(57)【要約】【課題】本発明は、熱間鍛造時に十分な靭性を発揮する鋼部材とその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る鋼部材は、内部と表層部からなる鋼部材であって、前記内部は等軸晶からなるフェライト結晶粒と伸張した結晶からなるフェライト結晶粒を含むフェライト組織を有し、これら等軸晶からなるフェライト結晶粒と伸張した結晶からなるフェライト結晶粒について、等軸晶からなるフェライト結晶粒の表面積／（等軸晶からなるフェライト結晶粒の表面積＋伸長した結晶からなるフェライト結晶粒の表面積）で表される等軸晶の占有率が２０％以下であり、前記表層部は、平均粒径１５μｍ以下のオーステナイトから変態したマルテンサイト単相の組織またはマルテンサイトとベイナイトの混合組織を含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部と表層部からなる鋼部材であって、
前記内部は等軸晶からなるフェライト結晶粒と伸張した結晶からなるフェライト結晶粒を含むフェライト組織を有し、これら等軸晶からなるフェライト結晶粒と伸張した結晶からなるフェライト結晶粒について、｛等軸晶からなるフェライト結晶粒の表面積／（等軸晶からなるフェライト結晶粒の表面積＋伸長した結晶からなるフェライト結晶粒の表面積）｝×１００で表される等軸晶の占有率が２０％以下であり、
前記表層部は、平均粒径１５μｍ以下のオーステナイトから変態したマルテンサイト単相の組織またはマルテンサイトとベイナイトの混合組織を含むことを特徴とする鋼部材。
【請求項２】
前記表層部は、前記鋼部材の表面から深さ０．５〜３ｍｍまでを占める請求項１記載の鋼部材。
【請求項３】
前記表層部のマルテンサイト単相の組織またはマルテンサイトとベイナイトの混合組織は、焼戻しマルテンサイト単相の組織または焼戻しマルテンサイトとベイナイトの混合組織を含む請求項１または２記載の鋼部材。
【請求項４】
オーステナイト組織への変態点以下の温度で減面率が１０％以上または圧下率が１５％以上の塑性加工を施して鋼素材を得る工程と、
前記鋼素材にオーステナイト組織への変態点以下の温度で目的形状とする切削加工または塑性のための加工を施す工程と、
表層部に焼入れを施す工程とを含む請求項１記載の鋼部材の製造方法。
【請求項５】
前記方法は、さらに焼戻し工程を含む請求項４記載の鋼部材の製造方法。
【請求項６】
前記焼入れを施す工程は、高周波加熱する工程を含む請求項４または５記載の鋼部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強靭性を要求される鋼部材、より詳しくは表層においては高い強度を有し、内部においては高い靭性を保持する鋼部材とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱間鍛造によって得られるステアリングラックやピニオンシャフト等の自動車部品、あるいは航空機、発電機等の部品に用いる鋼製品は、軽量化すれば燃料消費率や発電効率等を向上させることができる。この目的を達成するためには、熱間鍛造によって上述の部品となる鋼部材を強靭なものにすることが必須である。また、鋼部材の強靭化は、部品の長寿命化にもつながることから、鋼素材および鋼部品の製造の際に、溶解、精錬、圧延、鍛造等の操業が環境へ与える負荷を軽減することができる。
【０００３】
ところで、鋼部材の強靭化は、これまでは主として合金成分と熱処理条件の調整によって図られてきた。しかし、多種類の合金成分を大量に添加するのは、コスト節減の要請に反し、また溶解や精錬に長時間を要することになって環境負荷の増大も招く。他方、熱処理も焼入れや浸炭など高温で行う場合は環境に対する負荷が増す。
【０００４】
このため、合金成分の使用をできるだけ控え、かつ高温の熱処理をできるだけ避けながら、強靭な鋼部材を製造することが求められている。
ステアリングシャフトやピニオンシャフトは、鋼素材に歯切り等の所望の形状にする切削加工や塑性加工を行った後焼入れし、さらに焼戻しをして製造される。
【０００５】
上述の部品は、表層付近が硬質で疲労強度が高く、かつ内部は強靭であることが求められる。その理由は、ステアリングラックを例にとると、長期間に亘る使用や事故発生等の問題を考えた場合、表層が硬質で疲労強度が高ければ、亀裂の発生が抑制され、また亀裂が発生したとしても、内部が強靭であればステアリングラックの折損は回避できるためである。
【０００６】
そこで、焼入れには高周波加熱を用い、表層付近のみを選択的にマルテンサイト単相の組織あるいはマルテンサイトとベイナイトの混合組織として硬化させる手法が用いられる。焼戻しはＡｅ１点以下で行うため、ステアリングラックの内部には圧延ままの組織が、また仮に圧延後にＡｅ１点以下で加工を受けた場合にはその組織がそのまま残る。
【０００７】
一方、ステアリングラックの素材としては、合金元素を節約するため、炭素鋼、炭素鋼においてＭｎの含有量を高めた鋼種、あるいは炭素鋼にＣｒ，Ｂ，Ｖ等を比較的少量添加した鋼種が用いられる。これらの鋼種は圧延ままではフェライト・パーライト組織であり、衝撃値は１００Ｊ・ｃｍ−２程度と低い。したがって、ステアリングラックの内部は靭性が低い状態にある。このため、現在までのところ、強靭で折れないステアリングラックの製造や、ステアリングラックの軽量化は実現していない。
【０００８】
また、高周波加熱による焼入れ時に、フェライト・パーライト組織からの変態によって得られるオーステナイトの粒径は１５〜３０μｍと粗大であるため、焼入れ後にマルテンサイト単相の組織あるいはマルテンサイトとベイナイトの混合組織を焼戻しても、最終製品の表層部の疲労強度が十分ではなく、長時間の使用や事故等を考えた場合、亀裂の発生や伝播を抑制することが困難な状況である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、表層部は硬質で疲労強度が高く、かつ内部は強靭な組織である鋼部材を提供することである。併せて、このような鋼部材を製造する方法を提供することも目的とする。これらを達成することによって部材の軽量化と長寿命化、さらには環境負荷の軽減を実現することができる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するため、本発明においては内部と表層部からなる鋼部材であって、前記内部は等軸晶からなるフェライト結晶粒と伸張した結晶からなるフェライト結晶粒を含むフェライト組織を有し、これら等軸晶からなるフェライト結晶粒と伸張した結晶からなるフェライト結晶粒について、等軸晶からなるフェライト結晶粒の表面積／（等軸晶からなるフェライト結晶粒の表面積＋伸長した結晶からなるフェライト結晶粒の表面積）で表される等軸晶の占有率が２０％以下であり、前記表層部は、平均粒径１５μｍ以下のオーステナイトが変態したマルテンサイト単相の組織またはマルテンサイトとベイナイトの混合組織を含むことを特徴とする鋼部材を提供する。
【００１１】
本発明はまた、オーステナイト組織への変態点以下の温度で減面率が１０％以上または圧下率が１５％以上の塑性加工を施して鋼素材を得る工程と、前記鋼素材に、オーステナイト組織への変態点以下の温度で、目的形状とするための切削加工または塑性のための加工を施す工程と、表層部に焼入れを施す工程とを含む鋼部材の製造方法も提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明における鋼部材は、内部と表層部からなる。ここで、表層部は後述する内部の組織に対する焼入れによって生じる組織である。一方、内部は、オーステナイト組織から変態させた状態で塑性加工したままの組織（鋼素材の組織）を基礎にしたものである。なお、上記した塑性加工としては、鍛造や圧延を挙げることができるが、以下の説明では圧延を例にする。
【００１３】
鋼素材製造の過程で熱間圧延を経て冷却され、オーステナイト組織からフェライト・パーライト組織へ変態した鋼素材の断面を観察すると、一般にはフェライト結晶粒とパーライト結晶粒が帯状に集積し、帯状のフェライト組織（いわゆるフェライトバンド）と帯状のパーライト組織が交互に並んだ組織となっている。そして、フェライトバンド中には等軸晶（以下「等軸フェライト」という場合がある。）からなる粒径１０〜２５μｍ程度のフェライト結晶粒が存在し、他方パーライト組織においてはパーライト結晶粒ごとにそれぞれ層状のセメンタイト（Ｆｅ炭化物）とフェライトが折り重なった構成となっている。
【００１４】
従来、ステアリングラック、ピニオンシャフト等の鋼部材は、このような鋼素材に対して目的形状とする加工（切削加工や塑性加工）を施した後、焼入れをして得られていたが、高周波焼入れの影響が及ぶのは表層部のみで内部には及ばないため、内部においては上述の鋼素材の組織がそのまま保たれる。
これに対して、本発明における鋼部材の内部組織は、上述のような従来の鋼部材における内部組織とは異なる。すなわち、目的形状にする加工前に、一旦オーステナイト組織への変態点（Ａｅ１点）以下の温度で塑性加工（鍛造、圧延等）をして鋼素材を得る。圧延の場合は冷温間圧延となる。すると、この鋼素材は、冷温間圧延によって断面積が減少するとともに、圧延方向と並行する方向に配列した、等軸晶が伸長した結晶（以下「伸長フェライト」という場合がある。）からなるフェライト結晶粒を含むようになる。
【００１５】
一方、前述のパーライト組織中の層状のセメンタイトは、元々脆弱であるため、前述の冷温間圧延時に印加されるひずみによって崩壊し、球状のセメンタイト粒子（以下「球状炭化物」という。）となって組織中に分散する。また、同じく層状になっていたフェライトは、前述の伸長フェライトと同じく圧延方向と並行する方向に配列される。
【００１６】
その結果、本発明の鋼部材においては、まず内部において、微細な球状炭化物が組織中に分散することと、圧延方向に配列された伸長フェライトが集合組織を形成することによって、圧延方向と直交する方向に加わる力に対して靭性が強大になると考えられる。
ここで、内部における等軸フェライトと伸長フェライトの割合は、［等軸晶からなるフェライト結晶粒の表面積／（等軸晶からなるフェライト結晶粒の表面積＋伸長した結晶からなるフェライト結晶粒の表面積）×１００］で表される等軸晶の占有率でみたときに、この等軸晶の占有率が２０％以下となっていることが必要である。この等軸晶の占有率が２０％より大きいときは、上述の機構により部材の軸方向と直交する方向に加わる衝撃に対して耐性を発揮する伸長フェライトの量が少なすぎ、十分な靭性を示すことができない。
【００１７】
そして、上述の２０％以下の等軸晶の占有率を実現するためには、後述するように、オーステナイト組織への変態が起こらないようＡｅ１点以下の温度に維持して圧延を行う必要がある。オーステナイト化が起こると、圧延後の冷却中に変態によってフェライト・パーライト組織が生じ、その領域のフェライトは等軸粒状態となるためである。さらにこの圧延においては、減面率１０％以上または圧下率１５％以上という高い加工度の加工を行うが、Ａｅ１点以下の温度でも温度上昇はできるだけ抑制するのが好ましい。温度の上昇は再結晶の進行を助長するため、オーステナイト化が起こらなくても等軸粒フェライトの割合を高めるからである。
【００１８】
本発明においては、鋼部材を目的形状にする前に、Ａｅ１点以下の温度で塑性加工をしている。このため、塑性加工によって生じた伸長フェライトの粒界に歪が生じており、焼入れ時にフェライト・パーライト組織からオーステナイト組織へ変態する際、オーステナイト結晶粒が微細なものとなる。特に、本発明のように、塑性加工の加工度を減面率１０％以上または圧下率１５％以上とした場合は、オーステナイト結晶粒の平均粒径は１５μｍ以下になる。
【００１９】
ところで、焼入れ時に急速に昇温して得られるオーステナイトを急冷すればマルテンサイト単相の組織またはマルテンサイトとベイナイトの混合組織が生じるが、この際、オーステナイトは、まずパケットと呼ばれる小組織に分割され、このパケットがさらにブロックと呼ばれる組織に分割される。そして、マルテンサイトとベイナイトを構成する要素はこのブロックである。したがって、マルテンサイトとベイナイトはオーステナイトよりはるかに小さい組織である。
【００２０】
その結果、本発明の平均粒径１５μｍ以下の微細なオーステナイトから得られるマルテンサイトとベイナイトは、きわめて微細なものになり、表層部の強度を高める。
本発明の鋼部材における表層部は、微細なマルテンサイト結晶粒、あるいはこれにベイナイト結晶粒を加えたものから構成されているため、十分な強度を発揮する。そして、鋼部材の内部にはＡｅ１点以下の温度と減面率１０％または圧下率１５％以上の冷温間圧延によって得られた強靭な組織が残るため、鋼部材全体としてきわめて強靭なものとなる。
【００２１】
ここで「表層部」は、表面から深さ０．５〜３ｍｍまでの領域を指し、この領域は加熱温度を上げれば深くすることができる。
なお、本発明の鋼部材は、焼戻しを行って、表層部の靭性をさらに増加させることもできる。この場合、焼入れによってすでに形成されている表層部におけるマルテンサイト組織またはマルテンサイトとベイナイトの混合組織は、焼戻しマルテンサイト組織または焼戻しマルテンサイトとベイナイトの混合組織となる。
【００２２】
次に、本発明の方法は、上述の鋼部材を製造するため、まず熱間圧延後の鋼素材に対して、Ａｅ１点以下の温度で、鋼素材に減面率が１０％以上または圧下率が１５％以上の冷間または温間の塑性加工を施す。
ここで、減面率は（塑性加工前の断面積−塑性加工後の断面積）／塑性加工前の断面積と、また圧下率は（塑性加工前の鉛直方向高さ−塑性加工後の鉛直方向高さ）／塑性加工前の高さと、それぞれ定義される。
【００２３】
すると、上記フェライトバンド中のフェライト結晶粒は、構成する粒径１０〜２５μｍ程度の等軸フェライトが、大部分、塑性加工の方向と並行する方向に伸長され、スティック状の伸長フェライトが生じる。伸長フェライトの幅と長さは加工度によって異なる。この際、上述のように温度上昇を抑制することによって、等軸晶の占有率は２０％以下を達成できる。また、この結果、フェライトについては加工硬化が生じる。
【００２４】
この状態でその後の高周波焼入れに備えて、Ａｅ１点以下の温度で、オーステナイト変態を起こさないようにしながら、ステアリングラックなら歯切り等、目的とする形状を得るために必要な加工（切削加工、塑性加工等）を施す。
このようにして鋼素材に加工を施した後に、焼入れを施すと、鋼部材の内部には熱の影響が及ばず、上述の高靭性組織が保たれたまま、表層部のみが硬化する。そして、上述のようにＡｅ１点以下の温度においては、先に所定の減面率または圧下率の冷温間加工を施しておいた結果として、表層部におけるオーステナイト組織から変態したマルテンサイト単相の組織またはマルテンサイトとベイナイトの混合組織の平均粒径は、オーステナイト組織の平均粒径である１５μｍより小さくなる。
【００２５】
なお、焼入れ方法として、もっともよく用いられるのは高周波加熱であるが、表層部だけを焼入れに必要な速度で加熱できるならば、他の方法でも構わない。また、焼入れ時には、昇温速度５０〜２０００℃／ｓｅｃで、８００〜１３００℃まで加熱するのが好ましい。理由は、昇温速度が５０℃／ｓｅｃより低いとオーステナイト結晶粒が粗大となり、２０００℃／ｓｅｃを超えると到達温度の制御が困難になるからである。また焼入れ温度が８００℃より低いとオーステナイト化が不十分となり、１３００℃を超えるとオーステナイト粒界から溶融が起こることがあるからである。
【００２６】
また高周波焼入れ後には、靭性をより強化するため、焼戻しをするのが好ましい。この場合は、１５０〜６５０℃の温度に加熱し、この温度で１０分ないし５時間保持するのが好ましい。理由は、温度が１５０℃より低いと靭性の上昇がわずかであり、６５０℃を超えると強度の低下が顕著だからである。また保持時間が１０分より短いと靭性の上昇がわずかであり、５時間より長いと強度の低下が顕著だからである。
【００２７】
【実施例】
（１）実施例１〜４
以下では下記表１を参照しながら、本実施例を説明する。実施例１〜４および比較例１〜３のために、９４ｍｍ角×長さ４．５ｍの鋼ビレット（重量３００ｋｇ）を７本用意した。内訳は、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）を３本、ばね鋼（ＳＵＰ９Ａ）が２本、および肌焼鋼（ＳＣＲ４２０）が２本である。そして、実施例１と２および比較例１に炭素鋼を、実施例３と比較例２にばね鋼を、実施例４と比較例３に肌焼鋼を割り当てた。
【００２８】
これら７本の鋼ビレットをまずＡｅ１点を超える１０００℃に加熱してオーステナイト組織の状態で圧延し、６８ｍｍ角の棒材とした。そして一旦室温まで冷却した。
次に、実施例１〜４についてはＡｅ１点より低い温度（実施例１，３および４はそれぞれ６００℃で、実施例２は６５０℃）に加熱し、また比較例１〜３についてはそれぞれＡｅ１点より高い１０００℃に加熱し、それぞれ直径３４ｍｍ×長さ４３．４ｍの線材にする線材圧延を行った。減面率は、（６８×６８−３．１４×１７２／６８×６８）×１００によって、いずれも８０％である。
【００２９】
得られた線材の鋼素材（焼入れ後は内部となる）について、組織を調べたところ、実施例１〜４については、いずれも等軸晶のフェライトが圧延により伸長されたもの（以下「伸長フェライト」という。）と球状炭化物からなり、等軸晶のフェライトは観察されなかった。したがって、等軸晶の占有率は０％となる。なお、伸長フェライトの内部に亜粒界で囲まれた等軸の領域も観察されたが、亜粒界は粒界とは扱わないので、等軸晶の占有率は０％である。
【００３０】
他方、比較例１と３は等軸フェライトとパーライトからなる組織であった。したがって、伸長フェライトが存在しないため、等軸晶の占有率は１００％となる。また、比較例２はパーライトのみからなり、フェライトバンドは存在しなかったが、オーステナイト組織から変態しているため、パーライト中のフェライトはすべて等軸である。
【００３１】
この後、上記すべての線材について、一側面に切削加工により、ギアと噛み合わせる歯を形成した。そして、長さ４００ｍｍのテスト材を各１０本切り出した。
次いで、これら実施例と比較例を合わせて計７０本（１０×７）のテスト材の表層部を、昇温速度４５０℃／ｓｅｃで９００℃まで急速加熱し、ついで温度保持をすることなく水冷して焼入れを完了させた。焼入れ硬化した表層部の厚さは２ｍｍであった。この焼入れ硬化した表層部を界面活性剤で腐食させ、オーステナイト組織の跡を観察してみたところ、平均粒径は、実施例１〜４についてはいずれも１５μｍ以下であり、他方比較例１〜３についてはいずれも１５μｍを超えていた。
【００３２】
このうち、焼入れ時にどのような大きさのオーステナイト組織が生成していたのかをみた、オーステナイト結晶粒の跡の電子顕微鏡写真を、実施例１と比較例１について、それぞれ図１と図２に示す。これらの写真において粒状に見えるのが焼入れ時に生成したオーステナイトの跡であるが、図１（１ｃｍ／１５μｍ倍）においては、オーステナイトの粒径にばらつきがなく、いずれも１５μｍ以下である。他方、図２（同じく１ｃｍ／１５μｍ倍）では、オーステナイトの粒径にはばらつきがあり、かついずれも１５μｍを超えている（１５〜３０μｍ）。
【００３３】
次に、これら焼入れをしたテスト材に対して４５０℃で１時間の焼戻しを行い、折り曲げテストをした。
その結果、実施例１〜４については、各１０本のテスト材すべてに折損後の分離がなかった。一方、比較例１〜３については、各１０本のテスト材すべてに折損後の分離があった。したがって、図１に示したように、オーステナイト結晶粒の跡の平均粒径が１５μｍ以下である本発明の鋼部材は、従来のようにＡｅ１点より低い温度での圧延を施さない鋼素材を用いた鋼部材に比べて、十分に強い靭性を有することがわかる。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
（２）実施例５〜８
以下では下記表２を参照しながら、本実施例を説明する。上記と同一の寸法と重量をもつ鋼ビレット（重量３００ｋｇ）を７本、実施例５〜８および比較例４〜６のために用意した。内訳は、実施例５と６および比較例４が炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）、実施例７と比較例５がばね鋼（ＳＵＰ９Ａ）、および実施例８と比較例６が肌焼鋼（ＳＣＲ４２０）が２本である。
【００３６】
そして、これら７本の鋼ビレットを、実施例１〜４および比較例１〜３と同一の条件で熱間圧延し、６８ｍｍ角の棒材とした。
ついで、７本の棒材すべてを一旦残熱（５００℃）のある状態まで冷却し、ついで実施例５〜８についてはＡｅ１点より低い温度（実施例５，７および８はそれぞれ６００℃で、実施例６は６５０℃）に加熱し、また比較例４〜６についてはそれぞれＡｅ１点より高い１０００℃に加熱し、それぞれ直径３４ｍｍ×長さ４３．４ｍの線材にする線材圧延を行った。減面率は、（６８×６８−３．１４×１７２／６８×６８）×１００によって、いずれも８０％となる。
【００３７】
得られた線材について、組織を調べたところ、下記表２のような結果となった。すなわち、実施例１〜４と同様に、実施例５〜８も、伸長フェライトと球状炭化物からなり、等軸晶のフェライトは観察されなかった。等軸晶の占有率は０％である。実施例１〜４と同様、伸長フェライト中の亜粒界は粒界とは扱わない。他方、比較例４と６は等軸フェライトとパーライトからなる組織であった。等軸晶の占有率は１００％である。また、比較例５はパーライトのみからなる組織であって、先の比較例２と同様、等軸晶の占有率は１００％となる。
【００３８】
この後、上記すべての線材について、実施例１〜４および比較例１〜３と同じ寸法のテスト材をつくり、同じ条件で焼入れを完了させた。焼入れ硬化層たる表層部の厚さは、２ｍｍであった。焼入れ硬化した表層部を界面活性剤で腐食させ、オーステナイト組織を観察してみたところ、その平均粒径は、実施例５〜８についてはいずれも１５μｍ以下であり、他方比較例４〜６についてはいずれも１５μｍを超えていた。
【００３９】
そして実施例１〜４および比較例１〜３と同じ条件で焼戻しを行って折り曲げテストをしたところ、表２に示すように、実施例５〜８については、各１０本のテスト材すべてに折損後の分離がなかった。一方、比較例４〜６については、各１０本のテスト材すべてに折損後の分離があった。したがって、鋼素材を熱間圧延した後、室温までの冷却を待たなくても、Ａｅ１点以下の温度で圧延を施すことで、本発明の強い靭性を有する鋼部材を実現できることが分かる。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によって冷温間塑性加工後歯切りや塑性加工を施した後焼入れした鋼部材は、内部が伸長フェライトの集合組織により強靭になり、かつ表層部でも組織が微細な粒子から構成されるため、全体としてきわめて強靭となり、軽量化に好適な部材となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る鋼部材の表層部の電子顕微鏡写真である。
【図２】従来の熱圧延鋼部材の表層部の電子顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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