(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量比にて、
Ｃ：０．０００３〜０．０１０％、
Ｓｉ：０．０５０％以下、
Ｍｎ：０．１０〜０．５０％、
Ｐ：０．０３５％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ａｌ：０．０１５〜１．５０％、
Ｎ：０．００５０％以下、
Ｔｉ：０．０３０〜０．５００％、
Ｃｕ：０．８〜２．２％、
Ｎｉ：０．５×（Ｃｕ）〜１．５％
を含有し、さらに
Ｖ：０．２〜１．０％、
Ｃｒ：０．２〜１．５％
のうち１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、さらに０．８％以上のＣｕを固溶していることを特徴とする延性に優れ、軟窒化後の表面硬さおよび内部硬さの優れた鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軟窒化用鋼に係わるものであり、鋼の組成を特定の範囲にすることにより、延性に優れ、一定値以下の硬さを持ち、軟窒化処理後に表面の硬さおよび内部の硬さも向上する鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
軟窒化により、鋼の表面硬さと内部の硬さを向上させる技術は、以前より種々提案されており、例えば特開平３−１２２２５４号公報に示されるように、Ｃｕ、Ｔｉを含有する熱延鋼板がある。この技術では、軟窒化後の表面硬さは、Ｈｖ：３５０以上を目標としており、その実績は特開平３−１２２２５４号公報の第２表、第１図に示されるように、Ｈｖ：３９５〜４１０である。しかし、この硬さでは、輸送機器部品や機械部品に適用するには不十分な場合があり、例えば「特殊鋼」４１（１９９２）Ｐ２８の図４に示されるように、Ｈｖ：６００以上が必要とされる用途には適用できない。
【０００３】
上記技術以外の軟窒化による表面硬度上昇の手段としては、「特殊鋼」４１（１９９２）Ｐ１１に示されるように、鋼にＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｌなどを添加する方法がある。しかし、これらの鋼は、同文献のＰ１５に示されるように、伸びが低いという問題がある。そのため、これらの鋼を使った部品を製造する際には、冷間鍛造や冷間でのプレス成形加工など困難な場合が多いため、材料の歩留りの悪い熱間鍛造とするか、または冷間鍛造の前に素材の球状化焼鈍等の熱処理が必要となり、さらに塑性加工後に内部の硬さを必要とする硬度まで上昇させるために、焼き入れ、焼き戻しなどの熱処理工程も必要となる。そのため、これらの鋼を使った部品の製造コストが高くなるという問題がある。
【０００４】
また、Ｖ、Ｃｒなどを含む鋼は硬いため、軟窒化処理前に部品の形状をつくりだすための切削工程の前に焼きなましなどの熱処理が必要とされることもあり、これも製造コストアップの要因となっている。
これらの、部品製造工程で行われる熱間鍛造を、冷間鍛造や冷間でのプレス成形加工とし、材料の歩留りを向上させ、かつ塑性加工前後での熱処理を省略し、コストアップの問題を解決するためには、２５％以上の伸びを持たせる必要がある。また、切削性を良好にするためには、軟窒化前の素材は柔らかくなければならず、Ｈｖ：１６０以下が必要であるが、輸送機器部品や機械部品に適用するためには、軟窒化処理によって鋼の表面の硬さをＨｖ：６００以上に向上させる必要があり、さらに軟窒化後はこれらの強度部品として使用するために、強度も必要である。そのためには、軟窒化後の内部の硬度もＨｖ：１９０以上とする必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、鋼の延性を２５％以上と高くし、軟窒化前の硬度をＨｖで１６０以下とし、かつ軟窒化処理により表面部分の硬さを向上させてＨｖで６００以上とし、同時に内部の硬度もＨｖで１９０以上とする鋼を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋼の組成を特定の範囲とすることで、上記課題が解決されることを見出した。
すなわち、本発明の要旨とするところは、重量比にて、Ｃ：０．０００３〜０．０１０％、Ｓｉ：０．０５０％以下、Ｍｎ：０．１０〜０．５０％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００５０％以下、Ａｌ：０．０１５〜１．５０％、Ｔｉ：０．０３０〜０．５００％、Ｃｕ：０．８〜２．２％、Ｎｉ：０．５×（Ｃｕ）〜１．５％を含有し、さらにＶ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：０．２〜１．５％のうち１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、さらに０．８％以上のＣｕを固溶していることを特徴とする延性に優れ、軟窒化後の表面硬さおよび内部硬さの優れた鋼にある。
【０００７】
以下、本発明について詳細に説明する。
まず、本発明における鋼の化学成分の限定理由について説明する。
鋼中のＣが増加するにしたがい、鋼の延性は低下する。特に、Ｖ、Ｃｒなどが添加された場合は、ある量以上のＣが存在すると、延性の低下が極めて顕著になる。これは、Ｖ、Ｃｒなどが鋼中でＣと反応して炭化物を形成し、強度が上昇する反面、延性も低下するためと考えられる。この場合、切削性も同時に低下する。図１は、表１に示されるように、Ｖ、Ｃｒなどを含有し、種々のＣ量を持つ鋼の鋳片を１２００℃に加熱し、仕上温度９００℃で、４．３ｍｍまで熱延した後、室温まで急冷して製造した熱延鋼板の延性とＣ量の関係を示したものである。図１から明らかなように、窒化物形成元素であるＶ、Ｃｒなどが添加された場合においても高い延性を確保するためには、Ｃ量を０．０１０％以下にする必要がある。Ｃが０．０００３％未満になると、脱炭のためのコストが高くなるので好ましくない。したがって、Ｃ量を０．０００３〜０．０１０％に限定した。
【０００８】
【表１】
0003567713.tif 000002
【０００９】
Ｓｉは微量では問題はないが、０．０５０％を超えると延性を低下させる。したがって、Ｓｉは０．０５０％以下でなければならない。
Ｍｎは鋼中のＳと反応し、ＭｎＳを形成することで、鋼を製造する際の高温での割れを防止する役割をはたす。そのためには、０．１％以上の添加が必要である。しかし、０．５％を超えると、延性を低下させる。したがって、Ｍｎ量を０．１〜０．５％に限定した。
【００１０】
Ｐはその添加量を増すことにより鋼板の強度を高めることができるが、本発明においては積極的に添加される必要のない元素である。含有量が０．０３５％を超えると延性の低下が大きくなる。したがって、Ｐは０．０３５％以下でなければならない。
Ｓは多いほど鋼の延性は低下し、鋼を製造する際に高温で加工を行った場合の割れの原因ともなる。したがって、Ｓは少ないほどよく、０．０３０％以下でなければならない。
【００１１】
Ａｌは、Ｖ、Ｃｒが添加された鋼の延性の低下を防止するのに有効な元素であり、その効果を発揮させるためには０．０１５％以上が必要である。また、その添加に伴い、窒化によって鋼中に侵入するＮと反応し、ＡｌＮを形成することによって表面硬さを向上させる役割がある。しかし、添加量が多すぎても延性が低下し、その上限は１．５０％である。したがって、Ａｌを０．０１５〜１．５０％に限定した。
【００１２】
Ｎは延性を低下させるので、その量は低いほど好ましく、０．００５０％以下でなければならない。
Ｔｉは鋼中のＣおよびＮと結び付いて固溶Ｃおよび固溶Ｎを低減させることで、延性を確保するとともに、後述するＶやＣｒに軟窒化後の硬度上昇作用を持たせるために必要な元素である。また、ＣおよびＮと反応した後、鋼中に固溶状態になっているＴｉは軟窒化において、窒化物を形成し、表面付近の硬さを向上させるのに必要な元素である。これらの効果を発揮させるには、０．０３０％以上が必要である。しかし、０．５００％を超えると延性を低下させる。したがって、Ｔｉは０．０３０〜０．５００％に限定した。
【００１３】
Ｃｕは軟窒化処理において鋼の硬さを上昇させるのに必要な元素である。この元素を添加することにより、軟窒化時の表面および表面近傍への窒素の拡散による硬さ向上のみでなく、この部分以外の部分の硬さを向上させることができる。その効果を発揮させるには０．８％以上が必要であり、さらに軟窒化処理前には０．８％以上が固溶状態にあることが必要である。しかし、２．２％を超えると延性が低下し、さらに軟窒化処理による鋼の内部強度向上の効果が減少する。したがって、Ｃｕ量を０．８〜２．２％に限定し、さらに軟窒化前には０．８％以上のＣｕが固溶状態にあることが必要である。
【００１４】
Ｎｉは鋼を製造する際に高温で加工を行った場合のＣｕによる割れを防止するために必要な元素である。その効果を発揮させるためには、重量比にてＣｕの０．５倍以上の添加が必要である。しかし、１．５％を超える量が添加されると、延性の低下につながる。したがって、Ｎｉは０．５×（Ｃｕ）〜１．５％に限定した。
【００１５】
Ｖは軟窒化において窒化物を形成させ、表面付近を硬化させることができる。本発明では低いＣ量を規定しており、さらにＴｉを添加することによって固溶Ｃを極めて低く抑えているため、添加されたＶの大部分が固溶Ｖとなり、０．２％以上の少量の添加で軟窒化時の表面硬化に寄与することが本発明者らの検討によって見出された。しかし、Ｖが１．０％を超えると延性の低下が大きくなる。したがって、Ｖは０．２〜１．０％に限定した。なお、Ｖを無添加とし、Ｃｒの添加によっても表面付近の硬さ向上を図ることができる。あるいは、ＶとＣｒの両方を添加して表面付近の硬さ向上を図ることもできる。
【００１６】
Ｃｒも軟窒化において窒化物を形成させ、表面付近を硬化させることができる。本発明では低いＣ量を規定しており、さらにＴｉを添加することによって固溶Ｃを極めて低く抑えているため、添加されたＣｒの大部分が固溶Ｃｒとなり、Ｃｒを本発明範囲内で含有する場合に、０．２％以上の少量の添加で軟窒化時の表面硬化に寄与することが本発明者らの検討によって見出された。しかし、Ｃｒが１．５％を超えると延性の低下が大きくなる。したがって、Ｃｒは０．２〜１．５％に限定した。
【００１７】
以上示した鋼を製造する手段は、熱間圧延、鍛造、鋳造あるいは冷間圧延後の焼鈍などいずれの方法でもよいが、高い延性と軟窒化処理における表面付近以外の部分の硬さ向上を実現させるためには、添加したＣｕを固溶状態に保つ必要があり、そのためには、製造工程において８００℃以上の温度に加熱し、８００℃以上の温度から５０℃／ｓ以上の冷却速度で３４０℃以下に急冷する必要がある。また、軟窒化処理によって高い表面硬さとそれ以外の部分の硬さを向上させるためには、５００〜６５０℃で処理する必要があり、好ましくは５５０〜６００℃での処理である。
【００１８】
以下に本発明の実施例を比較例と共に示す。
【００１９】
【実施例】
表２、表３（表２のつづき−１）、表４（表２のつづき−２）に示す化学成分の鋼塊を製造し、熱間圧延によって薄鋼板とした。鋳片の加熱温度は１２００℃とし、熱延においては仕上温度を９００℃として３．５ｍｍの厚みに仕上げた後、１２０℃まで１００Ｃ／ｓで急冷し、添加しているＣｕを固溶状態とした。得られた熱延鋼板の硬さおよび伸びを測定した。伸びはＪＩＳ５号試験片に加工して測定した。ここで、硬さＨｖ：１６０以下、かつ伸び２５％以上のものは、冷間加工性が優れていると判断し、いずれか一方または両方が外れているものは冷間加工性が劣ると判断した。
【００２０】
さらに、熱延鋼板をアンモニアガスを含んだ雰囲気において、５８０℃で８０ｍｉｎの軟窒化処理を施し、板厚方向の硬さ分布を測定し、表面硬さ、内部硬さなどを求めた。ここで、表面硬さＨｖ：６００以上かつ内部硬さＨｖ：１９０以上のものは、窒化部品として強度が優れていると判断し、いずれか一方または両方が外れているものは、強度が劣ると判断した。これらの測定結果を表５、表６（表５のつづき）に示す。
【００２１】
図２は、試料番号３０の軟窒化前後の板厚方向の硬さ分布を示したものである。
【００２２】
【表２】
0003567713.tif 000003
【００２３】
【表３】
0003567713.tif 000004
【００２４】
【表４】
0003567713.tif 000005
【００２５】
【表５】
0003567713.tif 000006
【００２６】
【表６】
0003567713.tif 000007
【００２７】
表５、表６から明らかなように、本発明範囲の組成のいずれか一つあるいは複数が外れている鋼は、軟窒化前の鋼板の伸び、硬さ、および軟窒化後の表面硬さ、内部硬さのいずれか一つあるいは複数が本発明範囲内の鋼により得られた値よりも劣っていることがわかる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、鋼の組成を特定範囲とすることにより、２５％以上の延性とＨｖ：１６０以下の特性を持たせることができ、さらに、軟窒化後には表面硬さＨｖ：６００以上で内部硬さＨｖ：１９０以上の特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】延性に及ぼすＣ量の影響を示した図である。
【図２】鋼板の板厚方向の硬さ分布を示した図である。
【図１】
0003567713.tif 000008
【図２】
0003567713.tif 000009