(57)【要約】  浸炭用鋼、及び、鋼部と前記鋼部の外面に生成した厚さ０．４ｍｍ超２ｍｍ未満の浸炭層とを備える浸炭鋼部品であって、浸炭用鋼、及び、浸炭鋼部品の鋼部の化学成分が、硬さ指標の式と、焼入れ性指標の式と、ＴｉＣ析出量指標の式とを同時に満足する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学成分が、質量％で、
Ｃ：０．０７％〜０．１３％、
Ｓｉ：０．０００１％〜０．５０％、
Ｍｎ：０．０００１％〜０．８０％、
Ｓ：０．０００１％〜０．１００％、
Ｃｒ：１．３０％超〜５．００％、
Ｂ：０．０００５％〜０．０１００％、
Ａｌ：０．０００１％〜１．０％、
Ｔｉ：０．０１０％〜０．１０％
を含有し、
Ｎ：０．００８０％以下、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｏ：０．００３０％以下
に制限し、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
前記化学成分中の各元素の質量％で示した含有量が、
硬さ指標として下記の式１、
焼入れ性指標として下記の式２、及び、
ＴｉＣ析出量指標として下記の式３、
を同時に満足する
ことを特徴とする浸炭用鋼。
０．１０＜Ｃ＋０．１９４×Ｓｉ＋０．０６５×Ｍｎ＋０．０１２×Ｃｒ＋０．０７８×Ａｌ＜０．２３５・・・（式１）
７．５＜（０．７×Ｓｉ＋１）×（５．１×Ｍｎ＋１）×（２．１６×Ｃｒ＋１）＜４４・・・（式２）
０．００４＜Ｔｉ−Ｎ×（４８／１４）＜０．０３０・・・（式３）
【請求項２】
前記化学成分が、更に、質量％で
Ｎｂ：０．００２％〜０．１００％、
Ｖ：０．００２％〜０．２０％、
Ｍｏ：０．００５％〜０．５０％、
Ｎｉ：０．００５％〜１．００％、
Ｃｕ：０．００５％〜０．５０％、
Ｃａ：０．０００２％〜０．００３０％、
Ｍｇ：０．０００２％〜０．００３０％、
Ｔｅ：０．０００２％〜０．００３０％、
Ｚｒ：０．０００２％〜０．００５０％、
Ｒａｒｅ  Ｅａｒｔｈ  Ｍｅｔａｌ：０．０００２％〜０．００５０％、
Ｓｂ：０．００２％〜０．０５０％
のうちの少なくとも１つを含有し、
前記硬さ指標が前記式１に代わって下記の式４に、前記焼入れ性指標が前記式２に代わって下記の式５に、定義される
ことを特徴とする請求項１に記載の浸炭用鋼。
０．１０＜Ｃ＋０．１９４×Ｓｉ＋０．０６５×Ｍｎ＋０．０１２×Ｃｒ＋０．０３３×Ｍｏ＋０．０６７×Ｎｉ＋０．０９７×Ｃｕ＋０．０７８×Ａｌ＜０．２３５・・・（式４）
７．５＜（０．７×Ｓｉ＋１）×（５．１×Ｍｎ＋１）×（２．１６×Ｃｒ＋１）×（３×Ｍｏ＋１）×（０．３６３３×Ｎｉ＋１）＜４４・・・（式５）
【請求項３】
請求項１又は２に記載の浸炭用鋼であって、
金属組織が、面積％で、フェライトとパーライトとを、合計で、８５％以上１００％以下含む
ことを特徴とする浸炭用鋼。
【請求項４】
請求項３に記載の浸炭用鋼であって、
前記金属組織が、面積％で、前記フェライトと球状化セメンタイトとを、合計で、８５％以上１００％以下含む
ことを特徴とする浸炭用鋼。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の浸炭用鋼であって、
形状が、長手方向と直交する切断面が円形となる棒状又は線状であり、
周面から前記切断面の中心までの距離を単位ｍｍでｒとすると、周面からｒ×０．０１までの領域である表層部の金属組織が、面積％で、フェライトとパーライトとを、合計で、１０％以下に制限し、
残部がマルテンサイト、ベイナイト、焼戻しマルテンサイト、焼戻しベイナイト、及び、セメンタイトのうちの少なくとも１つを含む
ことを特徴とする浸炭用鋼。
【請求項６】
請求項５に記載の浸炭用鋼であって、
前記表層部の前記金属組織に含まれるセメンタイトのうち、９０％以上１００％以下が、アスペクト比３以下のセメンタイトである
ことを特徴とする浸炭用鋼。
【請求項７】
請求項１又は２に記載の浸炭用鋼の製造方法であって：
鋳片を得る鋳造工程と；
前記鋳片を、熱間塑性加工して熱間加工鋼材を得る熱間加工工程と；
前記熱間加工工程後に、前記熱間加工鋼材の表面温度が８００℃〜５００℃となる温度範囲を０℃／秒超１℃／秒以下の冷却速度で徐冷する徐冷工程と；を有する
ことを特徴とする浸炭用鋼の製造方法。
【請求項８】
前記徐冷工程後の前記熱間加工鋼材に、更に、球状化熱処理を施す球状化熱処理工程を有する
ことを特徴とする請求項７に記載の浸炭用鋼の製造方法。
【請求項９】
請求項１又は２に記載の浸炭用鋼の製造方法であって：
鋳片を得る鋳造工程と；
前記鋳片を、最終仕上圧延の出口側で表面温度が７００℃〜１０００℃となる条件に制御して熱間圧延を行って熱間制御圧延鋼材を得る熱間制御圧延工程と；
前記熱間制御圧延工程後に、前記熱間制御圧延鋼材の表面温度が０℃超５００℃以下となるように急冷する急冷工程と；
前記急冷工程後の前記熱間制御圧延鋼材を少なくとも１回以上復熱させる復熱工程と；を有する
ことを特徴とする浸炭用鋼の製造方法。
【請求項１０】
前記復熱工程後の前記熱間制御圧延鋼材に、更に、球状化熱処理を施す球状化熱処理工程を有する
ことを特徴とする請求項９に記載の浸炭用鋼の製造方法。
【請求項１１】
鋼部と、前記鋼部の外面に生成した厚さ０．４ｍｍ超２ｍｍ未満の浸炭層とを備える浸炭鋼部品であって：
前記浸炭層において、
表面から深さ５０μｍの位置でのビッカース硬さがＨＶ６５０以上ＨＶ１０００以下であり、前記表面から深さ０．４ｍｍの位置でのビッカース硬さがＨＶ５５０以上ＨＶ９００以下であり、かつ、前記表面から深さ０．４ｍｍの位置での金属組織が、面積％で、マルテンサイトを９０％以上１００％以下含み；
前記表面から深さ２ｍｍの位置の前記鋼部について、
請求項１又は２に記載の前記化学成分からなり、かつ、ビッカース硬さがＨＶ２５０以上ＨＶ５００以下である
ことを特徴とする浸炭鋼部品。
【請求項１２】
請求項１１に記載の浸炭鋼部品の製造方法であって：
前記浸炭用鋼に、冷間塑性加工を施して形状を付与する冷間加工工程と；
前記冷間加工工程後の前記浸炭用鋼に、浸炭処理、又は浸炭窒化処理を施す浸炭工程と；
前記浸炭工程後に、焼入れ処理、又は焼入れ・焼戻し処理を施す仕上熱処理工程と；を有する
ことを特徴とする浸炭鋼部品の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の浸炭鋼部品の製造方法であって、
前記冷間加工工程後で前記浸炭工程前に、更に、切削加工を施して形状を付与する切削工程を有する
ことを特徴とする浸炭鋼部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷間鍛造時の変形抵抗が小さくて、限界加工率が大きく、そして、浸炭熱処理後に、従来鋼と同等の硬化層及び鋼部硬さを有する、浸炭用鋼、浸炭鋼部品、及び、その製造方法に関するものである。
本願は、２０１１年０２月１０日に、日本に出願された特願２０１１−０２７２７８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
機械構造用部品に使用される鋼は、一般に、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、及び、Ｎｉ等を組み合わせて添加される。このような化学成分を有し、鋳造、鍛造、圧延等によって製造された浸炭用鋼は、鍛造、切削等の機械加工によって成型され、そして、浸炭等の熱処理を施されて、表層部の硬化層である浸炭層と浸炭処理の影響が及んでいない母材である鋼部とを備える浸炭鋼部品となる。【０００３】
この浸炭鋼部品を製造するコストのうち、切削加工に関わるコストが非常に大きい。切削加工は切削の工具が高価であるだけでなく、切りくずを多量に生成するため、歩留の観点からも不利である。このため、切削加工を鍛造に置き換えることが試みられている。鍛造方法は熱間鍛造、温間鍛造、冷間鍛造に大別できる。温間鍛造はスケールの発生が少なく、熱間鍛造よりも寸法精度が改善されるという特徴がある。また冷間鍛造はスケールの発生がなく、寸法精度が切削に近いという特徴がある。従って、熱間鍛造で大まかな加工を行った後に冷間鍛造で仕上げ加工を行うこと、温間鍛造を行った後に仕上げとして軽度の切削を行うこと、または、冷間鍛造のみで成型を行うこと等が検討されてきた。しかしながら、切削加工を温間又は冷間鍛造に置き換えるにあたって、浸炭用鋼の変形抵抗が大きいと、金型にかかる面圧が増加し、金型寿命が低下するため、切削に対するコストメリットが小さくなる。あるいは複雑な形状に成型する場合、大きな加工が加わる部位に割れが生じる等の問題が発生する。このため、浸炭用鋼の軟質化や限界加工率の向上を図るために種々の技術が検討されてきた。【０００４】
例えば、特許文献１及び特許文献２には、Ｓｉ及びＭｎ含有量を低減することによって浸炭用鋼の軟質化を図り、冷間鍛造性を向上させた浸炭用鋼の発明が記載されている。これらの浸炭用鋼は、浸炭後の鋼部硬さと有効硬化層深さ（ビッカース硬さがＨＶ５５０以上となる深さ）とに関して十分であり、浸炭鋼部品として満足する性能を有している。しかし、鍛造時の変形抵抗の大幅な低減という点では不十分である。これに対して特許文献３には、従来の浸炭用鋼よりもＣ含有量を大幅に低減して、０．００１％〜０．０７％未満とすることで、熱間、温間、及び、冷間鍛造時の変形抵抗を大幅に低減し、そして、Ｃ以外の添加元素の含有量を調整することで、Ｃ含有量の低減に起因して減少する浸炭後の有効硬化層を改善した浸炭用鋼の発明が記載されている。しかしながら、この浸炭用鋼はＣ含有量が低すぎるために鋼としての硬さが低下し、浸炭の影響が及ばない浸炭鋼部品の鋼部での硬さが不足する。従って汎用性に制限があるという問題がある。特許文献４には、形状が棒線状である浸炭用鋼の表層部の金属組織を球状化焼鈍により改善することによって、加工率の大きい冷間鍛造にも供することが可能な延性に優れた浸炭用鋼の発明が記載されている。この浸炭用鋼は限界加工率の改善が図られ、冷間鍛造時に発生する割れを防止することができる。また浸炭後の鋼部硬さと有効硬化層深さとに関しても、浸炭鋼部品として満足する性能を有している。しかしながら、この浸炭用鋼は、鍛造時の変形抵抗の低減という点では効果がなく、鍛造荷重の低減、金型寿命の改善等に対して改善の余地がある。【０００５】
以上より、鍛造時の変形抵抗の大幅な低減、限界加工率の改善、浸炭鋼部品としての性能、特に有効硬化層深さと鋼部硬さとの確保に関して、全てを満足する特性を有する技術は見当たらないのが実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】日本国特開平１１−３３５７７７号公報
【特許文献２】日本国特開２００１−３０３１７２号公報
【特許文献３】日本国特開２００９−１０８３９８号公報
【特許文献４】日本国特開２００１−２４０９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の一実施態様は、上記の実情に鑑み、浸炭用鋼の段階で、従来鋼よりも冷間鍛造時の変形抵抗が小さくて、限界加工率が大きく、そして、浸炭熱処理後に、従来鋼と同等の硬化層及び鋼部硬さを有する、浸炭用鋼、浸炭鋼部品、及び、その製造方法を提供することを目的とする。【０００８】
以下、特に断らない限り、単に「鍛造」とは「冷間鍛造」を意味する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、このような課題を解決するために詳細な検討を行った結果、以下の知見を得た。浸炭用鋼の硬さを低減して限界加工率を向上させるためには、できる限りＣ含有量を低減する必要がある。一方で、浸炭鋼部品として最低限必要な鋼部硬さを得るためには、Ｃ含有量の下限量が存在し、Ｃ含有量を目的範囲に制御する必要がある。このような従来鋼よりもＣ含有量が少ない成分系で、浸炭鋼部品として必要とされる鋼部硬さを得るために焼入れ性を確保することと、浸炭用鋼として硬さの低減を図ることとの両方を満足するには、Ｂ添加により得られる焼入れ性向上の効果を活用するとともに、本発明者が導いた焼入れ性指標と硬さ指標とを同時に満足する化学成分である必要がある。加えて、Ｂ添加による焼入れ性向上の効果を安定して得るため、さらに、浸炭時の結晶粒粗大化を防止するためには、本発明者が導いたＴｉＣ析出量指標を満足する必要がある。【００１０】
本発明の要旨は、次のとおりである。【００１１】
（１）本発明の一実施態様に係る浸炭用鋼は、化学成分が、質量％で、Ｃ：０．０７％〜０．１３％、Ｓｉ：０．０００１％〜０．５０％、Ｍｎ：０．０００１％〜０．８０％、Ｓ：０．０００１％〜０．１００％、Ｃｒ：１．３０％超〜５．００％、Ｂ：０．０００５％〜０．０１００％、Ａｌ：０．０００１％〜１．０％、Ｔｉ：０．０１０％〜０．１０％を含有し、Ｎ：０．００８０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｏ：０．００３０％以下に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記化学成分中の各元素の質量％で示した含有量が、硬さ指標として下記の式１、焼入れ性指標として下記の式２、及び、ＴｉＣ析出量指標として下記の式３、を同時に満足する。
０．１０＜Ｃ＋０．１９４×Ｓｉ＋０．０６５×Ｍｎ＋０．０１２×Ｃｒ＋０．０７８×Ａｌ＜０．２３５・・・（式１）
７．５＜（０．７×Ｓｉ＋１）×（５．１×Ｍｎ＋１）×（２．１６×Ｃｒ＋１）＜４４・・・（式２）
０．００４＜Ｔｉ−Ｎ×（４８／１４）＜０．０３０・・・（式３）
（２）上記（１）に記載の浸炭用鋼であって、前記化学成分が、更に、質量％で、Ｎｂ：０．００２％〜０．１００％、Ｖ：０．００２％〜０．２０％、Ｍｏ：０．００５％〜０．５０％、Ｎｉ：０．００５％〜１．００％、Ｃｕ：０．００５％〜０．５０％、Ｃａ：０．０００２％〜０．００３０％、Ｍｇ：０．０００２％〜０．００３０％、Ｔｅ：０．０００２％〜０．００３０％、Ｚｒ：０．０００２％〜０．００５０％、Ｒａｒｅ  Ｅａｒｔｈ  Ｍｅｔａｌ：０．０００２％〜０．００５０％、Ｓｂ：０．００２％〜０．０５０％のうちの少なくとも１つを含有し、前記硬さ指標が前記式１に代わって下記の式４に、前記焼入れ性指標が前記式２に代わって下記の式５に、定義されてもよい。
０．１０＜Ｃ＋０．１９４×Ｓｉ＋０．０６５×Ｍｎ＋０．０１２×Ｃｒ＋０．０３３×Ｍｏ＋０．０６７×Ｎｉ＋０．０９７×Ｃｕ＋０．０７８×Ａｌ＜０．２３５・・・（式４）
７．５＜（０．７×Ｓｉ＋１）×（５．１×Ｍｎ＋１）×（２．１６×Ｃｒ＋１）×（３×Ｍｏ＋１）×（０．３６３３×Ｎｉ＋１）＜４４・・・（式５）
（３）上記（１）又は（２）に記載の浸炭用鋼であって、金属組織が、面積％で、フェライトとパーライトとを、合計で、８５％以上１００％以下含んでもよい。
（４）上記（３）に記載の浸炭用鋼であって、前記金属組織が、面積％で、前記フェライトと球状化セメンタイトとを、合計で、８５％以上１００％以下含んでもよい。
（５）上記（１）又は（２）に記載の浸炭用鋼であって、形状が、長手方向と直交する切断面が円形となる棒状又は線状であり、周面から前記切断面の中心までの距離を単位ｍｍでｒとすると、周面からｒ×０．０１までの領域である表層部の金属組織が、面積％で、フェライトとパーライトとを、合計で、１０％以下に制限し、残部がマルテンサイト、ベイナイト、焼戻しマルテンサイト、焼戻しベイナイト、及び、セメンタイトのうちの少なくとも１つを含んでもよい。
（６）上記（５）に記載の浸炭用鋼であって、前記表層部の前記金属組織に含まれるセメンタイトのうち、９０％以上１００％以下が、アスペクト比３以下のセメンタイトであってもよい。
（７）上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の浸炭用鋼の製造方法であって：鋳片を得る鋳造工程と；前記鋳片を、熱間塑性加工して熱間加工鋼材を得る熱間加工工程と；前記熱間加工工程後に、前記熱間加工鋼材の表面温度が８００℃〜５００℃となる温度範囲を０℃／秒超１℃／秒以下の冷却速度で徐冷する徐冷工程と；を有してもよい。
（８）上記（１）〜（４）及び（７）のいずれか一項に記載の浸炭用鋼の製造方法であって、前記徐冷工程後の前記熱間加工鋼材に、更に、球状化熱処理を施す球状化熱処理工程を有してもよい。
（９）上記（１）、（２）、及び（５）のいずれか一項に記載の浸炭用鋼の製造方法であって：鋳片を得る鋳造工程と；前記鋳片を、最終仕上圧延の出口側で表面温度が７００℃〜１０００℃となる条件に制御して熱間圧延を行って熱間制御圧延鋼材を得る熱間制御圧延工程と；前記熱間制御圧延工程後に、前記熱間制御圧延鋼材の表面温度が０℃超５００℃以下となるように急冷する急冷工程と；前記急冷工程後の前記熱間制御圧延鋼材を少なくとも１回以上復熱させる復熱工程と；を有してもよい。
（１０）上記（１）、（２）、（５）、（６）、及び（９）のいずれか一項に記載の浸炭用鋼の製造方法であって、前記復熱工程後の前記熱間制御圧延鋼材に、更に、球状化熱処理を施す球状化熱処理工程を有してもよい。
（１１）本発明の一実施態様に係る浸炭鋼部品は、鋼部と、前記鋼部の外面に生成した厚さ０．４ｍｍ超２ｍｍ未満の浸炭層とを備える浸炭鋼部品であって：前記浸炭層において、表面から深さ５０μｍの位置でのビッカース硬さがＨＶ６５０以上ＨＶ１０００以下であり、前記表面から深さ０．４ｍｍの位置でのビッカース硬さがＨＶ５５０以上ＨＶ９００以下であり、かつ、前記表面から深さ０．４ｍｍの位置での金属組織が、面積％で、マルテンサイトを９０％以上１００％以下含み；前記表面から深さ２ｍｍの位置の前記鋼部について、上記（１）又は（２）に記載の前記化学成分からなり、かつ、ビッカース硬さがＨＶ２５０以上ＨＶ５００以下である。
（１２）上記（１１）に記載の浸炭用鋼の製造方法であって：前記浸炭用鋼に、冷間塑性加工を施して形状を付与する冷間加工工程と；前記冷間加工工程後の前記浸炭用鋼に、浸炭処理、又は浸炭窒化処理を施す浸炭工程と；前記浸炭工程後に、焼入れ処理、又は焼入れ・焼戻し処理を施す仕上熱処理工程と；を有してもよい。
（１３）上記（１１）又は（１２）に記載の浸炭用鋼の製造方法であって、前記冷間加工工程後で前記浸炭工程前に、更に、切削加工を施して形状を付与する切削工程を有してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の上記態様に係る、浸炭用鋼、浸炭鋼部品、及び、その製造方法によれば、浸炭用鋼の段階で、従来鋼よりも冷間鍛造時の変形抵抗が小さくて、限界加工率が大きく、そして、浸炭熱処理後に、従来鋼と同等の硬化層及び鋼部硬さを有する、浸炭用鋼、浸炭鋼部品、及び、その製造方法を提供することできる。その結果、従来、熱間鍛造−焼準−切削−浸炭等の工程によって製造されていた歯車等の形状を有する浸炭鋼部品を、冷間鍛造−浸炭の工程で製造することができる。これにより、切削コストが低減し、歩留が向上し、加えて、従来切削では製造できなかった形状の浸炭鋼部品を冷間鍛造で製造することが可能となる。また、従来、冷間鍛造−浸炭の工程で製造されていた浸炭鋼部品に関しても、大幅な鍛造加工性の改善を図ることができる。これにより、金型寿命を改善し、加えて、更に複雑な形状を有する浸炭鋼部品へ成型することが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１４】
本発明者は、鍛造前の浸炭用鋼の変形抵抗の低減（硬さの低減）、及び、限界加工率の改善と、浸炭熱処理後の浸炭鋼部品の優れた特性（例えば、有効硬化層深さ、鋼部硬さの向上）とを両立するために詳細な検討を行い、以下の（ａ）〜（ｇ）の知見を得た。
【００１５】
（ａ）Ｃ含有量が少ないほど鍛造前の浸炭用鋼の軟質化を図ることができる。しかし、極低Ｃ含有量の化学成分系では、浸炭熱処理後の浸炭鋼部品の特性（例えば、有効硬化層深さ、鋼部硬さ）を、Ｃ含有量が０．２０％程度である従来の浸炭用鋼（例えば、ＪＩＳ−ＳＣＲ４２０）と同等レベルにすることが、不可能である。浸炭鋼部品として最低限必要な鋼部硬さを得るためには、Ｃ含有量の下限値が存在する。
【００１６】
（ｂ）極力少ないＣ含有量で、できるだけ大きな有効硬化層深さと鋼部硬さとを得るためには、浸炭鋼部品の鋼部で、金属組織のマルテンサイト分率を高める必要がある。
【００１７】
（ｃ）浸炭鋼部品の鋼部で、金属組織のマルテンサイト分率を高めるためには、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ等の鋼の焼入れ性を向上する合金元素の含有量を、後述する焼入れ性指標の式を満たすように増加することが必要である。
【００１８】
（ｄ）一方、上記の合金元素の含有量が増加すると、合金元素によるフェライトの固溶強化等の効果によって浸炭用鋼の硬さが増加するという副作用が発生する。このため、極微量の添加で焼入れ性を向上するが、フェライトの硬さをほとんど上げないＢの添加効果を利用するとともに、Ｃ及び合金元素の含有量を、発明者が導出した後述の硬さ指標の式を満たすように制御することも必要となる。
【００１９】
（ｅ）Ｂの焼入れ性向上効果を安定して得るためには、浸炭熱処理時に鋼中に含まれる大部分のＮをＴｉＮの形で固定することで、ＢをＢＮとして析出させず、そして、Ｂを鋼中に固溶させることが必要である。それには、ＴｉをＮ含有量に対して化学量論的に過剰となるように添加する必要がある。また、浸炭熱処理時のオーステナイト結晶粒の異常粒成長を防止するためには、ＴｉＣを金属組織中にできるだけ多量・微細に分散析出させる必要がある。このように、固溶Ｂ量を確保し、かつＴｉＣを多量・微細に分散析出させるためには、Ｔｉ及びＮの含有量を発明者が導出した後述のＴｉＣ析出量指標の式を満たすように制御する必要がある。
【００２０】
（ｆ）前述の通り、Ｂ添加は、浸炭鋼部品の鋼部の焼入れ性を向上させるのに、非常に効果的である。しかし、変性炉ガス方式のガス浸炭を行う場合、浸炭鋼部品の表層部である浸炭層では、Ｂ添加による焼入れ性向上効果を期待することができない。これは、浸炭処理時に浸炭鋼部品の表層部へ雰囲気から窒素が侵入して、固溶ＢがＢＮとして析出し、そして、焼入れ性向上に寄与する固溶Ｂ量が不足するためである。従って、浸炭鋼部品の表層部である浸炭層で焼入れ性を確保するには、上記（ｃ）で述べた焼入れ性指標の式を満たすことが必要である。
【００２１】
（ｇ）浸炭用鋼をさらに軟質化するためには、浸炭用鋼を製造する際の熱間圧延、又は、熱間鍛造の後に、後述する条件の徐冷を行うことが好ましい。これにより、浸炭用鋼の金属組織を制御して、浸炭用鋼をより軟質化することができる。また、浸炭用鋼を製造する際の熱間圧延後に、後述する条件の急冷を行い、その後、球状化熱処理を行ってもよい。これにより、浸炭用鋼の表層部の金属組織が改善されて延性が向上し、限界加工率の高い浸炭用鋼を得ることができる。
【００２２】
以下、本実施形態に係る浸炭用鋼、及び、浸炭鋼部品における鋼部の基本成分について、数値限定範囲とその限定理由とについて説明する。ここで、記載する％は、質量％である。
【００２３】
Ｃ：０．０７％〜０．１３％
Ｃ（炭素）は、浸炭層と鋼部とを備える浸炭鋼部品における鋼部の硬さを確保するために添加する。上記したように、従来の浸炭用鋼のＣ含有量は、０．２％程度である。本実施形態に係る浸炭用鋼、及び、浸炭鋼部品における鋼部では、Ｃ含有量を、この量よりも少ない０．１３％に制限している。この理由は、Ｃ含有量が０．１３％超では、浸炭用鋼の金属組織のセメンタイト分率とパーライト分率とが増加し、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが顕著に増加するとともに限界加工率も低下するためである。しかしながら、Ｃ含有量が０．０７％未満では、焼入れ性を高める後述の合金元素を多量に添加して、できる限り硬さの増加を図ったとしても、浸炭鋼部品の鋼部の硬さを従来の浸炭用鋼のレベルにすることが不可能である。従って、Ｃ含有量を０．０７％〜０．１３％の範囲に制御する必要がある。好適範囲は０．０８％〜０．１２％である。更に望ましい範囲は、０．０８％〜０．１１％である。
【００２４】
Ｓｉ：０．０００１％〜０．５０％
Ｓｉ（シリコン）は、浸炭鋼部品のような低温焼戻しマルテンサイト鋼の焼戻し軟化抵抗を顕著に増加させることで、歯面疲労強度を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｓｉ含有量が０．０００１％以上である必要がある。しかし、Ｓｉ含有量が０．５０％を超えると、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界加工率が低下する。従って、Ｓｉ含有量を０．０００１％〜０．５０％の範囲に制御する必要がある。この範囲内で、浸炭鋼部品の歯面疲労強度を重視する場合にはＳｉを積極的に添加し、浸炭用鋼の変形抵抗の低減や限界加工性の向上を重視する場合にはＳｉを積極的に低減する。前者の場合の好適範囲は０．１０％〜０．５０％であり、後者の場合の好適範囲は０．０００１％〜０．２０％である。
【００２５】
Ｍｎ：０．０００１％〜０．８０％
Ｍｎ（マンガン）は、鋼の焼入性を高める元素である。この効果によって浸炭熱処理後のマルテンサイト分率を高めるためには、Ｍｎ含有量が０．０００１％以上である必要がある。しかし、Ｍｎ含有量が０．８０％を超えると、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界加工率が低下する。従って、Ｍｎ含有量を０．０００１％〜０．８０％の範囲に制御する必要がある。好適範囲は０．２５％〜０．６０％である。
【００２６】
Ｓ：０．０００１％〜０．１００％
Ｓ（硫黄）は、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、被削性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｓ含有量が０．０００１％以上である必要がある。しかし、Ｓ含有量が０．１００％を超えると、鍛造時にＭｎＳが起点となって割れを生じ、限界圧縮率を低下することがある。従って、Ｓ含有量を０．０００１％〜０．１００％の範囲に制御する必要がある。好適範囲は０．００３％〜０．０２０％である。
【００２７】
Ｃｒ：１．３０％超〜５．００％
Ｃｒ（クロミウム）は、鋼の焼入性を高める元素である。この効果によって浸炭熱処理後のマルテンサイト分率を高めるためには、Ｃｒ含有量が１．３０％超である必要がある。しかし、Ｃｒ含有量が５．００％を超えると、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界加工率が低下する。従って、Ｃｒ含有量を１．３０％超〜５．００％の範囲に制御する必要がある。また、Ｃｒは、同様の効果を有するＭｎ、Ｍｏ、Ｎｉ等の他の元素と比べて、浸炭用鋼の硬さを上昇させる程度が少なく、かつ焼入れ性を向上させる効果が比較的大きい。よって、本実施形態に係る浸炭用鋼、及び、浸炭鋼部品における鋼部では、従来の浸炭用鋼よりも、Ｃｒを多量に添加する。好適範囲は１．３５％〜２．５０％である。更に望ましい範囲は、１．５０％超〜２．２０％である。
【００２８】
Ｂ：０．０００５％〜０．０１００％
Ｂ（ホウ素）は、オーステナイト中に固溶する場合、微量でも鋼の焼入性を大きく高める元素である。この効果によって浸炭熱処理後のマルテンサイト分率を高めることができる。また、Ｂは上記効果を得るために多量に添加する必要がないので、フェライトの硬さをほとんど上昇させない。つまり、鍛造前の浸炭用鋼の硬さをほとんど上昇させないという特徴があるため、本実施形態に係る浸炭用鋼、及び、浸炭鋼部品における鋼部ではＢを積極的に利用する。Ｂ含有量が０．０００５％未満では、上記の焼入れ性向上効果が得られない。一方、Ｂ含有量が０．０１００％を超えると、上記効果が飽和する。従って、Ｂ含有量を０．０００５％〜０．０１００％の範囲に制御する必要がある。好適範囲は０．００１０％〜０．００２５％である。なお、鋼中に一定量以上のＮが存在している場合、ＢがＮと結合してＢＮを形成し、固溶Ｂ量が減少する。その結果、焼入性を高める効果が得られない場合がある。よって、Ｂを添加する場合には、Ｎを固定するＴｉを同時に適量添加することが必要である。
【００２９】
Ａｌ：０．０００１％〜１．０％
Ａｌ（アルミニウム）は、鋼中に固溶Ｎが存在する場合、ＡｌＮを形成する元素である。しかし、本実施形態に係る浸炭用鋼、及び、浸炭鋼部品における鋼部では、鋼中のＮがＴｉの添加によってＴｉＮとして固定されているので、鋼中に固溶Ｎがほとんど存在しない。このため、ＡｌはＡｌＮを形成せず、鋼中に固溶Ａｌとして存在している。固溶状態で存在するＡｌは、鋼の被削性を向上する効果がある。浸炭鋼部品の製造時に仕上げの切削等を施す場合は、Ａｌ含有量を０．０００１％以上とすることが望ましい。しかしながら、Ａｌ含有量が１．０％を超えると、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界加工率が低下する。従って、Ａｌ含有量を０．０００１％〜１．０％の範囲に制御する必要がある。好適範囲は０．０１０％〜０．２０％である。
【００３０】
Ｔｉ：０．０１０％〜０．１０％
Ｔｉ（チタニウム）は、鋼中のＮをＴｉＮとして固定する効果を有する元素である。Ｔｉを添加することで、ＢＮの形成が防止され、焼入れ性に寄与する固溶Ｂが確保される。また、Ｎに対して化学量論的に過剰なＴｉは、ＴｉＣを形成する。このＴｉＣは、浸炭時の結晶粒の粗大化を防止するピン止め効果を有する。Ｔｉ含有量が０．０１０％未満では、Ｂ添加による焼入れ性向上効果が得られず、また浸炭時の結晶粒の粗大化を防止することができない。一方、Ｔｉ含有量が０．１０％を超えると、ＴｉＣの析出量が多くなりすぎ、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界加工率が低下する。従って、Ｔｉ含有量を０．０１０％〜０．１０％の範囲に制御する必要がある。好適範囲は０．０２５％〜０．０５０％である。
【００３１】
上記した基本成分の他に、本実施形態に係る浸炭用鋼、及び、浸炭鋼部品における鋼部は、不可避的不純物を含有する。ここで、不可避的不純物とは、スクラップ等の副原料や、製造工程から不可避的に混入する、Ｎ、Ｐ、Ｏ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｚｎ等の元素を意味する。この中で、Ｎ、Ｐ、及びＯは、本発明の一態様の効果を十分に発揮させるために、以下のように制限する必要がある。ここで、記載する％は、質量％である。また、不純物含有量の制限範囲には０％が含まれるが、工業的に安定して０％にすることが難しい。
【００３２】
Ｎ：０．００８０％以下
Ｎ（窒素）は不可避的に含有される不純物であり、ＢＮを形成して、固溶Ｂ量を低減させる元素である。Ｎ含有量が０．００８０％超では、Ｔｉを添加したとしても、鋼中のＮをＴｉＮとして固定することができなくなり、焼入れ性に寄与する固溶Ｂを確保することができなくなる。また、Ｎ含有量が０．００８０％超では、粗大なＴｉＮが形成され、鍛造時に割れの起点になり、鍛造前の浸炭用鋼の限界加工率が低下する。従って、Ｎ含有量を０．００８０％以下に制限する必要がある。好ましくは、０．００５０％以下である。Ｎ含有量は少ないほど望ましいので、上記制限範囲に０％が含まれる。しかし、Ｎ含有量を０％にするのは、技術的に容易でなく、また、安定的に０．００３０％未満とするにも、製鋼コストが高くなる。よって、Ｎ含有量の制限範囲は、０．００３０％〜０．００８０％であることが好ましい。さらに好ましくは、Ｎ含有量の制限範囲を０．００３０％〜０．００５５％とする。なお、通常の操業条件では、不可避的に、Ｎが０．００６０％程度含有される。
【００３３】
Ｐ：０．０５０％以下
Ｐ（リン）は不可避的に含有される不純物であり、オーステナイト粒界に偏析して旧オーステナイト粒界を脆化させ、粒界割れの原因となる元素である。Ｐ含有量が０．０５０％超では、この影響が顕著となる。従って、Ｐ含有量を０．０５０％以下に制限する必要がある。好ましくは、０．０２０％以下である。Ｐ含有量は少ないほど望ましいので、上記制限範囲に０％が含まれる。しかし、Ｐ含有量を０％にするのは、技術的に容易でなく、また、安定的に０．００３％未満とするにも、製鋼コストが高くなる。よって、Ｐ含有量の制限範囲は、０．００３％〜０．０５０％であることが好ましい。さらに好ましくは、Ｐ含有量の制限範囲を０．００３％〜０．０１５％とする。なお、通常の操業条件では、不可避的に、Ｐが０．０２５％程度含有される。
【００３４】
Ｏ：０．００３０％以下
Ｏ（酸素）は不可避的に含有される不純物であり、酸化物系介在物を形成する元素である。Ｏ含有量が０．００３０％超では、疲労破壊の起点となる大きな介在物が増加し、疲労特性の低下の原因となる。従って、Ｏ含有量を０．００３０％以下に制限する必要がある。好ましくは、０．００１５％以下である。Ｏ含有量は少ないほど望ましいので、上記制限範囲に０％が含まれる。しかし、Ｏ含有量を０％にするのは、技術的に容易でなく、また、安定的に０．０００７％未満とするにも、製鋼コストが高くなる。よって、Ｏ含有量の制限範囲は、０．０００７％〜０．００３０％であることが好ましい。さらに好ましくは、Ｏ含有量の制限範囲を０．０００７％〜０．００１５％とする。なお、通常の操業条件では、不可避的に、Ｏが０．００２０％程度含有される。
【００３５】
上記した基本成分及び不純物元素の他に、本実施形態に係る浸炭用鋼、及び、浸炭鋼部品における鋼部は、更に、選択成分として、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｔｅ、Ｚｒ、ＲＥＭ、Ｓｂのうちの少なくとも１つを含有してもよい。以下に、選択成分の数値限定範囲とその限定理由とを説明する。ここで、記載する％は、質量％である。
【００３６】
上記した選択成分のうち、ＮｂとＶとは、組織の粗大化を防止する効果を有する。
【００３７】
Ｎｂ：０．００２％〜０．１００％
Ｎｂ（ニオブ）は、鋼中でＮ、Ｃと結合して、Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）を形成する元素である。このＮｂ（Ｃ、Ｎ）は、オーステナイト結晶粒界をピン止めすることによって、粒成長を抑制し、そして、組織の粗大化を防止する。Ｎｂ含有量が０．００２％未満では、上記の効果が得られない。Ｎｂ含有量が０．１００％を超えると、上記の効果が飽和する。従って、Ｎｂ含有量を０．００２％〜０．１００％とすることが好ましい。さらに好ましくは、０．０１０％〜０．０５０％である。
【００３８】
Ｖ：０．００２％〜０．２０％
Ｖ（バナジウム）は、鋼中でＮ、Ｃと結合して、Ｖ（Ｃ，Ｎ）を形成する元素である。このＶ（Ｃ、Ｎ）は、オーステナイト結晶粒界をピン止めすることによって、粒成長を抑制し、そして、組織の粗大化を防止する。Ｖ含有量が０．００２％未満では、上記の効果が得られない。Ｖ含有量が０．２０％を超えると、上記の効果が飽和する。従って、Ｖ含有量を０．００２％〜０．２０％とすることが好ましい。さらに好ましくは、０．０５％〜０．１０％である。
【００３９】
上記した選択成分のうち、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｕは、浸炭熱処理時にマルテンサイト分率を高める効果を有する。
【００４０】
Ｍｏ：０．００５％〜０．５０％
Ｍｏ（モリブデン）は、鋼の焼入性を高める元素である。この効果によって浸炭熱処理後のマルテンサイト分率を高めるためには、Ｍｏ含有量が０．００５％以上であることが好ましい。また、Ｍｏは、ガス浸炭の雰囲気で、酸化物を形成せず、窒化物を形成しにくい元素である。Ｍｏを添加することで、浸炭層表面の酸化物層や窒化物層、あるいは、それらに起因する浸炭異常層が形成されにくくなる。しかしながら、Ｍｏの添加コストが高価であるのに加え、Ｍｏ含有量が０．５０％を超えると、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界加工率が低下する。従って、Ｍｏ含有量を０．００５％〜０．５０％とすることが好ましい。さらに好ましくは、０．０５％〜０．２０％である。
【００４１】
Ｎｉ：０．００５％〜１．００％
Ｎｉ（ニッケル）は、鋼の焼入性を高める元素である。この効果によって浸炭熱処理後のマルテンサイト分率を高めるためには、Ｎｉ含有量が０．００５％以上であることが好ましい。また、Ｎｉは、ガス浸炭の雰囲気ガス雰囲気で、酸化物や窒化物を形成しない元素である。Ｎｉを添加することで、浸炭層表面の酸化物層や窒化物層、あるいは、それらに起因する浸炭異常層が形成されにくくなる。しかしながら、Ｎｉの添加コストが高価であるのに加え、Ｎｉ含有量が１．００％を超えると、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界加工率が低下する。従って、Ｎｉ含有量を０．００５％〜１．００％とすることが好ましい。さらに好ましくは、０．０５％〜０．５０％である。
【００４２】
Ｃｕ：０．００５％〜０．５０％
Ｃｕ（銅）は、鋼の焼入性を高める元素である。この効果によって浸炭熱処理後のマルテンサイト分率を高めるためには、Ｃｕ含有量が０．００５％以上であることが好ましい。また、Ｃｕは、ガス浸炭の雰囲気ガス雰囲気で、酸化物や窒化物を形成しない元素である。Ｃｕを添加することで、浸炭層表面の酸化物層や窒化物層、あるいは、それらに起因する浸炭異常層が形成されにくくなる。しかしながら、Ｃｕ含有量が０．５０％を超えると、１０００℃以上の高温域における延性が低下し、連続鋳造、圧延時の歩留まり低下の原因になる。また、Ｃｕ含有量が０．５０％を超えると、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界加工率が低下する。従って、Ｃｕ含有量を０．００５％〜０．５０％とすることが好ましい。さらに好ましくは、０．０５％〜０．３０％である。なお、Ｃｕを添加する場合、上記した高温域の延性を改善するために、Ｎｉ含有量を、質量％で、Ｃｕ含有量の１／２以上とすることが望ましい。
【００４３】
上記した選択成分のうち、Ｃａ、Ｍｇ、Ｔｅ、Ｚｒ、ＲＥＭ、Ｓｂは、被削性を改善する効果を有する。
【００４４】
Ｃａ：０．０００２％〜０．００３０％
Ｃａ（カルシウム）は、被削性改善ために添加するＳに起因して生成するＭｎＳの形状を、伸長させずに球状にするという形態制御の効果を有する元素である。Ｃａ添加により、ＭｎＳ形状の異方性が改善され、機械的性質が損なわれなくなる。また、Ｃａは、切削時の切削工具表面に保護被膜を形成して、被削性を向上させる元素である。これらの効果を得るためには、Ｃａ含有量が０．０００２％以上であることが好ましい。Ｃａ含有量が０．００３０％を超えると、粗大な酸化物や硫化物が形成されて、浸炭鋼部品の疲労強度に悪影響を与える場合がある。従って、Ｃａ含有量を０．０００２％〜０．００３０％とすることが好ましい。さらに好ましくは、０．０００８％〜０．００２０％である。
【００４５】
Ｍｇ：０．０００２％〜０．００３０％
Ｍｇ（マグネシウム）は、上記したＭｎＳの形態を制御し、切削時に切削工具表面へ保護被膜を形成して被削性を向上させる元素である。これらの効果を得るためには、Ｍｇ含有量が０．０００２％以上であることが好ましい。Ｍｇ含有量が０．００３０％を超えると、粗大な酸化物が形成されて、浸炭鋼部品の疲労強度に悪影響を与える場合がある。従って、Ｍｇ含有量を０．０００２％〜０．００３０％とすることが好ましい。さらに好ましくは、０．０００８％〜０．００２０％である。
【００４６】
Ｔｅ：０．０００２％〜０．００３０％
Ｔｅ（テルル）は、上記したＭｎＳの形態を制御する元素である。この効果を得るためには、Ｔｅ含有量が０．０００２％以上であることが好ましい。Ｔｅ含有量が０．００３０％を超えると、鋼の熱間における脆化が著しくなる。従って、Ｔｅ含有量を０．０００２％〜０．００３０％とすることが好ましい。さらに好ましくは、０．０００８％〜０．００２０％である。
【００４７】
Ｚｒ：０．０００２％〜０．００５０％
Ｚｒ（ジルコニウム）は、ＭｎＳの形態を制御する元素である。この効果を得るためには、Ｚｒ含有量が０．０００２％以上であることが好ましい。Ｚｒ含有量が０．００５０％を超えると、粗大な酸化物が形成されて、浸炭鋼部品の疲労強度に悪影響を与える場合がある。従って、Ｚｒ含有量を０．０００２％〜０．００５０％とすることが好ましい。さらに好ましくは、０．０００８％〜０．００３０％である。
【００４８】
ＲＥＭ：０．０００２％〜０．００５０％
ＲＥＭ（Ｒａｒｅ  Ｅａｒｔｈ  Ｍｅｔａｌ）は、ＭｎＳの形態を制御する元素である。この効果を得るためには、ＲＥＭ含有量が０．０００２％以上であることが好ましい。ＲＥＭ含有量が０．００５０％を超えると、粗大な酸化物が形成されて、浸炭鋼部品の疲労強度に悪影響を与える場合がある。従って、ＲＥＭ含有量を０．０００２％〜０．００５０％とすることが好ましい。さらに好ましくは、０．０００８％〜０．００３０％である。
なお、ＲＥＭとは原子番号が５７のランタンから７１のルテシウムまでの１５元素に、原子番号が２１のスカンジウムと原子番号が３９のイットリウムとを加えた合計１７元素の総称である。通常は、これらの元素の混合物であるミッシュメタルの形で供給され、鋼中に添加される。
【００４９】
Ｓｂ：０．００２％〜０．０５０％
Ｓｂ（アンチモン）は、浸炭用鋼の製造工程（熱間圧延、熱間鍛造、焼鈍等）における脱炭や浸炭現象を防止する元素である。これらの効果を得るためには、Ｓｂ含有量が０．００２％以上であることが好ましい。Ｓｂ含有量が０．０５０％を超えると、浸炭処理時に浸炭性を損なう場合がある。従って、Ｓｂ含有量を０．００２％〜０．０５０％とすることが好ましい。さらに好ましくは、０．００５％〜０．０３０％である。
【００５０】
次に、本実施形態に係る浸炭用鋼、及び、浸炭鋼部品における鋼部が、同時に満足することが必要である、硬さ指標と、焼入れ性指標と、ＴｉＣ析出量指標とについて説明する。
【００５１】
硬さ指標
上記化学成分中の各元素の質量％で示した含有量が、硬さ指標である下記の式Ａを満足する必要がある。なお、選択成分であるＭｏ、Ｎｉ、Ｃｕが含まれる場合には、この式Ａに代わって、硬さ指標が、下記の式Ｂに再定義される。
０．１０＜Ｃ＋０．１９４×Ｓｉ＋０．０６５×Ｍｎ＋０．０１２×Ｃｒ＋０．０７８×Ａｌ＜０．２３５・・・（式Ａ）
０．１０＜Ｃ＋０．１９４×Ｓｉ＋０．０６５×Ｍｎ＋０．０１２×Ｃｒ＋０．０３３×Ｍｏ＋０．０６７×Ｎｉ＋０．０９７×Ｃｕ＋０．０７８×Ａｌ＜０．２３５・・・（式Ｂ）
【００５２】
Ｃ含有量が少ない場合、鍛造前の浸炭用鋼の組織は、上記した従来の浸炭用鋼（Ｃ含有量が０．２％程度）より、フェライト分率が大幅に増加する。このような場合、浸炭用鋼の硬さは、Ｃ含有量（パーライト分率）のみならず、フェライトの硬さにも大きく影響を受ける。そこで発明者は、一般文献（例えば、Ｆ．Ｂ．Ｐｉｃｋｅｒｉｎｇ著「鉄鋼材料の設計と理論」（丸善、昭和５６年発行）、及び、Ｗｉｌｌｉａｍ  Ｃ．Ｌｅｓｌｉｅ著「レスリー鉄鋼材料学」（丸善、昭和６０年発行）など）に記載のデータに基づいて、フェライトの固溶強化量に及ぼす各合金元素の寄与について見積もりを行った。そして、Ｃ含有量の影響についても考慮に入れて、上記の式Ａ及び式Ｂに示す、独自の指標式を導出した。これらの浸炭用鋼の硬さ指標式に基づいて、種々の化学成分を有する浸炭用鋼の硬さを評価し、従来技術よりも確実に浸炭用鋼の軟質化を図ることができるしきい値を得た。すなわち、硬さ指標が０．２３５以上では、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界加工率が低下する。その結果、従来材に対する優位性が小さくなる。また、硬さ指標が０．１０以下では、浸炭鋼部品としての硬さが不足する。従って、硬さ指標が０．１０超０．２３５未満である必要がある。この硬さ指標は、後述の焼入れ性指標を満足する範囲内で可能な限り小さくすることが望ましい。好ましくは、０．１０超０．２３０未満である。より好ましくは、０．１０超０．２２０以下である。最も好ましくは、０．１０超０．２１０以下である。
【００５３】
焼入れ性指標
上記化学成分中の各元素の質量％で示した含有量が、焼入れ性指標である下記の式Ｃを満足する必要がある。なお、選択成分であるＭｏ、Ｎｉが含まれる場合には、この式Ｃに代わって、焼入れ性指標が、下記の式Ｄに再定義される。
７．５＜（０．７×Ｓｉ＋１）×（５．１×Ｍｎ＋１）×（２．１６×Ｃｒ＋１）＜４４・・・（式Ｃ）
７．５＜（０．７×Ｓｉ＋１）×（５．１×Ｍｎ＋１）×（２．１６×Ｃｒ＋１）×（３×Ｍｏ＋１）×（０．３６３３×Ｎｉ＋１）＜４４・・・（式Ｄ）
【００５４】
前述の通り、Ｂ添加は、浸炭鋼部品の鋼部の焼入れ性を向上させるのに、非常に効果的である。しかし、変性炉ガス方式のガス浸炭を行う場合、浸炭鋼部品の表層部である浸炭層では、Ｂ添加による焼入れ性向上効果を期待することができない。これは、浸炭処理時に浸炭鋼部品の表層部へ雰囲気から窒素が侵入して、固溶ＢがＢＮとして析出し、そして、焼入れ性向上に寄与する固溶Ｂ量が不足するためである。従って、浸炭鋼部品の表層部である浸炭層で焼入れ性を確保するには、Ｂ以外の鋼の焼入性を高める元素を活用する必要がある。焼入れ性と合金元素との関係については、さまざまな指標が提案されている。本発明の一態様では、上記特許文献３に記載されている指標式を採用する。この理由は、本実施形態に係る浸炭用鋼、及び、浸炭鋼部品における鋼部と、特許文献３に記載の鋼とで、Ｃ含有量が異なるが、特許文献３に記載の鋼が、浸炭用鋼であり、また、通常の浸炭用鋼よりもＣ含有量が少ないという点が共通しているからである。焼入れ性指標である上記の式Ｃ及び式Ｄに基づいて、種々の化学成分を有する浸炭用鋼の浸炭焼入れを行い、同一の浸炭熱処理条件で、上記した従来の浸炭用鋼（Ｃ含有量が０．２％程度）と比較して、同等以上の浸炭層の硬さ及び有効硬化層深さ（ビッカース硬さがＨＶ５５０以上となる深さ）を得ることができるしきい値を得た。すなわち、焼入れ性指標が７．５以下では、上記した従来鋼（Ｃ含有量が０．２％程度）と同等の特性を得ることができない。また、焼入れ性指標が４４以上では、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界加工率が低下する。従って、焼入れ性指標が７．５超４４未満である必要がある。この焼入れ性指標は、上述の硬さ指標を満足する範囲内で可能な限り大きくすることが望ましい。好ましくは、１２．１以上４４未満である。更に好ましくは、２０．１以上４４未満である。
【００５５】
ＴｉＣ析出量指標
Ｔｉ及びＮの質量％で示した含有量が、ＴｉＣ析出量指標である下記の式Ｅを満足する必要がある。
０．００４＜Ｔｉ−Ｎ×（４８／１４）＜０．０３０・・・（式Ｅ）
ＴｉがＮに対して化学量論的に過剰に添加された場合、Ｎは全てＴｉＮの形で固定される。つまり、上記の式Ｅ中の「Ｔｉ−Ｎ×（４８／１４）」は、ＴｉＮを形成するために消費された以外の過剰なＴｉ量を表している。上記の式Ｅ中の「１４」はＮの原子量、「４８」はＴｉの原子量を表す。
【００５６】
この過剰なＴｉは、浸炭時にそのほとんどがＣと結合してＴｉＣとなる。このＴｉＣは、浸炭時の結晶粒の粗大化を防止するピン止め効果を有する。すなわち、ＴｉＣ析出量指標が０．００４以下では、ＴｉＣの析出量が不足するため浸炭時の結晶粒の粗大化を防止することができない。また、ＴｉＣ析出量指標が０．０３０以上では、ＴｉＣの析出量が多くなりすぎ、鍛造前の浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界加工率が低下する。従って、ＴｉＣ析出量指標が０．００４超０．０３０未満である必要がある。好ましくは、０．００８以上０．０２８未満である。
【００５７】
上記した、硬さ指標と、焼入れ性指標と、ＴｉＣ析出量指標とを同時に満足することによって、浸炭用鋼の段階で、従来鋼よりも冷間鍛造時の変形抵抗が小さくて、限界加工率が大きく、そして、浸炭熱処理後に、従来鋼と同等の硬化層及び鋼部硬さを有する、浸炭用鋼、及び、浸炭鋼部品を得ることが可能となる。
【００５８】
次に、本実施形態に係る浸炭用鋼、及び、浸炭鋼部品の金属組織について説明する。
【００５９】
まず、本実施形態に係る浸炭用鋼の金属組織について説明する。
【００６０】
上記した化学成分からなる浸炭用鋼は、その金属組織が、面積％で、フェライトとパーライトとを、合計で、８５％以上１００％以下含むことが好ましい。
【００６１】
フェライトとパーライトとが、合計で、８５％以上１００％以下含まれると、さらに、浸炭用鋼の硬さが低下し、変形抵抗が低下し、そして、限界加工率が向上する。さらに好ましくは、フェライトとパーライトとを、合計で、９５％以上１００％以下とする。フェライト及びパーライトの残部には、フェライト及びパーライトと比べて硬い組織である、ベイナイト、マルテンサイト、及び、セメンタイト等が含まれる。フェライト及びパーライトによる上記効果を得るためには、残部であるベイナイト、マルテンサイト、及び、セメンタイト等の分率を、面積％で、０％以上１５％未満にすることが好ましい。
【００６２】
このような金属組織にするためには、浸炭用鋼の製造時における熱間加工工程後の熱間加工鋼材の表面温度が、８００℃〜５００℃となる温度範囲を０℃／秒超１℃／秒以下の冷却速度で徐冷する徐冷工程を施すことが好ましい。なお、製造方法については、詳細を後述する。
【００６３】
上記した金属組織に代わって、上記した化学成分からなる浸炭用鋼は、面積％で、フェライトと球状化セメンタイトとを、合計で、８５％以上１００％以下含んでもよい。ここで、球状化セメンタイトとは、金属組織観察面で、セメンタイトの最大長さを直径とする円に対して、そのセメンタイトの面積率が５４％以上である場合を球状化セメンタイトとする。
【００６４】
フェライトと球状化セメンタイトとが、合計で、８５％以上１００％以下含まれると、さらに、浸炭用鋼の硬さが低下し、変形抵抗が低下し、そして、限界加工率が向上する。さらに好ましくは、フェライトと球状化セメンタイトとを、合計で、９０％以上１００％以下とする。フェライト及び球状化セメンタイトの残部には、パーライト、マルテンサイト、ベイナイト、焼戻しマルテンサイト、焼戻しベイナイト、及び、セメンタイト等が含まれる。フェライト及び球状化セメンタイトの上記効果を得るためには、残部であるパーライト、マルテンサイト、ベイナイト、焼戻しマルテンサイト、焼戻しベイナイト、及び、セメンタイト等の分率を、面積％で、０％以上１５％未満にすることが好ましい。
【００６５】
このような金属組織にするためには、上記徐冷工程後の熱間加工鋼材に、更に、球状化熱処理を施すことが好ましい。なお、製造方法については、詳細を後述する。
【００６６】
上記した金属組織に代わって、上記した化学成分からなる浸炭用鋼は、以下の金属組織を有してもよい。浸炭用鋼の形状が、長手方向と直交する切断面が円形となる棒状又は線状であるとき、周面から上記切断面の中心までの距離を単位ｍｍでｒとすると、周面からｒ×０．０１までの領域である表層部の金属組織が、面積％で、フェライトとパーライトとを、合計で、１０％以下に制限し、残部がマルテンサイト、ベイナイト、焼戻しマルテンサイト、焼戻しベイナイト、及び、セメンタイトのうちの少なくとも１つを含んでもよい。
【００６７】
上記表層部の金属組織のフェライトとパーライトとを、合計で、１０％以下に制限すると、球状化熱処理後のセメンタイト分散が均一となり、冷間鍛造時の限界加工率が向上する。さらに好ましくは、上記表層部のフェライトとパーライトとを、合計で、５％以下とする。なお、フェライトとパーライトとの残部には、マルテンサイト、ベイナイト、焼戻しマルテンサイト、焼戻しベイナイト、及び、セメンタイト等が含まれる。また、この金属組織を有する表層部の深さが、周面からｒ×０．０１までの深さ未満である場合には、冷間鍛造時の限界加工率が向上する表層部の深さが不足するため、冷間鍛造時に割れが発生しやすくなる。従って、少なくとも、周面からｒ×０．０１までの領域が、上記金属組織を有することが好ましい。より好ましくは、周面から切断面の半径×０．０５とする。最も好ましくは、周面から切断面の半径×０．１５とする。なお、切断面の中心まで上記金属組織が存在していても、悪影響は無い。
【００６８】
このような金属組織にするためには、浸炭用鋼の製造時に、最終仕上圧延の出口側で表面温度が７００℃〜１０００℃となる条件に制御して熱間圧延を行って熱間制御圧延鋼材を得る熱間制御圧延工程と、この熱間制御圧延工程後に、熱間圧延鋼材の表面温度が０℃超５００℃以下となるように急冷する急冷工程と、この急冷工程後の熱間制御圧延鋼材を少なくとも１回以上復熱させる復熱工程とを施すことが好ましい。なお、製造方法については、詳細を後述する。
【００６９】
上記した金属組織に代わって、上記した化学成分からなる浸炭用鋼の上記表層部は、金属組織に含まれるセメンタイトのうち、９０％以上１００％以下が、アスペクト比３以下のセメンタイトである金属組織を有してもよい。ここで、アスペクト比とは、長径を短径で割った値のことである。あるいは、ＪＩＳ  Ｇ  ３５０７−２で規定するＮｏ．２以内の球状化程度としてもよい。
【００７０】
上記表層部の金属組織に含まれるセメンタイトのうち、９０％以上１００％以下が、アスペクト比３以下のセメンタイトであると、冷間鍛造時の限界加工率がさらに向上する。さらに好ましくは、アスペクト比３以下のセメンタイトの割合を、９５％以上１００％以下とする。
【００７１】
このような金属組織にするためには、上記復熱工程後の熱間制御圧延鋼材に、更に、球状化熱処理を施すことが好ましい。なお、製造方法については、詳細を後述する。
【００７２】
次に、本実施形態に係る浸炭鋼部品の金属組織について説明する。
【００７３】
本実施形態に係る浸炭鋼部品は、鋼部と、この鋼部の外面に生成した厚さ０．４ｍｍ超２ｍｍ未満の有効硬化層深さ（ＨＶ５５０以上となる深さ）を持つ浸炭層とを備える。ここで、浸炭層とは、ビッカース硬さがＨＶ５５０以上となる有効硬化層深さを意味する。この浸炭層において、表面から深さ５０μｍの位置での、金属組織が、面積％で、マルテンサイトを９０％以上１００％以下含み、そして、ビッカース硬さがＨＶ６５０以上ＨＶ１０００以下であることが好ましい。加えて、この浸炭層において、表面から深さ０．４ｍｍの位置での、金属組織が、面積％で、マルテンサイトを９０％以上１００％以下含み、そして、ビッカース硬さがＨＶ５５０以上ＨＶ９００以下であることが好ましい。
【００７４】
表面から深さ５０μｍの位置の浸炭層での、金属組織がマルテンサイトを９０％以上１００％以下含み、そして、ビッカース硬さがＨＶ６５０以上ＨＶ１０００以下である場合に、上記した従来の浸炭鋼部品と比較して、同等以上の耐摩耗性、面疲労強度、曲げ疲労強度（主に高サイクル）、ねじり疲労強度となるので好ましい。より好ましくは、金属組織がマルテンサイトを９５％以上１００％以下含み、そして、ビッカース硬さがＨＶ７００以上ＨＶ１０００以下である。
【００７５】
表面から深さ０．４ｍｍの位置の浸炭層での、金属組織がマルテンサイトを９０％以上１００％以下含み、そして、ビッカース硬さがＨＶ５５０以上ＨＶ９００以下である場合に、上記した従来の浸炭鋼部品と比較して、同等以上の面疲労強度、曲げ疲労強度（主に低サイクル）、ねじり疲労強度となるので好ましい。より好ましくは、金属組織がマルテンサイトを９２％以上１００％以下含み、そして、ビッカース硬さがＨＶ５６０以上ＨＶ９００以下である。
【００７６】
また、上記鋼部において、表面から深さ２ｍｍの位置でのビッカース硬さがＨＶ２５０以上ＨＶ５００以下であることが好ましい。加えて、上記鋼部において、この位置での化学成分が、上記した化学成分からなる必要がある。
【００７７】
表面から深さ２ｍｍの位置の鋼部でのビッカース硬さがＨＶ２５０以上ＨＶ５００以下である場合に、上記した従来の浸炭鋼部品と比較して、低炭素含有量にもかかわらず、同等以上の鋼部の硬さとなるので好ましい。より好ましくは、ビッカース硬さがＨＶ２７０以上ＨＶ４５０以下である。表面から深さ２ｍｍの位置の鋼部での金属組織が、マルテンサイト及びベイナイトのうちの少なくとも１つを含んでいると上記効果がさらに得られるので好ましい。
【００７８】
このような浸炭鋼部品の金属組織及びビッカース硬さを得るためには、上記した化学成分からなる浸炭用鋼を用いて、後述する浸炭用鋼及び浸炭鋼部品の製造方法により、浸炭鋼部品を製造すればよい。
【００７９】
上記した金属組織の観察は、ナイタール腐食、または、ピクラール腐食を施して、光学顕微鏡で観察することができる。この際、球状化熱処理を施した試料には、ピクラール腐食を施すことが好ましい。フェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、焼戻しベイナイト、及び、セメンタイトなどの分率は、画像解析により求めることができる。また、球状化セメンタイト、セメンタイトの個数、及び、アスペクト比も、画像解析により求めることができる。観察面は、特に限定されることはないが、長手方向と直交する切断面を観察面とすればよい。
【００８０】
なお、金属組織の面積分率の算出には、フェライト、パーライト、マルテンサイト、ベイナイト、焼戻しマルテンサイト、焼戻しベイナイト、球状化セメンタイト、及び、セメンタイトを考慮する。上記の面積分率の算出には、ＢＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＡｌＮなどの窒化物や炭化物、その他の微細析出物、残留オーステナイト等を含めない。
【００８１】
上記したビッカース硬さの測定は、一つの試料について、合計１０回の測定を行い、平均値を算出することが好ましい。測定面は、特に限定されることはないが、長手方向と直交する切断面を測定面とすればよい。
【００８２】
次に、本実施形態に係る浸炭用鋼、及び、浸炭鋼部品の製造方法について説明する。
【００８３】
まず、本実施形態に係る浸炭用鋼の製造方法について説明する。
【００８４】
鋳造工程として、上記した基本成分、選択成分、及び、不可避不純物からなる溶鋼を、鋳造して鋳片を製造する。鋳造方法は特に限定されるものではないが、真空鋳造法や連続鋳造法等を用いれば良い。
【００８５】
また、必要に応じて、鋳造工程後の鋳片に、均熱拡散処理、分塊圧延等を施してもよい。
【００８６】
この鋳片を用いて、下記する何れかの製造方法を選択することで、上記した金属組織を有する浸炭用鋼を製造することができる。
【００８７】
上記した、面積％で、フェライトとパーライトとを、合計で、８５％以上１００％以下含む金属組織を有する浸炭用鋼とするには、以下の製造方法を行うことが好ましい。
【００８８】
熱間加工工程として、鋳造工程後の鋳片を、熱間圧延、熱間鍛造などを施して、熱間加工鋼材を得る。この熱間加工工程での、加工温度、加工率、ひずみ速度などの塑性加工条件は、特に、限定されるものではなく、適宜、好適な条件を選択すればよい。
【００８９】
この熱間加工工程の直後で、まだ、冷却されていない上記熱間加工鋼材に、徐冷工程として、この熱間加工鋼材の表面温度が８００℃〜５００℃となる温度範囲を、０℃／秒超１℃／秒以下の冷却速度で徐冷を施して浸炭用鋼を得る。
【００９０】
オーステナイトからフェライト及びパーライトへ変態する温度である８００℃〜５００℃での冷却速度が、１℃／秒を超えると、ベイナイト及びマルテンサイトの組織分率が大きくなる。その結果、浸炭用鋼の硬さが上昇し、変形抵抗が上昇し、そして、限界加工率が低下する。従って、上記温度範囲での冷却速度を、０℃／秒超１℃／秒以下に制限することが好ましい。さらに好ましくは、０℃／秒超０．７℃／秒以下とする。なお、徐冷工程として、熱間加工工程後の熱間加工鋼材の冷却速度を小さくするには、圧延ラインや熱間鍛造ライン後に、保温カバー、熱源付き保温カバー、又は、保定炉などを設置すればよい。
【００９１】
上記した、面積％で、フェライトと球状化セメンタイトとを、合計で、８５％以上１００％以下含む金属組織を有する浸炭用鋼とするには、以下の製造方法を行うことが好ましい。
【００９２】
上記徐冷を施した熱間加工鋼材に、更に、球状化熱処理工程として、球状化熱処理を施して浸炭用鋼を得る。
【００９３】
この球状化熱処理としては、例えば、以下の熱処理を行えばよい。上記徐冷を施した熱間加工鋼材を、Ａｃ１点（加熱時、オーステナイトが生成し始める温度）直下、又は、直上の温度に加熱した後ゆっくり冷やす。上記徐冷を施した熱間加工鋼材を、Ａｃ１点直上の温度まで加熱し、Ａｒ１点（冷却時、オーステナイトがフェライト又はフェライト、セメンタイトへの変態を完了する温度）直下の温度まで冷却する処理を数回繰返し行う。あるいは、上記徐冷を施した熱間加工鋼材に、一度、焼入れを行い、その後、６００℃〜７００℃の温度範囲で、３時間以上１００時間以下の焼戻しを行う。なお、球状化熱処理の方法は、上記のような、従来公知の焼鈍又は球状化熱処理方法を適用すればよく、特に限定されるものではない。
【００９４】
上記球状化熱処理工程を施した浸炭用鋼は、球状化熱処理工程を施さない浸炭用鋼よりも、硬さを更に低くすることが可能である。この理由は、球状化熱処理工程前の金属組織に含まれるパーライト組織中のラメラ状のセメンタイトが、球状化熱処理工程により、分断・球状化・成長し、そして、パーライト組織であった部位の硬さが低下するからである。また、球状化熱処理工程前の金属組織に含まれるベイナイト、マルテンサイトなどの硬い組織が、球状化熱処理工程により、転位の回復、及び、セメンタイトの析出・成長などによって軟質化するからである。従って、浸炭用鋼の硬さを更に低下させ、変形抵抗を更に低下させ、そして、限界加工率を更に向上させるためには、球状化熱処理工程を施すことが好ましい。
【００９５】
上記した、形状が、長手方向と直交する切断面が円形となる棒状又は線状であり、周面からｒ×０．０１までの領域である表層部の金属組織が、面積％で、フェライトとパーライトとを、合計で、１０％以下に制限し、残部がマルテンサイト、ベイナイト、焼戻しマルテンサイト、焼戻しベイナイト、及び、セメンタイトのうちの少なくとも１つを含む金属組織を有する浸炭用鋼とするためには、以下の製造方法を行うことが好ましい。
【００９６】
熱間制御圧延工程として、鋳造工程後の鋳片を、最終仕上圧延の出口側で表面温度が７００℃〜１０００℃となる条件に制御して熱間圧延を行って熱間制御圧延鋼材を得る。
【００９７】
この熱間制御圧延工程での最終仕上圧延の直後で、まだ、冷却していない上記熱間制御圧延鋼材に、急冷工程として、この熱間制御圧延鋼材の表面温度が０℃超５００℃以下となるように急冷を施す。
【００９８】
そして、上記急冷工程後の熱間制御圧延鋼材に、復熱工程として、少なくとも１回以上の復熱処理を施して浸炭用鋼を得る。
【００９９】
上記熱間制御圧延工程で、最終仕上圧延の出口側での熱間制御圧延鋼材の表面温度を７００℃〜１０００℃にするのは、結晶粒を微細化できるからである。上記表面温度が１０００℃を超えると、通常の熱間圧延鋼材と同様な粗大な結晶粒径しか得られない。また、上記表面温度が７００℃未満では、上記表層部でフェライト分率が小さい金属組織とすることが困難となる。従って、最終仕上圧延の出口側での熱間制御圧延鋼材の表面温度が７００℃〜１０００℃の温度範囲とすることが好ましい。
【０１００】
上記急冷工程で、上記熱間制御圧延鋼材を、その表面温度が０℃超５００℃以下となるように急冷するのは、周面からｒ×０．０１までの領域である上記表層部で、マルテンサイト変態、又は、ベイナイト変態を促して、フェライト分率が小さい金属組織にするためである。従って、急冷工程で、熱間制御圧延鋼材の表面温度を、変態開始温度であるＭｓ点（冷却の間にオーステナイトがマルテンサイトに変態し始める温度）、あるいはＢｓ点（冷却の間にオーステナイトがベイナイトに変態し始める温度）以下の温度である０℃超５００℃以下に急冷することが好ましい。より好ましくは、０℃超４５０℃以下とする。
【０１０１】
上記復熱工程で、上記急冷工程後の熱間制御圧延鋼材に、少なくとも１回以上復熱処理を施すのは、上記表層部のマルテンサイト、又は、ベイナイトが、焼戻しマルテンサイト、又は、焼戻しベイナイトとなるように組織制御するためである。マルテンサイト、又は、ベイナイトが、焼戻しを受けることで、焼割れ発生率や置き割れ発生率などが軽減される。この復熱方法としては、製造設備に復熱のための昇温部を追加することによって、積極的に、焼戻しマルテンサイト、又は、焼戻しベイナイトを生成させても良い。または、上記急冷工程後の熱間制御圧延鋼材の、急冷効果が及んでいない中心部の熱による復熱よって、上記表層部の温度を再度上昇させて、焼戻しマルテンサイトや焼戻しベイナイトを生成させても良い。上記したどちらの方法を採用しても、その効果に差は生じない。しかし、複数回の復熱処理を施す場合には、復熱のための昇温部が必要となる。また、上記復熱処理時に、上記表層部の温度が８００℃を超えないことが好ましい。上記表層部の温度が８００℃を超えると、焼戻しマルテンサイト、又は、焼戻しベイナイトが、再びオーステナイトに変態する。より好ましくは、７２０℃以下とする。また、上記復熱処理時に、上記表層部の温度が４００℃以上となることが好ましい。
【０１０２】
上記した、表層部の金属組織に含まれるセメンタイトのうち、９０％以上１００％以下が、アスペクト比３以下のセメンタイトである浸炭用鋼とするには、以下の製造方法を行うことが好ましい。
【０１０３】
上記復熱工程後の熱間制御圧延鋼材に、更に、球状化熱処理工程として、球状化熱処理を施して浸炭用鋼を得る。なお、球状化熱処理の方法は、上記のような、従来公知の焼鈍又は球状化熱処理方法を適用すればよく、特に限定されるものではない。
【０１０４】
マルテンサイト及びベイナイトのような低温変態組織や、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトのような低温変態組織に焼戻しを行った組織に対して、球状化熱処理を行うと、マトリックスのフェライト結晶粒が微細であり、かつマトリックス中に球状化セメンタイトが均一微細に分散した金属組織が得られる。上記表層部の金属組織に含まれるセメンタイトのうち、９０％以上１００％以下が、アスペクト比３以下のセメンタイトとすれば、さらに、冷間鍛造時の限界加工率が向上する。
【０１０５】
次に、本実施形態に係る浸炭鋼部品の製造方法について説明する。
【０１０６】
上記した基本成分、選択成分、及び、不可避不純物からなり、かつ、上記徐冷工程、上記復熱工程、上記球状化熱処理工程から選ばれる工程を経て製造された浸炭用鋼に、冷間加工工程として、冷間塑性加工を施して形状を付与する。この冷間加工工程での、加工率、ひずみ速度などの塑性加工条件は、特に、限定されるものではなく、適宜、好適な条件を選択すればよい。
【０１０７】
冷間加工工程後の形状を付与された浸炭用鋼に、浸炭工程として、浸炭処理、又は浸炭窒化処理を施す。上記した金属組織と硬さとを有する浸炭鋼部品を得るために、浸炭処理又は浸炭窒化処理の条件を、温度が８３０℃〜１１００℃、カーボンポテンシャルが０．５％〜１．２％、浸炭時間が１時間以上とすることが好ましい。
【０１０８】
浸炭工程後、仕上熱処理工程として、焼入れ処理、又は焼入れ・焼戻し処理を施して浸炭鋼部品を得る。上記した金属組織と硬さとを有する浸炭鋼部品を得るために、焼入れ処理、又は焼入れ・焼戻し処理の条件を、焼入れ媒体の温度が室温〜２５０℃とすることが好ましい。また、必要に応じて焼入れ後にサブゼロ処理を行っても良い。
【０１０９】
また、必要に応じて、上記冷間加工工程前の浸炭用鋼に、更に、焼鈍工程として、焼鈍処理を行ってもよい。焼鈍処理を行うことで、浸炭用鋼の硬さが低下し、変形抵抗が低下し、そして、限界加工率が向上する。焼鈍条件は、特に、限定されるものではなく、適宜、好適な条件を選択すればよい。
【０１１０】
また、必要に応じて、上記冷間加工工程後で、上記浸炭工程前の浸炭用鋼に、更に、切削工程として、切削加工を施して形状を付与してもよい。切削加工を行うことで、冷間塑性加工だけでは困難な、精密形状を浸炭用鋼に付与することができる。
【０１１１】
また、必要に応じて、上記仕上熱処理工程後の浸炭鋼部品に、更に、ショットピーニング工程として、ショットピーニング処理を行っても良い。ショットピーニング処理を行うことで、浸炭鋼部品表層部に圧縮残留応力が導入される。圧縮残留応力は疲労亀裂の発生、進展を抑制するため、浸炭鋼部品の歯元、及び歯面疲労強度を更に向上させることができる。ショットピーニング処理は、直径が０．７ｍｍ以下のショット粒を用い、アークハイトが０．４ｍｍ以上の条件で行うことが望ましい。
【実施例１】
【０１１２】
実施例により本発明の一態様の効果を更に具体的に説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限り、種々の条件を採用し得る。【０１１３】
（実験例１）
鋳造工程として、表１に示す化学組成を有する転炉溶製鋼を、連続鋳造により鋳造して鋳片を得た。この鋳片に、均熱拡散処理、分塊圧延を施して、１６２ｍｍ角の鋼材とした。この鋼材を用いて、熱間加工工程として、熱間圧延を施し、長手方向と直交する切断面が円形で、その切断面の直径が３５ｍｍとなる棒状の熱間加工鋼材を得た。この熱間加工鋼材に、徐冷工程として、圧延ライン後に設置した保温カバー又は熱源付き保温カバーを用いて、表２に示す冷却速度で徐冷を行って、浸炭用鋼を得た。その後、球状化熱処理工程（ＳＡ工程：Ｓｐｈｅｒｏｄｉｚｉｎｇ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）として、球状化熱処理を行った。【０１１４】
このようにして製造した浸炭用鋼について、種々の特性を評価した。棒状である浸炭用鋼の、周面から上記切断面の直径１／４深さの位置から、硬さ測定用、及び、金属組織観察用の試験片を採取した。また、浸炭用鋼の長手方向が圧縮方向となるように、限界圧縮率測定用の試験片（６ｍｍφ×９ｍｍ、切り欠き形状：３０度、深さ０．８ｍｍ、先端部の曲率半径０．１５ｍｍ）を採取した。表２に、徐冷工程後及び球状化熱処理工程（ＳＡ工程）後の浸炭用鋼の、硬さ、金属組織、及び、限界圧縮率の測定結果を示す。【０１１５】
硬さの測定は、ビッカース硬度計を用いて、合計１０回の測定を行い、平均値を算出した。徐冷工程後の浸炭用鋼の硬さがＨＶ１２５以下の場合、また、球状化熱処理工程後の浸炭用鋼の硬さがＨＶ１１０以下の場合を、軟質化が十分であり合格と判定した。【０１１６】
金属組織の観察は、徐冷工程後の浸炭用鋼にナイタール腐食を、球状化熱処理工程後の浸炭用鋼にピクラール腐食を施して、光学顕微鏡で観察を行った。フェライトとパーライトとの合計分率、及び、フェライトと球状化セメンタイトとの合計分率は、画像解析により算出した。なお、金属組織中で、上記以外の残部は、パーライト、マルテンサイト、ベイナイト、焼戻しマルテンサイト、焼戻しベイナイト、または、セメンタイト等であった。【０１１７】
限界圧縮率の測定は、拘束ダイスを使用して１０ｍｍ／分のスピードで冷間圧縮を行い、切り欠き近傍に０．５ｍｍ以上の微小割れが生じたときに圧縮を停止し、その時の圧縮率を算出した。この測定を合計１０回行い、累積破損確率が５０％となる圧縮率を求めて、その圧縮率を限界圧縮率とした。上記した従来の浸炭用鋼の限界圧縮率が、およそ６５％であるので、この値よりも明らかに高い値と見なせる６８％以上となる場合を、限界加工率が優れると判断した。【０１１８】
また、以下の方法で浸炭特性を評価した。上記方法で製造した浸炭用鋼の、周面から上記切断面の直径１／４深さの位置から、長手方向が圧縮方向となるように、浸炭用の試験片（２０ｍｍφ×３０ｍｍ）を採取した。この浸炭用の試験片に、冷間加工工程として、冷間で圧縮率５０％の据え込み圧縮を行った。据え込み圧縮の条件は、室温、拘束ダイス使用、歪速度１／秒である。据え込み圧縮後の浸炭用の試験片に、浸炭工程として、変成炉ガス方式によるガス浸炭を行った。このガス浸炭は、カーボンポテンシャルを０．８％として、９５０℃で５時間の保持を行い、続いて、８５０℃で０．５時間の保持を行った。浸炭工程後に、仕上熱処理工程として、１３０℃への油焼入れを行い、そして、１５０℃で９０分の焼戻しを行って、浸炭鋼部品を得た。【０１１９】
上記製造した浸炭鋼部品の、浸炭層及び鋼部について、特性を評価した。表２に、その測定結果を示す。【０１２０】
上記浸炭鋼部品の浸炭層について、表面から深さ５０μｍの位置での硬さと、表面から深さ０．４ｍｍの位置での硬さとを、ビッカース硬度計を用いて、合計１０回の測定を行い、平均値を算出した。表面から深さ５０μｍの位置での硬さがＨＶ６５０以上ＨＶ１０００以下の場合、また、表面から深さ０．４ｍｍの位置での硬さがＨＶ５５０以上ＨＶ９００以下の場合を、硬さが十分であり合格と判定した。【０１２１】
上記浸炭鋼部品の浸炭層について、表面から深さ０．４ｍｍの位置での金属組織を評価した。金属組織は、ナイタール腐食を施して、光学顕微鏡で観察を行った。マルテンサイトの分率は、画像解析により算出した。なお、金属組織中で、上記以外の残部は、フェライト、パーライト、ベイナイト、焼戻しマルテンサイト、焼戻しベイナイト、球状化セメンタイト、または、セメンタイト等であった。【０１２２】
上記浸炭鋼部品の鋼部について、表面から深さ２ｍｍの位置での、硬さと化学組成とを評価した。硬さは、ビッカース硬度計を用いて、合計１０回の測定を行い、平均値を算出した。そして、硬さが、ＨＶ２５０以上ＨＶ５００以下の場合を、硬さが十分であり合格と判定した。化学組成は、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  ＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｓｅｒ）を用いて、原子番号５番以上の元素に関して定量分析を行った。そして、出発材料である鋳片での化学成分と、ほぼ同じ組成である場合を、同等と判断した。【０１２３】
上記浸炭鋼部品の鋼部について、表面から深さ２ｍｍの位置での、旧オーステナイト結晶粒の観察を行った。旧オーステナイト結晶の粗大粒の発生有無は、観察面中に直径１００μｍ以上の結晶粒が一つでも存在している場合は「粗大粒発生あり」と判定した。または、ＪＩＳの結晶粒度番号でＮｏ．４以下の結晶粒が一つでも存在している場合に「粗大粒発生あり」と判定してもよい。【０１２４】
表１及び表２に示すように、実施例１〜１６は、化学成分、硬さ指標、焼入れ性指標、及び、ＴｉＣ析出量指標のいずれもが目標を達成しており、その結果、浸炭用鋼及び浸炭鋼部品として必要とされる性能を満足している。【０１２５】
これに対し、比較例１７〜２８は、化学成分、硬さ指標、焼入れ性指標、及び、ＴｉＣ析出量指標のいずれかが目標を達成しておらず、その結果、浸炭用鋼及び浸炭鋼部品として必要とされる性能を満足していない。【０１２６】
比較例Ｎｏ．１７及び１８は、化学成分のＣ、Ｔｉ、Ｂ、Ｎの含有量と、硬さ指標と、ＴｉＣ析出量指標とが、本発明の範囲を満たしていないため、浸炭用鋼の硬さ及び限界圧縮率が不十分となった例である。
比較例Ｎｏ．１９は、硬さ指標が本発明の範囲を満たしていないため、浸炭用鋼の硬さ及び限界圧縮率が不十分となった例である。
比較例Ｎｏ．２０及びＮｏ．２１は、焼入れ性指標が本発明の範囲を満たしていないため、浸炭鋼部品の鋼部の硬さが不十分となった例である。
比較例Ｎｏ．２２は、化学成分のＢ含有量が本発明の範囲を満たしていないため、浸炭鋼部品の鋼部の硬さが不十分となった例である。
比較例Ｎｏ．２３は、化学成分のＣ含有量と、硬さ指標とが、本発明の範囲を満たしていないため、浸炭用鋼の硬さ及び限界圧縮率が不十分となった例である。
比較例Ｎｏ．２４は、化学成分のＣ含有量が本発明の範囲を満たしていないため、浸炭鋼部品の鋼部の硬さが不十分となった例である。
比較例Ｎｏ．２５は、化学成分のＮ含有量と、ＴｉＣ析出量指標とが、本発明の範囲を満たしていないため、浸炭用鋼の限界圧縮率と、浸炭鋼部品の鋼部の硬さとが不十分となった例である。浸炭用鋼の限界圧縮率が不十分になったのは、Ｎ含有量が多いため、粗大なＴｉＮが生成し、これが冷間加工時の破壊の起点となったためである。浸炭鋼部品の鋼部の硬さが不十分になったのは、ＴｉＣ析出量指標の値が小さいため、Ｂ添加による焼入れ性向上効果を得ることができなかったことと、浸炭時にＴｉＣによるオーステナイト結晶粒のピン止め効果が不十分で粗大粒が発生したことに起因する。
比較例Ｎｏ．２６は、ＴｉＣ析出量指標が本発明の範囲を超えているため、浸炭用鋼の硬さ及び限界圧縮率が不十分となった例である。
比較例Ｎｏ．２７及びＮｏ．２８は、ＴｉＣ析出量指標が本発明の範囲より小さいため、浸炭鋼部品の鋼部の硬さが不十分となった例である。これは、Ｂ添加による焼入れ性向上効果を得ることができなかったことと、浸炭時にＴｉＣによるオーステナイト結晶粒のピン止め効果が不十分で粗大粒が発生したことに起因する。【０１２７】
（実験例２）
鋳造工程として、表１に示す鋼Ｎｏ．Ｂの化学組成を有する転炉溶製鋼を、連続鋳造により鋳造して鋳片を得た。この鋳片に、均熱拡散処理、分塊圧延を施して、１６２ｍｍ角の鋼材とした。この鋼材を用いて、熱間制御圧延工程として、表３に示す仕上温度で熱間制御圧延を施し、長手方向と直交する切断面が円形で、その切断面の直径が３５ｍｍとなる棒状の熱間制御圧延鋼材を得た。この熱間制御圧延鋼材に、急冷工程として、圧延ライン後に設置した水冷装置を用いて、表３に示す温度になるまで表層部の急冷を行った。そして、復熱工程として、急冷効果が及んでいない中心部の熱による復熱よって、上記表層部の温度を再度上昇させて、浸炭用鋼を得た。その後、球状化熱処理工程（ＳＡ工程）として、球状化熱処理を行った。【０１２８】
このようにして製造した浸炭用鋼について、種々の特性を評価した。棒状である浸炭用鋼の、周面から上記切断面の直径１／４深さの位置から、硬さ測定用の試験片を採取した。周面からｒ×０．０１の深さの位置から、金属組織観察用の試験片を採取した。また、浸炭用鋼の長手方向が圧縮方向となるように、限界圧縮率測定用の試験片（６ｍｍφ×９ｍｍ、切り欠き形状：３０度、深さ０．８ｍｍ、先端部の曲率半径０．１５ｍｍ）を採取した。表３に、復熱工程後及び球状化熱処理工程（ＳＡ工程）後の浸炭用鋼の、硬さ、金属組織、及び、限界圧縮率の測定結果を示す。【０１２９】
硬さの測定方法と、合格の判定基準は、実験例１と同じである。限界圧縮率の測定法と、合格の判定基準も、実験例１と同じである。【０１３０】
金属組織の観察は、復熱工程後の浸炭用鋼にナイタール腐食を、球状化熱処理工程後の浸炭用鋼にピクラール腐食を施して、光学顕微鏡で観察を行った。フェライトとパーライトとの合計分率、及び、セメンタイトの個数とアスペクト比とは、画像解析により算出した。なお、金属組織中で、上記以外の残部は、マルテンサイト、ベイナイト、焼戻しマルテンサイト、焼戻しベイナイト、球状化セメンタイト、及び、セメンタイト等であった。【０１３１】
また、浸炭特性も評価した。浸炭方法、評価方法、及び、合格の判定基準は、実験例１と同じである。【０１３２】
表１及び表３に示すように、実施例２９〜３６は、化学成分、硬さ指標、焼入れ性指標、及び、ＴｉＣ析出量指標のいずれもが目標を達成しており、その結果、浸炭用鋼及び浸炭鋼部品として必要とされる性能を満足している。【０１３３】
【表１】
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【０１３４】
【表２】
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【０１３５】
【表３】
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【産業上の利用可能性】
【０１３６】
本発明の上記態様に係る、浸炭用鋼、浸炭鋼部品、及び、その製造方法によれば、浸炭用鋼の段階で、従来鋼よりも冷間鍛造時の変形抵抗が小さくて、限界加工率が大きく、そして、浸炭熱処理後に、従来鋼と同等の硬化層及び鋼部硬さを有する、浸炭用鋼、浸炭鋼部品、及び、その製造方法の提供が可能となるので、産業上の利用可能性が高い。
【国際調査報告】
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