(57)【要約】【課題】従来の大型ＭｎＳ晶出型の快削鋼と同等の被削性を有し、かつ、耐ピッチング性に優れた肌焼鋼を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０７〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｓ：０．０５〜０．４０％、原子比でＭｎ／Ｓ：０．６〜１．４、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００３〜０．０３０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、鋼中にＭｎＳを主成分とする微細硫化物を１ｍｍ２当たり５０００個以上含有する被削性と耐ピッチング性に優れた肌焼鋼。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
肌焼鋼において、質量％で、Ｍｎ添加量を０．０５〜１．００％、Ｓ添加量を０．０５〜０．４０％とし、原子比でＭｎ／Ｓ：０．６〜１．４とし、鋼中にＭｎＳを主成分とする微細硫化物を１ｍｍ２当たり５０００個以上含有することを特徴とする被削性と耐ピッチング性に優れた肌焼鋼。
【請求項２】
肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．０７〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｓ：０．０５〜０．４０％、原子比でＭｎ／Ｓ：０．６〜１．４、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００３〜０．０３０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１記載の被削性と耐ピッチング性に優れた肌焼鋼。
【請求項３】
肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．０７〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｓ：０．０５〜０．４０％、原子比でＭｎ／Ｓ：０．６〜１．４、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００３〜０．０３０％を含有し、さらにＣｒ：０．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜３．５０％から選択の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１記載の被削性と耐ピッチング性に優れた肌焼鋼。
【請求項４】
肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．０７〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｓ：０．０５〜０．４０％、原子比でＭｎ／Ｓ：０．６〜１．４、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００３〜０．０３０％を含有し、さらにＣｒ：０．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜３．５０％から選択した１種又は２種を含有し、さらにＢ：０．０００５〜０．００２５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１記載の被削性と耐ピッチング性に優れた肌焼鋼。
【請求項５】
肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．０７〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｓ：０．０５〜０．４０％、原子比でＭｎ／Ｓ：０．６〜１．４、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００３〜０．０３０％を含有し、さらにＣｒ：０．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜３．５０％から選択した１種又は２種を含有し、さらにＮｂ：０．０１〜０．１５％、Ｔｉ：０．０３〜０．３０％から選択した１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１記載の被削性と耐ピッチング性に優れた肌焼鋼。
【請求項６】
肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．０７〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｓ：０．０５〜０．４０％、原子比でＭｎ／Ｓ：０．６〜１．４、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００３〜０．０３０％を含有し、さらにＣｒ：０．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜３．５０％から選択の１種または２種以上を含有し、さらにＢ：０．０００５〜０．００２５％を含有し、さらにＮｂ：０．０１〜０．１５％、Ｔｉ：０．０３〜０．３０％から選択した１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１記載の被削性と耐ピッチング性に優れた肌焼鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種の産業機械や、自動車などのエンジンや、駆動系部品であるギアその他の自動車用部品に使用する肌焼鋼に関し、特に、熱間、温間または冷間鍛造によって成型し、必要に応じて熱処理を行った後、切削加工によって製品形状に仕上げ、その後、浸炭または浸炭窒化などの表面硬化を施してギアなどの部品とするために使用する肌焼鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術について述べると、自動車のエンジンや駆動系部品に用いられるギアは、例えば、肌焼鋼材を熱間、温間または冷間鍛造にて成型し、必要に応じて熱処理をし、歯切りなどの切削加工を行った後、浸炭処理し、さらに必要に応じてショットピーニングなどの表面処理する工程で製造される。しかし、肌焼鋼材の被削性が悪いと、歯切りなどの切削加工において、工具寿命の低下を招き、この結果、コストアップにつながる。
【０００３】
そこで、上記の肌焼鋼の被削性の向上には、鋼材の組織制御や、硬さ調整を行っている。このようにして被削性の向上を図った鋼材の同一組織、同一硬さにおいて、さらなる被削性の向上を図るためには、鋼成分のＳを増量したり、さらに、Ｐｂ、Ｂｉなどの添加による快削性物質を利用した手法が用いられている。
【０００４】
すなわち、Ｓ増量は鋼材中にＭｎＳを生成して、切削時に生成されたＭｎＳが応力集中源となり、かつ、ＭｎＳが工具と切り屑および工具とワークとの潤滑性を有するため、被削性を向上させる。しかし、大型のＭｎＳは破壊の起点となり、特に衝撃特性に悪影響を及ぼすという問題点を持つ。
【０００５】
鋼成分としてＰｂやＢｉの添加も同様に被削性は向上するが、Ｐｂは環境問題の観点からＰｂフリー化が求められており、Ｂｉの添加はコストアップになる問題がある。
【０００６】
一方、ギアに求められる強度特性としては、歯元の疲労特性や衝撃特性並びに歯面の耐ピッチング特性があり、これらの特性向上が期待される。
【０００７】
なかでも歯面の耐ピッチング性については、（１）Ｓｉ増量による高温時での表面硬さの上昇、（２）ショットピーニング処理などによる表面近傍の圧縮残留応力の付加、（３）真空浸炭などによる浸炭異常層の低減、（４）歯面の研磨作業などによる表面粗さの低減などの手段が、特性改善に有効と報告されている。
【０００８】
しかし、（１）の高温時での表面硬さの上昇のためにＳｉを鋼成分として増量すると、被削性を阻害し、（２）〜（４）の手段では、新たな製造工程や工法によるコストアップにつながる問題がある。
【０００９】
近年の高強度化ニーズに対応するためには、低コストで新たな手法による、耐ピッチング性の向上が望まれている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、従来の大型ＭｎＳ晶出型の快削鋼と同等の被削性を有し、かつ、耐ピッチング性に優れた肌焼鋼を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明では、肌焼鋼材中に微細硫化物を多数存在させることにより、（１）衝撃特性などの強度低下を抑制し、かつ被削性の向上を図り、（２）耐ピッチング性の向上、を可能としたものである。
【００１２】
本発明での微細硫化物とは、ＭｎＳを主成分とした晶出あるいは析出によって生成する鋼材中の介在物で、円相当直径で０．１〜３μｍの大きさのものを指しており、これらの介在物中には、ＭｎとＳ以外に、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｏなどのマトリックス中の元素やＴｉなどの硫化物あるいは炭硫化物生成元素を含む場合もある。また。これらの微細硫化物以外に、通常の大型硫化物や酸化物、炭窒化物が存在していても良い。
【００１３】
ＭｎＳなどの硫化物を微細かつ多数析出させることによって、従来の快削鋼と同等の被削性を有し、衝撃特性に及ぼす悪影響を低減する。また多数の微細硫化物が摩擦低減の効果を発揮し、ギアの歯面に求められる耐ピッチング性が向上するものである。
【００１４】
すなわち、上記の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、肌焼鋼において、質量％で、Ｍｎ添加量を０．０５〜１．００％、Ｓ添加量を０．０５〜０．４０％とし、原子比でＭｎ／Ｓ：０．６〜１．４とし、鋼中にＭｎＳを主成分とする微細硫化物を１ｍｍ２当たり５０００個以上含有することを特徴とする被削性と耐ピッチング性に優れた肌焼鋼である。
【００１５】
請求項２の発明では、肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．０７〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｓ：０．０５〜０．４０％、原子比でＭｎ／Ｓ：０．６〜１．４、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００３〜０．０３０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１の手段の被削性と耐ピッチング性に優れた肌焼鋼である。なお、請求項４〜６の手段のように、さらに、任意成分として、Ｂ、Ｔｉ、Ｎｂから選択した１種または２種以上を含有してもよい。
【００１６】
請求項３の発明では、肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．０７〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｓ：０．０５〜０．４０％、原子比でＭｎ／Ｓ：０．６〜１．４、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００３〜０．０３０％を含有し、さらにＣｒ：０．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜３．５０％から選択の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１の手段の被削性と耐ピッチング性に優れた肌焼鋼である。
【００１７】
請求項４の発明では、肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．０７〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｓ：０．０５〜０．４０％、原子比でＭｎ／Ｓ：０．６〜１．４、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００３〜０．０３０％を含有し、さらにＣｒ：０．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜３．５０％から選択した１種又は２種を含有し、さらにＢ：０．０００５〜０．００２５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１の手段の被削性と耐ピッチング性に優れた肌焼鋼である。
【００１８】
請求項５の発明では、肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．０７〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｓ：０．０５〜０．４０％、原子比でＭｎ／Ｓ：０．６〜１．４、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００３〜０．０３０％を含有し、さらにＣｒ：０．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜３．５０％から選択した１種又は２種を含有し、さらにＮｂ：０．０１〜０．１５％、Ｔｉ：０．０３〜０．３０％から選択した１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１の手段の被削性と耐ピッチング性に優れた肌焼鋼である。
【００１９】
請求項６の発明では、肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．０７〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｓ：０．０５〜０．４０％、原子比でＭｎ／Ｓ：０．６〜１．４、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００３〜０．０３０％を含有し、さらにＣｒ：０．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜３．５０％から選択の１種または２種以上を含有し、さらにＢ：０．０００５〜０．００２５％を含有し、さらにＮｂ：０．０１〜０．１５％、Ｔｉ：０．０３〜０．３０％から選択した１種又は２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１の手段の被削性と耐ピッチング性に優れた肌焼鋼である。
【００２０】
本発明における鋼材の成分限定理由を説明する。なお、いずれも％は質量％である。
Ｃ：０．０７〜０．３５％
Ｃは、鋼材に必要な強度を与え、焼入性を向上させる元素であり、０．０７％未満では他の合金元素との関係で機械用部品として必要な引張り強さを確保できず、０．３５％を超えると他の合金元素との関係で硬くなり被削性を阻害し、かつ、浸炭後の芯部靱性が劣化する。そこで、Ｃ：０．０７〜０．３５％とする。
【００２１】
Ｓｉ：０．０５〜２．００％
Ｓｉは、主として脱酸剤および焼入性を向上させる元素で、０．０５％未満ではその効果は十分でなく、２．００％を超えると硬さの上昇を招き、被削性を阻害する。そこで、Ｓｉ：０．０５〜２．００％とする。
【００２２】
Ｍｎ：０．０５〜１．００％
Ｍｎは、鋼の脱酸に有効であり、さらに強度および焼入性を付与するために有効な元素である。さらに、ＭｎＳ生成に必要で、かつＦｅＳ生成を防止する元素である。０．０５％未満ではその効果は十分でなく、上限は、Ｓの上限とＭｎ／Ｓ比：１．４を満たす値で、あり、１．００％を超えるとその効果は飽和するとともに硬さの上昇を招き加工性を劣化する。そこで、Ｍｎ：０．０５〜１．００％とし、好ましくは、Ｍｎ：０．１４〜０．６０％とする。
【００２３】
Ｓ：０．０５〜０．４０％
Ｓは、鋼中でＭｎＳを形成し、微細ＭｎＳによる被削性を向上させ、耐ピッチング性を向上させる元素である。しかし、０．０５％未満では、その効果は十分でなく、０．４０％を超えると熱間加工性を損なう。そこで、Ｓ：０．０５〜０．４０％とし、好ましくはＳ：０．１０〜０．３０％とする。
【００２４】
原子比でＭｎ／Ｓ：０．６〜１．４
Ｍｎ／Ｓ：０．６未満では、ＦｅＳの生成により熱間加工性が損なわれる。１．４を超えると、大型ＭｎＳの生成による機械的性質の劣化する。そこで、原子比でＭｎ／Ｓ：０．６〜１．４とし、好ましくは、Ｍｎ／Ｓ：０．８〜１．２とする。
【００２５】
Ａｌ：０．００５〜０．０６０％
Ａｌは、脱酸剤として必要な元素であり、さらに浸炭加熱の際に、鋼中のＮと結びついてＡｌＮを形成し、結晶粒の微細化および結晶粒の粗大化抑止に有効な元素である。０．００５％未満では結晶粒調整に必要な最低限のＡｌＮ量が得られない。０．０６０％を超えると結晶粒調整の効果が飽和する。そこで、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％とする。
【００２６】
Ｎ：０．００３〜０．０３０％
Ｎは、０．００３％未満では結晶粒調整に必要な最低限のＡｌＮ量が得られない。さらに、０．０３０％を超えると結晶粒調整の効果が飽和する。そこで、Ｎ：０．００３〜０．０３０％とする。
【００２７】
Ｐ：０．０５０％未満
Ｐは、任意に含有される不純物成分で、浸炭部品の結晶粒界を脆化させるので、できるだけ低減することが望ましく、そこで、Ｐ：０．０５０％未満が望ましい。
【００２８】
Ｃｒ：０．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜３．５０％から選択の１種または２種以上
Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉは、強度、焼入性、靱性を与えるのに有効な元素である。Ｃｒは、０．５０％未満ではその効果は十分でなく、Ｍｏ、Ｎｉは、０．０５％未満ではその効果は十分でない。Ｃｒは２．５０％を超えると、Ｍｏは１．００％を超えると、Ｎｉは３．５０％を超えると、硬さの上昇を招き、加工性が劣化するとともにコストアップとなる。これらは選択的に使用することができる。そこで、Ｃｒ：０．５０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．０５〜３．５０％から選択の１種または２種以上とする。
【００２９】
Ｂ：０．０００５〜０．００２５％
Ｂは、焼入性を向上させ、さらに粒界強化による強度向上に有効な元素で、０．０００５％未満では、その効果は十分でなく、０．００２５％を超えてもその効果は飽和する。そこで、Ｂ：０．０００５〜０．００２５％とする。
【００３０】
Ｎｂ：０．０１〜０．１５％、Ｔｉ：０．０３〜０．３０％から選択した１種又は２種
ＮｂまたはＴｉは、炭窒化物の生成により結晶粒を微細化し、強度を向上する元素で、Ｎｂは０．０１％未満では、Ｔｉは０．０３％未満では、それらの効果は十分でなく、Ｎｂは０．１５％を超えると、Ｔｉは０．３０％を超えると、結晶粒微細化の効果が飽和する。そこで、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％、Ｔｉ：０．０３〜０．３０％から選択した１種又は２種とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を実施例を通じて説明する。本発明は、被削性と耐ピッチング性に優れ、機械構造用部品、例えばギアなどに加工して浸炭焼入れを施して使用するための、低ＣにＳｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏなどの合金元素を適宜に添加した鋼で、ＪＩＳに肌焼き鋼として規定される鋼種において、Ｍｎ添加量を０．０５〜１．００質量％、Ｓ添加量を０．０５〜０．４０質量％とした鋼種である。
【００３２】
【実施例】
表１に示す本発明における成分組成の発明鋼と比較のために示す成分組成の比較鋼のそれぞれを１００ｋｇ真空溶解炉で溶製した。溶製して得た鋼塊を１２００℃に加熱して鍛伸し、φ６５の肌焼鋼素材とした。なお、表１の成分組成において、Ｐは全て不純物として含有されている。さらに、発明鋼１のＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、発明鋼２のＭｏ、Ｎｉ、発明鋼４〜１０のＮｉは、不純物として含有されている。Ｂを含有する発明鋼７、１０では、ＢはＢＮを生成し易いため、ＢよりもＮと結合し易いＴｉを本発明の範囲に達しないが少量添加すると共にＮ量も減らしている。比較鋼１〜６のＮｉも不純物として含有されているものである。その他比較鋼の網掛け部は本発明の範囲を外れるものである。
【００３３】
【表１】
2004068066.tif 000002
【００３４】
さらに、この肌焼鋼素材を１，２００℃に加熱してφ２０丸材、φ３２丸材および４０×７０ｍｍ角材にそれぞれ鍛伸した。次いで、これらを９００℃に焼ならした後、ギアなどの製品に代わる試験片に作製した。これらの試験片は、φ３２丸材でローラーピッチング試験片、φ２０丸材で回転丸疲労試験片、φ３２丸材で被削性試験片とし、さらにシャルピー衝撃試験片は鍛伸方向のＬ方向と、鍛伸方向とは直角の方向のＴ方向のそれぞれの試験片とした。さらにこれらの試験片をオーステナイト領域の温度に加熱して、ガス浸炭により浸炭した後、焼入れをしてそれぞれの試験片の表面を硬化した。
【００３５】
得られた試験片を用いて、次の条件の試験をした。すなわち、シャルピー衝撃試験は、Ｌ方向、Ｔ方向ともに測定した。ローラーピッチング試験条件は、すべり率−４０％、回転数２０００ｒｐｍ、油温８０℃で、ピッチングが生じた回転数を寿命とした。回転曲げ疲労試験条件は、回転数３０００ｒｐｍで荷重を変化させ、１０７回転後も破断しない荷重を疲労限とした。被削性試験は、表２に示す被削性評価条件で評価して旋削での超硬工具摩耗量を測定した。さらに、ＭｎＳを主とする微細硫化物の１ｍｍ２当たりの個数を顕微鏡で観察して調査した。
【００３６】
【表２】
2004068066.tif 000003
【００３７】
表３に、各発明鋼と比較鋼についての硫化物個数、被削性についての評価、機械的性質についての評価を示す。なお、表３の比較鋼１〜６における網掛け部は、本発明鋼に比して劣るものである。
【００３８】
【表３】
2004068066.tif 000004
【００３９】
表１、表２および表３の結果を検討すると、比較鋼４、５はそれぞれＳ、Ｍｎの含有量が低く、硫化物個数が少ない。比較鋼４、５と比較して、発明鋼１〜９は、硫化物個数がいずれも５０００個以上で、優れた被削性、耐ピッチング性を有する。また、比較鋼１、２は硫化物個数は５０００個以上であるが、Ｃ、Ｓｉが高いため、若干被削性が劣る。
【００４０】
比較鋼３はＭｎ／Ｓ比が５．５と大きいため、大型の硫化物の生成によって、硫化物個数が少なくなり、被削性は良好なものの、機械的特性は劣る。
【００４１】
比較鋼６は硫化物個数５０００個以上で、優れた被削性、耐ピッチング性を有し、機械的特性の劣化も認められないものの、Ｍｎ／Ｓ比が０．５５と低いため熱間加工性が劣る。同様に比較鋼５もＭｎ／Ｓ比が０．２３と低いため熱間加工性が劣る。
【００４２】
発明鋼１と比較して、発明鋼２〜６は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉなどの増量により機械的特性はさらに向上している。また、発明鋼４〜６と比較して、発明鋼７は、Ｂを添加して、焼入性の向上、粒界強化の効果により、発明鋼８はＮｂを添加して、オーステナイト結晶粒の微細化の効果によって、シャルピー衝撃値と疲労限の向上が認められる。発明鋼７、８と比較して発明鋼９、１０はＢ添加とＴｉまたはＮｉ添加の相乗効果によりさらに機械的特性が向上している。ローラーピッチング寿命は硫化物が微細に分散することで得られる表面摩擦の低減効果によって、全ての発明鋼で良好な特性が得られている。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は肌焼鋼の成分組成として、Ｍｎ添加量を０．０５〜１．００質量％、Ｓ添加量を０．０５〜０．４０質量％として、鋼中にＭｎＳを主成分とする微細硫化物を１ｍｍ２当たり５０００個以上含有するものとしたことで、従来の大型ＭｎＳ晶出型の快削鋼と同等の被削性を有し、さらに耐ピッチング性に優れた肌焼鋼とすることができ、機械構造用部品、特に自動車部品のギアとして従来にない優れた効果を奏するものである。