JP6835095B2 - 鋼部品の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、鋼部品の製造方法に関する。
トルクコンバータ等に代表される自動車に搭載される機械や産業機械は、一般的に、種々の形状を有する複数の鋼部品を含んで構成される。そして、このような鋼部品の多くは、プレス加工により成形される。
このような鋼部品は、鋼部品を構成する鋼板のＣ含有量が低くなると靱性が高くなる。そこで、高い靱性が要求される鋼部品には、Ｃ含有量が低い鋼板が用いられることがある。一方で、鋼部品を構成する鋼板のＣ含有量が低くなると、鋼部品の疲労強度や耐摩耗性が低下する。そこで、靱性を低下させることなく疲労強度や耐摩耗性を高めるため、鋼部品の表層部を硬化させる方法が用いられる。鋼部品の表層部を硬化させる方法としては、浸炭焼き入れが知られている。
しかしながら、プレス加工された鋼板を浸炭焼き入れすると、焼き入れの際に生じる変態ひずみによって変形が生じることがある。このため、浸炭焼き入れでは、鋼部品の形状凍結性が低下する。特許文献１には、プレス加工された鋼板を焼き入れするに際し、金型で拘束しながら冷却することにより、良好な形状を確保する方法が開示されているが、Ｃ量が高い鋼板を用いるため、焼入後の靭性は十分でなかった。
特開平１０−９６０３１号公報
本発明の目的は、高い靱性と耐摩耗性と疲労強度と形状凍結性を有する鋼部品の製造方法と鋼部品を提供することである。
本願発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
（１）
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。
（２）
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。
（３）
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。
（４）
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。
本発明の鋼部品の製造方法によれば、高い靱性と耐摩耗性と疲労強度と形状凍結性とを有する鋼部品を製造できる。また、本発明の鋼部品は、高い靱性と耐摩耗性と疲労強度と形状凍結性を有する。
図１は、実施例で使用した、打ち抜き加工後の鋼板の平面図及び側面図である。 図２は、実施例で製造した、鋼部品の平面図及び側面図である。
以下、本発明の実施形態について詳述する。なお、以下の説明において、鋼部品およびその製造に用いられる鋼板に含まれる各元素の含有量の単位である「％」は、特に断りがない限りは「質量％」を意味する。
［第１の実施の形態］
［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。
［鋼板の化学組成と鋼組織］
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：０．０００５〜０．１％）
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：０．０１〜２．０％）
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：０．０５〜３．０％）
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：０．９％以下）
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：０．０５％以下）
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：０．０１％以下）
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、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂは、必須元素ではなく、鋼板に所定量を限度に適宜含有されてもよい任意元素である。
（Ｔｉ：０．０〜０．２％）
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：０．０〜０．１％）
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:０〜２％）
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：０．０〜０．２％）
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：０．０００〜０．００５％）
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。
また、鋼板は、フェライトの面積分率が７０％以上で表される鋼組織を有していることが好ましい。これは、ベイナイト、マルテンサイト、パーライト等の硬質な組織が多く存在すると、鋼板の成形性が劣化するためである。したがって、フェライトの面積分率は７０％以上が好ましい。
鋼板の板厚ｔは特に限定されない。また、鋼板の引張強度は６３０ＭＰａ以下であることが好ましく、５９０ＭＰａ以下であることがより好ましく、４４０ＭＰａ以下であることがさらに好ましい。本実施形態では、製造される鋼部品の耐摩耗性および疲労強度を、表層部の浸炭層によって確保する。したがって、鋼部品の製造に用いる鋼板それ自体の強度を抑制することにより、製造される鋼部品の靱性を高めることができる。成形性の観点から、強度は低いことが好ましい。
また、鋼部品の製造に用いる鋼板は、鋼部品の高い靱性が要求される部分が、５％以上２０％未満の範囲の相当ひずみで塑性加工されていないものであることが好ましい。これは、鋼板において５％以上２０％未満の範囲の相当ひずみで加工された部分は、浸炭工程における均熱処理の際に、結晶粒が粗大化し、製造される鋼部品の靱性が低下するためである。なお、高い靱性が要求されない部分は、５％以上２０％未満の相当ひずみで塑性加工されていてもよい。
次に、本実施形態に係る鋼部品の製造方法について説明する。
［浸炭工程］
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。
浸炭工程における鋼板の均熱温度（浸炭温度）は、例えば、８２０〜１１００℃である。浸炭後の鋼板は、そのまま金型でプレス加工されるとともに焼き入れされる。そこで、この浸炭工程において、浸炭により炭素が浸入および拡散した表層部の鋼組織をオーステナイト化する。例えば、均熱温度が８２０℃以上であれば、鋼板の表層部の鋼組織はオーステナイト化する。なお、均熱温度は、８４０℃以上であることがより好ましい。一方、浸炭温度が１１００℃超では、結晶粒が粗大化し、靭性が低下する場合がある。したがって、均熱温度の好ましい上限は１１００℃である。浸炭雰囲気のカーボンポテンシャルにより、表層部のＣ含有量は調整され、例えば、０．５％以上０．９％以下になる。
上記均熱温度での均熱時間は、例えば、１．０時間以上、５．０時間以下である。均熱時間が短すぎれば、浸炭層の有効硬化層深さが所定の深さ、例えば０．０５ｍｍ以上になりにくい。したがって、均熱時間は１．０時間以上であることが好ましく、１．５時間以上であることがより好ましい。一方、均熱時間が長すぎれば、浸炭層の有効硬化層深さが大きくなりすぎ、所定の深さ、例えば０．５ｍｍを超える深さとなる。したがって、例えば、均熱時間は５．０時間以下であることが好ましい。
なお、鋼板の鋼組織のオーステナイト化が開始する温度は、Ｃ含有量が高くなるにしたがって低くなる。このため、この浸炭工程における均熱温度が、鋼板の鋼組織のオーステナイト化が開始する温度よりも低い場合には、炭素の浸入により鋼板の表面からＣ含有量が高くなっていき、それに伴ってオーステナイト化が開始する温度が低くなっていく。この場合、オーステナイト化が開始する温度が均熱温度よりも低くなった部分において、オーステナイト化が開始する。このため、この場合には、時間の経過に伴って浸炭層の厚さが厚くなっていくとともに、浸炭層の厚さの増加に伴い、オーステナイト化した部分の厚さも表面から厚くなっていく。これに対して、この浸炭工程における均熱温度が、鋼板の鋼組織のオーステナイト化が開始する温度よりも高い場合には、鋼板の鋼組織がオーステナイト化し、オーステナイト化した部分に炭素が浸入していく。
［ホットスタンプ工程］
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。
以上のとおり、本実施形態に係る鋼部品の製造方法では、Ｃ含有量が低い鋼板、例えばＣ含有量が０．００５〜０．１％の鋼板に対し、表層部がオーステナイト化する温度での均熱処理の後に、この均熱処理で生じたオーステナイトが存在する状態で、プレス加工を実施する。このため、製造された鋼部品の母材のＣ含有量を、低Ｃ含有量、例えば０．００５〜０．１％にできる。また、母材の鋼組織を、フェライトの面積分率で５０％以上にできる。このため、高い靭性を有する鋼部品を製造できる。また、浸炭工程及びホットスタンプ工程により、鋼部品の表層部にマルテンサイトからなる浸炭層が形成されるため、表層部を内部（すなわち母材）に比較して硬くできる。したがって、鋼部品の表層部に存在するマルテンサイトからなる浸炭層によって、耐摩耗性および疲労強度を確保できる。さらに、金型を用いて鋼板を成形し、鋼板をこの金型に収めたまま焼き入れするため、焼き入れにおいて鋼部品の変形を抑制できる。したがって、優れた形状凍結性を有する鋼部品を製造できる。以上のとおり、本実施形態に係る鋼部品の製造方法によれば、高い靱性と耐摩耗性と疲労強度と形状凍結性を有する鋼部品を製造できる。
なお、鋼板が、高い靱性が要求される部分が５％以上２０％未満の範囲の相当ひずみで塑性加工されていないものであれば、当該部分において、フェライト粒が異常粒成長して粗大化すること（例えば、粒径が円相当径で２００μｍ以上になること）を抑制できる。したがって、鋼板に存在するフェライト粒がオーステナイト化せずに鋼部品に残存する場合では、高い靱性が要求される部分において、粗大化したフェライト粒による靱性の低下を抑制できる。なお、鋼板の均熱処理においてフェライト粒がすべてオーステナイト化した場合には、オーステナイトから生成したフェライト粒は粗大化しないため、フェライト粒の粗大化による靱性の低下は生じない。
［鋼部品］
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。
母材のＣ含有量は０．０００５〜０．１％であり、その化学組成は鋼板の化学組成と同じである。母材のＣ含有量は、鋼部品の板厚中央位置において、ＥＰＭＡにより分析可能である。母材の鋼組織は、フェライトを含有する。特に、母材の鋼組織は、フェライトの面積分率が５０％以上であることが好ましい。母材の鋼組織のフェライト以外の部分は、例えば、パーライトやベイナイトである。
母材において、円相当径で２００μｍ以上の粒径を有するフェライト粒の総面積分率（以下、粗大フェライト率という）は、５％以下であることが好ましい。このように、本実施形態の製造方法で製造された鋼部品は、異常粒成長により粗大化したフェライト粒（円相当径で２００μｍ以上の粒径を有するフェライト粒）が少ないことが好ましい。
なお、母材の粗大フェライト率は、次の方法で測定される。ここでは、鋼部品の板厚をｔ（ｍｍ）と定義する。鋼部品の表面からｔ／４〜３ｔ／４の範囲の任意の位置から、サンプルを採取する。サンプルの表面（観察面）をナイタルで腐食させる。腐食させた観察面における任意の５視野（各視野面積＝２ｍｍ×２ｍｍ）を、１００倍の光学顕微鏡で観察して写真画像を生成する。得られた各視野の写真画像において、フェライト粒を特定する。特定された各フェライト粒の円相当径を求める。円相当径（μｍ）は、各フェライト粒を、同じ面積を有する円に換算した場合の円の直径で定義される。各フェライト粒の円相当径を求めた後、円相当径が２００μｍ以上の粗大フェライト粒を特定する。各視野での粗大フェライト粒の総面積を求め、測定した全視野の総面積で除して、粗大フェライト率（面積％）を求める。フェライトの特定、円相当径の算出、及び粗大フェライト率を求めることは、汎用の画像処理アプリケーションを用いて実行できる。
母材のビッカース硬さ（ＨＶ）は２５０以下であることが好ましい。これは、硬さが高すぎる靭性が劣化するためである。また、母材のビッカース硬さ（ＨＶ）の下限は、８０であることが好ましく、１５０であることがより好ましい。これは、機械部品としての強度は表層ではなく母材の硬さで決まるためである。母材のビッカース硬さ（ＨＶ）は次の方法で求められる。鋼部品の板厚中央位置の任意の３点を選択する。選択された位置に、ＪＩＳ Ｚ ２２４４ （２００９）に準拠したビッカース硬さ試験を実施する。このとき試験力を２．９４２Ｎ（０．３ｋｇｆ）とする。得られた硬さの平均値を、母材のビッカース硬さ（ＨＶ）と定義する。
浸炭層のＣ含有量は、例えば、０．５％以上、０．９％以下である。浸炭層のＣ含有量は、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）により分析可能である。浸炭層の鋼組織はマルテンサイトからなる。
浸炭層のビッカース硬さ（ＨＶ）の下限は、５００であることが好ましく、６００であることがより好ましい。これは、耐摩耗性、疲労強度を確保するためである。浸炭層のビッカース硬さ（ＨＶ）は次の方法で求められる。鋼部品の表面から０．０５ｍｍ深さ位置の浸炭層部分において、任意の３点を選択する。選択された位置に、ＪＩＳ Ｚ ２２４４ （２００９）に準拠したビッカース硬さ試験を実施する。このとき試験力を２．９４２Ｎ（０．３ｋｇｆ）とする。得られた硬さの平均値を、浸炭層のビッカース硬さ（ＨＶ）と定義する。
以上のとおり、本実施形態に係る鋼部品の母材のＣ含有量は、例えば０．０００５〜０．１％である。さらに、母材において、フェライトの面積分率は５０％以上であり、粗大フェライト率は例えば５％以下である。このため、母材が高い靱性を有することから、このような母材を有する鋼部品は、高い靱性を有する。また、鋼部品の母材の表面には、浸炭層が存在する。この浸炭層は、マルテンサイトからなり、優れた硬さを有する。したがって、鋼部品は優れた耐摩耗性及び疲労強度を有する。そして、本実施形態に係る鋼部品は、金型を用いて鋼板を成形するとともに、鋼板をこの金型に収めたまま焼き入れすることにより製造される。このため、本実施形態に係る鋼部品は、優れた形状凍結性を有する。このように、本実施形態に係る鋼部品は、高い靱性と耐摩耗性と疲労強度と形状凍結性を有する。
［第２の実施の形態］
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］
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。
鋼板の相当ひずみが５％以上２０％未満となるように塑性加工された部分は、浸炭工程において加熱されると、結晶粒の異常粒成長が生じる。一方、５％未満または２０％以上の相当ひずみで塑性加工された部分は、浸炭工程において加熱されても、結晶粒の異常粒成長が生じにくい。したがって、浸炭工程よりも前の段階において鋼板を加工する場合（事前加工）には、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する。これにより、鋼板に存在するフェライト粒の異常粒成長が抑制され、製造された鋼部品の靱性の低下を抑制できる。
次に、本発明の実施例について説明する。実施例での条件は、本発明の実施可能性および効果を確認するために採用した条件であり、本発明はこれらの条件例に限定されない。本発明は、その趣旨を逸脱せず、目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用しうるものである。
この実施例では、表１に示す化学組成を有する鋼種を用いた。鋼種Ａ〜Ｄは、Ｃ含有量が本発明の範囲内であり、鋼種Ｅは、本発明の範囲外である。引張強度は、常温、大気中の引張試験により測定した。いずれの鋼種も、フェライト分率は７０％以上であった。
Figure 0006835095
各鋼種の板厚３．２ｍｍの鋼板を打ち抜き加工して、図１に示す円板状の鋼板１０を製造した。図１に示すように、鋼板１０は、中央に貫通孔２０を有する円板である。鋼板１０の外径は２００ｍｍであり、内径は５０ｍｍである。
そして、表２に示す試験番号１〜１５の製造方法を用い、鋼板１０から鋼部品３０を製造した。図２は、製造した鋼部品３０を示す。鋼部品３０は、周縁部に底部５０を有し、中央部に凸部４０を有する。凸部４０の外径は１２０ｍｍであり、凸部４０の底部５０からの高さは３ｍｍである。
Figure 0006835095
表２中の「工程」には、各試験番号の製造工程が記載されている。「工程」欄の「Ａ」は、鋼板１０を浸炭雰囲気中で均熱処理して浸炭させ、その後、鋼板１０にオーステナイトが存在する状態で金型を用いてプレス成形するとともに焼き入れすることにより鋼部品３０を製造する製造方法であることを示す。「工程」欄の「Ｂ」は、鋼板１０をプレス加工して図２に示す形状に成形し、成形した鋼板１０を浸炭雰囲気中で均熱処理して浸炭させ、その後、油焼き入れすることにより、鋼部品３０を製造する工程であることを示す。すなわち、工程「Ａ」においては、鋼部品３０の凸部４０は、浸炭雰囲気中での均熱処理（浸炭工程）の後に、焼き入れとともに成形されたものである。一方、工程「Ｂ」においては、鋼部品３０の凸部４０は、浸炭雰囲気中での均熱処理（浸炭工程）およびその後の焼き入れよりも前の段階でプレス加工により成形されたものである。
「事前加工工程での相当ひずみ率」欄は、事前加工工程で鋼板に導入された相当ひずみの最大値を示す。事前加工工程は、浸炭雰囲気下で均熱処理するよりも前の段階で、鋼板１０にひずみを導入する加工である。この事前加工工程においては、円板形状に打ち抜く前に、冷間圧延により、鋼板１０にひずみを導入し、プレス成形加工を模擬した。「均熱温度」欄は、浸炭雰囲気下での均熱温度（浸炭温度、単位は℃）を示す。「均熱時間」欄は、浸炭雰囲気下での鋼板１０の均熱時間（ｈ）を示す。
［評価試験］
［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。
［ビッカース硬さ試験］
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。
［粗大フェライト率］
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］
「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］
「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。
製造された鋼部品３０の底部５０からシャルピー衝撃試験片を採取し、採取した試験片を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２４２ （２００５）に準拠して、−２０℃と常温でシャルピー衝撃試験を実施した。試験後、試験片に割れの貫通が確認されたか否かを判断した。−２０℃と常温のいずれにおいても割れが貫通していない場合、靱性が高いと判断した（表２において「◎」印で示す）。一方、−２０℃と常温のいずれにおいても、試験後に試験片に割れが貫通して試験片が２分割された場合、靱性が低いと判断した（表２において「×」印で示す）。また、−２０℃では貫通し、常温では貫通しなかった場合、靱性がやや低いと判断した（表２において「○」印で示す）。
［試験結果］
次に、試験結果について説明する。
試験番号１〜５，９〜１１は、鋼板１０のＣ含有量と製造工程とが、いずれも本発明の範囲内にある例である。特に、試験番号１，２，４，５は、事前加工工程での相当ひずみ率と均熱温度と均熱時間とがより好ましい範囲内にある例である。これらの試験番号１、２、４、５の鋼部品３０は、いずれも、マルテンサイトからなる浸炭層と、フェライトを含有する母材とからなり、浸炭層のＣ含有量は０．５〜０．９％の範囲内であり、母材のＣ含有量は０．１％以下であった。また、これらの試験番号１，２，４，５の鋼部品３０の母材の粗大フェライト率は、５％以下であった。さらに、母材のビッカース硬さ（ＨＶ）は、表層部に存在する浸炭層よりも低く、かつ、２５０以下であった。そして、シャルピー衝撃試験では試験片に割れの貫通が観察されず、優れた靱性を示した。さらに、浸炭層の硬さは５００以上であり、高い硬さを有した。さらに、浸炭工程の後にホットスタンプ工程を実施したため、これらの試験番号１，２，４，５の鋼部品３０は、優れた形状凍結性を有した。
試験番号１，２，４，５は、均熱時間が１時間未満の例である試験番号９や、均熱温度が８２０℃未満の例である試験番号１０や、均熱時間が１時間未満でかつ均熱温度が８２０℃未満の例である試験番号１１と比較すると、表層部の炭素濃度が高く、有効硬化層が厚く、表層部硬さが高い。また、試験番号１０，１１では、表面の炭素濃度が低く、オーステナイト化が充分なためマルテンサイトの面積率が低いが、試験番号１，２，４，５では、表層部においてマルテンサイトの面積率が１００％の組織が得られた。
これらの試験番号１，２，４，５の鋼部品３０の粗大フェライト率は、事前加工工程での相当ひずみ率が５％未満または２０％以上ではない例である試験番号３の鋼部品に比較して、低くなっている。
試験番号６〜８は、製造方法の工程が本発明の要件を充足していない例である。ホットスタンプされていないので形状凍結性が良好ではない。また、試験番号７は、事前加工工程での相当ひずみ率が、５％未満または２０％以上である条件を充足しない例である。試験番号７では、板厚中央部に粗大フェライトが発生し、靭性が劣化している。
試験番号１２〜１５は、鋼板１０のＣ含有量が０．１％を超えており、本発明の要件を充足しない例である。板厚中央部のＣ含有量が高く、フェライト分率が５０％以下のため、靭性が劣っている。
試験番号１３は、鋼板１０のＣ含有量が０．１％を超えているとともに、均熱時間が１時間未満であり、鋼板１０のＣ含有量と均熱時間とが本発明の要件を充足しない例である。
試験番号１４は、鋼板１０のＣ含有量が０．１％を超えているとともに、均熱温度が８２０℃未満であり、鋼板１０のＣ含有量と均熱温度が本発明の要件を充足しない例である。
試験番号１５は、鋼板１０のＣ含有量が０．１％を超えており、均熱温度が８２０℃未満であり、均熱時間が１時間未満であり、鋼板１０のＣ含有量と均熱温度と均熱時間とが本発明の要件を充足しない例である。
以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。
本発明は、例えば、鋼部品のプレス成形に関連する産業に利用可能である。

Claims (4)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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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