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技術 肌焼鋼

出願人 大同特殊鋼株式会社
発明者 中山恭平酒井康明森田敏之井上圭介
出願日 2014年4月8日 (6年8ヶ月経過) 出願番号 2014-079167
公開日 2015年2月12日 (5年10ヶ月経過) 公開番号 2015-028206
状態 特許登録済
技術分野 熱処理
主要キーワード 部品製造コスト ICP発光分析法 隣接結晶粒 成長粒 所定質量 定量用試料 疲労限度 巨大結晶
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年2月12日)のものです。
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図面 (5)

課題

浸炭処理等時に異常粒成長を抑止し、異常粒成長による特性低下の解決可能な肌焼鋼の提供。

解決手段

質量%でC:O.1O〜O.30%,Si:0.O1〜1.50%,Mn:O.40〜1.50%,S:O.01〜O.1O%,P:O.03%以下,Cu:0.05〜1.00%,Ni:O.05〜1.00%,Cr:O.01〜2.00%,Mo:O.01〜0.50%,Nb:0.OO1%以下,s-Al:O.O05〜O.050%,N:O.005〜O.030%,Ti:O.001〜O.150%又は/とZr:O.001〜O.300%,残Feと不可避不純物組成で、Ti,Zr,Nの含有量が下記式(1)を満たす肌焼鋼。[Ti]/47.9+[Zr]/91.2−[N]/14|/100≦3.5×10−6モル/g・・式(1)熱間圧延後の鋼材100g中、TiC,Zr,C,AlN合計の析出物粒子量が3.5×10−4モル以下の肌焼鋼。

概要

背景

例えば自動車に用いられる歯車軸受部品シャフト等の機械部品では、一般にSCR420等のJIS鋼種部品形状に加工した後、耐摩耗性疲労強度等を向上させるために浸炭焼入れを施し、表面硬化処理して使用している。
この浸炭焼入れは高温,長時間の熱処理であり、結晶粒が粗大化し易い。
そこで従来にあっては、結晶粒の粗大化を防ぐための様々な研究が行われ提案されてきた。

浸炭処理前の製造工程でAlN等の粒子析出分散させて粒界ピンニングピン止め)する技術は、結晶粒の粗大化を抑制する有用な技術として広く用いられている。
例えば下記特許文献1,特許文献2にこの種の技術が開示されている。
しかしながらこの種の析出物粒子によって粒界をピンニング(ピン止め)する技術にあっては、局部的に結晶粒が異常に粗大化する異常粒成長現象を十分には防ぐことができない。

ここで異常粒成長とは、浸炭初期には析出物粒子によるピンニング力結晶粒成長駆動力よりも大であったものが、浸炭中に力関係が逆転し、析出物粒子のピンニング力よりも結晶粒成長の駆動力が大となることによって起る現象で、こうした力関係の逆転は、浸炭中における析出物粒子の固溶、析出物オストワルド成長し粗大化することによってピンニング力が小さくなること等が要因となって生じる。
また冷間鍛造を施した部品では、鍛造時に部品内部に塑性歪分布が導入され、歪みが大きい領域では浸炭中に結晶粒成長の駆動力とピンニング力の逆転が起きることで、結晶粒の異常粒成長が起る。

図1(B)は、このような異常成長粒の発生をモデル的に示している。
図1(B)(a)は浸炭初期の状態を示したもので、pは析出物粒子(ピン止め粒子)を表している。浸炭初期の状態ではこれら析出物粒子pが多数粒界に介在して結晶粒qの粒界をピンニングし拘束しており、結晶粒qが大きくなろうとするのを妨げている。
ところが粒界をピンニングしている一部析出物粒子pが、浸炭中に固溶により消失し、析出物粒子pによるピンニング(拘束)が破れると(外れると)、ここにおいて粒界でのピンニングの外れた隣接結晶粒同士が合体して1つの結晶粒に粒成長する。

このようにしてサイズ増大した結晶粒は粒成長のパワー増し、相対的な析出物粒子pのピンニング力の低下の下に、析出物粒子pによる結晶粒界のピンニングを破って次々と隣の結晶粒を呑み込んで粒成長して行く。
即ち一旦析出物粒子pによる結晶粒界のピンニングが破れると、そのピンニングの破れた結晶粒界を中心として結晶粒の粒成長が連鎖的に発生し、図1(B)(b)に示すように異常粒成長が生じて遂には異常に巨大化した結晶粒Qが発生する。

図1(B)(c)は、このような異常粒成長した実例(浸炭後結晶粒写真)を示したものである。
尚、この実例写真は後述する表1記載の比較例1を1100℃で浸炭処理した場合の鋼材中心部についてのものである。
このような異常粒成長が起ると、局部的な焼入れ性の上昇のために熱処理歪みが生じて、これが騒音振動の原因となったり、また疲労強度が低下してしまうといった問題が生ずる。

従来にあっては、こうした場合に析出物粒子をより多く分散析出させ、析出物粒子による粒界のピンニング力をより一層増大させることで対策しているが、そのような対策にては異常粒成長を十分に防止できない。
特に近年においては、浸炭時間の短縮を目的とした浸炭温度の高温化、部品製造コスト低減のための冷間鍛造化、生産中のCO2削減や強度の向上を目的とした真空浸炭等の環境対応技術が普及しているが、これらの技術の下では上記の異常粒成長がより生じ易く、従ってこのような異常粒成長を効果的に抑止できる対策が求められていた。

尚本発明に対する他の先行技術として、下記特許文献3には「冷間加工性および結晶粒の粗大化特性に優れた肌焼鋼」についての発明が示され、そこにおいて従来結晶粒界をピンニングする粒子として用いられていたAlNが、900℃以上の温度域では固溶又は大型化して浸炭処理時における粗大化抑制の効果が小さいことから、鋼にNb及びAlを添加し、これらとC,Nの微細複合析出物を生成させることで粗大化の防止を図った点が開示されている。
しかしながらこの特許文献3に開示のものは、本発明では不純物として添加を排除するNbを過剰に添加している点で基本的に本発明とは異なる。

本発明に対する更に他の先行技術として、下記特許文献4には「耐結晶粒粗大化特性、疲労特性及び被削性に優れた肌焼鋼並びにその製造方法」についての発明が示され、そこにおいて鋼中のTi析出物粒径分布を適正化することにより、耐結晶粒粗大化特性を損なうことなく疲労特性及び被削性を改善するようになした点が開示されている。
しかしながらこの特許文献4に開示のものは、1.0〜5.0μmのTi析出物を10個/mm2以上析出させることを内容とするものであり、またこの特許文献4の発明鋼1〜26は、何れもTiの量がNに対して過剰で本発明の式(1)から外れたものであり、本発明とは異なる。

更に他の先行技術として、下記特許文献5には「冷間加工性に優れ、浸炭時の結晶粒の粗大化を防止し、耐衝撃特性耐衝撃疲労特性に優れた浸炭部品用鋼」についての発明が示され、そこにおいて冷間加工性及び切削加工性を損なわない範囲で鋼中にTi又はTiとNbとを添加し、これらの炭化物或いは窒化物を析出させることで、浸炭時の結晶粒の粗大化を防止するようになした点が開示されている。

この特許文献5の請求項1はTi=0.1〜0.2%,N=0.01%以下,Al=0.005〜0.05%とするものであるが、実際に開示されている実施例1〜11を見ると、Tiをモル比でNに対し過剰に添加し、TiCを析出させようとするものであり、本発明とは逆の考え方のもので、本発明における式(1)からも外れている。
またこの特許文献5の請求項2はTi=0.025〜0.05%,Nb=0.03〜0.2%,N=0.01%以下,Al=0.005〜0.05%とするもので、Nbが過剰に添加されている点で本発明とは異なる。

概要

浸炭処理等時に異常粒成長を抑止し、異常粒成長による特性低下の解決可能な肌焼鋼の提供。質量%でC:O.1O〜O.30%,Si:0.O1〜1.50%,Mn:O.40〜1.50%,S:O.01〜O.1O%,P:O.03%以下,Cu:0.05〜1.00%,Ni:O.05〜1.00%,Cr:O.01〜2.00%,Mo:O.01〜0.50%,Nb:0.OO1%以下,s-Al:O.O05〜O.050%,N:O.005〜O.030%,Ti:O.001〜O.150%又は/とZr:O.001〜O.300%,残Feと不可避不純物組成で、Ti,Zr,Nの含有量が下記式(1)を満たす肌焼鋼。[Ti]/47.9+[Zr]/91.2−[N]/14|/100≦3.5×10−6モル/g・・式(1)熱間圧延後の鋼材100g中、TiC,Zr,C,AlN合計の析出物粒子量が3.5×10−4モル以下の肌焼鋼。

目的

特に近年においては、浸炭時間の短縮を目的とした浸炭温度の高温化、部品製造コスト低減のための冷間鍛造化、生産中のCO2削減や強度の向上を目的とした

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

熱間圧延後の鋼材100gに含まれるTiC,ZrC,AlNの合計の析出物粒子量が3.5×10−4モル以下であることを特徴とする肌焼鋼

請求項2

質量%でC:O.1O〜O.30%Si:0.O1〜1.50%Mn:O.40〜1.50%S:O.01〜O.1O%P:O.03%以下Cu:0.05〜1.00%Ni:O.05〜1.00%Cr:O.01〜2.00%Mo:O.01〜0.50%Nb:0.OO1%以下s-Al:O.O05〜O.050%N:O.005〜O.030%Ti:O.001〜O.150%とZr:O.001〜O.300%との何れか1種又は2種残部Fe及び不可避的不純物組成を有し、且つTi,Zr,Nの含有量[Ti],[Zr],[N]が下記式(1)を満たす請求項1に記載の肌焼鋼。|[Ti]/47.9+[Zr]/91.2−[N]/14|/100≦3.5×10−6モル/g・・・式(1)

請求項3

質量%でC:O.1O〜O.30%Si:O.01〜1.50%Mn:O.40〜1.50%S:O.O1〜O.lO%P:O.03%以下Cu:0.05〜1.00%Ni:O.05〜1.00%Cr:O.O1〜2.00%Mo:O.01〜O.50%Nb:O.OO1%以下s-A1:O.001〜O.008%Ti:<0.OO1%Zr:<0.001%N:O.005〜O.030%残部Fe及び不可避的不純物の組成を有する請求項1に記載の肌焼鋼。

請求項4

質量%でB:O.001〜O.O1O%を更に含有していることを特徴とする請求項2,3の何れかに記載の肌焼鋼。

技術分野

0001

この発明は肌焼鋼に関し、詳しくは結晶粒の大きさが均等化された整粒組織浸炭後組織として有する浸炭部品を提供可能な肌焼鋼に関する。

背景技術

0002

例えば自動車に用いられる歯車軸受部品シャフト等の機械部品では、一般にSCR420等のJIS鋼種部品形状に加工した後、耐摩耗性疲労強度等を向上させるために浸炭焼入れを施し、表面硬化処理して使用している。
この浸炭焼入れは高温,長時間の熱処理であり、結晶粒が粗大化し易い。
そこで従来にあっては、結晶粒の粗大化を防ぐための様々な研究が行われ提案されてきた。

0003

浸炭処理前の製造工程でAlN等の粒子析出分散させて粒界ピンニングピン止め)する技術は、結晶粒の粗大化を抑制する有用な技術として広く用いられている。
例えば下記特許文献1,特許文献2にこの種の技術が開示されている。
しかしながらこの種の析出物粒子によって粒界をピンニング(ピン止め)する技術にあっては、局部的に結晶粒が異常に粗大化する異常粒成長現象を十分には防ぐことができない。

0004

ここで異常粒成長とは、浸炭初期には析出物粒子によるピンニング力結晶粒成長駆動力よりも大であったものが、浸炭中に力関係が逆転し、析出物粒子のピンニング力よりも結晶粒成長の駆動力が大となることによって起る現象で、こうした力関係の逆転は、浸炭中における析出物粒子の固溶、析出物オストワルド成長し粗大化することによってピンニング力が小さくなること等が要因となって生じる。
また冷間鍛造を施した部品では、鍛造時に部品内部に塑性歪分布が導入され、歪みが大きい領域では浸炭中に結晶粒成長の駆動力とピンニング力の逆転が起きることで、結晶粒の異常粒成長が起る。

0005

図1(B)は、このような異常成長粒の発生をモデル的に示している。
図1(B)(a)は浸炭初期の状態を示したもので、pは析出物粒子(ピン止め粒子)を表している。浸炭初期の状態ではこれら析出物粒子pが多数粒界に介在して結晶粒qの粒界をピンニングし拘束しており、結晶粒qが大きくなろうとするのを妨げている。
ところが粒界をピンニングしている一部析出物粒子pが、浸炭中に固溶により消失し、析出物粒子pによるピンニング(拘束)が破れると(外れると)、ここにおいて粒界でのピンニングの外れた隣接結晶粒同士が合体して1つの結晶粒に粒成長する。

0006

このようにしてサイズ増大した結晶粒は粒成長のパワー増し、相対的な析出物粒子pのピンニング力の低下の下に、析出物粒子pによる結晶粒界のピンニングを破って次々と隣の結晶粒を呑み込んで粒成長して行く。
即ち一旦析出物粒子pによる結晶粒界のピンニングが破れると、そのピンニングの破れた結晶粒界を中心として結晶粒の粒成長が連鎖的に発生し、図1(B)(b)に示すように異常粒成長が生じて遂には異常に巨大化した結晶粒Qが発生する。

0007

図1(B)(c)は、このような異常粒成長した実例(浸炭後結晶粒写真)を示したものである。
尚、この実例写真は後述する表1記載の比較例1を1100℃で浸炭処理した場合の鋼材中心部についてのものである。
このような異常粒成長が起ると、局部的な焼入れ性の上昇のために熱処理歪みが生じて、これが騒音振動の原因となったり、また疲労強度が低下してしまうといった問題が生ずる。

0008

従来にあっては、こうした場合に析出物粒子をより多く分散析出させ、析出物粒子による粒界のピンニング力をより一層増大させることで対策しているが、そのような対策にては異常粒成長を十分に防止できない。
特に近年においては、浸炭時間の短縮を目的とした浸炭温度の高温化、部品製造コスト低減のための冷間鍛造化、生産中のCO2削減や強度の向上を目的とした真空浸炭等の環境対応技術が普及しているが、これらの技術の下では上記の異常粒成長がより生じ易く、従ってこのような異常粒成長を効果的に抑止できる対策が求められていた。

0009

尚本発明に対する他の先行技術として、下記特許文献3には「冷間加工性および結晶粒の粗大化特性に優れた肌焼鋼」についての発明が示され、そこにおいて従来結晶粒界をピンニングする粒子として用いられていたAlNが、900℃以上の温度域では固溶又は大型化して浸炭処理時における粗大化抑制の効果が小さいことから、鋼にNb及びAlを添加し、これらとC,Nの微細複合析出物を生成させることで粗大化の防止を図った点が開示されている。
しかしながらこの特許文献3に開示のものは、本発明では不純物として添加を排除するNbを過剰に添加している点で基本的に本発明とは異なる。

0010

本発明に対する更に他の先行技術として、下記特許文献4には「耐結晶粒粗大化特性、疲労特性及び被削性に優れた肌焼鋼並びにその製造方法」についての発明が示され、そこにおいて鋼中のTi析出物粒径分布を適正化することにより、耐結晶粒粗大化特性を損なうことなく疲労特性及び被削性を改善するようになした点が開示されている。
しかしながらこの特許文献4に開示のものは、1.0〜5.0μmのTi析出物を10個/mm2以上析出させることを内容とするものであり、またこの特許文献4の発明鋼1〜26は、何れもTiの量がNに対して過剰で本発明の式(1)から外れたものであり、本発明とは異なる。

0011

更に他の先行技術として、下記特許文献5には「冷間加工性に優れ、浸炭時の結晶粒の粗大化を防止し、耐衝撃特性耐衝撃疲労特性に優れた浸炭部品用鋼」についての発明が示され、そこにおいて冷間加工性及び切削加工性を損なわない範囲で鋼中にTi又はTiとNbとを添加し、これらの炭化物或いは窒化物を析出させることで、浸炭時の結晶粒の粗大化を防止するようになした点が開示されている。

0012

この特許文献5の請求項1はTi=0.1〜0.2%,N=0.01%以下,Al=0.005〜0.05%とするものであるが、実際に開示されている実施例1〜11を見ると、Tiをモル比でNに対し過剰に添加し、TiCを析出させようとするものであり、本発明とは逆の考え方のもので、本発明における式(1)からも外れている。
またこの特許文献5の請求項2はTi=0.025〜0.05%,Nb=0.03〜0.2%,N=0.01%以下,Al=0.005〜0.05%とするもので、Nbが過剰に添加されている点で本発明とは異なる。

先行技術

0013

特開2001−303174号公報
特開平8−199303号公報
特開平9−78184号公報
特開2007−31787号公報
特開2006−213951号公報

発明が解決しようとする課題

0014

本発明は以上のような事情背景とし、浸炭処理等に際して異常粒成長を有効に抑止でき、異常粒成長による特性低下の問題を解決可能な肌焼鋼を提供することを目的としてなされたものである。

課題を解決するための手段

0015

而して請求項1のものは、熱間圧延後の鋼材100gに含まれるTiC,ZrC,AlNの合計の析出物粒子量が3.5×10−4モル以下であることを特徴とする。

0016

請求項2のものは、請求項1において、質量%でC:O.1O〜O.30%,Si:0.O1〜1.5%,Mn:O.4〜1.5%,S:O.01〜O.1O%,P:O.03%以下,Cu:0.05〜1.0%,Ni:O.05〜1.0%,Cr:O.01〜2.0%,Mo:O.01〜0.5%,Nb:0.OO1%以下,s-Al:O.O05〜O.05%,N:O.005〜O.030%,Ti:O.001〜O.150%とZr:O.001〜O.300%との何れか1種又は2種,残部Fe及び不可避的不純物組成を有し、且つTi,Zr,Nの含有量[Ti],[Zr],[N]が下記式(1)を満たすことを特徴とする。
|[Ti]/47.9+[Zr]/91.2−[N]/14|/100≦3.5×10−6モル/g・・・式(1)

0017

請求項3のものは、請求項1において、質量%でC:O.1O〜O.30%,Si:O.01〜1.5%,Mn:O.4〜1.5%,S:O.O1〜O.lO%,P:O.03%以下,Cu:0.05〜1.0%,Ni:O.05〜1.0%,Cr:O.O1〜2.0%,Mo:O.01〜O.5%,Nb:O.OO1%以下,s-A1:O.001〜O.008%,Ti:<0.OO1%,Zr:<0.001%,N:O.005〜O.030%,残部Fe及び不可避的不純物の組成を有することを特徴とする。

0018

請求項4のものは、請求項2,3の何れかにおいて、質量%でB:O.001〜O.O1O%を更に含有していることを特徴とする。

発明の作用・効果

0019

異常粒成長を防止することを狙いとする本発明は、従来の技術のようにピンニング作用する粒子(析出物粒子)を多く分散析出させることによって結晶粒界の拘束即ちピンニングを強化するものでなく、これとは逆に析出物粒子の析出を極力少なくすること、即ち析出物粒子による結晶粒界のピンニングを極力しないようにすることを技術的思想とするものである。
具体的には、熱間圧延後の鋼材100gに含まれるTiC,ZrC,AlNの合計の析出物粒子量を3.5×10−4モル以下の少量として、鋼中の析出物粒子密度を極力低くする(請求項1)。

0020

析出物粒子を極力少なく、極端な場合析出物粒子が無くなってしまえば、結晶粒が自由に粒成長して粗大化してしまうと考えるのが従来の常識的な考え方である。
現実に粒成長防止のための従来の技術は、何れも析出物粒子を析出させて結晶粒界をピンニングするものばかりであった。

0021

こうした中で、析出物粒子の析出を極力少なくし、結晶粒界のピンニングを行わないことで結晶粒の粗大化を防ぐ、とする本発明の考え方は、従来の考え方からすれば全く常識に反した特異な考え方である。
このような本発明は、別言すれば、従来において浸炭初期は「析出物粒子のピンニング力>結晶粒成長の駆動力」の状態としていたのを、浸炭初期から「析出物粒子のピンニング力<結晶粒成長の駆動力」の状態とすることを特徴としたものである。

0022

以下この点を図1(A)のモデル図に基づいて説明する。
図1(A)のモデル図において(ここでは理解を容易にするため便宜的に析出物粒子が析出していないものとして示している)、(a)の浸炭初期においては、各結晶粒qはほぼ同じような大きさでそれぞれの結晶粒界で互いに接している。
析出物粒子によって結晶粒界をピンニングする従来の技術にあっては、その後、先に述べたように浸炭中に析出物粒子が一部固溶し消失する等によって、ある結晶粒が特異的に粒成長を続けて粗大化し、巨大結晶粒となる異常粒成長を生じる。
これに対して本発明のモデル図1(A)の場合には、当初から析出物粒子が結晶粒界を拘束し、ピンニングしていないため、浸炭中に結晶粒qは析出物粒子によるピンニング作用を受けないで自由に粒成長しようとする。

0023

ところが析出物粒子によるピンニング作用を受けずに、自由に粒成長しようとする点は何れの結晶粒qも同じであり、結果として何れの結晶粒qも、周りの他の結晶粒qの粒成長しようとする圧力を自身の粒成長に対する抑制圧力として受けることとなり、その結果何れかの結晶粒qが特異的に粒成長するといったことはできず、何れの結晶粒qも均等にある程度の結晶粒成長できるに留まる。

0024

この結果、粒成長を止めるための析出物粒子が存在していないにも拘らず(寧ろそのような析出物粒子が存在していないからこそ)、各結晶粒qはそれぞれが互いに均等に僅かに粒成長するのに留まって、何れか特定の結晶粒qが特異的に異常粒成長してしまうのが有効に抑制される。
因みに図1(A)(c)は、析出物粒子の析出を極力少なくすることで異常粒成長が抑制されている実例写真(浸炭後結晶粒写真)を示したものである。
尚この実例写真は、表1記載の実施例1を1100℃で浸炭処理した場合の鋼材中心部についてのものである。

0025

以上のような異常粒成長の抑止は、本発明者らの研究によれば熱間圧延後の鋼材100gに含まれるTiC,ZrC,AlNの合計の析出物粒子量を3.5×10−4モル以下とし、鋼中の析出物粒子密度を極力低くしておくことで達成できることを知得した。
後の実施例の結果でも明らかにされるように熱間圧延後の時点で、即ち浸炭処理前の時点で析出物粒子量をこのように極力少なくしておくことで、浸炭処理中に異常粒成長するのを抑止することができ、個々の結晶粒のサイズのバラツキを小さくし得て、特異的に何れかの結晶粒が巨大粒となってしまうのを防ぐことができる。
特に請求項1に従って鋼中の析出物粒子量を一定以下に少なくしておくことで、浸炭処理後組織を、結晶粒度差が6以下であるような、結晶粒度の揃った整粒組織とすることができる。
そしてそのことによって焼入れ性を均等化し得て熱処理歪みを小さく抑え得たり、疲労強度を効果的に高めることができる等、浸炭部品の特性を向上せしめることができる。
ここで結晶粒度差とは、測定のために撮影された各結晶粒の断面積を対応する粒度番号の最大と最小の差をいう。
この結晶粒度差は以下のようにして求められる。
測定範囲3mm×3mmについて結晶粒を撮影し、各結晶粒の断面積を求める。次にJIS G 0551(1998)表1に基づいて、断面積に対応する粒度番号を求める。
例えば断面積0.060mm2の場合には、表中に記載されている直上の断面積0.0625mm2より粒度番号1とする。そしてこのようにして求めた各粒度番号の最大と最小の差を粒度番号差とする。

0026

本発明では、肌焼鋼の化学組成を請求項2に規定する所定の化学組成となすことができる。
この場合において、上記の式(1)を充足するようにTi,Zr,Nの含有量を規制することで、結晶粒界のピンニングに働く析出物粒子密度を極力少なくすることができる。

0027

具体的には、例えばTi,Zrの何れか1種又は2種を添加することで、鋼の鋳造時に鋼中に含まれるNとTi又は/及びZrとの結合により結晶粒界のピンニングに対して寄与しないTiN又は/及びZrNを晶出せしめ、鋼中のNがAlと結合してピンニング作用を持つAlNを析出するのを抑制する。
但しTi,Zrを過剰に添加するとTiC,ZrCが析出し、これらがピンニング作用を有する析出物粒子となってしまうため、それらが過剰とならないように式(1)を満たすようにすることが重要である。

0028

要するに式(1)は次のような意味を有している。
即ち鋼中のAlと反応してAlNと成り得るNが鋼中に多くあったり、或いは鋼中のCと反応してTiC,ZrCと成り得るTi,Zrが多くあったりすると、何れの場合にも析出物粒子が鋼中に望ましくない量で析出してしまうことから、鋼中のNとTi又は/及びZrを凝固時に晶出物として晶出せしめることで、析出物粒子形成可能なN,Ti又は/及びZrを固定し(消費し)、以て余剰のTi,Zr,Nを式(1)で規定し、その値を目標とする3.5×10−6モル/g以下とする。

0029

但し浸炭部品用の鋼材を請求項3に規定する化学組成とすることで、結晶粒界のピンニングに働く析出物粒子の密度を極力少なくするようになすこともできる。
具体的にはこの請求項3では、鋼中のNを晶出物形成によって消費するTi及びZrを無添加とする一方で、これに伴って析出物粒子を形成するS-Alの添加量を微量とし、以て析出物粒子の密度を極力少なくするようにしている。

0030

尚本発明では、上記鋼材に質量%でB:0.001〜0.010%を選択的成分として含有させるようになすことができる(請求項4)。

0031

本発明では、熱間圧延後のTiC,ZrC,AlNの析出物量を次のようにして求めることができる。

0032

(TiCの定量法
10%アセチルアセトン-1%塩化テトラメチルアンモニウム-メタノール(1O%AA溶液)を用いた電解法により全析出物の抽出を行う。電解後孔径O.2μmのニュークリポアフィルターによって吸引ろ過し、得られた残渣の一部を混酸分解による融解で溶液としたのち、全析出物中の金属元素成分ICP発光分析法によって定量し、所定質量当りのTiの析出物量を求めて単位g当りの析出物量に換算する。また得られた残渣の他の一部を1O%臭素-メタノール溶液に浸漬処理することによりTiNのみ残渣として抽出し、質量測定によって単位g当りの量に換算する。そしてTiC量=(全Tiの析出物量)−(TiN量)からTiC量(単位g当りのTiC量)を求める。

0033

(ZrCの定量法)
TiCと同様の方法で行う。

0034

(AlNの定量法)
14%ヨウ素-メタノール溶液による母材の溶解での残渣の一部をICP発光分析法により単位g当りの全A1(AlN,A12O3)の定量を行う。また残渣の他の一部を硫酸酸分解することにより、窒化物と酸化物を分離すると残渣中には酸化物が残る。元素分析しA1量を定量すると、A12O3量を定量したことになる。よって、AlN量=全Al(AlN,A12O3)−A12O3量で求めることができる。
上記の方法で求めた粒界面積、析出物量より
旧オーステナイト粒界1mm2あたりの析出物量=(析出物量)/(旧オーステナイト粒界面積)・・で求めることができる。

0035

以下に本発明における各化学成分等の限定理由を説明する。
C:O.lO〜O.30%
Cは硬さ,強度を確保する上で0.10%以上含有させる。但し0.30%を超えて多量に含有させると、鋼材から歯車等の部品形状を熱間又は冷間鍛造や切削等の機械加工により加工する際の加工性が低下するため、上限を0.30%とする。

0036

Si:O.O1〜1.50%
Siは焼入れ性、強度確保のために0.01%以上含有させる必要がる。但し1.50%を超えて多量に含有させると鍛造性、被削性の低下をもたらすため、上限を1.50%とする。

0037

Mn:O.40〜1.50%
MnはMnS等の介在物形態制御を図るとともに、焼入れ性を確保するために0.40%以上含有させる。またMnは0.40%未満であると芯部にフェライトを生成し、強度低下を生じるため、この意味においても0.40%以上を含有させる。但し1.50%を超えて多量に含有させると被削性の低下をもたらすため、上限を1.50%とする。

0038

S:O.O1〜O.10%
Sは被削性確保のため0.01%以上含有させる。但し0.10%を超えて多量に含有させると強度の低下をもたらすため、上限を0.10%とする。

0039

P:O.03%以下
Pは本発明において強度低下をもたらす不純物成分であり、0.03%以下にこれを規制する。

0040

Cu:O.05〜1.00%
Cuは0.05%以上含有させることで焼入れ性確保に有用である。一方1.00%を超えて多量に含有させると熱間加工性の低下をもたらすため、上限を1.00%以下とする。

0041

Ni:O.05〜1.00%
Niは0.05%以上含有させることで焼入れ性確保に有用である。一方1.00%を超えて多量に含有させると、炭化物析出量が減少し強度低下を招くため、上限を1.00%とする。

0042

Cr:O.O1〜2.00%
Crは焼入れ性を良くし、強度向上させるのに有効な元素で、そのために0.01%以上含有させる。但し2.00%を超えて多量に含有させると加工性、特に被削性の低下を招くため、上限を2.00%とする。

0043

Mo:0.01〜0.50%
Moは強度向上させる元素であり、0.01%以上含有させる。Moによる強度向上の効果をより求める場合には0.15%以上含有させることが望ましい。但し0.50%を超えて多量に含有させると、加工性の劣化を招くとともにコスト高をもたらすので、上限を0.50%とする。

0044

Nb:O.001%以下
本発明においてNbは不純物元素となるものであり、Nbが含有されているとNbCが析出し、結晶粒界をピンニングするため、0.001%以下に含有量を規制する。

0045

s-A1:0.O05〜O.050%(請求項2),O.001〜O.008%(請求項3)
Alは脱酸剤としての使用により鋼に含有される。請求項2においては0.005%以上、0.050%以下の範囲内の含有量とする。
一方請求項3においては、鋼の含有成分としてのZr,Tiが実質無添加となるため、AlNの生成を抑制するために含有量の上限が0.008%以下に規制される。

0046

N:O.005〜0.030%
Ti:O.OO1〜O.150%又は/及びZr:O.OO1〜0.300%(請求項2)
Ti:<0.001%,Zr:<0.001%(請求項3)
これらN,Ti,Zrはそれぞれが互いに相互に作用し合うことで有害な析出物粒子の析出密度を極力少なくする。その条件は請求項2においては式(1)を満たす範囲内である。
また請求項3においても、同様に有害な析出物粒子の析出密度を極力少なくするために必要な範囲内である。

0047

B:0.001〜0.010%
Bは焼入れ性を向上させる元素であり、必要に応じて0.001%以上含有させることができる。但し0.010%を超えて含有させた場合粒界にBの析出物を形成し、強度を低下させる。

0048

TiC,ZrC,AlNの合計の析出物粒子量が3.5×10−4モル以下
熱間圧延後の鋼材100gに含まれるTiC,ZrC,AlNの合計の析出物粒子量が3.5×10−4モル以下であることは、浸炭処理に際して浸炭初期から析出物粒子を極力少なくし、析出物粒子が結晶粒界を実質的にピンニングし拘束しないことのために若しくはピンニングの力を弱めるために重要である。

図面の簡単な説明

0049

(A)本発明の原理を説明するために示したモデル図である。(B)異常成長粒の発生を説明するために示した比較例の図である。
結晶粒粗大化温度測定及び回転曲げ疲労試験に用いた試験片を示す図である。
析出物粒子量と粗大化温度との関係を示した図である。
析出物粒子量と疲労強度との関係を示した図である。

0050

次に本発明の実施例を以下に詳述する。
表1に示す化学組成の鋼材を溶解し、1250℃で加熱し、4h保持した後、950℃以上で熱間圧延し、φ30mmの棒鋼にした。
この棒鋼からφ30×70mmの試験片を切り出してTiC,ZrC,AlNの定量用試料とし、前述した方法でTiC,ZrC,A1Nの析出物粒子量(モル)を定量化して鋼材100g当りに換算した。
次に浸炭時の粗大化温度を確認するために、前記棒鋼から図2(A)に示すφ20×6mmのコイン状の試験片5を作製した。
そしてこの試験片5に対し以下の条件でガス浸炭及び焼入れを行った。詳しくは浸炭ガスプロパンを用いて、試験片5を925〜1100℃までの25℃間隔の各温度でCP(カーボンポテンシャル)=0.8%で3h保持し、その後更に850℃,CP=0.8%で0.5h保持した後、80℃の油で焼入れた。
その後、旧オーステナイト粒界の現出が容易になるように550℃で16h保持し、その後空冷する処理を行った。

0051

0052

この熱処理後に、試験片5を半分に切断し(図2(B)参照)、その断面を鏡面研磨して飽和ピクリン酸溶液腐食して旧オーステナイト粒界を現出させた。そして、光学顕微鏡にて断面観察し、結晶粒度番号で3番以下の粗大粒面積率で5%以上確認された試験片の浸炭処理温度を結晶粒粗大化温度とした。
尚、測定個所表層を除いた内部、ここでは図中S1で示す中心部分とした。
また、1100℃で浸炭処理した試験片については、前述した方法で結晶粒度差を求めた。
これらの結果が表2に併せて示してある。

0053

ここではまた表1に示した成分の肌焼鋼を用いて浸炭した浸炭部品の疲労強度評価を行うため、図2(C)に示す、ノッチ底12が1R(半径1mm)の小野式回転曲げ疲労試験片10を作製した(平行部14径φ8mm)。その試験片10をCP=0.8%,浸炭温度1100℃で3h保持し、次いでCP=0.8%,浸炭温度850℃で0.5h保持した後に、80℃の油で焼き入れする浸炭焼入れ処理を施した。焼戻しは180℃で1.5h保持し、空冷することにより行った。
そして浸炭焼入れ及び焼戻し処理後の小野式回転曲げ疲労試験片10を用いてJIS Z 2274に準拠した方法で小野式回転曲げ疲労試験を行い、表1の実施例,比較例それぞれの疲労強度を調査した。結果が表2に示してある。尚試験条件回転数3500rpm,試験温度は室温の条件である。
ここで表2中の疲労強度の値は、繰返し数107回で破断しない最大応力疲労限度として数値で表したものである。

0054

また浸炭後の試験片10からノッチ部を切り出して縦断面で切断し、その断面を鏡面研磨して飽和ピクリン酸溶液で腐食して旧オーステナイト粒界を現出させ、その試験片を光学顕微鏡で観察し、異常結晶粒成長の有無を観察した。尚観察の個所図2(D)中S2で示したノッチ底部分である。
結果が表2に併せて示してある。

0055

0056

表2の結果(粗大化温度)に示しているように、比較例では950〜1075℃の何れかの温度で結晶粒度番号3番以下の粗大粒が面積率で5%以上生じており、異常粒成長の生じたことが確認されたが、実施例のものは、1100℃に到るまでの何れの温度(浸炭処理温度)の下でも結晶粒度番号3番以下の粗大粒は面積率で5%以上確認されず、異常粒成長が認められなかった。即ち実施例のものは、何れも結晶粒粗大化温度は1100℃よりも上の温度である。
図3は、表2の粗大化温度を縦軸に、また鋼材100gに含まれる析出物粒子量を横軸にとって、それらの関係を表したものである。
図に示しているように粗大化温度は、析出物粒子量3.5×10−4モルを境として格段の差が生じている。

0057

表2中の結晶粒度差は、結晶粒度(結晶粒のサイズ)のばらつきの度合を示しており、結晶粒度差の大きいものは結晶粒サイズのばらつきが大きく、結晶粒度差の小さいものは結晶粒サイズのばらつきが小さいこと、つまりは結晶粒サイズが揃っており、組織が整粒化された組織であることを意味する。
比較例のものに比べて、実施例のものは結晶粒度差が6以下と小さく、個々の結晶粒が比較的近いサイズで整っている。
巨大結晶粒の発生、異常粒成長が認められず、結晶粒(のサイズ)が結晶粒度差6以下に粒の揃った整粒化された状態の実施例の組織は、熱間圧延後の鋼材100gに含まれるTiC,ZrC,AlNの合計の析出物粒子量を3.5×10−4モル以下の少量とすることで得られたものである。

0058

そしてそのことにより、表2に示しているように浸炭部品の疲労強度を格段と高めることができる。
図4は、表2の疲労強度の値を縦軸に、また析出物粒子量を横軸にとって、それらの関係を表したものである。
図に示しているように疲労強度の値は、析出物粒子量の析出密度3.5×10−4モルを境として格段に高まっている。

0059

以上本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一例示であり、本発明はその他様々な変更を加えた態様で実施可能である。

0060

pピン止め粒子
q結晶粒
Q巨大化した結晶粒
10 小野式回転曲げ疲労試験片

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