(57)【要約】【課題】低サイクル疲労特性と高サイクル疲労特性とが共に優れる浸炭部材の提供。【解決手段】質量％表示で、Ｃ：０．１３〜０．３８％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．１５％以下、Ｃｒ：０．３〜１．５％、Ｍｏ：０．３〜０．８％、Ｍｎ：２．０〜５．０％、ｓ−Ａｌ：０．０１〜０．０５０％、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物の組成からなり、表面Ｃ濃度を［Ｃ］と表した場合に、［Ｃ］は０．４０〜０．７５質量％であり、加えて、γcalc＝１．８×ｅｘｐ｛−０．１１×（７９５−８２３［Ｃ］−３０．４Ｍｎ＋２８３）}で定義されるγcalcが２３〜４８を満たす、浸炭部材。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％表示で、
Ｃ：０．１３〜０．３８％、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｃｕ：０．５％以下、
Ｎｉ：０．１５％以下、
Ｃｒ：０．３〜１．５％、
Ｍｏ：０．３〜０．８％、
Ｍｎ：２．０〜５．０％、
ｓ−Ａｌ：０．０１〜０．０５０％、
残部：Ｆｅおよび不可避的不純物
の組成からなり、
浸炭ガスとしてアセチレンを用い、浸炭温度を９５０℃とし、限界硬さを５１３Ｈｖとしたときの有効硬化層深さが０．７ｍｍとなる浸炭ガス流量および浸炭時間とする浸炭処理を施し、その後、８０℃の油に浸漬する焼入れをし、さらに、１８０℃で１２０分間保持した後、空冷する焼戻しを行うと、
表面Ｃ濃度を［Ｃ］と表した場合に、［Ｃ］は０．４０〜０．７５質量％であり、加えて、
γcalc＝１．８×ｅｘｐ｛−０．１１×（７９５−８２３［Ｃ］−３０．４Ｍｎ＋２８３）}
で定義されるγcalcが２３〜４８を満たす浸炭部材が得られる、浸炭用鋼材。
【請求項２】
質量％表示で、
Ｃ：０．１３〜０．３８％、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｃｕ：０．５％以下、
Ｎｉ：０．１５％以下、
Ｃｒ：０．３〜１．５％、
Ｍｏ：０．３〜０．８％、
Ｍｎ：２．０〜５．０％、
ｓ−Ａｌ：０．０１〜０．０５０％、
残部：Ｆｅおよび不可避的不純物
の組成からなり、
表面Ｃ濃度を［Ｃ］と表した場合に、［Ｃ］は０．４０〜０．７５質量％であり、加えて、
γcalc＝１．８×ｅｘｐ｛−０．１１×（７９５−８２３［Ｃ］−３０．４Ｍｎ＋２８３）}
で定義されるγcalcが２３〜４８を満たす、浸炭部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は浸炭用鋼材および浸炭部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
浸炭材の低サイクル疲労特性を改善する手法として、表層Ｃ濃度を低減し、有効硬化層深さを浅くする方法が提案されている（例えば非特許文献１参照）。
一方で高サイクル疲労特性は、おおよそ表面硬さと圧縮残留応力で決まるため、表層は硬さが最も高くなる０．８％程度の浸炭が有利である。
つまり、表層Ｃ濃度および有効硬化層深さを調整することで低サイクル疲労および高サイクル疲労を両立することは、従来、不可能であった。
【０００３】
表層Ｃ濃度が高いまま低サイクル疲労特性を向上する方法として、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉの添加（特許文献１参照）が有効である。しかし、この場合、鋼材コストが上昇する。
【０００４】
表面Ｃ濃度を低くしたうえで高サイクル疲労特性を改善するには、圧縮残留応力を付与する方法がある。例えばショットピーニングは、大きな圧縮残留応力を与えることが可能である。しかし、コストが高い。さらに、圧延・冷却条件を調整し残留応力を付与する方法（ＴＲＩＰ鋼）は、変形性の低い温度でのオースフォームが必要であるか（非特許文献２参照）、薄板のような熱応答性の高い形状の場合にしか適応できない（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−２４７５６１号公報
【特許文献２】特開平４−０５９９４１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】宮崎ら、浸炭材の低サイクル衝撃疲労特性に及ぼす硬さプロファイルの影響、電気鋼、Vol.77(2006)、p19
【非特許文献２】藤田ら、常温ＴＲＩＰ鋼の機械的諸性質、鉄と鋼、vol.58(1972)、p1693
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記のような課題を解決することを目的とする。
すなわち、本発明の目的は、低サイクル疲労特性と高サイクル疲労特性とが共に優れる浸炭部材および浸炭処理を施すことでそれを得ることができる浸炭用鋼材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は上記課題を解決するため鋭意検討し、本発明を完成させた。
本発明は、
質量％表示で、
Ｃ：０．１３〜０．３８％、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｃｕ：０．５％以下、
Ｎｉ：０．１５％以下、
Ｃｒ：０．３〜１．５％、
Ｍｏ：０．３〜０．８％、
Ｍｎ：２．０〜５．０％、
ｓ−Ａｌ：０．０１〜０．０５０％、
残部：Ｆｅおよび不可避的不純物
の組成からなり、
浸炭ガスとしてアセチレンを用い、浸炭温度を９５０℃とし、限界硬さを５１３Ｈｖとしたときの有効硬化層深さが０．７ｍｍとなる浸炭ガス流量および浸炭時間とする浸炭処理を施し、その後、８０℃の油に浸漬する焼入れをし、さらに、１８０℃で１２０分間保持した後、空冷する焼戻しを行うと、
表面Ｃ濃度を［Ｃ］と表した場合に、［Ｃ］は０．４０〜０．７５質量％であり、加えて、
γcalc＝１．８×ｅｘｐ｛−０．１１×（７９５−８２３［Ｃ］−３０．４Ｍｎ＋２８３）}
で定義されるγcalcが２３〜４８を満たす浸炭部材が得られる、浸炭用鋼材である。
このような浸炭用鋼材を以下では「本発明の鋼材」ともいう。
【０００９】
また、本発明は、
質量％表示で、
Ｃ：０．１３〜０．３８％、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｃｕ：０．５％以下、
Ｎｉ：０．１５％以下、
Ｃｒ：０．３〜１．５％、
Ｍｏ：０．３〜０．８％、
Ｍｎ：２．０〜５．０％、
ｓ−Ａｌ：０．０１〜０．０５０％、
残部：Ｆｅおよび不可避的不純物
の組成からなり、
表面Ｃ濃度を［Ｃ］と表した場合に、［Ｃ］は０．４０〜０．７５質量％であり、加えて、
γcalc＝１．８×ｅｘｐ｛−０．１１×（７９５−８２３［Ｃ］−３０．４Ｍｎ＋２８３）}
で定義されるγcalcが２３〜４８を満たす、浸炭部材である。
このような浸炭部材を以下では「本発明の部材」ともいう。
【００１０】
上記の本発明の鋼材を浸炭処理することで、上記の本発明の部材を得ることができる。
【００１１】
以下において、単に「本発明」と記した場合、本発明の鋼材および本発明の部材の両方を意味するものとする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、低サイクル疲労特性と高サイクル疲労特性とが共に優れる浸炭部材および浸炭処理を施すことでそれを得ることができる浸炭用鋼材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例において用いた試験片の概略図である。
【図２】実施例における４点曲げ試験を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に本発明の部材の組成を説明する。
また、本発明の鋼材を浸炭処理したものが本発明の部材であるので、本発明の部材における浸炭された表層部分以外の部分は、本発明の鋼材と同一の組成を有する。さらに、本発明の部材における当該表層部分の質量は全体に占める比率が大きくないため、本発明の部材の全体組成（全体の平均値）は、ほぼ本発明の鋼材の組成と同じである。したがって、以下に説明する本発明の部材の組成は、本発明の鋼材の組成と考えることもできる。
【００１５】
以下において単に「％」と記した場合、「質量％」を意味するものとする。
【００１６】
＜Ｃ：０．１３〜０．３８％＞
本発明の部材におけるＣ含有率は０．１３〜０．３８％である。
Ｃ含有率が低すぎると芯部硬さの確保し難くなる。
Ｃ含有率が高すぎると冷間鍛造性、芯部の靭性、加工性の低下を招く可能性がある。
【００１７】
＜Ｓｉ：１．５％以下＞
本発明の部材におけるＳｉ含有率は１．５％以下である。
Ｓｉ含有率が高すぎると靭性、被削性が低下する可能性がある。
【００１８】
＜Ｃｕ：０．５％以下＞
本発明の部材におけるＣｕ含有率は０．５％以下である。
Ｃｕ含有率が高すぎると熱間鍛造性が低下する可能性がある。
【００１９】
＜Ｎｉ：０．１５％以下＞
本発明の部材におけるＮｉ含有率は０．１５％以下である。
Ｎｉ含有率が高すぎると残留γが高くなり過ぎる傾向があり、加えてコストが増加する。
【００２０】
＜Ｃｒ：０．３〜１．５％＞
本発明の部材におけるＣｒ含有率は０．３〜１．５％である。
Ｃｒ含有率が低すぎると焼入性が悪化する傾向がある。
Ｃｒ含有率が高すぎると加工性、切削性、焼入歪が悪化する傾向があり、加えてコストが増加し、さらに残留γが高くなり過ぎる傾向がある。
【００２１】
＜Ｍｏ：０．３〜０．８％＞
本発明の部材におけるＭｏ含有率は０．３〜０．８％である。
Ｍｏ含有率が低すぎると焼入性が悪化する傾向がある。
Ｍｏ含有率が高すぎると加工性、切削性が悪化する傾向があり、加えてコストが増加する。
【００２２】
＜Ｍｎ：２．０〜５．０％＞
本発明の部材におけるＭｎ含有率は２．０〜５．０％である。
Ｍｎ含有率が低すぎると表面Ｃ濃度が０．４０〜０．７５％のときにγcalcが小さくなりすぎ、低サイクル疲労特性と高サイクル疲労特性とが共に優れる部材を得難い。
Ｍｎ含有率が高すぎると表面Ｃ濃度が０．４０〜０．７５％のときにγcalcが大きくなりすぎ、低サイクル疲労特性と高サイクル疲労特性とが共に優れる部材を得難い。
【００２３】
＜ｓ−Ａｌ：０．０１〜０．０５０％＞
本発明の部材におけるｓ−Ａｌ含有率は０．０１〜０．０５０％である。
ここでｓ−Ａｌは、酸に可溶なＡｌを意味する。
ｓ−ＡｌはＮと結合してＡｌＮを形成し、曲げ強度を高める。一方、含有率が高すぎると介在物が増えることになるため、０．０５０％を上限とする。
【００２４】
＜残部：Ｆｅおよび不可避的不純物＞
本発明の部材は、上記のように、特定範囲内でＣ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ａｌを含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。
ここで不可避的不純物とは、意図的に添加しなくても原料や製造工程等から混入する可能性がある成分を意味する。不可避的不純物として、具体的にはＰ、Ｓ、Ｎ、Ｏが挙げられる。
【００２５】
＜表層Ｃ濃度＞
本発明の部材における表層Ｃ濃度（［Ｃ］と記す場合もある）が０．４０〜０．７５質量％であり、０．４１〜０．７２であることが好ましい。
表層Ｃ濃度が上記範囲内であると、本発明の部材の低サイクル疲労特性と高サイクル疲労特性とが共に優れる。
【００２６】
＜γcalc＞
本発明の部材は上記のような組成を備え、さらに上記の範囲の表層Ｃ濃度を備える。そして、γcalc＝１．８×ｅｘｐ｛−０．１１×（７９５−８２３［Ｃ］−３０．４Ｍｎ＋２８３）}と定義した場合に、γcalcが２３〜４８を満たす。
ここで式中のＭｎはＭｎ含有率（質量％）を意味する。
γcalcが上記範囲内であると、本発明の部材の低サイクル疲労特性と高サイクル疲労特性とが共に優れる。
【００２７】
本発明の部材は、表面のビッカース硬さが５５０Ｈｖ以上であることがより好ましい。理由は５５０Ｈｖ未満の場合、低サイクル疲労特性が低下するからである。
【００２８】
本発明の鋼材は、上記のような本発明の部材の組成と同様の組成を備え、浸炭ガスとしてアセチレンを用い、浸炭温度を９５０℃とし、限界硬さを５１３Ｈｖとしたときの有効硬化層深さが０．７ｍｍとなる浸炭ガス流量および浸炭時間とする浸炭処理を施し、その後、８０℃の油に浸漬する焼入れをし、さらに、１８０℃で１２０分間保持した後、空冷する焼戻しを行うと、表面Ｃ濃度を［Ｃ］と表した場合に、［Ｃ］は０．４〜０．７質量％であり、加えて、γcalc＝１．８×ｅｘｐ｛−０．１１×（７９５−８２３［Ｃ］−３０．４Ｍｎ＋２８３）}で定義されるγcalcが２３〜４８を満たす浸炭部材（本発明の部材）を得ることができる。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明の実施例について説明する。
第１表に示す実施例１〜１９および比較例１〜７の各々について、第１表に示す組成（残部はＦｅ及び不可避不純物）となるように５０ｋｇの原料を混合し、高周波誘導炉（５０ｋｇ）を用いて溶製し、鋳造して鋼塊を得た。
【００３０】
＜疲労強度の測定＞
上記の鋼塊を熱間鍛造し、断面直径が２５ｍｍの丸棒を得た後、この丸棒から、長さ：１０５ｍｍ分を切り出した。そして、得られた円柱部材における側面（２つの円形の断面以外の面）を削り、図１に示すような断面直径が１９ｍｍの鋼片を得た。図１（ａ）は鋼片１の長手方向に平行な方向での断面を表し、図１（ｂ）は鋼片１の長手方向に垂直な方向での端面を表し、図１（ｃ）は鋼片１の長手方向の中心部に形成されている試験部２の拡大図である。
【００３１】
次に、鋼片に浸炭処理Ｘを施して、試験片を得た。
浸炭処理Ｘについて説明する。以下において浸炭処理Ｘとは、次のような処理を意味するものとする。
初めに、鋼片を浸炭炉内へ載置し、炉内を真空とした後、炉内温度を９５０℃に調整し、浸炭ガス（アセチレン）を導入した。そして、限界硬さを５１３Ｈｖとしたときに有効硬化層深さが０．７ｍｍとなるように浸炭ガス流量および時間を調整して浸炭した。
次に、炉内温度を８５０℃に調整して３０ｍｉｎ保持した後、浸炭した鋼片を８０℃の油へ浸漬して油焼入れを行い、その後、室内に放置して室温まで冷却した。
次に、１８０℃で１２０分間保持した後、空冷して焼戻し処理を行った。
このような一連の浸炭、焼入れ、焼戻しの処理を、浸炭処理Ｘとする。
【００３２】
このような浸炭処理Ｘを鋼片に施して得た試験片を用いて、４点曲げ試験を行った。
４点曲げ試験について、図２を用いて説明する。
試験片１０を２個所の支持部１４において下側から支持した状態で、２個所の入力部１６において試験片１０に対し下向きに荷重を加えて試験片１０を曲げ変形させ、その後荷重を試験荷重の０．１倍まで取り除いて形状を元に戻した後、再び荷重を負荷することを、２０Ｈｚで繰り返す。すなわち、最小／最大応力比を０．１の４点曲げ試験疲労試験である。また、試験応力を２６２９〜１２６０ＭＰａ、応力集中係数を１．８７とした。
そして、最大応力を２６２９ＭＰａとして繰り返し負荷をかけ、破断するまでの繰り返し回数を寿命とし、この寿命によって低サイクル疲労特性を評価した。
また、繰り返し、１×１０7回の負荷をかけても破断しない応力の最大値を求め、この値を高サイクル疲労強度とした。
結果を第１表に示す。
【００３３】
＜表面Ｃ濃度＞
前述の鋼片に浸炭処理Ｘを施して得た試験片を試験部において長手方向に垂直な方向にて切断し、得られた円形の断面が露出するように樹脂内に埋め込み、その断面を研磨した。次に、円形の断面における最外周から中心方向へ４μｍまでのリング状部分（つまり、試験片の側面から深さ４μｍまでの部分）における９点のＣ濃度をＥＰＭＡを用いて分析した。そして、それらの単純平均値を求め、表層Ｃ濃度とした。
結果を第１表に示す。
【００３４】
＜表層硬さ＞
前述の鋼片に浸炭処理Ｘを施して得た試験片を試験部において長手方向に垂直な方向にて切断した。そして、得られた円形の断面における最外周から中心方向へ０．０５ｍｍの位置で荷重３００ｇのビッカース硬さを３回測定し、それらを単純平均して、その試験片のビッカース硬さとした。
結果を第１表に示す。
【００３５】
＜残留オーステナイト体積率の測定＞
前述の鋼片に浸炭処理Ｘを施して得た試験片の試験部表面をＪＩＳ−Ｈ０４００ ３００４に規定される電解研磨法によって深さ０．０５ｍｍまで研磨した。そして、その研磨面についてＸ線回折測定を行った。Ｘ線の測定により得られたフェライトの（２００）（２１１）のピーク強度とオーステナイトの（２００）（２２０）（３１１）のピーク強度を求め、そのピーク強度比から残留オーステナイト体積率（ｖｏｌ％）を算出した。
結果を第１表に示す。
【００３６】
【表１】
2019077916.tif 000002
【００３７】
試験片１は、γcalcが２３〜４８を満たしていないため、本発明の範囲外である。この場合、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に低くなった。
【００３８】
試験片２は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００３９】
試験片３は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００４０】
試験片４は、表層Ｃ濃度が０．７５質量％を超しているため、本発明の範囲外である。この場合、低サイクル疲労強度が低くなった。
【００４１】
試験片５は、表層Ｃ濃度が０．７５質量％を超しており、加えてγcalcが２３〜４８を満たしていないため、本発明の範囲外である。この場合、低サイクル疲労強度が低くなった。
【００４２】
試験片６は、表層Ｃ濃度が０．４０質量％未満であり、加えてγcalcが２３〜４８を満たしていないため、本発明の範囲外である。この場合、高サイクル疲労強度が低くなった。
【００４３】
試験片７は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００４４】
試験片８は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００４５】
試験片９は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００４６】
試験片１０は、γcalcが２５〜４５を満たしていないため、本発明の範囲外である。この場合、高サイクル疲労強度が共に低くなった。
【００４７】
試験片１１は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００４８】
試験片１２は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００４９】
試験片１３は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００５０】
試験片１４は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００５１】
試験片１５は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００５２】
試験片１６は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００５３】
試験片１７は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００５４】
試験片１８は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００５５】
試験片１９は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００５６】
試験片２０は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００５７】
試験片２１は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００５８】
試験片２２は、Ｃｒ濃度が１．５質量％を超しており、本発明の範囲外である。この場合、高サイクル疲労強度および低サイクル疲労強度が低くなった。
【００５９】
試験片２３は、Ｍｏ濃度が０．３質量％未満でありため、本発明の範囲外である。この場合、焼入性が低下し、高サイクル疲労強度および低サイクル疲労強度が低くなった。
【００６０】
試験片２４は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００６１】
試験片２５は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００６２】
試験片２６は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【００６３】
試験片２７は、本発明の範囲内であり、低サイクル疲労強度および高サイクル疲労強度が共に高くなった。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の部材として最終減速機（ファイルドライブギア、特にドライブピニオンギア）が挙げられる。
【符号の説明】
【００６５】
１    鋼片
２    試験部
１０  試験片
１２  試験部
１４  支持部
１６  入力部
【図１】
2019077916.tif 000003
【図２】
2019077916.tif 000004