JP7477343B2 - 被削性、製造性および結晶粒粗大化防止特性に優れたはだ焼鋼 - Google Patents
被削性、製造性および結晶粒粗大化防止特性に優れたはだ焼鋼 Download PDFInfo
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- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Description
歯車のように耐摩耗性および高疲労強度が要求される部品は、JIS規格で定められたSCr、SCM、SNCMなどのはだ焼鋼を、鍛造、切削などの機械加工により所望の形状に成型した後、表面硬化処理を施し、仕上げ加工を経て製造される。
また、温間鍛造および冷間鍛造は部品を寸法精度よく成型できるため、仕上げ加工(切削加工)の時間を短縮でき、部品の製造コストを削減できると期待される。また、高い寸法精度を必要としない部品であれば、仕上げ加工を省略して、さらなる製造コスト削減を図ることができる。
特許文献4は、高温での結晶粒度特性に優れたはだ焼鋼について記載されているものの、被削性および製造性については検討されていない。
特許文献5は、MnSの形態および個数密度を制御することにより被削性を改善した浸炭用鋼について記載しているが、結晶粒粗大化防止特性および製造性については検討されていない。
C :0.10質量%以上、0.30質量%以下
Si:0.10質量%以上、2.00質量%以下
Mn:0.10質量%以上、2.00質量%以下
P :0質量%超、0.030質量%以下
S :0質量%超、0.030質量%以下
Cr:0.10質量%以上、2.00質量%以下
Al:0.030質量%以上、0.100質量%以下
Nb:0.001質量%以上、0.100質量%以下
Ti:0.0010質量%以上、0.1000質量%以下、および
N :0.0120質量%以上、0.0500質量%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、
下記の式(1)~式(3)を満足するはだ焼鋼である。
F1=27×[Al]+48×[Ti]+92×[Nb]≧2.1 (1)
F2=[Al]+2×[Ti]+4×[Nb]≦0.14 (2)
F3=[Al]/27+[Ti]/48≧0.0014 (3)
ただし、[Al]、[Ti]および[Nb]は、それぞれ、質量%で示したAl、TiおよびNbの含有量を示す。
Mo:0質量%以上、1.00質量%以下、および
B :0質量%以上、0.005質量%以下
のうちの1種または2種をさらに含有する態様1に記載のはだ焼鋼である。
Cu:0質量%以上、2.00質量%以下、および
Ni:0質量%以上、2.00質量%以下
のうちの1種または2種をさらに含有する態様1または2に記載のはだ焼鋼である。
V:0質量%以上、0.500質量%以下をさらに含有する態様1~3のいずれか1項に記載のはだ焼鋼である。
F1=27×[Al]+48×[Ti]+92×[Nb]≧2.1 (1)
F2=[Al]+2×[Ti]+4×[Nb]≦0.14 (2)
F3=[Al]/27+[Ti]/48≧0.0014 (3)
ただし、[Al]、[Ti]および[Nb]は、それぞれ、質量%で示したAl、TiおよびNbの含有量を示す。
本発明に係るはだ焼鋼の成分組成について、まず、基本となる元素について説明し、さらに選択的に添加してよい元素について説明する。
Cは、鋼材硬さを確保するために有効な元素である。Cの含有量が少ないと、Nb(CN)およびTiCを形成するためのCが不足するため、0.10質量%以上とする。好ましくは0.11質量%以上、より好ましくは0.12質量%以上である。一方、Cの含有量が多いと、鋼材硬さが高くなり過ぎて被削性が低下するため、0.30質量%以下とする。好ましくは0.27質量%以下、より好ましくは0.25質量%以下である。
Siは焼戻し硬さを高めて機械部品の疲労特性を改善するのに有効であり、また脱酸作用を有している元素である。Siの含有量は0.10質量%以上とし、好ましくは0.20質量%以上、より好ましくは0.30質量%以上である。ただし、Siの含有量が多いと、鋼材硬さが高くなり過ぎて被削性が低下するため、2.00質量%以下とし、好ましくは1.90質量%以下、より好ましくは1.80質量%以下である。
Mnは、浸炭処理時の焼入れ性を高めるのに必要な元素である。また、脱酸材としても作用し、鋼中の酸化物系介在物量を低減して内部品質を高める作用を有する元素である。こうした作用を有効に発揮するために、Mnの含有量は0.10質量%以上とし、好ましくは0.20質量%以上、より好ましくは0.30質量%以上である。一方、Mnの含有量が多いと鍛造性が悪化するため、2.00質量%以下とし、好ましくは1.90質量%以下、より好ましくは1.80質量%以下である。
Pは、結晶粒界に偏析して機械部品の衝撃特性が低下させる。そのため、Pの含有量は0.030質量%以下とし、好ましくは0.025質量%以下、より好ましくは0.020質量%以下である。一方、Pは鋼中に不可避的に含まれる元素であり、純度を高めるほど製造コストが増加する。よって、Pの含有量は0質量%超、例えば0.001質量%以上とし、好ましくは0.003質量%以上、より好ましくは0.005質量%以上である。
Sは、結晶粒界に偏析して機械部品の衝撃特性が低下させる。そのため、Sの含有量を0.030質量%以下とし、好ましくは0.025質量%以下、より好ましくは0.020質量%以下である。一方、SはMnと結合してMnSを形成し、被削性を改善する元素であるため、一定量添加する必要がある。そのため、Sの含有量は0質量%超、例えば0.001質量%以上とし、好ましくは0.003質量%以上、より好ましくは0.005質量%以上である。
Crは、鋼材の焼入れ性を向上する元素であり、安定した硬化層深さや芯部硬さを十分に確保する作用を有し、機械部品としての静的強度や疲労強度を確保する上で有効である。このような効果を有効に発揮するために、Crの含有量は0.10質量%以上とし、好ましくは0.2質量%以上、より好ましくは0.3質量%以上である。一方、Crの含有量が多いと、鋼材硬さが高くなり過ぎて被削性が低下するため、2.00質量%以下とし、好ましくは1.9質量%以下、より好ましくは1.8質量%以下である。
AlはNと結合して、結晶粒粗大化抑制に有効なAlNを形成する、重要な元素である。結晶粒粗大化抑制の効果を発揮するために、Alの含有量は0.030質量%以上とし、好ましくは0.032質量%以上、より好ましくは0.034質量%以上である。一方、Alの含有量が多いと、鋼材硬さを増加させるので、0.100質量%以下とし、好ましくは0.090質量%以下、より好ましくは0.080質量%以下である。
Nbは、結晶粒粗大化抑制に有効なNb(CN)を形成する、重要な元素である。結晶粒粗大化抑制の効果を発揮するために、Nbの含有量は0.001質量%以上とし、好ましくは0.002質量%以上、より好ましくは0.003質量%以上である。一方、Nbの含有量が多いと、鋼材硬さを増加させるので、0.100質量%以下とし、好ましくは0.090質量%以下、より好ましくは0.080質量%以下である。
Tiは、結晶粒粗大化抑制に有効なTiCを形成する、重要な元素である。また製造性を確保するためにも有効である。結晶粒粗大化抑制を発揮するために、Tiの含有量は0.0010質量%以上とし、好ましくは0.0020質量%以上であり、より好ましくは0.0030質量%以上である。一方、Tiの含有量が多いと、硬質なTiNが生成してしまい、被削性が低下する。したがって、Tiの含有量は0.1000質量%以下とし、好ましくは0.0900質量%以下、より好ましくは0.0800質量%以下である。
NはAlと結合して、結晶粒粗大化抑制に有効なAlNを形成する、重要な元素である。結晶粒粗大化抑制の効果を発揮するために、Nの含有量は0.0120質量%以上とし、好ましくは0.0130質量%以上、より好ましくは0.0140質量%以上とする。一方、Nの含有量が多いと、鋳造時にブローホールを形成し、連続鋳造時に生じる割れの原因となる。したがって、Nの含有量は0.0500質量%以下とし、好ましくは0.0490質量%以下、より好ましくは0.0480質量%以下である。
以下の式(1)~式(3)は、Al、TiおよびNbの含有量をバランスよく配合することを規定しており、式(1)~式(3)を全て満たすことにより、以下の理由から、結晶粒粗大化防止特性、製造性および被削性に優れたはだ焼鋼が得られる。
しかしながら、NbおよびTiの含有量が多いと硬質な化合物(NbN、TiN)が生成して、鋼材硬さが高くなるため、被削性が低下する。被削性が低い(つまり、切削工具の寿命が短くなる)と、製品コストが増加する。特に、歯車などの複雑な形状の部品を製造する場合には切削量が多くなるため、被削性が低いと頻繁な工具交換が必要となり、部品製造コストを大きく上げることになる。また、NbおよびTiはコストが高いため、それらの含有量が増加すると鋼材の製造コストが増加する。
本発明者は、Al、NbおよびTiによる上記作用を総合的に検討した結果、結晶粒粗大化防止特性を向上するために、Al系析出物(AlN)を最大限に利用するとの思想に基づいて、Al、NbおよびTiの含有量をバランスさせることにより、結晶粒粗大化防止特性の向上のみならず、被削性および製造性をも向上できることを見出した。
F1=27×[Al]+48×[Ti]+92×[Nb]≧2.1 (1)
F2=[Al]+2×[Ti]+4×[Nb]≦0.14 (2)
F3=[Al]/27+[Ti]/48≧0.0014 (3)
(ただし、[Al]、[Ti]および[Nb]は、それぞれ、質量%で示したAl、TiおよびNbの含有量を示す。)]
以下に、式(1)~式(3)の各々について詳しく説明する。
式(1)は、鋼材中に含まれるNb系析出物(Nb(CN))、Ti系析出物(TiC)およびAl系析出物(AlN)の個数密度に影響を与えるパラメータである。それらの析出物はピン止め粒子として機能して、結晶粒粗大化防止特性に影響を及ぼす。
Al、TiおよびNbの含有量が式(1)を満たすことにより、Al系析出物、Ti系析出物およびNb系析出物によるピンニング効果を十分に発揮することができ、結晶粒粗大化を抑制することができる(結晶粒粗大化防止特性の向上)。
式(2)は、被削性(切削工具の摩耗量)に影響を与えるパラメータである。合金元素の含有量が多くなると鋼材硬さが上昇し、被削性は低下する。TiおよびNbは鋼材の硬さ上昇に与える影響が多いため、それらの含有量を相対的に低くするように係数を決定した。Al、TiおよびNbの含有量が式(2)を満たすことにより、被削性を改善することができる。
式(3)は、製造性に影響を与えるパラメータである。鋼材の断面におけるAlN粒子の占める面積の割合(面積率)を増加すると、高温(例えば800℃)における加工性が悪くなり、製造性が低下する。Alの含有量を著しく増加させると、AlNの融点が上昇し、AlNの面積率を減らすことができる。また、Tiは、融点が高いTiNを形成するため、Tiの含有量を増加すると、AlN粒子の面積率を減らすことができる。Al、Tiの添加量が上記式(3)を満たすことにより、AlN粒子の面積率を効率的に減少させることができ、製造性を向上することができる。
好ましい1つの実施形態では、残部はFeおよび不可避不純物である。不可避不純物としては、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる微量元素(例えば、As、Sb、Snなど)の混入が許容される。なお、例えば、PおよびSのように、通常、含有量が少ないほど好ましく、従って不可避不純物であるが、その組成範囲について上記のように別途規定している元素がある。このため、本明細書において、残部を構成する「不可避不純物」という場合は、その組成範囲が別途規定されている元素を除いた概念である。
B :0質量%以上、0.005質量%以下のうちの1種または2種]
Moは鋼材の焼入れ性を向上する元素であり、安定した硬化層深さや芯部硬さを十分に確保する作用を有し、機械部品としての静的強度や疲労強度を確保する上で有効である。Moの含有量は、好ましくは0質量%以上、より好ましくは0.10質量%以上、特に好ましくは0.20質量%以上である。一方、Moの含有量が多いと、鋼材硬さが高くなり過ぎて被削性が低下する。よって、Moの含有量は、好ましくは1.00質量%以下、より好ましくは0.90質量%以下、特に好ましくは0.80質量%以下である。
上記作用を有効に発揮するために、Bの含有量は、好ましくは0質量%以上、例えば0.0005質量%以上とすることができる。一方、Bの含有量が多くなっても、上記効果が飽和するため含有量を増加させることには意義がない。また、Bの含有量が多くなると、BNが過剰に生成して衝撃特性を低下させる。したがって、Bの含有量は、好ましくは0.005質量%以下、より好ましくは0.004質量%以下、特に好ましくは0.003質量%以下である。
Ni:0質量%以上、2.00質量%以下のうちの1種または2種]
CuおよびNiは、Moと同様に、浸炭処理時の焼入れ性を高めることができる元素である。また、CuおよびNiは、酸化されにくい元素であり、疲労強度を低下させる粒界酸化を低減する効果を有する。こうした作用を有効に発揮するために、CuおよびNiの含有量は、それぞれ、好ましくは0質量%以上、例えば0.01質量%以上とすることができる。一方、CuおよびNiの含有量が多いと被削性が低下するため、CuおよびNiの含有量は、それぞれ、好ましくは2.00質量%以下であり、より好ましくは1.90質量%以下であり、特に好ましくは1.80質量%以下である。
Vは、浸炭処理時の焼き入れ性を高め、また、鋼中で炭化物や窒化物を形成して鋼部品の硬度を高めるのに有効な元素である。こうした作用を有効に発揮するため、Vの含有量は、好ましくは0質量%以上、例えば0.001質量%以上含有させることができる。一方、Vの含有量が多いと、鋼材硬さが高くなって被削性が低下するため、Vの含有量は、好ましくは0.500質量%以下、より好ましくは0.400質量%以下、特に好ましくは0.300質量%以下である。
次に本発明のはだ焼鋼の製造方法について説明する。
上記の成分組成を有する鋼となるように転炉または電炉で所定の成分範囲に調整し、連続鋳造により鋳造する。得られた鋼片を1150℃~1300℃で分塊圧延し、次いで900℃~1100℃で熱間圧延または熱間鍛造することにより、所望形状のはだ焼鋼を得ることができる。
φ24棒鋼の端部から、長手方向に20mmの位置で切断して、長さ20mmの棒鋼サンプルを得た。棒鋼サンプルを、円形断面(横断面)における円の中心を通って長手方向に伸びる2つ直交する切断面(縦断面)で切断して、長手方向に4つ割りにした。得られた4つ割りの棒鋼サンプル(4つ割りサンプル)をエレマ炉で980℃まで加熱し、その温度で3時間保持し、その後に水冷して焼き入れした。焼入れした4つ割りサンプルの横断面(扇形断面:図4)を研磨・腐食し、検鏡面(φ24mm円形断面の面積の1/4:113mm2)に存在する最大の結晶粒を撮影し、JIS G 0551:2013の標本図を参考に粒度番号を算出した。ただし、評価対象となる最大結晶粒の粒度番号が0番より小さい場合(つまり、最大結晶粒の粒子サイズが、粒度番号0番の粒子サイズより大きい場合)は、測定困難となるため、「0番」と評価した。
結晶粒度3.0以上を「可(○)」とし、3.0未満を「不可(×)」と判定した。
抽出レプリカ法によりレプリカ膜を作製して、析出物を確認した。
φ24棒鋼を樹脂に埋め込み、D/4を中心とした縦断面が露出するように研磨した。研磨面を腐食させ、C蒸着後に剥離液に浸漬することにより、レプリカ膜を作製した。透過電子顕微鏡を用いて、14000倍で観察した(視野範囲:77.4μm2)。観察された析出物の構成元素はEDSによるMapping分析により同定した。Alのピークが現れた測定箇所にはAlNが存在し、Tiのピークが現れた測定箇所にはTiCが存在し、Nbのピークが現れた測定箇所にはNb(CN)が存在すると判断した。各構成元素の写真を、住友金属テクノロジー社製粒子解析Ver3.0を用いて解析して、AlN、Nb(CN)およびTiCの各々の粒子について、個数密度(個/μm2)および面積率(%)を導出した。なお、個数密度および面積率は、円相当径が1~100μmの粒子を対象とした。面積率は、視野範囲の面積(77.4μm2)を100%としたときに、視野範囲内において各粒子が占める面積の割合である。求めた個数密度および面積率から、AlN、Nb(CN)およびTiCの個数密度の合計(合計個数密度)と、AlN、Nb(CN)およびTiCの面積率の合計(合計面積率)と、AlNの面積率(AlN面積率)をそれぞれ算出した。
φ80棒鋼の端部から、長手方向に300mmの位置で切断して、長さ300mmの棒鋼サンプルを得た。棒鋼サンプルをエレマ炉で1200℃まで加熱し、その温度で30分保持し、その後に放冷した。空冷した棒鋼サンプルを、別のエレマ炉で910℃まで加熱して、その温度で30分保持し、その後に670℃まで放冷し、670℃で30分保持し、その後に放冷した(図5参照)。一連の熱処理を行った棒鋼サンプルを、NC旋盤にて、下記の条件で切削試験を実施した。試験開始前および試験終了後の工具の先端部分を、側面方向から光学顕微鏡で写真撮影し、試験前後の写真を比較して、逃げ面の摩耗状態を確認した。図6は、工具先端の模式図であり、実線が試験開始前、破線が試験終了後のそれぞれにおける先端形状を示している。図6に示すように、試験開始前の工具10の先端は、逃げ面12とすくい面14を有している。逃げ面の摩耗が最大となる位置で、試験開始前の逃げ面12の位置と、試験終了後の逃げ面120の位置との間の距離Xを測定して、工具摩耗量(μm)とした。
工具摩耗量が130μm以下を「可(○)」とし、130μm超を「不可(×)」と判定した。
・切削工具:タンガロイ社製 DNMA150404-NS520
・切削速度;200m/分
・切込深さ:0.5mm
・送り量 :0.1mm/rev
・試験長さ:5000m
φ24棒鋼を切削加工して、図7に示すようなグリーブル試験片を作製した。試験片の各寸法は、試験平行部が直径6mm、長さ15mm、肩部の半径が2.5mmであった。なお、試験片の長手方向の中心線が、φ24棒鋼の長手方向の中心線とほぼ一致するように、試験片を作製した。その後、グリーブル試験機を用いて、試験片を1300℃まで加熱した後に800℃まで放冷し、800℃で試験片に、引張速度0.01mm/秒で引張変形を与えて絞り値を測定した。
絞り値が35%以上を「可(○)」とし、35%未満を「不可(×)」と判定した。
試料No.2および3は、いずれも本発明の実施形態で規定する成分組成を満たし、かつ式(1)~(3)を満足していたため、結晶粒粗大化防止特性、被削性、および製造性がいずれも優れていた。
これに対して、試料No.1、4、および6~10は、本発明の実施形態で規定する成分組成、および式(1)~(3)のいずれか1つ以上を満足しなかったため、結晶粒粗大化防止特性、被削性、および製造性の少なくとも1つが劣っていた。なお、試料No.5については、結晶粒の粒度の測定および絞り試験を行わなかった。各試料の結果について、詳細を以下に説明する。
試料No.5はF1値が小さく、式(1)を満たさなかったため、合計個数密度が少なかった。そのため、結晶粒粗大化防止特性が低く、結晶粒の粒度番号が小さくなっていたものと推測される。
試料No.6はNの含有量が少ないため、AlNの含有量(AlNの面積率)が少なかった。そのため、結晶粒粗大化防止特性が低く、結晶粒の粒度番号が小さかった。また、F2値が大きく、式(2)を満たさなかったため、鋼材硬さが高くなり、被削性が低下した。
Claims (2)
- C :0.10質量%以上、0.30質量%以下
Si:0.10質量%以上、2.00質量%以下
Mn:0.10質量%以上、2.00質量%以下
P :0質量%超、0.030質量%以下
S :0質量%超、0.030質量%以下
Cr:0.10質量%以上、2.00質量%以下
Al:0.030質量%以上、0.100質量%以下
Nb:0.001質量%以上、0.100質量%以下
Ti:0.0010質量%以上、0.1000質量%以下、および
N :0.0120質量%以上、0.0500質量%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、
下記の式(1)~式(3)を満足するはだ焼鋼。
F1=27×[Al]+48×[Ti]+92×[Nb]≧2.1 (1)
F2=[Al]+2×[Ti]+4×[Nb]≦0.09 (2)
F3=[Al]/27+[Ti]/48≧0.0014 (3)
ただし、[Al]、[Ti]および[Nb]は、それぞれ、質量%で示したAl、TiおよびNbの含有量を示す。 - Cu:0質量%以上、0.01質量%以下、および
Ni:0質量%以上、0.02質量%以下
のうちの1種または2種をさらに含有する請求項1に記載のはだ焼鋼。
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