特開 2024-50310 被削性と窒化特性に優れた窒化用鋼

(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】P2024050310

(43)【公開日】2024-04-10

(54)【発明の名称】被削性と窒化特性に優れた窒化用鋼

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20240403BHJP

   C22C 38/32 20060101ALI20240403BHJP

   C22C 38/24 20060101ALI20240403BHJP

   C21D 9/32 20060101ALN20240403BHJP

   C21D 1/06 20060101ALN20240403BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 301N

C22C38/32

C22C38/24

C21D9/32 A

C21D1/06 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022157112

(22)【出願日】2022-09-29

(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】100134131

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 知理

(72)【発明者】

【氏名】井手口 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】橋本 和弥

【テーマコード（参考）】

4K042

【Ｆターム（参考）】

4K042AA18

4K042BA03

4K042BA05

4K042CA02

4K042CA06

4K042CA08

4K042CA09

4K042CA12

4K042CA13

4K042DA04

4K042DB07

4K042DC01

4K042DC02

4K042DC03

4K042DD02

4K042DD05

4K042DE02

4K042DE03

4K042DE05

(57)【要約】

【課題】 加工性と窒化後の硬さと芯部硬さのバランスのよい窒化用鋼を提供。
【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．１２～０．３０％、Ｓｉ：０．１０～０．４０％、Ｍｎ：０．５０～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０～２．００％、Ｍｏ：０．０３～０．３０％、Ａｌ：０．０２５～０．３００％、Ｎ：０．００４～０．０３０％、Ｖ：０．０５～０．３０％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、式１（０．１５＜０．１０×Ｃｒ＋０．６７×Ａｌ＋０．２４×Ｖ＜０．４３）の関係性を満足する窒化用鋼。
【選択図】 なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量％で、Ｃ：０．１２～０．３０％、Ｓｉ：０．１０～０．４０％、Ｍｎ：０．５０～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０～２．００％、Ｍｏ：０．０３～０．３０％、Ａｌ：０．０２５～０．３００％、Ｎ：０．００４～０．０３０％、Ｖ：０．０５～０．３０％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、
式１の関係性を満足する窒化用鋼。
０．１５＜０．１０×Ｃｒ＋０．６７×Ａｌ＋０．２４×Ｖ＜０．４３・・・式１
ただし、式１中の元素記号には、該当成分の質量％の値を代入する。

【請求項2】

質量％で、Ｃ：０．１２～０．３０％、Ｓｉ：０．１０～０．４０％、Ｍｎ：０．５０～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０～２．００％、Ｍｏ：０．０３～０．３０％、Ａｌ：０．０２５～０．３００％、Ｎ：０．００４～０．０３０％、Ｖ：０．０５～０．３０％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、
式１及び式２の関係性を満足し、
その窒化前組織がフェライト及びベイナイトからなる組織であってベイナイトの割合が面積率で３０～８５％であり、
その芯部硬さが１９０～３１５Ｈｖである窒化用鋼。
０．１５＜０．１０×Ｃｒ＋０．６７×Ａｌ＋０．２４×Ｖ＜０．４３・・・式１
０．２５＜０．８０×Ｃ＋０．１０×Ｃｒ＋０．３６×Ｍｏ＜０．５０・・・式２
ただし、式１及び式２中の元素記号には、該当成分の質量％の値を代入する。

【請求項3】

質量％でＣ：０．１２～０．３０％、Ｓｉ：０．１０～０．４０％、Ｍｎ：０．５０～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０～２．００％、Ｍｏ：０．０３～０．３０％、Ａｌ：０．０２５～０．３００％、Ｎ：０．００４～０．０３０％、Ｖ：０．０５～０．３０％であり、
さらに、選択的付加的成分としてＮｂ：０．１０％以下、Ｔｉ：０．０２０～０．２００％、Ｂ：０．００３０％以下のいずれか１種または２種以上を含有し、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、
式１の関係性を満足する窒化用鋼。
０．１５＜０．１０×Ｃｒ＋０．６７×Ａｌ＋０．２４×Ｖ＜０．４３・・・式１
ただし、式１中の元素記号には、該当成分の質量％の値を代入する。

【請求項4】

質量％でＣ：０．１２～０．３０％、Ｓｉ：０．１０～０．４０％、Ｍｎ：０．５０～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０～２．００％、Ｍｏ：０．０３～０．３０％、Ａｌ：０．０２５～０．３００％、Ｎ：０．００４～０．０３０％、Ｖ：０．０５～０．３０％であり、
さらに、選択的付加的成分としてＮｂ：０．１０％以下、Ｔｉ：０．０２０～０．２００％、Ｂ：０．００３０％以下のいずれか１種または２種以上を含有し、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、
式１及び式２の関係性を満足し、
その窒化前組織がフェライト及びベイナイトからなる組織であってベイナイトの割合が面積率で３０～８５％であり、
その芯部硬さが１９０～３１５Ｈｖである窒化用鋼。
０．１５＜０．１０×Ｃｒ＋０．６７×Ａｌ＋０．２４×Ｖ＜０．４３・・・式１
０．２５＜０．８０×Ｃ＋０．１０×Ｃｒ＋０．３６×Ｍｏ＜０．５０・・・式２
ただし、式１及び式２中の元素記号には、該当成分の質量％の値を代入する。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱間鍛造後に、ガス窒化やガス軟窒化などにより鋼表面に窒素を侵入させる表面硬化処理を施して使用される機械構造用部品、例えば自動車、建設機械、工作機械などのギアなどの動力伝達部品の素材として好適な窒化用鋼に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から歯車などの動力伝達部品に用いられる機械構造用鋼として強度と靭性の両立を志向した窒化用鋼が提案されている。
たとえば、本願出願人は、鋼成分の適正化すること（質量％で、Ｃ：０．１０～０．４０％、Ｓｉ：０．１０～０．５０％、Ｍｎ：０．５０～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０～１．５０％、Ｍｏ：０．０５～０．３０％、Ａｌ：０．１５～０．８０％、Ｎ：０．００５～０．０３０％、残部Ｆｅ）に加えて、窒化前組織を焼入焼戻処理によりマルテンサイトとし、窒化物の種類とその割合をＮ_Al／Ｎ_Crが０．２以上と規定することで、従来の窒化用鋼に比べて優れた表面硬さ（８００Ｈｖ以上）と硬化層深さ（０．２５ｍｍ以上）を備えた鋼を発明している（特許文献１、特許第６３００６４７号参照。）。

【0003】

また、鋼成分（Ｃ：０．２０～０．３０％、Ｓｉ：０．２５％以下、Ｍｎ：０．５０％未満、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：１．００超～２．００％、Ｍｏ：０．１０～０．５０％未満、Ｖ：０．１０～０．５０％、Ａｌ：０．１０超～０．２０％、Ｔｉ：０．１０％以下、Ｎ：０．００６０～０．０２０％以下を含有し、かつ１８＜２７Ｃ＋９Ｍｎ＋７Ｃｒ＋８Ｍｏ及び２２＜３７Ｃ＋６Ｍｎ＋８Ｃｒ＋１１Ｖの条件を満足し、残部がＦｅ）を規定し、熱間鍛造や熱処理条件を規定することでベイナイト組織が７０％以上、窒化後の表面硬さが６５０Ｈｖ以上、４５０Ｈｖ以上の範囲と定義された硬化深さが０．２ｍｍ以上のベイナイト型窒化部品が提案されている（特許文献２参照。）。

【0004】

また、表面硬さと有効硬化層深さを確保するべく、鋼成分をＣ：０．０５～０．３０％、Ｓｉ：０．００３～０．５０％、Ｍｎ：０．４～３．０％、Ｃｒ：０．２～０．９％、Ａｌ：０．１９～０．７０％、Ｖ：０．０５～１．０％及びＭｏ：０．０５～０．５０％、を含有し、０．５％≦１．９Ａｌ＋Ｃｒ≦１．８％を満足し、残部がＦｅとする窒化用鋼が提案されている（特許文献３参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１５－２２９７８０号公報

【特許文献2】特開２００６－０２２３５０号公報

【特許文献3】特表２０１０－１４７２２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述の従来の提案では、ＡｌやＶ、Ｔｉ等の添加量が高いことや、芯部組織の硬さが不十分であること、化合物層厚さの規定が厳しいことなどが課題であった。
たとえば、特許文献１に記載の窒化用鋼は、窒化前組織がマルテンサイトであり、Ｃ量やＡｌ量、Ｖ量が高いため、被削性や加工性の観点からは、部品製造にコストがかかる。

【0007】

また、特許文献２に記載の窒化用鋼はＣｒ量が多いため、硬化深さを高めるためにＶ量を多くすることや、窒化温度を高くせざるを得なくなっており、原料コストの高まりや表面硬さ不足が懸念される。また、芯部硬さも過剰となり、被削性等が悪化することが懸
念される。

【0008】

また、特許文献３に記載の窒化用鋼では、硬化深さに悪影響を与えるＣｒ量を低減しており、低下した芯部硬さを補うためにＶとＡｌ、Ｍｏを多量に添加せざるを得ないものであるから原料コストがかかる。

【0009】

このように窒化物を形成し窒化による表面硬さを上げうるＡｌやＣｒは、多量に入れると硬化深さが低下してしまう。また、Ａ₁線以下の温度で熱処理することが求められる窒化処理の過程ではマルテンサイト変態を利用することができない。そこで動力伝達用部品等の芯部硬さを確保するためには、さらに合金成分を工夫して添加する必要があるものの、合金成分を過剰に添加することは、被削性などの加工性を阻害してしまうこととなりやすい。

【0010】

そこで、上述の機械構造用鋼を窒化する際の背景を踏まえ、本発明は、加工性と窒化後の硬さと芯部硬さのバランスのよい窒化用鋼を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0011】

そこで、本願発明者らは鋭意検討の結果、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒの成分バランスの最適化により、加工性を損なうことなく、窒化後の特性に優れる窒化用鋼を得た。そして、熱間鍛造後はフェライトとベイナイトの混相組織となり、被削性と窒化性のバランスに優れ、窒化時に合金窒化物を適切に析出させることができる合金設計とした。

【0012】

そこで、本発明の課題を解決するための第１の手段は、
質量％で、Ｃ：０．１２～０．３０％、Ｓｉ：０．１０～０．４０％、Ｍｎ：０．５０～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０～２．００％、Ｍｏ：０．０３～０．３０％、Ａｌ：０．０２５～０．３００％、Ｎ：０．００４～０．０３０％、Ｖ：０．０５～０．３０％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、式１の関係性を満足する窒化用鋼である。
０．１５＜０．１０×Ｃｒ＋０．６７×Ａｌ＋０．２４×Ｖ＜０．４３・・・式１
ただし、式１中の元素記号には、該当成分の質量％の値を代入する。

【0013】

その第２の手段は、
質量％で、Ｃ：０．１２～０．３０％、Ｓｉ：０．１０～０．４０％、Ｍｎ：０．５０～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０～２．００％、Ｍｏ：０．０３～０．３０％、Ａｌ：０．０２５～０．３００％、Ｎ：０．００４～０．０３０％、Ｖ：０．０５～０．３０％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、式１及び式２の関係性を満足し、その窒化前組織がフェライト及びベイナイトからなる組織であってベイナイトの割合が面積率で３０～８５％であり、その芯部硬さが１９０～３１５Ｈｖである窒化用鋼である。
０．１５＜０．１０×Ｃｒ＋０．６７×Ａｌ＋０．２４×Ｖ＜０．４３・・・式１
０．２５＜０．８０×Ｃ＋０．１０×Ｃｒ＋０．３６×Ｍｏ＜０．５０・・・式２
ただし、式１及び式２中の元素記号には、該当成分の質量％の値を代入する。

【0014】

その第３の手段は、
質量％でＣ：０．１２～０．３０％、Ｓｉ：０．１０～０．４０％、Ｍｎ：０．５０～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０～２．００％、Ｍｏ：０．０３～０．３０％、Ａｌ：０．０２５～０．３００％、Ｎ：０．００４～０．０３０％、Ｖ：０．０５～０．３０％であり、
さらに、選択的付加的成分としてＮｂ：０．１０％以下、Ｔｉ：０．０２０～０．２００％、Ｂ：０．００３０％以下のいずれか１種または２種以上を含有し、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、式１の関係性を満足する窒化用鋼である。
０．１５＜０．１０×Ｃｒ＋０．６７×Ａｌ＋０．２４×Ｖ＜０．４３・・・式１
ただし、式１中の元素記号には、該当成分の質量％の値を代入する。

【0015】

その第４の手段は、
質量％でＣ：０．１２～０．３０％、Ｓｉ：０．１０～０．４０％、Ｍｎ：０．５０～１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０～２．００％、Ｍｏ：０．０３～０．３０％、Ａｌ：０．０２５～０．３００％、Ｎ：０．００４～０．０３０％、Ｖ：０．０５～０．３０％であり、
さらに、選択的付加的成分としてＮｂ：０．１０％以下、Ｔｉ：０．０２０～０．２００％、Ｂ：０．００３０％以下のいずれか１種または２種以上を含有し、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、
式１及び式２の関係性を満足し、その窒化前組織がフェライト及びベイナイトからなる組織であってベイナイトの割合が面積率で３０～８５％であり、その芯部硬さが１９０～３１５Ｈｖである窒化用鋼である。
０．１５＜０．１０×Ｃｒ＋０．６７×Ａｌ＋０．２４×Ｖ＜０．４３・・・式１
０．２５＜０．８０×Ｃ＋０．１０×Ｃｒ＋０．３６×Ｍｏ＜０．５０・・・式２
ただし、式１及び式２中の元素記号には、該当成分の質量％の値を代入する。

【0016】

なお、これらの手段におけるＰとＳは不可避的不純物として含有する量の上限を規定するものであって、意図的に添加している成分ではないから、０％であってもよい。

【発明の効果】

【0017】

本発明の手段によると、加工性と窒化後の硬さと芯部硬さのバランスのよい窒化用鋼が得られる。すなわち、本発明の窒化用鋼は芯部硬さが１９０～３１５Ｈｖと加工性に優れている。また、本発明の窒化用鋼は、これを窒化した場合には、その窒化後の表面硬さが７００Ｈｖ以上となるものであって、４００Ｈｖ以上となる表層部の硬化層深さが０．３０ｍｍ以上となるなど、窒化後の硬さも備え得る。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明の実施の形態の説明に先立ち、窒化用鋼の化学成分を規定する理由について述べる。なお、化学成分の％は質量％である。

【0019】

Ｃ：０．１２～０．３０％
Ｃは素材硬さを上昇させる成分である。Ｃが０．１２％未満であると、窒化後の芯部硬さが十分に得られず低下するので、部品としての強度不足を招くこととなる。他方、Ｃが過多であると素材硬さが上昇することで加工性が低下してしまう。すなわち、被削性、冷間加工性が劣ることとなる。また窒素の鋼表面からの拡散を阻害することとなり、硬化層深さが低減してしまう。そこで、Ｃは０．３０％以下とする。。

【0020】

Ｓｉ：０．１０～０．４０％
Ｓｉは鋼の製造時の脱酸に有用な成分である。Ｓｉが０．１０％未満であると、製造時の脱酸不足を招きやすくなるので、介在物品位が低下してしまうことなる。他方、Ｓｉが０．４０％を超えると、素材硬さの上昇によりかえって加工性が低下してしまうこととなる。そこで、Ｓｉは０．１０～０．４０％とする。

【0021】

Ｍｎ：０．５０～１．５０％
Ｍｎは芯部硬さ（素材硬さ）を向上させる成分であることから、Ｍｎが０．５０％を下回ると、芯部硬さが不足を招く。他方、Ｍｎは素材硬さが増すと被削性や鍛造性などの加工性を阻害するので加工性が低下することとなる。そこで、Ｍｎは０．５０～１．５０％とする。

【0022】

Ｃｒ：０．５０～２．００％
Ｃｒは、鋼の芯部硬さを向上させ、また鋼を窒化した際の硬さを向上させる成分である。Ｃｒが過少であると、窒化後の硬さが不足することとなり、芯部硬さも不十分なものとなる。他方、Ｃｒが過多であると、素材硬さが上昇することで加工性が低下する。また、窒素の拡散が阻害されることによって、硬化層深さが低減する。
そこで、Ｃｒは０．５０～２．００％とする。望ましくは、Ｃｒは１．００～１．８０％である。

【0023】

Ｍｏ：０．０３～０．３０％
Ｍｏは、素材硬さを向上させる成分である。Ｍｏが０．０３％を下回ると、窒化後の芯部硬さを低下させ、強度不足を招く。他方、Ｍｏが０．３０％を超えると、素材硬さの上昇によりかえって加工性が低下してしまい、被削性、冷間加工性が劣ることとなる。

【0024】

Ａｌ：０．０２５～０．３００％
Ａｌは製造時の脱酸に有用な成分である。Ａｌが過少であると、鋼の製造時の脱酸不足を招きやすく、介在物品位が低下する。また、窒化した後の鋼部品の表面硬さ、硬化層深さも不足することとなる。Ａｌが過多であると、粗大な窒化物（ＡｌＮ）が形成することで、疲労特性や加工性が低下することとなる。そこで、Ａｌは０．０２５～０．３００％とする。望ましくはＡｌは０．０５０～０．２００％である。

【0025】

Ｎ：０．００４～０．０３０％
Ｎは炭窒化物を形成する成分である。Ｎが過少であると炭窒化物が不足し、結晶粒が粗大化するので、靭性や疲労特性が低下しやすくなる。他方、Ｎが過多であると、粗大な炭窒化物が形成される結果、疲労特性や加工性が低下し、またピン止め効果のある微細な炭窒化物が減少することからピンニング効果が発揮されず、結晶粒が粗大化する。そこで、Ｎは０．００４～０．０３０％とする。

【0026】

Ｖ：０．０５～０．３０％
Ｖは鋼の硬度を向上させるために有用な成分であり、窒素拡散を阻害する影響が小さいので硬化層の深さの減少を防止するためにも有用な成分である。ＡｌとＶは複合的に作用して、ＶはＮとのクラスターを形成しＮの拡散を担保し、そこにＡｌとＮの窒化物が発生することで硬化層深さが向上するので、硬化層深さが大きく向上する。Ｖが過少であると硬化層深さが不足する。他方、Ｖが過多であると、加工性が悪化するほか、Ｖ成分に起因してコストが増加する。そこで、Ｖは０．０５～０．３０％とする。

【0027】

なお、残部はＦｅ及び不可避不純物である。なお、ＰとＳはいずれも不可避的不純物として含有される場合があるので、次のとおり上限を規定する。

【0028】

Ｐ：０．０３０％以下（不可避不純物）
Ｐは粒界偏析を助長して靭性を低下させる成分である。そこで、不可避的不純物としてＰが含まれる場合、Ｐは０．０３０％以下とする。

【0029】

Ｓ：０．０３０％以下（不可避不純物）
Ｓが過多であると、粗大なＭｎＳを多量に形成することから、靭性や疲労強度の低下を招く。そこで、Ｓが含まれる場合は、Ｓは０．０３０％以下とする。

【0030】

本発明における選択的付加的成分について説明する。本発明の鋼の成分に、以下の範囲において、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｂのうち１種または２種以上を選択して添加することができる。

【0031】

Ｎｂ：０．１０％以下
Ｎｂは硬さを向上させる成分であるが、過多になると硬さの上昇に伴って加工性が悪化してしまう。そこで、Ｎｂを含有する場合は、０．１０％以下までとする。

【0032】

Ｔｉ：０．０２０～０．２００％
Ｔｉは窒化物や炭窒化物の析出により硬度を向上させる成分である。Ｔｉが０．０２０％を下回ると、微細な窒化物量に不足するので、Ｔｉによって曲げ疲労強度の強化が十分に得られることはない。他方、Ｔｉが過多であると、粗大な炭窒化物が増加することから、曲げ疲労強度が低下することとなる。そこで、Ｔｉを添加する場合は、０．０２０～０．２００％とする。

【0033】

Ｂ：０．００３０％以下
Ｂは素材硬さを上昇させる成分であるが、０．００３０％を超えると、素材硬さの上昇に伴い加工性が低下してしまう。また、炭ホウ化物形成による脆化も招来してしまう。そこで、Ｂを添加する場合は、０．００３０％以下とする。

【0034】

次に、式１及び式２を規定する理由について説明する。
０．１５＜０．１０×Ｃｒ＋０．６７×Ａｌ＋０．２４×Ｖ＜０．４３・・・式１
０．２５＜０．８０×Ｃ＋０．１０×Ｃｒ＋０．３６×Ｍｏ＜０．５０・・・式２
各式の元素記号には、該当する鋼成分の質量％の値を代入して求める。

【0035】

まず、式１は、ＣｒとＡｌとＶを用いた指標で、窒化硬さと硬化層深さに関わる指標である。式１の数値が０．１５以下であると、窒化硬さに不足したり、硬化層深さが不足することとなる。０．４３以上である場合も硬化層深さが不足しやすくなる。

【0036】

式２はＣとＣｒとＭｏを用いた指標で、窒化後の芯部硬さや素材硬さに関わる指標である。式２の値が０．２５以下であると、芯部硬さが不足し、強度不足を招来する。式２の値が０．５０以上であると、素材硬さが高すぎて部品の加工性（被削性や冷間加工性）が悪くなることとなる。

【0037】

窒化前の組織がフェライト及びベイナイトからなる組織であって、かつ、ベイナイトの割合が面積率で３０～８５％であること
本発明の窒化用鋼は、窒化処理前の組織がフェライト＋ベイナイト組織であり、その組織中におけるベイナイトの割合は、面積率で３０～８５％であることが望ましい。
ベイナイトの割合が３０％未満と過少であると、素材硬さが低くなり、部品全体の強度が十分に得られないこととなる。他方、ベイナイトの割合が８５％超であると、芯部硬さが高くなりすぎ、加工性が悪くなってしまう。そこで、ベイナイトの割合を、面積率で３０～８５％とすることが望ましく、かかる鋼は芯部硬さと被削性のバランスに優れるものとなる。
なお、窒化前組織がマルテンサイト組織であると硬さに優れる。もっとも、特定の部品用途以外では硬さが過剰となるので、硬すぎることで製造性が下がってしまう。またマルテンサイト組織であると熱処理ひずみが発生しやすく切削工程の追加が必要になる場合がある。

【0038】

焼準後硬さ：１９０～３１５Ｈｖ
焼準後の芯部硬さが過度に硬すぎると、加工性に劣ることとなる。他方で、焼準後の芯部硬さが不足すると、窒化後の芯部硬さが不足し、ギアなどの部品全体の強度に不足することともなる。そこで、好ましい焼準後硬さは１９０～３１５Ｈｖである。

【0039】

表１の実施例１～１９、比較例１～５に示す各化学成分と残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼について、１００ｋｇを真空溶解炉で溶製した。次いで、熱間鍛造により径４０ｍｍの棒鋼を作製し、その後、焼ならしとして７００～９５０℃の温度で１～３時間保持後、空冷を実施した。ベイナイト変態を促すように実施例では冷却速度は０．３－０．６℃／ｓとしている。

【0040】

焼ならしはカンタル炉を用い、具体的には次の手順で実施している。まず、所定の保持温度に設定した炉内に、上記の成分の各供試材を投入し、供試材の昇温時間を３０分確保する。その後、任意の時間保持してから、空冷もしくは水冷を実施する。保持時間の選定については炉に装入する鋼材の量や寸法を考慮するものとする。

【0041】

さらに焼ならし後に、５８０℃で２～６時間の窒化処理を実施した。

【0042】

【表1】

【0043】

次いで、鋼組織中におけるベイナイトの面積率（％）、窒化後の表面硬さ、窒化後の硬化層深さ、及び芯部硬さ（焼準後硬さ）を次の手順で測定し、表２に示した。

【0044】

【表2】

【0045】

＜評価方法＞
表１の各鋼の表面からの硬さ分布をＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠してビッカース硬度計にて測定し、表１に示す各実施例鋼および各比較例鋼の表面硬さと有効硬化層の深さを表２に記載する。
（１）表面硬さ
表面硬さは、表面から０．０５ｍｍの深さ位置における硬さとし、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠してビッカース硬度計にて測定した。
（２）表面硬化層深さ
表面からの硬さ分布をＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠してビッカース硬度計にて測定し、４００Ｈｖ以上の硬さを維持している領域を硬化層深さとした。
（３）窒化後の芯部硬さ
窒化後の試験片を切断し断面の芯部硬さをＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠してビッカース硬度計にて測定した。

【0046】

また、窒化前の各鋼の組織については、焼準後の各鋼を鏡面研磨し、ナイタール液でエッチングした後、光学顕微鏡で観察し、各組織を特定し、判別した。判別された各組織については、撮像された顕微鏡画像について画像処理ソフトで当該ピクセル数をカウントするなどして、組織毎の比率を求め、全組織中におけるベイナイトの面積率を％で表２に示した。

【0047】

本願の実施例Ｎｏ.１～１９の鋼は、ベイナイト組織の面積率が３５～８０％であり、芯部硬さが１９０～３１５Ｈｖと加工性に優れている。また、これらの鋼を窒化した場合には、その窒化後の表面硬さが７００Ｈｖ以上となるものであって、硬化層深さが０．３０ｍｍ以上となるなど、実用性のある窒化層が形成されており、加工性とのバランスに優れた窒化用鋼となっている。そこで、これらの鋼で加工された部品に窒化処理をすることで、機械構造用部品、とりわけ歯車などの動力伝達部品を好適に得ることができる。

【0048】

比較例Ｎｏ．１は、ＣとＭｎが過多であり、式２の値もオーバーしており、ベイナイト組織も過多となっている。そして、芯部硬さが高すぎて加工性に劣ったものとなっている。また硬化層深さが不足している。
比較例Ｎｏ．２は、ＡｌとＶが過少であり、硬化層深さが不足している。
比較例Ｎｏ．３は、式１、式２の値がいずれも下回っており、満足しておらず、表面硬さが低く、芯部硬さも不足している。
比較例Ｎｏ．４は、Ｍｏが過少であり、芯部硬さが不足し、窒化後の硬化層深さも不足している。
比較例Ｎｏ．５は、式１の値が下回っており、窒化後の表面硬さ及び硬化層深さが不足している。