(57)【要約】【課題】従来一般的なプロセスで得られる部品と同等の耐摩耗性や疲労特性を具備した調質熱処理済みの鋼帯を提供する。【解決手段】Ｃを０.３質量％以上含有し、下記（１）式で表されるＣ当量が０.３％以上である化学組成を有し、浸炭処理後にオーステナイト温度域からの急冷を伴う調質熱処理を受けて表層部５０μｍの平均硬さが４５０ＨＶ以上に調整され、かつ表面炭素濃度ＣS（質量％）と鋼中平均炭素濃度ＣM（質量％）の差ΔＣ＝ＣS−ＣMが０.０３質量％以上である調質熱処理済み鋼帯によって達成される。  Ｃ当量（％）＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｂ×５＋Ｖ／１４＋Ｍｏ／４＋Ｎｉ／４０  …（１）【選択図】図１
2010222696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０.２０〜０.９０％、Ｓｉ：１.５０％以下、Ｍｎ：２.０％以下、Ｐ：０.０３％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｃｕ：０〜０.３０％、Ｎｉ：０〜０.３０％、Ｃｒ：０〜１.５０％、Ｔｉ：０〜０.１０％、Ｖ：０〜０.１０％、Ｍｏ：０〜０.２０％、Ｂ：０〜０.００５０％、Ｔ.Ａｌ：０.１％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、下記（１）式で表されるＣ当量が０.３％以上である化学組成を有し、浸炭処理後にオーステナイト温度域からの急冷を伴う調質熱処理を受けて表層部５０μｍの平均硬さが４５０ＨＶ以上に調整され、かつ表面炭素濃度ＣS（質量％）と鋼中平均炭素濃度ＣM（質量％）の差ΔＣ＝ＣS−ＣMが０.０３質量％以上である調質熱処理済み鋼帯。
Ｃ当量（％）＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｂ×５＋Ｖ／１４＋Ｍｏ／４＋Ｎｉ／４０  …（１）
ここで、（１）式右辺の各元素記号の箇所には、質量％で表された当該元素の含有量が代入され、無添加の元素については０（ゼロ）が代入される。
【請求項２】
調質熱処理が焼入れ焼戻しである請求項１に記載の調質熱処理済み鋼帯。
【請求項３】
（ａ）質量％で、Ｃ：０.２０〜０.９０％、Ｓｉ：１.５０％以下、Ｍｎ：２.０％以下、Ｐ：０.０３％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｃｕ：０〜０.３０％、Ｎｉ：０〜０.３０％、Ｃｒ：０〜１.５０％、Ｔｉ：０〜０.１０％、Ｖ：０〜０.１０％、Ｍｏ：０〜０.２０％、Ｂ：０〜０.００５０％、Ｔ.Ａｌ：０.１％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、下記（１）式で表されるＣ当量が０.３％以上である化学組成を有する鋼帯の表面に、７２０〜８５０℃の温度域でＣＯガスを発生する性質の浸炭剤含有塗膜を形成させる工程、
（ｂ）前記塗膜を有する鋼帯をコイル状に巻き取り、塗膜を挟んで隣接する板面同士の接触圧力が０.２ＭＰａ以上であるコイルとする工程、
（ｃ）前記コイルを炉に装入して不活性ガス雰囲気中７２０〜８５０℃で３ｈ以上保持することにより鋼帯表層部に浸炭層を形成させる工程、
（ｄ）前記浸炭層を有する鋼帯を連続ラインにおいて、Ａｃ3点以上の温度に保持した後、少なくともＡｒ1点未満の温度域まで急冷する工程、
（ｅ）前記急冷後の鋼帯を連続ラインにおいて、１５０℃以上Ａｃ1点未満の温度域に保持する工程、
を有する調質熱処理済み鋼帯の製造方法。
Ｃ当量（％）＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｂ×５＋Ｖ／１４＋Ｍｏ／４＋Ｎｉ／４０  …（１）
ここで、（１）式右辺の各元素記号の箇所には、質量％で表された当該元素の含有量が代入され、無添加の元素については０（ゼロ）が代入される。
【請求項４】
上記（ｄ）および（ｅ）の工程に代えて、それぞれ、
（ｄ）前記浸炭層を有する鋼帯を連続ラインにおいて、Ａｃ3点以上の温度に保持した後、急冷することにより焼入れ処理する工程、
（ｅ）前記急冷後の鋼帯を連続ラインにおいて、１５０〜３５０℃に０.５〜１０ｍｉｎ保持することにより焼戻し処理する工程、
を採用する請求項３に記載の調質熱処理済み鋼帯の製造方法。
【請求項５】
前記浸炭剤含有塗膜は、浸炭剤（炭素源）として木炭粉、グラファイト、カーボンブラックの１種以上を合計５〜３０質量％含有するものである請求項３または４に記載の調質熱処理済み鋼帯の製造方法。
【請求項６】
前記浸炭剤含有塗膜は、さらに炭酸塩を３〜３０質量％含有するものである請求項５に記載の調質熱処理済み鋼帯の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼入れ焼戻しやオーステンパーなどの調質熱処理が施された鋼帯であって、耐摩耗性、疲労特性が要求される機械構造用部品、例えばバルブシート類に好適な鋼帯、およびその製造方法に関する。この鋼帯は、既に調質熱処理が施されたものであり、部品加工後における熱処理を不要とするものである。
【背景技術】
【０００２】
一般の浸炭法には、固体浸炭法、液体浸炭法、ガス浸炭法、真空浸炭法があり、いずれも小型部品に主に適用されている。固体浸炭法は被処理物を浸炭箱に入れ、十分な浸炭性ガスを発生させるため多量の浸炭剤を充填し、密封して、約８５０℃以上に加熱するものである。液体浸炭法は、浸炭剤を含有する塩浴剤などに被処理物を浸漬するものである。ガス浸炭法は最も広く用いられている浸炭法であり、９００〜１０００℃付近で変成ガス（ＣＯ、Ｈ2、Ｎ2、ＣＨ4、ＣＯ2）によって浸炭を行うものである。真空浸炭法は、減圧下に置かれた高温の被処理物にメタン、プロパン、エチレン、アセチレンなどのガスを直接作用させて浸炭するものである。
【０００３】
これらの方法は、いずれもバッチ式で高価な浸炭設備が必要である。また、被処理物の大きさが浸炭箱、塩浴槽、加熱炉などの大きさに制約されるので、大型部品の大量生産には適用しにくい。浸炭には通常、長時間を要することから、多大なエネルギーを要するという問題もある。
【０００４】
バッチ式で大量生産が可能な浸炭方法としては、浸炭剤を塗布する塗布浸炭型の浸炭法がある（特許文献１〜３）。これらは浸炭組成物（オレフィン系重合体樹脂に木炭を分散させた水性塗料）を塗布し、その鋼板を積層させるか、または鋼帯のまま、大気中９００〜１２００℃に加熱して浸炭させる方法である。しかし、９００℃以上の高温熱処理を大気雰囲気で行うことから、設備自体が酸化する問題や大気中でのガス流動で浸炭の不均一が発生する問題があり、実用的ではない。また、高温加熱のため製品の結晶粒が粗大化しやすく、疲労特性や衝撃値が低下する場合がある。
【０００５】
一方、連続ラインで浸炭鋼帯を製造する方法も提案されている（特許文献４、５）。特許文献４は、極低炭素鋼の打抜き性を改善するため、連続焼鈍設備に浸炭ガスを導入して鋼板表面の０.５〜１００μｍ領域に炭素濃度０.０１％以下の浸炭層を形成させるものである。特許文献５は、ループ式として浸炭を安定化させたものである。しかしながら、いずれも連続式のため、浸炭深さは浅く、浸炭層の炭素濃度も低い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１１９８３８号公報
【特許文献２】特開２００１−１０７２１７号公報
【特許文献３】特開２００１−１１５２４９号公報
【特許文献４】特開平５−２０２４２５号公報
【特許文献５】特開平７−１９７２３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
浸炭に関する従来の問題点を整理すると以下のとおりである。
［１］一般的な浸炭の方法では、高価なバッチ浸炭設備が必要となり、処理される部品は設備の大きさに制約され、通常は小型部品に限定される。鋼帯の状態でバッチ浸炭する場合には大型の浸炭設備が新たに必要であるとともに浸炭に長時間を要するため、設備的およびエネルギー的に多大なコスト増を招く。
［２］バッチ式ガス浸炭や従来の塗布型浸炭は９００〜１２００℃の高温で処理されるため、製品の結晶粒が粗大化しやすく、疲労特性や衝撃値が低下する場合がある。
［３］塗布型浸炭法の雰囲気が大気の場合、鋼帯外周側の酸化（脱炭）が起こり、歩留まりが低下する。
【０００８】
［４］連続ラインで焼入れ焼戻し処理する場合は、脱炭を防止するために浸炭雰囲気に調整された「調整ガス」を使用することが望まれるが、それにはコスト増を伴う。しかも、焼入れを行う上で通板速度の下限には制約があり、実際には十分な脱炭防止（浸炭化）が難しい。素材に脱炭がある場合、焼入れ時に焼戻り現象（連続的に焼入れる場合に焼入れ温度が低下する現象）が生じてフェライト相が生成する場合があり、耐摩耗性や疲労特性の低下を招く要因となる。
［５］連続浸炭設備で浸炭させた鋼帯は、浸炭深さが浅く、表面の炭素濃度も低い。この鋼帯を通常の連続焼入れ焼戻し設備（窒素ガス雰囲気）に通板した場合には、加熱時の表面脱炭は免れず、上記の焼戻り現象の懸念が残る。これを解消するためにはやはり調整ガスを使用する必要があり、コスト増を招く。
［６］連続浸炭設備において浸炭深さの増大を図る手段として、（i）浸炭温度の上昇（Ｃの拡散係数の増大）、（ii）浸炭時間の延長が考えられる。しかし（i）は炉体寿命の低下を招き、（ii）はラインの長大化を招くので、いずれも多大なコスト増を伴う。
【０００９】
従来、耐摩耗性が要求される高強度機械部品は、軟質な素材（例えば鋼帯）から採取した材料を用いて部品形状に成形加工し、その後、浸炭や、焼入れ焼戻しなどの調質熱処理を施すプロセスをとることが多い。一方、既に調質熱処理を終えて高硬度化されている素材（例えば焼入れ焼戻し鋼帯）を用いても成形加工が可能な形状の部品では、部品加工後の熱処理を省略するために、調質熱処理済みの素材を用いることがコスト的に有利となる。しかし上述のように、鋼帯の状態で効率の良い浸炭を行うことは必ずしも容易ではなく、したがって、従来一般的なプロセスで得られる部品と同等の耐摩耗性や疲労特性を具備した調質熱処理済み鋼帯を得ることは難しかった。
【００１０】
本発明はこのような現状に鑑み、上記の浸炭に関する諸問題を解消するとともに、従来一般的なプロセスで得られる部品と同等の耐摩耗性や疲労特性を具備した調質熱処理済みの鋼帯を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、質量％で、Ｃ：０.２０〜０.９０％、Ｓｉ：１.５０％以下、Ｍｎ：２.０％以下、Ｐ：０.０３％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｃｕ：０〜０.３０％、Ｎｉ：０〜０.３０％、Ｃｒ：０〜１.５０％、Ｔｉ：０〜０.１０％、Ｖ：０〜０.１０％、Ｍｏ：０〜０.２０％、Ｂ：０〜０.００５０％、Ｔ.Ａｌ：０.１％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、下記（１）式で表されるＣ当量が０.３％以上である化学組成を有し、浸炭処理後にオーステナイト温度域からの急冷を伴う調質熱処理（例えば焼入れ焼戻し）を受けて表層部５０μｍの平均硬さが４５０ＨＶ以上に調整され、かつ表面炭素濃度ＣS（質量％）と鋼中平均炭素濃度ＣM（質量％）の差ΔＣ＝ＣS−ＣMが０.０３質量％以上である調質熱処理済み鋼帯によって達成される。
Ｃ当量（％）＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｂ×５＋Ｖ／１４＋Ｍｏ／４＋Ｎｉ／４０  …（１）
【００１２】
ここで、（１）式右辺の各元素記号の箇所には、質量％で表された当該元素の含有量が代入され、無添加の元素については０（ゼロ）が代入される。
「オーステナイト温度域からの急冷を伴う調質熱処理」としては、例えば焼入れ焼戻し、オーステンパー等が挙げられる。
【００１３】
また本発明では、上記のような高強度鋼帯の製造方法として、
（ａ）前記の化学組成を有する鋼帯の表面に、７２０〜８５０℃の温度域でＣＯガスを発生する性質の浸炭剤含有塗膜を形成させる工程、
（ｂ）前記塗膜を有する鋼帯をコイル状に巻き取り、塗膜を挟んで隣接する板面同士の接触圧力が０.２ＭＰａ以上であるコイルとする工程、
（ｃ）前記コイルを炉に装入して不活性ガス雰囲気中７２０〜８５０℃で３ｈ以上保持することにより鋼帯表層部に浸炭層を形成させる工程、
（ｄ）前記浸炭層を有する鋼帯を連続ラインにおいて、Ａｃ3点以上の温度に保持した後、少なくともＡｒ1点未満の温度域まで急冷する工程、
（ｅ）前記急冷後の鋼帯を連続ラインにおいて、１５０℃以上Ａｃ1点未満の温度域に保持する工程、
を有する調質熱処理済み鋼帯の製造方法が提供される。
【００１４】
Ａｃ1点およびＡｃ3点は、それぞれ昇温過程におけるＡ1変態点およびＡ3変態点である。Ａｒ1点は降温過程におけるＡ1変態点である。
【００１５】
上記（ｄ）および（ｅ）の工程を特に焼入れ・焼戻し処理とする場合は、
（ｄ）前記浸炭層を有する鋼帯を連続ラインにおいて、Ａｃ3点以上の温度に保持した後、急冷することにより焼入れ処理する工程、
（ｅ）前記急冷後の鋼帯を連続ラインにおいて、１５０〜３５０℃に０.５〜１０ｍｉｎ保持することにより焼戻し処理する工程、
を採用することができる。
【００１６】
前記浸炭剤含有塗膜は、浸炭剤（炭素源）として木炭粉、グラファイト、カーボンブラックの１種以上を合計５〜３０質量％含有するもの、あるいはさらに炭酸塩を３〜３０質量％含有するものが好適である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の調質熱処理済み鋼帯は、大量生産が可能であり、部品加工後の熱処理を省略可能とするものであるため、通常の浸炭部品に比べて部品のコストを大幅に低減することができる。この鋼帯は、表面炭素濃度が十分に高い状態で調質熱処理を施したものであるから、浸炭を施さない焼入れ焼戻し材に比べ疲労特性が大幅に向上している。また、有効浸炭深さ０.２５ｍｍを有する通常のガス浸炭材とほぼ同等の疲労特性と耐摩耗性を具備するものである。したがって本発明の鋼帯は、優れた耐摩耗性および疲労特性が要求される機械構造用部品に好適である。例えばバルブシート用鋼帯として適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】平面曲げ疲労試験における繰り返し回数と最大曲げ応力の関係を例示したグラフ。
【図２】摩耗試験結果を例示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の調質熱処理済み鋼帯を得るためには、その調質熱処理に先立って、表面炭素濃度が十分に高い鋼帯を得ておくことが極めて重要である。そのための浸炭手法として、一般的に行われるガス浸炭法ではなく、鋼帯表面に浸炭剤含有塗料を塗布して焼鈍する塗布型浸炭法が採用される。
【００２０】
塗布型浸炭法は、特許文献１〜３などに開示がある。これらはいずれも浸炭組成物を塗布して大気中にて９００〜１２００℃の温度で浸炭する方法であり、上述のような問題を有している。発明者らは種々検討の結果、塗布型浸炭を行う際に、コイル状に巻かれたときの鋼帯の表面同士の接触圧力を適正化することで、通常の焼鈍条件範囲にある７２０〜８５０℃という比較的低温において効率的に浸炭が進行することを見出した。この場合、通常のバッチ焼鈍工程で浸炭処理を兼ねることができる。通常のバッチ焼鈍工程の焼鈍雰囲気は不活性ガスであるから、大気中の浸炭で問題となる鋼帯表面の酸化スケールおよびエッジ部の脱炭が回避され、鋼帯の板幅方向に安定して炭素濃度が高い表層部を有する浸炭鋼帯を得ることができる。この浸炭鋼帯を連続ラインにおける調質熱処理に供すると、特別な調整ガスを使用しなくても、表面の硬度が高く、かつ表面圧縮残留応力が高い調質熱処理鋼帯（例えば焼入れ焼戻し鋼帯）が実現できるのである。このような鋼帯は、優れた疲労特性と、耐摩耗性を呈する。
【００２１】
本発明の鋼帯を得るための代表的な工程を例示すると、以下のような製造プロセスが挙げられる。
熱間圧延→軟化焼鈍→冷間圧延→脱脂→浸炭塗料塗布→乾燥→巻取→バッチ焼鈍（浸炭）→連続調質熱処理
上記において、酸洗などのスケール除去手段が適宜挿入される。目標板厚に応じて冷間圧延を省略し、熱延鋼帯に対して浸炭を兼ねた焼鈍を施してもよい。
以下、本発明をより具体的に説明する。
【００２２】
〔鋼組成〕
素材である鋼は、調質熱処理に供されている種々の鋼種が対象となり、浸炭性を向上させるために特殊な成分組成とした鋼（浸炭用鋼）を用いる必要はない。その理由は、本発明によれば、コイル状に巻かれた鋼帯の隣り合う表面同士の間で発生する浸炭性ガス（ＣＯ）を、その表面同士の接触圧力を適正化することにより鋼の表面近傍に保持するため、浸炭用鋼を用いなくても、後述の表面炭素濃度ＣS（質量％）と鋼中平均炭素濃度ＣM（質量％）の差ΔＣ＝ＣS−ＣMが０.１質量％以上となるように表面炭素濃度を高めることが可能だからである。
【００２３】
具体的に鋼成分を例示すると、例えば、以下のような成分組成範囲の鋼種が好適な対象となる。
質量％で、Ｃ：０.２０〜０.９０％、Ｓｉ：１.５０％以下、Ｍｎ：２.０％以下、Ｐ：０.０３％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｃｕ：０〜０.３０％、Ｎｉ：０〜０.３０％、Ｃｒ：０〜１.５０％、Ｔｉ：０〜０.１０％、Ｖ：０〜０.１０％、Ｍｏ：０〜０.２０％、Ｂ：０〜０.００５０％、Ｔ.Ａｌ：０.１％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、下記（１）式で表されるＣ当量が０.３％以上である化学組成を有する鋼。
Ｃ当量（％）＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｂ×５＋Ｖ／１４＋Ｍｏ／４＋Ｎｉ／４０  …（１）
ここで、（１）式右辺の各元素記号の箇所には、質量％で表された当該元素の含有量が代入され、無添加の元素については０（ゼロ）が代入される。
【００２４】
〔金属組織〕
浸炭処理後にオーステナイト温度域から少なくともＡｒ1点未満の温度域への急冷を伴う調質熱処理を受けた金属組織を有する鋼帯が対象となる。その調質熱処理としては焼入れ焼戻し、オーステンパーなどが挙げられる。焼入れ焼戻しの場合は、焼き戻されたマルテンサイト組織を呈する。オーステンパーの場合はベイナイト組織を呈する。上記のマルテンサイト、ベイナイト、および炭化物を除く残部（残留オーステナイトやパーライトなど）は合計５体積％以下であることが望ましい。
【００２５】
本発明の鋼帯は、浸炭処理において高温（９００℃以上）での長時間加熱を経ていないものである。したがって、旧オーステナイト粒径の粗大化が起こっていない。平均旧オーステナイト粒度はＮｏ.６以上あり、結晶粒粗大化に起因する靱性低下は回避される。ここで、平均旧オーステナイト粒度は、圧延方向と板厚方向に平行な断面（Ｌ断面）について、ＪＩＳ Ｇ０５５１：２００５に規定される切断法を適用して定めることができる。
【００２６】
〔表層部５０μｍの平均硬さ〕
鋼帯の表層部５０μｍの平均硬さは４５０ＨＶ以上に調整されている必要がある。これより低いと機械構造部品として十分な強度や耐摩耗性が発揮できない場合がある。硬さの上限は用途に応じて種々の範囲とすればよいが、過剰に硬いと部品加工が困難になることがあるので、例えば５５０ＨＶ以下とすることがより好ましい。表層部５０μｍの平均硬さの測定は、圧延方向に垂直な断面（Ｃ断面）における表面から５０μｍ深さまでの領域について、２０μｍ深さ位置、３０μｍ深さ位置、５０μｍ深さ位置で、それぞれ５点のビッカース硬さを測定し、全測定値（計１５点）の平均値を算出することによって定める。
【００２７】
〔表面炭素濃度ＣSと鋼中平均炭素濃度ＣMの差ΔＣ＝ＣS−ＣM〕
調質熱処理済み鋼帯において、このΔＣが０.０３質量％以上である場合に、表面の圧縮残留応力が増大することによる疲労特性の顕著な向上効果が得られる。また、表層部の硬さが増大することによる優れた耐摩耗性が発揮される。ΔＣは０.０５質量％以上であることがより好ましい。なお、調質熱処理に供する段階（浸炭処理後の段階）ではΔＣが０.１質量％以上であることが望ましい。
【００２８】
ここで、表面炭素濃度ＣSは以下のようにして求める。
まず、Ｃの化学分析値が０.０３〜０.８質量％の範囲にある鋼の試料を用いて、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）によるＣの特性Ｘ線の検出量（カウント）と、Ｃの化学分析値の関係を調べ、当該ＥＰＭＡにおけるＣの検量線を作成しておく。
鋼帯からサンプルを切り出し、表面のスケールを酸洗により除去し、脱脂した後、表面にニッケルめっき層（例えば約５０μｍ厚さ）を形成させる。ニッケルめっき後のサンプルを樹脂に埋め込み、板厚方向に平行な断面を研磨し、これを測定試料とする。前記ＥＰＭＡにより測定試料のニッケルめっき層側から板厚方向にＣのライン分析を行い、ニッケルめっきが終了した位置から板厚方向深さが２００μｍまでのＣの検出量（カウント）の最大値を求め、この値を前記の検量線によりＣ濃度（質量％）に換算し、これを表面炭素濃度ＣSとする。
【００２９】
ただし、浸炭処理後（調質熱処理前）の状態における表面炭素濃度ＣSを求める際には以下のように焼入れした試料を作製して測定する。すなわち、浸炭後の段階では表層部がフェライト＋パーライト組織であり、表面の炭素濃度は組織に起因した変動が大きいので、鋼帯から切り出したサンプルを９００℃の塩浴中に浸漬し、サンプル温度が塩浴温度に概略一致する時間（例えば６０秒）保持したのち水焼入れする方法で表層部の炭素濃度変動を均一化した試料を作製する。この試料を用いて前述のようにニッケルめっきを施し、ＥＰＭＡによる測定に供する。
鋼中平均炭素濃度ＣMは、鋼の化学分析値におけるＣ含有量である。
【００３０】
次に、本発明の鋼帯の製造条件を例示する。
〔浸炭剤〕
浸炭塗料の主成分である浸炭剤は、木炭粉、グラファイト、カーボンブラック等が使用でき、これらを成分に持つ市販剤を用いても差し支えない。浸炭塗料中の浸炭剤の濃度は５〜２０質量％が好ましい。浸炭剤が５質量％未満では浸炭効果が不足しやすく、通常のガス浸炭で製造した材料と同等の疲労特性、摩耗特性が十分に得られない場合がある。また、２０質量％を超える浸炭剤を含有する塗料を塗布しても、７２０〜８５０℃程度の焼鈍温度では浸炭効果は飽和して効果的でない。
【００３１】
浸炭剤の平均粒径は０.５μｍ以下であることが望ましい。一般には粒径が小さいほど均一分散する傾向があるが、あまり粒径が小さくなると浸炭剤粒子が凝集するため、固体浸炭剤の平均粒径は０.２〜０.５μｍに調整されていることがより好ましい。この平均粒径はレーザー回折式粒度分布測定装置による体積基準の累積平均値Ｄ50を採用することができる。
【００３２】
〔浸炭促進剤〕
浸炭塗料にはＣＯ2等の圧力を高めて浸炭を促進する目的で、浸炭促進剤が添加されるのが一般的である。浸炭促進剤は、ベースとなる水性塗料への添加時ＣＯ2等の気体を発生せず、浸炭温度に加熱した際にはじめて気体を発生するものであれば特に制限されるものでない。使用する水性媒体の種類や皮膜の形成方法に応じて選択されるが、炭酸塩が好ましい。例えば、炭酸ナトリウムまたは炭酸バリウムを５質量％以上含有させたものが好適な対象となる。ただし過剰に配合しても効果は飽和するので、例えば２０質量％以下とすればよい。
【００３３】
〔分散剤〕
浸炭塗料に配合する分散剤としては、一般的に塗料その他に用いられる水溶性高分子が使用できる。例えば天然高分子、ポリアクリル酸、スチレン−マレイン酸共重合体、スチレン−アクリル酸共重合体、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールなどが挙げられる。水性塗料としての性質、被処理物上への皮膜の形成や加工性を勘案して、平均粒径１〜３μｍ程度の粉体を使用することが好ましい。また、これらの水溶性高分子は水１００質量部に対して１０〜４０質量部の割合で配合するのが好ましい。１０重量部未満では塗膜の密着性が不足しやすくなり、４０質量部を超えると塗膜が剥離しやすくなる。
また、塗料と鋼板の濡れ性を向上させるために有機溶剤、消泡剤等を少量添加してもよい。
【００３４】
〔前処理〕
浸炭塗料を塗布する鋼帯は、熱延鋼帯、冷延鋼帯のいずれを対象としてもよいが、熱延鋼帯の場合は酸洗等を経て酸化スケールが除去されていることが必要である。塗布前には均一な塗布層を作る目的で予め鋼帯表面を洗浄する「前処理」を実施することが好ましい。洗浄方法としては、例えばアルカリ脱脂、有機溶剤による脱脂等が挙げられる。
【００３５】
〔塗布方法〕
鋼帯表面への浸炭塗料の塗布方法は、浸漬法、ロール法、スプレー法、バーコート法等が挙げられる。鋼帯の両面に塗布してもよいし、片面だけに浸炭塗料を塗布してもよい。いずれの場合もコイル状に巻かれた際に隣接する鋼板表面同士の間に浸炭塗料の塗膜を介在させることができる。浸炭塗料の塗布量は、片面だけに塗布する場合、例えば乾燥後の付着量で４０〜８０ｇ／ｍ2とすれば浸炭効果は十分発揮される。両面塗布の場合は、片面当たりの塗布量を前記の量より少なくすることができる。
【００３６】
〔乾燥〕
塗布後に塗膜を乾燥させ、皮膜化させる。乾燥は水分の蒸発を目的しており、１００〜１３０℃×１ｍｉｎ程度の加熱でよい。水溶性高分子の沸騰や溶融が生じない範囲の条件で加熱する。
【００３７】
〔接触圧力〕
上記の皮膜化させた浸炭塗料の乾燥塗膜（浸炭剤含有塗膜）を有する鋼帯を、その塗膜層を挟んで板面同士が接触するようにコイル状に巻き取る。発明者らは種々研究の結果、このときの隣接する板面同士の接触圧力を一定以上に高めた状態として熱処理に供したとき、７２０〜８５０℃という通常の焼鈍温度範囲において、安定した浸炭が実現可能となることを見出した。具体的には、板面同士の接触圧力が０.２ＭＰａ以上となるようにコイル状に巻き取る。このような面圧が付与された状態で熱処理を行うと、浸炭塗膜中において浸炭剤成分（木炭粉など）と浸炭促進剤の熱分解によって発生した浸炭性ガスが、鋼板の板面間に保持され、鋼板表面の浸炭が効率良く進行する。
【００３８】
接触圧力が０.２ＭＰａ未満でも浸炭は生じるが、表面炭素濃度ＣS（質量％）と鋼中平均炭素濃度ＣM（質量％）の差ΔＣを安定して０.０３質量％以上（調質熱処理前の段階においては０.１質量％以上）とするためには、０.２ＭＰａ以上の接触圧力を確保することが極めて有効であり、０.４ＭＰａ以上とすることがより好ましい。接触圧力が高いほど浸炭性は向上するが、接触圧力が過大になると鋼板間の介在する浸炭剤粒子（木炭など）が鋼板表面に押し込まれ、疵の原因となることがある。種々検討の結果、接触圧力は２０ＭＰａ以下とすることか望ましく、１０ＭＰａ以下の範囲にコントロールすることが一層好ましい。
【００３９】
この接触圧力は、鋼帯をコイル状に巻き取るときの張力によって調整することができる。接触圧力と巻取張力の関係は、予め、感圧紙、ロードセル、歪ゲージなど用いて調べておけばよい。データを採取しておけばよい。巻き取った後は、接触圧力０.２ＭＰａ以上が維持できるように、必要に応じてコイルバンドなどでコイル全体を締め付けるとよい。
【００４０】
〔焼鈍（浸炭）条件〕
上記のようにして板面間に浸炭塗膜を介在させてコイル状にした鋼帯は、その状態で炉に装入され、焼鈍される。焼鈍雰囲気は不活性ガスとする。不活性ガスとしては、アルゴンガス、窒素ガス、ＮＸガス（窒素ベースの変成ガス）などが適用でき、工業的にはＮＸガスが好ましい。水素を含有する還元性ガスでは水素と浸炭剤のＣが反応して、ＣＨ4とＨ2Ｏが発生し、脱炭が生じてしまうことがある。また、酸化性ガスでは浸炭剤が燃焼して浸炭が生じないことがあり、鋼板が酸化し脱炭が生じることもある。不活性ガス雰囲気の露点は−４０℃以下とすることが好ましい。
【００４１】
この焼鈍では７２０℃以上の温度で３ｈ以上の保持が必要である。７２０℃未満では炭素の拡散速度がきわめて遅いため、浸炭が効果的に進行し難くい。また、固体浸炭剤が分解して浸炭性ガスを生じさせるためにも７２０℃以上の温度とすることが有効である（例えば一般的な木炭の分解反応は７００℃以上である）。加熱温度が高いほど炭素の拡散速度が速くなり、浸炭性は良好となるが、本発明では通常の焼鈍設備を用いて、鋼の焼鈍を兼ねた工程で浸炭を行う関係上、８５０℃以下の範囲とする。それより高温にするためには別途、浸炭炉を用意する必要があり、比較的低温で浸炭が可能であるという本発明のメリットが活かせない。加熱保持時間（コイル中心部が目標温度に保持される均熱時間）を３ｈ以上確保することによって、表面炭素濃度ＣS（質量％）と鋼中平均炭素濃度ＣM（質量％）の差ΔＣを調質熱処理前の状態において０.１質量％以上とすることができる。コイル内の温度の均一性を考慮すると、１０ｈ以上とすることがより好ましい。ただし、あまり長時間加熱すると、鋼板の極表層部が脱炭する現象が見られることがある。種々検討の結果、加熱保持時間は３０ｈ以下の範囲とすることが望ましく、２０ｈ以下に設定しても構わない。
【００４２】
加熱後の冷却は炉冷とすればよい。この浸炭焼鈍後の金属組織は、球状化セメンタイト、フェライト＋パーライト、パーライト、ベイナイト組織であれば問題ない。
【００４３】
〔調質熱処理〕
調質熱処理は、焼入れ焼戻しや、Ａ1点未満での恒温変態を伴うオーステンパーなど、公知の方法が適用できる。ここでは、焼入れ焼戻しを例に挙げて説明する。
設備としては連続焼入れ焼戻しラインを使用することが効率的であるが、焼入れ処理と、焼戻し処理を別の機会に行っても構わない。
【００４４】
焼入れ処理では、鋼帯をＡｃ3点以上に加熱後、この温度域に好ましくは１ｓｅｃ以上均熱保持する。均熱保持とは、板厚中心部が所定の温度範囲（ここではＡｃ3点以上）に保持されることをいう。オーステナイトの安定化と加熱温度精度を考慮すると保持温度は（Ａｃ3点＋３０℃）以上とすることがより好ましい。また、オーステナイト結晶粒の粗大化を防止する観点から、オーステナイト単相領域かつ９２０℃以下の範囲とすることが好ましい。均熱保持時間が短いと未固溶のセメンタイトが残ることがあるので、１０ｓｅｃ以上を確保することが好ましく、３０ｓｅｃ以上とすることがより好ましい。ただし、あまり長時間の加熱は必要なく、ライン構成にもよるが通常は均熱５ｍｉｎ以下の範囲とすればよい。
【００４５】
Ａｃ3点以上での保持の後、急冷することによりマルテンサイト組織を得る。焼入れ時の急冷終了温度は、残留オーステナイトが存在しない完全マルテンサイト組織とするために（Ｍｓ点−８０℃）以下の温度とすることが好ましい。急冷中の平均冷却速度は６０℃／ｓｅｃ以上とすることが好ましい。この冷却速度を確保すれば、前記（１）式のＣ当量が０.３％以上である鋼においてフェライト相が生成しない。
【００４６】
焼戻し処理では、１５０〜３５０℃に０.５〜１０ｍｉｎ均熱保持する。１５０℃未満の加熱温度または０.５ｍｉｎ未満の保持時間では十分な焼戻し効果が得られにくい。３５０℃を超える加熱温度または１０ｍｉｎを超える保持時間になると、焼入れ時に発生した表面の圧縮残留応力が低下あるいは消失しやすくなり、好ましくない。加熱温度は３００℃以下の範囲に管理しても構わない。また均熱保持時間は５ｍｉｎ以内あるいは３ｍｉｎ以内に管理しても構わない。Ｘ線回折による表面の残留応力が−１００Ｎ／ｍｍ2以下（マイナスは圧縮応力、プラスは引張応力を意味する）となるような圧縮応力場が形成される条件を設定すればよい。
【００４７】
このようにして得られた調質熱処理済み鋼帯では、浸炭深さ（ＪＩＳ Ｇ０５５７：２００６に規定される全硬化層深さ）は１００〜５００μｍ程度となる。
【実施例】
【００４８】
表１に示す成分組成の鋼を溶製し、工業的な熱間圧延ラインを用いて板厚４ｍｍ、幅９２０ｍｍの熱延鋼板を製造した。その後、酸洗、５０％の冷間圧延を経て板厚２.０ｍｍ冷延鋼帯に仕上げた。表１中には、（１）式により定まるＣ当量、および下記（２）式により定まるＡｃ3点を記載してある。
Ａｃ3点計算値（℃）＝８５４−１８０Ｃ−１４×Ｍｎ＋４４×Ｓｉ−１７.８×Ｎｉ−１.７×Ｃｒ  …（２）
【００４９】
【表１】
2010222696.tif 000003
【００５０】
浸炭塗料は、一般的な水溶性高分子（日本純薬製、アクリル酸共重合体；ジュンロン）を用い、浸炭剤として木炭粉（パーカー熱処理製；ＫＧ６を粉砕して粒径０.５μｍ以下に調整したもの）を５質量％、浸炭促進剤として炭酸ナトリウムを５質量％含有させ、残部を蒸留水とした水性塗料を用意した。この浸炭剤および浸炭促進剤の含有量は、蒸留水を除いた全成分に占める割合である。
【００５１】
前記の冷延鋼帯をアルカリ脱脂後、その両面に前記浸炭塗料を片面当たりの乾燥塗膜量４０ｇ／ｍ2となるようにロール法にて連続塗布し、次いで１００℃の熱風で２分間乾燥して乾燥塗膜を形成させた後、連続して鋼帯をコイル状に巻き取った。巻取では張力制御によって隣接する板面間の接触圧力が０.１〜１６ＭＰａの範囲の種々の段階となるように調整した。接触圧力が低下しないように、得られたコイルを鉄製のコイルバンドで締め付けた。
【００５２】
上記の状態のコイルを、コイルの幅方向端部が上下となるようにしてバッチ焼鈍炉に装入した。焼鈍雰囲気はＮ2（窒素ガス）、Ｈ2（水素ガス）、３％Ｈ2＋Ｎ2（ＮＸガス）、大気のいずれかを選択し、加熱温度、保持時間を種々変化させて（表２中に記載）、浸炭済み鋼帯を得た。
【００５３】
浸炭済み鋼帯からサンプルを採取し、以下の調査を行った。
〔表面炭素濃度〕
前述の手法にて、焼入れ処理を施した試料を作製してＥＰＭＡにより分析し、表面炭素濃度ＣS（質量％）を求めた。
〔素材中心部の炭素濃度との差ΔＣ〕
表面炭素濃度ＣS（質量％）と鋼中平均炭素濃度ＣM（質量％）の差ＣS−ＣMをΔＣとした。この値が０.１質量％以上であるものを浸炭性良好（○評価）と判定した。
【００５４】
次いで、浸炭済み鋼帯を連続焼入れ焼戻し設備に通板することにより、焼入れおよび焼戻しを行った。焼入れの温度および保持時間、焼戻しの温度および保持時間を種々変化させて（表２中に記載）、焼入れ焼戻し済み鋼帯を得た。なお、各例とも焼入れ時の急冷は内部を水冷した定盤にて行い、急冷終了温度は（Ｍｓ点−８０℃）以下であり、急冷中の平均冷却速度は６０℃／ｓｅｃ以上となるようにライン速度を設定してある。
【００５５】
焼入れ焼戻し済み鋼帯からサンプルを採取し、以下の調査を行った。
〔表面炭素濃度〕
前述の手法にてＥＰＭＡにより分析し、表面炭素濃度ＣS（質量％）を求めた。
〔素材中心部の炭素濃度との差ΔＣ〕
表面炭素濃度ＣS（質量％）と鋼中平均炭素濃度ＣM（質量％）の差ＣS−ＣMをΔＣとした。焼入れ焼戻し後の材料においては、この値が０.０３質量％以上であるものを浸炭性良好（○評価）と判定した。
〔硬さ〕
鋼帯の表層部５０μｍの平均硬さを前述の方法で測定した。この硬さが４５０ＨＶ以上であるものを表面硬化性良好（○評価）と判定した。
【００５６】
耐摩耗性と疲労特性については、表１の鋼Ａの冷延鋼板（板厚２.０ｍｍ）に以下の処理を施して得た比較試料を測定対象に加えた。
・「通常浸炭→焼入れ焼戻し試料」；  ガス浸炭８５０℃×１８０ｍｉｎ→５０℃油冷による焼入れ→オイルバス１８０℃×１２０ｍｉｎによる焼戻し
・「浸炭なし焼入れ焼戻し試料」；  浸炭塗料を塗布しなかったことを除き、表２中のＮｏ.５と同じ条件の工程
【００５７】
〔表面残留応力〕
Ｘ線法により表面の残留応力（Ｎ／ｍｍ2）を求めた。この値がマイナスの場合に圧縮残留応力が生じている。残留応力が−１００Ｎ／ｍｍ2以下のものを圧縮残留応力良好（○評価）と判定した。
【００５８】
〔耐摩耗性〕
大越式摩耗試験機を用いて、温度；常温、雰囲気；大気、潤滑；なし、回転子；ＳＵＪ２焼入れ焼戻し材（ＨＲＣ６０）、荷重；６.３ｋｇ、摩耗速度；０.９４ｍ／ｓｅｃおよび１.３７ｍ／ｓｅｃ、摩耗距離；６００ｍの条件で摩耗試験を行って比摩耗量を測定し、上記の「浸炭なし焼入れ焼戻し試料」の比摩耗量に対して７５％以下の比摩耗量であったものを耐摩耗性良好（○評価）と判定した。
【００５９】
〔疲労特性〕
長手方向が圧延方向に一致するＪＩＳ Ｚ２２７５の１号試験片（記号１−２０）を作製し、シェンク式平面曲げ疲労試験機により疲労試験を行い、１×１０7回での疲労限度（Ｎ／ｍｍ2）を求めた。上記の「浸炭なし焼入れ焼戻し試料」の疲労限度に対し１.２倍以上の疲労限度であったものを疲労特性良好（○評価）と判定した。
これらの結果を表２に示す。なお、本発明例のものは前述の方法による平均旧オーステナイト粒度がＮｏ.６以上であることが確認されている。
【００６０】
【表２】
2010222696.tif 000004
【００６１】
本発明例の焼入れ焼戻し鋼帯はいずれも、浸炭性および表面硬化性が良好であり、大きい表面圧縮残留応力を有していた。その結果、耐摩耗性および疲労特性に優れていた。
【００６２】
これに対し比較例Ｎｏ.１はバッチ焼鈍（浸炭処理）での隣接する板面間の接触圧力が不足し、Ｎｏ.８はバッチ焼鈍の保持時間が不足し、Ｎｏ.１２はバッチ焼鈍の保持温度が低すぎ、Ｎｏ.１５は焼鈍雰囲気を還元性雰囲気（水素）としたことにより、これらは浸炭が不十分となった。その結果、焼入れ焼戻し後の耐摩耗性および疲労特性が十分に改善されなかった。Ｎｏ.１３は焼鈍雰囲気を大気としたことにより脱炭が生じ、耐摩耗性および疲労特性に劣った。Ｎｏ.１０は焼入れ時の加熱温度が低すぎたので表面のマルテンサイト変態が不十分となったことに起因して圧縮残留応力が小さくなり、疲労特性に劣った。Ｎｏ.１７は焼戻し温度が高すぎたので圧縮残留応力が小さくなり、疲労特性に劣った。
【００６３】
図１に、本発明例Ｎｏ.５、前記の「通常浸炭→焼入れ焼戻し試料」、および「浸炭なし焼入れ焼戻し試料」について、平面曲げ疲労試験における繰り返し回数と最大曲げ応力の関係を例示する。本発明例の鋼帯は、部品加工後に従来の浸炭および焼入れ焼戻しを施した場合を想定した「通常浸炭→焼入れ焼戻し試料」と同様に、「浸炭なし焼入れ焼戻し試料」に対し、疲労特性の顕著な改善が認められる。
【００６４】
図２に、本発明例Ｎｏ.５、前記の「通常浸炭→焼入れ焼戻し試料」、および「浸炭なし焼入れ焼戻し試料」について、摩耗試験結果を例示する。本発明例の鋼帯は、「通常浸炭→焼入れ焼戻し試料」と同様に、「浸炭なし焼入れ焼戻し試料」に対し、耐摩耗性の顕著な改善が認められる。
【図１】
2010222696.tif 000005
【図２】
2010222696.tif 000006