JPS641541B2

JPS641541B2 -

Info

Publication number: JPS641541B2
Application number: JP7138580A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Yoshimura
Original assignee: Mitsubishi Steel Mfg Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Steel Mfg Co Ltd
Priority date: 1980-05-30
Filing date: 1980-05-30
Publication date: 1989-01-11
Also published as: JPS56169751A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、熱処理に伴なう歪を低減、安定化し
た鋼の製造法に関するもので、歯車などに適した
鋼を提供するものである。特に歯車は、浸炭熱処理や、焼入・焼戻熱処理
後、強度上あるいは、騒音規制などの面から適正
な歯当りを得るため、高い寸法精度が要求され
る。歯車は、通常熱処理後そのまま最終製品とな
ることが多いため、熱処理に伴う異常な歪はきわ
めて深刻な問題となつている。元来、熱処理歪は、鋼の相変態や熱応力に起因
する現象であるため、皆無にすることは難かし
い。また、この歪は、素材ならびに熱処理法に大
きく依存するため、素材を使用する側では、その
素材に合わせて、その都度、歪と強度の両面から
最適の加工法と熱処理を確立する方法をとつたき
た。最近、素材（鋼）も合金成分のバラツキのな
い安定した鋼の製造が可能となつてきたため、素
材のロツトが異なつても、熱処理歪が安定する傾
向になつてきたが、歪へ及ぼす要因は数多くあ
り、完全に低位に安定した熱処理歪量をもつ鋼の
製造が可能になつたとはいいがたく、例えば鋼の
使用者側でロツト管理、先行試験などのテストに
より個別に対策を施しているのが現状である。一般に熱処理歪量は鋼の焼入性が増すとともに
大きくなる。しかるに焼入性は部品の強度面から
規定されるものであり、歪量を小さくするために
焼入性を低下させることはできない。したがつ
て、十分満足する焼入性（強度）をもつた鋼でし
かも熱処理歪が低減、安定化した鋼、換言すれ
ば、同一の焼入性をもつていても、熱処理歪の小
さい鋼が必要となつてくる。このような鋼は従来
製造不可能とされていたが、本発明では、従来の
鋼と同一の焼入性をもつていても、熱処理歪の低
減、安定した性質をもつ鋼を提供するものであ
る。すなわち、本発明は、従来焼入性や熱処理歪へ
大きな影響を与えないと考えられていた鋼中のア
ルミニウムと窒素の量が、これらの特性へきわめ
て重要な要因となることを見出し、鋼中のアルミ
ニウムと窒素の量を適正範囲にコントロールする
ことにより、従来の鋼と同一の焼入性をもち、し
かも熱処理歪が低減、安定した鋼を提供せんとす
るものである。すなわち、本発明は、炭素0.10〜0.50％、硅素
0.50％以下、マンガン0.30〜1.70％と、ニツケル
5.00％以下、クロム2.00％以下、モリブデン1.00
％以下の少なくとも１種、さらにアルミニウム
0.015〜0.050％、窒素0.010〜0.030％残部は鉄と
不可避的不純物よりなる組成において、かつ全ア
ルミニウムと全窒素との量を上記範囲内におい
て、アルミニウムと窒素の鋼中での化合物である
窒化アルミニウムの化学当量比Al／Ｎ＝1.9253
（第１図における直線Ａ）に対し、アルミニウム
の量において増加0.010％、減少0.020％の範囲
で、さらに結晶粒粗大化に関係するオーステナイ
ト中への窒化アルミニウム析出曲線log〔Al％〕
〔Ｎ％〕＝−7200／Ｔ＋1.9253のＴ＝1273〓の時の
曲線（第１図における曲線Ｂ）より高い温度域に
含まれる範囲に調整することを特徴とする熱処理
低歪鋼の製造法よりなるものである。本発明における炭素、硅素、マンガンさらには
ニツケル、クロム、モリブデンの組成範囲はJIS，
SAE又はAISIにおける低合金構造用鋼の範囲で
ある。ところで、アルミニウムを鋼に含有せしめる目
的は通常、脱酸剤として溶鋼中の酸素を低下させ
ること、並びに窒素と共存させて、結晶粒度を微
細化させることである。この目的を達成させるた
めには、アルミニウムは最低0.015％必要とし、
これ未満では、脱酸不良や結晶粒の粗大化を生じ
はじめることは一般に知られている事実である。
よつて本発明におけるアルミニウムの下限は
0.015％とする。一方、アルミニウム量は多いほ
ど、上記の本来の効果はあるが、鋳造時溶鋼の再
酸化や偏析を生じたり、またデンドライトの発生
を著しくするなど、かえつて害を及ぼすことにも
なるため上限を0.050％とする。本発明鋼における窒素は、脱酸剤あるいは結晶
粒微細化のために添加したアルミニウムとの関連
において低歪化の作用を行なう。つまり、アルミ
ニウムは鋼中では酸可溶性Al（Al，AlN）と酸不
溶Al（主としてAl₂O₃）の型で存在するが、その
大部分は前者である。この場合、アルミニウムと
窒素の化学当量比（Al／Ｎ＝1.9253）を外れると
種々の熱履歴を受ける間に、とくにアルミニウム
が焼入歪や焼入性へ影響を及ぼすようになる。し
たがつて、アルミニウムを窒素にて固定してやれ
ば、アルミニウムの影響が低減することになる。
このアルミニウムと窒素との量的関係に着目し、
その適正値を多くの実験により見出した。第１表はSAE4100系、Cr―Mo浸炭鋼（JIS
SCM420鋼）のアルミニウム、窒素の含有量を
種々変化させた試料の925℃×3Hr浸炭焼入時に
おけるオーステナイト中に固溶しているアルミニ
ウムと窒素の量および歪試験片（NavyC型）の
Gap歪量、その時の結晶粒度（G.S）Jominy試験
片による焼入性試験結果、Ｕ型ノツチ付衝撃試験
片による結果（Cp）を表わしてある。焼入性は、ジヨミニー試験の焼入端５mmと11mm
とが素材メーカーとユーザーとの鋼売買時の規格
設定位置に主として対応するためその試験値をも
つて表わした。又、歪量は、ネービー（Navy）
Ｃ型試片での低歪鋼としてギヤツプ歪量を120μ
以下のものを良いとして判断した。その理由は後
述する。なお、歪量測定に使用したネービーＣ型試片は
第２図に示すもので、イは正面図、ロは側面図
で、各所寸法はａ＝６mm，ｂ＝34mm，ｃ＝60mm，
ｄ＝12mmのものである。

【表】

【表】 (注) ○：本発明鋼、×：比較鋼、□：本発明より
除外した鋼、△：低歪鋼ではあるが機械的特
性の点で本発明より除外した鋼
上記第１表の結果をプロツトしたものが第１図
である。第１図中、原点より斜右上方へ走る斜の
線は、原点より発しているのが、窒化アルミニウ
ムの理論化学当量比Al／Ｎ＝1.9253を示してお
り、他の平行線は、アルミニウム含有量の鋼製造
上、調整可能な巾0.005％で示し、それぞれにセ
グメント（segment）No.を付けた。第１図において、太線で囲んだ範囲内が本発明
におけるアルミニウムと窒素の量的関係を満足
し、かつ結晶粒も細粒であり、衝撃特性も低下す
ることなく、構造用鋼としての特性を失なわない
ものである。各線は、 ―：低歪の条件（焼入性の安定） ―：〔Al〕含有量の上限（再酸化防止、デンドライトの防止） ―：〔Ｎ〕含有量の上限（工業的Costの限界） ―：衝撃値の確保（オーステナイト中の〔Ｎ〕含有量上
限） ―：〔Al〕含有量の下限（脱酸能の限界、Ｇ，Ｓの確保） ―：〔Al―Ｎ〕量の確保（Ｇ，Ｓの確保） ―：〔Ｎ〕含有量の下限（工業的Costの限界）をそれぞれ示している。この範囲に入るものを第１表中備考に〇で示し
本発明鋼とした。この結果から明らかなようにア
ルミニウム、窒素の含有比の上限は〔Al％〕＝
1.9253×〔Ｎ％〕＋0.010％の線で示されることが
判かる。又△で示したものは、いずれも熱処理後
の歪試験片のGap歪量は良いがオーステナイト中
に残存する窒素の量がおゝよそ0.015％を越すと
衝撃値（Cp）の値が減少する。オーステナイト
中の固溶窒素が増加すれば遷移温度が上昇し、衝
撃値（Cp）が低下することは古くより知られた
事実である。したがつてアルミニウム、窒素の含
有比の下限は〔Al％〕＝1.9253×〔Ｎ％〕−0.020％
の線で示されることが判かる。又オーステナイト
中からの窒化アルミニウム析出曲線log〔Al％〕
〔Ｎ％〕＝−7200／Ｔ＋1.9253において、一般的な
浸炭温度の最高温度はＴ＝1243〓（970℃）であ
るがＴ＝1273〓（1000℃）の時の曲線より、原点
に近い範囲の中に含まれるアルミニウムと窒素の
含有量では、浸炭熱処理温度域で、結晶粒の粗大
化を防止する窒化アルミニウムの析出が少ないか
全く無い為、浸炭熱処理中に結晶粒が粗大化し焼
入性が良くなり、結果的には、焼入時に歪を生ず
るところなることは、第１表のデータからも明ら
かである。又、アルミニウム含有量が上限0.050
％を越え、窒素含有量が上限の0.030％を越えて
も、アルミニウム、窒素の含有比が〔Al％〕＝
1.9253×〔Ｎ％〕＋0.010％と〔Al％〕＝1.9253×〔Ｎ
％〕−0.020％の間であれば低歪鋼の範囲に含まれ
るが、アルミニウムは先に述べた理由により、
0.050％が上限であり、窒素の上限も0.030％が作
業性を考慮すれば適当である。このものを第１表
の備考に□で示した。上記第１表並びに第１図において、低歪鋼の判
断基準を第２図で示したネービーＣ型試片でのギ
ヤツプ歪量が120μ以下としたのは以下の理由に
よる。第１表中のＡ〜Ｆ鋼を第３図に示すギヤー
（ハスバ歯車、モジユール2.5歯数17，P.C.
D49.5819）とネービーＣ型試片加工し、同時に
同一の浸炭処理を施した。そして、ギヤーについ
てはリード誤差測定面P.C.D.（Pitch Circle
Diameter）上におけるリード誤差を、又、ネー
ビーＣ型試片についてはギヤツプ歪量をそれぞれ
測定した。その結果を示すと第２表のとおりであ
つた。

【表】 ○☆Ａ、○☆Ｂはギヤーとして不具合であり、○☆
Ｃ、○☆Ｄ、○☆Ｅ、○☆Ｆは良品であつたので、前記
ネービーＣ型試片におけるギヤツプ歪量が120μ
のところに臨界値があることが判つた。したがつ
て、本発明におけるJIS SCM420鋼の低熱処理歪
の判断の基準を歪量120μ以下に置いたのである。本発明においては結晶粒を微細化するためにニ
オブ、チタンの添加を妨げないが、ニオブ、チタ
ンは窒素と結合するので、これらを添加する場合
には、ニオブ、チタンと充分に結合するに必要な
だけの窒素を添加する必要がある。この場合の窒素量は次式により導びかれる。 log〔Ｎ〕＝−3000／Ｔ−2.2−log〔Ti〕 log〔Ｎ〕＝−10230／Ｔ＋4.04−log〔Nb〕｛ただし〔Ｎ〕〔Ti〕〔Nb〕は重量％Ｔは絶対温度〔〓〕｝又、燐、硫黄、銅などの不可避的不純物はそれ
ぞれJIS，SAE，AISIにおける低合金構造用鋼の
範囲とする。本発明においては、上記したように窒素量が従
来鋼よりも多いが、窒素量が多くなつても鋼の機
械的性質が劣るようなことはない。この機械的性質の試験結果を第３表に示す。

【表】上記試験に用いた試験片の熱処理は下記によつ
た。熱処理方法：焼準 925℃×30′ 空冷焼入１次880℃×45′ 油冷２次830℃×45′ 油冷焼戻し 180℃×120′ 空冷又、引張試験はJIS4号、シヤルビー試験はJIS3
号によつた。第１表並びに第１図に示されるJIS SCM420の
歪量と、〔Al〕、〔Ｎ〕の関係を、Al＝1.9253×
〔Ｎ〕±0.005×ｎで細分化した各範囲（第１表中
１図中Segment No）で整理して示したのが第４
図である。第４図の線がSAE4100系鋼の第１
表に示すものゝ全般を示し、線が本発明のもの
のみ場合を示す。又同図において線はJIS
SCM822の全般を示し、線はその本発明のもの
のみの場合を示す。線はSAE8620の全般を示
し、線はその本発明のもののみの場合を示す。
この第４図より、明らかなことは、歪の多少は鋼
種により異なるが、歪量が最少となる範囲は、本
発明鋼に示されるアルミニウム、窒素の含有量の
領域内において示されていることが判る。すなわち、本発明特許請求の範囲に示される化
学成分に基づき製造される鋼は、常に低位の歪量
を提供するとともに、その他の諸特性も満足させ
ることが可能なことは明瞭である。以上、本発明によれば、従来省みられなかつた
アルミニウムと窒素の比を適正にコントロールす
ることによつて、低熱処理歪の鋼が得られるもの
で、歯車材等に適用して、機械的性質が良好で、
使用時に騒音の発しない優れた特性が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はJIS SCM420鋼の試験結果を示す図、
第２図は本発明において歪量測定に使用したネー
ビーＣ型試片を示すものでイは正面図、ロは測面
図、第３図は試験に使用したギヤー、第４図は鋼
種別の歪量を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】１炭素0.10〜0.50％、硅素0.50％以下、マンガ
ン0.30〜1.70％と、ニツケル5.00％以下、クロム
2.00％以下、モリブデン1.00％以下の少なくとも
１種さらにアルミニウム0.015〜0.050％、窒素
0.010〜0.030％、残部は鉄と不可避的不純物より
なる組成であつて、全アルミニウムと全窒素との
量を上記範囲内において、アルミニウムと窒素の
鋼中での化合物である窒化アルミニウムの化学当
量比Al／Ｎ＝1.9253（第１図における直線Ａ）に
対し、アルミニウムの量において増加0.010％、
減少0.020％の範囲で、さらに結晶粒粗大化に関
係するオーステナイト中への窒化アルミニウム析
出曲線。 log〔Al％〕〔Ｎ％〕＝−7200／Ｔ＋1.9253 のＴ＝1273〓の時の曲線（第１図における曲線
Ｂ）より高い温度域に含まれる範囲に調整するこ
とを特徴とする熱処理低歪鋼の製造法。