JP4617783B2 - 高温浸炭用熱間鍛造部品の製造方法 - Google Patents
高温浸炭用熱間鍛造部品の製造方法 Download PDFInfo
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特許文献1〜4に示されたような、Al、Nb、Nの添加量の適正化によるAlN、Nb(C、N)の析出物の利用のみでは、優れたピンニング効果が得られず、十分に結晶粒粗大化防止ができないという点については前記した通りである。
次に本発明で使用する鋼の各成分の限定理由について説明する。
Cは浸炭によって強化することができない内部の強度(内部硬さ)を確保するために必要な元素であり、0.10%以上含有させる必要がある。しかし、0.30%を超えて含有させると内部の靭性が劣化し、さらには被削性を低下させるため、上限を0.30%とした。
Siは、鋼の製造時に脱酸のために必要な元素であり、最低でも0.05%以上の含有が必要である。しかしながら、Siは浸炭処理時、浸炭雰囲気中の酸素と反応して酸化物を形成する。このため被処理品の表層付近は焼入性が低下し、いわゆる浸炭異常層を形成する。従って、多量に含有させると浸炭異常層の生成による悪影響が大きくなって強度が低下するとともに、被削性が低下するので、上限を0.50%とした。
Mnは、焼入性を高め、部品の内部まで強度を確保するのに必要な元素であり、0.30%以上のMnを含有する必要がある。しかしながら、多量に含有させると、残留オーステナイトが増加して、硬さ低下、内部の靭性が劣化するとともに、被削性が低下するので、上限を1.50%とした。
Pは製造時に混入が避けられない不純物である。本発明では特に必須の条件としては限定していないが、粒界の強度を低下させ、疲労特性を悪化させる原因となる元素であるので、その上限を0.035%以下とすることが好ましい。
SはPと同様に製造時に少量の混入が避けられない不純物であり、例えばMnS等のような硫化物系介在物となって存在している。しかし、この介在物は、疲労破壊の起点となったり、耐ピッチング性を低下させたり、鋼材の異方性が大きくなる原因となる元素である。従って、本発明では、必須では限定していないが、理想的には極力低減することが好ましく、上限を0.030%とした方がより好ましい。
Crは、焼入性を向上させ、必要な強度を確保し、本発明により製造した鋼の性能を向上させるために必要な元素であり、0.30%以上の含有が必要である。しかしながら、多量に含有させると靭性が劣化するとともに被削性が低下するため、上限を2.00%とした。
Alは、Siと同様に脱酸に必要な元素であるとともに、AlNとして存在し、ピン止め効果により浸炭処理後の異常粒成長防止に効果のある元素である。従って、最低でも脱酸に必要な量を添加する必要があり、下限を0.005%とした。しかしながら、本発明では高温で浸炭処理することを前提としており、主となるピンニング効果は、AlNに比べ1000℃以上の高温で固溶しにくいNb(C、N)により得ている。また、Alを含有させすぎると、浸炭処理前のAlN析出数が増加し、浸炭初期粒径の微細化につながり、高温浸炭処理した場合、かえって結晶粒微細化が生じやすくなるため、上限を0.050%とした。
Nbは本発明において最も重要な元素であり、Nb(C、N)となって鋼中に存在し、特にAlに比べ高温度での浸炭処理における結晶粒異常成長を防止する効果の大きい元素である。Nb添加量が少ない場合、特に1050℃以上の浸炭では浸炭処理前に析出していた炭窒化物の一部が固溶し、ピン止め効果に寄与するNb炭窒化物の量が不足して粗粒化抑制作用が十分に得られなくなるので、下限を0.01%とした。一方、多量に含有させると、熱間鍛造時の加熱によってNb(C、N)が十分に固溶した状態とならず、粗大なNb(C、N)の析出物が残存した状態となって、ピンニング効果が低下するので、上限を0.10%に規定した。
Nは上述の通り、AlやNbと結合し、AlNやNb(C、N)となって鋼中に存在し、浸炭処理時に起きる異常粒成長を防止するために効果のある元素である。この効果を十分に得るためには、0.0080%以上のNを含有させる必要がある。しかしながら、AlNやNb(C、N)の析出量には適量があり、多すぎると浸炭初期粒径が細かくなって却って異常粒成長が起きやすくなってしまうため、上限を0.0250%とした。
VはNbと同様に炭窒化物を形成し、ピン止め効果により結晶粒成長の防止に寄与する元素であるが、Vの炭窒化物はNbの炭窒化物に比べ高温で固溶しやすく、1000℃以上の高温浸炭の場合、浸炭加熱によって固溶して浸炭中にピン止め効果が消失し、結晶粒成長抑制効果が得られなくなるので、高温浸炭される場合には、Vよりも高温浸炭処理温度において固溶しにくい炭窒化物を形成する元素に、鋼中のC、Nを優先的に結合させておく必要がある。Vが含有していると、鋼中のC、Nの一部がVと結合し、浸炭初期粒径を微細化する作用が生じ、かつ1000℃以上の浸炭中にそれらが固溶して、ピン止め効果を消失させるので、異常粒成長を助長する。従って、高温浸炭時にはVが存在すると逆に異常粒成長が起きやすくなる。Vは積極添加しなくても鋼の製造時に使用するスクラップ等から少量混入する可能性のある元素であるため、不純物として含有するV量を少なく抑える必要があり、上限を0.01%に規制した。
した。
鍛造時の加熱温度を1150〜1350℃としたのは、鍛造時の加熱の際に圧延鋼材中にNb(C、N)を十分に固溶(具体的には析出個数で0.3個/μm2以下)させて、後述の620〜670℃(前半)、680〜750℃(後半)の温度保持(以下析出処理と記す)中に微細に析出させるためである。鍛造時の加熱温度が低く固溶が不十分になってNb(C、N)の粗大な析出物が残存していると、鍛造後の温度保持時に残存している析出物がさらに成長して大きな析出物となり、Nb(C、N)の析出物が結晶粒粗大化防止に寄与しなくなってしまうので、温度の下限を1150℃としてNb(C、N)を十分に固溶させておく必要がある。但しあまり温度を高くしすぎるのは、エネルギーの無駄となるので、上限を1350℃とした。鍛造仕上温度を1100〜1300℃としたのも、同じ理由である。なお、ここで指定している温度は、全て被加工材の表面温度である。
以上説明した手順で熱間鍛造、析出処理を行うことにより、Nb(C、N)を十分に微細析出させ、かつ硬さの上昇を抑え、加工性の優れた高温浸炭用熱間鍛造部品を得ることができる。
Mo:0.80%以下
Moは、焼入性および靱性を向上させるとともに、浸炭異常層を抑制して強度を向上させる効果を有する元素であり、必要に応じ少量添加して使用することができる元素である。しかしながら、多量に添加すると、残留オーステナイトが増加し、浸炭硬さの低下の原因になるとともに、内部の靭性、被削性を低下させるため、0.80%を上限とした。
従って、浸炭し使用される熱間鍛造部品の製造を大きく効率化することが可能となり、産業への貢献は極めて大きいものである。
Claims (2)
- 質量%で、C:0.10〜0.30%、Si:0.05〜0.50%、Mn:0.30〜1.50%、Cr:0.30〜2.00%、Al:0.005〜0.050%、Nb:0.01〜0.10%、N:0.0080〜0.0250%、V:0.01%以下を含有し、残部がFe及び不純物元素からなる熱間圧延鋼材を、1150〜1350℃に加熱後、鍛造仕上温度が1100〜1300℃となる条件で熱間鍛造して、鋼中に含有するNb(C、N)が固溶した状態(析出個数で0.3個/μm2以下)とし、鍛造後表面温度が600〜700℃となるまで冷却した時点で炉内温度が620〜670℃に設定されている熱処理炉内に投入して30分〜3時間保持し、その後前記炉内温度に比べ10〜100℃高く、かつ680〜750℃の範囲内の温度に設定された熱処理炉内に投入してさらに15〜60分保持し、室温まで冷却することを特徴とする高温浸炭用熱間鍛造部品の製造方法。
- 請求項1の製造方法で使用する鋼に含有するFeの一部に代えて、質量%でさらにMo:0.80%以下を含有する熱間圧延鋼材に、請求項1記載の製造方法を施すことを特徴とする高温浸炭用熱間鍛造部品の製造方法。
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