JP3560027B2 - 冷間加工用肌焼鋼及び車両用部品の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷間鍛造後に焼ならし処理を施すことなく、高温浸炭処理においても整粒を維持できる冷間加工用肌焼鋼、及びそれを用いた車両用部品、例えばギアやシャフト等の車両用部品の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より冷間鍛造で製造される各種浸炭部品においては、浸炭時の結晶粒粗大化防止のために冷間鍛造後に焼ならし処理を施している。しかしながら、焼ならし処理はコストアップにつながるだけでなく、高温に保持されるため表面形状が劣化しショットブラストなど工程追加が必要となることがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、微細析出物による結晶粒成長のピンニング作用に注目し、このピンニング作用を利用することによって結晶粒の成長を抑制するために、Ａｌ、Ｎｂ等を積極的に添加した材料が冷間鍛造部品には多く供用されている。しかしながら、冷間鍛造後の焼ならし省略までは至っていない。すなわち、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｈｆ等を添加することにより、各々の炭化物もしくは炭窒化物等の析出物を３個／１０μｍ２以上確保することで、焼ならし処理を施すことなく結晶粒の粗大化を抑制するもの（特開平９−５９７４３号公報参照）があるが、この場合では、１０００℃以上の高温浸炭処理において安定した結晶粒成長抑制効果が得られていない。また、ＮｂもしくはＮｂとＡｌの複合析出物を５個／１０μｍ２以上確保することで、冷間鍛造後の焼ならしを施すことなく結晶粒の粗大化を抑制するもの（特開平９−７８１８４号公報参照）があるが、この場合では、９５０℃の浸炭処理においても結晶粒の粗大化が認められる。すなわち、Ｎｂ添加量を増やすことで結晶粒粗大化温度の上昇は期待できるものの、熱間加工性及び冷間加工性の劣化が否めず、ミッションギアなど苛酷な鍛造形状部品の製造は困難である。
【０００４】
近年製造コストの低減及び工期短縮のために高温浸炭処理への要求が高まる中で、冷間鍛造後の焼ならし省略と高温浸炭処理の適用を両立させる材料の開発が必要となっている。
【０００５】
この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、冷間鍛造後に焼ならし処理を施すことなく、高温浸炭処理においても異常粒成長を起こすことなく整粒を維持できる耐粗粒化特性に優れた冷間加工用肌焼鋼及びそれを用いた車両用部品の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで請求項１の冷間加工用肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１５％以下と、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：１．０％以下のうち１種もしくは２種以上と、Ｔｉ：０．１０〜０．２０％とを含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる肌焼鋼であって、直径１０ｎｍ以上のＴｉ炭化物もしくはＴｉ炭窒化物の析出物の数が前記肌焼鋼中に４０個／μｍ２以上有するようにして結晶粒の粗大化を防止したことを特徴としている。
【０００７】
上記請求項１の冷間加工用肌焼鋼では、鋼中のＣと結びついて炭化物を形成して結晶粒の粗大化抑制に寄与するＴｉを、０．１０〜０．２０％含有させている。これにより、Ｔｉ炭化物及びＴｉ炭窒化物を大量に確保することができ、冷間鍛造後の焼ならし処理を施すことなく、結晶粒の粗大化を抑制することができる。また、この肌焼鋼では、１０００℃以上の高温においても、結晶粒の粗大化を抑制することが可能となる。
【０００８】
請求項２の冷間加工用肌焼鋼は、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％を含有することを特徴としている。
【０００９】
上記請求項２の冷間加工用肌焼鋼では、Ｂにて、粒界に偏析し粒界強度を向上させ、微量で大幅に焼入性を向上させることができる。このため、高価なＭｏを減少させることが可能となる。また、Ｂの含有率が、０．０００５％未満ではその効果が十分に得られず、０．００５０％を超えて添加すると逆に焼入性が低下する。
【００１０】
請求項３の冷間加工用肌焼鋼は、１０００℃以上の浸炭処理において前記結晶粒の粗大化を防止したことを特徴としている。
【００１１】
請求項４の車両用部品の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１５％以下と、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：１．０％以下のうち１種もしくは２種以上と、Ｔｉ：０．１０〜０．２０％とを含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる焼ならし処理が省略可能な冷間加工用肌焼鋼を用いた車両用部品の製造方法であって、前記肌焼鋼を圧延又は鍛造した後に冷間加工を施し、前記圧延又は鍛造後もしくは冷間加工後に、前記肌焼鋼の素地に存在する析出物のうち直径１０ｎｍ以上のＴｉ炭化物もしくはＴｉ炭窒化物の析出物の数が前記肌焼鋼中に４０個／μｍ２以上析出された肌焼鋼を用い、肌焼鋼の結晶粒の粗大化を防止しながらこの肌焼鋼を焼ならし処理を省略して浸炭処理することを特徴としている。
【００１２】
上記請求項４の車両用部品の製造方法では、製造される各種車両用部品は、鋼中のＣと結びついて炭化物を形成して結晶粒の粗大化抑制に寄与するＴｉを、０．１０〜０．２０％含有させている。これにより、Ｔｉ炭化物及びＴｉ炭窒化物を大量に確保することができ、冷間鍛造後の焼ならし処理を施すことなく、結晶粒の粗大化を抑制する効果を有することになる。これにより、疲労強度や靭性に優れた部品となると共に、製造時間の短縮化を図ることができる。
【００１３】
請求項５の車両部品の製造方法は、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％を含有する焼ならし処理が省略可能な冷間加工用肌焼鋼を用いることを特徴としている。
【００１４】
上記請求項５の車両部品の製造方法では、Ｂにて、粒界に偏析し粒界強度を向上させ、微量で大幅に焼入性を向上させることができる。このため、高価なＭｏを減少させることが可能となる。また、Ｂの含有率が、０．０００５％未満ではその効果が十分に得られず、０．００５０％を超えて添加すると逆に焼入性が低下する。
【００１５】
請求項６の車両用部品の製造方法は、１０００℃以上で浸炭処理を行うことを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の肌焼鋼の具体的な実施の形態について詳細に説明する。この肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１５％以下と、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：１．０％以下のうち１種もしくは２種以上と、Ｔｉ：０．１０〜０．２０％とを含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる。なお、％は重量％である。
【００１７】
ところで、Ｃは焼入性を著しく上昇させる元素であり、芯部強度を確保するために必要な元素であるが、０．１０％未満では十分な強度が得られない。一方、０．２５％を超えると熱間鍛造後の硬度が上昇し被削性が低下するだけでなく、衝撃特性が低下する。そのため、このＣの含有量を０．１０〜０．２５％とした。
【００１８】
また、Ｓｉはフェライト強化元素であり、添加量の増大とともに硬さが上昇し冷間加工性を劣化させる。０．３５％を超えて含有させると圧延もしくは熱間鍛造後の硬度が上昇し、著しく冷間加工性を阻害するため、このＳｉの含有量を０．３５％以下とした。
【００１９】
Ｍｎは安価で焼入性を碓保するのに必要な元素であるが、０．２％未満ではその効果が不十分であり、１．００％を超えて含有させると硬度が上昇し、冷間加工性を低下させる。そのため、Ｍｎの含有量を０．２０〜１．００％とした。
【００２０】
Ａｌは脱酸材として使用される元素であり、０．００５％未満ではその効果が十分でなく、０．０５％を超えるとアルミナ系酸化物が増加し、疲労特性、加工性を低下させる。そのため、このＡｌの含有量を０．００５〜０．０５０％とした。
【００２１】
Ｔｉは鋼中のＣと結びつき炭化物を形成し結晶粒の粗大化抑制に寄与する元素であるが、０．１０％未満の場合その効果は少なく、また０．２０％を超えて含有させてもその効果が飽和するばかりでなく、熱間圧延もしくは熱間鍛造後の硬度を上昇させ、冷間加工性を劣化させる。そこで、このＴｉの含有量を０．１０〜０．２０％とした。また、後述するＢを添加した場合には、Ｔｉは鋼中のｆｒｅｅ−Ｎを固定しＢの焼入れ性向上効果を促進させる元素として必要となるが、Ｔｉの含有量を上記のように０．１０〜０．２０％とすることによってそれらの効果が十分に得られる。
【００２２】
Ｎは０．０１５％を超えて含有するとＴｉＮが増加し、被削性が低減される。そこで、このＮの含有量を０．０１５％以下とした。しかしながら、疲労強度、寿令の要求される場合においては、ＴｉＮが少ない方が好ましいので、特に、０．０１０％以下が望まれる。
【００２３】
Ｎｉ、Ｃｒ、及びＭｏは、いずれも焼入性の向上に有効な元素である。そして、これらを含有させる場合、Ｎｉは浸炭層、芯部の靭性向上に有効であるが、高価であり、しかも冷間加工性を低下させるため、その含有量を１．０％以下とする。また、Ｃｒは浸炭性の向上に有効な元素であるが、多量に添加すると圧延もしくは熱間鍛造後の硬さを上昇させ冷間加工性を劣化させ、しかも１．５％を越えて添加すると浸炭時に炭化物が析出し靭性を劣化させる。そこで、このＣｒの含有量を１．５０％以下とする。さらに、Ｍｏも浸炭性の向上と靭性向上に有効な元素であるが、１．０％を越えて添加すると著しく冷間加工性を劣化させる。そこで、このＭｏの含有量を１．０％以下とした。
【００２４】
また、Ｂは粒界に偏析し粒界強度を向上させ、微量で大幅に焼入性を向上させる元素であるので、含有させるのが好ましいが、０．０００５％未満ではその効果が十分に得られず、０．００５０％を超えて添加すると逆に焼入性が低下する。そこで、このＢの含有させる場合、その含有量を０．０００５〜０．００５０％とする。すなわち、Ｂを含有させれば、浸炭性の向上と靭性向上に有効であるが高価なＭｏの削減することができ、生産コストの低減を図ることが可能となる。
【００２５】
ところで、１０００℃以上の高温において結晶粒の粗大化を防止するためには、このような温度において微細な第二相粒子が数多く存在する必要がある。そのためには高温においても素地に再固溶し難く、また析出物が成長し難いことが必要となる。発明者はＴｉ、Ａｌ、Ｎｂ及びＣ、Ｎを含む鋼において、圧延もしくは鍛造後の析出物を調査し、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＮｂＣ、Ａｌ−Ｎｂの複合炭窒化物、の５種類の析出物が素地に存在することを確認した。なお、ＴｉＣがＴｉＣＮの場合や、ＮｂＣがＮｂＮまたはＮｂ（ＣＮ）の場合がある。
【００２６】
これら種々の析出物を有する圧延もしくは鍛造材を１０００℃で２時間保持の浸炭処理を施した後の結晶粒状況と析出物状況を調査した結果、微細なＴｉＣもしくはＴｉＣＮ析出物が数多く確認され、１０００℃の高温においてＴｉの炭化物または炭窒化物が結晶粒の粗大化防止に有効であることを確認した。すなわち、結晶粒の粗大化防止に有効することができることによって、冷間鍛造後の焼きならし処理の省略が可能となる。
【００２７】
また浸炭処理前のＴｉ炭化物もしくはＴｉ炭窒化物の数と結晶粒粗大化温度の関係を調査した結果、１０００℃において結晶粒の粗大化を抑制するためには、鋼材または鍛造部品中に４０個／μｍ２以上の析出物が必要であることが判明した。すなわち、鍛造部品中に析出物が４０個／μｍ２以上となったときに結晶粒の粗大化を抑制作用が発揮され、特に４５〜５０個／μｍ２以上で、粗大化防止が有効に発揮された。
【００２８】
このように構成される肌焼鋼は、図１の組織写真で示すように、ＴｉＣを確保することができ、結晶粒の粗大化防止を有効に達成することができ、強度的に優れることになる。しかも、冷間鍛造後の焼きならし処理の省略ができ、コストの低減及び製造時間の短縮を図ることが可能となる。
【００２９】
上記のように構成される肌焼鋼は、ミッションギア等のギアやシャフト等の車両用部品に使用することができる。この肌焼鋼にて製造された車両用部品は、車両用部品として強度的に優れ、長期にわたって車両用部品としての機能を維持することができる。ここで、車両とは、自動車、自動二輪、各種産業用車両、鉄道等の種々の車両をいい、また、部品には、上記ギアやシャフト以外にも、ロッカアーム等のアーム、テンショナーカム等のカム等の各種車両に使用される部品を含む。
【００３０】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を示す。実施例及び比較例における鋼組成を表１のＮｏ．１〜１６に示す。表において発明鋼とは、本発明における鋼を指し、比較鋼とは比較例のために製造した鋼を指す。発明鋼１〜３はＪＩＳに規定するＳＣＲ４２０、発明鋼４はＳＣＭ４２０、発明鋼５はＳＮＣＭ２２０の鋼にそれぞれ相当する鋼であり、Ｔｉを単独添加している。発明鋼６、７、８はそれぞれＪＩＳに規定するＳＣＲ系、ＳＣＭ系、ＳＮＣＭ系の鋼に対し、Ｔｉ及びＢを添加した鋼である。
【００３１】
比較鋼９、１０、１１はそれぞれＪＩＳに規定するＳＣＲ４２０、ＳＣＭ４２０、ＳＮＣＭ２２０の鋼であり、比較鋼１２、１３、１４はＴｉを添加しているものの、発明鋼６、７、８に対し、Ｔｉ量が低い鋼であり、比較鋼１５、１６はＪＩＳに規定するＳＣＲ４２０に対し、Ｎｂを添加しているものである。
【００３２】
表１に示す化学成分組成（質量％、残部は実質上Ｆｅ）をもつ鋼材をそれぞれ１００ｋｇ真空溶解炉にて溶製後、１０００℃に加熱後熱間鍛造でφ２０へ鍛造した。その後機械加工により直径１４ｍｍ×高さ２１ｍｍの円柱試験片を作製後、端面拘束型圧縮試験機により加工率７０％で加工した試験片を作製した。浸炭前の試験片より電子顕微鏡観察用の試料を抽出レブリカにて作製し、析出物の形態及び量を調査した。なお１０ｎｍ未満の析出物についてはその組成の分析が困難なため、個数のカウントからは除外した。またあわせて７０％加工済試験片を９００℃〜１０５０℃に６時間保持した後水焼入れを行いオーステナイト結晶粒粗大化温度を調査した。析出物量及び結晶粒粗大化温度の結果をあわせて表２に示す。発明鋼はいずれもＴｉ炭化物及びＴｉ炭窒化物量が著しく多く、１０００℃においても結晶粒の粗大化がおこらない。一方、比較鋼９〜１１はＴｉが未添加であるためＴｉの炭化物及び窒化物は認められず小量のＡＬＮが認められるのみであり、比較鋼１２は小量のＴｉＮ、比較鋼１３及び１４はＴｉＮと若干のＴｉ炭化物及びＴｉ炭窒化物が認められる程度であるため１０００℃においては結晶粒の粗大化がおこる。また比較鋼１５、１６はＮｂ炭化物が若干認められるものの、１０００℃においては結晶粒の粗大化が起こる。従って、各発明鋼は比較鋼に比べ結晶粒粗大化抑制効果が優れていることがわかる。
【００３３】
【表１】
【００３４】
【表２】
【００３５】
また、図２と図３は上記発明鋼６の組織写真を示し、図４と図５は上記比較鋼１０の組織写真を示している。この場合、発明鋼６と比較鋼１０とをスプライン軸に形成したものであって、図２と図４とは溝部近傍を示し、図３と図５とは軸心部を示している。これらの写真で分かるように、発明鋼においては結晶粒粗大化が防止されている。なお、図２（ａ）と図３（ａ）と図４（ａ）と図５（ａ）とはそれぞれ２５倍であり、図２（ｂ）と図３（ｂ）と図４（ｂ）と図５（ｂ）とはそれぞれ５０倍である。
【００３６】
次に表１の供試材のうち発明鋼６と比較鋼１０の供試材を加工率０％と５０％７０％で加工して、表３に示すように、９２５℃、９５０℃、９７５℃、及び１０００℃にて６時間保持させた後水冷し、その結晶度を透視型顕微鏡で観察した。この表３から分かるように、発明鋼６においては、加工率が７０％で、しかも１０００℃に保持しても、整細粒状態であった。これに対して、比較鋼１０では、加工率が０％であっても、１０００℃とすれば、一部混粒が発生し、加工率が５０％では、９２５℃で一部混粒が発生し、９７５℃で全体が混粒状態となり、加工率が７０％では、９２５℃で一部混粒が発生し、９５０℃で全体が混粒状態となった。
【００３７】
【表３】
【００３８】
次に、上記発明鋼と一般のＳＣＭ４２０とを、焼入れ性、冷間加工性、結晶粒度、衝撃値、回転曲げ疲労、ころがり寿命等について比べた。発明鋼は、焼入れ性において、ＳＣＭ４２０と同程度を有する。また、冷間加工性において、Ｓｉ、Ｍｎの低減によってＳＣＭ４２０より低減された。そのため、発明鋼においては、前熱処理の省略（焼鈍、低温焼鈍）あるいはこれらの簡略化が可能となる。また、発明鋼は、結晶粒度においてＳＣＭ４２０より優れた特性を示し、Ｂを含有する場合、衝撃値において粒界酸化層の低減によってＳＣＭ４２０より優れた特性を有し、回転曲げ疲労においても粒界酸化層の低減によってＳＣＭ４２０より優れた特性を有する。さらに、発明鋼は、ころがり寿命において微細粒子（ＴｉＣ）による分散強化効果によってＳＣＭ４２０より優れた寿命特性を有する。すなわち、この発明鋼（具体的には、発明鋼６）は、高価なＭｏを使用することなく、低コストにて、ＳＣＭ４２０と同等乃至それ以上の品質を有する肌焼鋼となる。
【００３９】
以上にこの発明の肌焼鋼の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することが可能である。すなわち、各成分の含有率として、表１に示す発明鋼に限るものではなく、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１５％以下と、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｔｉ：０．１０〜０．２０％の範囲内において種々変更可能である。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１の冷間加工用肌焼鋼によれば、Ｔｉ炭化物及びＴｉ炭窒化物を大量に確保することで、冷間鍛造後の焼ならし処理を施すことなく、整粒が維持された肌焼鋼となる。これにより、この肌焼鋼は疲労強度や靭性に優れると共に、生産性の向上とコストの低減を図ることが可能となる。
【００４１】
請求項２の冷間加工用肌焼鋼によれば、粒界強度を向上させ、高品質の肌焼鋼となり、しかも、高価なＭｏの添加を抑えることができ、コストの低減に一層寄与する。
【００４２】
請求項３の冷間加工用肌焼鋼によれば、１０００℃の高温浸炭においても結晶粒の粗大化を抑制することができる。すなわち、高温浸炭処理においても整粒を維持でき、強度的に優れた肌焼鋼を、低コストにて提供することができる。
【００４３】
請求項４〜請求項６の車両用部品の製造方法によれば、製造される各種車両用部品は、耐粗粒化特性に優れ、疲労強度や靭性に優れた部品となり、長期にわたって車両用部品としての機能を維持することができる。しかも、生産性向上と大幅なコストダウンを図ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の肌焼鋼の実施形態の金属組織の顕微鏡写真である。
【図２】発明鋼の溝部近傍の金属組織の顕微鏡写真を示し、（ａ）は２５倍の組織写真であり、
（ｂ）は５０倍の組織写真である。
【図３】発明鋼の軸心部の金属組織の顕微鏡写真を示し、（ａ）は２５倍の組織写真であり、（
ｂ）は５０倍の組織写真である。
【図４】比較鋼の溝部近傍の金属組織の顕微鏡写真を示し、（ａ）は２５倍の組織写真であり、
（ｂ）は５０倍の組織写真である。
【図５】比較鋼の軸心部の金属組織の顕微鏡写真を示し、（ａ）は２５倍の組織写真であり、（
ｂ）は５０倍の組織写真である。
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷間鍛造後に焼ならし処理を施すことなく、高温浸炭処理においても整粒を維持できる冷間加工用肌焼鋼、及びそれを用いた車両用部品、例えばギアやシャフト等の車両用部品の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より冷間鍛造で製造される各種浸炭部品においては、浸炭時の結晶粒粗大化防止のために冷間鍛造後に焼ならし処理を施している。しかしながら、焼ならし処理はコストアップにつながるだけでなく、高温に保持されるため表面形状が劣化しショットブラストなど工程追加が必要となることがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、微細析出物による結晶粒成長のピンニング作用に注目し、このピンニング作用を利用することによって結晶粒の成長を抑制するために、Ａｌ、Ｎｂ等を積極的に添加した材料が冷間鍛造部品には多く供用されている。しかしながら、冷間鍛造後の焼ならし省略までは至っていない。すなわち、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｈｆ等を添加することにより、各々の炭化物もしくは炭窒化物等の析出物を３個／１０μｍ２以上確保することで、焼ならし処理を施すことなく結晶粒の粗大化を抑制するもの（特開平９−５９７４３号公報参照）があるが、この場合では、１０００℃以上の高温浸炭処理において安定した結晶粒成長抑制効果が得られていない。また、ＮｂもしくはＮｂとＡｌの複合析出物を５個／１０μｍ２以上確保することで、冷間鍛造後の焼ならしを施すことなく結晶粒の粗大化を抑制するもの（特開平９−７８１８４号公報参照）があるが、この場合では、９５０℃の浸炭処理においても結晶粒の粗大化が認められる。すなわち、Ｎｂ添加量を増やすことで結晶粒粗大化温度の上昇は期待できるものの、熱間加工性及び冷間加工性の劣化が否めず、ミッションギアなど苛酷な鍛造形状部品の製造は困難である。
【０００４】
近年製造コストの低減及び工期短縮のために高温浸炭処理への要求が高まる中で、冷間鍛造後の焼ならし省略と高温浸炭処理の適用を両立させる材料の開発が必要となっている。
【０００５】
この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、冷間鍛造後に焼ならし処理を施すことなく、高温浸炭処理においても異常粒成長を起こすことなく整粒を維持できる耐粗粒化特性に優れた冷間加工用肌焼鋼及びそれを用いた車両用部品の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで請求項１の冷間加工用肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１５％以下と、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：１．０％以下のうち１種もしくは２種以上と、Ｔｉ：０．１０〜０．２０％とを含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる肌焼鋼であって、直径１０ｎｍ以上のＴｉ炭化物もしくはＴｉ炭窒化物の析出物の数が前記肌焼鋼中に４０個／μｍ２以上有するようにして結晶粒の粗大化を防止したことを特徴としている。
【０００７】
上記請求項１の冷間加工用肌焼鋼では、鋼中のＣと結びついて炭化物を形成して結晶粒の粗大化抑制に寄与するＴｉを、０．１０〜０．２０％含有させている。これにより、Ｔｉ炭化物及びＴｉ炭窒化物を大量に確保することができ、冷間鍛造後の焼ならし処理を施すことなく、結晶粒の粗大化を抑制することができる。また、この肌焼鋼では、１０００℃以上の高温においても、結晶粒の粗大化を抑制することが可能となる。
【０００８】
請求項２の冷間加工用肌焼鋼は、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％を含有することを特徴としている。
【０００９】
上記請求項２の冷間加工用肌焼鋼では、Ｂにて、粒界に偏析し粒界強度を向上させ、微量で大幅に焼入性を向上させることができる。このため、高価なＭｏを減少させることが可能となる。また、Ｂの含有率が、０．０００５％未満ではその効果が十分に得られず、０．００５０％を超えて添加すると逆に焼入性が低下する。
【００１０】
請求項３の冷間加工用肌焼鋼は、１０００℃以上の浸炭処理において前記結晶粒の粗大化を防止したことを特徴としている。
【００１１】
請求項４の車両用部品の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１５％以下と、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：１．０％以下のうち１種もしくは２種以上と、Ｔｉ：０．１０〜０．２０％とを含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる焼ならし処理が省略可能な冷間加工用肌焼鋼を用いた車両用部品の製造方法であって、前記肌焼鋼を圧延又は鍛造した後に冷間加工を施し、前記圧延又は鍛造後もしくは冷間加工後に、前記肌焼鋼の素地に存在する析出物のうち直径１０ｎｍ以上のＴｉ炭化物もしくはＴｉ炭窒化物の析出物の数が前記肌焼鋼中に４０個／μｍ２以上析出された肌焼鋼を用い、肌焼鋼の結晶粒の粗大化を防止しながらこの肌焼鋼を焼ならし処理を省略して浸炭処理することを特徴としている。
【００１２】
上記請求項４の車両用部品の製造方法では、製造される各種車両用部品は、鋼中のＣと結びついて炭化物を形成して結晶粒の粗大化抑制に寄与するＴｉを、０．１０〜０．２０％含有させている。これにより、Ｔｉ炭化物及びＴｉ炭窒化物を大量に確保することができ、冷間鍛造後の焼ならし処理を施すことなく、結晶粒の粗大化を抑制する効果を有することになる。これにより、疲労強度や靭性に優れた部品となると共に、製造時間の短縮化を図ることができる。
【００１３】
請求項５の車両部品の製造方法は、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％を含有する焼ならし処理が省略可能な冷間加工用肌焼鋼を用いることを特徴としている。
【００１４】
上記請求項５の車両部品の製造方法では、Ｂにて、粒界に偏析し粒界強度を向上させ、微量で大幅に焼入性を向上させることができる。このため、高価なＭｏを減少させることが可能となる。また、Ｂの含有率が、０．０００５％未満ではその効果が十分に得られず、０．００５０％を超えて添加すると逆に焼入性が低下する。
【００１５】
請求項６の車両用部品の製造方法は、１０００℃以上で浸炭処理を行うことを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の肌焼鋼の具体的な実施の形態について詳細に説明する。この肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１５％以下と、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：１．０％以下のうち１種もしくは２種以上と、Ｔｉ：０．１０〜０．２０％とを含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる。なお、％は重量％である。
【００１７】
ところで、Ｃは焼入性を著しく上昇させる元素であり、芯部強度を確保するために必要な元素であるが、０．１０％未満では十分な強度が得られない。一方、０．２５％を超えると熱間鍛造後の硬度が上昇し被削性が低下するだけでなく、衝撃特性が低下する。そのため、このＣの含有量を０．１０〜０．２５％とした。
【００１８】
また、Ｓｉはフェライト強化元素であり、添加量の増大とともに硬さが上昇し冷間加工性を劣化させる。０．３５％を超えて含有させると圧延もしくは熱間鍛造後の硬度が上昇し、著しく冷間加工性を阻害するため、このＳｉの含有量を０．３５％以下とした。
【００１９】
Ｍｎは安価で焼入性を碓保するのに必要な元素であるが、０．２％未満ではその効果が不十分であり、１．００％を超えて含有させると硬度が上昇し、冷間加工性を低下させる。そのため、Ｍｎの含有量を０．２０〜１．００％とした。
【００２０】
Ａｌは脱酸材として使用される元素であり、０．００５％未満ではその効果が十分でなく、０．０５％を超えるとアルミナ系酸化物が増加し、疲労特性、加工性を低下させる。そのため、このＡｌの含有量を０．００５〜０．０５０％とした。
【００２１】
Ｔｉは鋼中のＣと結びつき炭化物を形成し結晶粒の粗大化抑制に寄与する元素であるが、０．１０％未満の場合その効果は少なく、また０．２０％を超えて含有させてもその効果が飽和するばかりでなく、熱間圧延もしくは熱間鍛造後の硬度を上昇させ、冷間加工性を劣化させる。そこで、このＴｉの含有量を０．１０〜０．２０％とした。また、後述するＢを添加した場合には、Ｔｉは鋼中のｆｒｅｅ−Ｎを固定しＢの焼入れ性向上効果を促進させる元素として必要となるが、Ｔｉの含有量を上記のように０．１０〜０．２０％とすることによってそれらの効果が十分に得られる。
【００２２】
Ｎは０．０１５％を超えて含有するとＴｉＮが増加し、被削性が低減される。そこで、このＮの含有量を０．０１５％以下とした。しかしながら、疲労強度、寿令の要求される場合においては、ＴｉＮが少ない方が好ましいので、特に、０．０１０％以下が望まれる。
【００２３】
Ｎｉ、Ｃｒ、及びＭｏは、いずれも焼入性の向上に有効な元素である。そして、これらを含有させる場合、Ｎｉは浸炭層、芯部の靭性向上に有効であるが、高価であり、しかも冷間加工性を低下させるため、その含有量を１．０％以下とする。また、Ｃｒは浸炭性の向上に有効な元素であるが、多量に添加すると圧延もしくは熱間鍛造後の硬さを上昇させ冷間加工性を劣化させ、しかも１．５％を越えて添加すると浸炭時に炭化物が析出し靭性を劣化させる。そこで、このＣｒの含有量を１．５０％以下とする。さらに、Ｍｏも浸炭性の向上と靭性向上に有効な元素であるが、１．０％を越えて添加すると著しく冷間加工性を劣化させる。そこで、このＭｏの含有量を１．０％以下とした。
【００２４】
また、Ｂは粒界に偏析し粒界強度を向上させ、微量で大幅に焼入性を向上させる元素であるので、含有させるのが好ましいが、０．０００５％未満ではその効果が十分に得られず、０．００５０％を超えて添加すると逆に焼入性が低下する。そこで、このＢの含有させる場合、その含有量を０．０００５〜０．００５０％とする。すなわち、Ｂを含有させれば、浸炭性の向上と靭性向上に有効であるが高価なＭｏの削減することができ、生産コストの低減を図ることが可能となる。
【００２５】
ところで、１０００℃以上の高温において結晶粒の粗大化を防止するためには、このような温度において微細な第二相粒子が数多く存在する必要がある。そのためには高温においても素地に再固溶し難く、また析出物が成長し難いことが必要となる。発明者はＴｉ、Ａｌ、Ｎｂ及びＣ、Ｎを含む鋼において、圧延もしくは鍛造後の析出物を調査し、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＮｂＣ、Ａｌ−Ｎｂの複合炭窒化物、の５種類の析出物が素地に存在することを確認した。なお、ＴｉＣがＴｉＣＮの場合や、ＮｂＣがＮｂＮまたはＮｂ（ＣＮ）の場合がある。
【００２６】
これら種々の析出物を有する圧延もしくは鍛造材を１０００℃で２時間保持の浸炭処理を施した後の結晶粒状況と析出物状況を調査した結果、微細なＴｉＣもしくはＴｉＣＮ析出物が数多く確認され、１０００℃の高温においてＴｉの炭化物または炭窒化物が結晶粒の粗大化防止に有効であることを確認した。すなわち、結晶粒の粗大化防止に有効することができることによって、冷間鍛造後の焼きならし処理の省略が可能となる。
【００２７】
また浸炭処理前のＴｉ炭化物もしくはＴｉ炭窒化物の数と結晶粒粗大化温度の関係を調査した結果、１０００℃において結晶粒の粗大化を抑制するためには、鋼材または鍛造部品中に４０個／μｍ２以上の析出物が必要であることが判明した。すなわち、鍛造部品中に析出物が４０個／μｍ２以上となったときに結晶粒の粗大化を抑制作用が発揮され、特に４５〜５０個／μｍ２以上で、粗大化防止が有効に発揮された。
【００２８】
このように構成される肌焼鋼は、図１の組織写真で示すように、ＴｉＣを確保することができ、結晶粒の粗大化防止を有効に達成することができ、強度的に優れることになる。しかも、冷間鍛造後の焼きならし処理の省略ができ、コストの低減及び製造時間の短縮を図ることが可能となる。
【００２９】
上記のように構成される肌焼鋼は、ミッションギア等のギアやシャフト等の車両用部品に使用することができる。この肌焼鋼にて製造された車両用部品は、車両用部品として強度的に優れ、長期にわたって車両用部品としての機能を維持することができる。ここで、車両とは、自動車、自動二輪、各種産業用車両、鉄道等の種々の車両をいい、また、部品には、上記ギアやシャフト以外にも、ロッカアーム等のアーム、テンショナーカム等のカム等の各種車両に使用される部品を含む。
【００３０】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を示す。実施例及び比較例における鋼組成を表１のＮｏ．１〜１６に示す。表において発明鋼とは、本発明における鋼を指し、比較鋼とは比較例のために製造した鋼を指す。発明鋼１〜３はＪＩＳに規定するＳＣＲ４２０、発明鋼４はＳＣＭ４２０、発明鋼５はＳＮＣＭ２２０の鋼にそれぞれ相当する鋼であり、Ｔｉを単独添加している。発明鋼６、７、８はそれぞれＪＩＳに規定するＳＣＲ系、ＳＣＭ系、ＳＮＣＭ系の鋼に対し、Ｔｉ及びＢを添加した鋼である。
【００３１】
比較鋼９、１０、１１はそれぞれＪＩＳに規定するＳＣＲ４２０、ＳＣＭ４２０、ＳＮＣＭ２２０の鋼であり、比較鋼１２、１３、１４はＴｉを添加しているものの、発明鋼６、７、８に対し、Ｔｉ量が低い鋼であり、比較鋼１５、１６はＪＩＳに規定するＳＣＲ４２０に対し、Ｎｂを添加しているものである。
【００３２】
表１に示す化学成分組成（質量％、残部は実質上Ｆｅ）をもつ鋼材をそれぞれ１００ｋｇ真空溶解炉にて溶製後、１０００℃に加熱後熱間鍛造でφ２０へ鍛造した。その後機械加工により直径１４ｍｍ×高さ２１ｍｍの円柱試験片を作製後、端面拘束型圧縮試験機により加工率７０％で加工した試験片を作製した。浸炭前の試験片より電子顕微鏡観察用の試料を抽出レブリカにて作製し、析出物の形態及び量を調査した。なお１０ｎｍ未満の析出物についてはその組成の分析が困難なため、個数のカウントからは除外した。またあわせて７０％加工済試験片を９００℃〜１０５０℃に６時間保持した後水焼入れを行いオーステナイト結晶粒粗大化温度を調査した。析出物量及び結晶粒粗大化温度の結果をあわせて表２に示す。発明鋼はいずれもＴｉ炭化物及びＴｉ炭窒化物量が著しく多く、１０００℃においても結晶粒の粗大化がおこらない。一方、比較鋼９〜１１はＴｉが未添加であるためＴｉの炭化物及び窒化物は認められず小量のＡＬＮが認められるのみであり、比較鋼１２は小量のＴｉＮ、比較鋼１３及び１４はＴｉＮと若干のＴｉ炭化物及びＴｉ炭窒化物が認められる程度であるため１０００℃においては結晶粒の粗大化がおこる。また比較鋼１５、１６はＮｂ炭化物が若干認められるものの、１０００℃においては結晶粒の粗大化が起こる。従って、各発明鋼は比較鋼に比べ結晶粒粗大化抑制効果が優れていることがわかる。
【００３３】
【表１】
【表２】
また、図２と図３は上記発明鋼６の組織写真を示し、図４と図５は上記比較鋼１０の組織写真を示している。この場合、発明鋼６と比較鋼１０とをスプライン軸に形成したものであって、図２と図４とは溝部近傍を示し、図３と図５とは軸心部を示している。これらの写真で分かるように、発明鋼においては結晶粒粗大化が防止されている。なお、図２（ａ）と図３（ａ）と図４（ａ）と図５（ａ）とはそれぞれ２５倍であり、図２（ｂ）と図３（ｂ）と図４（ｂ）と図５（ｂ）とはそれぞれ５０倍である。
【００３６】
次に表１の供試材のうち発明鋼６と比較鋼１０の供試材を加工率０％と５０％７０％で加工して、表３に示すように、９２５℃、９５０℃、９７５℃、及び１０００℃にて６時間保持させた後水冷し、その結晶度を透視型顕微鏡で観察した。この表３から分かるように、発明鋼６においては、加工率が７０％で、しかも１０００℃に保持しても、整細粒状態であった。これに対して、比較鋼１０では、加工率が０％であっても、１０００℃とすれば、一部混粒が発生し、加工率が５０％では、９２５℃で一部混粒が発生し、９７５℃で全体が混粒状態となり、加工率が７０％では、９２５℃で一部混粒が発生し、９５０℃で全体が混粒状態となった。
【００３７】
【表３】
次に、上記発明鋼と一般のＳＣＭ４２０とを、焼入れ性、冷間加工性、結晶粒度、衝撃値、回転曲げ疲労、ころがり寿命等について比べた。発明鋼は、焼入れ性において、ＳＣＭ４２０と同程度を有する。また、冷間加工性において、Ｓｉ、Ｍｎの低減によってＳＣＭ４２０より低減された。そのため、発明鋼においては、前熱処理の省略（焼鈍、低温焼鈍）あるいはこれらの簡略化が可能となる。また、発明鋼は、結晶粒度においてＳＣＭ４２０より優れた特性を示し、Ｂを含有する場合、衝撃値において粒界酸化層の低減によってＳＣＭ４２０より優れた特性を有し、回転曲げ疲労においても粒界酸化層の低減によってＳＣＭ４２０より優れた特性を有する。さらに、発明鋼は、ころがり寿命において微細粒子（ＴｉＣ）による分散強化効果によってＳＣＭ４２０より優れた寿命特性を有する。すなわち、この発明鋼（具体的には、発明鋼６）は、高価なＭｏを使用することなく、低コストにて、ＳＣＭ４２０と同等乃至それ以上の品質を有する肌焼鋼となる。
【００３９】
以上にこの発明の肌焼鋼の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することが可能である。すなわち、各成分の含有率として、表１に示す発明鋼に限るものではなく、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１５％以下と、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｔｉ：０．１０〜０．２０％の範囲内において種々変更可能である。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１の冷間加工用肌焼鋼によれば、Ｔｉ炭化物及びＴｉ炭窒化物を大量に確保することで、冷間鍛造後の焼ならし処理を施すことなく、整粒が維持された肌焼鋼となる。これにより、この肌焼鋼は疲労強度や靭性に優れると共に、生産性の向上とコストの低減を図ることが可能となる。
【００４１】
請求項２の冷間加工用肌焼鋼によれば、粒界強度を向上させ、高品質の肌焼鋼となり、しかも、高価なＭｏの添加を抑えることができ、コストの低減に一層寄与する。
【００４２】
請求項３の冷間加工用肌焼鋼によれば、１０００℃の高温浸炭においても結晶粒の粗大化を抑制することができる。すなわち、高温浸炭処理においても整粒を維持でき、強度的に優れた肌焼鋼を、低コストにて提供することができる。
【００４３】
請求項４〜請求項６の車両用部品の製造方法によれば、製造される各種車両用部品は、耐粗粒化特性に優れ、疲労強度や靭性に優れた部品となり、長期にわたって車両用部品としての機能を維持することができる。しかも、生産性向上と大幅なコストダウンを図ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の肌焼鋼の実施形態の金属組織の顕微鏡写真である。
【図２】発明鋼の溝部近傍の金属組織の顕微鏡写真を示し、（ａ）は２５倍の組織写真であり、
（ｂ）は５０倍の組織写真である。
【図３】発明鋼の軸心部の金属組織の顕微鏡写真を示し、（ａ）は２５倍の組織写真であり、（
ｂ）は５０倍の組織写真である。
【図４】比較鋼の溝部近傍の金属組織の顕微鏡写真を示し、（ａ）は２５倍の組織写真であり、
（ｂ）は５０倍の組織写真である。
【図５】比較鋼の軸心部の金属組織の顕微鏡写真を示し、（ａ）は２５倍の組織写真であり、（
ｂ）は５０倍の組織写真である。
Claims (6)
- 質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１５％以下と、
Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：１．０％以下のうち１種もしくは２種以上と、
Ｔｉ：０．１０〜０．２０％とを含有し、
残部はＦｅ及び不可避不純物からなる肌焼鋼であって、
直径１０ｎｍ以上のＴｉ炭化物もしくはＴｉ炭窒化物の析出物の数が前記肌焼鋼中に４０個／μｍ２以上有するようにして結晶粒の粗大化を防止したことを特徴とする焼ならし処理が省略可能な冷間加工用肌焼鋼。 - Ｂ：０．０００５〜０．００５０％を含有することを特徴とする請求項１の焼ならし処理が省略可能な冷間加工用肌焼鋼。
- １０００℃以上の浸炭処理において前記結晶粒の粗大化を防止したことを特徴とする請求項１又は請求項２の焼ならし処理が省略可能な冷間加工用肌焼鋼。
- 質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１５％以下と、
Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：１．０％以下のうち１種もしくは２種以上と、
Ｔｉ：０．１０〜０．２０％とを含有し、
残部はＦｅ及び不可避不純物からなる焼ならし処理が省略可能な冷間加工用肌焼鋼を用いた車両用部品の製造方法であって、
前記肌焼鋼を圧延又は鍛造した後に冷間加工を施し、前記圧延又は鍛造後もしくは冷間加工後に、前記肌焼鋼の素地に存在する析出物のうち直径１０ｎｍ以上のＴｉ炭化物もしくはＴｉ炭窒化物の析出物の数が前記肌焼鋼中に４０個／μｍ２以上析出された肌焼鋼を用い、肌焼鋼の結晶粒の粗大化を防止しながらこの肌焼鋼を焼ならし処理を省略して浸炭処理することを特徴とする車両用部品の製造方法。 - Ｂ：０．０００５〜０．００５０％を含有する焼ならし処理が省略可能な冷間加工用肌焼鋼を用いることを特徴とする請求項４の車両用部品の製造方法。
- １０００℃以上で浸炭処理を行うことを特徴とする請求項４又は請求項５の車両用部品の製造方法。
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