(57)【要約】【課題】通常の連続炉を使用して処理が可能で、かつ、硬さが低く冷間加工性に優れた鋼材とすることが可能なＮｉ含有鋼材の球状化焼きなまし処理方法を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０１〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：０．１０〜３．００％からなり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるＮｉ含有鋼を最高点温度をＡｃ３〜（Ａｃ３−３０℃）に保持してフェライト面積率を１〜３０％とした後、６７０〜６００℃の範囲を５〜３０℃／ｈｒの冷却速度で冷却する冷間加工性に優れた肌焼き鋼の球状化焼きなまし処理方法。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０１〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：０．１０〜３．００％からなり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるＮｉ含有鋼を最高点温度をＡｃ３〜（Ａｃ３−３０℃）に保持してフェライト面積率を１〜３０％とした後、６７０〜６００℃の範囲を５〜３０℃／ｈｒの冷却速度で冷却することを特徴とする冷間加工性に優れた肌焼き鋼の球状化焼きなまし処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のＮｉ含有鋼成分に、さらに、質量％で、Ｃｒ：０．０１〜３．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％から選択した１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるＮｉ含有鋼を最高点温度をＡｃ３〜（Ａｃ３−３０℃）に保持してフェライト面積率を１〜３０％とした後、６７０〜６００℃の範囲を５〜３０℃／ｈｒの冷却速度で冷却することを特徴とする冷間加工性に優れた肌焼き鋼の球状化焼きなまし処理方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のＮｉ含有鋼成分に、さらに、質量％で、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．００１〜０．２０％、Ａｌ：０．０１０〜０．１０％から選択した１種又は２種以上を含有すると共に、Ｎ：０．００５〜０．０２０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるＮｉ含有鋼を最高点温度をＡｃ３〜（Ａｃ３−３０℃）に保持してフェライト面積率を１〜３０％とした後、６７０〜６００℃の範囲を５〜３０℃／ｈｒの冷却速度で冷却することを特徴とする冷間加工性に優れた肌焼き鋼の球状化焼きなまし処理方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のＮｉ含有鋼成分に、さらに、質量％で、Ｐｂ：０．００１〜０．３０％、Ｓｅ：０．００１〜０．３０％、Ｔｅ：０．００１〜０．３０％、Ｂｉ：０．００１〜０．３０％から選択した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Ｎｉ含有鋼を最高点温度をＡｃ３〜（Ａｃ３−３０℃）に保持してフェライト面積率を１〜３０％とした後、６７０〜６００℃の範囲を５〜３０℃／ｈｒの冷却速度で冷却することを特徴とする冷間加工性に優れた肌焼き鋼の球状化焼きなまし処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＮｉ含有肌焼鋼の冷間加工性に優れた熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
肌焼き鋼を部品に加工する場合に、棒鋼から切削加工するか、塑性加工を加えた後切削加工を施したり、塑性加工ままで浸炭等の熱処理を実施して部品を製造する。
【０００３】
ところで、これらの肌焼き鋼の加工方法としては、最近ではニアネットシェイプあるいはネットシェイプが可能な冷間鍛造が広く実施されいる。この冷間鍛造に供される材料としては、圧延ままや焼きならし処理をした鋼材が用いられることもあるが、一般的には硬度が低く、変形能に優れる焼きなまし処理した鋼材、特に炭化物を球状化させた球状化焼きなまし処理した鋼材が用いられている。球状化焼きなましについては、過共析鋼においては、例えば、Ａ１以上Ａｃｍ以下の約７６０〜７８０℃に加熱した後、約７００℃までは徐冷し、この温度に約３時間ぐらい保持した後、変態が終わってから急冷する等温球状化焼きなましが記載されており（非特許文献１参照）、また、Ａ１点直上またはＡ１とＡｃｍの間の温度に加熱した後、非常にゆっくり炉冷するかＡ１点直下の温度に保持する球状化焼きなましが記載されている（非特許文献２参照）。肌焼鋼においても同様にＡｃ１以上、Ａｃ３以下の温度にて加熱し、その後徐冷することで硬さを低下する方法が一般的である。
【０００４】
ところで、自動車等の機械部品に使用されるギヤやシャフトは通常浸炭処理をするために肌焼き鋼が使用されている。その中でも特に強度の要求される部分には、Ｎｉにより靭性を向上させたＳＮＣＭ鋼やＳＮＣ鋼などが使用されている。ところが冷間鍛造をするためにこのようなＮｉ添加鋼を焼きなましを行おうとした場合、ＳＣＲ鋼やＳＣＭ鋼と同じように前述の球状化焼きなましを実施しても、硬さが充分に下がらず、かつ、冷間加工で割れが発生するという問題がある。
【０００５】
このような球状化焼きなまし処理したＮｉ添加鋼材のミクロ組織を観察すると、フェライトと球状化した炭化物の他に部分的にマルテンサイトが生成している。この部分的に生成したマルテンサイトが冷間加工時の割れ発生を引き起こしていると考えられる。
【０００６】
またＮｉ添加鋼では、マルテンサイト生成を回避するため一旦Ａｃ３点以上に加熱し、全てオーステナイト化した後に６００〜７００℃で保持することでフェライトパーライト組織を得る完全焼きなましが用いられたりする。しかし、完全焼きなましでは球状化焼きなましに比して硬さが高く、また徐冷時間も長く必要であり、サイクルアニーリングのように加熱後保持温度までの冷却を早くとるような場合には、Ａｃ３点以上の保持温度から６００〜７００℃に急冷可能な特別な炉の設置が必要になる。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭５４−１４５３３４号公報
【特許文献２】
特開平０２−２２５６２０号公報
【特許文献３】
特開平０４−２９７５２１号公報
【特許文献４】
特開平０５−１２５４３７号公報
【非特許文献１】
日本熱処理技術協会「熱処理ガイドブック」（初版５刷）、平成９年６月１０日、ｐ．１１５〜１１６
【非特許文献２】
日本鉄鋼協会「鋼の熱処理」（第２版第２刷）、昭和５１年９月２０日、ｐ．４４
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、通常の連続炉を使用して処理が可能で、かつ、硬さが低く冷間加工性に優れた鋼材とすることが可能なＮｉ含有肌焼鋼材の球状化焼きなまし処理方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者は、上記の従来の技術において記載したＮｉ添加鋼について球状化焼きなましを実施した場合に、マルテンサイトが生成する原因を究明して以下の原因があると考えた。
【００１０】
すなわち、球状化焼きなましにおいて、Ａｃ１〜Ａｃ３間の最高点温度に保持した場合にフェライトとオーステナイトの２相になり、また、Ａｃ１に近い温度に保持した場合にフェライトとオーステナイトとセメンタイトの３相になっている。この時オーステナイト中にはＣやＮｉ、Ｍｎ等の合金元素が濃縮した状態となっている。ところで、ＮｉやＭｎはオーステナイト領域を広げる元素であり、これらの元素が濃縮したオーステナイト部分は、焼きの入りやすい状態となっており、このオーステナイトへの合金元素の濃縮が冷却後にマルテンサイトを生成させる原因になっていることを見出した。
【００１１】
そこで、このようなマルテンサイトの生成を回避するために、球状化焼きなまし時の最高点温度をＡｃ３〜（Ａｃ３−３０℃）に保持し、その時のフェライト面積率を１〜３０％とすることで、最高点温度に保持した時のオーステナイト領域を広くすることにより、オーステナイト中の合金元素の濃度を少なくなるようにした。
【００１２】
さらに、保持後の冷却時には、フェライト生成域、セメンタイト生成域である６７０〜６００℃の範囲を５℃／ｈｒ以上、３０℃／ｈｒ以下の速度で冷却するものとする。その理由は、６７０〜６００℃の温度域を５℃／ｈｒ未満の速度で徐冷した場合には、フェライトが先に生成することにより残りのオーステナイト部分に合金元素が濃縮する。その結果、マルテンサイト組織が生成して冷間加工性が悪くなる。一方、冷却速度が３０℃／ｈｒを超えると、冷却が早過ぎてフェライトとセメンタイトが層状に生成しパーライト組織となり、冷間加工性が悪くなる。
【００１３】
その他の条件について説明すると、球状化焼きなまし時の最高点温度がＡｃ３〜（Ａｃ３−３０℃）では、組織はフェライト・オーステナイトの２相であり、セメンタイトは固溶する。セメンタイトを残して球状化焼きなましを行う場合には昇温速度が重要となるが、本発明においては最高点温度までの昇温速度は特に規定する必要はない。
【００１４】
さらに、最高点温度での保持時間であるが、最高点温度に保持した後は速やかに所望とするフェライト・オーステナイト組織が得られるため、特に規定する必要はないが、望ましくは３０ｍｉｎ以上保持する。
【００１５】
さらに最高点温度から６７０℃までの冷却速度であるが、この温度域ではオーステナイト部分の変態がほとんど進まないことから特に規定する必要はない。望ましくは５℃／ｈｒ〜５℃／ｓｅｃの間で冷却する。
【００１６】
６００℃より低い温度への冷却速度であるが、６００℃までに変態を終了させているため特に規定する必要はないが、望ましくは５℃／ｓｅｃ以下の間で冷却する。
【００１７】
すなわち、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：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０１〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：０．１０〜３．００％からなり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるＮｉ含有鋼を最高点温度をＡｃ３〜（Ａｃ３−３０℃）に保持してフェライト面積率を１〜３０％とした後、６７０〜６００℃の範囲を５〜３０℃／ｈｒの冷却速度で冷却することを特徴とする冷間加工性に優れた肌焼き鋼の球状化焼きなまし処理方法である。
【００１８】
請求項２の発明では、請求項１の手段のＮｉ含有鋼成分に、さらに、質量％で、Ｃｒ：０．０１〜３．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％から選択した１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるＮｉ含有鋼を最高点温度をＡｃ３〜（Ａｃ３−３０℃）に保持してフェライト面積率を１〜３０％とした後、６７０〜６００℃の範囲を５〜３０℃／ｈｒの冷却速度で冷却することを特徴とする冷間加工性に優れた肌焼き鋼の球状化焼きなまし処理方法である。
【００１９】
請求項３の発明では、請求項１又は２の手段のＮｉ含有鋼成分に、さらに、質量％で、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．００１〜０．２０％、Ａｌ：０．０１０〜０．１０％から選択した１種又は２種以上を含有すると共に、Ｎ：０．００５〜０．０２０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるＮｉ含有鋼を最高点温度をＡｃ３〜（Ａｃ３−３０℃）に保持してフェライト面積率を１〜３０％とした後、６７０〜６００℃の範囲を５〜３０℃／ｈｒの冷却速度で冷却することを特徴とする冷間加工性に優れた肌焼き鋼の球状化焼きなまし処理方法である。
【００２０】
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Ｎｉ含有鋼成分に、さらに、質量％で、Ｐｂ：０．００１〜０．３０％、Ｓｅ：０．００１〜０．３０％、Ｔｅ：０．００１〜０．３０％、Ｂｉ：０．００１〜０．３０％から選択した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Ｎｉ含有鋼を最高点温度をＡｃ３〜（Ａｃ３−３０℃）に保持してフェライト面積率を１〜３０％とした後、６７０〜６００℃の範囲を５〜３０℃／ｈｒの冷却速度で冷却することを特徴とする冷間加工性に優れた肌焼き鋼の球状化焼きなまし処理方法である。
【００２１】
以下に本発明におけるＮｉ添加鋼の成分範囲の限定理由について説明する。なお、説明中の％は質量％を示す。
【００２２】
Ｃ：０．１０〜０．３０％
Ｃは、０．１０％未満では浸炭した時に充分な強度が確保できない。０．３０％を超えると球状化焼きなましを施しても硬さが下がらず冷間加工が困難である。そこで、Ｃ：０．１０〜０．３０％とする。
【００２３】
Ｓｉ：０．０１〜１．００％
Ｓｉは、０．０１％未満では焼入性向上の効果がない。１．００％を超えると球状化焼きなましを施しても硬さが下がらず冷間加工が困難である。そこで、Ｓｉ：０．０１〜１．００％とする。
【００２４】
Ｍｎ：０．１０〜２．００％
Ｍｎは、０．１０％未満では焼入性向上の効果がない。２．００％を超えると球状化焼きなましを施しても硬さが下がらず冷間加工が困難である。そこで、Ｍｎ：０．１０〜２．００％とする。
【００２５】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、結晶粒界に偏在し強度を低下させるので低い方がよい。しかし、０．０３％以下であれば許容できる。そこで、Ｐ：０．０３％以下とする。
【００２６】
Ｓ：０．０３％以下
Ｓは、ＭｎとＭｎＳを形成する。ＭｎＳは被削性を向上させる効果もあるが、冷間加工性を低下させる。そこでＳ：０．０３％以下とする。
【００２７】
Ｎｉ：０．１０〜３．００％
Ｎｉは、０．１０％未満では焼入性向上及び靭性向上の効果がない。一方、３．００％を超えると靭性向上の効果が飽和し、また、球状化焼きなましを施しても硬さが下がらず冷間加工が困難である。そこでＮｉ：０．１０〜３．００％とする。
【００２８】
Ｃｒ：０．０１〜３．００％
Ｃｒは、０．０１％未満では焼入性向上の効果がない。一方、３．００％を超えると球状化焼きなましを施しても硬さが下がらず冷間加工が困難である。そこでＣｒ：０．０１〜３．００％とする。
【００２９】
Ｍｏ：０．０１〜０．５０％
Ｍｏは、０．０１％未満では焼入性向上の効果がない。一方、０．５０％を超えると球状化焼きなましを施しても硬さが下がらず冷間加工が困難である。そこでＭｏ：０．０１〜０．５０％とする。
なお、Ｃｒ、Ｍｏは選択元素であり、上記の範囲内で、１種又は２種含有することができる。
【００３０】
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％
Ｎｂは、０．０１％未満では細粒化の効果がない。一方、０．１０％を超えると効果が飽和しコストが高くなる。そこでＮｂ：０．０１〜０．１０％とする。
【００３１】
Ｔｉ：０．００１〜０．２０％
Ｔｉは、０．００１％未満では細粒化の効果がない。一方。０．２０％を超えると効果が飽和しコストが高くなる。そこでＴｉ：０．００１〜０．２０％とする。
【００３２】
Ａｌ：０．０１０〜０．１０％
Ａｌは、Ｎと結合したＡｌＮにより粒界をピンニングして結晶粒を微細化するのに有効な元素である。Ａｌが０．０１０％未満ではこの効果は十分でなく、Ｎの含有量との関係でＡｌが０．１０％を超えてもピンニング効果は飽和する。そこでＡｌ：０．０１０〜０．１０％とする。
【００３３】
Ｎ：０．００５〜０．０２０％
Ｎは、通常は不純物でありできるだけ低減されるが、本発明では上記のＡｌと結合してＡｌＮとなり粒界をピンニングして結晶粒を微細化するので、極端に低減せずにＮを０．００５０〜０．０２００％として、Ａｌと共に含有させることができる。
なお、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌは選択元素であり、上記の範囲内で、１種又は２種以上含有することができる。
【００３４】
Ｐｂ：０．００１〜０．３０％、Ｓｅ：０．００１〜０．３０％、Ｔｅ：０．００１〜０．３０％、Ｂｉ：０．００１〜０．３０％
Ｐｂ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉは、被削性を向上させる元素として１種又は２種以上が選択的に添加される。Ｐｂ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉは、０．００１未満では被削性向上の効果がなく、一方、０．３０％を超えると巨大なＰｂ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉが介在物として存在して冷間加工性を低下させる。そこでＰｂ：０．００１〜０．３０％、Ｓｅ：０．００１〜０．３０％、Ｔｅ：０．００１〜０．３０％０．００１〜０．３０％、Ｂｉ：０．００１〜０．３０％とする。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に記載の実施例を通じて説明する。
【００３６】
【実施例】
１００ｋｇ真空溶解炉で溶製した表１に示す各組成を有する本発明の組成範囲にある鋼材Ａ、鋼材Ｂ、鋼材Ｃ、鋼材Ｄおよび鋼材Ｅ、並びに、本発明の組成範囲を外れる比較例の鋼材Ｆをφ５０ｍｍに熱間鍛造し、それらの鋼材を９５０℃に１時間保持した後、空冷の焼きならしを実施した。なお、比較例の鋼材Ｆは、不可避不純物量としてのみＮｉを含有するＳＣＭ鋼である。
【００３７】
【表１】
2004300549.tif 000002
【００３８】
さらに、上記の鋼材を下記に表２に示す各条件にて熱処理を実施した。この時昇温速度は最高点温度まで２００℃／ｈｒで昇温し、各最高点温度で１時間保持し、最高点温度から６７０℃までの冷却は１００℃／ｈｒとし、６７０°から６００℃までの冷却速度は表２に示す速度とし、６００℃以下は空冷とした。この熱処理をした鋼材の直径Ｄの１／４部分（以下、「１／４Ｄ部分」という。）の硬さをＨＲＢにて５点測定し、それらの試験片を採取してミクロ組織観察をおこない、焼きなまし後にマルテンサイトが生成しているかを確認した。
【００３９】
【表２】
2004300549.tif 000003
【００４０】
表２における最高点温度でのフェライト面積率の測定は、最高点温度まで２００℃／ｈｒにて昇温し、その温度で１時間保持した後、水冷をおこない、ミクロ組織を観察し、画像解析装置を用いてフェライト面積率を測定した。また、各条件にて焼きなましをおこなった鋼材の１／４Ｄ部分よりφ１４ｍｍ、高さ２１ｍｍの円筒形の試験片を５個作成し、これらの試験片を冷間にて据え込みをした。据え込みした試験片の表面に１０倍の拡大鏡で見える割れが発生した時点をその鋼材の割れ発生とし、その時の据え込み率の平均値を限界据え込み率として評価を実施した。なお、実部品での割れ発生と照らし合わせて限界据え込み率７０％以上を冷間加工性が良いと判断した。
【００４１】
表２において、鋼材Ａ、鋼材Ｂ、鋼材Ｃ、鋼材Ｄ、鋼材Ｅの内、網掛け部で示すデータは本発明の範囲から外れることを示しており、これらのものを除く本発明のものは、最高点温度がＡｃ３〜（Ａｃ３−３０℃）であり、フェライト面積率が１〜３０％の範囲内にあり、かつ、６７０〜６００℃の冷却速度が５〜３０℃／ｈｒの範囲内にある全ての条件を満足する鋼材ＡのＮｏ．４およびＮｏ．５、鋼材ＢのＮｏ．１１およびＮｏ．１２、鋼材ＣのＮｏ．１６、鋼材ＤのＮｏ．１９および鋼材ＥのＮｏ．２２がマルテンサイトの生成が無く、限界据込率が７０％以上であり、冷間加工性が良好なものであることがわかる。これに対し、比較例として示す鋼材Ｆは、上記のとおりＮｉを本発明の範囲外の不可避不純物として含有するにすぎないもので、これらは通常の条件であっても良好な冷間加工特性が得られる。
【００４２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、Ｎｉ含有鋼において、球状化焼きなまし処理の最高点温度をＡｃ３〜（Ａｃ３−３０℃）に保持してフェライト面積率を１〜３０％とした後、６７０〜６００℃の範囲を５〜３０℃／ｈｒの冷却速度で冷却することにより、通常の連続炉を使用して熱処理が可能で、かつ、硬さが低く冷間加工性に優れた鋼材とすることができるなど、優れた効果を奏する。