JP4927234B2 - 表層硬化鋼部品及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2010年3月19日に、日本に出願された特願2010−064880号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
高炭素浸炭処理と通常浸炭処理との区別はあいまいであり、厳密な区別や一般的な定義は存在しない。本発明では、高炭素浸炭処理を「全浸炭処理時間の50%以上の時間において、C.P.が0.90%以上である浸炭処理」と定義する。
(6)上記(5)の表層硬化鋼部品の製造方法では、前記表層硬化処理用鋼の成分が、更に、質量%で、Ca:0.0005〜0.0030%、Mg:0.0005〜0.0030%、Zr:0.0005〜0.0030%の内の1種または2種以上を含有してもよい。
(7)上記(5)または(6)の表層硬化鋼部品の製造方法では、前記表層硬化処理用鋼の成分が、更に、質量%で、Ca:0.0005〜0.0030%、Mg:0.0005〜0.0030%、Zr:0.0005〜0.0030%の内の1種または2種以上を含有してもよい。
(8)上記(5)〜(7)のいずれかの表層硬化鋼部品の製造方法では、前記表層硬化処理用鋼の成分が、更に、更に、質量%で、V:0.005〜0.50%、Nb:0.005〜0.10%、及びTi:0.005〜0.50%、の1種又は2種以上を含有してもよい。
Cは、部品の心部の硬さを確保するために添加する。C添加量が少ないと、浸炭処理に要する時間が長くなりすぎ、一方、過剰に添加すると、素材の硬さの上昇を通じて、部品の切削・鍛造等の加工を行うときの加工性が顕著に劣化する。本発明では、C量を0.10〜0.60%の範囲にする必要がある。好適なC量の範囲は0.15〜0.30%である。
Siは、浸炭部品のような低温焼戻しマルテンサイト鋼の焼戻し軟化抵抗を顕著に増加することによって、歯面疲労強度を向上するのに有効な元素である。本発明では、Siを、0.01%以上添加する。しかし、Siを過剰に添加すると、ガス浸炭時に、Cr、Si、Mnの複合酸化物が鋼材表面に生成し、浸炭雰囲気から鋼材中への炭素の移行を阻害する。そのため、浸炭層の炭素量が、目標とする値よりも低下する場合がある。また、Siを過剰に添加すると、素材の硬さの上昇を通じて、部品の切削・鍛造等の加工を行うときの加工性が顕著に劣化する。本発明では、Si量を0.01〜2.50%の範囲にする必要がある。好適なSi量の範囲は0.03%〜1.50%、更に好ましくは0.10%〜1.00%である。
Mnは、鋼の焼入れ性を高める効果があるので、浸炭焼入れ時にマルテンサイト組織を得るために、0.20%以上添加する。一方、過剰に添加すると、ガス浸炭時に、Cr、Si、Mnの複合酸化物が鋼材表面に生成し、浸炭雰囲気から鋼材中への炭素の移行を阻害する。そのため、浸炭層の炭素量が目標とする値よりも低下する場合がある。また、過剰に添加すると、素材の硬さの上昇を通じて、部品の切削・鍛造等の加工を行うときの加工性が顕著に劣化する。本発明では、Mn量を0.20〜2.00%の範囲にする必要がある。好適なMn量の範囲は0.40〜1.00%である。
Sは、Mnと結合してMnSを形成し、添加量を増加するほど、被削性を向上させる効果を持つが、過剰に添加すると、MnSが疲労亀裂の伝播経路となって、歯車の曲げ疲労強度が低下する。また、S量を0.0001%以下に制限するには過剰なコストがかかる。従って、本発明では、S量を0.0001〜0.10%の範囲にする必要がある。S量の好適範囲は0.010〜0.02%である。
Crは、添加量が多いほど、高炭素浸炭処理時に、浸炭層に生成する炭化物の析出量が増加する。また、Crの添加量が所定の量以上の場合に、浸炭処理の初期に浸炭層において、微細な(Cr、Fe)23C6、及び/又は(Cr、Fe)3Cが、オーステナイト粒内に析出し易くなり、また、析出量も増加する。浸炭処理の後期には、これらの微細析出物を核としてセメンタイトが析出するので、炭化物の微細分散化と、オーステナイト粒界に沿った粗大な網目状のセメンタイトの抑制に対して、極めて有効な元素であるので、比較的多量に添加する。
Alは、鋼の脱酸のために有効な元素であるとともに、鋼中でNと結合してAlNを形成する。AlNは、オーステナイト結晶粒界をピン止めして粒成長を抑制し、組織の粗大化を防止する働きをする。Alの添加量が少ないと、上記の効果が得られず、過剰に添加しても効果が飽和する。従って、本発明ではAl量を0.001〜0.50%の範囲にする必要がある。Al量の好適な範囲は0.020〜0.15%である。なお、Tiが0.08%以上添加される場合には、TiCの量が増加し、ピン止め効果が十分になるので、Al添加量は0.020%よりも少なくてよい。
Nは、鋼中でAlと結合してAlNを形成する。AlNは、オーステナイト結晶粒界をピン止めして粒成長を抑制して、組織の粗大化を防止する働きをする。Nの添加量が少ないと、上記の効果が得られず、過剰に添加すると、1000℃以上の高温域における延性が低下し、連続鋳造、圧延時の歩留まり低下の原因になる。従って、本発明ではN量を、0.0020〜0.020%の範囲にする必要がある。N量の好適な範囲は0.0050〜0.018%である。
Pは、オーステナイト粒界に偏析して、旧オーステナイト粒界を脆化させて、粒界割れの原因となるので、できるだけ低減することが望ましい。そのため、本発明では、P量を0.050%以下の範囲にする必要がある。P量の好適な範囲は0.015%以下である。P量を0.001%以下に制限するには過剰なコストがかかる。従って、P量の好適な下限は0.001%である。
Oは、酸化物系介在物を形成する。O含有量が多い場合は、疲労破壊の起点となる大きな介在物が増加し、疲労特性の低下の原因となるので、できるだけ低減することが望ましい。そのため、本発明ではO量を0.0030%以下に制限する必要がある。O量の好適範囲は0.0015%以下である。O量を0.0001%以下に制限するには過剰なコストがかかる。そのため、好適なO量の下限は0.0001%である。
Ca、Mg、Zrは必要に応じて本発明の表層硬化処理用鋼に添加可能な任意成分である。Ca、Mg、ZrはMnSの形態制御、及び切削時の切削工具表面における保護被膜形成を通じて鋼の被削性を向上する働きがある。この効果を得るために、Ca、Mg、Zrのうちの1種または2種以上を各0.0005%以上添加してもよい。一方、0.0030%を超えて添加すると、粗大な酸化物や硫化物を形成して部品の疲労強度に悪影響を与える場合がある。従って本発明では、Ca、Mg、Zrのうちの1種または2種以上をそれぞれ0.0005〜0.0030%の範囲で添加してもよい。好適範囲は0.0008〜0.0020%である。本願発明のような比較的Cr添加量の多い鋼種の場合、通常の浸炭用鋼(JISG4053のSCR420、SCM420等)よりも素材の硬さが高めになる。従って、部品を切削加工で成型する場合に、切削工具の寿命が短くなることによって、切削に関わるコストが高くなる場合がある。すなわち、Ca、Mg、Zrを添加することによって切削工具の寿命を延長することができるため、本願発明の高炭素浸炭用にCa、Mg、Zrを添加することは実生産上の効果が大きい。
Moは必要に応じて本発明の表層硬化処理用鋼に添加可能な任意成分である。Moは、鋼の焼入れ性を高める効果があるので、浸炭焼入れ時に、マルテンサイト組織を得るために添加してもよい。Moは、ガス浸炭の雰囲気ガス雰囲気では酸化物を形成せず、窒化物を形成し難いので、Mo添加鋼は、浸炭層表面の酸化物層や窒化物、それに起因する浸炭異常層を生成し難いという優れた特徴がある。しかし、添加コストが高価であるので、過剰の添加は望ましくない。そのため、本発明では、Mo量を0.01〜1.00%の範囲にしてもよい。好適なMo量の範囲は0.10〜0.60%である。
Bは必要に応じて本発明の表層硬化処理用鋼に添加可能な任意成分である。Bは、オーステナイト中に固溶している状態において、微量で、鋼の焼入れ性を大きく高める効果があるので、浸炭焼入れ時に、マルテンサイト組織を得るために添加してもよい。添加量が少なすぎると、上記の効果が得られず、一方、過剰に添加しても、効果が飽和する。従って、本発明ではB量を、0.0005〜0.0050%の範囲にしてもよい。好適なB量の範囲は0.0010〜0.0025%である。
Cuは必要に応じて本発明の表層硬化処理用鋼に添加可能な任意成分である。Cuは、鋼の焼入れ性を高める効果があるので、浸炭焼入れ時に、マルテンサイト組織を得るために添加してもよい。Cuは、ガス浸炭の雰囲気ガス雰囲気では、酸化物や窒化物を形成しない元素であるので、Cu添加鋼は、浸炭層表面の酸化物層や窒化物、それに起因する浸炭異常層を生成し難いという特徴がある。
Niは必要に応じて本発明の表層硬化処理用鋼に添加可能な任意成分である。Niは、鋼の焼入れ性を高める効果があるので、浸炭焼入れ時に、マルテンサイト組織を得るために添加してもよい。Niは、ガス浸炭の雰囲気ガス雰囲気では、酸化物や窒化物を形成しない元素であるので、Ni添加鋼は、浸炭層表面の酸化物層や窒化物、それに起因する浸炭異常層を生成し難いという特徴がある。
Vは必要に応じて本発明の表層硬化処理用鋼に添加可能な任意成分である。Vは、鋼中で、N、Cと結合して、V(C、N)を形成する。V(C、N)は、オーステナイト結晶粒界をピン止めして粒成長を抑制し、組織の粗大化を防止する働きをする。添加量が少ないと、上記の効果が得られず、一方、過剰に添加しても、効果が飽和する。本発明では、Vを0.005〜0.50%の範囲で添加してもよい。V量の好適な範囲は0.05〜0.20%である。
Nbは必要に応じて本発明の表層硬化処理用鋼に添加可能な任意成分である。Nbは、鋼中で、N、Cと結合してNb(C、N)を形成する。Nb(C、N)は、オーステナイト結晶粒界をピン止めして粒成長を抑制し、組織の粗大化を防止する働きをする。添加量が少ないと、上記の効果が得られず、一方、過剰に添加しても、効果が飽和する。本発明では、Nbを0.005〜0.10%の範囲で添加してもよい。Nbの好適な範囲は0.010〜0.050%である。
Tiは必要に応じて本発明の表層硬化処理用鋼に添加可能な任意成分である。Tiは、鋼中で、N、Cと結合して、Ti(C、N)を形成する。Ti(C、N)は、オーステナイト結晶粒界をピン止めして粒成長を抑制し、組織の粗大化を防止する働きをする。添加量が少ないと、上記の効果が得られず、一方、過剰に添加しても、効果が飽和する。本発明では、Tiを0.005〜0.50%の範囲で添加してもよい。Ti量の好適な範囲は0.015〜0.15%である。
鋼中のCr、Si、Mnの各元素量に応じて、ガス浸炭時に、Cr、Si、Mnの複合酸化物が鋼材表面に生成し、浸炭雰囲気から鋼材中への炭素の移行が阻害される。従って、高炭素浸炭において部品の表層部の炭素量を確保し、(Cr、Fe)23C6や(Cr、Fe)3Cを析出させるためには、これら3成分の合計量を一定の範囲で規制するのが望ましい。本発明では、上記3成分の合計含有量を2.0%〜8.0%とする。より望ましい上記3成分の合計含有量は3.0%〜4.5%である。
鋼部品の浸炭層のうち、表面から50μm深さの領域をここでは表層部と呼ぶ。本発明の表層硬化処理鋼部品で、浸炭層の表層部の炭化物の面積率は15%以上である。炭化物の面積率が15%未満の場合は、歯面疲労強度の向上が不十分である。炭化物の面積率の好適範囲は20〜80%である。表層部は(Cr、Fe)23C6及び(Cr、Fe)3Cのうち、1種または2種の析出物を100μm2あたり100個以上有する。
前述のように、高炭素浸炭処理を行った場合、浸炭処理温度が低いほど浸炭処理の初期に浸炭層において微細な(Cr,Fe)23C6、又は/及び(Cr,Fe)3Cがオーステナイト粒内に析出しやすくなり、また析出量も増加する。そして、浸炭処理の後期にはこれらの微細析出物を核としてセメンタイトが析出する。
他方、浸炭処理温度が低い場合は炭素の拡散距離が短いため、有効硬化層深さが浅めになり、所望の有効硬化層深さを得るための浸炭時間が長めになるという欠点がある。しかし、この低温・高炭素浸炭処理の前に、予備浸炭工程を行うことが出来る。この予備浸炭工程は、粗大な網目状のセメンタイトが析出しない浸炭条件であれば、どのような条件で浸炭を行っても、引き続いて行う低温・高濃度浸炭処理に悪影響は与えない。従って、炭素をより深い位置まで拡散させるために、まず通常の条件で浸炭又は浸炭窒化を行い、引き続いて800〜850℃の範囲に降温して高濃度浸炭又は高濃度浸炭窒化処理を施してもよい。この場合、有効硬化層深さの向上と高濃度浸炭による歯面疲労強度の向上が両立できるので、浸炭時間の短縮につながり、生産性の向上を図ることができる。通常浸炭の条件は800〜1100℃の温度範囲で行う必要がある。800℃未満では硬化層深さ向上の効果が得られず、意味がない。1100℃を超えると結晶粒が顕著に粗大化し、浸炭部品としての特性を損なう。好適な温度範囲は900〜1000℃である。浸炭雰囲気のカーボンポテンシャルは0.40〜1.20%の条件で行う必要がある。0.40%未満では硬化層深さ向上の効果が小さく、1.20%を超えると低温・高濃度浸炭処理を施す前に粗大な網目状セメンタイトが析出し、その後消えることはないため、浸炭部品としての特性を損なう。好適なカーボンポテンシャルの範囲は0.60〜1.00%である。
表1、2に示す成分組成を有する転炉溶製鋼を連続鋳造により製造し、必要に応じて、均熱拡散処理を施し、分塊圧延工程を経て、162mm角の圧延素材とした。次に、熱間圧延によって、直径が35mmの棒鋼形状とした。
製造No.43は鋼中のCr、Si、Mnの合計添加量が多すぎるため、ガス浸炭時に、Cr、Si、Mnの複合酸化物が鋼材表面に生成し、浸炭処理後も表面の炭素濃度が全く増加していなかった。このため炭化物も全く析出せず、浸炭部品としての表層の硬さ自体も不足して、ローラーピッチング強度、回転曲げ疲労強度ともに、不十分だった。
Claims (9)
- 浸炭処理、又は浸炭期間の少なくとも一部の期間で窒化を伴う浸炭窒化処理が施された鋼部品であって、
前記鋼部品の非浸炭部の鋼の成分が、質量%で、
C:0.10〜0.60%、
Si:0.01〜2.50%、
Mn:0.20〜2.00%、
S:0.0001〜0.100%、
Cr:2.00〜5.00%、
Al:0.001〜0.50%、
N:0.0020〜0.0200%、
P:0.001〜0.050%、及び、
O:0.0001〜0.0030%、を含有し、
残部がFe及び不可避的不純物からなり、
前記非浸炭部の鋼のCr、Si、Mnの合計含有量が、質量%で2.0≦Cr+Si+Mn≦8.0を満たし、
浸炭層の最表面から50μm深さまでの部分である表層部の炭化物の面積率が15%以上であり、
前記表層部が(Cr、Fe)23C6及び(Cr、Fe)3Cのうち、1種または2種の析出物を、100μm 2 あたり100個以上有し、
前記表層部で、旧γ粒界に沿った10μm以上の網目状炭化物が2.5個/mm2以下である
ことを特徴とする表層硬化鋼部品。 - 非浸炭部の前記鋼の成分が、更に、質量%で、
Ca:0.0005〜0.0030%、
Mg:0.0005〜0.0030%、
Zr:0.0005〜0.0030%
の内の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の表層硬化鋼部品。 - 非浸炭部の前記鋼の成分が、更に、質量%で、
Mo:0.01〜1.00%、
B:0.0005〜0.0050%、
Cu:0.05〜1.00%、及び、
Ni:0.05〜2.00%、
の内の1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の表層硬化鋼部品。 - 非浸炭部の前記鋼の成分が、更に、質量%で、
V:0.005〜0.50%、
Nb:0.005〜0.10%、及び
Ti:0.005〜0.50%、
の1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の表層硬化鋼部品。 - 化学成分が、質量%で、
C:0.10〜0.60%、
Si:0.01〜2.50%、
Mn:0.20〜2.00%、
S:0.0001〜0.10%、
Cr:2.00〜5.00%、
Al:0.001〜0.50%、
N:0.0020〜0.020%、
P:0.001〜0.050%、及び、
O:0.0001〜0.0030%、
を含有し、
残部がFe及び不可避的不純物からなり、
Cr、Si、Mnの合計含有量が、質量%で2.0≦Cr+Si+Mn≦8.0を満たす表層硬化処理用鋼を加工して鋼部品を成型する成型工程と;
処理時間の50%以上の時間において、浸炭雰囲気のカーボンポテンシャルが0.90%以上であるガス浸炭処理、又は当該ガス浸炭処理における浸炭期間の少なくとも一部の期間で窒化を伴うガス浸炭窒化処理を、800〜850℃の温度域で前記鋼部品に施し、浸炭層に、(Cr、Fe)23C6及び(Cr、Fe)3Cの1種又は2種を、100μm 2 あたり100個以上析出させる、浸炭工程と;
前記浸炭工程に続いて、前記ガス浸炭処理又はガス浸炭窒化処理を行った温度のまま、又は、浸炭処理温度以下の温度域で保持した後、引き続いて焼入れ処理を施す焼入れ工程と;
を有することを特徴とする表層硬化鋼部品の製造方法。 - 前記表層硬化処理用鋼が、更に、質量%で、
Ca:0.0005〜0.0030%、
Mg:0.0005〜0.0030%、
Zr:0.0005〜0.0030%
の内の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項5に記載の表層硬化鋼部品の製造方法。 - 前記表層硬化処理用鋼が、更に、質量%で、Mo:0.01〜1.00%、B:0.0005〜0.0050%、Cu:0.05〜1.00%、及び、Ni:0.05〜2.00%の内の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項5または6に記載の表層硬化鋼部品の製造方法。
- 前記表層硬化処理用鋼が、更に、質量%で、V:0.005〜0.50%、Nb:0.005〜0.10%、及びTi:0.005〜0.50%の内の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載の表層硬化鋼部品の製造方法。
- 前記浸炭工程の前に、800〜1100℃の温度域で浸炭雰囲気のカーボンポテンシャルが0.40〜1.20%の条件でガス浸炭処理又はガス浸炭窒化処理を前記鋼部品に施す、予備浸炭工程を更に有することを特徴とする請求項5〜8のいずれかに記載の表層硬化鋼部品の製造方法。
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