JP3878051B2 - 結晶粒度特性と被削性に優れた浸炭用鋼製品の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶粒度特性と被削性に優れた浸炭用鋼製品に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
浸炭用鋼は一般に熱間加工や冷間加工、切削加工等により所定の製品形状となった後、900℃以上の浸炭焼入れ焼戻し処理が行なわれる。しかし、前組織や浸炭条件等の組み合わせにより、浸炭時に結晶粒の粗大化が発生することが多い。それを防ぐために、AlNやNbCNといった析出物をピン止め粒子として活用するために、鋼材にAl、Nb、Nなどの成分調整がなされることがある。Ti添加浸炭用鋼も結晶粒粗大化防止を目的にTiを添加した鋼材である。ところで、このようなTi添加浸炭用鋼は、熱間加工後の冷却時に微細なTi化合物が多量に析出して硬さが高くなり、その後の切削加工が困難となる。しかし、熱間加工時の熱履歴の影響について、結晶粒度特性に着目したものはあるが、切削性に着目したものは少ない。一例として特開2000−80446に開示のものがあるが、これは熱間加工後の冷却時に微細なTi化合物が多量に析出して硬さが高くなり、その後の切削加工が困難となるので、切削加工の前に焼なまし工程を行うものである。熱間加工ままで切削性に優れた技術は未だ知られていない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記のとおり、浸炭時の結晶粒度特性に優れた浸炭用鋼としてTi添加鋼が開発されているが、製造時の熱履歴によっては微細なTi化合物が多量に析出し、硬さが高くなり、切削性が低下することがある。本発明が解決しようとする課題は、鋼材の化学成分と製造時の熱履歴を規定することにより、焼なましなどの追加の熱処理工程なしで、結晶粒度特性に優れているだけでなく、切削性にも優れた鋼の製造方法を提供するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項1の発明では、基本成分として、質量%で、C:0.10〜0.45%、Si:0.03〜1.0%、Mn:0.2〜2.0%、Ti:0.05〜0.2%、Al:0.005〜0.05%、N:0.01%以下を含有する。この基本成分に加え、さらにCr:0.90〜2.0%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼である。この成分からなる鋼の鋼塊またはブルームから、鋼片への圧延工程、その後の棒鋼線材への圧延工程および製品への鍛造工程を含めた一連の加工工程の熱履歴において、一度は1250℃以上に加熱し常温まで冷却した後、800℃から1100℃の温度域に再加熱し、上記の圧延および鍛造からなる熱間加工により、分散析出するTi化合物を1平方μm当り10000個以下とするとともに、その後の浸炭時に分散析出するTi化合物を1平方μm当り50個以上とすることを特徴とするTiを含有する浸炭用鋼製品の製造方法である。
【0005】
請求項2の発明では、基本成分として、質量%で、C:0.10〜0.45%、Si:0.03〜1.0%、Mn:0.2〜2.0%、Ti:0.05〜0.2%、Al:0.005〜0.05%、N:0.01%以下を含有する。この基本成分に加え、さらにCr:0.90〜2.0%、Mo:0.15〜1.5%、および、B:0.0005〜0.0050%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼である。この成分からなる鋼の鋼塊またはブルームから、鋼片への圧延工程、その後の棒鋼線材への圧延工程および製品への鍛造工程を含めた一連の加工工程の熱履歴において、一度は1250℃以上に加熱し常温まで冷却した後、800℃から1100℃の温度域に再加熱し、上記の圧延および鍛造からなる熱間加工により、分散析出するTi化合物を1平方μm当り10000個以下とするとともに、その後の浸炭時に分散析出するTi化合物を1平方μm当り50個以上とすることを特徴とするTiを含有する浸炭用鋼製品の製造方法である。
【0006】
請求項3の発明では、最終の熱間加工後の製品の冷却過程において、800℃から500℃までの平均冷却速度を5℃/sec以下とすることにより、熱間加工後の硬さを100HRB以下とすることを特徴とする請求項1または2の手段におけるTiを含有する浸炭用鋼製品の製造方法である。
【0007】
以上の本発明の手段における各鋼成分の上下限の限定理由および各条件の限定理由を説明する。
【0008】
請求項1および2の手段は、基本成分が質量%で、C:0.10〜0.45%、Si:0.03〜1.0%、Mn:0.2〜2.0%、Ti:0.05〜0.2%、Al:0.005〜0.05%、N:0.01%以下を含有する鋼からなるもので、この鋼を加工の熱履歴において、一度1250℃以上に加熱することにより、Ti炭化物、Ti炭窒化物などのTi化合物を完全に固溶させる。1250℃以下ではTi化合物が完全に固溶せず、鋳造時に1μm以上の粗大な大きさに析出したTi化合物が残留して有効Ti量が不足するため、浸炭時のTiC化合物が1平方μm当り50個以下となり結晶粒度特性を損なう。1250℃以上の温度域に加熱し常温まで冷却した後、1100℃から1250℃の温度域に加熱・保持・加工(圧延および/または鍛造)し、その後、再び1250℃以上に加熱することがない場合には、100nm以上の粗大なTi化合物が析出・残留し、有効Ti量が不足する。そのため、浸炭時のTiC化合物が1平方μm当り50個以下となって結晶粒度特性を損なう。さらに、この1100℃から1250℃の温度域に加熱されることによってTiCの固溶が始まり、冷却後整合析出して硬さ上昇に寄与する10nm以下の微細なTi化合物が多量に析出し、熱間加工後のTi化合物の数が1平方μm当り10000個以上となる。このため、硬さが高くなり切削性を損なう。
【0009】
1250℃以上の温度域に加熱し常温まで冷却した後、800℃以上の温度域に再加熱されない場合には、整合析出し硬さ上昇に寄与する10nm以下の微細なTi化合物が多量に析出し、Ti化合物の数が1平方μm当り10000個以上となるため、硬さが高くなり切削性を損なう。
【0010】
C:0.10〜0.45%
Cは、機械構造用部品として浸炭処理後の芯部強度を確保するために必要な元素であり、0.10%未満ではその効果が十分に得られず、反対に0.45%を超えると芯部の靱性を低下させる。そのため、含有量を0.10〜0.45%とした。
【0011】
Si:0.03〜1.0%
Siは、0.03%未満では脱酸効果が十分に得られず、過剰に含有させると加工性を低下させると共に浸炭時の粒界酸化層の形成を助長し疲労特性についても低下させる。そのため、上限を1.0%とし、含有量を0.03〜1.0%とした。
【0012】
Mn:0.2〜2.0%
Mnは、焼入性を確保するために必要な元素で0.2%未満ではその効果は十分に得られず、2.0%を超えると鋼中で偏析し加工性を低下させる。そのため、含有量は0.2〜2.0%とする。
【0013】
Ti:0.05〜0.2%
Tiは、Ti炭化物、Tiを含有する複合炭窒化物、Ti窒化物を微細に析出させることによって浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制するために必要な元素であり、0.05%未満ではその効果は十分でなく、0.2%を超えると析出物の量が過剰となり加工性を低下させる。そのため、含有量を0.05〜0.2%とする。
【0014】
Al:0.005〜0.05%
Alは脱酸剤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、含有量を0.005〜0.05%とする。
【0015】
N:0.01%以下
Nは、0.01%を超えて含有するとTiNが増加し、疲労特性に悪影響を及ぼすとともに、結晶粒の粗大化を抑制するのに必要なTi量を確保できなくなる。そのため、含有量を0.01%以下とした。
【0016】
請求項2の手段は、焼入性と強度および靱性の向上のために請求項1における鋼の成分に、Bを0.0005〜0.0050%を添加するものである。
【0017】
B:0.0005〜0.0050%
Bは、極微量の添加によって鋼の焼入性を著しく向上させる元素であり、かつ粒界に偏析し粒界破壊を抑制することにより強度および靱性を大幅に改善するが、0.0005%未満ではその効果は十分でなく、0.0050%を超えると熱間加工性を低下させる。そのため、含有量を0.0005〜0.0050%とする。
【0018】
さらに焼入性と強度および靱性の向上のために、請求項1または2における鋼成分に、質量%でCr:0.90〜2.0%、Mo:0.15〜1.5%を添加するものである。
【0019】
Cr:0.90〜2.0%、Mo:0.15〜1.5%
CrおよびMoは、焼入性の向上および靱性の向上に効果のある元素であるが、多すぎると効果は飽和する。そこで、Cr:0.90〜2.0%、Mo:0.15〜1.5%を材料の用途に応じて適宜使用してもよい。
【0020】
請求項1および2の手段は、熱間加工(圧延および/または鍛造)の結果、分散析出するTi化合物が1平方μm当り10000個以上となると、析出強化の効果により硬さが高くなり、切削性を損なう。一方浸炭時に分散析出するTi化合物が1平方μm当り50個以下となると浸炭時に結晶粒の粗大化を抑制する析出物の数が不足し、結晶粒度特性を損なうので、分散析出するTi化合物を1平方μm当り10000個以下とするとともに、その後の浸炭時に分散析出するTi化合物を1平方μm当り50個以上とするものである。
【0021】
請求項3の手段において、最終の熱間加工後、800℃から500℃までの平均冷却速度を5℃/secを超えると、ベイナイトや微細なパーライトが生成することにより、熱間加工後の硬さが100HRB超となり、切削性を損なう恐れがある。そこで800℃から500℃までの平均冷却速度を5℃/sec以下とすることにより、熱間加工後の硬さを100HRB以下とするものである。
【0022】
【発明の実施の形態】
表1において、発明鋼とは、本発明の方法の構成要件としての鋼を指すものであり、発明鋼1はSCr系に、発明鋼2はSCM−B系にそれぞれTiを添加した鋼であり、発明鋼と対比して示される比較鋼3はSCr系の鋼であり、比較鋼4はSCr系に少量のTiを添加した鋼であり、比較鋼5はSCM系に多量のNを添加した鋼である。
【0023】
【表1】
【0024】
表1に示す化学成分組成の発明鋼および比較鋼からなる供試鋼を真空溶解炉で溶製し、これらの供試鋼からなる鋼塊を鋼片に熱間圧延し常温まで冷却した後、棒鋼圧延として再加熱し、φ65に熱間圧延して常温まで冷却した。その後、部品鍛造として、φ30まで熱間鍛造を行った。この各熱間加工時の加熱温度を表2に示し、熱間加工後の冷却は空冷とした。No.4ではφ30への熱間鍛造後ファン冷却を行った。その後、熱間加工後のTi化合物の個数についてはφ30への熱間鍛造品を供試材に透過型電子顕微鏡にてカウントした。浸炭時のTi化合物の個数については、φ30への熱間鍛造品を1000℃×2時間の擬似浸炭を行い焼入れた後、透過型電子顕微鏡にてカウントした。浸炭粒度No.はφ30への熱間鍛造品を1000℃×2時間の擬似浸炭を行った後、飽和ピクリン酸にて旧オーステナイト結晶粒を観察し、浸炭粒度No.を算出した。硬さはφ30への熱間鍛造品を硬さ測定した。切削性の評価としてドリル穿孔試験を行い、各条件にて行った場合のドリル穿孔時間を表2のNo.8のSCr系(表1の比較鋼3)のドリル穿孔時間で割った数値をドリル穿孔性指数として示した。
【0025】
【表2】
【0026】
表2において、No.1とNo.5は化学成分および熱間加工条件のいずれもが良好な条件であるため、結晶粒度特性および切削性の両方に優れている。これに対し、No.2、No.6では鋼片圧延時の加熱温度が低いため、浸炭時のTi化合物の数が不足し、結晶粒度特性が劣る。No.3、No.7では部品鍛造時の加熱温度が高いため、熱間加工後に多量のTi化合物が析出し硬さが高くなり切削性が劣る。No.4では部品鍛造後の冷却速度が速いためベイナイトが生成して硬さが高くなり切削性が劣る。No.8、No.9ではTi添加量が少ないため、Ti化合物が不足し結晶粒度特性に劣る。No.10ではNの添加量が多いため固相中では固溶しないTiNが多量に析出するため有効Ti量が不足し、浸炭時のTi化合物の数が不足するため結晶粒度特性に劣る。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、特定の鋼成分とした浸炭用鋼を、鋼塊またはブルームから、鋼片への圧延工程、その後の棒鋼線材への圧延工程および製品への鍛造工程を含めた一連の加工工程の熱履歴において、一度は1250℃以上に加熱し常温まで冷却した後、部品鍛造時に800℃から1100℃の温度域に再加熱することにより、分散析出するTi化合物を1平方μm当り10000個以下とするとともに、その後の浸炭時に分散析出するTi化合物を1平方μm当り50個以上とすることで、粒度特性および切削性に優れた浸炭用鋼製品を得るものであり、さらに最終の熱間加工後の800℃から500℃までの平均冷却速度を5℃/sec以下とすることにより、熱間加工後の硬さを100HRB以下とすることができ、切削性を損なうことが防止されるなど優れた効果を奏するものである。
Claims (3)
- 質量%で、C:0.10〜0.45%、Si:0.03〜1.0%、Mn:0.2〜2.0%、Ti:0.05〜0.2%、Al:0.005〜0.05%、N:0.01%以下を含有し、さらにCr:0.90〜2.0%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を、鋼塊またはブルームから、鋼片への圧延工程、その後の棒鋼線材への圧延工程および製品への鍛造工程を含めた一連の加工工程の熱履歴において、一度は1250℃以上に加熱し常温まで冷却した後、800℃から1100℃の温度域に再加熱し、上記の圧延および鍛造からなる熱間加工により、分散析出するTi化合物を1平方μm当り10000個以下とするとともに、その後の浸炭時に分散析出するTi化合物を1平方μm当り50個以上とすることを特徴とするTiを含有する浸炭用鋼製品の製造方法。
- 質量%で、C:0.10〜0.45%、Si:0.03〜1.0%、Mn:0.2〜2.0%、Ti:0.05〜0.2%、Al:0.005〜0.05%、N:0.01%以下を含有し、さらにCr:0.90〜2.0%、Mo:0.15〜1.5%、および、B:0.0005〜0.0050%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を、鋼塊またはブルームから、鋼片への圧延工程、その後の棒鋼線材への圧延工程および製品への鍛造工程を含めた一連の加工工程の熱履歴において、一度は1250℃以上に加熱し常温まで冷却した後、800℃から1100℃の温度域に再加熱し、上記の圧延および鍛造からなる熱間加工により、分散析出するTi化合物を1平方μm当り10000個以下とするとともに、その後の浸炭時に分散析出するTi化合物を1平方μm当り50個以上とすることを特徴とするTiを含有する浸炭用鋼製品の製造方法。
- 最終の熱間加工後の製品の冷却過程において、800℃から500℃までの平均冷却速度を5℃/sec以下とすることにより、熱間加工後の硬さを100HRB以下とすることを特徴とする請求項1または2に記載のTiを含有する浸炭用鋼製品の製造方法。
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