(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．１９〜０．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．００％、Ｎｉ：１．５０〜２．５０％、Ｃｒ：１．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．３０〜１．００％、Ｖ：０．０５〜０．３０％、Ａｌ：０．０１０〜０．０３０％、Ｏ：１０ｐｐｍ以下、Ｎ：８０〜１５０ｐｐｍを含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、焼入焼戻し後の窒化処理による７００ＨＶ以上の高い表面硬さと深い硬化深さおよび４００ＨＶ以上の心部硬さを有することを特徴とする耐へたり性および耐衝撃疲労性に優れた高強度高靭性の機械部品用窒化用鋼。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．１９〜０．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．００％、Ｎｉ：１．５０〜２．５０％、Ｃｒ：１．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．３０〜１．００％、Ｖ：０．０５〜０．３０％、Ａｌ：０．０１０〜０．０３０％、Ｏ：１０ｐｐｍ以下、Ｎ：８０〜１５０ｐｐｍを含有し、さらにＮｂ：０．０３〜０．２０％およびＴｉ：０．０３〜０．２０％から選んだ１種又は２種を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、焼入焼戻し後の窒化処理による７００ＨＶ以上の高い表面硬さと深い硬化深さおよび４００ＨＶ以上の心部硬さを有することを特徴とする耐へたり性および耐衝撃疲労性に優れた高強度高靭性の機械部品用窒化用鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ブレーカー用ピストン等のような建設機械、産業機械用の機械部品に対して、優れた耐摩耗性、耐へたり性と同時に耐衝撃疲労性を有する高強度高靭性窒化用鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
油圧ブレーカー用ピストン等のような建設機械、産業機械用の各種機械部品に対しては、ー般にＳＮＣＭ４２０、ＳＣＭ４１５等の浸炭材が多く用いられている。また、特に靭性が問題にされる場合には、ＳＮＣＭ６１６、ＳＮＣＭ８１５といった、高Ｎｉの肌焼鋼も便用されている。しかし、これらの浸炭材では摺動部での耐焼付き性や耐軟化性が十分でないため、そのような用途に使用する場合には、ＳＣＭ４３５やＳＮＣＭ４３９といった強靭鋼に窒化をして使用されることもある。しかし、これらの鋼種による窒化材では、耐軟化性は浸炭材よりも優れているものの、表面硬さが十分でないために耐摩耗性に問題が有り、また、繰り返し負荷される衝撃的荷重に対する破壊抵抗、すなわち衝撃疲労特性や耐へたり性が十分ではなかった。
【０００３】
これらに対しては、特公平９−１０１２１６号公報には、Ｖを添加した迅速窒化鋼が提案されているが、耐摩耗性、耐疲労性には優れているものと考えられるものの、耐衝撃性に対する考慮がされていない。また、特開平８−１９３２４２号公報には耐摩耗性、心部での衝撃値規制による耐衝撃性については考慮されているものの、耐へたり性や表面の窒化層そのものの破壊抵抗性については何ら考慮されておらず、実施例を見る限り、機械部品として長期にわたる使用上から特に重要な、耐へたり性は全く実用化の領域に達していないと判断される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、油圧ブレーカー用ピストン等のような建設機械、産業機械用の機械部品用に最適な鋼材を、これらの部品の使用条件と材料特性との関係を明らかにすることにより、優れた耐摩耗性、耐ヘたり性と同時に耐衝撃疲労性を有する高強度高靭性窒化用鋼を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を達成するために、検討を進めた結果、次の結論を得た。
▲１▼耐摩耗性を有するには、表面硬さが７００ＨＶ以上の硬さであり、さらに出来るだけ深い硬化深さを有し、このための鋼成分を有していること。
【０００６】
▲２▼部品の機能を十分に果たすには、打撃部分の変形が出来るだけ少ないことが必要であり、このためには耐へたり性が重要な特性として位置づけられ、十分なへたり性を確保するには、心部の硬さが４００ＨＶ以上の硬さを確保する必要が有ること。
【０００７】
▲３▼内部の靭性すなわち衝撃値は高いほうが望ましいが、一般に衝撃値は硬さが低いほど高くなる傾向にある。しかし、硬さが低くなると、繰り返し負荷される衝撃的な荷重に対しては逆に耐えられなくなり、実部品においては衝撃疲労強度がより重要であり、これに対しては最適な硬さ範囲が有ること。
【０００８】
▲４▼十分な耐へたり性と衝撃疲労性を確保できる４００ＨＶ以上の硬さ領域において、出来るだけ高い衝撃値を確保できること。
【０００９】
▲５▼実部品での亀裂発生に対する抵抗性評価のためには、窒化した試験片における衝撃値が重要であること。さらに、この場合、通常の焼入焼戻し状態での心部の衝撃値には反映され難い、窒化による５００〜５５０℃程度の再加熱により発生する焼戻し脆化に対する抵抗性が重要な特性であること。
【００１０】
▲６▼上記の理由により、衝撃疲労特性についても、窒化材での評価が重要であること。
【００１１】
これらの知見より、上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明は、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．１９〜０．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．００％、Ｎｉ：１．５０〜２．５０％、Ｃｒ：１．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．３０〜１．００％、Ｖ：０．０５〜０．３０％、Ａｌ：０．０１０〜０．０３０％、Ｏ：１０ｐｐｍ以下、Ｎ：８０〜１５０ｐｐｍを含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、焼入焼戻し後の窒化処理により、７００ＨＶ以上の高い表面硬さと深い硬化深さおよび４００ＨＶ以上の心部硬さを有することにより、土砂や他の機械部品との間での優れた耐摩耗性を有し、合わせて衝撃的な繰り返し高負荷による、へたり、亀裂発生および伝播性に優れた高強度高靭性の機械部品用窒化用鋼である。
【００１２】
請求項２の発明は、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．１９〜０．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．００％、Ｎｉ：１．５０〜２．５０％、Ｃｒ：１．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．３０〜１．００％、Ｖ：０．０５〜０．３０％、Ａｌ：０．０１０〜０．０３０％、Ｏ：１０ｐｐｍ以下、Ｎ：８０〜１５０ｐｐｍを含有し、さらにＮｂ：０．０３〜０．２０％およびＴｉ：０．０３〜０．２０％から選んだ１種又は２種を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、焼入焼戻し後、窒化処理により、７００ＨＶ以上の高い表面硬さと深い硬化深さおよび４００ＨＶ以上の心部硬さを有することを特徴とする、焼入焼戻し後、窒化処理により、７００ＨＶ以上の高い表面硬さと深い硬化深さが得られることにより、土砂や他の機械部品との間での優れた耐摩耗性を有し、合わせて衝撃的な繰り返し高負荷による、へたり、亀裂発生および伝播性に優れた高強度高靭性の機械部品用窒化用鋼である。
【００１３】
次に、本発明の鋼の化学成分の限定理由について説明する。以下、化学成分は質量％で示す。
Ｃは、焼入性を向上させ、部品の強度を向上させる上で必須の元素である。しかし、その反面靭性を低下させるために、添加量の最適化が重要なポイントとなる。すなわち、部品としての強度を確保する上で、また、特に本発明鋼では耐へたり性を確保する上では、Ｃは０．３５％以上添加する必要が有るので、下限を０．３５％とする。多すぎると靭性を害し、窒化性も低下させるので、上限を０．４５％とする。
【００１４】
Ｓｉは、脱酸剤として、さらに焼入性向上のために添加される元素である。その効果は０．１５％未満では十分ではないため、下限を０．１５％とすることができるが、好ましくは実施例の発明鋼Ｎｏ．２に基づき下限を０．１９％とする。また、多すぎると焼戻し軟化性を向上させるものの、靭性や加工性、窒化性を阻害する。本発明鋼では摺動などによる表面層の軟化を防ぐ方法として窒化を行うために、上記の特性バランスを総合的に考慮して、上限を０．５０％とする。
【００１５】
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤として、焼入性、強度向上のために添加される元素であるが、０．３０％未満ではその効果が十分ではなく、また、多すぎる場合は被削性、熱間加工性、靭性を低下させるため、上限を１．００％とする。
【００１６】
Ｎｉは、靭性を向上させるために必須の元素である。特に高硬度の状態で使用する本発明鋼は、不安定破壊を防止する上で、積極的に添加する。１．５０％未満ではその効果が十分ではないため、下限を１．５０％とする。多すぎると加工性を阻害し、さらに窒化性も阻害するため、上限を２．５０％とする。
【００１７】
Ｃｒは、焼入性を向上させ、強度を確保する上で効果が大きく、さらに窒化性すなわち表面硬さを上昇させ、硬化層の深さを増大させるためにも必須の元素である。１．５０％未満ではその効果が十分ではないため、下限を１．５０％とする。多すぎる場合には、その効果が飽和し、さらに焼入温度が上昇して経済的ではなくなるため、上限を２．５０％とする。
【００１８】
Ｍｏは、焼入性、強度、靭性および窒化性を向上させるために有効な元素であり、本発明鋼では積極的に添加する。０．３０％未満ではその効果が十分でないため、下限を０．３０％とする。また、多すぎてもその効果が飽和し、経済的でなくなるため、上限を１．００％とする。
【００１９】
Ｖは、焼戻し軟化性を向上させ、適当な添加量では焼入性や強度、靭性を向上させ、窒化性に対しても、特に硬化層の深さを向上させる効果の大きな元素である。さらに、本発明鋼ではへたり性を向上させるためにも、必須の元素である。０．０５％未満では、その効果が十分ではないので、下限を０．０５％とする。さらに０．３０％を超えると、その効果が飽和し、また、焼入温度が上昇して、添加量とも合わせて経済的ではなくなるために、上限を０．３０％とする。
【００２０】
Ａｌは、脱酸剤および結晶粒度コントロールのために添加され、窒化性に対しても大きな役割を果たす元素である。０．０１０％未満では、その効果が十分ではないため、下限を０．０１０％とする。さらに、多すぎる場合にも逆に靭性を低下させ、疲労特性に有害なアルミナや巨大ＡｌＮ析出物等の出現確率が高くなり、疲労強度を低下させるため、上限を０．０３０％とする。
【００２１】
Ｏは、鋼中に酸化物系の介在物として存在する元素で、鋼材特性とくに疲労強度に対しては、出来るだけ少ないほうが好ましい。１０ｐｐｍ以下であれば鋼材を経済的にかつ特性としても十分なレベルの鋼材を製造することが可能なため、上限を１０ｐｐｍとする。
【００２２】
Ｎは、不可避的に鋼中に存在する元素であり、ＡｌとＡｌＮを形成して結晶粒度の微細化、ひいては靭性の向上に寄与する。８０ｐｐｍ未満ではその効果が十分ではなく、また、１５０ｐｐｍを超えると、逆に靭性の低下や鋼塊の健全性を損なうため、下限を８０ｐｐｍ、上限を１５０ｐｐｍとする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。質量％で示す、Ｃ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．１９〜０．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．００％、Ｎｉ：１．５０〜２．５０％、Ｃｒ：１．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．３０〜１．００％、Ｖ：０．０５〜０．３０％、Ａｌ：０．０１０〜０．０３０％、Ｏ：１０ｐｐｍ以下、Ｎ：８０〜１５０ｐｐｍを含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼、あるいは同鋼の化学成分に、さらにＮｂ：０．０３〜０．２０％およびＴｉ：０．０３〜０．２０％から選んだ１種又は２種を含有する鋼は、通常の製鋼方法で溶製された後、この鋳片を得て、さらに圧延ないし鍛伸により鋼材に加工される。さらに、同鋼材を焼なましなどを施した上で、油圧ブレーカー用ピストンなどの適用部品の粗形状に加工した後、焼入焼戻しを実施し、さらに中間加工後に窒化処理を行って、最終仕上げ研摩等を行って油圧ブレーカー用ピストンなどの適用部品の最終製品に仕上げられる。以上において、焼入れは、通常８５０〜９００℃程度の温度から行われ、したがって工具鋼のような９５０℃を超える高温からの焼入れは不要であるので経済的である。さらに、焼戻しは、窒化温度と目標とする硬さレベルにより設定され、耐へたり性を確保するために心部の硬度４００ＨＶ以上を目標として通常５５０〜６００℃程度で行なう。そして窒化は、ガス窒化やその他の方法で行い、窒化処理温度は一般に５００〜５７０℃程度である。
【００２４】
【表１】
0003623700.tif 000002
【００２５】
【実施例】
本発明鋼の特性を実施例を用いて説明する。表１に示す化学成分を１００ｋｇＶＩＭにより溶製して供試材とした。ここで、発明鋼のＮｏ．１は請求項１に係る発明の鋼であり、発明鋼のＮｏ．２あるいはＮｏ．３は請求項２に係る発明の鋼である。一方、比較鋼のＮｏ．４、Ｎｏ．５、Ｎｏ．６は、それぞれＳＣＭ４４０、ＳＮＣＭ４３９、ＳＡＣＭ６４５である。
【００２６】
これらの本発明鋼および比較鋼の供試材は、それぞれ焼入温度８６０℃で焼入れ、６００℃で焼戻した後、５００℃×２０ｈ＋５３０℃×４０ｈのガス二段窒化法により窒化処理した。供試材からはそれぞれ試験片を得て、焼入焼戻し材の硬さおよび窒化処理材の硬さを測定した。さらに母材および窒化材の衝撃値をシャルピー２ｍｍＵノッチ試験片により測定し、窒化前後の衝撃値を比較することにより靱性の指標とした。また、図１に示す形状の窒化試験片を用いて、打撃エネルギー２０ｋｇ・ｃｍで松村式衝撃疲労試験により衝撃疲労特性を、さらに図２に示す形状のφ８ｍｍ切欠き試験片による小野式回転曲げ疲労試験での１０７疲労限により回転曲げ疲労特性をそれぞれ求めた。
【００２７】
表２に本発明鋼と比較鋼を対比して窒化性、耐へたり性、靱性および疲労特性を示す。本発明の心部の硬さはいずれも４００ＨＶを超え、耐へたり性に優れ、窒化後の表面硬さも７００ＨＶを超え、その有効硬化層の深さも０．４０ｍｍと深く、窒化性にも優れていることがわかる。また、本発明鋼は、窒化による衝撃値の低下が少なく靱性に優れており、衝撃疲労および回転曲げ疲労特性においても優れている。
【００２８】
【表２】
0003623700.tif 000003
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明の窒化用鋼は、心部の硬さが４００ＨＶ以上で十分な耐へたり性を有し、かつ窒化処理後の表面硬さも７００ＨＶ以上でかつ表面硬化層深さも深く優れた耐摩耗性を有し、さらに衝撃疲労強度、回転疲労曲げ疲労限も高く、衝撃的な繰り返し高負荷によるへたりや亀裂発生および伝搬性などの破壊特性に優れた高強度高靱性の機械部品用鋼である。
【図面の簡単な説明】
【図１】松村式衝撃疲労試験片を示す図である。
【図２】（ａ）は小野式回転曲げ疲労試験片（切欠）を示す図で、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図である。
【図１】
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【図２】
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