JP2001516401A - 高硬度及び改善された靭性を有する鋼物品及びこれを製造する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 鋼材料は、約0.08から約0.35重量パーセントの炭素を含む鋼材料から形成されており、物品の少なくとも一つの予め選択された表面領域に分散された複数のカーバイドを有することによって特徴づけられており、表面カーバイドは主に低ベイナイトマトリックス内に分散されている。高硬度および高靭性を有する鋼物品を形成する方法は、所定の温度で、所定の時間の間、物品の少なくとも一つの予め選択された面にカーバイド及びオーステンナイトを形成するのに充分なカーボンポテンシャルを有する大気中で、物品を浸炭させ、この浸炭物品を鋼材料のAr₁温度以下でＭ_s温度以上に、予め選択された表面積のミクロ構造におけるオーステンナイトの主要部分を低ベイナイトに変換するのに十分な時間急冷する段階を含む。鋼物品はヌープ500グラム等価の少なくとも900の最高粒子硬度と、少なくとも50ジュールのシャルピー非ノッチ室温靭性とを有し、高硬度と改善された靭性特性を有する物品を形成するようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】 高硬度及び改善された靭性を有する鋼物品 及びこれを製造する方法 本発明の技術分野 本発明は、一般的に高粒子硬度及び改善された靭性特性を有する鋼物品と、こ のような物品を製造する方法に関する。より詳細には、本発明は、鋼物品と、複 数のカーバイドが、物品の選択された面上で低ベイナイトマトリックスに分散さ れるようにする方法とに関する。本発明の背景 浸炭された成分は、一般的に高硬度および低程度から中程度の靭性を呈する。 従来の浸炭された成分の接触疲れ及び刻み抵抗を高めるための１方法は、ティプ トン他により付与され、本発明の譲渡人に譲渡された米国特許第4,921,025号に 開示された方法で、表面ミクロ構造にカーバイドのような硬度ある粒子を形成す る方法を用いることがよく知られている。 靭性を高めるための１方法は、主として低ベイナイトからなるより靭性のある 硬化ミクロ構造を作るために浸炭させ、オーステンパリングすることである。浸 炭及びオーステンパリングは、通常、カーボ−オーステンパリングといわれ、浸 炭された成分の靭性を高めることが知られている。何故ならば、等しい硬度で、 ベイナイトミクロ構造は、従来のマルテンサイトミクロ構造よりも靭性があるか らである。しかし、これに伴い硬度が減少するために、摩耗、接触疲れ、及び刻 み抵抗が低下するので好ましくない。 低炭素鋼及び中炭素鋼からなるカーボ−オーステンパリングが、1995年に発行 されたW.R.ケオフの名称カーボ−オーステンパリングによる物品に記載されてい る（1995年12月ＡＳＭインターナショナル、大気での浸炭及び窒化、大気での浸 炭および窒化に関する第２回国際会議の手順）。しかし、SAE8615、SAE4122,SAE 4150のような低炭素鋼及び中炭素鋼のオーステンパリングが効 率的に靭性を高めるが、表面硬度が低くなる。 上述に記載の米国特許第4,921,025号に記載された方法によって作られた鋼物 品は、高表面硬度を形成する表面に形成された複数のカーバイドを有する。しか し、低炭素鋼から中の炭素鋼から形成されているときでも、この物品は比較的低 い靭性特性を有している。なぜならば、カーバイドは、主にマルテンサイト硬化 ミクロ構造に分布されているからである。 従って、高コア炭素含有量または比較的高価な炭素形成要素を付加することな く、高表面硬度およびより高い靭性を有する物品と、これを形成する方法が望ま れる。本発明の概要 本発明に関連して、約0.08から約0.35重量パーセントの炭素を含む鋼材料から 形成された物品は、この物品の選択された少なくとも一つの面に、複数の表面炭 素が存在することによって特徴づけられたミクロ構造を有しており、表面炭素が 際立って低いベイナイトマトリックスに分布されている。 本発明を実施する物品の別の特徴は、ヌープ500グラム等価の少なくとも900の 最大粒子硬度を有する表面炭素を含んでおり、ASTM標準E23にしたがって準備さ れた物品のノッチなしシャルピーサンプルは、25℃でシャルピー衝撃試験機で測 定されて少なくとも50ジュールの靭性を有する。この物品の別の特徴は、約0.11 ％未満のシリコンと、約1.1％未満のクロムを有する物品が形成される鋼材料を 含む。 さらに、本発明を実施する物品の更なる特徴は、物品の予め選択された面の少 なくとも約20％に存在するカーバイドを含む。本発明を実施する物品が形成され る鋼材料の別の特徴は、約0.08から約0.35重量パーセントの炭素、約0,3から約1 .7重量パーセントのマンガン、クロムを含む約0.2から約2.5重量パーセント未満 のカーバイド形成元素、6.0重量パーセント未満の別の硬化剤、約1.1重量パーセ ント未満のグレン精製元素、および約015重量パーセント以下の銅からなる組成 物を有する材料を含んでおり、残りは鉄および微量の不純物からなる。 本発明の別の態様において、より高い靭性を有し、より高い硬度のカーバイド 粒子を含む鋼物品を形成する方法は、浸炭させることによって硬化可能な鋼材料 を選択する段階からなり、約0.08から約0.35重量パーセントの炭素を含む。鋼材 料は、物品を形成するように形作られ、オーステナイトに分布されたカーバイド を有する物品の少なくとも一つの選択された表面積を形成するのに充分なカーボ ンポテンシャルを有する大気において、所定の温度で、所定の時間長さで浸炭さ れる。浸炭された物品は、浸炭された硬化層のAR₁温度より低く、Ｍ_s温度よりも 高い温度に、選択された表面領域ミクロ構造におけるオーステナイトの少なくと も約70％を低ベイナイトに変換するのに十分な時間の間冷却される。図面の簡単な説明 本発明の物品と方法をより完全に理解することは、本発明を実施する浸炭およ び硬化方法の時間と温度の関係をグラフで表す添付の図面を参照し、以下の詳細 な記載を参照することによってなされる。現在実施するのに最良の形態の詳細な記載 本発明は、詳細には、より高い硬度のカーバイド粒子を含み、より高い靭性を 有する、低炭素から中炭素、すなわち約0.08％から約0.35炭素鋼から鋼物品を形 成する方法に関する。以下に記載した例において、試験サンプルが、SAE4122鋼 の変性された変種、すなわち浸炭により硬化可能な鋼から形成され、表１のよう な化合物を有する。 上述の化合物を有する鋼材料の４つのサンプルが、試験のために準備された。 第１の試験サンプルには、従来の浸炭および硬化処理が行われた。第２のサンプ ルは、一般的に浸炭され、ついでオーステンパリングされた。第３のサンプルは 、サンプルの曝露面に複数の表面カーバイドを形成するために、本明細書に組込 んだ米国特許第4,921,025号に記載した方法に従って処理された。標準手順は、 主としてマルテンサイトなマトリックスに高密度のカーバイドを有する表面を形 成することに関する。第４のサンプルは、本発明の物品と方法を実施しており、 米国特許第4,921,025号に従った手順によって浸炭され、物品の曝露面に複数の カーバイドを形成し、次にオーステンパーリングされた。 ４つの試験サンプルが、衝撃試験のために、ASTM標準E23に従って準備された 。より詳細には、各サンプルは、約55ミリメートルの長さを有し、10平方ミリメ ートルの断面積を有していた。表面すなわちケース硬化材料の衝撃試験に受け入 れ可能な手順に従って、サンプルはノッチされていない。室温において(約25℃) シャルピー衝撃試験器で試験されると、各衝撃値が記録され、表IIｂに 列挙された。サンプルNo.1及び２に関し、最高粒子硬度は、ミクロ硬度試験器で 測定された。サンプルNo.3及び４に関し、カーバイド硬度は、ナノインデンター を用いて直接測定された。各試験サンプルに関する測定された高度および靭性値 が表IIに列挙されている。 上述したように、試験サンプルが上述に識別された変性SAE4122から全て形成 され、低炭素鋼から中炭素鋼を表している。サンプル１及び２は、表面にカーバ イドがない状態で高炭素ケースを形成するように、従来の浸炭処理を受けた。サ ンプル１は、従来の浸炭及び硬化の典型である、28ジュールの低靭性を呈した。 試験サンプル２は、低ベイナイトマトリックス面のミクロ構造を形成するように オーステンパーリングされ、100ジュールの最高靭性を呈したが、これに対応し て硬度が低下し、摩耗、接触疲れ、及び刻みに対する抵抗が好ましくないものに なる。 試験サンプルNo.3および４は、本明細書に組込んだ米国特許第4,921,025号に 記載した手順に従って処理された。試験サンプルNo.3および４は、サンプルの表 面にカーバイド及びオーステンナイトを形成するのに充分なカーボンポテンシャ ルを有する大気中で、所定の温度及び所定の時間の間、浸炭された。より詳細に は、上述の米国特許第4,921025号により詳細に記載されているように、SAE1422 鋼サンプル３及び４の手順は第１段階の浸炭サイクルを含んでおり、試験片が予 め加熱された炉の中に配置され、炉の中のガス雰囲気のカーボンポテンシャルが 、炉温度でオーステナイトの炭素の飽和制限にほぼ等しいレベルに維持されるよ うになっている。試験片３、４は、最終ケース層の深さの約75％から約95％を形 成するのに十分な時問の長さの間、これらの状況で炉の中に保持される。試験片 ３及び４は、第１段階後に、浸炭された面にカーバイドのカーバイド不生成を防 ぐのに充分な割合で、ガス冷却された。ガス冷却は、試験片の温度がAR₁温度以 下の温度に減少させるまで継続され、ベイナイトまたはパーライトに実質的に完 全に変換することを確実にする。試験サンプル３及び４のそれぞれは、第２の段 階でさらに浸炭される。第２の段階では、試験片が予め加熱された炉の中に配置 され、炭素含有量が、炉温度で、オーステンナイトの炭素の飽和限界よりも大き いレベルに維持された。試験片3,4は、オーステンナイトに分布された高表面密 度を形成するのに充分な時間長さだけ浸炭する第２段階の間、炉の中に保持され た。次いで、試験サンプル３は冷却され、表面をマルテンサイトのミクロ構造に 変換され、米国特許第4,921、025号に教示されてい るようにオーステンナイトおよびカーバイドに保持される。試験サンプル３は高 粒子硬度を有しているので、摩耗、接触疲れ及び刻み抵抗が高いが、表IIに示す ように靭性は低いので、衝撃強度が低下することになる。 図面を参照すると、試験サンプルNo.4がAr₁温度以下でＭ_s温度（マルテンサイ トが形成され始める温度）以上に冷却され、表面ミクロ構造に少なくとも約70％ のオーステナイトを低ベイナイトに形成するのに十分な時間、その温度に保持さ れた。この物品は、材料のＭ_s温度以上の約25℃（45°Ｆ）に保持されるのが好 ましい。本明細書に記載した試験において、試験サンブルNo.4は、約260℃に（5 00°Ｆ）に、約２時間の間保持され、ついで室温に冷却された。試験サンプルNo .4の表面積は、試験され、約22％のカーバイドすなわちサンプルの表面積の約22 ％からなるカーバイドを含むことがわかった。本発明に関連して形成された物品 において、物品の定量化された所定の面積が、相当に低いベイナイトマトリック スに分散された少なくとも約20％のカーバイドを含む。 重要なことは、表IIに図示されているように、主低ベイナイトマトリックスに 分散された複数の表面カーバイドを有するサンプルNo.4は、複数の脆性カーバイ ドを有するサンプルに関し、高硬度と驚くべきほどの靭性を呈した。 上述の試験に基づいて、約0.8％から約0.35％の炭素を含み、約0.11％未満の シリコン含有量と約1.1％未満のクロム含有量を有するのが好ましい低炭素から 中炭素鋼が上述の工程に使用するために適当な材料であり、複数のカーバイドが 主に低ベイナイトマトリックスに分散される。詳細には、鋼材料は、特に、米国 特許第4,921,025号に記載されており、この鋼材料は約0.08から約0.35重量パー セントの炭素、約0.3から約1.7重量パーセントのマンガン、約0.10未満のシリコ ン、約1.1重量パーセント未満のクロム、クロムを含む元素を形成する約0.2から 約2.5重量パーセントのカーバイド、6.0重量パーセントの付加的な硬化剤、1.0 重量パーセントのグレン精製元素、および約0.15重量パーセント以下の銅から構 成されており、残りは、鉄および微量の不純物であり、本発明を実施する方法に 関連して高靭性と高粒子硬度を形成するのに特に適する。 また、本明細書に記載するように、約0.19から約0.23重量パーセントの炭素約 0.80から約1.10重量パーセントのマンガン、約0.02重量パーセント以下の リン、約0.015から約0.025重量パーセントのサルファー、約0.10重量パーセント 以下のシリコン、約0.45から約1.00重量パーセントクロム、約0.18から約0.45重 量パーセントのモリブデン、約0.10重量パーセント以下のニッケル、約0.10重量 パーセントの銅、約0.02重量パーセント以下のチタン鋼材料からなる化合物を有 する変性されたSAE4122により表された物品は、主に低ベイナイトマトリックス に分散された複数の面カーバイドを形成するために本発明に従って浸炭され、オ ーステンパーリングされると、驚くべきほど高い靭性を呈する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．約0.08パーセントから約0.35パーセントの炭素と、0.10パーセト以下のシリ コンを含む鋼材料から形成された物品であって、該物品は、この物品の少なくと も一つの予め選択された面に複数の表面カーバイドが存在することによって特徴 づけられたミクロ構造を有しており、前記表面カーバイドは主として低ベイナイ トマトリックスに分散されていることを特徴とする物品。 ２．前記物品の少なくとも一つの予め選択された面が、定められた領域を定め、 前記カーバイドは前記予め選択された面の定量領域の少なくとも約20パーセント に存在することを特徴とする請求項１に記載の物品。 ３．前記鋼材料は、少なくとも約1.1パーセント未満のクロムを含むことを特徴 とする請求項１に記載の物品。 ４．前記鋼材料は、約0.08から約0.35重量パーセントの炭素と、約0.3から約1.7 重量パーセントのマンガンと、約0.10重量パーセント未満のシリコンと、約1.1 重量パーセント未満のクロムと、該クロムを含む元素を形成する約0.2から約2.5 重量パーセントのカーバイドと、６重量パーセント未満の付加的硬化剤と、約１ パーセント未満の粒子精製元素と、約0.15重量パーセント以下の銅および残り鉄 と微量の不純物と、から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の物品 。 ５．ヌープ500グラムに等価の少なくとも約900の最高粒子硬度と、ASTMスタンダ ードE23に従って準備された前記物品のノッチされていないサンプルが25℃での シャルピー衝撃試験で測定されて少なくとも50ジュールの靭性を有することを特 徴とする請求項１に記載の物品。 ６．高靭性で高硬度を有する鋼物品を形成する方法であって、 浸炭させ、約0.08から約0.35重量パーセントの炭素を含むことによって硬化可 能な鋼材料を選択し、 該鋼材料を、物品を形成するために形作り、 カーバイド及びオーステンナイトからなる前記物品の少なくとも一つの予め選 択された面積を形成するのに充分なカーボンポテンシャルを有する大気中で所定 の温度及び所定の時間の間、前記物品を浸炭し、 前記浸炭物品を前記鋼材料のＭ_s温度以上でAr₁以下の温度に、前記選択された 面積のミクロ構造で前記オーステナイトの少なくとも約70パーセントを低ベイナ イトに変換するのに充分な時間の間、急冷する段階からなる方法。 ７．前記浸炭物品を前記鋼材料の前記Ar₁以下の温度で前記Ｍ_s温度以上に急冷す る段階は、少なくとも約70パーセントの低ベイナイトからなるマトリックスミク ロ構造を有する前記予め選択された面に少なくとも約20パーセントのカーバイド を形成する段階を含むことを特徴とする請求項６に記載の高靭性及び硬度を有す る鋼物品を形成する方法。