JPH02185954A - 浸炭肌焼鋼とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、土木建設機械、産業機械に使用される歯車
、シャフト等の機械部品用肌焼鋼とその製造方法に係り
、より詳しくは浸炭処理時の異常層（粒界酸化不完全焼
入層）の発生を完全に防止するとともに、浸炭処理後、
球状化焼鈍および焼入れ処理を新たに実施することによ
って、極めて優れた疲労特性を有する肌焼鋼とその製造
方法に関する。

従来の技術 従来、自動車部品の歯車やシャフトとして一般に使用さ
れる浸炭肌焼鋼は、母相のＣ量を低く抑え（０，１５〜
０．３０ｗｔ％）、表層部に浸炭処理を施して母材の靭
性と表層部の耐摩耗性を向上させることにより、疲労強
度を多少なりとも向上させようとするものであった。

しかし、この種の浸炭肌焼鋼は浸炭処理中に浸炭異常層
が生じやすく、かつ母相、浸炭層いずれにも後述する球
状化セメンタイトが含まれておらず、その製造において
も単に浸炭焼入れを行なうのみであった。

かかる浸炭肌焼鋼は一般に疲労強度（靭性、耐摩耗性等
）が十分に高くない。特に、昨今のエンジンの高出力化
の要請に応えることができる程度には疲労強度が高くな
い。

そこで、この疲労強度をより高めるべくいくつかの提案
がなされている。

例えば、■特開昭５３−１４６２３３号公報には鋼材表
面に擬球状の炭化物（球状化セメンタイト）を形成させ
る浸炭処理法が開示され、また■特開昭５９−３５６３
０号公報には鋼材表面に球状化せメンタイトを形成させ
、表面の粗大炭化物のみ除去した後、直接焼入または空
冷後回加熱焼入を行ない、南面研摩を施す各工程を含む
歯車の熱処理方法が開示されている。

しかしながら、前記■、■の浸炭肌焼鋼では球状化炭化
物を鋼材表面に形成させたとはいえ、鋼材組織の全体に
わたって母相中のセメンタイトを多量に球状化させたも
のではないため、未だ満足すべき疲労強度は得られなか
った。

この理由としては、浸炭肌焼鋼の母相中のセメンタイト
を球状化することが困難であること、および母相中のセ
メンタトを球状化すると疲労強度が向上するということ
が知られていなかったことが考えられる。

また特に■の技術では、製造工程が複雑で、製造コスト
が高くつくという難点もある。

一方、浸炭異常層を減少させ、疲労強度を向上させよう
とする試みも多々行なわれているが、未だ浸炭異常層を
皆無にした例は報告されてないのが実状である。

発明が解決しようとする課題 この発明は、前に述べたような実状よりみて、肌焼鋼の
化学組成を厳密に制御することによって浸炭処理時の粒
界酸化および不完全焼入れ層を完全に防止し、ざらに浸
炭処理後、球状化焼鈍処理を実施することによって、従
来技術では到底達成することができなかった極めて優れ
た疲労特性を有する浸炭肌焼鋼とその製造方法を提案し
ようとするものでおる。

課題を解決するための手段 この発明者は、浸炭処理した歯車やシャフトの破壊事例
を詳細に調査した結果、疲労破壊の発生が浸炭処理工程
中に生じる浸炭異常層（粒界酸化および不完全焼入れ層
）の生成と密接な関係にあることを知見し、その浸炭異
常層は鋼中のＳ５Ｍｎ、Ｃｒの含有量を低くおさえ、か
つ鋼中に陽を添加することによって完全に防止できるこ
とを見い出した。

また、浸炭処理後、球状化焼鈍を実施することによって
、母相および浸炭層に多量の球状化セメンタイトを形成
させることが可能となり、疲労特性を著しく向上できる
ことを見い出した。

すなわち、この発明に係る浸炭肌焼鋼は、Ｇ　　０．１
５〜０．３５ｗｔ％　Ｓｉ　０．０５ｗｔ％以下ｒ　０
．３５ｗｔ％以下　　　Ｃｒ　０．１０ｗｔ％以下Ｍｏ
　０．３５〜２．００ｗｔ％　Ｎｏ　０．０１０〜０．
１００ｗｔ％を含有し、必要に応じてＮｉ　３．５０ｗ
ｔ％以下、ＣＬＬ　１．００ｗｔ％以下、　Ａｌ０．１
００ｗｔ％、Ｖ　０．０１〜０．３０ｗｔ％、Ｔｉ　０
．０１０〜０．１００ｗｔ％、Ｂ　０．０００３〜０．
００５０ｗｔ％の一種以上を含み、残部Ｆｅおよび不可
避的不純物からなり、球状化セメンタイトを含有するマ
ルテンサイト組織を有する母相の表面に、Ｃ０．５０〜
１．５０　ｗｔ％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不
純物からなり、球状化セメンタイトを含有するマルテン
サイト組織の浸炭層を有することを特徴とするものでお
る。

また上記肌焼鋼の製造方法としては、浸炭焼入れ後に浸
炭雰囲気中で母相のＡｃ１変態点とＡｃ＋変態点＋（母
相のＡｃ３変態点−Ａｃ１変態点）Ｘｏ、６との間の温
度域にて１〜４時間保持し、その後３０℃／時間以下の
冷却速度で徐冷して球状化焼鈍を行ない、続いてＡｃ３
変態点と（Ａｃ３変態点＋３０℃）との間の温度域で短
時間保持した後、焼入れすることを特徴とするものであ
る。

作　　　用 鋼中の５ＬＳｔａｎ、　Ｃｒの含有量を低くおさえ、か
つ鋼中に隆を添加することとしたのは、以下に示す理由
による。

Ｓし、Ｉｎｎ、Ｃｒの３元素のうち、１種あるいは２種
の含有量のみを低く制御するだけでは、異常層を抑制で
きない。

また上記３元素の含有量の低減は、表層部の旧オーステ
ナイト粒界の酸化防止には有効でおるが、工業的な浸炭
焼入れや通常焼入れでは粒界酸化に伴う不完全焼入れ層
を防止することができない。

一方、陽添加は焼入れ性の向上を通じて表層部の不完全
焼入れ層の防止に有効である。

したがって、工業的な浸炭焼入れや通常焼入れで粒界酸
化あるいは不完全焼入れ層を防止するには隆添加を併用
することが不可欠である。

また、この発明において、浸炭処理後球状化焼鈍を実施
するのは、Ｃ濃度の高い高硬度のセメンタイトを球状化
し、マルテンサイト中に分布させることにより、■マル
テンサイト母相中のＣ量が低くなり、母相の靭性がさら
に増大するとともに、■マルテンサイト浸炭層の耐摩耗
性が増大することを知見したことによる。

上記■■を実現するためには、浸炭焼入れ後球状化焼鈍
を実施し、母相および浸炭層ともに多量の球状化セメン
タイトを形成させる必要がある。

その理由は、球状化セメンタイトを多量に形成しておか
ないと、引続いて行なわれる再加熱焼入れの際に球状化
セメンタイトが組織内に固溶してしまう可能性が生じる
ためである。

次に、この発明に係る肌焼鋼の成分限定理由について説
明する。

Ｃは鋼に所定の静的強度を付与するのに必要な元素であ
るが、反面靭性を劣化させる成分である。特に、浸炭処
理を施す肌焼鋼においては、静的強度と靭性をバランス
させることが必要であり、最低限の静的強度を得るには
少なくとも０．１５ｗｔ％以上必要であり、使方マルテ
ンサイト母相中のＣ量が０．３５ｖｔ％を超えると靭性
が急激に劣化するため、マルテンサイト母相中のＣ含有
量としては０．１５〜０．３５ｗｔ％が好ましい。一方
、マルテンサイト浸炭層では所期の耐摩耗性を得るため
には最低０．５０ｗｔ％のＣが必要であるが、１．５０
ｗｔ％を超えると靭性が急激に低下する。したがって、
マルテンサイト浸炭層中のＣ含有量を０．５０〜１．５
０ｗｔ％と定めた。

Ｓｉは鋼の脱酸に必要な成分であり、また鋼に所定の静
的強度を付与するのに必要な成分である。

しかし、Ｓｉは酸素との結合力が強いために浸炭処理を
施す肌焼鋼においては、浸炭処理時に粒界にＳｉの酸化
物が生成し、粒界脆化を生じ歯元疲労、歯面疲労強度を
低下させる。特に、０．０５ｖｔ％を越えるとＳｉの酸
化物の生成が著しく、この発明の目的とする疲労強度の
向上を実現するためには、Ｓｊを０．０５ｗｔ％以下に
制限することが不可欠の要件である。

Ｉｎｎはｓｉと同様、鋼の脱酸と焼入性の付与に必要な
成分であるが、酸素との結合力が強いために浸炭処理時
に粒界にＭｎ酸化物を生成し、粒界を脆化させ疲労強度
を低下させる。特に、０、３５ｗｔ％を超えるとｔ１ｎ
酸化物の生成が著しいため、疲労特性向上のためには０
９３５ｗｔ％以下に制限する必要がある。

Ｃｒは鋼に焼入れ性を付与するのに有効な成分であり、
また浸炭性を向上させるために一般に肌焼鋼には添加さ
れることが多い。しかし、Ｓｉやｌ′Ｉｎと同様に酸素
との結合力が強いため、浸炭処理時に粒界にＣｒ酸化物
を生成し、粒界を脆化させ疲労特性を低下させる。特に
、０．１０ｗｔ％を超えるとＣｒ酸化物の生成が著しく
なるため、疲労特性向上のためには０．１０ｗｔ％以下
に制限する必要がある。

−は鋼に所定の焼入れ性を付与し、静的強度と靭性の向
上に有効な成分であるが、前記のＳ５門ｎ、Ｃｒ量の限
定のもとて従来鋼と同等あるいはそれ以上の焼入れ性を
付与するためには少なくとも０．３５ｗｔ％以上必要で
ある。しかし、２．００ｗｔ％を超えて添加してもその
効果は飽和し、経済性を損う結果となるので、上限を２
．００ｗｔ％とした。

陽は前記した通り、浸炭異常層、特に表面の不完全焼入
れ層の防止に極めて有効な成分であり、前記Ｓｉ、　ｔ
ａｎ、　Ｃｒ量の限定に加えてこの隆の添加によって浸
炭異常層の発生を完全に抑制することができる。かかる
効果を十分に発揮させるためには、少なくとも０．０１
０ｗｔ％以上必要であり、他方０．１００ｗｔ％を超え
て添加すると、部品の機械加工時の切削性を損うのみな
らず、鋼の結晶性を粗大化させ靭性を劣化させるので、
０．１００ｗｔ％を上限とした。

この発明鋼は上記Ｃ、Ｓ５　ｔｌｎ、　Ｃｒ、　Ｍｏ、
　Ｎｏを主体とするものであるが、さらに必要に応じて
Ｎｉ。

ＣＬＬ、　ＡＩ、　Ｖ、　Ｔｉ、　Ｂを添加することと
したのは、下記理由による。

Ｎｊは鋼に所定の焼入れ性を付与し、静的強度および靭
性の向上に有効な成分である。しかし、３．５０ｗｔ％
を超えて添加してもその効果は飽和し、経済性を損う結
果となるので、添加量としては３．５０ｗｔ％以下が好
ましい。

伍は鋼に所定の焼入れ性を付与し、静的強度を向上させ
るのに有効な成分であり、その効果を発揮させるために
適宜必要に応じて添加すればよいが、ｉｗｔ％を超えて
添加すると鋼の熱間加工性が低下するとともに静的強度
も劣化させるため、添加量としては１ｗｔ％を上限とす
る。

Ｍは鋼の結晶粒を微細化し、靭性を向上させる効果を有
し、その効果を発揮させるためには少なくとも０．０３
０ｗｔ％以上の添加が必要であり、他方０．１００ｗｔ
％を超えて添加すると鋼の清浄度が劣化し切削性が損わ
れる上、過剰なんの添加はかえって鋼の結晶粒を粗大化
させ靭性を劣化させるため、０．１００ｗｔ％を上限と
する。

■は鋼中で炭窒化物を析出させ鋼の高温強度を増加させ
るのに有効な成分であり、高出力エンジン用の肌焼鋼と
して使用中の歯車の温度上昇を想定した時、昇温時の静
的強度を向上させる効果を有し、その効果を発揮させる
ためには少なくともｏ、　ｏｉｗｔ％以上必要であり、
他方０．３０ｗｔ％を超えると熱間加工性を低下させる
ため、添加量としては０，０１〜０．３０ｗｔ％が好ま
しい。

■、はＮと同様鋼の結晶粒を微細化し、靭性を向上させ
るのに有効な成分であり、その効果を発揮させるために
は少なくとも０．０１０ｗｔ％以上必要である。しかし
、ｏ、ｉｗｔ％を超えると鋼の清浄度が劣化し切削性を
損うのみならず、過剰な添加はかえって鋼の結晶粒を粗
大化させ靭性を劣化させるので、添加量としてはｏ、ｏ
ｉｏ〜ｏ、　ｉｗｔ％が好ましい。

Ｂは鋼の焼入れ性を向上させ、静的強度を向上させるの
に有効な成分であり、その効果を発揮させるためには少
なくとも０．０００３ｗｔ％以上の添加が必要であり、
他方０．００５０ｗｔ％を超えるとかえって鋼の結晶粒
を粗大化させ靭性を劣化させるので、添加量としては０
．０００３〜０．００５０ｗｔ％が好ましい。

次に、球状化処理条件の限定理由について説明する。

球状化処理を行なうに際しては、母相、浸炭層すべてに
わたって確実に球状化処理する必要があるが、球状化焼
鈍時の保持温度がＡｃｔ変態点より低いとセメンタイト
球状化が遅くなり、所望の球状化セメンタイトが形成さ
れず、他方Ａｃ＋＋（Ａｃ　３−Ａｃ＋　）　Ｘ　０．
６の温度を超えると、母相におけるセメンタイト球状化
が困難となるため、球状化焼鈍時の保持温度としてはＡ
ｃ＋　とＡｃ＋＋　（Ａｃ３−ＡｃＩ　）Ｘ　０．６と
の間の温度域トシた。

また、この温度域での保持時間が４時間を超えると、浸
炭部に形成された球状化セメンタイトが粗大化し、他方
保持時間が１時間未満の場合と、冷却速度が３０℃／時
間を超える場合には球状化せメンタイトが形成されにく
いため、保持時間を１〜４時間、冷却速度を３０℃／時
間以下と限定した。

なあ、これらの球状化焼鈍を浸炭雰囲気で行なうことと
したのは、浸炭表面部の脱炭を防止するためである。

また、球状化焼鈍後の焼入れ条件として、保持温度をＡ
ｃ３と（Ａｃ　３　＋３０℃）との間の温度域に短時間
保持することとしたのは、以下の理由による。

浸炭焼入れにより肌焼鋼表面部を高Ｃにし、球状化焼鈍
によりセメンタイトを球状化した後の組織は、球状化セ
メンタイトを含む焼なまし組織となっている。そこで、
この組織をすべてマルテンサイトとするために焼入れを
行なう。

この焼入れは急冷速度を上げるため水焼入れが適するが
、焼入れの際保持温度がＡｃ３変態点より低いと、母相
中にフェライトが残菌してしまう。

また、保持温度がＡｃ３変態点より３０℃以上高い時、
あるいは保持時間が長時間になる時には、球状化セメン
タイトが組織中に固溶してしまい、球状化セメンタイト
を含むマルテンサイト組織が得られない。

したがって、この発明では焼入れ条件として、Ａｃ３変
態点と（Ａｃ　ｚ　＋３０℃）との間の温度域に短時間
保持した後、焼入れすることとしたのである。なお、保
持時間を特に限定しなかったのは、保持温度と肌焼鋼の
大きざに依存するからでおる。

実　　施　　例 第１表に示す成分を有する鋼を真空溶解炉にて溶製した
後、鋼塊を１２５０″Ｃに１時間加熱し、１００Ｍ径お
よび３０．径に鍛伸したものを供試材として用い、各種
特性を調べた結果を第１表に併せて示す。

本実施例では、１００ｍ径の鍛伸材を９２５°Ｃに５時
間加熱後空冷して焼準し、第３図に示す歯車試験片（形
状：平歯車、モジュール２，０．歯数３３゜ピッチ直径
６６ｓ、　　ｆ＋　　ニア０ｔｒｖｎ、　２２８２ａｈ
、　　Ｉｈ　　：４５＃　、　Ｉ２ａ　：　３０ｍ、　
Ｖｈ　：　６ｓ、　Ｗ２　：　２０ｍ）に加工後、第１
図に示すこの発明のヒートパターンと第２図に示す従来
のヒートパターンにて浸炭処理を行ない、しかる後１７
０℃にて１時間焼戻し処理し、ざらにショットピーニン
グ（０，６ｓφ、４７ＴｒＬ／Ｓ、１５分）処理後、動
力循環式歯車疲労試験機にて歯車疲労特性（歯面疲労、
歯元疲労）を調べた結果を第１表に示す。

なお、歯面疲労については、１０７回において破壊を生
じなかった歯車の歯面の損傷程度を目視観察して評価し
た。また、歯元疲労強度は１０７回において破壊を生じ
なかった強度（疲労限界）にて評価した。合せて、浸炭
部の結晶粒度および浸炭異常層深さを測定した。

一方、シャルピー衝撃試験については、３０ｍ径の鍛伸
材を９２５℃に１時間加熱後空冷して焼準しだ後２５＃
径に旋削し、ＪＩＳ３号（２＃Ｕノツチ）シャルピー試
験片に加工し、第１図および第２図に示すヒートパター
ンにて浸炭処理を施し、１７０℃にて１時間焼戻しを行
なった後、ざらにショットピーニング処理を施してシャ
ルピー衝撃試験を実施した。

また、静的曲げ試験については、３０ｓ径鍛伸材を９２
５℃に１時間加熱後空冷して焼準し、第４図に示す静的
曲げ試験片（’ｌ　：５５Ｍ、ｔ　１　：１０ｓ。

ｔ　２　：　８ｍｍ＞に加工後、第１図および第２図に
示すヒートパターンにて浸炭処理を施し、１７０°Ｃに
て１時間焼戻しを行なった１多、ショットピーニング処
理を施し１０−２　／ｓの歪み速度で静的曲げ強度を調
べた。なお、静的曲げ強度は亀裂発生荷重にて評価した
。

第１表から、本発明鋼では歯面疲労が全く存在せず、浸
炭層の耐摩耗性が優れていることがわかる。また、静的
曲げ強度、シャルピー衝撃値が従来鋼に比べて大きく、
靭性が良好であることがわかる。疲労強度は従来鋼の２
．５〜２．８倍と大きく向上した。

発明の詳細 な説明したごとく、この発明に係る浸炭肌焼鋼は、浸炭
異常層を完全に防止しているので、疲労強度が極めて優
れている。

また、この発明方法は、浸炭処理後に球状化焼鈍を実施
することによって、母相および浸炭層に多量の球状化せ
メンタイトを形成させることができるので、疲労特性の
優れた高品質の肌焼鋼を製造することができるという優
れた効果を秦するものでおる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例における浸炭処理ヒートパタ
ーンを示す図、第２図は同じ〈従来の浸炭処理ヒートパ
ターンを示す図、第３図は同じく歯車試験片を示す概略
図、第４図は同じく静的曲げ試験片を示す概略図である
。 出願人　　住友金属工業株式会社 第１図 第２図 間→

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃ０．１５〜０．３５ｗｔ％、Ｓｉ０．０５ｗｔ％以下
   、Ｍｎ０．３５ｗｔ％以下、Ｃｒ０．１０ｗｔ％以下、
   Ｍｏ０．３５〜２．００ｗｔ％、Ｎｏ０．０１０〜０．
   １００ｗｔ％を含有し、必要に応じてＮｉ３．５０ｗｔ
   ％以下、Ｃｕ１．００ｗｔ％以下、Ａｌ０．０１０〜０
   ．１００ｗｔ％、Ｖ０．０１〜０．３０ｗｔ％、Ｔｉ０
   ．０１０〜０．１００ｗｔ％、Ｂ０．０００３〜０．０
   ０５０ｗｔ％の１種以上を含み、残部Ｆｅおよび不可避
   的不純物からなり、球状化セメンタイトを含有するマル
   テンサイト組織を有する母相の表面に、Ｃ０．５０〜１
   ．５０ｗｔ％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物
   からなり、球状化セメンタイトを含有するマルテンサイ
   ト組織の浸炭層を有することを特徴とする浸炭肌焼鋼。 ２ 　Ｃ０．１５〜０．３５ｗｔ％、Ｓｉ０．０５ｗｔ％以
   下、Ｍｎ０．３５ｗｔ％以下、Ｃｒ０．１０ｗｔ％以下
   、Ｍｏ０．３５〜２．００ｗｔ％、Ｎｏ０．０１０〜０
   ．１００ｗｔ％を含有し、必要に応じてＮｉ３．５０ｗ
   ｔ％以下、Ｃｕ１．００ｗｔ％以下、Ａｌ０．０１０〜
   ０．１００ｗｔ％、Ｖ０．０１〜０．３０ｗｔ％、Ｔｉ
   ０．０１０〜０．１００ｗｔ％、Ｂ０．０００３〜０．
   ００５０ｗｔ％の一種以上を含み、残部Ｆｅおよび不可
   避的不純物からなる鋼を浸炭焼入れした後、浸炭雰囲気
   中で母相のＡｃ＿１変態点とＡｃ＿１変態点＋（母相の
   Ａｃ＿３変態点−Ａｃ＿１変態点）×０．６との間の温
   度域にて１〜４時間保持し、その後３０℃／時間以下の
   冷却速度で徐冷して球状化焼鈍を行ない、続いてＡｃ＿
   ３変態点と（Ａｃ＿３変態点＋３０℃）との間の温度域
   で短時間保持した後、焼入れすることを特徴とする浸炭
   肌焼鋼の製造方法。