JPH04154936A

JPH04154936A - 析出硬化型窒化用鋼

Info

Publication number: JPH04154936A
Application number: JP27847890A
Authority: JP
Inventors: Isao Sumita; 庸住田; Kazue Nomura; 一衛野村; Hironori Ohashi; 浩典大橋
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 1990-10-16
Filing date: 1990-10-16
Publication date: 1992-05-27

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〕本発明は圧延後、または熱間鍛造後、焼入焼もどし等の
熱処理を行わずに製造される機械構造用の析出硬化型窒
化用鋼に関するものである。本発明は特に、疲労強度、
耐摩耗性向のために、窒化処理（ガス窒化、塩浴窒化、
イオン窒化、ガス軟窒化、塩浴軟窒化等）を施して使用
される自動車クランクシャフト、産業車両用リングギヤ
等の機械構造部品に適したものである。

（従来の技術〕従来、自動車用クランクシャツＩ・、産業車両用リング
ギヤ等の機械構造用部品に使用されている鋼は、高強度
が要求され、さらに−層の疲労強度、耐摩耗性を得るた
めに窒化処理を行う必要があり、窒化性も合わせて要請
される。

そのため、ＪＩＳ　　ＳＣＭ４４０、ＳＣＭ４４５等の
中炭素低合金鋼を圧延、または熱間でプレス、ハンマー
等により成形加工した後に、高強度を持たせるために焼
入焼もどし等の熱処理を行い、切削加工等で所定の形状
に仕上げた後、窒化処理を行い部品が製造される。

しかし、これらに対して次の問題点が挙げられる。

（］）焼入焼もどし処理に大幅なコストがかかる。

（２）焼入焼もどし後切削加工がされるために、加工性
が悪く、工具費が増加し、かつ生産性の低下となる。ま
た、量産での切削加工を可能とするために、焼もどし処
理で硬さを下げる必要があるため強度を確保するため長
時間の窒化処理を要す。

（３）現用銅では窒化性がまだ不十分で、窒化処理に長
時間を要す。

そこで、これらの問題点が解決できるような鋼が可能で
あれば、大幅なコスト低減が図れるとともに、省エネル
ギー等の社会的要請に応えることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は上記した実状を鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、圧延のまま、または熱間鍛造のままで焼入焼
もどし処理することなく、圧延後または熱間鍛造後焼入
焼もどし処理したＳＣＭ４４５等の中炭素低合金鋼と同
等もしくは同等以上の強度を確保し、さらにＳＣＭ４４
５等の焼入焼もどし処理材より優れた切削性を有し、窒
化性も良好な析出硬化型窒化用鋼を提供することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者は、上記目的の下に析出硬化型窒化用鋼につい
て鋭意研究した結果、圧延のまま、または熱間鍛造のま
までは強度が低く、切削性が良好で、窒化処理によって
、母材が時効硬化し、ＳＣＭ４４５等の中炭素低合金鋼
の焼入焼もどし材と同等以上の強度が確保でき、さらに
窒化性が良好である析出硬化型窒化用鋼を発明した。

特徴としては、第１に低炭素化による靭性向上、第２に
Ｍｎ、　Ｃｒ、　Ｍｏの添加により焼入性を向上させ、
圧延後または熱間鍛造後放冷するだけで強度と靭性の優
れたベイナイト組織を得る。第３に、ベイナイト組織は
一般に加熱の冷却速度が変化すると強度も変化し、扱い
にくい組織であったが、これに■を添加することにより
冷却速度の変化に対する強度の変化を小さくすることが
できる。

第４に、Ｍｏ、■を複合添加することにより、圧延のま
ま、または熱間鍛造後、放冷のままでベイナイト組織中
に固溶していたＭＯ１■が窒化処理時の温度にて炭化物
として微細析出し、強度を増加させる時効硬化能が得ら
れる。第５に低炭素ベイナイト組織はＳＣＭ４４５Ｈの
焼入焼もどし材のフルバ４１〜組織に比べて、窒化性に
優れ、されに■、Ｃｒ添加により、窒化性を大幅に向上
するという点が上げられる。

本発明はこれらの知見によりなされたものである。すな
わち、本発明の析出硬化型窒化用鋼は、第１発明鋼とし
て重量比でＣ；０．０５〜０．２０％、Ｓｉ；　０．０
５〜０．５０％、Ｍｎ　；　１．００〜２．５０％、Ｃ
ｒ　；　０．３０〜１．５０％、Ｍｏ　；　０．３５〜
１．００％、Ｖ　ｉ　０−０５〜０．５０％、八］　　
；　０．００５　〜０．０２０％、　Ｎ　　、０．００
５　〜０．０２０　　％０　；０．００２５％以下を含
有し、残部がＦｅおよび不純物元素からなることを要旨
とする。

第２発明鋼は第１発明鋼にさらにＳ　、　０．０３５〜
０．１２％、Ｐｂ　、　０．０２〜０．３０％のうち１
種または２種を含有せしめ、被削性を改善したものであ
り、第３発明鋼は第１発明網にざらにＮｉ　；　２．０
％以下、Ｂ　、　０．０００５〜０．００５％のうち１
種または２種を含有せしめ焼入れ性を改善したものであ
り、第４発明は第２発明にさらにＮｉ；２．０％以下、
Ｂ；０．００−〇− ０５〜０．００５０％のうち１種または２種を添加して
被削性と同時に焼入れ性を改善するものである。

〔作用〕

本発明の使用方法およびその効果を説明すると、本発明
鋼を圧延後または熱間鍛造後放冷するだけであるいは低
歪が要求される場合その後４００°Ｃ以上の温度で歪取
焼鈍することである程度の強度が確保できるが、強度が
ＳＣＭ４４５Ｈ等の焼入焼もどし材に比べて同等以下で
あること、またベイナイト組織であることから、焼入焼
もどし材のソルバイト組織に比べて切削加工は容易であ
る。。その切削加工後、窒化処理することで、所定の強
度が確保できる。また、窒化性は良好で、同一窒化条件
であれば、従来鋼に比較して約２倍の窒化層深さが得ら
れ、硬さもビッカースで約２００〜３００上昇し８００
程度得られる。そのため従来鋼と同一の窒化深さを得る
ために窒化時間を従来の約５分の１以下に短縮すること
ができる。次に本発明にかかる析出硬化型窒化網の成分
組織の限定理由について説明する。

Ｃ，０，０５〜０．２０％Ｃは強度を確保するために必要な元素であり０゜０５％
未満であると強度が不足するので下限を０．０５％とし
た。また、Ｃが０．２０％を越えると靭性が低下するの
で、上限を０．２０％とした。

Ｓｉ　；　０．０５〜０．５０％Ｓｉは製鋼時の脱酸剤として添加されるものであり、０
．０５％は必要である。しかし、０．５０％を越えると
二相域となり時効硬化性が低下する。

Ｍｎ　；　１．００〜２．５０％Ｍｎは焼入れ性を向上させて組織をベイナイト化するの
に必要な元素である。Ｍｎが１．００％未満であると焼
入れ性が不足し、強度が不足するので下限を１．００％
とした。しかし、２．５０％を越えると焼入れ性が向上
しマルテンサイトが生成され、靭性が低下するので、上
限を２．５０％とした。

Ｃｒ　；　０．３０〜１．５０％Ｃｒは組織をベイナイト化するのに必要な元素であると
共に、窒化層の硬さに寄与する。０．３０％未満である
と前記効果が不十分であるので、下限を０．３０％とし
た。しかし、１．５０％を越えると前記効果が飽和する
と共に、コスト的に高くなるので、上限を１．５０％と
した。

Ｍｏ　；　０．３５〜１．００％Ｍｏは時効硬化を得るために必要な元素である。

Ｍｏが０．３５％未満であると時効硬化性が不十分であ
るので、下限を０．３５％とした。しかし、１．００％
を越えると前記効果が飽和すると共にコスト高となるの
で、上限を１．０θ％とした。

Ｖ　；　０．０５〜０．５０％ ■はＭｏと共に微細な炭化物を析出し時効硬化を起こす
のに必要な元素であり、熱間鍛造後の冷却速度の変化に
対して強度を安定化させる効果がある。０．０５％未満
ではその効果が不十分なので、下限を０．０５％とした
。しかし、０．５０％を越えて含有させてもその効果が
飽和すると共にコスト高となるので、上限を０．５０％
とした。

Ａｌ　；　０．００５〜０．０７０％ＡＩはＣｒと同様窒化層の硬さに寄与するが、硬化深さ
向上には有効でなく、結晶粒を微細化させる＝９− 目的として効果がある。０．００５％未満ではその効果
は不十分なので、下限を０．００５％とした。しかし、
０．０７０％を越えて含有させもその効果が飽和すると
共に窒化性を阻害することになるため、」ニレを０．０
７０％とした。

Ｎ　、　０．００５０〜０．０２０％Ｎは結晶粒度を微細化させ、また時効硬化を起こすに必
要な元素である。０．００５０％未満ではその効果が不
十分なので、下限をｏ、ｏｏｓｏ％とした。しかし、０
．０２０％を越えるとその効果が飽和すると共に加工性
を悪くするため、上限を０．０２０％とした。

０　；　０．００２５％以下０はＡｌ５Ｓｉと結合して酸化物につくるが、これは転
勤疲労における起点となりやすいため、耐ピツチング性
等の特性を低下せしめる。従って、その欠点が０．００
２５％を越えると顕著となるため、上限を０．００２５
％とした。

Ｓ；０．０３５〜０．１２％Ｓは被削性を一層改善するため必要な元素であリ、その
効果を得るためには０．０３５％以上が必要である。し
かし、０．１２％を越えて含有させてもその効果は飽和
し、靭性を低下させるので上限を０゜１２％とした。

Ｐｂ　；　０．０２〜０．３０％ｐｂは被削性を一層改善するため必要な元素であり、そ
の効果を得るためには、０．０２％以上が必要である。

しかし、０．３０％を越えて含有させてもその被削性改
善の効果の向上が少ないので上限を０゜３０％とした。

Ｎｉ　；　２．００％以下Ｎｉは焼入れ性を一層向上するのに必要な元素である。

しかし、２．００％を越えて含有させてもその効果は飽
和しコスト高となるので、上限を２．００％とした。

Ｂ　；０．０００５〜０．００５０％Ｂは焼入れ性を一層向上するのに必要な元素であり、そ
の効果を得るためには、０．０００５％以上の含有が必
要である。しかし、０．００５０％を越えて含有されて
もその効果は飽和し靭性を劣化せしめるので、上限を０
．００５０％とした。

〔実施例〕

本発明の実施例を比較鋼および従来鋼と比較しつつ説明
し本発明の特徴を明らかにする。

（実施例１）第１表は、本発明鋼、比較鋼および従来鋼の化学成分を
示したものである。第１表においてｌから１５鋼は本発
明鋼であって、１〜６鋼は第１発明、７〜９鋼は第２発
明、１０〜１２鋼は第３発明、１３〜１５鋼は第４発明
である。１６〜２゜鋼は比較鋼であって、２１．２２鋼
は従来鋼であッテソノ組成はＳＣＭ４４０．ＳＣＭ４４
５に相当する。

（以　下　余　白）第１表の発明鋼１〜１５および比較鋼１６〜２０を５０
ｍｍ直径の棒鋼とし、これを１２５０°Ｃに加熱した後
、約１１００°Ｃで熱間鍛造を行い、これより３０＋ｎ
＋ｎ直径の棒鋼を形成し、その後自然冷却した。この棒
鋼からＪＩＳｄ号試験片を作製し、この試験片について
引張強さ、０．２％耐力および硬さを測定した。

また、従来鋼２１．２２は、３０ｍｍ直径の棒鋼に形成
した後８５０″Ｃにて油焼入れ後、６２０″Ｃにて焼も
どしを行い、同様に試験片を製作して引張強さ、０．２
％耐力および硬さを測定した。続いて前記の３０ｍｍ直
径の棒鋼を５５０°Ｃで３０時間の時効処理を施し、同
様に試験片を製作して引張強さ、０．２％耐力および硬
さを測定した。測定した結果は第２表に示した。

（以　下　余　白） −１４＝（実施例２）第１表の発明鋼１〜１５および比較鋼１６〜２０を５０
肛直径の棒鋼とし、これを１２５０°Ｃに加熱した後、
約１１００°Ｃで熱間鍛造を行い、これより３０ｍｍ直
径の棒鋼を形成し、その後自然冷却した。また、従来鋼
２１．２２鋼は、実施例１と同様の焼入焼もどしを行っ
た。この棒鋼から１０胴角のブロツクを切削加工し、Ｎ
２　二Ｈ２＝１＝１のガス組成の条件のもとて５５０°
Ｃで３０時間イオン窒化処理を行い、表面から０．３胴
の距離の硬さを測定し、第２表に合わせて示した。また
、窒化層の深さを比較するため、本発明鋼の３鋼と従来
鋼２２鋼について表面から０゜０５ｍｍ毎に硬さを測定
し、結果を第１図に示した。

第１図から明らかなように、本発明鋼は従来鋼に比較し
て、約２倍の窒化深さが得られ、硬さもビッカースで約
２００〜３００上昇していることが確認された。

（実施例３）第１表に示した発明鋼１〜１５および比較鋼１６〜２０
について、実施例１の鍛造を施したままの状態で、従来
鋼２１．２２鋼については実施例１と同様の焼入焼もど
しを行った状態で、ドリル穿孔試験を行った。なお、ド
リルの材質は５ＫＨ９、ドリル回転数は１７１０ｒｐｍ
　、切削油なし、荷重７５ｋｇドリルは５　ｍｍφスト
レートシャンクを用いた。測定した結果は第２表に示し
たが、従来鋼の２２鋼の定荷重単位時間穿孔距離を１０
０とし、それぞれの穿孔距離を整数比で示した。

第２表に示した実施例Ｉ、実施例２および実施例３の結
果から、本発明鋼１〜１５はいずれも鍛造のままでは、
引張強さ、硬さは従来鋼に比べて同等もしくは低いが、
時効処理後は引張強さ、　０゜２％耐力、硬さのいずれ
も増加しており、特に引張強さは１００ｋｇｆ／ｍｍ２
以上を確保しており、従来鋼２２鋼と同等以上の強度を
有することが分かる。また、窒化性は第２表の窒化後硬
さおよび第１図の窒化層硬さ分布より、本発明鋼は従来
鋼２２鋼に比べて非常に優れていることがわかる。

切削性についても従来鋼２２鋼に比べて、本発明鋼１〜
１５は非常に良好で、特にＳ、ｒ’ｂを添加した−１７
＝第２発明、第４発明はその効果が大きく表れている。比
較鋼１６鋼および２０鋼は強度が高すぎて切削性が悪い
。Ｉ７鋼および１８鋼はいずれも焼入れ性が不足してお
り、フェライト・ヘイナイト組織となり、強度が低い。

また、１９鋼は時効硬化せずに時効処理により軟化して
、強度が不足している。

〔発明の効果〕

本発明の析出硬化型窒化用鋼は以上説明したように、従
来のＳＣＭ４４５等の中炭素低合金構造用鋼の熱処理コ
ストを低減し、切削加工性および窒化性を改善すべくな
されたもので、低炭素化により靭性を向上し、Ｍｎ、　
Ｃｒ、　Ｍｏの添加により焼入れ性を向上して熱間鍛造
後の放冷によって強度と靭性に優れたベイナイト組織と
し、■を添加することにより冷却速度の変化に対する強
度の変化を小さくし、Ｍｏと■との複合添加によって窒
化処理時の微細炭化物の析出による時効硬化能を付与し
、■、Ｃｒにより窒化性を大幅に改善したものであって
、熱間鍛造後放冷するだけである程度の強度を確保し、
その強度はＳＣＭ４４５材の焼入焼もど−１，８− し材より低いので切削加工が容易であり、その後の窒化
処理または時効処理により強度は増加するが、同一窒化
条件であれば従来鋼に比較して約２倍の窒化深さが得ら
れ、硬さもビッカースで約２００〜３００　Ｊ：昇し８
００程度が得られ、窒化時間を著しく短縮できる等数々
の優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明鋼と従来鋼を窒化処理後におりる表面か
らの距離と硬さの関係を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量比でＣ；０．０５〜０．２０％、Ｓｉ；０．
０５〜０．５０％、Ｍｎ；１．００〜２．５０％、Ｃｒ
；０．３０〜１．５０％、Ｍｏ；０．３５〜１．００％
、Ｖ；０．０５〜０．５０％、Ａｌ；０．００５〜０．
０７０％、Ｎ；０．００５〜０．０２０％、Ｏ；０．０
０２５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物元素か
らなることを特徴とする析出硬化型窒化用鋼。
（２）重量比でＣ；０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．
０５〜０．５０％、Ｍｎ；１．００〜２．５０％、Ｃｒ
；０．３０〜１．５０％、Ｍｏ；０．３５〜１．００％
、Ｖ；０．０５〜０．５０％、Ａｌ；０．００５〜０．
０７０％、Ｎ；０．００５〜０．０２０％、Ｏ；０．０
０２５％以下を含有し、さらにＳ；０．０３５〜０．１
２％、Ｐｂ；０．０２〜０．３０％うち１種または２種
を含有し、残部がＦｅおよび不純物元素からなることを
特徴とする析出硬化型窒化用鋼。
（３）重量比でＣ；０．０５〜０．２０％、Ｓｉ；０．
０５〜０．５０％、Ｍｎ；１．００〜２．５０％、Ｃｒ
；０．３０〜１．５０％、Ｍｏ；０．３５〜１．００％
、Ｖ；０．０５〜０．５０％、Ａｌ；０．００５〜０．
０７０％、Ｎ；０．００５〜０．０２０％、Ｏ；０．０
０２５％以下を含有し、さらにＮｉ；２．０％以下、Ｂ
；０．０００５〜０．００５０％のうち１種または２種
を含有し、残部がＦｅおよび不純物元素からなることを
特徴とする析出硬化型窒化用鋼。
（４）重量比でＣ；０．０５〜０．２０％、Ｓｉ；０．
０５〜０．５０％、Ｍｎ；１．００〜２．５０％、Ｃｒ
；０．３０〜１．５０％、Ｍｏ；０．３５〜１．００％
、Ｖ；０．０５〜０．５０％、Ａｌ；０．００５〜０．
０７０％、Ｎ；０．００５〜０．０２０％、Ｏ；０．０
０２５％以下を含有し、かつＮｉ；２．０％以下、Ｂ；
０．０００５〜０．００５０％のうち１種または２種を
含有し、さらにＳ；０．０３５〜０．１２％、Ｐｂ；０
．０２〜０．３０％うち１種または２種を含有し、残部
がＦｅおよび不純物元素からなることを特徴とする析出
硬化型窒化用鋼。