JP5231700B2 - 鋼部品をベイナイト化するための方法およびベイナイト化された鋼部品 - Google Patents

Description

本発明は請求項１に記載した形式の鋼部品をベイナイト化する方法に関する。

従来技術
「ベイナイト化」という概念は、まず鋼を「オーステナイト化」すること、これに次いでいわゆる「マルテンサイト」開始温度よりも高い温度へ鋼を急冷すること及び所定の時間に亘って該温度に鋼を保持することを含む鋼の熱処理である。

オーステナイトからベイナイトへの「恒温変態」とも呼ばれる前記方法では、目的に応じかつ温度及び保持期間に関して制御可能な、完全に又は部分的にオーステナイト組織からベイナイト組織へ変態させられる鋼を得ることができる。

それ自体は以前から公知である鋼のオーステナイト化及び説明したベイナイト化に関する詳細については、例えばE. Zimmermannの「材料学及び材料試験」（Werkstoffkunde 及び Werkstoffpruefung） Hermann Schroedel社、１９６２、ページ３８、３９及び７４から７９までを参照されたい。

鋼のオーステナイト化、それに次ぐ急冷及びマルテンサイト開始温度の上側でのオーステナイトからベイナイトへの恒温変態は、ＵＳ５６２８０４５明細書によっても公知である。

先にオーステナイト化された鋼のベイナイト化は従来は多くの場合、浴、いわゆる塩浴にて行われる。このためには鋼は急冷後、ベイナイト変態の開始（いわゆるベイナイト開始）からベイナイト変態の終了（いわゆるベイナイト仕上げ）まで、コンスタントな温度と適宜選ばれた適当な保持時間とで、この塩浴に中断なく貯蔵される。

さらにベイナイト化しようとする鋼を、塩浴における規定された滞在時間の経過後に、オーステナイトからベイナイトへの完全な変態を達成するために、循環空気で運転される保持炉に移し置くことがすでに提案されている。このためには保持炉は塩浴と同じ温度を有している。

発明の利点
鋼部品をベイナイト化するための本発明による方法は公知技術に較べて、オーステナイトからベイナイトへの少なくともほぼ完全な変態、つまり純ベイナイト組織が達成可能であって、同時にその後で得られた鋼部品の硬さが簡単な形式で方法パラメータによって制御可能であるという利点を有している。特に得られた鋼部品は例えばパルス化された圧力負荷に関して改善された強度特性を有している。

さらに有利には、本発明による方法によってはベイナイトへのオーステナイトの変態に必要な時間がはっきりと短縮される。これによって本発明の方法を実施するにあたり費用的に著しい利点が得られる。

さらに有利であることは、本発明の方法を簡単な形式で大量生産に使用することができることである。この場合には既存の製造過程の著しい変更又は製造設備への投資は不要である。

さらに本発明による方法によっては有利には、低い塩浴温度での鋼部品のシリーズチャージの急冷が同時にできるだけ純粋なベイナイトを形成して、つまり連続的なベイナイトの割合なしで可能であり、さら１つのチャージ内で均質な急冷強度が達成されることである。特に有利にはいくらかマルテンサイト開始温度Ｔ_Ｍの上にある開始温度Ｔ_２を適当に選択することで、ＴＴＴ曲線図にて急冷に際してパーライト組織領域を通過することが有利な形式で回避される。

本発明の有利な変化実施例は従属請求項に示されている。

例えば本発明の方法を実施したあとで得られた鋼部品の心部強度を、第１の時間帯の断続によって、つまり第１の塩浴又は油浴に保持する時間によって調節することが有利であり、又第１の塩浴の温度を調節することも有利である。この場合、一般的には鋼部品に得られたベイナイト組織の心部硬度は、第１の塩浴における滞在時間が短く選択されているほど低い。

同じことは有利には、鋼部品を循環空気原理による保持炉に置換えることにも、第２の時間帯の高められた温度を有する第２の塩浴に置換えることにも当嵌る。この場合にも鋼部品にて得られた、有利には純ベイナイト組織の心部硬度は仕上げ温度とこの第２の時間帯の継続長さとの関数となる。

オーステナイト組織をベイナイト組織に変態することは発熱反応であるので、さらに発生する反応熱を利用して、第１の時間帯が終了したあとで鋼部品を開始温度Ｔ_２から仕上げ温度Ｔ_３に加熱し、この仕上げ温度に第２の時間帯に亘って保持することが有利である。これによりエネルギーの節減と鋼部品の迅速でかつ均質な加熱が得られる。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。

図はオーステナイトがベイナイトに段階的なベイナイト変態で変態する状態を示したいわゆるＴＴＴ曲線の原理図（時間−温度−変態図表）である。

実施例
以下、本発明を、タイプ１００Ｃｒ６、工材番号１、３５０５の鋼のベイナイト化を例にとって説明する。

このためには当該タイプの鋼部品が公知の形式でオーステナイト化され、そのあとで８３０℃から８７０℃、例えば８５０℃の急冷温度Ｔ_１から公知の形式で第１の塩浴にて、鋼部品のマルテンサイト開始温度Ｔ_Ｍの上の開始温度Ｔ_２に急冷される。マルテンサイト開始温度Ｔ_Ｍは記載例では約２０５℃から２１５℃である。

これは、ＴＴＴ曲線図表に基づき、鋼がまずオーステナイトとしてオーステナイト組織領域１５にありかつ時点ｔ _０にて急冷温度Ｔ_１から、通常５ｓから１５ｓまでの時間帯内で開始温度Ｔ_２に急冷されることで説明される。時点ｔ _１にて経過時間Δ_{ｔｉｓｏ，１}に亘って継続する時間帯が開始し、その間に鋼もしくは鋼部品が第１の塩浴にて公知の形式で少なくともほぼ一定の開始温度Ｔ_２に保持される。塩浴の代わりにはその他に油浴を用いることもできる。

ＴＴＴ曲線図表にはさらに、第１の時間帯Δ_{ｔｉｓｏ，１}の間に、先にオーステナイト組織領域１５にあったオーステナイトがベイナイトに変態しはじめることが示されている。ベイナイト変態のこの開始は、本発明の方法で用いた温度の時間的な経過を示すＴＴＴ曲線図表にプロットされた変態曲線１６がベイナイト変態領域１３に侵入すると即座に行われる。

オーステナイトからベイナイトへの変態は、ＴＴＴ曲線図表５にて変態曲線１６がベイナイト組織領域１２に達すると即座に終了する。このベイナイト組織１２において鋼部品は純粋なベイナイト組織として存在する。

ＴＴＴ曲線図表５においてはさらに、本発明による段階的な熱的な変態によって通過させられないパーライト組織領域１１がプロットされている。

鋼部品を開始温度Ｔ_２で第１の時間帯Δ_{ｔｉｓｏ，１}に亘って恒温貯蔵することが第１の塩浴で終了したあとで、鋼部品は引き続き、開始温度Ｔ_２の上側にある仕上げ温度Ｔ_３に少なくとも近似的に恒温貯蔵される。この、仕上げ温度Ｔ_３での第２の恒温貯蔵は第２の時間帯Δ_{ｔｉｓｏ，２}に亘って継続させられる。この第２の時間帯Δ_{ｔｉｓｏ，１}はベイナイト組織領域１２の時点ｔ _３に達すると即座に、つまりオーステナイトから純粋なベイナイトへのほぼ完全な変態が行われると即座に終了する。その際、時間帯Δ_{ｔｉｓｏ，２}もしくは時点ｔ _３は図表における表示とは異なりかつ例えばプロセス安定性の理由から、座標（ｔ _３ 、Ｔ_３）がベイナイト組織領域１２の内部に位置するように選択されるかもしくは延張されることができることを強調しておく。したがって図表における第２の時間帯Δ_{ｔｉｓｏ，２}の間のベイナイト組織領域１２の境界の到達は単に、第２の時間帯Δ_{ｔｉｓｏ，２}の長さに対する要求の最小量であると理解されるべきである。

仕上げ温度Ｔ_３での鋼部品の第２の恒温貯蔵は、例えば第２の塩浴又は油浴にて又は択一的に保持炉、例えば循環空気式の保持炉にて行なうことができる。
説明した段階的なバイナイト変態が終了したあとで公知の形式で得られた鋼部品の搬出、冷却及び掃除が行なわれる。

詳細には、この実施例では、鋼部品のオーステナイト化のあとで、まず処理しようとするチャージが第１の塩浴にて２１５℃から２３０℃の開始温度Ｔ_２で行なわれる。特に有利であるのは２２０℃の温度である。

この開始温度Ｔ_２で鋼部品は第１の塩浴にて第１の時間帯Δｔ_{ｉｓｏ，１}に亘って恒温貯蔵される。前記第１の時間帯Δｔ_{ｉｓｏ，１}は５ｍｉｎと３０ｍｉｎとの間、有利には２０ｍｉｎ継続する。

そのあとで時点ｔ_２にて鋼部品は２４０℃から２８０℃まで、特に２６０℃の仕上げ温度Ｔ_３を有する空気循環式の保持炉へ移される。次いで鋼部品はこの仕上げ温度Ｔ_３に、２００ｍｉｎと４００ｍｉｎとの間、有利には２５０ｍｉｎから２７０ｍｉｎまで継続する第２の時間帯Δｔ_{ｉｓｏ，２}に亘って貯蔵される。

択一的に保持炉の代わりに仕上げ温度Ｔ_３を有する第２の塩浴を使用することもできる。

さらに本発明の方法の有利な構成によればベイナイト組織を形成するときに発生する反応熱を少なくとも部分的に、鋼部品を開始温度Ｔ_２から仕上げ温度Ｔ_３に加熱するためもしくは保持炉を加熱するために利用することが提案されている。

説明した方法によっては総じて、総ベイナイト変態時間の顕著な短縮が達成された。この総ベイナイト変態時間は本実施例ではいまや約３００ｍｉｎである。

これによって公知の方法、つまり純粋なベイナイト組織を達成するまで開始温度Ｔ_２で鋼部品を恒温貯蔵することに比較して典型的な形式では約６０ｍｉｎの時間的な節約が達成された。

記述した方法で製造又は処理された、ベイナイト組織を有する鋼部品は最終的に、出発材料に対して減退された６５０ＨＶ１０から７００ＨＶ１０の核心硬度を有する。

同時にパルス化された圧力波負荷に際して鋼部品の著しい強度上昇が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図はオーステナイトがベイナイトに段階的なベイナイト変態で変態する状態を示したいわゆるＴＴＴ曲線の原理図（時間−温度変態図表）である。
【符号の説明】
５ ＴＴＴ曲線図表、 １２ ベイナイト組織領域、 １５ オーステナイト組織領域、 １６ 変態曲線

Claims (9)

1. （イ）１００Ｃｒ６の鋼部品をオーステナイト化すること、
   （ロ）前記鋼部品のマルテンサイト開始温度（Ｔ_Ｍ）の上にある開始温度（Ｔ_２）であって２１５℃から２３０℃の間の範囲にある開始温度（Ｔ_２）に前記鋼部品を急冷すること、
   （ハ）５分から３０分の間継続する第１の時間帯（Δ_{ｔｉｓｏ，１}）に亘ってベイナイト変態領域（１３）内の所定の時点（ｔ２）まで前記開始温度（Ｔ_２）で前記鋼部品を恒温貯蔵すること、
   （ニ）前記鋼部品を２００分から４００分の間継続する第２の時間帯（Δ_{ｔｉｓｏ，２}）に亘って、前記開始温度（Ｔ_２）の上の仕上げ温度（Ｔ_３）であって２４０℃から２８０℃の間の範囲にある仕上げ温度（Ｔ_３）で少なくともベイナイト組織領域（１２）に達する時点（ｔ３）まで、恒温貯蔵すること、
   以上（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）の方法ステップを有することを特徴とする、鋼部品をベイナイト化するための方法。
2. 前記鋼部品のオーステナイト組織が純粋なベイナイト組織に変態される、請求項１記載の方法。
3. 方法ステップ（ロ）の急冷及び／又は方法ステップ（ハ）による貯蔵を第１の塩浴又は油浴で行う、請求項１又は２記載の方法。
4. 方法ステップ（ニ）による貯蔵を循環空気炉又は第２の塩浴又は油浴にて行う、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 第２の時間帯（Δ_{ｔｉｓｏ，２}）が２５０分から３００分に亘っている、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 方法ステップ（ニ）の後で前記鋼部品を２０℃から４０℃までの温度（Ｔ_４）に冷却する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記鋼部品の心部硬度が第１及び／又は第２の時間帯（Δ_{ｔｉｓｏ，１}、Δ_{ｔｉｓｏ，２}）の継続時間及び／又は開始温度（Ｔ_２）及び／又は仕上げ温度（Ｔ_３）を介して調節される、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. ベイナイト組織の形成に際して発生する反応熱を、少なくとも部分的に前記鋼部品を加熱するために、炉において実施される方法ステップ（ニ）の間に前記鋼部品を加熱するために用いる、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 請求項１から８までのいずれか１項記載の方法によってベイナイト化された鋼部品であって、
   心部硬度６５０ＨＶ１０から７００ＨＶ１０を有していることを特徴とする、ベイナイト化された鋼部品。

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