JP4965001B2 - 焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品 - Google Patents
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Description
また、部品の使用環境温度が約300℃にまで上昇するため、部品表面の硬さが低下し、ピッチング破壊が起こる。このため、耐ピッチング疲労特性の向上(面圧疲労強度の向上、高面圧化などともいう)のためには焼戻し軟化抵抗に優れた肌焼鋼が求められている。
特許文献3には、Siを0.7〜1.5%、Mnを0.5〜1.5%、Crを0.1〜3.0%含有し、かつSi+0.2Crを1.3%超含有する鋼が開示されている。
そこで、本発明はこのような問題を解決して、焼戻し軟化抵抗性に優れた肌焼鋼部品を提供するものである。具体的には、耐ピッチング疲労強度(歯車の面圧疲労強度)の指標となる「300℃における焼戻し軟化抵抗」を、ガス浸炭焼入れ焼戻し後、再度300℃×2時間温度保定後焼戻したときの浸炭層表面硬さと定義し、その「焼戻し軟化抵抗」がHV700以上となる肌焼鋼の提供を課題とする。
(b) 浸炭層中のC含有量を0.9〜1.1%とし、過共析のC含有量とさせる浸炭処理を施すこと。
(c) 浸炭処理後には外径が0.1μm以上となる炭化物(初析セメンタイトや球状炭化物)を存在させないこと。
(d) 浸炭焼入れ焼戻し後の残留オーステナイト量を30%未満とすること。言い換えれば、残留オーステナイト以外は焼戻しマルテンサイトとなるため、焼戻しマルテンサイトが70%以上となることと同義である。
図1からわかるように、本発明者らは、焼戻し軟化抵抗としてHV700を確保するためには、浸炭層のC含有量は0.9〜1.1%、Si含有量は0.7%以上であるとよいことを実験から導いた。
C:0.1〜0.3%、
Si:0.7〜1.0%、
Mn:0.2〜1.5%、
Cr:1.0〜1.5%、
S:0.001〜0.15%、
Al:0.001〜1%、
N:0.001〜0.03%
を含有し、かつ
Mn、及びCrの合計含有量が2.5%以下を満足し、
残部が鉄および不可避的不純物よりなる鋼からなり、その表面に浸炭焼入れ焼戻しを施した鋼部品であって、表面から50μm深さの部分におけるC含有量が0.9〜1.1%であり、平均径が0.1μm以上の初析セメンタイト及び球状炭化物を含まないか、または含んでもその面積率が1%未満であり、さらに、残留オーステナイトを含まないか、または含んでもその面積率が30%未満(もしくは、マルテンサイトの面積率が70%以上)であり、300℃で焼戻したときの表面から50μm深さ部分の硬さがHV700以上であり、前記浸炭焼入れ焼戻しを施したままで使用することを特徴とする焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。
平均径0.1μm以上の初析セメンタイト及び球状炭化物の面積率は、表面から深さ50μmの部分で表面に平行な平面上の10μm四方の範囲内で、その面積率が1%未満であることをいう。
また、残留オーステナイトの面積率も、同様に表面から深さ50μmの部分で表面に平行な平面上の10μm四方の範囲内で、その面積率が30%未満であることをいう。残留オースナイト以外はマルテンサイトでもあるので、換言すれば、マルテンサイトが面積率で70%以上存在すると同義である。
また、面積率は、走査型電子顕微鏡により2000倍で撮影したのち、画像解析装置にて得ることができる。
(2)さらに、鋼の化学成分が、質量%で、
Mo:0.02〜0.6%、
Ni:0.1〜1.0%、
B:0.0002〜0.005%
の内の1種または2種以上を含有し、
Mn、Cr、Mo、及びNiの合計含有量が2.5%以下を満足することを特徴とする上記(1)記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。
(3)さらに、鋼の化学成分が、質量%で、
Ti:0.01〜0.05%、
Nb:0.001〜0.04%、
V:0.02〜0.1%、
の内の1種または2種以上を含有することを特徴とする上記(1)または(2)に記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。
(4)さらに、鋼の化学成分が、質量%で、
Ca:0.0002〜0.005%、
Zr:0.0003〜0.005%、
Mg:0.0003〜0.005%、
REM(希土類元素):0.0001〜0.005%
の内の1種または2種以上を含有することを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれか1項に記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。
(5)上記(1)〜(4)内のいずれか1項に記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼を用いて製造したベルト式無段変速機用プーリー。
Cは、鋼に必要な強度を与えるのに有効な元素であるが、0.1%未満では必要な強度を確保することができず、0.3%を越えると切削加工前の素材の硬さが増大して被削性が劣化するため、0.1〜0.3%の範囲内にする必要がある。好適範囲は0.15〜0.25%である。
Siは、本発明鋼において最も重要な元素である。すなわち、Siは300℃の温度域における軟化抵抗を向上させるのに最も有効な元素である。
浸炭層のMs点(マルテンサイト変態温度)は、高C含有量であると低下する。そのため、焼戻しにより残留オーステナイトが増える。浸炭層のC含有量を0.9〜1.1%の過共析とする場合、図1からSiの適正範囲は、0.7%以上必要であることがわかる。
しかしながら、Siは浸炭性を阻害する元素でもあり、ガス浸炭炉のスーティング防止の観点から、安定的に0.9〜1.1%と過共析の高C含有量に浸炭させるためには、Si量は1.0%を上限とする必要があることが経験的に知られている。
Mn、は鋼の脱酸に有効な元素であるとともに、鋼に必要な強度、焼入れ性を与えるのに有効な元素である。0.2%未満ではその効果を十分引き出すことはできない。また、1.5%を超えるとその効果は飽和するのみならず、切削加工前の素材の硬さが増大して被削性が劣化する。そのため、0.2%〜1.5%の範囲内にする必要がある。Mn含有量の下限は、効果を引き出す観点から余裕(マージン)を考慮して、好ましくは0.3%、さらに好ましくは0.4%であるとよい。Mn含有量の上限は、飽和による経済的観点から、好ましくは1.4%、さらに好ましくは1.3%であるとよい。
Crは、添加することによって、鋼に強度、焼入れ性を与えるのに有効な元素である。その効果を得るためには1.0%以上が必要である。
しかし、過共析のC含有量(0.9〜1.1%)とする浸炭処理条件で、なおかつ、約850℃の焼入れ前保持を行なっても初析セメンタイトを析出させないようにするためには、Cr量は1.5%未満とする必要がある。以上の理由から、Cr含有量を1.0〜1.5%の範囲内にする必要がある。Cr含有量の下限は、効果を引き出す観点から余裕(マージン)を考慮して、好ましくは1.05%、さらに好ましくは1.1%であるとよい。Cr含有量の上限は、セメンタイト析出抑制の観点から、好ましくは1.4%、さらに好ましくは1.3%であるとよい。
Sは、鋼中でMnSを形成し、これによる被削性の向上を目的として添加するが、0.001%未満ではその効果は不十分である。一方、0.15%を超えるとその効果は飽和し、むしろ粒界偏析を起こし粒界脆化を招く。以上の理由から、Sの含有量を0.001〜0.15%の範囲内にする必要がある。被削性を重視する場合の好適範囲は0.005〜0.15%であり、粒界強度を重視する場合の好適範囲は0.001〜0.030%であり、被削性と粒界強度の両方を重視する場合の好適範囲は0.005〜0.070%である。
Alは、脱酸材及び被削性向上の目的で添加する。0.001%未満では脱酸の効果は不十分である。Al(鋼中の全Al)は、一部はNと結びついてAlNとして析出し、残りは固溶Alとして存在する。固溶Alは被削性向上に有効に作用するため、被削性を重視する場合には0.05%超とする必要があるが、1%を超えると変態特性に大きく影響を与えるため、上限を1.0%とした。被削性を重視する場合の好適範囲は0.05〜1%であり、被削性をそれほど重視しない場合の好適範囲は0.02〜0.05%である。
Nは、不可避的に混入する元素であるが、AlとNとの化合物を形成することによる結晶粒微細化の効果もあるため0.001%以上は必要である。但し0.03%を超えると鍛造性を著しく阻害するため0.03%を上限とした。好適範囲は0.004〜0.015%である。更に好適な範囲は、0.005〜0.012%である。
Pは、不可避的に混入する不純物元素であり、粒界に偏析して靭性を低下させるため0.03%以下に制限する必要がある。好適範囲は0.015%以下である。更に好適な範囲は、0.01%以下にするとよい。
Oは、不可避的に混入する不純物元素であり、粒界偏析を起こして粒界脆化を起こしやすくするとともに、鋼中で硬い酸化物系介在物を形成して脆性破壊を起こしやすくする元素である。Oは0.005%以下に制限する必要がある。好適範囲は0.0025%以下である。更に好適な範囲は、0.001%以下にするとよい。
Moは、添加することによって、鋼に強度、焼入れ性を与える効果があるが、0.02%未満はその効果が不十分である。但し、0.6%を越えて添加するとその効果は飽和するのみならず、切削加工前の素材の硬さが増大して被削性が劣化するため、0.02%〜0.6%の範囲内にする必要がある。好適範囲は下限が0.15、上限が0.25%である。更に好適な範囲は、下限が0.17、上限が0.23%である。
Niは、添加することによって、鋼に強度、焼入れ性を与える効果があるが、0.1%未満はその効果が不十分である。但し、1.0%を越えて添加するとその効果は飽和する。また、添加量に応じて切削加工前の素材の硬さが増大して被削性が劣化する。したがってNiは0.1%〜1.0%の範囲内にする必要がある。好適範囲は0.2〜0.5%未満、さらに好ましくは0.2〜0.3%の範囲である。
Bは、添加することによって、鋼に強度、焼入れ性を与える効果があるが、その効果を得るためには0.0002%以上必要である。しかしながら、0.005%を超えてBを添加するとその効果は飽和し、かえって衝撃強度劣化等の悪影響が懸念されるので、その含有量を0.005%以下の範囲内にする必要がある。好適範囲は0.0010〜0.003%、さらに好ましくは0.0015〜0.0025%の範囲である。
Tiは、鋼中のC、Sと結びついて数ナノメートル〜数十ナノメートルのサイズの微細なTiC、TiCSを生成させ、これにより浸炭時のオーステナイト結晶粒の微細化を図るために添加する。しかしながら、0.01%未満ではその効果は不十分である。しかし、Tiを0.05%を超えて添加すると、TiCによるCのロスにより300℃焼戻し後の硬さが低下するため、上限を0.05%とした。好適範囲は、0.015〜0.04%、さらに好ましくは0.02〜0.03%の範囲である。
Nbは、鋼中のC、Nと結びついて数ナノメートル〜数十ナノメートルのサイズの微細なNb(CN)を形成し、結晶粒の粗大化抑制に有効な元素であるが、その効果を得るためには0.001%以上が必要である。ただし、0.04%を越えて添加するとNb(CN)によるCのロスにより300℃焼戻し後の硬さが低下するため、上限を0.04%とした。以上の理由から、その含有量を0.001%〜0.04%の範囲内にする必要がある。好適範囲は、0.005〜0.03%、さらに好ましくは0.01〜0.025%の範囲である。
Vは、鋼中のC、Nと結びついて数ナノメートル〜数十ナノメートルのサイズの微細なV(CN)を形成し、結晶粒の粗大化抑制に有効な元素であるが、その効果を得るためには0.02%以上が必要である。ただし、0.1%を越えて添加するとV(CN)の生成によるCのロスにより300℃焼戻し後の硬さが低下するため、上限を0.1%とした。以上の理由から、その含有量を0.02〜0.1%の範囲内にする必要がある。好適範囲は0.03〜0.08%、さらに好ましくは0.05〜0.07%の範囲である。
Caは酸化物を低融点化し、切削加工環境下の温度上昇により軟質化することで、被削性を改善するが、0.0002%未満では効果が無く、0.005%を超えるとCaSを多量に生成し、被削性を低下するためCa量を0.0002〜0.005%とするのが望ましい。好適範囲は0.0005〜0.004%、さらに好ましくは0.001〜0.003%の範囲である。
Zrは脱酸元素であり、酸化物を生成するが、硫化物も生成することでMnSとの相互関係を有する元素であり、被削性の改善に有効である。Zr系酸化物はMnSの晶出/析出の核になりやすい。そのためMnSの分散制御に有効である。Zr添加量として、MnSの球状化を狙うためには0.003%を超えた添加が好ましいが、微細分散させるためには逆に0.0003〜0.005%の添加が好ましい。製品としては後者のほうが、製造上、品質安定性(成分歩留まり等)の観点から後者、すなわちMnSを微細分散させる0.0003〜0.005%の方が現実的に好ましい。0.0002%以下ではZr添加効果はほとんど認められない。好適範囲は0.0005〜0.004%、さらに好ましくは0.001〜0.003%の範囲である。
Mgは脱酸元素であり、酸化物を生成するが、硫化物も生成することでMnSとの相互関係を有する元素であり、被削性の改善に有効である。Mg系酸化物はMnSの晶出/析出の核になりやすい。また硫化物がMnとMgの複合硫化物となることで、その変形を抑制し、球状化する。そのためMnSの分散制御に有効であるが、0.0003%未満ではその効果が無く、0.005%を超えるとMgSを大量に生成し、被削性が低下するためMg量を0.0003〜0.005%とするのが望ましい。好適範囲は0.0005〜0.004%、さらに好ましくは0.001〜0.003%の範囲である。
REM(希土類元素)は添加することによってMnSを微細分散させる作用を有する元素であり、被削性の改善に有効である。その効果を得るためには0.0001%以上は必要である。但し、0.005%を超えるとその効果は飽和する。好適範囲は0.0005〜0.003%である。好適範囲は0.0005〜0.004%、さらに好ましくは0.001〜0.003%の範囲である。
ここで浸炭処理中の純鉄に対するカーボンポテンシャルは0.9〜1.2%で処理することにより、試験片の表面近傍(表面から50μm深さ)のC含有量を0.8〜1.1%になるように調整した。
Claims (5)
- 化学成分が、質量%で、
C:0.1〜0.3%、
Si:0.7〜1.0%、
Mn:0.2〜1.5%、
Cr:1.0〜1.5%、
S:0.001〜0.15%、
Al:0.001〜1%、
N:0.001〜0.03%
を含有し、かつ
Mn、及びCrの合計含有量が2.5%以下を満足し、
残部が鉄および不可避的不純物よりなる鋼からなり、
当該鋼の表面に浸炭焼入れ焼戻しを施した鋼部品であって、
表面から50μm深さの部分におけるC含有量が0.9〜1.1%であり、平均径が0.1μm以上の初析セメンタイト及び球状炭化物を含まないか、または含んでもその面積率が1%未満であり、さらに、残留オーステナイトを含まないか、または含んでもその面積率が30%未満であり、300℃で焼戻したときの表面から50μm深さ部分の硬さがHV700以上であり、前記浸炭焼入れ焼戻しを施したままで使用することを特徴とする焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。 - さらに、鋼の化学成分が、質量%で、
Mo:0.02〜0.6%、
Ni:0.1〜1.0%、
B:0.0002〜0.005%
の内の1種または2種以上を含有し、
Mn、Cr、Mo、及びNiの合計含有量が2.5%以下を満足することを特徴とする請求項1に記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。 - さらに、鋼の化学成分が、質量%で、
Ti:0.01〜0.05%、
Nb:0.001〜0.04%、
V:0.02〜0.1%、
の内の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。 - さらに、鋼の化学成分が、質量%で、
Ca:0.0002〜0.005%、
Zr:0.0003〜0.005%、
Mg:0.0003〜0.005%、
REM(希土類元素):0.0001〜0.005%
の内の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。 - さらに、鋼の化学成分が、質量%で、
Ca:0.0002〜0.005%、
Zr:0.0003〜0.005%、
Mg:0.0003〜0.005%、
REM(希土類元素):0.0001〜0.005%
の内の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項3に記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。
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