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