JPH0470387B2

JPH0470387B2 -

Info

Publication number: JPH0470387B2
Application number: JP26891686A
Authority: JP
Inventors: Susumu Kanbara; Kenji Aihara
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1986-11-11
Filing date: 1986-11-11
Publication date: 1992-11-10
Also published as: JPS63121640A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は、浸炭焼入れに用いられる肌焼鋼、な
かでも特に高温浸炭焼入れを行つても表面の浸炭
異常組織の生成が抑制される肌焼鋼に関する。本発明の肌焼鋼によれば、疲労強度、転動疲労
強度、耐摩耗性がすぐれた機械構造用部品を高温
浸炭焼入れにより能率よく製造することができ
る。〔従来の技術〕従来、機械構造部品は、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）を浸炭焼入れ
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れ組織
（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粒界酸化と不
完全焼入れ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）の中の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
酸化物を形成し、このために粒界近傍で固溶Si、
固溶Mn、固溶Cr濃度が低下し、さらにはこれら
の酸化物がトルースタイトの生成核で作用するた
め、表層部の焼入れ性が極端に低下する結果、表
面で不完全焼入れ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
て軟ら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。そこで従来より、浸炭異常組織の生成防止を目
的とした肌焼鋼が、例えば特公昭55−32777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、これらの提案鋼は通常の浸炭焼
入れに対しては相応の効果を示すが、通常の浸炭
温度（920〜930℃）より高い温度で浸炭を行い、
Ｃの拡散速度を速くして浸炭時間の短縮を図る、
いわゆる高温浸炭焼入れに対しては殆ど効果を期
待できない。これは、高温浸炭焼入れの場合、Ｃだけでなく
Ｏの拡散速度も速くなるため表面の粒界酸化が著
しくなり、従つて不完全焼入組織の生成も顕著に
なるのに、上述の提案鋼はいずれも粒界酸化を助
長するSi，Mn，Crの添加量規制にとどまつてい
るからである。従つて、これらの鋼に高温浸炭焼入れを行え
ば、疲労強度、転動疲労強度、耐衝撃性、耐摩耗
性が著しく劣化することは避けられない。本発明の目的は、通常の浸炭焼入れは勿論のこ
と、高温浸炭焼入れを行つた場合にも異常組織の
生成が大巾に抑制される肌焼鋼を提供することに
ある。〔問題点を解決するための手段〕本発明者らの調査によれば、前述したとおり
Si，Mn，Crの添加量規制だけでは、高温浸炭焼
入れを行つたときの異常組織の生成は防止できな
い。そこで、本発明者らは肌焼鋼の成分組織を高
温浸炭時の異常組織防止の観点から全面的に見直
し、研究検討を重ねた。その結果、高温浸炭時
の異常組織防止にはSi，Mn，Crの添加量を制限
した上でＡとＮの添加量調整を行うことが有効
である。Si，Mn，Crの添加量制限は焼入れ性
に悪影響を与える。しかし、これはNiにより防
止される。焼入れ性に対してはMo，Ｂも有効
であり、また、Nb，Ｖは高温浸炭焼入れ時の
オーステイト粒粗大化抑制に効果がある、の４点
が知見された。以下、この４点を詳述する。 ○ Ａ，Ｎの異常組織防止効果高温浸炭による異常組織の発生は、本発明者ら
の調査によれば、第１図に示すように、Ａは
Mn，Cr，Siより酸化物生成自由エネルギーが大
巾に低い、言い換えれば非常に酸化されやすい元
素であることが主因である。すなわち、Ａは通
常、鋼中ではＡ₂O₃やＡＮのような化合物と
して存在する量が多く、粒界酸化に影響を及ぼす
固溶Ａが少ないため、通常温度での浸炭（930
℃以下）ではＡの作用は無視できる程度であ
り、Si，Mn，Crの添加量規制だけで粒界酸化は
防止できていた。しかし高温浸炭（940〜1000℃）
を施すと、ＡＮが分解し、固溶Ａ量が増加す
るため、粒界酸化の生成が顕著となり、これにと
もなつて不完全焼入組織も発生していたことが判
明したのである。本発明者らは、このことから高温になつてもＡ
Ｎが分解しにくければ、固溶Ａの増加量が少
なくなつて粒界酸化が防げると考え、このために
はＡ添加量を少なくし、Ｎ添加量を多くするこ
とが有効と判断して種々実験を繰り返した結果、
Ａ，Ｎ含有量が特定範囲のときに十分な効果の
得られることを確認した。そして、この効果は当
然Si，Mn，Cr量が少ない場合に限り有効であ
る。 ○ Niの焼入れ性改善効果 Si，Mn，Crは焼入性を向上させる元素でもあ
るため、これらの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れされた
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は粒界
酸化を助長せ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。 ○ Mo，Ｂの添加効果 MoとＢは２つの特徴的な効果をもつている。
ひとつは焼入性改善効果であり、もうひとつは
Niと共存した時にあらわれる強靱化効果である。 MoとＢが大きな焼入性向上効果をもつている
ことは、周知の事柄である。本発明のようにSi，
Mu，Cr，Ａを制限して浸炭層の改善をはかる
と、母材の焼入性が不足する。その焼入性不足を
MoとＢで補うのが有効である。さらにNiとMoあるはＢが共存した場合には浸
炭層がNiなしの場合よりもはるかに強靱化され
る。これはNiとMoあるはＢとが共存すると結晶
粒内と結晶粒界とが同時に強靱化されるためと考
えられる。 ○ Nb，Ｖの添加効果 Nb，Ｖの添加は高温浸炭時のオーステナイト
粒の粗大化に対して効果的であることが明らかと
なつた。ただし、NbおよびＶはFeより酸化され
やすく粒界酸化を助長する元素であるため、厳密
な添加量制限が必要である。本発明は、以上の知見に基づきなされたもの
で、重量比でＣ：0.1〜0.4％，Si：0.15％未満、
Mn：0.5％未満、Cr：0.3％未満、So．Ａ：
0.01％未満、Ｎ：0.0045〜0.02％，Ni：0.2〜5.0％
を含有し、更に必要に応じてMo：0.1〜2.5％，
Ｂ：0.0003〜0.005％の１種または２種、およ
び／またはNb：0.01〜0.1％，Ｖ：0.01〜0.1％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を要旨
とする。本発明の肌焼鋼は、高温浸炭焼入れを行つても
浸炭異常組織、即ち粒界酸化と不完全焼入組織の
双方が生成せず、疲労強度、転動疲労強度、耐摩
耗性の優れた機械構造用部品を提供することがで
きる。次に本発明鋼の成分範囲限定理由を述べる。 ○ Ｃ：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。 ○ Si：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物の生成を抑制
できるので特に規定しないが、製鋼上0.05％未満
にするには困難をともなうので、好ましくは0.05
％である。 ○ Mn：0.5％未満 MnはSiほどではないが、粒界酸化物を生成す
る元素であり、Siとの相乗作用で粒界酸化は一層
助長される。従つてMn添加量は少ないほどよい
が、Si量を0.15％未満に制限しておけば、Mnが
0.5％未満で粒界酸化物をほとんど生成しない。
このため、Mn量の上限を0.5％（0.5％は含まな
い）とした。下限はMnが少量ほど粒界酸化物の生成を抑制
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。 ○ Cr：0.3％未満 Crも粒界酸化物を生成しやすい元素である。
またMnと同様、Siとの相乗作用で粒界酸化は一
層助長される。従つてCr添加量も少ない方が望
ましいが、Si量を0.15％未満に制限しておけば、
Crが0.3％未満で粒界酸化をほとんど発生しない。
このため、Cr量の上限を0.3％（0.3％は含まな
い）とした。下限はCrが少ないほど粒界酸化物の生成が抑
制されるので特に規定しない。 ○ So．Ａ：0.01％未満既に述べたようにＡは、基本的に鋼中でＡ
_２O₃，ＡＮとして存在し、固溶Ａとして存在
する量が非常に少ないため、通常の温度（930℃
以下）の浸炭では粒界酸化物の生成を助長する作
用は軽微である。しかし、ＡはSi，Mn，Crに
比べて大巾に酸化しやすい元素であるため、Ｏの
拡散が速く粒界酸化しやすい高温浸炭（940〜
1000℃）では、微量の固溶Ａでもその影響は大
きい。その上、ＡＮは高温になると分解して固
溶Ａになりやすくなる。従つて高温浸炭下では
Ａも粒界酸化を助長する大きな原因になつてく
る。これを防ぐにはＡＮが高温（940〜1000℃）
でも分解しないことが肝要であり、またたとえ分
解固溶したとしても固溶Ａの絶対量を少なくし
なければ、高温浸炭時の粒界酸化を防止すること
は不可能である。このためにはSo．Ａを0.01
％未満にする必要がある。従つて上限を0.01％
（0.01％は含まない）とした。下限はＡが少ないほど粒界酸化抑制効果が高
いので特に規定しない。 ○ Ｎ：0.0045〜0.02％上述したように高温浸炭（940〜1000℃）時の
粒界酸化を抑制するためには、940〜1000℃でも
ＡＮを分解固溶させないことが重要であり、こ
のためにはＡを0.01％未満に制限することと合
わせて、Ｎを0.0045％以上に管理する必要があ
る。従つてＮの下限を0.0045％とした。上限については、Ｎが多いほどＡＮの分解固
溶が抑制され、0.020％を越えると冷間加工性が
劣化するので、0.020％とした。 ○Ni：0.2〜2.5％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の添加量を大巾
に制限している。これらの元素はいずれも焼入性
向上元素であるため、その添加量制限により肌焼
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、粒界酸化を生じさせず、かつ焼入
性を高めるNiの添加は極めて有効である。この
効果を十分に発揮させるためにはNiは、少なく
とも0.2％必要であるが、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
化し始めるので、下限を0.2％、上限を5.0％とし
た。 ○ Mo：0.1〜2.5％ MoもNiと同様、粒界酸化を生じさせることな
く、焼入性を向上させることができるため、浸炭
異常組織の生成を防止するには非常に有効な元素
である。このため、焼入性の更なる向上を目的と
してNiとともに添加できる。そして、NiとMoは
単独で含有されるよりも共存させた場合に相乗効
果を現す。Moのこの効果を十分に発現させるに
は少なくとも0.1％添加する必要があるが、2.5％
を越えて添加すると浸炭されたケース部ではMo
炭化物が析出し、表層部の焼入性がかえつて低下
する。このため下限0.1％、上限2.5％とした。 ○ Ｂ：0.0003〜0.005％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、浸炭異常組織防止のために酸化性の
高い合金元素の含有量を低減させた本発明鋼にお
いては、コア部の焼入性を向上させる効果が非常
に大きく、その効果のためには少なくとも0.0003
％添加しなければならない。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物が生成し始める。
このため、添加される場合は下限を0.0003％、上
限を0.005％とする。 ○ Nb：0.01〜0.1％、Ｖ：0.01〜0.1％通常、ＡはＮと結合して微細なＡＮ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Ａ添加量を0.01％未満に制限し
ているため、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を添加して、
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、0.1％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
め添加される場合は下限を0.01％、上限を0.1％
とする。〔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41種類の鋼を高
周波真空炉にて溶製し、熱間鍛造により直径40mm
の丸棒と、35mm×35mmの角棒とに成形し、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、これら試験片を先ず高温浸炭としてカ
ーボンポテンシヤル0.8％の浸炭雰囲気で950℃×
2hr保持した後、150℃のホツトクエンチ油で焼入
れした。浸炭焼入れ後、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、またナ
イタール腐食により不完全焼入層深さをそれぞれ
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、押さえ面圧
と繰返し数との関係を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.27は本発明に係る鋼である。一
方、鋼種No.28〜No.30はSi含有量の点で、鋼種No.31
〜No.33はMn含有量の点で、鋼種No.34〜No.36はCr
含有量の点で、鋼種No.37〜No.39はSo．Ａ含
有量の点で、鋼種No.40〜41はＮ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】

〔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
鋼は高温浸炭焼入れを施しても浸炭異常組織の発
生がほぼ完全に抑えられるので、疲労強度、転動
疲労強度、耐摩耗性に優れ、しかも高温浸炭焼入
れにより浸炭時間の短縮を図ることができ、品質
と生産性の両面で大きな効果を奏するものであ
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図およず第５図
は試験方法の説明図、第６図〜第１０図は本発明
鋼における特徴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

【特許請求の範囲】１重量比でＣ：0.1〜0.4％，Si：0.15％未満、
Mn：0.5％未満、Cr：0.3％未満、So．Ａ：
0.01％未満、Ｎ：0.0045〜0.02％，Ni：0.2〜5.0％
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。２重量比でＣ：0.1〜0.4％，Si：0.15％未満、
Mn：0.5％未満、Cr：0.3％未満、So．Ａ：
0.01％未満、Ｎ：0.0045〜0.02％，Ni：0.2〜5.0％
を含有し、さらにMo：0.1〜2.5％，Ｂ：0.0003〜
0.005％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。３重量比でＣ：0.1〜0.4％，Si：0.15％未満、
Mn：0.5％未満、Cr：0.3％未満、So．Ａ：
0.01％未満、Ｎ：0.0045〜0.02％，Ni：0.2〜5.0％
を含有し、さらにNb：0.01〜0.1％，Ｖ：0.01〜
0.1％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：0.5％未満、Cr：0.3％未満、So．Ａ：
0.01％未満、Ｎ：0.0045〜0.02％，Ni：0.2〜5.0％
を含有し、さらにMo：0.1〜2.5％，Ｂ：0.0003〜
0.005％の１種または２種を含有すると共に、
Nb：0.01〜0.1％，Ｖ：0.01〜0.1％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。