JPH09291339A - 窒化鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】熱間鍛造後の焼ならし処理を省略しても優れた
被削性を有し、かつ、窒化処理後の疲れ特性と曲げ特性
に優れる鋼材を提供する。 【解決手段】Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｎ，
Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｓ，Ｐｂ，Ｃａ，Ｂｉお
よびＴｅを特定した鋼において、熱間加工後の組織が実
質上フェライト・パーライト組織であり、フェライト面
積率が３０％以上かつフェライト粒度番号が５番以上の
粒度、かつ、パーライトの平均寸法が５０μｍ以下であ
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は塩浴窒化処理、ガス軟窒
化処理、イオン窒化処理などの窒化処理に適した窒化鋼
に関わり、部品製造工程において熱間加工後に焼ならし
処理などの熱処理を施すことなく、優れた疲れ特性と曲
げ特性が得られ、かつ、熱間加工ままの状態で優れた被
削性を有する窒化鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】塩浴窒化処理やガス軟窒化処理などの窒
化処理は、部品表面処理法の一つとして耐摩耗性や疲れ
特性を改善する目的で幅広く使用されていおり、今日で
は、歯車やシャフト類、クランクシャフト、コネクティ
ングロッド等の機械部品に適用されている。従来、これ
らの機械部品は機械構造用炭素鋼あるいは合金鋼を、常
法で溶解後にビレット段階を経て熱間圧延された圧延棒
鋼が使用されおり、熱間鍛造工程→焼ならし処理工程→
機械加工工程→窒化処理工程→曲げ矯正（歪み取り）工
程→仕上げ工程によって製造されてる。一般に、窒化処
理は浸炭処理に比べて熱処理後の歪み発生量が小さいこ
とが知られているが、長尺部材を窒化処理する場合には
歪みが発生しやすくなるために、窒化処理後に曲げ矯正
して歪み除去を行っている。

【０００３】上記工程において実施される焼ならし処理
は、熱間鍛造によって硬化した部材を軟化させ後段の機
械加工工程を容易にする目的に加えて、熱間鍛造によっ
て粗大化した組織を微細化するとともに不均質な組織を
均質なフェライト・パーライト組織に改善し窒化性また
は窒化処理後に行われる曲げ矯正性を良化させることを
目的としている。

【０００４】熱間鍛造後の部品はその形状によって鍛造
終了後の冷却速度が異なるために、冷却完了後には部位
による硬さの差異が大きく、また、組織も不均質な組織
となる。ここで、熱間鍛造後の焼ならし処理を省略した
場合には、硬さの上昇と組織の不均質を主因として被削
性の大幅な低下が発生する。加えて、窒化処理において
も、硬度のバラツキを生じやすく、また、不均質な組織
に窒化処理が施されると窒化層の厚さが変動し、部品の
疲れ特性を大幅に低下させることになるために、焼きな
らし処理工程は不可欠とされている。また、窒化層の厚
さが変動すると曲げ特性が著しく低下し、窒化処理後の
曲げ矯正の工程において窒化部に割れが発生し、部品が
損傷することになる。なお、ここで言う窒化層とは拡散
層を含めたものである。

【０００５】しかし近年では、製造コストの低減や省エ
ネルギー等の観点から、焼ならし処理の廃止が望まれて
おり、熱間鍛造後の焼ならし処理を省略しても、優れた
被削性と窒化性を有し、窒化処理後に良好な疲れ特性と
曲げ特性を兼備した材料の開発が望まれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ここに、本発明の目的
は、熱間鍛造後の焼ならし処理を省略しても優れた被削
性を有し、かつ、窒化処理後の疲れ特性と曲げ特性に優
れる鋼材を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる問
題を解決すべく種々検討を重ねた結果、Ｃ，Ｍｎ，Ｃｒ
含有量を適正化して熱間鍛造冷却後にフェライト面積率
増加させて硬さを低減することによって被削性を良化さ
せ、また、フェライト面積率を増加させ、かつ、フェラ
イト部とパーライト部を極力微細化することによって均
質な窒化層を得ることで、疲れ特性と曲げ特性が良化す
ることを見出した。

【０００８】ここに、本発明は、合金元素の含有率が質
量％で、Ｃ：０．１５〜０．４０％，Ｓｉ：≦０．５０
％，Ｍｎ：０．２０〜１．５０％，Ｃｒ：０．０５〜
０．５０％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、熱
間加工後の組織が実質上フェライト・パーライト組織で
あり、フェライト面積率が３０％以上かつフェライト粒
度番号が５番以上の粒度であり、かつ、パーライトの平
均寸法が５０μｍ以下であることを特徴とする（請求項
１）。さらに、質量％で、Ｎｉ：≦０．５０％，Ｍｏ：
≦０．５０％の１種または２種を含有することもできる
（請求項２）。さらに、質量％で、Ｎ：０．００５〜
０．０３０％，Ｖ：≦０．３％，Ｎｂ：≦０．３％，Ｔ
ｉ：≦０．２％，Ｚｒ：≦０．１％，Ｔａ：≦０．２％
のうち１種または２種以上を含有することもできる（請
求項３）。さらに、質量％で、Ｓ：０．０１〜０．３０
％％を含有することもできる（請求項４）。さらに、質
量％で、Ｐｂ：≦０．３％，Ｃａ：≦０．０５％，Ｂ
ｉ：≦０．２％，Ｔｅ：≦０．０５％のうち１種または
２種以上を含有することもできる（請求項５）。

【０００９】

【作用】以下に、本発明において鋼組成を上述のように
限定した理由について説明する。なお、本明細書におい
て説くにことわりがない限り、「％」は「質量％」であ
る。

【００１０】Ｃ：０．１５〜０．４０％ Ｃは部材に必要な強度を得るための最も基本的な元素で
あり、窒化処理後の強度を維持するためには０．１５％
以上を含有する必要がある。しかし、０．４０％を越し
て含有されると熱間鍛造後の硬さが増大して被削性を低
下させ、かつ、フェライト面積率が減少してフェライト
粒が大型化して窒化層窒化処理後の曲げ特性と疲れ特性
を劣化させるために、Ｃ含有量の上限を０．４０％に限
定した。

【００１１】Ｓｉ：≦０．５０％ Ｓｉは鋼中の酸素を低減するための脱酸剤として用いら
れるが、０．５０％を越えて添加されると熱間鍛造後の
硬さ増加を発生し被削性の低下を招くために、Ｓｉ含有
量の上限を０．５０％に限定した。

【００１２】Ｍｎ：０．２０〜１．５０％ 本発明においてＭｎは重要な役割を果たす元素であり、
鋼材の強度を確保することに加えて、後述するようにフ
ェライト面積率とフェライト粒度を調整するために不可
欠な元素である。適正なフェライト面積および粒度を得
るためのＭｎ含有量の範囲は０．２０〜１．５０％であ
る。含有量が０．２０％未満では、鋼材強度を確保する
ことが困難であり、また、１．５０％を越えて含有され
るとフェライト粒が大型化し窒化処理時の曲げ特性が大
幅に劣化するために、Ｍｎ含有量の上限を１．５０％に
限定した。

【００１３】Ｃｒ：０．０５〜０．５０％ Ｃｒは窒化処理時に硬質の析出物を生成し、耐摩耗性や
疲れ特性を向上させる効果を有する。この効果を得るた
めには、少なくとも０．０５％以上にを含有する必要が
ある。しかし、０．５０％を越えて過剰にＣｒが含有さ
れると曲げ特性を低下させることに加えて、熱間加工後
の硬さ増加を招き被削性を低下させるために、Ｃｒ含有
量の上限を０．５０％に限定した。

【００１４】フェライト面積率、フェライト粒度、およ
び、パーライト平均寸法：フェライト面積率とフェライ
ト粒度、および、パーライト平均寸法は本発明において
極めて重要な構成であり、窒化処理後の疲れ特性と曲げ
特性を改善するためにその数値を限定した。一般に、窒
化処理においてはフェライト部はパーライト部に比べて
窒素（Ｎ）が進入しやすいことが知られている。このた
め、フェライト粒とパーライト粒が粗大化した組織を窒
化処理した場合には、組織状態に応じて窒化層が形成さ
れるため硬化深さに大きな差異を生じることになる。疲
れ特性の観点からは窒化層が深く、硬質なほど高い疲れ
限度が得られるが、窒化層深さに差異が生じると強度の
バラツキを生じやすく、また、強度低下を生じることに
なる。また、曲げ矯正の際には窒化層の深い部位に、応
力が集中し割れが生じやすくなることになるため、フェ
ライト粒とパーライト粒の両者を極力微細にし、窒化処
理後の硬化深さを均一にしておく必要がある。

【００１５】本発明者らが詳細に検討した結果、フェラ
イト部とパーライト部が微細なほど窒化処理後の曲げ特
性は向上するが、実用工程において曲げ矯正の工程で割
れを生じさせないためには、フェライト粒度番号を少な
くとも５番以上の粒度にすることが必要であることを見
出した。また、フェライト粒のみを微細化しても大型の
パーライト部が存在すると曲げ特性が低下し、曲げ特性
を維持するためにはパーライト平均寸法を５０μｍ以下
に規定することが必要であることが見出された。さら
に、フェライト面積率が３０％を下回るとフェライト粒
の微細化が困難となるため、Ｃ，Ｍｎ，Ｃｒ含有量を適
正化してフェライト面積率が少なくとも３０％を確保す
ることが必要であることが見出された。

【００１６】Ｎｉ，Ｍｏは鋼材の強度・靱性を良化させ
る元素であり、さらに疲れ特性と衝撃特性を改善するた
めに、それぞれ、Ｎｉ：≦０．５０％、Ｍｏ：≦０．５
０％の１種または２種を添加する。なお、過剰に含有さ
れると熱間鍛造後の硬さが上昇し被削性を低下させる。

【００１７】Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａは窒化時に窒
化物を析出し耐摩耗性や疲れ特性を改善する効果を有す
るとともに、熱間鍛造後の冷却段階においても微細な析
出物を生成することによってフェライト変態を促進させ
フェライト粒を微細化する効果を有するので規定の範囲
で添加することができる。また、Ｎを含有させることに
よって上記の効果がさらに促進されるために含有する。
しかし、いずれの元素も範囲を越えて過剰に含有される
と曲げ特性の低下が顕著となる。

【００１８】Ｓ，Ｐｂ，Ｃａ，Ｂｉ，Ｔｅは鋼材の被削
性をさらに改善するために添加される。また、各元素は
硫化物、酸化物などを生成しフェライト変態を促進しフ
ェライト粒の微細化にも効果を有するので、必要に応じ
て含有させることができる。しかし、過剰に添加される
と熱間加工性を著しく低下させる。

【００１９】

【実施例】本発明による鋼材と比較鋼の化学成分分を表
１に示す。これらの鋼材は全て常法にて溶製され、その
後にビレット段階を経て直径５０ｍｍの丸棒に熱間圧延
された鋼材である。

【００２０】熱間鍛造後の組織を評価するために、圧延
棒鋼を長さ３００ｍｍに切断し、１２００℃に加熱保持
した後に、直径３０ｍｍの丸棒に鍛伸した。この鍛造材
の長手方向の中央部の断面において光学顕微鏡および画
像解析装置によって表面から１ｍｍまでの平均のフェラ
イト面積率とフェライト粒度および平均パーライト寸法
を評価した。また、表層部の硬さをブリネル硬さ計で測
定した

【００２１】疲れ特性の評価は小野式回転曲げ疲労試験
機を用い、切欠き係数２．２の切欠き試験片により疲れ
限度によって評価した。試験片は、熱間鍛造された鋼材
から機械加工によって試験部直径１０ｍｍの切欠き試験
片を作製し、５７５℃で３．５時間保持のガス軟窒化処
理を施した。

【００２２】曲げ特性は３点曲げ試験法により、割れが
発生するまでの最大変位によって評価した。試験片は熱
間鍛造された鋼材から直径１０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの
円柱状試験片を機械加工によって製造した後、５７５℃
で３．５時間保持のガス軟窒化処理を施した。また、曲
げ試験は３点曲げ法であり、支点間を１００ｍｍとして
支点中央部に負荷を与え、割れが発生するまでの最大変
位量をダイヤルゲージで測定した。

【００２３】窒化性は上記３点曲げ試験に供した曲げ試
験片を用いて、ＪＩＳ Ｇ ０５６３に準拠した硬さ測
定によって評価した。ここでは、任意１０カ所について
表面からの硬さ分布を測定し、硬化深さの最大値と最小
値の差を比較することによって窒化層の安定性を評価し
た。なお、ここで言う硬化深さとは試験片心部硬さ＋５
０ＨＶが得られる表面からの距離として定義した。

【００２４】被削性の評価には上記で鍛造した直径３０
ｍｍの熱間鍛造素材を用い、切削試験を行い工具寿命時
間を測定した。切削条件は、切削速度：２００ｍｍ／
分、送り：０．２ｍｍ／ｒｐｍ、切り込み：２ｍｍであ
る。工具寿命は境界摩耗量が０．２ｍｍとなるまでの切
削時間である。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【表３】

【００２８】表２に熱間鍛造後の硬さ、フェライト面積
率、フェライト粒度、平均パーライト寸法、窒化性、浸
炭処理後の疲れ限度および曲げ矯正試験の結果を示し
た。比較鋼Ｎｏ．１０はＪＩＳ Ｓ４５Ｃである。表１
に示されるように発明鋼の硬さはＳ４５Ｃに比べていず
れも低い値を示している。発明鋼のフェライト粒度番号
は５番以上の細粒であり、また、パーライト寸法も細か
くなっていることが確認され、かつ、フェライト面積率
も３０％以上である。これに対して、比較鋼Ｎｏ，１
１，１２，１３のように、Ｃ，Ｍｎ，Ｃｒ含有量を本発
明の範囲を越して含有させた場合、フェライト面積率が
大幅に低下するとともに、フェライト粒度番号は小さく
なり大型化していることが分かる。

【００２９】窒化性を見ると、発明鋼の硬化深さの変動
は最大でも０．０４ｍｍであり、窒化処理後に得られる
硬化層は安定していることが確認された。一方、比較鋼
ではフェライト粒度番号の小さくパーライト寸法の大き
な鋼種では、硬化深さの厚さに変動が見られ、比較鋼Ｎ
ｏ．１１のようにフェライト粒の粗大なものは硬化深さ
の差異が０．１４ｍｍまで増大している。このように、
フェライト面積率、フェライト粒度およびパーライト寸
法を適正化することによって安定した窒化層が得られる
ことが明らかである。

【００３０】窒化処理後の曲げ特性を見ると、フェライ
ト粒度番号およびパーライト平均寸法と極めて良い相関
が認められ、最大の曲げ変位量はフェライト粒度番号の
大きいもの、すなわち、フェライト粒度の微細なもの、
または、パーライト平均寸法の小さいものほど良化して
いることが分かる。

【００３１】さらに、疲れ限度においても発明鋼の疲れ
限度は、Ｓ４５Ｃに比べて高い値が得られており、窒化
処理後の疲れ特性の改善が可能であることが確認され
た。

【００３２】表３に被削性の評価結果を示した。いずれ
の材料も熱間鍛造ままの状態で工具寿命を比較したもの
であるが、発明鋼はフェライト面積率が多く、かつ、軟
化しているために、良好な被削性が得られている。ま
た、Ｐｂ、Ｃａなどの改作元素を添加した発明鋼の被削
性はさらに良化していることが確認された。

【００３３】

【発明の効果】以上の実施例により、本発明は部品製造
工程における熱間鍛造後に焼ならし処理を施すことなく
優れた被削性を有し、鍛造後の組織を微細なフェライト
・パーライト組織とすることによって窒化処理時の窒化
層を安定させ、優れた曲げ特性と疲れ特性を得ることが
可能とされた。本発明による、部品製造時の焼ならし処
理省略と優れた曲げ特性、疲れ特性は生産性の向上、省
エネルギー化と産業上の効果は極めて顕著なものであ
る。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 合金元素の含有率が質量％で、Ｃ：
   ０．１５〜０．４０％，Ｓｉ：≦０．５０％，Ｍｎ：
   ０．２０〜１．５０％，Ｃｒ：０．０５〜０．５０％、
   残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、熱間加工後の組
   織が実質上フェライト・パーライト組織であり、フェラ
   イト面積率が３０％以上かつフェライト粒度番号が５番
   以上の粒度であり、かつ、パーライトの平均寸法が５０
   μｍ以下であることを特徴とする窒化鋼。
2. 【請求項２】 さらに、質量％で、Ｎｉ：≦０．５０
   ％，Ｍｏ：≦０．５０％のうち、１種または２種を含有
   することを特徴とする、請求項１に記載の窒化鋼。
3. 【請求項３】 さらに、質量％で、Ｎ：０．００５〜
   ０．０３０％，Ｖ：≦０．３％，Ｎｂ：≦０．３％，Ｔ
   ｉ：≦０．２％，Ｚｒ：≦０．１％，Ｔａ：≦０．２％
   のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする
   請求項１、または請求項２に記載の窒化鋼。
4. 【請求項４】 さらに、質量％で、Ｓ：０．０１〜
   ０．３０％を含有することを特徴とする、請求項１、ま
   たは請求項２、または請求項３に記載の窒化鋼。
5. 【請求項５】 さらに、質量％で、Ｐｂ：≦０．３
   ％，Ｃａ：≦０．０５％，Ｂｉ：≦０．２％，Ｔｅ：≦
   ０．０５％のうち１種または２種以上を含有することを
   特徴とする請求項１、または請求項２、または請求項
   ３、または請求項４に記載の窒化鋼。