(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４５％、Ｓｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．０１％以下を含有し、さらにＣｒ：０．９０〜２．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を、鋼塊またはブルームから、鋼片への圧延工程、その後の棒鋼線材への圧延工程および製品への鍛造工程を含めた一連の加工工程の熱履歴において、一度は１２５０℃以上に加熱し常温まで冷却した後、８００℃から１１００℃の温度域に再加熱し、上記の圧延および鍛造からなる熱間加工により、分散析出するＴｉ化合物を１平方μｍ当り１００００個以下とするとともに、その後の浸炭時に分散析出するＴｉ化合物を１平方μｍ当り５０個以上とすることを特徴とするＴｉを含有する浸炭用鋼製品の製造方法。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４５％、Ｓｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．０１％以下を含有し、さらにＣｒ：０．９０〜２．０％、Ｍｏ：０．１５〜１．５％、および、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鋼を、鋼塊またはブルームから、鋼片への圧延工程、その後の棒鋼線材への圧延工程および製品への鍛造工程を含めた一連の加工工程の熱履歴において、一度は１２５０℃以上に加熱し常温まで冷却した後、８００℃から１１００℃の温度域に再加熱し、上記の圧延および鍛造からなる熱間加工により、分散析出するＴｉ化合物を１平方μｍ当り１００００個以下とするとともに、その後の浸炭時に分散析出するＴｉ化合物を１平方μｍ当り５０個以上とすることを特徴とするＴｉを含有する浸炭用鋼製品の製造方法。
【請求項３】
最終の熱間加工後の製品の冷却過程において、８００℃から５００℃までの平均冷却速度を５℃／ｓｅｃ以下とすることにより、熱間加工後の硬さを１００ＨＲＢ以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載のＴｉを含有する浸炭用鋼製品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶粒度特性と被削性に優れた浸炭用鋼製品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
浸炭用鋼は一般に熱間加工や冷間加工、切削加工等により所定の製品形状となった後、９００℃以上の浸炭焼入れ焼戻し処理が行なわれる。しかし、前組織や浸炭条件等の組み合わせにより、浸炭時に結晶粒の粗大化が発生することが多い。それを防ぐために、ＡｌＮやＮｂＣＮといった析出物をピン止め粒子として活用するために、鋼材にＡｌ、Ｎｂ、Ｎなどの成分調整がなされることがある。Ｔｉ添加浸炭用鋼も結晶粒粗大化防止を目的にＴｉを添加した鋼材である。ところで、このようなＴｉ添加浸炭用鋼は、熱間加工後の冷却時に微細なＴｉ化合物が多量に析出して硬さが高くなり、その後の切削加工が困難となる。しかし、熱間加工時の熱履歴の影響について、結晶粒度特性に着目したものはあるが、切削性に着目したものは少ない。一例として特開２０００−８０４４６に開示のものがあるが、これは熱間加工後の冷却時に微細なＴｉ化合物が多量に析出して硬さが高くなり、その後の切削加工が困難となるので、切削加工の前に焼なまし工程を行うものである。熱間加工ままで切削性に優れた技術は未だ知られていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のとおり、浸炭時の結晶粒度特性に優れた浸炭用鋼としてＴｉ添加鋼が開発されているが、製造時の熱履歴によっては微細なＴｉ化合物が多量に析出し、硬さが高くなり、切削性が低下することがある。本発明が解決しようとする課題は、鋼材の化学成分と製造時の熱履歴を規定することにより、焼なましなどの追加の熱処理工程なしで、結晶粒度特性に優れているだけでなく、切削性にも優れた鋼の製造方法を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
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、基本成分として、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４５％、Ｓｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．０１％以下を含有する。この基本成分に加え、さらにＣｒ：０．９０〜２．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼である。この成分からなる鋼の鋼塊またはブルームから、鋼片への圧延工程、その後の棒鋼線材への圧延工程および製品への鍛造工程を含めた一連の加工工程の熱履歴において、一度は１２５０℃以上に加熱し常温まで冷却した後、８００℃から１１００℃の温度域に再加熱し、上記の圧延および鍛造からなる熱間加工により、分散析出するＴｉ化合物を１平方μｍ当り１００００個以下とするとともに、その後の浸炭時に分散析出するＴｉ化合物を１平方μｍ当り５０個以上とすることを特徴とするＴｉを含有する浸炭用鋼製品の製造方法である。
【０００５】
請求項２の発明では、基本成分として、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４５％、Ｓｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．０１％以下を含有する。この基本成分に加え、さらにＣｒ：０．９０〜２．０％、Ｍｏ：０．１５〜１．５％、および、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鋼である。この成分からなる鋼の鋼塊またはブルームから、鋼片への圧延工程、その後の棒鋼線材への圧延工程および製品への鍛造工程を含めた一連の加工工程の熱履歴において、一度は１２５０℃以上に加熱し常温まで冷却した後、８００℃から１１００℃の温度域に再加熱し、上記の圧延および鍛造からなる熱間加工により、分散析出するＴｉ化合物を１平方μｍ当り１００００個以下とするとともに、その後の浸炭時に分散析出するＴｉ化合物を１平方μｍ当り５０個以上とすることを特徴とするＴｉを含有する浸炭用鋼製品の製造方法である。
【０００６】
請求項３の発明では、最終の熱間加工後の製品の冷却過程において、８００℃から５００℃までの平均冷却速度を５℃／ｓｅｃ以下とすることにより、熱間加工後の硬さを１００ＨＲＢ以下とすることを特徴とする請求項１または２の手段におけるＴｉを含有する浸炭用鋼製品の製造方法である。
【０００７】
以上の本発明の手段における各鋼成分の上下限の限定理由および各条件の限定理由を説明する。
【０００８】
請求項１および２の手段は、基本成分が質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４５％、Ｓｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２％、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．０１％以下を含有する鋼からなるもので、この鋼を加工の熱履歴において、一度１２５０℃以上に加熱することにより、Ｔｉ炭化物、Ｔｉ炭窒化物などのＴｉ化合物を完全に固溶させる。１２５０℃以下ではＴｉ化合物が完全に固溶せず、鋳造時に１μｍ以上の粗大な大きさに析出したＴｉ化合物が残留して有効Ｔｉ量が不足するため、浸炭時のＴｉＣ化合物が１平方μｍ当り５０個以下となり結晶粒度特性を損なう。１２５０℃以上の温度域に加熱し常温まで冷却した後、１１００℃から１２５０℃の温度域に加熱・保持・加工（圧延および／または鍛造）し、その後、再び１２５０℃以上に加熱することがない場合には、１００ｎｍ以上の粗大なＴｉ化合物が析出・残留し、有効Ｔｉ量が不足する。そのため、浸炭時のＴｉＣ化合物が１平方μｍ当り５０個以下となって結晶粒度特性を損なう。さらに、この１１００℃から１２５０℃の温度域に加熱されることによってＴｉＣの固溶が始まり、冷却後整合析出して硬さ上昇に寄与する１０ｎｍ以下の微細なＴｉ化合物が多量に析出し、熱間加工後のＴｉ化合物の数が１平方μｍ当り１００００個以上となる。このため、硬さが高くなり切削性を損なう。
【０００９】
１２５０℃以上の温度域に加熱し常温まで冷却した後、８００℃以上の温度域に再加熱されない場合には、整合析出し硬さ上昇に寄与する１０ｎｍ以下の微細なＴｉ化合物が多量に析出し、Ｔｉ化合物の数が１平方μｍ当り１００００個以上となるため、硬さが高くなり切削性を損なう。
【００１０】
Ｃ：０．１０〜０．４５％
Ｃは、機械構造用部品として浸炭処理後の芯部強度を確保するために必要な元素であり、０．１０％未満ではその効果が十分に得られず、反対に０．４５％を超えると芯部の靱性を低下させる。そのため、含有量を０．１０〜０．４５％とした。
【００１１】
Ｓｉ：０．０３〜１．０％
Ｓｉは、０．０３％未満では脱酸効果が十分に得られず、過剰に含有させると加工性を低下させると共に浸炭時の粒界酸化層の形成を助長し疲労特性についても低下させる。そのため、上限を１．０％とし、含有量を０．０３〜１．０％とした。
【００１２】
Ｍｎ：０．２〜２．０％
Ｍｎは、焼入性を確保するために必要な元素で０．２％未満ではその効果は十分に得られず、２．０％を超えると鋼中で偏析し加工性を低下させる。そのため、含有量は０．２〜２．０％とする。
【００１３】
Ｔｉ：０．０５〜０．２％
Ｔｉは、Ｔｉ炭化物、Ｔｉを含有する複合炭窒化物、Ｔｉ窒化物を微細に析出させることによって浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制するために必要な元素であり、０．０５％未満ではその効果は十分でなく、０．２％を超えると析出物の量が過剰となり加工性を低下させる。そのため、含有量を０．０５〜０．２％とする。
【００１４】
Ａｌ：０．００５〜０．０５％
Ａｌは脱酸剤として使用される元素であり、０．００５％未満ではその効果が十分でなく０．０５％を超えるとアルミナ系酸化物が増加し、疲労特性、加工性を低下させる。そのため、含有量を０．００５〜０．０５％とする。
【００１５】
Ｎ：０．０１％以下
Ｎは、０．０１％を超えて含有するとＴｉＮが増加し、疲労特性に悪影響を及ぼすとともに、結晶粒の粗大化を抑制するのに必要なＴｉ量を確保できなくなる。そのため、含有量を０．０１％以下とした。
【００１６】
請求項２の手段は、焼入性と強度および靱性の向上のために請求項１における鋼の成分に、Ｂを０．０００５〜０．００５０％を添加するものである。
【００１７】
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｂは、極微量の添加によって鋼の焼入性を著しく向上させる元素であり、かつ粒界に偏析し粒界破壊を抑制することにより強度および靱性を大幅に改善するが、０．０００５％未満ではその効果は十分でなく、０．００５０％を超えると熱間加工性を低下させる。そのため、含有量を０．０００５〜０．００５０％とする。
【００１８】
さらに焼入性と強度および靱性の向上のために、請求項１または２における鋼成分に、質量％でＣｒ：０．９０〜２．０％、Ｍｏ：０．１５〜１．５％を添加するものである。
【００１９】
Ｃｒ：０．９０〜２．０％、Ｍｏ：０．１５〜１．５％
ＣｒおよびＭｏは、焼入性の向上および靱性の向上に効果のある元素であるが、多すぎると効果は飽和する。そこで、Ｃｒ：０．９０〜２．０％、Ｍｏ：０．１５〜１．５％を材料の用途に応じて適宜使用してもよい。
【００２０】
請求項１および２の手段は、熱間加工（圧延および／または鍛造）の結果、分散析出するＴｉ化合物が１平方μｍ当り１００００個以上となると、析出強化の効果により硬さが高くなり、切削性を損なう。一方浸炭時に分散析出するＴｉ化合物が１平方μｍ当り５０個以下となると浸炭時に結晶粒の粗大化を抑制する析出物の数が不足し、結晶粒度特性を損なうので、分散析出するＴｉ化合物を１平方μｍ当り１００００個以下とするとともに、その後の浸炭時に分散析出するＴｉ化合物を１平方μｍ当り５０個以上とするものである。
【００２１】
請求項３の手段において、最終の熱間加工後、８００℃から５００℃までの平均冷却速度を５℃／ｓｅｃを超えると、ベイナイトや微細なパーライトが生成することにより、熱間加工後の硬さが１００ＨＲＢ超となり、切削性を損なう恐れがある。そこで８００℃から５００℃までの平均冷却速度を５℃／ｓｅｃ以下とすることにより、熱間加工後の硬さを１００ＨＲＢ以下とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
表１において、発明鋼とは、本発明の方法の構成要件としての鋼を指すものであり、発明鋼１はＳＣｒ系に、発明鋼２はＳＣＭ−Ｂ系にそれぞれＴｉを添加した鋼であり、発明鋼と対比して示される比較鋼３はＳＣｒ系の鋼であり、比較鋼４はＳＣｒ系に少量のＴｉを添加した鋼であり、比較鋼５はＳＣＭ系に多量のＮを添加した鋼である。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
表１に示す化学成分組成の発明鋼および比較鋼からなる供試鋼を真空溶解炉で溶製し、これらの供試鋼からなる鋼塊を鋼片に熱間圧延し常温まで冷却した後、棒鋼圧延として再加熱し、φ６５に熱間圧延して常温まで冷却した。その後、部品鍛造として、φ３０まで熱間鍛造を行った。この各熱間加工時の加熱温度を表２に示し、熱間加工後の冷却は空冷とした。Ｎｏ．４ではφ３０への熱間鍛造後ファン冷却を行った。その後、熱間加工後のＴｉ化合物の個数についてはφ３０への熱間鍛造品を供試材に透過型電子顕微鏡にてカウントした。浸炭時のＴｉ化合物の個数については、φ３０への熱間鍛造品を１０００℃×２時間の擬似浸炭を行い焼入れた後、透過型電子顕微鏡にてカウントした。浸炭粒度Ｎｏ．はφ３０への熱間鍛造品を１０００℃×２時間の擬似浸炭を行った後、飽和ピクリン酸にて旧オーステナイト結晶粒を観察し、浸炭粒度Ｎｏ．を算出した。硬さはφ３０への熱間鍛造品を硬さ測定した。切削性の評価としてドリル穿孔試験を行い、各条件にて行った場合のドリル穿孔時間を表２のＮｏ．８のＳＣｒ系（表１の比較鋼３）のドリル穿孔時間で割った数値をドリル穿孔性指数として示した。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
表２において、Ｎｏ．１とＮｏ．５は化学成分および熱間加工条件のいずれもが良好な条件であるため、結晶粒度特性および切削性の両方に優れている。これに対し、Ｎｏ．２、Ｎｏ．６では鋼片圧延時の加熱温度が低いため、浸炭時のＴｉ化合物の数が不足し、結晶粒度特性が劣る。Ｎｏ．３、Ｎｏ．７では部品鍛造時の加熱温度が高いため、熱間加工後に多量のＴｉ化合物が析出し硬さが高くなり切削性が劣る。Ｎｏ．４では部品鍛造後の冷却速度が速いためベイナイトが生成して硬さが高くなり切削性が劣る。Ｎｏ．８、Ｎｏ．９ではＴｉ添加量が少ないため、Ｔｉ化合物が不足し結晶粒度特性に劣る。Ｎｏ．１０ではＮの添加量が多いため固相中では固溶しないＴｉＮが多量に析出するため有効Ｔｉ量が不足し、浸炭時のＴｉ化合物の数が不足するため結晶粒度特性に劣る。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、特定の鋼成分とした浸炭用鋼を、鋼塊またはブルームから、鋼片への圧延工程、その後の棒鋼線材への圧延工程および製品への鍛造工程を含めた一連の加工工程の熱履歴において、一度は１２５０℃以上に加熱し常温まで冷却した後、部品鍛造時に８００℃から１１００℃の温度域に再加熱することにより、分散析出するＴｉ化合物を１平方μｍ当り１００００個以下とするとともに、その後の浸炭時に分散析出するＴｉ化合物を１平方μｍ当り５０個以上とすることで、粒度特性および切削性に優れた浸炭用鋼製品を得るものであり、さらに最終の熱間加工後の８００℃から５００℃までの平均冷却速度を５℃／ｓｅｃ以下とすることにより、熱間加工後の硬さを１００ＨＲＢ以下とすることができ、切削性を損なうことが防止されるなど優れた効果を奏するものである。