JP4462264B2

JP4462264B2 - 窒化処理用冷延鋼板の製造方法

Info

Publication number: JP4462264B2
Application number: JP2006356293A
Authority: JP
Inventors: 力上; 昭宏青柳
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: JP2007162138A

Description

この発明は、工具、機械構造用部品および自動車の部品など、耐摩耗性、耐疲労強度および耐焼付性が必要とされる部品、特に窒化処理によってこれらの諸特性を付加する部品に供して好適な窒化処理用冷延鋼板の製造方法に関するものである。

工具、機械構造用部品および自動車の部品などは、耐摩耗性、耐疲労強度および耐焼付性が必要とされるため、表面硬化処理を施すことが通例であり、かような表面硬化処理の典型例として窒化処理がある。これは、鋼中に窒素を侵入させる処理であり、表面硬化能に優れるため、従来から広く利用されてきた。

窒化処理が施される部品に供される鋼は、例えば特許文献１および特許文献２に記載されているように、窒化促進元素を多量に含有しているため、窒化処理前の鋼板は高強度である反面、加工性に乏しいものであった。従って、複雑な部品形状の製品を製造する場合は、バルクから研削加工によって所定形状に形成し、その後窒化処理を施すことが一般的であった。
特開昭59−31850号公報特開昭59−50168号公報

しかしながら、研削加工によって複雑な部品形状に仕上げるには、研削に要するコストが嵩むことから、深絞り成形や張り出し成形などのプレス成形によって部品を作製することが検討されている。すなわち、プレス成形性に優れた鋼板を用いて成形加工を行えば、複雑な部品形状でも成形が可能であり、部品形成に要する時間およびコストを大幅に削減できる。

ところが、耐摩耗性および耐疲労強度などが強く要求される場合には、従来から知られている低炭素鋼や極低炭素鋼などの鋼板を適用しても、十分な表面硬さが得られないという問題があった。

このように、プレス加工や曲げ加工などの塑性加工によって成形体を得ることは、従来の薄鋼板を用いても可能であるが、従来鋼板では窒化処理後の表面硬さおよびその硬化深さ分布が十分とはいえず、所望の耐磨耗性および耐疲労強度などの必要特性を満足させることはできなかった。
そのため、プレス加工や曲げ加工などの簡便な成形法で成形することができ、しかも窒化処理後に十分な表面硬さや硬化深さを得ることができる窒化処理用鋼板の開発が切望されていた。

本発明は、上記の要望に有利に応えるもので、窒化処理によって十分な表面硬化能と硬化深さを得ることができる窒化処理用冷延鋼板の有利な製造方法を提案することを目的とする。

さて、発明者らは、鋼組成および鋼組織が窒化処理後の硬度に及ばす影響について鋭意検討を行った結果、鋼中に、Cr，Al，Ｖ，Ti，Nbといった窒化物形成元素を鋼板の成形性を阻害しない範囲で含有させた上で、単位体積当たりの粒界面積を所定の範囲に制御することにより、窒化処理後に高い表面硬さと十分な硬化深さの両者が併せて得られるという新規知見を得た。
本発明は上記の知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．質量％で、
Ｃ：0.01％超、0.09％以下、
Si：0.005〜0.5％、
Mn：0.01〜3.0％、
Al：0.005〜2.0％、
Cr：0.50〜4.0％、
Ｐ：0.10％以下、
Ｓ：0.01％以下および
Ｎ：0.010％以下
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成になる鋼材を、仕上温度：870℃以上で熱間圧延し、ついで酸洗後、冷間圧延したのち、800〜950℃の温度で再結晶焼鈍することにより、単位体積当たりの粒界面積Ｓvを80mm^-1以上、1300mm^-1以下に制御することを特徴とする窒化処理用冷延鋼板の製造方法。

本発明によれば、プレス成形によって部品形状に容易に加工することができ、またその後の窒化処理によって高い表面硬さと十分な硬化深さを併せて得ることができる窒化処理用鋼板を安定して提供することができる。
従って、本発明によれば、寸法精度、強度および耐久性に優れた高強度一般構造用部品や自動車部品等を低コストで製造することが可能となる。

以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明において、鋼板の成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。なお、成分に関する「％」表示は特に断らない限り質量％を意味するものとする。
Ｃ：0.01％超、0.09％以下
Ｃは、成形性に影響を及ぼす元素であり、含有量が多くなると成形性が低下する。従って、Ｃ量の上限値は0.09％とした。一方、Ｃ量が0.01％以下では機械構造用鋼としての強度不足を招くので、強度確保の観点からＣ量の下限は0.01％超とした。

Si：0.005〜0.5 ％
Siは、強度を高める作用を有する元素であるが、過度の添加は加工性低下の原因になるだけでなく、表面酸化が大きくなって窒化反応が阻害されるので、Siの上限値は 0.5％とした。一方、Si量を 0.005％未満とすることは、製鋼コストの増大を招くので、下限値は0.005％とした。

Mn：0.01〜3.0 ％
Mnは、Siと同様に、鋼の強度を高める作用を有する元素であるが、過度の添加は加工性を低下させるだけでなく、表面酸化による窒化反応の阻害を招くので、Mnの上限値は 3.0％とした。一方、Mn量を0.01％未満とすることは、製鋼コストの増大を招くので、下限値は0.01％とした。

Al：0.005〜2.0 ％
Alは、溶鋼の脱酸剤として有効に寄与し、ブローホール等の欠陥の発生を防止するには、0.005 ％以上添加する必要がある。一方、2.0 ％を超える過度の添加は加工性を低下させるので、上限値は 2.0％とした。なお、Alは窒素との親和力が強く、窒化処理後に生じる表層の化合物層の硬度を高める作用も有しているが、この効果を有効に発揮させるためには0.10％以上添加することが好ましい。

Cr：0.50〜4.0 ％
Crは、窒化硬化に重要な元素であり、含有量が0.50％未満では窒化処理後に十分な硬度上昇および硬化深さが得られない。一方、4.0 ％を超えて含有されると成形性が低下する。よって、Cr量は0.50〜4.0 ％の範囲に限定した。

Ｐ：0.10％以下
Ｐは、加工性を低下させることなく強度を向上させる元素であるが、含有量が0.10％を超えると鋼板の成形性および２次加工脆性の観点から好ましくない。よって、Ｐは0.10％以下で含有させるものとした。なお、Ｐを 0.001％未満にすることは、製鋼コストが飛躍的に増大し、経済的に不利となるので、Ｐは0.001 ％以上含有させることが好ましいが、製鋼コストの問題がなければ 0.001％未満であってもよい。

Ｓ：0.01％以下
Ｓ量が0.01％を超えると、表面疵の発生および延性の低下を招くので、Ｓ量は0.01％以下に抑制するものとする。

Ｎ：0.010 ％以下
Ｎは、深絞り性を確保するためには少ない方がよく、0.010 ％を超えると深絞り性が劣化する。よって、Ｎは 0.010％以下に制限するものとした。

以上説明した元素以外は、Feおよび不可避的不純物であるが、その他にも、Cu，Ni，Moなどの強度上昇能を有する元素を、加工性を害さない範囲で添加してもよい。

次に、単位体積当たりの粒界面積Ｓv（mm^-1）の限定理由について述べる。
さて、発明者らは、窒化処理後に所望の表面硬さと硬化深さを得ることができる条件について鋭意検討を重ねた結果、単位体積当たりの粒界面積を制御することが重要であることを見出した。
図１は、単位体積当たりの粒界面積が、窒化処理後の表面硬さと硬化深さに及ぼす影響を示す図である。
図１に示す実験結果は、Ｃ：0.055 ％, Si：0.02％, Mn：0.3 ％, Ｐ：0.02％, Ｓ：0.004 ％, Ｎ：0.0035％, Al：0.13％およびCr：1.3 ％を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になる鋼塊を用い、熱間圧延処理あるいは熱間圧延処理に引き続き冷間圧延処理を施して再結晶処理を行うことにより、種々の単位体積当りの粒界面積を持つ板厚：1.6 mmの薄鋼板を製造し、この薄鋼板に対して、ＲＸとNH₃ ガスを含む雰囲気ガス中にて570℃, ３時間のガス窒化処理を施したのち、油冷したものをサンプルとして、表面硬さと硬化深さを調査した結果に基づくものである。

ここで、表面硬さとは、マイクロビッカース硬度計を用いて、最表層より板厚方向へ0.030mmの深さ位置を測定することにより求められる硬度（Hv）のことをいう。また、硬化深さは、板厚中央部のビッカース硬度値に対して＋50Hvとなる位置の最表層からの距離（mm）で定義する。
単位体積当たりの粒界面積Ｓv （mm^-1）は、薄鋼板の製造時に、熱間圧延時の圧下率や圧延温度、冷間圧延時の圧下率や再結晶焼鈍温度を調整することによって変化させた。

また、単位体積当たりの粒界面積Ｓv の測定は、光学顕微鏡によって観察した金属組織から、切断法により平均粒切片長さＬ（mm）を求めることにより行った。この方法は、光学顕微鏡写真の上に既知の長さの直線を引き、これと交わるフェライト粒の数を計算する方法である。そして、単位体積当たりの粒界面積Ｓv （mm^-1）は平均切片長さＬ（mm）より、次式
Ｓv ＝２／Ｌ
により求めることができる。この式は、単位体積当たりの粒界面積を算出する式としてよく知られており、結晶粒の形や分布には全く影響されないことも知られている。

図１より、単位体積当たりの粒界面積Ｓv が大きくなるほど、表面硬さは増大し、一方硬化深さは小さくなる傾向があることが分かる。そして、表面硬さと硬化深さとを両立させるためには、単位体積当たりの粒界面積Ｓv を80mm^-1以上、1300mm^-1以下とする必要があることが分かる。単位体積当りの粒界面積Ｓv が80mm^-1未満では、硬化深さは深いものの、表面硬さが低くなる。一方、単位体積当りの粒界面積Ｓv が1300mm^-1超では、表面硬さは著しく高いけれども硬化深さが浅くなる。

ガス軟窒化時のＮおよびＣの板厚方向へ向かう拡散は、主に結晶粒界に沿って起っており、結晶粒界に沿って析出する微細な炭窒物が硬さの上昇に寄与し、単位体積当たりの粒界面積が大きくなるほど、微細な炭窒化物が多数析出して表面硬さが大きくなるものと考えられる。このことは、反面、ＮおよびＣの板厚方向中心部へ向けての拡散が遅くなることになり、単位体積当たりの粒界面積が大きくなると硬化深さが浅くなるものと考えられる。

次に、図２に、窒化処理後の最表層から板厚方向へ 0.030mmの深さ位置における結晶粒界を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察した結果を示す。
結晶粒界の近傍には析出物が多数認められ、またこれら析出物はCrやAlの窒化物、複合窒化物、炭窒化物、複合炭窒化物であることがＥＥＬＳ、ＥＤＸによる分析結果から確認できた。
上記の観察結果から、窒化処理時の窒素および炭素の板厚方向に向かう拡散は、主に結晶粒界に沿って起っていることが分かる。発明者らの調査では、これらの析出物が微細であると、硬度が大きくなり、特に 300nm以下にまで微細化していると、硬度上昇が十分となることが確認できた。

なお、単位体積当たりの粒界面積は、鋼板の製造時に、熱間圧延時の圧下率や圧延温度、冷間圧延時の圧下率や再結晶焼鈍温度を調整することによって、80mm^-1以上、1300mm^-1以下の範囲で調整可能である。

上記した成分組成および単位体積当たりの粒界面積Ｓv（mm^-1）を満足させることにより、後述する実施例に示すように、325〜578MPaの範囲を満足する引張強さを有し、窒化処理によって十分な表面硬化能と硬化深さが得られる窒化処理用鋼板を得ることができる。

次に、本発明の製造方法について説明する。
本発明法により、窒化処理用冷延鋼板を製造する場合には、仕上温度：870℃以上で熱間圧延し、ついで常法に従って酸洗および冷間圧延を施したのち、後述する実施例に示すように、800〜950℃の温度で再結晶焼鈍することにより、単位体積当たりの粒界面積Ｓvを80mm^-1以上、1300mm^-1以下に制御すればよい。

実施例１
表１に示す成分組成になる鋼を溶製し、連続鋳造によりスラブとしたのち、スラブ加熱温度を1200℃として、仕上圧延温度：870℃以上で熱間圧延を行い、板厚：3.5mmの熱延鋼板とした。この熱延鋼板を酸洗後、圧下率：60％の冷間圧延を施したのち、800〜950℃の温度域で再結晶焼鈍を施して、単位体積当たりの粒界面積Ｓvを種々に変化させた冷延鋼板を得た。
得られた冷延鋼板について、プレスによる塑性加工を実施したのち、ガス軟窒化処理法により窒化処理を施した。窒化処理は、ＲＸとNH₃ を含む混合ガス雰囲気中で570℃,４時間の処理を行ったのち、油冷することにより行った。
窒化処理後に、板厚方向位置でのビッカース硬さ（試験力：0.9807Ｎ）を測定して表面硬さと硬化深さを調査した。表面硬さは、最表層から板厚方向に0.030mmの深さ位置でのビッカース硬さで評価し、一方硬化深さは、板厚中央部の硬さに対して50Hvだけ硬さが高くなる位置の表層からの距離で評価した。
また、窒化処理前の冷延鋼板について、単位体積当たりの粒界面積Ｓv（mm^-1）を、光学顕微鏡観察結果から前述した方法により求めた。
冷延鋼板製造の際の焼鈍温度、窒化処理前の冷延鋼板についての粒界面積Ｓvおよび窒化処理後の表面硬さ、硬化深さの測定結果を表２に示す。

表２に示したとおり、No.１,２,５,６はいずれも、焼鈍温度が適正であるため、単位体積当たりの粒界面積が本発明の範囲内となっており、表面硬さ、硬化深さともに満足できる値を示している。
これに対し、No.３は、焼鈍温度が高すぎて結晶粒が粗大化し、単位体積当たりの粒界面積が小さくなっている。そのため窒化処理後の表面硬さが小さい。またNo.４は、焼鈍温度が低かったため、単位体積当たりの粒界面積が大きくなってしまい、結果として硬化深さが浅くなっている。

単位体積当たりの粒界面積Ｓv が表面硬さおよび硬化深さに及ぼす影響を示すグラフである。窒化処理後の最表層から板厚方向へ 0.030mmの深さ位置における結晶粒界の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。

Claims

質量％で、
Ｃ：0.01％超、0.09％以下、
Si：0.005〜0.5％、
Mn：0.01〜3.0％、
Al：0.005〜2.0％、
Cr：0.50〜4.0％、
Ｐ：0.10％以下、
Ｓ：0.01％以下および
Ｎ：0.010％以下
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成になる鋼材を、仕上温度：870℃以上で熱間圧延し、ついで酸洗後、冷間圧延したのち、800〜950℃の温度で再結晶焼鈍することにより、単位体積当たりの粒界面積Ｓvを80mm^-1以上、1300mm^-1以下に制御することを特徴とする窒化処理用冷延鋼板の製造方法。