WO2023054105A1 - 合金鋼およびそれを用いた機械部品 - Google Patents
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- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/34—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with more than 1.5% by weight of silicon
Definitions
- the present invention relates to an alloy steel composed of chromium, molybdenum, etc., in which the content of additive elements other than iron is less than 5%, and machine parts using the same.
- bearing steel (SUJ2) is generally used for machine parts used in automobiles, industrial machines, etc., such as rolling bearings.
- the hardness of its surface layer and inside is about 61 to 62 HRC on Rockwell C scale.
- Patent Literature 1 discloses a rolling bearing made of alloy steel, and both the surface layer and the internal hardness are guaranteed to be 63 HRC or more on the Rockwell C scale, and it is possible to have sufficient static strength. explained.
- the desired structure is formed by setting the heat treatment temperature (quenching temperature) to at least 1100 ° C., and as a result, it exhibits hardness of 63 HRC or more on the Rockwell C scale.
- the amount of deformation of the product increases after the heat treatment, and the manufacturing cost also increases.
- an object of the present invention is to provide an alloy steel that can obtain high hardness even at a temperature equivalent to the quenching temperature of conventional bearing steel (900° C. or less), and to provide a machine part using the alloy steel. do.
- the alloy steel of the present invention contains C: 1.10 to 1.50%, Si: 0.70 to 2.50%, Mn: 0.10 to 1.00% by weight. %, Cr: 1.00 to 4.00%, Mo: 0.20 to 1.50%, V: 0.05 to 0.80%, and an alloy steel consisting of residual Fe and unavoidable impurities.
- the alloy steel is used, the amount of retained austenite on the surface is in the range of 10% to 15% in terms of area ratio, and the hardness of the surface layer and the inside is 64 HRC or more on the Rockwell C scale (HRC).
- the alloy steel of the present invention can obtain sufficient surface and internal hardness (64 HRC or more) even when the quenching temperature is in the same temperature range as bearing steel (900° C. or less) during production. Also, by setting the content of rare metals such as Cr, Mo and V in the alloy steel to 5% by weight or less, the production cost of the alloy steel can be reduced. Furthermore, since the alloy steel is excellent in indentation resistance (the material surface is less likely to be dented), it can be applied to sliding parts and bearing parts where loads (dynamic or static) are concentrated at specific locations.
- C contained in the alloy steel of the present invention is 1.10 to 1.50% by weight. Carbon ensures hardness after quenching and tempering in steel, and plays a role in ensuring a high fatigue life when used as a material for machine parts. If the C content in the steel is less than 1.10%, the required surface and internal hardness cannot be obtained. deteriorate lifespan. Preferably, C: 1.20 to 1.50%.
- Si is 0.70 to 2.50% by weight. Silicon plays a role in increasing temper softening resistance in steel. Further, if the Si content in the steel is less than 0.70%, the necessary temper softening resistance cannot be obtained, and if it exceeds 2.50%, the hot forgeability is significantly deteriorated. Preferably, Si: 1.50 to 2.50%.
- Mn manganese
- Mn manganese
- Mn content in the steel is less than 0.10%, the hardenability of the steel is deteriorated, and if it exceeds 1.00%, the hot forgeability is significantly deteriorated.
- Cr Cr
- Chromium is 1.00 to 4.00% by weight. Chromium enhances the hardenability of steel and thermally stabilizes cementite to prevent solid solution of cementite in the matrix at high temperatures. Further, when the Cr content in the steel is less than 1.00%, the hardenability of the steel is deteriorated, and when it exceeds 4.00%, coarse carbides are generated in the steel.
- Mo molybdenum
- Mo molybdenum
- Mo is 0.20 to 1.50% by weight. Molybdenum forms carbides in steel and contributes to ensuring hardness. If the Mo content in the steel is less than 0.20%, the required tempering hardness and softening resistance cannot be obtained. Moreover, when the Mo content exceeds 1.50%, coarse carbides are generated. Mo is preferably 0.20 to 0.70%.
- V vanadium
- V vanadium
- V is 0.05 to 0.80% by weight. V plays a role in increasing the resistance to temper softening through combined addition with silicon in the steel. Also, if the V content in the steel is less than 0.05%, the necessary temper softening resistance cannot be obtained, and if it exceeds 0.80%, coarse carbides are generated.
- V 0.05 to 0.40%.
- Nb niobium
- the Nb content is preferably in the range of 0.025 to 0.20% by weight.
- W (tungsten) can also be contained in the range of 0.40 to 3.0% by weight as W equivalent (W+2Mo).
- W equivalent W+2Mo
- tungsten like molybdenum, forms carbides in steel and contributes to ensuring hardness. If the W equivalent in the steel is less than 0.40%, the required tempering hardness and softening resistance cannot be obtained. On the other hand, when the W equivalent exceeds 3.0%, coarse carbides are generated.
- the alloy steel of the present invention (hereinafter referred to as the invention material) and the commercially available steel material (hereinafter referred to as the comparative material)
- an indentation measurement test (hereinafter referred to as the main test) was performed. Test results will be explained. Table 1 shows the chemical composition (unit: weight %) of the invention material (2 levels) and the comparative material (bearing steel: SUJ2) used in this test, the surface layer and internal hardness (unit: HRC), and the amount of retained austenite (unit : area %) are shown in Table 2, respectively.
- This test objectively compares and measures the degree of dents on the surface of a material by applying a static load intensively to specific locations. can be evaluated.
- a steel ball with a diameter of 28.58 mm was pressed against the sample surface for 10 seconds at a pressure of 4200 to 6000 MPa (load speed 0.1 mm/min), and then the depth of the trace of the steel ball that entered the sample surface was measured using a special instrument ( laser microscope).
- Inventive materials 1 and 2 used in this test were quenched at 850°C for 120 minutes and then tempered at 160°C for 120 minutes, and the comparative material was quenched at 850°C for 40 minutes. After the treatment, a heat treatment was performed in advance by tempering at 190° C. for 90 minutes.
- the inventive material 1 was 0.220 ⁇ m and the inventive material 2 was 0.210 ⁇ m.
- the comparative material was 0.240 ⁇ m.
- Inventive Materials 1 and 2 which are alloy steels of the present invention, have a surface layer and internal hardness of 10% to 15% in terms of area ratio of retained austenite in the surface layer of the sample. 64HRC or more, compared to the comparative material (bearing steel), even if a concentrated load is applied from the outside to a specific location, the material surface is less likely to dent), so it has excellent indentation resistance and dynamic load. Alternatively, it can be applied to sliding parts and bearing parts where static loads are concentrated.
- the alloy steel according to the present invention can obtain high hardness at a quenching temperature equivalent to that of conventional bearing steel, so that the amount of deformation of the product due to heat treatment can be suppressed, and it can be used in a wide range of fields such as sliding parts and bearing parts. machine parts.
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Abstract
従来の軸受鋼と同等の焼入温度（９００℃以下）による焼入処理でも高硬度（ロックウェルＣスケールで６４ＨＲＣ以上）が得られる合金鋼およびそれを用いた機械部品を提供する。 重量％で、Ｃ：１．１０～１．５０％、Ｓｉ：０．７０～２．５０％、Ｍｎ：０．１０～１．００％、Ｃｒ：１．００～４．００％、Ｍｏ：０．２０～１．５０％、Ｖ：０．０５～０．８０％であり、残余Ｆｅおよび不可避不純物からなる合金鋼とする。 また、当該合金鋼を用いた機械部品では、表面の残留オーステナイト量が面積率で１０～１５％の範囲として、かつ表層および内部の硬さをロックウェルＣスケールで６４ＨＲＣ以上とする。
Description
本発明は、鉄を除く添加元素の含有量が５％未満であるクロムやモリブデン等から構成される合金鋼およびそれを用いた機械部品に関する。
現在、自動車や産業機械等に使用される機械部品、例えば転がり軸受には一般的に軸受鋼（ＳＵＪ２）が多用されている。
その表層および内部の硬さは、ロックウェルＣスケールで６１～６２ＨＲＣ程度である。
近年になって、機械部品の小型化や薄肉化、軽量化が求められているが、転がり軸受を構成する転動体や内外輪などの形状変更は容易でないため、材料面からの見直しが急務となっている。
その表層および内部の硬さは、ロックウェルＣスケールで６１～６２ＨＲＣ程度である。
近年になって、機械部品の小型化や薄肉化、軽量化が求められているが、転がり軸受を構成する転動体や内外輪などの形状変更は容易でないため、材料面からの見直しが急務となっている。
例えば、特許文献１には合金鋼製の転がり軸受が開示されており、表層および内部の硬さはいずれもロックウェルＣスケールで６３ＨＲＣ以上が確保されており、十分な静的強度を有することが説明されている。
しかし、特許文献１に開示された鋼種では、熱処理温度（焼入温度）を少なくとも１１００℃以上にすることで所望の組織が形成された結果、ロックウェルＣスケールで６３ＨＲＣ以上の硬さを発揮するが、熱処理後に製品の変形量が増大し、製造原価も増大するという問題があった。
そこで、本発明においては、従来の軸受鋼の焼入温度と同等の温度（９００℃以下）による焼入処理でも高硬度が得られる合金鋼およびそれを用いた機械部品を提供することを課題とする。
前述した課題を解決するために、本発明の合金鋼は、重量％でＣ：１．１０～１．５０％、Ｓｉ：０．７０～２．５０％、Ｍｎ：０．１０～１．００％、Ｃｒ：１．００～４．００％、Ｍｏ：０．２０～１．５０％、Ｖ：０．０５～０．８０％であり、残余Ｆｅおよび不可避不純物からなる合金鋼とした。
また、機械部品の発明では、当該合金鋼を用いて、表面の残留オーステナイト量を面積率で１０％～１５％の範囲として、表層および内部の硬さをロックウェルＣスケール（ＨＲＣ）で６４ＨＲＣ以上とする。
本発明の合金鋼は、製造時において焼入れ温度を軸受鋼と同等の温度域（９００℃以下）でも十分な表層および内部の硬さ（６４ＨＲＣ以上）を得ることができる。
また、合金鋼中におけるＣｒ、Ｍｏ、Ｖ等のレアメタルの含有量を５重量％以下にすることで合金鋼の製造原価の低減を図ることができる。
さらに、当該合金鋼は、耐圧痕性に優れている（材料表面が凹み難い）ので、特定箇所に（動的または静的）荷重が集中する摺動部品や軸受部品に適用できる。
また、合金鋼中におけるＣｒ、Ｍｏ、Ｖ等のレアメタルの含有量を５重量％以下にすることで合金鋼の製造原価の低減を図ることができる。
さらに、当該合金鋼は、耐圧痕性に優れている（材料表面が凹み難い）ので、特定箇所に（動的または静的）荷重が集中する摺動部品や軸受部品に適用できる。
本発明の一実施形態として合金鋼の化学成分および表層および内部の硬さについて説明する。
本発明の合金鋼に含有するＣ（炭素）は、重量％として１．１０～１．５０％とする。
炭素は鋼中の焼入焼戻し後の硬さを確保し、機械部品の材料として使用した場合に疲労寿命を高位に確保する役割を果たす。
鋼中のＣ含有量が１．１０％を下回ると、必要な表層および内部の硬さが得られず、１．５０％を上回ると残留オーステナイト量（γ量）が多くなり、機械部品の疲労寿命を劣化させる。
好ましくは、Ｃ：１．２０～１．５０％である。
本発明の合金鋼に含有するＣ（炭素）は、重量％として１．１０～１．５０％とする。
炭素は鋼中の焼入焼戻し後の硬さを確保し、機械部品の材料として使用した場合に疲労寿命を高位に確保する役割を果たす。
鋼中のＣ含有量が１．１０％を下回ると、必要な表層および内部の硬さが得られず、１．５０％を上回ると残留オーステナイト量（γ量）が多くなり、機械部品の疲労寿命を劣化させる。
好ましくは、Ｃ：１．２０～１．５０％である。
Ｓｉ（シリコン）は、重量％として０．７０～２．５０％とする。シリコンは鋼中の焼戻し軟化抵抗を増大する役割がある。
また、鋼中のＳｉ含有量が０．７０％を下回ると必要な焼戻し軟化抵抗が得られず、２．５０％を超えると熱間鍛造性が著しく劣化する。
好ましくは、Ｓｉ：１．５０～２．５０％である。
また、鋼中のＳｉ含有量が０．７０％を下回ると必要な焼戻し軟化抵抗が得られず、２．５０％を超えると熱間鍛造性が著しく劣化する。
好ましくは、Ｓｉ：１．５０～２．５０％である。
Ｍｎ（マンガン）は、重量％として０．１０～１．００％とする。
マンガンは鋼中の焼入れ性を高めて、機械部品材料として使用した場合に、疲労寿命を向上させるのに有効である。
鋼中のＭｎ含有量が０．１０％を下回ると鋼の焼入れ性を悪化させて、１．００％を超えると、熱間鍛造性が著しく劣化する。
マンガンは鋼中の焼入れ性を高めて、機械部品材料として使用した場合に、疲労寿命を向上させるのに有効である。
鋼中のＭｎ含有量が０．１０％を下回ると鋼の焼入れ性を悪化させて、１．００％を超えると、熱間鍛造性が著しく劣化する。
Ｃｒ（クロム）は、重量％として１．００～４．００％とする。
クロムは鋼中の焼入れ性を高めるとともに、セメンタイトを熱的に安定化させて、高温域におけるセメンタイトのマトリックス中への固溶を抑止する役割がある。
また、鋼中のＣｒ含有量が１．００％を下回ると鋼の焼入れ性を悪化させて、４．００％を超えると、鋼中に粗大炭化物が発生する。
クロムは鋼中の焼入れ性を高めるとともに、セメンタイトを熱的に安定化させて、高温域におけるセメンタイトのマトリックス中への固溶を抑止する役割がある。
また、鋼中のＣｒ含有量が１．００％を下回ると鋼の焼入れ性を悪化させて、４．００％を超えると、鋼中に粗大炭化物が発生する。
Ｍｏ（モリブデン）は、重量％として０．２０～１．５０％とする。
モリブデンは鋼中の炭化物を形成して、硬さの確保に寄与する。
鋼中のＭｏ含有量が０．２０％を下回ると必要な焼き戻し硬さおよび軟化抵抗が得られない。
また、Ｍｏ含有量が１．５０％を上回ると、粗大炭化物が発生する。
好ましくは、Ｍｏ：０．２０～０．７０％である。
モリブデンは鋼中の炭化物を形成して、硬さの確保に寄与する。
鋼中のＭｏ含有量が０．２０％を下回ると必要な焼き戻し硬さおよび軟化抵抗が得られない。
また、Ｍｏ含有量が１．５０％を上回ると、粗大炭化物が発生する。
好ましくは、Ｍｏ：０．２０～０．７０％である。
Ｖ（バナジウム）は、重量％として０．０５～０．８０％とする。
Ｖは鋼中のシリコンとの複合添加により焼戻し軟化抵抗を増大させる役割がある。
また、鋼中のＶ含有量が０．０５％を下回ると必要な焼戻し軟化抵抗が得られず、０．８０％を上回ると粗大炭化物が発生する。
好ましくは、Ｖ：０．０５～０．４０％である。
Ｖは鋼中のシリコンとの複合添加により焼戻し軟化抵抗を増大させる役割がある。
また、鋼中のＶ含有量が０．０５％を下回ると必要な焼戻し軟化抵抗が得られず、０．８０％を上回ると粗大炭化物が発生する。
好ましくは、Ｖ：０．０５～０．４０％である。
なお、Ｎｂ（ニオブ）をＶの代替元素として含有することで同様の効果を得ることもできる。
この場合、Ｎｂの含有量は重量％として、０．０２５～０．２０％の範囲であることが好ましい。
また、Ｗ（タングステン）は、Ｗ当量（Ｗ＋２Ｍｏ）として重量％で０．４０～３．０％の範囲で含有することもできる。
この場合、タングステンはモリブデンと同様に鋼中の炭化物を形成して、硬さの確保に寄与する。
鋼中のＷ当量が０．４０％を下回ると必要な焼き戻し硬さおよび軟化抵抗が得られない。
一方、Ｗ当量が３．０％を上回ると粗大炭化物が発生する。
この場合、Ｎｂの含有量は重量％として、０．０２５～０．２０％の範囲であることが好ましい。
また、Ｗ（タングステン）は、Ｗ当量（Ｗ＋２Ｍｏ）として重量％で０．４０～３．０％の範囲で含有することもできる。
この場合、タングステンはモリブデンと同様に鋼中の炭化物を形成して、硬さの確保に寄与する。
鋼中のＷ当量が０．４０％を下回ると必要な焼き戻し硬さおよび軟化抵抗が得られない。
一方、Ｗ当量が３．０％を上回ると粗大炭化物が発生する。
本発明の合金鋼（以下、発明材という）および市販の鋼材（以下、比較材という）の２種類の鋼材を使用して、圧痕性測定試験（以下、本試験という）を行ったので、その試験結果について説明する。
本試験で使用した発明材（２水準）および比較材（軸受鋼：ＳＵＪ２）の化学成分（単位：重量％）を表１、表層および内部の硬さ（単位：ＨＲＣ）および残留オーステナイト量（単位：面積％）を表２にそれぞれ示す。
本試験で使用した発明材（２水準）および比較材（軸受鋼：ＳＵＪ２）の化学成分（単位：重量％）を表１、表層および内部の硬さ（単位：ＨＲＣ）および残留オーステナイト量（単位：面積％）を表２にそれぞれ示す。
本試験は、特定箇所に静的荷重を集中的に加圧することで材料表面の凹み具合を客観的に比較測定する試験であり、加圧後に測定する凹み量（深さ）により耐圧痕性を評価することができる。
本試験では試料表面に直径２８．５８ｍｍの鋼球を４２００～６０００ＭＰａの圧力で１０秒間押し付けた（負荷速度０．１ｍｍ／ｍｉｎ）後、試料表面に入り込んだ鋼球跡の深さを専用機器（レーザー顕微鏡）で測定した。
本試験では試料表面に直径２８．５８ｍｍの鋼球を４２００～６０００ＭＰａの圧力で１０秒間押し付けた（負荷速度０．１ｍｍ／ｍｉｎ）後、試料表面に入り込んだ鋼球跡の深さを専用機器（レーザー顕微鏡）で測定した。
本試験で使用した発明材１および２は８５０℃×１２０分間で焼入処理を行った後、１６０℃×１２０分間の焼き戻し処理を事前に行い、比較材は８５０℃×４０分間で焼入処理を行った後、１９０℃×９０分間の焼き戻し処理を事前に熱処理を行った。
試料表面に形成された凹部の深さを測定した結果、発明材１は０．２２０μｍ、発明材２は０．２１０μｍであった。
これに対して、比較材は０．２４０μｍであった。以上の試験結果より、本発明の合金鋼である発明材１および２は、試料表層の残留オーステナイト量が面積率で１０％～１５％の範囲として、表層および内部の硬さをロックウェルＣスケールで６４ＨＲＣ以上とすることで、比較材（軸受鋼）に比べて外部から特定箇所に集中荷重が負荷された場合でも材料表面が凹み難い）ので、耐圧痕性に優れており、動的な荷重または静的な荷重が集中する摺動部品や軸受部品に適用できる。
これに対して、比較材は０．２４０μｍであった。以上の試験結果より、本発明の合金鋼である発明材１および２は、試料表層の残留オーステナイト量が面積率で１０％～１５％の範囲として、表層および内部の硬さをロックウェルＣスケールで６４ＨＲＣ以上とすることで、比較材（軸受鋼）に比べて外部から特定箇所に集中荷重が負荷された場合でも材料表面が凹み難い）ので、耐圧痕性に優れており、動的な荷重または静的な荷重が集中する摺動部品や軸受部品に適用できる。
本発明に係る合金鋼は、従来の軸受鋼と同等の焼入温度にて高硬度が得られるので、熱処理による製品の変形量を抑えることができ、摺動部品や軸受部品等の広い分野での機械部品に利用できる。
Claims (7)
- 重量％で、Ｃ：１．１０～１．５０％、Ｓｉ：０．７０～２．５０％、Ｍｎ：０．１０～１．００％、Ｃｒ：１．００～４．００％、Ｍｏ：０．２０～１．５０％、Ｖ：０．０５～０．８０％であり、残余Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする合金鋼。
- 重量％で、Ｃ：１．１０～１．５０％、Ｓｉ：０．７０～２．５０％、Ｍｎ：０．１０～１．００％、Ｃｒ：１．００～４．００％、Ｍｏ：０．２０～１．５０％、Ｎｂ：０．０２５～０．２０％であり、残余Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする合金鋼。
- 重量％で、Ｃ：１．１０～１．５０％、Ｓｉ：０．７０～２．５０％、Ｍｎ：０．１０～１．００％、Ｃｒ：１．００～４．００％、Ｗ＋２Ｍｏ：０．４０～３．０％、Ｖ：０．０５～０．８０％であり、残余Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする合金鋼。
- 重量％で、Ｃ：１．２０～１．５０％、Ｓｉ：１．５０～２．５０％、Ｍｎ：０．１０～１．００％、Ｃｒ：１．００～４．００％、Ｍｏ：０．２０～０．７０％、Ｖ：０．０５～０．４０％であり、残余Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１に記載の合金鋼。
- 重量％で、Ｃ：１．２０～１．５０％、Ｓｉ：１．５０～２．５０％、Ｍｎ：０．１０～１．００％、Ｃｒ：１．００～４．００％、Ｍｏ：０．２０～０．７０％、Ｎｂ：０．０２５～０．２０％であり、残余Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項２に記載の合金鋼。
- 重量％で、Ｃ：１．２０～１．５０％、Ｓｉ：１．５０～２．５０％、Ｍｎ：０．１０～１．００％、Ｃｒ：１．００～４．００％、Ｗ＋２Ｍｏ：０．４０～３．０％、Ｖ：０．０５～０．４０％であり、残余Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項３に記載の合金鋼。
- 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の合金鋼を用いた機械部品であって、前記機械部品の表面の残留オーステナイト量が面積率で１０～１５％の範囲であり、表層および内部の硬さがロックウェルＣスケールで６４ＨＲＣ以上であることを特徴とする機械部品。
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| JP2005187888A (ja) * | 2003-12-25 | 2005-07-14 | Sanyo Special Steel Co Ltd | 転がり軸受に使用される静的強度に優れた過共析鋼の焼入れ方法 |
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-
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Patent Citations (4)
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