JPH0347948A

JPH0347948A - 疲労特性の優れた機械構造用鋼

Info

Publication number: JPH0347948A
Application number: JP18331089A
Authority: JP
Inventors: Manabu Hirai; 学平井; Fukukazu Nakazato; 中里　福和; Mitsuo Uno; 宇野　光男
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-07-14
Filing date: 1989-07-14
Publication date: 1991-02-28

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、土木建設機械や産業機械に使用される歯車、
シャフト等の機械構造用鋼に係り、鋼の化学成分を調整
することによって通常焼入れで浸炭焼入れ材と路間等あ
るいはそれ以上の疲労強度を有する機械構造用鋼に関す
るものである。

（従来の技術）通常、機械構造用鋼は機械加工後焼入れ、焼戻しを行い
、自動車や航空機などの各種機械類あるいは構造物に使
用される。

機械構造物のうち、特に自動車部品である歯車やシャフ
ト等には一般に浸炭肌焼鋼が用いられる。

浸炭焼入れば、Ｃ含有量が０．１５〜０．２５重重量の
ＳＣｒ４２０、ＳＣｒ４２０等の鋼を用い、芯部の硬さ
を低く抑え、表層部のみを０．６〜１，０重量％程度の
Ｃ含有量となるよう浸炭させて表面硬さを高くし、歯元
の疲労強度を向」ニさせる［」的で実施される。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、浸炭焼入れは、通常焼入れ（約１時間）
に比べて長時間（５〜８時間）を要するため製造コスト
の面で問題となっている。

本発明は上記問題点を解決すべく成されたものであり、
化学成分を調整することにより通常焼入れで浸炭焼入材
と路間等かそれ以上の疲労強度を有する機械構造用鋼を
堤供することを１１的としている。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために本発明者らは、浸炭処理した
歯車やシャフトの破壊事例を詳細に検討した結果、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
酸化及び不完全焼入層からなる）の生成と密接な関係が
あること、又粒界酸化及び不完全焼入層は浸炭焼入れの
場合だけでなく、通常の焼入れでも生じること、そして
その粒界酸化及び不完全焼入れ層は、■鋼中のＳｉ、　
Ｍｎ、Ｃｒの含有量を低く制御すること及び、■鋼中に
Ｎｂを添加することによってその発生を低減できること
を見出した。

また、熱処理の短時間化を目的に、通常焼入れにおいて
種々調査した結果、通常焼入材の疲労強度は、静的強度
と密接な関係にあること、そしてその静的強度は、■鋼
中のＣを中炭素鋼及び高炭素鋼並に添加することにより
実現できることを見出した。

すなわら、本発明者らは機械構造用鋼に上記■■■を同
時に実施することによって、浸炭処理を不要とし、通常
焼入れで従来の浸炭処理材と同等あるいはそれ以上の疲
労強度を有することを見出したのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、そ
の要旨とするところは、重量％で、Ｃ：０．３０〜１．
２０％、Ｓｔ　：　０．０５〜０．１５％、Ｍｎ　’：
　０．３５〜０．６０％、Ｃｒ　：　０．１０〜０．９
０％、Ｍｏ　：　０．３０〜２．００％、Ｎｂ　：　０
．０１０〜０．１００％、更に必要に応じて、Ｎｉ：３
．５０％以下、Ｃｕ　：　１．００％以下、Ａｌ　：　
０．０１０〜０．１００％、Ｖ　：　０．０１〜０．３
０％、Ｔｉ　：　０．０１０〜０．１００％、Ｂ　：　
０．０００３〜０．００５０％の１神または２種以上を
含有し、残部は実質的にＦｅ及び不可避的不純物からな
るものである。

（作　　用）Ｓｉ、　Ｍｎ、　Ｃｒの低減は、鋼材表層部の旧オース
テナイト粒界の酸化防止に有効であり、Ｎｂ添加は焼入
性の向上を通じて表層部の不完全焼入層の防止に有効で
ある。

しかしながら、Ｓｉ、　Ｍｎ、　Ｃｒの３元素のうち、
１種又は２種の含有量のみを低く制御するだけでは異常
層の低減はできず、又この３元素の含有量を低く制御し
ても、工業的な焼入れでは、粒界酸化に伴う不完全焼入
層を低減できない。

したがって、工業的な焼入れで粒界酸化あるいは不完全
焼入層を防止するには、上記３元素の低減に加えてＮｂ
添加を同時に実施する必要がある。

また、通常焼入れにおいて、疲労強度を確保するには中
炭素鋼レヘル以上のＣ量とすることが不可欠である。

次に、本発明鋼の成分限定理由について説明する。

ＣＴＣは鋼に所定の静的強度を付与するために必要な元
素であり、この静的強度は疲労強度と密接な関係にある
。そして、最低限の静的強度即ち疲労強度を得るには、
Ｃ含有量０゜３０％以上が必要である。他方、１．２０
％を超えると旧オーステナイト粒界に炭化物が析出し、
疲労強度を低下させるため、Ｃ含有量の上限は１．２０
％とする必要がある。

従って、Ｃ含有量を０．３０％〜１．２０％と定めた。

Ｓｔ　：　Ｓｉは鋼の脱酸に必要な元素であり、又鋼に
所定の静的強度を付与するのに必要な元素である。

しかし、その含有量が０．０５％未満の時は脱酸作用に
所望の効果が得られない。

他方、Ｓｉは酸素との結合力が強いため、焼入加熱時炉
内の酸素と結合して表層部の粒界に酸化物を生成し、粒
界の脆化を生じ、疲労強度を低下させる。特に、含有量
が０．１５％を越えるとＳｉの酸化物の生成が著しくな
るため、所望の疲労強度が得られない。

従って、Ｓｔ含有量を０．０５〜０．１５％と定めた。

Ｍｎ　：　Ｍｎは鋼の脱酸に必要な元素であり、又鋼に
焼入性を付与するために有効な元素である。しかしＭｎ
の含有量が０．３５％未満では脱酸作用に所望の効果が
得られない。

他方、Ｍｎは酸素との結合力が強いため、Ｓｉ同様粒界
にＭｎ酸化物が生成し、粒界を脆化させ、疲労強度を低
下させる。特にその含有量が０．６０％を超えると、Ｍ
ｎ酸化物の生成が著しくなり、疲労強度を低下させる。

従って、Ｍｎ含有量を０．３５〜０．６０％と定めた。

Ｃｒ　：　Ｃｒは鋼に焼入性を付与するために必要な元
素であるが、その含有量が０．１０％未満では、焼入性
が著しく低下する。

他方、Ｃｒは、前記のＳｉ、　Ｍｎと同様、酸素との結
合力が強いため粒界にＣｒ酸化物が生成し、粒界を脆化
させ、疲労強度を低下させる。特に０．９０％を越える
とＣｒ酸化物の生成が著しくなり疲労強度を低下させる
。

従って、Ｃｒ含有量を０．１０〜０．９０％と定めた。

Ｍｏ　：　Ｍｏは鋼に所定の焼入性を付与し、静的強度
を向」ニさせるのに有効な元素であるとともに、靭性を
向上させるのに有効な元素であるが、０．３０％未満で
は従来網と同等あるいはそれ以上の焼入性の付与と、静
的強度、靭性の向」二が期待できない。

他方、２．００％を超えて含有させると被削性が劣下す
るごとから、その含有量を０．３０〜２．００％とした
。

Ｎｂ　：　Ｎｂは粒界酸化に伴って生しる不完全焼入層
の防止に極めて有効な元素であるが、表層部の異常層の
防止効果を十分に発揮させるためには少なくとも０．０
１０％以上の添加が必要である。しかし、その添加量が
０．１００％を超えると、機械加工時の切削性を損なう
とともに、鋼の結晶粒を粗大化させ靭性を劣化させるの
で、」−眼を０．１００％とした。

本発明は上記Ｃ，Ｓｉ、、Ｍｎ、　Ｃｒ、　Ｍｏ、　Ｎ
ｂを主要な成分とするものであるが、さらに必要に応じ
てＮｉ、Ｃｕ、八１、■、Ｔｉ、　Ｂを下記に示す成分
限定範囲内で添加することができる。

Ｎｉ：Ｎｉは鋼に所定の焼入性をイ」与し、静的強度即
ち疲労強度と靭性を上昇させるのに有効な元素であるが
、３．５０％を超えて添加しても焼入性と靭性の向上効
果は飽和し経済性を損なう結果となるため、その添加量
としては３．５０％以下が好ましい。

Ｃｕ　：　Ｃｕも鋼の焼入性を付与し、疲労強度を向上
させるのに有効な元素であるが、１．００％を超えると
鋼の熱間加工性が劣化し、さらに静的強度をも劣化させ
るので、添加量としては１．００％以下とする必要があ
る。

Ａｌ二Ａｌは鋼の結晶粒を微細化し、靭性の向上に有効
な元素であるが、その効果を発揮させるためには０．０
１０％以上の添加が必要であり、他方、０．１００％を
超えて添加すると鋼の清浄度が低下し、切削性を損うの
みならず、過剰な旧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、添加量としては０．０１
０〜０．１００％が好ましい。

■二■は鋼中で炭窒化物を析出させ、鋼の高温強度を増
加さセるのに有効な元素であり、高温時の静的強度向上
効果を発揮させるためには、０．０１％以上の添加が必
要であるが、０．３０％を超えると熱間加工性が劣化す
るので添加量としては０．０１〜０．３０％が好ましい
。

Ｔｉ：ＴｉはＡｌと同様に鋼の結晶粒を微細化し、靭性
の向上に有効な元素であるが、０．０１０％未満ではそ
の効果を十分に発揮し得す、他方０．１００％を超え一
ζ添加すると鋼の清浄度が低下し、切削性を損なうとと
もに過剰なＴｉ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、添加量としては０．０１０〜０
．１００％が好ましい。

Ｂ：Ｂは鋼の焼入性を向上させ、静的強度即ち疲労強度
を高めるのに有効な元素であるが、０、０００３％未満
ではその効果を十分に発揮し得す、他方、０．００５０
％を超えるとかえって鋼の結晶粒を粗大化させ靭性を劣
化させるため、添加量としては０．０００３〜０．００
５０％が好ましい。

（実　施　例）第１表に示す化学成分を有する鋼を１５０　ｋｇ真空溶
解炉にて溶製した後、釦１塊を１２５０°Ｃに１時間加
熱し、１００　ｍｍφ及び３０ｍｍφに鍛伸し、下記に
示ず■歯車疲労試験、■静的曲げ試験、■シャルピー衝
撃試験を行った結果を、比較鋼及び現用鋼と比較して第
２表に示す。

■　歯車疲労試験１００ｍｍφの鍛伸材を９２５°Ｃに１時間加熱後、空
冷して焼準し、第１図に示す歯車試験片（形状：平歯車
、モジュール：２．０、歯数：３３、Ｐ。

］　０Ｄ＝６６、１．　、　　＝７０ｍｍ、　　１．２　　＝
６２１１１１１１、　ｆｆ１３　＝４５ｍｍ、ｆｆｉ４
＝３０ｎｗｎ、４２．＝２０ｍｍ、　ｆｆｉ、　＝６＋
ｎｍ）に加工後、９２５°Ｃに１時間加熱後油焼入れを
行い、さらに１７０°Ｃで１時間焼戻し処理を行い、し
かる後ショッＩ・ピーニング処理（０，６髄φ、４７ｍ
／Ｓ、１５分）を施し、動力循環式歯車疲労試験機にて
歯元疲労強度を調べた。この歯元疲労強度は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。合わせて、焼入れ、焼戻し後のオーステナイト結晶
粒度を調査した。

■　静的曲げ試験３０ｍｍφ鍛伸材を９２５°Ｃに１時間加熱後、空冷に
て焼準し、第２図に示す静的曲げ試験片（２＋−５５ｍ
ｍ、　１．２＝ＩＯｍｍ、　１３ｍ８ｍｍ）に加工後、
９２５°Ｃに１時間加熱し、しかる後油焼入れを行い、
さらに１７０°Ｃで１時間焼戻し処理を行った後、ショ
ットピーニング処理（０，６ｍｍφ、４７ｍ／Ｓ、１５
分）を施し、１０−２／Ｓの歪速度で静的曲げ強度を調
べた。この静的曲げ強度は亀裂発生荷重にて評価した。

■　シャルピー衝撃試験３０ｍｍφ鍛伸材を９２５°Ｃに１時間加熱後、空冷し
て焼準し、２５ｍｍφに切削した後、９２５°ＣＸ１時
間で水焼入れを施し、さらに１７０°Ｃで１時間焼戻し
処理を行い、しかる後ＪＩＳ３号（２１ｍ　Ｕノツチ）
シャルピー試験片に加工し、常温にて衝撃特性を調査し
た。

第２表より明らかなごとく、■歯車疲労試験では本発明
鋼及び、比較鋼の中のＣ，Ｓｉ、　Ｍｎ、　Ｃｒ。

局、Ｎｂの規定を満足した鋼（Ｎｏ、３１．３２．３３
．３６．３７）は、現用鋼（ＪＩＳ規定５Ｃｒ４２０　
、ＳＣＭ４２０）の浸炭焼入材（Ｎａ、３８”、３９“
）とほぼ同等ないし若干良好な歯元疲労強度を示した。

また、歯元疲労強度に大きな影響を及ばず表面異常層（
粒界酸化層、焼入不完全層）についても、本発明鋼及び
比較鋼中のＳｌ、Ｍｎ、　Ｃｒ、　Ｎｂの規定を満足す
る鋼（Ｎｏ、　Ｉ　７．１８．２５．２６．３１．３２
．３３．３６．３７）及び、Ｓｒ、　Ｍｎｚ　Ｃｒが規
定より少ない９７７４　（Ｎｏ、１９．２１．２３）　
、Ｎｂが規定より多い鋼（Ｎｏ、３５）では表面異常層
が減少している。これは、通常焼入れ処理で歯元疲労強
度を従来の浸炭肌焼鋼並み、あるいはそれ以上の強度と
するには、Ｃ，Ｓｉ、、Ｍｎ、　Ｃｒ、Ｍｏ、　Ｎｂ量
を本発明の規定する範囲内に抑える必要があることを示
している。

なお、Ｎｂ、八１、Ｔｉ、　Ｂ量が本発明の規定から外
れた綱（Ｎｏ、３１．３２．３４．３５．３６．３７）
は、オーステナイト粒が粗大化し、靭１コ［が低下する
ことがわかる。

■　静的曲げ試験では、ＣＭが本発明の成分規定量から
外れた比較鋼（Ｎｏ、］　７．１Ｂ）、同じ＜Ｃｕ量が
外れたＮｏ、３３、並びにＭｏ量が規定量より低いＮｏ
。

２５と現用鋼（ＪＩＳ規定５Ｃｒ４２０　、ＳＣＭ４２
０）の通常焼入材（Ｎｏ、３８．３９）はいずれも本発
明鋼の１／２程度と静的曲げ強度が低い。

■　シャルピー衝撃試験では、Ａｌ量が本発明の成分規
定量から外れた比較鋼（Ｎｏ、３１．３２）、同じ＜Ｎ
ｂ量が外れたＮｏ、３４．３５、同しくＢ量が外れたＮ
ｏ、３６、同じ＜Ｔｉ量が外れたＮ０３７は、いずれも
結晶粒が粗大化し、衝撃値が低いことがわかる。

（発明の効果）以上説明したごとく、本発明鋼はＳｔ、　Ｍｎ、　Ｃｒ
の３元素を同時に低く制限し、かつＮｂを添加すること
によって表面異常層（粒界酸化層、不完全焼入層）の発
生を低減し、かつＣを中炭素鋼及び高炭素綱並とし静的
強度を増加することによって、浸炭処理を施さなくても
通常焼入れ処理で従来の肌焼鋼（ＪＩＳ規定５Ｃｒ４２
０　、ＳＣＭ４２０等）と同等ある７８いばそれ以−にの疲労強度を有し、各種機械構】告用鋼
のコスト低減に大なる効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における歯車疲労試験片を示す
模式図、第２図は同しく静的曲げ試験片を示す模式図で
ある。 ■９

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％で、Ｃ：０．３０〜１．２０％、Ｓｉ：０
．０５〜０．１５％、Ｍｎ：０．３５〜０．６０％、Ｃ
ｒ：０．１０〜０．９０％、Ｍｏ：０．３０〜２．００
％、Ｎｂ：０．０１０〜０．１００％、更に必要に応じ
て、Ｎｉ：３．５０％以下、Ｃｕ：１．００％以下、Ａ
ｌ：０．０１０〜０．１００％、Ｖ：０．０１〜０．３
０％、Ｔｉ：０．０１０〜０．１００％、Ｂ：０．００
０３〜０．００５０％の１種または２種以上を含有し、
残部は実質的にＦｅ及び不可避的不純物からなることを
特徴とする疲労特性の優れた機械構造用鋼。