JP2016186120A - 浸炭窒化用鋼材および浸炭窒化部品 - Google Patents

Abstract

【課題】部品形状への加工性、浸炭窒化処理後の研磨工程なしでのピッチング寿命に優れた鋼材、及び該鋼材を用いた部品の提供。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．０３〜１％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．３５〜１．１５％、Ｍｏ：０．２５〜０．９％、Ａｌ：０．０１〜０．０８％、及びＮ：０．０１４％以下を含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなり、下記式のＡ値が０．２４以下、Ｂ値が４８以上、Ｃ１値が１００以下である浸炭窒化用鋼材。Ａ値＝０．１０２×［Ｓｉ］＋０．０８４×［Ｍｎ］＋０．１４９×［Ｃｒ］、Ｂ値＝２１．５３８×［Ｃｒ］＋７１．８２５×［Ｍｏ］、Ｃ１値＝２２．２９×［Ｓｉ］＋６０．６０×［Ｍｎ］＋１８．０９×［Ｃｒ］＋１２１．９９×［Ｍｏ］−５０．１２【選択図】図１

Description

本発明は、浸炭窒化用鋼材、および該鋼材を浸炭窒化処理して得られる部品に関する。本発明の浸炭窒化部品は、例えば、歯車、シャフトなどの等速ジョイント部品、軸受、無段変速機トランスミッション（Continuously Variable Transmission、ＣＶＴ）プーリーなどの動力伝達部品に好適に用いられる。

動力伝達部品には、ピッチング損傷に対する耐久寿命（以下、ピッチング寿命という）が一般的に求められる。ピッチングとは、表面起点型の疲労剥離損傷であり、部品間の接触面にすべりが発生する場合に起こる現象である。ピッチング損傷は、摺動表面に発生する繰り返しせん断応力によりマイクロピッチと呼ばれる微小な剥離が生じ、それらが連結し、或いはき裂が進展することにより発生する。

近年、動力源の高出力化および動力伝達ユニットの小型化が進んでおり、これに伴って各部品への負荷荷重は増大している。また、自動車のハイブリッド車化または電気自動車化により、歯車同士のすべり速度が増大している。また、伝達効率を向上させるため、作動油は低粘度化が指向されている。こうしたことから、摺動環境は益々苛酷になっており、ピッチング寿命に優れた鋼材が一層望まれている。

ピッチング損傷の発生を防止するには、部品表面を硬化させることが考えられる。表面硬化処理としては、浸炭窒化処理が知られている。しかし、鋼材に浸炭窒化処理を施すと、浸炭窒化処理時に雰囲気中の酸素、窒素と鋼材中の合金元素が反応し、部品の表層部に酸化物または炭窒化物が生成する。部品表面に生成した酸化物または炭窒化物は、焼入性を低下させるため、不完全焼入れ組織が形成されやすくなり、部品表面が軟質化し、ピッチング寿命が却って低下することがある。また、浸炭窒化処理部品は、摺動時の摩擦熱によりマルテンサイトが回復し、軟化しやすいため、ピッチング寿命が却って低下することがあった。

ピッチング寿命を向上させる技術としては、特許文献１が知られている。即ち、特許文献１には、Ｓｉ：０．４０〜１．５０％、Ｔｉ：０．１０〜０．２５％を含有し、Ｓｉ＋５Ｔｉ：１．０〜２．５％とすることにより、高強度歯車用肌焼鋼のピッチング寿命を向上させる技術が開示されている。

ピッチング寿命を改善する技術ではないが、特許文献２には、表面から１００μｍの深さまでの範囲での圧縮残留応力のピーク値を１６００ＭＰａ以上とすることにより、曲げ疲労強度を向上させ、鍛造性にも優れた鋼部品を提供する技術が開示されている。また、特許文献３には、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆよりなる群から選択される少なくとも１種の元素が、所定の関係を満たす範囲で含有させることにより、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉなどの高価な焼入れ性向上元素の添加量を極力低減しつつ優れた焼入れ性を発揮し、しかも熱処理前の状態では、熱間もしくは冷間鍛造などの加工性に優れた特性を有する機械構造用鋼を提供する技術が開示されている。

特開２００５−１６３１４８号公報 特開２００９−２４９７００号公報 特開２００６−２９９３８３号公報

ところで浸炭窒化時には、加熱により熱処理歪みが導入される。そこで、浸炭窒化処理の後には、部品表面に生成した酸化物、炭窒化物、および熱処理歪みを除去するため、通常、部品表面を研磨する必要がある。

一方、生産コストの低減が求められており、浸炭窒化処理後の研磨工程を省略すれば、大幅なコスト削減が期待できる。しかし、研磨工程を省略すると、上述したように、部品表面に酸化物、炭窒化物、および熱処理歪みを除去できないため、ピッチング寿命が却って低下する。

ピッチング寿命を向上させるために、上記特許文献１のように、合金元素を積極的に添加することが考えられる。しかし、合金元素を多量に含有すると、熱間圧延後の冷却時や、部品形状へ加工する前に行う軟化焼鈍後の冷却時に、フェライトおよびパーライト変態が完了せず、ベイナイト等の過冷組織が形成される。過冷組織は硬質なため、部品形状への加工が著しく困難になるという新たな問題が生じる。

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、部品形状への加工性に優れ、しかも浸炭窒化処理後の研磨工程を省略してもピッチング寿命に優れた鋼材、および該鋼材を用いた部品を提供することにある。

上記課題を解決することのできた本発明に係る浸炭窒化用鋼材とは、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｐ：０％超０．０３０％以下、Ｓ：０％超０．０３０％以下、Ｃｒ：０．３５〜１．１５％、Ｍｏ：０．２５〜０．９％、Ａｌ：０．０１〜０．０８％、およびＮ：０％超０．０１４％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、下記式（１）で表されるＡ値が０．２４以下であり、下記式（２）で表されるＢ値が４８以上であり、下記式（３）で表されるＣ１値が１００以下である点に要旨を有する。式中、［ ］は、各元素の含有量（質量％）を示している。
Ａ値＝０．１０２×［Ｓｉ］＋０．０８４×［Ｍｎ］＋０．１４９×［Ｃｒ］ ・・・（１）
Ｂ値＝２１．５３８×［Ｃｒ］＋７１．８２５×［Ｍｏ］ ・・・（２）
Ｃ１値＝２２．２９×［Ｓｉ］＋６０．６０×［Ｍｎ］＋１８．０９×［Ｃｒ］＋１２１．９９×［Ｍｏ］−５０．１２ ・・・（３）

上記課題は、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｐ：０％超０．０３０％以下、Ｓ：０％超０．０３０％以下、Ｃｒ：０．３５〜１．１５％、Ｍｏ：０．２５〜０．９％、Ａｌ：０．０１〜０．０８％、およびＮ：０％超０．０１４％以下を含有し、更に、質量％で、Ｎｂ：０％超０．１％以下、Ｔｉ：０％超０．１０％以下、Ｂ：０％超０．００５％以下よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、下記式（１）で表されるＡ値が０．２４以下であり、下記式（２）で表されるＢ値が４８以上であり、下記式（４）で表されるＣ２値が１００以下である浸炭窒化用鋼材によっても解決できる。式中、［ ］は、各元素の含有量（質量％）を示している。
Ａ値＝０．１０２×［Ｓｉ］＋０．０８４×［Ｍｎ］＋０．１４９×［Ｃｒ］ ・・・（１）
Ｂ値＝２１．５３８×［Ｃｒ］＋７１．８２５×［Ｍｏ］ ・・・（２）
Ｃ２値＝２２．２９×［Ｓｉ］＋６０．６０×［Ｍｎ］＋１８．０９×［Ｃｒ］＋１２１．９９×［Ｍｏ］＋１３２．１１×［Ｔｉ］＋５６．２０×［Ｎｂ］＋９４５５．９５×［Ｂ］−５０．１２ ・・・（４）

本発明には、上記鋼材を浸炭窒化処理して得られる浸炭窒化部品も包含される。

本発明によれば、鋼材の成分組成を適切に制御することにより、部品形状への加工性に優れ、しかも浸炭窒化処理後の研磨工程を省略してもピッチング寿命に優れた浸炭窒化用鋼材が得られる。また、本発明によれば、上記鋼材に浸炭窒化処理を施すことにより、浸炭窒化処理後の研磨工程を省略してもピッチング寿命に優れた浸炭窒化部品が得られる。

図１の（ａ）は、試験片の外観を示した模式図であり、図１の（ｂ）は突出山部高さＲｐｋを測定する手順を説明するための模式図である。 図２は、ピッチング試験を行ったときの様子を示した模式図である。 図３は、試験片の表層部における断面を光学顕微鏡を用いて撮影した図面代用写真である。

本発明者は、部品形状への加工性に優れ、しかも浸炭窒化処理後の研磨工程を省略してもピッチング寿命に優れた鋼材、および該鋼材を用いた浸炭窒化部品を提供するために鋭意検討を重ねてきた。その結果、ピッチング寿命を改善するには、鋼材の成分組成のうち、Ｓｉ、ＭｎおよびＣｒ量に基づいて算出されるＡ値、並びにＣｒおよびＭｏ量に基づいて算出されるＢ値を適切に制御すればよいこと、また、部品形状への加工性を改善するには、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、およびＭｏ量に基づいて算出されるＣ１値を適切に制御すればよいことを見出し、本発明を完成した。なお、上記成分組成として、Ｎｂ、Ｔｉ、およびＢよりなる群から選ばれる少なくとも１種を含有する場合は、後述するように、上記Ｃ１値の代わりに、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、およびＢ量に基づいて算出されるＣ２値を適切に制御すればよい。

まず、本発明を完成するに至った経緯について説明する。

本発明では、表面硬化処理として浸炭窒化処理を施すことを前提としている。浸炭窒化処理とは、浸炭窒化処理雰囲気で、Ａ₃点以上の温度で加熱保持し、部品表面にＣ原子およびＮ原子を拡散させる処理であり、浸炭窒化処理後は、急冷することにより表面を焼入れ、硬化させる。浸炭窒化処理により拡散侵入したＣ原子とＮ原子は、鋼材中のＣｒと結合して硬質な炭窒化物を形成すると共に、摺動時には摩擦熱により固溶していたＮ原子がＦｅ₄Ｎとして微細析出する。その結果、軟化抵抗が向上しピッチング寿命の改善が期待できる。しかし、浸炭窒化処理後の研磨工程を省略するとピッチング寿命が低下することがあった。

浸炭窒化処理のままでは、表層部に形成される酸化物、炭窒化物、および熱処理歪みの影響により表面粗さが増大する。表面粗さが増大すると、部品同士が接触する面積が小さくなるため接触応力が大きくなり、ピッチングが促進される。表面粗さがピッチングに及ぼす影響を検討したところ、特に突出山部高さＲｐｋとピッチング寿命との間に負の相関関係が認められ、突出山部高さＲｐｋが高くなるほど、ピッチング寿命は低下することが分かった。そこで、突出山部高さＲｐｋを低くするには、浸炭窒化用鋼材の成分組成のうち、Ｓｉ、ＭｎおよびＣｒ量に基づいて後述するように算出されるＡ値を０．２４以下に制御すれば良いことが分かった。

ところが、浸炭窒化処理後の研磨工程を省略したときのピッチング寿命を改善するには、上記Ａ値を調整するだけでは不充分であった。即ち、浸炭窒化処理時に、部品の表層部に酸化物、炭窒化物が形成されると共に、熱処理歪みが導入されると、焼入れ性が低下し、表層部に不完全焼入れ組織が形成される。そこで焼入性を高め、不完全焼入れ組織の生成を抑制するために、本発明では、所定量のＭｏを含有させる必要がある。また、摺動時の軟化を防止すれば、浸炭窒化部品のピッチング寿命を改善できる。摺動時の軟化は、３００℃で焼戻し処理した後の部品表面から深さ０．０１ｍｍ位置における硬さと正の相関関係があり、上記硬さが硬いほど、ピッチング寿命が増加することが判明した。そして上記硬さを高めるには、浸炭窒化用鋼材の成分組成のうち、ＣｒおよびＭｏ量に基づいて後述するように算出されるＢ値を４８以上に制御すれば良いことが分かった。

一方、部品形状への加工性を改善するには、加工前に過冷組織を形成させないことが重要である。過冷組織を形成させないためには、加工前に行われる軟化焼鈍後の冷却時に、フェライトおよびパーライト変態を完了させる必要がある。そこで、フェライトおよびパーライト変態を完了させるために、本発明では、浸炭窒化用鋼材の成分組成のうち、変態速度に影響を及ぼすＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、およびＭｏ量に基づいて後述するように算出されるＣ１値を１００以下に調整すれば良いことを明らかにした。

以上、本発明を完成するに至った経緯について説明した。以下、本発明について詳細に説明する。

まず、本発明に係る浸炭窒化用鋼材における基本成分について説明する。

本発明の浸炭窒化用鋼材は、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｐ：０％超０．０３０％以下、Ｓ：０％超０．０３０％以下、Ｃｒ：０．３５〜１．１５％、Ｍｏ：０．２５〜０．９％、Ａｌ：０．０１〜０．０８％、およびＮ：０％超０．０１４％以下を含有する。

Ｃは、浸炭窒化部品の芯部硬さを確保するために必要な元素であり、０．１５％以上とする。Ｃ量は、好ましくは０．１７％以上、より好ましくは０．１８％以上である。しかしＣを過剰に含有すると、部品形状に加工する前にパーライトなどの過冷組織の分率が増加し、部品形状への加工性が低下する。従って本発明では、Ｃ量は０．２５％以下とする。Ｃ量は、好ましくは０．２３％以下、より好ましくは０．２２％以下である。

Ｓｉは、１．０％を超えて含有すると、浸炭窒化処理時に表面酸化物の形成が促進され、突出山部高さＲｐｋが大きくなり、ピッチング寿命が低下する。また、部品形状に加工する前の熱処理により過冷組織が生じやすくなり、部品形状への加工性が低下する。従って本発明では、Ｓｉ量は１．０％以下とする。Ｓｉ量は、好ましくは０．９５％以下、より好ましくは０．９０％以下である。Ｓｉは、できるだけ低減することが好ましいが、純度を高めるほど製造コストが増大するため、本発明では０．０３％以上とする。Ｓｉ量は、０．０５％以上であってもよく、０．０７％以上であってもよい。

Ｍｎは、鋼中のＳと結合してＭｎＳを生成し、部品形状への加工性を低下させるＦｅＳの生成を抑制する元素である。本発明では、Ｍｎは、０．２％以上とする。Ｍｎ量は、好ましくは０．３％以上、より好ましくは０．３５％以上である。しかしＭｎを過剰に含有すると、部品形状に加工する前の熱処理における変態速度を著しく低下させるため、過冷組織が過剰に生成し、部品形状への加工性が低下する。また、浸炭窒化処理時に表面酸化物が形成され、突出山部高さＲｐｋが大きくなり、ピッチング寿命が低下する。従って本発明では、Ｍｎ量は０．５％以下とする。Ｍｎ量は、好ましくは０．４７％以下、より好ましくは０．４５％以下である。

Ｐは、鋼中に不可避的に含まれる元素であり、結晶粒界に偏析してピッチング寿命を低下させるため、できるだけ低減する必要がある。従って本発明では、Ｐ量は０．０３０％以下とする。Ｐ量は、好ましくは０．０２５％以下、より好ましくは０．０２％以下である。Ｐは、できるだけ低減することが好ましいが、純度を高めるほど製造コストが増加するため、Ｐ量は、０．００３％以上であってもよく、０．００５％以上であってもよい。

Ｓは、鋼中に不可避的に含まれる元素であり、鋼中のＭｎと結合してＭｎＳ系介在物を形成し、疲労強度を低下させる元素である。従って本発明では、Ｓ量は０．０３０％以下とする。Ｓ量は、好ましくは０．０２５％以下、より好ましくは０．０２％以下である。しかし、少量のＳは、切削性を向上させる作用を有する。こうした作用を有効に発揮させるには、Ｓ量は０．００３％以上が好ましく、より好ましくは０．００５％以上である。

Ｃｒは、浸炭窒化処理後の軟化抵抗を向上させ、ピッチング寿命の向上に寄与する元素である。本発明では、Ｃｒ量は、０．３５％以上とする。Ｃｒ量は、好ましくは０．３８％以上、より好ましくは０．４％以上である。しかしＣｒを過剰に含有すると、部品形状に加工する前の熱処理において過冷組織が過剰に生成し、部品形状への加工性が低下する。また、表面酸化物の形成により突出山部高さＲｐｋが大きくなり、表面粗さを増大させ、ピッチング寿命が却って低下する。従って本発明では、Ｃｒ量は、１．１５％以下とする。Ｃｒ量は、好ましくは１．１２％以下、より好ましくは１．１％以下である。

Ｍｏは、浸炭窒化処理後の突出山部高さＲｐｋを増大させることなく、不完全焼入れ組織の生成を抑制し、かつ軟化抵抗を向上させる元素である。その結果、ピッチング寿命を向上できる。そこで、本発明では、Ｍｏ量を０．２５％以上とする。Ｍｏ量は、好ましくは０．３％以上、より好ましくは０．３５％以上である。しかしＭｏを過剰に含有すると、部品形状への加工前の熱処理時に過冷組織の生成が促進され、部品形状への加工性が低下する。また、過剰な添加は、鋼材のコスト高になる。従って本発明では、Ｍｏ量は０．９％以下とする。Ｍｏ量は、好ましくは０．８５％以下、より好ましくは０．８％以下である。

Ａｌは、鋼中に不可避的に含まれる元素であり、過剰に含有すると、熱間加工性が低下する。従って本発明では、Ａｌ量は、０．０８％以下とする。Ａｌ量は、好ましくは０．０６％以下、より好ましくは０．０５％以下である。Ａｌは、脱酸剤として有用に作用するほか、鋼中のＮと結合してＡｌＮを生成し、浸炭窒化処理時に結晶粒が粗大化するのを抑制する作用を有する。こうした作用を発揮させるには、Ａｌは、０．０１％以上とする必要がある。Ａｌ量は、好ましくは０．０１５％以上、より好ましくは０．０２％以上である。

Ｎは、過剰に含有すると、熱間加工性が低下させる元素である。従って本発明では、Ｎ量は、０．０１４％以下とする。Ｎ量は、好ましくは０．０１３％以下、より好ましくは０．０１２％以下である。Ｎは、鋼中のＡｌ、Ｔｉ、Ｎｂと結合して微細な炭窒化物を形成し、浸炭窒化処理時に結晶粒が粗大化するのを抑制する作用を有する。こうした作用を有効に発揮させるには、Ｎ量は、好ましくは０．００１％以上、より好ましくは０．００５％以上とする。

本発明に係る浸炭窒化用鋼材の基本成分は上述した通りであり、残部は鉄および不可避不純物である。

本発明に係る鋼材は、上記成分組成を満足したうえで、下記式（１）で表されるＡ値が０．２４以下であり、下記式（２）で表されるＢ値が４８以上であり、下記式（３）で表されるＣ１値が１００以下である。式中、［ ］は、各元素の含有量（質量％）を示している。
Ａ値＝０．１０２×［Ｓｉ］＋０．０８４×［Ｍｎ］＋０．１４９×［Ｃｒ］ ・・・（１）
Ｂ値＝２１．５３８×［Ｃｒ］＋７１．８２５×［Ｍｏ］ ・・・（２）
Ｃ１値＝２２．２９×［Ｓｉ］＋６０．６０×［Ｍｎ］＋１８．０９×［Ｃｒ］＋１２１．９９×［Ｍｏ］−５０．１２ ・・・（３）

上記式（１）で表されるＡ値は、鋼材の成分組成が、浸炭窒化処理して得られる浸炭窒化部品表面の突出山部高さＲｐｋに及ぼす影響を示す。即ち、本発明者らが検討したところ、浸炭窒化部品表面の突出山部高さＲｐｋは、鋼材中のＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ量によって変化し、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ量に基づいて算出されるＡ値が大きくなるほど突出山部高さＲｐｋが大きくなり、ピッチング寿命が低下することが分かった。従って本発明では、上記Ａ値を０．２４以下とする。上記Ａ値は、好ましくは０．２３以下、より好ましくは０．２２以下である。なお、上記Ａ値の下限は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ量によって決定される。

上記式（２）で表されるＢ値は、鋼材の成分組成が、浸炭窒化処理時における軟化抵抗に及ぼす影響を示す。即ち、本発明者らが検討したところ、Ｃｒは、浸炭窒化部品の表層に微細な炭窒化物を形成することによって軟化抵抗を向上させるのに作用を有し、Ｍｏは、浸炭窒化処理時に軟質な不完全焼入れ組織が形成されるのを抑制するのに作用することが分かった。そしてＣｒとＭｏを所定量以上含有させることにより、浸炭窒化処理部品を３００℃で焼戻したときにおける該浸炭窒化処理部品の表面から深さ０．０１ｍｍ位置における硬さを高めることができる。温度３００℃は、摺動時に発熱して浸炭窒化処理部品が到達する温度を意味し、ピッチングは、摺動発熱により軟化した表面を起点として発生するため、３００℃で焼戻したときの硬さを高く維持できれば、軟化抵抗が高くなり、ピッチング寿命を向上できる。従って本発明では、上記Ｂ値は４８以上とする。上記Ｂ値は、好ましくは５０以上、より好ましくは５２以上である。なお、上記Ｂ値の上限は、Ｃｒ、Ｍｏ量によって決定される。

上記式（３）で表されるＣ１値は、鋼材の成分組成が、部品形状に加工するときの加工性に及ぼす影響を示す。即ち、鋼中に合金元素を添加すると焼入性が向上するが、その反面、オーステナイト組織から冷却する際の変態速度が低下する。その結果、圧延後や焼鈍処理後にベイナイト等の過冷組織が形成される。過冷組織はフェライトやパーライト組織に比べて硬質なため、部品形状への加工性が低下する。過冷組織の分率が１０％を超えると部品形状への加工性が著しく低下する。そこで、本発明者らが検討したところ、合金元素量を制御し、Ｃ１値を１００以下に制御すれば、過冷組織の分率を１０％以下とすることができ、部品形状への加工性を改善できることが分かった。上記Ｃ１値は、好ましくは９５以下、より好ましくは９０以下である。なお、上記Ｃ１値の下限は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ量によって決定される。

本発明に係る浸炭窒化用鋼材は、金属組織全体に占めるベイナイトの面積率が、１０％以下になっているため、部品形状への加工性に優れている。部品形状への加工性は、ベイナイト以外の過冷組織、例えば、マルテンサイトなどにも影響を受けるが、本発明の浸炭窒化用鋼材は、ベイナイト以外の過冷組織は殆ど生成しないため、ベイナイトの面積率を基準にすればよい。

本発明の上記鋼材は、更に、質量％で、Ｎｂ：０％超０．１％以下、Ｔｉ：０％超０．１０％以下、Ｂ：０％超０．００５％以下よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含有してもよい。Ｎｂ、Ｔｉ、およびＢは、単独で、或いは２種以上を含有させることが好ましい。

特にＮｂは、鋼中のＣおよびＮと結合し、ピンニング粒子として作用するＮｂ（Ｃ，Ｎ）を形成し、浸炭窒化処理時の結晶粒粗大化を防止するのに作用する元素である。こうした効果を有効に発揮させるには、Ｎｂ量は、０．０１％以上とすることが好ましい。Ｎｂ量は、より好ましくは０．０１５％以上、更に好ましくは０．０２％以上である。しかしＮｂを過剰に含有させても結晶粒粗大化防止特性は飽和し、鋼材コストの増加を招く。従って本発明では、Ｎｂ量は、０．１％以下とすることが好ましい。Ｎｂ量は、より好ましくは０．０９％以下、更に好ましくは０．０８％以下である。

特にＴｉは、鋼中のＣと結合してＴｉＣを形成し、上記Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）と同様、ピンニング粒子として作用し、浸炭窒化処理時の結晶粒粗大化を防止するのに作用する元素である。また、Ｂを添加するときにはＢＮの形成を抑制し、Ｂを固溶させるためにＴｉを添加することが推奨される。こうした効果を有効に発揮させるには、Ｔｉは、０．０１％以上含有することが好ましい。Ｔｉ量は、より好ましくは０．０１５％以上、更に好ましくは０．０２％以上である。しかしＴｉを過剰に含有しても結晶粒粗大化防止特性は飽和し、鋼材コストの増加を招く。従ってＴｉ量は、０．１０％以下とすることが好ましい。Ｔｉ量は、より好ましくは０．０９％以下、更に好ましくは０．０８％以下である。

特にＢは、旧オーステナイト粒の粒界強度を高めてピッチング寿命を向上させる元素である。こうした効果を有効に発揮させるには、Ｂ量は、０．０００５％以上含有することが好ましい。Ｂ量は、より好ましくは０．００１％以上、更に好ましくは０．００１５％以上である。しかしＢを過剰に含有しても上述した効果は飽和すると共に、Ｂ窒化物が過剰に生成して熱間加工性が低下する。従って本発明では、Ｂ量は０．００５％以下とすることが好ましい。Ｂ量は、より好ましくは０．００４％以下、更に好ましくは０．００３％以下である。

上記鋼材が、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｂよりなる群から選ばれる少なくとも１種を含有する場合は、上記式（３）で表されるＣ１値の代わりに、下記式（４）で表されるＣ２値が１００以下であることが好ましい。式中、［ ］は、各元素の含有量（質量％）を示している。
Ｃ２値＝２２．２９×［Ｓｉ］＋６０．６０×［Ｍｎ］＋１８．０９×［Ｃｒ］＋１２１．９９×［Ｍｏ］＋１３２．１１×［Ｔｉ］＋５６．２０×［Ｎｂ］＋９４５５．９５×［Ｂ］−５０．１２ ・・・（４）

上記Ｃ２値の好ましい範囲は、上記Ｃ１値と同じである。即ち、本発明では、上記Ｃ２値を１００以下に制御する。上記Ｃ２値は、好ましくは９５以下、より好ましくは９０以下である。なお、上記Ｃ２値の下限は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｂ量によって決定される。

次に、本発明に係る浸炭窒化用鋼材の製造方法について説明する。

本発明の鋼材は、常法に従って溶製した鋼を、常法に従って鋳造、分塊圧延、および仕上げ圧延して製造できる。具体的には、鋳造して得られた鋳片を、１１００〜１３００℃で３０分間〜５時間加熱保持した後、分塊圧延すればよい。分塊圧延後の鋼片は、例えば、平均冷却速度を０．０１〜５℃／秒としてＡ₁点以下の温度に冷却し、更に８００〜１１００℃に加熱保持した状態で仕上げ圧延を行ない、更に平均冷却速度を０．０１〜５℃／秒として室温まで冷却することにより本発明の鋼材が得られる。

上記鋼材を、常法に従って切削、冷間鍛造、および熱間鍛造よりなる群から選ばれる１種以上の方法で加工して中間品とし、この中間品に浸炭窒化処理を施すことにより本発明の浸炭窒化部品を製造できる。

上記鋼材は、中間品に加工する前に、必要に応じて常法に従って焼鈍処理を施してもよい。

上記中間品は、浸炭窒化処理する前に、必要に応じて常法に従って溶体化処理および焼準処理を施してもよい。

浸炭窒化処理条件は特に限定されず公知の条件を適用できる。具体的には、カーボンポテンシャルを０．５〜１．０質量％、ＮＨ₃を体積分率で２〜１５％含むプロパンガス雰囲気とし、８００〜１０００℃で３０分〜６時間保持して行えばよい。浸炭窒化処理後は、常法に従って焼入れし、更に１００〜３００℃に加熱して３０分間〜３時間保持して焼戻しを行えばよい。

浸炭窒化処理は、浸炭処理してから浸炭窒化処理してもよい。例えば、浸炭処理として、カーボンポテンシャルＣＰを０．５〜１．０質量％として８５０〜１０００℃で、３０分〜３時間保持してから、浸炭窒化処理として、カーボンポテンシャルＣＰを０．５〜１．０質量％、ＮＨ₃を体積分率で２〜１５％含むプロパンガス雰囲気で、８００〜９００℃で、３０分〜３時間保持してもよい。なお、上記浸炭処理は、２回以上に分けて行ってもよい。上記浸炭窒化処理温度に加熱する際の雰囲気は、浸炭窒化雰囲気とすればよい。

浸炭窒化の種類は特に限定されず、ガス浸炭窒化、真空浸炭窒化など公知の方法を採用できる。真空浸炭窒化するときの真空度は、例えば、０．０１ＭＰａ程度以下とすればよい。

浸炭窒化処理後には、必要に応じて常法に従って潤滑被膜処理またはショットピーニング処理などを施してもよい。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限を受けるものではなく、前記および後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

下記表１に示す成分組成を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼を小型溶解炉にて溶製し、インゴットを製造した。下記表１において、「−」は検出されなかったことを意味する。下記表１には、各成分組成および上記式（１）〜（４）に基づいてＡ値、Ｂ値、Ｃ１値、Ｃ２値を算出した結果も併せて示す。なお、下記表１において、Ｃ１値とＣ２値は区別せずにＣ値の欄に記載した。

得られたインゴットを１１００〜１３００℃で３０分〜５時間加熱保持した後、平均冷却速度を０．０２〜１℃／秒としてＡ₁点以下の温度に冷却し、更に８００〜１１００℃に加熱保持した状態で仕上げ圧延を行ない、更に平均冷却速度を０．０２〜１℃／秒として室温まで冷却することにより鋼材を製造した。

得られた鋼材を熱間鍛造してφ３２ｍｍの鋼材を製造した。

更に、溶体化処理として１２５０℃で６０分間加熱保持した後、放冷し、次いで、焼準処理として９００℃で６０分間加熱保持した後、放冷した。

上記焼準処理して得られたφ３２ｍｍの鋼材を用いて部品形状への加工性の評価、並びに表面粗さ、３００℃で焼戻し処理した後の硬さ、およびピッチング寿命を測定した。

部品形状への加工性は、次の手順で評価した。

上記焼準処理して得られたφ３２ｍｍの鋼材に軟化焼鈍処理を施した。軟化焼鈍処理は、９００℃にて１時間加熱保持し、次いで６５０℃にて４時間加熱保持した後に室温まで放冷して行った。

上記軟化焼鈍して得られた鋼材の長手方向中央部を長手方向とは垂直に切断し、切断面を観察できるように樹脂埋めした。切断面を研磨し、ピクラル酸にて腐食後、鋼材の直径をＤとしたとき、円周表面からＤ／４位置を光学顕微鏡にて４００倍で写真撮影した。撮影は、任意の１０箇所で行ない、画像解析ソフトを用いて撮影した写真から、観察面積に対するベイナイトの面積率をそれぞれ測定し、その平均値を求めた。測定結果を下記表２に示す。ベイナイトの面積率は、部品形状への加工性を評価するための指標となり、ベイナイトの面積率が１０％を超えると部品形状への加工性が著しく悪化する。従って本発明では、ベイナイトの面積率が１０％以下を合格とし、部品形状への加工性に優れると評価した。

表面粗さ、３００℃で焼戻し処理したときの硬さ、およびピッチング寿命は、次の手順で測定した。

上記焼準処理して得られたφ３２ｍｍの鋼材を図１の（ａ）に示す形状の試験片に加工した。加工後の試験片において、φ２６ｍｍ位置の円周面における突出山部高さＲｐｋは０．２０ｍｍ以下とした。

得られた試験片をガス浸炭炉にて浸炭窒化処理した。即ち、まず、浸炭処理として、カーボンポテンシャルを０．９質量％として９３０℃で９０分間保持した後、続けてカーボンポテンシャルを０．７５質量％として９３０℃で６０分間保持して行った。６０分間保持後、８５０℃まで降温し、浸炭窒化処理として、ＮＨ₃を体積分率で１２％含むプロパンガス雰囲気で２時間保持した直後に油焼入れを行った。油焼入れ後、更に１７０℃に加熱して２時間保持し、放冷することにより焼戻しを行った。

（表面粗さの測定）
焼戻し処理した試験片の表面粗さを、ミツトヨ社製の表面性状測定器「ＣＳ−３２００」にて測定した。表面粗さは、突出山部高さＲｐｋを測定した。突出山部高さＲｐｋは、図１の（ａ）に示した試験片におけるφ２６ｍｍ位置の円周面において測定した。突出山部高さＲｐｋの測定手順を図１の（ｂ）を用いて説明する。図１の（ｂ）は、図１の（ａ）に示した試験片のφ２６ｍｍ位置のみを示している。図１の（ｂ）に点線で示した試験片表面の軸方向中央部を含み、この軸方向中央部から軸方向に左右２ｍｍの範囲、即ち、長さ４ｍｍにおける突出山部高さＲｐｋを測定した。次に、突出山部高さＲｐａを測定した測定位置から１８０°位置、即ち、測定位置に対して１８０°反対側の位置についても突出山部高さＲｐｋを測定した。２箇所において測定した突出山部高さＲｐｋの平均値を求めた。算出結果を下記表２に示す。

なお、本実施例では、焼戻し処理した後、試験片におけるφ２６ｍｍ位置については研磨工程は行わずに、表面粗さを測定した。

（３００℃で焼戻し処理したときの硬さの測定）
焼戻し処理して得られた試験片を、更に３００℃にて３時間加熱保持してから放冷して２回目の焼戻し処理を行った。

次いで試験片中央部を軸方向に対して垂直に切断し、切断面の硬さを測定できるよう樹脂埋めした。切断面を研磨後、試験片表面から断面中心に向かって深さ０．０１ｍｍ位置において５箇所のビッカース硬さを測定し、平均値を求めた。ビッカース硬さの測定は、１００ｇｆとした。測定結果を下記表２に示す。

（ピッチング寿命の測定）
ピッチング寿命は、コマツエンジニアリング株式会社製の「ＲＰ−２０１型ローラーピッチング試験機」を用いて測定した。図２に、試験時の外観として、試験片ローラー１と荷重ローラー２が接触し、すべりながら転動する様子を示す。

荷重ローラー２にはＪＩＳ Ｇ４８０５で規定される高炭素クロム鋼ＳＵＪ２、試験油には市販のオートマチック油を用いた。

測定条件は、試験面圧：３．５ＧＰａ、すべり率：−４０％、回転数：１０００ｒｐｍとした。

ピッチングが発生して試験機が停止したときのサイクル数をピッチング寿命とし、１０００万サイクルに到達した場合はその時点で試験を中止した。各鋼種２本ずつ試験を行ない、平均値を求めた。結果を下記表２に示す。ピッチング寿命が２００万回以上の場合を合格とし、ピッチング寿命に優れると評価した。

部品形状への加工性を評価する指標となるベイナイト分率、およびピッチング寿命の両方が本発明で推奨する基準を満足している場合を合格とし、少なくとも一方が本発明で推奨する基準を満足していない場合を不合格として評価し、評価結果を下記表２の判定の欄に記載した。

表２に基づいて、次のように考察できる。Ｎｏ．１〜４５は、本発明で規定する要件を満足する例であり、部品形状への加工性およびピッチング寿命に優れることが分かる。

Ｎｏ．４６〜６５は、本発明で規定するいずれかの要件を満足しない例であり、部品形状への加工性またはピッチング寿命のうち、少なくとも一方が改善できていない。詳細は次の通りである。

Ｎｏ．４６は、Ｃ量が少なすぎる例であり、ピッチング寿命を向上できなかった。

Ｎｏ．４７は、Ｓｉを過剰に含有し、Ａ値およびＣ値が本発明で規定する範囲を満足しない例である。Ａ値が本発明で規定する範囲を超えたため、突出山部高さＲｐｋが大きくなった。その結果、ピッチング寿命を向上できなかった。また、Ｃ値が本発明で規定する範囲を超えたため、過冷組織であるベイナイトが過剰に生成した。その結果、部品形状への加工性を改善できない。

Ｎｏ．４８は、Ｍｎ量が少なすぎる例であり、ピッチング寿命を向上できなかった。

Ｎｏ．４９は、Ｍｎを過剰に含有し、Ａ値およびＣ値が本発明で規定する範囲を満足しない例である。Ａ値が本発明で規定する範囲を超えたため、突出山部高さＲｐｋが大きくなった。その結果、ピッチング寿命を向上できなかった。また、Ｃ値が本発明で規定する範囲を超えたため、過冷組織であるベイナイトが過剰に生成した。その結果、部品形状への加工性を改善できない。

Ｎｏ．５０は、Ｐを過剰に含有する例であり、ピッチング寿命を向上できなかった。

Ｎｏ．５１は、Ｓを過剰に含有する例であり、ピッチング寿命を向上できなかった。

Ｎｏ．５２は、Ｃｒ量が少なすぎ、Ｂ値が本発明で規定する範囲を満足しない例である。Ｂ値が本発明で規定する範囲を下回ったため、３００℃で焼戻したときの硬さが小さくなった。その結果、ピッチング寿命を向上できなかった。

Ｎｏ．５３は、Ｃｒを過剰に含有し、Ａ値が本発明で規定する範囲を満足しない例である。Ａ値が本発明で規定する範囲を超えたため、突出山部高さＲｐｋが大きくなった。その結果、ピッチング寿命を向上できなかった。

Ｎｏ．５４は、Ｍｏ量が少なすぎ、Ｂ値が本発明で規定する範囲を満足しない例である。Ｂ値が本発明で規定する範囲を下回ったため、３００℃で焼戻したときの硬さが小さくなった。その結果、ピッチング寿命を向上できなかった。

Ｎｏ．５５は、Ｍｏを過剰に含有し、Ｃ値が本発明で規定する範囲を満足しない例である。Ｃ値が本発明で規定する範囲を超えたため、過冷組織であるベイナイトが過剰に生成した。その結果、部品形状への加工性を改善できない。

Ｎｏ．５６は、Ａ値が本発明で規定する範囲を満足しない例である。Ａ値が本発明で規定する範囲を超えたため、突出山部高さＲｐｋが大きくなった。その結果、ピッチング寿命を向上できなかった。

Ｎｏ．５７〜５９は、Ｂ値が本発明で規定する範囲を満足しない例である。Ｂ値が本発明で規定する範囲を下回ったため、３００℃で焼戻したときの硬さが小さくなった。その結果、ピッチング寿命を向上できなかった。

Ｎｏ．６０〜６４は、Ｃ値が本発明で規定する範囲を満足しない例である。Ｃ値が本発明で規定する範囲を超えたため、過冷組織であるベイナイトが過剰に生成した。その結果、部品形状への加工性を改善できない。

Ｎｏ．６５は、Ｍｏを含有せず、Ｂ値が本発明で規定する範囲を満足しない例である。Ｂ値が本発明で規定する範囲を下回ったため、硬さが小さくなった。その結果、ピッチング寿命を向上できなかった。

ここで、浸炭窒化処理後、上述したように、油焼入れおよび焼戻しを行ったＮｏ．６５の試験片について、表層部の断面を露出させ、ナイタル腐食し、光学顕微鏡で４００倍で観察した。撮影した図面代用写真を図３の（ａ）に示す。また、Ｍｏを含有する例として、同じ条件で撮影したＮｏ．１の図面代用写真を図３の（ｂ）に示す。

Ｍｏを含有しない場合は、図３の（ａ）中に矢印で示したように、不完全焼入組織が発生していることが分かる。一方、Ｍｏを含有する場合は、図３の（ｂ）に示すように、不完全焼入組織が消失していることが分かる。

１ 試験片ローラー
２ 荷重ローラー

Claims (3)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．１５〜０．２５％、
   Ｓｉ：０．０３〜１．０％、
   Ｍｎ：０．２〜０．５％、
   Ｐ ：０％超０．０３０％以下、
   Ｓ ：０％超０．０３０％以下、
   Ｃｒ：０．３５〜１．１５％、
   Ｍｏ：０．２５〜０．９％、
   Ａｌ：０．０１〜０．０８％、および
   Ｎ ：０％超０．０１４％以下を含有し、
   残部が鉄および不可避不純物からなり、
   下記式（１）で表されるＡ値が０．２４以下であり、
   下記式（２）で表されるＢ値が４８以上であり、
   下記式（３）で表されるＣ１値が１００以下であることを特徴とする浸炭窒化用鋼材。
   Ａ値＝０．１０２×［Ｓｉ］＋０．０８４×［Ｍｎ］＋０．１４９×［Ｃｒ］ ・・・（１）
   Ｂ値＝２１．５３８×［Ｃｒ］＋７１．８２５×［Ｍｏ］ ・・・（２）
   Ｃ１値＝２２．２９×［Ｓｉ］＋６０．６０×［Ｍｎ］＋１８．０９×［Ｃｒ］＋１２１．９９×［Ｍｏ］−５０．１２ ・・・（３）
   ［式中、［ ］は、各元素の含有量（質量％）を示している。］
2. 質量％で、
   Ｃ ：０．１５〜０．２５％、
   Ｓｉ：０．０３〜１．０％、
   Ｍｎ：０．２〜０．５％、
   Ｐ ：０％超０．０３０％以下、
   Ｓ ：０％超０．０３０％以下、
   Ｃｒ：０．３５〜１．１５％、
   Ｍｏ：０．２５〜０．９％、
   Ａｌ：０．０１〜０．０８％、および
   Ｎ ：０％超０．０１４％以下を含有し、
   更に、質量％で、
   Ｎｂ：０％超０．１％以下、
   Ｔｉ：０％超０．１０％以下、
   Ｂ ：０％超０．００５％以下よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含有し、
   残部が鉄および不可避不純物からなり、
   下記式（１）で表されるＡ値が０．２４以下であり、
   下記式（２）で表されるＢ値が４８以上であり、
   下記式（４）で表されるＣ２値が１００以下であることを特徴とする浸炭窒化用鋼材。
   Ａ値＝０．１０２×［Ｓｉ］＋０．０８４×［Ｍｎ］＋０．１４９×［Ｃｒ］ ・・・（１）
   Ｂ値＝２１．５３８×［Ｃｒ］＋７１．８２５×［Ｍｏ］ ・・・（２）
   Ｃ２値＝２２．２９×［Ｓｉ］＋６０．６０×［Ｍｎ］＋１８．０９×［Ｃｒ］＋１２１．９９×［Ｍｏ］＋１３２．１１×［Ｔｉ］＋５６．２０×［Ｎｂ］＋９４５５．９５×［Ｂ］−５０．１２ ・・・（４）
   ［式中、［ ］は、各元素の含有量（質量％）を示している。］
3. 請求項１または２に記載の鋼材を浸炭窒化処理して得られることを特徴とする浸炭窒化部品。