JP2010285689A - 低サイクル曲げ疲労強度に優れた浸炭鋼部品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 化学成分が、質量%で、C:0.1〜0.6%、Si:0.01〜1.5%、Mn:0.3〜2.0%、P:0.02%以下、S:0.001〜0.15%、N:0.001〜0.03%、Al:0.001〜0.06%、O:0.005%以下を含有し、残部が実質的に鉄と不可避的不純物よりなる鋼からなり、浸炭焼入れ焼戻し処理を施した鋼部品であって、表面の硬さがHV550〜HV800であり、心部の硬さがHV400〜HV500であることを特徴とする低サイクル曲げ疲労強度に優れた浸炭鋼部品。
【選択図】 図5
Description
Cは浸炭焼入れ処理した部品の心部硬さを与え、低サイクル曲げ疲労強度の向上に有効な元素である。心部の組織はマルテンサイトが主体であり、焼入れ処理後のマルテンサイトの硬さはC量が多いほど高くなる。また、同じ心部硬さであっても高Cのほうが微細炭化物の分散強化を通じて降伏比が増加するため、この効果を確実に得るには、C量は0.1〜0.6%の範囲内にする必要がある。更に低サイクル曲げ疲労強度を向上させるには心部をHV450以上とさせるべくC量を0.2%以上とするのかが好ましく、さらに0.3%超とするのがより好ましく、また、被削性の観点からはC量は0.4%以下とするのが好ましい。
Siは鋼の脱酸に有効な元素であり、焼戻し軟化抵抗を向上するのに有効な元素であるとともに、焼入れ性の向上を通じて浸炭焼入れ処理した部品の心部硬さを与え、低サイクル曲げ疲労強度の向上に有効な元素である。Siは0.01%未満ではその効果が不十分であり、1.5%を超えると浸炭性が阻害されるため、Si量を0.01〜1.5%の範囲内にする必要がある。一般的なカーボンポテンシャル0.7〜1.0のガス浸炭法を採用した場合、Siは鋼材中のCの活量を増加させる影響を通じて、Siが0.5〜1.5%の範囲内では表面硬さを抑制する効果があり、低サイクル曲げ疲労強度の更なる向上に有効である。Siの好適範囲は0.5〜1.5%である。
Mnは鋼の脱酸に有効な元素であるとともに、焼入れ性の向上を通じて浸炭焼入れ処理した部品の心部硬さを与え、低サイクル曲げ疲労強度の向上に有効な元素である。Mnは0.3%未満ではその効果が不十分であり、2.0%を超えるとその効果が飽和するため、Mn量を0.3〜2.0%の範囲内にする必要がある。
Pは不純物として含有され浸炭時のオーステナイト粒界に偏析し、それにより粒界破壊を引き起こすことよって低サイクル曲げ疲労強度を低下させてしまうため、その含有量を0.02%以下に制限する必要がある。好適範囲は0.01%以下である。図4にPの抑制による低サイクル曲げ疲労強度の向上効果の例を示す。
Sは鋼中でMnSを形成し、これによる被削性の向上を目的として添加するが、0.001%未満ではその効果は不十分である。一方、0.15%を超えるとその効果は飽和し、むしろ粒界偏析を起こし粒界脆化を引き起こす。以上の理由から、Sの含有量を0.001〜0.15%の範囲内にする必要がある。好適範囲は0.01〜0.1%である。
Nは鋼中でAl、Ti、Nb、V等と結合して窒化物又は炭窒化物を生成し、結晶粒の粗大化を抑制する。Nは0.001%未満ではその効果が不十分であり、0.03%を超えるとその効果が飽和するので、その含有量を0.001〜0.03%の範囲内にする必要がある。好適範囲は0.003〜0.008%である。
Alは鋼の脱酸を目的として添加する。Alは0.001%未満ではその効果が不十分であり、0.06%を超えるとその効果が飽和するので、従ってAlはその含有量を0.001〜0.06%の範囲内にする必要がある。Alの好適範囲は0.01〜0.04%である。
Oは不可避的に含有され粒界偏析を起こして粒界脆化を起こしやすくするとともに、鋼中で硬い酸化物系介在物を形成して脆性破壊を起こしやすくする元素である。粒界脆化や脆性破壊を防止するためには、Oは0.005%以下に制限する必要がある。
BはPの粒界偏析を抑制するとともに、それ自体の粒界強度と粒内強度の向上、及び焼入れ性の向上を通じて低サイクル曲げ疲労強度に有効な元素である。Bは0.0002%未満ではその効果が不十分であり、0.005%を超えるとその効果は飽和するので、その含有量を0.0002〜0.005%の範囲内にする必要がある。好適範囲は0.0005〜0.003%である。
Crは焼入れ性の向上を通じて浸炭焼入れ処理した部品の心部硬さを与え、低サイクル曲げ疲労強度の向上に有効な元素である。Crは0.1%未満ではその効果が不十分であり、3.0%を超えるとその効果が飽和するため、Cr量を0.1〜3.0%の範囲内にする必要がある。
Moは焼入れ性の向上を通じて浸炭焼入れ処理した部品の心部硬さを与え、低サイクル曲げ疲労強度の向上に有効な元素である。Moは0.1%未満ではその効果が不十分であり、1.5%を超えるとその効果が飽和するため、Mo量を0.1〜1.5%の範囲内にする必要がある。
Cuは焼入れ性の向上を通じて浸炭焼入れ処理した部品の心部硬さを与え、低サイクル曲げ疲労強度の向上に有効な元素である。Cuは0.1%未満ではその効果が不十分であり、2.0%を超えるとその効果が飽和するため、Cu量を0.1〜2.0%の範囲内にする必要がある。
Niは焼入れ性の向上を通じて浸炭焼入れ処理した部品の心部硬さを与え、低サイクル曲げ疲労強度の向上に有効な元素である。Niは0.1%未満ではその効果が不十分であり、5.0%を超えるとその効果が飽和するため、Ni量を0.1〜5.0%の範囲内にする必要がある。
Tiは添加することによって鋼中で微細なTiC、TiCSを生成させ、これにより浸炭温度が980℃以上のいわゆる高温浸炭を適用した場合や、浸炭時間が10時間以上のいわゆる長時間浸炭を適用した場合においてもオーステナイト粒の細粒化を安定的に図ることができ、低サイクル疲労強度の劣化が防止できる。またTiは鋼中でNと結合してTiNを生成することによるBNの析出防止、つまり固溶Bの確保を目的として添加する。Tiは0.005%未満ではその効果が不十分である。一方、0.2%を越えるとTiN主体の析出物が多くなって転動疲労特性が低下する。以上の理由から、その含有量を0.005〜0.2%の範囲内にする必要がある。好適範囲は0.01〜0.1%である。
Nbは添加することによってNb炭窒化物を生成し、これにより浸炭温度が980℃以上のいわゆる高温浸炭を適用した場合や、浸炭時間が10時間以上のいわゆる長時間浸炭を適用した場合においてもオーステナイト粒の細粒化を安定的に図ることができ、低サイクル疲労強度の劣化が防止できる。Nbは0.01%未満ではその効果が不十分である。一方、0.2%を超えると被削性を劣化させるので0.2%を上限とする。好適範囲は0.02〜0.05%である。
Vは添加することによってV炭窒化物を生成し、これにより浸炭温度が980℃以上のいわゆる高温浸炭を適用した場合や、浸炭時間が10時間以上のいわゆる長時間浸炭を適用した場合においてもオーステナイト粒の細粒化を安定的に図ることができ、低サイクル疲労強度の劣化が防止できる。Vは0.03%未満ではその効果が不十分である。一方、0.2%を超えると被削性を劣化させるので0.2%を上限とする。
Caは酸化物を低融点化し、切削加工環境下の温度上昇により軟質化することで、被削性を改善するが、0.0002%未満では効果が無く、0.005%を超えるとCaSを多量に生成し、被削性を低下するためCa量を0.0002〜0.005%とするのが望ましい。
Zrは脱酸元素であり、酸化物を生成するが、硫化物も生成することでMnSとの相互関係を有する元素であり、被削性の改善に有効である。Zr系酸化物はMnSの晶出/析出の核になりやすい。そのためMnSの分散制御に有効である。Zr添加量として、MnSの球状化を狙うためには0.003%を超えた添加が好ましいが、微細分散させるためには逆に0.0003〜0.005%の添加が好ましい。製品としては後者のほうが、製造上、品質安定性(成分歩留まり等)の観点から後者、すなわちMnSを微細分散させる0.0003〜0.005%の方が現実的に好ましい。0.0002%以下ではZr添加効果はほとんど認められない。
Mgは脱酸元素であり、酸化物を生成するが、硫化物も生成することでMnSとの相互関係を有する元素であり、被削性の改善に有効である。Mg系酸化物はMnSの晶出/析出の核になりやすい。また硫化物がMnとMgの複合硫化物となることで、その変形を抑制し、球状化する。そのためMnSの分散制御に有効であるが、0.0003%未満ではその効果が無く、0.005%を超えるとMgSを大量に生成し、被削性が低下するためMg量を0.0003〜0.005%とするのが望ましい。
本発明者らは図4に示すように、表面の硬さHV550〜HV800の範囲内において、表面の硬さが低いほど低サイクル曲げ疲労強度が向上することを明らかにした。この理由は、表面の硬さが高いと表面から脆性破面の亀裂が発生し、その脆性破面が急速に伝播するためであることを、破損品の破面観察結果から明らかにした。表面の硬さが低い場合には、亀裂は同様に表面から発生するが、脆性破面の発生率が低いために亀裂の伝播速度が小さいので低サイクル曲げ疲労強度は向上する。しかし表面の硬さがHV550未満では耐摩耗性を損なってしまうため、HV550〜HV800の範囲内にする必要がある。表面の硬さは浸炭層の硬さであるため、浸炭時のカーボンポテンシャルの調整や、浸炭焼入れ後の焼戻し温度の調整により調整することが可能である。調整の目安としては、鋼部品をカーボンポテンシャルを0.8で浸炭焼入れ処理を行い、その後、150℃で焼戻しを行なった後に低サイクル曲げ疲労試験を実施する。そこで低サイクル曲げ疲労強度が所要よりも低い場合には、カーボンポテンシャルを0.7に低下、又は焼戻し温度を180℃に増加させることにより表面の硬さを低下させ、低サイクル曲げ疲労強度を向上させるように調整する。
本発明者らは図5に示すように、心部の硬さがHV200〜HV500の範囲内において、心部の硬さが高いほど低サイクル曲げ疲労強度が向上することを明らかにした。この理由は、心部の硬さが低いと、浸炭層直下の心部が降伏してそれ以上の応力を受け持てず、浸炭層である鋼部品表面がかかる応力が高まるためであることを破面観察等で検証した。従来、一般に用いられるJIS SCr420、SCM420等よりも顕著に低サイクル曲げ疲労強度を向上させるにはHV400以上が必要であることから、心部硬さはHV400〜HV500の範囲内にする必要がある。望ましくは心部か硬さはHV430〜HV500の範囲内である。更に望ましくはHV450〜HV500の範囲内である。なお心部硬さがHV500を超えると、心部の靭性が著しく低下してしまい、心部の亀裂伝播速度が大きくなることを通じて低サイクル曲げ疲労強度が低下する。ここで心部とは、浸炭処理により部品表面から浸入するCが微量に到達する箇所であり、素材のCの10%増し(素材のCが0.20%の場合は0.22%)の箇所から、素材のCとなるまでの箇所である。心部はEPMA−C線分析などによって識別可能である。
2 荷重
X 切欠
Claims (6)
- 化学成分が、質量%で、
C:0.1〜0.6%、
Si:0.01〜1.5%、
Mn:0.3〜2.0%、
P:0.02%以下、
S:0.001〜0.15%、
N:0.001〜0.03%、
Al:0.001〜0.06%、
O:0.005%以下を含有し、
残部が実質的に鉄と不可避的不純物よりなる鋼からなり、
浸炭焼入れ焼戻し処理を施した鋼部品であって、
表面の硬さがHV550〜HV800であり、
心部の硬さがHV400〜HV500であることを特徴とする
低サイクル曲げ疲労強度に優れた浸炭鋼部品。 - さらに、化学成分が質量%で
B:0.0002〜0.005%
を含有することを特徴とする請求項1に記載の低サイクル曲げ疲労強度に優れた浸炭鋼部品。 - さらに、化学成分が質量%で、
Cr:0.1〜3.0%、
Mo:0.1〜1.5%、
Cu:0.1〜2.0%、
Ni:0.1〜5.0%
の1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の低サイクル曲げ疲労強度に優れた浸炭鋼部品。 - さらに、化学成分が質量%で、
Ti:0.005〜0.2%、
Nb:0.01〜0.2%、
V:0.03〜0.2%
の1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の低サイクル曲げ疲労強度に優れた浸炭鋼部品。 - さらに、化学成分が質量%で、
Ca:0.0002〜0.005%、
Zr:0.0003〜0.005%、
Mg:0.0003〜0.005%
の1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の低サイクル曲げ疲労強度に優れた浸炭鋼部品。 - 浸炭鋼部品が差動歯車又はトランスミッション歯車であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の低サイクル曲げ疲労強度に優れた浸炭鋼部品。
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