(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．３０〜０．９５％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．８０〜２．３０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．５００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる機械構造用鋼からなる鋼材であり、さらに、質量％で、Ｓｉ＋Ｃｒ−２Ｍｎで表されるパラメータが１．０５以上であり、かつ０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒで表されるパラメータが６．３０以下であることを特徴とする面圧疲労強度に優れた機械構造用鋼鋼材。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．３０〜０．９５％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．８０〜２．３０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．５００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％を含有し、さらに、Ｎｉ：０．２０〜３．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．２９％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機械構造用鋼からなる鋼材であり、さらに、質量％で、Ｓｉ＋Ｃｒ−２Ｍｎで表されるパラメータが１．０５以上であり、かつ０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒ＋２．５Ｎｉ＋４．０Ｍｏで表されるパラメータが６．３０以下であることを特徴とする面圧疲労強度に優れた機械構造用鋼鋼材。
【請求項３】
質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．３０〜０．９５％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．８０〜２．３０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．５００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％を含有し、さらに、Ｔｉ：０．０２０〜０．２００％、Ｎｂ：０．０２〜０．２０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％、のうち少なくとも１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる機械構造用鋼からなる鋼材であり、さらに、質量％で、Ｓｉ＋Ｃｒ−２Ｍｎで表されるパラメータが１．０５以上であり、かつ０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒで表されるパラメータが６．３０以下であることを特徴とする面圧疲労強度に優れた機械構造用鋼鋼材。
【請求項４】
質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．３０〜０．９５％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．８０〜２．３０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．５００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％を含有し、さらに、Ｎｉ：０．２０〜３．００％を含有し、さらに、Ｔｉ：０．０２０〜０．２００％、Ｎｂ：０．０２〜０．２０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％のうち少なくとも１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる機械構造用鋼からなる鋼材であり、さらに、質量％でＳｉ＋Ｃｒ−２Ｍｎで表されるパラメータが１．０５以上であり、かつ０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒ＋２．５Ｎｉで表されるパラメータが６．３０以下であることを特徴とする面圧疲労強度に優れた機械構造用鋼鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車や産業機械などに使用されるギヤやシャフトなどの動力伝達部品として用いられる機械構造用鋼鋼材に関し、特にガス浸炭を行って部品を製造した場合に面圧疲労強度に優れる機械構造用鋼鋼材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス浸炭によって鋼部品の表面に形成される浸炭異常層は、通常のＪＩＳ規格の鋼材を使用した場合には、多くの場合、粒界酸化を伴う。粒界酸化は、表面から内部に向かってくさび状に観察され、これが面圧疲労強度を低下させる一因となっている。したがって、従来は粒界酸化を減らすことにより、面圧疲労強度向上が図られてきた。
【０００３】
ところで、一般的なＪＩＳ  ＳＣｒ４２０やＳＣＭ４２０に対し、Ｓｉ量を低減することで、浸炭異常層の深さを低減し、さらにＣｒ、Ｍｏなどの合金元素を添加して焼戻し軟化抵抗性を高めて面圧疲労強度を改善する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。一方、従来のＪＩＳ規定のはだ焼鋼に対し、Ｓｉを増量添加し、焼戻し軟化抵抗性を高め、かつ、浸炭異常層の深さを低減することで、面圧疲労強度を向上させた鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、これらの特許文献には、Ｓｉ以外の元素が浸炭異常層の深さや形態にどのような影響を及ぼすかについては、示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、自動車や産業機械などに使用されるギヤやシャフトなどの動力伝達用の部品として用いられる機械構造用鋼からなる面圧疲労強度に優れた鋼材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するための本発明の手段について以下に説明する。先ず、請求項１の手段では、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．３０〜０．９５％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．８０〜２．３０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．５００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物である化学成分からなる機械構造用鋼の鋼材である。この鋼材では、さらに、質量％で、Ｓｉ＋Ｃｒ−２Ｍｎで表されるパラメータが１．０５以上であり、かつ、０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒで表されるパラメータが６．３０以下であることを特徴とし、この鋼材は面圧疲労強度に優れた機械構造用鋼鋼材である。
【０００７】
請求項２の手段では、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．３０〜０．９５％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．８０〜２．３０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．５００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％を含有し、さらに、Ｎｉ：０．２０〜３．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．２９％の１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物である化学成分からなる機械構造用鋼の鋼材である。この鋼材では、さらに、質量％で、Ｓｉ＋Ｃｒ−２Ｍｎで表されるパラメータが１．０５以上であり、かつ、０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒ＋２．５Ｎｉ＋４．０Ｍｏで表されるパラメータが６．３０以下であることを特徴とし、この鋼材は面圧疲労強度に優れた機械構造用鋼鋼材である。
【０００８】
請求項３の手段では、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．３０〜０．９５％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．８０〜２．３０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．５００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％を含有し、さらに、Ｔｉ：０．０２０〜０．２００％、Ｎｂ：０．０２〜０．２０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％、のうち少なくとも１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物である化学成分からなる機械構造用鋼の鋼材である。この鋼材では、さらに、質量％で、Ｓｉ＋Ｃｒ−２Ｍｎで表されるパラメータが１．０５以上であり、かつ０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒで表されるパラメータが６．３０以下であることを特徴とし、この鋼材は面圧疲労強度に優れた機械構造用鋼鋼材である。
【０００９】
請求項４の手段では、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．３０〜０．９５％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．８０〜２．３０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ａｌ：０．００８〜０．５００％、Ｏ：０．００３０％以下、Ｎ：０．００２０〜０．０３００％を含有し、さらに、Ｎｉ：０．２０〜３．００％を含有し、さらに、Ｔｉ：０．０２０〜０．２００％、Ｎｂ：０．０２〜０．２０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５０％のうち少なくとも１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物である化学成分からなる機械構造用鋼の鋼材である。この鋼材では、さらに、質量％でＳｉ＋Ｃｒ−２Ｍｎで表されるパラメータが１．０５以上であり、かつ０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒ＋２．５Ｎｉで表されるパラメータが６．３０以下であることを特徴とし、この鋼材は面圧疲労強度に優れた機械構造用鋼鋼材である。
【００１０】
上記の各請求項の手段における成分の限定理由について、以下に説明する。なお、各成分元素の％は質量％を示す。
【００１１】
Ｃ：０．１５〜０．３５％
Ｃは、機械構造用部品として鋼材の浸炭焼入焼戻し後の芯部強度を確保するために必要な元素である。その範囲は０．１５％未満では強度を確保できず、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低下する。そこでＣは０．１５〜０．３５％とし、望ましくは０．２０〜０．３０％とする。
【００１２】
Ｓｉ：０．３０〜０．９５％
Ｓｉは、脱酸に必要な元素であるとともに、鋼に必要な強度、焼入性を付与し、また一定量以上の添加で浸炭異常層深さを浅くする効果があり、その効果を得るため、０．３０％以上の添加が必要である。一方、０．９５％を超えると素材の硬度を高めるため、加工性を低下させる。そこでＳｉは０．３０〜０．９５％とし、望ましくは０．４０〜０．８５％とする。
【００１３】
Ｍｎ：０．１０〜１．００％
Ｍｎは、焼入性を確保するために必要な元素である。しかし、Ｍｎが０．１０％未満では焼入性への効果は十分に得られず、１．００％を超えると機械加工性を低下させる。そこでＭｎは０．１０〜１．００％とし、望ましくは０．２０〜０．８０％、より望ましくは０．２０〜０．５５％とする。
【００１４】
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、スクラップから含有される不可避な元素であるが、粒界に偏析して衝撃強度や曲げ強度などの特性を低下させる。そこでＰは０．０３０％以下とする。
【００１５】
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、被削性を向上させる元素であるが、非金属介在物であるＭｎＳを生成して横方向の靱性および疲労強度を低下する。そこでＳは０．０３０％以下とする。
【００１６】
Ｃｒ：０．８０〜２．３０％
Ｃｒは、焼入性を確保するために必要な元素である。しかし、Ｃｒが０．８０％未満では焼入性への効果を十分に得られず、２．３０％を超えると浸炭を阻害し、また素材硬度を上昇させて機械加工性を低下させる。そこでＣｒは０．８０〜２．３０％とし、望ましくは１．１０〜２．１５％とする。
【００１７】
Ｎｉ：０．２０〜３．００％
Ｎｉは、焼入性を高め、また、靱性を向上させることにより面圧疲労強度を向上させる作用のある元素である。その効果を得るためには０．２０％以上の添加が必要である。また、０．２０％以上添加することにより浸炭層の焼入性にも影響を及ぼす。一方、Ｎｉは３．００％を超えて含有すると加工性を著しく低下させ、かつ、コストアップとなる。そこでＮｉは３．００％以下とする。
【００１８】
Ｍｏ：０．０５〜０．２９％
Ｍｏは、焼入性を高め、また、鋼材の焼戻し軟化抵抗性を高める作用により面圧疲労強度を向上させる元素であり、その効果を得るには０．０５％以上の添加が必要である。また、０．０５％以上添加することにより浸炭層の焼入性にも影響を及ぼす。一方、Ｍｏは０．２９％を超えて含有すると加工性を低下させる。そこで、Ｍｏは０．０５〜０．２９％とする。
【００１９】
Ｃｕ：０．３０％以下
Ｃｕは、スクラップから含有される不可避な元素であるが、時効性を有し、強度を上昇させる効果がある。しかし、Ｃｕは０．３０％を超えると熱間加工性を低下する。そこで、Ｃｕは０．３０％以下とする。
【００２０】
Ａｌ：０．００８〜０．５００％
Ａｌは、脱酸材として使用される元素であり、また後述のようにＮと結合してＡｌＮとして析出して結晶粒粗大化抑制効果をもたらす。この効果を得るため、Ａｌは０．００８％以上の添加が必要である。一方、Ａｌを０．５００％を超えて添加すると大型のアルミナ系介在物を形成し、疲労特性および加工性を低下する。そこで、Ａｌは０．００８〜０．５００％とし、望ましくは０．０１４〜０．３００％とする。
【００２１】
Ｂ：０．０００３〜０．００５０％
Ｂは、極少量の含有によって鋼の焼入性を著しく向上させる元素であり、添加することによって他の合金元素の添加量を減らすことができるため、鋼材コストを下げるのに有効である。Ｂは、０．０００３％未満では焼入性の向上効果が小さく、一方、０．００５０％を超えると強度を低下させる。そこで、Ｂは０．０００３〜０．００５０％とし、望ましくは、Ｂは０．００１０〜０．００５０％とする。
【００２２】
Ｏ：０．００３０％以下
Ｏは、鋼中に不可避的に含有される元素である。しかし、Ｏが０．００３０％を超えて含有されると酸化物の増加による加工性や疲労強度の低下を招く。そこでＯは０．００３０％以下とし、望ましくは０．００２０％以下とする。
【００２３】
Ｎ：０．００２０〜０．０３００％
Ｎは、鋼中でＡｌＮやＮｂ窒化物として微細析出し、結晶粒粗大化を防止する効果をもたらし、その効果を得るために０．００２０％以上添加する必要がある。しかし、０．０３００％を超えると窒化物が増加し、疲労強度や加工性が低下する。そこで、Ｎは０．００２０〜０．０３００％とし、望ましくは０．００２０〜０．０２２０％とする。ただし、Ｔｉを添加する場合は、ＴｉとＮが結合して硬質のＴｉＮを形成し、機械加工性を顕著に損なうので特にＴｉを添加する鋼においては、Ｎは０．００２０〜０．０１００％に規制し、望ましくは０．００２０〜０．００８０％に規制する。
【００２４】
Ｔｉ：０．０２０〜０．２００％
Ｔｉは、鋼中のＣと結び付いて炭化物を微細に形成し、結晶粒粗大化を防止する効果をもたらすが、その効果を得る場合には、Ｔｉを０．０２０％以上添加する必要がある。一方、０．２００％を超える添加は、機械加工性を損なうため、上限は０．２００％とする。
【００２５】
Ｎｂ：０．０２〜０．２０％
Ｎｂは、炭化物あるいは窒化物を形成し、結晶粒粗大化防止効果をもたらす。特に鋼中に微細に分散したナノオーダーサイズのＮｂＣまたはＮｂ（Ｃ，Ｎ）が結晶粒の成長を抑制する。Ｎｂが０．０２％未満では、その効果は得られず、０．２０％を超えると析出物の量が過剰となり加工性を低下する。そこで、Ｎｂは０．０２〜０．２０％、望ましくは０．０２〜０．１２％とする。
【００２６】
質量％で、Ｓｉ＋Ｃｒ−２Ｍｎで表されるパラメータが１．０５以上とする理由
ガス浸炭焼入れによって形成される浸炭異常層は、ガス浸炭雰囲気中に僅かに存在する酸素が部品表面から供給され、この酸素が酸化されやすい元素であるＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒなどと結合して酸化物を形成し、合金元素を消費することにより、その周囲の合金元素を欠乏させて、焼入性を低下させるために生じる。通常、浸炭異常層はガス浸炭の加熱保持中に形成される粒界酸化をともなうため、これが表面欠陥として作用することで面圧疲労強度を低下させると考えられている。しかし、発明者らの鋭意研究により、Ｓｉ＋Ｃｒ−２Ｍｎで表されるパラメータが１．０５以上となるように制御することにより、面圧疲労強度低下の一因である粒界酸化が低減され、表面付近に緻密な浸炭異常層が形成されることを見出した。
【００２７】
質量％で、０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒで表されるパラメータが６．３０以下、または０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒ＋２．５Ｎｉ＋４．０Ｍｏで表されるパラメータが６．３０以下、もしくは０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒ＋２．５Ｎｉで表されるパラメータが６．３０以下とする理由
０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒで表されるパラメータを６．３０以下、または０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒ＋２．５Ｎｉ＋４．０Ｍｏで表されるパラメータを６．３０以下、もしくは０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒ＋２．５Ｎｉで表されるパラメータが６．３０以下に制御しておくことで、浸炭層内の焼入性を低く抑えることにより、浸炭異常層の硬さを軟質化できることを見出した。
上記した浸炭異常層の緻密さ、および浸炭層の焼入性に関するパラメータを共に満足することにより、緻密かつ軟質な浸炭異常層を部品同士の接触面間に介在させることで、部品同士を組み付けて馴染ませる際に硬質なマトリクス同士の金属接触を避けることができ、かつ浸炭異常層が適度に摩耗しながら適正な接触面を形成するために良好な潤滑状態を作り出すことができる。また、浸炭異常層が軟質であることにより疲労き裂の進展を抑える作用も発揮される。これらの効果により、面圧疲労強度に優れた機械構造用鋼を得ることができる。また、この優れた効果により、面圧疲労強度向上のためのショットピーニングや微粒子ショットピーニングを省略することも可能であるが、ショットピーニングや微粒子ショットピーニングを行えばさらに面圧疲労強度の改善が図れる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、上記の手段の鋼成分とパラメータを有する鋼からなる鋼材であり、この鋼材を用いてガス浸炭焼入れと焼戻しを行って、自動車や産業機械などに使用されるギヤやシャフトなどの動力伝達部品を製造することにより、それらの用途に用いた際に、面圧疲労強度が高い部品が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ローラーピッチング試験片の形状を示し、数値の単位はｍｍである。
【図２】ガス浸炭による浸炭焼入れと焼戻し例で、（ａ）は浸炭焼入れ、（ｂ）は焼戻しの各ヒートパターンを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の実施の形態を以下に説明する。表１に示す、発明鋼の実施例および比較鋼の実施例の化学成分からなる鋼を、１００ｋｇ真空溶解炉で溶製し、インゴットを得た。続いて、このインゴットを１２５０℃に加熱して５時間保持した後、径３２ｍｍの棒鋼に鍛造した。続いてこの径３２ｍｍの棒鋼を９００℃に加熱し、１時間保持した後、空冷して焼ならしした。次に、これらの鋼の、図１に示す、ローラーピッチング試験片１を作製し、図２に示すヒートパターンの条件によりガス浸炭による浸炭焼入れと焼戻しを実施した。なお、表１の比較鋼のＮｏ．２９については、ガス浸炭焼入れおよび焼戻し後、表１の備考に示すように微粒子ショットピーニングを実施し、また、表１の比較鋼のＮｏ．３０についてはガス浸炭焼入れおよび焼戻し後に表１の備考に示すようにショットピーニングを実施した。
【００３１】
【表１】
0005777090.tif 000002
【００３２】
次いで、これらの浸炭焼入れ焼戻し処理をし、さらに比較のために微粒子ショットピーニング又はショットピーニングしたローラーピッチング試験片１に、ローラーピッチング試験を実施し、その結果を表２に示す。面圧疲労強度の指標としたローラーピッチング寿命は比較鋼２１（ＪＩＳ  ＳＣＭ４２０に相当）の強度を１．００とした際の強度比で示す。
【００３３】
【表２】
0005777090.tif 000003
【００３４】
表２に見られるとおり、本発明の実施例の各発明鋼は所定の範囲の成分からなるものとし、かつＳｉ＋Ｃｒ−２Ｍｎで表されるパラメータが１．０５以上からなるものとし、かつ０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒで表されるパラメータまたは０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒ＋２．５Ｎｉ＋４．０Ｍｏで表されるパラメータもしくは０．７Ｓｉ＋２．５Ｍｎ＋２．０Ｃｒ＋２．５Ｎｉで表されるパラメータが６．３以下からなるものとすることで、比較鋼のＮｏ．１７〜２８の各鋼に比べて、本発明の実施例の各発明鋼はローラーピッチング寿命が大幅に向上できている。また、ショットピーニングや微粒子ショットピーニングを施した比較鋼のＮｏ．２９および比較鋼のＮｏ．３０の鋼と比べても、本発明の実施例の各発明鋼は、それら以上のローラーピッチング寿命を有している。
【符号の説明】
【００３５】
１  ローラーピッチング試験片
【図１】
0005777090.tif 000004
【図２】
0005777090.tif 000005