JPH0718379A - 耐焼付性及び疲労強度に優れた機械構造用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 重量比で、C:0.22〜0.55% 、Si:0.05 〜0.80
% 、Mn:0.50 〜1.50% 、P:0.025%以下、S:0.04〜0.08%
、Ni:0.15%以下、Cr:0.15%以下、Mo:0.05%以下、Cu:0.
15%以下，Al:0.002〜0.018%、Ti:0.0030%以下、V:0.01
〜0.06% 、Nb:0.0030%以下、B:0.0005% 以下、N:0.0080
〜0.0200% と、必要に応じてCa:0.0010 〜0.0120% 、P
b:0.04 〜0.40% 、Bi:0.05 〜0.50% 、Te:0.05 〜0.35%
、Se:0.05 〜0.35% の１種以上を含有し、かつNi+Mo+C
u≦0.25% 、Ti+Nb+B ≦0.0040% であり、残部がFeおよ
び不純物元素からなる鋼に軟窒化処理を施し、表面に平
均で12μm 以上の化合物層を有することを特徴とする。 【効果】 耐焼付性、疲労強度が共に優れているので、
高い外力とともに、高い面圧が負荷される部位に用いる
と、従来より高応力設計が可能となり、軽量化に大きく
寄与することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、クランクシャフト、ギ
ヤシャフト等、大きな外力と高い面圧を受けるため、優
れた耐焼付性と疲労強度が要求される部位への使用に適
した機械構造用鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】クランクシャフト、ギヤシャフト等のシ
ャフト類の部品においては、高い面圧と外力が負荷され
るため、優れた耐焼付性、疲労強度が要求される。従
来、これらの部品に対しては、炭素含有率が0.40〜0.55
% の中炭素鋼、SCr440、SCM435、SCM440等のCr鋼、Cr-M
o 鋼等の合金鋼及び前記炭素鋼にＶ等を添加した非調質
鋼等に軟窒化処理を施した鋼が使用されており、軟窒化
処理によって表面硬度を高め、高い面圧に耐えられるよ
うにしている。

【０００３】また、軟窒化用鋼に関する既に出願済の先
願としては、特開昭59-16949号公報記載の発明がある。
この発明は、C:0.15〜0.50% 、Si:1.20%以下、Mn:0.60
〜1.30% 、Cr:0.20%未満、V:0.02〜0.05% 未満、sol.A
l:0.10%以下、N:0.006 〜0.015%を含有し、残部Feと不
純物元素からなることを特徴とするものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、機械部品、自動
車等は急速に高性能化が進められ、特にクランクシャフ
ト、ギヤシャフト等のシャフト類の部品に対しては、以
前に比べ高い面圧と外力の負荷に耐えられることが要求
されている。この要求に対し、重量増や部品のサイズア
ップを行うことにより対応することは技術的に容易であ
るが、軽量化の要請が極めて強くなってきているため、
部品の高強度化により、できるだけ重量増加を行わずに
対応できる技術が要求されている。しかしながら、従来
鋼をそのまま用いることは強度不足となるため、実施不
可能である。以下に問題となる内容を詳細に説明する。

【０００５】前記した炭素鋼、合金鋼、非調質鋼等に軟
窒化処理を施すと、表面にFeの窒化物(Fe₃N 、Fe₄N等)
、Cr窒化物、Al窒化物等の窒化物の析出した化合物層
（ナイタールで腐食すると白く観察される層）が形成さ
れる。この化合物層は優れた耐焼付性を得るために必要
不可欠な層である。

【０００６】JIS S40C〜S55C等の中炭素鋼の場合、十分
な厚さの化合物層が形成されるため、優れた耐焼付性を
得ることができるが、高い疲労強度を得ることができな
い。また、SCr440等の合金鋼の場合には、軟窒化処理後
の化合物層の厚さが薄いために優れた耐焼付き性が得ら
れない欠点がある。特に軟窒化後、研削、研磨等により
化合物層が一部除去される場合には、決定的に耐焼付性
が低下する。さらに、合金鋼の場合、疲労破壊の起点部
位となる化合物層の靱性が低いため、高い疲労強度の要
求を満足することができない。

【０００７】また、前記公報に記載の発明は、最表層で
ある化合物層を含めた硬化表面層の延性向上を目的とし
て開発された軟窒化用鋼であるが、前記したような化合
物層の厚みに関しては何ら検討されていないものであ
る。

【０００８】本発明は、機械部品、自動車等のシャフト
類の部品に対して使用される従来鋼の前記のごとき問題
点に鑑みてなされたものであって、必要な化合物層の厚
さが確保でき、耐耐焼付性、疲労強度の共に優れた機械
構造用鋼を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、優れた耐焼
付性を得るために、軟窒化処理によって生成される化合
物層の厚さと各種化学成分との関係について調査した。
その結果、化合物層の厚みを増すためには、Ni、Cu、M
o、V の含有率を可能な限り低減することが有効である
ことをつきとめた。

【００１０】しかし、前記元素のうちV については、鋼
中で窒化物となって、フェライト・パーライト組織を強
化して疲労強度向上に大きな効果を有することから、簡
単に含有率を下げることはできない。そこで、低いV 含
有率でより大きな疲労強度向上効果を得るために、前記
窒化物生成の阻害となるTi、Nb、B 含有率についても厳
しく規制した。この規制によって、V 含有率の上限を0.
06% に抑えることができ、化合物層の厚みへの影響を小
さく抑えることができるとともに、V 添加によりもたら
される化合物層の靱性低下も防止することができた。

【００１１】化合物層の靱性については、前記V の他、
Crについても上限を厳しく規制し、さらにAlもSACM645
や特開昭59-16949号公報記載の鋼等の従来の軟窒化鋼に
比して著しく低減することによって、その劣化を防止
し、疲労強度への悪影響を抑えることができた。

【００１２】以上の検討により得られた本発明の機械構
造用鋼は、重量比で、C:0.22〜0.55% 、Si:0.05 〜0.80
% 、Mn:0.50 〜1.50% 、P:0.025%以下、S:0.04〜0.08%
、Ni:0.15%以下、Cr:0.15%以下、Mo:0.05%以下、Cu:0.
15%以下，Al:0.002〜0.018%、Ti:0.0030%以下、V:0.01
〜0.06% 、Nb:0.0030%以下、B:0.0005% 以下、N:0.0080
〜0.0200% を含有し、かつNi+Mo+Cu≦0.25% 、Ti+Nb+B
≦0.0040% であり、残部がFeおよび不純物元素からなる
鋼に軟窒化処理を施し、表面に平均で12μm 以上の化合
物層を有することを特徴とし、第２発明は、第１発明の
鋼にCa:0.0010 〜0.0120% 、Pb:0.04 〜0.40% 、Bi:0.0
5 〜0.50% 、Te:0.05 〜0.35% 、Se:0.05〜0.35% の１
種又は２種以上を添加して被削性を向上させたものであ
る。

【００１３】

【作用】本発明は、Ni、Cu、Mo含有率の上限を厳しく規
制し、V 添加量を必要最小限に抑えたので、軟窒化処理
後に優れた耐焼付性を得るに十分な厚さの化合物層を得
ることができた。また、Ti、Nb、B の含有率を厳しく規
制してV の窒化物形成を阻害する元素の低減を図ったの
で、低いV 含有率で高い疲労強度を得ることができた。

【００１４】次に、本発明の鋼の組成範囲を限定した理
由について以下に説明する。 C:0.22〜0.55% C は必要な内部硬さを確保するため、0.22% 以上含有さ
せることが必要である。しかし、0.55% を越えて含有す
ると、化合物層の靱性を低下させるため、上限を0.55%
とした。

【００１５】Si:0.05 〜0.80% Siは鋼中に固溶し、必要な内部硬さを確保するのに有効
な元素であり、0.05%以下では効果が不十分であるため
下限を0.05% とした。しかし、0.80% を越えて含有させ
ると、化合物層の厚さを低下させるため上限を0.80% と
した。

【００１６】Mn:0.50 〜1.50% Mnは製鋼時の溶鋼の脱酸と基地を強化するために必要な
元素であって、前記効果を得るためには、少なくとも0.
50% 以上含有させる必要がある。しかし、1.50% を越え
て含有させると、化合物層の靱性が低下するため、上限
を1.50% とした。

【００１７】P:0.025%以下 P は芯部組織の靱性を低下する有害な元素であるので、
可及的に少ない方が望ましく、上限を0.025%とした。

【００１８】S:0.040 〜0.080% S は鋼中でMnS となってフェライトの析出核となり、内
部組織の微細化による疲労強度の向上のために必要な元
素である。含有率が0.040%未満ではその効果が少ないた
め、下限を0.040%とした。しかし、0.080%を越えると内
部組織の靱性を低下させるため上限を0.080%とした。

【００１９】Ni:0.15%以下 Niは化合物層の厚さ及び靱性を低下させる元素であり、
できるだけ低減することが望ましく、上限を0.15% とし
た。 Cr:0.15%以下 Crは、窒化後の表面硬さを高める効果のある元素である
が、表面の硬さが高くなる反面、化合物層の靱性は低下
して疲労強度に悪影響を及ぼし望ましくない。従って、
本発明においてはできるだけ低減することが望ましく、
上限を0.15% とした。

【００２０】Mo:0.05%以下、Cu:0.15%以下 Mo、Cuは化合物層の厚さ及び靱性を低下させる元素であ
り、Niと同様にできるだけ低減することが望ましく、上
限をMoは0.05% 、Cuは0.15% とした。

【００２１】Al:0.002〜0.018% Alは造塊時の脱酸のために必要な元素であり、0.002%未
満の含有では十分な脱酸効果が得られないため、下限を
0.002%とした。しかし、0.018%を越えてAlを添加する
と、化合物層の靱性低下及び、硬化層硬さの増大による
硬化層の靱性が低下して疲労強度が低下するので、これ
を防止するために上限を0.018%に規制した。

【００２２】V:0.01〜0.06% V は、フェライト・パーライト組織のフェライト強化に
よる疲労強度向上に必要な元素である。また、V は窒素
と結びつき鋼中で窒化物となって存在することにより、
フェライト・パーライト組織を強化し疲労強度を上昇さ
せる効果がある。前記効果を得るためには0.01% 以上の
含有が必要である。しかし、0.06% を越える添加をする
と、化合物層及び硬化層の靱性が極度に低下するととも
に、化合物層厚さが薄くなって耐焼付性が低下するた
め、上限を0.06% とした。

【００２３】Ti:0.0030%以下、Nb:0.0030%以下、B:0.00
05% 以下 Ti、Nb、B は前述の疲労強度を向上させるために必要な
V窒化物の形成に害のある元素でありできるだけ低減す
ることが望ましく、上限をTi、Nbは0.0030% 、B は0.00
05% に規制する必要がある。

【００２４】N:0.0080〜0.0200% 窒素はV と結びついて V窒化物を形成し、フェライト・
パーライト組織を強化し疲労強度向上に効果のある元素
である。前記効果を得るためには0.0080% 以上含有させ
ることが必要である。しかし、0.0200% を越えて添加し
てもその効果は飽和するとともに、靱性の低下をもたら
すため、上限を0.0200% とした。

【００２５】Ni+Mo+Cu≦0.25% 化合物層の厚さは主としてNi、Mo、Cuの含有率に左右さ
れ、これらの元素の含有率が高いほど厚さが薄くなる。
本発明では、優れた耐焼付性を得るため、従来鋼である
S40C〜S55C等の中炭素鋼の化合物層と同等の化合物厚さ
を確保する必要があるため、これら元素の合計含有率の
上限を0.25% とした。

【００２６】Ti+Nb+B≦0.040% フェライト・パーライト組織を強化し疲労強度を上昇さ
せる V窒化物の量は、V 、N の含有率によっても勿論変
化するが、前記窒化物の生成を阻害するTi、Nb、B の含
有率による影響が大きい。従って、必要な V窒化物量を
確保するためには、これらの元素の合計含有率を0.040%
以下にする必要がある。

【００２７】Ca:0.0010 〜0.0120% 、Pb:0.04 〜0.40%
、Bi:0.05 〜0.50% 、Te:0.05 〜0.35% 、Se:0.05 〜
0.35% のうち１種以上 Ca、Pb、Bi、Te、Seは被削性を向上するために必要に応
じて添加することができる元素である。Ca:0.0010 〜0.
0120% 、Pb:0.04 〜0.40% 、Bi:0.05 〜0.50%、Te:0.05
〜0.35% 、Se:0.05 〜0.35% のうち１種以上を添加す
ることにより、第１発明鋼のもつ耐焼付性と疲労強度を
劣化することなく、被削性を向上させることができる。
各元素について上下限値を設けたのは、下限値未満の含
有では目的の効果が得られないためであり、上限値を越
えて多く含有させると、熱間加工性や靱性の低下をまね
くためである。

【００２８】以上説明した各成分が添加された鋼に軟窒
化処理を施して、表面の化合物層の平均厚さを12μm 以
上とすることにより、優れた耐焼付性と疲労強度を有す
る機械構造用鋼を製造することができる。なお、本発明
の鋼は、前記したように化合物層の厚さを考慮した成分
設計がされているので、容易に12μm 以上の化合物層厚
さを得ることができる。

【００２９】

【実施例】本発明の特徴を比較鋼、従来鋼と対比して実
施例により明らかにする。表１は実施例として用いた供
試鋼の化学成分を示すものである。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１において、１〜８鋼は本発明鋼で、１
〜３鋼は第１発明、４〜８鋼は第２発明に該当する鋼で
ある。また、９〜17鋼は一部の元素含有率が本発明の範
囲外である比較鋼であり、18、19鋼は従来鋼であるS53
C、SCM440である。表１に示す化学成分からなる本発明
鋼、比較鋼および従来鋼を電気炉にて溶製し、分塊圧延
後、熱間圧延した鋼材を用い、熱間鍛造にて直径60mmの
丸棒形状に鍛造した後、空冷したものを供試材として、
それらを機械加工して各種試験片を作製した。その後、
温度 580℃、加熱保持時間７時間、加熱後水冷の条件で
ガス軟窒化処理を施し、後述する方法で、化合物層の厚
さ、耐焼付性、疲労強度について評価した。

【００３２】以下に評価方法について説明する。耐焼付
性は、表面粗さ0.5mmRz に仕上げられたφ20の試験片を
軸として用い、これを軸受内に通し、面圧を負荷した状
態で高速回転させて焼付状況を観察することにより評価
した。試験は、軸の回転数を6000rpm 、面圧40MPa 、潤
滑油温度100℃、軸受内径と軸外径のクリアランス80μm
の条件で実施した。前記条件で試験を実施し、 200時
間経過後において、軸表面に焼付が生じていなければ
○、焼付が発生している場合を×として表２に示した。

【００３３】また、前記試験終了後、軸のうち面圧の負
荷されてない部分の一部を切断して、化合物層の厚さを
測定した。厚さは各試験片共に10箇所測定して、その平
均値を表２に示した。疲労強度は、小野式回転曲げ疲労
試験試験機を用い、切欠ノッチ（切欠部半径１mm）を加
工した試験片を用いて疲労強度を測定した。により疲労
強度を測定して評価した。

【００３４】

【表２】

【００３５】表２から明らかなように、比較鋼である９
〜16鋼を本発明の実施例である１〜８鋼と比較すると、
９鋼はS 含有率が低いためフェライトの析出核となるMn
S が十分に形成させず、疲労強度が劣るものであり、1
0、12、14鋼は、Ni、Cu、Mo、V 含有率がそれぞれ高い
ため、必要な厚さの化合物層が得られず、耐焼付性が劣
るものであり、11、13鋼はCr、Al含有率がそれぞれ高い
ため、硬化層の靱性が低下して疲労強度が劣るものであ
り、15鋼はV が含有されていないため、疲労強度が劣る
ものであり、16、17鋼は V窒化物の形成を阻害するTi、
Nb、B 含有率が高いため、疲労強度が劣るものである。

【００３６】また、従来鋼であるS53Cは、必要な化合物
層厚さが得られるため、耐焼付性には優れているが、疲
労強度が著しく劣るものであり、SCM440は、耐焼付性、
疲労強度が共に劣るものである。

【００３７】これに対して、本発明鋼である１〜８鋼
は、Ni、Cu、Mo含有率の上限を厳しく規制し、Ti、Nb、
B 含有率の上限を厳しく規制して、少ないV 添加で、必
要な疲労強度を確保したので、軟窒化処理後に平均で12
μm 以上の厚さの化合物層を容易に得ることができた。
その結果、耐焼付性、疲労強度が共に優れた機械構造用
鋼を得ることができた。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の機械構造
用鋼は、適切な成分設計を行ったので、優れた疲労強度
を確保しつつ、軟窒化処理により容易に平均で12μm 以
上の化合物層が得られる。この得られた化合物層によっ
て、高面圧を受けても焼付発生を防止することができ
る。従って、クランクシャフト等、作動中に高い外力を
受けながら、かつ高い面圧を負荷される部位に適用する
と、焼付の心配をすることなく、従来よりも高い応力で
設計することができ、軽量化、省エネルギー化へ大きく
貢献することができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比で、C:0.22〜0.55% 、Si:0.05 〜
   0.80% 、Mn:0.50 〜1.50% 、P:0.025%以下、S:0.04〜0.
   08% 、Ni:0.15%以下、Cr:0.15%以下、Mo:0.05%以下、C
   u:0.15%以下，Al:0.002〜0.018%、Ti:0.0030%以下、V:
   0.01〜0.06% 、Nb:0.0030%以下、B:0.0005% 以下、N:0.
   0080〜0.0200% を含有し、かつNi+Mo+Cu≦0.25% 、Ti+N
   b+B ≦0.0040% であり、残部がFeおよび不純物元素から
   なる鋼に軟窒化処理を施し、表面に平均で12μm 以上の
   化合物層を有することを特徴とする耐焼付性及び疲労強
   度に優れた機械構造用鋼。
2. 【請求項２】 重量比で、C:0.22〜0.55% 、Si:0.05 〜
   0.80% 、Mn:0.50 〜1.50% 、P:0.025%以下、S:0.04〜0.
   08% 、Ni:0.15%以下、Cr:0.15%以下、Mo:0.05%以下、C
   u:0.15%以下，Al:0.002〜0.018%、Ti:0.0030%以下、V:
   0.01〜0.06% 、Nb:0.0030%以下、B:0.0005% 以下、N:0.
   0080〜0.0200% と、Ca:0.0010 〜0.0120% 、Pb:0.04 〜
   0.40% 、Bi:0.05 〜0.50% 、Te:0.05 〜0.35% 、Se:0.0
   5 〜0.35% の１種又は２種以上を含有し、かつNi+Mo+Cu
   ≦0.25% 、Ti+Nb+B ≦0.0040% であり、残部がFeおよび
   不純物元素からなる鋼に軟窒化処理を施し、表面に平均
   で12μm 以上の化合物層を有することを特徴とする耐焼
   付性及び疲労強度に優れた機械構造用鋼。