JPH08134623A - 炭化物分散浸炭鋼部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温環境又は大きな摩擦抵抗等の下において
も十分耐摩耗性を有し、安定した耐摩耗性、靱性及び機
械加工性を兼備した炭化物分散浸炭鋼部品を提供する。 【構成】 炭化物分散浸炭鋼部品は、Ｃを０．０５乃至
０．１８重量％、Ｓｉを０．５３乃至１．５重量％、Ｍ
ｎを１重量％以下、Ｃｒを５乃至１５重量％、Ｎｉを
０．３乃至１重量％、Ｍｏを１．２５乃至３重量％、Ｖ
を０．１乃至３重量％含有し、残部がＦｅ及び不可避的
不純物からなる組成を有する炭化物分散浸炭鋼部品にお
いて、炭化物分散浸炭処理により生成したＭ₇Ｃ₃を主体
とした合金炭化物を含有した浸炭層を有する。そして前
記浸炭層は合金鋼の実使用表面から０．１ｍｍの深さま
での範囲において、炭素濃度が１．０重量％以上、硬さ
がＨｖ７００以上であり、非浸炭部の硬さがＨｖ２７０
乃至３５０とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、プラスチック
射出成形機のように、浸炭処理が施された合金鋼の浸炭
部における耐摩耗性と、非浸炭部の靱性及び機械加工性
との双方が要求される用途に使用するのに好適の炭化物
分散浸炭鋼部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、浸炭処理が施された浸炭鋼部品に
おいて、その浸炭層中に炭化物が分散した状態で析出し
た層である炭化物分散浸炭層の硬さが硬い程、また炭化
物量が多い程、優れた耐摩耗性を有することは公知であ
る（特開昭５７−１６４９７７号、特開昭６０−１０３
１７４号及び特開平１−２３４５５４号）。

【０００３】従って、浸炭処理が施された合金鋼部品の
耐摩耗性を向上させるには、合金鋼部品の硬度を上昇さ
せると共に炭化物量を多くすることが有効である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】最近の耐摩耗性を必要
とする浸炭鋼部品の使用分野は多岐に亘る。例えば、高
温環境における使用が要求されたり、大きな摩擦抵抗が
作用する環境での使用が要求されたりする。そのため、
上述した耐摩耗性向上のための手段である合金鋼部品の
硬度上昇及び炭化物量の増加のみでは、要求に十分応え
得るだけの耐摩耗性を有する浸炭鋼部品を得ることが困
難である。

【０００５】また、炭化物分散浸炭鋼部品においては、
一般に非浸炭部の靱性及び機械加工性が不十分であると
いう問題もある。

【０００６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、高温環境又は大きな摩擦抵抗等の下におい
ても十分な耐摩耗性を有し、安定した耐摩耗性、靱性及
び機械加工性を兼備した炭化物分散浸炭鋼部品を提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る炭化物分散
浸炭鋼部品は、Ｃを０．０５乃至０．１８重量％、Ｓｉ
を０．５３乃至１．５重量％、Ｍｎを１重量％以下、Ｃ
ｒを５乃至１５重量％、Ｎｉを０．３乃至１重量％、Ｍ
ｏを１．２５乃至３重量％、Ｖを０．１乃至３重量％含
有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有
する炭化物分散浸炭鋼部品において、炭化物分散浸炭処
理により生成したＭ₇Ｃ₃を主体とした合金炭化物を含有
した浸炭層を有し、前記浸炭層は合金鋼の実使用表面か
ら０．１ｍｍの深さまでの範囲において、炭素濃度が
１．０重量％以上、硬さがＨｖ７００以上であり、非浸
炭部の硬さがＨｖ２７０乃至３５０であることを特徴と
する。

【０００８】

【作用】本願発明者等は、高温環境又は大きな摩擦抵抗
等の下においても十分耐摩耗性を有する機械的性質に優
れた炭化物分散浸炭鋼部品を開発すべく種々の実験研究
を行った。その結果、所定の成分組成を有する鋼に炭化
物分散浸炭処理を施すことにより浸炭層にＭ₇Ｃ₃を主体
とした合金炭化物を生成させ、浸炭層及び非浸炭層を所
定の濃度及び硬さにすることにより耐摩耗性、靱性及び
機械加工性を兼備した浸炭鋼を得ることが可能となるこ
とを見い出した。以下、本発明に係る炭化物分散浸炭鋼
部品の成分組成の限定理由について説明する。

【０００９】Ｃ（炭素） Ｃは非浸炭部である母材、即ち浸炭処理が施された浸炭
鋼部品内部における靱性及び強度を向上させる元素であ
る。Ｃの添加量が０．０５重量％未満では、十分な強度
が得られず、またδ−フェライトが増加するため、浸炭
鋼部品の靱性を著しく低下させてしまう。一方、添加量
が０．１８重量％を超えると、浸炭鋼部品の硬度が高く
なり、靱性及び機械加工性が低下してしまう。従って、
Ｃの含有量は０．０５乃至０．１８重量％とする。

【００１０】Ｓｉ（シリコン） Ｓｉは炭化物の粒界析出を抑制すると共にそれを粒状化
させ、また浸炭層の基地を硬くする効果を有する。添加
量が０．５３重量％未満では、浸炭硬化層中に残留オー
ステナイトが多量に存在すると共に粒界に炭化物がネッ
ト状に析出し易くなるため、浸炭硬化層の耐摩耗性に必
要とされる基地の硬さが得られない。一方、添加量が
１．５重量％を超えると合金鋼の浸炭性を阻害すると共
に、浸炭鋼部品の靱性を著しく低下させてしまう。従っ
て、Ｓｉの含有量を０．５３乃至１．５重量％とする
が、好ましくは下限値を０．５８重量％とする。また、
更に一層の靱性及び耐摩耗性の向上を図るには、Ｓｉの
含有量を０．５８重量％乃至１．２５重量％とすること
が好ましい。

【００１１】Ｍｎ（マンガン） Ｍｎは脱酸剤としての効果を有し、一般に、通常の溶製
工程において必要とされる１重量％以下の量が添加され
ていれば十分である。従って、Ｍｎの含有量を１重量％
以下とする。

【００１２】Ｃｒ（クロム） ＣｒはＣ及びその他の元素との組み合わせにより、浸炭
層において合金炭化物を形成し、耐摩耗性の向上に貢献
する。浸炭層においてＭ₇Ｃ₃を主とする炭化物を形成さ
せるには少なくともＣｒを５重量％以上添加する必要が
ある。しかしながら、１５重量％を超えて添加すると、
浸炭層における炭化物の分散性を低下させると共に合金
鋼部品の靱性を劣化させてしまう。従って、Ｃｒの含有
量は５乃至１５重量％とするが、好ましくは下限値を８
重量％とする。また、更に一層の靱性及び耐摩耗性の向
上を図るにはＣｒの含有量を８重量％乃至１４重量％と
することが好ましい。

【００１３】Ｎｉ（ニッケル） Ｎｉは浸炭鋼部品に靱性を与えると共に、浸炭層の基地
中に固溶することにより浸炭層の耐食性の向上に貢献す
る。添加量が０．３重量％未満では、浸炭層の耐食性が
得られず、また浸炭鋼部品において十分な靱性が得られ
ない。一方、添加量が１重量％を超えると、浸炭層の残
留オーステナイト量が多量に存在すると共に、浸炭硬化
層の硬度を低下させ、また非浸炭部の機械加工性をも低
下させてしまう。従って、Ｎｉの含有量を０．３乃至１
重量％とするが、好ましくは下限値を０．５重量％とす
る。また、更に一層の靱性及び耐食性の向上を図るため
に、Ｎｉの含有量を０．５乃至０．８重量％とすること
が好ましい。

【００１４】Ｍｏ（モリブデン） Ｍｏは浸炭層において合金炭化物を形成させると共に、
浸炭層に焼戻し軟化抵抗を与える。添加量が１．２５重
量％未満では、浸炭層の硬さ及び焼戻し軟化抵抗が得ら
れない。一方、添加量が３重量％を超えると合金鋼部品
の靱性を害する。従って、Ｍｏの含有量を１．２５乃至
３重量％とするが、好ましくは下限値を１．５重量％と
する。また、焼戻し軟化抵抗を更に一層高めるためには
Ｍｏの含有量を１．５乃至２．５重量％とすることが好
ましい。

【００１５】Ｖ（バナジウム） Ｖは浸炭層において高硬度のＭＣ型炭化物を形成させる
ことにより、耐摩耗性を著しく向上させると共に浸炭層
に焼戻し軟化抵抗を与える。また、結晶粒を微細化させ
ると共に炭化物の分散性をも向上させる。添加量が０．
１重量％未満では、浸炭層に焼戻し軟化抵抗を与えるこ
とができず、また結晶粒の微細化が図れない。一方、添
加量が３重量％を超えると浸炭鋼部品の機械加工性を劣
化させてしまう。従って、Ｖの含有量を０．１乃至３重
量％とするが、好ましくは下限値を０．５重量％とす
る。この範囲内の含有量であれば、浸炭硬化層における
残留オーステナイト相量を減少させることにより、浸炭
鋼部品の硬さの低下を抑制する。また、炭化物の粒界に
おけるネット状の析出を減少させることにより耐摩耗性
の向上をも図ることが可能である。更に一層の浸炭鋼部
品の機械的性質の向上を図るには、Ｖの含有量を０．５
乃至２重量％とすることが好ましい。

【００１６】Ｃｕ（銅） Ｃｕは浸炭層の基地中に固溶することにより浸炭層の耐
食性を向上させ、特に耐塩酸腐食性の向上には著しい効
果を有する。添加量が２重量％を超えると浸炭鋼部品の
熱間加工性を低下させてしまう。従って、Ｃｕの含有量
を２重量％以下とするが、更に一層の耐食性の向上を図
るには、添加量を０．５乃至２重量％とすることが好ま
しい。

【００１７】Ｎｂ（ニオブ） Ｎｂは結晶粒の粗大化を抑制すると共に、焼戻し等によ
って生じやすいＭ₇Ｃ₃からＭ₂₃Ｃ₆への炭化物の変態を
防止する効果を有する。添加量が１重量％を超えると合
金鋼部品の靱性を損なってしまう。従って、Ｎｂの含有
量を１重量％以下とするが、炭化物の変態を防止するた
めに、０．１乃至１重量％とすることが好ましい。

【００１８】Ｃｏ（コバルト） Ｃｏは浸炭層の基地中に固溶することにより浸炭層に焼
戻し軟化抵抗を与えると共に、浸炭鋼部品の耐食性を向
上させる。また、炭化物の粗大化を防止する効果をも有
する。添加量が４重量％を超えると、浸炭鋼部品の靱性
及び熱間加工性を低下させてしまう。従って、Ｃｏの含
有量を４重量％以下とする。

【００１９】次に、実使用表面、即ち浸炭処理後の浸炭
鋼部品に研削又は研磨を施し、実使用に供する面から
０．１ｍｍの深さまでの範囲における炭素濃度及び硬さ
の限定理由について説明する。

【００２０】本発明は、上述した成分組成の合金鋼部品
を浸炭処理することによりＭ₇Ｃ₃を主とする合金炭化物
を浸炭硬化層に形成させることによって製造される浸炭
鋼部品である。この鋼部品を機械的性質に優れたものと
するには、実使用表面から０．１ｍｍの深さにおいて、
炭素濃度を１重量％以上、硬さをＨｖ７００以上とする
必要がある。これは炭素濃度及び硬さが前記範囲内でな
い場合に、前記合金鋼部品は使用に堪え得る十分な耐摩
耗性を得ることができないからである。

【００２１】なお、炭素濃度及び硬さを実使用表面から
０．１ｍｍの深さの範囲において限定するのは、次のよ
うな理由による。即ち、合金鋼の深さが０．１ｍｍより
浅く実使用表面に近い部分では、０．１ｍｍの深さの部
分に比べ硬さが同等又はそれ以上であり、また炭化物体
積率も大きく、耐摩耗性に優れているため、０．１ｍｍ
より浅い浸炭層部については何等特定する必要はないか
らである。

【００２２】また、非浸炭部の硬さについて、Ｈｖ２７
０未満では本発明に係る合金鋼部品が製品として使用に
堪え得る強度が得られない。一方、Ｈｖ３５０を超える
と機械加工性及び靱性が低下してしまう。従って、非浸
炭部の硬さはＨｖ２７０乃至３５０とする。

【００２３】なお、非浸炭部の硬さをＨｖ２７０乃至３
５０に調整するには、合金鋼を上述の成分組成とするこ
とのみならず、９００乃至１０５０℃から焼入れ処理
し、４５０乃至６００℃の温度に焼戻し処理することに
より可能である。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例について、本発明の特
許請求の範囲から外れる比較例と比較して説明する。

【００２５】本実施例では、下記表１に示す成分組成を
有する供試鋼を使用して、各種の実験を行い、その結果
について分析を行った。

【００２６】

【表１】

【００２７】上記表１に示すデータにアンダーラインが
引かれているものは、本発明の特許請求の範囲外の組成
値である。

【００２８】これらの供試鋼を先ず、９５０〜１０００
℃の温度により浸炭処理を施した後、５００〜５５０℃
の温度により１回又は２回焼戻しを行った。

【００２９】次に、前記各供試鋼を実際の使用範囲を満
たすように浸炭表面、即ち浸炭処理が施された供試鋼の
表面を０．１〜０．７ｍｍの範囲で研削を施した後、そ
の表面の浸炭硬化層の耐摩耗性等について分析を行っ
た。

【００３０】下記表２において前記各供試鋼の機械加工
性、即ち切削性を判断するため非浸炭部の硬さを示す。
なお、この硬さはビッカース硬さ試験により測定された
値である。

【００３１】

【表２】 ○：可、△：やや可、×：不可

【００３２】上記表２に示すデータにアンダーラインが
引かれているものは、本発明の特許請求の範囲外の非浸
炭部における硬さの値である。

【００３３】本発明では非浸炭部の硬さをＨｖ２７０〜
３５０と夫々限定しているが、比較例Ｎｏ９及び１５の
合金鋼の非浸炭部の硬さはその範囲より小さい。そのた
め、機械加工性は優れてはいるが、実際の製品としての
使用に堪え得ることはできない。

【００３４】また、比較例Ｎｏ９及び１５以外でデータ
値にアンダーラインが引かれている各供試鋼について、
その硬さは前記非浸炭部の硬さの範囲より大きいもので
あるため、切削性が悪く、これらの各供試鋼の機械加工
性はその他の供試鋼と比べ極めて劣っている。

【００３５】下記表３は、上記表２において機械加工性
の良好な供試鋼のみを示し、その各供試鋼についての浸
炭層の炭素濃度、浸炭硬化層の硬さ、炭化物体積率、残
留オーステナイト相量を示す。

【００３６】なお、炭化物体積率及び残留オーステナイ
ト相量については、走査電子顕微鏡により２０００倍の
倍率で観察した後画像解析装置により解析した結果を示
す。

【００３７】

【表３】 ○：可、△：やや可、×：不可

【００３８】上記表３に示す実施例Ｎｏ１、２、２２及
び比較例７、８については、同一成分組成を有する供試
鋼に対して浸炭処理による炭素濃度の影響を分析すべ
く、炭素濃度を限定値、即ち１．０重量％の約２倍とし
たもの及び限定値に近いものの２種類について浸炭処理
を施した。

【００３９】なお、上記表３に示す値は実使用表面より
０．１ｍｍ深い部分について測定したものである。

【００４０】下記表４は、上記表３に示す合金鋼につい
ての耐摩耗性の可否を判断するための比摩耗量、靱性の
可否を判断するための衝撃値及び機械加工性の可否を判
断するための非浸炭部硬さを示しており、以上の耐摩耗
性、靱性及び機械加工性を総合的に判断して、全てが可
（○）である場合は総合評価は可（○）であり、少なく
とも一つの特性がやや可（△）又は不可（×）である場
合、総合評価は夫々やや可（△）、不可（×）である。

【００４１】なお、耐摩耗性の可否を判断するための比
摩耗量は、大越式摩耗試験機を使用して以下の条件によ
り測定した。

【００４２】相手円板：ＳＵＪ２（ＨＲＣ４５） 最終荷重：６．３ｋｇ 摩擦距離：４００ｍ すべり速度：０．７６、０．９４、１．３７、１．９６
ｍ／秒。

【００４３】また、靱性の可否を判断するための衝撃値
は、浸炭処理を施した供試鋼と同様の熱処理を施した非
浸炭材において、シャルピー衝撃試験機を使用して１０
ｍｍＲノッチ試験片の衝撃値を測定することにより行
い、機械加工性の可否を判断するための非浸炭部硬さは
上記表２に示すものと同一である。

【００４４】

【表４】 ○：可、△：やや可、×：不可

【００４５】上記表４に示す総合評価が不可となった比
較例について、その要因を説明する。

【００４６】比較例Ｎｏ１及び２は、Ｖを全く含有して
いないため、浸炭層に焼戻し軟化抵抗を与えることがで
きない。そのため、浸炭処理の炭素濃度が限定範囲内の
値ではあるが、限定値に比較的近く炭素濃度にあまり余
裕がない供試鋼は、残留オーステナイトが多量に存在
し、耐摩耗性が極めて低いものとなってしまう。しかし
ながら、同一の成分組成の浸炭鋼であっても、浸炭処理
の炭素濃度が比較的大きい場合には、残留オーステナイ
トが存在することもなく、製品としての十分な耐摩耗性
を有するものとなる。

【００４７】比較例Ｎｏ７及び１１は、Ｓｉの含有量が
少ないため、耐摩耗性の低下が見られる。また、炭素濃
度が１．２重量％と比較的浸炭の炭素濃度が小さい供試
鋼では残留オーステナイトが多量に存在してしまい、炭
素濃度が高い同一組成の供試鋼に比べ更に耐摩耗性が低
下している。

【００４８】比較例Ｎｏ８は、Ｎｉ及びＭｏを全く含有
していないため、十分な硬さが得られない。そのため、
耐摩耗性が低下してしまっている。また、炭素濃度が
１．２重量％と比較的浸炭の炭素濃度が小さい供試鋼で
は、供試鋼Ｎｏ７と同様に残留オーステナイトが多量に
存在し、耐摩耗性が低下している。

【００４９】比較例Ｎｏ１２は、Ｓｉの含有量が多いた
め、供試鋼の硬度は高いのであるが、その反面靱性が著
しく低下している。

【００５０】比較例Ｎｏ１６は、Ｍｏが少ないため浸炭
層において十分な硬さが得られない。また、残留オース
テナイトが多量に存在し、耐摩耗性が低下している。

【００５１】以上の分析により、次のようなことが考察
される。即ち、浸炭鋼部品の硬度を高くしたり、浸炭処
理による炭素濃度を高くすることは耐摩耗性の向上に極
めて有効でり、また残留オーステナイト相量を少なくす
ることも耐摩耗性の向上に効果的である。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
合金鋼部品の浸炭硬化層における冶金的要因を制御する
と共に、高温環境又は大きな摩擦抵抗等の下においても
十分耐摩耗性を有し、安定した耐摩耗性、靱性及び機械
加工性が優れた炭化物分散浸炭鋼部品を作ることができ
る。

フロントページの続き (72)発明者 山崎 善夫 富山県新湊市八幡町３丁目10番15号 日本 高周波鋼業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃを０．０５乃至０．１８重量％、Ｓｉ
   を０．５３乃至１．５重量％、Ｍｎを１重量％以下、Ｃ
   ｒを５乃至１５重量％、Ｎｉを０．３乃至１重量％、Ｍ
   ｏを１．２５乃至３重量％、Ｖを０．１乃至３重量％含
   有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有
   する炭化物分散浸炭鋼部品において、炭化物分散浸炭処
   理により生成したＭ₇Ｃ₃を主体とした合金炭化物を含有
   した浸炭層を有し、前記浸炭層は合金鋼の実使用表面か
   ら０．１ｍｍの深さまでの範囲において、炭素濃度が
   １．０重量％以上、硬さがＨｖ７００以上であり、非浸
   炭部の硬さがＨｖ２７０乃至３５０であることを特徴と
   する炭化物分散浸炭鋼部品。
2. 【請求項２】 前記組成は、更に、２重量％以下のＣ
   ｕ、１重量％以下のＮｂ及び４重量％以下のＣｏからな
   る元素から選択された少なくとも１種の元素を含むこと
   を特徴とする請求項１に記載の炭化物分散浸炭鋼部品。