(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．７％以上、Ｃｒ：０．５％以上を含有する熱間圧延後の線材に、Ａc１変態点以下の温度で減面率３０％以上の延伸加工を施し、次いで、球状化焼鈍を行ってから仕上げ加工することを特徴とする直径が５．０ｍｍ以下の高炭素クロム鋼線の製造方法。
【請求項２】
重量％で、Ｃ：０．７％以上、Ｃｒ：０．５％以上を含有し、請求項１に記載の方法で製造された直径が５．０ｍｍ以下の鋼線を素材とする機械構造部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高炭素クロム鋼線の製造方法及び機械構造部品に関し、詳しくは、軸受や各種のシャフトなど耐摩耗性や耐疲労特性に優れた機械構造部品とその素材となる高炭素クロム鋼線の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＪＩＳ  Ｇ  ４８０５で規格化されたＳＵＪ１〜ＳＵＪ５を初めとする高炭素クロム鋼を母材とする直径が５．０ｍｍ以下の鋼線は、図１に示す工程で製造されてきた。つまり、熱間圧延された線材に球状化熱処理（球状化焼鈍）が施され、次いで、穴ダイスを用いた中間伸線加工（以下、穴ダイスを用いた伸線加工を単に「伸線加工」という）と再度の球状化熱処理が行われた後、仕上げ伸線加工が施されて所定の寸法と硬さに調整されていた。
【０００３】
これは、高炭素クロム鋼を母材とする熱間圧延線材には、硬くて脆い初析セメンタイト（つまり、旧オーステナイト粒界に沿うセメンタイト）が析出しているため、熱間圧延組織のままで伸線加工を行うと、後述の図２で詳しく述べるように旧オーステナイト粒界間に微細なクラックが発生し、そのクラックを起点に伸線加工時に断線を生じたり、断線を生じないまでも鋼線には内部欠陥が残ってしまうからである。
【０００４】
しかしながら、上記の従来法は、繰り返しの球状化焼鈍を必要とするので、工程が複雑になり処理時間も長くなって、コスト面で不利であった。加えて、長時間の熱処理（焼鈍処理）のために、線材の表面には脱炭や厚いスケールが生成する場合もあった。更に、高炭素クロム鋼線は、軸受や各種のシャフトなど耐摩耗性や耐疲労特性が要求される構造部品の素材として用いられるため、表面疵の発生を避ける必要があるが、工程が多い場合には、工程間の搬送時に疵が発生することがあり、品質管理面でも問題があった。
【０００５】
本発明は、上記現状に鑑みなされたもので、その目的は、球状化熱処理（球状化焼鈍）を１回に削減可能で、しかも、仕上げ加工の前に、従来の２回の球状化焼鈍を行った場合と同等な球状化組織と硬さとを有するJIS G 4805のＳＵＪ１〜ＳＵＪ５を初めとする高炭素クロム鋼を母材とする直径が５．０ｍｍ以下の鋼線の製造方法、及び、当該方法で製造された直径が５．０ｍｍ以下の高炭素クロム鋼線を素材とする軸受や各種のシャフトなど耐摩耗性や耐疲労特性に優れた機械構造部品を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）に示す高炭素クロム鋼線の製造方法及び（２）に示す機械構造部品にある。
【０００７】
（１）重量％で、Ｃ：０．７％以上、Ｃｒ：０．５％以上を含有する熱間圧延後の線材に、Ａc１変態点以下の温度で減面率３０％以上の延伸加工を施し、次いで、球状化焼鈍を行ってから仕上げ加工する直径が５．０ｍｍ以下の高炭素クロム鋼線の製造方法。
【０００８】
（２）重量％で、Ｃ：０．７％以上、Ｃｒ：０．５％以上を含有し、上記（１）に記載の方法で製造された直径が５．０ｍｍ以下の鋼線を素材とする機械構造部品。
【０００９】
なお、「線材」とは、棒状に熱間圧延された鋼で、コイル状に巻かれた鋼材を指し、所謂「バーインコイル」を含むものである。
【００１０】
「延伸加工」とは、ローラダイスを用いた引き抜き加工、所謂「２ロール圧延機」、「３ロール圧延機」や「４ロール圧延機」を用いた圧延加工を指し、通常の穴ダイスを用いた伸線加工を除いたものである。
【００１１】
「仕上げ加工」とは、所定の寸法の鋼線とするために行う最終の加工のことで、伸線加工と延伸加工の両者を含む。
【００１２】
本発明者らは、球状化焼鈍の回数を減らしても仕上げ加工の前に従来と同等な球状化組織と硬さとを高炭素クロム鋼線に付与でき、しかも旧オーステナイト粒界間に内部欠陥を残さない加工方法について調査・研究を重ねた。その結果、下記の知見を得た。
【００１３】
（ａ）図２に示すように、伸線加工の場合、被加工材１には垂直方向の圧縮応力Ｃと長手方向の大きな引張応力Ｔが働き、相当応力は被加工材１の内部にまで浸透しない。なお、相当応力とはすべての応力が合成されたものをいう。したがって、被加工材１、つまり、初析セメンタイトが存在する高炭素クロム鋼の線材を熱間圧延組織のままで、穴ダイス２を用いて伸線加工すれば、低い加工度、例えば、３０％にも満たない減面率で、旧オーステナイト粒界間に微細なクラック３が発生する。このため、伸線加工を続けるとそのクラック３を起点に断線を生じたり、断線を生じないまでも鋼線には内部欠陥が残ってしまう。なお、図２には伸線加工前後の組織を模式的に示した。
【００１４】
（ｂ）延伸加工はロールやローラーダイスによって被加工材１をその半径方向に圧縮する加工であるため、伸線加工に比べて被加工材１を内奥まで均一に塑性変形させることができる。つまり、延伸加工では、相当応力を被加工材１の内奥まで浸透させることができる。例えば、図３に示すように、ロール４を用いた延伸加工の場合、被加工材１には垂直方向の圧縮応力Ｃに加えて長手方向にも圧縮応力Ｃが働くので、相当応力は被加工材１の内奥にまで浸透する。ローラーダイスを用いた延伸加工の場合、被加工材１には垂直方向の圧縮応力Ｃと長手方向の引張応力Ｔが働くが、中心部での長手方向の引張応力Ｔは僅かなものであるため相当応力は被加工材１の内奥にまで浸透する。このため、被加工材１、つまり、初析セメンタイトが存在する高炭素クロム鋼の線材を、熱間圧延組織のままで加工しても旧オーステナイト粒界間に微細なクラックが発生することがない。なお、図３にも延伸加工前後の組織を模式的に示した。
【００１５】
（ｃ）高炭素クロム鋼を母材とする熱間圧延線材のミクロ組織は、パーライトを主体とするものであり、これを単に球状化焼鈍しても粒径の細かい炭化物からなる球状化組織しか得られない。しかし、上記の組織を有する高炭素クロム鋼の線材に、Ａｃ１変態点以下の温度で減面率３０％以上の延伸加工を施せば、パーライト組織中のセメンタイトが破砕され、更に、加工歪が導入される。したがって、高炭素クロム鋼の線材に上記の延伸加工を施してから球状化焼鈍を行えば、その加熱過程でセメンタイトの固溶が促進されるとともに、冷却の初期段階に析出した微細な炭化物を核にして炭化物が凝集する。このため、１回の球状化焼鈍で、仕上げ加工前に、従来法のように２回の球状化焼鈍を施した場合と同等の球状化組織（つまり、比較的大きな炭化物からなり、球状化率も同程度の組織）とすることができ、硬さも同等とすることができる。更に、上記（ｂ）で述べたように内部にクラックが生じることはない。
【００１６】
なお、「球状化率」とは、顕微鏡観察した時、「その視野における炭化物（セメンタイト）に対しての（短径）／（長径）の比が０．５以上である炭化物の割合（％）」を意味する。
【００１７】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、化学成分の含有量の「％」は「重量％」を意味する。
【００１９】
（Ａ）線材の化学組成
本発明が対象とする直径が５．０ｍｍ以下の高炭素クロム鋼線は、所定の形状に加工された後、最終工程で焼入れ焼戻しなどの熱処理が施されて、所望の特性（硬さ、耐摩耗性、耐疲労特性など）が付与される。この最終製品（機械構造部品）における特性の付与のために鋼線に加工する線材の化学成分としてＣ量、Ｃｒ量のみを下記の範囲に限定する。
【００２０】
Ｃ：０．７％以上
Ｃは、硬さを確保して耐摩耗性を得るのに有効な元素である。しかし、その含有量が０．７％未満では充分な硬さが得られない。Ｃの含有量の上限は特に規定しなくても良い。しかし、Ｃの含有量が多すぎると鋼材が硬質化し、室温近傍で延伸加工を行う場合には加工性の低下を招く場合があり、特に、Ｃ含有量が１．３％を超えると、延伸加工性が大きく低下する場合があるので、Ｃの含有量の上限は１．３％とすることが好ましい。なお、Ｃ含有量の上限は１．１％とすることが一層好ましい。
【００２１】
Ｃｒ：０．８％以上
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を高めて強度、靭性、耐摩耗性を高める作用がある。しかし、その含有量が０．８％未満では添加効果に乏しい。Ｃｒの含有量の上限は特に規定しなくても良い。しかし、多量のＣｒを含有させても前記の効果が飽和してコストが嵩むし、転動疲労特性が低下する場合があるので、Ｃｒの含有量の上限は１．７％とすることが好ましい。なお、Ｃｒ含有量の上限は１．６％とすることが一層好ましい。
【００２２】
本発明が対象とする直径が５．０ｍｍ以下の高炭素クロム鋼線のＣ及びＣｒ以外の他の化学成分の組成に関しては、特別な限定を加える必要はない。最終製品（機械構造部品）において要求される特性の付与が可能な成分範囲でありさえすれば良い。
【００２３】
具体的には、例えば、ＣとＣｒ以外の元素としてＳｉ：０〜１．０％、Ｍｎ：０〜１．０％、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎｉ：０〜０．５％、Ｍｏ：０〜１．０％、Ｗ：０〜１．０％、Ｖ：０〜０．４％、Ｎｂ：０〜０．０５％、Ｂ：０〜０．００５％を含有し、残部がＦｅと不可避不純物からなり、不純物としてのＰが０．０５％以下、Ｓが０．０３％以下、Ｔｉが０．０１％のものであれば良い。
【００２４】
なお、最終製品における特性向上を目的に、ＣとＣｒ以外の上記した元素を追加含有させる場合には、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｕ：０．０５〜０．５％、Ｎｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｗ：０．０５〜１．０％、Ｖ：０．０５〜０．４％、Ｎｂ：０．００２〜０．０５％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％、の含有量とすることが好ましい。更に、不純物としてのＰは０．０２％以下、Ｓは０．０１５％以下、Ｔｉは０．００５％以下とすることが好ましい。
【００２５】
（Ｂ）延伸加工
本発明においては、高炭素クロム鋼の線材に、Ａｃ１変態点以下の温度で減面率３０％以上の延伸加工を施す必要がある。延伸加工の温度と減面率の両方ともが満足されない場合には、パーライト組織中のセメンタイトが破砕され難いし、加工歪も導入され難い。特に、延伸加工の温度がＡｃ１変態点を超えるような高い温度である場合には、パーライト組織中のセメンタイトの一部はオーステナイト中に固溶するし、導入された加工歪も解放されてしまう。したがって、高炭素クロム鋼の線材を延伸加工してから球状化焼鈍を行っても、仕上げ加工前に、所望の球状化組織と硬さ、つまり、従来法のように２回の球状化焼鈍を施した場合と同等の球状化組織と硬さが得られない。したがって、延伸加工の加工温度をＡｃ１変態点以下とし、減面率を３０％以上とした。延伸加工を行う温度の下限は特に規定しなくても良い。室温で延伸加工しても良い。延伸加工の減面率が８０％を超えると鋼線に割れが生じる場合があるので、延伸加工の減面率の上限は８０％とすることが好ましい。なお、延伸加工の減面率が５０％以上の場合には、１回の球状化焼鈍で、仕上げ加工前に良好な球状化組織が得られる。延伸加工の減面率が７０％以上の場合には、１回の球状化焼鈍で、仕上げ加工前に極めて良好な球状化組織が得られる。
【００２６】
（Ｃ）球状化焼鈍
前記（Ａ）項の化学組成を有し（Ｂ）項の延伸加工を受けた鋼線は次に球状化焼鈍される。この球状化焼鈍の方法は特に限定されるものでなく、通常の条件で行われるもので良い。
【００２７】
（Ｄ）仕上げ加工
前記（Ａ）項の化学組成を有し（Ｂ）項の延伸加工と（Ｃ）項の球状化焼鈍を受けた鋼線は次に仕上げ加工される。この仕上げ加工の方法は特に限定されるものでなく、通常の条件で行われる室温での伸線加工や延伸加工で良い。なお、通常の場合、仕上げ加工後の直径が５．０ｍｍ以下の鋼線の直径に対して、±０．０２ｍｍの許容差と０．０２ｍｍ以下の偏径差が要求されることが多いので、この仕上げ加工は伸線加工で行うことが好ましい。
【００２８】
本発明が対象とする高炭素クロム鋼線は、例えば、前記（Ａ）項の化学組成を有する鋼を通常の方法で溶製して鋼片に加工した後、通常の方法で熱間圧延して線材に加工し、この線材に、（Ｂ）項の延伸加工、（Ｃ）項の球状化焼鈍、（Ｄ）項の仕上げ加工を施して製造される。このようにして製造された直径が５．０ｍｍ以下の鋼線は、所定形状への加工が施され、更に、最終工程としての焼入れ焼戻しなどの熱処理が行われ、所望の特性を有する機械構造部品に仕上げられる。
【００２９】
以下、実施例により本発明を詳しく説明する。
【００３０】
【実施例】
表１に示す化学組成のＳＵＪ２鋼（ＪＩＳ  Ｇ  ４８０５（１９９０））を供試鋼として直径５．５ｍｍの線材を熱間圧延した。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
上記の直径５．５ｍｍの線材に機械的なデスケーリング（メカニカルデスケーリング）処理を施し、次いで、室温で３ロール圧延機を用いた通常の延伸加工（圧延加工）を行った。一方、前記の直径５．５ｍｍの線材に通常の酸洗によるデスケーリングを行ってから潤滑処理して室温で伸線加工することも行った。表２に、前記の延伸加工、伸線加工におけるパススケジュールの詳細を示す。なお、表２に示した減面率は直径５．５ｍｍからの総減面率であり、減面率３０％以上は延伸加工と伸線加工とで同じパススケジュールとした。
【００３３】
【表２】
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【００３４】
表２の各パス毎にサンプルを採取し、鋼線の長手方向縦断面（鋼線の加工方向に平行に、その中心線を通って切断した面）を顕微鏡観察するとともに、試料数を２０以上とした引張試験を行って、鋼線の内部欠陥発生の有無を調査した。なお、表２にはこの内部欠陥の発生の有無も併せて示した。
【００３５】
表２において、伸線加工では減面率３０％で内部欠陥が認められるが、延伸加工の場合には減面率８０％の加工でも内部欠陥が認められない。つまり、延伸加工することで、ＳＵＪ２のような高炭素クロム鋼の線材を旧オーステナイト粒界間に微細なクラックを発生させることなくサイズダウンできることが明らかである。
【００３６】
次いで、前記の減面率で３０〜８０％の延伸加工を施した鋼線に、図４に示すヒートパターンで球状化焼鈍ＳＡ１を施し、球状化焼鈍後の球状化率と平均炭化物粒径及び硬さを調査した。
【００３７】
又、直径５．５ｍｍの線材に機械的なデスケーリング（メカニカルデスケーリング）処理を施し、次いで、６００℃で３ロール圧延機を用いた通常の温間延伸加工（圧延加工）を行った後、この鋼線に、上記の球状化焼鈍ＳＡ１を施し、球状化焼鈍後の球状化率と平均炭化物粒径及び硬さを調査した。
【００３８】
比較のために、従来法と同様に２回の球状化焼鈍を施した場合の球状化率と平均炭化物粒径及び硬さも調査した。すなわち、直径５．５ｍｍの線材に図５に示すヒートパターンで球状化焼鈍ＳＡ２を行い、次いで、通常の方法で酸洗・潤滑処理した後、減面率で３０〜８０％の伸線加工を施し、更に、図６に示すヒートパターンで球状化焼鈍ＳＡ３を行い、球状化焼鈍後の球状化率と平均炭化物粒径及び硬さを調査した。
【００３９】
表３に、球状化率、平均炭化物粒径及び硬さの調査結果を示す。なお、表３には、直径５．５ｍｍの線材をそのまま図５に示すヒートパターンで球状化焼鈍した場合の球状化率と平均炭化物粒径及び硬さも併記した。
【００４０】
【表３】
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【００４１】
表３から、本発明に係る方法で処理された直径が５．０ｍｍ以下の鋼線が、従来法と同様に２回の球状化焼鈍を施した鋼線と同等の球状化組織（つまり、同等の平均炭化物粒径と同等の球状化率）を有し、硬さも同等であることが明らかである。更に、本発明に係る方法の場合、延伸加工の減面率が５０％以上では球状化組織は良好で、更に、延伸加工の減面率が７０％以上では球状化組織は極めて良好であることがわかる。
【００４２】
なお、本実施例における球状化焼鈍はバッチ処理としたが、この球状化焼鈍は、例えば、ローラダイスや圧延機の下流側にループレイヤを取り付け、鋼線をリング状に展開した後、連続的に焼鈍処理する方法で行っても良い。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、直径が５．０ｍｍ以下の高炭素クロム鋼線の球状化熱処理（球状化焼鈍）を１回に削減することができる。更に、仕上げ加工として伸線加工を行った場合でも伸線加工の総回数が減り、したがって、酸洗・潤滑処理の回数が減るので作業環境を改善できるという副次的効果も得られる。本発明の機械構造部品の素材となる直径が５．０ｍｍ以下の高炭素クロム鋼線は、本発明の方法によって比較的容易に低コストで製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】直径が５．０ｍｍ以下の高炭素クロム鋼線の従来の製造方法を示す図である。
【図２】初析セメンタイトが存在する高炭素クロム鋼の線材を熱間圧延組織のままで伸線加工した場合の応力状況、加工後の組織状況及び旧オーステナイト粒界間に微細なクラックが発生する状況を模式的に示す図である。
【図３】初析セメンタイトが存在する高炭素クロム鋼の線材を熱間圧延組織のままで延伸加工した場合の応力状況と加工後の組織状況を模式的に示す図である。
【図４】実施例で行った球状化焼鈍ＳＡ１のヒートパターンを示す図である。
【図５】実施例で行った球状化焼鈍ＳＡ２のヒートパターンを示す図である。
【図６】実施例で行った球状化焼鈍ＳＡ３のヒートパターンを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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