JP2024002337A - 結晶粒粗大化防止鋼 - Google Patents
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Abstract
【課題】結晶粒の粗大化が防止された肌焼鋼を提供する。【解決手段】肌焼鋼は、質量％で、０．１０％以上０．３５％以下の銅（Ｃ）、０％より大きく２．０％以下のケイ素（Ｓｉ）、０．４％以上２．０％以下のマンガン（Ｍｎ）、０．０３％未満のリン（Ｐ）、０．０５％未満の硫黄（Ｓ）、０％より大きく２．０％以下のクロム（Ｃｒ）、０．１％以上２．０％以下のアルミニウム（Ａｌ）、０．０２％以上１．００％以下の銅（Ｃｕ）、０．００１％以上０．１００％以下の窒素（Ｎ）を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物である化学組成を有し、Ｎの質量含有率に対するＡｌの質量含有率の比であるＡｌ／Ｎの値が３０より大きい。【選択図】図２
Description
本発明は、鋼材の浸炭処理中に結晶粒の異常粒成長が発生することを抑制できる技術に関する。
一般に、例えば、ギヤやシフト等の自動車部品をはじめとして、鋼材を用いて作製される機械装置の部品には、高い強度と靭性とが求められる。鋼材の強度と靭性を向上させるための技術としては浸炭処理が知られている。鋼材の製造の効率化のためには浸炭処理を高温で処理してその処理時間を短縮することが望ましい。しかしながら、浸炭処理を高温で実施すると一部の結晶粒が局所的に異常粒成長し、鋼材の疲労強度を低下させてしまう場合があった。従来から、浸炭処理を高温で実施したときの結晶粒の異常粒成長による粗大化を抑制するための様々な技術が提案されている。
結晶粒の異常粒成長による粗大化を抑制する技術としては、例えば、鋼中に炭窒化物等の微細粒子を分散するように析出させ、その点在する析出物に囲まれた領域に存在する結晶粒の粗大化を抑制するピンニングが知られている。一般的に、ピンニングでは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微細粒子を鋼中に析出させる。その他に、例えば、下記の特許文献１には、アルミニウム（Ａｌ）とニオブ（Ｎｂ）の複合組成からなる炭化物または炭窒化物の析出物によるピンニングが開示されている。また、特許文献２には、チタン（Ｔｉ）系炭窒化物の析出物によるピンニングが開示されている。
しかしながら、上記のようなピンニング技術では、析出物の分散状態によっては、結晶粒の異常粒成長を十分に抑制できない場合もある。これに対して、例えば、下記の特許文献３では、析出物のピンニング作用によらず、浸炭処理中の粒子の異常粒成長を防止する技術が提案されている。
特許文献３の技術では、ピンニング作用を生じさせる析出物の量を低減させ、浸炭処理中の各粒子同士の粒成長による圧力を均等に発生させることにより、一部の粒子のみが異常粒成長することを抑制している。特許文献３には、前記のような作用を得る方法として、ＡｌとＴｉと窒素（Ｎ）の含有量の比率を制御することが記載されている。しかしながら、そうした比率を制御して理想通りの各粒子の成長を実現させながら、所望の鋼を製造することは、高い精度での製造条件の制御が求められるため決して容易ではない。
本発明は、上記のようなピンニングなどの従来の技術とは異なる方法により、浸炭処理中の結晶粒の異常粒成長による粗大化を簡易な方法で抑制できる技術を提供することを課題とする。
本発明の発明者は、結晶粒の異常粒成長を防止できる肌焼鋼材の成分について鋭意研究を重ねてきた。その結果、Ａｌの含有率とＡｌとＮの含有率の比とを調整して鋼材中に、粗大なＡｌＮを生成させることにより、炭窒化物粒子によるピンニング作用によらず、局所的な粒子の異常粒成長の発生を防止できるとの知見を得た。本発明の発明者は、その知見に基づいて、以下の形態に示すような、製造が容易な簡素な化学組成を有し、結晶粒の異常粒成長が防止された肌焼鋼の製造に成功した。
本発明は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。
［第１形態］第１形態は、質量％で、０．１０％以上０．３５％以下の銅（Ｃ）、０％より大きく２．０％以下のケイ素（Ｓｉ）、０．４％以上２．０％以下のマンガン（Ｍｎ）、０．０３％未満のリン（Ｐ）、０．０５％未満の硫黄（Ｓ）、０％より大きく２．０％以下のクロム（Ｃｒ）、０．１％以上２．０％以下のアルミニウム（Ａｌ）、０．０２％以上１．００％以下の銅（Ｃｕ）、０．００１％以上０．１００％以下の窒素（Ｎ）を含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物である化学組成を有し、Ｎの質量含有率に対するＡｌの質量含有率の比であるＡｌ／Ｎの値が３０より大きい、結晶粒の粗大化が防止された肌焼鋼として提供される。
［第２形態］質量％で、０．０１％以上２．００％以下のニッケル（Ｎｉ）をさらに含む化学組成を有する、上記第１形態に記載の肌焼鋼。
［第３形態］質量％で、０．０１％以上０．５０％以下のバナジウム（Ｖ）、または、０．００５％以上０．２００％以下のチタン（Ｔｉ）の少なくとも１種をさらに含む化学組成を有する、上記第１形態、または、第２形態に記載の肌焼鋼。
［第４形態］質量％で、０．００１％以上１．００％以下のモリブデン（Ｍｏ）をさらに含む化学組成を有する、上記第１形態、第２形態、および、第３形態のいずれか１つに記載の肌焼鋼。
［第５形態］質量ｐｐｍで、５ｐｐｍ以上３０ｐｐｍ以下のホウ素（Ｂ）をさらに含む化学組成を有する、上記第１形態、第２形態、第３形態、および、第４形態のいずれか１つに記載の肌焼鋼。
［第６形態］ＪＩＳ Ｇ ０５５１に準じた粒度判定において求められる粒度番号の最大値と最小値の差である結晶粒度差が６以下である、上記第１形態、第２形態、第３形態、第４形態、および、第５形態のいずれか１つに記載の肌焼鋼。
［第７形態］ＪＩＳ Ｚ ２２７４に準じた疲労試験によって求められる疲労強度が、５００ＭＰａ以上である、上記第１形態、第２形態、第３形態、第４形態、第５形態、および、第６形態のいずれか１つに記載の肌焼鋼。
本発明によれば、浸炭処理中に結晶粒が異常粒成長することが抑制された肌焼鋼を得ることができる。
本発明は、肌焼鋼以外の種々の形態で実現することが可能である。例えば、肌焼鋼の製造方法や、肌焼鋼を製造するための焼入れの方法、浸炭処理方法、肌焼鋼で製造された歯車やねじ等の金属部品、その金属部品を用いた機械、装置、器具等の形態で実現することもできる。
以下に、本発明に係る、結晶粒の粗大化が防止された肌焼鋼の実施形態について説明する。
１．肌焼鋼の化学組成：
本実施形態の肌焼鋼は、少なくとも、Ｃと、Ｓｉと、Ｍｎと、Ｐと、Ｓと、Ｃｒと、Ａｌと、Ｃｕと、Ｎと、を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である化学組成を有する。
本実施形態の肌焼鋼は、少なくとも、Ｃと、Ｓｉと、Ｍｎと、Ｐと、Ｓと、Ｃｒと、Ａｌと、Ｃｕと、Ｎと、を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である化学組成を有する。
本実施形態の肌焼鋼における各化学成分の限定理由を以下に詳述する。以下の説明では、特に断らない限り、含有率は質量含有率であり、「％」は、「質量％」を意味する。また、「ｐｐｍ」は、「質量ｐｐｍ」を意味する。
Ｃ：０．１０％以上０．３５％以下
Ｃは、鋼材の硬さや強度を確保するために有効な元素である。Ｃを含有させることによって、浸炭部品の内部（芯部）硬さを高めることができる。Ｃを０．１０％以上含有させることにより、鋼材に求められる強度を得ることができる。Ｃは、０．１２％以上含有されていることがより好ましい。これにより、高い強度をより安定して得ることができる。ただし、本実施形態の肌焼鋼におけるＣの含有率は、０．３５％以下とする。Ｃの含有率が０．３５％を超えると肌焼鋼の切削加工性が著しく低下する可能性があるためである。Ｃの含有率は、０．３０％以下であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の切削加工性をより良好にすることができる。
Ｃは、鋼材の硬さや強度を確保するために有効な元素である。Ｃを含有させることによって、浸炭部品の内部（芯部）硬さを高めることができる。Ｃを０．１０％以上含有させることにより、鋼材に求められる強度を得ることができる。Ｃは、０．１２％以上含有されていることがより好ましい。これにより、高い強度をより安定して得ることができる。ただし、本実施形態の肌焼鋼におけるＣの含有率は、０．３５％以下とする。Ｃの含有率が０．３５％を超えると肌焼鋼の切削加工性が著しく低下する可能性があるためである。Ｃの含有率は、０．３０％以下であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の切削加工性をより良好にすることができる。
Ｓｉ：０％より大きく２．０％以下
Ｓｉは、肌焼鋼の焼入れ性を高めるのに有効な元素である。また、Ｓｉは、脱酸元素としても有効である。Ｓｉを、０％を超えて含有させることにより、肌焼鋼の焼入れ性を効果的に高めることができる。ただし、本実施形態の肌焼鋼におけるＳｉの含有率は２．０％以下とする。Ｓｉの含有率が２．０％を超えると脱炭によって肌焼鋼の加工性が著しく低下する可能性があるためである。肌焼鋼におけるＳｉの含有率は１．５％以下であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の加工性の低下をより確実に抑制することができる。
Ｓｉは、肌焼鋼の焼入れ性を高めるのに有効な元素である。また、Ｓｉは、脱酸元素としても有効である。Ｓｉを、０％を超えて含有させることにより、肌焼鋼の焼入れ性を効果的に高めることができる。ただし、本実施形態の肌焼鋼におけるＳｉの含有率は２．０％以下とする。Ｓｉの含有率が２．０％を超えると脱炭によって肌焼鋼の加工性が著しく低下する可能性があるためである。肌焼鋼におけるＳｉの含有率は１．５％以下であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の加工性の低下をより確実に抑制することができる。
Ｍｎ：０．４％以上２．０％以下
Ｍｎは、肌焼鋼の焼入れ性を向上させ、強度を高めるのに有効な元素である。Ｍｎを０．４％以上含有させることにより、Ｓによってサルファイドが生成されることを抑制できる。Ｍｎは、０．４５％以上含有されていることがより好ましく、０．５０％以上含有されていることがさらに好ましい。これにより、Ｓを含有することにより生じる不具合をより確実に抑制することができる。ただし、本実施形態の肌焼鋼におけるＭｎの含有率は２．０％以下とする。Ｍｎの含有率が２．０％を超えると、肌焼鋼の被削性や加工性が著しく低下する可能性があるためである。また、Ｍｎの含有率が２．０％を超えると、ベイナイトが生成されて、肌焼鋼の靭性が著しく低下する可能性があるためである。肌焼鋼におけるＭｎの含有率は１．８％以下であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の被削性や加工性の低下や、ベイナイトの生成による靭性の低下をより確実に抑制することができる。
Ｍｎは、肌焼鋼の焼入れ性を向上させ、強度を高めるのに有効な元素である。Ｍｎを０．４％以上含有させることにより、Ｓによってサルファイドが生成されることを抑制できる。Ｍｎは、０．４５％以上含有されていることがより好ましく、０．５０％以上含有されていることがさらに好ましい。これにより、Ｓを含有することにより生じる不具合をより確実に抑制することができる。ただし、本実施形態の肌焼鋼におけるＭｎの含有率は２．０％以下とする。Ｍｎの含有率が２．０％を超えると、肌焼鋼の被削性や加工性が著しく低下する可能性があるためである。また、Ｍｎの含有率が２．０％を超えると、ベイナイトが生成されて、肌焼鋼の靭性が著しく低下する可能性があるためである。肌焼鋼におけるＭｎの含有率は１．８％以下であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の被削性や加工性の低下や、ベイナイトの生成による靭性の低下をより確実に抑制することができる。
Ｐ：０．０３％未満
Ｐは、粒界偏析による脆化を招くため、その含有量がより少ないことが好ましい。Ｐの含有率の上限は、０．０３％未満とする。これにより、肌焼鋼における粒界偏析による脆化の発生を抑制することができる。
Ｐは、粒界偏析による脆化を招くため、その含有量がより少ないことが好ましい。Ｐの含有率の上限は、０．０３％未満とする。これにより、肌焼鋼における粒界偏析による脆化の発生を抑制することができる。
Ｓ：０．０５％未満
Ｓは、Ｐと同様に、粒界偏析による脆化を招くため、その含有量はより少ないことが好ましい。Ｓの含有率の上限は、０．０５％未満とする。これにより、肌焼鋼における粒界偏析による脆化の発生を抑制することができる。
Ｓは、Ｐと同様に、粒界偏析による脆化を招くため、その含有量はより少ないことが好ましい。Ｓの含有率の上限は、０．０５％未満とする。これにより、肌焼鋼における粒界偏析による脆化の発生を抑制することができる。
Ｃｒ：０％より大きく２．０％以下
Ｃｒは、肌焼鋼の焼入れ性を高める効果を有するため、０％を超えて含有されていることが好ましい。Ｃｒの含有率は、０．２％以上であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の焼入れ性をより確実に高めることができる。ただし、本実施形態の肌焼鋼におけるＣｒの含有率は、２．０％以下とする。Ｃｒの含有率が２．０％を超えると、肌焼鋼の被削性や加工性が著しく低下する可能性があるためである。Ｃｒの含有率は、１．５０％以下であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の被削性や加工性の低下をより一層、抑制することができる。
Ｃｒは、肌焼鋼の焼入れ性を高める効果を有するため、０％を超えて含有されていることが好ましい。Ｃｒの含有率は、０．２％以上であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の焼入れ性をより確実に高めることができる。ただし、本実施形態の肌焼鋼におけるＣｒの含有率は、２．０％以下とする。Ｃｒの含有率が２．０％を超えると、肌焼鋼の被削性や加工性が著しく低下する可能性があるためである。Ｃｒの含有率は、１．５０％以下であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の被削性や加工性の低下をより一層、抑制することができる。
Ａｌ：０．１％以上２．０％以下
本実施形態の肌焼鋼には、Ａｌを０．１％以上含有させる。これにより、肌焼鋼材中に、ピンニングのために析出させるＡｌＮ粒子とは異なる粗大なＡｌＮ粒子の生成を促進させることができる。鋼材中にその粗大なＡｌＮ粒子を分散して存在させることにより、その周囲の粒子が異常粒成長することを抑制できる。Ａｌは、０．２％以上含有させることがより好ましく、０．３％以上含有させることがさらに好ましい。これにより、粗大なＡｌＮ粒子の生成が促進され、局所的な粒子の異常粒成長の発生をさらに抑制することができる。また、肌焼鋼では、Ａｌの含有率が大きいほど、脱酸の効果を得ることができる。
本実施形態の肌焼鋼には、Ａｌを０．１％以上含有させる。これにより、肌焼鋼材中に、ピンニングのために析出させるＡｌＮ粒子とは異なる粗大なＡｌＮ粒子の生成を促進させることができる。鋼材中にその粗大なＡｌＮ粒子を分散して存在させることにより、その周囲の粒子が異常粒成長することを抑制できる。Ａｌは、０．２％以上含有させることがより好ましく、０．３％以上含有させることがさらに好ましい。これにより、粗大なＡｌＮ粒子の生成が促進され、局所的な粒子の異常粒成長の発生をさらに抑制することができる。また、肌焼鋼では、Ａｌの含有率が大きいほど、脱酸の効果を得ることができる。
ただし、本実施形態の肌焼鋼では、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）系の粗大な介在物の生成を抑制する観点から、Ａｌの含有率は２．０％以下とする。Ａｌ２Ｏ３系の粗大な介在物の生成は、肌焼鋼の強度を低下させる可能性がある。Ａｌの含有率は、１．５％以下であることがより好ましい。これにより、Ａｌ２Ｏ３系の粗大な介在物の生成をより確実に抑制することができる。
Ｃｕ：０．０２％以上１．００％以下
Ｃｕを０．０２％以上含有させることにより、肌焼鋼の耐食性を向上させることができる。Ｃｕは、０．０３％以上含有されていることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の耐食性をさらに向上させることができる。ただし、本実施形態の肌焼鋼では、Ｃｕの含有率は、１．００％以下とする。これにより、肌焼鋼の熱間加工性の低下を抑制することができる。Ｃｕの含有率は、０．５０％以下であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の熱間加工性の低下をさらに抑制することができる。
Ｃｕを０．０２％以上含有させることにより、肌焼鋼の耐食性を向上させることができる。Ｃｕは、０．０３％以上含有されていることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の耐食性をさらに向上させることができる。ただし、本実施形態の肌焼鋼では、Ｃｕの含有率は、１．００％以下とする。これにより、肌焼鋼の熱間加工性の低下を抑制することができる。Ｃｕの含有率は、０．５０％以下であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の熱間加工性の低下をさらに抑制することができる。
Ｎ：０．００１％以上０．１００％以下
上記のように、本実施形態では、結晶粒の粗大化を防止するために肌焼鋼材中に粗大なＡｌＮ粒子を生成させるため、ＡｌとともにＮが添加される。本実施形態では、Ｎの含有率を０．００１％以上とする。これにより、粗大なＡｌＮ粒子の生成を促進させることができる。また、炭窒化物の形成によって結晶粒の微細化が促進され、肌焼鋼の強度を高めることができる。ただし、本実施形態の肌焼鋼におけるＮの含有率は、０．１００％以下とする。Ｎの含有率が０．１００％を超える場合には、窒化物の生成により、強度が低下する可能性があるためである。
上記のように、本実施形態では、結晶粒の粗大化を防止するために肌焼鋼材中に粗大なＡｌＮ粒子を生成させるため、ＡｌとともにＮが添加される。本実施形態では、Ｎの含有率を０．００１％以上とする。これにより、粗大なＡｌＮ粒子の生成を促進させることができる。また、炭窒化物の形成によって結晶粒の微細化が促進され、肌焼鋼の強度を高めることができる。ただし、本実施形態の肌焼鋼におけるＮの含有率は、０．１００％以下とする。Ｎの含有率が０．１００％を超える場合には、窒化物の生成により、強度が低下する可能性があるためである。
不可避的不純物には、例えば、酸素（Ｏ）が含まれる。本実施形態の肌焼鋼では、Ｏの含有率は、０．００２％未満とする。これによって、粗大酸化物が形成されることによる肌焼鋼の強度低下を抑制することができる。
さらに、本実施形態の肌焼鋼では、Ｎの含有率に対するＡｌの含有率の比であるＡｌ／Ｎの値が３０より大きい。これにより、粗大なＡｌＮ粒子の生成がより一層、促進され、微細なＡｌＮ粒子の析出によるピンニング作用が抑制される。また、その粗大なＡｌＮ粒子が分散して存在していることよって、その周りの他の粒子が異常粒成長することを抑制できる。
本実施形態における肌焼鋼の化学組成には、さらに、任意選択的に、下記の元素のうちのいずれか１つが含まれていてもよいし、２以上が組み合わされて含まれていてもよい。
Ｎｉ：０．０１％以上２．００％以下
Ｎｉを０．０１％以上含有させることにより、肌焼鋼の耐水素脆性、延靭性、および、耐食性を向上させることができる。Ｎｉは、０．１０％以上含有されていることがより好ましい。これにより、延靭性、および、耐食性をさらに向上させることができる。Ｎｉの含有率を２．００％以下とすれば、ベイナイトの生成を抑制することができ、ベイナイトの生成による靭性の低下を抑制できる。ベイナイトの生成を抑制する観点からは、Ｎｉの含有率は、１．５０％以下であることがより好ましく、１．００％以下であることがさらに好ましい。
Ｎｉを０．０１％以上含有させることにより、肌焼鋼の耐水素脆性、延靭性、および、耐食性を向上させることができる。Ｎｉは、０．１０％以上含有されていることがより好ましい。これにより、延靭性、および、耐食性をさらに向上させることができる。Ｎｉの含有率を２．００％以下とすれば、ベイナイトの生成を抑制することができ、ベイナイトの生成による靭性の低下を抑制できる。ベイナイトの生成を抑制する観点からは、Ｎｉの含有率は、１．５０％以下であることがより好ましく、１．００％以下であることがさらに好ましい。
Ｖ：０．０１％以上０．５０％以下
Ｖを０．０１％以上含有させることにより、肌焼鋼の結晶粒を微細化させることができ、焼き戻しの後の硬さを高めることができる。Ｖの含有率を０．５０％以下とすれば、Ｖの過剰添加に起因して肌焼鋼の加工性や切削性が低下することを抑制することができる。Ｖの含有率は、０．３０％以下であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の加工性や切削性が低下することをさらに抑制することができる。
Ｖを０．０１％以上含有させることにより、肌焼鋼の結晶粒を微細化させることができ、焼き戻しの後の硬さを高めることができる。Ｖの含有率を０．５０％以下とすれば、Ｖの過剰添加に起因して肌焼鋼の加工性や切削性が低下することを抑制することができる。Ｖの含有率は、０．３０％以下であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の加工性や切削性が低下することをさらに抑制することができる。
Ｔｉ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｔｉを０．００５％以上含有させることにより、炭窒化物の形成が促進され、結晶粒を微細化でき、肌焼鋼の強度を高めることができる。Ｔｉの含有率を０．２００％以下にすれば、Ｔｉの過剰添加による粗大なＴｉＮの生成が抑制され、粗大なＴｉＮの生成に起因して肌焼鋼の強度が低下することを抑制することができる。Ｔｉの含有率は、０．１００％以下であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の強度が低下することをさらに抑制することができる。
Ｔｉを０．００５％以上含有させることにより、炭窒化物の形成が促進され、結晶粒を微細化でき、肌焼鋼の強度を高めることができる。Ｔｉの含有率を０．２００％以下にすれば、Ｔｉの過剰添加による粗大なＴｉＮの生成が抑制され、粗大なＴｉＮの生成に起因して肌焼鋼の強度が低下することを抑制することができる。Ｔｉの含有率は、０．１００％以下であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の強度が低下することをさらに抑制することができる。
Ｍｏ：０．０１％以上１．００％以下
Ｍｏを０．０１％以上含有させることにより、肌焼鋼の焼入れ性を高めることができ、かつ、焼き戻しの後の硬さを高めることができる。Ｍｏは、０．１０％以上含有されていることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の焼入れ性をさらに高めることができ、焼き戻しの後の硬さをさらに高めることができる。また、Ｍｏの含有率を１．００％以下にすれば、Ｍｏの過剰添加に起因して肌焼鋼の加工性や切削性が低下することを抑制することができる。Ｍｏの含有率は、０．８０％以下であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の加工性や切削性の低下をさらに抑制することができる。
Ｍｏを０．０１％以上含有させることにより、肌焼鋼の焼入れ性を高めることができ、かつ、焼き戻しの後の硬さを高めることができる。Ｍｏは、０．１０％以上含有されていることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の焼入れ性をさらに高めることができ、焼き戻しの後の硬さをさらに高めることができる。また、Ｍｏの含有率を１．００％以下にすれば、Ｍｏの過剰添加に起因して肌焼鋼の加工性や切削性が低下することを抑制することができる。Ｍｏの含有率は、０．８０％以下であることがより好ましい。これにより、肌焼鋼の加工性や切削性の低下をさらに抑制することができる。
Ｂ：５ｐｐｍ以上３０ｐｐｍ以下
Ｂは、５ｐｐｍ以上含有されていることが好ましい。これにより、ＰやＳが粒界に偏析することを防止でき、疲労強度を向上させることができる。Ｂの含有率を３０ｐｐｍ以下とすれば、Ｂの過剰添加によってＢ窒化物が生成されて肌焼鋼の靭性が低下することを抑制できる。
Ｂは、５ｐｐｍ以上含有されていることが好ましい。これにより、ＰやＳが粒界に偏析することを防止でき、疲労強度を向上させることができる。Ｂの含有率を３０ｐｐｍ以下とすれば、Ｂの過剰添加によってＢ窒化物が生成されて肌焼鋼の靭性が低下することを抑制できる。
２．肌焼鋼の組織：
上記の化学組成を有する肌焼鋼では、ＪＩＳ Ｇ ０５５１：２０２０に準じた粒度判定において求められる粒度番号の最大値と最小値の差である結晶粒度差が６以下であることが好ましい。これにより、肌焼鋼における結晶粒のサイズのばらつきが抑制されるため、肌焼鋼の疲労強度を向上させることができる。
上記の化学組成を有する肌焼鋼では、ＪＩＳ Ｇ ０５５１：２０２０に準じた粒度判定において求められる粒度番号の最大値と最小値の差である結晶粒度差が６以下であることが好ましい。これにより、肌焼鋼における結晶粒のサイズのばらつきが抑制されるため、肌焼鋼の疲労強度を向上させることができる。
上記の化学組成を有する肌焼鋼では、ＪＩＳ Ｚ ２２７４：１９７８に準じた疲労試験によって求められる疲労強度が、５００ＭＰａ以上であることが好ましい。これにより、結晶粒の異常粒成長が防止され、かつ、疲労強度が向上された肌焼鋼を得ることができる。
３．肌焼鋼の製造方法：
本実施形態の肌焼鋼の製造方法を説明する。肌焼鋼の製造方法は、以下の順で行われる。まず、上述した化学組成を有する鋼を、例えば、高周波誘導炉で溶製する。続いて、それにより得られた鋼塊を熱間圧延または熱間鍛造によって成形し、得られた成形後の鋼材に対して焼きならし処理を実行する。焼きならし処理は、鋼材を、例えば、８００～１０００℃の高温で加熱した後、所定の時間、空冷することにより行われる。その後、焼きならし処理が施された鋼材に対して浸炭処理を実行する。
本実施形態の肌焼鋼の製造方法を説明する。肌焼鋼の製造方法は、以下の順で行われる。まず、上述した化学組成を有する鋼を、例えば、高周波誘導炉で溶製する。続いて、それにより得られた鋼塊を熱間圧延または熱間鍛造によって成形し、得られた成形後の鋼材に対して焼きならし処理を実行する。焼きならし処理は、鋼材を、例えば、８００～１０００℃の高温で加熱した後、所定の時間、空冷することにより行われる。その後、焼きならし処理が施された鋼材に対して浸炭処理を実行する。
本実施形態では、浸炭処理として、ガス浸炭処理を実行する。ガス浸炭処理では、ガス浸炭炉が用いられ、浸炭ガスとして、例えば、プロパンガスが供給される。ガス浸炭処理では、ガス浸炭炉において、鋼材を、例えば、１０００～１２００℃の温度で０．５～１.５時間程度、加熱処理をした後、例えば、９００～１０００℃程度の焼入れ開始温度まで降温させて、その温度で所定の時間保持する。また、浸炭処理では、油焼入れが実行され、その後、さらに焼き戻し処理が実行される。
以上の工程により、本実施形態の肌焼鋼が得られる。なお、浸炭処理では、ガス浸炭処理の代わりに、例えば、ガス浸炭窒化処理や、真空浸炭処理、真空浸炭窒化処理等を実行してもよい。
４．実施形態のまとめ：
本実施形態の肌焼鋼によれば、Ａｌの含有率と、ＡｌとＮの含有率の比とが好適に調整されていることにより、鋼中に、粗大なＡｌＮ粒子を分散生成させることができる。鋼中に粗大なＡｌＮ粒子が分散して存在していることにより、浸炭処理の際に結晶粒の異常粒成長が生じることを抑制できる。これは、粗大なＡｌＮ粒子は、ピンニング作用を発揮することはないが、周りの結晶粒が異常粒成長する領域を制限する方向に作用するためであると考えられる。このように、浸炭処理中の結晶粒の異常粒成長を抑制できれば、結晶粒の大きさにばらつきが生じることを抑制でき、肌焼鋼の疲労強度を高めることができる。また、浸炭処理をより高温で実施し、その処理時間を短縮しても、肌焼鋼の疲労強度の低下を抑制することができる。よって、肌焼鋼の製造効率を高めることができる。その他に、本実施形態の肌焼鋼によれば、上述した元素を好適な含有率で含有していることにより、上述した様々な性能の向上が可能である。
本実施形態の肌焼鋼によれば、Ａｌの含有率と、ＡｌとＮの含有率の比とが好適に調整されていることにより、鋼中に、粗大なＡｌＮ粒子を分散生成させることができる。鋼中に粗大なＡｌＮ粒子が分散して存在していることにより、浸炭処理の際に結晶粒の異常粒成長が生じることを抑制できる。これは、粗大なＡｌＮ粒子は、ピンニング作用を発揮することはないが、周りの結晶粒が異常粒成長する領域を制限する方向に作用するためであると考えられる。このように、浸炭処理中の結晶粒の異常粒成長を抑制できれば、結晶粒の大きさにばらつきが生じることを抑制でき、肌焼鋼の疲労強度を高めることができる。また、浸炭処理をより高温で実施し、その処理時間を短縮しても、肌焼鋼の疲労強度の低下を抑制することができる。よって、肌焼鋼の製造効率を高めることができる。その他に、本実施形態の肌焼鋼によれば、上述した元素を好適な含有率で含有していることにより、上述した様々な性能の向上が可能である。
次に、本発明に係る肌焼鋼の実施例を説明する。
Ａ．化学組成
本発明に係る焼肌鋼の実施例および比較例として、下記の表１に示す化学組成を有する供試材を製造した。表１では、上述した実施形態の化学組成の範囲内の供試材を実施例１～１５として示し、その化学組成の範囲から外れている供試材を比較例１～５として示してある。表１には、実施例１～１５および比較例１～５の化学組成と、Ｎの含有率に対するＡｌの含有率の比であるＡｌ／Ｎの値と、を示してある。また、表１には、各実施例１～１５および各比較例１～５の評価結果として、平均結晶粒度と、結晶粒度差と、疲労強度と、を示してある。なお、各実施例１～１５および各比較例１～５の供試材は、結晶粒度判定用と、疲労試験用とで、寸法・形状が異なるものを作製した。
本発明に係る焼肌鋼の実施例および比較例として、下記の表１に示す化学組成を有する供試材を製造した。表１では、上述した実施形態の化学組成の範囲内の供試材を実施例１～１５として示し、その化学組成の範囲から外れている供試材を比較例１～５として示してある。表１には、実施例１～１５および比較例１～５の化学組成と、Ｎの含有率に対するＡｌの含有率の比であるＡｌ／Ｎの値と、を示してある。また、表１には、各実施例１～１５および各比較例１～５の評価結果として、平均結晶粒度と、結晶粒度差と、疲労強度と、を示してある。なお、各実施例１～１５および各比較例１～５の供試材は、結晶粒度判定用と、疲労試験用とで、寸法・形状が異なるものを作製した。
＜供試材の製造条件＞
評価・試験のための供試材を、以下の工程によって製造した。
評価・試験のための供試材を、以下の工程によって製造した。
［工程１］表１に示す化学組成を有する鋼を高周波誘導路で溶製し、得られた鋼塊を熱間圧延または熱間鍛造によって成形し、後述の寸法を有する円形断面形状の丸棒鋼材を作製した。
［工程２］丸棒鋼材に対して、焼きならし処理を実施し、結晶粒度判定用または疲労試験用とで形状・寸法を変えた鋼材片を作製した。焼きならし処理では、９００℃で１時間加熱し、空冷した。結晶粒度判定用・疲労試験用の鋼材片の形状・寸法は後述する。
［工程３］鋼材片に対して、浸炭処理を実施して供試材を作製した。浸炭処理では、ガス浸炭炉を用いて、浸炭ガスとしてプロパンガスを供給し、１１００℃で６０分、加熱処理をした後、焼入れ開始温度である９５０℃まで降温させてその温度で保持した。また、その後に油焼入れを行い、さらに、１８０℃で１２０分間、焼き戻し処理を実施した。浸炭処理中のカーボンポテンシャル（ＣＰ）は、一酸化炭素と二酸化炭素の分圧を調整して、０．８に制御した。
［工程２］丸棒鋼材に対して、焼きならし処理を実施し、結晶粒度判定用または疲労試験用とで形状・寸法を変えた鋼材片を作製した。焼きならし処理では、９００℃で１時間加熱し、空冷した。結晶粒度判定用・疲労試験用の鋼材片の形状・寸法は後述する。
［工程３］鋼材片に対して、浸炭処理を実施して供試材を作製した。浸炭処理では、ガス浸炭炉を用いて、浸炭ガスとしてプロパンガスを供給し、１１００℃で６０分、加熱処理をした後、焼入れ開始温度である９５０℃まで降温させてその温度で保持した。また、その後に油焼入れを行い、さらに、１８０℃で１２０分間、焼き戻し処理を実施した。浸炭処理中のカーボンポテンシャル（ＣＰ）は、一酸化炭素と二酸化炭素の分圧を調整して、０．８に制御した。
Ｂ．評価・試験
１．断面組織の観察・評価方法
ａ．供試材について
上記の工程１において、溶製により得た鋼塊から、熱間圧延または熱間鍛造により、断面の直径が１０５ｍｍの丸棒形状に成形した後、さらに、熱間鍛造をおこなって断面直径３０ｍｍの丸棒鋼材を作製した。その丸棒鋼材に対して、上記工程２の焼きならし処理を実施した後、断面積が２５ｍｍ２で、長さが１００ｍｍの丸棒形状の鋼材片を切り出し、その鋼材片に、上記工程３の浸炭処理を実施して、組織の観察・評価対象となる供試材を得た。
１．断面組織の観察・評価方法
ａ．供試材について
上記の工程１において、溶製により得た鋼塊から、熱間圧延または熱間鍛造により、断面の直径が１０５ｍｍの丸棒形状に成形した後、さらに、熱間鍛造をおこなって断面直径３０ｍｍの丸棒鋼材を作製した。その丸棒鋼材に対して、上記工程２の焼きならし処理を実施した後、断面積が２５ｍｍ２で、長さが１００ｍｍの丸棒形状の鋼材片を切り出し、その鋼材片に、上記工程３の浸炭処理を実施して、組織の観察・評価対象となる供試材を得た。
ｂ．供試材断面組織の観察方法
供試材を中心軸に沿って半分に分割して半円断面形状とした。その切断面を被検面として樹脂埋めをして鏡面研磨した。結晶粒度判定は、供試材を研磨し、飽和ピクリン酸溶液で腐食させて旧オーステナイト粒界を現出させ、ＪＩＳ Ｇ ０５１１：２０２０に準じておこなった。倍率４００倍で、１０視野程度の光学顕微鏡画像を得て、その光学顕微鏡画像を観察し、供試材ごとに、画像中で観察できる全結晶粒の結晶粒度番号の平均値である平均結晶粒度を算出した。また、画像中で観察できる全結晶粒の粒度番号の最大値と最小値の差である結晶粒度差を算出した。
供試材を中心軸に沿って半分に分割して半円断面形状とした。その切断面を被検面として樹脂埋めをして鏡面研磨した。結晶粒度判定は、供試材を研磨し、飽和ピクリン酸溶液で腐食させて旧オーステナイト粒界を現出させ、ＪＩＳ Ｇ ０５１１：２０２０に準じておこなった。倍率４００倍で、１０視野程度の光学顕微鏡画像を得て、その光学顕微鏡画像を観察し、供試材ごとに、画像中で観察できる全結晶粒の結晶粒度番号の平均値である平均結晶粒度を算出した。また、画像中で観察できる全結晶粒の粒度番号の最大値と最小値の差である結晶粒度差を算出した。
２．疲労強度の測定方法
ａ．供試材について
上記の工程１において、溶製により得た鋼塊を、熱間圧延または熱間鍛造により、断面の直径が１０５ｍｍの丸棒形状に成形した後、さらに、熱間鍛造をおこなって断面直径が２５ｍｍの丸棒鋼材を作製した。その丸棒鋼材に対して、上記工程２の焼きならし処理を実施した後、その丸棒鋼材から、断面積１８ｍｍ２で長さ２１０ｍｍの丸棒片を切り出して、その中心軸方向の中央部位を加工することにより、図１に示す棒状鋼材片１０を得た。この棒状鋼材片１０に対して上記工程３の浸炭処理を実施して、疲労試験用の供試材とした。
ａ．供試材について
上記の工程１において、溶製により得た鋼塊を、熱間圧延または熱間鍛造により、断面の直径が１０５ｍｍの丸棒形状に成形した後、さらに、熱間鍛造をおこなって断面直径が２５ｍｍの丸棒鋼材を作製した。その丸棒鋼材に対して、上記工程２の焼きならし処理を実施した後、その丸棒鋼材から、断面積１８ｍｍ２で長さ２１０ｍｍの丸棒片を切り出して、その中心軸方向の中央部位を加工することにより、図１に示す棒状鋼材片１０を得た。この棒状鋼材片１０に対して上記工程３の浸炭処理を実施して、疲労試験用の供試材とした。
図１に示すように、棒状鋼材片１０は、２つの円柱状部位１１と、その間の縮径部１２と、を有する。２つの円柱状部位１１はそれぞれ、中心軸方向の両端に位置する径が均一な部位である。縮径部１２は、２つの円柱状部位１１に挟まれた中央部位に位置し、円柱状部位１１よりも径が小さくなっている部位である。縮径部１２は、第１縮径部１２ａと、第２縮径部１２ｂと、を含む。第１縮径部１２ａは、縮径部１２の中心軸方向の中心部を切り欠いて形成したノッチ部であり、棒状鋼材片１０の中で径が最も小さい部位である。第２縮径部１２ｂは、中心軸方向において第１縮径部１２ａの両側に設けられ、第１縮径部１２ａよりも径が大きく、径が均一な部位である。棒状鋼材片１０において、２つの円柱状部位１１の長さＬａはそれぞれ８０ｍｍであり、縮径部１２の長さＬｂは５０ｍｍであった。また、第１縮径部１２ａの径φａは１０ｍｍであり、そのノッチ底は１Ｒであり、第２縮径部１２ｂの径φｂは１５ｍｍであった。
ｂ．疲労試験の方法
上記の棒状鋼材片１０によって構成された供試材に対して、ＪＩＳ Ｚ ２２７４：１９７８に準拠した方法で、小野式回転曲げ疲労試験を行って疲労強度を測定した（試験条件：回転数３５００ｒｐｍ，試験温度：室温）。疲労強度の値は、１０７回の繰り返し数で破断しない最大応力である疲労限度を意味している。
上記の棒状鋼材片１０によって構成された供試材に対して、ＪＩＳ Ｚ ２２７４：１９７８に準拠した方法で、小野式回転曲げ疲労試験を行って疲労強度を測定した（試験条件：回転数３５００ｒｐｍ，試験温度：室温）。疲労強度の値は、１０７回の繰り返し数で破断しない最大応力である疲労限度を意味している。
４．評価結果
図２には、実施例１と比較例５の結晶粒を写した光学顕微鏡画像を並べて示してある。図２の光学顕微鏡画像が示すように、比較例５では、異常粒成長をした極大のサイズの結晶粒が多く分散しており、それらの間に、サイズの小さい結晶粒が多数ひしめき合っている。これに対して、実施例１では、結晶粒の多くが、比較例５の結晶粒に比較して中程度のサイズを有しており、その大きさのばらつきも少ない。このことは、表１において、比較例５の平均結晶粒度が３であり、結晶粒度差が１１であるのに対して、実施例１の平均結晶粒度が６．７で、結晶粒度が５であることからも確認できる。
図２には、実施例１と比較例５の結晶粒を写した光学顕微鏡画像を並べて示してある。図２の光学顕微鏡画像が示すように、比較例５では、異常粒成長をした極大のサイズの結晶粒が多く分散しており、それらの間に、サイズの小さい結晶粒が多数ひしめき合っている。これに対して、実施例１では、結晶粒の多くが、比較例５の結晶粒に比較して中程度のサイズを有しており、その大きさのばらつきも少ない。このことは、表１において、比較例５の平均結晶粒度が３であり、結晶粒度差が１１であるのに対して、実施例１の平均結晶粒度が６．７で、結晶粒度が５であることからも確認できる。
表１に示すように、実施例１～１５はいずれも、Ａｌの含有率が、０．１％以上２．０％以下の範囲内にあり、Ａｌ／Ｎの値が、３０より大きい。各実施例１～１５では、粗大なＡｌＮ粒子が分散して析出していることが確認された。また、実施例１～１５はいずれも、平均結晶粒度が５以上８以下の範囲内にあり、いずれも結晶粒度差が６以下であった。しかも、実施例１～１５はいずれも、疲労強度の測定値が５００ＭＰａ以上であり、いずれも高い疲労強度を示した。
これに対して、Ａｌ／Ｎの値が３０以下であった比較例１，３，５はいずれも、結晶粒度差が９以上であり、結晶粒のサイズのばらつきが大きく、かつ、疲労強度が５００ＭＰａ未満で、疲労強度の評価が実施例１～１５よりも低かった。また、Ａｌの含有率が０．１％未満である比較例２では、結晶粒度差が６より大きく、かつ、疲労強度が５００ＭＰａ未満であった。Ａｌの含有率が２．０％より大きい比較例４では、結晶粒度差については６以下であったが、疲労強度が５００ＭＰａ未満であり、疲労強度の評価が実施例１～１５よりも低かった。
以上の結果より、上記実施形態で説明した本発明に係る肌焼鋼によれば、ピンニング作用によらず、結晶粒の異常粒成長を防止でき、かつ、疲労強度の低下を抑制できることがわかる。
本発明は、上記実施形態および実施例に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
１０…棒状鋼材片、１１…円柱状部位、１２…縮径部、１２ａ…第１縮径部、１２ｂ…第２縮径部
Claims (7)
- 質量％で、
Ｃ：０．１０％以上０．３５％以下、
Ｓｉ：０％より大きく２．０％以下、
Ｍｎ：０．４％以上２．０％以下、
Ｐ：０．０３％未満、
Ｓ：０．０５％未満、
Ｃｒ：０％より大きく２．０％以下、
Ａｌ：０．１％以上２．０％以下、
Ｃｕ：０．０２％以上１．００％以下、
Ｎ：０．００１％以上０．１００％以下、
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物である化学組成を有し、
Ｎの質量含有率に対するＡｌの質量含有率の比であるＡｌ／Ｎの値が３０より大きい、肌焼鋼。 - 質量％で、
Ｎｉ：０．０１％以上２．００％以下、
をさらに含む化学組成を有する、請求項１記載の肌焼鋼。 - 質量％で、
Ｖ：０．０１％以上０．５０％以下、または、
Ｔｉ：０．００５％以上０．２００％以下、
の少なくとも１種をさらに含む化学組成を有する、請求項１記載の肌焼鋼。 - 質量％で、
Ｍｏ：０．００１％以上１．００％以下、
をさらに含む化学組成を有する、肌焼鋼。 - 質量ｐｐｍで、
Ｂ：５ｐｐｍ以上３０ｐｐｍ以下、
をさらに含む化学組成を有する、請求項１記載の肌焼鋼。 - ＪＩＳ Ｇ ０５５１に準じた粒度判定において求められる粒度番号の最大値と最小値の差である結晶粒度差が６以下である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の肌焼鋼。
- ＪＩＳ Ｚ ２２７４に準じた疲労試験によって求められる疲労強度が、５００ＭＰａ以上である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の肌焼鋼。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2022101457A JP2024002337A (ja) | 2022-06-23 | 2022-06-23 | 結晶粒粗大化防止鋼 |
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| JP2022101457A JP2024002337A (ja) | 2022-06-23 | 2022-06-23 | 結晶粒粗大化防止鋼 |
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