JP4819201B2 - 軟窒化用鋼、並びに軟窒化鋼部品及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2010年3月16日に、日本に出願された特願2010−59230号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
鋼中に固溶状態のTiを確保するためには、C量をできる限り低減することが望ましい。特に、C量が多い場合には、固溶TiがTiCとして固定されるため、Ti量を増加させる必要がある。従って、添加したTiを軟窒化処理で有効に利用するためには、C量を0.15%未満にする必要がある。また、C量を所定値以下に低減すれば、Ti量に応じて固溶Tiの固定化の影響が実質無視し得るため、C量を0.12%未満にすることが好ましく、0.10%未満にすることがより好ましい。C量の下限は、0%である。しかしながら、C量を低減するためには、コストが著しく上昇するので、0.001%以上であることが好ましく、0.005%以上であることがより好ましい。
Siは、固溶強化によってフェライトの硬さを増加させる元素である。Si量が0.01%以上であれば、固溶強化の効果を十分に発揮させることができる。しかしながら、鋼中に1.00%超のSiを添加すると、軟窒化処理時に拡散層において窒化物を形成し、硬化層深さが浅くなる。そのため、Si量を0.01%以上1.00%以下にする必要がある。他の固溶強化元素の量を考慮しながらフェライトの硬さをさらに増加させるために、Si量は、0.015%以上であることが好ましく、0.02%以上であることがより好ましい。また、軟窒化処理時の窒化物の形成を無視できる量まで低下させるために、Si量は、0.80%以下であることが好ましく、0.50%以下であることがより好ましい。
Mnは、固溶強化によってフェライトの硬さを増加させる元素である。Mn量が0.01%以上であれば、固溶強化の効果を十分に発揮させることができる。しかしながら、鋼中に1.00%超のMnを添加すると、軟窒化処理時に拡散層において窒化物を形成し、硬化層深さが浅くなる。そのため、Mn量を0.01%以上1.00%以下にする必要がある。他の固溶強化元素の量を考慮しながらフェライトの硬さをさらに増加させるために、Mn量は、0.05%以上であることが好ましく、0.10%以上であることがより好ましい。また、軟窒化処理時の窒化物の形成を無視できる量まで低下させるために、Mn量は、0.80%以下であることが好ましく、0.50%以下であることがより好ましい。
Sは、Mnと結合してMnSを形成し、添加量の増加に応じて被削性を向上させる効果を有する。そのため、鋼中にSを0.0001%以上含有させる。しかしながら、鋼中に0.050%超のSを添加すると、Ti4C2S2等の被削性に寄与しない粗大析出物を形成し、加工性が劣化する場合がある。さらに、一部のTiがTi4C2S2の形で固定されてしまうため、軟窒化時に析出強化に寄与する固溶Ti量が減少する。そのため、S量を0.0001〜0.050%の範囲にする必要がある。被削性を十分に確保する必要がある場合には、S量は、0.0002%以上であることが好ましく、0.0005%以上であることがより好ましい。また、粗大析出物の形成を十分に抑制して、加工性を十分に確保するために、S量は、0.040%以下であることが好ましく、0.030%以下であることがより好ましい。加えて、S量を所定値以下に低減すれば、Ti量に応じて固溶Tiの固定化の影響が実質無視しうるため、S量は、0.015%以下であることが最も好ましい。
Alは、鋼の脱酸のために有効な元素である。そのため、Al量は、0.0001%以上必要である。しかしながら、鋼中に0.050%超のAlを添加すると、軟窒化処理時に拡散層において窒化物を形成し、硬化層の硬さを顕著に増加させる一方、硬化層の深さを顕著に減少させる。したがって、Al量を0.0001〜0.050%の範囲にする必要がある。また、軟窒化処理時の窒化物の形成を無視できる量まで低下させるために、Al量は、0.040%以下であることが好ましく、0.030%以下であることがより好ましい。
鋼中に固溶状態のTiが0.50%を超えて存在している場合、軟窒化処理時にTiがNと容易に結合してTiとNとのクラスターを形成したり、TiNとして析出したりするので、析出硬化層(拡散層)を硬くかつ深くすることができ、効率的に軟窒化処理を行うことができる。鋼中のTiは、固溶状態においてこのような効果を持つ。軟窒化処理の前に予めTiがTi4C2S2、TiC、TiN、又はTi(CN)の形で炭素、硫黄、窒素と結合している場合には、このような効果を得ることができないので、鋼中に比較的多量のTiを添加する必要がある。しかしながら、鋼中に1.50%超のTiを添加すると、硬化層の硬さが必要以上に増加し、硬化層深さが浅くなる。そのため、Ti量を0.50%超1.50%以下の範囲にする必要がある。析出硬化層(拡散層)をより硬くかつより深くするためには、Ti量は、0.60%以上であることが好ましく、0.70%以上であることがより好ましい。また、所定の軟窒化処理の条件において、硬化層の深さを十分に確保するためには、Ti量は、1.20%以下であることが好ましく、1.00%以下であることがより好ましい。
Nは、鋼中でAl、Ti等の窒化物形成元素と結合して窒化物を形成する。しかしながら、鋼中に固溶状態のTiを確保するためには、N量をできる限り低減することが望ましい。特に、N量が多い場合には、固溶TiがTiNとして固定されるため、Ti量を増加させる必要がある。従って、添加したTiを軟窒化処理で有効に利用するためには、N量を0.0100%以下にする必要がある。また、不可避的に含まれるN量を低減するためには、コストが著しく上昇するので、N量を0.0005%以上にする必要がある。N量を所定値以下に低減すれば、Ti量に応じて固溶Tiの固定化の影響が実質無視し得るため、N量は、0.008%以下であることが好ましく、0.0060%以下であることがより好ましい。また、N量を低減するためには、コストが著しく上昇するため、N量は、0.0010%以上であることが好ましく、0.0015%以上であることがより好ましい。
Pは、不純物として鋼中に含有され、粒界に偏析して粒界を脆化させ、粒界割れの原因になる。そのため、P量をできるだけ低減することが望ましい。したがって、P量を0.050%以下にする必要がある。粒界割れをより確実に防止するためには、P量は、0.030%以下であることが好ましく、0.015%以下であることがより好ましい。また、P量の下限は、0%である。
Oは、鋼中に不可避的に含有され、酸化物系介在物を形成する。Oの含有量が多い場合には、疲労破壊の起点として作用する大きな介在物が増加し、この介在物が疲労特性の低下の原因になるので、O量をできるだけ低減することが望ましい。そのため、O量を0.0060%以下に制限する必要がある。より疲労特性を改善するためには、O量を0.0050%以下に制限することが好ましく、0.0040%以下に制限することがより好ましい。また、O量の下限は、0%である。
Crは、軟窒化処理時に窒化物を生成させることによって硬化層を硬くする元素である。そのため、硬化層の硬さをより増加させる場合には、0.01%以上のCr量が必要である。しかしながら、鋼中に0.30%以上のCrを添加すると、窒化物の生成量が過大になり、硬化層の深さが顕著に減少する。したがって、Cr量を0.01%以上0.30%未満の範囲にする必要がある。なお、硬化層の硬さを上げるためには窒化物を形成するAl、Cr、Ti等の合金元素の添加量を増加させる必要がある。しかしながら、これら合金元素の添加量の増加に伴って硬化層の深さが減少する。Crの添加効果とTiの添加効果とを比較するために、Crが添加された鋼とTiが添加された鋼とを用いて同じ硬化層の硬さを有する軟窒化鋼を得た場合には、Tiが添加された軟窒化鋼に比べて、Crが添加された軟窒化鋼の硬化層の深さが浅くなる。そのため、Crの添加量を制限して、Tiの添加効果を高めることが硬化層の硬さと深さとを両立するために有利である。したがって、Cr量は、0.15%未満であることが好ましい。特に、硬化層の深さの低下を無視できるCr量を考慮すると、Cr量は、0.10%未満であることがより好ましい。
Moは、軟窒化処理時に窒化物を生成させることによって硬化層を硬くするために有効な元素である。そのため、硬化層の硬さをより増加させる場合には、0.01%以上のMo量が必要である。しかしながら、鋼中に1.00%超のMoを添加すると、窒化物の生成量が過大になり、硬化層の深さが顕著に減少する。したがって、Mo量を0.01〜1.00%の範囲にする必要がある。硬化層の硬さをさらに増加させる場合には、Mo量は、0.05%以上であることが好ましく、0.10%以上であることがより好ましく、0.15%以上であることが最も好ましい。また、硬化層の深さをより確実に確保するためには、Mo量は、0.80%以下であることが好ましく、0.60%以下であることがより好ましい。
Vは、軟窒化処理時に窒化物を生成させることによって硬化層を硬くする元素である。そのため、硬化層の硬さをより増加させる場合には、0.005%以上のV量が必要である。しかしながら、鋼中に0.50%超のVを添加すると、窒化物の生成量が過大になり、硬化層の深さが顕著に減少する。したがって、V量を0.005〜0.50%の範囲にする必要がある。硬化層の硬さをさらに増加させる場合には、V量は、0.01%以上であることが好ましく、0.05%以上であることがより好ましい。また、硬化層の深さをより確実に確保するためには、V量は、0.40%以下であることが好ましく、0.30%以下であることがより好ましい。
Nbは、軟窒化処理時に窒化物を生成させることによって硬化層を硬くする元素である。そのため、硬化層の硬さをより増加させる場合には、0.005%以上のNb量が必要である。しかしながら、鋼中に0.10%超のNbを添加すると、窒化物の生成量が過大になり、硬化層の深さが顕著に減少する。したがって、Nb量を0.005〜0.10%の範囲にする必要がある。硬化層の硬さをさらに増加させる場合には、Nb量は、0.008%以上であることが好ましく、0.010%以上であることがより好ましい。また、硬化層の深さをより確実に確保するためには、Nb量は、0.080%以下であることが好ましく、0.050%以下であることがより好ましい。
Cuは、軟窒化処理時に析出し、部品の心部硬さを高める効果がある。Cu量が0.05%以上であれば、その効果が発揮される。しかしながら、鋼中に2.00%超のSiを添加すると、1000℃以上の高温域における延性が低下し、連続鋳造及び熱間圧延時の歩留まりが低下する。そのため、Cu量を0.05〜2.00%の範囲にする必要がある。部品の心部硬さをより高めるために、Cu量は、0.08%以上であることが好ましく、0.10%以上であることがより好ましい。また、連続鋳造及び熱間圧延時の歩留まりの低下を抑えるために、Cu量は、1.50%以下であることが好ましく、1.00%以下であることがより好ましい。なお、Cuを添加する場合には、高温域における延性を改善するために、Ni量がCu量の1/2以上になるようにNiを添加することが望ましい。
Niは、鋼の靭性を改善する効果があるので、部品の靭性を改善する必要がある場合に鋼中にNiを添加する。そのため、鋼の靭性を改善する場合には、0.05%以上のNi量が必要である。また、Cuを添加する場合には、Cuに起因する熱間脆化を軽減する働きがあるため、Ni量がCu量の1/2以上になるようにNiを添加することが望ましい。しかしながら、鋼中にNiを過剰に添加すると、鋼のコストが上昇するので、Ni量を2.00%未満にする必要がある。より確実に鋼の靭性を改善するためには、Ni量は、0.20%以上であることが好ましく、0.40%以上であることがより好ましい。また、軟窒化鋼部品としての鋼のコストを考慮すると、Ni量は、1.50%以下であることが好ましく、1.00%以下であることがより好ましい。
Bは、粒界に偏析することによって粒界強化に寄与する元素である。B量が0.0005%以上であれば、その効果が発揮される。しかしながら、鋼中に0.0050%超のBを添加しても、0.0050%のB量でその効果が飽和する。そのため、B量を0.0005〜0.0050%の範囲にする必要がある。粒界をより強化する必要がある場合には、B量は、0.0008%以上であることが好ましく、0.0010%以上であることがより好ましい。また、粒界強化のために添加されるBの単位量当りの効果を十分に発揮させるために、B量は、0.0040%以下であることが好ましく、0.0025%以下であることがより好ましい。
0.48<[Ti%]−47.9×([C%]/12+[N%]/14+[S%]/32)≦1.20 ・・・(1)
上述したように、鋼中に固溶状態のTiが所定量以上存在している場合、軟窒化処理時にTiがNと容易に結合してTiとNとのクラスターを形成したり、TiNとして析出したりするので、析出硬化層(拡散層)を硬くかつ深くすることができ、効率的に軟窒化処理を行うことができる。固溶状態にあるTiの量(固溶Ti量)は、全Ti量から化合物として生成するTi4C2S2、TiC、TiNに対応するTi量を引いた量に相当するので、Ti、C、N及びSの原子量を考慮して[Ti%]−47.9×([C%]/12+[N%]/14+[S%]/32)の形で表現できる。この固溶Ti量が少ない場合には、硬化層の硬さが不足する。しかしながら、鋼中にTiを過剰に添加すると、窒化物の生成量が過大になり、硬化層の深さが減少する傾向を示す。したがって、固溶Ti量([Ti%]−47.9×([C%]/12+[N%]/14+[S%]/32))を0.48%超1.20%以下の範囲にする必要がある。硬化層の深さをより確実に増加させるために、この固溶Ti量は、1.00%以下であることが好ましく、0.80%以下であることがより好ましい。硬化層の硬さをより増加させるために、この固溶Ti量は、0.50%超であることが好ましく、0.55%超であることがより好ましく、0.60%超であることが最も好ましい。なお、上記(1)式中の[Ti%]、[C%]、[N%]及び[S%]は、鋼中に含有される各元素(Ti、C、N及びS)の質量百分率(質量%)である。
〔所望の部品形状に加工した後、550〜650℃で60分以上保持しながら軟窒化処理〕
本実施形態では、上記実施形態の軟窒化用鋼を、例えば、熱間加工、冷間加工、切削加工、または、これらを組み合わせた加工を用いて所望の部品形状に加工した後、軟窒化処理を施す。通常の軟窒化処理は、400〜580℃程度の処理温度で実施される。処理温度を高く設定すると、拡散層における窒素の拡散を促進し、深い硬化層が得られるとともに、TiとNとのクラスター又はTiNの生成を促進し、硬い硬化層が得られる。そのため、本実施形態では、軟窒化の処理温度を550℃以上にする必要がある。また、処理時間が60分に満たない場合には、十分な硬化層深さを得ることができない。軟窒化の処理温度が650℃を超えると、通常の鋼種の場合、表層部の窒素濃度が高いため、組織がオーステナイト化し、硬さがかえって減少する。しかしながら、上記実施形態のように固溶Ti量が多い鋼種の場合には、Tiが窒素(固溶窒素)を固定するため、通常よりも高い温度での処理が可能である。処理温度が高すぎる場合には、組織がオーステナイト化するだけでなく、最表層に生成する化合物層の厚みが過大になったり、前述のように針状の化合物が化合物層から拡散層に向かって突き出し、この針状化合物層が疲労特性に対して有害な働きをしたりする。そのため、処理温度を550〜650℃の範囲にする必要がある。より硬くかつより深い硬化層を得るために、処理温度は、560℃以上であることが好ましく、570℃以上であることがより好ましい。また、また、寸法精度及び疲労特性をさらに改善するために、処理温度は、640℃以下であることが好ましく、630℃以下であることがより好ましい。加えて、硬化層深さをさらに確保するために、処理時間は、120分以上であることが好ましく、180分以上であることがより好ましい。硬化層深さを確保する効果は、360分で飽和するため、この処理時間は、360分以下であることが好ましい。
硬化層の深さをさらに増加させたり、軟窒化部の組織を改善したりする必要がある場合には、上記軟窒化処理後、窒化雰囲気以外の雰囲気中で580〜700℃で5分以上保持(加熱保持)することが好ましい。
すなわち、軟窒化処理後に加熱を行うことによって窒素が内部へ拡散するため、更に硬化層の深さを増加させることができる。それに加え、窒化雰囲気以外の雰囲気で加熱するため、軟窒化処理時に最表層に生成した化合物層が窒素の供給源になり、窒素が化合物層から鋼中に向けてさらに浸入し引き続き拡散層の形成に寄与する。また、同時に、高温の軟窒化処理で生成する厚い化合物層及び針状化合物層が分解するので、部品の表層の性状を改善することができ、疲労強度を向上することができる。そのため、加熱温度を580℃以上にする必要がある。また、加熱時間が5分に満たない場合には、上記の効果を十分に得ることができない。また、加熱温度が700℃を超えると、表面の組織がオーステナイト化し、硬さがかえって減少する場合がある。したがって、加熱温度を580〜700℃の範囲にし、加熱時間を5分以上にする必要がある。この加熱後の組織の例を図2Cに示す。この図2C中の組織を図2A中の組織と比較すると、窒化雰囲気以外の雰囲気での加熱により化合物層及び拡散層中のFe4Nが分解していることが分かる。部品の表層の性状をより改善するために、加熱温度は、590℃以上であることが好ましい。また、寸法精度及び硬さをより確実に確保するために、この加熱温度は、680℃以下であることが好ましく、650℃以下であることがより好ましい。さらに、加熱による効果をより確実に得るためには、加熱時間は、10分以上であることが好ましい。加熱による効果は、150分で飽和するため、加熱時間は、150分以下であることが好ましい。
Claims (6)
- 質量%で、
C:0%以上かつ0.15%未満、
Si:0.01〜1.00%、
Mn:0.01〜1.00%、
S:0.0001〜0.050%、
Al:0.0001〜0.050%、
Ti:0.50%超かつ1.50%以下、
N:0.0005〜0.0100%
を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
P:0.050%以下、
O:0.0060%以下
に制限し、
かつTi量[Ti%]と、C量[C%]と、N量[N%]と、S量[S%]とが、0.48<[Ti%]−47.9×([C%]/12+[N%]/14+[S%]/32)≦1.20を満足する
ことを特徴とする軟窒化用鋼。 - 質量%で、
Cr:0.01%以上かつ0.30%未満、
Mo:0.01〜1.00%、
V:0.005〜0.50%、
Nb:0.005〜0.10%、
Cu:0.05〜2.00%、
Ni:0.05%以上かつ2.00%未満、
B:0.0005〜0.0050%
の内の1種以上をさらに含有することを特徴とする請求項1に記載の軟窒化用鋼。 - 軟窒化処理が施された鋼部品であって、
表面に存在する軟窒化部と;
この軟窒化部に囲まれる非軟窒化部と;
を含み、
前記非軟窒化部が、質量%で、
C:0%以上かつ0.15%未満、
Si:0.01〜1.00%、
Mn:0.01〜1.00%、
S:0.0001〜0.050%、
Al:0.0001〜0.050%、
Ti:0.50%超かつ1.50%以下、
N:0.0005〜0.0100%
を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
P:0.050%以下、
O:0.0060%以下
に制限し、
かつTi量[Ti%]と、C量[C%]と、N量[N%]と、S量[S%]とが、0.48<[Ti%]−47.9×([C%]/12+[N%]/14+[S%]/32)≦1.20を満足し、
前記軟窒化部では、表面から50μm離れた深さ位置の硬さがHV600〜1050であり、硬さがHV550になる深さ位置が0.4mm以上であり、かつ、針状化合物層の厚さが30μm以下である
ことを特徴とする軟窒化鋼部品。 - 前記非軟窒化部が、質量%で、
Cr:0.01%以上かつ0.30%未満、
Mo:0.01〜1.00%、
V:0.005〜0.50%、
Nb:0.005〜0.10%、
Cu:0.05〜2.00%、
Ni:0.05%以上かつ2.00%未満、
B:0.0005〜0.0050%
の内の1種以上をさらに含有することを特徴とする請求項3に記載の軟窒化鋼部品。 - 請求項1または2に記載の鋼成分を有する鋼を、所望の部品形状に加工した後、550〜650℃で60分以上保持しながら軟窒化処理を行うことを特徴とする軟窒化鋼部品の製造方法。
- 前記軟窒化処理の後に、さらに、窒化雰囲気以外の雰囲気中で580〜700℃で5分以上保持することを特徴とする請求項5に記載の軟窒化鋼部品の製造方法。
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