CN108291286A - 碳氮共渗用钢材和碳氮共渗零件 - Google Patents

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Abstract

提供在通过碳氮共渗处理抑制点蚀损伤的发生的基础上，还抑制剥落损伤的发生，由此改善了接触疲劳寿命的碳氮共渗零件，和作为制造该碳氮共渗零件的原材的碳氮共渗用钢材，以及该碳氮共渗零件的制造方法。一种碳氮共渗用钢材，其中，以质量％计，含有C：0.15～0.3％、Si：0.5～1.5％、Mn：0.2～0.5％、P：高于0％并在0.03％以下、S：高于0％并在0.03％以下、Cr：0.2～0.8％、Mo：0.25～1％、Al：0.01～0.08％、Ti：0.01～0.1％、B：0.0005～0.005％、和N：高于0％并在0.01％以下，余量由铁和不可避免的杂质构成。

Description

碳氮共渗用钢材和碳氮共渗零件
技术领域
本发明涉及碳氮共渗用钢材、和使用了该钢材的碳氮共渗零件。本发明的碳氮共渗零件，例如，适用于齿轮、轴等的等速万向节零件，轴承、无极变速器(ContinuouslyVariable Transmission；CVT)滑轮等的动力传动零件。
背景技术
在动力传动零件中，一般要求对于接触疲劳损伤的耐久寿命(以下，称为接触疲劳寿命)。所谓接触疲劳损伤，是在零件之间的滑动面发生的龟裂进展而直至剥离的损伤(点蚀损伤)和在零件表层发生的龟裂进展而直至剥离的损伤(剥落损伤)的总称。
近年来，动力源的高输出功率化和动力传动单元的小型化推进，随之而来的是负荷到各零件上的载荷增大。另外，由于汽车的混合动力化或电动化，致使齿轮之间的滑动速度增大。另外，为了使传动效率提高，指向的是使工作油低粘度化。由此可见，滑动环境变得越发严酷，期望点蚀寿命优异的钢材。
为了防止点蚀损伤的发生，考虑使零件表面硬化，作为表面硬化处理，已知有渗碳处理(例如，专利文献1)。但是，使用渗碳零件的滑动环境若变得严酷，则由于滑动时的摩擦热导致马氏体恢复，零件表面软化，因此点蚀发生。
因此，为了改善严酷的滑动环境下的点蚀寿命，需要使软化阻抗提高。作为提高软化阻抗的方法，已知有碳氮共渗处理。碳氮共渗处理是在加热保持于A3点的温度以上的状态下，通过使碳和氮在零件表面扩散后，再进行急冷，从而使零件表面硬质化的处理。在零件表层形成碳氮化物，在该碳氮化物作用下，软化阻抗提高。其结果是，点蚀寿命得到改善，接触疲劳寿命提高。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2010－53429号公报
【专利文献2】日本特开2015－127434号公报
【专利文献3】日本特开2006－097066号公报
【专利文献4】日本特开2006－307270号公报
【专利文献5】日本特开2005－163148号公报
通过进行碳氮共渗处理，零件的点蚀寿命提高，但在严酷的滑动环境下，因为经受高负荷，所以内部剪切应力变大，剥落损伤发生，接触疲劳寿命降低。
用于碳氮共渗处理的表面硬化钢被专利文献2～5所公开。但是，专利文献2～5所公开的表面硬化钢，并不是以通过碳氮共渗处理而使零件的点蚀寿命提高为目的，对于剥落损伤也完全没有予以考虑。
发明内容
本发明着眼于上述这样的情况而做，其目的在于，提供一种通过碳氮共渗处理而抑制点蚀损伤的发生，并在此基础上还抑制剥落损伤的发生，从而改善了接触疲劳寿命的碳氮共渗零件，和制造该碳氮共渗零件的作为原材的碳氮共渗用钢材，以及该碳氮共渗零件的制造方法。
能够解决上述课题的本发明的所谓碳氮共渗用钢材，在以下方面具有要旨：以质量％计含有C：0.15～0.3％、Si：0.5～1.5％、Mn：0.2～0.5％、P：高于0％并在0.03％以下、S：高于0％并在0.03％以下、Cr：0.2～0.8％、Mo：0.25～1％、Al：0.01～0.08％、Ti：0.01～0.1％、B：0.0005～0.005％、和N：高于0％并在0.01％以下，余量由铁和不可避免的杂质构成。
上述碳氮共渗用钢材中，此外，作为其他的元素，以质量％计也可以含有如下等元素：
(a)从Nb：高于0％并在0.1％以下、V：高于0％并在0.5％以下、和Hf：高于0％并在0.1％以下之中选择的至少一种；
(b)从Cu：高于0％并在1％以下、和Ni：高于0％并在2％以下中选择的至少一种；
(c)从Ca：高于0％并在0.005％以下、Mg：高于0％并在0.005％以下、Zr：高于0％并在0.005％以下、Te：高于0％并在0.10％以下、和REM：高于0％并在0.02％以下中选择的至少一种；
(d)从Pb：高于0％并在0.10％以下、Bi：高于0％并在0.10％以下、和Sb：高于0％并在0.1％以下中选择的至少一种。
在本发明中，也包括使用了上述碳氮共渗用钢材的碳氮共渗零件，该碳氮共渗零件具有的要旨在于，距零件表面的深度为25～50μm的区域的碳氮化物的合计面积率为0％以上且5％以下。
上述碳氮共渗零件，能够通过对于满足上述成分组成的碳氮共渗用钢材，实施碳氮共渗处理而制造。
根据本发明，在成分组成之中，特别着眼于Mn、Cr和Al量并加以控制，因此能够在碳氮共渗处理时抑制碳氮化物在零件表层生成。其结果是，能够提供不仅能够抑制点蚀损伤，而且也能够抑制剥落损伤的发生的碳氮共渗用钢材。使用了这种钢材的碳氮共渗零件，其接触疲劳寿命优异。
附图说明
图1是表示试验片的形状的示意图。
图2A是用于说明试验片的切断方向的示意图。
图2B是用于说明观察试验片的切断面的步骤的示意图。
图3是拍摄试验片的切断面的附图代用照片。
图4是表示通过能量色散型X射线光谱法，测量图3中箭头所示位置的析出物的成分组成的结果的光谱。
图5是表示测量接触疲劳寿命时的情况的示意图。
具体实施方式
发明者针对碳氮共渗零件，为了通过抑制剥落的发生而进一步改善接触疲劳寿命，而反复锐意研究。其结果发现，在碳氮共渗处理时形成于零件表层的碳氮化物成为剥落损伤的原因，作为制造碳氮共渗零件的原材所用的碳氮共渗用钢材的成分组成之中，特别是如果恰当调整Mn、Cr和Al量，则能够抑制碳氮共渗处理时生成碳氮化物，因此能够在碳氮共渗零件的内部抑制剥落发生，能够改善接触疲劳寿命，从而完成了本发明的碳氮共渗用钢材和碳氮共渗零件。
即，通过实施碳氮共渗处理而在零件表层有C和N扩散。而后，经过碳氮共渗处理的零件，在滑动时的摩擦热的作用下，在零件表层固溶的N作为Fe4N微细析出，因此软化阻抗提高，点蚀寿命提高。另一方面，在零件表层扩散的C和N，与钢中的合金元素结合而形成硬质的碳氮化物。而后，在严酷的滑动环境下，若受到高负荷，则有剥落发生，对其原因调查时判明，这是由于碳氮化物引起的。碳氮化物的杨氏模量，若与作为母材的钢相比，则非常地高，因此若以碳氮化物分散的区域作为析出物层，则析出物层的杨氏模量伴随碳氮化物的生成量而增大。因此，在析出有碳氮化物的析出物层，与没有析出碳氮化物的非析出物层(即，母材)的界面杨氏模量产生差异。因此，若在严酷的滑动环境下受到高负荷，则由于杨氏模量的差异引起的剪切应力发生，作为结果，可知在层的界面有内部龟裂发生。该龟裂进展，直至剥落损伤。
从这样的观点出发，为了使在经受高负荷的严酷的滑动环境下的接触疲劳寿命提高，在本发明的实施方式中，重要的是抑制碳氮共渗处理时在零件表层扩散的C和N成为碳氮化物，使之作为固溶C和固溶N存在。而且了解到，碳氮化物的生成量在合金元素之中，特别会受到Mn、Cr和Al量的影响，于是设计了钢材的成分组成。以下，对于本发明的实施方式的碳氮共渗用钢材的成分组成进行说明。
本发明的实施方式的钢材，作为基本成分，含有C：0.15～0.3％、Si：0.5～1.5％、Mn：0.2～0.5％、P：高于0％并在0.03％以下、S：高于0％并在0.03％以下、Cr：0.2～0.8％、Mo：0.25～1％、Al：0.01～0.08％、Ti：0.01～0.1％、B：0.0005～0.005％、和N：高于0％并在0.01％以下。
C是用于确保碳氮共渗零件的芯部硬度所需要的元素，若C量低于0.15％，则不能确保芯部硬度，接触疲劳寿命降低。因此在本发明的实施方式中，C量为0.15％以上。C量优选为0.17％以上，更优选为0.18％以上。但是，若过剩地含有C，则加工成零件形状之前珠光体分率增加，加工成零件形状的加工性恶化。因此在本发明的实施方式中，C量为0.3％以下。C量优选为0.27％以下，更优选为0.25％以下。
Si是提高对于滑动放热的软化阻抗的元素。若Si量低于0.5％，则对于滑动放热的软化阻抗降低，不能改善接触疲劳寿命。因此在本发明的实施方式中，Si量为0.5％以上。Si量优选为0.6％以上，更优选为0.65％以上。但是，若过剩地含有Si，则加工成零件形状的加工性恶化。另外，会降低钢材的碳原子的活性而引起渗碳不良。因此在本发明的实施方式中，Si量为1.5％以下。Si量优选为1.3％以下，更优选为1.2％以下。
Mn与S结合而生成MnS，是抑制使零件形状的加工性恶化的FeS生成的元素。为了发挥这样的效果，Mn量为0.2％以上。Mn量优选为0.3％以上，更优选为0.35％以上。但是，若过剩地含有Mn，则碳氮共渗处理时形成碳氮化物，使接触疲劳寿命降低。因此在本发明的实施方式中，重要的是Mn量为0.5％以下。Mn量优选为0.47％以下，更优选为0.45％以下。
P是不可避免被包含的元素，在结晶晶界偏析而使接触疲劳寿命降低，因此需要尽可能减少。从这一观点出发，P量为0.03％以下。P量优选为0.025％以下，更优选为0.020％以下。优选P量尽可能地减少，但为了提高纯度会导致制造成本增加。从这一观点出发，P量优选为0.003％以上，更优选为0.005％以上。
S是不可避免被包含的元素，与Mn结合而形成的MnS系夹杂物，使接触疲劳寿命降低。因此在本发明的实施方式中，S量为0.03％以下。S量优选为0.025％以下，更优选为0.020％以下。但是，少量的S具有使被切削性提高的作用。另外，为了提高纯度会导致制造成本增加。从这一观点出发，S量优选为0.003％以上，更优选为0.005％以上。
Cr在碳氮共渗处理时形成碳氮化物，是使接触疲劳寿命降低的元素。因此在本发明的实施方式中，重要的是Cr量在0.8％以下。Cr量优选为0.75％以下，更优选为0.60％以下。但是，若Cr量低于0.2％，则淬火性降低，接触疲劳寿命降低，因此Cr量为0.2％以上。Cr量优选为0.3％以上，更优选为0.35％以上。
Mo在碳氮共渗处理时抑制软质的不完全淬火组织形成，是提高软化阻抗，改善接触疲劳寿命的元素。因此在本发明的实施方式中，Mo量为0.25％以上。Mo量优选为0.30％以上，更优选为0.35％以上。但是，若过剩地含有Mo，则加工成零件形状的加工性恶化。另外，造成高成本。从这一观点出发，Mo量为1％以下。Mo量优选为0.9％以下，更优选为0.8％以下。
Al是不可避免被包含的元素，但作为脱氧剂起作用，并且形成AlN，是在碳氮共渗处理时抑制晶粒粗大化的元素。为了发挥这样的效果，重要的是Al量为0.01％以上。Al量优选为0.015％以上，更优选为0.020％以上。但是，若过剩地含有Al，则热加工性恶化。另外，在碳氮共渗处理时形成碳氮化物，使接触疲劳寿命降低。因此在本发明的实施方式中，重要的是Al量为0.08％以下。Al量优选为0.06％以下，更优选为0.05％以下。
Ti与钢中的N结合而形成TiN，从而使B固溶，是提高钢的淬火性，使强度提高的元素。从这一观点出发，在本发明的实施方式中，Ti量为0.01％以上。Ti量优选为0.02％以上，更优选为0.03％以上。但是，若过剩地含有Ti，则导致高成本，因此Ti量为0.1％以下。Ti量优选为0.09％以下，更优选为0.08％以下。
B是提高淬火性而使强度提高，并且提高晶界强度，使接触疲劳寿命提高的元素。为了发挥这样的效果，在本发明的实施方式中，B量为0.0005％以上。B量优选为0.0010％以上，更优选为0.0012％以上。但是，即使过剩地含有B，效果也是饱和，并生成BN，反而使热加工性恶化。因此在本发明的实施方式中，B量为0.005％以下。B量优选为0.004％以下，更优选为0.003％以下。
N与钢中的Al、Ti和Nb结合，形成微细的碳氮化物，是借助钉扎效应而在碳氮共渗处理时抑制晶粒粗大化的元素。为了有效地发挥这样的效果，N量优选为0.001％以上，更优选为0.003％以上。但是，若过剩地含有N，则形成BN而使钢的淬火性降低，因此不能改善接触疲劳寿命。因此在本发明的实施方式中，N量为0.01％以下。N量优选为0.009％以下，更优选为0.008％以下。
上述钢材的基本成分如上所述，余量实质上是铁。但是，当然允许由原材料、物资、制造设备等混入的不可避免的杂质包含在钢中。
本发明的实施方式的碳氮共渗用钢材，除了上述元素以外，作为其他的元素，以质量％计也可以还含有如下等元素：
(a)从Nb：高于0％并在0.1％以下、V：高于0％并在0.5％以下和Hf：高于0％并在0.1％以下中选择的至少一种；
(b)从Cu：高于0％并在1％以下、和Ni：高于0％并在2％以下中选择的至少一种；
(c)从Ca：高于0％并在0.005％以下、Mg：高于0％并在0.005％以下、Zr：高于0％并在0.005％以下、Te：高于0％并在0.10％以下、和REM：高于0％并在0.02％以下中选择的至少一种；
(d)从Pb：高于0％并在0.10％以下、Bi：高于0％并在0.10％以下和Sb：高于0％并在0.1％以下中选择的至少一种。
(a)Nb、V和Hf均是与钢中的C和N结合而形成碳氮化物的元素。在碳氮共渗处理时生成的粗大的碳氮化物，会对于接触疲劳寿命造成不利影响，但对于在碳氮共渗处理前生成的微细的碳氮化物具有借助钉扎效应而防止碳氮共渗处理时晶粒粗大化的作用。因此，Nb、V和Hf可以单独含有或含有两种以上。
为了有效地发挥这样的效果，Nb量优选为0.01％以上，更优选为0.015％以上，进一步优选为0.020％以上。V量优选为0.01％以上，更优选为0.05％以上，进一步优选为0.10％以上。Hf量优选为0.01％以上，更优选为0.02％以上，进一步优选为0.03％以上。
但是，即使过剩地含有Nb、V和Hf，晶粒粗大化防止效果也是饱和，并且反而使接触疲劳寿命恶化。另外，造成高成本。因此在本发明的实施方式中，Nb量优选为0.1％以下，更优选为0.09％以下，进一步优选为0.08％以下。V量优选为0.5％以下，更优选为0.45％以下，进一步优选为0.40％以下。Hf量优选为0.1％以下，更优选为0.09％以下，进一步优选为0.08％以下。
(b)Cu和Ni是提高淬火性而使接触疲劳寿命提高的元素。Cu和Ni能够单独使用或两种并用。
为了有效地发挥这样的效果，Cu量优选为0.01％以上，更优选为0.05％以上，进一步优选为0.10％以上。Ni量优选为0.01％以上，更优选为0.1％以上，进一步优选为0.5％以上。但是，若过剩地含有Cu和Ni，则造成高成本。从这一观点出发，Cu量优选为1％以下，更优选为0.7％以下，进一步优选为0.5％以下。Ni量优选为2％以下，更优选为1.9％以下，进一步优选为1.8％以下。
(c)Ca、Mg、Zr、Te和REM(Rare Earth Metal；稀土类元素)均是使被切削性提高的元素。特别是Te和REM抑制MnS的伸长，从而是有助于被切削性提高的元素。Ca、Mg、Zr、Te和REM能够单独使用或两种以上并用。
从这一观点出发，Ca量优选为0.0001％以上，更优选为0.0005％以上，进一步优选为0.0010％以上。Mg量优选为0.0001％以上，更优选为0.0005％以上，进一步优选为0.0010％以上。Zr量优选为0.0001％以上，更优选为0.0005％以上，进一步优选为0.0010％以上。Te量优选为0.001％以上，更优选为0.01％以上，进一步优选为0.03％以上。REM量优选为0.0001％以上，更优选为0.001％以上，进一步优选为0.005％以上。
但是，若过剩地含有，则接触疲劳寿命降低。因此在本发明的实施方式中，Ca量优选为0.005％以下，更优选为0.004％以下，进一步优选为0.003％以下。Mg量优选为0.005％以下，更优选为0.0045％以下，进一步优选为0.0040％以下。Zr量优选为0.005％以下，更优选为0.004％以下，进一步优选为0.003％以下。Te量优选为0.10％以下，更优选为0.07％以下，进一步优选为0.05％以下。REM量优选为0.02％以下，更优选为0.019％以下，进一步优选为0.018％以下。
还有，在本发明的实施方式中，所谓REM，是包含镧系元素(从La到Lu的15种元素)和Sc(钪)及Y(钇)的意思。
(d)Pb、Bi和Sb均是使被切削性提高的元素。Pb、Bi、Sb能够单独使用或两种以上并用。
从这一观点出发，Pb量优选为0.001％以上，更优选为0.002％以上，进一步优选为0.003％以上。Bi量优选为0.001％以上，更优选为0.002％以上，进一步优选为0.003％以上。Sb量优选为0.001％以上，更优选为0.0015％以上，进一步优选为0.0020％以上。但是，若过剩地含有，则接触疲劳寿命降低。因此在本发明的实施方式中，Pb量优选为0.10％以下，更优选为0.08％以下，进一步优选为0.06％以下。Bi量优选为0.10％以下，更优选为0.08％以下，进一步优选为0.05％以下。Sb量优选为0.1％以下，更优选为0.08％以下，进一步优选为0.05％以下。
以上，对于本发明的实施方式的碳氮共渗用钢材的成分组成进行了说明。
在本发明的实施方式中，也包括使用上述碳氮共渗用钢材的碳氮共渗零件。上述碳氮共渗零件中，存在于零件表层的碳氮化物的合计面积率为0％以上且5％以下。若在零件表层大量存在碳氮化物，则在严酷的滑动环境下受到高负荷，内部剪切应力变大时，碳氮化物会成为龟裂发生的起点，剥落损伤得以促进，接触疲劳寿命降低。因此在本发明的实施方式中，存在于零件表层的碳氮化物的合计面积率为5％以下。碳氮化物的合计面积率优选为4％以下，更优选为3％以下。碳氮化物的合计面积率最优选为0％。
上述所谓零件表层，意思是以零件表面为基准时，从深度25μm位置到深度50μm位置为止的区域。
上述碳氮化物的合计面积率，使用扫描型电子显微镜，观察距零件表面的深度为25～50μm的区域，测量观察视野内存在的碳氮化物的面积，将其合计，计算相对于观察视野的碳氮化物的合计面积率即可。观察视野数，例如为5个视野以上即可。
在本发明的实施方式中，将显微镜观察中观察为粒状的析出物判断为碳氮化物。若以能量色散型X射线光谱法(Energy Dispersive X－ray Spectroscopy；EDX)等分析这种形状的析出物，则通常可检测出是从Mn、Cr和Al所构成的群中选择的至少一种。即，本发明的实施方式的碳氮化物，通常包含从Mn、Cr和Al所构成的群中选择的至少一种。
本发明的实施方式的碳氮共渗零件，在利用电子探针显微分析仪(ElectronProbe Micro Analyser；EPMA)，对于从距零件表面至深度25μm位置的区域，在从表面朝向深度方向，以5μm间隔测量C量和N量，并求得平均值时，优选平均C量为0.4～1％，平均N量为0.2～0.6％。通过碳氮共渗处理零件表面被导入C原子和N原子，由此零件表面的硬度提高，并且软化阻抗提高。其结果是接触疲劳寿命变高。若上述平均C量低于0.4％，则马氏体的硬度无法充分提高，接触疲劳寿命的改善不充分。因此在本发明的实施方式中，零件表面的平均C量优选为0.4％以上。平均C量更优选为0.45％以上，进一步优选为0.50％以上。但是，若过剩地含有C，则残留奥氏体的生成量增加，或粗大的碳化物析出，接触疲劳寿命降低。因此在本发明的实施方式中，平均C量优选为1％以下。平均C量更优选为0.9％以下，进一步优选为0.8％以下。
若上述平均N量低于0.2％，则固溶N量变少，滑动时Fe4N不析出，因此接触疲劳寿命的改善不充分。因此在本发明的实施方式中，零件表面的平均N量优选为0.2％以上。平均N量更优选为0.25％以上，进一步优选为0.30％以上。但是，若过剩地含有N，则合金成分的氮化物析出，接触疲劳寿命的改善不充分。因此在本发明的实施方式中，平均N量优选为0.6％以下。平均N量更优选为0.55％以下，进一步优选为0.50％以下。
上述C量和N量能够通过控制碳氮共渗处理的条件进行调整。
接下来，对于本发明的实施方式的碳氮共渗用钢材的制造方法进行说明。
本发明的实施方式的碳氮共渗用钢材，能够对于遵循常规方法熔炼得到的钢，遵循常规方法进行铸造、开坯轧制和终轧来制造。具体来说，将铸造得到的铸片，以1100～1300℃加热保持30分钟～5小时间后，进行开坯轧制即可。开坯轧制后的钢片，例如，使平均冷却速度为0.01～5℃/秒而冷却至A1点以下的温度，再以800～1100℃下加热保持的状态进行终轧，再使平均冷却速度为0.01～5℃/秒而冷却至室温，由此能够得到本发明的实施方式的钢材。
本发明的实施方式的钢材的形状，例如是棒钢，直径例如为20～50mm。
对于上述钢材，遵循常规方法，通过从切削、冷锻和热锻所构成的群中选择的一种以上的方法进行加工而成为中间品，对于该中间品实施碳氮共渗处理，由此能够制造本发明的实施方式的碳氮共渗零件。
在进行上述碳氮共渗处理之前，也可以根据需要，遵循常规方法实施退火处理、固溶处理和正火处理。
上述碳氮共渗处理的条件没有特别限定，能够适用公知的条件。具体来说，其进行在碳势CP为0.5～1.0质量％，含有NH3以体积分率计为2～15％的丙烷气氛围中，以800～1000℃保持30分钟～6小时即可。碳氮共渗处理后，遵循常规方法进行淬火，再加热至100～300℃并保持30分钟～3小时而进行回火即可。
上述碳氮共渗处理，也可以在渗碳处理之后进行碳氮共渗处理。例如，也可以作为渗碳处理，使碳势CP为0.5～1.0质量％，以850～1000℃保持30分钟～3小时之后，作为碳氮共渗处理，在使碳势CP为0.5～1.0质量％，含有NH3以体积分率计为2～15％的丙烷气氛围中，以800～900℃保持30分钟～3小时。还有，上述渗碳处理也可以分成2次以上进行。加热至上述碳氮共渗处理的温度时的气氛，是碳氮共渗气氛即可。
碳氮共渗方法没有特别限定，例如，能够采用气体碳氮共渗、真空碳氮共渗等公知的方法。真空碳氮共渗时的真空度，例如，0.01MPa左右以下即可。
上述碳氮共渗处理后，也可以根据需要，遵循常规方法实施研磨、润滑被膜处理或喷丸硬化处理等。
经碳氮共渗处理而得到的碳氮共渗零件，例如，能够适用于齿轮、轴承、轴、CVT滑轮等的动力传动零件等。
【实施例】
以下，列举实施例更具体地说明本发明的一例，但本发明不受下述实施例限制，在能够符合前述和后述的宗旨的范围，当然也可以加以变更实施，这些均包含在本发明的技术范围内。
以小型熔炉熔炼下述表1和表2所示的成分组成的钢(余量是铁和不可避免的杂质)，制造钢锭。在下述表1和表2中，“－”是未检测出的意思。
以1100～1300℃将所得到的钢锭加热保持30～120分钟后，进行热锻而成为φ32mm的棒钢，再进行固溶处理：以1250℃加热保持60分钟，放冷后，进一步进行正火处理：以900℃加热保持60分钟。固溶处理模拟实机的开坯轧制，正火处理模拟实机的终轧。
将经过正火处理而得到的φ32mm的钢材加工成图1所示的形状的试验片。还有，试验片为圆筒状。
接着，对于所得到的试验片，以气体渗碳炉进行碳氮共渗处理。具体来说，首先，作为渗碳处理，使碳势CP为0.9质量％而以930℃保持90分钟后，接着使碳势CP为0.75质量％而以930℃保持60分钟。其次，保持60分钟后，降温至850℃，作为碳氮共渗处理，在碳势CP为0.75以质量％，并含有NH3气以体积分率计为12％的RX气体气氛中保持2小时之后进行油淬火。油淬火后，再加热至170℃并保持2小时之后放冷，由此进行回火。为了除去碳氮共渗处理后的淬火回火中的热处理应变，研磨φ24mm的夹持部。
对于碳氮共渗处理后经淬火回火而得到的试验片，测量存在于零件表层的碳氮化物的合计面积率。用图2A和图2B说明测量步骤。
首先，如图2A中虚线所示，沿相对于轴向垂直的方向切断上述图1所示的试验片的φ26mm部分。其后，如图2B所示，以能够观察到切断面D的方式埋入树脂R，研磨切断面D后，用苦味酸进行腐蚀，实施Au蒸镀。图2B所示的箭头表示观察方向。
对于上述切断面D中上述试验片的表面S(即，试验片的圆周面)，在从深度25μm位置至深度50μm位置为止的区域，用扫描型电子显微镜以观察倍率4000倍观察视野200μm×150μm，对任意的5个视野进行观察。对于拍摄的照片进行图像分析，计算各视野中观察到的碳氮化物的合计面积率，求得平均值。结果显示在下述表1和表2中。还有，在本发明的一例中，观察视野内确认到的粒状的析出物判断为碳氮化物。
作为参考，通过能量色散型X射线光谱法(EDX)测量在观察视野内确认到的粒状的析出物的成分组成。对于下述表2所示的No.31，拍摄上述切断面的附图代用照片显示在图3中。
对于图3中由箭头表示的粒状的析出物，以EDX测量的光谱显示在
图4中。
由图4可知，粒状的析出物是含有Cr的碳氮化物。还有，在图4所示的EDX光谱上，也检测出Au，但该Au是来自于使析出物容易观察到而使之蒸镀在切断面上的Au。
其次，对于在碳氮共渗处理后经淬火回火而得到的试验片，测量从零件表面到深度25μm位置为止的区域(零件表面)中的C量和N量。
C量和N量的测量，是在研磨观察了析出物之后的试验片表面(即，切断面)后，使用电子探针显微分析仪(EPMA)，从试验片的表面(即，试验片的圆周面)朝向深度方向(即，轴的中心方向)直至深度25μm位置为止，以5μm间隔进行。计算测量结果的平均值，计算平均C量和平均N量。结果显示在下述表1和表2中。
接着，对于在碳氮共渗处理后经淬火回火得到的试验片，使用コマツエンジニアリング株式会社制的“RP－201型滚轴点蚀试验机”，测量接触疲劳寿命。
图5中，作为试验时的外观，显示试验片1与载荷滚动轴承2接触，一边滑动一边滚动的情况。图5的3表示滑动部。
载荷滚动轴承2使用JIS G4805所规定的高碳铬钢SUJ2，试验油使用市售的自动机润滑油。测量条件为，试验表面压力：3.5GPa，滑动率：－40％和转速：1000rpm。试验表面压力为3.5GPa，是模拟严酷的滑动环境。
测量因剥离损伤导致试验机停止的转速，将该转速作为接触疲劳寿命。转速达到2000万次时，在该时刻停止试验。各钢种对各2个进行试验，求得平均值。结果显示在下述表1和表2中。在下述表1和表2中，αE+β意思是α×10β。
在本发明的一例中，上述转速在1000万次以上时为合格，接触疲劳寿命评价为优异。
基于下述表1和表2，能够进行如下考察。
No.1～23是满足本发明中规定的要件的例子，接触疲劳寿命评价试验中的转速为1000万次以上，可知接触疲劳寿命优异。
No.24～45是不满足本发明中规定的某个要件的例子，不能改善接触疲劳寿命。详情如下。
No.24是C量过少的例子，不能改善接触疲劳寿命。
No.25是Si量过少的例子，不能改善接触疲劳寿命。
No.26和27是Mn量过多的例子，因为碳氮共渗处理时碳氮化物过剩地生成，所以不能改善接触疲劳寿命。
No.28是P量过多的例子，不能改善接触疲劳寿命。
No.29是S量过多的例子，不能改善接触疲劳寿命。
No.30和31是Cr量过多的例子，因为碳氮共渗处理时碳氮化物过剩地生成，所以不能改善接触疲劳寿命。
No.32是Mo量过少的例子，不能改善接触疲劳寿命。
No.33和34是Al量过多的例子，因为碳氮共渗处理时碳氮化物过剩地生成，所以不能改善接触疲劳寿命。
No.35是不含Ti的例子，不能改善接触疲劳寿命。
No.36是不含B的例子，不能改善接触疲劳寿命。
No.37是N量过多的例子，不能改善接触疲劳寿命。
No.38是Ca量过多的例子，不能改善接触疲劳寿命。
No.39是Mg量过多的例子，不能改善接触疲劳寿命。
No.40是Zr量过多的例子，不能改善接触疲劳寿命。
No.41是Te量过多的例子，不能改善接触疲劳寿命。
No.42是REM量过多的例子，不能改善接触疲劳寿命。
No.43是Pb量过多的例子，不能改善接触疲劳寿命。
No.44是Bi量过多的例子，不能改善接触疲劳寿命。
No.45是Sb量过多的例子，不能改善接触疲劳寿命。
本说明书的公开内容包括以下的方式。
方式1：
一种碳氮共渗用钢材，其特征在于，以质量％计含有
C：0.15～0.3％、
Si：0.5～1.5％、
Mn：0.2～0.5％、
P：高于0％并在0.03％以下、
S：高于0％并在0.03％以下、
Cr：0.2～0.8％、
Mo：0.25～1％、
Al：0.01～0.08％、
Ti：0.01～0.1％、
B：0.0005～0.005％、和
N：高于0％并在0.01％以下，
余量由铁和不可避免的杂质构成。
方式2：
根据方式1所述的碳氮共渗用钢材，其中，作为其他的元素，以质量％计还含有从
Nb：高于0％并在0.1％以下、
V：高于0％并在0.5％以下、和
Hf：高于0％并在0.1％以下中选择的至少一种。
方式3：
根据方式1或2所述的碳氮共渗用钢材，其中，作为其他的元素，以质量％计还含有从
Cu：高于0％并在1％以下，和
Ni：高于0％并在2％以下中选择的至少一种。
方式4：
根据方式1～3中任一项所述的碳氮共渗用钢材，其中，作为其他的元素，以质量％计，还含有从
Ca：高于0％并在0.005％以下、
Mg：高于0％并在0.005％以下、
Zr：高于0％并在0.005％以下、
Te：高于0％并在0.10％以下、和
REM：高于0％并在0.02％以下中选择的至少一种。
方式5：
根据方式1～4中任一项所述的碳氮共渗用钢材，其中，作为其他的元素，以质量％计，还含有从
Pb：高于0％并在0.10％以下、
Bi：高于0％并在0.10％以下、和
Sb：高于0％并在0.1％以下中选择的至少一种。
方式6：
一种碳氮共渗零件，是使用方式1～5中任一项所述的碳氮共渗用钢材的碳氮共渗零件，其特征在于，
距零件表面的深度为25～50μm的区域中的碳氮化物的合计面积率为0％以上且5％以下。
方式7：
一种碳氮共渗零件的制造方法，其特征在于，对于方式1～5中任一项所述的碳氮共渗用钢材实施碳氮共渗处理。
本申请伴随以申请日为2016年1月13日的日本国专利申请，特愿第2016－004567号为基础申请的优先权主张。特愿第2016－004567号通过参照编入本说明书。
【符号的说明】
1 试验片
2 载荷滚动轴承
3 滑动部
D 切断面
R 树脂
S 试验片的表面

Claims (7)

1.一种碳氮共渗用钢材，其特征在于，以质量％计，含有
C：0.15～0.3％、
Si：0.5～1.5％、
Mn：0.2～0.5％、
P：高于0％并在0.03％以下、
S：高于0％并在0.03％以下、
Cr：0.2～0.8％、
Mo：0.25～1％、
Al：0.01～0.08％、
Ti：0.01～0.1％、
B：0.0005～0.005％、和
N：高于0％并在0.01％以下，
余量由铁和不可避免的杂质构成。
2.根据权利要求1所述的碳氮共渗用钢材，其中，作为其他的元素，以质量％计还含有从
Nb：高于0％并在0.1％以下，
V：高于0％并在0.5％以下，和
Hf：高于0％并在0.1％以下中选择的至少一种。
3.根据权利要求1所述的碳氮共渗用钢材，其中，作为其他的元素，以质量％计还含有从
Cu：高于0％并在1％以下、和
Ni：高于0％并在2％以下中选择的至少一种。
4.根据权利要求1所述的碳氮共渗用钢材，其中，作为其他的元素，以质量％计还含有从
Ca：高于0％并在0.005％以下、
Mg：高于0％并在0.005％以下、
Zr：高于0％并在0.005％以下、
Te：高于0％并在0.10％以下、和
REM：高于0％并在0.02％以下中选择的至少一种。
5.根据权利要求1所述的碳氮共渗用钢材，其中，作为其他的元素，以质量％计还含有从
Pb：高于0％并在0.10％以下、
Bi：高于0％并在0.10％以下、和
Sb：高于0％并在0.1％以下中选择的至少一种。
6.一种碳氮共渗零件，其特征在于，是使用权利要求1～5中任一项所述的碳氮共渗用钢材的碳氮共渗零件，距零件表面的深度为25～50μm的区域中的碳氮化物的合计面积率为0％以上且5％以下。
7.一种碳氮共渗零件的制造方法，其特征在于，对于权利要求1～5中任一项所述的碳氮共渗用钢材实施碳氮共渗处理。
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