JPH02209450A - 浸炭用鋼 - 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） 本発明は、浸炭処理等の結晶粒を微細化し、耐疲労の優
れた浸炭用鋼に関するものである。

（従来の技術） 浸炭鋼として、例えばＪＩＳに規定するＳＣ材、ＳＣｒ
材、ＳＣＭ材、ＳＭｎ材、ＳＮＣ材、ＳＮＣＭ材等の機
械構造用鋼があり、ギア類から、ピン、ブツシュ、ボル
ト等の機械部品が製造されている。

これらの部品は、表面の耐摩耗性および疲労強度を高め
るために、浸炭焼入れ処理が施されるが、最表層部に内
部酸化層および異常組織が生成し、この結果疲労強度が
著しく低下するという問題を有している。

そこで従来は、浸炭処理後にラッピング等の表面加工を
行って表面の異常組織を機械的に除去したり、あるいは
部品を必要以上に大型化して所定強度を得ている。

さらに特公昭５５−３２７７７号および特開昭５９１８
２９５２号公報に、異常組織の原因である内部酸化層の
現われない成分範囲に関する鋼材が開示されており、そ
の対策は主に疲労亀裂の起点を減少あるいは除去するこ
とであり、亀裂伝播に対する有効な抑制方法はこれまで
殆ど示されていなかった。

（発明が解決しようとする課題） しかしラッピング等の表面加工を行うと製造工程数が増
加するほか、複雑な形状部品には適用しがたいという問
題があり、また冷却速度を大きくすると熱処理歪が増大
し、寸法精度が低下するという欠点がある。

そのため酸素を含まない雰囲気中で行う真空浸炭法があ
るが、この処理を実施するためには真空装置をはじめ種
々の装置が必要で極めて複雑であり、さらに連続処理炉
が未開発のため、大量生産には不向きなバッチ処理とな
りコストが高い。

一方、通常の浸炭作業においてこれらの内部酸化層や不
完全焼入れ層を生成させない技術のひとつとして最近、
特公昭５５−３２７７７号、特開昭５９１８２９５２号
公報にみられるようにＳｔ　、　Ｍｎ　、　　Ｃｒ等の
酸素との親和力の強い合金元素をできるだけ少なくし、
代りに酸化されにくい合金元素として、価格の高いＭｏ
やＮｉを添加し、粒界酸化層を低減する鋼材が開示され
ている。

しかしこれらの鋼材は粒界酸化層の完全な抑制は困難で
あり、また異常組織も皆無にするには到っていない。ま
たこれらの元素はコストも高い。

一方、厚板等の知見より疲労亀裂の伝播抑制として結晶
粒の微細化等が考えられるが、肌焼鋼は浸炭処理という
高温度に長時間さらされるため、厚板等の熱間圧延まま
の鋼材と異なり結晶粒の微細化が非常に難しい。

唯一、高温浸炭処理時の結晶粒粗大化を防止する鋼材が
開示されているが（例えば、特公昭５９４６２８８号、
特開昭６２−５４０６４号）、結晶粒の粗大化防止が中
心となっており、細粒化の疲労強度におよぼす影響につ
いては十分には判明していなかったり、効果が少ないと
されていた。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは浸炭鋼の疲労破壊過程の調査をするととも
に、疲労特性におよぼす表層の不完全焼入れ組織および
浸炭結晶粒度、析出物の影響を検討した結果、たとえ最
表層に粒界酸化層が存在していても表層の不完全焼入れ
層の生成を防止し、かつ特定の析出物を用いて浸炭結晶
粒度を微細化することにより、亀裂伝播速度を著しく鈍
化でき、大幅な疲労強度の改善を期待できることを知見
した。

浸炭用鋼の疲労破壊は、表層の起点近傍が粒界破壊でそ
の後の亀裂伝播は粒内破裂で進行することが一般に知ら
れている。浸炭結晶粒度のみ細粒化した場合は、粒界酸
化物を起点とした疲労亀裂が、表層不完全焼入れ層を主
に粒内破裂で伝播して行くため、単なる細粒化は疲労強
度向上にはあまり効果が無い。

一方、浸炭結晶粒度の細粒化とともに表層の不完全焼入
れ組織の発生を防止した場合には、−旦は粒界酸化物を
起点として疲労亀裂が発生するものの、初期の亀裂伝播
は主に粒界破壊に移行し、結晶粒微細化が効果的に発揮
されることを見出した。

これは脆弱な表層不完全焼入れ層が存在する場合は、粒
界に比べ強度の低い粒内を亀裂か伝播して行くのに対し
、表層不完全焼入れ層を防止した場合は、粒内強度が上
昇するために相対的に粒界強度が低くなり、疲労亀裂は
粒界破壊となるためである。

従って、結晶粒細粒化の効果は細粒化単独では効果が無
く、表層不完全焼入れ層の抑制を伴って始めて効果を生
み出すことになる。

この不完全焼入れ層の生成を防止するには、粒界酸化層
が発生していても十分焼入れ硬化するように安価なＭｎ
やＣｒを添加して、鋼材の焼入れ性を高めておけば良い
ことを確認した。

所要焼入れ性Ｄ１値は処理鋼材の寸法に大きく影響され
、焼入れ性および等価丸棒価（直径）と不完全焼入れ組
織の発生状況を調査した結果、Ｃ１５ｔ、ＭｎおよびＣ
ｒによる焼入れ性（Ｄ　１ｉｎｃｈ）および等価丸棒径
（φｍｍ）の間に０．６５ Ｄ　１’　（ｉ　ｎｃｈ）≧２．０・等価丸棒径（φｍ
ｍ）　　　−６，４−■式の関係を満足することにより
、表層の完全焼入れ組織を確保できることを見出した。

なお、この場合、ＤＩ　　（−ＤｌｃｘＤＭｏｘＤｃρ
はＣ，Ｍｎ、Ｃｒによる理想臨界直径であり、ＤＩＣは
蔓本焼入れ性、またＦＭｎ”Ｃｒは各元素の焼入れ性倍
数で、Ａｌ５Ｉの規定で、定められた計算値である。

次に、浸炭結晶粒度を微細化するには、Ｖ。

Ｔｉ　、Ｎｂ、Ａ、Ｑ等の炭窒化物により可能であるが
知られている。

本発明者らは疲労破壊過程特に表層の亀裂伝播過程と各
析出物の影響を調査した結果、各元素を適当量添加し、
たとえ同じ結晶粒度にできたとしても、各炭窒化物によ
り疲労亀裂の伝播速度が著しく異なり、■炭窒化物のみ
亀裂の伝播を鈍化させる効果が有ることが分った。

この理由は表層の疲労亀裂の伝播において、析出物寸法
の大きなＮｂ炭窒化物や長方形で板状のＡｌ窒化物およ
び矩形のＴｊ炭窒化物は鋼中ではそれ自身が切欠き効果
となり、疲労亀裂の伝播を遅滞させず逆に促進する場合
もあり、疲労強度の向上があまり期待できず、微細でか
つ円状に多数析出するＶ炭窒化物でのみ著しい亀裂伝播
の遅滞を生み出し、疲労強度の向上につながることが分
った。

従って、結晶粒の微細化が直接疲労強度を向上する訳で
はなく、表層不完全焼入れ組織抑制とＶ炭窒化物による
結晶粒微細化により初めて達成できる訳である。

こうした知見をもとに本発明者らは完全に粒界酸化層を
防止すること無しに、表層の不完全焼入れ組織の発生を
抑制するとともに、特定量のＶを添加し、その炭窒化物
により浸炭結晶粒を微細化することによって本発明を達
成した。

本発明は重量％で、Ｃ：０．１％以上０．３％未満、Ｓ
ｉ：０．１％未満、Ｍｎ：０．９％以上２．００％未満
、Ｃｒ：０．８０％以上２．００％未満、Ｖ　：　０．
０７％以上０．２０％未満、かツＮｉ：　２．０％未満
およびＭｏ：０．４５％未満の１種または２種を含有し
、残部Ｆｅおよび不純物よりなり、かつ焼入れ性り、　
　　（インチ）が次の関係式を満足するように制御した
浸炭用鋼を提供するものである。

関係式：Ｄ′（インチ）≧２．０・直径（φ、、）０．
８５　６．４ま ただし、Ｄ　　　””　Ｄ　］　ＣＸ　Ｆ　Ｍｎ　Ｘ　
Ｆ　ｃ　、でＣ，Ｍｎ。

Ｃｒの理想臨界直径、 Ｄｌｏは基本焼入れ性、 ＦＭｎ”Ｃｒは各元素の焼入れ性倍数でＡｌ５Ｉの規定
で定められた計算値である。

φ−等価丸棒径 以下に本発明の鋼の各構成成分について説明する。

まずＣは構造用部品あるいは製品として必要な強度特に
芯部強度を確保するために添加する元素であるが、０．
１０％未満ではこのような効果を十分に得ることができ
ず、０．３０％以上では靭性が低下して脆くなり、浸炭
用鋼として使用が困難となるので、その含有量を０．１
％以上０，３％未満とする。

Ｓｉは浸炭用鋼の粒界酸化に著しく悪影響を及ぼす元素
であり、含有量が０．１０％以上では浸炭層に粒界酸化
が形成され、浸炭用鋼の材質特性が著しく劣化するので
、その含有量を０．１０％未満とする。

Ｍｎは鋼に強度、靭性、焼入れ性を与えるのに必要な元
素であるが、２．００％以上では熱間圧延後の冷却にお
いてベイナイトやマルテンサイトの硬質な組織になり、
その後の切削等の二次加工には適さなくなるために２．
００％未満とする。

しかしＭｎの添加量が０．９０％未満では焼入れ性の効
果が十分でなく、その含有量は０．９０％以上とする。

Ｃｒは鋼の機械的性質、焼入れ性、耐摩耗性の向上に寄
与するが、この元素も２．０％以上では、熱間圧延後の
冷却においてベイナイトやマルテンサイトの硬質な組織
になり、その後の切削等の二次加工には適さなくなるた
めに２．００％未満とする。

しかしＣｒの添加量が０．８０％未満では焼入れ性の効
果が十分でなく、その含有量は０．８０％以上とする。

■は炭窒化物を生成し、浸炭結晶粒の微細化に効果のあ
る元素であり、その効果を得るには０，０７％以上の含
有が必要である。しかし、０．２０％を超えて含有して
も効果は飽和するため、上限を０．２０％未満とする。

Ｓは鋼中の介在物量を増加し、冷間での塑性加工性に悪
影響を及ぼすので、０．０Ｌ％未満に規制することがよ
り望ましい。

本発明の鋼は上述した成分を有する鋼の他に、さらに以
下のような化学成分を適当量に調整した鋼も含むもので
ある。この場合の化学成分としてはＮｉ　、Ｍ０．Ｐ、
Ｏがある。

ＮｉおよびＭｏは無添加でも十分疲労強度を向上できる
が、これらは浸炭時の粒界酸化を促進しない元素であり
、鋼の機械的特性や焼入れ性を向上させるため、１種ま
たは２種を添加することにより、より一層の疲労強度向
上が図られる。

Ｎ１は鋼の靭性向上、浸炭時のオーステナイト結晶粒粗
大化防止に寄与するが、多すぎると残留オーステナイト
が生成されるので２．０％未満とする必要がある。

またＭｏは鋼の耐摩耗性、焼入れ性、機械的性質の向上
に寄与するが、多すぎると靭性を劣化させるため０．４
５％未満とする必要かある。

０は鋼中の介在物量を増大し、転勤疲労や回転曲げ疲労
等の疲労強度特性を劣化させるので、０．００２０％未
満とすることにより、またＰは結晶粒界に偏析し粒界の
破壊強度を低下させるため、０．０１０％未満とするこ
とによりより一層の疲労強度向上が図られる。

（実　施　例） 第１表に示す化学成分の鋼を溶製したのち造塊し、次に
分塊圧延、棒鋼圧延して直径２５＋＋＋ｎ＋の丸棒を製
造した。続いて各圧延材を９２５℃で焼きならし処理し
た後、直径２５關の丸棒より掴み部の直径が１５ｍｍ５
中央平行部の直径がＮ０．　１〜Ｎ０．　６およびＮｏ
。

８〜Ｎ０．１３までが９順で、Ｎ０．　７とＮ０．　１
４は１２＋ｎｍで回転曲げ疲労試験片に機械加工した。

次に各加工材に対して、浸炭ガス雰囲気中で９３０℃×
５時間加熱→６０℃油焼入れ→１８０℃×１時間焼戻し
の条件で浸炭焼入れ、焼戻しを行い、各々の処理材につ
いてミクロ観察による異常層深さを測定するとともに小
野式回転曲げ疲労試験を行った。

表に示すように、焼入れ性（Ｄ１′（インチ）＝Ｄ１ｃ
ｘＦＭｏｘＦｃρ〕が必要なり１′２に達しないＮ０．
１．Ｎ０．３およびＮ０１７は異常組織が発生し、また
Ｃｒ含有量の多すぎるＮ０１５は粒界酸化層の発生が大
で、異常組織の発生もあり疲労強度も低い。

またＮ０．２．　Ｎ０．４およびＮ０１６は所定量のＶ
が添加されているものの、焼入れ性ＣＤ＋’（インチ）
−Ｄ　１ｃ　Ｘ　Ｆ　１ｌｌｎ　Ｘ　Ｆ　ｃρ〕が必要
なり１′２に達せず、あるいは粒界酸化層の発生が大で
、異常組織の発生もあり疲労強度も低い。

結晶粒微細化元素の異なるＮ０１８〜９は結晶粒は微細
化されているものの疲労強度はあまり向上しない。

これに対してこの発明の化学成分範囲内にあるＮ０．　
１０〜１５では何れも異常組織の発生は皆無で、浸炭結
晶粒度も微細化でき疲労強度が著しく高いことが明らか
である。

（発明の効果） 通常のガス浸炭雰囲気中で浸炭を行った時でも表面不完
全焼入れによる異常組織の発生を抑制すると同時に浸炭
結晶粒度を微細化でき、歯車の疲労強度性能が著しく向
上し、且つ部品の製造コストを低減できると同時に生産
性を高めることが可能である。

また従来のように表面異常組織を除去するためのラッピ
ング等の表面加工を行う必要がなく、浸炭処理後の焼入
れ速度を大きくせずに異常組織の発生を抑制することが
できるため、熱処理歪の発生を極力低減することが可能
であり、各種浸炭用部品を高品質で且つ高疲労強度を持
つ部品として得ることができ、その産業上の効果は極め
て顕著なものがある。

手続補正書（自発）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）重量％で、 Ｃ：０．１％以上０．３％未満、 Ｓｉ：０．１％未満、 Ｍｎ：０．９％以上２．００％未満、 Ｃｒ：０．８０％以上２．００％未満、 Ｖ：０．０７％以上０．２０％未満、かつ Ｎｉ：２．０％未満、および Ｍｏ：０．４５％未満の１種または２種、 残部Ｆｅおよび不純物よりなり、かつ焼入れ性Ｄ＿１′
   （インチ）が次の関係式を満足することを特徴とする疲
   労強度の優れた浸炭用鋼。 関係式：Ｄ＿１′（インチ）≧２．０・直径（φｍｍ）
   ＾０＾．＾６＾５−６．４ただし、Ｄ＿１′＝Ｄ＿１＿
   Ｃ×Ｆ＿Ｍ＿ｎ×Ｆ＿Ｃ＿ｒでＣ、Ｍｎ、Ｃｒの理想臨
   界直径、 Ｄ＿１＿Ｃは基本焼入れ性、 Ｆ＿Ｍ＿ｎ、Ｆ＿Ｃ＿ｒは各元素の焼入れ性倍数で、Ａ
   ＩＳＩの規定で定められた計算値である。 φ＝等価丸棒径 ２）重量％でＰ：０．０１０％未満、Ｏ：０．００２０
   ％未満の一方または両方を満足する請求項１記載の浸炭
   用鋼。