(57)【要約】【課題】  浸炭速度を効率的に向上させることができる浸炭用鋼の製造方法を提供する。【解決手段】  重量％（以下同じ）でのＣ濃度が０．１〜０．３％である浸炭用鋼に、ＲＥＭを添加し、ＲＥＭ濃度を０．０１〜０．２５％に調整し、９３０〜１０５０℃の浸炭温度で、浸炭を施す。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％（以下同じ）でのＣ濃度が０．１〜０．３％である浸炭用鋼に、ＲＥＭを添加し、ＲＥＭ濃度を０．０１〜０．２５％に調整し、９３０〜１０５０℃の浸炭温度で、浸炭を施すことを特徴とする浸炭用鋼の製造方法。
【請求項２】
前記浸炭温度は、９６０℃以上であり、鋼中のＮ濃度は、０．０１〜０．０３％であり、鋼中のＡｌ濃度は、０．０１〜０．０５％であることを特徴とする請求項１に記載の浸炭用鋼の製造方法。
【請求項３】
重量％である鋼中のＡｌ濃度［Ａｌ］とＲＥＭ濃度［ＲＥＭ］と、浸炭温度Ｔ（℃）とは、
［Ａｌ］≧（Ｔ−９４０）／１０００−０．０３５×［ＲＥＭ］
の関係を満足することを特徴とする請求項２に記載の浸炭用鋼の製造方法。
【請求項４】
前記浸炭温度は、９６０℃以上であり、鋼中のＮ濃度は、０．０１〜０．０３％であり、鋼中のＮｂ濃度は、０．０１〜０．０５％であることを特徴とする請求項１に記載の浸炭用鋼の製造方法。
【請求項５】
重量％である鋼中のＮｂ濃度［Ｎｂ］とＲＥＭ濃度［ＲＥＭ］と、浸炭温度Ｔ（℃）とは、
［Ｎｂ］≧（Ｔ−９４０）／３０００−０．０２５×［ＲＥＭ］
の関係を満足することを特徴とする請求項４に記載の浸炭用鋼の製造方法。
【請求項６】
前記浸炭温度は、９６０℃以上であり、鋼中のＮ濃度は、０．０１〜０．０３％であり、鋼中のＴｉ濃度は、０．０１〜０．０５％であることを特徴とする請求項１に記載の浸炭用鋼の製造方法。
【請求項７】
重量％である鋼中のＴｉ濃度［Ｔｉ］とＲＥＭ濃度［ＲＥＭ］と、浸炭温度Ｔ（℃）は、
［Ｔｉ］≧（Ｔ−９４０）／３６００−０．０２０×［ＲＥＭ］
の関係を満足することを特徴とする請求項６に記載の浸炭用鋼の製造方法。
【請求項８】
前記ＲＥＭは、鋼自体に含有させることによって添加されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の浸炭用鋼の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の浸炭用鋼の製造方法によって製造されたことを特徴とする浸炭用鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸炭用鋼の製造方法および当該方法により得られる浸炭用鋼材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の浸炭用鋼は、高熱浸炭時におけるオーステナイト結晶粒度の粗大化を抑制するために、Ｎｄを添加している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、結晶粒度の粗大化を防止するために、ＲＥＭ（希土類金属）を添加しているものもある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
さらに、ＲＥＭの存在下において、浸炭を施すものもある（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】特開平１０−１５２７５２号公報
【特許文献２】特開２０００−６３９４３号公報
【特許文献３】特開２００２−２５６４１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１および特許文献２に記載の方法においては、浸炭速度の向上は、浸炭温度の上昇に因るものである。したがって、浸炭処理炉の耐久性、例えば、高熱による損傷などの問題を生じる虞がある。
【０００６】
一方、特許文献３に記載の方法においては、ＲＥＭは、浸炭に対する触媒として機能しており、浸炭ガス中に添加される。したがって、ＲＥＭの所要量が大きくなる問題を有している。
【０００７】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、浸炭速度を効率的に向上させることができる浸炭用鋼の製造方法および当該方法により得られる浸炭用鋼材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】
【０００８】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
重量％（以下同じ）でのＣ濃度が０．１〜０．３％である浸炭用鋼に、ＲＥＭを添加し、ＲＥＭ濃度を０．０１〜０．２５％に調整し、９３０〜１０５０℃の浸炭温度で、浸炭を施すことを特徴とする浸炭用鋼の製造方法である。
【０００９】
上記目的を達成するための請求項９に記載の発明は、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の浸炭用鋼の製造方法によって製造されたことを特徴とする浸炭用鋼材である。
【発明の効果】
【００１０】
上記のように構成した本発明は以下の効果を奏する。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、鋼中のＲＥＭ濃度が０．０１〜０．２５％であるため、鋼の表面反応および内部拡散反応を促進させて浸炭速度を向上させるＲＥＭ効果が効率的に発揮される。また、浸炭温度が９３０〜１０５０℃であるため、ＲＥＭ効果が顕著となる。したがって、浸炭速度を効率的に向上させることができる浸炭用鋼の製造方法を提供することができる。
【００１２】
請求項９に記載の発明によれば、浸炭速度を効率的に向上させることができる浸炭用鋼の製造方法よって得られる浸炭用鋼材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
図１および図２は、本発明の実施の形態に係る浸炭用鋼の一例を説明するための化学組成を示している図表、図３は、比較例に係る浸炭用鋼の一例を説明するための化学組成を示している図表である。
【００１５】
本発明の実施の形態に係る浸炭用鋼Ａ０１〜Ａ２５は、重量％（以下同じ）でのＣ濃度が０．１〜０．３％である肌焼き鋼、例えば、低炭素合金鋼（鋼種名：ＳＣｒ４２０）をベースとしている。なお、鋼中のＲＥＭ濃度は０．０４〜０．２４％、Ｎ濃度は０．０１０〜０．０１２％、Ａｌ濃度は０．００９〜０．０７０％、Ｎｂ濃度は０．００９〜０．０７１％、Ｔｉ濃度は０．００４〜０．０７０％となるように、各元素を添加して調整している。また、各元素の濃度は、最初から鋼自体に含有させる形態を適用することも可能である。
【００１６】
比較例に係る浸炭用鋼Ｂ０１〜Ｂ０４も、低炭素合金鋼（鋼種名：ＳＣｒ４２０）をベースとしている。なお、浸炭用鋼Ｂ０１は、ＲＥＭの無添加鋼である。また、浸炭用鋼Ｂ０２〜Ｂ０４は、ＲＥＭ濃度が０．２６〜０．３０％であり、実施の形態に係る浸炭用鋼Ａ０１〜Ａ２５より多くのＲＥＭを添加している。
【００１７】
次に、浸炭速度に対する浸炭温度およびＲＥＭ濃度の影響を説明する。
【００１８】
使用した試料は、実施の形態および比較例に係る浸炭用鋼を溶製し、加熱し、圧延することで得られるφ２０ｍｍの線材である。当該線材は、浸炭温度を適宜変更し、３〜６時間の浸炭を施し、油冷した。
【００１９】
実施の形態および比較例に係る浸炭用鋼は、ベースの鋼材が共通であり、ＲＥＭ以外の鋼材成分に大幅な差がないため、焼入性は同等であり、浸炭速度と浸炭深さとは対応していると見なせる。したがって、浸炭速度を浸炭深さによって評価している。なお、浸炭深さは、ビッカース硬さＨＶが５１２である鋼材の内部位置と、鋼材の表面との間の距離で定義される有効硬化深さである。
【００２０】
図４は、浸炭温度を変更した場合におけるＲＥＭ濃度と浸炭深さとの関係を示しているグラフである。浸炭温度は、９３０℃、９９０℃、１０５０℃の３種類であり、ＲＥＭ濃度を、０．０２％の増分値で、０％から０．３％まで変更している。
【００２１】
図に示されるように、ＲＥＭ濃度が０．０２％である場合においても、ＲＥＭ無添加の場合に比べて、浸炭深さ（浸炭速度）が顕著に向上している。また、ＲＥＭ濃度が０．０２〜０．３％においては、ＲＥＭ濃度の増加による影響は、顕著でなく、浸炭深さの増加効果が飽和する傾向が見られる。
【００２２】
したがって、ＲＥＭ濃度を０．０１〜０．２５％とする場合、鋼の表面反応および内部拡散反応を促進させて浸炭速度を向上させるＲＥＭ効果を、効率的に発揮させることが可能である。
【００２３】
図５は、ＲＥＭ濃度を変更した場合における浸炭温度と浸炭深さとの関係を示しているグラフである。ＲＥＭ濃度は、０％つまりＲＥＭ無添加、０．０２％、０．１％、０．２％の４種類であり、浸炭温度を、３０℃の増分値で、８７０℃から１０８０℃まで変更している。
【００２４】
図に示されるように、浸炭温度が９３０℃未満である場合、浸炭深さ（浸炭速度）に対する顕著な影響が見られない。一方、浸炭温度が９３０〜１０５０℃の範囲にある場合、ＲＥＭ濃度の増加に伴って、浸炭深さが増加している。
【００２５】
しかし、浸炭温度が１０５０℃を越える場合、浸炭深さに対するＲＥＭ濃度の影響は飽和する傾向が見られ、ＲＥＭ無添加の場合との差が縮小している。また、ＲＥＭ濃度が０．０２〜０．２％においては、ＲＥＭ濃度の増加による影響は、顕著でない。
【００２６】
そのため、浸炭温度を９３０〜１０５０℃とする場合、浸炭速度を向上させるＲＥＭ効果を顕著に発揮させることが可能である。なお、浸炭温度が１０５０℃を越えないことは、浸炭処理炉における高熱による損傷などの耐久性に関する問題を生じ難い点で好ましい。
【００２７】
以上のように、Ｃ濃度が０．１〜０．３％である浸炭用鋼に、ＲＥＭを添加し、ＲＥＭ濃度を０．０１〜０．２５％に調整し、９３０〜１０５０℃の浸炭温度で、浸炭を施すことによって、浸炭速度を効率的に向上させることができる。
【００２８】
したがって、浸炭速度を効率的に向上させることができる浸炭用鋼の製造方法を提供することができる。また、浸炭速度を効率的に向上させることができる浸炭用鋼の製造方法よって得られる浸炭用鋼材を提供することができる。
【００２９】
次に、Ａｌ濃度、ＲＥＭ濃度および浸炭温度の関係を説明する。
【００３０】
図６は、浸炭温度を変更した場合におけるＲＥＭおよびＡｌ濃度とオーステナイト結晶粒度との関係を示している図表である。
【００３１】
浸炭温度は、９６０℃、９９０℃、１０２０℃、１０５０℃の４種類である。ＲＥＭ濃度は、０％、０．１％、０．２％の３種類である。Ａｌ濃度は、０．０１％、０．０３％、０．０５％、０．０７％の４種類である。なお、結晶粒度が６．０以上である場合を、良好（符号○で表示）であると評価し、６．０未満である場合を、不良（符号×で表示）であると評価した。
【００３２】
図に示されるように、浸炭温度の上昇に伴って、結晶粒度の粗大化が引き起こされる傾向が見られる。一方、Ａｌ濃度の増加によって、結晶粒度の粗大化が抑制されている。
【００３３】
また、評価が良好と不良との境界に位置するＡｌ濃度［Ａｌ］は、９６０〜１０５０℃の温度域においては、浸炭温度Ｔ（℃）とＲＥＭ濃度［ＲＥＭ］とを含んでいる関係式（［Ａｌ］＝（Ｔ−９４０）／１０００−０．０３５×［ＲＥＭ］）で表すことが可能である。
【００３４】
なお、Ｎ濃度は、０．０１％未満である場合、析出物生成の効果が顕著ではなく、０．０３％を越える場合、鍛造や熱間加工時において割れが発生しやすくなる。Ａｌ濃度は、０．０１％未満である場合、析出物生成の効果が顕著でなく、０．０５％を越える場合、析出するＡｌＮの粗大化により、結晶粒の微細化に対する寄与が低減、つまり結晶粒の粗大化防止効果が低下する。
【００３５】
したがって、浸炭温度が９６０℃以上である上記温度域にある場合、結晶粒度の粗大化を確実に抑制するためには、Ｎ濃度は、０．０１〜０．０３％であり、Ａｌ濃度は、０．０１〜０．０５％であることが好ましく、また、関係式（［Ａｌ］≧（Ｔ−９４０）／１０００−０．０３５×［ＲＥＭ］）を満足することがさらに好ましい。
【００３６】
次に、Ｎｂ濃度、ＲＥＭ濃度および浸炭温度の関係を説明する。
【００３７】
図７は、浸炭温度を変更した場合におけるＲＥＭおよびＮｂ濃度とオーステナイト結晶粒度との関係を示している図表である。なお、Ａｌ濃度代わりとして、Ｎｂ濃度が適用されている点を除けば、図６の場合と同様の条件である。
【００３８】
図に示されるように、浸炭温度の上昇に伴って、結晶粒度の粗大化が引き起こされる傾向が見られる。一方、Ｎｂ濃度の増加によって、結晶粒度の粗大化が抑制されている。
【００３９】
また、評価が良好と不良との境界に位置するＮｂ濃度［Ｎｂ］は、９６０〜１０５０℃の温度域においては、浸炭温度Ｔ（℃）とＲＥＭ濃度［ＲＥＭ］とを含んでいる関係式（［Ｎｂ］＝（Ｔ−９４０）／３０００−０．０２５×［ＲＥＭ］）で表すことが可能である。
【００４０】
さらに、Ｎｂ濃度は、０．０１％未満である場合、析出物生成の効果が顕著でなく、０．０５％を越える場合、析出物が凝集するため、結晶粒の微細化に対する寄与が低下するとともに、冷間鍛造性の悪化を引き起こす。なお、Ｎ濃度は、上述のように、０．０１％未満である場合、析出物生成の効果が顕著ではなく、０．０３％を越える場合、鍛造や熱間加工時において割れが発生しやすくなる。
【００４１】
したがって、浸炭温度が９６０℃以上である上記温度域にある場合、結晶粒度の粗大化を確実に抑制するためには、Ｎ濃度は、０．０１〜０．０３％であり、Ｎｂ濃度は、０．０１〜０．０５％であることが好ましく、また、関係式（［Ｎｂ］≧（Ｔ−９４０）／３０００−０．０２５×［ＲＥＭ］）を満足することがさらに好ましい。
【００４２】
次に、Ｔｉ濃度、ＲＥＭ濃度および浸炭温度の関係を説明する。
【００４３】
図８は、浸炭温度を変更した場合におけるＲＥＭおよびＴｉ濃度とオーステナイト結晶粒度との関係を示している図表である。なお、Ａｌ濃度代わりとして、Ｔｉ濃度が適用されている点を除けば、図６の場合と同様の条件である。
【００４４】
図に示されるように、浸炭温度の上昇に伴って、結晶粒度の粗大化が引き起こされる傾向が見られる。一方、Ｔｉ濃度の増加によって、結晶粒度の粗大化が抑制されている。
【００４５】
また、評価が良好と不良との境界に位置するＴｉ濃度［Ｔｉ］は、９６０〜１０５０℃の温度域においては、浸炭温度Ｔ（℃）とＲＥＭ濃度［ＲＥＭ］とを含んでいる関係式（［Ｔｉ］＝［（Ｔ−９４０）／３６００−０．０２０×［ＲＥＭ］）で表すことが可能である。
【００４６】
さらに、Ｔｉ濃度は、０．０１％未満である場合、析出物生成の効果が顕著でなく、０．０５％を越える場合、析出物が凝集するため、結晶粒の微細化に対する寄与が低下するとともに、冷間鍛造性の悪化を引き起こす。なお、Ｎ濃度は、上述のように、０．０１％未満である場合、析出物生成の効果が顕著ではなく、０．０３％を越える場合、鍛造や熱間加工時において割れが発生しやすくなる。
【００４７】
したがって、浸炭温度が９６０℃以上である上記温度域にある場合、結晶粒度の粗大化を確実に抑制するためには、Ｎ濃度は、０．０１〜０．０３％であり、Ｔｉ濃度は、０．０１〜０．０５％であることが好ましく、また、関係式（［Ｔｉ］≧（Ｔ−９４０）／３６００−０．０２０×［ＲＥＭ］）を満足することがさらに好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態に係る浸炭用鋼の一例を説明するための化学組成を示している図表である。
【図２】図１に続く浸炭用鋼の一例を説明するための化学組成を示している図表である。
【図３】比較例に係る浸炭用鋼の一例を説明するための化学組成を示している図表である。
【図４】浸炭速度に対するＲＥＭ濃度の影響を説明するためのグラフであり、浸炭温度を変更した場合におけるＲＥＭ濃度と浸炭深さとの関係を示している。
【図５】浸炭速度に対する浸炭温度の影響を説明するためのグラフであり、ＲＥＭ濃度を変更した場合における浸炭温度と浸炭深さとの関係を示している。
【図６】Ａｌ濃度、ＲＥＭ濃度および浸炭温度の関係を説明するための図表であり、浸炭温度を変更した場合におけるＲＥＭおよびＡｌ濃度とオーステナイト結晶粒度との関係を示している。
【図７】Ｎｂ濃度、ＲＥＭ濃度および浸炭温度の関係を説明するための図表であり、浸炭温度を変更した場合におけるＲＥＭおよびＮｂ濃度とオーステナイト結晶粒度との関係を示している。
【図８】Ｔｉ濃度、ＲＥＭ濃度および浸炭温度の関係を説明するための図表であり、浸炭温度を変更した場合におけるＲＥＭおよびＴｉ濃度とオーステナイト結晶粒度との関係を示している。
【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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【図７】
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【図８】
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