JPS5937739B2 - 熱処理時の細粒維持安定性に優れる粉末圧密肌焼鋼およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、熱処理時の細粒維持安定性に優れる粉末圧
密肌焼鋼およびその製造方法に関し、特に本発明は、合
金鋼粉を原料とし、粉末鍛造法などにより密度比９８％
以上に圧密加工して得られ、熱力学的に比較的安定な酸
化物が微細均一に分散されているため熱処理時の細粒維
持安定性に優れる粉末圧密肌焼鋼およびその製造方法に
関するものである。

従来の溶製法による合金肌焼鋼は、Ｃ量が０２１２〜
０１２５％１０量が０．００５％以下の低炭素、低酸素
材が普通であって、細粒化処理を目的として、Ａｌが０
６０２％以上（通常０００５％程度）合金され２ている
が、それでもなお、熱処理時に十分な細粒維持安定性を
確保することが難しく、これが原因して、例えば浸炭焼
入時に熱処理歪のバラツキがしばしば生ずるという欠点
があった。

本発明は、従来の溶製法により製造される合金肌焼鋼の
有する前記欠点を除去、改善した肌焼鋼とその製造方法
を提供することを目的とするもので、熱処理時の細粒維
持安定性に優れる肌焼鋼を粉末圧密加工法により製造す
る方法を提供する。

次に本発明を詳細に説明する。まず本発明の粉末圧密肌
焼鋼は、熱力学的に比較的安定な酸化物系非金属介在物
を組織中に微細に分散されたため母材が細粒化状態にあ
り、その結果浸炭処理中に浸炭層オーステナイト結晶粒
子が微細なままで維持され、また高温加熱時においでも
オーステナイト結晶粒子が微細なままで維持されるので
、結果的に材質が安定、改善された粉末圧密肌焼鋼とな
ったものである。

次に本発明鋼において微細に分散されている熱力学的に
比較的安定な酸化物系非金属介在物について説明する。

今、金属を一般的にＭで表わし、この酸化反応を２Ｍ＋
０ →２Ｍ０（１） とす６と・０・ト″当り０酸化反応０自由”７″キー変
化ＪＥＴ．ｌ−Ｅ−／１ｚ当り０酸イヒ反応０自由”ネ
ルギ一変化ΔＥＴはΔＥ’Ｔ＝ＲＴｌｎＰＯ２（Ｋｃａ
ｌ／モル０２） （２）と表わされ、これはまた各元
素毎に、それぞれある一定の温度範囲において、ΔＥＴ
＝Ａ＋ＢＴＡＯｇＴ＋ＣＴ（Ｃａｌ／”ｊレ０２）
（３）とも表示できる。

ここでＡ，Ｂ，Ｃは定数であり、Ｔは絶対温度（０Ｋ）
である。この（２）式又は（３）式の関係は、既に各元
素毎に具体的に求められている。そこで、このような関
係を用いて、例えば１０００℃における主要合金元素の
酸化反応の自由エネルギー変化を求めると、次のように
なる。２Ｃ＋０ → ２Ｃ０（４） の反応の自由エネルギー変化は、１０００℃において−
１０７Ｋｃａ１／モル０？であり、（１）式と（４）式
からＭＯ＋Ｃ−）Ｍ＋ＣＯ（５） なる反応式が導かれる。

本発明者等は、本発明鋼の成分組成の範囲内で前記II群
元素の１種または２種以上を主成分として含有した合金
鋼粉末を、１０００℃以上乃至溶融温度未満の温度範囲
内で熱間圧密加工し、Ｃ：０，２６〜０．３９％，ｏ：
０．ｉｓ〜０，３５％にすると、前記含有されたII群元
素はその酸化物の一部が（５）式の反応により還元され
るものの熱間加工により大部分が１０μｍ以下の微細な
酸化物となって基質中に分散し、このためオーステナイ
ト結晶粒子が微細化していることを新規に知見して本発
明に想到した。

ところでＩ群元素の酸化物は熱間圧密加工中に（５）式
により還元されてしまうので微粒維持安定性は悪いが、
しかしＩ群元素は鋼中に合金されて焼入性、耐食性、靭
性のより一層の向上ならびに耐熱性等の材質改善に有効
に寄与する。

一方、III群元素の酸化物は熱間加工中に（５）式によ
っては全く還元されず、しかもＳｉを合金したものにあ
ってはIII群系元素との複合酸化物が生成し易く、長大
な介在物となり、またＡｄ，Ｔｉを合金したものにあっ
てはII群系の酸化物を核としてクラスター状の大きな介
在物が形成される傾向にある。

本発明は、上記の如くＩ〜III群元素の酸化物挙動につ
き新規な知見を得て完成したものである。

本発明にあってはII群元素中のＭｎ，Ｃｒの何れか少な
くとも１種を含有合金させる必要があり、かつＶ，Ｎｂ
，Ｂのなかから選ばれる何れか少なくとも１つを含有合
金化さ・＝Ｊ−７１。Ｍｎ，ＣｒはＶ，Ｎｂ，Ｂに較べ
て低廉であること、ならびにＭｎ，Ｃｒの何れをも含有
合金せずにＶおよびまたはＮｂを含有合金したものにあ
っては、Ｖ，Ｎｂの炭化物、窒化物の生成傾向が強いた
め、酸化物の形成量が減少するので、先ず低廉なＭｎ，
Ｃｒを用いて微細分散酸化物を形成させることを主体と
し、Ｖ．ＮｂおよびＢは補助的に含有合金させることが
有利である。

本発明鋼にあっては、ＭＯ＋Ｃｒおよびさらにはそれら
と同効のものである補助的に加えるＶ，Ｎｂ，Ｂ等の合
金元素が、部分的あるいは完全に酸化して微細に分散し
ているにもかかわらず、これら合金元素の酸化物の分散
強化の効果は期待できない。

その理由はこれら元素の酸化によって、これら元素の有
効固溶量が減少し、その減少分だけ焼入性、強度が低下
するからである。したがって本発明鋼においては、微細
分散酸化物は鋼の結晶粒の細粒化効果に主として寄与し
でいると言える。次に本発明鋼の成分組成を限定する理
由を説明する。

ＣＯ．２６〜０．３９％についで； 本発明鋼は、前記II群元素の一部もしくは全部の酸化に
よる酸化物により結晶粒の細粒化が得られるから、これ
らII群元素の有効固溶量ば減少し、そのため焼入性が低
下すると同時に母材硬さも減少するので、浸炭熱処理し
た場合、浸炭層の耐スポーリング性が劣化する。

これを補うために、母材硬さを上げる狙いからＣ合金量
を、溶製肌焼鋼より相対的に高目とし、その下限量を０
．２６％とした。また、II群元素酸化物の微細分散を図
る上からも、Ｃは最低０．２６％必要である。このよう
な酸化物の微細分散化により、転勤疲労特性が向上する
ほか耐摩耗性も優れ、オーステナイト結晶粒度の細粒化
を通じで、衝撃破面遷移温度も低くなるなど材料の機械
的特性が改善される。このほか浸炭時に、酸化物の多量
含有により浸炭性が阻害されて浸炭に長時間を要するよ
うになるので、浸炭時間の短縮の上からも、この下限Ｃ
量が必要である。一方、Ｃ量の上限は、浸炭材芯部の靭
性を考慮しで、０．３９％に決めた。Ｃ量がこの値を超
えて多くなると、芯部の靭性は急激に低下する。さらに
、母材Ｃ量が、この値を超えて多くなると、浸炭焼入時
に、表面層に好適な圧縮残留応力を発生させることが不
可能きなり、疲労特性や耐ピッチング性が低下する。従
ってＣ量の上限に０．３９％でなければならない。００
．１８〜０．３５％について： 前述の如く、II群元素の微細分散酸化物を形成させて、
浸炭層および高温加熱時における母材の各オーステナイ
ト結晶粒度を、微細安定に維持し、浸炭熱処理あるいは
通常の熱処理後の機械的特性を良好に保持又は改善する
上から、０量は、最低０．１８％が必要である。

一方、０量が０．３５％を超えて多い場合には、当然、
介在物量も多くなるので、母材の焼入性、浸炭性が劣る
ほか、引張強さや衝撃値も低下し、浸炭熱処理材の機械
的性質も又劣化する。このほか、転勤疲労寿命も短かく
なるので好ましくない。このように機械的特性が劣化す
る原因は、酸化物量が増加することに加えて、そのサイ
ズが大型化し、微細分散化が困難になることによる。従
って、０量の上限は０．３５％でなければならない。次
に、結晶粒微細化効果元素について説明する。

（１） ＭｎＯ．３５〜２．３％についで；Ｍｎは、
焼入性を向上させるのに有効で低廉な合金元素であり、
かつ本発明鋼にあっては、その一部又は全部が酸化され
て生ずる酸化物は微細に分散しており、これによって浸
炭時の細粒維持と浸炭熱処理材の機械的特性改善が達成
されるので、ＭｎはＣｒと共に少なくとも何れか一方が
必要なきわめて重要な元素である。この元素の下限量合
金化は、酸化物の好ましい微細分散状態の現出および好
適な焼入性と、母材および浸炭材の良好な機械的特性確
保の上からも必要であり、種々検討した結果、０．３５
％以上であれば十分なことがわかった。一方、上限量は
、焼入硬化深度や脆化傾向を考慮して２．３％と決めた
。なお、Ｍｎ量が２、３％を超えで多くなる酸化物量も
多くなり勝ちであり、前記０量の上限値を超え易くなる
ので、この意味からもＭｎ量の上限は、２．３％でなけ
ればならない。（２） ＣｒＯ．３〜５．０％ニツイ
テ；Ｃｒ量の下限値、上限値もまたＭｎの場合と同様の
理由により決定したが、Ｃｒは、許容し得る上限量を比
較的高くとり得る点でＭｎとやや異なっており、種々検
討した結果、この値を５．０％と決定した。（３）
ＮｂＯ．Ｏｌ〜１．０％，ＶＯ．Ｏｌ〜１．０％ニツイ
テ：Ｎｂ，Ｖの細粒化効果は溶製鋼と同じであり、ただ
高価な元素であるので、微細分散状の酸化物形成元素と
しては、あくまでも補助的に使用することが望ましく、
それも耐摩耗性や耐熱性など特殊性能を要求される場合
に併用するときに効果的である。

こうように、上限量の１．０％は、肌焼鋼という立場を
考慮して、経済性を主な理由として決めたものであるが
、そのほかに、Ｎｂ，Ｖは炭化物、窒化物を形成し易い
ため、余り大量に用いると材料の脆化を招くので、この
意味からも１．０％とした。下限量の０．０１％は、添
加して効果の認められる最低量であり、溶製鋼における
通常の微量合金の場合と同様の量である。（４）ＢＯ．
ＯＯＯｌ〜０．５％について；Ｂは鋼中で酸化物、窒化
物を生成し易いこと溶製鋼と変りなく、またオーステナ
イト中に固溶した場合には０．０００１％程度の合金量
でも焼入性の向上に寄与することが知られており、本発
明においてもこの程度の合金量で十分効果が認められる
ので下限量は０．０００１％とした。

一方Ｂは０、５％より多く合金させると鋼材の脆化が著
しくなるので、上限量を０．５％に限定した。なお合金
したＢの大半は酸化物として存在していることは、前記
他のII群元素と同様である。Ｓｉを、０．１％以下、Ａ
ｉ．Ｏｌ％以下、ＴｉＯ．Ｏｌ％以下についで：Ｓｉを
、０．１％を超えて合金すると、前述の如く、長大な介
在物が生成し、機械的特性が著しく劣化するので好まし
くない。

従って、Ｓ１の合金量は０．１％以下に抑制する必要が
ある。また、Ａ／！！，Ｔｉも同様に、０．０１％を超
えて合金された場合に ．は、クラスター状の大きな介
在物を生成し、機械的特性を劣化さす、とくに転勤疲労
寿命が著しく短かくなるので好ましくない。なお、その
他種々の目的で、Ｃｕ，Ｎｉ，ＣａｒＳｎ，ＭＯ，Ｗ各
０．１〜２．０％加えることを防げな 、［／１０但し
、これは本発明の効果を阻害しない限度とする。

これらの元素は、前記Ｃ，Ｏ，Ｓｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｎ
，Ｃｒ，Ｖ，Ｎｂの各元素の共同効果を助長こそすれ、
阻害するものではなく、例えば焼入性や機械的特性、そ
の他を向上せしめるので、必要に応じて何れか１種又は
２種以上を適宜合金してさしつかえない。

ただし、これらの元素は高価なものが多いので、一応上
限量を２．０％とし、下限量は、添加効果の現われる最
低量という意味から０．１％とした。次に本発明の製造
方法について説明する。

本発明によれば、ＭｎＯ．３５〜２．３％，ＣｒＯ．３
〜５．０％の何れか少なくとも１種：必要に応じで、Ｖ
Ｏ．Ｏｌ〜１．０％，ＮｂＯ．Ｏｌ〜１．０％， ＢＯ
．ＯＯＯｌ〜０．５％のなかから選ばれる何れか少なく
とも１種；ＳｉＯ．ｌ％以下；Ａ７Ｏ．Ｏｌ％以下；Ｔ
ｉＯ．Ｏｌ％以下；ＣＯ．４５％以下；００．５５％以
下を含み残部実質的にＦｅよりなる合金鋼粉末に上記Ｏ
量に応じた量の黒鉛粉末を加えて混合したのち、１００
０℃以上乃至溶融温度未満の温度範囲内で圧密加工して
、密度比を９８％以上で、鋼粉中にＣＯ．２６〜０．３
９％，００．１８〜０．３５％残留するようになすこと
によって、Ｍｎ，Ｃｒの何れか少なくとも１種の酸化物
と必要により含まれるＶ，Ｎｂ，Ｂのうちから選ばれる
何れか少なくとも１種の酸化物とより主としてなる非金
属介在物が基地中に微細に分散しており、前記介在物の
粒子中１０μｍ以下の粒子が個数比率で９５％以上であ
る熱処理時の細粒維持安定性に優れる粉末圧密肌焼鋼を
得ることができる。

本発明は密度比が９８％より小さいと機械的諸特性が劣
化するので、密度比は９８％以上にする必要があり、ま
た介在物の粒子中１０μｍ以下の粒子が個数比率で９５
％より少ないと転勤疲労特性ならびに靭性が劣化するの
で９５％以上にする必要がある。

なお本発明において上記個数比率を９５％以上にするた
めの１つの条件として合金鋼粉末の成分組成を前述の如
く限定する必要がある。本発明において非金属介在物の
個数比率を求めるに当って、低倍率でカウントしたので
は、より微細なものを数え落すおそれがあるので、顕微
鏡などで、必ず１０００倍以上に拡大してカウントする
ことが重要である。次に本発明を実験データに基づいて
説明する。

水アトマイズ法により製造したＭｎＯ．８５％，Ｃｒｌ
％， ＭＯＯ．２５％，ＳｉＯ．Ｏ２３％， Ａｌ！０
．００５％，ＴｉＯ．ＯＯ２％および小量のＣとＯを含
み残部実質的にＦｅよりなる成分組成のＡ−Ｅの銅粉を
、所謂バック鍛造法によって粉末鍛造して得た密度比１
００％の鋼材のＣおよび０の含有量を第１表に示す。同
表中記号Ｂ，Ｅは本発明方法により製造した本発明鋼で
あり、記号Ａ，Ｃ，ＤはＣ，Ｏの含有量の何れか少なく
とも１種が本発明鋼のそれから外れている比較鋼である
。

なお、粉末鍛造鋼のＣ，Ｏ量の調節は、銅粉に予め合金
および混合させたＣ量の合計と鋼粉０量および鍛造時の
加熱温度とによって行なう。

その際、加熱温度が高くなるにつれて脱酸、脱炭が進行
するが、通常１０００℃以上では、Ｃ１原子に対して０
１原子の割合で脱炭、脱酸が進むので、粉末鍛造鋼のＣ
，Ｏ量調節は容易に行ない得る。つまり、鋼粉のＯ量に
対してどの程度のＣ量を混合し、何度に加熱して鍛造す
るかで本発明になる鋼材のＣ，Ｏ量が決まってくる。第
１表中の記号Ａ，Ｂ，Ｃの３試料についてジョミニ一試
験を行なった結果を第１図に示す。

この図によれば、Ｂが肌焼鋼として、ほぼ好適な焼入性
をもっていることがわかる。なお、図中一点鎖線で示し
た２本の曲線は、溶製肌焼鋼ＡＳＣＭｌ７ＨのＨバンド
上限および下限（いずれも規格値）を示したものである
。次に試料Ｄ，Ｅと溶製肌焼鋼ＡＳＣＭＩ７Ｈを、カー
ボンポテンシャル１％，９３０℃Ｘ３ｈの条件でガス浸
炭して油焼入れした場合の浸炭層硬さ曲線を第２図に示
す。ＡＳＣＭＩ７Ｈと本発明鋼Ｅは、ほぼ等しい有効浸
炭深さ（Ｈｖ５ｌ３を示す深さ）であり、十分な厚さの
浸炭硬化層が形成されることがわかる。これに対して、
試料Ｄは、有効浸炭深さが浅い上、芯部の硬さが低いな
ど、浸炭性および浸炭材特性の上から見て問題がある。
次にＡ，Ｂ，Ｃ３試料を８８０℃で焼準処理した後、９
２５〜１２００８Ｃの各温度に３時間保持しで、加熱温
度によるオーステナイト結晶粒度の変化を調べた結果を
第３図に示す。

同図より０含有量の少ない試料Ａは、すでに９５０℃か
ら粗粒化が観察されるが、０量の多いＢ，Ｃでは１２０
０℃においても、なお十分な細粒状態を保っていること
がわかる。次に試料ＡとＢに８８０℃Ｘ４Ｏｍｉｎ．油
焼入れ、６００℃Ｘ９Ｏｍｉｎ．水冷焼戻しの通常強靭
鋼並みの熱処理を施しで、衝撃靭件の温度依存性を調べ
た結果を第４図に示す。

これによると本発明鋼Ｂは、Ａに較べて衝撃飽和値が幾
分低いものの、破而遷移温度は、Ａの＋５℃に対して−
４１℃と十分に低く、かつ低温側試験温度においては、
Ａ以上の衝撃値を示し、本質的に低温靭性に優れている
ことがわかる。本発明鋼において非金属介在物は大部分
が酸化物であることをＥＰＭＡにより確認したが、第１
表の本発明鋼Ｂの非金属介在物のサイズ分布をＱＴＭに
より調べた結果を第２表に示す。

同表から酸化物の大半すなわち９９％が、大きさ１０μ
ｍ以下であることがわかる。次に試料Ｄ，Ｅの母材およ
び浸炭材をそれぞれ熱処理した後の機械的性を第３表に
示す。

同表より本発明鋼Ｅは、比較鋼Ｄと較べて、母材の引張
強さが優れているものの、伸び、絞り、衝撃値は低く、
総体に靭性に劣っている。

この理由は、Ｄより炭素含有量が多いにも拘らず、Ｄと
同一の低温焼戻しにとどめているためと考えられる。こ
のような本発明鋼も浸炭熱処理した場合には、比較鋼と
の間で靭性の差がなくなり、従って強度的に高い分だけ
本発明鋼が優れていると言える。このことは、第３表の
浸炭材に関してＤとＥを比較すれば明らかである。以上
述べたところから、総合的に本発明鋼の有利性が明らか
となるが、このような本発明鋼のもう一つの有利性は、
本発明鋼を圧密加工するに当って、比較的高酸素（例え
ば０．１５〜０．５５％Ｏ程度）の鋼粉が利用できると
いうことである。

もつとも、原料鋼粉の０量が、必ずしもこの範囲になけ
ればならないということではなく、例えば熱間加工中に
部分的に酸化させて、最終圧密材におけるＯ量を、特許
請求範囲に記載の限度内に収めればそれで十分である。
以上本発明鋼は熱力学的に比較的安定な酸化物が微細均
一に分散して存在しているため機械的諸特性が損なわれ
ないだけでなく、オーステナイト結晶粒度がより高温度
まで安定して微細に維持され、また浸炭処理中の浸炭層
においても同様にオーステナイト結晶粒度が安定して微
細に維持されるという大きな特徴を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は比較鋼を含む本発明鋼のジョミニーー端焼入硬
化曲線を示す図、第２図は溶製鋼、比較鋼を含む本発明
鋼の浸炭層硬さ曲線を示す図、第３図は比較鋼と本発明
鋼の加熱温度とオーステナイト結晶粒度との関係を示す
図、第４図は比較鋼と本発明鋼の温度と脆性破面率なら
びに衝撃値との関係を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量％で、Ｃ：０．２６〜０．３９％およびＯ：０
   ．１８〜０．３５％を含み、かつＭｎ：０．３５〜２．
   ３％およびＣｒ：０．３〜５．０％のうちの１種または
   ２種を微細酸化物形成元素として含有させ、そしてＳｉ
   を０．１以下、Ａｌを０．０１％以下、Ｔｉを０．０１
   ％以下の量に抑えて含有させ、残部が不可避不純物とＦ
   ｅよりなる基地中に、１０μｍ以下の粒子が個数比率に
   して９５％以上を占める上記主成分として含有させたＭ
   ｎ、Ｃｒの微細酸化物を分散させたものよりなる、密度
   比が９８％以上の熱処理時の細粒維持安定性に優れる粉
   末圧密肌焼鋼。 ２ 重量％で、Ｃ：０．２６〜０．３９％およびＯ：０
   ．１８〜０．３５％を含み、かつ微細酸化物形成元素と
   して主にＭｎ：０．３５〜２．３％およびＣｒ：０．３
   〜５．０％のうちの１種または２種を含有させる一方、
   補助的に同効の０．０１〜１．０％のＮｂ、０．０１〜
   １．０％のＶおよび０．０００１〜０．５％のＢのなか
   から選ばれる何れか少なくとも１種以上を上記Ｍｎ、Ｃ
   ｒとともにそれらに代るものとして一部含有させ、そし
   てＳｉを０．１以下、Ａｌを０．０１％以下、Ｔｉを０
   ．０１％以下の量に抑えて含有させ、残部が不可避不純
   物とＦｅよりなる基地中に、１０μｍ以下の粒子が個数
   比率にして９５％以上を占める上記主成分として含有さ
   せたＭｎ、Ｃｒ、Ｎｂ、ＶおよびＢの微細酸化物を分散
   させたものよりなる、密度比が９８％以上の熱処理時の
   細粒維持安定性に優れる粉末圧密肌焼鋼。 ３ 重量％で、Ｃ：０．４５％以下およびＯ：０．５５
   ％以下を含み、かつＭｎ：０．３５〜２．３％およびＣ
   ｒ：０．３〜５．０％のうちの１種または２種を含有さ
   せ、そしてＳｉを０．１％以下、Ａｌを０．０１以下、
   Ｔｉを０．０１％以下の量に抑えて含有させ、残部が不
   可避不純物とＦｅよりなる合金鋼粉末に、上記Ｏ量に応
   する量の黒鉛粉末を混合し、その後該混合粉末を密度比
   が９８％以上となる圧密加工を１０００℃以上の温度で
   行うことにより、鋼粉中にＣ：０．２６〜０．３９％、
   Ｏ：０．１８〜０．３５％残留するようになすことを特
   徴とする熱処理時の細粒維持安定性に優れる粉末圧密肌
   焼鋼の製造方法。