JPWO2019198415A1 - 浸炭処理が行われる部品用の鋼材 - Google Patents
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Abstract
Description
質量%で、
C:0.09〜0.16%、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.40〜0.60%、
P:0.030%以下、
S:0.025%以下、
Cr:0.90〜2.00%、
Mo:0.10〜0.40%、
Al:0.005〜0.030%、
Ti:0.010〜0.050%未満、
Nb:0.010〜0.030%、
N:0.0080%以下、
O:0.0030%以下、
B:0.0003〜0.0030%、
Ca:0.0005〜0.0050%、
Cu:0〜0.50%、
Ni:0〜0.30%、及び、
残部:Fe及び不純物、
からなり、式(1)〜式(3)を満たす化学組成を有し、
前記鋼材の軸方向に平行な断面において、
Mnを10.0質量%以上含有し、Sを10.0質量%以上含有し、円相当径が0.5μm以上のMn硫化物が70.0個/mm2以下であり、
酸素を10質量%以上含有し、円相当径が0.5μm以上の酸化物が25.0個/mm2以下である。
0.140<C+0.194×Si+0.065×Mn+0.012×Cr+0.033×Mo+0.067×Ni+0.097×Cu+0.078×Al<0.235 式(1)
13.0<(0.70×Si+1)×(5.1×Mn+1)×(2.2×Cr+1)×(3.0×Mo+1)×(0.36×Ni+1)<45.0 式(2)
0.004<Ti−N×(48/14)<0.030 式(3)
ここで、式(1)〜式(3)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
(A)Mnを10.0質量%以上含有し、Sを10.0質量%以上含有し、円相当径が0.5μm以上のMn硫化物を70.0個/mm2以下にする。
(B)酸素を10質量%以上含有し、円相当径が0.5μm以上の酸化物を25.0個/mm2以下にする。
Mn硫化物:Mnを10.0質量%以上含有し、Sを10.0質量%以上含有し、円相当径が0.5μm以上の介在物
酸化物:酸素を10質量%以上含有し、円相当径が0.5μm以上の介在物
なお、本明細書において、介在物のうち、10.0質量%以上のSと、10.0%以上のMnと、10質量%以上の酸素とを含有し、円相当径が0.5μm以上の介在物は、「Mn硫化物」ではなく、「酸化物」に含まれることとする。
質量%で、
C:0.09〜0.16%、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.40〜0.60%、
P:0.030%以下、
S:0.025%以下、
Cr:0.90〜2.00%、
Mo:0.10〜0.40%、
Al:0.005〜0.030%、
Ti:0.010〜0.050%未満、
Nb:0.010〜0.030%、
N:0.0080%以下、
O:0.0030%以下、
B:0.0003〜0.0030%、
Ca:0.0005〜0.0050%、
Cu:0〜0.50%、
Ni:0〜0.30%、及び、
残部:Fe及び不純物、
からなり、式(1)〜式(3)を満たす化学組成を有し、
前記鋼材の軸方向に平行な断面において、
Mnを10.0質量%以上含有し、Sを10.0質量%以上含有し、円相当径が0.5μm以上のMn硫化物が70.0個/mm2以下であり、
酸素を10質量%以上含有し、円相当径が0.5μm以上の酸化物が25.0個/mm2以下である。
0.140<C+0.194×Si+0.065×Mn+0.012×Cr+0.033×Mo+0.067×Ni+0.097×Cu+0.078×Al<0.235 式(1)
13.0<(0.70×Si+1)×(5.1×Mn+1)×(2.2×Cr+1)×(3.0×Mo+1)×(0.36×Ni+1)<45.0 式(2)
0.004<Ti−N×(48/14)<0.030 式(3)
ここで、式(1)〜式(3)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
前記化学組成は、
Cu:0.005%〜0.50%、及び、
Ni:0.005%〜0.30%、
からなる群から選択される1種以上を含有する。
金属組織が、面積%で、フェライトとパーライトとを、合計で、85〜100%含む。
金属組織が、面積%で、フェライトと球状化セメンタイトとを、合計で、85〜100%含む。
前記鋼材は、棒鋼である。
本実施形態による浸炭処理が行われる部品用の鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。
炭素(C)は、鋼材の焼入れ性を高め、浸炭層と芯部とを備える浸炭部品における芯部の硬さを高める。C含有量が0.09%未満であれば、浸炭部品の芯部の硬さが不足する。一方、C含有量が0.16%を超えれば、鋼材の金属組織のセメンタイト分率とパーライト分率とが増加し、鍛造前の鋼材の硬さが顕著に増加するとともに、限界加工率も低下する。したがって、C含有量は0.09〜0.16%である。なお、浸炭処理が行われる部品用の従来の鋼材のC含有量は0.20%程度である。そのため、本実施形態の浸炭処理が行われる部品用の鋼材において、C含有量は、従来の鋼材よりも低い。C含有量の好ましい下限は0.10%であり、さらに好ましくは0.11%である。C含有量の好ましい上限は0.15%であり、さらに好ましくは0.14%である。
シリコン(Si)は、浸炭部品の焼戻し軟化抵抗を高め、浸炭部品の疲労強度を高める。Si含有量が0.01%未満であれば、上記効果が得られない。一方、Si含有量が0.50%を超えれば、鍛造前の鋼材の硬さが上昇し、限界加工率が低下する。したがって、Si含有量は0.01〜0.50%である。浸炭部品の面疲労強度を重視する場合、Si含有量の好ましい下限は0.015%であり、さらに好ましくは0.02%である。浸炭部品の限界加工性の向上を重視する場合、Si含有量の好ましい上限は0.48%であり、さらに好ましくは0.46%である。
マンガン(Mn)は、鋼材の焼入れ性を高め、浸炭部品の芯部の強度を高める。Mn含有量が0.40%未満であれば、この効果が得られない。一方、Mn含有量が0.60%を超えれば、鍛造前の鋼材の硬さが上昇して、限界加工率が低下する。したがって、Mn含有量は0.40〜0.60%である。Mn含有量の好ましい下限は0.42%であり、さらに好ましくは0.44%である。Mn含有量の好ましい上限は0.58%であり、さらに好ましくは0.56%である。
燐(P)は、不可避に含有される不純物である。つまり、P含有量は0%超である。Pは、オーステナイト粒界に偏析して旧オーステナイト粒界を脆化させ、粒界割れを引き起こす。したがって、P含有量は0.030%以下である。P含有量の好ましい上限は0.026%であり、さらに好ましくは0.024%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、P含有量を極限まで低減すれば、生産性が低下し、製造コストが高くなる。したがって、通常の操業において、P含有量の好ましい下限は0.0001%である。
硫黄(S)は、不可避に含有される。つまり、S含有量は0%超である。SはMnと結合してMnSを形成し、鋼材の被削性を高める。S含有量が0%超であれば、この効果が得られる。一方、S含有量が0.025%を超えれば、粗大なMnSが生成して、鍛造時に割れが生じやすくなり、限界圧縮率が低下する。したがって、S含有量は0.025%以下である。S含有量の好ましい上限は0.022%であり、さらに好ましくは0.020%である。被削性をより有効に高める場合、S含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.003%である。
クロム(Cr)は、鋼材の焼入性を高め、浸炭部品の芯部の強度を高める。Cr含有量が0.90%未満であれば、この効果が得られない。一方、Cr含有量が2.00%を超えれば、鍛造前の鋼材の硬さが上昇して、限界加工率が低下する。したがって、Cr含有量は0.90〜2.00%である。Cr含有量の好ましい下限は0.95%であり、さらに好ましくは1.00%である。Cr含有量の好ましい上限は1.95%であり、さらに好ましくは1.92%である。
モリブデン(Mo)は、鋼材の焼入れ性を高め、浸炭部品の芯部の強度を高める。Mo含有量が0.10%未満であれば、この効果が得られない。一方、Mo含有量が0.40%を超えれば、鍛造前の鋼材の硬さが上昇して、限界加工率が低下する。したがって、Mo含有量は0.10〜0.40%である。Mo含有量の好ましい下限は0.11%であり、さらに好ましくは0.12%である。Mo含有量の好ましい上限は0.38%であり、さらに好ましくは0.36%である。
アルミニウム(Al)は、鋼中に固溶Nが存在する場合、AlNを形成する元素である。しかし、本実施形態の鋼材、及び、浸炭部品における芯部では、鋼中のNがTiの添加によってTiNとして固定されているので、鋼中に固溶Nがほとんど存在しない。このため、AlはAlNを形成せず、鋼中に固溶Alとして存在している。固溶状態で存在するAlは、鋼の被削性を向上する効果がある。浸炭部品の製造時に仕上げの切削等を施す場合は、Al含有量を0.005%以上とすることが望ましい。しかしながら、Al含有量が0.030%を超えると、鍛造前の鋼材の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界加工率が低下する。したがって、Al含有量は0.005〜0.030%である。Alの好ましい下限は0.010%である。Alの好ましい上限は0.020%である。
チタン(Ti)は、鋼材中のNをTiNとして固定し、BNの形成を抑制する。これにより、Tiは固溶B量を確保して鋼材の焼入れ性を高める。Tiはさらに、Ti炭化物を形成して、浸炭処理時における結晶粒の粗大化を抑制する。Ti含有量が0.010%未満であれば、この効果は得られない。一方、Ti含有量が0.050%以上であれば、Ti炭化物の析出量が過剰に多くなり、鍛造前の鋼材の限界加工率が低下する。したがって、Ti含有量は0.010〜0.050%未満である。Ti含有量の好ましい下限は0.012%であり、さらに好ましくは0.014%である。Ti含有量の好ましい上限は0.048%であり、さらに好ましくは0.046%である。
Nb(ニオブ)は、鋼中でN及びCと結合して、Nb炭窒化物を形成する。Nb炭窒化物は、ピンニング効果により、結晶粒の粗大化を抑制する。Nb含有量が0.010%未満であれば、この効果が得られない。一方、Nb含有量が0.030%を超えれば、その効果が飽和する。したがって、Nb含有量は0.010〜0.030%である。Nb含有量の好ましい下限は0.011%であり、さらに好ましくは0.012%である。Nb含有量の好ましい上限は0.029%であり、さらに好ましくは0.028%であり、さらに好ましくは0.027%である。
窒素(N)は、不可避に含有される不純物である。つまり、鋼材中のN含有量は0%超である。NはBと結合してBNを形成し、固溶B量を低減する。この場合、鋼材の焼入れ性が低下する。N含有量が0.0080%を超えれば、Tiを含有していても、鋼中のNをTiNとして固定することができなくなり、焼入れ性に寄与する固溶Bを確保することが困難となる。さらに、粗大なTiNが形成される。粗大なTiNは鍛造時に割れの起点になり、鍛造前の鋼材の限界加工率を低下する。したがって、N含有量は0.0080%以下である。N含有量の好ましい上限は0.0078%であり、さらに好ましくは0.0076%である。N含有量は低い方が好ましい。しかしながら、N含有量を極限まで低減すれば、生産性が低下し、製造コストが高くなる。したがって、通常の操業において、N含有量の好ましい下限は0.0020%である。
酸素(O)は、不可避的に含有される不純物である。つまり、鋼材中のO含有量は0%超である。Oは、酸化物を形成し、浸炭処理前の中間品を溶接により製造するときに、接合性を低下する。この場合、疲労強度が低下する。したがって、O含有量は0.0030%以下である。O含有量の好ましい上限は0.0029%であり、さらに好ましくは0.0028%である。O含有量は低い方が好ましい。しかしながら、O含有量を極限まで低減すれば、生産性が低下し、製造コストが高くなる。したがって、通常の操業において、O含有量の好ましい下限は0.0010%である。
ホウ素(B)は、鋼材の焼入れ性を高め、浸炭部品の強度を高める。B含有量が0.0003%以上であれば、この効果が得られる。一方、B含有量が0.0030%を超えれば、上記効果が飽和する。したがって、B含有量は0.0003〜0.0030%である。B含有量の好ましい下限は0.0004%であり、さらに好ましくは0.0005%である。B含有量の好ましい上限は0.0028%であり、さらに好ましくは0.0026%である。
カルシウム(Ca)は、Mn硫化物及び酸化物に含有され、これらの介在物を球状化する。さらに、Mn硫化物及び酸化物に含有されることにより、これらの介在物を微細化する。Ca含有量が0.0005%未満であれば、これらの効果が得られない。一方、Ca含有量が0.0050%を超えれば、粗大なMn硫化物及び粗大な酸化物を形成して、浸炭部品の疲労強度を低下する。したがって、Ca含有量は0.0005〜0.0050%である。Ca含有量の好ましい下限は0.0006%であり、さらに好ましくは0.0007%である。Ca含有量の好ましい上限は0.0048%であり、さらに好ましくは0.0046%である。
本実施形態の浸炭処理が行われる部品用の鋼材の化学組成の残部は、Fe及び不純物からなる。ここで、不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、意図的に鋼に含有させたものではない成分を意味する。
Sb:0.0005%以下、Sn:0.0005%以下、W:0.0005%以下、Co:0.0005%以下、As:0.0005%以下、Pb:0.0005%以下、Bi:0.0005%以下、H:0.0005%以下。
本実施形態の浸炭処理が行われる部品用の鋼材の化学組成は、Feの一部に代えて、Cu、及び、Niからなる群から選択される1種以上を含有してもよい。
銅(Cu)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Cu含有量は0%であってもよい。Cu含有量が0%超の場合、Cuは鋼材の焼入れ性を高め、浸炭部品の強度を高める。また、Cuは、ガス浸炭のガス雰囲気で、酸化物や窒化物を形成しない元素である。そのため、Cuを含有した場合、浸炭層表面の酸化物層や窒化物層、又は、それらに起因する浸炭異常層が形成されにくくなる。しかしながら、Cu含有量が高すぎれば、1000℃以上の高温域における延性が低下し、連続鋳造、圧延時の歩留まり低下の原因になる。さらに、鍛造前の鋼材の硬さが上昇して、限界加工率が低下する。したがって、Cu含有量は0〜0.50%である。Cu含有量の好ましい下限は0.005%であり、さらに好ましくは0.05%である。Cu含有量の好ましい上限は0.45%であり、さらに好ましくは0.40%である。
ニッケル(Ni)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ni含有量は0%であってもよい。Ni含有量が0%超の場合、Niは鋼材の焼入れ性を高め、浸炭部品の強度を高める。しかしながら、Ni含有量が高すぎれば、鍛造前の鋼材の硬さが上昇して、限界加工率が低下する。したがって、Ni含有量は0〜0.30%である。Ni含有量の好ましい下限は0.005%であり、さらに好ましくは0.05%である。Ni含有量の好ましい上限は0.28%であり、さらに好ましくは0.25%である。
本実施形態の浸炭処理が行われる部品用の鋼材の化学組成は、さらに、次の式(1)〜式(3)を満たす。
0.140<C+0.194×Si+0.065×Mn+0.012×Cr+0.033×Mo+0.067×Ni+0.097×Cu+0.078×Al<0.235 式(1)
13.0<(0.70×Si+1)×(5.1×Mn+1)×(2.2×Cr+1)×(3.0×Mo+1)×(0.36×Ni+1)<45.0 式(2)
0.004<Ti−N×(48/14)<0.030 式(3)
ここで、式(1)〜式(3)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。対応する元素が任意元素であり、含有されていない場合、その元素記号には「0」が代入される。
F1=C+0.194×Si+0.065×Mn+0.012×Cr+0.033×Mo+0.067×Ni+0.097×Cu+0.078×Alと定義する。F1は鋼材の硬さの指標である。
F2=(0.70×Si+1)×(5.1×Mn+1)×(2.2×Cr+1)×(3.0×Mo+1)×(0.36×Ni+1)と定義する。F2は部材の焼入れ性に関する指標である。
F3=Ti−N×(48/14)と定義する。F3は、TiC析出量に関する指標である。TiがNに対して化学量論的に過剰に含有された場合、Nは全てTiNの形で固定される。つまり、F3は、TiNを形成するために消費された以外の過剰なTi量を意味する。F3中の「14」はNの原子量であり、「48」はTiの原子量を示す。
本実施形態の浸炭処理が行われる部品用の鋼材の金属組織について説明する。
上記した化学組成からなる鋼材の金属組織は、好ましくは、面積%で、フェライトとパーライトとを、合計で、85〜100%含有する。
上記した金属組織に代わって、上記した化学成分からなる鋼材は、面積%で、フェライト及び球状化セメンタイトを、合計で、85〜100%含んでもよい。ここで、球状化セメンタイトとは、金属組織観察面で、セメンタイトの最大長さを直径とする円に対して、そのセメンタイトの面積が54%以上である場合を球状化セメンタイトとする。
本実施形態の浸炭処理が行われる部品用の鋼材ではさらに、鋼材の軸方向(すなわち、鋼材の長手方向)に平行な断面において、鋼中のMn硫化物及び酸化物が次の条件を満たす。
(A)Mnを10.0質量%以上含有し、Sを10.0質量%以上含有し、円相当径が0.5μm以上のMn硫化物を70.0個/mm2以下にする。
(B)酸素を10質量%以上含有し、円相当径が0.5μm以上の酸化物を25.0個/mm2以下にする。
Mn硫化物:Mnを10.0質量%以上含有し、Sを10.0質量%以上含有し、円相当径が0.5μm以上の介在物
酸化物:酸素を10質量%以上含有し、円相当径が0.5μm以上の介在物
なお、本明細書において、介在物のうち、10.0質量%以上のSと、10.0%以上のMnと、10質量%以上の酸素とを含有し、円相当径が0.5μm以上の介在物は、「Mn硫化物」ではなく、「酸化物」に含まれることとする。
鋼中のMn硫化物の個数、及び、酸化物の個数については、次の方法で測定できる。浸炭処理が行われる部品用の鋼材から、サンプルを採取する。鋼材が棒鋼の場合、図1に示すとおり、棒鋼の中心軸線C1から径方向にR/2位置(Rは棒鋼の半径)から、サンプルを採取する。サンプルの観察面のサイズはL1×L2であってL1を10mmとし、L2を5mmとする。さらに、観察面と垂直の方向であるサンプル厚さL3を5mmとする。観察面の法線Nは、中心軸線C1に垂直(つまり、観察面は、鋼材の軸方向と平行)とし、R/2位置は、観察面の中央位置に相当する。
次に、本実施形態による浸炭部品の金属組織について説明する。
本実施形態の浸炭処理が行われる部品用の鋼材、及び、浸炭部品の製造方法について説明する。
初めに、本実施形態による鋼材の製造方法の一例について説明する。浸炭処理が行われる部品用の鋼材の製造方法の一例は、製鋼工程と、熱間加工工程と、徐冷工程とを含む。以下、各工程について説明する。
製鋼工程は、精錬工程と、加熱保持工程と、最終成分調整工程と、鋳造工程とを含む。
精錬工程では初めに、周知の方法で製造された溶銑に対して転炉での精錬(一次精錬)を実施する。転炉から出鋼した溶鋼に対して、二次精錬を実施する。二次精錬において、溶鋼に合金元素を添加して、上記化学組成を満たす溶鋼を製造する。
二次精錬(最終成分調整)後の取鍋内の溶鋼に対して、1500〜1600℃の温度で下記式によって算定される均一混合時間τ(s)の2倍以上の保持時間tsで加熱する。
τ=800×ε-0.4
ε=((6.18×Vg×Tl)/Ml)ln(1+(h0/(1.46×10-5×P0)))
ここで、Vg:ガス流量(Nm3/min)、Ml:取鍋内溶鋼質量(ton)、Tl:溶鋼温度(K)、h0:ガス吹き込み深さ(m)、P0:溶鋼表面圧力(Pa)、ε:攪拌動力値(W/ton)、τ:均一混合時間(s)である。
加熱保持工程後の溶鋼にSi及びCaを添加して、上述の化学組成及び式(1)〜式(3)を満たす溶鋼を製造する。Si及びCaはそれぞれ単独の原料として溶鋼に添加してもよい。Si−Ca合金を原料として、溶鋼に添加してもよい。
上記精錬工程により製造された溶鋼を用いて、素材(鋳片又はインゴット)を製造する。具体的には、溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片を製造する。又は、溶鋼を用いて造塊法によりインゴットとしてもよい。また、必要に応じて、鋳造工程後の鋳片又はインゴットに対して、分塊圧延等を実施してもよい。この鋳片又はインゴットを用いて、下記の製造方法を選択することで、上記した金属組織を有する本実施形態の鋼材を製造することができる。
熱間加工工程として、鋳造工程後の鋳片を、熱間圧延、熱間鍛造などを施して、熱間加工鋼材を得る。熱間圧延はたとえば、分塊圧延や、一列に配列された複数の圧延スタンドを有する連続圧延機を用いた仕上げ圧延等である。分塊圧延は必要に応じて実施すればよい。この熱間加工工程での、加工温度、加工率、ひずみ速度などの塑性加工条件は、特に、限定されるものではなく、適宜、好適な条件を選択すればよい。熱間加工工程での加熱温度は周知の加熱温度であり、たとえば、1100〜1300℃である。
この熱間加工工程の直後で、まだ、冷却されていない上記熱間加工鋼材に、徐冷工程として、この熱間加工鋼材の表面温度が800℃〜500℃となる温度範囲を、0超〜1.00℃/秒の冷却速度で徐冷を施して、本実施形態の鋼材を得る。
上記徐冷を施した熱間加工鋼材に、さらに、球状化熱処理工程を実施してもよい。この場合、球状化熱処理を施して、本実施形態の鋼材が製造できる。
次に、本実施形態による浸炭部品の製造方法の一例について説明する。本製造方法は、上述の本実施形態の鋼材に対して冷間加工を実施して、複数の中間部材を製造する冷間加工工程と、製造された複数の中間部材を溶接して一体品とする溶接工程と、溶接後の中間部材に対して浸炭処理又は浸炭窒化処理を実施する浸炭工程と、浸炭工程後の中間部材に対して焼入れ処理、又は焼入れ・焼戻し処理を実施する仕上げ熱処理工程とを含む。
上述の製造方法で製造された鋼材に、冷間加工工程として、冷間塑性加工を施して形状を付与し、複数の中間部材を製造する。この冷間加工工程での、加工率、ひずみ速度などの塑性加工条件は、特に、限定されるものではなく、適宜、好適な条件を選択すればよい。冷間加工はたとえば、冷間鍛造である。複数の中間部材は次工程の溶接工程で溶接され、一体化される。
溶接工程では、摩擦接合、又はレーザー接合により、上述の複数の中間部材を溶接して、一体品とする。溶接方法は特に限定されない。中間部材の接合面を機械加工により平坦に形成してもよい。上述の鋼材では、Mn硫化物が70.0個/mm2以下であり、かつ、酸化物が25.0個/mm2以下である。そのため、接合性に優れ、浸炭部品の接合疲労強度に優れる。
溶接工程により一体に接合された中間部材に対して、浸炭工程として、浸炭処理、又は浸炭窒化処理を施す。上記した金属組織と硬さとを有する浸炭部品を得るために、浸炭処理又は浸炭窒化処理の条件を、温度が830〜1100℃、カーボンポテンシャルが0.5〜1.2%、浸炭時間が1時間以上とすることが好ましい。
浸炭工程後、仕上げ熱処理工程として、焼入れ処理、又は焼入れ・焼戻し処理を施して浸炭部品を得る。上記した金属組織と硬さとを有する浸炭部品を得るために、焼入れ処理、又は焼入れ・焼戻し処理の条件として、焼入れ媒体の温度を室温〜250℃とすることが好ましい。また、必要に応じて焼入れ後にサブゼロ処理を行っても良い。
必要に応じて、上記冷間加工工程前の鋼材にさらに、焼鈍工程を実施してもよい。焼鈍工程にて焼鈍処理を行うことで、鋼材の硬さが低下し、変形抵抗が低下し、そして、限界加工率が向上する。焼鈍条件は、特に、限定されるものではなく、適宜、周知の焼鈍条件を選択すればよい。
製造された鋼材について、次の特性を評価した。
棒状である鋼材の、周面から上記切断面の直径1/4深さの位置から、金属組織観察試験片を採取した。また、鋼材の長手方向が圧縮方向となるように、限界圧縮率測定試験片(6mmφ×9mm、切り欠き形状:30度、深さ0.8mm、先端部の曲率半径0.15mm)を採取した。金属組織観察用試験片を、徐冷工程後であってSA工程を実施していない鋼材から採取し、さらに、SA工程後の鋼材から採取した。同様に、限界圧縮率測定試験片を、徐冷工程後であってSA工程を実施していない鋼材(徐冷まま材)から採取し、さらに、SA工程後の鋼材(SA材)から採取した。以下、各試験片において、徐冷工程後であってSA工程を実施していない鋼材(徐冷まま材)から採取したものを「徐冷まま試験片」、SA工程後の鋼材(SA材)から採取したものを「SA後試験片」という。
上述の金属組織観察試験片(徐冷まま試験片、SA後試験片)を用いて、金属組織観察試験を実施した。具体的には、徐冷まま試験片、SA後試験片を鏡面研磨した。鏡面研磨された徐冷まま試験片の表面(観察面)を、ナイタール腐食液(2%硝酸アルコール)にて5〜10秒間エッチングした。また、鏡面研磨されたSA後試験片の表面(観察面)を、ピクラール腐食液(5%ピクリン酸アルコール)で10〜20秒エッチングした。なお、ピクリン酸とは、2,4,6−トリニトロフェノールである。
上述の限界圧縮率測定試験片(徐冷まま試験片、SA後試験片)に対して、次の方法により限界圧縮試験を実施した。各試験片に対して、拘束ダイスを使用して10mm/分のスピードで冷間圧縮を行った。切り欠き近傍に0.5mm以上の微小割れが生じたときに圧縮を停止し、その時の圧縮率(%)を算出した。この測定を合計10回行い、累積破損確率が50%となる圧縮率(%)を求めて、その圧縮率を限界圧縮率(%)とした。各試験番号の限界圧縮率(%)を表2に示す。浸炭処理が行われる部品用の従来の鋼材の限界圧縮率が、およそ65%であるので、この値よりも明らかに高い値と見なせる68%以上となる場合を、限界加工率が優れると判断した。なお、限界圧縮率が68%未満の試験番号に対しては、浸炭部品の評価試験を実施しなかった。
上述の各試験番号において、徐冷工程後であってSA工程を実施していない鋼材(徐冷まま材)、及び、SA工程後の鋼材(SA材)の各々からサンプルを採取した。具体的には、図1に示すとおり、徐冷まま材、SA材の中心軸線C1から径方向にR/2位置から、サンプルを採取した。サンプルの観察面のサイズはL1×L2であってL1を10mmとし、L2を5mmとした。さらに、観察面と垂直の方向であるサンプル厚さL3を5mmとした。観察面の法線Nは、中心軸線C1に垂直とし、R/2位置は、観察面の中央位置に相当した。
各試験番号の徐冷まま材の鋼材の、周面から上記切断面の直径1/4深さの位置から、長手方向が圧縮方向となるように、浸炭用の試験片(20mmφ×30mm)を採取した。この浸炭用の試験片に、冷間加工工程として、冷間で圧縮率50%の据え込み圧縮を行った。据え込み圧縮の条件は、室温、拘束ダイス使用、歪速度1/秒であった。据え込み圧縮後の浸炭用の試験片に、浸炭工程として、変成炉ガス方式によるガス浸炭を行った。このガス浸炭は、カーボンポテンシャルを0.8%として、950℃で5時間の保持を行い、続いて、850℃で0.5時間の保持を行った。浸炭工程後に、仕上げ熱処理工程として、130℃への油焼入れを行い、そして、150℃で90分の焼戻しを行って、浸炭部品(徐冷まま材使用)を得た。
上記製造した浸炭部品(徐冷まま材を使用した浸炭部品、SA材を使用した浸炭部品)の、浸炭層及び芯部について、特性を評価した。表3に、その評価結果を示す。
各試験番号の浸炭部品(徐冷まま材を使用した浸炭部品、SA材を使用した浸炭部品)の長手方向に垂直な切断面において、表面から50μm深さ位置のビッカース硬さと、表面から0.4μm深さ位置のビッカース硬さを、マイクロビッカース硬度計を用いて、JIS Z 2244(2009)に準拠したビッカース硬さ試験により求めた。試験時の荷重は0.49Nとした。50μm深さ位置10箇所のビッカース硬さHVを測定して、その相加平均値を、50μm深さ位置でのビッカース硬さHVとした。また、0.4μm深さ位置10箇所のビッカース硬さHVを測定して、その相加平均値を、0.4μm深さ位置でのビッカース硬さHVとした。表面から深さ50μmの位置での硬さがHV650〜HV1000の場合、また、表面から深さ0.4mmの位置での硬さがHV550〜HV900の場合を、硬さが十分であり合格と判定した。測定結果を表3に示す。
上記浸炭部品の浸炭層(徐冷まま材を使用した浸炭部品、SA材を使用した浸炭部品)について、表面から深さ0.4mmの位置での金属組織を評価した。金属組織は、ナイタール腐食を施して、光学顕微鏡で観察を行った。光学顕微鏡の倍率は200倍とし、観察視野は500μm×500μmとした。
上記浸炭部品(徐冷まま材を使用した浸炭部品、SA材を使用した浸炭部品)の芯部のビッカース硬さ及び化学組成を次の方法で測定した。浸炭部品の長手方向に垂直な切断面において、表面から2mm深さ位置のビッカース硬さを、ビッカース硬度計を用いて、JIS Z 2244(2009)に準拠したビッカース硬さ試験により求めた。試験時の荷重は49Nとした。2mm深さ位置にて10回の測定を行い、その相加平均値を表面から2mm深さ位置でのビッカース硬さ(HV)とした。得られたビッカース硬さを表2に示す。ビッカース硬さが、HV250〜HV500の場合を、硬さが十分であり合格と判定した。測定結果を表3に示す。
上記浸炭部品(徐冷まま材を使用した浸炭部品、SA材を使用した浸炭部品)の芯部について、表面から深さ2mmの位置での、旧オーステナイト結晶粒の観察を行った。具体的には、浸炭部品の長手方向に垂直な切断面を観察面とした。観察面を鏡面研磨した後、ピクリン酸飽和水溶液にてエッチングを行った。エッチングされた観察面の、表面から2mm深さ位置を含む視野(300μm×300μm)を光学顕微鏡(400倍)で観察して、旧オーステナイト結晶粒を特定した。特定された旧オーステナイト結晶粒に対して、JIS G 0551(2013)に準拠して、各旧オーステナイト粒の結晶粒度番号を求めた。結晶粒度番号でNo.4以下の結晶粒が一つでも存在している場合に「粗大粒発生あり」と判定した。判定結果を表3に示す。
各試験番号の鋼材(徐冷まま材、SA材)であって、直径35mmの丸棒を機械加工して、直径20mm、長さ150mmの丸棒を作製した。この丸棒を用いて、基本疲労試験片、及び、接合疲労試験片を作製した。
摩擦圧力:100MPa、摩擦時間:5sec、
アップセット圧力(接合部への丸棒両端部からの加圧力):200MPa、
アップセット時間(接合部への加圧時間):5sec、
回転数:2000rpm、
寄りしろ:5〜12mm
疲労強度比(%)=接合疲労試験片の疲労強度/基本疲労試験片の疲労強度×100
試験結果を表2及び表3に示す。表2及び表3を参照して、試験番号1〜試験番号11の化学組成は適切であり、式(1)〜式(3)を満たした。さらに、製鋼条件も適切であった。また、徐冷工程での冷却速度も適切であった。さらに、球状化処理も適切であった。そのため、徐冷まま材及びSA材でのMn硫化物個数はいずれも70.0個/mm2以下であり、かつ、酸化物個数はいずれも25.0個/mm2以下であった。さらに、徐冷まま材において、フェライト及びパーライトの総面積率は85〜100%であり、SA材において、フェライト及び球状化セメンタイトの総面積率は85〜100%であった。その結果、徐冷まま材、SA材ともに、限界圧縮率は68%以上であり、優れた限界圧縮率を示した。
Claims (5)
- 浸炭処理が行われる部品用の鋼材であって、
質量%で、
C:0.09〜0.16%、
Si:0.01〜0.50%、
Mn:0.40〜0.60%、
P:0.030%以下、
S:0.025%以下、
Cr:0.90〜2.00%、
Mo:0.10〜0.40%、
Al:0.005〜0.030%、
Ti:0.010〜0.050%未満、
Nb:0.010〜0.030%、
N:0.0080%以下、
O:0.0030%以下、
B:0.0003〜0.0030%、
Ca:0.0005〜0.0050%、
Cu:0〜0.50%、
Ni:0〜0.30%、及び、
残部:Fe及び不純物、
からなり、式(1)〜式(3)を満たす化学組成を有し、
前記鋼材の軸方向に平行な断面において、
Mnを10.0質量%以上含有し、Sを10.0質量%以上含有し、円相当径が0.5μm以上のMn硫化物が70.0個/mm2以下であり、
酸素を10質量%以上含有し、円相当径が0.5μm以上の酸化物が25.0個/mm2以下である、
鋼材。
0.140<C+0.194×Si+0.065×Mn+0.012×Cr+0.033×Mo+0.067×Ni+0.097×Cu+0.078×Al<0.235 式(1)
13.0<(0.70×Si+1)×(5.1×Mn+1)×(2.2×Cr+1)×(3.0×Mo+1)×(0.36×Ni+1)<45.0 式(2)
0.004<Ti−N×(48/14)<0.030 式(3)
ここで、式(1)〜式(3)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。 - 請求項1に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、
Cu:0.005%〜0.50%、及び、
Ni:0.005%〜0.30%、
からなる群から選択される1種以上を含有する、
鋼材。 - 請求項1又は2に記載の鋼材であって、
金属組織が、面積%で、フェライトとパーライトとを、合計で、85〜100%含む、
鋼材。 - 請求項1又は請求項2に記載の鋼材であって、
金属組織が、面積%で、フェライトと球状化セメンタイトとを、合計で、85〜100%含む、
鋼材。 - 請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記鋼材は、棒鋼である、
鋼材。
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