(57)【要約】    【課題】ギアのような浸炭して使用する部品において、所定の強度および耐摩耗性に加えて、摺動部品に望ましい黒鉛潤滑剤が表面に付着した部品を提供する。    【解決手段】重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜３．００％、Ｍｎ：０．３０〜３．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、Ｃｒ：０．３０〜１．００％およびＭｏ：２．００％以下を含有し、さらにＡｌ、Ｎｂ、Ｔｉ、ＮおよびＢの特定量の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避な不純物からなり、［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．３０  の条件を満たす合金組成を有する浸炭用鋼を部品形状に成形し、真空浸炭条件下においたのち拡散条件下におく真空浸炭操作を行ない、拡散段階の少なくとも終期に再び浸炭条件下におくことにより、浸炭された部品の表面に黒鉛を生成させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空浸炭により得た浸炭部品であって、部品形状に成形した浸炭用鋼を真空浸炭条件下においたのち、拡散条件下におくことからなる真空浸炭操作において、浸炭用鋼として、下記の条件
［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．３０  
を満たす合金組成を有するものを使用し、拡散段階の少なくとも終期に、再び浸炭条件下におくことにより、浸炭された部品の表面に黒鉛を生成させてなる、表面に黒鉛を付着させた浸炭部品。
【請求項２】
浸炭用鋼として、重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜３．００％、Ｍｎ：０．３０〜３．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、Ｃｒ：０．３０〜１．００％およびＭｏ：２．００％以下を含有し、さらに、Ａｌ：０．２０％以下、Ｎｂ：０．２０％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｎ：０．０５０％以下およびＢ：０．０１％以下の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなり、かつ、請求項１に記載の条件を満たす合金組成を有する鋼を使用して得た請求項１の浸炭部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸炭部品であって、その表面に黒鉛を付着させたものに関する。この部品表面の黒鉛は、潤滑剤として役立つ。したがって本発明の部品は、摺動する部材として有用である。
【背景技術】
【０００２】
鋼を機械部品、たとえば歯車の形状に成形し、浸炭して製品とする場合、浸炭方法としては、従来慣用されてきたガス浸炭法に代って、最近は、真空浸炭法が採用されるようになってきた。真空浸炭法には、ガス浸炭法に対して、つぎのような利点があるからである。１）真空中で処理を行なうため材料の酸化が起こらないから、ガス浸炭法では生じやすい粒界酸化が避けられ、強度の向上に寄与する。
２）浸炭装置の構造上、高温浸炭を行ないやすく、そのために迅速な浸炭が可能である。
３）使用する浸炭ガスが少量で済み、ランニングコストが安い。
【０００３】
真空浸炭法により浸炭を行なったときに、浸炭が進行する機構は、まず部品に接した浸炭ガスから黒鉛が生成して部品表面に析出し、これが高温の条件下で鋼の内部に拡散してゆくことがわかった。そこで、この機構を利用して、真空浸炭材の表面における炭素濃度分布を予測することが試みられている（非特許文献１）。
【０００４】
多量の炭素を含有する黒鉛鋼を材料として部品を成形し、７５０〜９５０℃の温度範囲で１．５〜４．０％のカーボンポテンシャルにおいてガス浸炭を行なって、部品の表面層に黒鉛を生成させたのち焼き入れを行ない、表面に分散点在した黒鉛を潤滑剤として利用する、摺動部品の製造技術が提案された（特許文献１）。この摺動部品は、深部がマルテンサイトからなり、鋳鉄に比して靱性にすぐれ、かつ鋳鉄と同等の耐焼付性と耐摩耗性を有するという。この部品がすぐれた摺動特性を有するのは、表面層の中に点在する球状黒鉛を核として、浸炭ガスがもたらした炭素が析出して集中し、大きな黒鉛塊が分散したものとなり、それが部品の摺動にあたって潤滑作用をし、摩耗してもさらに内部の黒鉛塊が表面に現れて潤滑剤としてはたらく、という機構によるものと解される。
【特許文献１】特開平１０−２６５９０６
【非特許文献１】森田敏之ほか「鉄と鋼」９２巻（２００６）４号３６頁
【０００５】
発明者は、浸炭部品としての特性を有するうえに、表面に黒鉛が付着した部品を製作することができれば、所期の強度および耐摩耗性をもち、しかも摺動のための潤滑剤がすでに表面に付着した製品が得られることを着想し、真空浸炭の工程に変更を加えることにより容易にこの着想が実現することを確認した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、上記した発明者の知見を生かし、浸炭部品として期待される強度および耐摩耗性に加えて、摺動部品に望ましい黒鉛潤滑剤が表面に付着した部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の表面に黒鉛を付着させた浸炭部品は、真空浸炭により得た浸炭部品であって、部品形状に成形した浸炭用鋼を真空浸炭条件下においたのち、拡散条件下におくことからなる真空浸炭操作において、浸炭用鋼として、下記の条件
［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．３０  
を満たす合金組成を有するものを使用し、拡散段階の少なくとも終期に、再び浸炭条件下におくことにより、浸炭された部品の表面に黒鉛を生成させてなる、表面に黒鉛を付着させた浸炭部品である。図１は、この浸炭操作を説明するものであって、Ａは従来の真空浸炭の温度パターンを、Ｂは本発明に従う真空浸炭−黒鉛生成の温度パターンを、それぞれ示す。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の浸炭部品は、浸炭を経ているから、表面層に所望の濃度分布をもって炭素が存在しており、浸炭部品に期待される強度および耐摩耗性を有することはもちろんであるが、そのうえに、表面に付着した黒鉛がそのまま潤滑剤として作用するから、部品の摺動にともなう抵抗と摩耗とが最小限になる。したがって、使用に先立ちあらためて潤滑剤を適用しなくても、ただちに摺動部材として使用することができる。
【０００９】
表面に付着した黒鉛は、真空浸炭の浸炭段階に続く拡散段階において、少なくともその終期にふたたび浸炭条件を現出すること、具体的には浸炭チャンバーに浸炭用のガスを導入することにより形成され、特別の黒鉛形成の段階を必要とするわけではないから、製造コストの増大は、とるに足らないものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明において、浸炭部品を成形する材料となる浸炭用鋼としては、重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜３．００％、Ｍｎ：０．３０〜３．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、Ｃｒ：０．３０〜１．００％およびＭｏ：２．００％以下を含有し、さらに、Ａｌ：０．２０％以下、Ｎｂ：０．２０％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｎ：０．０５％以下およびＢ：０．０１％以下の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなり、かつ、下記の条件
［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．３０  
を満たす合金組成を有する鋼が適切である。この合金組成であれば、鋼中に炭化物を生成することが少なく、拡散段階において再び浸炭条件下におかれた浸炭部品の表面層における炭素濃度が、過度に高くあるおそれがない。
【００１１】
本発明の浸炭部品の製造は、真空浸炭によって実施するかぎり、アセチレン、エチレン、プロパンなど、種々の炭化水素ガスを浸炭ガスとして使用することができる。浸炭パターンも、任意である。当業者は、後記する実施例を参考にして、適切な真空浸炭の条件を、容易に決定することができるであろう。
【００１２】
本発明の浸炭用鋼の適切な合金組成について説明すれば、Ｃ量（０．１０〜０．３０％）は、機械部品として必要な強度を得る上で適切な範囲である。Ｍｎは、脱酸剤として鋼の溶製時に添加されるが、炭化物の生成にはあまり影響を与えないから、その量は広い範囲（０．３０〜３．００％）から選ぶことができる。ＰおよびＳは不純物であって、製品の機械的性質にとって好ましくない成分であるから、その量は低い方がよい。前記の値（ともに０．０３０％）は、許容限度である。
【００１３】
Ｓｉ（０．５０〜３．００％）、Ｎｉ（０．０１〜３．００％）およびＣｕ（０．０１〜１．００％）は、前述のように、炭化物の生成を抑制する成分であって、それぞれ上記の下限値以上であって、かつ、それらの量の合計からＣｒの量を差し引いた値が０．３、好ましくは０．５を上回るように添加しなければならない。しかし、大量の添加は、熱間加工性を低下させるから、それぞれに上記の上限を設けた。
【００１４】
Ｃｒ：０．３０〜１．００％
Ｃｒは炭化物の生成を促進する成分であるから、本発明の浸炭用鋼においては、多量に存在させることができない。１．００％は、炭化物の生成を抑制する成分が多量である場合に可能な、Ｃｒ量の上限である。１．０％より高いＣｒ量は、加工性とくに被削性の観点からも、添加することができない。ただし、あまり低減しすぎると焼入れ性が低くなって、製品の機械的特性が不満足になるので、下限値として０．３０％を設けた。
【００１５】
Ａｌ：０．２０％以下
脱酸剤として添加されるが、過大な添加は、鋼中にアルミナが形成され、強度の低下を招くから、避けなければならい。またアルミナの形成は、加工性を損なう点でも好ましくない。このようなわけで、０．２０％までのＡｌ添加量を選ぶのがよい。一方、Ａｌは結晶粒の粗大化を抑制するはたらきもあり、その効果を得たい場合は、０．００５％以上を添加するとよい。
【００１６】
Ｎ：０．０５０％以下
Ｎが存在すると結晶粒の粗大化を防止する作用があるので、少なくとも０．００１％を存在させることが好ましい。この効果は０．０５０％程度で飽和するので、この限界を超えて存在させる意味はない。
【００１７】
Ｍｏ：２．００％以下
焼入れ性を向上させ、焼戻し軟化抵抗性を高めるために添加することができる。多量になると鋼の加工性を悪くするので、２．００％以下の適切な添加量をえらぶべきである。
【００１８】
Ｎｂ：０．２０％以下、Ｔｉ：０．２０％以下
これらの成分は、浸炭時に生じる結晶粒の成長を抑制し、整粒組織を保つという目的にとって有効である。過大な添加は加工性に悪影響を及ぼすので、それぞれ上記の限界内の添加量に止める。
【００１９】
Ｂ：０．０１％以下
Ｂは、焼入れ性の向上に効果があるので、所望により添加する。大量の存在は加工性にとって有害であるから、０．０１％以下の添加量をえらぶ。
【００２０】
［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．３０（好ましくは０．５０）
上述のように、Ｓｉ、ＮｉおよびＣｕは炭化物の生成を抑制し、一方、Ｃｒは増加させるから、前三者の影響と後者の影響とをバランスさせて、抑制効果が高くなるようにすることによって、浸炭した表面層における炭化物の生成が抑制され、黒鉛を生成させるために再び浸炭条件下においたときに、炭素濃度が過大になることが防げる。上記の式は、後記の実施データから導き出された関係である。
【実施例】
【００２１】
表１に示す合金組成の肌焼き鋼を溶製した。各材料を使用して、下記の試験用ギアの形状に機械加工し、
モジュール：２．５  歯数：３０  
ピッチ円径：８２．７５３mm  
歯幅：２０mm  ネジレ角：２５度
表２に示した条件で、真空浸炭または真空浸炭−黒鉛生成を行なった。黒鉛生成は、拡散段階３０分間の最後の５分間において、部品の表面積１ｍ2当たり２００L/hrに相当する量の浸炭ガスを供給することにより行なった。得られた浸炭部品である試験用ギアの表層部に炭化物が生成したか否かを分析した後、ギアに負荷を掛けて回転させ、面疲労強度および歯元疲労強度を測定した。結果を、表２にあわせて示した。
【００２２】
【表１】
2008156672.tif 000003
【００２３】
表２
2008156672.tif 000004
【００２４】
本発明の実施例のギアは、部品表面層における炭化物の生成がなく、かつ、黒鉛潤滑剤を表面に有していて、高い面疲労強度および歯元疲労強度を示した。これに対し、表面層において炭化物が生成した比較例１〜５および７は、歯元疲労強度が低いかまたは面疲労強度と歯元疲労強度の両方とも低く、一方、炭化物の生成は見られなかったが表面に黒鉛潤滑剤を有していない実施例６は、歯元疲労強度がすぐれているものの、面疲労強度は劣っていた。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明により表面に黒鉛が付着した浸炭部品を得る浸炭操作を説明する概念的な図であって、Ａは従来の真空浸炭の温度パターン、Ｂは本発明に従う真空浸炭−黒鉛生成の温度パターン。
【図１】
2008156672.tif 000005