JPH10152754A - 肌焼鋼及び肌焼鋼鋼材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】冷間成形加工後に浸炭処理しても結晶粒の粗大
化や異常粒成長を生ずることがない耐粗粒化肌焼鋼及び
その肌焼鋼鋼材の製造方法を提供する。 【解決手段】C：0.1〜0.3％、Si：0.1〜1.0％、Mn：
0.3〜2.0％、Al：0.01〜0.06％、N：0.005〜0.03％で A
l（％）／N（％）：1.0〜2.0、Nb：0〜0.07％、V：0〜
0.1％で、Nb（％）＋V（％）≧ 0.005％、Cu：0〜0.3
％、Ni：0〜0.5％、Cr：0〜2.0％、Mo：0〜0.5％、W：0
〜0.5％、Pb：0〜0.3％、Te：0〜0.08％、Ca：0〜0.01
％、Bi：0〜0.3％、S：0〜0.08％、P≦0.03％、残部Fe
と不純物からなる耐粗粒化肌焼鋼。その肌焼鋼鋼材の
製造方法は、1100℃以上に加熱して熱間加工し、850℃
以上で仕上げて、500℃までを5〜500℃／分の冷却速度
で冷却するか、この後更に、1000℃以上の温度に再加熱
して熱間加工し、この熱間加工を850℃以上で仕上げ
て、500℃までを5〜500℃／分の冷却速度で冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐粗粒化肌焼鋼及
び耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法に関し、より詳しくは
自動車や産業機械用の歯車やシャフト類など浸炭処理が
施される部品の母材鋼となる耐粗粒化肌焼鋼及びその肌
焼鋼鋼材の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車や産業機械用の歯車やシャフト類
など浸炭処理が施される部品（以下、浸炭部品という）
は、従来、熱間鍛造などの熱間加工によって粗成形さ
れ、次いで、歯切りなどの機械加工による整形加工を受
けた後、浸炭処理を施されて製造されてきた。そして、
前記浸炭部品の母材鋼としては、ＪＩＳ規格鋼であるＳ
Ｃｒ４１５やＳＣｒ４２０に代表されるクロム鋼鋼材、
ＳＣＭ４１５やＳＣＭ４２０に代表されるクロムモリブ
デン鋼鋼材などの肌焼鋼が用いられてきた。

【０００３】しかしながら、最近、歯切りなど機械加工
による整形プロセスを省略してコストダウンを図ること
が指向されている。このため、浸炭部品の製造方法とし
て、熱間での粗成形に代えて成形精度の優れた冷間加工
（冷間鍛造など）による精密な成形加工を行い、次い
で、浸炭処理する方法が多くなりつつある。

【０００４】ところが、従来のＪＩＳ規格鋼を母材鋼と
し、上記のように冷間鍛造後に浸炭処理した浸炭部品に
おいては、浸炭処理時に、従来型の浸炭部品（熱間加工
で粗成形を受けた浸炭部品）においては認められなかっ
た結晶粒の粗大化や異常粒成長（以下、結晶粒の粗大化
と異常粒成長をまとめて「粗粒化」という）が生じ、焼
入れ時の歪発生や材料特性の低下が生ずるという問題が
起こり易い。

【０００５】このため、浸炭部品の母材鋼となる肌焼鋼
として、従来のＪＩＳ規格鋼に代わるものが、例えば、
特開昭６０−２１３５９号公報に開示されている。しか
しながら、この公報で提案された鋼、なかでもＮｂを添
加した鋼を母材鋼として用いた場合であっても、Ａｌと
Ｎの含有量の比であるＡｌ（％）／Ｎ（％）の値に対す
る配慮がなされていないため、冷間鍛造後に浸炭処理し
て浸炭部品を製造すると、粗粒化が生じてしまうことが
あった。

【０００６】特開昭６３−１４００３１号公報には、特
定量のＡｌとＮとを含有する浸炭用鋼の圧延加熱温度と
圧延終了温度を規制して、浸炭処理時の結晶粒の異常成
長を阻止する浸炭用鋼の製造方法が開示されている。し
かし、この公報で提案された範囲のＡｌとＮとを含有す
る鋼を、規定の圧延加熱温度と圧延終了温度で製造した
場合であっても、冷間鍛造後に浸炭処理して浸炭部品を
製造すると、やはり粗粒化が生じてしまうことがあっ
た。

【０００７】このため、冷間加工による精密な成形加工
を行い、次いで、通常行われる条件で浸炭処理しても結
晶粒の粗大化や異常粒成長が生ずることを阻止できる耐
粗粒化肌焼鋼及びその肌焼鋼鋼材の製造方法を開発する
ことが熱望されてきた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の現状
に鑑みなされたもので、冷間加工による精密な成形加工
を行い、次いで、浸炭処理しても結晶粒の粗大化や異常
粒成長を生ずることがない耐粗粒化肌焼鋼及びその肌焼
鋼鋼材の製造方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記
（１）に示す耐粗粒化肌焼鋼及び（２）〜（３）に示す
耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法にある。

【００１０】（１）重量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ａ
ｌ：０．０１〜０．０６％、Ｎ：０．００５〜０．０３
％でＡｌ（％）／Ｎ（％）：１．０〜２．０、Ｎｂ：０
〜０．０７％、Ｖ：０〜０．１％で、且つＮｂ（％）＋
Ｖ（％）≧０．００５％、Ｃｕ：０〜０．３％、Ｎｉ：
０〜０．５％、Ｃｒ：０〜２．０％、Ｍｏ：０〜０．５
％、Ｗ：０〜０．５％、Ｐｂ：０〜０．３％、Ｔｅ：０
〜０．０８％、Ｃａ：０〜０．０１％、Ｂｉ：０〜０．
３％、Ｓ：０〜０．０８％、Ｐ：０．０３％以下、残部
はＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする耐粗
粒化肌焼鋼。

【００１１】（２）冷間加工して成形した後に浸炭処理
することによって製造する部品の母材となる肌焼鋼鋼材
の製造方法であって、上記（１）に記載の化学組成を有
する鋼を１１００℃以上の温度に加熱して熱間加工を行
い、前記の熱間加工を８５０℃以上の温度域の温度で仕
上げ、次いで、５００℃までの温度域を５〜５００℃／
分の冷却速度で冷却することを特徴とする耐粗粒化肌焼
鋼鋼材の製造方法。

【００１２】（３）冷間加工して成形した後に浸炭処理
することによって製造する部品の母材となる肌焼鋼鋼材
の製造方法であって、上記（１）に記載の化学組成を有
する鋼を１１００℃以上の温度に加熱して熱間加工を行
い、前記の熱間加工を８５０℃以上の温度域の温度で仕
上げ、次いで、５００℃までの温度域を５〜５００℃／
分の冷却速度で冷却した後、更に、１０００℃以上の温
度に再加熱して熱間加工を行い、この熱間加工を８５０
℃以上の温度域の温度で仕上げ、次いで、５００℃まで
の温度域を５〜５００℃／分の冷却速度で冷却すること
を特徴とする耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法。

【００１３】ここで、「Ａｌ」とは、所謂「酸可溶性Ａ
ｌ」を指す。なお、以下において上記（１）、（２）、
（３）に関する発明をそれぞれ（１）の発明、（２）の
発明、（３）の発明という。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明者らは、種々の化学組成を
有する鋼を実験炉溶製し、熱間加工条件及び熱間加工後
の冷却条件を変えて鋼材を作製し、通常の方法で球状化
焼鈍、冷間加工と浸炭焼入れを行って、成分元素、熱間
加工条件及び熱間加工後の冷却条件が浸炭焼入れ後の組
織に及ぼす影響を調査した。

【００１５】その結果、下記〜の知見が得られた。

【００１６】窒化物や炭窒化物を生成するＡｌ、Ｎｂ
及びＶを単独添加した場合、ある程度の粗粒化防止効果
が認められる。しかし、前記の各元素を単に２種以上複
合添加しただけでは、粗粒化防止効果は必ずしも増大す
るとは限らず、かえって粗粒化してしまう場合さえあ
る。

【００１７】Ａｌ、Ｎｂ及びＶの含有量を制御して、
ＡｌとＮｂやＶとを複合添加するとともに、Ｎの含有量
をも制御すれば、大きな粗粒化防止効果が得られる。前
記した各元素の含有量の制御が適切でないと、ＡｌとＮ
ｂやＶとの複合添加の効果が現れず、コストが増加する
ばかりである。

【００１８】浸炭処理時の粗粒化防止のためには、前
記したＡｌ、Ｎｂ、Ｖ及びＮの含有量の制御に加えて、
ＡｌとＮの含有量の比（Ａｌ（％）／Ｎ（％））をも制
御する必要がある。

【００１９】溶製後の凝固過程で生成したＡｌ、Ｎｂ
及びＶの窒化物や炭窒化物は凝集粗大化しているため、
そのままの状態では浸炭処理時の粗粒化防止効果は小さ
い。しかし、前記の窒化物や炭窒化物を、熱間での加工
時に一旦高温に加熱して基地であるオーステナイト中に
固溶させれば、熱間加工時及びその後の冷却時に窒化物
や炭窒化物を微細析出させることができるので、浸炭処
理時の粗粒化防止効果は極めて大きくなる。

【００２０】上記の熱間加工及びその後の冷却で窒
化物や炭窒化物を微細析出させた鋼材を更に所望の形状
やサイズに熱間加工する必要がある場合には、熱間加工
のための再加熱温度を制御して窒化物や炭窒化物の粗大
化を防ぐことが重要である。

【００２１】熱間加工時及びその後の冷却で窒化物や
炭窒化物を微細析出させるためには、熱間加工を適正な
温度域で仕上げることが重要である。仕上げ温度域が不
適切であると、窒化物や炭窒化物が凝集粗大化して、粗
粒化防止の効果は極めて小さくなくなってしまう。

【００２２】窒化物や炭窒化物の粗大化を防止するた
めに、熱間加工終了後は適正な冷却条件で冷却する必要
がある。

【００２３】成分元素と熱間加工及びその後の冷却条
件を適正化した場合には、冷間加工の前工程としての球
状化焼鈍を行っても窒化物や炭窒化物はあまり粗大化し
ないので、浸炭処理時の粗粒化が防止できる。

【００２４】本発明は、上記の知見に基づいて完成され
たものである。

【００２５】以下、本発明の各要件について詳しく説明
する。なお、成分含有量の「％」は「重量％」を意味す
る。

【００２６】（Ａ）鋼の化学組成 Ｃ：０．１〜０．３％ Ｃは鋼の焼入れ性を高めるとともに、静的強度を向上さ
せるのに有効な元素である。しかし、その含有量が０．
１％未満では添加効果に乏しく、一方、０．３％を超え
て添加すると鋼の靭性が低下する。したがって、Ｃの含
有量を０．１〜０．３％とした。

【００２７】Ｓｉ：０．１〜１．０％ Ｓｉは脱酸、焼入れ性の向上及び固溶強化による静的強
度の向上に有効な元素である。しかし、その含有量が
０．１％未満では所望の効果が得られない。一方、１．
０％を超えて含有させると、浸炭性の低下を招くため疲
労強度が低下してしまう。更に、冷間加工性の低下をも
招く。したがって、Ｓｉの含有量を０．１〜１．０％と
した。

【００２８】Ｍｎ：０．３〜２．０％ ＭｎもＳｉと同様に脱酸作用を有する。又、焼入れ性を
高め、強度と靱性を向上させる作用もある。しかし、そ
の含有量が０．３％未満では添加効果に乏しい。一方、
２．０を超えて含有させてもその効果は飽和し、経済性
を損なうばかりである。したがって、Ｍｎ含有量を０．
３〜２．０％とした。

【００２９】Ａｌ：０．０１〜０．０６％ Ａｌは鋼中のＮと結合してＡｌＮを形成し、粗粒化を防
止する作用を有する。この効果を発揮させるためには、
Ａｌの含有量を０．０１％以上とすることが必要であ
る。一方、０．０６％を超えて含有させても、前記の効
果は飽和するばかりか、切削性の低下を招くようにな
る。したがって、Ａｌの含有量を０．０１〜０．０６％
とした。なお、前記したように、ここでいう「Ａｌ」
は、「酸可溶性Ａｌ」のことをいう。

【００３０】Ｎ：０．００５〜０．０３％ ＮはＡｌ、ＮｂやＶと結合して窒化物や炭窒化物を形成
し、粗粒化防止に効果を発揮する。しかし、その含有量
が０．００５％未満では所望の効果が得られない。一
方、０．０３％を超えて含有させると、鋼の変形抵抗が
高くなって、冷間加工性が低下してしまう。したがっ
て、Ｎの含有量を０．００５〜０．０３％とした。

【００３１】Ａｌ（％）／Ｎ（％）：１．０〜２．０ 前記したＡｌとＮの含有量の範囲で、且つ後述するＮｂ
とＶの含有量の範囲であっても、ＡｌとＮの含有量の比
（Ａｌ（％）／Ｎ（％））が適正でないと浸炭処理時の
粗粒化防止が果たせない場合がある。すなわち、Ａｌ
（％）／Ｎ（％）の値が２．０を超えると、粗粒化防止
に対するＡｌとＮｂやＶとの複合添加効果が得られな
い。更に、冷間加工の前工程としての球状化焼鈍を行う
場合には、後述の熱間加工条件及びその後の冷却条件を
満たしても、窒化物や炭窒化物が極めて粗大化するた
め、浸炭処理時の粗粒化を防止できない。一方、Ａｌ
（％）／Ｎ（％）が１．０未満では、冷間加工性が劣化
して、冷間での所望形状への成形加工時に割れを生じ易
くなる。この場合、熱間での粗成形に替えて冷間加工に
よる精密な成形加工を行い、機械加工を省略してコスト
ダウンを図ろうとする産業界の要請に応えられないこと
になる。したがって、Ａｌ（％）／Ｎ（％）を１．０〜
２．０とした。

【００３２】Ｎｂ：０〜０．０７％ Ｎｂは添加しなくてもよい。添加すれば、窒化物や炭窒
化物を形成して粗粒化を防止する作用を有する。Ｎの含
有量を制御した鋼にＡｌ、Ｖとともに複合添加すれば、
極めて優れた粗粒化防止作用が得られる。但し、次に述
べるＶを複合添加しない場合にこの効果を得るために
は、後述するようにＮｂは０．００５％以上の含有量と
する必要がある。一方、０．０７％を超えて含有させて
も前記の効果が飽和して経済性を損なうばかりである
し、変形抵抗が上昇して冷間加工性が劣化するようにも
なる。したがって、Ｎｂの含有量を０〜０．０７％とし
た。

【００３３】Ｖ：０〜０．１％ Ｖは添加しなくてもよい。添加すれば、窒化物や炭窒化
物を形成して粗粒化を防止する作用を有する。Ｎの含有
量を制御した鋼にＡｌ、Ｎｂとともに複合添加すれば、
極めて優れた粗粒化防止作用が得られる。但し、上記し
たＮｂを複合添加しない場合にこの効果を得るために
は、後述するようにＶは０．００５％以上の含有量とす
る必要がある。一方、０．１％を超えて含有させても前
記の効果が飽和して経済性を損なうばかりであるし、変
形抵抗が上昇して冷間加工性が劣化するようにもなる。
したがって、Ｖの含有量を０〜０．１％とした。

【００３４】Ｎｂ（％）＋Ｖ（％）：０．００５％以上 Ｎの含有量を制御した鋼にＡｌとともにＮｂ、Ｖを複合
添加して極めて優れた粗粒化防止作用を得るためには、
ＮｂとＶの含有量の和（Ｎｂ（％）＋Ｖ（％））を０．
００５％以上とする必要がある。Ｎｂ（％）＋Ｖ（％）
が０．００５％未満の場合には、ＡｌとＮｂやＶとの複
合添加効果が得られないばかりか、粗粒化してしまう場
合さえある。したがって、Ｎｂ（％）＋Ｖ（％）≧０．
００５％とした。

【００３５】Ｃｕ：０〜０．３％ Ｃｕは添加しなくてもよい。添加すれば鋼の焼入れ性が
向上する。この効果を確実に得るには、Ｃｕは０．１％
以上の含有量とすることが好ましい。しかし、多量に含
有させると熱間延性を低下させて、熱間加工性が低下し
てしまう。特に、その含有量が０．３％を超えると熱間
加工性の劣化が顕著となる。したがって、Ｃｕの含有量
を０〜０．３％とした。

【００３６】Ｎｉ：０〜０．５％ Ｎｉは添加しなくてもよい。添加すれば、鋼の焼入れ性
と靭性を高める作用がある。この効果を確実に得るに
は、Ｎｉは０．０５％以上の含有量とすることが好まし
い。しかし、０．５％を超えて含有量させても前記の効
果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、
Ｎｉ含有量を０〜０．５％とした。

【００３７】Ｃｒ：０〜２．０％ Ｃｒも添加しなくてよい。添加すれば、鋼の焼入れ性と
強度、靭性を高める作用がある。この効果を確実に得る
には、Ｃｒは０．１％以上の含有量とすることが好まし
い。しかし、２．０％を超えて含有させも前記の効果は
飽和し、経済性を損なうばかりである。したがって、Ｃ
ｒの含有量を０〜２．０％とした。

【００３８】Ｍｏ：０〜０．５％ Ｍｏは添加しなくてよい。添加すれば、鋼の焼入れ性と
強度、靭性を高める作用がある。この効果を確実に得る
には、Ｍｏの含有量を０．０５％以上とすることが好ま
しい。しかし、その含有量が０．５％を超えると切削性
の低下をきたす。したがって、Ｍｏ含有量を０〜０．５
％とした。

【００３９】Ｗ：０〜０．５％ Ｗは添加しなくてよい。添加すれば、鋼の焼入れ性と強
度、靭性を高める作用がある。この効果を確実に得るに
は、Ｗの含有量を０．０５％以上とすることが好まし
い。しかし、その含有量が０．５％を超えると切削性の
低下をきたす。したがって、Ｗ含有量を０〜０．５％と
した。

【００４０】Ｐｂ：０〜０．３％ Ｐｂは添加しなくてもよい。しかし、添加すれば切削性
を向上させる働きがある。このため、冷間加工で成形し
た部品の内面などを更に精密切削して仕上げたいような
場合には、切削性を高めるために添加しても良い。この
場合、切削性向上効果を確実に得るには、Ｐｂの含有量
は０．００５％以上とすることが好ましい。しかし、そ
の含有量が０．３％を超えると疲労特性の低下をきた
す。したがって、Ｐｂ含有量を０〜０．３％とした。

【００４１】Ｔｅ：０〜０．０８％ Ｔｅも添加しなくてもよい。添加すればＰｂと同様に切
削性を高める作用がある。このため、冷間加工で成形し
た部品の内面などを更に精密切削して仕上げたいような
場合には、切削性を高めるために添加しても良い。この
場合、切削性向上効果を確実に得るには、Ｔｅは０．０
１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その
含有量が０．０８％を超えると、熱間加工性の低下をも
たらす。したがって、Ｔｅの含有量を０〜０．０８％と
した。

【００４２】Ｃａ：０〜０．０１％ Ｃａは添加しなくてもよい。添加すれば切削性を高める
作用がある。このため、ＰｂやＴｅと同じく冷間加工で
成形した部品の内面などを更に精密切削して仕上げたい
ような場合には、切削性を高めるために添加しても良
い。この場合、切削性向上効果を確実に得るには、Ｃａ
は０．００１％以上の含有量とすることが好ましい。し
かし、その含有量が０．０１％を超えると、熱間加工性
の低下をもたらす。したがって、Ｃａの含有量を０〜
０．０１％とした。

【００４３】Ｂｉ：０〜０．３％ Ｂｉも添加しなくてもよい。添加すれば切削性を高める
作用を有する。このため、Ｐｂ、ＴｅやＣａと同様に冷
間加工で成形した部品の内面などを更に精密切削して仕
上げたいような場合には、切削性を高めるために添加し
ても良い。この場合、切削性向上効果を確実に得るに
は、Ｂｉの含有量を０．０１％以上とすることが好まし
い。しかし、その含有量が０．３％を超えると、熱間加
工性の低下をきたす。したがって、Ｂｉの含有量を０〜
０．３％とした。

【００４４】Ｓ：０〜０．０８％ Ｓは添加しなくてもよい。添加すれば切削性を高める作
用を有する。このため、上記のＰｂ、Ｔｅなど同様に冷
間加工で成形した部品の内面などを更に精密切削して仕
上げたいような場合には、切削性を高めるために添加し
ても良い。この場合、切削性向上効果を確実に得るに
は、Ｓの含有量を０．００５％以上とすることが好まし
い。しかし、その含有量が０．０８％を超えると、靭性
の低下をきたす。したがって、Ｓの含有量を０〜０．０
８％とした。

【００４５】Ｐ：０．０３％以下 Ｐは粒界に偏析し、靭性を低下させる。特に、その含有
量が０．０３％を超えると、靭性の著しい低下を招く。
したがって、Ｐ含有量を０．０３０％以下とした。

【００４６】（Ｂ）熱間加工とその後の冷却 （Ｂ−１）加熱 溶製後の凝固過程で生成した鋼塊（ここでいう「鋼塊」
には、JIS G 0203にあるように「鋳片」を含む）中のＡ
ｌ、Ｎｂ及びＶの窒化物や炭窒化物は凝集粗大化してい
るため、そのままの状態では浸炭処理時の粗粒化防止効
果は小さい。したがって、前記した（２）の発明の熱間
加工及び（３）の発明の先の（１次の）熱間加工に際し
て、前記の窒化物や炭窒化物を一旦高温に加熱して基地
であるオーステナイト中に固溶させ、熱間加工時及びそ
の後の冷却時に窒化物や炭窒化物を微細析出させて、浸
炭処理時の粗粒化防止を達成する必要がある。

【００４７】そこで、前記した（Ａ）の化学組成を有す
る（１）の発明の鋼を、（２）の発明における熱間加工
及び（３）の発明における先の（１次の）熱間加工にお
いて１１００℃以上の温度に加熱して、上記の窒化物や
炭窒化物をオーステナイト中に固溶させることとした。
なお、上記の加熱温度は１１５０℃以上とすることが望
ましく、１２００℃以上であれば一層好ましい。この加
熱温度の上限には特に制限はない。しかし、脱炭やスケ
ールロスによるコストアップの抑制、更にはエネルギー
コストを抑えるために、１３５０℃程度を上限とするこ
とが好ましい。

【００４８】（Ｂ−２）仕上げ温度 オーステナイト中に固溶させたＡｌ、ＮｂやＶを熱間加
工時及びその後の冷却で微細な窒化物や炭窒化物として
析出させるために、熱間加工の仕上げ温度は８５０℃以
上とする必要がある。熱間加工の仕上げ温度が８５０℃
を下回る場合には、熱間加工時に一部析出したＡｌ、Ｎ
ｂやＶの窒化物や炭窒化物が凝集粗大化してしまい、浸
炭処理時に優れた耐粗粒化特性を得ようとする本発明の
目的が達せられない場合がある。したがって、（２）の
発明における熱間加工の仕上げ温度、及び（３）の発明
における先の（１次の）熱間加工の仕上げ温度を８５０
℃以上とした。なお、前記熱間加工の仕上げ温度の上限
には特に制限はない。しかし、脱炭を抑制するために１
０５０℃程度を上限とすることが好ましい。

【００４９】（Ｂ−３）熱間加工後の冷却 熱間加工を終了した後は、５００℃までの温度域を５〜
５００℃／分の冷却速度で冷却することが必要である。
この冷却の冷却速度が５℃／分を下回る場合には、Ａ
ｌ、ＮｂやＶの窒化物や炭窒化物が凝集粗大化してしま
い、浸炭処理時に優れた耐粗粒化特性を得ようとする本
発明の目的が達せられない場合がある。特に、冷間加工
の前工程としての球状化焼鈍を行う場合には、前記した
（Ａ）項の化学組成を有する鋼の場合であっても、窒化
物や炭窒化物が粗大化するため、浸炭処理時の粗粒化を
防止できない。一方、上記冷却の冷却速度が５００℃／
分を上回る場合には、ベイナイトやマルテンサイトなど
の所謂「低温変態組織」が生じて所望のサイズに切断し
難くなる場合がある。したがって、（２）の発明の熱間
加工仕上げ後５００℃までの温度域における冷却速度、
及び（３）の発明の先の（１次の）熱間加工仕上げ後５
００℃までの温度域における冷却速度を、いずれも５〜
５００℃／分と規定した。なお、この冷却速度の上限
は、３００℃／分程度とすることが好ましく、１００℃
／分程度とすることがより好ましい。

【００５０】５００℃を下回る温度域の冷却は、生産性
を高めるために急冷しても良い。なお、上記の冷却速度
は鋼材表面の冷却速度をいう。

【００５１】上記の（Ｂ−１）から（Ｂ−３）の工程に
よって（２）の発明が構成される。なお、（２）の発明
は上記の熱間加工と冷却の後、更なる熱間加工（２次の
熱間加工）を受けることがなく、冷間加工で所望形状に
成形されその後に浸炭処理を施される浸炭部品の母材と
なる耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法を提供するものであ
る。すなわち、（Ａ）項に述べた化学組成を有し（Ｂ−
１）から（Ｂ−３）の工程によって製造された（２）の
発明に係る耐粗粒化肌焼鋼鋼材は、（Ｂ−３）の工程の
後では更なる熱間での加工を受けることはなく、必要に
応じて球状化焼鈍を施されてから、冷間鍛造を初めとす
る冷間加工によって所望の部品形状に成形され、更に、
必要に応じて内面などを精密切削された後、浸炭焼入れ
される。そして、必要に応じて低温での焼戻しや研削、
研磨をして最終の部品に仕上げられる。

【００５２】一方、（Ｂ−３）の工程の後、更に所望の
サイズや素形材形状にするなどの目的から、鋼材を再加
熱して熱間加工（２次の熱間加工）し、その後冷却する
のが（３）の発明に係る耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法
である。以下、（３）の発明に係る要件について更に説
明する。

【００５３】（Ｂ−４）冷却後の再加熱 溶製後の凝固過程で生成し凝集粗大化したＡｌ、Ｎｂ及
びＶの窒化物や炭窒化物をオーステナイト中に固溶さ
せ、熱間加工時及びその後の冷却時に窒化物や炭窒化物
として微細析出させた後、更に所望のサイズや素形材形
状とするための熱間加工（２次の熱間加工）時の再加熱
温度は、１０００℃以上とする必要がある。この再加熱
温度が１０００℃を下回る場合には、窒化物や炭窒化物
の粗大化を生じたり、鋼材の変形抵抗が大きくなって圧
延機などの加工機に対する負荷が過大となってしまうか
らである。したがって、（３）の発明において、冷却後
の熱間加工（２次の熱間加工）のための再加熱温度を１
０００℃以上とした。なお、上記の再加熱温度は１１０
０℃以上とすることが望ましい。この加熱温度の上限に
は特に制限はない。しかし、脱炭やスケールロスによる
コストアップの抑制、更にはエネルギーコストを抑える
ために、１２５０℃程度を上限とすることが好ましく、
１２００℃を上限とすることがより好ましい。

【００５４】（Ｂ−５）再加熱後の熱間加工の仕上げ温
度 再加熱後の熱間加工（２次の熱間加工）の仕上げ温度は
８５０℃以上とする必要がある。この温度が８５０℃を
下回る場合には、熱間加工時に一部析出したＡｌ、Ｎｂ
やＶの窒化物や炭窒化物が凝集粗大化してしまい、浸炭
処理時に優れた耐粗粒化特性を得ようとする本発明の目
的が達せられない場合がある。したがって、（３）の発
明において、再加熱後の熱間加工（２次の熱間加工）の
仕上げ温度を８５０℃以上とした。なお、上記温度の上
限にも特に制限はない。しかし、脱炭を抑制するために
１０５０℃程度を上限とすることが好ましい。

【００５５】（Ｂ−６）再加熱後に熱間加工した後の冷
却 再加熱後の熱間加工（２次の熱間加工）を終了した後、
５００℃までの温度域における冷却速度が５℃／分を下
回る場合には、Ａｌ、ＮｂやＶの窒化物や炭窒化物が凝
集粗大化してしまい、浸炭処理時に優れた耐粗粒化特性
を得ようとする本発明の目的が達せられない場合があ
る。特に、冷間加工の前工程としての球状化焼鈍を行う
場合には、前記した（Ａ）項の化学組成を有する鋼の場
合であっても、窒化物や炭窒化物が粗大化するため、浸
炭処理時の粗粒化を防止できない。一方、上記の冷却速
度が５００℃／分を上回る場合には、ベイナイトやマル
テンサイトなどの所謂「低温変態組織」が生じて所望の
サイズに切断し難くなる場合がある。したがって、
（３）の発明において、再加熱後の熱間加工（２次の熱
間加工）を仕上げた後、５００℃までの温度域における
冷却速度を５〜５００℃／分と規定した。なお、この冷
却速度の上限は、３００℃／分程度とすることが好まし
く、１００℃／分程度とすることがより好ましい。

【００５６】なお、５００℃を下回る温度域の冷却は、
生産性を高めるために急冷しても良い。ここで、冷却速
度とは既に述べたように鋼材表面の冷却速度をいう。

【００５７】上記の（Ｂ−１）から（Ｂ−６）の工程に
よって（３）の発明が構成される。（Ａ）項に述べた化
学組成を有し（Ｂ−１）から（Ｂ−６）の工程によって
製造された（３）の発明に係る耐粗粒化肌焼鋼鋼材は、
必要に応じて球状化焼鈍を施されてから、冷間鍛造を初
めとする冷間加工によって所望の部品形状に成形され、
更に、必要に応じて内面などを精密切削された後、浸炭
焼入れされる。そして、必要に応じて低温での焼戻しや
研削、研磨をして最終の部品に仕上げられる。

【００５８】

【実施例】

（実施例１）表１、表２に示す化学組成を有する鋼を通
常の方法により３トン試験炉を用いて溶製した。表１、
表２における鋼１〜２４は化学組成が本発明で規定する
範囲内の本発明例の鋼である。一方、表２における鋼２
５〜３４は成分のいずれかが本発明で規定する含有量の
範囲から外れた比較例の鋼である。

【００５９】

【表１】

【００６０】

【表２】

【００６１】次いで、これらの鋼を表３〜４に記載の条
件で加熱、分塊圧延、冷却して１８０ｍｍ角の鋼片と
し、更に、表３〜４に記載の条件で再加熱、熱間圧延、
冷却して直径５０ｍｍの棒鋼を製造した。ここで、１８
０ｍｍ角の鋼片と直径５０ｍｍの棒鋼の製造において、
５００℃を下回る温度域の冷却は放冷とした。

【００６２】なお、本発明例の鋼である鋼１、鋼２、鋼
８、鋼９、鋼１５、鋼１６及び鋼２２については３トン
鋼塊を分割してから上記の鋼片及び棒鋼の製造に供し
た。

【００６３】

【表３】

【００６４】

【表４】

【００６５】上記のようにして得た鋼１〜３４の直径５
０ｍｍの棒鋼及び一部の鋼（鋼３、鋼５、鋼１３、鋼１
４、鋼１７、鋼１８及び鋼２０）の１８０ｍｍ角の鋼片
を、通常の方法によって７３０℃で球状化焼鈍した。こ
の後、１８０ｍｍ角の鋼片については（Ｔ／４）の部位
（Ｔ＝１８０ｍｍ）から、直径５０ｍｍの棒鋼について
は（Ｒ／２）の部位（Ｒ＝２５ｍｍ）から、それぞれ直
径１０ｍｍ×長さ２０ｍｍの円筒状の試験片を切り出
し、５００トン高速プレス機を用いて通常の方法で常温
（室温）での据え込み試験を行った。ここで、据え込み
率（圧縮率）は７０％、７５％、８０％及び８５％の４
条件とし、各条件について試験数は２０で行った。据え
込み試験後、目視で割れ発生の有無を調査して冷間加工
性を評価した。

【００６６】表３〜４に、上記の冷間加工性評価結果を
併せて示す。なお、各条件での２０の試験片のいずれか
に割れを認めた場合、割れが生じた最も低い据え込み率
を冷間加工性として記載した。表３〜４で冷間加工性が
「＞８５」とあるのは、据え込み率８５％の据え込み試
験で、２０の試験片のいずれにも割れが生じなかったこ
とを示す。一方、冷間加工性が「≦７０」とあるのは、
据え込み率７０％の据え込み試験で、割れが生じたこと
を示す。

【００６７】次いで、上記の８５％の据え込み率で据え
込んだ試験片を用いて、８５０〜１０５０℃まで２５℃
刻みに各温度で６時間加熱して浸炭処理時の加熱をシミ
ュレートした。

【００６８】加熱処理後は油冷し、光学顕微鏡（倍率は
１００倍）でランダムに１０視野観察して粗粒化特性を
調査した。なお、粗粒化の判定基準はJIS G 0551に準じ
た。すなわち、視野間において３以上異なった粒度番号
の視野が存在する場合に「混粒」として、異常粒成長が
生じたと見なした。一方、「粗粒」と「細粒」の判定は
ＪＩＳ基準よりも厳しくして、結晶粒度番号６未満の場
合に「粗粒鋼」として結晶粒が粗大化したと判定した。

【００６９】表３〜４に、上記の粗粒化特性の調査結果
を併せて示す。なお、粗粒化発生を認めた場合、粗粒化
が生じた最も低い加熱温度を「粗粒化開始温度」として
記載した。表３〜４で粗粒化開始温度が「＞１０５０」
とあるのは、１０５０℃×６時間の加熱条件では粗粒化
が生じなかったことを示す。一方、粗粒化開始温度が
「≦８５０」とあるのは、８５０℃×６時間の加熱で既
に粗粒化が生じていたことを示す。

【００７０】表３〜４によれば、本発明で規定する化学
組成を有する鋼を、本発明で規定する条件で熱間加工及
び冷却した場合には、８５％の据え込み率で冷間加工し
ても割れを生じず、これを６時間オーステナイト化処理
した場合の粗粒化開始温度は９７５℃以上と高く、耐粗
粒化特性に優れていることが明らかである。

【００７１】これに対して、成分のいずれかが本発明で
規定する含有量の範囲から外れた比較例の鋼のなかで、
鋼２５〜２８及び鋼３１〜３４については、本発明で規
定する条件で熱間加工及び冷却しても粗粒化開始温度が
９５０℃以下と低く耐粗粒化特性に劣る。上記の鋼のう
ち、鋼２６の場合には冷間加工性も低いため、冷間での
所望形状への成形加工時に割れを生じ易くなる。したが
って、熱間での粗成形に替えて冷間加工による精密な成
形加工を行い、機械加工を省略してコストダウンを図ろ
うとする産業界の要請に応えられない場合が生ずる。

【００７２】一方、比較例の鋼のなかでも鋼２９、鋼３
０については、６時間オーステナイト化処理した場合の
粗粒化開始温度は１０５０℃を超え、耐粗粒化特性には
優れているが、冷間加工性が低い。このため、前記の鋼
２６の場合と同様に冷間での所望形状への成形加工時に
割れを生じ易くなる。したがって、熱間での粗成形に替
えて冷間加工による精密な加工を行い、機械加工を省略
してコストダウンを図ろうとする産業界の要請に応えら
れない場合が生ずる。

【００７３】（実施例２）前記の（実施例１）で述べた
鋼１、鋼８及び鋼１５の３トン鋼塊から分割した鋼塊を
用いて、１０００〜１２００℃まで１００℃刻みで各温
度に加熱した後、通常の方法で直径１００ｍｍの鋼片に
熱間鍛造した。なお、いずれの場合も熱間鍛造の仕上げ
温度は９５０℃とした。又、鍛造終了後は５００℃まで
の温度域を１０℃／分の冷却速度で冷却し、５００℃を
下回る温度域の冷却は放冷とした。

【００７４】次いで、上記の直径１００ｍｍの各鋼片を
９５０〜１１００℃まで５０℃刻みで各温度に再加熱し
た後、通常の方法で直径５０ｍｍの丸棒に熱間鍛造し
た。なお、熱間鍛造の仕上げ温度は８１５℃及び８８５
℃の２条件とした。又、鍛造終了後は５００℃までの温
度域を２５℃／分の冷却速度で冷却し、５００℃を下回
る温度域の冷却は放冷とした。

【００７５】上記のようにして得た直径５０ｍｍの丸棒
を、通常の方法によって７３０℃で球状化焼鈍した後、
（Ｒ／２）の部位（Ｒ＝２５ｍｍ）から直径１０ｍｍ×
長さ２０ｍｍの円筒状の試験片を切り出し、５００トン
高速プレス機を用いて通常の方法で据え込み率８５％の
常温（室温）据え込み加工を行った。

【００７６】次いで、前記の据え込み加工した試験片を
８５０〜１０５０℃まで２５℃刻みに各温度で６時間加
熱して浸炭処理時の加熱をシミュレートした。

【００７７】加熱処理後は油冷し、光学顕微鏡（倍率は
１００倍）でランダムに１０視野観察して粗粒化特性を
調査した。なお、粗粒化の判定基準は前記の（実施例
１）の場合と同じである。すなわち、JIS G 0551に準じ
て、視野間において３以上異なった粒度番号の視野が存
在する場合に「混粒」として、異常粒成長が生じたと見
なした。一方、「粗粒」と「細粒」の判定はＪＩＳ基準
よりも厳しくして、結晶粒度番号６未満の場合に「粗粒
鋼」として結晶粒が粗大化したと判定した。

【００７８】表５〜７に、上記の粗粒化特性の調査結果
を示す。

【００７９】

【表５】

【００８０】

【表６】

【００８１】

【表７】

【００８２】表５〜７から、本発明で規定する化学組成
を有する鋼の場合であっても、本発明の規定を外れた条
件で熱間加工した場合には、粗粒化開始温度が９５０℃
以下と低く、耐粗粒化特性に劣ることが明らかである。

【００８３】（実施例３）前記の（実施例１）で述べた
鋼２、鋼９、鋼１６及び鋼２２の３トン鋼塊から分割し
た鋼塊を用いて、１２００℃に加熱した後、通常の方法
で直径１００ｍｍの鋼片に熱間鍛造した。なお、いずれ
の場合も熱間鍛造の仕上げ温度は９５０℃とした。又、
鍛造終了後は５００℃までの温度域を２℃／分あるいは
１５℃／分の冷却速度で冷却し、５００℃を下回る温度
域の冷却は放冷とした。

【００８４】次いで、上記の直径１００ｍｍの各鋼片を
１１００℃に再加熱した後、通常の方法で直径５０ｍｍ
の丸棒に熱間鍛造した。なお、熱間鍛造の仕上げ温度は
９００℃とした。又、鍛造終了後は５００℃までの温度
域を３℃／分あるいは２５℃／分の冷却速度で冷却し、
５００℃を下回る温度域の冷却は放冷とした。

【００８５】上記のようにして得た直径５０ｍｍの丸棒
を、通常の方法によって７３０℃で球状化焼鈍した後、
（Ｒ／２）の部位（Ｒ＝２５ｍｍ）から直径１０ｍｍ×
長さ２０ｍｍの円筒状の試験片を切り出し、５００トン
高速プレス機を用いて通常の方法で据え込み率８５％の
常温（室温）据え込み加工を行った。

【００８６】次いで、前記の据え込み加工した試験片を
８５０〜１０５０℃まで２５℃刻みに各温度で６時間加
熱して浸炭処理時の加熱をシミュレートした。

【００８７】加熱処理後は油冷し、光学顕微鏡（倍率は
１００倍）でランダムに１０視野観察して粗粒化特性を
調査した。なお、粗粒化の判定基準は前記の（実施例
１）及び（実施例２）の場合と同じである。

【００８８】表８に、上記の粗粒化特性の調査結果を示
す。

【００８９】

【表８】

【００９０】表８から、本発明で規定する化学組成を有
する鋼の場合であっても、熱間加工後に本発明の規定を
外れた条件で冷却した場合には、粗粒化開始温度が８５
０℃以下と低く、耐粗粒化特性に劣ることが明らかであ
る。

【００９１】

【発明の効果】本発明による耐粗粒化肌焼鋼は、冷間加
工による精密な成形加工を行い、次いで浸炭処理しても
結晶粒の粗大化や異常粒成長を生ずることがないので、
自動車や産業機械用の歯車やシャフト類など浸炭処理が
施される部品の母材鋼として利用することができる。本
発明の耐粗粒化肌焼鋼鋼材を用いれば、熱間での粗成形
後に行われていた歯切りなどの機械加工による整形加工
を省略することができるので、自動車や産業機械用の歯
車やシャフト類などを低コストで製造することが可能で
ある。上記の耐粗粒化肌焼鋼鋼材は本発明の方法によっ
て、比較的容易に製造することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山 隆治 福岡県北九州市小倉北区許斐町１番地住友 金属工業株式会社小倉製鉄所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：
   ０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ａｌ：
   ０．０１〜０．０６％、Ｎ：０．００５〜０．０３％で
   Ａｌ（％）／Ｎ（％）：１．０〜２．０、Ｎｂ：０〜
   ０．０７％、Ｖ：０〜０．１％で、且つＮｂ（％）＋Ｖ
   （％）≧０．００５％、Ｃｕ：０〜０．３％、Ｎｉ：０
   〜０．５％、Ｃｒ：０〜２．０％、Ｍｏ：０〜０．５
   ％、Ｗ：０〜０．５％、Ｐｂ：０〜０．３％、Ｔｅ：０
   〜０．０８％、Ｃａ：０〜０．０１％、Ｂｉ：０〜０．
   ３％、Ｓ：０〜０．０８％、Ｐ：０．０３％以下、残部
   はＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする耐粗
   粒化肌焼鋼。
2. 【請求項２】冷間加工して成形した後に浸炭処理するこ
   とによって製造する部品の母材となる肌焼鋼鋼材の製造
   方法であって、請求項１に記載の化学組成を有する鋼を
   １１００℃以上の温度に加熱して熱間加工を行い、前記
   の熱間加工を８５０℃以上の温度域の温度で仕上げ、次
   いで、５００℃までの温度域を５〜５００℃／分の冷却
   速度で冷却することを特徴とする耐粗粒化肌焼鋼鋼材の
   製造方法。
3. 【請求項３】冷間加工して成形した後に浸炭処理するこ
   とによって製造する部品の母材となる肌焼鋼鋼材の製造
   方法であって、請求項１に記載の化学組成を有する鋼を
   １１００℃以上の温度に加熱して熱間加工を行い、前記
   の熱間加工を８５０℃以上の温度域の温度で仕上げ、次
   いで、５００℃までの温度域を５〜５００℃／分の冷却
   速度で冷却した後、更に、１０００℃以上の温度に再加
   熱して熱間加工を行い、この熱間加工を８５０℃以上の
   温度域の温度で仕上げ、次いで、５００℃までの温度域
   を５〜５００℃／分の冷却速度で冷却することを特徴と
   する耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法。