(57)【要約】本発明は、質量％で、Ｃ：０．３〜０．６％、Ｓｉ：０．０２〜２．０％、Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満およびＡｌ：０．０１〜０．５％を含有し、Ｂ：０．０００３％未満、Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、Ｎ：０．００３〜０．００５５％、Ｐ：０．０００１〜０．０３％およびＯ：０．０００１〜０．００５０％に制限し、ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、窒化処理後、高周波焼入れを施した際、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる表面硬化性を有することを特徴とする表面硬化用機械構造用鋼。
2010082685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
窒化処理後、高周波焼入れを施し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる表面硬化性を有することを特徴とする表面硬化用機械構造用鋼。
【請求項２】
質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満、
Ａｌ：０．０１〜０．５％および
Ｂ：０．０００３〜０．００５％
を含有し、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
窒化処理後、高周波焼入れを施し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる表面硬化性を有することを特徴とする表面硬化用機械構造用鋼。
【請求項３】
前記鋼が、さらに、質量％で、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の表面硬化用機械構造用鋼。
【請求項４】
前記鋼が、質量％で、さらに、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％および
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の表面硬化用機械構造用鋼。
【請求項５】
質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％および
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
窒化処理後、高周波焼入れを施し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる表面硬化性を有することを特徴とする表面硬化用機械構造用鋼。
【請求項６】
質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満、
Ａｌ：０．０１〜０．５％および
Ｂ：０．０００３〜０．００５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％および
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
窒化処理後、高周波焼入れを施し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる表面硬化性を有することを特徴とする表面硬化用機械構造用鋼。
【請求項７】
請求項１または２に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項８】
請求項１または２に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項９】
請求項１または２に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１０】
請求項３に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１１】
請求項３に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１２】
請求項３に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１３】
請求項４に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１４】
請求項４に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１５】
請求項４に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１６】
請求項５に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１７】
請求項５に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１８】
請求項５に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１９】
請求項６に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項２０】
請求項６に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項２１】
請求項６に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面硬化用機械構造用鋼及び機械構造用部品に関する。詳しくは、自動車等の動力伝達部品に適用される高い面疲労強度を有する部品、特に歯車、無段変速機、軸受け、等速ジョイント、ハブ等の機械構造用部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械構造用部品、例えば、自動変速機の歯車や無段変速機のシーブ、軸受け、等速ジョイント、ハブなどの動力伝達部品は、高い面疲労強度が要求される。従来、上記した部品には、素材にＪＩＳ  ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０等のＣが０．２％前後の肌焼鋼を用い、浸炭焼入れ処理を施して部品の表面に、Ｃが０．８％前後のマルテンサイト組織の硬化層を形成して面疲労強度を高めて使用されることが一般的である。
しかしながら、浸炭焼入れは９５０℃前後の高温でのオーステナイト変態を伴い、５〜１０時間、場合によっては１０時間以上もの長時間での処理となるため、結晶粒粗大化による熱処理変形（焼入れ歪）が大きくなることは避けられない。このため高い寸法精度が要求される部品は、浸炭焼入れされた後、研削やホーニング等の仕上げ加工を施さなければならなかった。
近年、自動車のエンジン等の騒音を低減する要求が高まっていることから、浸炭焼入れ処理に比べて熱歪が小さい表面硬化処理である高周波焼入れや軟窒化処理が注目されるようになっている。
高周波焼入れは、鋼材を短時間に加熱して、表層部の必要な部分のみを、オーステナイト化し焼入れするため、焼入れ歪が小さく、寸法精度の高い表面硬化部品を得ることができる。
しかしながら、高周波焼入れのみで浸炭焼入れ材と同等の硬さを得るには、０．８％以上ものＣを鋼材に添加する必要があり、面疲労強度の向上とは関係のない、素材内部の硬さも上昇し、被削性の著しい劣化が生じる。したがって、鋼材中のＣ量をむやみに増加させることはできないため、高周波焼入れのみで面疲労強度を向上させることには限界がある。
軟窒化処理は変態点以下の５００〜６００℃位の温度域で、主として窒素と炭素を同時に鋼材表面に拡散浸透させることにより硬化層を形成し、耐摩耗性・耐焼付性・耐疲労性等を向上させる表面硬化法である。
鋼材表面では拡散した窒素が鋼中に窒化物を生成し、一般的に鋼材の最表層に主にＦｅ３Ｎ、Ｆｅ４Ｎ等のＦｅ窒化物からなる化合物層を形成し、鋼材の最表層より内部には、Ｎが拡散した窒化層を生成する。
軟窒化処理は低温で行うことができ、しかも浸炭焼入れをする場合に比べて、処理時間が２〜４時間程度の短時間で良いことから、低歪が要求される鋼部品への適用は多い。
しかしながら軟窒化処理だけでは硬化層深さは小さいため、高い面圧が加わるトランスミッションの歯車等には適用することが困難である。
最近では、高周波焼入れと軟窒化処理の欠点を補い、より優れた機械的性質、特に面疲労強度を向上させる方法として、軟窒化処理後に高周波焼入れを施すことが試みられている。
特許文献１では、ガス軟窒化処理と高周波焼入れを組み合わせることにより、それぞれ単独での欠点を補い、軟化抵抗を向上させて、優れた機械的性質、特に高い面疲労強度を得る製造方法が提案されている。
特許文献１の製造方法では、鋼材にガス軟窒化を施して化合物層を形成し、その後、高周波焼き入れにより、ガス軟窒化で形成された化合物層中の窒素化合物を鋼中に分解、拡散させて焼入れ窒化層を形成するものである。
なお、以下の説明では、軟窒化処理で鋼材の最表層に形成されたＦｅ３Ｎ、Ｆｅ４Ｎ等のＦｅ窒化物からなる層を「化合物層」と、鋼材の最表層より内部でＮが拡散し形成された窒化層のうち、高周波焼入れを施さずに形成されたものを「窒化層」と、高周波焼入れを施して形成されたものを「焼入れ窒化層」と呼び、区別するものとする。
特許文献１の製造方法で製造される鋼材は、表面硬度は高いものの、焼入れ窒化層中のＮ濃度が低いため、高温時における鋼材の硬さは低く、稼動中に高温となる歯車等の表面において十分な軟化抵抗を発揮することが出来ず、その結果、高い面疲労強度を得ることができていない。
特許文献２には、軟窒化処理と高周波焼入れを組み合わせることで、機械的性質に優れた機械構造用部品を得る製造方法が提案されている。特許文献２の製造方法では、Ｎとの親和性が高い元素を鋼材に添加することにより、鋼材中の窒化物を分解、拡散させている。
しかしながら、特許文献２の製造方法では、鋼材中の窒化物を分解、拡散させる元素の添加量が充分ではないために、鋼材を９００℃以上１２００℃以下という非常に高い温度にまで高周波加熱し、Ｎを鋼中に固溶させることが必要である。そのため、鋼材表面に厚い酸化層が生成され、その酸化層により、鋼材の機械的性質が著しく劣化してしまうことが避けられない。
また、軟窒化処理で得た化合物層を、高周波焼入れによって焼入れ窒化層にするに際し、特許文献２の製造方法では、焼入れ窒化層を厚くするための方法が考慮されていない。
したがって、特許文献２の製造方法で得られた機械構造用部品は、焼入れ窒化層の厚さが充分でないため、高い面圧での使用に耐え得る良好な面疲労強度を有しない。
特許文献３には、窒化処理と高周波焼入れを組み合わせることで優れた機械的性質を有する機械構造用部品を得る技術が提案されている。特許文献３の機械構造用部品は、鋼材に６００℃以上の高温で窒化処理を行って化合物層を形成し、その後、高周波焼き入れを施して焼入れ窒化層を形成するものである。
しかしながら、特許文献３における窒化処理は６００℃以上の高温で行われるため、形成される化合物層は薄く、化合物層中のＮ濃度も低い。したがって、窒化後に高周波焼入れを施しても、窒化処理で形成された化合物層中の窒素化合物が分解されて、鋼材内部に拡散するＮ量も少ない。
つまり、６００℃以上の高温で行う窒化処理では、化合物層を形成して、その後に高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成することはできても、焼入れ窒化層の厚さが不足し、充分な軟化抵抗が得られず、その結果、良好な面疲労強度を有する機械構造用部品を得ることはできない。
特許文献４には、窒化層深さが１５０μｍ以上となる条件で軟窒化処理を行った後、窒化層がオーステナイト化する条件で高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成する機械構造部品の製造方法が提案されている。
しかしながら、特許文献４で提案される製造方法で製造された機械構造用部品は、焼入れ窒化層の厚さが最高でも０．３ｍｍであり、面疲労強度が充分ではない。
特許文献５では、熱間加工した鋼材に黒鉛析出熱処理を施した後、冷間加工し、ついで窒化処理を行って得られる機械構造用部品が提案されている。
しかしながら、特許文献５の機械構造用部品は、析出黒鉛により被削性を改善するものであり、鋼材表面に存在する析出黒鉛が面疲労強度を低下させる。
したがって、特許文献５の機械構造用部品に高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成したとしても、機械構造用部品の表面に高い面圧が負荷されるトランスミッションの歯車等の動力伝達部品として、特許文献５の機械構造用部品を使用することは困難である。
また、一般的に、歯車等の動力伝達部品用部品は、鍛造後の素材に施される切削加工で部品形状に仕上げられ、その後、表面硬化処理を施されて完成品となる。上記特許文献１〜５の提案は、合金元素を添加した中炭素鋼に表面硬化処理を施すことにより稼動面の高強度化を図っている技術である。
したがって、被削性について考慮されていないため、鋼材内部の硬さの不必要な上昇により、切削加工時の生産性が低下し、製造コスト上昇が避けられない。
よって、鋼材の面疲労強度向上を図りつつ、鋼材内部の硬さの上昇を抑えて被削性を低下させないことも望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１７２９６１号公報
【特許文献２】特開平７−９０３６３号公報
【特許文献３】特開２００７−７７４１１号公報
【特許文献４】特開平７−９０３６４号公報
【特許文献５】特開２００８−１６９４８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記の実情に鑑み、浸炭焼入処理では得られない良好な寸法精度を有し、軟窒化処理のみ、あるいは、高周波焼入れのみでは不足する、表面硬さ、内部硬さ、及び軟化抵抗を向上させ、高い面疲労強度を有し、常温はもちろんのこと、３００℃前後の高温においても、高い面圧が負荷される部品にも使用することができる、表面硬化用機械構造用鋼、及びその表面硬化用機械構造用鋼を用いた機械構造用鋼部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
鋼部品の面疲労強度向上には、表面硬さの向上、表面硬化層深さの増大、及び高温化（３００℃前後）する稼動面での高温強度を維持をするための軟化抵抗の向上を図る必要がある。
また、生産性の低下を防止するため、面疲労強度向上に伴って素材の被削性を低下させないことや、稼動面同士の焼付きや凝着を防止するための潤滑膜を鋼材表面に形成することも、併せて望まれている。
これらの課題を実現するため、本発明者らは、軟窒化処理と高周波焼入れとを組合せ、鋼材の面疲労強度を向上させることができる、鋼材の表面硬化性について種々の検討を行い、被削性や潤滑膜についても併せて検討した。その結果、以下の知見を得た。
ａ）軟化抵抗の増大には、鋼材表面に形成される焼入れ窒化層を厚くし、かつ、焼入れ窒化層中のＮ濃度を高くすることが有効である。
軟窒化処理は、鋼材の最表層に化合物層を形成し、その最表層より内部に窒化層を形成することができる。しかしながら、軟窒化処理で形成される化合物層は大変薄く、化合物層より内部に形成される窒化層も、軟化抵抗を増大させるのに充分な厚さを有しておらず、窒化層中のＮ濃度も充分ではない。
そこで、軟窒化処理後に高周波焼入れを施し、軟窒化処理で形成される化合物層（主にＦｅ３Ｎ、Ｆｅ４Ｎ等のＦｅ窒化物からなる層）を、高周波加熱により分解し、鋼内部に充分な量のＮを拡散させ、焼入れ窒化層を形成する。
このようにして得られた焼入れ窒化層は、鋼材に充分な軟化抵抗を付与し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる。そして、このような焼入れ窒化層を有する鋼材は、良好な面疲労強度を有し、常温はもちろんのこと、３００℃前後の高温時にも使用することができる。
図１は、軟窒化処理のままの鋼材と、軟窒化処理後に高周波焼入れを施した鋼材とで、鋼材の表面から芯部方向への断面硬さ分布を比較した一例を示す図である。図１中、符号１は軟窒化処理のままの鋼材の断面硬さ分布、符号２は軟窒化処理後に高周波焼入れを施した鋼材の硬さ分布を示す。
図１に示すように、軟窒化処理のままの鋼材１は、最表層には化合物層が形成され、非常に高い硬さを示すが化合物層の厚さは薄い。一方、軟窒化処理後に高周波加熱を施した鋼材２は、高周波加熱により最表層の化合物層中に存在するＦｅ窒化合物が分解され、その分解されたＦｅ窒化合物を起源とするＮを鋼材の内部に拡散する。その結果、鋼材２の最表層の硬さはやや低下しているものの、最表層より内部に、充分な硬さを有する焼入れ窒化層が、厚く形成されている。つまり、軟窒化処理によって形成された最表層の化合物層は、焼入れ窒化層を形成するためのＮ源として機能している。
なお、高周波焼入れ後における、鋼材２の表層はマルテンサイト組織で、芯部はフェライト−パーライト組織である。
高周波加熱により分解される化合物層の厚さを１０μｍ以上とすることで、高いＮ濃度の焼入れ窒化層が深く得られる。軟窒化処理によって形成される化合物層は、軟窒化条件によっては脆いものとなり、機械的性質を劣化させる場合があるので、化合物層は薄くすることが一般的である。
本発明では、化合物層を積極的に厚くする。即ち、化合物層を１０μｍ以上とすることで、高周波焼入れによって形成される焼入れ窒化層を、高Ｎ濃度のマルテンサイト組織とすることができ、鋼材の軟化抵抗が飛躍的に増大する。
ｂ）軟窒化処理で厚い化合物層を形成するためには、鋼とＮの化合を妨げるＳを低減することが有効である。鋼材中のＳが単独で固溶していると、鋼材表面へＳが濃化しやすくなり、Ｎが鋼材表面に侵入することを阻害する。これを防止するため、一定量以上のＭｎを添加し、ＳをＭｎＳの形態で鋼中に固定し無害化する。このような無害化は、Ｍｎ／Ｓ≧７０とすることでその効果が顕著に現れ、その結果、１０μｍ以上の厚さの化合物層の形成することができる。
ｃ）面疲労強度を向上させても、被削性が劣化しないようにするためには、鋼材内部の硬さを必要以上に上昇させないことが好ましく、さらには、面疲労強度を向上させつつ、被削性を改善する元素を添加することが好ましい。
鋼材内部の硬さを必要以上に上昇させないようにするためには、Ｍｎ、Ｎ等の合金元素を過剰添加しないことが有効である。
そして、面疲労強度を向上させしつつ、被削性を改善する元素として、ＡｌとＢを複合添加してもよい。Ｂは、鋼中のＮと化合することによりＢＮとして鋼中に存在し、被削性を改善する。
Ｂは、鍛造工程における冷却中にＢＮを形成する。鍛造工程では、鋼材の冷却速度が通常遅いため、ＢＮを形成しても硬度を上昇させることはなく、被削性を低下させることはない。
鍛造工程で形成されるＢＮは、高周波焼入れ時の高周波加熱により、分解され固溶Ｂとなり、焼入れ時の急冷によって、鋼材の表層硬さを大きく上昇させ、面疲労強度向上にも寄与する。
Ａｌは、固溶状態で鋼に存在することにより被削性を著しく向上させる元素である。Ａｌは鋼材の硬さ上昇には影響しない。また、軟窒化処理時においては、ＡｌはＮと化合物を形成し、表層近傍のＮ濃度を高める効果があり、面疲労強度向上にも有効な元素である。
また、ＡｌとＢを複合添加すると、Ｂが被削性の改善に有効なＢＮを生成する。そして、このＢＮは高周波焼入れによりＢとＮとに分解され、Ｎ濃度の高い焼入れ窒化層を得ることができ、分解されたＢにより鋼材の焼入れ性を向上させるために、高い面疲労強度を得ることができる。
さらに、ＢＮを形成することにより鋼材中のＮを消費することで、ＡｌとＮとが化合することを抑制し、より多くの固溶Ａｌを得ることが可能となり、被削性も向上する。
ｄ）稼動面の焼付きや凝着を防止するためには、潤滑剤油膜が鋼部品の表面で途切れなく形成されるように油溜まりを設けることが有効である。本発明の鋼材は、軟窒化処理により化合物層を形成した後、化合物層中のＦｅ窒化合物を高周波加熱により分解するとともに、鋼材をオーステナイト化して焼入れ処理を施すことで得られる焼入れ窒化層を有する。
図２は、光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察した焼入れ窒化層の組織を示す図である。図２（ａ）は光学顕微鏡で観察した組織、図２（ｂ）は走査型電子顕微鏡で観察した組織を示す。
図２に示すように、焼入れ窒化層１０は、化合物層中の窒素化合物の分解により形成された多数の空孔２０を有し、硬質の多孔質層３０となっている。この多孔質層３０は、油溜まりとして機能し、潤滑効果を向上させるとともに、鋼材の耐摩耗性、耐久性を一層向上させる。
なお、軟窒化処理条件及び高周波加熱条件を制御することにより、空孔２０の大きさは円相当径で０．１〜１μｍに、空孔２０の存在密度は１００００個／ｍｍ２以上に、空孔２０の存在範囲は鋼部品の表面から５μｍ以上の深さにすることができ、油溜りとして有効に機能する。
本発明は、上記の知見に基づいて完成したものであり、その要旨は以下の通りである。
（１）質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
窒化処理後、高周波焼入れを施し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる表面硬化性を有することを特徴とする表面硬化用機械構造用鋼。
（２）質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満、
Ａｌ：０．０１〜０．５％および
Ｂ：０．０００３〜０．００５％
を含有し、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
窒化処理後、高周波焼入れを施し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる表面硬化性を有することを特徴とする表面硬化用機械構造用鋼。
（３）前記鋼が、さらに、質量％で、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の表面硬化用機械構造用鋼。
（４）前記鋼が、質量％で、さらに、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％および
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の表面硬化用機械構造用鋼。
（５）質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％および
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
窒化処理後、高周波焼入れを施し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる表面硬化性を有することを特徴とする表面硬化用機械構造用鋼。
（６）質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満、
Ａｌ：０．０１〜０．５％および
Ｂ：０．０００３〜０．００５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％および
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
窒化処理後、高周波焼入れを施し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる表面硬化性を有することを特徴とする表面硬化用機械構造用鋼。
（７）上記（１）または（２）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
（８）上記（１）または（２）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（９）上記（１）または（２）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１０）上記（３）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１１）上記（３）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１２）上記（３）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１３）上記（４）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１４）上記（４）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１５）上記（４）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１６）上記（５）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１７）上記（５）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１８）上記（５）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１９）上記（６）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
（２０）上記（６）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（２１）上記（６）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の表面硬化用機械構造用鋼を、軟窒化処理後に高周波焼入れすることで、鋼材表面の硬度が著しく上昇し、かつ、軟化抵抗の増大により、高い面疲労強度を得ることができる。
本発明の機械構造用部品は、常温はもちろんのこと、３００℃前後の高温となる使用条件下においても高い面疲労強度が要求される自動車等の動力伝達部品、例えば、歯車、無段変速機、等速ジョイント、ハブ等に使用することができ、自動車等の高出力化及び低コスト化等に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
図１は、軟窒化処理のままの鋼材と、軟窒化処理後に高周波焼入れを施した鋼材とで、鋼材の表面から芯部方向への断面硬さ分布を比較した一例を示す図である。
図２は、光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察した焼入れ窒化層の組織を示す図である。図２（ａ）は光学顕微鏡で観察した組織、図２（ｂ）は走査型電子顕微鏡で観察した組織を示す。
図３は、軟窒化処理したときのＭｎ／Ｓと化合物厚さとの関係を示す図である。
図４は、高周波焼入れ後における、鋼の表面から０．２ｍｍの深さでの、Ｎ濃度と３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さ（Ｈｖ）との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌを適正量添加した鋼素材を、軟窒化処理後に高周波焼入れし、Ｎ濃度の高い焼入れ窒化層を深く形成して、表面硬さ及び軟化抵抗を向上させることで、常温はもちろんのこと、３００℃前後の高温においても、高い面疲労強度を得て、発明を完成したものである。
先ず、本発明の必須添加元素の規定理由を説明する。なお、成分についての％は質量％を表す。
Ｃ：０．３〜０．６％
Ｃは、鋼の強度を得るために重要な元素であり、特に、高周波焼入れの前組織としてのフェライト分率を低減し、高周波焼入れ時の硬化能を向上させ、硬化層深さを大きくするために必要な元素である。Ｃ添加量が０．３％未満ではフェライト分率が高く、高周波焼入れ時の硬化が不足するので、Ｃ添加量下限は０．３％とした。一方、Ｃ添加量が過剰な場合、部品製作時の切削性や鍛造性を著しく害し、さらに高周波焼入れ時に焼割れが発生する可能性が大きくなるため、Ｃ添加量の上限は０．６％とした。
Ｓｉ：０．０２〜２．０％
Ｓｉは、焼入層の軟化抵抗を増大させることにより、面疲労強度を向上させる効果がある。その効果を得るにはＳｉ添加量は０．０２％以上とすることが必要である。一方、Ｓｉ添加量が２．０％を超えると鍛造時の脱炭が著しくなるため、２．０％を上限とした。
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満
Ｍｎは、焼入れ性向上、軟化抵抗増大により面疲労強度を向上させるのに有効な元素である。さらに、鋼中のＳをＭｎＳとして固定することにより、Ｓが鋼材表面に濃化して、Ｎが鋼中に侵入することを阻害するのを防止し、軟窒化処理で厚い化合物層を形成することを促進する効果がある。ＭｎＳとしてＳを鋼中に固定し無害化するためには、Ｍｎ／Ｓ≧７０とすることが必要である。また、高周波焼入れの前組織としてのフェライト分率を低下させ、高周波焼入れ時の硬化能を向上する。その効果を得るには、Ｍｎは０．３５％以上の添加が必要である。Ｍｎを適量添加した場合、高周波焼入れ時の焼入性が向上するため、焼入れ後の鋼材の硬さが上昇し、面疲労強度が向上する。しかしながら、Ｍｎを１．５％以上添加すると、素材硬さが必要以上に上昇し、軟窒化処理前の素材の切削加工性が著しく劣化し、生産性を低下させることになる。このため、Ｍｎ添加量は１．５％未満とする。
Ｍｎ／Ｓ：７０以上３００００
上述のとおり、Ｓの鋼材表面への濃化を防止するために、Ｓに対してＭｎを一定以上の比で添加し、ＭｎＳによるＳの無害化を図る必要がある。ＭｎとＳの添加量の比Ｍｎ／Ｓが７０以上であると、Ｓの無害化効果が著しく向上する。しかしながら、Ｍｎ／Ｓが７０未満であると、鋼材表面にＳが濃化し、軟窒化処理時の化合物層の形成が妨げられるため、Ｍｎ／Ｓを７０以上とした。
図３は、後述する条件で軟窒化処理したときのＭｎ／Ｓと化合物厚さとの関係を示す図である。図３から明らかなように、Ｍｎ／Ｓを７０以上にすることにより、軟窒化処理後に１０μｍ以上の厚さの化合物層が得られる。一方、Ｍｎ／Ｓが３００００を超えても、Ｓの無害化の効果は飽和するため、Ｍｎ／Ｓの上限は３００００とした。
Ａｌ：０．０１〜０．５％
Ａｌは、Ａｌ窒化物として鋼中に析出分散することにより、高周波焼入処理時のオーステナイト組織の細粒化に有効に働き、さらに焼入れ性を高めて硬化層深さを大きくする元素である。また、被削性向上にも有効な元素である。したがって、Ａｌ添加量は０．０１％以上とする必要がある。そして、軟窒化処理時にＮと化合物を形成し、鋼材の表層近傍のＮ濃度を高める効果があり、面疲労強度向上にも有効な元素である。したがって、Ａｌ添加量は０．０１％以上とする必要である。一方、Ａｌ添加量が０．５％を超えると、析出物（Ａｌ窒化物）が粗大化して鋼を脆化させるため上限を０．５％とした。
Ｂ：０．０００３％未満
Ｂが、鋼中に不可避的に含有されても、Ｂの含有量を０．０００３％未満に制限することで、本発明の効果を損ねることはない。
Ｂ：０．０００３〜０．００５％
Ｂが鋼中に添加されると、鋼中のＮとＢとが化合し、鋼中にＢＮを形成するが、高周波加熱時にＢＮが分解されてＢとなり、焼入れ性を大きく改善し、面疲労強度が向上する。その効果を得るには、Ｂ添加量は０．０００３％以上とする必要がある。一方、Ｂ添加量が０．００５％を超えてもその効果は飽和し、さらに、圧延や鍛造時の割れの原因ともなるため、０．００５％を上限とした。なお、ＢＮは、冷却速度の遅い熱処理や、冷却速度が通常遅い冷間加工の冷却中に形成される。したがって、冷間加工後、軟窒化処理及び高周波焼入れ前に行われる切削加工時には、ＢＮが被削性を向上させ、切削加工が行われた後、高周波焼入れによってＢＮが分解されて焼入れ窒化層となり、その焼入れ窒化層が面疲労強度を向上させるため、高い面疲労強度が要求される機械構造用部品を製造するのに好都合である。
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％
Ｓは、被削性を向上させる効果がある。しかしながら、Ｓは、鋼材表面に濃化することにより軟窒化処理時にＮの鋼材への侵入を妨げる軟窒化阻害元素である。Ｓ添加量が０．０２１％を超えると、鋼材へのＮの侵入を著しく妨げ、さらに鍛造性も著しく劣化する。したがって、被削性向上のため、Ｓを含有させたとしても０．０２１％以下とする必要がある。一方、Ｓ添加量の下限は工業的限界の０．０００１％とした。なお、上述したとおり、ＭｎＳとしてＳを鋼中に固定し、軟窒化阻害を無害化するため、Ｍｎ／Ｓの下限は７０とする。一方、Ｍｎ／Ｓが３００００をこえても、軟窒化阻害を無害化する効果は飽和するため、Ｍｎ／Ｓの上限は３００００とする必要がある。
Ｎ：０．００３〜０．００５５％
Ｎは、各種窒化物を形成して高周波焼入時のオーステナイト組織の細粒化に有効であり、その効果を得るには、Ｎ添加量は０．００３％以上とする必要がある。一方、過剰なＮが添加されると硬さが上昇し、さらに、ＮとＡｌとが化合してＡｌＮを生成し、被削性向上に有効な固溶Ａｌが減少するため被削性が劣化する。また、過剰に添加されたＮは、高温域の延性を低下させ、さらに、粗大ＡｌＮや粗大ＢＮを生成するため素材を著しく脆化し、圧延や鍛造の際に割れを発生させる。したがって、Ｎ添加量は０．００５５％以下に制限する必要がある。
Ｐ：０．０００１〜０．０３％
Ｐは、粒界に偏析して靭性を低下させるため極力低減することが好ましく、０．０３％以下に制限することが必要である。Ｐ添加量の下限は工業的限界の０．０００１％とする。
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％以下
Ｏは、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２等の酸化物系介在物として鋼中に存在するが、Ｏが多いとこのような酸化物が大型化する。この大型化した酸化物を起点として、動力伝達部品は破損に至るため、Ｏ含有量は０．００５０％以下に制限する必要がある。Ｏ含有量は少ないほど好ましいため、０．００２０％以下とすることがより好ましく、高寿命を指向する動力伝達部品の場合には、０．００１５％以下とすることがさらに好ましい。なお、Ｏ含有量の下限は工業的限界の０．０００１％とする。
次に、任意添加元素の規定理由について説明する。
［鋼材強化元素］
Ｗ：０．００２５〜０．５％
Ｗは、焼入性向上により面疲労強度を向上する元素である。しかしながら、Ｗの添加により鋼材の硬さが上昇し、被削性が劣化するため、Ｗの添加には制限がある。焼入れ性を向上させて、面疲労強度の大幅な向上を達成するためには、Ｗ添加量は０．００２５％以上とすることが好ましい。より好ましくは０．０３％以上である。一方、Ｗ添加量が０．５％を超えると、その効果は飽和し経済性が損なわれるため０．５％を上限とした。
Ｃｒ：０．２〜２．０％
Ｃｒは、添加することにより窒化特性と焼入層の軟化抵抗を向上させ、面圧疲労強度を向上させる効果がある。その効果を得るには、Ｃｒ添加量は０．２％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｒ添加量が２．０％を超えると切削性が悪化するため、Ｃｒ添加量の上限は２．０％とすることが好ましい。
Ｍｏ：０．０５〜１．０％
Ｍｏは、添加することにより焼入層の軟化抵抗を向上させ、面疲労強度を向上させる効果に加えて、焼入層を強靭化して曲げ疲労強度を向上させる効果を併せもつ。これらの効果を得るには、Ｍｏ添加量は０．０５％以上とすることが好ましい。一方、Ｍｏ添加量が１．０％を超えても、これらの効果は飽和し経済性を損ねるため、Ｍｏ添加量の上限は１．０％とすることが好ましい。
Ｖ：０．０５〜１．０％
Ｖは、添加することにより窒化物として鋼中に析出分散し、高周波焼入れの際にオーステナイト組織を細粒化するのに有効である。その効果を得るには、Ｖ添加量は０．０５％以上とすることが好ましい。一方、Ｖ添加量が１．０％を超えてもその効果は飽和し経済性を損ねるため、Ｖ添加量の上限は１．０％とすることが好ましい。
Ｎｂ：０．００５〜０．３％
Ｎｂは、添加することにより窒化物として鋼中に析出分散し、高周波焼入れの際にオーステナイト組織を細粒化するのに有効である。その効果を得るには、Ｎｂ添加量は０．００５％以上とすることが好ましい。一方、Ｎｂ添加量が０．３％を超えてもその効果は飽和し経済性を損ねるため、Ｎｂ添加量の上限は０．３％とすることが好ましい。
Ｔｉ：０．００５〜０．２％
Ｔｉは、添加することにより窒化物として鋼中に析出分散し、高周波焼入れの際にオーステナイト組織を細粒化するのに有効である。その効果を得るには、Ｔｉ添加量は０．００５％以上とすることが好ましい。一方、Ｔｉ添加量が０．２％を超えると、析出物（Ｔｉの窒化物）が粗大化して鋼を脆化させるため、Ｔｉ添加量の上限は０．２％とすることが好ましい。
Ｎｉ：０．０５〜２．０％
Ｎｉは、添加することにより靭性をさらに向上させる効果がある。その効果を得るには、Ｎｉ添加量は０．０５％以上とすることが好ましい。一方、Ｎｉ添加量が２．０％を超えると、被削性が悪化するため、Ｎｉ添加量の上限は２．０％とすることが好ましい。
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
Ｃｕは、フェライトを強化し、焼入れ性や耐食性の向上に有効である。Ｃｕ添加量が０．０１％未満ではその効果は認められないため、Ｃｕ添加量は０．０１％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｕ添加量が２．０％を超えても、焼入れ性向上による機械的性質の向上効果は飽和するため、Ｃｕ添加量の上限は２．０％とすることが好ましい。なお、Ｃｕを添加すると、熱間延性を低下させ、圧延時の疵の原因となりやすいため、ＣｕはＮｉと同時に添加することが好ましい。
［曲げ強度向上元素］
機械構造用部品が曲げ疲労強度の向上を求められる場合には、次の含有量のＣａ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｔｅのうちの１種または２種以上を、次に示す範囲で添加してもよい。
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％、Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒ及びＴｅはいずれも、鋼中に存在するＭｎＳの延伸を抑制し、一層曲げ疲労強度を向上させ、歯車の曲げ疲労破壊や、軸部品のスプライン底の疲労破壊を発生し難くする元素である。ＭｎＳの延伸抑制効果は、Ｃａで０．０００５％以上、Ｍｇで０．０００５％以上、Ｚｒで０．０００５％以上、Ｔｅで０．０００５％以上添加することにより得られる。したがって、Ｃａ：０．０００５％、Ｍｇ：０．０００５％、Ｚｒ：０．０００５％、Ｔｅ：０．０００５％を、それぞれの添加量の下限とすることが好ましい。一方、Ｃａで０．０１％、Ｍｇで０．０１％、Ｚｒで０．０５％、Ｔｅで０．１％を超えて添加しても、ＭｎＳの延伸抑制効果は飽和し経済性を損なう。したがって、Ｃａ：０．０１％、Ｍｇ：０．０１％、Ｚｒ：０．０５％、Ｔｅ：０．１％を、それぞれの添加量の上限とすることが好ましい。
また、上記で規定した元素の他、本発明の効果を損なわない範囲で、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｒｅｍ、Ｓｂを含有させることができる。
次に、鋼部品の表層の焼入れ窒化層の厚さと硬さについて説明する。
本発明の鋼部品は、軟窒化処理後、高周波焼入れを施し、焼入れ窒化層を形成した鋼部品である。焼入れ窒化層を形成した後の鋼の表面硬化性は、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さで６５０以上とする必要がある。３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０未満であると、充分に軟化抵抗が増大せず、その結果、高温化（３００℃前後）する稼動面（鋼部品表面）に亀裂が発生し面疲労破壊する。
そして、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上である範囲は、鋼の表面から０．２ｍｍの深さまでであることが好ましい。３００℃で焼き戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上である範囲が、鋼の表面から０．２ｍｍより浅いと、負荷される面圧に鋼部品が耐えることができず、特に３００℃前後の高温下で負荷される面圧に耐えることができず、鋼部品が疲労破壊する。
また、焼入れ窒化層の厚さは０．４ｍｍ以上であることが好ましい。焼入れ窒化層の厚さが０．４ｍｍ未満であると、鋼部品に高い面圧が負荷された際に、表面亀裂が発生し、その表面亀裂が起点となって破壊する前に、スポーリングによる内部破壊が発生し、鋼部品の疲労寿命が短くなってしまうからである。
実際の鋼部品において、軟窒化処理後に高周波焼入れを施した鋼部品であることは、鋼部品からサンプルを採取してナイタール腐食後に光学顕微鏡で観察されるミクロ組織分布と、表面から芯部への硬さ分布により判別することができる。
焼入れ窒化層を形成して高い面疲労強度を得るためには、鋼最表層に化合物層（主にＦｅ３Ｎ、Ｆｅ４Ｎ等のＦｅ窒化物からなる層）を形成することができる軟窒化処理を行うことが必要である。この化合物層中のＦｅ窒化物は、軟窒化処理後に施される高周波加熱で分解され、鋼中に充分な量のＮを拡散させ焼入れ窒化層を形成する。つまり、焼入れ窒化層形成のためのＮ供給源となる化合物層を形成するために軟窒化処理を行うことが必要である。そして、軟窒化処理後に高周波焼入れを施して得られた焼入れ窒化層は、高いＮ濃度を示す。
鋼中に充分な量のＮを拡散させ、硬く、そして、軟化抵抗、特に焼入れ軟化抵抗を向上させることができる焼入れ窒化層を厚く形成するには、軟窒化処理後の化合物層の厚さを１０μｍ以上とすることが好ましい。
また、軟窒化処理温度は５００〜６００℃の範囲とすることが好ましい。軟窒化処理温度が６００℃超では、化合物層を１０μｍ以上とすることができず、さらに化合物層中のＮ濃度も低くなる。また、軟窒化処理温度が６００℃超では、鋼材の熱変形、粒界酸化等も発生する。一方、軟窒化処理温度が５００℃未満であると、鋼材へのＮの侵入が著しく低下するため、軟窒化処理温度の下限は５００℃とすることが好ましい。
軟窒化処理時間を長くすると、化合物層及び窒化層深さは大きくなるが、その効果は３時間程度で飽和するため、軟窒化処理時間は１〜３時間とすることが好ましい。
軟窒化処理後の冷却は、空冷、Ｎ２ガス冷却、油冷等いずれの方法で行ってもよい。
また軟窒化処理としては、ガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理のいずれも適用することができる。
なお、鋼材表面に窒素を供給し、鋼材の最表層に１０μｍ以上の化合物層が形成される方法であれば、軟窒化処理のみならず窒化処理（ＮＨ３のみで長時間処理する表面硬化方法のことを意味し、ＮＨ３とＣＯ２との混合雰囲気（場合によってはＮ２もさらに混合する混合雰囲気）で１〜３時間の短時間で処理することができる軟窒化処理とは工業的に区別されている。）を適用してもよい。
本発明において、短時間で鋼材の最表層に１０μｍ以上の化合物層を形成することができる点で、窒化処理と比べて軟窒化処理の方がより好ましいが、軟窒化処理に限定されるものではない。
また、軟窒化処理で鋼材の最表層に形成された化合物層を分解し、その最表層よりも鋼材の内部へＮを拡散し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる高い表面硬化性を得るためには、軟窒化処理後に鋼材を高周波加熱によりオーステナイト化して焼入れし、焼入れ窒化層を形成する高周波焼入れを施すことが必要である。
高周波焼入れを施す際の加熱方法は、軟窒化処理で形成される化合物層の分解を考慮しなければならない。高周波加熱温度は、オーステナイト変態点以上９００℃未満とする。また、保持時間は０．０５〜５秒とする。なお、保持時間とは、高周波加熱した鋼材の温度がオーステナイト変態点に達した時点から、オーステナイト変態点以上９００℃未満の範囲に鋼材の温度を保持する時間のことをいう。
図４に、高周波焼入れ後における、鋼の表面から０．２ｍｍの深さでの、Ｎ濃度と３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さ（Ｈｖ）との関係を調査した結果を示す。
図４から明らかなように、鋼の表面から０．２ｍｍの深さでの３００℃焼戻しビッカース硬さが６５０以上の場合には、鋼の表面から０．２ｍｍの深さでのＮ濃度は０．５％以上であった。
また、高周波加熱の温度が９００℃以上であると、Ｎが不必要に内部まで拡散し、表面から０．２ｍｍの深さでのＮ濃度が０．５％以上とならず、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以下になり、その結果、面疲労強度を向上させることができない。そして、高周波加熱の温度が９００℃以上であると、鋼材表面の酸化層の増大により機械的性質の劣化を引き起こす。
一方、高周波加熱の温度がオーステナイト変態点以下であると、鋼材がマルテンサイト変態しないことから高い表面硬度を得ることができない。
保持時間が０．０５秒未満であると、化合物層の分解や、化合物層が分解して生成したＮの拡散が不十分となる。一方、保持時間が５秒を超えると、Ｎが不必要に内部まで拡散し、鋼の表面から０．２ｍｍの深さでのＮ濃度が０．５％以上とならず、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以下になり、その結果、面疲労強度を向上させることができない。
高周波加熱をする際の周波数は、小物部品であれば４００ｋＨｚ前後、大物部品であれば５ｋＨｚ前後とすることが好ましい。
焼入れに用いる冷媒は、水、ポリマー焼入材など水系で冷却能が大きなものを使用するとよい。
高周波焼入れ後は、一般的な浸炭焼入れ品に準じて、１５０℃前後の低温焼戻しを施して部品の靭性を確保することが好ましい。
次に、本発明の鋼材及び鋼部品の表層組織について説明する。
本発明の鋼材及び鋼部品は、軟窒化処理後、高周波焼入れを施しているため、表面から深さ５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が１００００個／ｍｍ２以上存在するものである。
例えば、歯車のような転がりによる面疲労が原因で破壊する部材では、稼動面の潤滑が重要で、潤滑が充分でなければ部品同士が接触することにより焼付きや凝着が発生し、面疲労破壊が発生する。充分な潤滑膜を形成するためには稼動面に潤滑剤油膜が途切れなく形成されるように油溜まりを設けることが有効である。
本発明の鋼材及び鋼部品は、鋼材の最表層に軟窒化処理によりＦｅ３Ｎ、Ｆｅ４Ｎ等のＦｅ窒化物主体の化合物層を形成した後、これらのＦｅ窒化物を高周波加熱により分解するとともに、鋼をオーステナイト化して焼入れ処理を施すことで得られる焼入れ窒化層を有する。この焼入れ窒化層は、化合物層中のＦｅ窒化物が分解され、その分解されたＮが鋼材の内部へ拡散することで形成される。その形成過程において、化合物層中のＦｅ窒化物が存在していた部位は、多数の分散された空孔となり、焼入れ窒化層は硬質の多孔質層となる。そして、これらの多数の分散された空孔が油溜りとして機能することで潤滑効果が向上し、鋼材の耐摩耗性、耐久性が一層向上する。
空孔は、その大きさが円相当径で０．１〜１μｍ、密度が１００００個／ｍｍ２以上であり、そして、これらの空孔が表面から５μｍ以上の深さまで存在すると油溜りとして有効に機能する。このような空孔は、軟窒化処理や高周波加熱の条件を制御することで得られる。
軟窒化処理のままの化合物層でも、少数の空孔は存在するため、油溜まりとしての機能を有するが、軟窒化処理のままの化合物層は極めて脆く、大きな面圧に耐えることはできないため、軟窒化処理のままの鋼材は、面疲労破壊を招く。
空孔の大きさが円相当径で１μｍを超えると、鋼部品の表面粗さが劣化してピッチング等の面疲労破壊の起点となり、面疲労強度を低下させる。一方、空孔の寸法が円相当径で０．１μｍ未満の場合、油溜りとして充分な機能が得られない。
空孔の密度が１００００個／ｍｍ２未満であると、油溜りとして有効に機能しない。
また、歯車等の摺動部材は、部材の表面から５μｍ程度摩耗するまで使用されることが一般的であるため、空孔は鋼部品の表面から５μｍ以上の深さまで存在させることが好ましい。
この空孔の大きさと密度は、軟窒化処理及び高周波加熱の条件に依存する。油溜りとして有効に機能する空孔の大きさと密度を得るには、好ましくは軟窒化処理温度を５８０℃以上６００℃未満、高周波加熱温度を８８０℃以上９００℃未満、保持時間を１〜４秒とすることが好ましい。なお、これらの条件が、高い面疲労強度を有する鋼材及び鋼部品が具える焼入れ窒化層を得るための条件を満足していることはもちろんである。
また、焼入れ後の表層はマルテンサイト組織で、芯部はフェライト−パーライト組織のままとする。これは表層のみマルテンサイト変態させることで表層に圧縮残留応力を付与し、面疲労強度を向上させるためである。芯部までマルテンサイト変態させてしまうと、表層の圧縮残留応力が減少してしまい、面疲労強度が低下するためである。
なお、上述したところは、本発明の実施形態を例示したものにすぎず、請求の範囲の記載範囲内において種々変更を加えることができる。
【実施例】
【０００９】
次に、本発明を実施例でさらに説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
表１〜２及び表４〜５に示す成分組成を有する各鋼材に鍛造と焼鈍を施した後、面疲労強度を評価するためのローラーピッチング試験片として、直径２６ｍｍ、幅２８ｍｍの円筒部を有する小ローラー試験片と、直径１３０ｍｍ、幅１８ｍｍの大ローラー試験片を製作した。
小ローラー試験片及び大ローラー試験片は、軟窒化処理（表３及び表６に示す温度で２時間の窒化後、Ｎ２ガス冷却、窒化ガス組成：Ｎ２（０．４５Ｎｍ３／ｈ）＋ＮＨ３（０．５Ｎｍ３／ｈ）＋ＣＯ２（０．０５Ｎｍ３／ｈ））を行い、ついで高周波焼入れ（周波数１００ｋＨｚ）を施した。高周波焼入れ時の冷媒は水道水またはポリマー焼入剤を用いた。その後、１５０℃で６０分の焼戻し処理を行い疲労試験に供した。
製作した小ローラー試験片と大ローラー試験片を用いて標準的な面疲労試験であるローラーピッチング疲労試験を行った。
ローラーピッチング疲労試験は、小ローラー試験片に種々のヘルツ応力（面圧）で大ローラー試験片を押し付け、滑り率を−４０％（大ローラー試験片の周速が、小ローラー試験片と大ローラー試験片との接触部で、小ローラー試験片よりも４０％大きい）で試験を行った。なお、小ローラー試験片と大ローラー試験片との接触部での回転方向は同一とする。また、小ローラー試験片と大ローラー試験片との接触部に供給するギア油の油温は９０℃とした。
試験打ち切り回数は、一般的な鋼の疲労限を示す１０００万回（１０７回）とし、小ローラー試験片においてピッチングが発生せずに１０００万回の回転数に達した最大ヘルツ応力を小ローラー試験片の疲労限とした。ピッチング発生の検出は、試験機に備え付けてある振動計によって行い、振動検出後に、小ローラー試験片と大ローラー試験片の両方の回転を停止させ、ピッチングの発生と回転数を確認した。
また、焼戻し軟化抵抗評価用に、直径２６ｍｍ、長さ１００ｍｍの円筒状の硬さ測定試験片を製作した。硬さ測定試験片は、小ローラー試験片及び大ローラー試験片と同一条件で軟窒化処理及び高周波焼入れを施した。その後、３００℃で６０分の焼戻し処理を行い、断面切断後、硬さ測定試験片の表面から芯部への硬さ分布をビッカース硬度計で測定した。なお、高周波焼入れ後における硬さ測定試験片の表層はマルテンサイト組織で、芯部はフェライト−パーライト組織のままであった。また、併せて、硬さ測定試験片の表面から０．２ｍｍの深さのＮ濃度をＥＰＭＡで測定した。
そして、円相当径で０．１〜１μｍの大きさを有する空孔の密度は、小ローラー試験片及び大ローラーと試験片と同一条件で軟窒化処理及び高周波焼入れを施した硬さ測定試験片を、圧延と直角な断面で切断し、樹脂埋込みを行い、鏡面研摩したものの最表層部を画像処理して求めた。画像処理は３０００倍で１視野５０μｍ２を４０視野以上行った。画像処理して求めた空孔数を１ｍｍ２当たりの空孔数に換算した。
さらに、被削性評価用に、直径４５ｍｍ、長さ１００ｍｍの円筒試験片を製作した。被削性は、軟窒化処理及び高周波焼入れ前の素材の状態で評価を行うため、被削性評価用試験片は、鍛造、焼鈍のままとした。被削性評価は、歯車やクランクシャフト等の自動車部品の生産に用いられるＮＣマシニングセンタによるＭＱＬ（Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｑｕａｎｔｉｔｙ  Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ：最少量潤滑）を用いた深穴穿孔試験とし、表７に示す条件で穿孔した際のドリル折損までの穿孔個数を計測した。ただし１０００個以上の穿孔を達成したものは、被削性良好として試験を打ち切った。
表３及び表６に結果を示す。表３に示すように、実施例１〜４０の発明例はいずれもローラーピッチング疲労試験における１０００万回（１０７回）での面疲労強度（最大ヘルツ応力）が３７００ＭＰａ以上の高い値であり、優れた面疲労強度を有していることが明らかになり、表６に示す実施例４１〜６２の比較例に対して良好な結果を得ることができることを確認した。このような優れた面疲労強度により、本発明の鋼材及び鋼部品は、常温はもちろんのこと、３００℃前後の高温においても、高い面圧が負荷される部材に使用することができる。
例えば、実施例１〜８の発明例は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌを適正量添加した鋼であるが、６００℃未満の軟窒化処理による１０μｍ以上の厚さの化合物層の形成と、その後のオーステナイト変態点以上９００℃以下での０．０８〜４．９秒の高周波焼入れにより、３００℃焼戻しでのビッカース硬さ６５０以上が得られ、その結果、優れた面疲労強度を得られていることを確認できた。また、実施例１〜８の発明例の焼入れ窒化層厚さは０．４ｍｍ以上であり、表面から０．２ｍｍ位置でのＮ濃度が高いことも併せて確認できた。そして、穿孔個数が１０００個以上であることにより、鍛造後（軟窒化処理及び高周波焼入れ前）における被削性も優れていることを確認した。
また、実施例９〜２４の任意添加元素を添加したものにおいても、ローラーピッチング疲労試験における１０００万回（１０７回）での面疲労強度（最大ヘルツ応力）が３７００ＭＰａ以上の高い値を示しており、良好な面疲労強度が得られていることが確認できた。
そして、実施例２５〜４０の発明例は、焼入れ窒化層の表面から５μｍの深さまで円相当径で０．１〜１μｍの空孔を１００００個／ｍｍ２以上存在させたものであるが、ローラーピッチング疲労試験における１０００万回（１０７回）での面疲労強度（最大ヘルツ応力）が３７００ＭＰａ以上の高い値を示しており、良好な面疲労強度が得られていることが確認できた。
これに対し、成分組成が本発明の範囲から外れた鋼を、軟窒化処理後に高周波焼入れを施した実施例４１〜６２の比較例は、疲労試験寿命がいずれも、１０００万回（１０７回）寿命での面疲労強度（最大ヘルツ応力）が３７００ＭＰａに満たない値を示し、発明例に比べて、面疲労強度が劣ることを確認できた。
実施例４２の比較例ではＢ添加量が、実施例４３の比較例ではＮ添加量が、本発明の上限を超えているため、鋼が著しく脆化し、鍛造時に割れが発生し評価できなかった。
実施例４４、４８の比較例ではＭｎ／Ｓが低く、Ｓの鋼材表面への濃化を防止できず、そのため軟窒化処理後の化合物層の厚さが薄く、３００℃焼戻しでのビッカース硬さが６５０に満たず、その結果、面疲労強度（最大ヘルツ応力）が低い。そして、高周波焼入れ後の鋼部品の焼入れ窒化層厚さは０．４ｍｍ未満と薄く、表面から０．２ｍｍの深さまでのＮ濃度も低い。
実施例４９の比較例は、Ｍｎ／Ｓが低いため化合物層の厚さが薄く、３００℃焼戻しでのビッカース硬さが６５０未満であり、その結果、面疲労強度（最大ヘルツ応力）が低いことを確認した。
実施例５１〜５４の比較例は、成分組成は本発明の範囲であるが、３００℃焼戻しでのビッカース硬さが６５０未満であり、その結果、最大ヘルツ応力が３０００ＭＰａに満たないことを確認した。これは、実施例５１〜５４は、いずれも、軟窒化処理後の化合物層は充分な厚さであるものの、実施例５１は、高周波加熱温度が高過ぎるため、Ｎが不必要に鋼材の内部まで拡散され、焼入れ窒化層の厚さは０．６５ｍｍと充分であるものの、３００℃焼戻しビッカース硬さが５０６と６５０に満たず、さらに、鋼材表面に酸化層が形成されるため面疲労強度（最大ヘルツ応力）を低下させている。そして、鋼材の表面から０．２ｍｍの深さでのＮ濃度も０．０９％と低い。実施例５３は、保持時間（高周波加熱時間）が長すぎるため、Ｎが不必要に鋼材の内部まで拡散され、焼入れ窒化層の厚さは０．７０ｍｍと充分であるものの、３００℃焼戻しでのビッカース硬さが５４０と６５０に満たず、その結果、面疲労強度（最大ヘルツ応力）が低い。そして、鋼材の表面から０．２ｍｍの深さでのＮ濃度も０．２０％と低い。
実施例５５〜５６の比較例は、３００℃焼戻しでのビッカース硬さが６５０未満であり、その結果、面疲労強度（最大ヘルツ応力）が３０００ＭＰａに満たないことを確認した。これは、軟窒化処理後の化合物層が薄いため、それにより、焼入れ窒化層の厚さも薄いためである。例えば、実施例５６では、成分組成は本発明の範囲を満たしているものの、軟窒化処理温度が低過ぎるために化合物層が薄く、３００℃焼戻しでのビッカース硬さが６５０に満たず、その結果、面疲労強度（最大ヘルツ応力）が低い。また、焼入れ窒化層の厚さは０．１６ｍｍと薄い。
実施例５７の比較例は、Ｍｎ添加量が本発明の範囲より少なく、Ｓ添加量が本発明の範囲より多く、Ｍｎ／Ｓが本発明の範囲より小さく、そして、軟窒化処理温度も高過ぎるため、化合物層が薄く、３００℃焼戻しでのビッカース硬さが３８７と６５０に満たず、その結果、面疲労強度（最大ヘルツ応力）が低いことを確認した。また、焼入れ窒化層の厚さは０．１５ｍｍと薄く、鋼材の表面から０．２ｍｍの深さでのＮ濃度は０．０８％と低い。
実施例５８〜６０の比較例は、３００℃焼戻しでのビッカース硬さが６５０に満たず、その結果、面疲労強度（最大ヘルツ応力）が低い。これは、実施例５８〜６０は、いずれも、化合物層が薄く、高周波加熱条件も適正ではないため、焼入れ窒化層が薄いからである。例えば、実施例５８は、Ｍｎ添加量が本発明の範囲より低く、Ｍｎ／Ｓが本発明の範囲より小さいため、化合物層が薄く、また、高周波加熱温度が高いため、３００℃での焼戻しでのビッカース硬さが５０７と６５０に満たず、その結果、面疲労強度（最大ヘルツ応力）が低い。また、焼入れ窒化層厚さは０．１４ｍｍと薄く、鋼材の表面から０．２ｍｍの深さでのＮ濃度は０．０７％と低い。
実施例６２の比較例は、Ｍｎ／Ｓが１５と本発明の範囲より低く、軟窒化処理温度が高いため、化合物層は薄く、また高周波加熱温度が高いため、３００℃焼戻しでのビッカース硬さが６５０に満たず、その結果、面疲労強度（最大ヘルツ応力）は２６００ＭＰａと非常に低い。また、焼入れ窒化層の厚さは０．２３ｍｍと薄く、鋼材の表面から０．２ｍｍの深さでのＮ濃度は０．１６％と低い。
以上より、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌを適正量添加し、Ｍｎ／Ｓを適正範囲にした鋼を、軟窒化処理し、その後、高周波焼入れを施し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる表面硬化性を有する発明例は、最大ヘルツ応力が３７００ＭＰａ以上の優れた面疲労強度を示すことが確認できた。
【表１】
2010082685.tif 000003
【表２】
2010082685.tif 000004
【表３】
2010082685.tif 000005
【表４】
2010082685.tif 000006
【表５】
2010082685.tif 000007
【表６】
2010082685.tif 000008
【表７】
2010082685.tif 000009
なお、上述したところは、本発明の実施形態を例示したものにすぎず、本発明は、請求の範囲の記載範囲内で種々変更を加えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
前述したように、本発明の表面硬化用機械構造用鋼を、軟窒化処理後に高周波焼入れすることで、鋼材表面の硬度が著しく上昇し、かつ、軟化抵抗の増大により、高い面疲労強度を得ることができる。本発明は、工業上、利用価値の高いものである。
また、本発明の機械構造用部品は、常温はもちろんのこと、３００℃前後の高温となる使用条件下においても高い面疲労強度が要求される自動車等の動力伝達部品、例えば、歯車、無段変速機、軸受け、等速ジョイント、ハブ等に使用することができ、自動車等の高出力化及び低コスト化等に大きく寄与し、工業上、顕著な効果を奏するものである。
【符号の説明】
【００１１】
１  軟窒化処理のままの鋼材の断面硬さ分布
２  軟窒化処理後に高周波焼入れを施した鋼材の断面硬さ分布
１０  焼入れ窒化層
２０  空孔
３０  多孔質層
４０  最表層
【図１】
2010082685.tif 000010
【図３】
2010082685.tif 000011
【図４】
2010082685.tif 000012
【図２】
2010082685.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成23年6月21日(2011.6.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
鋼部品の面疲労強度向上には、表面硬さの向上、表面硬化層深さの増大、及び高温化（３００℃前後）する稼動面での高温強度を維持をするための軟化抵抗の向上を図る必要がある。
また、生産性の低下を防止するため、面疲労強度向上に伴って素材の被削性を低下させないことや、稼動面同士の焼付きや凝着を防止するための潤滑膜を鋼材表面に形成することも、併せて望まれている。
これらの課題を実現するため、本発明者らは、軟窒化処理と高周波焼入れとを組合せ、鋼材の面疲労強度を向上させることができる、鋼材の表面硬化性について種々の検討を行い、被削性や潤滑膜についても併せて検討した。その結果、以下の知見を得た。
ａ）軟化抵抗の増大には、鋼材表面に形成される焼入れ窒化層を厚くし、かつ、焼入れ窒化層中のＮ濃度を高くすることが有効である。
軟窒化処理は、鋼材の最表層に化合物層を形成し、その最表層より内部に窒化層を形成することができる。しかしながら、軟窒化処理で形成される化合物層は大変薄く、化合物層より内部に形成される窒化層も、軟化抵抗を増大させるのに充分な厚さを有しておらず、窒化層中のＮ濃度も充分ではない。
そこで、軟窒化処理後に高周波焼入れを施し、軟窒化処理で形成される化合物層（主にＦｅ３Ｎ、Ｆｅ４Ｎ等のＦｅ窒化物からなる層）を、高周波加熱により分解し、鋼内部に充分な量のＮを拡散させ、焼入れ窒化層を形成する。
このようにして得られた焼入れ窒化層は、鋼材に充分な軟化抵抗を付与し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる。そして、このような焼入れ窒化層を有する鋼材は、良好な面疲労強度を有し、常温はもちろんのこと、３００℃前後の高温時にも使用することができる。
図１は、軟窒化処理のままの鋼材と、軟窒化処理後に高周波焼入れを施した鋼材とで、鋼材の表面から芯部方向への断面硬さ分布を比較した一例を示す図である。図１中、符号１は軟窒化処理のままの鋼材の断面硬さ分布、符号２は軟窒化処理後に高周波焼入れを施した鋼材の硬さ分布を示す。
図１に示すように、軟窒化処理のままの鋼材１は、最表層には化合物層が形成され、非常に高い硬さを示すが化合物層の厚さは薄い。一方、軟窒化処理後に高周波加熱を施した鋼材２は、高周波加熱により最表層の化合物層中に存在するＦｅ窒化合物が分解され、その分解されたＦｅ窒化合物を起源とするＮを鋼材の内部に拡散する。その結果、鋼材２の最表層の硬さはやや低下しているものの、最表層より内部に、充分な硬さを有する焼入れ窒化層が、厚く形成されている。つまり、軟窒化処理によって形成された最表層の化合物層は、焼入れ窒化層を形成するためのＮ源として機能している。
なお、高周波焼入れ後における、鋼材２の表層はマルテンサイト組織で、芯部はフェライト−パーライト組織である。
高周波加熱により分解される化合物層の厚さを１０μｍ以上とすることで、高いＮ濃度の焼入れ窒化層が深く得られる。軟窒化処理によって形成される化合物層は、軟窒化条件によっては脆いものとなり、機械的性質を劣化させる場合があるので、化合物層は薄くすることが一般的である。
本発明では、化合物層を積極的に厚くする。即ち、化合物層を１０μｍ以上とすることで、高周波焼入れによって形成される焼入れ窒化層を、高Ｎ濃度のマルテンサイト組織とすることができ、鋼材の軟化抵抗が飛躍的に増大する。
ｂ）軟窒化処理で厚い化合物層を形成するためには、鋼とＮの化合を妨げるＳを低減することが有効である。鋼材中のＳが単独で固溶していると、鋼材表面へＳが濃化しやすくなり、Ｎが鋼材表面に侵入することを阻害する。これを防止するため、一定量以上のＭｎを添加し、ＳをＭｎＳの形態で鋼中に固定し無害化する。このような無害化は、Ｍｎ／Ｓ≧７０とすることでその効果が顕著に現れ、その結果、１０μｍ以上の厚さの化合物層の形成することができる。
ｃ）面疲労強度を向上させても、被削性が劣化しないようにするためには、鋼材内部の硬さを必要以上に上昇させないことが好ましく、さらには、面疲労強度を向上させつつ、被削性を改善する元素を添加することが好ましい。
鋼材内部の硬さを必要以上に上昇させないようにするためには、Ｍｎ、Ｎ等の合金元素を過剰添加しないことが有効である。
そして、面疲労強度を向上させしつつ、被削性を改善する元素として、ＡｌとＢを複合添加してもよい。Ｂは、鋼中のＮと化合することによりＢＮとして鋼中に存在し、被削性を改善する。
Ｂは、鍛造工程における冷却中にＢＮを形成する。鍛造工程では、鋼材の冷却速度が通常遅いため、ＢＮを形成しても硬度を上昇させることはなく、被削性を低下させることはない。
鍛造工程で形成されるＢＮは、高周波焼入れ時の高周波加熱により、分解され固溶Ｂとなり、焼入れ時の急冷によって、鋼材の表層硬さを大きく上昇させ、面疲労強度向上にも寄与する。
Ａｌは、固溶状態で鋼に存在することにより被削性を著しく向上させる元素である。Ａｌは鋼材の硬さ上昇には影響しない。また、軟窒化処理時においては、ＡｌはＮと化合物を形成し、表層近傍のＮ濃度を高める効果があり、面疲労強度向上にも有効な元素である。
また、ＡｌとＢを複合添加すると、Ｂが被削性の改善に有効なＢＮを生成する。そして、このＢＮは高周波焼入れによりＢとＮとに分解され、Ｎ濃度の高い焼入れ窒化層を得ることができ、分解されたＢにより鋼材の焼入れ性を向上させるために、高い面疲労強度を得ることができる。
さらに、ＢＮを形成することにより鋼材中のＮを消費することで、ＡｌとＮとが化合することを抑制し、より多くの固溶Ａｌを得ることが可能となり、被削性も向上する。
ｄ）稼動面の焼付きや凝着を防止するためには、潤滑剤油膜が鋼部品の表面で途切れなく形成されるように油溜まりを設けることが有効である。本発明の鋼材は、軟窒化処理により化合物層を形成した後、化合物層中のＦｅ窒化合物を高周波加熱により分解するとともに、鋼材をオーステナイト化して焼入れ処理を施すことで得られる焼入れ窒化層を有する。
図２は、光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察した焼入れ窒化層の組織を示す図である。図２（ａ）は光学顕微鏡で観察した組織、図２（ｂ）は走査型電子顕微鏡で観察した組織を示す。
図２に示すように、焼入れ窒化層１０は、化合物層中の窒素化合物の分解により形成された多数の空孔２０を有し、硬質の多孔質層３０となっている。この多孔質層３０は、油溜まりとして機能し、潤滑効果を向上させるとともに、鋼材の耐摩耗性、耐久性を一層向上させる。
なお、軟窒化処理条件及び高周波加熱条件を制御することにより、空孔２０の大きさは円相当径で０．１〜１μｍに、空孔２０の存在密度は１００００個／ｍｍ２以上に、空孔２０の存在範囲は鋼部品の表面から５μｍ以上の深さにすることができ、油溜りとして有効に機能する。
本発明は、上記の知見に基づいて完成したものであり、その要旨は以下の通りである。
（１）質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
窒化処理後、高周波焼入れを施し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる表面硬化性を有することを特徴とする表面硬化用機械構造用鋼。
（２）質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満、
Ａｌ：０．０１〜０．５％および
Ｂ：０．０００３〜０．００５％
を含有し、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
窒化処理後、高周波焼入れを施し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる表面硬化性を有することを特徴とする表面硬化用機械構造用鋼。
（３）前記鋼が、さらに、質量％で、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（２）に記載
の表面硬化用機械構造用鋼。
（４）前記鋼が、質量％で、さらに、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％および
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の表面硬化用機械構造用鋼。
（５）質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満、
Ａｌ：０．０１〜０．５％および
Ｂ：０．０００３〜０．００５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％および
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
窒化処理後、高周波焼入れを施し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる表面硬化性を有することを特徴とする表面硬化用機械構造用鋼。
（６）上記（１）または（２）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
（７）上記（１）または（２）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（８）上記（１）または（２）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（９）質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１０）質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１１）質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１２）上記（３）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１３）上記（３）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１４）上記（３）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１５）上記（４）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１６）上記（４）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１７）上記（４）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１８）質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％および
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
（１９）質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％および
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（２０）質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％および
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（２１）上記（５）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
（２２）上記（５）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
（２３）上記（５）に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌを適正量添加した鋼素材を、軟窒化処理後に高周波焼入れし、Ｎ濃度の高い焼入れ窒化層を深く形成して、表面硬さ及び軟化抵抗を向上させることで、常温はもちろんのこと、３００℃前後の高温においても、高い面疲労強度を得て、発明を完成したものである。
先ず、本発明の必須添加元素の規定理由を説明する。なお、成分についての％は質量％を表す。
Ｃ：０．３〜０．６％
Ｃは、鋼の強度を得るために重要な元素であり、特に、高周波焼入れの前組織としてのフェライト分率を低減し、高周波焼入れ時の硬化能を向上させ、硬化層深さを大きくするために必要な元素である。Ｃ添加量が０．３％未満ではフェライト分率が高く、高周波焼入れ時の硬化が不足するので、Ｃ添加量下限は０．３％とした。一方、Ｃ添加量が過剰な場合、部品製作時の切削性や鍛造性を著しく害し、さらに高周波焼入れ時に焼割れが発生する可能性が大きくなるため、Ｃ添加量の上限は０．６％とした。
Ｓｉ：０．０２〜２．０％
Ｓｉは、焼入層の軟化抵抗を増大させることにより、面疲労強度を向上させる効果がある。その効果を得るにはＳｉ添加量は０．０２％以上とすることが必要である。一方、Ｓｉ添加量が２．０％を超えると鍛造時の脱炭が著しくなるため、２．０％を上限とした。
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満
Ｍｎは、焼入れ性向上、軟化抵抗増大により面疲労強度を向上させるのに有効な元素である。さらに、鋼中のＳをＭｎＳとして固定することにより、Ｓが鋼材表面に濃化して、Ｎが鋼中に侵入することを阻害するのを防止し、軟窒化処理で厚い化合物層を形成することを促進する効果がある。ＭｎＳとしてＳを鋼中に固定し無害化するためには、Ｍｎ／Ｓ≧７０とすることが必要である。また、高周波焼入れの前組織としてのフェライト分率を低下させ、高周波焼入れ時の硬化能を向上する。その効果を得るには、Ｍｎは０．３５％以上の添加が必要である。Ｍｎを適量添加した場合、高周波焼入れ時の焼入性が向上するため、焼入れ後の鋼材の硬さが上昇し、面疲労強度が向上する。しかしながら、Ｍｎを１．５％以上添加すると、素材硬さが必要以上に上昇し、軟窒化処理前の素材の切削加工性が著しく劣化し、生産性を低下させることになる。このため、Ｍｎ添加量は１．５％未満とする。
Ｍｎ／Ｓ：７０以上３００００
上述のとおり、Ｓの鋼材表面への濃化を防止するために、Ｓに対してＭｎを一定以上の比で添加し、ＭｎＳによるＳの無害化を図る必要がある。ＭｎとＳの添加量の比Ｍｎ／Ｓが７０以上であると、Ｓの無害化効果が著しく向上する。しかしながら、Ｍｎ／Ｓが７０未満であると、鋼材表面にＳが濃化し、軟窒化処理時の化合物層の形成が妨げられるため、Ｍｎ／Ｓを７０以上とした。
図３は、後述する条件で軟窒化処理したときのＭｎ／Ｓと化合物厚さとの関係を示す図である。図３から明らかなように、Ｍｎ／Ｓを７０以上にすることにより、軟窒化処理後に１０μｍ以上の厚さの化合物層が得られる。一方、Ｍｎ／Ｓが３００００を超えても、Ｓの無害化の効果は飽和するため、Ｍｎ／Ｓの上限は３００００とした。
Ａｌ：０．０１〜０．５％
Ａｌは、Ａｌ窒化物として鋼中に析出分散することにより、高周波焼入処理時のオーステナイト組織の細粒化に有効に働き、さらに焼入れ性を高めて硬化層深さを大きくする元素である。また、被削性向上にも有効な元素である。したがって、Ａｌ添加量は０．０１％以上とする必要がある。そして、軟窒化処理時にＮと化合物を形成し、鋼材の表層近傍のＮ濃度を高める効果があり、面疲労強度向上にも有効な元素である。したがって、Ａｌ添加量は０．０１％以上とする必要である。一方、Ａｌ添加量が０．５％を超えると、析出物（Ａｌ窒化物）が粗大化して鋼を脆化させるため上限を０．５％とした。
Ｂ：０．０００３％未満
Ｂが、鋼中に不可避的に含有されても、Ｂの含有量を０．０００３％未満に制限するこ
とで、本発明の効果を損ねることはない。
Ｂ：０．０００３〜０．００５％
Ｂが鋼中に添加されると、鋼中のＮとＢとが化合し、鋼中にＢＮを形成するが、高周波加熱時にＢＮが分解されてＢとなり、焼入れ性を大きく改善し、面疲労強度が向上する。その効果を得るには、Ｂ添加量は０．０００３％以上とする必要がある。一方、Ｂ添加量が０．００５％を超えてもその効果は飽和し、さらに、圧延や鍛造時の割れの原因ともなるため、０．００５％を上限とした。なお、ＢＮは、冷却速度の遅い熱処理や、冷却速度が通常遅い冷間加工の冷却中に形成される。したがって、冷間加工後、軟窒化処理及び高周波焼入れ前に行われる切削加工時には、ＢＮが被削性を向上させ、切削加工が行われた後、高周波焼入れによってＢＮが分解されて焼入れ窒化層となり、その焼入れ窒化層が面疲労強度を向上させるため、高い面疲労強度が要求される機械構造用部品を製造するのに好都合である。
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％
Ｓは、被削性を向上させる効果がある。しかしながら、Ｓは、鋼材表面に濃化することにより軟窒化処理時にＮの鋼材への侵入を妨げる軟窒化阻害元素である。Ｓ添加量が０．０２１％を超えると、鋼材へのＮの侵入を著しく妨げ、さらに鍛造性も著しく劣化する。したがって、被削性向上のため、Ｓを含有させたとしても０．０２１％以下とする必要がある。一方、Ｓ添加量の下限は工業的限界の０．０００１％とした。なお、上述したとおり、ＭｎＳとしてＳを鋼中に固定し、軟窒化阻害を無害化するため、Ｍｎ／Ｓの下限は７０とする。一方、Ｍｎ／Ｓが３００００をこえても、軟窒化阻害を無害化する効果は飽和するため、Ｍｎ／Ｓの上限は３００００とする必要がある。
Ｎ：０．００３〜０．００５５％
Ｎは、各種窒化物を形成して高周波焼入時のオーステナイト組織の細粒化に有効であり、その効果を得るには、Ｎ添加量は０．００３％以上とする必要がある。一方、過剰なＮが添加されると硬さが上昇し、さらに、ＮとＡｌとが化合してＡｌＮを生成し、被削性向上に有効な固溶Ａｌが減少するため被削性が劣化する。また、過剰に添加されたＮは、高温域の延性を低下させ、さらに、粗大ＡｌＮや粗大ＢＮを生成するため素材を著しく脆化し、圧延や鍛造の際に割れを発生させる。したがって、Ｎ添加量は０．００５５％以下に制限する必要がある。
Ｐ：０．０００１〜０．０３％
Ｐは、粒界に偏析して靭性を低下させるため極力低減することが好ましく、０．０３％以下に制限することが必要である。Ｐ添加量の下限は工業的限界の０．０００１％とする。
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％以下
Ｏは、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２等の酸化物系介在物として鋼中に存在するが、Ｏが多いとこのような酸化物が大型化する。この大型化した酸化物を起点として、動力伝達部品は破損に至るため、Ｏ含有量は０．００５０％以下に制限する必要がある。Ｏ含有量は少ないほど好ましいため、０．００２０％以下とすることがより好ましく、高寿命を指向する動力伝達部品の場合には、０．００１５％以下とすることがさらに好ましい。なお、Ｏ含有量の下限は工業的限界の０．０００１％とする。
次に、任意添加元素の規定理由について説明する。
［鋼材強化元素］
Ｗ：０．００２５〜０．５％
Ｗは、焼入性向上により面疲労強度を向上する元素である。しかしながら、Ｗの添加により鋼材の硬さが上昇し、被削性が劣化するため、Ｗの添加には制限がある。焼入れ性を向上させて、面疲労強度の大幅な向上を達成するためには、Ｗ添加量は０．００２５％以上とすることが好ましい。より好ましくは０．０３％以上である。一方、Ｗ添加量が０．５％を超えると、その効果は飽和し経済性が損なわれるため０．５％を上限とした。
Ｃｒ：０．２〜２．０％
Ｃｒは、添加することにより窒化特性と焼入層の軟化抵抗を向上させ、面圧疲労強度を向上させる効果がある。その効果を得るには、Ｃｒ添加量は０．２％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｒ添加量が２．０％を超えると切削性が悪化するため、Ｃｒ添加量の上限は２．０％とすることが好ましい。
Ｍｏ：０．０５〜１．０％
Ｍｏは、添加することにより焼入層の軟化抵抗を向上させ、面疲労強度を向上させる効果に加えて、焼入層を強靭化して曲げ疲労強度を向上させる効果を併せもつ。これらの効果を得るには、Ｍｏ添加量は０．０５％以上とすることが好ましい。一方、Ｍｏ添加量が１．０％を超えても、これらの効果は飽和し経済性を損ねるため、Ｍｏ添加量の上限は１．０％とすることが好ましい。
Ｖ：０．０５〜１．０％
Ｖは、添加することにより窒化物として鋼中に析出分散し、高周波焼入れの際にオーステナイト組織を細粒化するのに有効である。その効果を得るには、Ｖ添加量は０．０５％以上とすることが好ましい。一方、Ｖ添加量が１．０％を超えてもその効果は飽和し経済性を損ねるため、Ｖ添加量の上限は１．０％とすることが好ましい。
Ｎｂ：０．００５〜０．３％
Ｎｂは、添加することにより窒化物として鋼中に析出分散し、高周波焼入れの際にオーステナイト組織を細粒化するのに有効である。その効果を得るには、Ｎｂ添加量は０．００５％以上とすることが好ましい。一方、Ｎｂ添加量が０．３％を超えてもその効果は飽和し経済性を損ねるため、Ｎｂ添加量の上限は０．３％とすることが好ましい。
Ｔｉ：０．００５〜０．２％
Ｔｉは、添加することにより窒化物として鋼中に析出分散し、高周波焼入れの際にオーステナイト組織を細粒化するのに有効である。その効果を得るには、Ｔｉ添加量は０．００５％以上とすることが好ましい。一方、Ｔｉ添加量が０．２％を超えると、析出物（Ｔｉの窒化物）が粗大化して鋼を脆化させるため、Ｔｉ添加量の上限は０．２％とすることが好ましい。
Ｎｉ：０．０５〜２．０％
Ｎｉは、添加することにより靭性をさらに向上させる効果がある。その効果を得るには、Ｎｉ添加量は０．０５％以上とすることが好ましい。一方、Ｎｉ添加量が２．０％を超えると、被削性が悪化するため、Ｎｉ添加量の上限は２．０％とすることが好ましい。
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
Ｃｕは、フェライトを強化し、焼入れ性や耐食性の向上に有効である。Ｃｕ添加量が０．０１％未満ではその効果は認められないため、Ｃｕ添加量は０．０１％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｕ添加量が２．０％を超えても、焼入れ性向上による機械的性質の向上効果は飽和するため、Ｃｕ添加量の上限は２．０％とすることが好ましい。なお、Ｃｕを添加すると、熱間延性を低下させ、圧延時の疵の原因となりやすいため、ＣｕはＮｉと同時に添加することが好ましい。
［曲げ強度向上元素］
機械構造用部品が曲げ疲労強度の向上を求められる場合には、次の含有量のＣａ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｔｅのうちの１種または２種以上を、次に示す範囲で添加してもよい。
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％、Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒ及びＴｅはいずれも、鋼中に存在するＭｎＳの延伸を抑制し、一層曲げ疲労強度を向上させ、歯車の曲げ疲労破壊や、軸部品のスプライン底の疲労破壊を発生し難くする元素である。ＭｎＳの延伸抑制効果は、Ｃａで０．０００５％以上、Ｍｇで０．０００５％以上、Ｚｒで０．０００５％以上、Ｔｅで０．０００５％以上添加することにより得られる。したがって、Ｃａ：０．０００５％、Ｍｇ：０．０００５％、Ｚｒ：０．０００５％、Ｔｅ：０．０００５％を、それぞれの添加量の下限とすることが好ましい。一方、Ｃａで０．０１％、Ｍｇで０．０１％、Ｚｒで０．０５％、Ｔｅで０．１％を超えて添加しても、ＭｎＳの延伸抑制効果は飽和し経済性を損なう。したがって、Ｃａ：０．０１％、Ｍｇ：０．０１％、Ｚｒ：０．０５％、Ｔｅ：０．１％を、それぞれの添加量の上限とすることが好ましい。
また、上記で規定した元素の他、本発明の効果を損なわない範囲で、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｒｅｍ、Ｓｂを含有させることができる。
次に、鋼部品の表層の焼入れ窒化層の厚さと硬さについて説明する。
本発明の鋼部品は、軟窒化処理後、高周波焼入れを施し、焼入れ窒化層を形成した鋼部品である。焼入れ窒化層を形成した後の鋼の表面硬化性は、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さで６５０以上とする必要がある。３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０未満であると、充分に軟化抵抗が増大せず、その結果、高温化（３００℃前後）する稼動面（鋼部品表面）に亀裂が発生し面疲労破壊する。
そして、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上である範囲は、鋼の表面から０．２ｍｍの深さまでであることが好ましい。３００℃で焼き戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上である範囲が、鋼の表面から０．２ｍｍより浅いと、負荷される面圧に鋼部品が耐えることができず、特に３００℃前後の高温下で負荷される面圧に耐えることができず、鋼部品が疲労破壊する。
また、焼入れ窒化層の厚さは０．４ｍｍ以上であることが好ましい。焼入れ窒化層の厚さが０．４ｍｍ未満であると、鋼部品に高い面圧が負荷された際に、表面亀裂が発生し、その表面亀裂が起点となって破壊する前に、スポーリングによる内部破壊が発生し、鋼部品の疲労寿命が短くなってしまうからである。
実際の鋼部品において、軟窒化処理後に高周波焼入れを施した鋼部品であることは、鋼部品からサンプルを採取してナイタール腐食後に光学顕微鏡で観察されるミクロ組織分布と、表面から芯部への硬さ分布により判別することができる。
焼入れ窒化層を形成して高い面疲労強度を得るためには、鋼最表層に化合物層（主にＦｅ３Ｎ、Ｆｅ４Ｎ等のＦｅ窒化物からなる層）を形成することができる軟窒化処理を行うことが必要である。この化合物層中のＦｅ窒化物は、軟窒化処理後に施される高周波加熱で分解され、鋼中に充分な量のＮを拡散させ焼入れ窒化層を形成する。つまり、焼入れ窒化層形成のためのＮ供給源となる化合物層を形成するために軟窒化処理を行うことが必要である。そして、軟窒化処理後に高周波焼入れを施して得られた焼入れ窒化層は、高いＮ濃度を示す。
鋼中に充分な量のＮを拡散させ、硬く、そして、軟化抵抗、特に焼入れ軟化抵抗を向上させることができる焼入れ窒化層を厚く形成するには、軟窒化処理後の化合物層の厚さを１０μｍ以上とすることが好ましい。
また、軟窒化処理温度は５００〜６００℃の範囲とすることが好ましい。軟窒化処理温度が６００℃超では、化合物層を１０μｍ以上とすることができず、さらに化合物層中のＮ濃度も低くなる。また、軟窒化処理温度が６００℃超では、鋼材の熱変形、粒界酸化等も発生する。一方、軟窒化処理温度が５００℃未満であると、鋼材へのＮの侵入が著しく低下するため、軟窒化処理温度の下限は５００℃とすることが好ましい。
軟窒化処理時間を長くすると、化合物層及び窒化層深さは大きくなるが、その効果は３時間程度で飽和するため、軟窒化処理時間は１〜３時間とすることが好ましい。
軟窒化処理後の冷却は、空冷、Ｎ２ガス冷却、油冷等いずれの方法で行ってもよい。
また軟窒化処理としては、ガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理のいずれも適用することができる。
なお、鋼材表面に窒素を供給し、鋼材の最表層に１０μｍ以上の化合物層が形成される方法であれば、軟窒化処理のみならず窒化処理（ＮＨ３のみで長時間処理する表面硬化方法のことを意味し、ＮＨ３とＣＯ２との混合雰囲気（場合によってはＮ２もさらに混合する混合雰囲気）で１〜３時間の短時間で処理することができる軟窒化処理とは工業的に区
別されている。）を適用してもよい。
本発明において、短時間で鋼材の最表層に１０μｍ以上の化合物層を形成することができる点で、窒化処理と比べて軟窒化処理の方がより好ましいが、軟窒化処理に限定されるものではない。
また、軟窒化処理で鋼材の最表層に形成された化合物層を分解し、その最表層よりも鋼材の内部へＮを拡散し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる高い表面硬化性を得るためには、軟窒化処理後に鋼材を高周波加熱によりオーステナイト化して焼入れし、焼入れ窒化層を形成する高周波焼入れを施すことが必要である。
高周波焼入れを施す際の加熱方法は、軟窒化処理で形成される化合物層の分解を考慮しなければならない。高周波加熱温度は、オーステナイト変態点以上９００℃未満とする。また、保持時間は０．０５〜５秒とする。なお、保持時間とは、高周波加熱した鋼材の温度がオーステナイト変態点に達した時点から、オーステナイト変態点以上９００℃未満の範囲に鋼材の温度を保持する時間のことをいう。
図４に、高周波焼入れ後における、鋼の表面から０．２ｍｍの深さでの、Ｎ濃度と３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さ（Ｈｖ）との関係を調査した結果を示す。
図４から明らかなように、鋼の表面から０．２ｍｍの深さでの３００℃焼戻しビッカース硬さが６５０以上の場合には、鋼の表面から０．２ｍｍの深さでのＮ濃度は０．４％以上であった。
また、高周波加熱の温度が９００℃以上であると、Ｎが不必要に内部まで拡散し、表面から０．２ｍｍの深さでのＮ濃度が０．４％以上とならず、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以下になり、その結果、面疲労強度を向上させることができない。そして、高周波加熱の温度が９００℃以上であると、鋼材表面の酸化層の増大により機械的性質の劣化を引き起こす。
一方、高周波加熱の温度がオーステナイト変態点以下であると、鋼材がマルテンサイト変態しないことから高い表面硬度を得ることができない。
保持時間が０．０５秒未満であると、化合物層の分解や、化合物層が分解して生成したＮの拡散が不十分となる。一方、保持時間が５秒を超えると、Ｎが不必要に内部まで拡散し、鋼の表面から０．２ｍｍの深さでのＮ濃度が０．４％以上とならず、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以下になり、その結果、面疲労強度を向上させることができない。
高周波加熱をする際の周波数は、小物部品であれば４００ｋＨｚ前後、大物部品であれば５ｋＨｚ前後とすることが好ましい。
焼入れに用いる冷媒は、水、ポリマー焼入材など水系で冷却能が大きなものを使用するとよい。
高周波焼入れ後は、一般的な浸炭焼入れ品に準じて、１５０℃前後の低温焼戻しを施して部品の靭性を確保することが好ましい。
次に、本発明の鋼材及び鋼部品の表層組織について説明する。
本発明の鋼材及び鋼部品は、軟窒化処理後、高周波焼入れを施しているため、表面から深さ５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が１００００個／ｍｍ２以上存在するものである。
例えば、歯車のような転がりによる面疲労が原因で破壊する部材では、稼動面の潤滑が重要で、潤滑が充分でなければ部品同士が接触することにより焼付きや凝着が発生し、面疲労破壊が発生する。充分な潤滑膜を形成するためには稼動面に潤滑剤油膜が途切れなく形成されるように油溜まりを設けることが有効である。
本発明の鋼材及び鋼部品は、鋼材の最表層に軟窒化処理によりＦｅ３Ｎ、Ｆｅ４Ｎ等のＦｅ窒化物主体の化合物層を形成した後、これらのＦｅ窒化物を高周波加熱により分解するとともに、鋼をオーステナイト化して焼入れ処理を施すことで得られる焼入れ窒化層を有する。この焼入れ窒化層は、化合物層中のＦｅ窒化物が分解され、その分解されたＮが鋼材の内部へ拡散することで形成される。その形成過程において、化合物層中のＦｅ窒化物が存在していた部位は、多数の分散された空孔となり、焼入れ窒化層は硬質の多孔質層となる。そして、これらの多数の分散された空孔が油溜りとして機能することで潤滑効果が向上し、鋼材の耐摩耗性、耐久性が一層向上する。
空孔は、その大きさが円相当径で０．１〜１μｍ、密度が１００００個／ｍｍ２以上であり、そして、これらの空孔が表面から５μｍ以上の深さまで存在すると油溜りとして有効に機能する。このような空孔は、軟窒化処理や高周波加熱の条件を制御することで得られる。
軟窒化処理のままの化合物層でも、少数の空孔は存在するため、油溜まりとしての機能を有するが、軟窒化処理のままの化合物層は極めて脆く、大きな面圧に耐えることはできないため、軟窒化処理のままの鋼材は、面疲労破壊を招く。
空孔の大きさが円相当径で１μｍを超えると、鋼部品の表面粗さが劣化してピッチング等の面疲労破壊の起点となり、面疲労強度を低下させる。一方、空孔の寸法が円相当径で０．１μｍ未満の場合、油溜りとして充分な機能が得られない。
空孔の密度が１００００個／ｍｍ２未満であると、油溜りとして有効に機能しない。
また、歯車等の摺動部材は、部材の表面から５μｍ程度摩耗するまで使用されることが一般的であるため、空孔は鋼部品の表面から５μｍ以上の深さまで存在させることが好ましい。
この空孔の大きさと密度は、軟窒化処理及び高周波加熱の条件に依存する。油溜りとして有効に機能する空孔の大きさと密度を得るには、好ましくは軟窒化処理温度を５８０℃以上６００℃未満、高周波加熱温度を８８０℃以上９００℃未満、保持時間を１〜４秒とすることが好ましい。なお、これらの条件が、高い面疲労強度を有する鋼材及び鋼部品が具える焼入れ窒化層を得るための条件を満足していることはもちろんである。
また、焼入れ後の表層はマルテンサイト組織で、芯部はフェライト−パーライト組織のままとする。これは表層のみマルテンサイト変態させることで表層に圧縮残留応力を付与し、面疲労強度を向上させるためである。芯部までマルテンサイト変態させてしまうと、表層の圧縮残留応力が減少してしまい、面疲労強度が低下するためである。
なお、上述したところは、本発明の実施形態を例示したものにすぎず、請求の範囲の記載範囲内において種々変更を加えることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
窒化処理後、高周波焼入れを施し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる表面硬化性を有することを特徴とする表面硬化用機械構造用鋼。
【請求項２】
質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満、
Ａｌ：０．０１〜０．５％および
Ｂ：０．０００３〜０．００５％
を含有し、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
窒化処理後、高周波焼入れを施し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる表面硬化性を有することを特徴とする表面硬化用機械構造用鋼。
【請求項３】
前記鋼が、さらに、質量％で、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項２に記載の表面硬化用機械構造用鋼。
【請求項４】
前記鋼が、質量％で、さらに、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％および
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の表面硬化用機械構造用鋼。
【請求項５】
質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満、
Ａｌ：０．０１〜０．５％および
Ｂ：０．０００３〜０．００５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％および
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
窒化処理後、高周波焼入れを施し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上となる表面硬化性を有することを特徴とする表面硬化用機械構造用鋼。
【請求項６】
請求項１または２に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項７】
請求項１または２に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項８】
請求項１または２に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項９】
質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１０】
質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１１】
質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１２】
請求項３に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１３】
請求項３に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１４】
請求項３に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１５】
請求項４に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビ
ッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１６】
請求項４に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１７】
請求項４に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１８】
質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％および
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項１９】
質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％および
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項２０】
質量％で、
Ｃ：０．３〜０．６％、
Ｓｉ：０．０２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３５〜１．５％未満および
Ａｌ：０．０１〜０．５％
を含有し、
Ｗ：０．００２５〜０．５％、
Ｃｒ：０．２〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜１．０％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｉ：０．０５〜２．０％および
Ｃｕ：０．０１〜２．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％および
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
のうちの１種または２種以上を含有し、
Ｂ：０．０００３％未満、
Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、
Ｎ：０．００３〜０．００５５％、
Ｐ：０．０００１〜０．０３％および
Ｏ：０．０００１〜０．００５０％
に制限し、
ＭｎとＳの比Ｍｎ／Ｓが７０以上３００００以下を満たし、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項２１】
請求項５に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であることを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項２２】
請求項５に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項２３】
請求項５に記載の表面硬化用機械構造用鋼に、窒化処理後、高周波焼入れを施して焼入れ窒化層を形成し、前記表面硬化用機械構造用鋼表面から０．２ｍｍの深さまで、３００℃で焼戻ししたときのビッカース硬さが６５０以上であり、前記焼入れ窒化層の表面から５μｍ以上の深さまで、円相当径で０．１〜１μｍの空孔が、１００００個／ｍｍ２以上存在することを特徴とする機械構造用鋼部品。
【国際調査報告】
2010082685.tif 000014
2010082685.tif 000015
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