JP2015101735A - 浸炭部品 - Google Patents
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Abstract
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CP制御を行う場合、雰囲気ガスの組成が同じであることを前提として、同一のCP、温度及び時間のガス浸炭を行えば、鋼材の表面からの炭素侵入量に差はなく、同一の炭素濃度分布が得られるはずである。しかし、特定の鋼種において、予測される炭素侵入量よりも少ない、浸炭阻害の事象(具体的にはCP制御した雰囲気からの炭素の侵入は、加工や浸炭中の酸化による表層付近の組織変化の影響を受けることがある。)が報告されている。これに対し例えば下記特許文献1では、特に1.5質量%以上のCr含有鋼における浸炭阻害の要因が、加工時に生成する加工変質層中へCrが濃化すること、浸炭の際にCr酸化物が多量に生成すること、であると考え、このような浸炭阻害要因を解消するために浸炭前に加工変質層を除去する工程を含めた製造方法を提供している。
JIS G0561に定められた鋼の焼入性試験法において、J13が21HRC以上であり、所定のガス浸炭温度への昇温工程で浸炭部品の表層に生成するCr酸化物層の厚さが4.9μm以下となるように設定されていることを特徴とする。
Cはガス浸炭処理後に急冷を行った浸炭部品の心部強度を確保するための必須元素である。ただし、過度の添加は加工性の悪化を招く。好ましくは0.15〜0.25%である。
Siは鋼の焼入れ性を高め、鋼の脱酸元素として有効な元素である。ただし、鋼中の炭素の活量係数を上昇させる元素であり、過度の添加はブードア反応から予想される平衡する鋼材中の炭素濃度(CP)を低下させ、炭素侵入量の減少を招く。好ましくは0.01〜0.50%である。
Mnは鋼の焼入れ性を高めるのに有効な元素であるが、過度の添加は加工性の悪化を招く。好ましくは0.60〜1.20%である。
Pは結晶粒界を脆化させるため、その含有量の最小化が求められる。0.030%以下の添加量であれば粒界強度低下の効果は軽微である一方、添加量を極度に抑制することは精錬プロセスの延長を招き、コスト増を伴うため工業上好ましくない。
Sは不可避に鋼中に存在し、Mnと結合して応力集中の起点となるMnS介在物を生成する。過度の添加はMnS介在物の量を増加させ、ひいては疲労強度の低下を招く。ただし、0.030%以下の添加量であれば疲労強度の低下は極めて軽微である。
Cuは鋼の焼入れ性を高めるのに有効な元素であるが、0.30%を超えると鋼材コストの上昇を招く。好ましくは0.01〜0.30%である。
Niは鋼の焼入れ性を高め、耐摩耗性の向上に有効な元素であるが、高価であるため、工業上その含有量の最小化が求められている。また、Siと同様に鋼中の炭素の活量係数を上昇させる元素であり、過度の添加はブードア反応から予想される平衡する鋼材中の炭素濃度(CP)を低下させ、炭素侵入量の減少を招く。好ましくは0.01〜0.50%である。
Crは鋼の焼入れ性を高める元素であり、鋼の焼入れ性を確保するために0.25%以上の添加が必要である。他方、1.95%を超えて添加するとCr酸化物(FeCr2O4(クロマイト)以下同じ)が厚くなり、浸炭阻害が発生してしまうので、1.95%を上限とする。好ましくは0.30〜1.50%、さらに好ましくは0.40〜0.80%である。
Moは鋼の焼入性を高め、また耐摩耗性の向上に有効な元素であるが、高価であるため、工業上その含有量の最小化が求められている。好ましくは0.50%以下である。
Alは脱酸作用を有する。またNと結合してAlNを形成しやすい元素である。AlNは結晶粒微細化に有効で、曲げ疲労強度を高める効果があり、この効果を得るためには0.010%以上の添加が必要である。他方、0.050%を超えて添加すると介在物が増加し、却って曲げ疲労強度の低下を招くため、0.050%を上限とする。
NはAl,Nb,Ti等と結合して窒化物を形成しやすく、結晶粒微細化に有効で、曲げ疲労強度を高める効果があり、この効果を得るためには0.005%以上の添加が必要である。他方、0.030%を超えて添加しても効果が飽和するため、0.030%を上限とする。
結晶粒の粗大化を防止する観点から、上記元素に加えてさらにTi:0.10%以下、Nb:0.10%以下を含有させてもよく、靭性を向上させる観点から、B:0.0050%以下を含有させてもよい。
J13が21HRCを下回ると、浸炭部品の心部硬さが不足し、所定の強度特性が得られなくなるため、J13を所定深さ位置として、その深さ位置における硬さの下限値を規定したものである。
後述する浸炭時間比(図4参照)を考慮に入れて、Cr酸化物層の厚さの上限値を規定したものである。
供試材として、表1に示す化学成分を有する鋼種A〜I(残部はFe及び不可避不純物)からなる鋼を用いた。各供試材を高周波誘導炉を用いて真空中で溶解し、150kg鋼塊に鋳造した後、1523Kで熱間鍛造し、φ60mmの棒鋼に鍛伸した。この棒鋼に1183Kの焼ならし処理を施した後、機械加工にてJISで規定されたジョミニー試験片(図示省略)と、図1(A),(B)に示す浸炭性試験片10とをそれぞれ作成した。各浸炭性試験片10は、円柱形状(例えば、φ26×5mm)に形成した。なお、加工の影響を排除するために、各浸炭性試験片10の表面に研磨を施し、加工変質層を予め除去するようにした。
上記ジョミニー試験片を用いて、ジョミニー試験を実施した。表1(J13)に各鋼種における試験結果を示す(単位はHRC)。鋼種A〜G,Iについては、いずれもJ13が21HRC以上となる結果が得られたが、鋼種HについてはJ13が18HRC(<21HRC)となったため、鋼種Hは焼入れ性の観点から硬度が不足するものと判断し、鋼種Hを除く鋼種A〜G,Iの各鋼を対象として、以下の酸化・浸炭処理を実施した。
連続ガス浸炭炉では昇温時に酸化された後に浸炭処理が施されることを考慮し、昇温工程を模擬することを目的として、各浸炭性試験片10に対し、図2及び表2に示す条件で酸化処理を実施した。具体的には、酸化処理時間をいずれも120minに設定する一方、酸化処理温度を1123K、1173K、1223Kのいずれかに設定した。
酸化処理後、各浸炭性試験片10毎に電子プローブマイクロアナライザー(EPMA)とラマン分光法により、Cr酸化物層の厚さを同定した。
酸化処理後、図3及び表2に示す条件に示す条件で浸炭処理を実施した。浸炭はバッチ型のメタノール滴注式ガス浸炭炉を用い、純鉄に対するCPが0.80%となる雰囲気で行った。また、浸炭時の昇温条件は、いずれも上限温度を1223K、昇温時間を30minに設定し、浸炭昇温時の酸化を極力抑制した条件で浸炭を実施するようにした。さらに、浸炭・拡散条件は、上限温度を1223Kとした上で、ほぼ同一の浸炭深さが得られるよう種々の浸炭・拡散時間Tを設定し、確認のために表面から0.80mm深さ位置での炭素濃度をEPMAにより測定した。
そして、各浸炭・拡散時間を、表2における実施例1,11(Cr酸化物層厚さが0μm)の浸炭・拡散時間、すなわちCr酸化物層が表面を覆うまでには至らない状態に対応する浸炭・拡散時間の最小値で除算し、これを浸炭時間比とした。
Claims (1)
- 質量%で、
C:0.10〜0.30%、
Si:0.01〜1.00%、
Mn:0.50〜2.00%、
P:0.030%以下、
S:0.030%以下、
Cu:0.50%以下、
Ni:1.00%以下、
Cr:0.25〜1.95%、
Mo:1.00%以下、
S−Al:0.010〜0.050%、
N:0.005〜0.030%、
を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなる浸炭部品であって、
JIS G0561に定められた鋼の焼入性試験法において、J13が21HRC以上であり、所定のガス浸炭温度への昇温工程で前記浸炭部品の表層に生成するCr酸化物層の厚さが4.9μm以下となるように設定されていることを特徴とするガス浸炭阻害の発生を抑制することに優れた浸炭部品。
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