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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-01-11
(45)【発行日】2022-02-10
(54)【発明の名称】浸窒処理用鋼材
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20220203BHJP
C21D 1/06 20060101ALI20220203BHJP
C22C 38/60 20060101ALI20220203BHJP
C23C 8/32 20060101ALI20220203BHJP
C21D 9/32 20060101ALN20220203BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 301N
C21D1/06 A
C22C38/60
C23C8/32
C21D9/32 A
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2017173715
(22)【出願日】2017-09-11
(65)【公開番号】P2019049032
(43)【公開日】2019-03-28
【審査請求日】2020-07-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000003713
【氏名又は名称】大同特殊鋼株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100137589
【弁理士】
【氏名又は名称】右田 俊介
(74)【代理人】
【識別番号】100160864
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 政治
(72)【発明者】
【氏名】濱田 祐樹
(72)【発明者】
【氏名】辻井 健太
【審査官】立木 林
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１２－０３６４９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０１０２５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－０６０２３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１４１２１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１４１２１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１７１９７０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２２Ｃ ３８／００－３８／６０
Ｃ２１Ｄ １／０６
Ｃ２３Ｃ ８／３２
Ｃ２１Ｄ ９／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ｃ：０．０９～０．２５質量％、Ｓｉ：０．３０質量％以下、
Ｍｎ：０．６１～２．０質量％、
Ｐ：０．１質量％以下、
Ｓ：０．１質量％以下、
Ｃｒ：０．０２～０．７質量％、
Ｃｕ：０．０１～０．３質量％、
Ａｌ：１０～８００ｐｐｍ、
Ｎ：１０～３００ｐｐｍ、
で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
式１＝－０．２２５×Ｓｉ＋０．０８３×Ｍｎ＋０．０９１×Ｃｒ＋０．０３５×Ｃｕ＋０．０４７×Ｎｉ＋０．０９２×Ｍｏ
と定義した場合に、式１≧０．０４を満たし、
式２＝－２０＋７４×Ｃ＋７×Ｓｉ＋１５×Ｍｎ＋２６×Ｃｒ＋１０×Ｃｕ＋１２Ｎｉ＋３０×Ｍｏ
と定義した場合に、式２≦（６０×Ｃ＋３１）／２を満たし、
式３＝２５．４×Ｓｉ＋２０．３×Ｃｒ＋３２．８×Ｓｉ×Ｍｎ
と定義した場合に、式３≦２２を満たす、浸窒処理用鋼材。
【請求項2】
Ｎｉ：０．５質量％以下、Ｍｏ：０．６質量％以下、
Ｖ：０．３質量％以下、
Ｎｂ：０．１質量％以下、
からなる群から選ばれる一種または二種以上をさらに含有する、請求項１に記載の浸窒処理用鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は鋼材、浸窒処理用鋼材に関する。
【背景技術】
【0002】
リングギアを代表とする自動車のトランスミッションの中の遊星ギヤの一部品である薄物部品の表面硬化処理法として、高炭素マルテンサイトの形成を利用した浸炭処理や合金窒化物による析出強化を利用した窒化処理が広く用いられている。ここで、浸炭処理では処理ひずみの大きさが、窒化処理では処理時間が長い事や硬化層が浅い事が問題となっており改善が求められている。そのため浸炭処理に比べ処理ひずみが小さく、窒化処理より短時間で比較的厚い硬化層が得られる新たな表面硬化処理法として浸窒焼入れ処理法が開発され、工業的に利用され始めている。
【0003】
浸窒焼入れ処理法はＡ１点（８６３Ｋ）以上の温度域で鋼表面から窒素を拡散浸透させて高窒素オーステナイトを表層部で得た後に、焼入れて硬質な高窒素マルテンサイトを生成させる表面硬化法である。浸窒焼入れ処理法は浸炭処理に比べ低温で処理を行うため熱ひずみが小さく、母材がオーステナイト化しない温度域では変態ひずみも小さい。また窒化に比べて高温で処理を行うため処理時間が短くなることが期待される。
このような浸窒処理に関する従来法として、例えば特許文献１～６に記載の方法が提案されている。
このような浸窒処理に関する従来法として、例えば特許文献１～６に記載の方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００９－１０２７３３号公報
【文献】特開２００４－２８５４７４号公報
【文献】特開２００３－０２７２１１号公報
【文献】特開２０００－２０４４６４号公報
【文献】特開平１１－２２２６２７号公報
【文献】特開平１０－１４７８１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、従来の浸窒処理は、浸炭に比べると温度が低いため、有効硬化層を深くすることが困難であった。
【0006】
本発明は上記のような課題を解決することを目的とする。
すなわち、本発明の目的は、低歪かつ有効硬化層を深くでき、かつ、浸窒処理時に発生する窒化物の制御を考慮することで、浸炭材同等の曲げ疲労強度を有することが可能な浸窒処理に適した鋼材を提供することである。
すなわち、本発明の目的は、低歪かつ有効硬化層を深くでき、かつ、浸窒処理時に発生する窒化物の制御を考慮することで、浸炭材同等の曲げ疲労強度を有することが可能な浸窒処理に適した鋼材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明者は上記課題を解決するため鋭意検討し、本発明の鋼材を完成させた。
本発明の鋼材は、
Ｃ：０．０５～０．２５質量％、
Ｓｉ：０．３０質量％以下、
Ｍｎ：０．６１～２．０質量％、
Ｐ：０．１質量％以下、
Ｓ：０．１質量％以下、
Ｃｒ：０．７質量％以下、
Ａｌ：１０～８００ｐｐｍ、
Ｎ：１０～３００ｐｐｍ、
で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
式１＝－０．２２５×Ｓｉ＋０．０８３×Ｍｎ＋０．０９１×Ｃｒ＋０．０３５×Ｃｕ＋０．０４７×Ｎｉ＋０．０９２×Ｍｏ
と定義した場合に、式１≧０．０４を満たし、
式２＝－２０＋７４×Ｃ＋７×Ｓｉ＋１５×Ｍｎ＋２６×Ｃｒ＋１０×Ｃｕ＋１２Ｎｉ＋３０×Ｍｏ
と定義した場合に、式２≦（６０×Ｃ＋３１）／２を満たし、
式３＝２５．４×Ｓｉ＋２０．３×Ｃｒ＋３２．８×Ｓｉ×Ｍｎ
と定義した場合に、式３≦２２を満たす、浸窒処理用鋼材である。
本発明の鋼材は、
Ｃ：０．０５～０．２５質量％、
Ｓｉ：０．３０質量％以下、
Ｍｎ：０．６１～２．０質量％、
Ｐ：０．１質量％以下、
Ｓ：０．１質量％以下、
Ｃｒ：０．７質量％以下、
Ａｌ：１０～８００ｐｐｍ、
Ｎ：１０～３００ｐｐｍ、
で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
式１＝－０．２２５×Ｓｉ＋０．０８３×Ｍｎ＋０．０９１×Ｃｒ＋０．０３５×Ｃｕ＋０．０４７×Ｎｉ＋０．０９２×Ｍｏ
と定義した場合に、式１≧０．０４を満たし、
式２＝－２０＋７４×Ｃ＋７×Ｓｉ＋１５×Ｍｎ＋２６×Ｃｒ＋１０×Ｃｕ＋１２Ｎｉ＋３０×Ｍｏ
と定義した場合に、式２≦（６０×Ｃ＋３１）／２を満たし、
式３＝２５．４×Ｓｉ＋２０．３×Ｃｒ＋３２．８×Ｓｉ×Ｍｎ
と定義した場合に、式３≦２２を満たす、浸窒処理用鋼材である。
【0008】
本発明の鋼材は、
Ｃ：０．０５～０．２５質量％、
Ｓｉ：０．３０質量％以下、
Ｍｎ：０．６１～２．０質量％、
Ｐ：０．１質量％以下、
Ｓ：０．１質量％以下、
Ｃｒ：０．７質量％以下、
Ａｌ：１０～８００ｐｐｍ、
Ｎ：１０～３００ｐｐｍ、
で含有し、
さらに、
Ｃｕ：０．３質量％以下、および／または、
Ｎｉ：０．５質量％以下、および／または、
Ｍｏ：０．６質量％以下、および／または、
Ｖ：０．３質量％以下、および／または、
Ｎｂ：０．１質量％以下
含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
式１≧０．０４を満たし、
式２≦（６０×Ｃ＋３１）／２を満たし、
式３≦２２を満たす、浸窒処理用鋼材であることが好ましい。
Ｃ：０．０５～０．２５質量％、
Ｓｉ：０．３０質量％以下、
Ｍｎ：０．６１～２．０質量％、
Ｐ：０．１質量％以下、
Ｓ：０．１質量％以下、
Ｃｒ：０．７質量％以下、
Ａｌ：１０～８００ｐｐｍ、
Ｎ：１０～３００ｐｐｍ、
で含有し、
さらに、
Ｃｕ：０．３質量％以下、および／または、
Ｎｉ：０．５質量％以下、および／または、
Ｍｏ：０．６質量％以下、および／または、
Ｖ：０．３質量％以下、および／または、
Ｎｂ：０．１質量％以下
含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
式１≧０．０４を満たし、
式２≦（６０×Ｃ＋３１）／２を満たし、
式３≦２２を満たす、浸窒処理用鋼材であることが好ましい。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、低歪かつ有効硬化層を深くでき、浸炭材同等の曲げ疲労強度を有することが可能な浸窒処理に適した鋼材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】疲労強度の測定において用いた試験片の概略側面図である。
【図2】実施例および比較例（比較例１４、１５を除く）において適用した浸窒処理を説明する図である。
【図3】比較例１４、１５において適用した浸窒処理を説明する図である。
【図4】歪みの測定において用いた試験片の概略斜視図である。
【図5】有効硬化深さと式１の計算結果との関係を示すグラフである。
【図6】ロックウェル硬さ（Ｊ５）と真円からの変形量（歪み）との関係を示すグラフである。
【図7】窒化物析出割合と疲労強度との関係を示すグラフである。
【図8】比較例２についての組織写真（ＳＥＭ、２０００倍）である。
【図9】比較例２についての組織写真（ＦＥ－ＥＰＭＡ、２０００倍）である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本発明の発明者は、（１）有効硬化層深さ、（２）焼入れ性、（３）窒化物生成量に関して、低歪かつ有効硬化層を深くでき、浸炭材同等の曲げ疲労強度を有することが可能な浸窒処理に適した鋼材の成分について調査した。
【0012】
（１）有効硬化層
実用部品への負荷応力を想定した場合、内部でも破損しない程度に硬化層の深さが必要となってくる。よって、内部起点で破損する部位にとって有効硬化深さの増加は、そのまま高強度化につながる。
有効硬化層を深くするための手段として、Ｉ．処理温度を高くする、II．処理時間を長くする、III．鋼材の焼入れ性を上げる、の三種類が挙げられる。
ここでＩ．は温度上昇により歪が増大するため、なるべく低温で処理を実施したい。
II．生産性の観点からなるべく短時間で処理を実施したい。
III．について、これまで有効硬化深さの増加に対する鋼材成分の影響についての検討は、ほぼされていない。
実用部品への負荷応力を想定した場合、内部でも破損しない程度に硬化層の深さが必要となってくる。よって、内部起点で破損する部位にとって有効硬化深さの増加は、そのまま高強度化につながる。
有効硬化層を深くするための手段として、Ｉ．処理温度を高くする、II．処理時間を長くする、III．鋼材の焼入れ性を上げる、の三種類が挙げられる。
ここでＩ．は温度上昇により歪が増大するため、なるべく低温で処理を実施したい。
II．生産性の観点からなるべく短時間で処理を実施したい。
III．について、これまで有効硬化深さの増加に対する鋼材成分の影響についての検討は、ほぼされていない。
【0013】
（２）焼入れ性
焼入れ性は有効硬化層の深さを増大するために必要に応じて高くする必要がある。一般的に焼入れ性を向上させるためにはＳｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏなどの元素を添加する。また、添加元素の量を増やせば増やすほど焼入れ性は向上するといわれている。一方で、焼入れ性が高すぎるとマルテンサイト変態量が多くなり、歪が増大する。そのため歪軽減の観点から言えば、焼入れ性は低い方がよい。ここで、焼入れ性のジョミニー試験で測定される各水冷端からの距離はそれぞれ違う冷却速度を持っており、水冷端から遠くなるほど冷却速度は遅くなる。
焼入れ性は有効硬化層の深さを増大するために必要に応じて高くする必要がある。一般的に焼入れ性を向上させるためにはＳｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏなどの元素を添加する。また、添加元素の量を増やせば増やすほど焼入れ性は向上するといわれている。一方で、焼入れ性が高すぎるとマルテンサイト変態量が多くなり、歪が増大する。そのため歪軽減の観点から言えば、焼入れ性は低い方がよい。ここで、焼入れ性のジョミニー試験で測定される各水冷端からの距離はそれぞれ違う冷却速度を持っており、水冷端から遠くなるほど冷却速度は遅くなる。
【0014】
（３）窒化物割合
浸窒処理中に窒化物が生成すると、焼入れ性を担保するために添加していた元素が母相から奪われるため、不完全焼入れ組織が形成されたり、Ｎの固溶による焼入れ性の向上効果が十分に得られなかったりするため、疲労強度が低下するものと予想される。そのため、窒化物量は少ない方がよい。しかし、添加元素量と窒化物の生成量の関係および、それが疲労強度に与える影響についてはこれまでに明らかにされていない。
浸窒処理中に窒化物が生成すると、焼入れ性を担保するために添加していた元素が母相から奪われるため、不完全焼入れ組織が形成されたり、Ｎの固溶による焼入れ性の向上効果が十分に得られなかったりするため、疲労強度が低下するものと予想される。そのため、窒化物量は少ない方がよい。しかし、添加元素量と窒化物の生成量の関係および、それが疲労強度に与える影響についてはこれまでに明らかにされていない。
【0015】
＜式１について＞
本発明の発明者は、ＪＩＳのＳ１５Ｃの中央成分対比１．４倍の有効硬化層を得る成分系を検討した。ＮやＣの拡散深さは、処理時間に対して平方根でしか増えない。つまり、処理時間を２倍に増やすと有効硬化深さは１．４倍となる。鋼成分を制御し有効硬化深さを１．４倍に増加させるとＳ１５Ｃ対比処理時間が半分になることに対応する。
本発明の発明者が検討したところ、Ｉ．合金元素添加量により、Ｎの侵入深さが変化することを明らかにした。具体的にはＳｉとＣｒは窒化物を生成するため、侵入Ｎ深さが減少する。ＭｎはＮの活量を低下させ、鋼材中のＮの安定度が上がるため、侵入Ｎ深さが増加する。II．さらに同一Ｎ濃度の場合でも鋼材の焼入れ性の変化により、硬さは変化する。Ｉ．、II．の影響を考慮し、鋼材成分が有効硬化深さに与える影響を検討した。そして、式１＝－０．２２５×Ｓｉ＋０．０８３×Ｍｎ＋０．０９１×Ｃｒ＋０．０３５×Ｃｕ＋０．０４７×Ｎｉ＋０．０９２×Ｍｏと定義した場合に、式１≧０．０４を満たすと、ＪＩＳ Ｓ１５Ｃ対比１．４倍となる鋼材が得られることがわかった。
なお、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏは、Ｓｉ含有率（質量％）、Ｍｎ含有率（質量％）、Ｃｒ含有率（質量％）、Ｃｕ含有率（質量％）、Ｎｉ含有率（質量％）、Ｍｏ含有率（質量％）を意味する。また、後述するように、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏは含有率がゼロである場合がある。この場合は、式１の該当する項にゼロを代入すればよい。後述する式２、式３においても同様である。
本発明の発明者は、ＪＩＳのＳ１５Ｃの中央成分対比１．４倍の有効硬化層を得る成分系を検討した。ＮやＣの拡散深さは、処理時間に対して平方根でしか増えない。つまり、処理時間を２倍に増やすと有効硬化深さは１．４倍となる。鋼成分を制御し有効硬化深さを１．４倍に増加させるとＳ１５Ｃ対比処理時間が半分になることに対応する。
本発明の発明者が検討したところ、Ｉ．合金元素添加量により、Ｎの侵入深さが変化することを明らかにした。具体的にはＳｉとＣｒは窒化物を生成するため、侵入Ｎ深さが減少する。ＭｎはＮの活量を低下させ、鋼材中のＮの安定度が上がるため、侵入Ｎ深さが増加する。II．さらに同一Ｎ濃度の場合でも鋼材の焼入れ性の変化により、硬さは変化する。Ｉ．、II．の影響を考慮し、鋼材成分が有効硬化深さに与える影響を検討した。そして、式１＝－０．２２５×Ｓｉ＋０．０８３×Ｍｎ＋０．０９１×Ｃｒ＋０．０３５×Ｃｕ＋０．０４７×Ｎｉ＋０．０９２×Ｍｏと定義した場合に、式１≧０．０４を満たすと、ＪＩＳ Ｓ１５Ｃ対比１．４倍となる鋼材が得られることがわかった。
なお、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏは、Ｓｉ含有率（質量％）、Ｍｎ含有率（質量％）、Ｃｒ含有率（質量％）、Ｃｕ含有率（質量％）、Ｎｉ含有率（質量％）、Ｍｏ含有率（質量％）を意味する。また、後述するように、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏは含有率がゼロである場合がある。この場合は、式１の該当する項にゼロを代入すればよい。後述する式２、式３においても同様である。
【0016】
＜式２について＞
薄肉部品を想定した場合、薄物部品の芯部の冷却速度はおよそジョミニー値のJ３～Ｊ５程度であり、本発明の鋼材はこれらの冷却速度でのマルテンサイト量を減らすことで歪が大きく低減できる。
フルマルテンサイトの硬さは炭素量で整理でき、０．０５～０．３％の範囲では（６０Ｃ＋３１）ＨＲＣと表わせる。Ｊ５値がフルマルテンサイトとなる硬さの半分（６０Ｃ＋３１）／２以下となれば、歪に影響が大きいマルテンサイト組織が発生せず、フェライト＋パーライト＋少量のベイナイト組織となり、歪を十分に小さくすることができる。
このような知見に基づき、鋼材のジョミニー値Ｊ５に対する合金元素の影響を検討し、後述する式２が、式２≦（６０×Ｃ＋３１）／２を満たす場合に、歪を小さくできることを見出した。
薄肉部品を想定した場合、薄物部品の芯部の冷却速度はおよそジョミニー値のJ３～Ｊ５程度であり、本発明の鋼材はこれらの冷却速度でのマルテンサイト量を減らすことで歪が大きく低減できる。
フルマルテンサイトの硬さは炭素量で整理でき、０．０５～０．３％の範囲では（６０Ｃ＋３１）ＨＲＣと表わせる。Ｊ５値がフルマルテンサイトとなる硬さの半分（６０Ｃ＋３１）／２以下となれば、歪に影響が大きいマルテンサイト組織が発生せず、フェライト＋パーライト＋少量のベイナイト組織となり、歪を十分に小さくすることができる。
このような知見に基づき、鋼材のジョミニー値Ｊ５に対する合金元素の影響を検討し、後述する式２が、式２≦（６０×Ｃ＋３１）／２を満たす場合に、歪を小さくできることを見出した。
【0017】
＜式３について＞
曲げ疲労強度に対して、侵入した表層Ｎのうち窒化物となるＮ量が一定割合（２２％以上）を超えると不完全焼入れ組織が形成されたり、Ｎの固溶による焼入れ性の向上効果が十分に得られなかったりするため、疲労強度が大きくばらつくことを明らかにし、合金成分添加量を規定した。また、ＳｉとＭｎを同時添加すると、Ｍｎも窒化物として生成することを明らかにした。
そして、式３＝２５．４×Ｓｉ＋２０．３×Ｃｒ＋３２．８×Ｓｉ×Ｍｎとすると、式３≦２２を満たす必要があることを見出した。
曲げ疲労強度に対して、侵入した表層Ｎのうち窒化物となるＮ量が一定割合（２２％以上）を超えると不完全焼入れ組織が形成されたり、Ｎの固溶による焼入れ性の向上効果が十分に得られなかったりするため、疲労強度が大きくばらつくことを明らかにし、合金成分添加量を規定した。また、ＳｉとＭｎを同時添加すると、Ｍｎも窒化物として生成することを明らかにした。
そして、式３＝２５．４×Ｓｉ＋２０．３×Ｃｒ＋３２．８×Ｓｉ×Ｍｎとすると、式３≦２２を満たす必要があることを見出した。
【0018】
本発明の鋼材の組成について説明する。
【0019】
Ｃ成分の含有率は０．０５～０．２５質量％であり、０．０７～０．２０質量％であることが好ましい。
Ｃ成分の含有率が低すぎると、浸窒焼入後の芯部硬さが低下する傾向がある。
また、逆にＣ成分の含有率が高すぎると、冷間鍛造性、芯部の靭性、加工性が低下する傾向がある。また、Ｃ成分の含有率が高くなると、焼入時の膨張量が増え、歪が増加する傾向がある。
Ｃ成分の含有率が低すぎると、浸窒焼入後の芯部硬さが低下する傾向がある。
また、逆にＣ成分の含有率が高すぎると、冷間鍛造性、芯部の靭性、加工性が低下する傾向がある。また、Ｃ成分の含有率が高くなると、焼入時の膨張量が増え、歪が増加する傾向がある。
【0020】
Ｓｉ成分の含有率は０．３０質量％以下であり、０．０１～０．１５質量％であることが好ましい。
Ｓｉは微量でも窒化物が生成するため、Ｓｉ成分の含有率が高すぎると、窒化物が形成され、疲労強度を低下する傾向があるからである。
Ｓｉは微量でも窒化物が生成するため、Ｓｉ成分の含有率が高すぎると、窒化物が形成され、疲労強度を低下する傾向があるからである。
【0021】
Ｍｎ成分の含有率は０．６１～２．０質量％であり、０．６５～１．５質量％であることが好ましい。
Ｍｎは浸窒処理時の有効硬化深さを向上させるために有効である。Ｍｎ成分の含有率が低すぎると、浸窒焼入時の芯部の焼入れ性が低下する傾向がある。
また、逆にＭｎ成分の含有率が高すぎると、被削性や加工性が低下し、焼入性が上昇しすぎる傾向がある。
Ｍｎは浸窒処理時の有効硬化深さを向上させるために有効である。Ｍｎ成分の含有率が低すぎると、浸窒焼入時の芯部の焼入れ性が低下する傾向がある。
また、逆にＭｎ成分の含有率が高すぎると、被削性や加工性が低下し、焼入性が上昇しすぎる傾向がある。
【0022】
Ｐ成分の含有率は０．１質量％以下であり、０．０５質量％以下であることが好ましい。
Ｐ成分の含有率が高すぎると、粒界割れが生じやすくなる傾向があるからである。
Ｐ成分の含有率が高すぎると、粒界割れが生じやすくなる傾向があるからである。
【0023】
Ｓ成分の含有率は０．１質量％以下であり、０．０５質量％以下であることが好ましい。
Ｓ成分の含有率が高すぎると、ＭｎＳ系介在物が生成し、疲労強度が低下する傾向があるからである。
Ｓ成分の含有率が高すぎると、ＭｎＳ系介在物が生成し、疲労強度が低下する傾向があるからである。
【0024】
Ｃｒ成分の含有率は０．７質量％以下であり、０．０１～０．５質量％であることが好ましい。
Ｃｒは、浸窒処理後の有効硬化深さを増加させるのに有効な元素である。Ｃｒ成分の含有率が高すぎると、窒化物が形成されやすくなり、疲労強度がばらつきが多くなる。
Ｃｒは、浸窒処理後の有効硬化深さを増加させるのに有効な元素である。Ｃｒ成分の含有率が高すぎると、窒化物が形成されやすくなり、疲労強度がばらつきが多くなる。
【0025】
Ａｌ成分の含有率は１０～８００ｐｐｍであり、５０～５００ｐｐｍであることが好ましい。
Ａｌ成分の含有率が低すぎると結晶粒粗大化を防止するＡｌＮが十分な量が析出せず、結晶粒粗大化を発生しやすくなるからである。
逆にＡｌ成分の含有率が高すぎると、粗大なＡｌ2Ｏ3系介在物が生じて強度低下を招く傾向があるからである。
Ａｌ成分の含有率が低すぎると結晶粒粗大化を防止するＡｌＮが十分な量が析出せず、結晶粒粗大化を発生しやすくなるからである。
逆にＡｌ成分の含有率が高すぎると、粗大なＡｌ2Ｏ3系介在物が生じて強度低下を招く傾向があるからである。
【0026】
Ｎ成分の含有率は１０～３００ｐｐｍであり、１０～２５０ｐｐｍであることが好ましい。
Ｎ成分の含有率が低すぎると結晶粒粗大化を防止するＡｌＮが十分な量が析出せず、結晶粒粗大化を発生しやすくなるからである。
逆にＮ成分の含有率が高すぎると、鋳造時に空隙（密に埋まっていない部分）が発生する傾向があるからである。
Ｎ成分の含有率が低すぎると結晶粒粗大化を防止するＡｌＮが十分な量が析出せず、結晶粒粗大化を発生しやすくなるからである。
逆にＮ成分の含有率が高すぎると、鋳造時に空隙（密に埋まっていない部分）が発生する傾向があるからである。
【0027】
Ｃｕ成分の含有率は０．３質量％以下であり、０．０１～０．２５質量％であることが好ましい。
Ｃｕ成分の含有率が高すぎると、熱間鍛造性が低下する傾向があるからである。
Ｃｕ成分の含有率が高すぎると、熱間鍛造性が低下する傾向があるからである。
【0028】
Ｎｉ成分の含有率は０．５質量％以下であり、０．４質量％以下であることが好ましい。
Ｎｉ成分の含有率が高すぎると、加工性が低下する傾向があるからである。
Ｎｉ成分の含有率が高すぎると、加工性が低下する傾向があるからである。
【0029】
Ｍｏ成分の含有率は０．６質量％以下であり、０．５質量％以下であることが好ましい。
Ｍｏ成分の含有率が高すぎると、加工性および切削性が低下し、焼入性が上昇しすぎる傾向があるからである。
Ｍｏ成分の含有率が高すぎると、加工性および切削性が低下し、焼入性が上昇しすぎる傾向があるからである。
【0030】
Ｖ成分の含有率は０．３質量％以下であり、０．２５質量％以下であることが好ましい。
Ｖ成分の含有率が高すぎると、被削性が低下する傾向があるからである。
Ｖ成分の含有率が高すぎると、被削性が低下する傾向があるからである。
【0031】
Ｎｂ成分の含有率は０．１質量％以下であり、０．０５質量％以下であることが好ましい。
Ｎｂ成分の含有率が高すぎると、加工性が低下する傾向があるからである。
Ｎｂ成分の含有率が高すぎると、加工性が低下する傾向があるからである。
【0032】
本発明の鋼材は、上記のような特定比率でＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂを含む鋼材であり（ただし、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂは含まない場合がある）、残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。
【0033】
本発明の鋼材は、浸窒処理を施すことで、薄肉部品として好ましく利用できる。
ここで薄肉とは、概ね、最も薄い部位の厚みが１～１５ｍｍの厚さの部品をいう。また、薄肉部品としては、例えばオートマチックトランスミッションに組み込まれているプラネタリギア中のリングギアなどが挙げられる。
ここで薄肉とは、概ね、最も薄い部位の厚みが１～１５ｍｍの厚さの部品をいう。また、薄肉部品としては、例えばオートマチックトランスミッションに組み込まれているプラネタリギア中のリングギアなどが挙げられる。
【実施例】
【0034】
＜試験片の製造＞
以下、本発明の実施例について説明する。
第１表に示す実施例１～３８および比較例１～１５の各々について、第１表に示す組成（残部はＦｅ及び不可避不純物）となるように原料を混合し、１５０ｋｇ高周波誘導炉を用いて溶製し、鋳造して鋼塊Ａを得た。
以下、本発明の実施例について説明する。
第１表に示す実施例１～３８および比較例１～１５の各々について、第１表に示す組成（残部はＦｅ及び不可避不純物）となるように原料を混合し、１５０ｋｇ高周波誘導炉を用いて溶製し、鋳造して鋼塊Ａを得た。
【0035】
＜疲労強度の測定＞
鋼塊Ａを熱間圧延または熱間鍛造し、断面直径が１０５ｍｍの丸棒を得た後、さらに熱間鍛造して、断面直径が２２ｍｍの丸棒を得た。そして、焼きならし処理後（９２５℃×１ＨｒＡＣ）、この丸棒から、断面直径１５ｍｍの丸棒（長さ２１０ｍｍ）を切り出し、さらに加工して、図１に示すような、平行部の径がφ１２ｍｍであり、切欠部の径が８ｍｍであり、ノッチ底が０．５Ｒ（半径０．５ｍｍ）である鋼片を得た。
次に、鋼片に浸窒処理Ｘを施して、試験片Ｂを得た。
鋼塊Ａを熱間圧延または熱間鍛造し、断面直径が１０５ｍｍの丸棒を得た後、さらに熱間鍛造して、断面直径が２２ｍｍの丸棒を得た。そして、焼きならし処理後（９２５℃×１ＨｒＡＣ）、この丸棒から、断面直径１５ｍｍの丸棒（長さ２１０ｍｍ）を切り出し、さらに加工して、図１に示すような、平行部の径がφ１２ｍｍであり、切欠部の径が８ｍｍであり、ノッチ底が０．５Ｒ（半径０．５ｍｍ）である鋼片を得た。
次に、鋼片に浸窒処理Ｘを施して、試験片Ｂを得た。
【0036】
なお、以下において浸窒処理Ｘとは、次のような処理を意味するものとする。
ガス浸炭窒化炉へ鋼片を載置し、浸窒ガスとしてアンモニアを供給し、浸炭ガスとしてプロパンガスを供給し、８００℃で１８０分間の浸窒処理を施した。この時、一酸化炭素と二酸化炭素の分圧を調整することでＣＰを０．３に制御した。このような浸窒処理を施すことで、最表面のＣ濃度を０．３質量％とし、母材に含まれているＣ量の変化が有効硬化深さに影響しない様にした。
このような浸窒処理を施した後、試験片を１５０℃のホット油内へ浸漬することで焼入れし、その後、加熱炉を用いて１８０℃で１２０分間の焼戻し処理を施して、試験片を得る。
ただし、比較例１４および比較例１５の場合は、ＣＰを０．７とし、８８０℃で６０分間のガス浸炭処理を施した。
実施例および比較例（ただし比較例１４、１５は除く）における浸窒処理の概要を図２に示す。比較例１４、１５における浸炭処理の概要を図３に示す。
ガス浸炭窒化炉へ鋼片を載置し、浸窒ガスとしてアンモニアを供給し、浸炭ガスとしてプロパンガスを供給し、８００℃で１８０分間の浸窒処理を施した。この時、一酸化炭素と二酸化炭素の分圧を調整することでＣＰを０．３に制御した。このような浸窒処理を施すことで、最表面のＣ濃度を０．３質量％とし、母材に含まれているＣ量の変化が有効硬化深さに影響しない様にした。
このような浸窒処理を施した後、試験片を１５０℃のホット油内へ浸漬することで焼入れし、その後、加熱炉を用いて１８０℃で１２０分間の焼戻し処理を施して、試験片を得る。
ただし、比較例１４および比較例１５の場合は、ＣＰを０．７とし、８８０℃で６０分間のガス浸炭処理を施した。
実施例および比較例（ただし比較例１４、１５は除く）における浸窒処理の概要を図２に示す。比較例１４、１５における浸炭処理の概要を図３に示す。
【0037】
このようにして得た試験片Ｂを用いてＪＩＳ Ｚ ２２７４に準拠した方法で小野式回転曲げ疲労試験を行い、疲労強度を調査した。試験条件は回転数３５００ｒｐｍ、試験温度は室温の条件である。また、疲労強度の値は、繰返し数１０7回で破断しない最大応力である疲労限度を意味している。
結果を第２表に示す。
結果を第２表に示す。
【0038】
＜ジョミニー試験＞
鋼塊Ａを熱間圧延または熱間鍛造し、断面直径が１０５ｍｍの丸棒を得た後、さらに熱間鍛造して、断面直径が３０ｍｍの丸棒を得た。そして、焼きならし処理（９２５℃×１ＨｒＡＣ）を実施した。この丸棒から断面直径が２５ｍｍ、長さ１００ｍｍの試験片Ｃを得た。
そして、このような試験片Ｃを、ＪＩＳ Ｇ０５６１に規定されるジョミニー式一端焼入れ試験（９２５℃、３０分）に供した。そして、焼入れ端から５ｍｍにおけるロックウェル硬さ（Ｊ５）を測定した。
結果を第２表に示す。
鋼塊Ａを熱間圧延または熱間鍛造し、断面直径が１０５ｍｍの丸棒を得た後、さらに熱間鍛造して、断面直径が３０ｍｍの丸棒を得た。そして、焼きならし処理（９２５℃×１ＨｒＡＣ）を実施した。この丸棒から断面直径が２５ｍｍ、長さ１００ｍｍの試験片Ｃを得た。
そして、このような試験片Ｃを、ＪＩＳ Ｇ０５６１に規定されるジョミニー式一端焼入れ試験（９２５℃、３０分）に供した。そして、焼入れ端から５ｍｍにおけるロックウェル硬さ（Ｊ５）を測定した。
結果を第２表に示す。
【0039】
＜歪み（真円からの変形量）の測定＞
鋼塊Ａを熱間圧延または熱間鍛造し、断面直径が１０５ｍｍの丸棒を得て、焼きならし処理後（９２５℃×１ＨｒＡＣ）、この丸棒を加工して、図４に示すような外径１００ｍｍ、内径９０ｍｍ、厚さ２０ｍｍのリング状の試験片素材を得た。
次に、このリング状の試験片素材に浸窒処理Ｘを施して、試験片Ｄを得た。そして、浸窒前および後の各々において試験片Ｄの内径部分の長さを３点測定し、その平均値を算出し、その平均値から内周長さを求め、浸窒前後の内径長さの平均値の差を計算することで真円からの変形量（歪み）を測定した。
結果を第２表に示す。
鋼塊Ａを熱間圧延または熱間鍛造し、断面直径が１０５ｍｍの丸棒を得て、焼きならし処理後（９２５℃×１ＨｒＡＣ）、この丸棒を加工して、図４に示すような外径１００ｍｍ、内径９０ｍｍ、厚さ２０ｍｍのリング状の試験片素材を得た。
次に、このリング状の試験片素材に浸窒処理Ｘを施して、試験片Ｄを得た。そして、浸窒前および後の各々において試験片Ｄの内径部分の長さを３点測定し、その平均値を算出し、その平均値から内周長さを求め、浸窒前後の内径長さの平均値の差を計算することで真円からの変形量（歪み）を測定した。
結果を第２表に示す。
【0040】
＜表面Ｃ濃度＞
鋼塊Ａを熱間圧延により断面直径が１０５ｍｍの丸棒を得た後、熱間鍛造により断面直径を３０ｍｍとし、さらに焼きならし処理（９２５℃×１ＨｒＡＣ）を施した後、この丸棒から断面直径２５ｍｍの丸棒（長さ１００ｍｍ）を切り出して得た試験片素材に浸窒処理Ｘを施し、試験片Ｅを得た。
そして、試験片Ｅについて、その表面から０．０５ｍｍの位置までを削り、得られた切り屑（ダライ粉）におけるＣ濃度を測定した。測定には燃焼－赤外線吸収法を用いた。
結果を第２表に示す。
鋼塊Ａを熱間圧延により断面直径が１０５ｍｍの丸棒を得た後、熱間鍛造により断面直径を３０ｍｍとし、さらに焼きならし処理（９２５℃×１ＨｒＡＣ）を施した後、この丸棒から断面直径２５ｍｍの丸棒（長さ１００ｍｍ）を切り出して得た試験片素材に浸窒処理Ｘを施し、試験片Ｅを得た。
そして、試験片Ｅについて、その表面から０．０５ｍｍの位置までを削り、得られた切り屑（ダライ粉）におけるＣ濃度を測定した。測定には燃焼－赤外線吸収法を用いた。
結果を第２表に示す。
【0041】
＜表面Ｎ濃度＞
試験片Ｅの表面から０．０５ｍｍの位置までを削って得られた切り屑（ダライ粉）におけるＮ濃度を測定した。測定には融解－熱伝導度測定を用いた。
結果を第２表に示す。
試験片Ｅの表面から０．０５ｍｍの位置までを削って得られた切り屑（ダライ粉）におけるＮ濃度を測定した。測定には融解－熱伝導度測定を用いた。
結果を第２表に示す。
【0042】
＜窒化物析出量＞
試験片Ｅの表面から０．０５ｍｍの位置までを削って得られた切り屑（ダライ粉）を臭化メタノールによって溶解し、０．２μｍのフィルターを使い析出物を抽出し、窒化物析出量を測定した。測定には蒸留分離－窒素分析法を用いた。
結果を第２表に示す。
試験片Ｅの表面から０．０５ｍｍの位置までを削って得られた切り屑（ダライ粉）を臭化メタノールによって溶解し、０．２μｍのフィルターを使い析出物を抽出し、窒化物析出量を測定した。測定には蒸留分離－窒素分析法を用いた。
結果を第２表に示す。
【0043】
＜有効硬化層深さ測定＞
鋼塊Ａを熱間圧延または熱間鍛造し、断面直径が１０５ｍｍの丸棒を得た後、さらに熱間鍛造して、断面直径が３０ｍｍの丸棒を得て、焼きならし処理後（９２５℃×１ＨｒＡＣ）、この丸棒から、断面直径２５ｍｍの丸棒（長さ１０ｍｍ）を切り出して得た鋼片に浸窒処理Ｘを施し、試験片Ｆを得た。
そして、試験片Ｆについて、その一方端面から厚さ方向へ表層からビッカース硬さ測定を試験力２．９４Ｎで試験を実施した。ここで表層から０．５ｍｍまでは０．０２５ｍｍピッチで進み、それ以降は０．１ｍｍピッチで１ｍｍ位置まで硬さを求めた。そして、得られた各位置での硬さを連続的に結び、有効硬化層深さを求めた。なお、表層硬さとは０．０５ｍｍの位置の硬さとし、有効硬化層深さは５１３ＨＶとなる表面からの深さとする。具体的には５１３ＨＶに最も近く、５１３ＨＶの前後の２点の硬さから計算し、５１３ＨＶにおける有効硬化層深さを算出した。
結果を第２表に示す。
鋼塊Ａを熱間圧延または熱間鍛造し、断面直径が１０５ｍｍの丸棒を得た後、さらに熱間鍛造して、断面直径が３０ｍｍの丸棒を得て、焼きならし処理後（９２５℃×１ＨｒＡＣ）、この丸棒から、断面直径２５ｍｍの丸棒（長さ１０ｍｍ）を切り出して得た鋼片に浸窒処理Ｘを施し、試験片Ｆを得た。
そして、試験片Ｆについて、その一方端面から厚さ方向へ表層からビッカース硬さ測定を試験力２．９４Ｎで試験を実施した。ここで表層から０．５ｍｍまでは０．０２５ｍｍピッチで進み、それ以降は０．１ｍｍピッチで１ｍｍ位置まで硬さを求めた。そして、得られた各位置での硬さを連続的に結び、有効硬化層深さを求めた。なお、表層硬さとは０．０５ｍｍの位置の硬さとし、有効硬化層深さは５１３ＨＶとなる表面からの深さとする。具体的には５１３ＨＶに最も近く、５１３ＨＶの前後の２点の硬さから計算し、５１３ＨＶにおける有効硬化層深さを算出した。
結果を第２表に示す。
【0044】
＜ミクロ組織観察＞
試験片Ｆについてミクロ組織観察を行った。試験片を半円状に二等分に割り、切断面を被検面となるように樹脂埋めし、鏡面研磨した。研磨された面をナイタールで腐食し、倍率１００～４００倍で光学顕微鏡および倍率２０００倍でＳＥＭを用い組織観察をした。また、鏡面研磨後の試料を使ってＦＥ－ＥＰＭＡを用い、倍率２，０００倍で表層の窒化物の析出状態を確認した。
試験片Ｆについてミクロ組織観察を行った。試験片を半円状に二等分に割り、切断面を被検面となるように樹脂埋めし、鏡面研磨した。研磨された面をナイタールで腐食し、倍率１００～４００倍で光学顕微鏡および倍率２０００倍でＳＥＭを用い組織観察をした。また、鏡面研磨後の試料を使ってＦＥ－ＥＰＭＡを用い、倍率２，０００倍で表層の窒化物の析出状態を確認した。
【0045】
【表1】
【0046】
【表2】
【0047】
【表3】
【0048】
【表4】
【0049】
【表5】
【0050】
【表6】
【0051】
第２表に示した有効硬化深さと式１の計算結果との関係を図５に示す。
図５から、式１の値が０．０４以上であると、Ｓ１５Ｃの１．４倍の有効硬化深さとなることが理解される。なお、１．４倍は処理時間にすると、同一有効硬化深さを得るためにＪＩＳ １５Ｃ対比処理時間が半分になることに相当する。
したがって本発明の鋼材は、短時間（３～４ｈ程度）で、必要な有効硬化深さを得ることができる鋼材といえる。
図５から、式１の値が０．０４以上であると、Ｓ１５Ｃの１．４倍の有効硬化深さとなることが理解される。なお、１．４倍は処理時間にすると、同一有効硬化深さを得るためにＪＩＳ １５Ｃ対比処理時間が半分になることに相当する。
したがって本発明の鋼材は、短時間（３～４ｈ程度）で、必要な有効硬化深さを得ることができる鋼材といえる。
【0052】
第１表に示したロックウェル硬さ（Ｊ５）と真円からの変形量（歪み）との関係を、図６に示す。
図６からロックウェル硬さ（Ｊ５）がおよそ２０ＨＲＣ以下であると変形量が少ないことが分かる。フルマルテンサイトの硬さは炭素量で整理でき、０．０５～０．３％の範囲では（６０Ｃ＋３１）ＨＲＣと表すことができる。一般的に、ロックウェル硬さ（Ｊ５）がフルマルテンサイトとなる半分（（６０Ｃ＋３１）／２）以下（０．１５％の場合は２０ＨＲＣ）であれば歪（変形量）に影響が大きいマルテンサイト組織が生成せず、フェライト＋パーライト＋少量のベイナイト組織となる。すなわち、式２≦（（６０Ｃ＋３１）／２）を満たすのであれば、マルテンサイト量を減らすことができ、歪を大幅に低下させることができる。また、比較例１４と１５は、それぞれ汎用肌焼鋼であるＳＣＲ４１５とＳＣＲ４２０であるが、それらに対して大幅に歪が低下していることがわかる。
実機の薄肉部品を想定した場合、薄物部品の芯部の冷却速度はおよそジョミニー値のＪ３～Ｊ５程度であり、本発明の鋼材はこれらの冷却速度でのマルテンサイト量を減らすことで歪が大きく低減できる。
図６からロックウェル硬さ（Ｊ５）がおよそ２０ＨＲＣ以下であると変形量が少ないことが分かる。フルマルテンサイトの硬さは炭素量で整理でき、０．０５～０．３％の範囲では（６０Ｃ＋３１）ＨＲＣと表すことができる。一般的に、ロックウェル硬さ（Ｊ５）がフルマルテンサイトとなる半分（（６０Ｃ＋３１）／２）以下（０．１５％の場合は２０ＨＲＣ）であれば歪（変形量）に影響が大きいマルテンサイト組織が生成せず、フェライト＋パーライト＋少量のベイナイト組織となる。すなわち、式２≦（（６０Ｃ＋３１）／２）を満たすのであれば、マルテンサイト量を減らすことができ、歪を大幅に低下させることができる。また、比較例１４と１５は、それぞれ汎用肌焼鋼であるＳＣＲ４１５とＳＣＲ４２０であるが、それらに対して大幅に歪が低下していることがわかる。
実機の薄肉部品を想定した場合、薄物部品の芯部の冷却速度はおよそジョミニー値のＪ３～Ｊ５程度であり、本発明の鋼材はこれらの冷却速度でのマルテンサイト量を減らすことで歪が大きく低減できる。
【0053】
第２表に示した表面Ｎ濃度および窒化物析出量から、窒化物析出割合（＝窒化物析出量／表面Ｎ濃度×１００（％））を求めた。求められた窒化物析出割合と疲労強度との関係を、図７に示す。
図７から、表層Ｎのうち窒化物となったＮの割合が２２％以上となると、疲労強度のばらつきが大きくなっていることが分かる。組織写真（ＳＥＭ２０００倍、図８）から、窒化物の生成により、焼入れ性を担保するために添加していた元素が母相から奪われ、固溶Ｎの低減により形成された不完全焼入れ組織が確認される。さらにＦＥ－ＥＰＭＡ（２０００倍、図９）から窒化物の生成を見てとることができる。疲労強度が低下した試験片は、すべてはこの様な不完全焼入組織と多量の窒化物生成が確認され、疲労強度との因果関係が明らかになった。
本発明の鋼材は、窒化物析出量を抑制しているため、疲労強度のばらつきや低下が起こらない鋼材であるといえる。
図７から、表層Ｎのうち窒化物となったＮの割合が２２％以上となると、疲労強度のばらつきが大きくなっていることが分かる。組織写真（ＳＥＭ２０００倍、図８）から、窒化物の生成により、焼入れ性を担保するために添加していた元素が母相から奪われ、固溶Ｎの低減により形成された不完全焼入れ組織が確認される。さらにＦＥ－ＥＰＭＡ（２０００倍、図９）から窒化物の生成を見てとることができる。疲労強度が低下した試験片は、すべてはこの様な不完全焼入組織と多量の窒化物生成が確認され、疲労強度との因果関係が明らかになった。
本発明の鋼材は、窒化物析出量を抑制しているため、疲労強度のばらつきや低下が起こらない鋼材であるといえる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
