JP2008045178A

JP2008045178A - 浸炭用鋼および浸炭部材

Info

Publication number: JP2008045178A
Application number: JP2006223062A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Morita; 敏之森田
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2006-08-18
Filing date: 2006-08-18
Publication date: 2008-02-28

Abstract

【課題】真空浸炭やプラズマ浸炭により鋼表面に析出する炭化物の量を従来より増大させて鋼を高強度化することが可能な浸炭用鋼およびその浸炭処理により得られる浸炭部材を提供すること。
【解決手段】重量％で、Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０１〜０．２０％、Ｍｎ：０．２０〜２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．０１〜０．２０％、Ｎｉ：０．０１〜０．５０％、Ｃｒ：３．００％超〜６．００％、Ｍｏ：０．０１〜６．００％、Ｖ：０．０１〜２．００％であり、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ、Ｃｒ（％）−Ｓｉ（％）−Ｎｉ（％）−Ｃｕ（％）が３．０％を超える浸炭用鋼とする。この浸炭用鋼を真空浸炭またはプラズマ浸炭してなり、表面から深さ方向１０μｍの範囲での炭化物体積率が４０％以上である浸炭部材とする。表面炭素濃度は３．５〜７．０％にあることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、浸炭用鋼および浸炭部材に関し、さらに詳しくは、高濃度浸炭処理が可能な浸炭用鋼および高濃度浸炭処理された浸炭部材に関するものである。

近年、自動車等の高性能化に伴い、自動車等に用いられる鋼部材には高強度化が求められている。自動車等に用いられる鋼部材を高強度化するには、通常、鋼に浸炭処理を行なうが、最近、従来より行なわれている共析浸炭よりも高濃度に炭素を導入する高濃度浸炭処理が行なわれるようになっている。

そして、高濃度浸炭処理によれば、鋼表面に炭化物を分散させて耐摩耗性や面疲労強度を向上させて、鋼部材を高強度化させることができるが、その特性は、炭化物の分散状態の影響を強く受け、微細・球状・大量に分散させることで高い強度が得られることが分かっている（非特許文献１）。

下村哲也、森田敏之、井上幸一郎、羽生田智紀、「高濃度浸炭材の疲労強度に及ぼす炭化物析出状態の影響」、電気製鋼、電気製鋼研究会、２００６年２月、第７７巻、第１号、ｐ．１１−１８

通常、高濃度浸炭には、従来のガス浸炭よりも高濃度に炭素を導入させることができる真空浸炭やプラズマ浸炭を用いることが多い。

ところが、これまで、真空浸炭やプラズマ浸炭の機構がはっきりしていなかったため、従来の浸炭用鋼では、真空浸炭やプラズマ浸炭により鋼表面に析出する炭化物の量を増やすことができなかった。そのため、浸炭された鋼の強度が十分でなかった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、真空浸炭やプラズマ浸炭により鋼表面に析出する炭化物の量を従来より増大させて鋼を高強度化することが可能な浸炭用鋼およびその浸炭処理により得られる浸炭部材を提供することにある。

本発明者らが鋭意研究した結果、真空浸炭された鋼の表面の炭素濃度が黒鉛と平衡する値となることを突き止めた。そして、今まで用いられていた鋼の組成では、真空浸炭やプラズマ浸炭により鋼表面に析出する炭化物の量を高くすることはできないことが判明した。かかる知見を基礎として、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係る浸炭用鋼は、重量％で、Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０１〜０．２０％、Ｍｎ：０．２０〜２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．０１〜０．２０％、Ｎｉ：０．０１〜０．５０％、Ｃｒ：３．００超〜６．００％、Ｍｏ：０．０１〜６．００％、Ｖ：０．０１〜２．００％であり、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ、Ｃｒ（％）−Ｓｉ（％）−Ｎｉ（％）−Ｃｕ（％）が３．００％以上であることを要旨とする。

この場合、上記浸炭用鋼は、Ａｌ：０．０１〜０．２０％、Ｎｂ：０．０１〜０．２０％、Ｔｉ：０．０１〜０．２０％、Ｎ：０．００１〜０．０５％、および、Ｂ：０．０００１〜０．０１％から選択される１種または２種以上をさらに含有していても良い。

一方、本発明に係る浸炭部材は、上記浸炭用鋼を真空浸炭またはプラズマ浸炭してなり、表面から深さ方向１０μｍの範囲での炭化物体積率が４０％以上であることを要旨とする。

この場合、表面炭素濃度が３．５〜７．０％の範囲内にあることが望ましい。

本発明に係る浸炭用鋼は、特定成分を特定範囲の含有率で含有しており、かつ、Ｃｒ（％）−Ｓｉ（％）−Ｎｉ（％）−Ｃｕ（％）が３．００％以上である。そのため、真空浸炭やプラズマ浸炭により鋼に高濃度に炭素を導入したときに、鋼表面に析出する炭化物の量が従来よりも増大し、鋼表面が高強度化される。

そして、本発明に係る浸炭部材は、上記浸炭用鋼を真空浸炭またはプラズマ浸炭してなり、表面から深さ方向１０μｍの範囲での炭化物体積率が４０％以上であるため、表面強度に優れる。

同様に、表面炭素濃度が３．５〜７．０％の範囲内にあるものも、表面強度に優れる。

以下に本発明の一実施形態について詳細に説明する。本発明に係る浸炭用鋼は、特定成分の含有率が下記に規定される範囲内とされており、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ、Ｃｒ（％）−Ｓｉ（％）−Ｎｉ（％）−Ｃｕ（％）が３．００％以上である。特定成分の種類、その含有率を規定した理由は、次の通りである。なお、以下の含有率の単位は重量％である。

（１）Ｃ：０．１０〜０．４０％
Ｃは、鋼のＦｅと結合して炭化物Ｆｅ_３Ｃを形成し、鋼を高強度化する。その効果を得るには、Ｃの含有率は、０．１０％以上、好ましくは０．１５％以上とするのが良い。０．１０％未満では、心部にフェライトが生成し、強度が低下する。一方、Ｃの含有率が高くなると、炭化物の生成量が多くなり、加工性、特に被削性が低下する。よって、Ｃの含有率は、０．４０％以下、好ましくは０．２５％以下とするのが良い。

（２）Ｓｉ：０．０１〜０．２０％
Ｓｉは、焼入性に寄与する元素である。焼入性が低下すると、強度が低下する。焼入性が低下しないようにするためには、Ｓｉの含有率は、０．０１％以上とするのが良い。一方、Ｓｉの含有率が高くなると、炭化物析出量が減少して強度が低下する。そのため、Ｓｉの含有率は、０．２０％以下、好ましくは０．１％以下とするのが良い。

（３）Ｍｎ：０．２０〜２．００％
Ｍｎは、鋼を高強度化する働きを有する。その効果を得るには、Ｍｎの含有率は、０．２０％以上とするのが良い。０．２０％未満では、心部にフェライトが生成し、強度が低下する。一方、Ｍｎの含有率が高くなると、加工性、特に被削性が低下する。よって、Ｍｎの含有率は、２．００％以下、好ましくは１．５％以下とするのが良い。

（４）Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、鋼の脆化に影響する元素である。そのため、Ｐの含有率は、０．０３０％以下、好ましくは０．０２０％以下とするのが良い。

（５）Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、Ｐと同様に、鋼の脆化に影響する元素である。そのため、Ｓの含有率は、０．０３０％以下、好ましくは０．０２０％以下とするのが良い。

（６）Ｃｕ：０．０１〜０．２０％
Ｃｕは、Ｓｉと同様、炭化物析出量を減少させる元素である。そのため、Ｃｕの含有率は、０．２０％以下、好ましくは０．１０％以下とするのが良い。一方、Ｃｕの含有率が０．０１％未満では、心部にフェライトが生成し、強度が低下する。よって、Ｃｕの含有率は、０．０１％以上とするのが良い。

（７）Ｎｉ：０．０１〜０．５０％
Ｎｉは、Ｓｉ、Ｃｕと同様、炭化物析出量を減少させる元素である。そのため、Ｎｉの含有率は、０．５０％以下、好ましくは０．２０％以下とするのが良い。一方、Ｎｉの含有率が０．０１％未満では、心部にフェライトが生成し、強度が低下する。よって、Ｎｉの含有率は、０．０１％以上とするのが良い。

（８）Ｃｒ：３．００超〜６．００％
Ｃｒは、炭化物析出量を増加させる元素である。炭化物析出量を増加させれば、強度が向上する。その効果を得るには、Ｃｒの含有率は、３．００％超とするのが良い。３．００％以下では、炭化物析出量が減少し、強度が低下する。一方、Ｃｒの含有率が高くなると、加工性、特に被削性が低下する。よって、Ｃｒの含有率は、６．００％以下、好ましくは５．００％以下とするのが良い。

（９）Ｍｏ：０．０１〜６．００％
Ｍｏは、焼入性に寄与する元素である。焼入性が低下すると、強度が低下する。焼入性が低下しないようにするためには、Ｍｏの含有率は、０．０１％以上、好ましくは０．１％以上とするのが良い。０．０１未満では、焼入性が低下して強度が低下する。一方、Ｍｏの含有率が高くなると、加工性、特に被削性が低下する。よって、Ｍｏの含有率は、６．００％以下、好ましくは３．００％以下とするのが良い。

（１０）Ｖ：０．０１〜２．００％
Ｖは、Ｍｏと同様、焼入性に寄与する元素である。その効果を得るには、Ｖの含有率は、０．０１％以上とするのが良い。０．０１未満では、焼入性が低下して強度が低下する。一方、Ｖの含有率が高くなると、加工性、特に被削性が低下する。よって、Ｖの含有率は、２．００％以下、好ましくは１．００％以下とするのが良い。

本発明に係る浸炭用鋼において、炭化物の析出量を増大させるためには、上記Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｕの含有率は、Ｃｒ（％）−Ｓｉ（％）−Ｎｉ（％）−Ｃｕ（％）が３．００％以上であるのが良い。その理由を以下に述べる。

すなわち、本発明者らが真空浸炭やプラズマ浸炭の機構について調べたところ、浸炭ガスから生成した黒鉛が鋼材表面に付着して、付着した黒鉛が鋼材に吸収される過程で反応が進んでいるということが分かった。このとき、表面に付着した黒鉛と鋼材内部の炭素濃度とは平衡しており、ＳｉやＣｕ、Ｎｉが炭素の活量を上げるので、ＳｉやＣｕ、Ｎｉが多いと、付着した黒鉛が鋼材に吸収されない方向に平衡が寄る結果、黒鉛から鋼材への吸収がしづらいものとなる。一方、Ｃｒは、付着した黒鉛が鋼材に吸収される方向に平衡を寄せる働きがある。

つまり、ＳｉやＣｕ、Ｎｉの含有量を減らし、Ｃｒの含有量を増やせば、付着した黒鉛が鋼材に吸収される方向に平衡が寄って、黒鉛から鋼材への吸収がしやすくなるからである。よって、Ｃｒ（％）−Ｓｉ（％）−Ｎｉ（％）−Ｃｕ（％）が特定の値以上となることとした。

本発明に係る浸炭用鋼は、上述した構成元素に加えて、さらに以下の元素から選択される１種または２種以上の元素を任意に含んでいても良い。これらの元素の含有率を特定した理由は、以下の通りである。

＜１＞Ａｌ：０．０１〜０．２０％
Ａｌは、結晶粒を微細化し強度を向上させる元素である。その効果を得るには、Ａｌの含有率は、０．０１％以上とするのが良い。一方、Ａｌの含有率が高くなると、鋼中でアルミナが生じるので強度が低下する。よって、Ａｌの含有率は、０．２０％以下とするのが良い。

＜２＞Ｎｂ：０．０１〜０．２０％
Ｎｂは、炭化物や窒化物などを形成して加熱時のオーステナイト結晶粒を微細化して靭性の向上に寄与する。その効果を得るには、Ｎｂの含有率は、０．０１％以上とするのが良い。一方、Ｎｂの含有率が高くなると、炭化物等の過剰生成によって靭性が低下する。よって、Ｎｂの含有率は、０．２０％以下とするのが良い。

＜３＞Ｔｉ：０．０１〜０．２０％
Ｔｉは、Ｎｂと同様、炭化物や窒化物などを形成して加熱時のオーステナイト結晶粒を微細化して靭性の向上に寄与する。その効果を得るには、Ｔｉの含有率は、０．０１％以上とするのが良い。一方、Ｔｉの含有率が高くなると、炭化物等の過剰生成によって靭性が低下する。よって、Ｔｉの含有率は、０．２０％以下とするのが良い。

＜４＞Ｎ：０．００１〜０．０５％
Ｎは、鋼中で窒化物を生成し、結晶粒の粗大化を抑制する作用を有している。その効果を得るには、Ｎの含有率は、０．００１％以上とするのが良い。Ｎの含有率が高くなると、窒化物が介在物となって、鍛造時や熱間加工時に割れを起こしやすくなるので、Ｎの含有率は、０．０５％以下とするのが良い。

＜５＞Ｂ：０．０００１〜０．０１％
Ｂは、焼入性を向上させる元素である。その効果を得るには、Ｂの含有率は、０．０００１％以上とするのが良い。０．０００１％未満では、焼入性が低下して強度が低下する。一方、Ｂの含有率が高くなると、鋼中でＢＮが生じるので強度が低下する。よって、Ｂの含有率は、０．０１％以下とするのが良い。

次に、本発明に係る浸炭用鋼の製造方法の一例について説明する。本発明に係る浸炭用鋼を得るには、上述した化学組成となるように各原料を秤量する。次いで、高周波誘導炉などの溶解炉で、上述する化学組成となる鋼種を溶製した後、熱間鍛造、熱間圧延などにより所望の形状にする。なお、必要に応じて、固溶化処理、焼きならし処理等を行なっても良い。固溶化処理としては、１０００〜１２００℃で行ない、焼きならし処理としては、９００〜１１００℃で行うと良い。

一方、本発明に係る浸炭部材は、本発明に係る浸炭用鋼を真空浸炭またはプラズマ浸炭してなり、表面から深さ方向１０μｍの範囲での炭化物体積率が４０％以上であるものからなる。好ましくは、表面から深さ方向１０μｍの範囲での炭化物体積率が５０％以上、より好ましくは６０％以上、さらに好ましくは７０％以上である。炭化物体積率が高くなればなるほど強度が向上するからである。

本発明においては、従来より行なわれている共析浸炭よりも高濃度に炭素を導入できる高濃度浸炭処理を行なう。高濃度処理としては、ガス浸炭よりも高濃度に炭素を導入できる真空浸炭やプラズマ浸炭を用いる。浸炭に用いるガスとしては、プロパンやアセチレンなど通常用いられる炭化水素ガスを使用することができる。

これまでも、真空浸炭やプラズマ浸炭により浸炭処理が行なわれることはあったが、真空浸炭やプラズマ浸炭の機構がはっきり分かっていなかったため、炭化物の量を増やすための方法が明確になっていなかった。そのため、従来の浸炭用鋼には、ある程度のＳｉやＮｉを含んでおり、鋼材表面から深さ方向１０μｍの範囲での炭化物体積率を４０％以上にすることができなかった。

これに対し、本発明に係る浸炭用鋼を用いれば、上述する理由により、鋼材表面から深さ方向１０μｍの範囲での炭化物体積率を４０％以上にすることが可能となっている。

真空浸炭においては、例えば、減圧可能な加熱炉内に所望の形状とした浸炭用鋼を配置し、炉内を減圧・加熱した後、炭化水素ガスを炉内に導入し、炭化水素ガスの熱分解により発生した炭素を浸炭用鋼表面にしみこませる。その後、しみこんだ炭素を浸炭用鋼表面から内部へ拡散させる。浸炭用鋼を浸炭した後は、必要に応じて焼き戻しなどを行なう。

真空浸炭処理の温度は、８００〜１１００℃、圧力は、１〜１０００Ｐａとし、炉内に導入する炭化水素ガスの圧力は、５００〜２０００Ｐａ、浸炭時間１分〜３時間、拡散時間０分〜３時間とすると良い。また、焼き戻しする温度は、１００〜２５０℃、時間は、３０分〜５時間とするとが良い。

また、プラズマ浸炭においては、例えば、処理室に所望の形状とした浸炭用鋼を配置し、排気後にアルゴンなどの希釈ガスとともに炭化水素ガスを導入する。炉内を加熱した後、直流高電圧を印加して保持する。このとき、導入された炭化水素ガスはプラズマ化し、陰極付近で急激に電位が低下する。このため、プラズマ中の炭素は、イオン化した状態で陰極降下によって加速され、鋼表面に衝突して黒鉛を形成し、鋼に浸炭される。

プラズマ浸炭の温度は、８００〜１１００℃とする。また、炉内に導入する炭化水素ガス濃度は、５０〜１００％とする。そして、直流高電圧は、１００〜２００Ｖとする。

以上により、表面から深さ方向１０μｍの範囲での炭化物体積率が４０％以上とすることで、表面強度に優れるものとなる。

なお、ここでいう炭化物体積率とは、一定範囲の鋼材中における炭化物の体積の割合であり、炭化物体積率は、鋼材表面に対して垂直に切断した断面上の炭化物面積率と同値とした。炭化物面積率は、鋼材表面の一定範囲における炭化物の占める割合である。

そして、本発明に係る浸炭部材は、表面炭素濃度が３．５〜７．０％の範囲内にあることが好ましい。上述のように、本発明に係る浸炭用鋼によれば、鋼材表面の炭化物濃度を高くすることができるため、表面炭素濃度も高くなる。そして、表面炭素濃度を３．５〜７．０％の範囲内とすれば、表面強度に優れるものとなる。

以上により説明した本発明に係る浸炭部材の用途は、特に限定されるものではないが、例えば、自動車などの車両の歯車、シャフト、等速ジョイント、ＣＶＴ部品などを例示することができる。

以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。

表１に示す化学組成となるようにした鋼種を高周波誘導炉で溶製した後、１５０ｋｇの鋼塊に鋳造した。これを１１５０℃で熱間鍛造にてφ８８ｍｍの丸棒に加工し、所定長さに切断して熱間鍛造にて下記形状のギアとした後、真空浸炭処理を行なった。真空浸炭は、炉内を１Ｐａに減圧し、炉内温度を１０５０℃にして、浸炭（アセチレンガス供給）２分・拡散１０分の操作を３回繰返して行なった。焼入れ後、８５０℃で、浸炭５分拡散５分の操作を５回繰返し、再焼入れした。浸炭処理後、１８０℃１時間の焼戻しをし、浸炭処理された各化学組成のギアを用いて下記ギア耐久試験を行ない、ピッチング強度を評価した。

〔ギア形状〕
モジュール２．５、歯数３０、ピッチ円径８２．７５３ｍｍ、歯幅２０ｍｍ、ネジレ角２５°とした。

〔ギア耐久試験〕
上記ギアに負荷をかけて回転させ、１０^７回でピッチング破壊に至るピッチ円状での面圧で評価。回転速度は３６００回／分とした。

〔評価方法〕
炭化物体積率
鋼材表面に対して垂直に切断した試料をナイタール、ピクラル等を用いてエッチングし、断面上の炭化物面積率を求め、炭化物面積率を炭化物体積率と同値とした。
炭化物面積率
ＳＥＭで３０００倍で撮影した写真を用い、画像解析して定量化した。測定視野の面積は１．２×１０^−３ｍｍ^２である。

表面炭素濃度
蛍光Ｘ線分光法により、鋼表面の炭素の定量分析を行なった。

表１に、実施例、比較例に係る浸炭用鋼の化学組成を、表２に、実施例、比較例に係る浸炭処理されたギアの試験結果を示す。

表１および表２から、比較例２に係る浸炭用鋼はＳｉ含有率が特定範囲より高く、比較例４に係る浸炭用鋼はＮｉ含有率が特定範囲より高い。また、比較例１〜４に係る浸炭用鋼はＣｒ含有率が特定範囲より低い。そして、比較例１〜４に係る浸炭用鋼は、Ｃｒ（％）−Ｓｉ（％）−Ｎｉ（％）−Ｃｕ（％）の値が３．００％未満となっている。そのため、浸炭処理されたギア表面に析出する炭化物の量が低く、表面から深さ方向１０μｍの範囲での炭化物体積率は２０％前後であり、表面炭素濃度は２％程度であった。その結果、ピッチング強度に劣ることが分かる。

これに対し、実施例１〜１５に係る浸炭用鋼は特定成分の含有率を特定範囲内としており、かつ、Ｃｒ（％）−Ｓｉ（％）−Ｎｉ（％）−Ｃｕ（％）の値が３．００％以上である。そのため、浸炭処理されたギア表面に析出する炭化物の量は高くなり、表面から深さ方向１０μｍの範囲での炭化物体積率は４０％以上、表面炭素濃度は３．５％以上であった。その結果、ピッチング強度に優れることが分かった。表面から深さ方向１０μｍの範囲での炭化物体積率が６０％以上、さらには７０％以上のものは、特にピッチング強度に優れることが分かった。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

Claims

重量％で、
Ｃ：０．１０〜０．４０％、
Ｓｉ：０．０１〜０．２０％、
Ｍｎ：０．２０〜２．００％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｕ：０．０１〜０．２０％、
Ｎｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｃｒ：３．００超〜６．００％、
Ｍｏ：０．０１〜６．００％、
Ｖ：０．０１〜２．００％であり、
残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ、Ｃｒ（％）−Ｓｉ（％）−Ｎｉ（％）−Ｃｕ（％）が３．０％を超えることを特徴とする浸炭用鋼。
Ａｌ：０．０１〜０．２０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．２０％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２０％、
Ｎ：０．００１〜０．０５％、および、
Ｂ：０．０００１〜０．０１％、
から選択される１種または２種以上をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の浸炭用鋼。
請求項１または２に記載の浸炭用鋼を真空浸炭またはプラズマ浸炭してなり、表面から深さ方向１０μｍの範囲での炭化物体積率が４０％以上であることを特徴とする浸炭部材。
表面炭素濃度が３．５〜７．０％の範囲内にあることを特徴とする請求項３に記載の浸炭部材。