JPH0559525A - 耐摩耗鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 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： 0.7〜 1.5％，Si： 2.0％以下，Cr：
1.0〜６％，Ni： 3.0％以下，を含むか、或いは更に Ｂ：0.0010〜0.0050％, Mo： 1.5％以下, Nb：0.01
〜 1.0％， Ｖ：0.01〜 1.0％ の１種以上をも含み、残部がFe及び不可避的不純物から
成る鋼を球状化焼鈍した後、７５０〜１０００℃の温度
域で浸炭処理し、引き続いて９００〜７５０℃から焼入
れ処理し、この後焼戻し処理とを施す。

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、母材が所要の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
物の微細化手段を求めて、「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。つまり、「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) 浸炭時に炭化物を粒界に析出させることなく粒内に
分散して析出させる核としては“浸炭時に析出する炭化
物の結晶構造と同じもの”が最も良く、核としてこのよ
うなものを選ぶことが析出サイトを最も有効に働かせる
手立てとなる。従って、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) そして、高炭素鋼の場合には炭化物析
出浸炭の前組織として球状化焼鈍組織を利用することが
でき、該組織の球状化した炭化物は浸炭による炭化物の
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。

【００１０】c) 勿論、前記核は浸炭中にマトリックス
中へ完全に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完全に溶解すると浸炭による炭化物
の析出は粒界で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。それ故、
浸炭の前組織として球状化焼鈍組織を利用する場合に
は、球状化焼鈍炭化物が完全に溶解することのない "温
度−時間バランス" で浸炭処理を行うことが要求され
る。なお、図１は、直径約１μｍの炭化物を有するＳＵ
Ｊ２鋼の球状化焼鈍組織の溶解曲線を示している。この
溶解曲線を境界として、その下方領域の“温度−時間バ
ランス”では球状化焼鈍炭化物は完全に溶解せずに一部
残存するが、その常法領域では浸炭中に球状化焼鈍炭化
物は消失し、炭化物の微細析出は不可能となる。

【００１１】d) 従って、高炭素鋼をベ−スにし、その
球状化焼鈍炭化物を炭化物析出の核として利用しつつ炭
化物析出浸炭を行い鋼表面の粒内に炭化物を微細に析出
させると、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】e) ただ、球状化焼鈍炭化物を核として利
用し、浸炭によって供給されるＣを炭化物としてオ−ス
テナイト粒内に分散した核に析出させても、実際にはオ
−ステナイト粒界にも微量に炭化物が析出するのを防止
することは困難である。この量は、核が全く無い時に比
べると大きく減少はするが、強度に対する多少の影響を
免れることはできない。しかしながら、鋼成分として適
量のＢを添加した高炭素Ｂ鋼をベ−スにした場合には、
粒界の有害な析出炭化物をより一層減少させることが可
能となり、一段と優れた強度及び靱性の向上効果を確保
できるようになる。

【００１３】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： 0.7〜 1.5％（以降、 成分割合を表わす％は重量
％とする), Si： 2.0％以下， Cr： 1.0〜６％， Ni： 3.0％
以下を含むか、 或いは更に Ｂ：0.0010〜0.0050％, Mo： 1.5％以下, Nb：0.01
〜 1.0％， Ｖ：0.01〜 1.0％ の１種以上をも含み、 残部がFe及び不可避的不純物から
成る鋼を球状化焼鈍した後、 ７５０〜１０００℃の温度
域で浸炭処理し、 引き続いて９００〜７５０℃から焼入
れ処理し、 この後焼戻し処理とを施すことにより、 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。

【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 本発明では鋼のオ−ステナイト領域において炭化物析出
焼鈍が行われるが、そのため高温のオ−ステナイト領域
で析出核として利用する球状化焼鈍炭化物を安定に残存
させておく必要がある。そして、Ｃには析出核となる球
状化炭化物を高温のオ−ステナイト領域で安定させる作
用があるので、その作用を利用すべく添加されるが、Ｃ
含有量が 0.7％未満では亜共析組織となってオ−ステナ
イト領域での球状化焼鈍炭化物の安定性が十分でなくな
る。ところが、一方、Ｃには鋼の鋳造過程で中心に粗大
炭化物の中心偏析を助長し、製品の機械的性質を劣化さ
せる作用もある。そして、 1.5％を超えてＣを含有させ
ると前記粗大炭化物が中心に残存し、熱処理によっても
消失が困難になる。従って、Ｃ含有量は 0.7〜 1.5％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うことか
ら、浸炭によって十分に微細化した球状炭化物を得るこ
とができなくなる。一方、Crは共晶点を低炭素側に移動
させ、Ｃ量によっては鋳造の際の粗大炭化物の中心偏析
を助長して製品の機械的性質を劣化させる作用もあり、
本発明のＣ含有量範囲では、Cr含有量が６％を超えると
熱処理によっても消失が困難な粗大炭化物の中心偏析を
避け難くなる。従って、Cr含有量は 1.0〜６％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 3.0％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3.0 ％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、1.5％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 1.5％以下と定めた。

【００２０】Nb及びＶ Nb並びにＶには、何れも浸炭処理中にＣと結合してＭＣ
型の特殊炭化物を形成し、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％を超えて含有させても靱性向上効果が飽和し
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 Ｂは、浸炭処理時に粒界へ炭化物が析出するのを阻止
し、機械構造用鋼として望まれる靱性の向上効果を発揮
するので必要により含有せしめられるが、その含有量が
0.0010％未満であると上記効果が十分でなく、一方、0.
0050％を超えて含有させても靱性向上効果は飽和するこ
とから、Ｂ含有量は0.0010〜0.0050％と定めた。

【００２２】(B) 球状化焼鈍 球状化焼鈍は、浸炭処理の際の炭化物析出の析出サイト
となる核を形成するために必要不可欠な熱処理であり、
浸炭処理後の鋼表面に炭化物を球状，微細に分散析出さ
せる作用がある。従って、球状化焼鈍処理と浸炭処理の
間に球状化焼鈍組織（特に炭化物の形態）を根本的に変
える熱処理を行うべきでない。但し、機械加工，冷間鍛
造，フェライト・パ−ライト域での軟化焼鈍等は球状化
焼鈍組織の炭化物の形態を大幅に変えるものでもないの
で、これらの処理については球状化焼鈍後、浸炭処理前
に行うことができる。

【００２３】(C) 浸炭処理 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にかつ微細に析出させ、鋼表
面部の硬度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を向上させるには
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、マトリックスを高炭素マル
テンサイトにする必要がある。そして、この高炭素マル
テンサイトを得るためにはＣ固溶度が大きいオ−ステナ
イト領域で浸炭しなければならない。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を劣化させ
る。従って、浸炭処理温度は７５０〜１０００℃と定め
た。

【００２４】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限定する必要はない。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。

【００２５】(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。

【００２６】(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。

【００２７】続いて、本発明の効果を実施例により更に
具体的に説明する。

【実施例】表１及び表２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直径２０mmの丸棒
材を製作した。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】次いで、試験番号31及び32を除く全ての鋼
については、球状化焼鈍を施してから機械加工により直
径１５mm，厚さ２０mmの丸棒とし、その後浸炭焼入れ,
焼戻しを行って硬度試験片とした。なお、この際の“浸
炭焼入れ”は、９００℃×１０hrで浸炭し、８５０℃か
ら２０℃の油中に焼入れした。また、“焼戻し”は１７
０℃×２hrで行った。

【００３１】一方、試験番号31の鋼については、上記寸
法の丸棒材にまずカ−ボンポテンシャル(C.P): 0.8％で
予備浸炭を施して冷却し、この後再度浸炭して表層部に
炭化物を析出させた後、１７０℃×２hrで焼戻して硬度
試験片とした。また、試験番号32の鋼については、前記
寸法の丸棒材に通常浸炭を施して硬度試験片とした。な
お、通常浸炭は、９３０℃×５hrにて C.Pを0.8 として
表面に炭化物が析出しない条件で実施した。

【００３２】そして、上記核試験片について表面（表面
下 0.1mm）の硬度を測定したが、これらの結果を表１及
び表２に併せて示した。表１及び表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良好な靱性を
示すであろうことが確認される。

【００３３】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、特に従来例
31では表面硬度は高いものの析出炭化物が粗大化してお
り、また従来例32では表面硬度が低い上に析出炭化物も
著しく粗大なものとなっていることが分かる。

【００３４】

【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（ピストン外面，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。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＳＵＪ２鋼の球状化炭化物の溶解度曲線であ
る。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量割合にて Ｃ： 0.7〜 1.5％， Si： 2.0％以下， Cr： 1.0
   〜６％， Ni： 3.0％以下 を含み、残部がFe及び不可避的不純物から成る鋼を球状
   化焼鈍した後、７５０〜１０００℃の温度域で浸炭処理
   し、引き続いて９００〜７５０℃から焼入れ処理し、こ
   の後焼戻し処理と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： 0.7〜 1.5％， Si： 2.0％以下， Cr： 1.0
   〜６％， Ni： 3.0％以下， Mo： 1.5％以下 を含み、残部がFe及び不可避的不純物から成る鋼を球状
   化焼鈍した後、７５０〜１０００℃の温度域で浸炭処理
   し、引き続いて９００〜７５０℃から焼入れ処理し、こ
   の後焼戻し処理と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： 0.7〜 1.5％， Si： 2.0％以下， Cr： 1.0
   〜６％， Ni： 3.0％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
   成る鋼を球状化焼鈍した後、７５０〜１０００℃の温度
   域で浸炭処理し、引き続いて９００〜７５０℃から焼入
   れ処理し、この後焼戻し処理と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： 0.7〜 1.5％， Si： 2.0％以下， Cr： 1.0
   〜６％， Ni： 3.0％以下， Mo： 1.5％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
   成る鋼を球状化焼鈍した後、７５０〜１０００℃の温度
   域で浸炭処理し、引き続いて９００〜７５０℃から焼入
   れ処理し、この後焼戻し処理とを施すことを特徴とす
   る、耐摩耗鋼の製造方法。
5. 【請求項５】 重量割合にて Ｃ： 0.7〜 1.5％， Si： 2.0％以下， Cr： 1.0
   〜６％， Ni： 3.0％以下， Ｂ：0.0010〜0.0050％ を含み、残部がFe及び不可避的不純物から成る鋼を球状
   化焼鈍した後、７５０〜１０００℃の温度域で浸炭処理
   し、引き続いて９００〜７５０℃からの焼入れ処理し、
   この後焼戻し処理とを施すことを特徴とする、耐摩耗鋼
   の製造方法。
6. 【請求項６】 重量割合にて Ｃ： 0.7〜 1.5％， Si： 2.0％以下， Cr： 1.0
   〜６％， Ni： 3.0％以下， Ｂ：0.0010〜0.0050％， M
   o： 1.5％以下 を含み、残部がFe及び不可避的不純物から成る鋼を球状
   化焼鈍した後、７５０〜１０００℃の温度域で浸炭処理
   し、引き続いて９００〜７５０℃から焼入れ処理し、こ
   の後焼戻し処理とを施すことを特徴とする、耐摩耗鋼の
   製造方法。
7. 【請求項７】 重量割合にて Ｃ： 0.7〜 1.5％， Si： 2.0％以下， Cr： 1.0
   〜６％， Ni： 3.0％以下， Ｂ：0.0010〜0.0050％ を含有すると共に、更に Nb：0.01〜 1.0％， Ｖ：0.01〜 1.0％ の１種以上をも含み、残部がFe及び不可避的不純物から
   成る鋼を球状化焼鈍した後、７５０〜１０００℃の温度
   域で浸炭処理し、引き続いて９００〜７５０℃から焼入
   れ処理し、この後焼戻し処理とを施すことを特徴とす
   る、耐摩耗鋼の製造方法。
8. 【請求項８】 重量割合にて Ｃ： 0.7〜 1.5％， Si： 2.0％以下， Cr： 1.0
   〜６％， Ni： 3.0％以下， Ｂ：0.0010〜0.0050％， M
   o： 1.5％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
   成る鋼を球状化焼鈍した後、７５０〜１０００℃の温度
   域で浸炭処理し、引き続いて９００〜７５０℃から焼入
   れ処理し、この後焼戻し処理とを施すことを特徴とす
   る、耐摩耗鋼の製造方法。