JP4302480B2 - 冷間加工性に優れた高硬度鋼 - Google Patents

Description

本発明は、冷間加工により製造される部品に適した高硬度鋼に関するものである。

従来、自動車、精密機械、ＯＡ機器などの高硬度が必要な部品には、構造用鋼に表面処理を施して使用する場合が多い。しかし、耐候性、耐摩耗性が必要な場合には、ＪＩＳ−ＳＫＤ１１、ＳＵＪ２などの高硬度鋼を使用し、冷間鍛造などの冷間加工により製造させる場合が多い。このように、ＳＵＪ２の耐摩耗性、耐候性が不十分な場合には、ＳＫＤ１１が用いられるが、ＳＫＤ１１は冷間加工性が悪く、また、焼入焼戻し時の硬さも６０ＨＲＣ程度しか得られないことから、冷間加工性に優れ、焼入焼戻し時に高硬度が得られる材料が望まれている。

この冷間加工性が良く、比較的耐食性に優れ、焼入焼戻しにより５８ＨＲＣ以上の硬さが得られる高硬度耐候性鋼として、例えば特開平４−３６２１５３号公報（特許文献１）に開示されているように、合金成分として、Ｃ：０．４５〜０．６５％、Ｓｉ：０．２５％以下、Ｍｎ：０．２５％以下、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃｒ：４．０〜１１．０％、Ｍｏ：０．２〜１．０％、Ａｌ：０．０３％以下およびＣａ：０．００１〜０．０２０％を含有し、不純物を、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｏ：０．００５％以下に規制し、残部が実質的にＦｅからなる鋼が提案されている。

また、金型寿命に優れた冷間工具鋼として、特開平１１−１９３４４７号公報（特許文献２）に開示されている。これは合金成分として、重量％で、Ｃ：０．６５〜１．３％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：５．０〜１１．０％、ＭｏまたはＷのいずれか１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．７〜５．０％、ＶまたはＮｂのいずれか１種または２種をＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．１〜２．５％残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、Ｍ₇ Ｃ₃ 型炭化物の粒径を５〜１５μｍ、面積率１〜９％とすることにより耐疲労強度の優れた型寿命を有することを特徴とする冷間工具鋼にある。

特開平４−３６２１５３号公報 特開平１１−１９３４４７号公報

しかしながら、上述した特許文献１は、低温焼戻しでしか高硬度が得られないため、使用中温度が上昇する部品には適用できない。また、硬質炭化物が少ない成分系であり、焼入焼戻硬さおよび耐摩耗性の点で不十分である。また、特許文献２は、金型に用いるものであり、本発明が課題とした被加工材として部品に用いられる場合は全く想定しておらず、冷間加工性の点で不十分である。

上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、耐候性と冷間加工性に優れ、かつ使用中温度が上昇する部品への適用を考慮し、低温および高温焼戻しの広範囲の熱処理により５８〜６３ＨＲＣの高硬度が得られる鋼を提供するものである。その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：０．６５〜１．１％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：５．０〜１１．０％、ＭｏまたはＷのいずれか１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５〜２．０％、ＶまたはＮｂのいずれか１種または２種をＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．１〜１．５％、Ｏ：３０ｐｐｍ以下、Ｎ：０．０５％以下、Ｓ：０．００５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる鋼を焼鈍した後の炭化物粒度を２０μｍ以下に微細化し、冷鍛性の向上を図ると共に、焼鈍硬さ９８ＨＲＢ以下としたことを特徴とする冷間加工性に優れた高硬度鋼にある。

本発明により、耐候性と冷間加工性に優れ、かつ使用中温度が上昇する部品への適用を考慮し、低温および高温焼戻しの広範囲の熱処理により５８〜６３ＨＲＣの高硬度が得られる鋼が得られる極めて優れた効果を奏するものである。

以下、本発明に係る成分組成の限定理由を説明する。
Ｃ：０．６５〜１．１％
Ｃは、焼入焼戻し時のマトリックス硬さ、炭化物形成のため必要な元素であり、合金元素と結合して硬質炭化物を形成し耐摩耗性を向上させる。しかし、０．６５％未満ではその効果が十分でなく、１．１％を超える添加は、Ｃｒと結合して粗大炭化物を形成し、冷鍛性を低下させると共に、焼鈍硬さを高め、冷鍛性を低下させる。従って、その範囲を０．６５〜１．１％とした。望ましくは０．７５〜０．９５％とする。

Ｓｉ：０．１〜１．５％
Ｓｉは、脱酸剤、耐酸化性、焼入性、二次硬化促進、および耐候性を付与させる元素である。しかし、０．１％未満ではその効果は十分でなく、１．５％を超えると焼鈍硬さを高め、冷鍛性を低下させる。従って、その範囲を０．１〜１．５％とした。望ましくは０．６〜１．２％とする。
Ｍｎ：０．１〜１．０％
Ｍｎは、脱酸剤、および焼入性を付与させる元素である。しかし、０．１％未満ではその効果は十分でなく、１．０％を超えると介在物を形成し、冷鍛性を低下させる。従って、その範囲を０．１〜１．０％とした。

Ｃｒ：５．０〜１１．０％
Ｃｒは、焼入性、耐軟化抵抗性、炭化物を形成し耐摩耗性向上および耐食性（耐候性）を向上させる元素である。しかし、５．０％未満ではその効果は十分でなく、１１．０％を超えるとＣと結合して粗大炭化物を形成し、冷鍛性を低下させる。従って、その範囲を５．０〜１１．０％とした。望ましくは７．０〜９．０％とする。

（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５〜２．０％
ＭｏおよびＷは、共に微細な炭化物を形成し、二次硬化に寄与する重要な元素である。ただし、その効果はＭｏの方がＷよりも２倍強く、同じ効果を得るのに、ＷはＭｏの２倍必要である。この両元素の効果は、Ｍｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で表すことができる。本発明成分系においては、Ｍｏ当量で０．５％以上必要である。逆に、Ｍｏ当量が２．０％を超えると焼鈍硬さを高め、冷鍛性を低下させることから、その上限を２．０％とした。

Ｖ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．１〜１．５％
Ｖ、Ｎｂは、共に二次硬化に有効であり、Ｃと硬い炭化物を形成して耐摩耗性の向上に大きく寄与すると共に結晶粒を微細化する。ただし、その効果はＶの方がＮｂよりも２倍強く、同じ効果を得るのに、ＮｂはＶの２倍必要である。この両元素の効果はＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）で表すことができる。本発明成分系においては、高温焼戻し硬度を得るためには、Ｖ当量で０．１％以上必要である。逆に、Ｍｏ当量が１．５％を超えると焼鈍硬さを高め、冷鍛性を低下させることから、その上限を１．５％とした。望ましくは０．３〜１．０とする。

Ｏ：３０ｐｐｍ以下
Ｏは、冷間鍛造性を低下させるので、その上限を３０ｐｐｍとする。なお、望ましくは１５ｐｐｍ以下である。
Ｎ：０．０５％以下
Ｎは、冷間鍛造性を低下させるので、その上限を０．０５％とする。なお、望ましくは０．０３％以下である。
Ｓ：０．００５％以下
Ｓは、冷間鍛造性を低下させるので、その上限を０．００５％とする。なお、望ましくは０．００３％以下である。

焼鈍硬さ９８ＨＲＢ以下
焼鈍硬さは、９８ＨＲＢを超えると冷鍛性を低下させる。従って、その上限を９８ＨＲＢとする。望ましくは９６ＨＲＢとする。
炭化物粒度を２０μｍ以下
焼鈍後の炭化物の粒度は、２０μｍを超えると冷鍛性を低下させる。従って、その上限を２０μｍとする。

以下に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
表１に示す成分組成の鋼１００ｋｇを真空誘導溶解炉にて出鋼した後、インゴットに鋳造し、１１００℃に加熱し、φ３０に鍛伸を行い供試材とした。この試験片を、７００〜９５０℃で保持後徐冷する焼鈍処理を１回以上行い、必要に応じて、冷間引抜き、７００〜９５０℃で保持後徐冷する焼鈍処理を１回以上行なった。その結果を表２に示す。

表２に示す冷間加工性試験は、焼鈍状態、φ１４×２１Ｌに加工後、冷間据込み試験を行う。また、焼入焼戻し硬さ測定は、焼入れ１０３０℃、空冷、焼戻し１００〜６００℃の各温度、空冷を２回行なった。また、耐摩耗性試験は、大越式摩耗試験機を用い、ＳＮＣＭ製リングを押しつけることにより摩耗量を評価した。その評価は、○：耐摩耗性良好、△：耐摩耗性やや劣る。×：耐摩耗性に劣る。××：耐摩耗性が極めて悪い、４段階とした。さらに、耐食性試験は、湿潤（４０℃、９８％ＲＨ、４時間）→乾燥（２時間）を５サイクル繰り返し、発錆状態を評価した。その評価は、○：耐食性良好、△：耐食性不良、×：耐食性悪い、３段階とした。

表２に示すように、供試材Ａ〜Ｅは本発明例であり、供試材Ｆ〜Ｌは比較例である。比較例である供試材ＦはＣ量が少なく、かつＭｏ／Ｗの値が低いために、低温および高温焼戻しの広範囲の熱処理により高硬度が得られず、また、耐摩耗性および耐食性に劣る。比較例である供試材ＧはＣ量が多いために、供試材Ｆと同様に、低温および高温焼戻しの広範囲の熱処理により高硬度が得られず、また、耐摩耗性および焼鈍硬さを高め、冷鍛性を低下させる。

比較例である供試材ＨはＣｒ量が多く、Ｃと結合して粗大炭化物を形成し、耐摩耗性および焼鈍硬さを高め、冷鍛性を低下させ、かつ、低温および高温焼戻しの広範囲の熱処理により高硬度が得られない。比較例である供試材ＩはＣ量およびＣｒ量が多いために、粗大炭化物を形成し、焼鈍硬さを高め、冷鍛性を低下させる。比較例である供試材ＪはＣ量が低く、Ｍｏ／Ｗ値が低い、かつＯ量が高いために、低温および高温焼戻しの広範囲の熱処理により高硬度が得られず、また、冷鍛性に劣る。比較例である供試材ＫはＮ量が多いために、冷鍛性に劣る。さらに、比較例である供試材ＬはＳ量が多いために、冷鍛性を低下させる。

Claims (1)

1. 質量％で、Ｃ：０．６５〜１．１％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：５．０〜１１．０％、ＭｏまたはＷのいずれか１種または２種をＭｏ当量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）：０．５〜２．０％、ＶまたはＮｂのいずれか１種または２種をＶ当量（Ｖ＋１／２Ｎｂ）：０．１〜１．５％、Ｏ：３０ｐｐｍ以下、Ｎ：０．０５％以下、Ｓ：０．００５％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる鋼を焼鈍した後の炭化物粒度を２０μｍ以下に微細化し、冷鍛性の向上を図ると共に、焼鈍硬さ９８ＨＲＢ以下としたことを特徴とする冷間加工性に優れた高硬度鋼。