(57)【要約】【課題】冷間鍛造性と焼戻軟化抵抗性が共に優れた肌焼用鋼材を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．４５〜０．９％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｓ：０．００５〜０．０５％Ｃｒ：１．０〜１．５％未満、Ｍｏ：０．３〜１．５％未満、Ａｌ：０．００１〜０．２％、Ｎ：０．００３〜０．０３％を含有し、Ｐ：０．０３％以下に制限し、残部が鉄と不可避的不純物であり、１２Ｓｉ（％）＋２５Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）＋２Ｍｏ（％）が２５以下であり、球状化組織を有することを特徴とする冷間鍛造性と焼戻軟化抵抗性に優れた肌焼用鋼材。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．１〜０．３％、
Ｓｉ：０．４５〜０．９％、
Ｍｎ：０．２〜０．５％、
Ｓ：０．００５〜０．０５％
Ｃｒ：１．０〜１．５％未満、
Ｍｏ：０．３〜１．５％未満、
Ａｌ：０．００１〜０．２％、
Ｎ：０．００３〜０．０３％
を含有し、
Ｐ：０．０３％以下に制限し、残部が鉄と不可避的不純物であり、
１２Ｓｉ（％）＋２５Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）＋２Ｍｏ（％）が２５以下であり、
球状化組織を有することを特徴とする冷間鍛造性と焼戻軟化抵抗性に優れた肌焼用鋼材。
【請求項２】
前記鋼材が、更に、質量％で、
Ｎｂ：０．２％以下、
Ｔｉ：０．２％以下
の内の１種または２種を含む請求項1記載の冷間鍛造性と焼戻軟化抵抗性に優れた肌焼用鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球状化焼鈍処理を施すことによって優れた冷間鍛造性を有し、しかも浸炭や浸炭窒化等の表面硬化処理後には焼戻軟化抵抗性に優れた、自動車、建設車両、産業機械などの部品の素材として用いられる冷間鍛造性と焼戻軟化抵抗性に優れた肌焼用鋼材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の変速機等には、主にＪＩＳ ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０等の肌焼鋼を素材として用い、焼きならし、焼鈍または場合によっては球状化焼鈍の軟化処理を施した後に冷間鍛造で歯車形状に成型後、浸炭焼入れ焼戻し等による表面硬化処理を施した歯車が使用されている。このような歯車においては、自動車の高出力化および燃費向上等のため、軽量化及び歯車の高強度化が強く求められている。従来、歯車の強度を高めるために歯車の歯元曲げ疲労強度を向上させる技術の開発がなされてきたが、近年においては、ハードショットピーニングの実用化に伴い、歯車の高強度化の重点が、歯車の歯元曲げ疲労強度からピッチング強度に移行しつつある。
【０００３】
ところで、ピッチング強度の改善には、焼戻軟化抵抗を向上させることが有効であるとされており、従来、焼戻軟化抵抗を向上させる手段としては、歯車の材料である鋼の成分を改良した技術がいくつか提案されている。例えば、特許文献１には、焼戻軟化抵抗を向上させるべく、鋼に含ませるＳｉ、Ｃｒ、Ｍｏの含有量を適正化した鋼が開示されている。この文献によると、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等の元素が焼戻軟化抵抗を向上させるのに有用であるとされており、これらの元素を鋼に含有させる場合には、Ｓｉの含有量を０．７％以上とすること、Ｃｒの含有量を０．１％以上とすること、Ｍｏの含有量を０．０５％以上とすること、及び、これらの元素の総含有量が一定値を超えることが必要であるとされている。しかしながら、これらの元素の含有量が高くなると変形抵抗が増加し、冷間鍛造が行なえなくなり、熱間鍛造化を余儀なくされて製造コストが不利になっているのが実態である。また、従来においては、Ｓｉの含有量が０．１５％を超えると変形抵抗の増大をもたらすことが報告されている（例えば、特許文献２参照）。このように、鋼の各成分（特にＳｉ）が及ぼす焼戻軟化抵抗への影響と、冷間鍛造性への影響は二律背反となっており、両方の特性を満足させる鋼材の開発が要望されているのが現状である。
【特許文献１】特開２００３−２３１９４３号公報
【特許文献２】特開平６−２９９２４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上の情況に鑑み、本発明の目的は、冷間鍛造性と焼戻軟化抵抗性が共に優れた肌焼用鋼材を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、球状化焼鈍処理の適用と、それに適した成分調整に関して鋭意研究した結果、下記事項を知見し、本発明を完成するに至った。  
(1) Ｓｉ、Ｍｎは、球状化焼鈍処理による冷間鍛造性の改善に与える効果が小さいこと。  
(2) Ｃｒ、Ｍｏは、球状化焼鈍処理による冷間鍛造性の改善に与える効果が大きいこと。  
しかし、これらの元素は一定量以上添加するとかえって焼戻軟化抵抗性を低下させること。  
(3) 冷間鍛造性の限界は、上記４元素（Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、及びＭｏ）の、各々の変形抵抗増加作用を加味した総量で決定しなければならないこと。  
(4) Ｓｉを、所定量の範囲内で、かつ、他の成分（例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ等）とのバランスを考慮して、鋼に添加し、球状化焼鈍処理により鋼中の炭化物を球状化させることにより、優れた冷間鍛造性が得られること。
【０００６】
本発明の要旨は以下のとおりである。  
1) 質量％で、
Ｃ：０．１〜０．３％、
Ｓｉ：０．４５〜０．９％、
Ｍｎ：０．２〜０．５％、
Ｓ：０．００５〜０．０５％
Ｃｒ：１．０〜１．５％未満、
Ｍｏ：０．３〜１．５％未満、
Ａｌ：０．００１〜０．２％、
Ｎ：０．００３〜０．０３％
を含有し、
Ｐ：０．０３％以下に制限し、残部が鉄と不可避的不純物であり、
１２Ｓｉ（％）＋２５Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）＋２Ｍｏ（％）が２５以下であり、
球状化組織を有することを特徴とする冷間鍛造性と焼戻軟化抵抗性に優れた肌焼用鋼材。
【０００７】
2) 前記鋼材が、更に、質量％で、
Ｎｂ：０．２％以下、
Ｔｉ：０．２％以下
の内の１種または２種を含む1)記載の冷間鍛造性と焼戻軟化抵抗性に優れた肌焼用鋼材。
【発明の効果】
【０００８】
以上述べたごとく、冷間鍛造性と焼戻軟化抵抗性が共に優れた肌焼用鋼材を提供することができ、これらを用いることにより、歯車の製造コストが有利になると共に、自動車、建設車両、産業機械などの高出力化および燃費向上等に大きく寄与することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明者らの研究の結果、鋼中のＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＭｏの総量が式：１２Ｓｉ（％）＋２５Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）＋２Ｍｏ（％）において２５以下である場合には、優れた冷間鍛造性を得ることができるのに対し、上記４元素の総量が上記式において２５を超えると冷間鍛造性が悪いことが明らかになった。このことから、Ｓｉ、Ｍｎは、球状化焼鈍処理を施しても冷間鍛造性の改善に与える効果が小さく、Ｃｒ、Ｍｏは、球状化焼鈍処理を施すことよって冷間鍛造性の改善に与える効果が大きいことが示唆された。  
この理由は、Ｓｉ及びＭｎが鉄中に固溶する元素、いわゆる固溶強化元素であるため、球状化焼鈍処理を施しても大部分がフェライト鉄中に固溶したままとなり、軟化されないためであると考えられる。また、Ｃｒ及びＭｏは炭化物形成元素であるため、球状化焼鈍処理を施すことによってセメンタイト中に固溶したり、自ら炭化物を形成することによって大部分が鉄中から排出され固溶強化が無くなるためであると考えられる。もともと球状化焼鈍処理により冷間鍛造性が改善される機構は、ラメラ形状で存在しているセメンタイトを球状に分断させることによって変形抵抗を低下することによるものであるが、それと同時にＣｒ、Ｍｏ自身も球状の炭化物を形成することによって固溶強化が無くなることにもよるものと考えられる。  
以上のことから、冷間鍛造性はＳｉ、Ｍｎ含有量に大きく影響されることが明らかになった。
【００１０】
また、本発明者らの研究の結果、Ｓｉの含有量が一定量を下回ると焼戻軟化抵抗が低下することが明らかになった。このことから、Ｓｉの含有量が一定量以上必要であることが示唆された。
【００１１】
さらに、本発明者らの研究の結果、Ｃｒ及びＭｏの含有量も一定量を下回ると焼戻軟化抵抗が低下することも明らかになった。その理由は、浸炭焼入焼戻し等の表面硬化処理時には、Ｃｒ炭化物、Ｍｏ炭化物などが鋼中に固溶し、Ｃｒ、Ｍｏは有効に合金元素として作用することによるものであると考えられた。
【００１２】
また、本発明者らの研究の結果、Ｃｒの含有量が一定量以上になるとかえって焼戻軟化抵抗が低下することが明らかになった。その理由は、Ｃｒを一定量以上添加して球状化焼鈍処理を施した際に生成した炭化物が粗大化かつ安定化し、その後、浸炭焼入焼戻し等の表面硬化処理を施してもＣｒが鋼中に完全に固溶できず、残存してしまうためと考えられる。このことは、Ｍｏについても同様なことがいえると考えられる。
【００１３】
以上のことをまとめると、冷間鍛造性の確保にはＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏの総量を制限する必要があり、具体的には １２Ｓｉ（％）＋２５Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）＋２Ｍｏ（％）を２５以下に制限する必要がある。また、焼戻軟化抵抗性を得るためにはＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏを一定量の範囲内で添加する必要がある。
【００１４】
このように鋼の成分を調整して球状化焼鈍処理を施して球状化組織を形成させた鋼材は、冷間鍛造性に優れていることから、低価格で加工できるようになる。また、本発明の鋼材を用いて鍛造後、表面硬化処理した部材（工具、刃具、及び金型、並びに、自動車、バイク、航空機、機械等の部品（例えば、歯車、軸受など）など）は、焼戻軟化抵抗に優れていることから、省資源化を図ることが可能となる。特に、本発明に係る鋼材を用いて製造された歯車は、該歯車の駆動面と被駆動面とが滑りを伴いながら高面圧で接触することにより発生する摩擦熱によって、歯面の表面近傍が３００℃程度まで上昇し、結果として生じる焼戻軟化に対しても抵抗性を有し、さらには、自動車、建設車両、産業機械などの高出力化および燃費向上等に大きく貢献できると考えられる。なお、上記表面硬化処理としては、例えば、浸炭処理、浸炭浸窒処理等の公知の処理を挙げることができるがこれらに限定されるものではなく、さらにショットピーニング処理、サブゼロ処理、ＷＰＣ処理、ＷＪＰ処理等の処理を施すこととしてもよい。これにより、焼戻軟化抵抗をさらに増大させることが可能となる。
【００１５】
次に、本発明の鋼（肌焼鋼）に含ませる各化学成分の質量％の範囲について説明する。
【００１６】
Ｃ：０．１〜０．３％
Ｃは鋼の強度を保持するのに必須の元素であり、その含有量が芯部の硬さを決定し、有効硬化層深さにも影響する。そこで、本発明ではＣ量の下限を０．１％とし、芯部硬さを確保している。しかし、その含有量が多すぎると靭性が低下するため０．３％を上限とした。
【００１７】
Ｓｉ：０．４５〜０．９％
Ｓｉは焼戻軟化抵抗を向上させるのに有効な元素であり０．４５％以上の添加により効果が得られる。そこで、本発明ではＳｉ量の下限を０．４５％とした。しかし、その含有量が０．９％を超えると冷間鍛造性が悪化するため、０．９％を上限とした。
【００１８】
Ｍｎ：０．２〜０．５％
Ｍｎは焼入性を向上させるのに有効な元素であり、また焼戻軟化抵抗を向上させるのにも有効な元素である。更には鋼中に不可避的に混入する不純物元素であるＳを、ＭｎＳとして固定することによって無害化させる作用も有する。従って、Ｍｎ量としては０．２％以上必要であると考えられる。そこで、本発明ではＭｎ量の下限を０．２％とした。しかし、その含有量が０．５％を超えると冷間鍛造性が悪化するため、０．５％を上限とした。
【００１９】
Ｓ：０．００５〜０．０５％
Ｓは不可避的に混入する不純物元素であるが、被削性の観点から０．００５％以上含有することが必要である。そこで、本発明ではＳ量の下限を０．００５％とした。しかしながら、その含有量が０．０５％を超えると鍛造性を阻害するため０．０５％を上限とした。
【００２０】
Ｃｒ：１．０〜１．５％未満
Ｃｒは焼戻軟化抵抗を向上させるのに有効な元素であり、なおかつ球状化焼鈍処理の適用によって冷間鍛造性が改善されるため本発明において重要な元素である。焼戻軟化抵抗の効果を十分に得るためには１．０％以上が必要である。そこで、本発明ではＣｒ量の下限を１．０％とした。しかし、その含有量が１．５％以上では球状化焼鈍処理時に生成した炭化物が粗大化かつ安定化してしまい、その後の、浸炭焼入焼戻し等の表面硬化処理時にも完全には鋼中に固溶せずに残存してしまうことに起因してかえって焼戻軟化抵抗性が劣化するため１．５％未満とした。
【００２１】
Ｍｏ：０．３〜１．５％未満
Ｍｏは焼戻軟化抵抗を向上させるのに有効な元素であり、なおかつ球状化焼鈍処理の適用によって冷間鍛造性が改善されるため本発明において重要な元素である。焼戻軟化抵抗の効果を十分に得るためには０．３％以上が必要である。そこで、本発明ではＭｏ量の下限を０．３％とした。しかし、その含有量が１．５％以上では球状化焼鈍処理時に生成した炭化物が粗大化かつ安定化してしまい、その後の、浸炭焼入焼戻し等の表面硬化処理時にも完全には鋼中に固溶せずに残存してしまうことに起因してかえって焼戻軟化抵抗性が劣化するため１．５％未満とした。
【００２２】
Ａｌ：０．００１〜０．２％
ＡｌはＮと化合物を形成することによる結晶粒微細化の効果があるため０．００１％以上は必要である。そこで、本発明ではＡｌ量の下限を０．００１％とした。しかしながら、その含有量が０．２％を超えると切削性を著しく阻害するため０．２％を上限とした。
【００２３】
Ｎ：０．００３〜０．０３％
Ｎは不可避的に混入する元素であるが、ＡｌとＮと化合物を形成することによる結晶粒微細化の効果もあるため０．００３％以上は必要である。そこで、本発明ではＮ量の下限を０．００３％とした。しかしながら、その含有量が０．０３％を超えると鍛造性を著しく阻害するため０．０３％を上限とした。
【００２４】
Ｐ：０．０３％以下に制限
Ｐは不可避的に混入する不純物元素であり、粒界に偏析して靭性を低下させるため０．０３％以下に制限する必要がある。そこで、本発明ではＰ量を０．０３％以下に制限した。
【００２５】
その他、本発明の鋼に更なる結晶粒の微細化や結晶粒の粗大化防止を目的として、上述の化学成分以外にＮｂ、Ｔｉ等をさらに添加することとしてもよい。この場合、これらの元素は熱間圧延、熱間鍛造、切削加工等の生産性を阻害しない下記の範囲で含有することが好ましい。
【００２６】
Ｎｂ：０．２％以下、Ｔｉ：０．２％以下の内の１種または２種
Ｎｂ、ＴｉはＮと化合物を形成することによる結晶粒微細化の効果を有することから、Ｎｂ、Ｔｉのうち１種または２種を含有させることが好ましい。しかしながら、各元素とも０．２％を超えて含有させても結晶粒微細化の効果は飽和して経済性を損ねるため０．２％を上限とした。
【００２７】
次に、本発明の鋼におけるＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＭｏの総量について説明する。  
本発明においては、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＭｏの総量は、下記の式で２５以下に制限することが必要条件となる。これは、上述のように、本発明者らが鋭意研究開発した結果、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＭｏの総量が、下記の式で２５以下に制限して球状化焼鈍処理を施した場合に冷間鍛造性確保の必要条件となることを知見したからである。なお、下式左辺でＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＭｏの各元素の係数が異なるのは、元素によって冷間鍛造性への影響に寄与する程度が異なるからである。  
１２Ｓｉ（％）＋２５Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）＋２Ｍｏ（％） ≦ ２５
【００２８】
次に、球状化組織を有することを条件とした理由について説明する。  
球状化焼鈍処理を行なわない鋼材、例えば焼きならし処理材や焼鈍処理材ではラメラ形状で存在しているセメンタイトが多く、冷間鍛造時に該セメンタイトが分断される際に大きな変形抵抗を要するため、冷間鍛造性が悪化する。そのため、球状化焼鈍処理の適用によりラメラ形状で存在しているセメンタイトを球状化して無害化させる必要がある。好ましくは上述の式を満足させつつ球状化組織の程度をＪＩＳ Ｇ ３５４５の付図１に示された区分（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４）において、Ｎｏ．２以下にさせ、変形抵抗を７００ＭＰａ以下にするとよい。
【実施例】
【００２９】
以下に本発明を実施例によって具体的に説明する。なお、これらの実施例は本発明を説明するためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
【００３０】
表１に示す化学成分を有する熱間圧延素材を、７６０℃で４００分間保持後、６６０℃まで６００分間かけて徐冷し、その後、放冷による球状化焼鈍処理を施した後、機械加工によりφ１４mm×２１mmの変形抵抗評価試験片（試験Ｎｏ．１〜１８）を製作した。
【００３１】
＜表１＞
2006199993.tif 000002
【００３２】
上述の製作した各変形抵抗評価試験片を用いて、歪速度１０／ｓにて相当歪１の圧下を加えることにより変形抵抗を測定した。また、光学顕微鏡により各試験片の組織観察を行い、ＪＩＳ Ｇ ３５４５の付図１に示された区分（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４）に従って、球状化組織の程度を分類した。
【００３３】
次に、上述のように球状化焼鈍処理を施した各熱間圧延素材を用いて、ローラーピッチング疲労試験用に直径が２６mm、幅２８mmの円筒部を有する小ローラー試験片（試験Ｎｏ．１〜１８）と、素材を据込鍛造後、直径１３０mm、幅１８mmの大ローラー試験片（試験Ｎｏ．１〜１８）を製作した。なお、試験Ｎｏ．１３及び１４においては、冷間鍛造ができなかったので、これらの試験片を用いたローラーピッチング試験は行わなかった。また、小ローラーおよび大ローラー試験片の表面硬化処理は、試験Ｎｏ．１〜３およびＮｏ．５〜１８においては９５０℃で１２０分間のガス浸炭処理の後に焼入を行い、その後１５０℃で９０分間の焼戻しを行った。なお、試験Ｎｏ．４においては９５０℃で１２０分間のガス浸炭処理と８６０℃で３０分間の浸炭浸窒処理とを順次行なった後に焼入を行い、その後１５０℃で９０分間の焼戻しを行った。このように処理した小ローラーおよび大ローラーを用いて、ヘルツ応力３０００ＭＰａ、すべり率４０％、ＡＴＦ油温８０℃の条件にてローラーピッチング疲労試験を行い、小ローラーの耐久評価を行なった。以上の結果を表２に示す。
【００３４】
＜表２＞
2006199993.tif 000003
【００３５】
表２に示すように、本発明例のＮｏ．１〜１２の試験片は７００ＭＰａ未満の変形抵抗を示し、冷間鍛造性に優れることが明らかになった。また、本発明例のＮｏ．１〜１２のローラー試験片は、寿命が６００万回以上であり、優れたピッチング強度を有していることが明らかになった。
【００３６】
これに対し、比較例Ｎｏ．１３及び１４の試験片は変形抵抗が７００ＭＰａ以上であり、冷間鍛造ができないことが明らかになった。これは、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＭｏの総量が式、１２Ｓｉ（％）＋２５Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）＋２Ｍｏ（％）で２５を上回っていたためであると考えられた。また、比較例Ｎｏ．１３においては、Ｍｎ量が本発明例より比較的に多かったことに起因するのではないかと考えられた。
【００３７】
また、比較例Ｎｏ．１５の試験片は７００ＭＰａ未満の変形抵抗を示すものの、比較例のＮｏ．１５のローラー試験片は寿命が５００万回以下と短かいことが明らかになった。試験後の調査の結果、比較例のＮｏ．１５のローラー試験片においては、Ｃｒ炭化物の残存が多数確認された。このことから、Ｃｒ量が多すぎると寿命の低下をもたらすのではないかと考えられた。
【００３８】
さらに、比較例Ｎｏ．１６、Ｎｏ．１７及びＮｏ．１８の試験片も７００ＭＰａ未満の変形抵抗を示すものの、比較例Ｎｏ．１６〜１８のローラー試験片は寿命が５００万回以下と短かいことが明らかになった。これらの結果から、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏ量が少なすぎると、軟化抵抗の低下をもたらすのではないかと考えられた。
【００３９】
以上のことから、優れた冷間鍛造性を得るためには、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＭｏの総量が式、１２Ｓｉ（％）＋２５Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）＋２Ｍｏ（％）で２５以下であることと、Ｍｎ量を一定の範囲内（少なくとも０．２〜０．５％）とすることが必要であり、また、優れた焼戻軟化抵抗を得るためには、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏ量を一定の範囲内（少なくとも、Ｓｉは０．４５〜０．９％、Ｃｒは１．０〜１．５％未満、Ｍｏは０．３〜１．５％未満）とすることが必要であることが示された。