JPH0559427A - 耐摩耗鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 機械構造用鋼としての所要機械的特性を備え
ていることは勿論、表層部に靱性劣化を伴うことなく優
れた耐摩耗性が確保され、機械類の摺動部部材として十
分に満足できる耐摩耗鋼の製造手段を確立する。 【構成】 Ｃ： 0.1〜 0.7％，Si： 2.0％以下，Cr：
1.0〜17.0％，Ni： 5.0％以下，を含むか、或いは更に
Mo： 5.0％以下，Nb：0.01〜 1.0％，Ｖ：0.01〜1.0
％，の１種又は２種以上をも含み、残部がFe及び不可避
的不純物から成る鋼を、事前浸炭して表層の炭素量を
〔共析点を超えＡcm変態点未満〕の範囲に調整した後空
冷して該表層をパ−ライト又はベイナイト主体の組織と
し、これに球状化焼鈍を施して表層部を〔フェライト＋
球状化セメンタイト〕組織とした後、７５０〜１０００
℃の温度域で浸炭処理して表面の炭素量をＡcm変態点以
上に調整し、引き続いて９００〜７５０℃より焼入れ処
理してから焼戻し処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、各種機器類の摺動部
材（ピストン，シリンダ−，歯車，継手）用等として好
適な耐摩耗性に優れた鋼の製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来技術とその課題】近年、自動車や産業機械類を中
心にその軽量化と耐久性向上施策が推進されているが、
これに伴い、構成部材となる鋼部品にも一層の高強度
化，長寿命化が望まれている。このような状況下で特に
注目される技術の１つに、歯車，軸の継手部等といった
摺動部を伴う機械部品の耐摩耗性改善技術がある。

【０００３】鋼部品の耐摩耗性向上に対しては、従来か
ら“浸炭処理”が有効であることが知られている。しか
しながら、通常の浸炭処理では、耐摩耗性に最も有効な
「表面硬度の上昇」に限界がある。その理由は、表面硬
化が“表面層の高炭素化”と“マルテンサイト変態の機
構”のみによって叶えられるからであり、通常はビッカ
−ス硬さ（Ｈｖ）で８００程度が限界である。

【０００４】そこで、上記問題を解決するために“高炭
素浸炭技術”が生み出された。この高炭素浸炭技術を用
いると、上述した通常浸炭処理での表面硬化機構に加え
て、硬質の炭化物をマトリックスの高炭素マルテンサイ
ト中に分散させる効果も確保できるのでＨv ８５０〜９
００程度の表面硬度が得られ、鋼の耐摩耗性が著しく向
上する。しかし、この方法にも次のような問題があっ
た。即ち、“高炭素浸炭”は通常浸炭の場合よりも雰囲
気のカ−ボンポテンシャル(C.P）を上昇させて炭化物を
析出させる技術であるが、この際に析出する炭化物は一
般に網状又は塊状の粗大なものとなりがちで、これが機
械構造用鋼として必要な靱性を劣化させるという不都合
が指摘されたのである。

【０００５】このため、高炭素浸炭処理を行うに際して
事前浸炭を行い、引き続く冷却によって表層部をベイナ
イト，パ−ライト或いはマルテンサイト組織とし、この
ベイナイト，パ−ライト中の炭化物、或いは昇温中にマ
ルテンサイトの中から生成する炭化物を炭化物析出浸炭
の際の析出核として利用することで球状の炭化物を析出
させようとの提案もなされた（特開昭５５−６９２５２
号）。ところが、浸炭処理の前組織をパ−ライトにした
場合には、パ−ライト中の炭化物はフレ−ク状であるの
で炭化物析出浸炭過程で十分に球状化された炭化物が析
出し難く、また前組織をベイナイト，マルテンサイトに
した場合には硬度が高くなるので前組織での加工が困難
となり、何れも耐摩耗鋼の製造手段としては好ましいも
のとは言えなかった。

【０００６】このようなことから、本発明が目的とした
のは、母材が機械構造用鋼としての所要機械的特性を備
えていることは勿論、表層部に靱性劣化を伴うことなく
優れた耐摩耗性が確保され、機械類の摺動部部材として
十分に満足できる耐摩耗鋼の製造手段を確立することで
あった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成すべく、特に前記高炭素浸炭処理の長所を生かしつ
つ浸炭層の靱性改善につながると考えられる析出炭化物
を微細化する手段を求めて、「浸炭により鋼の表層部に
炭化物を効果的に析出・分散させるためには、原則とし
て浸炭前の組織の中に炭化物析出浸炭時の析出サイトと
なるべき核を予め分散させておく必要がある」との観点
に立って鋭意研究を重ねた。即ち、「前組織の中に前記
核の分散が無ければ浸炭時における炭化物の析出は優先
的にオ−ステナイト粒界で起きることとなって機械構造
部品として必要な靭性が大幅に劣化する」との認識か
ら、高炭素浸炭処理に当ってはオ−ステナイト粒界への
炭化物析出を極力阻止してオ−ステナイト粒内に炭化物
を析出させることが必要であり、このためには浸炭の前
組織に炭化物の析出サイトとなる核を分散させておくこ
とが不可欠であると考えたからである。

【０００８】そして、上記観点から行われた種々の研究
により、本発明者は次のような事実を見出したのであ
る。 a) 浸炭によって炭化物を析出させる際、析出サイトと
して最も有効に働く核は "浸炭時に析出する炭化物の結
晶構造と同じもの" であり、核としてこのようなものを
選ぶことが重要である。例えば、浸炭時に析出する炭化
物がＭ₃ Ｃ型の場合には、前組織にＭ₃ Ｃ型の炭化物を
予め分散しておけば、浸炭にて粒内に均一に炭化物を析
出させることが可能となる。

【０００９】b) ところで、前記析出核は炭化物析出浸
炭の際にマトリックス中へ溶解してはならない。浸炭中
に核（炭化物）がマトリックス中へ溶解すると、浸炭に
よる炭化物の析出は粒界において優先的に生じることと
なる。このため、炭化物析出浸炭は、核がマトリックス
に完全に溶解しない“温度−時間バランス”で行う必要
がある。

【００１０】c) 前記条件に沿う炭化物析出浸炭の前組
織としては、球状化焼鈍組織を挙げることができる。即
ち、該組織の球状化した炭化物は炭化物析出浸炭の際に
不溶で安定な炭化物の析出核として有効に作用し、同一
結晶構造の炭化物の析出を促す。そして、中，低炭素鋼
においてこの球状化焼鈍組織を実現するには、該鋼を事
前浸炭し表面を高炭素化してから球状化処理する手法が
効果的である。

【００１１】d) 従って、機械構造用中，低炭素鋼を事
前浸炭して表層部を高炭素のパ−ライト或いはベイナイ
ト主体の組織とした後、これに球状化焼鈍を施して〔フ
ェライト＋球状化炭化物〕組織とし、この後に炭化物析
出浸炭を実施すると、事前浸炭部の球状化炭化物を核に
して鋼表面部の結晶粒内に炭化物が微細に分散析出さ
れ、靱性の著しい劣化を伴うことなく鋼の表面硬度が顕
著に上昇し耐摩耗性が向上する。

【００１２】本発明は、上記知見事項等を基にして完成
されたものであり、「Ｃ： 0.1〜 0.7％（以降、 成分割
合を表わす％は重量％とする),Si： 2.0％以下， C
r： 1.0〜17.0％， Ni： 5.0％以下を含むか、 或い
は更にMo： 5.0％以下， Nb：0.01〜 1.0％，
Ｖ：0.01〜 1.0％の１種又は２種以上をも含み、残部がF
e及び不可避的不純物から成る鋼を、 事前浸炭して表層
の炭素量を〔共析点を超えＡcm変態点未満〕の範囲に調
整した後空冷して該表層をパ−ライト又はベイナイト主
体の組織とし、 続いてこれに球状化焼鈍を施して表層部
を〔フェライト＋球状化セメンタイト〕組織と成した
後、 ７５０〜１０００℃の温度域で浸炭処理して表面の
炭素量をＡcm変態点以上に調整し、 引き続いて９００〜
７５０℃より焼入れ処理してから焼戻し処理を施すこと
により、 耐摩耗性に優れた機械構造用鋼部品を安定提供
し得るようにした点」に大きな特徴を有している。

【００１３】なお、上記本発明法においては、球状化焼
鈍後の炭化物析出浸炭の前に機械加工（冷間鍛造加工
等）を施しても良い。球状化焼鈍後の組織は〔フェライ
ト＋球状化セメンタイト〕組織となっているので加工性
に優れており、従って、形状を整えるのが非常に容易だ
からである。

【００１４】次に、本発明において適用鋼の化学成分組
成及びその処理条件を前記の如くに限定した理由を説明
する。

【００１５】(A) 鋼の化学成分組成Ｃ Ｃは鋼の硬度を確保する作用を有しているが、その含有
量が 0.1％未満であると芯部の強度不足を招いて機械構
造用鋼として必要な基本的性能を確保できなくなる。一
方、 0.7％を超えてＣを含有させると材料芯部の靱性を
大幅に損ね、やはり機械構造用鋼としての所望性能を確
保できなくなる。特に、本発明は炭化物析出により鋼の
表面を強化する表面硬化手段を取り入れたものである
が、表面硬化を行う場合には硬化により著しく低下した
表面の靱性を芯部の靱性で補う必要があるため芯部に十
分な靱性を確保することが非常に重要であり、それ故、
Ｃ含有量の上限には十分に注意しなければならない。従
って、Ｃ含有量は 0.1〜 0.7％と定めた。

【００１６】Si Siには基地組織のマルテンサイトに固溶してマルテンサ
イトを強靭化する作用があるが、一方で炭化物析出浸炭
の際に炭化物を析出させ難くする作用をも有しており、
2.0％を超えてSiを含有させると炭化物が析出しなくな
る恐れがある。従って、Si含有量は2.0 ％以下と定め
た。

【００１７】Cr Crは炭化物析出元素であり、炭化物析出浸炭の際の析出
反応を促進する作用があるが、その含有量が 1.0％未満
では炭化物析出反応の促進作用が不十分で、浸炭処理中
に核である球状化炭化物も凝集粗大化してしまい、表面
硬度向上に寄与する炭化物分散組織を得ることができな
い。一方、17.0％を超えてCrを含有量させても上記作用
による効果が飽和してしまって経済的な不利を招くよう
になる。従って、Cr含有量は 1.0〜17.0％と定めた。

【００１８】Ni Niも、Siと同様、基地組織のマルテンサイトに固溶して
これを強靭化する作用を有するが、一方で炭化物析出浸
炭処理時に炭化物を析出させ難くする作用もある。特
に、Ni含有量が 5.0％を超えると炭化物の析出が不十分
となることから、Ni含有量は 5.0％以下と定めた。

【００１９】Mo Moは、Ni及びSiと同様、基地組織であるマルテンサイト
に固溶して強靭化させる作用のほか、Crほどではないが
浸炭地の炭化物析出反応を促進させる作用をも有してい
ることから必要により含有せしめられるが、5.0％を超
えて含有させても基地強靭化による靱性向上効果が飽和
してしまうので、Mo含有量は 5.0％以下と定めた。

【００２０】Nb及びＶ Nb並びにＶには何れも浸炭中にＣと結合してＭＣ型の特
殊炭化物となり、Fe,Crの炭化物と共に分散析出して耐
摩耗性を向上させる作用があるので、必要により１種又
は２種が添加されるが、何れも含有量が0.01％未満であ
ると上記作用による所望の効果が得られず、一方、 1.0
％を超えて含有させると芯部強度が低下してしまう。従
って、Nb及びＶの含有量は、それぞれ0.01〜1.0 ％と定
めた。

【００２１】(B) 前処理（事前浸炭，球状化焼鈍処理
等） 炭化物析出浸炭によって球状化炭化物を微細分散させる
ためには、炭化物の析出核の存在する前組織が必要であ
る。そして、事前浸炭は鋼の表層部を高炭素化させて析
出核を形成する下地を作るために欠かせない処理であ
る。

【００２２】事前浸炭によって鋼表層のＣ量を共析点を
超える値に調整する理由は、炭化物析出浸炭中にあって
も析出核を安定に残しておくことにあり、共析点以下の
Ｃ量では炭化物析出浸炭中に析出核が消失してしまって
炭化物の微細分散析出が困難になる。一方、該事前浸炭
によって増加する鋼表層のＣ量をＡcm変態点未満に抑え
る理由は、この処理中に炭化物を析出させないことにあ
る。即ち、析出核として好適な炭化物の析出は次プロセ
スである球状化焼鈍で行われるため、この事前浸炭処理
においてはその準備として表面の固溶Ｃ量を高くしてお
くことが重要だからである。

【００２３】事前浸炭後の空冷は、浸炭部をパ−ライト
或いはベイナイトを主体とする組織とし、次プロセスで
ある球状化焼鈍にて結晶粒内に炭化物を均一に分散させ
るために必要である。なお、この場合の冷却速度は特に
制限されるものではない。

【００２４】球状化焼鈍処理は、上述したように、炭化
物析出浸炭の際に析出核となる好適な炭化物が均一分散
した組織、即ち〔フェライト＋球状化セメンタイト〕組
織を得るために実施される。なお、球状化焼鈍には恒温
保持法と徐冷法とがあるが、何れによって得られる炭化
物も析出核としての作用は変わらないので、その処理法
を格別に指定する必要はない。

【００２５】(C) 炭化物析出浸炭処理 炭化物析出浸炭処理は、先立つ球状化焼鈍で生成された
炭化物を核にして更なる炭化物を球状微細に析出させ、
鋼表面部の硬度や軟化抵抗を増大させて耐摩耗性を向上
させるために施される。なお、上述のように耐摩耗性向
上のためには表面硬度を上昇させることが必要であり、
このためには炭化物の分散析出に加えてマトリックスを
Ｃ量がＡcm変態点以上の高炭素マルテンサイトにする必
要がある。そして、高炭素マルテンサイトを得るために
はＣ固溶度が大きいオ−ステナイト領域で浸炭する必要
がある。しかし、浸炭温度が７５０℃未満ではオ−ステ
ナイト領域での浸炭が不可能となる。一方、１０００℃
を超える温度域で浸炭すると炭化物析出の核となる球状
化焼鈍炭化物が消失するので、浸炭によって供給される
炭化物はオ−ステナイト粒界に粗大化して析出すること
となり、靱性を劣化させる。従って、浸炭処理温度は７
５０〜１０００℃と定めた。

【００２６】浸炭処理の方法としては固体法，塩浴法，
ガス法，イオン法があるが、何れの方法によっても本発
明の目的を達成できるので特に指定する必要はない。ま
た、浸炭時間については、製品によって必要な炭化物分
散層の濃度が変わるのでそれに応じて適正な時間を選ぶ
必要がある。

【００２７】(D) 焼入れ処理 焼入れ処理は、マトリックスを高炭素マルテンサイトに
変態させ、炭化物析出層及び芯部の硬度を上昇させるた
めに実施される。ここで、焼入れによって高炭素マルテ
ンサイトを得ようとすると一般には高温相のオ−ステナ
イトがマトリックスの中に残留しがちである。これを
“残留オ−ステナイト”と称するが、多量に残留すれば
表面硬度の低下と寸法変化を引き起こす。そして、焼入
れ温度が高くなるほど残留オ−ステナイトは多量に残留
するようになる。特に、９００℃を超える温度域から焼
入れを行うと急激に残留オ−ステナイトが増加し、表面
硬度の低下と寸法変化が著しくなる。一方、マトリック
スを高炭素マルテンサイトにするためにはオ−ステナイ
ト域から焼入れる必要があるが、焼入れ温度が７５０℃
未満であるとオ−ステナイト域からの焼入れが不可能と
なる。従って、焼入れ温度は９００〜７５０℃と定め
た。

【００２８】(E) 焼戻し処理 焼戻しは、焼入れによって生成した高炭素マルテンサイ
トに靭性を付与するため施される。ただ、焼戻温度につ
いては対象となる機器部材の使用温度によっても異なる
ので、一律に限定されるべきものではない。

【００２９】続いて、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】表１に示す如き成分組成の鋼を真空溶製し、
得られた鋳塊を熱間鍛造して各々直径２０mmの丸棒材を
製作した。次に、各丸棒材から機械加工により直径１５
mm，長さ２０mmの円柱（円盤）状試験片を作成し、表２
に示す条件の熱処理を施した。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】次いで、上記熱処理を施した各試験片につ
いて表面表面（表面下0.1mm）の硬度と表面部の炭化物
粒径を調査したが、これらの結果を表２に併せて示す。
表２に示される結果からも明らかなように、本発明で規
定する条件に従って製造された鋼材は何れも十分な表面
硬度を示すと共に、表面部に析出した炭化物径が十分に
細かくて機械構造用鋼に要求される良好な靱性を示すで
あろうことが確認される。これに対して、比較例及び従
来例では表面硬度が十分でないか、或いは表面部に析出
した炭化物径が粗大で十分な靱性を示さないことが窺え
る。

【００３３】

【効果の総括】以上に説明した如く、本発明によれば、
従来の高炭素浸炭法に指摘されていた炭化物粗大析出の
問題点が解消され、表面層に微細炭化物が高い濃度で析
出して優れた耐摩耗性と表層部靱性を示す耐摩耗鋼を安
定提供することができ、耐摩耗性が問題となる機械部品
の摺動部（ピストン，シリンダ−，歯車，継手部）等に
適用してその性能を一段と向上させることが可能となる
など、産業上極めて有用な効果がもたらされる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量割合にて Ｃ： 0.1〜 0.7％， Si： 2.0％以下， Cr： 1.0〜1
   7.0％，Ni： 5.0％以下 を含み、残部がFe及び不可避的不純物から成る鋼を、事
   前浸炭して表層の炭素量を〔共析点を超えＡcm変態点未
   満〕の範囲に調整した後空冷して該表層をパ−ライト又
   はベイナイト主体の組織とし、続いてこれに球状化焼鈍
   を施して表層部を〔フェライト＋球状化セメンタイト〕
   組織と成した後、７５０〜１０００℃の温度域で浸炭処
   理して表面の炭素量をＡcm変態点以上に調整し、引き続
   いて９００〜７５０℃より焼入れ処理してから焼戻し処
   理を施すことを特徴とする、耐摩耗鋼の製造方法。
2. 【請求項２】 重量割合にて Ｃ： 0.1〜 0.7％， Si： 2.0％以下， Cr： 1.0〜1
   7.0％，Ni： 5.0％以下， Mo： 5.0％以下 を含み、残部がFe及び不可避的不純物から成る鋼を、事
   前浸炭して表層の炭素量を〔共析点を超えＡcm変態点未
   満〕の範囲に調整した後空冷して該表層をパ−ライト又
   はベイナイト主体の組織とし、続いてこれに球状化焼鈍
   を施して表層部を〔フェライト＋球状化セメンタイト〕
   組織と成した後、７５０〜１０００℃の温度域で浸炭処
   理して表面の炭素量をＡcm変態点以上に調整し、引き続
   いて９００〜７５０℃より焼入れ処理してから焼戻し処
   理を施すことを特徴とする、耐摩耗鋼の製造方法。
3. 【請求項３】 重量割合にて Ｃ： 0.1〜 0.7％， Si： 2.0％以下， Cr： 1.0〜1
   7.0％，Ni： 5.0％以下 を含有すると共に、更に Nb：0.01〜 1.0％， Ｖ：0.01〜 1.0％ の１種又は２種をも含み、残部がFe及び不可避的不純物
   から成る鋼を、事前浸炭して表層の炭素量を〔共析点を
   超えＡcm変態点未満〕の範囲に調整した後空冷して該表
   層をパ−ライト又はベイナイト主体の組織とし、続いて
   これに球状化焼鈍を施して表層部を〔フェライト＋球状
   化セメンタイト〕組織と成した後、７５０〜１０００℃
   の温度域で浸炭処理して表面の炭素量をＡcm変態点以上
   に調整し、引き続いて９００〜７５０℃より焼入れ処理
   してから焼戻し処理を施すことを特徴とする、耐摩耗鋼
   の製造方法。
4. 【請求項４】 重量割合にて Ｃ： 0.1〜 0.7％， Si： 2.0％以下， Cr： 1.0〜1
   7.0％，Ni： 5.0％以下， Mo： 5.0％以下 を含有すると共に、更に Nb：0.01〜 1.0％， Ｖ：0.01〜 1.0％ の１種又は２種をも含み、残部がFe及び不可避的不純物
   から成る鋼を、事前浸炭して表層の炭素量を〔共析点を
   超えＡcm変態点未満〕の範囲に調整した後空冷して該表
   層をパ−ライト又はベイナイト主体の組織とし、続いて
   これに球状化焼鈍を施して表層部を〔フェライト＋球状
   化セメンタイト〕組織と成した後、７５０〜１０００℃
   の温度域で浸炭処理して表面の炭素量をＡcm変態点以上
   に調整し、引き続いて９００〜７５０℃より焼入れ処理
   してから焼戻し処理を施すことを特徴とする、耐摩耗鋼
   の製造方法。