(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量で，Ｃ：０．１２〜０．２２％，Ｓｉ：０．４０〜１．５０％，Ｍｎ：０．２５〜０．４５％，Ｎｉ：０．５０〜１．５０％，Ｃｒ：１．３０〜２．３０％，Ｂ：０．００１０〜０．００３０％，Ｔｉ：０．０２〜０．０６％，Ｎｂ：０．０２〜０．１２％，Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｍｏ：０．０２％以下を含有し，残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり，一端焼入試験において５０％マルテンサイトに相当する硬さとなる位置の焼入端からの距離が２０ｍｍ以上，かつ下記の式で表される成分パラメータＨが９５以下であることを特徴とする高い焼入性と低い素材硬度を兼備する浸炭用鋼。
Ｈ＝106C(%)＋10.8Si(%)＋19.9Mn(%)＋16.7Ni(%)＋8.55Cr(%)＋45.5Mo(%)＋28
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，焼入性および部品製造性に優れる浸炭焼入用鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
浸炭焼入れは鋼の表層の炭素濃度を高めた上で焼入れを行う熱処理である。浸炭焼入れされた鋼部品は表層硬さが高く，かつ内部の靭性が高いので，疲労強度や靭性を要求される動力伝達機構部品に適用されている。また，浸炭焼入れ前の素材の炭素量が比較的少ないため，機械加工性や塑性加工性などの部品の製造性に優れているので，大量生産される自動車などの部品に多用されている。浸炭焼入れにおける焼入れ剤としてはほとんどの場合，油やソルトが用いられているが，真空浸炭炉ではガスによる焼入れも行われている。
【０００３】
ガスによる焼入れは熱処理歪が小さい反面，冷却能が低いため不完全焼入れとなる場合があり，これにより十分な強度や機械的特性が得られない場合がある。
また，油焼入れやソルト焼入れであっても，大物部品の場合には冷却能が不足する場合がある。このような冷却能の不足に対しては，鋼材の焼入性を高めることが有効であり，ＮｉやＭｏなどの合金元素を高めた鋼材がＪＩＳ等の鋼種規格にある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
鋼の焼入性を高める元素として代表的なＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏなどは浸炭焼入れ前の素材の硬さを高める元素でもあり，機械加工性や冷間加工性に有害であり，部品の製造性を劣化させる。例えば，ＪＩＳでは焼入性の高い肌焼鋼としてはＳＮＣＭ６１６やＳＮＣＭ８１５などがあるが，最も一般的な肌焼鋼であるＳＣｒ４２０やＳＣＭ４２０に比べて合金添加量が多いため，焼ならしや焼なまし状態の硬さが非常に高く，切削加工や冷間加工が困難である場合が多い。
すなわち，ガス焼入れや大物部品に適合する焼入性と大量生産に適した部品の製造性を両立することは困難であった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は高い焼入性と低い素材硬度の両立を目的として，鋼材の硬さおよび組織におよぼす化学成分の影響を化学成分の相互作用を含めて調査した結果，以下のようなことを見出した。
【０００６】
高い焼入性を得るには冷却速度が油焼入れやガス焼入れに相当する範囲でフェライト・パーライト変態およびベイナイト変態を抑制することが必要である。一方，低い素材硬度を得るには，オーステナイトからの冷却速度が放冷または空冷に相当する範囲において，ベイナイトの生成を抑制し，フェライト・パーライトの多い組織とすることが必要である。これらは一般的には両立が困難とされていたが，合金元素の組み合わせにより好ましい範囲で両立させることが可能であることが判明した。
【０００７】
前述のような効果を生み出す化学成分として，最も有効な元素はボロン（以下Ｂと記す）である。Ｂはオーステナイトに固溶状態で存在する場合，冷却速度が２℃／秒以上の冷却において，フェライトやベイナイトの生成を抑制し焼入性を高めるが，冷却速度が１℃／秒以下においてはボロンを添加しない場合と同じ組織および硬さが得られる。
【０００８】
一般的な肌焼鋼の焼入性や焼ならし硬さにおけるＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，ＮｉおよびＭｏの含有量の影響については従来より十分に解析されており，ある程度の予測も可能であるが，固溶Ｂの存在する状態でのこれらの合金元素の影響すなわちＢとの相互作用については十分に明らかにされていなかった。本発明者らは，ＮｉおよびＳｉが固溶Ｂと共存する場合に焼入性の向上に対する寄与が大きく，反対に素材硬度に対する影響は少ないということを見出した。また，逆に，ＭｎおよびＭｏは固溶Ｂと共存する場合に特に素材硬度を上昇させる効果が大きいことが判明した。したがって，Ｂ，Ｎｉ，Ｓｉの添加あるいは増量およびＭｎ，Ｍｏの低減を基本として合金元素含有量を調整することにより，高い焼入性と低い素材硬度の両立が可能である。
【０００９】
一般に，鋼材の焼入性はＳｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｂなどの合金元素含有量の範囲を規定することにより制御することができる。しかし，素材硬度については，熱間加工の履歴や熱処理条件，熱処理材の大きさなどにより異なるため，厳密には実際に製造して評価する必要がある。発明者らはＢ添加鋼の焼ならし後の硬さにおよぼす合金元素の影響を詳細に調べた結果，固溶Ｂと共存する場合の合金元素の影響について下記の式で推定できることを見出した。
Ｈ＝106C(%)＋10.8Si(%)＋19.9Mn(%)＋16.7Ni(%)＋8.55Cr(%)＋45.5Mo(%)＋28
この成分パラメータＨは直径３０ｍｍの丸棒を焼ならし処理した場合の硬さ（単位；ＨＲＢ）を表しており，様々な大きさの部品における平均的な素材硬度として鋼材の成分組成の決定に役立つものである。この成分パラメータにより，焼入性と素材硬度のバランスをより好ましいものとすることが可能である。
【００１０】
すなわち，本発明は，質量で，Ｃ：０．１２〜０．２２％，Ｓｉ：０．４０〜１．５０％，Ｍｎ：０．２５〜０．４５％，Ｎｉ：０．５０〜１．５０％，Ｃｒ：１．３０〜２．３０％，Ｂ：０．００１０〜０．００３０％，Ｔｉ：０．０２〜０．０６％，Ｎｂ：０．０２〜０．１２％，Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｍｏ：０．０２％以下を含有し，残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり，一端焼入試験において５０％マルテンサイトに相当する硬さとなる位置の焼入端からの距離が２０ｍｍ以上，かつ式
Ｈ＝106C(%)＋10.8Si(%)＋19.9Mn(%)＋16.7Ni(%)＋8.55Cr(%)＋45.5Mo(%)＋28
で表される成分パラメータＨが９５以下であることを特徴とする高い焼入性と低い素材硬度を兼備する浸炭用鋼である。
【００１１】
本発明の請求範囲の限定理由について以下に説明する。
【００１２】
Ｃ：０．１２〜０．２２％
Ｃは浸炭焼入れ後の非浸炭部の強度を向上する元素であるが，０．１２％未満ではその効果が小さく，０．２２％を越えると素材硬度が高くなる。よって，Ｃの含有量は０．１２〜０．２２％とする。
【００１３】
Ｓｉ：０．４０〜１．５０％
Ｓｉは固溶Ｂと共存する場合に特に焼入性を向上し，素材硬度に対する影響が小さい元素であるので本発明において積極的に添加される元素であるが，０．４０％未満ではその効果が小さく，１．５０％を超えるとＡ３変態点の上昇により，焼入れ前の均一オーステナイト化が困難になる。よって，Ｓｉの含有量は０．４０〜１．５０％とする。
【００１４】
Ｍｎ：０．２５〜０．４５％
Ｍｎは焼入性を向上する元素であるが，０．２５％未満では効果が小さく，０．４５％を越えると固溶Ｂと共存する場合に素材硬度を上昇させる効果が特に大きく，部品製造性を著しく劣化させる。よって，Ｍｎの含有量は０．２５〜０．４５％とする。
【００１５】
Ｎｉ：０．５０〜１．５０％
Ｎｉは浸炭鋼の強度や焼入性を向上する元素であり，固溶Ｂと共存すると特にその効果が大きいが，含有量が０．５０％未満ではその効果が顕著でなく，１．５０％を超えると素材においてベイナイト組織が生成しやすくなり機械加工性を著しく劣化させる。よって，Ｎｉの含有量は０．５０〜１．５０％とする。
【００１６】
Ｃｒ：１．３０〜２．３０％
Ｃｒは浸炭性を向上する元素であり，特にＳｉおよびＮｉによる浸炭性の劣化を防止する効果を有する元素であるが，含有量が１．３０％未満では効果が不足し，また，２．３０％を越えて添加すると，素材においてベイナイト組織が生成しやすくなり機械加工性を著しく劣化させる。よって，Ｃｒの含有量は１．３０〜２．３０％とする。
【００１７】
Ｂ：０．００１０〜０．００３０％
Ｂは焼入性を著しく向上する元素であるが，０．００１０％未満では安定した効果が得られず，また，０．００３０％を越えて添加しても効果が飽和するので経済的でない。よって，Ｂの含有量は０．００１０〜０．００３０％とする。
【００１８】
Ｔｉ：０．０２〜０．０６％
Ｔｉは窒化物を形成することにより，Ｂが窒化物となることを防止し，Ｂによる焼入性向上効果を安定させる効果を有する元素であるが，０．０２％未満ではその効果が小さく，０．０６％を超えて添加しても効果が飽和するので経済的でない。よって，Ｔｉの含有量は０．０２〜０．０６％とする。
【００１９】
Ｎｂ：０．０２〜０．１２％
Ｎｂは結晶粒の成長を抑制する元素であり，０．０２％未満ではその効果が小さく，０．１２％を越えると凝固時に粗大な炭窒化物を形成して結晶粒成長抑制効果が減退する。よって，Ｎｂの含有量は０．０２〜０．１２％とする。
【００２０】
Ａｌ：０．００５〜０．０５０％
Ａｌは溶製過程における脱酸を促進し酸化物系介在物量の低減に有効であるが，０．００５％未満では脱酸効果がなく，また，０．０５０％を越えて添加しても効果が飽和するので経済的でない。よって，Ａｌの含有量は０．００５〜０．０５０％とする。
【００２１】
５０％マルテンサイト硬さとなるジョミニー距離：２０ｍｍ以上
本発明の目的である高い焼入性と低い素材硬度の両立は上記範囲内の化学組成の鋼材において実現されるものであるが，そのジョミニー一端焼入れ試験結果において５０％マルテンサイトに相当する硬さとなる位置の焼入端からの距離が２０ｍｍ未満ではガス焼入れおよび大物部品の焼入れにおいて不完全焼入れが発生する。よって，５０％マルテンサイト硬さとなるジョミニー距離を２０ｍｍ以上とする。
【００２２】
成分パラメータＨ：９５以下
上記範囲内の化学組成の鋼材であっても，
Ｈ＝106C(%)＋10.8Si(%)＋19.9Mn(%)＋16.7Ni(%)＋8.55Cr(%)＋45.5Mo(%)＋28
なる式で表される成分パラメータが９５を超えると鋼材の圧延状態の硬さや焼ならし状態の硬さが著しく上昇し，機械加工性および冷間加工性が得られない。よって成分パラメータＨを９５以下となるように成分組成を制御する必要がある。
【００２３】
なお，Ｍｏは焼入性を向上する元素であるが，固溶Ｂと共存する場合には素材硬度を上昇させる効果が特に大きく，部品製造性を著しく劣化させるので，その含有量を０．０２％以下に制限することが好ましい。
【００２４】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を説明する。表１に示す化学組成の鋼をアーク炉で溶製後，熱間圧延により直径３２ｍｍの丸棒とした。発明鋼１，発明鋼２，発明鋼３および発明鋼４は本発明に該当する鋼種である。また，比較鋼Ａおよび比較鋼ＢはそれぞれＪＩＳの肌焼鋼ＳＣＭ８２２およびＳＮＣＭ８１５に相当する鋼種である。
【００２５】
【表１】
0004539804.tif 000002
【００２６】
すべての鋼材について，圧延丸棒を９２５℃１時間保持後空冷の焼ならしを行い，丸棒の横断面の中心部についてロックウェル硬さを測定した。さらにＪＩＳ−Ｇ０５６１に基づきジョミニー式一端焼入試験を行い，得られた硬さ曲線から５０％マルテンサイトに相当する硬さの位置を算出した。また，直径２５ｍｍ，長さ５０ｍｍに機械加工後，表２に示す条件で浸炭焼入れを行い，ビッカース硬度計により横断面の硬さ分布を調べた。浸炭焼入材の表層硬さは表面から０．０５ｍｍの位置において測定し，有効硬化深さは横断面の硬さ分布から５５０ＨＶを判定基準として算出した。これらの結果および成分パラメータＨを表３に示す。
【００２７】
【表２】
0004539804.tif 000003
【００２８】
【表３】
0004539804.tif 000004
【００２９】
表３において，発明鋼１〜４はいずれも９５ＨＲＢ以下の焼ならし硬さであるとともに，浸炭焼入れ材の中心部の硬さが３５０ＨＶ以上である。表層および中心部の組織はいずれもマルテンサイトであり，顕著な不完全焼入組織は存在していない。これに対し，比較鋼Ａは焼ならし硬さは低いものの，浸炭焼入れ材の表層硬さおよび中心部硬さが発明鋼に対して低い。また，比較鋼Ｂは浸炭焼入れ材の表層硬さおよび中心部硬さは発明鋼とほぼ同等であるが，焼ならし硬さが極めて高い。
【００３０】
表３において，焼ならし硬さは成分パラメータＨにほぼ対応しており，また，浸炭焼入れ材の中心部硬さは一端焼入試験における５０％マルテンサイト位置とほぼ対応している。したがって，上記のような発明鋼と比較鋼の差異すなわち，本発明鋼における高い焼入性と低い素材硬度の両立は，本発明の規定する成分組成の範囲と成分パラメータＨおよび一端焼入試験における５０％マルテンサイト位置の制御により得られたものである。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば，従来困難であった高い焼入性と低い素材硬度の両立により，ガス焼入れや大きいサイズの部品の油焼入れが可能で，かつ従来と同様の部品製造コストを実現する浸炭用鋼を提供できるため産業上の利点は極めて大きい。