(57)【要約】【課題】従来、利用されてきたピンニング粒子と異なる析出粒子をピンニング粒子として用いることによって、１０００℃以上の高温域で浸炭または高濃度浸炭する場合のオーステナイト結晶粒度特性に優れた機械構造用肌焼鋼を提供する。【解決手段】機械構造用肌焼鋼において、鋼中に含有されるＭｎ、ＳのＭｎ／Ｓ比を原子比で０．６〜１．４とし、かつ生成されるＭｎＳを主成分とする硫化物量を０．２５〜１．０質量％とし、かつ１ｍｍ２当たり１００００個以上の微細硫化物を含有することを特徴とするオーステナイト結晶粒度特性に優れた機械構造用肌焼鋼。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械構造用肌焼鋼において、鋼中に含有されるＭｎ、ＳのＭｎ／Ｓ比を原子比で０．６〜１．４とし、かつ生成されるＭｎＳを主成分とする硫化物量を０．２５〜１．０質量％とし、かつ１ｍｍ２当たり１００００個以上の微細硫化物を含有することを特徴とするオーステナイト結晶粒度特性に優れた機械構造用肌焼鋼。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．１５〜１．００％、Ｓ：０．０９〜０．４０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト結晶粒度特性に優れた機械構造用肌焼鋼。
【請求項３】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．１５〜１．００％、Ｓ：０．０９〜０．４０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％を含有し、さらにＣｒ：０．２０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１０〜３．５０％から選択の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ることを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト結晶粒度特性に優れた機械構造用肌焼鋼。
【請求項４】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．１５〜１．００％、Ｓ：０．０９〜０．４０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％を含有し、さらにＣｒ：０．２０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１０〜３．５０％から選択の１種または２種以上を含有し、さらにＢ：０．０００５〜０．００５０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト結晶粒度特性に優れた機械構造用肌焼鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
各種産業機械や自動車などに使用される部品で、冷間、温間または熱間で鍛造成型して浸炭などの表面硬化処理を施す部品のうち、１０００℃以上の高温浸炭を施す部品用の機械構造用肌焼鋼に関し、特に高温浸炭を施すことにより保持時間を通常浸炭の保持時間の１／２〜２／３程度に短縮して浸炭部品とすることができ、さらに高濃度浸炭においても１０００℃以上の高温度を適用することができ、さらに通常の浸炭、浸炭窒化および高周波焼入れなどを施す部品などに使用される構造用肌焼鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械構造用鋼を素材として各種産業機械や自動車などに使用される部品の製造においては、部品を熱間、温間または冷間鍛造によって成型し、必要に応じて熱処理を行った後、切削加工によって製品形状に仕上げて浸炭または浸炭窒化などによる表面硬化処理を施すことにより、部品表面の耐摩耗性や疲労強度を向上させている。この浸炭などによる表面硬化処理を施す場合、例えば、１０００℃以上の高温域で保持すると、オーステナイト結晶粒が異常成長してオーステナイトの粗粒が形成され、細粒と粗粒から成る混粒組織となる場合がある。この粗粒は焼入れによりそのまま鋼組織中に残されるため、靭性の低下をもたらす。また混粒は粗粒と細粒の部分で焼入性が異なるため、熱処理歪の原因になる。
【０００３】
このように１０００℃以上の高温域にて浸炭または高濃度浸炭を施す鋼において、鋼のオーステナイト結晶粒度特性は、オーステナイト結晶粒の一つ一つの成長力とオーステナイト結晶粒成長を抑える第二相粒子の抑制力との関係で決定される。すなわち、析出粒子径が小さいほど、析出粒子の体積率が多いほど、結晶粒の粗大化抑制力が大きくなる。
【０００４】
ところで、従来、上記における鋼中のオーステナイト結晶粒成長を抑制（以下、「ピンニング」という。）するピンニング粒子として第二相の析出粒子が利用されることは知られており（例えば、非特許文献１参照。）、これによるとＡｌＮ、Ｎｂ（ＣＮ）、ＴｉＣなどがピンニング粒子として用いられている。これらのうちＡｌＮは９５０℃以上の高温度では、固溶量が増加するため析出量が減少し、かつ、粒子径が粗大化するので、粒成長の抑制効果が薄れてオーステナイト結晶粒粗大化が起こり易くなる。
【０００５】
また、Ｎｂ（ＣＮ）は、ＡｌＮと比較して、高温での析出量が多いため、ピンニング効果は高いが、Ｎｂ（ＣＮ）は、さらに高温の１０００℃以上では結晶粒粗大化が起こり易くなる。またＮｂ（ＣＮ）は、製造過程において完全固溶させるため、一旦、鋼塊にて１３００℃近い温度に加熱し、次に微細に析出させるため、成品圧延の際に１１００℃以下の低温で圧延を行う必要がある。このため、Ｎｂ添加では、製造工程が煩雑になり、コストアップにもつながる。以上の理由から、ＡｌＮ、Ｎｂ（ＣＮ）等による高温浸炭時における結晶粒粗大化の抑制は困難である。
【０００６】
以上に説明したように、従来のピンニング粒子では、高温化に伴って析出量が減少するため、結晶粒の粗大化が起こり易くなる問題があった。
【０００７】
【非特許文献１】
日本鉄鋼協会編「鋼の熱処理」（改定５版）丸善、１９６４年、ｐ．１２１
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来、利用されてきたピンニング粒子と異なる析出粒子、つまり本発明におけるピンニング粒子を用いることによって、１０００℃以上の高温域で浸炭または高濃度浸炭する場合のオーステナイト結晶粒度特性に優れた機械構造用肌焼鋼を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記の課題を解決するための手段は、▲１▼鋼材に含有されており高温（１３００℃）まで安定して存在するＭｎＳを主成分とする微細硫化物をピンニング粒子として使用する。▲２▼ＭｎＳを主成分とする微細硫化物を生成させるため、鋼中に含有されるＭｎ、ＳのＭｎ／Ｓ比を原子比で０．６〜１．４、望ましくは０．８〜１．２とする。さらに、硫化物生成量を０．２５〜１．０質量％、望ましくは０．２５〜０．５０質量％とし、その個数を１ｍｍ２当たり１００００個以上とするものである。本発明での微細硫化物とは、ＭｎＳを主成分としており、製鋼工程での凝固から冷却段階あるいは熱間加工時に晶出あるいは析出によって生成する介在物で、円相当直径で０．１〜３μｍ程度のものを指し、これらの介在物中には、ＭｎとＳ以外に、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｏ等のマトリックス中の元素やＴｉ等の硫化物あるいは炭硫化物生成元素を含む場合もある。またこれらの微細硫化物以外に、通常の大型硫化物が存在しても良い。
【００１０】
すなわち、請求項１の発明では、機械構造用肌焼鋼において、鋼中に含有されるＭｎ、ＳのＭｎ／Ｓ比を原子比で０．６〜１．４とし、ＭｎＳを主成分とする硫化物生成量を０．２５〜１．０質量％とし、１ｍｍ２当たり１００００個以上の微細硫化物を含有することを特徴とするオーステナイト結晶粒度特性に優れた機械構造用肌焼鋼である。
【００１１】
請求項２の発明では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．１５〜１．００％、Ｓ：０．０９〜０．４０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１の手段のオーステナイト結晶粒度特性に優れた機械構造用肌焼鋼である。
【００１２】
請求項３の発明では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．１５〜１．００％、Ｓ：０．０９〜０．４０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％を含有し、さらにＣｒ：０．２０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１０〜３．５０％から選択の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ることを特徴とする請求項１の手段のオーステナイト結晶粒度特性に優れた機械構造用肌焼鋼である。
【００１３】
請求項４の発明では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．１５〜１．００％、Ｓ：０．０９〜０．４０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％を含有し、さらにＣｒ：０．２０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１０〜３．５０％から選択の１種または２種以上を含有し、さらにＢ：０．０００５〜０．００５０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１の手段のオーステナイト結晶粒度特性に優れた機械構造用肌焼鋼である。
【００１４】
以上の請求項における限定理由を説明する。
まず請求項１に係る発明において、鋼中に含有されるＭｎ、ＳのＭｎ／Ｓ比を原子比で０．６〜１．４とする理由は、下限値が０．６未満であると、ＦｅＳの生成によって熱間加工性が低下するからである。
上限値が１．４を超えると十数μｍの大型ＭｎＳが多数生成して機械的特性が劣化するからである。従って、Ｍｎ／Ｓ比を原子比で０．６〜１．４とし、望ましくは、０．８〜１．２とする。ＭｎＳを主成分とする硫化物生成量を０．２５〜１．０質量％とする理由は、下限値が０．２５質量％未満であるとピンニング効果が発揮できないからであり、上限値が１．０質量％を超えると、微細ＭｎＳ生成量の増加による機械的特性が劣化するからである。従って、ＭｎＳを主成分とする硫化物生成量を０．２５〜１．０質量％とし、望ましくは０．２５〜０．５０質量％とする。ＭｎＳを主成分とする微細硫化物の個数を１ｍｍ２当たり１００００個以上とする理由は、微細なＭｎＳの個数が１ｍｍ２当たり１００００個未満の場合、ピンニング効果が期待できないからである。従って、ＭｎＳを主成分とする微細硫化物の個数を１ｍｍ２当たり１００００個以上とする。
【００１５】
さらに請求項２〜請求項４に係る発明の鋼の各成分元素の限定理由を説明する。％は質量％を示す。
【００１６】
Ｃ：０．１０〜０．３５％
Ｃは焼入性に効果があり、さらに機械構造用部品として浸炭などの表面硬化処理後の芯部硬さを確保するために必要な元素である。０．１０％より少ないと芯部硬さが確保できず、０．３５％を超えると被削性が阻害される。そこで、０．１０〜０．３５％とする。
【００１７】
Ｓｉ：０．０５〜０．５０％
Ｓｉは脱酸材として必要な元素であり、また強度を向上させる元素である。０．０５％未満ではその効果はなく、０．５０％を超えると被削性が阻害される。そこで、０．０５〜０．５０％とする。
【００１８】
Ｍｎ：０．１５〜１．００％
本発明による高温においてもピンニング効果を発揮する微細ＭｎＳを生成するために必要な元素である。０．１５％未満では、ピンニング効果を発揮するのに必要なＭｎＳ量が得られず、１．００％を超えるとＭｎＳ量が多すぎて機械的特性が劣化する。そこで、Ｍｎは０．１５〜１．００％とし、望ましくは０．１５〜０．８０％とする。
【００１９】
Ｓ：０．０９〜０．４０％
ＳもＭｎ同様に微細ＭｎＳを生成するために必要な元素である。０．０９％未満ではＭｎＳの生成量が十分ではなく、０．４０％を超えると熱間加工性を損なう。そこで、Ｓは０．０９〜０．４０％とし、望ましくは０．０９〜０．３０％とする。
【００２０】
Ｍｎ／Ｓ原子比：０．６〜１．４
Ｍｎ／Ｓ原子比で０．６未満であるとＦｅＳ生成による熱間加工性の低下を招き、１．４を超えると十数μｍの大型ＭｎＳ生成によって、ピンニング効果が低下し、かつ機械的特性の低下も招く。そこでＭｎ／Ｓ原子比は０．６〜１．４とし、望ましくは０．８〜１．２とする。
【００２１】
ＭｎＳ生成量：０．２５〜１．００％
ＭｎＳは、本発明ではピンニング粒子として必須であり、鋼中のＭｎＳ生成量が０．２５％未満では、十分なピンニング効果は得られず、１．００％を超えると機械的特性は劣化する。そこでＭｎＳ生成量は０．２５〜１．００％とし、望ましくは０．２５〜０．５０％とする。
【００２２】
Ａｌ：０．００５〜０．０５０％
Ａｌは脱酸材として必要な元素であり、０．００５％未満ではその効果は十分ではなく、通常の電気炉レベルでの上限とされる０．０５０％を本発明における上限とし、多すぎるとアルミナ系酸化物が増加し、疲労特性、加工性を劣化する。そこでＡｌは０．００５〜０．０５０％とする。
【００２３】
Ｎ：０．００５〜０．０３０％
Ｎは通常の電気炉操業で０．０１０％ほど含有されるが、特にＡｌＮをピンニング粒子として使用する際、必要に応じて０．００５〜０．０３０％に調整する。本発明では、ＭｎＳを主成分とする微細硫化物をピンニング粒子として使用するが、従来のピンニング粒子であるＡｌＮを生成させるため、０．０  ０５〜０．０３０％のＮを含有してもよい。
【００２４】
Ｃｒ：０．２０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１０〜３．５０％から選択した１種または２種以上。
これらの元素は、焼入性に効果があり、強度を確保するために必要な元素である。それぞの元素の下限値より少ないとその効果は十分ではなく、多すぎると被削性を阻害し、コストアップにつながる。そこで、Ｃｒ：０．２０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１０〜３．５０％とする。
【００２５】
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｂは焼入性を向上させる元素で、０．０００５％未満ではその効果が十分ではなく、０．００５０％以上では効果が飽和する。そこで、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、実施例を通じて本発明の実施の形態を説明する。本発明は高温まで安定して存在する鋼中の介在物であるＭｎＳを主成分とする微細硫化物を鋼中のオーステナイト結晶粒成長を抑制するピンニング粒子として利用するものである。
【００２７】
表１に本発明鋼と比較鋼の化学成分を示す。表２に示すように、発明鋼１〜９は、Ｍｎ／Ｓ原子比を０．６〜１．４、ＭｎＳ生成量を０．２５〜１．０質量％の範囲内に調整している。さらに、発明鋼１に対して、発明鋼２〜７はＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉを含有させたもので、発明鋼８、９はさらにＢを添加したものである。発明鋼８、９はＢがＮと結合してＢＮを生成するのを防止するため、Ｎ量を低減し、さらにＢよりＮと結合しやすいＴｉを添加している。比較鋼１〜３は、従来のピンニング粒子であるＡｌＮ、Ｎｂ（ＣＮ）およびＴｉＣを利用したもので、比較鋼４、７はＭｎＳ生成量が０．２５％未満のものである。比較鋼５、６はＭｎ／Ｓ原子比が１．４を超え、かつ、ＭｎＳ個数が低く、比較鋼７、８はＭｎ／Ｓ原子比が０．６未満で、比較鋼９はＭｎＳ量が１．０％を超える。なお、表１における発明鋼および比較鋼において、０．１％未満のＮｉ、０．２０％未満のＣｒ、０．０５％未満のＭｏの含有量はそれぞれ電気炉製鋼における不可避不純物として含有されるものである。またＰも不可避不純物として含有されるものである。
【００２８】
【表１】
2004332011.tif 000002
【００２９】
【実施例】
表１に示す化学成分を含有する発明網および比較鋼をそれぞれ溶製し、１００ｋｇ鋼塊を製造した。これらの鋼塊を１２００℃に加熱して、φ２０ｍｍ径とφ３２ｍｍ径に鍛伸した後、焼ならし（９００℃に１時間保持して空冷）を行った。
【００３０】
φ２０ｍｍ径の鍛伸材をそれぞれ長さ１５ｍｍで切断し、昇温速度３００℃／ｈで加熱して、９５０〜１２５０℃の範囲で２５℃刻みの温度に加熱し、６時間保持した後、水冷した。これらの処理を行った各試料面を鏡面研磨し、飽和ピクリン酸と界面活性剤を使用して腐食し、オーステナイト結晶粒度の粗大化温度を調査した。粗大化温度はＪＩＳ結晶粒度の６番未満または混粒が発生する温度とした。
【００３１】
φ３２ｍｍ径の鍛伸材のＤ／４（ただし、Ｄは直径を示す。）部付近からシャルピー衝撃試験片を作製し、浸炭焼入れ焼戻し処理を施した後、衝撃試験を実施した。
【００３２】
【表２】
2004332011.tif 000003
【００３３】
熱間加工性は、グリーブル試験において、８００℃〜１３００℃での絞り値が８０％以上を良好とし、表２に○で示した。
【００３４】
表２に試験結果を示す。発明鋼１〜９における結晶粒の粗大化温度は１２００℃以上で非常に優れていた。従来のピンニング粒子を利用した比較鋼１〜３の粗大化温度は９７５〜１０７５℃で、ＴｉＣの粗大化温度が高い。ＭｎＳ生成量が０．２５％未満およびＭｎＳ原子比が１．４を超える比較鋼４〜７は、ピンニング効果が低く、粗大化温度が９７５℃である。Ｍｎ／Ｓ原子比が０．６未満である比較鋼７、８は熱間加工性が×で劣る。比較鋼９はＭｎＳ生成量が１％を超えるため、粗大化温度は１２５０℃以上と優れているが、衝撃値が低下した。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本願の発明は、鋼中に含有されるＭｎ、Ｓから生成されるＭｎＳをピンニング粒子とすることで、各種産業機械や自動車などに使用される浸炭部品のうち１０００℃以上の高温浸炭を施す部品用の機械構造用肌焼鋼を得ることができ、特に、高温浸炭を施すことにより保持時間を通常浸炭の保持時間の１／２から２／３程度に短縮して浸炭部品とすることができ、さらに１０００℃以上の高濃度浸炭にも適用でき、さらに通常の浸炭、浸炭窒化および高周波焼入れに適用できるなど、各種産業機械や自動車などに使用される部品用として優れた効果を奏することのできる機械構造用肌焼鋼である。