JP4963918B2

JP4963918B2 - Ｃｒを含有する低炭素鋼の焼鈍方法

Info

Publication number: JP4963918B2
Application number: JP2006267023A
Authority: JP
Inventors: 欽哉窪園; 明仁古田; 小林　　直樹
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: JP2008088448A

Description

本発明は、製造工程中に冷間鍛造や冷間引抜きなどのＡｃ₁変態点以下の温度にて塑性変形による加工に用いる機械構造用の低炭素鋼の冷間加工性に優れる焼鈍方法に関する。

自動車その他の各種の装置の機材の製造、例えば、歯車などの複雑な形状をした部品の製造は、ＪＩＳ−ＳＣＭ４２０、ＪＩＳ−ＳＣｒ４２０などのＣｒやＭｏを含有する低炭素鋼を熱間鍛造、冷間鍛造にて歯車の概略の形状を形成し、切削などにより最終形状に仕上げした後、浸炭を施して製造している。また、直動軸においても、概略の形状に引抜きをし、切削によって最終形状としていた。

しかし、近年では、冷間加工技術の発達に伴い、冷間による複雑な多段鍛造を行うことによる切削仕上げ工程の省略、大型部品に対して熱間鍛造によっていた工程の冷間鍛造化、複雑形状への引抜き加工などが行われている。そのため冷間鍛造、引抜きなど主に塑性変形を伴う加工により製造する部品、例えばＣＶＴプーリー、ギア、シャフト、直動軸などの複雑形状の部品においては、鋼材の冷間加工性に対する要求は一層強くなってきている。

ところで、このような鋼材の冷間加工性を向上するためには、焼鈍により硬さを下げる必要がある。従来は焼鈍により硬さを低減する方法として、２回焼鈍を行う方法や、冷却を極端に遅くする方法や、冷却時Ａｃ₁変態点近傍で保持する方法や、１度の焼鈍中に数回の加熱冷却を行う方法などがとられていた。しかし、これらには、それぞれ生産性の悪化や焼鈍の長時間化や鋼種によるＡｃ₁変態点の変化やパターンの複雑化などの問題が存在している。

従来、鋼に含まれる炭化物を球状化すると、鋼の硬度が減少するので、塑性変形が容易となる。ところで、炭素を０．３質量％より多く含有する中炭素鋼および高炭素鋼では、球状化焼鈍法が知られている。しかし、低炭素鋼では、含有炭素量が少なく、中炭素鋼および高炭素鋼の方法では炭化物の球状化を行うことは困難である。ところで、このような低炭素鋼においてもＡ₁変態点より低い温度に保持することで炭化物を球状化し、鋼の硬度を低下する方法が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、冷間加工性に優れた低炭素のＣｒ−Ｍｏ鋼の熱処理方法が開発されている（例えば、特許文献２参照。）。

一方、出願人は、被削性および冷間加工性に優れた０．８〜１．２質量％Ｃの高炭素クロム軸受鋼を開発している（例えば、特許文献３参照。）。しかし、この方法は高炭素鋼に係るものであり、低炭素鋼においては適用することはできなかった。

特開昭５７−１６１０２４号公報特開昭５７−１１０６１７号公報特開平９−２２７９９１号公報

本発明が解決しようとする課題は、０．１〜０．３％の低炭素および０．５〜２．５％のＣｒを含有する歯車などに用いる低炭素鋼において、通常の焼鈍組織よりも球状化炭化物間の間隔が広く、硬さの低い組織とした、高い冷間加工性を有する低炭素鋼を製造するための焼鈍方法を提供することである。

発明者らは以下の知見を見出した。低炭素鋼を焼鈍する際、この低炭素鋼はＡ₁変態点〜Ａ₃変態点の温度域においては、フェライト・オーステナイトの２相組織となる。しかし、実際は、この２相組織には若干の炭化物が残存している。そこで、この低炭素鋼をＡｃ₁変態点（７２０〜７６０℃）付近を１０℃／ｈｒ以下の加熱速度で徐熱する、あるいはＡｃ₁変態点（７２０〜７６０℃）付近で等温保持する。この徐熱あるいは等温保持によりパーライトの分断される間隔が大きくなり、この結果、球状炭化物の核となる炭化物数を減少させることができる。その後７６０〜７９０℃まで加熱保持した後、次いで７４０〜７２０℃の温度範囲に空冷以下の速度で冷却し、さらに該温度範囲から１０℃／ｈｒ以下の速度でＡｒ₁点終了以下の温度まで徐冷することにより、通常の焼鈍組織よりも球状化炭化物間の間隔が広く、硬さの低い組織を得ることができる。これらの知見から本発明の手段を得たものである。

すなわち、本発明の手段は、質量％で、０．１〜０．３％のＣおよび０．５〜２．５％のＣｒを含有する低炭素鋼の焼鈍に際し、加熱中のＡｃ₁変態点（７２０〜７６０℃）の近傍の昇温速度を遅くするものである。

そこで、上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、質量％で、０．１〜０．３％のＣおよび０．５〜２．５％のＣｒを含有する低炭素鋼に対し、７００〜７３０℃の温度範囲に加熱した後、該温度範囲から７４０〜７６０℃まで１０℃／ｈｒ以下の加熱速度で徐熱し、さらに７６０〜７００℃まで加熱し保持した後、７４０〜７２０℃の温度範囲に空冷以下の速度で冷却し、さらに該温度範囲からＡｒ₁変態点終了以下の温度域まで１０℃／ｈｒ以下で徐冷した後、空冷以下の速度で冷却することを特徴とする低炭素鋼の焼鈍方法である。本発明の手段とすることにより冷間加工性を良好とすることができる。

請求項２の発明では、質量％で、０．１〜０．３％のＣおよび０．５〜２．５％のＣｒを含有する低炭素鋼に対し、７２０〜７６０℃まで加熱した後、４時間以上等温保持し、さらに７６０〜７９０℃まで加熱して保持した後、さらに７４０〜７２０℃の温度範囲に空冷以下の速度で冷却し、さらに該温度からＡｒ₁変態点終了以下の温度域まで１０℃／ｈｒ以下で徐冷した後、空冷以下の速度で冷却することを特徴とする低炭素鋼の焼鈍方法である。上記と同様に、本発明の手段とすることにより冷間加工性を良好とすることができる。

上記手段の各上下限の限定理由を以下に説明する。
請求項１の手段で、炭化物の間隔を大きくし硬さを低減するためには、鋼材の成分によって決まるＡｃ₁点付近を可能な限りゆっくり徐熱することが必要であるため、徐熱開始をＡｃ₁直下の７００〜７３０℃とし、徐熱終了をＡｃ₁直上の７４０〜７６０℃とした。加熱速度は可能な限り遅くすることが望ましいが、生産性と硬さ低減の効果から１０℃／ｈｒ以下の速度とした。

請求項２の手段で、炭化物の間隔を大きくし硬さを低減するためには、鋼材の成分によって決まるＡｃ₁点直上で保持するのが最も効果的であるため、７２０〜７６０℃で保持することとした。保持時間は可能な限り長く取ることが望ましいが、生産性と硬さ低減の効果から４時間以上とした。

さらに、請求項１または請求項２の手段において、加熱する最高温度は低すぎると溶け残った炭化物の数が多くなり、また高すぎると炭化物が溶けすぎてしまうので、適切な炭化物量とするため７６０〜７９０℃とした。さらに溶け残った炭化物を成長させパーライト組織の発生を抑えるためＡｒ_１点付近を徐冷却する必要があるので、徐冷却開始温度を７４０〜７２０℃とし終了温度をＡｒ_１以下とした。冷却速度は可能な限り遅くすることが望ましいが、生産性と硬さ低減の効果から１０℃／ｈｒ以下の速度とした。

本発明の手段における低炭素鋼のＣ量は、少なすぎた場合、あるいは多すぎた場合のどちらにおいても、本発明の熱処理で硬さを低減することが困難であるため、質量％で、０．１〜０．３％とした。

さらに、Ｃｒ量は、最高温度時に適量の炭化物を残留させるために必要であるため、質量％で、０．５〜２．５％とした。

以上に説明したように、本発明の加熱工程からなる焼鈍方法は、従来の２回焼鈍を行う方法や、冷却を極端に遅くする方法や、冷却時Ａｃ₁変態点近傍で保持する方法や、１度の焼鈍中に数回の加熱冷却を行う方法などの方法をとることなく、ただ１回の焼鈍を行うことで、硬度を低減した低炭素鋼を得ることができ、この低炭素鋼は優れた冷間加工性のものである。

本発明を実施するための最良の形態を図を参照して説明する。１００ｋｇ真空溶解炉にて、表１に示す化学成分を有するＡ〜Ｄ鋼を溶解して得た鋼材から、熱間鍛造によりφ３２ｍｍ×Ｌ１００ｍｍ丸棒を製作した。ここで、Ａ鋼、Ｄ鋼はＭｏを有意に含有するＳＣＭ系の鋼であるが、Ｂ鋼、Ｃ鋼はＭｏを不可避不純物として含有するものである。

その後、請求項１の発明の実施例を本発明１とし、請求項２の発明の実施例を本発明２とし、従来方法の焼鈍例として、通常の焼鈍を例１とし、冷却速度の遅いパターンをを例２とし、冷却中一定温度を取るパターンを例３とし、通常の焼鈍を２回行うものを例４とし、図１に示す焼鈍パターンとし、これらの焼鈍パターンによる焼鈍を焼鈍炉にて行い、さらに表１のＡ鋼について炭化物状態を調査してその結果を図２に示し、さらに表１のＡ〜Ｄ鋼の試験片を図１に示す焼鈍パターンで焼鈍し、それぞれの焼鈍後の試験片の硬さを図３に示す。

上記において、炭化物の状態は、試験片の断面のＤ／４部（ここで、「Ｄ」は試験片の断面の直径である。）においてミクロ組織を観察して確認した。表面硬さは、試験片の断面のＤ／４部においてロックウェル硬度計を使用して測定した。

本発明の実施の形態である低炭素鋼の焼鈍方法において、図１の本発明１および本発明２に示す焼鈍パターンによるものは、図２のミクロ組織の写真の本発明１および本発明２に見られるように、炭化物間の間隔が広い組織が得られている。

これに対し、従来方法の焼鈍例である図１の例１の通常の焼鈍パターンによるもの、例２の冷却速度の遅い焼鈍パターンによるもの、例３の冷却中一定温度をとる焼鈍パターンによるものおよび例４の通常の焼鈍を２回行う焼鈍パターンによるものは、図２のミクロ組織の写真の例１、例２、例３および例４に示すように、炭化物間の間隔がそれほど広くない組織となっている。

さらに、図３のグラフに示すように、本発明の実施の形態の図１に示す本発明１および本発明２では、硬さ（ＨＲＢ）が低減されていることがわかる。これに対し、従来例である例１、例２、例３および例４では、本発明より硬さが大である。

また、表１のＡ鋼の発明２の焼鈍パターンにおける保持時間を２．５時間とした場合の硬さは７４．２ＨＲＢ、本発明１におけるＡｒ₁変態点までの冷却速度を１５℃／ｈｒとした場合の硬さは７３．８ＨＲＢ、本発明２の最高加熱温度を７５０℃とした場合の硬さは７４．０、本発明２の最高加熱温度を８００℃とした場合の硬さは７５．１ＨＲＢと従来の熱処理と同程度の硬さ低減効果である。以上から本願発明における０．１〜０．３％のＣおよび０．５〜２．５％のＣｒを含有する低炭素鋼では、本願の焼鈍方法により優れた冷間加工性が得られることがわかる。

本発明の方法と従来の方法による焼鈍パターンを示す図である。本発明の方法における焼鈍パターンで得られたミクロ組織と、従来の方法における焼鈍パターンで得られたミクロ組織を示す写真である。本発明の方法における焼鈍パターンで得られたＣｒを含有する低炭素鋼の硬さと、従来の方法における焼鈍パターンで得られた低炭素鋼の硬さを示すグラフである。

Claims

質量％で、０．１〜０．３％のＣおよび０．５〜２．５％のＣｒを含有する低炭素鋼に対し、７００〜７３０℃の温度範囲に加熱した後、７４０〜７６０℃まで１０℃／ｈｒ以下の加熱速度で徐熱し、さらに７６０〜７９０℃の温度範囲まで加熱し保持した後、該温度範囲から７４０〜７２０℃の温度範囲に空冷以下の速度で冷却し、さらに該温度範囲からＡｒ₁変態点終了以下の温度域まで１０℃／ｈｒ以下で徐冷した後、空冷以下の速度で冷却することを特徴とする低炭素鋼の焼鈍方法。
質量％で、０．１〜０．３％のＣおよび０．５〜２．５％のＣｒを含有する低炭素鋼に対し、７２０〜７６０℃の温度範囲まで加熱した後、４時間以上等温保持し、さらに７６０〜７９０℃の温度範囲まで加熱し保持した後、該温度範囲から７４０〜７２０℃の温度範囲に空冷以下の速度で冷却し、さらに該温度範囲からＡｒ₁変態点終了以下の温度域まで１０℃／ｈｒ以下で徐冷した後、空冷以下の速度で冷却することを特徴とする低炭素鋼の焼鈍方法。