(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：0.15〜1.10mass％を含有する機械構造用の鋼材に対して、球状化焼なましを施すに際し、
(1) 加熱途中の、（オーステナイトが出現する温度−50℃）〜 (オーステナイトが出現する温度−５℃）の温度範囲を0.01℃／s 以下の速度で加熱し、
(2) 最高加熱温度である（オーステナイト単相になる温度−30℃）〜（オーステナイト単相になる温度−５℃）の温度範囲まで加熱した後、直ちに冷却に転じ、
(3) 冷却途中の、（フェライトが出現する温度＋10℃）〜（フェライトが出現する温度−40℃）の温度範囲を 0.005℃／s 以下の速度で冷却した後、空冷する
ことを特徴とする鋼材の短時間球状化焼なまし方法。
【請求項２】
球状化焼なまし処理を施して得た、Ｃ：0.15〜1.10mass％を含有する機械構造用の鋼材であって、該球状化焼なましが、
(1) 加熱途中の、（オーステナイトが出現する温度−50℃）〜 (オーステナイトが出現する温度−５℃）の温度範囲を0.01℃／s 以下の速度で加熱し、
(2) 最高加熱温度である（オーステナイト単相になる温度−30℃）〜（オーステナイト単相になる温度−５℃）の温度範囲まで加熱した後、直ちに冷却に転じ、
(3) 冷却途中の、（フェライトが出現する温度＋10℃）〜（フェライトが出現する温度−40℃）の温度範囲を 0.005℃／s 以下の速度で冷却した後、空冷する
工程からなることを特徴とする鋼材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、塑性加工や切削加工などの機械加工を容易にし、また機械的性質を改善するために行う鋼中炭化物の球状化処理を短時間で行うことができる、鋼材の短時間球状化焼なまし方法および同法による鋼材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車および産業機械等に用いられる機械部品には、従来から炭素鋼や合金鋼等のいわゆる機械構造用鋼や軸受鋼が素材として汎用されている。
これらの機械部品は、通常、例えば捧鋼線材の場合、素材を球状化焼なましし、切断後、冷間鍛造を施し、ついで切削等の冷間加工を行うことによって製造されている。
ここに、冷間加工は、加工精度、量産性およびコストの点で優れているため多用されており、また球状化焼なましは、かかる冷間加工性を向上させるべく、鋼中の炭化物を球状化させて変形抵抗を低下させる等の目的で実施される。なお、球状化焼なまし後の組織は、フェライト素地に球状の炭化物が分散したものになっている。
【０００３】
しかしながら、かような球状化焼なまし方法については、高温でしかも約10〜30時間程度の長時間加熱を必要とする点が、従来から問題視されてきた。
この問題の解決策として、例えば特公平６−2898号公報には、図２(a), (b)に示すようなヒートパターンが開示されているが、依然として長時間かつ数回の繰り返し熱サイクルを必要とするものであり、エネルギーコストおよび温度制御の点で大きな問題を残していた。
また、特開平４−362123号公報には、図３に示すようなヒートパターンが開示されているが、このヒートパターンでは、上記したエネルギーコストの点は改善されるにしても、炭化物の球状化という点では依然として問題が残っていた。
【０００４】
その他、特開平４−333527号公報には、２段階の保定処理後、徐冷することからなる球状化焼鈍方法が開示されているが、この方法も、基本的に２度にわたる長時間の保定処理を必要とする不利があるだけでなく、球状化炭化物の核を作るためにMnやCr等のセメンタイト安定化元素が不可欠であることから、合金コストの面でも問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、短時間で効果的な炭化物の球状化を達成することができる、鋼材の短時間球状化焼なまし方法を、この方法に従い処理して得た鋼材と共に提案することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、上記の目的を達成するために、鋼材の球状化焼なまし条件に関して調査研究を重ねた結果、球状化焼なまし時間の短縮化には、鋼材の変態挙動、炭素の拡散速度および徐冷前の未溶解炭化物の個数が大きな影響を及ぼしていることの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００７】
すなわち、本発明は、Ｃ：0.15〜1.10mass％を含有する機械構造用の鋼材に対して、球状化焼なましを施すに際し、
(1) 加熱途中の、（オーステナイトが出現する温度−50℃）〜 (オーステナイトが出現する温度−５℃）の温度範囲を0.01℃／s 以下の速度で加熱し、
(2) 最高加熱温度である（オーステナイト単相になる温度−30℃）〜（オーステナイト単相になる温度−５℃）の温度範囲まで加熱した後、直ちに冷却に転じ、
(3) 冷却途中の、（フェライトが出現する温度＋10℃）〜（フェライトが出現する温度−40℃）の温度範囲を 0.005℃／s 以下の速度で冷却した後、空冷する
ことを特徴とする鋼材の短時間球状化焼なまし方法である。
【０００８】
また、本発明は、球状化焼なまし処理を施して得た、Ｃ：0.15〜1.10mass％を含有する機械構造用の鋼材であって、該球状化焼なましが、
(1) 加熱途中の、（オーステナイトが出現する温度−50℃）〜 (オーステナイトが出現する温度−５℃）の温度範囲を0.01℃／s 以下の速度で加熱し、
(2) 最高加熱温度である（オーステナイト単相になる温度−30℃）〜（オーステナイト単相になる温度−５℃）の温度範囲まで加熱した後、直ちに冷却に転じ、
(3) 冷却途中の、（フェライトが出現する温度＋10℃）〜（フェライトが出現する温度−40℃）の温度範囲を 0.005℃／s 以下の速度で冷却した後、空冷する
工程からなることを特徴とする鋼材である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の解明経緯について説明する。
さて、発明者らは、Ｃを0.15〜1.10mass％含有する鋼材の球状化焼なまし条件に関して調査したところ、球状化焼なまし時間を短縮すると、球状化焼なまし後のミクロ組織には、棒状や層状の炭化物が増加するか、あるいは球状化程度は問題ないものの細かな炭化物が数多く存在するため、いずれも硬さが従来材と比べて上昇し、冷間加工性が低下することが判明した。
また、さらなる調査により、球状化程度と冷間加工性は、鋼材の変態挙動、炭素の拡散速度および徐冷前の未溶解炭化物の個数に強く影響されることが判明した。
【００１０】
上記の結果に基づき、球状化焼なまし時間を短縮したとしても従来材と同等の冷間加工性を得るための要件を解明すべく、球状化焼なまし条件を種々変化させて、得られた鋼材の冷間加工性について調査したところ、以下に述べるような３つの要件を満足させることが肝要であることが究明された。
【００１１】
(1) 加熱途中の、（オーステナイトが出現する温度−50℃）〜 (オーステナイトが出現する温度−５℃）の温度範囲を0.01℃／s 以下の速度で加熱すること
この要件は、本発明の重要な要件である。熱処理時間を短縮するためには、加熱速度を大きくすることが有効な手段である。しかしながら、加熱速度を大きくした場合、球状化焼なまし後の組織は、その後の冷却条件を如何に変化させても、従来と比較して非常に細かな炭化物が数多く見られ、硬さが従来材と比較して高くなり、冷間加工性の低下が免れ得ない。この理由は、微細な炭化物の分散により鋼が強化されるからである。
従って、最終的に得られるミクロ組織から微細な炭化物を除くため、加熱過程において、細かな炭化物を母相に溶解させる必要がある。
【００１２】
そこで、種々の温度範囲で加熱速度を変化させて、最終的に得られる炭化物の粒度分布を調査したところ、オーステナイトが出現する温度直下に保持することが最も有効であることが分かった。オーステナイトが出現する温度以上では、炭素の拡散速度が急激に低下し、細かな炭化物の母相への溶解が非常に遅くなるため、短時間化の点からオーステナイトが出現する温度より低い温度が望ましいことも判明した。
ここに、炭化物の溶解は、温度範囲と加熱速度とで決定されるが、実操業と細かな炭化物の溶解状況調査から、（オーステナイトが出現する温度−50℃）〜（オーステナイトが出現する温度−５℃）の最適温度範囲では、0.01℃／s 以下の速度で加熱することが最も望ましく、この速度より大きくなると微細な炭化物の溶解は不十分であった。
従って、上記の温度範囲および冷却速度に限定した。
【００１３】
(2) 最高加熱温度である（オーステナイト単相になる温度−30℃）〜（オーステナイト単相になる温度−５℃）の温度範囲まで加熱した後、直ちに冷却に転じること
最高加熱温度を、上記の範囲に規定した理由は、球状化焼なまし時間の短縮を指向する場合、上記の温度範囲外では高すぎても低すぎても球状化は不十分となったからである。その理由は、温度が高すぎる場合は、炭化物のほとんどが固溶してしまい、球状炭化物の核生成サイトの密度が減少し、結果として冷却時に再生パーライトが生じるためであり、一方温度が低すぎる場合は、層状パーライトが固溶せずに残存したためである。
また、短時間化のために最高加熱温度まで加熱後は、保持せずに、直ちに冷却に移ることができ、従来のように保持する必要はないことも判明した。
【００１４】
(3) 冷却途中の、（フェライトが出現する温度＋10℃）〜（フェライトが出現する温度−40℃）の温度範囲を0.005 ℃／s 以下の速度で冷却し、その後空冷すること
この要件は、本発明において特に重要な要件である。すなわち、球状化を促進するには、冷却中に、未溶解炭化物の周辺に、オーステナイトとフェライトの固溶差の炭素を析出させる必要がある。そのためには、徐冷温度範囲および冷却速度の選定が重要である。
そこで、徐冷温度範囲と冷却速度を種々に変化させて球状化の程度を調べたところ、安定的に球状化した炭化物を得るためには（フェライトが出現する温度＋10℃）から、変態が完了する温度である（フェライトが出現する温度−40℃）までの範囲を、0.005 ℃／s 以下の速度で冷却する必要であることが判明した。
【００１５】
ここに、徐冷開始温度を（フェライトが出現する温度＋10℃）としたのは、この開始温度とすることにより短時間化の点から変態開始までの潜伏時間が短く、全体の徐冷時間を短くできるからである。
また、冷却速度が速すぎる場合、あるいは徐冷の温度範囲下限が（フェライトが出現する温度−40℃）より高い場合には、相状のパーライトが出現し硬さが高くなり、冷間加工性の低下を招く。また、徐冷開始温度である（フェライトが出現する温度＋10℃）より高い温度で徐冷を開始した場合には、冷間加工性はほとんど同等ではあるが、球状化焼なまし時間の短縮効果が不十分となる。
従って、上記の温度範囲および冷却速度に限定した。
【００１６】
なお、上記(l) および(3) に示した温度域以外では、加熱速度および冷却速度を大幅に増加させても球状化程度に特に影響を及ぼさないので、球状化焼なまし時間の短縮化のためには、急加熱および急冷却処理とすることが有利である。
ただし、加熱および冷却速度を大きくすると、設備コストが上昇するだけでなく、操作が複雑になり、メンテナンス等種々の問題が出てくるため、例えば１℃／s 以下程度が現実的である。
【００１７】
図１に、上述したような、本発明に従う球状化処理の好適ヒートパターンを例示する。
【００１８】
次に、本発明で対象とする素材について述べると、本発明は、Ｃを0.15〜1.10mass％含有していれば、従来公知の機械構造用鋼の全てに対して適用することができる。
ここに、Ｃ量を0.15〜1.10mass％の範囲に限定した理由は次のとおりである。Ｃは、固溶して基地を強化し、機械部品として十分な強度および耐摩耗性を得る上で有用な元素であるが、含有量が0.15mass％未満では、冷間加工性の点から球状化焼なましの必要がなく、一方1.10mass％を超えると母材の靱性が著しく劣化するため、Ｃ量は0.15〜1.10mass％の範囲に限定した。
【００１９】
なお、従来は、球状化炭化物の核を作るために、MnやCr等のセメンタイト安定化元素の添加が不可欠であったが、本発明では、上記(1) の徐熱処理によって炭化物の数を適切に調整できるので、かような元素の添加は特に必要としない。
従って、Mn，Crはそれぞれ、Mn＜0.25mass％, Cr＜0.1 mass％であっても良い。
【００２０】
なお、本発明を適用して好適な鋼種を例示すると次のとおりである。
・JIS G 4051  機械構造用炭素鋼鋼材  特にS45C〜S55C（Ｃ≧0.45wt％）。
・JIS G 4105  クロムモリブデン鋼鋼材  特にSCM435〜SCM445（Ｃ≧0.35wt％）。
・JIS G 4805  高炭素クロム軸受鋼鋼材  特に SUJ 2（軸受鋼代表）。
【００２１】
【実施例】
表１に示す種々の成分組成になる鋼を、転炉で溶製し、連続鋳造法で鋼片としたのち、20mmφの棒鋼に圧延した。ついで、この棒鋼に対し、表２に示す種々の条件下で球状化焼なましを施したのち、各素材から15mmφ×22.5mm高さの冷間加工性試験片を切り出し、各条件下での冷間加工性について調査した。
得られた結果を表２に併記する。
なお、変形抵抗については、圧縮率：60％の条件で拘束圧縮変形を行った時の変形抵抗により評価した。
また、変形能については、各圧縮率でｎ＝５の拘束圧縮変形を行い、割れの発生が認められた最低の圧縮率を割れ限界圧縮率として評価した。
【００２２】
【表１】
0003870631.tif 000002
【００２３】
【表２】
0003870631.tif 000003
【００２４】
表２から明らかなように、本発明に従って球状化焼なましを実施した場合は、処理時間が大幅に低減できたにもかかわらず、従来と同等の冷間加工性（変形抵抗および変形能）が得られている。
これに対して、比較例(No.11〜20）はいずれも、球状化焼なまし条件が本発明の適正範囲から外れているため、変形抵抗あるいは変形能の著しい低下を招いている。
【００２５】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、短時間で効果的な炭化物の球状化を達成することができ、従来に比べ、所要時間ならびにエネルギーコストを大幅に低減できる点において、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従う球状化熱処理の好適ヒートパターンである。
【図２】  特公平６−2898号公報に開示のヒートパターンである。
【図３】  特開平４−362123号公報に開示のヒートパターンである。
【図１】
0003870631.tif 000004
【図２】
0003870631.tif 000005
【図３】
0003870631.tif 000006