JP5688742B2 - 靭性、耐磨耗性に優れる鋼の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は自動車や各種産業機械等の部品に用いられる機械構造用鋼の内、靭性および耐磨耗性に優れた鋼の製造方法に関する。
自動車、各種産業機械の部品の内、特に耐磨耗性、疲労特性等を必要とする部品に用いられる鋼は、焼入れ処理によって高硬度化することが一般的である。焼入れ処理によってマルテンサイト組織を主体とした鋼材は、鋼成分中のＣの含有量により硬度が決まり、Ｃの含有量を高めることで鋼材の硬度を上昇させることができる。しかし、鋼材の高硬度化は、その反面として靭性を低下させ、衝撃が加えられた場合に割れを生じるため、鋼材には硬度と靭性のバランスが要求される。
これらに対処する従来の技術として、鋼成分中にＳｉ、Ｎｂ、Ｃr、Ｍｏ、Ｖを含むことを特徴とし、特定の圧延、熱処理により、使用中にＶを核とするＣr、Ｍｏ、Ｖの複合析出物を形成せしめた、優れた耐磨耗性と靭性を兼ね備える鋼が提案されている（例えば、特許文献１参照）。さらに、焼入れ後の焼戻し過程で、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ等の合金成分が含まれると、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ等の炭化物が旧オーステナイト粒界に析出して粒界破壊の原因となることに対し、Ｍｏを添加すると、Ｍｏの炭化物が旧オーステナイト粒内にある転位を核として析出するため、析出物は旧オーステナイト粒内に微細に分散析出して粒界破壊の原因とはならないとした、耐衝撃性と耐磨耗性に優れた鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、低Ｐ、低Ｓ化による粒界偏析の軽減、低Ｍｎ化による粒界強化、Ｍｏの増量とＮｂ添加による細粒化によって靭性向上を図り、さらにＮｂ、Ｃｒ、Ｍｏの複合添加は鋼の焼戻し軟化抵抗を著しく高めるため、高い焼戻し温度を採用することによる靭性向上を図った高強度かつ靭性および耐磨耗性が良好な高強度高靭性耐磨耗用鋼が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
しかし、上記の先行技術文献における、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖの複合析出物を形成するには、焼戻し温度を２００〜５５０℃で行う必要があるため、所定の硬度が得られない可能性がある。また、Ｍｏ添加による靭性向上は高温焼戻し条件下でのことであり、硬度確保のために低温焼戻しを行う場合には、その効果は明確ではない。さらに、低Ｐ化は製鋼段階での脱リン操業を通常操業より過剰に行う必要があるため、製造性やコストアップの問題がある。つまり、高硬度かつ高靭性であることが従来技術では達成できていない。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、硬度を高く保つために焼入れ後、低温焼戻しを施した条件下において、高硬度と高靭性を両立した鋼材の製造方法を提供することである。
上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の手段では、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．６５％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．００〜３．００％、Ａｌ：０．００５〜０．２００％、Ｎ：０．０２００％以下、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼の、上記組成のＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量から算出される４Ｓｉ＋３Ｃｒ−Ｍｎの値が６．００％以上を満足する鋼を８００〜９００℃の範囲に加熱して焼入れた後、４００〜６５０℃での焼戻し処理を１回または２回以上行い、さらに８００〜９００℃の範囲に加熱して焼入れた後、１００〜２５０℃の焼戻し処理を行うことを特徴とする靭性および耐磨耗性に優れた鋼の製造方法である。
請求項２の手段では、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．６５％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．００〜３．００％、Ａｌ：０．００５〜０．２００％、Ｎ：０．０２００％以下、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、さらにＮｉ：０．５０〜２．００％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ｔｉ：０．０１０〜０．２００％、Ｎｂ：０．０１０〜０．１００％のうち１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼の上記組成のＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量から算出される４Ｓｉ＋３Ｃｒ−Ｍｎの値が６．００％以上を満足する鋼を８００〜９００℃の範囲に加熱して焼入れた後、４００〜６５０℃での焼戻し処理を１回または２回以上行い、さらに８００〜９００℃の範囲に加熱して焼入れた後、１００〜２５０℃の焼戻し処理を行うことを特徴とする靭性および耐磨耗性に優れた鋼の製造方法である。
本発明における鋼の化学成分の限定理由を以下に説明する。なお、以下において％は質量％を示す。
Ｃ:０．３０〜０．６５％
Ｃは、必要な強度および焼入れ硬さを確保するために必要な元素である。したがって、耐磨耗性の支配因子である硬さを確保するために０．３０％以上が必要である。一方、０．６５％を超えると靭性が低下するとともに素材の硬さが上昇するため加工性、被削性の劣化は避けられない。そこで、Ｃは０．３０〜０．６５％ とし、望ましくは０．３５〜０．５０％とする。
Ｃは、必要な強度および焼入れ硬さを確保するために必要な元素である。したがって、耐磨耗性の支配因子である硬さを確保するために０．３０％以上が必要である。一方、０．６５％を超えると靭性が低下するとともに素材の硬さが上昇するため加工性、被削性の劣化は避けられない。そこで、Ｃは０．３０〜０．６５％ とし、望ましくは０．３５〜０．５０％とする。
Ｓｉ:０．２０〜１．００％
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な元素であり、鋼に必要な焼入性を付与し強度を高めるために添加する。さらに、Ｓｉは焼戻し軟化抵抗を向上させる。すなわち焼戻し処理および使用時の摩擦熱による耐軟化性を向上させる元素である。したがって、０．２０％以上が必要である。一方、１．００％を超えると靭性が低下するとともに素材の硬さが上昇して加工性が劣化する。そこで、Ｓｉは０．２０〜１．００％とし、望ましくは０．４０〜０．８０％とする。
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な元素であり、鋼に必要な焼入性を付与し強度を高めるために添加する。さらに、Ｓｉは焼戻し軟化抵抗を向上させる。すなわち焼戻し処理および使用時の摩擦熱による耐軟化性を向上させる元素である。したがって、０．２０％以上が必要である。一方、１．００％を超えると靭性が低下するとともに素材の硬さが上昇して加工性が劣化する。そこで、Ｓｉは０．２０〜１．００％とし、望ましくは０．４０〜０．８０％とする。
Ｍｎ：０．２０〜０．６０％
Ｍｎは、鋼の脱酸に有効な元素である。さらに、鋼に必要な焼入性を付与し強度を高めるために添加する。しかし、多量に添加すると靭性を低下させ、さらに、Ｓと結合してＭｎＳの介在物を形成するため割れの起点となる。そこで、Ｍｎは０．２０〜０．６０％とし、望ましくは０．３０〜０．５０％とする。
Ｍｎは、鋼の脱酸に有効な元素である。さらに、鋼に必要な焼入性を付与し強度を高めるために添加する。しかし、多量に添加すると靭性を低下させ、さらに、Ｓと結合してＭｎＳの介在物を形成するため割れの起点となる。そこで、Ｍｎは０．２０〜０．６０％とし、望ましくは０．３０〜０．５０％とする。
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、不可避不純物として粒界に偏析し、０．０３０％を超えると靭性を低下させる。そこで、Ｐは０．０３０％以下とする。
Ｐは、不可避不純物として粒界に偏析し、０．０３０％を超えると靭性を低下させる。そこで、Ｐは０．０３０％以下とする。
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、不可避不純物としてＭｎＳの介在物を形成して靭性を低下させる。そこで、Ｓは０．０３０％以下とする。
Ｓは、不可避不純物としてＭｎＳの介在物を形成して靭性を低下させる。そこで、Ｓは０．０３０％以下とする。
Ｃｒ：１．００〜３．００％
Ｃｒは、鋼に必要な焼入性を付与し強度を高めるために添加する。さらに、Ｃｒは焼戻し軟化抵抗を向上させるため、焼戻し処理および使用時の摩擦熱による耐軟化性を向上させる元素である。したがって、１．００％以上が必要である。一方、３．００％を超えると靭性が低下するとともに素材の硬さが上昇して加工性が劣化する。そこで、Ｃｒは１．００〜３．００％とし、望ましくは１．２０〜２．２０％とする。
Ｃｒは、鋼に必要な焼入性を付与し強度を高めるために添加する。さらに、Ｃｒは焼戻し軟化抵抗を向上させるため、焼戻し処理および使用時の摩擦熱による耐軟化性を向上させる元素である。したがって、１．００％以上が必要である。一方、３．００％を超えると靭性が低下するとともに素材の硬さが上昇して加工性が劣化する。そこで、Ｃｒは１．００〜３．００％とし、望ましくは１．２０〜２．２０％とする。
Ａｌ：０．００５〜０．２００％
Ａｌは、鋼の脱酸に有効な元素であり、さらにＮと結合しＡｌＮを生成するため、結晶粒粗大化の抑制に有効である。したがって、０．００５％以上が必要である。しかし、Ａｌは多量に添加すると非金属介在物を生成して割れの起点となる。そこで、Ａｌは０．００５〜０．２００％とし、望ましくは０．０１５％〜０．１５０％とする。
Ａｌは、鋼の脱酸に有効な元素であり、さらにＮと結合しＡｌＮを生成するため、結晶粒粗大化の抑制に有効である。したがって、０．００５％以上が必要である。しかし、Ａｌは多量に添加すると非金属介在物を生成して割れの起点となる。そこで、Ａｌは０．００５〜０．２００％とし、望ましくは０．０１５％〜０．１５０％とする。
Ｎ：０．０２００％以下
Ｎは、Ａｌと結合してＡｌＮを生成するため結晶粒粗大化の抑制に有効である。しかし、Ｎは多すぎても、その効果が飽和するため、Ｎは０．０２００％以下とする。
Ｎは、Ａｌと結合してＡｌＮを生成するため結晶粒粗大化の抑制に有効である。しかし、Ｎは多すぎても、その効果が飽和するため、Ｎは０．０２００％以下とする。
Ｏ：０．００３０％以下
Ｏは、０．００３０％を超えて含有すると、割れの起点となる酸化物系介在物を生成する。そこで、酸化物系介在物の生成を抑制するために、Ｏは０．００３０％以下とする。
Ｏは、０．００３０％を超えて含有すると、割れの起点となる酸化物系介在物を生成する。そこで、酸化物系介在物の生成を抑制するために、Ｏは０．００３０％以下とする。
以上は本発明における鋼の基本成分であるが、さらに本発明では上記成分の他にＮｉ、Ｍｏ、Ｂ、Ｔｉ、Ｎｂのうち１種または２種以上を添加することができる。
Ｎｉ：０．５０〜２．００％
Ｎｉは、焼入性と靭性を向上させるために有効な元素である。その効果を発揮するため０．５０％以上が必要であるが、Ｎｉはコストを上昇させる元素であるため、Ｎｉは０．５０〜２．００％とする。
Ｎｉは、焼入性と靭性を向上させるために有効な元素である。その効果を発揮するため０．５０％以上が必要であるが、Ｎｉはコストを上昇させる元素であるため、Ｎｉは０．５０〜２．００％とする。
Ｍｏ：０．０５〜１．００％
Ｍｏは、焼入性と靭性を向上させるために有効な元素である。その効果を発揮するため０．０５％以上が必要であるが、Ｍｏはコストを上昇させる元素であるため、Ｍｏは０．０５〜１．００％とする。
Ｍｏは、焼入性と靭性を向上させるために有効な元素である。その効果を発揮するため０．０５％以上が必要であるが、Ｍｏはコストを上昇させる元素であるため、Ｍｏは０．０５〜１．００％とする。
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｂは、微量の添加で焼入性を向上させ、さらに、粒界を強化し靭性向上に有効な元素である。したがって、０．０００５％以上が必要であるが、０．００５０％を超えるとその効果は飽和するため、Ｂは０．０００５〜０．００５０％とする。
Ｂは、微量の添加で焼入性を向上させ、さらに、粒界を強化し靭性向上に有効な元素である。したがって、０．０００５％以上が必要であるが、０．００５０％を超えるとその効果は飽和するため、Ｂは０．０００５〜０．００５０％とする。
Ｔｉ：０．０１０〜０．２００％
Ｔｉは、Ｎと結合しＴｉＮを生成するため、Ｎを固定して、焼入性向上に寄与する有効Ｂを確保する。さらに、Ｃと結合しＴｉＣを生成するため、ピンニング効果による結晶粒粗大化の抑制および耐磨耗性の向上に有効である。したがって、０．０１０％以上を添加する。一方、０．２００％を越えると靭性および加工性が低下する。そこで、Ｔｉは０．０１０〜０．２００％とする。
Ｔｉは、Ｎと結合しＴｉＮを生成するため、Ｎを固定して、焼入性向上に寄与する有効Ｂを確保する。さらに、Ｃと結合しＴｉＣを生成するため、ピンニング効果による結晶粒粗大化の抑制および耐磨耗性の向上に有効である。したがって、０．０１０％以上を添加する。一方、０．２００％を越えると靭性および加工性が低下する。そこで、Ｔｉは０．０１０〜０．２００％とする。
Ｎｂ：０．０１０〜０．１００％
Ｎｂは、Ｎｂ炭窒化物を生成するため、ピンニング効果による結晶粒粗大化の抑制に有効である。したがって、０．０１０％以上を添加する。一方、０．１００％を超えると粗大なＮｂ析出物が生じ靭性が低下する。そこで、Ｎｂは０．０１０〜０．１００％とする。
Ｎｂは、Ｎｂ炭窒化物を生成するため、ピンニング効果による結晶粒粗大化の抑制に有効である。したがって、０．０１０％以上を添加する。一方、０．１００％を超えると粗大なＮｂ析出物が生じ靭性が低下する。そこで、Ｎｂは０．０１０〜０．１００％とする。
本発明の方法における鋼は、上記組成のＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量から算出される４Ｓｉ＋３Ｃｒ−Ｍｎの値が６．００％以上を満足する鋼である。上述の通り、Ｓｉ、Ｃｒは焼戻し軟化抵抗を向上させる元素であるため、使用時の摩擦熱による軟化を抑制し磨耗量の低減に有効である。さらに、高Ｓｉ、高Ｃｒの成分設計にすると粒界強化の作用がある。一方、Ｍｎは鋼を脆化させる元素であるため添加量は必要最小限とする。よって、上記計算式より導き出せる数値を６．００％以上とする。
次に、本発明における鋼の製造方法について説明する。
まず、上記の成分組成の鋼を加熱し８００〜９００℃の温度範囲に保持する。これは、鋼をオーステナイト化させるためである。８００℃より低い温度に加熱すると、鋼のオーステナイト化が不十分であるため、焼入れ後に完全なマルテンサイト組織が得られない。また、９００℃より高い温度に加熱するとオーステナイトが粗大化するため靭性の低下を招く。そこで、焼入れ温度は８００〜９００℃とする。
焼入れされた鋼は、その後４００〜６５０℃の焼戻し処理を行う。これは、その後の熱処理において細粒化に必要なピンニング粒子となる炭化物を析出させるためである。４００℃より低い温度では炭化物の析出が不十分でありピン止め効果を発揮できず細粒化しない。また、６５０℃より高い温度では炭化物のマトリックスへの固溶あるいは炭化物の粗大化を引き起こし、細粒化に必要なピンニング粒子数が低減する。そこで、焼戻し温度は４００〜６５０℃とする。
以上の焼入れ焼戻し処理を１回または２回以上行う。
その後、さらに８００〜９００℃の温度範囲に加熱する。８００℃より低い温度に加熱すると、鋼のオーステナイト化が不十分であるため、焼入れ後に完全なマルテンサイト組織が得られない。また、９００℃より高い温度に加熱するとオーステナイトが粗大化するため靭性の低下を招く。そこで、焼入れ温度は８００〜９００℃とする。
焼入れされた鋼は、その後１００〜２５０℃の焼戻し処理を行う。これは、靭性向上のためである。１００℃より低い温度では鋼の靭性が不十分であり、２５０℃より高い温度では硬さの低下や低温焼戻し脆化を引き起こす。そこで、焼戻し温度は１００〜２５０℃とする。
上記した手段の方法とすることで、硬度を高く保つため繰返し焼入れ焼戻し後の、最終の焼入れ後に、低温焼戻しを施した条件下において、高硬度と高靭性を両立した鋼材を得ることができる。
表１に示す化学組成の鋼を１００ｋｇ真空溶解炉で溶製し、得られた鋼を１２００℃で熱間鍛造し、４０ｍｍ×４０ｍｍの角鋼および径３２ｍｍの丸棒鋼に製造し、これらの角鋼および丸棒鋼を８７０℃に６０分間保持し空冷して焼ならし処理を行った。
その後、上記の４０ｍｍ×４０ｍｍの角鋼を、図１に示す２ｍｍ−Ｕノッチシャルピー衝撃試験片の粗形に加工し、８００〜９００℃の温度範囲で２０分保持し油焼入れを施した後、４００〜６５０℃の温度範囲で９０分保持し水冷する焼戻し処理を１回または２回以上行い、さらに８００〜９００℃の温度範囲で２０分保持し油焼入れを施した後、１００〜２５０℃の温度範囲で９０分保持し空冷する焼入れ焼戻し処理を行った。その後、さらにこの粗形を仕上げ加工して、図１に示す２ｍｍ−Ｕノッチシャルピー衝撃試験片とした。この２ｍｍ−Ｕノッチシャルピー衝撃試験片を用い、シャルピー衝撃試験を行った。さらに、上記試験片を用いて硬さ測定ならびに光学顕微鏡観察を行うことにより旧オーステナイト粒径を求めた。
また、上記の径３２ｍｍの丸棒鋼を、図２に示すローラーピッチング試験の粗形に加工し、８００〜９００℃の温度範囲で２０分保持し油焼入れを施した後、４００〜６５０℃の温度範囲で９０分保持し水冷する焼戻し処理を１回または２回以上行い、さらに８００〜９００℃の温度範囲で２０分保持し油焼入れを施した後、１００〜２５０℃の温度範囲で９０分保持し空冷する焼入れ焼戻し処理を行った。その後、さらにこの粗形を仕上げ加工して、図２に示すローラーピッチング試験片とした。このローラーピッチング試験片を用い、面圧３．３ＧＰａ、すべり率−４０％の条件でローラーピッチング試験を行い、５×１０6サイクル到達後、試験を中止し、試験片のすべり接触部の磨耗量を測定した。
以上のシャルピー衝撃試験、硬さ測定、光学顕微鏡観察、ローラーピッチング試験の結果として、粒径、硬さ、衝撃値、磨耗量について表２に記載する。また、焼入れ焼戻し条件についても表２に記載する。
表２において、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２４の網掛けをしている部分は、熱処理条件が請求項から外れるもの、粒径が８．０μｍより大きいもの、衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ2に満たないもの、および磨耗量が１５μｍより多いものである。なお、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８、Ｎｏ．９〜Ｎｏ．１６、Ｎｏ．１７〜Ｎｏ．２４は熱処理条件は違うものの、鋼成分は同等である。
Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８のように１回の焼入れ焼戻し処理では、粒径が８．０μｍより大きく、衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ2に満たないもの、磨耗量が１５μｍより多いものである。しかし、Ｎｏ．９〜Ｎｏ．２４の中で１回目あるいは２回目の焼入れを８００〜９００℃の温度範囲で行い、焼戻しを４００〜６５０℃の温度範囲で行った後、さらに焼入れを８００〜９００℃の温度範囲で行い、焼戻しを１００〜２５０℃の温度範囲で行うことで、８．０μｍまで細粒化し靭性および耐磨耗性において優れることがわかる。
１ ２ｍｍ−Ｕノッチシャルピー試験片
１ａ ノッチ部
２ ローラーピッチング試験片
１ａ ノッチ部
２ ローラーピッチング試験片
Claims (2)
- 質量％で、Ｃ：０．３０〜０．６５％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．００〜３．００％、Ａｌ：０．００５〜０．２００％、Ｎ：０．０２００％以下、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼の上記組成のＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量から算出される４Ｓｉ＋３Ｃｒ−Ｍｎの値が６．００％以上を満足する鋼を８００〜９００℃の範囲に加熱して焼入れた後４００〜６５０℃での焼戻し処理を１回または２回以上行い、さらに８００〜９００℃の範囲に加熱して焼入れた後１００〜２５０℃の焼戻し処理を行うことを特徴とする靭性および耐磨耗性に優れた鋼の製造方法。
- 質量％で、Ｃ：０．３０〜０．６５％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．００〜３．００％、Ａｌ：０．００５〜０．２００％、Ｎ：０．０２００％以下、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、さらにＮｉ：０．５０〜２．００％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ｔｉ：０．０１０〜０．２００％、Ｎｂ：０．０１０〜０．１００％のうち１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼の上記組成のＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量から算出される４Ｓｉ＋３Ｃｒ−Ｍｎの値が６．００％以上を満足する鋼を８００〜９００℃の範囲に加熱して焼入れた後４００〜６５０℃での焼戻し処理を１回または２回以上行い、さらに８００〜９００℃の範囲に加熱して焼入れた後１００〜２５０℃の焼戻し処理を行うことを特徴とする靭性および耐磨耗性に優れた鋼の製造方法。
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