JPH0285342A - 高温・短時間浸炭肌焼鋼 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば自動車、土木建設機械、産業機械等に
使用される歯車、シャフト等の機械部品に使用される肌
焼鋼に関するものである。

（従来の技術） 通常、肌焼鋼は機械加工後、浸炭焼入れ、焼戻しを行い
自動車部品等の歯車やシャフトとして使用される。

しかし、浸炭焼入れは結晶粒粗大化による黙想１１ｍを
防止するために、現用鋼（ＪＩＳ　５Ｃｒ４２０、ＳＣ
Ｍ４２０等）では９２５〜９３０°Ｃが限界であり、浸
炭の均熱時間は通常５〜６時間（昇温冷却時間を加える
と約１０時間）を要している。

近年、コスト低減のため、浸炭時間を短縮するニーズが
高まっているが、浸炭時間を短縮するためには、高温加
熱が必要である。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、前述の通り、現用鋼（ＪＩＳ　　５Ｃｒ
４２０　、ＳＣＭ４２０等）では、９２５〜９３０°Ｃ
以上に加熱すると粗粒化が発生し、熱処理歪が生じると
いう問題があった。

本発明は上記した問題点を解決し、浸炭時間を短縮可能
な肌焼鋼を提供することを目的としている。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは前記従来技術の問題点を解決すべく種々検
討を重ねた結果、肌焼鋼の化学組成を厳密に制御するこ
とにより、従来技術では到底達成できなかった高温浸炭
（１０００〜１０５０℃）可能な肌焼鋼を見出したので
ある。

すなわち、本発明の重要な改良点は、鋼中にＮｂ、Ｎの
２元素を同時に添加することである。

本発明者らは、浸炭温度を９２５．９５０．１０００．
１０５０、１１００°Ｃに変化させ、粗粒化特性に及ぼ
す合金元素の影響を調査した結果、前記したように鋼中
にＮｂ、　Ｎの２元素を同時に添加することにより、１
０５０°Ｃまで、粗粒化しないことを突止めた。

なお、Ｎｂ、Ｎ２元素のうち、各元素の単独添加では、
粗粒化は防止できない。

本発明の目的である１０００°Ｃ加熱、浸炭時間の短縮
（均熱３時間、合計５時間）を実現するためには、Ｎｂ
とＮを同時に添加することが不可欠であり、２元素同時
に添加することにより生成するＮｂの窒化物或いはＮｂ
の炭窒化物が粗粒化防止に有効であることを突止めたの
である。

本発明は、上記知見に基づいて成されたものであり、重
量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ　：　０．５
０％以下、Ｍｎ　：　２．００％以下、Ｎｂ　：　０．
０１０〜０．１００％、Ｎ　：　０．００５０〜０．０
２００％、更に必要に応じて、Ｎｉ：３．５Ｑ％以下、
Ｔｉ　：　０．０１０〜０．１００％、Ｃｒ　：　０．
１０〜２．００％、Ｍｏ　：　０．１０〜１．００％、
＾１　：　０．０１０〜０．１００％、ｖ　：　ｏ、ｏ
ｔ　〜０．３０％、Ｃｕ　：　１．００％以下、Ｂ；０
．０００３〜０．００５０％の一種または二種以上を含
み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを要旨と
する高温・短時間浸炭肌焼鋼である。

（作　　用） 本発明は鋼中の化学組成を厳密に制御することにより、
高温時の粗粒化を防止し、高温且つ短時間浸炭可能な肌
焼鋼を出現せしめたのである。

以下に化学組成の限定理由を説明する。

Ｃ：Ｃは鋼に所定の静的強度を付与するのに必要な元素
であるが、反面靭性を劣化させる元素である。特に浸炭
処理を施す肌焼鋼においては、静的強度と靭性のバラン
スが必要であり、最低限の静的強度を得るには０．１５
％以上が必要である。一方、通常０．２５％を越えると
靭性が低下するため、上限を０．２５％とする。

Ｓｉ　：　Ｓｉは鋼の脱酸に必要な元素であり、また鋼
に所定の静的強度を付与するのに必要な元素である。し
かし０．５０％を越えて添加すると、浸炭性が劣り、浸
炭処理を条件とする肌焼鋼においては、不利な状態を招
くため、０．５０％を上限とする。

Ｍｎ　：　ＭｎもＳｉ同様鋼の脱酸に必要な元素であり
、また鋼に焼入性を付与するのに有効な元素である。

しかし、２．００％を越えて添加すると、高温軟化抵抗
が低下し、静的強度の低下をもたらすため、上限を２．
００％とする。

Ｎｂ　：　Ｎｂは結晶粒の微細化、浸炭層の焼入性付与
に有効な元素であるが、後述のＮに課せられた条件を満
足する条件のもとでＮｂを添加すると高温処理時の粗粒
化防止効果がある。その効果を発揮させるためには少な
くとも０．０１０％以上の添加が必要である。

しかし、０．１００％を越えて添加すると、部品の機械
加工時の切削性を損なう。更に鋼の結晶粒を粗大化させ
、靭性を劣化させ、高温処理時の粗粒化防止効果を失う
。

ＮＵＮは鋼に焼入性を付与し、静的強度を向上させるが
、前述のＮｂに課せられた要件を満足するもとでＮを添
加すると高温処理時の粗粒化抑制に効果があり、熱処理
歪の防止に有効である。

その効果を発揮させるためには少なくともｏ、ｏｏｓｏ
％以上の添加が必要である。しかし現在の溶製技術では
、０．０２００％以上の添加は困難であるため、上限を
０．０２００％とする。

本発明は、既に述べたＣ−、Ｓｉ　、Ｍｎｓ　Ｎｂ５Ｎ
に関する規定を骨子とするものであるが、必要に応じて
下記の成分を、下記の限定範囲内で添加することができ
る。

Ｎｉ　：　Ｎｉは綱に所定の焼入性を付与し、静的強度
を上昇させるのに有効な元素である。また、靭性を向上
させるので所定の焼入性と靭性を確保するために任意に
添加することができる。

しかし、３．５０％を越えて添加してもその効果が飽和
し、経済性を損なう結果となるため、３．５０％を上限
とする。

Ｃｒ　：　Ｃｒは鋼に焼入性を付与するのに有効な元素
である。また浸炭性を向上させるために一般に肌焼鋼に
は添加されることが多い。

その効果を充分に発揮させるためには少なくとも０．１
０％以上の添加が必要である。しかし、２．００％を越
えて添加してもその効果は飽和し、経済性を損なう結果
となるため、２，００％を上限とする。

Ｍｏ　：　Ｍｏは鋼に焼入性を付与し静的強度を向上さ
せると共に、靭性を向上させるのに有効な元素である。

それらの効果を充分に発揮させるためには少なくとも０
．１０％以上の添加が必要である。しかし、１．００％
を越えて添加してもその効果は飽和し、経済性を損なう
結果となるため、１．００％を上限とする。

＾１：Ａｌは綱の結晶粒を微細化し、靭性を向上させる
効果を有する。その効果を発揮させるためには０．０１
０％以上の添加が必要である。一方、ｏ、ｉｏｏ％を越
えて添加すると、鋼の清浄度が劣化し、切削性を損なう
。更に過剰なＡＩの添加はかえって鋼の結晶粒を粗大化
させ、靭性を劣化させるため、０．１００％を上限とす
る。

Ｔｉ　：　ＴｉはＡｔと同様、鋼の結晶粒を微細化し、
靭性を向上させるのに有効な元素である。その効果を発
揮させるためには、少なくとも０．０１０％以上の添加
が必要である。しかし、０．１００％を越えて添加する
と結晶粒を粗大化させ靭性を劣化させるため、０．１０
０％を上限とする。

■：■は鋼中で炭窒化物を析出させ、鋼の高温強度を増
加させるのに有効な元素である。高出力エンジン用の肌
焼鋼として使用中の歯車の温度上昇を想定した時、昇温
時の静的強度を向上させるためＶは有効であり、その効
果を発揮させるためには、０．０１％以上の添加が必要
である。

しかし、０．３０％を越えて添加すると熱間加工性が劣
化するため、０．３０％を上限とする。

Ｃｕ　：　Ｃｕは鋼に所定の焼入性を付与し、静的強度
を上昇させるのに有効な元素である。その効果を発揮さ
せるために、適宜必要に応じて添加することができるが
、１％を越えて添加すると鋼の熱間加工性が低下する。

更に静的強度も劣化させるため、１．００％を上限とす
る。

ＢＩＢは鋼の焼入性を向上させ、静的強度を上昇させる
のに有効な元素である。その効果を発揮させるためには
０．０００３％以上の添加が必要である。しかし、０．
００５０％を越えて添加するとかえって鋼の結晶粒を粗
大化させ、靭性を劣化させるため、０．００５０％を上
限とする。

（実　施　例） 下記第１表に本発明で規制する鋼の化学成分及び比較鋼
の化学成分を示す。

供試材は１５０　ｋｇ真空溶解炉にて溶製した後、鋼塊
を１２５０°Ｃに１時間加熱し、１００　ｍｍ径、３０
１１１１１径に鍛伸し、以下の調査工程にて調査を行っ
た。

まず３０圓径の鋼材を９２５°Ｃに１時間加熱後空冷し
て焼準した後、２５ｍｍ径に旋削し、第１図の温度条件
で浸炭処理を行い、粗粒化調査を行った。

また、合わせて浸炭深さ（硬度Ｈｖ５５０の位置の表面
からの深さ）を測定した。

これらの結果を第２表に示す。

尚、粗粒化判定は、比較法にて粒度を測定し、平均粒度
番号よりも最大値の粒度番号が３以上小さいもの（粒度
番号が小さくなる程粒径は大きくなる）が１個でも存在
する場合は粗粒化と判断した。また、平均粒度番号が５
以下のものについても粗粒化と判断した。

次に１００　ｍ径の鋼材を９２５°Ｃに５時間加熱後空
冷して焼準した後、第２図に示す歯車試験片１に加工し
、炭素ポテンシャル１．０、浸炭温度９２５°Ｃ１１０
００°Ｃ１均熱時間６時間、３時間の条件にて浸炭処理
を施した。しかる後１７０°Ｃで６０分焼戻し処理を行
い、更にショットピーニング（０，６ｍｍ径、４７ｍ／
Ｓ、１５分）処理を施し、動力循環式歯車疲労試験機に
て疲労強度を調査した。

その結果を第２表に示す。

尚、疲労強度は１０？回にて破壊を生じなかった強度（
疲労限界）にて評価した。

また、合わせて浸炭深さを調査した。

静的曲げ試験については３０ｍａ＋径の鍛伸材を９２５
°Ｃに１時間加熱後空冷して焼準し、第３図に示すよう
な静的曲げ試験片２に加工後、炭素ポテンシャル１．０
、浸炭温度９２５°ＣＸ６時間という浸炭処理条件で浸
炭を施し、油焼入れし、しかる後１７０°Ｃで６０分焼
戻し処理を行い、更にシシットビーニング（０，６ｔｍ
径、４７ｍ／Ｓ、１５分）処理を施して１０−　”／　
Ｓの歪速度で静的曲げ強度を調査した。

尚、静的曲げ強度は亀裂発生荷重にて評価した。

その結果を下記第２表に示す。

シャルピー衝撃試験については３０ｍｍ径の鍛伸材を９
２５°Ｃに１時間加熱後空冷して焼準し、２５ｍｍ径に
切削した後９２５°Ｃ×１時間で水焼入れを施し、更に
１７０°Ｃで１時間焼戻し処理を行い、しかる後ＪＩＳ
　３号（２ｍｍ　Ｕノツチ）シャルピー試験片に加工を
行い、常温にて衝撃特性を調査した。

その結果を下記第２表に示す。

第２表から明らかなように、浸炭粗粒化テストの結果は
、本発明で規定する化学成分を有する本発明鋼及び比較
鋼の中でＮ、Ｎｂの規定を満足した鋼（Ｎα１６．１７
．１８）はその他の比較鋼が９５０’Ｃで粗粒化してい
るのに比べ１０５０°Ｃまで粗粒化しないことがわかる
。

尚、比較鋼の中でＴｉ、　Ｎｂ、　Ｂ、　ＡＩが本規定
から高目に外れた鋼（Ｎα２２．２５．２６．２７）は
９２５°Ｃでも既に粗粒化している。また、Ｓｉが本発
明の規定から高目に外れた鋼（Ｎｏ、１Ｂ、２０）は浸
炭性が劣り他の鋼に比べて浸炭深さが浅い。

歯車疲労試験において、本発明で規定する化学成分を有
する本発明鋼は、浸炭均熱温度１０００°Ｃ１浸炭均熱
時間３時間（従来の１／２）でも、浸炭深さは、従来の
９２５　’Ｃ１６時間浸炭処理の場合の浸炭深さと同等
であり、且つ歯車の疲労強度（疲労限界）も従来鋼の従
来浸炭方法と同等である。

尚、比較鋼においてＮｂ、　Ｎの規定を満足した鋼（Ｎ
α１６．１７．１８）以外は、浸炭１０００″Ｃでは粗
粒化によって熱処理歪が生じ、テスト不可であった。

静的曲げ試験において本発明で規定する化学成分を有す
る本発明鋼は比較＠（Ｎα２９．３０）で示した従来ｔ
！Ａ（ＳＣｒ４２０、Ｓ０Ｍ４２０　）と同等の値を示
している。

尚、比較鋼の中でＣ量の規定を低目に外れした鋼（Ｎα
１６）は静的曲げ強度が他の鋼に比べ劣っている。

シャルピー衝撃値についても本発明で規定する化学成分
を有する本発明鋼は従来鋼と同等の値を示している。

尚、比較鋼の中で、Ｃ量が本規定から高目に外れた鋼（
隘１７）は靭性が劣化し、Ｔｉ、　Ｎｂ、　Ｂ、へｌ量
が本規定から高目に外れた綱（Ｎα２２．２５．２６．
２７）は粗粒化によって靭性が同じく劣っている。

以上の実施例から明らかなようにＮｂ、　Ｎを添加し、
化学組成を厳密に操作することによって高温浸炭、短時
間浸炭を可能にした鋼を出現せしめたのである。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明に係る肌焼鋼はＮｂ。

Ｎの２元素を同時に添加し、かつ鋼中の化学組成を厳密
に制御することにより、高温・短時間の浸炭が可能とな
り、コスト低減が図れるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】 第１図は浸炭粗粒化テストのヒートパターンを示す図、
第２図は歯車試験片の形状を示す図、第３図は静的曲げ
試験片の形状を示す図である。 ｌは歯車試験片、２は静的曲げ試験片。 第ｊｔ 時間 ゴτ２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０
   ．５０％以下、Ｍｎ：２．００％以下、Ｎｂ：０．０１
   ０〜０．１００％、Ｎ：０．００５０〜０．０２００％
   、更に必要に応じて、Ｎｉ：３．５０％以下、Ｔｉ：０
   ．０１０〜０．１００％、Ｃｒ：０．１０〜２．００％
   、Ｍｏ：０．１０〜１．００％、Ａｌ：０．０１０〜０
   ．１００％、Ｖ：０．０１〜０．３０％、Ｃｕ：１．０
   ０％以下、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％の一種ま
   たは二種以上を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から
   なることを特徴とする高温・短時間浸炭肌焼鋼。