JP2019522732A - 鋼組成物 - Google Patents

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Abstract

【課題】鋼組成物の提供。【解決手段】本発明は、全組成物に対する重量％として、炭素：０．０５〜０．４０、好ましくは０．１０〜０．３０；クロム：２．５０〜５．００、好ましくは３．００〜４．５０；モリブデン：４．００〜６．００；タングステン：０．０１〜１．８０、好ましくは０．０２〜１．５０；バナジウム：１．００〜３．００、好ましくは１．５０〜２．５０；ニッケル：２．００〜４．００；コバルト：２．００〜８．００、好ましくは３．００〜７．００；鉄：残部、及び不可避的不純物を含有し、ニオブ：≦２．００；窒素：≦０．５０、好ましくは≦０．２０；ケイ素：≦０．７０、好ましくは０．０５〜０．５０；マンガン：≦０．７０、好ましくは０．０５〜０．５０；アルミニウム：≦０．１５、好ましくは≦０．１０のうち１種以上の元素をさらに含有してもよいが、ニオブ＋バナジウムの合計含量は１．００〜３．５０の範囲であり、炭素＋窒素の含量は０．０５〜０．５０の範囲である浸炭可能な及び／又は窒化可能な鋼組成物に関する。また、本発明は、その製造方法、得られる鋼ブランク、及びそれを含む機械装置にも関する。【選択図】なし

Description

本発明は、特にベアリング及び歯車装置等のトランスミッション分野で用いられる新規な熱化学処理用２０ＣｒＭｏＣｏ型低炭素鋼に関する。
ベアリングは、２つの部品間において配向及び方向が制限された相対運動を確保できるようにする機械装置である。ベアリングはいくつかの部材、すなわち内輪と、外輪と、これらの間に配置された転動体（玉又はころ）とを有する。信頼性及び経時的性能を確保するために、上記各部材の転がり疲労、摩耗等の特性が良好であることが重要である。
歯車装置は、動力を伝達する機械装置である。好ましい出力密度（歯車装置の面積に対する伝達された動力の比）及び動作信頼性を確保するために、歯車装置の構造疲労（歯元）及び接触疲労（歯面）の特性が良好でなければならない。
これらの金属部材を製造するための従来の方法では、電気製鋼工程を行った後、場合によっては再溶解処理又は１回若しくは複数回の真空再溶解処理を行う。このようにして得られたインゴットは、その後、圧延又は鍛造等の熱間加工工程によって棒、管、又は環へと形成される。
最終機械的特性を確保するために２種類の冶金技術が存在する。
第一の技術：部材の化学組成に従って、好適な熱処理後直ちに機械的特性が得られる。
第二の技術：部材は、炭素及び窒素等の格子間元素で表面を富化する熱化学処理を必要とする。その後、この化学元素による富化（通常は表面的）に従って、最大で数ミリメートルの深さまで熱処理した後に優れた機械的特性が得られる。このような鋼は、通常、第一の技術の鋼よりも延性の点で優れた特性を示す。
窒素で表面を富化して非常に優れた機械的特性を得ることを目的として、第一の技術の鋼に適用される熱化学工程も存在する。
ベアリング又は歯車装置の分野で必要とされる特性の１つは、非常に高い硬度を得ることである。上記第一の技術及び第二の技術の鋼は、通常、表面硬度が５８ＨＲＣを超える。Ｍ５０（０．８％Ｃ−４％Ｃｒ−４．２％Ｍｏ−１％Ｖ）又は５０ＮｉＬ（０．１２％Ｃ−４％Ｃｒ−４．２％Ｍｏ−３．４％Ｎｉ−１％Ｖ）として知られる最も広く用いられている鋼種は、任意の熱化学処理及び好適な熱処理後の表面硬度が６３ＨＲＣを超えない。
特許文献１には、鉄基地の粉末及びより硬い粒子の混合物を用いた圧縮粉末冶金法で製造されたバルブシート鋼が記載されている。上記混合物のマトリックスは、全組成物に対する重量％として以下の組成を有する。
炭素：０．２〜２．０；
クロム：１．０〜９．０；
モリブデン：１．０〜９．０；
ケイ素：０．１〜１．０；
タングステン：１．０〜３．０；
バナジウム：０．１〜１．０；
ニッケル＋コバルト＋銅：３．０〜１５．０；
鉄：残部
しかしながら、上記マトリックスは、パーライトを５〜４０体積％含むため、上記マトリックスの延性が不足し、結果として脆化が生じる。
特許文献２には、全組成物に対する重量％として、
炭素：０．０５〜０．５；
クロム：２．５〜５．０；
モリブデン：４〜６；
タングステン：２〜４．５；
バナジウム：１〜３；
ニッケル：２〜４；
コバルト：２〜８；
鉄：残部、
及び不可避的不純物という組成を有し、
ニオブ：０〜２；
窒素：０〜０．５；
ケイ素：０〜０．７；
マンガン：０〜０．７；
アルミニウム：０〜０．１５
のうち１種以上の元素をさらに含有していてもよいベアリング鋼、特にＭＩＸ５という鋼種が記載されている。該鋼種は、０．１８％Ｃ−３．４５％Ｃｒ−４．９３％Ｍｏ−３．０５％Ｗ−２．０９％Ｖ−０．３０％Ｓｉ−２．８９％Ｎｉ−５．１４％Ｃｏ−０．２７％Ｍｎという組成を有し、表面硬度が最も高いため最も興味深い。この鋼種を用いれば、１１５０℃の固溶化熱処理及び５６０℃の焼戻しを行った後の表面硬度が最大硬度で約８００ＨＶ、すなわち最大６４ＨＲＣに相当する硬度（比較例１）を達成できる。
したがって、特に１１６０℃以下の温度での固溶化熱処理によって６４ＨＲＣを超える表面硬度を達成することは困難であるものの、それにより部材の特性を著しく向上できるであろう。
英国特許出願公開第２３７０２８１号明細書 国際公開第２０１５／０８２３４２号
本発明者らは、驚くべきことに、特許文献２に記載の鋼のタングステン含量を低減することによって、得られる鋼が、熱化学処理、特に浸炭及び／又は窒化後に非常に高い表面硬度を有し、１１００℃〜１１６０℃の温度範囲での固溶化熱処理及び４７５℃以上の温度での焼戻しを行った後では表面硬度が６４ＨＲＣ以上にもなることを見出した。
これは、最も優れた硬度を有する組成物と見なされているＭＩＸ５（タングステン３％）等の高タングステン含量である鋼種の使用を推奨する上記文献からは全く明らかではないことであった。
米国特許出願公開第２００４／０１８７９７２号明細書には、タングステン含量が０．５〜２％の鋼が記載されている。しかしながら、該鋼は炭素含量が高い（０．５〜０．７５％）ため、浸炭及び／又は窒化は困難である。したがって、特許文献２の鋼又は本発明に係る鋼と同じ技術分野には属していない。
さらに、上記文献の［００３５］段落によれば、０．５〜２％というタングステン含量範囲の根拠は以下のように説明されている。
・０．５％：マトリックス中へ固溶することで高温硬度に寄与
・２％：高温で安定なＭ６Ｃ炭化物の形成を大幅に制限するための最大値
このことから、タングステンが高温だけでなく室温の場合でも硬度の上昇に関して好ましい作用を示すことが当業者に公知であることが非常によく分かる。よって、上記文献でその含量を制限するただ１つの理由は、高温で安定なＭ６Ｃ炭化物の形成を回避するためである。
また、上記文献に記載された鋼の熱力学的平衡は、特許文献２又は本発明のものとは著しく異なる。
このように、本発明においてＭ６Ｃ炭化物の存在は禁止されていない。したがって、当業者であれば、上記文献の教示から、特許文献２の鋼中のタングステン量を低減しようとはしないであろう。むしろ、該鋼の硬度を向上させるために増大させる傾向があるであろう。
したがって、特許文献２の鋼中のタングステン量を低減することで、表面硬度が上昇するという事実は、当業者には全く予想されないものである。
したがって、本発明は、全組成物に対する重量％として、
炭素：０．０５〜０．４０、好ましくは０．１０〜０．３０；
クロム：２．５０〜５．００、好ましくは３．００〜４．５０；
モリブデン：４．００〜６．００；
タングステン：０．０１〜１．８０、好ましくは０．０２〜１．５０；
バナジウム：１．００〜３．００、好ましくは１．５０〜２．５０；
ニッケル：２．００〜４．００；
コバルト：２．００〜８．００、好ましくは３．００〜７．００；
鉄：残部、
及び不可避的不純物を含有し、有利には本質的にそれらからなり、特にそれらからなり、
ニオブ：≦２．００；
窒素：≦０．５０、好ましくは≦０．２０；
ケイ素：≦０．７０、好ましくは０．０５〜０．５０；
マンガン：≦０．７０、好ましくは０．０５〜０．５０；
アルミニウム：≦０．１５、好ましくは≦０．１０
のうち１種以上の元素をさらに含有してもよいが、
ニオブ＋バナジウムの合計含量は１．００〜３．５０の範囲であり、
炭素＋窒素の含量は０．０５〜０．５０の範囲である
鋼組成物、有利には浸炭可能な及び／又は窒化可能な、より有利には浸炭可能な鋼組成物に関する。
特に有利な組成物は、全組成物に対する重量％として、
炭素：０．１０〜０．３０、好ましくは０．１５〜０．２５；
クロム：３．００〜４．５０、好ましくは３．５０〜４．５０；
モリブデン：４．００〜６．００、好ましくは４．５０〜５．５０；
タングステン：０．０２〜１．５０、好ましくは０．０３〜１．４０；
バナジウム：１．５０〜２．５０、好ましくは１．７０〜２．３０；
ニッケル：２．００〜４．００、好ましくは２．５０〜３．５０；
コバルト：３．００〜７．００、好ましくは４．００〜６．００；
ケイ素：０．０５〜０．５０、好ましくは０．０５〜０．３０；
マンガン：０．０５〜０．５０、好ましくは０．０５〜０．３０；
鉄：残部、
及び不可避的不純物を含有し、有利には本質的にそれらからなり、特にそれらからなり、
ニオブ：≦２．００；
窒素：≦０．２０；
アルミニウム：≦０．１０
のうち１種以上の元素をさらに含有してもよいが、
ニオブ＋バナジウムの合計含量は１．００〜３．５０の範囲であり、
炭素＋窒素の含量は０．０５〜０．５０の範囲である。
特に、上記不可避的不純物、とりわけ、チタン（Ｔｉ）、硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、酸素（Ｏ）、及びこれらの混合物から選択される不可避的不純物は、可能な限り低い量に保たれる。上記不純物は、通常、本質的に製造方法及び仕込み品質によるものである。有利には、本発明に係る組成物は、上記不可避的不純物を組成物の全重量に対して最大で１重量％、有利には最大で０．７５重量％、さらに有利には最大で０．５０重量％含有する。
炭化物形成元素は、フェライト安定化効果も示すことから、α形成元素といわれているが、本発明に係る鋼組成物が充分な硬度、耐熱性、及び耐摩耗性を得るためには必須である。部材の弱体化につながるフェライトを含有しない微細組織を得るためには、γ形成元素といわれるオーステナイト安定化元素を添加する必要がある。
オーステナイト安定化元素（炭素、ニッケル、コバルト、及びマンガン）とフェライト安定化元素（モリブデン、タングステン、クロム、バナジウム、及びケイ素）とを正しく組み合わせることによって、特に浸炭等の熱化学処理後に優れた特性を示す本発明に係る鋼組成物を得ることができる。
したがって、本発明に係る鋼組成物は、炭素（Ｃ）を組成物の全重量に対して０．０５〜０．４０重量％、好ましくは０．１０〜０．３０重量％、さらに好ましくは０．１５〜０．２５重量％、さらに有利には０．１８〜０．２０重量％の範囲の量で含有する。実際、炭素（Ｃ）は、熱処理温度において鋼のオーステナイト相を安定化させるものであり、概して機械的特性、特に機械強度、高硬度、耐熱性、及び耐摩耗性を付与する炭化物の形成に必須である。鋼中に少量の炭素が存在すると、好ましくない脆弱な金属間粒子の形成を防いだり、少量の炭化物を形成して焼入れ時に過剰な結晶粒成長を防いだりするのに有益である。しかしながら、鋼組成物で形成された部材の表面硬度を浸炭によって高めることができるため、初期炭素含量は高すぎてはならない。浸炭時、炭素は、硬度勾配が得られるように部材の表面層に導入される。炭素は、浸炭及び熱処理後に形成されるマルテンサイト相の硬度を制御する主要な元素である。浸炭鋼においては、浸炭による熱化学処理後に炭素含量が低い中実芯部を有しつつ、炭素含量が高い硬表面を有することが必須である。
さらに、本発明に係る鋼組成物は、クロム（Ｃｒ）を組成物の全重量に対して２．５０〜５．００重量％、好ましくは３．００〜４．５０重量％、さらに好ましくは３．５０〜４．５０重量％、さらに有利には３．８０〜４．００重量％の範囲の量で含有する。
クロムは、鋼中の炭化物の形成に寄与しており、炭素に次いで、鋼の焼入れ性を制御する主要元素である。
しかしながら、クロムは、フェライト及び残留オーステナイトも促進し得る。また、クロム含量を増大させると、最高焼入れ温度が低下する。したがって、本発明に係る鋼組成物のクロム含量は高すぎてはならない。
また、本発明に係る鋼組成物は、モリブデン（Ｍｏ）を組成物の全重量に対して４．００〜６．００重量％、好ましくは４．５０〜５．５０重量％、さらに好ましくは４．８０〜５．２０重量％の範囲の量で含有する。
モリブデンは、鋼の耐焼戻し性、耐摩耗性、及び硬度を向上させる。しかしながら、モリブデンはフェライト相に対して強い安定化効果を示すため、本発明に係る鋼組成物中の量が多すぎてはならない。
さらに、本発明に係る鋼組成物は、タングステン（Ｗ）を組成物の全重量に対して０．０１〜１．８０重量％、好ましくは０．０２〜１．５０重量％、さらに好ましくは０．０３〜１．４０重量％、有利には０．０４〜１．３０重量％、さらに有利には０．０５〜１．３０重量％、特に０．１〜１．３０重量％の範囲の量で含有する。
タングステンは、フェライト安定化剤であり、強力な炭化物形成元素である。炭化物を形成することで、熱処理耐性、耐摩耗性、及び硬度を向上させる。しかしながら、非常に高価であることに加え、フェライト安定化元素として鋼の表面硬度、特に延性及び靭性を低下させる。該元素の役割を充分に発揮させるためには、高温の固溶化熱処理が必要である。
さらに、本発明に係る鋼組成物は、バナジウム（Ｖ）を組成物の全重量に対して１．００〜３．００重量％、好ましくは１．５０〜２．５０重量％、さらに好ましくは１．７０〜２．３０重量％、有利には２．００〜２．３０重量％、特に２．００〜２．２０重量％の範囲の量で含有する。
バナジウムは、フェライト相を安定化させるものであり、炭素及び窒素に強い親和性を示す。バナジウムは、硬い炭化バナジウムを形成することで、耐摩耗性及び耐焼戻し性を付与する。バナジウムは、同様な特性を有するニオブ（Ｎｂ）と部分的に置き換えてもよい。
したがって、ニオブ＋バナジウムの合計含量は、組成物の全重量に対して１．００〜３．５０重量％の範囲でなければならない。
ニオブが含まれる場合、その含量は、組成物の全重量に対して≦２．００重量％でなければならない。有利には、本発明に係る鋼組成物はニオブを含有しない。
また、本発明に係る鋼組成物は、ニッケル（Ｎｉ）を組成物の全重量に対して２．００〜４．００重量％、好ましくは２．５０〜３．５０重量％、さらに好ましくは２．７０〜３．３０重量％、有利には３．００〜３．２０重量％の範囲の量で含有する。
ニッケルは、オーステナイト形成を促進するため、フェライト形成を阻害する。ニッケルは、Ｍｓ点、すなわち冷却時にオーステナイトからマルテンサイトへの変態が始まる温度を降下させるという別の効果も有する。これにより、マルテンサイト形成を防ぎ得る。したがって、ニッケル量は、浸炭部材中の残留オーステナイト形成を回避できるように制御しなければならない。
さらに、本発明に係る鋼組成物は、コバルト（Ｃｏ）を組成物の全重量に対して２．００〜８．００重量％、好ましくは３．００〜７．００重量％、さらに好ましくは４．００〜６．００重量％、有利には４．５０〜５．５０重量％、より有利には４．９０〜５．４０重量％、とりわけ４．９０〜５．２０重量％の範囲の量で含有する。
コバルトは、好ましくないフェライト形成を防ぐ強力なオーステナイト安定化元素である。ニッケルとは対照的に、コバルトはＭｓ点を上昇させ、それにより残留オーステナイト量が減少する。コバルトは、ニッケルと共に、炭化物形成元素Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、及びＶ等のフェライト安定化剤の存在を可能とする。炭化物形成元素は、硬度、耐熱性、及び耐摩耗性に対する効果の点で本発明に係る鋼にとって必須である。コバルトは、鋼硬度を増加させる効果をわずかに示す。しかしながら、硬度の増加は靱性の低下と相関している。したがって、本発明に係る鋼組成物はコバルトを含有しすぎてはならない。
さらに、本発明に係る鋼組成物は、ケイ素（Ｓｉ）を組成物の全重量に対して≦０．７０重量％の量で含有してもよい。有利には、ケイ素を組成物の全重量に対して特に０．０５〜０．５０重量％、好ましくは０．０５〜０．３０重量％、有利には０．０７〜０．２５重量％、さらに有利には０．１０〜０．２０重量％の範囲の量で含有する。
ケイ素はフェライトを強く安定化させるが、製鋼工程における溶融鋼の脱酸素化時に存在することが多い。実際、酸素含量が低いことも、非金属介在物量を低くし、疲労強度及び機械強度等の機械的特性を良好とするためには重要である。
さらに、本発明に係る鋼組成物は、マンガン（Ｍｎ）を組成物の全重量に対して≦０．７０重量％の量で含有してもよい。有利には、マンガンを組成物の全重量に対して特に０．０５〜０．５０重量％、好ましくは０．０５〜０．３０重量％、有利には０．０７〜０．２５重量％、さらに有利には０．１０〜０．２２重量％、とりわけ０．１０〜０．２０重量％の範囲の量で含有する。
マンガンは、オーステナイト相を安定化させ、鋼組成物のＭｓ点を降下させる。マンガンは、通常、凝固時に硫化マンガンを形成することで硫黄と結合できるように、製鋼時に鋼に添加される。これにより、鋼の熱間加工に好ましくない影響を与える硫化鉄が形成する恐れがなくなる。また、マンガンは、ケイ素と同様に、脱酸素化工程に関与する。マンガンとケイ素とを併用することで、各元素単独よりもより効果的な脱酸素化が起こる。
場合によっては、本発明に係る鋼組成物は、窒素（Ｎ２）を組成物の全重量に対して≦０．５０重量％、好ましくは≦０．２０重量％の量で含有してもよい。
窒素は、オーステナイト形成を促進し、オーステナイトからマルテンサイトへの変態を低減する。窒素は、本発明に係る鋼中、炭素といくらか置き換わってもよい。しかしながら、炭素＋窒素の含量は、組成物の全重量に対して０．０５〜０．５０重量％の範囲でなければならない。
場合によっては、本発明に係る鋼組成物は、アルミニウム（Ａｌ）を組成物の全重量に対して≦０．１５重量％、好ましくは≦０．１０重量％の量で含有してもよい。
実際、アルミニウム（Ａｌ）は、本発明に係る鋼の製鋼時に存在し得るものであり、溶融鋼の脱酸素化に非常に効果的に寄与する。これは、特にＶＩＭ−ＶＡＲ法等の再溶解法の場合に当てはまる。アルミニウム含量は、通常、粉末法よりもＶＩＭ−ＶＡＲ法で製造された鋼において高い。アルミニウムは、注出ノズルを酸化物で詰まらせることで、噴霧時に支障をきたす。酸素含量が低いことは、ミクロ清浄度、さらには疲労強度及び機械強度等の機械的特性を良好とするために重要である。インゴット法で得られる酸素含量は、典型的には１５ｐｐｍ未満である。
有利には、本発明に係る組成物は浸炭可能（すなわち、浸炭処理を施すことが可能）及び／又は窒化可能（すなわち、窒化処理を施すことが可能）である。さらに有利には、熱化学処理、特に、浸炭、窒化、浸炭窒化、及び浸炭後窒化から選択される熱化学処理を施すことが可能である。
これらの処理を行えば、炭素及び／又は窒素元素の添加によって鋼の表面硬度を向上させることができる。このように、浸炭を行った場合、鋼表面の炭素含量が増大するため、その表面硬度が高くなる。したがって、表面は炭素で有利に富化され、富化量は組成物の全重量に対して特に０．５〜１．７重量％である。
窒化を行った場合、鋼表面で増大するのは窒素含量であるため、その表面硬度も増加する。
浸炭窒化又は浸炭後窒化を行った場合、増大するのは、鋼表面の炭素含量及び窒素含量であるため、その表面硬度も同様である。
これらの方法は当業者に周知である。
有利な実施形態において、本発明に係る鋼組成物は、熱化学処理、有利には浸炭、窒化、浸炭窒化、又は浸炭後窒化による熱化学処理を行い、さらに熱処理を行った場合、ＡＳＴＭ Ｅ１８又は同等な規格に従って測定した表面硬度が６４ＨＲＣ以上、有利には６５ＨＲＣ以上、さらに有利には６６ＨＲＣ以上である。上記処理の結果得られる鋼組成物は、有利には、炭素の表面濃度が組成物の全重量に対して１〜１．２５重量％である。
上記熱処理では、
（１）１０９０℃〜１１６０℃、有利には１１００℃〜１１６０℃、より有利には１１００℃〜１１５５℃、特に１１００℃〜１１５０℃、とりわけ１１５０℃の温度で鋼の固溶化熱処理を行い、
（２）有利には、その後、完全にオーステナイト化するまで上記温度で特に１５分間保持し（焼入れ）（上記２つの工程（１）及び（２）によって、最初に存在する炭化物の完全又は部分固溶が起こる。）、
（３）場合によっては、さらに第一の冷却（焼入れ）を特に中性ガス下、例えば圧力２ｂａｒで有利には室温まで行い（この工程によって、残留オーステナイトを伴う主にマルテンサイトである微細組織を得ることができる。この残留オーステナイトは冷却温度に依存する。すなわち、その含量は冷却温度とともに減少する。）、
（４）場合によっては、その後、室温で保持し、
（５）有利には、さらに第二の冷却を−４０℃未満、より有利には−６０℃未満、さらに有利には約−７５℃の温度まで特に２時間行い（この工程によって、残留オーステナイト含量を低減できる。）、
（６）有利には、１回以上、より有利には少なくとも３回の焼戻し処理を有利には４７５℃以上、より有利には５００℃以上、特に５５０℃以上、とりわけ約５６０℃の温度でとりわけ各回１時間行ってもよい（上記焼戻し処理によって、炭化物の析出及び残留オーステナイトの部分又は完全固溶が起こる。これにより、延性を得ることができる。）。
したがって、本発明に係る鋼の利点は、制限された熱処理（１０９０℃〜１１６０℃、有利には１１００℃〜１１６０℃、より有利には１１００℃〜１１５５℃、特に１１００℃〜１１５０℃、とりわけ１１５０℃の温度）で高い硬度が得られることである。
特に有利な実施形態において、本発明に係る鋼組成物は、熱化学処理、有利には浸炭、窒化、浸炭窒化、又は浸炭後窒化による熱化学処理を行い、さらに熱処理を行った場合、残留オーステナイト含量が１０重量％未満であり、かつフェライト及びパーライト（鋼の表面硬度を低下させることが知られている相）を含有しないマルテンサイト組織を有する。
該熱処理は上記と同様であってもよい。
さらに、本発明は、本発明に係る組成物を含む鋼ブランクを製造する方法であって、
ａ）製鋼工程と、
ｂ）鋼加工工程と、
ｃ）熱化学処理と、
ｄ）熱処理と
を有する製造方法に関する。
有利には、本発明に係る方法の工程ｄ）における熱処理は上記と同様である。
有利には、本発明に係る方法の工程ｃ）における熱化学処理は、浸炭処理、窒化処理、浸炭窒化処理、又は浸炭後窒化処理、有利には浸炭処理からなる。
特に、本発明に係る方法の工程ｂ）は、圧延、鍛造、及び／又は押出を行う工程からなる。これらの方法は当業者に周知である。
有利な実施形態において、本発明に係る方法の製鋼工程ａ）は、アーク炉精錬及びエレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）という従来の製鋼方法、あるいはエレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）及び／又は真空アーク再溶解（ＶＡＲ）工程を組み合わせてもよいＶＩＭ−ＶＡＲ法、あるいはガス噴霧及び熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）による圧縮等の粉末冶金法によって実施する。
このように、本発明に係る鋼はＶＩＭ−ＶＡＲ法で製造してもよい。この方法によって、介在物に対して非常に良好な清浄度が得られ、インゴットの化学的均一性が向上する。エレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）法を用いたり、ＥＳＲ処理及びＶＡＲ（真空アーク再溶解）処理を併用したりすることもできる。
上記鋼は粉末冶金法で得ることもできる。この方法を用いれば、噴霧、好ましくは酸素含量を非常に低くできるガス噴霧によって高純度の金属粉末を製造することができる。その後、粉末は、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）等で圧縮される。
これらの方法は当業者に周知である。
また、本発明は、本発明に係る方法で得られる鋼ブランクに関する。該ブランクは、本発明に係る組成物を含む鋼を主体として上述したように作製される。
本発明は、さらに、機械装置、有利には歯車装置、伝動軸、及びベアリング等のトランスミッション分野の機械装置を製造するための本発明に係るブランク又は本発明に係る鋼組成物の使用に関する。
最後に、本発明に係る組成物を含む、又は本発明に係る鋼ブランクを用いて得られる鋼製機械装置、有利にはトランスミッション装置又は歯車装置、特に歯車装置、伝動軸、又はベアリング、とりわけベアリングに関する。
実際、本発明に係る鋼組成物を用いれば、高い表面硬度及び耐表面摩耗性と、高い疲労強度及び高い機械強度を有する芯部とを組み合わせることができる。
したがって、上記鋼は、航空宇宙用途のベアリング等の要求の厳しい分野で有用である。
さらに、得られる鋼は、オーステナイト又はフェライト又はパーライト型の塊状相を含有しないマルテンサイト組織を有するとともに、熱化学処理後の表面硬度が高いにも関わらず、特にタングステン含量が低いことから安価である。
参考として以下に示す実施例及び図面を読めば、本発明がよりよく理解できるであろう。これらは本発明を限定するものではない。
実施例において、特に断りのない限り、％はいずれも重量％、温度はセルシウス度、圧力は気圧である。
下記表１に示す組成を有する本発明に係る２つの実施例（鋼種Ｂ及びＣ）及び特許文献２に記載の比較例（鋼種Ａ）、並びに比較例５０ＮｉＬ（０．１２％Ｃ−４％Ｃｒ−４．２％Ｍｏ−３．４％Ｎｉ−１％Ｖ）の浸炭及び熱処理後の表面硬度プロファイル（鋼中の深さ（ｍｍ）に対するＨＶ０．５での微小硬度）を示す。上記熱処理は以下の工程を有する：（１）１１５０℃の加熱、（２）１１５０℃で１５分間保持することによるオーステナイト化、（３）中性ガス下、圧力２ｂａｒでの冷却、（４）室温期間、（５）−７５℃の２時間冷却、及び（６）鋼種Ｃでは５５０℃、鋼種Ａ及びＢでは５６０℃で各回１時間の焼戻し処理３回。 下記表１に示す組成を有する本発明に係る実施例２（鋼種Ｃ）及び比較例５０ＮｉＬ（０．１２％Ｃ−４％Ｃｒ−４．２％Ｍｏ−３．４％Ｎｉ−１％Ｖ）の浸炭及び熱処理後の表面硬度プロファイル（鋼中の深さ（ｍｍ）に対するＨＶ０．５での微小硬度）を示す。上記熱処理は以下の工程を有する：（１）１１００℃の加熱、（２）１１００℃で１５分間保持することによるオーステナイト化、（３）中性ガス下、圧力２ｂａｒでの冷却、（４）室温期間、（５）−７５℃の２時間冷却、及び（６）鋼種Ｃでは４７５℃又は５００℃又は５５０℃又は５７５℃、比較例５０ＮｉＬでは５６０℃の温度で各回１時間の焼戻し処理３回。 下記表１に示す組成を有する本発明に係る実施例２（鋼種Ｃ）及び比較例５０ＮｉＬ（０．１２％Ｃ−４％Ｃｒ−４．２％Ｍｏ−３．４％Ｎｉ−１％Ｖ）の浸炭及び熱処理後の表面硬度プロファイル（鋼中の深さ（ｍｍ）に対するＨＶ０．５での微小硬度）を示す。上記熱処理は以下の工程を有する：（１）１１５０℃の加熱、（２）１１５０℃で１５分間保持することによるオーステナイト化、（３）中性ガス下、圧力２ｂａｒでの冷却、（４）室温期間、（５）−７５℃の２時間冷却、及び（６）鋼種Ｃでは４７５℃又は５００℃又は５５０℃又は５７５℃、比較例５０ＮｉＬでは５６０℃の温度で各回１時間の焼戻し処理３回。
実施例１及び２
下記表１に示す組成に従い、ＶＩＭ−ＶＡＲ法によってそれぞれ約１１０ｋｇの試験鋳物を３種類（本発明に係る２つの実施例：実施例１及び実施例２、並びに特許文献２に記載の比較例：比較例１）作製した。
Figure 2019522732
これら３種の組成物は非常に類似している。主な違いはＷ含量にある。
２０００Ｔプレスを用いた熱間鍛造法によって、これら３種の試験鋳物を直径４０ｍｍの棒鋼へと加工した。該棒鋼を機械加工して直径３０ｍｍの棒鋼を作製し、浸炭した。
浸炭した棒鋼に対して、（１）１１００℃又は１１５０℃の加熱、（２）上記温度で１５分間保持することによるオーステナイト化、（３）中性ガス下、圧力２ｂａｒでの冷却、（４）室温期間、（５）−７５℃の２時間冷却、及び（６）４７５℃〜５６０℃の温度で各回１時間の焼戻し処理３回を行って処理した。
ＡＳＴＭ Ｅ３８４規格に従って測定して得られたＨＶでの表面硬度プロファイルを、同様にオーステナイト化、室温冷却、低温冷却、及び５６０℃の焼戻し処理３回を行った５０ＮｉＬ鋼（０．１２％Ｃ−４％Ｃｒ−４．２％Ｍｏ−３．４％Ｎｉ−１％Ｖ）で得られた結果とともに図１〜３に示した。
Ｗ含量が低い本発明に係る組成物は、８６０ＨＶ（６６ＨＲＣに相当）程度のより高い硬度を有する。また、先行技術に対してＷ含量を低減しても、５４０ＨＶ（５１ＨＲＣに相当）程度である母材の硬度に著しい影響は及ぼされないことに留意されたい。
したがって、本発明に係る組成（低Ｗ含量）を有する鋼を用いれば、Ｗ含量が高い先行技術の鋼と比較して、１１５０℃に制限された熱処理でより高い硬度を得ることができる。
また、（１１００℃及び１１５０℃の固溶化熱処理で）硬度が６６〜６７ＨＲＣに達するため、５００℃という焼戻し温度は特に有利であることに注目されたい（図２及び３）。
５７５℃では、１１５０℃のみの固溶化熱処理後に６４ＨＲＣを超える値となり、依然として非常に有利な結果が得られた（図３）。

Claims (16)

  1. 全組成物に対する重量％として、
    炭素：０．０５〜０．４０、好ましくは０．１０〜０．３０；
    クロム：２．５０〜５．００、好ましくは３．００〜４．５０；
    モリブデン：４．００〜６．００；
    タングステン：０．０１〜１．８０、好ましくは０．０２〜１．５０；
    バナジウム：１．００〜３．００、好ましくは１．５０〜２．５０；
    ニッケル：２．００〜４．００；
    コバルト：２．００〜８．００、好ましくは３．００〜７．００；
    鉄：残部、
    及び不可避的不純物を含有し、有利には本質的にそれらからなり、
    ニオブ：≦２．００；
    窒素：≦０．５０、好ましくは≦０．２０；
    ケイ素：≦０．７０、好ましくは０．０５〜０．５０；
    マンガン：≦０．７０、好ましくは０．０５〜０．５０；
    アルミニウム：≦０．１５、好ましくは≦０．１０
    のうち１種以上の元素をさらに含有してもよいが、
    ニオブ＋バナジウムの合計含量は１．００〜３．５０の範囲であり、
    炭素＋窒素の含量は０．０５〜０．５０の範囲である
    浸炭可能な及び／又は窒化可能な鋼組成物。
  2. 全組成物に対する重量％として、
    炭素：０．１０〜０．３０、好ましくは０．１５〜０．２５；
    クロム：３．００〜４．５０、好ましくは３．５０〜４．５０；
    モリブデン：４．００〜６．００、好ましくは４．５０〜５．５０；
    タングステン：０．０２〜１．５０、好ましくは０．０３〜１．４０；
    バナジウム：１．５０〜２．５０；
    ニッケル：２．００〜４．００、好ましくは２．５０〜３．５０；
    コバルト：３．００〜７．００、好ましくは４．００〜６．００；
    ケイ素：０．０５〜０．５０、好ましくは０．０５〜０．３０；
    マンガン：０．０５〜０．５０、好ましくは０．０５〜０．３０；
    鉄：残部、
    及び不可避的不純物を含有し、有利には本質的にそれらからなり、
    ニオブ：≦２．００；
    窒素：≦０．２０；
    アルミニウム：≦０．１０
    のうち１種以上の元素をさらに含有してもよいが、
    ニオブ＋バナジウムの合計含量は１．００〜３．５０の範囲であり、
    炭素＋窒素の含量は０．０５〜０．５０の範囲である
    ことを特徴とする請求項１に記載の鋼組成物。
  3. 上記不可避的不純物を上記組成物の全重量に対して最大で１重量％、有利には最大で０．５重量％含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼組成物。
  4. 上記不可避的不純物は、チタン、硫黄、リン、銅、スズ、鉛、酸素、及びこれらの混合物から選択されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼組成物。
  5. タングステンの含量は、全組成物に対する重量％として０．０３〜１．４０、好ましくは０．０４〜１．３０の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋼組成物。
  6. 熱化学処理、有利には浸炭、窒化、浸炭窒化、又は浸炭後窒化による熱化学処理を行い、さらに熱処理を行った場合、表面硬度が６４ＨＲＣ以上、有利には６５ＨＲＣ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼組成物。
  7. 熱化学処理、有利には浸炭、窒化、浸炭窒化、又は浸炭後窒化による熱化学処理を行い、さらに熱処理を行った場合、残留オーステナイト含量が１０％未満であり、かつフェライト及びパーライトを含有しないマルテンサイト組織を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の鋼組成物。
  8. 上記熱処理では、１０９０℃〜１１６０℃の温度で固溶化熱処理を行った後、焼入れを行い、場合によっては、−４０℃未満の温度までの冷却及び４７５℃以上の温度での数回、有利には少なくとも３回の焼戻し処理を行うことを特徴とする請求項６又は７に記載の鋼組成物。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の鋼組成物を含む鋼ブランクを製造する方法であって、
    ａ）製鋼工程と、
    ｂ）鋼加工工程と、
    ｃ）熱化学処理と、
    ｄ）熱処理と
    を有することを特徴とする製造方法。
  10. 上記工程ｃ）は、浸炭処理、窒化処理、浸炭窒化処理、又は浸炭後窒化処理、有利には浸炭処理からなることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
  11. 上記工程ｄ）では、１０９０℃〜１１６０℃、有利には１１００℃〜１１５０℃の温度で固溶化熱処理を行った後、完全にオーステナイト化するまで上記温度で保持し、場合によっては、−４０℃未満、有利には−７５℃の温度までの冷却及び４７５℃以上、有利には５００℃以上の温度での数回、有利には少なくとも３回の焼戻し処理を行うことを特徴とする請求項９又は１０に記載の製造方法。
  12. 上記工程ｂ）は、圧延、鍛造、及び／又は押出を行う工程からなることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の製造方法。
  13. 上記製鋼工程ａ）は、アーク炉精錬及びエレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）という従来の製鋼方法、あるいはエレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）及び／又は真空アーク再溶解（ＶＡＲ）工程を組み合わせてもよいＶＩＭ−ＶＡＲ法、あるいはガス噴霧及び熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）による圧縮等の粉末冶金法によって実施することを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の製造方法。
  14. 請求項９〜１３のいずれか１項に記載の製造方法で得られる鋼ブランク。
  15. 機械装置、有利にはベアリングを製造するための請求項１４に記載の鋼ブランク又は請求項１〜８のいずれか１項に記載の鋼組成物の使用。
  16. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の鋼組成物を含む、又は請求項１４に記載の鋼ブランクを用いて得られる鋼製機械装置、有利にはベアリング又は歯車装置。
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