特許 7563911 異物環境下において優れた転動疲労特性を発揮する鋼部品用浸炭鋼

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-30

(45)【発行日】2024-10-08

(54)【発明の名称】異物環境下において優れた転動疲労特性を発揮する鋼部品用浸炭鋼

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20241001BHJP

   C22C 38/32 20060101ALI20241001BHJP

   C21D 1/06 20060101ALI20241001BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 301N

C22C38/32

C21D1/06 A

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020130150

(22)【出願日】2020-07-31

(65)【公開番号】P2022026597

(43)【公開日】2022-02-10

【審査請求日】2023-05-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000180070

【氏名又は名称】山陽特殊製鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100185258

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 宏理

(74)【代理人】

【識別番号】100134131

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 知理

(72)【発明者】

【氏名】大西 真也

(72)【発明者】

【氏名】橋本 和弥

【審査官】小川 進

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０２３７２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４１２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２００３４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－０７６８２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２２Ｃ ３８／００－ ３８／６０

Ｃ２１Ｄ １／０６

Ｃ２１Ｄ ８／００

Ｃ２１Ｄ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

化学成分が質量％で、Ｃ：０．１３～０．３５％、Ｓｉ：０．３０～０．８５％、Ｍｎ：０．１５～０．３５％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．６０～２．００％、Ａｌ：０．０１０～０．０５０％、Ｎ：５０～２００ｐｐｍ、Ｂ：≦５０ｐｐｍ、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、
５．８＜６．４Ｓｉ＋２．４Ｃｒ＋Ｍｏ＜８．２・・・式（１）を満足し、
浸炭後の表面の硬さが７００Ｈｖ以上であって、かつ、表面残留オーステナイト量が１０％～２０％であることを特徴とする異物環境下においても優れた転動疲労特性を発揮する鋼部品用浸炭鋼。
ただし、式（１）中の各元素記号には当該化学成分の含有質量％の値を代入する。

【請求項2】

請求項１に記載の化学成分に加え、
選択元素としてＭｏ：０．１０～０．４０％、Ｎｂ：０．０２～０．１０％の１種もしくは２種を含有し、
残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、
５．８＜６．４Ｓｉ＋２．４Ｃｒ＋Ｍｏ＜８．２・・・式（１）を満足し、
浸炭後の表面の硬さが７００Ｈｖ以上であって、かつ、表面残留オーステナイト量が１０％～２０％であることを特徴とする異物環境下においても優れた転動疲労特性を発揮する鋼部品用浸炭鋼。
ただし、式（１）中の各元素記号には当該化学成分の含有質量％の値を代入する。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、異物が混入した汚れ油中などの異物環境下においても優れた転動疲労特性を発揮する鋼部品用浸炭鋼に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、機械構造用転動部品には、ＪＩＳ鋼ではＳＵＪ２やＳＣＭ４２０等が使用されてきた。これらの鋼種をクリーンな環境下において長寿命化させるには、剥離起点となり得る鋼中非金属介在物を低減させることが有効であることはよく知られている。
一方、これらの鋼種を、潤滑油中にギアの擦り合わせで生じる摩耗粉などの異物が混入する環境下で用いると、表面起点型の剥離が生じて、著しく寿命が低下してしまう問題が起こる。まず、転動部品の間に異物が噛み込むことで部品の表面に圧痕が生じ、さらに部品が転動することで圧痕盛り上がり部に応力が集中するなどしていくと、やがて表面を起点とした剥離が生じるからである。

【0003】

そこで、このような異物が混入しやすい環境下では、例えば自動車に使用される自動変速機（ＡＴ）中では、摩耗粉の発生は避け難いため、転動疲労特性を改善するには、鋼材側での対策が重要となる。

【0004】

そこで、寿命の改善のために、圧痕の生成抑制や、圧痕盛り上がり部の応力集中の低減が効果的であろうと考えられてきた。それには、転動部品の表面が異物よりも硬いことや、残留オーステナイト量を適正化することが有効な手段となりうることから、これまでにも、これら２つの要素に着目した提案がなされている。

【0005】

例えば、異物が混入した汚れ油中で使用される浸炭窒化軸受鋼を重量％でＣ：０．１～０．４％、Ｓｉ：≦１．０％、Ｍｎ：１．５超～３％、Ｐ：≦０．０３％、Ｓ：≦０．０３％、Ｃｒ：０．３～２．５％、Ａｌ：０．００５～０．０５０％、Ｔｉ：≦０．００３％、Ｏ：≦０．００１５％、Ｎ：≦０．０２５％、残部不可避的不純物及びＦｅからなる組成を有するものとなし且つ浸炭窒化処理若しくはその後の２次焼入れ焼戻し処理後の表面硬さが５８ＨＲＣ以上で、且つ表面残留オーステナイト量が２０～５０％とする異物混入環境下での転動疲労寿命に優れた浸炭窒化軸受鋼が提案されている（特許文献１参照）。

【0006】

また、異物が混入した汚れ油中で使用される転がり部品について、Ｃ：０．１５～０．４５重量％、Ｃｒ：１．２～１．６重量％、Ｓｉ：０．３５～０．５５重量％およびＭｎ：０．３５～０．６５重量％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼よりなり、浸炭処理を含む熱処理が施されて転動面の表面部のＣが０．９～２．０重量％となされるとともに、表面硬さがロックウェルＣ硬さで６３以上となされ、浸炭層に微細球状炭化物が析出させられ、球状炭化物の平均粒径が５μｍ以下でかつその量が面積率で４０％以下となされているとともに、球状炭化物の７０％以上の粒径が５μｍ以下となされており、さらに浸炭層の残留オーステナイト量が２０～４０％となされている転がり部品の発明も提案されている（特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２００５－４２１８８号公報

【文献】特許第３７０００４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上述の先行特許に係る発明では、表面の炭素濃度を多めに規定することや浸炭窒化を施すことで必要な表面硬さを得ており、加えて残留オーステナイト量を２０～４０％もしくは２０～５０％必要としている。
しかしながら、より安定的な寿命を得るためには、単に転動部品の表面を硬くしたり、残留オーステナイト量の適正化を図るだけでは不十分である。なぜなら、圧痕盛り上がり部において金属すべりが発生し、その摩擦熱により組織が軟化してしまうと応力に耐えられなくなり、亀裂が生じてしまうからである。

【0009】

そこで、本発明が解決する課題は、転動部品の表面が硬いこと、残留オーステナイト量の適正化に加えて、焼き戻し軟化抵抗性に好影響を与える元素量を規定することで、金属すべり発生時の軟化を抑制した、異物混入環境下においても優れた転動疲労特性を発揮しうる鋼部品用浸炭鋼を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記の課題を解決するための本発明の手段は、鋼部品用浸炭鋼の浸炭後の表面硬さと残留オーステナイト量を規定し、さらに焼き戻し軟化抵抗性を高めるためにＣｒ、ＳｉおよびＭｏの量のバランスを限定するものである。そこで、式（１）の値Ｘ＝６．４Ｓｉ＋２．４Ｃｒ＋Ｍｏが所定の範囲（５．８～８．２）を満足することを規定することとした。
また、浸炭後において表面の硬さが７００Ｈｖ以上、表面残留オーステナイト量を１０％～２０％となる鋼が得られるものとした。このように、本発明は、表面硬さと適切な残留オーステナイト量を得られることに加えて、Ｃｒ、ＳｉおよびＭｏの量のバランスを調整することによって、軟化抵抗性が高い鋼が得られることを見出したものである。

【0011】

すなわち、本発明の課題を解決するための第１の手段は、化学成分が質量％で、Ｃ：０．１３～０．３５％、Ｓｉ：０．３０～０．８５％、Ｍｎ：０．１５～０．３５％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．６０～２．００％、Ａｌ：０．０１０～０．０５０％、Ｎ：５０～２００ｐｐｍ、Ｂ：≦５０ｐｐｍ、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、
５．８＜６．４Ｓｉ＋２．４Ｃｒ＋Ｍｏ＜８．２・・・式（１）を満足し、
浸炭後の表面の硬さが７００Ｈｖ以上であって、かつ、表面残留オーステナイト量が１０％～２０％であることを特徴とする鋼部品用浸炭鋼である。
ただし、式（１）中の各元素記号には当該化学成分の含有質量％の値を代入する。

【0012】

その第２の手段は、化学成分が質量％で、Ｃ：０．１３～０．３５％、Ｓｉ：０．３０～０．８５％、Ｍｎ：０．１５～０．３５％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．６０～２．００％、Ａｌ：０．０１０～０．０５０％、Ｎ：５０～２００ｐｐｍ、Ｂ：≦５０ｐｐｍを主成分とし、さらに選択元素としてＭｏ：０．１０～０．４０％、Ｎｂ：０．０２～０．１０％のいずれか一方もしくは両方を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、
５．８＜６．４Ｓｉ＋２．４Ｃｒ＋Ｍｏ＜８．２・・・式（１）を満足し、
浸炭後の表面の硬さが７００Ｈｖ以上であって、かつ、表面残留オーステナイト量が１０％～２０％であることを特徴とする鋼部品用浸炭鋼である。
ただし、式（１）中の各元素記号には当該化学成分の含有質量％の値を代入する。

【発明の効果】

【0013】

本発明の手段によると、浸炭された鋼は、異物が混入する環境下において金属すべりが生じたとしても軟化が抑制される鋼部品用浸炭鋼となるので、この鋼を用いることで長寿命な転動部品を好適に得ることができる。

【0014】

すなわち、本発明の浸炭鋼は浸炭後の高い表面硬さ、適正な残留オーステナイト量に加え、高い焼き戻し軟化抵抗性を同時に有することで、異物環境下における転動部品の長寿命化が達成できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】スラスト型試験片の形状と寸法（ｍｍ）を示す。

【図2】本発明の熱処理パターンの一態様として、浸炭焼き入れおよび焼き戻し時の昇温速度、保持温度、保持時間、冷却方法を示す。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明の実施の形態の説明に先立ち、まず、本発明における浸炭鋼の各化学組成を規定する理由を述べる。以下に示す％は、質量％のことである。

【0017】

Ｃ：０．１３～０．３５％
Ｃは、機械構造用部品として好適な浸炭処理後の浸炭層ならびに芯部強度を確保するために必要な元素である。Ｃが０．１３％未満ではその効果が十分に得られず、反対に０．３５％を超えると芯部の靭性を低下させる。そのためＣは０．１３～０．３５％とする。望ましくはＣは０．１５～０．３０％とする。

【0018】

Ｓｉ：０．３０～０．８０％
Ｓｉは、鋼の溶製時の脱酸に必要な元素であり、焼き入れ性および焼き戻し軟化抵抗を向上させ、金属すべり等による発熱で高温となる環境において強度低下を抑える効果を持つ元素である。もっとも、Ｓｉが０．２５％未満では脱酸効果が十分でなく、Ｓｉが０．８％を超えると加工性を低下させる。そこで、Ｓｉは０．２５～０．８％とする。望ましくはＳｉは０．３５～０．６５％とする。

【0019】

Ｍｎ：０．１５～０．３５％
Ｍｎは、鋼の溶製時の脱酸に必要な元素であるとともに、焼入性を向上させ、また浸炭後の残留オーステナイト量を増加させる元素である。Ｍｎが０．１５％未満では脱酸効果が十分ではない。Ｍｎが０．３５％を超えると残留オーステナイトが過多となるため、強度が低下する。そこで、Ｍｎは０．１５～０．３５％とする。より好ましくはＭｎは０．２０～０．３０％とする。

【0020】

Ｐ：≦０．０３０％
Ｐは不可避的不純物である。Ｐが０．０３０％を超えると、粒界偏析によって靱性が低下することとなる。そこで、Ｐは０．０３０％以下とする。

【0021】

Ｓ：≦０．０３０％
Ｓは不可避的不純物である。Ｓが０．０３０％を超えると、ＭｎＳの形成によって靱性が低下し、疲労強度も低下する。そこで、Ｓは０．０３０％以下とする。

【0022】

Ｃｒ：１．６０～２．００％
Ｃｒは焼き入れ性向上により強度を向上させ、焼き戻し軟化抵抗性を向上させることにより高温時の強度低下を抑制し、耐摩耗性を向上させる効果を有する。また、残留オーステナイトを安定化させることで残留オーステナイトの減少を妨げる効果がある。しかし、Ｃｒが２．００％を超えると素材硬さが上昇することで加工性の低下、粗大な炭化物形成により疲労強度の低下につながる。また、Ｃｒ量が多すぎると浸炭時において鋼材表面にＣｒ系主体の酸化被膜が形成し、浸炭を阻害する。そこで、Ｃｒは１．６０～２．００％とする。好ましくはＣｒは１．７０～１．９０％とする。

【0023】

Ａｌ：０．０１０～０．０５０％
Ａｌは、脱酸のために必要な元素である。しかし、０．０１０％未満ではその効果が十分得られない。他方、Ａｌの添加量を０．０５０％を超えて増やすと、鋼中に生成されるアルミナ系介在物が増加することにより、疲労強度が低下する。
そこでＡｌは０．０１０～０．０５０％とする。より好ましくはＡｌは０．０１０～０．０３０％とする。

【0024】

Ｎ：５０～２００ｐｐｍ
Ｎはオーステナイトを安定化させる効果を有する。Ｎが５０ｐｐｍ以下ではその効果が十分に得られない。他方、Ｎが２００ｐｐｍを超えて含有すると窒化物が多くなってしまい疲労強度が低下する。そこで、Ｎの含有量を５０～２００ｐｐｍとする。より好ましくはＮは５０～１５０ｐｐｍとする。

【0025】

Ｂ：≦５０ｐｐｍ
Ｂは焼き入れ性を向上させるとともにＰの粒界析出を阻害することで靭性を向上させる働きを有する元素である。もっとも、５０ｐｐｍを超えるとその効果は飽和する。そこでＢは５０ｐｐｍ以下とする。

【0026】

ＭｏとＮｂは選択的な付加的元素であり、本発明において、いずれか１種あるいは双方を含有させることができる。

【0027】

Ｍｏ：０．１０～０．４０％
Ｍｏは選択的付加元素の１つである。焼き入れ性向上および靭性向上に有効な元素であり、さらに焼き戻し軟化抵抗性の向上にも有効である。しかし、Ｍｏが過多になると加工性の低下および素材コストの上昇につながってしまう。そのため含有量を０．０１０～０．０４０％とする。

【0028】

Ｎｂ：０．０２～０．１０％
Ｎｂは選択元素の１つである。Ｃ、Ｎと炭窒化物を形成し、ピンニング効果により結晶粒が微細化することで疲労強度が向上する。しかしながら、Ｎｂ含有量が高すぎれば、鋼の靭性が低下する。そのため含有量を０．０２～０．１０％とする。

【0029】

次に、浸炭後の表面の硬さを限定した理由を述べる。
（浸炭後の表面硬さが７００Ｈｖ以上であること）
表面硬さが７００Ｈｖ未満であると、転動部品、例えば軸受などを異物が混入した潤滑油中で使用した場合に部品の表面に剥離起点となる圧痕が形成しやすくなるとともに耐摩耗性が低下して部品の寿命が短くなるからである。そこで、表面硬さは７００Ｈｖ以上とする。

【0030】

浸炭後の表面の残留オーステナイト量を限定した理由を述べる。
（浸炭後の表面残留オーステナイト量は１０％～２０％）
浸炭後の表面の残留オーステナイト量が１０％未満であると、靭性が低下するとともに亀裂進展速度が速くなることで、部品の摺動部などでの異物噛み込み時の応力が緩和できなくなる。浸炭後の表面残留オーステナイト量が２０％を超えると、必要な表面硬さが確保できなく、転動部品の寿命が短くなる。そこで、浸炭後の表面残留オーステナイト量は１０％～２０％とする。

【0031】

５．８＜６．４Ｓｉ＋２．４Ｃｒ＋Ｍｏ＜８．２・・・式（１）
Ｃｒ、ＳｉおよびＭｏの量を規定の範囲になるようバランスさせることによって、軟化抵抗性が高い鋼が得られる。そこで、式（１）として、５．８＜６．４Ｓｉ＋２．４Ｃｒ＋Ｍｏ＜８．２を規定した。なお、式（１）中の各元素記号には、当該化学成分の含有質量％を代入する。
すなわち、鋼の成分に基づく６．４Ｓｉ＋２．４Ｃｒ＋Ｍｏの値が、本発明の手段に規定の５．８超～８．２未満の範囲を満足する場合には、焼き戻し軟化抵抗が向上し、圧痕盛り上がり部において金属発生したとしても亀裂の発生を抑制することができる。

【0032】

以下に本発明の実施の形態について、適宜表を参照しつつ説明する。
まず、表１に記載の成分Ａ～Ｐの化学組成の１００ｋｇ鋼塊をそれぞれ真空溶解炉にて溶製した。その後、これらの鋼を１２５０℃で熱間鍛伸して直径６４ｍｍの棒鋼とし、９００℃で４時間保持する焼きならし処理を行うことで各供試材を得た。

【0033】

【表1】

なお、下線部は本発明の規定の範囲を外れる。

【0034】

＜特性の評価について＞
各供試材の特性については、（１）浸炭後の表面硬さ（Ｈｖ硬さ試験機を用いて測定する。）、（２）浸炭後の表面残留オーステナイト量（浸炭後に試験片を切り出し、Ｘ線回折装置を用いて測定する。）、（３）焼き戻し軟化抵抗性（ＨＲＣ硬さ試験機を用いて測定する。）、（４）耐剥離特性（スラスト型摩擦摩耗試験機を用いて測定する。）によって評価した。

【0035】

（１）浸炭後の表面硬さ
上記の各供試材を用いて、図１に示すスラスト型試験片を作製した。その後、図２に示す条件にて一般的なガス浸炭を行い、最後に表面研磨を行うことで規定寸法の試験片を作製した。
なお、本発明鋼の浸炭面に対してＥＰＭＡ分析を行ったところ、表面のＣ濃度は０．６％以上であり、十分に浸炭できていることが確かめられた。
Ｈｖ硬さ試験機を用いて試験片の試験面の任意の箇所を５回、荷重３００ｋｇｆで測定し、その平均値をビッカース硬さとした。

【0036】

（２）浸炭後の表面残留オーステナイト量
浸炭後スラスト型試験片の試験面に対して、Ｘ線回折測定行った。その後、マルテンサイト相とオーステナイト相の回折Ｘ線強度分布の積分強度を用いて残留オーステナイト量の体積分率を算出した。

【0037】

（３）焼き戻し軟化抵抗性
軟化抵抗性は、浸炭後の試験片から１５ｍｍのブロック材を切り出したものを試験に供した。これらのブロック材を３００℃に保持したカンタル炉に装入し、１０時間加熱保持し、空冷後の硬さをＨｖ硬さ試験機を用いて試験片の試験面の任意の箇所を５回、荷重３００ｋｇｆで測定し、その平均値と熱処理前の元の硬さとの変化量を軟化抵抗性の評価とした。

【0038】

（４）耐剥離特性
耐剥離特性はスラスト型摩擦摩耗試験機を用いて、表２に示す条件にて試験を行い、剥離までのサイクル数を評価した。表３の耐剥離特性には比較鋼Ｉに挙げたＪＩＳ鋼ＳＣＭ４２０との寿命比を示す。

【0039】

以上のとおり、成分Ａ～Ｐの鋼を用いて上記（１）～（４）の評価を行った。本発明鋼Ａ～Ｈ、比較鋼Ｉ～Ｐの評価結果を表３に示す。

【0040】

【表2】

【0041】

【表3】

なお、下線部は本発明の規定する範囲を満たしていないことを示す。

【0042】

本発明鋼Ａ～Ｈは本発明の規定する化学組成、表面硬さと残留オーステナイト量およびその組成が式（１）の値が規定の範囲を満たす本発明鋼である。これら発明鋼は、いずれも、必要な表面硬さおよび残留オーステナイト量が得られており、焼き戻し軟化抵抗性が十分得られているため、良好な転動疲労寿命が得られた。

【0043】

比較鋼ＩはＪＩＳ鋼ＳＣＭ４２０と同様の化学組成である。本発明の規定する化学組成よりもＳｉとＣｒが少なく、加えて式（１）の値が規定の範囲を満たしていない。Ｓｉが少ないため脱酸効果が十分ではなく、粗大な酸化物が見られた。また、Ｃｒも少ないため、焼き戻し軟化抵抗性は低い。

【0044】

比較鋼ＪはＣが下限よりも少なく、本発明の規定を満たさない比較鋼である。芯部硬さが十分ではなかったため、良好な耐剥離性能を発揮できなかった。

【0045】

比較鋼ＫはＳｉが上限よりも多く、本発明の規定を満たさない比較鋼である。式（１）の値が規定の範囲を満足していないため、焼き戻し軟化抵抗性が低く、耐剥離特性が低い。

【0046】

比較鋼ＬはＭｎが上限よりも多く、本発明の規定を満たさない比較鋼である。Ｍｎが多いため浸炭後の残留オーステナイト量が多く、表面硬さも低い。

【0047】

比較鋼ＭはＣｒが上限よりも多く、本発明の規定を満たさない比較鋼である。Ｃｒ量が多いため粗大な炭化物が多く形成していることを確認した。また、浸炭時の浸炭を阻害しているため表面硬さも低い。

【0048】

比較鋼ＮはＭｏが上限よりも多く、本発明の規定を満たさない比較鋼である。式（１）の値が規定の範囲を満足していないため、焼き戻し軟化抵抗性が低く、耐剥離特性が低い。

【0049】

比較鋼ＯはＮｂが上限よりも多く、本発明の規定を満たさない比較鋼である。Ｎｂの含有量が高すぎるため、炭窒化物が多く形成しすぎていることを確認した。

【0050】

比較鋼ＰはＳｉとＣｒが下限よりも少なく、本発明の規定を満たさない比較鋼である。ＳｉとＣｒが少なく、加えて式（１）の値が本発明の規定の範囲を満たしていない。Ｓｉが少ないため脱酸効果が十分ではなく、粗大な酸化物が見られた。また、Ｃｒも少ないため、焼き戻し軟化抵抗性は低い。

【0051】

以上から、鋼が高い表面硬さと適正な残留オーステナイト量を有しているだけでは耐剥離特性が向上するとは限らず、これらに加え、本発明の規定する化学組成であって、さらに式（１）の値が規定の範囲を満足するときに、異物環境下において優れた転動疲労寿命を発揮させることができることがわかる。

【図1】

【図2】