JPS60169547A - 高周波焼入用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高周波焼入用鋼に関し、殊に表面を高周波焼入
れすることによって、浸炭焼入れ拐に匹敵し或はこれを
上回る表面性能、特に１１ｉｉｊ磨ｆｂ性及び耐疲労性
を得ることのできる高周波焼入用に’４に関するもので
ある。

高周波焼入れとは、材料表面の硬化に害鳥できる元素を
特に配合することなく表層部のみに高周波を照射し、表
面を急熱・急冷することにより最表面に圧縮残留応力を
発生させて表面硬度を高め、芯部は高靭性のままで残す
為の処理を言い、従来の浸炭焼入れや窒化焼入れ等に比
べてエネルギー効率が高＜１１４つ処理コストも低いこ
とから、自ルｂ車等の１６１１暦性部品、建設機械や鉄
道車両用部品等、或は小型歯車等の各種耐層性部品用材
料の表面改質法として幅広く実用化されはじめている。

そして高周波焼入用鋼に要求される特性としては、（１
）焼入れ性が高いこと、（２）急速加熱によって容易に
オーステナイト化すること、（３）芯部の靭性を高レベ
ルに保ち得ること、（４）焼割れが起こらず且つ焼入れ
歪が少ないこと、等が挙げられる。

この様な要求特性を一応満足し得る調料としてｅ」、Ｊ
ＩＳ規格（７）Ｓ３０Ｃ，５３３Ｃ，５３５Ｃ，５３８
Ｃ。

５４０Ｃ，５４３Ｃ，５４５Ｃ，５４８Ｃ，５５０Ｃ等
の炭素鋼；ＳＭｎ４３３．ＳＭｎ４３８．ＳＭｎ４４３
．ＳＭｎＣ４４３等のＭｎ、Ｍｎ−Ｃｒ＠；　５Ｃｒ４
３０，５Ｃｒ４３５＋５Ｃｒ４４０＋５Ｃｒ４４．５等
のＣｒｎ４；　ＳＭｎ３３．ＳＭｎ３３゜ＳＭｎ３３．
ＳＣＭ４４０１ＳＣＭ４４５等のＣｒ−Ｍｏ；５Ｎ（Ｊ
４４３１　ｌＳＮＣＭ４３９　、ＳＮＣＭ４４７　等の
ＮトーＣｒ−λ４ｏ６ｉ１ｍ等が実用化されておシ、首
だ米国規格（ＡＩＳＩ）で高周波焼入鋼として使用され
ている鋼材は第１表に示す様な規格が定められている。

しかしながらこの種の鋼材を高周波焼入処理して得だも
のでは表向特性、特に耐磨耗性及び耐疲労性が、従来の
浸炭焼入鋼材に比べて著しく劣っており、高度の表面特
性が要求される重要部品の歯車等に高周波焼入後拐を実
用化して行くことについては躇鴫せざるを得ない。即ち
先に示した従来の高周波焼入後利の中から適当なものを
選択し、歯車としての要求特性を従来の浸炭焼入鋼（後
記第２表の従来鋼）と比較してみたところ、特に転勤疲
労性が著しく劣ることが分かった。転勤疲労は、繰返し
応力によって表面及び皮下の材料が疲労破壊を起こすこ
とにより生ずるものと考えられる。まだ転勤時における
接触面の中心（即ち軌道直下）に作用する剪断応力によ
って剪断歪が発生した場合、この歪エネルギーは荷重の
繰返しと共に内部摩擦を生じて発熱するが、月料はとの
熱によって焼戻しを受ける為表面硬度も低下してくるも
のと考えられる。

本発明者等はこの様な知見のもとで、■高周波焼入れに
よシ硬化させた表面硬化層の焼入組織の硬度を高め、史
には■表面硬化層の焼戻し軟化抵抗を高める（例えば焼
戻しによる炭化物の析出によって表面硬化層の焼入組織
を硬化させる）ことにより、浸炭焼入材に匹敵し或はこ
れを上回る表面特性を発揮する高周波焼入後月を提供し
ようとして、１ドア成元素の種類及び含有率を主体にし
て種種研究を−Ｊ１ｔねできた。

／１ぐ発りＩＪＣＪ、こうした研究の結果完成されたも
のであって、その構成は、 Ｃ：０．４７〜０５５％（重量係；以下同じ）Ｓｉ：０
．１　〜１．０係 Ｍｎ：１．０　〜２．０％ Ａに０．０２〜００６乃 Ｐ：（１，０１０係以下 ０：０．（１０２係以下 を基本成分とし、更に Ｃｒ　：　０．４〜１．５　％ Ｍｏ：　０．５％以下 の工種又は２種を含み、残部が実質的に鉄からなり、且
つＣ＋　Ｍ　ｎ　ｒ　Ｃｒ及びＭｏの含有率が下記［１
’ｌ］式の関係を満たず様に各含有元ｆ：ｔｒ’：をｉ
、”ｌ整してなるところに９旨を有するものである。

５．９＜Ｃ７ｘＣ％４−　］、、７２　ＸＭｎ％十１．
８８ｘＣｒ％−１−２．５７ＸＭｏ％）＜１１．９　・
−叫１１〕以下４１４成元素の種類及び計重率を厳密に
規定した理由を＋４１７１＋＋に説明する。

Ｃ：０．４７〜０．５５係 Ｃ（は焼入性と強度を与える為の基本元素でｉうり、０
．４７％未満では焼入性が不十分になると共に、高周波
焼入後の表面硬さを十分に高めることができない。換言
すれに１１高周波焼入後における表１ｒＩｉ　Ｉ便化層
を最低限必要な硬さとする為には、Ｃを０．／１７グ以
」−含有させなければならない。尚Ｃ−ｉ’＋！を増や
せシｊ：増やすほど表ｒｉＴｉ　４Ｈ＋４化層の硬さ−
、上昇するが、高周波焼入れにおいてＣ：届、激な加熱
−冷ノイノで焼入れを行なう為変態に伴う応力の発生が
著しく、Ｃ量が多すぎると焼割れが発生し易くなるので
０．５５係以下に抑えなければならない。

Ｓｉ：０．１〜１．０係 脱酸剤として不可欠の元素であり、焼入性を高める作用
もあり、０．１係未満では脱酸不足によって鋼材の物性
が劣悪になる。しかし多すぎると殊に芯部の靭性に悪影
響が現われてくるので１．０ヴ以下に抑える必要がある
。

Ｍｎ　：　ｉ、０　＝２．０％ 高周波Ｎ１６！ｊ人性、強度及び芯部の靭性を高めるう
えで重要な元素であり、特に高周波焼入後の表層部に十
分々１ｉＩｉＩ磨耗性と耐疲労性を持たせる為には１．
０係以上３イ〕させなければならない。しかし多１′ぎ
ると鋼４′４の延性及び加工性が極端に悪くなるので２
．０俤を一ト限としだ。

Ａｌ：０．０２〜０．０６係 ＡＩは鋼の脱酸及び結晶粒度ｈ１１整として必要な元素
である。窒素を固定し結晶粒度を微ｉ？ｌＩＩ化するＫ
は０．０２係以上必要であって、これが０．０６係を越
えると酸化物型化合物が増加し耐摩耗性及び耐疲労性を
１５１１害するので上限を０．０６条とした。

Ｐ：０゜０１０以下 調料の焼戻し脆化を助長し靭性を著しく阻害する元素で
あり、特にＭｌを必須成分として含む本発明鋼において
は、■）とＭｎの共存によって焼戻し脆性は相剰的に悪
化する。更にＰ旦が増えると焼割れ感受性所高丑る等、
Ｐは極めて有害な成分である。しかし０．０１０％以下
であれば上記の障害は実質上問題とはならないので、０
．０１０％を」二限と定めプこ。

０：０．００２係以下 ０は鋼中の不純介在物の形態に大きな影響を及ぼし、特
にＡｌ２Ｏ，や５ｉ０２等の介在物は４磨性及び耐疲労
性を著しく阻害するので、酸化物系介在物は極力少なく
し々ければならず、従って酸化物量は少ないほどよい。

しかしＯ量が０．００２％以下であれば実質上の問題は
生じない。

Ｃｒ　：　０．４〜１．５　％及び／又はＭｏ　：　０
．５　％以下Ｃｒは８旧の焼入性を高めると共に、焼戻
し効果によってＣｒ炭化物を析出させて表面耐層性及び
耐疲労性を高める機能を有しており、これらの効果を有
効に発揮させる為には０．４係以上含有させなければな
らない。但しＣｒ添加量が多くなシすぎると変態点（Ａ
ｃ＋　＋Ａｃｓ　）が上昇して鋼材の焼入れ効果が低下
し、その添加量に見合うたけの高周波焼入性が得られず
経済的に無駄であるので、１．５係を上限としノこ。

Ｍｏも、高周波焼入性を高め１１、つ焼戻し効果で炭化
物を析出させ４磨性及び耐疲労性を高める、といった効
果において前記Ｃｒと同効物質であり、更には礎利の靭
性を高めるという効果も有している。こうした効果を実
効的に発揮させる為には０．１０襲以、に含有させなけ
ればならないが、反面多すぎると強固なＭｏ炭化物を形
成し高周波加熱時にλ−ステナイトに固溶せず焼入性を
阻害したり、また十分固溶した場合には焼割れを発生す
ることもあるので０５％以下に抑えなければならない。

尚ＣｒとＭ　ｏは前述の如く同様の添加効果を有し、て
いるので、何れか一方を添加するだけで本発明の目的＆
″、１．．１．達成、両者を併用することも勿論有効で
ある。

本発明鋼における必須の含有元素及び排除すべき元素は
上記の通りであるが、本発明における最大の目的である
転勤疲労寿命（耐面圧性）を目標レベルまで高める為に
は上記の要件だけでは不十分であり、−上記必須含有元
素のうち耐血圧性に大きく影響するＣ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍ
ｏの含有率を総合的に判断して決定すべきであることが
明らかとなった。そして代表例として示す後記実験例を
含めて多くの実験データを基に、耐面圧性に対する各元
素の係数をめ、該係数を加味した総含有率の最適範囲を
明確にすべく検討を行なった結果、前記ＣＤ式の関係を
知るに至った。本発明においてはこのＣＤ式の関係を明
らかにしたところに最大の特徴を有するもので、この値
が５．９以下では上記４元累の機能、殊に高周波焼入性
向上機能及び強度向上機能が十分に発揮されず、耐面圧
性を満足のいく程度まで高めることができない。一方こ
の値が１１．９（４４”ｆｆｌの各元素含有率の上限値
を上記式に代入することによって得られる値）以上にな
ると、先に述べた各元素含有率の上限設定理由と同様の
障害が現われ、本発明の目的にそぐわなくなる。

本発明は以−にの様に構成されるが、要は鋼材中に含寸
れる元素の種類及び各含有率を規定すると共に、殊に（
−ｒ　Ｍ　１〕＋　Ｃｒ　ｒ　Ｍｏの含有率に夫々一定
の係数を乗することによって得られる値の総和が特定の
範囲におさまる様に各元素相互の含有率をｌ’：１．９
整することにより、４磨性及び耐疲労性（特に耐面圧性
として現われる転動疲労寿命）の仕れた高周波焼入鋼を
得ることのできる鋼材を提供し得ることになった。そし
てこの高周波焼入鋼は従来の浸炭焼入鋼に匹敵し或はこ
れを上回る耐面圧性を発揮し７得るものであって、浸炭
焼入れから処理効率及び処理コストの優れた高周波焼入
れへの全面切替えを実現可能にした意義は頻る大きい。

次に実験例を示す。

実験例 第２表に示す化学成分の調料を溶製し、鍛造、焼ならし
後Ａｃ３変態点以上の温度に加熱した後会、冷（油）焼
入れを行ない、更にＡｃ、変態点以下の温度で焼戻し２
を行ない、機械加工して転勤疲労試験用試験片を作製す
る。次いで各試験片を高周波焼入れ、焼戻しを施し、試
験片表面（接触面）を研磨加工した後、円筒型転勤疲労
試験機を用いて最大接触応力（Ｐ　ｍａｘ　）　６００
　ｋｇ／ｍｍ下での青金試験を行なった。

転勤疲労寿命の目安は、ころがシ疲労を受けた各試験片
衣１ｆｆｉ　（接触面）に剥離が生じるまでの繰返し回
数とし、得られたデータは夫々ワイブル分布確率紙にプ
ロットして整理し、異積破損率１０％の破壊寿命（Ｌｌ
ｏ）及び同破損率５０％の破壊寿命（１，５０）をめた
。

結果を第３表に示す。

第３表 第２表において従来例１，２はＪＩＳ規格の５ＣＲ４２
０，ＳＣＭ４２０に相当する浸炭焼入鋼材、従来例３は
ＳＣＭ４１５に相当する／Ａ利である。

従来例は浸炭焼入を施し高周波焼入材と同様の試験片加
工後、転勤疲労寿命試験を行なった。

第２，３表より次の様に考察することができる。

比較例１，２はＣ含有量の影響を調べたものであ如、６
月を０．１チ増加することによって表面硬さは相当高ま
り、転勤疲労寿命は２倍に伸びている。しかしＣｒ及び
Ｍｏが含まれておらず且つＰ量が多すぎる為、十分力疲
労寿命は得られてい力い。

比較例３及び６はＣｒ又はＭＯの添加効果を確認する為
に行なったもので、転勤疲労寿命（Ｌｌｏ）は比較例１
に比べて約６倍（比較例３）及び約３倍（比較例６）に
伸びている。しかし何れもＣ量が不足すると共にＰｉが
多すぎ、且つ比較例６ではＭ　ｎ　１１１も不足してい
る為、何れも低レベルの寿命しか得られていない。

比較例４及び５はＣｒの添加効果を調べたもので、Ｃｒ
Ｑを増大することによって転勤疲労寿命は明らかに延Ｊ
ｋされている。しかし何れもＣ景及びＭｎ量が規定量に
満たない為目標レベルの転勤疲労寿命は得られない。

更に比較例１，２．４及び６は何れも前記ＣＤ式で規定
する要件からも外れており、これも寿命が伸びない一因
と考えられる。

これに対し実施例１，２は本発明の規定要件をすべて満
足するものであり、浸炭焼入鋼（従来例１．２）に比べ
て優るとも劣らない高レベルの転勤疲労寿命が得られて
いる。

更に下記第４表は、上記各試験片について、加熱３００
℃における表面硬さく　Ｈｖ　）を調べた結果を示した
ものであシ、又第１図は該表面硬さの試験結果と転勤疲
労寿命（ｉ−ｔｏ）の相関々係をグラフ化して示したも
のであり、これらからも明らかな様に、本発明の要件を
満たす実施例１及び２は比較例に比べて加熱時の表面硬
さも極めて優れたものであることが分かる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、加熱３００℃における表面硬さと転勤疲労寿
命（Ｌ＋。）の関係を示すグラフである。 出願人　株式会社神戸製鋼所

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｃ：　０．４７−−０．５５％（重量％：以下同じ）Ｓ
   ｉ：　０１　〜１．０チ Ｍｎ　：　１．０　〜２．０　％ ＡＩ：０．０２〜０．０６係 を基本成分とし、不純物であるＰ、ｏについては夫々 Ｐ：０．０１０条以下 ０：０．００２％以下 に夫々抑ｆｌｌｌ　シ、更に Ｃｒ：　０．４〜１．５％ Ｍｏ：　０．５％以下 の１種又は２種を含み、残部が実質的に鉄がらなシ、且
   つ下記式を満足することを特徴とする高周波焼入用鋼。 ５．９＜［７ＸＣ％Ｓ＋１．７２ｘＭｎ％ト］、、８８
   ｘＣｒ％＋３．５７ＸＭＯ９Ｄ（１１，９