JPH0280539A

JPH0280539A - 窒化用鋼素材

Info

Publication number: JPH0280539A
Application number: JP23152488A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Ohama; 大浜　煕久; Tomoyoshi Iwao; 岩尾　知義; Koji Fujimoto; 藤本　光次
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1988-09-16
Filing date: 1988-09-16
Publication date: 1990-03-20
Anticipated expiration: 2012-06-25
Also published as: JP2623124B2

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〕本発明は窒化用鋼に係り、詳しくは、素材の再結晶軟化
温度を窒化処理温度より高くシ、窒化処理後に高い中心
部硬さと厚い化合物層が得られるように改善した窒化用
鋼に関する。

〔発明の背景〕

自動車部品や事務機械部品などの製造分野において、耐
摩耗性や耐疲労特性を付与するために低炭素鋼板に浸炭
焼入れ処理を行なう方法が多用されている。これらの方
法では、浸炭処理温度が鋼のＡ、変態点より高いこと、
そして焼入れ時の２゜冷によって　特に板厚が薄い製品
では熱処理歪の発生が避けられない。

このため、とくに熱処理歪が問題となる製品については
、処理温度が綱のＡ１変態点よりも低いガス軟窒化やタ
フトライドなどの窒化処理が適用され、これによって耐
摩耗性や耐疲労性を付与することが行われている。この
窒化処理に用いる材料は一般には普通鋼や低合金鋼が対
象となる。

このうち、高い表面硬さと高い芯部硬さを得るには、Ｃ
ｒ、Ａｊ！、Ｔｉなどの窒化物を生成する元素を含む中
炭素系の低合金鋼が使用されており、このような低合金
鋼は一般に窒化特性が非常に良好である。したがって、
特に製品の板厚が０．８ｍ＋閣より薄い場合に窒化処理
を施すと、その板厚が薄ければ薄いほど板厚中心部まで
表層と同じ高い硬さになり、非常にもろくなって小さい
応力で破断しやすくなるという問題がある。これを回避
すべく処理時間を短くして中心部硬さを低めて靭性を確
保しようとすると２表面に生成する鉄窒化物の化金物層
（ＦｅｓＮやＦｅａＮ）が非常に薄くなり、意図する耐
摩耗性が発現できない。そして、従来の低合金系窒化用
鋼は、−最に合金添加量が多く合金元素添加による材料
コストが高くなっている。

これに対し、普通鋼（熱間圧延軟鋼板および冷間圧延鋼
板など）は安価であり５表面に厚い化合物層ができやす
いという特徴がある。この反面。

微細な鉄窒化物の生成が困難で化合物層直下に高い硬さ
が得られないという基本的な問題がある。

また材質が軟質なため中心部の硬さも低く、高い疲労強
度が得られないという問題もある。

〔発明の目的〕

本発明は、前記のような従来の窒化処理の問題の解決を
目的としたものであり、特に板厚０．８１１１１１以下
の薄板部品を対象に窒化処理しても、靭性を…なわずに
耐摩耗性、耐疲労特性を発現できる窒化用鋼の開発を意
図し、普通鋼を用いた場合の欠点である窒化処理後の表
面硬さと中心部硬さが十分でないという問題を克服でき
る新たな材料を提供しようとするものである。

〔発明の要旨〕

本発明によれば、再結晶軟化温度が窒化処理温度より高
い５８０”Ｃ以上を有し且つ窒化特性が良好である窒化
用鋼を提供するものであり、その要旨とするところは。

Ｃ：　０．００２〜０．０８％。

Ｍｎ　：　０．１（１−０，６０％。

Ｎ　：　５０ｐｐｍ以下。

を含有したうえ、さらに。

Ｔｉ：４（％Ｃ＋％Ｎ）〜〔４（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２
）％。

Ｎｂ　：　７．８（％Ｃ＋％Ｎ）〜［７，８（％Ｃ＋％
Ｎ）＋０．２）％Ｚ　ｒ　：　７．６（％Ｃ＋％Ｎ）　
〜（７，６（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２）％Ｖ：５．７（％
Ｃ＋％Ｎ）〜（５，７（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２３％。

の一種または二種以上を含有し残部が鉄および不可避的不純物からなり、２０％以上の
冷間加工が施された状態で窒化処理に供する窒化用鋼に
ありさらには、この鋼に対し、さらに合金元素としてＣｒ　
：　０．１０〜０．８０％および／またはｌ！：０．０
５〜０．５０％を添加した窒化用鋼、更には、このＣｒ
。

Ａｌ添加鋼に対し、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖに代えてＰを
０．０３〜０６２０％添加した窒化用鋼を提供するもの
である。

〔発明の詳細な説明に係る窒化用鋼の効果については後記の実施例に具
体的に示すが１本鋼に含有させる各成分元素の含有量範
囲を前記のように規定した理由並びに各元素の作用を個
別に概説すると以下のとおりである。

Ｃ：本発明はＣ含有量を低くし且つ微量のＴ１Ｎｂ、Ｚ
ｒ、Ｖ等を添加して再結晶軟化温度を高めるようにした
点に基本的な特徴がある。Ｃ含有量が０．０８％を越え
ると、再結晶軟化温度を高めるＴｉ。

Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖなどを多量に必要とする。他方、Ｃ含有
量を０．００２％未満にまで脱炭するには溶製時の脱ガ
ス時間に長時間を要して溶製コストが高くなる。本発明
は低炭素、低合金成分で安価にして既述の目的を達成し
ようとするものであり、このためにｃｌは０．００２〜
０．０８％とする。

Ｍｎ：Ｍｎは素材強度を確保するために本発明鋼では必
須の元素である。Ｍｎ含有量が０．１％未満では窒化用
鋼としての素材強度が不足し、０．６％を越えて添加し
ても、鉄窒化物等の表面化合物層直下の表層硬さ並びに
中心部硬さの増加に寄与しない。この理由からＭｎ量は
０．１〜０．６％の範囲とする。

Ｎ：Ｎ含有量は再結晶軟化温度を高めるために添加する
Ｔ　ｉ、Ｎ　ｂ　＋　Ｚ　ｒ　＋　Ｖの添加量に影響す
る。Ｎ量が高いとこれら元素の添加量が増加し製造コス
トが高くなる。そして、ＮＩが５０ｐｐｍを越えるとＴ
ｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖの炭窒化物の析出が肥大化し、素材
の靭性を低下させる。このためＮ量は５０ｐｐ−以下に
限定することが必要である。

Ｔｉ、　Ｎｂ、　Ｚｒ、　Ｖ　：これら各元素は炭窒化
物形成元素であり、また、マトリックス中に固溶させる
ことにより冷間加工後の再結晶軟化温度を５５０°Ｃ以
上に高めることができる。

Ｔｉが（％Ｃ＋％Ｎ）の４倍未満、Ｎｂが（％Ｃ＋％Ｎ
）の７．８倍未満、Ｚｒが（％Ｃ＋％Ｎ）の７．６倍未
満、■が（％Ｃ＋％Ｎ）の５，７倍未満では、いずれも
各元素の炭窒化物の生成にしか寄与せず、再結晶軟化温
度を高めることができない。

他方、Ｔｉが〔４（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２）％を越えて
Ｎｂが［７，８（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２）％を越えて、
Ｚｒが（７，６（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２）％を越えて、
■が（５，７（％Ｃ＋％Ｎ）　＋　０．２　）％を越え
て、添加しても再結晶軟化温度を高める効果は飽和する
。

したがって、これら各元素の添加範囲はＴｉ：４（％Ｃ
＋％Ｎ）〜〔４（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２）％Ｎｂ　：　
７．８（％Ｃ＋％Ｎ）〜（７，８（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．
２：１％Ｚ　ｒ　：　７．６（％Ｃ＋％Ｎ）〜（７，６
（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２）　％Ｖ　：　５．７（％Ｃ＋
％Ｎ）　〜（５，７（ＸＣ＋＄Ｎ）　＋０．２Ｅ％とす
る。これにより冷間加工後の再結晶軟化温度が通常の窒
化処理温度（５８０”Ｃ以下）よりも高くなり、窒化処
理後においても未再結晶状態の高硬度が維持されるので
、高い中心部硬さが得られる。

ＦＤＰもマトリックス中に固溶することにより再結晶軟
化温度が上昇するが、　０．０３％未満ではその効果は
なく、また０、２０％を越えて添加してもその効果は飽
和するので、ｐＨは０．０３〜０．２０％の範囲で添加
する。

Ｃｒ：Ｃｒは鉄窒化物等の表面化合物層直下の表面硬さ
を高めるために添加するが、　０．１０％未満ではその
効果はなく、また０、８％を越えて添加すると窒化処理
時の表面に生成する化合物層厚さが薄くなり　（表面で
の鉄窒化物の生成が抑制され）この結果、耐摩耗性が低
下するのでＣｒ量は０．１０〜０．０８％の範囲で含有
させる。

Ａｌ：Ａｌも該化合物層直下の表面硬さを高めるために
添加するが、　Ｏ，ＯＳ％未満ではその効果はなく、ま
た０、５０％を越えて添加すると窒化処理時の表面に生
成する化合物層の厚さが薄くなり　（表面での鉄窒化物
の生成が抑制される）耐摩耗性が低下するので、Ａｌ量
は０．０５〜０．５０％の範囲で含有させる。

以上のように１本発明は固溶した場合に再結晶温度を高
める作用をもつＴｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖ更にはＰを低炭素
鋼中のマトリックス中に適量固溶させ。

窒化処理温度においても再結晶を抑制させると共に、低
炭素であっても十分な素材強度を確保するような成分バ
ランスを図ったものであり、このような作用効果は窒化
処理前における素材が冷間加工材である場合に始めて真
価を発揮する。すなわち、冷間加工によって素材自身の
硬さを確保しておき、窒化処理によってもこの硬さ　（
中心部までに及ぶ硬さ）が再結晶によって軟化しないよ
うにしたものであり、このためには、窒化処理に供する
製品が十分に冷間加工されている必要がある。

素材が板材であればこの冷間加工は一般に冷間圧延であ
ることができ、この場合には、調帯またはｗ４仮の製造
最終工程が冷間圧延工程であればよいことになる（最終
仕上焼鈍を施さない銅帯または鋼板）。本発明鋼の場合
１冷間加工率（冷間圧延率）が２０％未満では冷間加工
後の硬さが低く、これを窒化処理した場合に、意図する
中心部硬さを十分に維持することができない、このため
、冷間加工率（冷間圧延率）が２０％以上の冷間加工が
施された状態で窒化処理に供するのがよい、そのさい、
必要な成品形状に成形加工してから窒化処理する場合に
は、その成形加工前の素材が２０％以上の冷間加工が施
されていることが一般に必要である。

このようにして本発明によれば、　Ｏ，０８％以下のＣ
および５０ｐｐ−以下のＮとしたうえで＋　　Ｔ　＋　
＋　Ｎ　ｂ。

Ｚｒ、Ｖ更にはＰをマトリックス中に適量固溶させるが
その量は窒化処理後の最表面部には鉄窒化物の化合物層
　（ＦｅｓＮやＦ　ｅ４　Ｎ　）の生成を阻害しないよ
うな微量とすることによって、（１）窒化処理後の最表
面部に鉄窒化物の化合物層を十分に形成させて耐摩耗性
を付与し、（２）中心部硬さは該合金元素の固溶による
窒化処理時の再結晶の抑制によって冷間加工時の硬さを
維持させ、そして（３）最表面の化合物層直下における
硬さはＣｒや＾！の適量の添加による窒化処理時の化合
物の生成によって確保する。という多重手段の複合効果
で既述の目的を達成したものであり、加えて、従来の合
金鋼からなる窒化用鋼よりも安価に市場に提供できるも
のである。

以下に代表的な実施例を挙げて本発明の効果を具体的に
示す。

〔実施例〕

第１表に示す化学成分の鋼を転炉または転炉脱ガス設備
を使用して溶製し、連続鋳造によって約１１トンのスラ
ブとし、これを通常の圧延条件で熱間圧延を行い、板厚
２．０ｍｍ０熱延板を製造し引き続き酸洗後、冷間圧延
により板厚０．５蒙−に仕上げた。

第１表において、Ａは通常の冷間圧延鋼板である比較鋼
、ＢはＴｉの添加量が本発明範囲より多く添加された比
較鋼、ＣはＣｒの添加量が本発明の範囲より多く添加さ
れた比較鋼である。これに対しＤはＴｉを本発明範囲で
添加した本発明鋼。

ＥはＣｒ、ＴＩを本発明範囲で添加した本発明鋼。

ＦはＣｒ、Ｔｉ、Ｎｂを本発明範囲で添加した本発明ｗ
４２ＧはＮｂを本発明範囲で添加した本発明鋼。

ＨはＣｒ、Ｎｂを本発明範囲で添加した本発明鋼■はＮ
ｂとＡ２を本発明範囲で添加した本発明鋼ＪはＰとＡＮ
を本発明範囲で添加した本発明鋼である。

これらの冷延材のうち、比較鋼Ａ１本発明鋼ＥおよびＨ
の試料について、４００”Ｃから８００°Ｃまでの各温
度で６０分間加熱し、硬さの変化を調べた。その結果を
第１図に示した。第１図の焼きなまし軟化曲線に見られ
るように、比較鋼Ａは５５０“Ｃで完全に軟化するが１
本発明鋼ＥおよびＨはこれより１００°Ｃ高瓜の６５０
°Ｃで軟化している。したがって。

本発明鋼は普通の窒化処理温度５８０°Ｃでは未再結晶
状態にあり、比較鋼のように窒化処理温度で軟化するこ
とはない。

次に各鋼の試料に対して、５７０°Ｃで６０分間、　　
ＲＸガス：ＮＨ，のガス比を１＝１に調整した雰囲気下
で、ガス軟窒化処理を施した。得られた窒化処理材の表
面からの断面硬さ分布を測定した。得られた結果を第２
図および第３図に示した。また表面の化合物層の厚さを
測定し、その結果を第２表に示した。いずれの鋼の化合
物層もその組成はεＦｅ５Ｎが主成分である。また、第
２表には中心部硬さも合わせて示した。

第２表第２表並びに第２〜３図の結果から次のことが明らかで
ある。

比較鋼のＡは化合物層厚さは８．０μ−と厚いが中心部
の硬さはＨシ２７２と低い。

ＴｉもしくはＣｒが本発明範囲より多く添加された比較
鋼ＢとＣは、窒化特性が非常に良好で中心部硬さがＨｖ
６００以上を示し、非常に硬質となっている。しかし、
耐摩耗性に関与する化合物層厚さは３．３〜３．５μｍ
と非常に薄い。したがって、この合金鋼は薄い板厚では
窒化処理によって跪くなる共に、９通鋼のように表面で
の鉄窒化物生成による耐摩耗性効果を享受できない。

これに対し１本発明に従うり、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ，Ｉ。

Ｊの各鋼は、化合物層厚さは７．５〜９．０μ閣と厚く
且つ化合物層直下の中心部硬さもＨν４００〜５００を
示し、窒化処理による充分な表面化合物層の生成と再結
晶軟化抑制による充分な中心部硬さの維持という本発明
の特徴が良好に現れている。

また、第２〜３図に見られるように、化合物層直下２５
μ−の位置での硬さは、　　Ｃｒ、Ａｊ！を添加したＥ
、Ｆ、Ｈ，Ｉ、Ｊ綱では、　　Ｃｒ、Ａｊ！を添加しな
かったＤとＧｆｉ４に比べて、高くなっている。したが
って適量のＣｒとＡｌは化合＠３層直下の硬さを高める
効果が明らかである。しかし、再結晶軟化温度を高める
Ｔｉ、Ｎｂだけを添加したＤとＧの綱でも比較ｔｌｉｉ
ｌＡに比べれば中心部硬さの増加は著しく本発明の効果
は充分に発揮されている。

この本発明による中心部硬さの向上による強度と靭性の
影響をみるため、第４図に示す■型ブロックを用い、　
０．４ｍｍ％Ｘ１５ｍｍ”Ｘ　４Ｑｓ＋ｍＬのサンプル
にポンチ先端が接してから４．０ｍｍ押し込み、除荷後
。

第５図に示す変形ＩＨ（ｍｍ）を測定した。その結果を
第３表に示した。

第３表第３表に見られるように、Ｔｉ、Ｃｒを本発明範囲より
多（含む比較ｇＢ、Ｃは、前述のとおり窒化特性が非常
に良好で中心部まで非常に高硬度であるが、変形途中で
破断し材質的には非常にもろくなっていることがわかる
。

また中心部硬さが低い比較鋼Ａは変形量が６．２ｍｍと
大きく１強度的に弱いため変形しやすく１強度や疲労特
性が要求されるような用途には適さない。

これに対し１本発明鋼はいずれも比較鋼に比べ変形量は
小さく１強度的に優れた特性を示している。特に化合物
層直下の硬さを高めるＣｒやＡｌを添加したＥ、Ｆ、Ｈ
，Ｉ、Ｊの各鋼の変形量は非常に小さく２強度的に優れ
た特性を示している。

以上の実施例に示されるとおり１本発明によれば１窒化
処理で厚い表面化合物層が生成し、また再結晶軟化温度
が高い窒化用鋼が提供される。これにより特に板厚０．
８１以下の薄板を対象にした窒化処理では従来材には見
られない耐摩耗性、耐疲労特性ならびに靭性を同時に示
すことができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は比較鋼Ａと本発明ｆｉＥ、Ｈの再結晶軟化曲線
を示す図、第２図および第３図は実施例での各綱のガス
軟窒化処理後の断面硬さ分布を示す図、第４図はガス軟
窒化処理材の加工による変形量を測定する試験治具を示
した略断面回、第５図は第４図の試験での変形量を測定
する試験片形状を示す側面図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｃ：０．００２〜０．０８％、Ｍｎ：０．１０〜０．６０％、Ｎ：５０ｐｐｍ以下、を含有したうえ、さらに、Ｔｉ：４（％Ｃ＋％Ｎ）〜〔４（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２
〕％、Ｎｂ：７．８（％Ｃ＋％Ｎ）〜〔７．８（％Ｃ＋
％Ｎ）＋０．２〕％、Ｚｒ：７．６（％Ｃ＋％Ｎ）〜〔
７．６（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２〕％、Ｖ：５．７（％Ｃ
＋％Ｎ）〜〔５．７（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２〕％の一種
または二種以上を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、２０％以上の
冷間加工が施された状態で窒化処理に供する窒化用鋼。
（２）Ｃ：０．００２〜０．０８％。Ｍｎ：０．１０〜０．６０％、Ｃｒ：０．１０〜０．８０％、Ｎ：５０ｐｐｍ以下、を含有したうえ、さらに、Ｔｉ：４（％Ｃ＋％Ｎ）〜〔４（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２
〕％、Ｎｂ：７．８（％Ｃ＋％Ｎ）〜〔７．８（％Ｃ＋
５Ｎ）＋０．２〕％、Ｚｒ：７．６（％Ｃ＋％Ｎ）〜〔
７．６（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２〕％、Ｖ：５．７（％Ｃ
＋％Ｎ）〜〔５．７（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２〕％の一種
または二種以上を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、２０％以上の
冷間加工が施された状態で窒化処理に供する窒化用鋼。
（３）Ｃ：０．００２〜０．０８％、Ｍｎ：０．１０〜０．６０％、Ａｌ：０．０５〜０．５０％。Ｎ：５０ｐｐｍ以下、を含有したうえ、さらに、Ｔｉ：４（％Ｃ＋％Ｎ）〜〔４（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２
〕％、Ｎｂ：７．８（％Ｃ＋％Ｎ）〜〔７．８（％Ｃ＋
％Ｎ）＋０．２〕％、Ｚｒ：７．６（％Ｃ＋％Ｎ）〜〔
７．６（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２〕％、Ｖ：５．７（％Ｃ
＋％Ｎ）〜〔５．７（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２〕％の一種
または二種以上を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、２０％以上の
冷間加工が施された状態で窒化処理に供する窒化用鋼。
（４）Ｃ：０．００２〜０．０８％、Ｍｎ：０．１０〜０．６０％、Ｃｒ：０．１０〜０．８０％、Ａｌ：０．０５〜０．５０％、Ｎ：５０ｐｐｍ以下、を含有したうえ、さらに、Ｔｉ：４（％Ｃ＋％Ｎ）〜〔４（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２
〕％、Ｎｂ：７．８（％Ｃ＋％Ｎ）〜〔７．８（％Ｃ＋
％Ｎ）＋０．２〕％、Ｚｒ：７．６（％Ｃ＋％Ｎ）〜〔
７．６（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２〕％、Ｖ：５．７（％Ｃ
＋％Ｎ）〜〔５．７（％Ｃ＋％Ｎ）＋０．２〕％の一種
または二種以上を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、２０％以上の
冷間加工が施された状態で窒化処理に供する窒化用鋼。
（５）Ｃ：０．００２〜０．０８％、Ｍｎ：０．１０〜０．６０％、Ｎ：５０ｐｐｍ以下、を含有し、さらに、Ｐ：０．０３〜０．２０％を添加したうえ、Ｃｒ：０．
１０〜０．８０％、Ａｌ：０．０５〜０．５０％、の一種または二種以上を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、２０％以上の
冷間加工が施された状態で窒化処理に供する窒化用鋼。
（６）冷間加工は冷間圧延である請求項１、２、３、４
または５に記載の窒化用鋼。