(57)【要約】【課題】鋼材の冷間加工性または被削性を担保するために球状化焼鈍するに際して、対象鋼が高Ｃ低Ｃｒ鋼であっても安定して球状化焼鈍でき、十分に炭化物成長できる技術を確立することにある。【解決手段】球状化焼鈍は、１段目熱処理、これに続く２段目熱処理、および２段目熱処理に続く３段目熱処理とから構成され、これら１段目熱処理、２段目熱処理、および３段目熱処理の条件は以下の通りである。（１）１段目熱処理  昇温速度：４００℃／時間未満、加熱温度：（Ａ1点＋３０）℃〜（Ａ1点＋６０）℃、加熱保持時間：１〜３時間、冷却速度：Ａ1点〜（Ａ1点−３０）℃の温度範囲を１０℃／時間以下、冷却終了温度：（Ａ1点−３５）℃以下（２）２段目熱処理  昇温速度：４００℃／時間未満、加熱温度：（Ａ1点＋１５）℃〜（Ａ1点＋４５）℃、加熱保持時間：１〜３時間、冷却速度：Ａ1点〜（Ａ1点−３０）℃の温度範囲を１０℃／時間以下、冷却終了温度：（Ａ1点−３５）℃以下（３）３段目熱処理  昇温速度：４００℃／時間未満、加熱温度：Ａ1点〜（Ａ1点＋３０）℃、加熱保持時間：１〜３時間、冷却速度：Ａ1点〜（Ａ1点−４０）℃の温度範囲を１０℃／時間以下【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．７〜１．５％（質量％の意味。以下、同じ）、および
Ｃｒ：０．９％未満（０％を含まない）を含有する鋼材を球状化焼鈍して冷間加工性および被削性に優れた鋼材を製造する方法であって、
前記球状化焼鈍は、１段目熱処理、これに続く２段目熱処理、および２段目熱処理に続く３段目熱処理とから構成され、
これら１段目熱処理、２段目熱処理、および３段目熱処理の条件は以下の通りである冷間加工性および被削性に優れた鋼材の製造方法。
（１）１段目熱処理
昇温速度：４００℃／時間未満
加熱温度：（Ａ1点＋３０）℃〜（Ａ1点＋６０）℃
加熱保持時間：１〜３時間
冷却速度：Ａ1点〜（Ａ1点−３０）℃の温度範囲を１０℃／時間以下
冷却終了温度：（Ａ1点−３５）℃以下
（２）２段目熱処理
昇温速度：４００℃／時間未満
加熱温度：（Ａ1点＋１５）℃〜（Ａ1点＋４５）℃
加熱保持時間：１〜３時間
冷却速度：Ａ1点〜（Ａ1点−３０）℃の温度範囲を１０℃／時間以下
冷却終了温度：（Ａ1点−３５）℃以下
（３）３段目熱処理
昇温速度：４００℃／時間未満
加熱温度：Ａ1点〜（Ａ1点＋３０）℃
加熱保持時間：１〜３時間
冷却速度：Ａ1点〜（Ａ1点−４０）℃の温度範囲を１０℃／時間以下
【請求項２】
前記鋼材として、
Ｓｉ：０．００１〜０．７％、
Ｍｎ：０．１〜２．０％、および
Ａｌ：０．００１〜０．１％を更に含有し、
残部が鉄および不可避的不純物であるものを用いる請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記不可避的不純物として、
Ｐ：０．０５％以下（０％を含まない）、
Ｓ：０．００１〜０．０５％、および
Ｎ：０．０１５％以下（０％を含まない）を含む請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記鋼材が更に、
Ｃｕ：０．２５％以下（０％を含まない）、
Ｎｉ：０．２５％以下（０％を含まない）、
Ｍｏ：０．２５％以下（０％を含まない）、および
Ｂ  ：０．０１％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種を含む請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
【請求項５】
前記鋼材が更に、
Ｔｉ：０．２％以下（０％を含まない）、
Ｎｂ：０．２％以下（０％を含まない）、および
Ｖ  ：０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種を含む請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用部品や軸受け、建設機械用部品等の各種部品の製造に用いられる冷間加工性または被削性に優れた鋼材を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用部品や軸受け、建設機械用部品等の各種部品には高炭素鋼が使用されており、通常、熱間圧延材を冷間加工、切削加工などによって所定の形状に成形した後、焼入れ焼戻し処理を行って最終的な強度調整が行われて製造される。熱間圧延材の冷間加工性や被削性は、高炭素鋼中に析出している炭化物の形状に影響を受け、棒状の炭化物が存在していると、それらが割れの起点となり、冷間加工性や被削性が悪くなる。そこで熱間圧延材を冷間加工したり、切削するにあたっては、熱間圧延材を焼鈍して炭化物を球状化する処理（球状化焼鈍）が施される。
【０００３】
一般に球状化焼鈍では、（１）鋼材をＡc1点（約７３０℃）以上のやや高い温度（例えば７６０〜７８０℃）に１〜２時間加熱したのち、ゆっくり冷却する方法、（２）Ａc1点の上下２０〜３０℃の間で加熱と冷却を繰り返す方法、（３）冷間加工後に温度６８０〜７００℃に加熱するか、または焼入れ後に温度６８０〜７００℃で焼戻しする方法、（４）変態点直上にあたる温度７６０〜７８０℃から温度７００℃まで冷却し、この温度で約３時間程度保持してから空冷する方法などが採用されている。
【０００４】
ところで軸受鋼などに使用される高炭素鋼としては、ＳＵＪ２鋼が代表的であり、このＳＵＪ２鋼も球状化焼鈍して用いられている。ＳＵＪ２鋼はＣ量が０．９５〜１．１０％と高く、またＣｒ含有量も１．３０〜１．６０％と高い。
【０００５】
一方、Ｃ量は高いままＣｒ量を減らした鋼材についても球状化焼鈍が適用されている（特許文献１など）。特許文献１では、Ｃ：０．４０〜０．８０重量％、Ｃｒ：０．８０重量％以下の軸受用鋼材について、下記（１）〜（３）の処理の後、（４）〜（５）の処理を１回以上繰り返し、その後冷却する球状化焼鈍方法が開示されている。
（１）Ａ3点以上に加熱保持後急速冷却を行う
（２）Ａ3点＋（５〜３０）℃の温度範囲に再加熱保持する。
（３）Ａ1点−（５〜３０）℃の温度範囲で保持する。
（４）（Ａ1点＋５）〜（Ａ3点＋３０）℃の温度範囲で保持する。
（５）Ａ1点−（５〜３０）℃の温度範囲で保持する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平４−３６２１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記ＳＵＪ２鋼などの高Ｃｒ合金鋼は、比較的安定して球状化焼鈍が可能であるのに対して、高いＣ量を保ったままでＣｒを減らした高Ｃ低Ｃｒ鋼では、球状化焼鈍を安定して行うことが難しい。例えば線材コイルを炉で処理して球状化焼鈍する場合、一部で球状化焼鈍に成功しても、球状化焼鈍に失敗する部分が発生することがあり、歩留まりが低下する。そして全ての場所で球状化焼鈍に成功するには炉の条件設定が極めてシビアになるという課題がある。また、冷間加工性または被削性をより高めるには、炭化物を十分に成長させる必要がある。前記特許文献１の方法でも高Ｃ低Ｃｒ鋼を安定して球状化することは難しく、また、十分な炭化物成長は達成し難い。
【０００８】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、鋼材の冷間加工性または被削性を担保するために球状化焼鈍するに際して、対象鋼が高Ｃ低Ｃｒ鋼であっても安定して球状化焼鈍でき、十分に炭化物成長できる技術を確立することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成し得た本発明の製造方法とは、Ｃ：０．７〜１．５％（質量％の意味。
以下、同じ）、およびＣｒ：０．９％未満（０％を含まない）を含有する鋼材を球状化焼鈍して冷間加工性または被削性に優れた鋼材を製造する方法であって、前記球状化焼鈍は、１段目熱処理、これに続く２段目熱処理、および２段目熱処理に続く３段目熱処理とから構成され、これら１段目熱処理、２段目熱処理、および３段目熱処理の条件は以下の通りである点にその要旨を有するものである。
（１）１段目熱処理
昇温速度：４００℃／時間未満
加熱温度：（Ａ1点＋３０）℃〜（Ａ1点＋６０）℃
加熱保持時間：１〜３時間
冷却速度：Ａ1点〜（Ａ1点−３０）℃の温度範囲を１０℃／時間以下
冷却終了温度：（Ａ1点−３５）℃以下
（２）２段目熱処理
昇温速度：４００℃／時間未満
加熱温度：（Ａ1点＋１５）℃〜（Ａ1点＋４５）℃
加熱保持時間：１〜３時間
冷却速度：Ａ1点〜（Ａ1点−３０）℃の温度範囲を１０℃／時間以下
冷却終了温度：（Ａ1点−３５）℃以下
（３）３段目熱処理
昇温速度：４００℃／時間未満
加熱温度：Ａ1点℃〜（Ａ1点＋３０）℃
加熱保持時間：１〜３時間
冷却速度：Ａ1点〜（Ａ1点−４０）℃の温度範囲を１０℃／時間以下
【００１０】
前記鋼材は、Ｓｉ：０．００１〜０．７％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、およびＡｌ：０．００１〜０．１％を更に含有していてもよく、残部が鉄および不可避的不純物であってもよい。この不可避的不純物は、例えば、Ｐ：０．０５％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．００１〜０．０５％、およびＮ：０．０１５％以下（０％を含まない）などである。
【００１１】
前記鋼材は、更に、Ｃｕ：０．２５％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：０．２５％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：０．２５％以下（０％を含まない）、およびＢ：０．０１％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種を含有していてもよく、またＴｉ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．２％以下（０％を含まない）、およびＶ：０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種を含有していてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、特定の３段階熱処理法を採用しているため、高Ｃ低Ｃｒ鋼であっても、安定して確実に球状化焼鈍でき、歩留まりを高めることができ、しかも炭化物を十分に成長させることができる。その結果、冷間加工性または被削性に優れた鋼材を製造できる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、Ａ1変態点よりも十分に低い温度まで冷却する過程を間に挟むようにして３段階に分けて熱処理を行えば、高Ｃ低Ｃｒ鋼であっても、安定して確実に球状化焼鈍でき、炭化物を十分に成長させられること、これにより鋼材の冷間加工性または被削性を改善できること、を見出し、本発明を完成した。以下、本発明法が対象とする鋼材について説明した後、本発明法について説明する。
【００１４】
１．  対象鋼
本発明は、高Ｃ低Ｃｒ鋼を対象とする。高Ｃ低Ｃｒ鋼には、球状化焼鈍を安定して行うという課題がある。前記高Ｃ低Ｃｒ鋼は、具体的にはＣを０．７〜１．５％、およびＣｒを０．９％未満（０％を含まない）含有する。
【００１５】
Ｃは、鋼材の強度（即ち、最終製品の強度）を確保するために必要な元素であり、冷間加工性や被削性に重要な影響を及ぼす。また炭化物を生じるため、球状化焼鈍方法の設計に当たっては必ず考慮しなければならない。Ｃ量は、０．７％以上であり、好ましくは０．８％以上である。しかしＣを過剰に含有すると、強度が高くなり過ぎて冷間加工性や被削性が悪くなるため、上限を設定した。Ｃ量は、１．５％以下であり、好ましくは１．２％以下である。
【００１６】
Ｃｒは、炭化物の球状化の難しさに影響を与える元素である。本発明では、このＣｒを０．９％未満に低減した場合でも、安定して確実に炭化物を球状化できることを目的として球状化焼鈍方法を設計するものであり、Ｃｒ量の特定は必須である。本発明によればＣｒが０．８％以下、または０．６％以下、特に０．４％以下、更には０．３％以下であっても確実に球状化が可能であり、さらにＣｒ量は０．１％以下であってもよい。なお、Ｃｒは、鋼材の焼入れ性を向上させ、最終製品の強度を高めるのに作用する元素である為、０．９％未満を満足する範囲で多く含有していてもよい。Ｃｒ量は、例えば、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上、さらに好ましくは０．１％以上であってもよい。
【００１７】
本発明で焼鈍方法を設計するにあたって考慮すべき鋼材成分は上述したＣ量およびＣｒ量であるが、実際に本発明の焼鈍方法に使用する鋼材は、通常、Ｓｉ、Ｍｎ、およびＡｌを下記の範囲で更に含有する。また、残部は特に限定されないが、鉄および不可避的不純物であってもよい。Ｓｉ、Ｍｎ、およびＡｌの添加量、およびその添加理由は以下の通りである。
【００１８】
Ｓｉは、脱酸元素として、および固溶体硬化による最終製品の強度を増加させるために含有させることが好ましい元素である。Ｓｉ量は、０．００１％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．０５％以上、更に好ましくは０．１％以上、特に好ましくは０．２％以上である。しかしＳｉ量が０．７％を超えると、過度に強度が上昇して冷間加工性を劣化させることがある。従ってＳｉ量は、０．７％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．６０％以下、更に好ましくは０．５０％以下である。
【００１９】
Ｍｎは、焼入れ性を向上し、最終製品の強度を増加させるのに有効に作用する元素である。こうした作用を有効に発揮させるには、０．１％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．３％以上、更に好ましくは０．５０％以上である。しかし過剰に含有すると強度が過度に上昇して冷間加工性が劣化することがある。従ってＭｎ量は、２．０％以下とすることが好ましく、より好ましくは１．５％以下、更に好ましくは１．２％以下、特に好ましくは１．０％以下である。
【００２０】
Ａｌは、脱酸元素として作用すると共に、鋼材中に存在する固溶ＮをＡｌＮとして固定し、冷間加工性を向上させる元素である。こうした作用を有効に発揮させるには、Ａｌ量は０．００１％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．００５％以上、更に好ましくは０．０１％以上である。しかしＡｌ量が過剰になると、鋼材中にＡｌ2Ｏ3が過剰に生成し、冷間加工性が劣化することがある。従ってＡｌ量は、０．１％以下であることが好ましく、より好ましくは０．０８％以下、更に好ましくは０．０５％以下である。
【００２１】
上記不可避的不純物としては、例えば、Ｐ、Ｓ、およびＮを例示できる。これらの制限理由と、その許容し得る含有量は、例えば、以下の通りである。
【００２２】
Ｐは、鋼材中に不可避的に含まれる元素であり、粒界偏析を起こすと延性劣化の原因となる。従ってＰ量は、０．０５％以下（０％を含まない）であることが好ましく、より好ましくは０．０４％以下、更に好ましくは０．０３％以下である。
【００２３】
Ｓは、鋼材中に不可避的に含まれる元素であり、鋼材中にＭｎＳとして存在し、延性を劣化させて冷間加工性を悪化させることがある。従ってＳ量は、０．０５％以下であることが好ましく、より好ましくは０．０４％以下、更に好ましくは０．０３％以下である。
一方、Ｓは、鋼材の被削性を向上させる作用も有する。従ってＳ量は、０．００１％以上であることが好ましく、より好ましくは０．００２％以上、更に好ましくは０．００３％以上である。
【００２４】
Ｎは、鋼材中に不可避的に含まれる元素であり、鋼材中に固溶Ｎとして存在すると、歪み時効による硬度上昇および延性低下を招き、冷間加工性を劣化させることがある。従ってＮ量は、０．０１５％以下（０％を含まない）であることが好ましく、より好ましくは０．０１３％以下、更に好ましくは０．０１０％以下である。
【００２５】
上記鋼材は更に、（１）Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、およびＢなど、（２）Ｔｉ、Ｎｂ、およびＶなどを含んでもよい。
【００２６】
（１）の場合、Ｃｕ：０．２５％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：０．２５％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：０．２５％以下（０％を含まない）、およびＢ：０．０１％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種を含有させる。これらの元素は、いずれも鋼材の焼入れ性を向上させて最終製品の強度を高めるのに有効に作用する元素である。これらの元素は、単独で含有させてもよく、２種以上含有させてもよい。前記作用を確実に発揮させる観点から、Ｃｕは０．０１％以上、Ｎｉは０．０１％以上、Ｍｏは０．０１％以上、Ｂは０．００１％以上含有させることが好ましく、より好ましくは、Ｃｕは０．０３％以上、Ｎｉは０．０３％以上、Ｍｏは０．０３％以上、Ｂは０．００１５％以上である。しかし過剰に含有すると、強度が高くなり過ぎて、冷間加工性が劣化することがある。従って前記範囲よりもその上限を限定してもよく、例えば、Ｃｕは０．１５％以下、Ｎｉは０．１５％以下、Ｍｏは０．２％以下、Ｂは０．００８％以下とするのが好ましい。
【００２７】
（２）の場合、Ｔｉ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．２％以下（０％を含まない）、およびＶ：０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種を含有させる。これらの元素はいずれも、鋼材中に存在するＮと結合して窒化物を形成し、固溶Ｎを低減することにより、変形抵抗を低下させて冷間加工性を向上させる元素である。これらの元素は、単独で含有させてもよく、２種以上含有させてもよい。
こうした作用を有効に発揮させるには、Ｔｉは０．０２％以上、Ｎｂは０．０２％以上、Ｖは０．０５％以上含有させることが好ましく、より好ましくは、Ｔｉは０．０４％以上、Ｎｂは０．０５％以上、Ｖは０．０８％以上である。しかし過剰に含有すると、形成される窒化物が変形抵抗を高め、冷間加工性を劣化させることがある。従って前記範囲よりもその上限を限定してもよく、例えば、Ｔｉは０．１％以下、Ｎｂは０．１％以下、Ｖは０．２５％以下とするのがより好ましい。
【００２８】
２．  製造方法
２．１  球状化焼鈍
本発明は、安定した球状化焼鈍が困難な上記のような高Ｃ低Ｃｒ鋼であっても、確実に球状化焼鈍してその冷間加工性と被削性を改善する発明である。本発明の製造方法で採用する球状化焼鈍法は、３段階に分けて熱処理を行う点に特徴がある。１段目の熱処理についてより詳細に説明すると、以下の通りである。
【００２９】
２．１．１  １段目熱処理
１段目の熱処理では、まず鋼材を昇温速度：４００℃／時間未満で加熱する。この加熱は、（Ａ1点＋３０）℃以上、（Ａ1点＋６０）℃以下の温度まで行い、この温度で１〜３時間保持する。次いで冷却を開始し、この冷却では、Ａ1点以下、（Ａ1点−３０）℃以上の温度範囲を１０℃／時間以下の速度で徐冷する。冷却は（Ａ1点−３５）℃以下の温度まで実施する。
【００３０】
この１段目の熱処理では、パーライト組織と網状の粒界セメンタイトを十分に分解して粗く均一な組織にする。そのため、続く２段目以降の熱処理で、十分に成長した炭化物を得ることができる。なお、Ａ1点は、オーステナイト＋セメンタイトの相からオーステナイト＋セメンタイト＋フェライトの相への変態温度であり、総合熱力学計算ソフトウエア（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ。ＣＲＣ総合研究所から購入可能。データベースはＴＴＬＦＥ）に、鋼材の化学成分組成を入力して求まる値である。本発明では、温度条件については、熱処理に用いる炉の設定温度を意味する。
【００３１】
１段目の熱処理で鋼材の昇温速度を前記範囲に設定したのは、これを超えると、温度がオーバーシュートしやすくなって、加熱温度、加熱保持時間に影響を与えるためである。
昇温速度は、好ましくは３００℃／時間以下、より好ましくは２００℃／時間以下である。なお、昇温速度が小さ過ぎると生産効率が低下する。よって昇温速度は、例えば、好ましくは５℃／時間以上、より好ましくは１０℃／時間以上、更に好ましくは２０℃／時間以上である。
【００３２】
１段目の加熱温度および加熱保持時間を前記範囲に設定したのは、この加熱で未固溶のパーライト組織と網状の粒界セメンタイトを分解し、粗く均一な組織を得るためである。
加熱温度が低過ぎたり、加熱保持時間が短過ぎたりすると、未固溶のパーライト組織または網状セメンタイトが残存し、炭化物が細かい部分が発生する。加熱温度をさらに高くしたり、加熱保持時間をさらに長くすると、必要以上にセメンタイトが溶ける部分が発生し、その後の冷却でパーライト組織が発生しやすくなる。前記加熱温度は、好ましくは（Ａ1点＋３０）℃超、より好ましくは（Ａ1点＋３２）℃以上、更に好ましくは（Ａ1点＋３５）℃以上であり、好ましくは（Ａ1点＋５８）℃以下、より好ましくは（Ａ1点＋５５）℃以下である。前記加熱保持時間は、好ましくは１．２時間以上であり、好ましくは２時間以下である。
【００３３】
１段目の冷却速度を前記範囲に設定したのは、微細な再生パーライトの発生を抑制するためである。微細な再生パーライトが発生すると十分に成長した炭化物を得ることができない。冷却速度は、好ましくは８℃／時間以下である。該冷却速度の下限は適宜設定できるが、例えば、好ましくは１℃／時間以上、より好ましくは１．５℃／時間以上、更に好ましくは２℃／時間以上であってもよい。
【００３４】
１段目の冷却終了温度を前記範囲に設定したのは、オーステナイトが残ったまま後記する２段目の加熱に入ることを防止するためである。オーステナイトが残ったまま２段目の加熱に入ると、炭化物が十分に成長せず、炭化物サイズが小さい部分が発生する。冷却終了温度は、例えば、（Ａ1点−３７）℃以下であってもよく、（Ａ1点−４０）℃以下であってもよい。なお、冷却終了温度の下限は特に設定されないが、生産効率の観点から、例えば、好ましくは（Ａ1点−１００）℃以上、より好ましくは（Ａ1点−５０）℃以上程度であってもよい。
【００３５】
２．１．２  ２段目熱処理
２段目の熱処理では、前記１段目の冷却終了後、鋼材を昇温速度：４００℃／時間未満で加熱する。この加熱は、（Ａ1点＋１５）℃以上、（Ａ1点＋４５）℃以下の温度まで行い、この温度で１〜３時間保持する。次いで冷却を開始し、この冷却では、Ａ1点以下、（Ａ1点−３０）℃以上の温度範囲を１０℃／時間以下の速度で徐冷する。前記１段目の熱処理の後、２段目の熱処理を行うことで、パーライト組織を分解すると同時にパーライト組織の再生を防止しつつ、炭化物を成長させることができる。
【００３６】
２段目の熱処理で鋼材の昇温速度を前記範囲に設定したのは、これを超えると、温度がオーバーシュートしやすくなって、加熱温度、加熱保持時間に影響を与えるためである。
昇温速度は、好ましくは３００℃／時間以下、より好ましくは２００℃／時間以下である。なお、昇温速度が小さ過ぎると生産効率が低下する。よって昇温速度は、例えば、好ましくは５℃／時間以上、より好ましくは１０℃／時間以上、更に好ましくは２０℃／時間以上である。
【００３７】
２段目の加熱温度および加熱保持時間を前記範囲に設定したのは、この加熱で、前記１段目の熱処理の後に生成したパーライト組織を分解する一方で、セメンタイトをある程度残存させるためである。加熱温度が低過ぎたり、加熱保持時間が短過ぎたりすると、未分解のパーライト組織が残存する部分が発生し、球状化および炭化物成長が不十分な部分が発生する。逆に、加熱温度が高過ぎたり、加熱保持時間が長過ぎたりするとセメンタイトが溶けすぎる部分が発生し、その後の冷却でパーライト組織が発生しやすくなり、球状化が不十分な部分が発生する。前記加熱温度は、好ましくは（Ａ1点＋１７）℃以上、より好ましくは（Ａ1点＋２０）℃以上であり、好ましくは（Ａ1点＋４３）℃以下、より好ましくは（Ａ1点＋４０）℃以下である。前記加熱保持時間は、好ましくは１．２時間以上であり、好ましくは２時間以下である。
【００３８】
２段目の冷却速度を前記範囲に設定したのは、微細な再生パーライトの発生を抑制するためである。微細な再生パーライトが発生すると十分に成長した炭化物を得ることができない。冷却速度は、好ましくは８℃／時間以下である。該冷却速度の下限は適宜設定できるが、例えば、好ましくは１℃／時間以上、より好ましくは１．５℃／時間以上、更に好ましくは２℃／時間以上であってもよい。
【００３９】
２段目の冷却終了温度を前記範囲に設定したのは、オーステナイトが残ったまま後記する３段目の加熱に入ることを防止するためである。オーステナイトが残ったまま３段目の加熱に入ると、炭化物が十分に成長せず、炭化物サイズが小さい部分が発生する。冷却終了温度は、（Ａ1点−３７）℃以下であってもよく、（Ａ1点−４０）℃以下であってもよい。なお、冷却終了温度の下限は特に設定されないが、生産効率の観点から、例えば、好ましくは（Ａ1点−１００）℃以上、より好ましくは（Ａ1点−５０）℃以上程度であってもよい。
【００４０】
２．１．３  ３段目熱処理
３段目の熱処理では、前記２段目の冷却終了後、鋼材を昇温速度：４００℃／時間未満で加熱する。この加熱は、Ａ1点以上、（Ａ1点＋３０）℃以下の温度まで行い、この温度で１〜３時間保持する。次いで冷却を開始し、この冷却では、Ａ1点以下、（Ａ1点−４０）℃以上の温度範囲を１０℃／時間以下の速度で徐冷する。前記２段目の熱処理の後、３段目の熱処理を行うことで、球状化が困難な部位でも確実に球状化しつつ、十分に炭化物を成長させることができる。
【００４１】
３段目の熱処理で鋼材の昇温速度を前記範囲に設定したのは、これを超えると、温度がオーバーシュートしやすくなって、加熱温度、加熱保持時間に影響を与えるためである。
昇温速度は、好ましくは３００℃／時間以下、より好ましくは２００℃／時間以下である。なお、昇温速度が小さ過ぎると生産効率が低下する。よって昇温速度は、例えば、好ましくは５℃／時間以上、より好ましくは１０℃／時間以上、更に好ましくは２０℃／時間以上である。
【００４２】
３段目の加熱温度および加熱保持時間を前記範囲に設定したのは、この加熱で未固溶のパーライト組織を消滅させる一方で、セメンタイトを多く残存させるためである。加熱温度が低過ぎたり、加熱保持時間が短過ぎたりすると、未固溶のパーライト組織が残存する部分が発生し、炭化物の球状化が不十分な部分が発生する。逆に、加熱温度が高過ぎたり、加熱保持時間が長過ぎたりするとセメンタイトが溶けすぎる部分が発生し、その後の冷却でパーライト組織が発生しやすくなり、炭化物の球状化が不十分な部分が発生する。前記加熱温度は、好ましくは（Ａ1点＋２）℃以上、より好ましくは（Ａ1点＋５）℃以上であり、好ましくは（Ａ1点＋３０）℃未満、より好ましくは（Ａ1点＋２８）℃以下、更に好ましくは（Ａ1点＋２５）℃以下である。前記加熱保持時間は、好ましくは１．２時間以上であり、好ましくは２時間以下である。
【００４３】
３段目の冷却速度を前記範囲に設定したのは、再生パーライトの発生を抑制するためである。再生パーライトが発生すると、球状化が不十分となる。冷却速度は、好ましくは８．５℃／時間以下、より好ましくは８．０℃／時間以下である。該冷却速度の下限は適宜設定できるが、例えば、好ましくは０．５℃／時間以上、より好ましくは１．０℃／時間以上、更に好ましくは２℃／時間以上であってもよい。
【００４４】
上記１段目の熱処理条件は比較的強く、上記２段目および上記３段目の熱処理は比較的弱くなるように制御することが好ましい。即ち、２段目および３段目の熱処理は、１段目の熱処理で設定した加熱温度または加熱保持時間の少なくともどちらかを弱くすることが好ましい。具体的には、加熱温度を低くするか、加熱保持時間を短くすればよく、他方は適宜設定でき、例えば、同等でもよいし、弱くてもよい。また、１段目の熱処理条件よりも２段目の熱処理条件を弱くし、この２段目の熱処理条件よりも３段目の熱処理条件を弱くしてもよい。
【００４５】
２．２  球状化焼鈍前工程
本発明の鋼材を製造するに当たり、球状化焼鈍前の工程は特に限定されず、例えば、通常の鋼材の製造方法に従えばよい。例えば、所定の成分に調整した鋼材を鋳造し、必要に応じて分塊圧延した後、熱間圧延した鋼材を使用できる。また他の方法によって得られた鋼材であっても、炭化物の球状化がなされていない鋼材であれば、いずれであっても使用できる。
【００４６】
上記のようにして球状化焼鈍された鋼材は、冷間加工性や被削性に優れている。そのため、冷間加工（特に冷間鍛造）、切削加工などによって簡便に所定の形状に成形できる。
この成形体は、焼入れ焼戻し処理などの最終的な強度調整を行い、鋼部品となる。本発明は、軸受けなどの自動車用部品、建設機械用部品等の各種部品を製造するのに極めて有用である。
【実施例】
【００４７】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限を受けるものではなく、前記および後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００４８】
下記表１に示す成分組成（残部は、鉄および不可避的不純物）の鋼材（鋼種Ａ〜Ｉ）を熱間圧延することでφ１５ｍｍの線材コイル１トンを一鋼種当たり２１個製造した。得られた線材コイルを、３段（層）積み型のバッチ式加熱炉に、一段（層）当たり７個（３段（層）の合計で２１個）挿入し、下記表２または表３に示す条件で１段目（１回目）の熱処理を行った後、２段目（２回目）の熱処理を行い、その後３段目（３回目）の熱処理を行った。
【００４９】
熱処理終了後、２１個の線材コイルから偏りなく６個の線材コイルを選択し、評価用の線材コイルとした。１つの線材コイルについて、端部からサンプルを採取し、横断面のＤ／８位置（Ｄは直径）を一周に亘って観察し、ＡＳＴＭ  Ａ８９２−８８に従って、観察部におけるＬＣ（Lamellar Content：ラメラ量）番号、ＣＮ（carbide network：炭化物網）番号の最大値、およびＣＳ（carbide size：炭化物サイズ）番号の最小値を求めた。
この評価を選択した６つの線材コイル全てにおいて実施し、ＬＣおよびＣＮについては最も大きい番号を、その鋼種のＬＣ番号、ＣＮ番号とし、ＣＳについては最も小さい番号を、その鋼種のＣＳ番号とした。結果を表２または表３に示す。
【００５０】
ＬＣは、層状セメンタイトの割合を示すパラメータであり、数値が小さいほど層状セメンタイトが少なく、球状化度がよいことを意味する。ＣＮは、粒界のセメンタイト（主に初析セメンタイト）の割合を示すパラメータであり、数値が小さいほど粒界のセメンタイトが少なく、球状化度が良いことを示す。ＣＳは、セメンタイトのサイズを示すパラメータであり、数値が大きいほどセメンタイトが大きいことを示す。これらＬＣおよびＣＮの両方が小さく、さらにＣＳが大きいときは、良好な球状化組織が得られていると評価でき、従って冷間加工性および被削性が向上していると判断できる。
【００５１】
【表１】
2018165408.tif 000002
【００５２】
【表２】
2018165408.tif 000003
【００５３】
【表３】
2018165408.tif 000004
【００５４】
表２および表３から次のように考察できる。Ｎｏ．１〜１７では、高Ｃ低Ｃｒ鋼を対象として適切な条件で３段階の熱処理を実施しているため、ＬＣ番号とＣＮ番号が共に１になり、且つＣＳ番号が４以上になった。これらに対し、Ｎｏ．１８〜３４は、本発明で規定するいずれかの要件を満足しない製造方法で得られた鋼材であり、ＬＣ番号が２以上になるか、ＣＮ番号が２以上になるか、ＣＳ番号が３以下となった。以下、詳細に説明する。
【００５５】
Ｎｏ．１８は、１段目熱処理の加熱温度が高く、１段目熱処理の加熱条件が強過ぎた為に、必要以上にセメンタイトが溶ける部分が発生し、その後の冷却でパーライト組織が発生しやすくなってＬＣ番号が悪化した。Ｎｏ．１９は、１段目熱処理の加熱温度が低く、且つ加熱保持時間が短く、１段目熱処理の加熱条件が弱過ぎた為に、未固溶のパーライト組織が残存する部分が発生し、球状化が不十分となってＬＣ番号が悪化した。Ｎｏ．２０は、１段目熱処理の加熱保持時間が長く、１段目熱処理の加熱条件が強過ぎた為に、必要以上にセメンタイトが溶ける部分が発生し、その後の冷却でパーライト組織が発生しやすくなってＬＣ番号が悪化した。Ｎｏ．２１は、１段目熱処理の冷却速度が大き過ぎた為に、微細な再生パーライトが発生し、ＬＣ番号が悪化した。Ｎｏ．２２は、１段目熱処理の加熱温度が低く、２段目熱処理の加熱温度が低く、１段目熱処理および２段目熱処理の加熱条件が共に弱過ぎた為に、球状化焼鈍ができない部分が発生し、ＬＣ番号およびＣＮ番号が共に悪化した。
【００５６】
Ｎｏ．２３は、２段目熱処理の加熱保持時間が長く、２段目熱処理の加熱条件が強過ぎた為に、必要以上にセメンタイトが溶ける部分が発生し、その後の冷却でパーライト組織が発生しやすくなってＬＣ番号が悪化した。Ｎｏ．２４は、２段目熱処理の加熱保持時間が短く、２段目熱処理の加熱条件が弱すぎ、且つ冷却速度が大き過ぎた為に、未分解のパーライト組織が残存する部分が発生し、球状化が不十分になると同時に炭化物の成長が不十分となってＬＣ番号およびＣＳ番号が共に悪化した。Ｎｏ．２５は、３段目熱処理の加熱温度が高く、３段目熱処理の加熱条件が強過ぎた為に、セメンタイトが溶けすぎる部分が発生し、その後の冷却で再生パーライトとなると同時にセメンタイトの成長が抑制された。その結果、ＬＣ番号およびＣＳ番号が共に悪化した。Ｎｏ．２６、２７は、２段階の熱処理の為、特に炭化物の成長が不十分となりＬＣ番号およびＣＳ番号が共に悪化した。
【００５７】
Ｎｏ．２８は、２段目熱処理の加熱温度が高く、２段目熱処理の加熱条件が強過ぎた為に、必要以上にセメンタイトが溶ける部分が発生し、その後の冷却でパーライト組織が発生しやすくなってＬＣ番号が悪化した。Ｎｏ．２９は、３段目熱処理の冷却速度が大き過ぎた為に、微細な再生パーライトを生じ球状化が不十分になると同時に炭化物の成長が不十分となってＬＣ番号およびＣＳ番号が悪化した。Ｎｏ．３０は、３段目熱処理の加熱温度が低く、３段目熱処理の加熱条件が弱過ぎた為に、未固溶のパーライト組織が残存する部分が生じ、ＬＣ番号が悪化した。Ｎｏ．３１は、３段目熱処理の加熱保持時間が短く、３段目熱処理の加熱条件が強過ぎた為に、必要以上にセメンタイトが溶ける部分が発生し、その後の冷却でパーライト組織が発生しやすくなってＬＣ番号が悪化した。
【００５８】
Ｎｏ．３２は、１段目熱処理および２段目熱処理の冷却終了温度が高すぎて、オーステナイトのままの部分を残してセメンタイトの成長が十分でないまま次段の熱処理に入った。そのため、セメンタイトが十分に成長せず、且つセメンタイトが溶けすぎ、その後の冷却で再生パーライトが発生しやすくなってＬＣ番号およびＣＳ番号が共に悪化した。Ｎｏ．３３は、３段目熱処理の加熱保持時間が短く、３段目熱処理の加熱条件が弱過ぎた為に、未固溶のパーライト組織が残存する部分が発生し、炭化物の球状化が不十分となってＬＣ番号が悪化した。Ｎｏ．３４は、Ｃｒ含有量が多い従来鋼であって本熱処理条件の対象鋼ではないため、ＬＣ番号およびＣＮ番号が共に悪化した。
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月20日(2018.7.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前記Ｃ：０．７〜１．５％（質量％の意味。以下、同じ）、および
Ｃｒ：０．９％未満（０％を含まない）を含有する鋼材を球状化焼鈍して冷間加工性および被削性に優れた鋼材を製造する方法であって、
前記球状化焼鈍は、１段目熱処理、これに続く２段目熱処理、および２段目熱処理に続く３段目熱処理とから構成され、
これら１段目熱処理、２段目熱処理、および３段目熱処理の条件は以下の通りである冷間加工性および被削性に優れた鋼材の請求項１に記載の製造方法。
（１）１段目熱処理
昇温速度：４００℃／時間未満
加熱温度：（Ａ1点＋３０）℃〜（Ａ1点＋６０）℃
加熱保持時間：１〜３時間
冷却速度：Ａ1点〜（Ａ1点−３０）℃の温度範囲を１０℃／時間以下
冷却終了温度：（Ａ1点−３５）℃以下
（２）２段目熱処理
昇温速度：４００℃／時間未満
加熱温度：（Ａ1点＋１５）℃〜（Ａ1点＋４５）℃
加熱保持時間：１〜３時間
冷却速度：Ａ1点〜（Ａ1点−３０）℃の温度範囲を１０℃／時間以下
冷却終了温度：（Ａ1点−３５）℃以下
（３）３段目熱処理
昇温速度：４００℃／時間未満
加熱温度：Ａ1点〜（Ａ1点＋３０）℃
加熱保持時間：１〜３時間
冷却速度：Ａ1点〜（Ａ1点−４０）℃の温度範囲を１０℃／時間以下
【請求項２】
前記鋼材として、
Ｓｉ：０．００１〜０．７％、
Ｍｎ：０．１〜２．０％、および
Ａｌ：０．００１〜０．１％を更に含有し、
残部が鉄および不可避的不純物であるものを用いる請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記不可避的不純物として、
Ｐ：０．０５％以下（０％を含まない）、
Ｓ：０．００１〜０．０５％、および
Ｎ：０．０１５％以下（０％を含まない）を含む請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記鋼材が更に、
Ｃｕ：０．２５％以下（０％を含まない）、
Ｎｉ：０．２５％以下（０％を含まない）、
Ｍｏ：０．２５％以下（０％を含まない）、および
Ｂ  ：０．０１％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種を含む請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
【請求項５】
前記鋼材が更に、
Ｔｉ：０．２％以下（０％を含まない）、
Ｎｂ：０．２％以下（０％を含まない）、および
Ｖ  ：０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種を含む請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。