JP3063399B2 - 浸炭用鋼 - Google Patents

浸炭用鋼

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、浸炭焼入れ焼戻し後の
疲労強度及び靭性の優れた浸炭用鋼に関する。
【0002】
【従来の技術】自動車や建設機械等に用いられる構造用
部品の中で特に高疲労強度及び高靭性を要求されるもの
は、所要の製品形状に加工後、表面硬化処理として浸炭
焼入れを行うのが一般的である。この浸炭焼入れによれ
ば、表層部の浸炭焼入れにより強度上昇、並びに圧縮残
留応力付加によって疲労強度が向上する。また芯部は炭
素濃度が低いままなので、同程度の表面硬度を有する中
・高炭素鋼の焼入れ焼戻し材と比較した場合良好な靭性
が確保される。これらの用途にはJIS G 4104に規
定されたクロム鋼やJIS G 4105に規定されたクロ
ム・モリブデン鋼の中から低炭素系の鋼を選んで肌焼鋼
として一般に用いられている。しかしながら十分に疲労
強度及び靭性を兼備したものは得られていなかった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
状況に鑑みてなされたものであってその目的は、優れた
疲労強度及び靭性を兼備した浸炭用鋼を提供することに
ある。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明の浸炭用鋼は、C:0.1〜0.3%
(重量%の意味、以下同じ),Si:0.05〜0.3
%,Mn:0.4〜2%,S:0.005〜0.05
%,Cr:0.5〜1.5%,Al:0.02〜0.0
8%,V:0.3〜1%,N:0.008〜0.025
%を含有し、残部がFe及び不可避不純物元素からな
り、且つ下記(1)式を満足すると共に、Vの窒化物及
び/もしくは炭窒化物の析出物を含有して、平均結晶粒
径が7μm以下の微細な旧オーステナイト粒を有するこ
とに要旨を有する。
【0005】10[Al]<[V]<30[Al] … (1) (但し、[ ]は鋼中に存在する各元素の重量%を示
す)また本発明の浸炭用鋼は必要に応じて更に、Nb:
0.005 〜0.07%,Mo:1.5 %以下,Ni:4%以下,
Cu:1%以下よりなる群から選ばれる1種以上の元素
を含有するものであってもよい。
【0006】
【作用】本発明者らは、浸炭用鋼の疲労強度及び靭性を
共に向上させるべく種々検討した結果、浸炭表層部及び
芯部ともに旧オ−ステナイト平均粒径を7 μm 以下に微
細化させることにより上記目的を達成できることを見出
した。そしてこのような微細な結晶粒径は既存の浸炭用
鋼では得られなかったものである。
【0007】結晶粒の微細化は、炭化物や窒化物を微細
に析出させて行うのが一般的である。しかし、浸炭中に
それらを析出させても、結晶粒の粗大化が既に起こった
後であり、そのままでは細粒化できず、浸炭後の複雑な
熱処理が必要となる。従って浸炭以前から細粒化させ、
その上で浸炭中の結晶粒の粗大化を防ぐのが最も望まし
い。
【0008】しかしながら、炭化物の析出によっては、
浸炭後の炭素濃度勾配が大きいため表層部の結晶微細化
を保持するのが難しい。これは浸炭前の素材の炭素濃度
に合わせて適当な大きさの炭化物が析出・微細化するよ
うに鋼の組成及び熱処理条件を制御すると、芯部では細
粒化するが表層部では炭素濃度が高くなり析出物が粗大
化する為である。
【0009】一方、窒化物で細粒化した場合、浸炭後の
炭素勾配に係わらず、その窒化物が浸炭温度で再固溶や
粗大化を起こさない限りは細粒化の効果を失なわない。
窒化物の中ではAlNが結晶粒調整に広く使用されてい
るが、AlN単独では結晶粒微細化には限界がある。ま
たTiNは粗大化しやすいので結晶粒微細化に限界があ
るばかりでなく疲労強度や靭性を劣化させるため好まし
くない。そこで本発明者らは、V,Al及びNを適量添
加し、Vの窒化物及び/もしくは炭窒化物を析出させる
ことによって、浸炭前の旧オーステナイト結晶粒を細粒
化させ得るばかりでなく、それらの析出物は通常のガス
浸炭中には粗大化しないので、結晶粒微細化の効果を失
なうことなく浸炭表層部及び芯部ともに結晶粒を微細化
できるという知見を得て本発明に至ったものである。以
下、本発明における化学成分限定理由について述べる。
【0010】Cは浸炭鋼の芯部の強度を増加させるのに
必須な元素であるが、0.1 %未満では強度が不足し、ま
た0.3 %を超えると靭性の劣化を招くとともに、疲労強
度に有用な圧縮残留応力が生じにくくなるため、0.1 〜
0.3 %の範囲とする。Siは溶製時の脱酸とマトリック
スの強化に有効な元素である。この作用を発揮するには
0.05%以上添加する必要があるが、多すぎると浸炭処理
時に粒界酸化が顕著に発生し、疲労強度低下の原因とな
るので、0.3 %を上限とする。
【0011】Mnは鋼材の脱酸及び焼入性向上を目的と
して添加される元素である。この作用を発揮するには0.
4 %以上添加する必要があるが、多すぎると被削性の劣
化をもたらし、また粒界酸化物の生成により疲労強度を
低下させることとなるので、上限を2%とする。
【0012】SはMnSを形成して被削性を向上させる
のに有効な元素であるが、その効果は0.005 %未満では
不十分である。しかし、多量に添加すると疲労強度及び
靭性が低下するので、上限を0.05%とする。Crは焼入
性を向上させるために添加される元素である。0.5 %以
下では十分な焼入性が得られず、1.5 %を超えると粒界
に炭化物を生成し疲労強度の低下を招くので、0.5 〜1.
5 %の範囲とする。
【0013】Alは溶製時の脱酸元素として有用な元素
であり、このような効果を発揮させるには、0.02%以上
添加する必要がある。脱酸が十分でなければ、多量の酸
化物系介在物が鋼中に存在し、疲労強度、並びに靭性と
もに低下する。しかし、多量に含有させると被削性が低
下するとともに、後述するVの窒化物、あるいは炭窒化
物の生成を妨げるので、上限を0.08%とする。
【0014】VはVの窒化物及び/もしくは炭窒化物を
生成させ結晶粒微細化に必要であるが、0.3 %以下では
十分な数の析出物が生成しないので効果が無い。しか
し、1%を超えると、上記の析出物が粗大化し、結晶粒
微細化の働きをしなくなるので、0.3 〜1%の範囲とす
る。
【0015】Nは結晶粒微細化をさせるためのVの窒化
物生成に必須の元素であり、0.008%以上添加する必要
があるが、多量に添加すると、析出物が粗大化し結晶粒
微細化の働きをしなくなるので、上限を0.025 %とす
る。
【0016】Vの窒化物はAlの窒化物と比較すると生
成自由エネルギーが小さいので、Alと比較して十分な
量のVが必要である。図1に示すように、[V]/[A
l]([ ]は各元素の重量%を示す,以下同じ)の比
が大きくなるに連れてVの析出物の数が増加する。浸炭
後も平均7μm 以下の微細な結晶粒を保持するのに十分
な量の微細なV窒化物を生成させるためには、[V]>
10[Al]の条件を満たすことが必要となる。しかし、
Alと比較してVが必要以上に多量に存在すると、図2
に示すように析出物が粗大化し、結晶粒微細化効果が無
くなる。浸炭後も平均7μm 以下の微細な結晶粒を保持
するのに必要な微細なV窒化物を生成させるためには、
[V]<30[Al]の条件を満たす必要がある。したが
って、結晶粒微細化のためには、V量を10[Al]<
[V]<30[Al]の範囲内にする必要がある。
【0017】本発明に係る高強度高靭性鋼は以上の元素
を必須成分とするものであるが、必要に応じてNb,N
i,及びCuよりなる群から選ばれる1種以上を含有さ
せることも出来る。
【0018】Nbは炭化物または窒化物を形成してオー
ステナイト結晶粒を微細化するのに有効な元素である。
さらに添加したNbの一部が固溶して素材焼入性が増大
し、熱間加工後の冷却によって得られる強度が増大す
る。このような効果を発揮させるには0.005 %以上添加
する必要があるが、0.07%を超えて添加しても上記の効
果が飽和するため、0.005 〜0.07%の範囲とする。
【0019】Moは良好な焼入性を確保すると共に靭性
を向上させるのに有効な元素である。このためには0.05
%以上添加する必要があるが、1%を超えて添加しても
効果が飽和するため0.05〜1%の範囲とする。Ni及び
Cuは良好な焼入れ性を確保すると共に靭性を向上させ
るのに有効な元素である。但し多量に添加しても効果が
飽和するため、Niの上限は4%,Cuの上限は1%と
する。
【0020】
【実施例】以下実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明
するが、下記実施例は本発明を制限するものではなく、
前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施することは
全て本発明の技術的範囲に包含される。
【0021】実施例1 表1に示す化学組成の鋼を鍛造した後、焼きならし処理
し、供試片に加工し、925 ℃で2時間30分、Cポテンシ
ャル0.80%の条件にて浸炭処理し、ついで850℃に炉冷
し、10分間保持し、油冷して焼入れた後、180 ℃にて2
時間加熱し、空冷して焼戻し処理した。旧オ−ステナイ
ト粒は、表面活性剤を入れたピクリン酸腐食液を用いて
腐食し、平均粒径は、切片法を用いて測定した。浸炭前
の素材、及び浸炭焼入れ焼戻し後の表層部並びに芯部の
旧オ−ステナイト結晶粒径を表2に示す。
【0022】
【表1】
【0023】
【表2】
【0024】表2からも明らかなように、本発明鋼(N
o.1〜10)は、平均粒径7μm 以下の微細な結晶粒を浸
炭前の素材、及び浸炭後の表層部並びに芯部ともに有し
ていいるのが分かる。それに反して、比較鋼No.11〜19
は本発明の上記条件の内少なくとも1つ以上を満足して
いない場合の比較例である。例えば、No.11,12及び19
はVが添加されていない。No.13及び14はVが添加され
ていても、指定された範囲外である。No.15〜18は、V
量が指定された範囲内におさまっているが、No.15はN
量が、No.17はAl量が、各々規定範囲外である。ま
た、No.16及び18は、各々の成分は規定範囲内におさま
っているが、[V]/[Al]の比が規定された範囲内
におさまっていない。これらの比較鋼では、いずれも平
均粒径7μm 以下の微細な結晶粒は得られていない。尚
図3に本発明鋼及び比較鋼の結晶組織構造、特に典型的
な旧オ−ステナイト粒子の結晶組織構造を示す。
【0025】実施例2 前記供試鋼No.1〜19を用いて回転曲げ疲労試験及びシ
ャルピー衝撃試験を行った。浸炭焼入れ焼戻し供試片の
一部を、硬度HRC60、粒径0.6mm のショット粒を用い
て、カバレージ300 %、アークハイト0.85mmA2のショッ
トピーニング処理をした。
【0026】回転曲げ疲労試験は、応力集中係数2.0 の
切欠き付き疲労試験片を用いて、回転数3600rpm にて浸
炭まま材及びショットピーニング材を用いて行った。ま
た、シャルピー衝撃試験は、JIS 3号(2mm Uノ
ッチ)シャルピー試験片に加工した後、上記の浸炭焼入
れ焼戻し処理を施して行った。回転曲げ疲労試験結果、
及びシャルピー衝撃試験結果を表3に示す。
【0027】
【表3】
【0028】表3からも明らかなように、本発明鋼(N
o.1〜10)では、浸炭まま並びにショットピーニング後
の疲労強度と靭性が比較鋼(No.11〜19)よりも優れて
いることが分かる。
【0029】
【発明の効果】本発明は以上のように構成されているの
で、高靭性及び高疲労強度を兼備した浸炭用鋼を提供で
きるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】V窒化物の単位体積当たりの析出物数と[V]
/[Al]の関係を示すグラフである。
【図2】V窒化物の平均粒径と[V]/[Al]の関係
を示すグラフである。
【図3】(a) ,(b) ,(c) は各々No.8,No.11,No.
18の鋼の結晶組織構造を示す図である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−240616(JP,A) 特開 昭63−125642(JP,A) 特開 平2−170944(JP,A) 特開 平2−209450(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 38/00 301 C22C 38/60

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 C:0.1〜0.3%(重量%の意味,
    以下同じ),Si:0.05〜0.3%,Mn:0.4
    〜2%,S:0.005〜0.05%,Cr:0.5〜
    1.5%,Al:0.02〜0.08%,V:0.3〜
    1%,N:0.008〜0.025%を含有し、残部が
    Fe及び不可避的不純物元素からなり、且つ下記(1)
    式を満足すると共に、Vの窒化物及び/もしくは炭窒化
    の析出物を含有して、平均結晶粒径が7μm以下の微
    細な旧オーステナイト粒を有することを特徴とする浸炭
    用鋼。 10[Al]<[V]<30[Al] …(1) (但し、[ ]は鋼中に存在する各元素の重量%を示
    す)
  2. 【請求項2】 C:0.1〜0.3%,Si:0.05
    〜0.3%,Mn:0.4〜2%,S:0.005〜
    0.05%,Cr:0.5〜1.5%,Al:0.02
    〜0.08%,V:0.3〜1%,N:0.008〜
    0.025%を含有し、更にNb:0.005〜0.0
    7%,Mo:1.5%以下,Ni:4%以下,Cu:1
    %以下よりなる群から選ばれる1種以上の元素を含有し
    て、残部がFe及び不可避的不純物元素からなり、且つ
    下記(1)式を満足すると共に、Vの窒化物及び/もし
    くは炭窒化物の析出物を含有して、平均結晶粒径が7μ
    m以下の微細な旧オーステナイト粒を有することを特徴
    とする浸炭用鋼。 10[Al]<[V]<30[Al] …(1) (但し、[ ]は鋼中に存在する各元素の重量%を示
    す)
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