(57)【要約】【課題】  Ｖ添加によるフェライト相を析出強化した非調質鋼において、微細な多量ＭｎＳとＶ炭窒化物により粒界や粒内のフェライト生成量を増加させて組織を微細化するとともに、大型ＭｎＳを規制して異方性を緩和し、さらにＭｎＳによるＶ窒化物の固定による窒化処理時の表面硬化の抑制により耐矯正割れ性を高め、かつ組織微細化により矯正時の亀裂深さを抑制する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４５％、Ｓ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．０３０％、Ｎ：０．００８０〜０．０２００％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．０９〜０．２５％を含有し、原子％比で、Ｍｎ／Ｓ：０．６〜１．４、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、微細ＭｎＳを主成分とする硫化物径介在物を５０００個／ｍｍ2以上含有する窒化用高強度非調質鋼。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４５％、Ｓ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．０３０％、Ｎ：０．００８０〜０．０２００％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．０９〜０．２５％を含有し、かつ、原子％比で、Ｍｎ／Ｓ：０．６〜１．４とし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、鋼中に微細なＭｎＳを主成分とする硫化物径介在物が５０００個／ｍｍ2以上存在することを特徴とする窒化用高強度非調質鋼。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４５％、Ｓ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．０３０％、Ｎ：０．００８０〜０．０２００％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．０９〜０．２５％を含有し、さらにＮｉ：０．１〜２．５％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｔｉ：０．００１〜０．１５％、Ｎｂ：０．００１〜０．３０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％の５種の成分から選択的に１種または２種以上を含有し、かつ、原子％比で、Ｍｎ／Ｓ：０．６〜１．４とし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、鋼中に微細なＭｎＳを主成分とする硫化物径介在物が５０００個／ｍｍ2以上存在することを特徴とする窒化用高強度非調質鋼。
【請求項３】
質量％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４５％、Ｓ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．０３０％、Ｎ：０．００８０〜０．０２００％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．０９〜０．２５％を含有し、さらにＣａ：０．０００５〜０．０１０％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１０％、Ｐｂ：０．００５〜０．２０％、Ｂｉ：０．００５〜０．２０％の４種の成分から選択的に１種または２種以上を含有し、かつ、原子％比で、Ｍｎ／Ｓ：０．６〜１．４とし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、鋼中に微細なＭｎＳを主成分とする硫化物径介在物が５０００個／ｍｍ2以上存在することを特徴とする窒化用高強度非調質鋼。
【請求項４】
質量％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４５％、Ｓ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．０３０％、Ｎ：０．００８０〜０．０２００％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．０９〜０．２５％を含有し、さらにＮｉ：０．１〜２．５％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｔｉ：０．００１〜０．１５％、Ｎｂ：０．００１〜０．３０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％の５種の成分から選択的に１種または２種以上を含有し、さらにＣａ：０．０００５〜０．０１０％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１０％、Ｐｂ：０．００５〜０．２０％、Ｂｉ：０．００５〜０．２０％の４種の成分から選択的に１種または２種以上を含有し、かつ、原子％比で、Ｍｎ／Ｓ：０．６〜１．４とし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、鋼中に微細なＭｎＳを主成分とする硫化物径介在物が５０００個／ｍｍ2以上存在することを特徴とする窒化用高強度非調質鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車などの足回り部品であるシャフトなどの製造において、鍛造あるいは切削加工後に主に焼入れ、焼戻しなどの調質処理を必要とせずに、耐焼き付き性の向上あるいは部品強度を確保するために表面に窒化処理を施して使用する機械構造用非調質鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、主にクランクなどの自動車部品に用いられる機械構造用鋼は、コスト削減や省力化の観点から焼入れ、焼戻しなどの調質を必要としない、非調質鋼が検討されてきている。しかし、さらなる耐焼き付き性の改善や疲労強度の向上のため、これらの非調質鋼に窒化処理を施す場合がある。ところで、非調質鋼としてはＶ化合物の析出強化を利用した非調質鋼が良く知られているが、窒化処理時に表面に形成されるＶ化合物によって表面が著しく硬化するために曲げ矯正性が低下し、クランクシャフトなどの長尺部品では矯正が困難になるという問題を有している。そこで、例えば、析出強化元素であるＶの含有量を規制することによりこの問題に対処した窒化処理用非調質鋼が開発されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特許第３２１１６２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、Ｖ添加によるフェライト相の析出強化により調質を省略し、微細な多量ＭｎＳとＶ炭窒化物により粒界や粒内のフェライト生成量を増加させることにより組織を微細化するとともに、大型ＭｎＳを抑制することで異方性を緩和し、さらにはＭｎＳによりＶ窒化物を固定して窒化処理時の表面硬化を抑制して耐矯正割れ性を高め、かつ組織微細化により矯正時の亀裂深さを抑制した高強度非調質鋼を提供することである。
【０００５】
なお、本出願人の先願に係る特願２００２−１０４７３７の「被削性および転動疲労特性に優れた機械構造用鋼」に、Ｍｎ／Ｓ原子％比で０．６〜１．４程度に規制して微細にＭｎＳを晶析出させ、この微細に析出したＭｎＳを利用して被削性や転動疲労特性を向上させた鋼が提案されている。しかし、この先願の発明は、本出願の発明が多量に分布する微細ＭｎＳをＶ炭窒化物の析出サイトとして利用することで窒化処理用非調質鋼を達成するものであるので、本出願の発明と発明の技術思想が異なるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４５％、Ｓ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．０３０％、Ｎ：０．００８０〜０．０２００％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．０９〜０．２５％を含有し、かつ、原子％比で、Ｍｎ／Ｓ：０．６〜１．４とし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、鋼中に微細なＭｎＳを主成分とする硫化物径介在物が５０００個／ｍｍ2以上存在することを特徴とする窒化用高強度非調質鋼である。
【０００７】
請求項２の発明では、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４５％、Ｓ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．０３０％、Ｎ：０．００８０〜０．０２００％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．０９〜０．２５％を含有し、さらにＮｉ：０．１〜２．５％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｔｉ：０．００１〜０．１５％、Ｎｂ：０．００１〜０．３０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％の５種の成分から選択的に１種または２種以上を含有し、かつ、原子％比で、Ｍｎ／Ｓ：０．６〜１．４とし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、鋼中に微細なＭｎＳを主成分とする硫化物径介在物が５０００個／ｍｍ2以上存在することを特徴とする窒化用高強度非調質鋼である。
【０００８】
請求項３の発明では、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４５％、Ｓ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．０３０％、Ｎ：０．００８０〜０．０２００％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．０９〜０．２５％を含有し、さらにＣａ：０．０００５〜０．０１０％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１０％、Ｐｂ：０．００５〜０．２０％、Ｂｉ：０．００５〜０．２０％の４種の成分から選択的に１種または２種以上を含有し、かつ、原子％比で、Ｍｎ／Ｓ：０．６〜１．４とし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、鋼中に微細なＭｎＳを主成分とする硫化物径介在物が５０００個／ｍｍ2以上存在することを特徴とする窒化用高強度非調質鋼である。
【０００９】
請求項４の発明では、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．０５〜０．４５％、Ｓ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．００３〜０．０３０％、Ｎ：０．００８０〜０．０２００％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．０９〜０．２５％を含有し、さらにＮｉ：０．１〜２．５％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｔｉ：０．００１〜０．１５％、Ｎｂ：０．００１〜０．３０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％の５種の成分から選択的に１種または２種以上を含有し、さらにＣａ：０．０００５〜０．０１０％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１０％、Ｐｂ：０．００５〜０．２０％、Ｂｉ：０．００５〜０．２０％の４種の成分から選択的に１種または２種以上を含有し、かつ、原子％比で、Ｍｎ／Ｓ：０．６〜１．４とし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、鋼中に微細なＭｎＳを主成分とする硫化物径介在物が５０００個／ｍｍ2以上存在することを特徴とする窒化用高強度非調質鋼である。
【００１０】
本発明の成分などの限定理由を説明する。なお、％は質量％を示す。
【００１１】
Ｃ：０．３０〜０．５０％
Ｃは、強度確保を確保するために必要な元素で、０．３０％未満ではその効果は十分でなく、０．５０％を超えるとフェライト生成が抑制されるため、所望の組織微細化を達成することが十分にできない。そこでＣは０．３０〜０．５０％とする。
【００１２】
Ｓｉ：０．２０〜１．００％
Ｓｉは、脱酸剤として必要な元素で、０．２０％未満ではその効果は十分でなく、１．００％を超えると、ＳｉＯ2を生成して切削性損なうこととなる。そこでＳｉは、０．２０〜１．００％とする。
【００１３】
Ｍｎ：０．０５〜０．４５％
Ｍｎは、粒界脆化させるＦｅＳ抑制するために必要な元素で、０．０５％未満ではその効果は十分でなく、０．４５％を超えて含有すると切削性を低下する。そこでＭｎは０．０５〜０．４５％とする。
【００１４】
Ｓ：０．０５〜０．２０％、望ましくは０．０７〜０．１５％
Ｓは、ＭｎＳを形成してＶ炭窒化物の析出サイトとして利用するために必要な元素であり、原子％比でＭｎ／Ｓを０．６〜１．４に規制するために、０．０５％未満では不十分であり、０．２０％を超えると大型のＭｎＳの生成を抑制出来ず、衝撃異方性が劣化する。そこでＳは０．０５〜０．２０％、望ましくは０．０７〜０．１５％とする。
【００１５】
Ａｌ：０．００３〜０．０３０％
Ａｌは、脱酸剤として添加される元素で、０．００３％未満ではその効果は十分でなく、０．０３０％を超えても、その効果は飽和する。そこでＡｌ：０．００３〜０．０３０％とする。
【００１６】
Ｎ：０．００８０〜０．０２０％
Ｎは、ＶＮ析出量を確保するために必要な元素で、０．００８０％未満ではその効果は十分でなく、０．０２０％を超えるとＶＮ析出量が過剰となり、フェライト生成に必要なＶ炭窒化物量が確保できない。そこでＮは０．００８０〜０．０２０％とする。
【００１７】
Ｃｒ：０．１〜１．５％
Ｃｒは、基地の焼入れ性を確保するために必要な元素で、０．１％未満ではその効果は十分でなく、１．５％を超えると窒化処理時にＣｒ系窒化物を形成して表面硬化が顕著となり、矯正性を損なう。そこでＣｒは、０．１〜１．５％とする。
【００１８】
Ｖ：０．０９〜０．２５％
Ｖは、Ｖ化合物生成による粒界および粒内フェライト相の生成ならびにフェライト相の析出強化に寄与する元素で、０．０９％未満ではその効果は十分でなく、０．２５％を超えると、コストが上昇し、かつ、窒化時の表面硬さを増大させ矯正性が低下する。そこでＶは０．０９〜０．２５％とする。
【００１９】
Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｂ
Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｂは選択的に１種または２種以上含有することができる元素である。
【００２０】
Ｎｉ：０．１〜２．５％
Ｎｉは、焼入性および靭性確保に有効な元素で、０．１％未満ではその効果は十分でなく、２．５％を超えると切削性を劣化し、かつ、コスト上昇を招く。そこでＮｉは０．１〜２．５％とする。
【００２１】
Ｍｏ：０．０５〜１．０％
Ｍｏは、焼入性および靭性確保に有効な元素で、０．０５％未満ではその効果は十分でなく、１．０％を超えると切削性を劣化する。そこでＭｏは０．０５〜１．０％とする。
【００２２】
Ｔｉ：０．００１〜０．１５％
Ｔｉは、焼入性および靭性確保に有効な元素で、０．００１％未満ではその効果は十分でなく、０．１５％を超えるとコスト上昇を招くのみならず、熱間加工性および切削性を損なうＴｉＳを抑制することが出来なくなる。そこでＴｉ：０．００１〜０．１５％とする。
【００２３】
Ｎｂ：０．００１〜０．３０％
Ｎｂは、焼入性および靭性確保に有効な元素で、０．００１％未満ではその効果は十分でなく、０．３０％を超えるとコスト上昇を招くとともに、切削性を損なうＮｂＣを抑制することが出来ない。そこでＴｉ：０．００１〜０．３０％とする。
【００２４】
Ｂ：０．０００３〜０．００５％
Ｂは、焼入性確保と粒界強化に必要な元素で、０．０００３％未満ではその効果は十分でなく、０．００５％を超えても効果が飽和する。そこでＢは０．０００３〜０．００５％とする。
【００２５】
Ｃａ、Ｍｇ、Ｐｂ、Ｂｉは選択的に１種または２種以上含有することができる元素である。
【００２６】
Ｃａ、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１０％
Ｃａ、Ｍｇは、それぞれ旋削加工性を向上し工具を保護する効果を有するが、０．０００５％未満ではその効果は十分でなく、０．０１０％を超えるとコスト上昇を招き、かつ、効果が飽和する。そこでＣａ、Ｍｇはそれぞれ０．０００５〜０．０１０％とする。
【００２７】
Ｐｂ、Ｂｉ：０．００５〜０．２０％
Ｐｂ、Ｂｉは、それぞれ切削性向上する元素であるが、０．００５％未満ではその効果は十分でなく、０．２０％を超えると熱間加工性を劣化する。そこでＰｂ、Ｂｉはそれぞれ０．００５〜０．２０％とする。
【００２８】
Ｍｎ／Ｓ：原子％比で０．６〜１．４
原子％比で示すＭｎ／Ｓは、その値が０．６より小さいとＦｅＳ生成により熱間加工時の脆化が大きくなり、その値が１．４より大きいと大型ＭｎＳが生成するため機械的性質の劣化が生じる。そこで、Ｍｎ／Ｓは原子％比で０．６〜１．４とし、好ましくは０．８〜１．２とする。
【００２９】
ＳおよびＭｎ／Ｓを以上のように規定することにより、大型のＭｎＳの晶出を抑制し、１μｍ程度の非常に微細なＭｎＳが多数分散することとなる。鋼材を熱間鍛造もしくは焼きならし時の冷却過程において、この多量の微細ＭｎＳを核として析出するＶ炭窒化物が粒内フェライトおよび粒界フェライトを生成させることで、組織を微細化するとともに、Ｖ炭化物がフェライト相を析出強化することによって、熱処理を行うことなく所定の強度が得られる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明鋼は、Ｖ添加によるフェライト相の析出強化により調質が省略でき、また微細な多量ＭｎＳとＶ炭窒化物により粒界や粒内のフェライト生成量を増加させることによる組織微細化と大型ＭｎＳの規制による異方性緩和、さらにはＭｎＳによりＶ窒化物を固定して窒化処理時の表面硬化を抑制したことによる耐矯正割れ性の向上、かつ、組織微細化により矯正時の亀裂深さが抑制されるなど、窒化用高強度非調質鋼として優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明を実施するための最良の形態を実施例を通じて説明する。
【実施例】
【００３２】
表１に示す成分の鋼を１００ｋｇ真空誘導炉で溶解し、インゴットに鋳造した。なお、表１において、鋼種Ｎｏ．２のＮｉは不可避不純物として含有されている。
【００３３】
【表１】
2005113163.tif 000002
【００３４】
得られたインゴットを１２００℃に加熱して、（１）φ６５ｍｍの棒鋼材、（２）カク４５ｍｍ×６５ｍｍの角鋼材、（３）φ２０ｍｍの棒鋼材に圧鍛し、さらに１２００℃で１時間保持した後に空冷する焼きならし処理を行い、供試材を得た。
【００３５】
ア）上記で焼きならし処理したφ６５ｍｍの棒鋼材を旋削してφ６０ｍｍの棒材とし、切削性の指標として、この棒材を試験片として深穴穿孔試験および超硬工具旋削加工試験を実施した。これら試験の条件および試験結果の切削性の指標を表２、表３および表４に示す。
【００３６】
【表２】
2005113163.tif 000003
【００３７】
【表３】
2005113163.tif 000004
【００３８】
イ）上記で焼きならし処理したカク４５ｍｍ×６５ｍｍの角鋼材のそれぞれ圧鍛方向（以下、「Ｌ方向」という。）および幅方向（以下、「Ｔ方向」という。）からシャルピー衝撃性試験片（２ｍｍＵノッチ）を採取し、これらのシャルピー衝撃性試験片（２ｍｍＵノッチ）を用いて室温での衝撃値を測定し、強度評価指標としてＬ方向、Ｔ方向の衝撃値比を求めた。これらの結果を表４に示す。
【００３９】
【表４】
2005113163.tif 000005
【００４０】
ウ）上記で焼きならし処理したφ２０ｍｍの棒鋼材をφ２０ｍｍ×長さ７０ｍｍとし、これを切削してカク１０ｍｍ×長さ７０ｍｍの角鋼材とし、１０Ｒ−２ｍｍＣのノッチ仕上げをした後、次いでＮ2とＮＨ3を１対１としたガス雰囲気下で、窒化処理（５６０℃に５時間保持した後、油冷）を行い、３点曲げ試験片とした。この３点曲げ試験片を用いて、一定荷重を加えて行き７０００Ｎの時点で荷重を除去し、試験片の断面のミクロ観察を実施し、初期の亀裂長さを測定した。この亀裂長さを矯正性の指標として、表４に示す。
【００４１】
エ）上記で焼きならし処理したφ２０ｍｍの棒鋼材を用いてφ２０ｍｍ×長さ１００ｍｍとし、これをφ８ｍｍに旋削加工し、φ８×長さ１００ｍｍの熱間加工性試験片とした。この試験片を用いて、８００℃で引張加工した際の破断時の断面積を測定して熱間加工性の指標として絞り値（＝１００％−（破断面の断面積／初期断面積）×１００％）を求め、熱間加工性の指標とした。その結果を表４に示す。
【００４２】
比較鋼８〜１３は発明鋼に比べてＭｎ／Ｓ比が上限を超えており、フェライト面積率が低く異方性、深穴穿孔寿命に劣るとともに、大型のＭｎＳが存在するため、矯正性にも劣る。比較鋼９はＶ過剰のため窒化処理時の表面硬化が顕著となり特に矯正性に劣る。さらに比較鋼８、比較鋼１３はＣが本発明の上限より高いものであり、フェライト面積率が減少しており、被削性に劣る。比較鋼１２はＮｂ、Ｔｉが本発明の上限を外れており、被削性に特に劣る。また、比較鋼１０はＣが本発明の上限より低く、衝撃値に劣る。比較鋼１４はＰｂ、Ｓとも過剰に添加されており、深穴穿孔寿命に優れるが、Ｐｂが上限を超えているため熱間加工性に劣る。さらに比較鋼１４はＳおよびＭｎ／Ｓ比が本発明の上限を超えるとともにＶが本発明の下限より低いためフェライト面積率が減少して衝撃値異方性に劣り、またＳが本発明の上限より多いので大型ＭｎＳが増加して矯正性に劣る。