(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量基準で、Ｃ：０．２５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．３０〜１．５０％、Ｎｉ：０．０５〜０．１０％、Ｃｒ：１．５０〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．０７％、Ａｌ：０．０１５〜０．０３３％、Ｖ：０．０５〜０．２０％、ＯT：０．００２０％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物よりなることを特徴とする窒化処理用鋼。
【請求項２】
重量基準で、Ｃ：０．２５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．３０〜１．５０％、Ｎｉ：０．０５〜０．１０％、Ｃｒ：１．５０〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．０７％、Ａｌ：０．０１５〜０．０３３％以下、Ｖ：０．０５〜０．２０％、ＯT：０．００２０％以下、さらにＳ：０．０５０％以下、Bi：０．０９％以下の１種又は２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物よりなることを特徴とする窒化処理用鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、建設機械および産業機械等に使用される歯車、転動部品等の機械構造部品用として用いられる窒化処理用鋼に関する。
【従来の技術】
【０００２】
自動車、建設機械および産業機械等に使用される歯車、転動部品等は、高強度と共に高い表面硬度かつ優れた耐摩耗性と面圧疲労強度が要求される。これを満足させる表面硬化法として浸炭処理が行われている。この浸炭処理した歯車、転動部品等は芯部の硬さがＨｖ２８０以上になり、かつ上記要求条件を満足させるが、一方寸法変化および歪を生じて、作動時に騒音問題が発生する。又、浸炭処理以外の処理方法としては、窒化処理する方法が行われている。
【０００３】
歯車、転動部品等に使用される窒化用鋼は、鋼の成分としてＣ，Ｃｒ，Ｍｏの他にＡｌ量が０．１００〜１．０％含有されている。このようにＡｌ含有量が高いために取鍋ノズルおよび連続鋳造用タンディシュノズルの内壁にアルミナが堆積して詰まりが発生し鋳造が不能になる等の問題点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記窒化処理用鋼における問題点を解決するために、従来の鋼に比べてＡｌ含有量を低く制御することによって鋳造時における上記各ノズルにアルミナが堆積しないようにすると共に、窒化層中の化合物層を薄くし、窒化処理後の表面硬度、芯部の硬度および疲労強度は従来の高いＡｌを含有した窒化処理用鋼とほぼ同一特性を有する窒化処理用鋼の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明は重量基準で、Ｃ：０．２５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．３０〜１．５０％、Ｎｉ：０．０５〜０．１０％、Ｃｒ：１．５０〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．０７％、Ａｌ：０．０１５〜０．０３３％、Ｖ：０．０５〜０．２０％、ＯT：０．００２％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物よりなることを特徴とする窒化処理用鋼としたものである。
【０００６】
本発明は又、被削性をさらに高めるために、上記組成に、さらにＳ：０．０５０％以下、Bi:０．０９％以下の１種又は２種を含有する窒化処理用鋼である。
次に上記本発明の窒化処理用鋼の成分並びにその量の限定理由について説明する。
【０００７】
Ｃ：Ｃは鋼の強度を確保するために必要な元素であると同時に、窒化処理時にＣｒ，Ｍｏ，Ｖ等の炭化物を生成して窒化処理後における芯部の硬さを高める成分である。その量が０．２５％未満では強度と芯部の硬さが得られない。ただし、０．３５％を超えると鋼が硬くなり切削性が悪くなるので、Ｃの含有量は０．２５〜０．３５％とした。
【０００８】
Ｓｉ：Ｓｉは脱酸剤として０．１５％以上必要である。しかし、０．３５％を超えると鋼の靭性が劣化するので、Ｓｉの含有量は０．１５〜０．３５％とした。
Ｍｎ：Ｍｎは鋼の溶製時に脱酸作用のために、又、鋼の強度や硬さを確保するために０．３０％以上必要である。しかし、１．５０％を超えると鋼が硬くなり靭性の低下を招くので、Ｍｎの含有量は０．３０〜１．５０％とした。
【０００９】
Ｎｉ：Ｎｉは鋼の靭性向上に必要な成分であるが高価であり、あまり多量に配合すると経済的に不利であるために、Ｎｉの含有量は０．０５〜０．１０％である。
【００１０】
Ｃｒ：Ｃｒは窒化処理時に鋼の表面に高硬度の窒化物からなる硬化層を形成すると同時に、芯部においてはＣと炭化物を形成して芯部の硬さを高めるための成分である。しかし、あまり多量に含有しても上記効果が飽和に達するので、Ｃｒの含有量は１．５０〜２．００％である。
【００１１】
Ｍｏ：Ｍｏは窒化処理時にＣと炭化物を形成して芯部の硬さを直接高める成分である。しかしあまり多量に含有しても上記効果が飽和に達して経済的に不利であるために、Ｍｏの含有量は０．０１〜０．０７％である。
【００１２】
Ａｌ：Ａｌは鋼の溶製時に脱酸作用に資すると同時に、窒化処理時に窒化物を形成して鋼の表面硬さを向上させる成分である。しかしあまり多量に含有させるとアルミナが生じて、上記ノズル内に堆積して閉鎖するので、Ａｌの含有量は０．０１５〜０．０３３％に設定される。
【００１３】
Ｖ：ＶはＭｏの場合と同様に窒化処理時にＣと炭化物を形成して芯部の硬さを直接高めると同時に、硬化層の深さを確保し、鋼の表面硬さを向上させる成分である。０．０５％未満ではその効果が得られず、０．２０％を超えると鋼の靭性低下を招くと共に高価なＶの浪費になるので、Ｖの含有量は０．０５〜０．２０％とした。
【００１４】
ＯT：ＯはＡｌと結合してＡｌ2Ｏ3を形成してノズル閉鎖および鋼の疲労強度を低下させる原因となり、できるだけ減少させる必要があるので、Ｏの含有量は０．００２０％以下に設定される。
【００１５】
Ｓ、Ｂｉ:これらを配合することによって被削性の向上をはかる。しかしながら、必要以上に配合すると鋼の靭性を劣化させるため、Ｓは０．０５０％以下、より好ましい含有量は０．０２０〜０．０４５％である。Biは０．０９％以下にそれぞれ設定される。
【００１６】
この発明の窒化処理用鋼を用いて例えば歯車を得るためには、前述の組成を有する鋼材料を溶解、熱間加工（１０００〜１３００℃）して鋼材を成形し、例えば歯車に荒鍛造−仕上加工後、Ａ3変態点以上（８５０〜９３０℃）の温度から焼入れ処理およびＡ1変態点以下（６００〜７００℃）の温度で焼戻しを行う。次にアンモニア雰囲気のガス窒化炉を用い、焼戻し温度よりも低い温度５００〜６００℃、アンモニアガスによる窒化処理を行うことにより、芯部硬さＨｖ２８０以上を有する鋼が得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施例について説明する。
表１に示す化学成分を有する実施例鋼のＮo.Ａ〜Iおよび比較鋼のＮo..Ｊ,Ｋをそれぞれ２０ｋｇ溶解後、熱間圧延加工して直径３０ｍｍの丸棒を試作した。これらを９００℃×１時間で焼きならしをした後、８７０℃×１時間焼入れ、６５０℃×２時間で焼戻しを行い、このＮo.Ａ〜Kの供試材から、表面硬度、窒化深さ、芯部硬度および化合物層の測定用試験片、寸法２５ｍｍおよび別途Ｎo.Ｇ、K供試材から小野式回転曲げ平滑試験片（直径８ｍｍ）並びに図１（ｂ）に示すローラピッチング疲労強度片を製作した。その後、５２５℃×１２時間（アンモニアガス１．５Ｎｍ3／Ｈｒ）の条件にて窒化処理した。
【００１８】
【表１】
0003681872.tif 000002
【００１９】
窒化処理された測定用試験片を用いて表面硬度、窒化深さ、芯部硬度および化合物層のそれぞれの測定を行い、その結果を表２に示す。
【００２０】
【表２】
0003681872.tif 000003
【００２１】
この表２の結果から、表面硬度において、比較鋼のＮo.J、KのＡｌ含有量はそれぞれ０．１３７％、０．１４１％であり、本発明鋼のＡｌ含有量の範囲０．０３３％よりも高いので表面硬度もＡｌの効果により本発明鋼より高い値を示している。しかしながら、本発明鋼Ｎo.Ａ〜IにおけるＡｌ含有量の範囲は０．０１５〜０．０３３％であり、その平均値は０．０２８５％である。これに対して比較鋼Ｎo.J，KのＡｌ含有量は０．１３７％、０．１４１％であり、その平均値は０．１３９％である。このように本発明鋼のＡｌ含有量は、比較鋼のＡｌ含有量に対して５分の１程度にも拘らず、本発明鋼の表面硬度の範囲はＨｖ６９６〜７２３で、その平均値はＨｖ７１０程度である。これに対して比較鋼はＡｌ含有量が高いので表面硬度もＨｖ７４１、７４６と高くその平均値はＨｖ７４４である。
【００２２】
すなわち、本発明鋼のＡｌ含有量は比較鋼のＡｌ含有量の２０％にも拘らず、本発明鋼の表面硬度は比較鋼の表面硬度の９６％を有するので、本発明鋼はＡｌが少ないにも拘らず、窒化特性に優れていることが分かる。
【００２３】
又、本発明鋼Ｎo.Ａ〜Iの窒化深さは０．２５〜０．２９ｍｍであり、その平均値は０．２７ｍｍである。これに対して比較鋼Ｎo.J，Kの窒化深さは０．２９ｍｍ、０．２６ｍｍであり、その平均値は０．２８ｍｍである。したがって、本発明鋼と比較鋼の窒化深さはほぼ同一である。
【００２４】
一方、比較鋼Ｎo.J，Kの芯部の硬度はＨｖ２８５，２９３でその平均値はＨｖ２８９である。これに対して、本発明鋼Ｎo.Ａ〜Iの芯部硬度の範囲はＨｖ２８４〜３２１であり、その平均値がＨｖ３０２である。本発明鋼は比較鋼よりも芯部の硬度がＨｖ１３高いことが分かる。これは本発明鋼におけるＣ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖの炭化物の相乗効果によるものである。すなわち、表面硬度は本発明鋼より比較鋼の方が高かったが、芯部硬度は逆に比較鋼よりも本発明鋼の方が高いので芯部の強度が比較鋼よりも優れていることが分かる。
【００２５】
さらに窒化層は表層が多孔質な高窒素濃度の化合物層と、その下に鋼材の窒化物形成元素との間で生成した窒化物からなる高硬度の硬化層の２層構造からできている。この表層の化合物層は靭性が低く剥離しやすい。本発明鋼Ｎo.Ａ〜Iにおける化合物層の深さの範囲は１０〜１２μｍ、その平均値は１１μｍである。これに対して比較鋼Ｎo.J，Kにおける化合物層の深さの範囲は２０μｍ、２２μｍで、その平均値は２１μｍである。すなわち、本発明鋼における化合物層の深さは比較鋼の化合物層の深さのほぼ２分の１である。
【００２６】
このように本発明鋼の化合物層が比較鋼の化合物層よりも薄い原因は、Ａｌの含有量が少ないからであると考えられる。本発明鋼は化合物が少ないので使用中に剥離して使用品の機能に悪影響を及ぼしたり、歯車の割れなどの起点になる頻度が小さい。
【００２７】
次に小野式回転曲げ疲労試験と、図１（ａ）に示すローラピッチング疲労試験を行い、その評価を行った。図１（ａ）中、１は試験片、２は負荷ローラー、３，４はギヤー、５は軸受、６はカップリング、７は伝達ベルト、８はモーターである。なお、図１（ｃ）は負荷ローラー２の詳細を示す。回転曲げ疲労試験とローラピッチング疲労試験条件は次の通りである。
【００２８】
回転曲げ疲労試験片：小野式平滑試験片（直径８ｍｍ）
ピッチング疲労試験：ローラピッチング疲労試験
回転数：１０００ｒｐｍ
最大ヘルツ応力：２４５０ＭＰａ
すべり率：−４０％
試験の結果を表３に示す。前述したとおり本発明鋼の窒化深さは比較鋼の窒化深さとほぼ同一であるから、その結果として下記表３に示す通り本発明鋼の疲労強度は比較鋼の疲労強度と同一強度を有している。
【００２９】
【表３】
0003681872.tif 000004
【００３０】
【発明の効果】
本発明の窒化処理用鋼は、組成中のＡｌ含有量を０．０１５〜０．０３３％に制御することによって、鋳造時における取鍋ノズルおよび連続鋳造用ダンディシュノズルのアルミナによる閉塞問題を解決すると同時に、化合物層を薄くして製品歯車等への悪影響を減らすことができた。又、窒化処理後の表面硬度と疲労強度は高Ａｌを含有した従来の窒化用鋼と同一強度を有し、芯部の硬度は要求硬度Ｈｖ２８０以上を十分満足する値（平均値がＨｖ３０２）が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）はローラピッチング疲労試験機の説明図、（ｂ）は同上試験片の説明図、（ｃ）は同上試験機のローラの説明図である。
【図１】
0003681872.tif 000005