JP4149576B2

JP4149576B2 - 高温浸炭用鋼の製造方法および該方法により得られる高温浸炭用鋼材

Info

Publication number: JP4149576B2
Application number: JP23758398A
Authority: JP
Inventors: 澄恵須田; 義武松島
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1998-08-24
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2018-08-24
Also published as: JP2000063943A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温浸炭用鋼（肌焼鋼）の製造方法および該方法により得られる高温浸炭用鋼材に関する。詳細には、冷間鍛造または温間鍛造の後に浸炭処理する際、オーステナイト結晶粒の粗大化や異常成長の発生を防止することのできる高温浸炭用鋼の製造方法、および該方法により得られる高温浸炭用鋼材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
歯車、シャフト、ピン等に用いられる肌焼鋼は、温間鍛造または冷間鍛造を行った後、浸炭焼入れ処理するが、こうした一連の熱処理を行う際、鋼材が高温で長時間加熱される為、オーステナイト結晶粒が粗大化したり異常成長するという問題がある。オーステナイト結晶粒が粗大化等すると、焼入れ硬さのバラツキや歪みの発生、靭性の低下及び疲労強度の低下といった弊害を招いてしまう。
【０００３】
特に近年では、部品製造コストの低減を狙って、浸炭時間を短縮する為に高温で浸炭処理する傾向にある。しかしながら、浸炭温度が高くなるとオーステナイト結晶粒の粗大化が益々発生し易くなる為、上述した弊害は一層顕著に見られる様になる。
【０００４】
一方、鋼材の歩留まり向上を目指して、部品を冷間鍛造する試みが盛んに行われている。ところが、冷間鍛造された部品に浸炭処理すると、たとえ加熱温度を低くしたとしても、部分的にオーステナイト結晶粒の粗大化が起こりり易くなり、やはり、焼入れ硬さのバラツキ等といった上記弊害は避けられない。
【０００５】
そこで、オーステナイト結晶粒の粗大化を抑制し、上述した不具合を回避する為に種々の提案がなされている。例えば、特公平３−７７４４には、鋼中のＡｌ，Ｎｂ，Ｎ量を抑制することによって表面硬化処理時の異常粗粒発生を完全に防止すると共に、Ｎ含有量の増加による靱性の低下をＡｌ量の添加で補う方法が；特開平４−１７６８１６には、加工温度等の熱間加工条件及び加工後の冷却速度を制御する方法が；特公平６−６３０７９には、浸炭後に鍛造する方法が、夫々開示されている。しかしながら、近年では浸炭温度の上昇や冷間加工における加工率の上昇を余儀なくされる為、これらの方法では所望の結晶粒粗大化抑制効果が充分得られないことが分かった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に着目してなされたものであり、温間鍛造または冷間鍛造した後、浸炭焼入れする浸炭用鋼であって、浸炭処理時に結晶粒の粗大化を防止することのできる高温浸炭用鋼の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明に係る高温浸炭用鋼の製造方法とは、質量％で（以下、同じ）
Ｎｂ：０．００１〜０．１％，
Ａｌ：０．００１〜０．１％，
Ｎ：０．０１０〜０．０３％
を含有する鋼を、
Ｔ≧１０００×｛1.62×［Ｎｂ］＋2.28×［Ｎ］｝＋１０００
（式中、［］は各元素の含有量（％）を意味する）
を満足する加熱温度Ｔ（℃）で加熱した後、熱間加工し、次いで、熱間加工終了温度〜Ａ₃ 変態点の温度範囲を３０℃／ｓｅｃ以上の平均冷却速度で冷却するところに要旨を有するものである。
【０００８】
その後、更にＡ₃ 変態点〜６００℃の温度範囲を０．５℃／ｓｅｃ以下の平均冷却速度で冷却したり；鋼中に、更にＶ：１．５％以下（０％を含まない），Ｔｉ：０．１％以下（０％を含まない），Ｔａ：０．１％以下（０％を含まない），Ｚｒ：０．１％（０％を含まない），Ｔｅ：０．１％（０％を含まない），およびＲＥＭ：０．１％（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも一種を含有することは、高温浸炭時におけるオーステナイト結晶粒の粗大化抑制作用が一層向上するので、本発明の好ましい態様である。ここで、「平均冷却速度」とは、鋼材表面での平均冷却速度を意味する。
【０００９】
また、上記方法により製造された高温浸炭用鋼材も本発明の範囲内に包含される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、高温浸炭時におけるオーステナイト結晶粒の粗大化を充分抑制し得る高温浸炭用鋼を提供すべく鋭意検討してきた。その結果、Ｎｂ、Ａｌ、Ｎの量を適切に制御した鋼を用い、これらの析出物を固溶させることのできる温度で加熱した後、オーステナイト域では速やかに冷却すれば、上記析出物が微細分散される為、オーステナイト結晶粒の粗大化を極めて効率良く防止し得ること；次いで、２相域およびフェライト域の領域を徐冷すれば、ベイナイト組織・マルテンサイト組織の生成が抑制され、所望のフェライト・パーライトの混合組織が得られる為、伸線性や冷鍛性が確保できることを見出し、本発明を完成した。
【００１１】
この様に本発明では、鋼中の成分組成のみならず、熱間加工時における加熱温度、熱間加工後におけるオーステナイト域の冷却速度、更には２相域およびフェライト域の冷却速度を制御することにより、高温浸炭時におけるオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制したところに最重要ポイントが存在する。鋼中のＮｂ，Ａｌ，Ｎを適切に制御してこれらの析出物（炭化物、窒化物、炭窒化物等）を形成せしめ、該析出物を固溶させた後、鋼中に微細分散させることによりオーステナイト結晶粒の成長を防止すること自体は公知であり、前述した従来技術も、この思想を基礎とするものである。しかし、本発明では、成分組成の制御に加え、更に熱間加工時における加熱温度、熱間加工後におけるオーステナイト域の冷却速度、或いは２相域およびフェライト域の冷却速度を所定範囲に制御することにより上記析出物をうまく微細析出させたところに技術的意義を有するものであり、この様な本発明法独自の構成要件は上記従来技術には開示されておらず、新規である。
【００１２】
以下、本発明法を構成する各要件について説明する。
【００１３】
Ｎｂ：０．００１〜０．１％
Ｎｂは、鋼中のＣやＮと結合してＮｂ炭化物，Ｎｂ窒化物，Ｎｂ炭窒化物の析出物を生成するが、該析出物が鋼中に微細分散すると、浸炭加熱時におけるオーステナイト結晶粒の粗大化防止に極めて有効である。この様な作用を有効に発揮させる為には、Ｎｂを０．００１％以上添加することが必要である。好ましくは０．０２％以上である。しかし、０．１％を超えて過剰に添加すると、Ｎｂ炭窒化物が凝集してしまい、結晶粒粗大化防止に有効な析出物が減少し、かえって結晶粒粗大化防止温度が低下してしまう為、上限を０．１％とした。好ましくは０．０５％以下である。
【００１４】
Ａｌ：０．００１〜０．１％
Ａｌは、鋼中のＮと結合してＡｌＮを生成するが、この窒化物は浸炭加熱時におけるオーステナイト結晶粒の成長防止に有効である。この様な作用を有効に発揮させる為には、０．００１％以上の添加が必要である。好ましくは０．０１％以上である。しかし、０．１％を超えて添加するとＡｌＮが凝集し、結晶粒の粗大化防止に有効な析出物が減少してしまい、かえって結晶粒の粗大化防止温度が低下してしまう。よって、その上限を０．１％とした。好ましくは０．０６％以下である。
【００１５】
Ｎ：０．０１０〜０．０３％
Ｎは、ＮｂやＡｌと結合してＮｂＮ、ＮｂＣＮ、ＡｌＮの析出物を生成し、オーステナイト結晶粒の成長を抑制するのに有効な元素である。この様な作用を有効に発揮する為には、０．０１０％以上添加することが必要である。しかし、０．０３％を超えて過剰に添加すると、鍛造時や熱間加工時に割れが発生し易くなる為、その上限を０．０３％とした。好ましくは０．０２５％以下である。
【００１６】
本発明は、上記元素を必須的に含有し、残部：Ｆｅ及び不可避的不純物からなるものであるが、更に、高温浸炭時におけるオーステナイト結晶粒の粗大化防止を目的として、下記元素を少なくとも１種積極的に含有させることが有効である。
【００１７】
Ｖ：１．５％以下，Ｔｉ：０．１％以下，Ｔａ：０．１％以下，
Ｚｒ：０．１％，Ｔｅ：０．１％，およびＲＥＭ：０．１％より
なる群から選択される少なくとも一種（いずれの元素も０％を含まない）
これらの元素は、いずれも微細な析出物（炭窒化物等）を生成し、高温浸炭時におけるオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制するのに有効である。この様な作用を有効に発揮させる為には、Ｖ：０．００１％以上，Ｔｉ：０．００１％以上，Ｔａ：０．００１％以上，Ｚｒ：０．００１％以上，Ｔｅ：０．００１％以上，ＲＥＭ：０．０００３％以上、夫々添加することが好ましい。しかし、Ｖ：１．５％，Ｔｉ：０．１％，Ｔａ：０．１％，Ｚｒ：０．１％，Ｔｅ：０．１％，ＲＥＭ：０．１％を超えて添加すると炭窒化物等が凝集・粗大化してしまい、結晶粒の粗大化防止に有効な析出物の数が少なくなり、かえって結晶粒粗大化防止温度が低下する為、上記数値を上限とすることが好ましい。より好ましくは、Ｖ：１．０％以下，Ｔｉ：０．０５％以下，Ｔａ：０．０５％以下，Ｚｒ：０．０５％以下，Ｔｅ：０．０５％以下，ＲＥＭ：０．０５％以下である。これらの元素は単独で添加しても良いし、或いは２種以上を併用しても構わない。
【００１８】
次いで、上記成分組成からなる鋼を、下式を満足する加熱温度Ｔ（℃）で加熱する。
【００１９】
Ｔ≧１０００×｛1.62×［Ｎｂ］＋2.28×［Ｎ］｝＋１０００
（式中、［］は各元素の含有量（％）を意味する）
前述した通り、オーステナイト結晶粒の粗大化を防止する為には、Ｎｂ炭化物、Ｎｂ窒化物、Ｎｂ炭窒化物の析出物を微細且つ多量に分散させる必要がある。一般に、鋳造後に得られるＮｂ析出物は粗大であり、結晶粒粗大化防止作用に有効な微細析出物は極めて少ない為、該微細析出物を得る為には、上記のＮｂ析出物を一旦固溶させた後、微細析出させなければならない。本発明者らが検討したところ、所定の微細析出物を効率良く得る為には上記加熱温度Ｔ（℃）をうまく制御することが必要であること；この加熱温度Ｔは、［Ｎｂ］及び［Ｎ］によって大きく左右され、これら元素の含有量との関係で設定することが有効であることが分かった。この様に本発明では、熱間加工時における加熱温度Ｔ（℃）を、［Ｎｂ］及び［Ｎ］との関係で特定したところにポイントがある。
【００２０】
このことを明らかにする為に、図１にＮｂ，Ｎの含有量と加熱温度との関係をグラフ化して示す。Ｎ含有量を夫々、０．０１０％，０．０１５％，０．０２０％，０．０２５％に設定した場合における加熱温度Ｔの範囲は、鋼中のＮｂ量との関係で決定され、上記式に基づいて得られるプロット及びその上方域を満足する温度で加熱した場合に限り、Ｎｂ析出物が固溶して微細析出することが分かった。
【００２１】
この様に上記加熱温度Ｔで加熱した後、熱間加工するが、本発明では、熱間加工終了温度〜Ａ₃ 変態点の温度範囲を３０℃／ｓｅｃ以上の平均冷却速度で冷却しなければならない。
【００２２】
Ｎｂ炭化物等のＮｂ析出物は、オーステナイト域よりもフェライト域（２相域を含む）で析出させた方が、微細化し易く、結晶の成長も起こり難い。従って、上記の如く高温で加熱させ、Ｎｂ析出物を一旦固溶させた後、冷却する過程において、オーステナイト域でＮｂ炭化物等が析出しない様、冷却速度に留意することが非常に重要であり、本発明では、熱間加工終了温度〜Ａ₃ 変態点の温度範囲を３０℃／ｓｅｃ以上の平均冷却速度で冷却することとした。この様に本発明では、所望の微細析出物がうまく得られる様、熱間加工における加熱温度のみならず加工後の冷却速度を細かく制御したところに特徴を有する。好ましくは３５℃／ｓｅｃ以上である。尚、その上限は特に限定されないが、実操業レベル等を考慮すれば、１００℃／ｓｅｃ以下に制御することが推奨される。
【００２３】
以上が本発明法の必須工程であるが、更に、Ａ₃ 変態点〜６００℃の温度範囲を０．５℃／ｓｅｃ以下の平均冷却速度で冷却することにより、所望のＮｂ析出物を一層効率良く微細分散させることができる。即ち、上述した通り、Ｎｂ炭化物等のＮｂ析出物はオーステナイト域よりもフェライト域（２相域を含む）で析出させた方が微細な析出物が得られ、結晶の成長も起こり難い。また、圧延後にベイナイト組織やマルテンサイト組織が生成すると伸線時に断線が発生したり、冷間加工性が低下する等の弊害が生じる。この様な弊害を防ぐ為には、圧延後の組織を均一なフェライト・パーライトの混合組織にすることが必要であり、その為に上記の温度範囲を０．５℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で徐冷することにした次第である。
【００２４】
更に、上述の様にして得られた高温浸炭用鋼を部品に適用するに当たっては、部品に加工した後、ガス、真空、プラズマ等による浸炭若しくは浸炭窒化、または高周波焼入れを行い、必要によりショットピーニング加工してから表面を強化する等の方法を採用することができる。
【００２５】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施することは本発明の技術的範囲に包含される。
【００２６】
【実施例】
表１に示す化学組成の鋼材を溶製し、一辺が１５５ｍｍの正方形ビレットに分塊圧延した後、種々の加熱温度に加熱し、φ１９ｍｍ線材に圧延した。圧延後直ちにＡ₃ 変態点までの温度範囲を種々の冷却速度で冷却した後、更にＡ₃ 変態点から６００℃までの温度範囲につき、冷却速度を変化させて冷却した。圧延後の組織、および測定した硬さの結果を表２に示す。
【００２７】
その後、各供試材を減面率３０％で伸線加工した後、図２に示す熱処理条件で球状化焼鈍（７５０℃×７Ｈｒ→６５０℃まで炉冷）を行い、引続き減面率１０％のスキンパス加工、更に加工率５０％の冷間押出し加工を行った。次いで、図３に示す如く９００〜１１００℃に加熱して３時間保持した後、水焼入れ処理した。
【００２８】
この様にして得られた各焼入れ材の結晶粒度につき、各加熱温度でのオーステナイト結晶粒度（ＪＩＳＧ０５５１）を測定し、結晶粒５番以上の整細粒である限界の温度を粗大化温度とした。
【００２９】
これらの結果を表２に併記する。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【表２】

【００３２】
表より以下の様に考察することができる。
【００３３】
Ｎo.１〜９は、本発明の要件を満足する本発明例であるが、いずれも粗大化温度は９７５℃以上と極めて高く、断線も全く見られなかった。
【００３４】
これに対し、本発明のいずれかの要件を満足しないＮo.１０〜１６は、夫々以下の不具合を伴っている。
【００３５】
Ｎo.１０はＮｂ無添加鋼であり、高温での結晶粒粗大化防止に有効な微細析出物の析出量が少ない為、低温でも結晶粒の粗大化が発生した。
【００３６】
Ｎo.１１はＮｂの添加量が多い例であり、Ｎｂ炭化物、Ｎｂ窒化物、Ｎｂ炭窒化物の凝集が起こって析出物が粗大化する為、所望の微細析出物が少なくなり、低温でも結晶粒の粗大化が発生した。
【００３７】
Ｎo.１２はＡｌの添加量が多い例であり、ＡｌＮの凝集が起こって析出物が粗大化する為、目的とする微細析出物が少なくなり、低温でも結晶粒の粗大化が見られた。
【００３８】
Ｎo.１３はＮの添加量が少ない例であり、Ｎｂ窒化物、Ｎｂ炭窒化物、ＡｌＮの析出量が少ない為、低温でも結晶粒の粗大化が発生した。
【００３９】
Ｎo.１４は、熱間加工時における加熱温度Ｔが本発明で特定する範囲を外れる例であり、熱間加工前に存在したＮｂ析出物が十分に固溶せず、粗大なまま残っている為、熱間加工後の析出物が少なくなり、低温でも結晶粒の粗大化が見られた。
【００４０】
Ｎo.１５は、熱間加工終了後Ａ₃ 変態点までの冷却速度が遅い例であり、オーステナイト域でＮｂ炭化物、Ｎｂ窒化物、Ｎｂ炭窒化物の析出・成長が起こって微細析出物量が少なくなる為、低温でも結晶粒の粗大化が発生した。
【００４１】
Ｎo.１６は、熱間加工終了後、Ａ₃ 変態点〜６００℃の温度範囲を、本発明の好ましい冷却速度を超えて冷却した例であり、圧延後の組織が（フェライト＋パーライト＋ベイナイト）の混合組織となる為、伸線加工の際、断線が発生してしまい、部品に加工することができなかった。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、鋼中の化学成分および熱間加工時の熱処理条件を制御することによって、浸炭焼入れ時に高温まで結晶粒の粗大化が生成しない鋼、即ち粗大化温度の高い高温浸炭用鋼を効率良く提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｎｂ，Ｎの含有量と加熱温度との関係を示すグラフである
【図２】実施例で用いた球状化焼鈍処理を説明する概略図である。
【図３】実施例で用いた熱処理パターンを示す概略図である。

Claims

Ｃ：０．１５〜０．２３％（質量％の意味、以下、同じ）、Ｓｉ：０．０７〜０．２８％、Ｍｎ：０．７２〜０．８０％、Ｃｒ：０．９８〜１．１０％、Ｎｂ：０．００１〜０．１％、Ａｌ：０．００１〜０．１％，Ｎ：０．０１０〜０．０３％を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避不純物である鋼を用い、
Ｔ≧１０００×｛１．６２×［Ｎｂ］＋２．２８×［Ｎ］｝＋１０００（式中、［］は各元素の含有量（％）を意味する）を満足する加熱温度Ｔ（℃）で加熱した後、熱間加工し、熱間加工終了温度〜Ａ_ｒ３変態点の温度範囲を３０℃／ｓｅｃ以上の平均冷却速度で冷却した後、Ａ_ｒ３変態点〜６００℃の温度範囲を０．５℃／ｓｅｃ以下の平均冷却速度で冷却することを特徴とする高温浸炭用鋼の製造方法。
鋼中に、更にＭｏ：０．１８〜０．７８％を含有するものである請求項１に記載の製造方法。
鋼中に、更にＶ：１．５％以下（０％を含まない）またはＴａ：０．１％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１または２に記載の製造方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の方法により製造された高温浸炭用鋼材。