(57)【要約】【課題】  自動車や産業機械に使用のギヤやシャフトなどの動力伝達用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少ない鋼材を提供する。【解決手段】    質量％で、Ｃ：０．２０〜０．３０％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．２０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．３０〜２．５０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．３００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％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のＭｓ点が４６０℃以下で、ジョミニー式一端焼入法の硬さのＪ９／Ｊ１．５の値が０．７０〜０．８５にあり、さらにＪ１１／Ｊ１．５の値が０．６７〜０．７８にある熱処理変形の小さい機械構造用鋼材。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．３０％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．２０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．３０〜２．５０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．３００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％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Ｊ１．５および距離９ｍｍにおける硬さのＪ９を用いて、下記の式（１）によって算出した（Ｊ９／Ｊ１．５）の値が０．７０〜０．８５の範囲にあり、さらに距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５および距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１を用いて、下記の式（２）によって算出した（Ｊ１１／Ｊ１．５）の値が０．６７〜０．７８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、
（Ｊ９／Ｊ１．５）＝（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）……式（１）
（Ｊ１１／Ｊ１．５）＝（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）……式（２）
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．３０％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．２０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．３０〜２．５０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．３００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％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Ｊ１．５および距離９ｍｍにおける硬さのＪ９を用いて、下記の式（１）によって算出した（Ｊ９／Ｊ１．５）の値が０．７０〜０．８５の範囲にあり、さらに距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５および距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１を用いて、下記の式（２）によって算出した（Ｊ１１／Ｊ１．５）の値が０．６７〜０．７８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、
（Ｊ９／Ｊ１．５）＝（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）
（Ｊ１１／Ｊ１．５）＝（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：０．２０〜０．３０％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．２０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．３０〜２．５０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．３００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％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Ｊ１．５および距離９ｍｍにおける硬さのＪ９を用いて、下記の式（１）によって算出した（Ｊ９／Ｊ１．５）の値が０．７０〜０．８５の範囲にあり、さらに距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５および距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１を用いて、下記の式（２）によって算出した（Ｊ１１／Ｊ１．５）の値が０．６７〜０．７８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、
（Ｊ９／Ｊ１．５）＝（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）
（Ｊ１１／Ｊ１．５）＝（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：０．２０〜０．３０％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．２０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．３０〜２．５０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．３００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％  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Ｊ１．５および距離９ｍｍにおける硬さのＪ９を用いて、下記の式（１）によって算出した（Ｊ９／Ｊ１．５）の値が０．７０〜０．８５の範囲にあり、さらに距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５および距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１を用いて、下記の式（２）によって算出した（Ｊ１１／Ｊ１．５）の値が０．６７〜０．７８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、
（Ｊ９／Ｊ１．５）＝（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）
（Ｊ１１／Ｊ１．５）＝（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鋼材の変形（以下「熱処理変形」という。）が発生することが知られている。こうした熱処理変形があると、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、鋼材以外の要因として、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も影響を受けていると考えられている。そこで、それらを種々に適正化することにより熱処理変形の軽減が試みられている。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が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。また、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が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【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は必ずしも汎用的な手段たり得なかった。なぜなら、たとえば特許文献１の技術では、部品内部に強度の低い軟質相が導入されてしまうことがあり、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ものであった。また、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、必ずしも汎用的な手段とは言い難かったからである。
【０００７】
一方、本願の発明者らは、軟質で部品強度を低下させかねないフェライト組織の生成に頼らずに十分な鋼材強度を確保したうえ、油焼入れなどの一般的な焼入れ手法のもとで、たとえ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に関して鋭意研究を行った。その結果、鋼の化学成分、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な範囲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、本発明に至ったものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開１９９７−１１１４０８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少な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：０．２０〜０．３０％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．２０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．３０〜２．５０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．３００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％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、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Ｊ１．５および距離９ｍｍにおける硬さのＪ９を用いて、下記の式（１）により算出の（Ｊ９／Ｊ１．５）の値が０．７０〜０．８５の範囲にあり、さらに距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５、および距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１を用いて下記の式（２）により算出の（Ｊ１１／Ｊ１．５）の値が０．６７〜０．７８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、
（Ｊ９／Ｊ１．５）＝（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法により測定される焼入端からの距離１．５ｍｍの硬さ）・・・式（１）
（Ｊ１１／Ｊ１．５）＝（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）・・・式（２）
【００１１】
請求項２の手段では、質量％で、Ｃ：０．２０〜０．３０％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．２０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．３０〜２．５０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．３００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％を含有し、さらにＮｉ：０．２０〜３．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％のうち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）が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Ｊ１．５および距離９ｍｍにおける硬さのＪ９を用いて上記の式（１）により算出の（Ｊ９／Ｊ１．５）の値が０．７０〜０．８５の範囲にあり、さらに、距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５および距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１を用いて、上記の式（２）により算出の（Ｊ１１／Ｊ１．５）の値が０．６７〜０．７８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：０．２０〜０．３０％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．２０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．３０〜２．５０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．３００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％を含有し、さらにＴｉ：０．０２０〜０．２００％、Ｎｂ：０．０２〜０．２０％のうち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）が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Ｊ１．５および距離９ｍｍにおける硬さのＪ９を用いて上記の式（１）により算出の（Ｊ９／Ｊ１．５）の値が０．７０〜０．８５の範囲にあり、さらに、距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５および距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１を用いて、上記の式（２）により算出の（Ｊ１１／Ｊ１．５）の値が０．６７〜０．７８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：０．２０〜０．３０％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．２０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．３０〜２．５０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．３００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％を含有し、さらにＮｉ：０．２０〜３．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％のうち１種または２種を含有し、さらにＴｉ：０．０２０〜０．２００％、Ｎｂ：０．０２〜０．２０％のうち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）が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Ｊ１．５および距離９ｍｍにおける硬さのＪ９を用いて上記の式（１）により算出の（Ｊ９／Ｊ１．５）の値が０．７０〜０．８５の範囲にあり、さらに、距離１．５ｍｍにおける硬さのＪ１．５および距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１を用いて、上記の式（２）により算出の（Ｊ１１／Ｊ１．５）の値が０．６７〜０．７８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：０．２０〜０．３０％
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０．２０％未満では強度を確保できず、０．３０％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０．２０〜０．３０％とし、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：０．１０〜１．２０％
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、１．２０％を超えると機械加工性を低下させる。そこでＭｎは０．１０〜１．２０％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】
Ｃｒ：１．３０〜２．５０％
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１．３０％未満では焼入性への効果は十分に得られず、２．５０％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１．３０〜２．５０％とし、望ましくは１．５０〜２．２５％とする。
【００２１】
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ので、３．００％以下とする。そこでＮｉは０．２０〜３．００％以下とする。
【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：０．００８〜０．３００％
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０．３００％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０．００８〜０．３００％とし、望ましくは０．０１４〜０．２００％とする。
【００２５】
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。
【００２６】
Ｎ：０．００２０〜０．０３００％
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、０．０３００％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０．００２０〜０．０３００％とし、望ましくは０．００２０〜０．０２００％とする。ただし、特にＴｉを０．０２０％以上含有する鋼においては、ＴｉＮの過剰生成による疲労強度の低下を避けるため、Ｎは０．００２０〜０．０１００％とする。
【００２７】
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、Ｔｉが０．２００％を超える添加は機械加工性を損なう。そこで、Ｔｉは０．０２０〜０．２００％とする。
【００２８】
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。
【００２９】
さらに、上記の成分の限定理由以外のＭｓ点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理由について説明する。
【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、軸状部品の曲がりやギヤの歯の倒れやねじれのことである。
【００３１】
（Ｊ９／Ｊ１．５）の値：０．７０〜０．８５、（Ｊ１１／Ｊ１．５）の値：０．６７〜０．７８
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Ｊ１．５と、距離９ｍｍにおける硬さのＪ９と、距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１とから算出される（Ｊ９／Ｊ１．５）の値を０．７０〜０．８５に規制し、（Ｊ１１／Ｊ１．５）の値を０．６７〜０．７８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、焼入れ後の軸状部品の曲がりやギヤの歯の倒れやねじれ、また、焼入れ前後における部品の寸法（長さ、径、厚み等）の変化のことである。なお、ジョミニー焼入性を適切な範囲に制御することで熱処理変形が抑制されるメカニズムについては、未だ十分に解明できていないが、ジョミニー焼入性が低すぎても、高すぎても熱処理変形が増大することは本発明者らにより実験的に確かめられている。推定として、この範囲のジョミニー焼入性を有する鋼においては、焼入れの冷却過程においてマルテンサイト変態に先立ってベイナイト変態が適度に起こり、鋼材強度が高められ、ある程度変形しにくくなった状態からマルテンサイト変態が開始するために熱処理変形が抑えられるものと考えている。一方、焼入性が低すぎる場合には、ベイナイト変態が過剰に起こるため、ベイナイト変態自体の影響によって熱処理変形が増大し、また、焼入れ性が高すぎる場合には、熱処理変形を緩和するベイナイト組織が少ないためにやはり熱処理変形が増大すると考えている。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の手段の鋼成分の限定および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期待されるといった有益な効果を奏することができる。
【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を得るために、表１に示す発明例の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鋼を真空誘導溶解炉にて溶製し、１００ｋｇの鋼塊を得た。
【００３４】
【表１】
2014047419.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および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】
2014047419.tif 000003
【００３７】
先ず、これらの本発明例および比較例の上記で溶製された鋼塊を、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８０ｍｍの試験片を作製し、その試験片の側面に、深さ５ｍｍ、幅８ｍｍ、長さ８０ｍｍ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、溝加工後に試験片の長さを測定した。さらに試験片端部から２ｍｍ、２０ｍｍ、および試験片長さの中央である４０ｍｍの各位置における半径および溝幅を測定した。続いて、これらの試験片を９３０℃で浸炭した後、炉内で８５０℃まで降温し、さらに１時間保持してから６０℃の焼入油中へ焼入れした。焼入れ後、十分に冷えた試験片について、試験片の曲り、長さ、および試験片端部から２ｍｍ、２０ｍｍ、および試験片長さの中央である４０ｍｍの各位置における半径および溝幅を測定した。
【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、熱処理変形の指標として、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。さらに、試験片端部から２ｍｍ、２０ｍｍ、および試験片長さの中央である４０ｍｍの合計３箇所の各位置における熱処理前後の半径、および溝幅の寸法測定結果から、各箇所の熱処理前後の半径、および溝幅の寸法変化量を求めたのち、その３箇所における寸法変化量のうちの最大値から最小値を差し引いた値を、それぞれ半径変化量、および溝幅変化量と定義して、これを熱処理変形の指標として評価した。
【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。本実施の形態におけるＭｓ点は、部品の冷却過程を想定した条件下で実測測定されるものであり、本実施の形態においては、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として測定した。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に本発明例の鋼について測定された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Ｊ１．５、距離９ｍｍにおける硬さのＪ９および距離１１ｍｍにおける硬さのＪ１１のそれぞれの値、また、求めた（Ｊ９／Ｊ１．５）の値および（Ｊ１１／Ｊ１．５）の値を示す。さらに、上記の試験片の焼入れ後に評価した曲り（単位ｍｍ）、熱処理前後の試験片の長さの差の絶対値（単位ｍｍ）、および上記の方法により求めた熱処理前後の試験片の半径変化量（単位ｍｍ）および溝幅変化量（単位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３８８〜４４４℃の範囲にあり、この鋼材の（Ｊ９／Ｊ１．５）の下記に示す式（１）の値が０．７２〜０．８５の範囲にあり、（Ｊ１１／Ｊ１．５）の下記に示す式（２）の値が０．６７〜０．７８の範囲にあり、熱処理後の曲りは０．００５〜０．０３０ｍｍであり、熱処理前後の試験片の長さの差の絶対値は０．００３〜０．０２３ｍｍであり、熱処理前後の半径変化量は０．００２〜０．００８ｍｍであり、熱処理前後の溝幅変化量は０．０１１〜０．０２４ｍｍであった。
ただし、
（Ｊ９／Ｊ１．５）＝（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）
（Ｊ１１／Ｊ１．５）＝（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】
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【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（ＨＲＣ）のＪ１．５、距離９ｍｍにおける硬さ（ＨＲＣ）のＪ９、および距離１１ｍｍにおける硬さ（ＨＲＣ）のＪ１１であるジョミニー焼入性、また、求めた（Ｊ９／Ｊ１．５）の値および（Ｊ１１／Ｊ１．５）の値を示す。さらに、上記試験片の焼入れ後の曲り（単位ｍｍ）、および、熱処理前後の試験片の長さの差の絶対値（単位ｍｍ）、および上記の方法により求めた熱処理前後の試験片の半径変化量（単位ｍｍ）、および溝幅変化量（単位ｍｍ）を示す。
【００４３】
【表４】
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【００４４】
上記の発明例のＮｏ．１〜２３では、鋼材のＦｅおよびＮｉ、Ｍｏ以外の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３８８〜４４４℃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（Ｊ９／Ｊ１．５）の値を０．７２〜０．８５の範囲に、式（２）から計算される（Ｊ１１／Ｊ１．５）の値を０．６７〜０．７８の範囲とすることによって、熱処理後の試験片の曲りを０．００５〜０．０３０ｍｍ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０．００３〜０．０２３ｍｍの小さな範囲に、さらに熱処理前後の半径変化量を０．００２〜０．００８ｍｍの小さな範囲に、さらに熱処理前後の溝幅変化量を０．０１１〜０．０２４ｍｍ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以外の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．１６の２例を除く、残りの１４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の比較例の鋼は、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（Ｊ９／Ｊ１．５）の値が０．７０〜０．８５の範囲外であり、および（Ｊ１１／Ｊ１．５）の値が０．６７〜０．７８の範囲外である。また、これらＮｏ．１〜１６の比較例の鋼のうち、９例は測定されたＭｓ点が４６０℃を超えるものである。比較例１〜１６は、熱処理後の試験片の曲がりが０．０５０〜０．０９０ｍｍであり、いずれも発明例の鋼に比べ大きい。また、これらＮｏ．１〜１６の比較例の鋼は、熱処理前後の試験片の長さの差の絶対値、あるいは熱処理前後の半径変化量および溝幅変化量のうち、いずれか一つ以上の値が本発明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、熱処理前後の試験片の長さの差の絶対値、および熱処理前後の半径変化量および溝幅変化量の全てが本発明例の鋼と同等のものは１例も無かった。
【００４６】
Ｍｓ点が本発明の請求の範囲を満足し、（Ｊ９／Ｊ１．５）の値および（Ｊ１１／Ｊ１．５）の値が本発明の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、熱処理前後の試験片の長さの差の絶対値、および熱処理前後の半径変化量および溝幅変化量が比較例に比して略小さく、熱処理変形が抑制されている。なお、本発明例の鋼材は浸炭焼入れ等の部品を硬化させるための焼入れをともなう熱処理を施した後、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、浸炭焼入れ等、部品を硬化させるための焼入れをともなう熱処理を行った場合の熱処理変形を小さくすることができる。この結果、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。