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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023110174
(43)【公開日】2023-08-09
(54)【発明の名称】高温ガス浸炭下での浸炭性に優れる機械構造用鋼
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20230802BHJP
C22C 38/18 20060101ALI20230802BHJP
C22C 38/54 20060101ALI20230802BHJP
C21D 1/06 20060101ALI20230802BHJP
C23C 8/22 20060101ALI20230802BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 301N
C22C38/18
C22C38/54
C21D1/06 A
C23C8/22
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022011446
(22)【出願日】2022-01-28
(71)【出願人】
【識別番号】000180070
【氏名又は名称】山陽特殊製鋼株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100185258
【弁理士】
【氏名又は名称】横井 宏理
(74)【代理人】
【識別番号】100101085
【弁理士】
【氏名又は名称】横井 健至
(74)【代理人】
【識別番号】100134131
【弁理士】
【氏名又は名称】横井 知理
(72)【発明者】
【氏名】大西 真也
(72)【発明者】
【氏名】常陰 典正
【テーマコード（参考）】
4K028
【Ｆターム（参考）】
4K028AA01
4K028AB01
4K028AC08
(57)【要約】
【課題】 Ｃｒを多く含む鋼を高温ガス浸炭する場合において、浸炭阻害の発生を抑制することができる、浸炭性に優れる高Ｃｒの機械構造用鋼の提供。
【解決手段】 ９５０℃以上で高温ガス浸炭された状態であって、鋼の母材表面のＯが５質量％以上含まれるスケール領域内における成分特性が（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅ＜２．２を満足し、かつスケール領域をスケールの断面方向に観察したときにスピネル型の結晶構造の面積率が２０％以下であり、母材として少なくともＣｒが１．６０～５．００質量％とＭｎとが含有されている、浸炭性に優れた機械構造用鋼。
【選択図】 図２
【解決手段】 ９５０℃以上で高温ガス浸炭された状態であって、鋼の母材表面のＯが５質量％以上含まれるスケール領域内における成分特性が（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅ＜２．２を満足し、かつスケール領域をスケールの断面方向に観察したときにスピネル型の結晶構造の面積率が２０％以下であり、母材として少なくともＣｒが１．６０～５．００質量％とＭｎとが含有されている、浸炭性に優れた機械構造用鋼。
【選択図】 図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
９５０℃以上で高温ガス浸炭された状態であって、鋼の母材表面のＯが５質量％以上含まれるスケール領域内における成分特性が（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅ＜２．２を満足し、かつスケール領域をスケールの断面方向に観察したときにスピネル型の結晶構造の面積率が２０％以下であり、母材として少なくともＣｒが１．６０～５．００質量％とＭｎとが含有されている、浸炭性に優れた機械構造用鋼。
【請求項2】
質量％で、Ｃ：０．１０～０．６０％、Ｓｉ：０．２０～０．８０％、Ｍｎ：０．２０～０．６０％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．６０～５．００％、Ａｌ：０．００３～０．０５０％、Ｎ：０．００５～０．０２０％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、浸炭されたときに部品の表面硬さが７００Ｈｖ以上で表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０～１．００％という優れた浸炭性が得られること、を特徴とする機械構造用鋼。
【請求項3】
請求項２に記載の化学成分にさらに選択的付加成分として、質量％で、Ｎｂ：０．０２～０．１０％、Ｎｉ：５．００％以下、Ｍｏ：１．００％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｂ：０．０１０～０．０５０％のうち、少なくとも１種類を含有しており、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、浸炭されたときに部品の表面硬さが７００Ｈｖ以上で表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０～１．００％という優れた浸炭性が得られること、を特徴とする機械構造用鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、機械構造用鋼に関し、特に部品製造時のＣＯ2排出量削減の観点から、従来よりも熱処理時間を短縮するために高温でガス浸炭したとしても、安定な浸炭層が得られる高Ｃｒの機械構造用鋼に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ＣＯ2排出量削減への要求が益々強くなっており、自動車等最終製品から排出されるＣＯ2だけでなく、部品製造中に排出されるＣＯ2の削減も望まれている。
【0003】
ところで、自動車等に使用されるパワートレイン部品（ギヤ、シャフト）には高い疲労強度・耐摩耗性が必要とされるため、日本産業規格（ＪＩＳ）に規定される機械構造用鋼として代表的なＳＣＭ４２０やＳＣＲ４２０等が用いられてきた。もっとも、機械構造用部品としてこれらの鋼の特性を発揮させるためには、長時間をかけて浸炭焼入れと呼ばれる表面硬化処理を施すことが必要となることから、浸炭時にＣＯ2が大量に排出される。そこで、浸炭時間を短縮する手段として、これまでに以下のような方策が提案されている。
【0004】
その１つとして、Ｃ：０．１～０．３質量％、Ｓｉ：０．０５～１．０質量％、Ｍｎ：０．３～２．０質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｃｒ：０．３～１．５質量％、Ａｌ：０．０２～０．０５質量％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、フェライト面積率が４０％以上であり、フェライトで区切られたパーライト単位を個別パーライトと定義したとき、下記式（Ｉ）を満たす個別パーライトの面積を合計して求めた面積率が３０％以上であり、かつ、個別パーライトの円相当径が２５０μｍ未満である、高温ガス浸炭用鋼が提案されている。
なお、式（Ｉ）：Ｓ1≧（３×１０8）／Ｖ1 2。ここでＳ1は各個別パーライトの面積（μｍ2）。Ｖ1は３×（Ａｌ含有率（ｐｐｍ）×Ｎ含有率（ｐｐｍ）－３０００）1/2とする。
この提案は、１０００℃もしくは１０５０℃で浸炭することを前提とする結晶粒粗大化に対する方策である（特許文献１参照）。
なお、式（Ｉ）：Ｓ1≧（３×１０8）／Ｖ1 2。ここでＳ1は各個別パーライトの面積（μｍ2）。Ｖ1は３×（Ａｌ含有率（ｐｐｍ）×Ｎ含有率（ｐｐｍ）－３０００）1/2とする。
この提案は、１０００℃もしくは１０５０℃で浸炭することを前提とする結晶粒粗大化に対する方策である（特許文献１参照）。
【0005】
次に、質量％で、Ｃ：０．１０～０．３０％、Ｓｉ：０．０５～１．００％、Ｍｎ：０．３０～２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．３０～１．５０％、Ｍｏ：０．５０％以下、Ａｌ：０．０１６～０．０６０％、Ｎ：０．００８５～０．０３０％、を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、フェライト及びパーライト組織であり、質量％でＮ含有量をＸN、Ａｌ含有量をＸAlとした場合に下記式（１）を満たし、かつ前記パーライト１個当たりの面積をＳｐμｍ2／個、１０００℃におけるＡｌＮの平衡析出量をＷｐ質量％とした場合に下記式（２）を満たすことを特徴とする結晶粒粗大化防止特性に優れた高温ガス浸炭部品用素材が提案されている。なお、式（１）は（ＸN－８．５×１０－３）（ＸＸAl－１．６×１０－２）≧５．２×１０－５で、式（２）はＳｐ×Ｗｐ≧４である。
この提案は、段落［００２４］にあるように、１０００℃で浸炭することを前提とする結晶粒粗大化に対する方策である。（特許文献２参照）。
この提案は、段落［００２４］にあるように、１０００℃で浸炭することを前提とする結晶粒粗大化に対する方策である。（特許文献２参照）。
【0006】
また、質量％で、Ｃ：０．１０～０．３０％、Ｎｂ：０．０３０～０．０６０％、Ｔｉ：０．００１０～０．００３０％、Ｖ：０．００５～０．０１５％、Ａｌ：０．０６０％以下及びＮ：０．０１８５～０．０３００％を含有し、浸炭処理前の鋼材中における炭窒化物及び窒化物について、Ｔｉ及びＶのうちの１種以上とＮｂの複合炭窒化物の析出量の合計が質量％で０．０１０～０．０４０％、且つＡｌＮの析出量が質量％で０．０１５％以下を満たすとともに、直径２０ｎｍを超えて８０ｎｍ以下のＴｉ及びＶのうちの１種以上とＮｂの複合炭窒化物の個数が合計で、５００個／１０００μｍ2以上であり、且つマトリックスの組織が、フェライト・パーライト組織又はベイナイトの割合が１５％以下のフェライト・パーライト・ベイナイト組織であることを特徴とする高温ガス浸炭用鋼材が提案されている。
この提案は、段落［０１３７］にあるように、９６０～１１００℃で浸炭することを前提とする結晶粒粗大化抑止と被削性に対する方策である（特許文献３参照）。
この提案は、段落［０１３７］にあるように、９６０～１１００℃で浸炭することを前提とする結晶粒粗大化抑止と被削性に対する方策である（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０１８－０９０８８３号公報
【特許文献2】特開２０１６－１９９７８４号公報
【特許文献3】特開２００８－１８９９８９号公報
【特許文献4】特開２０１６－１９４１５６号公報
【特許文献5】特開２００３－２３１９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
通常は９００℃から９３０℃で浸炭されるところ、上記の提案では、通常よりも高温での浸炭を可能とすることで、炭素の鋼材内部への拡散を促進して、浸炭時間を短縮することを志向している
【0009】
これら提案は高温浸炭による結晶粒粗大化の抑止に対応しようとするものであるが、鋼の浸炭性についての言及はない。しかし、高温浸炭に伴う浸炭阻害を考慮しなければ実用性が得られないことがある。すなわち、機械構造用鋼に高温ガス浸炭を適用しようにも、一般的な機械構造用鋼では、通常得られるべき硬さが得られなくなる現象が生じることがある。高温での浸炭はＣｒ酸化物の成長を促進してしまうことから、鋼の表面をＣｒ酸化物が緻密に覆うこととなる。するとＣｒ酸化物に覆われることによって浸炭ガスと母材との接触が阻害されることとなって、鋼内部への炭素の侵入が進まなくなることから、一見すると高温にすれば浸炭時間が短縮できそうであっても、高温での浸炭ではかえって浸炭阻害が生じやすいこととなる。
【0010】
浸炭阻害に対応するために鋼のＣｒ量を低減してしまえば、Ｃｒ酸化物の生成量を低減させることとなるであろうから、浸炭阻害を回避できると思われる。
【0011】
もっとも、機械構造用鋼を用いた部品の使用環境は過酷化しているので、Ｃｒ量を低減するのではなく、むしろＪＩＳ鋼以上にＣｒの含有量を高めた鋼の需要も高まりつつある。例えば、特許文献４、５では、摩擦熱などで部品が焼戻されて軟らかくなってしまうことへの対策として、焼き戻し軟化抵抗性を高めるべく、ＪＩＳ鋼よりも多くのＣｒが加えられている。
【0012】
すると、高Ｃｒを含有する機械構造用鋼を用いた部品製造時のＣＯ2排出量を削減するためには、高温ガス浸炭を適用することで浸炭時間を短縮しつつも、同時に母材と浸炭ガスの接触を阻害する酸化物の形成を抑制しなければならない。
【0013】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、ＪＩＳ鋼に比してＣｒを多く含む鋼を高温ガス浸炭する場合において、浸炭阻害の発生を抑制することができる、浸炭性に優れる高Ｃｒの機械構造用鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記の課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討の結果、Ｃｒ酸化物の形成以外にも、Ｍｎの酸化物形成も同様に浸炭特性に悪影響を与えること、Ｍｎ酸化物による浸炭阻害の作用はＣｒ酸化物のそれよりも高いこと、浸炭性に悪影響を与えるＭｎ酸化物のスケールの結晶構造はスピネル型であること、他方でＦｅ酸化物は鋼の浸炭性に影響を与えないことを新たに突き止めた。
【0015】
そこで、本発明は、高Ｃｒ鋼を高温ガス浸炭した際に形成するスケールの化学成分としてＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅの割合ならびにその結晶構造を規定することで、Ｃｒ酸化物がある程度生じたとしても浸炭阻害を回避可能とする技術である。本発明の技術を用いることによって、浸炭時間の短縮化ひいてはＣＯ2排出量の削減を実現する場合にも、浸炭後の表面硬さに優れ、表面炭素量が均質な浸炭性に優れる、高Ｃｒの機械構造用鋼を提供することができる。
【0016】
そこで、本発明の課題を解決するための第１の手段は、９５０℃以上で高温ガス浸炭された状態であって、鋼の母材表面のＯが５質量％以上含まれるスケール領域内における成分特性が（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅ＜２．２を満足し、かつスケール領域をスケールの断面方向に観察したときに（すなわち、表面から深さ方向にカットした断面を観察したとき。）スピネル型の結晶構造の面積率が２０％以下であり、母材として少なくともＣｒが１．６０～５．００質量％とＭｎとが含有されている、浸炭性に優れた機械構造用鋼である。
【0017】
上記手段のＭｎは、母材中にＭｎ：０．２０～０．６０％含有されていることが好ましい。
【0018】
そして、少なくともＣｒが１．６０～５．００質量％とＭｎとが含有されている機械構造用鋼が９５０℃以上の高温でガス浸炭された状態であって、浸炭後の母材表面のＯが５質量％以上含まれるスケール領域内における成分特性が（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅ＜２．２を満足しており、かつスケール領域をスケールの断面方向（深さ方向）に観察したときにスピネル型の結晶構造の面積率が２０％以下であることを特徴とする、浸炭性に優れた機械構造用部品である。
【0019】
すなわち、本発明に用いる鋼は、９５０℃以上で高温ガス浸炭をしたときに、浸炭後の母材表面のＯが５質量％以上含まれるスケール領域内における成分特性が（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅ＜２．２を満足し、かつスケール領域をスケールの断面方向（深さ方向）に観察したときにスピネル型の結晶構造の面積率が２０％以下となる、少なくともＣｒが１．６０～５．００質量％とＭｎとが含有されている高温ガス浸炭下での浸炭性に優れる機械構造用鋼である。
【0020】
本発明はあくまでも機械構造用鋼に形成するスケールの形態を規定することに主眼を置くものであって、ＣｒとＭｎ以外の鋼の化学成分を規定することは必ずしも本意ではないが、具体的には、たとえば、本発明に用いる機械的構造用鋼は、質量％で、質量％で、Ｃ：０．１０～０．６０％、Ｓｉ：０．２０～０．８０％、Ｍｎ：０．２０～０．６０％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．６０～５．００％、Ａｌ：０．００３～０．０５０％、Ｎ：０．００５～０．０２０％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、９５０℃以上で高温ガス浸炭をしたときに、浸炭後の母材表面のＯが５質量％以上含まれるスケール領域内における成分特性が（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅ＜２．２を満足し、かつスケール領域をスケールの断面方向（深さ方向）に観察したときにスピネル型の結晶構造の面積率が２０％以下となる、高温ガス浸炭下での浸炭性に優れる機械構造用鋼である。
【0021】
また、質量％で、Ｃ：０．１０～０．６０％、Ｓｉ：０．２０～０．８０％、Ｍｎ：０．２０～０．６０％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．６０～５．００％、Ａｌ：０．００３～０．０５０％、Ｎ：０．００５～０．０２０％に加えて、さらに選択的付加成分として、Ｎｂ：０．０２～０．１０％、Ｎｉ：５．００％以下、Ｍｏ：１．００％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｂ：０．０１０～０．０５０％のうち少なくとも１種類を含有しており、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、９５０℃以上で高温ガス浸炭をしたときに、浸炭後の母材表面のＯが５質量％以上含まれるスケール領域内における成分特性が（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅ＜２．２を満足し、かつスケール領域をスケールの断面方向（深さ方向）に観察したときにスピネル型の結晶構造の面積率が２０％以下となる、高温ガス浸炭下での浸炭性に優れる機械構造用鋼である。
【0022】
その第２の手段は、質量％で、Ｃ：０．１０～０．６０％、Ｓｉ：０．２０～０．８０％、Ｍｎ：０．２０～０．６０％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｃｒ：１．６０～５．００％、Ａｌ：０．００３～０．０５０％、Ｎ：０．００５～０．０２０％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、浸炭されたときに部品の表面硬さが７００Ｈｖ以上で表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０～１．００％という優れた浸炭性が得られること、を特徴とする機械構造用鋼である。
【0023】
その第３の手段は、
第２の手段に記載の化学成分にさらに選択的付加成分として、質量％で、Ｎｂ：０．０２～０．１０％、Ｎｉ：５．００％以下、Ｍｏ：１．００％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｂ：０．０１０～０．０５０％のうち、少なくとも１種類を含有しており、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、浸炭されたときに部品の表面硬さが７００Ｈｖ以上で表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０～１．００％という優れた浸炭性が得られること、を特徴とする機械構造用鋼である。
第２の手段に記載の化学成分にさらに選択的付加成分として、質量％で、Ｎｂ：０．０２～０．１０％、Ｎｉ：５．００％以下、Ｍｏ：１．００％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｂ：０．０１０～０．０５０％のうち、少なくとも１種類を含有しており、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、浸炭されたときに部品の表面硬さが７００Ｈｖ以上で表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０～１．００％という優れた浸炭性が得られること、を特徴とする機械構造用鋼である。
【発明の効果】
【0024】
本発明によると、高Ｃｒの機械構造用鋼でありながら、スケール成分の割合と結晶構造を規定することで、高温ガス浸炭による浸炭によっても、安定な浸炭層が得られた浸炭部品を得ることができることから、浸炭時間を短縮することでＣＯ2排出量の削減に寄与することができる。また、本発明の鋼が浸炭された部品は、スケール成分が抑制されることで、浸炭後に７００Ｈｖ以上の優れた表面硬さであって、表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０～１．００％という適正な炭素濃度分布である部品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】浸炭性の評価に用いる試験片の説明図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図2】浸炭処理条件の一例を示す。縦軸が温度－横軸が時間の工程図であり、上から順に、実施例に用いた浸炭条件１～３の手順が示されている。
【発明を実施するための形態】
【0026】
本発明の実施の形態に先立って、本発明に用いる機械構造用鋼の成分を規定する理由、スケール内の成分や結晶構造を規定する理由などについて説明する。なお、成分組成の％は質量％である。
【0027】
Ｃｒ：１．６０～５．００％
Ｃｒは、焼き戻しの軟化抵抗性と焼入れ性を向上させる成分であり、１．６０％未満では、焼き戻し軟化抵抗性が低下したり焼入れ性が不足してしまう。そこで、本発明は１．６０％以上の高Ｃｒとしている。他方、５．００％を超えると、浸炭阻害を発生させるスケールを形成しやすくなるので、５．００％以下となる。そこで、本発明の浸炭前の機械構造用鋼のＣｒは、１．６０～５．００％とする。
Ｃｒは、焼き戻しの軟化抵抗性と焼入れ性を向上させる成分であり、１．６０％未満では、焼き戻し軟化抵抗性が低下したり焼入れ性が不足してしまう。そこで、本発明は１．６０％以上の高Ｃｒとしている。他方、５．００％を超えると、浸炭阻害を発生させるスケールを形成しやすくなるので、５．００％以下となる。そこで、本発明の浸炭前の機械構造用鋼のＣｒは、１．６０～５．００％とする。
【0028】
Ｍｎ：０．２０～０．６０％
Ｍｎは焼入れ性に寄与する成分であり、焼入れ性の不足を避けるためには、０．２％以上であることが好ましい。Ｍｎは０．６０％を超えると、加工性が低下し、浸炭阻害が発生するスケールが形成されやすくなる。そこで、好ましくはＭｎは０．２０～０．６０％とする。
Ｍｎは焼入れ性に寄与する成分であり、焼入れ性の不足を避けるためには、０．２％以上であることが好ましい。Ｍｎは０．６０％を超えると、加工性が低下し、浸炭阻害が発生するスケールが形成されやすくなる。そこで、好ましくはＭｎは０．２０～０．６０％とする。
【0029】
酸素（Ｏ）が５％以上含まれているスケールの領域内では、スケールの成分が（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅ＜２．２であって、かつ、結晶構造がスピネル型の結晶構造である面積割合がスケール全体の２０％以下であること
母材表面のスケールにおける成分と結晶構造を規定するものである。
浸炭阻害を回避するための指標としての意味合いであるから、母材表面のスケールのうち、スケール内の酸素（Ｏ）が５％未満の領域ではなく、Ｏが５％以上のスケールの領域の厚みを対象として規定することとしている。
本発明の機械構造用鋼は、少なくともＣｒを１．６０～５．００％と、Ｍｎと、を含み、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼であるから、浸炭されたとき、スケールの成分としてＣｒ酸化物やＭｎ酸化物が形成される。すなわち、高温での浸炭はＣｒ酸化物の成長を促進することから、高温ガス浸炭をすると、鋼の表面がＣｒ酸化物が緻密に覆われて、浸炭ガスが母材との接触を阻害され、所望の浸炭が進まない浸炭阻害を生じやすくなる。さらに、鋼表面にＭｎ酸化物が形成されると、Ｃｒ酸化物よりもさらに浸炭阻害を引き起こしやすい。そして、スケールにおいて浸炭性に悪影響をもたらすＭｎ酸化物の結晶構造はスピネル型である。他方、Ｆｅ酸化物は浸炭性に対しての影響がない。
そこで、Ｏが５％以上含まれているスケールの厚みの領域において、スケールの成分が、（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅ＜２．２であって、スピネル型結晶構造物の面積割合がスケール中で２０％以下であれば、ＣｒやＭｎによる浸炭阻害を回避しうる。他方、スケール内の成分の（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅの比率が２．２以上であって、スピネル構造物が２０％を超えるときは、浸炭阻害が発生する。
母材表面のスケールにおける成分と結晶構造を規定するものである。
浸炭阻害を回避するための指標としての意味合いであるから、母材表面のスケールのうち、スケール内の酸素（Ｏ）が５％未満の領域ではなく、Ｏが５％以上のスケールの領域の厚みを対象として規定することとしている。
本発明の機械構造用鋼は、少なくともＣｒを１．６０～５．００％と、Ｍｎと、を含み、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼であるから、浸炭されたとき、スケールの成分としてＣｒ酸化物やＭｎ酸化物が形成される。すなわち、高温での浸炭はＣｒ酸化物の成長を促進することから、高温ガス浸炭をすると、鋼の表面がＣｒ酸化物が緻密に覆われて、浸炭ガスが母材との接触を阻害され、所望の浸炭が進まない浸炭阻害を生じやすくなる。さらに、鋼表面にＭｎ酸化物が形成されると、Ｃｒ酸化物よりもさらに浸炭阻害を引き起こしやすい。そして、スケールにおいて浸炭性に悪影響をもたらすＭｎ酸化物の結晶構造はスピネル型である。他方、Ｆｅ酸化物は浸炭性に対しての影響がない。
そこで、Ｏが５％以上含まれているスケールの厚みの領域において、スケールの成分が、（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅ＜２．２であって、スピネル型結晶構造物の面積割合がスケール中で２０％以下であれば、ＣｒやＭｎによる浸炭阻害を回避しうる。他方、スケール内の成分の（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅの比率が２．２以上であって、スピネル構造物が２０％を超えるときは、浸炭阻害が発生する。
【0030】
本発明は、高ＣｒとＭｎを含有する鋼であって、スケールの形態に寄与しない他の成分については特に限定することを本意とするものではないが、ＣｒとＭｎのスケールによる浸炭阻害の抑制に鑑みて、さらに次のように成分を規定することができる。
【0031】
Ｃ：０．１０～０．６０％
Ｃは素材硬さを上昇させる成分である。０．１０％を下回ると、浸炭後の芯部硬さが低下することで強度が不足することがある。また、０．６０％を超えると、素材硬さの上昇によって、芯部の靭性が低下しやすくなる。そこで、好ましくは、Ｃは０．１０～０．６０％とする。
Ｃは素材硬さを上昇させる成分である。０．１０％を下回ると、浸炭後の芯部硬さが低下することで強度が不足することがある。また、０．６０％を超えると、素材硬さの上昇によって、芯部の靭性が低下しやすくなる。そこで、好ましくは、Ｃは０．１０～０．６０％とする。
【0032】
Ｓｉ：０．２０～０．８０％
Ｓｉは、素材硬さを上昇させる成分である。Ｓｉが０．２０％を下回ると、脱酸材が不足し、焼入れ性が不足する。他方、Ｓｉが０．８０％を超えると、素材硬さが上昇した結果加工性が低下することとなる。そこで、好ましくは、Ｓｉ：０．２０～０．８０％である。
Ｓｉは、素材硬さを上昇させる成分である。Ｓｉが０．２０％を下回ると、脱酸材が不足し、焼入れ性が不足する。他方、Ｓｉが０．８０％を超えると、素材硬さが上昇した結果加工性が低下することとなる。そこで、好ましくは、Ｓｉ：０．２０～０．８０％である。
【0033】
Ａｌ：０．００３～０．０５０％
Ａｌは脱酸材となる成分であるから、好ましくは０．００３％以上とする。他方、Ａｌは多すぎると、粗大な窒化物を形成することとなるので、疲労特性や加工性の低下を招くこととなる。そこで、Ａｌは好ましくは、０．００３～０．０５０％とする。
Ａｌは脱酸材となる成分であるから、好ましくは０．００３％以上とする。他方、Ａｌは多すぎると、粗大な窒化物を形成することとなるので、疲労特性や加工性の低下を招くこととなる。そこで、Ａｌは好ましくは、０．００３～０．０５０％とする。
【0034】
Ｎ：０．００５～０．０２０％
Ｎは微細な窒化物を形成させる成分であるから、好ましくは、０．００５％以上とする。他方、Ｎが過多であると、粗大な炭窒化物が形成されて、疲労特性や加工性の低下を招くこととなる。そこで、Ｎは好ましくは０．００５～０．０２０％とする。
Ｎは微細な窒化物を形成させる成分であるから、好ましくは、０．００５％以上とする。他方、Ｎが過多であると、粗大な炭窒化物が形成されて、疲労特性や加工性の低下を招くこととなる。そこで、Ｎは好ましくは０．００５～０．０２０％とする。
【0035】
Ｐ：≦０．０３０％
Ｐは不可避的不純物である。多すぎると、粒界偏析によって靭性が低下するので、好ましくは、Ｐは０．０３０％以下とする。
Ｐは不可避的不純物である。多すぎると、粒界偏析によって靭性が低下するので、好ましくは、Ｐは０．０３０％以下とする。
【0036】
Ｓ：≦０．０３０％
Ｓは不可避的不純物である。多すぎると、ＭｎＳを形成することによって靭性が低下したり、疲労強度が低下するので、好ましくはＳは０．０３０％以下とする。
Ｓは不可避的不純物である。多すぎると、ＭｎＳを形成することによって靭性が低下したり、疲労強度が低下するので、好ましくはＳは０．０３０％以下とする。
【0037】
残部はＦｅ及び不可避的不純物である。なお、本発明では、さらに、選択的付加成分として、Ｎｂ：０．０２～０．１０％、Ｎｉ：５．００％以下、Ｍｏ：１．００％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｂ：０．０１０～０．０５０％のいずれか１種以上を含有していてもよい。これらの選択的付加的成分について規定する理由は次のとおりである。
【0038】
Ｎｂ：０．０２～０．１０％
Ｎｂは微細な炭窒化物を形成し、結晶粒の粗大化を抑制する成分であるところ、０．０２％未満であれば、その効果が小さく、靭性や疲労強度を伴わない。他方で、Ｎｂが過剰であると、炭窒化物の量が過剰となるので、加工性が低下することとなる。そこで、Ｎｂは、好ましくは０．０２～０．１０％とする。
Ｎｂは微細な炭窒化物を形成し、結晶粒の粗大化を抑制する成分であるところ、０．０２％未満であれば、その効果が小さく、靭性や疲労強度を伴わない。他方で、Ｎｂが過剰であると、炭窒化物の量が過剰となるので、加工性が低下することとなる。そこで、Ｎｂは、好ましくは０．０２～０．１０％とする。
【0039】
Ｎｉ：５．００％以下
Ｎｉは焼入れ性を高める成分である。もっとも、過多であると、高価であるからコストが上昇する。そこで、Ｎｉを添加する場合は、５．００％以下とすることが好ましい。
Ｎｉは焼入れ性を高める成分である。もっとも、過多であると、高価であるからコストが上昇する。そこで、Ｎｉを添加する場合は、５．００％以下とすることが好ましい。
【0040】
Ｍｏ：１．００％以下
Ｍｏは、焼入れ性を向上させるが、過多になると、加工性が低下するほか、高価であるからコストが上昇する。そこで、Ｍｏを添加する場合は、１．００％以下とすることが好ましい。
Ｍｏは、焼入れ性を向上させるが、過多になると、加工性が低下するほか、高価であるからコストが上昇する。そこで、Ｍｏを添加する場合は、１．００％以下とすることが好ましい。
【0041】
Ｔｉ：０．２０％以下
Ｔｉは、安定な炭窒化物を析出させるが、過多となると、炭窒化物の量が過剰となり加工性が低下する。そこで、Ｔｉを添加する場合は、０．２０％以下とすることが好ましい。
Ｔｉは、安定な炭窒化物を析出させるが、過多となると、炭窒化物の量が過剰となり加工性が低下する。そこで、Ｔｉを添加する場合は、０．２０％以下とすることが好ましい。
【0042】
Ｂ：０．０１０～０．０５０％
Ｂは、焼入れ性を向上させる成分であることから、０．０１０％以上含有させることが好ましい。他方、０．０５０％を超えても効果が飽和してしまうので、Ｂは好ましくは０．０１０～０．０５０％である。
Ｂは、焼入れ性を向上させる成分であることから、０．０１０％以上含有させることが好ましい。他方、０．０５０％を超えても効果が飽和してしまうので、Ｂは好ましくは０．０１０～０．０５０％である。
【0043】
浸炭後の表面硬さ：７００ＨＶ以上
７００ＨＶを下回ると、所定の強度特性が得られ難く、部品の寿命が短くなりやすいので、本発明の機械構造用鋼を浸炭した後の浸炭後の部品の表面硬さは、７００ＨＶ以上とする。
７００ＨＶを下回ると、所定の強度特性が得られ難く、部品の寿命が短くなりやすいので、本発明の機械構造用鋼を浸炭した後の浸炭後の部品の表面硬さは、７００ＨＶ以上とする。
【0044】
浸炭後の部品の表面から５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０～１．００％であること
本発明の鋼を用いた機械構造用部品が浸炭されたときに、５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０％を下回っている場合には、浸炭が正常に行えておらず、疲労強度が低くなってしまう。また、炭素量が１．００％を超えるようだと、炭化物が析出しすぎてしまうので、効果が飽和してしまう。そこで、浸炭後の部品の表面から５００μｍ深さまでの炭素量は、０．５０～１．００％とする。
本発明の鋼を用いた機械構造用部品が浸炭されたときに、５００μｍ深さまでの炭素量が０．５０％を下回っている場合には、浸炭が正常に行えておらず、疲労強度が低くなってしまう。また、炭素量が１．００％を超えるようだと、炭化物が析出しすぎてしまうので、効果が飽和してしまう。そこで、浸炭後の部品の表面から５００μｍ深さまでの炭素量は、０．５０～１．００％とする。
【0045】
＜実施例＞
表１に示された化学成分と残部（Ｆｅ及び不可避的不純物）からなる発明鋼Ａ～Ｌ、比較鋼Ｍ～Ｔについて、１００ｋｇ鋼塊を、それぞれ真空溶解炉にて溶製した。その後、これらＡ～Ｐの各鋼を１２５０℃で１２時間以上ソーキング処理を行った後、熱間鍛造して直径３２ｍｍの棒鋼に製造し、さらに９００℃で４時間保持した後、空冷して焼きならし処理を行うことで、供試材を得た。
表１に示された化学成分と残部（Ｆｅ及び不可避的不純物）からなる発明鋼Ａ～Ｌ、比較鋼Ｍ～Ｔについて、１００ｋｇ鋼塊を、それぞれ真空溶解炉にて溶製した。その後、これらＡ～Ｐの各鋼を１２５０℃で１２時間以上ソーキング処理を行った後、熱間鍛造して直径３２ｍｍの棒鋼に製造し、さらに９００℃で４時間保持した後、空冷して焼きならし処理を行うことで、供試材を得た。
【0046】
【表1】
【0047】
これらの供試材を、図１に示す寸法（直径２７ｍｍ×長さ１２ｍｍ）に加工し、図２に示す浸炭条件１～３の３条件でそれぞれガス浸炭することで試験片を得た。
なお、浸炭条件１は９３０℃で６時間保持、浸炭条件２は９５０℃で５時間保持、浸炭条件３は９７０℃で４時間保持したものである。なお、ガス浸炭炉が傷みやすくなるものの、１０００℃以上で浸炭することもできる。
なお、浸炭条件１は９３０℃で６時間保持、浸炭条件２は９５０℃で５時間保持、浸炭条件３は９７０℃で４時間保持したものである。なお、ガス浸炭炉が傷みやすくなるものの、１０００℃以上で浸炭することもできる。
【0048】
＜評価項目＞
浸炭後の試験片の特性について、以下のような手法で測定した結果について評価した。（１）浸炭後の試験片の表面から深さ方向にＯ量が５％以上含まれる範囲までを「スケール厚み」を対象領域としたときの、対象領域であるスケール厚みにおける化学成分の割合を、グロー放電発光分光分析装置を用いて測定した。（２）スケールの結晶構造については、ＳＥＭを用いた、後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ）の解析により確認した。（３）浸炭後の表面硬さについて、Ｈｖ硬さ試験機を用いて測定した。（４）浸炭後の表面炭素濃度について、浸炭後に試験片を切り出し、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて測定した。測定方法について以下に詳述する。結果を表２に示す。
浸炭後の試験片の特性について、以下のような手法で測定した結果について評価した。（１）浸炭後の試験片の表面から深さ方向にＯ量が５％以上含まれる範囲までを「スケール厚み」を対象領域としたときの、対象領域であるスケール厚みにおける化学成分の割合を、グロー放電発光分光分析装置を用いて測定した。（２）スケールの結晶構造については、ＳＥＭを用いた、後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ）の解析により確認した。（３）浸炭後の表面硬さについて、Ｈｖ硬さ試験機を用いて測定した。（４）浸炭後の表面炭素濃度について、浸炭後に試験片を切り出し、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて測定した。測定方法について以下に詳述する。結果を表２に示す。
【0049】
（１）グロー放電発光分光分析装置とは、高電圧に印加したＡｒイオンを試料表面に衝突（スパッタ）させ、はじき出した原子をプラズマ状態に励起させることで生じる光の波長と強度を検出することで、試料深さ方向の元素の定量・定性分析が実施可能な装置である。今回の実施例では、浸炭ままの試験片をグロー放電発光分光分析装置にセットし、スパッタ条件に関して、φ４ｍｍの銅電極、Ａｒガス圧を６００Ｐａ、高周波印加電圧を２５Ｗで実施した。
Ｏが５％以上含有されているスケール厚みの領域について、得られた成分のうち、Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆの結果に基づいて、（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅに質量％で代入し、その値を求めた。
Ｏが５％以上含有されているスケール厚みの領域について、得られた成分のうち、Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆの結果に基づいて、（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅに質量％で代入し、その値を求めた。
【0050】
（２）浸炭後の円盤状の試験片を半割し、断面方向からスケール部分に対するＥＢＳＤの解析を実施することで、その結晶構造をスピネル型もしくはそれ以外のスケールの結晶構造であるかを判別した。スピネル型の面積率は、スピネル型の面積／スケール全体の面積とすることで算出した。
【0051】
（３）上記の試験片に対して、Ｈｖ硬さ試験機を用いて、浸炭面の任意の箇所を５回、荷重３００ｋｇｆで測定し、その測定結果の平均値を当該試験片の浸炭後の表面硬さ（ビッカース硬さ）とした。
【0052】
（４）浸炭後の試験片を半割し、切断面が表面に現れるように導電性樹脂に埋め込み、研磨をした。その後、ＥＰＭＡを用いて、浸炭面から深さ方向に５００μｍ深さまでの炭素量を１０μｍ間隔で測定し、その平均値を表面から５００μｍ深さまでの表面炭素濃度とした。
【0053】
鋼種Ａ～Ｔの化学成分の鋼からなる試験片に対して浸炭条件１～３において浸炭した各浸炭後の試験片に対して、上記（１）～（４）の各項目の評価をそれぞれ行った。各試験片の評価結果を表２に示す。
【0054】
【表2】
【0055】
発明鋼Ａ～Ｌは、高温の浸炭条件で浸炭した場合も含むいずれの浸炭条件であっても、（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅ＜２．２を満足しており、及びスピネル型の面積率が２０％未満であって、これらの２つの指標を満足しているところ、浸炭後の表面硬さが７００ＨＶ以上、表面から５００μｍ深さまでの表面炭素濃度が０．５０～１．００％となっており、十分な浸炭性が確保されていることが確認された。すなわち、高温で浸炭しても、浸炭阻害が生じていないことが確認された。
【0056】
比較鋼Ｍ～Ｓは、Ｃｒが過剰もしくは過少、Ｍｎが過剰なものである。９５０℃以上の浸炭では、いずれの比較例も（Ｃｒ＋３Ｍｎ）／Ｆｅが２．２を上回っており、本発明の規定する要件を外れてしまっている。また、スピネル型結晶構造の面積率については、いずれの浸炭条件でも２０％を超えて過剰となっている。そこで、表面硬さが低く、表面炭素濃度も低いなど、浸炭性が劣っているものとなっていることから、浸炭阻害が生じていることが確認された。
なお、比較例Ｔは、必須成分のＣｒの含有量が本発明よりも低いことから、浸炭阻害は認められていないが、他方で、Ｃｒが過少であることによって、焼き戻しの軟化抵抗性と焼入れ性が十分ではないものとなってしまっている。そこで、Ｃｒ不足による欠点が解消されておらず、機械構造用部品としては不十分なものとなっている。
なお、比較例Ｔは、必須成分のＣｒの含有量が本発明よりも低いことから、浸炭阻害は認められていないが、他方で、Ｃｒが過少であることによって、焼き戻しの軟化抵抗性と焼入れ性が十分ではないものとなってしまっている。そこで、Ｃｒ不足による欠点が解消されておらず、機械構造用部品としては不十分なものとなっている。
【符号の説明】
【0057】
１ 試験片
【図1】
【図2】