JP2000309846A - 軟窒化用非調質鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軟窒化処理後に矯正を行うことができる優れ
た曲げ矯正性を有する非調質鋼を提供する。 【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％未満、
Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：１．５〜３．０％、
Ｃｒ：０．０１〜０．５％、Ｍｏ：０．１〜１．０％、
酸可溶Ａｌ：０．０１〜０．０４５％、Ｎ：０．００５
〜０．０２５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物
からなる。また、上記化学成分に加えて、さらに、Ｓ：
０．２０％以下、Ｃａ：０．０１％以下、Ｐｂ：０．３
０％以下、Ｂｉ：０．３０％以下のいずれか１種または
２種以上を含有することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軟窒化処理後の曲
げ矯正性に優れた軟窒化用非調質鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】塩浴窒化処理、ガス軟窒化処理、イオン
窒化処理などの軟窒化処理は、表面処理法の一つとし
て、鋼の耐摩耗性や疲れ特性を改善する目的で幅広く利
用されている。今日では、歯車やシャフト類、クランク
シャフト、コネクティングロッドなどの機械部品に適用
されている。

【０００３】従来、これらの機械部品には機械構造用炭
素鋼あるいは合金鋼が用いられており、熱間鍛造→焼入
焼戻し→機械加工→軟窒化処理→曲げ矯正→仕上げの工
程によって製造されている。一般に軟窒化処理は浸炭処
理に比べて熱処理後の歪発生量が小さいことが知られて
いるが、長尺材やわずかな曲がりでも問題となるクラン
クシャフトなどでは軟窒化処理後に曲げ矯正を行ってい
る。

【０００４】上記の工程において実施される焼入焼戻し
処理は、鋼の硬さ、強靭性を調整するために行われる
が、同時に熱間鍛造により粗大化した組織が微細・均質
化されるので、軟窒化処理において軟窒化が均等に行わ
れ、また、曲げ矯正性の改善にも役立っている。

【０００５】一方、コスト低減、省エネルギーなどの観
点から、焼入焼戻しの工程を省略できる非調質鋼の開発
が要請されるようになり、炭素鋼に微量のバナジウムを
添加したフェライト・パーライト組織を有する非調質鋼
が開発されて、広く機械部品に適用されている。このよ
うな非調質鋼についても、表面改質処理、疲れ強さの改
善を目的として、しばしば軟窒化処理が適用されてい
る。該非調質鋼に軟窒化処理を施すと、微量に添加され
ているバナジウムが微細な窒化物を形成し、部品表面で
の硬さが著しく増加し部品の高強度化に寄与する。

【０００６】しかし、バナジウムを含有する上記非調質
鋼では、該鋼に軟窒化処理を施した後、曲げ矯正を行う
と、曲げ矯正時に表面に亀裂を生じ部品が折損しやす
く、矯正が困難である上、矯正時には折損しなくても、
矯正時に生じた微細な亀裂が部品強度を損なう恐れがあ
る。

【０００７】また、フェライト・パーライト組織を有す
る従来の非調質鋼は焼入焼戻し材に比べて靭性が低く、
部品表面に発生した亀裂が内部に伝播しやすいため、焼
入れ焼戻し材に比べて部品の強度低下が大きいなどの問
題があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の事情
に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、軟
窒化処理後に矯正を行うことができる優れた曲げ矯正性
を有する非調質鋼を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に種々検討を重ねた結果、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、酸可
溶Ａｌ、Ｎ等の含有量を適正化して熱間加工温度からの
空冷によってベイナイト組織を有する鋼によれば、焼入
焼戻し等の調質を施すことなく、強靭性に優れた鋼を得
ることができるうえ、軟窒化処理を施した後に優れた曲
げ矯正性を有することを見出した。

【００１０】すなわち、本発明の軟窒化用非調質鋼は、
質量％で、Ｃ ：０．１〜０．３％未満、Ｓｉ：０．０
１〜１．０％、Ｍｎ：１．５〜３．０％、Ｃｒ：０．０
１〜０．５％、Ｍｏ：０．１〜１．０％、酸可溶Ａｌ：
０．０１〜０．０４５％、Ｎ ：０．００５〜０．０２
５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるこ
とを特徴とする。

【００１１】また、上記化学成分に加えて、さらに、Ｓ
：０．２０％以下、Ｃａ：０．０１％以下、Ｐｂ：
０．３０％以下、

【００１２】のいずれか１種または２種以上を含有し、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とす
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の軟窒化用非調質鋼
において化学成分の含有率を限定する理由について説明
する。 Ｃ：０．１〜０．３％未満 Ｃは、鋼の強度を確保するために０．１％以上を含有さ
せる。しかし過剰に含有すると熱間加工後の放冷によっ
て形成されるベイナイトの硬さが高くなりすぎ、爾後に
行う機械加工における被削性が低下するのでＣ含有率の
上限を０．３％未満とする。

【００１４】Ｓｉ：０．０１〜１．０％ Ｓｉは、鋼溶製時における脱酸剤として添加する。ま
た、Ｓｉは、固溶強化により鋼の強度を上昇する。その
ためＳｉ含有率を０．０１％以上とする。しかし、過剰
に含有すると鋼を硬脆化させ被削性を低下せしめるので
Ｓｉの含有率の上限は１．０％とする。

【００１５】Ｍｎ：１．５〜３．０％ Ｍｎは、鋼の焼入れ性を向上し、熱間加工後空冷した鋼
の組織中にベイナイトを生成するために添加する。熱間
加工後の空冷でベイナイト組織を得るために１．５％以
上の含有を必要とする。しかし、過剰に含有すると、熱
間加工後の空冷によってマルテンサイトが生成して鋼の
硬さが著しく高くなり、被削性を低下させるのでＭｎ含
有率の上限を３．０％とする。Ｍｎと同様にＣｒも鋼の
焼入れ性を向上する元素なので、好ましくは（Ｍｎ％＋
Ｃｒ％）として２．０〜３．５％とする。

【００１６】Ｃｒ：０．０１〜０．５％ Ｃｒは、Ｍｎと同様に鋼の焼入れ性を向上させ、熱間加
工後空冷した鋼の組織中にベイナイトを生成するために
０．０１％以上を含有させる。また、Ｃｒは、軟窒化処
理時に窒化物を形成し、窒化層に微細析出して窒化層の
硬さを増加させる。このようなＣｒによる窒化層硬さの
増加は、爾後の曲げ矯正工程における曲げ矯正性を著し
く低下させる。それゆえＣｒ含有率の上限は０．５％と
する必要があり、望ましくは０．２％とする。

【００１７】Ｍｏ：０．１〜１．０％ Ｍｏは、鋼の焼入れ性を高めて熱間加工後空冷した鋼の
組織中にベイナイトを生成し、さらにベイナイトの焼戻
し軟化抵抗性を高めて軟窒化処理によって鋼の強度が低
下することを防ぐために添加する。これらの効果を得る
ためには、Ｃｒ含有率を０．１％以上とする必要があ
る。しかし、Ｍｏを多量に添加しても、いたずらにコス
トを高めるのみなので、Ｍｏ含有率の上限を１．０％と
する。

【００１８】酸可溶Ａｌ：０．０１〜０．０４５％ 酸可溶Ａｌは、鋼中のＮと結合して窒化物を形成し、鋼
中に微細に分散し、熱間加工温度に加熱した時の結晶粒
成長を抑制する。このような効果を得るために酸可溶Ａ
ｌの含有率は０．０１％以上とする必要がある。しか
し、酸可溶Ａｌを過剰に含有すると、軟窒化処理時に軟
窒化層にＡｌ窒化物として析出し、軟窒化層の硬さを著
しく高め、爾後の曲げ矯正工程における曲げ矯正性を低
下するので、酸可溶Ａｌの含有率の上限を０．０４５％
とする。

【００１９】Ｎ：０．００５〜０．０２５％ Ｎは、主にＡｌと結合してＡｌ窒化物を形成する。該窒
化物の微細な析出は、熱間加工温度に加熱した際に生じ
る結晶粒の成長を抑制する。このような効果を得るため
には、Ｎ含有率は０．００５％以上とすることが必要で
ある。しかし、多量にＮを添加してもその効果は飽和す
るばかりでなく、鋼にブローホール等の欠陥を生じるの
で、Ｎ含有率の上限は０．０２５％とする。

【００２０】Ｓ：０．２０％以下、Ｃａ：０．０１％以
下、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｂｉ：０．３０％以下のい
ずれか１種または２種以上 Ｓ、Ｃａ、Ｐｂ、Ｂｉは、いずれも鋼の被削性の向上に
有効な元素なので、素材での被削性が要求される場合に
は、必要に応じて前記元素を１種または２種以上添加し
てもよい。しかし、これらの元素は、含有量が多すぎる
と熱間加工性や疲れ強度を低下させるので、含有率の上
限はそれぞれＳ：０．２０％、Ｃａ：０．０１％、Ｐ
ｂ：０．３０％、Ｂｉ：０．３０％とする。

【００２１】本発明の軟窒化用非調質鋼は、従来の非調
質鋼と同様の工程、例えば、熱間加工→機械加工→軟窒
化処理→曲げ矯正の各工程を経て軟窒化部品に加工する
ことができる。ここに、熱間加工は、熱間圧延、熱間押
出し、熱間鍛造など鋼の再結晶温度以上の温度での加工
であり、加工終了後は通常大気中放冷（空冷と呼ぶ）と
する。機械加工は、切削、研削などの部品形状の仕上げ
加工である。軟窒化処理は、ガス軟窒化、塩浴窒化、イ
オン窒化などの窒素含有雰囲気中において加熱して行わ
れる表面改質処理である。また、曲げ矯正は、軟窒化時
に生じた変形に対して、静的に曲げ荷重を負荷して行う
矯正である。

【００２２】本発明の軟窒化用非調質鋼によれば、熱間
加工後空冷の処理によって鋼組織を容易に強度の高いベ
イナイトとすることができる。ベイナイト組織は、従来
の非調質鋼が有するフェライト・パーライト組織に比べ
て、格子欠陥を多く含むために窒素の拡散が速く、深い
軟窒化層を得やすい。また、同じ硬さではフェライト・
パーライト組織に比べて靭性が高く、曲げ矯正工程にお
ける折損が生じにくい。

【００２３】

【実施例】アーク炉によって表１に示す鋼を溶製し、熱
間鍛造によって直径５０ｍｍの丸棒とし、１０００℃×
６０分間加熱保持した後、室温まで空冷して試験材と
し、下記の各試験に供した。なお、前記試験材には、不
可避不純物として通常の鋼に含まれるＰ：０．０３％以
下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｎｉ：０．２０％以下、
Ｏ：０．００３％以下が含有されている。

【００２４】

【表１】

【００２５】素材硬さ試験：前記試験材の横断面につい
てＤ／４（直径Ｄの１／４、以下同じ）位置における硬
さをロックウエル硬さ計Ｃスケールで測定し、５点の測
定値の平均をもって素材硬さとした。

【００２６】被削性試験：前記試験材について超硬工具
による旋削試験を行って被削性を評価した。切削条件
は、切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、送り：０．２ｍｍ／
ｒｅｖ、切込み：２ｍｍとし、工具の逃げ面摩耗が０．
２ｍｍになるまでの切削時間を測定し、実施例２の結果
を１００として相対的に評価した。

【００２７】曲げ試験：軟窒化処理後の鋼の曲げ矯正性
を評価するために、前記試験材のＤ／４部から５ｍｍ×
１０ｍｍ×１３０ｍｍの試験片を切り出し、ＮＨ₃ガ
ス：ＲＸガス＝１：１の混合ガス中において５８０℃で
３．５時間のガス軟窒化処理を施して曲げ試験片とし
た。該曲げ試験片に支点間距離１００ｍｍで中央集中荷
重を負荷して３点曲げ試験を行い、き裂が発生したとき
の最大たわみ量（破断たわみ量と呼ぶ）を測定した。

【００２８】疲れ試験：前記試験材のＤ／４部から最小
部の直径が８ｍｍで、形状係数２．２の切欠きを有する
回転曲げ疲れ試験片を切り出し、ＮＨ₃ガス：ＲＸガス
＝１：１の混合ガス中において５８０℃で３．５時間の
ガス軟窒化処理を施して回転曲げ疲れ試験片とした。斧
式回転曲げ疲れ試験機を用いて応力繰返し数１０⁷で破
断しない最大の応力振幅を求めて疲れ限度とした。

【００２９】心部硬さ試験：ガス軟窒化材の心部硬さと
して、疲れ試験片のつかみ部横断面におけるＤ／４位置
について、ロックウエルＣスケールで硬さを測定した。

【００３０】金属組織：疲れ試験片のつかみ部横断面に
ついて金属顕微鏡によって金属組織を調べた。上記各試
験の結果を表２に示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】表２によれば、Ｃ含有率が高い比較例２、
Ｓｉ含有率が高い比較例３、Ｍｎ含有率が高い比較例
５、Ｃｒ含有率が高い比較例６、酸可溶Ａｌ含有率が高
い比較例８等はいずれも破断たわみ量が小さく、曲げ矯
正性が劣っていることが判る。また、Ｃ含有率が低い比
較例１、Ｍｎ含有率が低い比較例４、Ｍｏ含有率が低い
比較例７、酸可溶Ａｌ含有率が低い比較例９、Ｎ含有率
が低い比較例１０、開削元素含有率が高い比較例１１お
よび１２は、いずれも疲れ限度が低くなっている。ま
た、従来の非調質鋼も本発明実施例の鋼と比べて破断た
わみ量が小さく、疲れ限度が低くなっている。

【００３３】これに対して、実施例は、いずれもベイナ
イト組織を示し、破断たわみ量が大きく曲げ矯正性に優
れ、疲れ限度も高いことが分かる。また、実施例はいず
れも素材硬さがＨＲＣ３０以下であって、素材状態（熱
間加工後空冷）における被削性も良好であり、さらに快
削性成分を含有する実施例５〜７では一層優れた被削性
を有することが認められる。

【００３４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の軟窒化
用非調質鋼によれば、素材状態で被削性に優れ、軟窒化
処理後に矯正を行うことができる優れた曲げ矯正性を有
し、かつ、軟窒化処理によって優れた疲れ強さを示す軟
窒化用非調質鋼を提供することができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、 Ｃ ：０．１〜０．３％未満、 Ｓｉ：０．０１〜１．０％、 Ｍｎ：１．５〜３．０％、 Ｃｒ：０．０１〜０．５％、 Ｍｏ：０．１〜１．０％、 酸可溶Ａｌ：０．０１〜０．０４５％、 Ｎ ：０．００５〜０．０２５％を含有し、残部Ｆｅお
   よび不可避不純物からなることを特徴とする軟窒化用非
   調質鋼。
2. 【請求項２】 上記化学成分に加えて、さらに、 Ｓ ：０．２０％以下、 Ｃａ：０．０１％以下、 Ｐｂ：０．３０％以下、 Ｂｉ：０．３０％以下のいずれか１種または２種以上を
   含有することを特徴とする請求項１記載の軟窒化用非調
   質鋼。