(57)【要約】【課題】950〜1050℃といった高温での浸炭処理に供された際においても、内部強度および靭性を確保しつつ熱処理歪の原因となる結晶粒の粗大化を効果的に抑制することができる浸炭用鋼材を提供する。【解決手段】Ｃ：0.1％以上0.4％以下、Si：0.01%以上1.2%以下、Mn：0.01％以上2.0％以下、Al：0.01％以上0.05％以下およびＮ：0.005％以上0.02％以下を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する鋼材に、加工を施してなる高温浸炭用鋼材において、前記加工により導入された歪の分布における、せん断歪エネルギーの最大値が300N・ｍｍ以上1000N・ｍｍ以下、かつ、せん断歪勾配の最大値が0.2／mm以上0.8／mm以下とする。【選択図】図６
2010159475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：0.1％以上0.4％以下、
Si：0.01%以上1.2%以下、
Mn：0.01％以上2.0％以下、
Al：0.01％以上0.05％以下および
Ｎ：0.005％以上0.02％以下
を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する鋼材に、加工を施してなる浸炭用鋼材であって、前記加工により導入された歪の分布における、せん断歪エネルギーの最大値が300N・ｍｍ以上1000N・ｍｍ以下、かつ、せん断歪勾配の最大値が0.2／mm以上0.8／mm以下であることを特徴とする浸炭用鋼材。
【請求項２】
前記成分組成は、さらに、質量％で、
Mo：0.05％以上0.5％以下、
Nb：0.05％以下、
Ti：0.1％以上0.5％以下、
Ni：2.0％以下、
Cr：2.0％以下、
Ｖ：0.1%以下、
Cu：1.0％以下、
Ca：0.005％以下および
Ｂ：0.004%以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の浸炭用鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車などの輸送機械や、建設機械、その他の産業機械などにおける構成部品、特に高温浸炭して使用される部品に適した、浸炭用鋼材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車のクランクシャフトや歯車には、優れた疲労特性、耐磨耗性および耐ピッチング性が求められる。そのため、クロム鋼、クロム−モリブデン鋼およびニッケル−クロム−モリブデン鋼等を、冷間鍛造に代表される冷間加工と切削により所定の形状に加工後、肌焼きと呼ばれる浸炭処理や浸炭窒化処理を施すことによって、製造されている。
【０００３】
ここで、冷間鍛造は、熱間鍛造に比べて製造コストが低く、製品歩留まりも良好であることに加え、製品の表面性状や寸法精度に優れている。このため、従来は、熱間鍛造で製造されていた部品を、冷間鍛造による製造へ切り替えることが指向されている。その結果、近年では、冷間鍛造後に浸炭や浸炭窒化といった表面硬化処理を施して製造される部品が、顕著に増加している。
【０００４】
上記の浸炭処理や浸炭窒化処理において、焼入れ時に熱処理歪が生じると、例えば歯車の場合には、騒音や振動の原因となるだけでなく、形状が狂うために、研磨等の修正工程が必要となり、またシャフト形状の部品の場合には曲がりが生じ、これを矯正することが必要となるため、いずれも製造コストが上昇する原因となる。
上記の熱処理歪は、特に高温で処理される浸炭部品に顕著であり、熱処理中にγ粒が局所的に粗大化し、焼入れ性が不安定となるため、マルテンサイト変態時の膨張による応力不均一に起因して生じるとされている。
【０００５】
従来は、浸炭処理におけるγ粒の粗大化を防止するために、熱間圧延後の鋼材中のAlNの析出状態や、NbやTiの炭窒化物などを微細析出させ、かつ析出量や分布等を制御することによって、これら析出物のピン止め効果を活用する手法が一般的である。
例えば、特許文献１および特許文献２には、鋼の熱履歴とAl、Nb、Ｎ量を調整し、AlとNb 窒化物のピン止め効果によって粗大化を抑制することが提案されている。しかし、AlやNbの窒化物は粗大化しやすく、かつ添加量を厳密に制御しないと効果がでないという問題があった。
【０００６】
また、特許文献３および特許文献４には、Al、Nb、Tiなどの窒化物、炭化物、炭窒化物形成元素の含有量と、各析出物の大きさや分布を圧延条件の規定にて制御する手法が開示されている。しかし、種々のサイズの圧延を行う、実際のラインでは、安定的に製造できないという問題があった。
【０００７】
特許文献５には、鋼中のＣ、Ti、Moの含有量を所定の範囲に制御することによって、フェライト相中に粒径10nm未満のナノ析出物を分散させて、浸炭処理時の粗大化を防止し、熱処理歪を少なくする手法が提案されている。しかしながら、この技術では、靭性が低いことに加えて、浸炭層以外の強度が十分でなく、シャフトや歯車に適用することが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭58−45354号公報
【特許文献２】特開昭61−261427号公報
【特許文献３】特開平11−50191号公報
【特許文献４】特開平11−335777号公報
【特許文献５】特開2003−321731号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記の問題点に鑑み開発されたものであり、高温での浸炭処理、具体的には950〜1050℃といった高温での浸炭処理に供された際においても、内部強度および靭性を確保しつつ熱処理歪の原因となる結晶粒の粗大化を効果的に抑制することができる浸炭用鋼材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】
【００１０】
発明者らは、上記目的を達成すべく冷間加工により鋼に導入される歪および、その勾配に注目し鋭意研究を重ねた結果、冷間加工により成形される部品において、導入される歪、とくにせん断歪エネルギーとその勾配がある程度以上の大きさになる部位でγ粒の粗大化が顕著になるという知見を得て、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、この知見に立脚した本発明の要旨構成は、以下の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：0.1％以上0.4％以下、Si：0.01%以上1.2%以下、Mn：0.01％以上2.0％以下、Al：0.01％以上0.05％以下およびＮ：0.005％以上0.02％以下を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する鋼材に、加工を施してなる高温浸炭用鋼材であって、前記加工により導入された歪の分布における、せん断歪エネルギーの最大値が300N・ｍｍ以上1000N・ｍｍ以下、かつ、せん断歪勾配の最大値が0.2／mm以上0.8／mm以下であることを特徴とする浸炭用鋼材。
【００１２】
ここで、前記加工とは、引き抜き加工、押し出し加工、据え込み加工、スエージング加工およびローレット加工等の冷間加工の一般でよく、特定の加工に限定されるものではない。
【００１３】
また、前記せん断の歪エネルギーや歪勾配の各成分は、後述するように、有限要素法によって求めることができる。
【００１４】
（２）前記成分組成は、さらに、質量％で、Mo：0.05％以上0.5％以下、Nb：0.05％以下、Ti：0.1％以上0.5％以下、Ni：2.0％以下、Cr：2.0％以下、Ｖ：0.1%以下、Cu：1.0％以下、Ca：0.005％以下およびＢ：0.004%以下のうちから選んだ１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）に記載の浸炭用鋼材。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、浸炭時に粗大粒の発生を安定的に抑制することができる。これにより、熱処理による歪や曲がりの発生を防止することができるため、熱処理後の矯正加工等が不要になり、本発明による産業上の効果は極めて顕著である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ねじり加工に供した試験片の形状を示す図である。
【図２】据え込み加工の概要を示す図である。
【図３】ねじり加工後の試験片から採取する熱処理用の試験片を示す図である。
【図４】据え込み加工材を熱処理した後の粗大粒発生状況を示す組織写真である。
【図５】ねじり加工材を熱処理した後の粗大粒発生状況を示す組織写真である。
【図６】粗大粒発生の有無をせん断歪勾配とせん断歪エネルギーによりマッピングしたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明の浸炭用鋼材について、その成分組成を詳しく説明する。
［成分組成］
浸炭用鋼の代表的な用途である歯車やクランクシャフトといった、機械構造部品として必要な特性を確保するために、本発明では成分組成を以下のように限定する。なお、以下、各成分の含有量は、特に指定が無い場合は全て質量％を意味するものとする。
【００１８】
Ｃ：0.1〜0.4％
Ｃは、強度を高めるために添加する。しかしながら、Ｃ量が0.1％未満では必要な強度を確保することができず、一方、0.4％を超えると硬質化し、冷間加工性を確保することが難しくなるだけでなく、切削性や浸炭後の芯部靭性が劣化する。そのため、Ｃ量は0.1〜0.4％の範囲に限定する。より好ましくは、0.12〜0.4％の範囲である。
【００１９】
Si：0.01〜1.2％
Siは、強度や疲労特性を向上させるために添加するが、含有量が1.2％を超えると、その効果が飽和するだけでなく、冷間加工時の変形抵抗が高くなって加工性が低下したり、浸炭時の耐酸化性が低下する。そのため、Si量は1.2％以下に限定する。より好ましくは、0.45％以下の範囲とする。
【００２０】
Mn：0.01〜2.0％
Mnは、有効な脱酸元素であるだけでなく、強度や焼入れ性を向上させるために添加するが、含有量が0.01%未満ではその効果がなく、2.0％を超えて添加すると、その効果は飽和するだけでなく、冷間加工時の変形抵抗が高くなり加工性が低下する。そのため、Mn量は0.01〜2.0％に限定する。より好ましくは、1.8％以下の範囲とする。
【００２１】
Al：0.01〜0.05％
Alは、脱酸剤として有用であり、また強度及び延性を向上させる効果もあるため、0.05％を上限として添加する。ただし、0.01％未満の添加ではその効果は少なく、一方、0.05％を超える添加はAlNが加熱時に十分溶体化しないため、結晶粒の粗大化を促す。そのため、Alは0.01〜0.05％の範囲に限定する。
【００２２】
Ｎ：0.005〜0.02％
Ｎは、AlNを析出させるために必要な元素であり、そのためには0.005％以上が必要である。一方、0.02％を超えると、析出するAlNの凝集がその核発生よりも優先するため、粗大なAlNが析出してしまい、かえってγ粒の粗大化抑制効果が低下する。また、鋼の清浄度を低下させ、ブローホールの原因ともなる。したがって、Ｎは0.005〜0.02％とする。より好ましくは、0.007〜0.018％とする。
【００２３】
さらに、本発明では、必要に応じて、以下に述べる元素を適宜含有させることができる。
Mo：0.05〜1.0％
Moは、鋼に強度並びに焼入れ性を与えるのに極めて有効な元素であるが、0.05％未満ではその効果は不十分であり、一方、添加量が1.0％を超えると、鋼の硬さが上昇し冷間鍛造性が劣化する。したがって、Moは0.05〜1.0％の範囲にする。
【００２４】
Ni：2.0%以下
Niは、Moと同様に、鋼に強度および焼入れ性を与えるのに有効な元素であり、好ましくは0.2％以上で添加するが、含有量が2.0％を超えると、鋼の硬さが上昇し冷間鍛造性が劣化する。したがって、Niは2.0％以下の範囲にする。
【００２５】
Cr：2.0％以下
Crは、NiやMoと同様に、鋼に強度および焼入れ性を与えるのに有効な元素であり、好ましくは0.2％以上で添加するが、含有量が2.0％を超えると炭化物を安定化させて残留炭化物の生成を促進し、粒界強度を低下させ、また疲労強度の低下も招く。また、鋼の硬さが上昇し冷間鍛造性が劣化する。したがって、Crは2.0％以下の範囲にする。
【００２６】
Nb：0.05％以下
Nbは、析出により粒成長をピンニングする効果があり、好ましくは0.005％以上で添加するが、0.05％を超えて添加してもその効果は飽和するため、0.05%以下にする。
【００２７】
Ti：0.1〜0.5％
Tiは、Ti系炭化物を析出させ、ピンニング効果を向上させる上で有用な元素である。しかしながら、含有量が0.1％未満では析出量が少なすぎて粗大粒の抑制に必要なピンニング効果が得られず、一方、0.1％を超えると析出物が粗大化し、上記したピンニング効果が低下する。そのため、Tiは0.1〜0.5％の範囲とする。
【００２８】
Ｖ：0.2％以下
Ｖは、鋼に強度を与えるとともに、鋼中のＣ、Ｎと結びついてＶ（Ｃ，Ｎ）を形成し、結晶粒の粗大化抑制に有効に寄与する元素であり、好ましくは各々0.02％以上で添加するが、それぞれ0.1％を超えると、鋼が硬くなって冷間鍛造性を劣化させる。そのため、Ｖは0.2％以下の範囲にする。より好ましくは、0.08％以下である。
【００２９】
Cu：1.0％以下
Cuは、固溶強化および析出強化によって強度を向上させる有用元素であり、また焼入性の向上にも有効に寄与するため、好ましくは0.2％以上で添加する。一方、含有量が1.0％を超えると、熱間加工時に割れが発生し易くなり製造が困難となるため、1.0%以下とする。
【００３０】
Ca：0.005％以下
Caは、介在物を球状化し、疲労特性を改善する有用元素であるが、含有量が0.005％を超えて添加すると介在物が粗大化し疲労特性を劣化させる傾向にある。そのため、0.005％以下とする。より好ましくは、0.001〜0.004％とする。
【００３１】
Ｂ：0.004％以下
Ｂは、粒界強化により疲労特性を改善するだけでなく、強度を向上させる有用元素であり、好ましくは0.0003％以上で添加する。一方、0.004％を超えて添加してもその効果は飽和するため、0.004％以下とする。
【００３２】
次に、加工によって与えられる歪について、限定理由を述べる。
［せん断歪エネルギーの最大値：300N・ｍｍ以上1000N・ｍｍ以下、かつ、せん断歪勾配の最大値：0.2／mm以上0.8／ｍｍ以下］
鋼材に、加工による歪が導入される場合、そのせん断歪エネルギーの最大値が３００N・mm未満であったり、あるいは、せん断歪の歪勾配の最大値が0.2／mm未満であることは、加工の程度が低いということであり、実際の部品において、このような小さいせん断歪エネルギーや、緩いせん断歪の歪勾配にて加工を施すことは困難である。
一方、せん断歪エネルギーが1000N・ｍｍを超えるか、あるいは、せん断歪の歪勾配が0.8／mmを超える部分では、後述する実施例にて示すように、その後の高温浸炭過程において粗大粒が著しく発生し熱処理歪が増大する。従って、加工によって与えられる歪分布を、せん断歪エネルギーの最大値は300N・ｍｍ以上1000N・ｍｍ以下とし、せん断歪勾配の最大値は0.2／mm以上0.8／mm以下とする。
【００３３】
せん断歪エネルギーおよびせん断歪勾配を、前記範囲に限定した鋼素材は、その後の浸炭時に異常粗大粒は生成しない。この機構は完全に解明されていないが、次のような機構が想定される。
すなわち、浸炭前に局所的なせん断変形を多く受け、不均一に剪断歪が蓄積されていると、近接している結晶粒との方位差が大きくなる。これは、歪勾配が大きい部位ほど大きくなると想定される。さらに、歪エネルギーが多く導入されると、核生成するフェライト粒分布や、その大きさが不均一になりやすくなる。したがって、γ粒の核生成も不均一になり、局所的なγ粒の粗大化が発生すると考えられる。
【実施例】
【００３４】
JIS SCr415相当鋼（Ｃ：0.17％、Si：0.25％、Mn：0.85％、Ｐ：0.017％、Ｓ：0.012％、Al：0.03％、Cr：1.15％、Nb：0.02％、Ｎ：0.011％、残部不可避不純物およびFe）の鋼材を圧延して60ｍｍφの棒鋼を作製した。その後、650℃で5ｈ保持後に放冷する熱処理を窒素雰囲気中で行った。この棒鋼から、図１に示すねじり試験片および15ｍｍφ×22.5ｍｍの円柱状据え込み試験片、そして30ｍｍφの丸棒を切り出した。これらの試験片に、以下の据え込み加工、あるいは、ねじり加工を施すことによって、鋼素材に歪を導入するとともに、各加工を施した後の歪成分の解析をＦＥＭ解析により行った。この据込加工およびねじり加工での解析条件を、それぞれ表１および２に示す。
【００３５】
【表１】
2010159475.tif 000003
【００３６】
【表２】
2010159475.tif 000004
【００３７】
［据え込み加工］
まず、30ｍｍφの丸棒について、引き抜き加工を施した。この引き抜きによる減面率は30％と50％の２条件とした。引き抜き加工後の丸棒から15ｍｍφ×22.5ｍｍの円柱状試験片を切り出した。引き抜き加工を経た円柱状据え込み試験片２種と、引き抜き加工を実施していない円柱状据え込み試験片１種の計３種類の試験片とを作製した。
これらの試験片に対して、図２に示す手順に従い、一様に70％圧縮率の据え込み加工を行った。次いで、この圧縮された試験片に浸炭相当の熱処理を施した。熱処理条件は、1025℃まで６℃／minで加熱し、７ｈ保持後、0.7℃／minで850℃まで冷却して、20分保持後に水焼入れを行った。
これらサンプルについて、据え込み方向と平行な断面の鋼組織について光学顕微鏡観察を行った。エッチングにはピクリン酸と界面活性剤の混合液を用いて、旧γ粒界を現出した。光学顕微鏡観察は400倍で行い、JIS−G0551に準拠して粒度番号３以下の粗大粒が一つでも存在した場合には、粗大化発生と判断した。
【００３８】
［ねじり加工］
切り出したねじり試験片に対し、ねじり試験機で所定の角度だけねじり加工を加えた。今回の実験ではねじり角度が600°で破断したため、ねじり角度が最大580°までの加工を行った。ねじり加工後の試験片から、図３に示すように、ねじり加工後にねじり試験片の中心部から円柱状の試験片を切り出し、これに対して上述の浸炭相当の熱処理、すなわち1025℃まで６℃／minで加熱し、７ｈ保持後、0.7℃／minで850℃まで冷却して、20分保持後に水焼入れを行った。次いで、その長手方向断面の鋼組織を、上述の据え込み加工の場合と同様の手法にて、光学顕微鏡観察した。
【００３９】
ＦＥＭ解析は、上記の据え込み加工およびねじり加工のそれぞれの条件について、歪成分の1/2、全体の1/4モデルについて行った。なお、解析は、汎用解析ソフトＭＡＲＣ（ＭＳＣ  Software社の登録商標）を用いて計算した。解析に使用する試験片の変形曲線は、単軸圧縮試験から得た。
【００４０】
ここで、図４に、据え込み加工後に熱処理を行ったサンプルでの粗大粒の発生状況、および、ＦＥＭ解析によるせん断歪勾配およびせん断歪エネルギー分布を例示する（後述する表３の試験No.３の例）。この例では、粗大粒はせん断歪勾配が最大の位置で発生しているのがわかる。
また、図５には、ねじり加工後に熱処理を行った後の旧γ粒の観察結果を示す。ねじり角度360°までは粗大粒が発生していないが、ねじり角度410°では顕著に粗大粒が発生していることがわかる。
これらの観察結果およびＦＥＭ解析結果から、せん断歪勾配並びにせん断歪エネルギーと、粗大粒の発生の有無をまとめた結果を表３に示す。また、図６には、粗大粒発生の有無をせん断歪勾配とせん断歪エネルギーによりマッピングしたグラフを示す。
【００４１】
【表３】
2010159475.tif 000005
【００４２】
表３および図６から、加工により導入された歪分布におけるせん断歪エネルギーの最大値が300N・ｍｍ以上1000N・ｍｍ以下、かつ、せん断歪勾配の最大値が0.2／mm以上0.8／mm以下である場合には、浸炭相当の熱処理によって粗大粒が発生しないことがわかる。
【図１】
2010159475.tif 000006
【図２】
2010159475.tif 000007
【図３】
2010159475.tif 000008
【図６】
2010159475.tif 000009
【図４】
2010159475.tif 000010
【図５】
2010159475.tif 000011