(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．１〜１．２％、
Ｓｉ：０．０１〜３％、
Ｍｎ：０．１〜２％、
Ｐ  ：０．０４％以下、
Ｓ  ：０．００１〜０．０５％、
Ｍｇ：０．０００２〜０．０１％、
Ｏ：０．０００２〜０．００５％、
Ｎ：０．０００５〜０．０３％
を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物よりなり、ＭｇＯ、（Ｍｇ，Ｍｎ）Ｏの一方または双方からなる酸化物と、更にＭｇＳ、（Ｍｇ，Ｍｎ）Ｓの一方若しくは双方からなる硫化物、Ｍｇ（Ｏ，Ｓ）、（Ｍｇ，Ｍｎ）（Ｏ，Ｓ）の一方若しくは双方からなる酸化物と硫化物の複合体の何れか一方または双方からなり、大きさが０．００５〜１μｍであるＭｇ系介在物を合計で１×１０５〜１×１０７個／ｍｍ２含有することを特徴とする結晶粒の粗大化を抑制した機械構造用鋼。
【請求項２】
質量％で、
Ｃ  ：０．１〜１．２％、
Ｓｉ：０．０１〜３％、
Ｍｎ：０．１〜２％、
Ｐ  ：０．０４％以下、
Ｓ  ：０．００１〜０．０５％、
Ｍｇ：０．０００２〜０．０１％、
Ｏ：０．０００２〜０．００５％、
Ｎ：０．０００５〜０．０３％
を含有し、
Ａｌ：０．０２％以下、
Ｔｉ：０．００２〜０．０５％、
Ｂ：０．０００３〜０．００５％、
Ｃｒ：０．０１〜４％、
Ｎｉ：０．０５〜５％、
Ｍｏ：０．０１〜１％、
Ｖ：０．０１〜０．５％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、
Ｚｒ：０．００５〜０．１％
の１種または２種以上を更に含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物よりなり、ＭｇＯ、（Ｍｇ，Ｘ）Ｏ、ＭｇＸ２Ｏ４、ＭｇＸＯ３の１種または２種以上からなる酸化物と、更にＭｇＳ、（Ｍｇ，Ｘ）Ｓの一方若しくは双方からなる硫化物、Ｍｇ（Ｏ，Ｓ）、（Ｍｇ，Ｘ）（Ｏ，Ｓ）の一方若しくは双方からなる酸化物と硫化物の複合体、前記酸化物、前記硫化物、前記酸化物と硫化物の複合体の１種若しくは２種以上を核としてその周囲にＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＡｌＮの１種若しくは２種以上を含む複合介在物の何れか１種または２種以上からなり、大きさが０．００５〜１μｍであるＭｇ系介在物を合計で１×１０５〜１×１０７個／ｍｍ２含有することを特徴とする結晶粒の粗大化を抑制した機械構造用鋼。
ここでＸはＭｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉである。
【請求項３】
質量％で、
Ｃａ：０．０００２〜０．００８％、
Ｔｅ：０．０００２〜０．００８％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．００８％
の１種または２種以上を更に含有することを特徴とする請求項１または２に記載の結晶粒の粗大化を抑制した機械構造用鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼入れ処理または浸炭焼入れ処理等の熱処理にて強度を付与して使用される機械構造用鋼に関わり、特にオーステナイト域に加熱後の結晶粒の粗大化、あるいは異常粒成長を抑制する鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械構造用鋼として用いられる炭素鋼あるいは合金鋼は、鍛造、引抜き、転造あるいは切削加工にて所定の形状に加工した後、焼入れ処理、浸炭焼入れ処理あるいは高周波焼入れ処理等の熱処理にて強度を付与して利用される場合が多い。最近では生産性の向上を目的に、熱処理温度が１０００℃を越える温度域で行う場合があり、高温に保持されることでオーステナイト結晶粒が粗大化し強度、靱性、疲労寿命が低下することがある。例えば、肌焼鋼やボロン鋼等では冷間加工後の、焼入れ処理あるいは浸炭焼入れ処理の熱処理時に、オーステナイト結晶粒が局部的に粗大化（以下異常粒成長と称す）し、熱処理歪みによる寸法精度の劣化、疲労寿命の低下、遅れ破壊特性の劣化等の諸問題を引き起こす場合があることが知られている。
【０００３】
結晶粒の粗大化を抑制するためには、ピン止め粒子を多量かつ微細に分散させることが有効であり、一般に機械構造用鋼ではＡｌＮやＴｉＣ等の炭窒化物をピン止め粒子に利用している。例えば、特開平８−１９９３０３号公報ではＮｂの炭窒化物またはそれらとＡｌＮの複合析出物を素地中に３個/１０μｍ2以上析出させることで粗大化温度が１１００℃程度となることが開示されている。また、オーステナイト結晶粒の異常粒成長を抑制するためには、特開昭６１−２１７５５３号公報に開示されているようにＴｉ量をＮ量に対して過剰にすることでＴｉＣをピン止め粒子として利用したり、あるいは、特開昭５６−７５５５１号公報や特開昭５９−１２３７１４号公報に開示されているようにＡｌＮをピン止め粒子に利用することが知られている。
【０００４】
上記のように従来、機械構造用鋼のオーステナイト結晶粒の粗大化抑制、あるいは異常粒成長の抑制にはＡｌＮ、ＴｉＣ、ＮｂＣ、ＮｂＮをピン止め粒子として利用することが一般に知られている。しかしながら鋼中のＡｌＮやＴｉＣ等の炭窒化物は固溶温度が低く１１００℃を越える高温に保持した場合には固溶したり、あるいは炭窒化物がオストワルド成長し粗大化してピン止め効果を失い、オーステナイト結晶粒の粗大化や異常粒成長を引き起こす。固溶温度が高いＴｉＮは、微細に分散させることが困難なため、オーステナイト結晶粒の抑制効果が低下する。またＮｂＣあるいはＮｂＮは圧延ままではパーライト部にはほとんど析出しないため、その分散は極めて不均一な分散である。このためＮｂの炭窒化物をピン止め粒子として有効に利用するためには特開平８−１９９３０３号公報に開示されているようにα／γ二相域に加熱しα単相域まで徐冷する球状化焼鈍等のＮｂ炭窒化物の析出処理が必須となり、製造工程が制約される課題が残されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決するため案出されたものであり、機械構造用鋼を焼入れ加熱や浸炭焼入れ加熱あるいは高周波焼入れ加熱等の熱処理で高温に加熱しても結晶粒の粗大化を防止でき、あるいは冷間加工後の異常粒成長を抑制することが可能な鋼を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記目的を達成するため、１１００℃を越える高温域で結晶粒の粗大化を抑制するためには酸化物や硫化物の活用が有効であると考え、種々の酸化物や硫化物による結晶粒成長抑制効果を評価した。一般に鋼にはＡｌ2Ｏ3やＴｉ2Ｏ3等の酸化物やＭｎＳ等の硫化物が含有される。しかし、これらの酸化物や硫化物の微細分散は困難であり、異常粒成長等の機械構造用鋼のオーステナイト結晶粒制御へ酸化物や硫化物を用いた例は知られていない。本発明者らは、特定のサイズのＭｇを含有する酸化物や硫化物、酸化物と硫化物の複合体、あるいはそれらの１種または２種以上を含む介在物（以下Ｍｇ系介在物と称す）を特定の個数含有させることで、機械構造用鋼の結晶粒粗大化防止に有効であることを見出した。
【０００７】
Ｍｇ系介在物は、高温域でも熱的安定性を保つことが可能であり、これらのＭｇ系介在物を単独あるいは複合してピン止め粒子として利用することで、オーステナイト結晶粒の成長あるいは異常粒成長を顕著に抑制できると考えられる。Ｍｇ系の酸化物であるＭｇＯやＭｇＡｌ2Ｏ4はＡｌ2Ｏ3やＴｉ2Ｏ3と比べ溶鋼との界面エネルギーが小さいため、他の酸化物に比べ微細分散が可能であり、かつ溶鋼中あるいはγ単相域で析出するため組織の影響を受けず均一分散させることが可能であると考えられる。
【０００８】
ここでＭｇ系介在物とはＭｇを含む酸化物、硫化物、酸化物と硫化物の複合体、あるいはこれらの１種または２種以上を含有する炭窒化物からなる複合介在物を示す。具体的に示すとＭｇＯ、（Ｍｇ，Ｘ）Ｏ、ＭｇＸ2Ｏ4、ＭｇＸＯ3、ＭｇＳ、Ｍｇ（Ｏ，Ｓ）、（Ｍｇ，Ｘ）Ｓ、（Ｍｇ，Ｘ）（Ｏ，Ｓ）の化学式で表される酸化物や硫化物、その複合体、あるいはこれらの酸化物や硫化物の１種または２種以上を核としてその周囲にＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＡｌＮ等の炭窒化物の１種または２種以上を含む複合介在物である。ここでＸはＭｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ等の合金元素である。
【０００９】
本発明の要旨は以下の通りである。
【００１０】
（１）  質量％で、
Ｃ  ：０．１〜１．２％、
Ｓｉ：０．０１〜３％、
Ｍｎ：０．１〜２％、
Ｐ  ：０．０４％以下、
Ｓ  ：０．００１〜０．０５％、
Ｍｇ：０．０００２〜０．０１％、
Ｏ：０．０００２〜０．００５％、
Ｎ：０．０００５〜０．０３％
を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物よりなり、ＭｇＯ、（Ｍｇ，Ｍｎ）Ｏの一方または双方からなる酸化物と、更にＭｇＳ、（Ｍｇ，Ｍｎ）Ｓの一方若しくは双方からなる硫化物、Ｍｇ（Ｏ，Ｓ）、（Ｍｇ，Ｍｎ）（Ｏ，Ｓ）の一方若しくは双方からなる酸化物と硫化物の複合体の何れか一方または双方からなり、大きさが０．００５〜１μｍであるＭｇ系介在物を合計で１×１０５〜１×１０７個／ｍｍ２含有することを特徴とする結晶粒の粗大化を抑制した機械構造用鋼。
【００１２】
（２）  質量％で、
Ｃ  ：０．１〜１．２％、
Ｓｉ：０．０１〜３％、
Ｍｎ：０．１〜２％、
Ｐ  ：０．０４％以下、
Ｓ  ：０．００１〜０．０５％、
Ｍｇ：０．０００２〜０．０１％、
Ｏ：０．０００２〜０．００５％、
Ｎ：０．０００５〜０．０３％
を含有し、
Ａｌ：０．０２％以下、
Ｔｉ：０．００２〜０．０５％、
Ｂ：０．０００３〜０．００５％、
Ｃｒ：０．０１〜４％、
Ｎｉ：０．０５〜５％、
Ｍｏ：０．０１〜１％、
Ｖ：０．０１〜０．５％、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、
Ｚｒ：０．００５〜０．１％
の１種または２種以上を更に含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物よりなり、ＭｇＯ、（Ｍｇ，Ｘ）Ｏ、ＭｇＸ２Ｏ４、ＭｇＸＯ３の１種または２種以上からなる酸化物と、更にＭｇＳ、（Ｍｇ，Ｘ）Ｓの一方若しくは双方からなる硫化物、Ｍｇ（Ｏ，Ｓ）、（Ｍｇ，Ｘ）（Ｏ，Ｓ）の一方若しくは双方からなる酸化物と硫化物の複合体、前記酸化物、前記硫化物、前記酸化物と硫化物の複合体の１種若しくは２種以上を核としてその周囲にＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＡｌＮの１種若しくは２種以上を含む複合介在物の何れか１種または２種以上からなり、大きさが０．００５〜１μｍであるＭｇ系介在物を合計で１×１０５〜１×１０７個／ｍｍ２含有することを特徴とする結晶粒の粗大化を抑制した機械構造用鋼。
ここでＸはＭｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉである。
【００１３】
（３）  質量％で、
Ｃａ：０．０００２〜０．００８％、
Ｔｅ：０．０００２〜０．００８％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．００８％
の１種または２種以上を更に含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の結晶粒の粗大化を抑制した機械構造用鋼である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の化学成分の請求範囲を上記のように定めた理由を以下に示す。
【００１５】
ＳはＭｇあるいはＭｎ、Ｃｕ等の合金元素と反応して硫化物として存在する。これらの硫化物はピン止め粒子として有効に機能するとともに被削性を向上させる。０．００１％未満では被削性の向上効果がなく、０．０５％を越えて添加すると冷間鍛造性を劣化させるとともに、焼入れ焼戻し後の結晶粒界を脆化させ靱性が劣化する。このため０．００１〜０．０５％とした。望ましくは０．００１〜０．０３％である。
【００１６】
ＭｇはＳあるいはＯと結合して酸化物、硫化物あるいはこれらを含む複合介在物として存在する。これらの粒子は鋼中に均一に分散し、ピン止め粒子として有効に機能する。またこれらのＭｇ系介在物は炭窒化物の析出サイトとして機能することから、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＡｌＮ等の析出物を均一微細分散させることが可能であり、結晶粒制御に有効に活用できる。０．０００２％未満では効果が現れず、０．０１％を越えて添加すると製造コストの上昇を招くため０．０００２〜０．０１％とした。望ましくは０．０００５〜０．００５％である。
【００１７】
ＯはＭｇ、Ｔｉ、Ａｌ等の合金元素と結合し酸化物として存在する。特にＭｇ系の酸化物を含む複合介在物はピン止め粒子として有効に機能する。０．０００２％未満ではＭｇ系の酸化物を有効に析出させることができず、０．００５％を越えると粗大な酸化物が形成し、焼入れ焼戻し後の靱性、疲労特性を劣化させるため０．０００２〜０．００５％とした。望ましくは０．０００２〜０．００３％である。
【００１９】
Ｃは最終製品での強度を確保するため添加する。０．１％未満では機械部品として必要な強度を確保できず、１．２％を越えると延性及び靱性が劣化するため０．１〜１．２％とした。
【００２０】
Ｓｉは鋼に必要な強度、焼入れ性を付与し、焼戻し軟化抵抗を向上するのに有効な元素である。０．０１％未満ではこれらの効果がなく、３％を越えると靱性、延性が劣化するとともに硬度の上昇を招き冷間鍛造性を劣化させるため上限を３％とした。
【００２１】
Ｍｎは鋼に必要な強度、焼入れ性を付与するために必要な元素である。０．１％未満では効果が不十分であり、２％を越えると靱性が劣化するとともに硬度が上昇し冷間鍛造性を劣化させる。
【００２２】
Ｐは冷間鍛造時の変形抵抗を高め、靱性を劣化させる。また焼入れ焼戻し後の結晶粒界を脆化し靱性を劣化させるため低減することが望ましい。従って上限を０．０４％とした。
【００２３】
ＮはＴｉ、Ａｌ等と結合し窒化物を形成しピン止め粒子として機能する。０．０００５％未満では窒化物の析出量が不足し、オーステナイト結晶粒の粗大化抑制に機能せず、また０．０３％を越えて添加すると熱間延性を劣化させるため、０．０００５〜０．０３％とした。
【００２４】
次に前記（２）の本発明の成分限定理由について説明する。これらの元素は鋼の必要特性に応じて１種または２種以上添加される。
【００２５】
ＡｌはＯと結合して酸化物、あるいはＮと結合してＡｌＮとして存在する。特にＭｇ及びＯと結合したＭｇＡｌ2Ｏ4、及びこれを含む複合介在物はピン止め粒子と有効に機能するので０．００５％以上含有することが好ましい。０．０２％を越えるとＡｌ脱酸が支配的になりＭｇの効果が発現しないことから上限を０．０２％とした。
【００２６】
ＴｉはＣあるいはＮと結合してＴｉＣあるいはＴｉＮとして存在する。これらの炭窒化物はピン止め粒子として有効である。０．００２％未満では効果が現れず、０．０５％を越えるとその効果が飽和するとともに硬度の上昇を招き冷間鍛造性が劣化するため０．００２〜０．０５％とした。
【００２７】
Ｂ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏは焼入れ性を向上させ鋼の高強度化に有効である。
Ｂは焼入れ性の向上を目的に添加する。０．０００３％未満では効果が不十分であり、０．００５％を越えて添加しても効果が飽和するので、０．０００３〜０．００５％とした。
【００２８】
Ｃｒは高強度化、焼入れ性の向上を目的に添加する。０．０１％未満では効果が不十分で、４％を越えて添加すると冷間加工性が劣化するため、０．０１〜４％とした。
【００２９】
Ｎｉは焼入れ性の向上を目的に添加する。０．０５％未満では効果が不十分で、５％を越えて添加すると製造コストの上昇を招くため、０．０５〜５％とした。
【００３０】
Ｍｏは焼入れ性の向上を目的に添加する。０．０１％未満では効果が不十分で、１％を越えて添加すると製造コストの上昇を招くため、０．０１〜１％とした。
【００３１】
Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒは炭窒化物を形成する。これらの炭窒化物はＭｇを含む酸化物や硫化物あるいはこれらの複合介在物上に析出する場合が多く、鋼中に均一に分散しピン止め粒子として機能し、結晶粒の粗大化を抑制する。
【００３２】
ＶはＮあるいはＣと結合しＶＮ、ＶＣあるいはそれらの複合介在物を形成し、結晶粒の粗大化抑制に有効に機能する。０．０１％未満では効果が不十分で、０．５％を越えて添加しても効果が飽和するため、０．０１〜０．５％とした。
【００３３】
ＮｂはＮあるいはＣと結合しＮｂＮ、ＮｂＣあるいはそれらの複合介在物を形成し、結晶粒の粗大化抑制に有効に機能する。０．００５％未満では効果が不十分で、０．０５％を越えて添加しても効果が飽和するため、０．００５〜０．０５％とした。
【００３４】
ＺｒはＮあるいはＣと結合しＺｒＮ、ＺｒＣあるいはそれらの複合介在物を形成し、結晶粒の粗大化抑制に有効に機能する。０．００５未満では効果が不十分で、０．１％を越えて添加しても効果が飽和するため、０．００５〜０．１％とした。
【００３５】
次に前記（３）の本発明の成分限定理由について説明する。これらの元素は鋼の必要特性に応じて１種または２種以上添加される。
【００３６】
Ｃａは硫化物の形態制御に有効である。ＭｎＳの圧延方向への伸長化を防止し、加工性や靱性の劣化を改善する。０．０００２％未満では効果が不十分で、０．００８％を越えて添加しても効果が飽和するとともに粗大な酸化物を生成し破壊靱性値を低下させる。
【００３７】
Ｔｅ、ＲＥＭもＣａ同様に硫化物の形態制御に有効である。０．０００２％未満では効果が不十分で、０．００８％を越えて添加しても効果が飽和する。
【００３８】
本発明鋼は特定の範囲の大きさを有するＭｇ系介在物を特定の範囲の個数を含有する。Ｍｇ系介在物は鋼中に均一に分散し、高温域でも安定なピン止め粒子として機能する。しかしながらＭｇ系介在物の個数が１×１０5個／ｍｍ2未満ではオーステナイト結晶粒の細粒化あるいは異常粒成長抑制の効果が現れない。また１×１０7個／ｍｍ2を越えると鋼の清浄度が低下し靱性、延性を低下させる。また、Ｍｇ系介在物の大きさが０．００５μｍ未満ではピン止め粒子としての効果が不十分で、１μｍを越えると、ピン止め粒子としての効果を失うだけでなく、Ｍｇ系介在物が破壊起点となり靱性や疲労特性の劣化を招く。ここでＭｇ系介在物の大きさとは円相当径とした。
【００３９】
本発明で規定した介在物の分散状態は、例えば以下のような方法で定量的に測定される。０．００５〜１μｍのＭｇ系介在物の分散状態は棒線材の任意の場所から抽出レプリカ試料を作製し、これを透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて１００００〜５００００倍の倍率で少なくとも１０００μｍ2以上の面積にわたって観察し、対象となる大きさの介在物の個数を測定し、単位面積当たりの個数に換算する。即ち、測定下限の介在物の大きさを０．００５μｍとし、測定上限を１μｍとする。このとき、介在物の同定は、ＴＥＭに付属のエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）による組成分析と、ＴＥＭによる電子線回折像の結晶構造解析によって行われる。
【００４０】
鋼の製造方法は所定のサイズのＭｇ系介在物が所定の量存在すればよいので、鋳造後の加熱条件、圧延条件、圧延後の熱処理条件は、必要とされる機械的特性に応じて、適宜選択すればよい。
【００４１】
例えば、溶鋼酸素量を０．０１質量％にして、適量のＭｇを添加して脱酸を行うことで、微細なＭｇ系酸化物を鋼中に生成させることができる。
【００４２】
【実施例】
以下に、実施例により本発明を更に詳細に説明する。表１に供試鋼の化学成分、表２に９００℃及び１２００℃に加熱焼入れ後の大きさが０．００５〜１μｍであるＭｇ系介在物の個数、１２００℃に加熱焼入れ後の大きさが０．００５〜１μｍである主要な介在物の組成、及び粗粒発生温度を示す。これらの鋼は転炉溶製鋼を連続鋳造し、続いて再加熱し直径５〜５０ｍｍの棒鋼、線材に熱間圧延した。Ｍｇ系介在物は圧延材を９００℃及び１２００℃に６０分加熱した後水焼入れした棒線材の中心部より抽出レプリカ試料を作製し、透過電子顕微鏡にて５００００倍の倍率で１０００μｍ2の面積を観察することで測定した。Ｍｇ無添加材では、０．００５〜１μｍの大きさを有する全ての介在物数を表２に示した。
【００４３】
粗粒発生温度は、棒鋼または線材に熱間圧延した素材、あるいは熱間圧延後に球状化焼鈍した鋼材より、文献「冷間据込み性試験方法」（塑性と加工、２２（１９８１）、１３９．）に示されている１号試験片（圧縮試験片)を作製し端面拘束圧縮にて最終高さが５０％となる冷間加工を行った後、８４０〜１２００℃に３０分間加熱し焼入れ、中心軸を通るＬ断面部の全領域に渡ってオーステナイト粒径を観察した。オーステナイト粒径の観察にはＪＩＳ  Ｇ  ０５５１に準じて行い、粒度番号５番以下の粗粒が１つでも存在すれば粗大粒発生と判定した。
【００４４】
介在物数は表２に示した通り、本発明の請求範囲を満たす鋼は、いずれも９００℃焼入れでのＭｇ系介在物数と１２００℃焼入れでのＭｇ介在物数に大きな変化がなく、Ｍｇ系の介在物は１２００℃での高温でも安定に存在している。一方、比較鋼では、９００℃焼入れ材では介在物が１０5〜１０6／ｍｍ2程度であり本発明鋼と同等の個数存在するが、１２００℃になると１０3／ｍｍ2程度にまで減少し、熱的安定性に欠けることがわかる。更に粗大粒発生温度は、本発明鋼はいずれも１０９０℃以上と高温であるが、比較鋼では１０００℃以下と低温である。
【００４５】
【表１】
0004031607.tif 000002
【００４６】
【表２】
0004031607.tif 000003
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、オーステナイト結晶粒の粗大化や異常粒成長に起因する焼入れ歪みによる寸法精度の低下が少なく、疲労強度、靱性、遅れ破壊特性が従来鋼よりも優れた機械構造用鋼を提供可能であり、産業上極めて大きな効果を有する。