(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：0.10〜0.35％、
Si：0.01〜0.50％、
Mn：0.3〜1.5％、
Ｐ：0.02％以下、
Ｓ：0.03％以下、
Al：0.01〜0.05％、
Cr：1.52〜3.0％および
Sb：0.008〜0.035％
を、下記（１）式を満足する範囲で含有し、残部はFe及び不可避的不純物の組成である浸炭用鋼。
記
150［％Sb］＋３［％Si］−［％Cr］≧０    ---（１）
但し、［  ］は各元素の質量％を示す
【請求項２】
質量％で、
Ｃ：0.10〜0.35％、
Si：0.01〜0.50％、
Mn：0.3〜1.5％、
Ｐ：0.02％以下、
Ｓ：0.03％以下、
Al：0.01〜0.05％、
Cr：1.52〜3.0％および
Sb：0.008〜0.035％を含み、さらに
Cu：1.0％以下、
Ni：0.5％以下、
Mo：0.5％以下および
Ｖ：0.5％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有し、かつ下記（２）式を満足し、残部はFe及び不可避的不純物の組成である浸炭用鋼。
記
150［％Sb］＋３［％Si］＋［％Cu］＋［％Ni］−［％Cr］≧０    ---  （２）
但し、［  ］は各元素の質量％を示す
【請求項３】
請求項１または２において、前記組成は、更に、質量％で
Ca：0.0005〜0.005％および
Mg：0.0002〜0.002％
のうちから選ばれる１種または２種を含有する浸炭用鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に産業機器や自動車の分野にて機械構造用鋼として用いられる浸炭用鋼に関し、特に過剰の浸炭が回避される浸炭用鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼の浸炭熱処理は、鋼材表面から炭素を侵入させて内部拡散させ、引き続いて焼入れる事によって、表層は硬く、かつ内部は元々の炭素含有量に従う、比較的軟らかい状態を得ることができる。よって、耐磨耗性や耐疲労特性が向上し、かつ内部靭性が良好といった優れた性質を素材に持たせることが出来、歯車やシャフトなどに幅広く利用されている。
【０００３】
しかしながら、浸炭熱処理では、表面の炭素濃度が被処理材の形状の影響を大きく受ける。すなわち、処理材の平坦部分では狙い通りの硬さや組織が得られても、角部分では浸炭が過剰となり、粗大炭化物の生成に伴う疲労強度の低下が懸念されている。特に、最近用いられるようになってきた真空浸炭では、この傾向がより顕著になっている。そこで、炭素の侵入拡散や炭化物の生成挙動に与える元素の影響を考慮した、成分組成の提案がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、炭化物の生成抑制効果のある、Si、CuおよびNiを増加させ、逆に炭化物を増大させやすいCr量を減らすことによって、過剰浸炭による疲労強度の低下を抑制することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第4254816号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された技術では、Ｓｉを多量に添加しているため、冷間鍛造性の低下が懸念され、またガス浸炭の場合には粒界酸化の問題が生じる。さらに、Ｃｒの低減に伴って強度を確保するためのCuおよびNiを添加せざるを得ず、合金コストが高くなることも問題である。
【０００７】
本発明の目的は、上記の実情に鑑み開発されたものであり、浸炭の熱処理条件によることなく過剰な浸炭が抑制され、かつ優れた冷間鍛造性および疲労強度が得られる浸炭用鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、以下に述べる知見を得た。
すなわち、Sbは、鋼材表面からの過剰な炭素の侵入そして拡散を抑制する作用を有するため、鋼中にSbを添加することによって、角部での過剰浸炭を防止し、平坦部と角部での炭素量の差を軽減することができるとの知見を得た。さらに、炭素の侵入そして拡散を抑制する作用を有するSi、さらにはCuおよびNiの含有量と、炭素の侵入そして拡散を助長する作用を有するCrの含有量と、前述のSbの含有量とを適正に調整することによって、角部での過剰浸炭を防止できるのではないかと考え、Sb，SiおよびCrを種々の量で含有させた鋼について、浸炭を行い、このときの過剰浸炭の有無を調査した。
【０００９】
その調査結果について、浸炭に及ぼすSb量と、Sb，SiおよびCr量との関係を図１に示す。同図から、Sbを適正量で添加する事により、過剰浸炭になりやすい角部での炭素の侵入拡散を抑えられることがわかる。すなわち、Sbを用いることによって、Siの過剰添加に頼らない成分設計が可能となることを見出したのである。なお、過剰浸炭の有無の調査は、後述する実施例と同様の手法で行った。
【００１０】
本願発明は、以上の知見に基づいて成されたものであり、その要旨構成は次のとおりである。
（１）質量％で、
Ｃ：0.10〜0.35％、
Si：0.01〜0.50％、
Mn：0.3〜1.5％、
Ｐ：0.02％以下、
Ｓ：0.03％以下、
Al：0.01〜0.05％、
Cr：1.52〜3.0％および
Sb：0.008〜0.035％
を、下記（１）式を満足する範囲で含有し、残部はFe及び不可避不純物の組成である浸炭用鋼。
記
150［％Sb］＋３［％Si］−［％Cr］≧  ０    ---  （１）
但し、［  ］は各元素の質量％を示す
【００１１】
（２）質量％で、
Ｃ：0.10〜0.35％、
Si：0.01〜0.50％、
Mn：0.3〜1.5％、
Ｐ：0.02％以下、
Ｓ：0.03％以下、
Al：0.01〜0.05％、  
Cr：1.52〜3.0％および
Sb：0.008〜0.035％を含み、さらに
Cu：1.0％以下、
Ni：0.5％以下、
Mo：0.5％以下および
Ｖ：0.5％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有し、かつ下記（２）式を満足し、残部はFe及び不可避不純物の組成である浸炭用鋼。
記
150［％Sb］＋３［％Si］＋［％Cu］＋［％Ni］−［％Cr］≧０    ---  （２）
但し、［  ］は各元素の質量％を示す
【００１２】
（３）前記（１）または（２）において、前記組成は、更に、質量％で
Ca：0.0005〜0.005％および
Mg：0.0002〜0.002％
のうちから選ばれる１種または２種を含有する浸炭用鋼。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、浸炭熱処理条件や部品形状によらずに、角部での過剰浸炭は抑制され、優れた冷間鍛造性および疲労強度を得ることができるため、工業上非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】過剰浸炭とＳｂなどの添加元素との関係を示すグラフである。
【図２】角部の過剰浸炭有無の調査に用いた試験片形状を示す図である。
【図３】浸炭熱処理条件を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の浸炭用鋼を具体的に説明する。
まず、本発明において、鋼の成分組成を上記の範囲に限定した理由について、成分元素毎に詳しく説明する。なお、各元素の含有量に関する「％」表示は、特に断らない限り「質量％」を意味するものとする。
【００１６】
Ｃ：0.10〜0.35％
Ｃは、浸炭熱処理後の焼入れにより被処理材芯部の硬度を高めるために、0.10％以上の含有量が必要になるが、含有量が0.35％を超えると芯部の靭性が低下するため、Ｃ量は0.10〜0.35％の範囲に限定した。好ましくは、0.30％以下の範囲である。
【００１７】
Si：0.01〜0.50％
Siは、脱酸剤として必要であり、少なくとも0.01％の添加が必要である。しかしながら、Siは浸炭表層で優先的に酸化し、粒界酸化を促進する元素である。また、フェライトを固溶強化して変形抵抗を高める結果、冷間鍛造性を劣化させるため、上限を0.50％とする。好ましくは、0.03〜0.35％である。
【００１８】
Mn：0.30〜1.50％
Mnは、焼入性に有効な元素であり、少なくとも0.30％の添加を必要とする。しかし、Mnは粒界酸化を引き起こしやすく、また過剰な添加は残留オーステナイトを増加させ、表面硬度の低下を招くことから、上限を1.50％とする。好ましくは、0.60〜1.40％の範囲である。
【００１９】
Ｐ：0.02％以下
Ｐは、結晶粒界に偏析し、靱性を低下させるため、その混入は低いほど望ましいが、0.02％までは許容される。好ましくは、0.018％以下である。
【００２０】
Ｓ：0.03％以下
Ｓは、硫化物系介在物として存在し、被削性の向上に有効な元素である。しかしながら、過剰な添加は疲労強度の低下を招くため、上限を0.03％とした。
【００２１】
Al：0.01〜0.05％
Alは、脱酸剤として必要であり、少なくとも0.01％以上の添加が必要である。また、AlはＮと結合してAlＮを形成し、オーステナイトの結晶粒の微細化に寄与する元素である。しかしながら、含有量が0.05％を超えると疲労強度に対して有害なAl２Ｏ３介在物の生成を助長するため、0.01〜0.05％の範囲に限定した。
【００２２】
Cr：1.0〜3.0％
Crは、焼入性のみならず、焼戻し軟化抵抗の向上に寄与し、さらには炭化物の球状化促進にも有用な元素であるが、含有量が1.52％に満たないとその添加効果に乏しく、一方、3.0％を超えると浸炭部での炭化物生成を促進し、疲労強度に悪影響を与える場合がある。よってCr量は1.52〜3.0％の範囲に限定した。好ましくは、1.52〜2.6％の範囲である。
【００２３】
Sb：0.008〜0.035％
Sbは、本発明において、最も重要な元素である。Ｓｂは、鋼材表面から過剰な炭素の侵入並びに拡散を抑制し、平坦部と角部での炭素量の差を軽減することが可能である。この効果を発揮するためには、0.008％以上の添加が必要である。一方、過剰な添加は、鍛造性などの低下を招くことから上限を0.035％とした。さらに、好ましくは、0.013〜0.035％である。
【００２４】
前述したように、Sbの過剰浸炭の抑制効果は、鋼中のSiやCrの含有量に影響を受ける。図１に示したように、Sb、SiおよびCr量の関係が下記（１）式を満足する範囲にすることにより、過剰浸炭を抑制できる。なお、CuおよびNiも同様に炭化物生成の抑制効果を示すことから、後述するようにCuおよびNiを添加した場合は、下記（２）式の条件を満たすことにより過剰浸炭の抑制が可能となる。
記
150［％Sb］＋３［％Si］−［％Cr］≧０    ---  （１）
150［％Sb］＋３［％Si］＋［％Cu］＋［％Ni］−［％Cr］≧０    ---  （２）
【００２５】
さらに、本発明では、焼入性を高めるために上記の基本成分に、更にCu：1.0％以下、Ni：0.5％以下、Mo：0.5％以下およびＶ：0.5％以下から選ばれる１種または２種以上を含有することができる。
Cuは、焼入性の向上に有効な元素であり、0.1％以上で添加することが好ましいが、多量の添加は鋼材の表面性状の劣化や合金コストの増加を招くため、上限を1.0％とした。
Ni、MoおよびＶは、焼入性や靭性の向上に有効な元素であり、0.05％以上で添加することが好ましいが、高価であるため、上限をそれぞれ0.5％とした。
【００２６】
また、本発明は、硫化物の形態を制御し、被削性や冷間鍛造性を高めるために上記成分に、更にCa：0.0005〜0.005％およびMg：0.0005〜0.002％から選ばれる１種または２種を添加することができる。CaおよびMgによる上記効果を得るには、少なくとも0.0005％以上の添加を行うことが好ましい。一方、過剰に添加した場合には、粗大な介在物を形成し、疲労強度に悪影響を与えるため、CaおよびMgについてそれぞれ上限を0.005％および0.002％とした。
【実施例】
【００２７】
次に、本発明の実施例について説明する。
まず、供試鋼として表１に示す成分組成の鋼を溶製し、熱間圧延により直径60mmの丸棒を製造した。得られた丸棒について、図２に示す角部（角度：60°）を持つ試験片を採取し、図３に示す熱履歴に従って平坦部における有効硬化深さ（Hv≧550となる表面からの深さ）が1.2mm狙いとした浸炭熱処理を施し、該浸炭熱処理を施した後の試験片の角部１および平坦部２の炭素濃度を調査した。
また、角部１については、表面硬度、残留オーステナイト量、粒界酸化深さをそれぞれ測定した。
【００２８】
ここで、表面硬度がHv700以下、残留オーステナイト量が40％以上、粒界酸化深さが20μm以上のいずれかを満たす場合は過剰浸炭である。
【００２９】
また、上記の丸棒より試験歯車を作製し、上記と同様の浸炭熱処理を施し、同一素材の２枚の歯車をかみ合わせて、疲労試験を行い、107回強度を測定した。疲労強度が665MPa以上であれば、疲労強度は良好であるといえる。
【００３０】
さらに、冷間加工性は、限界据え込み率および変形抵抗の２項目で評価した。
すなわち、変形抵抗は、圧延ままの棒鋼の直径の1/4深さ位置から、直径10mmおよび高さ15mmの試験片を採取し、300ｔプレス機を用いて、60％据え込み時の圧縮荷重を測定し、日本塑性加工学会が提唱している端面拘束圧縮により、変形抵抗測定方法を用いて求めた。また、限界据え込み率は、変形抵抗を測定した方法で圧縮加工を行い、端部に割れが入ったときの据え込み率を限界据え込み率とした。
なお、変形抵抗値が899MPa以下および限界割れ率が74％以上であれば、冷間鍛造性は良好であるといえる。
得られた結果を表２に示す。
【００３１】
【表１】
0005526689.tif 000002
【００３２】
【表２】
0005526689.tif 000003
【００３３】
表２に示したとおり、本発明により得られた発明例はいずれも、冷間加工性に優れかつ疲労強度にも優れていることが分かる。
一方、No．11は、Si含有量が高い鋼を用いているため、変形抵抗が高く、また、限界据え込み率が低い。No．12はＳｂ含有量が低い鋼を用いているため、角部に過剰浸炭が生じていた。また、疲労強度も低い値を示した。No．13は、Sb、SiおよびCrの含有量が上記した（１）式を満足しないため、角部に過剰浸炭が生じており、また、疲労強度も低い値を示した。No．14は、Sb、SiおよびCrの含有量が上記した（２）式を満足しないため、角部に過剰浸炭が生じており、また疲労強度も低い値を示した。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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