JP2024071975A - 結晶粒度特性に優れた真空浸炭用鋼 - Google Patents
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Abstract
【課題】 結晶粒度特性に優れ、また、靭性及び曲げ疲労に優れる浸炭鋼部品の提供。【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．１５～０．３０％、Ｓｉ：０．０５～２．００％、Ｍｎ：０．１０～０．５０％未満、Ｃｒ：１．３～２．５％、Ｎｂ：０．０２０～０．１００％、Ａｌ：０．０２０～０．１００％、Ｎ：０．００４０～０．０３００％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、不可避的不純物におけるＰ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下であって、式Ａ：０．１２≦３［Ａｌ］＋４［Ｎｂ］≦０．５０、式Ｂ：０．１２＜［Ｎ］／［Ａｌ］＜０．７０、を満足する、真空浸炭用鋼。【選択図】 なし
Description
本発明は、真空浸炭に好適な結晶粒度特性の優れた肌焼鋼である真空浸炭用鋼に関する。
鋼材を部品に成形し、浸炭して鋼製部品を得る場合の浸炭方法として、現状の一般法ではガス浸炭が用いられている。加えて、最近では真空浸炭も採用されることがある。真空浸炭とは、鋼を真空中で加熱し、これに浸炭性ガスを導入して浸炭させた後、再び真空中で拡散処理させる手順を含む処理である。
現状の一般的方法であるガス浸炭に比して、真空浸炭には以下の利点がある。
１） 真空中で処理を行うため鋼材表面に粒界酸化層がみられず、各種強度の低減を回避することができる。
２） 高温での浸炭処理が可能なため、迅速な浸炭が可能である。
１） 真空中で処理を行うため鋼材表面に粒界酸化層がみられず、各種強度の低減を回避することができる。
２） 高温での浸炭処理が可能なため、迅速な浸炭が可能である。
もっとも、真空浸炭は上述の効果を有するものの、高温で実施された真空浸炭により製造された浸炭部品では、浸炭層、特に最表面で結晶粒の粗大化が生じやすいものとなる。この粗大粒は靭性及び曲げ疲労強度を低下させることがある。
従来から、真空浸炭で浸炭された浸炭部品等として、たとえば以下のような提案がなされている。
質量％で、Ｃ：０．１～０．３％、Ｓｉ：０．５～３．０％、Ｍｎ：０．３～３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．０１～１．００％、Ｎｉ：０．０１～３．００％、Ｃｒ：０．３～１．０％、Ａｌ：０．２０％以下およびＮ：０．０５％以下を含有し、残部が不可避な不純物およびＦｅからなり、［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］－［Ｃｒ％］＞０．５の条件を満たす合金組成を有する浸炭用鋼を部品形状に成形し、真空浸炭により浸炭して得た浸炭部品が提案されている（特許文献１参照。）
また、表面から１．５ｍｍ以上の深さ領域において、成分組成が、質量％で、Ｃ：０．１０～０．４０％、Ｓｉ：０．１０～３．００％、Ｍｎ：０．５０～３．００％、Ｃｒ：０．３０～３．００％、Ａｌ：０．０１０～０．０５０％、Ｎ：０．００３～０．０３０％、Ｓ：０．００３～０．０３０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｍｏ：０～３．００％、Ｂ：０～０．００５０％、Ｎｂ：０～０．１００％、Ｔｉ：０～０．１００％、Ｖ：０～０．３０％、Ｎｉ：０～０．４０％、Ｉｎ：０～０．０２％、Ｃｕ：０～０．２０％、Ｂｉ：０～０．３００％、Ｐｂ：０～０．５０％、及びＲＥＭ：０～０．０２０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物であり、表面から１．５ｍｍ深さのビッカース硬さが２００～４００ＨＶであり、表面から０．１０ｍｍまでの深さ領域において、Ｃの含有量が質量％で、０．６０～１．２０％、焼入れ組織の分率が面積率で９９．００％以上、粒界セメンタイト分率が面積率で０．５０％以下、及び不完全焼入れ組織の分率が面積率で０．５０％以下である、ことを特徴とする浸炭部品が、提案されている（特許文献２参照。）。
また、他にも、Ｃ：０．１０～０．３５％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．３０～１．５０％、Ｃｒ：１．１０～２．００％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：０．０１～０．０５％およびＮ：０．０３０％以下を含み、残部はＦｅ及び不可避的不純物である成分組成を有し、
表面から深さ０．０５ｍｍ位置におけるセメンタイト分率が５％以下、表面からの深さ０．０５ｍｍ位置における硬度がＨＶ６００以上、表面からの深さ０．０５ｍｍ位置におけるオーステナイト粒径が粒度５番以上、および、表面からの深さ０．１０ｍｍ位置における硬度がＨＶ６５０以上である浸炭鋼が提案されている（特許文献３参照。）。
表面から深さ０．０５ｍｍ位置におけるセメンタイト分率が５％以下、表面からの深さ０．０５ｍｍ位置における硬度がＨＶ６００以上、表面からの深さ０．０５ｍｍ位置におけるオーステナイト粒径が粒度５番以上、および、表面からの深さ０．１０ｍｍ位置における硬度がＨＶ６５０以上である浸炭鋼が提案されている（特許文献３参照。）。
もっとも特許文献１、２ではオーステナイトの結晶粒度が規定されていないため、靭性が十分に考慮されておらず、品質にバラツキが生じ十分とはいえなかった。
また、特許文献１ではＭｎを焼入性向上のために添加しているが、Ｍｎが０．５０％以上であると、焼準あるいは焼鈍により現れるフェライト・パーライト組織の結晶粒が１５μｍ未満と小さくなりやすいので、かえって浸炭時に結晶粒の粗大化を招くこととなる。
また、特許文献１ではＭｎを焼入性向上のために添加しているが、Ｍｎが０．５０％以上であると、焼準あるいは焼鈍により現れるフェライト・パーライト組織の結晶粒が１５μｍ未満と小さくなりやすいので、かえって浸炭時に結晶粒の粗大化を招くこととなる。
また、特許文献３では主に浸炭処理方法により粗大粒の抑制を試みているが、ピンニング粒子を形成する成分が考慮されておらず、靭性に影響を与える芯部硬さが評価されていないなど十分とはいえなかった。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、浸炭層表面部で粗大な結晶粒が発生しやすい高温での真空浸炭において、粗大な結晶粒の発生を安定的に抑制し、結晶粒度特性に優れ、また、靭性及び曲げ疲労に優れる肌焼鋼とこれを用いた浸炭鋼部品を提供することである。
そこで、発明者らは鋭意検討の結果、化学成分を規定し、Ｎｂ、Ａｌ、Ｎを適正化するによって結晶粒が微細化しうる真空浸炭用鋼を得ることができ、また１０５０℃以下で真空浸炭処理することによって、オーステナイト粒径が結晶粒度番号で６以上の浸炭鋼部品が得られることを見出した。
そして、課題を解決するための第１の手段は、質量％で、Ｃ：０．１５～０．３０％、Ｓｉ：０．０５～２．００％、Ｍｎ：０．１０～０．５０％未満、Ｃｒ：１．３～２．５％、Ｎｂ：０．０２０～０．１００％、Ａｌ：０．０２０～０．１００％、Ｎ：０．００４０～０．０３００％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、不可避的不純物におけるＰ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下であって、式Ａ：０．１２≦３［Ａｌ］＋４［Ｎｂ］≦０．５０、式Ｂ：０．１２＜［Ｎ］／［Ａｌ］＜０．７０、を満足する、真空浸炭用鋼である。
ただし、式Ａ、式Ｂの［Ａｌ］［Ｎｂ］［Ｎ］には該当する化学成分の％の値を代入する。
ただし、式Ａ、式Ｂの［Ａｌ］［Ｎｂ］［Ｎ］には該当する化学成分の％の値を代入する。
その第２の手段は、第１の手段に記載の成分に加えて、選択的成分として、質量％で、Ｔｉ：０．０２０～０．２００％、Ｂ：０．００５０％以下、Ｖ：０．０１～０．５０％のいずれか１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、不可避的不純物におけるＰ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下であって、式Ａ：０．１２≦３［Ａｌ］＋４［Ｎｂ］≦０．５０、式Ｂ：０．１２＜［Ｎ］／［Ａｌ］＜０．７０、を満足する、真空浸炭用鋼である。
ただし、式Ａ、式Ｂの［Ａｌ］［Ｎｂ］［Ｎ］には該当する化学成分の％の値を代入する。
ただし、式Ａ、式Ｂの［Ａｌ］［Ｎｂ］［Ｎ］には該当する化学成分の％の値を代入する。
その第３の手段は、第１又は第２の手段のいずれかに記載の成分に加えて、選択的成分として、質量％で、Ｎｉ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下のいずれか１種または２種を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、不可避的不純物におけるＰ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下であって、式Ａ：０．１２≦３［Ａｌ］＋４［Ｎｂ］≦０．５０、式Ｂ：０．１２＜［Ｎ］／［Ａｌ］＜０．７０、
を満足する、真空浸炭用鋼である。
ただし、式Ａ、式Ｂの［Ａｌ］［Ｎｂ］［Ｎ］には該当する化学成分の％の値を代入する。
を満足する、真空浸炭用鋼である。
ただし、式Ａ、式Ｂの［Ａｌ］［Ｎｂ］［Ｎ］には該当する化学成分の％の値を代入する。
第４の手段は、第１～３のいずれか１の手段に記載の鋼を用いた浸炭された状態の浸炭鋼部品であって、表面から深さ５．０ｍｍにおける硬度が２００～５００Ｈｖである浸炭鋼部品である。
第５の手段は、第１～３のいずれか１の手段に記載の鋼を用いた、１０５０℃以下で真空浸炭された状態の浸炭鋼部品であって、その表面から深さ０．０５ｍｍにおけるオーステナイト粒径が結晶粒度番号で６番以上である、浸炭鋼部品である。
第６の手段は、第１～３のいずれか１の手段に記載の鋼を用いた、１０５０℃以下で真空浸炭された状態の浸炭鋼部品であって、その表面から深さ０．０５ｍｍにおけるオーステナイト粒径が結晶粒度番号で６番以上であり、表面から深さ５．０ｍｍにおけるオーステナイト粒径が結晶粒度番号で６番以上である、浸炭鋼部品である。
第７の手段は、第１～３のいずれか１の手段に記載の鋼を用いた、１０５０℃以下で真空浸炭された状態の浸炭鋼部品であって、その表面から深さ０．０５ｍｍにおけるオーステナイト粒径が結晶粒度番号で６番以上であり、表面から深さ５．０ｍｍにおけるオーステナイト粒径が結晶粒度番号で７番以上である、浸炭鋼部品である。
第８の手段は、第５～７のいずれか１の手段に記載の浸炭鋼部品であって、表面から深さ５．０ｍｍにおける硬度が２００～５００Ｈｖである浸炭鋼部品である。
本発明の鋼を用いて、１０５０℃以下で真空浸炭した浸炭鋼部品は、その表面から深さ０．０５ｍｍにおけるオーステナイト粒径の結晶粒度番号が６以上となり、また、表面から深さ５．０ｍｍにおけるオーステナイト粒径の結晶粒度番号も６番以上となり、粗大な結晶粒の発生を安定的に抑制しうるものとなっている。また、本発明の鋼を用いた浸炭鋼部品は、２５Ｊ／ｃｍ2以上の衝撃値であるから靭性に優れ、また５００ＭＰａ以上の１．０×１０7サイクル疲労限を確保することができる。そこで、本発明によると、結晶粒度特性、靭性及び曲げ疲労に優れる肌焼鋼と、これを用いた浸炭鋼部品を得ることができる。
本発明の実施の形態の説明に先立って、本発明の真空浸炭用肌焼鋼の化学成分について説明する。なお化学成分の％は質量％である。
Ｃ：０．１５～０．３０％、
Ｃは、素材硬さを上昇させる成分である。Ｃが０．１５％未満であると、浸炭後の芯部硬さが低下し、強度が不足することとなる。他方、Ｃが過多になると、素材硬さが上昇しすぎて、加工性が低下し、芯部靭性が低下することとなる。この観点から、Ｃは０．３０％以下とする。好ましくは、Ｃは０．２５％以下である。
Ｃは、素材硬さを上昇させる成分である。Ｃが０．１５％未満であると、浸炭後の芯部硬さが低下し、強度が不足することとなる。他方、Ｃが過多になると、素材硬さが上昇しすぎて、加工性が低下し、芯部靭性が低下することとなる。この観点から、Ｃは０．３０％以下とする。好ましくは、Ｃは０．２５％以下である。
Ｓｉ：０．０５～２．００％、
Ｓｉは、脱酸剤として有用な成分であり、素材硬さも向上する成分である。Ｓｉが不足すると脱酸が十分になされないこととなるので、Ｓｉは０．０５％以上必要である。好ましくは、Ｓｉは０．３０％以上である。他方、Ｓｉが過剰であると、素材硬さが上昇することで加工性が低下することとなる。そこで、Ｓｉは２．００％以下とする。好ましくは、Ｓｉは０．８０％以下である。
Ｓｉは、脱酸剤として有用な成分であり、素材硬さも向上する成分である。Ｓｉが不足すると脱酸が十分になされないこととなるので、Ｓｉは０．０５％以上必要である。好ましくは、Ｓｉは０．３０％以上である。他方、Ｓｉが過剰であると、素材硬さが上昇することで加工性が低下することとなる。そこで、Ｓｉは２．００％以下とする。好ましくは、Ｓｉは０．８０％以下である。
Ｍｎ：０．１０～０．５０％未満、
Ｍｎは、焼入れ性の向上に有用な成分である。そこでＭｎは０．１０％以上とする。好ましくはＭｎは０．１５％以上である。他方、Ｍｎが過多になると、機械加工性が低下し、また浸炭時に結晶粒の粗大化が発生しやすくなる。そこで、Ｍｎは０．５０％未満とする。好ましくは、Ｍｎは０．４０％以下である。
Ｍｎは、焼入れ性の向上に有用な成分である。そこでＭｎは０．１０％以上とする。好ましくはＭｎは０．１５％以上である。他方、Ｍｎが過多になると、機械加工性が低下し、また浸炭時に結晶粒の粗大化が発生しやすくなる。そこで、Ｍｎは０．５０％未満とする。好ましくは、Ｍｎは０．４０％以下である。
Ｃｒ：１．３～２．５％、
Ｃｒは、焼入れ性と素材硬さの向上に有用な成分である。Ｃｒが過少であると、焼入れ性が低下し、強度も低下することとなる。そこで、Ｃｒは１．３％以上とする。好ましくはＣｒは１．５％以上である。他方、Ｃｒが過多であると素材硬さの上昇に伴い加工性が低下してしまうこととなる。そこで、Ｃｒは２．５％以下とする。好ましくは、Ｃｒは２．２％以下である。
Ｃｒは、焼入れ性と素材硬さの向上に有用な成分である。Ｃｒが過少であると、焼入れ性が低下し、強度も低下することとなる。そこで、Ｃｒは１．３％以上とする。好ましくはＣｒは１．５％以上である。他方、Ｃｒが過多であると素材硬さの上昇に伴い加工性が低下してしまうこととなる。そこで、Ｃｒは２．５％以下とする。好ましくは、Ｃｒは２．２％以下である。
Ｎｂ：０．０２０～０．１００％、
Ｎｂは、微細な炭窒化物を生成させ、結晶粒の粗大化を抑制に有用な成分である。Ｎｂが過少であると、微細な炭窒化物に不足し、結晶粒粗大化抑制の効果が小さいものとなるので、靭性が低下したり、疲労強度に不足するものとなりやすい。そこで、Ｎｂは０．０２０％以上とする。他方、Ｎｂが過多であると、炭窒化物の量が過剰となり、加工性が低下することとなる。そこで、Ｎｂは０．１００％以下とする。好ましくはＮｂは０．０８０％以下である。
Ｎｂは、微細な炭窒化物を生成させ、結晶粒の粗大化を抑制に有用な成分である。Ｎｂが過少であると、微細な炭窒化物に不足し、結晶粒粗大化抑制の効果が小さいものとなるので、靭性が低下したり、疲労強度に不足するものとなりやすい。そこで、Ｎｂは０．０２０％以上とする。他方、Ｎｂが過多であると、炭窒化物の量が過剰となり、加工性が低下することとなる。そこで、Ｎｂは０．１００％以下とする。好ましくはＮｂは０．０８０％以下である。
Ａｌ：０．０２０～０．１００％
Ａｌは、脱酸材として有用な成分であり、また微細な窒化物を生成することで結晶粒の粗大化を抑制する成分である。Ａｌが過少であると、微細な窒化物が不足し、結晶粒が粗大化しやすくなるので、靭性が低下したり、疲労特性が低下することとなる。そこでＡｌは０．０２０％以上とする。他方、Ａｌが過多であると、アルミナ系酸化物が増加し、疲労特性や加工性が低下することとなる。そこで、Ａｌは０．１００％以下とする。好ましくはＡｌは０．０５０％以下である。
Ａｌは、脱酸材として有用な成分であり、また微細な窒化物を生成することで結晶粒の粗大化を抑制する成分である。Ａｌが過少であると、微細な窒化物が不足し、結晶粒が粗大化しやすくなるので、靭性が低下したり、疲労特性が低下することとなる。そこでＡｌは０．０２０％以上とする。他方、Ａｌが過多であると、アルミナ系酸化物が増加し、疲労特性や加工性が低下することとなる。そこで、Ａｌは０．１００％以下とする。好ましくはＡｌは０．０５０％以下である。
Ｎ：０．００４０～０．０３００％、
Ｎは、微細な炭窒化物を生成し結晶粒の粗大化抑制に有用な成分である。Ｎが過少であると、微細な炭窒化物が不足することとなり、結晶粒が粗大化しやすくなるので、靭性や疲労特性が低下しやすくなる。そこで、Ｎは０．００４0％以上とする。Ｎが過多であると、粗大な炭窒化物が形成されることとなり、疲労特性が低下し、また加工性も低下しやすくなる。そこで、Ｎは０．０３００％以下とする。好ましくはＮは０．０２００％以下である。
Ｎは、微細な炭窒化物を生成し結晶粒の粗大化抑制に有用な成分である。Ｎが過少であると、微細な炭窒化物が不足することとなり、結晶粒が粗大化しやすくなるので、靭性や疲労特性が低下しやすくなる。そこで、Ｎは０．００４0％以上とする。Ｎが過多であると、粗大な炭窒化物が形成されることとなり、疲労特性が低下し、また加工性も低下しやすくなる。そこで、Ｎは０．０３００％以下とする。好ましくはＮは０．０２００％以下である。
残部はＦｅ及び不可避的不純物である。そこで、次に鋼中に不可避的不純物として含有されるＰ、Ｓ、Ｃｕの上限を規定する理由を説明する。
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは不可避的不純物として鋼中に含有されることがあるが、Ｐが過多であると、粒界偏析により靭性が低下する。そこで、Ｐは０．０３０％以下とする。
Ｐは不可避的不純物として鋼中に含有されることがあるが、Ｐが過多であると、粒界偏析により靭性が低下する。そこで、Ｐは０．０３０％以下とする。
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは不可避的不純物として鋼中に含有されることがあるが、Ｓが過多であると、ＭｎＳの形成によって靭性が低下し、また疲労強度も低下することとなる。そこで、Ｓは０．０３０％以下とする。
Ｓは不可避的不純物として鋼中に含有されることがあるが、Ｓが過多であると、ＭｎＳの形成によって靭性が低下し、また疲労強度も低下することとなる。そこで、Ｓは０．０３０％以下とする。
Ｃｕ：０．３０％以下
Ｃｕは不可避的不純物として鋼中に含有されることがあるが、Ｃｕが過多であると、熱間加工性が低下する。そこで、Ｃｕは０．３０％以下とする。
Ｃｕは不可避的不純物として鋼中に含有されることがあるが、Ｃｕが過多であると、熱間加工性が低下する。そこで、Ｃｕは０．３０％以下とする。
式Ａ：０．１２≦３［Ａｌ］＋４［Ｎｂ］≦０．５０、
式Ａの値は、３［Ａｌ］＋４［Ｎｂ］で求められる。［Ａｌ］［Ｎｂ］には、該当する化学成分の％の値を代入する。式Ａは、靭性や疲労特性に関わる指標である。
式Ａの値が、０．１２を下回ると、ピンニング粒子が不足し、結晶粒が粗大化することから、靭性や疲労特性が低下することとなる。他方、式Ａの値が０．５０を超えると、炭窒化物の量が過剰となるので、加工性が低下することとなる。
そこで、式Ａは、０．１２≦３［Ａｌ］＋４［Ｎｂ］≦０．５０とする。好ましくは、式Ａは、０．１５≦３［Ａｌ］＋４［Ｎｂ］≦０．４５である。
式Ａの値は、３［Ａｌ］＋４［Ｎｂ］で求められる。［Ａｌ］［Ｎｂ］には、該当する化学成分の％の値を代入する。式Ａは、靭性や疲労特性に関わる指標である。
式Ａの値が、０．１２を下回ると、ピンニング粒子が不足し、結晶粒が粗大化することから、靭性や疲労特性が低下することとなる。他方、式Ａの値が０．５０を超えると、炭窒化物の量が過剰となるので、加工性が低下することとなる。
そこで、式Ａは、０．１２≦３［Ａｌ］＋４［Ｎｂ］≦０．５０とする。好ましくは、式Ａは、０．１５≦３［Ａｌ］＋４［Ｎｂ］≦０．４５である。
式Ｂ：０．１２＜［Ｎ］／［Ａｌ］＜０．７０、
式Ｂの値は、［Ｎ］／［Ａｌ］で求まる。［Ｎ］［Ａｌ］には、該当する化学成分の％の値が代入される。式Ｂは、靭性と疲労特性に関わる指標である。
Ｎに対するＡｌの比率が増すことによって、ＡｌＮが粗大化することとなると、ピン止め力が低下することとなるので、靭性や疲労特性が低下することとなる。他方、Ｎに対するＡｌの比率が低くなりすぎると、微細な窒化物が不足することとなって、結晶粒が粗大化することとなるので、靭性や疲労特性が低下することとなる。
そこで、式Ｂは、０．１２＜［Ｎ］／［Ａｌ］＜０．７０とする。
式Ｂの値は、［Ｎ］／［Ａｌ］で求まる。［Ｎ］［Ａｌ］には、該当する化学成分の％の値が代入される。式Ｂは、靭性と疲労特性に関わる指標である。
Ｎに対するＡｌの比率が増すことによって、ＡｌＮが粗大化することとなると、ピン止め力が低下することとなるので、靭性や疲労特性が低下することとなる。他方、Ｎに対するＡｌの比率が低くなりすぎると、微細な窒化物が不足することとなって、結晶粒が粗大化することとなるので、靭性や疲労特性が低下することとなる。
そこで、式Ｂは、０．１２＜［Ｎ］／［Ａｌ］＜０．７０とする。
次に本発明における選択的付加的に添加しうる成分について規定する理由を説明する。
本発明の鋼成分として、以下に規定する範囲でＴｉ、Ｂ、Ｖを１種類または２種以上添加してもよい。また、本発明の鋼成分として以下に規定する範囲で、ＮｉまたはＭｏを１種類又は２種を添加することができる。
本発明の鋼成分として、以下に規定する範囲でＴｉ、Ｂ、Ｖを１種類または２種以上添加してもよい。また、本発明の鋼成分として以下に規定する範囲で、ＮｉまたはＭｏを１種類又は２種を添加することができる。
Ｔｉ：０．０２０～０．２０％
Ｔｉは、微細な窒化物量の確保に寄与する成分である。Ｔｉが過少で微細な窒化物量の確保が十分でないときには、Ｎが固定されず、ＢＮを形成するなどして、焼入れ性が低下することとなる。また、Ｔｉが過少であると結晶粒の粗大化を抑制する効果が小さいこととなる。そこで、Ｔｉを添加する場合は、０．０２０％以上とする。他方で、Ｔｉが過剰となると、炭窒化物の量が過剰となり加工性が低下することとなる。そこで、Ｔｉを添加する場合は、０．２０％以下とする。好ましくは、Ｔｉは０．１６％以下である。
Ｔｉは、微細な窒化物量の確保に寄与する成分である。Ｔｉが過少で微細な窒化物量の確保が十分でないときには、Ｎが固定されず、ＢＮを形成するなどして、焼入れ性が低下することとなる。また、Ｔｉが過少であると結晶粒の粗大化を抑制する効果が小さいこととなる。そこで、Ｔｉを添加する場合は、０．０２０％以上とする。他方で、Ｔｉが過剰となると、炭窒化物の量が過剰となり加工性が低下することとなる。そこで、Ｔｉを添加する場合は、０．２０％以下とする。好ましくは、Ｔｉは０．１６％以下である。
Ｂ：０．００５０％以下
Ｂは、素材硬さを上昇させる成分であるが、過剰となると、素材硬さ上昇に伴って加工性が低下してしまう。そこで、Ｂを添加する場合は、０．００５０％以下とする。
Ｂは、素材硬さを上昇させる成分であるが、過剰となると、素材硬さ上昇に伴って加工性が低下してしまう。そこで、Ｂを添加する場合は、０．００５０％以下とする。
Ｖ：０．０１～０．５０％
Ｖは炭窒化物の量を確保するうえで有用な成分である。Ｖが過少であると、微細な炭窒化物が不足し、結晶粒の粗大化の抑制効果が小さくなるため、靭性や疲労強度が不足しやすくなる。そこで、Ｖを添加する場合は、０．０１％以上とする。Ｖが過剰であると、炭窒化物の量が過剰となって加工性が低下する。そこでＶの添加は０．５０％以下とする。好ましくは、Ｖは０．３０％以下である。
Ｖは炭窒化物の量を確保するうえで有用な成分である。Ｖが過少であると、微細な炭窒化物が不足し、結晶粒の粗大化の抑制効果が小さくなるため、靭性や疲労強度が不足しやすくなる。そこで、Ｖを添加する場合は、０．０１％以上とする。Ｖが過剰であると、炭窒化物の量が過剰となって加工性が低下する。そこでＶの添加は０．５０％以下とする。好ましくは、Ｖは０．３０％以下である。
Ｎｉ：１．０％以下
Ｎｉは素材硬さを上昇させる成分である。過剰に添加するとコストが上昇し、素材硬さの上昇に伴い加工性が低下してしまう。そこで、Ｎｉを添加する場合は、１．０％以下とする。
Ｎｉは素材硬さを上昇させる成分である。過剰に添加するとコストが上昇し、素材硬さの上昇に伴い加工性が低下してしまう。そこで、Ｎｉを添加する場合は、１．０％以下とする。
Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは素材硬さを上昇させる成分である。過剰に添加するとコストが上昇し、素材硬さの上昇に伴い加工性が低下してしまう。そこで、Ｍｏを添加する場合は、１．０％以下とする。
Ｍｏは素材硬さを上昇させる成分である。過剰に添加するとコストが上昇し、素材硬さの上昇に伴い加工性が低下してしまう。そこで、Ｍｏを添加する場合は、１．０％以下とする。
表面から深さ５．０ｍｍにおける硬度：２００～５００Ｈｖ
浸炭鋼部品の内部の硬度が低すぎると、曲げ疲労強度が低いものとなる。他方、浸炭鋼部品の内部の硬度が高すぎると、靭性が低くなってしまうこととなる。そこで、浸炭された状態において、鋼表面から深さ５．０ｍｍにおける硬度がビッカース硬さで２００～５００Ｈｖとする。
浸炭鋼部品の内部の硬度が低すぎると、曲げ疲労強度が低いものとなる。他方、浸炭鋼部品の内部の硬度が高すぎると、靭性が低くなってしまうこととなる。そこで、浸炭された状態において、鋼表面から深さ５．０ｍｍにおける硬度がビッカース硬さで２００～５００Ｈｖとする。
浸炭鋼部品の表面から深さ０．０５ｍｍにおけるオーステナイト粒径：結晶粒度番号で６番以上
浸炭鋼部品の表面から深さ５．０ｍｍにおけるオーステナイト粒径：結晶粒度番号で６番以上
オーステナイト粒径が粗大になると、靭性、疲労特性がいずれも低下することとなる。そこで、浸炭層である深さ０．０５ｍｍの位置、及び非浸炭層である深さ５．０ｍｍのいずれの深さにおいても、オーステナイトの粒径が粗大化していないことが望ましい。そこで、好ましい浸炭層における結晶粒度は６番以上である。また、好ましい非浸炭層における結晶粒度は６番以上であり、より好ましくは７番以上である。
浸炭鋼部品の表面から深さ５．０ｍｍにおけるオーステナイト粒径：結晶粒度番号で６番以上
オーステナイト粒径が粗大になると、靭性、疲労特性がいずれも低下することとなる。そこで、浸炭層である深さ０．０５ｍｍの位置、及び非浸炭層である深さ５．０ｍｍのいずれの深さにおいても、オーステナイトの粒径が粗大化していないことが望ましい。そこで、好ましい浸炭層における結晶粒度は６番以上である。また、好ましい非浸炭層における結晶粒度は６番以上であり、より好ましくは７番以上である。
表１の発明鋼Ｎｏ．１～１２及び比較鋼Ｎｏ．１～６に記載の化学成分と残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼について、それぞれ１００ｋｇを真空誘導溶解炉（ＶＩＭ）で溶製して鋼塊を得た。その後、１２５０℃でφ３２の丸棒に鍛伸し、９２５℃で１時間保持してから空冷する焼ならししてから、さらに各試験片へと加工した。
作成された各試験片について、真空浸炭炉にて、９３０℃、１０００℃、もしくは１０５０℃で、以下の条件で浸炭処理を実施した後、それらのミクロ組織の結晶粒度を評価した。
＜９３０℃浸炭＞
９３０℃にて４０分間均熱した後、９３０℃で５５分間浸炭処理（アセチレンガス雰囲気で圧力１５０Ｐａ）をした。その後、９３０℃で真空（５Ｐａ以下）で１００分間拡散処理をした。その後、８８０℃に４０分間保持した後に焼入れし、さらに１８０℃で１．５時間の焼戻し処理をした。
９３０℃にて４０分間均熱した後、９３０℃で５５分間浸炭処理（アセチレンガス雰囲気で圧力１５０Ｐａ）をした。その後、９３０℃で真空（５Ｐａ以下）で１００分間拡散処理をした。その後、８８０℃に４０分間保持した後に焼入れし、さらに１８０℃で１．５時間の焼戻し処理をした。
＜１０００℃浸炭＞
１０００℃に４０分間均熱した後、１０００℃で２５分間浸炭処理（アセチレンガス雰囲気で圧力１５０Ｐａ）をした。その後、１０００℃で真空（５Ｐａ以下）で６５分間拡散処理をした。その後、８８０℃に４０分間保持した後に焼入れし、さらに１８０℃で１．５時間の焼戻し処理をした。
１０００℃に４０分間均熱した後、１０００℃で２５分間浸炭処理（アセチレンガス雰囲気で圧力１５０Ｐａ）をした。その後、１０００℃で真空（５Ｐａ以下）で６５分間拡散処理をした。その後、８８０℃に４０分間保持した後に焼入れし、さらに１８０℃で１．５時間の焼戻し処理をした。
＜１０５０℃浸炭＞
１０５０℃に４０分間均熱した後、１０５０℃で１５分間浸炭処理（アセチレンガス雰囲気で圧力１５０Ｐａ）をした。その後、１０５０℃で真空（５Ｐａ以下）で５０分間拡散処理をした。その後、８８０℃に４０分間保持した後に焼入れし、さらに１８０℃で１．５時間の焼戻し処理をした。
１０５０℃に４０分間均熱した後、１０５０℃で１５分間浸炭処理（アセチレンガス雰囲気で圧力１５０Ｐａ）をした。その後、１０５０℃で真空（５Ｐａ以下）で５０分間拡散処理をした。その後、８８０℃に４０分間保持した後に焼入れし、さらに１８０℃で１．５時間の焼戻し処理をした。
浸炭された試験片について、ミクロ組織観察（結晶粒観察）、浸炭後硬さ（ビッカース硬さ試験）、シャルピー衝撃試験、切欠回転曲げ試験を行なって評価した。結果を表２に示す。
（１）浸炭後硬さ（表面から０．１０ｍｍ、表面から５．０ｍｍ深さ）
試験片の圧延方向と垂直に切断し、切断面を平面研削後、表面から所定の深さの位置、例えば０．１０ｍｍなどの位置で、それぞれＪＩＳ Ｚ ２２４４（２０２０）に準拠してビッカース硬度計にて測定した（荷重３００ｇｆ）。
試験片の圧延方向と垂直に切断し、切断面を平面研削後、表面から所定の深さの位置、例えば０．１０ｍｍなどの位置で、それぞれＪＩＳ Ｚ ２２４４（２０２０）に準拠してビッカース硬度計にて測定した（荷重３００ｇｆ）。
（２）ミクロ組織
試験片の中心を通り、圧延方向と平行に切断し、研磨、飽和ピクリン酸腐食を行った。その後、光学顕微鏡を用いて、表面から０．０５ｍｍ位置、表面から５．０ｍｍ位置を観察する（観察の視野は１０ｍｍ×１０ｍｍとする。）。
オーステナイト結晶粒度については、旧オーステナイト結晶粒度の測定をＪＩＳ Ｇ ０５５１（２０２０）に準じて行い、粒度番号を求めた。すなわち、粒度番号６番未満が存在すれば粗大粒発生と判定した。
試験片の中心を通り、圧延方向と平行に切断し、研磨、飽和ピクリン酸腐食を行った。その後、光学顕微鏡を用いて、表面から０．０５ｍｍ位置、表面から５．０ｍｍ位置を観察する（観察の視野は１０ｍｍ×１０ｍｍとする。）。
オーステナイト結晶粒度については、旧オーステナイト結晶粒度の測定をＪＩＳ Ｇ ０５５１（２０２０）に準じて行い、粒度番号を求めた。すなわち、粒度番号６番未満が存在すれば粗大粒発生と判定した。
（３）シャルピー衝撃試験
得られた鋼部材を試験片へと加工し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２（２０１８）に基づいたシャルピー衝撃試験を用いて評価した。シャルピー衝撃試験では室温（２３±５℃）において実施し、試験片は角１０ｍｍの１０ＲＣノッチ（ノッチ部・ノッチ面のみ浸炭層、ノッチ底はＲ＝０．８）を使用した。
得られた鋼部材を試験片へと加工し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２（２０１８）に基づいたシャルピー衝撃試験を用いて評価した。シャルピー衝撃試験では室温（２３±５℃）において実施し、試験片は角１０ｍｍの１０ＲＣノッチ（ノッチ部・ノッチ面のみ浸炭層、ノッチ底はＲ＝０．８）を使用した。
（４）切欠回転曲げ試験
得られた鋼部材を試験片へと加工し、ＪＩＳ Ｚ ２２７４（１９７８）に基づいた切欠回転曲げ試験を用いて評価した。小野式回転曲げ疲労試験では平行部がφ８ｍｍ（ノッチ底：Ｒ０．８）の切欠き回転曲げ疲労試験片を使用した。
得られた鋼部材を試験片へと加工し、ＪＩＳ Ｚ ２２７４（１９７８）に基づいた切欠回転曲げ試験を用いて評価した。小野式回転曲げ疲労試験では平行部がφ８ｍｍ（ノッチ底：Ｒ０．８）の切欠き回転曲げ疲労試験片を使用した。
本発明にかかる発明鋼Ｎｏ．１～１２の鋼を１０００℃以下で真空浸炭した鋼は、表面から深さ０．０５ｍｍにおけるオーステナイト粒径の結晶粒度番号が６以上であり、また表面から深さ５．０ｍｍにおけるオーステナイト粒径の結晶粒度番号も７番以上であったので、粗大な結晶粒の発生を安定的に抑制しうるものとなっていることが確認された。そして、発明鋼Ｎｏ．１～１２の鋼の浸炭鋼部品は、２５Ｊ／ｃｍ2以上の衝撃値であるから靭性に優れ、また５００ＭＰａ以上の１．０×１０7サイクル疲労限を確保できている。そこで、これら発明鋼を真空浸炭することで、結晶粒度特性、靭性及び曲げ疲労に優れる浸炭鋼部品を得ることができる。
比較鋼１は、Ｍｎが過多で、Ｎｂが過少であり、また、式Ａと式Ｂの値が外れている。そこで、結晶粒が粗大化しやすくなり、０．０５ｍｍ深さのオーステナイト粒度番号が４となり、靭性や疲労特性が低下した。
比較鋼２は、ＣｒやＡｌが過少であり、式Ｂの値が外れている。そこで、硬さも低くなっており、また結晶粒が粗大化しやすくなるので、０．０５ｍｍ深さのオーステナイト粒度番号が５であり、靭性と疲労特性が低下した。
比較鋼３は、Ｃｒが過少であり、式Ａの値が外れている。そこで、硬さも低くなっており、０．０５ｍｍ深さのオーステナイト粒度番号が４であり、靭性と疲労特性が低下している。
比較鋼４は、Ｍｎが過多でＣｒとＮｂが過少であり、式Ａの値が外れている。そこで、０．０５ｍｍ深さのオーステナイト粒度番号が３であり、靭性と疲労特性が低下している。
比較鋼５は、Ａｌが過多で、式Ｂの値が外れている。そこで、ＡｌＮが粗大化することとなると、ピン止め力が低下することとなるほか、０．０５ｍｍ深さのオーステナイト粒度番号が４であり、５ｍｍ深さのオーステナイト粒度番号が５であり、靭性や疲労特性が低下している。
比較例６は、Ｎｂが過少で、０．０５ｍｍと５ｍｍ深さのオーステナイト粒度番号が５であり、結晶粒が粗大化しているほか、内部が硬くなりすぎているので、靭性および疲労特性が低下している。
比較鋼２は、ＣｒやＡｌが過少であり、式Ｂの値が外れている。そこで、硬さも低くなっており、また結晶粒が粗大化しやすくなるので、０．０５ｍｍ深さのオーステナイト粒度番号が５であり、靭性と疲労特性が低下した。
比較鋼３は、Ｃｒが過少であり、式Ａの値が外れている。そこで、硬さも低くなっており、０．０５ｍｍ深さのオーステナイト粒度番号が４であり、靭性と疲労特性が低下している。
比較鋼４は、Ｍｎが過多でＣｒとＮｂが過少であり、式Ａの値が外れている。そこで、０．０５ｍｍ深さのオーステナイト粒度番号が３であり、靭性と疲労特性が低下している。
比較鋼５は、Ａｌが過多で、式Ｂの値が外れている。そこで、ＡｌＮが粗大化することとなると、ピン止め力が低下することとなるほか、０．０５ｍｍ深さのオーステナイト粒度番号が４であり、５ｍｍ深さのオーステナイト粒度番号が５であり、靭性や疲労特性が低下している。
比較例６は、Ｎｂが過少で、０．０５ｍｍと５ｍｍ深さのオーステナイト粒度番号が５であり、結晶粒が粗大化しているほか、内部が硬くなりすぎているので、靭性および疲労特性が低下している。
Claims (8)
- 質量％で、
Ｃ：０．１５～０．３０％、
Ｓｉ：０．０５～２．００％、
Ｍｎ：０．１０～０．５０％未満、
Ｃｒ：１．３～２．５％、
Ｎｂ：０．０２０～０．１００％、
Ａｌ：０．０２０～０．１００％、
Ｎ：０．００４０～０．０３００％、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、
不可避的不純物におけるＰ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下であって、
式Ａ：０．１２≦３［Ａｌ］＋４［Ｎｂ］≦０．５０、
式Ｂ：０．１２＜［Ｎ］／［Ａｌ］＜０．７０、
を満足する、真空浸炭用鋼。
ただし、式Ａ、式Ｂの［Ａｌ］［Ｎｂ］［Ｎ］には該当する化学成分の％の値を代入する。 - 請求項１に記載の成分に加えて、選択的成分として、質量％で、Ｔｉ：０．０２０～０．２００％、Ｂ：０．００５０％以下、Ｖ：０．０１～０．５０％のいずれか１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、不可避的不純物におけるＰ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下であって、
式Ａ：０．１２≦３［Ａｌ］＋４［Ｎｂ］≦０．５０、
式Ｂ：０．１２＜［Ｎ］／［Ａｌ］＜０．７０、
を満足する、真空浸炭用鋼。
ただし、式Ａ、式Ｂの［Ａｌ］［Ｎｂ］［Ｎ］には該当する化学成分の％の値を代入する。 - 請求項１に記載の成分に加えて、選択的成分として、質量％で、Ｎｉ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下のいずれか１種または２種を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、不可避的不純物におけるＰ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下であって、
式Ａ：０．１２≦３［Ａｌ］＋４［Ｎｂ］≦０．５０、
式Ｂ：０．１２＜［Ｎ］／［Ａｌ］＜０．７０、
を満足する、真空浸炭用鋼。
ただし、式Ａ、式Ｂの［Ａｌ］［Ｎｂ］［Ｎ］には該当する化学成分の％の値を代入する。 - 請求項１に記載の成分に加えて、質量％で、選択的成分としてＴｉ：０．０２０～０．２００％、Ｂ：０．００５０％以下、Ｖ：０．０１～０．５０％のいずれか１種または２種以上を含有し、
さらなる選択的成分として、Ｎｉ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下のいずれか１種または２種を含有し、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、不可避的不純物におけるＰ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下であって、
式Ａ：０．１２≦３［Ａｌ］＋４［Ｎｂ］≦０．５０、
式Ｂ：０．１２＜［Ｎ］／［Ａｌ］＜０．７０、
を満足する、真空浸炭用鋼。
ただし、式Ａ、式Ｂの［Ａｌ］［Ｎｂ］［Ｎ］には該当する化学成分の％の値を代入する。 - 請求項１～４のいずれか１項に記載の鋼を用いた浸炭された状態の浸炭鋼部品であって、表面から深さ５．０ｍｍにおける硬度が２００～５００Ｈｖである浸炭鋼部品。
- 請求項１～４のいずれか１項に記載の鋼を用いて１０５０℃以下で真空浸炭された状態の浸炭鋼部品は、表面から深さ０．０５ｍｍにおけるオーステナイト粒径が結晶粒度番号で６番以上である、浸炭鋼部品。
- 請求項１～４のいずれか１項に記載の鋼を用いて１０５０℃以下で真空浸炭された状態の浸炭鋼部品は、表面から深さ０．０５ｍｍにおけるオーステナイト粒径が結晶粒度番号で６番以上であって、表面から深さ５．０ｍｍにおけるオーステナイト粒径が結晶粒度番号で６番以上である、浸炭鋼部品。
- 請求項１～４のいずれか１項に記載の鋼を用いて１０５０℃以下で真空浸炭された状態の浸炭鋼部品は、表面から深さ０．０５ｍｍにおけるオーステナイト粒径が結晶粒度番号で６番以上であって、表面から深さ５．０ｍｍにおけるオーステナイト粒径が結晶粒度番号で７番以上である、浸炭鋼部品。
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| JP2022182525A JP2024071975A (ja) | 2022-11-15 | 2022-11-15 | 結晶粒度特性に優れた真空浸炭用鋼 |
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