JP3673136B2

JP3673136B2 - 高炭素−高合金系鋼の冷温間加工品の熱処理方法

Info

Publication number: JP3673136B2
Application number: JP2000044097A
Authority: JP
Inventors: 修宮下; 雅三田中; 三朗杉浦; 義喬西沢
Original assignee: Tohoku Steel Co Ltd; Denso Corp
Current assignee: Tohoku Steel Co Ltd; Denso Corp
Priority date: 1999-04-01
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2020-02-22
Also published as: JP2000343239A; US6419770B1; DE10014656B4; DE10014656A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炭素−高合金系鋼の冷温間加工品の熱処理方法に関し、特に高炭素−高合金系鋼の冷温間鍛造加工等で生じた一次炭化物の割れや空隙を、該加工処理後に高温・高圧下のＨＩＰ(Hot Isostatic Pressing)処理を施すことによって、効果的に修復し、もって一次炭化物の割れや欠落などによって生じる機械的強度の低下や摺動磨耗性の劣化を効果的に防止しようとするものである。
最近、エンジンの燃料供給系の高圧化や、加工機の高速加工化等に伴い、高剛性部品の必要性が高まっていて、コスト低減の観点からこれら高剛性材料を冷温間鍛造によって成形する傾向が強まってるが、本発明はかような成形分野に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
高炭素−高合金系鋼を素材とする製品、例えば機械部品や自動車部品等は、丸・角棒などの素材を熱間成形加工や切削加工した後、焼鈍・焼入れ・焼戻し処理を施して製造している。
【０００３】
ところで、かような高炭素−高合金系鋼には、硬い大粒の一次炭化物が多量に晶析出するため、他の量産製品加工で汎用化している冷間鍛造加工を適用すると、型材磨耗が発生するだけでなく、一次炭化物の割れや空隙の発生が避けられず、それに起因して加工品に割れが発生するため、その適用は困難であった。
【０００４】
しかしながら、最近では、耐磨耗型用鋼や潤滑剤の開発、また寸法精度と軟質化を伴う素材の供給により、一部の製品では 600℃以下での冷温間鍛造加工品も製造されるようになってきた。
ただし、上記したような一次炭化物の割れや空隙の発生を完全に防止することはできないため、機械的性質の劣化を承知の上で、または炭化物の破砕・欠落による危険のない限られた部品への採用に止まっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、高炭素−高合金系鋼部品を、高生産性・低コスト化が図れる冷温間鍛造加工成形等によって製造する場合に、発生した一次炭化物の割れや空隙を効果的に修復することによって、摺動部への硬質炭化物の噛み込みの危険性を回避すると共に、機密性の確保および機械的性質の改善を図ることができる、高炭素−高合金系鋼の冷温間加工品の熱処理方法を提案することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、高炭素−高合金系鋼を冷温間鍛造したのち、この冷温間鍛造加工成形品に高温・高圧下の熱処理を施してやれば、発生していた一次炭化物の割れや空隙が密着ないし基地で埋まって効果的に修復され、強度など諸特性の劣化を来さないことの知見を得た。
また、特に、かような冷温間鍛造を積極的に行って、一次炭化物を破砕・細粒化したのち、上記の高温・高圧下熱処理を施すことが、所期した目的の達成に関し、一層効果的であることも併せて見出した。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００７】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．Ｃ：0.5 mass％以上、Cr：８mass％以上を含有する高炭素ステンレス鋼あるいはＣ：0.5 mass％以上を含有し、かつCr, Mo, Ｗ，Ｖ，Nb, Ti等の炭化物生成元素のうちから選んだ１種または２種以上：0.5 mass％以上を含有する工具鋼等の高炭素−高合金系鋼を、 800℃以下の冷温間加工で加工率：10％以上の塑性加工を施したのち、ＨＩＰ処理を施すことによって、加工部品に顕れる一次炭化物の割れを修復することを特徴とする、高炭素−高合金系鋼の冷温間加工品の熱処理方法。
【０００８】
２．Ｃ：0.5 mass％以上、Cr：８mass％以上を含有する高炭素ステンレス鋼あるいはＣ：0.5 mass％以上を含有し、かつCr, Mo, Ｗ，Ｖ，Nb, Ti等の炭化物生成元素のうちから選んだ１種または２種以上：0.5 mass％以上を含有する工具鋼等の高炭素−高合金系鋼に、冷温間加工を施して、この加工部品に生成した一次炭化物を破砕・細粒化し、ついでＨＩＰ処理を施すことによって、破砕・細粒化により発生した割れ空隙を基地で埋めることを特徴とする、高炭素−高合金系鋼の冷温間加工品の熱処理方法。
【０００９】
３．上記１または２において、ＨＩＰ処理を、不活性ガス雰囲気中にて、温度：900 ℃以上、加圧力：88.2 MPa以上、均熱時間：0.5 ｈ以上の条件下で施すことを特徴とする、高炭素−高合金系鋼の冷温間加工品の熱処理方法。
【００１０】
４．上記１または２において、一次炭化物割れ修復のためのＨＩＰ処理後、冷却速度の選択により、そのまま焼入れを施すことを特徴とする、高炭素−高合金系鋼の冷温間加工品の熱処理方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的に説明する。
本発明において対象とする鋼材は、硬い大粒の一次炭化物が多量に晶析出し、通常の冷温間鍛造加工を施した場合に、一次炭化物の割れや空隙の発生が避けられない、Ｃ： 0.5mass％以上と共に、Cr：８mass％以上を含有する高炭素ステンレス鋼あるいはＣ：0.5 mass％以上と共に、Cr, Mo, Ｗ，Ｖ，Nb, Ti等の炭化物生成元素を 0.5mass％以上で含有する工具鋼等の高炭素−高合金系鋼である。
【００１２】
ここに、上記した高炭素−高合金系鋼の代表例としては、次のような鋼種が挙げられる。
・高炭素−高合金工具鋼
ＳＫＤ１１，ＳＫＤ１２，ＳＫＨ２，ＳＫＨ５１, ＳＫＨ５９
・高炭素ステンレス鋼
ＳＵＳ４４０Ａ，ＳＵＳ４４０Ｂ，ＳＵＳ４４０Ｃ
【００１３】
さて、前述したとおり、高炭素−高合金系鋼例えばＳＫＤ11を、加工率：10％以上で冷間鍛造した場合、成形品には20μm 以上の炭化物割れやその両脇における空隙の発生が免れ得なかった。
そこで、本発明では、かような冷温間加工を施した成形品に対し、ＨＩＰ処理を施して、かかる内部欠陥を修復するのであり、ここに上記したようなＨＩＰ処理は、以下の条件下で行うことが好ましい。
【００１４】
雰囲気ガス（圧媒ガス）：不活性ガス
高炭素−高合金系鋼は、高温耐酸化性が著しく劣り、脱炭やスケール発生の原因となるため、不活性ガス中で熱処理を施すことが好ましい。特に好ましい雰囲気ガスはアルゴンガスである。
【００１５】
温度：900 ℃以上
高炭素−高合金系鋼の高温における変形抵抗は、α→γ変態点を超える 900℃以上の高温で急激に低下し変形能が向上する。この点、加熱温度が 900℃に満たないと、高炭素鋼ほど変形抵抗が高く相対圧が小さくなるため、変形し難い。従って、ＨＩＰ処理温度は 900℃以上とすることが好ましい。
しかしながら、加熱温度1200℃を超えると鋼材が溶融する危険があるので、加熱温度の上限は1200℃程度が適当である。
【００１６】
加圧力：88.2 MPa（900 kgf/cm²)以上
高炭素−高合金系鋼例えばＳＫＤ11の高温における圧縮変形抵抗値は、表１に示すように、変形速度に応じて変化することが知られており、従って炭化物の割れや空隙を生じたＳＫＤ11の加工部品を、変形速度の極めて遅いＨＩＰ処理にて例えば 88.2 MPa (900 kgf/cm²）以上を確保できる（1100℃の場合は 34.7 MPa以上）条件で処理すれば、理論的には炭化物の割れや空隙を完全に圧着できることになる。
そこで、本発明では、上記の観点から少なくとも 88.2 MPa(900 kgf/cm²)以上の加圧力でＨＩＰ処理を行うものとした。
なお、この加圧力の上限値については特に限定されるものではないが、設備の面から 117.6 MPa (1200 kgf/cm²) 程度が好適である。
【００１７】
【表１】

【００１８】
時間：0.5 ｈ以上
所定温度、圧力での処理時間は、理論的にもわずかな時間で良いことが示唆されているが、後述する実施例においても、図２に示すように15分程度の均熱処理で寸法変化を終了している。
そこで、本発明では、実用上の面から、高温・高圧での処理時間は 0.5ｈ以上とした。
なお、上述した各条件は、高炭素−高合金系鋼の種類に応じて変わるものではなく、ＳＫＤ11の例と同様の要領で実施すれば良い。
【００１９】
【実施例】
表２に示す成分組成の高炭素−高合金系鋼（ＳＫＤ11）を電気炉で溶製したのち、鍛造、圧延、ついで 850〜870 ℃での焼鈍を施し、ＨＲＢ：90〜93の硬さを得たのち、脱炭層など表面異常層を切削除去して、φ24mmの冷鍛加工前素材を準備した。
【００２０】
【表２】

【００２１】
ついで、以下の要領で、冷間鍛造およびＨＩＰ処理を施した。
冷間鍛造：50％押出しおよび50％据込み
図１に示す形状の部品を得るため、素材を切断し、400 Ton トランスファープレスの第一ステージ上に押出し金型、第２ステージに据込み金型をセットし、加工前素材表面に、金型のワーク面保護および加工品表面の焼付き、かじり傷防止のためのシュウ酸塩ボンデ処理と潤滑剤（二硫化モリブデン）の塗布処理を施し、加工率：50％の冷間押出し加工および加工率：50％据込み加工を連続して実施した。
かくして得られた部品の外観は、寸法精度が良く、しかも表面に傷や割れのない良好な仕上がり状態を呈していた。
【００２２】
これに対し、押出し加工部内部および据込み加工部内部は、そのミクロ組織を図５(a), (b)に示すように、図４(a) の冷間鍛造前の素材組織に比べて、甚だしい一次炭化物の割れおよびその両脇における空隙が発生し、その修復が成されなければ機械部品としての使用が不可能な状態であった。
ここに、図４(a) に示す冷間鍛造前の素材組織において発生している一次炭化物の一部を、図４(b) に模式で示すが、同図に示したとおり、素材組織内には一次炭化物１が相当量発生している。
【００２３】
次に、図５(a) 、図５(b) に示した押出し加工部内部および据込み加工部内部のミクロ組織において、一次炭化物の割れおよびその両脇における空隙の一部を図５(c), (d)に模式で示す。
押出し加工時、図５(c) に示す一次炭化物10は、図中において横方向に変形しようとするが、周囲の基地の変形に追従できずに割れる。これにより、一次炭化物10は、複数の小さい一次炭化物10a となる。そして、この複数の一次炭化物10a の間に空隙10b が発生する。図中、黒く塗りつぶされているところが、空隙である（後述の模式図においても同様である）。
また、据込み加工時、図５(d) に示す一次炭化物20は、周囲の基地が、図中において縦方向に変形する際のせん断力によって縦方向に割れる。これにより、一次炭化物20は、複数の小さい一次炭化物20a となり、この小さい一次炭化物20aの間に空隙20b が発生する。なお、図中に示される他の一次炭化物についても、同様に小さな一次炭化物へと割れ、その間に空隙が発生している。
【００２４】
炭化物割れ・空隙の修復熱処理
はじめに、 850〜870 ℃の加工歪み除去軟化を主体とする常用焼鈍を実施し、炭化物の割れ・空隙修復状況を組織観察によって確認した。
その結果は、冷間鍛造状態と変わり無かった。
【００２５】
次に、1050℃および1150℃で炭化物を基地に固溶させ、形状を変化させるスフェロダイズ処理を施し、冷却過程で変態による収縮・膨張を与え、さらに上記の常用焼鈍を実施して組織を観察した。
その結果は、図６(a) に示すように、一次炭化物粒度が多少小型化し丸味を増したものの、割れや空隙が幾分減少するに止まる不完全な修復状態でしかなかった。
なお、図６(a) における、一次炭化物の割れや空隙の一部を、図６(b) に模式で示すが、同図に示したとおり、一次炭化物30の割れによって発生する、小さな一次炭化物30a の間の空隙30b は、上述の処理によっても、依然として残留していることが分かる。
【００２６】
次に、圧媒ガスとしてArガスを用い、炉内雰囲気温度：1100℃、加圧力：117.6 MPa (1200 kgf/cm²)の高温・高圧下で３時間のＨＩＰ処理を実施し、冷間押出し加工内部の組織を観察した。
その結果、図７(a) および図８(a) に示すように、一次炭化物の割れに起因して発生する空隙が基地で埋まり、また丸味も増して、一次炭化物の割れや空隙が効果的に修復されていることが確認された。
なお、図７(a) 、図８(a) における、一次炭化物の割れや空隙の一部を、図７(b) 、図８(b) に模式で示すが、同図に示したとおり、一次炭化物40の割れによって発生する小さな一次炭化物40a の間の空隙は、基地40c によって完全に埋められている。
【００２７】
機械的性質の評価
熱間圧延素材（Ａ）とこれに約50％の冷間鍛造を加えた材料（Ｂ：以下、冷間鍛造後材という）およびさらにＨＩＰ処理を施した材料（Ｃ）について、素材（Ａ）はそのまま、冷間鍛造後材（Ｂ）およびＨＩＰ処理材（Ｃ）は 830℃の温度で軟化焼鈍を施したのち、10mm角×長さ55mmのＪＩＳ形状試験片に10Ｒ×２ｔノッチを付けたシャルピー衝撃試験片とし、ついで真空熱処理炉にて1030℃で焼入れ、−100 ℃でセブゼロ処理後、さらに 200℃, 300℃, 500℃の３条件で焼戻し処理を施して、衝撃靱性ほかの機械的性質を調べた。
図３は、衝撃値に関するデータである。熱間圧延素材（Ａ）をベースに考えると、冷間鍛造後材（Ｂ）では衝撃値が著しく低下している。この原因は、前述したように炭化物の割れおよびそれに伴い発生した空隙（ボイド）に起因している。
これに対し、その後に高温・高圧下のＨＩＰ処理を加えた材料では、これらボイドが基地で埋まり、結果的に炭化物も微細になるため、衝撃値は熱間圧延素材（Ａ）よりも向上する結果となった。
【００２８】
上記の結果は、塑性加工により、炭化物を微細化する、鉄鋼材料の新しい製造方法を示唆する。
すなわち、熱間圧延素材に、積極的に冷温間加工を施し、一次炭化物を積極的に破砕・細粒化することによって、衝撃値等の機械的性質が一層優れた鋼材の製造が可能になるのである。
【００２９】
表３は、上記した（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）の３種の鋼材についての耐焼付き性の試験結果を示したものである。
冷間鍛造後材（Ｂ）では、炭化物の割れとボイドのために炭化物が欠落し易い上に高硬度が得難たため、焼付き最大荷重については三者の中で最低の値を示した。
これに対し、ＨＩＰ処理材（Ｃ）では、炭化物の微細化と衝撃値改善のために、従来にない優れた値を呈していた。
【００３０】
【表３】

【００３１】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、従来、高炭素−高合金系鋼に冷温間加工を施した場合に発生を余儀なくされていた、一次炭化物の割れや空隙を効果的に修復することができ、その結果、摺動部など耐磨耗性・高気密性が必要な高剛性部品を、高生産性・低コストの下で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で製造した冷間鍛造品の寸法・形状を示した図である。
【図２】一次炭化物の割れ・空隙を有する部品をＨＩＰ処理した場合における処理時間と寸法変化率との関係を示したグラフである。
【図３】熱間圧延素材、冷間鍛造後材およびＨＩＰ処理材の機械的性質（硬さおよび衝撃値）を比較して示したグラフである。
【図４】 (a) は冷間鍛造前の素材内部のミクロ組織を示す顕微鏡写真、(b) はその模式図である。
【図５】 (a), (b)はそれぞれ、冷間鍛造後押出し材および据込み材内部のミクロ組織を示す顕微鏡写真、(c), (d)はそれらの模式図である。
【図６】 (a) は冷間鍛造品の（スフェロダイズ処理＋焼鈍）後の押出し材内部のミクロ組織を示す顕微鏡写真、(b) はその模式図である。
【図７】 (a) は冷間鍛造品のＨＩＰ処理後の押出し材内部のミクロ組織を示す顕微鏡写真、(b) はその模式図である。
【図８】 (a) は、図７に示した冷間鍛造品のＨＩＰ処理後の押出し材内部のミクロ組織の要部を拡大した顕微鏡写真、(b) はその模式図である。
【符号の説明】
１，10, 20, 30, 40 一次炭化物
10a, 20a, 30a, 40a 小さな一次炭化物
10b, 20b, 30b 空隙
40c 基地

Claims

Ｃ：0.5 mass％以上、Cr：８mass％以上を含有する高炭素ステンレス鋼あるいはＣ：0.5 mass％以上を含有し、かつCr, Mo, Ｗ，Ｖ，Nb, Ti等の炭化物生成元素のうちから選んだ１種または２種以上：0.5 mass％以上を含有する工具鋼等の高炭素−高合金系鋼を、 800℃以下の冷温間加工で加工率：10％以上の塑性加工を施したのち、ＨＩＰ処理を施すことによって、加工部品に顕れる一次炭化物の割れを修復することを特徴とする、高炭素−高合金系鋼の冷温間加工品の熱処理方法。
Ｃ：0.5 mass％以上、Cr：８mass％以上を含有する高炭素ステンレス鋼あるいはＣ：0.5 mass％以上を含有し、かつCr, Mo, Ｗ，Ｖ，Nb, Ti等の炭化物生成元素のうちから選んだ１種または２種以上：0.5 mass％以上を含有する工具鋼等の高炭素−高合金系鋼に、冷温間加工を施して、この加工部品に生成した一次炭化物を破砕・細粒化し、ついでＨＩＰ処理を施すことによって、破砕・細粒化により発生した割れ空隙を基地で埋めることを特徴とする、高炭素−高合金系鋼の冷温間加工品の熱処理方法。
請求項１または２において、ＨＩＰ処理を、不活性ガス雰囲気中にて、温度：900 ℃以上、加圧力：88.2 MPa以上、均熱時間：0.5 ｈ以上の条件下で施すことを特徴とする、高炭素−高合金系鋼の冷温間加工品の熱処理方法。
請求項１または２において、一次炭化物割れ修復のためのＨＩＰ処理後、冷却速度の選択により、そのまま焼入れを施すことを特徴とする、高炭素−高合金系鋼の冷温間加工品の熱処理方法。