JP3883782B2

JP3883782B2 - 耐ピッチング性に優れた肌焼鋼

Info

Publication number: JP3883782B2
Application number: JP2000145586A
Authority: JP
Inventors: 亨長岡; 博西森
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2000-05-17
Filing date: 2000-05-17
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2020-05-17
Also published as: JP2001329337A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐ピッチング性に優れた浸炭部品を得る浸炭又は浸炭窒化用の鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで機械構造部品である歯車やシャフト等の歯車用鋼として、ＪＩＳＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０に代表される肌焼鋼が用いられてきたものの、歯車の高強度化の要求はますます高まっており、特にピッチング寿命の向上が望まれている。ピッチング寿命向上のためには、特開平７−２５８７９３号公報に述べられているようにＳｉの増量添加によって、耐軟化性の向上と同時に粒界酸化層深さを低減することは有効と考えられる。しかしながら、ピッチング寿命の長寿命化はまだ不十分であるのが現状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような事情を背景としてなされたもので、本発明の目的とするところは、耐ピッチング性に優れる肌焼鋼を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
耐ピッチング性向上のためには、耐軟化性の向上と同時に粒界酸化層深さを低減する必要がある。そのために、本発明では、Ｔｉ添加により微細なＴｉＣを鋼中に分散させ、鋼マトリックスの分散強化を図り、かつ４Ｓｉ＋Ｍｎ＋２Ｃｒ＞４．３を満たすことにより耐軟化性を向上させ、さらにＳｉ含有量を０．４０〜１．５０％とし、浸炭もしくは浸炭窒化時に生成する表面層の粒界酸化層深さがＳｉ：０．１５〜０．３５％のＪＩＳＳＣＭ４２０に比して低減させ得ることを特徴とする。
【０００５】
すなわち、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、合金元素の含有率が、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．４０〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：０．５０〜３．００％、Ｔｉ：０．０２〜０．２０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、鋼中に微細なＴｉＣを分散させ、鋼マトリックスの分散強化を図り、かつ４Ｓｉ＋Ｍｎ＋２Ｃｒ＞４．３を満たすことにより耐軟化性を向上させ、浸炭もしくは浸炭窒化時に生成する表面層の粒界酸化層深さがＪＩＳＳＣＭ４２０に比して低減させ得ることを特徴とする耐ピッチング性に優れた肌焼鋼である。
【０００６】
請求項２の発明では、請求項１の手段の合金元素に加えて、質量％で、Ｍｏ：≦０．３５％、Ｎｉ：≦３．５０％、Ｎｂ：≦０．２０％、Ｖ：≦０．５０％のうち、１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、鋼中に微細なＴｉＣを分散させ、鋼マトリックスの分散強化を図り、かつ４Ｓｉ＋Ｍｎ＋２Ｃｒ＞４．３を満たすことにより耐軟化性を向上させ、浸炭もしくは浸炭窒化時に生成する表面層の粒界酸化層深さがＪＩＳＳＣＭ４２０に比して低減させ得ることを特徴とする耐ピッチング性に優れた肌焼鋼である。
【０００７】
合金元素の限定理由を以下に説明する。なお、質量％で示す。
【０００８】
Ｃ：０．１０〜０．２５％
Ｃは、鋼の強度を確保するために必須の元素であり、その含有量が浸炭焼入焼戻し後の心部硬さを決定する。そこで、本発明ではＣ量の下限を０．１０％とし、心部の硬さを確保している。しかし、その含有量が多すぎると靱性が劣化や被削性を低下させるなどの弊害をもたらすので、Ｃ含有量の上限を０．２５％とする。
【０００９】
Ｓｉ：０．４０〜１．５０％
Ｓｉは、本発明において重要な役割を持つ元素であって、浸炭あるいは浸炭窒化後に表面に生成する粒界酸化層深さを低減し、かつ同時に焼戻軟化抵抗性を向上させるために添加する。この効果を得るためには０．４０％以上含有する必要があるが、多すぎると靱性を阻害するので上限を１．５０％とする。
【００１０】
Ｍｎ：０．３０〜２．００％
Ｍｎは、焼戻軟化抵抗性を向上させる元素であるために添加され、その効果を得るためには、０．３０％以上を必要とする。しかし、過剰に添加すると素材の軟化焼きなましを困難とし、また被削性や冷鍛性を劣化させるうえ、耐ピッチング性が飽和するため、その上限を２．００％とする。
【００１１】
Ｐ：≦０．０３０％
Ｐは、オーステナイト粒界に偏析して靱性を低下させるため、含有量の上限を０．０３０％とする。
【００１２】
Ｓ：≦０．０３０％
Ｓは、熱間加工性を害し、また鋼中でＭｎＳなる非金属介在物を形成して、横方向の靱性を損なうので、その上限を０．０３０％とする。
【００１３】
Ｃｒ：０．５０〜３．００％
Ｃｒは、焼入性の向上に寄与するとともに、焼戻軟化抵抗性を増大させて耐ピッチング性を向上させるのに寄与する元素であり、このような効果を得るために、０．５０％以上とする。しかし、３．００％を超えて添加しても耐ピッチング性向上の効果は飽和し、かえって被削性を劣化させるので３．００％以下とする。
【００１４】
Ｔｉ：０．０２〜０．２０％
Ｔｉは、ＴｉＣとして鋼中に微細に析出することにより、鋼マトリックスを分散強化し、ピッチングに至るき裂の生成、伝播を遅延させる元素であり、このような効果を得るために、０．０２％以上とする。しかし、０．２０％を超えて添加すると、被削性を劣化させるので、上限を０．２０％とする。
【００１５】
４Ｓｉ＋Ｍｎ＋２Ｃｒ＞４．３
上記式を満たすＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの複合添加により、３００℃にて測定した高温硬さがＪＩＳＳＣＭ４２０相当鋼に比し、ＨＶ≧５３０となり、ピッチング寿命が延長される。
【００１６】
Ｍｏは、焼入性の向上に寄与するとともに、鋼の靱性を向上させるので、焼入性と靱性を確保するため任意に添加することができる。しかし、１．５０％を超えて添加すると素材の軟化焼きなましを困難とし、被削性や冷鍛性を劣化させるため１．５０％以下とする。ただし、本発明としては実施例に基づき０．３５％以下とする。
【００１７】
Ｎｉ：≦３．５０％
Ｎｉは、鋼に所定の焼入性を付与するとともに、鋼の靱性を向上させるので、焼入性と靱性を確保するため任意に添加することができる。しかし、３．５０％を超えて含有させても、その効果は飽和し経済性を損なうので３．５０％を上限とする。
【００１８】
Ｎｂ：≦０．２０％
Ｖ：≦０．５０％
Ｎｂ、Ｖは、いずれも微細な炭化物あるいは炭窒化物を形成し、浸炭あるいは浸炭窒化処理時の結晶粒微細化に寄与して機械構造部材の靱性を高めるのに有効な元素であるので、必要に応じてこれらの１種または２種を適宜添加し、オーステナイト結晶粒を微細化する。しかしながら、添加量が多すぎても微細効果は飽和し、かえって機械的性質を劣化させることもあるため、Ｎｂについては０．２０％以下、Ｖについては０．５０％以下とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の鋼について表１および以下の表並びに実施例を通じて示す。表１において、鋼種Ｃ、鋼種Ｄ、鋼種Ｅ、鋼種Ｆ、鋼種Ｈは請求項１の発明の実施の形態である。鋼種Ａ、鋼種Ｂ、鋼種Ｇ、鋼種Ｉ、鋼種Ｊは請求項２の発明の実施の形態である。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【実施例】
表１示す化学組成の鋼を１００ｋｇ真空溶解炉で溶製した後、１２００℃の熱間鍛造によって直径３２ｍｍの素材を製造した。次いで、前記各素材に対して焼きならしを施した後、図１に示すローラーピッチング試験片１を作成した。このローラーピッチング試験片１は、中央の大径部の直径が２６ｍｍ、長さが２８ｍｍであり、両側の小径部の直径が２２ｍｍ、長さが５１ｍｍの寸法を有するものである。そして、各ローラーピッチング試験片１に対して後記する浸炭あるいは浸炭窒化処理を施した後、ローラーピッチング試験を行った。
【００２２】
ここで、ローラーピッチング試験の原理を図２に示す。すなわち、ローラーピッチング試験片１（小ローラー：材質は表１の鋼種Ａ〜Ｎ）と相手材２（大ローラー：ＪＩＳＳＣＭ４２０相当）とを３４０ｋｇｆ／ｍｍ²すなわち、３３３４Ｎ／ｍｍ²の面圧下で高速回転させ、ピッチングが発生するまでの寿命である回転数を求めて耐ピッチング性を評価した。なお、この場合、ローラーピッチング試験片１（小ローラー）と相手材２（大ローラー）との周速の差、すなわちすべり率は４０％である。そして、各条件についてそれぞれ５本のローラーピッチング試験片１を対象として試験を行った後、ワイブルプロットを行ない、５０％破損確率寿命（Ｂ₅₀寿命）を求めて耐ピッチング性を評価した。また、表面部に生成する粒界酸化層を光学顕微鏡により観察し、その深さを測定した。さらに、表面硬化層断面の表面から８０μｍ位置における硬さを３００℃の高温条件下にて測定した。浸炭処理材の結果を表２ならびに図３、浸炭窒化処理材の結果を表３ならびに図４に示す。
【００２３】
【表２】

【００２４】
さらに、各ローラーピッチング試験片１に対する浸炭処理は、各試験片１を９３０℃で６時間保持している間に浸炭を行ない、８３０℃で３０分保持した後、６０℃の油槽に投入して焼入れし、１７０℃で９０分の焼戻しを行った。浸炭窒化処理は各試験片１を９３０℃で６時間保持している間に浸炭を行ない８３０℃に冷却保持する過程でＮＨ₃を流すことによって窒化を行った。その後、６０℃の油槽に投入して焼入れした後、１７０℃で９０分の焼戻しを行った。
【００２５】
【表３】

【００２６】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明鋼は、鋼中に微細なＴｉＣを分散させて鋼マトリックスを分散強化し、かつ、鋼の化学成分のＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの関係を４Ｓｉ＋Ｍｎ＋２Ｃｒ＞４．３とすることで、耐軟化性を向上させ、さらにＳｉを０．４０〜１．５０質量％と高めることで、耐ピッチング性に優れた特性を有する肌焼鋼を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ローラーピッチング試験片の概略を示す側面図である。
【図２】ローラーピッチング試験の原理を示す斜視図である。
【図３】４Ｓｉ＋Ｍｎ＋２Ｃｒの値とピッチング寿命関係で、浸炭材のローラーピッチング試験結果を示すグラフである。
【図４】４Ｓｉ＋Ｍｎ＋２Ｃｒの値とピッチング寿命関係で、浸炭窒化材のローラーピッチング試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ローラーピッチング試験片
２相手材

Claims

合金元素の含有率が、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．４０〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：０．５０〜３．００％、Ｔｉ：０．０２〜０．２０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、鋼中に微細なＴｉＣを分散させ、鋼マトリックスの分散強化を図り、かつ４Ｓｉ＋Ｍｎ＋２Ｃｒ＞４．３を満たすことにより耐軟化性を向上させ、浸炭もしくは浸炭窒化時に生成する表面層の粒界酸化層深さがＪＩＳＳＣＭ４２０に比して低減させ得ることを特徴とする耐ピッチング性に優れた肌焼鋼。
請求項１記載の合金元素に加えて、質量％で、Ｍｏ：≦０．３５％、Ｎｉ：≦３．５０％、Ｎｂ：≦０．２０％、Ｖ：≦０．５０％のうち、１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、鋼中に微細なＴｉＣを分散させ、鋼マトリックスの分散強化を図り、かつ４Ｓｉ＋Ｍｎ＋２Ｃｒ＞４．３を満たすことにより耐軟化性を向上させ、浸炭もしくは浸炭窒化時に生成する表面層の粒界酸化層深さがＪＩＳＳＣＭ４２０に比して低減させ得ることを特徴とする耐ピッチング性に優れた肌焼鋼。