JPH04160136A - 耐摩耗性に優れた浸炭肌焼鋼 - 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〉 この発明は、自動車、土木建設機械、産業機械等の摩耗
が生じやすい部位に使用される部品（歯車、シャフトブ
ツシュ等）用素材として好適な、耐摩耗性に優れた浸炭
肌焼鋼に関するものである。

〈従来技術とその課題） 浸炭肌焼鋼は、本来、母材炭素量を０．１５〜０．２５
％（以降、成分割合を表わす％は重量％とする）に調整
して靭性を確保すると共に、浸炭処理により表層部のみ
を炭素量を０．８〜０．９％程度に高めて表面硬さを増
加させ、所望靭性と耐摩耗性を兼ね備えしめることを目
的として案出された鋼であるが、現在、−船釣にはＪＩ
Ｓ規格の５Ｃｒ４１５．　５Ｃｒ４２０．５０Ｍ４２０
．ＳＮＣＭ４２０等がこの目的で多く使用され、歯車、
シャフト、ブツシュ等に供されている。

しかし、最近、前記機械・装置類に対する性能や耐久性
の向上要求が一段と高まる中で、十分な靭性を備えたま
まで従来の浸炭肌焼鋼よりも更に耐摩耗性の優れた材料
の開発が強く求められるようになってきた。

そこで、このような要望に応えるべり、鋼中のＣｒ含有
量を増加させ、かつ浸炭雰囲気の炭素ポテンシャルを１
．３〜１．５％と言う高い値にして表層部に球状炭化物
を生成させる“過剰浸炭”が提案され、そのための“過
剰浸炭用鋼″の開発もなされた。

ところが、“過剰浸炭″には、処理時にスーチング（す
すの発生）を起こして作業性を低下させる上、環境を悪
化させると言う問題もあることから、“通常浸炭”によ
っても耐摩耗性を十分に向上できる浸炭肌焼鋼の開発が
望まれている。

く課題を解決するための手段〉 本発明者等は、上述のような観点から、通常浸炭でも十
分に満足できる優れた耐摩耗性を付与することのできる
浸炭肌焼鋼を実現すべく、特に従来の浸炭肌焼鋼を構成
する成分個々の作用について基礎的な再検討を加えつつ
研究を重ねた結果、ｒＣｒには綱の浸炭特性を向上させ
て浸炭層を深くする効果があるが、通常浸炭の条件下で
は耐摩耗性の改善に有効な球状炭化物を生成させる効果
は認められない、ところが、一般には快削性向上元素と
して快削鋼に添加されるＰｂ＃は、それのみでは鋼の浸
炭特性を向上させる効果はないものの、その所定量をＣ
ｒの所定量と共に添加した場合には両者の相乗的効果が
発揮され、通常浸炭の条件下であっても表層部での球状
炭化物の安定生成を可能とし、耐摩耗性の著しい向上を
もたらす」との知見を得るに至ったのである。

本発明は、上記知見事項等に基づいてなされたもので、 「浸炭肌焼鋼を、 Ｃ：　０．１０〜０．３０％、　　Ｓｉ　：　０．５０
以下。

Ｍｎ　：　２．００以下、　　　　　Ｃｒ　：　０．５
０〜５．０％Ｐｂ　：　０．０３〜０．５０％ を含有すると共に、更に Ｃｕ　：　１．０％以下、　　　　Ｎｉ　：　３．５０
％以下。

Ｍｏ　：　２．００％以下、　　　Ａｆ　：　０．０１
０〜０．１００％。

Ｔｉ　：　０．０１０〜０．１００％、ｖ：ｏ、ｏｉ〜
０．３０％。

Ｂ　：　０．０００３〜０．００５０％、　Ｎｂ　：　
０．０１０〜０．１００％の１種以上をも含み、残部が
Ｆｅ及び不可避的不純物から成る化学成分組成に構成す
ることにより、通常浸炭によっても表層部に球状炭化物
が安定して生成され、その耐摩耗性が顕著に向上される
ようにした点」 に大きな特徴を有している。

このように、本発明は鋼中に所定量のＣｒ及びｐｂを共
存させると同時に、調合体の化学成分を厳密に制御する
ことによって通常浸炭で表層部に球状炭化物が生成され
るようにし、その耐摩耗性を著しく向上させ得るように
したことを骨子とするものであるが、以下、本発明に係
る浸炭肌焼鋼において、その化学成分組成を前記の如く
に限定した理由を各成分の作用と共に説明する。

〈作用ン ａ）　　Ｃ Ｃは鋼に所定の静的強度を付与するのに必要な成分であ
るが、一方で靭性を劣化させる元素でもある。特に、浸
炭処理を施す肌焼鋼においては静的強度と靭性の好適な
バランスが必要であるため、Ｃ含有量の調整は非常に重
要である。ここで、Ｃ含有量が０．１０％未満では所望
の静的強度を確保することができず、一方、０．３０％
を超えてＣを含有させると所望靭性の確保が困難となる
ことから、Ｃ含有量は０．１０〜０．３０％と定めた。

ｂ）　５ｉ Ｓｉは綱の脱酸に必要な元素であり、また鋼に所望の静
的強度を付与するのに必要な成分でもある・しかし、０
．５０％を超えてＳｉを含有させると浸炭性が劣化し、
浸炭処理を条件とする肌焼鋼としては不利になる上、浸
炭異常層の生成が著しくなって最表面の硬度低下を招（
。このようなことから、Ｓｉ含有量の上限を０．５０％
と定めた。

ｃ）　Ｍｎ Ｍｎも、Ｓｉと同様、鋼の脱酸に必要な元素であり、ま
た焼入れ性を付与するのに必要な元素でもある。

しかし、２．００％を超えてＭｎを含有させると高温軟
化抵抗が低下し、静的強度の低下をもたらす。従って、
Ｍｎを含有量の上限を２．００％と定めた。

ｄ）　Ｃｒ Ｃｒは鋼に焼入性を付与するのに有効な元素であると共
に、浸炭性を向上させる作用を有していることから、一
般の肌焼鋼においても必須成分として用いられることが
多い元素である。本発明においてもＣｒが有する前記作
用が利用されるが、これに加え、ｐｂとの共存で発揮さ
れる「通常浸炭で表層部に球状炭化物を生成する作用」
が最大限に利用される。この場合、Ｃｒ含有量が０．５
０％未満では上記作用による所望の効果が得られず、一
方５．０％を超えてＣｒを含有させるとＣｒ酸化物が生
成して浸炭性の低下を招くようになることから、Ｃｒ含
有量は０．５０〜５．０％と定めた。

ｅ）　Ｐｂ 前述した如く、−船釣にはｐｂは切削性を向上させる元
素として知られ、快削鋼に添加される成分である。しか
し、本発明者等の研究により、ｐｂは切削性の向上作用
のみでなく、Ｃｒとの共存下では浸炭層に球状炭化物の
生成を促進させる働きのあることが判明した。ここで、
通常浸炭で鋼の表層部に球状炭化物を生成させるために
は、所定量のＣｒの存在下でｐｂ量を０．０３％以上に
調整する必要がある。しかし、０．５０％を超えて含有
させると鋼の静的強度及び靭性が共に低下する。従って
、ｐｂ含有量は０．０３〜０．５０％と定めた。

ｆ）　Ｃｕ＋　Ｎｉ、　Ｍｏ、　　Ｖ及びＢこれらの元
素には何れも鋼の静的強度を向上させる作用があるので
、必要により１種又は２種以上添加されるものであるが
、個々の含有量を前記の如くに限定した理由をその他の
作用と共に説明する。

Ｃｕには綱の焼入性と静的強度を上昇させる作用がある
が、１．０％を超えて含有させると熱間加工性の低下や
静的強度の低下を招くようになることから、Ｃｕ含有量
は１．０％以下と定めた。

… ＮｉもＣｕと同様に綱の焼入性と静的強度を上昇させる
作用を有している上、綱の靭性向上にも有効な元素であ
るが、３．５０％を超えて含有させてもその効果が飽和
することから、経済性を考慮してＮｉ含有量の上限を３
．５０％と定めた。

た Ｍｏは、綱の焼入性、静的強度及び靭性を向上させる作
用のほか、球状炭化物性成を促進させる作用を有してい
る。しかし、２．００％を超えて含有させてもその効果
が飽和することがら、経済性を考慮してＭｏ含有量の上
限を２．００％と定めた。

一 ■は鋼中で炭窒化物を析出させ、鋼の高温強度を高める
のに有効な元素である。例えば、高出力エンジンの歯車
として使用された場合、所望の熱間静的強度を発揮させ
るためには０．０１％以上含有させることが必要である
。しかし、０．３０％を超えて含有させると熱間加工性
の低下を招く。従って、■含有量は０．０１〜０．３０
％と定めた。

旦 Ｂには、鋼の焼入性を向上させ静的強度を上昇させる作
用があるが、その含有量が０．０００３％未満では前記
作用による所望の効果が得られず、一方、ｏ、ｏｏｓｏ
％を超えて含有させると鋼の結晶粒を粗大化させて靭性
の劣化を招くようになることから、Ｂ含有量は０．００
０３〜０．００５０％と定めた。

ｇ）　Ａ１１．　Ｔｉ及びＮｂ これらの元素には何れも鋼の靭性を改善する作用がある
ので、必要により１種又は２種以上添加されるものであ
るが、個々の含有量を前記の如くに限定した理由をその
他の作用と共に説明する。

Ａｊ、Ｔｉ Ａｊ！、Ｔｉには、それぞれ高温状態の綱の結晶粒を微
細化して靭性を向上させる作用があるが、その含有量が
各々０．０１０％未満では前記作用による所望の効果が
得られず、一方、０．１００％を超えて含有させると鋼
の清浄度が悪化して切削性を損なわせ、また鋼の結晶粒
を粗大化させて靭性を低下させるようになることから、
Ａｆ、Ｔｉの含有量はそれぞれ０．０１０〜０．１００
％と定めた。

Ｎｂは、Ｔｉ等と同様に鋼の結晶粒を微細化し靭性を向
上させる作用を有すると共に、球状化炭化物の生成を促
進させる作用も認められるが、その含有量が０．０１０
％未満では前記作用による所望の効果が得られず、一方
、０．１００％を超えて含有させると機械加工時の切削
性を損なうほか、結晶粒を粗大化させて靭性を劣化する
ようになることから、Ｎｂ含有量は０．０１０〜０．１
００％と定めた。

次いで、本発明の効果を実施例によって更に具体的に説
明する。

〈実施例〉 まず、１５０ｋｇ真空溶解炉にて第１表に示した各化学
成分組成の鋼を溶製した後、得られた鋼塊を１２５０℃
に１時間加熱し、３０ＭＭφに鍛伸して得た材料につい
て、各々浸炭後の耐摩耗性、浸炭特性（最高硬さ、浸炭
深さ１球状炭化物の有無、異常組織の深さ、静的曲げ強
度）、浸炭後の衝撃特性。

及びオーステナイト粒度番号を調査した。

なお、「耐摩耗性」については、前記鍛伸材を９２５℃
×１時間で焼準した後１０φＸ１００’の寸法に加工し
、続いて第１図に示すヒートパターンにて浸炭処理した
後、ガウジング摩耗試験により摩耗量を測定する手法で
調査した。ガウジング摩耗試験条件は、面圧：　２　Ｂ
ｋｇ／ｃｄ、摩耗速度：３３　ｍ／ｓｉｎ、摩耗距離：
５００ｍ一定、研磨側：ＳｉＣであった。

また、「浸炭特性」については、前記鍛伸材を９２５℃
×１時間で焼準した後、これら規準材を３０中×１５１
に加工し、続いて第１図に示すヒートパターンにて浸炭
処理したものにつき、浸炭層の硬度分布測定１球状炭化
物観察、異常組織観察を行って調査した。なお、静的曲
げ試験では、上記規準材から第２図に示す形状・寸法の
試験片を切り出した後、第１図に示すヒートパターンに
て浸炭処理し、１０−”／ｓの速度で静的曲げ強度を調
査する手法を採用したが、静的曲げ強度は破断荷重にて
評価した。

「衝撃特性」については、前記鍛伸材を９２５”ｃｘ１
時間で焼準した後、２５ｍφに切削し、次いで９２５℃
×１時間水焼入れ、１７０’Ｃｘ１時間焼戻しを施し、
しかる後ＪＩＳ３号（２ｍＵノツチ）シャルピー試験片
に加工してから常温にて衝撃特性を測定する手法で調査
した。

「オーステナイト粒径」については、前記鍛伸材を９２
５℃×１時間で焼準した後、これら規準材を３０φ×１
５Ｌに加工し、続いて第１図に示すヒートパターンにて
浸炭処理したものにつき内部のオーステナイト結晶粒を
測定した。

これらの結果を第２表に示す。

、第２表に示される結果からも明らかなように、本発明
鋼は浸炭特性及び衝撃特性が共に非常に良好で、通常浸
炭にて優れた耐摩耗性並びに靭性を兼備するようになる
のに対して、比較鋼及び従来鋼では十分な特性を示さな
いことが分かる。特に、Ｃｒ含有量が本発明で規定する
範囲の上下限を外れていたり、Ｐｂ含有量が本発明で規
定する範囲の下限を外れた鋼種では、浸炭後の最高硬さ
が低く、かつ浸炭深さが浅いことを確認できる。

〈効果の総括〉 以上に説明した如く、この発明によれば、通常浸炭によ
っても優れた耐摩耗性を発揮するようになる、靭性の良
好な浸炭肌焼鋼を提供できるようになるなど、産業上極
めて有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例で採用された浸炭処理のヒートパター
ンである。 第２図は、静的曲げ試験で採用した試験片の形状・寸法
を示した概略図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量割合にて Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０以下、Ｍｎ
   ：２．００以下、Ｃｒ：０．５０〜５．０％、Ｐｂ：０
   ．０３〜０．５０％ を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物から成ること
   を特徴とする、耐摩耗性に優れた浸炭肌焼鋼。
2. （２）重量割合にて Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０以下、Ｍｎ
   ：２．００以下、Ｃｒ：０．５０〜５．０％、Ｐｂ：０
   ．０３〜０．５０％ を含むと共に、更に Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：３．５０％以下、Ｍｏ：２
   ．００％以下、Ｖ：０．０１〜０．３０％、Ｂ：０．０
   ００３〜０．００５０％ の１種以上をも含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物
   から成ることを特徴とする、耐摩耗性に優れた浸炭肌焼
   鋼。
3. （３）重量割合にて Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０以下、Ｍｎ
   ：２．００以下、Ｃｒ：０．５０〜５．０％Ｐｂ：０．
   ０３〜０．５０％ を含むと共に、更に Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、Ｔｉ：０．０１０〜
   ０．１００％、Ｎｂ：０．０１０〜０．１００％ の１種以上をも含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物か
   ら成ることを特徴とする、耐摩耗性に優れた浸炭肌焼鋼
   。
4. （４）重量割合にて Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０以下、Ｍｎ
   ：２．００以下、Ｃｒ：０．５０〜５．０％、Ｐｂ：０
   ．０３〜０．５０％ を含むと共に、更に Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：３．５０％以下、Ｍｏ：２
   ．００％以下、Ｖ：０．０１〜０．３０％、Ｂ：０．０
   ００３〜０．００５０％ の１種以上、及び Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、Ｔｉ：０．０１０〜
   ０．１００％、Ｎｂ：０．０１０〜０．１００％ の１種以上をも含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物
   から成ることを特徴とする、耐摩耗性に優れた浸炭肌焼
   鋼。