(57)【要約】【課題】  １０００℃以上の高温においても結晶粒の粗大化を抑制することができ、浸炭などの表面効果処理を施すことのできる高温浸炭用鋼を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｐ：０．０３％未満、Ｓ：０．０２％未満、Ｔｉ：０．０３〜０．２５％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．００８％未満を含有し、かつ、０．０３％≦Ｔｉ−２．４９Ｓ−４．４２Ｎ≦０．１７％を満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる高温浸炭用鋼【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：０．０５〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｐ：０．０３％未満、Ｓ：０．０２％未満、Ｔｉ：０．０３〜０．２５％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．００８％未満を含有し、かつ、０．０３％≦Ｔｉ−２．４９Ｓ−４．４２Ｎ≦０．１７％を満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする高温浸炭用鋼。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｐ：０．０３％未満、Ｓ：０．０２％未満、Ｔｉ：０．０３〜０．２５％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．００８％未満を含有し、かつ、０．０３≦Ｔｉ−２．４９Ｓ−４．４２Ｎ≦０．１７を満足し、さらにＣｒ：０．２０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１０〜３．５０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％の４種から１種または２種以上を選択的に含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする高温浸炭用鋼。
【請求項３】
質量％で、Ｚｒ：０．０１〜０．１５％をさらに含有することを特徴とする請求項１または２に記載の高温浸炭用用鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は１０００℃以上の高温において浸炭などの表面硬化処理を施す場合、オーステナイト結晶粒の粗大化を抑制できる機械構造用鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、機械構造用鋼において、浸炭処理時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制するピンニング粒子として、ＡｌＮなどの析出物を利用することは公知である。さらに、９５０℃以上の高温においては、ＡｌＮ以外に、Ｎｂ炭化物、Ｔｉ炭化物、硫化物あるいは窒化物などをピンニング粒子として利用することも特許出願されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００３】
従来の機械構造用鋼の浸炭処理は９３０〜９５０℃の温度で数時間〜十数時間の長時間を要していたが、浸炭処理の効率化のため、１０００℃以上の高温とすることにより従来の１／２〜１／３以下の短時間で処理することが望まれてきた。この１０００℃以上の高温浸炭に対応するためには、１０００℃以上の高温に耐えうる炉と１０００℃以上の高温でも結晶粒粗大化を抑制できる鋼材が必要であった。近年になって、１０００℃以上の高温浸炭に対応可能な炉が開発されたため、急速に１０００℃以上の高温でも結晶粒粗大化を抑制できる鋼材のニーズが高まってきた。
【０００４】
しかし、１０００℃以上の高温においては、Ｎｂ炭化物、Ｔｉ硫化物あるいはＴｉ窒化物などでは、結晶粒の粗大化を防止することは困難である。一方、Ｎｂ炭化物は１０００℃以上の高温になると、マトリックスへの固溶量が増加するため、十分なピンニング効果が得られない問題がある。さらにＴｉ硫化物やＴｉ窒化物は１０００℃以上の高温においてもマトリックスに固溶することなく存在するが、大きさが数μｍ〜十数μｍであり、かつ後述の数十ｎｍオーダーのＴｉ炭化物と比べて単位面積当たりの個数が少ないために、十分なピンニング効果が得られない問題がある。さらにＴｉ硫化物は鋼中に偏在することとなるので、機械的強度を劣化させる場合がある。一方、Ｔｉ窒化物は被削性を劣化させる場合がある。
【０００５】
【特許文献１】特開平０８−１９９３０３号公報
【特許文献２】特公平０３−６０８９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、１０００℃以上の高温においても結晶粒の粗大化を抑制することができ、浸炭などの表面硬化処理を施すことのできる高温浸炭用鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の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：０．０５〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｐ：０．０３％未満、Ｓ：０．０２％未満、Ｔｉ：０．０３〜０．２５％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．００８％未満を含有し、かつ、０．０３≦Ｔｉ−２．４９Ｓ−４．４２Ｎ≦０．１７を満足し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする高温浸炭用鋼である。
【０００８】
請求項２の発明では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｐ：０．０３％未満、Ｓ：０．０２％未満、Ｔｉ：０．０３〜０．２５％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．００８％未満を含有し、かつ、０．０３≦Ｔｉ−２．４９Ｓ−４．４２Ｎ≦０．１７を満足し、さらにＣｒ：０．２０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１０〜３．５０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％の４種から１種または２種以上を選択的に含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする高温浸炭用鋼である。
【０００９】
請求項３の発明では、質量％で、Ｚｒ：０．０１〜０．１５％をさらに含有することを特徴とする請求項１または２の手段の高温浸炭用用鋼である。
【００１０】
本発明の高温浸炭用鋼の成分の限定理由を先ず請求項１の発明について説明する。なお、％は質量％を示す。
【００１１】
Ｃ：０．１０〜０．３０％
Ｃは焼入性および強度を確保する元素であるが、０．１０％未満であると部品内部の強度を十分に確保をすることが出来ず、０．３０％より多いと靭性および加工性が低下する。そこでＣ：０．１０〜０．３０％とする。
【００１２】
Ｓｉ：０．０５〜１．００％
Ｓｉは脱酸剤として必要な元素であり、さらに焼入性を確保するための元素である。０．０５％未満ではその効果は十分でなく、１．００％を超えると加工性を低下する。そこでＳｉは０．０５〜１．００％とする。
【００１３】
Ｍｎ：０．０５〜１．００％
Ｍｎは脱酸剤として添加される元素であり、さらに焼入性の確保に必要であるが、０．０５％未満ではその効果は十分でなく、１．００％を超えて添加されると加工性が低下する。そこでＭｎは０．０５〜１．００％とする。
【００１４】
Ｐ：＜０．０３％
Ｐは不純物として含有されるが、粒界偏析による粒界強度を低下するので０．０３％未満とする。
【００１５】
Ｓ：＜０．０２％
Ｓは硫化物などの不純物として含有されるが、Ｔｉ硫化物は数μｍ〜十数μｍの大きさで生成してピンニング効果が低い。ピンニング効果の高いＴｉ炭化物を有効に析出させるため、さらにＳは鋼中に偏在し機械的強度を劣化させる場合があるので、Ｓは０．０２％未満とする。
【００１６】
Ｎ：＜０．００８％
Ｎは窒化物などの不純物として含有されるが、Ｔｉ窒化物は数μｍ〜十数μｍの大きさで生成してピンニング効果が低い。ピンニング効果の高いＴｉ炭化物を有効に析出させるため、さらに被削性を劣化させる場合があるので、Ｎは０．００８％未満とする。
【００１７】
Ｔｉ：０．０３〜０．２５％
Ｔｉは、オーステナイト結晶粒の粗大化を防止するＴｉ炭化物を生成するために必要な元素である。このＴｉ炭化物を生成するために有効なＴｉ量を示す下記の式（１）を満足させるため、Ｔｉは０．０３〜０．２５％とする。
【００１８】
０．０３％≦Ｔｉ−２．４９Ｓ−４．４２Ｎ≦０．１７％    （１）
式（１）はＴｉ炭化物を生成するに有効なＴｉ量を表し、式（１）の値が０．０３％未満ではオーステナイト結晶粒の粗大化を防止するＴｉ炭化物の生成が十分でなく、式（１）の値が０．１７％を超えると結晶粒粗大化の防止効果が飽和し、加工性および靭性が劣化する。そこで式（１）の値を０．０３％以上で０．１７％以下とする。
【００１９】
Ａｌ：０．００５〜０．０５０％
Ａｌは脱酸材として必要な元素で、０．００５％未満ではその効果は十分でなく、０．０５０％を超えると加工性を低下する。そこでＡｌは０．００５〜０．０５０％とする。
【００２０】
さらに請求項２の発明では、焼入性の向上、または、疲労強度、衝撃強度などの機械的強度の向上のために必要に応じて、上記の請求項１記載の成分に加えて下記の成分の元素を少なくとも１種または２種以上を添加する。その添加する成分の限定理由を以下に説明する。
【００２１】
Ｃｒ：０．２０〜２．５０％
Ｃｒは焼入性の向上に必要な元素であるが、０．２０％未満ではその効果は十分でなく、２．５０％を超えるとその効果は飽和し、コストアップとなる。そこでＣｒは０．２０〜２．５０％とする。
【００２２】
Ｍｏ：０．０５〜１．００％
Ｍｏは焼入性の向上および靭性の向上に必要な元素であるが、０．０５％未満ではその効果は十分でなく、１．００％を超えるとその効果は飽和し、コストアップとなり、加工性を低下する。そこでＭｏは０．０５〜１．００％とする。
【００２３】
Ｎｉ：０．１０〜３．５０％
Ｎｉは焼入性の向上、靭性の向上および疲労強度の向上に必要な元素であるが、０．１０％未満ではその効果は十分でなく、３．５０％を超えるとその効果は飽和し、コストアップとなり、加工性を低下する。そこでＮｉは０．１０〜３．５０％とする。
【００２４】
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｂは焼入性の向上、粒界強化による靭性の向上に必要な元素であるが、０．０００５％未満ではその効果は十分でなく、０．００５０％を超えるとその効果は飽和し、靱性を低下する。そこでＢは０．０００５〜０．００５０％とする。
【００２５】
さらに請求項３の発明では、Ｔｉ窒化物の生成を抑制するため必要に応じて、ＴｉよりＮと結合しやすいＺｒを、上記の請求項１または２に記載の成分に加えてＺｒを添加する。その添加する成分の限定理由を以下に説明する。
【００２６】
Ｚｒ：０．０１〜０．１５％
Ｚｒは優先してＮと結合して窒化物生成してＴｉ窒化物の生成を抑制するために必要な元素である。０．０１％未満ではその効果は十分でなく、０．１５％を超えると加工性を低下する。そこでＺｒは０．０１〜０．１５％とする。
【００２７】
本発明の作用をさらに説明する。上記で説明した本発明の手段における高温浸炭用鋼は、１０００℃以上の高温においても、数十ｎｍオーダーで微細に析出するＴｉ炭化物を有効に利用することによって、結晶粒の粗大化を防止するものである。
【００２８】
Ｔｉ系析出物の生成順位は、１番目がＴｉ硫化物、２番目がＴｉ窒化物、３番目がＴｉ炭化物である。そこでピンニング効果の大きいＴｉ炭化物を有効に析出させるためには、ＳおよびＮの低減が必要である。さらにＴｉ硫化物は機械的強度を劣化させる場合があるため、またＴｉ窒化物は被削性を劣化させる場合があるため、ＳおよびＮを低減する必要がある。
【００２９】
本発明では、式（１）のＴｉ−２．４９Ｓ−４．４２Ｎの値が０．０３〜０．０．１７％を満足するようにＴｉ、Ｓ、Ｎ量を調整することによって、ピンニング効果の高い数十ｎｍオーダーのＴｉ炭化物を十分に析出させ１０００℃以上の高温においても結晶粒の粗大化を防止することができる。
【００３０】
またＳ量を０．０２％未満、Ｎ量を０．００８％未満に抑えて、Ｔｉ硫化物およびＴｉ窒化物の生成を抑制することによって、添加したＴｉをより多くのＴｉ炭化物として析出させることができ、機械的強度および被削性の劣化を防止する。
【００３１】
さらに、請求項３の手段では、上記したとおりＴｉ窒化物の生成を抑制するため、Ｚｒを０．０１〜０．１５％添加する。
【００３２】
なお、本発明の請求項に含まれていないが、炭化物や窒化物などのピンニング粒子を生成するＮｂやＶを含有することもできる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明はピンニング効果の高いＴｉ炭化物を有効に析出させるため鋼成分中のＴｉ、Ｓ、Ｎを適正量添加し、Ｔｉ硫化物の生成を抑制するためＳ量の上限を限定し、Ｔｉ窒化物の生成を抑制するためＮ量の上限を限定し、または他の窒化物生成元素を添加することで、１０００℃以上の高温浸炭においてオーステナイト結晶粒の結晶粒度番号８以上の整細粒として表面硬化処理を施すことができるなど、本発明は優れた効果を奏する高温浸炭用の機械構造用鋼である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明を実施するための最良の形態を表１の実施例を通じて以下に説明する。
【実施例】
【００３５】
表１に示す化学組成を有する鋼の実施例および比較例の各鋼を１００ｋｇ真空溶解炉にて溶製して鋼塊とし、この鋼塊から得た鋼材を１２５０℃に加熱してφ３０ｍｍの棒鋼に鍛伸した後、焼ならしを行い、各供試材を得た。なお、表１に示す本発明の実施例におけるＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏのうち網かけのものは不可避不純物として含有されているものであり、Ｎｏ．１からＮｏ．３は本発明の請求項２の範囲外であり請求項１に相当する例である。
【００３６】
【表１】
2005105380.tif 000002
【００３７】
次いで、上記の各供試材のオーステナイト結晶粒度を観察するため、９５０℃、１０００℃、１０５０℃の５０℃毎に異なる３段階の温度に加熱し、それぞれ６時間保持した後、水冷した。その後、試料の切断面を鏡面研磨し、飽和ピクリン酸と界面活性剤で腐食してオーステナイト結晶粒度を観察した。さらに被削性を調査するため、供試材を超硬工具のバイトを使用して表３に示す旋削条件で旋削し、超硬工具の摩耗量を測定し、表２に被削性として示した。また、さらに機械的性質を調査するため、供試材を１０ＲＣノッチのシャルピー衝撃試験片に加工し、９３０℃の温度で浸炭・焼入れ・焼戻し処理を施した後、衝撃試験を行った。その結果を表２に衝撃特性として示す。
【００３８】
【表２】
2005105380.tif 000003
【００３９】
なお、表２における被削性を評価するための旋削の各条件を表３に示す。
【００４０】
【表３】
2005105380.tif 000004
【００４１】
発明鋼１〜１２は、表１に示すとおりＴｉ量を０．０３％〜０．２５％を含有し、かつ、０．０３％≦Ｔｉ−２．４９Ｓ−４．４２Ｎ≦０．１７％を満足しており、表２に示すとおり１０５０℃の高温においてもオーステナイト結晶粒は結晶粒度Ｎｏ．８番以上の整細粒を保っている。
【００４２】
発明鋼１〜３は、請求項１に係る発明のものであり、表１におけるＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏは不可避不純物として含有されるものである。この発明鋼１〜３に比較して、発明鋼４〜８は請求項２に係る発明のものであり、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｂのうち１種類または２種以上を含有しているので、衝撃特性が向上している。
【００４３】
発明鋼９〜１２は請求項３に係る発明のものであり、Ｚｒを添加してＴｉＮの生成量を減少させているもので、発明鋼１〜８と比較して、被削性が向上している。
【００４４】
比較鋼１、２はＡｌＮあるいはＮｂの炭化物および炭窒化物などの従来のピンニング粒子を利用した鋼の例を示すものである。
【００４５】
比較鋼３〜１２の成分は発明鋼５をベースに、Ｔｉ、Ｓ、Ｎ量を変化させたものである。比較鋼３はＴｉ、Ｓ、Ｎ量は本発明の請求項を満足するが、式１の下限値を下回り、比較鋼４はＴｉ量および式１の下限値を下回る。比較鋼５、６はＴｉ量は本発明の請求項を満足するが、Ｓ量またはＮ量が多いため、式（１）の下限値の０．０３％を下回るものである。比較鋼７、８はＮ量が０．００８％を超え、比較鋼９、１０はＳ量が０．０２０％を超え、比較鋼１１はＳ量が０．０２０％を超え、かつＮ量が０．００８％を超えるものである。比較鋼１２はＴｉ、Ｓ、Ｎ量は本発明の請求項を満足するが、式（１）の上限値の０．１７％を超えるものである。
【００４６】
表２に見られるように、比較鋼１〜６は１０００℃以上の温度において混粒が発生している。比較鋼７〜１１はＴｉ量と式（１）の限定範囲を満足しているので１０５０℃の高温においても混粒は発生していないが、比較鋼５、９〜１１はＳ量が０．０２０％を超えるため、衝撃特性が若干低下し、比較鋼６〜８、１１はＮ量が０．００８０％を超えているため被削性が低下している。比較鋼１２は１０５０℃の高温においても混粒は発生していないが、Ｔｉ炭化物が多すぎるので若干衝撃特性が低下している。