(57)【要約】【課題】  高強度肌焼鋼からなる鋼部品において、浸炭後、再焼入れにより、積極的に旧オーステナイト粒を超微細化して強度を向上させる。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０３〜０．５０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎ：０．０２０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＶ：０．０２〜０．１０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１％のうち１種ないし２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、旧オーステナイト結晶粒度が、ＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなる高強度肌焼鋼を使用し、この鋼からなる鋼部品を、浸炭後、再焼入れを行い、ＪＩＳ  Ｇ０５５１  Ｎｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなるものとした高強度浸炭部品である。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０３〜０．５０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎ：０．０２０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＶ：０．０２〜０．１０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１％のうち１種ないし２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、旧オーステナイト結晶粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなることを特徴とする高強度肌焼鋼。
【請求項２】
請求項１記載の鋼成分に、さらに、質量％で、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下、Ｎｉ：３．０％以下のうち１種又は２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、旧オーステナイト結晶粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなることを特徴とする高強度肌焼鋼。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鋼成分に、さらに、質量％で、Ｂ：０．０００５〜０．００５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、旧オーステナイト結晶粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなることを特徴とする高強度肌焼鋼。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼成分に、被削性改善のため、さらに、質量％で、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ｐｂ：０．０１〜０．３％、Ｂｉ：０．０１〜０．３％、Ｔｅ：０．０１〜０．２％、Ｓｅ：０．０１〜０．２％、Ｃａ：０．０００３〜０．０１％から選択した１種ないし２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、旧オーステナイト結晶粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなることを特徴とする高強度肌焼鋼。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のマルテンサイト組織の高強度肌焼鋼からなる鋼部品を、浸炭後、再焼入れを行い、ＪＩＳ  Ｇ０５５１  Ｎｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなるものとしたことを特徴とする高強度浸炭部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械構造用鋼からなる部品、例えば、ギヤ、ＣＶＪなどの高強度化が要求される自動車用の肌焼鋼およびその浸炭部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
ギヤ、ＣＶＪなどの自動車用部品では、小型軽量化に伴う高強度化が要求される。そこで、１）ＳＮＣＭなどのＮｉ鋼のように合金元素を添加して高強度化を図っている。しかし、このように合金元素を添加して高強度化を図った場合、素材コストが高くなり、冷間加工性が劣るために冷間鍛造ができず、さらに熱間鍛造後そのままでは切削できないので焼鈍などの熱処理が必要となるなどの問題がある。
【０００３】
２）さらに浸炭後、再焼入れを行って結晶粒の微細化を図って高強度化している。しかし、この場合も、例えば、ＳＣＭなどの一般鋼を使用した場合では、結晶粒の微細化に限界があり十分な高強度化ができない問題がある。
【０００４】
３）あるいは、加工処理により結晶粒の微細化を図って高強度化している。しかしこの場合も、成形と熱処理を組み合わせるため、成形の難しいものには適用できないなど部品形状が限定されるなどの問題がある。
【０００５】
また、浸炭時のγ粒の粗大化を防ぐものが出願され開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−８１９３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、従来の上記の問題点を解消することであり、浸炭後再焼入れにより、積極的に旧オーステナイト粒を超微細化して強度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０３〜０．５０％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎ：０．０２０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５％を含有し、さらにＶ：０．０２〜０．１０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１％のうち１種ないし２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、旧オーステナイト結晶粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなることを特徴とする高強度肌焼鋼である。
【０００９】
請求項２の発明では、請求項１の手段の鋼成分に、さらに、質量％で、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下、Ｎｉ：３．０％以下のうち１種又は２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、旧オーステナイト結晶粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなることを特徴とする高強度肌焼鋼である。
【００１０】
請求項３の発明では、請求項１または２の手段の鋼成分に、さらに、質量％で、Ｂ：０．０００５〜０．００５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、旧オーステナイト結晶粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなることを特徴とする高強度肌焼鋼である。
【００１１】
請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれか１項の手段の鋼成分に、被削性改善のため、さらに、質量％で、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ｐｂ：０．０１〜０．３％、Ｂｉ：０．０１〜０．３％、Ｔｅ：０．０１〜０．２％、Ｓｅ：０．０１〜０．２％、Ｃａ：０．０００３〜０．０１％から選択した１種ないし２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、旧オーステナイト結晶粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなることを特徴とする高強度肌焼鋼である。
【００１２】
請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれか１項の手段のマルテンサイト組織の高強度肌焼鋼からなる鋼部品を、浸炭後、再焼入れを行い、ＪＩＳ  Ｇ０５５１  Ｎｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなるものとしたことを特徴とする高強度浸炭部品である。
【００１３】
本発明の鋼に含有される鋼成分の限定理由を述べる。なお、％は質量％を示す。
【００１４】
Ｃ：Ｃは機械構造用部品として浸炭処理後の芯部強度を確保するために必要な元素であり、０．１０％未満ではその効果が十分に得られず、反対に０．３５％を超えると芯部の靱性を低下させる。そのため含有量を０．１０〜０．３５％とした。
【００１５】
Ｓｉ：Ｓｉは０．０３％未満では脱酸効果が十分に得られず、０．５０％より過剰に含有させると加工性を低下させると共に浸炭時の粒界酸化層の形成を助長し、疲労特性についても低下させる。そのため含有量を０．０３〜０．５０％とした。
【００１６】
Ｍｎ：Ｍｎは焼入性を確保するのに必要な元素であるが、２．０％を超えると加工性を低下させる。そのため、含有量を２．０％以下とした。
【００１７】
Ｖ：Ｖは炭化物を形成し、オーステナイト結晶粒度の粗大化を抑制する効果がある。特に、鋼中に微細分散したナノオーダーのＶＣが結晶粒の成長を抑制する。Ｖが０．０２％未満ではその効果が得られず、０．１０％を超えて含有させると析出物の量が過剰となり加工性を低下させる。そのため、含有量を０．０２〜０．１０％とした。
【００１８】
Ｎｂ：Ｎｂは炭化物あるいは窒化物を形成し、オーステナイト結晶粒度の粗大化を抑制する効果がある。特に、鋼中に微細分散したナノオーダーのＮｂＣが結晶粒の成長を抑制する。Ｎｂが０．０２％未満ではその効果が得られず、０．１０％を超えて含有させると析出物の量が過剰となり加工性を低下させる。そのため、含有量を０．０２〜０．１０％とした。なお、請求項１の手段ではＶ、Ｎｂを１種または２種を含有することができる。
【００１９】
Ｃｒ：Ｃｒは焼入性および浸炭性を向上させる元素であるが、２．０％を超えて含有させると浸炭層で粗大な炭化物を形成し、機械的性質、疲労特性を低下させる。そのため、含有量を２．０％以下とした。
【００２０】
Ｍｏ：Ｍｏは焼入性および靱性を向上させる元素であるが、２．０％を超えて含有させると圧延あるいは鍛造後にベイナイトやマルテンサイト組織となり加工性を著しく低下させ、コストアップにつながる。そのため、含有量を２．０％以下とした。
【００２１】
Ｎｉ：Ｎｉは焼入性および靱性を向上させる元素であるが、３．０％を超えて含有させると圧延あるいは鍛造後にベイナイトやマルテンサイト組織となり加工性を著しく低下させ、コストアップにつながる。そのため、含有量を３．０％以下とした。なお、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉはそれらのうち１種または２種以上を含有することができる。
【００２２】
Ｎ：Ｎは０．０２０％を超えて含有するとＮｂの窒化物である析出物の量が過剰となり、加工性を低下させる。そのため、請求項１の発明では、含有量を０．０２０％以下とした。
【００２３】
Ａｌ：Ａｌは脱酸剤として使用される元素であり、０．００５％未満ではその効果が十分でなく、０．０５％を超えるとアルミナ系酸化物が増加し疲労特性、加工性を低下させる。そのため、含有量を０．００５〜０．０５％とした。
【００２４】
Ｂ：Ｂは極く微量の添加によって鋼の焼入性を著しく向上させる元素であり、任意に選択的に添加できる元素である。しかし、０．０００５％未満ではその効果は十分でなく、０．００５％を超えると逆に焼入性を低下させる。そのため、含有量を０．０００５〜０．００５％とした。
【００２５】
被削性の改善元素として、さらに、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ｐｂ：０．０１〜０．３％、Ｂｉ：０．０１〜０．３％、Ｔｅ：０．０１〜０．２％、Ｓｅ：０．０１〜０．２％、Ｃａ：０．０００３〜０．０１％から選択した１種ないし２種以上を含有することができる。これらの元素は、その下限値以下では十分な被削性改善の効果はなく、その上限値を超えると逆に靱性を低下するので上限値以下とする。
【００２６】
本発明の作用について述べると、本発明は鋼の強度を向上させるために、旧オーステナイト粒がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上に極めて微細化したマルテンサイト組織の鋼である。これによって鋼の破壊起点が粒界破壊から、粒内破壊へと移行し、曲げ強度、衝撃特性が向上する。
【００２７】
本発明の上記の鋼からなる鋼部品は、さらに浸炭後、再焼入れを行うことが特に重要であり、通常の浸炭焼入れのままでは、超微細化しない。すなわち、浸炭焼入れし、前組織をマルテンサイト（またはベイナイト）にした状態で焼入れすると超微細化する。
【００２８】
ここでは、マルテンサイト（またはベイナイト）は再焼入れの加熱時にオーステナイトに一旦なるが、このオーステナイト生成サイトが多いため、いたるところからオーステナイト粒ができる。このオーステナイト粒を鋼中に微細分散したナノオーダーのＶの炭化物やＮｂの炭化物あるいは窒化物が結晶粒の成長を止める。その状態から焼き入れされるため、超微細化したマルテンサイト組織ができる。
【００２９】
ところで、一般鋼（ＳＣＭなど）も再焼入れすることにより微細化するが、粒度Ｎｏ．１１未満程度が限界であり、また、混粒が発生し易い。
【００３０】
出願人が開発したＴｉを添加した鋼、すなわち、特開平１０−８１９３８号に開示の発明では、上記のＳＣＭなどと同様に、結晶粒の粗大化は阻止されて高強度となっているが、粒度はＮｏ．１１未満程度である。これに対し、本発明では、旧オーステナイト結晶粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなる鋼とし、このＮｂまたはＶを添加した鋼からなる鋼部品を、浸炭後、再焼入れすることにより、ナノオーダーのＶの炭化物もしくはＮｂの炭化物や窒化物が微細に分散し、結晶粒の成長を止める（ピンニング効果）。これにより一般鋼では達成できなかった領域の結晶粒度Ｎｏ．１１を超えて超微細化することが可能となり、この結晶粒の超微細化により、さらに高強度化が図れるものである。
【００３１】
これにより、Ｎｉなどの高価な元素を用いなくとも、機械的性質（曲げ強度、靱性など）を大幅に向上させることができる。また加工熱処理ではないので、全ての部品に適用できる。
【発明の効果】
【００３２】
以上説明したように、本発明は、旧オーステナイト結晶粒度がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなる高強度肌焼鋼とし、さらにこの鋼から鋼部品とし、浸炭後、再焼入れをすることで、結晶粒度をＪＩＳ  Ｇ０５５１  Ｎｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなるものが得られ、自動車用部品として従来にない高強度の肌焼鋼部品が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の請求項１〜４の実施の形態の鋼は、表１の発明鋼のＮｏ．９〜Ｎｏ．１８に示す鋼組成で、旧オーステナイト粒がＪＩＳ  Ｇ０５５１で規定されているＮｏ．１１以上に極めて微細化したマルテンサイト組織の鋼からなる。請求項５の実施の形態の浸炭部品は、上記の鋼からなる部品を、浸炭後、再焼入れして結晶粒をＪＩＳ  Ｇ０５５１  Ｎｏ．１１以上まで微細化したマルテンサイト組織からなるものとしたものである。
【実施例】
【００３４】
表１に示す比較鋼および発明鋼の供試材を１００ｋｇ真空溶解炉にて溶製してなる鋼片を１２５０℃に加熱してφ２０ｍｍの棒鋼に鍛伸した。この場合、微細なＮｂ、Ｖ炭化物を析出させるためには鋼片を１２５０〜１４００℃で圧延する。さらに棒線に圧延するときは、Ａｃ3〜１０５０℃で圧延する。次いで、９５０℃で仕上げ鍛伸して、さらにφ１４ｍｍ×２１ｍｍＨの円柱試験片に加工した後、９３０℃で６時間保持して浸炭焼入れした後、８５０℃で０．５時間保持して再焼入れし、１８０℃に１．５時間保持して焼戻しする。
【００３５】
【表１】
2006152445.tif 000002
【００３６】
上記で得られた試験片の結晶粒をＪＩＳ  ＧＯ５５１の規定により測定し、その結果を表２および表３に示す。本発明鋼のＮｏ．９〜１８は、比較鋼のＮｏ．１〜８に比し粒度Ｎｏ．は高く、いずれもＮｏ．１１以上で、結晶粒が超微粒であることがわかる。
【００３７】
【表２】
2006152445.tif 000003
【００３８】
さらに、亀裂発生荷重と破断荷重を評価するために、静的３点曲げ試験を行い、その結果を比較鋼Ｎｏ．１に対する比で表２に示す。静的３点曲げ試験は、浸炭後、再焼入れした角１０ｍｍ×長さ７０ｍｍの試験片に、２ｍｍＶノッチを設け、スパン間距離５０ｍｍで行った。本発明鋼の供試材のＮｏ．９〜１８は、比較鋼の供試材のＮｏ．１〜８に比し初期亀裂発生荷重および亀裂発生荷重で優れており、特にＮｏ．１に比し２倍以上の初期亀裂発生荷重で優れていることが分かる。
【００３９】
【表３】
2006152445.tif 000004
【００４０】
また、さらに衝撃値を評価するために、浸炭後、再焼入れした角１０ｍｍ×長さ５５ｍｍの試験片に、１０ＲＣ  ２ｍｍノッチを設けて、シャルピー衝撃試験を行い、その結果を比較鋼Ｎｏ．１に対する比で表３に示す。本発明鋼の供試材のＮｏ．９〜１８は、比較鋼の供試材のＮｏ．１〜８に比し格段に衝撃値で優れており、特にＮｏ．１に比し２倍以上の衝撃値で優れていることが分かる。