JPS63121638A - 肌焼鋼 - 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、浸炭焼入れを行っても表面に浸炭異常組織の
生成が殆どなく、機械構造用部品に使用して高度の疲労
強度、転勤疲労強度、耐摩耗性を付与することができる
肌焼鋼に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、機械構造用部品は、その疲労強度、転勤疲労強度
、耐摩耗性を向上せしめるために表面硬化処理、なかで
も特にその効果の大きい浸炭焼入れが広範に行われてい
る。しかし、従来の肌焼鋼（例えばＪ　ｌ５−３Ｃｒ４
２０、ＳＣＭ４２０）に浸炭焼入れを施すと、浸炭部表
面に深さ１０〜２０μｍの結晶粒界酸化が生じ、これに
付随して不完全焼入組ｍｃトルースタイト）が生成して
表面の硬さが低下してしまう。この浸炭部表面の結晶粒
界酸化と不完全焼入組織とを合わせて浸炭異常組織と称
している。

この異常組織は、浸炭雰囲気中の酸化性ガス（Ｃｏ、、
　　Ｈ２Ｏ）中の０が浸炭中の鋼のオーステナイト粒界
に優先的に侵入拡散し、Ｓｉ、Ｍｎ、ＣｒのようなＦｅ
より酸化されやすい元素と結合して酸化物を形成する上
に、この酸化物のために粒界近傍で固溶Ｓｌ、固溶Ｍｎ
、固溶Ｃｒ濃度が低下し、これらの相乗として焼入性が
極端に低下する結果、表面で不完全焼入組織が生成され
ることが原因とされている。

そして、表層部に粒界酸化物が形成されると、それが切
欠として作用するため、疲労強度、耐衝撃性が劣化し、
さらに粒界酸化物の形成に付随して軟かい不完全焼入層
が生成することから、疲労強度、転勤疲労強度、耐摩耗
性も劣化する。

ところで近年、産業機械、輸送機械、建設機械などに使
われている機械構造用部品に対する耐久性についての要
求はますます高度化してきており、特に繰返し荷重のか
かる強度部材では高疲労強度化、高転勤疲労強度化が、
また摺動部材では高耐摩耗性が望まれている。

例えば、自動車のトランスミツシランギヤにあっては、
エンジンの高出力化に伴って歯元疲労強度と歯面転動疲
労強度の向上が、またプラスチック成形機、さく岩機な
どの油圧ピストンおよびシリンダーにあっては、機械の
大型化、摺動サイクルの高速化に伴って摺動部表面の耐
摩耗性の向上が強く望まれている。

このため従来より、浸炭異常組織の生成を防止し、疲労
強度、耐衝撃性、あるいは耐摩耗性の改善を目的とした
肌焼鋼が、例えば特公昭５５−３２７７号公報、特開昭
６０−２１３５９号公報、特開昭６０−２４３２５２号
公報等により提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、これらの提案はいずれも粒界酸化を助長
するｓ　ｉｓ　Ｍｎｓ　Ｃｒの添加量規制のみで対応し
ようとするものであり、浸炭条件、焼入条件によっては
、完全に浸炭異常組織を抑えることが困難である。従っ
て、近年の機械構造用部品に対する高度な要求に完全に
応えることは難しかった。

また、表層部に圧縮残留応力を導入すれば疲労強度、転
勤疲労強度が向上することがら、浸炭焼入れ後にショッ
トピーニングを施すことが従来より行われているが、不
完全焼入組織が存在すると、ショットピーニングによる
極端な肌荒れ（表面凸凹）が生じ、かえって疲労強度が
低下することもあり、効果的な対策とは言えなかった。

本発明は、このような状況に鑑み、浸炭異常組織の生成
に対して極めて高い抵抗力を示ず肌焼鋼を提供するもの
である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らは、浸炭異常組織の生成を抑制するためには
、Ｓ　ｉ、Ｍｎｓ　Ｃｒにとられれることなく広い成分
系から総合的に、しかも粒界酸化と不完全焼入組織の両
面から対策を講じることが必要であると考え、鋭意実験
研究を重ねた結果、次の知見を得るに至った。

○　Ｃｕを添加すれば粒界酸化が大巾に抑制されること
が判明した。これは、浸炭中に表層部にＣＵが濃化し、
最表面を極めて薄いＣｕ化合物が覆うため、粒界へのＯ
の侵入を防ぐためと考えられる。

○　しかし、Ｃｕによる粒界酸化抑制効果は、酸化物生
成自由エネルギーがＦｅより低い元素、言い換えればＦ
ｅより酸化しやすい元素（第１図に示すように、例えば
Ｓ　ｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ａｌなど）との相互作用が大きく
、これらの元素を添加し過ぎると粒界酸化が抑制できな
くなる。

この観点から、極めて酸化しやすいＡＡは出来るだけ含
まれないのがよ（、含まれてもＳｏｊ！。

Ａ１で０．０７％以下、次いで酸化しゃすいＳｌについ
ては０．１５％未満、Ｃｒについては１．５％以下、Ｍ
ｎについては１．２％以下に制限する必要がある。

ＱＣｕについては、また、Ｃｕ化合物被膜の下はＣｕｔ
Ｉ化層になっており、たとえ粒界酸化により固溶Ｓ　＋
　、固溶Ｍｎ、固溶Ｃｒの量が低下してもＣｕの焼入性
向上効果で表層部の不完全焼入組織は生成しにくいこと
が判明した。

○　Ｓ　ｉ、Ｍｎ、Ｃｒは焼入性を向上させる元素でも
あるため、これら元素の添加量を前述のように規制する
と、肌焼鋼としての焼入性が確保されないばかりでなく
、焼入冷媒の種類によっては焼入時に鋼表面に沸騰膜が
できて最表面の冷却速度が遅（なるため、たとえ内部ま
で十分に焼入されたとしても表層部に不完全焼入＆１１
ｍができることが判明した。

そこで、さらに検討を重ねた結果、ＮｉおよびＭＯは粒
界酸化を助長ぜずかつ不完全焼入層を防止できることが
明らかとなった。これは、第１図に示すように、Ｎｉと
ＭｏはＦａより酸化物生成自由エネルギーが高い、すな
わちＦｅより酸化しにりく、かつ焼入性を向上させる元
素であるためと考えられる。

母材の焼入性が不足する場合には、Ｂを添加するのも有
効である。

○　また、Ａｌの含を量規制によるオースティト粒の粗
大化に対しては、Ｎｂ、■が有効に働くことも明らかに
なった。

本発明は、以上の知見に基づきなされたもので、下記■
の成分組成を基礎とし、これに必要に応じて■または■
もしくは■＋■の成分系を加えた肌焼鋼を要旨とする。

■　重量比でＣ：Ｏ，Ｘ〜０．４％、Ｓｉ：０．１５％
未満、Ｍｎ：１．２％以下、Ｃｒ：１．５％以下、Ｓｏ
　１．Ａ１：０．０７％以下、Ｃｕ　：０．０２〜０．
５％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物。

■　重量比でＮｊ：５．０％以下、Ｍｏ：２．５％以下
、Ｂ’：０．００５％以下のうち１種または２種以上。

＠　　ｆｆｉ！比でＮｂｊＯ，１５％以下、Ｖ：０．１
５％以下の１種または２種。

次に本発明鋼の成分範囲限定理由を述べる。

□ｃ：ｏ、ｔ〜０．４％ Ｃは機械構造用部品としての強度確保のために必要な基
本成分であり、肌焼鋼として浸炭焼入、焼戻し後のコア
（非浸炭部）の硬さは少なくともＨ＝Ｃ２５は必要であ
り、このためにはＣ量は０゜１％以上は必要である。

しかし、０．４％を越えて添加すると、ケース（浸炭部
）とコアの硬さの差が小さくなり、ｆｉｌ労強度向上、
転勤疲労強度向上に有効な圧縮残留応力が導入されにく
くなるとともに、耐衝撃性、被削性が劣化するので、上
限を０．４％とした。

ＱＳｉ：０．１５％未満− ＳｔはＦｅより非常に酸化されやすい元素であり、浸炭
された表層部で粒界酸化物の生成を著しく助長する作用
を有する。このため少ない方が好ましいが、０．１５％
未満では粒界酸化は無視できる程度に軽微になるため上
限を０．１５％（０，１５％は含まない）とした。

下限はＳｉが少ないほど粒界酸化を抑制できるので特に
規定しないが、製鋼上０．０５％より少なくするには困
難をともなうので、好ましくは０．０５％である。

ＯＭｒｚｌ、２％以下 Ｍｎ４３　ｉはどではないが、Ｆｅより酸化されやすい
元素であり、従って粒界酸化を助長する。

このため、Ｍｎ添加量も少ないほどよいが、Ｃｕを添加
する場合には１．２１％以下にすると粒界酸化物はほと
んど生成しなくなる。このためＭｎの上限は１．２％と
した。

下限はＭｎが少量はど粒界酸化を抑制できるので特に規
定しないが、コア部の焼入性を確保することを考慮する
と０．３％以上が好ましい。

ＯＣｒ：１．５％以下 Ｃｒも粒界酸化物を生成しやすい元素であり、従ってＣ
ｒ添加量も少ないほど好ましい。しかし、Ｃｕを添加す
る場合には１．５％以下にすると粒界酸化物はほとんど
生成しなくなる。このため、Ｃｒの上限は１．５％とし
た。

下限はＣｒが少ないほど粒界酸化を抑制できるので特に
規定しないが、０．５％未満になると浸炭性が低下する
ので０．５％以上が好ましい。

○　Ｓｏｌ、Ａｌ　：０．０１％以下 Ａ１はＳ　ｒ　、Ｍ　ｎ　ｓ　Ｃｒに比べ大巾に酸化し
やすく、粒界酸化を生じる要因になるので、少ないほど
好ましいが、Ｃｕを添加する場合には、０．０７％以下
にすると粒界酸化物はほとんど生成しなくなるため、上
限を０．０７％とする。

下限はＡｆｆｉが少ないほど粒界酸化防止に有効である
ので特に規定しない。

Ｑ　　Ｃｕ　：０．０２〜０．５％ 既に述べたようにＣｕを添加することにより、最表面に
極めて薄いＣｕ化合物層が生じ、粒界酸化を防止するこ
とができる。また、Ｃｕ化合物層の下にはＣｕ濃化層が
生じ、たとえ粒界酸化が生じて表面層の焼入性が低下し
てもＣｕの焼入性向上効果で不完全焼入性組織は生成し
にくくなる。

これらの効果を十分に発現されるためには少なくとも０
．０２％のＣｕが必要であるが、０．５％を越えて添加
すると、Ｃｕ化合物層の厚さが厚（なり、浸炭性が急激
に低下して不完全焼入組織の生成が顕著になるので、下
限を０．０２％、上限を０．５％とした。

○　Ｎｉ：５．０％以下 本発明鋼は粒界酸化を防止するために、Ｆｅより酸化さ
れやすいＳｔＳＭｎ、Ｃｒの添加量を制限している。こ
れらの元素はいずれも焼入性向上元素であるため、肌焼
鋼としてのコア部の焼入性が十分に確保されなくなる。

また、ケースにおいても焼入性が不十分なため、表層部
の不完全焼入組織が生成されやすくなる。従って、粒界
酸化を生じ、かつ焼入性を高めるＮｉの添加は浸炭異常
組織（粒界酸化、不完全焼入層）の防止に有効である。

また、このＮｉはＣｕ添加による熱間加工性の劣化を改
善する効果も有する。

しかし、Ｎｉは５．０％を越えて添加すると浸炭性が阻
害されるとともに、切削性が著しく劣化するので添加さ
れる場合は上限を５．０％とする。

下限についてはＣｕ添加による熱間加工性の劣化を防止
するため、Ｃｕ添加量以上にするのが好ましい。

○　Ｍｏ：２．５％以下 ＭＯもＮｉと同様、粒界酸化を起こさず、焼入性を向上
させる元素であるため、コア部の焼入性を確保するのみ
ならず、表層部の不完全焼入組織の防止に役に立つ、し
かし、２．５％を越えて添加すると、浸炭されたケース
部においてＭｏ炭化物が析出し、表層部の焼入性はかえ
って低下するので添加する場合は上限を２．５％とする
。

下限についてはコア部の焼入性を確保することを考慮す
ると、０．１％以上が好ましい。

○　Ｂ：ｏ、ｏｏｓ％以下 Ｂは微量添加で焼入性を著しく向上させる元素であるが
、ｃｌが多くなるほどその効果が薄れる。

従って、コア部の焼入性だけを向上させる場合には非常
に有効である。しかし、ＢはＦｅより酸化しやすい元素
でもあり、０．００５％を越えて添加すると表層部に粒
界酸化が生成し始める。このため添加される場合は上限
を０．００５％とする。

下限は、焼入性向上効果が顕著になるｏ、ｏｏ。

３％を越えることが好ましい。

Ｑ　　Ｎｂ：Ｏ，Ｏ２Ｎ２．１％、Ｖ：０．０１〜０．
１％通常、ＡｌはＮと結合して微細なＡ７！Ｎを形成し
、浸炭時のオーステナイト粒の粗大化を阻止する効果が
ある。しかし、本発明鋼では粒界酸化を抑制するために
、Ａｌを無添加または添加量を０゜０７％未満に制限し
ていることから、浸炭前の履歴および浸炭条件によって
はオーステナイト粒が粗大化する場合がある。これを防
止するためにはＮｂ、Ｖ添加して、ＮｂＣ１ＶＣを微細
析出させるのが有効である。この効果を十分に発揮させ
るためにはＮｂ５Ｖはいずれも０．０１％以上添加する
必要がある。しかし、Ｎｂ、ＶともＦｅより酸化しやす
＜、０．０１％を越えて添加すると粒界酸化物が生成し
はじめる。このため下限を０．０１％、上限を０．１％
とした。

〔実施例〕

次に実施例をもって本発明を説明する。

第１表に示す化学成分を有する４２種類の鋼を高周波真
空炉にて溶製し、熱間鍜造により直径４０龍の丸棒と３
５ｎｘ３５ｎの角棒にと成形し、角棒からは第２図に示
す曲げ疲労試験片を、丸棒からは第３図に示す円板状転
勤疲労試験片をそれぞれ作成した。

そして、これらの試験片を先ずカーボンポテンシャル０
．８％の浸炭雰囲気で９３０℃×２ｈｒ保持した後、２
００℃のホントクエンチ油で焼入した。

浸炭焼入後、曲げ疲労試験片の断面を研磨し、しかる後
、無腐食で粒界酸化深さを、ナイタール腐食により不完
全焼入層深さを光学顕ａ＆鏡観察によって測定した。測
定はそれぞれ２０ケ所行い、その平均値をもって測定値
とした。

合せて曲げ疲労試験と転勤疲労試験とを行った。

曲げ疲労試験は、第４図に示すように、試験片両端を支
持した状態で１０’回まで中央部に繰返し圧縮応力を付
加して、圧縮応力と繰返し数との関係をＳ−Ｎ曲線に表
わし、その結果から疲労限度を求めるものとした。

転勤疲労試験片については、第５図に示すように、同一
試験片どうしの２０一ラ式転勤疲労試験（すべり率０％
）を１０７回まで繰返し、押え面圧と繰返しの数との関
係をＳ−Ｎ曲線に表わして、耐久限度を求めた。

これらの試験結果を第１表に併記する。

鋼種１１ｋＬＬ−４２９は本発明に係る鋼である。−方
、鋼種Ｎａ３０〜患３２はＳｉ含有量の点で、鋼種ｌ１
ｋ１３３〜阻３５はＭｎ含有量の点で、鋼種ぬ３６〜３
８はＣｒ含’ｆ［の点で、鋼種Ｎ１３９〜ｌｍ４２はＣ
ｕ含有量の点でそれぞれ本発明の範囲を外れる比較鋼で
ある。

第１表の試験結果から明らかなように、本発明鋼は粒界
酸化、不完全焼入層をほとんど生成せず、曲げ疲労限度
は８３　ｋｒ　／　＋ｕ　”以上、転勤疲労耐久限度は
２８０ｋｇ／ａｍ”以上と、いずれも比較鋼に比べて格
段にすぐれたものとなっている。

また、耐摩耗性についても特に特性値は示していないが
、上記と同一条件の浸炭焼入れを施した本発明１４ｍ　
１３、比較ａＮａ３９．　４０．　４２に：Ｐｉｎ−Ｒ
ｉｎｇ式摩耗試験を行った結果、試験片（Ｐ　ｉ　ｎ）
の全摩耗量の比はＨＮｃｈ１３：に３９：隘４０：隘４
２＝１：５：４：８となり、本発明鋼は比較鋼に比べて
格段に優れていることがわかっている。

第６図、第７図、第８図は、それぞれＳｔ含有量、Ｍｎ
含有量、Ｃ「含有量の影響を明確にするため、これら各
元素以外の成分が実質的に同一の＃１１１Ｍぬ２，４〜
６．３０〜３２、鋼種１ｉｈ２．　７〜９．３３〜３５
、鋼種阻２．１０〜１２．３６〜３８についてＳ　ｉ、
Ｍｎ、Ｃｒ含有量と粒界酸化深さとの関係を整理して示
したものである。また、第９図はＣｕ含０′量以外の元
素が実質的に同一の鋼種ｍ２．１３〜１６．３９〜４２
についてＣｕ含有量と粒界酸化深さ、不完全焼入Ｎ深さ
との関係を整理したものである。

これらの図から、Ｓ　ｉ　％　Ｍ　ｎ　％　Ｃｒ　、Ｃ
ｕ含有量が本発明範囲内にあれば粒界酸化と不完全焼入
れとが防止され、浸炭異常層がほとんど生成しないこと
がわかる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明の肌焼鋼は浸炭
異常組織の生成が極端に少ないので、自動車のトランス
ミッション、プラスチック射出成形機やさく岩槻の油圧
ピストンおよびシリンダーなど、苛酷な条件で使用され
る機械構造用部品に使用して、これに高度の疲労強度、
転勤疲労強度、耐摩耗性を与えることができ、これら機
械構造用部品の耐久性向上に大きな効果を発揮するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属酸化物の温度と生成自由エネルギ−との関
係を示すグラフ、第２図および第３図は試験片の形状寸
法の説明図、第４図および第５図は試験方法の説明図、
第６図〜第９図は本発明鋼における特長的元素の浸炭異
常組織生成に与える影響を示したグラフである。 Ｓｉ（％） 第　　６　　図 Ｃｒ（％） 第８図 Ｍｎ（＠Ａ） 第　　７　図 Ｃｕ（Ｚ） 第　９　図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量比でＣ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：０．１５
   ％未満、Ｍｎ：１．２％以下、Ｃｒ：１．５％以下、Ｓ
   ｏｌ．Ａｌ：０．０７％以下、Ｃｕ：０．０２〜０．５
   ％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなること
   を特徴とする肌焼鋼。
2. （２）重量比でＣ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：０．１５
   ％未満、Ｍｎ：１．２％以下、Ｃｒ：１．５％以下、Ｓ
   ｏｌ．Ａｌ：０．０７％以下、Ｃｕ：０．０２〜０．５
   ％を含むとともに、Ｎｉ：５．０％以下、Ｍｏ：２．５
   ％以下、Ｂ：０．００５％以下のうち１種または２種以
   上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるこ
   とを特徴とする肌焼鋼。
3. （３）重量比でＣ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：０．１５
   ％未満、Ｍｎ：１．２％以下、Ｃｒ：１．５％以下、Ｓ
   ｏｌ．Ａｌ：０．０７％以下、Ｃｕ：０．０２〜０．５
   ％を含むとともに、Ｎｂ：０．１５％以下、Ｖ：０．１
   ５％以下の１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不
   可避的不純物からなることを特徴とする肌焼鋼。
4. （４）重量比でＣ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：０．１５
   ％未満、Ｍｎ：１．２％以下、Ｃｒ：１．５％以下、Ｓ
   ｏｌ．Ａｌ：０．０７％以下、Ｃｕ：０．０２〜０．５
   ％を含むとともに、Ｎｉ：５．０％以下、Ｍｏ：２０５
   ％以下、Ｂ：０．００５％以下のうち１種または２種以
   上を含有し、さらにＮｂ：０．１５％以下、Ｖ：０．１
   ５％以下の１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不
   可避的不純物からなることを特徴とする肌焼鋼。