(57)【要約】【課題】限界加工率及び切りくず処理性に優れる浸炭鋼部品用鋼材を提供する。【解決手段】本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．１１〜０．１５％、Ｓｉ：０．１７〜０．３５％、Ｍｎ：０．４５〜０．８０％、Ｓ：０．００５〜０．０５０％、Ｃｒ：１．５０〜１．９０％未満、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％、Ａｌ：０．１００〜０．２００％、Ｃａ：０．０００２％〜０．００３０％、Ｎ：０．００８０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｏ：０．００３０％以下、及び、残部はＦｅ及び不純物からなり、明細書に記載の式（１）〜式（４）を満たし、ミクロ組織において、フェライト及びパーライトの総面積率が８５．０％以上であり、かつ、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が２０．０〜３５．０％未満である。【選択図】図１
2020105602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１１〜０．１５％、
Ｓｉ：０．１７〜０．３５％、
Ｍｎ：０．４５〜０．８０％、
Ｓ：０．００５〜０．０５０％、
Ｃｒ：１．５０〜１．９０％未満、
Ｂ：０．０００５〜０．０１００％、
Ａｌ：０．１００〜０．２００％、
Ｃａ：０．０００２〜０．００３０％、
Ｎ：０．００８０％以下、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｏ：０．００３０％以下、
Ｔｉ：０〜０．０２０％未満、
Ｎｂ：０〜０．１００％、
Ｍｏ：０〜０．５００％、
Ｎｉ：０〜０．５００％、
Ｃｕ：０〜０．５００％、及び、
残部はＦｅ及び不純物からなり、式（１）〜式（４）を満たし、
ミクロ組織において、フェライト及びパーライトの総面積率が８５．０％以上であり、かつ、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が２０．０〜３５．０％未満である、
浸炭鋼部品用鋼材。
０．１００＜Ｃ＋０．１９４×Ｓｉ＋０．０６５×Ｍｎ＋０．０１２×Ｃｒ＋０．０３３×Ｍｏ＋０．０６７×Ｎｉ＋０．０９７×Ｃｕ＋０．０７８×Ａｌ＜０．２３５  （１）
１３．０＜（０．７０×Ｓｉ＋１）×（５．１×Ｍｎ＋１）×（２．２×Ｃｒ＋１）×（３．０×Ｍｏ＋１）×（０．３６×Ｎｉ＋１）＜４５．０  （２）
０．０００３＜Ａｌ×（Ｎ−Ｔｉ×（１４／４８））＜０．００１１  （３）
０．０３≦Ｃａ／Ｓ≦０．１５  （４）
ここで、式（１）〜（４）の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【請求項２】
請求項１に記載の浸炭鋼部品用鋼材であって、
前記化学組成は、
Ｔｉ：０．００１〜０．０２０％未満、
Ｎｂ：０．００２〜０．１００％、
Ｍｏ：０．００５〜０．５００％、
Ｎｉ：０．００５〜０．５００％、及び、
Ｃｕ：０．００５〜０．５００％、
からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有する、
浸炭鋼部品用鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸炭鋼部品に用いられる鋼材である浸炭鋼部品用鋼材に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械構造用部品に使用される鋼には、一般に、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、及び、Ｎｉ等が含有される。上述の元素を含有する化学成分を有し、鋳造、鍛造、圧延等の工程を経て製造された浸炭鋼部品用鋼材は、鍛造、切削等の機械加工により成型され、さらに、浸炭処理等の熱処理を施されて、表層部の浸炭層と、浸炭層よりも内部の芯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。冷間鍛造はスケールの発生がなく、寸法精度が従前の切削後の状態に近いという特徴がある。したがって、熱間鍛造で大まかな加工を実施した後に冷間鍛造で仕上げ加工を実施する方法、温間鍛造を実施した後に仕上げとして軽度の切削を実施する方法、又は、冷間鍛造を実施した後に仕上げとして軽度の切削を実施する方法、等が検討されてきた。しかしながら、熱間鍛造を温間鍛造又は冷間鍛造に置き換えた場合、浸炭鋼部品用鋼材の変形抵抗が大きいと、鍛造機の金型にかかる面圧が増加し、金型寿命が低下する。この場合、切削量が低減しても、コストメリットがそれほど大きくならない。また、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場合がある。このため、温間鍛造又は冷間鍛造により浸炭鋼部品を製造する場合、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率の向上が求められる。
【０００４】
国際公開第２０１２／１０８４８０号（特許文献１）及び特開２０１２−２０７２４４号公報（特許文献２）は、冷間鍛造性（限界加工率）の向上を目的とした浸炭鋼部品用鋼材を提案する。
【０００５】
特許文献１に記載の浸炭用鋼は、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、化学成分中の各元素の質量％で示した含有量が、式（１）〜式（３）を満たす。ここで、式（１）〜式（３）は次のとおりである。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）。この浸炭用鋼は、上述の化学組成を有することにより、冷間鍛造時の限界加工率を高めることができ、さらに、浸炭処理後において、従来鋼と同等の硬化層及び芯部硬さとが得られる、と特許文献１には記載されている。
【０００６】
特許文献２に記載された肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜０．１％、Ｍｎ：０．３〜０．６％、Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．００１〜０．０２％、Ｃｒ：１．２〜２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｔｉ：０．０１０〜０．１０％、Ｎ：０．０１０％以下（０％を含まない）、Ｂ：０．０００５〜０．００５％を含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなり、円相当直径２０ｎｍ未満のＴｉ系析出物の密度が１０〜１００個／μｍ2であり、且つ、円相当直径２０ｎｍ以上のＴｉ系析出物の密度が１．５〜１０個／μｍ2であり、ビッカース硬さが１３０ＨＶ以下であることを特徴とする。この肌焼鋼は上記構成により、冷間鍛造性に優れる、と特許文献２には記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１０８４８０号
【特許文献２】特開２０１２−２０７２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述のとおり、冷間鍛造は、寸法精度が従前の切削後の状態に近いという特徴があるものの、複雑な形状や中空構造の浸炭鋼部品では、冷間鍛造工程後において、ある程度の切削加工工程が実施される。したがって、冷間鍛造用途の浸炭鋼部品用鋼材に対しては、十分な冷間鍛造性だけでなく、十分な被削性、特に、切削加工時に発生する切りくずの分断されやすさを示す、いわゆる切りくず処理性が要求される。切りくず処理性が低く、長い切りくずが発生すれば、切りくずが加工鋼材又は工具に巻き付き、切削加工の作業効率を低下させる可能性がある。特許文献１及び２では、上述のような、冷間鍛造工程後の鋼材での切りくず処理性について検討されていない。
【０００９】
本開示の目的は、冷間鍛造時の限界加工率が大きく、かつ、冷間鍛造後の切削加工時の切りくず処理性に優れる、浸炭鋼部品用鋼材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示による浸炭鋼部品用鋼材は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．１１〜０．１５％、Ｓｉ：０．１７〜０．３５％、Ｍｎ：０．４５〜０．８０％、Ｓ：０．００５〜０．０５０％、Ｃｒ：１．５０〜１．９０％未満、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％、Ａｌ：０．１００〜０．２００％、Ｃａ：０．０００２〜０．００３０％、Ｎ：０．００８０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｏ：０．００３０％以下、Ｔｉ：０〜０．０２０％未満、Ｎｂ：０〜０．１００％、Ｍｏ：０〜０．５００％、Ｎｉ：０〜０．５００％、Ｃｕ：０〜０．５００％、及び、残部はＦｅ及び不純物からなり、式（１）〜式（４）を満たし、ミクロ組織において、フェライト及びパーライトの総面積率が８５．０％以上であり、かつ、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が２０．０〜３５．０％未満である。
０．１００＜Ｃ＋０．１９４×Ｓｉ＋０．０６５×Ｍｎ＋０．０１２×Ｃｒ＋０．０３３×Ｍｏ＋０．０６７×Ｎｉ＋０．０９７×Ｃｕ＋０．０７８×Ａｌ＜０．２３５  （１）
１３．０＜（０．７０×Ｓｉ＋１）×（５．１×Ｍｎ＋１）×（２．２×Ｃｒ＋１）×（３．０×Ｍｏ＋１）×（０．３６×Ｎｉ＋１）＜４５．０  （２）
０．０００３＜Ａｌ×（Ｎ−Ｔｉ×（１４／４８））＜０．００１１  （３）
０．０３≦Ｃａ／Ｓ≦０．１５  （４）
ここで、式（１）〜（４）の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【発明の効果】
【００１１】
本開示による浸炭鋼部品用鋼材は、冷間鍛造時に十分な限界加工率が得られ、冷間鍛造後の切削加工時の切りくず処理性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材のミクロ組織の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明者らは、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率の改善とともに、冷間鍛造後の被削性（切りくず処理性）を高めるための検討を行った。その結果、本発明者らは、次の（Ａ）〜（Ｇ）の知見を得た。
【００１４】
（Ａ）Ｃ含有量が低いほど、冷間鍛造前の浸炭鋼部品用鋼材の軟質化を図ることができる。しかしながら、Ｃ含有量が低すぎれば、浸炭処理後の浸炭鋼部品の特性（浸炭層深さ、芯部硬さ等）を、Ｃ含有量が０．２０％程度である従来の浸炭鋼部品用鋼材（例えば、ＪＩＳ−ＳＣＲ４２０）と同等レベルにすることが困難となる。浸炭鋼部品用鋼材の化学組成を、質量％で、Ｃ：０．１１〜０．１５％、Ｓｉ：０．１７〜０．３５％、Ｍｎ：０．４５〜０．８０％、Ｓ：０．００５〜０．０５０％、Ｃｒ：１．５０〜１．９０％未満、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％、Ａｌ：０．１００〜０．２００％、Ｃａ：０．０００２％〜０．００３０％、Ｎ：０．００８０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｏ：０．００３０％以下、Ｔｉ：０〜０．０２０％未満、Ｎｂ：０〜０．１００％、Ｍｏ：０〜０．５００％、Ｎｉ：０〜０．５００％、Ｃｕ：０〜０．５００％、及び、残部はＦｅ及び不純物からなる化学組成とすれば、Ｃ含有量が従来の浸炭鋼部品用鋼材よりも低くても、浸炭鋼部品として必要な芯部硬さを得ることができる可能性がある。
【００１５】
（Ｂ）上述の化学組成で、できるだけ大きな浸炭層深さと芯部硬さとを得るためには、浸炭鋼部品の芯部のミクロ組織において、マルテンサイト分率を高めるのが好ましい。浸炭鋼部品の芯部のミクロ組織で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（焼入れ向上元素）の含有量を、式（２）を満たすように含有することが必要である。
１３．０＜（０．７０×Ｓｉ＋１）×（５．１×Ｍｎ＋１）×（２．２×Ｃｒ＋１）×（３．０×Ｍｏ＋１）×（０．３６×Ｎｉ＋１）＜４５．０  （２）
ここで、式（２）の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【００１６】
（Ｃ）しかしながら、上述の焼入れ性向上元素の含有量が増加すれば、焼入れ性向上元素がフェライトを固溶強化する。そのため、浸炭鋼部品用鋼材の硬さが高まる。浸炭鋼部品用鋼材の硬さが高まれば、冷間鍛造性が低下し、限界加工率が低下する。Ｂは鋼材の焼入れ性を高めるものの、フェライトを固溶強化しない元素である。そこで、上述のとおり、浸炭鋼部品用鋼材の化学組成にＢを含有させて、さらに、Ｃ及び上述の焼入れ性向上元素の含有量が式（１）を満たすようにする。これにより、限界加工率の低下を抑制しつつ、浸炭処理後の浸炭鋼部品において、十分な芯部硬さを得ることができる。
０．１００＜Ｃ＋０．１９４×Ｓｉ＋０．０６５×Ｍｎ＋０．０１２×Ｃｒ＋０．０３３×Ｍｏ＋０．０６７×Ｎｉ＋０．０９７×Ｃｕ＋０．０７８×Ａｌ＜０．２３５  （１）
ここで、式（１）の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【００１７】
（Ｄ）Ｂの焼入れ性向上効果を安定して得るためには、浸炭処理時において、鋼材中に十分な固溶Ｂを確保する必要がある。鋼中にＮが存在すれば、ＢはＮと結合してＢＮを形成し、固溶Ｂが低減する。そこで、本実施形態では、鋼中にＡｌを含有させてＮをＢではなくＡｌと結合させる。この場合、十分な固溶Ｂを確保できる。その結果、十分な固溶Ｂ量が確保できる。さらに、ＡｌＮが微細に分散析出すれば、ピンニング効果により、浸炭処理の加熱時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制できる。したがって、上述の化学組成を満たしつつ、さらに、固溶Ｂ量を確保し、ＡｌＮによるピンニング効果を得るために、浸炭鋼部品用鋼材中のＡｌ含有量、Ｎ含有量及びＴｉ含有量が、式（３）を満たすようにする。
０．０００３＜Ａｌ×（Ｎ−Ｔｉ×（１４／４８））＜０．００１１  （３）
ここで、式（３）の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【００１８】
浸炭鋼部品用鋼材の化学組成中のＡｌ含有量、Ｔｉ含有量及びＮ含有量が式（３）を満たす場合、固溶ＢがＮと結合してＢＮとして析出することにより固溶Ｂが低減するのを抑制でき、鋼材中に十分な固溶Ｂを確保できる。さらに、ＡｌＮが微細分散して、ピンニング効果により、浸炭処理の加熱時のオーステナイト結晶粒の異常粒成長を抑制する。そのため、浸炭鋼部品の芯部において、十分な硬さが得られる。
【００１９】
（Ｅ）Ｂは、浸炭鋼部品の芯部の焼入れ性を有効に高める。しかしながら、浸炭処理として、変成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含有による焼入れ性向上効果が低い。これは、浸炭処理時において、鋼部品の表面から窒素が侵入して、固溶Ｂと結合してＢＮとして析出し、固溶Ｂ量が低減するためである。したがって、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ために、上述のとおり、浸炭鋼部品用鋼材の化学組成は、式（２）を満たす。
【００２０】
（Ｆ）浸炭鋼部品用鋼材が上述の化学組成を満たし、かつ、式（１）〜式（３）を満たしても、Ｓ含有量に対するＣａ含有量が高すぎれば、Ｃａの一部が硫化物に固溶せず、酸化物を形成してしまう。Ｃａ酸化物は鋼材の限界加工率を低下する。化学組成中のＣａ／Ｓを適切な範囲に設定できれば、硫化物の微細化及び球状化を促進しつつ、酸化物の生成を抑制することができ、その結果、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性（限界加工率）を高めることができる。具体的には、浸炭鋼部品用鋼材の化学組成が式（４）を満たせば、十分な限界加工率を得ることができる。
０．０３≦Ｃａ／Ｓ≦０．１５  （４）
ここで、式（４）の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【００２１】
（Ｇ）浸炭鋼部品の中には、中空のスプライン等、冷間鍛造後の中間部材に対して多くの切削加工が必要な部品が存在する。このような多くの切削加工が必要な浸炭鋼部品を製造する場合、浸炭鋼部品用鋼材には、上述のとおり、優れた切りくず処理性が求められる。本明細書において、切りくず処理性とは、切削時に生成する切りくずの分断のしやすさを意味し、切りくずの工具及び鋼材からの離脱のしやすさを意味する特性である。上述のとおり、Ｃ含有量を低く抑えた場合、鋼材の冷間鍛造性が高まるものの、切りくず処理性が低下する。上述の式（１）〜式（４）の化学組成を有する浸炭鋼部品用鋼材のミクロ組織において、フェライト及びパーライトの総面積率を８５．０％以上とし、かつ、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率を２０．０〜３５．０％未満とする。２００μｍ2以上の面積を有する粗大なパーライト粒は、浸炭鋼部品用鋼材の切りくず処理性を高める。２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が２０．０〜３５．０％未満であれば、浸炭鋼部品用鋼材において十分な限界加工率を確保しつつ、冷間鍛造後の切削加工において十分な切りくず処理性が得られる。
【００２２】
以上の知見に基づいて完成した本実施形態による浸炭鋼部品用鋼材は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．１１〜０．１５％、Ｓｉ：０．１７〜０．３５％、Ｍｎ：０．４５〜０．８０％、Ｓ：０．００５〜０．０５０％、Ｃｒ：１．５０〜１．９０％未満、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％、Ａｌ：０．１００〜０．２００％、Ｃａ：０．０００２〜０．００３０％、Ｎ：０．００８０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｏ：０．００３０％以下、Ｔｉ：０〜０．０２０％未満、Ｎｂ：０〜０．１００％、Ｍｏ：０〜０．５００％、Ｎｉ：０〜０．５００％、Ｃｕ：０〜０．５００％、及び、残部はＦｅ及び不純物からなり、式（１）〜式（４）を満たし、ミクロ組織において、フェライト及びパーライトの総面積率が８５．０％以上であり、かつ、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が２０．０〜３５．０％未満である。
０．１００＜Ｃ＋０．１９４×Ｓｉ＋０．０６５×Ｍｎ＋０．０１２×Ｃｒ＋０．０３３×Ｍｏ＋０．０６７×Ｎｉ＋０．０９７×Ｃｕ＋０．０７８×Ａｌ＜０．２３５  （１）
１３．０＜（０．７０×Ｓｉ＋１）×（５．１×Ｍｎ＋１）×（２．２×Ｃｒ＋１）×（３．０×Ｍｏ＋１）×（０．３６×Ｎｉ＋１）＜４５．０  （２）
０．０００３＜Ａｌ×（Ｎ−Ｔｉ×（１４／４８））＜０．００１１  （３）
０．０３≦Ｃａ／Ｓ≦０．１５  （４）
ここで、式（１）〜（４）の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【００２３】
上記浸炭鋼部品用鋼材の化学組成は、Ｔｉ：０．００１〜０．０２０％未満、Ｎｂ：０．００２〜０．１００％、Ｍｏ：０．００５〜０．５００％、Ｎｉ：０．００５〜０．５００％、及び、Ｃｕ：０．００５〜０．５００％、からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有してもよい。
【００２４】
以下、本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材及び浸炭鋼部品の詳細を説明する。本明細書において、元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。
【００２５】
［浸炭鋼部品用鋼材の化学組成］
本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。
【００２６】
Ｃ：０．１１％〜０．１５％
炭素（Ｃ）は、浸炭鋼部品の芯部の硬さを高める。Ｃ含有量が０．１１％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、浸炭鋼部品の芯部の硬さが低下し、さらに、切りくず処理性が低下する。一方、従前の浸炭鋼部品用鋼材のＣ含有量は０．２０％程度であるが、本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材では、限界加工率を高めるために、Ｃ含有量を０．１５％以下とする。したがって、Ｃ含有量は０．１１〜０．１５％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．１２％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．１４％である。
【００２７】
Ｓｉ：０．１７％〜０．３５％
シリコン（Ｓｉ）は、浸炭鋼部品の焼戻し軟化抵抗を高め、浸炭鋼部品の疲労強度を高める。Ｓｉ含有量が０．１７％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、この効果が十分に得られない。一方、Ｓｉ含有量が０．３５％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、冷間鍛造前の浸炭鋼部品用鋼材の硬さが過剰に高くなり、限界加工率が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．１７〜０．３５％である。疲労強度をさらに高める観点では、Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．１８％であり、さらに好ましくは０．１９％である。限界加工率をさらに高める観点では、Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．３０％であり、さらに好ましくは０．２５％である。
【００２８】
Ｍｎ：０．４５％〜０．８０％
マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼入性を高め、浸炭鋼部品の芯部硬さを高める。Ｍｎ含有量が０．４５％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、十分な焼入れ性が得られない。一方、Ｍｎ含有量が０．８０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、冷間鍛造前の浸炭鋼部品用鋼材の硬さが過剰に高くなり、限界加工率が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．４５〜０．８０％である。Ｍｎ含有の好ましい下限は０．４７％であり、さらに好ましくは０．４８％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．７０％であり、さらに好ましくは０．６０％である。
【００２９】
Ｓ：０．００５％〜０．０５０％
硫黄（Ｓ）は、鋼中のＭｎと結合してＭｎＳを形成し、浸炭鋼部品用鋼材の切りくず処理性を高める。Ｓ含有量が０．００５％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｓ含有量が０．０５０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、冷間鍛造時にＭｎＳが割れの起点となり、限界加工率が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．００５〜０．０５０％である。Ｓ含有量の好ましい下限は０．００６％であり、さらに好ましくは０．００８％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。
【００３０】
Ｃｒ：１．５０％〜１．９０％未満
クロム（Ｃｒ）は、鋼の焼入性を高め、浸炭鋼部品の芯部硬さを高める。Ｃｒは、焼入れ性を高めるＭｎ、Ｍｏ、Ｎｉと比較して、浸炭鋼部品用鋼材の硬さの上昇を押さえつつ、焼入れ性を高めることができる。Ｃｒ含有量が１．５０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、十分な焼入れ性が得られない。一方、Ｃｒ含有量が１．９０％以上になれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、冷間鍛造前の浸炭鋼部品用鋼材の硬さが過剰に高くなり、限界加工率が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１．５０〜１．９０％未満である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１．５２％であり、さらに好ましくは１．５５％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は１．８５％であり、さらに好ましくは１．８０％である。
【００３１】
Ｂ：０．０００５％〜０．０１００％
ホウ素（Ｂ）は、オーステナイトに固溶した場合、微量でも鋼の焼入性を大きく高める。そのため、浸炭鋼部品の芯部硬さを高める。Ｂはさらに、微量の含有により上記効果を発揮するため、浸炭鋼部品用鋼材中のフェライトの硬さが上昇しにくい。つまり、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率を高く維持しつつ、焼入れ性を高めることができる。Ｂ含有量が０．０００５％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｂ含有量が０．０１００％を超えれば、上記効果が飽和する。したがって、Ｂ含有量は０．０００５〜０．０１００％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０．０００７％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００８０％であり、さらに好ましくは０．００５０％であり、さらに好ましくは０．００２５％である。
【００３２】
Ａｌ：０．１００％〜０．２００％
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する。Ａｌはさらに、Ｎと結合してＡｌＮを形成し、本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材における固溶Ｂ量を確保する。さらに、微細なＡｌＮが微細分散することにより、ピンニング効果により、浸炭処理の加熱時にオーステナイト結晶粒が粗大化するのを抑制する。Ａｌ含有量が０．１００％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、これらの効果が十分に得られない。一方、Ａｌ含有量が０．２００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼中に粗大な酸化物が形成して、浸炭鋼部品の疲労強度が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．１００〜０．２００％である。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．１０１％であり、さらに好ましくは０．１０５％であり、さらに好ましくは０．１１０％であり、さらに好ましくは０．１２０％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．１９０％であり、さらに好ましくは０．１７０％であり、さらに好ましくは０．１５０％である。
【００３３】
Ｃａ：０．０００２％〜０．００３０％
カルシウム（Ｃａ）は、鋼中の硫化物に固溶して、硫化物を微細かつ球状化する。これにより、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性が高まり、限界加工率が高まる。Ｃａ含有量が０．０００２％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、この効果が十分に得られない。一方、Ｃａ含有量が０．００３０％を越えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼中に粗大な酸化物が生成する。この場合、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性及び限界加工率がかえって低下する。したがって、Ｃａ含有量は０．０００２〜０．００３０％である。Ｃａ含有量の好ましい下限は０．０００５％であり、さらに好ましくは０．０００７％である。Ｃａ含有量の好ましい上限は０．００２５％であり、さらに好ましくは０．００２０％である。
【００３４】
Ｎ：０．００８０％以下
窒素（Ｎ）は不可避に含有される不純物である。つまり、Ｎ含有量は０％超である。ＮはＢと結合してＢＮを形成し、固溶Ｂ量を低減する。Ｎ含有量が０．００８０％を超えれば、浸炭鋼部品用鋼材中のＡｌ含有量が上述の範囲内であっても、ＡｌがＮを十分に固定することができなくなり、ＢＮが過剰に生成する。その結果、浸炭鋼部品用鋼材の焼入れ性が低下する。Ｎ含有量が０．００８０％を超えればさらに、粗大なＡｌＮが生成して、冷間鍛造時に粗大なＡｌＮが割れの起点となる。そのため、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００８０％以下である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．００７５％であり、さらに好ましくは０．００７０％であり、さらに好ましくは０．００６５％である。Ｎ含有量はできるだけ低い方が好ましい。しかしながら、Ｎ含有量の過剰の低減は、製造コストを高める。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、Ｎ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％であり、さらに好ましくは０．００３０％である。
【００３５】
Ｐ：０．０５０％以下
燐（Ｐ）は不可避に含有される不純物である。つまり、Ｐ含有量は０％超である。Ｐは鋼材の疲労強度及び熱間加工性を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０５０％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０３５％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｐ含有量の過剰な低減は、製造コストを高める。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、Ｐ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％である。
【００３６】
Ｏ：０．００３０％以下
酸素（Ｏ）は不可避に含有される不純物である。つまり、Ｏ含有量は０％超である。Ｏは、酸化物を形成し、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率を低下し、浸炭鋼部品の疲労強度を低下する。したがって、Ｏ含有量は０．００３０％以下である。Ｏ含有量の好ましい上限は０．００２８％であり、さらに好ましくは０．００２５％である。Ｏ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｏ含有量の過剰な低減は製造コストを高める。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、Ｏ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．０００７％である。
【００３７】
本実施形態における浸炭鋼部品用鋼材の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、鋼の原料として利用される鉱石、スクラップ、又は製造過程の環境等から混入する元素を意味する。上述のＮ、Ｐ、Ｏ以外の不純物はたとえば、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｚｎである。これらの不純物の含有量は、次のとおりである。Ｐｂ：０．０５％以下、Ｓｎ：０．０５％以下、Ｃｄ：０．０５％以下、Ｃｏ：０．０５％以下、Ｚｎ：０．０５％以下。
【００３８】
［任意元素（ｏｐｔｉｏｎａｌ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ）について］
本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｎｉ及びＣｕからなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有してもよい。ＴｉはＮと結合して、固溶Ｂ量をさらに確保する。Ｎｂは、炭化物及び炭窒化物を生成して結晶粒を微細化する。Ｍｏ、Ｎｉ及びＣｕはいずれも鋼の焼入れ性を高める。
【００３９】
Ｔｉ：０〜０．０２０％未満
チタン（Ｔｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｔｉ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｔｉは鋼中のＮをＴｉＮとして固定する。これにより、ＢＮの形成がさらに抑制され、固溶Ｂをさらに確保することができる。電炉により浸炭鋼部品用鋼材を製造する場合、鋼中のＮ含有量の調整が困難となる場合がある。このような場合に、Ｔｉを含有するのが好ましい。Ｔｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Ｔｉ含有量が高すぎれば、製造コストが高くなる。したがって、Ｔｉ含有量は０〜０．０２０％未満である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１６％である。
【００４０】
Ｎｂ：０〜０．１００％
ニオブ（Ｎｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｂ含有量は０％であってもよい。含有される場合、ＮｂはＣ及びＮと結合して炭化物及び／又は炭窒化物を形成し、ピンニング効果により浸炭処理の加熱時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する。Ｎｂが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．１００％を超えれば、粗大な炭化物及び／又は炭窒化物が生成して、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０〜０．１００％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．００２％であり、さらに好ましくは０．００４％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０６０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。
【００４１】
Ｍｏ：０〜０．５００％
モリブデン（Ｍｏ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｍｏ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｍｏは鋼の焼入性を高め、浸炭鋼部品の芯部の硬さを高める。Ｍｏはさらに、ガス浸炭による浸炭処理を実施する場合、浸炭処理時において酸化物及び窒化物を生成しない。そのため、Ｍｏは、浸炭層中に酸化物層、窒化物層及び浸炭異常層が生成するのを抑制する。Ｍｏが少しでも含有されれば、これらの効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｏ含有量が０．５００％を超えれば、浸炭鋼部品用鋼材の硬さが過剰に高まり、限界加工率が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は０〜０．５００％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．４００％であり、さらに好ましくは０．３００％であり、さらに好ましくは０．２００％である。
【００４２】
Ｎｉ：０〜０．５００％
ニッケル（Ｎｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｉ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｎｉは鋼の焼入性を高め、浸炭鋼部品の芯部の硬さを高める。Ｎｉはさらに、ガス浸炭による浸炭処理を実施する場合、浸炭処理時において酸化物及び窒化物を生成しない。そのため、Ｎｉは、浸炭層中に酸化物層、窒化物層及び浸炭異常層が生成するのを抑制する。Ｎｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎｉ含有量が０．５００％を超えれば、浸炭鋼部品用鋼材の硬さが過剰に高まり、限界加工率が低下する。したがって、Ｎｉ含有量は０〜０．５００％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は０．４００％であり、さらに好ましくは０．３００％であり、さらに好ましくは０．２００％である。
【００４３】
Ｃｕ：０〜０．５００％
銅（Ｃｕ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃｕ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃｕは鋼の焼入性を高め、浸炭鋼部品の芯部の硬さを高める。Ｃｕはさらに、ガス浸炭による浸炭処理を実施する場合、浸炭処理時において酸化物及び窒化物を生成しない。そのため、Ｃｕは、浸炭層表面の酸化物層、窒化物層、浸炭異常層の形成を抑制する。Ｃｕが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃｕ含有量が０．５００％を超えれば、浸炭鋼部品用鋼材の硬さが過剰に高まり、限界加工率が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０〜０．５００％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は０．４００％であり、さらに好ましくは０．３００％である。Ｃｕを含有する場合、Ｎｉ含有量をＣｕ含有量の１／２以上とすれば、浸炭鋼部品用鋼材の熱間加工性がさらに高まる。
【００４４】
［式（１）〜式（４）について］
本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材の化学組成はさらに、式（１）〜式（４）を満たす。
０．１００＜Ｃ＋０．１９４×Ｓｉ＋０．０６５×Ｍｎ＋０．０１２×Ｃｒ＋０．０３３×Ｍｏ＋０．０６７×Ｎｉ＋０．０９７×Ｃｕ＋０．０７８×Ａｌ＜０．２３５  （１）
１３．０＜（０．７０×Ｓｉ＋１）×（５．１×Ｍｎ＋１）×（２．２×Ｃｒ＋１）×（３．０×Ｍｏ＋１）×（０．３６×Ｎｉ＋１）＜４５．０  （２）
０．０００３＜Ａｌ×（Ｎ−Ｔｉ×（１４／４８））＜０．００１１  （３）
０．０３≦Ｃａ／Ｓ≦０．１５  （４）
ここで、式（１）〜（４）の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
以下、各式について説明する。
【００４５】
［式（１）について］
Ｆ１＝Ｃ＋０．１９４×Ｓｉ＋０．０６５×Ｍｎ＋０．０１２×Ｃｒ＋０．０３３×Ｍｏ＋０．０６７×Ｎｉ＋０．０９７×Ｃｕ＋０．０７８×Ａｌと定義する。Ｆ１は浸炭鋼部品用鋼材（及び、浸炭鋼部品用鋼材を用いて製造される浸炭鋼部品）の硬さの指標である。
【００４６】
Ｃ含有量が低い場合、冷間鍛造前の浸炭鋼部品用鋼材の組織は、上記した従来の浸炭鋼部品用鋼材（Ｃ含有量が０．２０％程度）よりも、フェライト分率が大幅に増加している。この場合、浸炭鋼部品用鋼材の硬さは、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。Ｆ１は、浸炭鋼部品用鋼材中のフェライトの固溶強化に及ぼす各合金元素の寄与を示す。
【００４７】
Ｆ１が０．２３５以上であれば、冷間鍛造前の浸炭鋼部品用鋼材の硬さが高すぎる。この場合、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率が低下する。一方、Ｆ１が０．１００以下であれば、浸炭鋼部品としての硬さが不足する。したがって、Ｆ１は、０．１００超〜０．２３５未満である。Ｆ１は、後述する焼入れ性指標（Ｆ２）を満たす範囲でなるべく低い方が好ましい。Ｆ１の好ましい上限は０．２３０未満であり、さらに好ましくは０．２２０であり、さらに好ましくは０．２１０である。なおＦ１値は、算出された値の小数点第４位を四捨五入して得られた値である。
【００４８】
［式（２）について］
Ｆ２＝（０．７０×Ｓｉ＋１）×（５．１×Ｍｎ＋１）×（２．２×Ｃｒ＋１）×（３．０×Ｍｏ＋１）×（０．３６×Ｎｉ＋１）と定義する。Ｆ２は浸炭鋼部品用鋼材の焼入れ性に関する指標である。
【００４９】
上述の通り、Ｂは、浸炭鋼部品用鋼材の焼入れ性を高め、浸炭鋼部品の芯部の硬さを高めるのに有効である。一方で、浸炭処理としてガス浸炭（変成炉ガス方式）を実施する場合、浸炭鋼部品の表層部である浸炭層では、Ｂ含有による焼入れ性向上効果が低い。これは、浸炭処理時に炉内雰囲気ガス中のＮが浸炭鋼部品の表層部に侵入して、固溶ＢがＢＮとして析出し、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。したがって、ガス浸炭処理を実施する場合、Ｂは浸炭鋼部品の芯部の硬さを高めることはできるものの、浸炭鋼部品の浸炭層の硬さの向上には寄与しにくい。したがって、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以外の焼入性向上元素を活用する必要がある。
【００５０】
Ｆ２が１３．０以下の場合、同一の浸炭処理条件で、上記した従来の浸炭鋼部品用鋼材（Ｃ含有量が０．２０％程度）と比較して、同等以上の浸炭層深さ（ビッカース硬さがＨＶ５５０以上となる深さ）を十分に得ることができない。一方、Ｆ２が４５．０以上であれば、冷間鍛造前の浸炭鋼部品用鋼材の硬さが上昇し、限界加工率が低下する。したがって、Ｆ２は、１３．０超〜４５．０未満である。Ｆ２は、硬さ指標Ｆ１を満たす範囲内でできるだけ大きい方が好ましい。Ｆ２の好ましい下限は１３．２であり、さらに好ましくは１５．０である。なおＦ２値は、算出された値の小数点第２位を四捨五入して得られた値である。
【００５１】
［式（３）について］
Ｆ３＝Ａｌ×（Ｎ−Ｔｉ×（１４／４８））と定義する。Ｆ３は、ＡｌＮ析出量に関する指標である。ＴｉがＮに対して化学量論的に過剰に含有された場合、Ｎは全てＴｉＮとして固定される。つまり、Ｆ３中の（Ｎ−Ｔｉ×（１４／４８））は、Ｎが鋼中においてＴｉＮ以外の形態になっている量を示す。つまり、（Ｎ−Ｔｉ×（１４／４８））は、鋼中においてＴｉと結合されていないＮ量を示す。なお、Ｆ３中の「１４」はＮの原子量、「４８」はＴｉの原子量を表す。
【００５２】
Ｆ３が０．０００３以下であれば、Ｎと結合するＡｌ量が不足している。この場合、微細ＡｌＮの分散が不足する。そのため、ピンニング効果が有効に作用せず、浸炭処理の加熱時においてオーステナイト結晶粒に粗粒が発生する。一方、Ｆ３が０．００１１以上であれば、ＡｌＮ析出物が微細分散せずに粗大化するため、浸炭処理の加熱時におけるオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制できない。したがって、Ｆ３は０．０００３超〜０．００１１未満である。Ｆ３の好ましい下限は０．０００４であり、さらに好ましくは０．０００５である。Ｆ３の好ましい上限は０．００１０であり、さらに好ましくは０．０００９である。なおＦ３値は、算出された値の小数点第５位を四捨五入して得られた値である。
【００５３】
［式（４）について］
Ｆ４＝Ｃａ／Ｓと定義する。Ｆ４は硫化物の微細化及び球状化に関する指標である。上述のとおり、Ｃａは硫化物に固溶して硫化物を微細化し、さらに、硫化物を球状化する。しかしながら、浸炭鋼部品用鋼材の化学組成のＣａを含む各元素の含有量が上記範囲内であっても、Ｓ含有量に対するＣａ含有量が高すぎれば、Ｃａの一部が硫化物に固溶せず、酸化物を形成してしまう。Ｃａ酸化物は鋼材の限界加工率を低下する。Ｆ４（＝Ｃａ／Ｓ）を適切な範囲に設定できれば、硫化物の微細化及び球状化を促進しつつ、酸化物の生成を抑制することができ、その結果、浸炭鋼部品用鋼材の冷間鍛造性及び限界加工率を高めることができる。その結果、浸炭鋼部品用鋼材から、複雑な浸炭鋼部品への成形が可能となる。
【００５４】
Ｆ４が０．０３未満であれば、化学組成中の各元素含有量が上述の範囲内であって、かつ、Ｆ１〜Ｆ３が式（１）〜式（３）を満たしても、鋼中のＳ含有量に対するＣａ含有量が低すぎるため、硫化物の微細化及び球状化が不十分となる。この場合、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率が低くなる。一方、Ｆ４が０．１５よりも高ければ、化学組成中の各元素含有量が上述の範囲内であって、かつ、Ｆ１〜Ｆ３が式（１）〜式（３）を満たしても、鋼中のＳ含有量に対するＣａ含有量が高すぎるため、酸化物が過剰に生成する。この場合、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率が低くなる。化学組成中の各元素含有量が上述の範囲内であって、かつ、Ｆ１〜Ｆ３が式（１）〜式（３）を満たし、かつ、Ｆ４が０．０３〜０．１５であれば、硫化物を十分に微細化及び球状化することができ、酸化物の過剰な生成も抑制できる。そのため、浸炭鋼部品用鋼材において、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なる。さらに、浸炭鋼部品用鋼材を浸炭処理した場合、従来鋼と同等の浸炭層硬さ及び芯部硬さを有する浸炭鋼部品を製造することができる。Ｆ４の好ましい下限は０．０５であり、さらに好ましくは０．０６である。Ｆ４の好ましい上限は０．１４であり、さらに好ましくは０．１３である。なおＦ４値は、算出された値の小数点第３位を四捨五入して得られた値である。
【００５５】
［浸炭鋼部品用鋼材のミクロ組織］
浸炭鋼部品用鋼材のミクロ組織のうち、介在物及び析出物を除く部分をマトリックス（母相）と定義する。浸炭鋼部品用鋼材のマトリックスは、主としてフェライト及びパーライトからなる。ここで、「主としてフェライト及びパーライトからなる」とは、ミクロ組織におけるフェライト及びパーライトの総面積率が８５．０〜１００．０％であることを意味する。マトリックスにおいて、フェライト及びパーライト以外の相（Ｐｈａｓｅ）はたとえば、ベイナイト、マルテンサイト、及び、セメンタイト等である。本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材のミクロ組織において、ベイナイト、マルテンサイト及びセメンタイトの総面積率は０〜１５．０％である。要するに、本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材において、ミクロ組織におけるフェライト及びパーライトの総面積率は８５．０〜１００．０％であり、ミクロ組織におけるベイナイト、マルテンサイト及びセメンタイトの総面積率は０〜１５．０％である。なお、本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材のミクロ組織において、フェライト及びパーライトの総面積率が１００．０％未満である場合、残部はベイナイト、マルテンサイト及びセメンタイトからなる群から選択される１種又は２種以上である。なお、ミクロ組織の面積率の算出には、フェライト、パーライト、マルテンサイト、ベイナイト、セメンタイトを含める。一方で、上記面積率の算出には、セメンタイト以外の析出物、介在物、及び、残留オーステナイトを含めない。
【００５６】
さらに、本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材のミクロ組織において、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒（ｐｅａｒｌｉｔｅ  ｇｒａｉｎ）の総面積率が２０．０〜３５．０％未満である。上述のとおり、式（１）〜式（４）を満たす化学組成を有する鋼材のミクロ組織において、フェライト及びパーライトの総面積率が８５．０％以上であっても、ミクロ組織中のパーライト粒が微細であれば、切削加工時に切りくずが分断されにくい。式（１）〜式（４）を満たす化学組成を有する鋼材のミクロ組織において、フェライト及びパーライトの総面積率が８５．０％以上であり、かつ、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒（以下、粗大パーライト粒ともいう）の総面積率を適切な量とすれば、冷間鍛造後の切りくず処理性が高まる。
【００５７】
ここで、本明細書におけるパーライト粒を次のとおり規定する。図１は鋼材のミクロ組織観察視野の模式図である。図１を参照して、ミクロ組織観察視野において、パーライトのうちフェライトの結晶方位が同じ領域をパーライトブロックと定義する。そして、バーライトブロック中においてラメラ配向が同じ領域をパーライトコロニーと定義する。図１では、パーライトコロニー２１Ａ及び２１Ｂを含むパーライトブロック２１と、パーライトコロニー２２Ａ及び２２Ｂを含むパーライトブロック２２と、パーライトブロック２３と、パーライトブロック２４とが存在する。そして、観察視野において、パーライトブロック２１及び２２は接触（隣接）している。本明細書においては、単独のパーライトブロック、又は、接触している複数のパーライトブロックを、パーライト粒と定義する。つまり、図１において、パーライトブロック２１及び２２は、１つのパーライト粒２と定義する。一方、単独で存在する（つまり、他のパーライトブロックと接触していない）パーライトブロック２３を１つのパーライト粒２３と定義する。同じく、単独で存在するパーライトブロック２４を１つのパーライト粒２４と定義する。したがって、パーライト粒２の面積が２００μｍ2以上であり、パーライト粒２３の面積が２００μｍ2以上であり、パーライト粒２４の面積が２００μｍ2以上である場合、この観察視野における２００μｍ2以上の面積のパーライト粒の総面積率ＲＰ（％）は、次の式で定義される。
ＲＰ＝パーライト粒２、２３及び２４の総面積／観察視野の面積×１００
【００５８】
２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が２０．０％未満であれば、浸炭鋼部品用鋼材の切削加工時において、切りくずが分断されにくく、切りくず処理性が低下する。一方、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が３５．０％以上であれば、浸炭鋼部品用鋼材中の粗大パーライトの割合が多すぎる。この場合、浸炭鋼部品用鋼材の硬さが過剰に高くなり、限界加工率が低下する。
【００５９】
式（１）〜式（４）を満たす化学組成の浸炭鋼部品用鋼材のミクロ組織におけるフェライト及びパーライトの総面積率が８５．０％以上であり、かつ、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が２０．０〜３５．０％未満であれば、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率を高く維持しつつ、切りくず処理性を高めることができる。２００μｍ2以上のパーライト粒の総面積率の好ましい下限は２２．０％であり、さらに好ましくは２５．０％である。２００μｍ2以上のパーライト粒の総面積率の好ましい上限は３３．０％であり、さらに好ましくは３０．０％である。なお、ミクロ組織中におけるフェライト及びパーライトの総面積率の好ましい下限は９０．０％であり、さらに好ましくは９５．０％であり、さらに好ましくは９７．０％である。
【００６０】
［ミクロ組織中の総面積率の測定方法］
本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材のミクロ組織中のフェライト及びパーライトの総面積率（％）、及び、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率（％）は次の方法で測定される。
【００６１】
浸炭鋼部品用鋼材が棒鋼又は線材である場合、浸炭鋼部品用鋼材の長手方向（軸方向）に垂直な断面（以下、横断面という）のうち、表面と中心軸とを結ぶ半径Ｒの中央位置（Ｒ／２位置）からサンプルを採取する。採取したサンプルの表面のうち、上記横断面に相当する表面を観察面とする。観察面を鏡面研磨した後、２％硝酸アルコール（ナイタール腐食液）を用いて観察面をエッチングする。エッチングされた観察面を、５００倍の光学顕微鏡を用いて観察し、任意の２０視野の写真画像を生成する。各視野のサイズは、５００μｍ×５００μｍとする。
【００６２】
各視野において、フェライト、パーライト等の各相は、相ごとにコントラストが異なる。したがって、コントラストに基づいて、各相を特定する。特定された相のうち、各視野でのフェライトの総面積（μｍ2）、及び、パーライトの総面積（μｍ2）を求める。全ての視野の総面積に対する、全ての視野におけるフェライトの総面積とパーライトの総面積との合計の割合（％）を、フェライト及びパーライトの総面積率（％）と定義する。
【００６３】
さらに、全ての視野において、上記で定義したパーライト粒を特定し、各パーライト粒の面積を求める。そして、２００μｍ2以上となるパーライト粒の総面積を求める。２００μｍ2以上のパーライト粒の総面積の、全ての視野の総面積に対する割合（％）を、２００μｍ2以上のパーライト粒の総面積率（％）と定義する。
【００６４】
なお、ミクロ組織の面積率の算出には、フェライト、パーライト、マルテンサイト（焼戻しマルテンサイトも含む）、ベイナイト（焼戻しベイナイトも含む）、セメンタイト（球状化セメンタイトも含む）を含める。一方で、上記面積率の算出には、セメンタイト以外の析出物、介在物、及び、残留オーステナイトを含めない。
【００６５】
本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材は、化学組成中の各元素が上記範囲内であって、式（１）〜式（４）を満たす。さらに、ミクロ組織中のフェライト及びパーライトの総面積率が８５．０％以上であり、かつ、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が２０．０〜３５．０％未満である。そのため、冷間鍛造時における限界加工率を高めることができ、冷間鍛造後の切削加工において、切りくず処理性に優れる。さらに、浸炭処理後の浸炭鋼部品において、芯部の硬さが十分に高めることができ、十分な深さの浸炭層も得られる。浸炭鋼部品用鋼材の製造方法については後述する。
【００６６】
［浸炭鋼部品について］
本実施形態の浸炭鋼部品は、上述の本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材を用いて製造される。具体的には、浸炭鋼部品は、冷間鍛造後の上述の浸炭鋼部品用鋼材を浸炭処理して製造される。浸炭鋼部品の製造方法については後述する。
【００６７】
浸炭鋼部品は、浸炭層と、芯部とを備える。浸炭層は、浸炭鋼部品の表面からの深さが０．４〜２．０ｍｍ未満である。つまり、浸炭層は浸炭鋼部品の表層に形成されている。本実施形態において、浸炭層は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４：２００９に準拠したビッカース硬さが５５０ＨＶ以上となる領域を意味する。芯部は、浸炭鋼部品のうち、浸炭層よりも内部の領域に相当する。芯部の化学組成は、上述の浸炭鋼部品の化学組成と同じである。つまり、芯部の化学組成中の元素含有量は上記数値範囲内であって、式（１）〜式（４）を満たす。
【００６８】
浸炭鋼部品において、浸炭鋼部品の表面から５０μｍ深さ位置は浸炭層に相当する。浸炭鋼部品の表面から５０μｍ深さ位置でのＪＩＳ  Ｚ  ２２４４：２００９に準拠したビッカース硬さは６５０〜１０００ＨＶである。つまり、上記位置での浸炭層のビッカース硬さは６５０〜１０００ＨＶである。浸炭層は浸炭処理により形成され、浸炭層のビッカース硬さは、素材である浸炭鋼部品用鋼材よりも高くなる。
【００６９】
上記構成を有する浸炭鋼部品において、浸炭鋼部品の表面から２．０ｍｍ深さ位置は芯部に相当する。浸炭鋼部品の表面から２．０ｍｍ深さ位置でのＪＩＳ  Ｚ  ２２４４：２００９に準拠したビッカース硬さは２５０〜５００ＨＶである。つまり、上記位置での芯部のビッカース硬さは２５０〜５００ＨＶである。
【００７０】
浸炭鋼部品のビッカース硬さは、次の方法で測定する。浸炭鋼部品の任意の表面に垂直な断面を測定面とする。測定面において、表面から５０μｍ深さ位置のビッカース硬さと、表面から０．４ｍｍ深さ位置のビッカース硬さとを、マイクロビッカース硬度計を用いて、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４：２００９に準拠したビッカース硬さ試験により求める。試験時の荷重は０．４９Ｎとする。５０μｍ深さ位置１０箇所のビッカース硬さＨＶを測定して、その平均値を、５０μｍ深さ位置でのビッカース硬さＨＶとする。また、０．４ｍｍ深さ位置１０箇所のビッカース硬さＨＶを測定して、その平均値を、０．４ｍｍ深さ位置でのビッカース硬さＨＶとする。０．４ｍｍ深さ位置でのビッカース硬さが５５０ＨＶ以上であれば、浸炭層深さが少なくとも０．４ｍｍ以上であると判断する。また、測定面において、表面から２．０ｍｍ深さ位置のビッカース硬さを、マイクロビッカース硬度計を用いて、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４：２００９に準拠したビッカース硬さ試験により求める。試験時の荷重は０．４９Ｎとする。２．０ｍｍ深さ位置１０箇所のビッカース硬さＨＶを測定して、その平均値を、２．０ｍｍ深さ位置でのビッカース硬さＨＶとする。
【００７１】
浸炭鋼部品は、鉱山機械、建設機械、自動車等に利用される機械構造用部品として適用される。機械構造用部品はたとえば、歯車、シャフト、プーリー等である。
【００７２】
以上の構成を有する浸炭鋼部品用鋼材は、冷間鍛造時において、優れた限界加工率を示し、冷間鍛造後の切削加工において、優れた切りくず処理性を示す。さらに、浸炭処理後の浸炭鋼部品において、十分な深さの浸炭層、及び、十分な硬さの芯部を得ることができる。
【００７３】
［浸炭鋼部品用鋼材の製造方法］
本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材の製造方法の一例を説明する。なお、本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材は、以下に説明する製造方法に限定されず、上記構成を有すれば、製造方法は限定されない。ただし、以下に説明する製造方法は、本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材を製造する好適な一例である。
【００７４】
本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材の製造方法の一例は、素材準備工程と、熱間加工工程とを含む。以下、各工程について説明する。
【００７５】
［素材準備工程］
素材準備工程では、上述の式（１）〜式（４）を満たす化学組成を有する素材を準備する。素材はたとえば、次の方法により製造される。上述の式（１）〜式（４）を満たす化学組成の溶鋼を製造する。上記溶鋼を用いて、鋳造法により素材（鋳片又はインゴット）を製造する。たとえば、上記溶鋼を用いて周知の連続鋳造法により鋳片（ブルーム）を製造する。又は、上記溶鋼を用いて周知の造塊法によりインゴットを製造する。
【００７６】
［熱間加工工程］
熱間加工工程では、素材準備工程にて準備された素材（ブルーム又はインゴット）に対して、熱間加工を実施して、浸炭鋼部品用鋼材を製造する。浸炭鋼部品用鋼材の形状は特に限定されないが、たとえば、棒鋼又は線材である。以下の説明では、一例として、浸炭鋼部品用鋼材が棒鋼である場合について説明する。しかしながら、浸炭鋼部品用鋼材が棒鋼以外の他の形状であっても同様の熱間加工工程で製造可能である。
【００７７】
熱間加工は粗圧延工程と、仕上げ圧延工程とを含む。粗圧延工程では、素材を熱間加工してビレットを製造する。粗圧延工程はたとえば、分塊圧延機を用いる。分塊圧延機により素材に対して分塊圧延を実施して、ビレットを製造する。分塊圧延機の下流に連続圧延機が設置されている場合、分塊圧延後のビレットに対してさらに、連続圧延機を用いて熱間圧延を実施して、さらにサイズの小さいビレットを製造してもよい。連続圧延機では、一対の水平ロールを有する水平スタンドと、一対の垂直ロールを有する垂直スタンドとが交互に一列に配列される。以上の工程により、粗圧延工程では、素材をビレットに製造する。
【００７８】
仕上げ圧延工程では、加熱炉又は均熱炉を用いてビレットを加熱する。加熱後のビレットに対して、連続圧延機を用いて熱間圧延を実施して、浸炭鋼部品用鋼材である棒鋼を製造する。
【００７９】
仕上げ圧延工程において、加熱炉又は均熱炉での加熱温度をＴ１（℃）と定義し、加熱炉及び均熱炉での保持時間をｔ１（時間）と定義する。ここで、加熱温度Ｔ１は炉温とし、保持時間ｔ１は、ビレットの炉内での滞在時間（時間）とする。このとき、好ましい加熱温度Ｔ１は１２００〜１２５０℃であり、好ましい保持時間ｔ１は１．５〜１５．０時間である。なお、加熱温度Ｔ１及び保持時間ｔ１が上記範囲を外れても、後述する仕上げ温度Ｔ２及び平均冷却速度ＣＲが適切な範囲であれば、上述の構成を有する浸炭鋼部品用鋼材を製造できる。
【００８０】
連続圧延機を用いた仕上げ圧延において、最終の圧下を行ったスタンドでの出側での素材温度を、仕上げ温度Ｔ２と定義する。仕上げ温度は、最終の圧下を行ったスタンドの出側に設置された測温計により測定された素材の表面温度（℃）とする。測温計はたとえば、放射温度計である。仕上げ圧延工程において、仕上げ温度Ｔ２、及び仕上げ圧延後の冷却速度をそれぞれ、次の範囲とする。
【００８１】
仕上げ温度Ｔ２：１０００〜１１００℃
仕上げ温度Ｔ２が１０００℃未満であれば、後述の冷却を実施した場合であっても、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が２０．０％未満となり、切りくず処理性が低下する。一方、仕上げ圧延温度Ｔ２が１１００℃を超えれば、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が３５．０％以上となり、限界加工率が低下する。したがって、仕上げ温度Ｔ２は１０００〜１１００℃である。仕上げ温度Ｔ２の好ましい下限は１０２０℃であり、さらに好ましくは１０３０℃である。仕上げ温度Ｔ２の好ましい上限は１０９０℃であり、さらに好ましくは１０８０℃である。
【００８２】
仕上げ温度Ｔ２から鋼材温度が６００℃になるまでの平均冷却速度ＣＲ：２．０℃／秒以下
【００８３】
パーライト変態は、鋼材温度が６００℃になるまでにほぼ完了する。仕上げ温度Ｔ２から鋼材温度が６００℃になるまでの平均冷却速度ＣＲが２．０℃／秒以下であれば、平均冷却速度ＣＲは大気中での放冷以下の冷却速度となる。この場合、浸炭鋼部品用鋼材中のミクロ組織において、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が２０．０％以上となり、十分な切りくず処理性が得られる。一方、平均冷却速度ＣＲが２．０℃／秒を超えれば、冷却速度が速すぎる。この場合、上述の定義のパーライト粒が微細になり、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が２０．０％未満となる。その結果、浸炭鋼部品用鋼材の切りくず処理性が低下する。平均冷却速度ＣＲがさらに速くなれば、浸炭鋼部品用鋼材のミクロ組織において、ベイナイト及び／又はマルテンサイトが生成する。この場合、ミクロ組織中のフェライト及びパーライトの総面積率が８５．０％未満となり、限界加工率が低下する。
【００８４】
なお、平均冷却速度ＣＲは次の方法で測定する。仕上げ圧延後の鋼材は、搬送ラインで下流に搬送される。搬送ラインには、複数の測温計が搬送ラインに沿って配置されており、搬送ラインの各位置での鋼材温度を測定可能である。搬送ラインに沿って配置された複数の測温計に基づいて、鋼材温度が仕上げ温度Ｔ２から６００℃になるまでの時間を求め、平均冷却速度ＣＲ（℃／秒）を求める。
【００８５】
たとえば、搬送ラインに複数の徐冷カバーを間隔を開けて配置することにより、平均冷却速度ＣＲを調整できる。なお、鋼材温度が６００℃以下となった後の鋼材の冷却方法は特に限定されない。
【００８６】
以上の製造工程により、上述の構成を有する本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材を製造できる。
【００８７】
［浸炭鋼部品の製造方法］
次に、本実施形態による浸炭鋼部品の製造方法の一例について説明する。本製造方法は、上述の浸炭鋼部品用鋼材に対して冷間鍛造を実施して、中間部材を製造する冷間鍛造工程と、中間部材を切削する切削加工工程と、中間部材に対して浸炭処理又は浸炭窒化処理を実施する浸炭工程と、浸炭工程後の中間部材に対して焼入れ及び焼戻しを実施する仕上げ熱処理工程とを含む。
【００８８】
［冷間鍛造工程］
冷間鍛造工程では、上述の製造方法で製造された浸炭鋼部品用鋼材に、冷間鍛造を実施して形状を付与し、中間部材を製造する。この冷間鍛造工程での加工率、ひずみ速度などの冷間鍛造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】
［切削加工工程］
冷間鍛造工程後であって後述の浸炭工程前の中間部材に対して、切削加工を実施して形状を付与する。切削加工を実施することにより、冷間鍛造工程だけでは困難な、精密形状を浸炭鋼部品に付与することができる。本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材を用いた場合、切削加工工程での切りくず処理性に優れる。
【００９０】
［浸炭工程］
切削加工工程後の中間部材に対して、浸炭工程として、浸炭処理、又は浸炭窒化処理を実施する。上述のビッカース硬さ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。
【００９１】
［仕上げ熱処理工程］
浸炭工程後、必要に応じて、仕上げ熱処理工程を実施する。仕上げ熱処理工程では、焼入れ処理、又は、焼入れ及び焼戻し処理を実施して、浸炭鋼部品を製造する。上述したビッカース硬さを有する浸炭鋼部品を製造するために、焼入れ処理、又は、焼入れ及び焼戻し処理の条件として、焼入れ媒体の温度を室温〜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実施してもよい。
【００９２】
［その他の工程］
必要に応じて、仕上熱処理工程後の浸炭鋼部品に対してさらに、研削加工を実施したり、ショットピーニング処理を実施してもよい。研削加工を実施することにより、精密形状を浸炭鋼部品に付与することができる。ショットピーニング処理を実施することにより、浸炭鋼部品の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き裂の発生及び進展を抑制する。そのため、浸炭鋼部品の疲労強度を高める。たとえば、浸炭鋼部品が歯車である場合、浸炭鋼部品の歯元及び歯面の疲労強度を向上できる。ショットピーニング処理は、周知の方法で実施すればよい。ショットピーニング処理はたとえば、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以上の条件で実施するのが好ましい。
【実施例】
【００９３】
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。以下の実施例での条件は、本実施形態の浸炭鋼部品用鋼材及び浸炭鋼部品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る。したがって、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。
【００９４】
表１に示す化学組成の溶鋼を準備した。このとき、溶鋼を連続鋳造により鋳造して鋳片を得た。
【００９５】
【表１】
2020105602.tif 000003
【００９６】
表１中の空白欄は、対応する元素含有量が検出限界未満であったことを意味する。この鋳片を加熱した後、粗圧延工程である分塊圧延及びその後の連続圧延機による圧延を実施して、１６２ｍｍ×１６２ｍｍの横断面（長手方向に垂直な断面）のビレットを製造した。分塊圧延での加熱温度は１２００〜１２５０℃であった。
【００９７】
製造されたビレットを用いて、仕上げ圧延工程を実施して、直径３０ｍｍの棒鋼（浸炭鋼部品用鋼材）を製造した。仕上げ圧延工程における各試験番号の加熱温度Ｔ１は表２に示すとおりであった。なお、保持時間ｔ１はいずれの試験番号においても１．５〜３．０時間であった。また、各試験番号の仕上げ温度Ｔ２、仕上げ温度Ｔ２から鋼材温度が６００℃になるまでの平均冷却速度ＣＲは表２に示すとおりであった。
【００９８】
【表２】
2020105602.tif 000004
【００９９】
［評価試験］
［ミクロ組織観察試験］
各試験番号の棒鋼のＲ／２位置から、ミクロ組織観察用のサンプルを採取した。サンプルの表面のうち、棒鋼の長手方向に垂直な断面に相当する表面を観察面とした。観察面を鏡面研磨した後、２％硝酸アルコール（ナイタール腐食液）を用いて観察面をエッチングした。エッチングされた観察面を、５００倍の光学顕微鏡を用いて観察し、任意の２０視野の写真画像を生成した。各視野のサイズは、５００μｍ×５００μｍとした。フェライト、パーライト等の各相は、相ごとにコントラストが異なる。したがって、コントラストに基づいて、各相を特定した。特定された相のうち、各視野でのフェライトの総面積（μｍ2）、及び、パーライトの総面積（μｍ2）を求めた。全ての視野の総面積に対する、全ての視野におけるフェライトの総面積とパーライトの総面積との合計の割合（％）を、フェライト及びパーライトの総面積率（％）と定義した。（表２中の「フェライト＋パーライト総面積率」に相当。）
【０１００】
さらに、全ての視野において、上記で定義したパーライト粒を特定し、各パーライト粒の面積を求めた。そして、２００μｍ2以上となるパーライト粒の総面積を求めた。全ての視野の総面積に対する、２００μｍ2以上のパーライト粒の総面積の割合（％）を、２００μｍ2以上のパーライト粒の総面積率（％）とした（表２中の「粗大パーライト粒総面積率」に相当。）。表２中の「残部組織」欄には、各試験番号において、フェライト及びパーライト以外に観察された相を示す。欄中の「−」は、ミクロ組織中のマトリックスにおいて、フェライト及びパーライト以外の相が観察されなかったことを示す。欄中の「Ｍ」は、ミクロ組織中のマトリックスにおいて、フェライト及びパーライト以外にマルテンサイトが観察されたことを示す。欄中の「Ｂ」は、ミクロ組織中のマトリックスにおいて、フェライト及びパーライト以外にベイナイトが観察されたことを示す。欄中の「Ｃ」は、ミクロ組織中のマトリックスにおいて、フェライト及びパーライト以外にセメンタイトが観察されたことを示す。
【０１０１】
なお、上述の面積率の算出において、フェライト、パーライト、マルテンサイト（焼戻しマルテンサイトも含む）、ベイナイト（焼戻しベイナイトも含む）、セメンタイト（球状化セメンタイトも含む）を含めた。一方で、上記面積率の算出には、セメンタイト以外の析出物、介在物、及び、残留オーステナイトを含めなかった。
【０１０２】
各試験番号のフェライト及びパーライトの総面積率、及び、各試験番号の２００μｍ2以上の面積を有する粗大パーライト粒の総面積率（％）を表２に示す。
【０１０３】
［限界圧縮率測定試験］
各試験番号の棒鋼から、複数の限界圧縮率測定試験片を採取した。限界圧縮率測定試験片の直径は６ｍｍであり、長さは９ｍｍであった。限界圧縮率測定試験片の長手方向は、棒鋼の長手方向と平行であった。また、限界圧縮率測定試験片の中心軸は、各試験番号の棒鋼のＲ／２位置に相当した。限界圧縮率測定試験片の長手方向の中央位置に、周方向に切欠きを形成した。切欠き角度は３０度であり、切欠き深さは０．８ｍｍであり、切欠き先端の曲率半径は０．１５ｍｍであった。
【０１０４】
限界圧縮率測定試験には、５００ｔｏｎ油圧プレス機を用いた。作製された限界圧縮率測定試験片に対して、次の方法により限界圧縮率測定試験を実施した。各試験片に対して、拘束ダイスを使用して１０ｍｍ／分のスピードで冷間圧縮試験を行った。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（％）を求めた。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。各試験番号の限界圧縮率（％）を表２に示す。従来の浸炭鋼部品用鋼材の限界圧縮率は６５％であるため、この値よりも明らかに高い値とみなせる６８％以上となる場合、限界加工率が優れると判断した。なお、限界圧縮率が６８％未満の試験番号に対しては、浸炭鋼部品の評価試験を実施しなかった。
【０１０５】
［被削性試験］
各試験番号の直径３０ｍｍの棒鋼に対して、冷間鍛造を模擬した冷間引抜きを実施した。具体的には、直径３０ｍｍの棒鋼に対して、減面率３０．６％で冷間引抜きを実施して、直径２５ｍｍの棒鋼とした。冷間引抜き後の棒鋼を長さ５０ｍｍに切断し、旋削加工用試験片とした。
【０１０６】
ＮＣ旋盤を用いて、旋削加工用試験片の外周を旋削加工した。旋削加工試験に使用した工具の詳細、及び、施削加工条件は次のとおりであった。
【０１０７】
［工具］
母材材質：超硬Ｐ２０種グレード
コーティング：なし
［旋削加工条件］
周速：１５０ｍ／分
送り速度：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．４ｍｍ
潤滑：水溶性切削油を使用
【０１０８】
切りくず処理性は、以下の方法で評価した。上記被削性試験中の任意の１０秒間で排出された切りくずを回収した。回収された切りくずの長さを調べ、長いものから順に１０個の切りくずを選択した。選択された１０個の切りくずの総重量を「切りくず重量」と定義した。切りくずが長くつながった結果、回収した切りくずの総数が１０個未満である場合、回収された切りくずの総重量を測定し、１０個の個数に換算した値を「切りくず重量」と定義した。例えば、切りくずの総数が７個であって、その総重量が１２ｇである場合、切りくず重量は、１２ｇ×１０個／７個、と計算した。
【０１０９】
各試験番号の切りくず重量が１５ｇ以下であれば、切りくず処理性が高いと判断した。切りくず重量が１５ｇを超える場合、切りくず処理性が低いと評価した。評価結果を表２に示す。
【０１１０】
［浸炭鋼部品評価試験］
各試験番号の棒鋼から、直径２０ｍｍ、長さ３０ｍｍの試験片を採取した。試験片の中心は、各試験番号の棒鋼の中心とほぼ一致した。採取した試験片に対して、変成炉ガス方式による浸炭処理（ガス浸炭処理）を実施した。ガス浸炭処理では、カーボンポテンシャルを０．８％として、９５０℃で５時間保持した。続いて、８５０℃で０．５時間保持した。以上の工程後、試験片を１３０℃への油槽に浸漬して油焼入れを実施した。焼入れ後の試験片に対して、１５０℃で９０分の焼戻しを行って、浸炭鋼部品を製造した。
【０１１１】
各試験番号の浸炭鋼部品の、浸炭層及び芯部について、次の測定を実施した。具体的には、各試験番号の浸炭鋼部品の長手方向に垂直な切断面において、表面から５０μｍ深さ位置のビッカース硬さと、表面から０．４ｍｍ深さ位置のビッカース硬さを、マイクロビッカース硬度計を用いて、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４：２００９に準拠したビッカース硬さ試験により求めた。試験時の荷重は０．４９Ｎとした。５０μｍ深さ位置１０箇所のビッカース硬さＨＶを測定して、その平均値を、５０μｍ深さ位置でのビッカース硬さＨＶとした。また、０．４ｍｍ深さ位置１０箇所のビッカース硬さＨＶを測定して、その平均値を、０．４ｍｍ深さ位置でのビッカース硬さＨＶとした。
【０１１２】
表面から深さ０．４ｍｍの位置での硬さが５５０ＨＶ以上であれば、浸炭層が表面から少なくとも０．４ｍｍまで存在すると判断した。また、表面から深さ５０μｍの位置でのビッカース硬さが６５０〜１０００ＨＶの場合、浸炭鋼部品の浸炭層の硬さが十分であると判断した。測定結果を表２に示す。
【０１１３】
上記浸炭鋼部品の芯部のビッカース硬さ及び化学組成を次の方法で測定した。浸炭鋼部品の長手方向に垂直な切断面において、表面から２．０ｍｍ深さ位置のビッカース硬さを、マイクロビッカース硬度計を用いて、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４：２００９に準拠したビッカース硬さ試験により求めた。試験時の荷重は０．４９Ｎとした。２．０ｍｍ深さ位置にて１０回の測定を行い、その平均値を表面から２．０ｍｍ深さ位置でのビッカース硬さ（ＨＶ）とした。得られたビッカース硬さを表２に示す。０．２ｍｍ深さ位置でのビッカース硬さが、２５０〜５００ＨＶである場合、芯部硬さが十分であり合格と判定した。
【０１１４】
また、表面から２．０ｍｍ深さ位置での化学組成について、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、浸炭鋼部品用鋼材の化学成分と同じ化学組成である場合、化学組成が同等と判断した。判定結果を表２に示す。
【０１１５】
［浸炭鋼部品の粗粒の有無］
上記浸炭鋼部品の鋼部について、表面から深さ２．０ｍｍの位置での、旧オーステナイト結晶粒の観察を行った。具体的には、浸炭鋼部品の長手方向に垂直な切断面を観察面とした。観察面を鏡面研磨した後、ピクリン酸飽和水溶液にてエッチングを行った。エッチングされた観察面の、表面から２．０ｍｍ深さ位置を含む視野（３００μｍ×３００μｍ）を光学顕微鏡（４００倍）で観察して、旧オーステナイト結晶粒を特定した。特定された旧オーステナイト結晶粒に対して、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５１：２０１３に準拠して、各旧―ステナイト粒の結晶粒度番号を求めた。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」と判定した。
【０１１６】
［試験結果］
表１及び表２を参照して、試験番号１〜１１の鋼材の化学組成は、本実施形態の化学組成の範囲内であり、式（１）〜式（４）を満たした。さらに、製造条件も適切であった。そのため、浸炭鋼部品用鋼材のミクロ組織において、フェライト及びパーライトの総面積率が８５．０％以上であり、かつ、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が２０．０〜３５．０％未満であった。その結果、これらの試験番号の限界圧縮率は６８％以上であり、十分な限界加工率を示した。さらに、いずれの試験番号も切りくず処理性に優れた。さらに、浸炭鋼部品用鋼材において、浸炭層は少なくとも０．４ｍｍ以上の深さを有した。また、５０μｍ深さ位置での浸炭層のビッカース硬さは６５０〜１０００ＨＶであり、２．０ｍｍ深さ位置での芯部のビッカース硬さは２５０〜５００ＨＶであり、浸炭層及び芯部ともに、十分な硬さを有した。
【０１１７】
一方、試験番号１２では、Ｆ１が式（１）の上限を超えた。そのため、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率が低かった。
【０１１８】
試験番号１３では、Ｃ含有量が低すぎた。そのため、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が２０．０％未満となった。そのため、切り屑重量は１５ｇを超え、切りくず処理性が低かった。
【０１１９】
試験番号１４では、Ｃ含有量が高すぎ、Ｆ１が式（１）の上限を超えた。そのため、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が３５．０％を越え、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率が低かった。
【０１２０】
試験番号１５では、Ｆ２が式（２）の上限を超えた。そのため、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率が低かった。
【０１２１】
試験番号１６では、Ｆ３が式（３）の下限未満であった。そのため、浸炭鋼部品の芯部において、旧オーステナイト結晶粒の一部が粗粒となった。
【０１２２】
試験番号１７では、Ｆ３が式（３）の上限を超えた。そのため、浸炭鋼部品の芯部において、旧オーステナイト結晶粒の一部が粗粒となった。
【０１２３】
試験番号１８では、Ｆ４が式（４）の下限未満であった。そのため、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率が低かった。
【０１２４】
試験番号１９では、Ｆ４が式（４）の上限を超えた。そのため、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率が低かった。
【０１２５】
試験番号２０では、Ａｌ含有量が高すぎた。そのため、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率が低かった。
【０１２６】
試験番号２１では、Ａｌ含有量が低すぎた。さらに、芯部硬さが２５０ＨＶ未満となった。また、浸炭鋼部品の芯部において、旧オーステナイト結晶粒の一部が粗粒となった。
【０１２７】
試験番号２２では、Ｃａ含有量が高すぎた。そのため、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率が低かった。
【０１２８】
試験番号２３では、Ｃａ含有量が低すぎた。そのため、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率が低かった。
【０１２９】
試験番号２４では、Ｎ含有量が高すぎ、Ｏ含有量が高すぎた。そのため、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率が低かった。
【０１３０】
試験番号２５では、化学組成は適切であるものの、仕上げ圧延工程での仕上げ温度Ｔ２が低すぎた。そのため、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が２０．０％未満となった。その結果、切り屑重量は１５ｇを超え、切りくず処理性が低かった。
【０１３１】
試験番号２６では、化学組成は適切であるものの、仕上げ圧延工程での仕上げ温度Ｔ２が高すぎた。そのため、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が３５．０％を超えた。そのため、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率が低かった。
【０１３２】
試験番号２７では、化学組成は適切であるものの、仕上げ圧延工程での平均冷却速度ＣＲが速すぎた。そのため、ベイナイト及びマルテンサイトの総面積率が高まり、その結果、フェライト及びパーライトの総面積率が８５．０％未満となった。その結果、浸炭鋼部品用鋼材の限界加工率が低かった。
【０１３３】
試験番号２８では、化学組成は適切であるものの、仕上げ圧延工程での平均冷却速度ＣＲが速すぎた。そのため、フェライト及びパーライトの総面積率は８５．０％以上であったものの、２００μｍ2以上の面積を有するパーライト粒の総面積率が２０．０％未満となった。その結果、切り屑重量が１５ｇを超え、切りくず処理性が低かった。
【０１３４】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。
【図１】
2020105602.tif 000005