(57)【特許請求の範囲】
【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回のジョミニー試験の平均値Ｊ3m、Ｊ11m、Ｊ15m、Ｊ25mが下記：
｜Ｊ11m−Ｊ3m×14／22−Ｊ25m×８／22｜≦2.5HRC、
Ｊ3m−Ｊ15m≦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。
【請求項２】
鋼が下記を満足する請求項１に記載の方法：
Ｊ3m−Ｊ15m≦８HRC
【請求項３】
５回のジョミニー試験の平均値Ｊ7m、Ｊ11m、Ｊ15m、Ｊ25mが下記を満足する請求項１または２に記載の方法：
10×（Ｊ7m−Ｊ11m）／（４×（Ｊ15m×Ｊ25m））≦2.15
【請求項４】
５回のジョミニー試験の平均値Ｊ7m、Ｊ11m、Ｊ15m、Ｊ25m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×（Ｊ7m−Ｊ15m）／（８×（Ｊ15m×Ｊ25m））≦２.
【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％
0.003％≦Ａｌ≦0.06％
０％＜Ｃｕ≦0.3％
０％＜Ｓ≦0.1％
Ｐ≦0.03％。
【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％
【請求項７】
鋼が0.05％以下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。
【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。
【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。
【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％。
【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回のジョミニー試験の平均値Ｊ3m、Ｊ11m、Ｊ15m、Ｊ25m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：
｜Ｊ11m−Ｊ3m×14／22−Ｊ25m×８／22｜≦2.5HRC、
Ｊ3m−Ｊ15m≦９HRC
【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：
Ｊ3m−Ｊ15m≦８HRC
【請求項１３】
５回のジョミニー試験の平均値Ｊ7m、Ｊ11m、Ｊ15m、Ｊ25m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×（Ｊ7m−Ｊ11m）／（４×（Ｊ15m×Ｊ25m））≦2.15
【請求項１４】
５回のジョミニー試験の平均値Ｊ7m、Ｊ11m、Ｊ15m、Ｊ25m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×（Ｊ7m−Ｊ15m）／（８×（Ｊ15m×Ｊ25m））≦２.
【請求項１５】
鋼材が0.05％以下のチタンをさらに含む請求項９〜14に記載の鋼。
【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。
【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Ｊ3m、Ｊ11m、Ｊ15m、Ｊ25mが下記：
｜Ｊ11m−Ｊ3m×14／22−Ｊ25m×８／22｜≦2.5HRC、
Ｊ3m−Ｊ15m≦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×（Ｊ7m−Ｊ11m）／（４×（Ｊ15m×Ｊ25m））≦2.15
10×（Ｊ7m−Ｊ15m）／（８×（Ｊ15m×Ｊ25m））≦2.
【０００７】
鋼の好ましい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％
0.003％≦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回のジョミニー試験の平均値Ｊ3m、Ｊ11m、Ｊ15m、Ｊ25mは、下記を満足する：
｜Ｊ11m−Ｊ3m×14／22−Ｊ25m×８／22｜≦2.5HRC、
Ｊ3m−Ｊ15m≦９HRC、好ましくは≦８HRC
【００１１】
５回のジョミニー試験の平均値Ｊ7m、Ｊ11m、Ｊ15m、Ｊ25mは下記条件の少なくとも一つを満たすのが好ましい：
10×（Ｊ7m−Ｊ11m）／（４×（Ｊ15m×Ｊ25m））≦2.15
10×（Ｊ7m−Ｊ15m）／（８×（Ｊ15m×Ｊ25m））≦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回のジョミニー試験の平均値Ｊ3m、Ｊ7m、Ｊ11m、Ｊ15m、Ｊ25m
が下記となるように調節する：
｜Ｊ11m−Ｊ3m×14／22−Ｊ25m×８／22｜≦2.5HRC、
Ｊ3m−Ｊ15m≦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Ｊx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：
｜Ｊ11m−Ｊ3m×14／22−Ｊ25m×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：Ｊ3m−Ｊ15m≦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×（Ｊ7m−Ｊ11m）／（４×（Ｊ15m×Ｊ25m））≦2.15
10×（Ｊ7m−Ｊ15m）／（８×（Ｊ15m×Ｊ25m））≦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】
0003656706.tif 000002
【００２４】
各鋼のジョミニー曲線は［表２］の通り。
【００２５】
【表２】
0003656706.tif 000003
【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0.1mm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、27MC5u、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】
0003656706.tif 000004
【００２９】
各鋼のジョミニー曲線は［表４］の通り。
【００３０】
【表４】
0003656706.tif 000005
【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。