JPS61170543A - 耐摩耗性窒化用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、耐摩耗性窒化用鋼、特にポーラスな化合物層
を形成する耐摩耗性窒化用鋼に関する。

（従来の技術） 窒化処理は、表面硬化法の一種であるが、Ａ１変態点以
下の温度、一般的には５００〜５８０℃程度の温度域で
処理するため、浸炭焼入法の如く、被処理物に大きな熱
処理歪を生じさせない。このため、窒化処理は機械構造
用部品、耐摩耗用部品などに広範に実施されている。

従来、窒化用鋼としては、ＪＩＳ　−５ＣＭ４３５　（
０，３５Ｇ　−０，７５Ｍｎ−１，ＩＣｒ　−０，２Ｍ
ｏ　）やＳＡＣＭ６４５　　（０，４５Ｃ０，４Ｓｉ　
−１，５Ｃｒ　　０．２Ｍｏ　　１．ＯＡ＜２）などが
使用されていたが、所要硬化特性が得られないため、最
近、種々の窒化専用の鋼種が多く提案されてきた（例：
特開昭５９−１６９４９号、同５９−３１８５０号、同
５９−５０１５８号、同５８−１７１５５８号、特公昭
５５−３４２４号など）。

しかし、これら窒化鋼は、疲労強度、耐ピツチング性、
耐摩耗性を向上させることを目的に、硬化深さと表面硬
さを上げることに主眼を置いてきた。特に耐摩耗性を上
げる場合は表面硬さの向上を図ってきた。したがって、
表面硬さを低下させるＣは有害元素とみなし、必要最低
限のＣ含有量にしている。このような観点から０．５％
を超える量のＣは含有されることがなかった。

一方、従来からよく知られているように、窒化処理によ
って生成される硬化層には、侵入Ｎによる固溶強化およ
び窒化物の析出強化によって硬化する拡散層と、最表面
に生成するＦｅおよび合金元素（Ｃｒ、　ＡＱ、■など
）の窒化物層すなわち化合物層から成り立っている。こ
の点、既に述べたように、従来の窒化鋼は、表面硬さや
硬化深さなど硬化層の硬さにのみ重点を置き、化合物層
の性状についてはあまり考慮されていなかった。

（発明が解決しようとする問題点） このように、従来の窒化鋼では、化合物層の性状につい
ての考慮がなされておらず、化合物層硬さく表面硬さ）
、硬化深さの向上のみに重点が置かれていたため、これ
らの劣化を′もたらすＣの含有量は、前述のように、０
．５％以下に制限されていた。このため、化合物層の延
性、靭性が悪く、また芯部の硬さも十分にとれなかった
。

（問題点を解決するための手段） そこで本発明者らは、さらに耐摩耗性の優れた窒化鋼の
開発を目指し、鋭意研究を進めた結果、窒化用鋼におけ
る耐摩耗性は単に表面硬さによってのみ決まるのでな（
、化合物層の緻密度すなわちポーラスな化合物層になる
かどうかにも影響を受けていることを知見した。

つまり、窒化処理により生成した窒化物からなる化合物
層はポーラスな構造になっているため、この空孔に潤滑
剤が保持され、適度な潤滑作用が行われれば、むしろ耐
摩耗性が向上すること見い出したのである。

窒化用鋼の表面硬さ、すなわち化合物層の硬さは、従来
よりよく知られているように、Ｃ含有量が多くなるほど
低下し、耐摩耗性は劣化する傾向にあると考えられる。

しかし、一方、本発明者の知見によれば、化合物層の緻
密度、すなわちポーラスな度合はＣ含有量が多くなるほ
ど大きくなり、潤滑剤による潤滑作用が向上し、耐摩耗
性が向上する傾向にある。もちろん極度に緻密度が低く
なるとその構造自体が弱体化し耐摩耗性は再び悪くなる
。

また、Ｃｒ、　ＡＱ、　Ｖ等の窒化物形成元素について
は、それらの含有量が多くなれば化合物層の組成は、Ｃ
ｒ、ＡＱ、■の各窒化物の割合が増大するため硬くなり
耐摩耗性が向上するが、同時に脆化もする。

かくして、本発明者らは、Ｃを従来よりも多量に加えて
、化合物層のポーラス化を図って耐摩耗性を改善すると
ともに、ｃｒ、　ＡＱ、　Ｖ等の合金元素の含有量を適
度な範囲に限定することにより化合物層の脆化を防止し
て、従来の窒化鋼より耐摩耗性を大幅に向上させた窒化
鋼が得られることを知見し、本発明を完成した。

ここに本発明は、重量％で、 Ｃ：Ｑ、５％超、０．８％以下、Ｓｉ　：　１．２％以
下、Ｍｎ　：　０．６〜１．５％、　　Ｃｒ　：　０．
２〜１．５％、Ｖ　：　０．０２〜０．２５％、ｓｏｌ
、Ａ（２：　０．０２〜０．２５％、さらに必要に応じ
、Ｓ：０．０４〜０．１３％、Ｐｂ：０．０３〜０．３
５％およびＣａ　：　０．００１〜０．０１％のうち１
種または２種以上を含有し、 残部Ｆｅと不可避不純物 からなる耐摩耗性窒化用鋼である。

ここで、窒化用鋼とは窒化処理に適する鋼の意味であり
、また、その窒化処理とは、窒化物から成る化合物層の
生成されるあらゆる窒化処理、例えばガス窒化、イオン
窒化、ガス軟窒化、液体軟窒化処理など意味している。

また、上述のように本発明鋼はＣ含有量が従来より多い
ため、純粋な硬化深さの点では劣るが、むしろ芯部硬さ
が大幅に向上しているため、見掛は上硬化深さは従来と
同等かそれ以上になり、疲労強度も従来並み以上である
ため、機械構造用部材にも通している。

（作用） 次に、本発明鋼の成分範囲を上述の如く限定した理由を
以下に述べる。なお、特にことわりがない限り、本明細
書において、「％」は「重量％」である。

Ｃ（炭素）： すでに述べたように、Ｃは多くなるほど化合物層の硬さ
が低下し耐摩耗性は悪くなる傾向にある半面緻密度が小
さくなって潤滑剤による潤滑作用が向上するため、潤滑
剤と組合せた耐摩耗性はよくなる傾向にある。

したがって、耐摩耗性に対してＣ含有量の適正範囲が存
在し、本発明によればその範囲は０゜５％超、０．８％
以下である。すなわち、０．５％以下では、化合物層の
緻密度が高く、すなわち十分にポーラスにならないため
潤滑剤保持能力が低く、耐摩耗性が劣化する。一方、０
．８％を超えると、化合物層の緻密度が小さくなり過ぎ
、構造的に脆弱化するとともに、化合物層の硬さが非常
に低くなり、耐摩耗性が劣化する。

また、本発明鋼においては、表面硬さが絶対的に低いた
め、芯部硬さを高めることにより見掛は上の硬化深さを
大きくし、疲労強度を向上させる必要がある。このため
には０．５％超のＣ含有量は必要であるが、０．８％を
超えると基地組織中への網状の初析セメンタイトの混入
が甚だしくなり大幅に靭性を劣化させる。

以上の理由により、Ｃ含有量は０．５％超、０゜８％以
下とした。好ましくは、０．６〜０．７％である。

Ｓｉ　（ケイ素）： Ｓｉは通常、脱酸剤として一添加されるが、固溶強化お
よび焼戻し軟化抵抗の向上にも有効で、結果として窒化
処理後の芯部硬さを高める。

したがって、添加量は多いほどよいが・、１．２％を超
えると窒化特性（表面硬さ、硬化深さ）の劣化が始まる
ので、上限を１．２％とした。一般には０．２％以上添
加すれば十分である。好ましくは、０．６０−１．２０
％である。

Ｍｎ　（マンガン）： Ｍｎは製鋼時の脱酸剤として不可欠であるとともに、芯
部の強度、靭性の向上にも有効であって、窒化処理品の
性能確保のために最低０．６％は必要であるが、１．５
％を超えて添加しても効果が小さいので、下限を０．６
％、上限を１．５％とした。

Ｃｒ　（クロム）二 Ｃｒは窒化処理物の最表面における化合物層中に非常に
硬いＣｒ窒化物を生成せしめ、添加量が多くなるほど化
合物層中におけるＣｒ窒化物の割合が増加し、化合物層
の硬さが高くなる。また拡散層においてもＣｒ窒化物を
生成するため、硬化深さが太き（なる、したがって、Ｃ
ｒ添加量が多いほど耐摩耗性は向上するが、このために
は少なくとも０．２％は必要である。しかし、余り多量
に加えると、例えば、１．５％を超えて添加すると、化
合物層の脆化が著しくなり、窒化処理物に変形が生じた
際に、クランクが発生し、化合物層の剥離が起こりやす
くなる。また１、５％を超えて添加すると、硬化深さが
かえって低下する。以上のことから下限を０．２％、上
限を１．５％とした。好ましくは０．７〜１．２％であ
る。

■（バナジウム）： ＶもＣｒの場合と同様に、窒化処理物の化合物層および
拡散層中にＶ炭窒化物をつくり化合物層の硬さを上昇せ
しめるとともに、硬化深さを太き（する効果がある。特
に■はＣｒに比べて、化合物層硬さの向上効果は小さい
ものの、硬化深さを大きくする効果は極めて大きく、こ
のためには少なくとも０．０２％必要であるが、０．２
５％を超えて添加してもその効果はそれ以上太き（なら
ないばかりでなく、化合物層の脆化をもたらすので、下
限を０，０２％、上限を０．２５％とした。

好ましくは０．０５〜０．２０％である。

ｓｏｌ、Ａ（２（酸可溶アルミニウム）：ＡＱもＣｒと
同様、窒化処理物の化合物層および拡散層中に窒化物を
生成し、化合物層の硬さを高くするとともに、硬化深さ
も大きくする。ＡＱはＣｒに比べて、硬化深さの向上効
果より化合物層の硬さ向上効果が大きく、特に、Ｃ含有
量が多い場合にもその効果が全（低下しないのでＡＱ添
加は不可欠である。このためには少なくとも０．０２％
を必要とするが、０．２５％を超えて添加すると、化合
物層の脆化が著しくなり、変形時の表面クランクの発生
が心配される。以上の理由から下限を０．０２％、上限
を０．２５％とした。好ましくは０．０５〜０．２０％
である。

Ｓ、　Ｐｂ、　Ｃａ　： これらの成分は、任意添加成分であって、窒化処理前に
切削を施す場合の切削性向上に有効である。特に本発明
鋼はＣ含有量が多く、基地の切削性が劣るため、切削性
の要求される度合に応じて、これら元素を１種または２
種以上を含有させる。これらの元素は化合物層の硬さや
硬化深さには何ら影響を及ぼさない。

切削性を向上させるのに必要最小限の添加量は、Ｓ　：
　０．０４％、Ｐｂ　：　０．０３％、Ｃａ　：　０．
００１％である。またＳは０．１３％、ｐｂは０．３５
％を超えると強度、耐ピツチング性の低下が著しくなり
、一方、Ｃａは溶製上０．０１％を超えて添加するのは
困難である。以上のような理由からＳについては下限０
．０４％、上限０．１３％、ｐｂについては下限０゜０
３％、上限０．３５％、Ｃａについては下限０．００１
％、上限０．０１％に限定した。

次に実施例によって本発明をさらに説明する。

大施男 第１表に示す組成を有する鋼を高周波溶解炉により大気
熔解し、鋼塊にしたのち、直径３０ｍｍの丸棒に熱間鍛
造し、９５０℃Ｘ　ｌｈｒの焼ならしを施した素材を準
備した。これらの素材から、直径１０ＩＩＩ！１）、長
さ１３ｍｍで端面をＲｍａｘ　５μｍ以下に仕上げた摩
耗試験片と、直径２５ｍｍ、長さ３００ｍｍの静曲げ試
験片を作成し、その後、それ、ぞれイオン窒化処理とガ
ス軟窒化処理に供した。

イオン窒化処理は、ガス圧力２　Ｔｏｒｒの２０％Ｎ２
−Ｈ２混合雰囲気中で５００℃、４時間の条件で、ガス
軟窒化処理は、ＮＨ３ガスとＲＸガスを１＝１の割合で
混合した混合ガス中において５７０℃、４時間の条件で
それぞれ実施した。

それぞれの処理後、表面硬さと硬化深さくＨｖ＝４００
に対応する表面からの深さ）を測定するとともに、摩耗
試験と静曲げ試験を行った。

摩耗試験は、第１図に示すＰｉｎ　−Ｒｉｎｇ式の１０
０％すべり摩耗試験機を使用して行ない、ａＩ涜剤とし
てメカニックオイル＃５６を用いた。３４５Ｃ製の回転
リング１０　（９００℃焼入れ、５８０℃焼戻し）を回
転させながら、試験片１）を接触圧力５　ｋｇｆ／−で
接触させた。摩擦速度はＩｎ／ｓで行った。上記潤滑剤
はノズル１２から供給された。また静曲げ試験は第２図
に示した要領で試験片２０を２００ｍｍ離れた２つの支
点２１．２２で支持しながら静的に曲げ、表面層にクラ
ックが発生するまでの限界たわみ量を測定した。なお、
表面硬さは、摩耗試験片の端面において測定した。

鋼種部１〜ｍ１３は本発明に係る鋼であり、鋼種ＮＱ１
４〜Ｎｌ１）６はＣ含有量の点で、鋼種階１７．１８は
Ｃｒ含有量の点で、鋼種部１９．２０は■含有量の点で
また鋼種部２１．２２はｓｏｌ、Ａ（！含有量の点で本
発明の範囲外である比較鋼である。

第１表の結果かられかるように、本発明鋼は、いずれも
比摩耗量は５．９＋ｎｇ／ｃ＋Ｊ以下で、かっ限界たわ
み量が２　、３ｍｍ以上となっており、しかも硬化深さ
は０．１３ｎ＋ｍ以上と、いずれの性能も優れているこ
とがわかる。これに対して、比較鋼は、比摩耗量、限界
たわみ量、硬化深さのうちいずれかが極端に劣っている
。

次に、Ｃ含有量以外は実質的に同一組成とみなせる鋼種
部１４．１５、■、２．３．１６について、ガス軟窒化
処理を施した試料の比摩耗量と限界たわみ量をＣ含有量
で整理すると第３図のようになり、比摩耗量はＣ含有量
０．５〜０．８％範囲内で最も少なく、限界たわみ量も
この範囲内では低下しないことがわかる。

（効果） 以上のように、本発明により、耐摩耗性にすぐれ、同時
に硬化層の延性にすぐれた窒化用鋼が得られ、本発明の
斯界への寄与の大きなことのが分かる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、摩耗試験要領の説明図； 第２図は、静曲げ試験要領の説明図；および第３図は、
Ｃ含有量と比摩耗量および限界たわみ量との関係を示す
グラフである。 １０：回転リング ｌｌ：試験片 １２：ノズル 出願人　　住友金属工業株式会社 代理人　　弁理士　広　瀬　章　−（他１名）第１− 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、 Ｃ：０．５％超、０．８％以下、Ｓｉ：１．２％以下、
   Ｍｎ：０．６〜１．５％、Ｃｒ：０．２〜１．５％、Ｖ
   ：０．０２〜０．２５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０２〜０
   ．２５％、残部Ｆｅと不可避不純物 からなる耐摩耗性窒化用鋼。
2. （２）重量％で、 Ｃ：０．５％超、０．８％以下、Ｓｉ：１．２％以下、
   Ｍｎ：０．６〜１．５％、Ｃｒ：０．２〜１．５％、Ｖ
   ：０．０２〜０．２５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０２〜０
   ．２５％、さらにＳ：０．０４〜０．１３％、Ｐｂ：０
   ．０３〜０．３５％およびＣａ：０．００１〜０．０１
   ％のうち１種または２種以上を含有し、 残部Ｆｅと不可避不純物 からなる耐摩耗性窒化用鋼。