JP5487778B2 - Mo無添加で強度の優れた浸炭用鋼及びこれを用いた浸炭部品 - Google Patents
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Description
まず、1点目のB添加肌焼鋼であるが、B添加による焼入性向上効果を有効とするためには、BがNと結合して焼入性向上に寄与しないBNが生成するのを防止しなければならず、通常Nを低減したり、Bと結合するNを低減するために、窒化物形成元素であるAlやTiを添加することが行なわれている。ところが、Nを低減するということは、浸炭処理時に生じやすい結晶粒異常成長を抑制するAlNが減少することを意味しており、異常粒成長発生に伴い強度が低下する可能性がある。
本発明であるMo無添加で強度の優れた浸炭用鋼は、前記した通り質量%で、C:0.12〜0.28%、Si:0.15%以下、Mn:0.30〜1.00%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、Cr:1.20〜2.00%、Al:0.020〜0.050%、N:0.0080〜0.0200%、B:0.0002%未満を含有し、さらにCr%−(Si%+Mn%+Cu%+Ni%+Mo%)≧0.30%を満足し、残部がFe及びCu、Ni、Moを含む不可避的不純物よりなることを特徴とする。
C:0.12〜0.28%
Cは、浸炭処理後の必要な内部硬さを確保するために不可欠の元素であり、焼入性を高める元素でもあるため、0.12%以上の含有が必要である。しかしながら、含有率を高めすぎると、焼入性が上昇し、内部硬さを高めることは可能であるが、その一方で浸炭処理前の素材硬さが上昇し、浸炭前に行なわれる所定形状への機械加工時の工具寿命が大きく低下する。従って、本発明では、上限を0.28%とした。
Siは焼もどし軟化抵抗を高める効果があり、歯車として使用の際の硬さ低下を防止する効果があるため、浸炭用鋼でも積極的に添加される場合もある。しかしながら、本発明では、Moを無添加としても同等の性能を確保できることを最大の目的としており、その場合には、Mo添加による浸炭異常層低減効果が期待できないため、浸炭処理時に酸化しやすく浸炭異常層生成を助長する可能性のあるSiを極力低減せざるをえない。
従って、本発明ではその上限を0.15%とした。
Mnは必要な焼入性と内部硬さを確保するために不可欠な元素であるため、少なくとも0.30%以上の含有が必要である。しかしながら、Mnは酸化されやすい元素であり浸炭時に酸化され浸炭異常層発生の原因になる。また多量に含有させすぎると被削性が低下し浸炭前の機械加工が難しくなるため、上限を1.00%とした。
Pは、オーステナイト粒界に偏析しやすい元素であり、偏析すると曲げ疲労強度低下の原因となる元素である。Pは製造上、少量の含有が避けられない元素であるが、製鋼工程の改善等により、含有率を低めに抑えて製造することは可能であり、上限を0.035%とした。望ましくは、0.020%以下とするのが良い。
Sは被削性向上に効果のある元素としてよく知られているが、多量に含有すると硫化物系の非金属介在物が増加し、これが疲労破壊の起点となり、疲労強度低下の原因となる。従って、Mo添加鋼と同等の疲労強度を確保することを主な目的とする本発明では、極力低減することが望ましく、上限を0.035%とした。
Crは焼入性向上に効果のある元素であり、Moを無添加とすることによる焼入性の低下を補うために不可欠な元素である。また、Crと同様に焼入性向上に効果のあるMnとは異なり、トルースタイト生成を抑制する効果のある元素である。従って、JIS規格のSCr鋼に比較してCr含有率を若干高めとする必要があるため、下限を1.20%とした。しかしながら、多量に含有しすぎると浸炭前の硬さが上昇し、機械加工が難しくなるため、上限を2.00%とした。
Alは、Nと結合してAlNを形成し、ピン止め効果により浸炭後の結晶粒微細化に効果があるだけでなく、その異常粒成長を抑制する元素であり、最低でも0.020%の含有が必要である。しかしながら、含有量が増加すると、その効果が飽和するとともに、アルミナ系の非金属介在物が増加して疲労強度低下の原因となるため、上限を0.050%とした。
Nは、Alと結合してAlNを形成し、浸炭後の結晶粒微細化と異常粒成長抑制に効果のある元素である。Nは大気中に多量に存在し、大気溶解の場合には、製造上不純物として含有が避けられない元素であるが、前記理由から製造時に含有率の下限を制御し、必要に応じ意図的な添加も必要となるため、下限を0.0080%とした。しかしながら、多量に含有させても効果が飽和するため、上限を0.0200%とした。
Bは少量の添加で焼入性向上に効果のある元素であり、Mn、Cr等、他の焼入性向上元素の増量に頼らなくても焼入性を高めることができるため、特にその効果の大きい低炭素鋼において、肌焼鋼に限らず幅広く使用されている元素である。ところが、B添加鋼においては、脱B現象による浸炭層の焼入性低下から、浸炭層におけるトルースタイト析出が発生しやすくなるという問題があり、それにより疲労強度低下のおそれがあるため、本発明のように高い疲労強度の達成を最重要課題としている場合には、前記目的では使用できない。しかし、従来は脱B現象によるトルースタイト析出を、合金元素の調整による最適な焼入性確保により防止するという考え方は知られていたが、不純物として含有するBまで厳しく管理するという考え方までは、考慮されていなかった。
上記式は、トルースタイト組織の析出を抑制するために必要な関係式である。浸炭焼入後の組織を正常に保つためには、製造する部品の大きさに応じ必要な焼入性を確保するための成分調整をする必要がある。焼入性はCrだけでなくMnやMoによっても向上させることができるが、Crによって焼入性を確保するのが最もトルースタイト析出抑制に効果的であるため、それを実験により得られたトルースタイト発生状況のデータに基づき、式により表現したものが、上記式である。
表1に、実施例として用いた供試材の化学成分を示す。このうち、1〜5鋼は本発明の条件を満足する発明鋼であり、6〜11鋼は一部の条件が本発明で規定した条件を満足しない比較鋼、12、13鋼は従来から広く用いられてきたJISのSCr420とSCM420の市販鋼である。
Claims (2)
- 質量%で、C:0.12〜0.28%、Si:0.15%以下、Mn:0.30〜1.00%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、Cr:1.20〜2.00%、Al:0.020〜0.050%、N:0.0080〜0.0200%、B:0.0002%未満を含有し、さらにCr%−(Si%+Mn%+Cu%+Ni%+Mo%)≧0.30%を満足し、残部がFe及びCu、Ni、Moを含む不可避的不純物よりなることを特徴とするMo無添加で強度の優れた浸炭用鋼。
- 請求項1記載の鋼材を所定形状に加工後、浸炭処理した部品であって、表面から深さ0.5mmまでの平均トルースタイト析出面積率が5%以下であることを特徴とする浸炭部品。
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