JP3932102B2 - 肌焼鋼及びこれを用いた浸炭部品 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、肌焼鋼及びこれを用いた浸炭部品に係り、更に詳細には、構造部品に使用される鋼材のうち、表層部に浸炭処理や浸炭窒化処理等の表面硬化処理（ガス浸炭、固体浸炭、液体浸炭、塩浴浸炭、プラズマ浸炭や真空浸炭等を含む）を施し、表層部の硬さを高める必要のある部品、例えば自動車のエンジン、変速機、差動機等に用いられるピストンピン等のエンジン部品、歯車、シャフト等の部品に用いられる肌焼鋼及びこれを用いた浸炭部品に関するものである。なお、以下では歯車への実施例を取り上げるが、本発明の適用範囲は歯車に限定されるものではなく、特に衝撃強度特性が重要視される全ての機械構造部品に使用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来の肌焼鋼としては、ＪＩＳで定められているＳＣｒ４２０Ｈ、ＳＣＭ４２０Ｈ、ＳＮＣＭ４２０Ｈ等が用いられている。
しかし、最近の自動車等輸送機械の高出力化、軽量化の動向に伴い、動力伝達部品において衝撃強度向上のニーズが高く、上記ＪＩＳ規格鋼では十分ではない。
そこで、上記ニーズに対して、特開平９−２０１６４４号公報等において、鍛造、熱処理工法の工夫により高い衝撃特性を得られるかさ歯車を得る方法が開示されている。
しかし、この公報記載の製造方法では、材料コスト、加工コストが高いという問題点があった。しかも衝撃強度特性を大幅改善するには至らなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来使用されている肌焼鋼に比べて、材料コスト、加工コストの大幅増加がなく、衝撃強度に優れた肌焼鋼及びこれを用いた浸炭部品を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、肌焼鋼に含まれる元素成分である、Ｃ、Ｍｎ、Ｍｏ、ＰやＳの量、Ｂ等の元素を特定の範囲に調製することにより、結晶粒度及び浸炭硬化層の適度なバランスを得ることにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００５】
即ち、本発明の肌焼鋼は、質量％で、０．１〜０．３％の炭素、０．３％以下の珪素、０．３〜１．７％のマンガン、０．０３％以下のリン、０．０３％以下の硫黄、１．０％以下のモリブデン、０．０４％以下のアルミニウム、０．０３％以下の窒素、０超〜１．６％のクロム及び０．００１〜０．００５％のホウ素と、０．０１〜０．１０％のニオブ及び／又はチタンとを含み、残部は鉄及び不可避不純物から構成され、次式（１）
［Ｃ％］＋５（［Ｐ％］＋［Ｓ％］）≦（［Ｍｎ％］＋［Ｍｏ％］＋１．８）／８ …（１）
を満たすことを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の浸炭部品は、上記肌焼鋼を用いて成り、浸炭層の結晶粒度がＪＩＳ Ｇ０５５１で規定されているオーステナイト結晶粒度番号で７番以上の微細なオーステナイト結晶粒度を有する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の肌焼鋼について詳細に説明する。なお、「％」は特記しない限り、質量百分率を示す。
【０００８】
本発明の肌焼鋼は、本発明者らが、肌焼鋼の衝撃強度の向上には、肌焼鋼に含まれる元素成分である、Ｃ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｃｒ及びＢの量、ＮｂやＴｉの添加、結晶粒度及び浸炭硬化層（有効硬化層）の適度なバランスをとることが有効であることを見出したことに起因する。
具体的には、Ｍｏ等のコストの高い元素を多く添加しなくても不純物元素であるＰ、Ｓ量を低減すればよいこと、Ｍｏの代替としてＭｎを添加すればよいこと、Ｂの添加及び結晶粒の微細化が、衝撃強度の向上に大きく寄与するという発明者らの知見に基づくものである。
【０００９】
即ち、本発明の第１の肌焼鋼は、質量％で、０．１〜０．３％の炭素（Ｃ）、０．３％以下の珪素（Ｓｉ）、０．３〜１．７％のマンガン（Ｍｎ）、０．０３％以下のリン（Ｐ）、０．０３％以下の硫黄（Ｓ）、１．０％以下のモリブデン、０．０４％以下のアルミニウム（Ａｌ）、０．０３％以下の窒素（Ｎ）、０超〜１．６％のクロム（Ｃｒ）及び０．００１〜０．００５％のホウ素（Ｂ）と、０．０１〜０．１０％のニオブ（Ｎｂ）及び／又は０．０１〜０．１０％のチタン（Ｔｉ）とを含み、残部は鉄（Ｆｅ）及び不可避不純物から構成されるように調製した合金である。この場合は、Ｍｏの代替としてＭｎを添加することにより、コストの高いＭｏの添加を低減できる。
また、含まれる元素成分は、次式（１）
［Ｃ％］＋５（［Ｐ％］＋［Ｓ％］）≦（［Ｍｎ％］＋［Ｍｏ％］＋１．８）／８ …（１）
を満たすように調製した合金である。
【００１０】
ここで、Ｍｏは、鋼の焼入れ性を上げるのに有効な元素であり、また浸炭層の靭性を向上させるのに有効な元素である。Ｍｏ含有量が１．０％を超えて添加過剰になると、これらの効果が飽和してくる。
【００１１】
また、上式（１）は、破壊起点となる結晶粒界での亀裂の発生、伝播を抑制するための、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｍｎ及びＭｏの含有量を適正化するための特定式である。
即ち、Ｍｎ及びＭｏを適量添加することで浸炭後の浸炭層の靭性が強化され、また、不純物であるＰ、Ｓを低減することで結晶粒界の靭性を強化され、衝撃強度が向上する。
【００１２】
ここで、上記の元素成分のうち、Ｃは、浸炭焼き入れ後の硬さを向上させて、浸炭部品の強度を向上させる作用を有し、その含有量は、０．１〜０．３％である。Ｃ含有量が０．１％未満では、添加効果に乏しい。一方、０．３％を超えると、靭性の低下、衝撃強度の低下をもたらす。
【００１３】
また、Ｓｉは鋼の焼入れ性を上げるのに有効な元素であるが多量に添加すると、浸炭後の粒界酸化を助長し、強度の低下をもたらすため０．３％以下とする必要がある。過剰な含有は機械加工性および冷間鍛造性が著しく損なわれてしまう。
【００１４】
更に、上記Ｍｎは、鋼の焼入れ性を上げるのに有効な元素である。下限を０．３％としたのは、靭性向上のためには浸炭後の適度なオーステナイトの残留も必要だからである。一方、１．７％を超えて含有量が過剰になると、冷間鍛造性を低下させ、浸炭後の粒界酸化を助長する。
【００１５】
更にまた、上記Ｐは、浸炭層の靭性を劣化させる元素である。特に、その含有量が０．０３％を超えると、衝撃強度の低下が著しくなる。また、Ｐは不純物元素であるので、できるだけ含有量を０％に近づけることが好ましい。
【００１６】
また、上記Ｓも、浸炭層の靭性を劣化させる元素であり、Ｐと同様にその含有量が０．０３％を超えると、衝撃強度の低下が著しくなる。また、Ｓも不純物元素であるので、できるだけ含有量を０％に近づけることが好ましい。
【００１７】
更に、Ａｌは、鋼中のＮと反応してＡｌＮを形成し、浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する作用がある。上記Ａｌの含有量が０．０４％を超えると、上記の結晶粒粗大化防止の効果が飽和してしまう。また、同様の理由から、上記Ｎの含有量が０．０３％を超えると、上記の結晶粒粗大化防止の効果が飽和してしまう。
【００１８】
更にまた、上記肌焼鋼には、Ｃｒを１．６％以下で含有する。Ｃｒは鋼の焼入れ性を向上させるために有効な元素である。しかしながら、過剰に添加すると結晶粒界の脆化を招くことがあるので、上限を１．６％とする。なお、Ｃｒ含有量の下限については、必要とされる焼入性に応じて決めるものであり、特に定めない。
【００１９】
また、上述した肌焼鋼には、０．００１〜０．００５％のホウ素（Ｂ）と、０．０１〜０．１０％のニオブ（Ｎｂ）及び／又はチタン（Ｔｉ）とを含有させることができる。
上記Ｂは、鋼の焼入れ性を上げるのに有効な元素である。また、浸炭層の結晶粒界に偏析して浸炭層の粒界を強化するのに有効な元素である。この効果を得るには、０．００１％以上の添加が好ましい。しかし、０．００５％を超えて添加すると、焼入れ性向上の効果が飽和するだけでなく、熱間、冷間での加工性が低下するため好ましくない。
上記ＮｂとＴｉは、どちらか一方又は両方を含有させることができ、両元素を含有する場合も、各々の元素の含有量を０．０１〜０．１０％とすることが良い。Ｎｂ又はＴｉは、鋼中のＣやＮと反応して炭窒化物を形成し、浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する作用がある。但し、０．０１％未満では、上記結晶粒粗大化防止の十分な効果が得られにくい。また、０．１０％を超えるとその効果が飽和してしまうことがある。
なお、本発明の肌焼鋼における、上記元素成分以外の残りの成分は、ほとんどＦｅで占められ、その他、不可避不純物である、Ｃｕ、Ｏ等を含有する。
【００２０】
上述した第１の肌焼鋼は、元素成分が、次式（３）
［Ｃ％］＋５．２（［Ｐ％］＋［Ｓ％］）≦（［Ｍｎ％］＋［Ｍｏ％］＋３．８）／２２＋９６［Ｂ％］＋［ＪＩＳ Ｇ０５５１で規定されるオーステナイト結晶粒度番号］／１１１ …（３）
を満たすことが好ましい。これより、Ｂの添加による効果で結晶粒界の不純物を排除し、粒界の強化を図ることができる。更に、結晶粒度が細かくなり粒界で壊れにくくなるので有効である。
【００２１】
次に、本発明の第２の肌焼鋼について説明する。
本肌焼鋼は、次式（２）及び（３）を満たすこと以外は、上述の第１の肌焼鋼とほぼ同様の成分組成及び効果を有する。
［Ｃ％］＋５（［Ｐ％］＋［Ｓ％］）≦（［Ｍｎ％］＋１．８）／８ …（２）
［Ｃ％］＋５．２（［Ｐ％］＋［Ｓ％］）≦（［Ｍｎ％］＋［Ｍｏ％］＋３．８）／２２＋９６［Ｂ％］＋［ＪＩＳ Ｇ０５５１で規定されるオーステナイト結晶粒度番号］／１１１ …（３）
これより、Ｂの添加による効果で結晶粒界の不純物を排除し、粒界の強化を図ることができる。更に、結晶粒度が細かくなり粒界で壊れにくくなるので有効である。
【００２２】
また、上述した第１の肌焼鋼又は第２の肌焼鋼は、元素成分が、次式（４）
８０［Ｓｉ％］＋２４［Ｍｎ％］＋３３［Ｍｏ％］＋１３≦４０ …（４）
を満たすことが好ましい。これより、冷間鍛造前の材料の硬さを低減することができ、変形抵抗の低下及び変形能の向上、更には冷間鍛造時のプレス荷重低下が可能である。即ち、上記式（４）を満たすように調製することにより、冷間鍛造性を向上させることができる。
【００２３】
なお、特に上記式（１）及び（３）を満たすときに、衝撃強度の向上に必要な、破壊起点となる結晶粒界での亀裂の発生、伝播を抑制するためのＣ、Ｐ、Ｓ、Ｍｎ及びＭｏ量の適正化、Ｂの添加、結晶粒の細粒化による結晶粒界の強化が達成されうる。
即ち、浸炭後の浸炭層の靭性強化のためにＭｎ、Ｍｏを適量添加し、結晶粒界の靭性強化のために不純物であるＰ、Ｓを低減することが好ましく、この考えに基づくのが式（１）による制限である。
また、Ｂの添加による効果で結晶粒界の不純物を排除し、粒界の強化を図ることが好ましい。更に、結晶粒度を細かくし粒界で壊れないようにすることが好ましい。この考えに基づくのが式（３）による制限である。
【００２４】
更に、上述した第１の肌焼鋼又は第２の肌焼鋼には、０．３％以下の鉛（Ｐｂ）、０．１５％以下のビスマス（Ｂｉ）又は０．１％以下のカルシウム（Ｃａ）、及びこれらを任意に組合せたものを含有させることができる。
これらの元素は、被削性を向上させるのに有効な元素であるが、Ｐｂについては０．３％、Ｂｉについては０．１５％、Ｃａについては０．１％を超えると、被削性向上効果が飽和するばかりでなく、靭性が低下することがある。
【００２５】
次に、本発明の浸炭部品について詳細に説明する。
かかる浸炭部品は、上述の肌焼鋼を用いて成り、浸炭層の結晶粒度がＪＩＳ Ｇ０５５１で規定されるオーステナイト結晶粒度番号で７番以上の微細なオーステナイト結晶粒度である。
このように、浸炭時の結晶粒を細かくすることは、衝撃入力に対し、亀裂伝播に対する抵抗を上げるうえで有効である。なお、上記オーステナイト結晶粒度番号で７番未満の微細化されていない結晶粒度の場合は、優れた衝撃強度特性を得られない。
【００２６】
以上のように、本発明の肌焼鋼は、自動車の変速機や差動機等に使用される歯車、シャフトなど、表層部の硬さを高める必要のある部品に用いられる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
また、本実施例及び比較例では、歯車を取り上げるが、本発明の適用範囲は、歯車に限定されるものではなく、特に衝撃強度特性が重要視されるすべての機械構造部品に適用される。
【００２８】
（実施例及び比較例）
表１に示す化学組成の鋼を通常の方法によって、１５０Ｋｇ真空溶製した。鋼Ｆ〜Ｌは本発明の実施鋼であり、鋼Ｎ〜Ｑは比較鋼、鋼Ａ〜Ｅ、鋼Ｍ及び鋼Ｒは参考鋼である。なお、比較鋼Ｎは、従来型のＪＩＳ規格肌焼鋼のＳＣｒ４２０Ｈに相当する。
【００２９】
【表１】

【００３０】
次に、これらの鋼を通常の方法によって、圧延、焼きならした後、図１に示す歯車試験片（モジュール１．５）に加工した。更に、各試験片について図２に示すヒートパターンで浸炭焼入れ焼き戻しを行い、仕上げ加工を施した。
このようにして作製した各歯車試験片を用いて、落錘型衝撃試験機により衝撃試験を実施した。
また、オーステナイト結晶粒度について、ＪＩＳ Ｇ０５５１記載の交差線分による判定方法により測定した。
衝撃試験は、図３に示すように、歯車試験片を相手歯車と噛み合わせた後、歯車試験片に結合しているトルクアームに衝撃負荷を繰り返し加え、各衝撃トルクにおける破損までの衝撃負荷回数を求める試験である。
図４に示す試験結果を基に、衝撃負荷トルク（以下「１００回衝撃強度」と略すことがある）と破損回数の関係式を求め、１００回破損時の衝撃負荷トルクを求めた。上記試験結果を表２に示す。なお、図４の波線矢印は、負荷衝撃トルクと破損回数の関係式より、１００回衝撃強度を求める方法を示したものである。
【００３１】
【表２】

【００３２】
実施鋼Ｆ〜Ｌは、不純物元素、添加元素のバランスの適正化により、上記式（１）、（２）のいずれかと式（３）とを満足し、比較鋼に比べて衝撃強度が高かった。
これに対して、比較鋼Ｎは、上記式（２）、（３）を満足せず、衝撃強度が低かった。また、比較鋼Ｏは、Ｃｒ量が多く、且つ上記式（２）、（３）を満足せず、衝撃強度が低かった。更に、比較鋼Ｐは、結晶粒度が７番を下回っており、且つ上記式（１）、（３）を満足せず、衝撃強度が低かった。更にまた、比較鋼Ｑは、結晶粒度が７番を下回っており、且つ上記式（２）、（３）を満足しないため、衝撃強度が低かった。
【００３３】
また、表３に示す化学組成の鋼を通常の方法によって１５０ｋｇ真空溶製した。発明鋼１〜３は式（１）、（３）、（４）をともに満たす本発明の好適形態であり、鋼４〜９は式（１）、（３）、（４）のうち１つ以上を満たさない比較鋼及び参考鋼である。なお、比較鋼８は従来型のＪＩＳ規格肌焼鋼のＳＣＭ４１８Ｈに相当する。
次に、これらの鋼を通常の方法によって圧延、バー材にした後、切断、球状化焼鈍、ショットブラスト、潤滑被膜処理し、冷間歯形鍛造を行った。その後、旋削等の切削加工により、図５に示す歯車の最終形状に加工し、浸炭焼入れ焼き戻しを行い、仕上げ研削加工を施した。
なお、本実施例で取り上げた歯車の製造方法としては、冷間鍛造により所定のブランク形状にした後、旋削、歯切り加工を行う工法での製造も可能である。また、発明鋼１〜３については冷間鍛造前の軟化熱処理である球状化焼鈍を省略しても冷間鍛造による成形は充分に可能である。
このようにして、作製した歯車を用いて、落錘型衝撃試験機により衝撃試験を実施した。衝撃試験は、実施例Ａ〜Ｑとほぼ同様の方法である。この実験方法により得られた衝撃負荷トルクと破損回数の関係式を求め、１００回破損時の衝撃負荷トルクを求めた。また、冷間鍛造性については、上記冷間歯型鍛造時に、実部品のプレス機設置の荷重計により荷重を測定した。プレス荷重が低いほど、冷間鍛造性に優れていることを意味している。
【００３４】
【表３】

【００３５】
上記冷間鍛造の結果と衝撃試験結果を表４に示す。なお、結果は比較鋼８（ＪＩＳ規格肌焼鋼のＳＣＭ４１８Ｈ）の冷間鍛造荷重、および１００回衝撃強度をそれぞれ１００としたときの比で示している。
【００３６】
【表４】

【００３７】
表４より、発明鋼１〜３は式（１）、（３）及び（４）を満たすため、冷間鍛造性、衝撃強度がともに優れていることがわかる。
これに対して、参考鋼４，５及び９は式（１）及び（３）を満たし衝撃強度に優れるが、式（４）を満たさないため冷間鍛造性に劣る。比較鋼６は式（３）及び（４）を満たさないため衝撃強度、冷間鍛造性がともに劣る。比較鋼７及び８は式（１）、（４）は満たすが、式（３）を満たさないため衝撃強度に劣る。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、肌焼鋼に含まれる元素成分である、Ｃ、Ｍｎ、Ｍｏ、ＰやＳの量、Ｂ等の元素を特定の範囲に調製することにより、結晶粒度及び浸炭硬化層の適度なバランスが得られるため、従来使用されている肌焼鋼に比べて、材料コスト、加工コストの大幅増加がなく、衝撃強度に優れた肌焼鋼及びこれを用いた浸炭部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 歯車試験片を示す側面図である。
【図２】 浸炭焼入れ焼き戻しのヒートパターンを示す図である。
【図３】 衝撃試験を示す構成図である。
【図４】 衝撃トルクと破損回数の関係を示すグラフである。
【図５】 冷間鍛造、切削加工により試作した歯車を示す図である。
【図６】 球状化焼鈍材の硬さと冷間鍛造時の荷重値（参考鋼５を１００としたときの比）との関係を示すグラフである。
【図７】 式（３）の［左辺値］−［右辺値］と衝撃強度（参考鋼５を１００としたときの比）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 歯車試験片
２ 相手歯車
３ 固定端
４ トルクアーム
５ 衝撃荷重負荷位置

Claims (6)

1. 質量％で、０．１〜０．３％の炭素、０．３％以下の珪素、０．３〜１．７％のマンガン、０．０３％以下のリン、０．０３％以下の硫黄、１．０％以下のモリブデン、０．０４％以下のアルミニウム、０．０３％以下の窒素、０超〜１．６％のクロム及び０．００１〜０．００５％のホウ素と、０．０１〜０．１０％のニオブ及び／又はチタンとを含み、残部は鉄及び不可避不純物から構成され、次式（１）
   ［Ｃ％］＋５（［Ｐ％］＋［Ｓ％］）≦（［Ｍｎ％］＋［Ｍｏ％］＋１．８）／８ …（１）
   を満たすことを特徴とする肌焼鋼。
2. 質量％で、０．１〜０．３％の炭素、０．３％以下の珪素、０．３〜１．７％のマンガン、０．０３％以下のリン、０．０３％以下の硫黄、
   ０．０４％以下のアルミニウム、０．０３％以下の窒素、０超〜１．６％のクロム及び０．００１〜０．００５％のホウ素と、０．０１〜０．１０％のニオブ及び／又はチタンとを含み、残部は鉄及び不可避不純物から構成され、次式（２）
   ［Ｃ％］＋５（［Ｐ％］＋［Ｓ％］）≦（［Ｍｎ％］＋１．８）／８ …（２）
   を満たし、
   元素成分が、次式（３）
   ［Ｃ％］＋５．２（［Ｐ％］＋［Ｓ％］）≦（［Ｍｎ％］＋［Ｍｏ％］＋３．８）／２２＋９６［Ｂ％］＋［ＪＩＳ Ｇ０５５１で規定されるオーステナイト結晶粒度番号］／１１１ …（３）
   を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の肌焼鋼。
3. ０．３％以下の鉛、０．１５％以下のビスマス及び０．１％以下のカルシウムから成る群より選ばれた少なくとも１種の元素を含有して成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の肌焼鋼。
4. 元素成分が、次式（３）
   ［Ｃ％］＋５．２（［Ｐ％］＋［Ｓ％］）≦（［Ｍｎ％］＋［Ｍｏ％］＋３．８）／２２＋９６［Ｂ％］＋［ＪＩＳ Ｇ０５５１で規定されるオーステナイト結晶粒度番号］／１１１ …（３）
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の肌焼鋼。
5. 元素成分が、次式（４）
   ８０［Ｓｉ％］＋２４［Ｍｎ％］＋３３［Ｍｏ％］＋１３≦４０ …（４）
   を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の肌焼鋼。
6. 請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の肌焼鋼を用いて成る浸炭部品であって、
   浸炭層の結晶粒度がＪＩＳ Ｇ０５５１で規定されるオーステナイト結晶粒度番号で７番以上の微細なオーステナイト結晶粒度であることを特徴とする浸炭部品。

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