JP3476097B2

JP3476097B2 - 浸炭用鋼および浸炭部材

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Publication number: JP3476097B2
Application number: JP21908594A
Authority: JP
Inventors: 志保福元
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1994-09-13
Filing date: 1994-09-13
Publication date: 2003-12-10
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: JPH0881740A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷間鍛造金型、摺動部
材等の過酷な条件下に適用するため、浸炭処理してから
用いられる浸炭用鋼（軸受鋼を除く）およびこれを用い
た浸炭部材（軸受部材を除く）を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】工具あるいは摺動部材において、表面の
耐摩耗性を高めるために硬さを高めた材料を使用する場
合、表面に発生したクラックが進展し、欠け等の発生に
より寿命にいたる場合が多い。上述したクラックの進展
を抑制するためには、材料の靭性を高めれば良いのであ
るが、靭性と硬さは相反する関係であり、靭性を高めれ
ば硬さが低下し、摩耗によって寿命が短くなるという問
題が生ずることになる。従来、冷間鍛造用金型等の鍛造
用工具あるいは摺動部材に対して、耐摩耗性や耐熱性を
付与し、かつ靭性を高めるという目的に対しては、熱処
理の変更や合金組成の変更により対応されてきた。

【０００３】最近、従来の単純な熱処理や合金元素の添
加ではなく、表面を窒化処理や浸炭処理して上述のクラ
ックの進展を抑制する新たな技術が開発され注目されて
いる。たとえば、特開昭６１−２３６９２３号に記載さ
れるように、表面を浸炭して熱処理をすることによって
表面に残留圧縮応力を付与するとともに、表面硬度およ
び高温硬さを高め、浸炭されない内部は低炭素であるが
ために硬度が低く靭性に優れた組成を残しておく技術が
開示されている。特に、この低炭素の浸炭用鋼に浸炭す
る技術は、表面の残留圧縮応力によって高硬度の表面に
発生したクラックの進展を抑制できるとともに、低硬度
の靭性が高い非浸炭部である芯部を存在させることによ
り、芯部でのクラックの進展をも抑制できるという優れ
た技術である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した浸炭して使用
するための材料、すなわち浸炭用鋼は、浸炭後にあって
は材料の内部にそのままの組成で存在するものである。
材料内部を構成する材料としては、浸炭した表面に加わ
る負荷に耐えられるだけの十分な強度が必要であり、そ
のためには内部の硬さをある程度確保する必要がある。
そして浸炭用鋼としては、最も重要な特性である靭性の
確保および浸炭する表面に十分な硬さが得られることも
必要である。

【０００５】上述した特開昭６１−２３６９２３号によ
れば、浸炭して用いられる軸受鋼としてＣｒ−Ｍｏ−Ｖ
系であって、Ｍ５０よりもＣ量の低い、Ｃ０．１１−
０．１５，Ｍｏ３．０−４．５，Ｃｒ４．０−４．２
５，Ｖ１．１−１．３，Ｎｉ３．２−３．６、残部Ｆｅ
用からなる浸炭用鋼が開示されている。本発明者がこの
材料を検討したところ、浸炭後の材料内部を構成する素
材としては、さらなる靭性の確保が必要であった。本発
明の目的は、内部硬さを浸炭用鋼に必要な程度に高めて
も、クラックの進展の抑制が可能である、極めて靭性の
高い浸炭用鋼およびこれを用いた浸炭部材を提供するこ
とである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、浸炭して用
いられる浸炭用鋼に着目し、その成分、組織、靭性、硬
さの関係を研究し、Ｖを従来よりも低めの特定範囲に規
制すると、硬さを低下させることなく、靭性を飛躍的に
向上させることができることを見いだし本発明に到達し
た。

【０００７】すなわち本発明は、軸受鋼を除いて、重量
％で、Ｃ０．４％以下，Ｃｒ２〜７％、ＷまたはＭｏの
１種または２種をＷ当量（Ｗ＋２Ｍｏ）として３〜２０
％、Ｖ０．５〜０．８５％含有するＦｅ基のマルテンサ
イト系鋼であり、浸炭して用いられ、浸炭部以外の内部
の硬さがＨＲＣ５３．４以下であることを特徴とする浸
炭用鋼である。

【０００８】また好ましくは軸受鋼を除いて、重量％
で、Ｃ０．１〜０．４％，Ｓｉ２％以下、Ｍｎ２％以
下、Ｃｒ２〜７％、ＷまたはＭｏの１種または２種をＷ
当量（Ｗ＋２Ｍｏ）として３〜１８％、Ｖ０．５〜０．
８５％含有し、残部実質的にＦｅおよび不可避的不純物
からなる組成とする。また望ましくはＦｅの一部を５％
以下のＮｉで置換する。またＦｅの一部を１０％以下の
Ｃｏで置換しても良い。

【０００９】本発明の浸炭部材は、軸受部材を除いて、
上述した浸炭用鋼の表面の一部または全部に浸炭層が形
成され、浸炭層が形成された表面の硬さはＨＲＣ６０以
上、浸炭部以外の内部は、ＨＲＣ５３．４以下であるこ
とを特徴とする浸炭部材である。

【００１０】

【作用】本発明の最大の特徴の一つは、高速度工具鋼の
組成からＣを低め浸炭して使用される浸炭用鋼のＶ量を
０．５〜０．８５％という低めに規制したことである。
このＶの規制により本発明の浸炭用鋼は、硬さをほとん
ど落とすことなく、極めて高い靭性を得ることができる
ものである。

【００１１】本発明におけるＶの規定によって硬さを低
下させず、著しく靭性が向上する理由は不詳であるが、
熱処理（焼入れ、焼戻し）後のマトリクスの微細な２次
硬化析出物の種類と形態によるものと推測される。本発
明において、Ｖが高いと、靭性が著しく低下するため
０．８５％以下と規定した。また、０．５％未満である
と靭性は向上するものの、浸炭された層のＶ添加による
高温焼戻しにおける十分な２次硬化が得られなくなり、
しいては耐摩耗性、耐熱性の向上が劣化してしまい結果
として寿命特性を劣化させてしまうので好ましくない。
したがって、本発明におけるＶの下限は０．５％と規定
した。

【００１２】以下Ｖ以外の各元素の規定理由について述
べる。ＣはＶについで重要な元素であり、浸炭して用い
られる本発明鋼の基本的な靭性と硬さを決定する元素で
ある。Ｃはマルテンサイト変態による焼入れ硬化後の硬
さを高める。また、オーステナイト安定化元素であり、
オーステナイト化温度でのδフェライトが生成するのを
抑える効果がある。一方、Ｃ量を高めるすぎると、硬さ
が高くなりすぎ、靭性が劣化する。本発明においては、
浸炭されて使用されるため、浸炭されない芯部の靭性の
確保が最も重要であり、残留炭化物の生成過多による靭
性の低下を防ぐため、Ｃの上限を０．４％とした。ま
た、δフェライトの生成を抑制するためには、好ましく
は０．１％以上とする。

【００１３】Ｃｒはマトリクスと炭化物の両方に固溶
し、マトリクスの焼入れ性の確保、炭化物の焼入れ時の
基地への固溶の促進、浸炭される表面の高硬度化に有効
な元素である。Ｃｒは２％未満では焼入れ焼戻し後の硬
さがＨＲＣ４０以上が得られないため、下限値を２％と
した。また７％以上添加すると、δフェライトが安定
し、靭性を著しく劣化するため７％以下と規定した。

【００１４】ＷとＭｏは、浸炭用鋼の浸炭部の硬さを高
め、また耐熱性を付与するという点で同一の作用を有す
る元素である。重量比でＭｏ１％はＷ２％と等価であ
り、Ｗ当量（Ｗ＋２Ｍｏ）として規定する。ＷまたはＭ
ｏは浸炭されることによって、微細なＭ６Ｃ型炭化物を
形成し、硬い浸炭層を形成する。また微細な炭化物によ
りオーステナイト結晶粒が粗大化が防止されるため靭性
の確保にも有効である。しかし、Ｗ当量を高めていくと
浸炭部の硬さが上がるが、浸炭されない芯部の硬さも硬
くなり、クラックの進展速度を速めてしまう。また、Ｗ
当量が高すぎるとδフェライトが安定化し、靭性を著し
く劣化する。本発明では、浸炭用鋼として充分な表面硬
さをえるために、Ｗ当量は３％以上と規定し、充分な靭
性を確保するためにＷ当量の上限を２０％とした。好ま
しいＷ当量の上限は１８％である。

【００１５】Ｓｉは、脱酸元素として、あるいは硬さや
耐熱性を向上させる元素として知られており、添加する
ことが好ましい。添加する場合には２％を超えると靭性
が劣化するので上限を２％とした。Ｍｎは、脱酸元素と
して、あるいはＭｎＳとして析出させ、不純物として含
有されるＳの有害性を抑える効果がある。添加する場合
には２％を超えると靭性を劣化するため、２％を上限と
する。

【００１６】Ｎｉは、δフェライトの生成を著しく抑え
るとともに、浸炭表面の硬さの変化を緩やかにする効果
があり、疲労寿命特性を向上するのに極めて有効な添加
可能元素である。しかし、５％を超えるとＡ１変態点が
下がり、焼きなまし硬さを上げ、被削性等を劣化するた
め添加する場合には、５％以下とする。

【００１７】Ｃｏは、主にマトリックスに固溶し、硬さ
と耐熱性を向上させる効果がある。ただし、添加量を増
やしていくと、強度と靭性は漸減する。特に高硬度が要
求される本発明の部材に添加するのが望ましい元素であ
る。Ｃｏの１０％以上の添加は、靭性が劣化し過ぎて、
本発明の部材として不適となるので上限は１０％とし
た。

【００１８】また本発明においては、具体的な添加元素
としてＮｂがある。Ｎｂは合金組織の微細化に効果のあ
る元素であり、浸炭用鋼の靭性を高めるためには有効で
ある。Ｎｂは添加し過ぎると、硬さが高くなりすぎ、ク
ラックの進展速度を速めてしまうため、添加する場合
は、０．５％以下とする。

【００１９】Ｎｉを含有する場合の本発明の浸炭用鋼の
好ましい具体的な組成範囲の一例を示すと、重量％で、
Ｃ０．１〜０．４％，Ｓｉ２％以下、Ｍｎ２％以下、Ｎ
ｉ５％以下、Ｃｒ２〜７％、ＷまたはＭｏの１種または
２種をＷ当量（Ｗ＋２Ｍｏ）として３〜１８％、Ｖ０．
５〜０．８５％含有し、残部実質的にＦｅからなる鋼で
ある。さらに、Ｎｂを含有する場合の本発明の浸炭用鋼
の好ましい具体的な組成範囲の一例を示すと、重量％
で、Ｃ０．１〜０．４％，Ｓｉ２％以下、Ｍｎ２％以
下、Ｎｉ５％以下、Ｃｒ２〜７％、ＷまたはＭｏの１種
または２種をＷ当量（Ｗ＋２Ｍｏ）として３〜１８％、
Ｖ０．５〜０．８５％含有し、Ｎｂ０．５％以下、残部
実質的にＦｅからなる鋼である。

【００２０】本発明は、上述した規定を満足した浸炭用
鋼を浸炭することにより、浸炭層の表面硬さはＨＲＣ６
０以上、浸炭部以外の内部硬さはＨＲＣ５３．４以下に
することができる。また、本発明の浸炭用鋼は浸炭処理
と、その後の熱処理により表面に圧縮応力を残留させる
ことができる。この圧縮応力場によって、表面のクラッ
クの進展が抑制できるととともに、高い靭性を有する内
部によって、内部でのクラックの進展も防止できるた
め、寿命特性を著しく向上することができる。

【００２１】

【実施例】

（実施例１）表１に示す本発明の浸炭用鋼および比較鋼
を、真空溶解法にて溶製し、その後、ソーキング処理を
施することによって得た。得られた浸炭用鋼に対して、
浸炭後の部材の内部を構成する材料としての特性を評価
するため、浸炭処理を行わずシャルピー衝撃試験片用に
１５mm×１５mmに圧延し、焼入れ焼戻し処理を行ない評
価試料とした。なお焼入れ、焼戻しは、１１００℃で焼
入れ、高温焼戻しで２次硬化が得られるピーク硬さが得
られる焼戻し温度より１０℃高めの温度で処理したもの
である。得られた評価試料に対して、硬さの測定および
シャルピー衝撃試験を行なった。

【００２２】結果を表１に示す。また、浸炭部材として
の評価を行うため、φ２４ｍｍに加工した浸炭用鋼に対
して、９５０℃で４８時間の浸炭処理を行い、表面から
１ｍｍ除去した後、上述した焼入れ焼戻し処理を行い、
約２．５ｍｍの浸炭層を有する浸炭部材を得た。得られ
た浸炭部材は、Ｘ線による分析から表面に圧縮応力が残
留していることが確認された。また浸炭部材の表面硬さ
を測定した結果を表１に示す。さらに高温での軟化抵抗
を評価するため、焼戻し温度を６５０℃に変え、表面硬
さを評価した。

【００２３】

【表１】

【００２４】測定結果を表１に示す。本発明の浸炭用鋼
は、Ｖ量の高い比較鋼（試料Ｎｏ１８）に比べて、同等
もしくはそれ以上の硬さを有するにもかかわらず、約２
倍〜４倍という極めて高い衝撃値を有しており、浸炭用
鋼として優れていることがわかる。また、本発明の浸炭
用鋼では、Ｃを高めて硬度を高めた（試料Ｎｏ２および
３）においても、極めて高い衝撃値を有するものであ
る。本発明の浸炭用鋼よりも、さらにＣが高い比較鋼試
料Ｎｏ１９はＶ量が本発明の規定範囲であっても、硬さ
が高くなり衝撃値が低下して好ましくないものであるこ
とがわかる。

【００２５】Ｖの添加量を変えた本発明の浸炭用鋼であ
る試料Ｎｏ１、４、参考の浸炭用鋼である試料Ｎｏ５か
らＶ量が１％を超えると衝撃値が低下する傾向があるこ
とがわかる。また、本発明の浸炭用鋼のＶの規定範囲よ
りもＶ量の少ない比較鋼の試料Ｎｏ．２０は、衝撃値は
高いものの、表面を浸炭したときに、十分な２次硬化が
得られておらず、また高温における軟化抵抗も劣化する
ため好ましくないものである。Ｗ，Ｃｒ、Ｃｏの添加量
を変えた本発明の試料Ｎｏ６、７、８、９、１０、１
１、１２、１６および１７においても、Ｖが本発明の範
囲よりも高い比較鋼Ｎｏ１８より大幅に優れた衝撃値を
有することがわかる。

【００２６】また、Ｎｉの添加量を変えた、試料Ｎｏ１
３，１４および１５から、Ｎｉの増加とともに衝撃値が
高くなっており、靭性を確保するためにＮｉの添加が有
効であることがわかる。また表１の本発明の浸炭部材の
表面硬さはＨＲＣ６０以上が確保できており、耐摩耗性
を確保できる高い硬さを有する表面と、靭性の極めて高
い内部で構成された浸炭部材が構成できたことがわか
る。６５０℃で焼戻した時の硬さ（軟化抵抗）を測定し
たところ、本発明鋼に対し、Ｖが０．３４％である比較
材Ｎｏ２０は著しく軟化している。本発明鋼は、耐熱性
のためには軟化抵抗が高いほど良いので、Ｖが０．５％
未満では最高硬さが６０ＨＲＣに到達せず、しかも軟化
抵抗が低いので、好ましくないことがわかる。

【００２７】（実施例２）表１の発明鋼Ｎｏ１、２、および比較鋼Ｎｏ１８に示す
成分にて、同様に試料を作製した。浸炭せずに焼入れ温
度を１１００℃とし、３００℃から６００℃間の所定温
度で焼戻し、焼戻し温度と靭性の関係を調べた。靭性
は、実施例１と同様にシャルピー衝撃試験によって得ら
れる衝撃値で評価した。その結果を図１に示す。Ｖの高
い比較鋼Ｎｏ１８に対し、Ｖの低い本発明の浸炭用鋼Ｎ
ｏ１は靭性に優れている。また、本発明の浸炭鋼Ｎｏ２
は本発明の内、Ｃを高く調整したものであり、内部硬さ
を高めたものである。Ｃを高めたため、衝撃値はやや低
くなる。しかし、５３０℃で焼き戻すとＨＲＣ５２の高
い硬さとともに、Ｖの高い比較鋼Ｎｏ１８よりも高い衝
撃値が得られており、Ｖを低めた本発明の浸炭用鋼はＣ
により硬さを高めても、高い靭性を確保できることがわ
かる。

【００２８】

【発明の効果】本発明の浸炭用鋼によれば、浸炭されて
浸炭部材となったとき、極めて優れた靭性特性と、十分
な強度を保つことができるため、従来の浸炭部材の寿命
特性を飛躍的に向上することが可能となる。したがっ
て、冷間鍛造金型、摺動部材、パンチやエンドミル等の
工具としてクラックの発生が予想される過酷な条件下に
適用する浸炭用鋼として極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明鋼と比較鋼の焼戻し温度と靭性の関係を
示す図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】軸受鋼を除いて、重量％で、Ｃ０．４％
以下，Ｃｒ２〜７％、ＷまたはＭｏの１種または２種を
Ｗ当量（Ｗ＋２Ｍｏ）として３〜２０％、Ｖ０．５〜
０．８５％含有するＦｅ基のマルテンサイト系鋼であ
り、浸炭して用いられ、浸炭部以外の内部の硬さがＨＲ
Ｃ５３．４以下であることを特徴とする浸炭用鋼。
【請求項２】軸受鋼を除いて、重量％で、Ｃ０．１〜
０．４％，Ｓｉ２％以下、Ｍｎ２％以下、Ｃｒ２〜７
％、ＷまたはＭｏの１種または２種をＷ当量（Ｗ＋２Ｍ
ｏ）として３〜１８％、Ｖ０．５〜０．８５％含有し、
残部実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなり、浸炭
して用いられ、浸炭部以外の内部の硬さがＨＲＣ５３．
４以下であることを特徴とする浸炭用鋼。
【請求項３】請求項１ないし２のいずれかに記載のＦ
ｅの一部を５％以下のＮｉで置換したことを特徴とする
浸炭用鋼。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載のＦ
ｅの一部を１０％以下のＣｏで置換したことを特徴とす
る浸炭用鋼。
【請求項５】軸受部材を除いて、請求項１ないし４の
いずれかに記載の浸炭用鋼の表面の一部または全部に浸
炭層が形成され、浸炭層が形成された表面の硬さはＨＲ
Ｃ６０以上、浸炭部以外の内部の硬さはＨＲＣ５３．４
以下であることを特徴とする浸炭部材。