JP2007217761A - 低サイクル疲労強度に優れた肌焼鋼 - Google Patents
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Abstract
【課題】高負荷または衝撃的な負荷が生じる歯車等の機械構造部品の素材として、低サイクル疲労強度を飛躍的に改善することのできる肌焼鋼を提供する。
【解決手段】本発明の肌焼鋼は、所定の化学成分組成を満たし、下記（１）式で規定される指数Ｄ１が５０〜３５０の範囲にあると共に、抽出残渣法によって得られる０．６μｍメッシュ以下の、ＮｂおよびＴｉの少なくともいずれかを含む単独析出物残渣若しくは複合析出物残渣中のＮｂおよびＴｉの合計含有量が０．００８％以上である。
Ｄ１＝（３６．０×［Ｃ］＋１．８）×（３．５×［Ｍｎ］＋０．９）
×（２．２×［Ｃｒ］＋１．０） …（１）
但し、［Ｃ］，［Ｍｎ］および［Ｃｒ］は、夫々Ｃ，ＭｎおよびＣｒの含有量（質量％）を示す。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の肌焼鋼は、所定の化学成分組成を満たし、下記（１）式で規定される指数Ｄ１が５０〜３５０の範囲にあると共に、抽出残渣法によって得られる０．６μｍメッシュ以下の、ＮｂおよびＴｉの少なくともいずれかを含む単独析出物残渣若しくは複合析出物残渣中のＮｂおよびＴｉの合計含有量が０．００８％以上である。
Ｄ１＝（３６．０×［Ｃ］＋１．８）×（３．５×［Ｍｎ］＋０．９）
×（２．２×［Ｃｒ］＋１．０） …（１）
但し、［Ｃ］，［Ｍｎ］および［Ｃｒ］は、夫々Ｃ，ＭｎおよびＣｒの含有量（質量％）を示す。
【選択図】図１
Description
本発明は、各種構造部品に使用される鋼材のうち、疲労強度を改善するために浸炭、浸炭・窒化、高濃度浸炭等の表面硬化処理（大気圧、低圧、真空、プラズマ雰囲気のいずれをも含む）を施して使用され、表面硬度が必要な例えば自動車用変速機や差動装置をはじめとする各種歯車伝達装置への利用を目的とする肌焼鋼に関するものであり、特に低サイクル疲労強度に優れた部品を製造するために用いられる肌焼鋼に関するものである。以下では、歯車への適用を代表的なものとして取り上げて説明するが、本発明の肌焼鋼の適用対象は歯車に限らず、表面硬化処理によって製造される部品で特に低サイクル疲労強度が重視されるシャフトやその他の機械構造用部品にも適用できるものである。
エンジンの高出力化や部品の軽量化の要求に対応して、自動車の変速機や差動機等で用いられている歯車のように、浸炭処理や浸炭・窒化処理等の表面硬化処理が施されて製造される部品には、疲労強度の向上が強く求められている。
歯車における疲労強度を向上するに当っては、これまでは応力の繰り返し数が１０５回を超えるような高サイクル領域での曲げ疲労強度（以下、「高サイクル疲労強度」と呼ぶ）が重要視されてきた。こうした技術として、例えば特許文献１には、Ｍｏ含有量を増大させることによって、表面硬化層の不完全焼入れ層の低減を図り、これによって高サイクル疲労強度の向上を図ることが提案されている。
一方、応力の繰り返し数が１０３回以下であるような低サイクル領域における、高負荷または衝撃的な負荷に基づく巨視的歪を伴う曲げ疲労強度（以下、「低サイクル疲労強度」と呼ぶ）の向上に関しては、上記高サイクル疲労強度とは異なった配慮が必要となる。こうした技術として、例えば特許文献２には、ＰおよびＳの低減と、ＭｏおよびＶを添加することによって、衝撃特性向上を図った技術が提案されている。また特許文献３には、ＰおよびＣｒの低減と、Ｂを添加することによる粒界強度向上を図った技術が提案されている。更に、特許文献４には、Ｍｏ添加量を増大すると共に、合金元素に基づく塑性変形抵抗値と粒界強度の関係を規定することによって疲労強度の向上を図った技術が提案されている。
特開昭６１−２５３３４６号公報、特許請求の範囲等
特開平１−２４７５６１号公報、特許請求の範囲
特許第２０９０９５７号公報 特許請求の範囲等
特開平１０−２５９４５０号公報 特許請求の範囲等
これまで提案されてきた技術は、いずれも基本的には化学成分組成を適切に調整して、衝撃特性、粒界強度若しくは塑性変形抵抗能等を向上することによって、低サイクル疲労強度の向上を目指したものである。しかしながら、近年における歯車の小型化に伴う負荷が増大する状況の下では、これまで提案されてきた技術では十分対応することができず、低サイクル疲労強度を飛躍的に改善する技術が求められているのが実情である。
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、高負荷または衝撃的な負荷が生じる歯車等の機械構造部品の素材として、低サイクル疲労強度を飛躍的に改善することのできる肌焼鋼を提供することにある。
上記課題を解決することのできた本発明に係る肌焼鋼は、
質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０３〜１．５０％、
Ｍｎ：０．２０〜１．８０％、
Ｐ ：０．０３０％以下（０％を含まない）、
Ｓ ：０．０３０％以下（０％を含まない）、
Ｃｒ：０．３０〜２．５０％、
Ａｌ：０．０８０％以下（０％を含なまい）、
Ｎｂ：０．０５〜０．３０％
Ｔｉ：０．０５〜０．１０％、
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、
Ｎ ：０．０１５０％以下（０％を含まない）、
Ｏ ：０．００４０％以下（０％を含まない）、
を満たし、残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、下記（１）式で規定される値Ｄ１が５０〜３５０の範囲にあると共に、抽出残渣法によって得られる０．６μｍメッシュ以下の、ＮｂおよびＴｉの少なくともいずれかを含む単独析出物残渣若しくは複合析出物残渣中に含まれるＮｂおよびＴｉの合計含有量が０．００８％以上である点に要旨を有するものである。
Ｄ１＝（３６．０×［Ｃ］＋１．８）×（３．５×［Ｍｎ］＋０．９）
×（２．２×［Ｃｒ］＋１．０） …（１）
但し、［Ｃ］，［Ｍｎ］および［Ｃｒ］は、夫々Ｃ，ＭｎおよびＣｒの含有量（質量％）を示す。
質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０３〜１．５０％、
Ｍｎ：０．２０〜１．８０％、
Ｐ ：０．０３０％以下（０％を含まない）、
Ｓ ：０．０３０％以下（０％を含まない）、
Ｃｒ：０．３０〜２．５０％、
Ａｌ：０．０８０％以下（０％を含なまい）、
Ｎｂ：０．０５〜０．３０％
Ｔｉ：０．０５〜０．１０％、
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、
Ｎ ：０．０１５０％以下（０％を含まない）、
Ｏ ：０．００４０％以下（０％を含まない）、
を満たし、残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、下記（１）式で規定される値Ｄ１が５０〜３５０の範囲にあると共に、抽出残渣法によって得られる０．６μｍメッシュ以下の、ＮｂおよびＴｉの少なくともいずれかを含む単独析出物残渣若しくは複合析出物残渣中に含まれるＮｂおよびＴｉの合計含有量が０．００８％以上である点に要旨を有するものである。
Ｄ１＝（３６．０×［Ｃ］＋１．８）×（３．５×［Ｍｎ］＋０．９）
×（２．２×［Ｃｒ］＋１．０） …（１）
但し、［Ｃ］，［Ｍｎ］および［Ｃｒ］は、夫々Ｃ，ＭｎおよびＣｒの含有量（質量％）を示す。
本発明の肌焼鋼には、上記化学成分組成に対して更にＭｏ：０．５０％以下（０％を含まない）を含有させることも極めて有用であるが、この場合には上記（１）式に代えて下記（２）式で規定され値Ｄ２が５０〜３５０の範囲にあるように制御する必要がある。
Ｄ２＝（３６．０×［Ｃ］＋１．８）×（３．５×［Ｍｎ］＋０．９）
×（２．２×［Ｃｒ］＋１．０）×（０．７２×［Ｍｏ］＋１．０） …（２）
但し、［Ｃ］，［Ｍｎ］，［Ｃｒ］および［Ｍｏ］は、夫々Ｃ，Ｍｎ，ＣｒおよびＭｏの含有量（質量％）を示す。
Ｄ２＝（３６．０×［Ｃ］＋１．８）×（３．５×［Ｍｎ］＋０．９）
×（２．２×［Ｃｒ］＋１．０）×（０．７２×［Ｍｏ］＋１．０） …（２）
但し、［Ｃ］，［Ｍｎ］，［Ｃｒ］および［Ｍｏ］は、夫々Ｃ，Ｍｎ，ＣｒおよびＭｏの含有量（質量％）を示す。
本発明の肌焼鋼材には、その他必要によって（ａ）Ｎｉ：０．１〜２．０％、（ｂ）Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、（ｃ）Ｐｂ：０．１０％以下（０％を含まない）および／またはＢｉ：０．１０％以下（０％を含まない）、（ｄ）Ｃａ：０．０１０％以下（０％を含まない）、（ｅ）Ｚｒ：０．２０％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．２０％以下（０％を含まない）およびＷ：０．２０％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種または２種以上の元素、等を含有させることも有効であり、含有させる元素の種類に応じて肌焼鋼の特性が更に改善される。
本発明によれば、歯車の強度を高めるためにＢ添加鋼を基本とし、歯断面の硬さ向上に関係の深いＣ，Ｍｎ，Ｃｒ、必要によってＭｏ等の量を規定すると共に、破壊を助長する結晶粒粗大化を抑制するために、ＮｂやＴｉを含む炭化物、窒化物、炭窒化物の析出サイズ、量を規定することによって、低サイクル疲労強度に優れた肌焼鋼が実現でき、こうした肌焼鋼は各種機械部品用の素材として有用である。
本発明者らは、高負荷または衝撃的な負荷に対して低サイクル疲労強度が低かった歯車の破壊形態を詳細に検討したところ、歯車の歯先頂上部が押し潰され（以下、この現象を「圧壊」と呼ぶ）、同部位を起点に亀裂が進展または歯面に剥離損傷が起こり、如いては歯面中央部近傍から折損に至ることが判明した。
本発明者らは、こうした現象を抑制する手段について様々な角度から検討した結果、歯先頂上部の圧壊を防止するためには、歯断面の硬さを上げることが必要であり、鋼材の焼入れ性と相関の高いことを明らかにした。そのためには、焼入れ性を高め衝撃性も改善したＢ添加鋼を基本とし、加えて焼入れ性を高めるＣ，Ｍｎ，Ｃｒ量を前記（１）式の様に、或はこれらの元素にＭｏ量を加えて前記（２）式のように規定した値Ｄ１またはＤ２（以下、これらの値を「耐圧壊指数Ｄ１またはＤ２」と呼ぶ）が、５０以上となるように制御すれば、圧壊を抑制できることが判明した。但し、耐圧壊性を高めるあまり、上記元素量を高め過ぎると、歯根元からの疲労折損強度が低下し、結果的に低サイクル疲労強度を低下させることになるので、（１）式および（２）式の値の上限を３５０以下とした。尚、前記（１）式および（２）式は、Ｃ、ＭｎおよびＣｒに加えてＭｏの焼入れ性倍数を指数化したものであり、鋼材の焼入れのし易さを示したものである。
一方、最近の歯車の製造方法として、鍛造は熱間鍛造から冷間鍛造化による強加工化、および浸炭温度は１０００℃前後まで高温化しており、浸炭等の表面硬化処理後の結晶粒が粗大化する傾向にある。そのため、歯車の歯先頂上部の圧壊から発生した亀裂の進展や歯面の剥離損傷、如いては歯中央部近傍からの疲労折損を助長し、低サイクル疲労強度の大きな低下要因となる。
こうした状況に対して、従来ではＡｌ、Ｎｂ、Ｎの量を増大させることによって窒化物を析出させ、結晶粒粗大化を抑制することも行なわれていたのであるが、こうした技術では上述したような冷間鍛造による強加工化や高温浸炭には対応できず、結晶粒粗大化の駆動力を抑えきれない状況にある。
そこで、本発明では、ＮｂおよびＴｉを複合添加し、Ｎ含有量を低減することによって、炭化物、窒化物、炭窒化物等の析出物を微細且つ多量に生成させることが有効であることを突き止めた。そして、こうした析出状態を判別するための具体的な評価基準として、抽出残渣法によって得られる０．６μｍメッシュ以下の、ＮｂおよびＴｉの少なくともいずれかを含む単独析出物（ＮｂＣ、ＮｂＮ、ＮｂＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ）残渣若しくは複合析出物［（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｃ、（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｎ、（Ｎｂ，Ｔｉ）（ＣＮ）］残渣中に含まれるＮｂおよびＴｉの合計含有量が０．００８％以上となるようにすれば良いことを見出した。
尚、上記「０．６μｍメッシュ以下」とは、目開きが０．６μｍメッシュのフィルターによって透過する残渣（析出物）を意味する。但し、目開き０．１μｍメッシュのフィルターによって捕集されるものである。
上記の様な微細なＮｂ，Ｔｉを含む炭化物、窒化物、炭窒化物を微細析出させるためには、下記に詳述する化学成分組成を満足する鋼を、溶解してから凝固に至るまでの冷却速度を適切に制御することが重要であり、できるだけ速い冷却速度で凝固させる必要がある。こうした観点から、鋳造品中心部の冷却速度が１３００℃以上を１５℃／分以上、好ましくは１８℃／分以上で凝固させることが有効である。尚、冷却速度を速くする手段については、連続鋳造機の場合では、ピンチロールの引抜き速度の上昇等が挙げられる。
その他の条件についても限定されないが、例えば鋳造後の分塊圧延前の均熱条件（溶体化処理条件）は、１２００〜１３５０℃の温度域で３０分以上とすることが好ましい。こうした温度域で熱処理を行なうことによって、鋳造後に析出した粗大な複合炭・窒化物を溶解させることができ、次工程以降で微細な析出物を得るのに有効である。
本発明の肌焼鋼においては、その基本成分も適切に調整する必要があるが、鋼の化学成分の範囲限定理由は下記の通りである。
［Ｃ：０．１０〜０．３０％］
Ｃは機械構造用部品として必要な芯部硬さを確保する上で重要な元素であり、こうした効果を発揮させるためには０．１０％以上含有させる必要がある。しかしＣ含有量が多過ぎると、鋼材の硬さが過度に高くなり過ぎて被削性や冷間鍛造性が低下するので、０．３０％以下に抑える必要がある。Ｃ含有量の好ましい下限は０．１３％であり、好ましい上限は０．２５％である。
Ｃは機械構造用部品として必要な芯部硬さを確保する上で重要な元素であり、こうした効果を発揮させるためには０．１０％以上含有させる必要がある。しかしＣ含有量が多過ぎると、鋼材の硬さが過度に高くなり過ぎて被削性や冷間鍛造性が低下するので、０．３０％以下に抑える必要がある。Ｃ含有量の好ましい下限は０．１３％であり、好ましい上限は０．２５％である。
［Ｓｉ：０．０３〜１．５％］
Ｓｉは表面硬化層の軟化抵抗性の向上に大きく寄与する元素である。こうした効果を発揮させるためには、０．０３％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｓｉ含有量が多くなり過ぎると、機械加工時の被削性や冷間鍛造性が著しく劣化するので、１．５％以下とする必要がある。Ｓｉ含有量の好ましい下限は、０．１％であり、好ましい上限は１．０％とするのが良い。
Ｓｉは表面硬化層の軟化抵抗性の向上に大きく寄与する元素である。こうした効果を発揮させるためには、０．０３％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｓｉ含有量が多くなり過ぎると、機械加工時の被削性や冷間鍛造性が著しく劣化するので、１．５％以下とする必要がある。Ｓｉ含有量の好ましい下限は、０．１％であり、好ましい上限は１．０％とするのが良い。
［Ｍｎ：０．２〜１．８０％］
Ｍｎは脱酸剤として作用し、酸化物系介在物量を低減して鋼部品の内部品質を高めると共に、焼入れ性を向上させて鋼部品の芯部硬さや硬化層深さを高め、部品の強度を確保するのに有効な元素である。こうした作用を十分に発揮させるためには、０．２％以上含有させるのが良い。しかし、Ｍｎ含有量が過剰になると、Ｐの粒界への偏析を助長して粒界強度を低げ、その結果として低サイクル疲労強度を低下させるので、１．８％以下とすべきである。尚、Ｍｎの好ましい下限は０．３％であり、好ましい上限は１．５％である。
Ｍｎは脱酸剤として作用し、酸化物系介在物量を低減して鋼部品の内部品質を高めると共に、焼入れ性を向上させて鋼部品の芯部硬さや硬化層深さを高め、部品の強度を確保するのに有効な元素である。こうした作用を十分に発揮させるためには、０．２％以上含有させるのが良い。しかし、Ｍｎ含有量が過剰になると、Ｐの粒界への偏析を助長して粒界強度を低げ、その結果として低サイクル疲労強度を低下させるので、１．８％以下とすべきである。尚、Ｍｎの好ましい下限は０．３％であり、好ましい上限は１．５％である。
［Ｐ：０．０３０％以下（０％を含まない）］
Ｐは鋼材中に不可避的に含まれる元素（不純物）であり、熱間加工時の割れを助長するので、できるだけ低減することが好ましい。こうした観点から、Ｐの含有量の上限は０．０３０％とした。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２０％であり、より好ましくは０．０１０％以下にするのが良い。
Ｐは鋼材中に不可避的に含まれる元素（不純物）であり、熱間加工時の割れを助長するので、できるだけ低減することが好ましい。こうした観点から、Ｐの含有量の上限は０．０３０％とした。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２０％であり、より好ましくは０．０１０％以下にするのが良い。
［Ｓ：０．０３０％以下（０％を含まない）］
Ｓは、Ｍｎと反応してＭｎＳ介在物を形成し、鋼部品の衝撃強度の異方性を誘発するのでなるべく低減することが好ましい。こうした観点から、Ｓの含有量の上限は０．０３０％とした。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０２０％であり、より好ましくは０．０１０％以下にするのが良い。
Ｓは、Ｍｎと反応してＭｎＳ介在物を形成し、鋼部品の衝撃強度の異方性を誘発するのでなるべく低減することが好ましい。こうした観点から、Ｓの含有量の上限は０．０３０％とした。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０２０％であり、より好ましくは０．０１０％以下にするのが良い。
［Ｃｒ：０．３０〜２．５％］
Ｃｒは鋼材の焼入れ性を高め、安定した硬化層深さや必要な芯部硬さを与えることによって、歯車等の構造部材としての静的強度および疲労強度を確保する上で重要な元素である。こうした作用を発揮させるためには、Ｃｒは０．３０％以上含有させる必要がある。しかし、Ｃｒ含有量が過剰になると、旧γ粒界に偏析して炭化物を形成して、低サイクル疲労強度の低下の要因となるので、２．５％以下とすべきである。Ｃｒ含有量の好ましい下限は、０．８％であり、好ましい上限は２．０％である。
Ｃｒは鋼材の焼入れ性を高め、安定した硬化層深さや必要な芯部硬さを与えることによって、歯車等の構造部材としての静的強度および疲労強度を確保する上で重要な元素である。こうした作用を発揮させるためには、Ｃｒは０．３０％以上含有させる必要がある。しかし、Ｃｒ含有量が過剰になると、旧γ粒界に偏析して炭化物を形成して、低サイクル疲労強度の低下の要因となるので、２．５％以下とすべきである。Ｃｒ含有量の好ましい下限は、０．８％であり、好ましい上限は２．０％である。
［Ａｌ：０．０８０％以下（０％を含まない）］
Ａｌは溶製時に脱酸剤として有効に作用し、また微細な窒化物を形成して焼入れ時の結晶粒粗大化を防止する効果がある。こうした効果は、含有量が増加するにつれて大きくなるが、Ａｌ含有量が過剰になると、酸化物（Ａｌ２Ｏ３）等の非金属介在物が生成し、靭性を劣化させるので、０．０８０％以下に抑えるべきである。Ａｌの好ましい上限は０．０６０％であり、より好ましくは０．０４０％以下にするのが良い。
Ａｌは溶製時に脱酸剤として有効に作用し、また微細な窒化物を形成して焼入れ時の結晶粒粗大化を防止する効果がある。こうした効果は、含有量が増加するにつれて大きくなるが、Ａｌ含有量が過剰になると、酸化物（Ａｌ２Ｏ３）等の非金属介在物が生成し、靭性を劣化させるので、０．０８０％以下に抑えるべきである。Ａｌの好ましい上限は０．０６０％であり、より好ましくは０．０４０％以下にするのが良い。
［Ｎｂ：０．０５〜０．３０％］
Ｎｂは鋼中のＣ，Ｎ，Ｔｉ等と複合して、ＮｂＮ、ＮｂＣ、Ｎｂ（ＣＮ）、（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｃ、（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｎ若しくは（Ｎｂ，Ｔｉ）ＣＮ等を生成し、浸炭時の結晶粒の粗大化を抑制する作用を発揮する。Ｎｂ含有量が０．０５％未満では、十分な析出量が得られず、満足する結晶粒粗大化防止効果が得られない。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．３０％を超えると、鋼の鋳造時に粗大なＮｂ炭窒化物が生成し、衝撃強度を低下させることが懸念される。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．０６％であり、好ましい上限は０．２０％である。
Ｎｂは鋼中のＣ，Ｎ，Ｔｉ等と複合して、ＮｂＮ、ＮｂＣ、Ｎｂ（ＣＮ）、（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｃ、（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｎ若しくは（Ｎｂ，Ｔｉ）ＣＮ等を生成し、浸炭時の結晶粒の粗大化を抑制する作用を発揮する。Ｎｂ含有量が０．０５％未満では、十分な析出量が得られず、満足する結晶粒粗大化防止効果が得られない。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．３０％を超えると、鋼の鋳造時に粗大なＮｂ炭窒化物が生成し、衝撃強度を低下させることが懸念される。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．０６％であり、好ましい上限は０．２０％である。
［Ｔｉ：０．０５〜０．１０％］
Ｔｉは、鋼中のＣ，Ｎ，Ｎｂ等と複合して、ＴｉＮ，ＴｉＣ，Ｔｉ（ＣＮ），（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｃ、（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｎ若しくは（Ｎｂ，Ｔｉ）ＣＮを形成し、浸炭時の結晶粒の粗大化を抑制する作用を発揮する。Ｔｉ含有量が０．０５％未満では、十分な析出量が得られず、満足する結晶粒粗大化防止効果が得られない。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．１０％を超えると、粗大なＴｉＮ介在物が生成し、切削性を低下させる恐れがある。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０９％であり、より好ましくは０．０８％以下とするのが良い。
Ｔｉは、鋼中のＣ，Ｎ，Ｎｂ等と複合して、ＴｉＮ，ＴｉＣ，Ｔｉ（ＣＮ），（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｃ、（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｎ若しくは（Ｎｂ，Ｔｉ）ＣＮを形成し、浸炭時の結晶粒の粗大化を抑制する作用を発揮する。Ｔｉ含有量が０．０５％未満では、十分な析出量が得られず、満足する結晶粒粗大化防止効果が得られない。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．１０％を超えると、粗大なＴｉＮ介在物が生成し、切削性を低下させる恐れがある。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０９％であり、より好ましくは０．０８％以下とするのが良い。
［Ｂ：０．０００５〜０．００５０％］
Ｂは微量で鋼材の焼入性を大幅に高める作用を有しており、しかも結晶粒界を強化して衝撃強度を高める作用も有している。こうした作用は０．０００５％以上添加することで有効に発揮される。しかし、それらの効果は、含有量が０．００５０％を超えると飽和する。またＢ含有量が０．００５０％を超えて過剰になると、Ｂ窒化物が生成し易くなり、これが生成すると冷間および熱間加工が悪くなる。Ｂ含有量のより好ましい下限は０．０００８％であり、好ましい上限は０．００３０％である。
Ｂは微量で鋼材の焼入性を大幅に高める作用を有しており、しかも結晶粒界を強化して衝撃強度を高める作用も有している。こうした作用は０．０００５％以上添加することで有効に発揮される。しかし、それらの効果は、含有量が０．００５０％を超えると飽和する。またＢ含有量が０．００５０％を超えて過剰になると、Ｂ窒化物が生成し易くなり、これが生成すると冷間および熱間加工が悪くなる。Ｂ含有量のより好ましい下限は０．０００８％であり、好ましい上限は０．００３０％である。
［Ｎ：０．０１５０％以下（０％を含まない）］
Ｎは他元素と窒化物を形成し、組織微細化に寄与するが、熱間加工性および延性に悪影響を及ぼすので、０．０１５０％以下にするのが良い。好ましくは０．００８０％以下にするのが良い。
Ｎは他元素と窒化物を形成し、組織微細化に寄与するが、熱間加工性および延性に悪影響を及ぼすので、０．０１５０％以下にするのが良い。好ましくは０．００８０％以下にするのが良い。
［Ｏ：０．００４０％以下（０％を含まない）］
Ｏは鋼材に不可避的に含まれる元素であり、他元素と反応して粗大な酸化物系介在物を生成して鋼材の熱間加工性および延性に悪影響を及ぼすので、できるだけ少なくすることが好ましい。こうした観点からＯ含有量は０．００４０％以下に抑制するのが良い。好ましくは０．００１５％以下にするのが良い。
Ｏは鋼材に不可避的に含まれる元素であり、他元素と反応して粗大な酸化物系介在物を生成して鋼材の熱間加工性および延性に悪影響を及ぼすので、できるだけ少なくすることが好ましい。こうした観点からＯ含有量は０．００４０％以下に抑制するのが良い。好ましくは０．００１５％以下にするのが良い。
本発明の肌焼鋼における必須構成元素は以上の通りであり、残部はＦｅおよび不可避不純物であるが、該鋼材中に上記説明したものの他、歯車部品の特性を阻害しない範囲で不可避的に混入する元素を許容するものである。こうした元素として、Ｍｇ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｔｅ，Ｔａ，Ｃｏ，希土類元素等が挙げられる。
また本発明の肌焼鋼には、必要に応じて、（ａ）Ｎｉ：０．１〜２．０％、（ｂ）Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、（ｃ）Ｐｂ：０．１０％以下（０％を含まない）および／またはＢｉ：０．１０％以下（０％を含まない）、（ｄ）Ｃａ：０．０１０％以下（０％を含まない）、（ｅ）Ｚｒ：０．２０％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．２０％以下（０％を含まない）およびＷ：０．２０％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種または２種以上の元素、等を含有させることも有効であり、含有させる元素の種類に応じて肌焼鋼の特性が更に改善される。これらの成分の範囲限定理由は次の通りである。
［Ｎｉ：０．１〜２．０％］
Ｎｉはマトリックス中に固溶し、靭性を増大させるのに有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、０．１％以上含有させることが好ましい。しかし、Ｎｉの含有量が過剰になると、圧延時にベイナイト或はマルテンサイト組織が発達し、靭性の低下を招くのでその上限は２．０％とすることが好ましい。尚、Ｎｉについても上記Ｃｕと同様に製造工程等で不可避的に混入してくることがあるが、０．１％よりも少なく含む場合には不可避不純物扱いとなる。またＮｉ含有量のより好ましい上限は１．０％である。
Ｎｉはマトリックス中に固溶し、靭性を増大させるのに有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、０．１％以上含有させることが好ましい。しかし、Ｎｉの含有量が過剰になると、圧延時にベイナイト或はマルテンサイト組織が発達し、靭性の低下を招くのでその上限は２．０％とすることが好ましい。尚、Ｎｉについても上記Ｃｕと同様に製造工程等で不可避的に混入してくることがあるが、０．１％よりも少なく含む場合には不可避不純物扱いとなる。またＮｉ含有量のより好ましい上限は１．０％である。
［Ｃｕ：０．１０〜０．５０％以下］
Ｃｕは耐性向上に有効な元素であり、こうした効果を発揮させるためには０．１０％以上含有させることが好ましいが、過剰に含有させると鋼材の熱間加工性および延性が低下して割れや疵が発生し易くなるので０．５０％以下とすべきである。そのため、熱間加工脆性防止という観点から、Ｎｉを併用して含有させることが好ましい。尚、Ｃｕは製造工程等で不可避的に微量に混入してくることがあるが、０．１０％よりも少なく含む場合には不可避不純物扱いとなる。またＣｕ含有量のより好ましい上限は０．３０％である。
Ｃｕは耐性向上に有効な元素であり、こうした効果を発揮させるためには０．１０％以上含有させることが好ましいが、過剰に含有させると鋼材の熱間加工性および延性が低下して割れや疵が発生し易くなるので０．５０％以下とすべきである。そのため、熱間加工脆性防止という観点から、Ｎｉを併用して含有させることが好ましい。尚、Ｃｕは製造工程等で不可避的に微量に混入してくることがあるが、０．１０％よりも少なく含む場合には不可避不純物扱いとなる。またＣｕ含有量のより好ましい上限は０．３０％である。
［Ｐｂ：０．１０％以下（０％を含まない）および／またはＢｉ：０．１０％以下（０％を含まない）］
ＰｂおよびＢｉは、いずれも鋼材の被削性を向上させるのに有効な元素であり、必要によって含有される。しかしながら、過剰に含有させると材料強度が低下するので、いずれも０．１０％以下とすることが好ましい。好ましい下限はいずれも０．０２％であり、より好ましい上限は０．０５％である。
ＰｂおよびＢｉは、いずれも鋼材の被削性を向上させるのに有効な元素であり、必要によって含有される。しかしながら、過剰に含有させると材料強度が低下するので、いずれも０．１０％以下とすることが好ましい。好ましい下限はいずれも０．０２％であり、より好ましい上限は０．０５％である。
［Ｃａ：０．０１０％以下（０％を含まない）］
Ｃａは、鋼材中の硫化物の展伸を抑制して、衝撃特性を向上させると共に、粗大なＴｉ硫化物の生成を抑制して鍛造性を向上させる効果がある。しかしながら、Ｃａ含有量が過剰になって０．０１０％を超えると、粗大なＣａ酸化物が生成し、強度を却って低下させることになる。Ｃａ含有量の好ましい下限は０．０００５％であり、より好ましい上限は０．００３０％である。
Ｃａは、鋼材中の硫化物の展伸を抑制して、衝撃特性を向上させると共に、粗大なＴｉ硫化物の生成を抑制して鍛造性を向上させる効果がある。しかしながら、Ｃａ含有量が過剰になって０．０１０％を超えると、粗大なＣａ酸化物が生成し、強度を却って低下させることになる。Ｃａ含有量の好ましい下限は０．０００５％であり、より好ましい上限は０．００３０％である。
［Ｚｒ：０．２０％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．２０％以下（０％を含まない）およびＷ：０．２０％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種または２種以上］
Ｚｒ、ＶおよびＷは、いずれも炭素および窒素と活性な元素であり、微細な析出物を生成することによって、結晶粒粗大化防止特性を向上させることができるので、いずれも０．２０％以下の範囲で含有させても良い。これらの元素のより好ましい上限は０．１０％である。
Ｚｒ、ＶおよびＷは、いずれも炭素および窒素と活性な元素であり、微細な析出物を生成することによって、結晶粒粗大化防止特性を向上させることができるので、いずれも０．２０％以下の範囲で含有させても良い。これらの元素のより好ましい上限は０．１０％である。
以下、実施例を挙げて本発明の構成および作用効果をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。
小型溶製炉によって、下記表１に示す化学成分組成の鋼材を溶製し、鋳造時の冷却速度（溶解から凝固までの冷却速度）を変えて鋳造した。引き続き１２００℃に加熱し、径：４５ｍｍの鍛伸材を作製し、１２８０℃にて３０分間の溶体化処理を行なった。その後、
９００℃で焼きならし処理を行なった後、球状化処理を施し、径：２８ｍｍまで皮削り加工をした。次に、歯数：１０、モジュール：５の「直ぐ歯かさ歯車」を準備するために、同皮削り材を冷間鍛造、機械加工し、９５０℃にて浸炭処理した。
９００℃で焼きならし処理を行なった後、球状化処理を施し、径：２８ｍｍまで皮削り加工をした。次に、歯数：１０、モジュール：５の「直ぐ歯かさ歯車」を準備するために、同皮削り材を冷間鍛造、機械加工し、９５０℃にて浸炭処理した。
得られた各歯車について、回転数８００ｒｐｍ、トルク６００Ｎ・ｍの低サイクル歯車疲労試験を行ない、寿命を評価すると共に、下記方法によってＮｂおよびＴｉの少なくともいずれかを含む単独析出物残渣若しくは複合析出物の残渣中のＮｂ＋Ｔｉ量（以下、「抽出残渣Ｎｂ＋Ｔｉ量」と呼ぶ）を測定した。
［抽出残渣測定法］
表１の鋼材中に析出する抽出残渣Ｎｂ＋Ｔｉ量は、下記（１）〜（４）の手順に従って抽出残渣法によって、目開き１０μｍメッシュ、３μｍメッシュ、および０．６μｍメッシュのフィルターにて透過させた後、目開き０．１μｍメッシュのフィルターで捕集された残渣中のＮｂおよびＴｉ量を測定した。
（１）１０％アセチルアセトン−１％テトラメチルアンモニウムクロリド−メタノール溶液による電解によって鋼材（鍛伸または圧延材）を溶解し、Ｎｂ，Ｔｉ析出物を表面に露出させる。
（２）超音波によって、エタノール中でＮｂ，Ｔｉ析出物を剥離させ、吸引濾過によってフィルター上にＮｂ，Ｔｉ析出物残渣を捕集する。
（３）捕集した残渣を白金坩堝中に入れてバーナで焼き、炭酸ナトリウムと四硼酸ナトリウムのアルカリ融剤を添加後更に焼き、Ｎｂ，Ｔｉ析出物残渣を含むガラスを作製する。
（４）上記ガラスを塩酸を含む水溶液で溶かし、ＩＣＰ発光分析にて抽出残渣中のＮｂ＋Ｔｉ量を定量した。
表１の鋼材中に析出する抽出残渣Ｎｂ＋Ｔｉ量は、下記（１）〜（４）の手順に従って抽出残渣法によって、目開き１０μｍメッシュ、３μｍメッシュ、および０．６μｍメッシュのフィルターにて透過させた後、目開き０．１μｍメッシュのフィルターで捕集された残渣中のＮｂおよびＴｉ量を測定した。
（１）１０％アセチルアセトン−１％テトラメチルアンモニウムクロリド−メタノール溶液による電解によって鋼材（鍛伸または圧延材）を溶解し、Ｎｂ，Ｔｉ析出物を表面に露出させる。
（２）超音波によって、エタノール中でＮｂ，Ｔｉ析出物を剥離させ、吸引濾過によってフィルター上にＮｂ，Ｔｉ析出物残渣を捕集する。
（３）捕集した残渣を白金坩堝中に入れてバーナで焼き、炭酸ナトリウムと四硼酸ナトリウムのアルカリ融剤を添加後更に焼き、Ｎｂ，Ｔｉ析出物残渣を含むガラスを作製する。
（４）上記ガラスを塩酸を含む水溶液で溶かし、ＩＣＰ発光分析にて抽出残渣中のＮｂ＋Ｔｉ量を定量した。
これらの試験結果を、鋳造時の冷却速度、耐圧壊指数Ｄ１、Ｄ２の値と共に、下記表２に示す。また、この結果に基づき、耐圧壊指数Ｄ１、Ｄ２と抽出残渣Ｎｂ＋Ｔｉ量の関係を図１に、耐圧壊指数Ｄ１，Ｄ２と耐久寿命の関係を図２に、夫々示す。
これらの結果から、次のように考察できる。まず、試験Ｎｏ．１〜１５のものは、本発明で規定する要件の全てを満足する本発明鋼であり、優れた耐久寿命が得られていることが分かる。
これらに対し試験Ｎｏ．１６〜２１のものは、本発明で規定するいずれかの要件を欠くものであり、耐久寿命が劣化しており、発明の目的が達成できていない。
Claims (7)
- 質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０３〜１．５０％、
Ｍｎ：０．２０〜１．８０％、
Ｐ ：０．０３０％以下（０％を含まない）、
Ｓ ：０．０３０％以下（０％を含まない）、
Ｃｒ：０．３０〜２．５０％、
Ａｌ：０．０８０％以下（０％を含なまい）、
Ｎｂ：０．０５〜０．３０％、
Ｔｉ：０．０５〜０．１０％、
Ｂ ：０．０００５〜０．００５０％、
Ｎ ：０．０１５０％以下（０％を含まない）、
Ｏ ：０．００４０％以下（０％を含まない）、
を満たし、残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、下記（１）式で規定される値Ｄ１が５０〜３５０の範囲にあると共に、抽出残渣法によって得られる０．６μｍメッシュ以下の、ＮｂおよびＴｉの少なくともいずれかを含む単独析出物残渣若しくは複合析出物残渣中に含まれるＮｂおよびＴｉの合計含有量が０．００８％以上であることを特徴とする低サイクル疲労強度に優れた肌焼鋼。
Ｄ１＝（３６．０×［Ｃ］＋１．８）×（３．５×［Ｍｎ］＋０．９）
×（２．２×［Ｃｒ］＋１．０） …（１）
但し、［Ｃ］，［Ｍｎ］および［Ｃｒ］は、夫々Ｃ，ＭｎおよびＣｒの含有量（質量％）を示す。 - 質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０３〜１．５０％、
Ｍｎ：０．２０〜１．８０％、
Ｐ ：０．０３０％以下（０％を含まない）、
Ｓ ：０．０３０％以下（０％を含まない）、
Ｃｒ：０．３０〜２．５０％、
Ｍｏ：０．５０％以下（０％を含まない）、
Ａｌ：０．０８０％以下（０％を含なまい）、
Ｎｂ：０．０５〜０．３０％、
Ｔｉ：０．０５〜０．１０％、
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、
Ｎ ：０．０１５０％以下（０％を含まない）、
Ｏ ：０．００４０％以下（０％を含まない）、
を満たし、残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、下記（２）式で規定される値Ｄ２が５０〜３５０の範囲にあると共に、抽出残渣法によって得られる０．６μｍメッシュ以下の、ＮｂおよびＴｉの少なくともいずれかを含む単独析出物残渣若しくは複合析出物残渣中に含まれるＮｂおよびＴｉの合計含有量が０．００８％以上であることを特徴とする低サイクル疲労強度に優れた肌焼鋼。
Ｄ２＝（３６．０×［Ｃ］＋１．８）×（３．５×［Ｍｎ］＋０．９）
×（２．２×［Ｃｒ］＋１．０）×（０．７２×［Ｍｏ］＋１．０） …（２）
但し、［Ｃ］，［Ｍｎ］，［Ｃｒ］および［Ｍｏ］は、夫々Ｃ，Ｍｎ，ＣｒおよびＭｏの含有量（質量％）を示す。 - 更に、Ｎｉ：０．１〜２．０％を含有するものである請求項１または２に記載の肌焼鋼。
- 更に、Ｃｕ：０．１０〜０．５０％を含有するものである請求項３に記載の肌焼鋼。
- 更に、Ｐｂ：０．１０以下（０％を含まない）および／またはＢｉ：０．１０％以下を含有するものである請求項１〜４のいずれかに記載の肌焼鋼。
- 更に、Ｃａ：０．０１０％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜５のいずれかに記載の肌焼鋼。
- 更に、Ｚｒ：０．２０％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．２０％以下（０％を含まない）およびＷ：０．２０％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種または２種以上を含有するものである請求項１〜６のいずれかに記載の肌焼鋼。
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