JP5361293B2 - 静的強度に優れた浸炭部品 - Google Patents

Description

本発明は、はだ焼鋼に浸炭処理を施して製造される自動車用もしくは機械構造用の浸炭部品に関し、特に等速ジョイント部品などの静的強度が求められる機械構造用鋼からなる浸炭部品に関する。

従来、機械構造用鋼は機械加工した後、焼入れ、焼戻しを行い、自動車用部品やもしくはその他の機械構造部品として使用される。その中でも特に強度が求められる場合には、はだ焼鋼からなる部品に浸炭焼入焼戻しを行って使用される。

自動車用もしくは機械構造用部品、特に等速ジョイント部品などの静的強度が求められる機械構造用部品に関して、ガス浸炭処理では部品表面に生成する粒界酸化層を発生させないため、質量％で炭素濃度０．３〜１．２％の鋼材に、通常の焼入れであるズブ焼入れを組み合わせることで、静的強度を向上させる発明が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、ベースの炭素濃度が、通常のはだ焼鋼のレベルよりも高いため、素材硬度の上昇により、切削性などの加工性が劣化する懸念がある。さらに、この機械構造用鋼は高価なＭｏを必須元素とする問題がある。

鋼成分の限定と浸炭層の表面炭素濃度を０．８５％以下とすることにより高強度化する発明が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかしながら、この発明は、明細書中で浸炭層の表面炭素濃度の下限値は、質量％で０．７５％程度でよいと記載しており、発明の実施例では、試験番号１１〜３１に見られるように、浸炭層の表面炭素濃度は０．７８〜０．８２％の間であり、高強度化が十分とはいえないものである。

特開平０３−０４７９４８号公報 特開２００４−２３８７０２号公報

本発明が解決しようとする課題は、Ｎｉ、Ｍｏなどの高価な元素を極力使用することなく、しかも、通常の表面炭素濃度が０．８〜０．９％程度のガス浸炭部品に比して静的強度を大幅に向上させた機械構造用鋼からなる浸炭部品を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、はだ焼鋼に浸炭処理を実施して製造される自動車用もしくはその他の産業機械用部品において、はだ焼鋼の成分が、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．３５〜１％、Ｍｎ：０．２〜０．６％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．２〜３％、Ｔｉ：０．０１〜０．３％、Ｂ：０．０００１〜０．００５％、Ｎ：０．０１５％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、浸炭後の表面炭素濃度が０．５８〜０．７５％であることを特徴とする肌焼鋼からなる静的強度に優れた浸炭部品である。

請求項２の発明では、はだ焼鋼に浸炭処理を実施して製造される自動車用部品もしくはその他の産業機械用部品おいて、はだ焼鋼の成分が、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．３５〜１％、Ｍｎ：０．２〜０．６％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．２〜３％、Ｔｉ：０．０１〜０．３％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％、Ｂ：０．０００１〜０．００５％、Ｎ：０．０１５％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、浸炭後の表面炭素濃度が０．５８〜０．７５％であることを特徴とする静的強度に優れた浸炭部品である。

請求項３の発明では、はだ焼鋼に浸炭処理を実施して製造される自動車用部品もしくはその他の産業機械用部品おいて、はだ焼鋼の成分が、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．３５〜１％、Ｍｎ：０．２〜０．６％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．２〜３％、Ｔｉ：０．０１〜０．３％、Ｂ：０．０００１〜０．００５％、Ｎ：０．０１５％以下を含有し、さらにＮｉ：０．２〜２％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％のうち１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、浸炭後の表面炭素濃度が０．５８〜０．７５％であることを特徴とする静的強度に優れた浸炭部品である。

上記のように、はだ焼鋼の成分を請求項１〜３に限定することにより、静的強度が大きく向上した浸炭部品が得られる。

上記の発明において、浸炭後の表面炭素濃度を、質量％で、０．５８〜０．７５％に限定した理由を説明すると、上限値の０．７５％は、それより上では浸炭層の破壊形態が、粒界破壊が主となり強度が大きく低下するからであり、下限値の０．５８％は、それ未満では表面硬度が低下し、浸炭部品に必要なその他の特性、例えば耐磨耗性や耐ピッチング強度などの悪化が起こるからである。ところで、浸炭後の表面炭素濃度は望ましくは０．５８〜０．６９％とする。

ＳＣｒ４２０やＳＣＭ４２０といったはだ焼鋼の鋼レベルよりも、Ｓｉ量を増加する理由は、浸炭異常層の深さを低減し、また粒界強度を高めて高強度化するためである。さらに、表面炭素濃度の低減により、懸念される焼戻し軟化抵抗の低下による耐ピッチング強度の低下を補うためである。

ＳＣｒ４２０やＳＣＭ４２０といったはだ焼鋼の鋼レベルよりも、Ｍｎ量を低減し、Ｃｒ量を増加する理由は、鋼材の焼入性向上にはＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏが、効果が高いと言われているが、Ｍｎ、ＭｏはＣｒよりも焼ならしや焼なましといった軟化熱処理後の硬度を上昇させる効果も高く、すでに強度向上のためにＳｉ量をアップしているので素材硬度の上昇をできるだけ抑えたいので、Ｃｒ量を積極的に増加させるのである。

以下に、請求項１〜請求項３に係る発明の浸炭部品の鋼成分の限定理由について説明する。なお、％は質量％である。

Ｃ：０．１５〜０．３５％
Ｃは、浸炭焼入焼戻し後に部品の芯部硬さを確保するために必要な元素で、このために０．１５％以上とする。一方、素材硬度の上昇や浸炭部品の内部の靱性低下を抑えるために０．３５％以下とする。

Ｓｉ：０．３５〜１．０％
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な元素であるとともに、鋼に必要な強度および焼入性を付与し焼戻し軟化抵抗を向上するために有効な元素であるが、０．３５％未満では、強度向上効果確保ができず、浸炭異常層の深さが浅くならず、１％を超えると、靱性が低下して素材硬度が上昇して加工性が劣化する。そこでＳｉは０．３５〜１．０％とする。

Ｍｎ：０．２〜０．６％
Ｍｎは、鋼の焼入性を向上させる元素であるが、０．２％未満では焼入性の向上を確保することができず、また製造性を悪化し、０．６％を超えると素材の硬度が上昇して加工性が劣化する。そこで、Ｍｎは０．２〜０．６％とする。

Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、不純物として不可避的に含有されるが、粒界を脆化させ耐衝撃性を下げるので０．０３％以下とする。

Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは粒界偏析により粒界脆化を招き、冷間加工性および靱性を劣化させる元素である。そこで、Ｓは、０．０３％以下とする。

Ｃｒ：１．２〜３％
Ｃｒは、焼入性を向上し、強度を向上するために１．２％以上を必要とする。しかし、３％を超えると鋼材の加工性が劣化する。そこで、Ｃｒは１．２〜３％とする。

Ｔｉ：０．０１〜０．３％
Ｔｉは、ＮをＴｉＮとして固定し、ＢＮの生成を抑制し、さらに微細ＴｉＣやＴｉＣＮを形成し、浸炭時の結晶粒粗大化を抑制する効果を向上させるためには０．０１％以上を必要とする。一方、Ｔｉが０．３％を超えると結晶粒粗大化を抑制する効果が飽和すると共に加工性を劣化し、浸炭部品の製造性を悪化する。そこでＴｉは０．０１〜０．３％とする。

Ｎｂ：０．０１〜０．２％
Ｎｂは、微細ＮｂＣやＮｂＣＮを形成し、浸炭時の結晶粒粗大化を抑制する効果を向上させるためには０．０１％以上を必要とする。一方、Ｎｂが０．２％を超えるとＮｂＣやＮｂＣＮが粗大化し、逆に結晶粒度特性が劣化する、さらにコストアップとなる。そこでＮｂは０．０１〜０．２％とする。

Ｂ：０．０００１〜０．００５％
Ｂは、微量添加で鋼材の焼入性や結晶粒界強度を向上させる元素であるが、その効果を得るためには０．０００１％以上必要である。しかし、Ｂが０．００５％を超えても効果は飽和し、製造性を悪化する。そこでＢは０．０００１〜０．００５％とする。

Ｎ：０．０１５％以下
Ｎは、Ｎ量を低減することでＢＮの生成を抑制してＢの強度および焼入性の向上効果を確保するものとする。そこで、Ｎは０．０１５％以下とする。

Ｎｉ：０．２〜２％
Ｎｉは、焼入性および靱性の向上効果を確保するために０．２％以上添加されるが、２％を超えると素材硬度を上昇しすぎることと、コストアップとなる。そこでＮｉは０．２〜２％とする。

Ｍｏ：０．０５〜０．５％
Ｍｏは、焼入性および靱性の向上効果を確保するために０．０５％以上添加されるが、０．５％を超えると素材硬度を上昇しすぎることと、コストアップとなる。そこでＭｏは０．０５〜０．５％とする。なお、ＮｉおよびＭｏは上記の範囲で選択的に１種または２種添加される。

本願の請求項１〜３に係る発明の浸炭部品用の鋼材は、請求項１〜３に規定する成分範囲とすることにより、本発明に規定する条件とは異なる通常の浸炭処理を行った場合でも、ＪＩＳ ＳＣＭ４２０などの一般のはだ焼鋼を用いた請求項１の部品よりも高強度化される場合がある。しかし、浸炭後の表面炭素濃度の限定による静的強度の向上効果は、ＪＩＳ ＳＣＭ４２０などの一般のはだ焼鋼を使用した場合と同様に請求項１〜３に規定の成分のものにおいても認められ、さらに高強度化される。

逆に請求項１〜３に記載の鋼成分に成分範囲を規定すると、鋼材のコストアップや製造性が悪化するなどが考えられる。そこで、高強度な部品を必要とする場合にのみ、請求項１〜３の構成要件のものとして、静的強度に優れた浸炭部品として使用するものとする。

本発明は、自動車などに用いられる静的強度に優れる浸炭部品を高価な合金元素の多量添加した鋼の使用や大幅な工程の追加をすることなく低コストで製造でき、浸炭前の鋼部材の素材硬度の上昇も切削性などの加工性が劣化する程でなく、かつ耐摩耗性やピッチング強度などの特性を低下させることなく部品の静的破断強度を向上できるなど、従来にない優れた効果を奏するものである。

本発明を実施するための最良の形態について、表および図面を参照して説明する。表１に示す化学組成の鋼を１００ｋｇ真空溶解炉にて溶製した後、１２５０℃で熱間鍛造して直径３２ｍｍの鋼素材を製造した。次いで、前記の各鋼素材に対して９２５℃で９０分保持後、空冷する焼ならしを施した後、機械加工により、図１に示すＶノッチを有する曲げ試験片を作成した。

上記で得られたＶノッチを有する曲げ試験片として、表２における１６条件の個数分を作成し、次いで、これらの個数の曲げ試験片に対し、図２に示す熱処理パターンで９３０℃で浸炭および拡散した後、６０℃の油中に焼入れし、１８０℃で１．５時間の焼戻し処理を実施し、表面炭素濃度の異なる曲げ試験片を得た。

これらの作成した曲げ試験片において、支点間距離を５０ｍｍとして３点曲げにより曲げ試験を行い、破断に至る最大荷重により評価を行なった。なお、これらの曲げ試験片の硬化層深さ（すなわち５５０ＨＶ深さ）は、いずれも１ｍｍ程度であり、ほぼ同等であった。

これらの浸炭後の表面炭素濃度と５０μｍ深さの硬度で示す表面硬度と破断強度比を表２に示す。なお、破断強度比は、はだ焼鋼としてＪＩＳに規定のＳＣＭ４２０に通常浸炭を施した条件１の試験材における破断荷重とそれぞれの条件番号の試験材の破断荷重の比で求めて示した。

以上の試験の結果、浸炭部品の表面炭素濃度を０．５８〜０．７５％にすることにより、ＪＩＳに規定のＳＣＭ４２０の通常の共析浸炭材（条件１のこと）と比較して表１に示す各成分からなる鋼材からなる浸炭部品は静的強度が大幅に向上した。さらに浸炭部品の表面炭素濃度を０．６９％以下にすることで向上効果が一層に大きくなった。さらに、鋼成分の限定との組み合わせにより、他の特性を損なうことなく、表１のＮｏ．Ａに示すＳＣＭ４２０の通常の浸炭材（条件１のこと）よりも、３０％以上の高強度化できる可能性があることがわかった。一方、表面炭素濃度を０．５８％未満にした場合には、静的強度はより向上するが、表２の条件４や条件９にみられるように、表面硬度は大きく低下し、耐磨耗性の劣化など浸炭部品の強度低下の懸念があることがわかった。

Ｖノッチを有する曲げ試験片を示す図で、（ａ）正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）はＶノッチの部分を示す図である。 本発明における鋼材に対する浸炭焼入れおよび焼戻し処理の熱処理パターンを示す図である。

Claims (3)

1. はだ焼鋼に浸炭処理を実施して製造される自動車用部品もしくはその他の産業機械用部品おいて、はだ焼鋼の成分が、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．３５〜１％、Ｍｎ：０．２〜０．６％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．２〜３％、Ｔｉ：０．０１〜０．３％、Ｂ：０．０００１〜０．００５％、Ｎ：０．０１５％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、浸炭後の表面炭素濃度が０．５８〜０．７５％であることを特徴とする肌焼鋼からなる静的強度に優れた浸炭部品。
2. はだ焼鋼に浸炭処理を実施して製造される自動車用部品もしくはその他の産業機械用部品おいて、はだ焼鋼の成分が、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．３５〜１％、Ｍｎ：０．２〜０．６％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．２〜３％、Ｔｉ：０．０１〜０．３％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％、Ｂ：０．０００１〜０．００５％、Ｎ：０．０１５％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、浸炭後の表面炭素濃度が０．５８〜０．７５％であることを特徴とする静的強度に優れた浸炭部品。
3. はだ焼鋼に浸炭処理を実施して製造される自動車用部品もしくはその他の産業機械用部品おいて、はだ焼鋼の成分が、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．３５〜１％、Ｍｎ：０．２〜０．６％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．２〜３％、Ｔｉ：０．０１〜０．３％、Ｂ：０．０００１〜０．００５％、Ｎ：０．０１５％以下を含有し、さらにＮｉ：０．２〜２％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％のうち１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、浸炭後の表面炭素濃度が０．５８〜０．７５％であることを特徴とする静的強度に優れた浸炭部品。

Images