JP2753998B2

JP2753998B2 - 浸炭異常層の少ない浸炭用鋼

Info

Publication number: JP2753998B2
Application number: JP62273671A
Authority: JP
Inventors: 綽久田畑; 健二片岡
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1987-10-29
Filing date: 1987-10-29
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2013-05-20
Also published as: JPH01116053A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は浸炭異常層の少ない浸炭用鋼に係り、特にガ
ス浸炭処理時に発生する表面の浸炭異常層の発生を防止
できる浸炭用鋼に関し、鋼の表面処理分野で利用され
る。〔従来の技術〕浸炭処理は軸、歯車、軸受など動力伝達用の耐摩耗
性、耐疲労性の向上を目的として行われ、近年、生産性
および経済性の観点から浸炭性ガス雰囲気炉内で行われ
るいわゆるガス浸炭法が主流である。ガス浸炭法は主としてプロパンまたはブタンなどのガ
スと空気を混合し変成することによつて、浸炭ガスであ
るCOを製造しこれを浸炭炉に供給する。また、小規模の
場合はメタノールやイソプロパノールなどの有機剤を熱
分解してCOガスを発生し利用する。従つて、このガス組
成を調整することによつて容易に被熱処理品の炭素量を
調整できる利点を有する。しかし、ガス浸炭法では浸炭ガス中に微量ながら酸化
性のCO₂やH₂Oを含むことが多く、浸炭処理中に被処理材
の表面部に酸化層が形成される。この酸化層が形成され
たまま、焼入、焼戻処理が施されると浸炭層の最外表面
部のみＣ量が低下するため焼入性が低下し十分な硬さが
得られない。この現象は、特に鋼中のCr、Mn、Siなどが浸炭処理時
点でのオーステナイト粒界で優先的に酸化される粒界酸
化層にもとずくものと考えられる。この粒界酸化層は一
般には異常層と呼ばれており、硬さの低下および粒界酸
化に起因して耐摩耗性、耐疲労性の低下をまねき浸炭本
来の性能を著しく阻害する。これを防止する目的で酸化
性ガスを含まない真空浸炭処理や、浸炭処理後異常層を
除去する目的でシヨツトピーニングや研磨等が行われ
る。しかしこれらはコストアツプを招くと共に生産性を
低下させることから改善が強く望まれている。これに対して鋼材自体で解決しようとする試みとして
特開昭57−70261が提案されている。この技術は浸炭異
常層形成の原因であるSi、Mn、Crを調整し、高価なMoを
添加しないか、または低く抑え、Ｂを微量添加して高い
焼入性を保持するものである。しかし、このようにSi、Mn、Cr、Mo、Ｂの添加量の調
整のみでは多様化する要求品質に対して焼入性、強度、
靭性、ミクロ組織、加工性等を十分に満足することは困
難であるばかりでなく、Ｂ添加に起因するγ粒粗大化な
どの問題も無視できない。〔発明が解決しようとする問題点〕本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、浸
炭時における浸炭異常層の発生を抑制できる浸炭異常層
の少ない浸炭用鋼を提供するにある。〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明の上記の目的は次の２発明によつて達成され
る。第１発明の要旨とするところは次の如くである。す
なわち、重量比にて C :0.08〜0.55％、 Si:0.15〜0.85％ Mn:0.10〜5.0％、 Al:0.002〜0.100％を含有し、かつBi、Se、Te、As、Sb、In、Cd、Mg、Ｗ、
Rhの内から選ばれた１種または２種以上を0.0010〜0.01
50％含み、残部がFeおよび不可避的不純物より成ること
を特徴とする浸炭異常層の少ない浸炭用鋼である。第２発明の要旨とするところは次の如くである。すな
わち、第１発明と同一の基本成分のほかに、更にNi:0.0
2〜1.5％、Cr:0.02〜2.0％、Mo:0.02〜1.0％の内から選
ばれた１種または２種以上を含み、残部がFeおよび不可
避的不純物より成ることを特徴とする浸炭異常層の少な
い浸炭用鋼である。本発明者らは従来技術の問題点に対して広範な研究を
行いBi、Se、Te、As、Sb、In、Cd、Mg、Ｗ、Rhを微量添
加することにより浸炭異常層の生成を防止できることを
見い出した。この結果、浸炭鋼に要求される本来の性能
を低下せしめることなく浸炭異常層の生じないガス浸炭
溶鋼を得ることが可能となつた。本発明における成分限定理由は次のとおりである。 C: Ｃは焼入性および強度レベルを維持する上で基本的な
元素であり、浸炭を増進する上でも有用であり、積極的
に添加する。しかし、0.55％を越えて添加すると非浸炭
層である内部の硬さが高くなり、耐衝撃性が劣化すると
共に切削性も低下し好ましくない。更に焼入時の歪が著
大となり部品精度の低下を招く。これらの理由から上限
を0.55％とした。他方、0.08％を下回ると鋼全体の硬さが低下し十分な
硬さを確保することが困難となると共に、浸炭性が低下
し浸炭時間が増大することから0.08％を下限とした。 Si: Siは脱酸を促進し強度を上昇させるのに有効な元素で
あるが、0.15％未満ではこの寄与が期待できないので0.
15％を下限とした。他方、Siの大量の添加は浸炭時のＣ
の拡散を著しく阻害し、浸炭性を低下させると共に焼入
性も低下させる。更にSiの固溶は冷間鍛造時の変形抵抗
を増大させると共に変形能を低下させる。これらの点か
らSiの添加は極力抑える必要があるのでSiの上限は0.85
％とした。 Mn: Mnは焼入性を向上し、強度ならびに靭性を高め更に浸
炭性を向上する効果があるので積極的に添加する。この
効果は0.10％以上で顕著になり、5.0％でほぼ飽和す
る。更に、5.0％を越える添加は切削性を阻害すること
から上限を5.0％とし、下限を0.10％とした。 Al: Alは周知のとおり、製鋼過程において脱酸剤として作
用し、このほか窒化物を形成して組織を細粒化する。こ
の結果は0.002％以上で顕著となるのでAlの下限を0.002
％とした。しかし、0.100％を越えると介在物が増加す
るので0.100％を上限とした。 Bi、Se、Te、As、Sb、In、Cd、Mg、Ｗ、Rh: これらの元素は本発明において最も重要な元素であり
積極的に添加する。本発明者らは種々の微量元素の浸炭
異常層の生成への影響について研究の結果、これらの元
素は鋼表面およびγ粒界に偏析し易く、浸炭ガス中の酸
化性ガスに対して反発的で浸炭性ガスであるCOに対して
吸着性の強い作用のあることを見い出した。一般に浸炭異常層の生成は鋼中のCr、Mn、Siなどが浸
炭処理時にオーステナイト粒界で酸化性ガスにより優先
的に酸化されることによつて形成されると考えられてい
ることは上記のとおりである。従つて、本発明で見い出
したこれらの元素はこの酸化性ガスとCr、Mn、Siなどと
の反応を抑制することにより浸炭異常層の形成を防止す
ると考えられる。そして浸炭性ガスに対しては親和性を
有することから浸炭反応には何ら影響を与えないものと
考えられる。これらの作用はいずれの元素についても0.
0010％以上で顕著となることからこれらの元素の下限は
0.0010％に限定した。これらの元素の効果は添加量の増
大に伴つて増加するが、0.0150％を越すと効果が飽和す
ることおよび逆に熱間加工性、延性、靭性の低下が大き
くなることから、0.0150％を上限とした。上記Ｃ、Si、Mn、Al、Bi、Se、Te、As、Sb、In、Cd、
Mg、Ｗ、Rh、の各限定量をもつて本発明の浸炭用鋼の基
本成分とするが、更に下記限定量のNi、Cr、Moを含有す
れば本発明の目的をより有効に達成することができる。
その限定理由は次のとおりである。 Ni: Niは焼入性を向上させると共に地鉄を強化し靭性を増
すのに有効な元素であり、浸炭性にはあまり影響を与え
ないことから焼入性と機械的性質のみを変化させる場合
に有効である。この効果は0.02％以上で有効になるので
下限を0.02％とし、添加量の増加に伴つて効果は増加す
るが、Niは高価であるので1.5％を上限とした。 Cr: Crは鋼の焼入性、耐摩耗性を向上させると共に浸炭性
を増大させるのに有効であり、浸炭用鋼では広く使用さ
れる。この効果は0.02％未満では十分でないので下限を
0.02％とした。Crの効果は添加量の増大に伴つて増加す
るが、2.0％を越えるとCr炭化物の生成により浸炭性が
逆に低下すると共に靭性の劣化をまねくので上限を2.0
％とした。 Mo: Moは焼入性の向上に有用であるが高価であるため多量
の添加は経済性を損うばかりでなく1.0％を越すと効果
が飽和し、0.02％未満では効果がないので、0.02〜1.0
％の範囲に限定した。〔実施例〕第１表に化学成分を示した供試鋼を常法にて溶製し15
0mm角ビレツトに分塊圧延した後、30mm径の棒鋼に常温
にて熱間圧延し、この棒鋼を25mm径に切削加工し試料と
した。各試料を次の如くガス浸炭を行つた。すなわち、
930℃×4hr→850℃×30min→120℃油冷→180℃×1hr焼戻しを行いカ
ーボンポテンシヤルは0.8％の処理を実施した。これら
の試料断面の表面部の異常浸炭層の深さを走査型電子顕
微鏡にて測定し、また断面硬さ分布をJIS−G0557に準拠
して測定し有効効果深さを求め、これらの結果を第２表
に示した。第２表において、次の化学成分が本発明の条件を満足
しない比較例、すなわち、SeのNo.1鋼、SbのNo.15鋼、
ＣのNo.19鋼、SiのNo.21鋼およびMnのNo.22鋼では浸炭
異常層厚さが10〜17μｍと極めて厚く浸炭異常層の発生
を防止できない。また、比較例のSbが成分外れのNo.16
鋼、Ｗが成分外れのNo.17鋼、Ｂ、Se、Ｗの合計が成分
外れのNo.18鋼およびＣが成分外れのNo.20鋼はいずれも
浸炭異常層は２μｍと薄いが焼割れを発生し実用上問題
が多い。これに対して本発明例であるNo.2〜14鋼およびNo.23
〜25鋼は異常浸炭層も１〜２μｍと極めて薄く、かつ有
効硬化深さも従来鋼と同等である。また、本発明例に示す如く、Bi等の微量添加元素およ
びNi、Cr、Mo等の添加元素は単独あるいは複合添加の効
果はいずれの場合も同等で自由な組合わせを行うことが
できる。〔発明の効果〕本発明は上記実施例から明らかな如く、浸炭用鋼の成
分組成を限定することによりガス浸炭時の浸炭異常層の
発生を防止し、従来は浸炭時の厚い浸炭異常層の発生に
より耐摩耗性の低下および疲労寿命の低下を招いてお
り、この異常層の除去のためシヨツトピーニングや研磨
工程を必要とし多大なコスト増と生産性の低下をまねい
ていたのに比較して、これらの工程の省略を可能としコ
ストの低減と生産性の向上を図ることができた。また、脱炭異常層発生防止の観点から添加量が制限さ
れていたCr、Si、Mnについても、本発明により特に制約
されないことから、焼入性の制御を柔軟に行うことがで
き、よりユーザーの要望に合致し得る成分系をとり得る
ようになつた。

Claims

(57)【特許請求の範囲】１．重量比にて C:0.08〜0.55％、Si:0.15〜0.85％ Mn:0.10〜5.0％、Al:0.002〜0.100％を含有し、かつBi、Se、Te、As、Sb、In、Cd、Mg、Ｗ、
Rhの内から選ばれた１種または２種以上を0.0010〜0.01
50％含み、残部がFeおよび不可避的不純物より成ること
を特徴とする浸炭異常層の少ない浸炭用鋼。２．重量比にて C:0.08〜0.55％、Si:0.15〜0.85％ Mn:0.10〜5.0％、Al:0.002〜0.100％を含有し、かつBi、Se、Te、As、Sb、In、Cd、Mg、Ｗ、
Rhの内から選ばれた１種または２種以上を0.0010〜0.01
50％含み、更に、Ni:0.02〜1.5％、Cr:0.02〜2.0％、M
o:0.02〜1.0％の内から選ばれた１種または２種以上を
含み、残部がFeおよび不可避的不純物より成ることを特
徴とする浸炭位異常層の少ない浸炭用鋼。