(57)【要約】【課題】焼鈍し処理の段階ではすぐれた冷間加工性を有し、４００〜４５０℃における焼戻し処理により硬さが５５ＨＲＣ以上になって耐摩耗性が高く、かつ、焼戻し軟化抵抗が高くて耐熱性がある高硬度鋼、既存品との対比でいえばＳＵＳ４４０Ｃをしのぐ性能の高硬度鋼を提供すること。【解決手段】重量％で、Ｃ：０．５〜０．７％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：２．５〜５．５％、Ｍｏ：０．２％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｎｂ：０．０２％以下、Ｏ：０．００３％以下およびＮ：０．０２％以下を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる合金組成を有する高硬度鋼。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．５〜０．７％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：２．５〜５．５％、Ｍｏ：０．２％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｎｂ：０．０２％以下、Ｏ：０．００３％以下およびＮ：０．０２％以下を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる合金組成を有する、冷間加工性、耐熱性および耐摩耗性にすぐれた高硬度鋼。
【請求項２】
請求項１に規定した合金成分に加え、Ｗ：０．２％以下およびＶ：０．２％以下の１種または２種を含有する請求項１の高硬度鋼。
【請求項３】
請求項１または２に規定した合金成分に加え、Ｃｕ：０．３％以下、Ｎｉ：０．３％以下およびＣｏ：０．２％以下の１種または２種以上を含有する請求項１の高硬度鋼。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに規定した合金成分に加え、Ｃａ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下およびＢ：０．０１％以下の１種または２種を含有する請求項１の高硬度鋼。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかの高硬度鋼を機械部品の形状に成形し、窒化処理を施して耐摩耗性をさらに向上させて使用する、耐熱性および耐摩耗性にすぐれた機械部品用の鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷間加工性、耐熱性および耐摩耗性にすぐれた高硬度鋼、とくに機械部品用の鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダーライナー、シャフト、ポンプ部品、油圧機器部品、歯車、ピン、軸、転がり軸受のレース・ボール、ボルト、ばね、冷間金型、温間金型、熱間金型、冷間ダイス、熱間ダイス、プラスチック金型、バルブ、刃物、ノズルなどの、硬さと耐摩耗性とが要求される物品の材料としては、これまで一般に、ＦｅおよびＣを主成分とする焼戻しマルテンサイトのマトリクスに対して、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂなどを添加してそれらの炭化物析出により硬さや耐摩耗性などの向上を図り、それぞれの使用環境において要求される衝撃に耐え得る靭性をもたせた鋼種が使用されてきた。
【０００３】
これらの耐摩耗性にすぐれた高硬度鋼は、多くの場合、冷間加工により部品形状に成形され、焼入れ−焼戻し処理をして使用されるか、またはさらに窒化処理を施して使用されるため、硬さや靭性、耐摩耗性ばかりでなく、冷間加工性や、焼戻軟化抵抗ないし耐熱性が、同時に要求される場合も少なくない。
【０００４】
具体的な鋼種を挙げれば、ＪＩＳに規定されるＳＣＭ４２０、ＳＵＪ２、ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ４２０Ｊ２、ＳＫＤ１１、ＳＫＳ３、ＳＫＤ６１、ＳＫＨ５１およびそれらの改良鋼が、それぞれの用途に合わせて使用されている。これらの鋼種のうちで、まずＳＣＭ４２０は、４００℃焼戻し処理でＨＲＣ４０程度まで軟化してしまい、焼戻し軟化抵抗が低く、耐摩耗性が確保できるほどの硬さが得られないから、用途は広くない。
【０００５】
ＳＵＳ４２０Ｊ２やＳＫＳ３も、４００℃の焼戻し処理で、硬さが５０ＨＲＣ程度まで低下してしまい、これでは耐摩耗性を確保できる十分な硬さではない。ＳＵＪ２は、通常２００℃近辺の低温焼戻し処理を行なって、６３ＨＲＣ程度の高い硬さを得ることが可能であるが、この硬さも４００℃の焼戻し処理では５３ＨＲＣ程度まで落ちてしまうから、やはり、耐摩耗性の確保はおぼつかない。
【０００６】
ＳＫＤ６１は、通常、６００℃近辺で焼戻し処理を行なって５２ＨＲＣ程度で使用するため、焼戻し軟化抵抗、耐熱性にはすぐれているが、耐摩耗性が重要である用途には、ふさわしくない。実際、４００℃焼戻し処理で５４ＨＲＣ程度を確保できるが、一応の耐摩耗性が確保できる硬さとしては、ほぼ最低限である。そうなると、４００〜４５０℃焼戻し処理で５５ＨＲＣ以上を確保でき、焼戻し軟化抵抗ないし耐熱性にすぐれた高硬度鋼といえるものは、ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＫＤ１１、ＳＫＨ５１くらいになる。しかしながら、これらの鋼種はいずれも、焼鈍し処理後の冷間加工性が悪いという難点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、焼鈍し処理の状態ですぐれた冷間加工性を有し、かつ、４００〜４５０℃における焼戻し処理により硬さが５５ＨＲＣ以上になり、十分な耐摩耗性を示す高硬度鋼を提供することにある。より具体的にいえば、現在使用されている代表的な鋼種であるＳＵＳ４４０Ｃに乏しい冷間加工性を高めた鋼と、それを材料とする機械部品、とくに表面処理により耐摩耗性をさらに高めた部品を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する本発明の、冷間加工性、耐熱性および耐摩耗性にすぐれた高硬度鋼は、基本的な合金組成としては、重量％で、Ｃ：０．５〜０．７％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：２．５〜５．５％、Ｍｏ：０．２％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｎｂ：０．０２％以下、Ｏ：０．００３％以下およびＮ：０．０２％以下を含み、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる合金組成を有する。
【０００９】
本発明の高硬度鋼は、上記した基本的な合金成分に加えて、下記３種のグループに属する成分を、１種または２種以上、任意に含有することができる。
Ｉ）Ｗ：０．２％以下およびＶ：０．２％以下の１種または２種
ＩＩ）Ｃｕ：０．３％以下、Ｎｉ：０．３％以下およびＣｏ：０．２％以下の１種または２種以上
ＩＩＩ）Ｃａ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下およびＢ：０．０１％以下の１種または２種以上
【００１０】
本発明の高硬度鋼が成立した過程について説明すれば、つぎのとおりである。まず、上に述べたように硬さ、および耐摩耗性を確保するために、ＦｅおよびＣを主成分とする焼戻しマルテンサイトのマトリクスをベースとし、硬さの確保のためにＣ量の調整を行なったが、４００〜５００℃における焼戻し処理により５５ＨＲＣ以上の硬さが確保できるように、他の添加元素とのバランスをとる必要があった。このとき、前述のように、ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＫＤ１１、ＳＫＨ５１などにみられる方針で硬さのみを追求すると、焼鈍し処理後の冷間加工性を害する一次炭化物が多量に生成してしまう。そこで、Ｃ量を、一次炭化物が生成しないレベルに抑えることが必須であった。
【００１１】
冷間加工性の向上に関しては、非金属介在物の生成を招くＴｉ、Ａｌ、Ｎｂなどの量を抑制するとともに、ＯおよびＮの量を極力低減することが好ましい。一方で、焼戻し軟化抵抗および耐熱性を付与するために、炭化物形成元素である、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂなどの添加が効果的である。焼鈍し処理後の硬さを可能な限り低減させ、焼入れ処理に続く４００〜４５０℃の焼戻し処理後に５５ＨＲＣの硬さを確保するように、各成分の調整を行なった。その結果、ＴｉおよびＮｂを低目に抑えるだけでなく、Ｍｏ、ＶおよびＷの添加量も抑え、ＣとＣｒの量を調整することによって一次炭化物の生成を抑制し、焼鈍し処理後の硬さを可能な限り低減させ、かつ、４００〜４５０℃における焼戻し処理後に、５５ＨＲＣを確保することに成功したわけである。
【００１２】
【発明の実施形態】
以下、本発明の合金成分の作用と、組成範囲の限定理由を、まず必須合金成分から説明する。
【００１３】
Ｃ：０．５〜０．７％
Ｃは、マルテンサイト組織自身の硬さを得るために最も重要な元素の一つであって、後述するように、焼戻し処理時にＣｒと結合して、焼戻し軟化抵抗および耐熱性を向上させる。Ｃはまた、微量に添加するＭｏ、Ｗ、Ｖ、ＴｉおよびＮｂとも、焼戻し処理時に結合して炭化物を形成し、それが焼戻し軟化抵抗および耐熱性の向上を増進する。４００〜４５０℃の焼戻し処理後に５５ＨＲＣを確保するためにも、Ｃは必須である。これらの効果を確保するには、０．５％以上のＣの存在を要する。ただし、過大な量のＣが存在すると、粗大な一次炭化物を生成させて、冷間加工性を著しく損なうとともに靭性を低下させるから、０．７％を上限とした。
【００１４】
Ｓｉ：１．０％以下
本発明の鋼においては、ＯおよびＮの量の抑制がカギであるが、Ｏ量を抑制する脱酸元素として、Ｓｉは、ＴｉやＡｌと並んで有効である。多量の添加は、鍛造時に有害であるばかりでなく、靭延性を低下させる。そこで、上限値１．０％を設けた。
【００１５】
Ｍｎ：０．５％以下
Ｍｎは、脱酸および脱硫剤として役立ち、Ｓｉ同様に重要な元素である。過大な添加は靭延性の低下を招くから、０．５％以内の添加量を選ぶ。
【００１６】
Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下
これらの不純物は、Ｐが粒界強度および靭延性を低下させる点で、またＳが靭延性および熱間加工性を低下させる点で、有害である。従って、ともに０．０３％という許容限度以内の存在に止める。必要以上に低減しようとすると、コストの上昇を招き、賢明でない。
【００１７】
Ｃｒ：２．５〜５．５％
前述のように、ＣｒはＣと結合して炭化物を形成し、焼戻し軟化抵抗および耐熱性を向上させる作用があり、重要な成分である。４００〜４５０℃における焼戻し処理後に５５ＨＲＣの硬さを確保する上でも、Ｃｒは必須である。この効果は２．５％以上の添加で得られるが、多量に加えても、鍛造時に有害となるばかりか、靭延性を低下させるから、５．５％を添加の限度とする。
【００１８】
Ｍｏ：０．２％以下
ＭｏもＣｒと同様に、焼戻し時にＣと結合して炭化物を形成し、焼戻し軟化抵抗を向上させる。Ｍｏの炭化物形成能はＣｒのそれより大きいから、多量に過ぎると、粗大な一次炭化物を生成したり、焼鈍し処理時の硬さ低減にとって不利益を与えたりする。過大なＭｏは冷間加工性を著しく低下させるばかりでなく、鍛造時に有害であり、靭延性を低下させ、脆化を招くこともあるので、０．２％以内の添加量を選択する。
【００１９】
Ａｌ：０．０５％以下
前述した、この鋼にとって重要なカギとなるＯおよびＮの量の抑制にとって、Ａｌは、ＳｉおよびＭｎと同様に、脱酸元素として非常に有効である。しかし、Ａｌ量が過大であると、多量のＡｌ酸化物が鋼中に残存して冷間加工性を低下させる結果となるから、０．０５％以下の添加に止める。
【００２０】
Ｔｉ：０．００３％以下
Ｔｉもまた、ＯおよびＮの量の抑制に関し、Ｓｉ、ＭｎおよびＡｌと同様に、脱酸元素として有効である。しかし、過大な添加は鋼中に多量のＴｉ酸化物を残存させ、冷間加工性が低下するという問題を引き起こす。後述するＮｂやＶと同様に、Ｔｉは、ＣまたはＮと結合して炭窒化物を形成し、冷間加工性を低下させるという問題もあるので、０．００３％以内の少量の添加を選ぶ。
【００２１】
Ｎｂ：０．０２％以下
Ｎｂは、Ｔｉと同様に、ＣまたはＮと結合して炭窒化物を形成し、焼戻し軟化抵抗および耐熱性を向上させる。過大な添加の弊害はＴｉと同様であって、炭窒化物の鋼中への残存により冷間加工性が低下するので、それを避けた添加量を、０．０２％の限度内で決定する。
【００２２】
Ｏ：０．００３％以下
再三述べたように、Ｏは本発明にとって重要な成分の一つである。ＯはＳｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ａｌと結合し、その結果、多量の酸化物が鋼中に残存して冷間加工性を低下させる原因になるから、０．００３％以下の含有量となるようにする。必要以上に低減することは、コストが上昇するので、得策でない。
【００２３】
Ｎ：０．０２％以下
Ｎもまた本発明の鋼にとって重要な成分である。ＮはＴｉ、ＮｂおよびＶと結合して多量の窒化物を形成し、それらが鋼中に残存すると、冷間加工性が低下する。そこで、Ｎ量を低減する必要がある。ただし、極度に低減することはコストの点から不利であり、０．０２％以下にすればよい。
【００２４】
つぎに、本発明の鋼に任意に添加することができる元素の作用と、組成範囲の限定理由を述べる。
【００２５】
Ｗ：０．２％以下およびＶ：０．２％以下の１種または２種
ＷはＣｒやＭｏと同様に、焼戻し時にＣと結合して炭化物を形成し、焼戻し軟化抵抗を向上させる。Ｖの作用も、炭窒化物の形成による、焼戻し軟化抵抗の向上にある。耐熱性の改善にとっても有意義である。Ｗの炭化物形成能は、Ｍｏと同様にＣｒのそれよりも大きいから、粗大な一次炭化物が生成する傾向がある。そうすると、焼鈍し処理時の硬さ低減という目的にとって障害になり、冷間加工性を著しく低下させるばかりでなく、鍛造時に有害であり、靭延性を低下させ、脆化を招く。Ｖの炭窒化物も、多量に過ぎると鋼中に残存して冷間加工性を低下させることは、Ｗの炭窒化物と同様である。こうした制約から、それぞれ０．２％以下の添加量が適切である。
【００２６】
Ｃｕ：０．３％以下、Ｎｉ：０．３％以下およびＣｏ：０．２％以下の１種または２種以上
Ｃｕは靭性の向上に寄与する。Ｎｉは焼入れ性を増大させ、靭延性の向上に役立つ。Ｃｏは、靭延性の向上にとって有用である。添加量が過大になると、Ｃｕは冷間加工性および熱間加工性を低下させ、ＮｉおよびＣｏは、ともに冷間加工性を低下させ、しかもコストを高める。
【００２７】
Ｃａ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下およびＢ：０．０１％以下の１種または２種以上
これらの成分は、熱間加工性を向上させるのに有用である。Ｃａは、被削性を向上させる作用もある。しかし、多量に添加すると、かえって熱間加工性が低下する。それぞれ上記した限度内の添加を行なうのがよい。
【００２８】
本発明の高硬度鋼は、球状化焼鈍ののち、冷間加工により、または一部機械加工により機械部品の形状に成形し、焼入れ−焼戻し処理または焼入れ−サブゼロ処理−焼戻し処理をして使用する。サブゼロ処理は、通常のドライアイスを用いた方法のほか、液体窒素を用いた方法によってもよい。機械部品の形状に成形したものに窒化処理を施して、さらに耐摩耗性を向上させることもできる。窒化処理は、イオン窒化処理、ガス軟窒化処理、塩浴窒化処理などさまざまな方法があり、任意の方法を選択することができるが、処理温度は４５０℃以下とすることが好ましい。
【００２９】
【実施例１】
高周波誘導炉を用いて、表１（実施例）および表２（比較例）に示す合金組成（重量％、残部Ｆｅ）の高硬度鋼を溶製し、鋳造した。インゴットを加熱して均質化したのち、熱間鍛造を行なって直径２２ｍｍの丸棒とした。この丸棒を８５０℃に４時間保持したのち、１５℃／時間の冷却速度で６００℃まで冷却し、その後空冷する球状化焼鈍しを施した。この焼鈍材から試験片を採取し、硬さと圧縮試験による変形抵抗、限界割れ圧縮率を測定した。
【００３０】
つぎに、１０００℃で０．５時間保持してから油冷する焼入れ処理を行ない、続いて４４０℃で１時間保持してから空冷する焼戻し処理を行なった。この焼入れ−焼戻し材から試験片を採取し、硬さ試験、４４０℃で４８時間保持したのちの硬さ試験、および耐摩耗性を評価するためのピンオンディスク型摩耗試験を実施した。
【００３１】
試験方法は、それぞれつぎのとおりである。
［硬さ試験］ロックウェル硬さ測定
［圧縮試験］試験片は、直径１５ｍｍ×長さ２２．５ｍｍ
評価は、真歪みε＝１のときの変形抵抗。限界割れ圧縮率は、割れが観察されない最大の圧縮率
［摩耗試験］ピン型試験片は、直径８ｍｍ×長さ２０ｍｍ
ディスクはＳＵＳ４４０Ｃ、荷重１０ｋｇ、周速１．０ｍ／ｓ、試験距離１０，０００ｍ、潤滑は乾式。評価は、ピンの摩耗量により、現在使用されている材料の代表として選んだ比較例１（ＳＵＳ４４０Ｃ）を基準として対比した。
試験結果を、表３（実施例）および表４（比較例）に示す。
【００３２】
【実施例２】
実施例Ｎｏ．３、６および１２の鋼については、ピンオンディスク型試験片採取後に、表面処理として４４０℃で３０時間のガス窒化処理を追加し、その表面処理品に対して摩耗試験を行なった。比較例１（ＳＵＳ４４０Ｃ）の鋼については窒化処理を行なわず、摩耗試験を行なった。それらの結果を、表５に示す。
【００３３】
2005023375.tif 000002
【００３４】
2005023375.tif 000003
【００３５】
2005023375.tif 000004
【００３６】
2005023375.tif 000005
【００３７】
表５  耐摩耗性の試験結果
2005023375.tif 000006
【００３８】
【発明の効果】
本発明の高硬度鋼は、上記の実施データが示すように冷間加工性にすぐれているから、現在使用されている代表的な鋼種ＳＵＳ４４０Ｃよりも、はるかに容易に所望の部品形状を与えることができ、成形コストは低くて済む。その硬さは、４００〜４５０℃における焼戻し処理により５５ＨＲＣ以上を確保しており、所望の耐摩耗性が得られる。その上、この硬さは、長時間の焼戻しによってもほとんど低下しない。これは、耐熱性が要求される部品の材料として好適であることを示す。
【００３９】
本発明の高硬度鋼はまた、これも上記実施データにみるとおり、窒化処理を施すことにより、耐摩耗性をさらに高めることができる。このようにして、冷間加工性、耐熱性および耐摩耗性にすぐれた高硬度鋼が提供され、前掲のさまざまな用途に、好適に使用することができる。