JP4243852B2 - 浸炭部品又は浸炭窒化部品用の鋼材、浸炭部品又は浸炭窒化部品の製造方法 - Google Patents
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ここで、(1)式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。また、1つの介在物群とは、介在物同士の間隔が5μm以下である介在物の集合体をいう。
ここで、(1)式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。また、1つの介在物群とは、介在物同士の間隔が5μm以下である介在物の集合体をいう。
なお、鋼材とは棒鋼・線材等の素材、更には、必要に応じ鍛造・切削等を施して部品形状に加工されたものを指す。
C:0.1〜0.3%
Cは、浸炭処理又は浸炭窒化処理後に急冷を行った部品の芯部強度を確保するために必須の元素である。しかし、Cの含有量が0.1%未満では前記の効果が不十分である。一方、Cの含有量が0.3%を超えると、鋼材の切削加工性が大きく低下する。したがって、Cの含有量を0.1〜0.3%とした。
Siは、焼入れ性を高める作用を有するが、浸炭処理或いは浸炭窒化処理の際、粒界酸化層を増加させてしまう。特に、その含有量が0.25%を超えると、粒界酸化層が大幅に増加して曲げ疲労強度が大きく低下する。しかし、量産においてSiの含有量を0.01%未満にすることは困難である。したがって、Siの含有量を0.01〜0.25%とした。なお、Siの含有量が0.15%以下であれば、粒界酸化層はあまり増加せず、また、量産における製造コストを考慮すると、Si含有量の下限は0.06%とすることが好ましいので、Siの含有量は0.06〜0.15%とすることが望ましい。
Mnは、焼入れ性を高める効果が、粒界酸化層の増加に及ぼす悪影響よりも大きいため、曲げ疲労強度を高めるのに有効な元素である。しかし、その含有量が0.2%未満では前記の効果が不十分である。一方、Mnの含有量が1.5%を超えると、曲げ疲労強度を高める効果が飽和するだけでなく、鋼材の切削加工性が大きく低下する。したがって、Mnの含有量を0.2〜1.5%とした。なお、Mn含有量が0.4%以上になると、曲げ疲労強度の向上が顕著になる。このため、Mnの含有量は0.4〜1.5%とすることが望ましい。
Sは、Mnと結合してMnSを形成し、切削加工性を高める作用を有する。しかし、その含有量が0.003%未満では、前記の効果が得難い。一方、Sの含有量が多くなると、粗大なMnSを生成しやすくなって曲げ疲労強度を低下させる傾向があり、特に、その含有量が0.05%を超えると、他の要件を満たしていても所望の曲げ疲労強度(後述の実施例における851MPa以上の回転曲げ疲労強度)が得られない。したがって、Sの含有量を0.003〜0.05%とした。なお、Sの含有量は0.01〜0.04%とすることが好ましい。
Crは、焼入れ性を高める効果が、粒界酸化層の増加に及ぼす悪影響よりも大きいため、曲げ疲労強度を高めるのに有効な元素である。しかし、その含有量が0.5%未満では前記の効果が不十分である。一方、Crの含有量が2.0%を超えると、曲げ疲労強度を高める効果が飽和するだけでなく、鋼材の切削加工性が著しく低下する。したがって、Crの含有量を0.5〜2.0%とした。なお、Crの含有量が0.8%以上になると、曲げ疲労強度の向上が顕著になる。このため、Crの含有量は、0.8〜2.0%とすることが望ましい。
Moは、焼入れ性を高める効果を有し、曲げ疲労強度を高めるのに有効な元素である。しかし、その含有量が0.1%未満では前記の効果が不十分である。一方、Moの含有量が0.8%を超えると、曲げ疲労強度を高める効果が飽和するだけでなく、鋼材の切削加工性が大きく低下する。したがって、Moの含有量を0.1〜0.8%とした。なお、Moの含有量は0.3〜0.6%とすることが好ましい。
Alは、脱酸作用を有する元素である。また、Alは、Nと結合してAlNを形成しやすい元素である。そして、AlNは結晶粒微細化に有効で、曲げ疲労強度を高める効果がある。しかし、Alの含有量が0.01%未満では前記した効果は得難い。一方、Alは硬質な酸化物系介在物を形成しやすく、Al含有量が0.05%を超えると、後述する介在物群の最大長さを観察面積1500mm2中で30μm以下にすることが困難になって、曲げ疲労強度の低下が著しくなり、他の要件を満たしていても所望の曲げ疲労強度(後述の実施例における851MPa以上の回転曲げ疲労強度)が得られなくなる。したがって、Alの含有量を0.01〜0.05%とした。なお、Alの含有量は0.02〜0.04%とすることが好ましい。
Nは、Al、Nb、V及びTiと結合してAlN、NbN、VN及びTiNを形成しやすく、このなかで、AlN、NbN及びVNは結晶粒微細化に有効で、曲げ疲労強度を高める効果がある。しかし、Nの含有量が0.008%未満では前記の効果は得難い。一方、Nの含有量が0.025%を超えると、後述する介在物群の最大長さを観察面積1500mm2中で30μm以下にすることが困難になって、曲げ疲労強度の低下が著しくなり、他の要件を満たしていても所望の曲げ疲労強度(後述の実施例における851MPa以上の回転曲げ疲労強度)が得られなくなる。したがって、Nの含有量を0.008〜0.025%とした。なお、Nの含有量は0.012〜0.020%とすることが好ましい。
Tiは、Nと結合してTiNを形成し、曲げ疲労強度を低下させてしまう。特に、Tiの含有量が0.005%を超えると、後述する介在物群の最大長さを観察面積1500mm2中で30μm以下にすることが困難になって、曲げ疲労強度の低下が著しくなり、他の要件を満たしていても所望の曲げ疲労強度(後述の実施例における851MPa以上の回転曲げ疲労強度)が得られなくなる。したがって、Tiの含有量を0.005%以下とした。なお、不純物元素としてのTiの含有量はできるだけ少なくすることが望ましく、原料及び製鋼でのコストを考慮すると0.002%以下にすることが一層好ましい。
Oは、Alと結合して硬質な酸化物系介在物を形成しやすく、曲げ疲労強度を低下させてしまう。特に、Oの含有量が0.002%を超えると、後述する介在物群の最大長さを観察面積1500mm2中で30μm以下にすることが困難になって、曲げ疲労強度の低下が著しくなり、他の要件を満たしていても所望の曲げ疲労強度(後述の実施例における851MPa以上の回転曲げ疲労強度)が得られなくなる。なお、不純物元素としてのOの含有量はできる限り少なくすることが望ましく、製鋼でのコストを考慮すると、0.001%以下にすることが一層好ましい。
P及びSは、粒界に偏析して粒界を脆化させやすい元素である。このうちSnは、主にスクラップに含まれる不純物元素であるが、スクラップは電気炉溶解に用いられるだけではなく、高炉転炉法においても副原料として使用する場合がある。そして、本発明に係る鋼材の場合には、PとSnの含有量を合計で0.030%以下に制限する必要がある。
Nbは、C又は/及びNと結合してNbC、NbN及びNb(C、N)を形成しやすい元素である。そして、NbC、NbN及びNb(C、N)は、前述したAlNによる結晶粒微細化を補完するのに有効で、曲げ疲労強度を高める効果がある。この効果を確実に得るには、Nbは0.01%以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Nbの含有量が0.08%を超えると、中心偏析部に粗大なNb(C、N)が生成しやすくなり、却って曲げ疲労強度が低下する。したがって、添加する場合のNbの含有量を0.01〜0.08%とした。なお、添加する場合の一層好ましいNbの含有量の範囲は0.02〜0.04%である。
Vは、C及びNと結合してVC及びVNを形成しやすい元素である。上記のうちで、VNは、前述したAlNによる結晶粒微細化を補完するのに有効で、曲げ疲労強度を高める効果がある。また、浸炭窒化時にVNが析出すると、曲げ疲労強度をより高める効果がある。これらの効果を確実に得るには、Vは0.02%以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Vの含有量が0.15%を超えると、鋼材の切削加工性が大きく低下する。したがって、添加する場合のVの含有量を0.02〜0.15%とした。なお、添加する場合の一層好ましいVの含有量の範囲は0.04〜0.10%である。
本発明(1)及び本発明(2)に係る鋼材は、鋼材断面において、前記(1)式で表されるAの値の最小値をそれぞれ、13以上及び15以上とする必要がある。
本発明(1)及び本発明(2)に係る鋼材は、鋼材断面において、断面積1500mm2中での硫化物を除く介在物群の最大長さを30μm以下とする必要がある。
本発明(3)に係る浸炭部品又は浸炭窒化部品の製造方法は、前記本発明(1)又は本発明(2)の化学組成と介在物群を有する鋼材を、A3点以上の温度域に加熱・保持して浸炭処理又は浸炭窒化処理を行った後、500℃以下の温度域に急冷し、その後更に、非硬化部のA3点以上の温度域に加熱・保持して浸炭処理又は浸炭窒化処理を行い、次いで、300℃以下の温度域に急冷して製造するのがよい。
Claims (3)
- 浸炭部品又は浸炭窒化部品用の鋼材であって、質量%で、C:0.1〜0.3%、Si:0.01〜0.25%、Mn:0.2〜1.5%、S:0.003〜0.05%、Cr:0.5〜2.0%、Mo:0.1〜0.8%、Al:0.01〜0.05%及びN:0.008〜0.025%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、不純物中のTiは0.005%以下、O(酸素)は0.002%以下、PとSnは合計で0.030%以下である化学組成を有し、且つ、鋼材断面において、下記(1)式で表されるAの値の最小値が13以上であるとともに、断面積1500mm2中での硫化物を除く介在物群の最大長さが30μm以下であることを特徴とする鋼材。
A=(1+0.681Si)(1+3.066Mn+0.329Mn2)(1+2.007Cr)(1+3.14Mo)・・・(1)
ここで、(1)式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。また、1つの介在物群とは、介在物同士の間隔が5μm以下である介在物の集合体をいう。 - 浸炭部品又は浸炭窒化部品用の鋼材であって、質量%で、C:0.1〜0.3%、Si:0.01〜0.25%、Mn:0.2〜1.5%、S:0.003〜0.05%、Cr:0.5〜2.0%、Mo:0.1〜0.8%、Al:0.01〜0.05%及びN:0.008〜0.025%に加えて、更に、Nb:0.01〜0.08%及びV:0.02〜0.15%の1種以上を含有し、残部はFe及び不純物からなり、不純物中のTiは0.005%以下、O(酸素)は0.002%以下、PとSnは合計で0.030%以下である化学組成を有し、且つ、鋼材断面において、下記(1)式で表されるAの値の最小値が15以上であるとともに、断面積1500mm2中での硫化物を除く介在物群の最大長さが30μm以下であることを特徴とする鋼材。
A=(1+0.681Si)(1+3.066Mn+0.329Mn2)(1+2.007Cr)(1+3.14Mo)・・・(1)
ここで、(1)式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。また、1つの介在物群とは、介在物同士の間隔が5μm以下である介在物の集合体をいう。 - 請求項1又は2に記載の化学組成と介在物群を有する鋼材を、A3点以上の温度域に加熱・保持して浸炭処理又は浸炭窒化処理を行った後、500℃以下の温度域に急冷し、その後更に、非硬化部のA3点以上の温度域に加熱・保持して浸炭処理又は浸炭窒化処理を行い、次いで、300℃以下の温度域に急冷することを特徴とする浸炭部品又は浸炭窒化部品の製造方法。
ここで、A3点は式中の元素記号を鋼材中の各元素の含有量(質量%)として、下記(2)式で求めたものを指す。
A3点(℃)=910−293C0.5+44.7Si+104V+31.5Mo・・・(2)
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