JPH0227408B2

JPH0227408B2 -

Info

Publication number: JPH0227408B2
Application number: JP58012209A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Miwa; Katsuya Oochi
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1983-01-27
Filing date: 1983-01-27
Publication date: 1990-06-18
Also published as: JPS59140328A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、強度および耐摩耗性の優れた鋼部材
の製造方法に関する。例えば、自動車のデフアレンシヤルギヤのピニ
オンシヤフトやピストンピンは、曲げ強度が強い
こと、表面に耐摩耗性、耐焼付性が要求される。従来、この種の鋼部材は、Cr鋼、Cr―Mo鋼を
浸炭焼入れしたものにCr，Ni―Ｐメツキをし、
または機械構造用炭素鋼を焼入、焼戻したものに
Mo溶射をして製造し、あるいは肌焼入用合金鋼
を浸炭焼入して製造していたが、前者はコストが
高く、後者は耐摩耗性、耐焼付性が充分でないと
いう問題があつた。そこで本発明者らは、曲げ強度、耐摩耗性、耐
焼付性、コスト等を同時に満足するのに好適なガ
ス軟窒化処理に着目して、従来から軟窒化鋼とし
て多用されてきたJIS SCM420，SCM435、さら
にJIS SACM645について検討したところ、以下
のような欠点があることが判明した。即ち、SCM420、SCM435は、軟窒化後の有効
硬化深さ（微小ビツカス硬さHV450に対応する
表面からの距離）は僅かに0.10mm程度であり、表
面硬さ（表面下50μでの微小ビツカス硬さも不十
分であるために耐摩耗性、耐焼付性に欠ける。また、SACM645は、軟窒化後の表面硬さが非
常に高くなり（HV800〜1000）、これに対して有
効硬化深さは僅かに0.15mm程度であるため、表面
から芯部へ硬さ勾配が急激になり過ぎることが原
因で、高負荷下で使用した場合表面硬化部と芯部
の境界付近からの剥離現象が起きやすい。つまり
耐摩耗性に劣つている。また表面硬さが高すぎる
ため衝撃疲労強度も低い。本発明は、上記諸問題点に鑑みてなされたもの
で、鋼の成分および熱間加工後の熱履歴を規定
し、続いて実施するガス軟窒化処理により、上述
のメツキ、溶射法と比較して同等な曲げ強度、よ
り良好な耐摩耗性、耐焼付性、よりコスト安な鋼
部材を新規に提供することを基本的な目的とする
ものである。斯かる目的を達成するために、本発明方法で
は、曲げ強度の確保のため軟窒化後の芯部硬さ
（表面下１mmでの微小ビツカス硬さ）HV250以
上、有効硬化深さ0.2mm以上とし、耐摩耗性、耐
熱付性の改良のため表面硬さHV600〜750が得ら
れることを可能としたものである。このため、本発明に係る第１の方法は、重量比
で、Ｃ：0.15〜0.4％、Si：0.50％以下、Mn：
0.50〜1.50％、Cr：1.00〜3.00％、Ｖ：0.05〜0.15
％、Ｎ：0.006〜0.02％、Mo：0.05〜0.25％、残
部Feからなる組成を有する鋼素材を、1000〜
1250℃に加熱して熱間圧延を行ない、圧延後800
℃から500℃までを冷却速度0.2〜４℃／秒の範囲
で調整冷却してＶの炭窒化物を析出させるととも
にフエライトとベイナイトの混合組織を析出さ
せ、その後、機械加工し、軟窒化処理を行なうこ
とを特徴とするものである。また、本発明に係る第２の方法は、第１の方法
の鋼素材を1000〜1250℃に加熱して熱間圧延を行
なつた後、冷却し、その後900〜1100℃の温度で
５〜60分間加熱保持し、800℃〜500℃までを冷却
速度0.2〜４℃／秒の範囲で調整冷却して焼なら
し処理を行ないＶの炭窒化物を析出させるととも
にベイナイト組織を析出させ、その後、機械加工
し、軟窒化処理を行なうことを特徴とするもので
ある。本発明方法（第１の方法、第２の方法）に用い
る鋼素材の“基本成分”をまとめると第１表の通
りであり、必要に応じて“有効成分”を加えるこ
とができる。なお、第1′表は、特開昭57−123918
号（以下、先行方法という。）に開示されている
鋼素材の成分を比較掲示したもので、本発明方法
との相違は便宜上後述する。

【表】

〔基本成分〕

Ｃ：0.15〜0.40％Ｃは、基地の硬さに影響する適当なベイナイト
量を得るのに必要な成分であり、芯部硬さを確保
するために最低0.15％は必要である。しかし、
0.40％を越えると、芯部の延性、靭性が劣化する
とともに、軟窒化後の表面硬さ、硬化深さが著し
く減少する。 Si：0.50％以下 Siは、Feと固溶して鋼の強度を増大させるの
に必要な成分である。Siは、通常、鋼の脱酸剤と
して添加されているが、浸炭を阻害するため、浸
炭と浸室が同時に進行する軟窒化においては、Si
が少ないほど硬化特性は優れる。とくに0.5％以
下になるとその効果が大きくなる。 Mn：0.50〜1.50％ Mnは、Crとともに焼入れ性の向上に寄与する
のに必要な成分である。Mnは、製鋼時の脱酸剤
として不可欠であるともに、芯部の強度確保のた
めに最低0.50％は必要である。しかし、1.50％を
越えると、切削性が劣化し始める。 Cr：1.00〜3.00％ Crは、焼入れを高め、冷却状態でベイナイト
を析出させるのに必要な成分である。Crは、軟
窒化による侵入Ｎと結合して表面硬さを高める
（HV600〜750）とともに、硬化深さを大きくす
る（0.2mm以上）ために有効である。その効果を
充分に発揮せしめるためには、1.00％以上添加す
ることが必要である。しかし、3.00％を越える
と、表面硬さのみが高まり硬化深さに対してはむ
しろ逆効果となる。Ｖ：0.05〜0.15％Ｖは、軟窒化による侵入Ｎおよび侵入Ｃと結合
して微細なＶ炭窒化物を析出せしめ、表面硬さお
よび硬化深さを向上させるのに必要な成分であ
る。Ｖは、Crと比べたとき、表面硬さの上昇に
対する寄与は比較的小さいが、硬化深さを増加さ
せるに対する寄与が大きい。またＶは、析出強化
によつて芯部硬さを上昇させるため、硬化深さが
深く、かつ表面から芯部へ硬さ勾配が緩やかな硬
化曲線を得るのにきわめて有効である。この効果
を充分に発揮させるためには、少なくとも0.05％
は必要である。しかし、0.15％を越えるとその効
果が飽和するかむしろ低下し始める。Ｎ：0.0060〜0.0200％Ｎは、結晶粒を微細化し、それを通じて靭性を
向上させるとともに、Ｖと結合により析出硬化を
生ぜしめる。したがつて、芯部硬さの向上に有効
である。この効果は0.0060％以上で認められる
が、0.0200％を越えると切削性が急激に劣化す
る。〔有効成分〕 Al：0.02〜0.10％ Alは、Crと同様に、軟窒化による侵入Ｎと結
合して表面硬さを高めるが、硬化深さ向上にはあ
まり有効でない。とくにＶとの複合添加では0.10
以上添加すると硬化深さはむしろ低下する。しか
し、表面硬さに対しては微量添加でも有効であ
り、この効果は0.02％の添加で認められる。Ｓ：0.03〜0.15％ Pb：0.03〜0.35％ Ca：0.0010〜0.01％これらの成分は、軟窒化処理前に切削を施す場
合、切削性向上に有効である。軟窒化処理前に深
穴穿孔、重切削、高速切削などが施される場合に
は、切削性が要求される度合に応じてこれらの一
種または二種以上を含有せしめてよい。なお、こ
れらの成分は硬化特性に何ら影響は与えない。構
造用鋼の切削性を高めるのに有効な最小限の添加
量は、Ｓ：0.03％、Pb：0.03％、Ca：0.0010％で
ある。また、Ｓは0.15％、Pbは0.35％を越えると
強度靭性の低下が著しくなり、Caは溶製上0.010
％以上の添加は困難である。 Mo：0.05％〜0.25％ Moは、鋼の強度と靭性を増すのに有効な成分
である。この効果を発揮させるには0.05％以上必
要である。しかし、0.25％を越えて添加してもそ
の効果は飽和してしまい経済性を損なう。 Nb：0.01〜0.10％ Nbは、鋼の細粒化を通じて強度と靭性を増す
のに有効な成分である。この効果を発揮させるた
めには0.01％以上必要である。しかし、0.10％を
越えると鋼の熱間加工性を損う。Ｂ：0.0005〜0.0050％Ｂは、軟窒化による侵入Ｎと結合して硬化深さ
を高めるのに有効な成分である。この効果を発揮
させるためには、0.0005％以上必要である。しか
し、0.0050％を越えると、靭性や熱間加工性を損
う。次に、第１図のフローチヤートにも示すよう
に、本発明成分鋼の熱処理方法は次の通りであ
る。本発明に係る鋼部材は、芯部硬さが高く、かつ
軟窒化特性に優れたものであり、軟窒化による表
面硬さ、有効硬化深さを調整するための成分とし
てCr，Ｖなどの合金元素を基本成分としている
が、芯部硬さについては、軟窒化処理ではほとん
ど変化はせず軟窒化処理前の熱履歴で決まるの
で、熱間圧延（第１の方法）あるいは熱間圧延
とそれに続いておこなう熱処理条件（第２方法
）を規定する必要がある。 (1) 熱間圧延の加熱条件は、加熱温度を1000〜
1250℃とする。加熱温度が1000℃未満であると
鋼中に含まれる合金元素、とくにCrやＶの固
溶が不完全となり、所定の強度を得られない。
また、加熱温度が1250℃以上であると、結晶粒
の粗大化により靭性が劣化する。熱間圧延の仕上温度（圧延終了温度）は900
℃以上とする。仕上温度が900℃未満であると
熱間圧延中にオーステナイト域で一部ＶがＶ炭
窒化物として析出し、その後の冷却速度の調整
によつても所定の強度が得られず、また軟窒化
特性も劣化する。 (2) 熱間圧延後、800〜500℃までの冷却速度は、
芯部硬さ（鋼部材の性能としては曲げ強度）を
支配する重要な要素であり、0.2〜4.0℃／Ｓの
範囲に規定する必要がある。なお、これ以降は
空冷である。冷却速度が0.2℃／Ｓ未満では、
本発明成分鋼において室温まで空冷したとき、
フエライト(F)＋パーライト（Ｐ）組織となり、
所定の芯部硬化（HV250以上）が得られない。
また、冷却速度が4.0℃／Ｓを越えると組織が
ベイナイト単相となり軟窒化特性が著しく劣化
する。0.2〜4.0℃／Ｓの冷却速度であれば、Ｆ
＋Ｂの２相組織となり所定の芯部硬さが得られ
また軟窒化特性も所定のものが得られる。 (3) 第２の方法に関して、熱間圧延後、一旦任
意の冷却速度で室温まで冷却した後、粒度調整
（結晶粒の均一化）や熱間圧延の残留応力の除
去を目的として焼ならしを行なう場合には、焼
ならしの再加熱温度を900〜1100℃に規定する。
再加熱温度が1100℃を越えると、オーステナイ
ト粒が粗大化し鋼部材の靭性が劣化するととも
に、オーステナイト粒粗大化のために焼入性が
増大し、冷却速度を0.2〜4.0℃／Ｓなる範囲で
調整してもベイナイト単相組織となるため軟窒
化特性が劣化する。また、再加熱温度が900℃
未満であると、本来焼ならしの目的である粒度
調整や残留応力の除去及びＶ炭窒化物の固溶が
不完全となつて所定の軟窒化特性を得られなく
なる。なお、この(3)の焼ならし後の冷却速度に
関する理由は、(2)で述べた熱間圧延後、直接制
御冷却する場合と同じである。 (4) 第１の方法による熱処理(1)→(2)、あるいは
第２の方法による熱処理(1)→(3)→(2)が完了す
ると、機械加工によりピニオンシヤフトなどを
製造する。 (5) その後、通常の軟窒化処理を行なう。なお、
軟窒化処理にはガス軟窒化など種々のものが利
用でき、処理温度は500〜630℃、保持時間は
0.5〜６時間が好ましい。以下、実施例を説明する。第２表に示す鋼のうち、鋼〜は本発明成分
鋼、鋼〜は本発明成分鋼の要件を満たさない
比較鋼で、その内鋼鋼，は、それぞれJIS―
SCM435、JIS―SCM645に相当する鋼材である。鋼〜の100Kg鋼塊を1230℃に加熱して、950
℃以上の温度域で熱間圧延し、棒形状

【表】

Claims

【特許請求の範囲】１重量比で、Ｃ：0.15〜0.4％、Si：0.50％以
下、Mn：0.50〜1.50％、Cr：1.00〜3.00％、Ｖ：
0.05〜0.15％、Ｎ：0.006〜0.02％、Mo：0.05〜
0.25％、残部Feからなる組成を有する鋼素材を、
1000〜1250℃に加熱して熱間圧延を行ない、圧延
後800℃から500℃までを冷却速度0.2〜４℃／秒
の範囲で調整冷却してＶの炭窒化物を析出させる
とともにフエライトとベイナイトの混合組織を析
出させ、その後、機械加工し、軟窒化処理を行な
うことを特徴とする強度および耐摩耗性の優れた
鋼部材の製造方法。２重量比で、Ｃ：0.15〜0.4％、Si：0.50％以
下、Mn：0.5〜1.50％、Cr：1.00〜3.00％、Ｖ：
0.05〜0.15％、Ｎ：0.006〜0.02％、Mo：0.05〜
0.25％、残部Feからなる組成を有する鋼素材を、
1000〜1250℃に加熱して熱間圧延を行なつた後、
冷却し、その後900〜1100℃の温度で５〜60分間
加熱保持し、800℃〜500℃までを冷却速度0.2〜
４℃／秒の範囲で調整冷却して焼ならし処理を行
ないＶの炭窒化物を析出させるとともにフエライ
トとベイナイトの混合組織を析出させ、その後、
機械加工し、軟窒化処理を行なうことを特徴とす
る強度および耐摩耗性の優れた鋼部材の製造方
法。