JP2007284739A - 鋼製部品及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】浸炭焼入れ後に再度加熱して浸炭焼入れされる鋼製部品であって、生地の鋼が、質量%で、C:0.08〜0.4%、Si:0.03〜2.0%、Mn:0.3〜2.5%、P≦0.04%、S≦0.2%、Cr:0.1〜3.5%、Al:0.01〜0.05%及びN:0.0050〜0.0200%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、不純物中のTi≦0.01%及びO≦0.003%の化学組成を有し、かつ、再加熱での浸炭焼入れ後の表面から50μm以内の部位において、旧オーステナイト結晶粒度番号が11番以上、粒径0.5μm以下の析出炭化物の面密度が10個/10μm2以上及び析出炭化物の平均粒径が1μm以下である鋼製部品。なお、Nb≦:0.1%、V≦0.4%、Mo≦2.0%のうちの1種以上を含有してもよい。
【選択図】なし
Description
C:0.08〜0.4%
Cは、再加熱での浸炭焼入れ後の鋼製部品の強度、靱性に影響を及ぼす元素である。すなわち、Cの含有量が0.08%未満では、再加熱での浸炭焼入れ後の中心部、つまり、生地の硬さが低下して、部品としての強度を確保できない。一方、その含有量が0.4%を超えると、再加熱での浸炭焼入れ後の中心部の硬さが上昇し過ぎて、部品の靱性が低下する。したがって、Cの含有量を0.08〜0.4%とした。なお、Cの含有量は0.1〜0.25%にすることが好ましい。
Siは、鋼の脱酸に有効な元素であり、また、鋼製部品を高温下で使用するに際して、硬さの低下を抑制する作用がある。しかしながら、Siの含有量が0.03%未満では添加効果に乏しい。一方、Siの含有量が2.0%を超えると、熱間加工性や冷間加工性が劣化する。したがって、Siの含有量を0.03〜2.0%とした。なお、Si含有量の望ましい範囲は0.2〜1.0%である。
Mnは、脱酸作用を有する。Mnには、焼入れ性を向上させる作用があり、再加熱での浸炭焼入れにおける浸炭硬化層の硬さ上昇に寄与するほか、再加熱する前の浸炭(以下、「1次の浸炭」ともいう。)焼入れ後、その浸炭層のマルテンサイト化にも寄与する。上記の効果はMnの含有量が0.3%以上で得られる。しかしながら、Mnの含有量が2.5%を超えると、素材の被削性や加工性が劣化する。したがって、Mnの含有量を0.3〜2.5%とした。なお、Mnの含有量は0.3〜1.5%にすることが好ましい。
Pは、鋼製部品の靱性を低下させ、特に、その含有量が0.04%を超えると、鋼製部品の靱性の低下が著しくなる。したがって、Pの含有量を0.04%以下とした。なお、鋼製部品に良好な靱性を具備させるためには、Pの含有量は0.03%以下にすることが好ましい。
Sは、鋼製部品の靱性を低下させ、特に、その含有量が0.2%を超えると、鋼製部品の靱性低下が著しくなる。したがって、Sの含有量を0.2%以下とした。鋼製部品に良好な靱性を具備させるためには、Sの含有量は0.1%以下にすることが好ましい。なお、Sには素材の被削性を高める作用があるので、Sのこの効果を得たい場合には、特に0.01〜0.1%の範囲で含有させるのがよい。
Crは、焼入れ性を向上させる作用があり、再加熱での浸炭焼入れにおける浸炭硬化層の硬さ上昇に寄与するほか、1次の浸炭焼入れ後、その浸炭層のマルテンサイト化にも寄与する。上記の効果を得るためには、0.1%以上のCrを含有させる必要がある。しかしながら、Crの含有量が3.5%を超えると、素材の被削性や加工性が劣化する。したがって、Crの含有量を0.1〜3.5%とした。なお、Crの含有量は0.1〜2%にすることが好ましい。
Alは、Nと結合してAlNを形成し、オーステナイト領域での結晶粒粗大化を抑制する作用がある。この効果を得るためにはAlの含有量を0.01%以上とする必要がある。しかしながら、Alを過剰に含有すると熱間加工性の低下をきたし、特に、その含有量が0.05%を超えると熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Alの含有量を0.01〜0.05%とした。なお、Alの含有量は0.02〜0.04%にすることが好ましい。
Nは、Alと結合してAlNを形成し、オーステナイト領域での結晶粒粗大化を抑制する作用がある。この効果を得るためにはNの含有量を0.0050%以上とする必要がある。しかしながら、Nを過剰に含有すると熱間加工性の低下をきたし、特に、その含有量が0.0200%を超えると熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Nの含有量を0.0050〜0.0200%とした。
Tiは、Nと結び付いてTiNを形成する。TiNは粗大であるため、浸炭時の結晶粒微細化や結晶粒粗大化抑制に寄与しないばかりか、AlNやNb(C、N)の析出サイトとなるため、熱間圧延等の熱間加工時にAlNやNb(C、N)が粗大に析出して、再加熱時に結晶粒の成長を抑制できなくなる。したがって、不純物中のTiの含有量は0.01%以下とした。なお、Tiの含有量は0.008%以下にすることが好ましい。
Oは、鋼中でAl2O3のような酸化物系介在物を形成する。酸化物系介在物が鋼中に多量に存在すると、AlNの析出サイトとなり、熱間圧延等の熱間加工時にAlNが粗大に析出し、再加熱時に結晶粒の成長を抑制できなくなる。特に、Oの含有量が0.003%を超えると、鋼中における酸化物系介在物の量が極めて多くなって、再加熱時の結晶粒成長が著しくなってしまう。したがって、Oの含有量を0.003%以下とした。なお、不純物元素としてのOの含有量はできる限り少なくすることが望ましく、0.0025%以下にすることが好ましい。
第1群:Nb:0.1%以下及びV:0.4%以下のうちの1種又は2種、
第2群:Mo:2.0%以下、
の少なくとも1つの群の元素のうち1種以上を含有させることができる。すなわち、前記第1群と第2群の少なくとも1つの群の元素のうち1種以上を、Feの一部に代えて、任意添加元素として含有させてもよい。
Nbは、炭窒化物を形成して、浸炭時の粗粒化や混粒化を抑制し、また、再加熱後の細粒化や粒度ばらつきの抑制に寄与する。更に、1次の浸炭の際にマトリックスであるオーステナイト相に固溶しているNbは、再加熱での浸炭焼入れ時に炭窒化物を形成して細粒化に直接寄与する。しかしながら、0.1%を超えてNbを含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Nbを含有させる場合の含有量を0.1%以下とした。なお、前記したNbの効果を確実に得るためには、その含有量を0.02%以上とすることが好ましい。したがって、より望ましいNbの含有量は0.02〜0.1%である。なお、一層望ましいNbの含有量は0.02〜0.05%である。
Moは、焼入れ性を向上させる作用があり、再加熱での浸炭焼入れにおける浸炭硬化層の硬さ上昇に寄与するほか、1次の浸炭焼入れ後、その浸炭層のマルテンサイト化にも寄与する。しかしながら、2.0%を超えてMoを含有させると、素材の被削性や加工性が劣化する。したがって、Moを含有させる場合の含有量を2.0%以下とした。なお、前記したMoの効果を確実に得るためには、その含有量を0.05%以上とすることが好ましい。したがって、より望ましいMoの含有量は0.05〜2.0%である。なお、一層望ましいMoの含有量は0.05〜1.0%である。
(B−1)旧オーステナイト結晶粒度番号:
再加熱での浸炭焼入れ後の表面から50μm以内の部位における旧オーステナイト結晶粒度番号は、鋼製部品の強度、靱性及び曲げ疲労強度に大きな影響を及ぼし、結晶粒度番号が大きいほど、すなわち、結晶粒径が小さいほど、これらの特性は向上し、特に、前記部位における旧オーステナイト結晶粒度番号が11番以上の場合に、上記特性のうちでも曲げ疲労強度が著しく向上する。したがって、再加熱での浸炭焼入れ後の表面から50μm以内の部位における旧オーステナイト結晶粒度番号を11番以上とした。
再加熱での浸炭焼入れ後の表面から50μm以内の部位において、粒径0.5μm以下の析出炭化物の面密度が10個/10μm2未満の場合には、上記(B−1)項に記載の旧オーステナイト結晶粒度番号で11番以上の細粒組織が得られず、このために、本発明が課題とする良好な曲げ疲労強度、例えば、一般的に歯車等に用いられている表層を0.8%C程度となるようにガス浸炭処理した肌焼鋼(SCr420)より、20%以上向上した曲げ疲労強度を有するとともに、後述の実施例で述べるピッチング試験を行った場合のピッチング強度で表層を0.8%C程度となるようにガス浸炭処理した肌焼鋼(SCr420)より、20%以上向上するという良好な耐ピッチング性を確保することができない。したがって、再加熱での浸炭焼入れ後の表面から50μm以内の部位における粒径0.5μm以下の析出炭化物の面密度を10個/10μm2以上とした。
本発明が課題とする良好な曲げ疲労強度、例えば、一般的に歯車等に用いられている表層を0.8%C程度となるようにガス浸炭処理した肌焼鋼(SCr420)より、20%以上向上した曲げ疲労強度を有するとともに、後述の実施例で述べるピッチング試験を行った場合のピッチング強度で表層を0.8%C程度となるようにガス浸炭処理した肌焼鋼(SCr420)より、20%以上向上するという良好な耐ピッチング性を確保するためには、再加熱での浸炭焼入れ後の表面から50μm以内の部位において、上記(B−1)項の旧オーステナイト結晶粒度番号が11番以上及び(B−2)の粒径0.5μm以下の析出炭化物の面密度が10個/10μm2以上という規定に加えて、析出炭化物の平均粒径を1μm以下とする必要がある。
前記(A)項に記載の生地の化学組成及び(B)項に記載の再加熱での浸炭焼入れ後の表面から50μm以内の部位における組織を有する本発明(1)〜(3)に係る鋼製部品は、例えば、「925℃以上の温度域でカーボンポテンシャルを1.0〜1.5%として浸炭した後、10℃/秒以上の冷却速度で焼入れし、更に、10℃/秒以下の昇温速度で生地のAc1点以上で890℃以下の温度に再加熱し、カーボンポテンシャルを0.9〜1.2%として浸炭した後、焼入れする」ことを特徴とする前記本発明(4)によって比較的容易に製造することができる。
(C−1−1)浸炭温度:
浸炭は、拡散現象を利用する処理であり、低温で浸炭を行う場合には、鋼製部品中に十分なCを拡散させるために長時間の加熱処理を行うことが必要となって、コストが嵩んでしまう。このため、短時間で鋼製部品中に十分なCを拡散させるために、925℃以上の温度で浸炭処理するのがよい。
1次の浸炭での浸炭層の固溶炭素濃度を高くしておけば、再加熱での浸炭焼入れ後の旧オーステナイト結晶粒径を微細にすることができる。そして、1次の浸炭におけるカーボンポテンシャルを高くすることで、特に、1次の浸炭におけるカーボンポテンシャルを1.0%以上とすることで、前記1次の浸炭での浸炭層の固溶炭素濃度が高まって、再加熱での浸炭焼入れ後に浸炭層組織を微細化することができるので、前記1次の浸炭におけるカーボンポテンシャルは1.0%以上とするのがよい。一方、1次の浸炭におけるカーボンポテンシャルが高すぎて炭素量がAccm点を超えると、オーステナイト粒界に粗大な初析セメンタイトが析出し、曲げ疲労強度の低下を招き、特に、1.5%を超えると、オーステナイト粒界に多くの粗大な初析セメンタイトが析出して、曲げ疲労強度の低下が著しくなるので、前記1次の浸炭におけるカーボンポテンシャルは1.5%以下とするのがよい。
1次の浸炭後は、10℃/秒以上の冷却速度で焼入れするのがよい。これは、冷却速度を10℃/秒以上で焼入れすれば、1次の浸炭層がマルテンサイト化し、次に行う再加熱の途上でマルテンサイトからの逆変態で微細化したオーステナイトを生成できるとともに浸炭層に微細な炭化物を析出させることができ、この炭化物が、マルテンサイトからの逆変態で微細化したオーステナイトの粒成長を有効に抑制することができるからである。
前記(C−1)項に記載の1次の浸炭焼入れ後、更に、再度加熱して浸炭焼入れすることによって、マルテンサイトからの逆変態で微細化したオーステナイトを生成できるとともに浸炭層に微細な炭化物を析出させることができ、この炭化物が、マルテンサイトからの逆変態で微細化したオーステナイトの粒成長を有効に抑制する。この再加熱での浸炭焼入れは次の条件で行うのがよい。
再加熱時の昇温速度は、セメンタイトと合金炭化物の析出に影響する。そして、再加熱時の昇温速度が10℃/秒以下であれば、セメンタイトと合金炭化物が微細に多く析出して、オーステナイト結晶粒の微細化が容易になるので、再加熱時の昇温速度は、10℃/秒以下とするのがよい。
前記昇温速度で再加熱する温度域が生地のAc1点以上であれば、マルテンサイトからの逆変態による微細化したオーステナイトが得られ、また、890℃以下であれば、オーステナイトの粒成長が抑制されて、再加熱での浸炭焼入れ後の表面から50μm以内の部位において旧オーステナイト結晶粒度番号が安定して11番以上となるので、再加熱温度は、生地のAc1点以上で890℃以下とするのがよい。
再加熱温度域でのカーボンポテンシャルを0.9〜1.2%として浸炭すれば、一度析出した炭化物がマトリックスのオーステナイトに固溶せず、しかも、微細に存在して、オーステナイト結晶粒を微細化できるので、再加熱での浸炭のカーボンポテンシャルは、0.9〜1.2%とするのがよい。
前記(C−2−1)〜(C−2−3)に記載の再加熱浸炭した後に焼入れすれば、表面を硬化させ、比較的容易に曲げ疲労強度を高めることができる。
Claims (4)
- 浸炭焼入れ後に再度加熱して浸炭焼入れされる鋼製部品であって、生地の鋼が、質量%で、C:0.08〜0.4%、Si:0.03〜2.0%、Mn:0.3〜2.5%、P:0.04%以下、S:0.2%以下、Cr:0.1〜3.5%、Al:0.01〜0.05%及びN:0.0050〜0.0200%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、不純物中のTiは0.01%以下及びO(酸素)は0.003%以下の化学組成を有し、かつ、再加熱での浸炭焼入れ後の表面から50μm以内の部位において、旧オーステナイト結晶粒度番号が11番以上、粒径0.5μm以下の析出炭化物の面密度が10個/10μm2以上及び析出炭化物の平均粒径が1μm以下であることを特徴とする鋼製部品。
- 生地の鋼の化学組成が、Feの一部に代えて、Nb:0.1%以下及びV:0.4%以下のうちの1種又は2種を含有する請求項1に記載の鋼製部品。
- 生地の鋼の化学組成が、Feの一部に代えて、Mo:2.0%以下を含有する請求項1又は2に記載の鋼製部品。
- 925℃以上の温度域でカーボンポテンシャルを1.0〜1.5%として浸炭した後、10℃/秒以上の冷却速度で焼入れし、更に、10℃/秒以下の昇温速度で生地のAc1点以上で890℃以下の温度に再加熱し、カーボンポテンシャルを0.9〜1.2%として浸炭した後、焼入れすることを特徴とする請求項1から3までのいずれかに記載の鋼製部品の製造方法。
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