JP2006257482A - 浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材，その製造方法，及びその鍛造部材及び／又は製造方法を用いたベルト式無段変速機用プーリ - Google Patents

Abstract

【課題】 製造性の向上可能な結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材を提供すること。
【解決手段】 浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材では、重量％で、Ａｌ：0．010〜0．060％，Ｎｂ：0．030〜0．070％，Ｎ：0．010〜0．030％，を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼を鋳造後、加熱温度を900〜1100℃、仕上げ温度を800〜950℃で製品圧延した鋼材を用いて、部品鍛造を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材及びその製造方法に関する。上記鍛造部材としては、部品鍛造後、切削加工や冷間加工等を施した後に、浸炭処理を施す部品、例えば、ベルト式無段変速機用プーリ、トロイダル型無段変速機用転動体、自動車、建設機器、建設車両等に使用される歯車、シャフト等が該当する。

従来、浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材に関し、Ａｌ，Ｎｂ，Ｎの成分を規定する技術や、熱間加工後のＡｌＮ，Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）析出量を規定する技術としては、特許文献１〜４に記載の技術が開示されている。また、圧延後の鋼材の硬さ（尚、部品鍛造部材の硬さは規定していない）を規定する技術として特許文献１に記載の技術が開示されている。

また、鍛造については、熱間鍛造（1200℃以上）を主体とし、熱間鍛造後のＡｌＮ，Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）析出量を規定する技術としては、特許文献３，４に記載の技術が開示されている。

また、浸炭方法については、真空浸炭に対応する技術として、特許文献２に記載の技術が開示されている。
特開２００４−２０４２６３号公報 特開２００４−３００５２０号公報 特開２００４−３００５１９号公報 特開２００３−２７１３５号公報

しかしながら、上記各特許文献に記載の技術では、下記に示す課題があった。
（結晶粒粗大化による課題）
結晶粒粗大化により、異常成長粒が存在すると、強度特性の悪化や熱処理歪の増加を招く。また、浸炭温度を上げると結晶粒の粗大化が生じやすくなるため、低温で浸炭しなければならず、処理時間が伸び、生産効率が悪化する。
（熱間鍛造の課題）
熱間鍛造では、歩留まりが悪く、1200℃の高温での鍛造のため型寿命が短いことから工具費用が高く、寸法精度が悪く、熱間鍛造後に軟化処理が必要である。
（温間鍛造の課題）
温間鍛造では、鍛造後の組織が微細なため結晶粒の粗大化を招きやすい。

本発明は、上記課題に着目してなされたもので、製造性の向上可能な結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材では、重量％で、
Ａｌ：0．010〜0．060％，
Ｎｂ：0．030〜0．070％，
Ｎ：0．010〜0．030％，
を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼を鋳造後、加熱温度を900〜1100℃、仕上げ温度を800〜950℃で製品圧延した鋼材を用いて、部品鍛造を行うことを特徴とする。

すなわち、Ａｌ，Ｎｂ，Ｎの量を規定すると共に、仕上げ温度を規定することで、結晶粒粗大化防止に寄与するＡｌＮ，Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）析出物を確保できる。また、加熱温度を規定することで、結晶粒粗大化防止に関与するＮｂについての、ピンニングに関与しないＮｂ晶出物を溶かし込むことが可能となり、効率的に添加Ｎｂをピンニングに使用することができる。よって、結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材を提供することができる。

以下、本発明に係る結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材及びその製造方法について詳細に説明する。

〔Ａｌ：0．010〜0．060重量％〕
Ａｌは、鋼中のＮと反応してＡｌＮを形成し、浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する作用がある。0．010％未満では添加効果に乏しく、一方、Ａｌ含有量が0．060％を越えると、結晶粒粗大化防止効果が飽和してしまう。そこで、上記範囲に規定した。

〔Ｎ：0．010〜0．030重量％〕
Ｎは、鋼中のＡｌと反応してＡｌＮを析出させるために必要な元素であり、靭性を向上させる作用を有する。0．010％未満では添加効果に乏しく、一方、Ｎ含有量が0．030％を越えると、結晶粒粗大化防止効果が飽和してしまう。また過剰のＮ添加はブローホール発生の原因となり、強度を低下させる。そこで、上記範囲に規定した。

〔Ｎｂ：0．030〜0．070重量％〕
Ｎｂは本発明において重要な役割を示す合金元素である。鋼中の炭素Ｃ及び窒素Ｎと結合してＮｂ炭化物、Ｎｂ炭窒化物を生成させるために必要とさせれる元素であり、浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する作用がある。0．030％未満では結晶粒粗大化防止の効果が乏しい。Ｎｂ添加量を増加するに伴い、結晶粒が粗大化し始める温度も高温になるが、0．070％を越えて添加してもその効果が飽和すると共に、析出硬化により硬さが増加し被削性を悪化させるため上限値を0．070％に規定した。

尚、0．55％を越えて添加すると、1000℃以上での高温下でガス浸炭処理をした場合に、浸炭が阻害され、表面炭素濃度や浸炭深さが低下しやすくなるため、上限値を0．055％以下とすることが好ましい。

〔Ｃ：0．15〜0．30重量％〕
Ｃは、浸炭焼き入れ後の硬さを向上させて、浸炭部品の強度を向上させる作用を有し、その含有量は0．15〜0．30％が好ましい。Ｃ含有量が0．15％未満では添加効果に乏しく、0．30％を越えると靭性の低下、衝撃強度の低下をもたらすからである。

〔Ｓｉ：0．10〜0．35重量％〕
Ｓｉは、鋼に必要な強度、焼き入れ性を与え、焼き戻し軟化抵抗を向上するのに有効な元素であるが、0．10％未満では添加効果に乏しい。一方、過剰な含有は、浸炭後の粒界酸化を助長し強度の低下をもたらすため、その上限を0．35％と規定した。ただし、真空浸炭やプラズマ浸炭等の粒界酸化の抑制が可能な熱処理においては、0．3％以下に抑制しなくても良い。

〔Ｍｎ：0．50〜1．50重量％〕
Ｍｎは、鋼の焼き入れ性を向上させるのに有効な元素である。下限を0．50％としたのは、ホット焼き入れにおいても十分な硬化層深さを得ることに加え、靭性向上のために浸炭後に適度なオーステナイトを残留させるためである。

〔Ｃｒ：0．80〜2．00重量％〕
Ｃｒは、鋼に必要な焼き入れ性を与え、焼き戻し軟化抵抗を向上するのに有効な元素であるが0．80％未満では添加効果に乏しい。一方、過剰な含有は、浸炭後の粒界酸化を助長し、かつ、浸炭表面に炭化物が生成しやすくなり強度の低下をもたらすため、その上限を2．00％と規定した。

〔鋼材の製品圧延時の加熱温度〕
鋼材の製品圧延時の加熱温度を900℃以上1100℃以下とすることが好ましい。これは、結晶粒粗大化防止に有効な微細なＡｌＮ及びＮｂ（Ｃ，Ｎ）析出物をマトリックスに固溶させないためである。一方、仕上げ温度を800℃以上950℃以下とするのは、微細なＡｌＮ及びＮｂ（Ｃ，Ｎ）を多く析出させると共に、ベーナイトが生成することで硬さが上昇し被削性が悪化することを防止するためである。加えて、鋼材の製品圧延時の加熱温度を900℃以下、仕上げ温度を800℃以下とすると、鋼材の製品圧延時の圧延機の負荷が増加し、圧延ロールの劣化等、生産性が低下するので好ましくない。よって、加熱温度、仕上げ温度を上記のように規定した。

〔部品鍛造時の加熱温度〕
部品鍛造時の加熱温度を1100℃以下、仕上げ温度を850℃以下とすることが好ましい。鋼材に微細分散析出させた粗大化防止に有効な微細ＡｌＮ及びＮｂ（Ｃ，Ｎ）析出物を維持することができ、その結果、粗大化防止特性が向上するので好ましい。また、鍛造時の温度が低いため型材料への熱負荷が軽減され、型寿命向上が図れると共に、鍛造後の硬さも低くなるため、加工性の良好になり、生産性が向上する。
部品鍛造時の加熱温度を900℃以下、仕上げ温度を700℃以下とすると、素材の成型性が悪化すると共に、鍛造時の鍛造設備の荷重負荷が増加、鍛造型の劣化等、生産性が低下するので好ましくない。よって、部品鍛造時の加熱温度を上記のように規定した。

〔部品鍛造後の冷却速度〕
部品鍛造後の冷却速度を10〜100℃/minに規定した。10℃/min以下では処理時間が長くなるため生産性が低下する。一方、100℃/min以上では、鍛造後組織においてパーライト面積率が増加したりベーナイトが生成するため、浸炭加熱時のオーステナイト結晶粒の混粒度上昇を招き、粗大化防止特性を低下させることになる。また、鍛造後硬さが上昇し被削性悪化を招くため好ましくない。よって、冷却速度を上記のように規定した。

〔部品鍛造後の粗材のブリネル硬さ〕
部品鍛造後の粗材のブリネル硬さを200HB以下に規定した。鍛造後の硬さはＡｌＮ，Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）等の析出物状態や鍛造組織の状態を反映している。鍛造硬さが200HBを上回る場合、ＡｌＮ，Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）析出物状態や鍛造組織の状態が好ましくないからである。

・析出物状態について
すなわち、鍛造硬さが硬いとは、ＡｌＮ，Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）析出物が整合析出していると考えられ、この整合析出した析出物は結晶粒粗大化防止にあまり寄与せず、粗大化防止特性を低下させるからである。逆に、ＡｌＮ，Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）析出物が非整合析出していると硬くならない。すなわち、非整合析出したＡｌＮ，Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）析出物は結晶粒粗大化防止に大きく貢献し、粗大化防止特性を向上させる。

・鍛造組織の状態について
すなわち、鍛造硬さが硬いとは、ベーナイト組織が形成していると考えられ、ベーナイト組織形成部は浸炭後、結晶粒が粗大化しやすく、粗大化防止特性を低下させるからである。

更に、低温圧延した鋼材を用い、かつ温間鍛造を施し、ブリネル硬さ200HB未満であると、ＡｌＮ，Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）析出物がより安定して微細分散析出するため好ましい。尚、鋼材の硬さを規定した従来技術も見受けられるが、鋼材の硬さが低い、すなわちＡｌＮ，Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）析出物状態や鍛造組織の状態が良好（微細分散、フェライト、パーライト組織）であっても、その後の部品鍛造時の熱履歴によりその状態は変化してしまうため、意味がなく、部品鍛造後の硬さを規定して初めて本願発明の効果が得られるものであることは言うまでもない。

以下に、本発明の鍛造部材に関し、いくつかの実施例を挙げて、その有用性を比較例と対比して説明する。

〔テストピースによる結晶粒度特性評価、鍛造硬さ評価〕
図１にテストピースとして用いた鋼材の製造行程を示す。鋼材は、図１中の取鍋精錬及び真空脱ガス行程にて成分調整を行った後、製品圧延時の加熱温度及び圧延仕上げ温度を振ったものを数種類（実施例１〜実施例１２、及び比較例１〜比較例４）作成した。表１に、鋼材の成分及び製品圧延条件を示す。

次に、図２に示すように、上述の工程で作成した鋼材よりφ8mm×12mmの円柱状テストピースTPを切り出し、図３〜図４及び表１に示す鍛造条件A,B,Cで、圧化率60％の圧縮加工（鍛造）及び熱処理を行った。図３は鍛造条件Aを表し、図４は鍛造条件Bを表し、図５は鍛造条件Cを表し、表１に鍛造後の硬さを示す。

次に、鍛造したテストピースを半分に切断し、所定の温度で浸炭処理を行った。次に、浸炭後のテストピースを切断研磨し、腐食した後に、光学顕微鏡で旧オーステナイト粒を観察、異常成長粒の有無の判定を行った（JISG0551）。尚、ここでは、観察した面内の最大結晶粒が結晶粒度番号5未満の場合を異常成長粒有りと判定した。

〔テストピースによる浸炭性評価〕
前述の工程を経て作成した鍛造のテストピースを用いて、1050℃でガス浸炭処理を実施した。浸炭後、炭素濃度分布の測定を行い、表面炭素濃度や、浸炭深さの低下が認められた場合を浸炭阻害有りと判断した。

表1に示すように、本発明の鍛造部材（実施例１〜１２）は、比較例１〜４に対し、結晶粒粗大化防止特性に優れていることが証明された。更に、部品鍛造条件、鍛造硬さを規定することにより、更に結晶粒粗大化防止特性が優れ、より高い温度まで異常成長粒を抑制できることが確認された。また、Ｎｂ<0．055％に規定することで、ガス浸炭性も向上することが分かった。

〔ベルトＣＶＴプーリによる結晶粒度特性評価〕
次に、図６に示す工程で、図７に示すベルト式無段変速機用プーリCVTPを、鍛造条件Aにより作成し（実施例１３，比較例５，６）、粒度特性評価を行った。尚、鍛造条件Aの各フェーズにおける時間は、材料のサイズ等に合わせて適宜異なる時間を設定した。評価結果を表２に示す。本発明の鍛造部材であるベルト式無段変速機用プーリCVTP（実施例１３）は、比較例５，６に対し、結晶粒粗大化防止特性に優れていることが証明された。

実施例１における鋼材製造工程を表す概略図である。 実施例１におけるテストピースの製造工程を表す概略図である。 各実施例１及び比較例における鍛造条件Aを表すタイムチャートである。 各実施例１及び比較例における鍛造条件Bを表すタイムチャートである。 各実施例１及び比較例における鍛造条件Cを表すタイムチャートである。 実施例１３及び比較例５，６におけるベルト式無段変速機用プーリの製造工程を表す概略図である。 実施例１３及び比較例５，６におけるベルト式無段変速機用プーリの断面図である。

符号の説明

TP テストピース
CVTP ベルト式無段変速機用プーリ

Claims (8)

1. 重量％で、
   Ａｌ：0．010〜0．060％，
   Ｎｂ：0．030〜0．070％，
   Ｎ：0．010〜0．030％，
   を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼を鋳造後、加熱温度を900〜1100℃、仕上げ温度を800〜950℃で製品圧延した鋼材を用いて、部品鍛造を行うことを特徴とする浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材。
2. 請求項１に記載の浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材において、
   前記鋼材を用い、鍛造加熱温度を900〜1100℃、打ち上げ温度を700〜850℃，その後550℃までの冷却速度を10〜100℃/minで部品鍛造、粗材熱処理を行うことを特徴とする浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材。
3. 請求項１または２に記載の浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材において、
   重量％で、
   Ｃ：0．15〜0．30％，
   Ｓｉ：0．10〜0．35％，
   Ｍｎ：0．50〜1．50％，
   Ｃｒ：0．80〜2．00％，
   を含有する鋼を用いて部品鍛造を行うことを特徴とする浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材。
4. 請求項１ないし３いずれかに記載の浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材において、
   重量％で、
   Ｎｂ：0．030〜0．055％とした鋼を用いて、部品鍛造後、1000℃以上の高温でガス浸炭処理を施すことを特徴とする浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材。
5. 重量％で、
   Ａｌ：0．010〜0．060％，
   Ｎｂ：0．030〜0．070％，
   Ｎ：0．010〜0．030％，
   Ｃ：0．15〜0．30％，
   Ｓｉ：0．10〜0．35％，
   Ｍｎ：0．50〜1．50％，
   Ｃｒ：0．80〜2．00％，
   を含有した鋼を用いて、
   部品鍛造後の粗材の硬さがブリネル硬さ200HB以下であることを特徴とする浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材。
6. 請求項１ないし５いずれかに記載の浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材において、
   部品鍛造後の粗材の硬さがブリネル硬さ200HB以下であることを特徴とする浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材。
7. 請求項１ないし６いずれかに記載の浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材の製造方法。
8. 請求項１ないし７いずれかに記載の浸炭時の結晶粒粗大化防止特性に優れた鍛造部材及び/又は製造方法を用いたベルト式無段変速機用プーリ。

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