(57)【要約】  ０．２０〜０．４０重量％のＣ、０．５０〜１．６０重量％のＭｎ、０．４０〜１．５０重量％のＣｒ、０．０７〜０．３０重量％のＡｌ、０．０３〜０．２０重量％のＶ、０．１０〜０．４０重量％のＳｉ、及び残部：Ｆｅ及び不可避的不純物を含む組成を有する、鍛造されて窒化されたマイクロアロイ鋼部品が開示される。該部品は、鋼部品を約１１００℃〜１２６０℃のオーステナイト化温度に加熱して鋼部品を熱間鍛造し、該熱間鍛造後に鋼部品が約９００℃から約５００℃に冷却される際に約１℃／ｓｅｃ〜５℃／ｓｅｃの範囲の速度で鋼部品に対して制御空冷を行い、主にベイナイトからなる、約５０％超のベイナイトを有する微細組織を生成して製造できる。その後、鋼部品は所望の形状に機械加工することができ、アンモニアを含む雰囲気での加熱により窒化される。【選択図】  図１
2016519715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間鍛造及び制御空冷後に熱処理無しで窒化を行い形成された表面窒化層を有し、及び以下の組成を有する鍛造鋼部品。
Ｃ：０．２０〜０．４０重量％、
Ｍｎ：０．５０〜１．６０重量％、
Ｃｒ：０．４０〜１．５０重量％、
Ａｌ：０．０７〜０．３０重量％、
Ｖ：０．０３〜０．２０重量％、
Ｓｉ：０．１０〜０．４０重量％、及び
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
【請求項２】
前記鋼部品は熱間鍛造前に約１２３０℃±３０℃で加熱される請求項１に記載の鍛造鋼部品。
【請求項３】
前記制御空冷後の前記鍛造鋼部品の微細組織は５０体積％超のベイナイトを有する請求項１に記載の鍛造鋼部品。
【請求項４】
前記制御空冷後の前記鍛造鋼部品の微細組織は８５体積％超のベイナイトを有する請求項１に記載の鍛造鋼部品。
【請求項５】
少なくとも前記鍛造鋼部品の表面は前記制御空冷後に少なくとも２５ロックウェルＣ硬度（ＨＲＣ）を有する請求項１に記載の鍛造鋼部品。
【請求項６】
前記鍛造鋼部品全体での硬度は約２５ＨＲＣ〜３０ＨＲＣの範囲にある請求項１に記載の鍛造鋼部品。
【請求項７】
鍛造後の前記制御空冷は約９００℃と５００℃の間で約１℃／ｓｅｃ〜５℃／ｓｅｃの範囲の速度で行われる請求項１に記載の鍛造鋼部品。
【請求項８】
鍛造鋼部品の製造方法であって、鋼ビレットを熱間鍛造し、該熱間鍛造後に熱処理無しで窒化させることを含み、前記鋼は以下の組成（重量基準）を有する鍛造鋼部品の製造方法。
Ｃ：０．２０〜０．４０重量％、
Ｍｎ：０．５０〜１．６０重量％、
Ｃｒ：０．４０〜１．５０重量％、
Ａｌ：０．０７〜０．３０重量％、
Ｖ：０．０３〜０．２０重量％、
Ｓｉ：０．１０〜０．４０重量％、及び
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
【請求項９】
熱間鍛造前に前記鋼ビレットを約１１００℃〜１２６０℃のオーステナイト化温度に加熱することをさらに含む、請求項８に記載の鍛造鋼部品の製造方法。
【請求項１０】
熱間鍛造後に前記鍛造鋼部品を空冷することをさらに含み、また鍛造鋼部品が約９００℃と５００℃の間で冷却される際の空冷速度を約１℃／ｓｅｃ〜５℃／ｓｅｃの範囲内にあるように制御することを含む、請求項９に記載の鍛造鋼部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般的にベイナイト系マイクロアロイ鋼、より具体的には、向上された窒化特性を有するベイナイト系マイクロアロイ鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸、カップリング、ギア、カム及びスプロケットのような動力伝達系部品は高い圧力、トルク負荷、及び衝撃荷重をよく受ける。窒素表面硬化処理（「窒化」という）は、一般的に、機械加工されて熱処理された部品を約５１０℃（９５０°Ｆ）ないし５３８℃（１０００°Ｆ）の温度で窒素媒体（通常、アンモニアガス）の作用を受けることからなる。窒化により、窒化された部品の耐疲労性を改善する表面硬度、耐摩耗性及び特定の種類の腐食と表面応力に対する耐性が増加される。よって、窒化合金鋼物品は、耐摩耗性及び高い応力荷重に対する耐性を必要とするギア、カップリング、軸及びその他の適用対象によく用いられる。
【０００３】
熱処理後に窒化された一群の硬化性合金鋼は、ＡＩＳＩ／ＳＡＥ  ４１００系列の合金鋼である。特に、ＡＩＳＩ／ＳＡＥ  ４１４０Ｈ合金鋼は高い表面硬度と心部硬度との組み合わせを要する様々なギアを作製するのに有用であることが知られている。ＡＩＳＩ／ＳＡＥ  ４１４０Ｈ合金鋼は以下のような特定の組成を有する：０．３７〜０．４４重量％の炭素；０．６５〜１．１０重量％のマンガン；０．１５〜０．３５重量％のケイ素；０．７５〜１．２０重量％のクロム；０．１５〜０．２５重量％のモリブデン；残部：鉄及び許容可能な微量元素。
【０００４】
一般的に、上記のような組成を有する部品は、まず、ビレットから鍛造又は圧延され、そして焼入れ及び焼戻しされ、その後、機械加工されて窒化される。ＡＩＳＩ／ＳＡＥ  ４１４０Ｈ合金鋼は、特定の窒化用としては有用であるが、いくつかの短所も有している。例えば、この鋼は高価な合金元素であるモリブデンを含有している。また、ＡＩＳＩ／ＳＡＥ  ４１４０Ｈの組成を有する物品は焼割れが生じやすいため、一般的にオイル焼入れを必要とすることが知られている。また、ＡＩＳＩ／ＳＡＥ  ４１４０Ｈの窒化表面硬度は一般的に約ロックウェルＣ硬度（ＨＲＣ）５５以下に制限される。
【０００５】
ギア及びその他の動力伝達部品のような低歪み鋼部品を製造するために、ニテンパリング（ｎｉｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）という処理で非硬化部品を製造するための合金鋼の組成が開示されている。心部硬度は熱処理ではなく合金添加で得られる。圧延されたままの鋼バーを機械加工又は鍛造した後に、合金鋼で形成された加工物がニテンパリングされる。ニテンパリング（日本では「軟窒化」ともいう）は、従来の窒化よりも速く、鋼及び鋳鉄に極めて硬い表皮部を形成する。ニテンパリング時に、部品はエンドガス（ｅｎｄｏｇａｓ）（一酸化炭素及び水素のような還元ガス混合物）とアンモニアを同量で含む雰囲気で２〜６時間５６６℃（１０５０°Ｆ）で処理される。その結果得られた硬い外層部は鉄−炭素−窒素の複合的化合物を含有する。しかし、生成された外層部は窒化で得られるものよりも薄く、加工物の予備窒化熱処理で現れる靭性の増加は得られない。また、焼入れ及び焼戻しされた鋼に匹敵する心部硬度を得るために、コストを増加させる合金を添加することは経済的に好ましくない。
【０００６】
１９８９年８月１日に発行されたＣａｌｖｉｎ  Ｌｏｙｄの米国特許第４，８５３，０４９号（’０４９特許）には、経済的な全体硬化窒化等級合金鋼を製造するための一つの試みが開示されている。該’０４９特許は、モリブデンのような高価な合金が除かれ、経済的な全体硬化窒化等級合金鋼を開示している。’０４９特許に開示されている鋼は、注意深く制御される少量のアルミニウム（Ａｌ）とバナジウム（Ｖ）の使用を通じ、硬化能、焼戻し中の硬度損失に対する抵抗性及び窒化に対する大きく向上された応答性を含んだ望ましい特性を得る。
【０００７】
’０４９特許に開示されている合金鋼は、合金鋼のコストを低減して前述の有益な特性を提供しているが、コスト面でのさらなる改善が可能である。特に、’０４９特許には、開示された合金鋼で製造された製品に対する初期熱間鍛造後に行われる複数の熱処理過程が説明されている。これらの熱処理過程は、鍛造製品を約１時間約８７０℃（１６００°Ｆ）の温度に加熱してから、水又はオイルで焼入れしてフェライト及びパーライト微細組織のマルテンサイトへの変態を完了して前記鍛造製品を硬化することを含む。焼戻しして炭化物粒子を析出及び凝集して改善された靭性を与えた後に、必要に応じて物品は所望の最終寸法に機械加工され、その後窒化される。
【０００８】
本開示の化学組成及び過程によって製造されるベイナイト系マイクロアロイ鋼は、従来技術の前述の問題及び／又は他の問題の一つ以上を解決する。
【発明の概要】
【０００９】
一態様において、本開示は鍛造鋼部品に関し、該鍛造鋼部品は、熱間鍛造及び制御空冷後に熱処理無しで窒化を行い形成された表面窒化層を有し、及び以下の組成を有する。
Ｃ：０．２０〜０．４０重量％、
Ｍｎ：０．５０〜１．６０重量％、
Ｃｒ：０．４０〜１．５０重量％、
Ａｌ：０．０７〜０．３０重量％、
Ｖ：０．０３〜０．２０重量％、
Ｓｉ：０．１０〜０．４０重量％、及び
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
【００１０】
他の様態において、本開示は、
Ｃ：０．２０〜０．４０重量％、
Ｍｎ：０．５０〜１．６０重量％、
Ｃｒ：０．４０〜１．５０重量％、
Ａｌ：０．０７〜０．３０重量％、
Ｖ：０．０３〜０．２０重量％、
Ｓｉ：０．１０〜０．４０重量％、及び
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
を含む化学組成を有するように製造される鍛造鋼部品に関し、該鍛造鋼部品は、熱間鍛造し、鍛造鋼部品全体にわたって、主にベイナイトからなる、５０％超のベイナイトを有する微細組織が生成されるように、前記熱間鍛造後に追加熱処理無しで制御空冷を行い、続いて機械加工して窒化して製造される。
【００１１】
また他の様態において、本開示は鍛造鋼部品の製造方法に関する。本方法は、鋼ビレットを熱間鍛造し、該熱間鍛造後に熱処理無しで窒化させることを含んでもよく、前記鋼は以下の組成（重量基準）を有する。
Ｃ：０．２０〜０．４０重量％、
Ｍｎ：０．５０〜１．６０重量％、
Ｃｒ：０．４０〜１．５０重量％、
Ａｌ：０．０７〜０．３０重量％、
Ｖ：０．０３〜０．２０重量％、
Ｓｉ：０．１０〜０．４０重量％、及び
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、一般的な熱処理ステップを除いた例示的に開示された過程の概略図である。
【図２】図２は、本開示の例示的な実施形態の微細組織を生成するための連続冷却変態（ＣＣＴ）図である。
【図３】図３は、改善された窒化特性を有する例示的なマイクロアロイ鋼を製造するのに用いることのできる例示的に開示された方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
空気硬化性で主にベイナイトからなり向上された窒化特性を有するマイクロアロイ鋼が開示される。ベイナイト系マイクロアロイ鋼は、増大した表面硬度のための窒化前に所望の硬度、靭性及び強度特性を得るために従前には必要であると考えられていた多くの熱処理過程を必要としないので経済的に製造できる。図１に示されるように、鋼部品の熱間鍛造後の熱処理過程は、冷却、オーステナイト化温度への再加熱、焼入れ及び焼戻しを含んでもよい。これらの熱処理ステップは、所望の強度及び靭性特性を得て、同時に機械加工において硬すぎない適切な快削性を有する部品を最終的に得るために従来の熱間鍛造過程で必要とされ得る。これらの中間熱処理過程のうち少なくとも一部を除くことができれば多大なコスト節減を達成することができる。熱処理性能のための資本投資及び炉やその他の装備に対する維持管理コストを減らすことができる。
【００１４】
本開示の様々な実施による、主にベイナイトからなる微細組織は、少なくとも５０体積％のベイナイト微細組織からなる微細組織である。ある実施形態は、少なくとも７０体積％のベイナイト微細組織を有してもよい。他の実施形態は、少なくとも８５体積％のベイナイト微細組織を有してもよい。ベイナイトは、約２５０〜５５０℃の温度で（合金含量によって）鋼に形成される微細組織である。ベイナイトは、オーステナイト（鉄の面心立方結晶組織）が７２７℃（１３４０°Ｆ）の臨界温度を超えて冷却される際に形成され得る分解生成物の一つである。ベイナイト微細組織は見かけ及び硬度特性において焼戻しされたマルテンサイトと類似し得る。
【００１５】
微細で非層状構造を有するベイナイトは、通常セメンタイト及び転位リッチなフェライトからなる。ベイナイトに存在するフェライトにある高濃度の転位により、該フェライトは通常の場合よりもさらに硬くなる。図２の連続冷却変態（ＣＣＴ）図に示されるように、ベイナイトへの変態の温度範囲（２５０〜５５０℃）は、パーライトの温度範囲とマルテンサイトの温度範囲の間にある。連続冷却中に形成される場合、ベイナイトを形成するための冷却速度はパーライトを形成するために必要な冷却速度よりは速いが、マルテンサイトを形成するために必要な冷却速度よりは遅い（同じ組成の鋼で）。本開示の様々な実施によると、下記でさらに詳しく述べられる化学組成を有するマイクロアロイ鋼は、初めに約１１００〜１２５０℃以上のオーステナイト化温度に加熱できる。その後、前記鋼は所望の形状に熱間鍛造され、鍛造温度から制御冷却されてベイナイト組織を得ることとなる。熱間鍛造後の冷却のために、大気冷却又は送風機を用いた強制空冷が行われてもよい。様々な代案的な実施において、前記鋼はほぼ共析変態温度で急速冷却されてもよく、その後、約９００〜５００℃の範囲で徐々に冷却されてもよい。また、他の代案的な実施において、鋼は熱間鍛造後に約５００〜３００℃に急速冷却されてもよく、ベイナイト変態を促進させるために約５００〜３００℃の範囲内の特定の平衡温度で維持されてもよい。
【００１６】
冷却速度は、ＣＣＴ図を参照して決めてもよく、ベイナイト変態領域を通る冷却速度範囲が分かり、このようにして決められた冷却速度範囲で制御できる。冷却過程の制御のためにＣＣＴ図は予め用意され、データベースに格納されるか、又は他の方式で利用可能にできる。鍛造製品は、約９００℃と５００℃の間で冷却される際に、約１〜５℃／ｓｅｃの範囲又は６０〜３００℃／ｍｉｎの範囲内の冷却速度を得るために、冷却用空気を循環させるファン又は他の手段を用いて空冷してもよい。ベイナイトの最大形成速度に必要な温度を下げるのは炭素が最も効果的であるが、大部分の合金元素が温度を下げることができる。ベイナイトは、一般的にパーライトの典型的な硬度より大きくマルテンサイトの硬度よりは小さい硬度を有する。微細組織内のパーライトは靭性低下に寄与することができる。本開示の様々な実施形態によるマイクロアロイ鋼の組成及び処理は、パーライトの存在を避けるか又はパーライトの量を少なくとも最小化するように選択される。商業的な慣例上、２体積％未満のような少量のパーライトが特に大きなセクションの中心に不可避に存在し得るが、パーライトの存在と影響を最小化するために注意すべきである。
【００１７】
ベイナイト微細組織は本質的にフェライトと炭化鉄で構成された２相の微細組織を有する。熱間鍛造過程中のオーステナイトの組成及び熱間鍛造後の冷却速度に応じて、結果として生じるベイナイトの形態の変動があり得る。結果として得られる微細組織を上部ベイナイト又は下部ベイナイトという。上部ベイナイトは、通常平行なグループをなして板状領域を形成することで現れるフェライトラスの集合体であるものと説明される。上部ベイナイトと関連した炭化物相は従前のオーステナイト粒界（ラス間領域）から析出され、炭素含量により、これらの炭化物はラス境界の間でほとんど完全な炭化物膜を形成することができる。下部ベイナイトもフェライトと炭化物の集合体からなる。炭化物は、フェライト板の内部から析出される。炭化物は非常に微細なスケールであり、一般的にロッド又はブレードの形状を有する。このような理由により、ベイナイト微細組織は、パーライト系鋼の硬度値とマルテンサイト系鋼の硬度値の間の硬度値を得るために、初期冷却後に追加的な熱処理が必要ではないという点で有用である。鍛造されたマイクロアロイ鋼の材料特性は、組成に含まれている合金元素の特定の種類及び量によって広い範囲にわたって変化し得る。本開示の様々な実施形態によって含まれる合金元素の組成により、従前には熱間鍛造後オーステナイト化温度に再加熱して焼入れ及び焼戻しする中間熱処理ステップを含むことによってのみ得ることのできた強度、硬度及び靭性特性を有する鋼部品が得られる。
【００１８】
上記で述べられた有利な材料特性は、ベイナイト微細組織の体積％が増加するにつれてより多く得られることが見出された。よって、ベイナイト微細組織が７０体積％である部品が、ベイナイト微細組織が５０体積％である部品よりも高い強度、硬度及び靭性特性を有することができる。さらに、ベイナイト微細組織が８５体積％超の部品は、ベイナイト微細組織が７０体積％である部品よりも一層向上された強度、硬度及び靭性特性を有することができる。図１に示されるように、オーステナイト化温度に再加熱、焼入れ、焼戻し、二次再加熱、二次焼入れ、及び二次焼戻しする中間熱処理ステップは、本開示の様々な実施によって鍛造製品の最終機械加工及び窒化前に除かれてもよい。本開示の様々な実施形態による組成に添加される合金元素は、異なる厚さを有する部品の異なるセクション又は部分で現れ得る異なる冷却速度と関係なく部品全体にわたって所望の体積％のベイナイト微細組織が得られるように選択できる。
【００１９】
下記でさらに詳しく述べるように、本開示の様々な実施によるマイクロアロイ鋼の組成において二つの重要な元素はアルミニウム（Ａｌ）とバナジウム（Ｖ）である。Ａｌ及びＶは窒化過程中で合金の窒化能を改善する。ベイナイト微細組織を得るために本開示で実施される制御冷却過程中において、マイクロアロイ鋼に提供されている少量のＶ及びＡｌは、鋼が固化される際に、鋼内に溶解された少量（１５０ｐｐｍ程度）の窒素（Ｎ）と反応して鋼の強化に寄与することとなる。Ｖ及びＡｌと溶解されたＮとの反応により窒化バナジウム（ＶＮ）と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の微細な粒子又は析出物が形成されるが、これはマイクロアロイ鋼の格子の強化に寄与する。溶解されたＮの量が非常に少ないため、未反応のＶ及びＡｌが冷却過程後に残留することになり、機械加工後、窒化過程中に部品の表面内に拡散するＮと結合するのに用いられてもよい。
【００２０】
様々な窒化方法を用いることができる。一般的に用いられる窒化方法の一つはガス窒化である。代替的な方法としては、塩浴窒化とプラズマ窒化を含むことができる。ガス窒化で、ドナーは窒素リッチなガス（通常アンモニア（ＮＨ３））であり、そのためガス窒化は時にアンモニア窒化としても知られている。アンモニアが加熱された加工物と接触すると、該アンモニアは窒素と水素に分解される。そして、窒素は材料の表面上に拡散されて窒化物層を生成することになる。その結果得られた窒化層の厚さ及び相の構成は要求される特定の特性が得られるように選択することができ、また過程が最適化され得る。
【００２１】
本開示の様々な実施において、熱間鍛造に続く冷却過程後に残留するＶ及びＡｌが、マイクロアロイ鋼の窒化特性を向上させ、耐摩耗性を改善し、かつ機械加工された部品を強化させることが見出された。制御空冷後のＶ及びＡｌを有するベイナイト微細組織も、従前の熱間鍛造後に行われる焼入れ、再加熱、二次焼入れ及び焼戻しで得られるのと同一又は、類似した硬度及び強度特性を有することができる。本開示による制御空冷マイクロアロイ鋼は、熱間鍛造後の急速焼入れで得られるマルテンサイト微細組織の体心正方構造を有していない。マイクロアロイ鋼はオイル又は水での焼入れを通じ熱間鍛造温度から急速冷却された後に、マルテンサイト微細組織を有してもよい。マルテンサイト微細組織は焼入れ後に５０ロックウェルＣ硬度（ＨＲＣ）を有してもよい。このマルテンサイト微細組織を有する鋼を処理する典型的な方法は、約８７０℃のオーステナイト温度まで再加熱して再び焼入れしてから鋼を約ＨＲＣ３０に軟化させるために約５５０℃〜５９０℃に再び再加熱して焼戻しすることを含んでもよい。本開示の様々な実施による、主にベイナイトからなる微細組織を生成するための前記制御空冷過程により、従前に必要であった焼入れ、再加熱、焼入れ及び焼戻しのステップが全て無くともＨＲＣ３０の同じ硬度を得ることができる。前述したように、主にベイナイトからなる微細組織は５０体積％超のベイナイト微細組織を含むことができる。本開示による空冷後の硬度は約３５〜４５ＨＲＣの範囲となることができる。
【００２２】
本開示の様々な実施例によるマイクロアロイ鋼は、表１に示されているような化学組成（重量基準）を有することができる。
【００２３】
【表１】
2016519715.tif 000003
【００２４】
炭素は、得られる硬度レベル及び硬化深さに寄与する。本開示の様々な実施によると、焼戻し後に十分な心部硬度を維持するために炭素含量は少なくとも０．２０重量％であり、焼割れに対する耐性及び窒化に対する十分な応答を保障するために約０．４０重量％以下である。炭素含量が約０．３４重量％以上であると水焼入れ時に複雑な形状の物品に割れや歪みが発生する可能性があることが分かっており、このような場合には、オイルのような急激性の少ない焼入れ媒体が必要となり得る。本開示の様々な実施によるベイナイト系マイクロアロイ鋼は、図２のＣＣＴ図における選択された冷却曲線に従って空冷できる。
【００２５】
マンガンは深い硬化能に寄与し、それにより全ての硬化性合金鋼の等級に存在する。開示された合金鋼は十分な心部硬度を保障するためにマンガンを少なくとも０．５０重量％の量で含み、割れを防止するために約１．６０％以下を含む。０．５０重量％〜１．６０重量％の許容可能な広い範囲に加え、熱処理に対する応答の均一性を維持するためには１．００％〜１．３０％のより狭い範囲のマンガンが有利である。
【００２６】
クロムは、本鋼合金の硬化能に寄与し、また優れた窒化物形成剤であるため窒化特性を向上させる。これらの効果を実現させるためには最小０．４０％のクロムが必要であり、有利には少なくとも０．９０％のクロムが存在すべきである。脆化を避けるために、クロムの量は最大１．５０％に制限されるべきであり、好ましくは約１．２０％以下に制限されるべきである。
【００２７】
アルミニウムは、硬化能に寄与し、優れた窒化物形成剤である。アルミニウムは少なくとも０．０７％、好ましくは少なくとも０．１０％の量で存在すべきである。アルミニウムが約０．０７％より少ない量で存在すると、硬化能又は窒化物の応答における観察可能な改善がほとんど無いだけでなく、利益も一貫していない。また、０．３０％を超える量のアルミニウムが窒化能に有利であるが、外層部が脆化する傾向も増加するようになることが見出された。よって、アルミニウムの上限を０．３０％以下、有利には約０．２０％以下に維持することが好ましい。指定された範囲のアルミニウムを有する本合金鋼は硬化能を一貫して改善させることが見出された。
【００２８】
バナジウムも本合金鋼の組成成分であり、外層部硬度及び心部硬度の一貫した測定可能な向上を実現するために少なくとも０．０３％の量で存在すべきである。０．２０％より多い量のバナジウムは材料の窒化物応答又は硬化能を大きく向上させることができない。このような理由により、バナジウムの限界は少なくとも０．０３％かつ０．２０％以下であり、この成分の最善の経済的使用のためには０．０５％〜０．１０％であることが有利である。
【００２９】
特定の範囲内でのアルミニウムとバナジウムの特有の組み合わせが窒化物応答の改善に大きく寄与し、そのようにして必要な窒化時間を短縮させ、また外層部硬度及び深さを増加させることが分かった。また、特定の範囲内でのアルミニウムとバナジウムの特有の組み合わせは硬化能及び耐焼戻しに寄与する。
【００３０】
合金鋼の組成の残部は、少量で存在することのできる重要でないか又は残留量である要素を除いては、本質的に鉄である。例えば、認められた商業的に特定された量のケイ素（Ｓｉ）は、溶鋼の脱酸に用いられ、改善された靭性を有する無炭化物ベイナイトの形成に寄与することができる。このような目的で、ケイ素は少なくとも０．１０％の量で存在することができる。チタン（Ｔｉ）は、鍛造前後に粒子の粗大化を防止するために約０．０２〜０．０６％の量で提供されてもよい。硫黄（Ｓ）（少量で存在する場合、機械加工を促進するため有益となり得る）は、軟性の損失を避けるために約０．１０％以下、好ましくは０．０４％以下の量で許容される。リンは０．０５％以上の量で脆化をもたらし得るため、好ましくは上限が０．０３５％を超過してはならない。一般的に不可避的不純物とみなされる他の要素が商業的に認められた許容可能な量で存在してもよい。
【００３１】
上記の組成を有する軸、カップリング、及びギアのような製造された物品は、初めにマイクロアロイ鋼を約１１００〜１２５０℃のオーステナイト化温度に加熱した後、鍛造又は圧延を行い所望の形状に形成されることが有利である。その後、形成された物品は、主にベイナイトからなる微細組織が生成されるように前述したような制御冷却が行われ、所望の最終寸法に機械加工された後に窒化される。
【００３２】
図３は本開示の様々な実施による、主にベイナイトからなり窒化されたマイクロアロイ鋼部品を製造するのに用いられ得る一つの例示的な方法を示している。図３については開示された概念をさらに説明するために以下の項でさらに詳しく論議されるはずである。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本開示の様々な実施による鋼及び該鋼を作製する方法は、熱間鍛造後に一般的に行われる熱処理ステップを除いたことでコストを低減することができる。鍛造され、空気硬化可能であり、窒化される開示されたマイクロアロイ鋼部品は、従前の熱間鍛造されて熱処理されていた鋼部品と類似した硬度及び強度を提供することができる。バナジウム及びアルミニウムの微量合金元素は、熱間鍛造温度からの制御空冷後に主にベイナイトからなる微細組織を生成し、また機械加工後の窒化熱処理過程を改善するために添加されている。
【００３４】
図３に示されるように、ステップ３２０で、上記の表１に示されている組成を有するマイクロアロイ鋼は、約１１００℃〜１２６０℃のオーステナイト化温度に加熱できる。本開示の様々な実施によって製造される部品の例示的な種類は、変速器リングギア、エンジンギア、ハブ、軸、及び様々な機械の他の動力伝達系部品を含んでもよい。前記部品の大きさは、ステップ３２０によって初めにオーステナイト化温度に加熱される鋼ビレットの大きさを決める。
【００３５】
ステップ３２２で、加熱されたビレットは所望の形状で熱間鍛造されることができる。熱間鍛造後に、ステップ３２４は、主にベイナイトからなる微細組織が熱間鍛造された部品全体にわたって形成される冷却速度で熱間鍛造製品を空冷することを含むことができる。図２のＣＣＴ図に示されるように、前記冷却速度はマルテンサイト微細組織又は主にフェライトとパーライトからなる微細組織が形成されるのを避けるように選択されてもよい。本開示の様々な実施において、熱間鍛造された鋼は約９００℃から約５００℃に冷却される際に、約１〜５℃／ｓｅｃの範囲の速度で冷却されてもよい。主にベイナイトからなる微細組織は、熱間鍛造された鋼部品全体にわたって５０％超のベイナイト、より有利には７０％超のベイナイト、さらに有利には８５％超のベイナイトを有する微細組織であってもよい。
【００３６】
ステップ３２６で、バナジウム（Ｖ）及びアルミニウム（Ａｌ）の微量合金元素は、固化中に鋼内に溶解された窒素と反応し、鋼の微細組織の結晶格子を強化させる微細な析出物又は粒子を形成することができる。窒素（Ｎ）の量は一般的に非常に少ないが、１５０ｐｐｍ程度であり得る。結果として、大部分のＶとＡｌは自由な状態で残留し、機械加工後、後続のステップで窒化過程中に導入され得る、より多くのＮと結合することになる。
【００３７】
ステップ３２８で、鋼部品が空冷された後に、該鋼部品は通常の機械加工技術を用いて機械加工されることができる。機械加工後、ステップ３３０で、機械加工された部品はアンモニア（ＮＨ３）のような窒素リッチなガスがある雰囲気で前記機械加工された部品を加熱することを含むことのできる技術を用いて窒化されることができる。窒化は、表面硬化された表面を生成するために窒素を部品の表面内に拡散させる熱処理過程である。ＶとＡｌ中の一部が固化中に鋼内に溶解されたＮと反応した後、残留するＶとＡｌが、窒化過程中に提供されるＮと反応して窒化過程を向上させる。
【００３８】
開示されたマイクロアロイ鋼及びこの鋼を最終部品として形成する方法に対する様々な修正及び変化が本開示の範囲から逸脱することなく可能であることは当業者にとって自明である。ここに開示された前述の内容及び実施を考慮した代案的な実施は当業者にとって自明である。前述の内容及び実施例は単に例示に過ぎず、本開示の真の範囲は下記の請求の範囲及びこれの均等物により定められる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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