JP2005036269A - 短時間で浸炭可能な肌焼鋼および浸炭部品 - Google Patents
短時間で浸炭可能な肌焼鋼および浸炭部品 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】短縮された時間で浸炭処理が可能な肌焼鋼を提供するとともに、その肌焼鋼を用いて、すぐれた物性をもった機械構造用の浸炭部品を有利に製造する方法を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜１．０％、Ｃｒ：０．３〜２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％およびＮ：０．００１〜０．０２０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有し、下式１
により定義される炭素拡散の活性化エネルギーＱの値を３４０００（ｋｃａ１）以下に選んだ肌焼鋼。
【選択図】 なし
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜１．０％、Ｃｒ：０．３〜２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％およびＮ：０．００１〜０．０２０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有し、下式１
により定義される炭素拡散の活性化エネルギーＱの値を３４０００（ｋｃａ１）以下に選んだ肌焼鋼。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、肌焼鋼と、それを使用した浸炭部品に関する。本発明の肌焼鋼は短時間で浸炭可能であるから、とくにプラズマ浸炭法、真空浸炭法により浸炭処理を施される機械構造用部品、たとえば自動車のトランスミッションギアなど、疲労強度が要求される部品の製造に本発明は好適である。
【０００２】
【従来の技術】
トランスミッションギアのような機械構造用部品は、耐衝撃特性と疲労強度にすぐれていることが要求されるため、熱間・温間の鍛造および切削加工により所定の部品形状に成形後、浸炭処理を施して部品とするのが普通である。
【０００３】
一方、部品の製作には、生産コストを低減し作業環境を改善するという意図から、歩留まりが高く寸法精度のよい冷間加工が採用されている。肌焼鋼に対する十分な浸炭深さを得るため、浸炭工程では、部品を高温に加熱し、長時間その温度に保持する必要があり、この作業が浸炭部品のコストを高いものにしていた。
【０００４】
現在、肌焼鋼としてはＪＩＳ−ＳＣＲ４２０が広く用いられている。この鋼は部品への製造性はすぐれているものの、浸炭に長時間を要するので、それを短縮することが望まれていた。そこで、十分な浸炭深さを得ながら、浸炭時間を短縮することができる肌焼鋼の開発が進められている。その代表として、Ｃ含有量を増加させた鋼棒が提供されているが、Ｃは素材硬さを高めて部品への製造性を低下させるため、高Ｃの肌焼鋼は、あまり有利な材料ではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、短縮された時間で浸炭可能な肌焼鋼を提供するとともに、その肌焼鋼を用いて、すぐれた物性をもった機械構造用の浸炭部品を有利に製造する方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の短時間で浸炭可能な肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜１．０％、Ｃｒ：０．３〜２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％およびＮ：０．００１〜０．０２０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有し、式１により定義される炭素拡散の活性化エネルギーＱの値を３４０００（ｋｃａ１）以下に選んだ肌焼鋼である。
【０００７】
本発明の浸炭部品は、上記の肌焼鋼を部品形状に成形し、プラズマ浸炭法または真空浸炭法により、浸炭時間Ｔｃと拡散時間Ｔｄとの比Ｔｃ／Ｔｄが０．４〜０．７となる条件で浸炭を行なって得た浸炭部品である。
【０００８】
【発明の実施形態】
短縮された時間で一定量の浸炭を実現するには、炭素拡散の活性化エネルギーを下げ、拡散定数を増大させることが必要であって、このような観点から発明者が採択したのは、肌焼鋼の合金組成を選択するに当たり、拡散定数を増大させる成分、具体的にはＳｉを増量するともに、拡散定数を減少させる成分、具体的にはＭｎ，ＣｒおよびＭｏは低減する。
【０００９】
本発明の肌焼鋼は、上記した合金成分に加えて、下記のグループに属する成分の一つまたは二つを、任意に添加した合金組成とすることができる。
Ｉ）Ｎｉ：０．０５〜３．００％およびＭｏ：０．０５〜１．００％の１種または２種
ＩＩ）Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１〜０．２０％およびＢ：０．００１〜０．０１０％の１種または２種以上
【００１０】
本発明の肌焼鋼において、合金組成を上記のように選択した理由を、以下に説明する。
【００１１】
Ｃ：０．１０〜０．３５％
Ｃは、部品の芯部の強度を確保するために必要であり、前記したトランスミッションギアのような部品に要求される芯部強度を得るには、下限の０．１０％以上のＣが必要である。一方、多量のＣの存在は靭性を低下させ、そのことはまたこの種部品にとって致命的な問題になるから、上限の０．３５％までの添加に止める。
【００１２】
Ｓｉ：０．５〜２．０％
Ｓｉは脱酸剤として鋼に加えられるが、部品の強度および焼入れ性の確保にも役立つ。前述のように、Ｓｉは炭素拡散の活性化エネルギーを増大させるので、積極的に添加したい。しかし、多量にすぎると加工性が低くなり、肌焼鋼として好ましくない。これらのバランスを考えて、Ｓｉの添加量は、０．５〜２．０％の範囲で決定する。
【００１３】
Ｍｎ：０．３〜１．０％
Ｍｎもまた脱酸剤であるが、Ｓｉと同様に、部品の強度および焼入れ性の確保にも役立つ。これも前述したように、Ｍｎは炭素拡散の活性化エネルギーを減少させる方向に働くので、多量に添加することはできない。０．３〜１．０％の範囲の添加量を選ぶ。
【００１４】
Ｃｒ：０．３〜２．０％
Ｃｒの役割は、部品の強度を確保するため、焼入れ性を高めることにある。この効果を得るためには、少なくとも０．３％のＣｒの添加を要する。多量になると加工性が低下するから、２．０％以内の添加に止める。
【００１５】
Ａｌ：０．０１〜０．１０％
Ａｌは脱酸剤として添加されるが、結晶粒の粗大化を抑制するはたらきもある。そこで、０．０１％以上を添加するが、過大な添加は、やはり加工性を損なうから、０．１０％までの添加量を選ぶのがよい。
【００１６】
Ｎ：０．００１〜０．０２０％
Ｎは結晶粒の粗大化を防止する作用があるので、少なくとも０．００１％が存在するようにする。この効果は０．０２０％程度で飽和するので、この限界を超えて存在させる意味はない。
【００１７】
Ｎｉ：０．０５〜３．００％およびＭｏ：０．０５〜１．００％の１種または２種
これらの成分の役割は、焼入れ性を高めて部品の強度を増大させることにある。この効果を得るためには、少なくとも、Ｎｉで０．０５％、Ｍｏでも０．０５％の添加を要する。多量に加えると加工性が低下するから、Ｎｉは３．００％、Ｍｏは１．００％以内の添加に止める。
【００１８】
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１〜０．２０％およびＢ：０．００１〜０．０１０％の１種または２種以上
これらの元素は、いずれも結晶粒の粗大化を抑制する効果を有するから、下限値である、Ｎｂ：０．０１％、Ｔｉ：０．０１％、Ｂ：０．００１％以上の１種または２種以上を添加することが好ましい。この効果は、上限値である、Ｎｂ：０．１０％、Ｔｉ：０．２０％、Ｂ：０．０１０％あたりで飽和するから、それを超える添加は適切でない。
【００１９】
炭素拡散の活性化エネルギーＱ≦３４０００（ｋｃａ１）
いうまでもなく、炭素の拡散に要する活性化エネルギーが低い方が、浸炭が進みやすいので、処理に要する時間が短縮できる。この効果は、Ｑの値が３４０００を下回ると顕著になる。前述のように、ＳｉはＱを低下させ、Ｍｎ，ＣｒおよびＭｏは上昇させ、それぞれの影響は式１に表されるとおりである。
【００２０】
式２により定義される（％は質量％）硬さ指数Ｙの値：９０ＨＲＢ以下
肌焼鋼の加工性は、式２で表される硬さ指数Ｙによって決定される。Ｙの値が９０ＨＲＢ以下であれば、浸炭部品への製造が容易である。
【００２１】
浸炭時間Ｔｃと拡散時間Ｔｄとの比Ｔｃ／Ｔｄ：０．４〜０．７
本発明の肌焼鋼は、プラズマ浸炭法または真空浸炭法により、上記の条件で浸炭を行なうことが好ましい。それにより、表面炭素濃度および表面から内部に向かっての炭素濃度プロファイルが適切なものとなる。
【００２２】
表面炭素濃度は、できるだけ高くして、炭素濃度プロファイルを底上げすることが望まれるが、浸炭製品の表面において粒界炭化物を生成させないことも肝要である。表面から深さ０．１ｍｍまでの平均炭素濃度Ｘの値にして、０．７５〜０．８５（質量％）の範囲が、こうした観点から適切である。
【００２３】
【実施例】
［肌焼鋼の製造］
表１に掲げた合金成分を有する肌焼鋼を溶解し、５０ｋｇのインゴットに鋳造した。各インゴットを、１２５０℃×２時間の加熱の後、鍛造して直径３２ｍｍの丸棒とした。鍛造後は空冷し、焼きならし処理した。
［浸炭試験］
上記の丸棒素材から下記の試験片を採取し、表２に示す条件で浸炭処理した。試験片：直径２５ｍｍ、長さ１３０ｍｍの浸炭性試験片
浸炭条件：ＥＣＤ（有効浸炭深さｍｍ）＝０．８となるように設定した。
【００２４】
各肌焼鋼のＱおよびＹの値、浸炭部品の表面硬さおよび芯部硬さ、ＥＣＤ、３５％硬さおよび表面Ｃ濃度（％）を算出または測定し、表２にまとめて示した。
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【発明の効果】
本発明に従う特定の合金組成を有し、炭素拡散の活性化エネルギーＱの値を、式１を満たすように一定値以下に抑えた肌焼鋼は、従来の肌焼鋼にくらべて、はるかに短縮された熱処理時間で浸炭処理することが可能である。それによって、浸炭部品の製造コストを低減することができる。
【００２８】
好ましい実施態様に従って、特定量のＮｉまたはＭｏを添加した合金組成の肌焼鋼は、焼入れ性が高く、部品の強度を増大できるという利益が得られる。別の好ましい実施態様に従って、特定量のＮｂ、ＴｉおよびＢの１種または２種以上を添加した合金組成の肌焼鋼を材料とすれば、結晶粒の粗大化が抑制され、靱性の高い浸炭部品が得られる。式２により定義される硬さ指数Ｙを一定値以下に抑えた肌焼鋼は、浸炭部品への製造性がすぐれている。
【００２９】
このような肌焼鋼を浸炭処理するに適した本発明の浸炭方法は、プラズマ浸炭法または真空浸炭法を採用するとともに、浸炭時間と拡散時間とのバランスを適切に選択することによって、表面炭素濃度および炭素濃度プロファイルが好適な浸炭製品を与える。
【産業上の利用分野】
本発明は、肌焼鋼と、それを使用した浸炭部品に関する。本発明の肌焼鋼は短時間で浸炭可能であるから、とくにプラズマ浸炭法、真空浸炭法により浸炭処理を施される機械構造用部品、たとえば自動車のトランスミッションギアなど、疲労強度が要求される部品の製造に本発明は好適である。
【０００２】
【従来の技術】
トランスミッションギアのような機械構造用部品は、耐衝撃特性と疲労強度にすぐれていることが要求されるため、熱間・温間の鍛造および切削加工により所定の部品形状に成形後、浸炭処理を施して部品とするのが普通である。
【０００３】
一方、部品の製作には、生産コストを低減し作業環境を改善するという意図から、歩留まりが高く寸法精度のよい冷間加工が採用されている。肌焼鋼に対する十分な浸炭深さを得るため、浸炭工程では、部品を高温に加熱し、長時間その温度に保持する必要があり、この作業が浸炭部品のコストを高いものにしていた。
【０００４】
現在、肌焼鋼としてはＪＩＳ−ＳＣＲ４２０が広く用いられている。この鋼は部品への製造性はすぐれているものの、浸炭に長時間を要するので、それを短縮することが望まれていた。そこで、十分な浸炭深さを得ながら、浸炭時間を短縮することができる肌焼鋼の開発が進められている。その代表として、Ｃ含有量を増加させた鋼棒が提供されているが、Ｃは素材硬さを高めて部品への製造性を低下させるため、高Ｃの肌焼鋼は、あまり有利な材料ではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、短縮された時間で浸炭可能な肌焼鋼を提供するとともに、その肌焼鋼を用いて、すぐれた物性をもった機械構造用の浸炭部品を有利に製造する方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の短時間で浸炭可能な肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜１．０％、Ｃｒ：０．３〜２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％およびＮ：０．００１〜０．０２０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有し、式１により定義される炭素拡散の活性化エネルギーＱの値を３４０００（ｋｃａ１）以下に選んだ肌焼鋼である。
本発明の浸炭部品は、上記の肌焼鋼を部品形状に成形し、プラズマ浸炭法または真空浸炭法により、浸炭時間Ｔｃと拡散時間Ｔｄとの比Ｔｃ／Ｔｄが０．４〜０．７となる条件で浸炭を行なって得た浸炭部品である。
【０００８】
【発明の実施形態】
短縮された時間で一定量の浸炭を実現するには、炭素拡散の活性化エネルギーを下げ、拡散定数を増大させることが必要であって、このような観点から発明者が採択したのは、肌焼鋼の合金組成を選択するに当たり、拡散定数を増大させる成分、具体的にはＳｉを増量するともに、拡散定数を減少させる成分、具体的にはＭｎ，ＣｒおよびＭｏは低減する。
【０００９】
本発明の肌焼鋼は、上記した合金成分に加えて、下記のグループに属する成分の一つまたは二つを、任意に添加した合金組成とすることができる。
Ｉ）Ｎｉ：０．０５〜３．００％およびＭｏ：０．０５〜１．００％の１種または２種
ＩＩ）Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１〜０．２０％およびＢ：０．００１〜０．０１０％の１種または２種以上
【００１０】
本発明の肌焼鋼において、合金組成を上記のように選択した理由を、以下に説明する。
【００１１】
Ｃ：０．１０〜０．３５％
Ｃは、部品の芯部の強度を確保するために必要であり、前記したトランスミッションギアのような部品に要求される芯部強度を得るには、下限の０．１０％以上のＣが必要である。一方、多量のＣの存在は靭性を低下させ、そのことはまたこの種部品にとって致命的な問題になるから、上限の０．３５％までの添加に止める。
【００１２】
Ｓｉ：０．５〜２．０％
Ｓｉは脱酸剤として鋼に加えられるが、部品の強度および焼入れ性の確保にも役立つ。前述のように、Ｓｉは炭素拡散の活性化エネルギーを増大させるので、積極的に添加したい。しかし、多量にすぎると加工性が低くなり、肌焼鋼として好ましくない。これらのバランスを考えて、Ｓｉの添加量は、０．５〜２．０％の範囲で決定する。
【００１３】
Ｍｎ：０．３〜１．０％
Ｍｎもまた脱酸剤であるが、Ｓｉと同様に、部品の強度および焼入れ性の確保にも役立つ。これも前述したように、Ｍｎは炭素拡散の活性化エネルギーを減少させる方向に働くので、多量に添加することはできない。０．３〜１．０％の範囲の添加量を選ぶ。
【００１４】
Ｃｒ：０．３〜２．０％
Ｃｒの役割は、部品の強度を確保するため、焼入れ性を高めることにある。この効果を得るためには、少なくとも０．３％のＣｒの添加を要する。多量になると加工性が低下するから、２．０％以内の添加に止める。
【００１５】
Ａｌ：０．０１〜０．１０％
Ａｌは脱酸剤として添加されるが、結晶粒の粗大化を抑制するはたらきもある。そこで、０．０１％以上を添加するが、過大な添加は、やはり加工性を損なうから、０．１０％までの添加量を選ぶのがよい。
【００１６】
Ｎ：０．００１〜０．０２０％
Ｎは結晶粒の粗大化を防止する作用があるので、少なくとも０．００１％が存在するようにする。この効果は０．０２０％程度で飽和するので、この限界を超えて存在させる意味はない。
【００１７】
Ｎｉ：０．０５〜３．００％およびＭｏ：０．０５〜１．００％の１種または２種
これらの成分の役割は、焼入れ性を高めて部品の強度を増大させることにある。この効果を得るためには、少なくとも、Ｎｉで０．０５％、Ｍｏでも０．０５％の添加を要する。多量に加えると加工性が低下するから、Ｎｉは３．００％、Ｍｏは１．００％以内の添加に止める。
【００１８】
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１〜０．２０％およびＢ：０．００１〜０．０１０％の１種または２種以上
これらの元素は、いずれも結晶粒の粗大化を抑制する効果を有するから、下限値である、Ｎｂ：０．０１％、Ｔｉ：０．０１％、Ｂ：０．００１％以上の１種または２種以上を添加することが好ましい。この効果は、上限値である、Ｎｂ：０．１０％、Ｔｉ：０．２０％、Ｂ：０．０１０％あたりで飽和するから、それを超える添加は適切でない。
【００１９】
炭素拡散の活性化エネルギーＱ≦３４０００（ｋｃａ１）
【００２０】
式２により定義される（％は質量％）硬さ指数Ｙの値：９０ＨＲＢ以下
【００２１】
浸炭時間Ｔｃと拡散時間Ｔｄとの比Ｔｃ／Ｔｄ：０．４〜０．７
本発明の肌焼鋼は、プラズマ浸炭法または真空浸炭法により、上記の条件で浸炭を行なうことが好ましい。それにより、表面炭素濃度および表面から内部に向かっての炭素濃度プロファイルが適切なものとなる。
【００２２】
表面炭素濃度は、できるだけ高くして、炭素濃度プロファイルを底上げすることが望まれるが、浸炭製品の表面において粒界炭化物を生成させないことも肝要である。表面から深さ０．１ｍｍまでの平均炭素濃度Ｘの値にして、０．７５〜０．８５（質量％）の範囲が、こうした観点から適切である。
【００２３】
【実施例】
［肌焼鋼の製造］
表１に掲げた合金成分を有する肌焼鋼を溶解し、５０ｋｇのインゴットに鋳造した。各インゴットを、１２５０℃×２時間の加熱の後、鍛造して直径３２ｍｍの丸棒とした。鍛造後は空冷し、焼きならし処理した。
［浸炭試験］
上記の丸棒素材から下記の試験片を採取し、表２に示す条件で浸炭処理した。試験片：直径２５ｍｍ、長さ１３０ｍｍの浸炭性試験片
浸炭条件：ＥＣＤ（有効浸炭深さｍｍ）＝０．８となるように設定した。
【００２４】
各肌焼鋼のＱおよびＹの値、浸炭部品の表面硬さおよび芯部硬さ、ＥＣＤ、３５％硬さおよび表面Ｃ濃度（％）を算出または測定し、表２にまとめて示した。
【００２５】
【発明の効果】
本発明に従う特定の合金組成を有し、炭素拡散の活性化エネルギーＱの値を、式１を満たすように一定値以下に抑えた肌焼鋼は、従来の肌焼鋼にくらべて、はるかに短縮された熱処理時間で浸炭処理することが可能である。それによって、浸炭部品の製造コストを低減することができる。
【００２８】
好ましい実施態様に従って、特定量のＮｉまたはＭｏを添加した合金組成の肌焼鋼は、焼入れ性が高く、部品の強度を増大できるという利益が得られる。別の好ましい実施態様に従って、特定量のＮｂ、ＴｉおよびＢの１種または２種以上を添加した合金組成の肌焼鋼を材料とすれば、結晶粒の粗大化が抑制され、靱性の高い浸炭部品が得られる。式２により定義される硬さ指数Ｙを一定値以下に抑えた肌焼鋼は、浸炭部品への製造性がすぐれている。
【００２９】
このような肌焼鋼を浸炭処理するに適した本発明の浸炭方法は、プラズマ浸炭法または真空浸炭法を採用するとともに、浸炭時間と拡散時間とのバランスを適切に選択することによって、表面炭素濃度および炭素濃度プロファイルが好適な浸炭製品を与える。
Claims (6)
- 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜１．０％、Ｃｒ：０．３〜２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％およびＮ：０．００１〜０．０２０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有し、式１により定義される炭素拡散の活性化エネルギーＱの値が３４０００（ｋｃａ１）以下である、短時間で浸炭可能な肌焼鋼。
- 請求項１に記載の合金成分に加えて、さらに、Ｎｉ：０．０５〜３．００％およびＭｏ：０．０５〜１．００％の１種または２種を含有する請求項１の肌焼鋼。
- 請求項１または２に記載の合金成分に加えて、さらに、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０１〜０．２０％およびＢ：０．００１〜０．０１０％の１種または２種以上を含有する請求項１または２の肌焼鋼。
- 式２により定義される（％は質量％）硬さ指数Ｙの値が９０ＨＲＢ以下である、浸炭部品への製造性にすぐれた請求項１ないし３のいずれかの肌焼鋼。
- 請求項１ないし４のいずれかに記載の肌焼鋼を部品形状に成形し、プラズマ浸炭法または真空浸炭法により、浸炭時間Ｔｃと拡散時間Ｔｄとの比Ｔｃ／Ｔｄが０．４〜０．７となる条件で浸炭を行なって得た浸炭部品。
- 表面から深さ０．１ｍｍまでの平均炭素濃度Ｘの値が０．７５〜０．８５（質量％）である請求項５の浸炭部品。
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| JP2003199390A JP4066903B2 (ja) | 2003-07-18 | 2003-07-18 | 短時間で浸炭可能な肌焼鋼および浸炭部品 |
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| JP2006249570A (ja) * | 2005-03-14 | 2006-09-21 | Sanyo Special Steel Co Ltd | 耐粗粒化特性に優れた高温浸炭用鋼及びその製法並びに高温浸炭用素形品およびその浸炭焼入れ方法 |
| WO2011111269A1 (ja) * | 2010-03-10 | 2011-09-15 | 新日本製鐵株式会社 | 低サイクル曲げ疲労強度に優れた浸炭鋼部品 |
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2003
- 2003-07-18 JP JP2003199390A patent/JP4066903B2/ja not_active Expired - Fee Related
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