JPH0559526A

JPH0559526A - 耐摩耗性及び転動疲労性に優れた鋼の製造法

Info

Publication number: JPH0559526A
Application number: JP24062291A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Murai; 暢宏村井
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-08-27
Filing date: 1991-08-27
Publication date: 1993-03-09

Abstract

(57)【要約】【目的】靱性劣化を伴うことなく優れた表面硬度が確
保されていて、各種機器類の動力伝達部材等として十分
に満足できる“耐摩耗性”と“常温から３００℃の温度
域における転動疲労強度”を発揮する鋼部材の製造手段
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，Ｂ：0.0010〜0.0050％，
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、徐冷（炉冷等）によって該表層を〔フ
ェライト＋球状化セメンタイト〕組織とし、次いで７５
０〜１０００℃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てから９００〜７５０℃より焼
入れ処理し、更に焼戻し処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、各種機器類の動力伝
達部材用等として好適な“耐摩耗性”と“常温から３０
０℃の温度域での転動疲労強度”が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、例えば自動車産業界での
燃費向上施策等に見られるように各種機械，設備におけ
る使用部材の軽量化要請が高まっているが、これに応じ
るためには軽量化と同時に材料の高強度化も必要とな
る。特に、動力伝達部材の場合には軽量化に伴って部材
が負担する応力は相応に大きくなるので、材料の高強度
化は一層重要な要件となってくる。

【０００３】ところで、従来から知られている“鋼材料
の高強度化に有効な熱処理手段”の１つに「浸炭処理」
があるが、この浸炭処理は鋼の表面硬化法の１種であ
り、鋼部材の耐摩耗性，曲げ疲労強度，転動疲労強度の
向上に効果的である。しかしながら、通常の浸炭処理で
は、上記諸特性改善に有効な「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”のみに依存しているか
らであり、通常の浸炭によって得られる表面硬度はビッ
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Ｃを多量
に浸透拡散させて鋼の表面部に炭化物を析出させる“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、鋼の表面硬
度をＨv ８５０〜９００程度にまで上昇させることが可
能である。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浸炭
雰囲気のカ−ボンポテンシャル(C.P）を高くし、固溶限
を超えてオ−ステナイト中へＣを侵入させることにより
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あ
って鋼の靱性低下を招き、転動疲労寿命等にも悪影響を
及ぼすこと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、何れも動力伝達部材用鋼等の製造手段としては
好ましいとは言えなかった。

【０００６】このようなことから、本発明が目的とした
のは、靱性劣化を伴うことなく優れた表面硬度が確保さ
れていて、各種機器類の動力伝達部材等として十分に満
足できる“耐摩耗性”と“常温から３００℃の温度域に
おける転動疲労強度”を発揮する鋼部材の製造手段を確
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、１２０〜３００℃の温度域においても高い転動疲労
寿命を確保すると共に靱性を劣化させないためには、高
炭素浸炭処理に当ってオ−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、それ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Ｍ₃Ｃ型の場合には、前組織にＭ₃Ｃ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徐冷により球状化する
手法が実際上有利である。

【００１１】d) 従って、中，低炭素軸受鋼を事前浸炭
して表層部を高炭素化してから炉冷等により徐冷して
〔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
著に上昇して耐摩耗性が改善される上、前記炭化物の微
細分散析出により転動疲労寿命も向上する。

【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， Cr：1.0 〜17.0％， Ni：5.0
％以下，Ｂ：0.0010〜0.0050％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、徐冷
（炉冷等）によって該表層を〔フェライト＋球状化セメ
ンタイト〕組織とし、次いで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
してから９００〜７５０℃より焼入れ処理し、更に焼戻
し処理を施すことにより、耐摩耗性及び常温から３００
℃の温度域での転動疲労強度に優れた鋼を安定提供し得
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、事前浸炭
に次ぐ徐冷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。徐冷後の組織は〔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。 (A) 鋼の化学成分組成ＣＣ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き機械部品
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、やはり機械部品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、それ故に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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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しており、この作用を通じて
転動疲労強度を向上させる効果を発揮するが、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含有量については 5.0％以
下と定めた。

【００１８】ＢＢには浸炭部の靱性を向上させる作用があるが、その含
有量が0.0010％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、0.0050％を超えて含有させてもそれ
以上の向上効果が認められないことから、Ｂ含有量は0.
0010〜0.0050％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転動疲労の向上効果
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
摩耗性と転動疲労寿命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転動疲労寿命の
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) 前処理（事前浸炭−徐冷処理）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
も析出核を溶解させずに安定に残しておくことにある。
前述したように、炭化物析出浸炭の際、事前浸炭により
得られた析出核は溶解してはならない。これらの核が溶
解した場合には炭化物の析出が結晶粒界から生じるよう
になり、機械的性質が大幅に劣化する。そして、共析点
未満の浸炭を行っても、生成した核は炭化物析出浸炭中
に安定して残存しない。

【００２３】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徐冷で行われる
ためこの事前浸炭処理において析出させる必要はない。

【００２４】事前浸炭後の徐冷（炉冷等）は、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。このような前組織を形成してお
くことにより、炭化物析出浸炭時に結晶粒内に球状炭化
物が微細分散析出して、優れた耐摩耗性，靱性を発揮す
るようになる。

【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転動疲労強度，
耐摩耗性を向上させるために施される。なお、上述のよ
うに転動疲労強度，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，転動疲労
強度を劣化させる。従って、浸炭処理温度は７５０〜１
０００℃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。この場合、焼戻し温
度は特に限定されるものではないが、使用温度よりも５
０〜１００℃高い温度で行うことが望ましい。

【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７０mmと直径２０
mm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６０mm，厚さ７mmの円盤状試験片」と「直径
１５mm，長さ（厚さ）２０mmの試験片」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「直径６０m
m，厚さ７mmの円盤状試験片」の表面を鏡面研磨した
後、各々について転動疲労試験（スラスト式）を行っ
た。なお、試験条件は接触応力：５６０kgf/mm², 油温：２５０℃，鋼球： 3/8″適正仕上軸受鋼に設定した。

【００３３】一方、「直径１５mm，長さ２０mmの試験
片」にて表面（表面下 0.1mm）の硬度と表面部の炭化物
粒径を調査した。

【００３４】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では、何れも優れた耐摩耗
性を裏付ける高い表面硬度を有すると共に、２５０℃と
いう温間での転動疲労寿命が何れも従来品に比べ顕著に
向上していることが確認できる。これは、炭化物析出浸
炭に先立ち、事前浸炭によりＣ量調整を行った素地から
炉冷により炭化物が微細分散した前組織を形成しておい
た場合には、炭化物析出浸炭によって生じる炭化物がよ
り球状となって均一微細に分散することとなり、温間で
の転動疲労寿命の大幅な改善につながったものと考えら
れる。また、本発明に係わる鋼材は何れも高炭素浸炭用
鋼として提案された「試験番号19」に係わる鋼材よりも
炭化物が細かく分散しており、表層部の靱性も優れてい
るであろうことが確認される。

【００３５】

【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
出して優れた転動疲労寿命，耐摩耗性，表層部靱性を示
す鋼材を安定提供することができ、各種機器類の動力伝
達部材等に適用してその性能・寿命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

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量割合にてＣ：0.1 〜0.7 ％， Si：2.0 ％以下， Cr：1.0
〜17.0％， Ni：5.0 ％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、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、徐冷によって該表層を〔フェ
ライト＋球状化セメンタイト〕組織とし、次いで７５０
〜１０００℃の温度域で浸炭処理して表面の炭素量をＡ
cm変態点以上に調整してから９００〜７５０℃より焼入
れ処理し、更に焼戻し処理を施すことを特徴とする、耐
摩耗性及び常温から３００℃の温度域での転動疲労強度
に優れた鋼の製造法。
【請求項２】重量割合にてＣ：0.1 〜0.7 ％， Si：2.0 ％以下， Cr：1.0
〜17.0％， Ni：5.0 ％以下，Ｂ：0.0010〜0.0050％， M
o：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、徐冷によって該表層を〔フェ
ライト＋球状化セメンタイト〕組織とし、次いで７５０
〜１０００℃の温度域で浸炭処理して表面の炭素量をＡ
cm変態点以上に調整してから９００〜７５０℃より焼入
れ処理し、更に焼戻し処理を施すことを特徴とする、耐
摩耗性及び常温から３００℃の温度域での転動疲労強度
に優れた鋼の製造法。
【請求項３】重量割合にてＣ：0.1 〜0.7 ％， Si：2.0 ％以下， Cr：1.0
〜17.0％， Ni：5.0 ％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、徐冷によっ
て該表層を〔フェライト＋球状化セメンタイト〕組織と
し、次いで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てから９００〜
７５０℃より焼入れ処理し、更に焼戻し処理を施すこと
を特徴とする、耐摩耗性及び常温から３００℃の温度域
での転動疲労強度に優れた鋼の製造法。
【請求項４】重量割合にてＣ：0.1 〜0.7 ％， Si：2.0 ％以下， Cr：1.0
〜17.0％， Ni：5.0 ％以下，Ｂ：0.0010〜0.0050％， M
o：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、徐冷によっ
て該表層を〔フェライト＋球状化セメンタイト〕組織と
し、次いで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てから９００〜
７５０℃より焼入れ処理し、更に焼戻し処理を施すこと
を特徴とする、耐摩耗性及び常温から３００℃の温度域
での転動疲労強度に優れた鋼の製造法。