JP6468366B2 - 鋼、浸炭鋼部品、及び浸炭鋼部品の製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2015年11月27日に、日本に出願された特願2015−232118号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
(1)本発明の一態様に係る鋼は、化学成分が、単位質量%で、C:0.07〜0.13%、Si:0.0001〜0.50%、Mn:0.0001〜0.80%、S:0.0050〜0.0800%、Cr:1.30%超5.00%以下、B:0.0005〜0.0100%、Al:0.070〜0.200%、N:0.0030〜0.0100%、Bi:0.0001%超0.0100%以下、Ti:0.020%以下、P:0.050%以下、O:0.0030%以下、Nb:0〜0.1000%、V:0〜0.20%、Mo:0〜0.500%、Ni:0〜1.000%、Cu:0〜0.500%、Ca:0〜0.0030%、Mg:0〜0.0030%、Te:0〜0.0030%、Zr:0〜0.0050%、RareEarthMetal:0〜0.0050%、及びSb:0〜0.0500%を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、前記化学成分中の各元素の単位質量%で示した含有量を式1に代入して得られる焼入れ性指標Ceqが7.5超44.0未満であり、前記化学成分中の前記各元素の単位質量%で示した前記含有量を式2に代入して得られるAlN析出指標IAlNが0.00030超0.00110未満であり、金属組織が、85〜100面積%のフェライトを含み、鋼の圧延方向と平行な断面で観察される円相当径が1μm以上2μm未満の硫化物間の平均距離が30.0μm未満であり、前記鋼の前記圧延方向と平行な前記断面で観察される円相当径が1μm以上2μm未満の前記硫化物の存在密度が300個/mm2以上である。
Ceq=(0.7×Si+1)×(5.1×Mn+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(0.3633×Ni+1)・・・(式1)
IAlN=Al×(N−Ti×(14/48))・・・(式2)
(2)上記(1)に記載の鋼は、前記化学成分が、単位質量%で、Nb:0.0020〜0.1000%、V:0.002〜0.20%、Mo:0.005〜0.500%、Ni:0.005〜1.000%、Cu:0.005〜0.500%、Ca:0.0002〜0.0030%、Mg:0.0002〜0.0030%、Te:0.0002〜0.0030%、Zr:0.0002〜0.0050%、RareEarthMetal:0.0002〜0.0050%、及びSb:0.0020〜0.0500%のうちの少なくとも1種または2種以上の元素を含有してもよい。
(3)本発明の別の態様に係る浸炭鋼部品は、鋼部と、前記鋼部の外面にある、ビッカース硬さがHV550以上の領域である浸炭層と、を有し、前記浸炭層の厚さが0.40mm超2.00mm未満であり、前記浸炭鋼部品の表面から深さ50μmの位置での平均ビッカース硬さがHV650以上HV1000以下であり、前記浸炭鋼部品の前記表面から深さ2.0mmの位置での平均ビッカース硬さがHV250以上HV500以下であり、前記鋼部の化学成分は、単位質量%で、C:0.07〜0.13%、Si:0.0001〜0.50%、Mn:0.0001〜0.80%、S:0.0050〜0.0800%、Cr:1.30%超5.00%以下、B:0.0005〜0.0100%、Al:0.070〜0.200%、N:0.0030〜0.0100%、Bi:0.0001%超0.0100%以下、Ti:0.020%以下、P:0.050%以下、O:0.0030%以下、Nb:0〜0.1000%、V:0〜0.20%、Mo:0〜0.500%、Ni:0〜1.000%、Cu:0〜0.500%、Ca:0〜0.0030%、Mg:0〜0.0030%、Te:0〜0.0030%、Zr:0〜0.0050%、RareEarthMetal:0〜0.0050%、及びSb:0〜0.0500%を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、前記鋼部の前記化学成分中の各元素の単位質量%で示した含有量を式3に代入して得られる焼入れ性指標Ceqが7.5超44.0未満であり、前記化学成分中の前記各元素の単位質量%で示した前記含有量を式4に代入して得られるAlN析出指標IAlNが0.00030超0.00110未満であり、前記浸炭鋼部品の圧延方向と平行な断面で観察される、前記鋼部中の円相当径が1μm以上2μm未満の硫化物間の平均距離が30.0μm未満であり、前記浸炭鋼部品の前記圧延方向と平行な前記断面で観察される、前記鋼部中の円相当径が1μm以上2μm未満の前記硫化物の存在密度が300個/mm2以上である。
Ceq=(0.7×Si+1)×(5.1×Mn+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(0.3633×Ni+1)・・・(式3)
IAlN=Al×(N−Ti×(14/48))・・・(式4)
(4)上記(3)に記載の浸炭鋼部品は、前記鋼部の化学成分が、単位質量%で、Nb:0.0020〜0.1000%、V:0.002〜0.20%、Mo:0.005〜0.500%、Ni:0.005〜1.000%、Cu:0.005〜0.500%、Ca:0.0002〜0.0030%、Mg:0.0002〜0.0030%、Te:0.0002〜0.0030%、Zr:0.0002〜0.0050%、RareEarthMetal:0.0002〜0.0050%、及びSb:0.0020〜0.0500%のうちの少なくとも1種または2種以上の元素を含有してもよい。
(5)本発明の別の態様に係る浸炭鋼部品の製造方法は、上記(3)または(4)に記載の浸炭鋼部品の製造方法であって、上記(1)または(2)に記載の鋼を冷間塑性加工する工程と、前記冷間塑性加工後の前記鋼を切削する工程と、前記切削後の前記鋼に浸炭処理または浸炭窒化処理を施す工程と、を有する。
(6)上記(5)に記載の浸炭鋼部品の製造方法は、前記浸炭処理又は前記浸炭窒化処理の後に、焼入れ処理または焼入れ・焼戻し処理を施す工程をさらに有してもよい。
λ∝(D×σ×ΔT)0.25 …(式A)
ここで、λ:デンドライトの1次アーム間隔(μm)、D:拡散係数(m2/s)、σ:固液界面エネルギー(J/m2)、ΔT:凝固温度範囲(℃)である。
まず、本実施形態の浸炭用鋼の化学成分を構成する各成分元素の含有量について説明する。各成分元素の含有量の単位「%」は「質量%」を意味する。なお、本実施形態の浸炭用鋼は、本発明の別の実施形態に係る浸炭鋼部品の鋼部(浸炭の影響を受けない部分)と共通した構成を有するので、鋼部についてもあわせて説明する場合がある。
炭素(C)は、浸炭層と鋼部とを備える浸炭鋼部品の、鋼部の硬さを確保するために含有される。上記したように、従来の浸炭用鋼のC含有量は0.2%程度であるが、本実施形態に係る浸炭用鋼、及び浸炭鋼部品における鋼部では、C含有量をこの量よりも少ない0.13%以下に制限している。この理由は、C含有量が0.13%超では、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが顕著に増加するとともに限界圧縮率も低下するので、浸炭用鋼の冷間鍛造性が損なわれるからである。しかしながら、C含有量が0.07%未満では、焼入れ性を高める後述の合金元素を多量に含有させて、できる限り焼入れ性の増加を図ったとしても、浸炭鋼部品の鋼部の硬さを従来の浸炭用鋼のレベルにすることが不可能である。従って、C含有量を0.07〜0.13%の範囲に制御する必要がある。C含有量の下限値は、好ましくは0.08%である。C含有量の好ましい上限値は、0.12%、0.11%、又は0.10%である。
シリコン(Si)は、浸炭鋼部品のような低温焼戻しマルテンサイト鋼の焼戻し軟化抵抗を顕著に増加させることで、疲労強度を向上させる元素である。この効果を得るためには、Si含有量が0.0001%以上である必要がある。しかし、Si含有量が0.50%を超えると、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界圧縮率が低下するので、浸炭用鋼の冷間鍛造性が損なわれる。従って、Si含有量を0.0001〜0.50%の範囲に制御する必要がある。浸炭鋼部品の歯面疲労強度を重視する場合には、この範囲内でSi含有量を増大させる。浸炭用鋼の冷間鍛造性の確保、即ち変形抵抗の低減や限界加工性の向上を重視する場合には、この範囲内でSi含有量を減少させる。浸炭鋼部品の歯面疲労強度を重視する場合には、Si含有量を好ましくは0.10%以上とする。浸炭用鋼の冷間鍛造性の確保を重視する場合、Si含有量を好ましくは0.20%以下とする。Si含有量の下限値を0.01%、0.05%、又は0.15%としてもよい。Si含有量の上限値を0.45%、0.35%、又は0.30%としてもよい。
マンガン(Mn)は、鋼の焼入れ性を高める元素である。この効果によって浸炭熱処理後の浸炭鋼部品の強度を高めるためには、Mn含有量が0.0001%以上である必要がある。しかし、Mn含有量が0.80%を超えると、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界圧縮率が低下するので、浸炭用鋼の冷間鍛造性が損なわれる。従って、Mn含有量を0.0001〜0.80%の範囲に制御する必要がある。Mn含有量の下限値を0.04%、0.05%、0.10%、又は0.25%としてもよい。Mn含有量の上限値を0.78%、0.60%、0.50%、又は0.45%としてもよい。
硫黄(S)は、鋼中のMn等と結合して、MnS等の硫化物を形成し、鋼の被削性を向上させる元素である。この効果を得るために、S含有量を0.0050%以上とする必要がある。しかしながら、S含有量が0.0800%を超えると、鍛造時に硫化物が起点となって割れを生じさせるので、鋼の限界圧縮率を低下させることがある。従って、S含有量を0.0050〜0.0800%の範囲に制御する必要がある。S含有量の好ましい下限値は0.0080%、0.0090%、又は0.0100%である。S含有量の好ましい上限値は0.0750%、0.0500%、又は0.0200%である。
クロム(Cr)は、鋼の焼入れ性を高める元素である。この効果によって浸炭熱処理後の浸炭鋼部品の強度を高めるためには、Cr含有量が1.30%超である必要がある。しかし、Cr含有量が5.00%を超えると、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界圧縮率が低下するので、浸炭用鋼の冷間鍛造性が損なわれる。従って、Cr含有量を1.30%超5.00%以下の範囲に制御する必要がある。また、Crは、焼入れ性向上効果を有するMn、Mo、及びNi等の他の元素と比べて、浸炭用鋼(浸炭熱処理前の鋼)の硬さを上昇させる程度が少なく、かつ焼入れ性(浸炭熱処理の焼入れによって上昇する硬さ)を向上させる効果が比較的大きい。よって、本実施形態に係る浸炭用鋼、及び、浸炭鋼部品における鋼部では、従来の浸炭用鋼よりも、Cr含有量を多くする。Cr含有量の好ましい下限値は1.35%、1.50%、又は1.80%である。Cr含有量の好ましい上限値は4.50%、3.50%、2.50%、又は2.20%である。
ホウ素(B)は、オーステナイト中に固溶する場合、微量でも鋼の焼入れ性を大きく高める元素である。この効果によって浸炭熱処理後の浸炭鋼部品の強度を高めることができる。また、Bは上記効果を得るために多量に添加する必要がないので、鍛造前の浸炭用鋼の硬さをほとんど上昇させないという特徴がある。従って、本実施形態に係る浸炭用鋼、及び、浸炭鋼部品における鋼部では、Bを積極的に利用する。B含有量が0.0005%未満では、上記の焼入れ性向上効果が得られない。一方、B含有量が0.0100%を超えると、上記効果が飽和する。従って、B含有量を0.0005〜0.0100%の範囲に制御する必要がある。B含有量の下限値は、好ましくは0.0010%、0.0015%、又は0.0020%である。B含有量の上限値は、好ましくは0.0095%、又は0.0080%である。なお、鋼中に一定量以上のNが存在している場合、BがNと結合してBNを形成し、固溶B量が減少する。その結果、焼入れ性を高める効果が得られない場合がある。よって、本実施形態の浸炭用鋼では、Nを固定するTiの含有量を所定値以上とすることが必要である。
Alは脱酸作用を有すると同時に、Nと結合してAlNを形成しやすく、浸炭加熱時のオーステナイト粒粗大化防止に有効な元素である。Alを添加することで、BNの形成が防止され、焼入れ性に寄与する固溶Bが確保される。しかし、Alの含有量が0.070%未満では、Bによる焼入れ性向上効果が得られない。一方、Alの含有量が0.200%を超えると、AlNの析出量が多くなりすぎ、浸炭用鋼及び浸炭鋼部品の塑性加工性が低下する。さらに、Alの含有量が0.200%を超えると、AlN析出物が微細分散せずに、個々のサイズが大きくなる。そのため、AlN析出物を介して浸炭中の結晶粒粗大化を防止する効果が得られなくなる。したがって、Alの含有量を0.070〜0.200%とした。Al含有量の好ましい下限は0.075%である。Al含有量の好ましい上限は0.150%である。
窒素(N)は、AlN析出物を形成し、これを介して浸炭中の結晶粒粗大化を防止する効果を有する。N含有量が0.0030%未満では、AlNの析出量が減少し、浸炭時の結晶粒粗大化を防止する効果が得られない。一方、NはBNを形成して、固溶B量を低減させる元素である。N含有量が0.0100%を超えると、焼入れ性に寄与する固溶Bを確保することができなくなる。また、N含有量が0.0100%を超えると、粗大なTiNが形成されて、これが塑性加工時に破壊の起点となるので、浸炭用鋼の冷間鍛造性が損なわれる。従って、N含有量を0.0030〜0.0100%の範囲に制御する必要がある。N含有量の下限値は、好ましくは0.0040%である。N含有量の上限値は、好ましくは0.0090%または0.0085%である。
Biは、本実施形態に係る浸炭用鋼において重要な元素である。微量のBiによって、溶鋼の凝固時にデンドライト組織が微細化されるので、硫化物が微細分散する。硫化物微細化効果を得るためには、Biの含有量を0.0001%超とする必要がある。しかし、Biの含有量が0.0100%を超えると、鋼の熱間加工性が劣化し、熱間圧延が困難となる。これらのことから、本実施形態に係る浸炭用鋼では、Bi含有量を0.0001%超0.0100%以下とする。被削性向上および硫化物微細分散化効果を確実に得るためには、Bi含有量を0.0010%以上又は0.0015%以上とすることが好ましい。一方、Bi含有量の好ましい上限値は0.0095%、0.0090%、又は0.0050%である。
チタン(Ti)は、鋼中のNをTiNとして固定する効果を有する元素である。Tiが含有される場合、鋼中のNは、ほぼ全てがTiNとして固定される。しかし、Tiは高価な元素であるため、Tiを含有させる場合、製造コストが高くなる。また、Tiが0.020%超である場合、多量のTi炭硫化物が生成することにより、粗大粒の発生が抑制できなくなるおそれがある。上述の観点から、Ti含有量を0.020%以下に制限する必要がある。Ti含有量の好適範囲は0.020%未満であり、更なる好適範囲は0.018%以下又は0.015%以下である。
燐(P)は不純物である。Pは鋼の疲労強度や熱間加工性を低下させる。したがって、P含有量は少ない方が好ましく、その含有量の下限値は0%である。しかし、製造コストを考慮して、P含有量の下限値を0.005%、0.010%、又は0.015%としてもよい。一方、P含有量は0.050%以下であれば許容される。好ましいP含有量は0.045%以下、又は0.035%以下であり、さらに好ましくは、0.020%以下または0.015%以下である。
酸素(O)は不純物であり、酸化物系介在物を形成する元素である。O含有量が0.0030%超では、疲労破壊の起点となる大きな介在物が増加し、疲労特性の低下の原因となる。従って、O含有量を0.0030%以下に制限する必要がある。好ましくは、O含有量は0.0015%以下である。O含有量は少ないほど望ましいので、O含有量の下限値は0%である。しかし、製造コストを考慮して、O含有量の下限値を0.0007%又は0.0010%としてもよい。一方、O含有量の上限値を0.0025%、0.0020%、又は0.0015%としてもよい。なお、通常の操業条件では、Oが0.0020%程度含有される。
ニオブ(Nb)は、鋼中でN及びCと結合して、Nb(C、N)を形成する元素である。このNb(C、N)は、オーステナイト結晶粒界をピン止めすることによって、粒成長を抑制し、そして、組織の粗大化を防止する。Nb含有量を0.0020%以上とすると、上記の効果が得られるので好ましい。Nb含有量が0.1000%を超えると、上記の効果が飽和する。従って、Nb含有量を0.0020〜0.1000%とすることが好ましい。さらに好ましくは、Nb含有量の下限値は0.0100%である。また、さらに好ましくは、Nb含有量の上限値は0.0500%、0.0100%、0.0050%、又は0.0040%である。
バナジウム(V)は、鋼中でN及びCと結合して、V(C、N)を形成する元素である。このV(C、N)は、オーステナイト結晶粒界をピン止めすることによって、粒成長を抑制し、そして、組織の粗大化を防止する。V含有量を0.002%以上とすると、上記の効果が得られるので好ましい。V含有量が0.20%を超えると、上記の効果が飽和する。従って、V含有量を0.002〜0.20%とすることが好ましい。さらに好ましくは、V含有量の下限値は0.05%である。さらに好ましくは、V含有量の上限値は0.10%である。
モリブデン(Mo)は、鋼の焼入れ性を高める元素である。Mo含有量を0.005%以上とすると、この効果によって浸炭熱処理後の浸炭鋼部品の強度を高められるので好ましい。また、Moは、ガス浸炭の雰囲気で、酸化物を形成せず、窒化物を形成しにくい元素である。浸炭用鋼にMoが含有される場合、浸炭層表面の酸化物層及び窒化物層、又は、それらに起因する浸炭異常層が形成されにくくなる。しかしながら、Moは高価である。さらに、Mo含有量が0.500%を超えると、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界圧縮率が低下するので、浸炭用鋼の冷間鍛造性が損なわれる。従って、Mo含有量を0.005〜0.500%とすることが好ましい。さらに好ましくは、Mo含有量の下限値を0.050%としてもよい。また、Mo含有量の上限値を0.200%、0.100%、0.010%、又は0.006%としてもよい。
ニッケル(Ni)は、鋼の焼入れ性を高める元素である。Ni含有量を0.005%以上とすると、この効果によって浸炭熱処理後の浸炭鋼部品の強度を高められるので好ましい。また、Niは、ガス浸炭の雰囲気ガス雰囲気で、酸化物や窒化物を形成しない元素である。浸炭用鋼にNiが含有される場合、浸炭層表面の酸化物層及び窒化物層、又はそれらに起因する浸炭異常層が形成されにくくなる。しかしながら、Niは高価である。さらに、Ni含有量が1.000%を超えると、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界圧縮率が低下するので、浸炭用鋼の冷間鍛造性が損なわれる。従って、Ni含有量を0.005〜1.000%とすることが好ましい。さらに好ましくは、Ni含有量の下限値を0.050%としてもよい。また、Ni含有量の上限値を0.700%又は0.500%としてもよい。
銅(Cu)は、鋼の焼入れ性を高める元素である。Cu含有量を0.005%以上とすると、この効果によって浸炭熱処理後の浸炭鋼部品の強度を高められるので好ましい。また、Cuは、ガス浸炭の雰囲気ガス雰囲気で、酸化物や窒化物を形成しない元素である。浸炭用鋼にCuが含有される場合、浸炭層表面の酸化物層及び窒化物層、又は、それらに起因する浸炭異常層が形成されにくくなる。しかしながら、Cu含有量が0.500%を超えると、1000℃以上の高温域における鋼の延性が低下し、連続鋳造及び圧延時の歩留まりが低下する。また、Cu含有量が0.500%を超えると、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界圧縮率が低下するので、浸炭用鋼の冷間鍛造性が損なわれる。従って、Cu含有量を0.005〜0.500%とすることが好ましい。さらに好ましくは、Cu含有量の下限値を0.050%としてもよい。一方、Cu含有量の上限値を0.300%、0.010%、又は0.006%としてもよい。なお、Cuを含有させる場合、上記した高温域の延性を改善するために、単位質量%で、Ni含有量をCu含有量の1/2以上とすることが望ましい。
カルシウム(Ca)は、硫化物の形状を、伸長させずに球状にするという硫化物形態制御の効果を有する元素である。Caが含有される場合、硫化物形状の異方性が改善され、硫化物に起因する機械的性質の低下が、一層抑制される。また、Caは、切削時に切削工具表面に保護被膜を形成して、被削性を向上させる元素である。Ca含有量を0.0002%以上とすると、これらの効果が得られるので好ましい。一方、Ca含有量が0.0030%を超えると、粗大な酸化物及び硫化物等が形成されて、浸炭鋼部品の疲労強度に悪影響を与える場合がある。従って、Ca含有量を0.0002〜0.0030%とすることが好ましい。さらに好ましくは、Ca含有量の下限値を0.0008%としてもよい。Ca含有量の上限値を0.0020%又は0.0005%としてもよい。
マグネシウム(Mg)は、Caと同様に硫化物の形態を制御し、さらに切削時に切削工具表面へ保護被膜を形成して被削性を向上させる元素である。Mg含有量を0.0002%以上とすると、これらの効果が得られるので好ましい。一方、Mg含有量が0.0030%を超えると、粗大な酸化物が形成されて、浸炭鋼部品の疲労強度に悪影響を与える場合がある。従って、Mg含有量を0.0002〜0.0030%とすることが好ましい。さらに好ましくは、Mg含有量の下限値を0.0008%としてもよい。Mg含有量の上限値を0.0020%、又は0.0012%としてもよい。
テルル(Te)は、硫化物の形態を制御する元素である。Te含有量を0.0002%以上とすると、この効果が得られるので好ましい。一方、Te含有量が0.0030%を超えると、鋼の熱間における脆化が著しくなる。従って、Te含有量を0.0002〜0.0030%とすることが好ましい。さらに好ましくは、Te含有量の下限値を0.0008%としてもよい。Te含有量の上限値を0.0020%、又は0.0015%としてもよい。
ジルコニウム(Zr)は、硫化物の形態を制御する元素である。Zr含有量を0.0002%以上とすると、この効果が得られるので好ましい。一方、Zr含有量が0.0050%を超えると、粗大な酸化物が形成されて、浸炭鋼部品の疲労強度に悪影響を与える場合がある。従って、Zr含有量を0.0002〜0.0050%とすることが好ましい。さらに好ましくは、Zr含有量の下限値を0.0008%としてもよい。Zr含有量の上限値を0.0030%、又は0.0011%としてもよい。
REM(Rare Earth Metal)は、硫化物の形態を制御する元素である。REM含有量を0.0002%以上とすると、この効果が得られるので好ましい。REM含有量が0.0050%を超えると、粗大な酸化物が形成されて、浸炭鋼部品の疲労強度に悪影響を与える場合がある。従って、REM含有量を0.0002〜0.0050%とすることが好ましい。さらに好ましくは、REM含有量の下限値を0.0008%としてもよい。REM含有量の上限値を0.0040%、0.0030%又は0.0010%としてもよい。
なお、REMとは原子番号が57のランタンから71のルテシウムまでの15元素に、原子番号が21のスカンジウムと原子番号が39のイットリウムとを加えた合計17元素の総称である。通常は、これらの元素の混合物であるミッシュメタルの形で供給され、鋼中に添加される。本実施形態において、REMの含有量とは、これら元素の含有量の合計値である。
アンチモン(Sb)は、浸炭用鋼の製造工程(熱間圧延、熱間鍛造、焼鈍等)における脱炭や浸炭現象を防止する元素である。Sb含有量を0.0020%以上とすると、これらの効果が得られるので好ましい。Sb含有量が0.0500%を超えると、浸炭処理時に浸炭性を損ない、必要な浸炭層が得られない場合がある。従って、Sb含有量を0.0020〜0.0500%とすることが好ましい。さらに好ましくは、Sb含有量の下限値を0.0050%としてもよい。Sb含有量の上限値を0.0300%又は0.0030%としてもよい。
本実施形態の浸炭用鋼の製造に用いる連続鋳造鋳片の凝固組織は、通常はデンドライト形態を呈している。浸炭用鋼中の硫化物は、凝固前(溶鋼中)、または凝固時に晶出することが多く、デンドライト1次アーム間隔に大きく影響を受ける。すなわち、デンドライト1次アーム間隔が小さければ、樹間に晶出する硫化物は小さくなる。本実施形態の浸炭用鋼は、鋳片の段階におけるデンドライト1次アーム間隔が600μm未満であることが望ましい。なお、本実施形態に係る浸炭用鋼において、硫化物は例えばMnS等である。ただし、鋳片を熱間加工するとデンドライトの形状が変化したり、デンドライトの形状が判別できなくなったりする場合がある。従って、鋳片を熱間加工して得られる本実施形態の浸炭用鋼のデンドライト形状は、上述の範囲に限定されない。
浸炭用鋼に含まれる硫化物(例えばMnS等)は、浸炭用鋼の被削性の向上に有用であるため、適切なサイズの硫化物の存在密度を可能な限り増大させることが必要である。一方、S含有量を増加させると被削性は向上するが、粗大な硫化物が増加する。熱間圧延等によって延伸した粗大な硫化物は、冷間鍛造性を損なう。従って、S含有量を従来の水準よりも低減させて、硫化物サイズ及び形状を制御することが必要である。さらに、被削時の切りくず処理性を向上させるためには、硫化物を微細に分散することが必要である。すなわち、硫化物同士の間隔を小さくすることが重要である。
本発明者らが知見したところでは、浸炭用鋼の圧延方向と平行な断面(L断面)において観察される円相当径が1μm以上2μm未満の硫化物(以下「微細硫化物」と略す場合がある)が300個/mm2以上の存在密度で鋼中に存在すると、工具の摩耗が抑制される。微細硫化物の存在密度の下限値を325個/mm2、350個/mm2、又は400個/mm2としてもよい。微細硫化物の存在密度の上限値を規定する必要は無いが、化学成分の規定範囲及び実験結果に鑑みて、600個/mm2が実質的な上限値になると推定される。微細硫化物の存在密度の上限値を500個/mm2としてもよい。
また、微細硫化物同士の間の距離の平均値(微細硫化物間の平均距離)と、切りくず処理性との関係について本発明者らが種々実験を行った結果、これら微細硫化物間の平均距離が30.0μm未満であれば、良好な切りくず処理性が得られることを確認した。従って、微細硫化物間の平均距離は30.0μm未満と規定される。微細硫化物間の平均距離の上限値を27.0μm、26.0μm、又は25.0μmとしてもよい。微細硫化物間の平均距離の下限値は特に限定されないが、化学成分の規定範囲及び実験結果に鑑みて、12.0μmが実質的な下限値であると推定される。微細硫化物間の平均距離の下限値を13.0μm、又は14.0μmとしてもよい。
焼入れ性指標Ceq:7.5超44.0未満
本実施形態の浸炭用鋼の、化学成分中の各元素の単位質量%で示した含有量を下記の式Bに代入して得られる焼入れ性指標Ceqが、7.5超44.0未満となる必要がある。式Bに含まれる元素記号は、その元素記号に係る元素の単位質量%での含有量を示す。選択元素であるMo及びNiが含まれない場合には、その含有量を0質量%とみなして焼入れ性指標Ceqを算出すればよい。
Ceq=(0.7×Si+1)×(5.1×Mn+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(0.3633×Ni+1)・・・(式B)
AlN析出指標IAlN:0.00030超0.00110未満
本実施形態の浸炭用鋼の、Al、N、及び、Tiの質量%で示した含有量を下記の式Cに代入することで得られるAlN析出指標IAlNが、0.00030超0.00110未満である必要がある。式Cに含まれる元素記号は、その元素記号に係る元素の単位質量%での含有量を示す。
IAlN=Al×(N−Ti×(14/48))・・・(式C)
鋼に含まれるNは、まずTiと結びついてTiNを形成する。つまり、上記の式C中の「(N−Ti×(14/48))」は、鋼中においてTiN以外の形態になっているNの量、すなわち、AlNとなる可能性のあるNの量を表している。上記の式C中の「14」はNの原子量であり、「48」はTiの原子量である。
AlN析出指標IAlNが0.00030以下である場合、AlNの析出量が不足するため、浸炭時の結晶粒の粗大化を防止することができない。また、AlN析出指標IAlNが0.00110以上である場合、AlNの析出量が多くなりすぎて、浸炭用鋼及び浸炭鋼部品の塑性加工性を低下させる。また、AlN析出指標IAlNが0.00110以上である場合、AlN析出物が微細分散せずに、個々のサイズが大きくなる。そのため、AlN析出物を介して浸炭中の結晶粒粗大化を防止する効果が得られなくなる。従って、AlN析出指標IAlNは0.00030超0.00110未満である必要がある。AlN析出指標IAlNの下限値は、好ましくは、0.00050である。AlN析出指標IAlNの上限値は、好ましくは0.00100未満又は0.00080である。
フェライト:85〜100面積%
本実施形態の浸炭用鋼の金属組織は、85面積%以上のフェライトを含む。その金属組織が、軟質な相であるフェライトを主体とするものであるので、本実施形態の浸炭用鋼は十分に軟質であり、優れた冷間鍛造性を有する。なお、フェライトは多ければ多いほど好ましいので、フェライト量の上限値は100面積%である。フェライト量が上述の範囲内である限り、本実施形態の浸炭用鋼はフェライト以外の任意の組織を含んでも良い。本実施形態の浸炭用鋼に含まれ得る組織として、ベイナイト及びマルテンサイトが例示される。
次に、本発明の別の実施形態に係る浸炭鋼部品について説明する。
本実施形態の浸炭鋼部品2は、図2に示されるように、上述の本実施形態に係る浸炭用鋼1に対して、冷間塑性加工S1、切削加工S2、及び浸炭処理又は浸炭窒化処理S3が施されることで製造される。浸炭処理又は浸炭窒化処理S3の後に、必要に応じて仕上熱処理として焼入れ処理又は焼入れ・焼戻し処理S4を行ってもよい。浸炭処理又は浸炭窒化処理S3によって、浸炭鋼部品2の鋼部20の外面に浸炭層21が形成される。本実施形態に係る浸炭鋼部品2の浸炭層21は、ビッカース硬さがHV550以上である領域と定義される。浸炭層2の厚さは、JIS G 0557に規定される有効硬化層深さと等しい。なお、鋼部20と浸炭層21との間に、何れにも該当しない領域、即ち鋼部20よりもC含有量が高いが硬さがHV550未満である遷移領域があってもよい。なお「浸炭層」との用語は、通常の技術常識によれば、浸炭層及び浸炭窒化層の両方を含む概念と解される。浸炭鋼部品2の製造方法については後述する。
本実施形態の浸炭鋼部品2は、より詳細には、図1に示されるように鋼部20と、鋼部20の外面に生成した厚さ0.40mm超2.00mm未満の浸炭層21とを備える。浸炭層の厚さが0.40mm以下である場合、浸炭鋼部品の強度、特に疲労強度などが不足する。一方、浸炭層の厚さが2.00mm以上である場合、浸炭鋼部品の表面の靱性が損なわれる。浸炭層の厚さの下限値を0.45mm、又は0.50mmとしてもよい。また、浸炭層の厚さの上限値を1.70mm、1.50mm、1.00mm、0.90mm、0.70mm、又は0.65mmとしてもよい。
加えて、本実施形態に係る浸炭鋼部品2の表面から深さ50μmの位置(図1において、記号Aが付された破線)での平均ビッカース硬さは、HV650以上HV1000以下であることが好ましい。この場合、浸炭層の硬さが適切に制御されている。浸炭鋼部品2の表面から深さ50μmの位置での平均ビッカース硬さがHV650未満である場合、浸炭鋼部品の強度、特に疲労強度などが不足する。浸炭鋼部品2の表面から深さ50μmの位置での平均ビッカース硬さがHV1000超である場合、浸炭鋼部品の表面の靱性が損なわれる。浸炭鋼部品2の表面から深さ50μmの位置での平均ビッカース硬さの下限値をHV750、HV770、またはHV800としてもよい。浸炭鋼部品2の表面から深さ50μmの位置での平均ビッカース硬さの上限値をHV900、HV870、またはHV850としてもよい。
さらに、本実施形態に係る浸炭鋼部品2の表面から深さ2.0mmの位置(図1において、記号Bが付された破線)での平均ビッカース硬さはHV250以上HV500以下であることが好ましい。この場合、鋼部20(又は遷移部)の硬さが適切に制御されている。浸炭鋼部品2の表面から深さ2.0mmの位置での平均ビッカース硬さがHV250未満である場合、浸炭鋼部品の強度が不足する。浸炭鋼部品2の表面から深さ2.0mmの位置での平均ビッカース硬さがHV500超である場合、浸炭鋼部品の靱性が損なわれ、割れ等の破損が生じやすくなる。浸炭鋼部品2の表面から深さ2.0mmの位置での平均ビッカース硬さの下限値をHV270、HV280、またはHV300としてもよい。浸炭鋼部品2の表面から深さ2.0mmの位置での平均ビッカース硬さの上限値をHV400、HV380、またはHV320としてもよい。
上述したように浸炭層厚さ及び硬さが制御されている限り、本実施形態に係る浸炭鋼部品2は高強度部品として用いることができる。従って、本実施形態に係る浸炭鋼部品2の組織は特に限定されないが、例えば、浸炭鋼部品2の表面から0.4mmの深さにおける組織を、0〜10面積%のフェライトと、マルテンサイト、ベイナイト、焼戻しマルテンサイト、焼戻しベイナイト、及びセメンタイトからなる群から選択される1種以上を含む残部とから構成されるものとしてもよい。成分、並びに浸炭鋼部品2の表面から2.0mmの深さの位置及び50μmの深さの位置における硬さが上述された範囲内となるように浸炭鋼部品2の製造を行った場合、浸炭鋼部品2の表面から0.4mmの深さにおける組織は上述の範囲内となることが通常である。
次に、本実施形態の浸炭用鋼の製造方法と、本発明の別の実施形態に係る浸炭鋼部品の製造方法とを説明する。浸炭鋼部品の製造方法においては、一例として浸炭用鋼からなる冷間鍛造品を製造する工程を説明する。冷間鍛造品はたとえば、自動車及び建設機械等に利用される機械部品であり、たとえば、歯車、シャフト、プーリーなどの鋼製部品である。
本実施形態の浸炭用鋼と同じ化学成分を有する鋳片を、連続鋳造法により製造する。造塊法により、鋳片をインゴット(鋼塊)にしてもよい。鋳造は例えば、220×220mm角の鋳型を用いて、タンディッシュ内の溶鋼のスーパーヒートを10〜50℃とし、鋳込み速度を1.0〜1.5m/分とする条件で行われる。
表1A及び表1Bに示す化学組成を有する鋼a〜aaを270ton転炉で溶製し、連続鋳造機を用いて連続鋳造を実施して、220×220mm角の鋳片を製造した。ここで、タンディッシュ内の溶鋼のスーパーヒートを30℃とし、鋳込み速度を1.0m/分とした。
鋳片の凝固組織のデンドライト1次アーム間隔およびデンドライト2次アーム間隔は、上記の鋳片の断面をピクリン酸にてエッチングし、鋳片表面から15mmの深さの位置において鋳込み方向に5mmピッチでデンドライト1次アーム間隔および2次アーム間隔を100点測定し、各測定点におけるデンドライト1次アーム間隔および2次アーム間隔の平均値を算出し、さらにこれらを平均することにより求めた。実施例の鋳片のデンドライト2次アーム間隔に基づいて推定される、実施例の鋳片の平均冷却速度は100℃/min以上500℃/min以下であった。
各鋼番号の丸棒(浸炭用鋼)のミクロ組織を観察した。丸棒のD/4位置を軸方向に対して平行に切断し、ミクロ組織観察用の試験片を採取した。試験片の切断面を研磨し、光学顕微鏡によって鋼の金属組織を観察し、組織中のコントラストから析出物の種類を判別した。なお、走査型電子顕微鏡とエネルギー分散型X線分光分析装置(EDS)とを用いて析出物を同定した。後述の試験片の長手方向を含む断面から、縦10mm×横10mmの研磨試験片を10個作製し、切断面の電子顕微鏡写真を複数の測定箇所で撮影し、各電子顕微鏡写真に含まれる硫化物それぞれの円相当径を算出することにより円相当径が1μm以上2μm未満の硫化物(微細硫化物)を特定し、各電子顕微鏡写真に含まれる微細硫化物の個数を各電子顕微鏡写真の視野の面積で割ることにより各測定箇所における微細硫化物の存在密度を求め、これら存在密度を平均することにより、鋼の圧延方向と平行な断面で観察される円相当径が1μm以上2μm未満の硫化物の存在密度(微細硫化物存在密度)を求めた。また、上述の各電子顕微鏡写真に含まれる任意の2の微細硫化物の重心をその両端とし且つこれら任意の2の微細硫化物以外の微細硫化物を通らない線分を各電子顕微鏡写真に描画し、各電子顕微鏡写真のこれら線分の長さの平均値を求めることにより各測定箇所における微細硫化物間の平均距離を求め、これら各測定箇所における平均距離をさらに平均することにより、鋼の圧延方向と平行な断面で観察される円相当径が1μm以上2μm未満の硫化物間の平均距離(硫化物間距離)を求めた。なお、測定箇所の数を25とし、電子顕微鏡写真の倍率を500倍とし、測定視野の総面積を約1.1mm2とした。
丸棒(浸炭用鋼)の硬さは、ビッカース硬度計を用いて、丸棒の圧延方向に垂直な断面の10点の測定点で硬さ測定を行い、各測定点における硬さの平均値を算出することにより求めた。測定点の位置は、丸棒のD/4位置(丸棒の直径Dの1/4の深さの位置)とした。徐冷工程後かつ球状化焼鈍前(SA工程前)の浸炭用鋼の硬さがHV125以下の場合、または、球状化焼鈍後(SA工程後)の浸炭用鋼の硬さがHV110以下の場合を、軟質化が十分であり合格と判定した。
直径30mmの丸棒のR/2位置(丸棒の半径Rの1/2の深さの位置)から、丸棒試験片を作製した。丸棒試験片は、直径30mmの丸棒のR/2位置を中心とした直径10mm、長さ15mmの試験片であり、丸棒試験片の長手方向は、直径30mmの丸棒の鍛伸軸と平行であった。また、丸棒試験片の端面の中心には切り欠きを設けた。切り欠きの深さは0.8mmとし、切り欠き角度は30度とし、切り欠きの底部は半径R=0.15mmとなるように丸めた。この切り欠き形状は、「冷間据込み試験方法」冷間鍛造分科会材料研究班、塑性と加工、vol.22、no.241、p139に記載の2号試験片の切り欠きに準じたものである。
各鋼について、冷間圧縮試験に供した試験片に、冷間での引抜きにより歪を与え、これにより通常の冷間鍛造と同様の影響を各試験片に与えた。その引抜き後の試験片の被削性を評価することにより、各鋼の冷間鍛造後の被削性を評価した。
母材材質:超硬P20種グレード。
コーティング:なし。
<旋削加工条件>
周速:150m/分。
送り:0.2mm/rev。
切り込み:0.4mm。
潤滑:水溶性切削油を使用。
上記方法で製造した浸炭用鋼の、周面から上記切断面の直径1/4深さの位置から、試験片の長手方向が浸炭用鋼の長手方向と一致するように、浸炭用の試験片(20mmφ×30mm)を採取した。浸炭工程として、変成炉ガス方式によるガス浸炭を行った。このガス浸炭は、カーボンポテンシャルを0.8%として、950℃で5時間の保持を行い、続いて、850℃で0.5時間の保持を行った。浸炭工程後に、仕上熱処理工程として、130℃へと浸炭処理後の鋼を冷却する油焼入れを行い、そして、150℃で90分の焼戻しを行って、浸炭鋼部品を得た。
鋳片の表面から15mmの深さの位置における液相線温度から固相線温度までの温度域内の平均冷却速度(以下「平均冷却速度」と称する)を除き鋼a及び鋼gと同じ製造条件で、鋼a及び鋼gと同じ化学成分を有する浸炭用鋼を製造し、これら浸炭用鋼に、鋼a及び鋼gと同じ方法で種々の評価を行った。平均冷却速度は、表3に示される値とした。
2 浸炭鋼部品
20 鋼部
21 浸炭層
S1 冷間塑性加工
S2 切削加工
S3 浸炭処理又は浸炭窒化処理
S4 焼入れ処理又は焼入れ・焼戻し処理
Claims (6)
- 化学成分が、単位質量%で、
C:0.07〜0.13%、
Si:0.0001〜0.50%、
Mn:0.0001〜0.80%、
S:0.0050〜0.0800%、
Cr:1.30%超5.00%以下、
B:0.0005〜0.0100%、
Al:0.070〜0.200%、
N:0.0030〜0.0100%、
Bi:0.0001%超0.0100%以下、
Ti:0.020%以下、
P:0.050%以下、
O:0.0030%以下、
Nb:0〜0.1000%、
V:0〜0.20%、
Mo:0〜0.500%、
Ni:0〜1.000%、
Cu:0〜0.500%、
Ca:0〜0.0030%、
Mg:0〜0.0030%、
Te:0〜0.0030%、
Zr:0〜0.0050%、
Rare Earth Metal:0〜0.0050%、及び
Sb:0〜0.0500%
を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、
前記化学成分中の各元素の単位質量%で示した含有量を式1に代入して得られる焼入れ性指標Ceqが7.5超44.0未満であり、
前記化学成分中の前記各元素の単位質量%で示した前記含有量を式2に代入して得られるAlN析出指標IAlNが0.00030超0.00110未満であり、
金属組織が、85〜100面積%のフェライトを含み、
鋼の圧延方向と平行な断面で観察される円相当径が1μm以上2μm未満の硫化物間の平均距離が30.0μm未満であり、
前記鋼の前記圧延方向と平行な前記断面で観察される円相当径が1μm以上2μm未満の前記硫化物の存在密度が300個/mm2以上である
ことを特徴とする鋼。
Ceq=(0.7×Si+1)×(5.1×Mn+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(0.3633×Ni+1)・・・(式1)
IAlN=Al×(N−Ti×(14/48))・・・(式2) - 前記化学成分が、単位質量%で、
Nb:0.0020〜0.1000%、
V:0.002〜0.20%、
Mo:0.005〜0.500%、
Ni:0.005〜1.000%、
Cu:0.005〜0.500%、
Ca:0.0002〜0.0030%、
Mg:0.0002〜0.0030%、
Te:0.0002〜0.0030%、
Zr:0.0002〜0.0050%、
Rare Earth Metal:0.0002〜0.0050%、及び
Sb:0.0020〜0.0500%
のうちの少なくとも1種または2種以上の元素を含有する
ことを特徴とする請求項1に記載の鋼。 - 鋼部と、
前記鋼部の外面にある、ビッカース硬さがHV550以上の領域である浸炭層と、
を備える浸炭鋼部品であって、
前記浸炭層の厚さが0.40mm超2.00mm未満であり、
前記浸炭鋼部品の表面から深さ50μmの位置での平均ビッカース硬さがHV650以上HV1000以下であり、
前記浸炭鋼部品の前記表面から深さ2.0mmの位置での平均ビッカース硬さがHV250以上HV500以下であり、
前記鋼部の化学成分は、単位質量%で、
C:0.07〜0.13%、
Si:0.0001〜0.50%、
Mn:0.0001〜0.80%、
S:0.0050〜0.0800%、
Cr:1.30%超5.00%以下、
B:0.0005〜0.0100%、
Al:0.070〜0.200%、
N:0.0030〜0.0100%、
Bi:0.0001%超0.0100%以下、
Ti:0.020%以下、
P:0.050%以下、
O:0.0030%以下、
Nb:0〜0.1000%、
V:0〜0.20%、
Mo:0〜0.500%、
Ni:0〜1.000%、
Cu:0〜0.500%、
Ca:0〜0.0030%、
Mg:0〜0.0030%、
Te:0〜0.0030%、
Zr:0〜0.0050%、
Rare Earth Metal:0〜0.0050%、及び
Sb:0〜0.0500%
を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、
前記鋼部の前記化学成分中の各元素の単位質量%で示した含有量を式3に代入して得られる焼入れ性指標Ceqが7.5超44.0未満であり、
前記化学成分中の前記各元素の単位質量%で示した前記含有量を式4に代入して得られるAlN析出指標IAlNが0.00030超0.00110未満であり、
前記浸炭鋼部品の圧延方向と平行な断面で観察される、前記鋼部中の円相当径が1μm以上2μm未満の硫化物間の平均距離が30.0μm未満であり、
前記浸炭鋼部品の前記圧延方向と平行な前記断面で観察される、前記鋼部中の円相当径が1μm以上2μm未満の前記硫化物の存在密度が300個/mm2以上である
ことを特徴とする浸炭鋼部品。
Ceq=(0.7×Si+1)×(5.1×Mn+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(0.3633×Ni+1)・・・(式3)
IAlN=Al×(N−Ti×(14/48))・・・(式4) - 前記鋼部の化学成分が、単位質量%で、
Nb:0.0020〜0.1000%、
V:0.002〜0.20%、
Mo:0.005〜0.500%、
Ni:0.005〜1.000%、
Cu:0.005〜0.500%、
Ca:0.0002〜0.0030%、
Mg:0.0002〜0.0030%、
Te:0.0002〜0.0030%、
Zr:0.0002〜0.0050%、
Rare Earth Metal:0.0002〜0.0050%、及び
Sb:0.0020〜0.0500%
のうちの少なくとも1種または2種以上の元素を含有する
ことを特徴とする請求項3に記載の浸炭鋼部品。 - 請求項1または2に記載の鋼を冷間塑性加工する工程と、
前記冷間塑性加工後の前記鋼を切削加工する工程と、
前記切削加工後の前記鋼に浸炭処理又は浸炭窒化処理を施す工程と、
を有することを特徴とする請求項3または4に記載の浸炭鋼部品の製造方法。 - 前記浸炭処理又は前記浸炭窒化処理の後に、焼入れ処理又は焼入れ・焼戻し処理を施す工程
をさらに有することを特徴とする請求項5に記載の浸炭鋼部品の製造方法。
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