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公開番号2024031698
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-03-07
出願番号2022135423
出願日2022-08-26
発明の名称鋼材
出願人日本製鉄株式会社
代理人アセンド弁理士法人
主分類C22C 38/00 20060101AFI20240229BHJP(冶金;鉄または非鉄合金;合金の処理または非鉄金属の処理)
要約【課題】被削性に優れ、高周波焼入れ時の溶融割れを抑制でき、機械構造用部品とした場合に優れた疲労強度を有する鋼材を提供する。
【解決手段】鋼材は、質量%で、C:0.30超～0.60%、Si:0.01～0.55%、Mn:0.50～1.65%、P:0.050%以下、S:0.010～0.200%、Bi:0.0001～0.0050%、Ca:0.0001～0.0050%、Al:0.001～0.005%、N:0.0030～0.0250%、及び、O:0.0030%以下、を含有し、明細書中の式(1)を満たす。鋼材中の微細硫化物の個数密度は20個/mm²以上であり、粗大Bi粒子の個数密度は2.00個/mm²以下であり、特定酸化物の個数密度が0.1個/mm²以上である。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
鋼材であって、
質量％で、
Ｃ：０．３０超～０．６０％、
Ｓｉ：０．０１～０．５５％、
Ｍｎ：０．５０～１．６５％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０１０～０．２００％、
Ｂｉ：０．０００１～０．００５０％、
Ｃａ：０．０００１～０．００５０％、
Ａｌ：０．００１～０．００５％、
Ｎ：０．００３０～０．０２５０％、及び、
Ｏ：０．００３０％以下、を含有し、
残部はＦｅ及び不純物からなり、
各元素含有量が上記範囲内であることを前提として、式（１）を満たし、
前記鋼材中において、
円相当径が０．２～１．０μｍ未満の微細硫化物の個数密度は２０個／ｍｍ
２
以上であり、
円相当径が５μｍ以上の粗大Ｂｉ粒子の個数密度は２．００個／ｍｍ
２
以下であり、
円相当径が１μｍ以上であって、ＢｉとＣａとを含有する酸化物系介在物を特定酸化物と定義するとき、前記特定酸化物の個数密度が０．１個／ｍｍ
２
以上である、
鋼材。
Ｃａ／Ａｌ≧０．１８（１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の含有量が質量％で代入される。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
鋼材であって、
質量％で、
Ｃ：０．３０超～０．６０％、
Ｓｉ：０．０１～０．５５％、
Ｍｎ：０．５０～１．６５％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０１０～０．２００％、
Ｂｉ：０．０００１～０．００５０％、
Ｃａ：０．０００１～０．００５０％、
Ａｌ：０．００１～０．００５％、
Ｎ：０．００３０～０．０２５０％、及び、
Ｏ：０．００３０％以下、を含有し、
さらに、第１群～第４群からなる群から選択される１種以上を含有し、
残部はＦｅ及び不純物からなり、
各元素含有量が上記範囲内であることを前提として、式（１）を満たし、
前記鋼材中において、
円相当径が０．２～１．０μｍ未満の微細硫化物の個数密度は２０個／ｍｍ
２
以上であり、
円相当径が５μｍ以上の粗大Ｂｉ粒子の個数密度は２．００個／ｍｍ
２
以下であり、
円相当径が１μｍ以上であって、ＢｉとＣａとを含有する酸化物系介在物を特定酸化物と定義するとき、前記特定酸化物の個数密度が０．１個／ｍｍ
２
以上である、
鋼材。
［第１群］
Ｖ：０．４００％以下、
Ｔｉ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０．０５０％以下、
Ｗ：０．４００％以下、及び、
Ｚｒ：０．０１００％以下、からなる群から選択される１種以上
［第２群］
Ｍｇ：０．０１００％以下
Ｔｅ：０．０１００％以下
Ｂ：０．００５０％以下
Ｓｎ：０．０１００％以下、及び、
希土類元素：０．０１００％以下、からなる群から選択される１種以上
［第３群］
Ｃｏ：０．０１００％以下、
Ｓｅ：０．０１００％以下、及び、
Ｓｂ：０．０１００％以下、からなる群から選択される１種以上
［第４群］
Ｃｒ：０．３０％以下、
Ｍｏ：０．３０％以下、
Ｃｕ：０．５０％以下、及び、
Ｎｉ：０．５０％以下、からなる群から選択される１種以上
Ｃａ／Ａｌ≧０．１８（１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の含有量が質量％で代入される。
【請求項３】
請求項２に記載の鋼材であって、
前記第１群を含有する、
鋼材。
【請求項４】
請求項２に記載の鋼材であって、
前記第２群を含有する、
鋼材。
【請求項５】
請求項２に記載の鋼材であって、
前記第３群を含有する、
鋼材。
【請求項６】
請求項２に記載の鋼材であって、
前記第４群を含有する、
鋼材。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材に関し、さらに詳しくは、機械構造用部品の素材となる鋼材に関する。
続きを表示（約 2,800 文字）【背景技術】
【０００２】
自動車及び建設車両のクランクシャフト等に利用される機械構造用部品には、高い疲労強度が求められる。そこで、疲労強度の向上のために、機械構造用部品に対して表面硬化処理が施される場合がある。
【０００３】
種々の表面硬化処理のうち、高周波焼入れは、必要な部位のみ硬化させることができる。さらに、高周波焼入れは高温で加熱した後に冷却するため、軟窒化処理等の他の表面硬化処理と比較して、深い硬化層深さ及び高い疲労強度を得ることができる。そのため、機械構造用部品には、高周波焼入れが施される場合が多い。例えば、機械構造用部品の１種であるクランクシャフトの疲労強度を向上させるために、図１に示すフィレットＲ部１を高周波焼入れする技術が実用化されている。
【０００４】
近年、機械構造用部品のさらなる疲労強度の向上が求められている。高周波焼入れを利用して硬化層深さを大きくするためには、高周波焼入れにおいて、高周波電力の出力を増加して加熱温度を高めればよい。しかしながら、高温で高周波焼入れ処理を実施する場合、機械構造用部品のエッジ部（エッジ部はたとえば、機械構造用部品が図１に示すクランクシャフトの場合、符号２で示される部分に相当）で、加熱温度が過剰に高くなりやすい。特に、高周波焼入れ時の昇温速度が速い場合、加熱温度が過剰に高くなりやすい。たとえば、高周波焼入れにおける加熱温度が過剰に高くなり、１３５０℃以上となった場合、鋼材の表層又は内部の一部が溶融して割れが発生する場合がある。以下、このような割れを、本明細書では、「溶融割れ」という。機械構造用部品において、溶融割れの発生は抑制される方が好ましい。つまり、高周波焼入れを実施する場合には、溶融割れの抑制が求められる。
【０００５】
機械構造用部品の素材となる鋼材を用いて機械構造用部品を製造する場合、機械構造用部品はたとえば、次の方法で製造される。初めに、熱間鍛造を実施して、機械構造用部品に近い形状の機械構造用部品の中間品を製造する。その後、中間品に対して切削加工を実施する。切削加工後の中間品に対して、高周波焼入れを実施する。高周波焼入れ後の中間品に対して、さらに仕上げ加工（切削加工又は研削加工）を実施して、機械構造用部品を製造する。つまり、機械構造用部品の素材となる鋼材を用いて機械構造用部品を製造する場合、高周波焼入れ前、及び、高周波焼入れ後の二度にわたり切削加工又は研削加工が実施される場合がある。そのため、機械構造用部品の素材となる鋼材には、高周波焼入れ前の中間品においても、高周波焼入れ後の中間品においても、優れた被削性が求められる。
【０００６】
機械構造用部品の素材となる鋼材は、たとえば、特開２０１７－０８２２９９号公報（特許文献１）、特開２００３－２２６９３４号公報（特許文献２）、及び、特開２００４－９１８８６号公報（特許文献３）に開示されている。
【０００７】
特許文献１に開示された製品部材は、Ｃ：０．４～０．７％、Ｓｉ：０．２５％以下、Ｍｎ：０．５～２．６％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００５～０．０２０％、Ｎｂ：０．０１～０．０６％、Ａｌ：０．０１０～０．０５０％、Ｎ：０．００５～０．０２５％及びＯ：０．００３％以下を含有し、かつ、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、式（１）を満たす化学組成を有する。ここで、式（１）は、１７．０≦２５．９Ｃ＋６．３５Ｍｎ≦２７．２である。この製品部材の製造工程中において、高周波焼入れ及び焼戻しの条件を適切に制御する。これにより、高周波焼入れ及び焼戻し後の焼入れ材では、最終形態である製品部材の表面に相当する位置から２０μｍの深さ位置に相当する基準位置での組織が、マルテンサイトと体積率で８～２０％の残留オーステナイトとを含む。さらに、焼入れ材に対する切削加工条件を適切に制御する。これにより、この製品部材では、基準位置での組織において、残留オーステナイトの体積率が１２％以下であり、切削前の残留オーステナイト体積率（ＲＩ）と切削後の残留オーステナイトの体積率（ＲＦ）から式（Ａ）によって求められる残留オーステナイト減少率Δγが４０％以上となり、表面の算術平均粗さＲａが０．８μｍ以下である。ここで、式（Ａ）は、Δγ＝（ＲＩ－ＲＦ）／ＲＩ×１００である。この文献では、製品部材の化学組成と、高周波焼入れ後の組織及び硬さと、切削加工後の組織及び算術平均粗さと、を制御する。これにより、製品部材の疲労強度及び被削性を向上させる。
【０００８】
特許文献２に開示された機械構造用鋼は、Ｃ：０．０５～０．８％、Ｓｉ：０．０１～２．５％、Ｍｎ：０．１～３．５％、Ｓ：０．０１～０．２％、Ａｌ：０．００１～０．０２０％、Ｃａ：０．０００５～０．０２％、Ｏ：０．０００５～０．０１％及びＮ：０．００１～０．０４％を含有し、さらに、Ｔｉ：０．００２～０．０２０％及びＺｒ：０．００２～０．０４０％の１種又は２種を含有し、残部が不可避の不純物およびＦｅからなる化学組成を有する。特許文献３に開示された機械構造用鋼は、Ｓｉ、Ｔｉ及びＺｒ含有量の上限以外、特許文献２の機械構造用鋼の化学組成と同じである。特許文献３の機械構造用鋼では、Ｓｉ含有量の上限が２．０％であり、Ｔｉ含有量の上限が０．０１０％であり、Ｚｒ含有量の上限が０．０２５％である。特許文献２の機械構造用鋼は、ＣａＯ含有量が０．２～６２重量％の酸化物系介在物と接して存在する、１．０重量％以上のＣａを含有する硫化物系介在物の占有面積が、視野面積３．５ｍｍ
２
当たり２．０×１０
－４
ｍｍ
２
以上である。特許文献３の機械構造用鋼では、特許文献２の機械構造用鋼の酸化物系介在物について、融点が１５００～１７５０℃である点をさらに限定している。特許文献３の機械構造用鋼では、特許文献２の機械構造用鋼の硫化物系介在物のＣａ含有量について、１～４５重量％である点をさらに限定している。特許文献２及び特許文献３では、ＭｎＳ介在物が微細に分散することにより、被削性を向上させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
特開２０１７－０８２２９９号公報
特開２００３－２２６９３４号公報
特開２００４－９１８８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述の特許文献１～３では、少なくとも、被削性及び疲労強度については検討されているものの、高周波焼入れ時の溶融割れの抑制については検討されていない。
（【００１１】以降は省略されています）

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