(57)【要約】【課題】空孔の発生を抑制し、より強度の低下が抑制された鋼材部品を得ることができる鋼材部品の製造方法を提供すること。【解決手段】鋼材を浸炭処理する工程と、浸炭処理後の鋼材を冷却する工程と、冷却後の鋼材を浸窒処理する工程と、浸窒処理後の鋼材を冷却する工程と、浸窒処理後の冷却後の鋼材を加工誘起または応力誘起によりマルテンサイト変態する工程とを有し、前記鋼材の組成が、下記式（１）及び式（２）を満たす、鋼材部品の製造方法である。    式（１）：  Ｎｉｅｑ  ≧  −７／９×Ｃｒｅｑ  ＋２６    式（２）：  Ｎｉｅｑ  ≧  ７／６×Ｃｒｅｑ  −９（ここで、Ｎｉｅｑは％Ｎｉ＋３０×％Ｃ＋０．５×％Ｍｎを表し、Ｃｒｅｑは％Ｃｒ＋％Ｍｏ＋１．５×％Ｓｉ＋０．５×％Ｎｂを表す。また、「％元素記号」は、鋼材中の当該元素の質量％を表す。）【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材を浸炭処理する工程と、
浸炭処理後の鋼材を冷却する工程と、
冷却後の鋼材を浸窒処理する工程と、
浸窒処理後の鋼材を冷却する工程と、
浸窒処理後の冷却後の鋼材を加工誘起または応力誘起によりマルテンサイト変態する工程とを有し、
前記鋼材の組成が、下記式（１）及び式（２）を満たす、鋼材部品の製造方法。
式（１）：  Ｎｉｅｑ  ≧  −７／９×Ｃｒｅｑ  ＋２６
式（２）：  Ｎｉｅｑ  ≧  ７／６×Ｃｒｅｑ  −９
（ここで、Ｎｉｅｑは％Ｎｉ＋３０×％Ｃ＋０．５×％Ｍｎを表し、Ｃｒｅｑは％Ｃｒ＋％Ｍｏ＋１．５×％Ｓｉ＋０．５×％Ｎｂを表す。また、「％元素記号」は、鋼材中の当該元素の質量％を表す。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材の表面硬化処理方法の一つとして、浸窒焼入れ処理方法が知られている。当該浸窒処焼入れ処理は、通常、６００℃〜８００℃程度の高温条件でアンモニアを用いて浸窒処理し、急冷して焼入れするものである。この方法によれば、鋼材表面の窒素が拡散した領域が急冷時にマルテンサイト変態することによって硬化する。一方、上記の方法では、表層近傍に多数の空孔が発生することがあった。
【０００３】
浸窒焼入れ処理の別の方法として、特許文献１には、鋼材の温度を５９０℃以上に加熱した状態で、水素を供給することなく窒素ガスを供給しながらプラズマ浸窒処理を行い、当該鋼材を５９０℃以上の温度から急冷して、マルテンサイトを生成させる方法が開示されている。特許文献１によれば、このような方法により鋼材内の空孔の発生が抑制されるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−０４７４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
鋼材内に発生した空孔は鋼材の強度低下の原因となる。特許文献１の手法であれば空孔発生の抑制がある程度抑制できる。しかしながら鋼材部品の更なる高強度化の観点から、より空孔が抑制された鋼材が求められている。
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、空孔の発生を抑制し、より強度の低下が抑制された鋼材部品を得ることができる鋼材部品の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる鋼材部品の製造方法は、
鋼材を浸炭処理する工程と、
浸炭処理後の鋼材を冷却する工程と、
冷却後の鋼材を浸窒処理する工程と、
浸窒処理後の鋼材を冷却する工程と、
浸窒処理後の冷却後の鋼材を加工誘起または応力誘起によりマルテンサイト変態する工程とを有し、
前記鋼材の組成が、下記式（１）及び式（２）を満たすことを特徴とする。
式（１）：  Ｎｉｅｑ  ≧  −７／９×Ｃｒｅｑ  ＋２６
式（２）：  Ｎｉｅｑ  ≧  ７／６×Ｃｒｅｑ  −９
（ここで、Ｎｉｅｑは％Ｎｉ＋３０×％Ｃ＋０．５×％Ｍｎを表し、Ｃｒｅｑは％Ｃｒ＋％Ｍｏ＋１．５×％Ｓｉ＋０．５×％Ｎｂを表す。また、「％元素記号」は、鋼材中の当該元素の質量％を表す。）
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、空孔の発生を抑制し、より強度の低下が抑制された鋼材部品を得ることができる鋼材部品の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の鋼材部品の製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図２】図２は、本発明の鋼材部品の製造方法において、鋼材のヒートサイクルを模式的に示すグラフである。
【図３】図３は、シェフラー状態図である。
【図４】図４は、Ｆｅ−Ｎ状態図である。
【図５】図５は、実施例１で得られた鋼材部品の断面写真である。
【図６】図６は、空孔が生じた鋼材部品の断面写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
まず、図１と図２を参照して、本発明に係る鋼材部品の製造方法の一実施形態を説明する。本実施形態の鋼材部品の製造方法は図１に示されるように、後述する特定の組成を有する鋼材を用い、当該鋼材を高温で浸炭処理する工程（Ｓ１）と、当該浸炭処理後の鋼材を冷却する工程（Ｓ２）と、当該冷却後の鋼材を低温で浸窒処理する工程（Ｓ３）と、浸窒処理後の鋼材を冷却する工程（Ｓ４）と、当該冷却後の鋼材を、加工誘起又は応力誘起によりマルテンサイト変態する工程（Ｓ５）をこの順に有している。また図２に示されるように、上記鋼材部品の製造方法においては、９１０℃以上１２００℃以下の高温で浸炭処理を行い、４００℃以上５００℃以下の低温で浸窒処理を行い、マルテンサイト変態は、常温で行うことが可能である。
【００１１】
本発明の鋼材部品の製造方法においては、組成が下記式（１）及び式（２）を満たす鋼材を用いる。
式（１）：  Ｎｉｅｑ  ≧  −７／９×Ｃｒｅｑ  ＋２６
式（２）：  Ｎｉｅｑ  ≧  ７／６×Ｃｒｅｑ  −９
ここで、Ｎｉｅｑ（Ｎｉ当量）は、％Ｎｉ＋３０×％Ｃ＋０．５×％Ｍｎを表し、Ｃｒｅｑ（Ｃｒ当量）は％Ｃｒ＋％Ｍｏ＋１．５×％Ｓｉ＋０．５×％Ｎｂを表す。また、「％元素記号」は、鋼材中の当該元素の質量％を表す。
上記組成の鋼材は、図３のシェフラー状態図に示されるとおり、通常、オーステナイト単相が得られる組成である。上記組成の鋼材を用いることにより、浸炭処理後、浸窒処理後の鋼材がいずれもｆｃｃ構造を保持することができる。なお、Ｎｉｅｑ及びＣｒｅの上限は特に限定されないが、通常、Ｎｉｅｑは３０以下、Ｃｒｅｑは４０以下である。
【００１２】
短時間処理を目的として、例えば９５０℃などの高温で浸炭浸窒を行って窒素を固溶し、次いで、焼入れのために急冷を施す方法が知られている。この方法の場合、鋼材中に固溶していた窒素がガス化して、図６のような空孔が生じることがあった。本発明者らは鋭意検討の結果、このような窒素のガス化が、鋼材の結晶構造が冷却時に変化することに起因するものとの知見を得た。このことについて図４を参照して説明する。図４はＦｅ−Ｎ状態図であり、図中のγはオーステナイト相を、αはフェライト相を示す。オーステナイト相は結晶構造が面心立方格子（ｆｃｃ構造）であり、フェライト相は結晶構造が体心立方格子（ｂｃｃ構造）である。浸窒処理後に、マルテンサイトの生成を目的として、鋼材を高温から急冷させた場合、図４に示されるように、鋼材の一部はオーステナイト相からフェライト相、即ち結晶構造がｆｃｃ構造からｂｃｃ構造に変化する。図４に示されるようにｆｃｃ構造中の窒素の最大固溶量は約２．５％程度であり、ｂｃｃ構造中の窒素の最大固溶量は約０．５％程度であることからも、ｂｃｃ構造に変化することで、窒素がガス化することが推定される。
本発明は、このような知見に基づいて完成したものであり、オーステナイト単相が得られる式（１）及び式（２）を満たす鋼材を用い、浸窒工程を低温で行い、更に、マルテンサイト変態を急冷ではなく、加工誘起又は応力誘起により行うことにより、鋼材の結晶構造をｂｃｃ構造に変化することなく鋼材にマルテンサイト相を形成することができる。このようなことから、本発明の鋼材部品の製造方法によれば、鋼材中に固溶する窒素のガス化を抑制することにより空孔の発生を抑制し、より強度の低下が抑制された鋼材部品を得ることができる。
以下、各工程について説明する。
【００１３】
浸炭処理は、対磨耗性などを向上するための処理である。本実施形態において浸炭処理は９１０℃以上１２００℃以下の高温で施すものであればよく、公知の固体浸炭、液体浸炭、ガス浸炭、真空浸炭などの中から適宜選択して行うことができる。ガス浸炭では、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、メタン等を含む浸炭性ガス雰囲気下で鋼材を加熱することにより浸炭処理を施す。浸炭性ガスの組成や加熱温度により浸炭深さを適宜調整することができる。また、真空浸炭では、炉内の雰囲気を例えば１０ｋＰａ以下に減圧して、浸炭ガスとしてメタン、プロパン、エチレン、アセチレン等の炭化水素ガスを供給し、加熱した鋼材表面に当該浸炭ガスを接触させることにより浸炭処理を施す。浸炭深さは浸炭時間により適宜調整することができる。
【００１４】
次いで、浸炭処理後の鋼材を冷却する。鋼材の冷却方法は特に限定されないが、例えば、ガス冷却等により冷却することが好ましい。本発明においては、鋼材として上記式（１）及び式（２）を満たす鋼材を用いているため、冷却後も結晶構造はｆｃｃ構造となっている。
【００１５】
次に、冷却後の鋼材を浸窒処理する。浸窒処理は、鋼材表面から窒素を侵入させ窒化物を形成することによって表層部を硬化させる処理である。本実施形態において浸窒処理は４００℃以上５００℃以下の低温で施すものであり、公知のガス浸窒などと同様の方法を、より低温条件で行うものである。ガス浸窒は、アンモニア雰囲気下の炉内において鋼材を加熱することにより浸窒処理する方法である。
【００１６】
次いで、浸窒処理後の鋼材を冷却する。鋼材の冷却方法は特に限定されないが、例えば、ガス冷却等により冷却することが好ましい。本発明においては、鋼材として上記式（１）及び式（２）を満たす鋼材を用いているため、冷却後も結晶構造はｆｃｃ構造となっており、窒素ガスの発生が抑制され、その結果、空孔の発生が抑制されている。
【００１７】
次いで冷却後の鋼材を加工誘起または応力誘起によりマルテンサイト変態する。鋼材をマルテンサイト変態することにより耐磨耗性が向上し、鋼材を高強度化することができる。加工誘起または応力誘起の方法としては、鋼材の形状等により適宜選択することができ例えば、圧延、鍛造、押出、引き抜きなどの方法が挙げられる。加工誘起又は応力誘起は常温で行うことが好ましい。
【実施例】
【００１８】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。本発明は書き実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で種々の変更が可能である。
【００１９】
＜実施例１＞
まず、上記式（１）及び式（２）を満たす組成を有する鋼材を準備した。当該鋼材を炉に入れ、炉内を１０，０００Ｐａに減圧し、アセチレンガス雰囲気下、９５０℃に加熱することにより浸炭処理を行った。浸炭処理時間は６５分であった。次いで鋼材を冷却後、炉内を１０，０００Ｐａに減圧し、アンモニアガス雰囲気下、４３０℃に加熱することにより、浸窒処理を行った。浸窒処理時間は３００分であった。得られた鋼材を加工誘起マルテンサイト化して、鋼材部品を得た。得られた鋼材部品の断面写真を図５に示す。
図５に示されるとおり、本発明の製造方法により得られた鋼材部品は空孔が抑制されており、強度の低下が抑制された鋼材部品を得ることができることが明らかとなった。
【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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