_３（Ｃ，Ｂ）と共に析出するＦｅ_２Ｂの有無により鋼中Ｃ，Ｂの含有量のバランスが異なるため、Ｂ量に応じて２種類規定する。

Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下の一種または二種以上
Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ、Ｎｂは、いずれも炭化物を安定にしてセメンタイト相の析出・球状化を促進させる成分であり、これらのうちから選ばれる１種または２種以上を含有させることができる。

しかし、これらは過剰に含有させてもその効果が飽和するばかりでなく、鋼のコスト増大、変態を遅延させることによる焼入れ性の過剰な増大を招くため、それらの含有量はそれぞれＣｒ：２．０％以下、Ｍｏ：１．０以下、Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下とする。

表１に示す種々の成分組成になる鋼を溶製し、２０ｍｍ厚の板に熱間圧延したのち、空冷した。表１中のＡｃ１は、熱延板を用いての１０００℃，１０分の溶体化からの連続冷却による熱膨張測定により求めた。

表１において、鋼Ｎｏ．Ａ〜Ｋは請求項１記載の本発明鋼、鋼Ｎｏ．Ｌ〜Ｏは請求項２記載の本発明鋼、鋼Ｎｏ．ＰおよびＲは鋼中のＣ，Ｂ添加量は請求項１記載の本発明範囲であるが、Ｃ，Ｂ添加量のバランスが上記（１）式または（２）式を満足していない請求項１記載の本発明範囲外となる比較例である。

鋼Ｎｏ．Ｑ、Ｓ、Ｔ、ＵはＣあるいはＢ量が請求項１記載の本発明範囲を逸脱する比較鋼である。尚、鋼Ｎｏ．Ｕは共析鋼に該当する本分野の代表的従来鋼である。これらの鋼について、種々の条件で球状化焼鈍処理を施した。

図１に実施例に用いた球状化焼鈍処理の基本パターンを示す。実施例では、図におけるＴ_１温度（℃）ならびにｔ_２時間（ｈ）をそれぞれ変化させた。なお、従来鋼（鋼Ｎｏ．Ｕ）の処理条件として、標準的なＴ_１＝Ａｃ_１，ｔ_２＝４ｈを採用した。当該処理条件は従来鋼（鋼Ｎｏ．Ｕ）でも適正な球状化が進行し、十分に軟質化することができるものである。

球状化処理の適正度は上記の標準条件材の硬さ（ＨｖＳ）を基準にして、Ｈｖが＋２０ポイントまでを球状化が適性、＋２０ポイント超えを球状化が不適性とした。

表２に球状化焼鈍処理条件と球状化処理の適性度を示す。表から明らかなように、球状化焼鈍処理条件Ａ，Ｄ，ＥおよびＦを比較すると、発明鋼である鋼Ｎｏ．Ａ〜Ｏはいずれも条件Ｆ：Ｔ_１（固溶化温度）がＡｃ_１より６０℃高い温度であっても良好な球状化が得られている。

一方、比較鋼（鋼Ｎｏ．Ｐ〜Ｔ）ならびに従来鋼（鋼Ｎｏ．Ｕ）で良好な球状化が得られる条件は、比較鋼（鋼Ｎｏ．Ｑ）の条件Ｅ：Ａｃ_１＋４０℃までであり、本発明によれば球状化燒鈍条件が大幅に拡大できることが認められた。

また、球状化焼鈍処理条件Ａ，Ｂ、Ｃで処理時間を比較すると、発明鋼は球状化処理時間が１時間（条件Ａ）でも良好な球状化が得られているのに対し、比較鋼（鋼Ｎｏ．Ｐ〜Ｔ）ならびに従来鋼（鋼Ｎｏ．Ｕ）では、比較鋼Ｑの条件Ｂの２時間が基も短時間である。
以上より、発明鋼が、球状化焼鈍処理におけるセメンタイトの溶体化処理温度範囲の大幅な拡大と、球状化処理時間の大幅な短縮に極めて有効であることが確認された。

Claims

質量％で、Ｃ：０．４０％以上、１．８０％以下、Ｂ：０．００１％以上、１．０％以下を含有し、更に、質量％で、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下の１種または２種以上を含有し、ＢおよびＣの含有量（質量％）がＢ含有量（質量％）に応じて（１）式または（２）式を満たし、残部は鉄および不可避的不純物の組成になる球状化処理性に優れる炭素鋼。
Ｃ≧１．９４−Ｂ×５１４（０．００１≦Ｂ≦０．００３）・・・・（１）
Ｃ≧０．４６７−Ｂ×０．０５３（０．００３＜Ｂ≦１．０）・・・・（２）
但し、各式において、ＢおよびＣは、含有量（質量％）を示す。