JP2010007119A

JP2010007119A - 高強度浸炭部品の製造方法

Info

Publication number: JP2010007119A
Application number: JP2008165996A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Nishikawa; 元裕西川
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2010-01-14

Abstract

【課題】真空浸炭焼入れし、かつ１回以上のズブ焼入れを繰り返すことにより結晶粒を微細化することで、従来にない優れた衝撃強度、曲げ強度を有する浸炭部品を製造する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４５％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．１０〜２．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．２０％以下、Ｃｒ：３．０％以下、Ｃｕ：０．３％以下、Ａｌ：０．００１〜０．１０％、Ｔｉ：０．００１％未満、Ｎ：０．０１〜０．０５％を含有し、さらにＮｂ：０．０２〜０．５０％、Ｖ：０．０２〜０．５０％のいずれか１種もしくは２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用い、機械加工もしくは鍛造によって部品形状に成形した後、真空浸炭焼入れを行い、その後に１回以上のズブ焼入れを行った後、これを焼戻すことにより浸炭部品を製造する。
【選択図】図３

Description

この発明は、はだ焼鋼から浸炭焼入・焼戻し処理してなる浸炭部品の製造、例えば、自動車、建設機械、工作機械などのギア、ＣＶＪやシャフトなどのはだ焼鋼から浸炭処理してなる浸炭部品の製造に関する。

近年、自動車用部品の高出力・小型軽量化に伴い、ギア、等速ジョイント部品やシャフトなどの浸炭焼入れ・焼戻し処理してなる自動車用部品では、一層の高強度化、長寿命化が要求されている。そこで、ＪＩＳ規格のＳＮＣＭなどのニッケルクロムモリブデン鋼のように合金元素を添加して高強度化を図っている。しかし、このように合金元素を添加して高強度化を図った場合、素材コストが高くなり、冷間加工性が劣るため冷間鍛造ができず、さらに熱間鍛造後そのままでは切削の際に切削バイト寿命が短くなるため、焼鈍などの熱処理が必要となる問題がある。

一方、結晶粒微細化により鋼の強度が向上することが知られているが、この方法は合金元素の添加なしに高強度化でき、素材の鍛造性や切削性といった加工性を低下させず、延性や靭性を損なわず高強度化できることから極めて有効な方法であると言える。

結晶粒を微細化させる方法として加工熱処理による方法があるが、この場合、成形加工と熱処理を組み合わせるため、成形加工の難しいものには適用できないなど、部品形状が限定され、自動車のギア、ＣＶＪやシャフトなどには適用が難しいという問題がある。

これらの問題点を解消するために、浸炭後に繰返し焼入れを行うことにより、積極的に旧オーステナイト粒を微細化して強度を向上させることができる高強度はだ焼鋼が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

しかし、特許文献１の方法では、浸炭前のはだ焼鋼をＪＩＳＧ０５５１で規定されている粒度番号Ｎｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織とする必要があり、コストが高いという問題がある。

また、特許文献１および特許文献２では、浸炭焼入れ後、繰返し焼入れを行うことによって旧オーステナイト粒径を微細化しているが、これらの方法では強度向上が十分とはいえないという問題がある。

特開２００３−３４８４３号公報特開平８−９２６９０号公報

上記の特許文献１あるいは特許文献２に記載の技術に対し、鋼材をより一層高強度化する方法を鋭意検討したところ、従来のガス浸炭を行った鋼において結晶粒径を小さくしても、ある粒径で強度は飽和してしまうことを見いだした。これはガス浸炭時に部品表面に浸炭異常層や粒界酸化層が生成し、その深さ以上に旧オーステナイト粒径を微細化しても、浸炭異常層や粒界酸化層が初期欠陥として作用し、旧オーステナイト粒の微細化効果がなくなったことによると推定された。そこで、表面の浸炭異常層を除去したところ、強度の飽和現象は見られず、結晶粒径が小さくなればなるほど強度は向上することを発明者は見いだした。

すなわち、本発明が解決しようとする課題は、浸炭した鋼部品において、真空浸炭を行うことにより、表面欠陥として作用する浸炭異常層を防止するとともに、従来に比して結晶粒を超微細化することによる相乗作用により、従来にまして優れた衝撃強度および曲げ強度を有する浸炭部品を製造する方法を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４５％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．１０〜２．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．２０％以下、Ｃｒ：０．０３〜３．０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００１〜０．１０％、Ｔｉ：０．００１％未満、Ｎ：０．０１〜０．０５％を含有し、さらにＮｂ：０．０２〜０．５０％、Ｖ：０．０２〜０．５０％のいずれか１種もしくは２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用い、機械加工もしくは鍛造によって部品形状に成形した後、真空浸炭焼入れを行い、その後に１回以上のズブ焼入れを行った後、これを焼戻すことにより浸炭部品を製造することを特徴とする衝撃強度および曲げ強度に優れた浸炭部品の製造方法。

請求項２の発明では、請求項１の鋼成分に加え、さらに質量％で、Ｎｉ：０．２０〜５．０％、Ｍｏ：０．０５〜３．０％のいずれか１種もしくは２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用い、機械加工もしくは鍛造によって部品形状に成形した後、真空浸炭焼入れを行い、その後に１回以上のズブ焼入れを行った後、これを焼戻すことにより浸炭部品を製造することを特徴とする衝撃強度および曲げ強度に優れた浸炭部品の製造方法。

上記の方法における鋼材の成分を限定した理由を以下に説明する。なお、％は質量％を示す。

Ｃ：０．１０〜０．４５％、望ましくは、Ｃ：０．１０〜０．２５％
Ｃは機械構造用部品として浸炭処理後の芯部強度を確保するために必要な元素である。Ｃが０．１０％未満では、その効果は十分に得られず、０．４５％を超えると加工性を低下し、かつ靱性を低下させる。そこで、Ｃは０．１０〜０．４５％、望ましくは０．１０〜０．２５％とする。

Ｓｉ：０．０５〜２．０％
Ｓｉは脱酸に必要な元素で、０．０５％未満では脱酸が十分に得られず、２．０％を超えると加工性を低下させる。そこで、Ｓｉは０．０５〜２．０％とする。

Ｍｎ：０．１０〜２．０％
Ｍｎは焼入性を確保するために必要な元素であるが、０．１０％未満ではその効果は十分に得られず、２．０％を超えると加工性を低下させる。そこで、Ｍｎは０．１０〜２．０％とする。

Ｐ：０．０３０％以下
Ｐはスクラップから含有される不可避な元素であるが、オーステナイト粒界に偏析して衝撃強度や曲げ強度などの靱性を低下するので、含有量の上限を０．０３０％とする。

Ｓ：０．２０％以下
Ｓは被削性を向上させる元素であるが、非金属介在物であるＭｎＳを生成して、横方向の靱性および疲労強度を低下する。そこで、Ｓは０．２０％以下とする。なお、Ｓはなくても良いが、被削性を要する場合にはＳは０．００１〜０.２０％の範囲で添加する。

Ｎｉ：０．２０〜５．０％
Ｎｉは焼入性および靱性を向上させる元素であるが、０．２０％未満ではその効果が十分ではなく、５．０％を超えて含有すると加工性を著しく低下させ、かつ、コストアップとなる。そこで、Ｎｉは０．２０〜５．０％とする。

Ｃｒ：０．３０〜３．０％
Ｃｒは焼入性および浸炭性を向上させる元素であるが、０．３０％未満ではその効果が十分ではなく、３．０％を超えて含有すると加工性を低下する。そこで、Ｃｒは０．３０〜３．０％とする。

Ｍｏ：０．０５〜３．０％
Ｍｏは焼入性および靱性を向上させる元素であるが、０．０５％未満ではその効果が十分ではなく、３．０％を超えて含有すると加工性を低下させる。そこで、Ｍｏは０．０５〜３．０％とする。

Ｃｕ：０．３０％以下
Ｃｕはスクラップから含有される不可避な元素で、時効性を有し強度を上昇させる。しかし、Ｃｕは０．３０％を超えると熱間加工性を低下する。そこで、Ｃｕは０．３０％以下とする。

Ａｌ：０．００１〜０．１０％、望ましくは０．０２〜０．０５０％
Ａｌは脱酸材として使用される元素であり、０．００１％未満では脱酸効果は不十分であり、０．１０％を超えるとアルミナ系酸化物が増加し疲労特性、加工性を低下する。そこで、Ａｌは０．００１〜０．１０％、望ましくは０．０２〜０．０５０％とする。

Ｔｉ：０．００１％未満、望ましくは０．０１％未満
Ｔｉは鋼中のＮと反応しＴｉＮを生成する元素であるが、ＴｉＮが多すぎると被削性、疲労強度を低下させ、浸炭時の結晶粒粗大化防止効果のあるＡｌ、Ｎｂ、Ｖの窒化物、炭窒化物の析出量を減らす。そこで、Ｔｉは０．００１％未満、望ましくは０．０１％未満とする。

Ｎ：０．０１〜０．０５％、望ましくは０．０１〜０．０３％
ＮはＡｌ、Ｎｂ、Ｖと窒化物、炭窒化物を形成し、結晶粒粗大化の防止効果を有する元素であるが、Ｎが０．０１％未満では結晶粒微細化の効果は小さく、０．０５％を超えると、窒化物が増加し、疲労強度および加工性を低下する。そこで、Ｎは０．０１〜０．０５％、望ましくは０．０１〜０．０３％とする。

Ｂ：０．００１０〜０．００５０％
Ｂは極小量の含有によって鋼の焼入性を著しく向上させ、浸炭部品の強度を向上させる元素であるが、０．００１０％未満では焼入性、強度の向上効果が十分ではなく、０．００５０％を超えると強度を低下する。そこで、Ｂは０．００１０〜０．００５０％とする。

Ｖ：０．０２〜０．５０％
Ｖは炭化物あるいは炭窒化物を形成し、オーステナイト結晶粒度の粗大化を抑制する効果を有するが０．０２％未満ではその効果が十分得られず、０．５０％を超えると析出物の量が過剰となり加工性を低下する。そこで、Ｖは０．０２〜０．５０％とする。

Ｎｂ：０．０２〜０．５０％
Ｎｂは炭化物あるいは炭窒化物を形成し、オーステナイト結晶粒度の粗大化を抑制する効果を有するが０．０２％未満ではその効果が十分得られず、０．５０％を超えると析出物の量が過剰となり加工性を低下する。そこで、Ｎｂは０．０２〜０．５０％とする。

Ｎｂ、Ｖを含有せしめる理由
本発明の工程では、浸炭焼入れ後の繰返し焼入れによって結晶粒を微細化する。ところで、繰返し焼入れの際の加熱時に非常に微細なオーステナイト初期粒が生成するが、ＪＩＳＳＣＭ４２０のような鋼では、その後の焼入れ温度までの加熱時に結晶粒が粗大化してしまい微細化しない。この結晶粒の粗大化を防止するために、Ｎｂ、Ｖといったピンニング力の高い元素を含有させる。

真空浸炭とズブ焼入れによる繰返し焼入れによる結晶粒微細化の組合せ、などの工程の限定理由について以下に説明する。

先ず、繰返し焼入れについて説明する。本発明は結晶粒の微細化手法としてズブ焼入れによる繰返し焼入れ法を用いる。しかし、１回の焼入れよりも繰返し２回の焼入れの方がその効果は大きい。ただし、鋼種によっては、３回以上の繰返し焼入れを行うと逆に混粒が発生し、強度も低下するという問題がある。

次いで、真空浸炭と繰返し焼入れによる結晶粒微細化処理の組合せについて説明する。ガス浸炭処理を行う場合、雰囲気中に含まれている酸素が鋼材表面から侵入し、結晶粒界近傍のＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒと結びつき酸化物を形成する。これらの固溶合金成分が少なくなった近傍では、焼入れ性が低下し、焼入れ時にマルテンサイトが生成せずに、トルースタイトやベイナイトが生成する。特に酸素は結晶粒界に沿って侵入し易く、結晶粒界にそって浸炭異常層が生成する。この結晶粒界にそった浸炭異常層は特に粒界酸化層と呼ばれている。鋼材表面に粒界酸化層が生成すると、粒界酸化層は欠陥として作用するため、その深さが深いほど強度が低下することが知られている。

ところで、ガス浸炭した材料は結晶粒径を小さくしていった場合、ある程度までは、結晶粒径が小さくなるほど強度は向上するが、ある粒径以下に小さくしても、強度は飽和して向上しない。この理由としては、粒界酸化層が影響していると推定される。すなわち、結晶粒径が粒界酸化層より大きい場合は、結晶粒径が小さくなればなるほど強度は向上するが、結晶粒径が粒界酸化層より小さくなると、粒界酸化層の方が欠陥として大きくなり、結晶粒微細化の効果が得られないと考えられる。したがって、結晶粒微細化の効果を最大限に発揮させようとすれば、粒界酸化層を低減、もしくは防止することが必須である。一方、粒界酸化層を低減して強度を向上させる方法も知られているが、この方法でも結晶粒が大きければ粒界酸化層の低減の効果が十分に得られず、強度は大きく向上しない。この様に結晶粒の微細化、粒界酸化層の低減のいずれか一方では強度向上効果は小さく、強度向上効果を大きくするためには「結晶粒の微細化」と「粒界酸化層の低減、防止」の両方の組合わせが必要であると考えられる。
また、真空浸炭は減圧下で高温に加熱された炉内に炭化水素系のガスを供給し炉内に挿入された被処理物を浸炭する方法で粒界酸化などの浸炭異常層が生成しないという特長がある。つまり、真空浸炭により粒界酸化層を生成させず、その後に繰返し焼入れにより結晶粒微細化を行うことにより衝撃強度、曲げ強度を大きく向上させることができる。

本発明は、真空浸炭焼入れすることにより粒界酸化などの浸炭異常層を防止することと、真空浸炭焼入れ後に１回以上のズブ焼入れを行うことにより結晶粒を微細化することの両方法の手段でもって、自動車、建設機械、工作機械などのギアやシャフトなどの機械部品の浸炭鋼材による高強度浸炭部品を、従来の鋼材に比して、加工性を低下することなく、低コストで製造可能とすることができるなど、本発明の方法は従来にない優れた効果を奏するものである。

本発明の方法を実施するための最良の形態について表および図面を参照して説明する。先ず、表１に示す比較例のＮｏ．１〜６と本発明の実施例のＮｏ．１〜１２の化学成分を含有するそれぞれの鋼を１００ｋｇ真空誘導溶解炉で溶製してインゴットに鋳造した。これらの鋼において、Ａｌ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉの析出物をいったん固溶させ、その後に熱処理で微細に析出させるため、このインゴットを１２５０℃に加熱し、５時間保持して溶体化処理を行い、析出物を微細に析出させた鋼材を得た。

上記の溶体化処理した鋼材を角４０ｍｍの素材に鍛伸した。この素材を９００℃に加熱し、１時間保持した後、空冷することにより焼きならしを行い、図１に示す２ｍｍ１０ＲＣノッチ２のシャルピー衝撃性試験片１と、図２に示す２ｍｍＶノッチ４の静曲げ試験片３を作製した。これらの試験片を、それぞれ図３に示すように９５０℃に加熱して０．５時間予熱し真空浸炭を１時間行い、２．５時間保持して拡散し、８５０℃に下げて０．５時間保持し、次いで２０℃の油に焼入れし、１８０℃に焼戻した。また、真空浸炭の効果を確認する為に、図４に示すように９３０℃に加熱して０．５時間予熱しガス浸炭を３時間行い、２．５時間保持して拡散し、８３０℃に下げて０．５時間保持し、次いで６０℃の油に焼入れし１８０℃に戻した試験片も作製した。さらに繰返し焼入れを行うものは、浸炭焼入れ後に図５に示す８５０℃に０．５時間保持して６０℃に油焼入れを１〜２回繰り返した後、１８０℃に加熱して１．５時間保持して焼戻す条件により、ズブ焼入れをして結晶粒を微細化し、焼戻しを行った。すなわち、それぞれの浸炭焼入・焼戻したものと、それぞれの浸炭焼入れ後に、１回または２回のズブ焼入れと焼戻しを行った。これらの場合、（１）浸炭焼入れ・焼戻して、これを表２に「浸炭焼入れまま」と示したものと、さらに（１）の浸炭焼入れに加えて、（２）のズブ焼入れ１回の繰返し焼入れをした後に焼戻したものと、または（１）の浸炭焼入れに加え、（３）の２回の繰返し焼入れをした後に焼戻したものとを、それぞれ表２に「浸炭焼入れまま」、「ズブ焼入れ１回」、および「ズブ焼入れ２回」と示し、これらの３種の焼入れ・焼戻しを実施した。

以上のように、焼入れ・焼戻し条件を３種に変化させることによって、結晶粒の異なる試験片を作製し、その衝撃強度および静曲げ強度と、それらに及ぼす結晶粒径の影響を調査した。

上記のように作製したシャルピー衝撃試験片を、シャルピー衝撃試験機を用いて衝撃試験し、その亀裂発生エネルギーにより衝撃値を評価し、この評価をシャルピー衝撃試験片の浸炭層表面の平均結晶粒径とあわせて、表２に衝撃試験結果として示した。表２で、シャルピー衝撃試験片の浸炭層表面の平均結晶粒径はμｍを単位として示し、衝撃値は比較例のＮｏ．１のガス浸炭焼入れ・焼戻しの試験片の亀裂発生エネルギーを１．０とし、この値を基準として対比したそれぞれの亀裂発生エネルギーの値により示した。なお、衝撃試験は室温で行った。

表２に示すように、比較例の鋼は浸炭焼入れ後のズブ焼入れ１回では旧オーステナイト粒がやや小さくなるが、ズブ焼入れ２回でもそれ以上はほとんど小さくならなかった。一方、実施例の鋼は比較例の鋼に比して浸炭焼入れ後の１回のズブ焼入れで旧オーステナイト粒径が大幅に小さくなり、２回のズブ焼入れを繰り返すとさらに小さくなった。

以上のように、比較例の鋼は浸炭焼入れ後にズブ焼入れを繰り返しても旧オーステナイト粒径は小さくなっておらず、真空浸炭したものも、ガス浸炭したものも、衝撃強度はほとんど向上しなかった。これに対し、実施例の鋼は、真空浸炭したものも、ガス浸炭したものも、浸炭焼入れ後のズブ焼入れを繰り返すことで、旧オーステナイト粒径は小さくなっているが、ガス浸炭したものは、旧オーステナイト粒径が小さくなっても衝撃強度は大きく向上していない。これに対し、真空浸炭したものは、旧オーステナイト粒径の微細化により衝撃強度が大きく向上した。以上の様に、実施例の鋼を用いて、真空浸炭焼入れ後に繰返し焼入れを行うことにより衝撃値が大幅に向上した。

さらに、上記で熱処理を行った静曲げ試験片３を、図６に示すように、支点間距離５０ｍｍの３点曲げにより、中心のクロスヘッドを２ｍｍ／ｍｉｎの移動速度で、すなわち静曲げ試験片３の両端部を下方から支持して中心５を下方の矢印方向に荷重を掛けて押し、静曲げ試験を実施した。この試験により、静曲げ試験片３の表面層に亀裂が生じた時点における荷重を亀裂発生荷重として静曲げ強度を評価し、浸炭層表面の平均結晶粒径とあわせて、表３に静曲げ試験の結果を示す。表３において、比較例のＮｏ．１のガス浸炭焼入れ・焼戻し材の亀裂発生荷重を１．０とし、この値を基準に対比した値でそれぞれの亀裂発生荷重を示した。なお、この静曲げ試験は室温で行った。

表３に示すように、比較例の鋼は衝撃試験片と同様に、浸炭焼入れ後のズブ焼入れ１回では、旧オーステナイト粒がやや小さくなるが、ズブ焼入れ２回でもそれ以上はほとんど小さくならなかった。一方、実施例の鋼は、比較例の鋼に比して、浸炭焼入れ後の１回のズブ焼入れで、旧オーステナイト粒径が大幅に小さくなり、２回のズブ焼入れを繰り返すとさらに小さくなった。

以上のように、比較例の鋼は、浸炭焼入れ後にズブ焼入れを繰り返しても、旧オーステナイト粒径は小さくなっておらず、真空浸炭したものも、ガス浸炭したものも、静曲げ強度はほとんど向上しなかった。これに対し、実施例の鋼は、真空浸炭したものも、ガス浸炭したものも、浸炭焼入れ後のズブ焼入れを繰り返すことで、旧オーステナイト粒径は小さくなっている。さらにガス浸炭したものは、旧オーステナイト粒径が小さくなっても静曲げ強度は大きく向上していないのに対し、真空浸炭したものは、旧オーステナイト粒径の微細化により静曲げ強度が大きく向上した。以上の様に、実施例の鋼を用いて、真空浸炭焼入れ後に繰返し焼入れを行うことにより大幅に静曲げ強度が向上した。

以上に説明したように、本発明の方法の真空浸炭焼入れ後に繰返し焼入れを行うことにより、結晶粒の微細な衝撃強度および静曲げ強度に優れた浸炭部品を製造することができた。

シャルピー衝撃試験片の形状・大きさを示す図である。静曲げ試験片の形状・大きさを示す図である。真空浸炭焼入れ・焼戻し条件を示す図である。ガス浸炭焼入れ・焼戻し条件を示す図である。繰返し焼入れ・焼戻し条件を示す図である。試験片に静曲げ試験方法を示す図である。

符号の説明

１シャルピー衝撃試験片
２１０Ｒ２ｍｍＣノッチ
３静曲げ試験片
４２ｍｍＶノッチ
５中心

Claims

質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４５％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．１０〜２．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．２０％以下、Ｃｒ：０．０３〜３．０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００１〜０．１０％、Ｔｉ：０．００１％未満、Ｎ：０．０１〜０．０５％を含有し、さらにＮｂ：０．０２〜０．５０％、Ｖ：０．０２〜０．５０％のいずれか１種もしくは２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用い、機械加工もしくは鍛造によって部品形状に成形した後、真空浸炭焼入れを行い、その後に１回以上のズブ焼入れを行った後、これを焼戻すことにより浸炭部品を製造することを特徴とする衝撃強度および曲げ強度に優れた浸炭部品の製造方法。
請求項１の鋼成分に加え、さらに質量％で、Ｎｉ：０．２０〜５．０％、Ｍｏ：０．０５〜３．０％のいずれか１種もしくは２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用い、機械加工もしくは鍛造によって部品形状に成形した後、真空浸炭焼入れを行い、これを焼戻すことにより浸炭部品を製造することを特徴とする衝撃強度および曲げ強度に優れた浸炭部品の製造方法。