JP4502929B2 - 転動疲労特性および結晶粒粗大化防止特性に優れた肌焼用鋼 - Google Patents

転動疲労特性および結晶粒粗大化防止特性に優れた肌焼用鋼 Download PDF

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本発明は自動車などの輸送機器や建設機械その他の産業機械などにおいて、浸炭処理して使用される機械部品用の素材となる肌焼用鋼に関し、特に、軸受やCVT用プーリー、シャフト類、歯車、軸付き歯車などの素材として有用な加工性と転動疲労特性および結晶粒粗大化防止特性に優れた肌焼用鋼に関するものである。
自動車、建設機械、その他の各種産業機械用として用いられる機械部品において、特に高強度が要求される部品には、従来から浸炭、窒化および浸炭窒化などの表面硬化熱処理(肌焼処理)が行なわれている。これらの用途には、通常、SCr、SCM、SNCMなどの如きJIS規格で定められた肌焼用鋼を使用し、鍛造・切削等の機械加工により所望の部品形状に成形した後、浸炭、浸炭窒化などの表面硬化熱処理を施し、その後、研磨などの仕上工程を経て製造される。
近年、上記の様な機械部品についても製造原価の低減、リードタイムの短縮などが望まれており、浸炭および浸炭窒化処理を高温化することによって熱処理時間を短縮することが行なわれている。しかし、浸炭および浸炭窒化処理温度を高めると、素材の結晶粒が粗大化し、熱処理歪量が増大するという問題が生じてくる。
この様な状況の下で、鋼材中にAl,Nb,Tiなどの元素を含む炭化物や窒化物などの析出物を微細析出させることで結晶粒の粗大化を抑制する技術が開発されてきた。それらの中でも、Nb炭窒化物の析出物を利用したNb添加鋼は結晶粒粗大化防止特性に優れたものであることから、既に実用化されている。また最近では、Tiの窒化物、炭化物、炭窒化物からなる析出物を利用するTi添加鋼についても、Nb添加鋼と同等もしくはそれ以上の結晶粒粗大化防止特性を有するものが開発されている。しかしこれらの肌焼鋼も、加工性や疲労特性において必ずしも満足し得るものではなく、実用化されるまでには至っていない。
更に特許文献1,2,3には、NbとTiを複合添加することで、結晶粒の粗大化を防止する技術が開示されている。これらの特許文献は、結晶粒粗大化防止特性に加えて疲労特性の向上にも有効な技術である点で有用な発明と考えられる。しかしこれらは、何れもTiの炭硫化物を結晶粒の粗大化防止と強度向上に利用するものであり、後述する本願発明で意図する様な、Ti窒化物やTi炭窒化物、更にはTiとAlを含む複合析出物を活用する技術とは本質的に異なる。
更に例えば特許文献4には、浸炭用鋼中に適量のNbを含有させ、この鋼材を圧延する際の条件を最適化することでNb炭窒化物よりなる析出物を微細且つ多量に生成させることによって、結晶粒粗大化温度の高温化を図っている。
また特許文献5には、鋼中のNb,Al,Ti,Nの含有量を適正化することにより、高温条件下での結晶粒の粗大化を抑制する方法が開示されている。更に特許文献6では、鋼中のN,sol−Al,Ti,Nbの含有量を特定し、Nb炭窒化物やNb−Al複合炭窒化物を多数(5個/10μm以上)析出させることで、結晶粒の粗大化防止を図っている。
更に特許文献7には、鋼中にTiを0.1〜0.3%添加することによって鋼中にTi炭化物を微細分散させ、それにより浸炭処理のための加熱時における結晶粒の粗大化を防止しつつ転動疲労寿命を改善する技術が開示されている。
この他、特許文献8には、Al,Nと共に、Nb,Ti,Ta,Zr,Hfから選ばれる少なくとも1種の元素を含有させることによって、それらの複合炭・窒化物を鋼中に析出させ、これによって高温加熱時の結晶粒粗大化防止を図る技術が開示され、また特許文献9には、TiとNbを添加してそれらの複合炭・窒化物を生成させ、浸炭処理のための加熱による結晶粒の粗大化や異常成長を防止する技術が開示されている。
ところが上記特許文献4に開示された方法では、1030℃程度の高温域までの結晶粒の粗大化防止効果は得られるものの、1030℃を超える高温域になると満足のいく結晶粒粗大化防止効果が得られない。また特許文献5では、Nb,Ti,Al,Nの含有量を特定することでそれなりの結晶粒粗大化防止効果を得ることはできるが、その効果は高々1050℃までであり、1050℃を超える高温域では満足のいく結晶粒粗大化防止効果が得られず、しかも成形性や転動疲労特性についての改善効果には全く触れられていない。
更に上記特許文献6でも、得られる結晶粒粗大化防止効果はせいぜい1025℃までであって、これを超える高温域では十分な効果が得られず、またこの特許文献6も、転動疲労特性についての改善効果には触れられていない。更に特許文献7でも、必ずしも需要者の要望を満たす転動疲労特性が得られている訳ではない。これは、Ti含有析出物を制御するだけでAlやNb含有量までも加味した総合的な追及が不十分であることによるものと考えられる。
また特許文献8,9に開示の発明によれば、それなりに高温域で優れた結晶粒粗大化防止効果を得ることができるが、肌焼用鋼としての硬化処理前の成形性や浸炭処理時間の短縮による一層の生産性向上、更には浸炭部品の一層の性能向上を推進していくには、更なる改善が求められる。
特開平11−199969号公報 特開平11−236646号公報 特開平11−323482号公報 特開平4−371522号公報 特許第3510506号公報 特開平9−78184号公報 特開平11−92863号公報 特開平9−59743号公報 特開平10−168543号公報
前述した如く鋼中にTiやNbを添加し、それらの元素を含む析出物を鋼中に微分散させることで、浸炭部品の結晶粒粗大化防止を図る技術は多数知られている。しかし、Ti−Nbの複合添加は鋼の転動疲労寿命を低下させる恐れがあるため、転動疲労特性が問題となる軸受やCVTプーリー、シャフト類、歯車、軸付き歯車などに適用するには更なる改善が求められる。
本発明はこの様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、浸炭深さが求められる例えばCVT用プーリー等の機械部品用素材として、浸炭や浸炭窒化処理をより短時間で行ない得るよう、従来例よりも高温で浸炭を行なった場合でも優れた結晶粒粗大化防止特性を有し、また転動疲労特性においても従来材を凌駕する性能を発揮する肌焼用鋼を提供することにある。
上記課題を解決することのできた本発明の構成は、質量%で、
C:0.05〜0.30%、
Si:2.0%以下(0%を含む)、
Mn:2.0%以下(0%を含む)、
S:0.005〜0.2%、
Cr:2.0%以下(0%を含む)、
N:0.008〜0.025%、
Al:0.040〜0.120%、
Nb:0.01〜0.20%、
Ti:0.005〜0.020%、
を含み、残部はFeおよび不可避的不純物よりなる鋼材からなり、
鋼材縦断面の100μm内に、Tiを含有する長径0.01μm以上0.1μm以下の窒化物、炭化物または炭窒化物が5個以上存在し、且つ、TiとAlを共に含有する長径0.01μm以上0.1μm以下の窒化物、炭化物または炭窒化物が1個以上存在する、転動疲労特性および結晶粒粗大化防止特性に優れた肌焼用鋼である。
本発明に係る上記肌焼用鋼は、上記成分に加えて、求められる特性に応じて下記1)〜6)に示す群から選ばれる1種以上の元素を含むものであってもよい。
1)Cu:1.0%以下(0%を含まない)および/またはNi:3.0%以下(0%を含まない)、
2)Mo:1.0%以下(0%を含まない)、
3)B:0.0005〜0.003%、
4)Pb:0.1%以下(0%を含まない)および/またはBi:0.1%以下(0%を含まない)、
5)Mg:0.0001〜0.01%、Ca:0.0001〜0.01%、Te:0.0005〜0.02%よりなる群から選択される少なくとも1種、
6)Zr:0.01〜0.2%、V:0.05〜0.5%以下およびREM:0.01〜0.1%よりなる群から選択される少なくとも1種。
本発明によれば、鋼中にNb,Tiを複合添加し、且つそれらに加えてC,Nの含有量を特定すると共に、従来は不可避不純物と認識されていたAlを積極的に増量することによって、追って詳述する如く、本発明者らが初めて見出した該Alに隠された新たな効果、即ち、Ti窒化物などの粗大化抑制効果と、Al窒化物がTi窒化物と複合することによって発揮される結晶粒粗大化防止効果によって、より高い加熱温度条件下でも優れた結晶粒粗大化防止効果を発揮し、更には、浸炭・窒化処理前の加工性に優れると共に肌焼処理によって優れた転動疲労特性の表面硬化部品を与える肌焼用鋼を提供できる。
上記の様に本発明では、高温浸炭・窒化特性に優れた肌焼用鋼材として、鋼材の化学成分を特定し、特に加熱時において結晶粒粗大化防止作用を発揮する微細析出物源となるAl,Nb,TiとN,Cの各含有率を特定範囲に制御し、好ましくは更に、Tiを含む微細な介在物の個数、およびTiとAlを共に含有する微細な窒化物、炭化物あるいは炭窒化物の個数を特定することで、加工性と転動疲労特性および結晶粒粗大化防止特性の全てに優れた肌焼用鋼を提供するところに特徴を有している。
以下、本発明において鋼材の化学成分を定めた理由を明らかにし、引き続いて、鋼材中の微細なTi含有介在物やTiとAlを共に含む微細な介在物の個数を定めた理由を明確にしていく。
まず、鋼材の化学成分を定めた理由を説明する。
C:0.05〜0.30%;
Cは機械部品として必要な芯部硬さを確保し転動疲労寿命を高める上で重要な元素であり、0.05%未満では硬さ不足により部品としての静的強度が不足気味となる。しかしC量が多過ぎると、硬くなり過ぎて加工性(鍛造性や被削性など)が低下するので、0.30%以下に抑える必要がある。この様な観点からより好ましいC含量は、0.15%以上、更に好ましくは0.17%以上で、0.25%以下、更に好ましくは0.23%以下である。
Si:2.0%以下(0%を含む);
Siは脱酸剤として作用し、酸化物系介在物量を低減して内部品質を高める作用を有すると共に、焼戻し処理時の硬さ低下を抑えて浸炭部品の表層硬さを確保するのに有効な元素である。しかし、Si量が多過ぎると、素材が硬くなりすぎて加工性(切削性や鍛造性など)が劣化するので、2.0%を上限と定めた。より好ましいSi含量は、0.01%以上、更に好ましくは0.05%以上で、0.8%以下、更に好ましくは0.6%以下である。なお通常の機械構造用鋼では、製鋼時の酸素量の調整(脱酸)のためSiは0.05〜0.3%程度添加されている場合が多い。
Mn:2.0%以下(0%を含む);
Mnは脱酸剤として作用し、酸化物系介在物量を低減して鋼材の内部品質を高める作用を有すると共に、浸炭・窒化焼入れ時の焼入性を著しく高める作用を有している。しかし多過ぎると、中心偏析が顕著となって内部品質を却って劣化させるばかりでなく、縞状組織が顕著となって内部特性のバラツキも大きくなり衝撃特性や転動疲労寿命が低下するので、上限を2.0%とする。Mnのより好ましい含有量は0.2%以上、更に好ましく0.3%以上で、1.5%以下、更に好ましくは1.0%以下である。
S:0.005〜0.2%;
Sは、MnやTiなどと結合してMnS介在物やTiS介在物などを形成し、部品の衝撃強度や転動疲労寿命に悪影響を及ぼすので、なるべく少なく抑えるのが好ましく、衝撃特性と転動疲労寿命が求められる本発明では上限を0.2%と定めた。しかし反面Sは、切削性を高める作用も有しているので、切削性が重視される場合は適量含有させることが望ましく、0.005%程度以上は含有させることが望ましい。通常の機械構造用鋼として使用する場合のより好ましい含有量は、0.01%程度以上、0.07%程度以下である。
Cr:2.0%以下(0%を含む);
Crは、Ti,Nbなどの炭化物中に固溶してそれらの硬さを高める作用を有しているため、耐摩耗性の向上に寄与する。そのため、歯車や軸受等の摺動部品ではよく用いられる合金元素である。ちなみに、JIS規格の肌焼用鋼(SCr420)ではCr量を0.9〜1.2%と規定している。しかしCr量が2.0%を超えると、鋼材が硬くなり過ぎて加工性(被削性や鍛造性)が劣化するので、2.0%を上限と定めた。より好ましいCr含量は、0.4%以上、更に好ましくは0.9%以上で、1.5%以下、更に好ましくは1.2%以下である。
N:0.008〜0.025%;
Nは、Al,Ti,Nbと結合して窒化物や炭窒化物を形成し、浸炭加熱時におけるオーステナイト粒成長を抑制する作用を有している。従って本発明では、Ti窒化物を微細分散させるため0.008%以上含有させる必要がある。しかしN含量が多過ぎると、熱間加工性や衝撃特性に悪影響を及ぼす様になるので、多くとも0.025%以下に抑えねばならない。Nのより好ましい含有量は、0.005%以上、0.020%以下である。
Al:0.040〜0.120%;
Alは、溶鋼の脱酸剤として一般的に使用されるため、鋼材中に不可避的に混入してくる元素であり、通常は0.01〜0.03%程度含まれていることが多い。しかし本発明では、Alを不可避不純物扱いするのではなく、これを積極的に増量することによりAl窒化物を生成させ、該Al窒化物に本発明で初めて確認された新たな作用を発揮させる。即ちAlは、鋼中のNと結合して窒化物を生成し、熱処理時における結晶粒の成長を抑制するだけでなく、微細析出するTi系析出物と複合化することで、該Ti系析出物の粗大化を抑制し、結晶粒粗大化防止効果を飛躍的に高めるのである。従って本発明では、従来材に比べてAlを相対的に多めに含有させてその窒化物を生成させることが重要であり、少なくとも0.040%以上の含有を必須とする。
なお、鋼中にTiが含まれていない場合は、Alを0.03%以上含有させてもAl窒化物が粗大化してその数が減少するだけで、結晶粒の粗大化防止には何らの作用も及ぼさない。ところが少量のTiと複合添加すると、上記作用(特に、Ti系析出物の粗大化防止とそれに伴う加工性および転動疲労特性の劣化抑制作用)が有効に発揮されるのである。
しかし、Al含量が過度に多くなると、粗大なAl窒化物が生成すると共に、粗大で硬質のアルミナ(Al)が生成し、結晶粒粗大化防止特性を却って害するばかりでなく、加工性や衝撃特性、転動疲労特性にも悪影響を及ぼす様になるので、0.120%を上限と定めた。Alのより好ましい含有量は、0.050%以上、更に好ましくは0.06%以上で、0.10%以下、より好ましくは0.08%以下である。
Nb:0.01〜0.20%;
Nbは本発明において重要な役割を果たす元素で、鋼中のNおよびCと結合して窒化物や炭化物もしくは炭窒化物を生成し、浸炭時の加熱工程で結晶粒粗大化の抑制に寄与する。0.01%未満では、高温で安定な窒化物や炭化物、もしくは炭窒化物が生成しないため、結晶粒粗大化防止効果が得られない。しかもNbは、AlやTiと複合添加することで、Nbを含む単独析出物よりも安定なAl窒化物とNb炭窒化物の複合析出物やNb−Ti複合炭窒化物、あるいはAl窒化物とNb−Ti複合炭窒化物の複合析出物を形成し、高温浸炭時の結晶粒粗大化防止特性や転動疲労特性を高める作用も発揮する。
しかし、Nb含量が多過ぎるとNbを含む粗大な析出物が生成し、加工性や転動疲労特性に悪影響を及ぼす様になるので、0.20%以下に抑えねばならない。
こうした点を考慮して、より好ましいNb含量は0.03%以上、更に好ましくは0.04%以上で、0.10%以下、更に好ましくは0.08%以下である。
Ti:0.005〜0.020%;
Tiも本発明において重要な役割を果たす元素である。すなわち、鋼の結晶粒粗大化防止特性を高めるには、粗大化を妨げる粒子(ピンニング粒子)を多数生成させることが重要であるが、本発明では微細なTi窒化物を微分散状態で多量生成させるため、0.005%以上のTi含量を確保すべきであり、好ましくは0.010%以上、更に好ましくは0.012%以上含有させるのがよい。しかし、Ti含量が多過ぎると、粗大なTi窒化物が生成して微細なTi窒化物の数がかえって減少し、満足な結晶粒粗大化防止特性が発揮されなくなるばかりか、粗大なTi窒化物が加工性や転動疲労寿命に顕著な悪影響を及ぼす様になるので、多くとも0.020%以下、好ましくは0.016%以下、更に好ましくは0.014%以下に抑えるのがよい。
本発明で用いる鋼材の必須構成元素は以上の通りであり、残部はFeと不可避不純物である。不可避的に混入してくる元素としては例えばP(リン)やO(酸素)があり、その量は不可避不純物量であれば特に制限されないが、含まれることによる障害を極力抑えるには、Pは0.03%以下、Oは0.002%以下に抑えるべきである。
ちなみに、Pは結晶粒界に偏析して部品の衝撃特性や転動疲労特性を低下させるので、極力少なく抑えるべきであり、多くとも0.03%以下、より好ましくは0.015%以下、更に好ましくは0.010%以下に抑えるのがよい。またOは鋼材の強度特性を低下させるので、0.002%以下、より好ましくは0.001%以下の抑えるのがよい。
また本発明で用いる鋼材には、上記必須元素に加えて、所望に応じて更なる付加的特性を与えるため、下記の様な選択元素を含有させることも有効であり、それらの元素を適量含有するものも本発明の技術的範囲に含まれる。
Ni:3.0%以下および/またはCu:1.0%以下;
Ni,Cuは共に鋼材の耐食性を向上させる元素であり、耐食性が求められる場合は各々単独で、或いは2種を添加することができる。またNiは、鋼材の耐衝撃性の向上にも寄与するので、適量の添加は有効である。しかしNi,Cuの過度の添加は鋼材コストの上昇を招き、しかもCuの過度の添加は熱間加工性の低下にもつながるので、Niは3.0%以下、Cuは1.0%以下に抑えるべきである。Niのより好ましい添加量は0.1〜2.0%、更に好ましくは0.3〜1.5%で、Cuのより好ましい添加量は0.1〜0.8%、更に好ましくは0.2〜0.6%である。
Mo:1.0%以下(0%を含む);
Moは、焼戻し処理時の硬さ低下を抑え、浸炭部品の表層硬さを確保するのに有効な元素であり、また、浸炭焼入れ時の焼入性を著しく高めると共に、耐水素脆性を抑えるうえでも有効に作用する。しかし、過度に添加してもその効果は飽和するので鋼材コストの上昇を招き、更には鋼素材が硬質化して加工性を劣化させる原因になるので、添加するにしても1.0%以下に抑えるべきである。Moのより好ましい添加量は0.1〜0.8%、更に好ましくは0.15〜0.45%である。
B:0.0005〜0.003%;
Bは微量で鋼材の焼入性を大幅に高める作用を有しており、しかも結晶粒界を強化して衝撃強度や転動疲労寿命を高める作用も有している。こうした作用は0.0005%以上添加することで有効に発揮される。しかし、それらの効果は約0.003%で飽和し、それ以上にB量が多くなると、B窒化物が生成し易くなって冷間および熱間加工性にも悪影響が表れてくる。そのため、添加する場合は0.0005〜0.003%、より好ましくは0.0008〜0.0025%、更に好ましくは0.0010〜0.0020%の範囲内で調整するのがよい。
Pb:0.1%および/またはBi:0.1%以下;
Pb,Biは鋼材の被削性向上に寄与する元素であり、被削性が特に求められる場合はこれらの1種または2種を添加することが有効である。しかし添加量が多過ぎると鋼素材の強度が低下するので、各々0.1%以下、より好ましくはPb+Biで0.1%以下に抑えるべきである。Pb+Biとしてのより好ましい添加量は0.02〜0.08%、更に好ましくは0.03〜0.06%である。
Mg:0.0001〜0.01%、Ca:0.0001〜0.01%、Te:0.0005〜0.02%の1種以上;
Mg,Ca,Teは、1種または2種以上添加することで鋼中に存在する硫化物の展伸を抑制し、衝撃特性を高める作用を有している。こうした作用は、Ca,Mgの場合、0.0001%未満の添加では有効に発揮されず、0.01%を超えると粗大な酸化物の生成によって鋼強度を逆に低下させ、転動疲労寿命にも悪影響を及ぼす恐れが生じてくる。そのためCa,Mgは夫々0.0001〜0.01%、より好ましくは0.002〜0.005%の範囲とするのがよい。
Teも、同様に0.0005%未満ではその効果が有効に発揮されず、また0.02%を超えると熱間延性が著しく低下し鋼材の製造および部品への加工が困難になる。従ってTeを添加する場合は0.0005〜0.02%、より好ましくは0.001〜0.01%、更に好ましくは0.002〜0.005%の範囲から選定するのがよい。
Zr:0.01〜0.2%、V:0.05〜0.5%、REM:0.01〜0.1%の1種以上;
Zr,V,REMは、いずれも炭素および窒素との反応性に富む元素であり、炭化物や窒化物からなる微細な析出物を生成することで結晶粒粗大化防止特性を高める作用を発揮する。しかし多過ぎると、Zr,V,REMを含む粗大析出物が生成し却って結晶粒粗大化防止特性を害するので、添加するにしても、Zrは0.01〜0.2%、Vは0.05〜0.5%、REMは0.01〜0.1%の範囲とすべきである。
鋼材縦断面の100μm内に、Tiを含有する長径0.01μm以上0.1μm以下の窒化物、炭化物または炭窒化物が5個以上存在し、且つ、TiとAlを共に含有する長径0.01μm以上0.1μm以下の窒化物、炭化物または炭窒化物が1個以上存在すること;
Tiは、前述した如く鋼中の炭素や窒素と結合し、結晶粒粗大化防止に有効な炭化物、窒化物、炭窒化物を生成する。これらの中でも窒化物は高温で非常に安定であり、高温浸炭条件下でも優れた結晶粒粗大化防止効果を発揮することから、本発明では主にTi窒化物を有効利用することとしている。しかし中には、窒化物を形成しなかったTiが炭化物や炭窒化物を生成して結晶粒粗大化防止機能を果たすこともあることから、本発明では、炭窒化物系析出物としてTiの窒化物、炭化物、炭窒化物(以下、Ti含有炭・窒化物と言うことがある)のサイズと総数を定めている。
またAl窒化物は、TiやNbの炭窒化物系析出物に較べて高温での安定性が低く、高温での浸炭処理には格別の結晶粒粗大化防止効果は発揮しないと考えられていた。しかし本発明者らの検討結果では、Ti窒化物と共に析出したAl窒化物は高温条件下でも安定であり、結晶粒粗大化防止に極めて有効に作用することが確認された。そこで本発明では、Tiと共にAlを含有する窒化物、炭化物、炭窒化物(以下、これらをまとめてTi+Al含有炭・窒化物と言うことがある)のサイズと個数も規定した。なお本来は、高温で安定な窒化物のサイズと個数で規定すべきであるが、上記と同じ理由で窒化物として生成しなかったTiが炭化物や炭窒化物として生成し、これがAlの窒化物や炭化物、炭窒化物と複合生成することもあることから、それらを含めたTi+Al含有炭・窒化物のサイズと個数も規定している。
なお本発明者らの研究によると、Al窒化物はTi含有炭・窒化物と複合することで当該析出物の粗大化を抑える作用があり、加工性や転動疲労特性に顕著な悪影響を及ぼす粗大なTi含有析出物の生成を抑える作用を発揮することも確認している。
本発明において、上記微細なTi含有炭・窒化物およびTi+Al含有炭・窒化物のサイズと個数は、供試鋼材の縦断面を透過型電子顕微鏡(倍率:50000倍)に付随する反射検出器を用いて観察されるサイズと個数を意味し、長径0.01μm以上、0.1μm以下のTi含有炭・窒化物が、鋼材断面の100μm内に5個以上存在し、且つ、長径0.01μm以上、0.1μm以下のTi+Al含有炭・窒化物が、同じく鋼材断面の100μm内に1個以上存在することが、結晶粒粗大化防止効果を有効に発揮させる上で不可欠の要件となる。
炭・窒化物のサイズを上記の様に定めたのは、長径が0.1μmを超える粗大な炭・窒化物は、結晶粒粗大化防止に殆ど寄与しないばかりか加工性や転動疲労特性に悪影響を及ぼし、また、現在の観察機器では長径0.01μm未満の炭・窒化物の数を正確にカウントすることが困難であるからである。実際には、日立サイエンスシステムズ社製の商品名「HF−2000」を用いて倍率50000倍で供試鋼材の縦断面10箇所を観察し、各炭・窒化物のサイズと個数を求めた。なお、各炭・窒化物がTiを含むか、或いはTi+Alを含有するかはEDS(エネルギー分散型X線分析装置)によって確認できる。
尚、析出物の中にはAl系酸化物、Mn系酸化物、Mn系硫化物なども含まれるが、これらは形状が角を持たない球状もしくはそれに類する形状であるか、軟質で応力集中源となり難いため、Tiを含む析出物に較べると転動疲労寿命に与える影響が著しく小さいことから、本発明ではこれらTi以外の元素からなる析出物は対象外とした。
ところで、鋼材を熱間鍛造する際には、鍛造のための加熱時に通常1100℃以上の高温に加熱するため、Al含有炭・窒化物は固溶するといわれている。しかし、これがTi含有炭・窒化物と複合したAl+Ti含有炭・窒化物はこの様な加熱温度でも固溶し難く、Ti窒化物と同様に高温域でも優れた結晶粒粗大化防止効果を発揮する。しかも、Tiと共に適量のAlを含有させると、前述した如く粗大なTi含有炭・窒化物の生成が抑制されることもあって、微細なTi+Al含有炭・窒化物が多量生成することにより結晶粒の粗大化抑制効果が飛躍的に高められると共に、加工性や転動疲労寿命も大幅に改善されるのである。
いずれにしても本発明では、上記の様に成分組成の特定された鋼材において、「鋼材中に存在する長径0.01μm以上、0.1μm以下のTi含有炭・窒化物を、鋼材断面の100μm内に5個以上、且つ、長径0.01μm以上、0.1μm以下のTi+Al含有炭・窒化物を、同じく鋼材断面の100μm内に1個以上」とすれば、肌焼用鋼として熱処理時に結晶粒の粗大化を殆ど生じることのない高温安定性を有し、しかも成形加工性や転動疲労特性に優れた肌焼部品を与える肌焼用鋼材を得ることができる。しかもこの肌焼用鋼材は、寸法精度や深部衝撃特性、更には転動疲労寿命においても非常に優れた特性を発揮する。
上記特性を備えた肌焼用鋼を得るための製造条件は特に制限されず、前述した成分組成の要件を満たす鋼を溶製し、常法に従って鋳造、均熱、熱間圧延し、或いは必要により再加熱処理してから冷間圧延を行って所定寸法の棒鋼とすればよいが、この際、鋳造時における凝固開始温度(液相線温度)から凝固終了温度(固相線温度)までの冷却速度を高め、具体的にはその間の平均冷却速度を150℃/時間以上とすれば、冷却時に生じるTi含有炭・窒化物やTi+Al含有炭・窒化物の粗大化が可及的に抑制され、加工性、転動疲労特性および結晶粒粗大化防止特性の一段と優れた肌焼用鋼を容易に得ることができる。上記炭・窒化物のサイズと個数を確保する上でより好ましい冷却速度は200℃/時間以上である。
また、分解圧延や線材もしくは棒鋼圧延前に行う均熱処理時の温度保持は、1250〜1350℃で20分程度以上、好ましくは30分程度以上(好ましくは8時間以下)とするのがよい。ちなみに、前記成分組成の要件を満たす鋼種を上記温度条件で均熱処理すると、この均熱工程でTi含有炭・窒化物を可及的に溶解させることができ、Ti含有炭・窒化物の粗大化を可及的に防止することで微細なTi含有炭・窒化物(およびTi+Al含有炭・窒化物)を無数に析出させることができることから、肌焼処理時の結晶粒粗大化抑制作用がより効果的に発揮され、延いては肌焼処理部品の転動疲労特性も効果的に高められるからである。
以下、実施例を挙げて本発明の構成および作用効果をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。
実施例1
表1,2に示す化学組成の鋼材を小型溶製炉で溶製し、鋳造して150kgの鋳塊を得る際に、凝固開始から凝固終了までの温度域を表3,4に示す速度(鋳造速度)で冷却した。その後、同表に示す条件で均熱処理した後、直径が80mmの丸棒状に熱間鍛造し、更に溶体化処理および焼ならし処理を行なった。その後、切削加工を行なって結晶粒粗大化調査用の試験片(図1参照)を作製した。
次に、各試験片を、加工フォーマスターによって熱間で圧縮した。加熱温度は1250℃とし、圧縮率は70%とした。
この試験片を、真空焼鈍炉にて1075℃または1100℃で2時間焼鈍してから水冷し、試験片縦断面の結晶粒粗大化状況を調べた。
得られた各棒鋼について、下記の方法でTi含有炭・窒化物およびTi+Al含有炭・窒化物のサイズと個数を求めると共に、下記の方法で転動疲労寿命、加工性(熱間鍛造後の硬さ)および結晶粒粗大化防止特性を調べた。
炭・窒化物評価法;
熱間圧縮後の試験片の断面から抽出レプリカ法によって透過型電子顕微鏡観察用試験片を作成する。その後、透過型電子顕微鏡(日立サイエンスシステムズ社製の商品名「HF−2000」を用いて炭・窒化物の観察を行う。観察は50000倍で10視野について行い、観察された炭・窒化物のサイズと個数を求める。尚、炭・窒化物がTiを含んでいるか、或いはTiとAlを含んでいるかは、付属のEDS(エネルギー分散型X線分析装置)によって確認した。
結晶粒粗大化防止特性評価法;
各供試棒を、切削加工によって結晶粒粗大化防止効果の調査用試験片(図1参照:直径8mm×高さ12mmの円柱状)に切削加工し、得られた各試験片について、熱間加工シミュレータ(富士電波工機社製の商品名「THERMECMASTER−Z」)を用いて熱間で圧縮した。昇温速度は10℃/min、熱間加熱温度は1250℃、圧縮率は70%とし、冷却速度は1℃/minとした。この試験片を真空浸炭炉で、表5,6に結晶粒粗大化防止温度として示す如く975〜1100℃×3時間の焼鈍を行ってから水冷した後、試験片断面の結晶粒粗大化状況を調べた。
結晶粒粗大化状況は、光学顕微鏡を用いて100倍の倍率で10視野を観察し、結晶粒のサイズが、JIS規格で定める結晶粒度番号5番に相当する結晶粒サイズよりも大きいものを粗大化している領域(粗粒域)、結晶粒度番号5番に相当する結晶粒サイズ未満である部分を(整粒部)とし、粗粒域が視野面積に占める割合(粗粒率)と、平均結晶粒度番号[={整粒部の結晶粒度番号×整粒部面積率(%)+粗粒域の結晶粒度番号×粗粒率(%)}/100]を求めた。
そして、粗粒率が5%未満であるものを良好(○)、5%以上であるもの粗大化発生(×)と評価した。
また転動疲労寿命の確認には、図2に示す様な転動疲労試験片(直径60mm×厚さ5mmの円盤状試験片)を使用し、ラッピング加工により表面粗さを平均粗さで0.04mRa以下とした後に下記の条件で転動疲労試験を行い、破損確率が10%となるときの寿命(L10寿命)を求めた。
転動疲労試験条件;
面圧;527kgf/mm(5.2kPa)、回転数;1000rpm、鋼球数;6個、潤滑油;「タービン油#68」(新日本石油社製の商品名)、試験回数(n);12回。
加工性評価試験法;
熱間圧縮後の試験片の硬さを測定し、加工性の代用評価とした。測定は、試験片断面の図1にXで示す位置をビッカース硬さ測定器により荷重10kgf(98Pa)で3点測定し、平均値を求めた。
結果を表5,6に示す。
表1〜6より、次の様に考えることができる。
鋼材No.1〜24は本発明の規定要件を全て満たす実施例であり、いずれも熱間鍛造後の硬さがHv200未満で優れた加工性を有しており、且つ結晶粒粗大化防止温度は1075℃以上と高く、また転動疲労特性においても優れた性能が得られている。
これらに対し鋼材No.25〜49は、本発明で規定する何れかの要件を欠く比較剤であり、下記の様に加工性、結晶粒粗大化防止特性、転動疲労特性の何れかが十分でない。
No.25:Al含量が不足するため、結晶粒粗大化防止特性が十分でない。
No.26:Ti含量が多過ぎるため、浸炭処理後の転動疲労特性が悪い。
No.27:N含量が不足するため、結晶粒粗大化防止特性が十分でない。
No.28:Ti含量が過多でN含量が不足するため、結晶粒粗大化防止特性が不十分で、浸炭処理後の転動疲労特性も悪い。
No.29:通常のアルミキルド鋼で、Al含量が不足すると共にTi,Nbも添加されておらず、N含量も不足するため、1000℃で結晶粒粗大化防止効果が得られなくなっている。
No.30:Al含量は規定値を満たしているが、Tiが添加されていないため、結晶粒粗大化防止効果が十分でない。
No.31〜34:いずれもTi添加鋼であるが、いずれもNbが添加されておらず、またNo.31はTi含量が多すぎてAl含量は不足するため、成形性と転動疲労特性が劣悪であり、No.32は、Ti含量は適正であるがAl含量が不足するため、成形性と転動疲労特性が悪く、No.33は、Ti含量が過多でAl含量が不足するため結晶粒粗大化特性と転動疲労特性が不十分であり、No.34は、Ti含量が多すぎるため加工性と転動疲労特性が悪い。
No.35は、基本元素であるC含量が不足するため硬さが極端に低く、肌焼鋼としての適性を欠く。
No.36は、逆にC含量が多過ぎるため加工性が悪い。
No.37は、基本元素であるSi含量が多過ぎるため、加工性が悪い。
No.38は、Mn含量が多過ぎるため、硬すぎて加工性が悪く転動疲労特性も悪い。
No.39,40は、P量またはS量が多過ぎるため転動疲労特性が悪い。
No.41は、Cuを多量添加したものであるが、加工性、結晶粒粗大化防止特性、転動疲労特性がいずれも劣悪である。
No.42,43は、Cr量またはMo量が多過ぎるため、硬くて加工性に欠ける。
No.44は、Alを過剰量添加したものであり、結晶粒粗大化防止特性と転動疲労特性に欠ける。
No.45は、選択元素として添加したB含量が多過ぎるため、加工性、結晶粒粗大化防止特性、転動疲労特性のいずれも不良である。
No.46は、過剰量のCaを添加したもので、加工性と結晶粒粗大化防止特性が劣化している。
No.47は、脱酸不足で酸素含量が多すぎるもので、転動疲労特性が悪い。
No.48は、鋳造時の冷却速度[即ち、(凝固開始温度−凝固終了温度)/凝固時間]が遅過ぎるため、所定サイズのTi+Al含有炭・窒化物が存在せず、転動疲労特性が不良で且つ結晶粒粗大化防止特性も悪い。
No.49,50は、熱間鍛造前の均熱条件が適切でないためTi含有析出物の個数が不足し、結晶粒粗大化防止特性において本発明の目的を達成できていない。
また図3は、表1〜6に示したデータの中から、Al添加量と結晶粒粗大化防止温度との関係を整理して示したグラフであり、このグラフからも、Al含量を0.040%以上とすることが結晶粒粗大化温度を高める上で重要な要件となることを確認できる。
なお上記実施例では、熱間鍛造を模擬した方法で結晶粒粗大化防止効果と衝撃特性の試験結果を示したが、本発明はもとより熱間鍛造への適用に限定される訳ではなく、冷間鍛造に適用した場合でも同様の効果を得ることができる。
実験で用いた結晶粒粗大化防止効果確認用および加工性評価用の試験片を示す説明図である。 実験で用いた転動疲労試験用の試験片を示す説明図である。 実験データの中から、Al含量が結晶粒粗大化防止特性に与える影響を整理して示したグラフである。

Claims (7)

  1. 質量%で、
    C:0.05〜0.30%、
    Si:0.01%以上2.0%以下
    Mn:0.2%以上2.0%以下
    S:0.005〜0.20%、
    Cr:0.4%以上2.0%以下
    N:0.008〜0.025%、
    Al:0.040〜0.10%、
    Nb:0.01〜0.20%、
    Ti:0.010〜0.020%、
    を含み、
    P:0.03%以下、およびO:0.002%以下に抑制されており、
    残部はFeおよび不可避的不純物よりなる鋼材からなり、
    鋼材縦断面の100μm2内に、Tiを含有する長径0.01μm以上0.1μm以下の窒化物、炭化物または炭窒化物が5個以上存在し、且つ、TiとAlを共に含有する長径0.01μm以上0.1μm以下の窒化物、炭化物または炭窒化物が1個以上存在することを特徴とする転動疲労特性および結晶粒粗大化防止特性に優れた肌焼用鋼。
  2. 鋼が、更に他の元素として、Cu:1.0%以下(0%を含まない)および/またはNi:3.0%以下(0%を含まない)を含むものである請求項1に記載の肌焼用鋼。
  3. 鋼が、更に他の元素として、Mo:1.0%以下(0%を含まない)を含むものである請求項1または2に記載の肌焼用鋼。
  4. 鋼が、更に他の元素として、B:0.0005〜0.003%を含むものである請求項1〜3のいずれかに記載の肌焼用鋼。
  5. 鋼が、更に他の元素としてBi:0.1%以下(0%を含まない)を含むものである請求項1〜4のいずれかに記載の肌焼用鋼。
  6. 鋼が、更に他の元素として、Mg:0.0001〜0.01%、Ca:0.0001〜0.01%りなる群から選択される少なくとも1種を含むものである請求項1〜5のいずれかに記載の肌焼用鋼。
  7. 鋼が、更に他の元素として、Zr:0.01〜0.2%、V:0.05〜0.5%りなる群から選択される少なくとも1種を含むものである請求項1〜6のいずれかに記載の肌焼用鋼。
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