(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷間加工して成形した後に浸炭処理することによって製造する部品の母材となる耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法であって、重量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％、Ｎ：０．００５〜０．０３％でＡｌ（％）／Ｎ（％）：１．０〜２．０、Ｎｂ：０〜０．０７％、Ｖ：０．００５〜０．１％で、且つＮｂ（％）＋Ｖ（％）≧０．００５％、Ｃｕ：０〜０．３％、Ｎｉ：０〜０．５％、Ｃｒ：０〜２．０％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ｗ：０〜０．５％、Ｐｂ：０〜０．３％、Ｔｅ：０〜０．０８％、Ｃａ：０〜０．０１％、Ｂｉ：０〜０．３％、Ｓ：０．００５〜０．０８％、Ｐ：０．０３％以下を含み、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる化学組成を有する鋼を１１００℃以上の温度に加熱して熱間加工を行い、前記の熱間加工を８５０℃以上の温度域の温度で仕上げ、次いで、５００℃までの温度域を５〜５００℃／分の冷却速度で冷却することを特徴とする耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法。
【請求項２】
冷間加工して成形した後に浸炭処理することによって製造する部品の母材となる耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法であって、重量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％、Ｎ：０．００５〜０．０３％でＡｌ（％）／Ｎ（％）：１．０〜２．０、Ｎｂ：０〜０．０７％、Ｖ：０．００５〜０．１％で、且つＮｂ（％）＋Ｖ（％）≧０．００５％、Ｃｕ：０〜０．３％、Ｎｉ：０〜０．５％、Ｃｒ：０〜２．０％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ｗ：０〜０．５％、Ｐｂ：０〜０．３％、Ｔｅ：０〜０．０８％、Ｃａ：０〜０．０１％、Ｂｉ：０〜０．３％、Ｓ：０．００５〜０．０８％、Ｐ：０．０３％以下を含み、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる化学組成を有する鋼を１１００℃以上の温度に加熱して熱間加工を行い、前記の熱間加工を８５０℃以上の温度域の温度で仕上げ、次いで、５００℃までの温度域を５〜５００℃／分の冷却速度で冷却した後、更に、１０００℃以上の温度に再加熱して熱間加工を行い、この熱間加工を８５０℃以上の温度域の温度で仕上げ、次いで、５００℃までの温度域を５〜５００℃／分の冷却速度で冷却することを特徴とする耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法に関し、より詳しくは自動車や産業機械用の歯車やシャフト類など浸炭処理が施される部品の母材となる耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法に関する。
【従来の技術】
【０００２】
自動車や産業機械用の歯車やシャフト類など浸炭処理が施される部品（以下、浸炭部品という）は、従来、熱間鍛造などの熱間加工によって粗成形され、次いで、歯切りなどの機械加工による整形加工を受けた後、浸炭処理を施されて製造されてきた。そして、前記浸炭部品の母材鋼としては、ＪＩＳ規格鋼であるＳＣｒ４１５やＳＣｒ４２０に代表されるクロム鋼鋼材、ＳＣＭ４１５やＳＣＭ４２０に代表されるクロムモリブデン鋼鋼材などの肌焼鋼が用いられてきた。
【０００３】
しかしながら、最近、歯切りなど機械加工による整形プロセスを省略してコストダウンを図ることが指向されている。このため、浸炭部品の製造方法として、熱間での粗成形に代えて成形精度の優れた冷間加工（冷間鍛造など）による精密な成形加工を行い、次いで、浸炭処理する方法が多くなりつつある。
【０００４】
ところが、従来のＪＩＳ規格鋼を母材鋼とし、上記のように冷間鍛造後に浸炭処理した浸炭部品においては、浸炭処理時に、従来型の浸炭部品（熱間加工で粗成形を受けた浸炭部品）においては認められなかった結晶粒の粗大化や異常粒成長（以下、結晶粒の粗大化と異常粒成長をまとめて「粗粒化」という）が生じ、焼入れ時の歪発生や材料特性の低下が生ずるという問題が起こり易い。
【０００５】
このため、浸炭部品の母材鋼となる肌焼鋼として、従来のＪＩＳ規格鋼に代わるものが、例えば、特開昭６０−２１３５９号公報に開示されている。しかしながら、この公報で提案された鋼、なかでもＮｂを添加した鋼を母材鋼として用いた場合であっても、ＡｌとＮの含有量の比であるＡｌ（％）／Ｎ（％）の値に対する配慮がなされていないため、冷間鍛造後に浸炭処理して浸炭部品を製造すると、粗粒化が生じてしまうことがあった。
【０００６】
特開昭６３−１４００３１号公報には、特定量のＡｌとＮとを含有する浸炭用鋼の圧延加熱温度と圧延終了温度を規制して、浸炭処理時の結晶粒の異常成長を阻止する浸炭用鋼の製造方法が開示されている。しかし、この公報で提案された範囲のＡｌとＮとを含有する鋼を、規定の圧延加熱温度と圧延終了温度で製造した場合であっても、冷間鍛造後に浸炭処理して浸炭部品を製造すると、やはり粗粒化が生じてしまうことがあった。
【０００７】
このため、冷間加工による精密な成形加工を行い、次いで、通常行われる条件で浸炭処理しても結晶粒の粗大化や異常粒成長が生ずることを阻止できる耐粗粒化肌焼鋼及びその肌焼鋼鋼材の製造方法を開発することが熱望されてきた。
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の現状に鑑みなされたもので、冷間加工による精密な成形加工を行い、次いで、浸炭処理しても結晶粒の粗大化や異常粒成長を生ずることがない耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明の要旨は、下記（１）及び（２）に示す耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法にある。
【００１０】
（１）冷間加工して成形した後に浸炭処理することによって製造する部品の母材となる耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法であって、重量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％、Ｎ：０．００５〜０．０３％でＡｌ（％）／Ｎ（％）：１．０〜２．０、Ｎｂ：０〜０．０７％、Ｖ：０．００５〜０．１％で、且つＮｂ（％）＋Ｖ（％）≧０．００５％、Ｃｕ：０〜０．３％、Ｎｉ：０〜０．５％、Ｃｒ：０〜２．０％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ｗ：０〜０．５％、Ｐｂ：０〜０．３％、Ｔｅ：０〜０．０８％、Ｃａ：０〜０．０１％、Ｂｉ：０〜０．３％、Ｓ：０．００５〜０．０８％、Ｐ：０．０３％以下を含み、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる化学組成を有する鋼を１１００℃以上の温度に加熱して熱間加工を行い、前記の熱間加工を８５０℃以上の温度域の温度で仕上げ、次いで、５００℃までの温度域を５〜５００℃／分の冷却速度で冷却することを特徴とする耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法。
【００１１】
（２）冷間加工して成形した後に浸炭処理することによって製造する部品の母材となる耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法であって、重量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％、Ｎ：０．００５〜０．０３％でＡｌ（％）／Ｎ（％）：１．０〜２．０、Ｎｂ：０〜０．０７％、Ｖ：０．００５〜０．１％で、且つＮｂ（％）＋Ｖ（％）≧０．００５％、Ｃｕ：０〜０．３％、Ｎｉ：０〜０．５％、Ｃｒ：０〜２．０％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ｗ：０〜０．５％、Ｐｂ：０〜０．３％、Ｔｅ：０〜０．０８％、Ｃａ：０〜０．０１％、Ｂｉ：０〜０．３％、Ｓ：０．００５〜０．０８％、Ｐ：０．０３％以下を含み、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる化学組成を有する鋼を１１００℃以上の温度に加熱して熱間加工を行い、前記の熱間加工を８５０℃以上の温度域の温度で仕上げ、次いで、５００℃までの温度域を５〜５００℃／分の冷却速度で冷却した後、更に、１０００℃以上の温度に再加熱して熱間加工を行い、この熱間加工を８５０℃以上の温度域の温度で仕上げ、次いで、５００℃までの温度域を５〜５００℃／分の冷却速度で冷却することを特徴とする耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法。
【００１２】
ここで、「Ａｌ」とは、所謂「酸可溶性Ａｌ」を指す。なお、以下において上記（１）、（２）に関する発明をそれぞれ（１）の発明、（２）の発明という。また、総称して「本発明」ということがある。
【発明の実施の形態】
【００１３】
本発明者らは、種々の化学組成を有する鋼を実験炉溶製し、熱間加工条件及び熱間加工後の冷却条件を変えて鋼材を作製し、通常の方法で球状化焼鈍、冷間加工と浸炭焼入れを行って、成分元素、熱間加工条件及び熱間加工後の冷却条件が浸炭焼入れ後の組織に及ぼす影響を調査した。
【００１４】
その結果、下記(1)〜(8)の知見が得られた。
【００１５】
(1)窒化物や炭窒化物を生成するＡｌ、Ｎｂ及びＶを単独添加した場合、ある程度の粗粒化防止効果が認められる。しかし、前記の各元素を単に２種以上複合添加しただけでは、粗粒化防止効果は必ずしも増大するとは限らず、かえって粗粒化してしまう場合さえある。
【００１６】
(2)Ａｌ、Ｎｂ及びＶの含有量を制御して、ＡｌとＮｂやＶとを複合添加するとともに、Ｎの含有量をも制御すれば、大きな粗粒化防止効果が得られる。前記した各元素の含有量の制御が適切でないと、ＡｌとＮｂやＶとの複合添加の効果が現れず、コストが増加するばかりである。
【００１７】
(3)浸炭処理時の粗粒化防止のためには、前記したＡｌ、Ｎｂ、Ｖ及びＮの含有量の制御に加えて、ＡｌとＮの含有量の比（Ａｌ（％）／Ｎ（％））をも制御する必要がある。
【００１８】
(4)溶製後の凝固過程で生成したＡｌ、Ｎｂ及びＶの窒化物や炭窒化物は凝集粗大化しているため、そのままの状態では浸炭処理時の粗粒化防止効果は小さい。しかし、前記の窒化物や炭窒化物を、熱間での加工時に一旦高温に加熱して基地であるオーステナイト中に固溶させれば、熱間加工時及びその後の冷却時に窒化物や炭窒化物を微細析出させることができるので、浸炭処理時の粗粒化防止効果は極めて大きくなる。
【００１９】
(5)上記(4)の熱間加工及びその後の冷却で窒化物や炭窒化物を微細析出させた鋼材を更に所望の形状やサイズに熱間加工する必要がある場合には、熱間加工のための再加熱温度を制御して窒化物や炭窒化物の粗大化を防ぐことが重要である。
【００２０】
(6)熱間加工時及びその後の冷却で窒化物や炭窒化物を微細析出させるためには、熱間加工を適正な温度域で仕上げることが重要である。仕上げ温度域が不適切であると、窒化物や炭窒化物が凝集粗大化して、粗粒化防止の効果は極めて小さくなくなってしまう。
【００２１】
(7)窒化物や炭窒化物の粗大化を防止するために、熱間加工終了後は適正な冷却条件で冷却する必要がある。
【００２２】
(8)成分元素と熱間加工及びその後の冷却条件を適正化した場合には、冷間加工の前工程としての球状化焼鈍を行っても窒化物や炭窒化物はあまり粗大化しないので、浸炭処理時の粗粒化が防止できる。
【００２３】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００２４】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、成分含有量の「％」は「重量％」を意味する。
【００２５】
（Ａ）鋼の化学組成
Ｃ：０．１〜０．３％
Ｃは鋼の焼入れ性を高めるとともに、静的強度を向上させるのに有効な元素である。しかし、その含有量が０．１％未満では添加効果に乏しく、一方、０．３％を超えて添加すると鋼の靭性が低下する。したがって、Ｃの含有量を０．１〜０．３％とした。
【００２６】
Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは脱酸、焼入れ性の向上及び固溶強化による静的強度の向上に有効な元素である。しかし、その含有量が０．１％未満では所望の効果が得られない。一方、１．０％を超えて含有させると、浸炭性の低下を招くため疲労強度が低下してしまう。更に、冷間加工性の低下をも招く。したがって、Ｓｉの含有量を０．１〜１．０％とした。
【００２７】
Ｍｎ：０．３〜２．０％
ＭｎもＳｉと同様に脱酸作用を有する。又、焼入れ性を高め、強度と靱性を向上させる作用もある。しかし、その含有量が０．３％未満では添加効果に乏しい。一方、２．０を超えて含有させてもその効果は飽和し、経済性を損なうばかりである。したがって、Ｍｎ含有量を０．３〜２．０％とした。
【００２８】
Ａｌ：０．０１〜０．０６％
Ａｌは鋼中のＮと結合してＡｌＮを形成し、粗粒化を防止する作用を有する。この効果を発揮させるためには、Ａｌの含有量を０．０１％以上とすることが必要である。一方、０．０６％を超えて含有させても、前記の効果は飽和するばかりか、切削性の低下を招くようになる。したがって、Ａｌの含有量を０．０１〜０．０６％とした。なお、前記したように、ここでいう「Ａｌ」は、「酸可溶性Ａｌ」のことをいう。
【００２９】
Ｎ：０．００５〜０．０３％
ＮはＡｌ、ＮｂやＶと結合して窒化物や炭窒化物を形成し、粗粒化防止に効果を発揮する。しかし、その含有量が０．００５％未満では所望の効果が得られない。一方、０．０３％を超えて含有させると、鋼の変形抵抗が高くなって、冷間加工性が低下してしまう。したがって、Ｎの含有量を０．００５〜０．０３％とした。
【００３０】
Ａｌ（％）／Ｎ（％）：１．０〜２．０
前記したＡｌとＮの含有量の範囲で、且つ後述するＮｂとＶの含有量の範囲であっても、ＡｌとＮの含有量の比（Ａｌ（％）／Ｎ（％））が適正でないと浸炭処理時の粗粒化防止が果たせない場合がある。すなわち、Ａｌ（％）／Ｎ（％）の値が２．０を超えると、粗粒化防止に対するＡｌとＮｂやＶとの複合添加効果が得られない。更に、冷間加工の前工程としての球状化焼鈍を行う場合には、後述の熱間加工条件及びその後の冷却条件を満たしても、窒化物や炭窒化物が極めて粗大化するため、浸炭処理時の粗粒化を防止できない。一方、Ａｌ（％）／Ｎ（％）が１．０未満では、冷間加工性が劣化して、冷間での所望形状への成形加工時に割れを生じ易くなる。この場合、熱間での粗成形に替えて冷間加工による精密な成形加工を行い、機械加工を省略してコストダウンを図ろうとする産業界の要請に応えられないことになる。したがって、Ａｌ（％）／Ｎ（％）を１．０〜２．０とした。
【００３１】
Ｎｂ：０〜０．０７％
Ｎｂは添加しなくてもよい。添加すれば、窒化物や炭窒化物を形成して粗粒化を防止する作用を有する。Ｎの含有量を制御した鋼にＡｌ、Ｖとともに複合添加すれば、極めて優れた粗粒化防止作用が得られる。但し、０．０７％を超えて含有させても前記の効果が飽和して経済性を損なうばかりであるし、変形抵抗が上昇して冷間加工性が劣化するようにもなる。したがって、Ｎｂの含有量を０〜０．０７％とした。
【００３２】
Ｖ：０．００５〜０．１％
Ｖは、窒化物や炭窒化物を形成して粗粒化を防止する作用を有する。Ｎの含有量を制御した鋼にＡｌ、Ｎｂとともに複合添加すれば、極めて優れた粗粒化防止作用が得られる。但し、この効果を得るためには、Ｖは０．００５％以上の含有量とする必要がある。一方、０．１％を超えて含有させても前記の効果が飽和して経済性を損なうばかりであるし、変形抵抗が上昇して冷間加工性が劣化するようにもなる。したがって、Ｖの含有量を０．００５〜０．１％とした。
【００３３】
Ｎｂ（％）＋Ｖ（％）：０．００５％以上
Ｎの含有量を制御した鋼にＡｌとともにＮｂ、Ｖを複合添加して極めて優れた粗粒化防止作用を得るために、ＮｂとＶの含有量の和（Ｎｂ（％）＋Ｖ（％））を０．００５％以上とした。
【００３４】
Ｃｕ：０〜０．３％
Ｃｕは添加しなくてもよい。添加すれば鋼の焼入れ性が向上する。この効果を確実に得るには、Ｃｕは０．１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、多量に含有させると熱間延性を低下させて、熱間加工性が低下してしまう。特に、その含有量が０．３％を超えると熱間加工性の劣化が顕著となる。したがって、Ｃｕの含有量を０〜０．３％とした。
【００３５】
Ｎｉ：０〜０．５％
Ｎｉは添加しなくてもよい。添加すれば、鋼の焼入れ性と靭性を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｎｉは０．０５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、０．５％を超えて含有量させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｎｉ含有量を０〜０．５％とした。
【００３６】
Ｃｒ：０〜２．０％
Ｃｒも添加しなくてよい。添加すれば、鋼の焼入れ性と強度、靭性を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｃｒは０．１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、２．０％を超えて含有させも前記の効果は飽和し、経済性を損なうばかりである。したがって、Ｃｒの含有量を０〜２．０％とした。
【００３７】
Ｍｏ：０〜０．５％
Ｍｏは添加しなくてよい。添加すれば、鋼の焼入れ性と強度、靭性を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｍｏの含有量を０．０５％以上とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．５％を超えると切削性の低下をきたす。したがって、Ｍｏ含有量を０〜０．５％とした。
【００３８】
Ｗ：０〜０．５％
Ｗは添加しなくてよい。添加すれば、鋼の焼入れ性と強度、靭性を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｗの含有量を０．０５％以上とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．５％を超えると切削性の低下をきたす。したがって、Ｗ含有量を０〜０．５％とした。
【００３９】
Ｐｂ：０〜０．３％
Ｐｂは添加しなくてもよい。しかし、添加すれば切削性を向上させる働きがある。このため、冷間加工で成形した部品の内面などを更に精密切削して仕上げたいような場合には、切削性を高めるために添加しても良い。この場合、切削性向上効果を確実に得るには、Ｐｂの含有量は０．００５％以上とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．３％を超えると疲労特性の低下をきたす。したがって、Ｐｂ含有量を０〜０．３％とした。
【００４０】
Ｔｅ：０〜０．０８％
Ｔｅも添加しなくてもよい。添加すればＰｂと同様に切削性を高める作用がある。このため、冷間加工で成形した部品の内面などを更に精密切削して仕上げたいような場合には、切削性を高めるために添加しても良い。この場合、切削性向上効果を確実に得るには、Ｔｅは０．０１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．０８％を超えると、熱間加工性の低下をもたらす。したがって、Ｔｅの含有量を０〜０．０８％とした。
【００４１】
Ｃａ：０〜０．０１％
Ｃａは添加しなくてもよい。添加すれば切削性を高める作用がある。このため、ＰｂやＴｅと同じく冷間加工で成形した部品の内面などを更に精密切削して仕上げたいような場合には、切削性を高めるために添加しても良い。この場合、切削性向上効果を確実に得るには、Ｃａは０．００１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．０１％を超えると、熱間加工性の低下をもたらす。したがって、Ｃａの含有量を０〜０．０１％とした。
【００４２】
Ｂｉ：０〜０．３％
Ｂｉも添加しなくてもよい。添加すれば切削性を高める作用を有する。このため、Ｐｂ、ＴｅやＣａと同様に冷間加工で成形した部品の内面などを更に精密切削して仕上げたいような場合には、切削性を高めるために添加しても良い。この場合、切削性向上効果を確実に得るには、Ｂｉの含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．３％を超えると、熱間加工性の低下をきたす。したがって、Ｂｉの含有量を０〜０．３％とした。
【００４３】
Ｓ：０．００５〜０．０８％
Ｓは、切削性を高める作用を有する。冷間加工で成形した部品の内面などを精密切削して仕上げるには、Ｓの含有量を０．００５％以上とする必要がある。しかし、その含有量が０．０８％を超えると、靭性の低下をきたす。したがって、Ｓの含有量を０．００５〜０．０８％とした。
【００４４】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは粒界に偏析し、靭性を低下させる。特に、その含有量が０．０３％を超えると、靭性の著しい低下を招く。したがって、Ｐ含有量を０．０３０％以下とした。
【００４５】
（Ｂ）熱間加工とその後の冷却
（Ｂ−１）加熱
溶製後の凝固過程で生成した鋼塊（ここでいう「鋼塊」には、JIS G 0203にあるように「鋳片」を含む）中のＡｌ、Ｎｂ及びＶの窒化物や炭窒化物は凝集粗大化しているため、そのままの状態では浸炭処理時の粗粒化防止効果は小さい。したがって、前記した（１）の発明の熱間加工及び（２）の発明の先の（１次の）熱間加工に際して、前記の窒化物や炭窒化物を一旦高温に加熱して基地であるオーステナイト中に固溶させ、熱間加工時及びその後の冷却時に窒化物や炭窒化物を微細析出させて、浸炭処理時の粗粒化防止を達成する必要がある。
【００４６】
そこで、前記した（Ａ）の化学組成を有する鋼を、（１）の発明における熱間加工及び（２）の発明における先の（１次の）熱間加工において１１００℃以上の温度に加熱して、上記の窒化物や炭窒化物をオーステナイト中に固溶させることとした。なお、上記の加熱温度は１１５０℃以上とすることが望ましく、１２００℃以上であれば一層好ましい。この加熱温度の上限には特に制限はない。しかし、脱炭やスケールロスによるコストアップの抑制、更にはエネルギーコストを抑えるために、１３５０℃程度を上限とすることが好ましい。
【００４７】
（Ｂ−２）仕上げ温度
オーステナイト中に固溶させたＡｌ、ＮｂやＶを熱間加工時及びその後の冷却で微細な窒化物や炭窒化物として析出させるために、熱間加工の仕上げ温度は８５０℃以上とする必要がある。熱間加工の仕上げ温度が８５０℃を下回る場合には、熱間加工時に一部析出したＡｌ、ＮｂやＶの窒化物や炭窒化物が凝集粗大化してしまい、浸炭処理時に優れた耐粗粒化特性を得ようとする本発明の目的が達せられない場合がある。したがって、（１）の発明における熱間加工の仕上げ温度、及び（２）の発明における先の（１次の）熱間加工の仕上げ温度を８５０℃以上とした。なお、前記熱間加工の仕上げ温度の上限には特に制限はない。しかし、脱炭を抑制するために１０５０℃程度を上限とすることが好ましい。
【００４８】
（Ｂ−３）熱間加工後の冷却
熱間加工を終了した後は、５００℃までの温度域を５〜５００℃／分の冷却速度で冷却することが必要である。この冷却の冷却速度が５℃／分を下回る場合には、Ａｌ、ＮｂやＶの窒化物や炭窒化物が凝集粗大化してしまい、浸炭処理時に優れた耐粗粒化特性を得ようとする本発明の目的が達せられない場合がある。特に、冷間加工の前工程としての球状化焼鈍を行う場合には、前記した（Ａ）項の化学組成を有する鋼の場合であっても、窒化物や炭窒化物が粗大化するため、浸炭処理時の粗粒化を防止できない。一方、上記冷却の冷却速度が５００℃／分を上回る場合には、ベイナイトやマルテンサイトなどの所謂「低温変態組織」が生じて所望のサイズに切断し難くなる場合がある。したがって、（１）の発明の熱間加工仕上げ後５００℃までの温度域における冷却速度、及び（２）の発明の先の（１次の）熱間加工仕上げ後５００℃までの温度域における冷却速度を、いずれも５〜５００℃／分と規定した。なお、この冷却速度の上限は、３００℃／分程度とすることが好ましく、１００℃／分程度とすることがより好ましい。
【００４９】
５００℃を下回る温度域の冷却は、生産性を高めるために急冷しても良い。なお、上記の冷却速度は鋼材表面の冷却速度をいう。
【００５０】
上記の（Ｂ−１）から（Ｂ−３）の工程によって（１）の発明が構成される。なお、（１）の発明は上記の熱間加工と冷却の後、更なる熱間加工（２次の熱間加工）を受けることがなく、冷間加工で所望形状に成形されその後に浸炭処理を施される浸炭部品の母材となる耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法を提供するものである。すなわち、（Ａ）項に述べた化学組成を有し（Ｂ−１）から（Ｂ−３）の工程によって製造された（１）の発明に係る耐粗粒化肌焼鋼鋼材は、（Ｂ−３）の工程の後では更なる熱間での加工を受けることはなく、必要に応じて球状化焼鈍を施されてから、冷間鍛造を初めとする冷間加工によって所望の部品形状に成形され、更に、必要に応じて内面などを精密切削された後、浸炭焼入れされる。そして、必要に応じて低温での焼戻しや研削、研磨をして最終の部品に仕上げられる。
【００５１】
一方、（Ｂ−３）の工程の後、更に所望のサイズや素形材形状にするなどの目的から、鋼材を再加熱して熱間加工（２次の熱間加工）し、その後冷却するのが（２）の発明に係る耐粗粒化肌焼鋼鋼材の製造方法である。以下、（２）の発明に係る要件について更に説明する。
【００５２】
（Ｂ−４）冷却後の再加熱
溶製後の凝固過程で生成し凝集粗大化したＡｌ、Ｎｂ及びＶの窒化物や炭窒化物をオーステナイト中に固溶させ、熱間加工時及びその後の冷却時に窒化物や炭窒化物として微細析出させた後、更に所望のサイズや素形材形状とするための熱間加工（２次の熱間加工）時の再加熱温度は、１０００℃以上とする必要がある。この再加熱温度が１０００℃を下回る場合には、窒化物や炭窒化物の粗大化を生じたり、鋼材の変形抵抗が大きくなって圧延機などの加工機に対する負荷が過大となってしまうからである。したがって、（２）の発明において、冷却後の熱間加工（２次の熱間加工）のための再加熱温度を１０００℃以上とした。なお、上記の再加熱温度は１１００℃以上とすることが望ましい。この加熱温度の上限には特に制限はない。しかし、脱炭やスケールロスによるコストアップの抑制、更にはエネルギーコストを抑えるために、１２５０℃程度を上限とすることが好ましく、１２００℃を上限とすることがより好ましい。
【００５３】
（Ｂ−５）再加熱後の熱間加工の仕上げ温度
再加熱後の熱間加工（２次の熱間加工）の仕上げ温度は８５０℃以上とする必要がある。この温度が８５０℃を下回る場合には、熱間加工時に一部析出したＡｌ、ＮｂやＶの窒化物や炭窒化物が凝集粗大化してしまい、浸炭処理時に優れた耐粗粒化特性を得ようとする本発明の目的が達せられない場合がある。したがって、（２）の発明において、再加熱後の熱間加工（２次の熱間加工）の仕上げ温度を８５０℃以上とした。なお、上記温度の上限にも特に制限はない。しかし、脱炭を抑制するために１０５０℃程度を上限とすることが好ましい。
【００５４】
（Ｂ−６）再加熱後に熱間加工した後の冷却
再加熱後の熱間加工（２次の熱間加工）を終了した後、５００℃までの温度域における冷却速度が５℃／分を下回る場合には、Ａｌ、ＮｂやＶの窒化物や炭窒化物が凝集粗大化してしまい、浸炭処理時に優れた耐粗粒化特性を得ようとする本発明の目的が達せられない場合がある。特に、冷間加工の前工程としての球状化焼鈍を行う場合には、前記した（Ａ）項の化学組成を有する鋼の場合であっても、窒化物や炭窒化物が粗大化するため、浸炭処理時の粗粒化を防止できない。一方、上記の冷却速度が５００℃／分を上回る場合には、ベイナイトやマルテンサイトなどの所謂「低温変態組織」が生じて所望のサイズに切断し難くなる場合がある。したがって、（２）の発明において、再加熱後の熱間加工（２次の熱間加工）を仕上げた後、５００℃までの温度域における冷却速度を５〜５００℃／分と規定した。なお、この冷却速度の上限は、３００℃／分程度とすることが好ましく、１００℃／分程度とすることがより好ましい。
【００５５】
なお、５００℃を下回る温度域の冷却は、生産性を高めるために急冷しても良い。ここで、冷却速度とは既に述べたように鋼材表面の冷却速度をいう。
【００５６】
上記の（Ｂ−１）から（Ｂ−６）の工程によって（２）の発明が構成される。（Ａ）項に述べた化学組成を有し（Ｂ−１）から（Ｂ−６）の工程によって製造された（２）の発明に係る耐粗粒化肌焼鋼鋼材は、必要に応じて球状化焼鈍を施されてから、冷間鍛造を初めとする冷間加工によって所望の部品形状に成形され、更に、必要に応じて内面などを精密切削された後、浸炭焼入れされる。そして、必要に応じて低温での焼戻しや研削、研磨をして最終の部品に仕上げられる。
【実施例】
【００５７】
（実施例１）
表１、表２に示す化学組成を有する鋼を通常の方法により３トン試験炉を用いて溶製した。表１、表２における鋼８〜１５、鋼１７〜２１及び鋼２３は化学組成が本発明で規定する範囲内の鋼（本発明例の鋼）である。一方、表２における鋼２５〜３４は成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外れた鋼（比較例の鋼）である。
【００５８】
【表１】
0003724142.tif 000002
【００５９】
【表２】
0003724142.tif 000003
【００６０】
次いで、これらの鋼を表３〜４に記載の条件で加熱、分塊圧延、冷却して１８０ｍｍ角の鋼片とし、更に、表３〜４に記載の条件で再加熱、熱間圧延、冷却して直径５０ｍｍの棒鋼を製造した。ここで、１８０ｍｍ角の鋼片と直径５０ｍｍの棒鋼の製造において、５００℃を下回る温度域の冷却は放冷とした。
【００６１】
なお、本発明例の鋼である鋼８、鋼９、鋼１５及び鋼２２については３トン鋼塊を分割してから上記の鋼片及び棒鋼の製造に供した。
【００６２】
【表３】
0003724142.tif 000004
【００６３】
【表４】
0003724142.tif 000005
【００６４】
上記のようにして得た鋼８〜１５、鋼１７〜２１、鋼２３及び鋼２５〜３４の直径５０ｍｍの棒鋼及び一部の鋼（鋼１３、鋼１４、鋼１７、鋼１８及び鋼２０）の１８０ｍｍ角の鋼片を、通常の方法によって７３０℃で球状化焼鈍した。この後、１８０ｍｍ角の鋼片については（Ｔ／４）の部位（Ｔ＝１８０ｍｍ）から、直径５０ｍｍの棒鋼については（Ｒ／２）の部位（Ｒ＝２５ｍｍ）から、それぞれ直径１０ｍｍ×長さ２０ｍｍの円筒状の試験片を切り出し、５００トン高速プレス機を用いて通常の方法で常温（室温）での据え込み試験を行った。ここで、据え込み率（圧縮率）は７０％、７５％、８０％及び８５％の４条件とし、各条件について試験数は２０で行った。据え込み試験後、目視で割れ発生の有無を調査して冷間加工性を評価した。
【００６５】
表３〜４に、上記の冷間加工性評価結果を併せて示す。なお、各条件での２０の試験片のいずれかに割れを認めた場合、割れが生じた最も低い据え込み率を冷間加工性として記載した。表３〜４で冷間加工性が「＞８５」とあるのは、据え込み率８５％の据え込み試験で、２０の試験片のいずれにも割れが生じなかったことを示す。一方、冷間加工性が「≦７０」とあるのは、据え込み率７０％の据え込み試験で、割れが生じたことを示す。
【００６６】
次いで、上記の８５％の据え込み率で据え込んだ試験片を用いて、８５０〜１０５０℃まで２５℃刻みに各温度で６時間加熱して浸炭処理時の加熱をシミュレートした。
【００６７】
加熱処理後は油冷し、光学顕微鏡（倍率は１００倍）でランダムに１０視野観察して粗粒化特性を調査した。なお、粗粒化の判定基準はJIS G 0551に準じた。すなわち、視野間において３以上異なった粒度番号の視野が存在する場合に「混粒」として、異常粒成長が生じたと見なした。一方、「粗粒」と「細粒」の判定はＪＩＳ基準よりも厳しくして、結晶粒度番号６未満の場合に「粗粒鋼」として結晶粒が粗大化したと判定した。
【００６８】
表３〜４に、上記の粗粒化特性の調査結果を併せて示す。なお、粗粒化発生を認めた場合、粗粒化が生じた最も低い加熱温度を「粗粒化開始温度」として記載した。表３〜４で粗粒化開始温度が「＞１０５０」とあるのは、１０５０℃×６時間の加熱条件では粗粒化が生じなかったことを示す。一方、粗粒化開始温度が「≦８５０」とあるのは、８５０℃×６時間の加熱で既に粗粒化が生じていたことを示す。
【００６９】
表３〜４によれば、本発明で規定する化学組成を有する鋼を、本発明で規定する条件で熱間加工及び冷却した場合には、８５％の据え込み率で冷間加工しても割れを生じず、これを６時間オーステナイト化処理した場合の粗粒化開始温度は９７５℃以上と高く、耐粗粒化特性に優れていることが明らかである。
【００７０】
これに対して、成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例の鋼のなかで、鋼２５〜２８及び鋼３１〜３４については、本発明で規定する条件で熱間加工及び冷却しても粗粒化開始温度が９５０℃以下と低く耐粗粒化特性に劣る。上記の鋼のうち、鋼２６の場合には冷間加工性も低いため、冷間での所望形状への成形加工時に割れを生じ易くなる。したがって、熱間での粗成形に替えて冷間加工による精密な成形加工を行い、機械加工を省略してコストダウンを図ろうとする産業界の要請に応えられない場合が生ずる。
【００７１】
一方、比較例の鋼のなかでも鋼２９、鋼３０については、６時間オーステナイト化処理した場合の粗粒化開始温度は１０５０℃を超え、耐粗粒化特性には優れているが、冷間加工性が低い。このため、前記の鋼２６の場合と同様に冷間での所望形状への成形加工時に割れを生じ易くなる。したがって、熱間での粗成形に替えて冷間加工による精密な加工を行い、機械加工を省略してコストダウンを図ろうとする産業界の要請に応えられない場合が生ずる。
【００７２】
（実施例２）
前記の（実施例１）で述べた鋼８及び鋼１５の３トン鋼塊から分割した鋼塊を用いて、１０００〜１２００℃まで１００℃刻みで各温度に加熱した後、通常の方法で直径１００ｍｍの鋼片に熱間鍛造した。なお、いずれの場合も熱間鍛造の仕上げ温度は９５０℃とした。又、鍛造終了後は５００℃までの温度域を１０℃／分の冷却速度で冷却し、５００℃を下回る温度域の冷却は放冷とした。
【００７３】
次いで、上記の直径１００ｍｍの各鋼片を９５０〜１１００℃まで５０℃刻みで各温度に再加熱した後、通常の方法で直径５０ｍｍの丸棒に熱間鍛造した。なお、熱間鍛造の仕上げ温度は８１５℃及び８８５℃の２条件とした。又、鍛造終了後は５００℃までの温度域を２５℃／分の冷却速度で冷却し、５００℃を下回る温度域の冷却は放冷とした。
【００７４】
上記のようにして得た直径５０ｍｍの丸棒を、通常の方法によって７３０℃で球状化焼鈍した後、（Ｒ／２）の部位（Ｒ＝２５ｍｍ）から直径１０ｍｍ×長さ２０ｍｍの円筒状の試験片を切り出し、５００トン高速プレス機を用いて通常の方法で据え込み率８５％の常温（室温）据え込み加工を行った。
【００７５】
次いで、前記の据え込み加工した試験片を８５０〜１０５０℃まで２５℃刻みに各温度で６時間加熱して浸炭処理時の加熱をシミュレートした。
【００７６】
加熱処理後は油冷し、光学顕微鏡（倍率は１００倍）でランダムに１０視野観察して粗粒化特性を調査した。なお、粗粒化の判定基準は前記の（実施例１）の場合と同じである。すなわち、JIS G 0551に準じて、視野間において３以上異なった粒度番号の視野が存在する場合に「混粒」として、異常粒成長が生じたと見なした。一方、「粗粒」と「細粒」の判定はＪＩＳ基準よりも厳しくして、結晶粒度番号６未満の場合に「粗粒鋼」として結晶粒が粗大化したと判定した。
【００７７】
表５〜６に、上記の粗粒化特性の調査結果を示す。
【００７８】
【表５】
0003724142.tif 000006
【００７９】
【表６】
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【００８０】
表５〜６から、本発明で規定する化学組成を有する鋼の場合であっても、本発明の規定を外れた条件で熱間加工した場合には、粗粒化開始温度が９５０℃以下と低く、耐粗粒化特性に劣ることが明らかである。
【００８１】
（実施例３）
前記の（実施例１）で述べた鋼９の３トン鋼塊から分割した鋼塊を用いて、１２００℃に加熱した後、通常の方法で直径１００ｍｍの鋼片に熱間鍛造した。なお、いずれの場合も熱間鍛造の仕上げ温度は９５０℃とした。又、鍛造終了後は５００℃までの温度域を２℃／分あるいは１５℃／分の冷却速度で冷却し、５００℃を下回る温度域の冷却は放冷とした。
【００８２】
次いで、上記の直径１００ｍｍの各鋼片を１１００℃に再加熱した後、通常の方法で直径５０ｍｍの丸棒に熱間鍛造した。なお、熱間鍛造の仕上げ温度は９００℃とした。又、鍛造終了後は５００℃までの温度域を３℃／分あるいは２５℃／分の冷却速度で冷却し、５００℃を下回る温度域の冷却は放冷とした。
【００８３】
上記のようにして得た直径５０ｍｍの丸棒を、通常の方法によって７３０℃で球状化焼鈍した後、（Ｒ／２）の部位（Ｒ＝２５ｍｍ）から直径１０ｍｍ×長さ２０ｍｍの円筒状の試験片を切り出し、５００トン高速プレス機を用いて通常の方法で据え込み率８５％の常温（室温）据え込み加工を行った。
【００８４】
次いで、前記の据え込み加工した試験片を８５０〜１０５０℃まで２５℃刻みに各温度で６時間加熱して浸炭処理時の加熱をシミュレートした。
【００８５】
加熱処理後は油冷し、光学顕微鏡（倍率は１００倍）でランダムに１０視野観察して粗粒化特性を調査した。なお、粗粒化の判定基準は前記の（実施例１）及び（実施例２）の場合と同じである。
【００８６】
表７に、上記の粗粒化特性の調査結果を示す。
【００８７】
【表７】
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【００８８】
表７から、本発明で規定する化学組成を有する鋼の場合であっても、熱間加工後に本発明の規定を外れた条件で冷却した場合には、粗粒化開始温度が８５０℃以下と低く、耐粗粒化特性に劣ることが明らかである。
【００８９】
【発明の効果】
本発明の方法で製造された耐粗粒化肌焼鋼鋼材は、冷間加工による精密な成形加工を行い、次いで浸炭処理しても結晶粒の粗大化や異常粒成長を生ずることがないので、自動車や産業機械用の歯車やシャフト類など浸炭処理が施される部品の母材として利用することができる。本発明の方法で製造された耐粗粒化肌焼鋼鋼材を用いれば、熱間での粗成形後に行われていた歯切りなどの機械加工による整形加工を省略することができるので、自動車や産業機械用の歯車やシャフト類などを低コストで製造することが可能である。