JPH0465893B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、浸炭焼入れを行つても表面に浸炭異
常組織の生成が殆どなく、機械構造用部品に使用
して高度の疲労強度、転動疲労強度、耐摩耗性を
付与することができる肌焼鋼に関するものであ
る。 〔従来の技術〕 従来、機械構造用部品は、その疲労強度、転動
疲労強度、耐摩耗性を向上せしめるために表面硬
化処理、なかでも特にその効果の大きい浸炭焼入
れが広範に行われている。しかし、従来の肌焼鋼
（例えばJIS−SCr420、SCM420）に浸炭焼入れ
を施すと、浸炭部表面に深さ10〜20μｍの結晶粒
界酸化が生じ、これに付随して不完全焼入組織
（トルースタイト）が生成して表面の硬さが低下
してしまう。この浸炭部表面の結晶界酸化と不完
全焼入組織とを合わせて浸炭異常組織と称してい
る。 この異常組織は、浸炭雰囲気中の酸化性ガス
（CO₂、H₂O）中のＯが浸炭中の鋼のオーステナ
イト粒界に優先的に侵入拡散し、Si、Mn、Crの
ようなFeより酸化されやすい元素と結合して酸
化物を形成する上に、この酸化物のために粒界近
傍で固溶Si、固溶Mn、固溶Cr濃度が低下し、こ
れらの相乗として焼入性が極端に低下する結果、
表面で不完全焼入組織が生成されることが原因と
されている。 そして、表層部に粒界酸化物が形成されると、
それが切欠として作用するため、疲労強度、耐衝
撃性が劣化し、さらに粒界酸化物の形成に付随し
て軟かい不完全焼入層が生成することから、疲労
強度、転動疲労強度、耐摩耗性も劣化する。 ところで近年、産業機械、輸送機械、建設機械
などに使われている機械構造用部品に対する耐久
性についての要求はますます高度化してきてお
り、特に繰返し荷重のかかる強度部材では高疲労
強度化、高転動疲労強度化が、また摺動部材では
高耐摩耗性が望まれている。 例えば、自動車のトランスミツシヨンギヤにあ
つては、エンジンの高出力化に伴つて歯元疲労強
度と歯面転動疲労強度の向上が、またプラスチツ
ク成形機、さく岩機などの油圧ピストンおよびシ
リンダーにあつては、機械の大型化、摺動サイク
ルの高速化に伴つて摺動部表面の耐摩耗性の向上
が強く望まれている。 このため従来より、浸炭異常組織の生成を防止
し、疲労強度、耐衝撃性、あるいは耐摩耗性の改
善を目的とした肌焼鋼が、例えば特公昭55−3277
号公報、特開昭60−21359号公報、特開昭60−
243252号公報等により提案されている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、これらの提案はいずれも粒界酸
化を助長するSi、Mn、Crの添加量規制のみで対
応しようとするものであり、浸炭条件、焼入条件
によつては、完全に浸炭異常組織を抑えることが
困難である。従つて、近年の機械構造用部品に対
する高度な要求に完全に応えることは難しかつ
た。 また、表層部に圧縮残留応力を導入すれば疲労
強度、転動疲労強度が向上することから、浸炭焼
入れ後にシヨツトピーニングを施すことが従来よ
り行われているが、不完全焼入組織が存在する
と、シヨツトピーニングによる極端な肌荒れ（表
面凸凹）が生じ、かえつて疲労強度が低下するこ
ともあり、効果的な対策とは言えなかつた。 本発明は、このような状況に鑑み、浸炭異常組
織の生成に対して極めて高い抵抗力を示す肌焼鋼
を提供するものである。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明者らは、浸炭異常組織の生成を抑制する
ためには、Si、Mn、Crにとらわれることなく広
い成分系から総合的に、しかも粒界酸化と不完全
焼入組織の両面から対策を講じることが必要であ
ると考え、鋭意実験研究を重ねた結果、次の知見
を得るに至つた。 ΓCuを添加すれば粒界酸化が大巾に抑制される
ことが判明した。これは、浸炭中に表層部に
Cuが濃化し、最表面を極めて薄いCu化合物が
覆うため、粒界へのＯの侵入を防ぐためと考え
られる。 Γしかし、Cuによる粒界酸化抑制効果は、酸化
物生成自由エネルギーがFeより低い元素、言
い換えればFeより酸化しやすい元素（第１図
に示すように、例えばSi、Mn、Cr、Alなど）
との相互作用が大きく、これらの元素を添加し
過ぎると粒界酸化が抑制できなくなる。 この観点から、極めて酸化しやすいAlは出
来るだけ含まれないのがよく、含まれてもSol.
Alで0.05％未満、次いで酸化しやすいSiについ
ては0.15％未満、Crについては1.5％以下、Mn
については1.2％以下に制限する必要がある。 ΓCuについては、また、Cu化合物被膜の下はCu
濃化層になつており、たとえ粒界酸化により固
溶Si、固溶Mn、固溶Crの量が低下してもCuの
焼入性向上効果で表層部の不完全焼入組織は生
成しにくいことが判明した。 ΓSi、Mn、Crは焼入性を向上させる元素でもあ
るため、これら元素の添加量を前述のように規
制すると、肌焼鋼としての焼入性が確保されな
いばかりでなく、焼入冷媒の種類によつては焼
入時に鋼表面に沸騰膜ができて最表面の冷却速
度が遅くなるため、たとえ内部まで十分に焼入
されたとしても表層部に不完全焼入組織ができ
ることが判明した。 そこで、さらに検討を重ねた結果、Niおよ
びMoは粒界酸化を助長ぜずかつ不完全焼入層
を防止できることが明らかとなつた。これは、
第１図に示すように、NiとMoはFeより酸化物
生成自由エネルギーが高い、すなわちFeより
酸化しにくく、かつ焼入性を向上させる元素で
あるためと考えられる。 母材の焼入性が不足する場合には、Ｂを添加
するのも有効である。 Γまた、Alの含有量規制によるオーステイト粒
の粗大化に対しては、Nb、Ｖが有効に働くこ
とも明らかになつた。 本発明は、以上の知見に基づきなされたもの
で、下記の成分組成を基礎とし、これに必要
に応じてまたはもしくは＋の成分系を
加えた肌焼鋼を要旨とする。 重量比でＣ：0.1〜0.4％、Si：0.15％未満、
Mn：1.2％以下、Cr：1.5％以下、Sol.Al：
0.05％未満、Cu：0.02〜0.5％未満を含み、
残部Feおよび不可避的不純物。 重量比でNi：5.0％以下、Mo：2.5％以下、
Ｂ：0.005％以下のうち１種または２種以上。 重量比でNb：0.15％以下、Ｖ：0.15％以下
の１種または２種 次に本発明鋼の成分範囲限定理由を述べ
る。 ΓＣ：0.1〜0.4％ Ｃは機械構造用部品としての強度確保のため
に必要な基本成分であり、肌焼鋼として浸炭焼
入、焼戻し後のコア（非浸炭部）の硬さは少な
くともH_RC25は必要であり、このためにはＣ量
は0.1％以上は必要である。 しかし、0.4％を越えて添加すると、ケース
（浸炭部）とコアの硬さの差が小さくなり、疲
労強度向上、転動疲労強度向上に有効な圧縮残
留応力が導入されにくくなるとともに、耐衝撃
性、被削性が劣化するので、上限を0.4％とし
た。 ΓSi：0.15％未満 SiはFeより非常に酸化されやすい元素であ
り、浸炭された表層部で粒界酸化物の生成を著
しく助長する作用を有する。このため少ない方
が好ましいが、0.15％未満では粒界酸化は無視
できる程度に軽微になるため上限を0.15％
（0.15％は含まない）とした。 下限はSiが少ないほど粒界酸化を抑制できる
ので特に規定しないが、製鋼上0.05％より少な
くするには困難をともなうので、好ましくは
0.05％である。 ΓMn：1.2％以下 MnもSiほどではないが、Feより酸化されや
すい元素であり、従つて粒界酸化を助長する。
このため、Mn添加量も少ないほどよいが、Cu
を添加する場合には1.2％以下にすると粒界酸
化物はほとんど生成しなくなる。このためMn
の上限は1.2％とした。 下限はMnが少量ほど粒界酸化を抑制できる
ので特に規定しないが、コア部の焼入性を確保
することを考慮すると0.3％以上が好ましい。 ΓCr：1.5％以下 Crも粒界酸化物を生成しやすい元素であり、
従つてCr添加量も少ないほど好ましい。しか
し、Cuを添加する場合には1.5％以下にすると
粒界酸化物はほとんど生成しなくなる。このた
め、Crの上限は1.5％とした。 下限はCrが少ないほど粒界酸化を抑制でき
るので特に規定しないが、0.5％未満になると
浸炭性が低下するので0.5％以上が好ましい。 ΓSol.Al：0.05％未満 AlはSi、Mn、Crに比べ大巾に酸化しやす
く、粒界酸化を生じる要因になるので、少ない
ほど好ましいが、Cuを添加する場合には、0.05
％未満にすると粒界酸化物はほとんど生成しな
くなる。 下限はAlが少ないほど粒界酸化防止に有効
であるので特に規定しない。 ΓCu：0.02〜0.5％未満 既に述べたようにCuを添加することにより、
最表面に極めて薄いCu化合物層が生じ、粒界
酸化を防止することができる。また、Cu化合
物層の下にはCu濃化層が生じ、たとえ粒界酸
化が生じて表面層の焼入性が低下してもCuの
焼入性向上効果で不完全焼入性組織は生成しに
くくなる。これらの効果を十分に発現されるた
めには少なくとも0.02％のCuが必要であるが、
0.5％を含むより以上の添加は、Cu化合物層の
厚さが厚くなり、浸炭性が急激に低下して不完
全焼入組織の生成が顕著になるので、下限を
0.02％、上限を0.5％未満とした。 ΓNi：5.0％以下 本発明鋼は粒界酸化を防止するために、Fe
より酸化されやすいSi、Mn、Crの添加量を制
限している。これらの元素はいずれも焼入性向
上元素であるため、肌焼鋼としてのコア部の焼
入性が十分に確保されなくなる。また、ケース
においても焼入性が不十分なため、表層部の不
完全焼入組織が生成されやすくなる。従つて、
粒界酸化を生じず、かつ焼入性を高めるNiの
添加は浸炭異常組織（粒界酸化、不完全焼入
層）の防止に有効である。 また、このNiはCu添加による熱間加工性の
劣化を改善する効果も有する。 しかし、Niは5.0％を越えて添加すると浸炭
性が阻害されるとともに、切削性が著しく劣化
するので添加される場合は上限を5.0％とする。 下限についてはCu添加による熱間加工性の
劣化を防止するため、Cu添加量以上にするの
が好ましい。 ΓMo：2.5％以下 MoもNiと同様、粒界酸化を起こさず、焼入
性を向上させる元素であるため、コア部の焼入
性を確保するのみならず、表層部の不完全焼入
組織の防止に役に立つ。しかし、2.5％を越え
て添加すると、浸炭されたケース部において
Mo炭化物が析出し、表層部の焼入性はかえつ
て低下するので添加する場合は上限を2.5％と
する。 下限についてはコア部の焼入性を確保するこ
とを考慮すると、0.1％以上が好ましい。 ΓＢ：0.005％以下 Ｂは微量添加で焼入性を著しく向上させる元
素であるが、Ｃ量が多くなるほどその効果が薄
れる。従つて、コア部の焼入性だけを向上させ
る場合には非常に有効である。しかし、Ｂは
Feより酸化しやすい元素でもあり、0.005％を
越えて添加すると表層部に粒界酸化が生成し始
める。このため添加される場合は上限を0.005
％とする。 下限は、焼入性向上効果が顕著になる0.0003
％を越えることが好ましい。 ΓNb：0.01〜0.1％、Ｖ：0.01〜0.1％ 通常、AlはＮと結合して微細なAlNを形成
し、浸炭時のオーステナイト粒の粗大化を阻止
する効果がある。しかし、本発明鋼では粒界酸
化を抑制するために、Alを無添加または添加
量を0.05％未満に制限していることから、浸炭
前の履歴および浸炭条件によつてはオーステナ
イト粒が粗大化する場合がある。これを防止す
るためにはNb、Ｖ添加して、NbC、VCを微
細析出させるのが有効である。この効果を十分
に発揮させるためにはNb、Ｖはいずれも0.01
％以上添加する必要がある。しかし、Nb、Ｖ
ともFeより酸化しやすく、0.01％を越えて添加
すると粒界酸化物が生成しはじめる。このため
下限を0.01％、上限を0.1％とした。 〔実施例〕 次に実施例をもつて本発明を説明する。 第１表に示す化学成分を有する42種類の鋼を高
周波真空炉にて溶製し、熱間鍜造により直径40mm
の丸棒と35mm×35mmの角棒にと成形し、角棒から
は第２図に示す曲げ疲労試験片を、丸棒からは第
３図に示す円板状転動疲労試験片をそれぞれ作成
した。 そして、これらの試験片を先ずカーボンポテン
シヤル0.8％の浸炭雰囲気で930℃×2hr保持した
後、200℃のホツトクエンチ油で焼入した。 浸炭焼入後、曲げ疲労試験片の断面を研磨し、
しかる後、無腐食で粒界酸化深さを、ナイタール
腐食により不完全焼入層深さを光学顕微鏡観察に
よつて測定した。測定はそれぞれ20ケ所行い、そ
の平均値をもつて測定値とした。 合せて曲げ疲労試験と転動疲労試験とを行つ
た。曲げ疲労試験は、第４図に示すように、試験
片両端を支持した状態で10⁷回まで中央部に繰返
し圧縮応力を付加して、圧縮応力と繰返し数との
関係をＳ−Ｎ曲線に表わし、その結果から疲労限
度を求めるものとした。 転動疲労試験片については、第５図に示すよう
に、同一試験片どうしの２ローラ式転動疲労試験
（すべり率０％）を10⁷回まで繰返し、押え面圧と
繰返しの数との関係をＳ−Ｎ曲線に表わして、耐
久限度を求めた。 これらの試験結果を第１表に併記する。 鋼種No.１〜No.72は本発明に係る鋼である。一
方、鋼種No.73〜No.75はSi含有量の点で、鋼種No.76
〜No.78はMn含有量の点で、鋼種No.79〜81はCr含
有量の点で、鋼種No.82〜No.85はCu含有量の点で
それぞれ本発明の範囲を外れる比較鋼である。

【表】

【表】

【表】

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明の肌焼
鋼は浸炭異常組織の生成が極端に少ないので、自
動車のトランスミツシヨン、プラスチツク射出成
形機やさく岩機の油圧ピストンおよびシリンダー
など、苛酷な条件で使用される機械構造用部品に
使用して、これに高度の疲労強度、転動疲労強
度、耐摩耗性を与えることができ、これら機械構
造用部品の耐久性向上に大きな効果を発揮するも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属酸化物の温度と生成自由エネルギ
ーとの関係を示すグラフ、第２図および第３図は
試験片の形状寸法の説明図、第４図および第５図
は試験方法の説明図、第６図〜第９図は本発明鋼
における特長的元素の浸炭異常組織生成に与える
影響を示したグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量比でＣ：0.1〜0.4％、Si：0.15％未満、
   Mn：1.2％以下、Cr：1.5％以下、Sol.Al：0.05％
   未満、Cu：0.02〜0.5％未満を含み、残部Feおよ
   び不可避的不純物からなることを特徴とする肌焼
   鋼。 ２ 重量比でＣ：0.1〜0.4％、Si：0.15％未満、
   Mn：1.2％以下、Cr：1.5％以下、Sol.Al：0.05％
   未満、Cu：0.02〜0.5％未満を含むとともに、
   Ni：5.0％以下、Mo：2.5％以下、Ｂ：0.005％以
   下のうち１種または２種以上を含有し、残部Fe
   および不可避的不純物からなることを特徴とする
   肌焼鋼。 ３ 重量比でＣ：0.1〜0.4％、Si：0.15％未満、
   Mn：1.2％以下、Cr：1.5％以下、Sol.Al：0.05％
   未満、Cu：0.02〜0.5％未満を含むとともに、
   Nb：0.15％以下、Ｖ：0.15％以下の１種または２
   種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物から
   なることを特徴とする肌焼鋼。 ４ 重量比でＣ：0.1〜0.4％、Si：0.15％未満、
   Mn：1.2％以下、Cr：1.5％以下、Sol.Al：0.05％
   未満、Cu：0.02〜0.5％未満を含むとともに、
   Ni：5.0％以下、Mo：2.5％以下、Ｂ：0.005％以
   下のうち１種または２種以上を含有し、さらに
   Nb：0.15％以下、Ｖ：0.15％以下の１種または２
   種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物から
   なることを特徴とする肌焼鋼。