JP3736717B2 - 高強度鋼の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学組成がマルテンサイト系ステンレス鋼に類似している高強度鋼の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から様々な産業分野でマルテンサイト系ステンレス鋼が用いられている。このマルテンサイト系ステンレス鋼としては、一般に、ＳＵＳ４２０Ｊ２やＳＵＳ４４０Ｃ系（ＪＩＳ規格）などが使用されている。このようなマルテンサイト系ステンレス鋼は、通常、焼入れ・焼戻しして使用される。マルテンサイト系ステンレス鋼を焼入れするに当っては、電気炉を用いて焼入温度に加熱して急冷する。これにより高い硬さと高強度を有するマルテンサイト系ステンレス鋼が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、電気炉を用いて加熱しているので、熱処理に長時間かかる。また、この長時間の熱処理に起因して鋼部品の変形が大きくなり易い。さらに、マルテンサイト系ステンレス鋼では、例えばＳＵＳ４４０Ｃのオーステナイト化温度幅が１１５０〜１２００℃であるなど、そのオーステナイト化温度幅が狭く、しかも、上記したように熱処理時間が長いので、残留オーステナイトが急に増加したりする。このため、実用的には安定した品質を確保しにくいという問題がある。なお、電気炉による熱処理は一般にバッチ処理であるため、インライン化が困難であるという問題もある。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑み、短時間の熱処理で高強度鋼を得られる高強度鋼の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の高強度鋼の製造方法は、Ｃを０．６０重量％以上０．７０重量％以下、Ｓｉを０．３５重量％以下、Ｍｎを０．６０重量％以上０．８０重量％以下、Ｃｒを１２．５０重量％以上１３．５０重量％以下含有し、残部Ｆｅ、及び、不可避的不純物からなる鋼を、この鋼に通電することにより焼入温度に加熱し、冷却することを特徴とするものである。
【０００６】
ここで、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、この鋼の表面層のみをこの焼入温度に加熱してもよい。
【０００７】
また、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、この鋼の全体をこの焼入温度に加熱してもよい。
【０００８】
さらに、上記鋼に通電するに当り、この鋼を誘導加熱することによりこの鋼に通電してもよい。
【０００９】
さらにまた、上記鋼に通電するに当り、この鋼に電極を接触させて通電してもよい。
【００１０】
さらにまた、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、１０００℃以上１１００℃以下の範囲内の温度に加熱してもよい。
【００１１】
さらにまた、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、１０℃／秒以上２５０℃／秒以下の範囲内の加熱速度で焼入温度まで加熱してもよい。
【００１２】
さらにまた、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、５０℃／秒以上２００℃／秒以下の範囲内の加熱速度で焼入温度まで加熱してもよい。
【００１３】
さらにまた、上記鋼を１０００℃以上１１００℃以下の範囲内の焼入温度に加熱し、この加熱した直後に冷却してもよい。
【００１４】
さらにまた、上記鋼を１０００℃以上１１００℃以下の範囲内の焼入温度に加熱し、この焼入温度に所定時間保持した後に冷却してもよい。
【００１５】
さらにまた、上記鋼を１０００℃以上１１００℃以下の範囲内のオーステナイト化温度に加熱し、この加熱後に所定の焼入温度まで放冷し、この放冷後に急冷してもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００１７】
本発明の高強度鋼の化学組成を、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼（ＪＩＳ規格）の化学組成と比較して表１に示す。本発明の高強度鋼の化学組成を有し、後述する熱処理が施される前の鋼を、ここでは本発明鋼と呼ぶ。
【００１８】
【表１】
表１に示すように、本発明の高強度鋼はＳＵＳ４４０Ｃ鋼に比べてＣ量が低く、Ｓｉ量も低い点に特徴がある。また、Ｍｎ量を０．６０〜０．８０重量％の範囲内に限定した点にも特徴がある。さらに、ＮｉとＭｏを添加せずに、Ｃｒ量を１２．５０〜１３．５０重量％の範囲内に限定した点にも特徴がある。
【００１９】
このように化学成分を限定した理由を説明する。
【００２０】
Ｃは、高周波焼入れしたときの硬さを高くし、焼入層に強度や耐摩耗性を付与するために必要な元素であり、このため、０．６０重量％以上添加した。しかし、Ｃの添加量が多くなり過ぎると素地の炭化物粒径が大きくなり、高周波熱処理の際の短時間加熱によっては素地に炭化物が十分に固溶しない。この結果、高周波焼入れの際に素地のＣ濃度が高くならずに低いままであるので、オーステナイト化温度は低下せず、焼入性が低下する。また、炭化物粒径が大きくなると機械加工性も低下する。さらに、Ｃの添加量が、０．６０重量％以上０．７０重量％以下の範囲内であると素地に微細な炭化物が十分に分布し、高周波熱処理の際の短時間・急速加熱によっても微細な炭化物が素地に十分に固溶してオーステナイト化温度が低下する。以上のような理由から、Ｃの含有量を０．７０重量％以下とした。
【００２１】
Ｓｉは、製鋼過程において脱酸剤として添加されるが、添加し過ぎると素地が固溶強化されて冷間鍛造性や切削加工性を低下させるので、０．３５重量％以下とした。
【００２２】
Ｍｎは、焼入性を向上させる元素であるので、下限を０．６０重量％とした。しかし、添加し過ぎると機械加工性を低下させるだけでなく、焼入れ後の残留オーステナイトが増加して硬度が低下し、しかも、素材コストが増加する。このため、上限を０．８０重量％とした。
【００２３】
Ｃｒは、耐食性を向上させるために必要な元素であるので、下限を１２．５０重量％とした。しかし、添加量が増加すると炭化物が大きくなり、高周波熱処理の際の短時間加熱によっては素地に炭化物が十分に固溶せず、高周波焼入性が低下する。また、添加量が増加すると、その分、素材コストも増加する。このため、上限を１３．５０重量％とした。
【００２４】
なお、不可避的な不純物元素以外は材料コストを増加させるので、上記した元素以外の元素は積極的には添加しないこととした。
【００２５】
本発明鋼のオーステナイト化温度は、１０００℃以上１１００℃以下の温度範囲内である。一方、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼のオーステナイト化温度は、１１５０℃以上１２００℃以下の温度範囲内である。従って、本発明鋼のオーステナイト化温度はＳＵＳ４４０Ｃ鋼のそれに比べて低い。しかも、本発明鋼では、オーステナイト化温度幅が１００℃であり、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼のオーステナイト化温度幅（５０℃）に比べると２倍である。このため、熱処理し易く、熱処理する際のエネルギーコストも低くできる。また、オーステナイト化温度、即ち焼入温度が低いので、その分、変形を抑えられることとなる。
【００２６】
図１、図２、及び図３を参照して、本発明鋼の熱処理方法を説明する。
【００２７】
図１は、本発明鋼を焼入温度に加熱した直後に急冷する熱処理を示すグラフである。図２は、本発明鋼を焼入温度に加熱した後にこの焼入温度で所定時間保持し、その後に急冷する熱処理を示すグラフである。図３は、本発明鋼を焼入温度に加熱した後に所定の温度まで放冷し、その後に急冷する熱処理を示すグラフである。
【００２８】
上述したように、本発明鋼のオーステナイト化温度は１０００℃以上１１００℃以下の温度範囲内であるので、焼入温度Ｑｔは１０００℃以上１１００℃以下の温度範囲内である。また、本発明鋼を焼入温度にまで加熱する際には、高周波誘導加熱を利用してもよいし、本発明鋼に電極を接触させてて直接に電流を通しても（直接通電しても）よい。また、本発明鋼を用いて製造した鋼部品のサイズや用途等に応じて、この鋼部品の表面層のみを焼入温度に加熱して硬化させるのか、もしくは、この鋼部品の全体を焼入温度に加熱して硬化させるのかを決める。
【００２９】
図１に示す熱処理では、本発明鋼を室温Ｒｔから焼入温度Ｑｔに加熱した直後に急冷する。室温Ｒｔから焼入温度Ｑｔまで加熱する速度は、１０℃／秒以上２５０℃／秒以下の範囲内の加熱速度とする。加熱速度は、（Ｑｔ−Ｒｔ）／ｔ１から求める。この求め方は、図２と図３で示す熱処理の場合も同様である。急冷する際は、本発明鋼に冷却液を噴射して急冷する。
【００３０】
図２に示す熱処理では、本発明鋼を室温Ｒｔから焼入温度Ｑｔに加熱した後にこの焼入温度に所定時間（ｔ２秒間）保持し、その後に急冷する。このように焼入温度に所定時間保持する理由は、保持時間に依存して焼入後の本発明鋼の硬さが変わるからである。この点については、図１１を参照して後述する。また、室温Ｒｔから焼入温度Ｑｔまで加熱する速度は、１０℃／秒以上２５０℃／秒以下の範囲内の加熱速度とする。急冷する際は、本発明鋼に冷却液を噴射して急冷する。
【００３１】
図３に示す熱処理では、本発明鋼をオーステナイト化温度Ｍｔに加熱した後に所定の焼入温度Ｑｔまでｔ３秒間で放冷し、その後に急冷する。ここでは、移動焼入れを行ったので、本発明鋼が加熱コイルを通過してから冷却ジャケットに到達するまでにｔ３秒を要し、この間（ｔ３秒間）が放冷となった。また、室温Ｒｔからオーステナイト化温度M ｔまで加熱する速度は、１０℃／秒以上２５０℃／秒以下の範囲内の加熱速度とする。急冷する際は、本発明鋼に冷却液を噴射して急冷する。
【００３２】
上述したように、本発明鋼は、１０℃／秒以上２５０℃／秒以下の範囲内の加熱速度で急速加熱できる。一方、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼を室温から焼入温度までに加熱する速度は、１０℃／秒以上５０℃／秒以下の範囲内の加熱速度である。従って、本発明鋼は、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼に用いられない５０℃／秒を超える加熱速度で加熱できることとなる。このため、本発明鋼を用いて誘導加熱もしくは直接通電すると、短時間の熱処理で高強度鋼を得られることとなる。
【００３３】
また、電気炉を使って本発明鋼を熱処理する場合、焼入温度までの加熱速度は非常に遅く、このため、変形も大きくなり易い。しかし、図１から図３までに示す熱処理では、本発明鋼が急速に焼入温度まで加熱されるので、変形を低減できる。なお、目的とする硬さによっては焼入温度から放冷してもよく、これにより変形をいっそう抑えられる。
【００３４】
図４から図１４までを参照して、本発明鋼を熱処理して得られた高強度鋼の機械的性質を説明する。表２に、以下の実験で使用した本発明鋼の化学組成を示す。なお、表２には、比較例として使用したＳＵＳ４４０Ｃ鋼（ＪＩＳ規格）の化学組成も示す。
【００３５】
【表２】
先ず、図４を参照して、本発明鋼を熱処理して得られた高強度鋼の硬さ及び残留オーステナイト量に及ぼす焼入温度及び加熱速度の影響について説明する。
【００３６】
図４は、本発明鋼を熱処理した後の硬さ及び残留オーステナイト量に及ぼす焼入温度（ここでは、オーステナイト化温度）及び加熱速度の影響を表わすグラフである。
【００３７】
ここでは本発明鋼を、図１に示す方法で熱処理し、本発明鋼の表面層を焼入温度に加熱した直後に急冷した。図４の上半分は表面の残留オーステナイト量と焼入温度との関係を表わし、下半分は表面のビッカース硬さと焼入温度との関係を表わす。この図の横軸はオーステナイト化温度を表わし、上の辺には「℃」の目盛が刻まれており、下の辺には「Ｋ」の目盛が刻まれている。また、この図の縦軸は、上半分が残留オーステナイト量を表わし、下半分がビッカース硬さ（３００ｇ）を表わす。図中の黒丸（●）は、本発明鋼を１℃／秒の加熱速度で室温から焼入温度まで加熱したものを表わし、三角形（△）は、５０℃／秒の加熱速度で室温から焼入温度まで加熱したものを表わし、白丸（○）は、２００℃／秒の加熱速度で室温から焼入温度まで加熱したものを表わす。また、図中の逆三角形（▽）は、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼を２００℃／秒の加熱速度で室温から焼入温度まで加熱した場合の比較データである。なお、残留オーステナイト量の測定は、周知のＸ線回折法で行った。
【００３８】
図４に示すように、本発明鋼を１℃／秒という遅い加熱速度で加熱した場合は、焼入温度が約１０５０℃を超えると残留オーステナイト量が急激に増加し、硬さが低下する。一方、本発明鋼を５０℃／秒の加熱速度で加熱した場合は、焼入温度が約１１００℃に近付くと残留オーステナイト量が増加するものの、加熱速度が１℃／秒の場合の半分程度である。本発明鋼を２００℃／秒の加熱速度で加熱した場合は、焼入温度が１０００℃以上１１００℃以下の範囲内では、残留オーステナイト量が少なく、十分な硬さを得られた。なお、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼を２００℃／秒の加熱速度で加熱した場合、高い硬さが得られる焼入温度は１１５０〜１２００℃の範囲内になったが、その最高硬さは本発明鋼の最高硬さよりも低かった。
【００３９】
従って、上記の実験から、短時間の熱処理という点を考慮すると、本発明鋼を５０℃／秒以上の加熱速度で加熱することが好ましいといえる。
【００４０】
図５を参照して、本発明鋼を焼入する際の加熱速度と最高硬さを得られるオーステナイト化温度との関係を説明する。
【００４１】
図５は、本発明鋼を焼入する際の加熱速度と最高硬さを得られるオーステナイト化温度との関係を示すグラフである。
【００４２】
ここでは本発明鋼を、図１に示す方法で熱処理し、本発明鋼の表面層を焼入温度に加熱した直後に急冷した。図５の横軸は加熱速度（Ｋ／秒）を表わす。また、縦軸はオーステナイト化温度を表わし、右には「℃」の目盛が刻まれており、左には「Ｋ」の目盛が刻まれている。図中の白丸（○）は、炭化物の球状化が施された本発明鋼を試験片とした場合であり、図中の黒丸（●）は、炭化物の球状化が施されていない本発明鋼を試験片とした場合である。また、図中の逆三角形（▽）は、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼を試験片とした場合である。なお、残留オーステナイト量の測定は、周知のＸ線回折法で行った。
【００４３】
図５に示すように、炭化物の球状化が施された本発明鋼では、加熱速度が速くなるほど、最高硬さを得られるオーステナイト化温度が高くなった。また、炭化物の球状化が施されていない本発明鋼では、加熱速度が約５０Ｋ／秒までは、最高硬さを得られるオーステナイト化温度は一定であるが、加熱速度が約５０Ｋ／秒を超えると、加熱速度が速くなるほど、最高硬さを得られるオーステナイト化温度が高くなった。なお、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼では、最高硬さを得られるオーステナイト化温度は、本発明鋼の場合よりも高い。従って、本発明鋼とＳＵＳ４４０Ｃ鋼に最高硬さを得る熱処理を施した場合、本発明鋼のほうがＳＵＳ４４０Ｃ鋼よりも変形が少ないと考えられる。
【００４４】
図６を参照して、本発明鋼を焼入する際の加熱速度と最高硬さとの関係を説明する。
【００４５】
図６は、本発明鋼を焼入する際の加熱速度と最高硬さとの関係を示すグラフである。
【００４６】
ここでは本発明鋼を、図１に示す方法で熱処理し、本発明鋼の表面層を焼入温度に加熱した直後に急冷した。図５の横軸は加熱速度（Ｋ／秒）を表わし、縦軸は最高硬さ（ＨＶ３００ｇ）を表わす。図中の白丸（○）は、炭化物の球状化が施された本発明鋼を試験片とした場合であり、図中の黒丸（●）は、炭化物の球状化が施されていない本発明鋼を試験片とした場合である。また、図中の逆三角形（▽）は、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼を試験片とした場合である。
【００４７】
図６に示すように、炭化物の球状化が施された本発明鋼では、加熱速度によらず、最高硬さはほぼ一定のＨＶ７４０前後であった。また、炭化物の球状化が施されていない本発明鋼では、加熱速度が約６０Ｋ／秒までは、最高硬さが少しずつ高くなったが、加熱速度が約６０Ｋ／秒を超えると、加熱速度が速くなるほど、最高硬さが急激に低くなった。なお、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼の最高硬さは、どの加熱速度でも本発明鋼の最高硬さよりも低い。
【００４８】
次に、図７、図８を参照して、本発明鋼の疲労試験の結果をＳＵＳ４４０Ｃ鋼の疲労試験結果と比較して説明する。ここでは、周知の小野式回転曲げ疲労試験機を用いて疲労試験をした。
【００４９】
図７は、本発明鋼とＳＵＳ４４０Ｃ鋼の疲労試験結果を比較して示すグラフであり、横軸は繰返し回数を表わし、縦軸は振幅応力（Ｎ／ｍｍ2 ）を表わす。図８は、この疲労試験で用いた試験片の熱処理方法を示すグラフであり、オーステナイト化温度（焼入温度）までの加熱速度は５０℃／秒とした。なお、この疲労試験に用いた試験片の全長は２８０ｍｍ、平行部の直径は１２ｍｍ、両端のチャック部の直径は２５ｍｍである。
【００５０】
試験片を高周波焼入れするに当っては、周波数を８０ｋＨｚとして１８秒間で焼入温度まで加熱し、０．５秒間放冷した後、冷却水を１２秒間噴射して焼入れした。その後、電気炉を用いて１８０℃で１時間の焼戻しをした。
【００５１】
図中の白丸（○）は、焼入温度を１０００℃にした本発明鋼の疲労試験結果を表わし、白三角形（△）は、焼入温度を１０５０℃にした本発明鋼の疲労試験結果を表わし、白四角形（□）は、焼入温度を１１００℃にした本発明鋼の疲労試験結果を表わす。一方、図中の黒丸（●）は、焼入温度を１０５０℃にしたＳＵＳ４４０Ｃ鋼の疲労試験結果を表わし、黒三角形（▲）は、焼入温度を１１００℃にしたＳＵＳ４４０Ｃ鋼の疲労試験結果を表わし、黒四角形（■）は、焼入温度を１１５０℃にしたＳＵＳ４４０Ｃ鋼の疲労試験結果を表わす。
【００５２】
図７に示すように、本発明鋼とＳＵＳ４４０Ｃ鋼の疲労強度を比較した場合、平均して本発明鋼の方が優れている。この実験では、１０５０℃で焼入れした本発明鋼の疲労強度が最も優れていた。この実験結果から、優れた疲労強度を得たい場合は、本発明鋼を１０５０℃で焼入れるのが好ましいことが判明した。
【００５３】
図９を参照して、本発明鋼の摩耗試験の結果をＳＵＳ４４０Ｃ鋼の摩耗試験結果と比較して説明する。ここでは、周知の西原式摩耗試験機を用いて圧縮荷重２５０ｋｇｆ、回転数７２０ｒｐｍで摩耗試験をした。なお、摩耗試験に用いた試験片はリング状のものであり、外径３０ｍｍ、内径１６ｍｍ、厚さ８ｍｍである。
【００５４】
図９は、本発明鋼とＳＵＳ４４０Ｃ鋼の摩耗試験結果を比較して示すグラフであり、横軸は摩耗距離（ｍ）を表わし、縦軸は摩耗減量（ｍｇ）を表わす。図１０は、この摩耗試験で用いた試験片の熱処理方法を示すグラフであり、オーステナイト化温度（焼入温度）までの加熱速度は５０℃／秒とした。
【００５５】
試験片を高周波焼入れするに当っては、周波数を８０ｋＨｚとして１８秒間で焼入温度まで加熱し、０．５秒間放冷した後、冷却水を８秒間噴射して焼入れした。その後、電気炉を用いて１８０℃で１時間の焼戻しをした。
【００５６】
図中の白丸（○）は、焼入温度を１０００℃にした本発明鋼の摩耗試験結果を表わし、白三角形（△）は、焼入温度を１０５０℃にした本発明鋼の摩耗試験結果を表わす。一方、図中の黒丸（●）は、焼入温度を１０５０℃にしたＳＵＳ４４０Ｃ鋼の摩耗試験結果を表わし、黒三角形（▲）は、焼入温度を１１００℃にしたＳＵＳ４４０Ｃ鋼の摩耗試験結果を表わす。
【００５７】
図９に示すように、本発明鋼とＳＵＳ４４０Ｃ鋼の耐摩耗性を比較した場合、焼入温度にもよるが、両者ともにほぼ同程度の耐摩耗性を有している。この実験では、１０００℃で焼入れした本発明鋼と１０５０℃で焼入れしたＳＵＳ４４０Ｃ鋼の耐摩耗性がほぼ同程度のものであり、また、１０５０℃で焼入れした本発明鋼と１１００℃で焼入れしたＳＵＳ４４０Ｃ鋼の耐摩耗性がほぼ同程度のものであった。この実験結果から、本発明鋼の耐摩耗性を高めたい場合は、本発明鋼を１０５０℃で焼入れるのが好ましいことが判明した。
【００５８】
図１１を参照して、図２に示すヒートパターンで本発明鋼を熱処理したときの保持時間と硬さの関係を説明する。
【００５９】
図１１は、図２に示すヒートパターンで本発明鋼を熱処理したときの保持時間と硬さの関係を示すグラフであり、横軸は保持時間（秒）を表わし、縦軸はビッカース硬さを表わす。この実験では、焼入温度を１０５０℃とし、室温から焼入温度までの加熱速度を５０℃／秒とした。
【００６０】
図１１に示すように、焼入温度に保持する保持時間が長くなるほど、高い硬さが得られた。この実験結果から、目的に応じて本発明鋼の硬さを変えたい場合は、焼入温度に保持する保持時間を変更すればよいことが判明した。
【００６１】
図１２から図１４を参照して、本発明鋼及びＳＵＳ４４０Ｃ鋼を高周波焼入れした場合と炉加熱焼入れした場合の疲労試験結果及び摩耗試験結果を比較して説明する。
【００６２】
図１２は、疲労試験結果を示すグラフであり、図１３は疲労試験片の表面残留応力を示すグラフである。図１４は、摩耗試験結果を示すグラフである。
【００６３】
高周波焼入れでは、８０ｋＨｚ、２００ｋＷで誘導加熱して急冷した。また、炉加熱焼入れでは真空炉を用いて加熱して急冷した。両者ともに焼入後、電気炉で焼戻し（１８０°×１時間）をして試験片とした。疲労試験では、小野式回転曲げ疲労試験機（２９４Ｎ・ｍ、３０００ｒｐｍ）を用いて行い、Ｓ−Ｎ線図を作成した。また、残留応力は、微小部Ｘ線応力測定装置（リガク製、ＰＳＰＣシステム）を用いて測定した。摩耗試験では、西原式摩耗試験機（圧縮荷重２４５０Ｎ、すべり度９％（７２０ｒｐｍ）、大気中、潤滑有り（タービン油）、相手材ＳＵＪ２）を用いて行い、摩耗減量曲線を求めた。
【００６４】
図１２に示すように、疲れ限度は、本発明鋼を高周波焼入れしたときが約９２０Ｎ／ｍｍ2 で最も高く、次に、本発明鋼を炉加熱焼入れしたときが約８５０Ｎ／ｍｍ2となった。ＳＵＳ鋼の疲れ限度は、炉加熱焼入れしたときが約８２５Ｎ／ｍｍ2となり、高周波焼入れしたときが約８１０Ｎ／ｍｍ2 となった。
【００６５】
本発明鋼とＳＵＳ４４０Ｃ鋼の表面圧縮残留応力を比較すると、図１３に示すように、本発明鋼を高周波焼入れしたときの表面圧縮残留応力が最も大きい。これが、本発明鋼を高周波焼入れしたときの疲れ限度が高い理由の一つと考えられる。
【００６６】
また、摩耗試験結果では、図１４に示すように、上記したいずれの試験片の摩耗量も少なく、鋼材や熱処理方法による顕著な差はみられなかった。
【００６７】
以上説明したように、高周波誘導加熱などを利用して本発明鋼を熱処理すると、短時間で本発明鋼を高強度鋼にすることができる。また、焼入温度やこの焼入温度に保持する時間を変更することにより本発明鋼の耐摩耗性や硬さが変わるので、熱処理条件を適宜に選択することにより、本発明鋼を、目的に合った特性を有する高強度鋼にすることができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の高強度鋼の製造方法によれば、所定の化学組成の鋼に通電してこの鋼を焼入温度に加熱し、この加熱された鋼を冷却して高強度鋼を製造するので、電気炉を使用して加熱する場合に比べて短時間の熱処理で製造できる。
【００６９】
ここで、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、この鋼の表面層のみをこの焼入温度に加熱する場合は、表面層が硬くて内部は靭性に富んだ高強度鋼を得られる。
【００７０】
また、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、この鋼の全体をこの焼入温度に加熱する場合は、全体が硬い高強度鋼を得られる。
【００７１】
さらに、上記鋼に通電するに当り、この鋼を誘導加熱することによりこの鋼に通電する場合は、短時間で迅速に加熱できるので、熱処理時間が短くて変形の少ない高強度鋼を製造できる。
【００７２】
さらにまた、上記鋼に通電するに当り、この鋼に電極を接触させて通電する場合も、短時間で迅速に加熱できるので、熱処理時間が短くて変形の少ない高強度鋼を製造できる。
【００７３】
さらにまた、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、１０００℃以上１１００℃以下の範囲内の温度に加熱する場合は、ＳＵＳ４４０Ｃなどのマルテンサイト系ステンレス鋼に比べて焼入温度が低いので、熱処理し易く、また、熱処理する際のエネルギーコストの低い高強度鋼を製造できる。
【００７４】
さらにまた、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、１０℃／秒以上２５０℃／秒以下の範囲内の加熱速度で焼入温度まで加熱する場合は、短時間で迅速に加熱されるので、熱処理時間が短くて変形の少ない高強度鋼を製造できる。
【００７５】
さらにまた、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、５０℃／秒以上２００℃／秒以下の範囲内の加熱速度で焼入温度まで加熱する場合は、いっそう短時間で迅速に加熱されるので、熱処理時間が短くて変形のさらに少ない高強度鋼を製造できる。
【００７６】
さらにまた、上記鋼を１０００℃以上１１００℃以下の範囲内の焼入温度に加熱し、この加熱した直後に冷却する場合は、加熱の直後に冷却されるので、熱処理時間が短くて済む。
【００７７】
さらにまた、上記鋼を１０００℃以上１１００℃以下の範囲内の焼入温度に加熱し、この焼入温度に所定時間保持した後に冷却する場合は、焼入温度に保持する時間を変更するだけで硬さの異なる高強度鋼を製造できる。
【００７８】
さらにまた、上記鋼を１０００℃以上１１００℃以下の範囲内のオーステナイト化温度に加熱し、この加熱後に所定の焼入温度まで放冷し、この放冷後に急冷する場合は、放冷するので、その分、変形を少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明鋼を焼入温度に加熱した直後に急冷する熱処理を模式的に示すグラフである。
【図２】本発明鋼を焼入温度に加熱した後にこの焼入温度で所定時間保持し、その後に急冷する熱処理を模式的に示すグラフである。
【図３】本発明鋼を焼入温度に加熱した後に所定の温度まで放冷し、その後に急冷する熱処理を模式的に示すグラフである。
【図４】本発明鋼の熱処理後の硬さ及び残留オーステナイト量に及ぼす焼入温度及び加熱速度の影響を表わすグラフである。
【図５】本発明鋼を焼入する際の加熱速度と最高硬さを得られるオーステナイト化温度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明鋼を焼入する際の加熱速度と最高硬さとの関係を示すグラフである。
【図７】本発明鋼とＳＵＳ４４０Ｃ鋼の疲労試験結果を比較して示すグラフである。
【図８】図７の疲労試験で用いた試験片の熱処理方法を示すグラフである。
【図９】本発明鋼とＳＵＳ４４０Ｃ鋼の摩耗試験結果を比較して示すグラフである。
【図１０】図９の摩耗試験で用いた試験片の熱処理方法を示すグラフである。
【図１１】図２に示すヒートパターンで本発明鋼を熱処理したときの保持時間と硬さの関係を示すグラフである。
【図１２】本発明鋼及びＳＵＳ４４０Ｃ鋼を高周波焼入れした場合と炉加熱焼入れした場合の疲労試験結果を比較して示すグラフである。
【図１３】本発明鋼及びＳＵＳ４４０Ｃ鋼を高周波焼入れした場合と炉加熱焼入れした場合の疲労試験片の表面残留応力を示すグラフである。
【図１４】本発明鋼及びＳＵＳ４４０Ｃ鋼を高周波焼入れした場合と炉加熱焼入れした場合の摩耗試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｑｔ 焼入温度
Ｒｔ 室温
ｔ１ 加熱時間
ｔ２ 放冷時間
ｔ３ 保持時間
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学組成がマルテンサイト系ステンレス鋼に類似している高強度鋼の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から様々な産業分野でマルテンサイト系ステンレス鋼が用いられている。このマルテンサイト系ステンレス鋼としては、一般に、ＳＵＳ４２０Ｊ２やＳＵＳ４４０Ｃ系（ＪＩＳ規格）などが使用されている。このようなマルテンサイト系ステンレス鋼は、通常、焼入れ・焼戻しして使用される。マルテンサイト系ステンレス鋼を焼入れするに当っては、電気炉を用いて焼入温度に加熱して急冷する。これにより高い硬さと高強度を有するマルテンサイト系ステンレス鋼が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、電気炉を用いて加熱しているので、熱処理に長時間かかる。また、この長時間の熱処理に起因して鋼部品の変形が大きくなり易い。さらに、マルテンサイト系ステンレス鋼では、例えばＳＵＳ４４０Ｃのオーステナイト化温度幅が１１５０〜１２００℃であるなど、そのオーステナイト化温度幅が狭く、しかも、上記したように熱処理時間が長いので、残留オーステナイトが急に増加したりする。このため、実用的には安定した品質を確保しにくいという問題がある。なお、電気炉による熱処理は一般にバッチ処理であるため、インライン化が困難であるという問題もある。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑み、短時間の熱処理で高強度鋼を得られる高強度鋼の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の高強度鋼の製造方法は、Ｃを０．６０重量％以上０．７０重量％以下、Ｓｉを０．３５重量％以下、Ｍｎを０．６０重量％以上０．８０重量％以下、Ｃｒを１２．５０重量％以上１３．５０重量％以下含有し、残部Ｆｅ、及び、不可避的不純物からなる鋼を、この鋼に通電することにより焼入温度に加熱し、冷却することを特徴とするものである。
【０００６】
ここで、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、この鋼の表面層のみをこの焼入温度に加熱してもよい。
【０００７】
また、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、この鋼の全体をこの焼入温度に加熱してもよい。
【０００８】
さらに、上記鋼に通電するに当り、この鋼を誘導加熱することによりこの鋼に通電してもよい。
【０００９】
さらにまた、上記鋼に通電するに当り、この鋼に電極を接触させて通電してもよい。
【００１０】
さらにまた、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、１０００℃以上１１００℃以下の範囲内の温度に加熱してもよい。
【００１１】
さらにまた、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、１０℃／秒以上２５０℃／秒以下の範囲内の加熱速度で焼入温度まで加熱してもよい。
【００１２】
さらにまた、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、５０℃／秒以上２００℃／秒以下の範囲内の加熱速度で焼入温度まで加熱してもよい。
【００１３】
さらにまた、上記鋼を１０００℃以上１１００℃以下の範囲内の焼入温度に加熱し、この加熱した直後に冷却してもよい。
【００１４】
さらにまた、上記鋼を１０００℃以上１１００℃以下の範囲内の焼入温度に加熱し、この焼入温度に所定時間保持した後に冷却してもよい。
【００１５】
さらにまた、上記鋼を１０００℃以上１１００℃以下の範囲内のオーステナイト化温度に加熱し、この加熱後に所定の焼入温度まで放冷し、この放冷後に急冷してもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００１７】
本発明の高強度鋼の化学組成を、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼（ＪＩＳ規格）の化学組成と比較して表１に示す。本発明の高強度鋼の化学組成を有し、後述する熱処理が施される前の鋼を、ここでは本発明鋼と呼ぶ。
【００１８】
【表１】
【００１９】
このように化学成分を限定した理由を説明する。
【００２０】
Ｃは、高周波焼入れしたときの硬さを高くし、焼入層に強度や耐摩耗性を付与するために必要な元素であり、このため、０．６０重量％以上添加した。しかし、Ｃの添加量が多くなり過ぎると素地の炭化物粒径が大きくなり、高周波熱処理の際の短時間加熱によっては素地に炭化物が十分に固溶しない。この結果、高周波焼入れの際に素地のＣ濃度が高くならずに低いままであるので、オーステナイト化温度は低下せず、焼入性が低下する。また、炭化物粒径が大きくなると機械加工性も低下する。さらに、Ｃの添加量が、０．６０重量％以上０．７０重量％以下の範囲内であると素地に微細な炭化物が十分に分布し、高周波熱処理の際の短時間・急速加熱によっても微細な炭化物が素地に十分に固溶してオーステナイト化温度が低下する。以上のような理由から、Ｃの含有量を０．７０重量％以下とした。
【００２１】
Ｓｉは、製鋼過程において脱酸剤として添加されるが、添加し過ぎると素地が固溶強化されて冷間鍛造性や切削加工性を低下させるので、０．３５重量％以下とした。
【００２２】
Ｍｎは、焼入性を向上させる元素であるので、下限を０．６０重量％とした。しかし、添加し過ぎると機械加工性を低下させるだけでなく、焼入れ後の残留オーステナイトが増加して硬度が低下し、しかも、素材コストが増加する。このため、上限を０．８０重量％とした。
【００２３】
Ｃｒは、耐食性を向上させるために必要な元素であるので、下限を１２．５０重量％とした。しかし、添加量が増加すると炭化物が大きくなり、高周波熱処理の際の短時間加熱によっては素地に炭化物が十分に固溶せず、高周波焼入性が低下する。また、添加量が増加すると、その分、素材コストも増加する。このため、上限を１３．５０重量％とした。
【００２４】
なお、不可避的な不純物元素以外は材料コストを増加させるので、上記した元素以外の元素は積極的には添加しないこととした。
【００２５】
本発明鋼のオーステナイト化温度は、１０００℃以上１１００℃以下の温度範囲内である。一方、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼のオーステナイト化温度は、１１５０℃以上１２００℃以下の温度範囲内である。従って、本発明鋼のオーステナイト化温度はＳＵＳ４４０Ｃ鋼のそれに比べて低い。しかも、本発明鋼では、オーステナイト化温度幅が１００℃であり、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼のオーステナイト化温度幅（５０℃）に比べると２倍である。このため、熱処理し易く、熱処理する際のエネルギーコストも低くできる。また、オーステナイト化温度、即ち焼入温度が低いので、その分、変形を抑えられることとなる。
【００２６】
図１、図２、及び図３を参照して、本発明鋼の熱処理方法を説明する。
【００２７】
図１は、本発明鋼を焼入温度に加熱した直後に急冷する熱処理を示すグラフである。図２は、本発明鋼を焼入温度に加熱した後にこの焼入温度で所定時間保持し、その後に急冷する熱処理を示すグラフである。図３は、本発明鋼を焼入温度に加熱した後に所定の温度まで放冷し、その後に急冷する熱処理を示すグラフである。
【００２８】
上述したように、本発明鋼のオーステナイト化温度は１０００℃以上１１００℃以下の温度範囲内であるので、焼入温度Ｑｔは１０００℃以上１１００℃以下の温度範囲内である。また、本発明鋼を焼入温度にまで加熱する際には、高周波誘導加熱を利用してもよいし、本発明鋼に電極を接触させてて直接に電流を通しても（直接通電しても）よい。また、本発明鋼を用いて製造した鋼部品のサイズや用途等に応じて、この鋼部品の表面層のみを焼入温度に加熱して硬化させるのか、もしくは、この鋼部品の全体を焼入温度に加熱して硬化させるのかを決める。
【００２９】
図１に示す熱処理では、本発明鋼を室温Ｒｔから焼入温度Ｑｔに加熱した直後に急冷する。室温Ｒｔから焼入温度Ｑｔまで加熱する速度は、１０℃／秒以上２５０℃／秒以下の範囲内の加熱速度とする。加熱速度は、（Ｑｔ−Ｒｔ）／ｔ１から求める。この求め方は、図２と図３で示す熱処理の場合も同様である。急冷する際は、本発明鋼に冷却液を噴射して急冷する。
【００３０】
図２に示す熱処理では、本発明鋼を室温Ｒｔから焼入温度Ｑｔに加熱した後にこの焼入温度に所定時間（ｔ２秒間）保持し、その後に急冷する。このように焼入温度に所定時間保持する理由は、保持時間に依存して焼入後の本発明鋼の硬さが変わるからである。この点については、図１１を参照して後述する。また、室温Ｒｔから焼入温度Ｑｔまで加熱する速度は、１０℃／秒以上２５０℃／秒以下の範囲内の加熱速度とする。急冷する際は、本発明鋼に冷却液を噴射して急冷する。
【００３１】
図３に示す熱処理では、本発明鋼をオーステナイト化温度Ｍｔに加熱した後に所定の焼入温度Ｑｔまでｔ３秒間で放冷し、その後に急冷する。ここでは、移動焼入れを行ったので、本発明鋼が加熱コイルを通過してから冷却ジャケットに到達するまでにｔ３秒を要し、この間（ｔ３秒間）が放冷となった。また、室温Ｒｔからオーステナイト化温度M ｔまで加熱する速度は、１０℃／秒以上２５０℃／秒以下の範囲内の加熱速度とする。急冷する際は、本発明鋼に冷却液を噴射して急冷する。
【００３２】
上述したように、本発明鋼は、１０℃／秒以上２５０℃／秒以下の範囲内の加熱速度で急速加熱できる。一方、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼を室温から焼入温度までに加熱する速度は、１０℃／秒以上５０℃／秒以下の範囲内の加熱速度である。従って、本発明鋼は、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼に用いられない５０℃／秒を超える加熱速度で加熱できることとなる。このため、本発明鋼を用いて誘導加熱もしくは直接通電すると、短時間の熱処理で高強度鋼を得られることとなる。
【００３３】
また、電気炉を使って本発明鋼を熱処理する場合、焼入温度までの加熱速度は非常に遅く、このため、変形も大きくなり易い。しかし、図１から図３までに示す熱処理では、本発明鋼が急速に焼入温度まで加熱されるので、変形を低減できる。なお、目的とする硬さによっては焼入温度から放冷してもよく、これにより変形をいっそう抑えられる。
【００３４】
図４から図１４までを参照して、本発明鋼を熱処理して得られた高強度鋼の機械的性質を説明する。表２に、以下の実験で使用した本発明鋼の化学組成を示す。なお、表２には、比較例として使用したＳＵＳ４４０Ｃ鋼（ＪＩＳ規格）の化学組成も示す。
【００３５】
【表２】
【００３６】
図４は、本発明鋼を熱処理した後の硬さ及び残留オーステナイト量に及ぼす焼入温度（ここでは、オーステナイト化温度）及び加熱速度の影響を表わすグラフである。
【００３７】
ここでは本発明鋼を、図１に示す方法で熱処理し、本発明鋼の表面層を焼入温度に加熱した直後に急冷した。図４の上半分は表面の残留オーステナイト量と焼入温度との関係を表わし、下半分は表面のビッカース硬さと焼入温度との関係を表わす。この図の横軸はオーステナイト化温度を表わし、上の辺には「℃」の目盛が刻まれており、下の辺には「Ｋ」の目盛が刻まれている。また、この図の縦軸は、上半分が残留オーステナイト量を表わし、下半分がビッカース硬さ（３００ｇ）を表わす。図中の黒丸（●）は、本発明鋼を１℃／秒の加熱速度で室温から焼入温度まで加熱したものを表わし、三角形（△）は、５０℃／秒の加熱速度で室温から焼入温度まで加熱したものを表わし、白丸（○）は、２００℃／秒の加熱速度で室温から焼入温度まで加熱したものを表わす。また、図中の逆三角形（▽）は、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼を２００℃／秒の加熱速度で室温から焼入温度まで加熱した場合の比較データである。なお、残留オーステナイト量の測定は、周知のＸ線回折法で行った。
【００３８】
図４に示すように、本発明鋼を１℃／秒という遅い加熱速度で加熱した場合は、焼入温度が約１０５０℃を超えると残留オーステナイト量が急激に増加し、硬さが低下する。一方、本発明鋼を５０℃／秒の加熱速度で加熱した場合は、焼入温度が約１１００℃に近付くと残留オーステナイト量が増加するものの、加熱速度が１℃／秒の場合の半分程度である。本発明鋼を２００℃／秒の加熱速度で加熱した場合は、焼入温度が１０００℃以上１１００℃以下の範囲内では、残留オーステナイト量が少なく、十分な硬さを得られた。なお、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼を２００℃／秒の加熱速度で加熱した場合、高い硬さが得られる焼入温度は１１５０〜１２００℃の範囲内になったが、その最高硬さは本発明鋼の最高硬さよりも低かった。
【００３９】
従って、上記の実験から、短時間の熱処理という点を考慮すると、本発明鋼を５０℃／秒以上の加熱速度で加熱することが好ましいといえる。
【００４０】
図５を参照して、本発明鋼を焼入する際の加熱速度と最高硬さを得られるオーステナイト化温度との関係を説明する。
【００４１】
図５は、本発明鋼を焼入する際の加熱速度と最高硬さを得られるオーステナイト化温度との関係を示すグラフである。
【００４２】
ここでは本発明鋼を、図１に示す方法で熱処理し、本発明鋼の表面層を焼入温度に加熱した直後に急冷した。図５の横軸は加熱速度（Ｋ／秒）を表わす。また、縦軸はオーステナイト化温度を表わし、右には「℃」の目盛が刻まれており、左には「Ｋ」の目盛が刻まれている。図中の白丸（○）は、炭化物の球状化が施された本発明鋼を試験片とした場合であり、図中の黒丸（●）は、炭化物の球状化が施されていない本発明鋼を試験片とした場合である。また、図中の逆三角形（▽）は、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼を試験片とした場合である。なお、残留オーステナイト量の測定は、周知のＸ線回折法で行った。
【００４３】
図５に示すように、炭化物の球状化が施された本発明鋼では、加熱速度が速くなるほど、最高硬さを得られるオーステナイト化温度が高くなった。また、炭化物の球状化が施されていない本発明鋼では、加熱速度が約５０Ｋ／秒までは、最高硬さを得られるオーステナイト化温度は一定であるが、加熱速度が約５０Ｋ／秒を超えると、加熱速度が速くなるほど、最高硬さを得られるオーステナイト化温度が高くなった。なお、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼では、最高硬さを得られるオーステナイト化温度は、本発明鋼の場合よりも高い。従って、本発明鋼とＳＵＳ４４０Ｃ鋼に最高硬さを得る熱処理を施した場合、本発明鋼のほうがＳＵＳ４４０Ｃ鋼よりも変形が少ないと考えられる。
【００４４】
図６を参照して、本発明鋼を焼入する際の加熱速度と最高硬さとの関係を説明する。
【００４５】
図６は、本発明鋼を焼入する際の加熱速度と最高硬さとの関係を示すグラフである。
【００４６】
ここでは本発明鋼を、図１に示す方法で熱処理し、本発明鋼の表面層を焼入温度に加熱した直後に急冷した。図５の横軸は加熱速度（Ｋ／秒）を表わし、縦軸は最高硬さ（ＨＶ３００ｇ）を表わす。図中の白丸（○）は、炭化物の球状化が施された本発明鋼を試験片とした場合であり、図中の黒丸（●）は、炭化物の球状化が施されていない本発明鋼を試験片とした場合である。また、図中の逆三角形（▽）は、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼を試験片とした場合である。
【００４７】
図６に示すように、炭化物の球状化が施された本発明鋼では、加熱速度によらず、最高硬さはほぼ一定のＨＶ７４０前後であった。また、炭化物の球状化が施されていない本発明鋼では、加熱速度が約６０Ｋ／秒までは、最高硬さが少しずつ高くなったが、加熱速度が約６０Ｋ／秒を超えると、加熱速度が速くなるほど、最高硬さが急激に低くなった。なお、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼の最高硬さは、どの加熱速度でも本発明鋼の最高硬さよりも低い。
【００４８】
次に、図７、図８を参照して、本発明鋼の疲労試験の結果をＳＵＳ４４０Ｃ鋼の疲労試験結果と比較して説明する。ここでは、周知の小野式回転曲げ疲労試験機を用いて疲労試験をした。
【００４９】
図７は、本発明鋼とＳＵＳ４４０Ｃ鋼の疲労試験結果を比較して示すグラフであり、横軸は繰返し回数を表わし、縦軸は振幅応力（Ｎ／ｍｍ2 ）を表わす。図８は、この疲労試験で用いた試験片の熱処理方法を示すグラフであり、オーステナイト化温度（焼入温度）までの加熱速度は５０℃／秒とした。なお、この疲労試験に用いた試験片の全長は２８０ｍｍ、平行部の直径は１２ｍｍ、両端のチャック部の直径は２５ｍｍである。
【００５０】
試験片を高周波焼入れするに当っては、周波数を８０ｋＨｚとして１８秒間で焼入温度まで加熱し、０．５秒間放冷した後、冷却水を１２秒間噴射して焼入れした。その後、電気炉を用いて１８０℃で１時間の焼戻しをした。
【００５１】
図中の白丸（○）は、焼入温度を１０００℃にした本発明鋼の疲労試験結果を表わし、白三角形（△）は、焼入温度を１０５０℃にした本発明鋼の疲労試験結果を表わし、白四角形（□）は、焼入温度を１１００℃にした本発明鋼の疲労試験結果を表わす。一方、図中の黒丸（●）は、焼入温度を１０５０℃にしたＳＵＳ４４０Ｃ鋼の疲労試験結果を表わし、黒三角形（▲）は、焼入温度を１１００℃にしたＳＵＳ４４０Ｃ鋼の疲労試験結果を表わし、黒四角形（■）は、焼入温度を１１５０℃にしたＳＵＳ４４０Ｃ鋼の疲労試験結果を表わす。
【００５２】
図７に示すように、本発明鋼とＳＵＳ４４０Ｃ鋼の疲労強度を比較した場合、平均して本発明鋼の方が優れている。この実験では、１０５０℃で焼入れした本発明鋼の疲労強度が最も優れていた。この実験結果から、優れた疲労強度を得たい場合は、本発明鋼を１０５０℃で焼入れるのが好ましいことが判明した。
【００５３】
図９を参照して、本発明鋼の摩耗試験の結果をＳＵＳ４４０Ｃ鋼の摩耗試験結果と比較して説明する。ここでは、周知の西原式摩耗試験機を用いて圧縮荷重２５０ｋｇｆ、回転数７２０ｒｐｍで摩耗試験をした。なお、摩耗試験に用いた試験片はリング状のものであり、外径３０ｍｍ、内径１６ｍｍ、厚さ８ｍｍである。
【００５４】
図９は、本発明鋼とＳＵＳ４４０Ｃ鋼の摩耗試験結果を比較して示すグラフであり、横軸は摩耗距離（ｍ）を表わし、縦軸は摩耗減量（ｍｇ）を表わす。図１０は、この摩耗試験で用いた試験片の熱処理方法を示すグラフであり、オーステナイト化温度（焼入温度）までの加熱速度は５０℃／秒とした。
【００５５】
試験片を高周波焼入れするに当っては、周波数を８０ｋＨｚとして１８秒間で焼入温度まで加熱し、０．５秒間放冷した後、冷却水を８秒間噴射して焼入れした。その後、電気炉を用いて１８０℃で１時間の焼戻しをした。
【００５６】
図中の白丸（○）は、焼入温度を１０００℃にした本発明鋼の摩耗試験結果を表わし、白三角形（△）は、焼入温度を１０５０℃にした本発明鋼の摩耗試験結果を表わす。一方、図中の黒丸（●）は、焼入温度を１０５０℃にしたＳＵＳ４４０Ｃ鋼の摩耗試験結果を表わし、黒三角形（▲）は、焼入温度を１１００℃にしたＳＵＳ４４０Ｃ鋼の摩耗試験結果を表わす。
【００５７】
図９に示すように、本発明鋼とＳＵＳ４４０Ｃ鋼の耐摩耗性を比較した場合、焼入温度にもよるが、両者ともにほぼ同程度の耐摩耗性を有している。この実験では、１０００℃で焼入れした本発明鋼と１０５０℃で焼入れしたＳＵＳ４４０Ｃ鋼の耐摩耗性がほぼ同程度のものであり、また、１０５０℃で焼入れした本発明鋼と１１００℃で焼入れしたＳＵＳ４４０Ｃ鋼の耐摩耗性がほぼ同程度のものであった。この実験結果から、本発明鋼の耐摩耗性を高めたい場合は、本発明鋼を１０５０℃で焼入れるのが好ましいことが判明した。
【００５８】
図１１を参照して、図２に示すヒートパターンで本発明鋼を熱処理したときの保持時間と硬さの関係を説明する。
【００５９】
図１１は、図２に示すヒートパターンで本発明鋼を熱処理したときの保持時間と硬さの関係を示すグラフであり、横軸は保持時間（秒）を表わし、縦軸はビッカース硬さを表わす。この実験では、焼入温度を１０５０℃とし、室温から焼入温度までの加熱速度を５０℃／秒とした。
【００６０】
図１１に示すように、焼入温度に保持する保持時間が長くなるほど、高い硬さが得られた。この実験結果から、目的に応じて本発明鋼の硬さを変えたい場合は、焼入温度に保持する保持時間を変更すればよいことが判明した。
【００６１】
図１２から図１４を参照して、本発明鋼及びＳＵＳ４４０Ｃ鋼を高周波焼入れした場合と炉加熱焼入れした場合の疲労試験結果及び摩耗試験結果を比較して説明する。
【００６２】
図１２は、疲労試験結果を示すグラフであり、図１３は疲労試験片の表面残留応力を示すグラフである。図１４は、摩耗試験結果を示すグラフである。
【００６３】
高周波焼入れでは、８０ｋＨｚ、２００ｋＷで誘導加熱して急冷した。また、炉加熱焼入れでは真空炉を用いて加熱して急冷した。両者ともに焼入後、電気炉で焼戻し（１８０°×１時間）をして試験片とした。疲労試験では、小野式回転曲げ疲労試験機（２９４Ｎ・ｍ、３０００ｒｐｍ）を用いて行い、Ｓ−Ｎ線図を作成した。また、残留応力は、微小部Ｘ線応力測定装置（リガク製、ＰＳＰＣシステム）を用いて測定した。摩耗試験では、西原式摩耗試験機（圧縮荷重２４５０Ｎ、すべり度９％（７２０ｒｐｍ）、大気中、潤滑有り（タービン油）、相手材ＳＵＪ２）を用いて行い、摩耗減量曲線を求めた。
【００６４】
図１２に示すように、疲れ限度は、本発明鋼を高周波焼入れしたときが約９２０Ｎ／ｍｍ2 で最も高く、次に、本発明鋼を炉加熱焼入れしたときが約８５０Ｎ／ｍｍ2となった。ＳＵＳ鋼の疲れ限度は、炉加熱焼入れしたときが約８２５Ｎ／ｍｍ2となり、高周波焼入れしたときが約８１０Ｎ／ｍｍ2 となった。
【００６５】
本発明鋼とＳＵＳ４４０Ｃ鋼の表面圧縮残留応力を比較すると、図１３に示すように、本発明鋼を高周波焼入れしたときの表面圧縮残留応力が最も大きい。これが、本発明鋼を高周波焼入れしたときの疲れ限度が高い理由の一つと考えられる。
【００６６】
また、摩耗試験結果では、図１４に示すように、上記したいずれの試験片の摩耗量も少なく、鋼材や熱処理方法による顕著な差はみられなかった。
【００６７】
以上説明したように、高周波誘導加熱などを利用して本発明鋼を熱処理すると、短時間で本発明鋼を高強度鋼にすることができる。また、焼入温度やこの焼入温度に保持する時間を変更することにより本発明鋼の耐摩耗性や硬さが変わるので、熱処理条件を適宜に選択することにより、本発明鋼を、目的に合った特性を有する高強度鋼にすることができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の高強度鋼の製造方法によれば、所定の化学組成の鋼に通電してこの鋼を焼入温度に加熱し、この加熱された鋼を冷却して高強度鋼を製造するので、電気炉を使用して加熱する場合に比べて短時間の熱処理で製造できる。
【００６９】
ここで、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、この鋼の表面層のみをこの焼入温度に加熱する場合は、表面層が硬くて内部は靭性に富んだ高強度鋼を得られる。
【００７０】
また、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、この鋼の全体をこの焼入温度に加熱する場合は、全体が硬い高強度鋼を得られる。
【００７１】
さらに、上記鋼に通電するに当り、この鋼を誘導加熱することによりこの鋼に通電する場合は、短時間で迅速に加熱できるので、熱処理時間が短くて変形の少ない高強度鋼を製造できる。
【００７２】
さらにまた、上記鋼に通電するに当り、この鋼に電極を接触させて通電する場合も、短時間で迅速に加熱できるので、熱処理時間が短くて変形の少ない高強度鋼を製造できる。
【００７３】
さらにまた、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、１０００℃以上１１００℃以下の範囲内の温度に加熱する場合は、ＳＵＳ４４０Ｃなどのマルテンサイト系ステンレス鋼に比べて焼入温度が低いので、熱処理し易く、また、熱処理する際のエネルギーコストの低い高強度鋼を製造できる。
【００７４】
さらにまた、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、１０℃／秒以上２５０℃／秒以下の範囲内の加熱速度で焼入温度まで加熱する場合は、短時間で迅速に加熱されるので、熱処理時間が短くて変形の少ない高強度鋼を製造できる。
【００７５】
さらにまた、上記鋼を焼入温度に加熱するに当り、５０℃／秒以上２００℃／秒以下の範囲内の加熱速度で焼入温度まで加熱する場合は、いっそう短時間で迅速に加熱されるので、熱処理時間が短くて変形のさらに少ない高強度鋼を製造できる。
【００７６】
さらにまた、上記鋼を１０００℃以上１１００℃以下の範囲内の焼入温度に加熱し、この加熱した直後に冷却する場合は、加熱の直後に冷却されるので、熱処理時間が短くて済む。
【００７７】
さらにまた、上記鋼を１０００℃以上１１００℃以下の範囲内の焼入温度に加熱し、この焼入温度に所定時間保持した後に冷却する場合は、焼入温度に保持する時間を変更するだけで硬さの異なる高強度鋼を製造できる。
【００７８】
さらにまた、上記鋼を１０００℃以上１１００℃以下の範囲内のオーステナイト化温度に加熱し、この加熱後に所定の焼入温度まで放冷し、この放冷後に急冷する場合は、放冷するので、その分、変形を少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明鋼を焼入温度に加熱した直後に急冷する熱処理を模式的に示すグラフである。
【図２】本発明鋼を焼入温度に加熱した後にこの焼入温度で所定時間保持し、その後に急冷する熱処理を模式的に示すグラフである。
【図３】本発明鋼を焼入温度に加熱した後に所定の温度まで放冷し、その後に急冷する熱処理を模式的に示すグラフである。
【図４】本発明鋼の熱処理後の硬さ及び残留オーステナイト量に及ぼす焼入温度及び加熱速度の影響を表わすグラフである。
【図５】本発明鋼を焼入する際の加熱速度と最高硬さを得られるオーステナイト化温度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明鋼を焼入する際の加熱速度と最高硬さとの関係を示すグラフである。
【図７】本発明鋼とＳＵＳ４４０Ｃ鋼の疲労試験結果を比較して示すグラフである。
【図８】図７の疲労試験で用いた試験片の熱処理方法を示すグラフである。
【図９】本発明鋼とＳＵＳ４４０Ｃ鋼の摩耗試験結果を比較して示すグラフである。
【図１０】図９の摩耗試験で用いた試験片の熱処理方法を示すグラフである。
【図１１】図２に示すヒートパターンで本発明鋼を熱処理したときの保持時間と硬さの関係を示すグラフである。
【図１２】本発明鋼及びＳＵＳ４４０Ｃ鋼を高周波焼入れした場合と炉加熱焼入れした場合の疲労試験結果を比較して示すグラフである。
【図１３】本発明鋼及びＳＵＳ４４０Ｃ鋼を高周波焼入れした場合と炉加熱焼入れした場合の疲労試験片の表面残留応力を示すグラフである。
【図１４】本発明鋼及びＳＵＳ４４０Ｃ鋼を高周波焼入れした場合と炉加熱焼入れした場合の摩耗試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｑｔ 焼入温度
Ｒｔ 室温
ｔ１ 加熱時間
ｔ２ 放冷時間
ｔ３ 保持時間
Claims (2)
- Ｃ ０．６０重量％以上０．７０重量％以下
Ｓｉ ０．３５重量％以下
Ｍｎ ０．６０重量％以上０．８０重量％以下
Ｃｒ １２．５０重量％以上１３．５０重量％以下
残部Ｆｅ、及び、不可避的不純物からなる鋼を、該鋼に通電することにより１０００℃以上１１００℃以下の範囲内の焼入温度に５０℃／秒以上２００℃／秒以下の範囲内の加熱速度で加熱し、この加熱後に冷却し、２０％以下の残留オーステナイト量を有する高強度鋼を製造することを特徴とする高強度鋼の製造方法。 - 前記焼入温度を１０００℃以上１０５０℃以下の範囲内の温度とし、
残留オーステナイト量を２０％以下とすることを特徴とする請求項１に記載の高強度鋼の製造方法。
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