(57)【要約】【課題】浸炭性が優れたＮｂ含有肌焼鋼を提供すること。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０５〜０．３５％、Ｓｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｎ：０．２０〜２．０％、Ｃｒ：０．２０〜３．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％、Ｔｉ：０．００４〜０．１０％、Ａｌ：０．０１０〜０．１０％およびＮ：０．００３〜０．０５％を含有し、さらに必要に応じてＣｕ：１．０％以下、Ｎｉ：２．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｂ：０．０００３〜０．００５％などのうちの１種または２種以上を含有し、Ｔｉ≧２／５Ｎｂの条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物である浸炭性に優れたＮｂ含有肌焼鋼。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で（以下同じ）、Ｃ：０．０５〜０．３５％、Ｓｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｎ：０．２０〜２．０％、Ｃｒ：０．２０〜３．５％、Ａｌ：０．０１０〜０．１０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％、Ｔｉ：０．００４〜０．１０％およびＮ：０．００３〜０．０５％を含有し、Ｔｉ≧２／５Ｎｂの条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする浸炭性に優れたＮｂ含有肌焼鋼。
【請求項２】
上記残部のＦｅの一部に代えてＣｕ：１．０％以下、Ｎｉ：２．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下およびＢ：０．０００３〜０．００５％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１記載の浸炭性に優れたＮｂ含有肌焼鋼。
【請求項３】
上記残部のＦｅの一部に代えてＳ：０．０６％以下、Ｔｅ：０．２％以下、Ｐｂ：０．２％以下、Ｂｉ：０．２％以下、Ｓｅ：０．２％以下およびＣａ：０．０１％以下のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の浸炭性に優れたＮｂ含有肌焼鋼。
【請求項４】
上記残部のＦｅの一部に代えてＺｒ：０．０１〜０．２％、Ｔａ：０．０１〜０．５％、Ｈｆ：０．０１〜０．５％およびＶ：０．０１〜０．３％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちのいずれか１項記載の浸炭性に優れたＮｂ含有肌焼鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浸炭性に優れたＮｂ含有肌焼鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、歯車、ベアリング転動体、チエーン、スプライン軸などの動力伝達部品は、高い耐摩耗性、耐疲労性、耐ピッチング性などが要求されるため、機械構造用鋼、例えばＪＩＳ  ＳＣＭ４２０Ｈ（Ｃ：０．１７〜０．２３％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．５５〜０．９０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．８５〜１．２５％およびＭｏ：０．１５〜０．３５％を含有し、残部が実質的にＦｅ）、ＳＮＣ４１５Ｈ、ＳＮＣＭ４２０Ｈなどの鋼を鍛造、機械加工などによって成形し、その後浸炭し、更に焼入れ焼戻しをして製造されている。
しかし、上記ＪＩＳ  ＳＣＭ４２０Ｈなどの鋼を浸炭処理すると、長時間加熱されるため、結晶粒が粗大化し、耐疲労性、耐ピッチング性などが低下するという問題があった。
【０００３】
そこで、上記鋼などにＡｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖなどを含有させ、ＡｌＮ、ＴｉＮ、Ｎｂ（ＣＮ）などの窒化物、炭窒化物の析出を利用して結晶粒成長を抑制することが知られている（特許文献１、非特許文献１参照。）。
上記結晶粒成長を抑制する元素のうち、Ｎｂが結晶粒成長抑止効果が最も大きいので、Ｎｂを含有させた肌焼鋼が製造されている。
しかし、このＮｂを含有させた肌焼鋼は、浸炭中に結晶粒が成長することは少ないが、浸炭性が低下する、すなわち単位時間当たりの浸炭深さが低下するという問題がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２００３８号公報
【非特許文献１】
日本金属学会編「金属便覧」丸善株式会社昭和、昭和５７年１２月２０日、Ｐ８０３〜８０４
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、浸炭性が優れたＮｂ含有肌焼鋼を提供することを課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、Ｎｂを含有させた肌焼鋼について浸炭性が低下する原因、その解決方法について鋭意研究していたところ、Ｎｂを含有さることによりＣの拡散が阻害され、浸炭の深さが減少すること、Ｎｂを含有させた鋼にＴｉを含有させることによりＮｂによるＣの拡散の阻害が解消されること、ＮｂによるＣの拡散の阻害が解消されるＴｉの量は、Ｎｂ×２／５以上であることなどの知見を得た。
本発明は、これらの知見に基づいて発明をされたものである。
【０００７】
すなわち、本発明の浸炭性が優れたＮｂ含有肌焼鋼においては、Ｃ：０．０５〜０．３５％、Ｓｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｎ：０．２０〜２．０％、Ｃｒ：０．２０〜３．５％、Ａｌ：０．０１０〜０．１０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％、Ｔｉ：０．００４〜０．１０％およびＮ：０．００３〜０．０５％を含有し、さらに必要に応じてＣｕ：１．０％以下、Ｎｉ：２．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下およびＢ：０．０００３〜０．００５％のうちの１種または２種以上を含有し、また必要に応じてＳ：０．０６％以下、Ｔｅ：０．２％以下、Ｐｂ：０．２％以下、Ｂｉ：０．２％以下、Ｓｅ：０．２％以下およびＣａ：０．０１％以下のうちの１種または２種以上を含有し、さらにまた必要に応じてＺｒ：０．０１〜０．２％、Ｔａ：０．０１〜０．５％、Ｈｆ：０．０１〜０．５％およびＶ：０．０１〜０．３％のうちの１種または２種以上を含有し、Ｔｉ≧２／５Ｎｂの条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物であるものとすることである。
【０００８】
【作用】
本発明の浸炭性が優れたＮｂ含有肌焼鋼は、Ｔｉを０．００４〜０．１０％の範囲内であって、２／５×（Ｎｂ％）以上含有させることにより、Ｔｉを含有させないものより単位時間当たりの浸炭深さが深くなり、Ｎｂを含有しない肌焼鋼と同等になる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の浸炭用鋼において成分組成を上記のように特定した理由を説明する。
Ｃ：０．０５〜０．３５％
Ｃは、鋼材の心部の強度を高くすると共に、焼入性を高めるので、それらのために含有させる元素である。それらの作用効果を得るためには０．０５％以上、好ましくは０．１５％以上含有させる必要があるが、０．３５％、好ましくは０．２５％を超えると硬くなり過ぎて被削性を低下させるので、その含有量を０．０５〜０．３５％にする。好ましい含有量は０．１５〜０．２５％である。
【００１０】
Ｓｉ：０．０３〜１．０％
Ｓｉは、鋼溶製時の脱酸剤であり、基地の疲労強度および焼戻し軟化抵抗を高めるので、それらのために含有させる元素である。それらの作用効果を得るためには０．０３％以上含有させる必要があるが、１．０％を超えると硬くなり過ぎて加工性を低下させるので、その含有量を０．０３〜１．０％にする。
【００１１】
Ｍｎ：０．２０〜２．０％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に鋼溶製時の脱酸剤であり、また焼入れ性を向上させるので、それらのために含有させる元素である。それらの作用効果を得るためには０．２０％以上含有させる必要があるが、２．０％を超えると硬くなり過ぎて加工性を低下させると共に、焼なまし処理による変態終了時間が長くなって経済的でないので、その含有量を０．２０〜２．０％にする。
【００１２】
Ｃｒ：０．２０〜３．５％
Ｃｒは、Ｍｎと同様に焼入性を向上させるとともに、基地に固溶して心部の強度を向上させるので、それらのために含有させる元素である。それらの作用効果を得るためには０．２０％以上、好ましくは０．８０％以上含有させる必要があるが、３．５％、好ましくは３．０％より多くなると粗大な炭化物が多くなって面疲労強度を低下させるので、その含有量を０．２０〜３．５％とする。好ましい含有量は０．８０〜３．０％である。
【００１３】
Ａｌ：０．０１０〜０．１０％以下
Ａｌは、鋼溶製時に脱酸剤として添加する元素であり、鋼中に残存する量が０．０１０％より少ないと溶鋼の脱酸が十分行われず、０．１０％より多くなると効果が飽和するので、その含有量を０．０１０〜０．１０％とする。
【００１４】
Ｎｂ：０．０１〜０．１５％
Ｎｂは、炭窒化物（Ｎｂ（ＣＮ））を析出して浸炭中などにおいて結晶粒の成長を抑制するので、そのために含有させる元素である。その作用効果を得るためには０．０１％以上含有させる必要があるが、０．１５％より多くなると効果が飽和するので、その含有量を０．０１〜０．１５％とする。
【００１５】
Ｔｉ：０．００４〜０．１０％  Ｔｉ≧２／５Ｎｂ
Ｔｉは、Ｎｂを含有させた鋼にＴｉを含有させることによりＮｂによるＣの拡散の阻害が解消され、浸炭性が改善されるので、そのために含有させる元素である。その作用効果を得るためには０．００４％以上で、かつ図１および図２に示すように２／５Ｎｂ以上含有させる必要があるが、０．１０％より多くなると効果が飽和するので、その含有量を０．００４〜０．１０％とする。
【００１６】
Ｎ：０．００３〜０．０５％
Ｎは、ＮｂおよびＣと化合して炭窒化物（Ｎｂ（ＣＮ））を析出して浸炭中などにおいて結晶粒の成長を抑制するので、そのために必要な元素である。その作用効果を得るには０．００３％以上含有させる必要があるが、０．０５％より多くなると粗大なＶ、Ｔｉなどの窒化物になって微細に分散されなくなるので、その含有量を０．００３〜０．０５％とする。
【００１７】
Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：２．５％以下、Ｍｏ：１．０％以下
Ｃｕ、Ｎｉ、ＭｏおよびＢは、焼入性を向上させるので、そのために含有させる元素であるが、多くなり過ぎるとＣｕでは熱間加工性を低下し、ＮｉおよびＭｏでは硬くなり過ぎて被削性を低下させるとともにコストを高くするので、その上限をＣｕおよびＭｏでは１．０％、Ｎｉでは２．５％とする。
【００１８】
Ｂ：０．０００３〜０．００５％
Ｂは、焼入性を向上させるので、そのために含有させる元素である。その作用効果を得るには０．０００３％以上含有させる必要があるが、０．００５％より多くなると焼入性が不安定になるので、その含有量を０．０００３〜０．００５％とする。
【００１９】
Ｚｒ：０．０１〜０．２％、Ｔａ：０．０１〜０．５％、Ｈｆ：０．０１〜０．５％、Ｖ：０．０１〜０．３％
Ｚｒ、Ｔａ、ＨｆおよびＶは、Ｃと結合して微細な析出物を生成してオーステナイト結晶粒の粗大化を防止するので、そのために含有させる元素である。その作用効果を得るためには０．０１％以上含有させる必要があるが、Ｚｒでは０．２％、ＴａおよびＨｆでは０．５％、Ｖでは０．３％を超えると冷間加工性を低下させるので、その含有量を上記のとおりとする。
【００２０】
Ｓ：０．０６％以下、Ｔｅ：０．２％以下、Ｐｂ：０．２％以下、Ｂｉ：０．２％以下、Ｓｅ：０．２％以下およびＣａ：０．０１％以下
Ｓ、Ｔｅ、Ｐｂ、Ｂｉ、ＳｅおよびＣａは、被削性を向上させるので、それらのために含有させるが、多くなり過ぎるとＳ、Ｔｅ、Ｐｂ、ＢｉおよびＳｅでは熱間加工性、靱性などを低下させ、Ｃａでは効果が飽和するので、その上限を上記のとおりとする。
【００２１】
不可避不純物
Ｐ、Ｏは不可避不純物であって、靱性を低下させるので少ないほうが好ましが、少なくするにはコストを上昇させるので、Ｐでは０．０３０％以下、Ｏでは０．００３％以下が好ましい。
【００２２】
本発明の浸炭用鋼の使用方法の一例は、８５０〜１０５０℃において浸炭および拡散処理を行い、８３０〜９２０℃から油中に焼入れるか、浸炭および拡散処理後冷却した後８３０〜９２０℃加熱した後油中に焼入れすることである。焼入れに続いて１５０〜２００℃に１〜２時間加熱して焼戻しをすることである。
また、本発明の浸炭用鋼の用途は、歯車、ベアリング転動体、ドライブスプロケット、チエーン、スプライン軸、ピストンピン、カム、ころ、トロイダルＣＶＴ（無断変速機）のパワーローラまたは入出力ディスクなどの動力伝達部品に適している。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって説明する。
下記表１に示す成分組成の本発明例および比較例の鋼を５０ｋｇ真空誘導加熱炉を用いて溶製し、通常の鋳造方法で鋳造してインゴットを得た。これらのインゴットを１２５０℃で熱間鍛造をしてφ３０ｍｍの鍛造素材にし、その後９００℃で焼きならしをして試験素材とした。これらの試験素材からφ２５ｍｍ、長さ１３０ｍｍの試験片を作製した。これらの試験片をガス浸炭炉によって下記条件で浸炭処理、焼入れおよび焼戻しをした。これらの処理をした各試験片中央部の横断面のＣ含有量の分布をＥＰＭＡによる線分析法で測定し、表面からＣ含有量が０．４１％になる位置までの深さを測定した。その結果を下記表２ならびに図１および図２にに示す。また、上記処理をした各試験片中央部の横断面の硬さ分布をＪＩＳ  Ｇ  ０５５７に規定されている浸炭硬化深さ測定方法によって測定し、表面から硬さが５１３ＨＶになる位置までの深さ（有効硬化層深さ）を測定した。その結果を下記表２ならびに図１および図２に示す。
【００２４】
浸炭処理などの条件
１０００℃で３時間浸炭拡散処理（浸炭２時間、拡散１時間）し、８５０℃に冷却して３０分間保持した後に８０℃の油槽に焼入れ処理をした。その後１８０℃で６０分間保持して焼戻し処理をした。浸炭処理のガスは、ＲＸガス、プロパンガスを主成分とし、キャリアガスとして窒素ガスを使用した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
【表２】
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【００２７】
表２の結果によると、本発明例は、表面からＣ含有量が０．４１％になる位置までの深さが１．１６〜１．２５ｍｍであり、硬さが５１３ＨＶ以上の有効硬化層深さが１．１８〜１．３５ｍｍであり、結晶粒度が粒度番号７．８〜１０．６であった。
これに対して、Ｎｂを含有しない比較例１は、表面からＣ含有量が０．４１％になる位置までの深さおよび硬さが５１３ＨＶ以上の有効硬化層深さが本発明例と同程度であったが、結晶粒度が粒度番号０で非常に大きかった。
【００２８】
さらに、Ｔｉを含有しないこと以外は成分組成が本発明の範囲内にある比較例２〜４、６および７は、結晶粒度が本発明例と同程度の大きさであったが、本発明例より表面からＣ含有量が０．４１％になる位置までの深さおよび硬さが５１３ＨＶ以上の有効硬化層深さが本発明例より約１０％以上浅くなっていた。
また、Ｔｉを含有しているが、その含有量が２／５Ｎｂ以下である比較例５および８は、結晶粒度が本発明例と同程度の大きさであったが、表面からＣ含有量が０．４１％になる位置までの深さおよび硬さが５１３ＨＶ以上の有効硬化層深さがＴｉを含有しないのと同様に本発明例より約１０％以上浅くなっていた。
【００２９】
次に図１および図２の説明をする。
図１は、Ｃ含有量が０．４１％になる位置までの深さを縦軸にし、Ｔｉ／Ｎｂ含有量を横軸にしたグラフに上記実施例の本発明例および比較例を記入したものである。また図２は、硬さが５１３ＨＶ以上の有効硬化層深さを縦軸にし、Ｔｉ／Ｎｂ含有量を横軸にしたグラフに上記実施例の本発明例および比較例を記入したものである。
Ｔｉ／Ｎｂが２／５以上である本発明例は、Ｃ含有量が０．４１％になる位置までの深さおよび硬さが５１３ＨＶ以上の有効硬化層深さが比較例のＮｂを含有しないものと同程度であったが、比較例のＮｂを含有するものより大幅に深くなっていることが分かる。
【００３０】
【効果】
本発明の浸炭性に優れたＮｂ含有肌焼鋼は、上記構成にしたことにより、結晶粒を粗大化することがなく、焼入れ性がＮｂを含有しない肌焼鋼と同等またはそれ以上になるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｃ含有量が０．４１％になる位置までの深さを縦軸にし、Ｔｉ／Ｎｂ含有量を横軸にしたグラフに実施例の結果を記入したグラフである。
【図２】硬さが５１３ＨＶ以上の有効硬化層深さを縦軸にし、Ｔｉ／Ｎｂ含有量を横軸にしたグラフに実施例の結果を記入したグラフである。
【図１】
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【図２】
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