JP7368724B2 - 浸炭鋼部品用鋼材 - Google Patents
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Description
化学組成が、質量%で、
C:0.05~0.10%未満、
Si:0.50~0.75%、
Mn:0.20~0.55%、
S:0.005~0.050%、
Cr:1.30~2.00%未満、
Mo:0.20~0.40%、
B:0.0005~0.0100%、
Ti:0.020~0.050%未満、
Al:0.010~0.100%、
Ca:0.0002~0.0030%、
N:0.0080%以下、
P:0.050%以下、及び、
O:0.0030%以下を含有し、残部はFe及び不純物からなり、式(1)~式(4)を満たす。
0.140<C+0.194×Si+0.065×Mn+0.012×Cr+0.033×Mo+0.067×Ni+0.097×Cu+0.078×Al<0.235 (1)
0.004<Ti-N×(48/14)<0.030 (2)
Si/Mn>1.00 (3)
0.070<C/Si<0.175 (4)
ここで、式(1)~(4)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
C含有量が低いほど、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性を高めることができる。しかしながら、C含有量が低すぎれば、冷間鍛造及び浸炭処理を実施して製造された浸炭鋼部品の芯部硬さが低下する。さらに、Bは、鋼材中に固溶して鋼材の焼入れ性を高め、浸炭鋼部品の芯部の硬さを高める。さらに、Siは、浸炭鋼部品の芯部硬さを高め、かつ、焼き戻し軟化抵抗を高めて、面疲労強度を高める。そこで、浸炭鋼部品用鋼材の化学組成を、質量%で、C:0.05~0.10%未満、Si:0.50~0.75%、Mn:0.20~0.55%、S:0.005~0.050%、Cr:1.30~2.00%未満、Mo:0.20~0.40%、B:0.0005~0.0100%、Ti:0.020~0.050%未満、Al:0.010~0.100%、Ca:0.0002~0.0030%、N:0.0080%以下、P:0.050%以下、及び、O:0.0030%以下を含有し、残部はFe及び不純物からなる化学組成とすれば、十分な冷間鍛造性が得られ、かつ、浸炭鋼部品とした場合、高い芯部硬さが得られ、かつ、高い面疲労強度が得られる可能性がある。
しかしながら、化学組成中の各元素含有量が上述の範囲内であっても、依然として冷間鍛造性が低かったり、芯部硬さが低かったりする場合があった。そこで、本発明者らがさらに検討した結果、上述の化学組成においてさらに、次の式(1)を満たせば、冷間鍛造性の低下を抑制しつつ、浸炭処理後の浸炭鋼部品において、十分な芯部硬さを得ることができることが判明した。
0.140<C+0.194×Si+0.065×Mn+0.012×Cr+0.033×Mo+0.067×Ni+0.097×Cu+0.078×Al<0.235 (1)
ここで、式(1)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
さらに、Bの焼入れ性向上効果を安定して得るためには、浸炭処理時において、鋼材中に十分な固溶Bを確保する必要がある。そこで、本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材では、Tiを含有して、浸炭処理時に鋼材中に含まれる大部分のNをTiNとして固定する。TiによるNの固定効果をより有効なものとするために本発明者らはさらに検討を行った。その結果、上記化学組成においてさらに、式(2)を満たせば、TiによるNの固定効果をより有効に得ることができた。さらに、Ti(C、N)のピンニング効果により、結晶粒を微細化することができ、その結果、面疲労強度が高まることが判明した。
0.004<Ti-N×(48/14)<0.030 (2)
ここで、式(2)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材では、浸炭鋼部品での優れた耐水素脆化特性も求められる。そこで、本発明者らは、上記化学組成において、耐水素脆化特性をより高める方法について検討を行った。耐水素脆化特性を高めるためには、鋼材中の介在物の微細化が有効である。鋼材の外部から侵入した水素は、鋼材中の介在物にトラップされやすい。介在物が粗大であればトラップされる水素量が少なくなる。その結果、水素脆化割れが発生しやすくなる。介在物を微細化すれば、トラップされる水素量が増加する。その結果、耐水素脆化特性が高まる。
Si/Mn>1.00 (3)
ここで、式(3)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
上述のとおり、本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材では、C含有量を0.05~0.10%未満に抑えて冷間鍛造性を高めつつ、Si含有量を0.50~0.75%まで高めて、浸炭鋼部品の面疲労強度を高める。しかしながら、式(1)~式(3)を満たす化学組成の浸炭鋼部品用鋼材であっても、依然として、面疲労強度が低下したり、十分な冷間鍛造性が得られなかったりする場合があった。そこで、本発明者らはさらに検討を行った。その結果、式(1)~式(3)を満たす上記化学組成であって、さらに、C含有量及びSi含有量が式(4)を満たせば、優れた冷間鍛造性が得られ、かつ、浸炭鋼部品とした場合に優れた面疲労強度及び優れた耐水蒸気酸化性が得られることを見出した。
0.070<C/Si<0.175 (4)
ここで、式(4)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
化学組成が、質量%で、
C:0.05~0.10%未満、
Si:0.50~0.75%、
Mn:0.20~0.55%、
S:0.005~0.050%、
Cr:1.30~2.00%未満、
Mo:0.20~0.40%、
B:0.0005~0.0100%、
Ti:0.020~0.050%未満、
Al:0.010~0.100%、
Ca:0.0002~0.0030%、
N:0.0080%以下、
P:0.050%以下、及び、
O:0.0030%以下を含有し、残部はFe及び不純物からなり、式(1)~式(4)を満たす、
浸炭鋼部品用鋼材。
0.140<C+0.194×Si+0.065×Mn+0.012×Cr+0.033×Mo+0.067×Ni+0.097×Cu+0.078×Al<0.235 (1)
0.004<Ti-N×(48/14)<0.030 (2)
Si/Mn>1.00 (3)
0.070<C/Si<0.175 (4)
ここで、式(1)~(4)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
[1]に記載の浸炭鋼部品用鋼材であって、
前記化学組成は、
Nb:0.100%以下、
V:0.200%以下、
Ni:0.500%以下、及び、
Cu:0.500%以下、
からなる群から選択される1元素以上を含有する、
浸炭鋼部品用鋼材。
本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。
炭素(C)は、浸炭鋼部品の芯部の硬さを高め、浸炭鋼部品の曲げ疲労強度を高める。C含有量が0.05%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、浸炭鋼部品の芯部の硬さが低下して、浸炭鋼部品の曲げ疲労強度が低下する。一方、C含有量が0.10%以上であれば、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性が低下する。したがって、C含有量は0.05~0.10%未満である。C含有量の好ましい下限は0.06%であり、さらに好ましくは0.07%である。C含有量の好ましい上限は0.09%であり、さらに好ましくは0.08%である。
シリコン(Si)は、浸炭鋼部品の芯部の硬さを高める。Siはさらに、焼戻し軟化抵抗を高め、浸炭鋼部品の面疲労強度を高める。具体的には、使用中の浸炭鋼部品が他の部品と接触する場合、浸炭鋼部品の表層に熱が発生する。Siは焼戻し軟化抵抗を高めるため、熱による浸炭鋼部品の表層の硬さの低下を抑制する。そのため、浸炭鋼部品の面疲労強度が高まる。Si含有量が0.50%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、この効果が十分に得られない。一方、Si含有量が0.75%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性が低下する。したがって、Si含有量は0.50~0.75%である。Si含有量の好ましい下限は0.51%であり、さらに好ましくは0.52%であり、さらに好ましくは0.53%である。Si含有量の好ましい上限は0.73%であり、さらに好ましくは0.71%であり、さらに好ましくは0.69%である。
マンガン(Mn)は、鋼の焼入性を高め、浸炭鋼部品の芯部硬さを高める。これにより、浸炭鋼部品の曲げ疲労強度が高まる。Mn含有量が0.20%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Mn含有量が0.55%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、浸炭鋼部品用鋼材の耐水素脆化特性が低下する。したがって、Mn含有量は0.20~0.55%である。Mn含有量の好ましい下限は0.21%であり、さらに好ましくは0.25%であり、さらに好ましくは0.28%である。Mn含有量の好ましい上限は0.53%であり、さらに好ましくは0.51%であり、さらに好ましくは0.49%であり、さらに好ましくは0.46%であり、さらに好ましくは0.44%である。
硫黄(S)は、鋼中のMnと結合してMnSを形成し、浸炭鋼部品用鋼材の被削性を高める。S含有量が0.005%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、S含有量が0.050%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、MnSが過剰に生成する。この場合、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性が低下する。したがって、S含有量は0.005~0.050%である。S含有量の好ましい下限は0.006%であり、さらに好ましくは0.008%であり、さらに好ましくは0.010%である。S含有量の好ましい上限は0.040%であり、さらに好ましくは0.030%であり、さらに好ましくは0.025%である。
クロム(Cr)は、鋼の焼入性を高め、浸炭鋼部品の芯部硬さを高める。これにより、浸炭鋼部品の曲げ疲労強度が高まる。Cr含有量が1.30%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Cr含有量が2.00%以上であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性が低下する。したがって、Cr含有量は1.30~2.00%未満である。Cr含有量の好ましい下限は1.31%であり、さらに好ましくは1.35%であり、さらに好ましくは1.40%であり、さらに好ましくは1.45%であり、さらに好ましくは1.50%である。Cr含有量の好ましい上限は1.98%であり、さらに好ましくは1.95%であり、さらに好ましくは1.90%である。
モリブデン(Mo)は鋼の焼入性を高め、浸炭鋼部品の芯部硬さを高める。これにより、浸炭鋼部品の曲げ疲労強度が高まる。Mo含有量が0.20%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Mo含有量が0.40%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性が低下する。したがって、Mo含有量は0.20~0.40%である。Mo含有量の好ましい下限は0.21%であり、さらに好ましくは0.22%であり、さらに好ましくは0.23%であり、さらに好ましくは0.24%である。Mo含有量の好ましい上限は0.38%であり、さらに好ましくは0.36%であり、さらに好ましくは0.34%である。
ホウ素(B)は、オーステナイトに固溶した場合、微量でも鋼の焼入性を顕著に高める。そのため、浸炭鋼部品の芯部硬さを高め、浸炭鋼部品の曲げ疲労強度を高める。Bはさらに、微量の含有により上記効果を発揮するため、浸炭鋼部品用鋼材中のフェライトの硬さが上昇しにくい。つまり、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性を維持しつつ、焼入れ性を高めることができる。B含有量が0.0005%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、B含有量が0.0100%を超えれば、上記効果が飽和する。したがって、B含有量は0.0005~0.0100%である。B含有量の好ましい下限は0.0007%であり、さらに好ましくは0.0010%であり、さらに好ましくは0.0015%であり、さらに好ましくは0.0020%である。B含有量の好ましい上限は0.0080%であり、さらに好ましくは0.0050%であり、さらに好ましくは0.0040%であり、さらに好ましくは0.0030%である。
チタン(Ti)は、鋼中のNをTiNとして固定する。これにより、BNの形成が抑制され、固溶Bを確保することができる。Tiはさらに、N及びCと結合してTi(C、N)を形成し、ピンニング効果により、浸炭処理の加熱時においてオーステナイト結晶粒が粗大化するのを抑制する。これにより、浸炭鋼部品の面疲労強度が高まる。Ti含有量が0.020%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ti含有量が0.050%以上であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、TiCが過剰に生成する。この場合、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性が低下する。したがって、Ti含有量は0.020~0.050%未満である。Ti含有量の好ましい下限は0.022%であり、さらに好ましくは0.025%である。Ti含有量の好ましい上限は0.048%であり、さらに好ましくは0.045%である。
アルミニウム(Al)は、鋼を脱酸する。Alはさらに、Nと結合してAlNを形成し、ピンニング効果により、浸炭処理の加熱時にオーステナイト結晶粒が粗大化するのを抑制する。これにより、浸炭鋼部品の面疲労強度が高まる。Al含有量が0.010%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Al含有量が0.100%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼中に粗大な酸化物が形成する。この場合、浸炭鋼部品の面疲労強度が低下する。したがって、Al含有量は0.010~0.100%である。Al含有量の好ましい下限は0.020%であり、さらに好ましくは0.024%であり、さらに好ましくは0.028%である。Al含有量の好ましい上限は0.095%であり、さらに好ましくは0.090%であり、さらに好ましくは0.070%であり、さらに好ましくは0.060%であり、さらに好ましくは0.050%である。
カルシウム(Ca)は、鋼中の硫化物に固溶して、硫化物を微細かつ球状化する。これにより、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性が高まる。Ca含有量が0.0002%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ca含有量が0.0030%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼中に粗大な酸化物が生成する。この場合、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性がかえって低下する。したがって、Ca含有量は0.0002~0.0030%である。Ca含有量の好ましい下限は0.0003%であり、さらに好ましくは0.0004%であり、さらに好ましくは0.0005%である。Ca含有量の好ましい上限は0.0025%であり、さらに好ましくは0.0020%である。
窒素(N)は不可避に含有される不純物である。つまり、N含有量は0%超である。NはBと結合してBNを形成し、固溶B量を低減する。N含有量が0.0080%を超えれば、浸炭鋼部品用鋼材中のTi含有量が本実施形態の範囲内であっても、TiがNを十分に固定することができなくなり、BNが過剰に生成する。その結果、浸炭鋼部品用鋼材の焼入れ性が低下する。N含有量が0.0080%を超えればさらに、粗大なTiNが生成して、冷間鍛造時に粗大なTiNが割れの起点となる。そのため、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性が低下する。したがって、N含有量は0.0080%以下である。N含有量の好ましい上限は0.0078%であり、さらに好ましくは0.0076%であり、さらに好ましくは0.0075%であり、さらに好ましくは0.0065%である。N含有量はできるだけ低い方が好ましい。しかしながら、N含有量の過剰な低減は、製造コストを高める。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、N含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.0010%であり、さらに好ましくは0.0020%である。
燐(P)は不可避に含有される不純物である。つまり、P含有量は0%超である。Pは鋼材の面疲労強度を低下する。したがって、P含有量は0.050%以下である。P含有量の好ましい上限は0.035%であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.010%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、P含有量の過剰な低減は、製造コストを高める。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、P含有量の好ましい下限は0.001%である。
酸素(O)は、は不可避に含有される不純物である。つまり、O含有量は0%超である。Oは、酸化物を形成し、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性を低下し、浸炭鋼部品の面疲労強度を低下する。したがって、O含有量は0.0030%以下である。O含有量の好ましい上限は0.0028%であり、さらに好ましくは0.0026%であり、さらに好ましくは0.0024%である。O含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、O含有量の過剰な低減は製造コストを高める。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、O含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.0007%である。
本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Nb、V、Ni及びCuからなる群から選択される1元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、浸炭鋼部品用鋼材の面疲労強度を高める。
ニオブ(Nb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Nb含有量は0%であってもよい。含有される場合、NbはC及びNと結合して炭化物及び/又は炭窒化物を形成し、ピンニング効果により浸炭処理の加熱時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する。その結果、浸炭鋼部品の面疲労強度が高まる。Nbが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Nb含有量が0.100%を超えれば、粗大な炭化物及び/又は炭窒化物が生成して、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性が低下する。したがって、Nb含有量は0.100%以下である。Nb含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.001%であり、さらに好ましくは0.002%であり、さらに好ましくは0.004%であり、さらに好ましくは0.010%である。Nb含有量の好ましい上限は0.080%であり、さらに好ましくは0.060%であり、さらに好ましくは0.050%である。
バナジウム(V)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、V含有量は0%であってもよい。含有される場合、VはC及びNと結合して炭化物及び/又は炭窒化物を形成し、ピンニング効果により浸炭処理の加熱時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する。その結果、浸炭鋼部品の面疲労強度が高まる。Vが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、V含有量が0.200%を超えれば、粗大な炭化物及び/又は炭窒化物が生成して、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性が低下する。したがって、V含有量は0.200%以下である。V含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.001%であり、さらに好ましくは0.002%であり、さらに好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.030%である。V含有量の好ましい上限は0.150%であり、さらに好ましくは0.120%であり、さらに好ましくは0.110%である。
ニッケル(Ni)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ni含有量は0%であってもよい。含有される場合、Niは鋼の焼入性を高め、浸炭鋼部品の芯部硬さを高める。これにより、浸炭鋼部品の面疲労強度が高まる。Niはさらに、ガス浸炭による浸炭処理を実施する場合、浸炭処理時において酸化物及び窒化物を生成しない。そのため、Niは、浸炭層中に酸化物層、窒化物層及び浸炭異常層が生成するのを抑制する。Niが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ni含有量が0.500%を超えれば、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性が低下する。したがって、Ni含有量は0.500%以下である。Ni含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.040%である。Ni含有量の好ましい上限は0.400%であり、さらに好ましくは0.300%であり、さらに好ましくは0.250%である。
銅(Cu)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Cu含有量は0%であってもよい。含有される場合、Cuは鋼の焼入性を高め、浸炭鋼部品の芯部硬さを高める。これにより、浸炭鋼部品の面疲労強度が高まる。Cuはさらに、ガス浸炭による浸炭処理を実施する場合、浸炭処理時において酸化物及び窒化物を生成しない。そのため、Cuは、浸炭層表面の酸化物層、窒化物層、浸炭異常層が生成するのを抑制する。Cuが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Cu含有量が0.500%を超えれば、浸炭鋼部品用鋼材の硬さが過剰に高まり、限界加工率が低下する。したがって、Cu含有量は0.500%以下である。Cu含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.001%であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.030%である。Cu含有量の好ましい上限は0.400%であり、さらに好ましくは0.300%であり、さらに好ましくは0.250%である。
本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材の化学組成はさらに、式(1)~式(4)を満たす。
0.140<C+0.194×Si+0.065×Mn+0.012×Cr+0.033×Mo+0.067×Ni+0.097×Cu+0.078×Al<0.235 (1)
0.004<Ti-N×(48/14)<0.030 (2)
Si/Mn>1.00 (3)
0.070<C/Si<0.175 (4)
ここで、式(1)~(4)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。対応する元素が任意元素であり、含有されていない場合、その元素記号には「0」が代入される。以下、各式について説明する。
F1=C+0.194×Si+0.065×Mn+0.012×Cr+0.033×Mo+0.067×Ni+0.097×Cu+0.078×Alと定義する。F1は浸炭鋼部品用鋼材及び浸炭鋼部品の硬さの指標である。
F2=Ti-N×(48/14)と定義する。F2は、TiC析出量に関する指標である。TiがNに対して化学量論的に過剰に含有された場合、Nは全てTiNとして固定される。つまり、F2は、TiNを形成するために消費されたTi量以外の余剰なTi量を意味する。F2中の「14」はNの原子量を示し、「48」はTiの原子量を示す。
F3=Si/Mnと定義する。F3は、耐水素脆化特性の指標である。Si及びMnは、製鋼工程での精錬工程において、複合介在物であるMnO-SiO2を生成する。MnO-SiO2は融点が低く、軟質の介在物である。そのため、MnO-SiO2は熱間加工時に分断されて微細化される。介在物が微細化することにより、水素のトラップサイトが増加する。その結果、浸炭鋼部品の耐水素脆化特性が高まる。
F4=C/Siと定義する。F4は、化学組成の各元素の含有量が上述の範囲内であることを前提とした、面疲労強度及び冷間鍛造性の指標である。上述のとおり、本実施形態では、C含有量を抑えて冷間鍛造性を高めつつ、Si含有量を高めて面疲労強度を高める。しかしながら、F4が0.070以下であれば、C含有量に対してSi含有量が高すぎる。この場合、化学組成の各元素の含有量が上述の範囲内であっても、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性が低くなる。一方、F4が0.175以上であれば、C含有量に対してSi含有量が低すぎる。この場合、化学組成の各元素の含有量が上述の範囲内であっても、浸炭鋼部品の面疲労強度が低下する。F4が0.070超から0.175未満であれば、化学組成の各元素の含有量が上述の範囲内であることを前提として、浸炭鋼部品用鋼材で十分な冷間鍛造性が得られ、浸炭軸受部品で十分な面疲労強度が得られる。F4の好ましい下限は0.071であり、さらに好ましくは0.072であり、さらに好ましくは0.075である。F4の好ましい上限は0.173であり、さらに好ましくは0.171であり、さらに好ましくは0.165であり、さらに好ましくは0.163である。F4値は、算出された値の小数第4位を四捨五入して得られた値である。
浸炭鋼部品用鋼材のミクロ組織は、主としてフェライト及びパーライトからなる。ここで、「主としてフェライト及びパーライトからなる」とは、ミクロ組織におけるフェライト及びパーライトの総面積率が85.0~100.0%であることを意味する。マトリックスにおいて、フェライト及びパーライト以外の相(Phase)はたとえば、ベイナイト、マルテンサイト、セメンタイト、残留オーステナイト、セメンタイト以外の析出物、介在物等である。
本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材のミクロ組織中のフェライト及びパーライトの総面積率(%)は、次の方法で測定される。浸炭鋼部品用鋼材が棒鋼である場合、浸炭鋼部品用鋼材の長手方向(軸方向)に垂直な断面(以下、横断面という)のうち、表面と中心軸とを結ぶ半径Rの中央位置(R/2位置)からサンプルを採取する。採取したサンプルの表面のうち、上記横断面に相当する表面を観察面とする。観察面を鏡面研磨した後、2%硝酸アルコール(ナイタール腐食液)を用いて観察面をエッチングする。エッチングされた観察面を、500倍の光学顕微鏡を用いて観察し、任意の20視野の写真画像を生成する。各視野のサイズは、100μm×100μmとする。
本実施形態の浸炭鋼部品は、上述の本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材を用いて製造される。具体的には、冷間鍛造後の浸炭鋼部品用鋼材に対して浸炭処理を実施して、製造される。浸炭鋼部品の製造方法については後述する。
本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材の製造方法の一例を説明する。なお、本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材は、上記構成を有すれば、製造方法は以下の製造方法に限定されない。ただし、以下に説明する製造方法は、本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材を製造する好適な一例である。
素材準備工程では、上述の式(1)~式(4)を満たす化学組成を有する素材を準備する。素材はたとえば、次の方法により製造される。上述の式(1)~式(4)を満たす化学組成の溶鋼を製造する。上記溶鋼を用いて、鋳造法により素材(鋳片又はインゴット)を製造する。たとえば、上記溶鋼を用いて周知の連続鋳造法により鋳片(ブルーム)を製造する。又は、上記溶鋼を用いて周知の造塊法によりインゴットを製造する。
熱間加工工程では、素材準備工程にて準備された素材(ブルーム又はインゴット)に対して、熱間加工を実施して、浸炭鋼部品用鋼材を製造する。浸炭鋼部品用鋼材の形状は特に限定されない。浸炭鋼部品用鋼材はたとえば、棒鋼、又は、線材である。以下の説明では、一例として、浸炭鋼部品用鋼材が棒鋼である場合について説明する。しかしながら、浸炭鋼部品用鋼材が棒鋼以外の他の形状(線材等)であっても同様の熱間加工工程で製造可能である。
次に、本実施形態による浸炭鋼部品の製造方法の一例について説明する。本製造方法は、上述の浸炭鋼部品用鋼材に対して冷間鍛造を実施して中間部材を製造する冷間鍛造工程と、必要に応じて中間部材を切削する切削加工工程と、中間部材に対して浸炭処理又は浸炭窒化処理を実施する浸炭処理工程と、焼戻し工程とを含む。
冷間鍛造工程では、上述の製造方法で製造された浸炭鋼部品用鋼材に、冷間加工として、冷間鍛造を実施して中間部材を製造する。冷間鍛造工程での、加工率、ひずみ速度などの塑性加工条件は、特に限定されるものではなく、適宜、好適な条件を選択すればよい。
切削加工工程は、必要に応じて実施する。つまり、切削加工工程は実施しなくてもよい。実施する場合、切削加工工程では、冷間鍛造工程後であって後述の浸炭処理工程前の中間部材に対して、切削加工を実施する。切削加工を実施することにより、冷間鍛造工程だけでは困難な、精密形状を浸炭鋼部品に付与することができる。
浸炭処理工程では、切削加工工程後の中間部材に対して、浸炭処理を実施する。ここで、本実施形態において、浸炭処理とは、浸炭処理だけでなく、浸炭窒化処理も含む。浸炭処理工程では、周知の浸炭処理を実施する。浸炭処理工程は、浸炭工程と、拡散工程と、焼入れ工程とを含む。
浸炭処理工程後の中間部材に対して、周知の焼戻し工程を実施する。焼戻し温度はたとえば、100~250℃である。焼戻し温度での保持時間はたとえば、90~150分である。
必要に応じて、仕上熱処理工程後の浸炭鋼部品に対してさらに、研削加工を実施したり、ショットピーニング処理を実施してもよい。研削加工を実施することにより、精密形状を浸炭鋼部品に付与することができる。また、ショットピーニング処理を実施することにより、浸炭鋼部品の表層部に圧縮残留応力が導入される。圧縮残留応力は疲労き裂の発生及び進展を抑制する。そのため、浸炭鋼部品の疲労強度を高める。たとえば、浸炭鋼部品が歯車である場合、浸炭鋼部品の歯元及び歯面の疲労強度を向上できる。ショットピーニング処理は、周知の方法で実施すればよい。
[ミクロ組織観察試験]
各試験番号の浸炭鋼部品用鋼材のR/2位置から、ミクロ組織観察用のサンプルを採取した。サンプルの表面のうち、棒鋼の長手方向に垂直な断面に相当する表面を観察面とした。観察面を鏡面研磨した後、2%硝酸アルコール(ナイタール腐食液)を用いて観察面をエッチングした。エッチングされた観察面を、500倍の光学顕微鏡を用いて観察し、任意の20視野の写真画像を生成した。各視野のサイズは、100μm×100μmとした。フェライト、パーライト等の各相は、相ごとにコントラストが異なる。したがって、コントラストに基づいて、各相を特定した。特定された相のうち、各視野でのフェライトの総面積(μm2)、及び、パーライトの総面積(μm2)を求めた。全ての視野の総面積に対する、全ての視野におけるフェライトの総面積とパーライトの総面積との合計面積の割合を、フェライト及びパーライトの総面積率(%)と定義した。測定の結果、各試験番号のフェライト及びパーライト面積率はいずれも、85.0%以上であった。
浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性の評価試験として、限界圧縮試験を実施した。具体的には、各試験番号の浸炭鋼部品用鋼材(棒鋼)から、複数の限界圧縮試験片を採取した。限界圧縮試験片の直径は6mmであり、長さは9mmであった。限界圧縮試験片の長手方向は、各試験番号の棒鋼の長手方向と平行であった。また、限界圧縮試験片の中心軸は、各試験番号の棒鋼のR/2位置に相当した。試験片の長手方向の中央位置に、周方向に切欠きを形成した。切欠き角度は30度であり、切欠き深さは0.8mmであり、切欠き先端の曲率半径は0.15mmであった。
各試験番号の浸炭鋼部品用鋼材から、次の方法で浸炭鋼部品を製造した。各試験番号の棒鋼から、直径26mm、長さ150mmの試験片を採取した。試験片の中心は、各試験番号の棒鋼の中心とほぼ一致した。採取した試験片に対して、変成炉ガス方式による浸炭処理(ガス浸炭処理)を実施した。図2に示すとおり、ガス浸炭処理では、カーボンポテンシャルを0.8%として、950℃で5時間(浸炭工程を950℃で240分、拡散工程を950℃で60分)保持した。続いて、850℃の焼入れ温度で30分保持した。以上の工程後、試験片を130℃の油槽に浸漬して油焼入れを実施した。焼入れ後の試験片に対して、150℃で90分の焼戻しを行って、浸炭鋼部品を製造した。
各試験番号の直径80mmの棒鋼を機械加工して、図1に示すローラピッチング小ローラ試験片(図中の寸法の単位はmm。以下、単に小ローラ試験片という)を作製した。図1に示す小ローラ試験片は、中央に試験部(直径26mm、幅28mmの円柱部)を備えた。
ローラピッチング試験では、図1に示す形状の小ローラ試験片と、図3に示す形状の大ローラ(図中の寸法の単位はmm)とを組合せた。図3に示す大ローラは、JIS規格SCM420の規格を満たす鋼からなり、一般的な製造工程、つまり、焼きならし、試験片加工、ガス浸炭炉による共析浸炭、低温焼戻し及び研磨、の工程によって作製された。
すべり率=(V2-V1)/V2×100
各試験番号の直径80mmの棒鋼を機械加工して、図4に示す環状Vノッチ試験片を作製した。図4中の単位が示されていない数値は、試験片の対応する部位の寸法(単位はmm)を示す。図中の「φ数値」は、指定されている部位の直径(mm)を示す。「60°」は、Vノッチ角度が60°であることを示す。「0.175R」は、Vノッチ底半径が0.175mmであることを示す。環状Vノッチ試験片の長手方向は、棒鋼の長手方向と平行であった。また、環状Vノッチ試験片の中心軸は、棒鋼のR/2位置とほぼ一致した。
HR=Hc/Href (A)
限界拡散性水素量比HRが1.10以上であれば、耐水素脆化特性に優れると判断した。
表1及び表2を参照して、試験番号1~16の浸炭鋼部品用鋼材の化学組成は、本実施形態の化学組成の範囲内であり、式(1)~式(4)を満たした。その結果、限界圧縮率は68%以上であり、十分な限界加工率を示した。さらに、浸炭処理後の鋼材における面疲労強度比は120%以上であり、優れた面疲労強度を有した。さらに、浸炭処理後の鋼材の限界拡散性水素量比HRは1.10以上であり、優れた耐水素脆化特性を示した。なお、浸炭鋼部品において、浸炭層は少なくとも0.4mm以上の深さを有した。また、50μm深さ位置での浸炭層のビッカース硬さは650~1000HVであり、10.0mm深さ位置での芯部のビッカース硬さは300~500HVであり、浸炭層及び芯部ともに、十分な硬さを有した。
Claims (2)
- 化学組成が、質量%で、
C:0.05~0.10%未満、
Si:0.50~0.75%、
Mn:0.20~0.55%、
S:0.005~0.050%、
Cr:1.30~2.00%未満、
Mo:0.20~0.40%、
B:0.0005~0.0100%、
Ti:0.020~0.050%未満、
Al:0.010~0.100%、
Ca:0.0002~0.0030%、
N:0.0080%以下、
P:0.050%以下、及び、
O:0.0030%以下を含有し、残部はFe及び不純物からなり、式(1)~式(4)を満たす、
浸炭鋼部品用鋼材。
0.140<C+0.194×Si+0.065×Mn+0.012×Cr+0.033×Mo+0.067×Ni+0.097×Cu+0.078×Al<0.235 (1)
0.004<Ti-N×(48/14)<0.030 (2)
Si/Mn>1.00 (3)
0.070<C/Si<0.175 (4)
ここで、式(1)~(4)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。 - 請求項1に記載の浸炭鋼部品用鋼材であって、
前記化学組成は、
Nb:0.100%以下、
V:0.200%以下、
Ni:0.500%以下、及び、
Cu:0.500%以下、
からなる群から選択される1元素以上を含有する、
浸炭鋼部品用鋼材。
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