JP5503344B2 - 高強度肌焼き鋼部品およびその製造方法 - Google Patents
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Cは、肌焼き鋼部品内部の強度を確保するために必須の元素であり、そのためにC量を0.10%以上とする。ただし、過剰に添加すると、浸炭や浸炭窒化の表面処理前の硬さが高くなり過ぎて切削加工や鍛造の時に工具や金型の寿命を低下させるため、C量の上限を0.25%とする。好ましいC量は、0.15%以上0.22%以下であり、より好ましくは0.18%以上0.20%以下である。
Siは、製鋼時の脱酸元素として有効であるほか、歯車などでは面疲労強度の向上に有効な元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Si量の下限を0.15%とする。ただし、過剰に添加すると、被削性や鍛造性が低下するため、Si量の上限を2.0%とする。なお、通常の肌焼き鋼におけるSi量の上限は、おおむね0.9%程度であるが、本発明では、2.0%まで許容できることを実験により確認している(後記する実施例のNo.4を参照)。好ましいSi量は、0.35%以上1.0%以下であり、より好ましくは0.4%以上0.8%以下である。
Mnは、転動疲労寿命の向上に寄与する残留オーステナイトの生成に有効な元素であり、焼入れ性の向上にも寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Mn量の下限を0.05%とする。ただし、過剰に添加すると、素材の硬さが高くなりすぎて被削性などが低下するため、Mn量の上限を1.5%とする。好ましいMn量は、0.2%以上1.2%以下であり、より好ましくは0.4%以上0.9%以下である。
Crは、焼入れ性を向上させて浸炭処理または浸炭窒化処理後の硬さを向上させる元素であり、このような作用を有効に発揮させるため、Cr量の下限を0.5%とする。ただし、過剰に添加すると、浸炭または浸炭窒化前に行う切削加工などの加工時における被削性を低下させるため、Cr量の上限を2.5%とする。なお、通常の肌焼き鋼におけるCr量の上限は、おおむね1.2%程度であるが、本発明では、2.5%まで許容できることを実験により確認している(後記する実施例のNo.5を参照)。好ましいCr量は、0.8%以上1.5%以下であり、より好ましくは1.0%以上1.2%以下である。
Alは脱酸元素として有用な元素であり、少な過ぎると脱酸が十分行なわれず、逆に介在物が増えて疲労強度が低下する。一方、過剰に添加しても上記作用が飽和するだけであり、無駄である。このような観点から、Al量を0.02〜0.3%とする。好ましいAl量は、0.025%以上0.25%以下であり、より好ましくは0.03%以上0.06%以下である。
NはAlと結合してAlN化合物を生成し、浸炭時の結晶粒を微細化して疲労強度向上に寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、N量の下限を0.004%とする。ただし、過剰に添加すると、熱間加工時に割れ易くなるため、N量の上限を0.025%とする。好ましいN量は、0.005%以上0.015%以下であり、より好ましくは0.007%以上0.012%以下である。
Moは、焼入れ性向上元素であり、浸炭または浸炭窒化層において不完全焼入れ組織生成の抑制にも有効に作用する。このような作用を有効に発揮させるため、Mo量の下限を0.1%とすることが好ましい。ただし、過剰に添加すると、被削性や鍛造性が低下するため、Moの上限を0.6%とする。より好ましいMo量は、0.2%以上0.45%以下であり、更に好ましくは0.3%以上0.4%以下である。
CuおよびNiは、いずれも耐食性向上元素であり、Niは更に靭性向上作用も有している。ただし、Cu量が1%を超えると熱間加工性が低下するため、Cu量の上限を1%とすることが好ましい。また、Ni量が1%を超えると、残留オーステナイト量が過剰に増加して焼入れによる硬さ低下の問題を招くため、Ni量の上限を1%とすることが好ましい。Cu量のより好ましい範囲は、0.05%以上0.6%以下であり、更に好ましくは0.1%以上0.4%以下である。また、Ni量のより好ましい範囲は、0.1%以上0.8%以下であり、更に好ましくは0.2%以上0.6%以下である。なお、CuおよびNiは、いずれかを単独で添加しても良いし、両方を併用しても良い。
これらの元素は、いずれも炭窒化物形成元素であり、加熱時のオーステナイト粒径を微細化して疲労強度向上に寄与する。このような作用を有効に発揮させるため、Nbを添加する場合は0.05%以上、Tiを添加する場合は0.05%以上、Vを添加する場合は0.05%以上、Bを添加する場合は0.0005%以上とすることが好ましい。ただし、過剰に添加すると、粗大な炭窒化物が生成し、逆に疲労強度の低下を招くため、Nb量の上限を1%(より好ましくは0.5%)、Ti量の上限を1%(より好ましくは0.5%)、Ti量の上限を1%(より好ましくは0.5%)、B量の上限を0.1%(より好ましくは0.01%)にすることが好ましい。なお、これらの元素は、いずれかを単独で添加しても良いし、二種以上を併用しても良い。
これらの元素は、いずれも切削加工時の被削性改善元素として有用である。このような作用を有効に発揮させるため、S、Ca、Zr、Sb、PbおよびBiの好ましい含有量の下限を、それぞれS:0.005%、Ca:0.0005%、Zr:0.001%、Sb:0.0005%、Pb:0.001%、Bi:0.001%とする。より好ましくは、S:0.01%、Ca:0.001%、Zr:0.005%、Sb:0.002%、Pb:0.01%、Bi:0.005%である。ただし、過剰に添加すると、疲労寿命が低下するため、各元素の上限を0.1%(より好ましくは0.05%)とすることが好ましい。なお、これらの元素は、いずれかを単独で添加しても良いし、二種以上を併用しても良い。
本実施例では、以下のようにして耐摩耗性および耐ピッチング性の評価用試験片を作製した。
高濃度浸炭処理:CP=1.5相当の浸炭ガス雰囲気下にて1000℃×5時間処理
浸炭窒化処理:CP=0.5相当の浸炭ガス中にアンモニアを10%混合した雰囲気中で920℃×5時間処理
Claims (6)
- 浸炭層または浸炭窒化層を表面に有する高強度肌焼き鋼部品であって、
鋼中成分は、
C :0.10〜0.25%(質量%、以下同じ)、
Si:0.15〜2.0%、
Mn:0.05〜1.5%、
Cr:0.5〜2.5%、
Al:0.02〜0.3%、および
N :0.004〜0.025%を含み、
残部が鉄および不可避的不純物であり、
前記浸炭層または前記浸炭窒化層は、マルテンサイト組織を70面積%以上含み、
最表面のビッカース硬さが900HV以上、および最表面から20μm深さまでのビッカース硬さが750HV以上を満足し、且つ、
マルテンサイトブロックの平均短径が0.3μm以下である微細組織を最表面から5μm以上の深さまで有することを特徴とする耐摩耗性および耐剥離性に優れた高強度肌焼き鋼部品。 - 更に、Mo:0.1〜0.6%を含有する請求項1に記載の高強度肌焼き鋼部品。
- 更に、Cu:1%以下および/またはNi:1%以下を含有する請求項1または2に記載の高強度肌焼き鋼部品。
- 更に、Nb:1%以下、Ti:1%以下、V:1%以下、およびB:0.1%以下よりなる群から選択される少なくとも1種を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の高強度肌焼き鋼部品。
- 更に、S、Ca、Zr、Sb、PbおよびBiよりなる群から選択される少なくとも1種の元素をそれぞれ0.1%以下含有する請求項1〜4のいずれかに記載の高強度肌焼き鋼部品。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の高強度肌焼き鋼部品を製造する方法であって、
請求項1〜5のいずれかに記載の化学成分を有する鋼材を加工後、表面のビッカース硬度が750HV以上となるように浸炭または浸炭窒化の表面処理を行なう工程と、
潤滑剤の存在下、面圧:2.5GPa以上3.3GPa以下、且つ相対すべり速度:0.2m/s以上2.0m/s以下にて表面を摺動させる工程と、
を含むことを特徴とする高強度肌焼き鋼部品の製造方法。
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