JPH0971841A

JPH0971841A - 軟窒化用鋼

Info

Publication number: JPH0971841A
Application number: JP24839795A
Authority: JP
Inventors: Isao Sumita; 庸住田
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 1995-09-01
Filing date: 1995-09-01
Publication date: 1997-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】軟窒化処理により、高い表面硬さと深い有効
硬化深さが得られ、冷鍛性、疲労寿命、耐ピッチング性
の全てにおいて優れた軟窒化用鋼を提供する。【解決手段】 Al、Cr、V を適量添加して、軟窒化処理
後の表面硬さ、硬化深さを改善するとともに、N を極力
低減し、かつTiをTi/Nが４以上となるように添加するこ
とにより、不純物として存在する鋼中のN をできるだけ
Tiで固定して、Al、Cr、V の窒化物の析出を抑制する。
その結果、軟窒化処理により形成される化合物層の厚さ
が薄くなり、疲労強度、耐ピッチング性が改善される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車用、一般機
械用として冷間鍛造により成形されるギヤ、シャフト等
に使用される鋼であって、冷間鍛造性に優れ、かつ短時
間の軟窒化時間で所望の硬さと強度が得られる軟窒化用
鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等の機械構造用部品の省エネルギ
化、性能向上と共に、熱処理時に発生する熱処理歪みを
低減することは重要な課題である。従って、高強度化と
熱処理歪み低減を両立させるために、鋼の変態温度より
低い温度で表面硬さの向上が可能な軟窒化処理が利用さ
れている。従来の、軟窒化用鋼としては、JIS 規格鋼で
は、SACM645 、SCr420、SCM420等が用いられている。

【０００３】また、前記JIS 鋼の軟窒化処理後に得られ
る硬さを向上するために開発された鋼として、例えば特
公昭53-41611号、特公昭55-3424 号、特開平5-171347号
に記載の鋼が開示されている。これらの公報に記載の鋼
は、Al、Cr、V の添加量を適切に調整して、軟窒化処理
硬さの向上を図るものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た従来鋼には次の問題がある。すなわち、SACM645 は、
冷間加工性が劣るため、冷間鍛造により製造した方が有
利な部品には適用できない。もし、このような部品を機
械加工で製造すればコスト高となることは明らかであ
る。

【０００５】一方、SCr420、SCM420等は冷間鍛造が可能
な材料として知られているが、軟窒化処理しても硬さが
目的とする値まで向上しないとともに、狙いの硬化深さ
を得ようとすると、長時間の軟窒化処理が必要となり、
表面に形成される化合物層の厚さが厚くなる。化合物層
とは、軟窒化処理時に表面に形成される層で、Feの窒化
物(Fe₃N,Fe₄N等) 、Cr窒化物、Al窒化物等の析出物から
なる層であり、硬度は高いが大変脆いため、厚さが厚く
なると微小剥離が起きやすくなり、耐ピッチング性が低
下することとなる。

【０００６】また、前記した特許公報によって開示され
た鋼は、軟窒化処理後の硬さ、硬化深さについては十分
な検討がされており、JIS 鋼に比べ高い硬さと硬化深さ
を得ることができるが、化合物層の厚さとの関係につい
て何も検討されておらず、耐ピッチング性との関係が明
らかにされていない。

【０００７】本発明は、このような課題を解決するため
に成されたものであり、その目的とするところは、機械
構造用部品のコストを低減するために冷間鍛造用途に適
する冷間加工性と短時間の軟窒化処理時間で優れた硬さ
特性を有し、かつ軟窒化処理時に形成される化合物層を
抑制することで、優れた耐疲労性、耐ピッチング性を備
えた軟窒化用鋼を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記したAl、Cr、V 等を
添加して、軟窒化処理後の表面硬さを高めた改良鋼にお
いては、軟窒化処理前に施す焼鈍後の放冷時にAl、Cr、
V の炭窒化物がフェライト中に析出し、Al、Cr、V 量が
少ないか添加されていない鋼に比べて変形抵抗が高くな
り、冷間加工性が低下する。また、軟窒化処理時に形成
する化合物層の抑制について、考慮されたものはなかっ
た。本研究者等は、冷間鍛造性と軟窒化処理後の硬さお
よび化合物層の厚さとの関係を研究した結果、以下の知
見を得ることにより、本発明の完成に至ったものであ
る。

【０００９】Al、Cr、V の添加が軟窒化処理後の硬さを
向上し、必要な硬化深さを確保して、処理時間短縮に効
果のあることについては、先願によって明らかにされて
いる通りであり、本発明においても同様である。

【００１０】本発明では、Al、Cr、V を軟窒化処理後の
必要な硬さを確保するために添加した上で、耐ピッチン
グ性を改善するために化合物層の厚さを低減できる方法
について検討した結果、不純物として含有が避けられな
いN を製鋼時の精錬によって通常含有する量に比べ低減
すること、TiをTi/Nが４以上となる量添加することによ
って、大きな効果が得られることを見出したものであ
る。

【００１１】すなわち、N を極力低減し、窒化物形成元
素であるTiを添加することにより、窒化処理前に形成さ
れるAl、Cr、V の窒化物が低減し、フェライト中への析
出が抑制される。その結果、変形抵抗の増加が抑えられ
るとともに、窒化物として存在するAl、Cr、V が減少
し、フェライト中に固溶するAl、Cr、V の量を増加させ
ることができる。窒化処理前にこのような状態とした鋼
は、窒化処理中の鋼表面のFe窒化物の形成が、前記対策
を施さない鋼に比べ抑制されるため、化合物層の形成が
抑制されることを新しく見出したものである。

【００１２】以上説明した新しい知見を得ることにより
成された本発明の軟窒化用鋼は、重量比にしてC:0.25%
以下、Si:0.30%以下、Mn:0.30 〜0.90% 、S:0.020%以
下、Cr:0.50 〜1.50% 、Al:0.030〜0.500%、V:0.05〜0.
30% 、Ti:0.10%以下、N:0.0060% 以下、残部がFe及び不
純物元素から成り、Ti/Nが４以上を満足することを特徴
とする。

【００１３】このような知見を基に、本発明鋼を構成す
る各必須元素の化学成分範囲を上記のように規定した理
由は次の通りである。

【００１４】C:0.25% 以下 C は鋼の芯部強度を確保するために必要な元素である
が、本発明においては、冷鍛性を重視しているため、芯
部硬さは必要な強度が得られる範囲で低くすることが好
ましく、特に下限は規定していない。しかしながら、芯
部強度を向上するためには、C 量がを増加すれば良いこ
とは言うまでもなく、0.05% 以上は含有させることが好
ましい。また、多量に含有させると冷鍛性が低下し、か
つ靱性が低下するので上限を0.25% とした。

【００１５】Si:0.30%以下 Siは通常脱酸剤として添加されるが、軟窒化性、冷鍛性
を共に劣化させる元素である。従って、脱酸のために必
要な量さえ確保されていることを条件に極力低減する必
要があり、上限を0.30% とした。

【００１６】Mn:0.30 〜0.90% Mnは鋼の強度を確保するため必要な元素であり、0.30%
以上の含有が必要である。しかし、多量に含有させると
冷鍛性が低下するので、上限を0.90% とした。好ましく
は、0.60% 以下とするのが良い。

【００１７】Cr:0.50 〜1.50% Crは軟窒化処理時に侵入するN と結合して窒化物を形成
し、表面硬さを高め、硬化深さを深くする効果を有する
元素であり、少なくとも0.50% 以上含有させる必要があ
る。しかし、多量に含有させると冷鍛性が低下するの
で、上限を1.50%とした。

【００１８】Al:0.030〜0.500% AlはCrと同様に軟窒化処理時に侵入するN と結合して窒
化物を形成し、表面硬さを高め、硬化深さを深くする効
果のある元素である。この効果を得るには少なくとも0.
030%以上含有させる必要がある。しかし、多量に含有さ
せると、酸化物系介在物が増加して冷鍛性が低下すると
ともに、N の拡散が阻害されて軟窒化後の硬化深さが浅
くなるので、上限を0.500%とした。好ましくは、0.200%
以下とするのが良い。

【００１９】V:0.05〜0.30% V はAl、Crと同様に軟窒化処理時に侵入するN と結合し
て窒化物を形成し、表面硬さを高め、硬化深さを深くす
る効果のある元素であり、少なくとも0.05% 以上を含有
させることが必要である。しかし、多量に含有させても
その効果が飽和するとともに、冷鍛性が低下するので上
限を0.30% とした。

【００２０】Ti:0.10%以下(Ti/N:4 以上) Tiは、鋼中に不純物として含有しているN と結合し、窒
化物を形成するため、フェライトに固溶するN 量及び軟
窒化処理前のAl、Cr、V の窒化物の析出を抑え、冷鍛時
の変形抵抗を下げる効果を有する。また、Tiにより鋼中
のN を固定することにより、軟窒化処理時に外部から侵
入させたN とAl、Cr、V の結合を促進させ、軟窒化処理
後の硬さを向上させ、かつ鋼の表面におけるFe-Nの反応
を抑制し、化合物層の厚さを低減する働きを有し、本発
明にとって最も重要な元素である。そして、前記効果を
得るためには、鋼中のN 量に対し十分な量を添加する必
要があり、Ti/Nが４以上となる量のTiを含有させる必要
がある。しかし、0.10% 以上含有させるとTi系の介在物
の増加により、冷鍛性を低下させるので上限を0.10% と
した。

【００２１】N:0.0060% 以下 N は、製造上含有が避けられず、不純物として含有され
る元素であり、フェライト中に固溶したり、Al、Cr、V
と結合して窒化物を形成し、冷鍛時の変形抵抗を増大さ
せる。また、軟窒化処理時の鋼の表面におけるFe-Nの反
応を促進させ、化合物層が厚くなる原因となる。従っ
て、本願発明では極力低減することが必要であり、製鋼
時の精錬によって通常含有する量に比べ低減し、上限を
0.0060% に規制することとした。より優れた性能を得る
ためには、上限を0.0045% とすることが好ましい。

【００２２】なお、軟化焼鈍後に優れた冷鍛性を確保す
るためには、炭素当量(Ceq=C+1/7Si+1/5Mn+1/9Cr+V))を
0.8 以下とすることが望ましい。0.8 以下とすることに
より冷鍛による製品の割れ発生の防止を図ることが比較
的容易となる。焼鈍後の冷鍛性は焼鈍条件によっても変
化するため、炭素当量が若干増加しても焼鈍条件の変更
により対応可能ではあるが、炭素当量が増加するほど、
長時間の焼鈍処理が必要となり、生産性が低下するため
である。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に、本発明鋼の特徴を比較鋼、
従来鋼と比較することにより明確に示す。表１は、以下
に説明する試験に用いた供試鋼の化学成分を示すもので
ある。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１において、Ａ〜Ｇ鋼は本発明鋼であ
り、Ｈ〜Ｒ鋼はいずれかの成分が本発明で規定する範囲
を外れている比較鋼である。また、Ｓ、Ｔ鋼は従来鋼で
あるSCr420、SCM420である。

【００２６】これら各供試鋼について、熱間加工後に軟
化焼鈍(850℃×1hr 放冷) を施した後断面減少率50% の
冷間引抜き加工を加え、Ａ〜Ｔ鋼については硬さ試験片
に，またＥ〜Ｍ鋼、Ｓ鋼、Ｔ鋼については小野式回転曲
げ疲労試験片およびロ−ラピッチング試験片を作成し、
軟窒化処理を施した。なお、冷間加工は寸法精度向上に
効果のあることは勿論であるが、加工度を高めに設定す
ることにより強度向上に役立つものである。また、Ａ〜
Ｔ鋼は軟化焼鈍を施した後、冷間据込み試験も同時にを
実施した。軟窒化処理条件及び各試験方法は以下に説明
する通りである。

【００２７】（１）軟窒化処理条件軟窒化処理は、機械加工により作成した各試験片につい
て、軟窒化温度 570℃、軟窒化時間 3.5hrの条件で、
N₂、NH₃、C₃H₈の混合ガス雰囲気中で施した。

【００２８】（２）硬さ測定条件焼鈍及び冷間加工後、φ15mm×30mmに機械加工し、各供
試材について表面から内部まで所定間隔でビッカ−ス硬
さ（荷重100g）を測定し、表面から0.05mm深さ位置の硬
さを表面硬さとし、硬さがHv513 となる深さを有効硬化
深さとした。

【００２９】（３）小野式回転曲げ疲労試験焼鈍及び冷間引抜き加工後、平行部がφ8mm の小野式回
転曲げ疲労試験片の中央に形状係数α=1.78 の環状ノッ
チを有する試験片を作製し、上記条件で軟窒化処理を施
した後、小野式回転曲げ試験を行なった。なお、10⁷回
転にて折損しない最大応力を回転曲げ疲労限度とした。
なお、後述の表２に示した疲労強度は、前記したノッチ
がないものとして計算した表面の最大応力値である。

【００３０】（４）ロ−ラピッチング試験焼鈍及び冷間引抜き加工後φ26mmのロ−ラピッチング試
験片に加工し、上記条件の軟窒化処理を施した後、面圧
2750MPa 、滑り率-40%の試験条件でロ−ラピッチング試
験を行なった。各供試鋼共に６枚の試験片を準備して試
験を行い、表面にピッチング剥離が生じるまでの寿命回
数を測定した。この６個のデ−タより統計処理を行い50
％累積破損率（Ｌ₅₀）の回数をロ−ラピッチング寿命と
した。

【００３１】（５）冷間据込み試験軟化焼鈍を施した後直径10mm、長さ15mmの冷間据込み試
験片を作製し、1mm/min.の据込み速度で冷間据込み試験
を実施し、60% 据込時の変形抵抗でもって評価した。な
お、後述の表２に示した変形抵抗は、据込み率60% まで
圧縮した時の最高圧縮荷重を圧縮試験後に測定した試験
片の平均直径から得られる断面積で除した値である。以
上説明した方法により得られた結果を表２及び図１に示
す。

【００３２】

【表２】

【００３３】表２から明らかな通り、本発明鋼であるＡ
〜Ｇ鋼は軟窒化後、いずれも十分な表面硬さ、硬化深さ
を有しており、従来鋼（Ｓ、Ｔ鋼）と比較して優れた軟
窒化特性を有している。一方、回転曲げ疲労試験結果で
は、Ｅ〜Ｇ鋼の本発明鋼はいずれも49kgf/mm² 以上の耐
久限を有しており、従来鋼（Ｓ、Ｔ鋼）と比較すればは
るかに高い疲労強度を有することが示されている。ロー
ラピッチング寿命試験結果においても、従来鋼（Ｓ、Ｔ
鋼）が0.08〜1.31×10⁶のＬ₅₀寿命しかないのに対し、
本発明鋼では最低でも8.78×10⁶寿命値を有する。ま
た、据込み時の変形抵抗についても、従来鋼と同等か低
い値を示し、冷鍛が可能なことが示されている。

【００３４】それに対し、本発明鋼のいずれかの成分範
囲を逸脱した比較鋼Ｈ〜Ｒでは、何らかの点において本
発明鋼が目的とする性能が得られない。比較鋼のうちN
量の多いＨ、Ｉ鋼は、化合物層の厚さが増加し、小野式
回転曲げ疲労強度、ローラピッチング寿命が低下したも
のである。また、図１より明らかな通り、Ti/Nが1.9 〜
2.4 と本発明に比べN 量に対するTi量の添加が少ないＪ
〜Ｍ鋼は、化合物層の厚さが厚くなり、回転曲げ疲労強
度及びローラピッチング寿命が共に低くなっていること
がわかる。また，Mn、Cr、Al、V 量が本発明の条件を満
足しないＮ、Ｏ鋼は軟窒化後の表面硬さが低いものであ
り、Cr、Al量が多いＰ鋼についても表面硬さは高いが硬
化深さが浅く、目的とする硬化深さが得られないもので
ある。また、C 、Si、Mn、V 量が本発明の条件を満足し
ない比較鋼（Ｑ、Ｒ鋼）は軟窒化硬さ特性は優れるが、
Ceq が0.8 を越えている影響もあり、冷鍛性が大きく劣
っている。

【００３５】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明に係る軟窒化
用鋼は、軟窒化処理前の冷鍛性が従来冷鍛用軟窒化用と
して用いられてきたJIS のCr鋼、Cr-Mo 鋼と同等若しく
はそれ以上のレベルを有しながら、疲労強度及び耐ピッ
チング性について従来鋼を大きく上回る性能を有する。

【００３６】また、本発明においては、化合物層の厚さ
を薄くするために、N を極力低減し、TiをTi/Nが４以上
となるように添加しているので、JIS 鋼の軟窒化特性を
改善できる鋼として提案されている先願の公報に記載さ
れた鋼に比べても、優れた疲労強度、耐ピッチング性を
有している。このため、例えば自動車用のギヤやシャフ
トに使用する場合、冷鍛時の生産性が低下したり、重量
増大をもたらすことなく、軟窒化処理の特徴である熱処
理歪の小さいギヤやシャフトを製造することができ、ギ
ヤノイズ等の騒音低減に大きく寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】軟窒化処理後の化合物層の厚さに及ぼす窒素含
有量、Ti/Nの影響について示した図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比にしてC:0.25% 以下、Si:0.30%以
下、Mn:0.30 〜0.90、S:0.020%以下、Cr:0.50 〜1.50%
、Al:0.030〜0.500%、V:0.05〜0.30% 、Ti:0.10%以
下、N:0.0060% 以下、残部がFe及び不純物元素から成
り、Ti/Nが４以上を満足する軟窒化用鋼。