(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷間加工用の肌焼鋼を製造する方法であって、質量％で、Ｃ：０．１６〜０．２３％、Ｓｉ：０．１７〜２．００％、Ｍｎ：０．１９〜１．１４％、Ｃｒ：０．１０〜１．１１％、Ｎｉ：０．１１〜１．８７％、Ｍｏ：０．１１〜０．５５％、ｓ−Ａｌ：０．０１０〜０．０６０％およびＮ：０．００８〜０．０４０％を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなる合金を熱間加工し、その熱間加工を、８００℃〜１１００℃の範囲の温度において終了したのち、Ａｒ１＋２０℃からＡｒｌ−８０℃の範囲の温度に３分間以上１時間以内保持し、０．１μm以下のアルミ窒化物（ＡｌＮ）を３個／１０μm2以上析出させることによって、浸炭処理時における結晶粒の異常成長を防止したことを特徴とする製造方法。
【請求項２】
冷間加工用の肌焼鋼を製造する方法であって、質量％で、Ｃ：０．１６〜０．２３％、Ｓｉ：０．１７〜２．００％、Ｍｎ：０．１９〜１．１４％、Ｃｒ：０．１０〜１．１１％、Ｎｉ：０．１１〜１．８７％、Ｍｏ：０．１１〜０．５５％、ｓ−Ａｌ：０．０１０〜０．０６０％およびＮ：０．００８〜０．０４０％を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなる合金を熱間加工し、その熱間加工を、８００℃〜ｌ１００℃の範囲の温度において終了したのちに、Ａｒ１＋５０℃からＡｒｌ−１００℃までの温度域を０．７〜１℃／秒の冷却速度で緩速冷却し、０．１μm以下のアルミ窒化物（ＡｌＮ）を３個／１０μm2以上析出させることによって、浸炭処理時における結晶粒の異常成長を防止したことを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，冷間鍛造などの冷間成形が可能であり，かつ，浸炭等の熱処理後の結晶粒の粗大化や異常成長を防止する肌焼鋼の製造方法に関する．
【０００２】
【従来の技術】
冷間加工を行うための前熱処理として，球状化焼なまし処理や焼なまし処理が行われているが，これら焼きなまし処理された材料を冷鍛加工した後に浸炭焼入れすると，結晶粒が異常成長または粗大化し易いという問題がある．
結晶粒の粗大化を抑制するためには，素地中に微細な分散粒子，例えば析出物などを分布させることが有効であることがよく知られてる．通常，鋼を溶解する際には，脱酸剤としてＡｌが添加されるが，このＡｌは鋼中の窒素と結合してＡｌＮを析出するため，アルミキルド鋼では粗大化特性が向上することが知られている．しかし，焼なましなどの処理を施されると，圧延後の状態に比べて析出したＡｌＮが大型化してしまうために，粗大化特性が低下してしまうことがある．特に，０．２％程度の炭素を含有する肌焼鋼の多くは，冷間加工を容易にする目的から７００℃〜８００℃の温度範囲で球状化焼なまし処理されるが，この温度域はＡｌＮが最も成長し易い温度域であり，球状化焼なましされた素材は，粗大化特性が劣化してしまうという問題がある．
このため従来では，冷間加工後に焼ならし処理を施して成長したＡｌＮを素地中に微細に再分布させる等の手法を用いており，エネルギーや工程面における損失が多く，また，処理工程が複雑になるなどの問題があった．
【０００３】
浸炭処理時に結晶粒の異常成長や粗大化が発生すると，焼入れ処理時に歪みを発生し易くなり，また，粗大な結晶粒を有する部品は強度・靭性などの強度特性が劣化するなど，実用上に多くの問題が生じる．
また，冷間加工を行うためには素材硬さは極力軟らかいことが望ましく，この観点からは球状化焼なまし処理が必要とされている．しかし，球状化焼きなまし処理材では粗大化特性が劣化するという問題があり，冷間加工性と粗大化特性の両者を両立できる材料が要求されている．
【０００４】
【発明が解決しようとする問題】
本発明は，このような背景のもとに行われたものであり．その目的は，冷間加工前に行う球状化焼なまし処理を省略しても，従来の球状化焼きなまし処理材と同等の冷間加工性を有し，かつ，浸炭などの高温加熱後にオーステナイト結晶粒の粗大化や異常成長の発生を抑制できる肌焼鋼を提供することにある．
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は，各種添加元素の組合せと，圧延温度，冷却速度，保持温度および保持時間に関する詳細な検討を行った結果，添加元素の適正化と圧延条件および圧延後の冷却条件，加熱・保持条件を適正化することによって，冷間加工性に優れ，かつ，高温加熱後においても結晶粒の粗大化および異常成長の発生を抑制する鋼材の製造方法を確立するに至った．
【０００６】
本発明の肌焼鋼の製造方法は、冷間加工用の肌焼鋼を製造する方法であって、下記の二つの態様がある。
その第一は、質量％で、Ｃ：０．１６〜０．２３％、Ｓｉ：０．１７〜２．００％、Ｍｎ：０．１９〜１．１４％、Ｃｒ：０．１０〜１．１１％、Ｎｉ：０．１１〜１．８７％、Ｍｏ：０．１１〜０．５５％、ｓ−Ａｌ：０．０１０〜０．０６０％およびＮ：０．００８〜０．０４０％を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなる合金を熱間加工し、その熱間加工を、８００℃〜１１００℃の範囲の温度において終了したのち、Ａｒ１＋２０℃からＡｒｌ−８０℃の範囲の温度に３分間以上１時間以内保持し、０．１μm以下のアルミ窒化物（ＡｌＮ）を３個／１０μm2以上析出させることによって、浸炭処理時における結晶粒の異常成長を防止したことを特徴とする製造方法である。
その第二は、質量％で、Ｃ：０．１６〜０．２３％、Ｓｉ：０．１７〜２．００％、Ｍｎ：０．１９〜１．１４％、Ｃｒ：０．１０〜１．１１％、Ｎｉ：０．１１〜１．８７％、Ｍｏ：０．１１〜０．５５％、ｓ−Ａｌ：０．０１０〜０．０６０％およびＮ：０．００８〜０．０４０％を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなる合金を熱間加工し、その熱間加工を、８００℃〜ｌ１００℃の範囲の温度において終了したのちに、Ａｒ１＋５０℃からＡｒｌ−１００℃までの温度域を０．７〜１℃／秒の冷却速度で緩速冷却し、０．１μm以下のアルミ窒化物（ＡｌＮ）を３個／１０μm2以上析出させることによって、浸炭処理時における結晶粒の異常成長を防止したことを特徴とする製造方法である。
【０００７】
以下に各合金元素のおよび製造条件の限定理由について説明する。
ｓ−Ａｌ：０．０１０％〜０．０６０％
ｓ−Ａｌは本発明において重要な役割を示す元素であり，鋼の素地にＡｌの析出物を得るために必須の元素である．Ａｌは鋼中の窒素と結合してＡｌＮを生成するが，粗大化特性を改善するためには極力多量の析出物を得ることが必要とされる．添加量が０．０１０％より少ない場合，十分な析出量を確保することができず粗大化特性の改善が期待されないため，添加量の下限は０  ０１０％とする．
しかし，０．０６０％を越して多量に添加した場合，粗大化特性の向上に顕著な効果は認められず，その効果が飽和するため，添加量の上限を０．０６０％とする．
【０００８】
Ｎ      ：０．００８％〜０．０４０％
Ｎも本発明において重要な役割を示す元素であり，Ａｌと結合して素地中に微細な析出物を得るために必須の元素である．このため，Ｎ量の下限値を０．００８％とする．これ以下のＮ量では，所定の析出物個数を得ることができない．しかし，０．０４０％を越して過剰に添加された場合，圧延時の割れを発生するなどの問題を生ずるため，含有量の上限値を０．０４０％とする．
【００１０】
圧延温度および圧延後の冷却と保持温度・時間
圧延終了時の温度は，熱間加工性の観点から言えば，高温ほど加工時の変形抵抗が低下するために実作業においては高温加工が望まれるが，１１００℃以上の高温で加工が終了すると，本発明においては後の工程を実施して場合に硬さを軟らかくすることが困難であること，および，析出するＡｌＮが大型化し所定量の析出物が得られても，粗大化特性の改善が望めないため，加工終了温度の上限を１１００℃に規制した．また，８００℃以下の温度ではＡｒ１変態点が高い材料の場合には部分的に変態を生じ始め軟化することが困難となるめ，加工終了温度の下限を８００℃に規制した．
【００１１】
加工後に実施する等温保持は，フェライト・パーライト変態が促進する温度域で実施することが望ましく，その温度域はＡｒ１＋２０℃〜Ａｒ１−８０℃の温度域にあることが確認された．この温度域に等温保持されると，材料の軟化が促進し冷間加工性が改善される．また，保持する時間はフェライト．パーライト変態を完全に完了するまで保持することが望ましく長時間に渡りの保持することが望ましいが，長時間の保持を行うとＡｌＮが大型化するため，最高でも１時間以内の保持が望ましい．
【００１２】
加工後に等温保持を実施しない場合においても，軟化を促進させ，かつ，適正なＡｌＮを得るためには，Ａｒ１＋５０℃〜Ａｒ１−１００℃の温度域を極力緩速冷却することによって，必要とする特性を得ることができることが確認された．すなわち，Ａｒ１＋５０℃〜Ａｒ１−１００℃の温度域を１℃／秒以下の冷却速度で冷却することによって，軟化を促進させることが可能とされた．
本発明では，軟化と同時にＡｉＮ析出物を得ることを目的としているため，冷却速度の条件のみでは粗大化特性を改善できるものではなく，合金組成の範囲と冷却速度，等温保持，加工終了温度を適正化することが必須の条件である．冷却速度に於いては，１℃／秒より速く冷却された場合，炭素，マンガン，クロムなどの合金元素量によってはベイナイト変態を生ずる場合があり，軟化が困難になるとともに．ＡｌＮの析出量が減少してしまうため安定した粗大化特性が得られなくなるために冷却速度の上限を設定した．
【００１３】
析出物の個数と寸法
析出物は粗大化特性を向上させるために必須のものであり，素地中に微細かつ多量に分散させることが望ましい．０．１μｍ以上の大型のＡｌＮを分布させても粗大化の防止に効果がないことが確認されたため．寸法は０．１μｍ以下が適切である．また，多量に分布させるほど効果は大きくなるが，９００℃以上の温度域で粗大化を抑制し，かつ，異常成長を防止するためには，少なくとも３個／１０μｍ２の析出量が必要であることが確認されたため，析出物量の下限を３個／１０μｍ２に規制した．
【００１４】
【実施例】
表１に発明鋼および比較鋼の化学組成（質量％）とＡｒ１温度（℃）を示す．
【００１５】
【表１】
0003870425.tif 000002
【００１６】
表１に示す組成の材料を，１２５０℃に加熱し熱間鍛造を行い，加工終了温度を８５０℃，等温保持温度を７００℃，保持時間を１０分とした場合の，硬さおよび冷間加工性の試験結果を表２に示す．
硬さ測定は，鍛造素材の端部１００ｍｍ位置の硬さをＨＲＢスケールで５点測定した平均値を示す．
冷間加工性の評価は，素材から機械加工によって直径２５ｍｍ，高さ３７．５ｍｍの円柱状の試験片を作製し，据え込み率６０％，７０％，７５％，８０％で各１０本のアップセット加工を行い割れ発生本数を調べ，割れ発生率によって冷間加工性の評価を行った．ここでは，数値の低いほど冷間加工性に優れていることを示している．
【００１７】
【表２】
0003870425.tif 000003
【００１８】
表２に，硬さ・冷間加工性に関する試験結果を示した，実施例の１０−Ａは比較鋼１０を球状化焼なましした場合を示している．
表に示されるように，熱間加工時の温度，等温保持条件によって，球状化焼なまし処理材と同等程度の硬さが得られ，かつ，冷間加工性の面に於いても，球状化焼なまし材と遜色のない冷間加工性が得られることが確認された．
【００１９】
次に，発明鋼２，５，および比較鋼１０について，加工終了温度，等温保持温度と保持時間の条件を種々に変化させた場合の，硬さ，冷間加工性を調査した．
調査の手法は表２に示す内容と同一であり，加工終了の温度を８００℃〜１１５０℃，保持温度を５００℃〜８００℃，時間を１分〜３時間の範囲で検討した．なお，比較鋼１０については，熱間鍛造後に空冷し，焼ならし処理として，９２０℃で１時間保持後に空冷，続いて，球状化焼なまし処理として，７６０℃に５時間保持し７５０℃から６５０℃までを１０℃／時間の冷却速度で降温させ，６５０℃以下は空冷を行った．
【００２０】
【表３】
0003870425.tif 000004
【００２１】
表３に示したように，加工終了温度，保持温度，および保持時間について本発明の範囲を外れて処理された場合，明らかに材料は硬化しており，かつ，冷間加工性も大幅に劣化していることが分かる．Ａｒ１＋２０℃〜Ａｒ１−８０℃の温度範囲に保持されても加工終了温度が高い場合，または，加工終了温度が低い場合には，冷間加工性が劣化しており，加工終了温度，保持温度の両者を適正化することが必要であることが分かる．
【００２２】
表４に，発明鋼２，５，および比較鋼１０について，加工後の冷却速度を変化させた場合についての，硬さ，冷間加工性を示す．
【００２３】
【表４】
0003870425.tif 000005
【００２４】
表４に示される通り加工終了後のＡｒ１＋５０℃〜Ａｒ１−１００℃の温度域における冷却速度を１．０℃／秒以上の冷却速度で冷却した場合，硬さの上昇が顕著となり，かつ，冷間加工性も低下することが明らかである．
一方，加工完了後に１．０℃／秒以下の速度で緩速冷却した場合には，冷却速度の遅い物ほど軟化する傾向にあり，冷間加工性も改善されてることが分かる．
【００２５】
各種の条件で製造された素材について，結晶粒の粗大化特性および素地中の析出物の寸法・個数を調査した結果を表５，６，および７に示す．
析出物は，抽出レプリカ法により電子顕微鏡によって観察し，写真撮影したものを画像解析装置によって測定を行い，０．１μｍ以下の析出個数と０．１μｍより大きい析出物の単位面積当たりの個数を求めた．
結晶粒の粗大化特性の判定は，冷間加工した試験片のうち加工率７０％で加工した試料を，９００℃〜１１００℃範囲において２５℃の間隔で加熱し，３０分保持した後に急冷し，結品粒の測定を行った．粗大化温度とは，オーステナイト結晶粒度番号の４番以下の粗大粒の発生が認められない最大の加熱温度と定義した．
【００２６】
【表５】
0003870425.tif 000006
【００２７】
【表６】
0003870425.tif 000007
【００２８】
【表７】
0003870425.tif 000008
【００２９】
表５，６，７に示されるように，析出物の寸法と個数を詳細に調査した結果，０．１μｍ以下の微細な析出物を生成させることが極めて重要であり，この析出物の個数が２個／１０μｍ２より少ない場合，９００℃以上の粗大化温度を得ることが困難になる．また，０．１μｍ以上の析出物を３個以上析出させても，粗大化温度の向上は認められず，このため，素地に析出される析出物の個数は０．１μｍ以下の微細な析出物を３個／１０μｍ２以上とすることが必要であることが見出された．
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば，固有の元素の選択と熱間加工条件および加工後の等温保持または冷却速度を適正化することによって，従来の様に冷間加工前の球状化焼なまし処理を実施しなくとも冷間加工が可能とされ，かつ，浸炭等の熱処理においてオーステナイト結晶粒の粗大化および異常成長の発生を防止することができる材料の提供が可能とされる．