JP5153221B2 - 軟窒化非焼準機械部品の製造方法 - Google Patents
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Description
C:0.30〜0.45%(本発明(1)及び本発明(2)の場合)又はC:0.35〜0.45%(本発明(3)及び本発明(4)の場合)
Cは、軟窒化非焼準機械部品の強度、靱性を担うための必須元素であり、熱間鍛造時のオーステナイトの安定化及び製品(軟窒化非焼準機械部品)の耐摩耗性の確保の観点から0.30%以上の含有量が必要である。一方、その含有量が0.45%を超えると焼入れ性が上がり過ぎて切削性を害する硬いマルテンサイトの生成を招きやすくなる。
Siは、脱酸剤として製鋼工程で添加されるが、フェライトの固溶強化にも効くので0.1%以上の含有量が必要である。一方、Si含有量が0.5%を超えると、鋼の熱間変形抵抗を高めたり、靱性や切削性を劣化させたりしてしまう。
Mnは、Siと同様に脱酸剤として製鋼工程で添加される。また、オーステナイトを安定化して焼入れ性を向上させる。更に、Mnは鋼中のSと結合してMnSを形成し、被削性改善にも効果がある。そのためには0.6%以上のMnの含有量が必要である。一方、Mnの含有量が1.0%を超えると焼入れ性が上がり過ぎて切削性に有害なマルテンサイトの生成を招きやすくなる。したがって、Mnの含有量を0.6〜1.0%とした。
Pは、鋼に含有される不純物であり、粒界に偏析して粒界脆化割れを助長し、特に、その含有量が0.05%を超えると粒界脆化割れの発生が著しくなる。したがって、Pの含有量を0.05%以下とした。
Sは、鋼材の被削性を高める作用を有する。しかしながら、Sを過剰に含有すると鋼片内での偏析欠陥が発生したり、熱間加工性の低下を招き、特に、Sの含有量が0.1%を超えると、鋼片内での偏析欠陥の発生や熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Sの含有量を0.1%以下とした。なお、鋼の被削性向上効果を得るためには、Sの含有量は0.02%以上とすることが好ましい。
Alは、脱酸剤として、通常、溶製時に添加されるが、アルミナ粒子として鋼中に残存したり、Nと結合してAlNを形成したりする。このうち、アルミナは硬度の高い酸化物系介在物であり、切削加工に使用される工具の寿命を短くしてしまう。また、AlNは、軟窒化時に表面近傍に析出したり、表面化合物層の成長を促進したりして表面層の硬さを著しく高めて、曲げ矯正性を低下させてしまう。更に、AlNは熱間鍛造温度で固溶してしまうので、ピンニング粒子としての機能は期待できず、結晶粒の微細化には殆ど役に立たない。したがって、Alの含有量は低い方がよいが、Al含有量の下限を極小にすることは、脱酸工程での制約を生んでコスト増大につながるので、焼準処理を行うことなく軟窒化を施した場合の曲げ矯正性を阻害しない0.05%以下とした。なお、Alの含有量は0.005%以下とすることが好ましい。
Nは、オーステナイトを安定化したり、結晶粒粗大化を抑えるためのピンニング粒子を構成したり、Fe窒化物を形成して析出強化に寄与したり、更には、固溶窒素として固溶強化に寄与して母材強度を増大させたりする作用を有するので積極的に含有させる。なお、ピンニング粒子として消費されても、固溶強化の効果が得られるようにするために、Nは0.010%以上の含有量とする必要がある。一方、Nの含有量が0.030%を超えるとインゴット中で気泡欠陥が生成して材質を損なうことがある。したがって、Nの含有量を0.010〜0.030%とした。なお、Nの望ましい含有量は0.015〜0.025%である。
Tiは、熱間鍛造時の結晶粒粗大化を抑えるためのピンニング粒子を形成させるために必須の元素である。ピンニング粒子としてはTiの窒化物、炭化物及び炭窒化物があり、十分な分布密度のピンニング粒子を生成させるために、0.005%以上の含有量とする必要がある。一方、Tiの含有量が0.05%を超えても前記の効果が飽和するうえに、焼入れ性が過剰になるといった弊害を生じる。したがって、Tiの含有量を0.005〜0.05%とした。
Moは、鋼の焼入れ性を高めて高強度化に寄与し、かつ靱性の向上にも有効な元素である。また、Moを含有するとベイナイトが生成しやすくなって、粗大なパーライトコロニーの生成を抑制する効果もある。こうした効果を得るには、0.01%以上の含有量とする必要がある。一方、Moの含有量が0.5%を超えると、焼入れ性が高くなるので、マルテンサイトの生成が促進されて、軟窒化処理後の曲げ矯正性や靱性の低下を招く。
Caは、鋼材の被削性を高める作用を有するので0.0001%以上含有させる。しかしながら、Caを過剰に含有させると鋼片内での偏析欠陥が発生したり、熱間加工性の低下を招き、特に、Caの含有量が0.005%を超えると、鋼片内での偏析欠陥の発生や熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Caの含有量を0.0001〜0.005%とした。なお、Ca含有量の望ましい下限は0.001%である。
Nbは、熱間鍛造を終えてからの冷却中に微細な炭窒化物となって析出し、強度を高めたり、軟窒化後の疲労強度を増大させる作用がある。また、Nbは、熱間鍛造時の結晶粒粗大化を抑えるためのピンニング粒子を形成させるために利用できる元素である。更に、一部のNbは固溶したまま粒界にとどまることで再結晶粒の粒成長を抑制する効果も有する。こうした効果を得るためには、Nbの含有量を0.003%以上とすることが好ましい。一方、Nbの含有量が0.05%を超えても前記の効果が飽和するようになることに加えて、含有量の増大とともに軟窒化後の曲げ矯正性の低下を招く。したがって、含有する場合のNbの含有量を0.05%以下とした。なお、含有する場合のNbの含有量は0.003〜0.05%とするのが望ましく、0.005〜0.03%とすれば一層望ましい。
Bは、鋼の焼入れ性を高めて、強度を高める作用を有する。この効果を得るためには、Bの含有量を0.001%以上とすることが好ましい。一方、Bの含有量が0.005%を超えると鋼の靱性が損なわれる。したがって、含有する場合のBの含有量を0.005%以下とした。なお、含有する場合のBの含有量は0.001〜0.005%とするのが望ましい。
不純物としてのVの含有量は、少なければ少ないほどよい。これは、Vが窒化物として析出し、特に、軟窒化機械部品の表面近傍層の硬さを著しく高めて、曲げ矯正性を損なうからである。所望の形状に鍛造した後で焼準処理を行うことなく軟窒化を施した場合であっても、高い疲労強度と曲げ矯正性を有する軟窒化機械部品を得るという本発明の目的、更には、精錬コストや「高炉−転炉法」以外の溶製法における鋼の純度などを勘案すると、0.02%までのVは不純物として許容できる。
不純物としてのCrの含有量は、少なければ少ないほどよい。これは、Vと同様にCrも窒化物として析出し、特に、軟窒化機械部品の表面近傍層の硬さを著しく高めて、曲げ矯正性を損なうからである。所望の形状に鍛造した後で焼準処理を行うことなく軟窒化を施した場合であっても、高い疲労強度と曲げ矯正性を有する軟窒化機械部品を得るという本発明の目的、更には、精錬コストや「高炉−転炉法」以外の溶製法における鋼の純度などを勘案すると、0.15%までのCrは不純物として許容できる。なお、不純物としてのCrの含有量は、曲げ矯正性をできるだけ損なわせないとの理由から、0.1%以下であれば一層好ましい。
Cuは、前記したVやCrとは異なり、軟窒化後の曲げ矯正性を殆ど害することがないので、軟窒化非焼準機械部品の素材となる鋼の精錬コストが過度に増大しない限り不純物として含まれていてもよい。例えば、スクラップを原料とする場合の鋼には0.2%程度までのCuが含まれていることが多く、この程度の含有量のCuは、所望の形状に鍛造した後で焼準処理を行うことなく軟窒化を施した場合であっても、高い疲労強度と曲げ矯正性を有する軟窒化機械部品が得られるという本発明の効果に影響を及ぼさない。したがって、0.2%までのCuは不純物として許容できる。
NiもCu同様、前記したVやCrとは異なり、軟窒化後の曲げ矯正性を殆ど害することがないので、軟窒化非焼準機械部品の素材となる鋼の精錬コストが過度に増大しない限り不純物として含まれていてもよい。例えば、スクラップを原料とする場合の鋼には0.2%程度までのNiが含まれていることが多く、この程度の含有量のNiは、所望の形状に鍛造した後で焼準処理を行うことなく軟窒化を施した場合であっても、高い疲労強度と曲げ矯正性を有する軟窒化機械部品が得られるという本発明の効果に影響を及ぼさない。したがって、0.2%までのNiは不純物として許容できる。
本発明(1)及び本発明(2)に係る軟窒化非焼準機械部品は、前記(A)項で述べた化学組成を有する鋼を、1100〜1250℃に加熱し、鍛造を1100℃以下の温度で開始して800℃以下の温度で終了して空冷した後に、焼準処理を行うことなく軟窒化することによって製造する。
熱間鍛造に供する材料(熱間鍛造用素材)としては、鋳塊を分塊圧延したビレット、連続鋳造材を分塊圧延したビレット或いはこれらを熱間圧延した棒鋼や熱間鍛造した丸棒などのようなものでよいが、その化学組成は前記(A)項で述べたものでなければならない。
(i)フェライト分率の高い組織、
(ii)パーライト粒のサイズが小さい組織、
(iii)結晶粒が等軸化した(すなわち、アスペクト比の小さい)フェライト組織、
にすることができ、上記の三つの組織はいずれも、曲げ矯正性の向上に寄与する。
本発明においては、前記(B−1)項で述べた熱間鍛造と空冷の後、焼準処理を行わずに軟窒化を施す。なお、熱間鍛造後、軟窒化の前に切削加工して所望の軟窒化部品形状に仕上げる場合の切削加工の方法は、部品形状に合わせて適宜選択すればよい。
表1に示す化学組成を有する鋼1〜5を180kg真空溶解炉によって溶製した後、鋼塊を1250℃まで加熱し、鋼材温度が1000℃を下回らない様に熱間鍛造して一辺が75mmの角棒とした。
前記実施例1に示したような効果が発現した原因を検証するために、熱間鍛造材のミクロ組織を調査した。
Claims (4)
- 軟窒化機械部品の製造方法であって、質量%で、C:0.30〜0.45%、Si:0.1〜0.5%、Mn:0.6〜1.0%、S:0.1%以下、N:0.010〜0.030%、Ti:0.005〜0.05%、Mo:0.01〜0.5%及びCa:0.0001〜0.005%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、不純物中のP:0.05%以下、Al:0.05%以下、V:0.02%以下、Cr:0.15%以下、Cu:0.2%以下及びNi:0.2%以下である鋼を1100〜1250℃に加熱し、鍛造を850〜1100℃の温度で開始して650〜800℃の温度で終了して空冷した後に、焼準処理を行うことなく軟窒化することを特徴とする軟窒化非焼準機械部品の製造方法。
- 軟窒化機械部品の製造方法であって、質量%で、C:0.30〜0.45%、Si:0.1〜0.5%、Mn:0.6〜1.0%、S:0.1%以下、N:0.010〜0.030%、Ti:0.005〜0.05%、Mo:0.01〜0.5%及びCa:0.0001〜0.005%、並びにNb:0.05%以下及びB:0.005%以下の1種又は2種を含有し、残部はFe及び不純物からなり、不純物中のP:0.05%以下、Al:0.05%以下、V:0.02%以下、Cr:0.15%以下、Cu:0.2%以下及びNi:0.2%以下である鋼を1100〜1250℃に加熱し、鍛造を850〜1100℃の温度で開始して650〜800℃の温度で終了して空冷した後に、焼準処理を行うことなく軟窒化することを特徴とする軟窒化非焼準機械部品の製造方法。
- 軟窒化機械部品の製造方法であって、質量%で、C:0.35〜0.45%、Si:0.1〜0.35%、Mn:0.6〜1.0%、S:0.1%以下、N:0.010〜0.030%、Ti:0.005〜0.05%、Mo:0.01〜0.35%及びCa:0.0001〜0.005%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、不純物中のP:0.05%以下、Al:0.05%以下、V:0.02%以下、Cr:0.15%以下、Cu:0.2%以下及びNi:0.2%以下である鋼を900〜1250℃に加熱し、鍛造を850〜1100℃の温度で開始して650〜800℃の温度で終了して空冷した後に、焼準処理を行うことなく軟窒化することを特徴とする軟窒化非焼準機械部品の製造方法。
- 軟窒化機械部品の製造方法であって、質量%で、C:0.35〜0.45%、Si:0.1〜0.35%、Mn:0.6〜1.0%、S:0.1%以下、N:0.010〜0.030%、Ti:0.005〜0.05%、Mo:0.01〜0.35%及びCa:0.0001〜0.005%、並びにNb:0.05%以下及びB:0.005%以下の1種又は2種を含有し、残部はFe及び不純物からなり、不純物中のP:0.05%以下、Al:0.05%以下、V:0.02%以下、Cr:0.15%以下、Cu:0.2%以下及びNi:0.2%以下である鋼を900〜1250℃に加熱し、鍛造を850〜1100℃の温度で開始して650〜800℃の温度で終了して空冷した後に、焼準処理を行うことなく軟窒化することを特徴とする軟窒化非焼準機械部品の製造方法。
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