JP4254816B2

JP4254816B2 - 浸炭部品

Info

Publication number: JP4254816B2
Application number: JP2006192232A
Authority: JP
Inventors: 敏之森田; 智紀羽生田
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2005-08-24
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2026-07-12
Also published as: JP2007291486A

Description

本発明は、過剰浸炭を抑制して適切な炭素濃度をもつ浸炭部品を与える浸炭用鋼と、その浸炭用鋼を利用して得た浸炭部品に関する。

鋼を機械部品、たとえば歯車の形状に成形し、浸炭して製品とする場合、浸炭方法としては、従来慣用されてきたガス浸炭法に代って、最近は、真空浸炭法が採用されるようになってきた。真空浸炭法には、ガス浸炭法に対して、つぎのような利点があるからである。１）真空中で処理を行なうため材料の酸化が起こらないから、ガス浸炭法では生じやすい粒界酸化が避けられ、強度の向上に寄与する。
２）浸炭装置の構造上、高温浸炭を行ないやすく、そのために迅速な浸炭が可能である。
３）使用する浸炭ガスが少量で済み、ランニングコストが安い。

一方、真空浸炭法には、浸炭法製品の表面炭素濃度が部品形状の影響を受けやすく、エッジ形状の部分に過剰な炭素が導入され、その結果、残留オーステナイト量が増大したり、炭化物の生成が起こったりして、部分的に強度が低下するという欠点もある。この欠点を補う対策としては、浸炭後に脱炭を行なって、過剰な炭素を除去することが提案されている（特許文献１、特許文献２）。しかし、この脱炭は、工程が増えるだけでなく、脱炭に際して粒界酸化が生じて強度が低下し、真空浸炭法の利益が台無しになる危険がある。

浸炭部品には、浸炭焼入れ時に熱処理にともなう歪みが発生し、これが部品の使用中に破壊の原因になることがあるという問題がある。これを防ぐ目的で、特定の合金組成を選択し、非浸炭部にフェライを生成させフェライト・マルテンサイト二相組織とするという提案もある（特許文献３）。しかし、この技術は、浸炭部品の強度を高くするという意図には沿わない。高強度を目指した肌焼鋼としては、微細なＴｉＣを分散させるなどの手段によって粒界の酸化層深さを浅くすることにより、結果として強度が高く得られるというものも開示された（特許文献４）。合金組成の選択により、焼き戻し軟化抵抗性を高め、耐ピッチング性、耐摩耗性など、歯車の歯面部の強度を高くした肌焼鋼も知られている（特許文献５）。しかし、これらの技術は、エッジ部の過剰浸炭への対策は考えていない。
特開２００３−１７１７５６特開２００４−１１５８９３特開平９−１１１４０８特開２００４−３００５５０特開２００３−２３１９４３

発明者は、真空浸炭法におけるエッジ部への過剰な炭素の導入という問題を解決し、エッジ部の強度低下を防ぐ方策を求めて、研究を進めた。真空浸炭における浸炭の機構を調べたところ、表面に炭素が供給される浸炭期に炭化物が生成して炭素が蓄えられ、続く拡散期に炭化物が分解し、蓄えられていた炭素がマトリクスに溶解することによって炭素が供給される、ということがわかった。つぎに、真空浸炭においてエッジ部で浸炭が過剰になる原因は、エッジ部には平面部よりも高い密度で炭化物が生成し、より多くの炭素がそこに蓄えられるからであると考えた。しかし、炭化物の析出を避けて、全体的に表面の炭素濃度を低くすると、平面部の炭素濃度が極端に低下して、硬さと強度が低下してしまう。

そこで、浸炭部品の表面において炭化物が析出しない最大限度の炭素濃度がどのくらいであるかを調べ、１．１％であることを見出した。一方、浸炭部品の表面が十分な硬さを、従って十分な強度をもつために必要な、最小限度の炭素濃度がどのくらいであるかを調べ、０．６％であることを見出した。

さらに発明者は、上記のような浸炭部品の表面における炭素濃度のコントロールが容易である合金組成を探求した。つまり、浸炭により導入される炭素のうちで、炭化物経由のルートによるものの割合を小さくし、直接の溶解というルートを通るものの割合を相対的に高くする、という考えであり、これを合金組成の選択によって実現しようという技術思想である。浸炭用鋼を構成する合金成分の作用について研究した結果、ＳｉおよびＮｉが浸炭時の炭化物生成を抑制すること、Ｃｕもこれらと同様に作用すること、Ｃｒが炭化物を増大させること、そしてＭｎやＭｏはあまり影響がないこと、を発明者は見出した。

本発明の目的は、発明者が見出した上記の知見にもとづいて、真空浸炭を行なったときにも、表面炭素濃度の幅が小さい浸炭部品を得やすい合金組成をもった浸炭用鋼を提供すること、および、その浸炭用鋼を使用して、エッジ部の過剰な浸炭が抑制され、過剰浸炭による強度の低下が問題にならない浸炭部品を提供することにある。

表面炭素濃度の幅が小さい本発明の浸炭部品は、重量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．３〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、Ｃｒ：０．３〜１．０％、Ａｌ：０．２％以下およびＮ：０．０５％以下を含有し、残部が不可避な不純物およびＦｅからなり、
［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．５
の条件を満たす合金組成を有する浸炭用鋼を部品形状に成形し、真空浸炭により浸炭して得た浸炭部品である。

本発明の浸炭部品は、浸炭部における表面炭素濃度が最も高い部分で１．１％以下であるから、炭化物の生成量が少なく、したがって炭化物の分解がもたらす局部的に高い炭素濃度が生じることなく、エッジ部分の靱性が低くならない上に、表面炭素濃度が最も低い部分で０．６％以上あるから、浸炭不足により強度が低い部分も生じない。

上記の浸炭用鋼を真空浸炭して得た浸炭部品は、その表面において、ある一点を中心とする半径１mmの球を想定したとき、その球内に存在する鋼の体積を表面積で除した値が０．７mm以上となる部分の表面炭素濃度が１．１％以下であり、０．３mm以下となる部分の表面炭素濃度が０．６％以上である浸炭部品として捉えることもできる。このような捉え方は、図１を参照することにより、いっそう容易に理解できるであろう。

図１のＡは、浸炭部表面において、ある一点を中心とする半径１mmの球を想定したとき、その球内に存在する鋼の体積を表面積で除した値が、０．７mm以上となる部分を示している。図のような稜の上の点を考えると、稜の角度が１７０度より大きい場合、つまり、部品の中では平面またはそれに近い、エッジでない部分を代表する。一方、図１のＢは、浸炭部表面において、ある一点を中心とする半径１mmの球内に存在する鋼の体積を表面積で除した値が、０．３mm以下となる部分を示している。やはり図のような稜を考えると、稜の角度が６０度より小さい場合、つまり、部品の中ではエッジの部分を代表する。前者の部分の表面炭素濃度が１．１％以下であり、後者の部分の表面炭素濃度が０．６％以上であることを要する。

本発明の浸炭部品の製造は、真空浸炭によって実施するかぎり、アセチレン、エチレン、プロパンなど、種々の炭化水素ガスを浸炭ガスとして使用することができる。浸炭パターンも、任意である。当業者は、後記する実施例を参考にして、適切な真空浸炭の条件を、容易に決定することができるであろう。

本発明の浸炭部品の材料とする浸炭用鋼は、上記した基本的な合金成分に加えて、下記の１）〜４）の任意添加元素の、少なくとも一つを含有する合金組成とすることができる。
１）Ｍｏ：２．０％以下
２）Ｎｂ：０．２０％以下およびＴｉ：０．２０％以下の１種または２種
３）Ｂ：０．０１％以下
４）Ｐｂ：０．０１〜０．２０％、Ｂｉ：０．０１〜０．１０％およびＣａ：０．０００３〜０．０１００％の１種または２種以上

本発明の浸炭用鋼の基本的な合金組成を説明すれば、Ｃ量（０．１〜０．３％）は、機械部品として必要な強度を得る上で適切な範囲である。Ｍｎは、脱酸剤として鋼の溶製時に添加されるが、炭化物の生成にはあまり影響を与えないから、その量は広い範囲（０．３〜３．０％）から選ぶことができる。ＰおよびＳは不純物であって、製品の機械的性質にとって好ましくない成分であるから、その量は低い方がよい。前記の値（ともに０．０３％）は、許容限度である。

Ｓｉ（０．５〜３．０％）、Ｎｉ（０．０１〜３．００％）およびＣｕ（０．０１〜１．００％）は、前述のように、炭化物の生成を抑制する成分であって、それぞれ上記の下限値以上であって、かつ、それらの量の合計からＣｒの量を差し引いた値が０．５を上回るように添加しなければならない。しかし、大量の添加は、熱間加工性を低下させるから、それぞれに上記の上限を設けた。

Ｃｒ：０．３〜１．０％
前述のように、Ｃｒは炭化物の生成を促進する成分であるから、本発明の浸炭用鋼においては、多量に存在させることができない。１．０％は、炭化物の生成を抑制する成分が多量である場合に可能な、Ｃｒ量の上限である。ただし、あまり低減しすぎると焼入れ性が低くなって、製品の機械的特性が不満足になるので、下限値として０．３％を設けた。

Ａｌ：０．２０％以下
脱酸剤として添加されるが、過大な添加は、やはり加工性を損なうから、０．２０％までの添加量を選ぶのがよい。Ａｌはまた、結晶粒の粗大化を抑制するはたらきもあり、その効果を得たい場合は、０．００５％

Ｎ：０．０５０％以下
結晶粒の粗大化を防止する作用があるので、好ましくは少なくとも０．００１％が存在するようにする。この効果は０．０５０％程度で飽和するので、この限界を超えて存在させる意味はない。

［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．５
上述のように、Ｓｉ、ＮｉおよびＣｕは炭化物の生成を抑制し、一方、Ｃｒは増加させるから、前三者の影響と後者の影響とをバランスさせて、抑制効果が高くなるようにすることによって、本発明で意図したエッジ部の炭化物生成量抑制が実現する。上記の式は、後記の実施データから導き出された関係である。

本発明の浸炭用鋼において、任意に添加することができる合金成分について説明すれば、つぎのとおりである。
Ｍｏ：２．０％以下
焼入れ性を向上させ、焼戻し軟化抵抗性を高めるために添加することができる。多量になると鋼の加工性を悪くするので、２．０％以下の適切な添加量をえらぶべきである。

Ｎｂ：０．２０％以下およびＴｉ：０．２０％以下の１種または２種
これらの成分は、浸炭時に生じる結晶粒の成長を抑制し、整粒組織を保つという目的にとって有効である。過大な添加は加工性に悪影響を及ぼすので、それぞれ上記の限界内の添加量に止める。

Ｂ：０．０１％以下
Ｂは、焼入れ性の向上に効果があるので、所望により添加する。大量の存在は加工性にとって有害であるから、０．０１％以下の添加量をえらぶ。

Ｐｂ：０．０１〜０．２０％、Ｂｉ：０．０１〜０．１０％およびＣａ：０．０００３〜０．０１００％の１種または２種以上
これらの成分は、被削性の向上という目的にとって有効である。過大な添加は靱性に悪影響を及ぼすので、それぞれ上記の限界内の添加量に止める。

本発明の浸炭部品の材料とする浸炭用鋼はまた、上記の基本的な合金組成であれ、任意添加元素を添加した合金組成であれ、原料の選択によっては不純物として混入しがちな成分のうち、重要なものを規制すべきである。それらの重要な不純物とは、Ｓｎ、ＡｓおよびＳｂであって、いずれも鋼を脆化させる成分であるから、
［Ｓｎ％］＋［Ａｓ％］＋［Ｓｂ％］＜０．３
という条件を満たすように注意する必要がある。

試験例

表１に示す合金組成（重量％、残部Ｆｅ）を有する３種の鋼について、エッジ部分を有する形状のサンプルを製作した。
表１

それらのサンプルに対し、下記の条件で浸炭および熱処理を施した。
９５０℃に３０分間均熱→９５０℃で３０分間浸炭処理→９５０℃で３０分間拡散処理→８５０℃に３０分間保持→焼入れ→１８０℃で１時間の焼戻し
浸炭処理の条件は、プロパンガス雰囲気で圧力２００Ｐａ、拡散処理の条件は、真空（５Ｐａ以下）である。

浸炭および熱処理を行なった３種のサンプルのエッジ部分を研削し、露出した表面をナイタール液でエッチング処理したのち、金属顕微鏡で観察した。それぞれの顕微鏡写真を、図２ないし図４に示す。これらの写真に見る白色の領域は、炭化物の存在を示す。Ｓｉ＋Ｎｉ＋Ｃｕ−Ｃｒ（％）の値が大きい高Ｓｉ鋼（図２）は、炭化物の存在があまり明確に現れていないが、この値がマイナスであるＳＣＭ４２０（図３）では明確であり、高Ｃｒの場合（図４）は、それが顕著である。

表２に示す合金組成の鋼を浸炭用鋼として使用し、それぞれの鋼から、稜の角度が６０度であるエッジをもった試験片を製作した。これらの試験片を対象に、浸炭ガスの導入を１回に行なった図５Ａ、または浸炭ガスの導入を複数回に分けてパルス的に行なった図５Ｂに示した浸炭パターンで、真空浸炭を実施した。炭処理の条件は、アセチレンまたはプロパンガスの雰囲気で、浸炭期は圧力２００Ｐａ、拡散期は５Ｐａ以下の真空である。

得られた浸炭部品について、表面の炭素濃度を測定した。測定部位は、平面部分（「半径１mmの球内に存在する鋼の体積を表面積で除した値が０．７mm以上となる部分」に該当する。）と、エッジ部分（「半径１mmの球内に存在する鋼の体積を表面積で除した値が０．３mm以下となる部分」に該当する。）である。

つぎに、供試材から機械加工により試験歯車を製作し、試験例と同じ条件で、浸炭および熱処理を施した。それらの試験歯車を使用し、１０^７回強度を測定した。条件は、試験例において述べたとおりである。浸炭条件、平面部分およびエッジ部分の炭素濃度、ならびに疲労強度を、表３に示す。

実施例および比較例の、式［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］の値に対する１０^７回強度との関係をプロットして、図６に示すグラフを得た。このグラフから、式の値が０．５を超えるあたりから、１０^７回強度がほぼ一定の高い値になることが明らかに読み取れる。

本発明の浸炭部品の表面における炭素濃度の条件を概念的に示す図であって、Ａはエッジでない部分を代表し、Ｂはエッジの部分を示す。本発明の試験例のデータであって、エッジ部を有するサンプルに真空浸炭および熱処理を施したものに、どの程度炭化物が生成しているかを見た顕微鏡写真であって、浸炭に用いた鋼が高Ｓｉ鋼である場合を示す。図２と同様の写真であって、浸炭に用いた鋼がＳＣＭ４２０（Ｃｒ：１．０％）である場合を示す。図２と同様の写真であって、浸炭に用いた鋼がＳＣＭ４２０高Ｃｒ（Ｃｒ：４．９％）である場合を示す。ＡおよびＢは、ともに本発明の実施例において行なった真空浸炭の浸炭パターンを示す概念図。本発明の実施例のデータであって、式［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］の値と１０^７回強度との関係を示すグラフ。

Claims

重量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．３〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、Ｃｒ：０．３〜１．０％、Ａｌ：０．２０％以下およびＮ：０．０５％以下を含有し、残部が不可避な不純物およびＦｅからなり、
［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．５
の条件を満たす合金組成を有する浸炭用鋼を部品形状に成形し、真空浸炭により浸炭して得た浸炭部品。
さらに、Ｍｏ：２．０％以下を含有する合金組成を有する浸炭用鋼を使用した請求項１の浸炭部品。
さらに、Ｎｂ：０．２０％以下およびＴｉ：０．２０％以下の１種または２種を含有する合金組成を有する浸炭用鋼を使用した請求項１または２の浸炭部品。
さらに、Ｂ：０．０１％以下を含有する合金組成を有する浸炭用鋼を使用した請求項１ないし３のいずれかの浸炭部品。
さらに、Ｐｂ：０．０１〜０．２０％、Ｂｉ：０．０１〜０．１０％およびＣａ：０．０００３〜０．０１００％の１種または２種以上を含有する合金組成を有する浸炭用鋼を使用した請求項１ないし４のいずれかの浸炭部品。
請求項１ないし５のいずれかに記載の成分からなり、かつ、
［Ｓｎ％］＋［Ａｓ％］＋［Ｓｂ％］＜０．３
の条件を満たす合金組成を有する浸炭用鋼を使用した請求項１ないし５のいずれかの浸炭部品。