(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．９０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．８００％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０１００％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる機械構造用鋼であり、該鋼からなる鋼材のマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）が４６０℃以下であり、該鋼材についてのジョミニー式一端焼入法により測定される鋼材の焼入端からの距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍおよび距離９ｍｍにおける硬さのＪ９ｍｍを用いて、下記の式（１）によって算出したＪ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６８〜０．９７の範囲にあり、さらに距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍ、および距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１ｍｍを用いて、下記の式（２）によって算出したＪ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６３〜０．９４の範囲にあることを特徴とする熱処理変形の小さい機械構造用鋼材。
ただし、
Ｊ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍ＝（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入端からの距離９ｍｍの硬さ）÷（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入端からの距離１．５ｍｍの硬さ）……（１）
Ｊ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍ＝（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入端からの距離１１ｍｍの硬さ）÷（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入端からの距離１．５ｍｍの硬さ）……（２）
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．９０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．８００％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０１００％を含有し、さらにＮｉ：０．２０〜３．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％の１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる機械構造用鋼であり、該鋼からなる鋼材のマルテンサイト変態開始温度Ｍｓ点）が４６０℃以下であり、該鋼材についてのジョミニー式一端焼入法により測定される鋼材の焼入端からの距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍおよび距離９ｍｍにおける硬さのＪ９ｍｍを用いて、下記の式（１）によって算出したＪ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６８〜０．９７の範囲にあり、さらに距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍ、および距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１ｍｍを用いて、下記の式（２）によって算出したＪ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６３〜０．９４の範囲にあることを特徴とする熱処理変形の小さい機械構造用鋼材。
ただし、
Ｊ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍ＝（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入端からの距離９ｍｍの硬さ）÷（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入端からの距離１．５ｍｍの硬さ）……（１）
Ｊ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍ＝（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入端からの距離１１ｍｍの硬さ）÷（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入端からの距離１．５ｍｍの硬さ）……（２）
【請求項３】
質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．９０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．８００％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０１００％を含有し、さらにＴｉ：０．０２０〜０．２００％、Ｎｂ：０．０２〜０．２０％の１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる機械構造用鋼であり、該鋼からなる鋼材のマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）が４６０℃以下であり、該鋼材についてのジョミニー式一端焼入法により測定される鋼材の焼入端からの距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍおよび距離９ｍｍにおける硬さのＪ９ｍｍを用いて、下記の式（１）によって算出したＪ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６８〜０．９７の範囲にあり、さらに距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍおよび距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１ｍｍを用いて、下記の式（２）によって算出したＪ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６３〜０．９４の範囲にあることを特徴とする熱処理変形の小さい機械構造用鋼材。
ただし、
Ｊ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍ＝（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入れ端からの距離９ｍｍの硬さ）÷（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入れ端からの距離１．５ｍｍの硬さ）……（１）
Ｊ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍ＝（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入れ端からの距離１１ｍｍの硬さ）÷（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入れ端からの距離１．５ｍｍの硬さ）……（２）
【請求項４】
質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．９０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．８００％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０１００％を含有し、さらにＮｉ：０．２０〜３．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％の１種または２種を含有し、さらにＴｉ：０．０２０〜０．２００％、Ｎｂ：０．０２〜０．２０％の１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる機械構造用鋼であり、該鋼からなる鋼材のマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）が４６０℃以下であり、該鋼材についてのジョミニー式一端焼入法により測定される鋼材の焼入端からの距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍおよび距離９ｍｍにおける硬さのＪ９ｍｍを用いて、下記の式（１）によって算出したＪ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６８〜０．９７の範囲にあり、さらに距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍ、および距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１ｍｍを用いて、下記の式（２）によって算出したＪ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６３〜０．９４の範囲にあることを特徴とする熱処理変形の小さい機械構造用鋼材。
ただし、
Ｊ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍ＝（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入れ端からの距離９ｍｍの硬さ）÷（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入れ端からの距離１．５ｍｍの硬さ）……（１）
Ｊ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍ＝（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入れ端からの距離１１ｍｍの硬さ）÷（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入れ端からの距離１．５ｍｍの硬さ）……（２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車や産業機械などに使用されるギヤやシャフトなどの動力伝達部品として用いられる機械構造用鋼に関し、特に熱処理変形の小さい機械構造用鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼入れ等の熱処理によって発生する鋼材の変形(以下「熱処理変形」という。)は、その変形を矯正するために製造工程数が増えたり、矯正しきれない場合には部品不良率が増加したり、あるいは駆動系部品として組み込んだ場合に変形に起因して騒音や振動を発生させるといった悪影響がある。したがって、熱処理変形をできる限り小さく抑えることが実用上非常に重要な課題となっている。
【０００３】
従来、この熱処理変形は鋼材以外にも部品形状、熱処理前工程の影響、焼入油などの冷媒の物性値、冷却の不均一性といった多数の要因に影響を受けると考えられ、それらを適正化することによる熱処理変形の軽減が図られている。例えば、材料対策として、焼き入れ鋼材の芯部に軟質のフェライト相を析出させて熱処理歪みを軽減する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、冷却方法からのアプローチとして、従来型の油焼入れではなく加圧ガス冷却を利用する方法（例えば、特許文献２参照。）や、熱伝達率を促進あるいは低減する手段を用いて被冷却物の均一冷却化を図る方法（例えば、特許文献３参照。）が提案されている。
【０００５】
なお、特許文献３において、熱伝達率を促進する手段は、冷却が遅れる部位に設けられた冷却を促進する被膜材または冷却が遅れる部位の周りに形成された冷却剤の対流によるものであり、熱伝達率の低減手段は、冷却が進行しやすい部位を覆うグラスウールまたは断熱被膜材によるとされている。
【０００６】
しかしながら、上記で提案されている従来の方法において、特許文献１の技術では、部品内部に強度の低い軟質相が導入されることや、特許文献２の技術では、熱処理炉そのものを変更しなければならないことや、特許文献３の技術では、個々の熱処理部品に対する処理が必要になることなどで、必ずしも汎用的な手段ではなかった。
【０００７】
一方、本願の発明者らは、フェライトのような軟質層に頼らずに十分な鋼材強度を確保した上で、油焼入れ等の一般的な手法の下で部品の冷却が不均一となる場合でも、熱処理変形が小さく抑えられる鋼材に関して鋭意研究を行った。その結果、鋼材の化学成分、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）、ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入性を適切に制御することによって、熱処理変形が小さく抑えられることを終に見出し、本発明に至った。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−１１１４０８号公報
【特許文献２】特開２００８−１２１０６４号公報
【特許文献３】特開２０１０−１７４２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、自動車や産業機械などに使用されるギヤやシャフトなどの動力伝達用の部品として用いられる機械構造用鋼からなる熱処理変形の小さい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】
上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の手段では、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．９０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．８００％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０１００％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる機械構造用鋼からなる鋼材であり、さらに、この鋼材のマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）は４６０℃以下であり、この鋼材についてのジョミニー式一端焼入法により測定される鋼材の焼入端からの距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍおよび距離９ｍｍにおける硬さのＪ９ｍｍを用いて、下記の式（１）により算出のＪ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６８〜０．９７の範囲にあり、さらに距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍ、および距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１ｍｍを用いて、下記の式（２）により算出のＪ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６３〜０．９４の範囲にあることを特徴とする熱処理変形の小さい機械構造用鋼材である。
ただし、
Ｊ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍ＝（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入端からの距離９ｍｍにおける硬さ）÷（ジョミニー式一端焼入れ法により測定される焼入端からの距離１．５ｍｍにおける硬さ）……（１）
Ｊ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍ＝（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入端からの距離１１ｍｍにおける硬さ）÷（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入端からの距離１．５ｍｍにおける硬さ）……（２）
【００１１】
請求項２の手段では、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．９０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．８００％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０１００％を含有し、さらにＮｉ：０．２０〜３．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％の１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる機械構造用鋼からなる鋼材であり、さらに、この鋼材のマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）は４６０℃以下であり、この鋼材についてのジョミニー式一端焼入法により測定される鋼材の焼入端からの距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍおよび距離９ｍｍにおける硬さのＪ９ｍｍを用いて、上記の式（１）により算出のＪ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６８〜０．９７の範囲にあり、さらに距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍ、および距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１ｍｍを用いて、上記の式（２）により算出のＪ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６３〜０．９４の範囲にあることを特徴とする熱処理変形の小さい機械構造用鋼材である。
【００１２】
請求項３の手段では、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．９０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．８００％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０１００％を含有し、さらにＴｉ：０．０２０〜０．２００％、Ｎｂ：０．０２〜０．２０％のうち少なくとも１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる機械構造用鋼からなる鋼材であり、さらに、この鋼材のマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）は４６０℃以下であり、この鋼材についてのジョミニー式一端焼入法により測定される鋼材の焼入端からの距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍおよび距離９ｍｍにおける硬さのＪ９ｍｍを用いて、上記の式（１）により算出のＪ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６８〜０．９７の範囲にあり、さらに距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍ、および距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１ｍｍを用いて、上記の式（２）により算出のＪ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６３〜０．９４の範囲にあることを特徴とする熱処理変形の小さい機械構造用鋼材である。
【００１３】
請求項４の手段では、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．９０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．８００％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０１００％を含有し、さらにＮｉ：０．２０〜３．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％のうち少なくとも１種以上を含有し、さらにＴｉ：０．０２０〜０．２００％、Ｎｂ：０．０２〜０．２０％の１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる機械構造用鋼からなる鋼材であり、さらに、この鋼材のマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）は４６０℃以下であり、この鋼材についてのジョミニー式一端焼入法により測定される鋼材の焼入端からの距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍおよび距離９ｍｍにおける硬さのＪ９ｍｍを用いて、上記の式（１）により算出のＪ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６８〜０．９７の範囲にあり、さらに距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍ、および距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１ｍｍを用いて、上記の式（２）により算出のＪ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６３〜０．９４の範囲にあることを特徴とする熱処理変形の小さい機械構造用鋼材である。
【００１４】
上記の各請求項の手段における成分の限定理由について、以下に説明する。なお、各成分元素の％は質量％を示す。
【００１５】
Ｃ：０．１５〜０．３５％
Ｃは、機械構造用部品として鋼材の焼入焼戻し後の強度もしくは浸炭焼入焼戻し後の芯部強度を確保するために必要な元素であるとともに、熱処理変形を小さくするために所定の範囲に調整する必要がある。その範囲は０．１５％未満では強度を確保できず、０．３５％を超えると熱処理による変形が大きくなり過ぎる。そこでＣは０．１５〜０．３５％とし、望ましくは０．２０〜０．３０％、より望ましくは０．２２〜０．２７％とする。
【００１６】
Ｓｉ：０．１０〜１．５０％
Ｓｉは、脱酸に必要な元素であるとともに、鋼に必要な強度、焼入性を付与するために有効な元素である。しかし、Ｓｉが０．１０％未満ではその効果が得られず、１．５０％を超えると機械加工性を低下させる。そこでＳｉは０．１０〜１．５０％とし、望ましくは０．２０〜１．００％とする。
【００１７】
Ｍｎ：０．１０〜１．００％
Ｍｎは、焼入性を確保するために必要な元素である。しかし、Ｍｎが０．１０％未満では焼入性への効果は十分に得られず、１．００％を超えると機械加工性を低下させる。そこでＭｎは０．１０〜１．００％とし、望ましくは０．２０〜０．８０％、より望ましくは０．２０〜０．５５％とする。
【００１８】
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、スクラップから含有される不可避な元素であるが、粒界に偏析して衝撃強度や曲げ強度などの特性を低下させる。そこでＰは０．０３０％以下とする。
【００１９】
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、被削性を向上させる元素であるが、非金属介在物であるＭｎＳを生成して横方向の靱性および疲労強度を低下する。そこでＳは０．０３０％以下とする。
【００２０】
Ｎｉ：０．２０〜３．００％
Ｎｉは、焼入性および靱性を向上させる元素であり、その効果を得るためには０．２０％以上の添加が必要である。しかし、Ｎｉは３．００％を超えて含有すると加工性を著しく低下させ、かつ、コストアップとなる。そこでＮｉは３．００％以下とする。
【００２１】
Ｃｒ：０．９０〜１．９０％
Ｃｒは、焼入性を確保するために必要な元素である。しかし、Ｃｒが０．９０％未満では焼入性への効果を十分に得られず、１．９０％を超えると浸炭を阻害し、また機械加工性も低下する。そこでＣｒは０．９０〜１．９０％とし、望ましくは１．１０〜１．８０％とする。
【００２２】
Ｍｏ：０．０５〜０．５０％
Ｍｏは、焼入性および靱性を向上させる元素であり、その効果を得るには０．０５％以上の添加が必要である。しかし、Ｍｏは０．５０％を超えて含有すると加工性を低下させる。そこで、Ｍｏは０．０５〜０．５０％とする。
【００２３】
Ｃｕ：０．３０％以下
Ｃｕは、スクラップから含有される不可避な元素であるが、時効性を有し、強度を上昇させる効果がある。しかし、Ｃｕは０．３０％を超えると熱間加工性を低下する。そこで、Ｃｕは０．３０％以下とする。
【００２４】
Ａｌ：０．００８〜０．８００％
Ａｌは、脱酸材として使用される元素であり、また後述のようにＮと結合してＡｌＮとして析出して結晶粒粗大化抑制効果をもたらす。この効果を得るため、Ａｌは０．００８％以上の添加が必要である。一方、Ａｌを０．８００％を超えて添加すると大型のアルミナ系介在物を形成し、疲労特性および加工性を低下する。そこで、Ａｌは０．００８〜０．８００％とし、望ましくは０．０１４〜０．６００％とする。
【００２５】
Ｂ：０．０００３〜０．００５０％
Ｂは、極少量の含有によって鋼の焼入性を著しく向上させる元素であり、添加することによって他の合金元素の添加量を減らすことができるため、鋼材コストを下げるのに有効である。Ｂは、０．０００３％未満では焼入性の向上効果が小さく、一方、０．００５０％を超えると強度を低下させる。そこで、Ｂは０．０００３〜０．００５０％とし、望ましくは、Ｂは０．００１０〜０．００５０％とする。
【００２６】
Ｏ：０．００３０％以下
Ｏは、鋼中に不可避的に含有される元素である。しかし、Ｏが０．００３０％を超えて含有されると酸化物の増加による加工性や疲労強度の低下を招く。そこでＯは０．００３０％以下とし、望ましくは０．００２０％以下とする。
【００２７】
Ｎ：０．００２０〜０．０１００％
Ｎは、鋼中でＡｌＮやＮｂ窒化物として微細析出し、結晶粒粗大化を防止する効果をもたらし、その効果を得るために０．００２０％以上添加する必要がある。しかし、０．０１００％を超えると窒化物が増加し、疲労強度や加工性が低下する。そこで、Ｎは０．００２０〜０．０１００％とし、望ましくは０．００２０〜０．００８０％とする。
【００２８】
Ｔｉ：０．０２０〜０．２００％
Ｔｉは、鋼中のＣと結び付いて炭化物を微細に形成し、結晶粒粗大化を防止する効果をもたらすが、その効果を得る場合には、Ｔｉを０．０２０％以上を添加する必要がある。一方、０．２００％を超える添加は、機械加工性を損なうため、上限は０．２００％とする。
【００２９】
Ｎｂ：０．０２〜０．２０％
Ｎｂは、炭化物あるいは窒化物を形成し、結晶粒粗大化防止効果をもたらす。特に鋼中に微細に分散したナノオーダーサイズのＮｂＣまたはＮｂ（Ｃ，Ｎ）が結晶粒の成長を抑制する。Ｎｂが０．０２％未満では、その効果は得られず、０．２０％を超えると析出物の量が過剰となり加工性を低下する。そこで、Ｎｂは０．０２〜０．２０％、望ましくは０．０２〜０．１２％とする。
【００３０】
Ｍｓ点：４６０℃以下
本発明の手段における、鋼材の熱処理変形を小さくするために、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）を４６０℃以下に規制する必要がある。Ｍｓ点を４６０℃以下に規制することで熱処理変形を小さくできる理由は、焼入れした際に、部品の冷却がたとい不均一であっても、冷媒の冷却性能が高い温度域でマルテンサイト変態が起こることを回避でき、その結果、マルテンサイト変態の時期が部品の部位によって大きくずれることが抑制できるからである。そこでＭｓ点を４６０℃以下に規制するが、望ましくはＭｓ点は４５０℃以下に規制する。なお、この場合の熱処理変形とは、軸状の部品の曲りやギヤの歯の倒れやねじれのことである。
【００３１】
Ｊ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値：０．６８〜０．９７、Ｊ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値：０．６３〜０．９４
鋼材のジョミニー式一端焼入法により測定される鋼材の焼入端からの距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍと、距離９ｍｍにおける硬さのＪ９ｍｍと、距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１ｍｍとから算出されるＪ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値を０．６８〜０．９７に規制し、Ｊ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値を０．６３〜０．９４に規制する理由は、この範囲とすることで鋼材の熱処理変形が小さく抑えられるからである。ここで言う熱処理変形とは、部品の焼入れ前後における寸法（長さ、径、厚み）の変化のことである。なお、ジョミニー焼入性の適切な制御によって、熱処理変形が抑制されるメカニズムについては、未だ解明できていないが、鋼材の焼入性が低すぎても、また、高すぎても熱処理変形が大きくなることが発明者らによって実験的に明らかとなっている。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の手段の鋼成分の限定、Ｍｓ点の限定およびジョミニー式一端焼入法により測定される焼入性の限定により、鋼材を部品に加工した後、部品を硬化させるための焼入れや浸炭焼入れを行った場合の熱処理変形を小さくすることができ、この結果、本発明は、部品の歩留の向上、部品の矯正工程の簡略化や廃止、あるいは騒音および振動対策のためのギヤの歯面研削の省略が可能になるといった有益な効果が期待できる。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明を実施するための形態について、以下に表を参照して説明する。
自動車や産業機械などに使用されるギヤやシャフトなどの動力伝達用の部品として用いられる機械構造用鋼として、表１に示す本発明例のＮｏ．１〜２３の成分組成と残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる機械構造用鋼を真空誘導溶解炉にて溶製し、１００ｋｇの鋼塊を得た。
【００３４】
【表１】
0005641991.tif 000002
【００３５】
上記の本発明例と同様に、自動車や産業機械などに使用されるギヤやシャフトなどの動力伝達用の部品として用いられる機械構造用鋼として、表２に示す比較例のＮｏ．１〜１６の成分組成と残部Ｆｅと不可避不純物からなる鋼を真空誘導溶解炉にて溶製し、１００ｋｇの鋼塊を得た。
【００３６】
【表２】
0005641991.tif 000003
【００３７】
先ず、これらの本発明例および比較例の鋼塊を１２５０℃で５時間加熱した後、直径３２ｍｍの棒鋼に鍛伸した。次に、９００℃で１．５時間加熱保持した後に空冷する焼ならしを行った。続いて、直径３２ｍｍの棒鋼から直径２０ｍｍ、長さ２００ｍｍの試験片を作製し、その試験片の側面に深さ５ｍｍ、幅８ｍｍ、長さ２００ｍｍの溝加工を施した。この溝加工によって焼き入れた際に、試験片内の部位によって冷却速度に大きく差がつくようにした。また、溝加工後の試験片の長さを測定した。続いて、これらの試験片を９３０℃で１時間加熱した後、炉内で８５０℃まで降温し、さらに１時間保持した後、６０℃の焼入油中へ焼き入れた。焼入れ後、十分に冷えた試験片について、試験片の曲りおよび長さを測定した。
【００３８】
なお、熱処理後の曲りについては、試験片の両端をＶブロックで保持し、試験片を一周回転させたときの試験片の中央部の円周上の最大変位と最小変位をダイヤルゲージで測定し、最大変位と最小変位の差を２で割ることにより求めた。この測定の際、試験片の円周上に存在する溝の底の部分の変位は無視するものとした。また、寸法変化の指標として、熱処理前後の試験片の長さの差を求め、その絶対値を評価した。
【００３９】
また、上記の焼ならし後の直径３２ｍｍの棒鋼から直径３ｍｍで長さ１０ｍｍの試験片を割り出し、鋼材のマルテンサイト変態開始温度であるＭｓ点を、全自動変態記録測定装置を用いて測定した。ここで言うＭｓ点は部品の冷却過程を想定した条件下で測定されるものであり、本実施の形態では、上記した直径２０ｍｍの溝付き試験片の油温６０℃の場合の油焼入れを想定して、焼入れ時の冷却速度を３０℃／ｓとして測定している。鋼材のジョミニー式一端焼入法による焼入性の測定については、上記の鍛伸した直径３２ｍｍの棒鋼から試験片を作製し、ＪＩＳ  Ｇ  ０５６１に規定される「鋼の焼入性試験方法（一端焼入方法）」に準じた条件の下で試験を行って評価した。
【００４０】
表３に本発明例の測定されたＭｓ点、ジョミニー式一端焼入法で測定した焼入端からの、距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍ、距離９ｍｍにおける硬さのＪ９ｍｍおよび距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１ｍｍのそれぞれの値、また、求めたＪ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値およびＪ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値を示す。さらに、上記試験片の焼入れ後に評価した曲り（ｍｍ）、および、熱処理前後の試験片の長さの差の絶対値（ｍｍ）を示す。発明例のＮｏ．１〜２３からなる鋼材では、表３に示すように、マルテンサイト変態開始温度すなわちＭｓ点が４００〜４５８℃の範囲にあり、この鋼材のＪ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの下記に示す式（１）の値が０．７３〜０．９６の範囲にあり、Ｊ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの下記に示す式（２）の値が０．６９〜０．９２の範囲にあり、熱処理後の試験片の曲りは０．１１〜０．３６ｍｍで、熱処理前後の試験片の長さの差の絶対値は０．０２〜０．２０ｍｍであった。
ただし、
Ｊ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍ＝（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入れ端からの距離９ｍｍの硬さ）÷（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入れ端からの距離１．５ｍｍの硬さ）……（１）
Ｊ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍ＝（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入れ端からの距離１１ｍｍの硬さ）÷（ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入れ端からの距離１．５ｍｍの硬さ）……（２）
【００４１】
【表３】
0005641991.tif 000004
【００４２】
同様に、表４に比較例の鋼の測定されたＭｓ点、ジョミニー式一端焼入法により測定した焼入端からの距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５ｍｍ、距離９ｍｍにおける硬さのＪ９ｍｍおよび距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１ｍｍであるジョミニー焼入性、また、求めたＪ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値およびＪ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値を示す。さらに、上記試験片の焼入れ後に評価した試験片の曲り（ｍｍ）、および、熱処理前後の試験片の長さの差の絶対値（ｍｍ）を示す。
【００４３】
【表４】
0005641991.tif 000005
【００４４】
上記の発明例のＮｏ．１〜２３では、鋼材のＦｅおよびＮｉ、Ｍｏを除く不可避不純物を除いた組成範囲を表１に示すものとし、Ｍｓ点を４６０℃以下の４００〜４５８℃とし、ジョミニー式一端焼入法により測定される焼入性を適切に制御して、式（１）から計算されるＪ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値を０．７３〜０．９６の範囲、式（２）から計算されるＪ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値を０．６９〜０．９２の範囲とすることによって、熱処理後の試験片の曲りを０．１１〜０．３６ｍｍの小さな範囲に、さらに熱処理前後の試験片の長さの差の絶対値を０．０２〜０．２０ｍｍの小さな範囲に抑えることができた。
【００４５】
これに対し、上記の比較例のＮｏ．１〜１６の、鋼材のＦｅおよびＮｉ、Ｍｏを除く不可避不純物を除いた組成範囲を表２に示すものでは、Ｎｏ．２、Ｎｏ．８、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１６の４例を除く、残りの１２例は本発明の組成範囲から外れるものであった。これらＮｏ．１〜１６の比較例の鋼のうち、測定されたＭｓ点が４６０℃を超える１０例は、熱処理後の試験片の曲りが０．４９〜０．７６ｍｍであり、発明例の鋼に比べて大きい。また、これらＮｏ．１〜１６の比較鋼のうち、ジョミニー式一端焼入法によって測定した硬さから式（１）、および式（２）により求まるＪ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍが０．６８〜０．９７の範囲外であり、およびＪ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が０．６３〜０．９４の範囲外である１３例は、熱処理前後の試験片の長さの差の絶対値が０．２９〜０．４６ｍｍとなり、発明例の鋼に比べて大きい。したがって、比較例のうちで熱処理後の試験片の曲りおよび熱処理前後の試験片の長さの差の絶対値が共に本発明例の鋼と同等のものは１例も無かった。
【００４６】
測定したＭｓ点が請求の範囲を外れる比較例のＮｏ．１、３、５〜７、９、１０、１３〜１５と比較して、Ｍｓ点が請求の範囲を満足する本発明例のＮｏ．１〜２３は、熱処理後の試験片の曲りが小さく、熱処理変形が抑制されている。また、Ｊ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値およびＪ１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が請求の範囲を外れる比較例のＮｏ．１〜５、７〜１３、１６に比べて、Ｊ９ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値およびＪ１１ｍｍ／Ｊ１．５ｍｍの値が請求の範囲を満足する発明例のＮｏ．１〜２３は、熱処理前後の試験片の長さの差の絶対値が小さく、熱処理変形が抑えられている。なお、本実施の形態では、浸炭焼入れでは無く、焼入れによって熱処理変形を評価しているが、浸炭焼入れした場合でも、本請求項を満たす鋼材の熱処理変形が小さいことを確認している。なお、本発明例の鋼材は焼入れ後に焼戻しを施してから使用される。
【００４７】
以上から、本発明における鋼成分の限定およびマルテンサイト変態開始温度であるＭｓ点の限定およびジョミニー式一端焼入法により測定される焼入性の限定により、鋼材を部品に加工した後、部品を硬化させるための焼入れや浸炭焼入れを行った場合の熱処理変形を小さくすることができる。このような本発明による鋼材は、自動車や産業機械などに使用されるギヤやシャフトなどの動力伝達用の部品に適用しうる鋼材である。