JPH04301031A - 耐摩耗性の優れた鋼部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＣおよびＳｉの含有量
の比較的多い耐摩耗性の優れた鋼部材およびその製造方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば球状黒鉛鋳鉄をオース
テンパ処理して熱膨張係数を調整するようにした技術が
、特開昭６１−２５２９１２号公報に見られるように公
知である。

【０００３】鋼部材の熱処理は、焼入れ、焼もどし（調
質）が一般的であり、この用途としては通常Ｃ量が０．
４０〜０．５０％の炭素鋼（ＪＩＳ．Ｓ４０Ｃ〜Ｓ５０
Ｃ）または合金鋼が用いられる。しかし、上記のオース
テンパ処理は、通常この調質の代用として或いはその靱
性を改善する目的で行われ、通常の焼入れが鋼のオース
テナイト域の温度から概略室温の焼入れ剤（水、油等）
に急冷する操作であるのに対して、オーステンパ処理は
同じくオーステナイト域から３００　〜５００　℃の中
間浴に冷却し、この温度で恒温保持する操作であり、焼
入れに比べて冷却能が小さい。

【０００４】このため、オーステンパ処理は、材料の変
態能を高める必要から調質用途に比べて、炭素量を高め
た鋼材（０．５０〜０．６０％）あるいは、更に炭素含
有量の高い球状黒鉛鋳鉄に適用される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかして、上記のよう
に炭素含有量の高い高炭素鋼、球状黒鉛鋳鉄にオーステ
ンパ処理を施して用いる場合に対し、さらに耐摩耗性を
高めることが要望される。すなわち、例えば、鋼部材の
熱膨張率を通常の鋼に比べて大きくし、アルミニウム合
金等との熱膨張差を小さくして軸受特性を改善しようと
した際に、その靱性、強度を高めることからオーステン
パ処理を行うについて、その表面部分の耐摩耗性を改善
することは、さらに軸受特性を高める点で好ましいもの
である。

【０００６】特に、球状黒鉛鋳鉄では、炭素量が高くて
組織中に黒鉛が晶出するため、部材の摺動面においては
黒鉛部が油溜りとなることにより、耐摩耗性は高炭素鋼
より良好となる利点を有するが、一方ではこの黒鉛が粗
大であるために弾性率（ヤング率）が低下する問題を有
する。

【０００７】そこで、本発明は上記事情に鑑み、Ｃ量の
比較的多い鋼部材にオーステンパ処理を施して焼入れ性
を高めると共に、耐摩耗性を改善し、また、ヤング率の
向上を図るようにした耐摩耗性の優れた鋼部材およびそ
の製造方法を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の耐摩耗性の優れた鋼部材の製造方法は、重量％
で、０．６　〜１．２　％のＣ、１．０　〜２．５　％
のＳｉを含有する鋼部材に、オーステンパ処理を施した
後、黒鉛析出処理を施してなるものである。

【０００９】また、前記黒鉛析出処理をオーステンパ処
理の前に施してもよい。さらに、黒鉛析出処理は、鋼部
材の表面部に局部的に施してもよい。

【００１０】一方、オーステンパ処理後に黒鉛析出処理
を施してなる耐摩耗性の優れた鋼部材は、内部がベイナ
イトと残留オーステナイトの混在組織であると共に、表
面部は黒鉛が分散したパーライト組織で構成されている
。

【００１１】また、オーステンパ処理前に黒鉛析出処理
を施してなる耐摩耗性の優れた鋼部材は、内部および表
面部がベイナイトと残留オーステナイトの混在組織であ
り、表面部は黒鉛が分散含有されている。

【００１２】上記黒鉛析出処理としては、１１００〜１
２００℃に加熱した後に徐冷する熱処理で行うことが可
能である。また、オーステンパ処理としては、公知の熱
条件で行うことが可能である。

【００１３】

【作用および効果】上記のような耐摩耗性に優れた鋼部
材およびその製造方法では、比較的多量のＣ，Ｓｉを含
有する鋼部材に対してオーステンパ処理を施す前、もし
くはオーステンパ処理後に、黒鉛析出処理を施して組織
中に微細黒鉛を分散析出させることにより、この黒鉛の
自己潤滑性によって耐摩耗性を向上でき、また、オース
テンパ処理によって靱性、強度の改善が行える。

【００１４】また、特に、オーステンパ処理後に黒鉛析
出処理を施した際には、鋼部材の表面部は黒鉛が分散し
たパーライト組織となって、加工性の改善も得られるも
のである。

【００１５】

【実施例】＜実施例１＞この実施例の耐摩耗性に優れた
鋼部材の製造方法は、鋼部材の局部的（表面）に黒鉛析
出処理を施した後、オーステンパ処理を施してなるもの
である。

【００１６】上記鋼部材の組成は、重量％で、Ｃを０．
６　〜１．２　％、Ｓｉを１．０　〜２．５　％、Ｍｎ
を０．５　〜２．０　％含有し、残部Ｆｅおよび不純物
である。なお、必要に応じてその他の添加元素を含有す
る。

【００１７】また、比較例として、高炭素鋼では、Ｃを
０．５　〜０．６％、Ｓｉを０．１５〜０．３５％、Ｍ
ｎを０．６　〜０．９　％含有し、残部Ｆｅおよび不純
物である。同様に球状黒鉛鋳鉄では、Ｃを２．５　〜３
．５　％、Ｓｉを２．５　％以下、Ｍｎを０．４　％以
下含有し、残部Ｆｅおよび不純物である。

【００１８】そして、上記方法によるオーステンパ処理
後の組織は、内部および表面部の基地はベイナイトと残
留オーステナイトの混在組織であり、表面部にはこの基
地に黒鉛が分散含有されている。その特徴としては耐摩
耗性および弾性率が良好である。

【００１９】上記鋼部材の化学組成の必須元素の添加量
の範囲を説明すれば、Ｃ量は、オーステンパ処理特性（
ベイナイト変態能）および黒鉛析出処理での黒鉛析出を
行わせるためには、０．６　％以上の添加が必要で、逆
に、１．２％を越えると、黒鉛が粗大化して不適当であ
る。また、Ｓｉ量は、炭化物生成を抑制し、基地への炭
素固溶量を大きくするため、１．０　％以上の添加が必
要であり、２．５　％を越えると効果が飽和すると共に
加工性が劣化するため不適当である。さらに、Ｍｎ量は
、ベイナイト変態能を向上するため、０．５　％以上の
添加が必要で、２．０　％を越えると効果が飽和すると
共に、加工性および靱性が劣化するため不適当である。

【００２０】なお、その他の鋼部材の化学組成として、
Ｃｒを１．５　％以下またはＭｏを０．５％以下または
Ｎｉを２．５　％以下添加することによって、これらの
組成でベイナイト変態能における質量効果を改善しても
よく、特に大物部品においてはその添加が好適である。 ただし、各々上限を越えると効果が飽和し経済性が損な
われる。また、Ｓを０．１５％以下またはＰｂを０．２
　％以下添加することによって、被削性を改善するよう
にしても良い。ただし、各々上限を越えると、強度が著
しく低下するものである。

【００２１】次に、鋼部材の黒鉛粒径は、好ましくは　
５〜２０μｍである。この黒鉛は、切削加工性を改善す
ると共に、摺動面にあっては、油溜りとなることから耐
摩耗性を改善する効果があり、この点からその粒径は　
５μｍ以上が有効である。また、２０μｍを越えると、
弾性率および強度が著しく低下して好ましくない。

【００２２】ここで、黒鉛析出処理の条件を示す。鋼部
材をオーステナイト単相域（９６０　〜１２００℃）、
または、オーステナイトとセメンタイトとの共存域（７
７０　〜９６０　℃）に加熱し、この温度域からＡ１　
変態点が完全に終了する温度域（６００　℃以下）まで
に徐々に冷却する。この冷却速度は、０．１　〜５　℃
／ｍｉｎ　の範囲で行う。この冷却速度は、上記範囲内
で遅いほど析出黒鉛粒径が大きくなり、速くなるほど黒
鉛粒径が小さくなるので必要に応じて適宜調整するもの
である。なお、鋼部材の摺動面などの特定部位に対して
、黒鉛析出処理を施す場合には、高周波誘導加熱などの
局部加熱手段を用いて行うものである。

【００２３】上記の黒鉛析出処理を行って所望の粒径を
有する黒鉛を析出した後のオーステンパ処理の条件を示
す。鋼部材を、オーステナイト単相域（９６０〜１２０
０℃）、または、オーステナイトとセメンタイトとの共
存域（７７０　〜９６０　℃）に加熱し、この温度域か
ら３００　〜５００　℃の中間浴に急冷し、この温度域
で３０〜３００　ｍｉｎ　保持する。この中間浴の温度
および保持時間によって、オーステンパ処理後の金属組
織におけるベイナイトと残留オーステナイトの構成比が
変わるので必要に応じて適宜調整する。

【００２４】次に、前記黒鉛析出処理による耐摩耗性の
改善効果を確認した試験結果を示す。テスト材の組成は
、本発明鋼部材Ａは、Ｃを０．８５％、Ｓｉを１．７５
％、Ｍｎを１．２５％含有し、残部Ｆｅおよび不純物で
ある。また、比較例Ｂ（高炭素鋼ＪＩＳ．Ｓ５５Ｃ）は
、Ｃを０．５５％、Ｓｉを０．２５％、Ｍｎを０．７５
％含有し、残部Ｆｅおよび不純物である。さらに、比較
例Ｃ（球状黒鉛鋳鉄ＪＩＳ．ＦＣＤ６００）は、Ｃを３
．２５％、Ｓｉを２．２５％、Ｍｎを０．２５％含有し
、残部Ｆｅおよび不純物である。

【００２５】上記組成の素材を熱間加工後、焼準して、
所定形状の試験片を製作した（本発明品１）。また、本
実施例試験片に施した黒鉛析出処理は、９８０℃に加熱
後、毎分０．５　℃の冷却速度で６００　℃まで徐冷し
、以降室温まで空冷した。なお、比較例１は前記Ａの組
成で上記黒鉛析出処理を施していないもの、比較例２が
Ｂの高炭素鋼（黒鉛析出処理なし）で、比較例３がＣの
球状黒鉛鋳鉄（黒鉛析出処理なし）である。そして、上
記テストピースに対して同一条件のオーステンパ処理を
施してなる。このオーステンパ処理は、９００　℃に加
熱後、４００　℃の塩浴に急冷し、この温度で　１２０
分恒温処理して行った。

【００２６】上記オーステンパ処理後の、本発明品１、
比較品１〜３の金属組織の顕微鏡写真を図１、図４〜図
６に示す。図１の本発明品１で３カ所に黒く点在してい
る斑点状のものが析出した黒鉛である。この本発明品１
と同材質でも黒鉛析出処理のない比較品１（図４）では
黒鉛は析出しておらず、同様に比較品２（図５）の高炭
素鋼でも黒鉛は析出していない。また、比較品３（図６
）の球状黒鉛鋳鉄では黒鉛析出処理を施していなくても
大径の黒鉛が晶出している。

【００２７】耐摩耗テストは、前記テストピースを回転
円板に押し付けながら摺動させ、徐々に押し付け荷重を
増加させて焼付き（異常摩耗）が発生した時点の荷重の
大きさによって耐摩耗性を評価した。上記テストピース
の形状は、幅×高さ×厚さが８．５ｍｍ×　５ｍｍ×　
３ｍｍの部材の上端面に半径　２ｍｍの円弧テスト面を
形成してなり、この円弧面を円板に押圧して摩耗量を測
定する。なお、円板の材質は炭素鋼調質材（Ｓ４５Ｃ、
硬さＨｖ３００　）で、摺動速度は２０ｍ／ｓｅｃ　で
ある。また、潤滑油は１０Ｗ３０を使用し、給油量は３
００ｃｃ／ｍｉｎ　とした。

【００２８】上記耐摩耗テストの結果およびオーステン
パ処理後の表面硬度を表１に示す。このテスト結果から
、オーステンパ処理を施すことにより各テストピース共
に表面硬度が高くなっているが、本発明品１では、前記
黒鉛析出処理を施していることから、この析出黒鉛の影
響で耐摩耗性が比較品３の球状黒鉛鋳鉄と同等に良好な
耐摩耗性が得られた。なお、黒鉛析出処理を施していな
い比較品１では、高炭素鋼より若干良い程度の耐摩耗性
を示している。また、本発明品２，３は、後述の実施例
３の試験片のデータである。

【００２９】

【表１】

【００３０】さらに、上記オーステンパ処理後の各テス
トピースの弾性率を測定した結果を表２に示す。この弾
性率は、比較品２の高炭素鋼が最も高い値を示し、本発
明品１と同材質の比較品１が次に高い値を示し、本発明
品１は黒鉛析出処理を施したことによって若干弾性率が
低下しているが、比較品３の球状黒鉛鋳鉄に比べて高い
弾性率を有しているものである。

【００３１】

【表２】

【００３２】＜実施例２＞この実施例の耐摩耗性の優れ
た鋼部材の製造方法は、鋼部材にオーステンパ処理を施
した後に、黒鉛析出処理を施してなるものである。

【００３３】上記鋼部材の組成は、前例と同様であり、
添加量の範囲も同様である。そして、この方法による処
理後の組織は、内部がベイナイトと残留オーステナイト
の混在組織であると共に、黒鉛析出処理を施した表面部
は微細黒鉛が分散したパーライト組織またはベイナイト
組織である。そして、その特徴とするところは、耐摩耗
性および弾性率が良好であると共に、表面部の熱膨張率
が前例の場合より小さくなっている。

【００３４】また、オーステンパ処理は、前例と同様で
あり、鋼部材を７７０〜１２００℃に加熱し、３００　
〜５００　℃の中間浴に急冷して、３０〜３００　ｍｉ
ｎ　保持するものである。 さらに、このオーステンパ処理の後に施す黒鉛析出処理
の条件についても前例と同様であり、鋼部材を７７０　
〜１２００℃に加熱し、この温度域から６００　℃以下
に、０．１　〜５　℃／ｍｉｎ　の冷却速度で徐冷する
ものである。

【００３５】この実施例によれば、オーステンパ処理後
に黒鉛析出処理を施すことにより前例同様の耐摩耗性の
の改善効果が得られる一方、表面部の基地がパーライト
に黒鉛が分散していることで、加工性も向上するもので
ある。

【００３６】＜実施例３＞この実施例の耐摩耗性の優れ
た鋼部材の製造方法は、鋼部材にオーステンパ処理の前
もしくは後に局部黒鉛析出処理を施してなるものである
。

【００３７】本発明品２は、実施例１の本発明品１と同
一の組成で、形状は直径３０ｍｍの棒材であり、局部黒
鉛析出処理の後にオーステンパ処理を施したものである
。また、本発明品３は、同じ素材に、オーステンパ処理
を行った後に局部黒鉛析出処理を施したものである。

【００３８】上記局部黒鉛析出処理は、素材の外周面を
表面下　３ｍｍまで高周波誘導加熱により　８５０℃に
加熱した後、この部位の温度が　６００℃になるまで加
熱出力を漸減させながら　５℃／ｍｉｎの冷却速度で徐
冷し、以降室温まで空冷して行う。また、オーステンパ
処理は、実施例１と同条件である。

【００３９】局部黒鉛析出処理の後にオーステンパ処理
を行った本発明品２の金属組織の顕微鏡写真を図２に示
し、その局部処理により黒色の黒鉛が析出し、黒鉛粒径
は約１０μｍである。一方、オーステンパ処理の後に局
部黒鉛析出処理を行った本発明品３の金属組織の顕微鏡
写真を図３に示し、その局部処理により黒鉛が点在し黒
鉛粒径は約５μｍである。

【００４０】上記本発明品２および３に対して実施例１
と同じ要領の耐摩耗テストと行った結果および測定した
表面硬度を前記表１に併記し、さらに、弾性率および熱
膨張量を測定した結果を前記表２に示している。熱膨張
量の測定は、試料の外径（３０ｍｍ）を室温および　２
００℃で測定し、各々の差を算出したものである。なお
、前記比較品１〜３の熱膨張量についても表２に示す。

【００４１】上記のような本発明品２および３は、前述
のように摺動面に黒鉛が析出していることにより、本発
明品１および比較品３（球状黒鉛鋳鉄）と同等の耐摩耗
性が得られている。また、黒鉛析出層が表面に限られて
いることにより、同質材の比較品１に対して弾性率の低
下もごくわずかであった。この本発明品２と本発明品３
との相違点は、本発明品２の局部処理部分が微細黒鉛の
析出したベイナイト＋残留オーステナイト組織であるの
に対し、本発明品３の局部処理部分は、基地の残留オー
ステナイトが分解したパーライト組織となっている点で
ある。これにより、本発明品３の方が熱膨張率が小さく
なっている。

【００４２】また、上記ような本発明の製造方法による
鋼部材は、通常の高炭素鋼に比べて熱膨張係数が大きく
なり、アルミニウム合金等との熱膨張差を小さくして軸
受特性を改善できる作用を有する。

【図面の簡単な説明】

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　重量％で、０．６　〜１．２　％のＣ
   、１．０　〜２．５　％のＳｉを含有する鋼部材に、オ
   ーステンパ処理を施した後、黒鉛析出処理を施すことを
   特徴とする耐摩耗性の優れた鋼部材の製造方法。
2. 【請求項２】　　請求項１において、前記黒鉛析出処理
   がオーステンパ処理の前に施されることをことを特徴と
   する耐摩耗性の優れた鋼部材の製造方法。
3. 【請求項３】　　前記黒鉛析出処理が、鋼部材の表面部
   にのみ施されることを特徴とする請求項１または２記載
   の耐摩耗性の優れた鋼部材の製造方法。
4. 【請求項４】　　重量％で、０．６　〜１．２　％のＣ
   、１．０　〜２．５　％のＳｉを含有する鋼部材にオー
   ステンパ処理と黒鉛析出処理を施し、内部がベイナイト
   と残留オーステナイトの混在組織で、表面部は黒鉛が分
   散したパーライト組織であることを特徴とする耐摩耗性
   の優れた鋼部材。
5. 【請求項５】　　重量％で、０．６　〜１．２　％のＣ
   、１．０　〜２．５　％のＳｉを含有する鋼部材にオー
   ステンパ処理と黒鉛析出処理を施し、内部および表面部
   がベイナイトと残留オーステナイトの混在組織であり、
   表面部は黒鉛が分散含有されていることを特徴とする耐
   摩耗性の優れた鋼部材。