(57)【要約】【課題】浸炭窒化処理が為され、その疲労強度が向上している鋼材と、係る鋼材を製造するための熱処理方法の提供。【解決手段】炭素量０．１５％〜０．７０％の合金鋼に対して浸炭窒化処理を施して、鋼材表面に炭素を１．０％〜２．５％、窒素を0．３％〜０．８％含有させる工程と、２５０℃〜３００℃で２時間以上加熱して焼き戻し処理を行ない、組織中のオーステナイトをマルテンサイトに変態せしめている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素量０．１５％〜０．７０％の合金鋼であって、浸炭窒化処理によって表面に炭素を１．０％〜２．５％、窒素を0．３％〜０．８％含有しており、熱処理後の組織中にマルテンサイトが存在し、オーステナイトの残留量は０．５％未満であることを特徴とする鋼材。
【請求項２】
前記熱処理は、２５０℃〜３００℃で２時間以上加熱して行なわれる焼戻し処理である請求項１の鋼材。
【請求項３】
炭素量０．１５％〜０．７０％の合金鋼に対して浸炭窒化処理を施して、鋼材表面に炭素を１．０％〜２．５％、窒素を0．３％〜０．８％含有させる工程と、２５０℃〜３００℃で２時間以上加熱して焼き戻し処理を行なう熱処理工程とを有することを特徴とする熱処理方法。
【請求項４】
熱処理工程では、組織中のオーステナイトをマルテンサイトに変態せしめている請求項３の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材と、鋼材の熱処理に関する。より詳細には、本発明は、例えば自動車用トランスミッションのギヤのように、大きな曲げや捩じり及び転動負荷に曝されるような機器の材料である鋼材と、その熱処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用トランスミッションのギヤのように、常時大きな曲げ、捩じり、及び転動（ピッチング）負荷が作用する鋼製品は、疲労強度を向上させる目的で、浸炭焼入れ処理や、浸炭窒化焼入れ処理を行った後に、１５０℃〜２５０℃で焼きならし処理を行っている。
ここで、浸炭焼入れ処理や、浸炭窒化処理の後、金属製品にショットピーニングを施す場合があるが、係るショットピーニングによる金属製品の表面近傍に付加された圧縮残留応力は、３５０℃程度の加熱処理によってほぼ完全に開放されてしまう。そのため、係るショットピーニングによる疲労強度向上の効果は小さいことが分かっている。
【０００３】
近年、エンジンの高トルク化に伴い、自動車用トランスミッションで用いられる浸炭窒化処理を施したギヤの様な鋼製品では、疲労強度をより向上することが要請されている。
上述した様にショットピーニングによる疲労強度向上の効果は望めないため、高濃度の炭素環境において浸炭焼入れ熱処理を行うこと（いわゆる「高濃度浸炭焼入れ熱処理）を行うことも考えられるが、上述した要請に十分に応えるだけの疲労強度は得られていない。
【０００４】
また、疲労強度向上のため金属表面に窒素を浸入させる窒化法と、上述の高濃度浸炭焼入れ熱処理とを組み合わせた処理、いわゆる「高濃度浸炭窒化焼入れ処理」も存在する。
図６で示すように、高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労強度は、公知の浸炭焼入れ処理が為された鋼材（例えば、ＳＣＭ４２０Ｈ浸炭鋼材）の疲労強度よりも向上している。
ここで、高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労強度特性は、図６において、「高濃度浸炭窒化材」或いは「常温高濃度浸炭窒化品」と表示されており、その特性は径寸法が小さな「●」のプロットで示されている。
また、公知の浸炭焼入れ処理が為された鋼材の疲労強度特性は、図６では、「現行浸炭焼入れ材」或いは「常温：現行ＳＣＭ４２０Ｈ浸炭」と表示されており、「■」のプロットで示されている。
【０００５】
しかし、図６で示すように、常温において、繰り返し数が多い領域では、高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労強度は、高濃度浸炭焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労強度を上回っているが、繰り返し数が少ない領域では下回っている。
なお、高濃度浸炭焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労強度特性は、図６では、「高濃度浸炭材」或いは「常温高濃度浸炭品」と表示されており、「◆」のプロットで示されている。
【０００６】
同様に、図７で示すように、高温の疲労試験の結果においても、繰り返す数が多い領域では、高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の（高温における）疲労強度は、高濃度浸炭焼入れ処理が為された鋼材の（高温における）疲労強度を上回っているが、繰り返す数が少ない領域では下回っている。
すなわち、高濃度浸炭窒化焼入れ処理は、常温及び高温においては、繰返し回数の如何によっては、高濃度浸炭焼入れ処理が為された場合よりも、疲労強度が劣る場合が存在する。
ここで、高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の高温における疲労強度特性は、「高濃度浸炭窒化材」或いは「高温：高濃度浸炭窒化品」と表示されており、その特性は径寸法が小さな「●」のプロットで示されている。
そして、高濃度浸炭焼入れ処理が為された鋼材の高温における疲労強度特性は、「高濃度浸炭材」或いは「高温：高濃度浸炭品」と表示されており、「◆」のプロットで示されている。
【０００７】
なお、図６、図７で示す疲労強度特性は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２７３  「金属材料疲れ試験方法通則」、ＪＩＳ  Ｚ  ２２７４  「金属材料回転曲げ疲れ試験方法」に係る疲労破壊試験を行なうことにより、得られた。
【０００８】
これに加えて、高濃度浸炭窒化焼入れ処理を行なった場合には、図８で示すように、鋼材表面にオーステナイト（残留オーステナイト）が多量に析出してしまう。オーステナイトは不完全焼入れ組織であり、疲労強度を低下させてしまうので、所望の疲労強度を得ることが出来ない。
【０００９】
その他の従来技術として、すべりを伴う接触疲労がある条件下、又は潤滑油が希薄な環境下においても、優れた耐摩耗性と耐焼付き性、及び転動疲労寿命を有する浸炭軸受け部品が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、この従来技術（特許文献１）では、素材の条件が厳密に定められていることに加えて、その用途が軸受部品に限定されているので、上述した問題を解決することはできない。
【００１０】
また、耐曲げ疲労特性と耐ピッチング特性に優れた浸炭部品又は浸炭窒化部品の提供がなされている（例えば特許文献２参照）。
ところが、係る従来技術（特許文献２）では、素材の条件が限定されており、浸炭窒化部品全般の疲労強度を向上させることが困難であった。
【００１１】
さらに、真空浸炭窒化方法に関する従来技術や（例えば特許文献３）、ガス浸炭方法、ガス浸炭窒化方法及び表面処理装置に関する従来技術（例えば特許文献４参照）が提案されているが、何れも上述した問題点を解消するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−９７０９６号公報
【特許文献２】特開２００８−８８５３６号公報
【特許文献３】国際公開第２００３／０５０３２１号パンフレット
【特許文献４】特開２００５−１２０４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、浸炭窒化処理が為され、その疲労強度が向上している鋼材と、係る鋼材を製造するための熱処理方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
発明者は、種々の研究の結果において、浸炭窒化処理を施した鋼材を所定時間以上で且つ一定の温度で熱処理を行うと、低サイクルから高サイクルに亘る全ての範囲において疲労強度が向上することを見出した。本発明は、係る知見に基づいて提案されたものである。
【００１５】
本発明の鋼材は、炭素量０．１５％〜０．７０％の合金鋼であって、浸炭窒化処理によって表面に炭素を１．０％〜２．５％、窒素を0．３％〜０．８％含有しており、熱処理（焼き戻し処理）後の組織中にマルテンサイトが存在し、オーステナイトの残留量は０．５％未満（例えば、０．２％未満）であることを特徴としている。
ここで、係る熱処理は、２５０℃〜３００℃で２時間以上加熱して行なわれる焼戻し処理である。
【００１６】
また本発明の鋼材の熱処理方法は、炭素量０．１５％〜０．７０％の合金鋼に対して浸炭窒化処理を施して、鋼材表面に炭素を１．０％〜２．５％、窒素を0．３％〜０．８％含有させる工程と、２５０℃〜３００℃で２時間以上加熱して焼き戻し処理を行なう熱処理工程とを有することを特徴としている。
そして、熱処理（焼き戻し処理）工程では、組織中のオーステナイト（の９９．５％以上、より詳細には９９．８％以上）をマルテンサイトに変態せしめている。
【発明の効果】
【００１７】
上述した構成を具備する本発明によれば、炭素量０．１５％〜０．７０％の合金鋼に対して浸炭窒化処理を施して、鋼材表面に炭素を１．０％〜２．５％、窒素を0．３％〜０．８％含有させた後、２５０℃〜３００℃で２時間以上加熱して焼戻し処理を行なうことにより、熱処理（焼き戻し処理）後の組織において、不完全焼入れ組織であるオーステナイトの殆ど（９９．５％以上、より詳細には９９．８％以上）を、焼入れ組織であるマルテンサイトに変態せしめ、その結果、鋼材における曲げ、捩じり及び転動（ピッチング）に対する疲労強度を向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る鋼材の熱処理方法の工程を示すフローチャートである。
【図２】実験例１に係る鋼材と比較例（ＳＣＭ４２０Ｈ、高濃度浸炭材、高濃度浸炭窒化材）の常温時の疲労線図である。
【図３】実験例１に係る鋼材の表面における金属顕微鏡による組織写真を示している。
【図４】公知の高濃度浸炭焼入れ処理が為された鋼材の断面における金属組織の金属顕微鏡写真を示す図である。
【図５】高温疲労試験によって破断した公知の高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の断面における金属組織の金属顕微鏡写真を示す図である。
【図６】公知の浸炭焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労強度特性と、公知の高濃度浸炭焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労強度特性と、公知の高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労強度特性とを比較して示す特性図である。
【図７】公知の高濃度浸炭焼入れ処理が為された鋼材の高温における疲労強度特性と、公知の高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の高温における疲労強度特性とを比較して示す特性図である。
【図８】公知の高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の断面における金属組織の金属顕微鏡写真を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
先ず、本発明の第１実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態の手順を示している。
図１において、ステップＳ１では、例えば、炭素量０．１５％〜０．７０％の合金鋼に対して、浸炭窒化処理を行う。より具体的には、鋼材表面に炭素を１．０％〜２．５％、窒素を0．３％〜０．８％浸入させる処理を行う。
そして、ステップＳ２では浸炭窒化処理を行った金属製品に対して、２５０℃〜３００℃の範囲で、２時間以上加熱して、焼き戻し処理を行う。
これにより、第１実施形態に係る鋼材が得られる。
【００２０】
［実験例１］
実験例１では、炭素量０．２％の合金鋼に対して、鋼材表面に炭素を１．０％、窒素0．６％浸入させる浸炭窒化処理を行った。
そして、係る浸炭窒化処理を行った合金鋼に対して、３００℃で２時間加熱して、焼き戻し処理を行った。
この様にして製造された鋼材について、常温で、ＪＩＳ  Ｚ  ２２７３  「金属材料疲れ試験方法通則」、ＪＩＳ  Ｚ  ２２７４  「金属材料回転曲げ疲れ試験方法」に係る疲労破壊試験を行なった。疲労破壊試験の結果として得られた疲労破壊特性は、図２で示されている。
【００２１】
図２において、実験例１に係る鋼材の疲労破壊特性は、径寸法が大きな「●」のプロットで示されており、「本発明」なる表示が付されている。
ここで、図２では、比較のために、ＳＣＭ４２０Ｈ浸炭鋼の常温における疲労破壊特性と、公知の高濃度浸炭焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労破壊特性と、公知の高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労破壊特性とが示されている。
図２では、ＳＣＭ４２０Ｈ浸炭鋼の特性は、「現行浸炭焼入れ材」或いは「現行ＳＣＭ４２０Ｈ浸炭」と表示されており、「■」のプロットで示されている。
そして、公知の高濃度浸炭焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労破壊特性は、「高濃度浸炭材」或いは「常温高濃度浸炭品」と表示されており、「◆」のプロットで示されている。
さらに、公知の高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労破壊特性は、「常温高濃度浸炭窒化品」と表示されており、径寸法が小さな「●」のプロットで示されている
【００２２】
図２から明らかな様に、実験例１に係る鋼材は、繰返し数Ｎが少ない領域から繰返し数Ｎが多い領域に亘って、比較例よりも大きいか、或いは、同程度の疲労強度を有している。
特に、繰返し数Ｎが比較的少ない領域では、実験例１に係る鋼材の疲労強度は明らかに向上している。
【００２３】
実験例１の鋼材の表面は、図３の金属写真で示すようになっている。
図３から、実験例１に係る鋼材の表面には、焼入れ組織であるマルテンサイトと炭化物は存在するが、オーステナイトは存在しないことが分かった。換言すれば、実験例１に係る鋼材の表面には、疲労強度を低下される不完全焼入れ組織である残留オーステナイトは析出していないのである。
実験例１において、発明者は、オーステナイトは格子構造が面心立方格子であり、マルテンサイトは体心立方格子であることに基づいて、実験例１で得られた鋼材の表面における格子構造を、エックス線により確認した。
その結果、実験例１の鋼材表面（図３参照）では、残留オーステナイトは０．６％という極めて微量であることが分かった。
【００２４】
実験例１は複数のサンプルにより行なったが、残留オーステナイトの含有量が１．０％を超えるものは存在しなかった。
上述した「０．６％」という残留オーステナイトの量は、複数サンプルの実験結果の単純平均値である。
【００２５】
ここで、公知の高濃度浸炭焼入れ処理が為された鋼材の断面における金属組織（図４の顕微鏡写真）と、高温（３００℃）の疲労試験によって破断した公知の高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の断面における金属組織（図５の顕微鏡写真）から、実験例１のような熱処理（３００℃で２時間加熱した焼き戻し処理）を行なわない場合には、オーステナイトが多量に残留している。
すなわち、実験例１（或いは、第１実施形態）における熱処理を行わない場合には、高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の表面における組織中のオーステナイトのマルテンサイト変態量は、微小である。
【００２６】
［実験例２］
実験例２では、焼き戻し処理における加熱温度を、２３０℃〜３２０℃まで、１０℃ずつ変化させて、実験例１と同様な条件で疲労破壊特性を求めた。
その結果が、下表１に示されている。
なお、表１では、加熱温度３００℃の場合を示していない。係る場合の疲労強度は、実験例１と同一となったからである。
表１
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【００２７】
表１において、「○」印は、実験例１に係る鋼材（加熱温度３００℃）と同程度か、それ以上の疲労強度を有していたことを意味している。
一方、「×」印は、実験例１に係る鋼材（加熱温度３００℃）に比較して、疲労強度が有意に劣っていたことを意味している。
表１より、本発明における熱処理（焼き戻し処理）における加熱温度は、２５０℃〜３００℃が好適であることが理解される。
【００２８】
実験例１の処理を行うと、疲労強度が向上した鋼材表面は、疲労強度を低下される不完全焼入れ組織であるオーステナイトが、９９．８％以上が焼入れ組織であるマルテンサイトに変態した。
これに対して、焼き戻し処理時の温度が低いと（２５０℃未満）、硬質の微小窒化物の析出が進行せず、且つ、オーステナイトからマルテンサイトへの変態が進行せず、そのため、疲労強度が向上しない。
一方、焼き戻し温度が高いと（３００℃よりも高温）、硬質の微小窒化物は析出するが、マルテンサイト自体が高温のため焼き戻されてしまうので、硬度が低下して、疲労強度も低下する。
【００２９】
［実験例３］
実験例３では、焼き戻し処理における加熱時間を、１時間〜５時間まで、０．５時間刻みで変化させて、実験例１と同様な条件で疲労破壊特性を求めた。
その結果が、下表２に示されている。
なお、表２で加熱時間が２時間の場合を示していないのは、実験例１と同一条件となるからである。
表２
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【００３０】
表２において、「○」印は、実験例１に係る鋼材（加熱時間２時間）と同程度かそれ以上の疲労強度を有していたことを意味している。
一方、「×」印は、実験例１に係る鋼材（加熱時間２時間）に比較して、疲労強度が有意に劣っていたことを意味している。
表２より、本発明における熱処理（焼き戻し処理）における加熱時間は、２時間以上であれば良いことが理解される。
焼き戻し時間が短過ぎると（２時間未満）、硬質の微小窒化物の析出が進行せず、且つ、熱処理（焼き戻し）が十分に為されず、オーステナイトからマルテンサイトへの変態が進行しないためと推定される。
【００３１】
ここで、加熱時間が長くなり過ぎると、疲労強度の点では問題がないが、加熱処理の効率と、加熱のためのエネルギー消費その他のコストの点で、不都合である。
発明者の試算によると、熱処理時間（加熱時間、焼き戻し処理の時間）が５時間を超える場合には、上述した効率及びコストの点から、妥当ではないことが明らかになった。
従って、本発明における熱処理（焼き戻し処理）における加熱時間は、２時間〜５時間が適正であると云える。
【００３２】
［実験例４］
実験例４では、実施形態に係る処理を行う以前の合金鋼の炭素量を０．１０％〜０．８０％の範囲で、０．０５％刻みで変化させて、実験例１と同様な条件で疲労破壊特性を求めた。
その結果が、下表３に示されている。
なお、表２で合金鋼の炭素量が０．２０％の場合を示していないのは、実験例１と同一条件となるからである。
表３
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【００３３】
表３において、「○」印は、実験例１に係る鋼材（合金鋼の炭素量が０．２％）と同程度かそれ以上の疲労強度を有していたことを意味している。
一方、「×」印は、実験例１に係る鋼材（合金鋼の炭素量が０．２％）に比較して、疲労強度が有意に劣っていたことを意味している。
なお、表３では、合金鋼の炭素量が０．３５％〜０．６０％については、何れも実験例１に係る鋼材（合金鋼の炭素量が０．２％）と同程度かそれ以上の疲労強度を有していた（表３における「○」印）ので、表示を省略した。
表３より、本発明における熱処理（焼き戻し処理）を行う以前の合金鋼の炭素量は、０．１５％〜０．７０％が好適であることが理解される。
【００３４】
［実験例５］
実験例５では、合金鋼に対して浸炭窒化処理を行うに際して、鋼材表面に浸入させる炭素量を０．５％〜４．０％の範囲で、０．５％刻みで変化させて、実験例１と同様な条件で疲労破壊特性を求めた。
その結果が、下表４に示されている。
なお、表４で炭素浸入量が１．０％の場合を示していないのは、実験例１と同一条件となるからである。
表４
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【００３５】
表４において、「○」印は、実験例１に係る鋼材（炭素浸入量が１．０％）と同程度かそれ以上の疲労強度を有していたことを意味している。
一方、「×」印は、実験例１に係る鋼材（炭素浸入量が１．０％）に比較して、疲労強度が有意に劣っていたことを意味している。
表４及び実験例１（炭素浸入量が１．０％）より、本発明における熱処理（焼き戻し処理）を行う以前の浸炭窒化処理における炭素浸入量は、１．０％〜２．５％が適当であることが理解される。
【００３６】
［実験例６］
実験例６では、合金鋼に対して浸炭窒化処理を行うに際して、鋼材表面に浸入させる窒素量を０．１％〜１．２％の範囲で、０．１％刻みで変化させて、実験例１と同様な条件で疲労破壊特性を求めた。
その結果が、下表５に示されている。
なお、表５で窒素浸入量が０．６％の場合を示していないのは、実験例１と同一条件となるからである。
表５
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【００３７】
表５においても、「○」印は、実験例１に係る鋼材（窒素浸入量が０．６％）と同程度かそれ以上の疲労強度を有していたことを意味している。
表５で示す結果からは、本発明における熱処理（焼き戻し処理）を行う以前の浸炭窒化処理における窒素浸入量は、０．３％〜０．８％が妥当であることが分かった。
窒素浸入量が０．３％未満では、鉄鋼中における窒素の含有量が少な過ぎるので、疲労強度に影響を与えるには至らなかったと推定される。
一方、窒素浸入量が０．８％以上では、残留オーステナイトが大量に析出し、疲労強度を低下させる結果になった。
【００３８】
なお、実験例５、実験例６において、発明者は、高濃度浸炭窒化処理において、鉄鋼中に含有可能な炭素量及び窒素量（炭素浸入量及び窒素浸入量）は、現実的には、合計で約２．０％が限度であることを見出した。
炭素及び窒素を鋼材表面に固容させ、その総量が約２．０％を超えると飽和して、余剰な窒素がボイド（ブローホールｅｔｃ．）として鋼材表面付近に存在する様になる。これは、一種の材料欠陥（不良）であり、そのため、鋼材の強度を低下する原因となる。
【００３９】
図示の実施形態によれば、浸炭窒化処理を施して、鉄鋼製品を２時間以上２５０℃〜３００℃で加熱して、焼き戻し処理を行うことにより、曲げ、捩じり及び転動（ピッチング）に対する疲労強度が向上する。
図示の実施形態に係る熱処理により、鋼材表面における残留オーステナイトが焼入れ組織であるマルテンサイトに変態して、鋼材表面を硬化して、鋼材に対する曲げ、捩じり及び転動（ピッチング）に対する疲労強度が向上した。
【００４０】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。
例えば、本発明は、炭素量０．４〜０．５５％の炭素鋼、合金鋼に対しても適用が可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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８】
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