JP4821711B2

JP4821711B2 - 軟窒化用鋼材

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Publication number: JP4821711B2
Application number: JP2007158604A
Authority: JP
Inventors: 成史西谷; 斉松本
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2027-06-15
Also published as: JP2008308740A

Description

本発明は、軟窒化用鋼材に関し、詳しくは、例えば自動車や建設機械などのエンジン部品であるクランク軸などのような、軟窒化処理を施して使用される部品の素材として用いるのに適した軟窒化用鋼材に関する。より詳しくは、曲りの矯正を必要とする軟窒化部品の素材として用いるのに好適で、曲げ矯正後に上記部品に高い疲労強度を具備させることができる軟窒化用鋼材に関する。

自動車や建設機械などのクランク軸を始めとして、高い疲労強度や耐摩耗性が要求される部品は、鍛造や機械加工によって所定の形状に成形された後に、表面硬化のために高周波焼入れ処理や軟窒化処理を施されて製造されることが多い。

上記のうちで軟窒化処理は、高周波焼入れ処理に比べて熱処理歪が少ないことが大きな特徴である。

このため、特に、クランク軸などの部品には軟窒化処理が施されることが多いが、軟窒化処理の場合にも歪を皆無にすることはできない。

したがって、軟窒化部品は、軟窒化処理後の仕上工程において曲げ矯正処理を行うことによって、軟窒化処理以前に存在する歪に加えて軟窒化処理によって生じた歪を除去することが行われていた。

しかしながら、上記の曲げ矯正処理を施した場合には、軟窒化部品の疲労強度が大幅に低下するということを避け難かった。これは、曲げ矯正処理によって、軟窒化処理で形成された表面窒化層に割れが発生するためである。

したがって、産業界からは、軟窒化処理後の仕上工程において曲げ矯正処理を施した場合に、大きな曲げ変位量に至るまで表面窒化層に割れが発生しないという優れた曲げ矯正性を有し、軟窒化処理を施した部品に対して高い疲労強度を具備させることができる軟窒化用鋼材が要望されていた。

そこで、前記した要望に応えるべく、例えば、特許文献１〜４に、軟窒化処理に関する種々の技術が提案されている。また、特許文献５には、窒化処理に関する技術が提案されている。

具体的には、特許文献１に、「Ｃ：０．５％以下、Ｃｒ：０．５％以下、Ａｌ：０．２％以下およびＶ：０．３％以下を含み、必要に応じてさらに、（ａ）Ｔｉ、Ｚｒ：いずれも０．３％以下の１種又は２種、（ｂ）Ｎｂ＋Ｔａ：０．３％以下、（ｃ）Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ：おのおの１．５％以下、（ｄ）Ｓ：０．１５％以下、Ｐｂ＋Ｔｅ：０．４％以下、Ｓｅ：０．３％以下の１種又は２種以上、の４グループの元素を１又は２以上組み合わせて含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなる鋼を加工して所望の機械部品の形状を与え、熱処理を行って含有されているＶの少なくとも一部を析出させたのち軟窒化処理を施す機械部品の製造方法」が開示されている。

特許文献２には、「重量％で、Ｃ：０．４〜０．７％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｃｒ：０．２％以上且つ（Ｃ含有量＋０．１）％以下、Ａｌ：０．０５％以下を含有し、必要に応じてさらに、（ａ）Ｐ：０．０１５％以下、（ｂ）Ｓ：０．１５％以下、Ｐｂ：０．３％以下、Ｂｉ：０．３％以下、Ｓｅ：０．１％以下及びＣａ：０．０００５〜０．０１０％から選択された少なくとも１種、の２元素群のうちの少なくとも１つの元素群から選ばれる元素を含み、残部実質的にＦｅよりなり、軟窒化処理後に高強度及び高靱性が得られる低合金軟窒化鋼」が開示されている。

特許文献３には、「重量％で、Ｃ：０．４〜０．７％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．８〜２．０％、Ｃｒ：０．２％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｔｉ＋Ｖ：０．０２％以上且つ（Ｃ含有量／６）％以下を含有し、必要に応じてさらに、（ａ）Ｐ：０．０１５％以下、（ｂ）Ｓ：０．１５％以下、Ｐｂ：０．３％以下、Ｂｉ：０．３％以下、Ｓｅ：０．１％以下及びＣａ：０．０００５〜０．０１０％から選択された少なくとも１種、の２元素群のうちの少なくとも１つの元素群から選ばれる元素を含み、残部実質的にＦｅよりなり、軟窒化処理後に高強度及び高靱性が得られる低合金軟窒化鋼」が開示されている。

特許文献４には、「Ｃ：０．３５〜０．６５重量％、Ｓｉ：０．３５％〜２．００重量％、Ｍｎ：０．８０〜２．５０重量％、Ｃｒ：０．２０重量％以下及びＡｌ：０．０３５重量％以下を含有し、必要に応じてさらに、（ａ）Ｎｉ：３．０重量％以下、Ｃｕ：１．０重量％以下及びＭｏ：０．５重量％以下からなる群より選ばれる１種以上、（ｂ）Ｐｂ：０．０３〜０．３５重量％、Ｃａ：０．００１０〜０．０１００重量％及びＳ：０．０４〜０．１３重量％からなる群より選ばれる１種以上、（ｃ）Ｂ：０．００８０重量％以下、の３元素群のうちの少なくとも１つの元素群から選ばれる元素を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる軟窒化用鋼」が開示されている。

特許文献５には、「重量％で、Ｆｅの含有率が９０％以上とされるとともに、それぞれ、Ｃ：０．３５〜０．５％、Ｓｉ：０．０１〜０．３％、Ｍｎ：０．６〜１．８％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｃｒ：０．０１〜０．５％、Ａｌ：０．００１〜０．０１％、Ｎ：０．００５〜０．０２５％とされる成分元素を含有し、必要に応じてさらに、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｓ：０．２０％以下、Ｃａ：０．０１％以下、Ｂｉ：０．３０％以下、Ｔｉ：０．０２％以下、Ｚｒ：０．０２％以下、Ｍｇ：０．０１％以下とされる成分元素のうち１種または２種以上が含有されてなることに加えて、炭素当量、クロム当量を特定の範囲に調整し、部材表面から５０μｍ位置のビッカース硬さが３４０〜４６０ＨＶ、窒化の影響が及んでいない略一定硬さを示す内層部のビッカース硬さが１９０〜２６０ＨＶ、さらに、ビッカース硬さが２７０ＨＶとされる部材表面からの有効硬化層深さが０．３ｍｍ以上に調整されてなる機械部品」が開示されている。

特開昭５９−６７３６５号公報特開昭６４−４４５７号公報特開昭６４−２５９４９号公報特開平４−８３８４９号公報特開２００４−１６２１６１号公報

前述の特許文献１で開示された技術の場合は、Ｖが必須の構成元素として添加されている。このため、必ずしも十分な曲げ矯正性が確保できるとはいえなかった。

特許文献２で開示された技術の場合、Ｃ及びＣｒを多量に含むものである。このため、必ずしも十分な曲げ矯正性が確保できるとはいえなかった。

特許文献３で開示された技術の場合、Ｃを多量に含むものである。このため、必ずしも十分な曲げ矯正性が確保できるとはいえなかった。

特許文献４で開示された技術の場合、０．３５〜２．００重量％という過剰のＳｉを含むものである。このため、必ずしも十分な曲げ矯正性が確保できるとはいえなかった。

特許文献５で開示された技術の場合、Ｔｉは必ずしも含有されるものでなく、このため、結晶粒の粗大化抑制という点では十分とはいえず、疲労強度に十分優れるものではなかった。

そこで、本発明の目的は、軟窒化処理後の仕上工程において曲げ矯正処理を行った場合に、大きな曲げ変位量に至るまで表面窒化層に割れが発生しないという優れた曲げ矯正性を有するだけではなく、軟窒化処理後の仕上工程において曲げ矯正処理を行った軟窒化部品に対して高い疲労強度を具備させることができる軟窒化用鋼材を提供することである。

従来、軟窒化用鋼材の特性は、軟窒化処理ままでの疲労強度と、表面窒化層に割れが発生するまでの曲げ変位量あるいは曲げ歪量で表される曲げ矯正性、の２つでのみ評価されていた。これは、軟窒化処理後の疲労強度が高くても、わずかな曲げ矯正処理で表面窒化層に割れが発生するような場合には、曲げ矯正した部品の実体的な疲労強度が劣るためである。

しかしながら、前記した課題を解決するために種々検討を行った結果、本発明者は、
（ａ）曲げ矯正時に表面窒化層に割れが発生しない場合であっても、曲げ矯正後に疲労強度が低下することがある。
という事実に気付いた。

そこで、さらに検討を加えた結果、
（ｂ）曲げ矯正後の疲労強度は、曲げ矯正時に発生した表面窒化層の割れが要因で決定される場合と、曲げ矯正時の残留応力が要因で決定される場合の２種類が存在すること、具体的には、疲労き裂が曲げ矯正時に割れが発生する引張矯正側ではなく、曲げ矯正時に割れが発生しない圧縮矯正側から進行する場合がある。
ということに気付いた。

そして、上記疲労き裂が圧縮矯正側から進行する場合があるのは、曲げ矯正後の残留応力が、引張矯正側では圧縮残留応力となっているのに対して、圧縮矯正側では引張残留応力となっているためであることが明らかになった。

（ｃ）したがって、曲げ矯正後に良好な疲労強度を確保するためには、鋼材の疲労強度を確保することと、曲げ矯正時の表面窒化層の割れを防ぐだけでは十分ではなく、圧縮矯正側に発生する引張残留応力の絶対値を小さくする必要がある。

さらに検討を加えた結果、下記（ｄ）の知見を得るに至った。

（ｄ）曲げ矯正後に良好な疲労強度を確保するには、鋼材の化学組成を特定の範囲にするとともに、軟窒化処理前の機械的性質、特に、軟窒化処理前の降伏比（引張強度に対する降伏応力の割合で「降伏応力／引張強度」で表される値。以下、「ＹＲ」ともいう。）が０．６以上になるように制御すればよい。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記（１）〜（３）に示す軟窒化用鋼材にある。

（１）質量％で、Ｃ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．１０〜０．３５％、Ｍｎ：１．２〜１．８％、Ｓ：０．１２％以下、Ｔｉ：０．００１〜０．０２％、Ｎ：０．００８〜０．０２５％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＰ：０．０８％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｃｒ：０．２０％以下、Ｖ：０．０１％未満で、かつ、Ｔｉ（％）／Ｎ（％）＜１．０を満足する化学組成で、さらに、軟窒化処理前の降伏比が０．６以上であることを特徴とする軟窒化用鋼材。

（２）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｍｏ：０．３％以下を含有することを特徴とする上記（１）に記載の軟窒化用鋼材。

（３）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｐｂ：０．３％以下、Ｃａ：０．０１％以下及びＢｉ：０．３％以下のうちの１種又は２種以上を含有することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の軟窒化用鋼材。

以下、上記（１）〜（３）の軟窒化用鋼材に係る発明を、それぞれ、「本発明（１）」〜「本発明（３）」という。また、総称して「本発明」ということがある。

本発明の軟窒化用鋼材は、軟窒化処理後の仕上工程において曲げ矯正処理を行った場合に、大きな曲げ変位量に至るまで表面窒化層に割れが発生しないという優れた曲げ矯正性を有するだけではなく、軟窒化処理後の仕上工程において曲げ矯正処理を行った軟窒化部品に対して高い疲労強度を具備させることができる。このため、軟窒化部品の素材として用いるのに好適である。

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」は「質量％」を意味する。

（Ａ）化学組成
Ｃ：０．３５〜０．４５％
Ｃは、必要な疲労強度を確保するため有効な元素であり、高い疲労強度を得るためには０．３５％以上の含有量とする必要がある。しかしながら、Ｃの含有量が過剰になると鋼材自体の疲労強度が低下するのに加え、ＹＲが低下して曲げ矯正後の引張残留応力が大きくなるため、曲げ矯正後の疲労強度の低下を招き、特に０．４５％を超えると、ＹＲの低下が著しくなって曲げ矯正後の疲労強度が大きく低下してしまう。したがって、Ｃの含有量を０．３５〜０．４５％とした。なお、Ｃ含有量のより望ましい範囲は０．３５〜０．４３％である。

Ｓｉ：０．１０〜０．３５％
Ｓｉは、溶製時の脱酸用として必要な元素であり、かかる効果を得るために少なくとも０．１０％の含有量とする必要がある。しかしながら、Ｓｉの多量の含有は曲げ矯正性の低下を招き、特に、Ｓｉの含有量が０．３５％を超えると、曲げ矯正性の低下が著しくなる。したがって、Ｓｉの含有量を０．１０〜０．３５％とした。なお、Ｓｉ含有量のより望ましい範囲は０．１５〜０．３５％である。

Ｍｎ：１．２〜１．８％
Ｍｎは、上記Ｓｉと同様に鋼の脱酸に有効な元素である。Ｍｎには、焼入れ性を高める作用及び軟窒化時の固溶窒素量を増加させて疲労強度を向上させる作用もある。前記した効果を得るためにはＭｎの含有量は１．２％以上とする必要がある。しかしながら、Ｍｎの含有量が１．８％を超えると、曲げ矯正性が低下する。したがって、Ｍｎの含有量を１．２〜１．８％とした。なお、Ｍｎ含有量のより望ましい範囲は１．３〜１．７％である。

Ｓ：０．１２％以下
Ｓは、被削性を改善する作用を有する。しかしながら、Ｓの含有量が多くなると疲労強度と曲げ矯正性が低下し、特に、Ｓの含有量が０．１２％を超えると、疲労強度と曲げ矯正性の低下が著しくなる。したがって、Ｓの含有量を０．１２％以下とした。なお、被削性向上効果を得るためには、Ｓの含有量は０．０４％以上とすることが望ましい。このため、Ｓ含有量のより望ましい範囲は０．０４〜０．１２％であり、０．０４〜０．０７％であれば一層望ましい。

Ｔｉ：０．００１〜０．０２％
Ｔｉは、結晶粒の粗大化を抑制し、結晶粒を微細化する元素である。この効果を得るためにはＴｉの含有量は０．００１％以上とする必要がある。一方、Ｔｉの含有量が多くなって０．０２％を超えると、曲げ矯正性が低下する。したがって、Ｔｉの含有量を０．００１〜０．０２％とした。Ｔｉ含有量のより望ましい範囲は０．００５〜０．０２％である。

なお、上記範囲にあるＴｉの含有量は、後述するように、Ｔｉ（％）／Ｎ（％）＜１．０の条件も満たす必要がある。

Ｎ：０．００８〜０．０２５％
Ｎは、窒化物を形成して結晶粒を微細化するのに有効な元素である。しかしながら、その含有量が０．００８％未満では上記の効果が十分には期待できない。一方、Ｎを０．０２５％を超えて含有しても上記の効果が飽和するとともに曲げ矯正性が低下する。したがって、Ｎの含有量を０．００８〜０．０２５％とした。なお、Ｎ含有量のより望ましい範囲は０．０１５〜０．０２２％である。

なお、上記範囲にあるＮの含有量は、次に述べるように、Ｔｉ（％）／Ｎ（％）＜１．０の条件も満たす必要がある。

Ｔｉ（％）／Ｎ（％）＜１．０
ＴｉとＮの含有量の比であるＴｉ（％）／Ｎ（％）の値が１．０以上となると、大型の窒化物あるいは炭窒化物が生成し、これが破壊の起点となって疲労強度の低下につながる。したがって、Ｔｉ（％）／Ｎ（％）＜１．０とした。なお、Ｔｉ（％）／Ｎ（％）の値の下限は、Ｔｉの含有量の下限値である０．０１％とＮの含有量の上限値である０．０２５％の場合の、０．０４である。

本発明に係る軟窒化用鋼材においては、不純物中のＰ、Ａｌ、Ｃｒ及びＶの含有量を、それぞれ、Ｐ：０．０８％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｃｒ：０．２０％以下及びＶ：０．０１％未満に制限する。

以下、このことについて説明する。

Ｐ：０．０８％以下
Ｐは、不純物であり、疲労強度及び曲げ矯正性を低下させてしまう。特に、その含有量が０．０８％を超えると、疲労強度及び曲げ矯正性の低下が著しくなる。したがって、不純物中のＰの含有量を０．０８％以下とした。なお、不純物中のＰ含有量のより望ましい範囲は０．０３％以下である。

Ａｌ：０．０１％以下
Ａｌは、不純物であり、曲げ矯正性を低下させてしまう。特に、その含有量が０．０１％を超えると曲げ矯正性の低下が著しくなる。したがって、不純物中のＡｌの含有量を０．０１％以下とした。

Ｃｒ：０．２０％以下
Ｃｒは、不純物であり、その含有量が０．２０％を超えると、曲げ矯正性が著しく低下し、曲げ矯正後の疲労強度が低下する。そこで、本発明では、不純物中のＣｒの含有量を０．２０％以下とした。なお、不純物中のＣｒ含有量のより望ましい範囲は０．１０％以下である。

Ｖ：０．０１％未満
Ｖは、不純物であり、その含有量が０．０１％以上になると曲げ矯正性が低下するし、ＹＲが低下して、曲げ矯正後の疲労強度の低下を招く。したがって、不純物中のＶの含有量を０．０１％未満とした。

上記の理由から、本発明（１）に係る軟窒化用鋼材は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｔｉ、Ｎを上述した範囲で含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＰ、Ａｌ、Ｃｒ及びＶがそれぞれ、上述の範囲にあり、しかも、Ｔｉ（％）／Ｎ（％）＜１．０を満足することと規定した。

本発明に係る軟窒化用鋼材には、必要に応じて、上記本発明（１）におけるＦｅの一部に代えて、
第１群：Ｍｏ：０．３％以下、
第２群：Ｐｂ：０．３％以下、Ｃａ：０．０１％以下及びＢｉ：０．３％以下のうちの１種又は２種以上、
の少なくとも１つの群の元素のうち１種以上を含有するものとすることができる。

すなわち、さらにより優れた特性を得るために、前記第１群と第２群の少なくとも１つの群の元素のうち１種以上を、本発明（１）の軟窒化用鋼材におけるＦｅの一部に代えて、含有してもよい。

以下、上記の元素に関して説明する。

第１群：Ｍｏ：０．３％以下
Ｍｏは、焼入れ性を高めることによって、疲労強度及び靱性の向上に寄与する元素であるので、必要に応じて添加含有させてもよい。しかしながら、０．３％を超えるＭｏを含有させても前記の効果が飽和するのでコストが嵩んで経済性が損なわれる。したがって、添加する場合のＭｏの含有量を０．３％以下とした。

前記したＭｏの焼入れ性向上効果を確実に得るためには、Ｍｏの含有量を０．０５％以上とすることが好ましい。このため、添加する場合のより望ましいＭｏ含有量は０．０５〜０．３％である。なお、添加する場合の一層望ましいＭｏの含有量は０．０５〜０．１５％である。

第２群：Ｐｂ：０．３％以下、Ｃａ：０．０１％以下及びＢｉ：０．３％以下のうちの１種又は２種以上
Ｐｂ、Ｃａ及びＢｉは、いずれも、被削性を改善する作用を有する。このため、より優れた被削性を得たい場合には以下の範囲で含有してもよい。

Ｐｂ：０．３％以下
Ｐｂは、被削性を改善する作用を有するので、さらなる被削性向上のために含有させてもよい。しかしながら、Ｐｂの含有量が０．３％を超えると介在物が多くなって疲労強度が著しく低下する。したがって、添加する場合のＰｂの含有量を０．３％以下とした。

前記したＰｂの被削性改善効果を確実に得るためには、Ｐｂの含有量を０．０５％以上とすることが好ましい。このため、添加する場合のより望ましいＰｂ含有量は０．０５〜０．３％である。なお、添加する場合の一層望ましいＰｂの含有量は０．１〜０．３％である。

Ｃａ：０．０１％以下
Ｃａは、被削性を改善する作用を有するので、さらなる被削性向上のために含有させてもよい。しかしながら、Ｃａの含有量が０．０１％を超えると大型介在物の混入が避けられず疲労強度低下の原因となる。したがって、添加する場合のＣａの含有量を０．０１％以下とした。

前記したＣａの被削性改善効果を確実に得るためには、Ｃａの含有量を０．０００３％以上とすることが好ましい。このため、添加する場合のより望ましいＣａ含有量は０．０００３〜０．０１％である。なお、添加する場合の一層望ましいＣａの含有量は０．０００５〜０．０１％である。

Ｂｉ：０．３％以下
Ｂｉも、被削性を改善する作用を有するので、さらなる被削性向上のために含有させてもよい。しかしながら、Ｂｉの含有量が０．３％を超えると疲労特性および曲げ矯正性が著しく低下する。したがって、添加する場合のＢｉの含有量を０．３％以下とした。

前記したＢｉの被削性改善効果を確実に得るためには、Ｂｉの含有量を０．０５％以上とすることが好ましい。このため、添加する場合のより望ましいＢｉ含有量は０．０５〜０．３％である。なお、添加する場合の一層望ましいＢｉの含有量は０．１〜０．３％である。

上記のＰｂ、Ｃａ及びＢｉは、いずれか１種のみ、あるいは２種以上の複合で含有することができる。

上述の理由から、本発明（２）に係る軟窒化用鋼材の化学組成を、本発明（１）に係る軟窒化用鋼材のＦｅの一部に代えて、Ｍｏ：０．３％以下を含有するものと規定した。

また、本発明（３）に係る軟窒化用鋼材の化学組成を、本発明（１）又は本発明（２）の軟窒化用鋼材におけるＦｅの一部に代えて、Ｐｂ：０．３％以下、Ｃａ：０．０１％以下及びＢｉ：０．３％以下のうちの１種又は２種以上を含有することと規定した。

（Ｂ）軟窒化処理前の降伏比
軟窒化用鋼材の化学組成が前記（Ａ）項で述べたものであっても、軟窒化処理前のＹＲが０．６未満であれば、曲げ矯正後の疲労強度が大きく低下してしまう。このため、軟窒化処理前のＹＲを０．６以上とした。なお、０．９を超えるＹＲを確保するには合金元素を多量に含まざるを得ず、表面硬度が高くなりすぎるので、曲げ矯正時に表面窒化層に割れが発生しやすくなる。したがって、軟窒化処理前のＹＲは０．９以下とすることが好ましい。

なお、化学組成が前記（Ａ）項の条件を満たす場合に、軟窒化処理前のＹＲを０．６以上とするためには、例えば、８２０〜８７０℃で焼準し、その後、０．５〜１．０℃／秒の冷却速度で室温まで冷却すればよい。上記のような処理を施すことによって、細かい結晶粒が得られるので、軟窒化処理前に０．６以上の大きなＹＲを具備させることが可能になる。

なお、Ａｃ₁点以下の５００〜６００℃前後の温度域で、Ｎ及びＣを侵入・拡散させて高い表面硬さを得る軟窒化の処理条件は特に規定する必要はなく、ガス軟窒化、塩浴軟窒化やプラズマ軟窒化などを適宜用いればよい。例えば、ガス軟窒化の場合には、通常行われるように、ＮＨ₃ガス（アンモニアガス）とＲＸガス（「ＲＸガス」は吸熱型変成ガスの商標である。）の混合比である「ＮＨ₃／ＲＸ」が１、つまり、ＮＨ₃ガス：ＲＸガス＝１：１の雰囲気中にて６００℃で２時間程度処理し、その後１００℃の油中に冷却すればよい。

以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。

表１に示す化学組成を有する鋼１〜１６を７０トン転炉溶製−連続鋳造して得た鋳片を分塊圧延して一辺が１８０ｍｍの角材とした。

このようにして得た一辺が１８０ｍｍの角材を素材として、１２００℃加熱、１０００℃仕上げの熱間鍛造によって、直径５０ｍｍの丸棒を作製した。

次いで、直径５０ｍｍの丸棒を、表２に示す温度で２時間焼準した。焼準後は、表２に示す冷却速度で室温まで冷却した。

上記のようにして得た直径が５０ｍｍの各丸棒のＲ／２部（但し、「Ｒ」は丸棒の半径を表す。）から、ＪＩＳＺ２２０１（１９９８）に記載の４号引張試験片（但し、平行部の長さ：３０ｍｍ、直径：７ｍｍ、肩部のＲ：１５ｍｍ）を採取し、標点距離を２５ｍｍとして室温で引張試験を行って、降伏応力（ＹＳ）及び引張強度（ＴＳ）を測定した。

また、上記の直径が５０ｍｍの各丸棒の中心部から、図１に示す形状の平面曲げ疲労試験片を採取し、ＮＨ₃ガス：ＲＸガス＝１：１の雰囲気中にて６００℃で２時間処理し、その後１００℃の油中に冷却した。なお、上記図１に示した平面曲げ疲労試験片における寸法の単位は全て「ｍｍ」である。

次いで、上記軟窒化処理を施した平面曲げ疲労試験片の一部のものについて、その切欠底に０．３ｍｍの歪ゲージを接着し、歪ゲージが断線するまで歪を加え、歪ゲージが断線した時点での歪量、すなわち曲げ矯正可能歪量で曲げ矯正性を評価した。

また、上記軟窒化処理を施した残りの平面曲げ疲労試験片は、その切欠底に０．３ｍｍの歪ゲージを接着し、歪ゲージの出力が１５０００με（曲げ矯正歪で１．５％に相当）になるまで曲げ矯正歪を付与した。

上記の１５０００μεの曲げ矯正歪を付与した試験片と軟窒化処理のままで曲げ矯正歪を付与していない試験片のそれぞれを用いて、室温、大気雰囲気中にて、周波数２０Ｈｚの両振りの条件で平面曲げ疲労試験を行い、曲げ矯正前後の疲労強度（σｗ）を調査した。

なお、各試験の目標値は、曲げ矯正可能歪量が２００００με以上、曲げ矯正後の疲労強度が５００ＭＰａ以上、「曲げ矯正後の疲労強度／曲げ矯正前の疲労強度」で表される曲げ矯正前後の疲労強度変化率が０．７０以上とした。

表３に、上記の試験結果を整理して示す。

表３から、本発明で規定する条件を満たす「本発明例」に係る試験番号１〜１１は、曲げ矯正可能歪量が２００００με以上、曲げ矯正後の疲労強度が５００ＭＰａ以上、かつ「曲げ矯正後の疲労強度／曲げ矯正前の疲労強度」で表される曲げ矯正前後の疲労強度変化率が０．７０以上という目標を達成しており、優れた曲げ矯正性に加えて、高い疲労強度を有することが明らかである。

これに対して、試験番号１２〜１４は、化学組成が本発明で規定する条件を満たす鋼５を用いているが、軟窒化処理前のＹＲがいずれも０．５９と低く本発明の規定から外れている。このため、いずれの試験番号の場合も、曲げ矯正後の疲労強度及び曲げ矯正前後の疲労強度変化率がともに目標に未達である。

試験番号１５〜１７は、化学組成が本発明で規定する条件を満たす鋼６を用いているが、軟窒化処理前のＹＲがいずれも０．５８と低く本発明の規定から外れている。このため、いずれの試験番号の場合も、曲げ矯正後の疲労強度及び曲げ矯正前後の疲労強度変化率がともに目標に未達である。

試験番号１８〜２０は、化学組成が本発明で規定する条件を満たす鋼７を用いているが、軟窒化処理前のＹＲがいずれも０．５９と低く本発明の規定から外れている。このため、いずれの試験番号の場合も、曲げ矯正後の疲労強度及び曲げ矯正前後の疲労強度変化率がともに目標に未達である。

試験番号２１は、鋼１２のＴｉ（％）／Ｎ（％）の値が１．１６と高く本発明で規定する条件から外れている。このため、粗大な窒化物が生成して曲げ矯正後の疲労強度が低く、目標に未達である。

試験番号２２は、鋼１２のＭｎ含有量が１．００％と低く、本発明で規定する条件から外れている。このため、軟窒化時の固溶窒素量が低くなって曲げ矯正後の疲労強度が低く、目標に未達である。

試験番号２３は、鋼１３のＣｒ含有量が０．２２％と高く、本発明で規定する条件から外れている。このため、曲げ矯正性が低下し、曲げ矯正可能歪量及び曲げ矯正後の疲労強度がともに目標に未達である。

試験番号２４は、鋼１５のＶ含有量が０．０１２％と高く、また軟窒化処理前のＹＲが０．５４と低く、本発明で規定する条件から外れている。このため、曲げ矯正性が低下し、曲げ矯正可能歪量、曲げ矯正後の疲労強度及び曲げ矯正前後の疲労強度変化率がいずれも目標に未達である。

試験番号２５は、鋼１６のＣ含有量が０．５０％と高く、軟窒化処理前のＹＲが０．５６と低く、本発明で規定する条件から外れている。このため、曲げ矯正性が低下し、曲げ矯正可能歪量、曲げ矯正後の疲労強度及び曲げ矯正前後の疲労強度変化率がいずれも目標に未達である。

本発明の軟窒化用鋼材は、軟窒化処理後の仕上工程において曲げ矯正処理を行った場合に、大きな曲げ変位量に到るまで表面窒化層に割れが発生しないという優れた曲げ矯正性を有するだけではなく、軟窒化処理後の仕上工程において曲げ矯正処理を行った軟窒化部品に対して高い疲労強度を具備させることができる。このため、軟窒化部品の素材として用いるのに好適である。

実施例で用いた平面曲げ疲労試験片の形状を示す図である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．３５〜０．４５％、Ｓｉ：０．１０〜０．３５％、Ｍｎ：１．２〜１．８％、Ｓ：０．１２％以下、Ｔｉ：０．００１〜０．０２％、Ｎ：０．００８〜０．０２５％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＰ：０．０８％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｃｒ：０．２０％以下、Ｖ：０．０１％未満で、かつ、Ｔｉ（％）／Ｎ（％）＜１．０を満足する化学組成で、さらに、軟窒化処理前の降伏比が０．６以上であることを特徴とする軟窒化用鋼材。
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｍｏ：０．３％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の軟窒化用鋼材。
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｐｂ：０．３％以下、Ｃａ：０．０１％以下及びＢｉ：０．３％以下のうちの１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の軟窒化用鋼材。