JP2017141479A - 焼入れ中炭素鋼部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】靱性及び強度に優れた焼入れ中炭素鋼部品を安定して製造することができる方法を提供する。【解決手段】本発明の焼入れ中炭素鋼部品の製造方法は、中炭素鋼板から形成される中炭素鋼部品を焼入れする際に、焼入強烈度Ｈ値が０．０９〜０．１６ｃｍ−１の焼入剤を用いて冷却する。中炭素鋼板は、Ｃ：０．１５〜０．２５質量％、Ｓｉ：０．０２〜０．５質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｂ：０．０００５〜０．０１質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．３質量％、Ｐ及びＳ：０．０３質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。【選択図】なし

Description

本発明は、機械部品、軸受部品などに使用される焼入れ中炭素鋼部品の製造方法に関する。

０．２質量％程度の炭素を含有する中炭素鋼（例えば、Ｓ２０Ｃ）は、比較的軟質であるため加工性が良好であり、熱処理後の靱性及び強度も高い。そのため、中炭素鋼は、自動車部品、産業機械部品などの各種機械部品、軸受部品などの素材として広く使用されている。これらの部品は、中炭素鋼を素材とする鋼板を成形加工（例えば、打ち抜き加工、曲げ成形など）した後、熱処理を行うことによって一般に製造される。また、中炭素鋼を用いて形成された部品（以下、「中炭素鋼部品」と略す。）は、焼入れままで実用上十分な靱性を示すことから、焼入れ後の焼戻しを省略することができるという利点がある。
しかしながら、この中炭素鋼部品は焼入れ性が低く、焼入れの際に不完全な焼入れ組織（例えば、微細パーライトなど）が生成することがある。そして、この不完全な焼入れ組織は、焼入れ後の中炭素鋼部品（以下、「焼入れ中炭素鋼部品」と略す。）の靱性を低下させる原因となる。

他方、炭素鋼の焼入れ性を高めるために、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏなどの元素を炭素鋼に添加することが知られている。このような炭素鋼は、機械構造用合金鋼（例えば、ＳＭｎ、ＳＣｒ、ＳＣＭ）などと称されている。しかしながら、これらの元素の添加は、製造コスト上昇の原因になると共に、炭素鋼が硬質化して加工性が低下する場合がある。
そこで、製造コストの上昇及び加工性の低下を抑えつつ焼入れ性を高めるために、極少量のＢを添加した炭素鋼が提案されている（例えば、特許文献１〜３）。

特許第４３７７９７３号公報 特許第４３０６８８７号公報 特開２００５−２２０４１５号公報

焼入れの際に不完全な焼入れ組織（例えば、微細パーライトなど）が形成されるのは６００℃前後の温度域であるため、焼入れ後の金属組織中に不完全な焼入れ組織が混在していなければ、組織形態の面で不具合が発生することはないと考えられていた。ところが、本発明者らの実験により、Ｍｓ点（マルテンサイト変態開始温度）以下の冷却中にマルテンサイトを核として生成したベイナイトが、靭性劣化を引き起こす場合があることが分かった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、靱性及び強度に優れた焼入れ中炭素鋼部品を安定して製造することができる方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究を続けた結果、焼入れの際にＭｓ点以下で起こるベイナイト変態で生成するベイナイト組織が靱性及び強度（特に、靭性）に影響を与えるという知見に基づき、特定の組成を有する中炭素鋼板から形成される中炭素高部品を焼入れする際に、特定の焼入剤を用いて冷却することによって冷却速度を制御することにより、ベイナイト変態を抑制し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、Ｃ：０．１５〜０．２５質量％、Ｓｉ：０．０２〜０．５質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｂ：０．０００５〜０．０１質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．３質量％、Ｐ及びＳ：０．０３質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる中炭素鋼板から形成される中炭素鋼部品を焼入れする際に、焼入強烈度Ｈ値が０．０９〜０．１６ｃｍ^−１の焼入剤を用いて冷却することを特徴とする焼入れ中炭素鋼部品の製造方法である。

本発明によれば、靱性及び強度に優れた焼入れ中炭素鋼部品を安定して製造することができる方法を提供することができる。

本発明の焼入れ中炭素鋼部品の製造方法は、特定の組成を有する中炭素鋼板から形成される中炭素鋼部品を焼入れする際に、特定の焼入剤を用いて冷却することによって行われる。
ここで、本明細書において「焼入れ中炭素鋼部品」とは、焼入れは行われているが、焼戻しは行われていない中炭素鋼部品のことを意味する。また、「中炭素鋼部品」とは、中炭素鋼を素材とする鋼板から形成された部品のことを意味する。
なお、本発明は、焼き戻しが行われていない焼入れままの中炭素鋼部品を主な対象としているが、焼入れ中炭素鋼部品に焼戻しを行ってもよいことは言うまでもない。
まず、中炭素鋼板の組成について説明する。

＜Ｃ：０．１５質量％〜０．２５質量％＞
本発明では、Ｃ含有量が０．１５質量％〜０．２５質量％の中炭素鋼を対象とする。
Ｃは、炭素鋼において最も基本となる合金元素であり、その含有量によって焼入れ硬さ及び炭化物量が大きく変動する。Ｃ含有量が０．１５質量％未満では、各種機械部品として使用可能な強度（焼入れ硬さ）を得ることができない。一方、Ｃ含有量が０．２５質量％を超えると、焼入れままで（焼戻しを行わない状態で）実用上十分な靱性を得ることができない。Ｃ含有量は、好ましくは０．１６質量％〜０．２４質量％、より好ましくは０．１７質量％〜０．２３質量％である。

＜Ｓｉ：０．０２質量％〜０．５質量％＞
Ｓｉは、脱酸剤として作用する合金元素である。Ｓｉ含有量が０．０２質量％未満では、当該作用を十分に得ることができない。一方、Ｓｉ含有量が０．５質量％を超えると、焼入れままで実用上十分な靱性を得ることができない。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．０３質量％〜０．４質量％、より好ましくは０．０４質量％〜０．３質量％である。

＜Ｍｎ：０．２質量％〜２．０質量％＞
Ｍｎは、焼入れ性を向上させる合金元素である。Ｍｎ含有量が０．２質量％未満であると、焼入れ性が不十分となる。一方、Ｍｎ含有量が２．０質量％を超えると、鋼板が硬質化してしまい、加工性が低下する。Ｍｎ含有量は、好ましくは０．３質量％〜１．５質量％、より好ましくは０．４質量％〜１．０質量％である。

＜Ｂ：０．０００５質量％〜０．０１質量％＞
Ｂは、焼入れ性を向上させる合金元素である。また、Ｂは、焼入れの際にＭｓ点以下で起こるベイナイト変態を抑制（その結果、セメンタイト析出を伴うベイナイト組織の生成を抑制する）する作用も有する。Ｂ含有量が０．０００５質量％未満であると、焼入れ性が不十分となる。一方、Ｂ含有量が０．０１質量％を超えて添加してもＢの効果は飽和する上、靭性低下を招く場合がある。Ｂ含有量は、好ましくは０．００１質量％〜０．００８質量％、より好ましくは０．００２質量％〜０．００６質量％である。

＜Ｔｉ：０．０１質量％〜０．３質量％＞
Ｔｉは、鋼中に溶け込んだＮがＢと結合してＢＮとなることを抑制する合金元素である。すなわち、Ｔｉは、鋼中に溶け込んだＮを窒化物として固定することにより、焼入れ性の向上をもたらす有効Ｂ量を確保させることができる。Ｔｉ含有量が０．０１質量％未満であると、上記の効果が十分に得られない。一方、Ｔｉ含有量が０．３質量％を超えると、経済的に不利になると共に、鋼板の加工性も低下する。Ｔｉ含有量は、好ましくは０．０１質量％〜０．２質量％、より好ましくは０．０１質量％〜０．１質量％である。

＜Ｐ及びＳの合計量：０．０３質量％以下＞
Ｐ及びＳは、靱性を低下させる合金元素である。そのため、靱性を向上させるためには、出来る限り低減することが好ましい。各種機械部品として使用される焼入れ中炭素鋼部品の靱性を確保する場合、Ｐ及びＳの合計量が０．０３質量％までは許容される。Ｐ及びＳの合計量は、好ましくは０．０２５質量％以下、より好ましくは０．０２質量％以下である。

＜Ｃｒ：１．５質量％以下＞
Ｃｒは、焼入れ中炭素鋼部品の強度を向上させる合金元素であり、必要に応じて添加される。Ｃｒ含有量が１．５質量％を超えると、コストが上昇すると共に、鋼板の加工性も低下する。Ｃｒ含有量は、好ましくは０．０１質量％〜１．３質量％、より好ましくは０．１質量％〜１．０質量％である。

＜Ｖ、Ｎｂ及びＭｏからなる群から選択される少なくとも１種：０．３質量％以下＞
Ｖ、Ｎｂ及びＭｏは、結晶粒の微細化に有効な合金元素であり、必要に応じて添加される。これらの元素が０．３質量％を超えると、その効果が飽和すると共に、コストが上昇する。これらの元素の含有量は、好ましくは０．０１質量％〜０．２５質量％、より好ましくは０．１質量％〜０．２質量％である。

＜残部：Ｆｅ及び不可避的不純物＞
上記の成分以外の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。ここで、不可避的不純物とは、Ｏ、Ｎなどの除去することが難しい成分のことを意味する。これらの成分は、鋼材を溶製する段階で不可避的に混入する。

上記の組成を有する中炭素鋼板の種類としては、特に限定されず、熱延鋼板、冷延鋼板などの各種鋼板を用いることができる。

上記の組成を有する中炭素鋼板は部品形状に成形加工した後、得られた中炭素鋼部品を熱処理する。
成形加工の種類としては、特に限定されず、精密打ち抜きなどの打ち抜き加工、伸びフランジ加工、曲げ加工などが挙げられる。

熱処理は、焼入れ組織にフェライトや炭化物が残留しないように、Ａｃ_３以上のオーステナイト化温度域で中炭素鋼部品を均熱する。セメンタイトを分解して均質なオーステナイト組織にする上では、均熱温度をＡｃ_３＋５０℃以上とし、均熱時間を１分以上に設定することが好ましい。一方、オーステナイト化温度域で中炭素鋼部品を長時間加熱すると、オーステナイト結晶粒が異常成長して靱性が著しく低下することがある上、長時間加熱はコスト面からも好ましくない。また、均熱温度が高いほどオーステナイト化が促進されるが、熱効率、熱処理炉の寿命などの観点から、熱処理温度の上限は９５０℃に設定することが好ましい。

均熱後、焼入れが行われる。焼入れは、中炭素鋼部品全体を均質なマルテンサイト組織にする全体焼入れや高周波焼入れ、電子ビーム焼入れなどによる部分焼入れのいずれであってもよい。
焼入れの際、Ｍｓ点（マルテンサイト変態開始温度）以下で起こるベイナイト変態を抑制するために、焼入強烈度Ｈ値が０．０９ｃｍ^−１〜０．１６ｃｍ^−１の焼入剤（好ましくは焼入油、特に鉱油）を用いて冷却する。ここで、本明細書において「焼入強烈度Ｈ値」とは、８０℃における値を意味する。焼入剤の焼入強烈度Ｈ値が０．０９ｃｍ^−１未満であると、冷却速度が遅くなすぎてしまい、ベイナイト変態が起こる結果、焼入れ中炭素鋼部品の靱性が低下する。一方、焼入剤の焼入強烈度Ｈ値が０．１６ｃｍ^−１を超えると、冷却速度が遅くなすぎてしまい、中炭素鋼部品が熱変形し易くなる。
焼入剤としては、焼入強烈度Ｈ値が上記範囲のものであれば特に限定されず、市販の各種製品を用いることができる。また、焼入剤は、複数の製品を混合することによって製造してもよい。

本発明では、極少量のＢを中炭素鋼に添加しているため、中炭素鋼部品の焼入れ性が高く、不完全な焼入れ組織が形成され難い（すなわち、パーライト変態を抑制することができる）。この効果に加えて、本発明では、焼入れの際に焼入強烈度Ｈ値が０．０９ｃｍ^−１〜０．１６ｃｍ^−１の焼入剤を用いて冷却しているため、ベイナイト変態が抑制され、セメンタイト析出を伴うベイナイト組織が生成し難い。そして、本発明では、これらの効果の組み合わせにより、靱性及び強度に優れた焼入れ中炭素鋼部品を安定して製造することが可能になる。

以下、実施例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
下記の表１に示す組成を有する中炭素冷延鋼板（厚さ１．５ｍｍ）を作製した後、ＪＩＳ４号サイズＶノッチ試験片を切り出した。次に、この試験片をソルトバスにおいて９００℃で１５分均熱処理した後、表２に示すＨ値を有する８０℃の焼入剤（鉱油）に浸漬することによって焼入れした。
焼入れした試験片について、ＪＩＳ Ｚ２２４１に準拠した室温２０℃のシャルピー衝撃試験によって衝撃値を測定した。衝撃値は、機械部品などにおける使用を考慮すると、５０Ｊ／ｃｍ^２以上であることが望ましい。
また、ＪＩＳ Ｚ２２４４に準拠した室温２０℃のビッカース硬さ試験によって硬さを測定した。硬さは、機械部品などにおける使用を考慮すると、４００ＨＶ以上であることが望ましい。
また、試験片の断面を鏡面研磨した後、電解エッチングし、電子顕微鏡によって金属組織を観察し、ベイナイト組織の混入の有無を評価した。
上記の評価結果を表２に示す。

表２に示されるように、サンプルＮｏ．２、４及び５（本発明例）は、中炭素冷延鋼板の組成及び焼入れに用いる焼入剤の焼入強烈度Ｈ値を適切に選択したため、ベイナイト変態を抑制することができ、硬さ及び衝撃値が高かった。
これに対してサンプルＮｏ．１（比較例）は、Ｂを添加しなかったため、靱性が低下した。このサンプルの金属組織の評価によると、ベイナイト組織が混入しており、ベイナイト変態が起こったと考えらえる。そして、靭性の低下は、ベイナイト組織中のセメンタイト粒子による擬へき開破面の形成によって生じたものと推定される。
また、サンプルＮｏ．３（比較例）は、焼入剤の焼入強烈度Ｈ値が低かったため、冷却速度が遅くなりすぎてしまい、靱性及び強度の両方が低下した。このサンプルの金属組織の評価によると、ベイナイト組織が混入しており、ベイナイト変態が起こったと考えらえる。
また、サンプルＮｏ．６（比較例）は、Ｃの含有量が少なすぎたため、焼入れままでは靱性が低くなった。

以上の結果からわかるように、本発明によれば、靱性及び強度に優れた焼入れ中炭素鋼部品を安定して製造することができる方法を提供することができる。

Claims (4)

1. Ｃ：０．１５〜０．２５質量％、Ｓｉ：０．０２〜０．５質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｂ：０．０００５〜０．０１質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．３質量％、Ｐ及びＳ：０．０３質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる中炭素鋼板から形成される中炭素鋼部品を焼入れする際に、焼入強烈度Ｈ値が０．０９〜０．１６ｃｍ^−１の焼入剤を用いて冷却することを特徴とする焼入れ中炭素鋼部品の製造方法。
2. 前記中炭素鋼板が、Ｃｒを１．５質量％以下さらに含有することを特徴とする請求項１に記載の焼入れ中炭素鋼部品の製造方法。
3. 前記中炭素鋼板が、Ｖ、Ｎｂ及びＭｏからなる群から選択される少なくとも１種を０．３質量％以下さらに含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の焼入れ中炭素鋼部品の製造方法。
4. ビッカース硬さが４００ＨＶ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の焼入れ中炭素鋼部品の製造方法。