JPH05263183A

JPH05263183A - 耐遅れ破壊性に優れた浸炭肌焼鋼

Info

Publication number: JPH05263183A
Application number: JP9360892A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Uno; 光男宇野; Fukukazu Nakazato; 福和中里
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-03-19
Filing date: 1992-03-19
Publication date: 1993-10-12

Abstract

(57)【要約】【目的】優れた耐遅れ破壊性を安定して示す浸炭肌焼
鋼を提供する。【構成】浸炭肌焼鋼をＣ：0.10〜0.30％，Si：0.80％
以下，Mn：1.50％以下，Ｐ： 0.015％以下，Ｓ： 0.015
％以下，Cr： 2.0％以下，Nb：0.01〜0.10％を含有する
か、或いは更にNi：3.50％以下，Mo：1.50％以下，Cu：
1.0 ％以下，Al：0.01〜0.10％，Ｖ：0.01〜0.30％，T
i：0.01〜0.10％，Ｂ：0.0003〜0.0050％，Zr：0.01〜
0.20％，Ca：0.0005〜 0.010％の１種以上をも含むと共
に残部がFe及び不可避的不純物から成り、かつ式Ｐa ＝Ｃ(%)/2 ＋Si(%)/50＋Mn(%)/150 ＋３Ｐ(%)＋２
Ｓ(%) ＋Cr(%)/10−Nb(%)/10 で表される成分パラメ−タＰa が 0.285以下となる化学
成分組成に構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、自動車，建設機械等
における“ネジ部が存在する浸炭部品”用として好適な
浸炭肌焼鋼に関するものである。

【０００２】

【従来技術とその課題】一般に、自動車，土木建設機
械，産業機械等における摩耗が生じやすい部位には浸炭
処理を施した浸炭肌焼鋼部材が重宝されている。この
“浸炭処理”とは、例えばＣＯ，Ｎ₂，Ｈ₂等のガス雰
囲気中で熱処理を施して鋼の表層部に炭素を浸入させ、
該表層部の炭素濃度（炭素含有量）を高めることにより
焼入れ後の硬さを増加させる熱処理で、耐摩耗性，疲労
特性の向上を目的とした処理であることは言うまでもな
い。

【０００３】ところが、一方で、前記“浸炭処理を施し
た浸炭肌焼鋼部材”は“遅れ破壊”を生じやすいという
問題を有しており、その処理や適用に十分な注意が必要
とされていた。この“遅れ破壊”とは使用中に突如とし
て脆性破壊を起こす現象であるが、特に引張応力が生じ
ると遅れ破壊が発生する傾向は更に著しくなるため、引
張応力の避けられないボルト類では前述のような浸炭処
理が誘因となる遅れ破壊が大きな問題となっていた訳で
ある。

【０００４】そこで、格別な耐摩耗性を必要としないネ
ジ部等の部分を伴った浸炭部品においては、締付け時に
引張応力が発生するネジ部の浸炭を防止するため該部分
のみに浸炭防止剤を塗布しておいたり、或いは該ネジ部
にカバ−を設けておいて浸炭防止を図る等の工夫が強い
られていた。

【０００５】しかしながら、実際には、上述の工夫だけ
では浸炭を完全に防止することが難しく（例えば浸炭防
止剤の塗布ムラがあると完全な浸炭防止効果が期待でき
ず、またカバ−を設けたとしても隙間から浸炭ガスが侵
入するのを完全に防ぐことは困難である）、しかもそれ
ら浸炭防止策は著しい作業性の低下につながるので、効
果の面でも処理能率の面でも決して満足できるものでは
なかった。そのため、浸炭処理を施しても遅れ破壊を生
じにくい材料の開発が切望されていた。

【０００６】このようなことから、本発明が目的とした
のは、優れた耐遅れ破壊性を安定して示す浸炭肌焼鋼を
提供することであった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は上
記目的を達成すべく、特に遅れ破壊を生じた材料に関す
る基礎的な再検討を加えつつ研究を重ねた結果、次のよ
うな知見を得ることができた。

【０００８】(a) 遅れ破壊を起こした鋼材破面の仔細な
観察から破壊の形態が“粒界破壊”であることを確認し
たが、このような破壊に対しても粒界脆化促進元素とし
て一般的に知られているＰ及びＳの低減は非常に効果的
である。

【０００９】(b) しかも、鋼材の粒界脆化を促進する元
素はＰ，Ｓのみでなく、Si，Mn，Crも粒界脆化促進に大
きく係わっており、浸炭肌焼鋼の遅れ破壊を抑えるには
このSi，Mn及びCrの低減も欠かせない上、Ｃの過剰添加
にも注意を要すること。

【００１０】(c) これに対してNbは鋼材の粒界脆化を抑
制する作用を有しており、その適正量添加は浸炭肌焼鋼
の耐遅れ破壊性向上に大きく寄与する。

【００１１】(d) 従って、機械構造用鋼の構成成分とし
て適正量のNbを添加すると共にＰ，Ｓ，Si及びMnの含有
量を抑制し、更にこれら構成成分の割合を特にＰa ＝Ｃ(%)/2 ＋Si(%)/50＋Mn(%)/150 ＋３Ｐ(%)＋２
Ｓ(%) ＋Cr(%)/10−Nb(%)/10 なる式で算出されるＰa 値が特定値以下となる如くに総
合調整した場合には、優れた耐遅れ破壊性を有し、かつ
浸炭後も所望の機械的特性を十分に満足する浸炭肌焼鋼
が得られる。

【００１２】本発明は、上記知見事項等を基にして完成
されたもので、「浸炭肌焼鋼を、Ｃ：0.10〜0.30％（ここでは成分割合を表す％は重量割
合とする), Si：0.80％以下， Mn：1.50％以下，Ｐ：
0.015％以下，Ｓ： 0.015％以下， Cr： 2.0％以下， Nb：0.
01〜0.10％を含有するか、或いは更に Ni：3.50％以下， Mo：1.50％以下， Cu：1.
0 ％以下， Al：0.01〜0.10％，Ｖ：0.01〜0.30％， Ti：0.
01〜0.10％，Ｂ：0.0003〜0.0050％， Zr：0.01〜0.20％， Ca：0.
0005〜 0.010％の１種以上をも含むと共に残部がFe及び不可避的不純物
から成り、かつ式Ｐa ＝Ｃ(%)/2 ＋Si(%)/50＋Mn(%)/150 ＋３Ｐ(%)＋２
Ｓ(%) ＋Cr(%)/10−Nb(%)/10 で表される成分パラメ−タＰa が 0.285以下となる化学
成分組成に構成することによって、優れた耐遅れ破壊性
を具備させた点」に大きな特徴を有している。

【００１３】このように、本発明は、機械構造用鋼の
Ｃ，Si，Mn，Ｐ，Ｓ及びCr量を規制することで粒界脆化
を抑制し、かつ適正量のNbを添加することにより粒界の
強化を図ると共に、更に特定の成分パラメ−タＰa に基
づき化学成分組成を一層厳密に制御することによって耐
遅れ破壊性の優れた浸炭肌焼鋼を実現させることを骨子
としたものであるが、以下、本発明において鋼の化学成
分組成を前記の如くに数値限定した理由について説明す
る。

【００１４】ＣＣには、鋼に所定の静的強度を付与する作用がある反
面、靱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靱性のバランスが必要
であるが、Ｃ含有量が0.10％未満では所望の静的強度が
確保できず、一方0.30％を超えてＣを含有させると靱性
が急激に低下し、かつ耐遅れ破壊性も低下する。このよ
うなことから、Ｃ含有量は0.10〜0.30％と定めた。

【００１５】Ｐ鋼中のＰ含有量を特定量以下に抑制することは本発明に
おいて極めて重要な事項である。即ち、Ｐは鋼の結晶粒
界を脆化する不純物元素であり、粒界を強化して優れた
耐遅れ破壊性を付与するためにはその含有量をできるだ
け低く抑えることが望ましい。そして、Ｐ含有量が特に
0.015％を超えるた場合には粒界脆化が著しくて所望の
耐遅れ破壊性を確保できないことから、Ｐ含有量は 0.0
15％以下と定めた。

【００１６】Ｓ鋼中のＳ含有量を特定量以下に抑制することも本発明に
おいて極めて重要な事項である。つまり、ＳもＰと同様
に鋼の結晶粒界を脆化する不純物元素であるため、粒界
を強化して優れた耐遅れ破壊性を付与するためにはＳ含
有量もできるだけ低く抑えることが望ましい。そして、
Ｓ含有量が特に 0.015％を超えていると粒界脆化が著し
くなって所望の耐遅れ破壊性を確保できないことから、
Ｓ含有量は 0.015％以下と定めた。

【００１７】Si Siは鋼の脱酸に必要な元素であると共に、鋼に所定の静
的強度を付与する作用を有している。しかし、SiはＰ，
Ｓと同様、鋼の結晶粒界に偏析して粒界脆化を促進する
元素であることが判明した。そして、Si含有量が特に0.
80％を超えた場合には粒界脆化が著しくなって遅れ破壊
性を誘発しやすくなることから、Si含有量は0.80％以下
と定めた。

【００１８】Mn Mnも、Siと同様、鋼の脱酸処理に必要な元素であるが、
同時に焼入れ性を付与するのに必要な元素でもある。し
かし、上述したＰ，Ｓ，Siと同様にMnも鋼の結晶粒界に
偏析して粒界脆化を促進する元素であることが判明した
訳である。そして、Mn含有量が特に1.50％を超えた場合
には粒界脆化が著しくなって遅れ破壊性を誘発しやすく
なることから、Ｐ，Ｓ及びSiの制限と共にMn含有量を1.
50％以下に抑えることと定めた。

【００１９】Cr Crも鋼に焼入れ性を付与するのに有効な添加元素であ
る。また、浸炭特性を向上させることから、一般の肌焼
鋼には添加することが多い。しかし、その含有量が 2.0
％を超えてCrを含有させると、粒界脆化を生じ耐遅れ破
壊性が著しく低下する。従って、Cr含有量は 2.0％以下
と定めた。

【００２０】Nb Nbには鋼の粒界脆化を抑制し、耐遅れ破壊性を向上させ
る作用がある。これも本発明者等によって見出された新
規解明事項である。しかしながら、Nb含有量が0.01％未
満であると上記作用による所望の効果が確保できず、一
方、0.10％を超えて含有させると結晶粒が粗大化して靱
性低下を招き、また耐遅れ破壊性が低下することから、
Nb含有量は0.01〜0.10％と定めた。

【００２１】Ni，Mo，Cu，Al，Ｖ，Ti，Ｂ，Zr及びCa これらの成分は、各々、浸炭肌焼鋼の所望特性を更に改
善する作用を有しているので１種又は２種以上を所定量
添加するのが好ましいが、以下にそれぞれの成分の添加
量を限定した理由を説明する。

【００２２】a) Ni Niは鋼に所定の焼入れ性を付与し静的強度を上昇させる
のに有効である上、鋼の靱性を向上させる作用をも有し
ているので、所定の焼入れ性と靱性を確保するため任意
に添加することができる。しかし、3.50％を超えて含有
させてもその効果は飽和し経済性を損なうことから、Ni
含有量の上限を3.50％と定めた

【００２３】b) Mo Moも、Ni等と同様、鋼に所定の焼入れ性を与え、静的強
度及び靱性を向上させるのに有効な元素であって適宜に
添加されるが、1.50％を超えて含有させても上記効果が
飽和してしまって経済性を損なうことから、Mo含有量の
上限は1.50％と定めた。

【００２４】c) Cu Cuも鋼の焼入れ性と静的強度を上昇させるのに有効な元
素である。その効果を発揮させるために適宜添加すれば
良いが、 1.0％を超えて含有させると鋼の熱間加工性を
劣化させたり、静的強度も逆に低下するようになること
から、Cu含有量の上限を 1.0％と定めた。

【００２５】d) Al Alは高温の結晶粒を微細化して靱性を向上させる作用を
有しているが、その含有量が0.01％未満であると前記作
用による所望の効果を得ることができない。一方、0.10
％を超えてAlを含有させると鋼の清浄度が悪化して切削
性が損なわれ、また鋼の結晶粒を粗大化させ、かえって
靱性を低下させてしまう。従って、Al含有量は0.01〜0.
10％と定めた。

【００２６】e) ＶＶは鋼中で炭窒化物を生成して鋼の高温強度を高める作
用を有しているが、その含有量が0.01％未満では前記作
用による所望の効果が得られず、一方、0.30％を超えて
含有させると熱間加工性の低下を招くことから、Ｖ含有
量は0.01〜0.30％と定めた。

【００２７】f) Ti Tiは、Alと同様、鋼の結晶粒を微細化して鋼の靱性を向
上させる作用を有しているが、その含有量が0.01％未満
であると前記作用による所望の効果を得ることができな
い。一方、0.10％を超えてTiを含有させた場合には逆に
結晶粒の粗大化を招き、かえって靱性を低下させてしま
う。従って、Ti含有量は0.01〜0.10％と定めた。

【００２８】g) ＢＢは、鋼の焼入れ性を向上させて静的強度を上昇させる
作用を有しているが、その含有量が0.0003％未満である
と前記作用による所望の効果を得ることができず、一
方、0.0050％を超えて含有させると鋼の結晶粒を粗大化
し靱性を低下させることから、Ｂ含有量は0.0003〜0.00
50％と定めた。

【００２９】h) Zr Zrには鋼中の炭化物を球状化し微細に分散させて耐遅れ
破壊性を一層改善させる作用があるため、高強度鋼の場
合に高い耐遅れ破壊性を確保する目的で含有せしめられ
るが、その含有量が0.01％未満では前記作用による所望
の効果が得られず、一方、0.20％を超えて含有させても
その効果は飽和することから、Zr含有量は0.01〜0.20％
と定めた。

【００３０】i) Ca Caは鋼の切削性を向上させる作用を有しているので適宜
添加されるが、その含有量が0.0005％未満であると前記
作用による所望の効果を得ることができず、一方、0.01
00％を超えて含有させると靱性の低下を招くことから、
0.0005〜0.0100％と定めた。

【００３１】成分パラメ−タＰa 鋼を構成する各成分の含有量が前記範囲内に調整された
としても、Ｐa ＝Ｃ(%)/2 ＋Si(%)/50＋Mn(%)/150 ＋３Ｐ(%)＋２
Ｓ(%) ＋Cr(%)/10−Nb(%)/10 なる式で表される成分パラメ−タＰa が「0.285 」より
も大きくなるとやはり耐遅れ破壊性が劣化する。従っ
て、上記Ｐa の値が 0.285％以上となるように成分組成
を厳密に制御する必要がある。

【００３２】続いて、本発明の効果を実施例によって具
体的に説明する。

【実施例】まず、１５０kg真空溶解炉にて表１及び表２
に示す如き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に鍛伸した。
そして、更に９２５℃×１hrの焼ならし処理を施して供
試材とした。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】次に、上記供試材を用いて「遅れ破壊試
験」を実施した。その結果を表３に示す。ここで、「遅
れ破壊試験」は、前記供試材を図１に示す試験片に加工
後、図２に示す条件にて浸炭焼入れを行ってから、更に
１７０℃×１hrの焼戻しを施し、この処理済試験片につ
いて定荷重引張試験機を用い荷重６３０kg（大気中）で
実施した。なお、試験時間は１０００時間までとし、破
断が生じなくても該時間で試験を中止した。

【００３６】

【表３】

【００３７】表３に示される結果からも明らかなよう
に、本発明に係わる鋼は何れも破断時間が１０００時間
を超えていて、優れた耐遅れ破壊性を示すことが分か
る。これに対して、構成成分の含有量或いは成分パラメ
−タＰa が本発明で規定する範囲から外れている比較鋼
では、何れも耐遅れ破壊性が劣っていることが明らかで
ある。

【００３８】

【効果の総括】以上に説明した如く、この発明によれ
ば、著しく優れた耐遅れ破壊性を有する浸炭肌焼鋼を提
供することができ、浸炭部品の信頼性を一段と向上し得
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】

【図１】遅れ破壊試験片の形状を説明した概略図であ
る。

【図２】浸炭ヒ−トパタ−ンを示す線図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量割合にてＣ：0.10〜0.30％， Si：0.80％以下， Mn：1.
50％以下，Ｐ： 0.015％以下，Ｓ： 0.015％以下， Cr：
2.0％以下， Nb：0.01〜0.10％を含むと共に残部がFe及び不可避的不純物から成り、か
つ下記の式で表される成分パラメ−タＰa が 0.285以下
であることを特徴とする、耐遅れ破壊性に優れた浸炭肌
焼鋼。Ｐa ＝Ｃ(%)/2 ＋Si(%)/50＋Mn(%)/150 ＋３Ｐ(%)＋２
Ｓ(%) ＋Cr(%)/10−Nb(%)/10
【請求項２】重量割合にてＣ：0.10〜0.30％， Si：0.80％以下， Mn：1.
50％以下，Ｐ： 0.015％以下，Ｓ： 0.015％以下， Cr：
2.0％以下， Nb：0.01〜0.10％を含有し、更に Ni：3.50％以下， Mo：1.50％以下， Cu：1.
0 ％以下， Al：0.01〜0.10％，Ｖ：0.01〜0.30％， Ti：0.
01〜0.10％，Ｂ：0.0003〜0.0050％， Zr：0.01〜0.20％， Ca：0.
0005〜 0.010％の１種以上をも含むと共に残部がFe及び不可避的不純物
から成り、かつ下記の式で表される成分パラメ−タＰa
が 0.285以下であることを特徴とする、耐遅れ破壊性に
優れた浸炭肌焼鋼。Ｐa ＝Ｃ(%)/2 ＋Si(%)/50＋Mn(%)/150 ＋３Ｐ(%)＋２
Ｓ(%) ＋Cr(%)/10−Nb(%)/10