(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．３０〜０．６０％、Ｓｉ：０．２５％以下、Ｍｎ：１．０％以下およびＣｒ：４．０〜１１．０％を含有し、さらに、Ｎ：０．０４〜０．２％およびＭｏ：０．２〜１．０％の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有することを特徴とする耐食性に優れた高周波焼入れ用高硬度鋼。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．３０〜０．６０％、Ｓｉ：０．２５％以下、Ｍｎ：１．０％以下およびＣｒ：４．０〜１１．０％を含有し、さらに、Ｖ：０．０５〜０．５％およびＮｂ：０．０５〜０．５％の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有することを特徴とする耐食性に優れた高周波焼入れ用高硬度鋼。
【請求項３】
質量％で、Ｃ：０．３０〜０．６０％、Ｓｉ：０．２５％以下、Ｍｎ：１．０％以下およびＣｒ：４．０〜１１．０％を含有し、さらに、Ｎ：０．０４〜０．２％およびＭｏ：０．２〜１．０％の１種または２種、ならびに、Ｖ：０．０５〜０．５％およびＮｂ：０．０５〜０．５％の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有することを特徴とする耐食性に優れた高周波焼入れ用高硬度鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷間加工性が良好で高周波焼入れ性が高く、しかも耐食性に優れ、したがって種々の軸受部品の材料として好適な高硬度鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリンターのシャフトや紙送りローラーのようなＯＡ機器部品、ＶＴＲモーターシャフトのようなＡＶ機器部品、各種の精密機械の軸受部品、あるいは自動車エンジンの燃料噴射装置のような電子機器部品を製造する材料としては、ＨＲＣ５５以上の硬度と、ある程度の耐食性とを要求されるため、従来はＳＵＪ２（Ｃ：０．９５〜１．１０％，Ｓｉ：０．１５〜０．３５％，Ｍｎ：０．５％以下，Ｐ：０．０２５％以下，Ｓ：０．０３０％以下，Ｃｒ：１．３０〜１．６０％、残部実質的にＦｅ）などの軸受鋼を使用し、耐食性を高めるためにニッケルメッキなどを施して製品としていた。
【０００３】
しかし、ニッケルメッキによる耐食性改善は、製品品質のバラツキが大きく、また、メッキが剥離するおそれもあり、信頼性の高い手法とはいえない。
【０００４】
そこで、ＳＵＳ４４０Ｃ（Ｃ：０．９５〜１．２０％，Ｓｉ：１．００％以下，Ｍｎ：１．００％以下，Ｐ：０．０４０％以下，Ｓ：０．０３０％以下，Ｃｒ：１６．００〜１８．００％、残部実質的にＦｅ）などの高Ｃステンレス鋼が採用される。  それにより、硬さと耐食性の要求は満たせ、メッキに伴う問題が解消するものの、素材が高価である上に、冷間加工性が悪くて、冷間鍛造や冷間異形引抜きが工業的に実施できないという問題がある。  この種の合金は機械加工性も低く、精密な切削や研削を行なったときに、加工面が粗く、寸法精度が高くないという難点もある。
【０００５】
ＳＵＳ４４０Ｃに代えてＳＵＳ４２０Ｊ２（Ｃ：０．２６〜０．４０％，Ｓｉ：１．００％以下，Ｍｎ：１．００％以下，Ｐ：０．０４０％以下，Ｓ：０．０３０％以下，Ｃｒ：１２．００〜１４．００％、残部実質的にＦｅ）を使用すれば、この材料は冷間加工性が良く、冷間鍛造や冷間異形引抜きが可能であるが、高周波焼入れを行なったとき、焼き入れ硬さがＨＲＣ５５以上に到達しないという弱点があり、製品への要求を満たせない。  シャフトのような長尺ものの焼入れを、通常行なわれる、加熱炉での加熱と急冷を組み合わせた、いわゆる「ズブ焼入れ」によるときは、部品素材の反りや焼き入れの不均一が生じることが多いので、そうした問題がほとんどない高周波焼入れによることが望ましい。
【０００６】
発明者は、冷間加工性が構造用鋼のそれに近く、かつ高周波焼入れで焼入れ硬さＨＲＣ５５を確保した、主として軸受に使用する高硬度鋼を求めて研究し、この種の鋼の多くの用途においては、耐食性は、前記ＳＵＪ２鋼より高くなければならないが、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼やＳＵＳ４２０Ｊ２鋼ほど高いことを要求されないということに着目し、冷間加工性と耐食性とを両立させる適切なＣｒ量範囲が存在することを見出した。  さらに、耐食性を損なう粗大炭化物の生成を抑制するため、Ｃを所望の焼入れ硬さの実現を可能にする範囲でなるべく低減すべきことや、ＮやＭｏの適量を鋼に含有させると、耐食性の向上に役立つことをも知った。
【０００７】
高周波焼入れにおいては、ＳＵＳ４４０Ｃのように合金量が多い合金組成の場合には、炭化物の溶け込みに時間がかかり、したがって長時間加熱するか、高温度に加熱するかの必要がある。  ところが、そのような加熱を行なうと残留オーステナイトが多量に発生し、目標とする焼入れ硬さＨＲＣ５５の実現が危うくなる。  このような問題を避けるには、Ｃ量を焼入れに必要な最小限度にし、かつ合金量もできるだけ少なくすべきことも、上記の研究を通じて発明者が得た知見である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述の発明者が得た新しい知見を活用し、構造用鋼に劣らない冷間加工性を有し、その一方で、高周波焼入れによってＨＲＣ５５以上の焼入れ硬さを確保することができ、通常の室内での使用環境では錆びることのない程度の耐食性をもった高硬度鋼を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決した、本発明の耐食性に優れた高周波焼入れ用高硬度鋼には、つぎの３種の態様がある。すなわち、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．６０％、Ｓｉ：０．２５％以下、Ｍｎ：１．０％以下およびＣｒ：４．０〜１１．０％を含有し、さらに、それぞれ、下記の成分を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有することを特徴とする鋼である。
（第一の態様）
Ｎ：０．０４〜０．２％およびＭｏ：０．２〜１．０％の１種または２種
（第二の態様）
Ｖ：０．０５〜０．５％およびＮｂ：０．０５〜０．５％の１種または２種
（第三の態様）
Ｎ：０．０４〜０．２％およびＭｏ：０．２〜１．０％の１種または２種、および、Ｖ：０．０５〜０．５％およびＮｂ：０．０５〜０．５％の１種または２種
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の耐食性に優れた高周波焼入れ用高硬度鋼を構成する合金成分の、作用と組成範囲の限定理由を述べる。
【００１２】
Ｃ：０．３０〜０．６０％
Ｃは、焼入れにより硬度および引っ張り強度を高める元素であって、本発明の合金の用途に要求される特性条件を満たすためには、少なくとも０．３０％の含有を要する。  一方、含有量を高めると、粗大炭化物の生成に起因する冷間加工性の低下がみられ、また高周波焼入れに際して焼割れが生じやすくなるから、０．６０％を上限とする。
【００１３】
Ｓｉ：０．２５％以下
Ｓｉは、鋼の製造時に脱酸剤として使用するものであるが、鋼中では球状化組織においてマトリクスのフェライト相を固溶強化して冷間加工性を低下させるので、比較的低い含有量にとどめる。
【００１４】
Ｍｎ：１．０％以下
Ｍｎも脱酸剤として使用する元素であるが、焼入れ性を高めるので、適量を添加するとよい。  ただし、添加量を多くすると加工硬化を助長し冷間加工性を損なうから、１．０％を限度とする。
【００１５】
Ｃｒ：４．０〜１１．０％、好ましくは５．０〜９．０％
Ｃｒは、いうまでもなく鋼の耐食性を担う中心となるとともに、高周波焼入れ硬さを与える元素である。  比較的温和な環境で錆びない程度の耐食性を得るためには、４％以上のＣｒを添加すれば足りる。  しかし、通常は５％以上の添加が好ましい。  より多量に添加すれば耐食性も高まるが、炭化物の生成量が増し、１１％を超えると、粗大な炭化物の形成が冷間加工性を低下させるとともに、耐食性にとっても不利になる。  それとともに、高周波焼入れ時の炭化物の固溶が不十分になり、かえって焼き入れ硬さの確保が困難になる。  通常は、９％までの添加が好ましい。
【００１７】
Ｎ：０．０４〜０．２％およびＭｏ：０．２〜１．０％の１種または２種
これらの元素は、より高い耐食性を希望する場合に添加する。  Ｎの耐食性向上効果は、０．０４％以上の添加で認められるが、０．２％を超えると、窒化物が完全に固溶しないために加工性が低下する。  鋼の窒素量のコントロールは、精錬雰囲気の選択、Ｎ2 ガスのバブリング、窒化合金の投入など任意の手段で行なうことができる。  Ｍｏの耐食性向上効果は、０．２％以上の添加で認められる。  添加量が１．０％を超えると、冷間加工性を低下させるとともに、コスト面でも不利になる。
【００１８】
Ｖ：０．０５〜０．５％およびＮｂ：０．０５〜０．５％の１種または２種
ＶおよびＮｂは、ともに安定した微細炭化物を形成し、結晶粒の微細化を通じて強度および靱延性を高める。  この効果を得るためには、どちらも０．０５％以上を添加する必要がある。  ０．５％を超えると冷間加工性を低下させるばかりでなく、靱延性もかえって低下する。  ２種併用の場合は、合計の添加量が０．６％を超えないことが好ましい。
【００１９】
本発明の鋼に含まれ得る不純物の影響について述べれば、まずＰは、耐食性および靱延性に好ましくないから極力少なくする方がよいが、０．０３％以下であればとりたてて問題はない。  つぎにＳは、熱間および冷間の加工性と耐食性にとって好ましくないので、含有量を０．００５％以下に抑えることが望ましい。Ｏも排除すべき存在であるが、含有量０．００５％までは、生成する酸化物の量もわずかで、冷間加工性、疲労強度および靱延性に及ぼす影響が小さいので、この限度内とすることが推奨される。  そのほかに、この種の鋼の製造に当たって原料スクラップから混入しやすい不純物の代表として、Ｎｉがある。  Ｎｉは、マルテンサイト相の延性を若干向上させる作用があり、あまり嫌う必要はないが、多量になると軟化焼鈍を困難にするので、０．６％以下の存在に止めるべきである。
【００２０】
【実施例】
表１に記載した合金組成を有する鋼を高周波誘導炉で溶製し、インゴットに鋳造した。
【００２１】
0004103191.tif 000002
それらのインゴットから、熱間鍛造および圧延により直径２０mmの線材を得、８５０℃に３時間加熱し、１５℃／時の冷却速度で６００℃まで冷却し、その後は空冷する球状化焼鈍しを施した。
【００２２】
この焼鈍処理をした線材から試験片を切り出し、硬さをしらべるとともに、下記の条件で据え込み試験を行なって、その結果から変形抵抗および割れ発生限界圧縮率を算出した。
〈据え込み試験〉
直径６mm、高さ１２mmの円柱状試験片に軸方向の荷重をかける。  変形抵抗は、真歪み１のときの値をとる。  割れ発生限界圧下率は、割れがはじめて認められる圧下率である。
【００２３】
上記の球状化焼鈍しをした線材を、周波数１００kHz、コイル移動速度１３mm／秒、出力３０KWの条件で高周波焼入れし、ついで１５０℃に１時間加熱して急冷する低温焼戻しをした。  この高周波焼入れ・焼戻しをした線材から試験片を切り出し、硬さをしらべるとともに、次の方法で耐食性を試験した。
〈耐食性試験法〉
直径１５mm、長さ１０５mmの円柱状試験片を、湿潤環境（５０℃，９８％ＲＨ，４時間）と乾燥環境（７０℃，２時間）とに交互に置くことを４回繰り返し、点食の有無で耐食性を評価
以上の結果を、あわせて表２に示す。
【００２４】
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上記の結果から、次のことがいえる。すなわち、本発明の耐食性に優れた高周波焼入れ用高硬度鋼は、比較例のＮｏ．２１（ＳＵＪ２）と比べたとき、変形抵抗と割れ発生限界圧下率に関して若干まさり、耐食性において明白に差をつけている。Ｎｏ．２２（ＳＵＳ４４０Ｃ）との対比では、高周波焼入れ・焼戻し状態の硬さは同等であるが、冷間加工性がそれよりはるかに高い。比較例Ｎｏ．２３（ＳＵＳ４２０Ｊ２）は、冷間加工性と耐食性に関して悪くないが、高周波焼入れ・焼戻しの硬さか不足で、高硬度鋼とはいえない。結局、本発明の鋼は、いずれの既存鋼よりもまさっている。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の耐食性に優れた高周波焼入れ用高硬度鋼は、冷間加工性が良好であって部品に加工しやすく、高周波焼入れ・焼戻し状態の硬さが高く、しかも通常の室内の使用条件において十分な耐食性を示すから、はじめに挙げた各種軸受などの、高周波焼入れをして使用する部品を製造する場合に、うってつけの材料である。