JPH1171613A - 浸炭または浸炭窒化鋼部品の製造方法と、この部品を製造するための鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋼部品のブランクを作り、このブランクの少
なくとも表面部分を浸炭または浸炭窒化処理する鋼の機
械部品の製造方法。 【解決手段】 鋼が化学組成（重量比）：0.15％≦Ｃ≦
0.35％、０％≦Ｓｉ≦0.6％、０％≦Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｍｏ
≦５％、０％≦Ａｌ≦0.1％、０％≦Ｃｕ≦0.5％、０％
≦Ｓ≦0.15％、Ｐ≦0.03％を有し、必要に応じてさらに
0.02％以下のテルル、0.04％以下のセレン、0.07％以下
の鉛、0.005％以下のカルシウムを含むことができ、残
りは鉄と溶融に起因する不純物であり、鋼の化学組成は
鋼のジョミニー曲線が下記 45HRC≦Ｊ₃ ≦50HRC、39HRC
≦Ｊ₁₁≦47HRC、1HRC≦Ｊ₂₅≦40HRCを満足し、５つのジ
ョミニー試験の平均値Ｊ_3m、Ｊ_11m、Ｊ_15m、Ｊ_25mが｜
Ｊ_11m−Ｊ_3m×14／22−Ｊ_25m×８／22｜≦2.5HRC、Ｊ_3m
−Ｊ_15m≦９HRCを満足するように調節されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は少なくとも表面部分を浸
炭化または浸炭窒化した後、油またはガス中で急冷した
硬化鋼部品の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】歯車のような多くの鋼の機械部品は浸炭
または浸炭窒化によって表面硬化される。そのために
は、部品を900℃以上の温度で炭素または炭素と窒素を
含む雰囲気内に数時間維持して表面からこれら元素を拡
散させて一定の深さの所までの鋼の炭素または炭素と窒
素の濃度を増加させた後、低温、中温または高温の油ま
たはガス中で急冷して表面を硬化させる。浸炭または浸
炭窒化操作は1000℃以上の温度でも実施でき、この場合
は高温浸炭または浸炭浸窒操作とよばれる。

【０００３】このような部品を製造するためには、0.15
〜0.35％の炭素を含むクロムとの合金鋼、または、クロ
ムおよびモリブデンとの合金鋼あるいはクロムおよびマ
ンガンとの合金鋼を使用する。この方法を用いることに
よって表面およびその付近での硬度が高く、部品のコア
部分の機械特性が優れた部品が得られる。しかし、この
方法はひずみが生じるという欠点があるため、部品を廃
棄しなければならない場合や費用のかかる追加の加工が
必要になる場合がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はこの問
題点を解決して、少なくとも表面部分高温で浸炭または
浸炭浸窒化によって硬化された鋼部品を製造する手段を
提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、鋼部品のブラ
ンクを作り、このブランクの少なくとも表面部分を浸炭
または浸炭窒化処理する鋼の機械部品の製造方法におい
て、部品を構成する鋼の化学組成が下記重量比： 0.15％≦Ｃ≦0.35％ ０％≦Ｓｉ≦0.6％ ０％≦Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｍｏ≦５％ ０％≦Ａｌ≦0.1％ ０％≦Ｃｕ≦0.5％ ０％≦Ｓ≦0.15％ Ｐ≦0.03％ を有し、必要に応じてさらに0.02％以下のテルル、0.04
％以下のセレン、0.07％以下の鉛、0.005％以下のカル
シウムを含むことができ、残りは鉄と溶融に起因する不
純物であり、鋼の化学組成は鋼のジョミニー曲線が下
記： 45HRC≦Ｊ₃ ≦50HRC 39HRC≦Ｊ₁₁≦47HRC 31HRC≦Ｊ₂₅≦40HRC を満足し、５つのジョミニー（Jominy）試験の平均値Ｊ
_3m、Ｊ_11m、Ｊ_15m、Ｊ_{25 m}が下記： ｜Ｊ_11m−Ｊ_3m×14／22−Ｊ_25m×８／22｜≦2.5HRC、 Ｊ_3m−Ｊ_15m≦９HRC を満足するように調節されていることを特徴とする鋼部
品の製造方法を提供する。

【０００６】

【発明の実施の形態】ジョミニ曲線は下記条件の少なく
とも一つを満たすのが好ましい： 10×（Ｊ_7m−Ｊ_11m）／（４×（Ｊ_15m×Ｊ_25m））≦2.1
5 10×（Ｊ_7m−Ｊ_15m）／（８×（Ｊ_15m×Ｊ_25m））≦2.

【０００７】鋼の好まし化学組成は下記である： 0.2％≦Ｃ≦0.26％ 0.05％≦Ｓｉ≦0.5％ １％≦Ｍｎ≦1.6％ 0.4％≦Ｃｒ≦1.5％ 0.08％≦Ｍｏ≦0.27％ ０％≦Ｎｉ≦0.6％ 0.03％≦Ａｌ≦0.06％ ０％≦Ｃｕ≦0.3％ ０％≦Ｓ≦0.1％ Ｐ≦0.03％。

【０００８】鋼のさらに好ましい化学組成は下記であ
る： 0.21％≦Ｃ≦0.25％ 0.1％≦Ｓｉ≦0.45％ 1.1％≦Ｍｎ≦1.5％ 0.9％≦Ｃｒ≦1.4％ 0.09％≦Ｍｏ≦0.26％ ０％≦Ｎｉ≦0.6％ 0.005％≦Ａｌ≦0.05％ ０％≦Ｃｕ≦0.3％ ０％≦Ｔｉ≦0.05％ Ｐ≦0.03％。

【０００９】鋼の好まし窒素含有率は0.004〜0.02％で
ある。鋼は０〜0.05％のチタンを含んでいてもよい。

【００１０】本発明の他の対象は上記化学組成を有する
浸炭鋼にある。この浸炭鋼のジョミニー曲線は、下記： 45HRC≦Ｊ₃ ≦50HRC 39HRC≦Ｊ₁₁≦47HRC 31HRC≦Ｊ₂₅≦40HRC を満足し、５つのジョミニー試験の平均値Ｊ_3m、
Ｊ_11m、Ｊ_15m、Ｊ_25mは、下記を満足する： ｜Ｊ_11m−Ｊ_3m×14／22−Ｊ_25m×８／22｜≦2.5HRC、 Ｊ_3m−Ｊ_15m≦９HRC好ましくは≦８HRC

【００１１】５つのジョミニ試験の平均値Ｊ_7m、
Ｊ_11m、Ｊ_15m、Ｊ_25mは下記条件の少なくとも一つを満
たすのが好ましい： 10×（Ｊ_7m−Ｊ_11m）／（４×（Ｊ_15m×Ｊ_25m））≦2.1
5 10×（Ｊ_7m−Ｊ_15m）／（８×（Ｊ_15m×Ｊ_25m））≦
2.。

【００１２】発明者は、驚くことに、部品の製造時に浸
炭処理または浸炭窒処理終了時に行われる急冷によって
生じるひずみは、ジョミニ曲線が、この用途で通常用い
られる鋼のジョミニ曲線とは違って、変曲点をほとんど
有しない鋼を用いることによって大幅に減少し、無くす
ことができるということを見い出した。

【００１３】特に、下記元素を含む鋼を用いるのが好ま
しいということを見い出した： １） O.15〜0.35％の炭素（容易に機械加工でき、部
品の非浸炭または非浸窒部分に十分な靭性を与えるた
め） ２） 0.6％以下の珪素（十分な脱酸を確実にするた
め） ３） 合計量が５％以下のマンガン、クロム、モリブデ
ンおよびニッケル等の合金元素（十分な硬化性を与え、
ジョミニー曲線の形を調節し、コアおよび浸炭または浸
炭窒領域の両方での部品の機械特性を調節するため） ４） 0.1％以下のアルミニウム（脱酸を完全にし、粒
度を制御するため） ５） 0.5％以下の銅（非浸炭または非浸炭窒領域の延
性および靭性を低下させる不純物とみなされている） ６） 任意成分として、０％〜0.05％のチタン（硬化窒
化物を形成するため） ７） アルミニウムまたはチタンと反応して窒化物を形
成する常に存在する元素である窒素の含有率が0.004〜
0.02％であるのが好ましい。 ８） 0.03％以下の硫黄（機械加工性を改善するため） ９） 0.03％以下のリン（延性および靭性に好ましくな
い影響を及ぼす不純物）

【００１４】機械加工性を改善するために、鋼材は0.02
％以下のテルルと、0.04％以下のセレンと、0.07％以下
の鉛と、0.005％以下のカルシウムとをさらに含んでい
てもよい。組成物の残りは鉄と溶融に起因する不純物で
ある。

【００１５】化学組成は、鋼材のジョミニー曲線が下
記： 45HRC≦Ｊ₃ ≦50HRC 39HRC≦Ｊ₁₁≦47HRC 31HRC≦Ｊ₂₅≦40HRC を満足し且つ５つのジョミニー試験の平均値Ｊ_3m、
Ｊ_7m、Ｊ_11m、Ｊ_15m、Ｊ_25mが下記となるように調節す
る： ｜Ｊ_11m−Ｊ_3m×14／22−Ｊ_25m×８／22｜≦2.5HRC、 Ｊ_3m−Ｊ_15m≦９HRC好ましくは≦８HRC

【００１６】ジョミニー（Jominy）曲線とは鋼の硬化性
の特徴を表す曲線で、これは一端に水を噴射して急冷し
た円筒状試験片の母線に沿って測定した硬度から得られ
る。水を噴射した端部からｘmm離れた地点で測定した硬
度をＪ_xとよぶ。この試験は当業者に周知である。この
曲線はかなりバラツキがあるため、本発明ではジョミニ
曲線の形は点Ｊ₃、Ｊ₁₁およびＪ₂₅での値の範囲と同じ
鋼材について行った５回の異なる試験の平均値を含む下
記の式とで特徴付ける： ｜Ｊ_11m−Ｊ_3m×14／22−Ｊ_25m×８／22｜≦2.5HRC 詳細には、同じ試験を５回行い、各試験について、少な
くともＪ₃、Ｊ₇、Ｊ₁₁、Ｊ₁₅およびＪ₂₅の値を測定し、
Ｊ₃、Ｊ₇、Ｊ₁₁、Ｊ₁₅およびＪ₂₅について５つの値を得
る。５つの値の平均値Ｊxmを各点Ｊxについて計算す
る。この関係式で縦の線は絶対値を表す周知の記号であ
る。この式と式：Ｊ_3m−Ｊ_15m≦９HRCまたは≦８HRCと
を組合せてジョミニー曲線が変曲点を表するものではな
いことを表している。

【００１７】好ましいジョミニー曲線の形は下記の式の
少なくとも一つを満たすことでさらに精密にすることが
できる： 10×（Ｊ_7m−Ｊ_11m）／（４×（Ｊ_15m×Ｊ_25m））≦2.1
5 10×（Ｊ_7m−Ｊ_15m）／（８×（Ｊ_15m×Ｊ_25m））≦2.

【００１８】上記鋼を用いるとこのジョミニー曲線が得
られるが、その化学組成は下記元素を下記重量比で含
む： １） 0.2〜0.26％、好ましくは0.21％〜0.25％の炭素
（浸炭または浸炭窒前の部品が過剰に高い硬くならず、
しかも、優れた浸炭性または浸炭窒性を達成するため） ２） １〜1.6％、好ましくは1.1〜1.5％のマンガン
（硫黄を固定して、優れた内部安定性を達成し、クロム
およびモリブデンと一緒になって満足のゆくジョミニー
曲線が得られるように硬化性を調節するために） ３） 0.05〜0.5％、好ましくは0.1〜0.45％の珪素 ４） 0.4〜1.5％、好ましくは、0.9〜1.4％のクロム
（浸炭または浸炭窒層を硬化し、マンガンおよびモリブ
デンと一緒になって満足のゆくジョミニ曲線が得られる
ように硬化性を調節するため） ５） 0.08〜0.27％、好ましくは0.09〜0.26％のモリブ
デン（浸炭またはは浸炭窒層を硬化させ、耐酸化性の向
上に貢献すると共に、マンガンおよびクロムと一緒にな
って満足のゆくジョミニ曲線が得られるように硬化性を
調節するため）（下限は、この元素が大きな影響を及ぼ
すように、モリブデン含有率の最低値に対応する） ６）０〜0.6％のニッケル（部品の衝撃強度を高めるた
め）

【００１９】銅含有率は0.3％以下にし、硫黄含有率は
0.02〜0.1％、好ましくは0.09％以下、アルミニウム含
有率は0.003％〜0.06％、好ましくは0.005〜0.05％にす
る。

【００２０】既に述べたように、本発明の鋼はテルル、
セレン、鉛およびカルシウムから選んだ一つまたは複数
の元素をさらに含んでいてもよい。

【００２１】本発明の部品を製造するには、本発明の鋼
から部品のブランクを作り、このブランクを高温で浸炭
または浸炭窒化した後、油またはガス中で急冷する。油
は低温、中温または高温のいずれでもよい。部品ブラン
クは例えば、鍛造および機械加工で作ることができる。

【００２２】以下、本発明の実施例を説明するが、本発
明が下記実施例に限定されるものではない。

【実施例】［表１］に示す化学組成を有する本発明の６
つの鋼から部品を作った。

【００２３】

【表１】

【００２４】各鋼のジョミニー曲線は［表２］の通り。

【００２５】

【表２】

【００２６】995℃で10時間浸炭し、98℃の中温の油で
急冷した。得られた部品には追加の機械加工を必要とす
るひずみは認められなかった。浸炭操作は表面から0.1m
mの地点での炭素含有率が0.94％であった。

【００２７】比較例として、公知の27MC5、29MC5、27MC
5u、27MC5r、27CD4u，30M5、20CD4タイプの鋼から同じ
条件で同じ部品を作った。各鋼の組成は［表３］に示す
通り：

【００２８】

【表３】

【００２９】各鋼のジョミニー曲線は［表４］の通り。

【００３０】

【表４】

【００３１】得られた部品は浸炭後に機械的に再加工す
る必要があった。さらに、表面から0.1mm下の地点での
浸炭層の炭素含有率はわずか0.8％に過ぎなかった。こ
の結果は、本発明の鋼材はひずみに対する感度が最も低
く、しかも、従来の鋼より浸炭性に優れていることを示
している。

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋼部品のブランクを作り、このブランク
   の少なくとも表面部分を浸炭または浸炭窒化処理する鋼
   の機械部品の製造方法において、部品を構成する鋼の化
   学組成が下記重量比： 0.15％≦Ｃ≦0.35％ ０％≦Ｓｉ≦0.6％ ０％≦Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｍｏ≦５％ ０％≦Ａｌ≦0.1％ ０％≦Ｃｕ≦0.5％ ０％≦Ｓ≦0.15％ Ｐ≦0.03％ を有し、必要に応じてさらに0.02％以下のテルル、0.04
   ％以下のセレン、0.07％以下の鉛、0.005％以下のカル
   シウムを含むことができ、残りは鉄と溶融に起因する不
   純物であり、鋼の化学組成は鋼のジョミニー曲線が下
   記： 45HRC≦Ｊ₃ ≦50HRC 39HRC≦Ｊ₁₁≦47HRC 31HRC≦Ｊ₂₅≦40HRC を満足し、５つのジョミニー試験の平均値Ｊ_3m、
   Ｊ_11m、Ｊ_15m、Ｊ_25mが下記： ｜Ｊ_11m−Ｊ_3m×14／22−Ｊ_25m×８／22｜≦2.5HRC、 Ｊ_3m−Ｊ_15m≦９HRC を満足するように調節されていることを特徴とする鋼部
   品の製造方法。
2. 【請求項２】 鋼が下記を満足する請求項１に記載の方
   法： Ｊ_3m−Ｊ_15m≦８HRC
3. 【請求項３】 ５つのジョミニー試験の平均値Ｊ_7m、Ｊ
   _11m、Ｊ_15m、Ｊ_25mが下記を満足する請求項１または２
   に記載の方法： 10×（Ｊ_7m−Ｊ_11m）／（４×（Ｊ_15m×Ｊ_25m））≦2.1
   5
4. 【請求項４】 ５つのジョミニー試験の平均値Ｊ_7m、Ｊ
   _11m、Ｊ_15m、Ｊ_25mが下記を満足する請求項１〜３のい
   ずれか一項に記載の方法： 10×（Ｊ_7m−Ｊ_15m）／（８×（Ｊ_15m×Ｊ_25m））≦2.
5. 【請求項５】 鋼が下記化学組成を有する請求項１〜４
   のいずれか一項に記載の方法： 0.2％≦Ｃ≦0.26％ 0.05％≦Ｓｉ≦0.5％ １％≦Ｍｎ≦1.6％ 0.4％≦Ｃｒ≦1.5％ 0.08％≦Ｍｏ≦0.27％ ０％≦Ｎｉ≦0.6％ 0.03％≦Ａｌ≦0.06％ ０％≦Ｃｕ≦0.3％ ０％≦Ｓ≦0.1％ Ｐ≦0.03％。
6. 【請求項６】 鋼が下記化学組成を有する請求項５に記
   載の方法： 0.21％≦Ｃ≦0.25％ 0.1％≦Ｓｉ≦0.45％ 1.1％≦Ｍｎ≦1.5％ 0.9％≦Ｃｒ≦1.4％ 0.09％≦Ｍｏ≦0.26％ ０％≦Ｎｉ≦0.6％ 0.005％≦Ａｌ≦0.05％ ０％≦Ｃｕ≦0.3％ 0.02％≦Ｓ≦0.09％ Ｐ≦0.03％
7. 【請求項７】 鋼が０〜0.05％のチタンをさらに含む請
   求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 【請求項８】 鋼の窒素含有率が0.004〜0.02％である
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 【請求項９】 下記重量比：： 0.2％≦Ｃ≦0.26％ 0.05％≦Ｓｉ≦0.5％ １％≦Ｍｎ≦1.6％ 0.4％≦Ｃｒ≦1.5％ 0.08％≦Ｍｏ≦0.27％ ０％≦Ｎｉ≦0.6％ 0.03％≦Ａｌ≦0.06％ ０％≦Ｃｕ≦0.3％ ０％≦Ｓ≦0.1％ Ｐ≦0.03％ の化学組成を有し、必要に応じて0.02％以下のテルル、
   0.04％以下のセレン、0.07％以下の鉛、0.005％以下の
   カルシウムをさらに含むことができ、残りは鉄と溶融に
   起因する不純物であることを特徴とする浸炭または浸炭
   窒化鋼。
10. 【請求項１０】 下記化学組成を有する請求項９に記載
    の浸炭または浸炭窒化鋼： 0.21％≦Ｃ≦0.25％ 0.1％≦Ｓｉ≦0.45％ 1.1％≦Ｍｎ≦1.5％ 0.9％≦Ｃｒ≦1.4％ 0.09％≦Ｍｏ≦0.26％ ０％≦Ｎｉ≦0.6％ 0.005％≦Ａｌ≦0.05％ ０％≦Ｃｕ≦0.3％ 0.02％≦Ｓ≦0.09％ Ｐ≦0.03％。
11. 【請求項１１】 下記： 45HRC≦Ｊ₃ ≦50HRC 39HRC≦Ｊ₁₁≦47HRC 31HRC≦Ｊ₂₅≦40HRC ジョミニー曲線を有し、５つのジョミニー試験の平均値
    Ｊ_3m、Ｊ_11m、Ｊ_15m、Ｊ _25mが下記を満足する請求項９
    または10に記載の浸炭または浸炭窒鋼： ｜Ｊ_11m−Ｊ_3m×14／22−Ｊ_25m×８／22｜≦2.5HRC、 Ｊ_3m−Ｊ_15m≦９HRC
12. 【請求項１２】 下記を満足する請求項11に記載の浸炭
    または浸炭窒鋼： Ｊ_3m−Ｊ_15m≦８HRC
13. 【請求項１３】 ５つのジョミニ試験の平均値Ｊ_7m、Ｊ
    _11m、Ｊ_15m、Ｊ_25mが下記を満足する請求項11または12
    に記載の浸炭または浸炭窒鋼： 10×（Ｊ_7m−Ｊ_11m）／（４×（Ｊ_15m×Ｊ_25m））≦2.1
    5
14. 【請求項１４】 ５つのジョミニ試験の平均値Ｊ_7m、Ｊ
    _11m、Ｊ_15m、Ｊ_25mが下記を満足する11、12または14の
    いずれか一項に記載の浸炭または浸炭窒鋼： 10×（Ｊ_7m−Ｊ_15m）／（８×（Ｊ_15m×Ｊ_25m））≦2.
15. 【請求項１５】 鋼材が０〜0.05％のチタンをさらに含
    む請求項９〜14に記載の鋼。
16. 【請求項１６】 窒素含有率が0.004〜0.02％である請
    求項９〜15のいずれか一項にに記載の鋼。