JPH0559488A

JPH0559488A - 機械加工性の優れた析出硬化型高強度軟窒化用鋼

Info

Publication number: JPH0559488A
Application number: JP25035491A
Authority: JP
Inventors: Sakaki Akiba; 賢樹秋葉; Yoshitake Matsushima; 義武松島
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1991-09-02
Filing date: 1991-09-02
Publication date: 1993-03-09

Abstract

(57)【要約】【目的】軟窒化処理前には硬さがＨｖ250 未満で機械
加工が容易であり、軟窒化処理後は芯部硬さがＨｖ250
以上および表面硬さがＨｖ600 以上で、且つ0.2mm 以上
の有効硬化層深さを得て浸炭処理材並みの強度を有する
様な析出硬化型軟窒化用鋼を提供する。【構成】Ｃ：0.04〜0.4 ％，Ｓｉ：0.05〜0.5％，Ｍ
ｎ：0.4 〜２％，Ｎｉ：0.5 〜３％，Ａｌ：0.1 〜1.5
％，Ｖ：0.03〜0.3 ％を含有し、残部鉄および不可避不
純物からなる。また必要に応じてＴｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍ
ｏ，Ｓ，Ｎｂ，Ｂｉ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｚｒ，Ｃａ等を含有
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軟窒化処理前には機械
加工性に優れ、軟窒化処理後には浸炭処理材と同等以上
の強度特性を有する高強度軟窒化用鋼に関し、本発明に
係る軟窒化用鋼は、従来浸炭材が用いられていた産業機
械用部品のうち、例えば歯車，継手，シヤフト等の様に
熱処理時に歪が発生するのを嫌う部材に好適に利用でき
るものである。

【０００２】

【従来の技術】窒化法としては、アンモニアガス中で50
0 〜525 ℃で処理するガス窒化法が従来から行なわれて
きたが、この方法は50時間以上もの長時間を必要とする
ことから、窒化を短時間で処理できる方法として軟窒化
法が開発されている。軟窒化法は、開発当初溶融シアン
塩浴（約 570℃）を用い、該塩浴中に空気を吹き込みつ
つ処理するのが一般的な方法であったが、近年シアン化
合物を使用せずにＲＸガス（ＣＯ20％，Ｈ₂ 40％，Ｎ₂
40％の組成ガス）とＮＨ₃ ガスを50：50の割合で混合し
た雰囲気中で窒化を行なうガス軟窒化法も開発が進めら
れている。尚本発明に係る軟窒化用鋼は、いずれの軟窒
化法にも適用できるものである。

【０００３】ＪＩＳに規格化されている窒化鋼としては
ＳＡＣＭ645 があり、これ以外にもＳＣＭ435 等の合金
鋼や炭素鋼も窒化用鋼として使用されている。これらの
鋼を軟窒化処理すると、表層部に炭窒化物の化合物層が
生成すると共に、その内部に炭窒化物の析出および高濃
度の窒素が固溶した拡散層が生成して高い表面硬度が得
られる。また軟窒化処理は処理温度が低く、浸炭処理材
に比べて熱処理歪が小さいという特徴がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで軟窒化処理材
において浸炭処理材なみの強度を得るには、浸炭処理材
と同等の有効硬化層深さおよび芯部硬度にする必要があ
る。しかしながら軟窒化処理では処理温度が低いので、
ＪＩＳ規格鋼を使った場合、10時間の処理でも0.2mm 程
度の有効硬化層深さしか得られず、通常の窒化用鋼では
希望する有効硬化層深さは得られない。また軟窒化処理
後の芯部硬さを確保するには、Ｃ含有量を増したり、合
金元素量を調整して焼入性を上げ、ベイナイトまたはベ
イナイト＋マルテンサイトの組織にすれば良いと考えら
れている。しかしながらこの様にすると、軟窒化処理前
の機械加工が困難になるという不都合が生じる。逆に機
械加工を容易にする為に芯部硬度を低くすると、十分な
疲労強度が得られなくなってしまう。一般に軟窒化処理
前の機械加工時には、硬さがＨｖ250 未満でなければ機
械加工は困難であると言われている。

【０００５】本発明はこの様な事情に着目してなされた
ものであって、その目的は、軟窒化処理前にはＨｖ250
未満で機械加工が容易であり、軟窒化処理後は芯部硬さ
がＨｖ250 以上および表面硬さがＨｖ600 以上で、且つ
0.2mm 以上の有効硬化層深さを得て浸炭処理材並みの強
度を有する様な析出硬化型軟窒化用鋼を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明の軟窒化用鋼とは、Ｃ：0.04〜0.4 ％（重量％の意
味、以下同じ）、Ｓｉ：0.05〜0.5 ％，Ｍｎ：0.4 〜２
％，Ｎｉ：0.5 〜３％，Ａｌ：0.1 〜1.5 ％，Ｖ：0.03
〜0.3 ％を含有し、残部鉄および不可避不純物からなる
点に要旨を有するものである。本発明に係る軟窒化用鋼
は、上記の元素を基本成分とするものであるが、必要に
応じてＴｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｏ等を含有することも有効
であり、これらの元素を含有することによって軟窒化用
鋼の特性を高めることもできる。更に、Ｓ，Ｎｂ，Ｂ
ｉ，Ｔｅ，Ｓｅ，ＺｒおよびＣａよりなる群から選ばれ
る１種または２種以上を所定量含有することも有効であ
り、これらの添加は被削性改善に効果的である。

【０００７】

【作用】本発明者らは、上記目的を達成する為、鋼材の
組成と機械的特質の関係について検討を重ねた。本発明
ではまず、機械加工時（軟化処理前）には硬さがＨｖ25
0 未満であって機械加工が容易であり、且つ軟窒化処理
後には芯部硬さがＨｖ250 以上を達成することが当面の
第１目的となり、その為、軟窒化処理時に同時に時効硬
化が起きるようにしている。この時効硬化を発揮させる
ために、ＮｉおよびＡｌを添加し、更に大きな効果を得
たいときには必要によりＣｕやＴｉを添加する。これら
の添加によって、軟窒化処理時にＮｉＡｌ，Ｎｉ₃ Ａ
ｌ，Ｎｉ₃ Ｔｉ等の金属間化合物やＦｅ−Ｃｕ，Ｆｅ−
Ｔｉ，Ｃｕ−Ｎｉ等のε化合物を鋼中に微細に析出さ
せ、軟窒化後十分な芯部硬さを得る。一方軟窒化処理後
の表面硬さをＨｖ600 以上とする手段としては、Ｃｒ，
Ａｌ（必要により更にＴｉ）を添加し、軟窒化処理時に
Ｃｒ，Ａｌ，Ｔｉ等が窒化層中に表層部窒化物および炭
化物として析出し、より硬い表面硬化層を得る。更に、
0.2mm 以上の有効硬化層を得る手段として、Ｖを添加す
る。尚本発明に係る軟窒化用鋼を機械加工するに当たっ
ては、機械加工前に600 ℃以上に加熱して前熱処理を行
なうことが好ましく、これによって機械加工が容易にな
ると共に、軟窒化処理時の析出硬化をより効果的に発揮
できる。

【０００８】本発明に係る軟窒化用鋼における化学成分
限定理由は下記の通りである。Ｃ：0.04〜0.4 ％Ｃは芯部硬さを確保するために必要な元素であり、その
含有量が0.04％未満では十分な芯部硬さが得られない。
また0.4 ％を超えて過剰に添加すると、機械加工時の硬
さをＨｖ250 未満に抑制することができず、被削性が大
幅に低下する。Ｓｉ：0.05〜0.5 ％Ｓｉは脱酸剤として必要な元素であり、その効果を発揮
させる為には0.05％以上添加する必要がある。しかしな
がら過剰になると冷間鍛造性等の加工性が劣化するので
0.5 ％以下とすべきである。Ｍｎ：0.4 〜２％Ｍｎは脱酸剤として、また焼入性確保の為に0.4 ％以上
必要であるが、過剰に添加すると機械加工時の硬さをＨ
ｖ250 未満に抑制することができないので、２％以下と
する必要がある。

【０００９】Ｎｉ：0.5 〜３％ＮｉはＡｌと金属間化合物を形成し、析出硬化に必須の
元素であるが、過剰に添加すると硬くなり過ぎ、被削性
を劣化させるので、上記範囲とする必要がある。Ａｌ：0.1 〜1.5 ％ＡｌはＮｉと金属間化合物を形成し、析出硬化に必須の
元素であり、また軟窒化時に窒化物を形成して表面硬さ
を向上させる効果がある。これらの効果を発揮させる為
には、0.1 ％以上を添加する必要があるが、過剰に添加
すると加工性を害するので1.5 ％以下とする必要があ
る。Ｖ：0.03〜0.3 ％Ｖは有効硬化層深さを深めるのに有効であるが、過剰に
添加すると機械加工時の硬さが高くなり過ぎるので、0.
03〜0.3 ％の範囲とすべきである。

【００１０】本発明の軟窒化用鋼は、以上の元素を基本
成分とし、残部鉄および不可避不純物からなるものであ
るが、必要に応じてＴｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｏ等を含有し
てもよい。これらの元素の添加効果および適正な範囲は
下記の通りである。

【００１１】Ｔｉ：0.05〜１％Ｔｉはパーライト組織を減少させて硬度を下げるので被
削性を良好にし、またＮｉやＡｌ等の析出硬化元素との
同時添加によって析出硬化を促進する。これらの効果を
発揮させる為には、0.05％以上添加する必要があるが、
過剰に添加すると窒化性を阻害するので１％以下とすべ
きである。Ｃｕ：0.2 〜1.5 ％ＣｕはＦｅやＮｉと金属間化合物を形成し、析出硬化に
有効な元素であるが、過剰に添加すると熱間加工性を極
端に低下させるので0.2 〜1.5 ％の範囲とすべきであ
る。尚Ｃｕを添加する場合は、熱間脆性を促進するの
で、これを改善するにはＮｉとの比（Ｃｕ／Ｎｉ）を0.
5 以下とすべきである。即ちこの値より大きい場合に
は、鋼片表層部に残留していたＣｕ富有部の融点が低く
なり、熱間加工中に結晶粒間に浸潤して脆弱になり、熱
間加工時に割れが発生しやすくなる。

【００１２】Ｃｒ：２％以下Ｃｒは軟窒化処理時の窒素化合物の形成に寄与し、表面
硬さを上げるのに有効であるが、過剰になると機械加工
時の硬さをＨｖ250 未満に抑制することができないので
２％以下とすべきである。Ｍｏ：１％以下Ｍｏは軟窒化処理時に芯部硬さを上げるのに有効である
が、過剰になると機械加工時の硬さをＨｖ250 未満に抑
制することができないので１％以下とすべきである。

【００１３】本発明の軟窒化用鋼は、更にＳ：0.07％以
下，Ｐｂ：0.15％以下，Ｂｉ：0.15％以下，Ｔｅ：0.06
％以下，Ｓｅ：0.06％以下，Ｚｒ：0.12％以下，Ｃａ：
0.0005〜0.01％よりなる群から選ばれる１種または２種
以上を含有させることも有効であり、これらの元素は被
削性改善に有効である。またこれらの元素は、過剰に添
加すると熱間加工性や疲労特性に悪影響を及ぼすので上
記範囲とする必要がある。

【００１４】以下本発明を実施例によって更に詳細に説
明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもので
はなく、前・後期の趣旨に徴して設計変更することはい
ずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

【００１５】

【実施例】表１および表２に示す化学成分の試験片（直
径10mm）を作製し、発明鋼（No.1〜23) については950
℃×0.5時間（その後空冷）で溶体化処理を施し、1000
℃にてグリーブル試験を行ない、加工性（絞り値）を調
査し、その後下記条件で軟窒化処理を施し、その特性
（軟窒化処理前の芯部硬さ、軟窒化処理後の芯部および
表層部硬さ、並びに回転曲げ疲労強度等）を調査した。
また比較鋼および規格鋼（Ｎo.24〜33）については、90
0 ℃×0.5 時間（その後空冷）で焼ならしを行ない、以
下同様にして加工性および軟窒化処理後の特性を調査し
た。尚表２には浸炭用鋼（Ｎo.34）の組成についても示
し、この鋼の加工性、浸炭処理後の特性についても調査
した。また浸炭用鋼については、浸炭処理後900 ℃×３
時間の油焼入れを行なった後、180 ℃×２時間（その後
空冷）の焼戻しを行なった。（軟窒化処理条件） (1) 570 ℃×５時間（その後空冷） (2) 雰囲気ガス組成；ＮＨ₃ ：ＲＸ＝50：50

【００１６】

【表１】

【００１７】

【表２】

【００１８】その結果を表３および表４に示す。尚硬度
については、硬化層深さを比較するため、表面から0.6m
m の深さ（ｄ）まで0.05mm毎に測定した。また回転曲げ
疲労試験は、切欠き底の半径が0.8mm ，切欠き形状係数
αが2.0 の試験片を用いた。

【００１９】

【表３】

【００２０】

【表４】

【００２１】

【発明の効果】以上述べた如く本発明によれば、軟窒化
処理前には硬さがＨｖ250 未満で機械加工が容易であ
り、軟窒化処理後は芯部および表面層の硬さが十分で且
つ0.2mm以上の有効硬化層深さを得て浸炭処理材並みの
強度を有する様な析出硬化型軟窒化用鋼が得られた。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：0.04〜0.4 ％（重量％の意味、以下
同じ）、Ｓｉ：0.05〜0.5 ％，Ｍｎ：0.4 〜２％，Ｎ
ｉ：0.5 〜３％，Ａｌ：0.1 〜1.5 ％，Ｖ：0.03〜0.3
％を含有し、残部鉄および不可避不純物からなることを
特徴とする機械加工性の優れた析出硬化型高強度軟窒化
用鋼。
【請求項２】請求項１に記載の軟窒化用鋼において、
更にＴｉ：0.05〜１％を含有するものである軟窒化用
鋼。
【請求項３】請求項１または２に記載の軟窒化用鋼に
おいて、更にＣｕ：0.2 〜1.5 ％を含有し、且つＣｕ／
Ｎｉ≦0.5 である軟窒化用鋼。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の軟窒化
用鋼において、更にＣｒ：２％以下を含有するものであ
る軟窒化用鋼。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の軟窒化
用鋼において、更にＭｏ：１％以下を含有するものであ
る軟窒化用鋼。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の軟窒化
用鋼において、更にＳ：0.07％以下，Ｐｂ：0.15％以
下，Ｂｉ：0.15％以下，Ｔｅ：0.06％以下，Ｓｅ：0.06
％以下，Ｚｒ：0.12％以下，Ｃａ：0.0005〜0.01％より
なる群から選ばれる１種または２種以上を含有するもの
である軟窒化用鋼。