(57)【要約】【課題】  本発明が解決しようとする課題は、機械構造用鋼の鋼材から自動車のシャフトや動力伝達部品を得る際に、浸炭時に高温で結晶粒度特性を必要とする肌焼鋼を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．１２〜０．３５％、Ｓｉ：０．３０〜１．２０％、Ｍｎ：０．１０〜０．８５％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．０〜２．５％、Ｍｏ：≦０．１％、Ａｌ：０．０２０〜０．５０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１％、Ｔｉ：≦０．２０％、Ｎ：≦１７０ｐｐｍ、Ｂ：≦０．００５０％を主成分とし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、ピンニング粒子は、Ｔｉ（ＣＮ）、ＮｂＴｉ（ＣＮ）、Ｎｂ（ＣＮ）、ＡｌＮを含み、ピンニング粒子の直径は１０〜５０ｎｍで、ピンニング粒子の個数は１個×１０6／ｍｍ2〜１０個×6／ｍｍ2で、ピンニング粒子の個数の割合がＴｉ（ＣＮ）＋ＮｂＴｉ（ＣＮ）＋Ｎｂ（ＣＮ）≧３ＡｌＮを満たす肌焼鋼。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量%で、Ｃ：０．１２〜０．３５％、Ｓｉ：０．３０〜１．２０％、Ｍｎ：０．１０〜０．８５％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．０〜２．５％、Ｍｏ：≦０．１％、Ａｌ：０．０２０〜０．５０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１％、Ｔｉ：≦０．２０％、Ｎ：≦１７０ｐｐｍ、Ｂ：≦０．００５０％を主成分とし、残部Ｆｅおよび不可避的不純物を含有し、さらにＴｉ系析出物、Ｎｂ系析出物、Ａｌ系析出物、ならびにＣｒ系析出物のピンニング粒子を有し、該ピンニング粒子の直径が１０〜５０ｎｍであり、かつ１個×１０6／ｍｍ2〜１０個×１０6／ｍｍ2を有し、ピンニング粒子の個数の割合が式（１）を満たすことを特徴とする高温での結晶粒度特性に優れた肌焼鋼。
Ｔｉ（ＣＮ）＋ＮｂＴｉ（ＣＮ）＋Ｎｂ（ＣＮ）≧３ＡｌＮ・・・（１）
【請求項２】
質量％で、ＣおよびＳｉは、Ｓｉ量がＣ量の１．５〜４倍であることを特徴とする請求項１に記載の高温での結晶粒度特性に優れた肌焼鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高温での結晶粒度特性に優れた肌焼鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、機械構造用鋼の鋼材から、自動車のシャフトや動力伝達部品、例えば、軸付き歯車、シャフト類、無段階変速機プーリ、等速ジョイントなどに用いる鋼に、浸炭処理して使用される、機械構造部品の素材となる肌焼鋼に対し、コストの面から、浸炭を短時間にするニーズが高まってきている。
肌焼鋼は連続鋳造により鋼塊を製造し、鋼片への圧延工程、その後の棒鋼材への圧延工程および製造への鍛造工程において、１２５０〜１４００℃に加熱した後、常温まで冷却し、Aｃ3〜１０５０℃の範囲で焼ならし後、球状化焼鈍をして、浸炭焼入焼戻処理が行なわれている。浸炭焼入は９００℃以上のオーステナイト領域で行なわれており、浸炭時間の短縮には、高温で処理する必要がある。しかし、浸炭前の組織や浸炭条件などの組み合わせにより、浸炭時、高温下で結晶粒の粗大化が発生することがあり、疲労強度や静的強度の低下をもたらす。結晶粒粗大化防止技術に、微細析出物を利用したピン止め粒子を活用し結晶粒度特性を保つ技術がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。本発明は、９００℃以上の高温下で粗大粒の発生を防止する鋼に関するものである。
【０００３】
従来の結晶粒度安定方法として、ＴｉＣやＮｂＣなどを析出、分散させている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。ところが、高温でピン止め効果を示す肌焼鋼の、ピンニング粒子の大きさと個数は、具体的に決まっていない。そのため、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌなどの添加量を決定する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２０７２４４号公報
【特許文献２】特開２００７−２８９９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、機械構造用鋼の鋼材から自動車のシャフトや動力伝達部品を得る際に、浸炭時に高温で結晶粒度特性を必要とする肌焼鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の手段は、質量％で、Ｃ：０．１２〜０．３５％、Ｓｉ：０．３０〜１．２０％、Ｍｎ：０．１０〜０．８５％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．０〜２．５％、Ｍｏ：≦０．１％、Ａｌ：０．０２０〜０．５０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１％、Ｔｉ：≦０．２０％、Ｎ：≦１７０ｐｐｍ、Ｂ：≦０．００５０％を主成分とし、残部Ｆｅおよび不可避不純物を含有する。さらにＴｉ系析出物、Ｎｂ系析出物、Ａｌ系析出物、およびＣｒ系析出物からなるピンニング粒子の直径が１０〜５０ｎｍであり、ピンニング粒子の単位面積あたりの個数は、１個×１０6／ｍｍ2〜１０個×１０6／ｍｍ2であり、かつピンニング粒子の個数の割合がＴｉ（ＣＮ）＋ＮｂＴｉ（ＣＮ）＋Ｎｂ（ＣＮ）≧３ＡｌＮを満たすことを特徴とする高温で結晶粒度特性の良い肌焼鋼である。
【０００７】
第２の手段は、質量％で、ＣおよびＳｉは、Ｓｉ量がＣ量の１．５〜４倍であることを特徴とする第１の手段または第２の手段の高温で結晶粒度特性の良い肌焼鋼である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、機械構造用鋼の鋼材からなる自動車のシャフトや動力伝達部品鋼として、浸炭後の結晶粒度粗大化を防止しうる、疲労強度や静的強度の低下のない、高強度部品用の肌焼鋼を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
先ず、本願の上記手段における化学成分の限定理由について説明する。
Ｃ：０．１２〜０．３５％
Ｃは、焼入性や靭性に影響する元素である。Ｃが０．１２％未満では十分な焼入性が得られず、強度が低下する。また、Ｃが０．３５％を超えると十分な靭性が得られない。よって、Ｃは０．１２〜０．３５％を必要とし、好ましくは０．１５〜０．３５％である。
【００１０】
Ｓｉ：０．３０〜１．２０％
Ｓｉは、脱酸に必要な元素であるとともに、焼入性を向上させ、焼戻軟化抵抗を向上するのに有効である。Ｓｉは高温で粒度特性を保つマトリックスの鋼に必要な元素である。一方、Ｓｉが０．３０％未満では、焼戻軟化抵抗が十分に発揮されず、したがってピン止め効果が発揮できないので粒の粗大化が起こる。また、Ｓｉが１．２０％を超えると、硬さの上昇を招き、靭性の低下につながる。よってＳｉは０．４０〜１．２０％を必要とし、好ましくは０．３０％〜０．７０％である。
【００１１】
Ｍｎ：０．１０〜０．８５％
Ｍｎは、焼入性を向上させ、高強度化に必要な元素である。Ｍｎが０．１０％未満では、十分な効果が得られない。また、Ｍｎが０．８５％を超えると、硬さの上昇を招き、靭性の低下につながる。よってＭｎは０．１０〜０．８５％を必要とする。
【００１２】
Ｐ：≦０．０３０％
Ｐは、鋼中に不可避不純物として含まれる元素であるが、一方、浸炭部品の結晶粒界に偏析して脆化させる元素である。よってＰは０．０３０％以下とする必要がある。
【００１３】
Ｓ：≦０．０３０％
Ｓは、鋼中でＭｎＳを形成し、これによる被削性の向上を目的として添加する。Ｓが０．０３０％を超えると疲労寿命低下させる。よってＳは０．０３０％以下とする。
【００１４】
Ｃｒ：１．０〜２．５％
Ｃｒは、焼入性の確保および靭性の向上に必要な元素であり、浸炭を促進する効果もある。Ｃｒが１．０％以下では十分な効果が得られない。また、Ｃｒが２．５％を超えると粗大なＣｒ炭化物が粒界に析出し疲労寿命の低下につながる。よってＣｒは１．０〜２．５％を必要とする。
【００１５】
Ｍｏ：≦０．１％
Ｍｏは靭性の向上、高寿命に有効な元素であるが、高価な元素であり、Ｍｏが０．１％を超えるとコストアップとなる。よって、Ｍｏは０．１％以下を必要とする。
【００１６】
Ａｌ：０．０２０〜０．５０％
Ａｌは鋼中のＮと結合して窒化物を生成し、結晶粒粗大化防止に有効なピン止め効果を発揮するために必要な元素である。Ａｌが０．０２０％未満ではピン止め粒子生成に対し、不十分である。また、Ａｌが０．５０％を超えると、Ａｌ系酸化物を生成し、硬質な介在物を形成し、疲労強度が低下する。そこで、Ａｌは０．０２０〜０．５０％を必要とする。
【００１７】
Ｎｂ：０．０２〜０．１％
Ｎｂは鋼中のＣおよびＮと結合して炭窒化物を生成し、結晶粒粗大化防止に有効なピン止め効果を発揮するために必要な元素であり、さらに、ＮｂはＴｉ系析出物に固溶して、Ｔｉ系析出物の粗大化を抑制するが、高価な元素である。Ｎｂが０．０２％未満では十分な効果が得られない。また、Ｎｂが０．１％を超えるとコストアップとなる。そこでＮｂは０．０２〜０．１％とし、好ましくは０．０４〜０．０６％とする。
【００１８】
Ｔｉ：≦０．２０％
Ｔｉは鋼中のＣおよびＮと結合して炭窒化物を生成し、結晶粒粗大化防止に有効なピン止め効果を発揮するために必要な元素であるが、高価な元素である。Ｔｉは０．２０％を超えると、粗大な析出を呈する。Ｔｉは０．２０％以下を必要とする。また、Ｔｉ量と上記のＮｂ量の和は、０．０４〜０．１２％とする。
【００１９】
Ｎ：≦１７０ｐｐｍ
Ｎは鋼中のＴｉ、Ｎｂ、Ａｌと結合し、Ｔｉ（ＣＮ）、ＮｂＴｉ（ＣＮ）、Ｎｂ（ＣＮ）、ＡｌＮを生成し、結晶粒粗大化防止に有効なピン止め効果を発揮する。Ｎが１７０ｐｐｍを超えると、その効果は飽和する。そこで、Ｎは１７０ｐｐｍ以下を必要とし、好ましくは６０〜１７０ｐｐｍとする。
【００２０】
Ｂ：≦０．００５０％
Ｂは微量の添加により焼入性を向上させる元素である。Ｂが０．００５０％を超えると焼入性を低下させてしまう。そこで、Ｂは０．００５０％以下とする。
【００２１】
ピンニング粒子の個数の割合Ｔｉ（ＣＮ）＋ＮｂＴｉ（ＣＮ）＋Ｎｂ（ＣＮ）≧３ＡｌＮ
ピンニング粒子は、結晶粒粗大化防止に有効であり、高硬度を有するＴｉ（ＣＮ）、ＮｂＴｉ（ＣＮ）、Ｎｂ（ＣＮ）、特にＮｂ系析出物は、高温浸炭時、オストワルド成長を抑制するため、ピンニング粒子は十分に点在しておく必要がる。３ＡｌＮを超えないと、粗大化防止に対し十分な効果を発揮することができない。そこで、Ｔｉ（ＣＮ）＋ＮｂＴｉ（ＣＮ）＋Ｎｂ（ＣＮ）≧３ＡｌＮとする。
【００２２】
質量％で、Ｓｉ量はＣ量の１．５〜４倍
ＳｉはＣと熱力学的に類似した挙動を示し反発の相互作用を持つため、偏析しにくくなる。Ｓｉ量がＣ量の１．５〜４倍である場合、αバンドを形成しやすくなり、高温での結晶粒の粗大化が抑制される。
これに対し、Ｓｉ量がＣ量の１．５倍未満もしくはＳｉ量がＣ量の４倍を超えると、高温で結晶粒が粗大化する。この場合、αバンドを形成しにくくなり、高温で結晶粒が粗大化する。よって質量％で、Ｓｉ量はＣ量の１．５〜４倍とし、好ましくは２〜４倍とする。
【００２３】
本発明の肌焼鋼は、その化学成分を上記の範囲に成分調整してなる鋼片を鍛伸後、Ｔｉ（ＣＮ）、ＮｂＴｉ（ＣＮ）、Ｎｂ（ＣＮ）、ＡｌＮを固溶させるため、１２００〜１３００℃に２時間保持して、上記のピン止め粒子となる析出物を析出させるために室温まで空冷する。さらに、これを９８０℃で１．５時間保持後、７７０℃で球状化焼鈍を行う。さらに、これを９３０〜１０２０℃で浸炭する。浸炭方法は、様式を問わない。
【００２４】
請求項１の手段のピンニング粒子は、大きさが１０ｎｍ以下では、小さいために、十分なピン止め効果を得ることができない。また、ピンニング粒子は、大きさが５０ｎｍ以上では、結晶粒粗大化防止に有効なＴｉ（ＣＮ）、ＮｂＴｉ（ＣＮ）、Ｎｂ（ＣＮ）が不足し、かつ不均一に分散した状態となる。さらに、ＡｌＮ単独に比べてＴｉ（ＣＮ）、ＮｂＴｉ（ＣＮ）、Ｎｂ（ＣＮ）を含有すると、浸炭中にオストワルド成長しにくいので、ピンニング粒子は安定して存在することができる。
【実施例１】
【００２５】
以下に、表を参照して本発明の実施例を説明する。
【００２６】
【表１】
2015140449.tif 000002
【００２７】
表１に示す成分組成の発明鋼および比較鋼からなる供試鋼を１００ｋｇＶＩＭ（真空誘導溶解炉）で溶解し鋳造した。この供試鋼からなる鋼塊を鍛伸し、鋼片圧延での加熱を想定した１２００〜１３００℃で２時間保持後空冷し、製品圧延での加熱を想定した９８０℃で１．５時間保持後空冷し、８７０℃で２時間保持後空冷する球状化焼鈍を行った。さらに、これを９３０〜１０２０℃で３時間の擬似浸炭後、室温まで油冷した。
（１）ピン止め粒子のＴｉ（ＣＮ）、ＮｂＴｉ（ＣＮ）、Ｎｂ（ＣＮ）、ＡｌＮの個数と大きさは、球状化焼鈍後の棒鋼を用いて、（ア）透過型電子顕微鏡にて測定した。ピンニング粒子は、抽出レプリカ法により採取した。
（２）マトリックスの結晶粒度ナンバーは、擬似浸炭後の棒鋼を用いて、飽和ピクリン酸にて旧オーステナイト結晶粒を観察し、（イ）光学顕微鏡にて測定した。
（３）硬さ測定は、（ウ）ロックウェル硬さ試験にて行なった。
得られた棒鋼の長手方向に垂直な面を切り出し、断面におけるＤ／４位置（Ｄは直径を示す）で硬さ試験を実施した。測定は５箇所で行い、平均値を算出した。
【００２８】
上記における、（ア）、（イ）、（ウ）は以下のとおりのものである。
（ア）透過型電子顕微鏡：ＨＦ−２２００型電界放射型透過電子顕微鏡
加速電圧：２００ｋＶ
観察倍率：１０００００倍
（イ）光学顕微鏡
（ウ）ロックウェル硬度測定器
【００２９】
（１）ピン止め粒子の大きさと個数を上記（イ）の光学顕微鏡にて観察
【００３０】
（２）マトッリクスの結晶粒度の測定
上記の疑似浸炭後の棒鋼の圧延方向に平行な断面を切り出し、飽和ピクリン酸でエッチングを行なった後、表面から深さ２００μｍ位置までの領域、および表面からの深さ２００μｍ位置から深さ５００μｍ位置までの領域を、（イ）光学顕微鏡を用いて観察倍率１００倍、４００倍で観察を行い、旧オーステナイトの粒度番号を判定した。ただし、ＪＩＳ  Ｇ０５５１に従う。
【００３１】
本実施例では、表層部における旧オーステナイト粒の平均結晶粒度が６〜９番であり、かつ、内部における旧オーステナイト粒の平均結晶粒度が５．５〜８番であると共に、旧オーステナイト粒の結晶粒度が５．５番以下の粗大粒を有しないものを、浸炭後の結晶粒粗大化を防止していると評価した。
【００３２】
参考のため、表２に「粗大粒」の欄を設け、観察視野中に結晶粒度番号が５．５番以下の粗大粒が見られたものに「有」を、粗大粒が見られなかったものに「無」と記載した。
【００３３】
【表２】
2015140449.tif 000003
【００３４】
（３）ロックウェル硬さ測定
上記棒鋼の圧延方向に垂直な断面を切り出し、Ｄ／４位置でロックウェル硬さ測定を行なった。
【００３５】
表２に熱処理条件を示す。
【００３６】
表１および表２におけるＮｏ．７〜１４は本発明で規定するいずれかの要件を満足しない比較例である。粗大な結晶粒が点在したものを、表２で粗大粒の欄に「有」と記載している。
【００３７】
Ｎｏ．７はＳｉが下限より少なく、請求項２を満たさない比較例である。粗大な結晶粒が多く点在し、表２で粗大粒の欄に「有」と記載している。
【００３８】
Ｎｏ．８は請求項２を満たさない比較例である。粗大な結晶粒が多く点在し、表２で粗大粒の欄に「有」と記載している。
【００３９】
Ｎｏ．９はＣｒ量が少ない例であり、さらに請求項２を満たさない比較例である。表２で粗大粒の欄に「有」と記載している。
【００４０】
Ｎｏ．１０はＣ量が下限より少なく、Ｓｉ量が上限より多く、さらに請求項１および２を満たさない例である。ピン止め効果を発揮することができなかったために、粗大な結晶粒が多く点在し、表２で粗大粒の欄に「有」と記載している。
【００４１】
Ｎｏ．１１はＭｎが下限より少なく、請求項２を満たさない例である。Ｍｎが下限より少ないため、焼入れ性が確保できない。また粗大な結晶粒が多く点在し、表２で粗大粒の欄に「有」と記載している。
【００４２】
Ｎｏ．１２はＭｎが上限より多く、請求項２を満たさない例である。Ｍｎが上限より多いため、靭性が低下している。また、粗大な粒が多く点在し、表２で粗大粒の欄に「有」と記載している。
【００４３】
Ｎｏ．１３はＣｒが上限より多く、請求項１および２を満たさない例である。Ｃｒが上限より多いため、粗大なＣｒ炭化物が粒界に析出し疲労寿命の低下の原因となる。また、粗大な粒が多く点在し、表２で粗大粒の欄に「有」と記載している。
【００４４】
Ｎｏ．１４はＡｌが上限より多く、請求項１および２を満たさない例である。Ａｌが上限より多いため、Ａｌ系酸化物を生成し、硬質な介在物を形成し、疲労強度が低下する原因となる。また、粗大な粒が多く点在し、表２で粗大粒の欄に「有」と記載している。の