JP2022184163A - 浸炭部品 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高Ｃｒであっても安定な浸炭層が得られる浸炭部品の提供。【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．１０～０．４０％、Ｓｉ：０．２０～０．８０％、Ｍｎ：０．２０～０．６０％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．６０～５．００％、Ａｌ：０．００３～０．０５０％、Ｎ：０．００５～０．０２０％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、浸炭された状態であって、Ｏ量が５％以上含まれる表面近傍の領域を表面からのスケール厚みとした場合に、スケール厚みのいずれの深さにおいてもスケール内に含有されるＭｎ量が１０％未満であって、その表面の硬さが７００Ｈｖ以上であって、その表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０～１．００％である浸炭部品。【選択図】 図２
Description
本発明は、浸炭部品に関する。とりわけ、特に高Ｃｒ鋼材を用いながら浸炭阻害の発生が抑制可能な浸炭部品に関する。
浸炭焼入れは代表的な鋼材の表面硬化処理の１つであり、歯車や軸受などの高い疲労強度・耐摩耗性が必要とされる浸炭部品に用いられている。このような部品の鋼材としては、日本産業規格（ＪＩＳ）に規定されるＳＣＭ４２０やＳＣＲ４２０といった鋼が一般的には用いられている。もっとも、昨今の部品の使用環境はより過酷化しつつあるので、さらなる浸炭部品の長寿命化や高強度化が求められている。
そこで、これまでにも、質量％で、Ｃ：０．１０～０．３５％、Ｓｉ：０．４０～０．８０％、Ｍｎ：０．１５～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．２０～２．５０％、Ｎｉ：０．２０％以下、Ｍｏ：０．１０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、該鋼はガス浸炭した時に最大粒界酸化の深さＤ1が１０μｍ以下、合金欠乏層である不完全焼入層の最大深さＤ2が８～２０μｍ、かつＤ2－Ｄ1が２～１5μｍであり、浸炭異常層の残った状態の浸炭肌を有することを特徴とする耐ピッチング特性に優れた機械構造用肌焼鋼が提案されている（特許文献１参照。）。
この提案は、ピッチングの起点となりうる粒界酸化の深さまでマルテンサイトよりも軟質な不完全焼き入れ層が覆うことで、粒界酸化を不完全焼き入れ層と一緒に摩耗させ、長寿命化する方策である。
この提案は、ピッチングの起点となりうる粒界酸化の深さまでマルテンサイトよりも軟質な不完全焼き入れ層が覆うことで、粒界酸化を不完全焼き入れ層と一緒に摩耗させ、長寿命化する方策である。
また、質量％で、Ｃ：０．１０～０．３５％、Ｓｉ：０．２５～０．８０％、Ｍｎ：０．３０～１．８０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｃｒ：２．００～３．５０％、Ｍｏ：０．０４～０．５０％、Ａｌ：０．００３～０．１００％、Ｎ：０．００２～０．０５０％を含有し、Ｓｉ＋０．５Ｃｒ≧１．５かつＳｉ、Ｃｒ、Ｍｏの合計量が３．０％以上を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるものとし、浸炭処理または浸炭窒化処理ならびに焼入焼戻し処理を行った際の、表面から２０μｍにおけるＣ濃度を、０．７～１．０％とし、同じくＭｓ≦２１５℃以下とし、残留γ量が体積％で２０≦γ≦５０％である、特に歯車の水素浸入環境化での使用の際に耐ピッチング特性に優れた歯車用はだ焼鋼が提案されている（特許文献２参照。）。
これは、脆化の原因となる水素の拡散速度を抑制させる残留γを安定化させ、歯車の耐ピッチング特性を向上させる方策である。
これは、脆化の原因となる水素の拡散速度を抑制させる残留γを安定化させ、歯車の耐ピッチング特性を向上させる方策である。
また、質量％で、Ｃ：０．１３～０．３５％、Ｓｉ：０．２０～０．６５％、Ｍｎ：０．５０～１．８０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：２．３０～３．５０％を含有し、さらに、Ｎｉ：０．１０～０．５０％、Ｍｏ：０．０３～０．５０％から選択した１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、図２に示す浸炭焼入パターンおよび焼戻し後の該鋼の最表面から１００～３００μｍの母相成分中に固溶したＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏの合計は３．０％以上であり、さらに残留γ量は２０～５０ｖｏｌ％であって、その他残部はマルテンサイト組織である、耐白色組織変化はく離寿命に優れる軸受用鋼が提案されている（特許文献３参照。）。
これは、水素環境下において、水素を起因とする白色組織変化を抑制することで軸受の剥離寿命を向上させる技術である。
これは、水素環境下において、水素を起因とする白色組織変化を抑制することで軸受の剥離寿命を向上させる技術である。
また、質量％で、Ｃ：０．１０～０．３０％、Ｓｉ：０．２０～０．５０％、Ｍｎ：０．２０～１．２０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：２．６０～４．５０％、Ｍｏ：０．１０～０．４０％、Ｎｉ：０．２０％以下、Ｃｕ：０．２０％以下を含有し、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物である合金鋼からなり、任意の切断面で面積３２０ｍｍ２当たりに存在する直径１０μｍ以上の酸化物系介在物が１０個以下である素材を、所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化と焼入れ焼戻しを行って得られる風力発電設備用転がり軸受が提案されている（特許文献４参照。）。
これは高Ｃｒとすることで水素によるマルテンサイトからフェライトへの組織変化を抑制し、高強度化を達成する技術である。
これは高Ｃｒとすることで水素によるマルテンサイトからフェライトへの組織変化を抑制し、高強度化を達成する技術である。
いずれの提案においても、Ｃｒは１．２０％を上回る量で添加させる必要がある。このように部品の長寿命化や高強度化を図る方策として、ＣｒをＪＩＳに規定する鋼以上に含有させることを念頭に置くものである。
もっとも、これら提案の技術はいずれも高Ｃｒであることから、浸炭した際に鋼材の表面にＣｒ酸化物が形成されやすく、浸炭時に炭素の侵入が阻害されてしまうリスクが顕在化してしまう問題がある。
そこで、Ｃｒ酸化物層を所定の厚さ以下にすることで無害化しようとする方策が提案されている（特許文献５参照。）。また、浸炭前にＣｒ酸化物形成の原因となる、Ｃｒの濃化が生じる加工変質層を除去する方策も提案されている（特許文献６参照。）。
しかしながら、こうした提案では、いずれにしても浸炭条件に左右されることから、完全に阻害を避けることができるとはいい難く、未だに十分な改善方法が確立されていないのが現状である。
そこで、本発明が解決する課題は、浸炭条件に左右されず、高Ｃｒ材でありつつも浸炭阻害を抑制した浸炭部品を提供することである。
上記の課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討の結果、Ｃｒと同時にＭｎの酸化物も浸炭特性に悪影響を与え、さらにその浸炭特性への作用はＣｒ酸化物による影響よりも大きいことが判明した。
そして、鋼の成分を本発明成分の範囲とし、低Мｎとすると、浸炭中に浸炭特性にとって特に有害なＭｎ酸化物ができにくくなるので、浸炭条件に大きく左右されることなく、部品を長寿命化するための浸炭後の表面硬さと表面炭素量が安定に規定を満たした浸炭部品を提供することができることを見出した。
そして、鋼の成分を本発明成分の範囲とし、低Мｎとすると、浸炭中に浸炭特性にとって特に有害なＭｎ酸化物ができにくくなるので、浸炭条件に大きく左右されることなく、部品を長寿命化するための浸炭後の表面硬さと表面炭素量が安定に規定を満たした浸炭部品を提供することができることを見出した。
そこで、本発明の課題を解決するための第１の手段は、
質量％で、Ｃ：０．１０～０．４０％、Ｓｉ：０．２０～０．８０％、Ｍｎ：０．２０～０．６０％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．６０～５．００％、Ａｌ：０．００３～０．０５０％、Ｎ：０．００５～０．０２０％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、浸炭された状態であって、
Ｏ量が５％以上含まれる表面近傍の領域を表面からのスケール厚みとした場合に、スケール厚みのいずれの深さにおいてもスケール内に含有されるＭｎ量が１０％未満であって、
その表面の硬さが７００Ｈｖ以上であって、
表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０～１．００％である浸炭部品である。
質量％で、Ｃ：０．１０～０．４０％、Ｓｉ：０．２０～０．８０％、Ｍｎ：０．２０～０．６０％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．６０～５．００％、Ａｌ：０．００３～０．０５０％、Ｎ：０．００５～０．０２０％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、浸炭された状態であって、
Ｏ量が５％以上含まれる表面近傍の領域を表面からのスケール厚みとした場合に、スケール厚みのいずれの深さにおいてもスケール内に含有されるＭｎ量が１０％未満であって、
その表面の硬さが７００Ｈｖ以上であって、
表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０～１．００％である浸炭部品である。
その第２の手段は、
質量％で、Ｃ：０．１０～０．４０％、Ｓｉ：０．２０～０．８０％、Ｍｎ：０．２０～０．６０％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．６０～５．００％、Ａｌ：０．００３～０．０５０％、Ｎ：０．００５～０．０２０％を主成分とし、
さらに、選択的付加的成分として Ｎｂ:０．０２～０．１０％、Ｎｉ：５．００％以下，Ｍｏ：１．００％以下，Ｔｉ：０．２０％以下，Ｂ：０．０１０～０．０５０％のうち、少なくとも１種類を含有し、
残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、
浸炭された状態であって、
Ｏ量が５％以上含まれる表面近傍の領域を表面からのスケール厚みとした場合に、スケール厚みのいずれの深さにおいてもスケール内に含有されるＭｎ量が１０％未満であって、
その表面の硬さが７００Ｈｖ以上であって、
表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０～１．００％である浸炭部品である。
５０～１．００％であること、を特徴とする浸炭部品である。
質量％で、Ｃ：０．１０～０．４０％、Ｓｉ：０．２０～０．８０％、Ｍｎ：０．２０～０．６０％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．６０～５．００％、Ａｌ：０．００３～０．０５０％、Ｎ：０．００５～０．０２０％を主成分とし、
さらに、選択的付加的成分として Ｎｂ:０．０２～０．１０％、Ｎｉ：５．００％以下，Ｍｏ：１．００％以下，Ｔｉ：０．２０％以下，Ｂ：０．０１０～０．０５０％のうち、少なくとも１種類を含有し、
残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、
浸炭された状態であって、
Ｏ量が５％以上含まれる表面近傍の領域を表面からのスケール厚みとした場合に、スケール厚みのいずれの深さにおいてもスケール内に含有されるＭｎ量が１０％未満であって、
その表面の硬さが７００Ｈｖ以上であって、
表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０～１．００％である浸炭部品である。
５０～１．００％であること、を特徴とする浸炭部品である。
本発明によると、高Ｃｒ鋼材でありながらも、Ｍｎ酸化物の生成を抑制することで、浸炭条件に左右されにくく、浸炭条件に特段の工夫をせずとも、一般的な浸炭条件であれば、浸炭阻害が抑制された浸炭部品を得ることができる。
そこで、本発明によると、浸炭後に７００Ｈｖ以上の優れた表面硬さであって、表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０～１．００％である適正な炭素濃度分布の浸炭部品を得ることができる。
そこで、本発明によると、浸炭後に７００Ｈｖ以上の優れた表面硬さであって、表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０～１．００％である適正な炭素濃度分布の浸炭部品を得ることができる。
本発明の実施の形態の説明に先だって、まず、本発明の浸炭部品に用いる鋼材の化学組成を規定した理由を以下に説明する。以下の％は質量％である。
Ｃ：０．１０～０．４０％
Ｃは、機械構造用部品として浸炭処理後の浸炭層ならびに芯部強度を確保するために必要な元素である。０．１０％未満ではその効果が十分に得られず、反対に０．４０％を超えると芯部の靭性を低下させる。そのためＣの含有量を０．１０～０．４０％とする。より望ましくはＣは０．１５～０．３０％とする。
Ｃは、機械構造用部品として浸炭処理後の浸炭層ならびに芯部強度を確保するために必要な元素である。０．１０％未満ではその効果が十分に得られず、反対に０．４０％を超えると芯部の靭性を低下させる。そのためＣの含有量を０．１０～０．４０％とする。より望ましくはＣは０．１５～０．３０％とする。
Ｓｉ：０．２０～０．８０％
Ｓｉは、鋼の溶製時の脱酸に必要な元素であり、焼き入れ性を向上させる効果を持つ元素である。０．２０％未満では脱酸効果が十分でなく、０．８０％を超えると加工性を低下させる。そのためＳｉの含有量を０．２０～０．８０％とする。より望ましくはＳｉは０．３５～０．６５％とする。
Ｓｉは、鋼の溶製時の脱酸に必要な元素であり、焼き入れ性を向上させる効果を持つ元素である。０．２０％未満では脱酸効果が十分でなく、０．８０％を超えると加工性を低下させる。そのためＳｉの含有量を０．２０～０．８０％とする。より望ましくはＳｉは０．３５～０．６５％とする。
Ｍｎ：０．２０～０．６０％
Ｍｎは、本発明において最も重要な元素成分である。鋼の溶製時の脱酸に必要な元素であるとともに、焼入性を向上させる元素である。Ｍｎは０．２０％未満では脱酸効果が十分でなく、０．６０％を超えると浸炭阻害が生じうるスケールが生成してしまう。そのためＭｎの含有量を０．２０～０．６０％とする。より好ましくはＭｎは０．２０～０．４０％とする。
Ｍｎは、本発明において最も重要な元素成分である。鋼の溶製時の脱酸に必要な元素であるとともに、焼入性を向上させる元素である。Ｍｎは０．２０％未満では脱酸効果が十分でなく、０．６０％を超えると浸炭阻害が生じうるスケールが生成してしまう。そのためＭｎの含有量を０．２０～０．６０％とする。より好ましくはＭｎは０．２０～０．４０％とする。
Ｐ：≦０．０３０％
Ｐは不可避的不純物であり、０．０３０％を超えると、粒界偏析によって靱性が低下することとなる。そこで、Ｐは０．０３０％以下とする。
Ｐは不可避的不純物であり、０．０３０％を超えると、粒界偏析によって靱性が低下することとなる。そこで、Ｐは０．０３０％以下とする。
Ｓ：≦０．０３０％
Ｓは不可避的不純物であり、０．０３０％を超えると、ＭｎＳの形成によって靱性が低下し、疲労強度も低下する。そこで、Ｓは０．０３０％以下とする。
Ｓは不可避的不純物であり、０．０３０％を超えると、ＭｎＳの形成によって靱性が低下し、疲労強度も低下する。そこで、Ｓは０．０３０％以下とする。
Ｃｒ：１．６０～５．００％
Ｃｒは焼き入れ性向上を向上させる元素である。鋼の焼き入れ性を確保するためにＣｒは１．６０％以上の添加が必要である。しかし、Ｃｒを５．００％を超えて添加すると、鋼材表面にＣｒ系主体の酸化被膜が形成し、浸炭条件によらず、浸炭を阻害することとなる。そこで、Ｃｒは１．６０～５．００％とし、より望ましくはＣｒは１．７０～３．００％とする。
Ｃｒは焼き入れ性向上を向上させる元素である。鋼の焼き入れ性を確保するためにＣｒは１．６０％以上の添加が必要である。しかし、Ｃｒを５．００％を超えて添加すると、鋼材表面にＣｒ系主体の酸化被膜が形成し、浸炭条件によらず、浸炭を阻害することとなる。そこで、Ｃｒは１．６０～５．００％とし、より望ましくはＣｒは１．７０～３．００％とする。
Ａｌ：０．００３～０．０５０％
Ａｌは、脱酸のために必要な元素である。しかし、Ａｌは０．００３％未満ではその効果が十分に得られず、Ａｌの添加量を増やすと、鋼中に生成されるアルミナ系介在物が増加することにより、疲労強度が低下する。そのためＡｌの含有量を０．００３～０．０５０％とする。より望ましくはＡｌを０．０１０～０．０３０％とする。
Ａｌは、脱酸のために必要な元素である。しかし、Ａｌは０．００３％未満ではその効果が十分に得られず、Ａｌの添加量を増やすと、鋼中に生成されるアルミナ系介在物が増加することにより、疲労強度が低下する。そのためＡｌの含有量を０．００３～０．０５０％とする。より望ましくはＡｌを０．０１０～０．０３０％とする。
Ｎ：０．００５～０．２００％
ＮはＡｌ、Ｎｂ、Ｔｉ等と結合して窒化物を形成しやすく、結晶粒微細化に有効で、疲労強度を高める効果がある。これらの効果を得るためにはＮは、０.００５％以上の添加が必要である。しかし、Ｎは０．２００％を超えて添加すると窒化物が析出しすぎてしまい疲労強度が低下する。そこでＮの含有量は、０．００５～０．２００％とする。より望ましくはＮを０．０５０～０．１５０％とする。
ＮはＡｌ、Ｎｂ、Ｔｉ等と結合して窒化物を形成しやすく、結晶粒微細化に有効で、疲労強度を高める効果がある。これらの効果を得るためにはＮは、０.００５％以上の添加が必要である。しかし、Ｎは０．２００％を超えて添加すると窒化物が析出しすぎてしまい疲労強度が低下する。そこでＮの含有量は、０．００５～０．２００％とする。より望ましくはＮを０．０５０～０．１５０％とする。
以下、選択的付加的成分について説明する。
Ｎｂ：０．０２～０．１０％
Ｎｂは選択的付加的成分の１つである。Ｃ、Ｎと炭窒化物を形成し、ピンニング効果により結晶粒が微細化することで疲労強度が向上する元素である。もっとも、Ｎｂ含有量が高すぎれば、鋼の靭性が低下する。そこで、Ｎｂを添加する場合は、０．０２～０．１０％とする。
Ｎｂは選択的付加的成分の１つである。Ｃ、Ｎと炭窒化物を形成し、ピンニング効果により結晶粒が微細化することで疲労強度が向上する元素である。もっとも、Ｎｂ含有量が高すぎれば、鋼の靭性が低下する。そこで、Ｎｂを添加する場合は、０．０２～０．１０％とする。
Ｎｉ：５．００％以下
Ｎｉは選択的付加的成分の１つである。Ｎｉは鋼の焼入れ性を高めるのに有効な元素であるが、高価であるため、工業上その含有量の最小化が求められている。そのため、Ｎｉの添加は５．００％以下とする。
Ｎｉは選択的付加的成分の１つである。Ｎｉは鋼の焼入れ性を高めるのに有効な元素であるが、高価であるため、工業上その含有量の最小化が求められている。そのため、Ｎｉの添加は５．００％以下とする。
Ｍｏ：１．００％以下
Ｍｏは選択的付加的成分の１つである。Ｍｏは焼き入れ性の向上および靭性の向上に有効な元素である。もっとも、Ｍｏが過多になると加工性の低下および素材コストの上昇につながってしまう。そのためＭｏの添加は１．００％以下とする。
Ｍｏは選択的付加的成分の１つである。Ｍｏは焼き入れ性の向上および靭性の向上に有効な元素である。もっとも、Ｍｏが過多になると加工性の低下および素材コストの上昇につながってしまう。そのためＭｏの添加は１．００％以下とする。
Ｔｉ：０．２０％以下
Ｔｉは選択的付加的成分の１つである。ＴｉはＣ、Ｎと炭窒化物を形成し、ピンニング効果により結晶粒が微細化することで疲労強度が向上する。もっとも、Ｔｉ含有量が高すぎれば、鋼の靭性が低下する。そのため、Ｔｉの添加は０．２０％以下とする。
Ｔｉは選択的付加的成分の１つである。ＴｉはＣ、Ｎと炭窒化物を形成し、ピンニング効果により結晶粒が微細化することで疲労強度が向上する。もっとも、Ｔｉ含有量が高すぎれば、鋼の靭性が低下する。そのため、Ｔｉの添加は０．２０％以下とする。
Ｂ：０．０１０～０．０５０％
Ｂは選択的付加的成分の１つである。Ｂは焼き入れ性を向上させるとともにＰの粒界析出を阻害することで靭性を向上させる働きを有する元素である。この効果を得るためにはＢを０．０１０％以上添加することが望ましい。もっとも、Ｂが０．０５０％を超えるとその効果は飽和する。そこで添加するＢの添加は０．０１０～０．０５０％とする。
Ｂは選択的付加的成分の１つである。Ｂは焼き入れ性を向上させるとともにＰの粒界析出を阻害することで靭性を向上させる働きを有する元素である。この効果を得るためにはＢを０．０１０％以上添加することが望ましい。もっとも、Ｂが０．０５０％を超えるとその効果は飽和する。そこで添加するＢの添加は０．０１０～０．０５０％とする。
次に、本発明に規定する鋼材を浸炭した浸炭部品の浸炭後の表面の性状について規定した理由を述べる。
Ｏ量が５％以上含まれる表面近傍の領域を表面からのスケール厚みとした場合に、スケール厚みのいずれの深さにおいてもスケール内に含有されるＭｎ量が１０％未満であること：
スケール内に含有されるＭｎ量は、浸炭時の浸炭阻害抑制のための指標である。この指標のＭｎ量が１０％を上回ると、部品を浸炭する際、炭素の侵入がＭｎ酸化物に阻害され、浸炭後に硬さが得られにくくなる。スケール内部のいずれの深さでもＭｎ量が１０％以下であることを満足していると、浸炭した際に、浸炭条件に左右されることなく、特有の浸炭条件を用いずとも、浸炭阻害の発生を抑制することができる。
スケール内に含有されるＭｎ量は、浸炭時の浸炭阻害抑制のための指標である。この指標のＭｎ量が１０％を上回ると、部品を浸炭する際、炭素の侵入がＭｎ酸化物に阻害され、浸炭後に硬さが得られにくくなる。スケール内部のいずれの深さでもＭｎ量が１０％以下であることを満足していると、浸炭した際に、浸炭条件に左右されることなく、特有の浸炭条件を用いずとも、浸炭阻害の発生を抑制することができる。
浸炭後の最表面の硬さが７００Ｈｖ以上：
浸炭部品の表面硬さが７００Ｈｖ未満であると、浸炭部品、例えば歯車や軸受などにおいて、所定の強度特性が得られず、部品の寿命が短くなる。そこで、浸炭された最表面硬さは７００Ｈｖ以上と規定する。
浸炭部品の表面硬さが７００Ｈｖ未満であると、浸炭部品、例えば歯車や軸受などにおいて、所定の強度特性が得られず、部品の寿命が短くなる。そこで、浸炭された最表面硬さは７００Ｈｖ以上と規定する。
浸炭後の表面から５００μｍ深さまでの炭素量は０.５０％～１.００％とすること：
浸炭後の表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０％未満であると、浸炭が正常に行えておらず、疲労強度が低くなる。また、表面から５００μｍ深さまでの炭素量が１．００％を超えると炭化物が析出しすぎてしまい、効果が飽和する。したがって、浸炭後の表面から５００μｍ深さまでの炭素量は０.５０％～１.００％とする
浸炭後の表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０％未満であると、浸炭が正常に行えておらず、疲労強度が低くなる。また、表面から５００μｍ深さまでの炭素量が１．００％を超えると炭化物が析出しすぎてしまい、効果が飽和する。したがって、浸炭後の表面から５００μｍ深さまでの炭素量は０.５０％～１.００％とする
（実施例）
表１に示された化学組成からなる鋼種名Ａ～Ｍの１００ｋｇ鋼塊を、それぞれ真空溶解炉にて溶製した。その後、これらＡ～Ｍの各鋼を１２５０℃で１２時間以上ソーキングを行い、熱間鍛造して直径３２ｍｍの棒鋼に製造し、９００℃で４時間保持した後空冷して焼きならし処理を行うことで供試材を得た。
表１に示された化学組成からなる鋼種名Ａ～Ｍの１００ｋｇ鋼塊を、それぞれ真空溶解炉にて溶製した。その後、これらＡ～Ｍの各鋼を１２５０℃で１２時間以上ソーキングを行い、熱間鍛造して直径３２ｍｍの棒鋼に製造し、９００℃で４時間保持した後空冷して焼きならし処理を行うことで供試材を得た。
これらの供試材を、図１に示す寸法に加工し、図２に示す浸炭条件が異なる３条件でそれぞれガス浸炭することで試験片を得た。ここで、浸炭条件１は通常用いられる浸炭条件であり、浸炭条件２は浸炭温度が低めであり、浸炭条件３は浸炭時間を短めに設定している。
＜評価項目＞
浸炭後の試験片の特性については、（１）表面～Ｏ量が５％以上含まれる範囲までをスケール厚みとしたときに、スケール内部のＭｎ量（グロー放電発光分光分析装置を用いて測定）、（２）浸炭後の表面硬さ（Ｈｖ硬さ試験機を用いて測定）、（３）浸炭後の表面炭素濃度（浸炭後に試験片を切り出し、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて測定）をそれぞれ評価した。以下に、詳細な測定方法について説明する。
浸炭後の試験片の特性については、（１）表面～Ｏ量が５％以上含まれる範囲までをスケール厚みとしたときに、スケール内部のＭｎ量（グロー放電発光分光分析装置を用いて測定）、（２）浸炭後の表面硬さ（Ｈｖ硬さ試験機を用いて測定）、（３）浸炭後の表面炭素濃度（浸炭後に試験片を切り出し、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて測定）をそれぞれ評価した。以下に、詳細な測定方法について説明する。
（１）スケール内部のＭｎ量の測定に用いた「グロー放電発光分光分析装置」とは、高電圧に印加したＡｒイオンを試料表面に衝突（スパッタ）させ、はじき出した原子をプラズマ状態に励起させることで生じる光の波長と強度を検出することで、試料深さ方向の元素の定量・定性分析が実施可能な装置である。
今回の実施例では、浸炭ままの試験片をグロー放電発光分光分析装置にセットし、スパッタ条件に関して、φ２ｍｍの銅電極、Ａｒガス圧を６００Ｐａ、高周波印加電圧を２５Ｗで実施し、スケールに含まれるＭｎの量を測定した。
今回の実施例では、浸炭ままの試験片をグロー放電発光分光分析装置にセットし、スパッタ条件に関して、φ２ｍｍの銅電極、Ａｒガス圧を６００Ｐａ、高周波印加電圧を２５Ｗで実施し、スケールに含まれるＭｎの量を測定した。
（２）また、各試験片に対して、Ｈｖ硬さ試験機を用いて浸炭面の任意の箇所を５回、荷重３００ｋｇｆで測定し、その測定結果の平均値を当該試験片の浸炭後の表面硬さ（ビッカース硬さ）とした。
（３）浸炭後の試験片を半割し、切断面が表面に現れるように導電性樹脂に埋め込み、研磨をした。その後、ＥＰＭＡを用いて、浸炭された表面から深さ方向に５００μｍ深さまでの炭素量を１０μｍ間隔で測定し、その平均値を表面炭素濃度とした。この値が０．５０～１．００％を満たすかを評価する。
鋼種Ａ～Ｍの化学成分の鋼からなる試験片に対して浸炭条件１～３にて浸炭し、各浸炭後の試験片に対して、上記（１）、（２）、（３）の評価を行った。各試験片の評価結果を表２に示す。
本発明鋼の化学成分からなる鋼種Ａ～Ｊは、浸炭条件１～３のいずれの試験片についても、スケール内のＭｎ量がいずれの深さでも１０％を超えることはなかったので、浸炭阻害が生じることはなく、また、浸炭後の表面硬さは７００Ｈｖ以上であり、表面炭素濃度も０．５０～１．００％であった。したがって、特段な浸炭条件を見出さずとも、一般的な浸炭によって、十分な強度が得られるので、疲労寿命が確保されることとなる。
他方、比較鋼の化学成分からなる鋼種Ｋ～Ｍでは、そのほとんどがスケール内の最大Ｍｎ量が１０％を超えており、１０％を超えた試験片はいずれも表面硬さが得られておらず、表面炭素濃度も不足しているなど、浸炭が阻害されるものとなった。
鋼種Ｋは、Ｍｎの含有量が０．６０％、Ｃｒの含有量が５．００％を超えており、ＣｒおよびＭｎのスケールが十分に生成してしまい、浸炭阻害が生じやすくなっているためと思われる。また、鋼種ＬはＣｒの含有量が５％を超えており、浸炭した際に鋼材の表面にＣｒ酸化物が形成するため、炭素の侵入が阻害されてしまい、硬さが得られなかったものと思われる。鋼種Ｍは、Ｍｎの量が０．６０％を超えており、鋼材表面にＭｎ系主体の酸化被膜が形成し、浸炭条件によらず、浸炭を阻害したため、硬さが得られず、表面炭素濃度も低かったと思われる。
１ 試験片
Claims (2)
- 質量％で、Ｃ：０．１０～０．４０％、Ｓｉ：０．２０～０．８０％、Ｍｎ：０．２０～０．６０％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．６０～５．００％、Ａｌ：０．００３～０．０５０％、Ｎ：０．００５～０．０２０％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、浸炭された状態であって、
Ｏ量が５％以上含まれる表面近傍の領域を表面からのスケール厚みとした場合に、スケール厚みのいずれの深さにおいてもスケール内に含有されるＭｎ量が１０％未満であって、
その表面の硬さが７００Ｈｖ以上であって、
その表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０～１．００％である
浸炭部品。 - 質量％で、Ｃ：０．１０～０．４０％、Ｓｉ：０．２０～０．８０％、Ｍｎ：０．２０～０．６０％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．６０～５．００％、Ａｌ：０．００３～０．０５０％、Ｎ：０．００５～０．０２０％を主成分とし、
さらに、選択的付加的成分として Ｎｂ:０．０２～０．１０％、Ｎｉ：５．００％以下，Ｍｏ：１．００％以下，Ｔｉ：０．２０％以下，Ｂ：０．０１０～０．０５０％のうち、少なくとも１種類を含有し、
残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、浸炭された状態であって、
Ｏ量が５％以上含まれる表面近傍の領域を表面からのスケール厚みとした場合に、スケール厚みのいずれの深さにおいてもスケール内に含有されるＭｎ量が１０％未満であって、
その表面の硬さが７００Ｈｖ以上であって、
表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０～１．００％である浸炭部品。
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2021
- 2021-05-31 JP JP2021091852A patent/JP2022184163A/ja active Pending
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