JPH0360899B2

JPH0360899B2 -

Info

Publication number: JPH0360899B2
Application number: JP59119471A
Authority: JP
Inventors: Kimihiro Shibata; Takashi Matsumoto; Kenji Isogawa; Katsunori Takada
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1984-06-11
Filing date: 1984-06-11
Publication date: 1991-09-18
Also published as: JPS60262942A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は、とくに950℃以上の高温において浸
炭処理を施したときでも微細な結晶粒をもつ組織
を安定して得ることができ、強度および靭性の著
しくすぐれた各種構造用部品（あるいは製品）を
提供することができる高温浸炭用鋼に関するもの
である。（従来の技術）例えば、自動車をはじめとする輸送用機械、そ
の他産業用機械、農業用機械等における動力伝達
機構（パワートレーン系）部分には、各種の歯
車、軸受、シヤフト等の構造用部品が使用されて
いる。これらの構造用部品は、一般に機械構造用
炭素鋼あるいは合金鋼を素材として成形加工さ
れ、得られた成形部品に対してさらにガス浸炭や
浸炭窒化処理などの表面硬化処理を施すことによ
り製品として完成されていた。この場合、従来の表面硬化処理はいずれも950
℃未満の温度で行われおり、所要の浸炭あるいは
浸炭窒化深さを得るためには長時間の処理を必要
とし、上記の構造用部品の生産性を阻害する要因
の一つとなつていた。そこで、このような状況を背景とし、短時間の
浸炭処理が可能である浸炭処理技術の一つとして
真空浸炭処理法が開発された。この真空浸炭処理
法においては、通常の場合950℃以上の高温で実
施されるのが一般的である。しかしながら、従来の機械構造用鋼例えばJIS
規格SCR420，SCM420を素材として成形された
構造用部品に上記した高温の真空浸炭処理を施す
と、高温処理であるために結晶粒が粗大化して大
きな熱処理歪が発生したり、部品強度が著しく低
下したりするという問題点があつた。そのため、
上記部品を真空浸炭処理後いつたん変態点以下の
温度まで冷却し、再度オーステナイト化温度まで
加熱して焼入れするといういわゆる細粒化処理を
行う方法が一般に採用されている。しかし、この
場合には真空浸炭処理に冷却および再加熱処理が
追加されるために処理時間が増大し、従来のガス
浸炭処理に比べて当初期待されたほど処理時間の
短縮がなされず、浸炭処理性能に優れた真空浸炭
処理法の普及にとつて大きな阻害要因となつてい
た。一方、このような問題を解決するために、高温
でオーステナイトとフエライトの二相組織を有す
る鋼の開発なども試みられているが、この場合心
部の結晶粒微細化は達成されるものの浸炭層の結
晶粒微細化はいまだ十分でないという問題が残つ
ていた。（発明の目的）本発明は、上記したような従来の問題点に着目
してなされたもので、所定の形状に成形加工した
部品に対し、とくに950℃以上の高温において浸
炭処理を施したときでも、従来のように浸炭層の
結晶粒が粗大化せず、部品の心部のみならず浸炭
層においても結晶粒の微細化が実現され、微細な
結晶粒をもつ組織を安定して得ることができる高
温浸炭鋼を提供することを目的としている。（発明の構成）本発明による特許請求の範囲第１項に記載され
た高温浸炭鋼は、重量％でＣ：0.03％以上0.2％
以下、Si：1.5％超過3.0％以下、Mn：0.2％以上
2.0％以下、Ti：0.03％以上0.3％以下を基本成分
とし、残部Feおよび不純物からなり、高温浸炭
処理中の心部がオーステナイト相とフエライト相
を含む二相組織であり、かつ高温浸炭処理後の浸
炭層および心部の結晶粒が結晶粒度番号で６番以
上の整細粒であることを特徴としている。また、本発明による特許請求の範囲第２項に記
載された高温浸炭鋼は、重量％で、Ｃ：0.03％以
上0.2％以下、Si：1.5％超過3.0％以下、Mn：0.2
％以上2.0％以下、Ti：0.03％以上0.3％以下を基
本成分とし、さらに、Ni：2.0％以下、Cr：2.0％
以下、Mo：0.5％以下のうちの１種または２種以
上を含有し、残部Feおよび不純物からなり、高
温浸炭処理中の心部がオーステナイト相とフエラ
イト相を含む二相組織であり、かつ高温浸炭処理
後の浸炭層および心部の結晶粒が結晶粒度番号で
６番以上の整細粒であることを特徴としている。さらに、本発明による特許請求の範囲第３項に
記載された高温浸炭鋼は、重量％で、Ｃ：0.03％
以上0.2％以下、Si：1.5％超過3.0％以下、Mn：
0.2％以上2.0％以下、Ti：0.03％以上0.3％以下を
基本成分とし、さらに、Al：0.1％以下、Nb＋
Ta：0.5％以下、Zr：0.1％以下、Ｎ：0.₃ ⁰％以下
のうちの１種または２種以上を含有し、残部Fe
および不純物からなり、高温浸炭処理中の心部が
オーステナイト相とフエライト相を含む二相組織
であり、かつ高温浸炭処理後の浸炭層および心部
の結晶粒が結晶粒度番号で６番以上の整細粒であ
ることを特徴としている。さらにまた、本発明による特許請求の範囲第４
項に記載された高温浸炭鋼は、重量％で、Ｃ：
0.03％以上0.2％以下、Si：1.5％超過3.0％以下、
Mn：0.2％以上2.0％以下、Ti：0.03％以上0.3％
以下を基本成分とし、さらに、Ni：2.0％以下、
Cr：2.0％以下、Mo：0.5％以下のうちの１種ま
たは２種以上と、Al：0.1％以下、Nb＋Ta：0.5
％以下、Zr：0.1％以下、Ｎ：0.03％以下のうち
の１種または２種以上を含有し、残部Feおよび
不純物からなり、高温浸炭処理中の心部がオース
テナイト相とフエライト相を含む二相組織であ
り、かつ高温浸炭処理後の浸炭層および心部の結
晶粒が結晶粒度番号で６番以上の整粒であること
を特徴としている。そして、さらに耐候性を向上させるために、
Cu：５％以下、被削性を向上させるために、
Pb：0.4％以下、Ｓ：0.4％以下、Te：0.1％以下、
Bi：0.4％以下、Se：0.4％以下、Ca：0.01％以下
のうちの１種または２種以上を含有させ、結晶粒
の粗大化を防止するためにＢ：0.0005％以下、疲
れ強さおよび冷鍜性を向上させるために［Ｏ］：
0.0030％以下および／またはＳ：0.02％以下に規
制し、さらに浸炭性阻害元素であるSn，Sb，As
等の含有量を規制することも好ましい。次に、本発明による高温浸炭鋼の成分範囲（重
量％）の限定理由について説明する。Ｃ：0.03％以上0.2以下Ｃは構造用部品として必要な強度ならびに浸炭
処理後の表面硬さを得るために含有させると同時
に高温でオーステナイト＋フエライトの二相組織
を得ることによつて結晶粒の整細粒化をはかるの
に含有させる元素であるが、含有量が0.03％より
も少ないと上記した必要な強度および高温での二
相組織を得ることができず、0.2％を超えると靭
性ならびに冷鍜性が劣化し、高温での二相組織の
確保が困難となるので、0.03％以上0.2％以下の
範囲とした。 Si：1.5％超過3.0％以下 Siは脱酸元素として有効であるほか、とくに本
発明の高温浸炭鋼において高温でオーステナイト
＋フエライトの二相組織を確保して心部結晶粒の
粗大化を防止するのに有効な元素であつて、この
ような効果をより安定して得るためには1.5％超
過含有させることが必要であるが、3.0％を超え
ると靭性ならびに冷鍜性を劣化させるので、1.5
％超過3.0％以下の範囲とした。 Mn：0.2％以上2.0％以下 Mnは脱酸および脱硫元素として有効であると
共に強度を高めるのに有効な元素であるが、0.2
％よりも少ないと上記の脱酸・脱硫および強度向
上の効果が得られず、また浸炭処理後の表面硬さ
も十分なものが得られない。一方、2.0％を超え
ると加工性ならびに被削性が劣化するので、0.2
％以上2.0％以下の範囲とした。 Ti：0.03％以上0.3％以下 Tiは高温での浸炭処理中に侵入してきた炭素
と結合してチタンカーバイドを析出し、この析出
物がオーステナイトの成長を阻止すので、表面層
の結晶粒が粗大化せず、浸炭処理後に形成された
表面浸炭層の結晶粒の細粒化に有効な元素であつ
て、このためには0.03％以上含有させる必要があ
る。そして、結晶粒の細粒化に対してはTi含有
量が多い程良いが、多量に含有させると靭性が劣
化するので、上限を0.3％とした。 Ni：2.0％以下、Cr：2.0％以下、Mo：0.5％以下
のうちの１種または２種以上 Ni、Cr、Moは鋼の焼入性をより一層向上させ
て基地の強化をはかるのに有効な元素であるが、
Ni含有量が2.0％を超え、Cr含有量が2.0％を超
え、Mo含有量が0.5％を超えると鋼の靭性が劣化
するので、鋼の焼入性をより一層向上させて基地
の強化をはかる場合には、Ni：2.0％以下、Cr：
2.0％以下、Mo：0.5％以下の範囲内でこれらの
１種または２種以上を含有させる。 Al：0.1％以下、Nb＋Ta（いずれか一方が０であ
る場合も含む）：0.5％以下、Zr：0.1％以下、
Ｎ：0.03％以下のうちの１種または２種以上 Al，Nb，Ta，Zr，Ｎは高温での浸炭処理時
にオーステナイト結晶粒の粗大化を防止するのに
有効な元素であるので、このような効果を得る場
合にはこれらの１種または２種以上を添加する。
しかし、Al含有量が0.1％を超え、Nb＋Ta含有
量が0.5％を超え、Zr含有量が0.1％を超えると結
晶粒粗大化の防止効果がかえつて低下し、靭性の
確保が困難となるので、添加する場合はそれぞれ
上記の範囲とした。また、Ｎ含有量が0.03％を超
えるとＮのブローホールによつて鋼塊または鋳片
の健全性が損なわれるので、Ｎの含有量は、0.03
％以下の範囲とした。そのほか、耐候性を向上させるために、Cu：
５％以下を適宜含有させることもでき、被削性を
向上させるために、Pb：0.4％以下、Ｓ：0.4％以
下、Te：0.1％以下、Bi：0.4％以下、Se：0.4％
以下、Ca：0.01％以下の範囲で適宜含有させるこ
ともできる。さらに、Ｂ含有量が0.0005％を超えると、高温
での浸炭処理時にオーステナイト結晶粒の粗大化
を生ずるおそれがあるので、その上限を0.0005％
以下に規制するのがより望ましく、疲れ強さおよ
び冷鍜性を向上させるために、［Ｏ］：0.0030％以
下、Ｓ：0.02％以下に規制することも望ましく、
浸炭性阻害元素であるSn：0.05％以下、Sb：0.05
％以下、As：0.05％以下に規制することも望ま
しい。このように成分調整した本発明による高温浸炭
用鋼を素材として、歯車、ボールジヨイント、ド
ライブシヤフト、カムシヤフト、ステアリング部
品、ベアリング、ベアリングレース等の各種構造
用部品の形状に成形加工し、その後例えば950℃
以上の高温浸炭処理を施すことによつて、短時間
の浸炭処理が可能であると共に、高温浸炭処理後
の浸炭層および心部の結晶粒が結晶粒度番号で６
番以上の整細粒であり、これによつて靭性ならび
に疲労強度等に優れ、寸法精度の良好な構造用部
品を短時間のうちに得ることができる。すなわち、本発明に係わる高温浸炭用鋼では、
950℃を超える高温で浸炭処理を行つたときでも、
高温浸炭中の心部はオーステナイト相とフエライ
ト相を含む二相組織を保持するため、オーステナ
イトとフエライトが互いの結晶粒成長を阻止し合
う結果、結晶粒の粗大化が阻止される。一方、炭
素が侵入する表面層は、高温浸炭中にオーステイ
ト＋フエライトの二相組織からオーステナイト単
相組織にかわつていく。通常の場合、オーステナ
イト単相を950℃以上の高温におくと、結晶粒が
粗大化してしまうが、本発明ではTiを0.03％以上
0.3％以下の範囲で含むため、侵入してきた炭素
がオーステナイトに固溶しているTiと結合し、
チタンカーバイドが析出する結果、この析出物が
オーステナイトの成長を阻止するので、表面層も
結晶粒が粗大化しない。次に、本発明の実施例を比較例とともに説明す
る。第１表に示す化学成分の鋼を溶製したのち造塊
し、鍜造によつて直径32mmの丸棒を製作したのち
925℃×1hr加熱後空冷の条件で焼ならしを施し、
次いで直径25mmに切削加工を行つたのち真空浸炭
処理を行つた。そして、各々について浸炭層のオ
ーステナイト平均結晶粒度および心部のオーステ
ナイトとフエライトの平均結晶粒度を測定した。
なお、第２表に真空浸炭処理条件を示す。また、
結晶粒度の測定は、JIS G0551に規定する“鋼の
オーステナイト結晶粒度試験方法”に準じて行つ
た。この結果を同じく第１表に示す。

【表】

【表】第１表に示すように、Ｃ、Si、Ti含有量が本
発明の範囲外にある比較鋼No.１〜６ではいずれも
浸炭層のオーステナイトおよび心部のオーステナ
イトとフエライトの平均結晶粒度が６番以上であ
る条件を同時に満足するものはなく、高温の真空
浸炭時に浸炭層または心部において結晶粒の粗大
化が生じたことが明らかである。これに対して、
本発明の範囲内にある本発明鋼No.７〜22ではいず
れも浸炭層のオーステナイトおよび心部のオース
テナイトとフエライトの平均結晶粒度が６番以上
の整細粒であり、No.７〜９で示すように結晶粒の
細粒化に対してはTi含有量が多い程良好なもの
となつていると共に、No.16〜22で示すように結晶
粒の粗大化防止にとつてAl、Nb、Ta、Zr、Ｎ
の適量添加が有効なものとなつていて、著しく微
細化していることが明らかであり、歯車等の構造
用部品の靭性、耐摩耗性ならびに疲労強度さらに
は寸法精度をすぐれたものとすることが可能であ
る。次に、本発明鋼No.７と、Ni、Cr、Moの１種ま
たは２種以上を含有した同じく本発明鋼No.10〜
12，15の機械的性質を調べたところ、第３表に示
す結果であつた。

【表】第３表に示すように、Ni、Cr、Moの１種また
は２種以上を適量添加することによつて鋼の焼入
性をより一層向上させることが可能となり、機械
的性質をさらに高め得ることが明らかであつた。次いで、第１表の供試材No.11および第４表に示
す被削性向上元素を添加した供試材No.23〜26に対
して第５表に示す条件で被削性試験を行つたとこ
ろ、第６表に示す結果となつた。

【表】

【表】第６表に示すように、被削性向上元素を添加す
ることによつて明らかに被削性の著しい向上が得
られており、ドリル穴あけ個数の増加が確認され
た。さらに、第１表の供試材No.11および第７表に示
す耐候性向上元素を添加した供試材No.27に対して
第８表に示す条件で耐候性試験を行つたところ、
第９表に示す結果となつた。

【表】

【表】第９表に示すように、供試材No.27は供試材No.11
に比べてかなり耐候性の向上が認められた。なお、このほか前記した硫化物形態制御元素を
適宜添加し、さらにはＢ，Ｏ，Ｓ，Sn，Sb，As
等の含有量を選択的に規制して実験したところ、
いずれも良好な結果を得ることができた。（発明の効果）以上説明してきたように、本発明による高温浸
炭用鋼では、とくに950℃以上の高温で浸炭処理
を行つたときでも、この高温浸炭処理中の心部は
オーステナイト相とフエライト相を含む二相組織
となつており、この後浸炭処理時にオーステナイ
ト結晶粒が粗大化するのを防止することができ、
高温浸炭処理後の浸炭層および心部の結晶粒が結
晶粒度番号で６番以上の整細粒となつているた
め、強度、靭性、耐摩耗性ならびに耐疲労性に優
れ、寸法精度が高い構造用部品、例えば、歯車、
ステアリング部品、シヤフト、ベアリングレース
等を短時間の浸炭処理によつて製造することがで
きるという非常に優れた効果を有する。

Claims

【特許請求の範囲】１重量％でＣ：0.03％以上0.2％以下、Si：1.5
％超過3.0％以下、Mn：0.2％以上2.0％以下、
Ti：0.03％以上0.3％以下を基本成分とし、残部
Feおよび不純物からなり、高温浸炭処理中の心
部がオーステナイト相とフエライト相を含む二相
組織であり、かつ高温浸炭処理後の浸炭層および
心部の結晶粒が結晶粒度番号で６番以上の整細粒
であることを特徴とする高温浸炭鋼。２重量％で、Ｃ：0.03％以上0.2％以下、Si：
1.5％超過3.0％以下、Mn：0.2％以上2.0％以下、
Ti：0.03％以上0.3％以下を基本成分とし、さら
に、Ni：2.0％以下、Cr：2.0％以下、Mo：0.5％
以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部
Feおよび不純物からなり、高温浸炭処理中の心
部がオーステナイト相とフエライト相を含む二相
組織であり、かつ高温浸炭処理後の浸炭層および
心部の結晶粒が結晶粒度番号で６番以上の整細粒
であることを特徴とする高温浸炭用鋼。３重量％で、Ｃ：0.03％以上0.2％以下、Si：
1.5％超過3.0％以下、Mn：0.2％以上2.0％以下、
Ti：0.03％以上0.3％以下を基本成分とし、さら
に、Al：0.1％以下、Nb＋Ta：0.5％以下、Zr：
0.1％以下、Ｎ：0.03％以下のうちの１種または
２種以上を含有し、残部Feおよび不純物からな
り、高温浸炭処理中の心部がオーステナイト相と
フエライト相を含む二相組織であり、かつ高温浸
炭処理後の浸炭層および心部の結晶粒が結晶粒度
番号で６番以上の整細粒であることを特徴とする
高温浸炭用鋼。４重量％で、Ｃ：0.03％以上0.2％以下、Si：
1.5％超過3.0％以下、Mn：0.2％以上2.0％以下、
Ti：0.03％以上0.3％以下を基本成分とし、さら
に、Ni：2.0％以下、Cr：2.0％以下、Mo：0.5％
以下のうちの１種または２種以上と、Al：0.1％
以下、Nb＋Ta：0.5％以下、Zr：0.1％以下、
Ｎ：0.03％以下のうちの１種または２種以上を含
有し、残部Feおよび不純物からなり、高温浸炭
処理中の心部がオーステナイト相とフエライト相
を含む二相組織であり、かつ高温浸炭処理後の浸
炭層および心部の結晶粒が結晶粒度番号で６番以
上の整細粒であることを特徴とする高温浸炭用
鋼。