JP5338370B2

JP5338370B2 - 浸炭用鋼

Info

Publication number: JP5338370B2
Application number: JP2009040344A
Authority: JP
Inventors: 裕司安達; 隆之河合
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-02-24
Also published as: JP2010196094A

Description

本発明は、自動車、建設車両、建設機器等に用いられる浸炭部材用の鋼に関する。

従来、自動車、建設車両、建設機器等に使用される歯車やシャフト等の動力伝達に使用される駆動系鋼部品には、浸炭処理により表面に硬化層を形成する肌焼鋼が多用されている。上記駆動系鋼部品には、優れた耐摩耗性と高靭性が同時に要求されるため、表面は浸炭処理により硬い組織として耐摩耗性を確保し、内部は低Ｃのままとして高い靭性をもたせるためである。

そして、近年では、上述の浸炭硬化層を有する駆動系鋼部品は、環境対応から、製造時のコスト低減・ＣＯ₂排出低減が強く求められている。
それに対し、肌焼部品に多く使用されているＣｒＭｏ鋼のガス浸炭品の短時間浸炭化技術として様々な技術が報告されている。短時間浸炭処理は、コスト低減・ＣＯ₂排出低減につながる。
具体的には、素材における炭素含有量を増加させる技術が報告されている（特許文献１）。素地炭素濃度が高いため、所望の炭素濃度が得やすく、浸炭時間を短縮することができる。また、ＪＩＳＧ４０５３：２００８には、通常浸炭用鋼として使用されるＣ含有率０．２０％のＣｒ鋼、Ｃｒ−Ｍｏ鋼だけでなく、さらにＣ含有率を高めたＣｒ鋼、Ｃｒ−Ｍｏ鋼が記載されている。

特開平８−７３９９０号公報

しかしながら、上述の従来技術では、炭素含有量の増加に伴い、切削性の劣化という問題が生じる。切削性改善の手段として、Ｓ等の快削元素の添加があるが、肌焼部品に対しては疲労強度の低下の影響が大きく、快削元素の添加は適応し難いという問題がある。そのため、Ｃ含有率を高めれば浸炭時間を短縮できることを把握していても、容易には実施することができないのが現状であった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、切削性を低下させることなくＣ含有率を高めることにより、従来の浸炭処理に対し、短時間で処理でき、ＣＯ₂排出量も少ない浸炭処理（以下、短時間・低ＣＯ₂排出浸炭処理という）にて浸炭硬度分布が確保できる浸炭用鋼を提供しようとするものである。

本発明は、Ｃ：０．２５〜０．３３質量％、Ｓｉ：０．５０〜２．００質量％、Ｍｎ：０．３０〜０．６５質量％、Ｐ：０．０３５質量％以下、Ｓ：０．０３５質量％以下、Ｃｒ：０．５０〜２．５０質量％、Ａｌ：０．０２５〜０．０４５質量％、Ｎ：０．００６０〜０．０３００質量％、Ｍｏ：０．３５質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、
１０×Ｃ−Ｓｉ＋Ｍｎ≦２．７０であり、
ミクロ組織がフェライト・パーライト組織からなり、かつ、フェライト率が面積率で４５％以上であることを特徴とする浸炭用鋼にある（請求項１）。

本発明の浸炭用鋼は、上記のごとく成分組成、及びミクロ組織を制限することにより、従来の浸炭処理に対し、短時間・低ＣＯ₂排出浸炭処理にて浸炭硬度分布が確保でき、切削性にも優れたものとなる。

上記浸炭用鋼は、Ｃを０．２５〜０．３３質量％含有するものである。炭素の含有率を上記範囲とし、素地炭素濃度を高めることにより、所望の炭素濃度が得やすく、浸炭時間を短縮することができる。そのため、従来浸炭用として用いられてきたＣ含有率が０．２０％程度のＣｒ鋼又はＣｒ−Ｍｏ鋼に対し、短時間・低ＣＯ₂排出浸炭処理にて浸炭硬さを確保することができる。

Ｃの含有率を高めることにより切削性を悪化させるパーライト組織率は上昇するため、この部分での切削性低下は免れることができない。そこで、本発明は、炭素含有率を高くしても、切削性を確保する手段として、他の化学成分、ミクロ組織を制限することとした。これにより、フェライト面積を極力上昇させ、かつフェライト硬さを向上させることができ、切削刃具への凝着を抑制することで、ある程度までの素地炭素量上昇に対しても、通常肌焼鋼（ＳＣＲ４２０、ＳＣＭ４２０）と同等以上の切削性を確保することが可能となる。

まず、Ｃの含有率０．２５〜０．３３％に対し、１０×Ｃ−Ｓｉ＋Ｍｎ≦２．７０とすることにより、Ｃ量に対しＳｉ、及びＭｎのバランスを高Ｓｉ低Ｍｎとなるよう制御する。Ｓｉの含有率を高めにし、Ｍｎの含有率を低めにすることにより、フェライト面積率を確保することができる。また、Ｓｉの含有率を高めにすることにより、Ｃ含有率に応じ必要なフェライト硬さを高めることができる。

また、上記浸炭用鋼は、ミクロ組織をフェライト・パーライトとすることにより、歯切れ加工（ホブ切削）等の際の切削性を得ることができる。
また、フェライト・パーライト組織においては、パーライト組織が切削性を悪化させる。そのため、通常肌焼鋼（ＳＣＲ４２０、ＳＣＭ２０）同等以上の切削性を確保するために、フェライト率を面積率で４５％以上確保することとした。

このように、本発明によれば、切削性を低下させることなくＣ含有率を高めることにより、従来の浸炭処理に対し、短時間・低ＣＯ₂排出浸炭処理にて浸炭硬度分布が確保できる浸炭用鋼を提供することができる。

実施例１における、炭素含有率（質量％）と、切削長（ｍ）との関係を示す図。実施例１における、関係式１０×Ｃ−Ｓｉ＋Ｍｎの値と、切削長（ｍ）との関係を示す図。

本発明の浸炭用鋼は、上述したように、Ｃ：０．２５〜０．３３質量％、Ｓｉ：０．５０〜２．００質量％、Ｍｎ：０．３０〜０．６５質量％、Ｐ：０．０３５質量％以下、Ｓ：０．０３５質量％以下、Ｃｒ：０．５０〜２．５０質量％、Ａｌ：０．０２５〜０．０４５質量％、Ｎ：０．００６０〜０．０３００質量％、Ｍｏ：０．３５質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなりなる。

Ｃ：０．２５〜０．３３質量％，
Ｃは浸炭によって強化することができない内部の強度（内部硬さ）を確保するため、及び迅速浸炭化のために必要な元素であり、０．２５質量％以上含有させる必要がある。一方、Ｃの含有率が０．３３質量％を超える場合には、フェライト率の確保が困難となり、Ｓｉ、Ｍｎ等の他元素の最適化を行っても被削性劣化、冷鍛性劣化となるおそれがある。

Ｓｉ：０．５０〜２．００質量％，
Ｓｉは、フェライト率を確保し、切削性を確保するために必要な元素であり、０．５０質量％以上含有している必要がある。一方、Ｓｉの含有率が２．００質量％を超える場合には、フェライト硬さが高くなり切削性が低下するおそれがある。

Ｍｎ：０．３０〜０．６５質量％，
Ｍｎは、焼入れ性を高め、部品の内部まで強度を確保するのに必要な元素であり、０．３０質量％以上含有している必要がある。一方、Ｍｎの含有率が０．６５質量％を超える場合には、フェライト率が確保できず、被削性を確保できなくなるおそれがある。

Ｐ：０．０３５質量％以下，
Ｐの含有率が０．０３５質量％を超える場合には、粒界に偏析し疲労強度を低下させるおそれがある。

Ｓ：０．０３５質量％以下，
Ｓは、被削性向上に有効な元素である。また、Ｓは、製造時に少量の混入が避けられない不純物であり、例えば、ＭｎＳ等のような硫化物系介在物となって存在している。しかし、この介在物は、疲労破壊起点となるため、浸炭処理後の疲労強度を重視する本発明では、被削性はＳ以外の元素の最適化により確保することとし、不純物として含有する範囲（０．０３５質量％以下）でのみ、その含有を許容することとした。

Ｃｒ：０．５０〜２．５０質量％，
Ｃｒは、内部硬さ（強度）確保するために０．５０質量％以上含有させる必要がある。また、本発明では低Ｍｎを実現するために、高めの下限としている。一方、Ｃｒの含有率が２．５０質量％を超える場合には、硬さが高くなり加工性低下が低下するおそれがある。

Ａｌ：０．０２５〜０．０４５質量％，
Ａｌは、ＡｌＮとして存在し、ピン止め効果により浸炭処理における結晶粒異常成長防止に効果のある元素である。そのため、Ａｌは、耐組織あれ性を確保するために、０．０２５質量％以上含有させる必要がある。一方、Ａｌの含有率が０．０４５質量％を超える場合には、耐組織あれ性確保の効果が飽和し、疲労強度が低下するおそれがある。

Ｎ：０．００６０〜０．０３００質量％，
Ｎは、ＡｌやＮｂと結合し、ＡｌＮやＮｂ（Ｃ、Ｎ）となって鋼中に存在し、浸炭処理時に起きる異常粒成長を防止するために効果のある元素である。そのため、Ｎは、耐組織あれ性を確保するために、０．００６０質量％以上含有させる必要がある。一方、Ｎの含有率が０．０３００質量％を超える場合には、耐組織あれ性確保の効果が飽和し、疲労強度が低下するおそれがある。
Ｍｏ：０．３５質量％以下，
Ｍｏは、焼入性、強度向上に有効な元素である。しかし、Ｍｏの含有率が０．３５質量％を超える場合には、硬さが高くなり加工性が低下するおそれがある。

また、上記Ｃ、Ｓｉ、及びＭｎの含有率の関係は、１０×Ｃ−Ｓｉ＋Ｍｎ≦２．７０である。上記式において、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎはそれぞれの含有率（質量％）である。
１０×Ｃ−Ｓｉ＋Ｍｎ＞２．７０の場合には、Ｃの含有率に対するＳｉ、Ｍｎの含有率バランスがとれず、フェライト率とフェライト硬さを確保できず、被削性を確保し難くなるおそれがある。

また、ミクロ組織がフェライト・パーライト組織からなり、かつ、フェライト率が面積率で４５％以上である。
ミクロ組織にマルテンサイト、ベイナイト等のフェライト・パーライト以外の組織が混在する場合には切削性が低下するおそれがある。但し、マルテンサイト、ベイナイト等の組織の存在がごくわずかな量であれば、切削性低下への影響は大きくないので、本発明における「フェライト・パーライト組織」とは、マルテンサイト、ベイナイト等のフェライト・パーライト以外の組織分率が５％未満である組織と定義する。
また、フェライト率が面積率で４５％未満である場合には、切削性が悪化するおそれがある。

ミクロ組織の制御は、成分のバランス設計と熱処理の制御で実現することが可能である。
フェライト・パーライト組織からなるミクロ組織は、熱処理により調整することが可能である。
フェライト率は、低Ｍｎ、Ｃｒ化、及び熱処理により確保することができる。また、フェライト率は、さらに、焼きならし・焼きなまし実施時の冷却時において、フェライト析出温度域で保持又は緩冷却を実施することで確保することが可能である。

また、上記浸炭用鋼は、さらに、Ｎｂ：０．２０質量％以下、Ｔｉ：０．２０質量％以下、Ｖ：０．３０質量％以下を含有することが好ましい（請求項２）。
Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖは、結晶粒微細化による靭性・疲労強度の向上に有効な元素である。Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖの含有率がそれぞれの上限を上回る場合には、上述の効果は飽和し、粗大析出物が発生し、疲労強度が低下するおそれがある。

（実施例１）
本例は、本発明の実施例にかかる浸炭用鋼について説明する。
本例では、まず、本発明の実施例として、表１に示す組成を有する６種類の浸炭用鋼（試料Ｅ１〜試料Ｅ６）、及び本発明の比較例として、表１に示す組成を有する１２種類の浸炭用鋼（試料Ｃ１〜試料Ｃ１２）を作製した。
比較例のうち、試料Ｃ１〜試料Ｃ７は、一部の条件が本発明の上限を満足しない比較鋼であり、試料Ｃ８〜試料Ｃ１２は、ＪＩＳＧ４０５３：２００８に記載の従来のＣｒ鋼及びＣｒ−Ｍｏ鋼である。

また、表１には、１０×Ｃ−Ｓｉ＋Ｍｎの値、フェライト面積率（％）、及び後述の切削長（ｍ）を併せて示す。
ミクロ組織の観察は、試料Ｅ１〜試料Ｅ６、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ１２について、φ５０試験片を焼鈍処理の後、Ｄ／４の部位のミクロ組織をナイタールで腐食し、光学顕微鏡を用いて観察した。そして、フェライト面積率（％）を測定し、フェライト・パーライト以外の組織の有無を確認した。その結果、全ての試料について、ベイナイト、マルテンサイト等のフェライト・パーライト以外の組織の面積率は５％未満となっていた。

上記試料Ｅ１〜試料Ｅ６は、Ｃ：０．２５〜０．３３質量％、Ｓｉ：０．５０〜２．００質量％、Ｍｎ：０．３０〜０．６５質量％、Ｐ：０．０３５質量％以下、Ｓ：０．０３５質量％以下、Ｃｒ：０．５０〜２．５０質量％、Ａｌ：０．０２５〜０．０４５質量％、Ｎ：０．００６０〜０．０３００質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなること、１０×Ｃ−Ｓｉ＋Ｍｎ≦２．７０であること、ミクロ組織がフェライト・パーライト組織からなり、かつ、フェライト率が面積率で４５％以上であることがわかる。

上記試料Ｃ８は、０．２％Ｃ肌焼鋼（ＳＣＲ４２０）である。
また、上記試料Ｃ９〜試料Ｃ１２は、Ｃの含有率が０．２５〜０．４０質量％の従来ＪＩＳ−Ｃｒ鋼である。

次に、得られた浸炭用鋼（試料Ｅ１〜試料Ｅ６、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ１２）について、切削性（歯切れ加工性）の評価を行った。
まず、試料Ｅ１〜試料Ｅ６、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ１２のそれぞれついて、Φ５０×Ｌ４５０ｍｍの円柱試験片の長手方向の幅１０ｍｍ、深さ１０ｍｍの溝が等間隔に４本加工された試験片を作製した。この試験片を、円周速度１７０ｍ／ｍｉｎとなるよう回転させながら、０．２ｍｍ／ｒｅｖの送り速度で工具を移動させるという切削試験を行い、工具の横逃げ面摩耗量が０．３ｍｍとなるまでの切削長を測定した。切込量は１ｍｍに設定した。切削工具は無被覆超硬Ｐ３０を用いている。結果を表１に併せて示す。
歯切れ加工性は、ＳＣＲ４２０（試料Ｃ８）の切削長３８５０ｍ以上であれば、歯切れ加工性が良好であるとして合格とし、３８５０ｍ未満である場合を不合格とした。

図１には、試料Ｅ１〜試料Ｅ６、及び試料Ｃ１〜試料Ｃ１２について、炭素含有率と切削長との関係を示す。図１は、横軸に炭素含有率（質量％）、縦軸に切削長（ｍ）をとった。図１において、記号Ｅ１〜Ｅ６、Ｃ１〜Ｃ１２は、それぞれ試料Ｅ１〜試料Ｅ６、試料Ｃ１〜試料Ｃ１２の結果を示す。また、曲線Ａは、従来のＪＩＳ鋼（Ｓｉ：０．２０〜０．２５％、Ｍｎ：０．７１〜０．８７％，試料Ｃ８〜試料Ｃ１２）の結果を結んだ線である。

図２には、１０×Ｃ−Ｓｉ＋Ｍｎの値と切削長との関係を示す。図２は、横軸に関係式１０×Ｃ−Ｓｉ＋Ｍｎの値、縦軸に切削長（ｍ）をとった。図２において、記号Ｅ１〜Ｅ６、Ｃ１〜Ｃ１２は、それぞれ試料Ｅ１〜試料Ｅ６、試料Ｃ１〜試料Ｃ１２の結果を示す。なお、図２には、本発明の実施例である試料Ｅ１〜試料Ｅ６のデータを○、関係式の条件は満足するが一部の成分が範囲外のデータを△、関係式の値が本発明の条件を満足しないデータを×で示した。

図１、及び図２より明らかなように、従来のＪＩＳ鋼試料Ｃ８（Ｃ含有率０．２０％）を他元素の最適化を考慮することなく、浸炭時間短縮のため、単純に炭素含有率を増量すると、試料Ｃ９の結果よりＣをわずか０．０５％増量し、０．２５％としただけで切削長が３８５０ｍから１６００ｍまで大幅に低下した。さらに、０．４０％まで増量（試料Ｃ１２）していくと、８１０ｍまで大きく低下する（図１参照）。

それに対し、本発明で提案した１０×Ｃ−Ｓｉ＋Ｍｎ≦２．７０を満足するように、Ｓｉ、Ｍｎ量の最適化を図った上で、Ｃの増量を図った本発明鋼の実施例である試料Ｅ１〜試料Ｅ６は、いずれも、０．２％Ｃ肌焼鋼（ＳＣＲ４２０）と同等以上の良好な歯切れ加工性を示した。これより、関係式の値を満足するように、Ｓｉ、Ｍｎ量を最適化することによって、Ｃを０．３３％まで増量しても、試料Ｅ６の結果から明らかなように、従来鋼であるＳＣｒ４２０とほぼ同等の被削性を維持することができることがわかった。

なお、関係式を満足するようにＣｒ、Ｓｉ、Ｍｎ量を調整することによる効果は、図２より明確に把握することができる。しかしながら、Ｃ含有率が０．３３％を超えると、Ｓｉ、Ｍｎ量を最適化しても、比較鋼である試料Ｃ４、Ｃ５の結果の通り、被削性が低下することが明らかとなった。

なお、本例では、短時間・低ＣＯ₂排出浸炭処理にて浸炭硬度分布についての実験は行っていないが、上記浸炭用鋼（試料Ｅ１〜試料Ｅ６）は、Ｃを０．２５〜０．３３質量％含有するものであり、従来浸炭用鋼として一般的に用いられている炭素含有率０．２０％程度の鋼に比較して、素地炭素濃度が高く、上述したように浸炭時間を短縮することができる。そのため、本例の試料Ｅ１〜試料Ｅ６は、従来のＣｒ鋼やＣｒＭｏ鋼に対し、短時間・低ＣＯ₂排出浸炭処理にて必要とする浸炭硬さ及び硬化層深さを確保できることは言うまでもない。
このように、本発明によれば、従来鋼の有する被削性を劣化させることなくＣ含有率を高めることができるため、短時間・低ＣＯ₂排出浸炭処理にて浸炭硬度分布が確保でき、浸炭処理費用の低減に大きく貢献することができる。

Claims

Ｃ：０．２５〜０．３３質量％、Ｓｉ：０．５０〜２．００質量％、Ｍｎ：０．３０〜０．６５質量％、Ｐ：０．０３５質量％以下、Ｓ：０．０３５質量％以下、Ｃｒ：０．５０〜２．５０質量％、Ａｌ：０．０２５〜０．０４５質量％、Ｎ：０．００６０〜０．０３００質量％、Ｍｏ：０．３５質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、
１０×Ｃ−Ｓｉ＋Ｍｎ≦２．７０であり、
ミクロ組織がフェライト・パーライト組織からなり、かつ、フェライト率が面積率で４５％以上であることを特徴とする浸炭用鋼。
請求項１において、さらに、Ｎｂ：０．２０質量％以下、Ｔｉ：０．２０質量％以下、Ｖ：０．３０質量％以下を含有することを特徴とする浸炭用鋼。