JPH0797660A

JPH0797660A - 低歪浸炭用鋼

Info

Publication number: JPH0797660A
Application number: JP9414094A
Authority: JP
Inventors: Morifumi Nakamura; 守文中村; Yoshitake Matsushima; 義武松島
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1994-05-06
Filing date: 1994-05-06
Publication date: 1995-04-11
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH0830243B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】浸炭焼入れ時に心部に初析フェライトが析出す
るような質量を有する厚肉部品の製造に好適な低歪浸炭
用鋼。【構成】重量％で、０．１０≦Ｃ＜０．３５，０．０５
≦Ｓｉ＜０．５０，Ｍｎ：０．３〜１．５及びＡｌ：
０．０２０〜０．０６０を含有し、残部鉄及び不可避的
不純物よりなり、臨界冷却速度Ｖｃ＝１０^Ｋ（℃／秒）
（ただし、Ｋ＝４．０５−（４．５％Ｃ＋１．０％Ｍ
ｎ）であって、％元素は当該元素の鋼中の重量％による
含有量を示す。）が、部品を焼入れしたときに、ジョミ
ニー焼入性曲線において、硬さが浸炭焼入れ後の心部硬
度に相当するジョミニー位置をＪｅｑ（ｍｍ）とすると
き、３９０Ｊｅｑ^{−１．３５}以下である、焼入れ時に
初析フェライトが析出する質量を有する部品用低歪浸炭
用鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は低歪浸炭用鋼に関し、詳
しくは、肌焼用部品を浸炭焼入れしたときに、変形し難
く、且つ、寸法変化のばらつきの少ない浸炭用鋼に関
し、特に、浸炭焼入れ時に心部に初析フエライトが析出
するような質量を有する厚肉部品の製造に好適な低歪浸
炭用鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】使用中に高い面圧や曲げ応力のかかる歯
車や軸受等の鋼部品は、耐磨耗性や耐疲労性の改善を目
的として、表面硬化処理、特に、浸炭焼入れがなされ
る。この浸炭焼入れは、高温の雰囲気中で長時間加熱
し、その後、冷却する処理であるので、この処理に際し
ては、相変態に伴う体積変化、変態応力や熱応力が発生
して、熱処理歪が不可避的に発生する。しかも、上記浸
炭焼入れ処理は、部品加工の最終段階で行なわれるた
め、上記熱処理歪がそのまま部品に残されて、部品の性
能に直接に影響を及ぼし、部品として使用される間に強
度の低下のみならず、騒音や振動の発生等を招来する。

【０００３】このような問題を解決するために、浸炭焼
入れの際に拘束治具を用いる、熱処理歪の少ない焼入れ
液を用いる、浸炭焼入れ後に部品の形状を修正する、歯
車の場合であれば、相手方の歯車との噛み合い試験を行
ない、選別して部品としての使用に供する等の方法によ
り熱処理歪の低減を図り、又は浸炭処理後に矯正を行な
う等の方法を採用しているが、いずれも多大の費用と労
力を要する問題がある。

【０００４】一般に、熱処理歪は、部品の形状変化であ
る変形と寸法変化とに分けられる。前者は、例えば、円
筒型部品においては外径部や内径部の真円度やテーパ、
端面の平坦度、軸型部品においては軸方向の曲がり等、
非相似的な部品の形状変化である。後者は、部品のある
箇所における寸法変化である。これらの歪は、通常、同
時に発生するが、しかし、一方の歪のみが発生する場合
もある。

【０００５】図１は、部品の浸炭焼入れによつて発生す
る典型的な歪の形態を模式的に示し、実線は浸炭焼入れ
前の形状を示し、破線は浸炭焼入れ後の形態を示す。
(a) は円筒型部品を示し、外径の真円度が変化して変形
していると共に、ｘ軸及びｙ軸方向の外径に寸法変化が
みられる。(b) は軸型部品を示し、寸法変化はないが、
軸方向の曲がりとして変形が生じでいる。また、(c) も
円筒型部品を示し、変形はないが、外径に寸法変化が生
じている。このように、(b) 及び(c) においては、変形
と寸法変化のうち、一方の熱処理歪のみが生じている。

【０００６】熱処理歪のうち、寸法変化のみが生じる場
合であれば、浸炭焼入れに先立つて試験を行なつて、予
め寸法変化量を調査しておけば、浸炭焼入れ前の部品の
加工成形時に上記寸法変化量に見合う分だけ逆方向に加
工することによつて、寸法変化を抑えることができる。
但し、各部品間に寸法変化量のばらつきがないことが前
提となる。しかし、変形については、部品の形状や浸炭
焼入れ条件によつて複雑に変化し、例えば、歯車の歯す
じ誤差のように、一つの部品においても変化する。ま
た、部品によつては、測定に高度の技術を必要とするも
のもある。従つて、通常、変形を生産現場にて予め正確
に評価することは困難であり、また、仮に評価し得ると
しても、浸炭焼入れ後に変形がないように逆方向に加工
することは困難である。従つて、熱処理歪に関しても、
変形量を低減すると同時に、寸法変化のばらつきを低減
することが重要であり、このような性質を備えた浸炭用
鋼が従来より強く要望されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記し
た要望に応えるべく、種々の形状及び寸法の肌焼用部品
の熱処理歪に及ぼす鋼材材質の影響を広範囲にわたつて
研究した結果、従来は、一般に素材の焼入れ性が小さい
ほど、又は焼入れ後の部品の心部硬さが低いほど、熱処
理歪が少ないといわれているのと反対に、焼入れ時に部
品の心部に初析フエライトが析出するような質量を有す
る厚肉部品においては、素材の焼入れ性を高めて、浸炭
焼入れ後に部品の心部にフエライトが生成しないように
合金元素量を調整することによつて、熱処理歪のうち、
特に変形量が少なく、且つ、寸法変化のばらつきの少な
い低歪浸炭用鋼を得ることができることを見出して、本
発明に至つたものである。

【０００８】従つて、本発明は、肌焼用部品を浸炭焼入
れしたときに、変形量が少なく、且つ、寸法変化のばら
つきの少ない浸炭用鋼に関し、特に、浸炭焼入れ時に心
部に初析フエライトが析出するような質量を有する厚肉
部品の製造に好適な低歪浸炭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】本発明による焼入れ時に
初析フエライトが析出する質量を有する部品用低歪浸炭
用鋼は、重量％でＣ 0.１０％以上、0.３５％未満、
Ｓｉ 0.０５以上であつて、0.５０％未満、Ｍｎ 0.３
〜1.５％及びＡｌ 0.０２０〜0.０６０％を含有し、残
部鉄及び不可避的不純物よりなり、且つ、Ｃ及びＭｎに
よつて次式で規定される臨界冷却速度Ｖｃ＝１０^k（℃／秒） (但し、ｋ＝4.０５−（4.５％Ｃ＋1.０％Ｍｎ）であつ
て、％元素は当該元素の鋼中の重量％による含有量を示
す。）が、部品を焼入れしたときに、ジヨミニー焼入性
曲線において、硬さが浸炭焼入れ後の部品の心部硬度に
相当するジヨミニー位置をＪeq（mm）とするとき、３９
０Ｊeq^-1.35以下であることを特徴とする。

【００１０】先ず、本発明による低歪浸炭用鋼における
合金元素について説明する。Ｃは、浸炭焼入れ処理した
部品に所要の心部硬さを付与すると共に、有効硬化深さ
を深くするために有効な元素であり、更に、後述するよ
うに、焼入れ時の部品の心部での初析フエライトの析出
を抑制して、熱処理歪のうち、変形を起こり難くし、且
つ、寸法変化のばらつきを少なくするために最も有効な
元素である。本発明鋼においては、このような効果を有
効に得るために、少なくとも0.１０％の添加を必要とす
るが、反面、過多に添加するときは、靱性が劣化した
り、或いは切削加工時や冷間加工時の工具寿命を低下さ
せるので、Ｃの添加量は0.３５％未満とする。

【００１１】Ｓｉは、鋼溶製時の脱酸元素として0.０５
％以上の添加が必要であるが、余りに多量に添加すると
きは、浸炭性が阻害されたり、また、冷間加工時の変形
能が低下して、割れ発生の原因となるので、添加量は0.
５０％未満とする。Ｍｎも鋼溶製時の脱酸脱硫元素とし
て、また、焼入性を増大させて、浸炭焼入れ処理した部
品に所要の芯部硬さを付与し、更に、有効硬化深さを深
くするために有効で、しかも、安価で元素である。更
に、後述するように、焼入れ時の部品の心部での初析フ
エライトの析出を抑制して、熱処理歪のうち、変形を生
じ難く、また、寸法変化のばらつきを少なくするために
有効な元素である。本発明鋼においては、このような効
果を有効に得るために、0.３０％以上を添加する必要が
あるが、過多に添加するときは、被削性や冷間加工性が
低下するので、上限を1.５０％とする。

【００１２】Ａｌは、浸炭加熱時のオーステナイト結晶
粒の成長を抑制する効果をもつが、その添加量が0.０２
０％よりも少ないときは、この効果が殆ど発現されず、
一方、過多に添加しても、上記効果が飽和し、また、ア
ルミナ系介在物量が増して、耐ピツチング性を低下させ
るので、0.０６０％を上限とする。

【００１３】本発明による低歪浸炭用鋼には、上記元素
に加えて、Ｖを添加することができる。Ｖは、Ａｌと同
様に、浸炭加熱時のオーステナイト結晶粒の成長を抑制
する効果をもつが、この効果を有効に発現させるために
は、0.０５％以上の添加を必要とする。しかし、過多に
添加しても、その効果が飽和するので、その添加量の上
限は、0.２０％とする。

【００１４】本発明による浸炭用鋼は、上記した化学成
分組成を有すると共に、含有する主要元素の含有量によ
つて次式で規定される臨界冷却速度Ｖｃ＝１０^k（℃／秒） (但し、ｋ＝4.０５−（4.５％Ｃ＋1.０％Ｍｎ）であつ
て、％元素は当該元素の鋼中の重量％による含有量を示
す。）が、部品を焼入れしたときに、ジヨミニー焼入性
曲線において、硬さが浸炭焼入れ後の部品の心部硬度に
相当するジヨミニー位置をＪeq（mm）とするとき、３９
０Ｊeq^-1.35以下であることが必要である。ここに、３
９０Ｊeq^-1.35は、部品の焼入れ時の上記ジヨミニー位
置における８００℃から５００℃での心部平均冷却速度
ｖ（℃／秒）に相当する。即ち、本発明においては、Ｖ
ｃが部品の焼入れ時の上記ジヨミニー位置Ｊeqにおける
８００℃から５００℃での心部平均冷却速度ｖ以下であ
ることを必要とする。

【００１５】上式において、Ｖｃは初析フエライトが１
０％析出するときの８００℃から５００℃における臨界
冷却速度（℃／秒）である。本発明者らは、このＶｃが
主要合金元素量の線型一次式の関数として表わされるこ
とを見出した。即ち、一般に、肌焼部品の心部の冷却速
度は、部品の形状や寸法、焼入剤の種類、撹拌の程度等
によつて変化するために実測によつて求め得るものであ
るが、しかし、操業時に焼入槽内にある部品内部の冷却
速度を測定することは、実際上、不可能である。しか
し、本発明者らによれば、浸炭焼入れ後の心部硬度を測
定し、素材鋼のジヨミニー焼入性曲線と対応させること
により、部品の心部での冷却速度を算出することができ
る。即ち、先ず、図２の(a) に示すように、浸炭焼入れ
後の部品の心部硬度Ｈｃを測定し、ジヨミニー焼入性曲
線において、硬さがＨｃに相当するジヨミニー位置Ｊeq
を求める。ここで、各ジヨミニー位置での８００℃から
５００℃での平均冷却速度は、図２の(b) に示すよう
に、ｖ＝３９０Ｊeq^-1.35 の関係式で与えられるので、この関係式に上で求めたＪ
eq値を代入することにより、焼入れ時の心部冷却速度を
求めることができる。

【００１６】

【発明の効果】以上のようにして、ジヨミニー焼入れ性
曲線を測定した任意の鋼を実部品に加工して、焼入れ後
の心部硬度Ｈｃを測定することにより、焼入れ時の心部
の平均冷却速度ｖを求めることができ、ここに、本発明
によれば、焼入れ時に部品の心部に初析フエライトが析
出するような質量を有する部品においては、初析フエラ
イト量が少ないほど、熱処理歪のうちで問題となる変形
量と寸法変化のばらつきが少なくなり、特に、１０％フ
エライトが析出する臨界冷却速度Ｖｃが前記焼入れ時の
心部の平均冷却速度ｖ以下になるように、前記式に従つ
て合金元素量を規制することにより、変形量と寸法変化
のばらつきの少ない低歪浸炭用鋼を得ることができるの
である。

【００１７】

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、
本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではな
い。

【００１８】実施例１歯車等の円筒型部品への適用を前提として、各種の鋼を
円筒型試験片に加工し、熱処理歪を測定した。合金元素
量を種々に変化させて、初析フエライトの析出する臨界
冷却速度Ｖｃが異なる各種の鋼を小型高周波炉にて溶製
した。表１にこれらの鋼の化学成分と、この化学成分に
基づいて算出した臨界冷却速度Ｖｃを示す。

【００１９】これら鋼材を熱間鍛造にてジヨミニー焼入
性試験片用として直径３０mmの丸棒に、また、歪試験片
用として直径８０mmの丸棒にそれぞれ加工した。直径３
０mmの丸棒については、ＪＩＳＧ０５６１に従つて
ジヨミニー焼入性試験を行なつた。また、直径８０mmの
丸棒については、２００mmの長さに切断した後、熱間鍛
造して高さ２８mmに据え込み加工し、９００℃にて焼鈍
し処理を行なつた。更に、図３に示すような円筒型試験
片に機械加工し、９２５℃で３時間、カーボン・ポテン
シヤル0.８なる条件にて浸炭処理して、油焼入れを行な
い、１８０℃で２時間加熱後、空冷する条件で焼戻し処
理を行なつた。

【００２０】熱処理歪として、図３に測定位置を示した
円周方向の端面の平坦度、外径真円度、及びｘ及びｙ方
向の外径寸法変化（変寸、浸炭焼入れ・焼戻し後の外径
−浸炭焼入れ・焼戻し前の外径）のばらつきσを測定し
た。結果を表１に示す。更に、浸炭焼入れ後の円筒型試
験片の心部硬さを測定し、ジヨミニー焼入性曲線に基づ
いて、焼入れ時の心部の冷却速度に相当するジヨミニー
位置Ｊeqを求め、冷却速度ｖを算出した結果、１5.３℃
／秒であつた。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１に示す結果から、臨界冷却速度Ｖｃが
焼入れ時の冷却速度ｖよりも大きい比較鋼は、変形量を
示す端面の平坦度、外径真円度及び寸法変化のばらつき
をしめす外径寸法変化のばらつきが大きいが、Ｖｃがｖ
よりも小さい本発明鋼は変形量及び寸法変化のばらつき
が小さいことが明らかである。

【００２３】実施例２シヤフト等の軸型部品へのへの適用を前提として、各種
の鋼を軸型試験片に加工し、熱処理歪を測定した。合金
元素量を種々に変化させて、初析フエライトの析出する
臨界冷却速度Ｖｃが異なる各種の鋼を小型高周波炉にて
溶製した。表２にこれらの鋼の化学成分と、この化学成
分に基づいて算出した臨界冷却速度Ｖｃを示す。

【００２４】これら鋼材を熱間鍛造にてジヨミニー焼入
性試験片用として直径３０mmの丸棒に、また、ひずみ試
験片用として直径２５mmの丸棒にそれぞれ加工した。直
径３０mmの丸棒については、ＪＩＳＧ０５６１に従
つてジヨミニー焼入性試験を行なつた。また、直径２０
mmの丸棒については、２３０mmの長さに切断した後、９
００℃にて焼鈍し処理を行い、図４に示す軸型試験片に
機械加工した。更に、９２５℃で３時間、カーボン・ポ
テンシヤル0.８なる条件にて浸炭処理して、油焼入れを
行ない、１８０℃で２時間加熱後、空冷する条件で焼戻
し処理を行なつた。熱処理歪としては、図４に測定位置
を示す軸の曲がりを測定した。結果を表２に示す。

【００２５】更に、浸炭焼入れ後の歪試験片について、
心部硬さを測定し、ジヨミニー焼入性曲線に基づいて、
焼入れ時の心部の冷却速度に相当するジヨミニー位置Ｊ
eqを求め、冷却速度ｖを算出した結果、２0.１℃／秒で
あつた。

【００２６】

【表２】

【００２７】表２に示す結果から、臨界冷却速度Ｖｃが
焼入れ時の冷却速度ｖよりも大きい比較鋼は、変形量を
示す軸の曲がりが大きいが、Ｖｃがｖよりも小さい本発
明鋼は変形量が小さいことが明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、浸炭焼入れによる熱処理歪の典型例を示す
模式図である。

【図２】は、焼入れ時の心部の冷却速度を求めるための
手順を示すためのグラフである。

【図３】は、浸炭焼入れによる熱処理歪を調べるため
に、本発明において用いた円筒型試験片を示す図であ
る。

【図４】は、浸炭焼入れによる熱処理歪を調べるため
に、本発明において用いた軸型試験片を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でＣ 0.１０％以上、0.３５％未満、Ｓｉ 0.０５以上であつて、0.５０％未満、Ｍｎ 0.３〜1.５％及びＡｌ 0.０２０〜0.０６０％を含有し、残部鉄及び不可避的不純物よりなり、且つ、Ｃ及びＭｎ
によつて次式で規定される臨界冷却速度Ｖｃ＝１０^k（℃／秒） (但し、ｋ＝4.０５−（4.５％Ｃ＋1.０％Ｍｎ）であつ
て、％元素は当該元素の鋼中の重量％による含有量を示
す。）が、部品を焼入れしたときに、ジヨミニー焼入性
曲線において、硬さが浸炭焼入れ後の部品の心部硬度に
相当するジヨミニー位置をＪeq（mm）とするとき、３９
０Ｊeq^-1.35以下であることを特徴とする焼入れ時に初
析フエライトが析出する質量を有する部品用低歪浸炭用
鋼。
【請求項２】重量％で (a) Ｃ 0.１０％以上、0.３５％未満、Ｓｉ 0.０５以上であつて、0.５０％未満、Ｍｎ 0.３〜1.５％及びＡｌ 0.０２０〜0.０６０％ (b) Ｖ 0.０５〜0.２０％を含有し、残部鉄及び不可避的不純物よりなり、且つ、Ｃ及びＭｎ
によつて次式で規定される臨界冷却速度Ｖｃ＝１０^k（℃／秒） (但し、ｋ＝4.０５−（4.５％Ｃ＋1.０％Ｍｎ）であつ
て、％元素は当該元素の鋼中の重量％による含有量を示
す。）が、部品を焼入れしたときに、ジヨミニー焼入性
曲線において、硬さが浸炭焼入れ後の部品の心部硬度に
相当するジヨミニー位置をＪeq（mm）とするとき、３９
０Ｊeq^-1.35以下であることを特徴とする焼入れ時に初
析フエライトが析出する質量を有する部品用低歪浸炭用
鋼。