(57)【要約】      （修正有）【課題】浸炭深さと転動疲労寿命が求められる例えばＣＶＴ用プーリー等の棒状の機械部品用素材として、浸炭や浸炭窒化処理をより短時間で行ない得るよう、従来例よりも高温で浸炭を行なった場合でも優れた結晶粒粗大化防止効果を発揮し、且つ転動疲労寿命にも優れた浸炭用鋼材を提供すること。【解決手段】Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎなどの含有率が特定される他、Ｎ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔｉの含有率が特定された鋼材からなり、円相当径が１μｍ以上のＴｉ含有介在物が３０個／ｍｍ2以下である転動疲労寿命と高温浸炭特性に優れた浸炭用鋼材を開示する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０１〜２．０％、
Ｍｎ：０．０１〜２．０％、
Ｓ：０．００５〜０．２％、
Ｃｒ：０．０１〜２．０％、
Ｎ：０．００３〜０．０３０％、
Ａｌ：０．０１〜０．１２％、
Ｎｂ：０．０１〜０．２０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１２％、
を含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物よりなる鋼材からなり、円相当径が１μｍ以上のＴｉ含有介在物が３０個／ｍｍ2以下であることを特徴とする転動疲労寿命と高温浸炭特性に優れた浸炭用鋼材。
【請求項２】
鋼が、更に他の元素として、Ｃｕ：１．０％以下（０％を含まない）および／またはＮｉ：３．０％以下（０％を含まない）を含むものである請求項１に記載の浸炭用鋼材。
【請求項３】
鋼が、更に他の元素として、Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）を含むものである請求項１または２に記載の浸炭用鋼材。
【請求項４】
鋼が、更に他の元素として、Ｂ：０．０００５〜０．００３０％を含むものである請求項１〜３のいずれかに記載の浸炭用鋼材。
【請求項５】
鋼が、更に他の元素として、Ｐｂ：０．１％以下（０％を含まない）および／またはＢｉ：０．１％以下（０％を含まない）を含むものである請求項１〜４のいずれかに記載の浸炭用鋼材。
【請求項６】
鋼が、更に他の元素として、Ｍｇ：０．０００１〜０．０２％、Ｃａ：０．０００１〜０．０２％、Ｔｅ：０．０００５〜０．０２％、ＲＥＭ：０．０００５〜０．０２％よりなる群から選択される少なくとも１種を含むものである請求項１〜５のいずれかに記載の浸炭用鋼材。
【請求項７】
鋼が、更に他の元素として、Ｚｒ：０．２％以下（０％を含まない）および／またはＶ：０．５％以下（０％を含まない）を含むものである請求項１〜６のいずれかに記載の浸炭用鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車などの輸送機器や、建設機械その他の産業機械などにおいて、浸炭処理して使用される機械部品用の素材となる浸炭用鋼材に関し、特に、軸受やＣＶＴ用プーリー、シャフト類、歯車、軸付き歯車などの素材として有用な転動疲労寿命と高温浸炭特性に優れた浸炭用鋼材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車、建設機械、その他の各種産業機械用として用いられる機械部品において、特に高強度が要求される部品には、従来から浸炭、窒化および浸炭窒化などの表面硬化熱処理（肌焼処理）が行なわれている。これらの用途には、通常、ＳＣｒ、ＳＣＭ、ＳＮＣＭなどの如きＪＩＳ規格で定められた浸炭用鋼を使用し、鍛造・切削等の機械加工により所望の部品形状に成形した後、浸炭、浸炭窒化などの表面硬化熱処理を施し、その後、研磨などの仕上工程を経て製造される。
【０００３】
近年、上記の様な機械部品についても製造原価の低減、リードタイムの短縮などが望まれており、浸炭および浸炭窒化処理を高温化することによって熱処理時間を短縮することが行なわれている。しかし、浸炭および浸炭窒化処理温度を高めると、素材の結晶粒が粗大化し、熱処理歪量が増大するという問題が生じてくる。
【０００４】
この様な状況の下で、鋼材中にＡｌ，Ｎｂ，Ｔｉなどの元素を含む炭化物や窒化物などの析出物を微細析出させることで結晶粒の粗大化を抑制し、更には浸炭窒化処理温度の上昇に対処すべく、より高い温度域においても結晶粒粗大化防止効果を発揮し得る様な鋼材の開発が進められている。例えば特許文献１には、浸炭用鋼中に適量のＮｂを含有させ、この鋼材を圧延する際の条件を最適化することでＮｂ炭窒化物よりなる析出物を微細且つ多量に生成させることによって、結晶粒粗大化温度の高温化を図っている。
【０００５】
また特許文献２には、鋼中のＮｂ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｎの含有量を適正化することにより、高温条件下での結晶粒の粗大化を抑制する方法が開示されている。更に特許文献３では、鋼中のＮ，ｓｏｌ−Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂの含有量を特定し、Ｎｂ炭窒化物やＮｂ，Ａｌ複合炭窒化物を多数（５個／１０μｍ2以上）析出させることで、結晶粒の粗大化防止を図っている。
【０００６】
更に特許文献４には、鋼中にＴｉを０．１〜０．３％添加することによって鋼中にＴｉ炭化物を微細分散させ、それにより浸炭処理のための加熱時における結晶粒の粗大化を防止しつつ転動疲労寿命を改善する技術が開示されている。
【０００７】
ところが上記特許文献１に開示された方法では、１０３０℃程度の高温域までの結晶粒の粗大化防止効果は得られるものの、１０３０℃を超える高温域になると満足のいく結晶粒粗大化防止効果が得られない。また特許文献２では、Ｎｂ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｎの含有量を特定することでそれなりの結晶粒粗大化防止効果を得ることはできるが、その効果は高々１０５０℃までであり、１０５０℃を超える高温域では満足のいく結晶粒粗大化防止効果が得られない。これは、炭窒化物源となるＮｂ，Ｔｉ，Ａｌの含有量を定めるだけで、それらの元素を含む炭窒化物の析出状態までも加味した検討がなされていないことによるものと考えられる。しかもこの特許文献２では、転動疲労寿命についての改善効果には全く触れられていない。
【０００８】
更に上記特許文献３でも、得られる結晶粒粗大化防止効果はせいぜい１０２５℃までであり、これを超える高温域では十分な効果が得られない。これは、炭窒化物系析出物の数のみの制御で、サイズ分布までも考慮した検討がなされていないことによるものと考えられる。またこの特許文献３も、転動疲労寿命についての改善効果には触れられていない。更に特許文献４でも、必ずしも需要者の要望を満たす転動疲労寿命が得られている訳ではない。これは、Ｔｉ含有析出物を制御するだけでＡｌやＮｂ含有量までも加味した総合的な追及が不十分であることによるものと考えられる。
【特許文献１】特開平４−３７１５２２号公報
【特許文献２】特許第３５１０５０６号
【特許文献３】特開平９−７８１８４号公報
【特許文献４】特開平１１−９２８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述した如く鋼中にＴｉやＮｂを添加し、それらの元素を含む析出物を鋼中に微分散させることで、浸炭部品の結晶粒粗大化防止を図る技術は多数知られている。しかし、Ｔｉ−Ｎｂの複合添加は鋼の転動疲労寿命を低下させる恐れがあるため、転動疲労特性が問題となる軸受やＣＶＴプーリー、シャフト類、歯車、軸付き歯車などに適用するには更なる改善が求められる。
【００１０】
本発明はこの様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、浸炭深さが求められる例えばＣＶＴ用プーリー等の機械部品用素材として、浸炭や浸炭窒化処理をより短時間で行ない得るよう、従来例よりも高温で浸炭を行なった場合でも優れた結晶粒粗大化防止特性を有し、また転動疲労特性においても従来材を凌駕する性能を発揮する浸炭用鋼材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決することのできた本発明の構成は、質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０１〜２．０％、
Ｍｎ：０．０１〜２．０％、
Ｓ：０．００５〜０．２％、
Ｃｒ：０．０１〜２．０％、
Ｎ：０．００３〜０．０３０％、
Ａｌ：０．０１〜０．１２％、
Ｎｂ：０．０１〜０．２０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１２％、
を含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物よりなる鋼材からなり、円相当径が１μｍ以上のＴｉ含有介在物が３０個／ｍｍ2以下である、転動疲労寿命と高温浸炭特性に優れた浸炭用鋼材である。
【００１２】
本発明の上記鋼材には、上記成分に加えて、求められる特性に応じて下記１）〜６）に示す群から選ばれる１種以上の元素を含有させることも有効である。
１）Ｃｕ：１．０％以下（０％を含まない）および／またはＮｉ：３．０％以下（０％    を含まない）、
２）Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）、
３）Ｂ：０．０００５〜０．００３０％、
４）Ｐｂ：０．１％以下（０％を含まない）および／またはＢｉ：０．１％以下（０％    を含まない）、
５）Ｍｇ：０．０００１〜０．０２％、Ｃａ：０．０００１〜０．０２％、Ｔｅ：０．    ０００５〜０．０２％、ＲＥＭ：０．０００５〜０．０２％よりなる群から選択さ    れる少なくとも１種、
６）Ｚｒ：０．２％以下（０％を含まない）および／またはＶ：０．５％以下（０％を    含まない）。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、鋼中にＡｌ，Ｎｂ，Ｔｉを複合添加し、且つそれらに加えてＣ，Ｎの含有量を特定することによって、鋼内にＡｌ，Ｎｂ，Ｔｉ系の微細な析出物を多数析出せしめ、且つそれらの析出物のうち、鋼材中に存在する特に円相当径が１μｍ以上のＴｉ含有介在物の数を３０個／ｍｍ2以下に抑えることによって、高温域においても優れた結晶粒粗大化防止特性を有すると共に転動疲労寿命にも優れた浸炭用の鋼材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
上記の様に本発明では、高温浸炭特性に優れた浸炭用鋼材として、鋼材の化学成分を特定し、特に加熱時において結晶粒粗大化防止作用を発揮する微細析出物源となるＡｌ，Ｎｂ，ＴｉとＮ，Ｃの各含有率を特定範囲に制御し、且つそれらのうち特にＴｉを含む粗大な介在物、具体的には円相当径が１μｍ以上であるＴｉ含有介在物の数を３０個／ｍｍ2以下に抑えることで、高温域での結晶粒粗大化防止効果を高めると共に、転動疲労寿命を高めたところに特徴を有している。
【００１５】
以下、本発明において鋼材の化学成分を定めた理由を明らかにし、引き続いて、鋼材中の粗大なＴｉ含有介在物の数密度を定めた理由を明確にしていく。
【００１６】
まず、鋼材の化学成分を定めた理由を説明する。
【００１７】
Ｃ：０．０５〜０．３０％；
Ｃは機械部品として必要な芯部硬さを確保し転動疲労寿命を高める上で重要な元素であり、０．０５％未満では硬さ不足により部品としての静的強度が不足気味となる。しかしＣ量が多過ぎると、硬くなり過ぎて鍛造性や被削性が低下するので、０．３０％以下に抑える必要がある。この様な観点からより好ましいＣ含量は、０．１５％以上、更に好ましくは０．１７％以上で、０．２５％以下、更に好ましくは０．２３％以下である。
【００１８】
Ｓｉ：０．０１〜２．０％；
Ｓｉは脱酸剤として作用し、酸化物系介在物量を低減して内部品質を高める作用を有すると共に、焼戻し処理時の硬さ低下を抑えて浸炭部品の表層硬さを確保するのに有効な元素であり、０．０１％以上の添加を必要とする。しかし、Ｓｉ量が多過ぎると、素材が硬くなりすぎて切削性や鍛造性が劣化するので、２．０％を上限と定めた。より好ましいＳｉ含量は、０．０２％以上、更に好ましくは０．０５%以上で、０．８％以下、更に好ましくは０．６％以下である。
【００１９】
Ｍｎ：０．０１〜２．０％；
Ｍｎは脱酸剤として作用し、酸化物系介在物量を低減して鋼材の内部品質を高める作用を有すると共に、浸炭焼入れ時の焼入性を著しく高める作用を有しており、こうした作用を有効に発揮させるには０．０１％以上含有させる必要である。しかし多過ぎると、中心偏析が顕著となって内部品質を却って劣化させるばかりでなく、縞状組織が顕著となって内部特性のバラツキも大きくなり衝撃特性や転動疲労寿命が低下するので、上限を２．０％とする。Ｍｎのより好ましい含有量は０．２％以上、更に好ましく０．３％以上で、１．５％以下、更に好ましくは１．０％以下である。
【００２０】
Ｓ：０．００５〜０．２％；
Ｓは、ＭｎやＴｉなどと結合してＭｎＳ介在物やＴｉＳ介在物などを形成し、部品の衝撃強度や転動疲労寿命に悪影響を及ぼすので、なるべく少なく抑えるのが好ましく、衝撃特性と転動疲労寿命が求められる本発明では上限を０．２％と定めた。しかし反面Ｓは、切削性を高める作用も有しているので、切削性が重視される場合は適量含有させることが望ましく、０．００５％程度以上は含有させることが望ましい。通常の機械構造用鋼では０．０１％程度以上、０．０７％程度以下が好ましい。
【００２１】
Ｃｒ：０．０１〜２．０％；
Ｃｒは、Ｔｉ，Ｎｂなどの炭化物中に固溶してそれらの硬さを高める作用を有しているため、耐摩耗性の向上に寄与する。そのため、歯車や軸受等の摺動部品ではよく用いられる合金元素であり、０．０１％以上含有させることが望ましい。ちなみに、ＪＩＳ規格の肌焼鋼（ＳＣｒ４２０）ではＣｒ量を０．９〜１．２％と規定している。しかしＣｒ量が２．０％を超えると、鋼材が硬くなり過ぎて被削性や鍛造性が劣化するので、２．０％を上限と定めた。より好ましくは０．４％以上、更に好ましくは０．９％以上で、１．５％以下、更に好ましくは１．２％以下である。
【００２２】
Ｎ：０．００３〜０．０３０％；
Ｎは、Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂと結合して窒化物や炭窒化物を形成し、浸炭加熱時におけるオーステナイト粒成長を抑制する作用を有しており、この作用を有効に発揮させるには０．００３％以上含有させねばならず、好ましくは０．００５％以上含有させるのがよい。しかしＮ含量が多過ぎると、熱間加工性や衝撃特性に悪影響を及ぼす様になるので、多くとも０．０３０％以下、より好ましくは０．０２５％以下、更に好ましくは０．０２０％以下に抑えるのがよい。
【００２３】
Ａｌ：０．０１〜０．１２％；
Ａｌは鋼材の結晶粒の調整に有効な元素である。即ちＡｌは、鋼中のＮと結合して窒化物を生成するが、この窒化物は熱処理時における結晶粒の成長を抑制する作用を発揮するのである。しかも、Ａｌを後述するＮｂやＴｉと複合添加すると、単独析出物よりも安定なＡｌ窒化物とＴｉ炭窒化物との複合析出物や、Ａｌ窒化物とＮｂ炭窒化物との複合析出物、或いはＡｌ窒化物とＮｂ−Ｔｉ複合炭窒化物との複合析出物を形成し、高温浸炭時の結晶粒粗大化防止特性を高める。これらの効果を有効に発揮させるには、０．０１％以上含有させる必要がある。しかしＡｌ含量が多過ぎると、硬質で粗大な非金属介在物（Ａｌ2Ｏ3）が生成し、衝撃強度や転動疲労特性を劣化させるので、０．１２％を上限と定めた。Ａｌのより好ましい含有量は０．０１５％以上、更に好ましくは０．０２％以上で、０．１０％以下、更に好ましくは０．０７％以下である。
【００２４】
Ｎｂ：０．０１〜０．２０％；
Ｎｂは本発明において重要な役割を果たす元素で、鋼中のＮおよびＣと結合して窒化物や炭化物もしくは炭窒化物を生成し、浸炭時の加熱工程で結晶粒粗大化の抑制に寄与する元素であり、０．０１％未満では、高温で安定な窒化物や炭化物、もしくは炭窒化物が生成しないため、結晶粒粗大化防止効果が得られない。しかもＮｂは、ＡｌやＴｉと複合添加することで、Ｎｂを含む単独析出物よりも安定なＡｌ窒化物とＮｂ炭窒化物の複合析出物やＮｂ−Ｔｉ複合炭窒化物、あるいはＡｌ窒化物とＮｂ−Ｔｉ複合炭窒化物の複合析出物を形成し、高温浸炭時の結晶粒粗大化防止特性や転動疲労特性を高める作用も発揮する。
【００２５】
しかし、Ｎｂ含量が多過ぎるとＮｂを含む粗大な析出物が生成し、後述するオストワルド粒成長を加速して結晶粒粗大化防止特性を逆に劣化させるので、０．２０％以下に抑えるべきである。Ｎｂのより好ましい含有率は０．０２％以上、更に好ましくは０．０３％以上で、０．１５％以下、更に好ましくは０．１０％以下である。
【００２６】
Ｔｉ：０．００５〜０．１２％；
Ｔｉも本発明において重要な役割を果たす元素である。すなわち、鋼中のＮおよびCと結びついて炭化物、窒化物、炭窒化物を形成し、高温浸炭時の結晶粒粗大化を抑制する。また、ＡｌやＮｂと複合添加することで、Ｔｉを含む単独析出物よりも安定なＡｌ窒化物とＴｉ炭窒化物の複合析出物やＮｂ−Ｔｉ複合炭窒化物、あるいは、Ａｌ窒化物とＮｂ−Ｔｉ複合炭窒化物の複合析出物を形成し、結晶粒粗大化防止特性の向上に寄与する。Ｔｉ含量が０．００５％未満では、析出するＴｉ炭窒化物や他元素との複合炭窒化物の数が不十分となり、満足のいく結晶粒粗大化防止特性が得られない。しかし反面、Ｔｉ含量が多過ぎると、粗大なＴｉ炭窒化物が生成して転動疲労寿命が悪くなるので、０．１２％以下に抑えねばならない。Ｔｉのより好ましい含有量は、０．００８％以上、より好ましくは０．００８以上で、０．１０％以下、より好ましくは０．０５％以下である。
【００２７】
本発明で用いる鋼材の必須構成元素は以上の通りであり、残部はＦｅと不可避不純物である。不可避的に混入してくる元素としては例えばＰ（リン）やＯ（酸素）があり、その量は不可避不純物量であれば特に制限されないが、含まれることによる障害を極力抑えるには、Ｐは０．０３以下、Ｏは０．００２％以下に抑えるべきである。
【００２８】
ちなみに、Ｐは結晶粒界に偏析して部品の衝撃特性や転動疲労特性を低下させるので、極力少なく抑えるべきであり、多くとも０．０３％以下、より好ましくは０．０１５％以下、更に好ましくは０．０１０％以下に抑えるのがよい。またＯは鋼材の強度特性を低下させるので、０．００２％以下、より好ましくは０．００１％以下の抑えるのがよい。
【００２９】
また本発明で用いる鋼材には、上記必須元素に加えて、所望に応じて更なる付加的特性を与えるため、下記の様な選択元素を含有させることも有効であり、必要に応じてそれらの元素を添加したものも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３０】
Ｎｉ：３．０％以下および／またはＣｕ：１．０％以下；
Ｎｉ，Ｃｕは共に鋼材の耐食性を向上させる元素であり、必要に応じて各々単独で、或いは２種を添加することができる。またＮｉは、鋼材の耐衝撃性の向上にも寄与するので、適量の添加は有効である。しかしＮｉ，Ｃｕの過度の添加は鋼材コストの上昇を招き、しかもＣｕの過度の添加は熱間加工性の低下おも引き起こすので、Ｎｉは３．０％以下、Ｃｕは１．０％以下に抑えるべきである。Ｎｉのより好ましい添加量は０．１〜２．０％、更に好ましくは０．３〜１．５％で、Ｃｕのより好ましい添加量は０．１〜０．８％、更に好ましくは０．２〜０．６％である。
【００３１】
Ｍｏ：１．０％以下；
Ｍｏは、焼戻し処理時の硬さ低下を抑え、浸炭部品の表層硬さを確保するのに有効な元素であり、また、浸炭焼入れ時の焼入性を著しく高めると共に、耐水素脆性を抑えるうえでも有効に作用することが知られている。しかし、過度に添加しても効果が飽和するので鋼材コストの上昇を招き、更には鋼素材が硬質化して被削性が劣化するので、添加するにしても１．０％以下に抑えるべきである。Ｍｏのより好ましい添加量は０．１〜０．８％、更に好ましくは０．１５〜０．４５％である。
【００３２】
Ｂ：０．０００５〜０．００３０％；
Ｂは微量で鋼材の焼入性を大幅に高める作用を有しており、しかも結晶粒界を強化して衝撃強度や転動疲労寿命をよくする作用も有している。こうした作用は０．０００５％以上添加することで有効に発揮される。しかし、それらの効果は約０．００３０％で飽和し、またＢ量が多過ぎると、Ｂ窒化物が生成し易くなって冷間および熱間加工性にも悪影響が表れてくる。そのため、添加する場合は０．０００５〜０．００３０％、より好ましくは０．０００８〜０．００２５％、更に好ましくは０．００１０〜０．００２０％の範囲内で調整するのがよい。
【００３３】
Ｐｂ：０．１％および／またはＢｉ：０．１％以下；
Ｐｂ，Ｂｉは鋼材の被削性向上に寄与する元素であり、被削性が特に求められる場合はこれらの１種または２種を添加することが有効である。しかし添加量が多過ぎると鋼素材の強度が低下するので、各々０．１％以下、より好ましくはＰｂ＋Ｂｉで０．１％以下に抑えるべきである。Ｐｂ＋Ｂｉとしてのより好ましい添加量は０．０２〜０．０８％、更に好ましくは０．０３〜０．０６％である。
【００３４】
Ｃａ：０．０００１〜０．０２％、Ｍｇ：０．０００１〜０．０２％、Ｔｅ：０．０００５〜０．０２％、ＲＥＭ：０．０００５〜０．０２％の１種以上；
Ｃａ，Ｍｇ，Ｔｅ，ＲＥＭは、１種または２種以上添加することで鋼中に存在する硫化物の展伸を抑制し、衝撃特性を高める作用を有している。こうした作用は、Ｍｇ，Ｃａの場合、０．０００１％未満の添加では有効に発揮されず、０．０２％を超えると粗大な酸化物の生成によって鋼強度を逆に低下させ、転動疲労寿命にも悪影響を及ぼす恐れが生じてくる。そのためＭｇ，Ｃａは夫々０．０００１〜０．０２％、より好ましくは０．００１〜０．０１０％の範囲とするのがよい。
【００３５】
ＴｅとＲＥＭも、同様に０．０００５％未満ではその効果が有効に発揮されず、また０．０２％を超えると熱間延性が著しく低下し鋼材の製造および部品への加工が困難になる。従ってＴｅ，ＲＥＭを添加する場合は夫々０．０００５〜０．０２％、より好ましくは０．００１〜０．０１％、更に好ましくは０．００２〜０．００５％の範囲から選定するのがよい。
【００３６】
Ｚｒ：０．２％以下および／またはＶ：０．５％以下；
Ｚｒ，Ｖは、前記ＮｂやＴｉと同様に炭化物や窒化物を形成し、Ａｌ，Ｎｂ，Ｔｉの炭窒化物と複合析出することで、それら炭窒化物の高温安定性を高める作用を発揮する。しかし多過ぎると、ＺｒやＶを含む粗大析出物が生成して結晶粒粗大化防止特性を害するので、Ｚｒは０．２％以下、Ｖは０．５％以下に抑えるべきである。それらの利害得失を考慮してより好ましい含有量は、Ｚｒは０．００１〜０．１％、Ｖは０．００５〜０．２％である。
【００３７】
円相当径が１μｍ以上であるＴｉ含有介在物の数が３０個／ｍｍ2以下；
本発明において、粗大なＴｉ含有介在物の数密度は、本発明で意図するレベルの転動疲労寿命を確保するうえで極めて重要な要素である。ここで粗大なＴｉ含有介在物とは、供試鋼材の断面を走査型電子顕微鏡などに付随する反射検出器を用いて観察したときのＴｉ含有介在物の面積（Ａ）から求められる円相当径［Ｒ＝２×（Ａ／π）1/2］が１μｍ以上のＴｉ含有介在物をいい、介在物の中にはＴｉ窒化物やＴｉ硫化物が含まれる他、これらとＮｂ炭・窒化物やＡｌ窒化物が複合した複合介在物が含まれる。そして該粗大なＴｉ含有介在物の数と当該鋼材の浸炭処理後の転動疲労寿命との間には明らかな相関々係が認められ、後記実施例でも明らかにする如くその数が鋼材断面の１ｍｍ2当たり３０個を超えると、転動疲労特性が明らかに悪化してくるので、その個数を３０個／１ｍｍ2以下と定めた。
【００３８】
介在物中にＴｉが含まれるか否かはＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）によって確認する。尚、介在物の中にはＡｌ系酸化物、Ｍｎ系酸化物、Ｍｎ系硫化物なども含まれるが、これらは形状が角を持たない球状もしくはそれに類する形状であるか、軟質で応力集中源となり難いため、Ｔｉ含有介在物に較べると転動疲労寿命に与える影響が著しく小さいことから、本発明ではこれらＴｉ以外の元素からなる介在物は対象外とした。
【００３９】
ところで、鋼材を熱間鍛造する際には、鍛造のための加熱時に通常１１００℃以上の高温に加熱するため、Ｔｉを含む介在物は固溶するといわれているが、粗大な介在物は、熱間鍛造前に行なわれる程度の加熱時間では十分に溶解しない。そのため、圧延棒鋼中に含まれる粗大なＴｉ含有介在物を事前に減少させておくことで、結晶粒粗大化防止特性を改善することができる。即ち、同量のＴｉとＮ，Ｃ，Ｏを含む鋼材中に含まれるＴｉ含有介在物の総量は実質的に同じであるから、粗大なＴｉ含有介在物の量を少なくすると、結果的に微細なＴｉ含有介在物の量は大幅に増大し、該微細なＴｉ含有介在物が多量存在することによって結晶粒の粗大化抑制効果は飛躍的に高められると共に、転動疲労寿命も大幅に改善されるのである。
【００４０】
また近年、熱処理コストの低減や鍛造精度の向上を期して、鍛造時の加熱温度や鍛造温度をＴｉ含有介在物の固溶が期待できない温度域まで低下させることが求められているが、この様な状況下でも、圧延棒鋼中の粗大なＴｉ含有介在物を減少させておくことは、結晶粒粗大化防止特性の改善に極めて有用となる。
【００４１】
また冷間鍛造においても、圧延棒鋼中の粗大なＴｉ含有介在物の量を低減しておくことは、結晶粒粗大化防止特性と転動疲労寿命の改善に有効である。
【００４２】
いずれにしても本発明では、上記の様に成分組成の特定された鋼材において、「鋼材中に存在する円相当径が１μｍ以上の粗大なＴｉ含有介在物の数を３０個／ｍｍ2以下に抑えることで、肌焼用鋼として浸炭処理時に例えば１０５０℃以上、或いは１１００℃以上の高温域に曝された場合でも、結晶粒の粗大化を殆ど生じることのない高温安定性を有し、しかも転動疲労特性に優れた肌焼部品を与える浸炭用鋼材を得ることができる。従ってこの浸炭用鋼材を使用すれば、より高温、短時間で浸炭処理を行なうことができ、浸炭処理のための熱経済性を高めると共に処理効率を大幅に高めることができ、更には、寸法制度や深部衝撃特性、更には転動疲労寿命においても非常に優れた浸炭用鋼を提供できる。
【００４３】
上記特性を備えた肌焼用鋼を得るための製造条件は特に制限されず、前述した成分組成の要件を満たす鋼を溶製し、常法に従って鋳造、均熱、熱間圧延し、或いは必要により再加熱処理してから冷間圧延を行って所定寸法の棒鋼とすればよいが、この際、鋳造後、凝固点から１２００℃までの温度域を１０℃／ｍｉｎ以上の平均冷却速度で急冷すれば、冷却時に生じるＴｉ窒化物などの介在物の粗大化が可及的に抑制され、Ｔｉ含有介在物の大部分を円相当径で０．５μｍ程度以下のサイズに抑えることができ、結果的に前述したような粗大なＴｉ含有介在物の数を可及的に抑えることができる。
【００４４】
粗大なＴｉ含有介在物の数を低減する上でより好ましい冷却速度は２０℃／ｍｉｎ以上、更に好ましくは３０℃／ｍｉｎ以上である。尚、鋳造後の温度が１２００℃未満の低温になると、もはやＴｉ含有介在物の成長は起こり得なくなるので、それ未満の温度域の冷却速度を制御することは実質的に無意味である。
【００４５】
その他の製造条件は特に限定されないが、熱延前に行なう均熱処理を１２５０〜１３５０℃の温度域で３０分程度以上とするのがよい。ちなみに、前記成分組成の要件を満たす鋼種を上記温度条件で均熱処理すると、この均熱工程でＴｉ含有介在物を可及的に溶解させることができ、Ｔｉ含有介在物の粗大化を可及的に防止することで微細なＴｉ含有介在物を無数に析出させることができることから、浸炭加熱時の結晶粒の粗大化抑制作用がより効果的に発揮され、延いては浸炭部品の転動疲労特性も効果的に高められるからである。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例を挙げて本発明の構成および作用効果をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４７】
実施例１
表１，２に示す化学組成の鋼材を小型溶製炉で溶製し、鋳造して１５０ｋｇの鋳塊を得る際に、凝固点から１２００℃までの温度域を同表に示す速度で冷却した。その後、１２５０℃×１時間の均熱処理を施した後、１辺が１５５ｍｍの矩形棒状に熱間鍛造し、更に熱間圧延することによって直径５０ｍｍの棒鋼を得た。
【００４８】
得られた各棒鋼について、下記の方法で介在物評価を行なうと共に、下記の方法で衝撃特性および芯部硬さを調べた。
【００４９】
介在物評価法；
各供試片の中心線を含む縦断面を鏡面状にバフ研磨した後、日本電子社製のＥＰＭＡ（ＪＣＭＡ−７３３）の反射検出器を用いて検出された画像を、ＮＯＲＡＮ社製「ＶＯＹＡＧＥＲ」の画像解析装置によってサイズ測定し、ＮＯＲＡＮ社製「ＶＯＹＡＧＥＲ」のＥＤＳ装置によって成分の定量分析を行った。その結果、円相当径が１ｕｍ2以上で、且つ「Ｔｉ／（Ｓｉ＋Ｍｎ＋Ａｌ＋Ｔｉ）＞０．２」となる介在物を粗大なＴｉ含有介在物として、抽出したＴｉ含有介在物数と被検面積（約２０ｍｍ2）から数密度を求めた。
【００５０】
衝撃特性および芯部硬さ試験法；
各供試棒鋼について、試験片加工で直径３２ｍｍ×４８ｍｍの試験片を作製し、１２５０℃で７０％の鍛造を加えた後、浸炭処理を模擬するため１０７５℃で３時間保持した後、焼入れ温度：９３０℃で油冷し、その後１７０℃で焼戻し処理を行なった。この試験片の中心からＪＩＳ  Ｚ２２４２に規定する衝撃試験片を切り出して衝撃試験を行い、またＪＩＳ  Ｚ２２４４に準拠して芯部硬さを調べた。
【００５１】
また上記で得た各棒鋼を、切削加工によって結晶粒粗大化防止効果の調査用試験片（図１参照：直径８ｍｍ、高さ１２ｍｍの円柱状）に切削加工し、得られた各試験片について、熱間加工シミュレータ（富士電波工機社製の商品名「ＴＨＥＲＭＥＣＭＡＳＴＥＲ−Ｚ」）を用いて熱間で圧縮した。昇温速度は１０℃／ｍｉｎ、熱間加熱温度は１２５０℃、圧縮率は７０％とし、冷却速度は１℃／ｍｉｎとした。この試験片を真空焼鈍炉で１０７５℃×３時間の焼鈍を行ってから水冷した後、試験片断面の結晶粒粗大化状況を調べた。
【００５２】
結晶粒粗大化状況は、光学顕微鏡を用いて１００倍の倍率で１０視野を観察し、結晶粒のサイズが、ＪＩＳ規格で定める結晶粒度番号５番に相当する結晶粒サイズよりも大きいものを粗大化している領域（粗粒域）、結晶粒度番号５番に相当する結晶粒サイズ未満である部分を（整粒部）とし、粗粒域が視野面積に占める割合（粗粒率）と、平均結晶粒度番号［＝｛整粒部の結晶粒度番号×整粒部面積率（％）＋粗粒部の結晶粒度×粗粒率（％）｝／１００］を求めた。
【００５３】
そして、粗粒率については、０％を非常に良好（◎）、０超５％未満を良好（○）、５％以上を粗大化発生（×）、の３段階で評価し、平均結晶粒径については、９番以上を非常に良好（◎）、７〜９番を良好（○）、７番未満を不良（×）とした。それらの結果から、加熱温度１０７５℃で粗粒率、平均結晶粒径が共に良好または非常に良好であるものを、高温での結晶粒粗大化防止特性が良好であると判断した。
【００５４】
また転動疲労寿命の確認には、図２に示す様な転動疲労試験片（直径６０ｍｍ×厚さ５ｍｍの円盤状試験片）を使用し、ラッピング加工により表面粗さを平均粗さで０．０４ｍＲａ以下とした後に下記の条件で転動疲労試験を行い、破損確率が１０％となるときの寿命（Ｌ１０寿命）を求めた。
【００５５】
転動疲労試験条件；
・面圧；５２７ｋｇｆ／ｍｍ2、
・回転数；１０００ｒｐｍ、
・鋼球数；６個、
・潤滑油；「タービン油＃６８」（新日本石油社製の商品名）
・試験回数（ｎ）；１０回。
【００５６】
結果を表３，４に示す。
【００５７】
【表１】
2006161143.tif 000002
【００５８】
【表２】
2006161143.tif 000003
【００５９】
【表３】
2006161143.tif 000004
【００６０】
【表４】
2006161143.tif 000005
【００６１】
表１〜４より次の様に考えることができる。
【００６２】
Ｎｏ．１は鋼中のＣ含量が不足するため芯部硬さが低く、逆にＮｏ．５は鋼中のＣ含量が多過ぎるため芯部衝撃値が低く、本発明の目的に合致しない。
【００６３】
Ｎｏ．６，９は、鋼中のＳｉ含量が規定範囲を外れるため、Ｎｏ．１０，１３は、鋼中のＭｎ含量が規定範囲を外れるため、またＮｏ．１５は鋼中のＳ含量が多過ぎ、Ｎｏ．１８は鋼中のＣｒ含量が多過ぎるため、いずれも芯部衝撃値が低い。
【００６４】
Ｎｏ．２６〜３３は、鋼中のＡｌ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｎの含有量が規定範囲を外れるため、結晶粒粗大化防止効果が乏しく、特に、これらの元素量が多過ぎるＮｏ．２７，２９，３１，３３では、芯部衝撃値が劣悪である。
【００６５】
Ｎｏ．４４は鋼の成分組成は適正であるが、鋳造後の冷却速度が遅過ぎるため、円相当径１μｍ以上のＴｉ含有介在物の数が３０個／ｍｍ2を超えており、満足のいく結晶粒粗大化抑制効果と転動疲労寿命が得られていない。
【００６６】
これらに対し上記以外のものは、本発明の規定要件を満たしているため、優れた結晶粒粗大化防止作用と転動疲労寿命が得られている。
【００６７】
なお上記実施例では、熱間鍛造を模擬した方法で結晶粒粗大化防止効果と衝撃特性の試験結果を示したが、本発明はもとより熱間鍛造への適用に限定される訳ではなく、冷間鍛造に適用した場合でも同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】実験で用いた結晶粒粗大化防止効果確認用の試験片を示す説明図である。
【図２】実験で用いた転動疲労試験用の試験片を示す説明図である。
【図１】
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【図２】
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