JPH08157946A

JPH08157946A - 高振動減衰能と高表面硬度を有する鋼部材の製造方法

Info

Publication number: JPH08157946A
Application number: JP6297091A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tanigawa; 治谷川; Kengo Ishige; 健吾石毛
Original assignee: IHI Corp; Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; IHI Corp
Priority date: 1994-11-30
Filing date: 1994-11-30
Publication date: 1996-06-18

Abstract

(57)【要約】【目的】制振性と耐久性とを兼ね備えた鋼部材の製造
技術を提供する。【構成】Ｃ：0.02wt％以下、 Si：1.0 wt％以下、Mn：
0.20wt％以下、 Al：1.0 〜7.0 wt％、Ｎ：0.008 wt
％以下、さらに必要によりCu：1.50wt％以下、 Ni：
0.05〜1.0 wt％、を含有し、残部はFeおよび不可避的不
純物からなる鋼を、所定の形状に加工したのち、800 〜
1200℃の浸炭雰囲気中に１〜２０hr間保持し、その後、
焼入れを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、産業機械等の部材に
用いて好適な鋼部材に関し、特に騒音を抑制し得る高振
動減衰特性と、磨耗を抑制し耐久性を向上させるのに有
効な高表面硬度とを有する鋼部材の製造方法を提案しよ
うとするものである。

【０００２】

【従来の技術】工場や作業場などで生じる振動ないしは
それらに伴って発生する騒音は、快適な生活を営む上で
の障害になり、特に、その発生源が居住地域に近接する
場合には、社会問題を引き起こす場合もある。そこで、
産業機械等で生じるこれら振動ないしは騒音を抑制する
ための対策がこれまでにも幾つか試みられ、例えば、吸
音材料や遮音材料あるいは振動絶縁材料を使用したり、
また構造物の剛性を増大させて共鳴を回避したりする種
々の手法が講ぜられているが、実際にはその騒音源とな
る振動は複雑で、その原因を完全に排除することは極め
て困難なことである。そこで、部材としての材料自体に
振動減衰特性いわゆる制振性を付与して、それによる構
造物の振動, 騒音の抜本的な改善を図ろうとする技術が
注目されている。上記の制振性を付与した鋼材について
は、既に、注目すべきいくつかの提案がある。

【０００３】例えば、高い振動減衰能を有する鋼材とし
ては、２枚の鋼板で樹脂を挟みこんだ複合型の制振鋼板
が知られている。しかし、この鋼板は、自由な形状に加
工ができない上、板厚方向の強度が極めて低い等の理由
で、産業機械等の部材として使用できないという問題が
あった。この点から、産業機械等の部材として使用する
場合には、非複合型の材料が望まれるわけである。非複
合型の制振性を有する鋼材として、黒鉛鋳鉄あるいは１
０wt％以上のＣｒを含有する合金鋼が知られている（材
料テクノロジーＮｏ１８「機能性金属材料」、２８ペー
ジ、東京大学出版会）。しかし、これらはいずれも、機
械用部材としての靭性に劣り、また、高価である等の理
由で採用例は少なかった。

【０００４】また、最近、靭性が優れ、安価な非複合型
の制振鋼として、Ａｌを数wt％含有した鋼材（例えば、
特開平４−１３８４７号公報、特開平３−１８３７４１
号公報）が提案されている。しかし、これらの鋼は、い
ずれも強磁性型の制振機構を採用しているため、実用化
されるに至った鋼材の強度（硬度）は低く、これを産業
機械等の部材として使用しても耐久性に劣ると言う問題
があった。さらに、この非複合型の制振鋼材は、部材へ
の加工の自由度はあるものの、加工（例えば、ガス切
断、シャー剪断等による切断加工、プレス等による成形
加工等）の後の制振性が著しく劣化するという問題もあ
った。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、上記の既
知鋼材はいずれも、加工の自由度、靱性、経済性、強度
（硬度）および加工後の制振性のうちのいずれかの面で
劣るという問題を抱えており、産業機械等の部材として
使用できるものは存在しなかった。本発明の目的は、上
述した従来技術が抱えている各種の問題を解決し、制振
性と耐久性とを兼ね備えた鋼部材の製造技術を提供する
ことにある。本発明の他の目的は、高振動減衰能と高表
面硬度を有する鋼部材の製造技術を提供することにあ
る。本発明のより具体的な目的は、表面硬さがＨ_Vで55
0 以上、振動減衰特性を表す内部摩擦値が１０×１０^-3
以上を示す鋼部材の製造技術を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような課題認識の下
に、発明者らは、その解決に向けて種々検討を重ねた。
その結果、特定の成分組成からなる鋼を、所定の部材形
状に加工した後、特定条件の下で浸炭、焼入れ処理する
ことにより、上記課題が一挙に解決することを見出し
た。すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。

【０００７】(1) Ｃ：0.02wt％以下、 Si：1.0 wt％以
下、Mn：0.20wt％以下、 Al：1.0 〜7.0 wt％、Ｎ：0.
008 wt％以下を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物
からなる鋼を、所定の形状に加工したのち、800 〜1200
℃の浸炭雰囲気中に１〜20hr間保持し、その後、焼入れ
を行うことを特徴とする高振動減衰能と高表面硬度を有
する鋼部材の製造方法。

【０００８】(2) Ｃ：0.02wt％以下、 Si：1.0 wt％以
下、Mn：0.20wt％以下、 Cu：1.50wt％以下、Al：1.0
〜7.0 wt％、Ｎ：0.008 wt％以下を含有し、残部はFeお
よび不可避的不純物からなる鋼を、所定の形状に加工し
たのち、800 〜1200℃の浸炭雰囲気中に１〜20hr間保持
し、その後、焼入れを行うことを特徴とする高振動減衰
能と高表面硬度を有する鋼部材の製造方法。

【０００９】(3) Ｃ：0.02wt％以下、 Si：1.0 wt％以
下、Mn：0.20wt％以下、 Cu：1.50wt％以下、Ni：0.05
〜1.0 wt％、Al：1.0 〜7.0 wt％、Ｎ：0.008 wt％以下
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる鋼
を、所定の形状に加工したのち、800 〜1200℃の浸炭雰
囲気中に１〜20hr間保持し、その後、焼入れを行うこと
を特徴とする高振動減衰能と高表面硬度を有する鋼部材
の製造方法。

【００１０】

【作用】本発明における鋼部材の振動減衰機構は、強磁
性型のものであり、外力（振動）が付加された時の磁壁
移動に基づく、いわゆる磁気−力学的ヒステリシス型の
内部摩擦によるものである。このため磁壁の移動の障害
になる化学成分は特に制限する必要がある。そして、磁
壁の移動を容易にするためには、磁区を大きくする必要
があり、このためにはフェライト結晶粒径の増大が必要
である。また、磁壁移動の障害となる鋼中の転位は極力
減少させる必要がある。以上の観点を踏まえ、この発明
において、まず、鋼の成分組成を上記の範囲に限定した
理由について説明する。

【００１１】Ｃ：0.02wt％以下Ｃは、鋼中に侵入型元素として鉄格子中に存在し、磁壁
の移動の障害となるので、できるかぎり少ないことが望
ましい。ただし、現状の製鋼技術のもとで、これらの元
素を極端に低下させることは、大幅なコスト高を招く一
方で、振動減衰能をさほど向上させることにはならな
い。したがって、Ｃの含有量は０．０２wt％以下とす
る。なお、好ましいＣの含有量は0.015 wt％以下であ
る。

【００１２】Si：1.0 wt％以下 Siは、鋼中に置換型元素として存在し、かつ鋼の状態図
中のフェライト領域を拡大する元素である。このため、
フェライト結晶粒の粗大化を阻害することなく、鋼の強
度上昇を図るために有用な元素である。しかし、過度に
添加すると、製造コストの増加を招くのみでなく、上記
の効果はさほど大きくならない。したがって、Siの含有
量は１．０wt％以下とする。なお、好ましいSiの含有量
は０．７wt％以下である。

【００１３】Mn：0.20wt％以下 Mnは、鋼中に置換型元素として存在し、磁壁移動の障害
にはなりにくいが、鋼のオーステナイト化変態点を低下
させるため、フェライト結晶粒粗大化を阻害する元素で
ある。このため、Mnの含有量は０ .２０wt％以下、好ま
しくは０．１５wt％以下に制限する必要がある。

【００１４】Al：1.0 〜7.0 wt％ Alは、鋼のオーステナイト化変態点を上昇させ、さら
に、一定量以上の添加により、変態点を消失させ、全温
度域でフェライト相のみの組織を形成させる元素であ
る。これにより、Alは、熱処理温度の調整により、フェ
ライト結晶粒の粗大化を任意に行うことを可能にする。
このほか、フェライト相中のＣの拡散速度はオーステナ
イト中のそれに比べてはるかに大きいので、フェライト
相のみの組織において浸炭処理を行うと、処理時間が短
縮でき工業的に大きな利益をもたらす。このような効果
を得るには、１ .０wt％以上の添加が必要であるが、あ
まり多量の添加は鋼の成分コストを高めるばかりでな
く、その製鋼プロセスも特殊なものになり、大幅なコス
ト増加を招く。したがって、Alの含有量は１．０〜７．
０wt％好ましくは１．５〜５．０wt％とする。

【００１５】Ｎ：0.008 wt％以下Ｎは、鋼中に侵入型元素として鉄格子中に存在し、磁壁
の移動の障害となるので、できるかぎり少ないことが望
ましい。ただし、現状の製鋼技術のもとで、これらの元
素を極端に低下させることは、大幅なコスト高を招く一
方で、振動減衰能をさほど向上させない。したがって、
Ｎの含有量は０．００８wt％以下とする。なお、好まし
いＮの含有量は０．００５wt％以下である。

【００１６】Cu：1.50wt％以下 Cuは、鋼中に置換型元素として存在して、また熱処理時
の析出により、振動減衰能を劣化させることなく、鋼の
強化を図るのに有用な元素である。一方、Cuは、鋼の状
態図中のフェライト領域を縮小する元素であり、あまり
多量の添加を行うとフェライト結晶粒の粗大化を阻害す
る。このため、Cuの含有量は１．５０wt％以下とする。
なお、好ましい含有量は０．７〜１．２wt％の範囲であ
る。

【００１７】Ni：0.05〜1.0 wt％ Niは、鋼の低温靭性を向上させるばかりでなく、Cuの添
加に起因する熱間割れの傾向を、振動減衰能を劣化させ
ることなく、抑制する有用な元素であり、必要に応じて
添加することができる。これらの効果を発揮するために
は、０．０５wt％以上の添加を必要とするが、１．０wt
％を超えての添加は経済的でない。したがって、Niの含
有量を０．０５〜１．０wt％、好ましくは０．４〜０．
８wt％とする。

【００１８】なお、この発明における不純物成分のう
ち、Ｐ, Ｓは鋼部材の靱性を確保するうえから、それぞ
れ０．０２０wt％以下、０．００７wt％以下とするのが
好ましい。

【００１９】上記成分組成の鋼を用いて鋼部材を製造す
るに当たり、制振性を損なうことなく耐久性を向上させ
るための製造条件について以下に説明する。産業機械等
に用いられる鋼部材は、鋼素材をガス切断、シャー剪断
等による切断加工、プレス等による成形加工、さらには
切削加工等により、所定の部材形状に加工されるのが一
般的である。これらの加工は、いずれも鋼中に多量の転
位を導入してしまうため、このままの状態では、前述し
たように、磁壁の移動の障害を惹起し、鋼部材の振動減
衰能を大幅に劣化させる。したがって、鋼の振動減衰能
を維持するためには、この転位を大幅に減少せしめるた
めの何らかの処理が必要となる。一方、鋼部材の耐久性
を向上させるための表面硬化処理として、一般に、浸炭
処理、窒化処理等の拡散浸透処理、火炎焼入れ、高周波
焼入れ等の表面焼入れ処理、溶射、メッキ等の被覆処理
等の方法が挙げられる。

【００２０】発明者らは、加工後の鋼部材における、上
記した転位の大幅な減少と表面硬化とを効果的に行う方
法について検討を重ねた結果、鋼素材を所定の形状に加
工した後に、転位減少のための熱処理および表面硬化の
ための浸炭・焼入れ処理を同時に実施することが可能
で、かつ極めて有効であり、工業的、経済的観点からも
最も優れているとの結論に到ったのである。

【００２１】上記の、転位の減少と表面硬化を同時に行
う、具体的な方法は、800 〜1200℃の浸炭雰囲気中に１
〜２０hr間保持し、その後、焼入れを行うことである。
すなわち、前述したように、鋼部材の振動減衰能を増大
させるためには、鋼中の転位の大幅な減少と結晶粒の粗
大化が必要である。発明者らは、種々の検討を行った結
果、鋼中転位の移動による消滅と結晶粒の粗大化を図る
ためには、鋼部材を８００℃以上の温度に保持する必要
があることを見いだした。しかし、温度が高い程、結晶
粒の粗大化および浸炭には有利となるが、あまり高い温
度は工業的に困難であるため、保持温度の上限を１２０
０℃とする。

【００２２】また、表面硬度を得るための浸炭は、いず
れも粒界移動およびＣの表面からの拡散という比較的遅
い熱活性化過程であり、鋼部材を上記８００〜１２００
℃の温度範囲に１〜２０hr間保持することにより達成さ
れる。この保持時間が１hr未満では浸炭が不十分なた
め、表面硬度が不足し、一方、２０hrを超えると時間の
増加に比して、表面硬度の上昇量が減少するために経済
的でなくなるからである。なお、上記保持条件のうち、
好ましい温度は８５０〜１０５０℃の範囲、好ましい時
間は２〜１０hrである。

【００２３】次に、浸炭後に焼入れを実施する理由につ
いて説明する。表面浸炭が進行し、鋼部材表面のＣ濃度
が上昇すると、表面近傍は８００℃以上では変態しオー
ステナイト化するようになる。したがって、８００℃以
上から焼入れ処理を実施すると、Ｃ濃度が高い表面近傍
はマルテンサイト変態により硬化するが、浸炭が行われ
ていない鋼部材内部はフェライトが単に急冷されるのみ
で組織的な変化は起こらない。ここで、浸炭処理と焼入
れ処理は連続して行うのがもっとも望ましいが、浸炭処
理の後一旦冷却し、再度加熱したうえ焼入れ処理を実施
しても良い。なお、浸炭方法については特に定めない
が、例えば固体浸炭、液体浸炭およびガス浸炭などの方
法で行えばよい。上記の浸炭・焼入れ後、さらに、１５
０〜３００℃で焼もどし処理を行うことは、本発明で得
られる制振性と耐久性に悪影響を与えることなく、表面
近傍の靱性を向上させるために有効である。

【００２４】また、鋼素材がCuを０．５wt％以上含有す
る化学組成の場合には、５００〜６００℃で０．５〜２
hr保持の焼もどし処理により鋼部材内部の析出硬化によ
る強度上昇を図ることができる。この処理により、部材
表面の硬さはかなり低下するが、内部よりは大幅に高
く、しかも、高い振動減衰能は維持される。以上述べた
ように、本発明法にしたがう鋼組成の素材を、所定形状
に加工したのち、本発明法にしたがう処理を行うことに
よって、高い振動減衰能と高い表面硬度を有する鋼部材
が得られるのである。

【００２５】

【実施例】種々の成分組成になる鋼を常法に従って溶
製、鋳造し、さらに熱間圧延により板厚１０ｍｍの鋼板
とした。この鋼板から、加工手段として、鋸切断で採
取後１０％の引張歪みを付与した供試材、ガス切断ま
たはシャー剪断した供試材から、それぞれ、切削およ
び鋸切断により、厚み８ｍｍの試験片を採取し、その
後、これらに浸炭・焼入れ処理、一部のものについて
は、さらに２００℃で２ｈｒの焼きもどし処理を施し
た。なお、比較のために、一部、浸炭・焼入れ処理の後
で、上記加工手段を施すものについても試験した。これ
ら鋼組成、試験片の作製条件を表１にまとめて示す。な
お、表１において、鋼Ａ〜Ｆは本発明に適合する成分組
成であり、鋼Ｇ〜Ｊは本発明に適合しない成分組成であ
る。

【００２６】

【表１】

【００２７】これらの試験片について、表面近傍のビッ
カース硬さ（Ｈ_V１０ｋｇｆ）と内部摩擦による振動減
衰特性を測定した。減衰特性（Ｑ^-1）は先に記載した種
々の加工および熱処理を施した短冊上の試験片を用い、
機械インピータンス法にて測定した。このＱ^-1が大きな
値ほど振動減衰特性が優れることを意味する。得られた
測定結果を表１に合わせて示す。表１から、本発明法に
従う試験片は、いずれもＨ_V６１０以上の表面硬さと、
１２．３×１０^-3以上の内部摩擦値を示し優れた耐久性
と振動減衰特性を有することがわかる。これに対し、成
分組成が本発明の範囲をはずれたもの、浸炭・焼入れ条
件が本発明の範囲をはずれたもの、浸炭・焼入れ処理後
に加工を施したものは、いずれも内部摩擦値および表面
硬さのうちの少なくとも一方の特性が劣っていることが
わかる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、従来の低合金制振鋼が
抱えていた各種の問題を解決し、制振性と耐久性とを兼
ね備えた鋼部材が製造可能となる。また、本発明によれ
ば、振動減衰能の向上と表面硬度の増加が共に達成で
き、しかも、比較的安価な低合金鋼に、浸炭処理と焼入
れ処理が同時に行え、経済性に優れるので、産業機械の
部材など工業的適用分野は広く、産業上の寄与は極めて
大きい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２Ｔ 38/06 38/16 Ｃ２３Ｃ 8/22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：0.02wt％以下、 Si：1.0 wt％以下、 Mn：0.20wt％以下、 Al：1.0 〜7.0 wt％、Ｎ：0.008 wt％以下を含有し、残部はFeおよび不可避的
不純物からなる鋼を、所定の形状に加工したのち、800
〜1200℃の浸炭雰囲気中に１〜20hr間保持し、その後、
焼入れを行うことを特徴とする高振動減衰能と高表面硬
度を有する鋼部材の製造方法。
【請求項２】Ｃ：0.02wt％以下、 Si：1.0 wt％以下、 Mn：0.20wt％以下、 Cu：1.50wt％以下、 Al：1.0 〜7.0 wt％、Ｎ：0.008 wt％以下を含有し、残
部はFeおよび不可避的不純物からなる鋼を、所定の形状
に加工したのち、800 〜1200℃の浸炭雰囲気中に１〜20
hr間保持し、その後、焼入れを行うことを特徴とする高
振動減衰能と高表面硬度を有する鋼部材の製造方法。
【請求項３】Ｃ：0.02wt％以下、 Si：1.0 wt％以下、 Mn：0.20wt％以下、 Cu：1.50wt％以下、 Ni：0.05〜1.0 wt％、Al：1.0 〜7.0 wt％、Ｎ：0.008 wt％以下を含有し、残部はFeおよび不可避的
不純物からなる鋼を、所定の形状に加工したのち、800
〜1200℃の浸炭雰囲気中に１〜20hr間保持し、その後、
焼入れを行うことを特徴とする高振動減衰能と高表面硬
度を有する鋼部材の製造方法。