WO2011132722A1 - 焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品 - Google Patents

焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to steel (especially skin-hardened) which needs to suppress the decrease in hardness of the surface of its parts, such as pulleys and gears for continuously variable transmissions for automobiles, in which the temperature of the parts environment increases during use. Steel) parts.
  • pulleys and gears for continuously variable transmissions for automobiles are used after parts are processed using chrome steel for case hardening such as JIS SCr420 and SCM420, or chromium molybdenum steel, and then carburized and quenched and tempered. There are many.
  • Patent Document 1 discloses that a steel containing 0.5 to 1.5% Si, 0.3 to 1% Mn, and 0.2 to 0.5% Cr has a C content of 0.6% or more. Gears for carburizing, quenching and tempering have been proposed. However, when the present inventors evaluated, sufficient tempering softening resistance was not able to be obtained since there was little content of Cr.
  • Patent Document 2 carburizing and tempering with a C content of 0.7 to 1.3% is applied to steel containing 1% or less of Si, 1% or less of Mn, and 1.5 to 5.0% of Cr. Gears to apply have been proposed.
  • Patent Document 3 contains 0.7 to 1.5% Si, 0.5 to 1.5% Mn, 0.1 to 3.0% Cr, and 1.3% Si + 0.2Cr. Super-containing steel is disclosed.
  • JP 2003-27142 A Japanese Patent Laid-Open No. 7-242994 JP 2003-231943 A JP 2001-329337 A JP 2005-68453 A JP 2004-107709 A

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Abstract

　本発明は、３００℃における焼戻し軟化抵抗を確保した鋼製部品に関するものであり、（ａ）鋼中のＳｉ含有量を０．７％以上とし、（ｂ）浸炭層中のC含有量を０．９～１．１％となる過共析のＣ含有量とさせる浸炭処理を施し、（ｃ）浸炭処理後に外径０．１μｍ以上となる炭化物（初析セメンタイトや球状炭化物）を存在させず、（ｄ）浸炭焼入れ焼戻し後の残留オーステナイト量を３０％未満とすることを特徴とする。　その要旨は、所定の成分の鋼において、Ｍｎ及びＣｒの合計含有量が２．５％以下、表面に浸炭焼入れ焼戻しを施した鋼部品であって、表面から５０μｍ深さのＣ含有量が０．９～１．１％、平均径が０．１μｍ以上の初析セメンタイト及び球状炭化物を含まないか、または含んでもその面積率が１％未満であり、また、残留オーステナイトを含まないか、含んでもその面積率が３０％未満とする焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品である。

Description

焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品
　本発明は、自動車用途の無段変速機用プーリーや歯車などの、使用過程でその部品環境の温度が上昇し、その部品表面の硬さの低下を抑制することが必要な鋼（特に肌焼鋼）製の部品に関するものである。
　例えば、自動車用途の無段変速機用プーリーや歯車などはＪＩＳ　ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０などの肌焼き用クロム鋼、またはクロムモリブデン鋼を用いて部品加工を行い、ガス浸炭焼入れ焼戻しを行なって使用される場合が多い。
　近年、ＣＯ２排出量の削減を通じた地球温暖化防止や省資源化の要請がより強くなってきており、更なる燃費向上のために車両の軽量化が求められている。このためにはユニットサイズを小型化し、または、同じサイズのユニットでは伝達できる負荷を大きくする必要がある。このような場合、従来よりも部品にかかる負荷が大きくなるため、更なる高強度化が求められている。
　また、部品の使用環境温度が約３００℃にまで上昇するため、部品表面の硬さが低下し、ピッチング破壊が起こる。このため、耐ピッチング疲労特性の向上（面圧疲労強度の向上、高面圧化などともいう）のためには焼戻し軟化抵抗に優れた肌焼鋼が求められている。
　これに対して、焼戻し軟化抵抗を高めるためにＳｉなどの含有量を増加させる方法が種々、提案されている。例えば、ＳＣｒ４２０鋼や、ＳＣＭ４２０鋼はＳｉ含有量が０．１５~０．３５％ある。
　特許文献１には、Ｓｉを０．５~１．５％、Ｍｎを０．３~１％、Ｃｒを０．２~０．５％含有した鋼に、Ｃ含有量が０．６％以上の浸炭焼入れ焼戻しを施す歯車が提案されている。しかし、本発明者らが評価したところ、Ｃｒの含有量が少ないため充分な焼戻し軟化抵抗が得られなかった。
　特許文献２には、Ｓｉを１％以下、Ｍｎを１％以下、Ｃｒを１．５~５．０％含有した鋼に、Ｃ含有量が０．７~１．３％の浸炭焼入れ焼戻しを施す歯車が提案されている。
　特許文献３には、Ｓｉを０．７~１．５％、Ｍｎを０．５~１．５％、Ｃｒを０．１~３．０％含有し、かつＳｉ＋０．２Ｃｒを１．３％超含有する鋼が開示されている。
　しかし、本発明者らが評価したところ、特許文献２，３に記載の鋼は、Ｍｎ、Ｃｒの含有量が多く、浸炭処理でＣ含有量も高くなると残留オーステナイト量が多くなりすぎる。したがって、必ずしも充分な焼戻し軟化抵抗とはならなかった。また、Ｃｒが１．５％を超えると、浸炭処理後の焼入れ前保持（約８５０℃）の段階で初析セメンタイトが生成してしまい、強度が劣化してしまう問題点もあった。この焼入れ前保持は、焼入れ歪みを軽減させる目的で一般的に採用されている。
　特許文献４には、Ｓｉを０．４~１．５％、Ｍｎを０．３~２．０％、Ｃｒを０．５~３．０％、Ｔｉを０．０２~０．２％添加した鋼が開示されている。しかし、本発明者らが評価したところ、必ずしも充分な焼戻し軟化抵抗は得られない。また、Ｔｉ添加によりある程度は不可避的に生成する粗大なＴｉＣを起点とした、歯車の破損が懸念された。
　特許文献５には、Ｓｉを０．５~１．５％、Ｍｎを０．２~１．５％、Ｃｒを０．５~１．５％含有した鋼に、Ｃ含有量が０．８~１．２％の浸炭焼入れ焼戻しを施した後、再度、オーステナイト域に加熱することにより平均粒径が１．２μｍ以下の炭化物を面積率で２~８％析出させ、マトリクス中の固溶炭素含有量を０．６０~０．９５％に調整した部品が開示されている。しかし、本発明者らが評価したところ、マトリクスの焼戻し軟化抵抗が必ずしも充分とはいえなかった。
　特許文献６には、Ｓｉを１．０~５．０％含有した鋼に、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｃｏ、Ｐ、Ｓｎのうち少なくとも一種以上を拡散浸透させるとともに、その表面層を浸炭、浸炭浸窒および／または浸窒処理した後に焼き入れもしくは焼入れ焼戻し処理が施されていることを特徴とする転動部材が提案されている。これは、残留オーステナイトについては、何ら考慮されていない。さらに、拡散浸透工程が新たに必要であり、生産性の悪化や、生産コストアップにつながる。
特開２００３−２７１４２号公報 特開平７−２４２９９４号公報 特開２００３−２３１９４３号公報 特開２００１−３２９３３７号公報 特開２００５−６８４５３号公報 特開２００４−１０７７０９号公報
　特許文献１~６の開示技術は、焼戻し軟化抵抗が不十分であり、３００℃における浸炭層表面硬度が維持できない。また、特許文献１~６の開示技術は、新たな製造工程を付加する必要があり、生産性低下や新規設備投資などの問題がある。
　そこで、本発明はこのような問題を解決して、焼戻し軟化抵抗性に優れた肌焼鋼部品を提供するものである。具体的には、耐ピッチング疲労強度（歯車の面圧疲労強度）の指標となる「３００℃における焼戻し軟化抵抗」を、ガス浸炭焼入れ焼戻し後、再度３００℃×２時間温度保定後焼戻したときの浸炭層表面硬さと定義し、その「焼戻し軟化抵抗」がＨＶ７００以上となる肌焼鋼の提供を課題とする。
　本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、充分な３００℃における焼戻し軟化抵抗を確保するためには以下の事項を全て満足させる必要があることを知見した。
（ａ）　鋼中のＳｉ含有量を０．７％以上とすること。
（ｂ）　浸炭層中のＣ含有量を０．９~１．１％とし、過共析のＣ含有量とさせる浸炭処理を施すこと。
（ｃ）　浸炭処理後には外径が０．１μｍ以上となる炭化物（初析セメンタイトや球状炭化物）を存在させないこと。
（ｄ）　浸炭焼入れ焼戻し後の残留オーステナイト量を３０％未満とすること。言い換えれば、残留オーステナイト以外は焼戻しマルテンサイトとなるため、焼戻しマルテンサイトが７０％以上となることと同義である。
　図１に、上記（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）を満足させた状態で、３００℃焼戻し後の硬さに及ぼすＳｉ含有量とＣ含有量の影響を示す。図１から明らかなように、過共析の状態での３００℃焼戻し後の硬さは、Ｓｉ含有量依存性が大きいことを本発明者らは明らかにした。通常は、Ｃ含有量が０．８％である共析点付近となるよう浸炭処理を行う。
　本発明者らは、敢えてＣを過共析とさせるために浸炭層のカーボンポテンシャルを上げた。通常、カーボンポテンシャルを上げすぎるとＭｓ点の低下により残留オーステナイト量が増加しすぎて、部品としての必要硬さが確保できなくなる。また、初析セメンタイトや球状炭化物が析出してしまい、それが破壊起点となりよくない。
　本発明では各種合金元素の成分範囲を限定することにより初析セメンタイトや球状炭化物を析出させないことができることを見出した。カーボンを増加させた分、マルテンサイトの焼戻しの第１段階で析出するナノサイズオーダーの微細なε炭化物の析出量が増え、３００℃における焼戻し軟化抵抗を維持できることが本発明のポイントである。
　まとめると、高カーボンで初析セメンタイトや球状炭化物を存在させないことにより、マルテンサイト中のナノサイズオーダーのε炭化物を通常よりも多く存在させることが可能となる。更に、高Ｓｉ材であることによって該ε炭化物が３００℃から焼き戻されたときにもセメンタイトに遷移しにくくなり、これらの相乗効果によって焼戻し軟化抵抗が大きく向上する。
　図１からわかるように、本発明者らは、焼戻し軟化抵抗としてＨＶ７００を確保するためには、浸炭層のＣ含有量は０．９~１．１％、Ｓｉ含有量は０．７％以上であるとよいことを実験から導いた。
　また、本発明者らは、安定的に過共析のＣ含有量（０．９~１．１％）に浸炭させるため、ガス浸炭処理におけるスーティング防止の観点から、Ｓｉ量は１．０％以下とする必要があることを見出した。即ち、Ｓｉ含有量の適正範囲は０．７％~１．０％となることを導いた。これは、前述の特許文献に記載されたＳｉ含有量範囲と比較して、大幅に狭いことがわかる。
　さらに、本発明者らは、ガス浸炭処理によって過共析のＣ含有量（０．９~１．１％）とさせて、なおかつ、約８５０℃の焼入れ前保持を行なっても初析セメンタイトを析出させないためには、Ｃｒ含有量を１．５％以下とする必要があることも見出した。しかしＣｒ含有量が少ないと焼戻し軟化抵抗を低下させる可能性があるので少なくとも１．０％は必要である。したがって、Ｃｒ含有量の適正範囲は１．０~１．５％となる。これも、前述の特許文献に記載されたＣｒ含有量範囲と比較して、大幅に狭いことがわかる。
　またさらに、本発明者らは、ガス浸炭処理によって過共析のＣ含有量（０．９~１．１％）の鋼部品を焼入れ焼戻して、なおかつ、残留オーステナイト量が３０％未満とするためには、Ｍｓ点の低下を抑制させるためにＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉの総量が２．５％以下とさせる必要があることを導いた。
　本発明は以上の新規なる知見に基づいてなされたものであり、本発明の要旨は以下の通りである。
　（１）化学成分が、質量％で、
Ｃ：０．１~０．３％、
Ｓｉ：０．７~１．０％、
Ｍｎ：０．２~１．５％、
Ｃｒ：１．０~１．５％、
Ｓ：０．００１~０．１５％、
Ａｌ：０．００１~１％、
Ｎ：０．００１~０．０３％
を含有し、かつ
Ｍｎ、及びＣｒの合計含有量が２．５％以下を満足し、
残部が鉄および不可避的不純物よりなる鋼からなり、その表面に浸炭焼入れ焼戻しを施した鋼部品であって、表面から５０μｍ深さの部分におけるＣ含有量が０．９~１．１％であり、平均径が０．１μｍ以上の初析セメンタイト及び球状炭化物を含まないか、または含んでもその面積率が１％未満であり、さらに、残留オーステナイトを含まないか、または含んでもその面積率が３０％未満（もしくは、マルテンサイトの面積率が７０％以上）であることを特徴とする焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。
　平均径０．１μｍ以上の初析セメンタイト及び球状炭化物の面積率は、表面から深さ５０μｍの部分で表面に平行な平面上の１０μｍ四方の範囲内で、その面積率が１％未満であることをいう。
　また、残留オーステナイトの面積率も、同様に表面から深さ５０μｍの部分で表面に平行な平面上の１０μｍ四方の範囲内で、その面積率が３０％未満であることをいう。残留オースナイト以外はマルテンサイトでもあるので、換言すれば、マルテンサイトが面積率で７０％以上存在すると同義である。
　また、面積率は、走査型電子顕微鏡により２０００倍で撮影したのち、画像解析装置にて得ることができる。
　（２）さらに、鋼の化学成分が、質量％で、
Ｍｏ：０．０２~０．６％、
Ｎｉ：０．１~１．０％、
Ｂ：０．０００２~０．００５％
の内の１種または２種以上を含有し、
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＮｉの合計含有量が２．５％以下を満足することを特徴とする上記（１）記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。
　（３）さらに、鋼の化学成分が、質量％で、
Ｔｉ：０．０１~０．０５％、
Ｎｂ：０．００１~０．０４％、
Ｖ：０．０２~０．１％、
の内の１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。
　（４）さらに、鋼の化学成分が、質量％で、
Ｃａ：０．０００２~０．００５％、
Ｚｒ：０．０００３~０．００５％、
Ｍｇ：０．０００３~０．００５％、
ＲＥＭ（希土類元素）：０．０００１~０．００５％
の内の１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）~（３）のいずれか１項に記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。
　（５）上記（１）~（４）内のいずれか１項に記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼を用いて製造したベルト式無段変速機用プーリー。
　本発明によれば「焼戻し軟化抵抗」がＨＶ７００以上となる肌焼鋼が得られ、高温での耐チッピング疲労性の良好な歯車などの部品を得ることができる。これは極めて焼戻し軟化抵抗性に優れた肌焼鋼部品である。この肌焼鋼部品を用いれば、自動車用途の無段変速機用プーリーや歯車などの高強度化が可能となり、部品の小型化できる。それによって車両の軽量化を通じた燃費向上等によるＣＯ２排出量の削減が達成でき、地球温暖化防止や省資源化が図れる。本発明による産業上の効果は極めて顕著なるものがある。
　図１は、３００℃焼戻し後の硬さに及ぼすＳｉ含有量とＣ含有量の影響を示す図である。
　以下、本発明を実施するための形態として、焼戻し軟化抵抗性に優れた肌焼鋼部品について詳細に説明する。
　まず、本発明の鋼の化学成分の限定理由について説明する。以下、特に断りの無い限り、組成における質量％は単に％と記載する。
　Ｃ：０．１~０．３％
　Ｃは、鋼に必要な強度を与えるのに有効な元素であるが、０．１％未満では必要な強度を確保することができず、０．３％を越えると切削加工前の素材の硬さが増大して被削性が劣化するため、０．１~０．３％の範囲内にする必要がある。好適範囲は０．１５~０．２５％である。
　Ｓｉ：０．７~１．０％
　Ｓｉは、本発明鋼において最も重要な元素である。すなわち、Ｓｉは３００℃の温度域における軟化抵抗を向上させるのに最も有効な元素である。
　浸炭層のＭｓ点（マルテンサイト変態温度）は、高Ｃ含有量であると低下する。そのため、焼戻しにより残留オーステナイトが増える。浸炭層のＣ含有量を０．９~１．１％の過共析とする場合、図１からＳｉの適正範囲は、０．７％以上必要であることがわかる。
　しかしながら、Ｓｉは浸炭性を阻害する元素でもあり、ガス浸炭炉のスーティング防止の観点から、安定的に０．９~１．１％と過共析の高Ｃ含有量に浸炭させるためには、Ｓｉ量は１．０％を上限とする必要があることが経験的に知られている。
　以上の理由から、Ｓｉの含有量を０．７~１．０％の範囲内にする必要がある。Ｓｉ含有量の下限の好適範囲は、焼戻し軟化抵抗を確保する観点から、０．７５％が好ましく、０．８％であれば更に好ましい。Ｓｉの上限は、スーティング限界から決まるので、余裕（マージン）を考慮して０．９８％であれば好ましく、０．９５％であれば更に好ましい。
　Ｍｎ：０．２~１．５％
　Ｍｎ、は鋼の脱酸に有効な元素であるとともに、鋼に必要な強度、焼入れ性を与えるのに有効な元素である。０．２％未満ではその効果を十分引き出すことはできない。また、１．５％を超えるとその効果は飽和するのみならず、切削加工前の素材の硬さが増大して被削性が劣化する。そのため、０．２％~１．５％の範囲内にする必要がある。Ｍｎ含有量の下限は、効果を引き出す観点から余裕（マージン）を考慮して、好ましくは０．３％、さらに好ましくは０．４％であるとよい。Ｍｎ含有量の上限は、飽和による経済的観点から、好ましくは１．４％、さらに好ましくは１．３％であるとよい。
　また、Ｍｎは鋼のＭｓ点を低下させる元素でもある。この他Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏなどもＭｓ点を低下させる元素である。これらＭｓ点低下促進元素が多く添加されている場合には、マルテンサイトへの変態が抑制され、ガス浸炭処理後の残留オーステナイト量が３０％を超えてしまうことがある。そのため、こうしたＭｓ点低下促進元素の総量を２．５％以下に制限する必要がある。Ｍｓ点低下を抑制する観点から、好ましくは２．３％、更に好ましくは２．０％以下とするとよい。
　Ｃｒ：１．０~１．５％
　Ｃｒは、添加することによって、鋼に強度、焼入れ性を与えるのに有効な元素である。その効果を得るためには１．０％以上が必要である。
　しかし、過共析のＣ含有量（０．９~１．１％）とする浸炭処理条件で、なおかつ、約８５０℃の焼入れ前保持を行なっても初析セメンタイトを析出させないようにするためには、Ｃｒ量は１．５％未満とする必要がある。以上の理由から、Ｃｒ含有量を１．０~１．５％の範囲内にする必要がある。Ｃｒ含有量の下限は、効果を引き出す観点から余裕（マージン）を考慮して、好ましくは１．０５％、さらに好ましくは１．１％であるとよい。Ｃｒ含有量の上限は、セメンタイト析出抑制の観点から、好ましくは１．４％、さらに好ましくは１．３％であるとよい。
　従来、Ｃｒはガス浸炭処理時にＳｉと共に被処理物表層において酸化物を形成し、浸炭性を低下させる弊害が指摘されている（例えば特許文献１）。しかし、本発明は高Ｃ含有量（０．９~１．１％）に制御したガス浸炭処理を施すことが特徴であり、この場合、被処理物の表面のＣ含有量が０．８％となることを目標とする一般的なガス浸炭処理よりも浸炭雰囲気中の酸素濃度は２０~５０％低下する（例えば、プロパン変成による９３０℃でのガス浸炭中の炉内の酸素濃度は、カーボンポテンシャル０．８のときで１．８×１０−２０ａｔｍ。カーボンポテンシャル０．９のときで１．４×１０−２０ａｔｍ。カーボンポテンシャル１．０のときで１．１×１０−２０ａｔｍ。カーボンポテンシャル１．１のときで０．９×１０−２０ａｔｍである。）。このため、Ｃｒが酸化物を形成する弊害は顕在化せず、Ｃｒ含有量が１．０~１．５％の範囲内で問題ないことを確認した。
　Ｓ：０．００１~０．１５％
　Ｓは、鋼中でＭｎＳを形成し、これによる被削性の向上を目的として添加するが、０．００１％未満ではその効果は不十分である。一方、０．１５％を超えるとその効果は飽和し、むしろ粒界偏析を起こし粒界脆化を招く。以上の理由から、Ｓの含有量を０．００１~０．１５％の範囲内にする必要がある。被削性を重視する場合の好適範囲は０．００５~０．１５％であり、粒界強度を重視する場合の好適範囲は０．００１~０．０３０％であり、被削性と粒界強度の両方を重視する場合の好適範囲は０．００５~０．０７０％である。
　Ａｌ：０．００１~１％
　Ａｌは、脱酸材及び被削性向上の目的で添加する。０．００１％未満では脱酸の効果は不十分である。Ａｌ（鋼中の全Ａｌ）は、一部はＮと結びついてＡｌＮとして析出し、残りは固溶Ａｌとして存在する。固溶Ａｌは被削性向上に有効に作用するため、被削性を重視する場合には０．０５％超とする必要があるが、１％を超えると変態特性に大きく影響を与えるため、上限を１．０％とした。被削性を重視する場合の好適範囲は０．０５~１％であり、被削性をそれほど重視しない場合の好適範囲は０．０２~０．０５％である。
　Ｎ：０．００１~０．０３％
　Ｎは、不可避的に混入する元素であるが、ＡｌとＮとの化合物を形成することによる結晶粒微細化の効果もあるため０．００１％以上は必要である。但し０．０３％を超えると鍛造性を著しく阻害するため０．０３％を上限とした。好適範囲は０．００４~０．０１５％である。更に好適な範囲は、０．００５~０．０１２％である。
　Ｐ：０．０３％以下に制限
　Ｐは、不可避的に混入する不純物元素であり、粒界に偏析して靭性を低下させるため０．０３％以下に制限する必要がある。好適範囲は０．０１５％以下である。更に好適な範囲は、０．０１％以下にするとよい。
　Ｏ：０．００５％以下に制限
　Ｏは、不可避的に混入する不純物元素であり、粒界偏析を起こして粒界脆化を起こしやすくするとともに、鋼中で硬い酸化物系介在物を形成して脆性破壊を起こしやすくする元素である。Ｏは０．００５％以下に制限する必要がある。好適範囲は０．００２５％以下である。更に好適な範囲は、０．００１％以下にするとよい。
　前述したように、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＮｉはいずれもＭｓ点を低下させる元素である。これら元素の合計含有量が増えるにしたがってＭｓ点が低下し、浸炭焼入れ焼戻し後の残留オーステナイトが増加する傾向となる。本発明では残留オーステナイト量が３０％以下とすることが必要であり、そのためにはＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＮｉの合計含有量が２．５％以下であることが必要である。Ｍｓ点低下を抑制する観点から、好ましくは２．３％以下、更に好ましくは２．０％以下とするとよい。
　次に、本発明の請求項２では、請求項１に加えて、焼入れ性を向上させるためにＭｏ、Ｎｉ、Ｂの１種又は２種以上を含有する。
　Ｍｏ：０．０２~０．６％
　Ｍｏは、添加することによって、鋼に強度、焼入れ性を与える効果があるが、０．０２％未満はその効果が不十分である。但し、０．６％を越えて添加するとその効果は飽和するのみならず、切削加工前の素材の硬さが増大して被削性が劣化するため、０．０２％~０．６％の範囲内にする必要がある。好適範囲は下限が０．１５、上限が０．２５％である。更に好適な範囲は、下限が０．１７、上限が０．２３％である。
　Ｎｉ：０．１~１．０％
　Ｎｉは、添加することによって、鋼に強度、焼入れ性を与える効果があるが、０．１％未満はその効果が不十分である。但し、１．０％を越えて添加するとその効果は飽和する。また、添加量に応じて切削加工前の素材の硬さが増大して被削性が劣化する。したがってＮｉは０．１％~１．０％の範囲内にする必要がある。好適範囲は０．２~０．５％未満、さらに好ましくは０．２~０．３％の範囲である。
　Ｂ：０．０００２~０．００５％
　Ｂは、添加することによって、鋼に強度、焼入れ性を与える効果があるが、その効果を得るためには０．０００２％以上必要である。しかしながら、０．００５％を超えてＢを添加するとその効果は飽和し、かえって衝撃強度劣化等の悪影響が懸念されるので、その含有量を０．００５％以下の範囲内にする必要がある。好適範囲は０．００１０~０．００３％、さらに好ましくは０．００１５~０．００２５％の範囲である。
　次に、本発明の請求項３では、請求項１又は２に加えて、結晶粒の微細化を図ることを目的としてＴｉ、Ｎｂ、Ｖの１種又は２種以上を含有する。
　Ｔｉ：０．０１~０．０５％
　Ｔｉは、鋼中のＣ、Ｓと結びついて数ナノメートル~数十ナノメートルのサイズの微細なＴｉＣ、ＴｉＣＳを生成させ、これにより浸炭時のオーステナイト結晶粒の微細化を図るために添加する。しかしながら、０．０１％未満ではその効果は不十分である。しかし、Ｔｉを０．０５％を超えて添加すると、ＴｉＣによるＣのロスにより３００℃焼戻し後の硬さが低下するため、上限を０．０５％とした。好適範囲は、０．０１５~０．０４％、さらに好ましくは０．０２~０．０３％の範囲である。
　Ｎｂ：０．００１~０．０４％
　Ｎｂは、鋼中のＣ、Ｎと結びついて数ナノメートル~数十ナノメートルのサイズの微細なＮｂ（ＣＮ）を形成し、結晶粒の粗大化抑制に有効な元素であるが、その効果を得るためには０．００１％以上が必要である。ただし、０．０４％を越えて添加するとＮｂ（ＣＮ）によるＣのロスにより３００℃焼戻し後の硬さが低下するため、上限を０．０４％とした。以上の理由から、その含有量を０．００１％~０．０４％の範囲内にする必要がある。好適範囲は、０．００５~０．０３％、さらに好ましくは０．０１~０．０２５％の範囲である。
　Ｖ：０．０２~０．１％
　Ｖは、鋼中のＣ、Ｎと結びついて数ナノメートル~数十ナノメートルのサイズの微細なＶ（ＣＮ）を形成し、結晶粒の粗大化抑制に有効な元素であるが、その効果を得るためには０．０２％以上が必要である。ただし、０．１％を越えて添加するとＶ（ＣＮ）の生成によるＣのロスにより３００℃焼戻し後の硬さが低下するため、上限を０．１％とした。以上の理由から、その含有量を０．０２~０．１％の範囲内にする必要がある。好適範囲は０．０３~０．０８％、さらに好ましくは０．０５~０．０７％の範囲である。
　次に、本発明の請求項４では、請求項１~３のいずれか１項に加えて、被削性の改善のために、Ｃａ、Ｚｒ、Ｍｇ、ＲＥＭの１種又は２種以上を含有する。
　Ｃａ：０．０００２~０．００５％
　Ｃａは酸化物を低融点化し、切削加工環境下の温度上昇により軟質化することで、被削性を改善するが、０．０００２％未満では効果が無く、０．００５％を超えるとＣａＳを多量に生成し、被削性を低下するためＣａ量を０．０００２~０．００５％とするのが望ましい。好適範囲は０．０００５~０．００４％、さらに好ましくは０．００１~０．００３％の範囲である。
　Ｚｒ：０．０００３~０．００５％
　Ｚｒは脱酸元素であり、酸化物を生成するが、硫化物も生成することでＭｎＳとの相互関係を有する元素であり、被削性の改善に有効である。Ｚｒ系酸化物はＭｎＳの晶出／析出の核になりやすい。そのためＭｎＳの分散制御に有効である。Ｚｒ添加量として、ＭｎＳの球状化を狙うためには０．００３％を超えた添加が好ましいが、微細分散させるためには逆に０．０００３~０．００５％の添加が好ましい。製品としては後者のほうが、製造上、品質安定性（成分歩留まり等）の観点から後者、すなわちＭｎＳを微細分散させる０．０００３~０．００５％の方が現実的に好ましい。０．０００２％以下ではＺｒ添加効果はほとんど認められない。好適範囲は０．０００５~０．００４％、さらに好ましくは０．００１~０．００３％の範囲である。
　Ｍｇ：０．０００３~０．００５％
　Ｍｇは脱酸元素であり、酸化物を生成するが、硫化物も生成することでＭｎＳとの相互関係を有する元素であり、被削性の改善に有効である。Ｍｇ系酸化物はＭｎＳの晶出／析出の核になりやすい。また硫化物がＭｎとＭｇの複合硫化物となることで、その変形を抑制し、球状化する。そのためＭｎＳの分散制御に有効であるが、０．０００３％未満ではその効果が無く、０．００５％を超えるとＭｇＳを大量に生成し、被削性が低下するためＭｇ量を０．０００３~０．００５％とするのが望ましい。好適範囲は０．０００５~０．００４％、さらに好ましくは０．００１~０．００３％の範囲である。
　ＲＥＭ（希土類元素）：０．０００１~０．００５％
　ＲＥＭ（希土類元素）は添加することによってＭｎＳを微細分散させる作用を有する元素であり、被削性の改善に有効である。その効果を得るためには０．０００１％以上は必要である。但し、０．００５％を超えるとその効果は飽和する。好適範囲は０．０００５~０．００３％である。好適範囲は０．０００５~０．００４％、さらに好ましくは０．００１~０．００３％の範囲である。
　次に、浸炭層内部のセメンタイトおよび炭化物の面積率の限定について説明する。浸炭層の焼戻し軟化抵抗指標である３００℃における浸炭層表面硬度（ビッカース硬さ）を得るためには、初析セメンタイトや球状炭化物の生成を抑制し、その代わりにナノサイズオーダーの微細なε炭化物が析出させるとよい。これにより、破壊の起点とならず３００℃における焼戻し軟化抵抗を維持できることができるからである。したがって、初析セメンタイトや球状炭化物の量を規定することにより、浸炭層表面硬度を維持できる。
　発明者らは、浸炭層表面硬度が浸炭層表面から５０μｍの深さ部分に、平均径０．１μｍ以上の初析セメンタイト及び球状炭化物が生成しないことが望ましく、生成していてもその面積が占める割合（面積率）で１％未満に抑えればよいことを見出した。
　さらに、浸炭層の強度を確保するために残留オーステナイト量を抑制し、マルテンサイト化させるとよい。そのため、浸炭層表面から５０μｍの深さ部分の残留オーステナイトが存在していないことが望ましく、存在していても３０％未満に抑えればよいことを見出した。このように限定した理由を以下に述べる。
　ガス浸炭処理を施した肌焼鋼部品は、浸炭処理雰囲気中の微量酸素（約１０~２０ａｔｍ）により表面から酸化が起こる。その時にＳｉ、Ｍｎ，Ｃｒなどの合金が酸化物となり、鋼中から抜けるため（合金ロス）２０μｍ~４０μｍ程度の不完全焼入れ層が不可避的に生成する。この不完全焼入れ層は部品使用時の極初期に摩耗するので、部品の強度はその直下の浸炭層性状が支配因子となる。この直下浸炭層性状の指標として表面から５０μｍ深さ部分の初析セメンタイト及び球状炭化物、残留オーステナイト量を規定した。
　本発明は、Ｓｉを０．７％以上に高めた鋼を用いて、Ｃ含有量を０．９~１．１％、好ましくは０．９５超~１．１％と過共析とする。そのとき、初析セメンタイト及び球状炭化物が実質的に存在しない状態とし、なおかつ残留オーステナイト量が３０％未満になるよう浸炭焼入れ焼戻しを行なうと、焼戻し軟化抵抗が大きく向上する。残留オーステナイト量は０％であっても良い。
　浸炭層のＣ含有量が０．９％未満であると３００℃焼戻し後の硬さがＨＶ７００以上を満足できないことがあるので、Ｃ含有量は０．９％を下限とした。Ｃ含有量が１．１％を超えると、浸炭処理後に引き続き行われる約８５０℃の焼入れ前保持の段階で初析セメンタイトが析出する。このため、Ｃ含有量は１．１％を上限とした。Ｃはε炭化物として存在することによって焼戻し軟化抵抗の向上に寄与する。Ｃが初析セメンタイトや球状炭化物として結びつくとその分だけε炭化物が減少するので、初析セメンタイト及び球状炭化物が実質的に存在しない状態とすることが望ましい。
　ここで初析セメンタイトとは、過共析鋼を高温から冷却する際に、共析変態に先立ってオーステナイトから析出するセメンタイトであり、ＪＩＳ　Ｇ　０２０１で定義されるものである。球状炭化物とは、球状となった炭化物のことをいい、ここでは光学顕微鏡で識別可能な径（粒子の長径と短径の平均値で求める平均径）が０．１μｍ以上のサイズのものをいう。径が０．１μｍ以上のサイズの初析セメンタイト及び球状炭化物が面積率で１％未満（０％を含む）であれば、存在しない状態と同様の効果が得られる。
　平均径０．１μｍ以上の初析セメンタイト及び球状炭化物の面積率は、表面から深さ５０μｍの部分で表面に平行な平面上の１０μｍ四方の範囲内で、その面積率が１％未満であることをいう。
　面積率は、例えば走査型電子顕微鏡で２０００倍の倍率で撮影したのち、画像解析装置にて面積率を測定し得ることができる。その他、面積率の測定方法は、前記方法に限定されるものでなく、初析セメンタイト及び球状炭化物が識別できるものであれば、その方法は問わない。
　図１に示すように過共析の状態での３００℃焼戻し後の硬さは、Ｓｉ含有量依存性が大きいことを本発明者らは明らかにした。また、過共析状態（Ｃ含有量０．９~１．１％）の高Ｃ含有量で浸炭した場合、組織はマルテンサイトと残留オーステナイトの２相となる。そして、浸炭層の残留オーステナイト量を少なくする（つまりマルテンサイト量を多くする）ガス浸炭条件とすることによりマルテンサイト中のε炭化物を通常のＣ含有量０．８％のときよりも多く存在させることができる。更に、Ｓｉ含有量が高いことによってε炭化物が３００℃で焼き戻されたときにもセメンタイトに遷移しにくい。これらの相乗効果によって焼戻し軟化抵抗が大きく向上する。このとき、高Ｃ化によりＭｓ点が低下するので、Ｍｓ点が低下しすぎないようにＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉの合計含有量を２．５％以下に規制するとよい。
　また、ガス浸炭処理方法に関しては、上述したような本発明の肌焼鋼部品を得ることができれば特に限定されるものではない。しかし、安定的に表面から５０μｍ深さ部分をＣ含有量が０．９~１．１％の範囲内にするためには、浸炭時間は３０分以上を確保することが望ましい。ガス浸炭処理後の焼入れ時の油温は、１３０℃のような一般的なホットクエンチや、６０℃のようないわゆるコールドクエンチいずれでもよい。本発明者らが１３０℃油焼入れ品と６０℃焼入れ品を比較したところでは、１３０℃油焼入れ品の方が、数パーセントほど残留オーステナイト量が多くなる傾向があった。しかし、焼入れ条件を適宜設定することにより、残留オーステナイト量が３０％未満に調整することは可能なため、油温は制限されない。
　自動車部品用途のガス浸炭処理は、一般的には９５０℃前後の温度の浸炭処理に引き続き、約８５０℃まで降温して焼入れ前保持を行い、その後油焼入れを行う。しかし、一部では結晶粒の微細化などを目的として、浸炭処理後に再度、８５０℃以上のオーステナイト域に加熱して焼入れする、いわゆる二次焼入れが行われている。本発明のガス浸炭処理でのＣ含有量は０．９~１．１％の過共析状態であるため、一般的な共析Ｃ含有量（０．８％）とは異なり、浸炭処理後に再度、８５０℃以上のオーステナイト域に加熱すると球状炭化物が析出する問題がある。このため、二次焼入れは推奨しない。どうしても二次焼入れを行いたい場合には、再加熱温度を９００℃以上、好ましくは９３０℃と高め、再加熱時に析出した炭化物を再びオーステナイトに固溶させる必要がある。
　むしろ、本発明に係る肌焼鋼の場合、二次焼入れをせずとも、マルテンサイト組織中に微細なε炭化物を析出させることができることも、大きな特徴である。
　すなわち、本発明の成分範囲であれば、一般的なガス浸炭処理のまま過共析における浸炭条件とすることにより、初析セメンタイト及び球状炭化物が実質的に存在せず、なおかつ残留オーステナイト量が３０％未満とすることができる。
　以下に本発明を実施例によって具体的に説明する。なお、これらの実施例は本発明を説明するためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
　表１に示す化学成分を有する鋼塊を鍛伸後、均熱処理と焼準を施してからφ１５×４５ｍｍの丸棒試験片を各鋼種２本加工した。該丸棒試験片を、変成式ガス浸炭炉（プロパン変成）で９３０℃×５時間の浸炭処理を施し、引き続き８５０℃×３０分の焼入れ前保持を行なった後、１３０℃の油焼入れを行なった。
　ここで浸炭処理中の純鉄に対するカーボンポテンシャルは０．９~１．２％で処理することにより、試験片の表面近傍（表面から５０μｍ深さ）のＣ含有量を０．８~１．１％になるように調整した。
　１３０℃油焼入れ後には１５０℃×２時間の焼戻し処理を施し、実際の肌焼鋼部品相当の試験片とした。ここで試験片の各２本の内の各１本は、表面から５０μｍ深さまで電解研磨後、微小領域Ｘ線回折装置にて残留オーステナイト量を測定した。
　さらに、軸方向中心部から切断し、表面から５０μｍ深さ部分のＣ含有量をＥＰＭＡにて測定し、また、走査型電子顕微鏡で２０００倍に化下して炭化物の存在状態を観察した。平均粒径０．１μｍ以上のサイズの初析セメンタイト及び球状炭化物が面積率で１％以上であれば、「有」とすると共に、マイクロビッカース硬度計（荷重３００ｇｆ）にて表面から５０μｍ深さ部分の硬さを測定した。前述したように、面積率は、例えば走査型電子顕微鏡で２０００倍の倍率で撮影したのち、画像解析装置にて面積率を測定し得ることができる。
　該残留オーステナイト量、該Ｃ含有量測定結果、該炭化物の存在状態の調査結果を表２に示す。試験片の各２本の内、もう１本はさらに３００℃×２時間の焼戻しを施して、実部品の部品環境を再現した。その後、軸方向中心部から切断し、表面から５０μｍ深さ部分をマイクロビッカース硬度計にて硬さを測定した。測定結果を表２に示す。
　表２に示すように、本発明例の試験Ｎｏ．１~３２は表面近傍（表面から５０μｍ深さ部分）の３００℃焼戻し後硬さがＨＶ７００以上と焼戻し軟化抵抗性に優れる結果を得た。
　これに対し、比較例の試験Ｎｏ．３３は表面近傍（表面から５０μｍ深さ）の３００℃焼戻し後硬さがＨＶ６８５と低かった。これは鋼材のＳｉが０．７％を下回ったことに起因して焼戻し軟化抵抗性が不足したためである。
　比較例の試験Ｎｏ．３４は表面近傍（表面から５０μｍ深さ）の３００℃焼戻し後硬さがＨＶ６９６と低かった。これは鋼材のＳｉが１．０％を上回ったことに起因して浸炭性が低下し、表面近傍（表面から５０μｍ深さ）のＣ含有量が０．９％未満となったことを通じて焼戻し軟化抵抗性が不足したためである。
　比較例の試験Ｎｏ．３５は表面近傍（表面から５０μｍ深さ）の３００℃焼戻し後硬さがＨＶ６８０と低かった。これは鋼材のＣｒが１．０％を下回ったことに起因して焼戻し軟化抵抗性が不足したためである。
　比較例の試験Ｎｏ．３６は表面近傍（表面から５０μｍ深さ）の３００℃焼戻し後硬さがＨＶ６７１と低かった。これは鋼材のＣｒが１．５％を上回ったことに起因して、８５０℃×３０分の焼入れ前保持のときに初析セメンタイトが生じ、該初析セメンタイトよるε炭化物の減少を通じて焼戻し軟化抵抗性が不足したためである。
　比較例の試験Ｎｏ．３７は表面近傍（表面から５０μｍ深さ）の３００℃焼戻し後硬さがＨＶ６７５と低かった。これは鋼材のＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＮｉの合計含有量が２．５％を超えたため、１５０℃焼戻し材の残留オーステナイト量が３０％以上となったことに起因して焼戻し軟化抵抗性が不足したためである。
　比較例の試験Ｎｏ．３８は表面近傍（表面から５０μｍ深さ）の３００℃焼戻し後硬さがＨＶ６７１と低かった。これは鋼材のＭｎ及びＣｒの合計含有量が２．５％を超えたため、１５０℃焼戻し材の残留オーステナイト量が３０％以上となったことに起因して焼戻し軟化抵抗性が不足したためである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　本発明に係る肌焼鋼部品は、自動車用部品や機械部品に利用することができる。特に、自動車用部品に用いた場合、無段変速機用プーリーや歯車などの高強度化が可能となり、部品の小型化できる。それによって車両の軽量化を通じた燃費向上等によるＣＯ２排出量の削減が達成でき、地球温暖化防止や省資源化が図れる。本発明による産業上の効果は極めて顕著なるものがある。

Claims (5)

  1. 　化学成分が、質量％で、
    Ｃ：０．１~０．３％、
    Ｓｉ：０．７~１．０％、
    Ｍｎ：０．２~１．５％、
    Ｃｒ：１．０~１．５％、
    Ｓ：０．００１~０．１５％、
    Ａｌ：０．００１~１％、
    Ｎ：０．００１~０．０３％
    を含有し、かつ
    Ｍｎ、及びＣｒの合計含有量が２．５％以下を満足し、
    残部が鉄および不可避的不純物よりなる鋼からなり、
    当該鋼の表面に浸炭焼入れ焼戻しを施した鋼部品であって、
    表面から５０μｍ深さの部分におけるＣ含有量が０．９~１．１％であり、平均径が０．１μｍ以上の初析セメンタイト及び球状炭化物を含まないか、または含んでもその面積率が１％未満であり、さらに、残留オーステナイトを含まないか、または含んでもその面積率が３０％未満であることを特徴とする焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。
  2. 　さらに、鋼の化学成分が、質量％で、
    Ｍｏ：０．０２~０．６％、
    Ｎｉ：０．１~１．０％、
    Ｂ：０．０００２~０．００５％
    の内の１種または２種以上を含有し、
    Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＮｉの合計含有量が２．５％以下を満足することを特徴とする請求項１に記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。
  3. 　さらに、鋼の化学成分が、質量％で、
    Ｔｉ：０．０１~０．０５％、
    Ｎｂ：０．００１~０．０４％、
    Ｖ：０．０２~０．１％、
    の内の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。
  4. 　さらに、鋼の化学成分が、質量％で、
    Ｃａ：０．０００２~０．００５％、
    Ｚｒ：０．０００３~０．００５％、
    Ｍｇ：０．０００３~０．００５％、
    ＲＥＭ（希土類元素）：０．０００１~０．００５％
    の内の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。
  5. 　さらに、鋼の化学成分が、質量％で、
    Ｃａ：０．０００２~０．００５％、
    Ｚｒ：０．０００３~０．００５％、
    Ｍｇ：０．０００３~０．００５％、
    ＲＥＭ（希土類元素）：０．０００１~０．００５％
    の内の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項３に記載の焼戻し軟化抵抗性に優れた鋼部品。
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