JP3329210B2 - 肌焼鋼の製造方法及びその方法により製造された肌焼鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温浸炭処理、特
に１０５０℃以上の浸炭処理での粗粒化及び混粒化を抑
制する肌焼鋼の製造方法、及びその方法により製造され
た肌焼鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】歯車やシャフト等の動力伝達に使用され
る鋼部品には、浸炭処理により表面に硬化層を形成する
肌焼鋼が多用される。ここでの浸炭処理は、熱間加工−
機械加工のプロセスにより成形された部品をオーステナ
イト域に昇温保持して、雰囲気からＣを鋼中に取り込ん
で浸透拡散させる処理である。なお、昇温保持後の冷却
は通常、焼入れ処理を兼ねる。

【０００３】近年、これらの部品の高強度化と共に製造
コスト低減が大きな課題になっている。製造コストの低
減では、浸炭処理の処理時間短縮が効果的な対策の一つ
である。浸炭処理では、所定の硬化深さを得るために、
通常数時間以上の処理が必要とされるので、処理時間の
短縮は生産性向上の観点からコスト低減に寄与するので
ある。

【０００４】ところで、浸炭時間の短縮には高温処理が
有効である。浸炭処理では、Ｃの拡散速度により反応が
律速されるので、浸炭時間の短縮のためにはＣの拡散速
度の上昇が不可欠であり、このためには高温化が最も有
効である。例えば、通常は９３０℃で浸炭されるが、こ
れを１０５０℃以上の温度で行うと、同じ硬化深さを得
るための時間は１／４以下となる。

【０００５】しかしながら、高温浸炭は一方で次のよう
な問題を生じる。最も大きな問題は、高温での処理では
オーステナイト粒が粗大化することである。オーステナ
イト粒が粗大化すると、焼入れ後の歪みが大きくなる。
通常、浸炭後は研磨等の必要最小限の機械加工を施すだ
けであるので、焼入れ時の歪みは製品の歪みとなり、前
述した動力伝達用の部品では騒音発生の原因となる。

【０００６】もう一つの大きな問題は、オーステナイト
粒の混粒化である。これはオーステナイト粒が部分的に
異常成長する現象であり、これが生じると、その部分の
焼入れ歪みが大きくなり、歪みの分布が均一ではなくな
る。また、ロット全体で見ると、歪みのバラツキが大き
くなる。一般には、熱処理での歪みの大きさは機械加工
に反映され、歪みの大きさを見越して機械加工が実施さ
れるので、部分的な歪みやロット内での歪みのバラツキ
は、加工精度等の点から大きな問題となる。

【０００７】そして、このような高温浸炭でのオーステ
ナイト粒の粗粒化や混粒化を抑制するために、特開平４
−１７６８１６号公報や特開平７−２１６４４８号公報
では、合金元素としてＮｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、
Ｖ等を添加し、所定の条件で熱間加工を行う技術が提案
されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】特開平４−１７６８１
６号公報や特開平７−２１６４４８号公報で提案された
技術は、基本的に、浸炭処理の前に微細な炭窒化物を多
量に析出させ、これによるピンニング効果により浸炭処
理の後も微細均一なオーステナイト粒を確保するもので
ある。即ち、高温浸炭では炭窒化物の固溶消失が起きる
ものの、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ等の炭窒化
物形成元素と所定の熱間加工条件により、事前に微細な
炭窒化物を多量に析出させておけば、浸炭処理の後もこ
の炭窒化物が残り、比較的微細で均一なオーステナイト
粒が確保されるというのが、上記提案技術における基本
的な考えである。

【０００９】ところで、浸炭処理で十分な硬化深さを得
るためには、自動車用の比較的小さな部品の場合でも、
９３０℃の通常浸炭では数時間以上が必要てあり、１０
５０℃程度の高温浸炭でも１時間以上の処理が必要であ
る。しかしながら、本発明者らの調査によると、上記提
案技術は浸炭条件が１０５０℃×３０分程度までは有効
であるが、１０５０℃を超える温度や１０５０℃でも１
時間以上の条件では、粗粒化抵抗及び混粒化抵抗、特に
混粒化に対する抵抗の不足することが判明した。

【００１０】そのため、上記提案技術では、自動車用の
比較的小さな部品の場合でも、十分な硬化深さを得るこ
とができない。硬化深さの点からは、１０５０℃以上で
１時間以上の浸炭条件で、耐粗粒化特性及び耐混粒化特
性の両方に優れることが望まれるのである。

【００１１】本発明の目的は、１０５０℃以上で且つ１
時間以上の高温浸炭でも、粗粒化及び混粒化を効果的に
抑制することにより、焼入れ歪みの少ない製品を低コス
トで製造し得る肌焼鋼の製造方法、及びその方法により
製造された肌焼鋼を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らはＮｂ炭窒化物が高温でも安定で、浸炭
材の粗粒化防止に有効であるという基本的な事実に着目
し、このＮｂ炭窒化物の粗粒化抵抗効果について鋭意研
究した結果、以下のような新しい事実を見いだした。

【００１３】（１）炭窒化物に限らず、析出物の溶解速
度は、析出物の組成が同一であるならば、析出物の粒径
に左右され、細かい析出物ほど速く固溶消失してしま
う。例えば、同一量で同一組成のＮｂ炭窒化物が細かく
分散している場合と粗く分散している場合、これらをＮ
ｂ炭窒化物の固溶域まで昇温すると、細かく分散してい
る方が速く消失する。

【００１４】９３０℃程度の通常の浸炭温度域では、Ｎ
ｂ炭窒化物はその一部しか固溶しないが、１０５０℃以
上の高温浸炭では、固溶量が著しく増加し、細かく分散
した炭窒化物は完全に消失してしまう場合もあり、炭窒
化物の数が著しく減少する。一方、比較的粗く分散して
いるものでは、個々の粒径が大きいため、粒子の周囲が
固溶するだけで、完全な消失には至らず、その結果、炭
窒化物の数は変化しない。

【００１５】このように、１０５０℃以上の高温浸炭で
は、Ｎｂ炭窒化物のオーステナイトへの溶け込みは多く
なるが、その溶け込みの過程は、Ｎｂ炭窒化物が小さい
場合と大きい場合とでは、炭窒化物の数の変化が全く異
なるものとなるのである。

【００１６】（２）一方、オーステナイトの粒成長は、
粒の界面エネルギーを駆動力として進行する。このた
め、オーステナイト粒が細かいほど、その駆動力は大き
くなる。細かい粒の成長を促進するためには、細かい炭
窒化物の粒子が多量に必要であるが、１０５０℃以上の
高温浸炭では、上述したように、この粒子が細かいがた
めに一部溶けて消失し、その粒子数が減少すると、オー
ステナイト粒の成長駆動力も大きいので、炭窒化物が消
失したところでは、粒が異常に成長してしまう。これ
が、高温浸炭過程での部分的な異常粒成長であり、混粒
化現象である。

【００１７】従来提案されている高温浸炭での粗粒化対
策、混粒化対策は、図１（ａ）に示すように、浸炭処理
の前に微細な炭窒化物を多量に析出させ、これにより浸
炭処理の後も微細均一なオーステナイト粒を確保するも
のであるが、上述したように、１０５０℃以上の高温浸
炭では一部の炭窒化物が消失し、その部分でオーステナ
イト粒の異常成長が起きるために、耐混粒化特性が著し
く低下する。これが、従来提案されている対策で耐混粒
化特性が劣ることの理由である。

【００１８】（３）このような現象を避けるためには、
図１（ｂ）に示すように、浸炭処理の前の段階でＮｂ炭
窒化物を粗く大きく分散させておくのが有効である。そ
うすれば、１０５０℃以上の高温浸炭でもＮｂ炭窒化物
の周囲が固溶するだけとなり、最終的な消失が避けられ
るので、Ｎｂ炭窒化物の数的な減少が回避される。また
オーステナイト粒の成長駆動力もそれなりに低下する。
これらのために、オーステナイト粒の部分的な異常成長
が抑制され、１０５０℃以上で１時間以上の浸炭でも混
粒化が効果的に抑制される。

【００１９】但し、温度が比較的低い浸炭の場合は、炭
窒化物の絶対数が少ないので、これを細かく分散させた
場合と比べて、耐粗粒化特性は劣る。

【００２０】浸炭処理の前の段階で炭窒化物を粗く大き
く分散させるためには、細かく分散したＮｂ炭窒化物を
意図的に凝集させる必要があり、そのための手段として
は、浸炭処理の前にＡ₁ 以下の比較的低い温度で加熱保
持を行う安定化処理が有効である。

【００２１】また、Ｎｂ炭窒化物の組成にも留意する必
要がある。即ち、Ｎｂ炭窒化物中にＮが過剰に溶け込む
と、その炭窒化物が安定化してしまい、上記の安定化処
理でＮｂ炭窒化物が凝集しなくなる。この観点から、Ｎ
ｂ量に応じたＮの添加が必要になる。

【００２２】このＮは、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈ
ｆ、Ｖ等と共に炭窒化物を形成する元素であるので、従
来提案されている対策でも積極的に活用されているが、
ここにおけるような上下限量の規定だけでは、仮に浸炭
処理前に上記の安定化処理を行っても、Ｎｂ炭窒化物を
凝集させることは難しい。

【００２３】（４）動力伝達用部品の製造では通常、溶
製、鋳造、分塊圧延を経て熱間加工に至る。鋳造過程や
分塊圧延後の徐冷では、炭窒化物が粗大に析出すること
がある。この粗大析出物が生じると、安定化処理前に炭
窒化物が十分に分散せず、その結果、安定化処理では炭
窒化物の凝集が阻害され、特に粗粒化の抑制に有効な大
きさの炭窒化物の数が減少することにより、粗粒化が生
じる。これを防止するためには、安定化処理前、例えば
熱間加工において材料を高温に加熱し、安定化処理で凝
集し得るＮｂ炭窒化物を一旦オーステナイト中に固溶さ
せるのが有効である。

【００２４】本発明の肌焼鋼の製造方法は、以上の知見
を基礎として完成されたものであり、重量比でＣを0.１
０〜0.２５％含むＮｂ添加型の肌焼鋼を製造するに際
し、Ｎｂ量が0.０２〜0.１０％、Ｎ量が0.０１０〜0.０
２３％であり、且つＮ≦0.００６＋0.３２５Ｎｂを満足
する鋼を、１１５０℃以上の加熱後、浸炭処理前に、安
定化処理として６００〜７００℃の温度域に３０分以上
保持し、しかる後に浸炭処理することを構成上の特徴点
とする。

【００２５】即ち、Ｎｂ量に応じたＮの添加を行って、
Ｎｂ炭窒化物中のＮ量を制限することにより、その炭窒
化物を凝集しやすい組成にし、その上で、浸炭処理前の
安定化処理により、Ｎｂ炭窒化物を粗く大きく凝集させ
ることにより、高温浸炭でも部分的にしか溶けない炭窒
化物粒子を生成するのが、本発明の方法の骨子である。

【００２６】本発明の方法では、鋳造過程や分塊圧延後
の徐冷で粗大析出した炭窒化物を取り除くために、安定
化処理前に１１５０℃以上の加熱を行う。この加熱は熱
間加工の加熱を利用するのが望ましく、その熱間加工に
おける加熱温度を１１５０〜１２５０℃とするのが好ま
しい。

【００２７】鋼中のＮ量としては、0.０１０％以上、
（0.３２５×Ｎｂ）％以下が特に好ましい。

【００２８】また、本発明の肌焼鋼は、上記の方法によ
り製造されたものであり、短時間の高温浸炭を受けるこ
とにより、経済性に優れたものとすることができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を鋼組
成、製造プロセスの順に説明する。

【００３０】〔鋼組成〕本発明では、Ｎｂ量及びＮ量が
重要であり、それ以外の元素量は基本的に一般の肌焼鋼
に準じる。本発明での望ましい成分組成は次の通りであ
る。なお、％は全て重量％である。

【００３１】 Ｃ：0.１０〜0.２５％ Ｓｉ：2.０％以下 Ｍｎ：0.３〜2.０％ Ｐ：0.０３％以下 Ｓ：0.０３％以下 Ｃｒ：2.０％以下 ｓｏｌＡｌ：0.０１５〜0.０５０％ Ｎｂ：0.０２％〜0.１０％ Ｎ：0.０１０〜0.０２３％ 且つＮ≦0.００６＋0.３２５Ｎｂ 残部：Ｆｅ及び不可避不純物

【００３２】また、これらの成分に加えて、次の一方又
は両方を含むことができる。

【００３３】Ｖ：0.１％以下、Ｔｉ：0.０１％以下、Ｍ
ｏ：１％以下のうちの１種又は２種以上

【００３４】Ｎｉ：３％以下

【００３５】ここにおける成分限定理由を以下に説明す
る。なお「・・・％以下」は含有量が０％である場合を
含む。

【００３６】Ｃ：0.０１％〜0.２５％ Ｃは浸炭焼入れ後の部材の強度を上昇させる作用があ
る。0.１０％未満であると、部材の強度を十分確保でき
ないので、下限を0.０１％とした。また、Ｃは部材の靱
性にも影響する。0.２５％を超えて添加すると、強度は
上昇するが逆に靱性が低下するので、上限を0.２５％と
した。Ｃの望ましい添加量は下限については0.１５％以
上、上限については0.２３％以下である。

【００３７】Ｓｉ：2.０％以下 Ｓｉは浸炭焼入れ後の部材の転動疲労寿命を向上させる
作用がある。歯車や軸受等には高い面圧が繰り返し付加
されるので、転動疲労寿命に優れた材料が要求される場
合が多い。このような材料にはＳｉを適宜添加できる。
Ｓｉを添加してもＮｂ炭窒化物による粗粒化抑制効果は
影響されるものではない。2.０％を超えて添加すると、
素材の冷間鍛造性を劣化させるので、上限を2.０％とし
た。Ｓｉの望ましい添加量は1.０％未満である。

【００３８】Ｍｎ：0.３％〜2.０％ Ｍｎは焼入性を上昇させ、部材の強度を上昇させる作用
がある。したがって、部材の大きさや、焼入れ時の冷却
速度に応じて適宜添加することができる。0.３％未満の
添加では、焼入性がほとんど上昇しないので、下限を0.
３％とした。2.０％を超えて添加すると素材の被削性が
劣化するので、上限を2.０％とした。Ｍｎの望ましい添
加量は下限については0.５％以上であり、上限について
は1.５％以下である。

【００３９】Ｐ：≦0.０３％及びＳ：≦0.０３％ Ｐ，Ｓは共に浸炭焼入れ後の部材の靱性を低下させる作
用がある。0.０３％を超えると、この作用を無視できな
くなるので、上限を0.０３％とした。Ｐ，Ｓの望ましい
添加量は0.２０％以下である。

【００４０】Ｃｒ：2.０％以下 ＣｒはＭｎと同様に焼入性を上昇させ、部材の強度を上
昇させる作用がある。したがって、部材の大きさや、焼
入れ時の冷却速度に応じて適宜添加することができる。
2.０％を超えて添加すると、素材の被削性が劣化するの
で、上限を2.０％とした。Ｃｒの望ましい添加量は下限
については0.５％以上、上限については1.５％以下であ
る。

【００４１】ｓｏｌＡｌ：0.０１５〜0.０５０％ Ａｌは脱酸剤として使用されるので、鋼中に一部ｓｏｌ
Ａｌとして残る。そしてそのｓｏｌＡｌはＮと結合して
ＡｌＮとなり、１０００℃未満の浸炭で粗粒化抑制効果
を発揮する。ＡｌＮは１０００℃以上では凝集するの
で、１０００℃以上の浸炭処理ではそれ自体で粗粒化を
抑制しない。ただし、ｓｏｌＡｌは安定化処理におい
て、Ｎｂ炭窒化物の凝集を促進させる作用がある。１０
００℃未満での粗粒化抑制や安定化処理での凝集促進に
は、少なくとも0.０１５％の添加が必要なので、下限を
0.０１５％とした。一方、0.０５０％を超えて添加して
も、それ以上の効果を発揮しないので、上限を0.０５０
％とした。

【００４２】Ｎｂ：0.０２％〜0.１０％ Ｎｂは本発明での重要元素であり、炭窒化物となって粗
粒化を抑制する作用がある。0.０２％未満の場合は、特
に１０５０℃以上の浸炭では炭窒化物の量が不足して粗
粒化抑制作用が得られないので、下限を0.０２％とし
た。一方、0.１０％を超えて添加した場合は、安定化処
理前に１１５０℃〜１２５０℃の加熱を行っても固溶が
困難となり、粗粒化抑制効果は飽和する。したがって、
上限を0.１０％とした。

【００４３】Ｎ：0.０１０％〜0.０２３％ ＮはＮｂと共に本発明での重要元素であり、Ｎｂ炭窒化
物となって粗粒化を抑制する作用がある。0.０１０％未
満では１０５０℃以上の浸炭の場合に炭窒化物の量が不
足して粗粒化抑制作用が得られないので、下限を0.０１
０％とした。一方、0.０２３％を超えて添加した場合
は、安定化処理前に１１５０℃〜１２５０℃の加熱を行
っても固溶が困難となり、粗粒化抑制効果は飽和する。
したがって、上限を0.０２３％とした。

【００４４】Ｎ≦0.００６＋0.３２５Ｎｂ Ｎｂ量及びＮ量が混粒化に及ぼす影響について調査した
結果を図２に示す。図中、丸（黒）はオーステナイト粒
の粒度差が結晶粒度番号で１、丸（白）はこれが２、×
はこれが３以上である。１０５０℃以上での混粒化抑制
には、安定化処理において効果的にＮｂ炭窒化物を凝集
させる必要がある。当該式に規定される条件よりＮを多
く添加すると、安定化処理での凝集が困難となり、細か
い炭窒化物が数多く分散することになる。このような状
態で１０５０℃以上の浸炭をすると、析出物が溶けて無
くなる過程が頻繁に生じ、オーステナイト粒が混粒化す
る。したがって、混粒化を防ぐためには、当該式により
規制される条件を満足させる必要がある。特に望ましい
条件はＮ≦0.３２５Ｎｂである。即ち、Ｎ量は0.０１０
％以上、（0.３２５Ｎｂ）％以下が特に望ましい。

【００４５】Ｖ：0.１％以下、Ｔｉ：0.０１％以下、Ｍ
ｏ：１％以下 Ｖ，ＴｉはＮｂ炭窒化物に溶け込み、Ｎｂ炭窒化物を増
加させることにより、これを細かく分散させる作用があ
る。それぞれ0.１％，0.０１％を超えて添加しても効果
は飽和する。また、Ｍｏはオーステナイト中に固溶して
粒成長を抑制することにより、やはりＮｂ炭窒化物を細
かく分散させる作用があり、１％を超えて添加してもそ
の作用は飽和する。したがって、これらを添加する場合
の上限を上記の如く定めた。

【００４６】Ｎｉ：３％以下 Ｎｉは浸炭鋼の靱性を向上させる作用があるので、必要
に応じて添加できる。Ｎｉの添加により、本発明の効果
が損なわれるものではない。３％を超えて添加すると、
素材の被削性を低下させるので、上限を３％とした。

【００４７】〔製造プロセス〕本発明では通常、溶製−
鋳造−分塊圧延−熱間圧延（線材圧延、棒鋼圧延等）−
安定化処理−機械加工−浸炭処理のプロセスで鋼製品が
製造される。熱間圧延の後には熱間鍛造を行う場合があ
り、安定化処理の後には冷間鍛造を行う場合がある。浸
炭処理における冷却は焼入れを兼ねる。

【００４８】熱間圧延あるいは熱間圧延後の熱間鍛造で
は、少なくとも１回１１５０℃〜１２５０℃に加熱して
熱間加工するのが望ましい。

【００４９】即ち、本発明ではやや粗大化したＮｂ炭窒
化物を粗粒化抑制粒子として用いる。そして、この粒子
は非常に細かく析出しているＮｂ炭窒化物を安定化処理
において適当な大きさに分散させることによって得られ
る。したがって、安定化処理前では、安定化処理で凝集
しうるＮｂ炭窒化物（Ｎが過剰に含まれていない）を予
め多量に分散させておくことが重要となる。

【００５０】熱間圧延あるいは熱間圧延後の熱間鍛造で
少なくとも１回１１５０℃〜１２５０℃に加熱すること
は、鋳造過程や分解圧延後の徐冷で粗大に析出したＮｂ
炭窒化物をいったんオーステナイトに固溶させる作用が
ある。１１５０℃未満の加熱では安定化処理前にＮｂ炭
窒化物を多量に分散させることが難しく、その結果、安
定化処理を行っても粗粒化の抑制に有効な大きさのＮｂ
炭窒化物の数が不足するおそれがある。このような意味
からは加熱温度はできるだけ高いことが望ましいが、１
２５０℃を超えると脱炭が問題となるし、スケール発生
により歩留まりが低下するなど操業上の問題点があるの
で上限を１２５０℃とする。

【００５１】なお、加熱後は熱間加工を実施するが、こ
れは必要不可欠な工程ではない。あくまでも１１５０℃
〜１２５０℃の加熱でＮｂ炭窒化物をいったん固溶させ
ることが重要である。熱間加工を当該温度域よりも低い
温度域で実施し、次に当該温度域に加熱して熱間加工を
行わずに冷却しても作用が失われるわけではない。た
だ、このような工程を余分に設けると、コスト的に問題
となるので、熱間加工の加熱を利用するのが望ましい。
加熱の望ましい温度域は１１５０℃〜１２５０℃であ
る。

【００５２】浸炭処理前に行う安定化処理は、本発明で
特に重要なプロセスであり、Ｎｂ炭窒化物を凝集させる
ことにより、１０５０℃以上の浸炭処理での炭窒化物の
消失を回避して混粒化抵抗を増大させる。そして、この
安定化処理では材料を６００〜７００℃に３０分以上保
持する必要がある。

【００５３】安定化処理における保持温度が６００℃未
満であると、細かなＮｂ炭窒化物が多量に残り、１０５
０℃以上の浸炭ではこれが固溶により消失して、オース
テナイト粒が混粒化する。一方、７００℃を超えると、
この安定化処理でオーステナイト化が生じ、そのオース
テナイト中にＮｂ炭窒化物が一旦固溶し、冷却過程で細
かいＮｂ炭窒化物が析出してしまう。そして、１０５０
℃の浸炭ではその細かいＮｂ炭窒化物が固溶して消失
し、オーステナイト粒が混粒化する。したがって、保持
温度は６００〜７００℃とした。特に望ましい温度域は
６００〜６５０℃であり、この温度域であると、保持時
間が多少変動しても、最適なＮｂ炭窒化物を形成させる
ことができる。

【００５４】なお、従来においても冷間鍛造を用いる場
合は、その前に球状化処理を行うことがあるが、この処
理は７５０℃程度で行われるので、Ｎｂ炭窒化物をオー
ステナイト中に一旦固溶させ、冷却過程で細かいＮｂ炭
窒化物を析出させてしまう。そのため、Ｎｂ炭窒化物の
凝集化によりオーステナイトの混粒化を抑制する作用は
殆どない。

【００５５】保持時間については、これが３０分未満で
あると、Ｎｂ炭窒化物の凝集が十分に進行せず、その炭
窒化物が細かいまま残る。その結果、１０５０℃以上の
浸炭ではその細かいＮｂ炭窒化物が固溶して消失し、オ
ーステナイト粒が混粒化する。したがって、保持時間は
３０分以上とした。

【００５６】保持時間の上限については、この時間が長
い程、凝集が進むので、特に規定しないが、長時間の安
定化処理は効率、熱経済性の点から問題があり、浸炭処
理時間を短縮することの意味を減殺する。また、３０時
間を超えるような処理では、凝集は十分に進むものの、
これによりＮｂ炭窒化物の数が減少する。その結果、１
０５０℃以上の浸炭では混粒化は起きないものの、粒全
体が大きくなり、粗粒化が問題になる。この点から、保
持時間は３０分〜２時間が望ましい。

【００５７】浸炭処理は、処理時間を短縮するために、
１０５０℃以上の高温で行うことが望ましい。そのよう
な高温で処理をおこなっても混粒化が抑制されることは
上述した通りである。

【００５８】１０５０℃以上の高温で浸炭処理を行う場
合、その処理時間は、基本的に９３０℃程度の通常浸炭
での処理時間のほぼ１／４により計算される。自動車用
部品のような比較的小型のものでも、十分な硬化深さを
得るために１時間以上が望ましい。ただし、長時間の処
理では、効率及び経済性が低下するだけでなく、重量物
の場合は自重による変形が問題になる。自動車用部品の
ような比較的小型のものでは２時間以下が望ましく、通
常浸炭で数十時間を要するような大型部品でも１０時間
以下が望ましい。

【００５９】なお、本発明では９３０℃といった通常浸
炭を特に排除するものではないが、この場合は、Ｎｂ炭
窒化物の絶対数が少ないので、これを細かく分散させた
場合と比べて、耐粗粒化特性は劣る。

【００６０】

【実施例】次に、本発明の実施例を示し、比較例と対比
することにより、本発明の効果を明らかにする。

【００６１】実施例に使用した鋼の成分を表１に示す。
これらの鋼は１５０ｋｇを真空溶製したものである。

【００６２】

【表１】

【００６３】Ａシリーズは本発明の成分条件を満たす鋼
であり、内訳は次のとおりである。Ａ１はベース鋼であ
り、ＪＩＳ規格のＳＣＲ４２０鋼にＮｂ，Ｎをそれぞれ
0.０４％，0.０１２％添加したものである。Ａ２鋼〜Ａ
８鋼はＮｂ，Ｎを本発明の条件内で変化させたものであ
る。Ａ９鋼〜Ａ１５鋼はベース鋼にＭｏ，Ｖ，Ｔｉを単
独あるいは複合添加したものである。Ａ１６，Ａ１７鋼
はＮｂ，Ｎをベース鋼相当とし、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，
Ｓ，Ｃｒ，ｓｏｌＡｌの各量を変化させたものである。
Ａ１８鋼〜Ａ２０鋼はＮｉ添加鋼である。

【００６４】一方、Ｂシリーズは本発明の成分条件を満
足しない比較鋼である。Ｂ１鋼，Ｂ２鋼及びＢ５鋼は、
Ｎｂ，Ｎの添加量についての条件を満足するが、Ｎｂ，
Ｎの関係式を満たさない。また、Ｂ３鋼，Ｂ４鋼はＮ
ｂ，Ｎの関係式を満たすが、添加量自体は本発明の条件
外である。

【００６５】これらの各鋼につき、１５０ｋｇ鋳塊を１
１００℃に加熱し、熱間鍛造（９００℃仕上げ）で直径
３０ｍｍの供試材に成形した。そして、各供試材を下記
の実施例１〜４に供した。

【００６６】〔実施例１）実施例１では鋼成分の影響を
調査した。実施例１での熱処理条件を図３に示す。即
ち、素材を１１５０℃で１ｈｒ保持し、熱間鍛造（９０
０℃仕上げ）で直径２０ｍｍとした。この後、６５０℃
×１ｈｒ−空冷（安定化処理）を行った。次に、１０６
０℃×２ｈｒという高温の疑似浸炭を行い、水焼入の
後、素材のオーステナイト結晶粒度を測定した。測定は
１０視野行い、その平均値を算出した。粒度が６番以上
のものを粗粒化についての合格品とし、それ以下のもの
を不合格とした。また、３番以上の差がある粒が２０％
以上あるものについては混粒とし、混粒化の点から不合
格とした。

【００６７】表２に結果を示す。粒度差１は２番以上の
差がある粒が２０％未満あることを意味し、粒度差２は
３番以上の差がある粒が２０％未満であることを意味す
る。また、粒度差３以上は３番以上の差がある粒が２０
％以上あることを意味し、上述した通り混粒である。

【００６８】

【表２】

【００６９】本発明の成分条件を満足するＡ１鋼〜Ａ２
０鋼は、１０６０℃×２ｈｒという浸炭処理を受けてい
るにもかかわらず、いずれも粒度は６番以上であり、顕
著な粗粒化抑制効果が認められる。また、粒度差が２以
下であり、混粒抑制についても顕著な効果が認められ
る。

【００７０】これに対し比較鋼は、Ｂ１鋼，Ｂ２鋼及び
Ｂ５鋼ではＮｂ量に対してＮ量が過剰であるため、Ｎｂ
炭窒化物が安定化しており、６５０℃の安定化処理をし
ても適当な大きさに凝集化しない。したがって、疑似浸
炭の際にその細かい粒が部分的に溶け込んでしまい混粒
化する。Ｂ３鋼，Ｂ４鋼ではＮｂ，Ｎ量が不足している
ので粒全体が大きくなってしまう。このような場合はＭ
ｏを添加しても目標粒度を達成できない。

【００７１】ここにおける試験結果を図示したのが図２
である。１０６０℃×２ｈｒという浸炭処理で混粒化を
抑制するには、Ｎ≦0.００６＋0.３２５Ｎｂという条件
が不可欠であり、とりわけＮ≦0.３２５Ｎｂという条件
の有効なことが分かる。なお、Ｂ３鋼，Ｂ４鋼は混粒化
の点からは特に問題はないが、上述した通りＮｂ，Ｎ量
の不足のために粗粒化を生じた。

【００７２】〔実施例２〕実施例２では鍛造時の加熱温
度の影響を調査した。供試鋼はＡ１，Ａ３，Ａ４，Ａ
６，Ｂ２鋼である。実施例２での熱処理条件を図４に示
す。即ち、素材を１１００℃，１１５０℃，１２５０℃
で１ｈｒ保持し、熱間鍛造（９００℃仕上げ）で直径２
０ｍｍとした。この後、６５０℃×１ｈｒ−空冷（安定
化処理）を行った。次に、１０６０℃×２ｈｒの疑似浸
炭を実施し、水焼入の後、素材のオーステナイト結晶粒
度を測定した。オーステナイト結晶粒度測定法は実施例
１と同じである。

【００７３】表３に結果を示す。１１５０℃，１２５０
℃加熱では、Ｂ２鋼を除き、いずれの鋼もＮｂ炭窒化物
が十分固溶し、次の安定化処理で適当な大きさに分散す
るので、粗粒化抑制効果を発揮する。しかしながら、１
１００℃加熱ではＮｂ炭窒化物が十分固溶しないので、
安定化処理を行っても粗粒化抑制に有効な大きさのＮｂ
炭窒化物を十分な数だけ得ることができない。そのた
め、粗粒化が生じ、結晶番号が低下する。したがって、
安定化処理の前に１１５０℃以上の加熱を行うことが望
まれる。

【００７４】Ｂ２鋼ではＮｂ量に対してＮ量が過剰であ
るため、Ｎｂ炭窒化物が安定化しており、６５０℃の安
定化処理をしても適当な大きさに凝集化しない。鍛造時
の加熱温度を変化させても、安定化処理でのＮｂ炭窒化
物の析出量が変化するだけで、凝集化の程度は変化しな
いので、Ｂ２鋼はいずれの加熱温度でも混粒となる。

【００７５】

【表３】

【００７６】〔実施例３〕実施例３では鍛造時の安定化
処理での加熱温度と加熱時間の影響を調査した。供試鋼
はＡ１，Ａ３，Ａ４，Ａ６鋼である。実施例３での熱処
理条件を図５（ａ）（ｂ）に示す。図５（ａ）では、素
材を１１５０℃で１ｈｒ保持し、熱間鍛造（９００℃仕
上げ）で直径２０ｍｍとした。この後、種々の加熱温度
と加熱時間の組み合わせで安定化処理を行った。次に、
１０６０℃×２ｈｒの疑似浸炭を実施し、水焼入の後、
素材のオーステナイト結晶粒度を測定した。

【００７７】一方、図５（ｂ）では、鍛造に引き続いて
直接安定化処理する熱処理も検討した。即ち、素材を１
１５０℃で１ｈｒ保持し、熱間鍛造（９００℃仕上げ）
で直径２０ｍｍとした後、それを６５０℃の炉に直接挿
入し、１ｈｒ保持して放冷した。次に、１０６０℃×２
ｈｒの疑似浸炭をし、水焼入の後、素材のオーステナイ
ト結晶粒度を測定した。オーステナイト結晶粒度測定法
は実施例１と同じである。

【００７８】表４に結果を示す。６００℃〜７００℃の
温度に３０ｍｉｎ以上保持する安定化処理では、いずれ
の鋼もＮｂ炭窒化物が適当な大きさに分散するので、粗
粒化抑制効果を発揮する。ただし、７００℃加熱×３０
ｈｒ保持ではＮｂ炭窒化物の凝集化がやや進み粗大化傾
向が現れる。また、鍛造後に連続的に安定化処理を行っ
ても、同様に粗粒化抑制がある。

【００７９】７５０℃，８５０℃加熱の安定化処理で
は、オーステナイト化で一部のＮｂ炭窒化物が固溶し
て、放冷で再び微細に析出する。したがって、疑似浸炭
の際にその細かい粒が部分的に溶け込んでしまい混粒化
する。

【００８０】一方、５００℃加熱の安定化処理では、Ｎ
ｂ炭窒化物の凝集化が十分に進まない。したがって、疑
似浸炭の際にその細かい粒が部分的に溶け込んでしまい
混粒化する。安定化処理を行わない場合も、Ｎｂ炭窒化
物の凝集化が進まないので、疑似浸炭の際にその細かい
粒が部分的に溶け込んでしまい混粒化する。

【００８１】

【表４】

【００８２】〔実施例４〕実施例４では浸炭温度の影響
を調査した。供試鋼はＡ１，Ａ３，Ａ４，Ａ６，Ｂ２鋼
である。実施例４での熱処理条件を図６（ａ）（ｂ）に
示す。図６（ａ）では、素材を１１５０℃で１ｈｒ保持
し、熱間鍛造（９００℃仕上げ）で直径２０ｍｍとし
た。この後、６５０℃×１ｈｒ−空冷（安定化処理）を
行った。次に、９５０℃と１０６０℃で２ｈｒの疑似浸
炭を実施し、水焼入の後、素材のオーステナイト結晶粒
度を測定した。

【００８３】また、通常浸炭（９５０℃浸炭）を行う場
合の安定化処理の影響を調査するため、図６（ｂ）で
は、安定化処理をせずに９５０℃×２ｈｒの疑似浸炭を
行った。オーステナイト結晶粒度測定法は実施例１と同
じである。

【００８４】表５に結果を示す。安定化処理をしてＮｂ
炭窒化物が凝集化されている本発明例の場合、１０６０
℃と９５０℃では粒度はほぼ同じである。これは、安定
化処理でＮｂ炭窒化物が粗大化しているため、１０６０
℃でも９５０℃でもＮｂ炭窒化物の数がそれほど変わっ
ていないためである。安定化処理をしない場合は、Ｎｂ
炭窒化物が凝集化していないので、１０６０℃では混粒
化が生じる。しかし、Ｎｂ炭窒化物が細かく分散してい
るため、Ｎｂ炭窒化物があまり溶けない９５０℃では、
１０番程度の細粒化が達成される。

【００８５】Ｎｂ量に対してＮ量が相対的に高いＢ２鋼
の場合は、安定化処理してもＮｂ炭窒化物があまり凝集
化しないので、１０６０℃では混粒化するが、９５０℃
では混粒化せず、しかも最も細粒化が進む。９５０℃で
混粒化しないのは、９５０℃浸炭ではＮｂ炭窒化物の溶
け込みが顕著でないので、安定化処理でＮｂ炭窒化物を
わざわざ凝集化させなくても、十分に粗粒化抵抗を確保
できるからである。そして９５０℃で最も細粒化するの
は、Ｎ量が最も多く、９５０℃ではＮｂ炭窒化物が最も
微細に分散しているからである。

【００８６】以上のことから、１０５０℃以上の浸炭で
粗粒化を起こさせないためには、安定化処理とＮバラン
スが重要であり、９５０℃程度の通常浸炭とは相反する
ような全く異なった技術手法を用いなければならないこ
とがわかる。

【００８７】

【表５】

【００８８】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明の肌焼鋼の
製造方法は、１０５０℃以上の高温浸炭処理でも固溶に
より消失しないＮｂ炭窒化物を生成することにより、そ
の高温浸炭処理を行う場合にあっても、オーステナイト
の粗粒化及び混粒化を効果的に抑制することができる。
したがって、焼入れ歪みの少ない製品を短時間の浸炭処
理により経済性よく製造することができる。

【００８９】また、本発明の肌焼鋼は、１０５０℃以上
の高温浸炭処理を受けることにより低コストに製造する
ことができ、しかもその浸炭処理でオーステナイトの粗
粒化及び混粒化が効果的に抑制されるので、焼入れ歪み
が少なく高品質とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明での混粒化抑制原理を示すイメージ図で
ある。

【図２】Ｎｂ量及びＮ量が混粒化に及ぼす影響を示す図
表である。

【図３】実施例での熱処理を示すヒートパターン図であ
る。

【図４】実施例での熱処理を示すヒートパターン図であ
る。

【図５】実施例での熱処理を示すヒートパターン図であ
る。

【図６】実施例での熱処理を示すヒートパターン図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C21D 1/06,6/00 C21D 8/00 - 8/02 C22C 38/00 - 38/60

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比でＣを0.１０〜0.２５％含むＮｂ
   添加型の肌焼鋼を製造するに際し、Ｎｂ量が0.０２〜0.
   １０％、Ｎ量が0.０１０〜0.０２３％であり、且つＮ≦
   0.００６＋0.３２５Ｎｂを満足する鋼を、１１５０℃以
   上の加熱の後、浸炭処理前に、６００〜７００℃の温度
   域に３０分以上保持し、しかる後に浸炭処理することを
   特徴とする肌焼鋼の製造方法。
2. 【請求項２】 前記加熱は熱間加工の加熱であり、その
   加熱温度が１１５０〜１２５０℃であることを特徴とす
   る請求項１に記載の肌焼鋼の製造方法。
3. 【請求項３】 前記鋼中のＮ量が0.０１０％以上、（0.
   ３２５×Ｎｂ）％以下であることを特徴とする請求項１
   又は２に記載の肌焼鋼の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかの方法により製
   造された肌焼鋼。