JP2001303205A - 耐摩耗性及び疲労強度に優れた窒化鋼及び摺動部材 - Google Patents

耐摩耗性及び疲労強度に優れた窒化鋼及び摺動部材

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JP2001303205A
JP2001303205A JP2000124457A JP2000124457A JP2001303205A JP 2001303205 A JP2001303205 A JP 2001303205A JP 2000124457 A JP2000124457 A JP 2000124457A JP 2000124457 A JP2000124457 A JP 2000124457A JP 2001303205 A JP2001303205 A JP 2001303205A
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fatigue strength
nitrided
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Shigeo Inoue
茂夫 井上
Toru Konuki
亨 小貫
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Aichi Steel Corp
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Riken Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒化鋼の摺動特性及び疲労強度をともに高め
られる。 【解決手段】 Ｃ ０．５％−１．０％、Ｓｉ １．０
％以下、Ｍｎ ０．３−１．０％、Ｃｒ ５．０−１
２．０％、Ｍｏ ０．５−２．０％、Ｖ ０．１−０．
３％を含有する窒鋼を窒化すると、１０μｍ以上の炭窒
化物を含有せず、１μｍ以上１０μｍ未満の炭窒化物の
面積率が５％以内であり、かつ、結晶粒界化合物層が窒
化層内の結晶粒界に均一に析出した窒化層が形成され
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、窒化用鋼材及びそ
れを用いた摺動部材に関するものであり、特に、表面に
窒化処理或いは軟窒化処理を施すことによって高い摺動
特性と疲労強度を発現可能な窒化用鋼材及び摺動部材に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】バネ、ピストンリンク、歯車などのよう
に摺動性と耐疲労特性を同時に要求される部品は数多く
存在する。この摺動性（耐スカッフ特性と耐摩耗特性を
総称した特性）と耐疲労特性は一般には相反する性質で
ある。摺動性を増すために硬度を増加させると、材料が
脆化し一般には強度は低下する。疲労強度は引張り強度
の約半分と言われているので、強度が下がれば疲労強度
も低下する。このような矛盾を解決するために現在行な
われている方法が窒化処理を利用する方法である。即
ち、窒化鋼で製品を作り、窒化処理を行って摺動部材を
製造する。窒化鋼は窒化処理を前提として使用される鋼
であり、窒化処理後には表面硬度が母材に比べて著しく
増加する。これにより、耐摩耗性や焼付き性等の摺動特
性が向上する。また同時に、表面に発生する大きな残留
圧縮応力により疲労強度は窒化しないときに比較して大
きく改善することになる。これに更にショットピーニン
グや浸炭処理を施すことにより更に大きな残留圧縮応力
が発生し高疲労強度の部材として使用することが行なわ
れてきている。
【０００３】従来窒化鋼としては、Ａｌ，Ｃｒを添加し
た低合金特殊鋼の他にマルテンサイト系１３Ｃｒステン
レス鋼に窒化することも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来、どのよ
うな窒化層組織であれば疲労強度が高まるかと言う議論
はほどんどなされていなかった。もし、窒化処理のみで
疲労強度が足りない場合は、通常は窒化鋼の疲労強度を
上げるために、窒化処理後のショットピーニングや浸炭
処理を施すことで要求に対応してきたと言える。しか
し、この方法は工程が増えるためにコスト高になると言
う問題があった。そこで、本発明においては、窒化処理
後のショットピーニングや浸炭処理等を行わなくても要
求される疲労強度を満足できるような窒化処理層が形成
できる鋼材を開発することを課題とした。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の第一は、母材
を、質量％でＣ：０．５％−１．０％、Ｓｉ：１．０％
以下、Ｍｎ：０．３−１．０％、Ｃｒ：５．０−１２．
０％、Ｍｏ：０．５−２．０％、Ｖ：０．１−０．３
％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物よりなることを特徴と
する窒化鋼であり、本発明の第二は第一の発明の鋼材を
母材に、表面に窒化処理又は軟窒化処理を行った摺動部
材であり、本発明の第三は、窒化処理層の結晶粒界内に
分散した、主として炭窒化物からなる析出相の粒径が１
０μｍ未満であり、かつ１μｍ以上１０μｍ未満の粒径
を持つ析出相が面積率で５％以下であり、かつ、化合物
層が結晶粒界に均一に析出した摺動部材である。以下本
発明の特徴を詳しく説明する。
【０００６】本願第一の発明の窒化用鋼材を使用すると
窒化層の破壊靭性は大きくなり、結果として高い疲労強
度をもつ窒化部材を得ることができる。以下、各成分の
限定理由を説明する。
【０００７】Ｃｒは一部が鉄の格子に置換型の固溶体と
して固溶し窒化を促進する働きをする。また、他の一部
はＣと反応してＣｒ炭化物が形成されている。窒化処理
又は軟窒化処理後は窒化層内に微細なＣｒ炭窒化物を形
成しているので、窒化層内の基地は硬度が程良く上昇し
ている。従って、窒化部材の内部で発生した亀裂が窒化
層内を進展するとき、Ｃｒが５％以下の場合や窒化され
ていない場合に比べ、窒化層基地は、詳しくは後述のよ
うに、亀裂進展に対して大きな抵抗となる。結果として
疲労強度を上昇させることができる。また、Ｃｒが１
２.０％以上であると、窒化後にＣｒ炭化物のほとんど
が炭窒化物に変化し、窒化層中に粗大な炭窒化物もしく
は微細炭窒化物の凝集組織が形成され易くなり、疲労強
度を劣化させるので、Ｃｒの量は１２.０％以下とし
た。好ましいＣｒ量は７〜１１％である。また、窒化層
の形成が予定される表面領域におけるＣｒ炭化物の大き
さは１０μｍ以下であり、また１〜１０μｍのＣｒ炭化
物の面積率は５％以下であることが好ましい。かかる微
細炭化物組織をもつ窒化鋼は、鋳造時の冷却速度を高く
したりすることにより得ることができる。
【０００８】Ｃは一部が基地に固溶して硬度を上げ、ま
た、他の一部はＣｒその他の炭化物形成元素と反応して
炭化物を作り耐摩耗性を与える元素であるため０．５％
以上は必要である。しかし、１．０％以上になると炭化
物の粗大化傾向が強くなるし、窒化を阻害する。更に重
要なことは冷間加工性が極端に悪くなる。以上の理由か
ら０．５％以上１．０％以下とする。
【０００９】Ｓｉは脱酸剤として添加され、またＦｅ基
地中に固溶して熱へたり性を上げるのである程度は含ま
れていて良いが、１．０％を越えると脆化して加工性が
悪化するので、１．０％以下とする。
【００１０】ＭｎもＳｉと同様に脱酸剤として添加され
るので０．３％以上は必要であるが１．０％以上である
と耐酸化性が劣化したり、熱間、冷間加工性が劣化する
ので０．３％以上１．０％以下とする。
【００１１】Ｍｏは窒化処理の際の焼戻し軟化を防止す
るために０．５％以上は必要である。また、この他にも
炭化物を微細化して硬度を上げる耐摩耗性を上げる効果
がある。しかし、２．０％以上添加すると炭化物形成傾
向が強い元素であるので炭化物が粗大化して疲労強度の
高い組織を形成できなくなる。以上の理由から０．５％
以上２．０％以下とする。
【００１２】Ｖは微量で窒化層の硬度を著しく上げる元
素であるが０．１％未満ではその効果が無く０．３％以
上になると炭化物を粒界に形成し靭性を低下させるの
で、０．１％以上０．３％以下とする。
【００１３】本発明の第二に係る摺動部材は、少なくと
も外周摺動面に好ましくは５〜２００μｍの厚さの窒化
処理層もしくは軟窒化処理層を形成したことを特徴とす
るものである。
【００１４】次に、本発明の第三においては、窒化層中
に形成される析出相の大きさを制御する。窒化相基地の
結晶粒内に分散する析出相は主として炭窒化物からな
る。本発明においては、このような析出相の大きさを１
０μｍ未満とし、窒化層自身の摺動特性を向上させてい
る。更に、１μｍ以上１０μｍ以下の析出相が面積率で
５％未満とすることにより、相互に凝集した炭窒化物な
どの形成を抑えている。更に、窒化処理又は軟窒化処理
により結晶粒界化合物層が窒化層内の結晶粒界に均一に
析出する組織とした。結晶粒界化合物層は母材内部に存
在していたＣｒ炭化物が窒化によりＣｒ炭窒化物に変化
するために余剰となった炭素が結晶粒界に押し出され、
そこでＦｅ、Ｎと化合物を形成したものであり非常に硬
い金属間化合物である。この結晶粒界化合物は上記の理
由により、窒化層中で三次元的に繋がっていることにな
るから、非金属介在物から発生した亀裂が進展するに
は、この結晶粒界化合物を貫通しなければならない。即
ち結晶粒界化合物層が窒化層内の結晶粒界に均一に析出
する組織とすることにより、亀裂の進展を阻止する働き
をすることになり、その結果、疲労強度の高い部材とす
ることができるのである。前記した炭窒化物等以外の基
地組織は、マルテンサイト、炭化物、Ｃｒを固溶したフ
ェライトなどである。
【００１５】本発明の窒化用鋼に適用される窒化法は、
ガス窒化、軟窒化、塩浴窒化などの各種方法である。
【００１６】
【作用】窒化鋼の疲労破壊のプロセスを説明する。窒化
鋼を窒化すると表面に残留圧縮応力が発生する。これに
外部からの応力が加えられると、外部応力は表面で最大
であり内部に行くに従って減衰する。結果として、窒化
鋼に発生する実応力は図１のように圧縮残留応力と外部
応力をベクトル的に重ね合わせたものとなる。図１から
分かるように、実際の最大応力部が試料表面ではなくて
表面から少し内部に入ったところになる。つまり、窒化
鋼における疲労破壊の開始部分は表面ではなく少し内部
に入ったところから疲労破壊は始まり、そして、破壊の
起源は非金属介在物であることが一般的に言われてい
る。疲労により亀裂が発生した後この亀裂は２つの方向
に分かれて進行する。一つは内部方向に進行し、もう一
つは表面方向に進展する。この時、内部は窒化されてい
ないので、破壊靭性は十分に大きいが、表面部は窒化層
であるので脆性材料であり、破壊靭性は非常に小さく、
従って亀裂は表面窒化層を容易に進展する。つまり、亀
裂を進展させるエネルギーは窒化層自身の破壊靭性値で
決まることになる。亀裂が表面に達してしまえば圧縮残
留応力の効果も消滅するし、亀裂も長くなっているので
切り欠き効果により内部に向かって亀裂は進行し、それ
以後は加速度的に亀裂進展速度は上昇し疲労破壊に至
る。つまり、疲労強度を向上させる窒化鋼を開発するた
めには、内部で発生した亀裂が窒化層を進展するとき亀
裂進展を妨げるような窒化層組織にする必要がある。こ
のためには上述のように、鋼材の組成、特にＣｒ，Ｃを
調整することが重要である。次に実施例に基づき詳細に
述べる。
【００１７】
【実施例】疲労試験 表１に示す化学組織を有するマルテンサイト系ステンレ
ス鋼を電気炉で溶解した後に、鋳造してインゴットを作
り、分塊によりビレットとした。これを熱間圧延でΦ１
５ｍｍの丸棒まで径を小さくした。その後、丸棒を図２
に示すような小野式回転曲げ試験片にした。なお、比較
例Ａ，Ｂはそれぞれ本発明の範囲よりＣｒが少ない組成
及び多い組成である。
【００１８】
【表１】供試材の化学組織
【００１９】この後、ガス窒化処理を５７０℃×３６０
分の条件で行った。窒化後、エメリーペーパーで表面化
合物相(白層)を除去した後に、表面仕上げも＃１８０−
＞＃３２０−＞＃６００−＞＃１２００のエメリーペー
パーで行った。得られた疲労試験片を小野式回転曲げ試
験機で疲労試験を行った。疲労強度は１０7回でも疲労
破壊しない応力を疲労限界（ＭＰａ）と定義した。表２
に本発明と比較材の疲労限度の結果を示す。また、破壊
の起点位置と１μｍ以上の炭窒化物相の面積率も同時に
示した。
【００２０】
【表２】本発明材と比較材の疲労限度
【００２１】本発明品は比較例のものと化学成分的には
Ｃｒ量が変化しているだけであるが疲労限が比較例のも
のより約１００ＭＰａから２３０ＭＰａ程度高い。これ
は、窒化層組織が異なることによるものである。
【００２２】図３に本発明品Ａの破壊面ＳＥＭ写真を示
すが、亀裂は窒化層（即ち窒素の拡散層）表面より少し
内部に入ったところの非金属介在物から発生している。
つまり、本発明の図１で与えた破壊モデルが正しいと言
うことを示している。
【００２３】図４に本発明品Ａ、図５に本発明品Ｂ、図
６に比較例Ａ、図７に比較例Ｂの窒化層表面と断面の組
織写真を示す。本発明品Ａ、Ｂには図４，５に示すよう
に多数の結晶粒界化合物相が存在するが粗大炭窒化物の
サイズは１０μｍ以下である。また、表２で示したよう
に本発明品Ａ、Ｂには１μｍ以上１０μｍ以下の炭窒化
物の面積率は５％以下である。これに対して、図６の比
較例Ａは結晶粒界化合物層が存在すること、粗大炭窒化
物が存在していないこと、また、１−１０μｍの析出相
面積率が５％以下であるという条件は満足しているがＣ
ｒ量が５％以下であるため窒化層内の基地の強度が低く
高い疲労強度は得られていない。また、図７の比較例Ｂ
においては、巨大炭窒化物が存在し、かつ、析出相の面
積率も１１．９％と５％以上であるので疲労強度が低い
ものと考えられる。
【００２４】摺動特性試験 （耐焼付き性試験）本発明品Ａ、Ｂ及び比較品Ａ、Ｂを
素材とする図８の試験片を作成し耐焼付き性の試験を行
った。各試験片は適当な前処理を実施後、５７０℃、３
６０分のガス窒化処理を行った後、表面の窒化化合物層
を（白層）除去し、摺動面を２０Ｒの曲面に仕上げた。
表面粗さはＲｚで０．４μｍ以下とした。これを図９の
試験装置を用いて、耐焼付き性を評価した。１６はトル
ク伝達シャフト、１７はロードセル、１８は増幅器、１
９は記録計である。なお、焼付き性の評価は接触荷重を
段階的に上昇させ、摩擦力が急激に上昇したときの接触
荷重で評価した。試験条件及び結果（表３）は次の通り
であった。
【００２５】試験条件 摺動速度：８ｍ／ｓ、接触荷
重：１．０Ｐａから０．２Ｐａごとに上昇、 潤滑油：モーターオイル＃２０ 油温：８０℃ 油
量：５ｃｃ／ｍｉｎ 相手材：ＦＣ２５０相当材(表面粗さＲｚ １〜２μｍ)
【００２６】
【表３】
【００２７】比較品Ｂに比べ劣るが、本発明品Ａ，Ｂの
焼付き発生荷重は比較品Ａと同等であり十分な性能であ
る。
【００２８】(摩耗試験)図１１の装置を用いて摩耗試験
を行った。試験片２０は５ｍｍ×５ｍｍ×２０ｍｍで、
摺動面は焼付き試験と同様であり、窒化処理を施し、白
層を除去後２０Ｒの曲面に仕上げてある。図中，２１は
ＦＣ２５０相当材（相手材）、２２は電熱器、２３は潤
滑油、２４は試験片ホルダーである。試験条件は次の通
りであり、試験結果は表４に示す。
【００２９】試験機：ピンドラム摩耗試験機 摩擦速度：０．５ｍ／ｓ 時間：４時間 荷重：４９０Ｎ ドラム表面温度：１８０℃ 潤滑：モーターオイル＃３０ ０．１５ｃｃ／ｍｉｎ
【００３０】
【表４】
【００３１】本発明品Ａ，Ｂの摩耗量は比較品Ｂと同等
であり、十分な性能である。
【００３２】
【発明の効果】本発明による窒化鋼は高い摺動特性と疲
労強度を同時に満足しているので、この二つの特性が同
時に要求される、自動車用バネ、ピストンリング、耐摩
耗部品等に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 窒化層表面近傍における応力分布を示すグラ
フである。
【図２】 小野式回転曲げ試験片の図である。
【図３】 本発明品Ａの破面写真（倍率４００）であ
る。
【図４】 本発明品Ａの表面及び断面部の金属組織を示
す写真（倍率４００）である。
【図５】 本発明品Ｂの表面及び断面部の金属組織を示
す写真（倍率４００）である。
【図６】 比較品品Ａの表面及び断面部の金属組織を示
す写真（倍率４００）である。
【図７】 本発明品Ｂの表面及び断面部の金属組織を示
す写真（倍率４００）である。
【図８】 試験片の図である。
【図９】 超高圧摩耗試験機の概要図（一部断面図）で
ある。
【図１０】 図９のＡ−Ａ線矢視図である。
【図１１】 摩耗試験機の図である。
【符号の説明】
５―試験片 １１―ステータホルダ １２―円盤 １３―注油孔 １４―ロータ １５―試験片保持具
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小貫 亨 新潟県柏崎市北斗町１−37 株式会社リケ ン柏崎事業所内 Ｆターム(参考） 3J011 AA20 DA01 QA01 SB01 SB02 SB12 SB20 SE02 SE10 4K028 AA02 AB01 AC07

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 質量％でＣ：０．５％−１．０％、Ｓ
    ｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．３−１．０％、Ｃｒ：
    ５．０−１２．０％、Ｍｏ：０．５−２．０％、Ｖ：
    ０．１−０．３％，残部Ｆｅ及び不可避的不純物よりな
    ることを特徴とする耐摩耗性及び疲労強度に優れた窒化
    鋼。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の化学組成を有する鋼材で
    成形された摺動部材であって、少なくとも外周摺動面に
    窒化処理層又は軟窒化処理層を有することを特徴とする
    摺動部材。
  3. 【請求項３】 前記窒化処理層の結晶粒界内に分散し
    た、主として炭窒化物からなる析出相が１０μｍ未満で
    あり、かつ１μｍ以上１０μｍ未満の析出相が面積率で
    ５％以下であり、かつ、化合物層が結晶粒界に均一に析
    出したことを特徴とする請求項２記載の摺動部材。
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