JP2015140449A - 高温での結晶粒度特性に優れた肌焼鋼 - Google Patents
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Abstract
【課題】
本発明が解決しようとする課題は、機械構造用鋼の鋼材から自動車のシャフトや動力伝達部品を得る際に、浸炭時に高温で結晶粒度特性を必要とする肌焼鋼を提供する。
【解決手段】
質量%で、C:0.12〜0.35%、Si:0.30〜1.20%、Mn:0.10〜0.85%、P:≦0.030%、S:≦0.030%、Cr:1.0〜2.5%、Mo:≦0.1%、Al:0.020〜0.50%、Nb:0.02〜0.1%、Ti:≦0.20%、N:≦170ppm、B:≦0.0050%を主成分とし、残部Feおよび不可避不純物からなり、ピンニング粒子は、Ti(CN)、NbTi(CN)、Nb(CN)、AlNを含み、ピンニング粒子の直径は10〜50nmで、ピンニング粒子の個数は1個×106/mm2〜10個×6/mm2で、ピンニング粒子の個数の割合がTi(CN)+NbTi(CN)+Nb(CN)≧3AlNを満たす肌焼鋼。
【選択図】 なし
本発明が解決しようとする課題は、機械構造用鋼の鋼材から自動車のシャフトや動力伝達部品を得る際に、浸炭時に高温で結晶粒度特性を必要とする肌焼鋼を提供する。
【解決手段】
質量%で、C:0.12〜0.35%、Si:0.30〜1.20%、Mn:0.10〜0.85%、P:≦0.030%、S:≦0.030%、Cr:1.0〜2.5%、Mo:≦0.1%、Al:0.020〜0.50%、Nb:0.02〜0.1%、Ti:≦0.20%、N:≦170ppm、B:≦0.0050%を主成分とし、残部Feおよび不可避不純物からなり、ピンニング粒子は、Ti(CN)、NbTi(CN)、Nb(CN)、AlNを含み、ピンニング粒子の直径は10〜50nmで、ピンニング粒子の個数は1個×106/mm2〜10個×6/mm2で、ピンニング粒子の個数の割合がTi(CN)+NbTi(CN)+Nb(CN)≧3AlNを満たす肌焼鋼。
【選択図】 なし
Description
本発明は高温での結晶粒度特性に優れた肌焼鋼に関するものである。
従来、機械構造用鋼の鋼材から、自動車のシャフトや動力伝達部品、例えば、軸付き歯車、シャフト類、無段階変速機プーリ、等速ジョイントなどに用いる鋼に、浸炭処理して使用される、機械構造部品の素材となる肌焼鋼に対し、コストの面から、浸炭を短時間にするニーズが高まってきている。
肌焼鋼は連続鋳造により鋼塊を製造し、鋼片への圧延工程、その後の棒鋼材への圧延工程および製造への鍛造工程において、1250〜1400℃に加熱した後、常温まで冷却し、Ac3〜1050℃の範囲で焼ならし後、球状化焼鈍をして、浸炭焼入焼戻処理が行なわれている。浸炭焼入は900℃以上のオーステナイト領域で行なわれており、浸炭時間の短縮には、高温で処理する必要がある。しかし、浸炭前の組織や浸炭条件などの組み合わせにより、浸炭時、高温下で結晶粒の粗大化が発生することがあり、疲労強度や静的強度の低下をもたらす。結晶粒粗大化防止技術に、微細析出物を利用したピン止め粒子を活用し結晶粒度特性を保つ技術がある(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。本発明は、900℃以上の高温下で粗大粒の発生を防止する鋼に関するものである。
肌焼鋼は連続鋳造により鋼塊を製造し、鋼片への圧延工程、その後の棒鋼材への圧延工程および製造への鍛造工程において、1250〜1400℃に加熱した後、常温まで冷却し、Ac3〜1050℃の範囲で焼ならし後、球状化焼鈍をして、浸炭焼入焼戻処理が行なわれている。浸炭焼入は900℃以上のオーステナイト領域で行なわれており、浸炭時間の短縮には、高温で処理する必要がある。しかし、浸炭前の組織や浸炭条件などの組み合わせにより、浸炭時、高温下で結晶粒の粗大化が発生することがあり、疲労強度や静的強度の低下をもたらす。結晶粒粗大化防止技術に、微細析出物を利用したピン止め粒子を活用し結晶粒度特性を保つ技術がある(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。本発明は、900℃以上の高温下で粗大粒の発生を防止する鋼に関するものである。
従来の結晶粒度安定方法として、TiCやNbCなどを析出、分散させている(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。ところが、高温でピン止め効果を示す肌焼鋼の、ピンニング粒子の大きさと個数は、具体的に決まっていない。そのため、Nb、Ti、Alなどの添加量を決定する必要がある。
本発明が解決しようとする課題は、機械構造用鋼の鋼材から自動車のシャフトや動力伝達部品を得る際に、浸炭時に高温で結晶粒度特性を必要とする肌焼鋼を提供することである。
第1の手段は、質量%で、C:0.12〜0.35%、Si:0.30〜1.20%、Mn:0.10〜0.85%、P:≦0.030%、S:≦0.030%、Cr:1.0〜2.5%、Mo:≦0.1%、Al:0.020〜0.50%、Nb:0.02〜0.1%、Ti:≦0.20%、N:≦170ppm、B:≦0.0050%を主成分とし、残部Feおよび不可避不純物を含有する。さらにTi系析出物、Nb系析出物、Al系析出物、およびCr系析出物からなるピンニング粒子の直径が10〜50nmであり、ピンニング粒子の単位面積あたりの個数は、1個×106/mm2〜10個×106/mm2であり、かつピンニング粒子の個数の割合がTi(CN)+NbTi(CN)+Nb(CN)≧3AlNを満たすことを特徴とする高温で結晶粒度特性の良い肌焼鋼である。
第2の手段は、質量%で、CおよびSiは、Si量がC量の1.5〜4倍であることを特徴とする第1の手段または第2の手段の高温で結晶粒度特性の良い肌焼鋼である。
本発明は、機械構造用鋼の鋼材からなる自動車のシャフトや動力伝達部品鋼として、浸炭後の結晶粒度粗大化を防止しうる、疲労強度や静的強度の低下のない、高強度部品用の肌焼鋼を得ることができる。
先ず、本願の上記手段における化学成分の限定理由について説明する。
C:0.12〜0.35%
Cは、焼入性や靭性に影響する元素である。Cが0.12%未満では十分な焼入性が得られず、強度が低下する。また、Cが0.35%を超えると十分な靭性が得られない。よって、Cは0.12〜0.35%を必要とし、好ましくは0.15〜0.35%である。
C:0.12〜0.35%
Cは、焼入性や靭性に影響する元素である。Cが0.12%未満では十分な焼入性が得られず、強度が低下する。また、Cが0.35%を超えると十分な靭性が得られない。よって、Cは0.12〜0.35%を必要とし、好ましくは0.15〜0.35%である。
Si:0.30〜1.20%
Siは、脱酸に必要な元素であるとともに、焼入性を向上させ、焼戻軟化抵抗を向上するのに有効である。Siは高温で粒度特性を保つマトリックスの鋼に必要な元素である。一方、Siが0.30%未満では、焼戻軟化抵抗が十分に発揮されず、したがってピン止め効果が発揮できないので粒の粗大化が起こる。また、Siが1.20%を超えると、硬さの上昇を招き、靭性の低下につながる。よってSiは0.40〜1.20%を必要とし、好ましくは0.30%〜0.70%である。
Siは、脱酸に必要な元素であるとともに、焼入性を向上させ、焼戻軟化抵抗を向上するのに有効である。Siは高温で粒度特性を保つマトリックスの鋼に必要な元素である。一方、Siが0.30%未満では、焼戻軟化抵抗が十分に発揮されず、したがってピン止め効果が発揮できないので粒の粗大化が起こる。また、Siが1.20%を超えると、硬さの上昇を招き、靭性の低下につながる。よってSiは0.40〜1.20%を必要とし、好ましくは0.30%〜0.70%である。
Mn:0.10〜0.85%
Mnは、焼入性を向上させ、高強度化に必要な元素である。Mnが0.10%未満では、十分な効果が得られない。また、Mnが0.85%を超えると、硬さの上昇を招き、靭性の低下につながる。よってMnは0.10〜0.85%を必要とする。
Mnは、焼入性を向上させ、高強度化に必要な元素である。Mnが0.10%未満では、十分な効果が得られない。また、Mnが0.85%を超えると、硬さの上昇を招き、靭性の低下につながる。よってMnは0.10〜0.85%を必要とする。
P:≦0.030%
Pは、鋼中に不可避不純物として含まれる元素であるが、一方、浸炭部品の結晶粒界に偏析して脆化させる元素である。よってPは0.030%以下とする必要がある。
Pは、鋼中に不可避不純物として含まれる元素であるが、一方、浸炭部品の結晶粒界に偏析して脆化させる元素である。よってPは0.030%以下とする必要がある。
S:≦0.030%
Sは、鋼中でMnSを形成し、これによる被削性の向上を目的として添加する。Sが0.030%を超えると疲労寿命低下させる。よってSは0.030%以下とする。
Sは、鋼中でMnSを形成し、これによる被削性の向上を目的として添加する。Sが0.030%を超えると疲労寿命低下させる。よってSは0.030%以下とする。
Cr:1.0〜2.5%
Crは、焼入性の確保および靭性の向上に必要な元素であり、浸炭を促進する効果もある。Crが1.0%以下では十分な効果が得られない。また、Crが2.5%を超えると粗大なCr炭化物が粒界に析出し疲労寿命の低下につながる。よってCrは1.0〜2.5%を必要とする。
Crは、焼入性の確保および靭性の向上に必要な元素であり、浸炭を促進する効果もある。Crが1.0%以下では十分な効果が得られない。また、Crが2.5%を超えると粗大なCr炭化物が粒界に析出し疲労寿命の低下につながる。よってCrは1.0〜2.5%を必要とする。
Mo:≦0.1%
Moは靭性の向上、高寿命に有効な元素であるが、高価な元素であり、Moが0.1%を超えるとコストアップとなる。よって、Moは0.1%以下を必要とする。
Moは靭性の向上、高寿命に有効な元素であるが、高価な元素であり、Moが0.1%を超えるとコストアップとなる。よって、Moは0.1%以下を必要とする。
Al:0.020〜0.50%
Alは鋼中のNと結合して窒化物を生成し、結晶粒粗大化防止に有効なピン止め効果を発揮するために必要な元素である。Alが0.020%未満ではピン止め粒子生成に対し、不十分である。また、Alが0.50%を超えると、Al系酸化物を生成し、硬質な介在物を形成し、疲労強度が低下する。そこで、Alは0.020〜0.50%を必要とする。
Alは鋼中のNと結合して窒化物を生成し、結晶粒粗大化防止に有効なピン止め効果を発揮するために必要な元素である。Alが0.020%未満ではピン止め粒子生成に対し、不十分である。また、Alが0.50%を超えると、Al系酸化物を生成し、硬質な介在物を形成し、疲労強度が低下する。そこで、Alは0.020〜0.50%を必要とする。
Nb:0.02〜0.1%
Nbは鋼中のCおよびNと結合して炭窒化物を生成し、結晶粒粗大化防止に有効なピン止め効果を発揮するために必要な元素であり、さらに、NbはTi系析出物に固溶して、Ti系析出物の粗大化を抑制するが、高価な元素である。Nbが0.02%未満では十分な効果が得られない。また、Nbが0.1%を超えるとコストアップとなる。そこでNbは0.02〜0.1%とし、好ましくは0.04〜0.06%とする。
Nbは鋼中のCおよびNと結合して炭窒化物を生成し、結晶粒粗大化防止に有効なピン止め効果を発揮するために必要な元素であり、さらに、NbはTi系析出物に固溶して、Ti系析出物の粗大化を抑制するが、高価な元素である。Nbが0.02%未満では十分な効果が得られない。また、Nbが0.1%を超えるとコストアップとなる。そこでNbは0.02〜0.1%とし、好ましくは0.04〜0.06%とする。
Ti:≦0.20%
Tiは鋼中のCおよびNと結合して炭窒化物を生成し、結晶粒粗大化防止に有効なピン止め効果を発揮するために必要な元素であるが、高価な元素である。Tiは0.20%を超えると、粗大な析出を呈する。Tiは0.20%以下を必要とする。また、Ti量と上記のNb量の和は、0.04〜0.12%とする。
Tiは鋼中のCおよびNと結合して炭窒化物を生成し、結晶粒粗大化防止に有効なピン止め効果を発揮するために必要な元素であるが、高価な元素である。Tiは0.20%を超えると、粗大な析出を呈する。Tiは0.20%以下を必要とする。また、Ti量と上記のNb量の和は、0.04〜0.12%とする。
N:≦170ppm
Nは鋼中のTi、Nb、Alと結合し、Ti(CN)、NbTi(CN)、Nb(CN)、AlNを生成し、結晶粒粗大化防止に有効なピン止め効果を発揮する。Nが170ppmを超えると、その効果は飽和する。そこで、Nは170ppm以下を必要とし、好ましくは60〜170ppmとする。
Nは鋼中のTi、Nb、Alと結合し、Ti(CN)、NbTi(CN)、Nb(CN)、AlNを生成し、結晶粒粗大化防止に有効なピン止め効果を発揮する。Nが170ppmを超えると、その効果は飽和する。そこで、Nは170ppm以下を必要とし、好ましくは60〜170ppmとする。
B:≦0.0050%
Bは微量の添加により焼入性を向上させる元素である。Bが0.0050%を超えると焼入性を低下させてしまう。そこで、Bは0.0050%以下とする。
Bは微量の添加により焼入性を向上させる元素である。Bが0.0050%を超えると焼入性を低下させてしまう。そこで、Bは0.0050%以下とする。
ピンニング粒子の個数の割合Ti(CN)+NbTi(CN)+Nb(CN)≧3AlN
ピンニング粒子は、結晶粒粗大化防止に有効であり、高硬度を有するTi(CN)、NbTi(CN)、Nb(CN)、特にNb系析出物は、高温浸炭時、オストワルド成長を抑制するため、ピンニング粒子は十分に点在しておく必要がる。3AlNを超えないと、粗大化防止に対し十分な効果を発揮することができない。そこで、Ti(CN)+NbTi(CN)+Nb(CN)≧3AlNとする。
ピンニング粒子は、結晶粒粗大化防止に有効であり、高硬度を有するTi(CN)、NbTi(CN)、Nb(CN)、特にNb系析出物は、高温浸炭時、オストワルド成長を抑制するため、ピンニング粒子は十分に点在しておく必要がる。3AlNを超えないと、粗大化防止に対し十分な効果を発揮することができない。そこで、Ti(CN)+NbTi(CN)+Nb(CN)≧3AlNとする。
質量%で、Si量はC量の1.5〜4倍
SiはCと熱力学的に類似した挙動を示し反発の相互作用を持つため、偏析しにくくなる。Si量がC量の1.5〜4倍である場合、αバンドを形成しやすくなり、高温での結晶粒の粗大化が抑制される。
これに対し、Si量がC量の1.5倍未満もしくはSi量がC量の4倍を超えると、高温で結晶粒が粗大化する。この場合、αバンドを形成しにくくなり、高温で結晶粒が粗大化する。よって質量%で、Si量はC量の1.5〜4倍とし、好ましくは2〜4倍とする。
SiはCと熱力学的に類似した挙動を示し反発の相互作用を持つため、偏析しにくくなる。Si量がC量の1.5〜4倍である場合、αバンドを形成しやすくなり、高温での結晶粒の粗大化が抑制される。
これに対し、Si量がC量の1.5倍未満もしくはSi量がC量の4倍を超えると、高温で結晶粒が粗大化する。この場合、αバンドを形成しにくくなり、高温で結晶粒が粗大化する。よって質量%で、Si量はC量の1.5〜4倍とし、好ましくは2〜4倍とする。
本発明の肌焼鋼は、その化学成分を上記の範囲に成分調整してなる鋼片を鍛伸後、Ti(CN)、NbTi(CN)、Nb(CN)、AlNを固溶させるため、1200〜1300℃に2時間保持して、上記のピン止め粒子となる析出物を析出させるために室温まで空冷する。さらに、これを980℃で1.5時間保持後、770℃で球状化焼鈍を行う。さらに、これを930〜1020℃で浸炭する。浸炭方法は、様式を問わない。
請求項1の手段のピンニング粒子は、大きさが10nm以下では、小さいために、十分なピン止め効果を得ることができない。また、ピンニング粒子は、大きさが50nm以上では、結晶粒粗大化防止に有効なTi(CN)、NbTi(CN)、Nb(CN)が不足し、かつ不均一に分散した状態となる。さらに、AlN単独に比べてTi(CN)、NbTi(CN)、Nb(CN)を含有すると、浸炭中にオストワルド成長しにくいので、ピンニング粒子は安定して存在することができる。
以下に、表を参照して本発明の実施例を説明する。
表1に示す成分組成の発明鋼および比較鋼からなる供試鋼を100kgVIM(真空誘導溶解炉)で溶解し鋳造した。この供試鋼からなる鋼塊を鍛伸し、鋼片圧延での加熱を想定した1200〜1300℃で2時間保持後空冷し、製品圧延での加熱を想定した980℃で1.5時間保持後空冷し、870℃で2時間保持後空冷する球状化焼鈍を行った。さらに、これを930〜1020℃で3時間の擬似浸炭後、室温まで油冷した。
(1)ピン止め粒子のTi(CN)、NbTi(CN)、Nb(CN)、AlNの個数と大きさは、球状化焼鈍後の棒鋼を用いて、(ア)透過型電子顕微鏡にて測定した。ピンニング粒子は、抽出レプリカ法により採取した。
(2)マトリックスの結晶粒度ナンバーは、擬似浸炭後の棒鋼を用いて、飽和ピクリン酸にて旧オーステナイト結晶粒を観察し、(イ)光学顕微鏡にて測定した。
(3)硬さ測定は、(ウ)ロックウェル硬さ試験にて行なった。
得られた棒鋼の長手方向に垂直な面を切り出し、断面におけるD/4位置(Dは直径を示す)で硬さ試験を実施した。測定は5箇所で行い、平均値を算出した。
(1)ピン止め粒子のTi(CN)、NbTi(CN)、Nb(CN)、AlNの個数と大きさは、球状化焼鈍後の棒鋼を用いて、(ア)透過型電子顕微鏡にて測定した。ピンニング粒子は、抽出レプリカ法により採取した。
(2)マトリックスの結晶粒度ナンバーは、擬似浸炭後の棒鋼を用いて、飽和ピクリン酸にて旧オーステナイト結晶粒を観察し、(イ)光学顕微鏡にて測定した。
(3)硬さ測定は、(ウ)ロックウェル硬さ試験にて行なった。
得られた棒鋼の長手方向に垂直な面を切り出し、断面におけるD/4位置(Dは直径を示す)で硬さ試験を実施した。測定は5箇所で行い、平均値を算出した。
上記における、(ア)、(イ)、(ウ)は以下のとおりのものである。
(ア)透過型電子顕微鏡:HF−2200型電界放射型透過電子顕微鏡
加速電圧:200kV
観察倍率:100000倍
(イ)光学顕微鏡
(ウ)ロックウェル硬度測定器
(ア)透過型電子顕微鏡:HF−2200型電界放射型透過電子顕微鏡
加速電圧:200kV
観察倍率:100000倍
(イ)光学顕微鏡
(ウ)ロックウェル硬度測定器
(1)ピン止め粒子の大きさと個数を上記(イ)の光学顕微鏡にて観察
(2)マトッリクスの結晶粒度の測定
上記の疑似浸炭後の棒鋼の圧延方向に平行な断面を切り出し、飽和ピクリン酸でエッチングを行なった後、表面から深さ200μm位置までの領域、および表面からの深さ200μm位置から深さ500μm位置までの領域を、(イ)光学顕微鏡を用いて観察倍率100倍、400倍で観察を行い、旧オーステナイトの粒度番号を判定した。ただし、JIS G0551に従う。
上記の疑似浸炭後の棒鋼の圧延方向に平行な断面を切り出し、飽和ピクリン酸でエッチングを行なった後、表面から深さ200μm位置までの領域、および表面からの深さ200μm位置から深さ500μm位置までの領域を、(イ)光学顕微鏡を用いて観察倍率100倍、400倍で観察を行い、旧オーステナイトの粒度番号を判定した。ただし、JIS G0551に従う。
本実施例では、表層部における旧オーステナイト粒の平均結晶粒度が6〜9番であり、かつ、内部における旧オーステナイト粒の平均結晶粒度が5.5〜8番であると共に、旧オーステナイト粒の結晶粒度が5.5番以下の粗大粒を有しないものを、浸炭後の結晶粒粗大化を防止していると評価した。
参考のため、表2に「粗大粒」の欄を設け、観察視野中に結晶粒度番号が5.5番以下の粗大粒が見られたものに「有」を、粗大粒が見られなかったものに「無」と記載した。
(3)ロックウェル硬さ測定
上記棒鋼の圧延方向に垂直な断面を切り出し、D/4位置でロックウェル硬さ測定を行なった。
上記棒鋼の圧延方向に垂直な断面を切り出し、D/4位置でロックウェル硬さ測定を行なった。
表2に熱処理条件を示す。
表1および表2におけるNo.7〜14は本発明で規定するいずれかの要件を満足しない比較例である。粗大な結晶粒が点在したものを、表2で粗大粒の欄に「有」と記載している。
No.7はSiが下限より少なく、請求項2を満たさない比較例である。粗大な結晶粒が多く点在し、表2で粗大粒の欄に「有」と記載している。
No.8は請求項2を満たさない比較例である。粗大な結晶粒が多く点在し、表2で粗大粒の欄に「有」と記載している。
No.9はCr量が少ない例であり、さらに請求項2を満たさない比較例である。表2で粗大粒の欄に「有」と記載している。
No.10はC量が下限より少なく、Si量が上限より多く、さらに請求項1および2を満たさない例である。ピン止め効果を発揮することができなかったために、粗大な結晶粒が多く点在し、表2で粗大粒の欄に「有」と記載している。
No.11はMnが下限より少なく、請求項2を満たさない例である。Mnが下限より少ないため、焼入れ性が確保できない。また粗大な結晶粒が多く点在し、表2で粗大粒の欄に「有」と記載している。
No.12はMnが上限より多く、請求項2を満たさない例である。Mnが上限より多いため、靭性が低下している。また、粗大な粒が多く点在し、表2で粗大粒の欄に「有」と記載している。
No.13はCrが上限より多く、請求項1および2を満たさない例である。Crが上限より多いため、粗大なCr炭化物が粒界に析出し疲労寿命の低下の原因となる。また、粗大な粒が多く点在し、表2で粗大粒の欄に「有」と記載している。
No.14はAlが上限より多く、請求項1および2を満たさない例である。Alが上限より多いため、Al系酸化物を生成し、硬質な介在物を形成し、疲労強度が低下する原因となる。また、粗大な粒が多く点在し、表2で粗大粒の欄に「有」と記載している。の
Claims (2)
- 質量%で、C:0.12〜0.35%、Si:0.30〜1.20%、Mn:0.10〜0.85%、P:≦0.030%、S:≦0.030%、Cr:1.0〜2.5%、Mo:≦0.1%、Al:0.020〜0.50%、Nb:0.02〜0.1%、Ti:≦0.20%、N:≦170ppm、B:≦0.0050%を主成分とし、残部Feおよび不可避的不純物を含有し、さらにTi系析出物、Nb系析出物、Al系析出物、ならびにCr系析出物のピンニング粒子を有し、該ピンニング粒子の直径が10〜50nmであり、かつ1個×106/mm2〜10個×106/mm2を有し、ピンニング粒子の個数の割合が式(1)を満たすことを特徴とする高温での結晶粒度特性に優れた肌焼鋼。
Ti(CN)+NbTi(CN)+Nb(CN)≧3AlN・・・(1) - 質量%で、CおよびSiは、Si量がC量の1.5〜4倍であることを特徴とする請求項1に記載の高温での結晶粒度特性に優れた肌焼鋼。
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