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製品紹介
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環境に貢献する大同の肌焼鋼
1．緒言

近年，地球環境保護の観点から自動車などの輸送機では走行中の CO2 排出量低減のための燃費向上のみならず，生産時の CO2 排出量の低減が求められている．歯車などの浸炭部品では，冷間鍛造や真空浸炭など環境負荷の小さい工程への変更が進んでいる．
大同特殊鋼㈱（以下，当社）では，このような環境負荷の小さい製造工程に適した歯車用鋼を多数開発してきた．本稿では，真空浸炭用鋼，結晶粒粗大化防止鋼，冷間鍛造用鋼についてその特性を紹介する．

2．エッジ部過剰浸炭抑制鋼 /DEG
真空浸炭は従来のガス浸炭と比べ操業中の CO2 排出物が存在しない健全な組織となっている .
また，この組織をもったエッジ部を図２の４点曲げ
試 験 で 測 定 し た と こ ろ， 図 ３ の よ う に SCM420 で は150 °エッジでガス浸炭材よりも高い強度を示すもののエッジの鋭角化に伴い急速に低下し，60 °エッジでは150 °の 40 % 程度の強度となる．このため例えば歯車をSCM420 で作成し真空浸炭した場合には，平面部である歯央付近の強度は向上するが，エッジ形状となっている歯端の強度が低下し，歯端部から破壊する懸念がある．
DEG30-M ではエッジ部過剰浸炭が抑制され，平面での強度を鋭角でも維持できるため，歯車でも歯端の強度低下が起こらず部品全体の強度が向上する．このことから，DEG シリーズを用いることでエッジ部を持つ部品であっても真空浸炭の欠点をカバーし利点を生かすことが可能である．

量が少なく，普及が進んでいる工程である．しかし，炭表1

素濃度が表面形状の影響を受けるという特徴があり，エッジ部先端の炭素濃度が平面部と比較して高くなることが知られている．例えば歯車の歯面部を最適な炭素濃度とすると歯端のエッジ部は最適な炭素濃度より高い，いわゆる過剰浸炭された状態となる．このため，残留オーステナイトの過剰生成，粒界への網目状炭化物の析

DEG シリーズの構成

代替鋼
DEG80-R
DEG30-R
DEG80-M
DEG30-M

SCr420
SCM420許容角度※NiMo80 °--30 °--80 °

-add

30 °

-add

30 °

addadd出による不完全焼入組織の生成などから十分な硬さが得

DEG30-N SNCM220

られず，エッジ部の強度が低下することが指摘されてお※ 950 ℃浸炭・平面部の表面炭素濃度 0.75 mass％時

り ，本格的な普及への課題とされていた．当社では，
1）

このようなエッジ部過剰浸炭を抑制できる真空浸炭用鋼「DEG シリーズ」を開発している．表１に DEG シリーズの構成を示す．DEG シリーズは当社が独自に解明した真空浸炭の炭素浸入機構 2） を元に，状態図を制御し真空浸炭中の炭化物生成量を減少させることでエッジ部過剰浸炭を抑制している．
図１に当社製真空浸炭炉「ModulTherm」で処理した
SCM420，DEG30-M の 組 織 を 示 す．SCM420 で は 平 面
部は炭化物が存在しない健全な組織であるが，エッジ部は過剰浸炭されており粒界に粗大な炭化物が生成している．しかし，DEG30-M では平面部・エッジ部とも炭化に炭化物が析出しない角度を表す。

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電気製鋼 第 84 巻 1 号 2013 年

図１

JIS 鋼および DEG 鋼の浸炭組織

単位： mm図2

エッジ 4 点曲げ試験

3．結晶粒粗大化防止鋼 /ATOM

図3

エッジ 4 点曲げ試験結果

しかし，AlN は高温で固溶しやすくピン止め効果を維持できなくなるため，AlN だけでは高温浸炭には不十分浸炭は非常に長い時間を要する工程であるため，省エである．これに対し Nb の炭窒化物は AlN に比べて安定ネルギー化のみならずタクトタイム短縮のための短時間なため，高温浸炭でも結晶粒制御を行うことができる．

化要求が強い．高温ほど炭素の拡散速度が速く，例えばこの原理を利用したのが結晶粒粗大化防止鋼「ATOM

1020 ℃では 920 ℃の 3 倍になるため高温化により浸炭鋼｣ である．表２に ATOM 鋼の成分を、結晶粒成長特時間を短縮できる．また，ガス浸炭炉がホットウォール性を図４に示す．JIS SCr420 が 1000 ℃以上で急速に粗で構成されているのに対し，真空浸炭はコールドウォー大化するのに対し ATOM 鋼 1050 ℃でも粗大化しない．

ルで構成され耐久性が向上しているため，その普及にATOM 鋼は高温迅速浸炭用鋼として省エネルギー化に伴って高温迅速浸炭は容易になりつつある．

寄与できる浸炭用鋼である．

しかしながら，高温化に伴って結晶粒の成長が加速され粗大化しやすくなる．一般には結晶粒が大きくなる（= 結晶粒度が小さくなる）と疲労強度や靭性が低下するとされるため，高温浸炭のためには粗大化対策が必須である．通常，浸炭用鋼では N および Al が添加されており，AlN 析出物による結晶粒界のピン止め効果を利用した結晶粒制御が行われている．

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表269ATOM, ALFA, Super-ALFA 鋼の成分

CSiMnCrs-Al

B

TiNb

SCr4200.20

0.230.76

1.020.032---

SCr420-ATOM

0.21

0.24

0.76

1.030.028

-

-

add

ALFA

0.20

0.07

0.50

1.00

-

add

add

-

Super-ALFA

0.18

0.10

0.50

1.50

-

add

add

add

時間の保持を行った後に徐冷する処理であり，長時間を要することから冷間加工による環境負荷低減効果を半減させてしまう．この球状化焼鈍を省略・簡略化するには鋼材の供給段階において硬さが低いことが必要である．
圧延状態の硬さは鋼材成分の影響が大きく，特にフェラ
イト強化元素である Si，Mn の影響が顕著である．しかし，単純にこれらの元素を低減すると焼入性が不足するため，鋼材の硬さへの影響が小さく焼入性向上効果の高い B を利用して焼入性を維持する．さらに圧延技術による低い硬さを保証した鋼材が ALFA 鋼である．表２に ALFA 鋼の代表的な成分を示す．またこの ALFA 鋼(a)

を球状化焼鈍した場合には，一般的な鋼に比べてはるかに低い硬さが得られるため，歯型鍛造のように変形量が大きく高い加工精度が要求される冷間鍛造にも対応でき，加工精度や型寿命の向上も期待できる．
ま た， 前 述 の 結 晶 粒 粗 大 化 防 止 機 能 も 兼 ね 備 え たSuper-ALFA 鋼も開発しており冷間加工後の焼準を省略して浸炭を行うことができる．ALFA 鋼および SuperALFA 鋼の硬さを図５に示す．これらの鋼は自動車用の歯車やシャフトに適用されている．
ALFA 鋼や Super-ALFA 鋼の強度特性はベースとなる鋼の強度と同等であるが，図６のように衝撃強度は大幅に向上する．これは B が P の粒界偏析を抑制すること(b)
図4により浸炭層の粒界強度を向上するためとされている．

ATOM 鋼の結晶粒粗大化特性

4．冷間鍛造用歯車用鋼/ALFA・
Super-ALFA
冷間鍛造は熱間鍛造に比べて加熱に要するエネルギーが不要となるのみならず，加工精度が高く鋼材歩留りが高いため非常に環境負荷の小さい工法である．しかしながら歯車部品は複雑形状であることが多く，素材は変形抵抗が低く変形能が高いことを要求されるため，冷間鍛造素材には球状化焼鈍（SA:Spheroidizing annealing）を施されることが多い．球状化焼鈍は A1 変態点直上で数

図5ALFA 鋼の硬さ

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電気製鋼 第 84 巻 1 号 2013 年

図6ALFA 鋼の耐衝撃特性

5．結言

本稿で紹介した開発鋼種はすでに自動車用歯車などに適用されており，省エネルギーに貢献している．近年，機械部品は高強度化や低コスト化はもとより，低環境負荷化が志向されており，歯車はその代表格ともいえる．
したがって，浸炭歯車用鋼の開発は，常に先端の材料技術や製造技術を応用し，特殊鋼開発の先頭を走っている．当社においては，今後も新しい技術を取り入れた鋼材・プロセス開発を行い，歯車はもとより多くの機械部品の競争力の向上に貢献し続けていく所存である．

（文献）

1）K. D. Jones and G. Krauss : Heat Treat，79（1980），188．
2）森田敏之，羽生田智紀：鉄と鋼，92（2006），268．
（問合せ先）
大同特殊鋼㈱特殊鋼棒線事業部

自動車材料ソリューション部
TEL：03-5495-1273

FAX：03-5495-6740