JPS63137145A - 浸炭用鋼 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、浸炭処理時に鋼材の表面層に現われる有害な
粒界酸化を低減し、耐疲労性を具備する浸炭用鋼に関す
るものである。

［従来の技術］ 浸炭鋼として１例えばＪＴＳに規定するＳｃ材、ＳＣｒ
材、ＳＣＭ材、ＳＭｎ材、ＳＮＣ材、ＳＮＣＭ材等の機
械構造用鋼があり、ギア類から、ビン、ブツシュ、ボル
ト等の機械部品が製造されている。

これらの部品は１表面の耐摩耗性および疲労強度を高め
るために、浸炭焼入れ処理が施されるが、最表層部に不
完全焼入れ組織が生成し、この結果疲労強度が著しく低
下するという問題を有している。この表層の異常組織は
、主に浸炭処理中に粒界近傍に存在する合金元素が酸化
され、粒界近傍の焼入れ性が低下することにより形成さ
れるものである。

そこで従来は、浸炭処理後にラッピング等の表面加工を
行って表面の異常層を除去したり、あるいは浸炭処理後
の焼入れ時に部品の冷却速度を大きくして不完全焼入れ
層の形成を防止している。

さらに特公昭５５−３２７７７号及び特開昭５９−１８
２９５２号の公報に異常層の現われない成分範囲に関す
る鋼材が開示されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしラッピング等の表面加工を行うと製造工程数が増
加するほか複雑な形状部品には適用しがたいという問題
があり、また冷却速度を大きくすると熱処理歪が増大し
゛、寸法精度が低下するという欠点がある。

そのため酸素を含まない雰囲気中で行う真空浸炭法があ
るが、この処理を実施するためには真空装置をはじめ種
々の装置が必要で極めて複雑であり、さらに炉の容嫌に
限界があるため、大量生産には不向きで製品もコスト高
となる。

さらに最近、前記した特公昭５５−３２７７７号、特開
昭５９−１８２９５２号の公報にみられるようにＳｉ、
Ｍｎ。

Ｃｒ等の酸素との親和力の強い合金元素に着目し。

異常層の呪われない成分範囲に関する鋼材が開示されて
いる。しかしこれらの鋼材は異常層の完全な抑制は困難
であり、また浸炭条件の制御ムラによっては著しい異常
層の発生が避けられなかった。

さらに酸化されにくい合金元素として価格の高いＭｏや
Ｎｉを用いているためにコスト高になる等の問題があっ
た。

［問題点を解決するための手段］ 本発明者らは、この異常層の原因となる浸炭時の６粒界
酸化現象およびその他の材料因子と疲労強度の関係を詳
細に検討し、Ｓｌの他１こＣｒも有害なことを突き止め
た。たとえば、浸炭温度９３０℃、浸炭時間５１１ｒ、
　Ｃポテンシャル０．８％という自動車用肌焼鋼の代表
的な浸炭処理での粒界酸化層深さは 粒界酸化層深さく　ｐ　ｍ）　＝　１３．０（Ｓｉｘ）
＋５．４（Ｃｒ％）＋１．７・・・・・・０式 という関係式で表わすことができる。

次に浸炭鋼の材料因子と疲労強度の関係を調査した結果
、完全に粒界酸化層を防止せずともある程度粒界酸化層
を抑制し、それに焼入れ性を現用鋼以上に高める方法を
付加することにより粒界酸化層を皆無にした場合と同じ
かそれ以上の効果が期待できることが分かった。この場
合の新たな疲労強度向上の方法としては、Ｓｌ、Ｃｒを
低減しある程度粒界酸化を抑制し、焼入れ性補填にＭｎ
を現用鋼以上に添加する方法が最も有効であった。

この高焼入れ性鋼はたとえ一部が粒界酸化物として消費
されたとしても、補うのに必要な合金元素が添加されて
おり十分な焼入れ性が保持でき、不完全焼入れ組織の発
生を抑制する。

また０式より焼入れ性元素の中でもＭｏ、Ｎｉは粒界酸
化を促進しない元素であることが分かり。

これらの元素は疲労強度向上に有効である。

次に疲労破壊の起点と伝播挙動を調査した結果。

ＡＱ、、ｏ３が表層部の疲労破壊の原因の一つになって
おり、この生成を抑制するために０を低減することが疲
労強度向上に有効であることが分かった。

さらに疲労破壊は粒界破壊で進展するのに対し、オース
テナイト粒界にＰが偏析して粒界を脆化させるため、そ
の量を低減することも疲労強度向上に効果的であり、試
験の結果、　０．０１０％未満であればその悪影響は実
質上問題にならないことが分かった。

こうした知見をもとに本発明者らは粒界酸化するＳｉ、
Ｃｒ元素を低減し、安価なＭｎで現用鋼以上の焼入れ性
に調節し、さらに介在物を低減し粒界を強化することに
よって、浸炭鋼の材質特性。

特に疲労強度が著しく改善することを見出し、本発明を
完成した。

すなわち１本発明は重呈％で、Ｃ：０．１％以上０．３
％未満、Ｓｌ：０．１０％未満、Ｍｎ：０．７５％以上
２．００％未満、Ｃｒ　：　０．３％未満を基本含有成
分とし。

あるいはこれにＮｉ　：　５．０％未満、Ｍｏ：１．０
％未満の一種または２種を含有し、あるいはこれにＰ：
０．０１０％未満、０　：　０．００２０％未満の一方
または両方を満足し、あるいはこれに、Ｎｉ、Ｍｏとと
もにＰ、Ｓも前記の如くに含有、満足し、残部Ｆｅおよ
び不純物よりなるように制御した浸炭用鋼を提供するも
のである。

以下に本発明の鋼の各構成成分について説明する。

まずＣは構造用部品あるいは製品として必要な強度特に
芯部強度を確保するために添加する元素であるが、　０
．１０％未満ではこのような効果を十分に得ることがで
きず、　０．３０％以上では靭性が低下して脆くなり、
浸炭用鋼として使用が困難となるので、その含有量を０
．１％以上０．３％未満とする。

Ｓｉは浸炭用鋼の粒界酸化に著しく悪影響を及ぼす元素
であり、含有量が０．１０％以上では浸炭層に粒界酸化
が形成され一浸炭用鋼の材質特性が著しく劣化するので
、その含有量を０．１０％未満とする。

Ｍｎは鋼に強度、靭性、焼入れ性を与えるのに必要な元
素であるが、　２．００％以上では熱間圧延後の冷却に
おいてベナイトやマルテンサイトの硬質な組織になり、
その後の切削等の二次加工には適さなくなるために２．
００％未満とする。しかしＭｎの添加型が０．７５％未
満では焼入れ性の効果が十分でなく、その含有量は０．
７５％以上とする。

Ｃｒは鋼の機械的性質、焼入れ性、耐摩耗性の向上に寄
与するが、この元素も０．３％以上では浸炭層に粒界酸
化が形成され、浸炭用鋼の材質特性が著しく劣化するの
で、その含有量を０．３％未満とする。

Ｓは鋼中の介在物量を増加し、冷間での塑性加工性に悪
影響を及ぼすので、０．０１０％未満に規制することが
より望ましい。

本発明の鋼は上述した成分を有する鋼の他に、さらに以
下のような化学成分を適当量に調整した鋼も含むもので
ある。この場合の化学成分としてはＮｉ、Ｍｏ、Ｐ、Ｏ
がある。

ＮｉおよびＭＯは無添加でも十分疲労強度を向上できる
が、これらは浸炭時の粒界酸化を促進しない元素であり
、鋼の機械的特性や焼入れ性を向上させるため、一種ま
たは２種を添加することにより、より一層の疲労強度向
上が図られる。Ｎｌは鋼の靭性向上、浸炭時のオーステ
ナイト結晶粒粗大化防止に寄与するが、多すぎると残留
オーステナイトが生成されるので５．０％未満とする必
要がある。またＭｏは鋼の耐摩耗性、焼入れ性、機械的
性質の向上に寄与するが、多すぎると靭性を劣化させる
ため１．０％未満とする必要がある。

○は鋼中の介在物量を増大し、転勤疲労や回転曲げ疲労
等の疲労強度特性を劣化させるので、０゜００２０％未
満とすることにより、またＰは結晶粒界に偏析し粒界の
破壊強度を低下させるため、　０．０１０％未満とする
ことにより、より一層の疲労強度向上が図られる。

以下に実施例を挙げてさらに説明する。

［実施例］ 第１表に示す化学成分の鋼を溶製したのち造塊し１次に
分塊圧延、棒鋼圧延して直径２５ａｍの丸棒を製造した
。続いて各圧延材を９２５℃で焼きならし処理した後、
直径２５ｍｍの丸棒より回転曲げ疲労試験片に機械加工
した０次に各加工材に対して。

浸炭ガス界囲俄中で９３０℃×５時間加熱→６０℃油焼
入れ→ｉａｏ’ｃ　ｘ　を時間焼戻しの条件で浸炭焼入
れ。

焼戻しを行い、各々の処理材についてミクロａｍによる
異常層深さを８１す定するとともに小野式回転曲げ疲労
試験及びシャルピー衝撃試験を行った。

表に示すように、Ｓｉ含有量の多すぎるＮｏ、１〜３、
およびＣｒ含有量の多すぎるＮ００４では表面異常層の
発生が大であり疲労強度も低い、さらにＮｉ含有量の多
すぎるＮｏ、５では残留オーステナイト祉が多く強度の
低下をもたらし、Ｍｏ含有址の多すぎるＮｏ、６では靭
性の低下に繋がっている。

これに対してこの発明の化学成分範囲内にあるＮｏ、７
〜１２では何れも表面異常層の発生が小であり、疲労強
度も高いことが明らかである。

第　　　　２　　　　表 ［発明の効果コ 以上説明してきたように、この発明は重量％で。

Ｃ：　０．１％以上０．３％未満、Ｓｉ：０．１０未満
、Ｍｎ：０．７５％以上２．００％未満、Ｃｒ：０，３
％未満を基本含有成分とし、あるいはこれにＮｉ　：　
５．０％未満。

Ｍｏ：１．０％未満の一種または２種を含有し、あるい
はこれにさらにＰ　：　０．０１０％未満、Ｏ：　０．
００２０％未満の一方または両方を満足し、残部Ｆｅお
よび不純物よりなるように制御した浸炭用鋼を提供する
ものであり１通常のガス浸炭雰囲気中で浸炭を行った時
でも表面異常層の発生が少なく、真空中で浸炭処理を行
わなくとも表面異常層の発生を抑制することができるた
め１部品の性能が著しく向上し且つ部品の製造コストを
低減できると同時に生産性を高めることが可能である。

また従来のように表面異常層を除去するためのラッピン
グ等の表面加工を行う必要がなく、浸炭処理後の焼入れ
速度を大きくせずに表面異常層の発生を抑制することが
できるため、熱処理歪の発生を極力低減することが可能
であり、各種浸炭用部品を高品質で且つ高疲労強度を持
つ部品として得ることができ、その産業上の効果は極め
て顕著なものがある。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、Ｃ：０．１％以上０．３％未満、Ｓｉ
   ：０．１０％未満、Ｍｎ：０．７５％以上２．００％未
   満、Ｃｒ：０．３％未満を基本含有成分とし、残部Ｆｅ
   および不純物よりなることを特徴とする浸炭処理時の表
   面異常層発生防止特性の優れた浸炭用鋼
2. （２）重量％で、Ｃ：０．１％以上０．３％未満、Ｓｉ
   ：０．１０％未満、Ｍｎ：０．７５％以上２．００％未
   満、Ｃｒ：０．３％未満を基本含有成分とし、かつＮｉ
   ：５．０％未満、Ｍｏ：１．０％未満の一種または二種
   を含有し、残部Ｆｅおよび不純物よりなることを特徴と
   する浸炭処理時の表面異常層発生防止特性の優れた浸炭
   用鋼
3. （３）重量％で、Ｃ：０．１％以上０．３％未満、Ｓｉ
   ：００１０％未満、Ｍｎ：０．７５％以上２．００％未
   満、Ｃｒ：００３％未満を基本含有成分とし、さらにＰ
   ：０．０１０％未満、Ｏ：０．００２０％未満の一方ま
   たは両方を満足し、残部Ｆｅおよび不純物よりなること
   を特徴とする浸炭処理時の表面異常層発生防止特性の優
   れた浸炭用鋼
4. （４）重量％で、Ｃ：０．１％以上０．３％未満、Ｓｉ
   ：０．１０％未満、Ｍｎ：０．７５％以上２．００％未
   満、Ｃｒ：０．３％未満を基本含有成分とし、かつＮｉ
   ：５．０％未満、Ｍｏ：１．０％未満の一種または２種
   を含有し、さらにＰ：０．０１０％未満、Ｏ：０．００
   ２０％未満の一方または両方を満足し、残部Ｆｅおよび
   不純物よりなることを特徴とする浸炭処理時の表面異常
   層発生防止特性の優れた浸炭用鋼