(57)【要約】【課題】  Ｔｉを添加した高強度肌焼鋼からなる鋼部品を、浸炭した後、再焼入れすることにより、積極的に旧オーステナイト粒を超微細化して強度を向上させた浸炭部品の製造方法を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０３〜０．５０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎ：０．０２０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＴｉ：０．０５〜０．２％、Ｖ：０．０２〜０．１０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１０％のうち１種又は２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる肌焼鋼からなる鋼部品を、旧オーステナイト結晶粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなる鋼とし、この鋼から形成の鋼部品を浸炭後、さらに再焼入れを行い、ＪＩＳ  Ｇ０５５１  Ｎｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなる高強度浸炭部品を製造する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
肌焼鋼からなる鋼部品を浸炭し高強度浸炭部品を得る方法において、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０３〜０．５０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎ：０．０２０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらに、Ｔｉ：０．０５〜０．２％、Ｖ：０．０２〜０．１０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１０％のうち１種又は２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる肌焼鋼から形成の部品を、浸炭後、再焼入を行うことを特徴とする高強度浸炭部品の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の鋼成分に、さらに、質量％で、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下、Ｎｉ：３．０％以下のうち１種又は２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる肌焼鋼から形成の部品を、浸炭後、再焼入を行うことを特徴とする高強度浸炭部品の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鋼成分に、さらに、質量％で、Ｂ：０．０００５〜０．００５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる肌焼鋼から形成の部品を、浸炭後、再焼入を行うことを特徴とする高強度浸炭部品の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼成分に、被削性改善のため、さらに、質量％で、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ｐｂ：０．０１〜０．３％、Ｂｉ：０．０１〜０．３％、Ｔｅ：０．０１〜０．２％、Ｓｅ：０．０１〜０．２％、Ｃａ：０．０００３〜０．０１％から選択した１種ないし２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる肌焼鋼から形成の部品を、浸炭後、再焼入を行うことを特徴とする高強度浸炭部品の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の肌焼鋼から形成の部品を、浸炭後、再焼入れを行い、ＪＩＳ  Ｇ０５５１  Ｎｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなる部品を得ることを特徴とする高強度浸炭部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械構造用鋼からなる部品、例えば、ギヤ、ＣＶＪなどの高強度化が要求される自動車用の浸炭部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
ギヤ、ＣＶＪなどの自動車用部品では、小型軽量化に伴う高強度化が要求される。そこで、１）ＳＮＣＭなどのＮｉ鋼のように合金元素を添加して高強度化を図っている。しかし、このように合金元素を添加して高強度化を図った場合、素材コストが高くなり、冷間加工性が劣るために冷間鍛造ができず、さらに熱間鍛造後そのままでは切削できないので焼鈍などの熱処理が必要となるなどの問題がある。
【０００３】
２）さらに浸炭後、再焼入れを行って結晶粒の微細化を図って高強度化している。しかし、この場合も、例えば、ＳＣＭなどの一般鋼を使用した場合では、結晶粒の微細化に限界があり十分な高強度化ができない問題がある。
【０００４】
３）あるいは、加工処理により結晶粒の微細化を図って高強度化している。しかしこの場合も、成形と熱処理を組み合わせるため、成形の難しいものには適用できないなど部品形状が限定されるなどの問題がある。
【０００５】
また、浸炭時のγ粒の粗大化を防ぐものが出願され開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−８１９３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、従来の上記の問題点を解消することであり、浸炭後再焼入れにより、積極的に旧オーステナイト粒を超微細化して強度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、肌焼鋼からなる鋼部品を浸炭し高強度浸炭部品を得る方法において、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０３〜０．５０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎ：０．０２０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらに、Ｔｉ：０．０５〜０．２％、Ｖ：０．０２〜０．１０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１０％のうち１種又は２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる肌焼鋼から形成の部品を、浸炭後、再焼入を行うことを特徴とする高強度浸炭部品の製造方法である。
【０００９】
請求項２の発明では、請求項１の手段の鋼成分に、さらに、質量％で、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下、Ｎｉ：３．０％以下のうち１種又は２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる肌焼鋼から形成の部品を、浸炭後、再焼入を行うことを特徴とする高強度浸炭部品の製造方法である。
【００１０】
請求項３の発明では、請求項１または２の手段の鋼成分に、さらに、質量％で、Ｂ：０．０００５〜０．００５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる肌焼鋼から形成の部品を、浸炭後、再焼入を行うことを特徴とする高強度浸炭部品の製造方法である。
【００１１】
請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれか１項の手段の鋼成分に、被削性改善のため、さらに、質量％で、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ｐｂ：０．０１〜０．３％、Ｂｉ：０．０１〜０．３％、Ｔｅ：０．０１〜０．２％、Ｓｅ：０．０１〜０．２％、Ｃａ：０．０００３〜０．０１％から選択した１種ないし２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる肌焼鋼から形成の部品を、浸炭後、再焼入を行うことを特徴とする高強度浸炭部品の製造方法である。
【００１２】
請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれか１項の手段の肌焼鋼から形成の部品を、浸炭後、再焼入れを行い、ＪＩＳ  Ｇ０５５１  Ｎｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなる部品を得ることを特徴とする高強度浸炭部品の製造方法である。
【００１３】
本発明の手段における肌焼鋼に含有される鋼成分の限定理由を述べる。なお、％は質量％を示す。
【００１４】
Ｃ：Ｃは機械構造用部品として浸炭処理後の芯部強度を確保するために必要な元素であり、０．１０％未満ではその効果が十分に得られず、反対に０．３５％を超えると芯部の靱性を低下させる。そのため含有量を０．１０〜０．３５％とした。
【００１５】
Ｓｉ：Ｓｉは０．０３％未満では脱酸効果が十分に得られず、０．５０％より過剰に含有させると加工性を低下させると共に浸炭時の粒界酸化層の形成を助長し、疲労特性についても低下させる。そのため含有量を０．０３〜０．５０％とした。
【００１６】
Ｍｎ：Ｍｎは焼入性を確保するのに必要な元素であるが、２．０％を超えると加工性を低下させる。そのため、含有量を２．０％以下とした。
【００１７】
Ｔｉ：Ｔｉは鋼中のｆｒｅｅ−Ｎを固定し、Ｂの焼入性への効果を向上させると共にＴｉ炭化物、Ｔｉを含有する複合炭化物、Ｔｉ窒化物を微細に析出させることによって、ＡｌＮに代って浸炭時のオーステナイト結晶粒度の粗大化を抑制するために必要な元素である。特に、鋼中に微細分散したナノオーダーのＴｉＣが結晶粒の成長を抑制する。Ｔｉが０．０５％未満ではその効果は十分でなく、０．１％を超えることが望ましい。しかし、０．２％を超えると析出物の量が過剰となり加工性を低下させる。そのため、Ｔｉは０．０５〜０．２％とした。
【００１８】
Ｖ：Ｖは炭化物を形成し、Ｔｉ同様にオーステナイト結晶粒度の粗大化を抑制する効果がある。特に、鋼中に微細に分散したナノオーダーのＶＣが結晶粒の成長を抑制する。Ｖが０．０２％未満ではその硬化は得られず、０．１０％を超えて含有させると析出物の量が過剰となり加工性を低下させる。そのため、含有量を０．０２〜０．１０％とした。
【００１９】
Ｎｂ：Ｎｂは炭化物あるいは窒化物を形成し、Ｔｉ同様にオーステナイト結晶粒度の粗大化を抑制する効果がある。特に、鋼中に微細に分散したナノオーダーのＮｂＣが結晶粒の成長を抑制する。Ｎｂが０．０２％未満ではその硬化は得られず、０．１０％を超えて含有させると析出物の量が過剰となり加工性を低下させる。そのため、含有量を０．０２〜０．１０％とした。なお、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂはそれらのうち１種または２種以上を含有することができる。
【００２０】
Ｃｒ：Ｃｒは焼入性および浸炭性を向上させる元素であるが、２．０％を超えて含有させると浸炭層で粗大な炭化物を形成し、機械的性質、疲労特性を低下させる。そのため、含有量を２．０％以下とした。
【００２１】
Ｍｏ：Ｍｏは焼入性および靱性を向上させる元素であるが、２．０％を超えて含有させると圧延あるいは鍛造後にベイナイトやマルテンサイト組織となり加工性を著しく低下させ、コストアップにつながる。そのため、含有量を２．０％以下とした。
【００２２】
Ｎｉ：Ｎｉは焼入性および靱性を向上させる元素であるが、３．０％を超えて含有させると圧延あるいは鍛造後にベイナイトやマルテンサイト組織となり加工性を著しく低下させ、コストアップにつながる。そのため、含有量を３．０％以下とした。なお、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉはそれらのうち１種または２種以上を含有することができる。
【００２３】
Ｎ：Ｎは０．０１５％を超えて、殊に０．０２０％を超えて含有するとＴｉＮが増加し、疲労特性に悪影響を及ぼす。そのため、Ｎは０．０２０％以下とした。
【００２４】
Ａｌ：Ａｌは脱酸剤として使用される元素であり、０．００５％未満ではその効果が十分でなく、０．０５％を超えるとアルミナ系酸化物が増加し疲労特性、加工性を低下させる。そのため、含有量を０．００５〜０．０５％とした。
【００２５】
Ｂ：Ｂは極く微量の添加によって鋼の焼入性を著しく向上させる元素であり、任意に選択的に添加できる元素である。しかし、０．０００５％未満ではその効果は十分でなく、０．００５％を超えると逆に焼入性を低下させる。そのため、含有量を０．０００５〜０．００５％とした。
【００２６】
被削性の改善元素として、さらに、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ｐｂ：０．０１〜０．３％、Ｂｉ：０．０１〜０．３％、Ｔｅ：０．０１〜０．２％、Ｓｅ：０．０１〜０．２％、Ｃａ：０．０００３〜０．０１％から選択した１種ないし２種以上を含有することができる。これらの元素は、その下限値以下では十分な被削性改善の効果はなく、その上限値を超えると逆に靱性を低下するので上限値以下とする。
【００２７】
本発明の作用について述べると、本発明においては鋼の強度を向上させるために、旧オーステナイト粒がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上に極めて微細化したマルテンサイト組織の鋼を使用する。これによって鋼の破壊起点が粒界破壊から、粒内破壊へと移行し、曲げ強度、衝撃特性が向上する。
【００２８】
本発明の上記の鋼から形成の部品は、さらに浸炭後、再焼入れを行うことが特に重要であり、通常の浸炭焼入れのままでは、超微細化しない。すなわち、浸炭焼入れし、前組織をマルテンサイト（またはベイナイト）にした状態で焼入れすると超微細化する。
【００２９】
ここでは、マルテンサイト（またはベイナイト）は再焼入れの加熱時にオーステナイトに一旦なるが、このオーステナイト生成サイトが多いため、いたるところからオーステナイト粒ができる。このオーステナイト粒を微細分散したＴｉＣがピンニングし、結晶粒の成長を止める。その状態から焼き入れされるため、超微細化したマルテンサイト組織ができる。
【００３０】
すなわち、Ｔｉを添加した鋼（出願人の開発した鋼で、特開平１０−８１９３８号に開示の鋼）を旧オーステナイト結晶粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなる鋼とし、この鋼からなる鋼部品に、特に、浸炭後、再焼入れすることにより、結晶粒が超微細化することを利用している。一般鋼（ＳＣＭなど）も再焼入れすることにより微細化するが、粒度Ｎｏ．１１未満程度が限界であり、また、混粒が発生し易い。
【００３１】
Ｔｉを添加した鋼の場合、特開平１０−８１９３８号に開示の発明では、上記のＳＣＭなどと同様に、結晶粒の粗大化は阻止されて高強度となっているが、粒度はＮｏ．１１未満程度である。これに対し、本発明における鋼では、旧オーステナイト結晶粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなる鋼とし、このＴｉ添加の鋼からなる部品を、さらに浸炭後、再焼入れすることにより、ナノオーダーのＴｉＣが微細に分散し、結晶粒の成長を止める（ピンニング効果）。これにより一般鋼では達成できなかった領域の結晶粒度Ｎｏ．１１を超えて超微細化することが可能となり、この結晶粒の超微細化により、さらに高強度化が図れるものである。
【００３２】
これにより、Ｎｉなどの高価な元素を用いなくとも、機械的性質（曲げ強度、靱性など）を大幅に向上させることができる。また加工熱処理ではないので、全ての部品に適用できる。
【発明の効果】
【００３３】
以上説明したように、本発明は、Ｔｉを添加した鋼を、旧オーステナイト結晶粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなる高強度肌焼鋼とし、さらにこの鋼から鋼部品とし、浸炭後、再焼入れをすることで、結晶粒度をＪＩＳ  Ｇ０５５１  Ｎｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなるものが得られ、本発明は自動車用部品として従来にない高強度の浸炭部品を得るものとして優れた方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の請求項１〜４の実施の形態の鋼は、表１および表２の発明鋼のＮｏ．９〜３１に示す鋼組成で、旧オーステナイト粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上に極めて微細化したマルテンサイト組織の鋼からなる。発明鋼のＮｏ．９〜３１の鋼はナノオーダーのＴｉＣを微細分散したＴｉ添加の鋼である。請求項５の実施の形態の高強度浸炭部品の製造方法に係るものは、上記の鋼からなる鋼部品を、浸炭後、再焼入れして結晶粒をＪＩＳ  Ｇ０５５１  Ｎｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなる部品としたものである。
【実施例】
【００３５】
表１および表２に示す比較鋼および発明鋼の供試材を１００ｋｇ真空溶解炉にて溶製してなる鋼片を１２５０℃に加熱してφ２０ｍｍの棒鋼に鍛伸した。この場合、微細なＴｉ炭化物を析出させるために、鋼片を１２５０〜１４００℃で圧延する。さらに棒あるいは線に圧延するときは、Ａｃ3〜１０５０℃で圧延する。次いで、９５０℃で仕上げ鍛伸して、さらにφ１４ｍｍ×２１ｍｍＨの円柱試験片に加工した後、９３０℃で６時間保持して浸炭焼入れした後、８５０℃で０．５時間保持して再焼入れし、１８０℃に１．５時間保持して焼戻しする。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
【表２】
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【００３８】
上記で得られた試験片の結晶粒をＪＩＳ  ＧＯ５５１の規定により測定し、その結果を表３および表４に示す。本発明鋼のＮｏ．９〜３１は、比較鋼のＮｏ．１〜８に比し粒度Ｎｏ．は高く、いずれもＮｏ．１１以上で、結晶粒が超微粒であることがわかる。
【００３９】
本発明に係る発明鋼Ｎｏ．１０からなる鋼部品と比較例に係る比較鋼Ｎｏ．３および比較鋼Ｎｏ．８からなる鋼部品の浸炭後の再焼入れした結晶粒径の４００倍で示す顕微鏡写真を図１に示す。発明鋼Ｎｏ．１０の結晶粒径が、比較鋼Ｎｏ．３および比較鋼Ｎｏ．８の結晶粒径に比して極めて微細であることがわかる。
【００４０】
【表３】
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【００４１】
さらに、亀裂発生荷重と破断荷重を評価するために、静的３点曲げ試験を行い、その結果を比較鋼Ｎｏ．１に対する比で表３に示す。静的３点曲げ試験は、浸炭後、再焼入れした角１０ｍｍ×長さ７０ｍｍの試験片に、２ｍｍＶノッチを設け、スパン間距離５０ｍｍで行った。本発明に係る鋼の供試材のＮｏ．９〜３１は、比較鋼の供試材のＮｏ．１〜８に比し初期亀裂発生荷重および亀裂発生荷重で優れており、特にＮｏ．１に比し２倍以上の初期亀裂発生荷重で優れていることが分かる。さらに発明鋼Ｎｏ．１０と比較鋼Ｎｏ．３の静曲げ試験の破壊起点部と伝播部のＳＥＭ写真を図２に示す。同図において、比較鋼Ｎｏ．３では起点部も伝播部も粒界破壊であるが、発明鋼Ｎｏ．１０では破壊起点が粒界破壊から、粒内破壊へ移行していることがわかる。
【００４２】
【表４】
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【００４３】
また、さらに衝撃値を評価するために、浸炭後、再焼入れした角１０ｍｍ×長さ５５ｍｍの試験片に、１０ＲＣ  ２ｍｍノッチを設けて、シャルピー衝撃試験を行い、その結果を比較鋼Ｎｏ．１に対する比で表４に示す。本発明に係る鋼の供試材のＮｏ．９〜３１は、比較鋼の供試材のＮｏ．１〜８に比し格段に衝撃値で優れており、特にＮｏ．１に比し２倍以上の衝撃値で優れていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明鋼Ｎｏ．１０からなる鋼部品と比較例に係る比較鋼Ｎｏ．３および比較鋼Ｎｏ．８からなる鋼部品の浸炭後の再焼入れした結晶粒径の顕微鏡写真を示す。
【図２】発明鋼Ｎｏ．１０と比較鋼Ｎｏ．３の静曲げ試験の破壊起点部と伝播部のＳＥＭ写真を示す。
【図１】
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【図２】
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