JPS6383223A - 表面強化・高靭性鉄鋼部材の製造方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、表面が強化されており、しかも高靭性である
鉄鋼部材（鉄鋼素材、鉄鋼部品および製品）を得るのに
適用される表面強化・高靭性鉄鋼部材の製造方法に関す
るものである。

（従来の技術） 従来、鉄鋼材料や鉄鋼部品（製品）の表面を強化する方
法としては、浸炭焼入れ、窒化、軟窒化などがよく知ら
れている。

これらのうち、浸炭焼入れは非常に有効な表面強化方法
であり、全熱処理中の約２５％を占め広く普及している
。しかしながら、この浸炭焼入れは処理時間が長いとい
う欠点を有しているため、浸炭時間の短縮は古くからの
課題であり、高周波浸炭、真空浸炭などの高温浸炭（例
えば、特開昭４８−１０１３２８号公報に記載の技術）
が工業化されつつある。しかし、高温浸炭の欠点は結晶
粒の粗大化による靭性の低下にあり、この対策として結
晶粒粗大化防止元素であるＡｎ、Ｎｂ。

Ｔｉ、Ｚｒ等を添加した鋼を用いるか、あるいは浸炭後
にＡ１変態点を上下させる処理が必要であリ、コストア
ップの要因となっている。

一方、鉄鋼の強靭化技術の一つとして加工熱処理法があ
り、加工を加える時期によって、■変態前の加工、■変
態途中の加工、■変態後の加工の３種類に分けられる。

そして、従来の加工熱処理法において、安定なオーステ
ナイト域温度で塑性加工を加えて焼入れする鍛造焼入れ
（金属学会誌、Ｖｏ１３２　、Ｎｏ、１１　（１９６８
）第１０５２頁、金属学会誌Ｖｏｕ３１．Ｎｏ、２（１
９６７）第１２６頁、金属学会誌７０文３１　、Ｎｏ、
４　（１９６７）第３４７頁）および準安定オーステナ
イト域温度で加工急冷するオースフォーミングならびに
徐冷する制御圧延などは前記■の変態前の加工熱処理に
属し、パーライトまたはベイナイト変態途中で加工を加
えて急冷するアイソフォーミングや、マルテンサイト変
態中に加工を加えるサブゼロ加工などは前記■の変態途
中の加工熱処理に属し、パーライトまたはベイナイト変
態終了後に加工を加えるパテンティングや、マルテンサ
イトに加工を加えるマルフォームなどは変態後の加工処
理に属している。

これらのうち、前記■の変態前の加工熱処理は、焼入性
の向上、結晶粒および析出物の微細化などにより鉄鋼の
強度および靭性が大幅に向上する処理技術として、板材
、棒材および鍛造粗形材を中心に広く普及している。

一方、前記■の変態途中の加工熱処理は、サブグレイン
と析出物の微細化で特に靭性の向上が著しい処理法とし
て研究されているが、現在のところまだ実用化に至って
いない。

ところで、転造や鍛造によって製作された歯車は、従来
の切削によって製作された歯車に比較して次に示すよう
な利点を有しているといわれている。

（１）歯元にきわめてすぐれたファイバーフローが形成
されているため、負荷能力が増大すること。

（２）歯の側面が容易にクラウニングできて、その結果
負荷条件を改善できること。

（３）歯切機械などの機械加工に比べて安価に製作でき
ること。

などである。

このような利点を有している転造による歯車の製造法は
すでに公知である（例えば、特開昭５９−２２５８３８
号公報）。また、精密鍛造による歯車の製造法もすでに
公知であり、なかには西ドイツのＢＬＷ法や、冷間およ
び温間鍛造法等が公知である。

これらのうち、ＢＬＷ方式による歯車の精密鍛造の考え
方は、歯車の歯形を精密鍛造して黒皮のままで使用せん
とするもので、ＢＬＷ社独自の技術で精密な歯車を鍛造
することに成功したものであり、ベベルギヤ、スパーギ
ヤなどにおいてかなり実用化されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記の精密鍛造により製作した歯車では
、黒皮のままで使用しているため、このような歯車では
耐摩耗性に限界があり、低荷重城でしか使用できないた
め、浸炭焼入れが必要である。それゆえ、この浸炭焼入
れによって熱処理歪が発生して精密鍛造の意味が薄れて
しまうという問題点がある。

これに対して、冷間鍛造では精度の良い歯車の製造が可
能であるが、歯面の耐摩耗性および歯元強度を確保する
ため、通常は浸炭焼入れや浸炭・窒化処理等の表面硬化
が必要である。しかしながら、冷間鍛造によって強度に
塑性加工を加えた材料を浸炭温度（９２０℃前後）に加
熱すると、再結晶により結晶粒の粗大化が起る。このと
き、加工率が一定であれば一定の再結晶粒度になるが、
歯車形状の場合には、歯先から歯元にかけて微妙な加工
率の変化があるため再結晶粒が一定せず、混粒となり、
ピッチング、スコーリング等の発生の原因となるので、
歯車として使用できない場合も生じ、歩留りが低下して
コスト上昇の原因となるという問題点があった。

さらに、温間鍛造による精密歯車の製造技術はかなり進
み、一部では実用化した例も発表されている。しかし、
この温間鍛造によって製作した歯車においても高荷重域
で使用する場合には浸炭焼入れや浸炭窒化等の表面硬化
処理が必要であり、せっかく高精度で成形した歯車に対
して熱処理歪を与えてしまうという問題点を有していた
。

さらに、高強度の歯車を製造する他の考え方として、中
・高炭素鋼（０，４〜０．６％Ｃ）を素材としてこれに
歯切加工を施し、次いで浸炭あるいは浸炭窒化処理を行
った後ベイナイト変態温度域（例えば２３５〜２７５°
Ｃ）に保持するいわゆるオーステンパー処理を行うこと
によって、歯車の芯部をベイナイト組織とし、表面をマ
ルテンサイト組織とする技術が公知である（熱処理技術
協会；第２０回学術講演大会予稿集（昭和６０年５月２
３日）第４９頁）。

しかし、この歯車製造法によれば、歯切加工工程におけ
る素材の切削性が非常に悪く、量産歯車には適用し難い
という問題点を有していた。

本発明者は、かって」−述したような従来の問題点を解
決するために、表面処理効果が大きく、例えば表面硬さ
が大であると共に、６部の靭性が大きく、疲労強度が大
であって長期の使用を可能にし、加えて成形性にも著し
く優れた鉄鋼材料、鉄鋼部品（製品）の表面強化方法を
提案した（特願昭６０−１６５９６６号）。この方法は
、素形材に対し、オーステナイト状態で浸炭または浸炭
窒化を行い、引き続き、その熱を利用してオーステナイ
トを含む素材に対し鍛造等の加工を施し、その後焼入れ
する方法である。

この方法は上述のようなメリットを有しているが、加工
形状および素材の材質によっては、場所により加工率が
大きく異なるために組織が混粒になることがあり、この
ような鍛造等の加工の後に、直接焼入れを行うと、結晶
粒の大小により焼入れ性が異なるために硬さにむらが生
じ、衝撃値すなわち靭性が低下する可能性があった。

本発明は、このような過去に本発明者が行った提案の一
部改善であり、たとえ温間鍛造域（６００〜１１００℃
）温度から直接焼入れしたとしても組織が混粒とならな
いように調整した成分組成の鉄鋼素材、特にＡｌとＮの
量を調整した成分組成の肌焼鋼を用いて表面強化するこ
とにより、加工を加えた後に焼入れを行っても硬さにむ
らが生じず、衝撃値が全体的に良好な高靭性の鉄鋼部材
（鉄鋼素材、鉄鋼部品および製品）を得ることができる
ようにすることを目的としている。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明による表面強化・高靭性鉄鋼部材の製造方法は、
重量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．５０
％以下、Ｍｎ：０．３０〜１．８％、Ｐ　：　０．０２
０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ａ見：０．０２０％
以下、Ｎ：０．０２０％以下、Ｃｕ：０．３０％、Ｎｉ
：０．２５％以下および必要に応じてＣｒ：１．２５％
以下、ＭＯ：０．３０％以下のうちから選ばれる１種ま
たは２種、残部実質的にＦｅよりなる鉄鋼素材に対して
、Ａ１変態点以上のオーステナイト域温度で表面強化処
理を施したのちオーステナイトを含む素材に加工を加え
、次いで焼入れすることを特徴としているものである。

・ ところで、８５０℃以上１２００℃以下の温度で鍛造後
直接焼入れしても組織が混粒とならないようにした鋼と
して、特開昭６０−２０８４１４号公報には、 ０重量％で、Ｃ：０．２６〜０．５０％、Ｓｉ：０．５
０％以下、Ｍｎ：０．３０〜１．８％、Ｐ：０．０２％
以下、Ｓ：０．０１〜０．２％。

Ａ立：０．００６％以下、Ｎ：０．００５％以下、残部
実質的にＦｅよりなるもの、および、０重量％で、Ｃ：
　０　、２６〜０．５０％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍ
ｎ　：　０　、３０〜１　、８％、およびＣｒ：１．２
％以下、Ｍｏ：０．３％以下のうちの１種または２種、
ざらにＰ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１〜０．２％、
Ａ立：０．００６％以下、Ｎ：０．００５％以下、残部
実質的にＦｅよりなるもの、 の２鋼種が開示されている。この鋼の特徴は、ＡＪＪと
Ｎ量を規定することにより８５０〜１２００°Ｃの温度
で鍛造後直接焼入れしても組織が混粒となりがたく、高
強度の部材を得ることができるものである。

従って、強度を確保するために炭素量の下限を０．２６
％としている。

しかしながら、本発明では、鉄鋼素材の表面に浸炭また
は浸炭窒化等の表面強化処理を施した後鍛造等の加工を
加え、次いで直接焼入れするようにしているので、Ｃ量
は０．１〜０．２５％の肌焼鋼とすることが必要である
。

Ｓｔは脱酸のために添加されるが、過多に添加すると延
性を劣化させるので０．５０％以下とすることが必要で
ある。

Ｍｎは凝固時の表面割れを防止するため少なくとも０．
３０％を添加することが必要である。しかし、１．８％
を超えて添加すると焼入れ性向上元素であるため焼割れ
の危険が出てくるので上限を１，８％とすることが必要
である。

Ｐは鋼の延性を劣化させ、焼割れを助長するため０．０
２０％以下とすることが必要である。

Ｓは延性を劣化させるため、上限は０．０３０％とする
必要がある。

Ａｌは強力な脱酸剤として添加されるが、ｏ、ｏ２ｏ％
を超えて添加すると鍛造後の焼入れ時にオーステナイト
粒が混粒となり、焼むら発生の原因となるため上限を０
．０２０％とする必要がある。

ＮはＡｌｌとの結合力が強いために、鋼中に多量に含有
されると、脱酸剤としてのＡＭと結合して鍛造後の焼入
れ時にオーステナイトに混粒を生じ、焼むらの原因とな
るため、上限を０．０２０％以下とする必要がある。

また、耐酸化性、耐候性付与のために、Ｃｕを０．３０
％以下、Ｎｉを０．２５％以下の範囲で添加することも
必要である。

さらに、本発明において用いる鉄鋼素材は、機械的性質
の改善のため、必要に応じてＣｒまたはＭＯのうちから
選ばれる少なくとも一種を添加することができる。この
場合、これら元素の」１限は、Ｃｒが１．２５％、ＭＯ
が０．３０％である。この理由は、これらの添加量が前
記した上限を超えると焼割れが発生するおそれが出てく
るためである。

本発明による表面強化・高靭性鉄＃４部材の製造方法は
、」１記成分の鉄鋼素材に対して、ＡＩ変態点以上のオ
ーステナイト域温度、例えば９００〜１１００℃で浸炭
、浸炭窒化等の表面強化処理を施したのち、当該オース
テナイト組織を少くとも一部含む素材に鍛造等の加工を
加え、次いで例えば８００℃以上の温度から焼入れし、
適宜焼もどし等のための低温加熱を行うようにしたこと
を特徴とするものである。

本発明の一実施態様においては、上記成分組成の鉄鋼素
材に対してそのＡ１変態点以上のオーステナイト域温度
で高温浸炭、普通浸炭、浸炭窒化等の表面強化処理を全
体的あるいは部分的に実施したのち、その熱を利用して
前記オーステナイト状態にある素材に鍛造等の塑性加工
を加え、加工を加えたまま、あるいはその後直ちにＭｓ
点以下まで急冷して焼入れする。

また、本発明の他の実施態様においては、上記成分組成
の鉄鋼素材に対してそのＡ１変態点以上のオーステナイ
ト域温度で高温浸炭、普通浸炭。

浸炭窒化等の表面強化処理を全体的あるいは部分的に実
施したのち、４００〜７００℃程度に急冷して前記オー
ステナイトの変態途中で鍛造等の塑性加工を加え、前記
変態が完了する以前より望ましくは５０％変態が終了す
る以前に急冷して焼入れする。

本発明のさらに他の実施態様においては、上記成分組成
の鉄鋼素材に対してそのＡ１変態点以上のオーステナイ
ト域温度で高温浸炭、普通浸炭。

浸炭窒化等の表面強化処理を全体的あるいは部分的に実
施したのち、直ちにもしくは所定の温度まで冷却したあ
と前記オーステナイト状態にある素材に鍛造等の塑性加
工を加え、加工を加えたまま、あるいは加工後にベイナ
イト温度域に保持してベイナイト変態させたのち、冷却
する恒温焼入れを行う。

以下、第１図の恒温変態図（Ｔ、Ｔ、Ｔ、図）をもとに
してさらに詳しく説明する。

第１図に示すパターン■は、前記本発明の成分組成をも
つ鉄鋼素材（部品、製品）等を１００００Ｃ以上（図で
は約１０４０’Ｏ）に加熱してこの温度で高温浸炭ある
いは高温浸炭窒化等の表面強化処理を全体的もしくは部
分的に施したのち、例えば加工率５０％で熱間鍛造を行
い、約９００　’Ｃで熱間鍛造を終了したのち急冷（例
えば６０’Ｏの油中に投入）して焼入れを行うものであ
る。

また、第１図に示すパターン■は、前記本発明の成分組
成をもつ鉄鋼素材を１０００　’０以上（図では約１０
４０°Ｃ）に加熱してこの温度で高温浸炭あるいは高温
浸炭・窒化等の表面強化処理を全体的もしくは部分的に
施したのち、５００〜７００°Ｃ程度（図では約６００
’Ｏ）の流動層炉あるいは中性塩浴炉等の恒温保持炉内
に装入し、全体が５００〜７００℃（図では約６００’
Ｏ）の温度となったときに温間鍛造を行ってオーステナ
イトからパーライトへの変態途中で加工を続け、加工後
直ちに急冷（例えば６０°Ｃの油中あるいは水中に投入
）して焼入れを行うものである。

さらに、第１図に示すパターン■は、上記本発明の成分
組成をもつ鉄鋼素材に対して８００〜９６０℃で普通浸
炭あるいは浸炭窒化等の表面強化処理を施したのち、パ
ターン■と同様に恒温加熱およびオーステナイトを含む
状態で塑性加工を行い、次いで急冷して焼入れするもの
である。

さらにまた、第１図に示すパターン■は、前記パターン
■または■と同様にして温間鍛造までを行い、温間鍛造
後に２００〜３００°Ｃ（図では約２７０″Ｃ）のベイ
ナイト変態域に保持したのち急冷して、６部をベイナイ
ト化する恒温焼入れを施すものである。

（実施例および比較例） 重量％で、Ｃ：０．１７％、Ｓｉ：０．３０％、Ｍ　ｎ
　：　０　、６３％、Ｐ：　０．０１５％、Ｓ：０．０
０８％、Ｃｕ：０．０１％、Ｎｉ：０．０９％、Ｃｒ：
１．０２％、Ｍｏ：０．１６％、Ａｌ：０．０１９％、
Ｎ：０．０１５５％、残部実質的にＦｅよりなる鉄鋼素
材（実施例）、およびＪＩＳ　　Ｓ０Ｍ４２０Ｈ（比較
例）に対し、オーステナイト域温度である１０５０℃で
表面強化処理として浸炭処理を施し、引続きその熱を利
用して当該オーステナイト状態にある素材に対し、一部
については１０５０℃で、また他の一部については８５
０°Ｃで、それぞれ１６００トン型鍛造機で鍛造加工（
加工率は第３図参照。）を加えて、シャルピー衝撃試験
片素材の形状に成形したのち直接焼入れを行った。

第２図は、この実施例および比較例で製作したシャルピ
ー衝撃試験片素材１を示すもので、長さくＬ）＝８０ｍ
ｍ、幅（Ｗ）＝５０ｍｍ、厚さくＴ）　−１０ｍｍ　、
　Ｕノツチ部深さくＤ）＝’２ｍｍ　、Ｕノツチ部半径
（Ｒ）＝５ｍｍのものであり、各加工率の鍛造終了時に
各衝撃試験片素材１の厚さくＴ）が１０ｍｍとなるよう
に鍛造前素材の厚さをあらかじめ調整した。

次いで、前記各シャルピー衝撃試験片素材１から１０ｍ
ｍ角に切り出してシャルピー衝撃試験片を製作した。し
たがって、各シャルピー衝撃試験片は、Ｕノツチ部を形
成している面とその反対側の面にのみ浸炭層が存在する
ものとなっている。

また、加工率Ｏ％のものは削り出しにより製作して浸炭
Φ焼入れしたものであり、上記鍛造加ニー焼入れした衝
撃試験片と同様に２面のみに浸炭層が存在するように調
整して条件を合わせるようにした。

そして、前記各シャルピー衝撃試験片を用いてシャルピ
ー衝撃試験を行なったところ、第３図に示す結果となっ
た。

第３図に示すように、一般の肌焼鋼素材ＳＣＭ４２０Ｈ
（比較例）に１０５０’０で高温浸炭し、引続き１０５
０℃または８５０℃で鍛造加工・焼入れした場合の衝愁
値は、加工率が変化してもほとんど変わっていないこと
が明らかである。これは、第４図（加工率３０％：１０
５０°Ｃ加工焼入）および第５図（加工率５０％：１０
５０°Ｃ加工焼入）に示すように組織が混粒となってい
るためである。

これに対して、Ａｎ量およびＮ量を規制した本発明の鋼
素材に１０５０°Ｃで高温浸炭し、引続き１０５０℃ま
たは８５０℃で鍛造加工φ焼入れした場合の衝撃値は、
加工率の上昇に比例して衝撃値がかなり増大しており、
加工率３０％で加工率０％時の約５倍、加工率５０％で
約８倍となることが確認された。

［発明の効果］ 以上説明してきた。ように、本発明による表面強化・高
靭性鉄鋼部材の製造方法は、重量％で、Ｃ：Ｏ，ｌＯ〜
０．２５％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．３０〜
１．８％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０３０％以
下、Ａｌ、０．０２０％以下、Ｎ：０．０２０％以下、
Ｃｕ＋０．３０％以下、Ｎｉ：０．２５％以下、必要に
応じてＣｒ：１．２５％以下１Ｍ０＝０．３０％以下の
うちから遼ばれる１種または２種、残部実質的にＦｅよ
りなる鉄鋼素材に対して、Ａ、変態点以上のオーステナ
イト域温度で表面強化処理を施したのちオーステナイト
を含む素材に加工を加え１次いで焼入れするようにした
から、たとえ温間鍛造域（６００〜１１００°Ｃ）の範
囲から加工・焼入れしたとしても組織が混粒とならない
ため焼入れ後の硬さにむらが生じず、衝撃値が大幅に向
上した高強度ｅ高靭性の鉄鋼部材（素材９部品、製品）
を得ることが可能であるという非常に優れた効果がもた
らされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の浸炭加工焼入れ時のヒートパターンを
示す説明図、第２図は浸炭した鉄鋼素材を鍛造加工して
成形したシャルピー衝撃試験片素材の斜面図、第３図は
浸炭加工焼入品であるシャルピー衝撃試験片の加工率と
シャルピー衝撃値との関係を示すグラフ、第４図および
第５図は従来の肌焼鋼を素材として浸炭加工焼入れした
場合の混粒組織を示すそれぞれ加工率３０％（第４図）
および５０％（第５図）での金属組織顕微鏡写真である
。 特許出願人　　日産自動車株式会社 代月ｊ人弁理士　小　　塩　　　豊 ８寺　　ｒａｌ　　　　　（Ｓｅｃ） 第４図 （Ｘ４００） 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０
   ．５０％以下、Ｍｎ：０．３０〜１．８％、Ｐ：０．０
   ２０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．０２０
   ％以下、Ｎ：０．０２０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下
   、Ｎｉ：０．２５％以下、および必要に応じてＣｒ：１
   ．２５％以下、Ｍｏ：０．３０％以下のうちから選ばれ
   る１種または２種、残部実質的にＦｅよりなる鉄鋼素材
   に対して、Ａ＿１変態点以上のオーステナイト域温度で
   表面強化処理を施したのちオーステナイトを含む素材に
   加工を加え、次いで焼入れすることを特徴とする表面強
   化・高靭性鉄鋼部材の製造方法。