特許 5868099 靭性、耐磨耗性に優れる鋼

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5868099

(24)【登録日】2016年1月15日

(45)【発行日】2016年2月24日

(54)【発明の名称】靭性、耐磨耗性に優れる鋼

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20160210BHJP

   C22C 38/18 20060101ALI20160210BHJP

   C22C 38/54 20060101ALI20160210BHJP

【ＦＩ】

   C22C38/00 301A

   C22C38/18

   C22C38/54

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2011-210793(P2011-210793)

(22)【出願日】2011年9月27日

(65)【公開番号】特開2013-72104(P2013-72104A)

(43)【公開日】2013年4月22日

【審査請求日】2014年7月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000180070

【氏名又は名称】山陽特殊製鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101085

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 健至

(74)【代理人】

【識別番号】100134131

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 知理

(72)【発明者】

【氏名】後藤 洋昭

【審査官】 太田 一平

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０８−００３７２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／１２９６７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−３３２４５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１８８２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５１０８５１８（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開昭５５−０８９４５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２８５６４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１７７３１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５５−０６５３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１１８９５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−００１５２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２６３７６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１１１６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２６２４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２０８７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２５６７７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０８８４８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１７４８１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０２８５９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１２６８１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２１２６６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２１９７２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ ５／００ − ２５／００

Ｃ２２Ｃ ２７／００ − ２８／００

Ｃ２２Ｃ ３０／００ − ３０／０６

Ｃ２２Ｃ ３５／００ − ４５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量％で、Ｃ：０．３０〜０．６５％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．００〜３．００％、Ａｌ：０．００５〜０．２００％、Ｎ：０．０２００％以下、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、さらに、該鋼は上記組成のＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量から算出される４Ｓｉ＋３Ｃｒ−Ｍｎの値が６．００％以上を満足し、かつ、旧オーステナイト粒径を８．０μｍ以下としたことを特徴とする靭性および耐磨耗性に優れた鋼。

【請求項2】

質量％で、Ｃ：０．３０〜０．６５％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．００〜３．００％、Ａｌ：０．００５〜０．２００％、Ｎ：０．０２００％以下、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、さらにＮｉ：０．５０〜２．００％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ｔｉ：０．０１０〜０．２００％、Ｎｂ：０．０１０〜０．１００％のうち１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、さらに、該鋼は上記組成のＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量から算出される４Ｓｉ＋３Ｃｒ−Ｍｎの値が６．００％以上を満足し、かつ、旧オーステナイト粒径を８．０μｍ以下としたことを特徴とする靭性および耐磨耗性に優れた鋼。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は自動車や各種産業機械等の部品に用いられる機械構造用鋼の内、靭性および耐磨耗性に優れた鋼に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車、各種産業機械の部品の内、特に耐磨耗性、疲労特性等を必要とする部品に用いられる鋼は、焼入れ処理によって高硬度化することが一般的である。焼入れ処理によってマルテンサイト組織を主体とした鋼材は、鋼成分中のＣ含有量により硬度が決まり、Ｃ含有量を高めることで鋼材の硬度を上昇させることができる。しかし、高硬度化は反面として靭性を低下させ、衝撃が加えられた場合に割れを生じるため、鋼材には硬度と靭性のバランスが要求される。

【0003】

これらに対処する従来の技術として、鋼成分中にＳｉ、Ｎｂ、Ｃr、Ｍｏ、Ｖを含むことを特徴とし、特定の圧延、熱処理により、使用中にＶを核とするＣr、Ｍｏ、Ｖの複合析出物を形成せしめた、優れた耐磨耗性と靭性を兼ね備える鋼が提案されている（例えば、特許文献１参照）。さらに、焼入れ後の焼戻し過程で、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ等の合金成分が含まれるとＭｎ、Ｎｉ、Ｃｒ等の炭化物が旧オーステナイト粒界に析出し粒界破壊の原因となることに対し、Ｍｏを添加するとＭｏの炭化物が旧オーステナイト粒内にある転位を核として析出するため、析出物は旧オーステナイト粒内に微細に分散析出し粒界破壊の原因とはならないとした、耐衝撃性耐磨耗性に優れた鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、低Ｐ、低Ｓ化による粒界偏析の軽減、低Ｍｎ化による粒界強化、Ｍｏの増量とＮｂ添加による細粒化によって靭性向上を図り、さらに、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏの複合添加は鋼の焼戻し軟化抵抗を著しく高めるため、高い焼戻し温度を採用することによる靭性向上を図った高強度かつ靭性および耐磨耗性が良好な高強度高靭性耐磨耗用鋼が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１０−１０２１８５号公報

【特許文献2】特公平５−３７２０２号公報

【特許文献3】特許第３３６０６８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、上記の先行技術文献における、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖの複合析出物を形成するには、焼戻し温度を２００〜５５０℃で行う必要があるため、所定の硬度が得られない可能性がある。また、Ｍｏ添加による靭性向上は高温焼戻し条件下でのことであり、硬度確保のため低温焼戻しを行う場合には、その効果は明確ではない。さらに、低Ｐ化は製鋼段階での脱リン操業を通常操業より過剰に行う必要があるため、製造性、コストアップの問題がある。つまり、高硬度かつ高靭性であることが従来技術では達成できていない。

【0006】

そこで、本発明が解決しようとする課題は、硬度を高く保つため焼入れ後、低温焼戻しを施した条件下において、高硬度と高靭性を両立し、耐磨耗性に優れた鋼材を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の手段では、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．６５％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．００〜３．００％、Ａｌ：０．００５〜０．２００％、Ｎ：０．０２００％以下、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼である。しかも、該鋼は上記組成のＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量から算出される４Ｓｉ＋３Ｃｒ−Ｍｎの値が６．００％以上を満足し、かつ、旧オーステナイト粒径を８．０μｍ以下とした、高硬度、高靭性で耐磨耗性に優れた鋼である。

【0008】

請求項２の手段では、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．６５％、Ｓｉ：０．２０〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．００〜３．００％、Ａｌ：０．００５〜０．２００％、Ｎ：０．０２００％以下、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、さらにＮｉ：０．５０〜２．００％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ｔｉ：０．０１０〜０．２００％、Ｎｂ：０．０１０〜０．１００％のうち１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼である。しかも、該鋼は上記組成のＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量から算出される４Ｓｉ＋３Ｃｒ−Ｍｎの値が６．００％以上を満足し、かつ、旧オーステナイト粒径を８．０μｍ以下とした、高硬度、高靭性で耐磨耗性に優れた鋼である。

【0009】

本発明における鋼の化学成分の限定理由を以下に説明する。なお、以下において％は質量％を示す。

【0010】

Ｃ:０．３０〜０．６５％
Ｃは、必要な強度および焼入れ硬さを確保するために必要な元素である。したがって、耐磨耗性の支配因子である硬さを確保するために０．３０％以上が必要である。一方、０．６５％を超えると靭性が低下するとともに素材の硬さが上昇するため加工性、被削性の劣化は避けられない。そこで、Ｃは０．３０〜０．６５％ とし、望ましくは０．３５〜０．５０％とする。

【0011】

Ｓｉ:０．２０〜１．００％
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な元素であり、鋼に必要な焼入性を付与し強度を高めるために添加する。さらに、Ｓｉは焼戻し軟化抵抗を向上させる。すなわち焼戻し処理および使用時の摩擦熱による耐軟化性を向上させる元素である。したがって、０．２０％以上が必要である。一方、１．００％を超えると靭性が低下するとともに素材の硬さが上昇して加工性が劣化する。そこで、Ｓｉは０．２０〜１．００％とし、望ましくは０．４０〜０．８０％とする。

【0012】

Ｍｎ：０．２０〜０．６０％
Ｍｎは、鋼の脱酸に有効な元素である。さらに、鋼に必要な焼入性を付与し強度を高めるために添加する。しかし、多量に添加すると靭性を低下させ、さらに、Ｓと結合してＭｎＳの介在物を形成するため割れの起点となる。そこで、Ｍｎは０．２０〜０．６０％とし、望ましくは０．３０〜０．５０％とする。

【0013】

Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、不可避不純物として粒界に偏析し、０．０３０％を超えると靭性を低下させる。そこで、Ｐは０．０３０％以下とする。

【0014】

Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、不可避不純物としてＭｎＳの介在物を形成して靭性を低下させる。そこで、Ｓは０．０３０％以下とする。

【0015】

Ｃｒ：１．００〜３．００％
Ｃｒは、鋼に必要な焼入性を付与し強度を高めるために添加する。さらに、Ｃｒは焼戻し軟化抵抗を向上させるため、焼戻し処理および使用時の摩擦熱による耐軟化性を向上させる元素である。したがって、１．００％以上が必要である。一方、３．００％を超えると靭性が低下するとともに素材の硬さが上昇して加工性が劣化する。そこで、Ｃｒは１．００〜３．００％とし、望ましくは１．２０〜２．２０％とする。

【0016】

Ａｌ：０．００５〜０．２００％
Ａｌは、鋼の脱酸に有効な元素であり、さらにＮと結合しＡｌＮを生成するため、結晶粒粗大化の抑制に有効である。したがって、０．００５％以上が必要である。しかし、Ａｌは多量に添加すると非金属介在物を生成して割れの起点となる。そこで、Ａｌは０．００５〜０．２００％とし、望ましくは０．０１５〜０．１５０％とする。

【0017】

Ｎ：０．０２００％以下
Ｎは、Ａｌと結合してＡｌＮを生成するため結晶粒粗大化の抑制に有効である。しかし、Ｎは多すぎても、その効果が飽和するため、Ｎは０．０２００％以下とする。

【0018】

Ｏ：０．００３０％以下
Ｏは、０．００３０％を超えて含有すると、割れの起点となる酸化物系介在物を生成する。そこで、酸化物系介在物の生成を抑制するために、Ｏは０．００３０％以下とする。

【0019】

以上は本発明における鋼の基本成分であるが、さらに本発明では上記成分の他にＮｉ、Ｍｏ、Ｂ、Ｔｉ、Ｎｂのうち１種または２種以上を添加することができる。

【0020】

Ｎｉ：０．５０〜２．００％
Ｎｉは、焼入性と靭性を向上させるために有効な元素である。その効果を発揮するため０．５０％以上が必要であるが、Ｎｉはコストを上昇させる元素であるため、Ｎｉは０．５０〜２．００％とする。

【0021】

Ｍｏ：０．０５〜１．００％
Ｍｏは、焼入性と靭性を向上させるために有効な元素である。その効果を発揮するため０．０５％以上が必要であるが、Ｍｏはコストを上昇させる元素であるため、Ｍｏは０．０５〜１．００％とする。

【0022】

Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｂは、微量の添加で焼入性を向上させ、さらに、粒界を強化し靭性向上に有効な元素である。したがって、０．０００５％以上が必要であるが、０．００５０％を超えるとその効果は飽和するため、Ｂは０．０００５〜０．００５０％とする。

【0023】

Ｔｉ：０．０１０〜０．２００％
Ｔｉは、Ｎと結合してＴｉＮを生成するため、Ｎを固定して、焼入性向上に寄与する有効Ｂを確保する。さらに、ＴｉはＣと結合しＴｉＣを生成するため、ピンニング効果による結晶粒粗大化の抑制および耐磨耗性の向上に有効である。したがって、０．０１０％以上を添加する。一方、０．２００％を越えると靭性および加工性が低下する。そこで、Ｔｉは０．０１０〜０．２００％とする。

【0024】

Ｎｂ：０．０１０〜０．１００％
Ｎｂは、Ｎｂ炭窒化物を生成するので、Ｎｂ炭窒化物のピンニング効果による結晶粒粗大化の抑制に有効である。このためには、Ｎｂを０．０１０％以上添加する必要がある。一方、Ｎｂは０．１００％を超えると粗大なＮｂ析出物が生じて靭性が低下する。そこで、Ｎｂは０．０１０〜０．１００％とする。

【0025】

Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量から算出される４Ｓｉ＋３Ｃｒ−Ｍｎの値：≧６．００％
本発明における鋼は、上記組成のＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量から算出される４Ｓｉ＋３Ｃｒ−Ｍｎの値が６．００％以上を満足する鋼である。上述の通り、Ｓｉ、Ｃｒは焼戻し軟化抵抗を向上させる元素であるため、使用時の摩擦熱による軟化を抑制し磨耗量の低減に有効である。さらに、高Ｓｉ、高Ｃｒの成分設計にすると粒界強化の作用がある。一方、Ｍｎは鋼を脆化させる元素であるため、添加量は最小限とする必要がある。そこで、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量から算出される４Ｓｉ＋３Ｃｒ−Ｍｎの値を６．００％以上とする。

【発明の効果】

【0026】

上記した本発明の手段とすることで、硬度を高く保つため焼入れ後、低温焼戻しを施した条件下において、高硬度と高靭性を両立した鋼材を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】２ｍｍ−Ｕノッチシャルピー試験片を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は端面図である。

【図2】ローラーピッチング試験片を示す。

【図3】硬さと衝撃値の関係を示す。

【図4】硬さと磨耗量の関係を示す。

【発明を実施するための形態】

【0028】

表１に示す化学組成の鋼を１００ｋｇ真空溶解炉で溶製し、得られた鋼を１２００℃で熱間鍛造し、４０ｍｍ×４０ｍｍの角鋼および径３２ｍｍの丸棒鋼に製造し、これらの角鋼および丸棒鋼を８７０℃に６０分間保持し空冷して焼ならし処理を行った。なお、表１における網掛け部は本発明の請求項から外れることを示している。

【0029】

【表1】

【0030】

その後、上記の４０ｍｍ×４０ｍｍの角鋼を、図１に示す２ｍｍ−Ｕノッチシャルピー衝撃試験片の粗形に加工し、１回焼入れを行う場合は８５０℃で２０分保持し油焼入れを施した後１８０℃で９０分保持し空冷する焼戻し処理を行い、また、２回焼入れを行う場合は８５０℃で２０分保持し油焼入れを施した後５５０℃で９０分保持し水冷する焼戻しを行った。これらの１回焼入れ〜２回焼入れに続いて、さらに８５０℃で２０分保持して油焼入れを施した後、１８０℃で９０分保持し空冷する焼戻し行って、繰り返し焼入れ焼戻し処理を行った。その後、さらに、この粗形を仕上げ加工して、図１に示す２ｍｍ−Ｕノッチシャルピー衝撃試験片とした。この２ｍｍ−Ｕノッチシャルピー衝撃試験片を用いてシャルピー衝撃試験を行った。さらに、上記の試験片を用いて、硬さ測定ならびに光学顕微鏡観察を行うことにより旧オーステナイト粒径を求めた。

【0031】

上記した１回焼入れおよび２回焼入れについては、旧オーステナイト粒径を８．０μｍ以下に制御するために使い分けた。

【0032】

また、上記の径３２ｍｍの丸棒鋼を、図２に示すローラーピッチング試験の粗形に加工し、１回焼入れを行う場合は、８５０℃で２０分保持し油焼入れを施した後、１８０℃で９０分保持し空冷する焼戻し処理を行った。また、２回焼入れを行う場合は、８５０℃で２０分保持し油焼入れを施した後、５５０℃で９０分保持し水冷する焼戻し処理を行った。さらに、８５０℃で２０分保持し油焼入れを施した後、１８０℃で９０分保持し空冷する焼戻しを行なって、繰り返し焼入れ焼戻し処理を行った。その後、さらに、この粗形を仕上げ加工して、図２に示すローラーピッチング試験片とした。このローラーピッチング試験片を用い、面圧３．３ＧＰａ、すべり率−４０％の条件でローラーピッチング試験を行い、５×１０⁶サイクルに到達後、ローラーピッチング試験を中止し、試験片のすべり接触部の磨耗量を測定した。

【0033】

以上のシャルピー衝撃試験、硬さ測定、光学顕微鏡観察、ローラーピッチング試験の結果として、粒径、硬さ、衝撃値、磨耗量について表２に記載する。

【0034】

【表2】

【0035】

表２において、比較鋼のＮｏ．１６〜Ｎｏ．２７の網掛けをしている部分は、粒径が８．０μｍより大きいもの、衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ²に満たないもの、および磨耗量が１５μｍより多いものである。一方、発明鋼のＮｏ．１〜Ｎｏ．１５は、衝撃値が５０Ｊ／ｃｍ²以上のもの、および磨耗量が１５μｍ以下のものであるため、優れた靭性と耐磨耗性を有している。

【0036】

また、硬さと衝撃値および硬さと磨耗量の関係を図３および図４に記載している。発明鋼のＮｏ．１〜Ｎｏ．１５は、比較鋼のＮｏ．１６〜Ｎｏ．２７よりも同一硬さにおける衝撃値および磨耗量が優れていることがわかる。

【0037】

なお、発明鋼のＮｏ．２と比較鋼のＮｏ．２５、発明鋼のＮｏ．１１と比較鋼のＮｏ．２６、発明鋼のＮｏ．１４と比較鋼のＮｏ．２７は同じ成分である。発明鋼のＮｏ．２、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１４は２回焼入れを施したことにより旧オーステナイト粒径が８．０μｍ以下となり優れた靭性を示したが、比較鋼のＮｏ．２５、Ｎｏ．２６、Ｎｏ．２７は１回焼入れのため旧オーステナイト粒径が８．０μｍより大きくなり発明鋼のＮｏ．２、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１４と比較して靭性が低下した。

【符号の説明】

【0038】

１ ２ｍｍ−Ｕノッチシャルピー試験片
１ａ ノッチ部
２ ローラーピッチング試験片

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】