JP6835095B2 - 鋼部品の製造方法 - Google Patents
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Description
質量%で、
C:0.0005〜0.1%、
Si:0.01〜2.0%、
Mn:0.05〜3.0%、
Al:0.9%以下、
P:0.05%以下、
S:0.01%以下、
Ti:0.0〜0.2%、
Nb:0.0〜0.1%、
Cr:0〜2%、
Mo:0.0〜0.2%、
B:0.000〜0.005%、かつ、
残部:Feおよび不純物、
で表される化学組成を有し、
フェライトの面積分率が70%以上、
で表される鋼組織を有する鋼板を浸炭雰囲気中で加熱して、前記鋼板の表面に浸炭層を形成する工程と、
金型を用いて前記鋼板を成形し、前記金型に収めたまま前記鋼板の焼き入れを行って、前記浸炭層をマルテンサイトに変態させるとともに、前記鋼板の前記浸炭層よりも内側を面積分率でフェライトが50%以上で表される鋼組織にする工程と、
を有することを特徴とする鋼部品の製造方法。
前記鋼板の表面に浸炭層を形成する工程においては、前記鋼板を820℃以上の温度で均熱処理することを特徴とする(1)に記載の鋼部品の製造方法。
前記鋼板の表面に浸炭層を形成する工程においては、前記鋼板を1時間以上均熱処理することを特徴とする(1)又は(2)に記載の鋼部品の製造方法。
前記鋼板の表面に浸炭層を形成する工程よりも前に、
前記鋼板を5%未満または20%以上の相当ひずみで加工する工程をさらに有することを特徴とする(1)から(3)のいずれかに記載の鋼部品の製造方法。
[鋼部品の製造方法]
第1の実施形態に係る鋼部品の製造方法は、鋼板を浸炭雰囲気中で加熱して鋼板の表面にオーステナイトの浸炭層を形成する工程(以下、「浸炭工程」と記す)と、オーステナイトが存在する状態で金型を用いて鋼板を成形し、金型に収めたまま鋼板の焼き入れを行って、オーステナイトをマルテンサイトに変態させるとともに、鋼板の浸炭層よりも内側を面積分率でフェライトが50%以上で表される鋼組織にする工程(以下、「ホットスタンプ工程」と記す)とを有する。
まず、本実施形態に係る鋼部品の製造方法に用いる鋼板の化学組成について説明する。鋼板は、質量%で、C:0.0005〜0.1%、Si:0.01〜2.0%、Mn:0.05〜3.0%、Al:0.9%以下、P:0.05%以下、S:0.01%以下、Ti:0.0〜0.2%、Nb:0.0〜0.1%、Cr:0〜2%、Mo:0.0〜0.2%、B:0.000〜0.005%、並びに、残部:Feおよび不純物で表される化学組成を有している。不純物としては、鉱石やスクラップ等の原材料に含まれるもの、製造工程において含まれるもの、が例示される。
Cは、靱性および引張強度に影響する。C含有量が高すぎれば、焼き入れ時に鋼板内部にマルテンサイトが生じ硬化するため靭性が低下する。一方、C含有量を低くし過ぎることはコスト増を招く。したがって、鋼板のC含有量は、0.0005〜0.1%以下である。
Siは、固溶強化により強度を上昇させる。Si含有量が2.0%超では、Ac3変態点が上昇しすぎ、浸炭層をオーステナイト化させるのが困難になり、焼き入れ時にマルテンサイトが得られない。したがって、Si含有量は、2.0%以下である。一方、Si含有量を低下させすぎるとコスト増を招く。したがって、Si含有量は、0.01〜2.0%である。
Mnは、固溶強化により強度を上昇させる元素である。また、焼入性を向上させる元素であるので、Mn含有量が3.0%超では、C含有量が0.1%以下であっても、焼入時に鋼板内部がマルテンサイトになり、靭性を劣化させる。したがって、Mn含有量は3.0%以下である。一方、Mn含有量が0.05%未満に低減するとコストが著しく上昇する。したがって、Mn含有量は0.05%以上である。
Alは、必須元素ではなく、例えば鋼板中に不純物として含有される。また、固溶強化により強度を上昇させる元素であるので任意添加してもよい。AlN形成により浸炭層のオーステナイト粒径が細粒になり焼入性が低下するので、固溶強化を必要としないときには、Al含有量は低ければ低いほどよい。特にAl含有量が0.9%超では、Ac3変態点が上昇しすぎ、浸炭層をオーステナイト化させるのが困難になる。したがって、Al含有量は、0.9%以下とする。ただし、Al含有量の低減にはコストがかかり、0.002%未満まで低減しようとすると、コストが著しく上昇する。このため、Al含有量は0.002%以上としてもよい。
Pは、必須元素ではなく、例えば鋼板中に不純物として含有される。焼入後の浸炭層の靭性の観点から、P含有量は低ければ低いほどよい。特にP含有量が0.05%超では、靭性の低下が著しい。したがって、P含有量は0.05%以下とする。ただし、P含有量の低減にはコストがかかり、0.001%未満まで低減しようとすると、コストが著しく増加する。このため、P含有量は0.001%以上であってもよい。
Sは、必須元素ではなく、例えば鋼板中に不純物として含有される。MnSを形成して焼入後の浸炭層の靭性を低下させるから、S含有量は低ければ低いほどよい。特にS含有量が0.01%超では、靭性の低下が著しい。したがって、S含有量は0.01%以下とする。ただし、S含有量の低減にはコストがかかり、0.0005%未満まで低減しようとすると、コストが著しく増加する。このため、S含有量は0.0005%以上であってもよい。
Tiは、フェライト粒の微細化に寄与し、所定の鋼組織を得るために用いられる。また、Tiは、析出強化により強度を上昇させる。したがって、Tiが含有されていてもよい。ただし、Ti含有量が0.2%超では、浸炭処理前の鋼板の延性を劣化させる。したがって、Ti含有量は0.2%以下である。
Nbは、フェライト粒の微細化に寄与し、所定の鋼組織を得るために用いられる。また、Nbは、析出強化により強度を上昇させる。したがって、Nbが含有されていてもよい。ただし、Nb含有量が0.1%超では、浸炭処理前の鋼板の延性を劣化させる。したがって、Nb含有量は0.1%以下である。
Crは、固溶強化元素であるので、強度上昇のため適宜添加してもよい。ただし、焼入性を向上させる元素であるので、Cr含有量が2%超では、C含有量が0.1%以下であっても、焼入時に鋼板内部がマルテンサイトになり、靭性を劣化させる。したがって、Cr含有量は2%以下である。
Moは、焼入性を向上させる元素であるので、Mo含有量が0.2%超では、C含有量が0.1%以下であっても、焼入時に鋼板内部がマルテンサイトになり、靭性を劣化させる。したがって、Mo含有量は0.2%以下である。
Bは、鋼板の焼き入れ性を高め、鋼組織の制御に用いる元素である。したがって、Bが含有されていてもよい。ただし、B含有量が0.005%超では、効果が飽和する。したがって、B含有量は0.005%以下である。
この工程では、前述の化学組成および鋼組織を有する鋼板に浸炭を実施するとともに、鋼板の表層部の鋼組織をオーステナイトにする。本発明における「浸炭」には浸炭窒化も含まれる。したがって、形成される浸炭層には、浸炭窒化層も含まれる。浸炭には、例えば、ガス浸炭や真空浸炭が適用できる。
この工程では、浸炭工程の後、鋼板にオーステナイトが存在する状態で、例えば、鋼板の温度が800℃以下になるよりも前に、鋼板をホットスタンプする。なお、浸炭工程からホットスタンプの間には、鋼板を焼き入れしない。浸炭工程の終了時には、鋼板は820℃以上の温度に均熱処理されており、鋼板の表層部の鋼組織はオーステナイトになっている。さらに、鋼板の表層部のC含有量は、例えば、0.5%以上0.9%以下になっている。このため、この鋼板に対してホットスタンプを実施すれば、鋼板の表層部に存在するオーステナイトはマルテンサイトになる。また、鋼板の浸炭層よりも内側は、面積分率でフェライトが50%以上で表される鋼組織になる。このホットスタンプ工程では、例えば、冷却媒体が循環する金型を用いる。そして、オーステナイトが存在する状態の鋼板を、この金型を用いてプレス成形しながら抜熱して焼き入れする。
以上の製造方法により、本発明の実施形態に係る鋼部品が製造される。本実施形態に係る鋼部品は、母材と、母材の表面に存在するマルテンサイトからなる浸炭層とを備える。
次に、本発明の第2の実施形態に係る鋼部品の製造方法について説明する。第2の実施の形態に係る鋼部品の製造方法は、第1の実施の形態と比較すると、浸炭工程よりも前の段階において、鋼板に加工ひずみを導入する工程(以下、「ひずみ導入工程」と称する)をさらに有する。なお、他の工程(浸炭工程、ホットスタンプ工程)は、第1の実施の形態と同じである。
ひずみ導入工程では、前述の化学組成および鋼組織を有する鋼板のうち、鋼製品に成形された状態で高い靱性が要求される部分に対して、5%未満または20%以上の相当ひずみで加工を実施する。なお、塑性加工の方法は限定されるものではなく、例えば、プレス加工でもよく、圧延でもよい。
[ミクロ組織観察試験]
製造された各試験番号の鋼部品30の浸炭層及び母材の鋼組織を、次の方法で観察した。鋼部品30を半径方向に切断し、底部50の切断面を含むサンプルを樹脂埋めし、切断面を研磨した、研磨した切断面をナイタル腐食した。そして、腐食させた切断面のうち、表層部における表面から0.05mm深さ位置の浸炭層と、板厚中央部の母材とを、100〜500倍の光学顕微鏡で観察し、鋼組織を特定した。さらに、表層部と板厚中央部において、EPMAを実施してC含有量を特定した。
各試験番号の鋼部品のうち、浸炭層(表層部から0.05mm深さ)及び母材(板厚中央部)のビッカース硬さ(HV)を、上述の方法により求めた。なお、ビッカース硬さ(HV)は、底部50を用いて求めた。
各試験番号の鋼部品30のうち、底部50において、表面からt/4〜3t/4位置にてミクロ組織観察用のサンプルを採取した。採取されたサンプルを用いて、上述の方法により粗大フェライト率を求めた。
「形状凍結性」の欄は、鋼部品30の形状凍結性の評価結果を示す。「〇」は形状凍結性が高いことを示し、「×」は形状凍結性が低いことを示す。形状凍結性は、鋼部品30の凸部40及び底部50の平面度により評価した。平面度は、3次元形状測定機を用いて測定した各試験番号の凸部40及び底部50の形状から求めた。そして、凸部40及び底部50の平面度のいずれかもが0.2mm以下である場合には、形状凍結性が高いと評価した(表2において「○」印で示す)。一方、凸部40及び底部50の平面度のいずれかが0.2mmを超えた場合、形状凍結性が低いと評価した(表2において「×」印で示す)。
「靱性」の欄は、鋼部品30の靱性の評価結果を示す。「◎」は靱性が高いことを示し、「○」は靱性がやや低いことを示し、「×」は靱性が低いことを示す。ただし、「○」の評価も実施例に含まれる。靱性は、シャルピー衝撃試験の結果に基づいて評価した。
次に、試験結果について説明する。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.0005〜0.1%、
Si:0.01〜2.0%、
Mn:0.05〜3.0%、
Al:0.9%以下、
P:0.05%以下、
S:0.01%以下、
Ti:0.0〜0.2%、
Nb:0.0〜0.1%、
Cr:0〜2%、
Mo:0.0〜0.2%、
B:0.000〜0.005%、かつ、
残部:Feおよび不純物、
で表される化学組成を有し、
フェライトの面積分率が70%以上、
で表される鋼組織を有する鋼板を浸炭雰囲気中で加熱して、前記鋼板の表面に浸炭層を形成する工程と、
金型を用いて前記鋼板を成形し、前記金型に収めたまま前記鋼板の焼き入れを行って、浸炭層をマルテンサイトに変態させるとともに、前記鋼板の前記浸炭層よりも内側を面積分率でフェライトが50%以上で表される鋼組織にする工程と、
を有することを特徴とする鋼部品の製造方法。 - 前記鋼板の表面に浸炭層を形成する工程においては、前記鋼板を820℃以上の温度で均熱処理することを特徴とする請求項1に記載の鋼部品の製造方法。
- 前記鋼板の表面に浸炭層を形成する工程においては、前記鋼板を1時間以上均熱処理することを特徴とする請求項1または2に記載の鋼部品の製造方法。
- 前記鋼板の表面に浸炭層を形成する工程よりも前に、
前記鋼板を5%未満または20%以上の相当ひずみで加工する工程をさらに有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の鋼部品の製造方法。
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