JP5233846B2

JP5233846B2 - 窒化処理および高周波焼入処理が施される用途に供される鋼材

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Publication number: JP5233846B2
Application number: JP2009133150A
Authority: JP
Inventors: 達雄吉井; 敦詞切畑; 正輝白水
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2009-06-02
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2029-06-02
Also published as: JP2010280929A

Description

本発明は、窒化処理および高周波焼入処理が施される用途に供される鋼材に関する。

近年、自動車の燃費向上の要求から、車体の軽量化が指向され、各種部材の薄肉化に対するニーズが高まっている。また、衝突安全性の観点から、ボディの高強度化、高剛性化、高衝撃吸収能化に対するニーズが高まっている。

これらのニーズに応えるため、各種部材やボディに使用される鋼材の高強度化が検討されている。例えば、従来から高い強度が必要とされている自動車のミッションの部材やドライブプレートなどの駆動系の部材についても、さらなる高強度化が検討されている。

これらの部材は、従来、鋼板等の中高炭素系鋼材を素材として、転造成形やプレス成形等により所定の形状に成形した後に焼入処理を施すことにより高強度化が図られてきた。
ここで、さらなる高強度化に応える方法として、鋼材の化学組成についてＣ含有量やＭｎ含有量等を高めることが考えられる。しかしながら、かかる方法では、素材段階における鋼材の硬度が高くなり過ぎて成形性の劣化が著しくなり、高い寸法精度を有する部材を製造することが困難になる。

このため、成形前の素材段階における鋼材の強度上昇を抑制しつつ、成形および熱処理を施した後の部材の強度をさらに向上させる方法が模索されている。
そこで、上述したさらなる高強度化のニーズに応えるべく、焼入処理等の単一の熱処理を施すのではなく、窒化処理や焼入処理等の複数の異なる熱処理を施すことが試みられている。

例えば、鋼板等の中高炭素系鋼材を素材として、転造成形やプレス成形等により所定の形状に成形した後に、一旦、タフトライド等の軟窒化処理を施し、その後さらに焼入処理を施して鋼材を高強度化する方法が提案されている。

このような方法によれば、成形前の素材段階における鋼材の強度上昇を抑制しつつ、成形後の熱処理により鋼材を従来よりも高強度化することにより、従来と同等の成形性を確保しつつ、鋼材のさらなる高強度化が可能となることが期待される。

ところで、鋼材の表面を硬化させることを目的とした技術としては、主に歯車などの耐摩耗性が要求される部品を対象として、浸炭処理や窒化処理が広く用いられている。これらの技術は元来、鋳鍛造品の表面硬化技術であるが、最近では、鋼板をプレス成形した工具、機械構造用部品、自動車部品の耐摩耗性、耐疲労強度、耐焼付性を必要とする部品に用いることが提案されている。

例えば、特許文献１および特許文献２には、鋼板のプレス成形体に窒化処理を施すことにより表面硬度を上昇させ、主として耐摩耗性を向上する技術が開示されている。また、特許文献３には、Ｃｕの析出強化を窒化処理と併用することにより、鋼材の表面のみならず鋼材の内部をも硬化させる技術が開示されている。

また、鋼材の表面を硬化すること、あるいは鋼材自体を高強度化することを目的とした技術としては、高周波焼入処理が広く用いられている。例えば、特許文献４には、Ｓｉ含有量およびＭｎ含有量を制御することにより、高炭素鋼材の冷間鍛造性や高周波焼入性を保ちつつ焼入処理後の耐疲労性を向上させる技術が開示されている。また、特許文献５には、冷間加工性を確保しつつ、高周波焼入処理後の硬度の確保を図る技術が開示されている。また、特許文献６〜特許文献９には、Ｃ含有量が０．３〜０．８％（本明細書では特に断りがない限り化学組成に関する「％」は「質量％」を意味する）程度の鋼材に関する技術が開示されている。

また、これらの窒化処理および高周波焼入処理の双方を施す技術も提案されている。例えば、特許文献１０〜特許文献１３には、窒化処理を施した後に高周波焼入処理を施す技術が開示されている。

特開平９−２５５４３号公報特開平９−２５５４４号公報特開平６−１３６４３８号公報特開平９−２１７１４４号公報特開２００７−１３１９０７号公報特開平１０−１４０２８４号公報特開平１１−１８１５４２号公報特開２００１−３５５０４７号公報特開２００２−１９４４８２号公報特開平６−３４６１４２号公報特開平７−９０３６３号公報特開平７−９０３６４号公報特開２００７−７７４１１号公報

上述したように、焼入処理等の単一の熱処理を施すのではなく、窒化処理や焼入処理等の複数の異なる熱処理を施すことにより、従来と同等の成形性を確保しつつ、鋼材のさらなる高強度化を可能とすることが期待されるが、従来技術においては熱処理に関する検討は確かになされているものの、かかる熱処理による作用効果を十分に享受し、成形前の素材段階における成形性を確保し、さらに熱処理後の靭性を確保するという、総合的観点からの鋼材の化学組成および鋼組織の検討は十分に行われていない。

例えば、特許文献１および特許文献２に開示された技術は、Ｃ含有量が低いため、高周波焼入処理を施すことによる強度上昇が望めない。また、特許文献３に開示された技術は、Ｃｕを多量に含有するため、熱間圧延時にＣｕの共晶融解に起因する表面欠陥が顕著に発生してしまい、良好な表面性状が要求される部材に対して適用できない。また、Ｃｕは高価な元素であり、多量に含有させることはコストの観点からも好ましくない。

また、特許文献４および特許文献５に開示された技術は、いずれもＣ含有量が０．６０％以上の鋼材に関するものであり、成形前の素材段階における鋼材の硬度が高過ぎて成形性の劣化が著しくなり、高い寸法精度を有する部材を得ることは困難である。また、特許文献６〜特許文献９に開示された発明は、窒化処理性を考慮していないため、窒化処理による作用効果を十分に享受することができない。

さらに、特許文献１０〜特許文献１３に開示された発明は、鋼材の表面の硬化のみを目的として熱処理前の素材段階における成形性を確保するという観点が欠落しているため、成形前の素材段階における鋼材の硬度が高く、高い寸法精度を有する部材を得ることが困難である。

このように、従来技術においては上述した総合的観点からの鋼材の化学組成および鋼組織の検討が行われていない。
ここで、本発明者らの検討によれば、窒化処理により鋼材の表層に形成される窒化層は伝熱性が悪く、このため、短時間加熱を前提とする高周波焼入処理においては、窒化処理を施した鋼材の焼入性は、窒化処理を施さない鋼材の焼入性に比べて低下する。

窒化処理の後に施される焼入処理が長時間の加熱を前提とする焼入処理である場合には、鋼材内部まで確実に加熱されるため、鋼材の表層に形成される窒化層による焼入性の低下が問題となることはないが、窒化処理の後に高周波焼入処理を施す用途に供する鋼材については、鋼材の表層に形成される窒化層による焼入性の低下を十分に考慮した化学組成と鋼組織の検討が必要である。

したがって、窒化処理性と高周波焼入性とを個別に考慮した化学組成や鋼組織の検討では足りず、窒化処理性を確保したうえで、窒化処理に伴う高周波焼入性の低下を抑制して、窒化処理後における高周波焼入性を確保することが重要であるが、従来技術においてはこの点について検討されていない。

また、窒化処理および高周波焼入処理を施した後の鋼材については、良好な靭性も求められるのであるが、従来技術においてはこの点についての検討も十分に行われていない。
本発明は、上述したような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、軟質で成形性に優れ、窒化処理が施されることにより鋼材表面の硬化が効果的に促進され、さらに高周波焼入処理が施されることにより鋼材内部の硬化が効果的に促進され、その結果、強度が高く靭性に優れた鋼材を得ることを可能にする、窒化処理および高周波焼入処理が施される用途に供される鋼材を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋼材の化学組成および鋼組織について鋭意検討を行い、良好な成形性を具備させるとともに、窒化処理性と高周波焼入処理性とを両立させ、かつそれらの処理がなされた後に高い強度と良好な靭性を得るための化学組成および鋼組織を見出した。

すなわち、Ａｌ含有量およびＣｒ含有量を所定の範囲とすることによって良好な窒化処理性を確保し、Ｃ含有量およびＭｎ含有量ならびに球状化炭化物の粒径を所定の範囲とすることによって良好な成形性を確保するとともに窒化処理後においても高い高周波焼入性を確保し、さらに、Ｐ含有量およびＳ含有量を厳格に管理することによって窒化処理および高周波焼入処理後において良好な靭性を確保することができることを見出したのである。

本発明は、この新規な知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）Ｃ：０．１５％以上０．４７％以下、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：０．２％以上１．０％以下、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：０．０２％以上０．４５％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０２０％以上０．１００％以下、Ｎ：０．００６０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、フェライトと球状化炭化物とからなるとともに、前記フェライトの平均粒径が４μｍ以上２０μｍ以下であり、前記球状化炭化物の平均粒径が０．４μｍ以上１．５μｍ以下である鋼組織を有し、窒化処理および高周波焼入処理が施される用途に供されることを特徴とする鋼材。
（２）化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、Ｔｉ：０．０３０％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｎｂ：０．０２０％以下、Ｍｏ：０．０５％以下およびＮｉ：０．０５％以下からなる群から選択される１種または２種以上を含有するものであることを特徴とする上記（１）項に記載の鋼材。
（３）化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、Ｖ：０．０５％以下を含有するものであることを特徴とする上記（１）項または（２）項に記載の鋼材。
（４）化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、Ｃｕ：０．１５％以下を含有するものであることを特徴とする上記（１）項から（３）項までのいずれか１項に記載の鋼材。
（５）化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、Ｃａ：０．００５％以下を含有するものであることを特徴とする上記（１）項から（４）項までのいずれか１項に記載の鋼材。

ここで、「球状化炭化物」とは、長径／短径の比が３以下である炭化物である。なお、球状化炭化物以外の炭化物が不可避的に混入する場合もあり得るが、全炭化物に占める球状化炭化物の面積割合が９０％以上であればよい。

本発明に係る鋼材に施される成形加工法としては、自動車のドライブプレートのような駆動系部品についてみられるプレス加工やスピニング加工が例示される。本発明は、これらの成形加工を可能とするように軟質化を追求しつつ、窒化処理性、高周波焼入性および靭性を追及した結果、得られたものである。

本発明に係る鋼材の具体的目標としては、成形性の観点から、表面硬度がＨＲＢで８０以下であり、窒化処理性および高周波焼入処理性の観点から、これらの熱処理後の表面硬度がＨｖで６００以上であり、かつ、鋼材の表面から１ｍｍ深さ位置における硬度がＨｖで４００以上であり、靭性の観点から、窒化処理および高周波焼入処理の後におけるシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが３０Ｊ／ｃｍ^２以上である。

本発明によれば、軟質で成形性に優れ、窒化処理が施されることにより鋼材表面の硬化が効果的に促進され、さらに高周波焼入処理が施されることにより鋼材内部の硬化が効果的に促進され、その結果、強度が高く靭性に優れた鋼材を得ることを可能にする、窒化処理および高周波焼入処理が施される用途に供される鋼材を得られる。斯かる鋼材を、例えば、自動車のミッションの部材やドライブプレートなどの駆動系の部材に適用すれば、高強度化による軽量化が可能となる。

以下、本発明に係る鋼材の化学組成および鋼組織を説明する。
１．化学組成
［Ｃ：０．１５％以上０．４７％以下］
Ｃは、高周波焼入処理により鋼材の硬度を高める作用を有する重要な元素である。Ｃ含有量が０．１５％未満では、高周波焼入処理を施した後に所定の硬度が得られない。このため、Ｃ含有量は０．１５％以上とする。好ましくは、０．３０％以上である。一方、Ｃ含有量が０．４７％を超えると、素材段階における鋼材の硬度が高くなり過ぎて、成形性の劣化が著しくなる。このため、Ｃ含有量は０．４７％以下とする。好ましくは、０．４０％以下である。

［Ｓｉ：０．３％以下］
Ｓｉは、一般には不純物として含有される元素であるが、焼入性を高める作用を有するので積極的に含有させてもよい。しかしながら、Ｓｉ含有量が０．３％を超えると、固溶強化により素材段階における鋼材の硬度が高くなり、成形性の劣化が著しくなる。このため、Ｓｉ含有量は０．３％以下とする。

［Ｍｎ：０．２％以上１．０％以下］
Ｍｎは、窒化処理による強度上昇能を高め、また、焼入性をも高める作用を有する元素である。Ｍｎ含有量が０．２％未満では、上記作用による効果を十分に得ることができない。このため、Ｍｎ含有量は０．２％以上とする。一方、Ｍｎ含有量が１．０％を超えると、素材段階における鋼材の硬度が高くなり過ぎて、成形性の劣化が著しくなる。また、窒化処理による強度上昇が過大となり、窒化処理および高周波焼入処理を施した後の鋼材の靭性劣化が著しくなる。このため、Ｍｎ含有量は１．０％以下とする。

［Ｐ：０．０１５％以下］
Ｐは、不純物として含有され、靭性を著しく劣化させる作用を有する元素である。したがって、Ｐ含有量を厳格に規制することは窒化処理および高周波焼入処理を施した後の鋼材について良好な靭性を確保するために重要である。Ｐ含有量が０．０１５％を超えると靭性の劣化が顕著となる。このため、Ｐ含有量は０．０１５％以下とする。

［Ｓ：０．０１０％以下］
Ｓは、不純物として含有され、Ｐと同様に靭性を劣化させる元素である。したがって、Ｓ含有量を厳格に規制することは窒化処理および高周波焼入処理を施した後の鋼材について良好な靭性を確保するために重要である。Ｓは、また、素材段階における鋼材の成形性、特に鋼材が圧延材である場合には圧延方向に対して直角方向の延性を低下させたり、鋼材の表面疵を誘発したりする。Ｓ含有量が０．０１０％を超えると、上記悪影響が顕著となる。したがって、Ｓ含有量は０．０１０％以下とする。

［Ｃｒ：０．０２％以上０．４５％以下］
Ｃｒは、窒化処理性を高める作用、特に窒化深さを深くする作用を有するともに、焼入性を高める作用を有する重要な元素である。Ｃｒ含有量が０．０２％未満では、上記作用による効果を十分に得られない場合がある。このため、Ｃｒ含有量を０．０２％以上とする。一方、Ｃｒ含有量が０．４５％を超えると、素材段階における鋼材の硬度が高くなり、成形性の劣化が顕著となる。したがって、Ｃｒ含有量は０．４５％以下とする。

［ｓｏｌ．Ａｌ：０．０２０％以上０．１００％以下］
Ａｌは、窒化処理性を高める作用、特に鋼材の表面硬度を高める作用を有する重要な元素である。ｓｏｌ．Ａｌ含有量が０．０２０％未満では、上記作用による効果を十分得られない場合がある。したがって、ｓｏｌ．Ａｌ含有量を０．０２０％以上とする。一方、ｓｏｌ．Ａｌ含有量が０．１００％を超えると、上記作用による効果が飽和してしまい、いたずらにコスト上昇を招く。したがって、ｓｏｌ．Ａｌ含有量を０．１００％以下とする。

［Ｎ：０．００６０％以下］
Ｎは、不純物として含有され、球状化焼鈍後はＡｌによって固定されてＡｌＮとなる。したがって、Ｎ含有量が０．００６０％を超えると、窒化処理性を高めるのに有効に作用する固溶状態にあるＡｌを窒化処理時に確保することが困難となる。したがって、Ｎ含有量は０．００６０％以下とする。

［Ｔｉ：０．０３０％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｎｂ：０．０２０％以下、Ｍｏ：０．０５％以下およびＮｉ：０．０５％以下からなる群から選択される１種または２種以上］
これらの元素は、任意元素であり、窒化処理および高周波焼入処理を施した後の鋼材の靭性を高める作用を有するので、１種または２種以上を含有させてもよい。

Ｔｉは、鋼組織を微細化することにより、鋼材の靭性を向上させる作用を有する元素である。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．０３０％を超えると、素材段階における鋼材の強度上昇が著しくなって成形性の劣化が顕著になる。したがって、Ｔｉ含有量は０．０３０％以下とする。このような作用をより確実に奏させるには、Ｔｉ含有量は０．００３％以上であることが好ましい。

Ｂは、粒界を強化することにより鋼材の靭性を向上させる作用を有する元素である。しかしながら、Ｂ含有量が０．００５０％を超えると、素材段階における鋼材の強度上昇が著しくなって成形性の劣化が顕著になる。また、上記作用による効果が飽和する。したがって、Ｂ含有量を０．００５０％以下とする。このような作用をより確実に奏させるにはＢ含有量は０．０００５％以上であることが好ましい。

Ｎｂは、鋼組織を微細化することにより、鋼材の靭性を向上させる作用を有する元素である。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．０２０％を超えると、素材段階における鋼材の強度上昇が著しくなって成形性の劣化が顕著になる。また、再固溶し難い炭窒化物を形成するため、短時間加熱を前提とする高周波焼入処理においては焼入性の低下が著しくなる。したがって、Ｎｂ含有量は０．０２０％以下とする。このような作用をより確実に奏させるには、Ｎｂ含有量は０．００２％以上であることが好ましい。

Ｍｏは、鋼組織を微細化することにより、鋼材の靭性を向上させる作用を有する元素である。しかしながら、Ｍｏ含有量が０．０５％を超えると、素材段階における強度上昇が著しくなって成形性の劣化が顕著になる。したがって、Ｍｏ含有量は０．０５％以下とする。このような作用をより確実に奏させるには、Ｍｏ含有量は０．０２％以上であることが好ましい。

Ｎｉは、低温環境下における靭性を向上させる作用を有し、また、窒化処理性を向上させる作用も有する元素である。しかしながら、Ｎｉ含有量が０．０５％を超えると、素材段階における鋼材の強度上昇が著しくなって成形性の劣化が顕著になる。また、Ｎｉは高価な元素であるので、含有量を徒に高くすることは製造コストの観点から好ましくない。したがって、Ｎｉ含有量は０．０５％以下とする。このような作用をより確実に奏させるには、Ｎｉ含有量は０．０２％以上であることが好ましい。

［Ｖ：０．０５％以下］
Ｖは、任意元素であり、窒化処理性を高める作用、特に窒化深さを深くする作用を有する。しかしながら、Ｖ含有量が０．０５％を超えると、素材段階における強度上昇が著しくなって成形性の劣化が顕著になる。したがって、Ｖ含有量は０．０５％以下とする。このような作用をより確実に奏させるには、Ｖ含有量は０．０２％以上であることが好ましい。

［Ｃｕ：０．１５％以下］
Ｃｕは、任意元素であり、熱間圧延工程におけるスケールに起因する疵発生を予防する作用を有する。しかしながら、Ｃｕ含有量が０．１５％を超えると、素材段階における鋼材の強度上昇が著しくなって成形性の劣化が顕著になる。また、熱間圧延時に共晶融解して著しい表面性状の劣化を招く。したがって、Ｃｕ含有量は０．１５％以下とする。このような作用をより確実に奏させるには、Ｃｕ含有量は０．０５％以上であることが好ましい。

［Ｃａ：０．００５％以下］
Ｃａは、任意元素であり、鋼中のＳをＣａＳとして固定することにより、Ｓに起因する特性の異方性を低減する作用を有する。しかしながら、Ｃａ含有量が０．００５％を超えると、素材段階における鋼材の強度上昇が著しくなって成形性の劣化が顕著になる。Ｃａを含有させるには製造コストの上昇を招くので、その使用を控える方が得策である。したがって、Ｃａ含有量は０．００５％以下とする。このような作用をより確実に奏させるには、Ｃａ含有量は０．０００４％以上であることが好ましい。

上述した以外の残部はＦｅおよび不純物である。
２．鋼組織
鋼組織は、フェライトと球状化炭化物とからなるとともに、フェライトの平均粒径が４μｍ以上２０μｍ以下であり、球状化炭化物の平均粒径が０．４μｍ以上１．５μｍ以下である。

［球状化炭化物の平均粒径：０．４μｍ以上１．５μｍ以下］
球状化炭化物の粒径は、本発明において重要な管理項目である。
すなわち、素材段階における成形性の観点からは、球状化炭化物の粒径が大きいほど鋼材が軟質となるので好ましいが、高周波焼入処理性の観点からは、球状化炭化物の粒径が大きいと、焼入れのためにオーステナイト化した際に、炭化物が再固溶するのに要する時間が長くなるため、加熱時間が短時間となる高周波焼入処理においては炭化物の再固溶が不充分となって焼入性が低下し、所定の硬度が得られない場合がある。したがって、球状化炭化物の粒径は、成形性の確保と高周波焼入性の確保とを両立させるために厳格な管理が必要となる。よって、球状化炭化物の平均粒径は０．４μｍ以上１．５μｍ以下とする。

［フェライトの平均粒径：４μｍ以上２０μｍ以下］
フェライトの粒径も、本発明において重要な管理項目である。
すなわち、素材段階における成形性の観点からは、フェライトの粒径が大きいほど鋼材が軟質となるので好ましいが、窒化処理および高周波焼入処理後の靭性の観点からは、フェライトの粒径が大きいと、窒化処理後の鋼材表面の結晶粒径も大きくなり、ひいては高周波焼入処理後の旧オーステナイト粒径が大きくなり、靭性が劣化する。したがって、フェライトの平均粒径は４μｍ以上２０μｍ以下とする。

上述した化学組成および鋼組織を有する本発明に係る鋼材は、表面硬度ＨＲＢ：８０以下、窒化処理および高周波焼入処理の後における表面硬度Ｈｖ：６００以上、鋼材の表面から１ｍｍ深さ位置における硬度Ｈｖ：４００以上、窒化処理および高周波焼入処理の後におけるシャルピー衝撃試験の吸収エネルギー：３０Ｊ／ｃｍ^２以上を有する。このように、本発明に係る鋼材は、軟質で成形性に優れ、窒化処理が施されることにより表面の硬化が効果的に促進され、さらに高周波焼入処理が施されることにより内部の硬化が効果的に促進され、その結果、強度が高く靭性に優れており、窒化処理および高周波焼入処理が施される用途に供されることに好適である。
３．本発明に係る鋼材が鋼板である場合の好ましい製造方法
本発明に係る鋼材は、上記化学組成と鋼組織とを有するものであるが、鋼材が鋼板である場合には、以下の製造方法により製造することが好ましい。

上記化学組成を有するスラブを１２００℃以上１２９０℃以下として熱間圧延に供し、Ａｒ_３点以上９００℃以下の温度域で熱間圧延を完了し、６５０℃以下で巻取ることが好ましい。

熱間圧延に供するスラブの温度が低すぎると圧延能率が低下する。このため、１２００℃以上とすることが好ましい。一方、熱間圧延に供するスラブの温度が高すぎると表面性状が劣化する。このため、１２９０℃以下とすることが望ましい。スラブは、連続鋳造後、直接または再加熱により上記温度域とすればよい。

熱間圧延における圧延完了温度が低すぎると、フェライト域圧延となって結晶粒が粗大化し、窒化処理および高周波焼入処理後の鋼材の靭性が劣化する。このため、圧延完了温度はＡｒ_３点以上とすることが好ましい。一方、熱間圧延における圧延完了温度が高すぎると、圧延完了後にオーステナイトの粒成長が進行し、窒化処理および高周波焼入処理後の鋼材の靭性が劣化する。このため、圧延完了温度は９００℃以下とすることが好ましい。

巻取温度を低くすると、巻取後におけるフェライトの粒成長を抑制して、窒化処理および高周波焼入処理後の鋼材の靭性が向上する。このため、巻取温度は６６０℃以下が好ましく、６５０℃以下とすることがさらに好ましい。

巻取後は、酸洗を施して鋼板表面のスケールを除去し、その後球状化焼鈍を行う。酸洗後、球状化焼鈍前に、冷間圧延を施してもよい。
酸洗は常法でよい。

冷間圧延を施す場合おける圧下率は、ｒ値の向上等の鋼板の成形性の観点から、４０％以上８０％以下とすることが好ましい。
球状化焼鈍温度が高すぎると結晶粒が粗大化して、窒化処理および高周波焼入処理後の鋼材の靭性劣化を招く。このため、球状化焼鈍の焼鈍温度は７４０℃以下とすることが好ましく、７２０℃以下とすることがさらに好ましい。

球状化焼鈍後は、調質圧延を施すことにより、降伏伸びの抑制、板形状の調整、表面の粗さ調整を行ってもよい。調質圧延を施す場合には、０．６％未満の伸び率では調質圧延の効果が十分でなく、１．６％を超える伸び率では加工硬化により延性の低下が著しくなるので、０．６％以上１．６％以下の伸び率とすることが好ましい。

本発明に係る鋼材は、プレスやスピニング加工等により所定形状に成形した後、窒化処理を施し、さらに高周波焼入処理を施すことにより、強度および靭性に優れた部材を得ることができる。

ここで、窒化処理（軟窒化処理を含む）の方法は特に限定する必要はなく、ガス窒化、プラズマ（イオン）窒化、塩浴窒化（タフトライド処理）等の常法でよい。窒化処理条件は、窒化処理温度：５００℃以上６５０℃以下、窒化処理時間：１時間以上２０時間以下とすることが好ましい。

表１に示す化学組成を有するスラブを連続鋳造法により製造し、１２５０℃に加熱した後に熱間圧延に供し、８７０℃で圧延を完了し、２．６ｍｍの板厚に仕上げ、冷却後５８０℃で巻き取った。酸洗によりスケールを除去した後、バッチ焼鈍にて７１０℃で２０時間保持する球状化焼鈍を施し、さらに伸び率：１．０％の調質圧延を施した。

このようにして得られた鋼板から試験片を採取し、断面の鋼組織の観察と表面硬度の測定とを行った。鋼組織の観察は、ナイタールエッチングした鋼板断面について、鋼板表面から板厚中心部までを１０００倍の倍率でＳＥＭにて連続的に撮影し、得られた写真を画像解析することにより、フェライト平均粒径と球状化炭化物の平均粒径とを求めた。表面硬度の測定は、鋼板表面についてＨＲＢにて３点測定し、その平均値を求めた。

また、上記鋼板の表面を洗浄した後、５５０℃×１０時間の窒化処理を施し、次いで、加熱温度：９８０℃、加熱時間：１０秒の高周波焼入処理および３００℃で１ｈｒの焼戻処理を施した。

このようにして得られた鋼板から試験片を採取し、鋼板の表面硬度と鋼板の表面から１ｍｍ深さ位置における断面の硬度（内部硬度）を測定し、さらに、ＪＩＳＺ２２４２で規定されるシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギーを測定して靭性を評価した。表面硬度は、ビッカース硬度計で荷重９８Ｎ（１０ｋｇｆ）として、断面硬度は、マイクロビッカース硬度計で荷重４．９Ｎ（５００ｇｆ）として測定した。シャルピー衝撃試験は、元厚のままで室温１５℃の環境下でシャルピー衝撃試験（ＪＩＳＺ２２４２）を行い、吸収エネルギーを測定することにより評価した。

試験結果を表１に併せて示す。表１における鋼材Ｎｏ．１〜１７が本発明の条件を満足する本発明例であり、鋼材Ｎｏ．１８〜３６が本発明の条件を満足しない比較例である。

本発明例の鋼材Ｎｏ．１〜１７は、素材の表面硬度がＨＲＢで８０以下であり、窒化処理および高周波焼入処理後の表面硬度がＨｖで６００以上および鋼板の表面から１ｍｍ深さ位置の硬度がＨｖで４００以上であり、さらに窒化処理および高周波焼入処理後の靭性については、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーで３０Ｊ／ｃｍ^２以上である特性を有している。

これに対し、比較例の鋼材Ｎｏ．１８は、Ｃ含有量が本発明の範囲の下限を下回るので、熱処理後の内部硬度が不芳である。
比較例の鋼材Ｎｏ．１９および２０は、いずれも、Ｃ含有量が本発明の範囲の上限を上回るので、熱処理前の硬度が高く加工性が不芳であるとともに熱処理後の靱性も不芳である。

比較例の鋼材Ｎｏ．２１は、Ｓｉ含有量が本発明の範囲の上限を上回るので、熱処理前の硬度が高く加工性が不芳である。
比較例の鋼材Ｎｏ．２２は、Ｍｎ含有量が本発明の範囲の下限を下回るので、熱処理後の内部硬度が不芳である。

比較例の鋼材Ｎｏ．２３は、Ｍｎ含有量が本発明の範囲の上限を上回るので、熱処理前の硬度が高く加工性が不芳であるとともに熱処理後の靱性も不芳である。
比較例の鋼材Ｎｏ．２４は、Ｐ含有量が本発明の範囲の上限を上回るので、熱処理後の靱性が不芳である。

比較例の鋼材Ｎｏ．２５は、Ｓ含有量が本発明の範囲の上限を上回るので、熱処理後の靱性が不芳である。
比較例の鋼材Ｎｏ．２６は、Ｃｒ含有量が本発明の範囲の下限の好適値を下回るので、球状化炭化物の平均粒径が本発明の範囲の上限を超え、熱処理後の硬度がやや不足する。

比較例の鋼材Ｎｏ．２７は、Ｃｒ含有量が本発明の範囲の上限を上回るので、熱処理前の硬度が高く加工性が不芳である。
比較例の鋼材Ｎｏ．２８は、ｓｏｌ．Ａｌ含有量が本発明の範囲の下限を下回るので、フェライト平均粒径および球状化炭化物平均粒径が大きくなり、熱処理後の表面硬度が不芳である。

比較例の鋼材Ｎｏ．２９は、Ｎ含有量が本発明の範囲の上限を上回るので、熱処理後の表面硬度が不芳である。
比較例Ｎｏ．３０はＴｉ含有量が、比較例Ｎｏ．３１はＣｕ含有量が、比較例Ｎｏ．３２はＮｉ含有量が、比較例Ｎｏ．３３はＭｏ含有量が、比較例Ｎｏ．３４はＮｂ含有量が、比較例Ｎｏ．３５はＶ含有量が、さらに、比較例Ｎｏ．３６はＣａ含有量が、それぞれ本発明の範囲の上限を上回るため、いずれも、熱処理前の硬度が高く加工性が不芳である。

表１の鋼材Ｎｏ．７および１６の化学組成を有するスラブを１２５０℃に加熱した後に、表２に示す条件で熱間圧延およびバッチ焼鈍を施した。
このようにして得られた鋼板から試験片を採取し、実施例１と同様にフェライト平均粒径および球状化炭化物平均粒径を求め、鋼板の表面硬度を求めた。

また、上記鋼板に、実施例１と同様の窒化処理、高周波焼入処理および焼戻処理とを施し、実施例１と同様に、鋼板の表面硬度および内部硬度を測定し、靭性を評価した。
試験結果を表２に併せて示す。

表２における本発明例の記号Ｂ〜Ｄ、Ｇ〜Ｉは、素材の表面硬度がＨＲＢで８０以下、窒化処理および高周波焼入処理後の表面硬度がＨｖで６００以上および鋼板の表面から１ｍｍ深さ位置の硬度がＨｖで４００以上、さらに窒化処理および高周波焼入処理後の靭性については、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーで３０Ｊ／ｃｍ^２以上の特性を有している。

一方、比較例の記号Ｎｏ．Ａ、Ｅ、ＦおよびＪは、上述した特性のいずれかが劣る。
記号ＡおよびＦは、フェライト平均粒径およびセメンタイト平均粒径が小さいため、素材段階における鋼材の硬度が高く、成形性に劣っていた。記号ＥおよびＪは、素材段階では非常に軟質で成形性に優れるものの、熱処理後の内部硬度が目標に到達しなかった。また、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーも低く、靭性に劣っていた。

Claims

質量％で、Ｃ：０．１５％以上０．４７％以下、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：０．２％以上１．０％以下、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：０．０２％以上０．４５％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０２０％以上０．１００％以下、Ｎ：０．００６０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、フェライトと球状化炭化物とからなるとともに、前記フェライトの平均粒径が４μｍ以上２０μｍ以下であり、前記球状化炭化物の平均粒径が０．４μｍ以上１．５μｍ以下である鋼組織を有し、窒化処理および高周波焼入処理が施される用途に供されることを特徴とする鋼材。
前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｔｉ：０．０３０％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｎｂ：０．０２０％以下、Ｍｏ：０．０５％以下およびＮｉ：０．０５％以下からなる群から選択される１種または２種以上を含有するものであることを特徴とする請求項１に記載の鋼材。
前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、Ｖ：０．０５質量％以下を含有するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鋼材。
前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、Ｃｕ：０．１５質量％以下を含有するものであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の鋼材。
前記化学組成が、前記Ｆｅの一部に代えて、Ｃａ：０．００５質量％以下を含有するものであることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の鋼材。