JPS63166947A

JPS63166947A - 窒化鋼

Info

Publication number: JPS63166947A
Application number: JP31274986A
Authority: JP
Inventors: Susumu Kanbara; 神原　進; Kenji Aihara; 相原　賢治
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1986-12-27
Filing date: 1986-12-27
Publication date: 1988-07-11

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〕この発明は、窒化処理前の切削性にすぐれかつ窒化処理
後においてすぐれた耐摩耗性と良好な靭性を兼ね備える
窒化鋼に関する。

〔従来の技術〕

窒化処理は、表面硬化法の代表的なものの一つであり、
これは、きわめて良好な耐摩耗性を有する表面硬化層が
得られ、また５００〜６００℃の低温域で処理するため
熱処理変形が少ないという利点があり、現在、建設機械
、輸送機械の大型構造部品、プラスチック成形機押出シ
リンダーなどの産業機械摺動部品等に多用されている。

ところで、一般に表面硬化材の耐摩耗性は、その表面硬
さが高いほど、また硬化層深さが深いほど、よりすぐれ
たものとなるのは言うまでもないが、窒化処理材の場合
には、耐摩耗性を支配する上記２因子のうち、硬化層深
さが比較的浅く、このため十分な耐摩耗性を得るために
は、表面硬さの方をかなり高く、具体的にはＨＶ１００
Ｏ以上とすることが必要である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

さて従来、窒化処理を前提とした材料（窒化用鋼）とし
ては、ＪｉＳ規格ＳＡＣＭ６４５が最も一般的というこ
とができる。この材料は、窒化処理後の表面硬さはＨＶ
１００Ｏ以上に達し、この点において上記の要求を満足
するが、反面、十分な硬化層深さを得るためには、５０
〜１００ｈｒにも及ぶ長時間処理が必要であり、処理コ
ストが嵩むこともさることながら、とくに長時間処理中
に基地の軟化がおこり、構造部材、摺動部材としての使
用に耐えられなくなるということが、大きな問題となる
。

また、窒化処理部品は通常、素材を粗機械加工（切削加
工）して所定の形状とし、次いで焼入れ一焼戻しを実施
したのち、更に仕上機械加工を行い、しかるのち窒化処
理を施すというプロセスで製造される。したがって窒化
鋼は窒化前においてすぐれた切削性を有することが求め
られるが、上記ＳＡＣＭ６４５材は、この切削性にも劣
るという問題がある。

さらに又、窒化処理の温度（５００〜６００℃）は、い
わゆる焼戻し脆化温度域と合致しており、上記の材料は
このような窒化処理により靭性が大きく低下するという
問題もある。

一方、窒化鋼に関しては、従来より数多くの提案が出さ
れている０例えば、特開昭５３−７０９４０号、特開昭
５８−１７１５５８号、特公昭６０−２４１７２号等が
ある。

これらは何れも、鋼基地部の軟化抵抗を高めることを主
たる狙いとしているが、何れもその効果自体十分でない
。また切削性についての配慮を欠いており、ＳＡＣＭ６
４５材の難切削性の改善策とはなり得ない、さらに、窒
化処理による靭性の低下についても十分な考慮がなされ
ていない。加えて、とくに特開昭５８−１７１５５８号
、特公昭６０−２４１７２号については、窒化処理後の
表面硬さがＨＶｌｏｏＯに到達せず、十分な耐摩耗性が
確保できない不利もある。

上記実情に鑑み本発明は、窒化処理前の切削性にすぐれ
るとともに、窒化処理中基地の軟化が生じにくり、窒化
処理後においては、表面硬さがＨＶ１００Ｏ以上となっ
てきわめてすぐれた耐摩耗性を保有し靭性の面でも良好
な窒化鋼の提供を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らは、上記従来の技術を踏まえ、切削性、耐摩
耗性、基地の軟化抵抗性、靭性の全ての面で満足できる
窒化鋼の開発を意図して、総合的な実験、検討を行った
。その結果、 ■　Ｃｒ、Ａｊ！、Ｖを適量添加することより、耐摩耗
性を支配する窒化後の表面硬さと硬化層深さを十分なも
のとすることができ、 ■　またＶの適正添加は基地の軟化防止にも有効であり
、 ■　かつＣｒ１ｌを特定のレベル以下に制限することが
窒化時における脆化の抑制に有効であり、■　更に不純
物としての０の含存量に対し制限を加えることが、切削
性の効果的な改善をもたらす、という事実を見い出した。

本発明は、基本的に上記のような知見に基づくものであ
って、以下に示す鋼を要旨とする。

Ｃ：０．３５％超え０．６％以下、Ｓｉ：１．５％以下
、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：０．２％以上１．０％未
満、Ｖ：０．０５％以上１．０％以下、Ｓ０１、Ａ１：
０．３％超え１．５％以下を含存し、更に必要に応じ、
下記■〜■のうち１種または２種以上を含み、残部はＦ
ｅおよび不可避的不純物からなり、不可避的不純物中の
０が０．００２０％以下であることを特徴とする窒化鋼
。

■　ｓ：ｏ、ｏ３％以上０．１３％以下、Ｐｂ：０．０
３％以上０．３５％以下、Ｃａ：０．００１％以上００
０１％以下、Ｔｅ：０．００５％以上０．０５％以下の
１種または２種以上。

■　Ｎｉ：１．５％以下、Ｍｏ：１．５％以下の１種ま
たは２種以上。

■　Ｎｔｚｏ、０５％以上１．０　％以下、Ｔａ：０．
０５％以上１．０％以下、Ｔｉ：０．０５％以上１．０
　％以下、Ｚｒ：０．０５％以上１．０％以下の１種ま
たは２種以上。

本発明における鋼成分限定の理由は、以下のとおりであ
る。

Ｃ（Ｃは窒化処理後の基地部の硬さを確保するための基
本成分である。一般に、窒化処理の対象部品は、大型部
品が多く、このため窒化処理前に焼入れ処理を行っても
、中心部は冷却速度が遅いため、完全マルテンサイト組
織にはならず、ベイナイトやパーライトが生成する場合
が多い、このような組織的条件を考慮すると、構造部品
、摺動部品として必要な中心部の最低の硬さＨｒＣ２０
を確保するためには、Ｃは少なくとも０，３５％必要で
ある。しかし、０．６％を越えて含有すると、靭性およ
び切削性の劣化が甚しく、よってＣ含有量は０．３５％
超え０．６％以下とした。

Ｓｉ　：Ｓｉは通常脱酸剤として添加され、基地強度の
確保にも有効であるが、多量添加すると、延靭性の劣化
につながるので、上限値を１．５％とした。なお下限値
については、とくに限定するものではないが、基地強度
確保の点からは０．１％以上にするのが望ましい。

Ｍｎ：Ｍｎは製鋼時の脱酸剤として不可欠であるととも
に、焼入性を向上させ、基地部の強度、靭性を高めるの
に有効であるが、２．０％を超えて添加すると、切削性
、熱間加工性の劣化が著しくるので、上限値を２．０％
とした。

なお、下限については、焼入性確保の点から０６３％以
上にするのが望ましい。

Ｃｒ；Ｃｒは窒化中に侵入する窒素と結合して微細なＣ
ｒ窒化物をつくり、表面硬さを向上させ、硬化層−さを
深くする。窒化鋼では不可欠の元素である０表面硬さ向
上に有効に働くようにするためには少なくとも０．２％
必要である。また、窒化温度は高温焼戻し脆化温度域と
合致しているため、窒化によりｍ基地の靭性は劣化する
傾向にあるが、Ｃｒを１．０％未満に制限することによ
り、この傾向は大幅に緩和される。以上のことから、Ｃ
ｒの含有量は、０．２％以上１．０％未満とした。

Ｖ：ｖもＣｒと同様、窒化中に侵入した窒素と結合して
微細な窒化物を生成し、表面硬さを高め、硬化層深さを
深くする働きがある。特にＶはＣｒに比べて硬化層深さ
に対する効果が大きく、耐摩耗性を確保する上で重要な
元素である。この効果が顕著に現われるのは０．０５％
以上の範囲である。

また、基地においては窒化処理中にＶ炭化物が析出し、
窒化による基地の軟化を補償する。このためには少なく
とも０．０５％の添加が必要である。

しかし、１．０％を超えると、■炭化物が粗大になり、
基地の強化作用が小さくなる。以上の理由でＶ含有量は
、０．０５％以上１．０％以下とした。

Ｓｏｌ、Ａ１：Ａ１もＣｒと同様侵入窒素と結合して微
細な窒化物をつくり、表面硬さを向上させる。Ｃｒ含有
量が１．０％未満の鋼において窒化処理後の表面硬さを
）ＩＶ１００Ｏ以上に保つためには、ｓｏｌ、ＡＩは少
なくとも０．３％添加する必要がある。また、Ａ１はＣ
ｒと異なり、多量添加しても硬化層深さが小さくなるこ
とはないが、熱間加工性が悪くなり、１．５％を超える
と熱間圧延あるいは熱間鍛造時に表面割れが多発し、実
質的に熱間成形が不可能になる。よってｓｏｌ、Ａｌ量
は、０．３％趨え１．５％以下とした。

０　：　ＳＡＣＭ６４５をはじめ窒化鋼は一般に、切削
性が非常に劣る０本発明者らはこれは、Ａｔ添加量が多
いために極めて硬い酸化物であるＡｌ２Ｏ、が多量に生
成されることによるもので、切削性は、そのＡＩｔｏ３
の生成に必要な０を０．００２０％以下に規制すること
により、大幅に改善できることを見出した。

また、Ａｌ３Ｏ３は侵入窒素によって生成した微細窒化
物に比べてかなり大きいため衝撃荷重を受けた際には破
壊の起点にになりやす（、硬化層および基地の靭性に対
しても悪影響を及ぼすが、このような傾向についてもＣ
含有量を０．００２０％以下に制限することで、大幅に
緩和できることを見出した。

以上のことから０ｆｌｔは、０．００２０％以下と規定
した。

次に、必要に応じて添加される成分についていうと、Ｔｅ：本発明鋼の特徴の一つには切削性が優れているこ
とであり、このために０含有量を０．００２０％以下に
規制したが、さらに良好な切削性が要求される場合には
、その要求レベルに応じてこれらの元素を１種または２
種以上添加する。切削性を向上させる上で必要最小限の
添加量は、Ｓ：０゜０３％、Ｐｂ：０．０３％、Ｃａ：
０．００１％、Ｔｅ：ｏ、００５％である。また、Ｓは
０．１３％、Ｐｂは０．３５％を超えると強度、靭性の
低下が著しくなり、Ｃａは製鋼技術上０．０１％を超え
て添加することは困難であり、Ｔｏは０．０５％を超え
ると熱間加工性が急激に劣化することになる。このよう
なことから、Ｓは０．０３％以上０．０１３％以下、ｐ
ｂは０．０３％以上０．３５％以下、ＣａはＯ０００１
％以上０．０１％以下、Ｔｅはｏ、ｏｏｓ％以上０．０
５％以下とした。

Ｎｉ、Ｍｏ：これらは、鋼の焼入性を高めるだけでなく
、窒化硬化層および基地の靭性を改善するのに有効であ
る。また、窒化のための温度が焼戻し脆化が生じる温度
域と合致することは先に述べたが、とくにＭＯはこの温
度域での脆化の防止に有効に働く。このような効果は何
れも、１．５％を超えると飽和の傾向を示すので、それ
ぞれ１．５％を上限値とした。なお、Ｎｉ、Ｍｏとも、
極く微量の添加でも相応の効果が得られるので、下限に
ついては特に規定しない。

因に、Ｎ　ｉ　−、Ｍ　ｏは窒化硬化性そのものには何
らの影響をも及ぼさない。

Ｎ　ｂ　−Ｔ　ａ　％　Ｔ　ｉ　％　Ｚ　ｒ　：これら
の元素は、■には及ばないものの、窒化後の硬化層深さ
を深くする働きがあり、より深い硬化層深さが要求され
る場合に、その要求レベルに応じて１種または２種以上
添加する。その効果を引出すにはそれぞれ少なくとも０
，１％は必要であるが、１．０％を超えると効果に飽和
の傾向が認められる。よって何れについても、０．１％
以上１．０％以下の範囲とした。

上記のような成分組成になる本発明窒化鋼は、−ｉの場
合と同じプロセスを経て製造される。すなわち、まず例
えば電気炉または転炉により溶製し、造塊または連続鋳
造によって鋼塊ないしは鋼片とした後、熱間圧延または
熱間鍛造により素材を得、これを粗機械加工したのち、
焼入れ一焼戻しの熱処理を行い、次いでさらに仕上機械
加工を行って所定の形状を確保し、その後５００〜ｂ窒
化鋼製品を得るのである。

〔実施例〕

第１表に示す組成の鋼を高周波誘導炉により溶製し、こ
れを鋼塊にした後直径４０龍の丸棒に鍛造し、次いで９
００℃ｘｌ　ｈｒの加熱後、油焼入れを行い、さらに６
８０℃×３０龍の焼戻しを施して、厚さ２０ｍの円板状
穿孔試験片とＪＩＳ３号シャルピー試験片（硬さ分布測
定試験兼用）を作成した。

これらの試験片を用い、次の３種の試験を行った。

■　穿孔試験（切削性評価） φ５龍のテーパシャンクツイストドリル（ＳＫＨ５１）
を用いて送り０．１５ｍ／ｒｅｖ、回転数１１００Ｏｒ
ｐ、潤滑油Ｃｕｐ　ｌ　１１Ａなる条件で貫通穴をあけ
、穿孔不能になるまでの累積個数（穿孔可能数）を求め
た。

■　衝撃試験５３０℃Ｘ２０ｈｒ、ＮＨ，ガス分解率３５〜４０％な
る条件でガス窒化処理を施したのち、シャルピー衝撃試
験を行った。

■　硬さ分布測定試験 ■のガス窒化処理後の試験片について、断面を研磨し、
マイクロピンカース硬度計を用いて表面からの硬さ分布
を測定し、表面硬さく表面から２５μｍ位置の硬さ）、
硬化層深さくＨＶ７００に相当する表面からの距離）お
よび基地の硬さを求めた。

これらの結果を第１表に併記する。鋼種隘１〜３１は本
発明に係る鋼であり、寛３２以降が比較鋼である９階３
２〜寛３４はＣｒ含有量の点で、磁３５．３６は■含有
量の点で、寛３７．３８はＳｏｊ！、Ａｊｌ含を量の点
で、１ｈ３９〜４１はＯ含有にの点で、それぞれ本発明
の範囲外となるものであり、Ｎａ４２はＪ　Ｉｓｌ５−
３ＡＣ４５に相当する。

第１表試験結果によると、本発明鋼はいずれも、ガス窒
化後の表面硬さＨＶ１０４５以上、硬化層深さ０．３０
ｖａ以上、衝撃値６．５ｋｉｒｍ／ｃｊ以上、素材のド
リル穿孔可能数３９８個以上、といずれの性能も優れて
いる。

一方、比較鋼は、いずれかの性能が劣うている。

すなわち、Ｃｒ含：Ｉｒｍが本発明範囲より少ない魔３
２はガス窒化後表面硬さの点で、同じく多いもの＆３３
．３４は衝撃値の点で、■含ｆ量が本発明範囲より少な
いＮａ３５，３６はガス窒化後の硬化Ｔｆ４ｉ１さの点
で、５ｏｉＡｊ！含有量が本発明範囲より少ないＮ１３
’ｌ、３Ｂはガス窒化後の表面硬さの点で、０含有量が
本発明の発明範囲より多い磁３９〜４１は穿孔性と衝撃
値の点で、それぞれ劣っている。ＳＡＣＭ６４５の隘４
２は硬化深さ、穿孔可能数、衝撃値のいずれもが劣って
いる。

なお、図面の第１図および第２図は、第１表の試験結果
の一部をプロットした図で、それぞれＯ含有量と穿孔可
能数との関係、Ｃｒ含有量と衝撃値との関係を示してい
る。

このようにすると、それぞれの関係が歴然であり、０含
を量が本発明範囲を趙えると穿孔性（切削性）が大きく
劣化する傾向およびＣｒ含有量が本発明範囲を超えると
衝撃値が急に小さくなる傾向、が明確に読み取れる。

また第３図は、ガス窒化前後の苓地部の硬さを、■含有
量に対応させて示したもので、■含有量以外は実質的に
は同一成分の鋼Ｎ１３５，３６．Ｎ１７〜９についての
調査結果であるが、図によると、■含有量が本発明範囲
にあれば基地部の軟化度が小さく、特にＶｏ、２５〜０
．４５％の範囲では、ガス窒化により基地部の硬度が逆
に向上する傾向さえ認められる。

〔発明の硬化〕

以上に詳述したように本発明の窒化鋼は、素材の段階（
窒化前）における切削性が良好であり、また窒化処理中
の基地の軟化傾向が小さい上、窒化処理後は問い表面硬
さと十分な硬化深さとを得てすぐれた耐摩耗性を保有し
、更に靭性の面でも良好な性能が期待できるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はそれぞれＯ含有量と切削性（穿孔可能
数）との関係、Ｃｒ含有量と靭性（衝撃値）との関係を
示す実験データのプロット図、第３図はＶ含有量と窒化
処理前後の茫池部の硬さとの関係を示す同上図である。 σ４　　　　σ８１・２　　　１６Ｃｒ（％）０　（％） ■　（％）ｔ′９コ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｃ：０．３５％超え０．６％以下、Ｓｉ：１．５
％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：０．２％以上１．
０％未満、Ｖ：０．０５％以上１．０％以下、Ｓｏｌ．
Ａｌ：０．３％超え１．５％以下を含有し、残部がＦｅ
および不可避的不純物からなり、不可避的不純物中のＯ
が０．００２０％以下であることを特徴とする窒化鋼。
（２）Ｃ：０．３５％超え０．６％以下、Ｓｉ：１．５
％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：０．２％以上１．
０％未満、Ｖ：０．０５％以上１．０％以下、Ｓｏｌ．
Ａｌ：０．３％超え１．５％以下で、さらにＳ：０．０
３％〜０．１３％、Ｐｂ：０．０３％〜０．３５％、Ｃ
ａ：０．００１％〜０．０１％、Ｔｅ：０．００５％〜
０．０５％の１種または２種以上を含み、残部がＦｅお
よび不可避的不純物からなり、不可避的不純物の中のＯ
が０．００２０％以下であることを特徴とする窒化鋼。
（３）Ｃ：０．３５％超え０．６％以下、Ｓｉ：１．５
％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：０．２％以上１．
０％未満で、Ｖ：０．０５％以上１．０％以下、Ｓｏｌ
．Ａｌ：０．３％超え１．５％以下で、さらにＮｉ：１
．５％以下、Ｍｏ：１．５％以下の１種または２種を含
み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、不可避
的不純物中のＯが０．００２０％以下であることを特徴
とする窒化鋼。
（４）Ｃ：０．３５％超え０．６％以下、Ｓｉ：１．５
％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：０．２％以上１．
０％未満、Ｖ：０．０５％以上１．０％以下、Ｓｏｌ．
Ａｌ：０．３％超え１．５％以下で、Ｓ：０．０３％〜
０．１３％、Ｐｂ：０．０３％〜０．３５％、Ｃａ：０
．００１％〜０．０１％、Ｔｅ：０．００５％〜０．０
５％の１種または２種以上を含み、さらにＮｉ：１．５
％以下、Ｍｏ：１．５％以下の１種または２種を含有し
、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、不可避的
不純物中のＯが０．００２０％以下であることを特徴と
する窒化鋼。
（５）Ｃ：０．３５％超え０．６％以下、Ｓｉ：１．５
％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：０．２％以上１．
０％未満、Ｖ：０．０５％以上１．０％以下、Ｓｏｌ．
Ａｌ：０．３％超え１．５％以下で、さらにＮｂ：０．
０５％〜１．０％、Ｔａ：０．０５％〜１．０％、Ｔｉ
：０．０５〜１．０％、Ｚｒ：０．０５％〜１．０％の
１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避
的不純物からなり、不可避的不純物中のＯが０．００２
０％以下であることを特徴とする窒化鋼。
（６）Ｃ：０．３５％超え０．６％以下、Ｓｉ：１．５
％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：０．２％以上１．
０％未満、Ｖ：０．０５％以上１．０％以下、Ｓｏｌ．
Ａｌ：０．３％超え１．５％以下で、Ｓ：０．０３％〜
０．１３％、Ｐｂ：０．０３％〜０．３５％、Ｃａ：０
．００１％〜０．０１％、Ｔｅ：０．００５％〜０．０
５％の１種または２種以上を含み、さらにＮｂ：０．０
５％〜１．０％、Ｔａ：０．０５％〜１．０％、Ｔｉ：
０．０５〜１．０％、Ｚｒ：０．０５％〜１．０％の１
種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的
不純物からなり、不可避的不純物中のＯが０．００２０
％以下であることを特徴とする窒化鋼。
（７）Ｃ：０．３５％超え０．６％以下、Ｓｉ：１．５
％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：０．２％以上１．
０％未満、Ｖ：０．０５％以上１．０％以下、Ｓｏｌ．
Ａｌ：０．３％超え１．５％以下で、Ｎｉ：１．５％以
下、Ｍｏ：１．５％以下の１種または２種を含有し、さ
らにＮｂ：０．０５％〜１．０％、Ｔａ：０．０５％〜
１．０％、Ｔｉ：０．０５〜１．０％、Ｚｒ：０．０５
％〜１．０％の１種または２種以上を含有し、残部がＦ
ｅおよび不可避的不純物からなり、不可避的不純物中の
Ｏが０．００２０％以下あることを特徴とする窒化鋼。
（８）Ｃ：０．３５％超え０．６％以下、Ｓｉ：１．５
％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：０．２％以上１．
０％未満、Ｖ：０．０５％以上１．０％以下、Ｓｏｌ．
Ａｌ：０．３％超え１．５％以下で、Ｓ：０．０３％〜
０．１３％、Ｐｂ：０．０３％〜０．３５％、Ｃａ：０
．００１％〜０．０１％、Ｔｅ：０．００５％〜０．０
５％の１種または２種以上を含有し、さらにＮｉ：１．
５％以下、Ｍｏ：１．５％以下の１種または２種と、Ｎ
ｂ：０．０５％〜１．０％、Ｔａ：０．０５％〜１．０
％、Ｔｉ：０．０５〜１．０％、Ｚｒ：０．０５％〜１
．０％の１種または２種以上とを含み、残部がＦｅおよ
び不可避的不純物からなり、不可避的不純物中のＯが０
．００２０％以下であることを特徴とする窒化鋼。