JPWO2019182054A1 - 鋼材 - Google Patents

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Abstract

本発明の一態様に係る鋼材は、所定の化学成分を有し、長さ方向に垂直である断面の中心からの距離ｒが０．７Ｒ≦ｒ≦０．９Ｒを満足する領域において、組織がフェライトとベイナイトを含み、面積率で前記フェライトの平均分率が４０〜７０％の範囲であり、前記フェライトと前記ベイナイト以外の組織の平均分率の合計が、平均値で０％以上３％以下であり、残部がベイナイトからなる組織であり、前記領域中の前記フェライトの分率の標準偏差が４％以下である。

Description

本発明は、鋼材に関する。
本願は、２０１８年３月２３日に、日本に出願された特願２０１８−０５６８６７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
自動車や建設機械、産業機械等に用いられる歯車は、精密な寸法精度と強度とを両立するため、一般に機械加工後に浸炭焼入れを施して使用される。近年、運転時の静粛性が従来と比べ強く求められており、歯車の寸法精度、特に歯部の寸法精度の向上が求められている。歯車の歯部の寸法精度は、浸炭焼入れ時の熱処理に伴う変形（以下、熱処理歪と称する）に起因する。この熱処理歪が歯車の歯部毎に異なり安定しないため、同一歯車内において対称的な形状から外れることで使用中に振動を生み出し、静粛性が失われる。このため、対称的な形状となるよう、歯車の歯部の熱処理歪を安定化させることが求められている。
従来の浸炭歯車用鋼の技術開発に関し、特許文献１では冷間鍛造性と焼戻し軟化抵抗とが優れた鋼材を提供する技術が記載されている。しかし特許文献１は本発明で解決しようとする課題である、浸炭焼入れ時の歯車の歯部の熱処理歪を安定化する技術を提供するものではない。
特許文献２では組織がフェライト・パーライト組織、フェライト・パーライト・ベイナイト組織、またはフェライト・ベイナイト組織で構成され、横断面を１視野あたりの面積を６２５００μｍ２としてランダムに１５視野観察測定したときの、フェライト分率の標準偏差が０．１０以下であり、横断面において表面から半径の１／５までの領域および中心部から半径の１／５までの領域を観察したとき、それぞれの領域において、ＡｌＮとして析出しているＡｌ量が０．００５％以下で、かつ、直径１００ｎｍ以上のＡｌＮの個数密度が５個／１００μｍ２以下であることを特徴とする熱間圧延棒鋼または線材を提供する技術が開示されている。しかしながら特許文献２に開示された実施例に鑑みると、特許文献２の技術ではフェライト分率の標準偏差を抑制するためにパーライト組織が用いられていると推定される。即ち特許文献２の技術によれば、パーライトを実質的に含まないように組織制御しながら、フェライト分率の標準偏差を十分下げることはできない。
国際公開第２０１４／１７１４７２号 国際公開第２０１１／０５５６５１号
本発明の目的は、浸炭焼入れ時の歯車の歯部の熱処理歪を安定化させる鋼材を提供することである。
本発明の要旨は以下の通りである。
（１）本発明の一態様に係る鋼材は、質量％で、Ｃ：０．１７〜０．２１％、Ｓｉ：０．４０〜０．６０％、Ｍｎ：０．２５〜０．５０％、Ｃｒ：１．３５〜１．５５％、Ｍｏ：０．２０〜０．４０％、Ｓ：０．０１０〜０．０５％、Ｎ：０．００５〜０．０２０％、Ａｌ：０．００１％〜０．１００％、Ｎｂ：０．００１〜０．０３０％Ｎｉ：０〜３．０％、Ｃｕ：０〜１．０％、Ｃｏ：０〜３．０％、Ｗ：０〜１．０％、Ｖ：０〜０．３％、Ｔｉ：０〜０．３％、Ｂ：０〜０．００５％Ｏ：０．００５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｐｂ：０〜０．５％、Ｂｉ：０〜０．５％、Ｃａ：０〜０．０１％、Ｍｇ：０〜０．０１％、Ｚｒ：０〜０．０５％、Ｔｅ：０〜０．１％、希土類元素：０〜０．００５％残部がＦｅ及び不純物からなり、長さ方向に垂直である断面の中心からの距離ｒが下記式を満足する領域において、組織がフェライトとベイナイトを含み、面積率で前記フェライトの平均分率が４０〜７０％の範囲であり、前記フェライトと前記ベイナイト以外の組織の平均分率の合計が、平均値で０％以上３％以下であり、残部がベイナイトからなる組織であり、前記領域中の前記フェライトの分率の標準偏差が４％以下である。
０．７Ｒ≦ｒ≦０．９Ｒ
ただし、Ｒは鋼材の円相当半径を現す。
（２）上記（１）に記載の鋼材は、質量％で、Ｎｉ：０．０１〜３．０％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％、Ｃｏ：０．０１〜３．０％、Ｗ：０．０１〜１．０％、Ｖ：０．０１〜０．３％、Ｔｉ：０．００１〜０．３％、Ｂ：０．０００１〜０．００５％の１種又は２種以上を含有してもよい。
（３）上記（１）又は（２）に記載の鋼材は、質量％で、Ｐｂ：０．０１〜０．５％、Ｂｉ：０．０００１〜０．５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％、Ｚｒ：０．０００１〜０．０５％、Ｔｅ：０．０００１〜０．１％、希土類元素：０．０００１〜０．００５％の１種又は２種以上を含有してもよい。
本発明の鋼材を用い、浸炭焼入れして製造される歯車の歯部の熱処理歪を安定化させることができる。
フェライトの平均分率及びフェライト分率の標準偏差の測定位置を説明する鋼材の断面模式図である。
以下に、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
まず、本発明に至った経緯を説明する。
本発明者らは、浸炭焼入れ後の歯車の歯部の熱処理歪を安定化させる方法について鋭意調査を行った。その結果、鋼材のうち、機械加工後に歯部となる領域における組織の均一性を向上させることにより、熱処理歪が安定化することを知見した。そこでさらに本発明者らは鋼材における歯車の歯部に相当する領域の組織を均一化する方法について、鋼材の化学成分および、製造方法を変化させた際の影響を調査した。その結果、鋼材成分を所定の範囲とした上で、鋳造方法、および圧延後の冷却速度を制御することにより、鋼材における歯車の歯部に相当する領域の組織を均一化できることを知見した。鋳造方法の制御に関し、鋳造の断面積と鋳造速度、および表面における鋳込み開始から矯正点までの平均冷却速度を組み合わせて制御を行う。これにより鋳片における最終的に歯車の歯部となる領域の鋳造組織を均質化することができる。更に、圧延後の冷却速度の制御に関し、鋼材表面の冷却速度を制御する。これにより、鋼材における歯車の歯部に相当する領域の組織を均質化することができる。
次に本実施形態に係る鋼材の化学成分の限定理由について説明する。以下、合金元素の含有量に係る単位である「質量％」は、単に「％」と記載する。
Ｃ：０．１７〜０．２１％
Ｃ含有量は、歯車の非浸炭部の硬さに影響する。所要の硬さを確保するために、Ｃ含有量を０．１７％以上とする。一方、Ｃ含有量が多すぎると浸炭後の非浸炭部硬さが高くなり、衝撃に対する強度が低下するため、Ｃ含有量を０．２１％以下とする。Ｃ含有量の好ましい下限は０．１７５％、０．１８％、０．１８５％、又は０．１９％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．２０５％、０．２００％、０．１９５％、又は０．１９％である。
Ｓｉ：０．４０〜０．６０％
Ｓｉは、鋼材における、機械加工後の歯車鋼の歯部に相当する領域の組織を均質化させる上で厳格に含有量が制限される必要がある元素である。ただし、Ｓｉ含有量が高すぎる場合、鋼材のフェライト量が不足し、ベイナイトなどの量が増大し、加工性が損なわれる。上述の効果を得るため、Ｓｉ含有量を０．４０〜０．６０％の範囲内にする必要がある。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．４２％、０．４５％、０．４８％、又は０．５０％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．５８％、０．５５％、０．５３％、又は０．５１％である。
Ｍｎ：０．２５〜０．５０％
Ｍｎは、鋼材における、機械加工後の歯車鋼の歯部に相当する領域の組織を均質化させる上で厳格に含有量が制限される必要がある元素である。上述の効果を得るため、Ｍｎ含有量を０．２５％以上にする必要がある。ただし、Ｍｎ含有量が高すぎる場合、鋼材のフェライト量が不足し、ベイナイトなどの量が増大し、加工性が損なわれる。従って、Ｍｎ含有量は０．５０％以下とする。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．２７％、０．３０％、０．３２％、又は０．３５％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．４８％、０．４５％、０．４２％、又は０．４０％である。
Ｃｒ：１．３５〜１．５５％
Ｃｒは、鋼材における、機械加工後の歯車鋼の歯部に相当する領域の組織を均質化させる上で厳格に含有量が制限される必要がある元素である。ただし、Ｃｒ含有量が高すぎる場合、鋼材のフェライト量が不足し、ベイナイトなどの量が増大し、加工性が損なわれる。上述の効果を得るため、Ｃｒ含有量を１．３５〜１．５５％の範囲内にする必要がある。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１．３７％、１．４０％、１．４２％、又は１．４５％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は１．５３％、１．５０％、１．４９％、又は１．４７％である。
Ｍｏ：０．２０〜０．４０％
Ｍｏは、鋼材における、機械加工後の歯車鋼の歯部に相当する領域の組織を均質化させる上で厳格に含有量が制限される必要がある元素である。また、Ｍｏは、後述するＮｂとともに鋼材に含有された場合、鋼材の焼入れ性を増加させパーライト変態を抑制し、且つ、鋼材加熱時のオーステナイト結晶粒粗大化を抑制する。これにより、焼入れ性を適度に制御することが可能になり、マルテンサイト変態を抑制して所望のベイナイト組織を得ることが可能になる。ただし、Ｍｏ含有量が高すぎる場合、鋼材のフェライト量が不足し、ベイナイトなどの量が増大し、加工性が損なわれる。上述の効果を得るため、Ｍｏ含有量を０．２０〜０．４０％の範囲内にする必要がある。Ｍｏ含有量の好ましい下限は０．２２％、０．２５％、０．２８％、又は０．３０％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．３８％、０．３５％、０．３２％、又は０．３０％である。
Ｓ：０．０１０〜０．０５％
Ｓは、鋼中でＭｎＳを形成し、これにより鋼の被削性を向上させる。部品への切削加工が可能なレベルの被削性を得るには一般的な機械構造用鋼と同等のＳ含有量が必要である。以上の理由から、Ｓの含有量を０．０１０〜０．０５％の範囲内にする必要がある。Ｓ含有量の好ましい下限は０．０１２％、０．０１４％、０．０２０％、又は０．０２２％である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０３５％、０．０３０％、０．０２８％、又は０．０２５％である。
Ｎ：０．００５〜０．０２０％
Ｎは、ＡｌやＴｉ、Ｖ、Ｃｒなどと化合物を形成することによる結晶粒微細化効果があるため、０．００５％以上含有する必要がある。しかし、０．０２０％を超えると化合物が粗大となり、結晶粒微細化効果が得られない。以上の理由によって、Ｎ含有量を０．００５〜０．０２０％の範囲内にする必要がある。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００５５％、０．００６０％、０．００７％、又は０．０１０％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０１８％、０．０１５％、０．０１２％、又は０．０１０％である。
Ａｌ：０．００１％〜０．１００％
Ａｌは、鋼の脱酸に有効な元素であり、またＮと結合して窒化物を形成して結晶粒を微細化する元素である。Ａｌ含有量が０．００１％未満ではこの効果が不十分である。一方Ａｌ含有量が０．１００％を超えると、窒化物が粗大になり脆化させる。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００４％、０．００７％、０．０１０％、又は０．０２０％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０８０％、０．０５０％、０．０４０％、又は０．０３０％である。
Ｎｂ：０．００１〜０．０３０％
Ｎｂは、鋼中でＣやＮと微細な化合物を生成し、結晶粒微細化効果をもたらす元素である。また、Ｎｂは、Ｍｏとともに鋼材に含有された場合、上述された相乗効果（パーライト変態とマルテンサイト変態の抑制効果）を発揮する。Ｎｂ含有量が０．００１％未満では、この効果が不十分である。Ｎｂ含有量が０．０３０％を超えると、炭窒化物が粗大となりこの効果が十分に得られない。以上の理由から、Ｎｂの含有量を０．００１〜０．０３０％にする必要がある。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．００５％、０．０１０％、０．０１２％、又は０．０１５％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．０２８％、０．０２５％、０．０２２％、又は０．０２０％である。
Ｏ：０．００５％以下
Ｏは、鋼中で酸化物を形成し、介在物として作用して疲労強度を低下するため、Ｏ含有量は０．００５％以下に制限されることが好ましい。Ｏ含有量の好ましい上限は０．００３％、０．００２％、０．００１５％、又は０．００１％である。Ｏ含有量は少ない方が好ましいので、Ｏ含有量の下限値は０％である。しかし、Ｏの除去を必要以上に行った場合、製造コストが増大する。従って、Ｏ含有量の下限値を０．０００１％、０．０００２％、０．０００５％、又は０．０００８％としてもよい。
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、焼入れ前の加熱時にオーステナイト粒界に偏析し、それにより疲労強度を低下させてしまう。したがって、Ｐ含有量を０．０３％以下に制限することが好ましい。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２５％、０．０２３％、０．０２０％、又は０．０１５％である。Ｐ含有量は少ない方が好ましいので、Ｐ含有量の下限値は０％である。しかし、Ｐの除去を必要以上に行った場合、製造コストが増大する。従って、Ｐ含有量の実質的な下限は約０．００４％以上となるのが通常である。Ｐ含有量の下限値を０．００５％、０．００７％、０．０１０％、又は０．０１２％としてもよい。
本実施形態に係る鋼は、焼入れ性または結晶粒微細化効果を高めるために、さらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔｉ及びＢからなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。これらの元素を含有しない場合の下限は０％である。
Ｎｉ：０〜３．０％
Ｎｉは、必要な焼入れ性を鋼に付与するために有効な元素である。この効果を得るためには、Ｎｉ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。Ｎｉ含有量が３．０％を超えると、焼入れ後に残留オーステナイトが多量になり、硬さが低下する。以上の理由によって、Ｎｉ含有量を３．０％以下、より好ましくは０．０１〜３．０％にする。Ｎｉ含有量の上限はより好ましくは、２．０％であり、さらに好ましくは１．８％である。より好ましいＮｉ含有量の下限は０．１％であり、さらに好ましくは０．３％である。
Ｃｕ：０〜１．０％
Ｃｕは、鋼の焼入れ性の向上に有効な元素である。この効果を得るためには、Ｃｕ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。また、Ｃｕ含有量が１．０％を超えると、熱間延性が低下する。従って、Ｃｕ含有量を１．０％以下とし、より好ましくは０．０１〜１．０％とする。Ｃｕを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｃｕ含有量のより好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．１％である。
Ｃｏ：０〜３．０％
Ｃｏは、鋼の焼入れ性の向上に有効な元素である。この効果を得るためには、Ｃｏ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。Ｃｏ含有量が３．０％を超えると、その効果が飽和する。従って、Ｃｏ含有量を３．０％以下とし、より好ましくは０．０１〜３．０％とする。Ｃｏを含有させて上述の効果を得る場合、Ｃｏ含有量のより好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．１％である。
Ｗ：０〜１．０％
Ｗは、鋼の焼入れ性の向上に有効な元素である。この効果を得るためには、Ｗ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。Ｗ含有量が１．０％を超えると、その効果が飽和する。従って、Ｗ含有量を１．０％以下とし、より好ましくは０．０１〜１．０％とする。Ｗを含有させて上述の効果を得る場合、Ｗ含有量のより好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．１％である。
Ｖ：０〜０．３％
Ｖは、鋼中でＣやＮと微細な化合物を形成し、結晶粒微細化効果をもたらす元素である。この効果を得るためには、Ｖ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。Ｖ含有量が０．３％を超えると化合物が粗大となり、結晶粒微細化効果が得られない。従って、Ｖ含有量を０．３％以下とし、より好ましくは０．０１〜０．３％にする。Ｖを含有させて上述の効果を得る場合、Ｖ含有量のより好ましい下限は０．１％であり、さらに好ましくは０．１５％である。
Ｔｉ：０〜０．３％
Ｔｉは、鋼中でＣやＮと微細な化合物を生成し、結晶粒の微細化効果をもたらす元素である。この効果を得るためには、Ｔｉ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。Ｔｉ含有量が０．３％を超えると、その効果は飽和する。以上の理由から、Ｔｉの含有量を０．３％以下とし、より好ましくは０．００１〜０．３％にする。Ｔｉ含有量のより好ましい上限は０．２５％であり、さらに好ましくは０．２％である。
Ｂ：０〜０．００５％
Ｂは、Ｐの粒界偏析を抑制する働きを有する。また、Ｂは粒界強度および粒内強度の向上効果、及び焼入れ性の向上効果も有し、これら効果は鋼の疲労強度を向上させる。この効果を得るためには、Ｂ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。Ｂ含有量が０．００５％を超えると、その効果は飽和する。以上の理由から、Ｂの含有量を０．００５％以下にし、好ましくは０．０００１〜０．００５％にする。Ｂ含有量のより好ましい上限は０．００４５％であり、さらに好ましくは０．００４％である。
本実施形態による鋼の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｔｅ及び希土類元素（ＲＥＭ）からなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。これらの元素を含有しない場合の下限は０％である。
Ｐｂ：０〜０．５％
Ｐｂは切削時に溶融、脆化することで被削性を向上する元素である。この効果を得るためには、Ｐｂ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。一方過剰に含有すると製造性が低下する。従ってＰｂ含有量は０．５％以下とし、好ましくは０．０１〜０．５％とする。Ｐｂを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｐｂ含有量のより好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｐｂの好ましい上限は０．４％であり、さらに好ましくは０．３％である。
Ｂｉ：０〜０．５％
Ｂｉは、硫化物が微細分散することで被削性を向上する元素である。この効果を得るためには、Ｂｉ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。一方過剰に含有すると鋼の熱間加工性が劣化し、熱間圧延が困難となることから、Ｂｉ含有量を０．５％とし、より好ましくは０．０００１〜０．５％とする。Ｂｉを含有させて上述の効果を得る場合には、好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．００１％である。Ｂｉの好ましい上限は０．４％であり、さらに好ましくは０．３％である。
Ｃａ：０〜０．０１％
Ｃａは、鋼の脱酸に有効で、酸化物中のＡｌ２Ｏ３の含有率を低下させる元素である。この効果を得るためには、Ｃａ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。Ｃａ含有量が０．０１％を超えるとＣａを含む粗大な酸化物が大量に現れ、転動疲労寿命低下の原因となる。以上の理由によって、Ｃａ含有量を０．０００１〜０．０１％の範囲内にする必要がある。Ｃａ含有量の好ましい下限は０．０００３％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。Ｃａ含有量の好ましい上限は０．００８％であり、さらに好ましくは０．００６％である。
Ｍｇ：０〜０．０１％
Ｍｇは脱酸元素であり、鋼中に酸化物を生成する。さらに、Ｍｇが形成するＭｇ系酸化物は、ＭｎＳの晶出および／または析出の核になりやすい。また、Ｍｇの硫化物は、ＭｎおよびＭｇの複合硫化物となることにより、ＭｎＳを球状化させる。このように、ＭｇはＭｎＳの分散を制御し、被削性を改善するために有効な元素である。この効果を得るためには、Ｍｇ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。しかし、Ｍｇ含有量が０．０１％を超えると、ＭｇＳが大量に生成され、鋼の被削性が低下するので、Ｍｇを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｍｇ含有量を０．０１％以下とする必要がある。Ｍｇ含有量の好ましい上限は０．００８％であり、さらに好ましくは０．００６％である。Ｍｇ含有量の好ましい下限は０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。
Ｚｒ：０〜０．０５％
Ｚｒは脱酸元素であり、酸化物を生成する。さらに、Ｚｒが形成するＺｒ系酸化物はＭｎＳの晶出および／または析出の核になりやすい。このように、Ｚｒは、ＭｎＳの分散を制御し、被削性を改善するために有効な元素ある。この効果を得るためには、Ｚｒ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。しかし、Ｚｒ量が０．０５％を超えると、その効果が飽和するので、Ｚｒを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｚｒ含有量を０．０５％以下とし、より好ましくは０．０００１〜０．０５％とする。Ｚｒ含有量の好ましい上限は０．０４％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｚｒ含有量の好ましい下限は０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。
Ｔｅ：０〜０．１％
Ｔｅは、ＭｎＳの球状化を促進するので、鋼の被削性を改善する。この効果を得るためには、Ｔｅ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。Ｔｅ含有量が０．１％を超えるとその効果が飽和する。従って、Ｔｅ含有量を０．１％以下とし、より好ましくは０．０００１〜０．１％とする。Ｔｅ含有量の好ましい上限は０．０８％であり、さらに好ましくは０．０６％である。Ｔｅ含有量の好ましい下限は０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。
希土類元素：０〜０．００５％
希土類元素は、鋼中に硫化物を生成し、この硫化物がＭｎＳの析出核となることで、ＭｎＳの生成を促進する元素であり、鋼の被削性を改善する。この効果を得るためには、希土類元素の合計含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。しかし、希土類元素の合計含有量が０．００５％を超えると、硫化物が粗大になり、鋼の疲労強度を低下させる。従って、希土類元素の合計含有量を０．００５％以下とし、より好ましくは０．０００１〜０．００５％とする。希土類元素の合計含有量の好ましい上限は０．００４％であり、さらに好ましくは０．００３％以ある。希土類元素の合計含有量の好ましい下限は０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。
本明細書でいう希土類元素は、周期律表中の原子番号５７のランタン（Ｌａ）から原子番号７１のルテチウム（Ｌｕ）までの１５元素に、イットリウム（Ｙ）及びスカンジウム（Ｓｃ）を加えた１７元素の総称である。希土類元素の含有量は、これらの１種又は２種以上の元素の総含有量を意味する。
本実施形態に係る鋼は、上述の合金成分を含有し、残部がＦｅおよび不純物を含む。上述の合金成分以外の元素が、不純物として、原材料および製造装置から鋼中に混入することは、その混入量が鋼の特性に影響を及ぼさない水準である限り許容される。
次に鋼材の組織の均一性について説明する。
上述のように、歯車の歯部の熱処理歪を改善するには、鋼材における歯車の歯に相当する領域の組織の均一性を向上する必要がある。ここで、鋼材の歯車の歯に相当する領域とは、鍛造や切削加工後の歯車の歯先から歯元までが含有される領域であり、圧延後の鋼材における０．７Ｒ≦ｒ≦０．９Ｒの領域である。ｒは長さ方向に垂直である鋼材断面の中心からの距離であり、Ｒは鋼材の長さ方向に垂直な鋼材断面における円相当半径である。
発明者らの調査の結果、熱処理歪の改善に適する均一な組織とは、フェライトとベイナイトを含む組織であること、組織分率が適切な範囲であることを明らかにした。組織分率と熱処理歪の関係を調査したところ、後述する測定方法によって、０．７Ｒ≦ｒ≦０．９Ｒの領域において、面積率でフェライトの分率の平均値（平均分率）が４０〜７０％の範囲であり、フェライトとベイナイト以外の組織の平均分率の合計が平均で０％以上３％以下であり、残部がベイナイトからなる組織であり、０．７Ｒ≦ｒ≦０．９Ｒの範囲のフェライトの平均分率の標準偏差が４％以下である場合に、熱処理歪が安定化した。組織分率が上記範囲を超えた場合、熱処理歪が大きくなった。以下、金属組織に関して単に「分率」と記載した場合、それは後述する手段によって求められる鋼材の断面における組織分率（単位：面積％）の平均値を意味する。ただし、「分率の標準偏差」との記載においては、後述するように、「分率」は断面全体での平均値ではなく、各測定視野における分率を意味する。
フェライト分率の好ましい下限は４２％であり、さらに好ましくは４５％である。フェライト分率の好ましい上限は６８％であり、さらに好ましくは６５％である。０．７Ｒ≦ｒ≦０．９Ｒの範囲のフェライト分率の標準偏差は低いほど好ましいため、下限は０％である。０．７Ｒ≦ｒ≦０．９Ｒの領域のフェライト分率の標準偏差の好ましい上限は３．５％であり、さらに好ましくは３％である。
なお、本実施形態に係る鋼材において「ベイナイト」とは、鋼材を加熱してオーステナイト単相組織にした後、連続冷却によって室温まで冷却して得られる組織のうち、フェライト組織、パーライト組織およびマルテンサイト組織を除く組織を意味し、上部ベイナイト組織あるいは下部ベイナイト組織あるいは上部ベイナイト組織と下部ベイナイト組織の混合組織の総称を意味する。
なお、本実施形態に係る鋼材の組織にパーライトが含まれることは、浸炭焼入れ性を損なうので好ましくない。例えば、フェライト、パーライト、ベイナイトの混合組織からなる鋼材を浸炭焼入れすると、加熱時に、歯部に相当する領域のオーステナイト結晶粒組織が不均一になる。これに起因して、浸炭焼入れ後の変形、つまり熱処理歪が増大する。従って、パーライトの面積率は可能な限り制限される必要がある。この事情に鑑みて、フェライトとベイナイト以外の組織の合計が０％以上３％以下と規定される。なお一般的に、フェライトとベイナイト以外の組織の合計が０％以上３％以下である組織は「フェライト・ベイナイト組織」と称される。換言すると、本実施形態に係る鋼材は、フェライト・ベイナイト組織の鋼材である。
次に組織分率の測定方法について説明する。
図１に示すように、鋼材断面の中心から放射状に断面を８等分する（中心角４５度）直線に対し、０．７Ｒ＋０．２５ｍｍ、０．８Ｒ、０．９Ｒ−０．２５ｍｍの円周線と交差する点を測定点とし、各測定点が長方形の中央となるよう０．５ｍｍ×１ｍｍ＝０．５ｍｍ２の長方形範囲を測定領域とした。測定領域は２４箇所である。０．７Ｒ≦ｒ≦０．９Ｒの範囲のフェライト分率およびフェライト分率の標準偏差は、鋼材断面を鏡面研磨後にナイタール腐食を行ったサンプルに対して光学顕微鏡を用いた観察で算出した。フェライトとベイナイト以外の組織としてＭｎＳなどが存在しうるため、ナイタール腐食後のサンプルに対し、各測定領域を目視で観察し、各測定領域において、観察倍率１００倍で撮影（組織の境界が不明瞭である場合は、観察倍率４００倍で撮影）した画像中の０．５ｍｍ２に対し、画像処理ソフトウェアＷｉｎｒｏｏｆ２０１５を用い、フェライトおよびベイナイトを明領域として二値化した際の明領域の面積率を各々導出して、各測定領域毎のフェライト分率およびベイナイト分率を求めた。なお面積率の算出にあたっては、被検面積からＭｎＳなどの非金属組織の面積を除いた面積を評価面積とし、評価面積に対するフェライト組織及びベイナイト組織の面積の割合それぞれを、フェライト組織の面積率及びベイナイト組織の面積率とした。そして、２４箇所の測定領域のフェライト分率の平均値をフェライト分率、２４箇所の測定領域のベイナイト分率の平均値をベイナイト分率とした。フェライトとベイナイト以外の組織の面積率は、１００−（フェライト分率＋ベイナイト分率）で算出した。また、測定点２４箇所におけるフェライト分率の標準偏差を、０．７Ｒ≦ｒ≦０．９Ｒの範囲のフェライト分率の標準偏差とした。
次に、鋳造時の断面積と鋳造速度、および鋳込みから矯正点までの冷却速度および圧延後の冷却速度について説明する。
発明者らが歯車の歯部の熱処理歪を改善するには、上述の通り鋼材のＳｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏの成分範囲を厳格に定めた上で、鋳造方法と圧延時の冷却方法の制御を行う必要がある。鋳造方法に関し、鋳造時における歯車の歯に相当する領域の温度変化の制御が肝要である。鋳造サイズが変化すると、同一の鋳造速度、同一の冷却速度であっても、この領域の温度、冷却速度が変化する。そこで鋳造サイズと鋳片内部の温度変化について検討を行った結果、Ｖ×Ａ０．５／Ｃの制御により、歯車の歯に相当する領域の偏析程度を制御できることを明らかにした。ただし、ここでＶは鋳造速度であり、単位はｍ／分である。またＡは鋳造サイズ（鋳片の断面積）であり、単位はｍｍ２である。Ｃは鋳込み直後から曲げ矯正点までの間における鋳片の平均冷却速度である。鋳片の平均冷却速度は、溶鋼の鋳込み温度と曲げ矯正点における鋳片表面温度との温度差を、鋳型直下から矯正点に到達するまでの所要時間で除した値とする。単位は℃／分である。また、曲げ矯正点とは、湾曲型連続鋳造において、鋳片の形状が湾曲状から真っ直ぐな形状に矯正される位置である。
歯車の歯に相当する領域の偏析程度を適切に制御するためには、Ｖ×Ａ０．５／Ｃの範囲を６．０〜２０．０に制御する必要がある。好ましい下限は６．２以上であり、さらに好ましくは６．５以上である。好ましい上限は１９．０以下であり、さらに好ましくは１８．０以下である。鋳造中の内部の温度を実測することは不可能であるが、この式を用いることで実測可能な項目と鋳造サイズを考慮することで推定することが可能であり、これにより鋳造時における歯車の歯に相当する領域の鋳造制御が可能である。
また、圧延後の冷却に関し、冷却時の鋼材の表面温度が８００℃から３００℃の間における平均冷却速度を制御することが重要である。鋼材の表面温度が８００℃から３００℃の間における平均冷却速度を０．１〜１．０℃／秒に制御することで均一な組織が得られ、さらにフェライト分率を所定範囲内とすることができる。この範囲を超えると均一な組織が得られず、熱処理歪が大きくなる。圧延後の冷却速度の好ましい下限は０．１５℃／秒以上であり、さらに好ましくは０．２℃／秒以上である。圧延後の冷却速度の好ましい上限は０．９℃／秒以下であり、さらに好ましくは０．８℃／秒以下である。
本実施形態にかかる鋼材の好ましい製造条件について説明する。
精錬工程において化学成分を調整した溶鋼を湾曲型連続鋳造機を用いて鋳造する（鋳造工程）。鋳造の際は鋳型サイズ、鋳造速度、冷却速度を上述のように制御するが、生産性の観点から以下の範囲であることが望ましい。鋳型サイズは３００００ｍｍ２以上４０００００ｍｍ２以下、鋳造速度は、０．２ｍ／分以上３．０ｍ／分以下、鋳込みから矯正点間の冷却速度は４．０℃／分以上１００℃／分以下である。
上記鋳造工程により得られた鋳片に対し、分塊圧延を行い、鋼片を得る（分塊圧延工程）。分塊圧延の際の加熱温度は、Ｎｂ化合物を確実に溶体化させるため、１１００℃以上にすることが望ましい。さらに好ましい加熱温度は１２００℃以上である。一方、加熱温度が高すぎると、結晶粒が粗大化するので、加熱温度の上限は、１２８０℃が望ましい。分塊圧延の減面率は、３０％以上が望ましい。さらに好ましくは４０％以上である。
上記鋼片を浸炭歯車用の鋼材（丸断面を有する棒鋼または線材）とするため、棒線圧延または線材圧延を行う。棒線圧延または線材圧延の加熱温度は、Ｎｂ化合物を確実に溶体化するため、１１００℃以上にすることが望ましい。さらに好ましい加熱温度は１１５０℃以上である。一方、加熱温度が高すぎると、結晶粒が粗大化するので、加熱温度の上限は、１２５０℃が望ましい。圧延後の冷却速度は、上述の通り、鋼材の表面温度が８００℃から３００℃の間における平均冷却速度を０．１〜１．０℃／秒に制御する。
上記鋼材に対し、機械加工を行って歯車形状を作ったのちに浸炭焼入れ焼戻しを行うことで浸炭歯車が得られる。ここで、歯車形状を作る方法として、熱間鍛造や冷間鍛造、切削加工、砥石による加工を行ってもよい。また、加工性を向上するため、焼準や焼鈍を行ってもよい。また、これらを組み合わせてもよい。浸炭焼入れは、ガス浸炭、真空浸炭など、浸炭方法を問わない。また、浸炭窒化を行ってもよい。作成する歯車は、平歯車、はすば歯車、かさ歯車、外歯、内歯など、歯車の種類を問わない。
以下に、実施例により本発明をさらに説明する。
表１に示す鋼番１〜２３、２５、及び２６の化学成分を有する溶鋼について、表２のＮｏ．１に示す条件で鋳造を行って鋳片を得た。表１に開示された化学成分の残部は鉄および不純物であり、空欄は、意図的に含有していないことを示す。その後、鋳片を１２５０℃に加熱して分塊圧延を行い、１６２ｍｍ角の鋼片を得た。これらの鋼片を１２００℃に加熱して棒鋼圧延を行い、その直径を４０ｍｍにしたのちに、表２のＮｏ．１に示す条件で冷却を行い、鋼材１〜２３、３３、及び３４を得た。これらの鋼材に対し、上述の方法でフェライト分率等の組織分率、フェライト分率の標準偏差（フェライト分率のばらつき（％））を算出した。その結果を表３に示す。
そして歯車の熱処理歪を評価するためモジュール２、歯数１６、φ１８ｍｍの内径をもつ、幅３０ｍｍの平歯車を切削加工により作成した。ガス浸炭を９２５℃でカーボン・ポテンシャルＣＰが０．８となる雰囲気下で２時間保持した後に１３０℃で油焼入れを行った。その後、１５０℃で焼戻しを実施した。その後、歯車形状測定機で歯車１個につき４歯を９０度ピッチで歯筋方向の形状測定を行うことを、歯車５個に対し行い、これにより得られた歯筋誤差の最大値と最小値の差を歯筋誤差のばらつきとした。歯筋誤差のばらつきは１５μｍ以下である場合に熱処理歪が良好と判断した。その結果を表３の試験Ｎｏ．１〜２３、３３、及び３４に示す。
発明例の試験Ｎｏ．１〜１９は、熱処理歪が良好であった。比較例の試験Ｎｏ．２０〜２３、３３、及び３４は、化学成分の範囲が本発明の範囲を外れているため、良好な熱処理歪を得られなかった。
具体的には、試験Ｎｏ．２０では、フェライト分率が不足し、フェライト分率のばらつきが過剰となった。これは、Ｓｉ量が多すぎたからであると推定される。
試験Ｎｏ．２１では、フェライト分率が不足し、フェライト分率のばらつきが過剰となった。これは、Ｍｎ量が多すぎたからであると推定される。
試験Ｎｏ．２２では、フェライト分率が不足し、フェライト分率のばらつきが過剰となった。これは、Ｃｒ量が多すぎたからであると推定される。
試験Ｎｏ．２３では、フェライト分率が不足し、フェライト分率のばらつきが過剰となった。これは、Ｍｏ量が多すぎたからであると推定される。
試験Ｎｏ．３３では、フェライト分率が不足し、さらにフェライト及びベイナイト以外の組織の分率が過剰となった。これは、Ｎｂ及びＭｏのうち一方が鋼材に含まれなかったので、Ｎｂ及びＭｏのパーライト生成抑制効果を得られなかったからであると推定される。
試験Ｎｏ．３４では、フェライト及びベイナイト以外の組織の分率が過剰となった。これは、Ｎｂ及びＭｏのうち一方が鋼材に含まれなかったので、Ｎｂ及びＭｏのパーライト生成抑制効果を得られなかったからであると推定される。
以上説明した試験Ｎｏ．２０〜２３、３３、及び３４では、フェライト分率、フェライト及びベイナイト以外の組織の分率、及びフェライト分率のばらつきのうちいずれか１つ以上が発明範囲外であったので、歯筋誤差のばらつきを抑制することができなかった。
次に、表１の鋼番１、３、及び２４に示す化学成分を有する溶鋼について、表２の製造条件１〜１２に示す条件で鋳造を行って鋳片を得た。その後、鋳片を１２５０℃に加熱して分塊圧延を行い、１６２ｍｍ角の鋼片を得た。これらの鋼片を１２００℃に加熱して、表２の製造条件１〜１２に示す形状（圧延後の直径）への棒鋼圧延、および、同表に示す冷却条件での冷却を行い、鋼材１、２４〜３２、３５、及び３６を得た。これらの鋼材に対し、上述の方法でフェライト分率等の組織分率、フェライト分率の標準偏差（フェライト分率のばらつき（％））、歯筋誤差のばらつきを評価した。その結果を表３の試験Ｎｏ．１、２４〜３２、３５、及び３６に示す。なお、試験Ｎｏ．３２は、国際公開第２０１４／１７１４７２号の製造Ｎｏ．１に相当する試験例である。
発明例の試験Ｎｏ．１、２４〜２８は、熱処理歪が良好であった。一方、比較例の試験Ｎｏ．２９〜３２、３５、及び３６は製造条件が望ましいものではなかったので、良好な熱処理歪を得られなかった。
具体的には、試験Ｎｏ．２９は、フェライト分率のばらつきが過剰となった。これは、Ｖ×Ａ０．５／Ｃが大きすぎたので、偏析が解消できなかったからであると推定される。このため、試験Ｎｏ．２９では、歯筋誤差のばらつきを抑制することができなかった。
試験Ｎｏ．３０は、フェライト分率のばらつきが過剰となった。これは、Ｖ×Ａ０．５／Ｃが小さすぎたので、偏析が解消できなかったからであると推定される。このため、試験Ｎｏ．３０では、歯筋誤差のばらつきを抑制することができなかった。
試験Ｎｏ．３１は、フェライト分率が不足した。これは、圧延後の冷却速度が大きすぎたので、その組織の大半がベイナイトになったからであると推定される。このため、試験Ｎｏ．３１では、歯筋誤差のばらつきを抑制することができなかった。
試験Ｎｏ．３２は、フェライト分率のばらつきが過剰となった。これは、Ｖ×Ａ０．５／Ｃが大きすぎたので、偏析が解消できなかったからであると推定される。このため、試験Ｎｏ．３２では、歯筋誤差のばらつきを抑制することができなかった。
試験Ｎｏ．３５は、フェライト分率のばらつきが過剰となった。これは、圧延後の冷却速度が大きすぎたので、組織の均一化が達成できなかったからであると推定される。このため、試験Ｎｏ．３５では、歯筋誤差のばらつきを抑制することができなかった。
試験Ｎｏ．３６は、フェライト及びベイナイト以外の組織の分率が過剰となった。なお、フェライト及びベイナイト以外の組織はパーライトであった。これは、Ｖ×Ａ０．５／Ｃが小さすぎたので、偏析が解消できず、更に圧延後の冷却速度が小さすぎたからであると推定される。このため、試験Ｎｏ．３６では、歯筋誤差のばらつきを抑制することができなかった。なお、試験Ｎｏ．３６ではＶ×Ａ０．５／Ｃが小さすぎたにもかかわらずフェライト分率のばらつきは抑制されている。これは、組織がパーライトを含んでいたからであると考えられる。しかし、パーライトも歯筋誤差のばらつきを増大させる要因となるので、試験Ｎｏ．３６の鋼材は熱処理歪を安定化させる鋼材とはいえなかった。
Figure 2019182054
Figure 2019182054
Figure 2019182054

Claims (3)

  1. 質量％で、
    Ｃ：０．１７〜０．２１％、
    Ｓｉ：０．４０〜０．６０％、
    Ｍｎ：０．２５〜０．５０％、
    Ｃｒ：１．３５〜１．５５％、
    Ｍｏ：０．２０〜０．４０％、
    Ｓ：０．０１０〜０．０５％、
    Ｎ：０．００５〜０．０２０％、
    Ａｌ：０．００１％〜０．１００％、
    Ｎｂ：０．００１〜０．０３０％
    Ｎｉ：０〜３．０％、
    Ｃｕ：０〜１．０％、
    Ｃｏ：０〜３．０％、
    Ｗ：０〜１．０％、
    Ｖ：０〜０．３％、
    Ｔｉ：０〜０．３％、
    Ｂ：０〜０．００５％
    Ｏ：０．００５％以下、
    Ｐ：０．０３％以下、
    Ｐｂ：０〜０．５％、
    Ｂｉ：０〜０．５％、
    Ｃａ：０〜０．０１％、
    Ｍｇ：０〜０．０１％、
    Ｚｒ：０〜０．０５％、
    Ｔｅ：０〜０．１％、
    希土類元素：０〜０．００５％
    残部がＦｅ及び不純物からなり、
    長さ方向に垂直である断面の中心からの距離ｒが下記式を満足する領域において、組織がフェライトとベイナイトを含み、面積率で前記フェライトの平均分率が４０〜７０％の範囲であり、前記フェライトと前記ベイナイト以外の組織の平均分率の合計が、平均値で０％以上３％以下であり、残部がベイナイトからなる組織であり、
    前記領域中の前記フェライトの分率の標準偏差が４％以下であることを特徴とする鋼材。
    ０．７Ｒ≦ｒ≦０．９Ｒ
    ただし、Ｒは鋼材の円相当半径を現す。
  2. 質量％で、
    Ｎｉ：０．０１〜３．０％、
    Ｃｕ：０．０１〜１．０％、
    Ｃｏ：０．０１〜３．０％、
    Ｗ：０．０１〜１．０％、
    Ｖ：０．０１〜０．３％、
    Ｔｉ：０．００１〜０．３％、
    Ｂ：０．０００１〜０．００５％
    の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の鋼材。
  3. 質量％で、
    Ｐｂ：０．０１〜０．５％、
    Ｂｉ：０．０００１〜０．５％、
    Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、
    Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％、
    Ｚｒ：０．０００１〜０．０５％、
    Ｔｅ：０．０００１〜０．１％、
    希土類元素：０．０００１〜０．００５％
    の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鋼材。
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