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1. WO2012144423 - 面圧疲労強度に優れた機械構造用鋼材

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明 細 書

発明の名称 面圧疲労強度に優れた機械構造用鋼材 0001  

技術分野

0002  

背景技術

0003   0004  

先行技術文献

特許文献

0005  

発明の概要

0006   0007   0008   0009   0010  

図面の簡単な説明

0011  

発明を実施するための形態

0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031  

実施例

0032   0033   0034   0035   0036   0037  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

図面

1   2  

明 細 書

発明の名称 : 面圧疲労強度に優れた機械構造用鋼材

関連出願の相互参照

[0001]
 この出願は、2011年4月21日に出願された日本国特許出願2011-95390号に基づく優先権を主張するものであり、その全体の開示内容が参照により本明細書に組み込まれる。

技術分野

[0002]
 本発明は、例えば、自動車や産業機械などに使用されるギヤやシャフトなどの動力伝達部品として用いられる機械構造用鋼材に関し、特にガス浸炭を行って部品を製造した場合に面圧疲労強度に優れる機械構造用鋼材に関する。

背景技術

[0003]
 ガス浸炭によって鋼部品の表面に形成される浸炭異常層は、通常のJIS規格の鋼材を使用した場合には、多くの場合、粒界酸化を伴う。粒界酸化は、表面から内部に向かってくさび状に観察され、これが面圧疲労強度を低下させる一因となっている。したがって、従来は粒界酸化を減らすことにより、面圧疲労強度向上が図られてきた。
[0004]
 ところで、一般的なJIS SCr420やSCM420に対し、Si量を低減することで、浸炭異常層の深さを低減し、さらにCr、Moなどの合金元素を添加して焼戻し軟化抵抗性を高めて面圧疲労強度を改善する技術が提案されている(例えば、特許文献1(特開2000-297347号公報)参照)。一方、従来のJIS規定のはだ焼鋼に対し、Siを増量添加し、焼戻し軟化抵抗性を高め、かつ、浸炭異常層の深さを低減することで、面圧疲労強度を向上させた鋼が提案されている(例えば、特許文献2(特開平7-258793号公報)参照)。しかし、これらの特許文献には、Si以外の元素が浸炭異常層の深さや形態にどのような影響を及ぼすかについては、示されていない。

先行技術文献

特許文献

[0005]
特許文献1 : 特開2000-297347号公報
特許文献2 : 特開平7-258793号公報

発明の概要

[0006]
 したがって、本発明の目的は、自動車や産業機械などに使用されるギヤやシャフトなどの動力伝達用の部品として用いられる機械構造用鋼からなる面圧疲労強度に優れた鋼材を提供することである。
[0007]
 本発明の一態様によれば、面圧疲労強度に優れた機械構造用鋼材であって、該鋼材が、質量%で、
 C:0.15~0.35%、
 Si:0.30~0.95%、
 Mn:0.10~1.00%、
 P:0~0.030%、
 S:0~0.030%、
 Cr:0.80~2.30%、
 Cu:0~0.30%、
 Al:0.008~0.500%、
 O:0~0.0030%、
 N:0.0020~0.0300%、
 Ni:0~3.00%、
 Mo:0~0.29%、
 Ti:0~0.200%、
 Nb:0~0.20%、
 B:0~0.0050%
を含み、残部Fe及び不可避不純物からなり、
 該鋼材が、質量%で、Si+Cr-2Mnで表されるパラメータが1.05以上であり、かつ、0.7Si+2.5Mn+2.0Cr+2.5Ni+4.0Moで表されるパラメータが6.30以下である、機械構造用鋼材が提供される。
[0008]
 本発明の好ましい一態様によれば、上記鋼材は、質量%で、Ni、Mo、Ti、Nb及びBを実質的に含まないか又は不可避不純物レベルで含むものであることができる。
[0009]
 本発明の別の好ましい一態様によれば、上記鋼材は、質量%で、Ni:0.20~3.00%及びMo:0.05~0.29%の1種又は2種を含むものであることができる。
[0010]
 本発明の別の好ましい一態様によれば、上記鋼材は、質量%で、Ni:0.20~3.00%及びMo:0.05~0.29%のうち少なくとも1種以上と、Ti:0.020~0.200%、Nb:0.02~0.20%及びB:0.0003~0.0050%のうち少なくとも1種以上とを含むものであることができる。

図面の簡単な説明

[0011]
[図1] ローラーピッチング試験片の形状を示す図であり、数値の単位はmmである。
[図2] ガス浸炭による浸炭焼入れと焼戻し例を説明する図であり、(a)は浸炭焼入れ、(b)は焼戻しの各ヒートパターンを示す。

発明を実施するための形態

[0012]
 以下に本発明を具体的に説明する。なお、各成分元素の%は質量%を示す。
[0013]
 本発明による面圧疲労強度に優れた機械構造用鋼材は、質量%で、C:0.15~0.35%、Si:0.30~0.95%、Mn:0.10~1.00%、P:0~0.030%、S:0~0.030%、Cr:0.80~2.30%、Cu:0~0.30%、Al:0.008~0.500%、O:0~0.0030%、N:0.0020~0.0300%、Ni:0~3.00%、Mo:0~0.29%、Ti:0~0.200%、Nb:0~0.20%、B:0~0.0050%を含み(comprising)、残部Fe及び不可避不純物からなり、好ましくはこれらの元素および不可避不純物から実質的になり(consisting essentially of)、より好ましくはこれらの元素および不可避不純物のみからなる(consisting of)。
[0014]
 本発明による鋼材はCを0.15~0.35%、好ましくは0.20~0.30%含む。Cは、機械構造用部品として鋼材の浸炭焼入焼戻し後の芯部強度を確保するために必要な元素である。Cの含有量が0.15%未満では強度を確保できず、0.35%を超えると靭性が低下するとともに素材の硬度が上昇して加工性が低下する。
[0015]
 本発明による鋼材はSiを0.30~0.95%、好ましくは0.40~0.85%含む。Siは、脱酸に必要な元素であるとともに、鋼に必要な強度及び焼入性を付与し、また一定量以上の添加で浸炭異常層深さを浅くする効果がある。この効果を得るため、0.30%以上のSiの添加が必要である。一方、Si添加量が0.95%を超えると素材の硬度を高めるため、加工性を低下させる。
[0016]
 本発明による鋼材はMnを0.10~1.00%、好ましくは0.20~0.80%、より好ましくは0.20~0.55%含む。Mnは、焼入性を確保するために必要な元素である。しかし、Mnが0.10%未満では焼入性への効果は十分に得られず、1.00%を超えると機械加工性を低下させる。
[0017]
 本発明による鋼材はPを0~0.030%、典型的には0を超えて0.030%以下含む。Pは、スクラップから含有される不可避な任意元素であるが、その含有量が0.030%を超えると粒界に偏析して衝撃強度や曲げ強度などの特性を低下させる。
[0018]
 本発明による鋼材はSを0~0.030%、典型的には0を超えて0.030%以下含む。Sは、被削性を向上させる任意元素であるが、その含有量が0.030%を超えると非金属介在物であるMnSを生成して横方向の靱性及び疲労強度を低下する。
[0019]
 本発明による鋼材はCrを0.80~2.30%、好ましくは1.10~2.15%含む。Crは、焼入性を確保するために必要な元素である。しかし、Crが0.80%未満では焼入性への効果を十分に得られず、2.30%を超えると浸炭を阻害し、また素材硬度を上昇させて機械加工性を低下させる。
[0020]
 本発明による鋼材はNiを0~3.00%、好ましくは0.20~3.00%含む。Niは、焼入性を高め、また、靱性を向上させることにより面圧疲労強度を向上させる作用のある任意元素である。この効果を得るためには0.20%以上の添加が好ましい。また、0.20%以上添加することにより浸炭層の焼入性にも影響を及ぼす。一方、Niは3.00%を超えて含有すると加工性を著しく低下させ、かつ、コストアップとなる。
[0021]
 本発明による鋼材はMoを0~0.29%、好ましくは0.05~0.29%含む。Moは、焼入性を高め、また、鋼材の焼戻し軟化抵抗性を高める作用により面圧疲労強度を向上させる任意元素である。この効果を得るには0.05%以上の添加が好ましい。また、0.05%以上添加することにより浸炭層の焼入性にも影響を及ぼす。一方、Moは0.29%を超えて含有すると加工性を低下させる。
[0022]
 本発明による鋼材はCuを0~0.30%、典型的には0を超えて0.30%以下含む。 Cuは、スクラップから含有される不可避な任意元素であるが、時効性を有し、強度を上昇させる効果がある。しかし、Cuは0.30%を超えて含有すると熱間加工性を低下させる。
[0023]
 本発明による鋼材はAlを0.008~0.500%、好ましくは0.014~0.300%含む。Alは、脱酸材として使用される元素であり、また後述のようにNと結合してAlNとして析出して結晶粒粗大化抑制効果をもたらす。この効果を得るため、Alは0.008%以上の添加が好ましい。一方、Alを0.500%を超えて添加すると大型のアルミナ系介在物を形成し、疲労特性及び加工性を低下する。
[0024]
 本発明による鋼材はBを0~0.0050%、好ましくは0.0003~0.0050%、より好ましくは0.0010~0.0050%含む。Bは、極少量の含有によって鋼の焼入性を著しく向上させる任意元素であり、添加することによって他の合金元素の添加量を減らすことができるため、鋼材コストを下げるのに有効である。Bは、0.0003%未満では焼入性の向上効果が小さく、一方、0.0050%を超えると強度を低下させる。
[0025]
 本発明による鋼材はOを0~0.0030%、典型的には0を超えて0.0030%以下、好ましくは0.0020%以下含む。Oは、鋼中に不可避的に含有される任意元素である。しかし、Oが0.0030%を超えて含有されると酸化物の増加による加工性や疲労強度の低下を招く。
[0026]
 本発明による鋼材はNを0.0020~0.0300%、好ましくは0.0020~0.0220%含む。Nは、鋼中でAlNやNb窒化物として微細析出し、結晶粒粗大化を防止する効果をもたらし、その効果を得るために0.0020%以上添加する必要がある。しかし、0.0300%を超えると窒化物が増加し、疲労強度や加工性が低下する。ただし、Tiを添加する場合は、TiとNが結合して硬質のTiNを形成し、機械加工性を顕著に損なうので特にTiを添加する鋼においては、Nは0.0020~0.0100%に規制するのが好ましく、より好ましくは0.0020~0.0080%に規制する。
[0027]
 本発明による鋼材はTiを0~0.200%、好ましくは0.020~0.200%含む。Tiは、鋼中のCと結び付いて炭化物を微細に形成し、結晶粒粗大化を防止する効果をもたらす任意元素であるが、その効果を得る場合には、Tiを0.020%以上添加する必要がある。一方、0.200%を超える添加は、機械加工性を損なうため、上限は0.200%とする。
[0028]
 本発明による鋼材はNbを0~0.20%、好ましくは0.02~0.20%、より好ましくは0.02~0.12%含む。Nbは、炭化物あるいは窒化物を形成し、結晶粒粗大化防止効果をもたらす任意元素であり、特に鋼中に微細に分散したナノオーダーサイズのNbC又はNb(C,N)が結晶粒の成長を抑制する。Nbが0.02%未満では、その効果は得られず、0.20%を超えると析出物の量が過剰となり加工性を低下する。
[0029]
 本発明による鋼材は、質量%で、Si+Cr-2Mnで表されるパラメータが1.05以上であり、好ましくは1.05~2.30であり、より好ましくは1.40~2.20である。ガス浸炭焼入れによって形成される浸炭異常層は、ガス浸炭雰囲気中に僅かに存在する酸素が部品表面から供給され、この酸素が酸化されやすい元素であるSi、Mn、Crなどと結合して酸化物を形成し、合金元素を消費することにより、その周囲の合金元素を欠乏させて、焼入性を低下させるために生じる。通常、浸炭異常層はガス浸炭の加熱保持中に形成される粒界酸化をともなうため、これが表面欠陥として作用することで面圧疲労強度を低下させると考えられている。しかし、本発明者らの鋭意研究により、Si+Cr-2Mnで表されるパラメータが1.05以上となるように制御することにより、面圧疲労強度低下の一因である粒界酸化が低減され、表面付近に緻密な浸炭異常層が形成されることを見出した。
[0030]
 本発明による鋼材は、質量%で、0.7Si+2.5Mn+2.0Cr+2.5Ni+4.0Moで表されるパラメータ(Ni及びMoを含まない態様の鋼材では0.7Si+2.5Mn+2.0Crで表されるパラメータ)が6.30以下であり、好ましくは3.20~6.30、より好ましくは3.80~5.80である。このパラメータを6.30以下に制御しておくことで、浸炭層内の焼入性を低く抑えることにより、浸炭異常層の硬さを軟質化できる。上記した浸炭異常層の緻密さ、及び浸炭層の焼入性に関するパラメータを共に満足することにより、緻密かつ軟質な浸炭異常層を部品同士の接触面間に介在させることができる。その結果、部品同士を組み付けて馴染ませる際に硬質なマトリクス同士の金属接触を避けることができ、かつ浸炭異常層が適度に摩耗しながら適正な接触面を形成するために良好な潤滑状態を作り出すことができる。また、浸炭異常層が軟質であることにより疲労き裂の進展を抑える作用も発揮される。これらの効果により、面圧疲労強度に優れた機械構造用鋼を得ることができる。また、この優れた効果により、面圧疲労強度向上のためのショットピーニングや微粒子ショットピーニングを省略することも可能であるが、ショットピーニングや微粒子ショットピーニングを行えばさらに面圧疲労強度の改善を図ることができる。
[0031]
 本発明は、上記のような鋼成分及びパラメータを有する鋼からなる鋼材であり、この鋼材を用いてガス浸炭焼入れと焼戻しを行って、自動車や産業機械などに使用されるギヤやシャフトなどの動力伝達部品を製造することにより、それらの用途に用いた際に、面圧疲労強度が高い部品が得られる。
実施例
[0032]
 本発明に係る鋼材を以下の例に基づいて具体的に説明する。
[0033]
 表1に示す、本発明鋼の実施例及び比較鋼の実施例の化学成分からなる鋼を、100kg真空溶解炉で溶製し、インゴットを得た。続いて、このインゴットを1250℃に加熱して5時間保持した後、径32mmの棒鋼に鍛造した。続いてこの径32mmの棒鋼を900℃に加熱し、1時間保持した後、空冷して焼ならしした。次に、これらの鋼の、図1に示す、ローラーピッチング試験片1を作製し、図2に示すヒートパターンの条件によりガス浸炭による浸炭焼入れと焼戻しを実施した。なお、比較鋼のNo.29については、ガス浸炭焼入れ及び焼戻し後、微粒子ショットピーニングを実施し、また、比較鋼のNo.30についてはガス浸炭焼入れ及び焼戻し後にショットピーニングを実施した。
[0034]
[表1]


[0035]
 次いで、これらの浸炭焼入れ焼戻し処理をし、さらに比較のために微粒子ショットピーニング又はショットピーニングしたローラーピッチング試験片1に、ローラーピッチング試験を実施し、その結果を表2に示す。面圧疲労強度の指標としたローラーピッチング寿命は比較鋼21(JIS SCM420に相当)の強度を1.00とした際の強度比で示す。
[0036]
[表2]


[0037]
 表2に見られるとおり、本発明の実施例の各鋼は所定の範囲の成分からなるものとし、かつSi+Cr-2Mnで表されるパラメータが1.05以上からなるものとし、かつ0.7Si+2.5Mn+2.0Crで表されるパラメータ又は0.7Si+2.5Mn+2.0Cr+2.5Ni+4.0Moで表されるパラメータが6.3以下からなるものとすることで、比較鋼のNo.17~28の各鋼に比べて、本発明の実施例の各鋼はローラーピッチング寿命が大幅に向上できている。また、ショットピーニングや微粒子ショットピーニングを施した比較例No.29及びNo.30の鋼と比べても、本発明の実施例の各鋼は、それらと同等以上のローラーピッチング寿命を有している。

請求の範囲

[請求項1]
 面圧疲労強度に優れた機械構造用鋼材であって、該鋼材が、質量%で、
 C:0.15~0.35%、
 Si:0.30~0.95%、
 Mn:0.10~1.00%、
 P:0~0.030%、
 S:0~0.030%、
 Cr:0.80~2.30%、
 Cu:0~0.30%、
 Al:0.008~0.500%、
 O:0~0.0030%、
 N:0.0020~0.0300%、
 Ni:0~3.00%、
 Mo:0~0.29%、
 Ti:0~0.200%、
 Nb:0~0.20%、
 B:0~0.0050%
を含み、残部Fe及び不可避不純物からなり、
 該鋼材が、質量%で、Si+Cr-2Mnで表されるパラメータが1.05以上であり、かつ、0.7Si+2.5Mn+2.0Cr+2.5Ni+4.0Moで表されるパラメータが6.30以下である、機械構造用鋼材。
[請求項2]
 前記鋼材が、質量%で、C:0.15~0.35%、Si:0.30~0.95%、Mn:0.10~1.00%、P:0~0.030%、S:0~0.030%、Cr:0.80~2.30%、Cu:0~0.30%、Al:0.008~0.500%、O:0~0.0030%、N:0.0020~0.0300%、Ni:0~3.00%、Mo:0~0.29%、Ti:0~0.200%、Nb:0~0.20%、B:0~0.0050%、残部Fe及び不可避不純物のみからなる、請求項1に記載の機械構造用鋼材。
[請求項3]
 前記鋼材が、Ni、Mo、Ti、Nb及びBを実質的に含まない、請求項1に記載の機械構造用鋼材。
[請求項4]
 前記鋼材が、Ni、Mo、Ti、Nb及びBを実質的に含まない、請求項2に記載の機械構造用鋼材。
[請求項5]
 前記鋼材が、質量%で、Ni:0.20~3.00%及びMo:0.05~0.29%の1種又は2種を含む、請求項1に記載の機械構造用鋼材。
[請求項6]
 前記鋼材が、質量%で、Ni:0.20~3.00%及びMo:0.05~0.29%の1種又は2種を含む、請求項2に記載の機械構造用鋼材。
[請求項7]
 前記鋼材が、質量%で、Ti:0.020~0.200%、Nb:0.02~0.20%及びB:0.0003~0.0050%のうち少なくとも1種以上を含む、請求項1に記載の機械構造用鋼。
[請求項8]
 前記鋼材が、質量%で、Ti:0.020~0.200%、Nb:0.02~0.20%及びB:0.0003~0.0050%、のうち少なくとも1種以上を含む、請求項2に記載の機械構造用鋼。
[請求項9]
 質量%で、Ni:0.20~3.00%及びMo:0.05~0.29%のうち少なくとも1種以上と、Ti:0.020~0.200%、Nb:0.02~0.20%及びB:0.0003~0.0050%のうち少なくとも1種以上とを含む、請求項1に記載の機械構造用鋼材。
[請求項10]
 質量%で、Ni:0.20~3.00%及びMo:0.05~0.29%のうち少なくとも1種以上と、Ti:0.020~0.200%、Nb:0.02~0.20%及びB:0.0003~0.0050%のうち少なくとも1種以上とを含む、請求項2に記載の機械構造用鋼材。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]