JP6282078B2

JP6282078B2 - 結晶粒度特性および衝撃特性に優れた機械構造用鋼からなる鋼部品の製造方法

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Publication number: JP6282078B2
Application number: JP2013211470A
Authority: JP
Inventors: 悠太郎石原; 藤松　威史; 威史藤松; 常陰　典正; 典正常陰
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2018-02-21
Anticipated expiration: 2033-10-08
Also published as: JP2015074803A

Description

本発明は、自動車などの部品、例えばギヤや減速機などの長寿命化や高強度化が要求される部品の製造に用いる結晶粒度特性および衝撃特性に優れた機械構造用鋼からなる鋼部品の製造方法に関する。

ギヤ、ＣＶＪなどの自動車用部品では、小型軽量化に伴う高強度化が要求される。そこで、一般的にはＪＩＳ規格におけるニッケル・クロム・モリブデン鋼のようにＮｉやＣｒやＭｏ等の合金元素を添加して高強度化を図っている。しかし、このように合金元素を添加して高強度化を図った材料では、素材コストが高くなり、変形抵抗が高く冷間加工性が劣るため冷間鍛造できず、さらに熱間鍛造後そのままでは強度が高くなりすぎるため切削できない問題がある。

また、高強度化には、材料の旧オーステナイト粒径微細化が有効であることがわかっており、加工と熱処理の組み合わせによって結晶粒の微細化を図ることで高強度化している。しかし、この場合も、成型と熱処理を組み合わせるため、成型の難しいものには適用できず、部品形状が限定されるなどの問題がある。

あるいは、旧オーステナイト結晶粒径の微細化手段として、ＴｉやＮｂ等のピン止め粒子として有効に働く元素を添加した材料に繰り返し焼入れ処理を施したものがあり、旧オーステナイト結晶粒径がＪＩＳＧ０５５１で規定されている粒度Ｎｏ．１１以上の結晶粒径を安定して得られており、強度も向上しているとされている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。

特開２００３−０３４８３９号公報特開２００８−２９１３４１号公報

しかし、上記した提案の方法では、ピン止め粒子としてのＴｉの添加が、衝撃特性を悪化させており、旧オーステナイト結晶粒径がＪＩＳＧ０５５１で規定されている粒度Ｎｏ．１２以上の結晶粒径を安定して得たうえで靭性を確保できない。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、自動車などの部品、例えばギヤや減速機など、の長寿命化や高強度化に応え得る結晶粒度特性および衝撃特性に優れた機械構造用鋼からなる鋼部品の製造方法を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の手段は、第１の手段では、鋼の化学成分として、質量％で、Ｃ：０．２５〜０．７５％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜０．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．８０〜３．００％、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１０％、Ｎ：０．００５０〜０．０３００％を有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用い、この鋼からなる鋼部品を炭化物球状化のため７５０〜９００℃の間で焼鈍した後、冷間加工または熱間鍛造し、炭化物とオーステナイト２相状態から焼入れることを目指し８１０〜８８０℃で焼入れする。その後、さらに繰り返し焼入れとして８１０〜８８０℃でずぶ焼入れもしくは高周波焼入れをおこない、次いで焼戻しを行うことからなる、結晶粒度特性および衝撃特性に優れた機械構造用鋼からなる鋼部品の製造方法である。

本発明の製造方法における鋼材の化学成分およびこの鋼からなる鋼部品の熱処理方法について説明する。
まず、本発明における鋼の化学成分について説明する。本発明の方法における鋼部品は、繰り返し焼入れによって結晶粒を微細化する。まず焼鈍によって球状化炭化物を析出させておく。この炭化物および、添加したＡｌやＮｂといったピンニング力の高い元素によって、１回目の焼入れ加熱時に生成した非常に微細なオーステナイト初期粒の成長を押さえ、さらに焼入れ時の加熱時に鋼材中の炭化物を完全に固溶させないことにより、この炭化物をピン止め粒子として利用している。

次に上記の繰り返し焼入れについて説明すると、繰り返し焼入れ法を結晶粒の微細化手法として用いている。繰り返し焼入れ回数は１回よりも２回のほうが効果は大きいが、成分によっては混粒が発生し、強度が低下することがあり、望ましくは２回までとする。

本発明の方法における鋼材の化学成分の限定理由をさらに詳細に説明する。なお、化学成分は質量％で示す。ただし、ＮｉおよびＭｏは不可避不純物そして含有される元素である。

Ｃ：０．０２５〜０．０７５％
Ｃは焼入れ処理および焼戻し処理にて硬さを確保するために必要な元素で、このためには０．０２５％以上必要であり、さらにピンニング粒子となる炭化物を生成し、結晶粒微細化に有効に働くが、Ｃが０．０６５％以上となると、衝撃特性が低下する。そこで、Ｃ量は０．０２５〜０．０７５％、望ましくは、０．０３５〜０．０６５％とする。

Ｓｉ：０．０５〜２．００％
Ｓｉは脱酸に必要な元素であり、０．０５％未満では脱酸が十分に行われない。一方、Ｓｉが２．０％を超えると加工性を低下させる。そこで、Ｓｉは０．０５〜２．００％とし、望ましくは０．０５〜１．００％とする。

Ｍｎ：０．１０〜２．００％
Ｍｎは焼入れ生を確保するために必要な元素であり、Ｍｎが０．１０％未満では焼入れ性の効果は十分に得られない。また、Ｍｎが２．００％を超えると加工性が悪化する。そこで、Ｍｎは０．１０〜２．００％とし、望ましくは０．２０〜０．５０％とする。

Ｐ：０．０３０％以下
Ｐはスクラップなどから含有される不可避な元素であり、オーステナイト粒界に偏析して衝撃強度や曲げ強度などの靭性を悪化させる。そこでＰは０．０３０％以下とする。

Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは被削性を向上させる元素である。しかし、ＳはＭｎと結合して非金属介在物であるＭｎＳを生成して、横方向の靭性および疲労強度を低下させる、そこでＳは０．０３０％以下とする。

Ｃｒ：１．８０〜３．００％
Ｃｒは鋼の焼入れ性を上昇させる元素であるが、１．８０％未満ではその効果が十分に得られない。一方、Ｃｒは炭化物を生成することで、繰り返し焼入れ時、ピン止め粒子の役割を果たし、結晶粒を微細化する。しかし、Ｃｒが３．００％より過剰に添加されると加工性を損なう。そこでＣｒは１．８０〜３．００％とする。

Ｎｉ：０．２５％以下
Ｎｉは鋼の焼入れ性や靭性を向上させる元素であるが、Ｎｉを０．２５％より多く添加すると、本発明においては結晶粒度特性に不利なベイナイトが析出し、それを核とした結晶粒粗大化が発生する。そのため、合金元素添加による靭性向上効果よりも、結晶粒粗大化による靭性低下のほうが大きく、靭性が低下する。そこで、ベイナイトの析出を回避するため、Ｎｉは不可避的不純物量レベルである０．２５％以下とする。

Ｍｏ：０．０５％以下
Ｍｏは鋼の焼入れ性や靭性を向上させる元素であるが、Ｍｏを０．０５％より多く添加すると、本発明においては結晶粒度特性に不利なベイナイトが析出し、それを核とした結晶粒粗大化が発生する。そのため、合金元素添加による靭性向上効果よりも、結晶粒粗大化による靭性低下のほうが大きく、靭性が低下する。そこで、ベイナイトの析出を回避するため、Ｎｉは不可避的不純物量レベルである０．０５％以下とする。

Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％
Ａｌは脱酸材として使用される元素であり、また、後述するようにＮと結合してＡｌＮを析出させ、ピン止め効果によって結晶粒粗大化を抑制する。また、繰り返し焼入れ時、ピン止め粒子となり、結晶粒を微細化させる。この効果を得るにはＡｌは０．０１０％以上添加する必要がある。一方、Ａｌは０．０５０％より多く添加した場合、アルミナ系酸化物が増加し、疲労特性および加工性が低下する。そこでＡｌは０．０１０〜０．０５０％とする。

Ｎｂ：０．０２〜０．１０％
ＮｂはＮｂ炭化物やＮｂ窒化物あるいはＮｂ炭窒化物を形成して、それらのピン止め効果により、結晶粒粗大化防止効果をもたらす。また、繰り返し焼入れ時、ピン止め粒子となり、結晶粒を微細化させる。特に鋼中に微細に分散したナノオーダーのＮｂ炭化物またはＮｂ炭窒化物は結晶粒の成長を抑制する。Ｎｂは０．０２％以未満ではそれらの効果が得られず、０．１０％を超えると析出物の量が過剰となり、加工性が低下する。そこで、Ｎｂは０．０２〜０．１０％、望ましくは０．０２〜０．０８％とする。

Ｎ：０．００５０〜０．０３００％
Ｎは鋼中でＡｌＮやＮｂ窒化物、Ｎｂ炭窒化物として微細析出し、そのピン止め効果により結晶粒粗大化防止効果や、繰り返し焼入れ時に結晶粒微細化効果をもたらすため、Ｎは０．００５０％以上添加する。しかし、Ｎ量が０．０３００％を超えると窒化物が増加し、疲労強度や加工性が低下する、このため、Ｎは０．００５０〜０．０３００％とし、望ましくは０．００５０〜０．０２５０％とする。

結晶粒度Ｎｏ．１２以上
結晶粒微細化は衝撃値を向上させると共に、材料の寿命を向上させるため、粒度Ｎｏ．１２以上、望ましくは１２．５以上とする。

本発明の効果について述べる。本発明の中炭素鋼からなる鋼部品は、７５０℃〜９００℃にて焼鈍後、２回の８１０℃〜８８０℃での焼入れ処理を行うことが特に重要であり、通常の焼入れまま（高周波焼入れを含む）では、結晶粒は微細化しない。焼鈍して炭化物を球状化した鋼を、炭化物を完全に固溶させない条件にて一度焼入れし、前組織をマルテンサイト（またはベイナイト）化した状態で再び焼入れすると、旧オーステナイト粒径が、ＪＩＳＧ０５５１で規定される粒度Ｎｏ．１２以上の極めて微細な組織となる。

ここでは、１回目の焼入れで生成したマルテンサイト（またはベイナイト）は、再焼入れの加熱時に一旦オーステナイト化するが、このオーステナイト生成サイトが多いため、いたるところからオーステナイト粒ができ、このオーステナイト粒は微細分散したピンニング粒子（各種炭化物や窒化物および炭窒化物）によってピンニングされて成長が止まり、その状態から焼入れされるため、微細なマルテンサイト組織ができる。

本発明は上記の手段とすることで、鋼部品の結晶粒径が粒度Ｎｏ．１２以上に微細であると同時に、ＮｉやＭｏなどの高価な元素を用いず、高い衝撃特性を有する機械構造用鋼ができる。

焼入れ後の試験片の（ａ）は側面図、（ｂ）は前面図である。シャルピー衝撃試験片の詳細な形状を示す。（ａ）は試験片側面図、（ｂ）は試験片前面面図である。

表１に示す化学成分から成る比較例および実施例の鋼を１００ｋｇ真空溶解炉で溶解し、インゴットに鋳造し、これを１２００℃に加熱し、４時間保持して溶体化した後、直径２０ｍｍの棒材に鍛伸した。さらに、この鍛伸した棒材からなる素材を、７７５℃で焼鈍した後、８５０℃で２０分加熱後油焼入れ（６０℃）にて１回目の焼入れを実施し、さらに８３０℃で２０分加熱後に２回目の油焼入れ（６０℃）を実施し、結晶粒度を、１回目の焼入れ後と２回目の焼入れした直後、図１のように長さ方向に沿って切断し、この断面を鏡面研磨し、飽和ピクリン酸溶液にて腐食し、旧オーステナイト粒界を現出させた。この試験片を光学顕微鏡で観察し、材料中周部から粒度番号を判定した。

表２に比較例および実施例の１回焼入れ後と２回焼入れ後の旧オーステナイト結晶粒度Ｎｏ．と、２回焼入れ後のシャルピー衝撃試験結果の衝撃値を示す。１回焼入れ後は、全ての試料で旧オーステナイト粒径が粒度Ｎｏ．１２以下となっている。一方で２回焼入れ後の実施例はいずれも旧オーステナイト粒径が粒度Ｎｏ．１２よりも微細となり、かつ衝撃値１００Ｊ／ｃｍ²以上と比較例よりも良好な衝撃値を示した。
Ｎｏ．９以外の比較例には、２回焼き入れ後の結晶粒度の目標値である粒度Ｎｏ．１２に達しなかった。また、比較例Ｎｏ．９も結晶粒度は微細だったが、Ｃ量とＡｌ量が非常に高く、衝撃値が実施例よりも悪化している。また、比較例Ｎｏ．３はＮｉとＭｏ量が多く、良好な衝撃値を示したが、ピン止め粒子量が足らず、２回焼入れでは結晶粒径が微細化しなかった。

本願発明においては、繰返し焼入れ処理の前に焼鈍を加えることも重要な要素である。そこで本願発明と対比するために、焼鈍を施すことなく繰返し焼入れ処理を施した場合の結果を、下記の表３に比較例のＮｏ．１〜２４として示す。
この表３の比較例は、表１に示す化学成分から成るＮｏ．１〜２４の材料を鍛伸し、８５０℃で２０分加熱後油焼入れ（６０℃）にて１回目の焼入れを実施し、さらに８３０℃で２０分加熱後に２回目の油焼入れ（６０℃）を実施した。その後、１回目の焼入れ後と２回目の焼入れ後の直径の２０ｍｍの棒材を、図１のように長さ方向に沿って切断し、この断面を鏡面研磨し、飽和ピクリン酸溶液にて腐食し、旧オーステナイト粒界を現出させた。この試験片を光学顕微鏡で観察し、材料中周部から粒度番号を判定した。この結果を表３に示す。いずれの鋼種においても、結晶粒度Ｎｏ．１２以上を満たさなかった。

１焼入れ後の試験片
２結晶粒度測定位置
３シャルピー衝撃試験片

Claims

質量％で、Ｃ：０．２５〜０．７５％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜０．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．８０〜３．００％、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１０％、Ｎ：０．００５０〜０．０３００％を有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用い、この鋼からなる鋼材を７５０℃〜９００℃の間で焼鈍した後、８１０〜８８０℃で焼入れし、その後、さらに繰り返し焼入れとして８１０〜８８０℃でずぶ焼入れもしくは高周波焼入れを行い、次いで焼戻しを行うことを特徴とする結晶粒度特性および衝撃特性に優れた機械構造用鋼からなる鋼部品の製造方法。