JPH0593244A - 耐遅れ破壊性浸炭肌焼鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 優れた耐遅れ破壊性を示すと共に、機械的特
性も十分に満足できる浸炭肌焼鋼を提供する。 【構成】 浸炭肌焼鋼を、Ｃ：0.10〜0.30％， Si：0.
15％以下， Mn：0.60％以下， Ｐ：0.015 ％以下，
Ｓ：0.015 ％以下， Nb：0.010 〜0.100 ％を含有する
か、或いは更にNi：3.50％以下，Cr： 0.9超〜 5.0％，
Mo：3.0 ％以下，Cu：1.0 ％以下，Al：0.010 〜0.100
％，Ｖ：0.01〜0.30％，Ti：0.010 〜0.100 ％，Ｂ：0.
0003〜0.0050％，Zr：0.01〜0.20％，Ca：0.0005〜0.01
00％の１種以上をも含み、残部がFe及び不可避的不純物
から成る化学成分組成に構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、自動車，建設機械等
における“ネジ部が存在する浸炭部品”用として好適な
浸炭肌焼鋼並びにその製造法に関するものである。

【０００２】

【従来技術とその課題】一般に、自動車，土木建設機
械，産業機械等における摩耗が生じやすい部位には浸炭
処理を施した浸炭肌焼鋼部材が重宝されている。この
“浸炭処理”は、例えばＣＯ，Ｎ₂ ，Ｈ₂ 等のガス雰囲
気中で熱処理を施して鋼の表層部に炭素を浸入させ、該
表層部の炭素濃度（炭素含有量）を高めることにより焼
入れ後の硬さを増加させる熱処理で、耐摩耗性，疲労特
性の向上を目的とした処理であることは周知であるが、
一方で、鋼材に浸炭処理を施すと“遅れ破壊”を生じや
すくなると言う事実がある。

【０００３】この“遅れ破壊”は「使用中に、 突然、 脆
性破壊を起こす現象」で、外部から鋼中に侵入した水素
による脆化であると言われているが、特に引張応力が生
じる場合にはその傾向は更に著しくなるため、引張応力
の発生が避けられないボルト類（ネジ部を有する部品）
では上述のような浸炭処理が誘因となる遅れ破壊が大き
な問題となっている。従って、ネジ部を有する（締付け
時に引張応力が発生）浸炭部品においては、ネジ部の浸
炭を防止するために浸炭防止剤を塗布したり、ネジ部に
カバ−を設けて浸炭防止を図る等の工夫が強いられてい
た。しかしながら、浸炭防止に係わるこれらの工夫は著
しい作業性の低下につながるものであり、しかも製造コ
ストの増加を招くものであることから、浸炭処理を施し
ても遅れ破壊を生じにくい材料の開発が切望されてい
た。

【０００４】このようなことから、本発明が目的とした
のは、優れた耐遅れ破壊性を示すと共に、機械的特性も
十分に満足できる浸炭肌焼鋼を提供することであった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は上
記目的を達成すべく、特に遅れ破壊を生じた材料に関す
る基礎的な再検討を加えつつ研究を重ねた結果、次のよ
うな知見を得ることができた。 (a) 遅れ破壊を起こした鋼材破面の仔細な観察から破壊
の形態が“粒界破壊”であることを確認したが、このよ
うな破壊に対しても粒界脆化促進元素として一般的に知
られているＰ及びＳの低減は非常に効果的である。 (b) しかも、鋼材の粒界脆化を促進する元素はＰ，Ｓの
みでなく、SiやMnも粒界脆化促進に大きく係わってお
り、浸炭肌焼鋼の遅れ破壊を抑えるにはSi，Mnの低減も
欠かせないこと。 (c) これに対してNbは鋼材の粒界脆化を抑制する作用を
有しており、その適正量添加は浸炭肌焼鋼の耐遅れ破壊
性向上に大きく寄与する。 (d) 従って、機械構造用鋼の構成成分として適正量のNb
を添加すると共にＰ，Ｓ，Si及びMnの含有量を抑制し、
更に他の成分の含有割合を適正に調整した場合には、優
れた耐遅れ破壊性を有し、かつ浸炭後の靱性値も優れた
浸炭肌焼鋼が得られる。

【０００６】本発明は、上記知見事項等を基にして完成
されたもので、「浸炭肌焼鋼を、 Ｃ：0.10〜0.30％（以降、 成分割合を表す％は重量割合
とする),Si：0.15％以下， Mn：0.60％以下，
Ｐ：0.015 ％以下，Ｓ：0.015 ％以下， Nb：0.010
〜0.100 ％ を含有するか、 或いは更に Ni：3.50％以下， Cr： 0.9超〜 5.0％， M
o：3.0 ％以下，Cu：1.0 ％以下， Al：0.010 〜
0.100 ％， Ｖ：0.01〜0.30％，Ti：0.010 〜0.100
％， Ｂ：0.0003〜0.0050％， Zr：0.01〜0.20％，C
a：0.0005〜0.0100％ の１種以上をも含み、 残部がFe及び不可避的不純物から
成る化学成分組成に構成することによって、 優れた耐遅
れ破壊性を備えしめ得るようにした点」に特徴を有して
いる。

【０００７】このように、本発明は、機械構造用鋼の
Ｐ，Ｓ，Si及びMnの含有量を低減することによって粒界
脆化を抑制し、かつ適正量のNb添加により粒界の強化を
図って耐遅れ破壊性の優れた浸炭肌焼鋼を実現すると共
に、必要に応じて所定の合金元素を添加して遅れ破壊抑
制効果や浸炭肌焼鋼に必要なその他の特性を向上させる
ことを骨子としたものであるが、以下、本発明で鋼の化
学成分組成を前記の如くに数値限定した理由について説
明する。

【０００８】Ｃ Ｃには、鋼に所定の静的強度を付与する作用がある反
面、靱性を劣化させる元素でもある。特に、浸炭処理を
施す肌焼鋼においては静的強度と靱性のバランスが必要
であるが、Ｃ含有量が0.10％未満では所望の静的強度が
確保できず、一方0.30％を超えてＣを含有させると靱性
が急激に低下する。このようなことから、Ｃ含有量は0.
10〜0.30％と定めた。

【０００９】Ｐ 鋼中のＰ含有量を特定量以下に抑制することは本発明に
おいて極めて重要な事項である。即ち、Ｐは鋼の結晶粒
界を脆化する不純物元素であり、粒界を強化して優れた
耐遅れ破壊性を付与するためにはその含有量をできるだ
け低く抑えることが望ましい。そして、Ｐ含有量が特に
0.015％を超えるた場合には粒界脆化が著しくて所望の
耐遅れ破壊性を確保できないことから、Ｐ含有量は 0.0
15％以下と定めた。

【００１０】Ｓ 鋼中のＳ含有量を特定量以下に抑制することも本発明に
おいて極めて重要な事項である。つまり、ＳもＰと同様
に鋼の結晶粒界を脆化する不純物元素であるため、粒界
を強化して優れた耐遅れ破壊性を付与するためにはＳ含
有量もできるだけ低く抑えることが望ましい。そして、
Ｓ含有量が特に 0.015％を超えていると粒界脆化が著し
くなって所望の耐遅れ破壊性を確保できないことから、
Ｓ含有量は 0.015％以下と定めた。

【００１１】Si Siは鋼の脱酸に必要な元素であると共に、鋼に所定の静
的強度を付与する作用を有している。しかし、SiはＰ，
Ｓと同様、鋼の結晶粒界に偏析して粒界脆化を促進する
元素であることが判明した。そして、Si含有量が特に0.
15％を超えた場合には粒界脆化が著しくなって遅れ破壊
性を誘発しやすくなることから、Si含有量は0.15％以下
と定めた。

【００１２】Mn Mnも、Siと同様、鋼の脱酸処理に必要な元素であるが、
同時に焼入れ性を付与するのに必要な元素でもある。し
かし、上述したＰ，Ｓ，Siと同様にMnも鋼の結晶粒界に
偏析して粒界脆化を促進する元素であることが判明した
訳である。そして、Mn含有量が特に0.60％を超えた場合
には粒界脆化が著しくなって遅れ破壊性を誘発しやすく
なることから、Ｐ，Ｓ及びSiの制限と共にMn含有量を0.
15％以下に抑えることと定めた。

【００１３】Nb Nbには鋼の粒界脆化を抑制し、耐遅れ破壊性を向上させ
る作用がある。これも本発明者等によって見出された新
規解明事実である。しかしながら、Nb含有量が0.010 ％
未満であると上記作用による所望の効果が確保できず、
一方、 0.100％を超えて含有させると結晶粒が粗大化し
て靱性低下を招くことから、Nb含有量は0.010 〜0.100
％と定めた。

【００１４】Ni，Cr，Mo，Cu，Al，Ｖ，Ti，Ｂ，Zr及び
Ca これらの成分は、各々、浸炭肌焼鋼の所望特性を更に改
善する作用を有しているので１種又は２種以上を所定量
添加するのが好ましいが、以下にそれぞれの成分の添加
量を限定した理由を説明する。

【００１５】a) Ni Niは鋼に所定の焼入れ性を付与し静的強度を上昇させる
のに有効である上、鋼の靱性を向上させる作用をも有し
ているので、所定の焼入れ性と靱性を確保するため任意
に添加することができる。しかし、3.50％を超えて含有
させてもその効果は飽和し経済性を損なうことから、Ni
含有量の上限を3.50％と定めた

【００１６】b) Cr Crも鋼に焼入れ性を付与するのに有効な添加元素であ
る。また、浸炭特性を向上させることから、一般の肌焼
鋼には添加することが多い。しかし、その含有量が 0.9
％未満であると上記効果が十分でなく、一方、 5.0％を
超えてCrを含有させると、Cr酸化物が生成して逆に浸炭
性を低下させる。従って、Cr含有量は 0.9％を超え 5.0
以下の範囲と定めた。

【００１７】c) Mo Moも、Ni等と同様、鋼に所定の焼入れ性を与え、静的強
度及び靱性を向上させるのに有効な元素であって適宜に
添加されるが、 3.0％を超えて含有させても上記効果が
飽和してしまって経済性を損なうことから、Mo含有量の
上限は 3.0％と定めた。

【００１８】d) Cu Cuも鋼の焼入れ性と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添加すれば
良いが、 1.0１％を超えて含有させると鋼の熱間加工性
を劣化させたり、静的強度も逆に低下するようになるこ
とから、Cu含有量の上限を 1.0％と定めた。

【００１９】e) Al Alは高温の結晶粒を微細化して靱性を向上させる作用を
有しているが、その含有量が 0.010％未満であると前記
作用による所望の効果を得ることができない。一方、0.
100 ％を超えてAlを含有させると鋼の清浄度が悪化して
切削性が損なわれ、また鋼の結晶粒を粗大化させ、かえ
って靱性を低下させてしまう。従って、Al含有量は 0.0
10〜0.100 ％と定めた。

【００２０】f) Ｖ Ｖは鋼中で炭窒化物を生成して鋼の高温強度を高める作
用を有しているが、その含有量が0.01％未満では前記作
用による所望の効果が得られず、一方、0.30％を超えて
含有させると熱間加工性の低下を招くことから、Ｖ含有
量は0.01〜0.30％と定めた。

【００２１】g) Ti Tiは、Alと同様、鋼の結晶粒を微細化して鋼の靱性を向
上させる作用を有しているが、その含有量が 0.010％未
満であると前記作用による所望の効果を得ることができ
ない。一方、0.100 ％を超えてTiを含有させると逆に結
晶粒の粗大化を招き、かえって靱性を低下させてしま
う。従って、Ti含有量は 0.010〜0.100 ％と定めた。

【００２２】h) Ｂ Ｂは、鋼の焼入れ性を向上させて静的強度を上昇させる
作用を有しているが、その含有量が0.0003％未満である
と前記作用による所望の効果を得ることができず、一
方、0.0050％を超えて含有させると鋼の結晶粒を粗大化
し靱性を低下させることから、Ｂ含有量は0.0003〜0.00
50％と定めた。

【００２３】i) Zr Zrには鋼中の炭化物を球状化し微細に分散させて耐遅れ
破壊性を一層改善させる作用があるため、高強度鋼の場
合に高い耐遅れ破壊性を確保する目的で含有せしめられ
るが、その含有量が0.01％未満では前記作用による所望
の効果が得られず、一方、0.20％を超えて含有させても
その効果は飽和することから、Zr含有量は0.01〜0.20％
と定めた。

【００２４】k) Ca Caは鋼の切削性を向上させる作用を有しているので適宜
添加されるが、その含有量が0.0005％未満であると前記
作用による所望の効果を得ることができず、一方、0.01
00％を超えて含有させると靱性の低下を招くことから、
0.0005〜0.0100％と定めた。

【００２５】続いて、本発明の効果を実施例によって具
体的に説明する。

【実施例】まず、１５０kg真空溶解炉にて表１及び表２
に示す如き化学成分組成の鋼を溶製した後、得られた鋼
塊を１２５０℃に１時間加熱し、３０mmφに鍛伸した。
そして、更に９２５℃×１hrの焼ならし処理を施して供
試材とした。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】次に、上記供試材を用いて「遅れ破壊試
験」を行うと共に、「シャルピ−衝撃試験」及び「オ−
ステナイト結晶粒度の測定」を実施した。その結果を表
３及び表４に示す。

【００２９】

【表３】

【００３０】

【表４】

【００３１】「遅れ破壊試験」は、前記供試材を図１に
示す試験片に加工後、図２に示す条件にて浸炭焼入れと
焼戻しを行い、この処理済試験片について定荷重引張試
験機を用い荷重６３０kg（大気中）で実施した。なお、
試験時間は１０００時間までとし、破断が生じなくても
該時間で試験を中止した。

【００３２】「シャルピ−衝撃試験」は、前記供試材を
ＪＩＳ３号（Ｕノッチ）試験片に加工後、図２に示す条
件にて浸炭焼入れと焼戻しを行い、この処理済試験片を
シャルピ−衝撃試験機にかけ、浸炭後の衝撃特性を調べ
た。

【００３３】「オ−ステナイト結晶粒度の測定」は、衝
撃特性調査後の試験片を用いて実施した。

【００３４】さて、表３及び表４に示される結果からも
明らかなように、本発明に係わる鋼は耐遅れ破壊性，衝
撃特性，オ−ステナイト結晶粒度の何れについても十分
な要求レベルを満たしていることが分かる。これに対し
て、Si，Mn，Ｐ，Ｓ，Nb含有量の何れかが本発明で規定
する範囲から外れている比較鋼では耐遅れ破壊性が劣っ
ている。また、Al，Ti含有量の何れかが本発明で規定す
る範囲から外れている比較鋼では結晶粒が粗大化し、衝
撃特性が著しく劣っている。

【００３５】

【効果の総括】以上に説明した如く、この発明によれ
ば、浸炭肌焼鋼として必要な諸特性が十分に確保され、
しかも著しく優れた耐遅れ破壊性を備えた浸炭肌焼鋼が
提供されるなど、産業上極めて有用な効果がもたらされ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】遅れ破壊試験片の形状を説明した概略図であ
る。

【図２】浸炭ヒ−トパタ−ン及び焼戻しパタ−ンを示す
線図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量割合にて、 Ｃ：0.10〜0.30％， Si：0.15％以下， Mn：0.60
   ％以下，Ｐ：0.015 ％以下， Ｓ：0.015 ％以下，
   Nb：0.010 〜0.100 ％を含み、残部がFe及び不可避的
   不純物から成ることを特徴とする、耐遅れ破壊性に優れ
   た浸炭肌焼鋼。
2. 【請求項２】 重量割合にて、 Ｃ：0.10〜0.30％， Si：0.15％以下， Mn：0.60
   ％以下，Ｐ：0.015 ％以下， Ｓ：0.015 ％以下，
   Nb：0.010 〜0.100 ％を含有すると共に、 Ni：3.50％以下， Cr： 0.9超〜 5.0％， M
   o：3.0 ％以下，Cu：1.0 ％以下， Al：0.010 〜
   0.100 ％， Ｖ：0.01〜0.30％，Ti：0.010 〜0.100
   ％， Ｂ：0.0003〜0.0050％， Zr：0.01〜0.20％，C
   a：0.0005〜0.0100％の１種以上をも含み、残部がFe及
   び不可避的不純物から成ることを特徴とする、耐遅れ破
   壊性に優れた浸炭肌焼鋼。