JP5429651B2 - マルエージング鋼帯 - Google Patents
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Description
そして、マルエージング鋼は、強化元素として、Co、Mo、Tiを適量含んでおり、時効処理を行うことによって、Ni3Mo、Ni3Ti、Fe2Mo等の金属間化合物を析出させて高強度を得ることのできる鋼である。また、特に自動車エンジンの無段変速機用部品に使用される鋼帯においては、特に高サイクル域での疲労強度が重要な要求特性であるため、高強度を有するマルエージング鋼の内部に存在するTiN等の非金属介在物をできるだけ微細化することが必要とされる。また、表面に窒化処理を施して窒化層を形成させて疲労強度を向上させて使用されている。
自動車エンジンの無段変速機用金属ベルトでは、非金属介在物を起点とする疲労強度低下を解決することを目的とした改良合金として、例えば、特表2004−514056号公報(特許文献1)、特開2001−240943号公報(特許文献2)及び特開2002−167652号公報(特許文献3)に提案されている。
また、前記の特許文献4乃至6のマルエージング鋼に対し、フッ素化合物を含むガス雰囲気下に加熱、保持することによってその表面に形成している酸化皮膜を除去した後、400〜500℃の温度で、NH3/H2ガス組成比率の値が1〜3となるよう調整した窒化ガス中で窒化処理を行なう高疲労強度を有するマルエージング鋼帯の製造方法として特開2008−185183号公報(特許文献7)を提案している。
また、特許文献2に開示される合金もTiを低減しているため、疲労破壊の起点となるTiNの微細化の点では有利である。しかしながら、強化元素の一つであるCoを低く抑えているため、高い引張強度を確保し難い。また、引張強度を確保するためにSi、Mnを添加しているが、このために靭性が低下する可能性があった。
また、特許文献3に開示される合金もTiを低減しているため、疲労破壊の起点となるTiNの微細化の点では有利である。しかしながら、Cを積極添加して高強度化を図っているため、Cr、Mo等の炭化物が析出し、これが疲労破壊の起点となって疲労強度が低下したり、また、積極添加したCによって無断変速機部品に必要とされる溶接性が低下する可能性がある。
そして、特許文献7では、特許文献4乃至6で提案したマルエージング鋼を用いて、特別な窒化処理を行なうことにより、更に疲労強度を向上させることができたものである。しかしながら、特許文献7においては、窒化処理時の温度やガス組成比率の検討に留まっている。
ところで、特許文献4乃至6で提案したマルエージング鋼の合金元素には、窒化処理時に析出物が変化し、窒化特性に影響を及ぼして疲労強度を左右するCrやAlを含有する。このような、CrやAlを含有するマルエージング鋼において、本発明者等は窒化処理により析出する析出物に代表される窒化組織と疲労強度の影響について詳細に検討した。その結果、窒化処理時に析出する析出物が大きく疲労強度に影響することを知見した。
本発明の目的は、高サイクル域での疲労破壊の起点となるTiNを低減することができる組成とすると共に、窒化処理後の窒化組織を適正化し、曲げ疲労強度を向上させたマルエージング鋼帯を提供することである。
即ち本発明は、質量%でC:0.01%以下、Si:0.1%以下、Mn:0.1%以下、P:0.01%以下、S:0.005%以下、Ni:8.0〜22.0%、Cr:0.1〜8.0%、Mo:2.0〜10.0%、Co:2.0%〜20.0%以下、Ti:0.1%以下、Al:2.5%以下、N:0.03%以下、O:0.005%以下、残部はFe及び不可避的不純物からなるマルエージング鋼に窒化処理を施したマルエージング鋼帯において、窒化層中に析出するCr窒化物が母相のマルテンサイトとの間に方位差10°以内でBaker‐Nuttingの結晶方位関係を有するマルエージング鋼帯である。
また、本発明においては、上記の基本組成に加えて、更に、質量%でCa:0.01%以下、Mg:0.005%以下、B:0.01%以下の1種以上を含有することができる。
また、本発明は、さらにAl:0.1%未満であり、且つ、Al+Tiが0.1%以下に規制したマルエージング鋼帯に特に有効である。
本発明のマルエージング鋼において、以下の範囲で各化学組成を規定した理由は以下の通りである。なお、特に記載のない限り質量%として記す。
Cは、Moと炭化物を形成して、析出すべき金属間化合物を減少させて強度を低下させるため、低く抑える必要がある。また、Cを積極添加すると、例えば無断変速機部品に必要とされる溶接性が低下する危険性が高くなる。このような理由からCは0.01%以下とした。好ましくは、0.008%以下である。
Siは、時効処理時に析出する金属間化合物を微細化したり、Niと共に金属間化合物を形成したりすることでTi低下による強度低下分を補うことができる元素である。しかし、靭性を低下させる惧れがあることから、靭性、延性を確保するために、本発明においては低く抑える必要がある。0.1%を超えて添加すると靭性、延性が低下することから、Siは0.1%以下とした。靭性、延性の確保をより確実に行うための好ましい範囲は0.05%以下である。
P、Sは、旧オーステナイト粒界に偏析したり、介在物を形成したりすることで、マルエージング鋼を脆化させ、疲労強度を低下させる有害な元素である。そのため、Pは0.01%以下、Sは0.005%以下とした。好ましくは、Pについては0.005%以下、Sについては0.004%以下の範囲である。
Niは、マルエージング鋼の基地組織である低Cマルテンサイト組織を安定して形成させるため、少なくとも8.0%は必要である。しかし、22.0%を超えるとオーステナイト組織が安定化し、マルテンサイト変態を起こし難くなることから、Niは8.0〜22.0%とした。Niの好ましい範囲は17.0%を超え22.0%以下である。
Moは、時効処理時にNi3Mo、Fe2Mo等の微細な金属間化合物を形成し、析出強化に寄与する重要な元素である。また、Moは窒化による表面の硬さ及び圧縮残留応力を大きくするために有効な元素である。このためのMoは、2.0%より少ないと引張強度が不十分であり、一方、10.0%より多いとFe、Moを主要元素とする粗大な金属間化合物を形成しやすくなるため、Moは2.0〜10.0%とした。Moの好ましい範囲は、3.0%を超え7.0%以下である。
また、Alを制限する場合は、強化に寄与するAlが減少することになるため、Coをやや高めにするのが良い。そのため、Coの範囲をCo:10.0%を超え20.0%以下とする。
また、Tiは表面に薄くて安定な酸化膜を形成し易く、この酸化膜が形成されると窒化反応を阻害するため、十分な窒化表面の圧縮残留応力が得られ難くなる。窒化を容易に行うために、また窒化後の表面の圧縮残留応力を大きくするために、Tiは有害な不純物元素であり、低く抑える必要がある。
Tiは、0.1%より多いとTiNまたはTi(C、N)の低減に十分な効果が得られず、また安定な酸化膜を表面に形成し易くなることから、Tiは0.1%以下とした。望ましくは0.05%以下が良く、さらに望ましくは0.01%以下が良い。
Alを積極添加すると、マルエージング鋼の強度を向上させることができる。そのため、強度を重視する場合にはAlを添加することが好ましい。
Alは、通常、脱酸のために少量添加されるが、本来、時効処理時にNiと共に金属間化合物を形成して強化に寄与する元素である。Si、Mn、Tiを低減した本発明の金属ベルト用マルエージング鋼ではAlの添加によって強度を補うことができる。また、Tiを低減したマルエージング鋼において窒化処理を容易にして良好な窒化層を得るという効果も期待できる。
一方2.5%より多いとAlN、Al2O3介在物を多く形成して疲労強度を低下させたり、表面に薄くて安定な酸化膜を形成して窒化反応を阻害したりするため、好ましくない。なお、Alを積極添加すると、マルエージング鋼表面粗さが若干粗くなる場合がある。そのため、Alを積極添加する場合の好ましい上限は1.5%である。
また、Al、Tiは共に非金属介在物を形成する元素であることから、Al+Tiの総量を低く抑えることが疲労強度向上に有効であるので、Al+Tiを0.1%以下とするのが望ましい。Al+Tiの好ましい範囲は0.07%以下である。
Oは、酸化物系介在物を形成して靭性、疲労強度を低下させる不純物元素であるので、0.005%以下に制限した。望ましくは、0.003%以下が良い。
本発明のマルエージング鋼は、真空誘導溶解または、真空誘導溶解の後、さらに真空アーク再溶解あるいはエレクトロスラグ再溶解を行なう等の真空雰囲気中での溶解によってインゴットを製造することができる。しかし、これら真空雰囲気中での溶解を行なっても、完全に非金属介在物を無くすことは技術的に困難である。
本発明の場合、強度向上を目的としてAlを添加する場合があるため、例えば25μmを超えるような粗大で硬質なAl2O3介在物が形成する危険性や、Al2O3がクラスター化したりする危険性がある。Al2O3介在物は硬質・高融点であり、例えば熱間塑性加工中でも殆ど変形することがない。そのため、例えば冷間圧延時のロールに疵を発生させて金属ベルト用マルエージング鋼の表面欠陥を生じる可能性が有るため、Al2O3介在物を他の酸化物との複合介在物として、硬さを低下させたり、融点を下げたりするのが良い。また、それと同時にクラスター化を防止できる元素を添加して、介在物欠陥を防止するのが好ましい。
なお、このCaとMgの効果を確実に得るには、Caは0.001%、Mgは0.0001%を下限とすると良い。
Bは、冷間加工後に固溶化処理を行った時の旧オーステナイト結晶粒を微細化して強化に寄与するとともに表面肌荒れを抑制する効果をもつ元素であり、適宜添加しても良い。Bが0.01%より多いと靭性が低下することから、Bは0.01%以下とした。望ましくは、0.005%以下が良い。旧オーステナイト結晶粒をより確実に微細化できる好ましいBの下限は0.0002%である。
以上、説明する元素以外は、Fe及び不可避的不純物とする。
なお、以下の元素は、下記の範囲であれば、脱酸、脱硫等の目的で添加しても良い。
Zr≦0.01%
ここで言うBaker‐Nuttingの結晶方位関係とは、本発明の窒化物と母相との関係において、(001)CrN // (001)α’、[110]CrN // [110]α’の関係を満たすものである。以下、詳しく説明する。
本発明者は、Cr含有のマルエージング鋼帯に対する窒化処理条件のわずかな変更が、著しい疲労強度の向上をもたらすことを知見し、その原因を追及した。その結果、窒化処理においてCr含有のマルエージング鋼帯表面に析出する窒化クロム(CrN)と母相とにおいてBaker‐Nuttingの結晶方位関係を成立させることができ、析出強化効果の発現により疲労強度を著しく改善できることを見いだした。なお、この関係は、窒化条件の変動により極めて崩れやすく、鋼種に合わせた慎重な条件設定が必要である。
本発明においては、Cr窒化物が母相のマルテンサイトとの間に実質的なBaker‐Nuttingの結晶方位関係を有することを具体的に表すために、Cr窒化物と母相のマルテンサイトとの間に方位差10°以内でBaker−Nuttingの結晶方位関係を有していると規定している。この結晶方位関係の方位差が10°より大きいと、析出強化効果が期待できなくなる。
本発明において、上記の窒化組織とするには、上述したマルエージング鋼帯の組成、窒化条件に加えて、固溶化処理温度を適切に行なうことも重要である。本発明では、合金中のCrの固溶度を高めるために、固溶化処理温度を高め、850〜950℃とする。これは、固溶化処理温度が850℃未満であると、Crの固溶度が不十分となり易く、本発明で規定する窒化組織が得にくくなる。一方、固溶化処理温度が950℃を超えると結晶粒が粗大化する。そのため、固溶化処理温度を850〜950℃とする。
窒化処理温度は、例えばガス軟窒化処理の場合、450〜500℃の範囲とすれば良い。そして、特に重要なのが処理時間であり、窒化組織は処理時間に敏感に影響を受ける。なお、窒化処理は、上記の通り種々の窒化処理を適用可能なため、特に窒化処理温度が変化する。そのため、量産時において本発明の窒化組織とするには、高温固溶化処理後、処理時間を変化させて窒化組織を確認するのが良い。
本発明の金属ベルト用マルエージング鋼帯は、高引張強度、高疲労強度を有し、窒化処理により優れた疲労特性を有することから自動車エンジンの無段変速機用金属ベルトに好適である。
(実施例1)
本発明で規定する組成範囲のマルエージング鋼を真空誘導溶解炉で溶解し、10kgのインゴットを作製し、均質化焼鈍を実施後、熱間鍛造した。さらに熱間圧延、冷間圧延によって約0.2mm厚さの鋼帯を作製し、金属ベルト用のマルエージング鋼とした。化学組成を表1に示す。
その後、900℃で固溶化処理を行ない、更に490℃で時効処理を行なった。窒化処理は、窒化組織の変化をより明確に表せるよう、処理Aとして460℃×35min、処理Bとして460℃×50minの条件でガス軟窒化を行った。なお、固溶化処理は水素雰囲気で実施した。
硬さ分布は窒化処理後の金属ベルト用マルエージング鋼帯の縦断面を熱硬化性樹脂に埋め込み、鏡面研磨した後、マイクロビッカース硬度計により荷重50gで測定した。なお、表面硬さは金属ベルト用マルエージング鋼帯の表面からマイクロビッカース硬度計により荷重100gで測定した。これよりNo.1、2の窒化深さはそれぞれ、25μm、50μmである。
疲労試験は、回転曲げ、引張圧縮、捻りといった種々の応力負荷様式があるが、本発明のマルエージング鋼帯を帯材としていることから曲げ応力を負荷する評価方法が適している。そのため、繰返し曲げ疲労試験において、従来のマルエージング鋼が破断するような高い応力を付与した時に破断しなければ高疲労強度を有していることが明らかである。そのため、平均応力が617MPa、最大応力が1176MPaで繰返し曲げ応力を付与した時に、破断繰返し数が107回まで実施した。
一方、図6より処理Bの明視野像にも針状の析出物が複数個観察されるが、処理Aで観察された析出物よりも粗大化しているのが分かる。また、この針状析出物は図7、8の電子線回折図の解析からCrNであり、図9のステレオ解析結果からCrNと母相のマルテンサイトとの間には方位差14°とBaker‐Nuttingの結晶方位からずれているのが確認でき、格子整合性が低いことが分かる。
このように、本発明のマルエージング鋼帯は、窒化組織の適正化により高い疲労強度とすることができる。
実施例2では組成の影響を調査した。
No.2〜No.4の本発明の組成範囲のマルエージング鋼及び従来の組成を有するNo.5の比較材のマルエージング鋼を真空誘導溶解炉で溶解し、10kgのインゴットを作製し、均質化焼鈍を実施後、熱間鍛造した。さらに熱間圧延、冷間圧延によって約0.2mm厚さの鋼帯を作製し、金属ベルト用のマルエージング鋼とした。化学組成を表3に示す。
窒化組織観察は、窒化深さ約15〜20μmの位置をFocus Ion Beam装置を用いて薄膜を作製し、透過型電子顕微鏡観察に供した。観察には加速電子200kVで実施し、析出物の同定および結晶方位関係の算出には析出物および母相の電子線回折図形とステレオ解析法を用いた。なお、析出物の同定および結晶方位関係については、本発明No.2、3及び4について行なった。
次に、図13のステレオ解析からBaker‐Nuttingの結晶方位関係を調査したところ、CrNと母相のマルテンサイトとの間には方位差6°で(100)CrN // (-101)α’、[010]CrN // [0-10]α’が平行であるBaker‐Nuttingの結晶方位関係があり、格子整合性が良いことが分かる。
No.3の明視野像を図14として示す。No.3処理Cの明視野像には針状の析出物が複数個観察され、同じ方位を示すことがわかる。また、この針状の析出物は図15及び16の電子線回折図の解析から何れもCrNであった。
次に、図17のステレオ解析からBaker‐Nuttingの結晶方位関係を調査したところ、CrNと母相のマルテンサイトとの間には方位差2°で(100)CrN // (-1-1)α’、[0-10]CrN // [0-11]α’が平行であるBaker‐Nuttingの結晶方位関係があり、格子整合性が良いことが分かる。
No.4の明視野像を図18に示す。No.4処理Cの明視野像には針状の析出物が複数個観察され、同じ方位を示すことがわかる。また、この針状の析出物は図19及び20の電子線回折図の解析から何れもCrNであった。
次に、図21のステレオ解析からBaker‐Nuttingの結晶方位関係を調査したところ、CrNと母相のマルテンサイトとの間には方位差5°で(100)CrN // (-1-10)α’、[0-10]CrN // [1-10]α’が平行であるBaker‐Nuttingの結晶方位関係があり、格子整合性が良いことが分かる。
表4の結果から、窒化組織中に整合性の良いCrNが析出した本発明のNo.1、2、3及び4の金属ベルト用マルエージング鋼は、CrNが析出しない比較鋼No.5よりも析出強化硬化により優れた疲労特性を有していることを確認した。
中でも、低Alのマルエージング鋼帯は、高応力条件の繰り返曲げ試験にも関わらず、高い疲労強度が得られているのが分かる。
以上の結果から、本発明のマルエージング鋼帯は、窒化処理後の窒化組織を適正化することで曲げ疲労強度を向上させることができることが分かる。
Claims (3)
- 質量%でC:0.01%以下、Si:0.1%以下、Mn:0.1%以下、P:0.01%以下、S:0.005%以下、Ni:8.0〜22.0%、Cr:0.1〜8.0%、Mo:2.0〜10.0%、Co:2.0%〜20.0%以下、Ti:0.1%以下、Al:2.5%以下、N:0.03%以下、O:0.005%以下、残部はFe及び不可避的不純物からなるマルエージング鋼に窒化処理を施したマルエージング鋼帯において、窒化層中に析出するCr窒化物が母相のマルテンサイトとの間に方位差10°以内でBaker‐Nuttingの結晶方位関係を有することを特徴とするマルエージング鋼帯。
- 質量%でCa:0.01%以下、Mg:0.005%以下、B:0.01%以下の1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載のマルエージング鋼帯。
- 請求項1または2に記載のマルエージング鋼帯は、Al:0.1%未満であり、且つ、Al+Tiが0.1%以下であることを特徴とする請求項1に記載のマルエージング鋼帯。
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