JPH04337048A - 異常層の少ない浸炭用鋼 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、歯車等に用いられる浸
炭用鋼に関し、特にガス浸炭時に発生する浸炭異常層な
らびに歪が少く、かつ転動疲労寿命に優れた浸炭用鋼で
ある。

【０００２】

【従来の技術】自動車、産業機械等におけるギア、シャ
フトなどの動力伝達部品は、高い耐摩耗性や疲労強度が
要求されることから、肌焼鋼に浸炭処理を施して用いら
れている。浸炭処理法としては、生産性ならびに経済性
の観点から、浸炭性ガス雰囲気炉内で行われているいわ
ゆるガス浸炭法が主流を占めている。この方法は、浸炭
ガス組成を調整することによって熱処理部品の炭素量を
容易に調整できるといった利点を有している。

【０００３】しかし、ガス浸炭法では浸炭ガス中に微量
ながら酸化性のＣＯ２　ＯやＨ２　Ｏガスを含むことが
多く、浸炭処理中に被処理材の表層部に粒界酸化層が形
成される。この粒界酸化層は一般には異常層と呼ばれて
おり、硬さの低下および粒界酸化に起因して耐摩耗性、
疲労強度の低下を招き、浸炭処理本来の性能を著しく阻
害する。これを防止する目的で、酸化性ガスを含まない
真空浸炭処理や、浸炭処理後に異常層を除去する目的で
ショットピーニングや研磨処理等が行われている。その
ため製造コストの高騰、生産性の低下は避けることがで
きず、改善が強く望まれている。

【０００４】一方、鋼材自体で解決しようとする試みと
して、特開昭５７−７０２６１号公報では浸炭異常層の
発生原因であるＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒを低く調整し、Ｂを微
量添加することにより高い焼入性を保持する鋼材が開示
されている。しかし、このようなＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂ
の調整のみでは多様化する要求品質に対して焼入性、強
度、靭性、ミクロ組織、加工性等を十分に満足すること
は困難であるばかりでなく、Ｂ添加に起因するγ粒粗大
化などの問題も無視できない。

【０００５】これに対し、特公平１−１１６０５３号公
報には特殊元素を添加して、浸炭異常層を低減できる鋼
材が提案されている。しかし、浸炭時の歪ならびに転動
疲労寿命は十分ではなく、浸炭異常層も皆無とならず、
さらに性能の高い鋼材の開発が望まれていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
従来技術の問題点を解決し、浸炭時における浸炭異常層
の発生を抑制し、さらに浸炭時の歪ならびに浸炭後の転
動疲労寿命が優れた浸炭用鋼を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上述した
従来技術の問題点に対して広範な研究を行った結果、次
の新知見を得た。 （１）　　ＡｌとＮを一定比率で適量添加することによ
り、浸炭時の結晶粒粗大化が防止され、その結果浸炭歪
が防止される。

【０００８】（２）　　Ｓｂを適量添加するとともに、
Ｓｉを無添加、ＡｌとＮを一定比率で適量添加すること
により、浸炭異常層の発生がより抑制されるのみならず
、転動疲労寿命が向上する。本発明は上記知見に基づい
て構成したものである。すなわち第一発明は、Ｃ　　：
０．０５〜０．５５重量％、 Ｓｉ：０．０２重量％以下、 Ｍｎ：０．１０〜５．０重量％、 Ａｌ：０．００２〜０．０５０重量％、Ｏ　　：０．０
０２０重量％以下、 Ｎ　　：０．０２５重量％以下、 Ｓｂ：０．００１０〜０．０１５０重量％を含有し、残
部Ｆｅおよびその他の不可避的不純物からなり、Ａｌ／
Ｎ＝１．９〜２．１重量％であることを特徴とし、浸炭
時の異常層ならびに歪の極めて少なく、転動疲労寿命に
優れた浸炭用鋼である。

【０００９】次いで第２発明は、第１発明を基本成分と
して、Ｖを０．０５〜０．１５重量％添加、第３発明は
、第１発明、又は第２発明を基本として、さらに、Ｃｒ
：２．５重量％以下、 Ｍｏ：１．５重量％以下、 Ｎｉ：１．５重量％以下 のうちから選ばれた１種あるいは２種以上を含有し、残
部Ｆｅおよびその他不可避的不純物からなることを特徴
とする、浸炭時の異常層ならびに歪の極めて少なく、転
動疲労寿命に優れた浸炭用鋼である。

【００１０】本発明鋼は、Ｓ，Ｐｂ，Ｃａ，Ｔｅ，Ｂｉ
，Ｓｅ，Ｃｅといった快削元素の効果を阻害することが
ないため、切削性の付与も容易に達成することが可能で
ある。

【００１１】

【作用】本発明による合金元素成分範囲限定の理由につ
いて以下詳述する。Ｃ：基地に固溶し疲労強度を向上さ
せると共に、浸炭性を増進させる目的で添加する。０．
０５重量％以下では十分な強度を維持できなくなると共
に浸炭処理時間が増大し生産性を劣化させることから、
下限を０．０５重量％とした。しかし０．５５重量％以
上では非浸炭層である内部の硬さが上昇し、耐衝撃性な
らびに被削性が劣化する。さらに焼入時の歪が増大し、
部品精度を劣化させる。よって、上限を０．５５重量％
とした。

【００１２】Ｓｉ：浸炭異常層を増大させるほか、鋼の
鍛造、切削加工性を阻害させるため、可能な限り低い方
が望ましいが０．０２重量％まで許容できる。よってＳ
ｉの上限を０．０２重量％とした。 Ｍｎ：鋼の浸炭性を向上させると共に、焼入性を向上し
、強度ならびに靭性を高める目的で添加する。この効果
は０．０５重量％以上で顕著となり、５．０重量％でほ
ぼ飽和する。さらに、５．０重量％を越える添加は切削
性を劣化させることから、下限を０．０５重量％、上限
を５．０重量％とした。

【００１３】Ａｌ：浸炭処理時に窒化物を形成して組織
を微細化し、浸炭歪を減少させるほか、低ＳｉおよびＳ
ｂの複合添加により浸炭異常層の発生をより一層抑制す
ることができる。この効果は、０．００２重量％以上で
顕著となることから、下限を０．００２重量％とした。 しかし０．０５０重量％を越えて添加すると窒化物が粗
大化し系介在物が増加し、転動疲労寿命を劣化させるこ
とから、上限を０．０５０重量％とした。

【００１４】Ｎ：浸炭処理時にＡｌと結合し、組織を微
細化し、浸炭歪を減少させる目的で添加する。しかし、
０．０２５重量％を越えて添加すると鋼中他元素と結合
し、硬質の非金属介在物を形成するため、転動疲労寿命
を低下させる。よって、上限を０．０２５重量％とした
。 Ａｌ／Ｎ：浸炭処理時の組織を微細化し、浸炭歪を減少
させるためＡｌ／Ｎ：１．９〜２．１に調整する。１．
９以下または２．１以上では窒化物が粗大化し浸炭歪は
大きくなり、それにともなって浸炭異常層の抑制効果が
減少する。さらに、１．９以下では過剰のＡｌが酸素と
、２．１以上ではＮが鋼中他元素と結合し硬質な非金属
介在物を形成するため転動疲労寿命が低下する。よって
、Ａｌ／Ｎの下限を１．９、上限を２．１とした。

【００１５】Ｏ：Ａｌあるいは他の元素と結合し、硬質
な非金属介在物を形成するため転動疲労寿命を低下する
ことから、その含有量は低い方が好ましい。よって、そ
の上限を０．００２０重量％とした。 Ｓｂ：浸炭処理における浸炭異常層の発生を防止する目
的で積極的に添加する。Ｓｂは、浸炭処理時鋼表面およ
びγ粒界に偏析し易く、浸炭ガス中に含まれる酸化性ガ
スと鋼中のＣｒ，Ｍｎ，Ｓｉとの反応を抑制させ、その
結果浸炭異常層の形成を防止する。また、Ｓｉ量の低下
による転動疲労寿命の劣化を抑制することができる。こ
の作用は、上記元素の添加量の合計が０．００１０重量
％以上で顕著となることから、下限を０．００１０重量
％とした。しかし、０．０１５０重量％を越えて添加す
ると効果が飽和すると同時に、熱間加工性、延性、靭性
が著しく低下する。よって、上限を０．０１５０重量％
とした。

【００１６】さらに必要に応じてＶ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｉ
を添加することにより、本発明の目的をより有効に達成
することができる。その限定理由は、次の通りである。 Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｉ：鋼の焼入性を増大し浸炭処理後の鋼
の疲労強度、衝撃強度ならびに転動疲労寿命を向上させ
るために有効な元素であり、必要に応じて適量添加する
。しかし、多すぎると靭性及び被削性が低下することか
ら、Ｃｒの上限を２．５重量％、Ｍｏの上限を１．５重
量％、Ｎｉの上限を１．５とし、１種あるいは２種以上
とした。

【００１７】Ｖ：基地に固溶させ、浸炭処理後の靭性及
び疲労強度を向上させると共にＳｂと共存することによ
り浸炭異常層の発生を防止する目的で積極的に添加する
。この効果は０．０５重量％以上で顕著になることから
、下限を０．０５重量％とした。しかし、０．５重量％
を越えて添加すると炭化物が安定し、靭性、疲労強度が
かえって低下する。

【００１８】

【実施例】表１、表２に示す化学組成を有する試供材を
常法にて溶製し、１５０ｍｍ角ビレットに分塊圧延後、
米国海軍規格（Ｕ．Ｓ．Ｎａｖｙ）Ｃ型歪試験片を切削
加工により採取した。試験片の形状及び寸法を図１に示
す。さらに、１５０ｍｍ角ビレットを３０ｍｍφ棒鋼に
圧延し、２５ｍｍφ棒状試験片ならびに円筒型転動疲労
寿命試験片を切削加工により採取した。試験片の形状及
び寸法を図２に示す。これらの試験片を、カーボンポテ
ンシャル：０．８％の条件で９３０℃×４ｈの浸炭処理
を行い、８５０℃×３０ｍｉｎから１２０℃油冷により
焼入れを行った後、１８０℃×１ｈの焼戻しを行った。

【００１９】２５ｍｍφ棒状試験片は、切断後走査型電
子顕微鏡により浸炭異常層の深さを測定すると共に、Ｊ
ＩＳ規格−Ｇ０５５７に準拠して断面堅さ分布を測定し
有効硬化深さを求めた。歪試験片は、開口部（図１中の
Ｄ）を浸炭処理前後で測定し、その変位量を百分率で求
めた。さらに、転動疲労寿命試験片は円筒型転動疲労寿
命試験機により、ヘルツ最大接触応力：６００ｋｇｆ／
ｍｍ２　、繰返し応力数：約４６０００ｃｐｍで繰返し
応力負荷を行った。試験結果は、ワイブル分布に従うも
のとして確率紙上にまとめ、Ｂ１０寿命（累積破損確率
が１０重量％における剥離発生までの総負荷回数）を読
み取り、従来材（Ｎｏ．１）を１として評価を行った。 結果を表３に示す。

【００２０】表３において、Ｓｂ含有量が本発明範囲よ
り低いＮｏ．３３比較材の浸炭異常層は、Ｎｏ．１従来
材に比べて改善されているものの転動疲労寿命は０．８
倍と若干劣っている。また、Ｓｂの高いＮｏ．３４比較
材、Ｃの低いＮｏ．３５比較材、Ｃの高いＮｏ．３６比
較材、Ｍｎの高いＮｏ．３７比較材の浸炭異常層は、そ
れぞれ０〜３μｍとＮｏ．１従来材に比べ著しく改善さ
れている。しかし、Ｓｂの高いＮｏ．３４比較材、Ｃの
高いＮｏ．３６比較材、Ｍｎの高いＮｏ．３７比較材は
割れを発生していることから、実用上は問題が大きく、
さらにＣの低いＮｏ．３５比較材は十分な有効効果深さ
が得られておらず、転動疲労寿命もＮｏ．１従来材に比
べ劣る。

【００２１】一方、Ａｌ／Ｎが本発明の条件を満足しな
い比較材、１．９よりも低いＮｏ．３８比較材および２
．１よりも高いＮｏ．３９比較材は、それぞれＳｂの効
果により浸炭異常層はＮｏ．１従来材に比べて若干改善
されているもののいずれも７μｍであり、浸炭異常層の
発生を防止するには到っていない。歪試験による開口部
変位率もＮｏ．１従来材に比べて同等あるいは若干劣っ
ている。

【００２２】さらに、Ｏ含有量が本発明範囲より高いＮ
ｏ．４０比較材は、Ａｌ，Ｎ，Ｓｂの効果により浸炭異
常層ならびに歪試験による開口部変位率はＮｏ．１従来
材に比べて若干改善されているものの、十分ではない。 さらに、転動疲労寿命はＮｏ．１従来材に比べて劣って
いる。これに対して、Ｎｏ．２〜２２本発明材では、浸
炭異常層は１μｍ以下であり、有効硬化深さもＮｏ．１
従来材と同等あるいは優れている。また、歪試験による
開口部変位率は０．６〜０．９％であり、Ｎｏ．１従来
材の１．８％に比べて優れているのみならず、転動疲労
寿命もＮｏ．１従来材の１０．５〜１５倍優れている。 さらに、本発明例に示すごとく、ＳｂとＶ，Ｃｒ，Ｍｏ
，Ｎｉの１種あるいは２種以上の添加は、いずれの場合
にも浸炭異常層に大差なく、Ｎｏ．１従来材に比べ歪試
験による開口部変位率、転動疲労寿命が向上しているこ
とから、その使用目的に応じて自由な組合わせを行うこ
とが可能である。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】

【表３】

【００２６】

【発明の効果】本発明は、浸炭用鋼の成分組成を限定す
ることにより、ガス浸炭時の浸炭異常層ならびに歪が極
めて少なく、転動疲労寿命に優れた浸炭用鋼である。本
発明により、従来浸炭異常層除去のため必要としていた
ショットピーニングや研磨工程の省略が可能となり、大
幅なコスト低減と生産性の向上が達成された。

【００２７】また、浸炭異常層発生防止の観点から添加
量が制限されていたＣｒ，Ｍｎについても、本発明では
特に制約されないことから、焼入性の制御を柔軟に行う
ことができる。さらに、Ａｌ，Ｎ含有量を限定すること
により、浸炭時の結晶粒粗大化に起因する浸炭歪が防止
され、仕上り精度が重視される転がり軸受やギヤ、シャ
フト、等速ジョイントをはじめとする自動車部品への適
用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】米国海軍規格Ｃ型歪試験片の形状と各部の寸法
を示した図である。

【図２】円筒型転動疲労寿命試験片の形状と各部の寸法
を示した図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｃ　　：０．０５〜０．５５重量％、Ｓｉ
   ：０．０２重量％以下、 Ｍｎ：０．１０〜５．０重量％、 Ａｌ：０．００２〜０．０５０重量％、Ｏ　　：０．０
   ０２０重量％以下、 Ｎ　　：０．０２５重量％以下、 Ｓｂ：０．００１０〜０．０１５０重量％を含有し、残
   部がＦｅ及びその他不可避的不純物からなり、かつ Ａｌ／Ｎ：１．９〜２．１重量％ であることを特徴とする浸炭異常層の少ない浸炭用鋼。
2. 【請求項２】　　成分としてさらに Ｖ　　：０．０５〜０．５重量％、 を含有することを特徴とする請求項１記載の浸炭異常層
   の少ない浸炭用鋼。
3. 【請求項３】　　成分としてさらに Ｃｒ：２．５重量％以下、 Ｍｏ：１．５重量％以下、 Ｎｉ：１．５重量％以下 のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有することを
   特徴とする請求項１又は２記載の浸炭異常層の少ない浸
   炭用鋼。