JPS61501213A - 窒化鋼製品 - 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】 窒化鋼および窒化鋼製品 〔技術分野〕 この発明は、合金鋼一般および特に窒化鋼およびそれから製造される製品に関す る。

〔背景技術〕

窒素表面硬化法、より一般的には窒化といわれるものは、表面硬さ、耐摩耗性、 ある種の耐食性を向上させ、まだ窒化した部品の疲労強度向上に効果のある表層 応力を増加させる。そのため、窒化処理した合金鋼製品は歯車、継手、軸および その他の耐摩耗性と高応力負荷を要求される用途にしばしば用いられる。

窒化に適した合金鋼の一つの群は下記の成分をもつ。すなわち、 炭　素　０．２１−０．２６　ｗｔチ マンガン　０．５０−０．７０　ｗｔチアルミニウム　１．１０−１．４０　ｗ ｔチニッケル　３．２５−３．７５　ｗｔ％り　ロ　ム　１．００−１．３０　 ｖｔ％モリブデン　０．２０−０．３０　ｗｔチシリコン　０．２０−０．４０ 　ｗｔチ鉄および許容し得る微量元素　残　部 である。

熱処理後に窒化処理されている、より経済的な調質型合金鋼の群は、Ａｌ５Ｉ／ ５ＡＥ４１００系合金鋼である。

特に、Ａｌ５Ｉ／５ＡＥ４１４０Ｈ合金鋼は、表面硬さと芯部硬さが共に高いこ とが要求される多様な歯車の製造に有用であることが認められている。

Ａｌ５Ｉ／５ＡＥ４１４０Ｈ合金鋼の規格成分は、下記のとおりである。すなわ ち、 炭　素　０．３７−０．４４　ｗｔ％ マンガン　０．６５−１．１０　ｗｔ％シリコン　０．１５−０．３５　ｗｔチ ク　ロ　ム　０．７５−１．２０　ｗｔ％モリブデン　０．１５−０．２５　ｗ ｔ％鉄および許容し得る微量元素　残　部 上記成分の部品は、ま、ず鋼片から鍛造又は圧延され、次に焼入れ、焼もどしを 施し、その後機械加工してから窒化されるのが典型的な製造法である。Ａｌ５Ｉ ／５ＡＥ４１４０Ｈ合金鋼はある一定の窒化用途に有用であったが、欠点もある 。たとえば、この鋼は高価な合金元素であるモリブデンを含有する。更に、Ａｌ ５Ｉ／５ＡＥ４１４０Ｈの成分をもつ製品は、焼割れし易いため、一般的には油 焼入れが必要なことが認められている。

その上、Ａｌ５Ｉ／５ＡＥ４１４０Ｈの窒化層硬さは一般的に約ｎｃ　５５以下 が限度である。

本発明は上記の問題を克服することを意図している。特に、本発明による合金鋼 は、経済的で、多様な焼入れ媒体に適応し、焼もどし後も高い芯部硬さを維持し 、優れた窒化特性を持つ成分を提供する。

木調の原料コストは、モリブデンを使わないことによシ低減している。本発明の 成分をもつ合金鋼で製造した製品は、極めて広範な寸法範囲について、水焼入れ も油焼入れも可能である。更に、焼もどし後に、当該製品は、焼もどし温度によ ってＨＲＣ２５から３２の範囲に制御される有用な芯部硬さを維持している。ま た、同等の硬化層深さに対する窒化時間は、この新しい合金成分の製品では、Ａ ｌ５Ｉ／５ＡＥ４１４０Ｈの成分を持つ製品にくらべて４０％も短縮できる。

〔発明の開示〕

本発明の一つの特徴は、窒化鋼の成分を、炭素０．２０から０．４０　ｗｔ％、 マンガン０．５０から１，６０ｗｔ％、クロム０．４０から１．５　Ｑ　ｗｔチ 、アルミニウム０．０７から０．３０　ｗｔ％、バナジウム０．０３から０．２ ０ｗｔ％、およびシリコン０．１０から０．４０　ｗｔ％と残部は実質的に鉄と することである。

本発明のもう一つの特徴は、上記成分を有する合金鋼で製造した製品が、焼入れ 、焼もどし、窒化後に表面硬さがＨＲ１５Ｎ８９以上かつ芯部硬さがＨＲＣ２５ 以上であることである。

本発明による合金鋼成分の特徴は、焼入性、焼もどし軟化抵抗および優れた窒化 応答性を合わせもつことである。これらの特性は少量のアルミニウムおよびバナ ジウムを注意深く制御して使うことによって達成される。更に、特徴あるこれら 諸特性は高価なニッケルあるいはモリブデンの添加なしに達成されるから、廉価 な材料を提供する。

〔図面の簡単な説明〕

第１図は本発明による窒化鋼の優れた焼入性を示すグラフ、第２図は当該鋼の優 れた窒化応答性と焼もどし軟化抵抗を示すグラフ、第３図は本発明による合金鋼 と典型的な窒化鋼において、窒化応答性を比較したグラフである。

〔発明を実施するだめの最良の形態〕

炭素は最高硬さと硬化層深さに寄与する。本発明において炭素含有量は、焼もど し後の芯部硬さを十分に維持するために０．２０　ｗｔ％以上とし、耐焼割れ性 と十分な窒化応答性を確保するために約０．４０　ｗｔ％を越えないものとする 。炭素含有量が約０．３４　ｗｔ％を越えると、形状の複雑な製品では水焼入れ の際に割れや歪みを生ずることが認められており、その場合にはあま９急激でな い焼入れ媒体として油等が必要である。したがって、広い範囲としては炭素０． ２０−０．４０　ｗｔ％が考えられるが、更に望ましい範囲は炭素０．２４−０ ．３４　ｖｔチである。上記のよシ望ましいすなわちよシ適した範囲で製造した 合金鋼製品は、適宜に水または油で焼入れできるという利点がある。

マンガンは焼入性を高める働きがあるため、すべての調質型合金鋼中に存在する 。ここに開示した合金鋼のマンガン含有量は、十分な芯部硬さを確保するために ０．５０　ｗｔ％以上とし、割れ防止のために約１、６０　ｗｔ％を越えないも のとする。許容範囲は広く０．５０−１．６０　ｖｔチであるが、更に、熱処理 に対する応答を均一に保つために、マンガン含有量は１．００−１．３０　ｗｔ ％の狭い範囲とすることが望ましい。

クロムは本合金鋼の焼入性に寄与するとともに優れた窒化物形成元素として窒化 特性を向上させる。

これらの効果を最もよく実現するために、クロムの最少必要量は０．４０　ｖｔ チであり、０．９０ｗｔ％以上存在することが望ましい。脆化を防止するために 、り°　ロムは最高１．５０　ｖｔチを越えてはならず、約１．２０チ以下とす るのが望ましい。

アルミニウムは本発明に本質的に必要な成分であって、焼入性に寄与するととも に優れた窒化物形成元素である。実施例で述べるように、アルミニウムは０．０ ７　ｗｔチ以上存在する必要があり、０．１０チ以上であることが望ましい。ア ルミニウムが約０．０７チ未満の場合は、焼入性、窒化応答性のいずれにもほと んど改善効果が認められないばかりでなく、それに見合う利点もない。また、ア ルミニウムの量が０．３０チを越えた場合は、窒化性に対しては好都合であるが 、表層の脆化傾向も強まることが見出された。したかやて、アルミニウム量の上 限は０．３０ｗｔ％を越えないことが必要でちり、０．２０％を越えないことが 望ましい。本合金鋼は上記範囲のアルミニウムを含有し、多様な焼入れ方法が可 能でアシ、シかも焼入れ性も向上している。

バナジウムも本合金鋼に本質的に必要な成分でちって、表面硬さと芯部硬さを共 に矛盾なく、測定可能な程向上させるためには０．０３　ｖｔ（＋以上存在しな くてはならない。バナジウムの量が０．２０　ｗｔ％を越えると木調の窒化応答 性や焼入性はほとんど向上しなくなる。これらの理由により、バナジウム量の下 限は０．０３　ｖｔチ、上限は０．２０％である。更に、０、０５　ｗｔ％から ０．１０　ｖｔ％に限定すればこの成分を最も経済的に使うことができて望まし い。規定した範囲で、アルミニウム量とバナジウム量の組合せを適当にすれば、 著しく窒化応答性が向上して窒化時間が短縮し、表層硬さおよび硬化層深さが増 加する。

また、アルミニウム量とバナジウム量を規定範囲内で適当に組合せれば、焼入れ 性および焼もどし軟化抵抗が向上する。

本合金鋼の残余成分は実質的に鉄であシ、その他に少量の不可避的な成分が存在 しても良い。たとえば、シリコンは、実用上規格量が認められているが、これは 溶鋼の脱酸に用いられるためである。この目的で、シリコンは０．１０　ｗｔ％ 以上存在してよい。硫黄は少量で被剛性に有効であシ、許容値は０．１０ｗｔチ 以下であるが、０．０４ｗｔ％以下として延性の低下を避けるのが望ましい。同 様に、被剛性の向上のために、必要によシ、鉛を約０．１５　ｖｔチまで添加し てもよい。燐は０．０５　ｖｔ４を越えると脆化を起こし得るから、上限は０． ０３５ｗｔチを越えないことが望ましい。その他の一般に随伴不純物と認められ る元素は実用上記められる許容量以内で存在してよい。

上記成分を有する、軸、継手、歯車等の製品は、鍛造又は圧延で成形し、次に約 ８７０　℃（１６００下）で約１ｈ加熱保持してから水又は油中に焼き入れ、そ の後機械加工で最終寸法に仕上げる、というのが望ましい製造方法である。従来 は、窒化鋼には油焼入れが必要であった。本発明鋼では焼入れ方法に関する制限 が緩和しているが、これは、アルミニウムが窒化性と焼入性に寄与し、特に、こ れに伴って炭素量の最適範囲が低下した結果である。焼入れ媒体の選択の自由度 が増したことは本発明の大きな利点の一つであ°る。

〔実施例１〕 アルミニウムの顕著な影響、特にアルミニウムとバナジウムを組合せたことによ る利点は、後掲の第１表および第１図に硬さの増加として現れている。

試料はすべて同一溶解チャージから作製しておシ、炭素、マンガン、クロム、お よびシリコンの各含有量の実測値は実際上同一であって、いずれも上述し　−た 要求範囲内である。アルミニウム量とバナジウム量は、４回の庄屋時に添加する ことにょシ変化させた。各注型材を３２ｍ＋（１，２５ｉｎ）角に圧延し、これ からジョミニー試験片と窒化試験片を作製した。

試料１と３のアルミニウム量は低く、試料２と４のアルミニウム量は最適範囲の 上限に近い。バナジウム量は最適範囲の下限を代表するものとして、試料３と４ に添加した。ＡＳＴＭ（Ａ２５５　）　ｒ一端焼入れ法による鋼の焼入れ性試験 」に従って試料を加熱、焼入れした後、焼入れ端から１　／１６　ｉｎ　（１， ５９霞）の間隔で硬さ測定を行なった。

第　１　表 ＣＯ，３４０，３４０，３５０，３６ Ｍｎ　Ｏ，５２０，５７０，５４０，５４Ｃｒ　１．０４　１．０５　１．０４ 　１．０４’　ＡＩ　Ｏ，０５６０，１８０，０７２０，１８ｖ　−−−−０， ０４６０，０４８ ＳＬ　Ｏ，３３０，３４０，３２０，３２Ｍｏ”　０．０１　０．０１　０．０ １　０．０１Ｃｕ”　０．０２　０．０２　０．０２　０．０２Ｎｉ”　０．０ ３　０．０３　０．０３　０．０３硬　さ−ＨＲＣ＊” 焼入れ端から の距離 １／１６ｉｎ　瓢 ２　３．２５４１／２　５３　５２１／４　５３４　６．４５０　５２　４８　 ５２１／４６９．５４２１／２　５０１／２　４１　５０３／４８１２．７３６ １／２４８３６４６３／４、。　１５．９３３　４２３／４　３３　４３３／４ ２４　３８．１２２　３１１／４　２６　３１１／２２６　４１．３２１　２７ ３／４　２４１／４　３２１／４２８　４４．４　−−　２５１／４　２２１／ ４　３１３０　４７．６　−−　２３１／４　２０１ノ々　３１３２　５０．８ 　−−　２２１／４　３１１／２率Ｍｏ＋Ｃｕ、Ｎｉは許容し得る随伴量である ことを確認するために測定し九市本ノヨミニー試験片の対向する両側で測定して 平均した。

第１表のデータをグラフで表わしたものが第１図である。ここで、アルミニウム を０．１８　ｗｊ％含有する試料２と４は、アルミニウムをそれぞれ０．０５６ ｗｔ％＋　０．０７２　ｗｔ％含有する試料１と３にくらべて焼入性が向上して いる。アルミニウムは０．１８　ｗｔ％未満の量でも焼入性に幾分寄与すること が認められるが、０．０７ｗｔ％未満ではその傾向がない。アルミニウムは酸素 や窒素と容易に結合するから、鋼中の自由酸素、自由窒素の量に影響する溶解法 によって、焼入性に有効なアルミニウム量は左右されるであろう。これらの理由 から、アルミニウム量に応じた焼入性を得るための現実的な下限は０．０７ｗｔ ％であると考えられる。

〔実施例２〕 ４回の注型に対応する窒化用試料を加熱・油焼入れした後、焼もどしを行なりた 。本発明の窒化鋼は芯部硬さを低下させずに比較的高温で焼もどすことができる 。第１表の各成分を有する４種類の試料を５９３℃（１１００下）に加熱し、そ の温度で３　ｈ’保持した。焼もどし後、試料から作製した試験片にアンモニア 雰囲気中で５２６℃（９８０’Ｆ　）Ｘ２８ｈの窒化処理を施した。前記第１表 の試料１−４の各各に対応する４回の注型の試験片について、窒化処理後の硬さ の測定結果を次の第２表に掲げ、第２図にグラフで示す。硬さ測定は窒化した試 験片の断面に沿ってＴｕｋｏｎ微小硬さ計により行ない、ヌープ硬さを相当する ロックウェルＣスケール硬さに換算し窒化表面から　硬　さくＨＲＣ，ヌープ硬 さから換算）の距離（簡）　試験片１　試験片２　試験片３　試験片４ｆｆ−一 ■■−−−１−−− ０．０５　５４　６１　５６　６３ ０．１０　５６　５９　５９　６２ ０．１５　５２　５７　５７　５９ ０．２０　５０　５４　５６　５８ ０．２５　４７　４９　５３　５６ ０．３０　４３．５　４７　５０　５３０．４０　３６　３９　４０　４Ｑ、５ ０．５０　３２　３５　３６　３７ ０．６０　３０　３２　３４　３４ ０．７５　３０　３０　３２　３２ １．００　３０　３０　３２　３２ この実施例は表層硬さと芯部硬さに対するアルミニウムの寄与を示すとともに、 特にアルミニウムとバナジウムの組合せにより予期せぬ好結果が生まれたことを 示す。アルミニウムを０．１８　ｗｔ％含有し、バナジウムを含有しない試験片 ２は、アルミニウム量が低く（０，０５６ｗｔ％）、バナジウムを含有しない試 験片１に対して表層硬さは非常に高く（ＨＲＣで３〜７度）、芯部硬さは同等で ある。約０．０５　ｗｔ％のバナジウムを含有する試験片３と４は、これらと基 本成分が本質的に等しく、アルミニウム添加の有無も対応する試験片１と２にく らべて硬さが高い。

最低硬さを示したのは、バナジウムを含有せず、アルミニウム含有量の最も低い （０，０５６ｗｔ％）試験片１であった。試験片１−４に対応する成分を有する 別の試験片に５３８℃（１０００下）、６４９℃（１２００７）＄＞よび７０４ ℃（１３００７）Ｏ焼もどしを行なった。その結果は上記の５９３℃（１１００ 下）で焼もどしを行なった場合と同様で　−あった。いずれの場合も、アルミニ ウムを０．１８ｗｔ％含有しバナジウムを約０．０５　ｗｔ％含有する試験片４ 又はそれ以上であった。

〔実施例３〕 窒化応答性を測定するために、別途３種類の試験片を準備した。窒化応答性は、 あらかじめ設定した窒化層深さに到達するために要した、生アンモニア含有雰囲 気中での高温保持時間で測定した。３種類の試験片の成分実測値と各特性値を次 の第３表に示す。

ＣＯ，３９０，３１０，３１ Ｍｎ　Ｏ，７１１，１２１，１３ Ｃｒ　Ｏ，９８０，９３０，９４ Ａｔ　Ｏ，０２５０，１５２０，２６０Ｖ　−−０，０６０，０６ Ｓｉ　Ｏ，２５０，３５０，３６ Ｓ　Ｏ，０１２０，０１００，０１０ Ｐ　Ｏ，０２２０，０２５０，０２５ Ｍｏ　Ｏ，１４０，０３率　０．０３傘Ｃｕ　Ｏ，１０本　０，１２本　０．１ ２率Ｎｉ　Ｏ，０６市　０．０９”　０．０９率窒化層深さ車重率 閏　０．２７　０．３３　０．３５ ）（ＲＣ２８２７２８ 窒化層深さ車重率 ｒａｎ　Ｏ，３８０，４７０，５０ ＊　許容し得る残余１でおる。これらの元素は制御し計画し意図的に添加した結 果として存在するものではない。

中本　芯部硬さはビッカース硬さく　ＤＰＨ）として測定しこれをロックウェル 硬さＣスケールの対応値に換算した。

車重率窒化層深さは、表面からビッカース硬さ４２３が得られるまでの距離とす る。

第一の試験片はＡｌ５Ｉ／ＡＳＥ　４１４０　ｆｉで作製した。この鋼種は出願 人がこれまで業務に用いてさているものでちり、一般的に焼入れ、焼もどし、窒 化を施す製品用に適した合金窒化鋼として認められているものである。第二の試 験片は第３表中で試験片５と示したもので、アルミニウムとバナジウムを°本発 明の最適範囲で含有する。第三の試験片すなわち試験片６は試験片５と同等であ るが、ただアルミニウム含有量は本発明において広い範囲で規定したときの最高 値付近まで増量添加した点が異なる。上記３種類の試験片を２組準備した。この ２組について第２表の試験片について既述したと同様の加熱、焼入れ、焼もどし を施した。焼もどし後、試験片の１組に、解離アンモニアをキャリア・ガスとす る化アンモニアガス雰囲気中で、温度５２６℃・（９８０″Ｆ　）、２１ｈ保持 の窒化を施した。別の１組には、同様の条件でとしたＡｌ５Ｉ／ＳＡＥ　４１４ ０試験片の最小窒化層深さとして、各々０．２０　ｆｆ１Ｉ！＋、　０．３０＝ を確保するために選んだ。窒化処理後、３種類、２組の試験片を窒化炉から出し 、各試験片断面を鏡面研磨し、Ｔｕｋｏｎ微小硬さ計で測定し、窒化層深さを決 定した。成分実測値と硬さ値を次の第３表に掲げ、各々の窒化層を深さを窒化時 間の関数として第３図のグラフに示す。

第３図に示したグラフから、従来鋼Ａｌ５Ｉ／５ＡＥ４１４０は２１ｈの窒化処 理で窒化層深さは０．２７ｍｍであるが、同じ深さが本発明の成分では約１５　 ｈｒで実現していることがわかる。同様に、最適範囲のアルミニウムを含有する 本発明鋼では、窒化層深さ０．３８−に達する時間は２５ｈｒに過ぎないが、従 来鋼では４８ｈｒを要している。このように、本発明の成分を有する製品は、窒 化時間を大巾に短縮できることがわかる。窒化層深さ０．３瓢に対して窒化時間 を４０％程度短縮でき、これによシ大巾なコスト削減効果がちる。

〔産業上の利用可能性〕

本発明は、窒化応答性を最も要求される歯車、軸。

ブッシング等のような油又は水焼入れと窒化を施す製品の製造上特に有用である 。更に、本発明の合金鋼成分は高価な合金添加が不要なため経済的に製造される 。また更に、本発明の合金鋼は、焼入れ、焼もどし後最終寸法に機械加工してか ら窒化処理するような窒化製品への利用が特に要望されるものである。そのよう な場合に利用されたとき、本発明鋼の特徴は、焼もどし後に維持される芯部硬さ が高く、同時に、優れた窒化応答性により製造コストも低減することである。

本発明に関するこの他の観点、目的、利点については図面１発明の開示および添 付した請求の範囲に記載したとおりである。

距離（ｍｍ） ０．＋０．２０．３０．４０．５０．６０．７０．８０．９ｏ１．ｏ。

正、ｉ’ｉ（ｍｍ） 萱に時間（ｈ） 国　際　論　を　碧　失

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．重量％で、 炭素０．２０−０．４０ マンガン０．５０−１．６０ クロム０．４０−１．５０ アルミニウム０．０７−０．３０ バナジウム０．０３−０．２０ を含有し、残部が鉄および微量元素から成る窒化鋼。
2. ２．アルミニウムが０．１０から０．２０ｗｔ％の範囲で存在することを特徴と する請求の範囲第１項記載の窒化鋼。
3. ３．重量％で、 炭素０．２４−０．３４ マンガン１．００−１．３０ クロム０．９０−１．２０ アルミニウム０．１０−０．２０ バナジウム０．０５−０．１０ および微量元素を含有し、かつシリコンを０．１０ｗｔ％以上、硫黄を０．０４ ｗｔ％未満、燐を０．０３５ｗｔ％未満含有することを特徴とする請求の範囲第 １項記載の窒化鋼。
4. ４．炭素約０．２０〜０．４０ｗｔ％、マンガン約０．５０〜１．６０ｗｔ％、 クロム約０．４０〜１．５０ｗｔ％、アルミニウム約０．０７〜０．３０ｗｔ％ 、バナジウム約０．０３〜０．２０ｗｔ％、残部実質的に全部鉄および随伴不純 物を含有し、加熱し焼入れし焼もどしし機械加工し窒化処理したときに、表面硬 さがＨＲ１５５Ｎ８７以上であって、芯部硬さがＨＲＣ以上であることを特徴と する合金鋼製品。
5. ５．アルミニウム含有量が０．１０〜０．２０ｗｔ％であってかつバナジウム含 有量が０．０５〜０．１０ｗｔ％であることを特徴とする請求の範囲第４項記載 の合金鋼製品。
6. ６．随伴不純物がシリコン約０．１０ｗｔ％以上、硫黄約０．１０ｗｔ％以下、 燐約０．０５ｗｔ％以下であることを特徴とする請求の範囲第４項記載の合金鋼 製品。
7. ７．鉛含有量が約０．１５ｗｔ％以下であることを特徴とする請求の範囲第４項 記載の合金鋼製品。
8. ８．約８７０℃（１６００Ｆ）に１ｈ加熱保持し、約５９３℃（１１００Ｆ）で １ｈ焼もどしし、約５２６℃（９８０Ｆ）で約１５ｈの窒化処理をすることを特 徴とする請求の範囲第４項記載の合金鋼製品。
9. ９．窒化処理後の表面から０．２０ｍｍの深さの位置のビッカース硬さがＤＰＨ ４２３以上であることを特徴とする請求の範囲第４項記載の合金鋼製品。