JP5937852B2

JP5937852B2 - 肌焼用鋼部品

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Publication number: JP5937852B2
Application number: JP2012050916A
Authority: JP
Inventors: 新堂　陽介; 陽介新堂
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-03-07
Also published as: JP2013185205A

Description

本発明は、デフギアやトランスミッションギアなどの歯車、または無段変速機（ＣＶＴ）プーリーなど浸炭焼入れ処理を施して用いられる鋼部品を製造するために有用な肌焼用鋼部品に関するものである。

歯車やＣＶＴプーリーなどの鋼部品は、例えば、鋼を部品形状に熱間鍛造した後、切削加工等を施して最終形状に仕上げ、その後、浸炭焼入れ処理を行うことによって鋼部品の強度を高めて製造される。そのため、熱間鍛造後、浸炭焼入れ処理前の肌焼用鋼部品には、被削性が良好で、且つ浸炭焼入れ処理時における焼入れ性が良好であることが求められる。

浸炭焼入れ処理を施して鋼部品の強度を高めるために、鋼部品の素材としては、焼入れ性を保証した構造用鋼鋼材が用いられている。この構造用鋼鋼材としては、ＪＩＳＧ４０５２で規定されるＳＣｒ４２０Ｈ（クロム鋼）、ＳＣＭ４２０Ｈ（クロムモリブデン鋼）、ＳＮＣＭ４２０Ｈ（ニッケルクロムモリブデン鋼）などが一般に用いられている。こうした構造用鋼鋼材は、鋼材の焼入れ性を向上させるために、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏなどの合金元素を含有している。

こうした構造用鋼鋼材の特性を改善した技術として、特許文献１、２が知られている。これらのうち特許文献１には、真空浸炭を行ったときに表面炭素濃度の幅が小さい浸炭部品を得やすい合金組成を用いた浸炭用鋼が開示されている。この文献には、Ｓｉが浸炭時の炭化物生成を抑制するため、炭化物の分解がもたらす局部的に高い炭素濃度が生じるのを防止でき、Ｓｉは０．５〜３．０％の範囲で含有させればよいことが記載されている。また、この文献では、焼入れ性を高めて製品の機械的特性を確保するために、Ｃｒを０．３〜１．０％の範囲で含有させている。しかし、近年では、Ｃｒの価格の高騰が指摘されており、Ｃｒ添加量の低減や省略が求められている。

特許文献２には、浸炭肌焼鋼の疲労強度を向上させるために、浸炭処理時の粒界酸化および不完全焼入れ層を防止する技術が開示されている。この文献には、鋼中のＭｎを０．３５％以下、Ｃｒを０．１０％以下に抑えることによって、浸炭異常層の生成を抑えることが記載されている。また、この文献には、焼入れ性を付与し、静的強度と靭性を向上させるために、Ｍｏを０．３５〜２．００％の範囲で含有させることが記載されている。この文献によれば、Ｃｒ量を低減できるが、焼入れ性を改善するためにＭｏを積極的に添加している。しかしＭｏの価格も高騰しているため、コストを削減できない。

特許第４２５４８１６号公報特開平２−１８５９５４号公報

近年では、焼入れ性向上元素として広く一般的に用いられてきたＣｒやＭｏの価格が高騰しており、これら以外に焼入れ性向上元素として用いられているＮｉの価格も高騰している。これら代表的な焼入れ性向上元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉなど）の使用量を削減しても、もし所望の焼入れ性を得ることができれば、代替鋼として有用である。しかも肌焼部品（歯車、プーリーなど）は切削して所定の形状に成形されるため、この切削性に悪影響を与えることなく所望の焼入れ性を確保できれば、代替鋼としてより有用になるものと期待される。

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、部品形状に熱間鍛造して得られた肌焼用鋼部品であって、良好な被削性を示し、しかも焼入れ性向上元素として従来から用いられているＮｉ、Ｃｒ、およびＭｏの含有量が少なく、且つ浸炭焼入れ処理後における強度を高められる肌焼用鋼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肌焼用鋼部品とは、Ｃ：０．１０〜０．３０％（質量％の意味。以下、成分について同じ）、Ｓｉ：０．１５％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：１．３％超、２．０％以下、Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｃｕ：０．３％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：０．２５％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：０．３％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．０６％以下（０％を含まない）、Ｎ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｂ：０．０００５〜０．００５％、Ｔｉ：０．０１〜０．０８％、Ｏ：０．００３％以下（０％を含まない）、残部：鉄および不可避不純物からなる鋼を部品形状に熱間鍛造した後の肌焼用鋼部品である。そして、金属組織が、フェライト：３５〜７０面積％、パーライト：３０〜６５面積％、ベイナイト：５面積％未満（０面積％を含む）を満足しているところに要旨を有している。

前記鋼は、更に他の元素として、Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．３０％以下（０％を含まない）、およびＮｂ：０．０８％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含有していてもよい。

本発明の肌焼用鋼部品は、上記成分組成を満足する鋼を部品形状に熱間鍛造した後、６２０〜７００℃の温度域で４５〜４８０分間保持し、６００℃から３００℃までの温度範囲を５℃／秒以下（０℃／秒を含まない）で冷却することによって製造できる。

本発明によれば、焼入れ性向上元素として添加するＮｉ、Ｃｒ、およびＭｏ量を低減する代わりに、比較的安価なＭｎ、Ｂ、およびＴｉを積極的に添加すると共に、Ｓｉ量を低減し、更に金属組織を、ベイナイトを実質的に含まず、フェライトとパーライトの混合組織としている。このように成分組成と金属組織を適切に制御することによって、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどを削減しても被削性に悪影響を与えることなく、浸炭焼入れ処理後における強度を向上できる。

図１は、実施例で行った浸炭焼入れ処理の条件を説明するための模式図である。

本発明者は、焼入れ性向上元素として従来から広く知られているＮｉ、Ｃｒ、およびＭｏの含有量を低減しても、浸炭焼入れ処理後における強度（特に、静的曲げ強度および衝撃強度）を高くでき、しかも被削性が良好な肌焼用鋼部品を提供するために鋭意検討を重ねてきた。その結果、肌焼用鋼部品の被削性を改善するには、金属組織をフェライトとパーライトの混合組織とし、ベイナイトの生成を抑制すればよいこと、浸炭焼入れ処理後における強度を確保するには、高価なＮｉ、Ｃｒ、およびＭｏの添加量を低減する代わりに、Ｍｎ、Ｂ、およびＴｉを積極的に添加して焼入れ性を確保すれば良いことを見出し、本発明を完成した。

即ち、Ｎｉ、Ｃｒ、およびＭｏは、肌焼用鋼部品の焼入れ性を高める元素であり、浸炭焼入れ処理を施して得られる鋼部品の強度を高めるのに寄与する元素である。特にＣｒを低減または省略すると、焼入れ性が著しく低下し、鋼部品の強度が低下する。焼入れ性を高めるには、ＮｉやＭｏを添加することが有効であるが、これらの元素もＣｒと同様に高価な元素である。そこで本発明者は、比較的安価なＭｎとＢに着目し、ＭｎとＢを積極的に添加して焼入れ性を確保することにした。また、Ｂは、鋼中に固溶することによって焼入れ性向上作用を発揮するが、Ｂは、鋼中のＮと結合してＢＮを形成し易い元素であるため、本発明では、ＢＮの生成を抑制し、Ｂを固溶させるために、Ｔｉを積極的に添加している。

ところが、Ｍｎは、熱間鍛造後に硬質な過冷組織（ベイナイト組織）の生成を促進する元素である。ベイナイトが過剰に生成すると、肌焼用鋼部品に切削加工等を施して最終形状に仕上げるときの被削性（例えば、旋削加工の工具寿命など）を低下させる。そこで被削性を劣化させないために、ベイナイトの生成を抑制する必要がある。

また、Ｃｒは、浸炭時に鋼部品表面における平衡炭素濃度を高め、浸炭性を改善する作用を有している元素である。そのため、Ｃｒを低減または省略すると、浸炭性が低下し、鋼部品の強度が低下する。浸炭性を改善するには、Ｎｉを添加することが有効であるが、上述したように、Ｎｉは高価な元素である。そこで、本発明では、Ｓｉ量を低減して浸炭性を高めることにした。

まず、本発明で用いる鋼の成分組成について説明する。

［Ｃ：０．１０〜０．３０％］
Ｃは、鋼部品として要求される硬さを確保するために必要な元素である。Ｃ量が０．１０％未満では、焼入れ性が悪くなり、硬さを確保できない。従ってＣ量は０．１０％以上、好ましくは０．１２％以上、より好ましくは０．１５％以上とする。しかしＣ量が過剰になり、０．３０％を超えると、ベイナイトの生成を抑制できず、被削性が著しく劣化する。従ってＣ量は０．３０％以下、好ましくは０．２８％以下、より好ましくは０．２３％以下とする。

［Ｓｉ：０．１５％以下（０％を含まない）］
Ｓｉは、鉄よりも酸化され易い元素であり、浸炭焼入れ処理中に酸素と結びついて粒界酸化層を形成し、鋼部品の衝撃特性や疲労特性を低下させる作用を有している。また、Ｓｉは鉄中に固溶し、変形抵抗を増大させるため、Ｓｉ量が過剰になると部品形状にするときの熱間鍛造性が悪くなる。従ってＳｉ量はできるだけ低減する必要があり、本発明では、０．１５％以下、好ましくは０．１０％以下、より好ましくは０．０８％以下、更に好ましくは０．０６％以下とする。

［Ｍｎ：１．３％超、２．０％以下］
Ｍｎは、浸炭焼入れ処理を行ったときの焼入れ性を向上させ、鋼部品として要求される硬さを確保するために積極的に含有させる元素である。即ち、Ｍｎ量が１．３％以下では、Ｃｒ等を低減したことによる焼入れ性不足を充分に補えないため、鋼部品として要求される硬さを確保できない。従ってＭｎ量は、１．３％超となるように含有させる。Ｍｎ量は、好ましくは１．３５％以上、より好ましくは１．４０％以上である。しかしＭｎ量が過剰になると、ベイナイトが過剰に生成し、フェライトとパーライトの生成が抑制されるため、肌焼用鋼部品の被削性が低下する。また、Ｍｎ量が過剰になると、成分偏析が顕著となり、材質のバラツキが大きくなる。その結果、衝撃強度や疲労強度のバラツキが大きくなる。従ってＭｎ量は２．０％以下、好ましくは１．８％以下、より好ましくは１．７％以下とする。

［Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）］
Ｐは、鋼中に不可避的に含まれる元素であり、Ｐ量が過剰になると結晶粒界に偏析して鋼部品の衝撃特性を低下させるため、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０．０３％以下、好ましくは０．０２％以下、より好ましくは０．０１５％以下とする。

［Ｓ：０．０３％以下（０％を含まない）］
Ｓは、Ｐと同様、鋼中に不可避的に含まれる元素であり、Ｓ量が過剰になると、結晶粒界に偏析して鋼部品の衝撃特性を低下させるため、低減する必要がある。従って本発明では、Ｓ量は０．０３％以下、好ましくは０．０２％以下、より好ましくは０．０１５％以下とする。なお、Ｓは、鋼中のＭｎと結合してＭｎＳを形成し、肌焼用鋼部品の被削性を向上させるのに寄与する。こうした作用を有効に発揮させるには、０．０１％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．０１３％以上とする。

［Ｃｕ：０．３％以下（０％を含まない）］
Ｃｕは、肌焼用鋼部品の焼入れ性を高め、鋼部品の硬さを向上させる作用を有している元素である。また、Ｃｕは、鉄よりも酸化され難いため、浸炭焼入れ処理時に、粒界酸化が発生するのを低減する作用を有している。こうした作用を有効に発揮させるには、Ｃｕは０．０１％以上含有させることが好ましい。しかしＣｕを過剰に含有すると、Ｃｕ相が析出するため、肌焼用鋼部品の被削性が低下する。また、Ｃｕは高価な元素であるため、できるだけ低減することが推奨される。従ってＣｕ量は０．３％以下、好ましくは０．１５％以下、より好ましくは０．１％以下とする。

［Ｎｉ：０．２５％以下（０％を含まない）］
Ｎｉは、上記Ｃｕと同様、肌焼用鋼部品の焼入れ性を高め、鋼部品の硬さを向上させる作用を有している元素である。また、Ｎｉは、鉄よりも酸化され難いため、浸炭焼入れ処理時に、粒界酸化が発生するのを低減する作用を有している。こうした作用を有効に発揮させるには、Ｎｉは０．０１％以上含有させることが好ましい。しかしＮｉを過剰に含有すると、ベイナイトが生成し、フェライトとパーライトの生成が抑制されるため、肌焼用鋼部品の被削性が低下する。また、Ｎｉは高価な元素であるため、できるだけ低減することが推奨される。従ってＮｉ量は０．２５％以下、好ましくは０．２％以下、より好ましくは０．１％以下とする。

［Ｃｒ：０．３％以下（０％を含まない）］
Ｃｒは、肌焼用鋼部品の焼入れ性を高め、鋼部品の硬さを向上させる作用を有している元素である。また、Ｃｒは、浸炭焼入れ処理時に、肌焼用鋼部品表面における平衡炭素濃度を高めて浸炭性を改善する作用も有している。こうした作用を有効に発揮させるには、Ｃｒは、０．０５％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．１％以上である。しかしＣｒは、Ｍｎに比べて高価な元素であるため、本発明では、Ｃｒの添加を極力控える必要がある。従ってＣｒ量は０．３％以下、好ましくは０．２７％以下、より好ましくは０．２３％以下とする。

［Ａｌ：０．０６％以下（０％を含まない）］
Ａｌは、脱酸剤として作用し、肌焼用鋼部品に含まれる酸化物系介在物量を低減して内部品質を高める作用を有する元素である。こうした作用を有効に発揮させるには、Ａｌは０．０３％以上含有させることが好ましい。しかしＡｌを過剰に含有すると、粗大で硬い非金属介在物（ＡｌＮやＡｌ₂Ｏ₃）が生成し、肌焼用鋼部品の被削性が低下する。また、鋼部品の疲労特性も低下する。従ってＡｌ量は０．０６％以下、好ましくは０．０５％以下、より好ましくは０．０４％以下とする。

［Ｎ：０．０２％以下（０％を含まない）］
Ｎは、鋼中に不可避的に含まれる元素であり、Ｎ量が過剰になると、ＡｌＮやＴｉＮ等の窒化物が生成し、肌焼用鋼部品の被削性が低下する。また、窒化物が多くなると変形能が低下し、肌焼用鋼部品の形状に加工するときの熱間鍛造性が劣化する。従ってＮ量はできるだけ低減する必要があり、本発明では、Ｎ量は０．０２％以下、好ましくは０．０１０％以下、より好ましくは０．００６０％以下、更に好ましくは０．００５０％以下とする。

［Ｂ：０．０００５〜０．００５％］
Ｂは、少量の添加で肌焼用鋼部品の焼入れ性を大幅に高め、鋼部品の硬さを向上させる作用を有している元素である。しかしＢ量が０．０００５％未満では、こうした焼入れ性向上作用は発揮されない。従って本発明では、Ｂ量は０．０００５％以上、好ましくは０．０００８％以上、より好ましくは０．００１０％以上である。しかしＢを過剰に含有させても焼入れ性向上作用は飽和する。また、ＢＮが過剰に生成して鋼部品の衝撃特性を低下する。また、ＢＮが生成して冷間および熱間の変形能も悪くなる。従ってＢ量は０．００５％以下、好ましくは０．００３０％以下、より好ましくは０．００２０％以下とする。

［Ｔｉ：０．０１〜０．０８％］
Ｔｉは、鋼中のＮと結合し、ＮがＢと結合するのを妨げて固溶Ｂ量を確保し、固溶Ｂによる焼入れ性を確保するために添加する元素である。また、Ｔｉは、鋼中のＣと結合してＴｉ窒化物（ＴｉＣ）を形成し、浸炭焼入れ処理時に、結晶粒が粗大化するのを抑制する作用を有している元素である。従って本発明では、Ｔｉ量は０．０１％以上、好ましくは０．０３％以上、より好ましくは０．０３５％以上とする。しかしＴｉを０．０８％を超えて含有させてもこうした効果は飽和する。また、Ｔｉを過剰に含有すると、ＴｉＣが過多に生成して肌焼用鋼部品の被削性を低下させる。従って本発明では、Ｔｉ量は０．０８％以下、好ましくは０．０７％以下、より好ましくは０．０６５％以下とする。

［Ｏ：０．００３％以下（０％を含まない）］
Ｏは、鋼中に不可避的に含まれる元素であり、Ｏ量が過剰になると、酸化物系介在物が生成し、鋼部品の衝撃特性や疲労特性が低下する。従ってＯ量はできるだけ低減する必要があり、本発明では、Ｏ量は０．００３％以下、好ましくは０．００２％以下、より好ましくは０．００１０％以下とする。

上記鋼の残部は、鉄および不可避不純物であるが、選択元素として、Ｍｏ、Ｖ、およびＮｂよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有してもよい。Ｍｏ、Ｖ、およびＮｂは、いずれも肌焼用鋼部品の焼入れ性を高め、鋼部品の硬さを向上させる作用を有している元素である。

［Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない）］
Ｍｏは、上述した作用を有しており、こうした作用を有効に発揮させるには、０．０１％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．０３％以上である。しかしＭｏを過剰に含有すると、ベイナイトが生成し易くなり、フェライトとパーライトが生成し難くなる。また、Ｍｏは高価な元素であるため、使用量は低減することが推奨される、従って本発明では、Ｍｏ量は０．３％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．１５％以下、更に好ましくは０．１０％以下である。

［Ｖ：０．３０％以下（０％を含まない）］
Ｖは、上述した作用を有している他、鋼中で炭化物や窒化物として析出し、鋼部品の硬度を高める作用も有している元素である。また、Ｖの炭化物や窒化物は、水素のトラップサイトとして作用し、鋼部品の耐遅れ破壊性を向上させる作用も有している。こうした作用を有効に発揮させるには、Ｖは、０．０３％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．０５％以上とする。しかしＶを過剰に含有すると、Ｖの炭化物を生成して被削性を劣化させることがある。また、Ｖは高価な元素であるため、使用量はできるだけ低減することが推奨される。従って本発明では、Ｖ量は０．３０％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．２％以下、更に好ましくは０．１％以下とする。

［Ｎｂ：０．０８％以下（０％を含まない）］
Ｎｂは、上述した作用を有している他、鋼中で炭化物（ＮｂＣ）として析出し、浸炭焼入れ処理時に結晶粒が粗大化するのを抑制する作用も有している。こうした作用を有効に発揮させるには、Ｎｂは、０．０３％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．０３５％以上である。しかしＮｂを過剰に含有させてもその効果は飽和する。また、Ｎｂを過剰に含有すると、Ｎｂの炭化物の析出量が過多となり、被削性が却って低下する。従って本発明では、Ｎｂ量は０．０８％以下とすることが好ましく、より好ましくは０．０７％以下、更に好ましくは０．０６５％以下とする。

次に、本発明に係る肌焼用鋼部品の金属組織について説明する。

本発明の肌焼用鋼部品の金属組織は、フェライトとパーライトを主体とし、ベイナイトが殆ど生成していないところに特徴がある。具体的には、金属組織全体に対して、フェライト：３５〜７０面積％、パーライト：３０〜６５面積％、ベイナイト：５面積％未満（０面積％を含む）である。

フェライトが７０面積％を超えて過剰になると、肌焼用鋼部品の靭性が向上し過ぎて被削性が低下する。従ってフェライトは、７０面積％以下、好ましくは６５面積％以下、より好ましくは６０面積％以下である。しかしフェライトが３５面積％を下回ると、フェライトが生成しない代わりにベイナイトが生成し、肌焼用鋼部品の被削性が低下する。従ってフェライトは、３５面積％以上、好ましくは４０面積％以上、より好ましくは４５面積％以上である。

上記フェライトの粒度番号は特に限定されず、通常の範囲であればよい。フェライトの粒度番号は、例えば、７．０〜９．０である。

パーライトが６５面積％を超えて過剰になると、肌焼用鋼部品が硬くなり過ぎて被削性が低下する。従ってパーライトは、６５面積％以下、好ましくは６０面積％以下、より好ましくは５５面積％以下とする。しかしパーライトが３０面積％を下回ると、パーライトが生成しない代わりにベイナイトが生成し、肌焼用鋼部品の被削性が低下する。従ってパーライトは、３０面積％以上、好ましくは４０面積％以上、より好ましくは４５面積％以上とする。

上記パーライトのラメラ間隔は特に限定されず、通常の範囲であればよい。パーライトのラメラ間隔は、例えば、２００ｎｍ以下（０ｎｍを含まない）であればよく、より好ましくは１５０ｎｍ以下である。

本発明の肌焼用鋼部品は、ベイナイトが、金属組織全体に対して、５面積％未満に抑制されている。ベイナイトの生成を抑制することによって、肌焼用鋼部品の被削性を向上できる。ベイナイトはできるだけ低減されていることが推奨され、好ましくは３面積％以下、より好ましくは０面積％である。

次に、本発明に係る肌焼用鋼部品を製造できる方法について説明する。鋼部品は、通常、成分組成を調整した溶鋼を連続鋳造して鋳塊（ブルーム）とし、その後、分塊圧延により中間製品（ビレット）へ加工した後、棒鋼圧延または線材圧延により圧延材とし、適当な長さに切断した後、１０００〜１２５０℃程度に加熱した後、部品形状に熱間鍛造（粗加工）すればよい。熱間鍛造して得られた部材（肌焼用鋼部品）は、機械加工によって最終製品に近い形状に切削加工されるが、この部材の金属組織中に過冷組織（ベイナイト組織）が含まれていると被削性が著しく低下する。そこで本発明では、過冷組織の生成を抑制するために、上述した成分組成を満足する鋼を部品形状に熱間鍛造した後、６２０〜７００℃の温度域で、４５〜４８０分間保持し、６００℃から３００℃の温度範囲を平均速度５℃／秒以下（０℃／秒を含まない）で冷却することが重要である。

保持温度域が７００℃を超えるか、６２０℃を下回ると、フェライト変態が進行し難く、ベイナイトが生成し易くなるため、肌焼用鋼部品の被削性が低下する。従って保持温度域は６２０〜７００℃とし、好ましくは６３０℃以上、より好ましくは６５０℃以上であり、好ましくは６９０℃以下、より好ましくは６８０℃以下とする。

上記保持温度域における保持時間が４５分より短いと、フェライト変態が進行し難く、フェライト量を確保できず、ベイナイトが過剰に生成し、肌焼用鋼部品の被削性が低下する。従って保持時間は４５分以上、好ましくは１２０分以上、より好ましくは１５０分以上とする。しかし保持時間が長過ぎると、フェライト変態が進行し過ぎてフェライト過多となり、肌焼用鋼部品の被削性が却って低下する。従って保持時間は４５０分以下、好ましくは３６０分以下、より好ましくは３００分以下とする。

上記６００〜３００℃の温度範囲における平均冷却速度が５℃／秒を超えると、ベイナイトが過剰に生成し、肌焼用鋼部品の被削性が低下する。従って上記温度範囲における平均冷却速度は、５℃／秒以下、好ましくは４．５℃／秒以下、より好ましくは４℃／秒以下である。なお、上記温度範囲における冷却速度が小さ過ぎると生産性が低下するため、平均冷却速度は１℃／秒以上とすることが好ましい。

冷却した後は、必要に応じて切削加工を行い、浸炭焼入れ処理などの表面硬化処理を施した後、必要に応じて焼戻し処理、ショットピーニング、仕上研摩等を行えば、鋼部品を製造できる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に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または表２に示す成分組成（残部は、鉄および不可避不純物）の鋼を小型溶製炉で溶製、鋳造し、１２００℃で、３０分間加熱した後、熱間鍛造して直径８０ｍｍの丸棒を製造した。

得られた直径８０ｍｍの丸棒を、実機の圧延機で圧延することを模擬して９００℃で１時間保持した後、冷却して焼きならし処理を行った。このときの平均冷却速度は、通常の範囲（具体的には、１〜５℃／秒程度）とした。

次に、焼きならし処理を行って得られた直径８０ｍｍの丸棒を、部品形状に熱間鍛造することを模擬して１２５０℃に加熱した後、下記表３または表４に示す温度（保持温度）で、下記表３または表４に示す時間保持してから、直径６０ｍｍの丸棒に熱間鍛造し、冷却して供試材を作製した。冷却に際して、６００℃から３００℃までの温度範囲における平均冷却速度を下記表３または表４に示す。

なお、下記表３に示したＮｏ．１２とＮｏ．１４は、焼きならし処理を行って得られた直径８０ｍｍの丸棒を、部品形状に熱間鍛造することを模擬して１２５０℃に加熱した後、所定の温度域で保持せずに、室温まで平均冷却速度１．５℃／秒で冷却した。

次に、上記供試材（直径６０ｍｍ）の金属組織を調べた。即ち、上記供試材のＤ／４位置（Ｄは直径）における断面を、光学顕微鏡で、倍率２００倍で、３視野観察し、それぞれの視野においてフェライト、パーライト、およびベイナイトの面積率を測定し、平均値を求めた。結果を下記表３または表４に示す。

また、参考値として、フェライト粒の結晶粒度番号を算出した。フェライト粒の結晶粒度番号は、ＪＩＳＧ０５５１に規定されている「７．１．２結晶粒度標準図との比較による評価方法」に基づいて判定した。結果を下記表３または表４に示す。結晶粒度番号７．０〜９．０番は、ＪＩＳＧ０５５１の「付属書Ｃ（規定）評価の方法」によれば、平均粒径１５．６〜３１．２μｍに相当している。

また、参考値として、パーライトのラメラ間隔を測定した。パーライトのラメラ間隔は、金属組織の分率を測定した位置において、走査型電子顕微鏡で、観察倍率８０００倍で、３視野を撮影し、撮影した写真からラメラ間隔を測定し、平均値を求めた。結果を下記表３または表４に示す。

次に、上記供試材（直径６０ｍｍ）の機械的特性を調べた。機械的特性としては、供試材の被削性と、供試材に浸炭焼入れ焼戻し処理を行った後の静的曲げ特性および衝撃特性について評価した。

［被削性の評価］
被削性は、被削試験によって評価した。被削試験は、試験機としてＮＣ旋盤を用い、上記供試材（直径６０ｍｍ）を旋盤加工して工具寿命を測定して行った。被削試験の詳細な条件は次の通りである。
＜被削試験の条件＞
切削速度：１５０ｍ／秒
送り量：１．５ｍｍ
切込み量：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
工具：超硬（Ｐ１０）
潤滑剤の有無：無し（乾式）
判定基準：逃げ面摩耗量が０．２ｍｍとなるまでの時間（分）

工具寿命は、用いた工具の逃げ面における摩耗量の経時変化によって評価した。逃げ面摩耗量が０．２ｍｍとなるまでの時間（分）を下記表３または表４に示す。

［静的曲げ特性の評価］
静的曲げ特性は、静的曲げ試験を行って評価した。静的曲げ試験は、上記供試材（直径６０ｍｍ）のＤ／４位置（Ｄは直径）から、機械加工により１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍ（２ｍｍのＵノッチ）の形状の試験片を切り出し、浸炭焼入れ焼戻し処理を施した後に行った。

浸炭焼入れ処理は、ガス浸炭炉で、浸炭ガスとしてＲＸガスとプロパンガスの混合ガスを用い、図１に示すように、表面炭素濃度が０．８質量％となるように、９３０℃で３時間浸炭した後、８６０℃で１時間保持してから油冷し焼入れを行った。油温は、８０℃とした。浸炭焼入れ処理後、１７０℃で、２時間の焼戻し処理を行った。焼戻し処理後、ＪＩＳＺ２２４８に基づいて静的曲げ試験を行い、破断強度を測定した。測定結果を下記表３または表４に示す。

［衝撃特性の評価］
衝撃特性は、衝撃試験を行って評価した。衝撃試験は、上記供試材（直径６０ｍｍ）のＤ／４位置（Ｄは直径）から、機械加工により１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍ（１０Ｒノッチ）の形状の試験片を切り出し、上記静的曲げ特性を評価したときと同じ条件で、浸炭焼入れ焼戻し処理を施した後に行った。焼戻し処理後、ＪＩＳＺ２２４２に規定されている「金属材料のシャルピー衝撃試験方法」に基づいて衝撃試験を行い、吸収エネルギーを測定した。測定結果を下記表３または表４に示す。

下記表１〜表４から次のように考察できる。Ｎｏ．１〜４、７、１５〜３４は、いずれも本発明で規定する要件を満足する例であり、Ｃｒ量を低減でき、しかもＮｉとＭｏを殆ど使用していないにもかかわらず、浸炭焼入れ焼戻し処理後における静的曲げ特性および衝撃特性を改善できている。また、金属組織を適切に制御しているため、被削性にも優れている。

これに対し、Ｎｏ．５、６、８〜１４、３５〜５０は、いずれも本発明で規定する要件を満足しない例である。

まず、Ｎｏ．１３とＮｏ．１４は、ＪＩＳＧ４０５２に規定されているＳＣｒ４２０Ｈを模擬して製造した例であり、Ｃｒを１．０８％含有しているため、コスト高になっている。これらのうち、Ｎｏ．１４は、部品形状に熱間鍛造することを模擬して１２５０℃に加熱した後、所定の温度域で保持せずに、室温まで平均冷却速度１．５℃／秒で冷却した例であり、衝撃強度は低かった。一方、Ｎｏ．１３は、部品形状に熱間鍛造することを模擬して１２５０℃に加熱した後、本発明で規定している要件を満足するように制御した例であるが、衝撃強度は依然として低いままであった。

Ｎｏ．５、６、８〜１２は、いずれも成分組成は本発明で規定する要件を満足しているが、製造条件が本発明で規定する要件を満足していない例である。これらのうちＮｏ．５は、部品形状に熱間鍛造した後の保持時間が長過ぎる例であり、フェライトが過剰に生成した結果、被削性が低下している。Ｎｏ．６は、部品形状に熱間鍛造した後の保持時間が短過ぎる例であり、ベイナイトが過剰に生成した結果、被削性が低下している。

Ｎｏ．８とＮｏ．９は、いずれも部品形状に熱間鍛造した後の冷却速度が大き過ぎる例であり、ベイナイトが過剰に生成した結果、被削性が低下している。Ｎｏ．１０は、部品形状に熱間鍛造した後の保持温度が高過ぎる例であり、フェライトの生成が抑制されると共に、パーライトおよびベイナイトが過剰に生成した結果、被削性が低下している。Ｎｏ．１１は、部品形状に熱間鍛造した後の保持温度が低過ぎる例であり、フェライトの生成が抑制されると共に、ベイナイトが過剰に生成した結果、被削性が低下している。Ｎｏ．１２は、部品形状に熱間鍛造した後、平均冷却速度１．５℃／秒で冷却した例であり、所定の温度域で所定の時間保持していないため、ベイナイトが過剰に生成した結果、被削性が低下している。

Ｎｏ．３５〜４３、４７〜５０は、いずれも製造条件は本発明で規定する要件を満足しているが、成分組成が本発明で規定する要件を満足していない例である。Ｎｏ．３５は、Ｃ量が多過ぎる例であり、フェライトの生成量が少なく、ベイナイトが過剰に生成したため、被削性が劣化している。Ｎｏ．３６は、Ｃ量が少な過ぎる例であり、フェライトが過剰に生成したため、パーライト量を確保できていない。従って被削性が悪く、浸炭焼入れ焼戻し処理後の静的曲げ強度も低かった。

Ｎｏ．３７は、Ｓｉ量が過剰な例であり、浸炭焼入れ焼戻し処理時に粒界酸化層が形成された結果、衝撃強度が低下した。Ｎｏ．３８は、Ｍｎ量が過剰な例であり、ベイナイトが過剰に生成したため、パーライトが生成せず、フェライト量も確保できていない。従って被削性が低下した。Ｎｏ．３９は、Ｍｎ量が少な過ぎる例であり、焼入れ性が低く、浸炭焼入れ焼戻し処理後の静的衝撃強度が低下した。

Ｎｏ．４０は、Ｐ量が過剰な例であり、Ｐが結晶粒界に偏析した結果、浸炭焼入れ焼戻し処理後の衝撃強度が低下した。Ｎｏ．４１は、Ｓ量が過剰な例であり、Ｓが結晶粒界に偏析した結果、浸炭焼入れ焼戻し処理後の衝撃強度が低下した。

Ｎｏ．４２は、Ｃｕ量が過剰な例であり、Ｃｕ相が析出し、被削性が低下した。Ｎｏ．４３は、Ｎｉ量が過剰な例であり、ベイナイトが過剰に生成したため、パーライトが生成せず、フェライト量も確保できていない。従って被削性が低下した。Ｎｏ．４７は、Ｔｉ量が過剰な例であり、ＴｉＣが過多に生成した結果、被削性が低下した。

Ｎｏ．４８は、Ａｌ量が過剰な例であり、ＡｌＮやＡｌ₂Ｏ₃が生成した結果、被削性が低下した。Ｎｏ．４９は、Ｂ量が過剰な例であり、ＢＮが過多に生成した結果、浸炭焼入れ焼戻し処理後の衝撃強度が低下した。Ｎｏ．５０は、Ｎ量が過剰な例であり、ＡｌＮやＴｉＮなどの窒化物が過多に生成した結果、被削性が低下した。

Ｎｏ．４４〜４６は、参考例である。これらのうちＮｏ．４４は、選択元素として含有させているＭｏ量が過剰な例であり、ベイナイトが過剰に生成したため、パーライトが生成せず、またフェライトの生成量も確保できていない。従って被削性が低下した。Ｎｏ．４５は、選択元素として含有させているＶ量が過剰な例であり、Ｖの炭化物（ＶＣ）が過多に析出した結果、被削性が低下した。Ｎｏ．４６は、選択元素として含有させているＮｂ量が過剰な例であり、Ｎｂの炭化物（ＮｂＣ）が過多に析出した結果、被削性が低下した。

以上の通り、本発明では、Ｍｎ量をＪＩＳＧ４０５２に規定されているＳＣｒ４２０ＨやＳＣＭ４２０Ｈよりも多く含有させ、また、ＢとＴｉを添加すると共に、Ｓｉを低減することによって、Ｃｒ量を、ＳＣｒ４２０ＨやＳＣＭ４２０Ｈで用いているＣｒ量（０．８５〜１．２５％）より大幅に低減しても、ＳＣｒ４２０ＨやＳＣＭ４２０Ｈと同程度か、それ以上の機械的特性を得ることができることが分かる。

Claims

Ｃ：０．１０〜０．３０％（質量％の意味。以下、成分について同じ）、
Ｓｉ：０．１５％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：１．３％超、２．０％以下、
Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、
Ｓ：０．０３％以下（０％を含まない）、
Ｃｕ：０．３％以下（０％を含まない）、
Ｎｉ：０．２５％以下（０％を含まない）、
Ｃｒ：０．３％以下（０％を含まない）、
Ａｌ：０．０６％以下（０％を含まない）、
Ｎ：０．０２％以下（０％を含まない）、
Ｂ：０．０００５〜０．００５％、
Ｔｉ：０．０１〜０．０８％、および
Ｏ：０．００３％以下（０％を含まない）を含有し、
残部：鉄および不可避不純物からなる肌焼用鋼部品であって、
金属組織が、
フェライト：３５〜７０面積％、
パーライト：３０〜６５面積％、
ベイナイト：５面積％未満（０面積％を含む）で構成されており、
フェライトの粒度番号は７．０〜９．０であり、
パーライトのラメラ間隔は２００ｎｍ以下（０ｎｍを含まない）であることを特徴とする肌焼用鋼部品。
更に他の元素として、
Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない）、
Ｖ：０．３０％以下（０％を含まない）、および
Ｎｂ：０．０８％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含有する請求項１に記載の肌焼用鋼部品。
請求項１または２に記載の成分組成を満足する鋼を部品形状に熱間鍛造した後、
６２０〜７００℃の温度域で４５〜４８０分間保持し、
６００℃から３００℃までの温度範囲を５℃／秒以下（０℃／秒を含まない）で冷却することによって、
金属組織が、
フェライト：３５〜７０面積％、
パーライト：３０〜６５面積％、
ベイナイト：５面積％未満（０面積％を含む）で構成されており、
フェライトの粒度番号は７．０〜９．０であり、
パーライトのラメラ間隔は２００ｎｍ以下（０ｎｍを含まない）である肌焼用鋼部品の製造方法。