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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】P2024137737
(43)【公開日】2024-10-07
(54)【発明の名称】鋼
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20240927BHJP
C22C 38/24 20060101ALI20240927BHJP
C22C 38/60 20060101ALI20240927BHJP
C21D 8/06 20060101ALI20240927BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 301N
C22C38/24
C22C38/60
C21D8/06 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024020586
(22)【出願日】2024-02-14
(31)【優先権主張番号】P 2023049082
(32)【優先日】2023-03-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000001258
【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】100165696
【弁理士】
【氏名又は名称】川原 敬祐
(72)【発明者】
【氏名】今浪 祐太
【テーマコード（参考）】
4K032
【Ｆターム（参考）】
4K032AA01
4K032AA02
4K032AA03
4K032AA04
4K032AA05
4K032AA08
4K032AA11
4K032AA12
4K032AA16
4K032AA19
4K032AA21
4K032AA22
4K032AA23
4K032AA27
4K032AA28
4K032AA29
4K032AA30
4K032AA31
4K032AA35
4K032AA36
4K032BA02
4K032CG02
4K032CH04
(57)【要約】
【課題】冷間鍛造性に優れ、且つ、軟窒化後の疲労強度に優れた鋼を提供する。
【解決手段】鋼は、成分組成として、Ｃ：０．０１質量％以上０．１８質量％以下、Ｓｉ：０．０３質量％以上０．１５質量％以下、Ｍｎ：０．１０質量％以上０．３５質量％以下、Ｃｒ：０．５０質量％以上１．１０質量％以下、Ｐ：０．１質量％以下、Ｓ：０．５質量％以下、Ａｌ：０．００５質量％以上０．０５０質量％以下、Ｎ：０．００１０質量％以上０．０１２０質量％以下及びＶ：０．０３質量％以上０．２０質量％以下、を含み、残部として、Ｆｅ及び不純物を含む。
【選択図】なし
【解決手段】鋼は、成分組成として、Ｃ：０．０１質量％以上０．１８質量％以下、Ｓｉ：０．０３質量％以上０．１５質量％以下、Ｍｎ：０．１０質量％以上０．３５質量％以下、Ｃｒ：０．５０質量％以上１．１０質量％以下、Ｐ：０．１質量％以下、Ｓ：０．５質量％以下、Ａｌ：０．００５質量％以上０．０５０質量％以下、Ｎ：０．００１０質量％以上０．０１２０質量％以下及びＶ：０．０３質量％以上０．２０質量％以下、を含み、残部として、Ｆｅ及び不純物を含む。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
成分組成として、
Ｃ：０．０１質量％以上０．１８質量％以下、
Ｓｉ：０．０３質量％以上０．１５質量％以下、
Ｍｎ：０．１０質量％以上０．３５質量％以下、
Ｃｒ：０．５０質量％以上１．１０質量％以下、
Ｐ：０．１質量％以下、
Ｓ：０．５質量％以下、
Ａｌ：０．００５質量％以上０．０５０質量％以下、
Ｎ：０．００１０質量％以上０．０１２０質量％以下及び
Ｖ：０．０３質量％以上０．２０質量％以下、を含み、
残部として、Ｆｅ及び不純物を含む鋼。
Ｃ：０．０１質量％以上０．１８質量％以下、
Ｓｉ：０．０３質量％以上０．１５質量％以下、
Ｍｎ：０．１０質量％以上０．３５質量％以下、
Ｃｒ：０．５０質量％以上１．１０質量％以下、
Ｐ：０．１質量％以下、
Ｓ：０．５質量％以下、
Ａｌ：０．００５質量％以上０．０５０質量％以下、
Ｎ：０．００１０質量％以上０．０１２０質量％以下及び
Ｖ：０．０３質量％以上０．２０質量％以下、を含み、
残部として、Ｆｅ及び不純物を含む鋼。
【請求項2】
前記成分組成として、
Ｍｏ：１．０質量％以下、
Ｎｉ：１．０質量％以下及び
Ｂ：０．０１質量％以下、
のうちから選ばれる１種以上を更に含む請求項１に記載の鋼。
Ｍｏ：１．０質量％以下、
Ｎｉ：１．０質量％以下及び
Ｂ：０．０１質量％以下、
のうちから選ばれる１種以上を更に含む請求項１に記載の鋼。
【請求項3】
前記成分組成として、
Ｔｉ：０．１質量％以下及び
Ｎｂ：０．１質量％以下
のうちから選ばれる１種以上を更に含む請求項１に記載の鋼。
Ｔｉ：０．１質量％以下及び
Ｎｂ：０．１質量％以下
のうちから選ばれる１種以上を更に含む請求項１に記載の鋼。
【請求項4】
前記成分組成として、
Ｔｉ：０．１質量％以下及び
Ｎｂ：０．１質量％以下
のうちから選ばれる１種以上を更に含む請求項２に記載の鋼。
Ｔｉ：０．１質量％以下及び
Ｎｂ：０．１質量％以下
のうちから選ばれる１種以上を更に含む請求項２に記載の鋼。
【請求項5】
前記成分組成として、
Ｓｎ：０．１質量％以下及び
Ｓｂ：０．１質量％以下、
のうちから選ばれる１種以上を更に含む請求項１～４に記載の鋼。
Ｓｎ：０．１質量％以下及び
Ｓｂ：０．１質量％以下、
のうちから選ばれる１種以上を更に含む請求項１～４に記載の鋼。
【請求項6】
前記成分組成として、
Ｓｅ：０．３質量％以下、
Ｃａ：０．１質量％以下、
Ｐｂ：０．３質量％以下及び
Ｂｉ：０．３質量％以下、
のうちから選ばれる１種以上を更に含む請求項１～４に記載の鋼。
Ｓｅ：０．３質量％以下、
Ｃａ：０．１質量％以下、
Ｐｂ：０．３質量％以下及び
Ｂｉ：０．３質量％以下、
のうちから選ばれる１種以上を更に含む請求項１～４に記載の鋼。
【請求項7】
前記成分組成として、
Ｓｅ：０．３質量％以下、
Ｃａ：０．１質量％以下、
Ｐｂ：０．３質量％以下及び
Ｂｉ：０．３質量％以下、
のうちから選ばれる１種以上を更に含む請求項５に記載の鋼。
Ｓｅ：０．３質量％以下、
Ｃａ：０．１質量％以下、
Ｐｂ：０．３質量％以下及び
Ｂｉ：０．３質量％以下、
のうちから選ばれる１種以上を更に含む請求項５に記載の鋼。
【請求項8】
ビッカース硬さが１０５ＨＶ以下である請求項１～４に記載の鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、鋼に関する。
【背景技術】
【0002】
冷間鍛造はニアネットシェイプ成形が可能なため、熱間鍛造と比較して鍛造後の切削量を低減でき歩留まり低下を抑制可能な利点がある。また、軟窒化は浸炭焼入れ等と比較して熱処理ひずみの発生を軽減しつつ鋼部品の疲労特性を向上させる熱処理であり、自動車用の歯車などの各種工業部品に適用されている。
【0003】
特許文献１には、冷鍛窒化用圧延鋼材が開示されている。この冷鍛窒化用圧延鋼材は、Ｃ：０．０６～０．１５％、Si：０．０２～０．３５％、Ｍｎ：０．１０～０．９０％、S≦０．０３０％、Ｃｒ：０．５０～２．０％、Ｖ：０．１０～０．５０％、Ａｌ：０．０１０～０．０９０％を含有し、残部はＦｅと不純物からなり、不純物中のＰ、Ｎ、Ｏが、Ｐ≦０．０３０％、Ｎ≦０．００８０％、Ｏ≦０．００３０％であり、５．０≦３５（Ｃ＋Ｎ）＋５（Ｓｉ＋Ｍｎ）＋Ｃｒ＋３（Ｃｕ＋Ｎｉ）＋４（Ｍｏ＋Ｖ）≦１０．０かつ１．８≦｛Ｖ＋（９／２０）Ｍｏ｝／Ｃ≦９．０の化学組成を有し、ミクロ組織がフェライト・パーライト組織で、フェライトの平均粒径≦５０μｍである。この冷鍛窒化用圧延鋼材は、事前に熱処理せずに冷間鍛造でき、冷間鍛造後の表面粗さが小さく、冷間鍛造後の被削性に優れ、冷間鍛造と窒化を施された部品に、高い芯部硬さを具備させることが可能であるとされている。
【0004】
特許文献２には、冷鍛窒化用鋼が記載されている。この冷鍛窒化用鋼は、Ｃ：０．０１～０．１５％、Ｓｉ＜０．１０％、Ｍｎ：０．１０～０．５０％、Ｐ≦０．０３０％、Ｓ≦０．０５０％、Ｃｒ：０．８０～２．０％、Ｖ：０．０３％以上０．１０％未満、Ａｌ：０．０１～０．１０％、Ｎ≦０．００８０％及びＯ≦０．００３０％を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、〔３９９×Ｃ＋２６×Ｓｉ＋１２３×Ｍｎ＋３０×Ｃｒ＋３２×Ｍｏ＋１９×Ｖ≦１６０〕、〔２０≦（６６９．３×ｌｏｇｅＣ－１９５９．６×ｌｏｇｅＮ－６９８３．３）×（０．０６７×Ｍｏ＋０．１４７×Ｖ）≦８０〕及び〔１４０×Ｃｒ＋１２５×Ａｌ＋２３５×Ｖ≧１６０〕である化学組成を有する。この冷鍛窒化用鋼は、冷間鍛造性と冷間鍛造後の被削性に優れ、冷鍛窒化部品に高い芯部硬さ、高い表面硬さ及び深い有効硬化層深さを具備できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１３－１５９７９４号公報
【特許文献2】特開２０１３－１８５１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
冷間鍛造により部品を製造できれば、熱間鍛造による部品の製造よりも低コスト化を実現できる。また、金型寿命を向上させることができれば、冷間鍛造において更なる低コスト化を実現できる。しかし、上記のような従来技術にあっては、軟窒化後の疲労強度を確保する前提では冷間鍛造時の鋼の変形抵抗は従来と変わらず、金型寿命は従来と同等であり、十分に低コスト化できなかった。そのため、優れた冷間鍛造性と軟窒化後の疲労強度を両立した鋼の提供が望まれる。
【0007】
本発明は、かかる実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、冷間鍛造性に優れ、且つ、軟窒化後の疲労強度に優れた鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するための、本発明に係る鋼は以下のとおりである。
【0009】
［１］成分組成として、
Ｃ：０．０１質量％以上０．１８質量％以下、
Ｓｉ：０．０３質量％以上０．１５質量％以下、
Ｍｎ：０．１０質量％以上０．３５質量％以下、
Ｃｒ：０．５０質量％以上１．１０質量％以下、
Ｐ：０．１質量％以下、
Ｓ：０．５質量％以下、
Ａｌ：０．００５質量％以上０．０５０質量％以下、
Ｎ：０．００１０質量％以上０．０１２０質量％以下及び
Ｖ：０．０３質量％以上０．２０質量％以下、を含み、
残部として、Ｆｅ及び不純物を含む鋼。
Ｃ：０．０１質量％以上０．１８質量％以下、
Ｓｉ：０．０３質量％以上０．１５質量％以下、
Ｍｎ：０．１０質量％以上０．３５質量％以下、
Ｃｒ：０．５０質量％以上１．１０質量％以下、
Ｐ：０．１質量％以下、
Ｓ：０．５質量％以下、
Ａｌ：０．００５質量％以上０．０５０質量％以下、
Ｎ：０．００１０質量％以上０．０１２０質量％以下及び
Ｖ：０．０３質量％以上０．２０質量％以下、を含み、
残部として、Ｆｅ及び不純物を含む鋼。
【0010】
［２］前記成分組成として、
Ｍｏ：１．０質量％以下、
Ｎｉ：１．０質量％以下及び、
Ｂ：０．０１質量％以下、
のうちから選ばれる１種以上を更に含む上記［１］に記載の鋼。
Ｍｏ：１．０質量％以下、
Ｎｉ：１．０質量％以下及び、
Ｂ：０．０１質量％以下、
のうちから選ばれる１種以上を更に含む上記［１］に記載の鋼。
【0011】
［３］前記成分組成として、
Ｔｉ：０．１質量％以下及び、
Ｎｂ：０．１質量％以下
のうちから選ばれる１種以上を更に含む上記［１］又は［２］に記載の鋼。
Ｔｉ：０．１質量％以下及び、
Ｎｂ：０．１質量％以下
のうちから選ばれる１種以上を更に含む上記［１］又は［２］に記載の鋼。
【0012】
［４］前記成分組成として、
Ｓｎ：０．１質量％以下及び、
Ｓｂ：０．１質量％以下、
のうちから選ばれる１種以上を更に含む上記［１］から［３］のいずれかに記載の鋼。
Ｓｎ：０．１質量％以下及び、
Ｓｂ：０．１質量％以下、
のうちから選ばれる１種以上を更に含む上記［１］から［３］のいずれかに記載の鋼。
【0013】
［５］前記成分組成として、
Ｓｅ：０．３質量％以下、
Ｃａ：０．１質量％以下、
Ｐｂ：０．３質量％以下及び
Ｂｉ：０．３質量％以下、
のうちから選ばれる１種以上を更に含む上記［１］から［４］のいずれかに記載の鋼。
Ｓｅ：０．３質量％以下、
Ｃａ：０．１質量％以下、
Ｐｂ：０．３質量％以下及び
Ｂｉ：０．３質量％以下、
のうちから選ばれる１種以上を更に含む上記［１］から［４］のいずれかに記載の鋼。
【0014】
［６］ビッカース硬さが１０５ＨＶ以下である上記［１］から［５］のいずれかに記載の鋼。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、冷間鍛造性に優れ、且つ、軟窒化後の疲労強度に優れた鋼を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本実施形態に係る鋼について説明する。
【0017】
まず、本実施形態に係る鋼の概要を説明する。
【0018】
本実施形態に係る鋼は、成分組成（化学成分）として、Ｃ（炭素）：０．０１質量％以上０．１８質量％以下、Ｓｉ（ケイ素）：０．０３質量％以上０．１５質量％以下、Ｍｎ（マンガン）：０．１０質量％以上０．３５質量％以下、Ｃｒ：０．５０質量％以上１．１０質量％以下、Ｐ（リン）：０．１質量％以下、Ｓ：０．５質量％以下、Ａｌ（アルミニウム）：０．００５質量％以上０．０５０質量％以下、Ｎ（窒素）：０．００１０質量％以上０．０１２０質量％以下及びＶ（バナジウム）：０．０３質量％以上０．２０質量％以下、を含み、残部として、Ｆｅ及び不純物を含む。
【0019】
本実施形態に係る鋼は、冷間鍛造性に優れ、且つ、軟窒化後の疲労強度に優れている。
【0020】
以下、本実施形態に係る鋼及びこの鋼により実現される軟窒化部品について詳述する。
【0021】
本実施形態に係る鋼により実現される軟窒化部品（以下、本実施形態に係る軟窒化部品と称する）の一例は、自動車などの車両を形成する部品である。自動車分野における部品を例示すると、エンジンのクランクシャフト、タイミングギア等、変速機のミッションギア、リングギア、サンギア、プラネタリギア等、足回りのステアリングピニオン、ウォーム等、内装のパワーウインド用ウォーム等の部品を挙げられる。
【0022】
窒化とは、鋼に窒素のみを浸入させる窒化処理と、鋼に窒素と炭素を同時に浸入させる軟窒化処理と、の双方を含んであり、いずれも、鋼をマルテンサイト変態させない処理をいう。このうち、本実施形態における窒化とは、軟窒化処理のことを言う。
【0023】
本実施形態に係る鋼は、上述のごとく、窒化されて使用される。すなわち、本実施形態に係る軟窒化部品の本体は、鋼が窒化された表面層を有する。
【0024】
本実施形態に係る軟窒化部品は、この本体に、金属又は金属合金で形成されており、表面が窒化されていない、本体とは別の構造体が組み合わされたものであってもよい。本実施形態に係る軟窒化部品は、この本体に、金属製ではない別の構造体が組み合わされたものであってもよい。
【0025】
本実施形態に係る軟窒化部品の表面層は、一例として、本体の表面から０．５ｍｍ程度である。この表面層の厚みが０．５ｍｍよりも大きい場合も本実施形態に含まれる。
【0026】
本実施形態に係る鋼は、上述のごとく成分組成として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｎ及びＶを含み、残部はＦｅ及び不純物を含む。この鋼が後述する任意成分をさらに含むことは排除されない。
【0027】
この鋼は、任意成分である成分組成として、Ｍｏ（モリブデン）：１．０質量％以下、Ｎｉ（ニッケル）：１．０質量％以下及び、Ｂ（ホウ素）：０．０１質量％以下、のうちから選ばれる１種以上を含んでよい。
【0028】
また、この鋼は、任意成分である成分組成として、Ｔｉ（チタン）：０．１質量％以下及びＮｂ（ニオブ）：０．１質量％以下、のうちから選ばれる１種以上を含んでよい。
【0029】
また、この鋼は、任意成分である成分組成として、Ｓｎ（スズ）：０．１質量％以下及び、Ｓｂ（アンチモン）：０．１質量％以下、のうちから選ばれる１種以上を含んでよい。
【0030】
また、この鋼は、任意成分である成分組成として、Ｓｅ（セレン）：０．３質量％以下、Ｃａ（カルシウム）：０．１質量％以下、Ｐｂ（鉛）：０．３質量％以下及び、Ｂｉ（ビスマス）：０．３質量％以下、のうちから選ばれる１種以上を含んでよい。
【0031】
以下、鋼における各成分の含有量や効果などについて詳述する。以下の説明において、単に含有量と記載した場合は、鋼における含有量（質量％）である。
【0032】
Ｃ：０．０１質量％以上０．１８質量％以下
Ｃの含有量は、０．０１質量％以上０．１８質量％以下である。窒化処理後の中心部硬度を高めるために、Ｃの含有量は、０．０１質量％以上であることを要する。Ｃの含有量が０．１８質量％を超えると、冷間加工時の荷重が増大し金型の寿命低下を招く場合がある。Ｃの含有量は、好ましくは０．０４質量％以上０．１５質量％以下である。
Ｃの含有量は、０．０１質量％以上０．１８質量％以下である。窒化処理後の中心部硬度を高めるために、Ｃの含有量は、０．０１質量％以上であることを要する。Ｃの含有量が０．１８質量％を超えると、冷間加工時の荷重が増大し金型の寿命低下を招く場合がある。Ｃの含有量は、好ましくは０．０４質量％以上０．１５質量％以下である。
【0033】
Ｓｉ：０．０３質量％以上０．１５質量％以下
Ｓｉの含有量は、０．０３質量％以上０．１５質量％以下である。窒化鋼において、Ｓｉは、脱酸剤として寄与する。過剰にＳｉを鋼に含有させると鋼材の冷間加工性を低下させる。Ｓｉの含有量は、好ましくは０．０５質量％以上０．１０質量％以下である。
Ｓｉの含有量は、０．０３質量％以上０．１５質量％以下である。窒化鋼において、Ｓｉは、脱酸剤として寄与する。過剰にＳｉを鋼に含有させると鋼材の冷間加工性を低下させる。Ｓｉの含有量は、好ましくは０．０５質量％以上０．１０質量％以下である。
【0034】
Ｍｎ：０．１０質量％以上０．３５質量％以下
Ｍｎの含有量は、０．１０質量％以上０．３５質量％以下である。Ｍｎは、焼入れ性を向上させ、鋼の窒化前組織を高強度化する作用を通じ窒化後組織（窒化鋼）を高強度化する。十分な疲労強度を得るためには、Ｍｎの含有量は、０．１０質量％以上であることを要する。過剰にＭｎを鋼に含有させると、変形抵抗の上昇を招く場合がある。Ｍｎの含有量は、好ましくは０．１５質量％以上０．２５質量％以下である。
Ｍｎの含有量は、０．１０質量％以上０．３５質量％以下である。Ｍｎは、焼入れ性を向上させ、鋼の窒化前組織を高強度化する作用を通じ窒化後組織（窒化鋼）を高強度化する。十分な疲労強度を得るためには、Ｍｎの含有量は、０．１０質量％以上であることを要する。過剰にＭｎを鋼に含有させると、変形抵抗の上昇を招く場合がある。Ｍｎの含有量は、好ましくは０．１５質量％以上０．２５質量％以下である。
【0035】
Ｃｒ：０．５０質量％以上１．１０質量％以下
Ｃｒの含有量は、０．５０質量％以上１．１０質量％以下である。Ｃｒは、軟窒化時にＣｒ窒化物層を形成し硬度上昇させる作用や、冷間鍛造で導入された加工硬化の回復抑制作用がある。Ｃｒの過剰な添加は、内部への浸入Ｎ量を低減させ、有効硬化層深さを低下させてしまう場合がある。Ｃｒの含有量は、好ましくは０．７０質量％以上０．８５質量％以下である。
Ｃｒの含有量は、０．５０質量％以上１．１０質量％以下である。Ｃｒは、軟窒化時にＣｒ窒化物層を形成し硬度上昇させる作用や、冷間鍛造で導入された加工硬化の回復抑制作用がある。Ｃｒの過剰な添加は、内部への浸入Ｎ量を低減させ、有効硬化層深さを低下させてしまう場合がある。Ｃｒの含有量は、好ましくは０．７０質量％以上０．８５質量％以下である。
【0036】
Ｐ：０．１質量％以下
Ｐの含有量は０．１質量％以下である。Ｐは、窒化鋼の結晶粒界に偏析し、靭性を低下させるため、その混入は低いほど望ましい。Ｐの含有量は、０．１質量％までは許容される。Ｐの含有量は、好ましくは０．０２質量％以下である。なお、Ｐの含有量の下限については特に限定せずとも問題はないが、Ｐの含有は通常は不可避的であるので、無駄な低Ｐ化は精錬時間の増長や精錬コストを上昇させてしまう場合がある。そのため、Ｐの含有量は、０．００３質量％以上とするのが合理的で好ましい。
Ｐの含有量は０．１質量％以下である。Ｐは、窒化鋼の結晶粒界に偏析し、靭性を低下させるため、その混入は低いほど望ましい。Ｐの含有量は、０．１質量％までは許容される。Ｐの含有量は、好ましくは０．０２質量％以下である。なお、Ｐの含有量の下限については特に限定せずとも問題はないが、Ｐの含有は通常は不可避的であるので、無駄な低Ｐ化は精錬時間の増長や精錬コストを上昇させてしまう場合がある。そのため、Ｐの含有量は、０．００３質量％以上とするのが合理的で好ましい。
【0037】
Ｓ：０．５質量％以下
Ｓの含有量は０．５質量％以下である。Ｓは、硫化物系介在物として存在し、被削性の向上に有効な元素である。過剰にＳを鋼に含有させると冷間加工性の低下を招く場合がある。Ｓの含有量の下限については特に限定しないが、Ｓの含有は通常は不可避的であるので、過度の低Ｓ化は精錬コストを上昇させてしまう場合がある。そのため、Ｓの含有量は、０．００３質量％以上とするのが合理的である。Ｓの含有量は、好ましくは０．００４質量％以上０．３質量％以下であり、さらに好ましくは０．００５質量％以上０．０９質量％以下である。
Ｓの含有量は０．５質量％以下である。Ｓは、硫化物系介在物として存在し、被削性の向上に有効な元素である。過剰にＳを鋼に含有させると冷間加工性の低下を招く場合がある。Ｓの含有量の下限については特に限定しないが、Ｓの含有は通常は不可避的であるので、過度の低Ｓ化は精錬コストを上昇させてしまう場合がある。そのため、Ｓの含有量は、０．００３質量％以上とするのが合理的である。Ｓの含有量は、好ましくは０．００４質量％以上０．３質量％以下であり、さらに好ましくは０．００５質量％以上０．０９質量％以下である。
【0038】
Ａｌ：０．００５質量％以上０．０５０質量％以下
Ａｌの含有量は、０．００５質量％以上０．０５０質量％以下である。Ａｌは、酸化物を形成し、窒化鋼の脱酸に有効な元素である。また、Ａｌは、窒化鋼に粗大な酸化物系介在物が生成するのを抑止する作用を有する。Ａｌの含有量が０．００５質量％未満であると、これらの効果が得られない場合がある。過剰にＡｌを鋼に含有させると介在物（Ａｌ酸化物）の増加を招き、疲労破壊の起点を増やし、低疲労強度の原因となる場合がある。
Ａｌの含有量は、０．００５質量％以上０．０５０質量％以下である。Ａｌは、酸化物を形成し、窒化鋼の脱酸に有効な元素である。また、Ａｌは、窒化鋼に粗大な酸化物系介在物が生成するのを抑止する作用を有する。Ａｌの含有量が０．００５質量％未満であると、これらの効果が得られない場合がある。過剰にＡｌを鋼に含有させると介在物（Ａｌ酸化物）の増加を招き、疲労破壊の起点を増やし、低疲労強度の原因となる場合がある。
【0039】
Ｎ：０．００１０質量％以上０．０１２０質量％以下
Ｎの含有量は、０．００１０質量％以上０．０１２０質量％以下である。過剰にＮを鋼に含有させると、鋳造後の鋼片表面割れを招く場合がある。Ｎの含有量の下限については特に限定しないが、Ｎの含有は通常は不可避的であるので、過度の低Ｎ化は精錬コストを上昇させてしまう場合がある。Ｎの含有量は、０．００１０質量％以上であると好ましい。Ｎの含有量は、好ましくは０．００３０質量％以上０．００８０質量％以下である。
Ｎの含有量は、０．００１０質量％以上０．０１２０質量％以下である。過剰にＮを鋼に含有させると、鋳造後の鋼片表面割れを招く場合がある。Ｎの含有量の下限については特に限定しないが、Ｎの含有は通常は不可避的であるので、過度の低Ｎ化は精錬コストを上昇させてしまう場合がある。Ｎの含有量は、０．００１０質量％以上であると好ましい。Ｎの含有量は、好ましくは０．００３０質量％以上０．００８０質量％以下である。
【0040】
Ｖ：０．０３質量％以上０．２０質量％以下
Ｖの含有量は、０．０３質量％以上０．２０質量％以下である。Ｖは炭素や窒素と結合し、軟窒化時に微細析出物を形成する作用により、鋼材強度を向上させる。また、Ｖは、冷間鍛造で導入された加工硬化の回復抑制効果を有する。Ｖによるこの効果を得るためには、少なくとも０．０３質量％以上でＶを鋼に含有させることが好ましい。過剰にＶを鋼に含有させると窒化時に鋼の内部への浸入するＮ量を低減させてしまい、有効硬化層深さを浅くしてしまう。Ｖの含有量は、より好ましくは０．１０質量％以上０．１５質量％以下である。
Ｖの含有量は、０．０３質量％以上０．２０質量％以下である。Ｖは炭素や窒素と結合し、軟窒化時に微細析出物を形成する作用により、鋼材強度を向上させる。また、Ｖは、冷間鍛造で導入された加工硬化の回復抑制効果を有する。Ｖによるこの効果を得るためには、少なくとも０．０３質量％以上でＶを鋼に含有させることが好ましい。過剰にＶを鋼に含有させると窒化時に鋼の内部への浸入するＮ量を低減させてしまい、有効硬化層深さを浅くしてしまう。Ｖの含有量は、より好ましくは０．１０質量％以上０．１５質量％以下である。
【0041】
以下では、鋼の任意成分について説明する。
【0042】
Ｍｏ：１．０質量％以下
Ｍｏの含有量は、１．０質量％以下としてよい。Ｍｏは、焼入れ性を向上させ、窒化前組織を高強度化する作用を通じ窒化後組織を高強度化する。しかし、Ｍｏの含有量が１．０質量％超では、焼入性が過剰となり、圧延後の硬度が上昇し、加工性や被削性が低下する場合がある。なお、Ｍｏによる鋼材強度の向上効果を発現させるためには、０．０１質量％以上でＭｏを鋼に含有させることが好ましい。Ｍｏの含有量は、より好ましくは０．０３質量％以上０．５０質量％以下、更に好ましくは０．０５質量％以上０．２５質量％以下である。
Ｍｏの含有量は、１．０質量％以下としてよい。Ｍｏは、焼入れ性を向上させ、窒化前組織を高強度化する作用を通じ窒化後組織を高強度化する。しかし、Ｍｏの含有量が１．０質量％超では、焼入性が過剰となり、圧延後の硬度が上昇し、加工性や被削性が低下する場合がある。なお、Ｍｏによる鋼材強度の向上効果を発現させるためには、０．０１質量％以上でＭｏを鋼に含有させることが好ましい。Ｍｏの含有量は、より好ましくは０．０３質量％以上０．５０質量％以下、更に好ましくは０．０５質量％以上０．２５質量％以下である。
【0043】
Ｎｉ：１．０質量％以下
Ｎｉの含有量は、１．０質量％以下としてよい。Ｎｉは、靱性の向上に有用な元素である。これらの効果を得るためには、０．０１質量％以上でＮｉを鋼に含有させることが好ましい。１．０質量％を超えてＮｉを鋼に含有させても上記の効果は飽和する。Ｎｉの含有量は、より好ましくは０．０１５質量％以上０．５質量％以下、更に好ましくは０．０３質量％以上０．３質量％以下である。
Ｎｉの含有量は、１．０質量％以下としてよい。Ｎｉは、靱性の向上に有用な元素である。これらの効果を得るためには、０．０１質量％以上でＮｉを鋼に含有させることが好ましい。１．０質量％を超えてＮｉを鋼に含有させても上記の効果は飽和する。Ｎｉの含有量は、より好ましくは０．０１５質量％以上０．５質量％以下、更に好ましくは０．０３質量％以上０．３質量％以下である。
【0044】
Ｂ：０．０１質量％以下
Ｂの含有量は、０．０１質量％以下としてよい。Ｂは、粒界に偏析し、拡散型変態を抑制することで、焼入性の向上に有効であり、加えて粒界を強化し、疲労亀裂の発生および進展を抑制し疲労強度を向上させる効果もある。Ｂによるこの効果を得るためには、０．０００３質量％以上でＢを鋼に含有させることが好ましい。Ｂの含有量が０．０１質量％を超えると、鋼の靱性が低下するため、Ｂの含有量は０．０１質量％以下とすることが好ましい。Ｂの含有量は、より好ましくは０．０００５質量％以上０．００５質量％以下、更に好ましくは０．０００７質量％以上０．００２質量％以下である。
Ｂの含有量は、０．０１質量％以下としてよい。Ｂは、粒界に偏析し、拡散型変態を抑制することで、焼入性の向上に有効であり、加えて粒界を強化し、疲労亀裂の発生および進展を抑制し疲労強度を向上させる効果もある。Ｂによるこの効果を得るためには、０．０００３質量％以上でＢを鋼に含有させることが好ましい。Ｂの含有量が０．０１質量％を超えると、鋼の靱性が低下するため、Ｂの含有量は０．０１質量％以下とすることが好ましい。Ｂの含有量は、より好ましくは０．０００５質量％以上０．００５質量％以下、更に好ましくは０．０００７質量％以上０．００２質量％以下である。
【0045】
Ｔｉ：０．１質量％以下
Ｔｉの含有量は、０．１質量％以下としてよい。Ｔｉは炭素や窒素と結合し、軟窒化時に微細析出物を形成する作用により、鋼材強度を向上させる。しかし、０．１質量％を超えてＴｉを鋼に含有させても、その効果は飽和する。Ｔｉの含有量は、好ましくは０．００５質量％以上０．０８質量％以下、更に好ましくは０．０１質量％以上０．０６質量％以下である。
Ｔｉの含有量は、０．１質量％以下としてよい。Ｔｉは炭素や窒素と結合し、軟窒化時に微細析出物を形成する作用により、鋼材強度を向上させる。しかし、０．１質量％を超えてＴｉを鋼に含有させても、その効果は飽和する。Ｔｉの含有量は、好ましくは０．００５質量％以上０．０８質量％以下、更に好ましくは０．０１質量％以上０．０６質量％以下である。
【0046】
Ｎｂ：０．１質量％以下
Ｎｂの含有量は、０．１質量％以下としてよい。Ｎｂは炭素や窒素と結合し、軟窒化時に微細析出物を形成する作用により、鋼材強度を向上させる。しかし、０．１質量％を超えてＮｂを鋼に含有させても、その効果は飽和する。Ｎｂの含有量は、好ましくは０．００５質量％以上０．０８質量％以下、更に好ましくは０．０１質量％以上０．０６質量％以下である。
Ｎｂの含有量は、０．１質量％以下としてよい。Ｎｂは炭素や窒素と結合し、軟窒化時に微細析出物を形成する作用により、鋼材強度を向上させる。しかし、０．１質量％を超えてＮｂを鋼に含有させても、その効果は飽和する。Ｎｂの含有量は、好ましくは０．００５質量％以上０．０８質量％以下、更に好ましくは０．０１質量％以上０．０６質量％以下である。
【0047】
Ｓｂ：０．１質量％以下
Ｓｂの含有量は、０．１質量％以下としてよい。Ｓｂは、鋼材表面の脱炭を抑制し、表面硬度の低下を防止するために有効な元素である。この効果を発現させるためには、０．０００３質量％以上でＳｂを鋼に含有させることが好ましい。過剰にＳｂを鋼に含有させると鋼の加工性が低下する。Ｓｂの含有量は、より好ましくは０．００１質量％以上０．０５質量％以下であり、更に好ましくは０．００１５質量％以上０．０３５質量％以下である。
Ｓｂの含有量は、０．１質量％以下としてよい。Ｓｂは、鋼材表面の脱炭を抑制し、表面硬度の低下を防止するために有効な元素である。この効果を発現させるためには、０．０００３質量％以上でＳｂを鋼に含有させることが好ましい。過剰にＳｂを鋼に含有させると鋼の加工性が低下する。Ｓｂの含有量は、より好ましくは０．００１質量％以上０．０５質量％以下であり、更に好ましくは０．００１５質量％以上０．０３５質量％以下である。
【0048】
Ｓｎ：０．１質量％以下
Ｓｎの含有量は、０．１質量％以下としてよい。Ｓｎは、鋼材表面の耐食性を向上させるために有効な元素である。耐食性向上の観点からは、０．００３質量％以上でＳｎを鋼に含有させることが好ましい。過剰にＳｎを鋼に含有させると加工性を低下させる。Ｓｎの含有量は、より好ましくは０．００１０質量％以上０．０５０質量％以下であり、更に好ましくは０．００１５質量％以上０．０３５質量％以下である。
Ｓｎの含有量は、０．１質量％以下としてよい。Ｓｎは、鋼材表面の耐食性を向上させるために有効な元素である。耐食性向上の観点からは、０．００３質量％以上でＳｎを鋼に含有させることが好ましい。過剰にＳｎを鋼に含有させると加工性を低下させる。Ｓｎの含有量は、より好ましくは０．００１０質量％以上０．０５０質量％以下であり、更に好ましくは０．００１５質量％以上０．０３５質量％以下である。
【0049】
Ｓｅ：０．３質量％以下
Ｓｅの含有量は、０．３質量％以下としてよい。Ｓｅは、ＭｎやＣｕと結合し、鋼中に析出物として分散することで被削性を向上させる。この効果を得るためには、少なくとも０．００１質量％以上でＳｅを鋼に含有させることが好ましい。０．３質量％を超えてＳｅを鋼に含有させても効果は飽和する。Ｓｅ含有量は、より好ましくは０．００５質量％以上０．１質量％以下、更に好ましくは０．００８質量％以上０．０９質量％以下である。
Ｓｅの含有量は、０．３質量％以下としてよい。Ｓｅは、ＭｎやＣｕと結合し、鋼中に析出物として分散することで被削性を向上させる。この効果を得るためには、少なくとも０．００１質量％以上でＳｅを鋼に含有させることが好ましい。０．３質量％を超えてＳｅを鋼に含有させても効果は飽和する。Ｓｅ含有量は、より好ましくは０．００５質量％以上０．１質量％以下、更に好ましくは０．００８質量％以上０．０９質量％以下である。
【0050】
Ｃａ：０．１質量％以下
Ｃａの含有量は、０．１質量％以下としてよい。Ｃａは、Ｓと結合し、鋼中に硫化物として分散することで被削性を向上させる。この効果を得るためには、少なくとも０．０００５質量％以上でＣａを鋼に含有させることが好ましい。０．１質量％を超えてＣａを鋼に含有させても効果は飽和する。Ｃａ含有量は、より好ましくは０．００１０質量％以上０．０５００質量％以下、更に好ましくは０．００１５質量％以上０．０３００質量％以下である。
Ｃａの含有量は、０．１質量％以下としてよい。Ｃａは、Ｓと結合し、鋼中に硫化物として分散することで被削性を向上させる。この効果を得るためには、少なくとも０．０００５質量％以上でＣａを鋼に含有させることが好ましい。０．１質量％を超えてＣａを鋼に含有させても効果は飽和する。Ｃａ含有量は、より好ましくは０．００１０質量％以上０．０５００質量％以下、更に好ましくは０．００１５質量％以上０．０３００質量％以下である。
【0051】
Ｐｂ：０．３質量％以下
Ｐｂの含有量は、０．３質量％以下としてよい。Ｐｂは、切削時の切屑を微細化する効果がある。切屑処理性を向上させたい場合、Ｐｂの添加が有効である。この効果を得るためには、０．０１質量％以上でＰｂを鋼に含有させることが好ましい。過度にＰｂを鋼に含有させても切屑処理性の向上効果は飽和する。Ｐｂの含有量は好ましくは０．０１質量％以上０．２質量％以下、更に好ましくは０．０１質量％以上０．１質量％以下である。
Ｐｂの含有量は、０．３質量％以下としてよい。Ｐｂは、切削時の切屑を微細化する効果がある。切屑処理性を向上させたい場合、Ｐｂの添加が有効である。この効果を得るためには、０．０１質量％以上でＰｂを鋼に含有させることが好ましい。過度にＰｂを鋼に含有させても切屑処理性の向上効果は飽和する。Ｐｂの含有量は好ましくは０．０１質量％以上０．２質量％以下、更に好ましくは０．０１質量％以上０．１質量％以下である。
【0052】
Ｂｉ：０．３質量％以下
Ｂｉの含有量は、０．３質量％以下としてよい。Ｂｉは、切削時の切屑を微細化する効果がある。切屑処理性を向上させたい場合、Ｂｉの添加が有効である。この効果を得るためには、０．０１質量％以上でＢｉを含有させることが好ましい。過度にＢｉを鋼に含有させても切屑処理性の向上効果は飽和する。Ｂｉの含有量は好ましくは０．０１質量％以上０．２質量％以下、更に好ましくは０．０１質量％以上０．１質量％以下である。
Ｂｉの含有量は、０．３質量％以下としてよい。Ｂｉは、切削時の切屑を微細化する効果がある。切屑処理性を向上させたい場合、Ｂｉの添加が有効である。この効果を得るためには、０．０１質量％以上でＢｉを含有させることが好ましい。過度にＢｉを鋼に含有させても切屑処理性の向上効果は飽和する。Ｂｉの含有量は好ましくは０．０１質量％以上０．２質量％以下、更に好ましくは０．０１質量％以上０．１質量％以下である。
【0053】
以上説明した元素以外の残部はＦｅ及び不純物である。不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入されるものであって、本実施形態の特性に悪影響を与えない範囲で許容される。
【0054】
次に、鋼の硬さについて説明する。上記した成分組成を有する鋼を熱間圧延して得た圧延材、すなわち窒化に供する圧延材において、ビッカース硬さが１０５ＨＶ以下であれば、優れた冷間鍛造性を有することになり、軟化焼鈍を施さずとも冷間鍛造が可能である。また、１００ＨＶ未満であれば更に好ましく、軟化焼鈍を省略できることに加えて、冷間鍛造時の金型寿命を向上させることができる。
【実施例0055】
以下、実施例に基いて本実施形態に係る鋼について説明する。なお、本実施形態に係る鋼は、この実施例に制限されない。
【0056】
まず、表１に示す成分組成の鋼（鋼Ｎｏ．１から５２）を溶製し、熱間圧延により直径３２ｍｍの丸棒（圧延材）に成形した。なお、表１に示す成分組成の値のうち、下線を付した値は、本実施形態に規定する範囲外のものである。また、表１中、「Ｏｔｈｅｒｓ」は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｎ及びＶ以外の任意成分である。
【0057】
【表1】
【0058】
得られた各丸棒について、ビッカース硬さ（ＨＶ）の測定を行った。ビッカース硬さの測定時の荷重は１ｋｇｆとした。ビッカース硬さの測定は、丸棒の表面から無作為に選定した１０点に対して行い、これら１０点の測定値の平均値を取得した。表１には、この丸棒のビッカース硬さの測定値の平均値を圧延材硬度として示している。
【0059】
次に、この丸棒を切削して直径１５ｍｍで長さが２２．５ｍｍの円柱を採取した。そして、この円柱を、据込率５０％となるように冷間圧縮（冷間鍛造）してガス軟窒化熱処理用の試験片を作製した。
【0060】
次に、この試験片に５７０℃で３時間のガス軟窒化熱処理（窒化処理）を施して、処理後試験片（軟窒化部品の一例）を得た。窒化処理は、アンモニア、一酸化炭素を含む混合ガス中で行った。
【0061】
処理後の試験片について、ビッカース硬度（ＨＶ）の測定を行った。ビッカース硬度の測定時の荷重は０．３ｋｇｆとした。ビッカース硬度の測定は、処理後試験片の中心を通り軸方向に平行な断面を鏡面研磨後、試験片の表層下に対して行った。ビッカース硬度の測定は、試験片の表層下、０．１ｍｍの深さの位置から、深さ方向に０．１ｍｍごとに（０．１ｍｍピッチで）測定した。
【0062】
処理後試験片の有効硬化層深さは、試験片の表層下における５５０ＨＶとなる深さと定めた。そして、測定した試験片の表層下の深さごとのビッカース硬度から、５５０ＨＶに最も近い５５０ＨＶ未満の深さと５５０ＨＶに最も近い５５０ＨＶ超えの深さとについて、直線近似を行って５５０ＨＶとなる深さを求め、これを処理後試験片の有効硬化層深さ（ｍｍ）とした。この有効硬化層深さを併せて表１に示す。
【0063】
試験片（圧延材、窒化前）において、ビッカース硬さが１０５ＨＶ以下であれば冷間鍛造性に優れている。本実施形態に従う鋼（Ｎｏ．１から４１）で形成された試験片は、ビッカース硬度が１０５ＨＶ以下であり、冷間鍛造性に優れている。
【0064】
処理後試験片において、有効硬化層深さが０．２２ｍｍ以上であれば軟窒化後の疲労強度に優れている。本実施形態に従う鋼（Ｎｏ．１から４１）で形成された処理後試験片は、有効硬化層深さが０．２２ｍｍ以上であり、軟窒化後の疲労強度に優れている。
【0065】
すなわち、本実施形態に従う鋼（Ｎｏ．１から４１）は、冷間鍛造性に優れ、且つ、軟窒化後の疲労強度に優れている。詳述すると、本実施形態に従う鋼は、軟窒化後の疲労強度の確保を前提として冷間鍛造時の鋼の変形抵抗を小さくすることができ、これにより金型寿命を長くすることができる。その結果、本実施形態に従う鋼による軟窒化部品の製造コストを十分に低コスト化できるのである。
【0066】
以上のようにして、冷間鍛造性に優れ、且つ、軟窒化後の疲労強度に優れた鋼を提供することができる。
【0067】
なお、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【0068】
本発明は、鋼に適用できる。