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特許7378889研削肌での耐ピッチング特性に優れた機械構造用鋼からなる浸炭された鋼部材
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  • 特許-研削肌での耐ピッチング特性に優れた機械構造用鋼からなる浸炭された鋼部材 図1
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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】2023-11-06
(45)【発行日】2023-11-14
(54)【発明の名称】研削肌での耐ピッチング特性に優れた機械構造用鋼からなる浸炭された鋼部材
(51)【国際特許分類】
   C22C 38/00 20060101AFI20231107BHJP
   C22C 38/40 20060101ALI20231107BHJP
   C22C 38/50 20060101ALI20231107BHJP
【FI】
C22C38/00 301N
C22C38/40
C22C38/50
【請求項の数】 4
(21)【出願番号】P 2019140161
(22)【出願日】2019-07-30
(65)【公開番号】P2021021129
(43)【公開日】2021-02-18
【審査請求日】2022-05-02
(73)【特許権者】
【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】渕上 太一
【審査官】鈴木 葉子
(56)【参考文献】
【文献】特開2016-050350(JP,A)
【文献】特開2009-299148(JP,A)
【文献】特開2005-113168(JP,A)
【文献】特開2019-039044(JP,A)
【文献】特開2014-070256(JP,A)
【文献】特開2014-198877(JP,A)
【文献】特開2012-224928(JP,A)
【文献】特開2002-286115(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C22C 38/00-38/60
C21D 1/02- 1/84
C21D 9/00- 9/44, 9/50
C23C 8/00-12/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量%で、C:0.10~0.30%、Si:0.51~0.80%、Mn:0.10~0.40%、P:0.005~0.025%、S:0.005~0.025%、Ni:0.05~0.20%、Cr:1.30~2.00%、Al:0.025~0.050%、N:0.0100~0.0250%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる機械構造用鋼の浸炭された鋼部材であって、研削処理された鋼部材の表面から0.05mm深さにおける硬さやC濃度や残留オーステナイト量は、硬さ:680~750HV、C濃度:0.5~0.9質量%、残留オーステナイト量(以下、残留γ量ともいう。):20~45容量%であって、研削処理された鋼部材の表面から0.4mm深さまでの平均結晶粒度番号:No.8以上であって、さらに、式A:2.1×[Si%]+[Cr%](なお[元素%]は全て質量%で示す数値)とするとき、式Aの値が2.80以上を満足することを特徴とする研削肌での耐ピッチング特性に優れた機械構造用鋼からなる浸炭された鋼部材。
【請求項2】
請求項1の化学成分に加えて、質量%で、Mo:0.10~0.90%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる機械構造用鋼の浸炭された鋼部材であって、研削処理された鋼部材の表面から0.05mm深さにおける硬さやC濃度や残留オーステナイト量は、硬さ:680~750HV、C濃度:0.5~0.9質量%、残留γ量:20~45容量%であって、研削処理された鋼部材の表面から0.4mm深さまでの平均結晶粒度番号:No.8以上であって、さらに、式B:2.1×[Si%]+[Cr%]+3.3×[Mo%](なお[元素%]は全て質量%で示す数値)とするとき、式Bの値が2.80以上を満足することを特徴とする研削肌での耐ピッチング特性に優れた機械構造用鋼からなる浸炭された鋼部材。
【請求項3】
請求項1の化学成分に加えて、質量%で、V:0.02~0.10%、Ti:0.02~0.10%、Nb:0.02~0.10%のいずれか1種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる機械構造用鋼の浸炭された鋼部材であって、研削処理された鋼部材の表面から0.05mm深さにおける硬さやC濃度や残留オーステナイト量は、硬さ:680~750HV、C濃度:0.5~0.9質量%、残留γ量:20~45容量%であって、研削処理された鋼部材の表面から0.4mm深さまでの平均結晶粒度番号:No.8以上であって、さらに、式Aを2.1×[Si%]+[Cr%](なお[元素%]は全て質量%で示す数値)とするとき、式Aの値が2.80以上を満足することを特徴とする研削肌での耐ピッチング特性に優れた機械構造用鋼からなる浸炭された鋼部材。
【請求項4】
請求項2の化学成分に加えて、質量%で、V:0.02~0.10%、Ti:0.02~0.10%、Nb:0.02~0.10%のいずれか1種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる機械構造用鋼の浸炭された鋼部材であって、研削処理された鋼部材の表面から0.05mm深さにおける硬さやC濃度や残留オーステナイト量は、硬さ:680~750HV、C濃度:0.5~0.9質量%、残留γ量:20~45容量%であって、研削処理された鋼部材の表面から0.4mm深さまでの平均結晶粒度番号:No.8以上であって、さらに、式Bを2.1×[Si%]+[Cr%]+3.3×[Mo%](なお[元素%]は全て質量%で示す数値)とするとき、式Bの値が2.80以上を満足することを特徴とする研削肌での耐ピッチング特性に優れた機械構造用鋼からなる浸炭された鋼部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この出願は、研削状態で用いられる動力伝達部品用の機械構造用鋼、特に研削肌での耐ピッチング特性に優れる動力伝達部品用の機械構造用鋼に関する。
【背景技術】
【0002】
自動車などの動力伝達部品では、静粛性や燃費向上の観点から、動力伝達部品である歯車の歯面は研削された状態で使用されることがある。このような動力伝達部品の使用環境は、高面圧の部品同士の周速差による「すべり」が生じる、過酷なものであり、過酷環境下における耐ピッチング寿命の向上が望まれている。
【0003】
ところで、耐ピッチング寿命向上のために、浸炭層の表面硬さや焼戻し硬さ、熱伝導率、炭化物面積率などを規定した、耐焼付性に優れた浸炭部材に関する発明がある(例えば、特許文献1参照。)。この発明は、後述の本願発明が解決しようとする課題に記載するように、使用環境での鋼材の軟化に関するものにとどまっており、不均一摩耗の抑制に関しては対策がはかられていなかった。
なお、この発明では浸炭層の表面硬さは750HV以上が好ましいとされている。
【0004】
また、耐ピッチング寿命向上のために、粒界酸化や不完全焼入層の最大深さ、不完全焼入層の面積率を制御した発明が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。この発明は、不完全焼入層の摩耗により粒界酸化を消失させることでピッチング寿命を伸ばすという着想に基づいて、研削せずに「浸炭まま」の表面状態での使用を前提として発明されたものである。これは、浸炭ままを念頭にしているため、表面を研削する場合には適用できず、研削肌状態での鋼材の軟化に関しては不完全焼入層を利用するものではないので、この文献では技術思想の対象外であることから考慮されていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特許第6410613号公報
【文献】特開2016-222982
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記の背景技術において記載したように、自動車などの動力伝達部品等の鋼部材においては、耐ピッチング寿命の向上が志向されている。耐ピッチング寿命を向上させるべく発明者が鋭意行った調査・研究によれば、たとえば歯車を例にとると、歯車の摺動開始から初期なじみが進行する段階では、歯車同士の不均一接触により、歯車の表面に微小なき裂が生じて不均一摩耗が促進されることが判明した。このような歯車の不均一摩耗が促進されると、耐ピッチング寿命が短くなる。そこで、これらの歯車の耐ピッチング寿命を高めるためには、(1)歯車の歯面の不均一摩耗を抑制する必要がある。
【0007】
さらに、歯車同士の初期なじみが完了すると、次の段階では、歯車である鋼部材の表面に境界潤滑膜が生成し、それ以降に摺動回数が増していくと該鋼部材の表面の軟化が起こってくる。このような軟化が起こると、歯車などの動力伝達部品等において、耐ピッチング寿命が低下する。そこで、この歯車などの動力伝達部品等における耐ピッチング寿命の低下を防止するためには、(2)使用環境下での歯車などの鋼部材の軟化を抑制する必要がある。
このように、動力伝達部品等に用いられる機械構造用鋼における耐ピッチング寿命を向上させるためには、不均一摩耗の抑制と、軟化の抑制の双方を改善することが必要である。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記の課題を解決するための手段は、第1の手段では、質量%で、C:0.10~0.30%、Si:0.51~0.80%、Mn:0.10~0.40%、P:0.005~0.025%、S:0.005~0.025%、Ni:0.05~0.20%、Cr:1.30~2.00%、Al:0.025~0.050%、N:0.0100~0.0250%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる機械構造用鋼の浸炭された鋼部材であって、研削処理された鋼部材の表面から0.05mm深さにおける硬さやC濃度や残留オーステナイト量は、硬さ:680~750HV、C濃度:0.5~0.9質量%、残留オーステナイト量(以下、残留γ量ともいう。):20~45容量%であって、研削処理された鋼部材の表面から0.4mm深さまでの平均結晶粒度番号:No.8以上であって、さらに、式A:2.1×[Si%]+[Cr%](なお[元素%]は全て質量%で示す数値)とするとき、式Aの値が2.8以上であること、を特徴とする研削肌での耐ピッチング特性に優れた機械構造用鋼からなる浸炭された鋼部材である。
【0009】
第2の手段では、第1の手段の化学成分に加えて、質量%で、Mo:0.10~0.90%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる機械構造用鋼の浸炭された鋼部材であって、研削処理された鋼部材の表面から0.05mm深さにおける硬さやC濃度や残留オーステナイト量は、硬さ:680~750HV、C濃度:0.5~0.9質量%、残留γ量:20~45容量%であって、研削処理された鋼部材の表面から0.4mm深さまでの平均結晶粒度番号:No.8以上であって、さらに、式B:2.1×[Si%]+[Cr%]+3.3×[Mo%](なお[元素%]は全て質量%で示す数値)とするとき、式Bの値が2.8以上であること、を特徴とする研削肌での耐ピッチング特性に優れた機械構造用鋼からなる浸炭された鋼部材である。
【0010】
第3の手段では、第1の手段の化学成分に加えて、質量%で、V:0.02~0.10%、Ti:0.02~0.10%、Nb:0.02~0.10%のいずれか1種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる機械構造用鋼の浸炭された鋼部材であって、研削処理された鋼部材の表面から0.05mm深さにおける硬さやC濃度や残留オーステナイト量は、硬さ:680~750HV、C濃度:0.5~0.9質量%、残留γ量:20~45容量%であって、研削処理された鋼部材の表面から0.4mm深さまでの平均結晶粒度番号:No.8以上であって、さらに、式Aを2.1×[Si%]+[Cr%](なお[元素%]は全て質量%で示す数値)とするとき、式Aの値が2.8以上であること、を特徴とする研削肌での耐ピッチング特性に優れた機械構造用鋼からなる浸炭された鋼部材である。
【0011】
第4の手段では、第2の手段の化学成分に加えて、質量%で、V:0.02~0.10%、Ti:0.02~0.10%、Nb:0.02~0.10%のいずれか1種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる機械構造用鋼の浸炭された鋼部材であって、研削処理された鋼部材の表面から0.05mm深さにおける硬さやC濃度や残留オーステナイト量は、硬さ:680~750HV、C濃度:0.5~0.9質量%、残留γ量:20~45容量%であって、研削処理された鋼部材の表面から0.4mm深さまでの平均結晶粒度番号:No.8以上であって、さらに、式Bを2.1×[Si%]+[Cr%]+3.3×[Mo%](なお[元素%]は全て質量%で示す数値)とするとき、式Bの値が2.8以上であること、を特徴とする研削肌での耐ピッチング特性に優れた機械構造用鋼からなる浸炭された鋼部材である。
【発明の効果】
【0012】
本願の発明に係る第1~4の手段における機械構造用鋼からなる浸炭された鋼部材は、自動車などの動力伝達部品である歯車などとして浸炭処理され表面研削された状態で、ローラーピッチング試験における耐ピッチング寿命のL50寿命比が、n=5における評価で、SCM420相当鋼を基準とする値の2.0~3.4倍と、大幅に向上しており、本発明の機械構造用鋼からなる浸炭された鋼部材は、研削肌での耐ピッチング特性に優れたものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】ローラーピッチング試験の概念図である。大ローラー側は相手材(2)であり、小ローラー側がローラーピッチング試験片(1)である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
まず、本願の発明に係る手段における(1)機械構造用鋼の化学成分の限定理由と、(2)該機械構造用鋼の浸炭された鋼部材について、研削処理された鋼部材の表面から0.05mm深さの、硬さ、C濃度、および残留γ量の数値範囲の限定理由と、(3)該機械構造用鋼の浸炭された鋼部材について、研削処理された鋼部材の表面から0.4mm深さまでの平均結晶粒度番号を規定する理由と、(4)式Aの値または式Bの値について、以下に説明する。次いで、ローラーピッチング試験におけるL50寿命比、並びに該機械構造用鋼からなる鋼部材を冷間加工したときの割れ発生確率についても説明する。
【0015】
まず、本願の発明に係る手段における(1)機械構造用鋼の化学成分についての成分限定理由について説明する。なお、ここでの説明における%は質量%である。
【0016】
C:0.10~0.30%
Cは、鋼部材の焼入性、鍛造性、機械加工性に影響する元素である。Cが0.10%より少ないと、鋼部材はその芯部硬さの低下による強度不足となる。一方、Cが0.30%より多いと、鋼部材の素材の硬さが上昇して鋼部材の被削性や冷間加工性等の加工性が低下する。そこで、Cは、0.10~0.30%とする。
【0017】
Si:0.51~0.80%
Siは、製鋼時の脱酸に必要な元素であり、焼戻し軟化抵抗性を高め、耐ピッチング特性の向上にも有効な元素である。Siが0.51%より少ないと、脱酸剤として不足し、焼戻し軟化抵抗が不足する。一方、Siが0.80%より多いと鋼部材の素材の硬さが上昇し、被削性や鍛造性などの加工性が低下する。また、浸炭阻害が起こり、耐ピッチング強度の劣化に繋がる。そこで、Siは0.51~0.80%とする。
【0018】
Mn:0.10~0.40%
Mnは、製鋼時の脱酸に必要な元素でかつ焼入性を向上させる元素である。ところで、Mnが0.10%より少ない場合は、脱酸剤として不足しかつ焼入性が低下する。一方、Mnが0.40%より多いと、素材硬さが上昇して加工性が低下する。そこで、Mnは0.10~0.40%とする。
【0019】
P:0.005~0.025%
Pは、製鋼上の不可避不純物である。ところで、Pを0.005%より少なくして過度に低減することはコストアップとなる。一方、Pは0.025%より多く含有されると、疲労強度が低下する。そこで、Pは0.005~0.025%とする。
【0020】
S:0.005~0.025%
Sは、製鋼上の不可避不純物である。ところで、Sを0.005%より少なくして過度に低減することはコストアップとなる。一方、Sは、0.025%より多く含有されると、MnとMnSを形成し、冷間加工性を低下し、かつ疲労強度を低下する。そこで、Sは0.005~0.025%とする。
【0021】
Ni:0.05~0.20%
Niは、製鋼上の不可避不純物である。ところで、Niを0.05%より少なくして過度に低減することはコストアップとなる。一方、Niは高価な元素であり、0.20%より多く含有されるとコストアップとなる。そこで、Niは0.05~0.20%とする。
【0022】
Cr:1.30~2.00%
Crは、鋼部材の焼入性の確保に必要な元素であり、焼戻し軟化抵抗性を高める元素である。ところで、Crは1.30%より少ないと焼入性が低下し、さらに焼戻し軟化抵抗が不足する。一方、Crは2.00%より多いと、浸炭阻害が発生し、さらに炭化物が過剰に生成されることで、加工性が低下する。そこで、Crは1.30~2.00%とする。
【0023】
Al:0.025~0.050%
Alは、製鋼時の脱酸剤として作用する元素であり、さらに微細な炭窒化物を形成する元素である。ところで、Alが0.025%より少ないと、製鋼時の脱酸が十分でなく、さらに微細な炭窒化物の形成が十分でないため結晶粒が粗大化する結果、耐ピッチング寿命が低下する。一方、Alが0.050%より多いと、粗大な炭窒化物が形成されて、加工性が低下する。そこで、Alは0.025~0.050%添加するものとする。
【0024】
N:0.0100~0.0250%
Nは、微細な炭窒化物を形成する元素である。ところで、Nが0.0100%より少ないと、微細な炭窒化物の形成が十分でないため結晶粒が粗大化する結果、耐ピッチング寿命が低下する。一方、Nが0.0250%より多いと、窒化物の生成が過剰となって、加工性が低下する。そこで、Nは0.0100~0.0250%添加するものとする。
【0025】
Mo:0.10~0.90%
Moは、高価な元素で素材コストが大きく増加する元素であるが、焼入性を高め、硬さ向上に寄与し、焼戻し軟化抵抗性を向上する元素である。ところで、Moが0.10%より少ないと、焼入性の向上および焼戻し軟化抵抗性の向上が得られない。一方、Moが0.90%より多いとコストアップとなると共に、鋼部材の素材硬さが上昇し、加工性が低下する。そこで、Moは、0.10~0.90%とする。
【0026】
V:0.02~0.10%
Vは、浸炭時に炭化物を形成し、結晶粒を微細化するために有効な元素である。ところで、Vが0.02%より少ないと、結晶粒を微細化する効果が得られない。一方、Vが0.10%より多く含有されると、炭化物が過剰に生成されて加工性が低下するとともに、コストアップとなる。そこで、Vは0.02~0.10%とする。
【0027】
Nb:0.02~0.10%
Nbは、浸炭時に炭化物を形成し、結晶粒を微細化するために有効な元素である。ところで、Nbが0.02%より少ないと、結晶粒を微細化する効果が得られない。一方、Nbが0.10%より多く含有されると、炭化物が過剰に生成されて加工性が低下するとともに、コストアップとなる。そこで、Nbは0.02~0.10%とする。
【0028】
Ti:0.02~0.10%
Tiは、浸炭時に炭化物を形成し、結晶粒を微細化するために有効な元素である。ところで、Tiが0.02%より少ないと、結晶粒を微細化する効果が得られない。一方、Tiが0.10%より多く含有されると、炭化物が過剰に生成されて加工性が低下するとともに、コストアップとなる。そこで、Tiは0.02~0.10%とする。
【0029】
なお、V、Nb、Tiは、選択的付加元素であって、添加する場合は、いずれか1種以上を添加することができる。
【0030】
続いて、上記(2)の本願の発明に係る手段における機械構造用鋼からなる自動車などの動力伝達部品などの浸炭された鋼部材について、研削処理された鋼部材の表面から0.05mm深さの、硬さ、C濃度、および残留γ量について説明する。
【0031】
浸炭後に研削処理された鋼部材の0.05mm深さの硬さ:680~750HV
浸炭後に研削処理された鋼部材の0.05mm深さの硬さが680HV未満であると、浸炭された鋼部材の摩耗が促進される結果、ローラーピッチング試験における耐ピッチング寿命のL50寿命比が比較鋼13のSCM420相当鋼を基準とした値の2.0倍より低くなる。すなわち、680HV未満であると、不均一摩耗が促進して負荷面圧に耐えられず、耐ピッチング寿命が低下する。一方、硬さが750HVより大きくなると、接線力(すべりによって接線方向に生じる力)が増大する結果、耐ピッチング寿命が低下する。そこで、浸炭後に研削処理された鋼部材の表面から0.05mm深さの硬さは680~750HVとする。
【0032】
浸炭後に研削処理された鋼部材の0.05mm深さのC濃度:0.5~0.9%
浸炭後に研削処理された鋼部材の0.05mm深さのC濃度は、0.5%より少ないと、固溶C量の不足により、硬いマルテンサイトが得られず、目的の硬さが得られない結果、耐ピッチング寿命が低下する。一方、C濃度は、0.9%より多くなると、C量の過多により残留γが過剰に増加し、さらに粗大な炭化物が生成することで、耐ピッチング寿命が低下する。そこで、浸炭後に研削処理された鋼部材の0.05mm深さのC濃度は0.5~0.9%とする。
【0033】
浸炭後に研削処理された鋼部材の0.05mm深さの残留γ量:20~45容量%
浸炭後に研削処理された鋼部材の0.05mm深さの残留γ量は、20容量%より少ないと、硬さが過剰となり、すべりによって接線方向に生じる接線力が増大する結果、耐ピッチング寿命が低下する。一方、残留γ量は、45容量%より多いと、硬さが不足し、摩耗が促進されることにより、耐ピッチング寿命が低下する。そこで、浸炭後に研削処理された鋼部材の0.05mm深さの残留γ量は20~45容量%とする。
【0034】
さらに、上記(3)の本願の発明に係る手段における機械構造用鋼の浸炭された鋼部材について、研削処理された鋼部材の表面から0.4mm深さまでの平均結晶粒度番号について説明する。
【0035】
浸炭後に研削処理された鋼部材の表面から0.4mm深さまでの結晶粒度番号:No.8以上
浸炭後に研削処理された鋼部材の表面から0.4mm深さまでの結晶粒度番号は、No.8未満で結晶粒が大きいと、不均一変形によって不均一摩耗が促進される結果、耐ピッチング寿命が低下する。そこで、浸炭後に研削処理された鋼部材の表面から0.4mm深さまでの結晶粒度番号は、No.8以上とする。
【0036】
なお、さらに、上記(4)の式Aの値または式Bの値について説明する。
【0037】
式A=2.1×[Si%]+[Cr%]の値:2.8以上、
式A=2.1×[Si%]+[Cr%]([元素%]は質量%で示す元素の含有量の数値である。)の値は、2.8未満であると、ローラーピッチング試験中に鋼部材の焼戻しが進み易く、軟化が促進されて、耐ピッチング寿命が低下する。
そこで、式A=2.1×[Si%]+[Cr%]の値は2.8以上とする。
【0038】
式B=2.1×[Si%]+[Cr%]+3.3×[Mo%]の値:2.8以上、
式B=2.1×[Si%]+[Cr%]+3.3×[Mo%]([元素%]は質量%で示す元素の含有量の数値である。)の値は、2.8未満であると、ローラーピッチング試験中に鋼部材の焼戻しが進み易く、軟化が促進されて、耐ピッチング寿命が低下し、ローラーピッチング試験におけるL50寿命比が、下記の表4に示すように、2.0未満となる。
そこで、式B=2.1×[Si%]+[Cr%]+3.3×[Mo%]の値は2.8以上とする。
【0039】
ここで、本願の発明に係る手段における機械構造用鋼の製造工程について説明する。
表1は発明鋼におけるNo.1~22の、質量%で示す化学成分と、残部のFeおよび不可避的不純物とで合計100%となる機械構造用鋼の成分組成を示すものである。これらの成分組成からなる各発明鋼100kgを、まずVIM(真空誘導溶解炉)で溶解してインゴットを製造した。次いで、これらの各インゴットを1250℃に加熱して、さらに、発明鋼のNo.1~22のφ60mmの棒鋼に鍛伸した。
【0040】
表2は比較鋼におけるNo.1~23の、質量%で示す化学成分と、残部のFeおよび不可避的不純物とで合計100%となる機械構造用鋼の成分組成を示すものである。これらの成分組成の各比較鋼100kgをVIM(真空誘導溶解炉)で溶解してインゴットを製造した。次いで、これらの各インゴットを1250℃に加熱して、さらに、比較鋼のNo.1~23のφ60mmの棒鋼に鍛伸した。
【0041】
【表1】
【0042】
【表2】
【0043】
さらに、これらの発明鋼および比較鋼の各φ60mmの棒鋼に900℃で1時間の焼ならしを行った後、これらの各棒鋼のD/4(Dは直径を表す。)近傍の素材からφ14mmで長さ21mmの各棒状試験片を作製して冷間加工性の評価用の試験片とした。
【0044】
さらに、その他の試験片として、上記の発明鋼および比較鋼の各φ60mmの棒鋼を、さらにφ30mmに鍛伸し、900℃で1時間の焼ならしを行った後、各試験片に粗加工し、さらに粗加工した各試験片を、浸炭温度930℃で狙いCp=0.90%で浸炭し、焼入焼戻しを行った後、各試験片に仕上げ加工を施し、次の1.~7.の各試験を発明鋼および比較鋼毎に実施した。
【0045】
次の1.~7.は上記の発明鋼および比較鋼毎の各試験の評価項目と各試験の評価結果を示している。
1.表面から0.05mm深さの硬さ測定
上記で作製した試験片を用い、長さ方向に垂直な断面であるT面で切断し、マイクロビッカース硬さ試験機により表面から0.05mm深さの位置の硬さを測定した。n=5回の試験の平均値を表面から0.05mm深さの硬さとした。
2.表面から0.05mm深さのC濃度測定
上記で作製した試験片を用い、長さ方向に垂直な断面であるT面で切断し、電子線マイクロアナライザー(EPMA)により、表面から0.05mm深さの位置のC濃度を測定した。n=3回の試験の平均値を表面から0.05mm深さのC濃度の値とした。
3.表面から0.05mm深さの残留γ量の測定
上記で作製した試験片を用い、表面から0.05mm深さまで電解研磨を施し、XRD(X線回折)により表面から0.05mmの位置の残留γ量を測定した。n=3回の試験の平均値を表面から0.05mmの位置の残留γ量の値とした。
4.表面から0.4mm深さまでの結晶粒度番号の判定
上記で作製した試験片を用い、長さ方向に垂直な断面であるT面で切断し、飽和ピクリン酸により旧γ粒界を現出して観察する試験を行ない、0.4mm深さまでの結晶粒度番号を判定し、n=5回の判定の平均値を結晶粒度番号の値とした。
5.式Aあるいは式Bの値
式Aを2.1×[Si%]+[Cr%](なお[元素%]は全て質量%で示す数値)とし、式Bを2.1×[Si%]+[Cr%]+3.3×[Mo%](なお[元素%]は全て質量%で示す数値)とするとき、発明鋼あるいは比較鋼に含有される化学成分に応じて式Aの値あるいは式Bの値とした。
6.耐ピッチング寿命の評価(ローラーピッチング試験におけるL50寿命比)
上記で作製した試験片を耐ピッチング寿命の評価のためのローラーピッチング試験片とし、相手材:SCM420鋼の浸炭研削材、滑り率:-40%、面圧:3.3GPa、潤滑油温度:80℃として、図1に示すようなローラーピッチング試験を実施した。試験片のL50寿命は、SCM420相当鋼の比較鋼No.13のL50寿命の値を基準値の1.0としたときに、その基準値の何倍に相当するかで評価することとし、n=5回の試験の評価値の平均値をL50寿命比とした。なお、本発明において、耐ピッチング寿命に優れている場合は、L50寿命比が2.0倍以上の値であるものとした。
7.冷間加工時の割れ発生の確率
φ14mmで長さ21mmの棒状試験片に冷間にて70%の据込みを行なって、試験片の表面に長さ方向のき裂の発生の有無を調査した。冷間加工時の割れ発生数を求め、n=5回の冷間加工時の割れ発生数の割合を割れ発生確率とした。なお、本発明においては、割れ発生確率が80%未満を、冷間加工時の割れ発生に優れている場合とした。
【0046】
発明鋼のNo.1~22についての上記の評価結果を表3に示す。また、比較鋼のNo.1~21についての評価結果示を表4に示す。
【0047】
【表3】
【0048】
【表4】
【0049】
表1に示す発明鋼のNo.1~22の化学成分は、全て本願の請求項に記載する範囲のものであり、その鋼材の特性は、表3のNo.1~22に示すとおりで、0.5mm硬さは680~750HV、0.5mmC濃度は0.5~0.9%、0.5mm残留γ量は24~45容量%、0.4mmまでの結晶粒度番号は8~11、式Aor式Bの値は2.82~5.88、ローラーピッチング試験におけるL50寿命比は基準の比較鋼のNo.13の値の2.0~3.4倍であり、さらに冷間加工時の割れ発生確率は0~60%であり、発明鋼No.1~22におけるこれら特性は、いずれも全て優れている。 なお、この表3に示す発明鋼では、ローラーピッチング試験におけるL50寿命比は2倍以上のものを優れているとしている。また、表3と下記の表4では、「研削処理された鋼部材の表面から0.05mm深さにおける」を略して「0.05mm」と記載し、さらに「研削処理された鋼部材の表面から0.4mm深さまでの平均」を略して「0.4mmまでの」と記載し、また、さらに「式Aの値あるいは式Bの値」を略して「式Aor式B」と記載している。
【0050】
比較鋼No.1~21は、表2に示す化学成分であって、その各鋼材の特性は、表4に示すとおりである。表2の比較鋼では、下線で示す化学成分が、表1の発明鋼の範囲から外れている。そして、表4では、下線で示される個所の特性が、本発明の特性の範囲から外れている。
【0051】
比較鋼のNo.1では、Cの含有量が0.08%と低いものであり、式Aの値が2.67と低く、L50寿命比が1.8倍と低いものとなった。
No.2では、Cの含有量が0.33%と高く、冷間加工時の割れ発生確率が80%と高くなった。
No.3では、Siの含有量が0.42%と低いものであり、式Aの値が2.33と低く、L50寿命比が1.1と低い。
No.4では、Siの含有量が0.89%と高いものであり、0.05mm深さにおける硬さが664HVと低く、C濃度も0.42%と低く、残留γ量も18容量%と低く、浸炭阻害が発生した。
No.5では、Mnの含有量が0.41%と高いものであり、冷間加工時の割れ発生確率が100%と高い。
No.6では、Crの含有率が1.15%と低いものであり、式Aの値が2.20と低く、L50寿命比が1.3倍と低い。
No.7では、Crの含有率が2.24%と高いものであり、0.05mm深さにおける硬さが650HVと低く、C濃度も0.39質量%と低い。また浸炭阻害が発生した。
No.8では、Alの含有量が0.020%と低いものであり、0.4mmまでの結晶粒度番号が6と小さいので結晶粒が大きく、L50寿命比が1.7倍と低い。
No.9では、Alの含有量が0.054%と高いものであり、冷間加工時の割れ発生確率が80%と高い。
No.10では、Nの含有量が0.0097%と低いものであり、0.4mmまでの結晶粒度番号が6と小さいので結晶粒が大きく、冷間加工時の割れ発生確率が80%と高い。
No.11では、Siの含有量が0.37%と低いものであり、Crの含有率が1.02%と低く、式Aの値が1.80%と低い。
No.12では、Mnの含有量が0.78%と高いものであり、Alの含有量が0.094%と高く、Nの含有量が0.0080%と低く、0.4mmまでの結晶粒度番号が7と小さいので結晶粒が大きく、冷間加工時の割れ発生確率が100%と高い。
【0052】
さらに、比較鋼のNo.13はSCM420相当鋼であり、Siの含有量が0.32%と低く、Mnの含有量が0.84%と高く、Crの含有率が1.10%と低く、また、式Bの値が2.43と低い。L50寿命比は1.0と、発明鋼の2.0倍に比して低い。
No.14では、Moの含有量が1.01%と高いものであり、Nを含有しておらず、冷間加工時の割れ発生確率が80%と高い。
No.15では、Cの含有量が0.35%と高く、Moの含有量が1.12%と高いものであり、冷間加工時の割れ発生確率が100%と高い。
【0053】
さらに、No.16では、式Bの値が2.78と低く、軟化が促進しやすいことから、L50寿命比が1.4倍と低かった。
No.17では、Vの含有量が0.15%と多く、冷間加工時の割れ発生確率が80%と高いものとなった。
No.18では、Tiの含有量が0.20%と多く、冷間加工時の割れ発生確率が100%と高いものとなった。
No.19では、Nbの含有量が0.14%と多く、冷間加工時の割れ発生確率が80%と高いものとなった。
No.20では、Siが1.07%およびMnが0.82%と化学成分がともに規定量より多く、硬さが661HVと低く、C濃度が0.41質量%と低い。また浸炭阻害が発生した。
No.21では、Siが0.24%と化学成分が規定より低く、Crが2.41%と化学成分が規定量より多く、さらにNの化学成分を規定より多く有し、硬さが638HVと低く、C濃度が0.40質量%と低く、残留γ量が17容量%と低い。また浸炭阻害が発生した。
【符号の説明】
【0054】
1 ローラーピッチング試験片(小ローラー)
2 相手材(大ローラー)
図1