JP5664797B2 - 疲労強度に優れる窒化用熱延鋼板、窒化用冷延鋼板及びそれらの製造方法、並びにそれらを用いた疲労強度に優れた自動車部品 - Google Patents

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Description

本発明は加工性を確保し、かつガス窒化、ガス軟窒化、塩浴軟窒化などの窒化処理によって硬質の窒化層が得られる疲労強度に優れる窒化用鋼板及びそれらの製造方法であり、表面に硬質の窒化層を有する疲労特性に優れた自動車部品に関するものである。
本願は、2011年11月21日に日本に出願された特願2011−253677号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
自動車や各機械部品には、表面硬化処理を施した部品が数多く使用されている。表面硬化処理は耐摩耗性や疲労強度改善を目的として施されるものであり、代表的な表面硬化処理方法として、浸炭、窒化、高周波焼入れ等が挙げられる。ガス窒化、ガス軟窒化、塩浴軟窒化などの窒化処理は、他の方法と異なりオーステナイトへの変態点以下で処理されるため、数時間の処理時間を要するものの、熱処理歪みを小さくすることができるという利点を有する。
したがって、窒化は動車部材においてはクランクシャフト、トランスミッションギアといった精密加工を施した部品、あるいはプレスにより成形されるダンパディスク、ダンパプレートの硬化処理後の製品形状精度を要する部材に適した表面硬化処理である。窒化処理のうち、ガス軟窒化、塩浴軟窒化などがあげられるが、アンモニア雰囲気で行われるガス窒化は、高い表面硬度が得られるが、窒素の拡散が遅く、一般的に20時間以上の処理時間が必要である。一方、ガス軟窒化、塩浴軟窒化など、窒素と共に炭素を含む浴又は雰囲気にて処理される軟窒化処理は、窒素の拡散速度を増すことができる。その結果、軟窒化処理では数時間で表面硬化層深さを高めた部品を得ることができる。このような窒化処理により表面硬化深さの高い表面硬化層が形成され、部品の表面の疲労亀裂発生を抑制し、疲労耐久性の改善が可能となる。
表面硬化層深さおよび表面硬度を高めるためには窒化物形成合金を含有した鋼が提案されており、例えば特許文献1にて開示されている。また、熱延鋼板あるいは冷延鋼板によりプレス成形された部品においては窒化処理前のプレス成形時の加工性と窒化処理後の部品表面硬度特性を向上させたガス軟窒化処理鋼板が提案されており、例えば、特許文献2、3に開示されている。前記した公知文献ではいずれもガス軟窒化処理による表面硬度の向上には窒化物形成元素であるAl、Cr、V等の元素が有効であり、ガス軟窒化用鋼板の合金元素として含有されている。
特開2007−162138号 特開2005−264205号 特開平9−25544号
例えば熱延鋼板あるいは冷延鋼板をプレスにより成形されたガス軟窒化部品である場合、ガス軟窒化処理前の加工性と処理後の疲労特性を両立させる鋼板の合金成分設計が必要となる。
ガス軟窒化処理後の疲労特性はAl、Cr、Vの窒化物により、表面硬度と深さを高める必要がある。特にVはNの拡散を助長させることで硬化層深さを高め、CrおよびAlは表面硬度を高めるために有効であるが、AlおよびVはオーステナイト粒界に微細な窒化物が線状析出し、バーリング成形性や伸びフランジ性を著しく低下させる。さらにVは熱間仕上げ圧延工程後の冷却行程および熱間圧延板の巻取り工程においてVCの析出による高強度化が促進され加工性が低下する。このようなVC析出強化を避けるためには熱間圧延後の冷却停止温度を500℃以下とすることが有効であるが、下部ベイナイトあるいはマルテンサイト変態が促進し、延性は著しく低下する。したがって、極力V量を低減させることでガス軟窒化用鋼板強度上昇を抑制する必要があるが、Vを低めた場合にガス軟窒化処理後の表面硬度深さを高めることが困難となる問題がある。
本発明は、ガス軟窒化処理前の優れた加工性と処理後の疲労強度改善のために表面硬化層を深くすることが可能な疲労強度に優れる窒化用熱延鋼板、窒化用冷延鋼板およびそれらの製造方法であり、表層の窒化層の硬さを高めた疲労強度に優れた自動車部品の提供を可能とする。
本発明者らはガス軟窒化、塩浴軟窒化などの窒化処理によって、自動車部品の成形性を損なうことなく、表面硬化深さが得られる鋼板合金組成と製造方法、さらに部品の硬さを検討した。
その結果、適量のCr、Vを含有する鋼がBを適量含有し、さらに製造工程でスキンパス圧下率範囲を規定し、かつ、そのスキンパス圧下の圧延機荷重を鋼板板幅で除した線荷重F(kg/mm)と鋼板の長手方向に負荷される荷重であって圧延出側における単位面積あたりの荷重T(kg/mm)の比であるF/Tを所定の範囲とすることで鋼板の板厚方向の転位密度を規定して窒化後の硬度深さを深めることで、強度を適度に抑制しつつ、転位導入による延性の低下を抑制し、かつ、せん断加工端面の破断面の粗度を低減させ、窒化後に十分な表面硬度深さを確保できることが判明し、本発明に至った。
即ち、本発明は、
(1)質量%で、Cが0.0002%以上、0.07%以下、Siが0.0010%以上、0.50%以下、Mnが0.10%以上、1.33%以下、Pが0.003%以上、0.02%以下、Sが0.001%以上、0.02%以下、Crが0.80%超、1.20%以下、Alが0.10%以上、0.50%以下、Vが0.05%以上、0.10%以下、Tiが0.005%以上、0.10%以下、Bが0.0001%以上、0.0015%以下を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、圧下率にて0.5〜5.0%の条件でスキンパス圧延が施されて、鋼板表面から板厚方向に50μm以内の転位密度が、板厚方向の1/4の位置の転位密度に比べ、2.0倍以上、10.0倍以下であることを特徴とする疲労強度に優れる窒化用鋼板。
(2)さらに質量%で、Mo0.001%以上、0.20%以下、Nbが0.001%以上、0.050%以下の1種または両方を含有することを特徴とする(1)に記載の疲労強度に優れる窒化用鋼板。
(3)質量%で、Cが0.0002%以上、0.07%以下、Siが0.0010%以上、0.50%以下、Mnが0.10%以上、1.33%以下、Pが0.003%以上、0.02%以下、Sが0.001%以上、0.02%以下、Crが0.80%超、1.20%以下、Alが0.10%以上、0.50%以下、Vが0.05%以上、0.10%以下、Tiが0.005%以上、0.10%以下、Bが0.0001%以上、0.0015%以下を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなる鋼片を熱間圧延し、酸洗を施した後、圧下率にて0.5〜5.0%であり、かつ圧延機荷重を鋼板板幅で除した線荷重F(kg/mm)と鋼板の長手方向に負荷される単位面積あたりの荷重T(kg/mm)の比、F/T(mm)が8000以上の条件でスキンパス圧延を施し、鋼板表面から板厚方向に50μm以内の転位密度を、板厚方向の1/4の位置の転位密度に比べ、2.0倍以上、10.0倍以下とすることを特徴とした疲労強度に優れる窒化用熱延鋼板の製造方法。
(4)質量%で、Cが0.0002%以上、0.07%以下、Siが0.0010%以上、0.50%以下、Mnが0.10%以上、1.33%以下、Pが0.003%以上、0.02%以下、Sが0.001%以上、0.02%以下、Crが0.80%超、1.20%以下、Alが0.10%以上、0.50%以下、Vが0.05%以上、0.10%以下、Tiが0.005%以上、0.10%以下、Bが0.0001%以上、0.0015%以下を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなる鋼片を熱間圧延し、酸洗、冷間圧延、焼鈍を施した後、圧下率にて0.5〜5.0%であり、かつ圧延機荷重を鋼板板幅で除した線荷重F(kg/mm)と鋼板の長手方向に負荷される単位面積あたりの荷重T(kg/mm)の比、F/T(mm)が8000以上の条件でスキンパス圧延を施し、鋼板表面から板厚方向に50μm以内の転位密度を、板厚方向の1/4の位置の転位密度に比べ、2.0倍以上、10.0倍以下とすることを特徴とした疲労強度に優れた窒化用冷延鋼板の製造方法。
(5)質量%で、Cが0.0002%以上、0.07%以下、Siが0.0010%以上、0.50%以下、Mnが0.10%以上、1.33%以下、Pが0.003%以上、0.02%以下、Sが0.001%以上、0.02%以下、Crが0.80%超、1.20%以下、Alが0.10%以上、0.50%以下、Vが0.05%以上、0.10%以下、Tiが0.005%以上、0.10%以下、Bが0.0001%以上、0.0015%以下を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、圧下率にて0.5〜5.0%の条件でスキンパス圧延が施されて、鋼板表面から板厚方向に50μm以内の転位密度が、板厚方向の1/4の位置の転位密度に比べ、2.0倍以上、10.0倍以下である鋼板を成形した後に窒化処理した疲労強度に優れた自動車部品。
本発明によれば、窒化処理前には優れたプレス成形性を有し、窒化処理によって、深い表面硬化層が得られる鋼板、更に、深い表面硬化層を有する自動車部品を提供することが可能になる。その結果、熱処理歪みが小さく、高疲労強度の窒化処理部品が得られるなど、産業上の貢献が極めて顕著である。
スキンパス圧延機荷重を鋼板板幅で除した線荷重F(kg/mm)と鋼板の長手方向に負荷される単位面積あたりの荷重T(kg/mm)の比であるF/Tと、鋼板表面と表面から50μmの転位密度比の関係を表すグラフである。 前記F/Tと鋼板板厚1/4の位置の転位密度の関係を表すグラフである。 表面から50μmの位置と板厚1/4の転位密度比と表面硬化深さの関係を表すグラフである。 表面硬化深さと鋼板表面の10回時間強度の関係を表すグラフである。 窒化後の鋼板表面の10回時間強度を評価するための平面曲げ疲労試験片形状である。 窒化後のせん断加工端面の10回時間強度を評価するための平面曲げ疲労試験片形状である。
本発明において、窒化用熱延鋼板、窒化用冷延鋼板とは、窒化処理部品の素材として用いられる鋼板である。なお、当該鋼板は、後述の製法にて製造される。自動車部品は、本発明の窒化用熱延鋼板、窒化用冷延鋼板を素材とし、成形後に窒化処理を施された自動車部品である。本発明の窒化用熱延鋼板または窒化用冷延鋼板を冷間にてプレス成形し、必要に応じて切削加工あるいはせん断、打抜き加工などを行って最終製品形状とし、その後窒化処理を行うことにより疲労強度に優れた自動車部品となる。
本発明において、「窒化処理」とは、鉄鋼の表層に窒素を拡散させ、表層を硬化する処理を意味し、このうち、鉄鋼の表層に窒素と炭素を拡散させ、表層を硬化する処理を「軟窒化処理」という。代表的には、ガス窒化、ガス軟窒化、塩浴軟窒化等が挙げられ、このうちガス軟窒化、塩浴軟窒化は軟窒化処理である。また、製品が窒化処理部品であることは、窒化処理によって鋼板表面が窒化処理前に比べ硬化していることと、鋼板表層の窒素濃度が上昇していることとして確認することができる。
まず、本発明において、鋼材の化学成分を限定した理由について説明する。化学成分限定に関しては、本発明の窒化用熱延鋼板、窒化用冷延鋼板とそれらを用いた自動車部品のいずれにも適用される。
Cは他の炭化物形成元素の炭化物を析出することで強度の向上に有効な元素であり、さらに窒化処理中に合金炭化物を析出させ、窒化処理後の表面硬度を高める析出強化にも寄与する元素である。Cが0.07%を超えるとセメンタイトの析出密度が高まることでバーリング成形性を損なう。また、0.0002%未満では粒界強度が低下することで、二次加工脆性が低下する上に製鋼での脱炭コストが大きくなり過ぎるため好ましくない。したがって、Cの含有量は、0.0002%以上、0.07%以下とする。
Siは、脱酸剤として有用な元素であるが、窒化処理において表面硬さの向上に寄与せず、表面硬化深さを浅くする。そのため、Siの含有量を0.50%以下に制限することが好ましい。一方、Siを著しく低減するには製造時にコスト高になるため、Siの含有量は0.001%以上が好ましい。したがって、Siの含有量は0.001以上、0.50%以下とする。さらに深い表面硬化深さを得るために、より好ましいSiの含有量の上限は0.1%以下である。
MnはAc1以下の温度域においてパーライト変態を遅延させるために有用な元素である。Mnが0.10%未満ではその効果が得られない。また、Mnが1.33%を超えると、MnSバンド組織が顕著に形成することで、せん断加工端面の粗さが増すことにより、せん断端面疲労特性の極端な低下を示す。したがって、Mnの含有量は0.10%以上、1.33%以下とする。
Pは0.02%を超えると粒界偏析による靭性の顕著な低下を示す。0.003%未満では製鋼脱リンコストに見合った効果が得られない。したがって、Pの含有量は0.003%以上、0.02%以下とした。
Sは0.02%を超えると赤熱脆性を示す他、MnS介在物密度が高まることで成形性を低下させる。0.001%未満では製鋼脱硫コストに見合った効果が得られない。したがって、Sの含有量は0.001%以上、0.02%以下とした。
Crは、窒化処理時に浸入するN及び鋼中のCと炭窒化物を形成することで表面硬度を向上させる極めて有効な元素である。Cr量が0.8%以下では十分な表面硬度を得ることができない。一方、Cr量が1.20%を超えると効果が飽和する。したがって、Crの含有量は、0.8%超、1.20%以下とする。
Alは、窒化時に浸入するNと窒化物を形成し、表面硬度を高めるのに有効な元素である。しかしながら、Alを過剰に含有すると有効硬化深さが浅くなることがある。Alが0.10%未満であると十分な表面硬さを発現しない。0.50%を超えて含有するとNとの親和力が高く、窒素の深さ方向への拡散を抑制することで表面硬化深さを低下させる。したがって、Alの含有量は、0.10%以上、0.50%以下とする。なお、Alを0.3%以上含有することで表面硬度が顕著に増加するため、Alの含有量は0.30%以上が好ましい。
Vは、熱延工程で炭窒化物を生成することで鋼の強度に寄与する元素である。また、本発明では、Mo、Nbと同様、CrやAlと複合炭窒化物を形成し、窒化層の硬化に極めて有効である。Vは、0.05%以上含有すると、表面硬さ及び表面硬化深さが顕著に向上する。一方、Vの含有量が0.10%超では、焼入れ性向上による組織強化と析出強化による鋼板強度の著しい増加を示し、伸びの低下による成形性の劣化を示す。また、Vの過度な含有は熱延工程での窒化物形成による、靭性やせん断端面疲労特性の顕著な低下を示す。したがって、Vの含有量は0.05%以上、0.10%以下とする。含有量のより好ましい範囲は、0.07%以上である。
Tiの範囲はAlとのバランスでその範囲が決定される。前記したようにAlは窒化処理後に窒化物形成することで、表面硬度を上げる極めて有効な元素である。一方、Alはγ域での結晶粒界に点状配列し析出する。そのため、Al窒化物が窒化処理前に析出するとせん断加工時の端面粗度を高め、せん断端面疲労特性を低下させる。Tiは窒素との親和力がAlよりも高く、Alよりも優先的にTiの窒化物が形成する。そのため、Tiを含有することで前記したAlの窒化物によるせん断端面疲労特性の低下を抑制できる。しかしながら、Tiが0.005%未満ではTiの窒化物形成によるAl窒化物形成抑制効果が発現しない。一方、Tiが0.10%を超えると鋳造スラブの靭性低下により、空冷でのスラブ割れを生ずる。したがって、Tiの含有量は0.005%以上、0.10%以下とする。前記せん断端面の粗度とはせん断加工時の端面の表面粗さのことであり、平均粗さのことをさし、この粗度が高くなることで疲労変形中のせん断端面に過度の応力集中を生じ、疲労特性が低下する傾向にある。なお、前記粗度はせん断加工破断面の板厚方向の測定値を用いる。
Bは結晶粒界に固溶することで、粒界脆化元素であるPの粒界偏析を抑制し、2次加工脆性を向上させる。また、せん断加工時の端面の粗度を低下させ、せん断端面疲労特性を向上させる。Bの含有量が0.0001%未満ではその効果が発現しない。また、0.0015%を超えて含有すると、フェライト変態を遅延させるため、鋼板の伸びを低下させる。したがって、Bの含有量は0.0001%以上、0.0015%以下とした。
MoおよびNbはCrやAlと複合炭窒化物を形成し、窒化層の硬化に極めて有効である。MoおよびNbの含有量が0.001%未満では、その効果を発現しない。Mo含有量が0.20%を超えるとMoの炭窒化物形成による表面硬度の向上効果が低下し、かつ、延性が低下する。そのため、Moの含有量は0.001%〜0.20%とした。
また、Nbは0.050%を超えて含有されると、鋼板の熱延中のγ再結晶を遅延させるため、極めて高い異方性を生ずることでバーリング成形性が低下する。そのため、Nbの含有量は0.001%以上、0.05%以下とした。
次に、本発明の特徴とする鋼板の転位密度について説明する。
転位は鋼中の拡散を助長する。窒化処理中においては窒素の拡散を助長し、表面硬化深さを深くする。鋼板の表面から板厚方向に50μm以内の転位密度が、板厚方向の1/4の位置の転位密度に比べ、2.0倍以上の場合、その効果を発現することを本発明ではじめて見出した。一方、表面から板厚方向に50μm以内の転位密度が、板厚方向の1/4の位置の転位密度が10.0倍を超えると転位強化による延性の顕著な低下を示す。なお、鋼板の板厚は1.6〜5.0mmであり、特に板厚が2.3mm以上の場合に顕著な効果があることを発明者らは見出した。
この転位密度の測定は、Williamson−Hall法に代表されるX線回折による半価幅から求めることが好ましい。TEMでの直接観察での測定では測定範囲が限定され、かつ、観察試料作製においてひずみが導入されることで、測定精度の低下が懸念されるためである。なお、X線回折による半価幅から求める方法は、例えば、「X線回折を利用した転位密度の評価法」(中島ら CAMP−ISIJ Vol.17(2004)p.396)に記載されている。
測定用サンプルのサイズは10mm角以上のサイズとすることが好ましい。測定用のサンプル表面は電解研磨にて50μm以上減厚する事が好ましい。したがって、所定の板厚の位置を測定したい場合、電解研磨による減厚量を考慮し、機械研削する必要がある。なお、機械研削ままの表面では、加工ひずみにより正確な転位密度が求められない。また、X線の半価幅には(110)、(112)および(220)の回折ピークを用いることが好ましい。例えば、(200)、(311)の回折ピークを含めた場合、半価幅を過度に高く見積もり正確な測定が困難となる。
次に、本発明の鋼板の望ましいミクロ組織について説明する。
本発明ではフェライトおよびベイナイトの合計の面積率が90%以上で構成される金属組織であることが好ましい。その他の金属組織の合計の面積率が10%を超えた場合、延性とバーリング成形性の両立が困難となる。ここで、その他の金属組織はオーステナイト、マルテンサイト、パーライトを示す。
鋼の金属組織の同定はナイタール腐食による光学顕微鏡およびX線あるいはディフラクションパターンによる結晶構造から行うことが可能である。また、ナイタール以外の腐食液を用いた判別でもよい。ナイタール腐食による場合は、鏡面研磨後、ナイタール液でエッチングを行い、光学顕微鏡5視野を500倍で観察して写真を撮影し、目視にて部分を決定し、それを画像解析して求めた。
次に、本発明の鋼板の製造方法について説明する。
本発明の鋼板が熱延鋼板である場合の熱間圧延から酸洗までの製造方法について説明する。前述の鋼成分の鋼片であるスラブを加熱炉にて圧延前加熱温度を1200℃以上にすることが好ましい。これは含有される析出元素を十分に溶体化させるためであり、加熱温度が1300℃を超えるとオーステナイト粒界が粗大化するため、加熱温度は1300℃以下が好ましい。熱間圧延温度は900℃以上が好ましい。900℃未満では変形抵抗が大きくなる他、圧延集合組織の形成による異方性により成形性が低下する。さらに、マルテンサイトの分率の低下を防止するためには熱間圧延後、巻取り温度は450℃以上が好ましい。巻取り温度が600℃以上であれば、Ti、Vの炭化物析出が促進されるため、巻取り温度は550℃〜600℃の間がより好ましい。冷却速度は、冷却中にフェライト変態、ベイナイト変態を生じる範囲であればよく、上限値を10℃/s以下にすることが好ましい。フェライト変態、ベイナイト変態を生じない冷却速度にて冷却を停止した場合、例えば、コイル状に巻取りを行った後に変態が促進し、鋼板コイルが変形するためである。なお、巻取り温度に至るまでに中間空冷を行ってもよい。熱間圧延終了後は常法により酸洗を行い、鋼板表面のスケールを除去する。
本発明の鋼板が冷延鋼板である場合の、熱間圧延から酸洗までの製造方法について説明する。前記熱延鋼板を酸洗後、所定の板厚まで冷間圧延を施した後、最高加熱温度をAr3点より−50℃以上に加熱し、前記した最高加熱温度から550℃以下の冷却停止温度まで冷却する焼鈍処理を施すことが好ましい。
次にスキンパス圧延について説明する。前記の酸洗済みの熱延鋼板あるいは冷延鋼板を、圧下率にて0.5%以上5%以下であり、かつ圧延機荷重を鋼板板幅で除した線荷重F(kg/mm)と鋼板の長手方向に負荷される単位面積あたりの荷重T(kg/mm)の比、F/Tが8000以上条件でスキンパス圧延を施すことを特徴としている。
前記したスキンパス圧延の目的は、可動転位を導入することで降伏伸びを抑制させることであるが、ただ単に圧下率を所定の値とするだけでなく、前記したF/Tが8000以上の条件にすれば、鋼板表面の転位密度を増加でき、鋼板表面から板厚方向に50μm以内の転位密度が、板厚方向の1/4の位置の転位密度に比べ、2.0倍以上、10.0倍以下である熱延鋼板あるいは冷延鋼板の製造が可能であることを見出した。以下、(鋼板表面から板厚方向に50μm以内の転位密度)/(板厚方向の1/4の位置の転位密度)を「転位密度比」とする。
図1には表1に示す成分の熱延鋼板および冷延鋼板に関して、スキンパス条件F/Tと転位密度比の関係を調査した結果を示した。スキンパス条件F/Tが8000未満の場合、転位密度比は2.0未満であった。また、F/Tが8000以上14000以下では転位密度比は2.0以上10.0以下であった。F/Tが14000超では転位密度比が10.0を超えるものが現れる。図2には板厚1/4の位置の転位密度に及ぼすF/Tの影響を示した。F/Tが14000を超えると板厚1/4の位置の転位密度が増加していた。
F/Tが8000未満では鋼板長手方向の張力が強く、単軸引張応力により、鋼板板厚方向断面の全面に転位が導入されるため、本発明の鋼板の製造方法として望ましくない。なお、鋼板表面のみの転位の導入させる条件として、F/Tが14000以下であることが好ましい。尚、圧下率については、5%を超えると転位が板厚方向中心まで導入することで延性が低下する。一方、圧下率が0.5%未満では降伏伸びが抑制できないばかりか、前記F/Tが安定的に8000以上を確保することが困難となることを見出した。したがって、圧下率の範囲は0.5〜5%とした。尚、5%を超える圧下が加えられた場合、転位を回復ための焼鈍工程を施し、その後、圧下率にて0.5%以上5%以下の冷間圧延を施せばよい。この場合、焼鈍温度は200℃以下では転位が回復しないため、200℃以上が好ましい。
スキンパス圧下率およびF/Tを満足し、転位密度比を満足した鋼板を窒化処理した場合、表面に転位が導入されたことにより、窒化処理中の窒素の拡散を助長させ、窒化後の表面硬化深さが深くなる。この深い表面硬化深さをもつ窒化処理鋼板では、き裂発生寿命の向上と、疲労微視き裂の伝播抵抗に優れ、疲労強度ばかりでなく、所定の繰返し数で破断する応力、すなわち時間強度の向上をもたらす。
図3に本発明の転位密度比と表面硬化深さの関係を示す。転位密度比が2.0未満では、表面硬化深さが顕著に低下する。一方、本発明範囲では安定的に深い表面硬化深さが発現しており、実施の範囲内においては425μm以上の深さであった。また、転位密度比が2.0未満の場合に対して、平均的に約50μm程度深かった。この結果から、表面硬化深さは425μm以上であることが好ましい。尚、表面硬化深さは、JIS−G−0557を参考に、表面からHVが増加し始める位置までの距離とした。
疲労特性の評価のひとつとして、図4に窒化後の表面硬化深さと鋼板表面の10回時間強度の関係を示す。なお、比較鋼は転位密度比が本発明の範囲内のものと範囲外のものに分けてプロットした。鋼板表面の10回時間強度と表面硬化深さの関係は正の相関関係をもっており、特に表面硬化深さが425μm以上では、表面硬化深さに対して鋼板表面の10回時間強度が顕著に増加している。本発明により表面硬化深さが425μm以上となる場合は、表面硬化深さによる鋼板表面の10回時間強度が大きく向上していることがわかる。さらに、本発明の鋼板においては、適正な成分選択と範囲とすることで、いずれも鋼板表面の10回時間強度が400MPa以上となる。尚、疲労試験にはシェンク式疲労試験を採用し、10回にて破断する応力、すなわち10回時間強度を調査した。疲労試験の周波数は25Hz一定として、変位制御の試験条件で疲労試験を行った。合否は、表面硬化深さが425μm以上となる場合は鋼板表面の10回時間強度が顕著に増加し、400σ/MPa以上となるので、これを閾値とした。
次に本発明の熱延鋼板あるいは冷延鋼板を窒化処理した自動車部品の特徴について説明する。本発明の熱延鋼板あるいは冷延鋼板は前記した通り、転位導入により成形性を損なうことはなく、目的の自動車部品形状へ成形することが可能である。ここで成形とはせん断加工を施した後のプレス成形あるいは曲げ成形のことである。また、自動車部品とは鋼板から成形される駆動系部品あるいは構造部品である。成形後に窒化処理を施すことで、表面に深い表面硬化深さの窒化層を形成することで優れた疲労特性を発現する。また、せん断加工時の端面粗度を低減させているためせん断端面疲労特性も優れる。窒化処理として、ガス窒化、プラズマ窒化、ガス軟窒化、塩浴軟窒化を挙げることができる。ガス窒化を行う場合は、例えば、540℃のアンモニア雰囲気で、20時間以上保持する。特に、窒化処理として、例えば、570℃のN2+NH3+CO2混合ガスによる一般的なガス軟窒化処理であれば、5時間程度以上の処理時間で前述の窒化層を得ることができる。
以下に本発明の実施例を示す。
Figure 0005664797
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表1に示す化学成分を有する28種の鋼を溶製した。なお、鋼種1〜12が本発明の成分範囲であり、鋼種13〜28は本発明の成分からはずれた比較成分である。また、Cについては0.0002%未満の成分を溶製するため、極めて高いコストを要するため、実施から除外した。これらの鋼の一部を熱間圧延して25mmの粗圧延材試作した。粗圧延材は1200〜1250℃に加熱し、仕上げ圧延温度950℃にて仕上げ圧延を行った後、冷却帯の平均冷却速度5℃/sで冷却し、巻取り温度550℃にて鋼板をコイル状に巻取ることで板厚さ2.3mmの鋼板を製造し、7%塩酸水溶液にて表面のスケールを除去し、表2のスキンパス条件で圧延して窒化用熱延鋼板とした。
また、スキンパス圧延前の熱延鋼板を、冷延率60%で冷間圧延を施し、加熱速度10(℃/sec)で最高加熱温度保持時間30(sec)で保定し、550℃まで冷却停止する焼鈍処理を施し、表2のスキンパス条件で圧延し窒化用冷延鋼板を製造した。表2中の試験番号1〜12は鋼板成分、製造条件共に範囲内であり、試験番号13〜28は鋼板成分の何れかが範囲外、試験番号29〜33はスキンパス圧延条件が範囲外である。
全試験番号の鋼板についてX線回折の半価幅を測定し、Williamson−Hall法にて転位密度を測定した。なお、X線の半価幅には(110)、(112)および(220)の回折ピークを用いた。なお、表面から50μmの位置および板厚1/4の位置の転位密度を測定するために、各鋼種から25mm長さ×15mm幅のサイズのサンプルを切り出し、電解研磨により所定の測定位置まで減厚した。
測定結果は表2に示した通りであり、本発明の製造範囲となる試験番号1〜28では、表面から50μmの位置と板厚1/4の位置の転位密度比が2.0以上、10.0以下であった。スキンパス圧下率が0.5%を下回る試験番号29においては、F/Tが8000以下のため転位密度比が2.0を下回った。また試験番号30は、スキンパス圧下率が5%以上であり張力を著しく高めた結果、表面から50μmの位置ばかりでなく、板厚1/4の位置の転位密度が著しく増加し、転位密度比は2.0を下回った。また試験番号31においては、よりスキンパス圧延時の線荷重を高めた結果、転位密度比は10.0を超えた。なお、試験番号2と比較し、板厚1/4の位置の転位密度も顕著に高まっていた。
次に、全鋼種について以下の条件でガス窒化処理を実施した。ガス窒化処理の条件は、雰囲気を体積分率でNH3:N2:CO2=50:45:5の混合ガス、温度を570℃、保持時間を5時間とした。 窒化処理前の引張強さTS、延性Elについては、JIS-Z2201に記載の5号試験片を作製し、JIS-Z2241に記載の試験方法に従って評価した。また、窒化前のバーリング成形性λはJIS-Z2256に記載の試験方法に従って評価した。窒化前のせん断端面の粗度は、10mmφの円柱ポンチとクリアランス15%のダイスを用いて、打抜きせん断加工を施した後、接触式粗度測定器を用いて測定した。なお、せん断端面の粗度は、破断面板厚方向に測定し、平均粗さを採用した。全試験番号の鋼板について、窒化後の鋼板表面疲労特性を調査するため図5に示した平面試験片へと加工し、また、せん断端面の疲労特性を調査するため、前記打抜き条件にて図6に示した試験片へと加工し、前記窒化処理条件で窒化処理を施した窒化疲労試験片を作成し、前述の疲労試験を行った。窒化処理後の硬さは、JIS−Z−2244に従って測定した。測定箇所は、その試験片のL断面が現れるように切断、研磨し、直径の1/4から表面まで10μm間隔にて、HV0.3(2.9N)を測定した。
窒化処理前の材質特性を表3に示す。
Si含有量が異なる、試験番号2、18および24の比較では、Si含有量が0.5%を超えた試験番号18では表面硬化深さが顕著に低下した。また、Si含有量が0.001%未満である試験番号24では試験2に対して、表面硬化深さがわずかに増加したものの、顕著な効果ではなかった。Mn含有量が異なる試験番号2、20および21の比較では1.33%を超えた試験番号20ではせん断端面粗度の顕著な増加が確認された。Crの含有量が異なる、試験番号2、4、14および15の表面硬度の比較から、本発明の成分範囲では安定的に窒化後の硬度が確保できており、Cr量が2.0%を超えても硬度はほとんど変わらなかった。
Alの含有量が異なる、試験番号2、6、7、16および25の比較では、Al含有量が0.10%以上で顕著な表面硬化を確認できた。また、0.5%を超えた含有では表面硬度の増加は認められるが、表面硬化深さの顕著な低下が確認された。Vの含有量が異なる、試験番号2、3、13および17の比較から、Vが0.1%を超えると延性の指標であるEl(%)が顕著に低下していた。窒化後の表面硬化深さについてはVの含有量が0.05%以上で表面硬化深さが顕著に増加するが、0.10%を超えると飽和傾向にあり、試験番号13においてはむしろ低下した。また、本発明鋼は、Bの含有によりせん断端面粗度の著しい増加が抑制し、過度な含有とならない適正な範囲であることが分った。Tiの含有量が異なる試験番号2、22、および26の比較において、Ti含有量が0.1%超えた試験番号22はせん断端面粗度の顕著な増加が確認された。また、Ti含有量が0.005%未満である試験番号26においてもせん断端面粗度の顕著な増加が確認された。Bの含有量が異なる試験番号2、23および24の比較において、Bを含有していない試験番号23ではせん断端面粗度の顕著な増加が確認された。また、0.0015%を超えてBを含有した試験番号24では、試験番号2の結果以上のせん断端面粗度の低下の効果は認められなかった。Mo、Nbを含有した試験番号1および5では表面硬度の向上が認められた。しかしながら、Mo量が0.20%を超えた試験番号27では表面硬度の向上が認められず、Nb量が0.05%を超えた試験番号28ではバーリング成形性λの顕著な低下が認められた。
スキンパス圧下範囲が0.4%の試験番号29では転位密度比が2.0を下回っており、同一鋼板番号である試験2の結果に比べ、表面硬化深さの向上硬化が認められなかった。また、試験番号30においては圧下率が5.1%かつ、転位密度比が2.0を下回っており、同一鋼板番号である試験番号2の結果に比べ、延性の顕著な低下が確認された。さらに、転位密度比が10.0を超えた試験番号31においては、より顕著な延性の低下が確認された。さらに試験番号29〜31では表面硬化深さの低下も確認された。試験番号32はスキンパス圧下率は適正範囲であるが、前記F/Tが8000未満であるため、転位密度比は2.0未満であった。そのため、試験番号32の窒化後の表面硬化深さは試験番号2に比べ極めて低い。また、試験番号33では前記F/Tおよび転位密度比を満足するが、スキンパス圧下率が0.4%であったため、上降伏・下降伏が発生し、降伏伸び抑制が出来ていなかったことが確認された。
最後に本発明の鋼板の疲労特性結果について表3に示す。本発明の鋼板はいずれも鋼板表面の10回時間強度が400MPa以上であった。尚、試験番号15においてはCrが2.0%を超えて含有されており、含有量が適正範囲の試験番号4と比較してむしろ前記時間強度は低下し、表面硬度が向上したものの表面硬化深さが低下し、鋼板表面の10回時間強度が400MPa以下であった。Al含有量が0.50%を超えた試験番号16およびV含有量が0.10%を超えた試験番号13においても同様で、表面硬化深さが低下し、鋼板表面の10回時間強度が400MPa以下であった。また、Bが0.0015%を超えて含有した試験番号23については、せん断端面の10回時間強度の顕著な低下を抑制できたが、過剰な含有のため、鋼板表面の10回時間強度は400MPa以下であった。これはBの過剰な含有による原子空孔の拡散の遅れによるものと考察される。本発明に範囲においては適正な成分範囲とすることでせん断端面の10回時間強度と鋼板表面の10回時間強度の両立がされていることが分かった。
以上から、適正な成分範囲と適正な製造方法に製造した本発明の鋼板を用いることで、窒化前の成形性を劣化させることなく、窒化後の表面硬化深さを深くし、窒化後には極めて優れた疲労特性を発現させることが可能であることが分った。

Claims (5)

  1. 質量%で、
    C :0.0002%以上、0.07%以下、
    Si:0.0010%以上、0.50%以下、
    Mn:0.10%以上、1.33%以下、
    P:0.003%以上、0.02%以下、
    S:0.001%以上、0.02%以下、
    Cr:0.80%超、1.20%以下、
    Al:0.10%以上、0.50%以下、
    V :0.05%以上、0.10%以下、
    Ti:0.005%以上、0.10%以下、
    B :0.0001%以上、0.0015%以下、
    を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、
    圧下率にて0.5〜5.0%の条件でスキンパス圧延が施されて、鋼板表面から板厚方向に50μm以内の転位密度が、板厚方向の1/4の位置の転位密度に比べ、2.0倍以上、10.0倍以下であることを特徴とする疲労強度に優れる窒化用鋼板。
  2. さらに質量%で、 Mo:0.001以上、0.20%以下、 Nb:0.001以上、0.050%以下、の1種または両方を含有することを特徴とする請求項1に記載の疲労強度に優れる窒化用鋼板。
  3. 質量%で、Cが0.0002%以上、0.07%以下、Siが0.0010%以上、0.50%以下、Mnが0.10%以上、1.33%以下、Pが0.003%以上、0.02%以下、Sが0.001%以上、0.02%以下、Crが0.80%超、1.20%以下、Alが0.10%以上、0.50%以下、Vが0.05%以上、0.10%以下、Tiが0.005%以上、0.10%以下、Bが0.0001%以上、0.0015%以下を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなる鋼片を熱間圧延し、酸洗を施した後、圧下率にて0.5〜5.0%であり、かつ圧延機荷重を鋼板板幅で除した線荷重F(kg/mm)と鋼板の長手方向に負荷される単位面積あたりの荷重T(kg/mm)の比、F/T(mm)が8000以上の条件でスキンパス圧延を施し、鋼板表面から板厚方向に50μm以内の転位密度を、板厚方向の1/4の位置の転位密度に比べ、2.0倍以上、10.0倍以下とすることを特徴とした疲労強度に優れる窒化用熱延鋼板の製造方法。
  4. 質量%で、Cが0.0002%以上、0.07%以下、Siが0.0010%以上、0.50%以下、Mnが0.10%以上、1.33%以下、Pが0.003%以上、0.02%以下、Sが0.001%以上、0.02%以下、Crが0.80%超、1.20%以下、Alが0.10%以上、0.50%以下、Vが0.05%以上、0.10%以下、Tiが0.005%以上、0.10%以下、Bが0.0001%以上、0.0015%以下を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなる鋼片を熱間圧延し、酸洗、冷間圧延、焼鈍を施した後、圧下率にて0.5〜5.0%であり、かつ圧延機荷重を鋼板板幅で除した線荷重F(kg/mm)と鋼板の長手方向に負荷される単位面積あたりの荷重T(kg/mm)の比、F/T(mm)が8000以上の条件でスキンパス圧延を施し、鋼板表面から板厚方向に50μm以内の転位密度を、板厚方向の1/4の位置の転位密度に比べ、2.0倍以上、10.0倍以下とすることを特徴とした疲労強度に優れた窒化用冷延鋼板の製造方法。
  5. 質量%で、Cが0.0002%以上、0.07%以下、Siが0.0010%以上、0.50%以下、Mnが0.10%以上、1.33%以下、Pが0.003%以上、0.02%以下、Sが0.001%以上、0.02%以下、Crが0.80%超、1.20%以下、Alが0.10%以上、0.50%以下、Vが0.05%以上、0.10%以下、Tiが0.005%以上、0.10%以下、Bが0.0001%以上、0.0015%以下を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなり、圧下率にて0.5〜5.0%の条件でスキンパス圧延が施されて、鋼板表面から板厚方向に50μm以内の転位密度が、板厚方向の1/4の位置の転位密度に比べ、2.0倍以上、10.0倍以下である鋼板を成形した後に窒化処理したことを特徴とした疲労強度に優れた自動車部品。
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