JP3927420B2 - 焼戻し軟化抵抗性に優れた肌焼鋼 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンへ燃料を噴射するインジェクター等の、使用過程でその部品環境の温度が上昇し、その部品表面の硬さの低下を抑制することが必要な部品に供する肌焼鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車のエンジンに燃料を供給するインジェクター等はＪＩＳ ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０等の肌焼き用クロム鋼、またはクロムモリブデン鋼を用いて部品加工を行い、浸炭焼入れ焼戻しを行って使用される場合が多かった。
【０００３】
近年、エンジンの高性能化が進み、使用される条件により部品表面温度は３００℃程度まで上昇し、浸炭処理により高い表面硬さが得られていても、その使用温度による焼戻し効果により表面硬さが低下し、耐磨耗性の低下や部品強度の低下が生じるといったことが問題になっていた。従来の肌焼鋼では、その使用温度での表面硬さはＨＶ６００台であり、ＨＶ７００を下回ると著しく磨耗が進行することから、ＨＶ７００以上が確保される肌焼鋼が望まれていた。従来から、浸炭硬化層の焼戻し軟化抵抗を向上させる鋼成分にはＳｉが有効であることは知られおり、例えば特開２００１−１９２７６５号公報には、その知見が開示されているが、該公報の発明は３００℃程度の高温での焼戻し軟化抵抗を向上させる企図はなく、開示や示唆もない。また、Ｓｉの過剰添加は浸炭性を阻害し、浸炭焼き入れままでの表面硬さが得らえられにくく、従って３００℃程度での表面硬さも低い等の問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題を鑑みてなされたものであり、部品温度が３００℃にも達するような環境条件下でも焼戻し効果による軟化を抑制しつつＨＶ７００以上の表面硬さを確保し、部品表面の耐磨耗性や強度を確保する、軟化抵抗性に優れた肌焼鋼を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は鋼の３００℃における軟化抵抗性を向上させるために鋭意検討した結果、浸炭時のＣ濃度を高くし、浸炭ままでの硬さを高くしても、３００℃においては軟化量も大きくなり、ＨＶ７００以上を確保することが困難であり、軟化性を向上させるためには鋼の含有元素量を調整することが、最も重要であり、そのためにはＳｉとＣｒおよびＭｏの適量含有が浸炭性を阻害せず、軟化抵抗性が確保できることを見出した。
【０００６】
本発明は、肌焼鋼の合金組成を適正に調整することにより、浸炭焼入れで高い表面硬さを得ると共に、３００℃の焼戻しにおいて軟化抵抗性に優れ、ＨＶ７００以上の表面硬さを得ようとするものである。
【０００７】
即ち、本発明の第１発明は、合金元素の含有量が質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．７０〜１．２７％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｃｒ：０．１〜３．０％、Ｍｏ：１．０〜１．５％、Ａｌ：０．２％以下、Ｎ：０．００３〜０．０３％を含有し、かつ、Ｓｉ＋０．２Ｃｒを１．３％超含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であることを特徴とする焼戻し軟化抵抗性に優れた肌焼鋼であり、第２発明は、さらに、質量％で、Ｔｉ：０．２％以下、Ｎｂ：０．２％以下を含有することを特徴とする第１発明に記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた肌焼鋼である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、合金元素の限定理由について説明する。
【０００９】
Ｃ：０．１〜０．３％
Ｃは鋼の強度を保持するのに必須の元素であり、その含有量が心部の硬さを決定し、有効硬化層深さにも影響する。そこで、本発明ではＣ量の下限を０．１％とし、心部硬さを確保している。しかし、その含有量が多すぎると、切削加工前の素材の硬さが増大し、被削性を低下させ、生産性を低下させるため、上限を０．３％とした。
【００１０】
Ｓｉ：０．７０〜１．２７％Ｓｉは本発明鋼において最も重要な元素である。すなわち、Ｓｉは３００℃の温度域における軟化抵抗を向上させるのに最も有効な元素である。その効果を得るためには０．７０％以上が必要であり、１．２７％を超えると浸炭時のＣの侵入を阻害し、浸炭焼入れままの状態で表面硬さが得られない場合や、必要な有効硬化層深さが得られない場合が生じるため、１．２７％を上限とした。
【００１１】
Ｍｎ：０．５〜１．５％
Ｍｎは焼入れ性を確保するために必要な元素であり０．５％以上とした。１．５％を超えると、鋼の加工性を劣化させるだけでなく、浸炭層の残留オーステナイトを増加安定させてしまうため、浸炭焼き入れままでの表面硬さの低下を低下させてしまうため、１．５％を上限とした。
【００１２】
Ｃｒ：０．１〜３．０％
Ｃｒは鋼の焼入れ性の向上に向上に有効な元素であり、また、炭化物を形成することによってもＳｉと同様に焼戻し軟化抵抗性を向上させるのに重要な元素である。焼入れ性を得るためには０．１％以上が必要であり、３．０％を超えると切削加工性を劣化させ、生産性を低下させるため、３．０％を上限とした。
【００１３】
Ｓｉ＋０．２Ｃｒ＋０．０１Ｍｏ＞１．３％
ＳｉとＣｒ、Ｍｏは耐軟化抵抗性を得るために重要な元素であり、その効果はＳｉが最も高い。しかし、Ｓｉ単独で大量に含有すると、焼入れ性の確保や浸炭時のＣの侵入の阻害など、Ｓｉだけでは軟化抵抗を安定して確保することは難しい。そこで、本発明では、Ｓｉと同時にＣｒ、Ｍｏをバランスよく添加することで、浸炭性を阻害することなく優れた軟化抵抗性が得られることを見出し、Ｓｉ＋０．２Ｃｒ＋０．０１Ｍｏが１．３％超含有するようにＳｉとＣｒ、Ｍｏを添加することが必要である。
【００１４】
Ｍｏ：１．０〜１．５％
Ｍｏは焼入れ性を向上させ、軟化抵抗性にも効果がある。焼入れ性を得るためには１．０％以上が必要であり、１．５％を超えると加工性を劣化させるため、上限とした。
【００１６】
その他、本発明鋼に結晶粒の微細化や結晶粒の粗大化防止を目的にＡｌ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎ等を添加することが可能であり、これらの元素は熱間圧延、熱間鍛造、切削加工等の生産性を阻害しない下記の範囲で含有することができる。
Ａｌ：０．２％以下、Ｎ：０．００３〜０．０３％を含有する他、必要に応じてＴｉ : ０．２％以下、Ｎｂ：０．２％以下を含有することができる。
【００１７】
【実施例】
表１に示す化学組成を有する熱間圧延材から１５φ×４５ｍｍの丸棒試験片を各鋼種２本加工し、 図１（ａ）に示す条件でガス浸炭焼入れ処理−２００℃×２時間の焼戻し処理を実施した。その後、各２本の内、１本は更に、前記使用条件に対応する図１（ｂ）に示す３００℃×２時間の焼戻し処理を行った。その後、２００℃焼戻し材と３００℃焼戻し材をそれぞれ試験片の軸方向中心部から切断し、表面から５０μｍ内部の硬さをビッカース硬度計で３００ｇで測定した。
【００１８】
表面硬さの測定結果を表２に示す。本発明鋼例の試験Ｎｏ．７、８、１１、１２は優れた耐軟化抵抗性を有しており、ＨＶ７００以上を確保している。それに対して比較例の試験Ｎｏ．２１（ＪＩＳ ＳＣＭ４２０）は軟化量が非常に大きく、７００ＨＶ未満である。また、比較例の試験Ｎｏ．１３、１５はＳｉ量とＭｏ量が不足するために、Ｓｉ＋０．２Ｃｒ＋０．０１Ｍｏの含有量を満足せず、そのために軟化量が大きく、７００ＨＶ未満である。比較例の試験Ｎｏ．１４、１６はＳｉ含有量が多いために、浸炭性が劣化し、２００℃戻しでの硬さが低く、従って、３００℃焼戻しでも７００ＨＶ未満である。
【００１９】
比較例の試験Ｎｏ．１７、１９はＭｏ量が不足するためＳｉ＋０．２Ｃｒ＋０．０１Ｍｏの含有量を満足しないためにＨＶ７００を下回る。また、比較例の試験Ｎｏ．１８、２０は、同Ｎｏ．１７、１５とそれぞれ同じ鋼を使用し２００℃での表面硬さを同Ｎｏ．１７、１５よりも高くなるよう浸炭処理したものであるが、３００℃で焼戻しではいずれもＨＶ７００を下回り、表面硬さが得られない。
【００２０】
尚、この効果を得るための浸炭処理は本発明の実施例で試験したガス浸炭の他に真空浸炭でも効果が得られる。また、浸炭焼入れ後にサブゼロ処理を行い、残留オーステナイト量を低減することも有効である。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【表２】

【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、合金元素を適正化することで、優れた焼戻し軟化抵抗を得ることができ、部品使用環境の温度上昇に起因した硬さの低下を抑制する鋼を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例でのガス浸炭処理のパターン模式図である。

Claims (2)

1. 質量％で、
   Ｃ：０．１〜０．３％、
   Ｓｉ：０．７０〜１．２７％、
   Ｍｎ：０．５〜１．５％、
   Ｃｒ：０．１〜３．０％、
   Ｍｏ：１．０〜１．５％、
   Ａｌ：０．２％以下、
   Ｎ：０．００３〜０．０３％
   を含有し、かつ、Ｓｉ＋０．２Ｃｒ＋０．０１Ｍｏを１．３％超含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であることを特徴とする焼戻し軟化抵抗性に優れた肌焼鋼。
2. さらに、質量％で、
   Ｔｉ：０．２％以下、
   Ｎｂ：０．２％以下
   を含有することを特徴とする請求項１記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた肌焼鋼。

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