(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜０．７８％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｎｉ：０．０７〜３．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０〜３．０％、Ｍｏ：０．０２〜１．０％、Ａｌ：０．０２０〜０．０５９％、Ｎ：０．０１〜０．０３％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ該Ａｌの質量％から該Ｎの質量％の２７／１４を減じた値で示される固溶Ａｌが０．０２０％以上を満足し、芯部の不完全焼入れ組織を抑制したことを特徴とする耐ピッチング強度、耐曲げ疲労強度、耐ねじり疲労強度に優れた鋼。
【請求項２】
請求項１の組成に加え、さらに質量％で、Ｎｂ：０．０２〜０．２０％、Ｖ：０．０２〜０．２０％の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ請求項１のＡｌの質量％からＮの質量％の２７／１４を減じた値で示される固溶Ａｌが０．０２０％以上を満足し、芯部の不完全焼入れ組織を抑制したことを特徴とする耐ピッチング強度、耐曲げ疲労強度、耐ねじり疲労強度に優れた鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低コストのガス浸炭焼入・焼戻しを施すことにより、動力を伝達する歯車やシャフトの主要特性である、耐ピッチング強度、耐曲げ疲労強度、耐ねじり疲労強度を向上させることのできるはだ焼鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の動力伝達用の歯車は、主として優れた歯面の耐ピッチング強度と歯元の衝撃強度が要求され、また、軸部は耐ねじり疲労強度が要求される。このため、自動車の動力伝達用の歯車やシャフトには、ＪＩＳ規格の鋼であるＳＣｒ４２０やＳＣＭ４２０などのはだ焼鋼に浸炭焼入・焼戻しを行い使用される場合が多い。しかし、近年では、地球温暖化防止気運が高まり、自動車の二酸化炭素排出量削減のための燃費向上のニーズが高まっている。そのため、歯車やシャフトの小型軽量化のニーズが高まっており、上記のＪＩＳ規格の鋼では十分な強度が得られなくなってきている。
【０００３】
従来、歯車用のはだ焼鋼において、耐ピッチング性と耐曲げ疲労強度を同時に向上させようとした場合は、一般的なＪＩＳ  ＳＣｒ４２０やＳＣＭ４２０に対し、Ｓｉ量を低減し、浸炭異常層深さを抑制し、Ｃｒ、Ｍｏなどの合金元素を増量添加し、焼戻し軟化抵抗特性を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この技術はＳｉを低減したことにより、焼戻し軟化抵抗特性はそれほど高くなく、耐ピッチング性は十分と言えない。
【０００４】
一方、従来のＪＩＳ規定のはだ焼鋼に対し、Ｓｉを増量し、焼戻し軟化抵抗特性を向上させ、かつ浸炭異常層深さを低減し、衝撃強度や曲げ疲労強度を低下させることなく、耐ピッチング性を向上させた歯車用はだ焼鋼が提案されている。(特許文献２)。
【０００５】
また、焼戻し軟化抵抗特性を向上させ、かつ浸炭異常層深さを低減させる元素は、ＳｉだけでなくＣｒやＭｎにも同様の効果があり、これらの成分を含有する鋼における成分のＳｉ、ＣｒおよびＭｎが質量％で７Ｓｉ＋３Ｃｒ＋Ｍｎ≧７．０の関係式を満足する鋼とすることで、衝撃強度や曲げ疲労強度を低下させることなく、耐ピッチング性を向上させたはだ焼鋼が提案されている（特許文献３）。しかし、この技術は、浸炭異常層深さに影響を及ぼすことやＣｒ、ＭｎもＳｉ同様に焼戻し軟化抵抗特性を向上させることは述べられているが、耐ねじり疲労強度に重要な芯部硬さの影響などについて述べられていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２９７３４７号公報
【特許文献２】特開平７−２５８７９３号公報
【特許文献３】特開２００９−６８０６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとしている課題は、上述の技術に加えて低コストで芯部強度を向上させ、耐ピッチング強度、耐曲げ疲労強度、耐ねじり疲労強度に優れた鋼を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決させる本発明の手段は、第１の手段では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜０．７８％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｎｉ：０．０７〜３．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０〜３．０％、Ｍｏ：０．０２〜１．０％、Ａｌ：０．０２０〜０．０５９％、Ｎ：０．０１〜０．０３％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼である。しかも、この鋼では、上記組成のＡｌの含有量とＮの含有量から求められる固溶Ａｌの含有量が該Ａｌの質量％から該Ｎの質量％の２７／１４を減じた値で０．０２０％以上を満足し、芯部の不完全焼入れ組織を抑制した、耐ピッチング強度、耐曲げ疲労強度、耐ねじり疲労強度に優れた鋼である。
【０００９】
第２の手段では、第１の手段の組成に加え、さらに質量％で、Ｎｂ：０．０２〜０．２０％、Ｖ：０．０２〜０．２０％の１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼である。しかも、この鋼は、第１の手段の組成のＡｌの含有量とＮの含有量から求められる固溶Ａｌの含有量が第１の手段のＡｌの質量％からＮの質量％の２７／１４を減じた値で０．０２０％以上を満足し、芯部の不完全焼入れ組織を抑制した、耐ピッチング強度、耐曲げ疲労強度、耐ねじり疲労強度に優れた鋼である。
【００１０】
上記の手段における鋼成分の限定理由を以下に説明する。なお、％は質量％を示す。
【００１１】
Ｃ：Ｃは強度を付与するために必要な元素であるが、０．１０％未満であると、浸炭焼入後の芯部強度が確保できず低く、０．３５％を超えると靭性が低下するとともに、素材の硬度が上昇して加工性が劣化する。そこで、Ｃは０．１０〜０．３５％とし、望ましくは０．１０〜０．２５％とする。
【００１２】
Ｓｉ：Ｓｉは鋼の脱酸に有効な元素であるとともに、鋼に必要な強度および焼入性を付与し、焼戻し軟化抵抗特性を向上し、一定量以上の添加で浸炭異常層深さを小さくするために有効な元素である。しかし、Ｓｉが０．４０％未満では、焼戻し軟化抵抗特性が低く、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが大きくなる。一方、Ｓｉが１．５０％を超えると素材硬度が上昇し、加工性が劣化する。なお、Ｓｉの上限は実施例のＮｏ．５によれば０．７８％である。そこで、０．４０〜０．７８％とする。
【００１３】
Ｍｎ：Ｍｎは鋼の焼入性を向上させる元素であるが、０．１０％未満では脱酸が不十分であり、１．５０％を超えると、加工性が劣化する。そこで、Ｍｎは０．１０〜１．５０％とし、望ましくは０．１０〜１．００％とする。
【００１４】
Ｐ：Ｐは粒界に偏析して靭性および疲労強度を低下させ、その結果、曲げ疲労強度を低下させる元素である。そこで、Ｐは０．０３０％以下とする。
【００１５】
Ｓ：Ｓは鋼中にＭｎＳとして存在することにより素材の被削性を向上させる元素であるが、０．０３０％を超えると、粒界偏析により粒界脆化を招き、冷間加工性および靭性を劣化させる。そこで、Ｓは０．０３０％以下とする。
【００１６】
Ｃｒ：Ｃｒは鋼の焼入性、靭性および焼戻し軟化抵抗特性の向上に必要な元素である。Ｃｒは少な過ぎると焼戻し軟化抵抗特性が低くなり、また多すぎると加工性を低下させ、かつ浸炭性が低下する。そこで、Ｃｒは０．５０〜３．０％とし、望ましくは１．３％〜３．０％とする。
【００１７】
Ｎｉ：Ｎｉは鋼の焼入性および靭性の向上に有効な元素である。Ｎｉは３．０％を超えると素材の硬度が上昇しすぎて加工性を低下させ、かつ、鋼材コストが上昇する。なお、実施例のＮｏ．２に基づき、Ｎｉの下限値は０．０７％とする。そこで、Ｎｉは０．０７〜３．０％とする。
【００１８】
Ｍｏ：Ｍｏは鋼の焼入性、靭性および焼戻し軟化抵抗の向上に必要な元素である。しかし、Ｍｏは多すぎると加工性を低下させ、かつ鋼材コストが上昇する。なお、実施例のＮｏ．１に基づき、Ｍｏの下限値は０．０２％とする。そこで、Ｍｏは０．０２〜１．０％とする。
【００１９】
Ａｌ：Ａｌは本発明において重要な元素であり、鋼の脱酸に有効な元素であるとともに、鋼中のＮと反応してＡｌＮを形成し、結晶粒の粗大化を抑制する作用がある。また、固溶Ａｌの質量％は、{Ａｌの質量％−(２７／１４)×Ｎの質量％}≧０．０２０％において、焼入れ性が向上し、芯部の不完全焼入れ組織を抑制するので、Ａｌは、実施例のＮｏ．４の０．０５９％に基づき、０．０２０〜０．０５９％とし、望ましくは０．０４０〜０．０５９％とする。
【００２０】
Ｎ：Ｎは鋼中のＡｌと反応してＡｌＮを形成し、浸炭時におけるオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する作用を有するが、Ｎが１００ｐｐｍ未満であると結晶粒粗大化を防止する効果が小さく、多すぎると窒化物が増加して疲労強度および加工性が低下する。そこでＮは０．０１０〜０．０３０％とする。
【００２１】
Ｎｂ：Ｎｂは結晶粒の粗大化を防止する効果を有するが、０．０２％未満ではその効果は小さく、０．２０％を超えるとその効果は飽和する傾向があり、かつ浸炭性を阻害する。そこで、Ｎｂは０．０２〜０．２０％とし、望ましくは０．０３〜０．１０％とする。
【００２２】
Ｖ：Ｖは結晶粒の粗大化を防止する効果を有するが、０．０２％未満ではその効果は小さく、０．２０％を超えるとその効果は飽和する傾向があり、かつ加工性が低下する。そこで、Ｖは０．０２〜０．２０％とし、望ましくは０．０５〜０．１０％とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、第１の手段では、浸炭部品の焼戻し軟化抵抗特性を向上させつつ、焼入性を向上させ芯部の不完全焼入れ組織を抑制することで、耐ピッチング強度、耐曲げ疲労強度、耐ねじり疲労強度の特性を向上させるはだ焼鋼ができた。
【００２４】
第２の手段では、第１の手段に加え、質量％で、Ｎｂ：０．０２〜０．２０％、Ｖ：０．０２〜０．２０％の１種または２種を含有することで、耐ピッチング強度、耐曲げ疲労強度、耐ねじり疲労強度の特性を向上させるはだ焼鋼ができた。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の実施の形態について以下に説明する。表１にＦｅを除いて示す化学成分の本発明の実施例の鋼および表２にＦｅを除いて示す化学成分の比較例の鋼を、それぞれ１００ｋｇ真空溶解炉で溶製し、インゴットに鋳造して鋼片とした。この鋼片を１２５０℃に加熱して５時間保持することにより溶体化した後、棒鋼に鍛伸した。一方、回転曲げ疲労試験片はφ２０ｍｍに、ローラーピッチング試験片およびねじり疲労試験片はφ３２ｍｍにそれぞれ鍛伸して製造した。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
【表２】
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【００２８】
表１に見られるように、本発明の実施例では、固溶Ａｌが０．０２０％以上で存在している。一方、表２に見られるように、比較例では、固溶Ａｌの欄をハイフンで記載するように、固溶Ａｌが存在していない。また、表１および表２において、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖの欄をハイフンで示すものは、これらの元素が添加されていないことを示している。
【００２９】
次いで、これらの棒鋼を９００℃に加熱し、１時間保持した後、空冷して焼ならしを行った後、図１に示す２ｍｍＶノッチを有する回転曲げ疲労試験片、図２に示すローラーピッチング試験片、および図３に示すねじり疲労試験片を作製し、それぞれ図４に示す浸炭焼入・焼戻し条件によりガス浸炭による浸炭焼入・焼戻しを行った。なお、図１〜図３において、数値は単位のｍｍを省略して示している。
【００３０】
この場合、ガス浸炭による浸炭焼入・焼戻し処理は、上記の棒鋼を素材として機械加工により製作した鋼部材を８００〜１０００℃に加熱した後、加熱炉中でＣＯ又はＣＨ4を含有する浸炭ガス雰囲気中に１〜５時間保持し、この鋼部材の表面から１ｍｍ程度の深さまで炭素を拡散浸透させて浸炭した。浸炭が終了した鋼部材は水中または油中で焼入れし、さらに１５０〜２００℃に焼戻して空冷した。この油中焼入れの熱処理のヒートパターンは上記したように図４に示した。
【００３１】
次いで、上記した図１〜図３の回転曲げ疲労試験、ローラーピッチング試験、ねじり疲労試験をそれぞれ実施し、その結果の本発明の実施例および比較例の固溶Ａｌ量、回転曲げ疲労強度、ローラーピッチング寿命ならびにねじり疲労強度を表３に示した。
【００３２】
【表３】
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【００３３】
上記の回転曲げ疲労強度、ローラーピッチング寿命ならびにねじり疲労強度を比較例のＮｏ１６の値を基準の１．０とした際の比で示したとき、曲げ疲労強度が１．４以上、ピッチング寿命が２．０以上、ねじり疲労強度が１．４以上の何れか一つでも満たすものは、本願発明を満足するものであり、表３の実施例のＮｏ．１〜Ｎｏ．８の全てのものが上記の条件を満足しており、しかも、芯部の硬さに最も影響するねじり疲労強度はＮｏ．１〜Ｎｏ．８の全ての実施例が満足しており、かつ、上記した表１に見られるように、実施例のＮｏ．１〜Ｎｏ．８の全てで固溶Ａｌは０．０２０％以上であり、したがって芯部の不完全焼入れ組織が抑制されていた。一方、比較例のＮｏ．１６〜２６は、いずれも曲げ疲労強度が１．４未満、ピッチング寿命が２．０未満、ねじり疲労強度が１．４未満であった。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】回転曲げ疲労試験片の形状を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）で丸で囲んで示すノッチ部であるＡ部の拡大図を示し、各数値の単位はｍｍである。
【図２】ローラーピッチング試験片の形状を示し、各数値の単位はｍｍである。
【図３】ねじり疲労試験片の形状を示し、各数値の単位はｍｍである。
【図４】ガス浸炭による浸炭焼入・焼戻し例で、（ａ）は浸炭焼入のヒートパターン、（ｂ）は焼戻しのヒートパターンを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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