JP4291941B2 - 曲げ疲労強度に優れた軟窒化用鋼 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軟窒化後に浸炭材と同等以上の曲げ疲労強度を発揮できる軟窒化用鋼に関するものである。本軟窒化用鋼は例えば歯車やクランクシャフト、コンロッド等の熱処理歪みの発生を嫌う高強度構造用部品に好適に利用される。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の高出力化および軽量化に伴い、構造用部品の高強度化が要望されている。そこで、歯車、シャフト等のように疲労強度や耐摩耗性が要求される部品に対しては、従来より浸炭等の表面硬化処理が行われてきたが、浸炭処理を行うと、浸炭処理後の焼入れ時に大きな歪みが発生するという問題がある。熱処理歪みの小さい表面硬化処理としては軟窒化処理があるが、この方法では、充分な曲げ疲労特性が得られない問題があり、更に軟窒化処理は５００〜６００℃の温度範囲で数時間処理されることから、内部硬さが低下するため、ＪＩＳに規格化されているＳＡＣＭ６４５等の比較的炭素含有量の多い鋼が用いられ、切削加工等の加工性に問題があった。
【０００３】
また、軟窒化時に析出硬化を目的とし、特開平５−５９４８８号公報、特開平７−１３８７０１号公報、特開平１０−３０６３４３号公報があり、これらは軟窒化時に金属間化合物やＣｕの析出により疲労強度の向上を図るものである。
【０００４】
しかしながら、従来はＣｕの析出効果による曲げ疲労強度の向上および加工性との両立が必ずしも十分とはいえなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような事情に着目してなされたものであって、その目的は従来の軟窒化鋼以上の優れた疲労強度特性を発揮することができる軟窒化用鋼を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは軟窒化処理後には優れた曲げ疲労特性を得るためには、フェライト中にＣｕを析出させることにより優れた析出硬化が得られ、高い疲労強度が得られる。その効果を得るための鋼材組織はマルテンサイト組織やベイナイト組織、パーライト組織よりもフェライト組織を主体とした組織の方が効果が高いことを見出した。また、マトリックスをフェライト組織とした場合のパーライト組織やセメンタイトはあたかもフェライト粒界に存在する形態となり、特にセメンタイトは粒界にフィルム状に生成するため、疲労強度を低下させる原因となることを見出し、それを解決する手段としてはＣ量の低減が望ましいが、Ｃ量の低減は素材の硬さが低下するため、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂの炭化物により、できるだけ粒状微細な炭化物とし、またその析出硬化により内部硬さを高めることができ、疲労強度の向上を図ることができることを見出した。
【０００７】
本発明の軟窒化用鋼は、Ｃ：０．０１％〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１％〜１．５％、Ｍｎ：０．１５％〜２％、Ｃｕ：０．５％〜２％、Ａｌ：０．０１８〜０．５％を含有し、Ｎ：０．００５％未満に制限し、Ｔｉ：０．０１％〜０．５％、Ｖ：０．０５％〜０．５％、Ｎｂ：０．００５％〜０．５％の中から１種以上を含有し、且つＣ＋Ｎ≦Ｔｉ／４．０＋Ｎｂ／７．７＋Ｖ／４．３であり、残部がＦｅおよび不可避的な不純物元素からなり、フェライトの面積率が９０％以上で、残りが炭化物、または炭化物およびパーライト組織からなり、パーライトの平均サイズが２０μｍ以下であることを特徴とするものである。上記を基本とするものであるが、必要に応じて、Ｎｉ：０．５％〜２％を含有することにより、鋼の熱間延性を改善することができる。更に、Ｃｒ：０．１％〜２％の中から１種以上を含有することにより軟窒化特性を高めることができ、更に、Ｓ：０．０３％〜０．１％、Ｐｂ：０．００５％〜０．３％の中から１種以上を含有することも有効であり、これらの元素の添加は被削性改善に効果がある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の詳細を説明する。
【０００９】
Ｃ：０．０１％〜０．１５％
通常、鋼の強度を得る上でＣは必要である。そのため、下限を０．０１％とした。しかし、パーライト組織をできるだけ抑制し、２０μｍ以下の粒状に保つために上限を０．１５％とした。
【００１０】
Ｓｉ:０．０１％〜１．５％
Ｓｉは溶製時の脱酸剤として有用な元素であり、鋼の強度の向上に効果があり、０．０１％以上とした。しかし、多すぎると加工性を劣化させるため、１．５％以下とした。
【００１１】
Ｍｎ：０．１５％〜２％
Ｍｎは溶製時の脱酸剤として有用な元素であり、鋼の強度の向上に効果があり、０．１５％以上とした。しかし多すぎると鋼の焼入れ性が高くなり、マルテンサイトやベイナイト組織が生成しやすくなるため、その上限を２％とした。
【００１２】
Ｃｕ：０．５％〜２％
Ｃｕは軟窒化時における芯部硬さの時効硬化に寄与する元素であり、高い疲労強度を得るために本鋼においては必須である。その効果を得るためには０．５％以上が必要である。但し、多すぎると熱間脆性を生じて製造過程で割れが発生するため、２％以下とした。
【００１３】
Ｎ：０．００５％未満
ＮはＴｉ、Ｎｂ、Ｖと結びついて窒化物を生成する。Ｎ濃度が高くなると窒化物とするために必要なＴｉ、Ｎｂ、Ｖ添加量が多く必要になり、またＴｉＮ等は窒素量が高いと粗大になり、疲労強度の低下の原因となるため、窒素濃度は極力低いことが望ましいが、０．００５％未満までは許容されるので、上限を０．００５％未満とした。
【００１４】
Ｔｉ：０．０１％〜０．５％
Ｔｉは炭化物を生成し、疲労強度の劣化原因となるフィルム状セメンタイトの抑制に効果がある。
【００１５】
ＴｉＣ炭化物は熱間圧延または熱間鍛造での析出硬化に効果があり、鋼材の強度を向上させることができる。また、その添加量は鋼のＣ量と密接な関係があり、フィルム状セメンタイトを抑制するための炭化物を生成させるために必要である。それらの効果はＶやＮｂとの複合添加によっても可能であるため、その下限を０．０１％以上とした。また、Ｔｉは軟窒化時に浸入するＮと結合して窒化物を生成し、表面硬さを向上させる効果がある。０．５％以上を超えて添加しても効果が飽和するため、０．５％以下とした。
【００１６】
Ｖ：０．０５〜０．５％
ＶはＴｉと同様に炭化物を生成し、フィルム状セメンタイトの抑制に効果がある。また、Ｖは軟窒化時に浸入する窒素と結合して窒化物を生成し、表面硬さを高めることができる元素である。それらの効果を得るためには０．０５％以上必要であるが、０．５％を超えて添加しても効果が飽和するため、０．５％以下とした。
【００１７】
Ｎｂ：０．００５％〜０．５％
ＮｂもＴｉ、Ｖと同様に炭化物を生成し、フィルム状セメンタイトの抑制に効果がある。また、Ｎｂは軟窒化時に浸入する窒素と結合して窒化物を生成し、表面硬さを高めることができる元素である。その効果を得るためには０．００５％以上必要であるが、０．５％を超えて添加しても効果が飽和するため、０．５％以下とした。
【００１８】
軟窒化処理前のフェライトの面積率が９０％以上であり、残りが炭化物、または炭化物およびパーライト組織であり、パーライトの平均サイズが２０μｍ以下：
本発明にとって鋼材の組織と疲労強度に対して重要な役割を果たす。軟窒化処理前の組織としてはフェライト組織が望ましく、下限として９０％とした。残りの組織としての炭化物はセメンタイトが極力少なく、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ等の微細炭化物であることが望ましい。また、パーライト組織が生成したとしてもそのサイズが小さいことが望ましい。パーライトの平均サイズが２０μｍ以下であれば、疲労強度の低下が小さいことを見出し、平均サイズを２０μｍ以下とした。
【００１９】
フェライト面積率は、例えば組織を光学顕微鏡を用いて組織観察を行い、画像解析により、視野内におけるフェライト部分の占有面積率を求めた。後述の実施例では光学顕微鏡により４００倍で任意に１０視野の組織観察を行い、その平均値をフェライトの占有面積率とした。
【００２０】
本発明のパーライトのサイズとは、例えば後述の実施例では光学顕微鏡を用いてランダムに１０視野を４００倍で組織観察を行い、その視野に存在する全てのパーライトの長径を測定し、その平均値を平均サイズとした。
【００２１】
Ｃ＋Ｎ≦Ｔｉ／４．０＋Ｎｂ／７．７＋Ｖ／４．３：
上述したように鋼の組織としてはフェライトを９０％以上とし、パーライトの平均サイズを２０μ以下としなければならない。そのためにはＴｉ、Ｎｂ、Ｖの微細炭化物とし、各元素の添加量を上記式の関係を満たすことが必要である。
【００２２】
Ｎｉ:０．５％〜２％
ＮｉはＣｕによる熱間脆性を抑制する効果がある。その効果を得るためには０．５％以上が必要であり、２％を超えると効果が飽和するため上限とした。
【００２３】
Ｃｒ：０．１％〜２％
Ｃｒは軟窒化での表面硬さを得るために必要な元素である。その効果を得るためには０．１％以上が必要である。しかし、２％以上としても効果が小さく、また鋼の焼入れ性が高くなり、マルテンサイトやベイナイト組織が生成しやすくなるため２％を上限とした。
【００２４】
Ａｌ：０．０１８％〜０．５％
Ａｌは軟窒化時に浸入する窒素と結合して窒化物を生成し、表面硬さを高めることができる元素である。その効果を得るためには０．０１８％以上必要であるが、０．５％を超えて添加しても効果が飽和するため上限とした。好ましくは、０．０５〜０．５％である。
【００２５】
Ｓ：０．０３％〜０．１％
Ｓは被削性を改善する元素であり、必要に応じて添加されるが、０．０３％未満では効果が小さく、０．１％を超えると強度が劣化するため、上限とした。
【００２６】
Ｐｂ：０．００５％〜０．３％
Ｐｂは鋼の被削性を改善する元素であり、必要に応じて添加されるが、０．００５％未満では効果が小さく、また０．３％を超えると強度が劣化するため、上限を０．３％とした。
【００２７】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を説明する。表１に示す化学成分の組成を１５０ｋｇ真空溶解炉で溶製後、熱間圧延により直径４０φの丸棒を製造した。この丸棒を１２００℃に加熱し２０φに熱間鍛造で鍛伸し、その後空冷しこの材料を素材とした。またこのときの冷却速度は１．０℃／秒であり、この冷却過程でCuを固溶させておく必要があり、そのためには０．２℃／秒以上の冷却速度で冷却すすればよい。
【００２８】
その後、平行部１０ｍｍφの小野式回転曲げ試験片を作成した。この試験片を５８０℃で１２０分でガス軟窒化処理を行った。軟窒化処理はＲＸガス：ＮＨ₃＝１：１のガス雰囲気で行った。
【００２９】
比較例２２に用いたＪＩＳ−ＳＣＭ４１５鋼は９３０℃で４時間の浸炭処理を施し、その後油焼入れを行った後１８０度で２時間の焼き戻し処理を行った。このように処理された試験片の表面より５０μｍ内部および内部の硬さを測定すると供に、小野式回転曲げ試験片を実施した。
【００３０】
表２に本発明例および比較例の鋼の素材の硬さおよび軟窒化処理後の表面硬さ、組織のフェライト面積率、炭化物およびパーライトの平均サイズ、小野式回転曲げ疲労試験における疲労限強度を示した。
【００３１】
表２において本発明例１〜４、６〜１５は本発明の請求項１〜４に該当する鋼組成、組織となっており、高い疲労強度となっている。
【００３２】
それに対して比較例１６はＣ量が多く、組織のフェライト面積率が９０％未満となり、疲労強度が低下した。比較例１７はＣ＋Ｎ≦Ｔｉ／４．０＋Ｎｂ／７．７＋Ｖ／４．３の関係が満足せず、パーライトサイズが大きくなり疲労強度が低下した。比較例１８はＣｕ添加量が不足し、疲労強度の向上効果が得られなかった。比較例１９はＭｎ添加量が高く、組織のフェライト面積率が不足し、疲労強度が低下した。比較例２０はＣｒ添加量が高く、組織のフェライト面積率が不足し、疲労強度が低下した。比較例２１はＮ含有量が高く、そのため粗大なＴｉＮが生成し、疲労強度が低下した。以上述べたように本発明例によれば優れた疲労強度が得られることがわかる。
【００３３】
【表１】

【００３４】
【表２】

【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、疲労特性に優れた軟窒化用鋼であって、高負荷のかかるクランクシャフトや歯車等の部品に適用した場合であっても、充分な疲労強度を発揮し、高強度の軟窒化用鋼が提供できる。なお、本鋼は熱間圧延や熱間鍛造後、または更に焼きならし処理などのを行った状態でも素材の硬さが低いため、冷間鍛造部材にも好適に適用できる。

Claims (4)

1. 質量％で、
   Ｃ：０．０１％〜０．１５％、
   Ｓｉ：０．０１％〜１．５％、
   Ｍｎ：０．１５％〜２％、
   Ｃｕ：０．５％〜２％、
   Ａｌ：０．０１８〜０．５％
   を含有し、
   Ｎ：０．００５％未満
   に制限し、
   Ｔｉ：０．０１％〜０．５％、
   Ｎｂ：０．００５％〜０．５％、
   Ｖ：０．０５％〜０．５％
   の中から１種以上を含有し、
   且つＣ＋Ｎ≦Ｔｉ／４．０＋Ｎｂ／７．７＋Ｖ／４．３であり、
   残部がＦｅおよび不可避的な不純物元素からなり、フェライトの面積率が９０％以上で、残りが炭化物、または炭化物およびパーライト組織からなり、パーライトの平均サイズが２０μｍ以下であることを特徴とする曲げ疲労強度に優れた軟窒化用鋼。
2. 質量％で、
   Ｃ：０．０１％〜０．１５％、
   Ｓｉ：０．０１％〜１．５％、
   Ｍｎ：０．１５％〜２％、
   Ｃｕ：０．５％〜２％、
   Ａｌ：０．０１８〜０．５％
   を含有し、
   Ｎ：０．００５％未満
   に制限し、
   Ｔｉ：０．０１％〜０．５％、
   Ｎｂ：０．００５％〜０．５％、
   Ｖ：０．０５％〜０．５％
   の中から１種以上含有し、更に、
   Ｎｉ：０．５％〜２％
   を含有し、且つＣ＋Ｎ≦Ｔｉ／４．０＋Ｎｂ／７．７＋Ｖ／４．３であり、残部がＦｅおよび不可避的な不純物元素からなり、フェライトの面積率が９０％以上で、残りが炭化物、または炭化物およびパーライト組織からなり、パーライトの平均サイズが２０μｍ以下であることを特徴とする曲げ疲労強度に優れた軟窒化用鋼。
3. 請求項１または２記載の鋼成分に、更に質量％で、
   Ｃｒ：０．１％〜２％
   を含有し、フェライトの面積率が９０％以上で、残りが炭化物、または炭化物およびパーライト組織からなり、パーライトの平均サイズが２０μｍ以下であることを特徴とする曲げ疲労強度に優れた軟窒化用鋼。
4. 請求項１乃至３記載の鋼成分に、更に質量％で、
   Ｓ：０．０３％〜０．１％、
   Ｐｂ：０．００５％〜０．３％
   の中から１種以上を含有し、フェライトの面積率が９０％以上で、残りが炭化物、または炭化物およびパーライト組織からなり、パーライトの平均サイズが２０μｍ以下であることを特徴とする曲げ疲労強度に優れた軟窒化用鋼。