(57)【要約】      （修正有）【課題】高い疲労強度とともに高い曲げ矯正性を有する機械部品を製造するための窒化用鋼材及び機械部品を提供する。【解決手段】本発明による窒化用鋼材は、質量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％、Ｎｂ：０．００１〜０．１％と、Ｍｏ：０．０５〜１．５％、Ｖ：０．０１〜１．０％、Ｃｕ：０．０５〜２．０％、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｂ：０．００１〜０．０１％のうちの１種以上とを含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、ビッカース硬度が２００以上の母層と、母層上に形成されるフェライト主体層とを含む。窒化用鋼材を窒化処理することにより機械部品が得られる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％、Ｎｂ：０．００１〜０．１％と、
Ｍｏ：０．０５〜１．５％、Ｖ：０．０１〜１．０％、Ｃｕ：０．０５〜２．０％、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｂ：０．００１〜０．０１％のうちの１種以上とを含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、
ビッカース硬度が２００以上の母層と、
前記母層上に形成されるフェライト主体層とを含むことを特徴とする窒化用鋼材。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化用鋼材であってさらに、
Ｓ：０．０１〜０．２％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％のうちの１種以上を含有することを特徴とする窒化用鋼材。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の窒化用鋼材を窒化処理した機械部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化用鋼材及び窒化用鋼材を用いて製造された機械部品に関し、さらに詳しくは、自動車、産業機械及び建設機械等の産業製品に使用される窒化用鋼材及び窒化用鋼材を用いて製造された機械部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、産業機械、建設機械等に備えられるクランクシャフトやコネクティングロッド等として使用される機械部品は高い疲労強度を要求される。
【０００３】
疲労強度を高めるために、機械部品は固溶強化や析出強化を施される。これらの強化処理により機械部品の強度及び硬度が増せば、疲労強度も向上するからである。
【０００４】
さらに窒化処理（純窒化処理又は軟窒化処理）により機械部品の内部硬度よりも表面硬度を上昇させることにより、機械部品の疲労強度はより向上する。図１０を参照して、機械部品に繰り返し応力が負荷されるとき、負荷応力の分布（以下、応力勾配と称する）は曲線Ｃ１のようになる。つまり、機械部品にかかる応力は表面で最も高く、内部に行くほど低下する。そのため、疲労破壊を防止するためには、機械部品の硬度の分布（以下、硬度勾配と称する）を曲線Ｃ１よりも高くすればよい。窒化処理前の素材である窒化用鋼材の硬度がＨ１１で全体的にほぼ均一であるとき、窒化用鋼材を窒化処理して機械部品にすると、表面から窒素が侵入し拡散した拡散層Ｄ１の範囲で硬度が上昇する。その結果、機械部品の硬度勾配は曲線Ｃ１よりも高い曲線Ｃ２になり、疲労破壊を防止できる。
【０００５】
しかしながら、窒化処理により拡散層の硬度が高くなれば、機械部品の曲げ矯正性は低くなる。窒化処理における処理温度は６００℃前後であり、この処理温度により素材は変形する。そのため、窒化処理後の機械部品は曲げ矯正され、窒化処理前の形状に戻される。曲げ矯正性が低ければ、曲げ矯正時に機械部品の表面又は表面近傍の内部にき裂を生じる。発生したき裂は矯正中又は矯正後に機械部品の破断を引き起こす可能性があるため、このようなき裂の発生を抑制する方が好ましい。つまり、機械部品は高い疲労強度だけでなく、高い曲げ矯正性も要求される。
【０００６】
しかしながら、高い疲労強度と高い曲げ矯正性とを両立させることは困難である。図１１を参照して、機械部品の疲労強度を増加するには、窒化処理前の素材である窒化用鋼材の硬度を増加させる必要がある。窒化用鋼材の全体の硬度をＨ１０からＨ１１に増加した後、窒化処理をすれば、機械部品の拡散層表面の硬度はＨ２からＨ３に上昇する。このとき、拡散層Ｄ１の硬度は、窒化用鋼材の硬度上昇分を加算したものになり、曲線Ｃ０と曲線Ｃ２の硬度勾配はほぼ同じになる。そのため、拡散層Ｄ１の硬度が過剰に高くなり、曲げ矯正性が低下する。
【０００７】
疲労強度と曲げ矯正性とを両立させる対策として、以下の２種類の対策が開示されている。第１の対策は、合金元素の含有量を抑えることにより曲げ矯正性を高め、かつ、固溶強化により疲労強度を高める方法である。特許文献１では、窒化鋼中のＣｒ、Ａｌ、Ｖ、Ｔｉの含有量を抑えることで曲げ矯正性を高め、Ｍｎ添加による固溶強化により強度を確保できるとしている。特許文献２〜４も合金元素の含有量を抑え、Ｍｎを添加することにより高い曲げ矯正性と強度及び疲労強度とを得ることができるとしている。
【０００８】
第２の対策は、組織を微細化し、かつ、組織中のフェライトの割合であるフェライト分率を所定量確保する方法である。き裂は塑性変形しにくいパーライトで伝播しやすく、塑性変形しやすいフェライトで伝播しにくい。そのため、フェライト分率をある程度確保し、き裂の伝播を防止する。さらに、組織を微細化する。粗大なパーライト粒中をき裂が伝播し、き裂がそのパーライト粒に隣接したフェライト粒に進展したとき、フェライト粒は粒内でき裂の伝播を止めることができない。組織を微細化すればき裂の伝播を鈍化させることができる。なお、合金元素等を添加して固溶強化又は析出強化させることで疲労強度を向上させる。特許文献５では、フェライトパーライト組織を微細化し、かつ、フェライト面積率を３０％以上とすることにより、曲げ矯正性を向上できるとしている。特許文献６及び７も同様であり、これらの文献ではフェライト分率を１０％以上としている。特許文献８でも、フェライト及びパーライトの混合組織にすれば、曲げ矯正性を向上できるとしている。
【０００９】
しかしながら、これら第１及び第２の対策では、曲げ矯正性を高め、かつ、母材の強度及び硬度を高めて疲労強度を向上させることができない。つまり、高い曲げ矯正性と高い疲労強度との両立に限界がある。第１の対策では、疲労強度を固溶強化のみに頼るため、高い母材強度及び硬度を得られない。第２の対策では、母材にフェライトが分散しているため、母材強度及び硬度の向上に限界がある。
【特許文献１】特許第２６１１２４１号公報
【特許文献２】特許第２６００１７４号公報
【特許文献３】特許第２８５４６８５号公報
【特許文献４】特開平１０−４６２８７号公報
【特許文献５】特開平９−２９１３３９号公報
【特許文献６】特開平１０−２１９３９３号公報
【特許文献７】特許３２３９７５８号公報
【特許文献８】特開平９−３２４２５８号公報
【特許文献９】特開平１１−３３５７３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、高い疲労強度とともに高い曲げ矯正性を有する機械部品を製造するための窒化用鋼材及び機械部品を提供することである。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１１】
本発明者は窒化処理した機械部品の拡散層の硬度勾配に注目し、拡散層の硬度勾配を従来よりも小さくすればよいと考えた。つまり、従来の拡散層での過度の硬度上昇を抑えれば、母材の強度を上昇することにより高い疲労強度を得ながら、高い曲げ矯正性も確保できると考えた。図１を参照して、機械部品の母材の硬度をＨ１０からＨ１１に上昇させたとしても、拡散層Ｄ１の硬度勾配を減らし、従来の曲線Ｃ２から曲線Ｃ３にすることができるならば従来よりも曲げ矯正性は上昇する。この際、機械部品に疲労破壊を生じないようにするためには曲線Ｃ３を曲線Ｃ１よりも高めておくことは言うまでもない。
【００１２】
そこで、拡散層Ｄ１の硬度勾配を低下する方法について検討した。拡散層Ｄ１の硬度は、機械部品の素材である窒化用鋼材の硬度に窒化処理による硬度上昇を加算したものである。そのため、図２に示すように、ほぼ一定の硬度Ｈ１１を有する窒化用鋼材を窒化処理すれば、拡散層Ｄ１の硬度が過剰に上昇し、曲線Ｃ２となる。そこで、本発明者は、窒化用鋼材の表面近傍の硬度のみを従来のＨ１１から曲線Ｃ４に予め下げておき、その後窒化処理することで機械部品の硬度勾配を曲線Ｃ３にできると考えた。
【００１３】
上記考察に基づいた実験の結果、本発明者は窒化用鋼材の表層をフェライト主体の層（以下、フェライト主体層と称する）にすることで、まず窒化用鋼材の表層の硬度勾配を曲線Ｃ４にすることができ、次いで、窒化処理した機械部品の硬度勾配を曲線Ｃ３にできることを見出した。以下詳細に説明する。
【００１４】
表１に示す化学組成の素材を脱炭処理して窒化用鋼材にした。
【表１】
2006124808.tif 000002
【００１５】
具体的には湿潤水素雰囲気の炉を用いて素材をバッチ焼鈍した。このとき、昇温及び冷却速度は５℃／分とし、８００℃で１５分保持した。その結果、図３に示すように、窒化用鋼材の表層にフェライト主体層２００が形成された。さらにＪＩＳＺ２２４４に基づいてビッカース試験を実施した結果、図４に示すようにフェライト主体層２００の硬度はフェライト主体層２００よりも内部側の母材（以下、母層と称する）１００の硬度よりも低かった。つまり、図２中の曲線Ｃ４と同等の硬度勾配になった。
【００１６】
さらにフェライト主体層２００を有する窒化用鋼材を窒化処理して機械部品とし、ビッカース試験を実施した。このとき、窒化処理としてガス軟窒化処理を採用し、ＲＸガス：アンモニア＝１：１の雰囲気中で５８０℃にて２時間保持した後、１００℃に油冷した。
【００１７】
図５に示すように、本発明による機械部品（曲線Ｃ１０）は従来の機械部品（曲線Ｃ２０）と比較して、表面近傍の硬度を低下することができた。さらに、芯部の硬度はビッカース硬度で２００以上であった。
【００１８】
以上の試験により、フェライト主体層を形成した後窒化処理を実施した機械部品は表面近傍の硬度上昇を抑えることができることを見出した。つまり、母層上にフェライト主体層を形成すれば、高い疲労強度を得るために窒化用鋼材の母層の硬度をビッカース硬度で２００以上にしても窒化処理後の拡散層の硬度の過剰な上昇を抑制でき、高い曲げ矯正性も得ることができることがわかった。
【００１９】
以上の知見に基づいて、本発明者は以下の発明を完成させた。
【００２０】
本発明による窒化用鋼材は、質量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％、Ｎｂ：０．００１〜０．１％と、Ｍｏ：０．０５〜１．５％、Ｖ：０．０１〜１．０％、Ｃｕ：０．０５〜２．０％、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｂ：０．００１〜０．０１％のうちの１種以上とを含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、ビッカース硬度が２００以上の母層と、母層上に形成されるフェライト主体層とを含む。
【００２１】
ここで、フェライト主体層とは、母層のフェライト分率よりも高いフェライト分率を有する層をいう。フェライト分率はたとえば以下の方法により求めることができる。初めに窒化用鋼材の母層のフェライト分率を求める。具体的には、窒化用鋼材の表面から５ｍｍ以上の深さにある任意の位置から５ｍｍ×５ｍｍの観察面を有するサンプルを採取する。サンプルの観察面を鏡面研磨した後エッチングする。エッチングした観察面を１００〜４００倍の倍率で光学顕微鏡観察し、観察面中のフェライトの面積率を求める。フェライトの面積率はたとえば観察面の組織写真をコンピュータに電子ファイルとして取り込み、周知の画像解析ソフトを用いて求めることができる。求めたフェライトの面積率を母層のフェライト分率とする。同様の方法により表面から所定の深さ毎にサンプルを採取し、サンプル毎のフェライト分率を求める。サンプル毎のフェライト分率と母層のフェライト分率とを比較し、フェライト分率が母層のフェライト分率よりも高い部分をフェライト主体層とする。
【００２２】
また、母層のビッカース硬度はたとえば以下のように求める。窒化用鋼材の母層内の任意の位置１０点でＪＩＳＺ２２４４に基づいてビッカース試験を実施する。得られた測定値を平均した値を母層のビッカース硬度とする。
【００２３】
好ましくはさらに、本発明の窒化用鋼材はＳ：０．０１〜０．２％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％のうちの１種以上を含有する。
【００２４】
本発明による機械部品は、上記の窒化用鋼材を窒化処理することにより得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。
【００２６】
１．化学組成
本発明の実施の形態による窒化用鋼材は、表層にフェライト主体層を形成することにより表層の硬度を母層の硬度よりも下げる点に特徴がある。このような窒化用鋼材を窒化処理して機械部品にすることにより、機械部品の拡散層の過剰な硬度上昇を抑制できる。フェライト主体層はたとえば後述するように脱炭処理により形成できる。つまり、脱炭が発生するようなＣ含有量の鋼であれば、どのような化学組成でもフェライト主体層を形成できる。
【００２７】
ただし、高い疲労強度を有するためには母層の硬度をビッカース硬度で２００以上にする必要があるため、本発明の実施の形態による窒化用鋼材は、以下の組成を有する。以降、元素に関する％は質量％を意味する。
【００２８】
Ｃ：０．２〜０．６％
Ｃは静的強度に寄与する。そのため、Ｃ含有量の下限値は０．２％である。好ましい下限値は０．３％である。一方、Ｃ含有量が多すぎると、靭性及び疲労強度が低下する。さらに硬度が過剰に上昇するため加工性や被削性が低下する。そのため、Ｃ含有量の上限値は０．６％である。好ましい上限値は０．５％である。
【００２９】
Ｓｉ：０．０５〜１．０％
Ｓｉは製鋼工程における脱酸に有効である。さらに固溶したＳｉは強度の向上に寄与する。一方、Ｓｉ含有量が多すぎると鋼が過剰に硬化して加工性や被削性が低下するだけでなく曲げ矯正性も低下する。そのため、Ｓｉ含有量は０．０５〜１．０％にする。
【００３０】
Ｍｎ：０．２〜１．５％
ＭｎはＳｉと同様に製鋼工程における脱酸に有効である。また、Ｍｎは固溶強化及び焼き入れ性の向上により鋼の強度及び硬度を増加する。さらに鋼中のＳと結合してＭｎＳを形成し、被削性を向上する。一方、Ｍｎ含有量が多すぎると加工性、被削性及び曲げ矯正性が低下する。鋼中のパーライト分率が上昇したり、マルテンサイトが生成されやすくなるためである。そのため、Ｍｎ含有量は０．２〜１．５％にする。好ましいＭｎ含有量は０．４〜１．２％である。
【００３１】
Ｔｉ：０．００５〜０．１％
ＴｉはＴｉ窒化物及びＴｉ炭窒化物を形成し、ピンニング粒子として結晶粒の粗大化を抑制する。さらに析出強化に寄与する。一方、Ｔｉ含有量が多すぎると鋼中の固溶窒素量が減少し、強度及び硬度が低下する。そのため、Ｔｉ含有量は０．００５〜０．１％にする。好ましいＴｉ含有量は０．０１〜０．０５％である。
【００３２】
Ｎ：０．００５〜０．０３０％
ＮはＴｉと結合してＴｉ窒化物を形成し、ピンニング粒子として熱間加工時の結晶粒粗大化を抑制する。さらに固溶したＮは強度及び硬度の向上に寄与する。一方、Ｎ含有量が多すぎると効果が飽和するだけでなく、気泡欠陥等を引き起こし材質を悪化する。そのためＮ含有量は０．００５〜０．０３０％にする。好ましいＮ含有量は０．０１〜０．０２５％である。
【００３３】
Ｎｂ：０．００１〜０．１％
Ｎｂは微細な炭窒化物を形成することにより疲労強度の向上に寄与する。さらに、熱間加工時はピンニング粒子として結晶粒粗大化を抑制する。一方、Ｎｂ含有量が多すぎると母層の強度が過剰に増大し曲げ矯正性が低下する。さらに製鋼工程で粗大な炭窒化物を形成し鋳造材の品質を低下する。そのため、Ｎｂ含有量は０．００１〜０．１％にする。好ましいＮｂ含有量は０．００１〜０．０５％であり、より好ましいＮｂ含有量は０．００３〜０．０５％である。
【００３４】
本実施の形態による窒化用鋼材はさらに、以下に示す質量％のＶ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂのうちの１種以上を含む。これらの元素は機械部品の疲労強度の向上に寄与する点で共通する。
【００３５】
Ｖ：０．０１〜１．０％
Ｖは熱間加工後の冷却時及び窒化処理時に微細な炭窒化物を形成し、疲労強度の向上に寄与する。一方、Ｖ含有量が多すぎると曲げ矯正性が低下する。そのため、Ｖ含有量は０．０１〜１．０％にする。好ましいＶ含有量は０．０５〜０．６％である。
【００３６】
Ｃｒ：０．０５〜１．０％
Ｃｒは窒化処理時にＣｒ窒化物を形成し、疲労強度の向上に寄与する。一方、Ｃｒ含有量が多すぎると曲げ矯正性が低下する。そのため、Ｃｒ含有量は０．０５〜１．０％にする。好ましいＣｒ含有量は０．０５〜０．６％である。
【００３７】
Ｍｏ：０．０５〜１．５％
Ｍｏは焼き入れ性を高めることにより疲労強度及び靭性の向上に寄与する。一方、Ｍｏ含有量が高すぎると焼き入れ性が過剰に高まり、マルテンサイトを形成するため曲げ矯正性を低下する。そのため、Ｍｏ含有量は０．０５〜１．５％にする。好ましいＭｏ含有量は０．１〜１．０％である。
【００３８】
Ｃｕ：０．０５〜２．０％
Ｃｕは焼き入れ性を高めることにより疲労強度及び靭性の向上に寄与する。さらにＣｕ含有量が１．０％以上の場合、窒化処理においてＣｕがフェライト中に時効析出し、疲労強度の向上に寄与する。一方、Ｃｕ含有量が多すぎると、製鋼工程での凝固中にＣｕが液相として残存し、粒界に偏析して熱間割れを誘起する。そのため、Ｃｕ含有量は０．０５〜２．０％にする。好ましいＣｕ含有量は０．１〜１．５％である。
【００３９】
Ｎｉ：０．０５〜１．０％
ＮｉはＣｕと同様に焼き入れ性を高めることにより疲労強度及び靭性の向上に寄与する。一方、Ｎｉ含有量が多すぎるとその効果が飽和し、コストが増大する。そのためＮｉ含有量は０．０５〜１．０％にする。好ましいＮｉ含有量は０．１〜０．８％である。なお、ＮｉはＣｕによる熱間割れを防止するため、Ｃｕを含有する場合Ｃｕ含有量の１／２以上のＮｉを含有するのが好ましい。
【００４０】
Ｂ：０．００１〜０．０１％
Ｂは焼き入れ性を高めることにより疲労強度の向上に寄与する。一方、過剰にＢを含有すると靭性が低下する。そのためＢ含有量は０．００１〜０．０１％にする。好ましいＢ含有量は０．００１〜０．００５％である。
【００４１】
なお、残部はＦｅ及び不純物で構成される。
【００４２】
本実施の形態による窒化用鋼材はさらに、必要に応じてＳ、Ｃａのうち１種以上を含有する。
【００４３】
Ｓ：０．０１〜０．２％
Ｃａ：０．０００１〜０．０１％
Ｓ及びＣａは選択元素である。Ｓ及びＣａは被削性の向上に寄与し、必要に応じて１種又は２種共に含有する。一方、過剰に含有すれば偏析を誘起し、熱間加工性を低下する。そのため、Ｓ含有量は０．０１〜０．２％にし、Ｃａ含有量は０．０００１〜０．０１％にする。好ましいＣａ含有量の下限値は０．００１％である。
【００４４】
上述の通り、Ｓ及びＣａは被削性の向上に寄与するものであり、これらの元素の含有は疲労強度および曲げ矯正性に影響を与えない。つまり、これらの元素を含有させても、後述する製造方法により製造された窒化用鋼材はフェライト主体層とビッカース硬度で２００以上の母層とを備える。上記Ｃ含有量を有するため、脱炭処理によりフェライト主体層を形成でき、他の必須元素により母層の強度及び硬度を高めることができるからである。
【００４５】
２．組織
図３に示すように、本発明の実施の形態による窒化用鋼材は、母層１００と母層１００上に形成されるフェライト主体層２００とを含む。
【００４６】
フェライト主体層２００とは、母層１００のフェライト分率よりも高いフェライト分率を有する層をいう。フェライト主体層２００を形成することにより、窒化処理時における表面近傍の組織の過剰な硬度上昇を抑制でき、高い曲げ矯正性を実現できる。
【００４７】
フェライト分率はたとえば以下の方法により求めることができる。初めに窒化用鋼材の母層１００のフェライト分率を求める。具体的には、窒化用鋼材の表面から５ｍｍ以上の深さにある任意の位置から５ｍｍ×５ｍｍの観察面を有するサンプルを採取する。サンプルの観察面を鏡面研磨した後エッチングする。エッチングした観察面を１００〜４００倍の倍率で光学顕微鏡観察し、観察面中のフェライトの面積率を求める。フェライトの面積率はたとえば観察面の組織写真をコンピュータに電子ファイルとして取り込み、周知の画像解析ソフトを用いて求めることができる。求めたフェライトの面積率を母層１００のフェライト分率とする。同様の方法により表面から所定の深さ毎にサンプルを採取し、サンプル毎のフェライト分率を求める。サンプル毎のフェライト分率と母層のフェライト分率とを比較し、フェライト分率が母層のフェライト分率よりも高い部分をフェライト主体層２００とする。以上の方法によりフェライト主体層２００を特定でき、フェライト主体層２００の厚さを求めることができる。
【００４８】
なお、フェライト主体層の厚さは後述する脱炭処理により調整できる。フェライト主体層の厚さを厚くすれば、窒化処理後の表面近傍の硬度上昇をより抑制でき、機械部品の曲げ矯正性は向上する。しかしながら、脱炭処理によりフェライト主体層を形成する場合、疲労強度に寄与する炭化物も粗大化するため、硬度の低下に留意すべきである。母層の硬度をビッカースで２００以上にすることにより高い疲労強度を得る場合、窒化用鋼材のフェライト主体層の厚さは好ましくは２０〜２００μｍであり、さらに好ましくは５０〜１００μｍにする。
【００４９】
１．の化学組成を後述する製造方法により窒化用鋼材にすることにより、母層１００のビッカース硬度は２００以上になる。
【００５０】
窒化用鋼材を窒化処理した機械部品は図６に示すように、母層１００とフェライト主体層２００とフェライト主体層２００上に形成される化合物層３００とを備える。化合物層３００は、窒化処理によりフェライト主体層２００の表層部分が変化した硬化層であり、Ｆｅ３ＮやＦｅ４Ｎといった窒化物を含む。周知の窒化処理により形成され化合物層３００の厚みは５〜５０μｍである。化合物層３００はたとえばショットブラストにより除去されてもよい。窒化処理により形成される拡散層は、フェライト主体層２００だけでなく母層１００におけるフェライト主体層２００との隣接部分にも形成される。なお、拡散層より内面の母層部分がいわゆる芯部である。
【００５１】
化合物層３００を有する機械部品では、フェライト分率が母層よりも高く、かつ、化合物層３００より下にある組織をフェライト主体層２００とする。機械部品においても窒化用鋼材と同様の方法によりフェライト分率を求めることができる。機械部品における母層１００のビッカース硬度は２００以上になる。上述したように芯部は母層１００の一部であるため、芯部のビッカース硬度も２００以上である。
【００５２】
３．製造方法
本発明の実施の形態による窒化用鋼材及び機械部品の製造方法について以下に説明する。初めに、鍛造用素材を製造し、熱間鍛造により中間素材にする（熱間鍛造工程）。製造した中間素材を熱処理して窒化用鋼材にする（熱処理工程）。最後に窒化用鋼材を窒化処理して機械部品にする（窒化処理工程）。以下、それぞれの工程について詳細に説明する。
【００５３】
３−１．熱間鍛造工程
１．で示した化学組成の鋼を溶製し、周知の精錬工程により精錬する。続いて溶鋼を連続鋳造により連続鋳造材、すなわちスラブ又はブルームにする。又は溶鋼を造塊法によりインゴット（鋼塊）にする。
【００５４】
続いて、連続鋳造材又はインゴットを熱間加工して鍛造用素材にする。鍛造用素材は分塊圧延により製造されたビレットでもよいし、ビレットを熱間圧延した棒鋼でもよい。なお、連続鋳造材やインゴットをそのまま鍛造用素材としてもよい。
【００５５】
製造した鍛造用素材を加熱炉で１１００〜１３００℃に加熱する。加熱後、鍛造用素材を熱間鍛造して中間素材にする。
【００５６】
鍛造後の焼準処理は実施しても良いし実施しなくても良い。ただし、焼準処理を実施しない場合、オーステナイト粒の粗大化を抑制するために、鍛造用素材の鍛造前の加熱炉での保持時間を６０分以内にするのが好ましい。また、鍛造後の中間素材を周知の方法で０．１℃／秒以上で冷却する。Ｎｂだけでなく、Ｖ、Ｃｒといった炭窒化物又は炭化物を生成する合金元素を含有する場合、０．２℃／秒以上で冷却するのが好ましい。また、後述する窒化処理工程において軟窒化処理を実施する場合、鍛造後の冷却速度を大きくして母相中に合金元素を過飽和させてもよい。軟窒化処理により鋼を２次硬化させることができるからである。この場合、冷却速度を０．５℃／秒以上にする。
【００５７】
３−２．熱処理工程
鍛造後の中間素材は熱処理工程でフェライト主体層を有する窒化用鋼材になる。フェライト主体層は脱炭処理により形成される。脱炭処理には種々の方法があるが、フェライト主体層の形成には水蒸気を含んだ湿潤水素雰囲気中での熱処理を採用するのが好ましい。湿潤水素雰囲気は還元性の雰囲気であるため窒化性を低下する原因となる酸化物層の表面への形成を防止できるからであり、さらに、短時間でフェライト主体層を形成できるからである。
【００５８】
水素雰囲気中での脱炭処理は露点の制御が可能な連続焼鈍炉で実施される。中間素材をトレイに並べ、湿潤水素雰囲気中の連続焼鈍炉を通過させる。脱炭処理の処理温度及び処理時間はフェライト主体層の厚みに応じて適宜決定される。処理時間は連続焼鈍炉中の中間素材の搬送速度を変更することにより調整できる。なお、フェライト主体層を厚くするには、処理温度を高くし、処理時間を長くすればよいが、処理温度が高すぎたり、処理時間が長すぎると、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ等の炭化物及び炭窒化物の粗大化が生じ母層の強度が低下する点に留意すべきである。たとえば、フェライト主体層の厚みを２００μｍ未満にする場合、処理温度は８００〜９００℃にし、処理時間は５〜１５分にするのが好ましい。
【００５９】
Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、等により形成される炭化物及び炭窒化物を考慮して、脱炭処理時の昇温速度及び冷却速度は速い方が好ましい。疲労強度低下の原因となる炭化物及び炭窒化物の粗大化を抑制するためである。昇温速度及び冷却速度が遅い場合、炭化物及び炭窒化物が粗大化しやすい温度域（７００〜９００℃）に保持される時間が長くなる。そうなると、炭化物及び炭窒化物が粗大化し母層の疲労強度が低下する可能性がある。そのため、昇温速度及び冷却速度を速くする。具体的には昇温速度及び冷却速度は１℃／秒以上であるのが好ましい。より好ましくは２℃／秒以上にする。
【００６０】
なお、湿潤水素雰囲気での脱炭処理は連続焼鈍炉以外の熱処理炉を使用してもよい。
【００６１】
以上の説明では脱炭処理によりフェライト主体層を形成したが、他の方法でフェライト主体層を形成してもよい。たとえば、中間素材の表面全体をＣ含有量が低い又はＣを含まない鉄粉で包んだ後熱処理する。この場合、中間素材の表層のＣが鉄粉に移動するため、中間素材はフェライト主体層を有する窒化用鋼材になる。また、スパッタリングやめっき処理により中間素材の表面にＣ含有量が低い又はＣを含まない層を付着させた後、拡散処理することによりフェライト主体層を形成してもよい。
【００６２】
３−３．窒化処理
窒化用鋼材を窒化処理して機械部品にする。窒化処理は純窒化処理でもよいし、軟窒化処理でもよい。軟窒化処理ではガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理（タフライド処理）、イオン窒化処理等を用いる。たとえばガス軟窒化処理を実施する場合、ＲＸガスとアンモニアガスを１：１に混合したガス雰囲気とし、処理温度は５８０〜６００℃とし、処理時間は１〜２時間とする。
【００６３】
いずれの窒化処理によっても表層に化合物層及び拡散層を安定かつ均質に形成する。好ましくは窒化処理として軟窒化処理を採用する。純窒化処理よりも処理時間を短縮できるからである。
【実施例１】
【００６４】
表２に示す化学組成の機械部品を製造し、製造した機械部品の曲げ矯正性及び疲労強度を調査した。
【表２】
2006124808.tif 000003
【００６５】
表２に示す化学組成を有する溶鋼をインゴットにした。供試材１は供試材２と、供試材３は供試材４とそれぞれ同じ化学組成とした。鋳造したインゴットを加熱炉で１２００℃まで加熱した。加熱したインゴットを熱間鍛造して直径５０ｍｍの丸棒にした。熱間鍛造時の素材温度は１０００℃以上であった。
【００６６】
各供試材から組織観察及び硬度測定用の複数のサイコロ状試験片と図７に示す疲労試験片とを採取した。図７中の疲労試験片の寸法の単位はｍｍである。また、サイコロ状試験片の１辺は１０ｍｍにした。
【００６７】
［窒化用鋼材の組織観察］
供試材１及び供試材３のサイコロ状試験片に対して脱炭処理を実施し窒化用鋼材にした。具体的には、水素湿潤雰囲気の熱処理炉でバッチ焼鈍を実施した。このとき昇温及び冷却速度は１℃／秒、均熱温度は８００〜９００℃、保持時間は１５分にした。
【００６８】
一方、供試材２及び４のサイコロ状試験片に対しては脱炭処理を実施しなかった。
【００６９】
脱炭処理した供試材１、３及び脱炭処理しなかった供試材２及び４の断面を組織観察し、フェライト主体層が形成されているか否か判断した。初めに、各試験片の断面を鏡面研磨及びエッチングし、１００倍及び４００倍の倍率で光学顕微鏡観察によりフェライト主体層の有無を判断した。供試材１の組織写真を図３に、供試材３の組織写真を図８に示す。供試材１及び３の表面にはフェライト主体層２００が観察された。一方、供試材２及び４の表面にはフェライト主体層が見られなかった。さらに詳細に検討するため、フェライト分率を求めた。具体的には、各試験片の表面から５ｍｍ以上の深さにある任意の位置から５ｍｍ×５ｍｍの観察面を有するサンプルを採取し、鏡面研磨及びエッチングした観察面を１００倍及び４００倍の倍率で光学顕微鏡観察した。観察面中のフェライトの面積率を求め、母層のフェライト分率とした。同様の方法により表面から所定の深さごとにサンプルを採取し、サンプル毎のフェライト分率を求めた。サンプル毎のフェライト分率と全体のフェライト分率とを比較し、フェライト分率が全体のフェライト分率よりも高い部分をフェライト主体層と判断した。
【００７０】
判断の結果、供試材１のフェライト主体層の厚さは１２０μｍであり、供試材３のフェライト主体層の厚さは１３０μｍであった。一方、供試材２及び４にはフェライト主体層は存在しなかった。
【００７１】
これらの供試材の表面から母層に至るまでのビッカース硬度を測定した。具体的にはＪＩＳＺ２２４４に基づき、表面から０．７ｍｍの深さまで０．０５〜０．１ｍｍピッチでビッカース硬度を測定した。供試材１の測定結果を図４に示す。供試材１は表面付近の硬度が母層の硬度よりも低下していた。供試材３も供試材１と同様であった。一方、供試材２及び４の硬度は一定であった。供試材１〜４の窒化用鋼材の母層のビッカース硬度を表２に示す。母層のビッカース硬度は以下のように求めた。母層内の任意の位置１０点でＪＩＳＺ２２４４に基づいてビッカース試験を実施し、得られた測定値を平均した値を母層のビッカース硬度とした。いずれも母層のビッカース硬度は２００Ｈｖを超えた。
【００７２】
［窒化処理後の硬度測定］
各サイコロ状試験片を窒化処理して機械部品にした。窒化処理としてガス軟窒化処理を採用した。ＲＸガス：アンモニア＝１：１の雰囲気中で５８０℃にて２時間保持した後、１００℃に油冷した。
【００７３】
窒化処理後、各サイコロ状試験片に対して表面から母層に至るまでのビッカース硬度を測定した。測定方法は窒化用鋼材の場合と同じにした。図５に示すように、供試材１の表面近傍の硬度（曲線Ｃ１０）は、供試材２の表面近傍の硬度（曲線Ｃ２０）よりも低かった。一方、供試材１の芯部の硬度は供試材２とほぼ同じであり、２００Ｈｖ以上であった。同様に、供試材３の表面近傍の硬度は供試材４の表面近傍の硬度よりも低かった。また、供試材３の芯部の硬度は供試材４よりもわずかに低くなったが、これは脱炭処理中に単窒化物の一部が粗大化したためであった。なお、図９に示すように、供試材１の表面近傍の硬度は供試材３の硬度よりも低かった。供試材３はＶを含有するため、供試材１よりも表面近傍の硬度が上昇した。
【００７４】
［曲げ矯正試験及び疲労試験］
各供試材から採取した疲労試験片のうち、供試材１及び３の疲労試験片をサイコロ状試験片の場合と同じ条件で脱炭処理した。一方、供試材２及び４の疲労試験片には脱炭処理をしなかった。続いて、各試験片を窒化処理した。窒化処理の条件はサイコロ状試験片の場合と同じにした。
【００７５】
各試験片に対して曲げ矯正試験を実施した。初めに、各試験片のネック部ＮＥに歪みゲージを付着した。続いて、試験片のヘッド部ＨＥを固定し、テール部ＴＥに荷重を試験片の軸と垂直な方向に負荷した。歪みゲージが１００００μ、すなわち、曲げ矯正歪みが１．０％に達したとき、曲げ矯正性が高いと判断した（表２中「○」で示す）。一方、曲げ矯正歪みが１．０％に達する前に破断した場合、曲げ矯正性が低いと判断した（表２中「×」で示す）。
【００７６】
曲げ矯正性が１．０％に達しても破断しなかった試験片についてはさらに平面曲げ疲労試験を実施した。疲労試験は室温にて応力制御モードで、応力比を−１、繰り返し周波数を２０Ｈｚとして実施した。
【００７７】
曲げ矯正試験の結果、供試材１及び３は歪みゲージが１００００μに達しても破断せず、高い曲げ矯正性を示した。さらに、曲げ矯正を加えた後の供試材１の疲労強度は４５０ＭＰａと高かった。また、Ｖを添加した供試材３の疲労強度は４７５ＭＰａと供試材１よりも高かった。
【００７８】
一方、供試材２及び４は曲げ矯正性が低かった。具体的には供試材２は曲げ矯正試験において歪みゲージが６０００μに達したとき破断した。また、供試材４は歪みゲージが７０００μに達したとき破断した。
【００７９】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明による機械部品は、産業製品に利用可能であり、特に、自動車、産業機械、建設機械等に備えられるクランクシャフトやコネクティングロッド等として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施の形態による機械部品及び窒化用鋼材の硬度勾配を説明するための概略図である。
【図２】本発明の実施の形態により機械部品及び窒化用鋼材の硬度勾配を説明するための他の概略図である。
【図３】本発明の実施の形態による窒化用鋼材の表面近傍の組織写真である。
【図４】本発明の実施の形態による窒化用鋼材の表面から内部に至るまでの硬度を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態による機械部品の表面から内部に至るまでの硬度を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態による機械部品の表面から内部に至るまでの組織を模式的に示した概略図である。
【図７】本実施例の疲労試験片の形状を示す図である。
【図８】本実施例の供試材３の脱炭処理後の表面近傍の組織写真である。
【図９】本実施例の供試材１及び３の表面から内部に至るまでの硬度を示す図である。
【図１０】従来の機械部品の硬度勾配を説明するための概略図である。
【図１１】従来の機械部品の硬度勾配を説明するための他の概略図である。
【符号の説明】
【００８２】
１００  母層
２００  フェライト主体層
３００  化合物層
【図１】
2006124808.tif 000004
【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図３】
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【図８】
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