JP2000212683A - 冷間鍛造後の寸法精度に優れた軟窒化用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷間鍛造性に優れると共に冷間鍛造時の寸法
精度が良好であり、しかも十分な軟窒化特性を示す軟窒
化用鋼を提供すると共に、その製法を確立すること。 【解決手段】 Ｃ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ａｌ等の含有量が規定
され、これにＣｒおよび／またはＶを（Ｃｒ＋２Ｖ）≧
１．０質量％を満足する様に含有する低炭素鋼からな
り、冷間鍛造性を劣化させるＡｌの多量添加を行うこと
なしに十分な軟窒化特性を有し、６０％冷間すえ込み加
工後の縦断面平均硬さがＨｖ３２０以下となる冷間鍛造
時の寸法精度に優れた軟窒化用鋼であり、この様な軟窒
化用鋼は、上記化学成分組成を満たす低炭素鋼を圧延し
た後、６００℃以上の温度域を２０℃／秒以下の速度で
冷却することによって得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は軟窒化処理用鋼に関
し、より詳細には、冷間鍛造の後無切削ないし殆んど切
削しないで製造される機械構造部品のうち、特に軟窒化
処理を必要とする機械構造部品の素材として有用な鋼材
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】機械構造部品の多くは熱間鍛造後切削加
工し、高周波熱処理や浸炭処理などの表面強化処理を行
なうことによって製造されるが、この様な機械構造部品
を冷間鍛造後は軟窒化処理するだけで製造することがで
きれば、工程の簡素化と歩留りの大幅な向上が見込め
る。また高周波熱処理や浸炭処理等の熱処理では熱処理
歪みが大きいため、寸法精度の点で軟窒化材に劣りギヤ
等に使用すると騒音などの問題が生じてくる。

【０００３】一方、ギヤ等として用いられる機械構造部
品に求められる機械特性を保証するには、通常Ｈｖ７０
０以上の表面硬さを確保することが必要とされており、
軟窒化処理後の表面硬さでＨｖ７００以上を確保するに
は、通常、鋼中にＣｒやＶ等の強化元素を多量含有させ
なければならない。ところが、これらの合金元素は高い
強化効果を有しているので、冷間鍛造後の硬さを著しく
高める。そして冷間鍛造後の硬さが高まると金型の歪み
が起こり易くなり、冷間鍛造品の寸法精度が低下してく
る。

【０００４】一般に冷間鍛造で機械部品を得る場合に
は、加工の激しい部位で６０％程度の冷間加工が施され
るので、部品寸法精度の低下を抑えるには６０％冷間鍛
造後の硬さをＨｖ３２０程度以下、より好ましくはＨｖ
２５０程度以下に抑えることが望ましく、従って可能な
限り冷間鍛造後の硬さを上げずに、その後の軟窒化処理
によって十分な表面硬さを確保し得る様な軟窒化特性を
与えることが望まれる。ところが、現在のところその様
な技術は開発されていない。

【０００５】即ち、たとえば特開昭５２−８６９２０号
には、軟窒化処理性に優れたＣ含有量０．５質量％以下
の低合金鋼が開示されているが、この低合金鋼には１．
５質量％以上のＭｎと０．１質量％以上のＮｉが含まれ
ており、しかも実施例では０．０８質量％以上のＣを含
んでいるため冷間鍛造後の硬さが高く、冷間鍛造時の金
型歪みが起こり易くて優れた寸法精度の鍛造品が得られ
難い。また特開平７−１３８７０１号では、Ｃ含有量が
０．０４質量％以下の低炭素鋼を用いているが、これに
は同時に０．５質量％以上のＣｕと０．２５質量％以上
のＮｉを必須元素として含んでおり、やはり冷間鍛造後
の硬さは相当高くなる。更に特開平２−８０５３９号に
開示された窒化用鋼は、極低炭素鋼であって且つＭｎ含
有量も０．５質量％以下に抑えられているが、軟窒化処
理特性を得るため鋼に対する硬化能の高いＴｉ，Ｎｂ，
Ｚｒ，Ｖ等の窒化促進元素を必須的に多量含有させる合
金設計となっており、冷間鍛造後の硬さを抑えることが
できない。

【０００６】また特開平９−２７９２９５号および同９
−２７９２９６号には、冷間鍛造性に優れた軟窒化用鋼
が開示されている。ところがこれらの軟窒化鋼には、軟
窒化特性改善のため０．１０％超のＡｌが添加されてお
り、そのためＡｌ系の介在物が混入し易いため介在物を
起点とする割れを回避できず、満足のいく限界圧縮率が
得られない。これらの公報では、実施例として限界圧縮
率が６５％以上と記載されているが、この限界圧縮率は
切り欠きのない圧縮試験片を使用した場合の結果であ
り、後述する如く切り欠き付きの試験片を用いた場合の
限界圧縮率は半分程度に低下するので、本願発明で意図
する様な６５％以上といった高レベルの限界圧縮率は得
られない。

【０００７】しかも、これらの軟窒化用鋼はかなり多量
のＡｌが含まれているためアルミナクラスタの生成によ
って冷間鍛造後に微小割れを起こし易く、冷間鍛造の後
に切削が殆んど若しくは全く行なわれない本発明の目的
にはそぐわない。また上記公報には、実施例として５０
％冷間鍛造後の芯部硬さがＨｖ３２０以下のものが開示
されているが、部品の寸法精度を左右するのは平均硬さ
であって単なる芯部硬さではない。そのため、上記公報
記載の技術でも必ずしも満足のいく寸法精度は得られな
い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこの様な事情
に着目してなされたものであって、その目的は、寸法精
度を確保する上で必須とされる少なくとも６０％の冷間
鍛造を行なった後の縦断面平均硬さをＨｖ３２０以下、
望ましくはＨｖ２５０以下に抑えることができ、冷間鍛
造後の切削を殆ど必要とせず、しかも十分な軟窒化特性
を示す様な鋼材、並びにその製法を提供しようとするも
のである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成し得た本
発明に係る冷間鍛造後の寸法精度に優れた軟窒化用鋼と
は、Ｃ ：０．０００１〜０．０２質量％、Ｍｎ：０．
１〜１．８質量％、Ｓｉ：０．６質量％以下（０質量％
を含む）、Ａｌ：０．１０質量％以下（０質量％を含
む）であると共に、Ｃｒ：５．０質量％以下および／ま
たはＶ：４．０質量％以下を、 Ｃｒ＋２Ｖ≧１．０質量％ を満足する様に含有する低炭素鋼からなり、６０％冷間
すえ込み加工後の縦断面平均硬さがＨｖ３２０以下以下
となるものであるところに特徴を有している。

【００１０】また本発明の製法は、上記性能を備えた軟
窒化用鋼を確実に得ることのできる方法を明らかにする
もので、上記化学成分組成を満たす低炭素鋼を圧延した
後、６００℃以上の温度域を２０℃／秒以下の速度で冷
却するところに特徴を有している。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明者らは上記の様な事情に着
目し、冷間鍛造後の寸法精度に優れた軟窒化用鋼を提供
すべく、各種の鋼成分について検討を重ねた。その結
果、鋼中のＣ量およびＳｉ量をできるだけ低減すると共
にＭｎ含有量を適正に調整し、更にＣｒ，Ｖの１種また
は２種を適量含有させてやれば、６０％冷間鍛造後の硬
さがＨｖ３２０以下に抑えられると共に優れた軟窒化特
性を有し、冷間鍛造工程で金型の歪みを起こすことなく
高い寸法精度の冷間鍛造品を与えると共に、軟窒化処理
性も良好で軟窒化処理により優れた表面硬さを発揮する
軟窒化用鋼が得られることを見出し、本発明を完成し
た。

【００１２】なお本発明では、上記の様に６０％冷間鍛
造後の縦断面平均硬さをＨｖ３２０以下にすることが必
要であるが、本発明では、６０％冷間鍛造後の該平均硬
さを評価するための基準として、下記の方法によって求
められる６０％冷間すえ込み加工後の縦断面平均硬さで
規定している。即ち図１（Ａ）に示す如く、直径２０ｍ
ｍ×高さ３０ｍｍの供試材を使用し、これを上下方向
（軸心と平行方法）に６０％すえ込み加工し、供試材が
押し潰されてその外周が図１( Ｂ) に示す如くタイヤ状
にせり出した加工物の縦断面１１個所を側定位置として
１０ｋｇ荷重でビッカース硬さを測定し、その平均値を
もって平均硬さとする。

【００１３】また本発明において十分な歩留まりを確保
するための限界圧縮率とは、図２に示す如く切り欠き付
きの圧縮試験片（直径２０ｍｍ×高さ３０ｍｍ，ノッ
チ：６０°×深さ０．３ｍｍ，Ｒ：０．０５ｍｍ）を用
いて上記と同様に上下方向から圧縮し、ノッチ底部に割
れが生じる限界の圧縮率をいう（詳細は「Ｒ＆Ｄ／Ｖｏ
ｌ．２３ Ｎｏ．２」の第９０〜９６頁参照）。

【００１４】そして本発明では、上記方法によって求め
られる６０％すえ込み加工後の縦断面平均硬さをＨｖ３
２０以下に抑えることによって、冷間鍛造時における寸
法精度を確保すると共に、冷間加工時の歩留まりを十分
に高め得る様にしている。

【００１５】ところで、先にも説明した様に特開平９−
２７９２９５号や同９−２７９２９６号公報の軟窒化用
鋼では、実施例として限界圧縮率が６５％以上のものが
記載されているが、ここに記述された限界圧縮率は切り
欠き無しの試験片を用いて得た値であり、図２に示した
様に切り欠き付きの供試材を使用したときの限界圧縮率
は約半分程度まで低下するので、これらの公報に開示さ
れた軟窒化用鋼では本発明で意図する如き６５％以上の
限界圧縮率を得ることはできない。

【００１６】しかるに本発明では、従来の軟窒化用鋼で
は相当量の添加が必要とされていたＡｌを積極的に添加
せずとも、冷間鍛造後に軟窒化処理される鋼材用途に対
しては十分な軟窒化特性が確保されるという新知見に基
づいている。また上記公報には実施例として５０％冷間
鍛造後の硬さがＨｖ３２０以下のものが記述されてい
る。しかしながら加工率が５０％と６０％は、真歪に換
算すると０．７と０．９で大きく異なり、また冷間鍛造
後の鋼の硬さは測定位置によっても著しく異なるので、
前述した方法で求められる縦断面平均硬さがＨｖ３２０
以下になる訳ではなく、結局のところこれらの従来技術
でも本発明の目的を果たすことはできない。

【００１７】以下、上記縦断面平均硬さを確保すること
のできる本発明軟窒化用鋼の化学成分を定めた理由を詳
細に説明する。

【００１８】Ｃ：０．０００１〜０．０２％（化学成分
の場合は質量％を意味する、以下同じ） 軟窒化処理後の鋼部品として十分な靭性を確保するに
は、少なくとも０．０００１％以上のＣを含有させなけ
ればならず、Ｃ量がこれ未満では粒界強度が低下して靭
性が低下する。しかし、Ｃ量が０．０２％を超えると、
冷間加工後の硬さが高くなり過ぎてＨｖ３２０を超え、
本発明の目的にそぐわなくなる。Ｃ含有量の好ましい下
限は０．００５０％程度であり、好ましい上限は０．０
１５％程度である。

【００１９】Ｍｎ：０．１〜１．８％ Ｍｎは、不純物として混入してくるＳをＭｎＳとして固
定することにより加工性の劣化を抑える作用があり、こ
うした効果を有効に発揮させるには、０．１％以上含有
させなければならない。しかしながら、１．８％を超え
ると、鋼材としての硬さが高くなり過ぎて加工後の硬度
がＨｖ３２０を超える恐れがでてくるので、１．８％以
下に抑えなければならない。なお、Ｍｎ含有量のより好
ましい下限は０．５％程度、より好ましい上限は１．５
％程度である。

【００２０】Ｓｉ：０．６％以下（０％を含む） Ｓｉは脱酸作用を有すると共に鋼を高強度化する作用を
有しているが、過剰に含有させると、加工硬化が大きく
なって冷間鍛造後の硬さをＨｖ３２０以下に抑え難くな
る。

【００２１】Ａｌ：０．１０％以下（０％を含む） 脱酸作用を発揮すると共に軟窒化特性を高める作用を有
しているが、０．１０％を超えると、アルミナクラスタ
が発生し易くなって冷間鍛造後の部品に微小割れが発生
するため、切削加工が必須となる。従って、冷間鍛造後
に切削を全く若しくは殆んど行なわないことを目的とす
る本発明の意図を生かすには、Ａｌ含有量を０．１０％
以下に抑えなければならない。

【００２２】Ｃｒ：５．０％以下および／またはＶ：
４．０％以下 これらの元素は、いずれも軟窒化処理性を高める作用を
有しており、軟窒化処理後の表面硬さでＨｖ７００以上
を確保するには、これら元素の少なくとも一種を、（Ｃ
ｒ＋２Ｖ≧１．０％）を満たす様に含有させることが必
要である。これらのうちＶは、更に軟窒化処理に伴う冷
間鍛造歪みの回復による芯部硬さの低下を抑える作用も
有している。しかしＶは強化作用が大で、Ｃｒに比べる
と少量の添加で冷間鍛造後の硬さを高める傾向があるの
で、該硬さを抑えつつ軟窒化効果を高めるうえで特に好
ましいのはＣｒである。

【００２３】またＣｒ，Ｖの含有量が多過ぎると、軟窒
化硬化層が薄くなってギヤなどとして使用した時の面圧
に耐えられなくなるので、Ｃｒは５．０％以下、より好
ましくは３．０％以下に、Ｖは４．０％以下、より好ま
しくは０．５％以下にそれぞれ抑えなければならない。

【００２４】本発明で規定する必須構成元素は上記の通
りであり、残部はＦｅおよび不可避不純物であるが、必
要により下記の元素を適量添加し、以下に示す各元素の
効果を有効に発揮させることも可能である。

【００２５】Ｐ：０．０４％以下（０％を含む） Ｐは鋼を高強度化する作用を有しているが、過剰に含有
させると、加工後の平均硬さをＨｖ３２０以下にするこ
とが困難になるので、Ｐは０．０４％以下に抑えなけれ
ばならない。

【００２６】Ｓ：０．０２％以下（０％を含む） Ｓは被削性の向上に有効に作用する。なお本発明の軟窒
化用鋼は、前述の如く本来は切削されないが、部品用途
によってはドリル穿孔などで切削が必要になることもあ
るので、その様な場合は少量のＳを含有させることも有
効となる。ただしＳ含有量が多過ぎると、冷間鍛造時に
割れを起こし易くなるので、０．０２％以下に抑えなけ
ればならない。

【００２７】Ｃｕ：０．２％以下（０％を含む） Ｃｕは耐食性向上効果を有しているが、多過ぎると熱間
割れを起こし易くなるので、０．２％以下に抑えなけれ
ばならない。特に熱間割れを防止するには、Ｃｕ含有量
に対して約７割のＮｉを含有させることが必要となり、
それに伴って加工後の平均硬さが高まるため、Ｈｖ３２
０以下の平均硬さを確保し難くなる。

【００２８】Ｎｉ：０．１％以下（０％を含む） Ｎｉは強化元素として作用する他、上記の様にＣｕを含
有させた時には熱間加工割れの防止に必要となる。しか
しＮｉ含有量が多くなり過ぎると金属組織が硬化し易く
なり、加工後の平均硬さでＨｖ３２０以下といった特性
を確保し難くなるので、０．１％以下に抑えなけらばな
らない。

【００２９】Ｎｂ：０．２％以下（０％を含む），Ｚ
ｒ：０．２％以下（０％を含む） Ｂ：１００ｐｐｍ以下（０％を含む）の１種以上 これらの元素はいずれも鋼材の強化作用を有しており、
強度不足の場合は適量含有させることが有効であるが、
夫々上限値を超えると、鋼材が硬くなり過ぎて加工後の
平均硬さでＨｖ３２０以下を確保できなくなる。

【００３０】Ｃａ：１００ｐｐｍ以下（０％を含む） Ｃａは冷間加工割れを抑える作用を有しているが、その
効果は１００ｐｐｍで飽和し、それを超えて含有させる
と非金属系介在物量の増大により冷間鍛造時に却って割
れを起こし易くなる。

【００３１】ところで、本発明で意図する冷間鍛造後の
寸法精度に優れた軟窒化用鋼を製造するには、要求され
る特性に応じて上記した範囲内で鋼材の化学成分を調整
し、該鋼材を用いて圧延を施した後、６００℃以上の温
度を２０℃／秒以下の冷却速度で冷却する様にするのが
良い。このとき、６００℃以上の高温域を２０℃／秒を
超える速度で冷却すると、フェライトの変態温度が低く
なって硬質化し、加工後平均硬さがＨｖ３２０を超えて
しまう。これに対し上記高温域の冷却速度を２０℃／秒
以下に抑えると、フェライトが高温で析出し易くなり、
その後に行なわれる冷間鍛造時における寸法精度が良好
で且つ軟窒化処理特性に優れた軟窒化用鋼を得ることが
できるのである。

【００３２】上記高温域でのより好ましい冷却速度は１
０℃／秒以下、更に好ましくは５℃／秒以下である。

【００３３】

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもの
ではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変
更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれ
も本発明の技術的範囲に含まれる。

【００３４】実施例 下記表１に示す化学成分の供試鋼を用い、圧延から６０
０℃までの平均冷却速度を下記表２の様に調整すること
により、直径２５ｍｍ×長さ４ｍの軟窒化用鋼を製造し
た。

【００３５】得られた各供試鋼について、図２で説明し
た方法で割れ発生限界圧縮率を測定すると共に、夫々に
ついて６０％冷間すえ込み加工後の縦断面平均硬さを調
べ、更に５７０℃×１時間の軟窒化処理（雰囲気ガスと
してはＲＸガス５０％とアンモニア５０％の混合ガスを
使用）を施した後、表面硬さ（ＪＩＳ Ｇ ０５６３）
および硬化層深さ（ＪＩＳ Ｇ ０５６２）を調べた。
結果を表２，３に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】

【表３】

【００３９】表１〜３より次の様に解析できる。Ａ１〜
Ａ５はＣ量の影響を調べたものであり、Ｃ含有量が本発
明の規定範囲を超えるもの（Ａ１，Ａ２）では、軟窒化
後の表面硬さを高めるためにＣｒを必要量添加すると６
０％冷間すえ込み加工後の平均硬さがＨｖ３２０を超
え、金型歪みの発生により満足な寸法精度が得られなく
なる。しかしＣ量を０．０２％以下に抑えたもの（Ａ３
〜Ａ５）では、適量のＣｒを添加した場合でも冷間すえ
込み加工後の平均硬さはＨｖ３２０以下に抑えられ、鍛
造時の寸法精度の低下を生じることなく軟窒化特性を十
分に高めることが可能となる。

【００４０】Ｃ１〜Ｃ３はＳｉ含有量の影響を調べるた
めに行なった実験例であり、Ｓｉ含有量が規定量を超え
る（Ｃ３）と冷間すえ込み加工後の平均硬さがＨｖ３２
０を超え、寸法精度への悪影響が避けられなくなる。Ｄ
１〜Ｄ４はＭｎ含有量の影響を調べるために行なった実
験例であり、Ｍｎ量が多くなり過ぎても（Ｄ４）冷間す
え込み加工後の平均硬さが増大し、Ｈｖ３２０以下の要
件を満たし得なくなって満足のいく寸法精度が得られな
くなる。

【００４１】Ｂ１〜Ｂ６はＣｒ量の影響、Ｅ１〜Ｅ３は
Ｖ量の影響夫々調べるために行なったものであり、これ
らの元素は、軟窒化処理性を高め軟窒化処理後の表面硬
さでＨｖ７００以上を確保するのに少なくとも１種以上
を適量含有させなければならない。しかし、何れの元素
も規定量を超えると軟窒化性が高まり過ぎて軟窒化硬化
層が薄くなり、ギヤなどとして使用した時の面圧に耐え
られなくなる傾向が生じてくるので、規定量を超える添
加は避けなければならない。

【００４２】Ｆ１〜Ｆ３はＡｌ量の影響を調べるために
行なったものであり、Ａｌ量が０．１０％を超えると割
れを起こし易くなり、割れ発生限界圧縮率が低下してく
る。

【００４３】Ｇ２は、Ｎｂを多めに添加した例である
が、硬質化効果が高くて冷間すえ込み加工後の平均硬さ
がＨｖ３２０を超え、寸法精度の要求を満たし得なくな
る。Ｇ１０は、軟窒化性向上元素として添加される元素
の量が不足する（即ちＶ，Ａｌは添加されておらず、Ｃ
ｒ含有量も好適量に満たない）ため、軟窒化処理後の表
面硬さが不足気味である。同様にＢ１も、軟窒化性向上
元素として添加される元素の量が不足する（即ち、Ｃ
ｒ，Ｖ量のいずれも好適含有量に満たない）ため、軟窒
化処理後の表面硬さが不足気味である。

【００４４】Ｇ３〜Ｇ９は、Ｓ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｚ
ｒ，Ｃａ，Ｂ等が少量含まれる例であり、表１に示した
程度の量であれば、冷間鍛造時の寸法精度や軟窒化処理
後の表面硬さには殆んど悪影響を及ぼさないことが分か
る。

【００４５】Ａ３' 〜Ａ５' は、Ｃ含有量を若干変更し
た鋼材について、６００℃までの冷却速度を２０℃／秒
超とした例であり、いずれも６０％冷間すえ込み加工後
の平均硬さがＨｖ３２０を超えており、金型歪みによる
寸法精度の低下が避けられない。

【００４６】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、
Ｃ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ａｌ含有量の規定された極低炭素鋼に
適量のＣｒ及び／又はＶを含有させ、冷間すえ込み加工
後の縦断面平均硬さを抑えつつ軟窒化特性を高めること
によって、冷間鍛造後の寸法精度に優れた軟窒化用鋼を
提供し得ることになった。また本発明の方法によれば、
圧延後の高温域における冷却速度を規定することによ
り、上記特性を備えた軟窒化用鋼を確実に得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】冷間すえ込み加工後の縦断面平均硬さの測定法
を示す説明図である。

【図２】限界圧縮率の測定法を示す説明図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 豊文 神戸市灘区灘浜東町２番地 株式会社神戸 製鋼所神戸製鉄所内 (72)発明者 安田 茂 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 篠原 明彦 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 4E087 AA10 BA02 CB03 HA01 4K032 AA01 AA02 AA04 AA08 AA11 AA12 AA14 AA16 AA22 AA23 AA27 AA29 AA31 AA35 AA36 AA39 BA02 CD02 CD03

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｃ ：０．０００１〜０．０２質量％、 Ｍｎ：０．１〜１．８質量％、 Ｓｉ：０．６質量％以下（０質量％を含む） Ａｌ：０．１０質量％以下（０質量％を含む）、 であると共に、 Ｃｒ：５．０質量％以下（０質量％を含まない）および
   ／またはＶ：４．０質量％以下（０質量％を含まない）
   を、 Ｃｒ＋２Ｖ≧１．０質量％ を満足する様に含有する低炭素鋼からなり、６０％冷間
   すえ込み加工後の縦断面平均硬さがＨｖ３２０以下とな
   るものであることを特徴とする、冷間鍛造性と冷間鍛造
   時の寸法精度に優れた軟窒化用鋼。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の化学成分組成を満たす
   低炭素鋼を圧延した後、６００℃以上の温度域を２０℃
   ／秒以下の速度で冷却することを特徴とする冷間鍛造性
   と冷間鍛造時の寸法精度に優れた軟窒化用鋼の製法。