(57)【要約】      （修正有）【課題】ギアのような浸炭して使用する機械部品の製造に使用する肌焼鋼において、歪みの小さい浸炭部品を得ることができる低歪真空浸炭ガス焼入れ用鋼を提供する。【解決手段】重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜３．００％、Ｍｎ：０．３０〜３．００％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％およびＣｒ：０．３０〜１．００％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、［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．３０の条件を満たす合金組成を有する鋼。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜３．００％、Ｍｎ：０．３０〜３．００％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％およびＣｒ：０．３０〜１．００％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、
［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．３０  
の条件を満たす合金組成を有する低歪真空浸炭ガス焼入れ用鋼。
【請求項２】
さらに、Ｍｏ：２．００％以下を含有する請求項１の低歪真空浸炭ガス焼入れ用鋼。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鋼を部品形状に成形し、真空浸炭を行なった後、ガス焼入れを行なうことからなる低歪浸炭部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸炭部品の製造に当たり、従来の油焼入れに代わって高圧のガスで冷却して焼入れをすることにより、歪みの小さい製品を得ることができる低歪真空浸炭ガス焼入れ用鋼に関する。本発明はまた、この鋼から低歪の浸炭部品を製造する方法と、得られた低歪浸炭部品にも関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼を機械部品、たとえばギアの形状に成形し、浸炭して製品とする場合、製品の衝撃強度を確保するためには、浸炭時の粒界酸化層の深さを浅くし、焼戻し軟化抵抗性を高めることが望ましい。このような観点から、比較的多い（０．４０〜１．５０％）Ｓｉ量を選択し、特定量のＴｉ、ＢおよびＮを添加した肌焼鋼が開示されている（特許文献１）。焼戻し軟化抵抗性に関しては、Ｓｉ＋０．２Ｃｒ＋０．０１Ｍｏの値が１．３％を超過する合金組成の提案がある（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００４−３００５５０
【特許文献２】特開２００３−２３１９４３
【０００３】
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り、
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。
それを買われて、各種のギアやシャフトの製造に利用されている。しかし真空浸炭には、部品の部分によって、浸炭の度合に大きな差が生じるという難点がある。具体的には、エッジ形状の部分は、平面の部分に比べて炭素濃度が高まり、その結果として、エッジの部分が張り出すという傾向である。
【０００４】
浸炭操作は、それに続いて浸炭製品を急冷する焼入れを伴う。この焼入れは、従来、もっぱら冷却油中に投入する油焼入れによっていた。近年、焼入れを、高圧の気体を吹き付けることによって行なうガス焼入れが普及しつつある。ガス焼入れには、
１）冷却ガスの圧力や、吹き付ける風速を変化させることにより冷却速度が調節できるため、冷却速度をコントロールできる範囲が広く、それぞれの部品に最適な冷却条件を選択することができる。
２）油槽やピットが不要であり、設備の設置場所に関する制約が少ない。
３）危険物である焼き入れ油を使用しないから、危険物の管理が不要である。
４）作業環境が改善される。
などの利点がある。
【０００５】
しかし、ガス焼入れには、油焼入れに比べて、焼入れに伴う歪みが大きいという欠点がある。しかも、その歪みの生じ方は、エッジ部分が大きい。その主な理由は、焼入れ後の残留オーステナイト相の差にある。よく知られているように、オーステナイト相は膨張量が小さい。油焼入れであれば、冷却後の部品の到達温度は１００℃程度であり、残留オーステナイト相が多量に存在するから、高い炭素濃度の部分でもさしたる膨張が生じないのに対し、ガス焼入れをすると、常温まで冷却されてしまい、オーステナイト相の残留量が小さいから、高炭素の部分は顕著に膨張し、歪みが大きくなるわけである。
【０００６】
このようなわけで、真空浸炭とガス焼入れとは、どちらも利点のある処理技術でありながら、組み合わせて実施することは、浸炭焼き入れ後の製品の歪みが顕著になるという問題が隘路になって、行なわれていなかった。発明者は、この隘路を打開することを企て、その方策として、部品のエッジ形状の部分に生じる過剰な浸炭を防ぐことが抜本的な解決となると考え、過剰な浸炭が生じにくい合金組成を追求した。その結果、炭化物を形成しやすいＣｒが過剰な浸炭を引き起こす主要な原因であること、それに対してＳｉ、ＮｉおよびＣｕは、過剰な浸炭を防ぐ作用があることを知り、これらの間に特定の関係のある合金組成を選択すべきことを見いだした。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、上記した発明者の知見を活用し、真空浸炭に続いてガス焼入れを行なっても部品に生じる歪みが小さくて済み、その結果、この二つの操作を組み合わせることが可能な低歪真空浸炭ガス焼入れ用鋼を提供することにある。この鋼を材料として低歪の浸炭部品を製造する方法と、その浸炭部品を提供することも、本発明の目的に含まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の低歪真空浸炭ガス焼入れ用鋼は、重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜３．００％、Ｍｎ：０．３０〜３．００％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％およびＣｒ：０．３０〜１．００％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、
［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．３０  
の条件を満たす合金組成を有する鋼である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の低歪真空浸炭ガス焼入れ用鋼を使用して浸炭部品を製造すれば、前記した真空浸炭に固有の効果、すなわち、粒界酸化の回避、迅速な浸炭および低コスト、という利益を得たうえで、ガス焼入れの有利さ、すなわち、それぞれの部品に最適な冷却条件を選択でき、設備に関する制約が少なく、危険物の管理が不要で、作業環境が改善される、というメリットを、あわせて享受できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の低歪真空浸炭ガス焼入れ用鋼は、前記した基本的な合金成分に加えて、さらに、Ｍｏ：２．００％以下を含有することができる。
【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。ガス焼入れもまた、この分野で既知の技術にしたがって実施することができる。
【００１２】
以下、本発明で材料として使用する浸炭用鋼の合金組成について、必須成分および任意成分の順に説明する。
Ｃ：０．１０〜０．３０％
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。Ｃ量が下限値０．１０％を下回ると、部品の心部にフェライトが生成して、強度が低くなる。一方、上限値０．３０％を超えると、加工性とくに被削性が低くなって、部品の成形に不利になる。
【００１３】
Ｍｎ：０．３０〜３．００％
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、その量は広い範囲から選ぶことができる。ただし、０．３０％に達しない少量では、心部にフェライトが生成して強度が低くなるし、３．００％を超える過大な量では、加工性とくに被削性が低くなることは、Ｃ量の限定理由と同じである。
【００１４】
Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下
これらは不純物であって、脆化を招くなど、部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。上記の値は、ともに許容限度である。
【００１５】
Ｓｉ：０．５０〜３．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、Ｃｕ：０．０１〜１．００％
これらの元素は、前述したように、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０．３０、好ましくは０．５０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、いずれも熱間加工性を低下させる。Ｓｉは加工性とくに被削性を低下させ、またＮｉおよびＣｕは、過大になると炭化物の析出量があまりに低くなって、部品の強度が不足する。これらの観点から、それぞれに上記の上限を設けた。
【００１６】
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であるＳｉ、ＮｉおよびＣｕが多量である場合に可能な、Ｃｒ量の上限である。１．００％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。
【００１７】
Ａｌ：０．２０％以下
結晶粒の粗大化を抑制するはたらきがあり、その効果を得たい場合は、０．００５％以上を添加するとよい。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。
【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】
Ｎ：０．０５％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０．０５％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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【実施例】
【００２２】
表１（実施例）および表２（比較例）に示す合金組成の肌焼鋼を溶製した。表に、［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］の値を併せて示す。各肌焼鋼を、下記の試験用ヘリカルギアの形状に機械加工した。
モジュール：２．５  
歯数：２６  
ピッチ円径：７１．７mm  
歯幅：２０mm  
【００２３】
９５０℃に１２０分間の真空浸炭の工程と、それに続く８５０℃で３０分間の拡散工程とを経て、１×１０３ＫＰａのＮ２ガスを風速１ｍ／秒で吹き付けて冷却する、ガス焼入れを行なった。真空浸炭に使用したガスは、表１および表２に示すように、プロパン（Ｐ）またはアセチレン（Ａ）である。得られた真空浸炭ガス焼入れの製品である試験用ギアの歯面の歪みを、アラサ計により測定した。結果を、表１および表２に、合わせて示す。
【００２４】
比較例１〜４は、［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．３０の条件を満たしていない。比較例５および６は、この条件を満たしてはいるが、前者はＣｒ量が過大であって、後者はＳｉ量が不足であり、ともに本発明の合金組成の範囲外である。比較例では歪み量が３０〜７０μｍに達したのに対し、本発明の実施例では、２０μｍをさほど超えない程度におさまっており、真空浸炭−ガス焼入れの組み合わせを用いても、歪みの小さい浸炭部品が得られた。
【００２５】
【表１】
2008195997.tif 000002
【００２６】
【表２】
2008195997.tif 000003