JPH0978184A - 冷間加工性および結晶粒の粗大化特性に優れた肌 焼鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】熱間加工のままで優れた冷間加工性を有し、従
来行われてきた球状化焼なまし処理を省略することを可
能とし、同時に、優れた結晶粒の粗大化特性を有し浸炭
処理前の焼ならし処理を省略しても結晶粒の粗大化を生
ずることなく、安定した強度が確保できる材料を提供す
る。 【解決手段】Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｂ、Ｎ、ｓ−Ａｌ、
Ｔｉ、Ｎｂを特定した鋼において、熱間圧延または熱間
鍛造後の素材に存在するＮｂの析出物またはＮｂとＡｌ
の複合組成からなる析出物の数が５個／１０μｍ^２以上
であることを特徴とし、また、Ｃｒ：１．５０％以下、
Ｎｉ：１．５０％以下、Ｍｏ：１．０％以下の１種また
は２種以上を含有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は冷間加工性および結晶粒
の粗大化特性に優れた機械構造用鋼に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】歯車などの機械構造部品を製造する際に
は，一般にクロム鋼、クロムモリブデン鋼などの鋼材を
溶解工程→熱間加工工程→球状化焼なまし工程→冷間加
工→焼ならし工程→浸炭焼入れ焼もどし工程→仕上げ加
工工程からなる製造工程が適用されている。ここでいう
熱間加工工程とは一般に行われている熱間圧延または熱
間鍛造を示すものである。

【０００３】上記の工程において球状化焼なまし工程
は、鋼材中に含有される炭化物を球状化して軟化させ、
後段の冷間加工を容易にするために行われるものであ
る。しかしながら、球状化焼なまし処理は７００℃〜８
００℃程度の温度域に材料を加熱保持し、さらに徐冷す
る必要があるため処理時間は１０〜２０時間を要してい
る。このために生産性や省エネルギーの観点から、球状
化焼なまし工程を行わずに冷間加工に供することのでき
る材料の開発が要求されていた。

【０００４】上記問題の解決のために熱間圧延条件を規
制した制御圧延により、オーステナイト結晶粒の微細化
や加工歪みを与えることによってフェライト・パーライ
ト変態を促進させ熱間圧延ままで冷間加工性の優れた材
料の検討などが行われてきているが、冷間加工率の高い
部品への適用は困難な状況にある。

【０００５】また、冷間加工を行った部材をそのまま浸
炭処理すると結晶粒が粗大化することがあるために、焼
きならし処理を行うなどの対策が取られている。歯車の
場合には歯元または歯先部分などは冷間加工率が高いた
めに結晶粒の粗大化が生じることが多い。このように粗
大な結晶粒が生成されると部品の疲労強度や靭性を著し
く低下させるために、浸炭処理後にも結晶粒が粗大化し
ない材料の開発が求められていた。

【０００６】結晶粒の粗大化を抑制するためには素地中
に微細な第二相分散粒子を分布させ、この粒子のピンニ
ング効果を利用することによって結晶粒の成長を抑制で
きることが知られている。汎用鋼では脱酸の目的でＡｌ
添加を行うが、鋼中のＡｌはＮと結合して極めて微細な
ＡｌＮを析出するために結晶粒の成長を抑制することが
知られている。

【０００７】しかしながら、ＡｌＮは９００℃以上の温
度域では素地中に固溶または大型化するために粗大化抑
制に対する十分な効果が得られない。一般的に浸炭処理
は９１０℃〜９３０℃ど実施されることが多く、ＡｌＮ
を適用した鋼では結晶粒の粗大化を防止することは困難
である。このために高温で安定な析出物を得るために種
々の元素を添加し、粗大化を防止する検討が行われてい
る状況である。

【０００８】このように、冷間加工性の改善や結晶粒の
粗大化防止に関した検討は盛んに行われているものの両
者を両立させた材料は実用化されていない。冷間加工前
の焼ならし処理の省略および浸炭処理前の焼きなら処理
の両方が省略できれば生産性および省エネルギーの面で
極めて有用であると言える。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は熱間加工のま
まで優れた冷間加工性を有し、従来行われてきた球状化
焼なまし処理を省略することを可能とし、同時に、優れ
た結晶粒の粗大化特性を有し浸炭処理前の焼ならし処理
を省略しても結晶粒の粗大化を生ずることなく、安定し
た強度が確保できる材料を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の二つの問
題点を同時に解決しようとするものであり、冷間加工性
に有害なＳを低減するとともに、変形抵抗を小さくする
ためにフェライト強化元素であるＳｉ，Ｍｎを低減させ
た。また、Ｓｉ，Ｍｎの低減にともなう焼入れ性を補完
する目的で微量のＢを添加させた。

【００１１】さらに、結晶粒の粗大化に関する検討を行
った結果、鋼中に存在する析出物の形態および量を適正
化することによって結晶粒の粗大化を抑制できることを
見出した。本発明は析出物の詳細を検討した結果、Ｎｂ
またｈＮｂとＡｌの複合組成からなる析出物を素地中に
５個／１０μｍ^２以上析出させることが必要であること
を見出した。なお、ここで言う析出物とは炭化物または
炭窒化物または窒化物のことを示す。

【００１２】すなわち、本発明の冷間加工性および結晶
粒の粗大化特性に優れた肌焼鋼は、合金元素の含有率が
質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．３５％以
下、Ｍｎ：１．５０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、
Ｂ：０．０００３〜０．００５０％、Ｎ：０．０１０％
以下、ｓ−Ａｌ：０．０６０％以下、Ｔｉ：０．０５％
以下、Ｎｂ：０．００５〜０．２０％、残部はＦｅおよ
び不可避的不純物よりなる鋼において、熱間圧延または
熱間鍛造後の素材に存在するＮｂの析出物またはＮｂと
Ａｌの複合組成からなる析出物の数が５個／１０μｍ^２
以上であることを特徴とし、また、Ｃｒ：１．５０％以
下、Ｎｉ：１．５０％以下、Ｍｏ：１．０％以下の１種
または２種以上を含有することを特徴とし、Ｐｂ：０．
２０％以下、Ｂｉ：０．２％以下、Ｔｅ：０．０００５
％〜０．０５％、Ｃａ：０．０００５〜０．００３％、
Ｓｅ：０．００３〜０．０５％から選ばれる１種または
２種以上を含むことを特徴とする。

【００１３】

【作用】以下に各合金元素の限定理由について説明す
る。 Ｃ：０．１〜０．３％ Ｃは部材の心部強度を確保するために０．１％以上添加
する。しかし、０．３％を越して添加すると熱間加工後
の硬さが増加して熱間加工ままの状態で冷間加工するこ
とが困難となり、目的とする球状化焼なましの省略がで
きなくなるためにＣ添加量の上限を０．３％に規定し
た。

【００１４】Ｓｉ：０．３５％以下 Ｓｉはフェライト強化元素であり添加量の増加にともな
って冷間加工時の変形抵抗を増加する。０．３５％以上
を添加すると冷間加工性を著しく低下させることが判明
したため、Ｓｉ添加量の上限を０．３５％に規制した。

【００１５】Ｍｎ：１．５０％以下 Ｍｎは焼入れ性を改善する、または、心部の硬さを確保
する目的で添加されるが、Ｓｉと同様にフェライト強化
元素であり変形対抗および加工硬化率を高める元素であ
る。１．５０％を越して添加されると冷間加工性が著し
く劣化するために添加量の上限を１．５０％以下とし
た。

【００１６】Ｓ：０．０３０以下 Ｓは冷間加工性を劣化させる元素であるために極力低減
する事が望ましい。しかし、Ｓは鋼中の不純物として含
有されることが多いため、Ｓを低減するためには溶解工
程においてＬＦ処理などの精錬が必要とされ、極低Ｓ化
を行うには素材コスト上昇が必須である。従って、冷間
加工性を著しく低下させない範囲としてＳ上限を０．０
３０％に規制した。なお、Ｓをさらに低減することによ
って冷間加工性の改善を図ることが可能とされる。

【００１７】Ｂ：０．０００３〜０．００５０％ Ｂは冷間加工性を劣化させることなく焼入れ性を向上す
ることができる元素であり、その効果を得るためには
０．０００３％以上を添加する。しかし、０．００５％
を越して添加してもその効果が飽和するとともに、熱間
加工性を劣化するためにＢ添加量の上限を０．００５０
％に規定した。

【００１８】Ｎ：０．０１０％以下 Ｎは鋼中のＢと結合してＢＮを生成するために、Ｂの焼
入れ性向上効果を損なわせる元素であり低減することが
望ましい。また、多量に含有すると溶鋼凝固時に大型の
晶出物を生成し冷間加工時の割れ起点となるため、Ｎ含
有量の上限を０．０１０％に規定した。

【００１９】Ｔｉ：０．０５％以下 Ｔｉは鋼中のＮがＢと結合してＢＮを生成しＢの焼入れ
効果を劣化させることを防止するために添加する元素で
ある。しかし、多量に添加されると大型のＴｉＮを生成
させ疲労破壊起点として疲れ特性を劣化させるためにＴ
ｉ天領の上限を０．０５％以下とした。なお、添加され
るＴｉの適正量はＴｉ／Ｎの比率が３．４以上であるこ
とが望ましい。

【００２０】ｓ−Ａｌ：０．０６０％ ｓ−Ａｌは本発明において重要な役割を示す元素であ
る。ＡｌとＮｂの複合組成からなる炭化物、炭窒化物お
よび窒化物は高温域においても安定な性質を示し結晶粒
の粗大化を抑制する効果があることが確認された。この
ため、ｓ−Ａｌは０．０６０％の範囲とすることが可能
であるが、これ以上含有させると熱間加工時に割れを生
じやすくなるために、ｓ−Ａｌ量の上限を０．０６０％
以下に規定した。

【００２１】Ｎｂ：０．００５〜０．２０％ Ｎｂも本発明において重要な役割を示す元素であり、結
晶粒の粗大化を防止するために０．００５％以上を添加
する。鋼中のＮｂはＣ、ＮおよびＡｌと結合して極めて
微細な析出物を生成し粗大化の防止に極めて有効であ
る。しかし、０．２％以上を越して添加してもその効果
は飽和し、また、冷間加工性を劣化させるためＮｂ添加
量の上限を０．２０％以下に規制した。

【００２２】Ｃｒ：１．５０％以下、Ｎｉ：１．５０％
以下、Ｍｏ：１．０％以下 Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏの各元素は浸炭部および心部の強度・
靭性を改善する元素であり、要求される強度や靭性に応
じて添加することができる。しかし、多量に添加される
と、熱間加工後の硬さが増加し冷間加工性を劣化させる
ため添加量の上限を規定した。

【００２３】Ｐｂ：０．２０％以下、Ｂｉ：０．２％以
下、Ｔｅ：０．０００５％〜０．０５％、Ｃａ：０．０
００５〜０．００３％、Ｓｅ：０．００３〜０．０５％
か 上記元素は切削性を改善する目的で添加される元素であ
り、切削性を要求される場合には上記範囲で添加するこ
とが可能である。しかし、上記範囲を越して添加される
と本来目的とする冷間加工性を劣化させるため、添加量
の上限を規定した。

【００２４】析出物の形態および析出物の数 結晶粒の粗大化を防止するためには微細な第二相分散粒
子を素地中に分布させることが有効であるが、高温で安
定な性質を有することが要求される。浸炭処理を例に取
れば、一般的な浸炭処理は９１０℃〜９３０℃の温度範
囲で３時間から１０時間の保持が行われる。従って、こ
の浸炭処理で結晶粒を粗大化させないためには、浸炭処
理の間に析出物が素地中に再固溶しないこと、または、
析出物が成長しないことが必要とされるわけである。

【００２５】９１０℃で５時間保持の浸炭処理後の析出
物の詳細を電子顕微鏡を用いて観察した結果，素地中に
観察される析出物はＮｂ系の析出物およびＮｂとＡｌを
複合した析出物であることが確認され、ＮｂまたはＮｂ
とＡｌを複合する炭化物、炭窒化物および窒化物が粗大
化の防止に有効であることが判明した。

【００２６】また、浸炭処理前の材料中に存在するＮｂ
およびＮｂとＡｌ複合組成の析出物数と粗大化を発生す
る温度の関係を調査した結果、浸炭処理前の析出物数の
多い材料ほど粗大化を派生する温度が高くなる傾向が認
められ、素材の析出物数を多くすることによって粗大化
特性を改善することができることを確認した。

【００２７】ここで９００℃の温度域で加熱保持された
場合に結晶粒が粗大化しないための析出個数を検討した
結果、浸炭処理前の素地中に５個／１０μｍ^２以上の個
数を析出させることが必要であることが判明した。

【００２８】

【実施例】表１に示す化学組成（質量％）を有する材料
を電気アーク炉を用いて溶解した後に精錬処理を行い鋳
造した、この後にビレット段階を経て常法の熱間圧延に
よって直径３０ｍｍの丸棒に製造した。。実施例の１４
〜１６の鋼では９００℃で焼ならし処理を行い、さら
に、７６０℃で８時間保持後に６５０℃まで１５℃／時
間の冷却速度で徐冷する球状化焼なまし処理を施した。

【００２９】これらの素材から、直径６ｍｍ、高さ１２
ｍｍおよび直径２５ｍｍ、高さ３７．５ｍｍの冷間加工
性調査用の試験片と粗大化温度調査用および析出物調査
用の試験片を作製した。

【００３０】冷間加工性の評価では、直径６ｍｍ、高さ
１２ｍｍの円柱状試験片によって、圧縮試験による割れ
発生限界と圧縮試験時の真ひずみ量が０．８における真
応力を求め変形抵抗と定義し、各材料の変形抵抗を比較
した。また、直径２５ｍｍ、高さ３７．５ｍｍの試験片
を１０本用いて冷鍛プレス機によって一気圧縮し加工率
８０％の加工によって割れ発生を生じる試験片の割合
（割れ発生率）を比較した。また、同試験片を用いてＨ
ＲＢスケールで硬さ試験を行い熱間加工素材の軟化特性
について評価した。

【００３１】粗大化特性の調査では、直径２５ｍｍ、高
さ３７．５ｍｍの試験片に加工率７０％の加工を与え、
９００℃〜１０５０℃の範囲に３０分加熱保持した後の
結晶粒度を調査した。このとき結晶粒度番号４番以下の
粗粒の面積率が５％以下を維持できる最高の温度を粗大
化温度と定義し、各材料の特性を比較調査した。なお、
高温加熱前の材料は焼なまし処理を行わず、冷間加工後
ただちに加熱処理した。

【００３２】また、上記の試験片で７０％加工し加熱前
の試料から電子顕微鏡観察用の抽出レプリカを作製し、
析出物の形態および個数を調査した。

【００３３】

【表１】

【００３４】表２には、冷間加工性の評価の結果をまと
め熱間鍛造後の素材硬さ、割れ発生限界、変形抵抗、割
れ発生率について示した。表３には、粗大化特性の結果
をまとめ素地中の析出物個数および粗大化温度について
示した。

【００３５】

【表２】

【００３６】

【表３】

【００３７】表２から明らかなように発明鋼１〜１０は
比較例１１に示すＪＩＳ ＳＣＲ４２０鋼の球状化焼な
まし処理材と同等の硬さであり、割れ発生限界、変形抵
抗、割れ発生率ともに球状化焼なまし処理材と同等の冷
間加工性を示しており、本発明鋼では球状化焼なまし処
理を施すことなく冷間加工を行うことができることが分
かる。一方、比較例１４〜１６はＪＩＳ ＳＣＲ４２
０，ＳＣＭ４２０，ＳＮＣＭ４２０の圧延状態ままのデ
ータであるが、いずれも比較例１１〜１３に示される球
状化焼なまし処理材に比べて大幅に変形抵抗が上昇し、
また、割れ発生限界が低下するなど冷間加工性が劣化し
ている。

【００３８】表３には結晶粒の粗大化温度および析出物
の個数を示した。比較例１１〜１６はＮｂを添加してい
ないためＮｂまたはＮｂとＡｌ複合の析出物は観察され
ず、粗大化温度もいずれも９００℃以下の温度であっ
た。これに対して、発明鋼ではずれの材料においても９
５０℃以上の粗大化温度を示しており、現在一般的に使
用されている肌焼鋼に比べて粗大化特性が改善されてい
ることが明白である。また、粗大化温度とＮｂ添加量の
関係を見るとＮｂ量の多い鋼種ほど粗大化温度が向上す
る傾向にあり、また、析出物数も多くなっている。

【００３９】このように、冷間加工性と粗大化特性の両
者を同時に改善するためには、本発明で示したように合
金元素の適正化と素地中に分布する析出物の形態と量を
制御することによって達成することが可能である。

【００４０】

【発明の効果】以上の実施例により本発明は、冷間加工
性と粗大化特性の両者を改善する鋼を提供することが可
能とされ、球状化焼なまし処理を行うことなく圧延まま
の素材で良好な冷間加工性を得ることが可能とされる。
さらに、析出物の適正化により優れた結晶粒の粗大化防
止効果を有しており、従来では浸炭処理前に必要とされ
ていた焼ならし処理を施さなくても浸炭処理後に結晶粒
が粗大化しないことが確認された。また、優れた粗大化
特性を有しておいることから浸炭処理温度を高め処理時
間の短縮を図ることも可能とされる。このように、球状
化焼なましや焼ならし処理などの熱処理省略による生産
性の向上と省エネルギーなど産業上の効果は極めて顕著
なものがある。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 合金元素の含有率が質量％で、Ｃ：０．
   １〜０．３％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：１．５０
   ％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｂ：０．０００３〜
   ０．００５０％、Ｎ：０．０１０％以下、ｓ−Ａｌ：
   ０．０６０％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｎｂ：０．
   ００５〜０．２０％、残部はＦｅおよび不可避的不純物
   よりなる鋼において、熱間圧延または熱間鍛造後の素材
   に存在するＮｂの析出物またはＮｂとＡｌの複合組成か
   らなる析出物の数が５個／１０μｍ^２以上であることを
   特徴とする冷間加工性および結晶粒の粗大化特性に優れ
   た肌焼鋼
2. 【請求項２】 Ｃｒ：１．５０％以下、Ｎｉ：１．５０
   ％以下、Ｍｏ：１．０％以下の１種または２種以上を含
   有することを特徴とする請求項１に記載の冷間加工性お
   よび結晶粒の粗大化特性に優れた肌焼鋼
3. 【請求項３】 Ｐｂ：０．２０％以下、Ｂｉ：０．２％
   以下、Ｔｅ：０．０００５％〜０．０５％、Ｃａ：０．
   ０００５〜０．００３％、Ｓｅ：０．００３〜０．０５
   ％から選ばれる１種または２種以上を含むことを特徴と
   する請求項１または請求項２に記載の冷間加工性および
   結晶粒の粗大化特性に優れた肌焼鋼