JP6300647B2

JP6300647B2 - 窒化特性に優れる窒化用鋼

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Publication number: JP6300647B2
Application number: JP2014115229A
Authority: JP
Inventors: 丸山　貴史; 貴史丸山; 常陰　典正; 典正常陰
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2034-06-03
Also published as: JP2015229780A

Description

本発明は窒化を施して用いられる部品、特に歯車を代表とする動力伝達部品に適用される機械構造用部品に適した窒化用鋼に関する。

従来、歯車を代表とする動力伝達部品に用いられる機械構造用鋼の多くは、強度と靭性の両立が求められる。そのため、Ｃが０．２％前後のはだ焼鋼を浸炭焼入焼戻しすることで表層のみを硬化して使用される。しかしながら、浸炭処理は、一般的に鋼がオーステナイト化する温度である９００℃以上の温度まで加熱し、鋼材への炭素拡散を行うため歪が発生し、部品の寸法制度が悪くなる。

一方、窒化処理は一般的に変態点以下である６００℃以下で処理を施すため熱処理歪が小さく、寸法制度に優れる。そのため、窒化処理は、近年、浸炭焼入焼戻しに変わる表面硬化処理として注目されている。しかしながら、未だに短時間の窒化処理では浸炭焼入焼戻し並みの硬化層を得ることが困難であり、硬化層の深さを増加させるためには２４時間を越える長時間の窒化処理が必要となる。

そこで、長時間の窒化による製造性を下げることなく、強度確保のために必要な硬さや硬化層の深さを得るためには、窒化特性を向上することで窒化効率を上げることが鋼材側において重要となる。窒化処理において、窒化物析出元素を添加することで、窒化物および炭窒化物をＮ拡散層内に析出させ、硬度を上昇させる。しかし、窒化物析出元素を多量に添加すると、Ｎ拡散を阻害するので、硬化層の深さが浅くなる。このため、添加元素の種類および添加量を最適化することが窒化特性の向上につながる。

このように、窒化した際には、添加元素による硬度上昇と硬化層減少は切り離せない関係である。しかしながら、合金元素によっては、その特性は異なるため、必要な強度に応じて合金元素を使い分ける必要がある。表面硬度上昇のためには、合金元素としてＣｒ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｖなどの窒化物析出元素の添加が有効で、特にＣｒは窒化物および炭窒化物を非常に形成しやすく硬度上昇に効果がある。しかし、ＣｒはＮの拡散を著しく阻害し、硬化層の深さが浅くなる。そこで、硬化層の深さが浅くなることを防ぐため、Ｃｒ添加と同時にＭｏやＶを積極的に添加して硬化層の深さを改善しているものがある（例えば、特許文献１参照。）。さらに、窒化層の深さの減少を回避するために高周波焼入れと窒化処理を併用することで、硬化層の深さを改善しようとするものがある（例えば、特許文献２参照。）。

しかし、特許文献１の方法では、窒化前の組織には、検討が及んでおらず、ＭｏやＶの多量添加は素材コストの大幅な増加につながる。また、特許文献１の請求項では、硬化層を「Ｈｖ（ビッカース硬度）７５０で０．２５ｍｍ以上であること」と規定している。ところで、この規定では、硬化層は浸炭処理以上の硬化層の深さであり、一般的な機械構造用鋼として使用する場合には、この硬化層の深さは過度なものである。さらに、特許文献２の方法では、高周波焼入れと合わせるために、Ｃ添加量を０．３％超〜０．６％と中炭素鋼同等程度としている。しかし、ＣはＮの拡散を大きく妨げる元素であり、硬化層の深さの減少につながる問題がある。

特開平７−３３９２号公報特開２０１１−２０８２５０号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、窒化を施して用いられる鋼部品、特に歯車を代表とする動力伝達部品などの機械構造用鋼部品に対する、窒化処理で適切な硬化層の深さを得ることができる窒化用鋼を提供することである。

発明者らは、鋼を窒化する前の組織をマルテンサイト組織としてＡｌ添加による硬度上昇の効果を最大限に活用することにより、該鋼からなる部品の窒化処理時にＣｒとＡｌの窒化物および炭窒化物の析出を制御することでＣｒの添加による硬化層の減少を抑え、ＭｏやＶの多量の添加あるいはその他の表面処理に頼ることなく、機械構造用鋼として使用に耐えうる、窒化特性に優れた鋼を製造可能であることを見出した。

そこで、本発明の課題を解決するための手段は、第１の手段では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０〜１．５０％、Ｍｏ：０．０５〜０．３０％、Ａｌ：０．１５〜０．８０％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、当該鋼に焼入焼戻処理して窒化前の組織をマルテンサイト組織としたことを特徴とする窒化特性に優れる窒化用鋼である。

第２の手段では、第１の手段の化学成分に加えて、質量％で、Ｖ：０．０５〜０．３５％、Ｔｉ：０．０５〜０．３０％、Ｎｂ：０．０３〜０．３０％のうち１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、当該鋼に焼入焼戻処理して窒化前の組織をマルテンサイト組織としたことを特徴とする窒化特性に優れる窒化用鋼である。

第３の手段では、第１の手段または第２の手段の当該鋼に焼入焼戻処理して窒化前の組織をマルテンサイト組織とした鋼は、該鋼からなる部品に窒化処理する際に、該窒化処理によるＮ拡散層内における長径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の窒化物および炭窒化物の中の、炭素および窒素を除く原子量比でＡｌを５０％以上含むＡｌ主体の窒化物および炭窒化物の析出物数をＮ_Alとし、炭素および窒素を除く原子量比で、Ｃｒを５０％以上含むＣｒ主体の窒化物および炭窒化物の析出物数をＮ_Crとするときの、これら窒化物および炭窒化物の析出物数の比であるＮ_Al／Ｎ_Crが０．２以上であり、その表面硬さが８００Ｈｖ以上であり、有効硬化層の深さは０．２５ｍｍ以上であることを特徴とする窒化特性に優れる窒化用鋼である。

本発明の窒化用鋼、および窒化用鋼を素材とした窒化部品は、窒化前の組織をマルテンサイト組織とし、さらに添加元素と析出窒化物および炭窒化物を制御することで、窒化特性を向上させ、素材コストの大幅な増加につながる高価な添加元素の多量の添加や製造コスト増となる窒化以外の表面硬化処理に頼ることなく、２４時間以内の窒化処理においても機械構造用鋼としての使用に耐える表面硬度および硬化深さを有し、優れた耐摩耗特性を有することが可能である。

先ず、本発明の手段の窒化用鋼における化学成分の限定理由、鋼の窒化前の組織をマルテンサイト組織とする理由、およびＡｌの窒化物および炭窒化物並びにＣｒの窒化物および炭窒化物の析出物数の比の限定理由を以下に説明する。なお、化学成分の％は質量％で示す。

Ｃ：０．１０〜０．４０％
Ｃは鋼の芯部の強度に影響する元素であり、Ｃが０．１０％未満では十分な芯部の硬さが得られず強度が低下するため、Ｃは０．１０％以上とする。一方、Ｃが０．４０％を超えるとＮの拡散を阻害して鋼の窒化特性を低下するため、Ｃは０．４０％以下とする。そこで、Ｃは０．１０〜０．４０％とし、好ましくは、Ｃは０．１５〜０．３８％とする。

Ｓｉ：０．１０〜０．５０％
Ｓｉは脱酸に必要な元素であり、Ｓｉが０．１０％未満では鋼の芯部の焼戻し軟化抵抗性が不足し窒化処理後の芯部の硬さが低下するため、Ｓｉは０．１０％以上とする。一方、Ｓｉが０．５０％を超えると素材硬さが増加し、被削性および鍛造性などの加工性が阻害あれるため、Ｓｉは０．５０％以下とする。そこで、Ｓｉは０．１０〜０．５０％とし、好ましくは、Ｓｉは０．１５〜０．４０％とする。

Ｍｎ：０．５０〜１．５０％
Ｍｎは鋼の焼入れ時の焼入性の確保に必要な元素であり、そのためにはＭｎが０．５０％以上は必要である。一方、Ｍｎは素材硬さが増加し、被削性および鍛造性などの加工性を阻害するため、Ｍｎは１．５０％以下とする。そこで、Ｍｎは０．５０〜１．５０％とし、好ましくは、Ｍｎは０．５５〜１．００％とする。

Ｐ：０．３０％以下
Ｐは鋼の脆化元素であり、疲労強度を下げるため、Ｐは０．０３０％以下とする。

Ｓ：０．３０％以下
Ｓは鋼の冷間加工性を阻害する元素であり、また、Ｍｎと結合し、ＭｎＳを生成することで疲労強度を低下するため、Ｓは０．０３０％以下とする。

Ｃｒ：０．５０〜１．５０％
Ｃｒは鋼の焼入性の確保に必要な元素であり、かつ窒化により表面硬度を大きく上昇させる元素であり、これらの効果を十分な効果を得るためには、Ｃｒは０．５０％以上の添加が必要である。一方、Ｃｒが増加すると窒化物および炭窒化物を形成し、Ｎの拡散を大きく妨げ、硬化層の深さが低下するため、Ｃｒは１．５０％以下とする。そこで、Ｃｒは０．５０〜１．５０％とし、好ましくは、Ｃｒは０．６５〜１．３０％とする。

Ｍｏ：０．０５〜０．３０％
Ｍｏは鋼を窒化した際に、窒化物および炭窒化物の析出により硬度を向上させる元素であり、この効果を十分な効果を得るためには、Ｍｏは０．０５％以上の添加が必要である。さらに、Ｍｏは窒素拡散の阻害に対する影響が小さいため、硬化層の深さの減少防止のためにも有効な元素である。一方、Ｍｏが増加すると素材コストが大幅に増加するため、Ｍｏは０．３０％以下とする。そこで、Ｍｏは０．０５〜０．３０％とし、好ましくは、Ｍｏは０．１０〜０．２５％とする。

Ａｌ：０．１５〜０．８０％
Ａｌは鋼を窒化した際に、窒化物および炭窒化物の析出により硬度を大きく上昇させる元素であり、この効果を十分な効果を得るためには、Ａｌは０．１５％以上の添加が必要である。一方、Ａｌが増加すると製造性が低下するため、Ａｌは０．８０％以下とする。そこで、Ａｌは０．１５〜０．８０％とし、好ましくは、Ａｌは０．３０〜０．７０％とする。

Ｎ：０．００５〜０．０３０％
Ｎは窒化物および炭窒化物を形成する元素であり、窒化物および炭窒化物を形成することでピンニング効果により、結晶粒の粗大化を防止する。これらの効果を十分に発揮するためには、Ｎは０．００５％以上が必要である。一方、Ｎが過剰に添加されると、窒化物の析出量が増加して鋼の被削性が低下するため、Ｎは０．０３０％を以下とする。そこで、Ｎは０．００５〜０．０３０％とする。

Ｖ：０．０５〜０．３０％
Ｖは鋼を窒化した際に窒化物および炭窒化物の析出により硬度を向上させるために有効な元素で、さらに窒素拡散を阻害する影響が小さいので硬化層の深さの減少を防止するためにも有効な元素である。それらの効果を得るためには、Ｖは０．０５％以上が必要である。一方、Ｖは添加量を０．３０％より多くすると素材コストが大幅に増加するため、Ｖは０．３０％以下とする。そこで、Ｖは０．０５〜０．３０％とし、好ましくは、Ｖは０．０８〜０．２５％とする。

Ｔｉ：０．０５〜０．３０％
Ｔｉは鋼を窒化した際に窒化物および炭窒化物の析出により硬度を向上させる元素で、その効果を得るためには、Ｔｉは０．０５％以上が必要である。一方、Ｔｉは添加量を０．３０％より多くすると素材コストが大幅に増加するため、Ｔｉは０．３０％以下とする。そこで、Ｔｉは０．０５〜０．３０％とし、好ましくは、Ｔｉは０．１０〜０．２５％とする。

Ｎｂ：０．０３〜０．３０％
Ｎｂは鋼を窒化した際に窒化物および炭窒化物の析出により硬度を向上させる元素で、その効果を得るためには、Ｎｂは０．０３％以上が必要である。一方、Ｎｂは添加量を０．３０％より多くすると素材コストが大幅に増加するため、Ｎｂは０．３０％以下とする。そこで、Ｎｂは０．０３〜０．３０％とし、好ましくは、Ｎｂは０．０６〜０．２０％とする。

鋼の窒化前の組織：マルテンサイト組織
鋼の窒化前の組織であるミクロ組織がフェライトであると、Ａｌ窒化物による析出強化が十分に果たされない。そのため、鋼の窒化前に鋼に鍛造加工や切削加工等の加工を施しその上で焼入焼戻しを行なって、表面からＮを拡散させようとする深さに到るまでの間の表面層を予めマルテンサイト組織としておく必要がある。そこで、鋼の窒化前の組織をマルテンサイト組織とする。

Ａｌの窒化物および炭窒化物の析出物数およびＣｒの窒化物および炭窒化物の析出物数の比：Ｎ_Al／Ｎ_Crが０．２以上
Ａｌの窒化物および炭窒化物並びにＣｒの窒化物および炭窒化物の析出物数の比は、Ｃｒの窒化物および炭窒化物に対してＡｌの窒化物および炭窒化物の比を多くすることで、窒素拡散による阻害を軽減することが可能である。この軽減効力を十分に発揮させるためには、窒化後の拡散層内における、長径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の析出物数の比で、窒化物中および炭窒化物中の原子量比でＡｌを５０％以上含むＡｌ主体の窒化物および炭窒化物の析出物数のＮ_Alと原子量比でＣｒを５０％以上含むＣｒ主体の窒化物および炭窒化物の析出物数のＮ_Crの析出物数比が０．２以上である必要がある。そこで、Ａｌの窒化物および炭窒化物の析出物数並びにＣｒの窒化物および炭窒化物の析出物数の比はＮ_Al／Ｎ_Crが０．２以上とし、好ましくはＮ_Al／Ｎ_Crが０．３以上とする。

以下に、本発明の実施例について記載する。表１に示すＮｏ．１〜２１の本発明例鋼およびＮｏ．２２〜２７の比較例鋼のそれぞれの化学成分からなる鋼を１００ｋｇ真空溶解炉で溶製した。次いで、これらの鋼を１２５０℃で直径３２ｍｍに鍛伸した後、９５０℃で２時間の焼ならしを行った。その後、８８０℃から焼入れし、焼戻しを６３０℃で行った後に、５６０℃で２０時間のガス窒化を実施した。なお、表１においては、ガス窒化を行う前の組織を窒化前組織として示している。

表１の各鋼の表面からの硬さ分布をＪＩＳＺ２２４４に準拠してビッカース硬度計にて測定し、表１に示す各実施例鋼および各比較例鋼の表面硬さと有効硬化層の深さを表２に記載する。この場合、表２において、表面硬さは、表面から０．０５ｍｍの深さ位置における硬さとし、有効硬化層の深さは、５５０Ｈｖの硬さを有する深さと規定して表２に記載する。また、同様に窒化処理を実施した際の表面から０．１ｍｍの深さの位置において、１００μｍ²中の長径が１０ｎｍ以上で、かつ１００ｎｍ以下の範囲のＡｌ主体の窒化物および炭窒化物の析出物数とＣｒ主体の窒化物および炭窒化物の析出物数との比をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて観測した結果についても表２に記載する。

一般的な機械構造用鋼としての使用を考え、表面硬さが８００Ｈｖ以上、有効硬化層の深さが０．２５ｍｍ以上である鋼を本発明による鋼材とする。比較例鋼のＮｏ．２４は、表面硬度が４６９Ｈｖと低く、有効硬化層の基準である５５０Ｈｖ未満であったため有効硬化層の深さを記載していない。比較例鋼のＮｏ．２６およびＮｏ．２７は窒化前の組織がフェライト＋パーライト組織であり、これらは共に表面硬さが８００Ｈｖ未満で、さらにＮｏ．２６は有効硬化層深さが０．１９ｍｍで十分でなく、析出物比も０．１で十分でない。

Claims

質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０〜１．５０％、Ｍｏ：０．０５〜０．３０％、Ａｌ：０．１５〜０．８０％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、当該鋼に焼入焼戻処理してマルテンサイト組織とした鋼は、該鋼からなる部品に窒化処理する際、該窒化処理によるＮ拡散層内における長径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の窒化物および炭窒化物の中の、炭素および窒素を除く原子量比でＡｌを５０％以上含むＡｌ主体の窒化物および炭窒化物の析出物数をＮ_Alとし、炭素および窒素を除く原子量比で、Ｃｒを５０％以上含むＣｒ主体の窒化物および炭窒化物の析出物数をＮ_Crとするときの、これら窒化物の析出物数の比であるＮ_Al／Ｎ_Crが０．２以上であり、その表面硬さが８００Ｈｖ以上であり、有効硬化層の深さは０．２５ｍｍ以上であることを特徴とする窒化特性に優れる窒化用鋼。
請求項１の化学成分に加えて、質量％で、Ｖ：０．０５〜０．３５％、Ｔｉ：０．０５〜０．３０％、Ｎｂ：０．０３〜０．３０％のうち１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、当該鋼に焼入焼戻処理してマルテンサイト組織とした鋼は、該鋼からなる部品に窒化処理する際、該窒化処理によるＮ拡散層内における長径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の窒化物および炭窒化物の中の、炭素および窒素を除く原子量比でＡｌを５０％以上含むＡｌ主体の窒化物および炭窒化物の析出物数をＮ_Alとし、炭素および窒素を除く原子量比で、Ｃｒを５０％以上含むＣｒ主体の窒化物および炭窒化物の析出物数をＮ_Crとするときの、これら窒化物の析出物数の比であるＮ_Al／Ｎ_Crが０．２以上であり、その表面硬さが８００Ｈｖ以上であり、有効硬化層の深さは０．２５ｍｍ以上であることを特徴とする窒化特性に優れる窒化用鋼。