JP6282078B2 - 結晶粒度特性および衝撃特性に優れた機械構造用鋼からなる鋼部品の製造方法 - Google Patents
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Description
まず、本発明における鋼の化学成分について説明する。本発明の方法における鋼部品は、繰り返し焼入れによって結晶粒を微細化する。まず焼鈍によって球状化炭化物を析出させておく。この炭化物および、添加したAlやNbといったピンニング力の高い元素によって、1回目の焼入れ加熱時に生成した非常に微細なオーステナイト初期粒の成長を押さえ、さらに焼入れ時の加熱時に鋼材中の炭化物を完全に固溶させないことにより、この炭化物をピン止め粒子として利用している。
Cは焼入れ処理および焼戻し処理にて硬さを確保するために必要な元素で、このためには0.025%以上必要であり、さらにピンニング粒子となる炭化物を生成し、結晶粒微細化に有効に働くが、Cが0.065%以上となると、衝撃特性が低下する。そこで、C量は0.025〜0.075%、望ましくは、0.035〜0.065%とする。
Siは脱酸に必要な元素であり、0.05%未満では脱酸が十分に行われない。一方、Siが2.0%を超えると加工性を低下させる。そこで、Siは0.05〜2.00%とし、望ましくは0.05〜1.00%とする。
Mnは焼入れ生を確保するために必要な元素であり、Mnが0.10%未満では焼入れ性の効果は十分に得られない。また、Mnが2.00%を超えると加工性が悪化する。そこで、Mnは0.10〜2.00%とし、望ましくは0.20〜0.50%とする。
Pはスクラップなどから含有される不可避な元素であり、オーステナイト粒界に偏析して衝撃強度や曲げ強度などの靭性を悪化させる。そこでPは0.030%以下とする。
Sは被削性を向上させる元素である。しかし、SはMnと結合して非金属介在物であるMnSを生成して、横方向の靭性および疲労強度を低下させる、そこでSは0.030%以下とする。
Crは鋼の焼入れ性を上昇させる元素であるが、1.80%未満ではその効果が十分に得られない。一方、Crは炭化物を生成することで、繰り返し焼入れ時、ピン止め粒子の役割を果たし、結晶粒を微細化する。しかし、Crが3.00%より過剰に添加されると加工性を損なう。そこでCrは1.80〜3.00%とする。
Niは鋼の焼入れ性や靭性を向上させる元素であるが、Niを0.25%より多く添加すると、本発明においては結晶粒度特性に不利なベイナイトが析出し、それを核とした結晶粒粗大化が発生する。そのため、合金元素添加による靭性向上効果よりも、結晶粒粗大化による靭性低下のほうが大きく、靭性が低下する。そこで、ベイナイトの析出を回避するため、Niは不可避的不純物量レベルである0.25%以下とする。
Moは鋼の焼入れ性や靭性を向上させる元素であるが、Moを0.05%より多く添加すると、本発明においては結晶粒度特性に不利なベイナイトが析出し、それを核とした結晶粒粗大化が発生する。そのため、合金元素添加による靭性向上効果よりも、結晶粒粗大化による靭性低下のほうが大きく、靭性が低下する。そこで、ベイナイトの析出を回避するため、Niは不可避的不純物量レベルである0.05%以下とする。
Alは脱酸材として使用される元素であり、また、後述するようにNと結合してAlNを析出させ、ピン止め効果によって結晶粒粗大化を抑制する。また、繰り返し焼入れ時、ピン止め粒子となり、結晶粒を微細化させる。この効果を得るにはAlは0.010%以上添加する必要がある。一方、Alは0.050%より多く添加した場合、アルミナ系酸化物が増加し、疲労特性および加工性が低下する。そこでAlは0.010〜0.050%とする。
NbはNb炭化物やNb窒化物あるいはNb炭窒化物を形成して、それらのピン止め効果により、結晶粒粗大化防止効果をもたらす。また、繰り返し焼入れ時、ピン止め粒子となり、結晶粒を微細化させる。特に鋼中に微細に分散したナノオーダーのNb炭化物またはNb炭窒化物は結晶粒の成長を抑制する。Nbは0.02%以未満ではそれらの効果が得られず、0.10%を超えると析出物の量が過剰となり、加工性が低下する。そこで、Nbは0.02〜0.10%、望ましくは0.02〜0.08%とする。
Nは鋼中でAlNやNb窒化物、Nb炭窒化物として微細析出し、そのピン止め効果により結晶粒粗大化防止効果や、繰り返し焼入れ時に結晶粒微細化効果をもたらすため、Nは0.0050%以上添加する。しかし、N量が0.0300%を超えると窒化物が増加し、疲労強度や加工性が低下する、このため、Nは0.0050〜0.0300%とし、望ましくは0.0050〜0.0250%とする。
結晶粒微細化は衝撃値を向上させると共に、材料の寿命を向上させるため、粒度No.12以上、望ましくは12.5以上とする。
No.9以外の比較例には、2回焼き入れ後の結晶粒度の目標値である粒度No.12に達しなかった。また、比較例No.9も結晶粒度は微細だったが、C量とAl量が非常に高く、衝撃値が実施例よりも悪化している。また、比較例No.3はNiとMo量が多く、良好な衝撃値を示したが、ピン止め粒子量が足らず、2回焼入れでは結晶粒径が微細化しなかった。
この表3の比較例は、表1に示す化学成分から成るNo.1〜24の材料を鍛伸し、850℃で20分加熱後油焼入れ(60℃)にて1回目の焼入れを実施し、さらに830℃で20分加熱後に2回目の油焼入れ(60℃)を実施した。その後、1回目の焼入れ後と2回目の焼入れ後の直径の20mmの棒材を、図1のように長さ方向に沿って切断し、この断面を鏡面研磨し、飽和ピクリン酸溶液にて腐食し、旧オーステナイト粒界を現出させた。この試験片を光学顕微鏡で観察し、材料中周部から粒度番号を判定した。この結果を表3に示す。いずれの鋼種においても、結晶粒度No.12以上を満たさなかった。
2 結晶粒度測定位置
3 シャルピー衝撃試験片
Claims (1)
- 質量%で、C:0.25〜0.75%、Si:0.05〜2.00%、Mn:0.10〜0.50%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:1.80〜3.00%、Al:0.010〜0.050%、Nb:0.02〜0.10%、N:0.0050〜0.0300%を有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を用い、この鋼からなる鋼材を750℃〜900℃の間で焼鈍した後、810〜880℃で焼入れし、その後、さらに繰り返し焼入れとして810〜880℃でずぶ焼入れもしくは高周波焼入れを行い、次いで焼戻しを行うことを特徴とする結晶粒度特性および衝撃特性に優れた機械構造用鋼からなる鋼部品の製造方法。
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