JP2015183227A - 真空浸炭用鋼材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
C :0.15〜0.35%(質量%の意味。以下、化学成分組成について同じ。)、
Si:0.6〜2.0%、
Mn:0.3〜1.3%、
S :0.020%以下(0%を含まない)、
P :0.015%以下(0%を含まない)、
Cr:0.7〜1.7%、
Mo:0.3〜0.8%、
V :0.10〜0.4%、
Al:0.005〜0.05%、
N :0.004〜0.025%
を含有し、残部が鉄および不可避不純物であって、
バナジウム炭化物の平均円相当径が25nm以下であることを特徴とする真空浸炭用鋼材である。
上記したいずれかに記載の化学成分組成を有する鋼を、
1200℃以上で30〜300分保持して分塊圧延し、
熱間圧延前の加熱温度を950℃以上、加熱保持時間を30分〜5時間として熱間圧延することを特徴とする真空浸炭用鋼材の製造方法である。
上記したいずれかに記載の化学成分組成を有し、
表面粒界酸化層深さが3μm以下であり、
400℃で焼戻した時の表面硬さがビッカース硬さで600以上である浸炭部品である。該浸炭部品は面疲労強度に優れている。
上記したいずれかに記載の化学成分組成を有し、
表面粒界酸化層深さが3μm以下であり、
表面から30μm深さ位置までの残留応力積分値が40MPa・mm以上であり、
400℃で焼戻した時の表面硬さがビッカース硬さで600以上である浸炭部品である。該部品は面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れている。
上記したいずれかに記載の真空浸炭用鋼材を、真空浸炭、焼入れ焼戻し及びショットピーニングする浸炭部品の製造方法であって、
ショットピーニングの投射材の粒径が0.10〜0.5mmであり、
前記投射材の硬さがビッカース硬さで800〜1000である面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れた浸炭部品の製造方法である。
Cは、鋼材に強度を付与できる元素である。必要な強度を得るため、C量を0.15%以上と定めた。C量は、好ましくは0.17%以上であり、より好ましくは0.19%以上である。一方、C量が過剰になると被削性及び靭性が低下する。従ってC量を0.35%以下と定めた。C量は、好ましくは0.33%以下であり、より好ましくは0.31%以下である。
Siは、焼戻し軟化抵抗向上元素として作用し、歯車などにおいて駆動中に接触部位の温度が上昇した際に、軟化抑制によって硬さを維持し、ピッチング強度などの疲労強度向上、耐摩耗性向上に寄与する。こうした効果を有効に発揮させるため、Si量を0.6%以上と定めた。Si量は、好ましくは0.8%以上であり、より好ましくは1.0%以上である。しかしながら、Si量が過剰になると強度上昇が著しくなって、冷間加工性及び被削性が低下する。そこで、Si量を2.0%以下と定めた。Si量は、好ましくは1.8%以下であり、より好ましくは1.6%以下である。
Mnは、脱酸剤や脱硫剤、および焼入れ性向上元素として添加される。そのような効果を有効に発揮させるため、Mn量を0.3%以上と定めた。Mn量は、好ましくは0.4%以上であり、より好ましくは0.5%以上である。しかしながら、Mn量が過剰になると、冷間鍛造性や靭性の低下を招くと共に、被削性も劣化する。そこで、Mn量は1.3%以下と定めた。Mn量は、好ましくは1.2%以下であり、より好ましくは1.1%以下である。
Sは、不可避不純物として鋼中に含まれる元素であり、MnSとして析出し、疲労特性や衝撃特性を低下させるため極力低減することが望ましい。しかしながら、極端に低減することは製鋼コストの増大を招くことになる。こうした観点から、S量を0.020%以下と定めた。S量は、好ましくは0.015%以下であり、より好ましくは0.010%以下である。上述の通り、Sは不可避的に含まれる不純物であり、その量を0%にすることは工業生産上困難であり、S量の下限は0.0005%程度である。
Pは、不可避不純物として鋼中に含まれる元素であり、粒界に偏析し、加工性や疲労特性を低下させるため極力低減することが望ましい。しかしながら、極端に低減することは製鋼コストの増大を招くことになる。こうした観点から、P量を0.015%以下と定めた。P量は、好ましくは0.010%以下であり、より好ましくは0.008%以下である。上述の通り、Pは不可避的に含まれる不純物であり、その量を0%にすることは工業生産上困難であり、P量の下限は0.0005%程度である。
Crは、Mnと同様に焼入れ性向上元素として添加され、また焼戻し軟化抵抗元素として作用する。こうした効果を有効に発揮させるため、Cr量を0.7%以上と定めた。C量は、好ましくは0.8%以上であり、より好ましくは0.9%以上である。しかしながら、Cr量が過剰になると、冷間鍛造性や靭性の低下を招くと共に、被削性も劣化させる。こうした観点から、Cr量を1.7%以下と定めた。Cr量は、好ましくは1.6%以下であり、より好ましくは1.5%以下である。
Moは、焼戻し時にMo2Cを析出することで、軟化抵抗を向上させる効果を有し、歯車などにおいて駆動中に接触部位の温度が上昇した際に、軟化抑制によって硬さを維持し、ピッチング強度などの疲労強度向上に寄与する。また、Moは靭性を向上させる効果も有している。こうした効果を有効に発揮させるため、Mo量を0.3%以上と定めた。Mo量は、好ましくは0.35%以上であり、より好ましくは0.4%以上である。一方、Mo量が過剰になると、強度上昇が著しくなって、冷間加工性及び被削性が低下する。そこで、Mo量を0.8%以下と定めた。Mo量は、好ましくは0.75%以下であり、より好ましくは0.7%以下である。
Vは、焼戻し時にバナジウム炭化物を析出することで、軟化抵抗を向上させる効果を有し、歯車などにおいて駆動中に接触部位の温度が上昇した際に、軟化抑制によって硬さを維持し、ピッチング強度などの疲労強度向上に寄与する。こうした効果を有効に発揮させるため、V量を0.10%以上と定めた。V量は、好ましくは0.15%以上であり、より好ましくは0.2%以上である。しかしながら、V量が過剰になると強度上昇が著しくなって、冷間加工性及び被削性が低下し、さらに圧延後に粗大なバナジウム炭化物が析出し、真空浸炭処理後の軟化抵抗性向上に寄与しない。そこで、V量を0.4%以下と定めた。V量は、好ましくは0.35%以下であり、より好ましくは0.3%以下である。
Alは、脱酸剤であると同時に、微細なAl系窒化物を形成することにより、結晶粒を微細化し、靭性を向上させる効果も有している。こうした効果を有効に発揮させるため、Al量を0.005%以上と定めた。Al量は、好ましくは0.01%以上であり、より好ましくは0.012%以上である。しかしながら、Al量が過剰になると被削性に悪影響を及ぼし、加工性を低下させる他、粗大な窒化物が生成するため、ピンニング粒子として寄与せず、結晶粒粗大化を引き起こすこととなる。こうした観点から、Al量を0.05%以下と定めた。Al量は、好ましくは0.045%以下であり、より好ましくは0.043%以下である。
Nは、Al等と窒化物を形成し、結晶粒を微細化し、靭性を向上させる効果を発揮する。こうした効果を有効に発揮させるため、N量を0.004%以上と定めた。N量は、好ましくは0.0060%以上であり、より好ましくは0.010%以上である。しかしながら、N量が過剰になると、粗大な窒化物(特にAl系窒化物)が生成してピンニング粒子として寄与せず、結晶粒粗大化を引き起こすこととなる。こうした観点から、N量を0.025%以下と定めた。N量は、好ましくは0.020%以下であり、より好ましくは0.017%以下である。
NbおよびTiは、浸炭後の結晶粒を微細化し、鋼材の靭性を向上させると共に、曲げ疲労強度を向上させるのに有用である。これらの元素は、必要に応じていずれか1種または2種を含有することによって上記の効果が発揮される。こうした効果を有効に発揮させるため、Nb量は0.01%以上が好ましく、Ti量は0.005%以上が好ましい。好ましいNb量及びTi量は、いずれも0.015%以上である。しかしながら、これらの元素が過剰になると、その効果が飽和するだけでなく、粗大な析出物を形成し、強度を低下させる。そこで、Nb量は0.06%以下が好ましく、Ti量は0.2%以下が好ましい。Nb量は0.05%以下がより好ましく、Ti量は0.1%以下がより好ましく、0.08%以下が更に好ましい。
Bは、浸炭処理における焼入れ性を高める作用を有し、また粒界を強化して曲げ疲労強度を向上させる元素である。Bは微量添加により焼入れ性の向上が可能であるため、加工性等への影響が低い。こうした作用を有効に発揮させるため、B量は0.0005%以上が好ましく、より好ましくは0.0008%以上である。しかしながら、B量が過剰になるとNとの結合によりBNを生成して、浸炭部品の強度が低下する。従って、B量は0.005%以下が好ましく、より好ましくは0.0045%以下であり、更に好ましくは0.0040%以下である。
(好ましくは3.4GPa以上)とでき、曲げ疲労強度は、4点曲げ疲労試験における10万回強度(10万回試験した際に破損しない最大の応力)で1260MPa以上(好ましくは1300MPa以上)とできる。従って、このような部品は、自動車や建築機械、その他の各種産業機械にしようされる歯車やシャフト類に好適であり、産業上有用である。
なお、比較となるガス浸炭は、Cp(カーボンポテンシャル:0.8%の浸炭ガス雰囲気中、930℃で浸炭処理した後、油冷し、更に170℃で2時間の焼戻し処理を行った。
熱間圧延材の、D/4位置(Dは圧延材の直径)を横断面に切出し、研磨した後、カーボン蒸着を行い、FE−TEM(Field−Emission Transmission Electron Microscope)によるレプリカ観察を実施した。この際、TEMのEDX(Energy Dispersive X−ray Analysis)によりV及びCの検出される析出物を特定し、10万倍の倍率にて1.0μm×1.2μmの視野の観察を行った。観察は任意の3視野について行い、観察されたバナジウム炭化物の円相当径の算術平均値を、バナジウム炭化物の平均円相当径とした。なお、FE−TEMの測定限界から、測定対象としたバナジウム炭化物の大きさの下限は円相当径でおよそ1nm程度である。
上記した熱間圧延材の表面を研磨してφ26.02mmとしてから浸炭し、再度研磨してφ26mmとした。試験No.26〜34についてはさらにショットピーニングし、400℃焼戻し硬さの測定用の試験片とした。試験No.1〜25については浸炭後の試験片、No.26〜34については浸炭及びショットピーニング後の試験片について、400℃で3時間焼戻しを行い、横断面において表面から50μm位置について、ビッカース硬さ計で硬さを測定した。ビッカース硬さ計の試験荷重は300gfとし、5箇所測定してその算術平均値を求め、これを各試験片の400℃焼戻し硬さとした。
後述する図1の4点曲げ試験片を浸炭し、試験No.26〜34についてはさらにショットピーニングし、残留応力測定用の試験片とした。試験No.1〜25については浸炭後の試験片、No.26〜34については浸炭及びショットピーニング後の試験片について、PSPC(Position−Sensitive Proportional Counter)微小部X線応力測定装置を用いて、試験片のノッチ底表面からそれぞれ10μm、20μm、30μmの位置の残留応力を測定し、下記の計算式によって表面から30μm深さ位置までの残留応力積分値を算出した。PSPC微小部X線応力測定装置の測定条件は、コリメーター径:φ1mm、測定部位:軸方向中央位置、測定方向:円周方向である。
表面から30μm深さ位置までの残留応力積分値σ
={σ(0mm)+σ(0.01mm)}/2×0.01mm
+{σ(0.01mm)+σ(0.02mm)}/2×0.01mm
+{σ(0.02mm)+σ(0.03mm)}/2×0.01mm
但し、σ(Xmm)は、表面からXmmの位置での残留応力の値を意味する。
上記した熱間圧延材の表面を研磨してφ26.02mmとしてから浸炭し、再度研磨してφ26mmとした。試験No.26〜34についてはさらにショットピーニングし、試験片とした。試験No.1〜25については浸炭後の試験片、No.26〜34については浸炭及びショットピーニング後の試験片について、圧延方向に垂直に切出し、樹脂に埋め込んで研磨した後、試験片の最表面を光学顕微鏡(倍率:1000倍)で観察し、粒界酸化層の最も深い位置の深さを測定した。
上記(4)と同様の試験片を準備し、得られた試験片を、面圧:2.7、3.0、3.3GPa、回転数:1500rpm、すべり率:−40%、オートマチックオイル(油温:80℃)使用の条件でローラーピッチング試験を行って、応力S−繰返し数N線図(以下、S−N線図)を作成し、100万回強度(100万回試験した際に破損しない最大の応力を意味する)によりピッチング強度を評価した。このとき用いた相手ローラは、SUJ2からなる調質品(表面硬さ:HV700、クラウニングR:150mm)を用いた。
上記した熱間圧延材から図1に示す形状の試験片を切出してから浸炭し、試験No.26〜34についてはさらにショットピーニングし、曲げ疲労試験用の試験片とした。この試験片を用い、図2に示す通り、4点支持となる治具によって、周波数20Hz、最大応力(繰返し負荷応力):1371、1523、1675、1828MPaの条件で、S−N線図を作成し、このS−N線図に基づいて図3に示す通り10万回強度を求め、その値を曲げ疲労強度とした。
Claims (7)
- C :0.15〜0.35%(質量%の意味。以下、化学成分組成について同じ。)、
Si:0.6〜2.0%、
Mn:0.3〜1.3%、
S :0.020%以下(0%を含まない)、
P :0.015%以下(0%を含まない)、
Cr:0.7〜1.7%、
Mo:0.3〜0.8%、
V :0.10〜0.4%、
Al:0.005〜0.05%、
N :0.004〜0.025%
を含有し、残部が鉄および不可避不純物であって、
バナジウム炭化物の平均円相当径が25nm以下であることを特徴とする真空浸炭用鋼材。 - 更に、
Nb:0.06%以下(0%を含まない)及びTi:0.2%以下(0%を含まない)の1種以上を含有する請求項1に記載の真空浸炭用鋼材。 - 更に、
B:0.005%以下(0%を含まない)を含有する請求項1又は2に記載の真空浸炭用鋼材。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の化学成分組成を有する鋼を、
1200℃以上で30〜300分保持して分塊圧延し、
熱間圧延前の加熱温度を950℃以上、加熱保持時間を30分〜5時間として熱間圧延することを特徴とする真空浸炭用鋼材の製造方法。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の化学成分組成を有し、
表面粒界酸化層深さが3μm以下であり、
400℃で焼戻した時の表面硬さがビッカース硬さで600以上であることを特徴とする面疲労強度に優れた浸炭部品。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の化学成分組成を有し、
表面粒界酸化層深さが3μm以下であり、
表面から30μm深さ位置までの残留応力積分値が40MPa・mm以上であり、
400℃で焼戻した時の表面硬さがビッカース硬さで600以上であることを特徴とする面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れた浸炭部品。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の鋼材を、真空浸炭、焼入れ焼戻し及びショットピーニングする浸炭部品の製造方法であって、
ショットピーニングの投射材の粒径が0.10〜0.5mmであり、
前記投射材の硬さがビッカース硬さで800〜1000であることを特徴とする面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れた浸炭部品の製造方法。
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