JP5316242B2

JP5316242B2 - 熱処理用鋼材

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Publication number: JP5316242B2
Application number: JP2009139359A
Authority: JP
Inventors: 和夫匹田; 雄一郎山本; 法之本庄
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-06-10
Also published as: JP2010285643A

Description

本発明は、所定の形状に加工された鋼材に焼入れ焼戻しやオーステンパー等の熱処理を施すことにより製造される、チェーン部品、ギア部品、クラッチ部品、シートベルト部品等の鋼部品の素材として好適な熱処理用鋼材に関する。

チェーン部品、ギア部品、クラッチ部品、シートベルト部品等の鋼部品には、高強度、高靱性、高疲労特性、耐摩耗特性が要求される。
ここで、耐摩耗特性を向上させる方法としては、鋼中に炭化物等の硬質な物質を分散させる方法や、鋼材に熱処理を施すことによって鋼材の硬さを高める方法が採用されている。

鋼中に炭化物等の硬質な物質を分散させる方法としては、例えば、特許文献１には、炭化物分散浸炭処理を施すことにより、鋼材の耐摩耗性を向上させる方法が開示されている。また、特許文献２には、非常に高価な炭化物生成元素であるＴｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＶおよびＷを鋼中に多量に添加することにより、鋼材の耐摩耗性を向上させる方法が開示されている。

鋼材に熱処理を施すことによって鋼材の硬さを高める方法としては、０．２質量％以上という高いＣ含有量の鋼材に焼入れ焼戻しやオーステンパー等の種々の熱処理を施す方法や、鋼材に浸炭処理を施す方法が採用されている。浸炭処理は製造プロセスが複雑でコスト的に不利であるため、Ｃ含有量が０．２質量％以上の鋼材に焼入れ焼戻しやオーステンパー等の種々の熱処理を施す方法が主に採用されている。

上記鋼部品の素材に用いられる鋼材（以下、「熱処理用鋼材」ともいう。）に、Ｃ含有量が０．２質量％以上の鋼材を用いる場合は、熱処理用鋼材は本質的に硬質であり加工性に劣る。

一方、熱処理用鋼材には、熱処理を施す前にプレス成形や打抜き等による鋼部品の形状への加工が施される。したがって、熱処理用鋼材には良好な加工性が求められる。例えば、プレス成形や打抜きといった加工を施す場合には、熱処理用鋼材が軟質であることが好ましい。そこで、Ｃ含有量が高く本質的に硬質で加工性に劣る鋼材を軟質で加工性の高い熱処理用鋼材とするために、熱延鋼板や冷延鋼板といった鋼材に、鋼材中の炭化物を球状化する長時間の焼鈍（以下、「球状化焼鈍」という。）を施すことがよく行なわれる。

また、鋼部品の形状への加工が施された熱処理用鋼材に熱処理を施すことによって強度を高めて、高強度の鋼部品を得るのであるから、熱処理用鋼材には高い焼入れ性を有することが求められる。熱処理用鋼材の焼入れ性が低いと、本来目的とするマルテンサイトやベイナイトといった低温変態生成相以外に、フェライトやパーライト等の相や組織が熱処理の冷却過程において多く形成されてしまい、所期の特性が得られない場合があるからである。鋼部品の寸法が大きい場合や熱処理に用いる冷却媒体が高温の場合には熱処理における冷却速度が低くなるので、この傾向が特に顕著となる。そこで、焼入れ性を高める作用を有する合金元素を添加した鋼材が用いられることが多い。例えば、ＪＩＳＧ３３１１に規定されているクロム鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロム鋼等である。

また、熱処理において焼入れを施す場合には、さらに焼戻しを施して靭性を向上させる場合が多い。ここで、２５０〜５５０℃の焼戻し温度で焼戻しを施すと、強度が低下したにもかかわらず靱性が低下するという焼戻し脆性が生じることがある。この焼戻し脆性は、焼戻しにおいて合金元素が結晶粒界に偏析することにより生じるといわれており、これを抑制する手段としてＭｏの添加が有効であることが知られている。そこで、焼戻し脆性が生じる温度域で焼戻しを施す場合には、Ｍｏを添加した鋼材が用いられることが多い。例えば、ＪＩＳＧ３３１１に規定されているクロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼等である。

また、熱処理においてオーステンパーを施す場合には、オーステンパーが焼入れよりも高温域で冷却を停止して恒温変態させることにより鋼組織をベイナイトとするものであるため、焼入れを施す場合よりもＣ含有量が高く焼入れ性が高い鋼材、例えばＣ含有量が０．７〜０．８５質量％の高炭素鋼材が用いられることが多いが、特許文献３に開示されている様に、ＣｒおよびＭｏを含有してＣ含有量が然程高くない鋼材も使用される場合もある。

以上のように、鋼部品について高強度と高靭性とを具備させるために、その素材となる熱処理用鋼材には、焼入れ性を高めるように、あるいはさらに焼戻し脆化を抑制するように、ＣｒおよびＭｏを含有する鋼材（以下、「Ｃｒ、Ｍｏ含有鋼材」ともいう。）が使用される場合がある。

特開平７−１３８７０７号公報特開２０００−１９２１９７号公報特公平７−５９７０号公報

鋼中に炭化物等の硬質な物質を分散させる方法として、特許文献１に開示されている方法では、炭化物分散浸炭処理という特殊な処理を施す必要があるため製造コストが高く、また、特許文献２に開示されている方法では、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＶおよびＷといった高価な元素を多量に添加する必要があるため製造コストが高いという問題がある。また、鋼材に熱処理を施すことによって鋼材の硬さを高める方法として、浸炭処理は上述したように製造コストが高いという問題がある。

したがって、経済性の観点からは、熱処理用鋼材としてＣ含有量が０．２質量％以上の鋼材を用いて焼入れ焼戻しやオーステンパー等の種々の熱処理を施すことが好ましく、なかでもＣｒ、Ｍｏ含有鋼材を用いることが好ましいことになる。

しかしながら、鋼材に熱処理を施すことによって鋼材の硬さを高める方法により確保することができる耐摩耗特性には、熱処理を施す前の鋼材の加工性の観点等から制約があり、より一層の耐摩耗特性の向上が望まれている。

本発明は、上述した従来技術に鑑みてなされたものであり、従来よりも一層の耐摩耗特性が向上された鋼部品の製造を可能にする、熱処理用鋼材を提供することを課題とする。

焼入れ焼戻しやオーステンパー等の熱処理は、鋼部品の形状への加工が施された熱処理用鋼材をＡｃ_３点以上の温度域に加熱して鋼材中の炭化物を再固溶させ、その後に冷却することにより目的とする鋼組織を得るものである。

本発明者らは、Ｃｒ、Ｍｏ含有鋼材について、上記熱処理過程における炭化物の再固溶挙動を詳細に調査した。
その結果、Ｃｒ、Ｍｏ含有鋼材について、ＣｒおよびＭｏの含有量を所定の範囲とすることにより、鋼中に一般に存在する炭化物の再固溶により十分な焼入性を確保するとともに、Ｃｒ、Ｍｏ含有鋼材に特有の炭化物の再固溶を著しく抑制することができ、この再固溶されずに残留した炭化物（以下、「残留炭化物」ともいう。）により、鋼部品の耐摩耗特性が著しく向上することを新たに知見した。

すなわち、以下の新たな知見を得たのである。
（Ａ）Ｃｒ、Ｍｏ含有鋼材に含まれる炭化物には、一般の炭素鋼で観察されるセメンタイト（Ｍ_３Ｃ）の他にＭ_２３Ｃ_６が観察される。ここで、Ｍは、Ｃｒ、Ｍｏ、ＭｎおよびＦｅからなる。

（Ｂ）セメンタイトとＭ_２３Ｃ_６との熱処理中の再固溶挙動を比較すると、Ｍ_２３Ｃ_６の方が再固溶が遅延する。したがって、Ｍ_２３Ｃ_６を多く含有する鋼材は熱処理後において残留炭化物が多くなりやすい。

（Ｃ）Ｍ_２３Ｃ_６を多く含有させた鋼材を用いて熱処理後において多くの残留炭化物を有する鋼部品は耐摩耗特性が著しく向上する。
（Ｄ）上記耐摩耗特性向上作用を得るには、熱処理用鋼材について、Ｘ線回折試験におけるＭ_２３Ｃ_６の（４２２）面のピーク強度（Ｉ_Ｍ）とセメンタイトの（２１１）面のピーク強度（Ｉ_θ）との比（Ｉ_Ｍ／Ｉ_θ）を０．５以上とすればよく、このようにして得られるＣｒ、Ｍｏ含有鋼材は、熱処理における炭化物の再固溶が効果的に抑制され、熱処理後において多くの残留炭化物が確保されるため、得られる鋼部品について良好な耐摩耗特性の確保が可能となる。

なお、熱処理用鋼材は、上述したように、加工性を向上させるために球状化焼鈍が施されて製造される場合が多いが、この球状化焼鈍により球状化された炭化物は、その形状的因子により熱処理における再固溶を抑制する傾向にあり、その傾向は合金元素の含有量が多い鋼板で特に顕著となる。そのため、球状化焼鈍を施したＣｒ、Ｍｏ含有鋼材は、熱処理後の残留炭化物が特に多くなる傾向にあり、耐摩耗特性を一層向上させることを可能にする。

本発明は上記新知見に基づいて完成したものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：０．５１％以上０．７％以下、Ｓｉ：０．１９％以上０．５％以下、Ｍｎ：０．２％以上１．２％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｃｒ：０．６％以上１．５％以下、Ｍｏ：０．０５％以上０．５％以下およびｓｏｌ．Ａｌ：０．２％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、Ｘ線回折試験におけるＭ２３Ｃ６（ここで、Ｍは、Ｃｒ、Ｍｏ、ＭｎおよびＦｅからなる。）の（４２２）面のピーク強度（ＩＭ）とセメンタイトの（２１１）面のピーク強度（Ｉθ）との比（ＩＭ／Ｉθ）が０．５以上であることを特徴とする熱処理用鋼材。

（２）前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下およびＮｉ：１．０％以下からなる群から選択される１種または２種を含有することを特徴とする上記（１）に記載の熱処理用鋼材。

（３）前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｔｉ：０．１０％未満、Ｎｂ：０．１０％未満およびＶ：０．１０％未満からなる群から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の熱処理用鋼材。

本発明によれば、Ｃｒ、Ｍｏ含有鋼材について、熱処理中における炭化物の再固溶を効果的に抑制して、耐摩耗特性を向上させる残留炭化物を鋼中に確実に分散させることができる。したがって、本発明に係る熱処理用鋼材を用いることにより、耐摩耗性に優れる鋼部品を得ることができる。

本発明の熱処理用鋼材の化学組成および組織、ならびにその製造方法について以下に説明する。
１．鋼の化学組成
本発明に係る鋼の化学組成について説明する。以下の説明において、鋼の化学組成を示す％は、特に断りがない限り質量％を意味する。

（１）Ｃ：０．４％以上０．７％以下
Ｃは、熱処理後の鋼材の強度を決定する重要な元素である。Ｃ含有量が０．４％未満では、熱処理後の鋼材の強度が低く、本発明が対象とする鋼部品に必要とされる高強度が得られない。したがって、Ｃ含有量は０．４％以上とする。一方、Ｃ含有量が０．７％超では、熱処理後の強度が高くなり過ぎて靱性の劣化が顕著となる。したがって、Ｃ含有量は０．７％以下とする。

（２）Ｓｉ：０．５％以下
Ｓｉは、一般に不純物として含有される元素であるが、焼入れ性を向上させる作用を有するので、積極的に含有させてもよい。しかしながら、Ｓｉ含有量が０．５％超では、熱処理前の鋼材の強度上昇にともなう加工性劣化が顕著になる。したがって、Ｓｉ含有量は０．５％以下とする。

（３）Ｍｎ：０．２％以上１．２％以下
Ｍｎは、焼入れ性を向上させる作用を有する元素であり、熱処理後の鋼材の強度を確保するのに有効な元素である。Ｍｎ含有量が０．２％未満では、焼入れ性向上作用を得ることが困難である。したがって、Ｍｎ含有量は０．２％以上とする。一方、Ｍｎ含有量が１．２％超では、熱処理前の鋼材の強度上昇にともなう加工性劣化が顕著になったり、熱処理後の鋼材の強度上昇にともなう靱性劣化が顕著になったりする。このため、Ｍｎ含有量は１．２％以下とする。好ましくは０．８％以下である。

（４）Ｐ：０．０５％以下
Ｐは、不純物として含有される元素であり、熱処理後の鋼材の靱性を低下させる作用を有する。したがって、Ｐ含有量は低いほど好ましい。Ｐ含有量が０．０５％を超えると熱処理後の鋼材の靭性劣化が顕著となる。したがって、Ｐ含有量は０．０５％以下とする。好ましくは０．０３％以下であり、さらに好ましくは０．０１５％以下である。

（５）Ｓ：０．０２％以下
Ｓは、不純物として含有される元素であり、熱処理後の鋼材の靱性を低下させる作用を有する。したがって、Ｓ含有量は低いほど好ましい。Ｓ含有量が０．０２％を超えると熱処理後の鋼材の靭性劣化が顕著となる。したがって、Ｓ含有量は０．０２％以下とする。好ましくは０．０１％以下、さらに好ましくは０．００５％以下である。

（６）Ｃｒ：０．６％以上１．５％以下
Ｃｒは、Ｃｒ、Ｍｏ含有鋼材特有の炭化物であるＭ_２３Ｃ_６の安定性を高め、熱処理後における鋼材の耐摩耗特性を向上させる作用を有する重要な元素である。Ｃｒ含有量が０．６％未満では上記作用による効果を充分に得られない場合がある。したがって、Ｃｒ含有量は０．６％以上とする。一方、Ｃｒ含有量が１．５％超では、熱処理前の鋼材の加工性を向上させるために施す球状化焼鈍において炭化物の球状化が阻害されるため、熱処理前の鋼材の加工性を球状化焼鈍によって向上させることが困難になる。したがって、Ｃｒ含有量は１．５％以下とする。好ましくは１．２％以下である。

（７）Ｍｏ：０．０５％以上０．５％以下
Ｍｏは、Ｃｒ、Ｍｏ含有鋼材特有の炭化物であるＭ_２３Ｃ_６の安定性を高め、熱処理後における鋼材の耐摩耗特性を向上させる作用を有する重要な元素である。さらに、焼戻し脆性を抑制する作用も有するので、熱処理後の鋼材の靭性を向上させるのに有効な元素である。Ｍｏ含有量が０．０５％未満では、上記作用による効果を充分に得られない場合がある。したがって、Ｍｏ含有量は０．０５％以上とする。一方、Ｍｏ含有量が０．５％超では、上記作用による効果は飽和していたずらにコスト上昇を招く。したがって、Ｍｏ含有量は０．５％以下とする。

（８）ｓｏｌ．Ａｌ：０．２％以下
Ａｌは、溶鋼を脱酸する作用を有する元素であるので、積極的に含有させてもよい。しかしながら、ｓｏｌ．Ａｌ含有量が０．２％超では、上記作用による効果は飽和していたずらにコスト上昇を招く。また、ＡｌはＡ_３点を上昇させる作用を有するので、熱処理に要する加熱条件の高温・長時間化を招いて熱処理を困難にする。したがって、ｓｏｌ．Ａｌ含有量は０．２％以下とする。好ましくは０．１％以下である。溶鋼の脱酸にはＳｉを用いることもできるので、ｓｏｌ．Ａｌ含有量の下限は特に規定する必要はない。しかし、脱酸能力はＳｉよりもＡｌの方が高いので、ｓｏｌ．Ａｌ含有量を０．００５％以上とすることが好ましい。

（９）Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下
ＣｕおよびＮｉは、任意元素であり、焼入れ性を向上させる作用を有し、熱処理後の鋼材の強度を確保するのに有効であるので、１種または２種を含有させてもよい。しかしながら、それぞれ１．０％を超えて含有させても、上記作用による効果は飽和していたずらにコスト上昇を招く。したがって、それぞれの含有量は１．０％以下とする。

（１０）Ｔｉ：０．１０％未満、Ｎｂ：０．１０％未満、Ｖ：０．１０％未満
Ｔｉ、ＮｂおよびＶは、任意元素であり、焼入れ性を向上させる作用を有し、さらに炭化物や窒化物を形成して熱処理中のオーステナイト粒成長を抑制して熱処理後の鋼材の靭性を向上させる作用を有するので、１種または２種以上を含有させてもよい。しかしながら、過剰な含有は微細な炭化物の析出を促し、熱処理前の鋼材の強度上昇にともなう加工性劣化が顕著になる。したがって、それぞれの元素の含有量は０．１０％未満とする。好ましくは、０．０５％未満である。

（１１）その他
Ｃ／（Ｃｒ×Ｍｏ）（ここで、各元素記号は、各元素の鋼中の含有量（単位：質量％）を示す。）の値を３．０未満とすることにより、熱処理後の鋼材について耐摩耗特性の向上に寄与するＭ_２３Ｃ_６の生成を効果的に促進することができ、Ｃｒ、Ｍｏ含有鋼材の熱処理中における炭化物の再固溶を効果的に抑制し、残留炭化物を効果的に確保することが容易となる。したがって、Ｃ、ＣｒおよびＭｏは下記式(1)を満足するように含有させることが好ましい。
Ｃ／（Ｃｒ×Ｍｏ）＜３．０ (1)
これにより、Ｍ_２３Ｃ_６の生成を効果的に促進することが可能となり、熱処理後の鋼材の耐摩耗特性を飛躍的に向上させることが容易になる。

２．Ｘ線回折試験におけるＭ_２３Ｃ_６とセメンタイトとのピーク強度比
本発明では、Ｃｒ、Ｍｏ含有鋼材特有の炭化物であり、熱処理において再固溶が遅延するＭ_２３Ｃ_６の生成を促進し、熱処理後において多量の残留炭化物を確保することにより、熱処理後の鋼材について高い耐摩耗特性を具備させることを可能にする。

このため、Ｘ線回折試験におけるＭ_２３Ｃ_６の（４２２）面のピーク強度（Ｉ_Ｍ）とセメンタイトの（２１１）面のピーク強度（Ｉ_θ）との比（Ｉ_Ｍ／Ｉ_θ）を０．５以上とする。前記比（Ｉ_Ｍ／Ｉ_θ）が０．５未満では、Ｍ_２３Ｃ_６の割合が少ないため熱処理における再固溶が促進されてしまい、高い耐摩耗性を確保するための炭化物を確実に鋼中に分散させることが困難となる。

３．製造方法
本発明の熱処理用鋼材は、上記化学組成およびＸ線回折試験におけるＭ_２３Ｃ_６とセメンタイトとのピーク強度比を満足するものであれば、如何なる製造方法によって製造されてもかまわない。

例えば、上記化学組成に溶製された溶鋼を、連続鋳造することにより鋼塊とし、あるいは鋳造後に分塊圧延することにより鋼片とし、さらに熱間圧延することにより熱延鋼板として製造することができる。この際の溶製方法等は常法でかまわないが、生産性の観点からは鋳造工程を連続鋳造法とすることが好ましい。熱延鋼板にはさらに焼鈍を施してもよく、酸洗を施してもよい。さらに、冷間圧延を施したのちに焼鈍を施してもよく、焼鈍を施した後に冷間圧延を施してもよい。焼鈍は連続焼鈍によってでも箱焼鈍によってでもよい。

実験用真空炉を用い、表１に示す化学組成の鋼を実験室レベルで溶製した。これらの鋳造した鋳塊を鍛造して２０ｍｍ厚の熱間圧延用スラブとし、１２００℃に均熱した後に熱間圧延を施して４ｍｍ厚に仕上げ、ホットストリップミルにおける強制空冷あるいは水スプレーを模擬した冷却条件で６００℃まで冷却し、直ちに６００℃の温度に保持した炉に投入して炉冷することにより巻取り後の冷却を模擬して熱延鋼板を得た。このようにして得られた熱延鋼板を、Ａｒ雰囲気中で７００℃の温度に３０時間保持し、その後放冷し、表裏の両面を１ｍｍずつ研削して２ｍｍ厚の熱延焼鈍板を作成した。

上記熱延焼鈍板の表面を化学研磨した後、Ｘ線回折試験を行いＭ_２３Ｃ_６の（４２２）面のピーク強度（Ｉ_Ｍ）とセメンタイトの（２１１）面のピーク強度（Ｉ_θ）との比（Ｉ_Ｍ／Ｉ_θ）を調査した。

次いで、上記熱延焼鈍板を２０ｍｍ×３０ｍｍに切断して、Ａｒ雰囲気中で９００℃の温度に１０〜８０分間保持した後、水焼入れした。水焼入れ後の鋼板を切断して断面を鏡面研磨し、さらにピクラールエッチングした後、板厚の１／４深さ位置を２０００倍でＳＥＭ観察した。画像解析ソフトを用いて撮影したＳＥＭ写真を解析し、残留炭化物の面積率の測定を行った。

熱処理前のＭ_２３Ｃ_６の（４２２）面のピーク強度（Ｉ_Ｍ）とセメンタイトの（２１１）面のピーク強度（Ｉ_θ）との比（Ｉ_Ｍ／Ｉ_θ）、および熱処理後の残留炭化物面積率の変化を表２に示す。さらに加熱中の炭化物の溶解挙動を定量化するため、１０分加熱後の残留炭化物面積率に対する８０分加熱後の残留炭化物の割合を求めた。

表２に結果を併せて示す。

Ｍ_２３Ｃ_６の（４２２）面のピーク強度（Ｉ_Ｍ）とセメンタイトの（２１１）面のピーク強度（Ｉ_θ）との比（Ｉ_Ｍ／Ｉ_θ）が０．５以上、すなわちＭ_２３Ｃ_６の生成が促進されている本発明例では、残留率が全て１０％以上であったのに対して、前記比（Ｉ_Ｍ／Ｉ_θ）が０．５未満、すなわちＭ_２３Ｃ_６の生成が少ない比較例では１０％未満であった。このように、Ｍ_２３Ｃ_６の生成を促進することで、熱処理における炭化物の再固溶が抑制され、耐摩耗特性に寄与する残留炭化物を効果的に確保することができる。

Claims

質量％で、Ｃ：０．５１％以上０．７％以下、Ｓｉ：０．１９％以上０．５％以下、Ｍｎ：０．２％以上１．２％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｃｒ：０．６％以上１．５％以下、Ｍｏ：０．０５％以上０．５％以下およびｓｏｌ．Ａｌ：０．２％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、Ｘ線回折試験におけるＭ２３Ｃ６（ここで、ＭはＣｒ、Ｍｏ、ＭｎおよびＦｅからなる。）の（４２２）面のピーク強度（ＩＭ）とセメンタイトの（２１１）面のピーク強度（Ｉθ）との比（ＩＭ／Ｉθ）が０．５以上であることを特徴とする熱処理用鋼材。
前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下およびＮｉ：１．０％以下からなる群から選択される１種または２種を含有することを特徴とする請求項１に記載の熱処理用鋼材。
前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｔｉ：０．１０％未満、Ｎｂ：０．１０％未満およびＶ：０．１０％未満からなる群から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の熱処理用鋼材。