JP6308382B2

JP6308382B2 - 浸炭部品

Info

Publication number: JP6308382B2
Application number: JP2013240915A
Authority: JP
Inventors: 紘樹寺田; 宮▲崎▼　貴大; 貴大宮▲崎▼; 直樹梅森
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2018-04-11
Anticipated expiration: 2033-11-21
Also published as: JP2015101735A

Description

本発明は浸炭部品に関し、特にガス浸炭阻害の発生を抑制することが可能な浸炭部品に関する。

浸炭焼入れは鋼材の表面硬化処理の代表的なものであり、歯車・シャフトなどの高い疲労強度・耐摩耗性が必要とされる浸炭部品に用いられている。その中でもガス浸炭法は、大量生産性に優れ、ブードア反応から予想される平衡する鋼材中の炭素濃度（カーボンポテンシャル：ＣＰ）を用いて雰囲気を制御するＣＰ制御により、安定した操業が可能であることなどから工業的に広く利用されている。
ＣＰ制御を行う場合、雰囲気ガスの組成が同じであることを前提として、同一のＣＰ、温度及び時間のガス浸炭を行えば、鋼材の表面からの炭素侵入量に差はなく、同一の炭素濃度分布が得られるはずである。しかし、特定の鋼種において、予測される炭素侵入量よりも少ない、浸炭阻害の事象（具体的にはＣＰ制御した雰囲気からの炭素の侵入は、加工や浸炭中の酸化による表層付近の組織変化の影響を受けることがある。）が報告されている。これに対し例えば下記特許文献１では、特に１．５質量％以上のＣｒ含有鋼における浸炭阻害の要因が、加工時に生成する加工変質層中へＣｒが濃化すること、浸炭の際にＣｒ酸化物が多量に生成すること、であると考え、このような浸炭阻害要因を解消するために浸炭前に加工変質層を除去する工程を含めた製造方法を提供している。

特許第４３２７７８１号公報

ところで、ガス浸炭法におけるガス浸炭温度への昇温（加熱）工程では、使用炉や処理条件の違いにより被処理材としての浸炭部品の表層に酸化層が形成されることがある。この酸化層は、前述した事象と同様、浸炭工程での炭素の侵入に影響を与えるものと想定されるが、十分な改善方法が確立されていないのが現状である。

本発明は、上記問題に対処するためになされたものであり、その目的は、ガス浸炭法における浸炭阻害の発生を抑制し得る浸炭部品を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記目的を達成するために本発明の浸炭部品は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０１〜０．４９％、Ｍｎ：０．５０〜２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、Ｎｉ：０．０１〜１．００％、Ｃｒ：１．１５〜１．９５％、Ｍｏ：０．０３〜１．００％、Ｓ−Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％、を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる浸炭部品であって、
ＪＩＳＧ０５６１に定められた鋼の焼入性試験法において、Ｊ１３が２１ＨＲＣ以上であり、Ｃｒ酸化物層の厚さが４．９μｍ以下となり、浸炭部品の表面からの０．８ｍｍ深さ位置での炭素濃度が０．３８質量％以上となるように設定されていることを特徴とする。

本発明の発明者らは、所定のガス浸炭温度への昇温工程で浸炭部品の表層に生成するＣｒ酸化物層の厚さと所定の浸炭状態となるまでの浸炭時間との関係に着目したところ、Ｃｒ酸化物層の厚さを所定厚さ以下にすると、上記浸炭時間の長時間化を極めて良好に抑制し得ることを見出した。すなわち、Ｃｒ酸化物層の厚さを４．９μｍ以下に設定することで、浸炭阻害の発生を十分に抑制することができる。

（Ａ）は浸炭性を評価する試験片の正面図。（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図。酸化処理条件を示す温度−時間の工程図。浸炭処理条件を示す温度−時間の工程図。Ｃｒ酸化物層厚さ−浸炭時間比の関係を示すグラフ。

以下、本発明の浸炭部品における各元素の組成限定理由および限定条件について説明する。

（１）Ｃ：０．１０〜０．３０％
Ｃはガス浸炭処理後に急冷を行った浸炭部品の心部強度を確保するための必須元素である。ただし、過度の添加は加工性の悪化を招く。好ましくは０．１５〜０．２５％である。

（２）Ｓｉ：０．０１〜１．００％
Ｓｉは鋼の焼入れ性を高め、鋼の脱酸元素として有効な元素である。ただし、鋼中の炭素の活量係数を上昇させる元素であり、過度の添加はブードア反応から予想される平衡する鋼材中の炭素濃度（ＣＰ）を低下させ、炭素侵入量の減少を招く。好ましくは０．０１〜０．５０％である。

（３）Ｍｎ：０．５０〜２．００％
Ｍｎは鋼の焼入れ性を高めるのに有効な元素であるが、過度の添加は加工性の悪化を招く。好ましくは０．６０〜１．２０％である。

（４）Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは結晶粒界を脆化させるため、その含有量の最小化が求められる。０．０３０％以下の添加量であれば粒界強度低下の効果は軽微である一方、添加量を極度に抑制することは精錬プロセスの延長を招き、コスト増を伴うため工業上好ましくない。

（５）Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは不可避に鋼中に存在し、Ｍｎと結合して応力集中の起点となるＭｎＳ介在物を生成する。過度の添加はＭｎＳ介在物の量を増加させ、ひいては疲労強度の低下を招く。ただし、０．０３０％以下の添加量であれば疲労強度の低下は極めて軽微である。

（６）Ｃｕ：０．５０％以下
Ｃｕは鋼の焼入れ性を高めるのに有効な元素であるが、０．３０％を超えると鋼材コストの上昇を招く。好ましくは０．０１〜０．３０％である。

（７）、Ｎｉ：１．００％以下
Ｎｉは鋼の焼入れ性を高め、耐摩耗性の向上に有効な元素であるが、高価であるため、工業上その含有量の最小化が求められている。また、Ｓｉと同様に鋼中の炭素の活量係数を上昇させる元素であり、過度の添加はブードア反応から予想される平衡する鋼材中の炭素濃度（ＣＰ）を低下させ、炭素侵入量の減少を招く。好ましくは０．０１〜０．５０％である。

（８）Ｃｒ：０．２５〜１．９５％
Ｃｒは鋼の焼入れ性を高める元素であり、鋼の焼入れ性を確保するために０．２５％以上の添加が必要である。他方、１．９５％を超えて添加するとＣｒ酸化物（ＦｅＣｒ_２Ｏ_４（クロマイト）以下同じ）が厚くなり、浸炭阻害が発生してしまうので、１．９５％を上限とする。好ましくは０．３０〜１．５０％、さらに好ましくは０．４０〜０．８０％である。

（９）Ｍｏ：１．００％以下
Ｍｏは鋼の焼入性を高め、また耐摩耗性の向上に有効な元素であるが、高価であるため、工業上その含有量の最小化が求められている。好ましくは０．５０％以下である。

（１０）Ｓ−Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％
Ａｌは脱酸作用を有する。またＮと結合してＡｌＮを形成しやすい元素である。ＡｌＮは結晶粒微細化に有効で、曲げ疲労強度を高める効果があり、この効果を得るためには０．０１０％以上の添加が必要である。他方、０．０５０％を超えて添加すると介在物が増加し、却って曲げ疲労強度の低下を招くため、０．０５０％を上限とする。

（１１）Ｎ：０．００５〜０．０３０％
ＮはＡｌ，Ｎｂ，Ｔｉ等と結合して窒化物を形成しやすく、結晶粒微細化に有効で、曲げ疲労強度を高める効果があり、この効果を得るためには０．００５％以上の添加が必要である。他方、０．０３０％を超えて添加しても効果が飽和するため、０．０３０％を上限とする。

（１２）その他
結晶粒の粗大化を防止する観点から、上記元素に加えてさらにＴｉ：０．１０％以下、Ｎｂ：０．１０％以下を含有させてもよく、靭性を向上させる観点から、Ｂ：０．００５０％以下を含有させてもよい。

（１３）ＪＩＳＧ０５６１に定められた鋼の焼入性試験法において、Ｊ１３（ｍｍ）が２１ＨＲＣ以上
Ｊ１３が２１ＨＲＣを下回ると、浸炭部品の心部硬さが不足し、所定の強度特性が得られなくなるため、Ｊ１３を所定深さ位置として、その深さ位置における硬さの下限値を規定したものである。

（１４）所定のガス浸炭温度への昇温工程で浸炭部品の表層に生成するＣｒ酸化物層の厚さが４．９μｍ以下
後述する浸炭時間比（図４参照）を考慮に入れて、Ｃｒ酸化物層の厚さの上限値を規定したものである。

（鋼種、試験片形状）
供試材として、表１に示す化学成分を有する鋼種Ａ〜Ｉ（残部はＦｅ及び不可避不純物）からなる鋼を用いた。各供試材を高周波誘導炉を用いて真空中で溶解し、１５０ｋｇ鋼塊に鋳造した後、１５２３Ｋで熱間鍛造し、φ６０ｍｍの棒鋼に鍛伸した。この棒鋼に１１８３Ｋの焼ならし処理を施した後、機械加工にてＪＩＳで規定されたジョミニー試験片（図示省略）と、図１（Ａ），（Ｂ）に示す浸炭性試験片１０とをそれぞれ作成した。各浸炭性試験片１０は、円柱形状（例えば、φ２６×５ｍｍ）に形成した。なお、加工の影響を排除するために、各浸炭性試験片１０の表面に研磨を施し、加工変質層を予め除去するようにした。

（ジョミニー試験）
上記ジョミニー試験片を用いて、ジョミニー試験を実施した。表１（Ｊ１３）に各鋼種における試験結果を示す（単位はＨＲＣ）。鋼種Ａ〜Ｇ，Ｉについては、いずれもＪ１３が２１ＨＲＣ以上となる結果が得られたが、鋼種ＨについてはＪ１３が１８ＨＲＣ（＜２１ＨＲＣ）となったため、鋼種Ｈは焼入れ性の観点から硬度が不足するものと判断し、鋼種Ｈを除く鋼種Ａ〜Ｇ，Ｉの各鋼を対象として、以下の酸化・浸炭処理を実施した。

（酸化処理）
連続ガス浸炭炉では昇温時に酸化された後に浸炭処理が施されることを考慮し、昇温工程を模擬することを目的として、各浸炭性試験片１０に対し、図２及び表２に示す条件で酸化処理を実施した。具体的には、酸化処理時間をいずれも１２０ｍｉｎに設定する一方、酸化処理温度を１１２３Ｋ、１１７３Ｋ、１２２３Ｋのいずれかに設定した。

（Ｃｒ酸化物層の厚さ測定）
酸化処理後、各浸炭性試験片１０毎に電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）とラマン分光法により、Ｃｒ酸化物層の厚さを同定した。

（浸炭処理）
酸化処理後、図３及び表２に示す条件に示す条件で浸炭処理を実施した。浸炭はバッチ型のメタノール滴注式ガス浸炭炉を用い、純鉄に対するＣＰが０．８０％となる雰囲気で行った。また、浸炭時の昇温条件は、いずれも上限温度を１２２３Ｋ、昇温時間を３０ｍｉｎに設定し、浸炭昇温時の酸化を極力抑制した条件で浸炭を実施するようにした。さらに、浸炭・拡散条件は、上限温度を１２２３Ｋとした上で、ほぼ同一の浸炭深さが得られるよう種々の浸炭・拡散時間Ｔを設定し、確認のために表面から０．８０ｍｍ深さ位置での炭素濃度をＥＰＭＡにより測定した。

（浸炭時間比）
そして、各浸炭・拡散時間を、表２における参考例１，１１（Ｃｒ酸化物層厚さが０μｍ）の浸炭・拡散時間、すなわちＣｒ酸化物層が表面を覆うまでには至らない状態に対応する浸炭・拡散時間の最小値で除算し、これを浸炭時間比とした。

図４及び表２に各鋼種（参考例１〜５，９〜１２、実施例６〜８，１３、比較例１〜６）の測定結果と計算結果を示す。表面から０．８０ｍｍ深さ位置での炭素濃度が少なくとも０．３８質量％となるような浸炭深さを得ようとする場合、Ｃｒ酸化物層の厚さが４．９μｍ以下であると、浸炭時間比が１．５以下（実施例６〜８，１３）となり、この範囲であれば浸炭処理を効率よく行うことができる。

他方、比較例１〜６は、Ｃｒ酸化物層の厚さが４．９μｍを上回っているため、浸炭時間比が１．５を上回っており、浸炭・拡散処理が長時間化することが分かる。

以上の説明からも明らかなように、本発明の浸炭部品によれば、Ｃｒ酸化物層の厚さを４．９μｍ以下に設定することで、浸炭阻害の発生を抑制することができる。

１０浸炭試験片

Claims

質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０１〜０．４９％、
Ｍｎ：０．５０〜２．００％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、
Ｎｉ：０．０１〜１．００％、
Ｃｒ：１．１５〜１．９５％、
Ｍｏ：０．０３〜１．００％、
Ｓ−Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、
Ｎ：０．００５〜０．０３０％、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる浸炭部品であって、
ＪＩＳＧ０５６１に定められた鋼の焼入性試験法において、Ｊ１３が２１ＨＲＣ以上であり、Ｃｒ酸化物層の厚さが４．９μｍ以下となり、
前記浸炭部品の表面からの０．８ｍｍ深さ位置での炭素濃度が０．３８質量％以上となるように設定されていることを特徴とするガス浸炭阻害の発生を抑制することに優れた浸炭部品。
前記炭素濃度は０．３８〜０．４２質量％である請求項１に記載の浸炭部品。
Ｃｕ：０．０１〜０．１０質量％である請求項１又は２に記載の浸炭部品。