(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で（以下同じ）、Ｃ：０．１５〜０．４０％、Ｓｉ：０．５０超〜１．５０％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｎｉ：０．４０〜４．５０％、Ｃｒ：１．５０〜３．０％、Ｍｏ：０．５０〜１．２５％およびＡｌ：０．０１〜０．１０％を含有し、更にＶ：０．０５〜０．４０％、Ｔｉ：０．０３〜０．２０％およびＮｂ：０．０３〜０．１５％のうちの１種または２種以上を含有し、かつＳｉ＋Ｎｉ：１．５０〜５．０％およびＣｒ＋Ｍｏ：２．５０〜４．０％の条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とするトロイダルＣＶＴ部品用浸炭用鋼。
【請求項２】
Ｃ：０．１５〜０．４０％、Ｓｉ：０．５０超〜１．５０％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｎｉ：０．４０〜４．５０％、Ｃｒ：１．５０〜３．０％、Ｍｏ：０．５０〜１．２５％およびＡｌ：０．０１〜０．１０％を含有し、更にＶ：０．０５〜０．４０％、Ｔｉ：０．０３〜０．２０％およびＮｂ：０．０３〜０．１５％のうちの１種または２種以上を含有し、またＢ：０．０００５〜０．００３０％を含有し、かつＳｉ＋Ｎｉ：１．５０〜５．０％およびＣｒ＋Ｍｏ：２．５０〜４．０％の条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とするトロイダルＣＶＴ部品用浸炭用鋼。
【請求項３】
上記浸炭用鋼の不純物のＳ含有量が０．０１％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のトロイダルＣＶＴ部品用浸炭用鋼。
【請求項４】
上記浸炭用鋼の不純物のＰ含有量が０．０１％以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちのいずれか１項記載のトロイダルＣＶＴ部品用浸炭用鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い面疲労強度などを必要とする動力伝達部品などの製造に適した浸炭用鋼、詳細には、歯車、ベアリング転動体などの準高温〜高温で、かつ水素発生の環境下において使用され、高い面疲労強度を必要とする動力伝達部品の製造に適した浸炭用鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
歯車、ベアリング転動体のような動力伝達部品は、高い面圧強度が要求されているため、浸炭あるいは浸炭窒化により表面硬化されているが、小型・軽量化が求められており、そのため接触面圧の増加を招き、部品の表面温度が準高温から高温（１００〜３００℃程度）にまで上昇し、面疲労強度が劣化するという問題が生じている。
また、近年、トロイダルＣＶＴ（無断変速機）の動力伝達部品がトラクション油中で使用されるようになってきた。この油中で動力伝達部品を使用すると、温度が上昇して上記油成分の分解が促進されることがあり、分解した水素の一部が部品に侵入して面疲労強度を劣化させ、脆化型剥離が発生しやすくなることも懸念されている。
【０００３】
従来、歯車、ベアリング転動体のような動力伝達部品のうち高い面疲労強度などを必要とするものは、機械構造用鋼、例えばJIS ＳＣＭ４２０Ｈ（Ｃ：０．１７〜０．２３％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．５５〜０．９０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．８５〜１．２５％およびＭｏ：０．１５〜０．３５％を含有し、残部が実質的にＦｅ）、ＳＮＣ４１５Ｈ、ＳＮＣＭ４２０Ｈを鍛造、機械加工などによって成形し、その後高い面疲労強度にするために浸炭または浸炭窒化し、更に焼入れ焼戻しをして製造されている。
【０００４】
しかし、上記動力伝達部品は、小型・軽量化すると接触面圧が増加して表面温度が準高温から高温にまで上昇し、面疲労強度が劣化するという問題がある。
そこで、面疲労強度を高めるため、Ｓｉ，ＣｒまたはＭｏを増量して硬化層の軟化を抑える浸炭用鋼も開発されているが、水素が侵入した場合には高い面疲労強度を維持することができなかった。
【０００５】
また、水素による疲労強度の劣化を防止する浸炭用鋼として、Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．２〜２．Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、Ａｌ：０．０１０〜０．５０％、Ｎ：０．０１２０％以下、Ｏ：１２ｐｐｍ以下を含有し、更に必要に応じてＮｉ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．２０〜２．０％およびＭｏ：０．０５〜１．０％のうちの１種ないし２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、大きさ７０ｎｍ以下のＴｉ炭化物、Ｔｉ炭窒化物を鋼中に微細分散させ、これらの析出物に水素をトラップさせて耐遅れ破壊性を改善するものが特開平１１−２９３３９２号公報に開示されている。
しかし、この浸炭用鋼は、準高温から高温の温度域では、面疲労強度の低下を十分に回避することができないという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、準高温から高温の温度域で、かつ水素が発生する環境下で使用されても高い面疲労強度を維持することができるトロイダルＣＶＴ部品の製造に適した浸炭用鋼を提供することを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者らは、準高温から高温の温度域で、かつ水素が発生する環境下で使用されても高い面疲労強度を維持することができるトロイダルＣＶＴ部品の製造に適した浸炭用鋼について鋭意研究していたところ、準高温から高温下で、かつ水素が発生する環境下で使用された場合、水素をＶ、Ｔｉ、Ｎｂなどの炭化物または炭窒化物でトラップすることが有効であること、準高温から高温下で安定で硬度低下を抑制し、内部組織変化を遅延するＭ23Ｃ6 型炭化物を多くするには、Ｃｒ、Ｍｏなどの含有量を多くすればよいこと、水素の侵入経路となる粒界を強化する、すなわち脆化し難くするにはＰおよびＳの含有量を低く抑えることが有効であること、ＳｉおよびＮｉの含有量を多くすると準高温から高温下でも基地の疲労強度を維持することができることなどの知見を得た。  本発明は、これらの知見に基づいて発明をされたものである。
【０００８】
すなわち、本発明のトロイダルＣＶＴ部品用浸炭用鋼においては、Ｃ：０．１５〜０．４０％、Ｓｉ：０．５０超〜１．５０％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｎｉ：０．４０〜４．５０％、Ｃｒ：１．５０〜３．０％、Ｍｏ：０．５０〜１．２５％およびＡｌ：０．０１〜０．１０％を含有し、更にＶ：０．０５〜０．４０％、Ｔｉ：０．０３〜０．２０％およびＮｂ：０．０３〜０．１５％のうちの１種または２種以上を含有し、必要に応じてＢ：０．０００５〜０．００３０％を含有し、また必要に応じてＳ：０．０１％以下および／またはＰ：０．０１％以下にし、かつＳｉ＋Ｎｉ：１．５０〜５．０％およびＣｒ＋Ｍｏ：２．５０〜４．０％の条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるものとすることである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の浸炭用鋼において成分組成を上記のように特定した理由を説明する。
Ｃ：０．１５〜０．４０％
Ｃは、基地に固溶して強度を高くすると共に、焼入性を高めるので、これらのために含有させる元素である。これらの作用効果を得るためには０．１５％以上、好ましくは０．１６％以上含有させる必要があるが、０．４０％、好ましくは０．３４％を超えると硬くなり過ぎて被削性が低下するので、その含有量を０．１５〜０．４０％にする。好ましい含有量は０．１６〜０．３４％である。
【００１０】
Ｓｉ：０．５０超〜１．５０％
Ｓｉは、鋼溶製時の脱酸剤であり、焼入れ性を向上させると共に、準高温から高温環境下での基地の疲労強度を維持するために必要であり、また焼戻し軟化抵抗を高める（焼戻しによる硬さの低下を阻止することによって疲労強度を向上させる）ので、これらのために含有させる元素である。これらの作用効果を得るためには０．５０％より多く、好ましくは０．５２％以上含有させる必要があるが、１．５０％、好ましくは１．２４％を超えると硬くなり過ぎて加工性を低下させるので、その含有量を０．５０超〜１．５０％にする。好まし含有量は０．５２〜１．２４％である。
【００１１】
Ｍｎ：０．２０〜１．５０％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に鋼溶製時の脱酸剤であり、また焼入れ性を向上させるので、これらのために含有させる元素である。これらの作用効果を得るためには０．２０％以上、好ましくは０．３１％以上含有させる必要があるが、１．５０％、好ましくは１．３１％を超えると硬くなり過ぎて加工性が低下すると共に、焼なまし処理による変態終了時間が長くなって経済的でないので、その含有量を０．２０〜１．５０％にする。好ましい含有量は０．３１〜１．３１％である。
【００１２】
Ｎｉ：０．４０〜４．５０％
Ｎｉは、基地の疲労強度、靱性および焼入性を向上させるので、これらのために含有させる元素である。これらの作用効果を得るためには０．４０％以上、好ましくは０．６１％以上含有させる必要があるが、４．５０％、好ましくは３．５５％を超えると硬くなり過ぎて加工性を低下させると共にコストを高くするので、その含有量を０．４０〜４．５０％とする。好ましい含有量は０．６１〜３．５５％である。
また、準高温から高温下で基地の疲労強度を維持するには、Ｓｉ＋Ｎｉの含有量を１．５０〜５．０％にする必要がある。１．５％以下ではこの効果が少ないからであり、また５．０％より多く含有させると、硬くなり過ぎて加工性が低下すると共に、コストを高くするからである。
【００１３】
Ｃｒ：１．５０〜３．０％
Ｃｒは、Ｍ23Ｃ6 型炭化物を形成して上記理由により面疲労強度（転動疲労寿命）を向上させると共に、靱性および焼入性を向上させるので、これらのために含有させる元素である。これらの作用効果を得るためには１．５０％、好ましくは１．６１％以上含有させる必要があるが、３．０％、好ましくは２．５９％より多くなると粗大な炭化物が多くなって面疲労強度（転動疲労寿命）を低下させるので、その含有量を１．５０〜３．０％とする。好ましい含有量は１．６１〜２．５９％である。
【００１４】
Ｍｏ：０．５０〜１．２５％
Ｍｏは、Ｍ23Ｃ6 型炭化物を析出して上記理由により面疲労強度（転動疲労寿命）を向上させるので、このために含有させる元素である。０．５０％、好ましくは０．７５％より少ないとＭ23Ｃ6 型炭化物が安定して析出せず、また１．２５％を超えると切削性が低下するので、その含有量を０．５０〜１．２５％とする。好ましい含有量は０．７５〜１．２５％である。
また、準高温から高温下での硬度低下を抑制するだけのＭ23Ｃ6 型炭化物を析出させるためには、Ｃｒ＋Ｍｏを２．５０％以上にする必要がある。２．５０％より少ないと、上記Ｍ23Ｃ6 型炭化物が必要なだけ析出しないからである。また４．０％を超えるとＭ23Ｃ6 型炭化物が安定して析出しなくなるので、４．０％以下にする必要がある。
【００１５】
Ａｌ：０．０１〜０．１０％
Ａｌは、水素トラップサイトになる炭化物または炭窒化物を析出するので、このために含有させる元素である。０．０１％より少ないと水素トラップサイトになる析出物の必要量が確保されず、また０．１０％を超えると粗大な析出物の生成を招き、加工性を低下させるので、その含有量を上記のとおりにする。
Ｖ：０．０５〜０．４０％、Ｔｉ：０．０３〜０．２０％、Ｎｂ：０．０３〜０．１５％  Ｖ、ＴｉおよびＮｂは、水素トラップサイトになる炭化物または炭窒化物を析出するので、このために含有させる元素である。これらの含有量がＶにおいて０．０５％、ＴｉおよびＮｂにおいて０．０３％より少ないと水素トラップサイトになる析出物の必要量が確保されず、またＶにおいて０．４０％、Ｔｉにおいて０．２０％、Ｎｂおいて０．１５％を超えると粗大な析出物の生成を招き、加工性を低下させるので、その含有量を上記のとおりにする。
【００１６】
Ｂ：０．０００５〜０．００３０％
Ｂは、水素による粒界割れを防止するので、そのために含有させる元素である。この作用効果を得るには０．０００５％以上含有させる必要があるが、０．００３０％を超えると焼入性が不安定になるので、その含有量を０．０００５〜０．００３０％とする。
【００１７】
Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．０１％以下
ＰおよびＳは、不純物元素として粒界に偏析しやすく脆化を招きやすい元素である。これらの元素が偏析した粒界には侵入してきた水素が溜まりやすく、比較的短寿命な脆性型の転動疲労剥離を起こしやすくなる。ＰおよびＳの含有量を低減することで、粒界での水素のトラップ量が低減し、脆化型転動剥離を発生し難くするので、０．０１％以下にするのが好ましい。
【００１８】
Ｎ：０．０１５％以下、Ｏ：０．００１０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下
Ｎは、多くなると粗大なＶ、Ｔｉなどの窒化物になって微細に分散されなくなるので、０．０１５％以下にするのが好ましい。
Ｏは、不純物であり、多くなると粗大な酸化物となって析出して疲労強度を低下させるので、０．００１０％以下にするのが好ましい。
Ｃｕは、不純物であり、多くなると熱間加工性を低下させるので、０．３０％以下にするのが好ましい。
【００１９】
【作用】
本発明のトロイダルＣＶＴ用浸炭用鋼は、Ｓｉを０．５０超〜１．５０％  をすると共にＮｉを０．４０〜４．５０％、Ｓｉ＋Ｎｉの含有量を１．５０〜５．０％にしているので、準高温から高温環境下における基地の疲労強度の劣化を防止することができる。またＣｒを１．５０〜３．０％およびＭｏを０．５０〜１．２５％、Ｃｒ＋Ｍｏを２．５０〜４．０％にして準高温から高温下での硬度低下を抑制するＭ23Ｃ6 型炭化物を十分析出させているので、優れた転動疲労強度を有し、かつ水素をＶ，Ｔｉなどのトラップサイトに捕捉し、なおかつ水素の侵入経路となる粒界を強化し、すなわち脆化し難くするため、面疲労強度の劣化を防止することができる。
【００２０】
本発明のトロイダルＣＶＴ用浸炭用鋼の使用方法の一例は、８５０〜１０５０℃において浸炭処理または浸炭窒化処理を行い、８３０〜９２０℃から油中に焼入れるか、上記の処理後、焼入れずに次の熱処理を行うことである。
上記次の熱処理の一例は、６３０〜７００℃で３〜６時間加熱保持してＭ23Ｃ6 型炭化物を析出させ、更に８２０〜９００℃で３０〜８０分間加熱保持して窒化処理を施してから、あるいは直接１５０〜１４０℃に加熱した油中に入れて焼入れをし、続いて１５０〜２００℃で１．５〜３時間保持した後焼戻しをすることである。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって説明する。
下記表１に示す成分組成の本発明例および比較例の鋼を真空誘導加熱炉を用いて溶製し、通常の鋳造方法で鋳造してインゴットを得た。これらのインゴットを熱間鍛造をしてφ６５ｍｍの鍛造素材とした。この鍛造素材から径６０ｍｍ厚さ５ｍｍのスラスト転動試験用の円板型試験片を削り出し、下記方法で浸炭または浸炭窒化処理をした後、図１に示す条件でＭ23Ｃ6 型炭化物を析出させから油中に入れて焼入れをし、続いて１７０℃で２時間保持した後冷却して焼戻しをした。その後各試験片の表面を０．１ｍｍ研削仕上げをし、表面の炭素または炭素および窒素の濃度を測定すると共に、表面から５０μｍの深さの硬さを測定し、その結果を下記表３に示す。
また、準高温から高温の温度域で、かつ水素が発生する環境下における面疲労強度を求める試験として、図２に示す方法により下記表２に示す条件下で、剥離が発生するまでのｎ＝１０における累積破損確率１０％寿命（Ｌ１０）を求める転動寿命試験をした。その結果も下記表３に示す。
【００２２】
浸炭処理
真空炉に試験片を入れ、真空下で９２０℃に加熱し、この状態で浸炭ガスのＣ3 Ｈ8 （プロパンガス）を入れ、浸炭層が１〜１．５ｍｍになるまで浸炭処理をした。
浸炭窒化処理
熱処理炉に試験片および浸炭ガスのプロパンガスにアンモニアガスを添加した浸炭窒化ガスを入れ、８８０℃で浸炭層が１〜１．５ｍｍになるまで浸炭窒化処理をした。この時の窒素侵入深さは０．２〜０．５ｍｍである。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
【表２】
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【００２５】
【表３】
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【００２６】
表３の結果によると、本発明例は、浸炭処理のものでは表面の炭素濃度が０．７０〜０．９５％であり、浸炭窒化処理をしたものでは炭素の富化とともに窒素濃度が０．１８〜０．３５％であり、表面から５０μｍの硬さが７１２〜７８０ＨＶ、面疲労強度を表す転動寿命（Ｌ10) が９７０×１０4 以上であった。
また、ＳおよびＰ含有量を０．０１％以下にした参考例２（Ｖ，ＴｉおよびＮｂのうちの１種または２種以上を含有していない点以外は本発明と同じである。）は、粒界の偏析が低減し、脆性型の剥離が発生し難くなるため面疲労強度を表す転動寿命（Ｌ１０）が１００×１０4 以上であった。
【００２７】
これに対して、Ｓｉ，ＣｒおよびＭｏの含有量が本発明より少ない比較例１は、表面の炭素濃度および窒素濃度が本発明例のものと同程度であるが、硬さが本発明例のものよりやや低い７０７ＨＶであり、転動寿命（Ｌ10) が本発明例のものの約１／８．８以下の１１０×１０4 であった。
さらに、ＮｉおよびＳｉ＋Ｎｉが本発明より少ない比較例２は、表面の炭素濃度および硬さが本発明例のものと同程度であるが、転動寿命（Ｌ10) が本発明例のものの約１／４．６以下の２１０×１０4 であった。
また、Ｖ、Ｔｉ、ＮｂおよびＡｌが入っていないかまたは本発明より少ない比較例３は、表面の炭素濃度および硬さが本発明例のものと同程度であるが、転動寿命（Ｌ10) が本発明例のものの約１／２．１以下の４６０×１０4 であった。
【００２８】
また、ＶまたはＮｂ含有量が本発明より多い比較例４または６は、表面の炭素濃度および硬さが本発明例のものと同程度であるが、転動寿命（Ｌ10) が本発明例のものの約１／３．１以下または約１／５．１以下の３１０×１０4 または１９０×１０4 であった。
また、Ｔｉ含有量が本発明より多い比較例５は、表面の炭素濃度および窒素濃度と硬さが本発明例のものと同程度であるが、転動寿命（Ｌ10) が本発明例のものの約１／２．９以下の３３０×１０4 であった。
また、Ｂ含有量が本発明より多い比較例７は、表面の炭素濃度および硬さが本発明例のものと同程度であるが、転動寿命（Ｌ10) が本発明例のものの約１／９．７以下の１００×１０4 であった。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のトロイダルＣＶＴ部品用浸炭用鋼は、上記成分組成にすることにより、準高温から高温の温度域で、かつ水素が発生する環境下で使用しても、上記従来のものに類似している比較例３、上記公報に記載されているものに類似している比較例２のものなどの比較例のものと比較して転動寿命（Ｌ10) が大幅に長くなる、すなわち面疲労強度が高くなるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例における熱処理条件を示す説明図である。
【図２】  実施例における転動寿命試験方法を示す概念図である。
【図１】
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【図２】
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