(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．１５〜０．２５％，Ｓｉ：０．４〜１．２３％，Ｍｎ：０．３３〜１．２２，Ｎｉ：１〜３％，Ｃｒ：１．２〜３．２％，Ｍｏ：０．２５〜２．０％を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなる機械構造用鋼に球状化熱処理を施し、平均粒径が１μｍ以下で、かつ最大粒子径が３μｍを超えない炭化物を析出させたことを特徴とする被削性に優れた耐高面圧部材用鋼材。
【請求項２】
Ｃ：０．１５〜０．２５％，Ｓｉ：０．４〜１．２３％，Ｍｎ：０．３３〜１．２２，Ｎｉ：１〜３％，Ｃｒ：１．２〜３．２％，Ｍｏ：０．２５〜２．０％，Ｖ：０２％を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなる機械構造用鋼に球状化熱処理を施し、平均粒径が１μｍ以下で、かつ最大粒子径が３μｍを超えない炭化物を析出させたことを特徴とする被削性に優れた耐高面圧部材用鋼材。
【請求項３】
Ｃ：０．１５〜０．２５％，Ｓｉ：０．４〜１．２３％，Ｍｎ：０．３３〜１．２２，Ｎｉ：１〜３％，Ｃｒ：１．２〜３．２％，Ｍｏ：０．２５〜２．０％，Ｎｂ：０．０１％を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなる機械構造用鋼に球状化熱処理を施し、平均粒径が１μｍ以下で、かつ最大粒子径が３μｍを超えない炭化物を析出させたことを特徴とする被削性に優れた耐高面圧部材用鋼材。
【請求項４】
炭化物には、ＭＣ，Ｍ2Ｃ，Ｍ7Ｃ3，Ｍ23Ｃ6，Ｍ6Ｃ型炭化物の少なくとも１種が含まれていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の被削性に優れた耐高面圧部材用鋼材。
【請求項５】
球状化熱処理後の硬度がＨｖ１８０〜２５０の範囲であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の被削性に優れた耐高面圧部材用鋼材。
【請求項６】
Ｓｉ含有量が０．５１〜１．２３％であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の被削性に優れた耐高面圧部材用鋼材。
【請求項７】
前記球状化熱処理が、７００〜８２０℃の温度域に保持したのち、１時間あたり２０℃を超えない速度で６００℃まで冷却するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の被削性に優れた耐高面圧部材用鋼材の製造方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の耐高面圧部材用鋼材に、浸炭焼入れ・焼戻し処理あるいは浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理を施してなることを特徴とする耐高面圧部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、歯車や、トロイダル式無段変速機に用いられるディスクやパワーローラなどの耐高面圧部材の製造技術に係わり、とくに球状化熱処理によって被削性を向上させた耐高面圧部材用鋼材と、このような耐高面圧部材用鋼材からなる耐高面圧部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｃを０．１５〜０．２５％、Ｓｉを０．４％以上、Ｎｉを１〜３％含有する機械構造用鋼は、浸炭や浸炭窒化などの表面硬化処理を施すことによって、耐高面圧部材としての優れた性能を備えたものとなることが知られている。
【０００３】
このような機械構造用鋼を用いて耐高面圧部材を製造する場合、機械加工によって目的の形状を得ようとするに際しては、熱間加工した素材鋼の被削性が非常に悪いことから、機械加工に先だって軟化熱処理を施す必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記成分の機械構造用鋼においては、従来の軟化熱処理条件を用いても、必ずしも十分に被削性を改善することができない。すなわち、８２０℃を超える温度からの焼きならしでは、マルテンサイトやベイナイト変態を起こすことから、７００℃よりも低い温度での低温焼きなましでは、球状化炭化物の析出と成長が不十分となることから硬度が低下せず、７００〜８２０℃で球状化熱処理を行った場合には、硬度は低下するものの、炭化物が大きくなるために工具寿命が向上せず、結果として被削性の改善は期待できず、大量生産が困難であるという問題があり、このような問題の解決が上記成分を備えた機械構造用鋼からなる耐高面圧部材の製造上の課題となっていた。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記成分の機械構造用鋼における上記課題に着目してなされたものであって、被削性を改善して生産性を大幅に向上させることができる耐高面圧部材用鋼材、およびこのような耐高面圧部材用鋼材を用いて製造され、耐疲労特性および生産性に優れた耐高面圧部材を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係わる耐高面圧部材用鋼材は、Ｃ：０．１５〜０．２５％，Ｓｉ：０．４〜１．２３％，Ｍｎ：０．３３〜１．２２，Ｎｉ：１〜３％，Ｃｒ：１．２〜３．２％，Ｍｏ：０．２５〜２．０％と、必要に応じてＶ：０２％、又はＮｂ：０．０１％を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなる機械構造用鋼に球状化熱処理を施し、平均粒径が１μｍ以下で、かつ最大粒子径が３μｍを超えない炭化物を析出させた構成としたことを特徴としており、耐高面圧部材用鋼におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００７】
本発明に係わる耐高面圧部材用鋼材実施の一形態として請求項４に係わる耐高面圧部材用鋼材において、炭化物には、ＭＣ，Ｍ2Ｃ，Ｍ7Ｃ3，Ｍ23Ｃ6，Ｍ6Ｃ型炭化物の少なくとも１種が含まれている構成としたことを特徴とし、同じく実施の形態として請求項５に係わる耐高面圧部材用鋼材においては、球状化熱処理後の硬度がＨｖ１８０〜２５０の範囲である構成としたことを特徴とし、請求項６に係わる耐高面圧部材用鋼材においては、Ｓｉ含有量が０．５１〜１．２３％であることを特徴としている。
【０００８】
本発明の請求項７に係わる耐高面圧部材用鋼材の製造方法においては、前記球状化熱処理が、７００〜８２０℃の温度域に保持したのち、１時間あたり２０℃を超えない速度で６００℃まで冷却するものであることを特徴とし、本発明の請求項８に係わる耐高面圧部材は、上記耐高面圧部材用鋼材に、浸炭焼入れ・焼戻し処理あるいは浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理が施してなる構成とし、耐高面圧部材におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としたことを特徴としている。
【０００９】
【発明の作用】
従来より、硬質の炭化物は、被削性の観点から層状あるいは針状組織よりも球状化されている方が良いとされてきた。しかし、球状とはいえ炭化物の径が大きいままでは、工具に対するダメージが大きくなる。本発明に係わる耐高面圧部材用鋼材においては、所定成分、とくに１．２〜３．２％のＣｒと、０．２５〜２．０％のＭｏを添加した機械構造用鋼に球状化熱処理を施すことによって、硬質である炭化物をその平均粒径が１μｍ以下で、しかもその最大粒子径が３μｍを超えない範囲で析出させたものであるから、切削加工する際のせん断力が緩和されると同時に、工具切れ刃に対する硬質物質の衝撃が抑制され、その加工性（被削性）が優れたものとなる。
【００１０】
なお、本発明においてＣｒは、炭化物、とくにＭ２３Ｃ６型の炭化物を形成するのに必要な元素であり、浸炭や浸炭窒化などの表面硬化処理を施すことによって最終製品とした状態における表面硬度を確保し、転動疲労寿命を向上させると共に、球状化熱処理時の炭化物の粗大化を防止して微小な炭化物を形成する作用を有する。このとき、Ｃｒが１．２％に満たない場合はこのような作用が期待できず、３．２％を超えると炭化物の析出量が多くなって被削性の低下を招く。また、ＭｏはＣｒと同時に添加することでＣｒの上記作用を強化し、Ｍ２３Ｃ６型の炭化物が安定析出するようになり、０．２５％未満では上記炭化物の析出が期待できなくなり、２．０％を超えると、同様に被削性が損なわれる。
【００１１】
本発明の請求項４に係わる耐高面圧部材用鋼材においては、析出した炭化物に、ＭＣ，Ｍ2Ｃ，Ｍ7Ｃ3，Ｍ23Ｃ6，Ｍ6Ｃ型炭化物のいずれか１種以上が含まれているので、球状化熱処理時に炭化物が粗大化しにくくなり、析出する炭化物の平均粒径が１μｍを超えないように、あるいは最大粒径が３μｍを超えないようになり、当該鋼材の硬さが低減して加工時の工具への衝撃が緩和され、被削性が向上することになる。
【００１２】
本発明の請求項５に係わる耐高面圧部材用鋼材においては、球状化熱処理後の硬度がＨｖ１８０〜２５０の範囲であるから、切削抵抗および切り屑の長さが適度なものとなり、被削性が向上する。すなわち、硬度がＨｖ２５０を超えた場合には、切削加工時の工具にかかる抵抗が過大となって、工具の欠損や破損を生じやすく、加工が困難となる。一方、硬度がＨｖ１８０に満たない場合には、素材鋼の延性が高く、例えば旋盤による加工では工具と切り屑との接触面積が増大するため、かえって工具の摩耗が促進されることになる。
【００１３】
本発明の請求項７に係わる耐高面圧部材用鋼材の製造方法においては、７００〜８２０℃の温度域に保持したのち、１時間あたり２０℃を超えない速度で６００℃まで冷却する球状化熱処理を施すようにしているので、少なくともＭＣ，Ｍ2Ｃ，Ｍ7Ｃ3，Ｍ23Ｃ6，Ｍ6Ｃ型炭化物のいずれか１種を含み、平均粒径が１μｍ以下で最大粒径が３μｍ以下の炭化物が析出し、硬度がＨｖ１８０〜２５０の範囲となり、被削性が向上することになる。このとき、保持温度が７００℃よりも低いと炭化物の析出が不十分であり、８２０℃を超えるとオーステナイト相が発生し、次工程の冷却条件によってはマルテンサイトやベイナイトに変態することによって硬度が低下しないことがある。また、１時間あたり２０℃を超える速度で冷却すると、基地の一部がベイナイト変態するために硬度が十分に下がらない。
【００１４】
本発明の請求項８に係わる耐高面圧部材は、上記耐高面圧部材用鋼材に、浸炭焼入れ・焼戻し処理あるいは浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理を施したものであるから、耐高面圧部材としての優れた転動疲労特性と共に、優れた生産性を備えたものとなる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明に係わる耐高面圧部材用鋼材は、とくに１．２〜３．２％のＣｒと、０．２５〜２．０％のＭｏを添加した機械構造用鋼に球状化熱処理を施し、１μｍ以下の平均粒径を備え、最大粒子径が３μｍ以下の炭化物を析出させたものであるから、切削加工時のせん断力および工具にかかる硬質物質の衝撃が緩和され、被削性を大幅に改善することができ、耐高面圧部材の生産性を大幅に向上させることができるという極めて優れた効果をもたらすものである。
【００１６】
本発明の請求項４に係わる耐高面圧部材用鋼材においては、炭化物にＭＣ，Ｍ2Ｃ，Ｍ7Ｃ3，Ｍ23Ｃ6，Ｍ6Ｃ型炭化物の少なくとも１種が含まれていることから、炭化物の粗大化を阻止して、その平均粒径および最大粒径をそれぞれ１μｍおよび３μｍ以下として、被削性を確実に向上させることができ、請求項５に係わる耐高面圧部材用鋼材においては、球状化熱処理後の硬度がＨｖ１８０〜２５０の範囲となっているので、切削抵抗および切り屑の長さを適度なものとして、被削性をさらに確実に向上させることができ、さらに請求項７に係わる耐高面圧部材用鋼材の製造方法においては、７００〜８２０℃の温度域に保持したのち、１時間あたり２０℃を超えない速度で６００℃まで冷却する球状化熱処理を施しているので、上記タイプの炭化物を含み、１μｍおよび３μｍ以下の平均粒径および最大粒径の炭化物が析出し、その硬度をＨｖ１８０〜２５０の範囲とすることができ、被削性を大幅に改善して耐高面圧部材の生産性を確実に向上させることができるという極めて優れた効果がもたらされる。
【００１７】
本発明の請求項８に係わる耐高面圧部材は、上記耐高面圧部材用鋼材に、浸炭焼入れ・焼戻し処理あるいは浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理を施したものであるから、耐高面圧部材としての転動疲労寿命および生産性に優れ、大量生産によるコスト低減が可能になるという優れた効果をもたらすものである。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて、さらに具体的に説明する。
【００１９】
表１に示す５種類の機械構造用鋼に、それぞれ熱間鍛造を施すことによって耐高面圧部材の素材となし、機械加工による粗加工に先だって、２種類の軟化熱処理、すなわち素材を８５０℃に加熱したのち空冷する焼ならし処理、および素材を７６０℃に加熱してこの温度に保持したのち、１時間当たり１５℃の冷却速度で６００℃まで炉冷する球状化熱処理をそれぞれ施した。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
上記５種類の素材鋼に、２種類の軟化熱処理をそれぞれ施した都合１０種類の試験鋼材の硬さ、炭化物の種類およびその平均粒径を表１に示す。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
表２に示すように、ＣｒやＭｏを含有しない従来の鋼（素材鋼Ｎｏ．４，５）においては、球状化熱処理後の平均粒径が１μｍを超えていた。
【００２４】
図１には、Ｎｏ．２の素材鋼に球状化熱処理を施した本発明の耐高面圧部材用鋼材に係わる試験鋼材Ｎｏ．２の顕微鏡組織（２０００倍）を示す。この図に見られるように、炭化物（白色点状のもの）の平均粒径は１μｍ以下であり、大きなものでも２μｍを超えるような炭化物は全く認められなかった。また、これら炭化物の構造をＸ線回折によって調査した結果、Ｃｒ２３Ｃ６の存在が確認された。
【００２５】
図２は、一例としてＮｏ．２の鋼材に焼ならし処理と球状化熱処理を施した場合の硬さを３００ｇｆ荷重ビッカース硬度計を用いて実測した結果を比較して示したものであるが、焼きならし処理による比較例の場合（試験鋼材Ｎｏ．７）には、ほぼＨｖ４００と組織が非常に硬くなっているのに対し、上記条件の球状化熱処理を施した上記発明例の場合（試験鋼材Ｎｏ．２）には、Ｈｖ２２０という低い硬度を示した。
【００２６】
図３は、上記発明例（試験鋼材Ｎｏ．２）に係わる鋼材の切削抵抗を比較例（試験鋼材Ｎｏ．７）に係わる鋼材の場合と比較して示したものである。
【００２７】
この図に見られるように、本発明例の場合には、比較例に対して切削加工時に工具にかかる負荷、すなわち切削抵抗が非常に小さくなり、また、切り屑の長さが適度なものとなることから、生産性の大幅な向上が図られ、大量生産が可能となる。なお、このときの切削加工条件については、直径６０ｍｍの試験片を用いて、送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み１ｍｍ、切削速度１２０ｍ／ｍｉｎの条件で超硬工具を用いて実施した。
【００２８】
図４は、上記発明例（試験鋼材Ｎｏ．２）および比較例（試験鋼材Ｎｏ．７）に係わる鋼材を旋削加工した場合の工具摩耗量を比較した結果を示すものであるが、本発明による鋼材の場合には、工具の摩耗量が極めて小さく、上記比較例に比べて５倍以上の工具寿命を示し、加工性に優れたものとなっていることが確認された。
【００２９】
表３は、表２に示した試験鋼材Ｎｏ．１から１０までの鋼材を上記条件のもとに切削加工した場合に、切削距離１００００ｍ時における切削抵抗と、工具の摩耗量が０．２ｍｍに至るまでの切削距離を示すものである。
【００３０】
【表３】
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【００３１】
この表に見られるように、本発明による鋼材の被削性が著しく優れたものになっていることが判る。
【００３２】
なお、このような軟化処理を施した状態で旋削加工され、所定形状に成形された耐高面圧部材用鋼材は、さらに浸炭焼入れや浸炭窒化焼入れなどの表面硬化処理が施されたのち焼戻しされ、最終形状に研削加工されて、トロイダル式無段変速機用のパワーローラやディスクのような耐高面圧部材となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる耐高面圧部材用鋼材の顕微鏡組織の一例を示す図である。
【図２】本発明に係わる耐高面圧部材用鋼材の硬さを焼きならし処理を施した比較例の場合と比較して示すグラフである。
【図３】本発明に係わる耐高面圧部材用鋼材の切削抵抗を焼きならし処理を施した比較例の場合と比較して示すグラフである。
【図４】本発明に係わる耐高面圧部材用鋼材を旋削加工した場合の工具寿命を焼きならし処理を施した比較例の場合と比較して示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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