(57)【要約】【課題】浸炭処理時において結晶粒の粗大化しない安価な浸炭用の鋼素材を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．２０〜２．０％、Ａｌ：０．０１５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％、Ａｌ／Ｎ：１．０〜３．０を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、浸炭前の状態においてベイナイト指数≦０．２またはベイナイト指数≧０．８を満足する結晶粒粗大化を抑制した浸炭用鋼素材。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．２０〜２．０％、Ａｌ：０．０１５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％、Ａｌ／Ｎ：１．０〜３．０を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、浸炭前の状態においてベイナイト指数≦０．２またはベイナイト指数≧０．８を満足することを特徴とする結晶粒粗大化を抑制した浸炭用鋼素材。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．２０〜２．０％、Ａｌ：０．０１５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％、Ａｌ／Ｎ：１．０〜３．０を含有し、さらに、Ｎｉ：０．０１〜３．０％、Ｃｒ：０．０１〜２．０％、Ｍｏ：０．０１〜１．０％から選択した１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、浸炭前の状態においてベイナイト指数≦０．２またはベイナイト指数≧０．８を満足することを特徴とする結晶粒粗大化を抑制した浸炭用鋼素材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は機械部品や自動車部品などに浸炭して使用する結晶粒粗大化を抑制した浸炭用鋼素材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械部品や自動車部品などの歯車や軸受部品や転動部品やシャフトなどは一般には、ＪＩＳ　Ｇ　４０５２の焼入性を保証した構造用鋼鋼材や、ＪＩＳ　Ｇ　４１０４のＳＣｒや、ＪＩＳ　Ｇ　４１０５のＳＣＭや、ＪＩＳ　Ｇ　４１０６のＳＭｎやＳＭｎＣなどの機械構造用合金鋼を使用し、熱間鍛造、焼きならし、切削の工程により所定形状に加工した後、浸炭焼入れ処理して耐摩耗性や耐疲労特性を付与して製造されている。
【０００３】
浸炭処理は一般的に８８０℃以上の高温で数時間から数十時間保持して行われる。この時に結晶粒が粗大化する問題が発生することがある。結晶粒の粗大粒の発生は、熱処理歪の増大や、機械的性質、特に衝撃特性の低下などの問題が生じるため、結晶粒の粗大化の防止が必須である。このような浸炭時の結晶粒粗大化防止には、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉなどの合金元素の添加が有効であるが高価であるため、一般には特公昭６３−１１４２３号公報に見られるように、Ａｌ、Ｎを添加、規定し、ＡｌＮを利用して結晶粒の安定化を図っている。
【０００４】
これら浸炭に使用される鋼材は、一般的には熱間加工後に焼きならし処理を行い、均−なフェライト・パーライト組織とし、切削性向上、結晶粒の粗大化防止を図っている。
【０００５】
さらに、最近では特開２００１−３０３１７４号公報に見られるように１０００℃以上の高温浸炭において、Ａｌ、Ｎｂ、Ｎの量を規定し、かつミクロ組織も規定して結晶粒粗大化防止鋼が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特公昭６３−１１４２３号公報のように、Ａｌ、Ｎ量を規定した鋼を使用した場合でも、圧延、鍛造などの熱間加工まま、熱間加工後に焼きならし処理をしたものの場合のいずれにも、通常の９００〜９５０℃の浸炭温度で処理する場合に、浸炭時に結晶粒の粗大化が発生する場合がある。
【０００７】
これらの浸炭用鋼に、Ｎｂ、Ｔｉ等の微細析出物生成元素を添加すれば、結晶粒の粗大化が防止できる場合が多いが、これらの元素の添加はコストアップになるばかりでなく熱間加工性や被削性を阻害する。
【０００８】
上記した特開２００１−３０３１７４公報に示された発明においては、鋼材の成分の他にミクロ組織の割合を規定しているが、この公報に示されているように顕微鏡観察によりベイナイト分率を求めた場合、ベイナイト分率は顕微鏡内にて測定者の目分量での判定となるため、測定者により測定値が大きく変化し、目的とするベイナイト分率の量が得られているかどうかを判断することは困難である。
【０００９】
測定者の目分量での判定に代えて画像解析装置を用いベイナイト量を判定する方法もあるが、画像解析装置自体が高価なため、装置の購入自体困難である。
【００１０】
上記理由より、本発明が解決しようとする課題は、浸炭処理時において結晶粒の粗大化しない安価な浸炭用の鋼素材を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
発明者は、Ａｌ、Ｎ量を適量添加した場合でも、さらには焼きならし処理を行った場合でも、浸炭時に結晶粒が粗大化する理由としては、浸炭前の素材の組織の不均一性にあると考えた。
【００１２】
ところで、本発明における浸炭用鋼素材は、材料の熱間加工後や焼きならし処理後の組織はフェライトとパーライトとベイナイトの組織が組み合わさった組織となっている。これら３つの組織が混在していると組織が不均一となり、このような素材を浸炭処理した場合、従来提案されているＡｌＮ量を規定した鋼材であっても浸炭処理時に結晶粒の粗大化が発生する。したがって、浸炭前の鋼素材の不均一性を評価することが重要となり、浸炭前の素材に存在するベイナイト組織に着目し、ベイナイト量をベイナイト指数を用いて判定することにより組織の均一性を評価することとした。
【００１３】
このベイナイト指数というのは鋼材の非金属介在物を評価する方法として規定されているＪＩＳ　Ｇ０５５５の方法を応用したものであり、この方法を使えば介在物評価と同様に誰もがバラツキなく簡単にべイナイトの評価を行うことができ、組織の均一性の評価が可能となる。
【００１４】
さらに、試験片の採取方法としては、浸炭前の鋼素材よりその鋼素材の全体を評価するため、表面から中心までを含む断面にてミクロ組織観察の試料を作成（大きな場合には鋼素材の全体を代表可能な、例えば表面、中間、中心に、部位を分割した試料を作成）し、顕微鏡の接眼レンズに縦横各２０本の格子線を持つガラス板を挿入し、４００倍の倍率にてランダムに３０視野を検鏡しベイナイトにより占められた格子点中心の数を数えるものとする。そしてベイナイト指数＝（ベイナイトの格子点数）／１２０００によりベイナイト指数を評価するものである。このベイナイト指数を用いて浸炭に供される素材が、Ａｌ：０．０１５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％、Ａｌ／Ｎ：１．０〜３．０、ベイナイト指数≦０．２又はベイナイト指数≧０．８を満足することにより、浸炭時の結晶粒の粗大化が防止できることを見出し本発明を得た。
【００１５】
すなわち、上記の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、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．２０〜２．０％、Ａｌ：０．０１５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％、Ａｌ／Ｎ：１．０〜３．０を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、浸炭前の状態においてベイナイト指数≦０．２またはベイナイト指数≧０．８を満足することを特徴とする結晶粒粗大化を抑制した浸炭用鋼素材である。
【００１６】
請求項２の発明では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．２０〜２．０％、Ａｌ：０．０１５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％、Ａｌ／Ｎ：１．０〜３．０を含有し、さらに、Ｎｉ：０．０１〜３．０％、Ｃｒ：０．０１〜２．０％、Ｍｏ：０．０１〜１．０％から選択した１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、浸炭前の状態においてベイナイト指数≦０．２またはベイナイト指数≧０．８を満足することを特徴とする結晶粒粗大化を抑制した浸炭用鋼素材である。
【００１７】
本発明における鋼素材の成分限定理由を説明する。なお、いずれも％は質量％である。
【００１８】
Ｃ：０．１０〜０．４０％
Ｃは、鋼材に必要な強度を与え、焼入性を向上させる元素であり、０．１０％未満では他の合金元素との関係で機械用部品として必要な引張り強さを確保できず、０．４０％を超えると他の合金元素との関係で硬くなり、浸炭後の芯部強度が劣化する。そこで、Ｃ：０．１０〜０．４０％とする。
【００１９】
Ｓｉ：０．０１〜１．００％
Ｓｉは、主として脱酸剤および焼入性を向上させる元素で、０．０１％未満ではその効果は十分でなく、１．００％を超えると硬さの上昇を招き、加工性を劣化する。そこで、Ｓｉ：０．０１〜１．００％とする。
【００２０】
Ｍｎ：０．２０〜２．００％
Ｍｎは、鋼の脱酸に有効であり、さらに強度および焼入性を付与するために有効な元素である。０．２０％未満ではその効果は十分でなく、２．００％を超えるとその効果は飽和するとともに硬さの上昇を招き加工性の劣化や浸炭などの熱処理において内部酸化などの問題が生じてくる。そこで、Ｍｎ：０．２０〜２．００％とする。
【００２１】
Ａｌ：０．０１５〜０．０５０％
Ａｌは、浸炭加熱の際に、鋼中のＮと結びついてＡｌＮを形成し、結晶粒の微細化および結晶粒の粗大化抑止に有効な元素である。０．０１５％未満では必要最低限のＡｌＮ量が得られない。０．０５０％を超えると固溶が進まず、加熱時に溶け残るため、浸炭時に結晶粒のピンニング（粗大化の抑制）を行う有効な大きさのＡｌＮが少なくなる。そこで、Ａｌ：０．０１５〜０．０５０％とする。
【００２２】
Ｎ：０．０１０〜０．０２５％
Ｎは、０．０１０％未満では必要最低限のＡｌＮ量が得られない。さらに、０．０２５％を超えると固溶が進まず加熱時に溶け残るため、浸炭時に結晶粒のピンニングを行う有効な大きさのＡｌＮが少なくなる。そこで、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％とする。
【００２３】
Ａｌ／Ｎ：１．０〜３．０
ＡｌとＮの比が、１．０未満あるいは３．０を超えると、いずれの場合にもＡｌＮの固溶が進まず加熱時に溶け残るため、浸炭時に結晶粒のピンニングを行う有効な大きさのＡｌＮが少なくなる。そこで、Ａｌ／Ｎ：１．０〜３．０とする。
【００２４】
Ｐ：０．０５０％未満
Ｐは、任意に含有される不純物成分であるが、浸炭部品の結晶粒界を脆化させるので、できるだけ低減することが望ましい。そこで不純物として含有される場合はＰ：０．０５０％未満とする。
【００２５】
Ｓ：０．０３５未満％
Ｓは、任意に含有される不純物成分であるが、鋼中でＭｎＳを形成し、被削性を向上させる元素であるが、強度の異方性を増加させる。そこで不純物として含有される場合はＳ：０．０３５未満％とする。
【００２６】
Ｎｉ：０．０１〜３．００％、Ｃｒ：０．０１〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜１．００％から選択した１種または２種以上
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏは、強度、焼入性、靱性を与えるのに有効な元素である。Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏは、０．０１％未満ではその効果は十分でなく、Ｎｉは３．００％を超えると、Ｃｒは２．００％を超えると、Ｍｏは１．００％を超えると、硬さの上昇を招き、加工性が劣化する。そこで、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、Ｃｒ：０．０１〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜１．００％から選択した１種または２種以上とする。
【００２７】
ベイナイト指数：０．２以下または０．８以上
ベイナイト指数が０．２を超えて０．８未満ではとフェライト・パーライト組織にべイナイトが多く混在している組織の不均一な状態となり結晶粒の粗大化が起こる。しかし、ベイナイト指数が０．２以下では大部分がフェライト・パーライト組織で占められ、また０．８以上では組織の大部分がベイナイト組織で占められ、いずれも組織が均一な状態となる。そこで、ベイナイト指数：０．２以下または０．８以上とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に実施例を通じて説明する。本発明の鋼は、質量％で、必須成分として、Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．２０〜２．０％、Ａｌ：０．０１５〜０．０５０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％、Ａｌ／Ｎ：１．０〜３．０を含有し、任意成分として、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、Ｃｒ：０．０１〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜１．００％の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、ＪＩＳ　Ｇ　４０５２の焼入性を保証した構造用鋼鋼材や、ＪＩＳ　Ｇ　４１０４のＳＣｒや、ＪＩＳ　Ｇ　４１０５のＳＣＭや、ＪＩＳ　Ｇ　４１０６のＳＭｎやＳＭｎＣなどの機械構造用合金鋼などの肌焼用の鋼である。
【００２９】
【実施例】
表１に示す化学成分からなる鋼を１００ｋｇ真空溶解炉にて溶製し、得られた鋼材を加熱温度１２００℃にてφ３０の丸棒に鍛伸した。
【００３０】
【表１】
2004059969.tif 000002
【００３１】
この丸棒の表面から直径の１／４の部分よりφ８×１２ｍｍの試験片を削り出し、熱間加工をシミュレートするため熱間据え込み試験機にて熱間加工を行った。加工時の加熱は１２００℃まで１２０秒で行い、１２００℃に６０秒保持のうえ所定の加工温度とし、試験片高さが６ｍｍになるまで１ｍｍ／ｓｅｃにて熱間据え込みを実施した。その後、製品での徐冷からファン冷却を模擬するため各種の冷却速度にて室温まで冷却した。
【００３２】
冷却した試験片を長手方向にて切断の上、先に述べたベイナイト指数の測定方法を用いてベイナイト指数を判定のうえ、この試験片を浸炭を模擬するため昇温速度３００℃／ｓｅｃで昇温し、９３０℃で６ｈｒ保持した後水冷した。水冷後試験片を再度研磨し、飽和ピクリン酸水溶液にて腐食して結晶粒界を現出させ、顕微鏡により結晶粒の粗大化の有無を判定した。結晶粒の判定結果は、ベースとなる結晶粒と３以上異なる粒が被検面全体の面積の５％以内の場合を結晶粒の粗大化の無い合格とした。以上の熱間加工試験を表２に示す。表２から判るように、ベイナイト指数が本発明の範囲内にあるものは結晶粒粗大化は無であったが、たとえ本発明の成分組成の鋼材であっても、ベイナイト指数が本発明の範囲外にあるものは結晶粒粗大化は有であった。
【００３３】
【表２】
2004059969.tif 000003
【００３４】
さらに、焼きならし状態をシミュレー卜するため、上記で溶製して製造したφ３０の丸棒の化学成分Ａの鋼材を用いて、φ３０の丸棒の表面から直径の１／４の部分よりφ８×１２ｍｍの試験片を削り出し、下記の表３に示す加熱温度まで１２０秒で昇温し、この加熱温度にて６００ｓｅｃ保持した後、製品での空冷を模擬した各冷却速度にて室温まで冷却した。
【００３５】
冷却した試験片を長手方向にて切断の上、先に述べたベイナイト指数の測定方法を用いてベイナイト指数を判定のうえ、この試験片を浸炭時の熱処理を模擬するため昇温速度３００℃／ｓｅｃで昇温し、９３０℃で６ｈｒ保持した後水冷した。水冷後、試験片を再度研磨し、飽和ピクリン酸水溶液にて腐食して結晶粒界を現出させ顕微鏡により結晶粒の粗大化の有無を判定した。結晶粒の判定結果は、ベースとなる結晶粒と３以上異なる粒が被検面全体の面積の５％以内の場合を結晶粒の粗大化の無い合格とした。以上の焼きならし処理試験を表３に示す。表３から判るように、焼きならし処理試験においても、ベイナイト指数が本発明の範囲内にあるものは結晶粒粗大化は無であったが、たとえ本発明の成分組成の鋼材であっても、ベイナイト指数が本発明の範囲外にあるものは結晶粒粗大化は有であった。
【００３６】
【表３】
2004059969.tif 000004
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は機械部品や自動車部品などに浸炭して使用するＪＩＳ　Ｇ　４０５２の焼入性を保証した構造用鋼鋼材や、ＪＩＳ　Ｇ　４１０４のＳＣｒや、ＪＩＳ　Ｇ　４１０５のＳＣＭや、ＪＩＳ　Ｇ　４１０６のＳＭｎやＳＭｎＣなどの機械構造用合金鋼あるいは該鋼の鋼成分に類似した合金鋼からなる浸炭用鋼素材において、鋼中の成分組成のＡｌおよびＮの成分比をＡｌ／Ｎ：１．０〜３．０とし、さらにベイナイト指数≦０．２またはベイナイト指数≧０．８を満足するものとすることにより、浸炭処理時に結晶粒の粗大化を抑制可能な鋼材を低コストで得ることができるなど、本発明は優れた効果を奏するものである。