JP2017179394A

JP2017179394A - 肌焼鋼

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Publication number: JP2017179394A
Application number: JP2016063334A
Authority: JP
Inventors: 武浩酒道; Takehiro Shudo
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2017-10-05
Also published as: TW201739933A; WO2017170127A1; TWI630278B

Abstract

【課題】面疲労寿命および曲げ疲労寿命の両方を改善した部品を製造する素材となる肌焼鋼を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．４〜１％、Ｍｎ：０．３〜０．６％、Ｐ：０％超、０．０３％以下、Ｓ：０％超、０．０３％以下、Ｃｒ：１．２〜２％、Ｍｏ：０．３〜０．５％、Ａｌ：０．０１〜０．０８％、Ｎ：０％超、０．０２％以下、Ｔｉ：０％超、０．００５％以下、およびＮｂ：０％超、０．００５％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、下記式（１）で表されるＺ値が０超、１．０×１０^-4以下である肌焼鋼。
Ｚ値＝［Ｔｉ］／４８＋［Ｎｂ］／９３・・・（１）
【選択図】なし

Description

本発明は、肌焼鋼に関する。本発明の肌焼鋼は、例えば、歯車、シャフトなどの等速ジョイント部品、軸受、無段変速機トランスミッション（Continuously Variable Transmission；ＣＶＴ）プーリーなどの動力伝達部品の素材に好適に用いられる。

動力伝達部品には、面疲労損傷に対する耐久寿命（以下、面疲労寿命という）および曲げ折損に対する耐久寿命（以下、曲げ疲労寿命）が一般的に求められる。面疲労損傷とは、部品同士の摺動面で発生した亀裂が進展して剥離に至る損傷（ピッチング損傷）および部品表層で発生した亀裂が進展して剥離に至る損傷（スポーリング損傷）の総称である。曲げ折損とは、部品同士が繰り返し接触し、受けた繰り返し曲げ応力により、部品の表面から亀裂が発生、進展し、最終的に破断に至る現象である。上記動力伝達部品の素材には、ＪＩＳＧ４０５３で規定される機械構造用合金鋼鋼材が従来から用いられている。

近年、動力源の高出力化および動力伝達ユニットの小型化が進んでおり、これに伴って各部品への負荷荷重は増大している。そのため、上記機械構造用合金鋼鋼材を用いた場合には、充分な部品寿命が得られなくなっている。

高面圧が負荷される場合においても優れた転動疲労特性を得ることができる浸炭材が、特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の浸炭材は、Ｎｂを０．００５〜０．０４％含有し、浸炭層のオーステナイト結晶粒度が７番以上であり、表面の炭素含有量が０．９〜１．５％であり、表面の残留オーステナイト量が２５〜４０％を満足している。上記特許文献１には、Ｎｂは、鋼中のＣ、Ｎと結び付いてＮｂ（Ｃ、Ｎ）を形成し、浸炭加熱の際に、結晶粒の微細化、及び結晶粒の粗大化抑制に有効であることが記載されている。

また、球状化焼鈍後の面疲労強度を優れたものとして耐ピッチング性や耐摩耗性を良好にした肌焼用鋼材が、特許文献２に開示されている。特許文献２に記載の肌焼用鋼は、Ｎｂを０．０２％未満（０％を含まない）含有し、金属組織の面積分率が適切に制御され、フェライト結晶粒度番号が７〜９を満足している。

特開２０００−５４０６９号公報特開２０１４−１８５３８９号公報

上記特許文献１では、浸炭材の転動疲労特性を改善しているが、面疲労寿命については考慮されていない。一方、上記特許文献２では、球状化焼鈍後の面疲労強度を改善しているが、曲げ疲労寿命については考慮されていない。

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、面疲労寿命および曲げ疲労寿命の両方を改善した部品を製造する素材とな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とは、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．４〜１％、Ｍｎ：０．３〜０．６％、Ｐ：０％超、０．０３％以下、Ｓ：０％超、０．０３％以下、Ｃｒ：１．２〜２％、Ｍｏ：０．３〜０．５％、Ａｌ：０．０１〜０．０８％、Ｎ：０％超、０．０２％以下、Ｔｉ：０％超、０．００５％以下、およびＮｂ：０％超、０．００５％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、下記式（１）で表されるＺ値が０超、１．０×１０^-4以下である点に要旨を有する。下記式（１）中、［］は、各元素の含有量（質量％）を示す。
Ｚ値＝［Ｔｉ］／４８＋［Ｎｂ］／９３・・・（１）

上記肌焼鋼は、更に、他の元素として、質量％で、Ｃｕ：０％超、１％以下、およびＮｉ：０％超、２％以下から選択される少なくとも１種等を含有してもよい。

前記肌焼鋼は、面積が３μｍ²以上のチタン窒化物および面積が３μｍ²以上のニオブ炭窒化物の個数の合計が、２×１０⁵μｍ²あたり５個以下であればよい。

本発明によれば、成分組成のうち、特に、ＴｉおよびＮｂをそれぞれ０．００５％以下に抑え、且つＴｉとＮｂの含有量が所定の関係を満足するように制御している。その結果、面疲労寿命および曲げ疲労寿命の両方を改善した部品を製造する素材となる肌焼鋼を提供できる。

図１は、試験片の形状を示す模式図である。図２は、試験片の形状を示す模式図である。図３は、実施例で行った浸炭熱処理条件を示すパターン図である。図４は、面疲労寿命を測定したときの様子を示した模式図である。図５は、曲げ疲労寿命を測定したときの様子を示した模式図である。

本発明者は、動力伝達等に用いられる部品の面疲労寿命および曲げ疲労寿命の両方を改善するために、鋭意検討を重ねた。その結果、部品を製造する素材として用いる肌焼鋼の成分のうち、特に、ＴｉおよびＮｂ量を適切に調整すれば、応力集中源となる窒化物系介在物を低減できるため、部品の面疲労寿命および曲げ疲労寿命の両方を改善できることを見出し、本発明を完成した。

即ち、肌焼鋼の製造過程で、アルミ窒化物、チタン窒化物、およびニオブ炭窒化物などの窒素系介在物が生成する。例えば、ニオブ炭窒化物は、上記特許文献１に記載されているように、結晶粒の微細化および結晶粒の粗大化抑制に有効に作用することが知られている。

しかし、本発明者が窒素系介在物と、部品の疲労寿命（面疲労寿命および曲げ疲労寿命）との関係について検討したところ、ＡｌＮは、圧延や浸炭時の加熱温度で殆ど固溶するため、部品の疲労寿命に影響を及ぼさないが、粗大なチタン窒化物およびニオブ炭窒化物は、部品の疲労寿命に悪影響を及ぼすこと、部品に含まれる粗大なチタン窒化物およびニオブ炭窒化物量を低減するには、部品の素材としてＴｉおよびＮｂ量を厳密に制御した肌焼鋼を用いればよいとの知見を得た。このような観点から、本発明では、部品の面疲労寿命および曲げ疲労寿命の両方を改善するために、成分組成のうち、特に、Ｔｉ量を０％超、０．００５％以下、Ｎｂ量を０％超、０．００５％以下に厳密に制御し、且つＴｉ量とＮｂ量に基づいて算出される上記Ｚ値を０超、１．０×１０^-4以下に制御している。

以下、本発明に係る肌焼鋼の成分組成について説明した後、上記Ｚ値について説明する。

本発明の肌焼鋼は、基本成分として、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．４〜１％、Ｍｎ：０．３〜０．６％、Ｐ：０％超、０．０３％以下、Ｓ：０％超、０．０３％以下、Ｃｒ：１．２〜２％、Ｍｏ：０．３〜０．５％、Ａｌ：０．０１〜０．０８％、Ｎ：０％超、０．０２％以下、Ｔｉ：０％超、０．００５％以下、およびＮｂ：０％超、０．００５％以下を含有する。

Ｃは、部品の芯部硬さを確保するために必要な元素であり、Ｃ量が０．１５％を下回ると部品の芯部硬さを確保できず、面疲労寿命および曲げ疲労寿命が低下する。従って本発明では、Ｃ量は、０．１５％以上とする。Ｃ量は、好ましくは０．１７％以上、より好ましくは０．１８％以上である。しかし、Ｃを過剰に含有すると、靭性が低下し、曲げ疲労寿命が低下する。従って本発明では、Ｃ量は、０．２５％以下とする。Ｃ量は、好ましくは０．２３％以下、より好ましくは０．２０％以下である。

Ｓｉは、浸炭後の軟化抵抗を高める元素である。Ｓｉ量が０．４％を下回ると浸炭後の軟化抵抗が低下し、面疲労寿命を改善できない。従って本発明では、Ｓｉ量は、０．４％以上とする。Ｓｉ量は、好ましくは０．４３％以上、より好ましくは０．４５％以上である。しかし、Ｓｉを過剰に含有すると、部品形状への加工性が悪化する。また、鋼材の炭素原子の活量を下げて浸炭不良を引き起こす。従って本発明では、Ｓｉ量は、１％以下とする。Ｓｉ量は、好ましくは０．９％以下、より好ましくは０．８％以下である。

Ｍｎは、Ｓと結合してＭｎＳを生成し、熱間加工時の割れを防止するのに作用する元素である。また、Ｍｎは、部品形状への加工性を悪化させるＦｅＳの生成を抑制する元素である。こうした効果を発揮させるために、Ｍｎ量は、０．３％以上とする。Ｍｎ量は、好ましくは０．３５％以上、より好ましくは０．４０％以上である。しかし、Ｍｎを過剰に含有すると、部品形状への加工性が低下する。従って本発明では、Ｍｎ量は０．６％以下とする。Ｍｎ量は、好ましくは０．５５％以下、より好ましくは０．５０％以下である。

Ｐは、不可避的に含まれる元素であり、結晶粒界に偏析して面疲労寿命および曲げ疲労寿命を低下させるため、できるだけ低減する必要がある。こうした観点からＰ量は、０．０３％以下とする。Ｐ量は、好ましくは０．０２５％以下、より好ましくは０．０２０％以下である。Ｐ量は、できるだけ低減することが好ましいが、純度を高めるには製造コストが増加する。こうした観点からＰ量は、好ましくは０．００３％以上、より好ましくは０．００５％以上である。

Ｓは、不可避的に含まれる元素であり、Ｍｎと結合して形成したＭｎＳ系介在物は、面疲労寿命を低下させる。従って本発明では、Ｓ量は０．０３％以下とする。Ｓ量は、好ましくは０．０２５％以下、より好ましくは０．０２０％以下である。しかし、少量のＳは、被削性を向上させる作用を有する。また、純度を高めるには製造コストが増加する。こうした観点からＳ量は、好ましくは０．００３％以上、より好ましくは０．００５％以上である。

Ｃｒは、鋼材の焼入れ性を高め、曲げ疲労寿命および面疲労寿命を向上させる元素である。従って本発明では、Ｃｒ量は１．２％以上とする。Ｃｒ量は、好ましくは１．３％以上、より好ましくは１．３５％以上である。しかし、過剰に含有すると、部品形状への加工性を悪化させたり、浸炭不良を引き起こすことがある。従って本発明では、Ｃｒ量は２％以下とする。Ｃｒ量は、好ましくは１．８％以下、より好ましくは１．７％以下である。

Ｍｏは、浸炭時に軟質な不完全焼入れ組織が形成されるのを抑制し、軟化抵抗を高め、面疲労寿命を改善する元素である。従って本発明では、Ｍｏ量は０．３％以上とする。Ｍｏ量は、好ましくは０．３３％以上、より好ましくは０．３５％以上である。しかし、Ｍｏを過剰に含有すると、部品形状への加工性が悪化する。また、コスト高となる。こうした観点からＭｏ量は、０．５％以下とする。Ｍｏ量は、好ましくは０．４７％以下、より好ましくは０．４５％以下である。

Ａｌは、不可避的に含まれる元素であるが、脱酸剤として作用する元素である。また、ＡｌＮを形成して浸炭窒化処理時に結晶粒が粗大化するのを抑制する元素である。こうした効果を発揮させために、Ａｌ量は０．０１％以上とする。Ａｌ量は、好ましくは０．０１５％以上、より好ましくは０．０２０％以上である。しかし、Ａｌを過剰に含有すると、熱間加工性が悪化する。従って本発明では、Ａｌ量は、０．０８％以下とする。Ａｌ量は、好ましくは０．０６％以下、より好ましくは０．０５％以下である。

Ｎは、鋼中のＡｌと結合して微細な炭窒化物を形成し、ピンニング効果によって浸炭処理時に結晶粒が粗大化するのを抑制する元素である。こうした効果を有効に発揮させるには、Ｎ量は、好ましくは０．００１％以上、より好ましくは０．００３％以上である。しかし、Ｎを過剰に含有すると、ＴｉおよびＮｂの粗大な介在物が形成され、曲げ疲労寿命および面疲労寿命を改善できない。従って本発明では、Ｎ量は、０．０２％以下とする。Ｎ量は、好ましくは０．０１９％以下、より好ましくは０．０１８％以下である。

Ｔｉは、鋳造時にチタン窒化物を不可避的に生成し、曲げ疲労寿命および面疲労寿命を低下させる元素である。従って本発明では、Ｔｉ量は、０．００５％以下とする。Ｔｉ量は、好ましくは０．００４５％以下、より好ましくは０．００４０％以下である。Ｔｉ量はできるだけ低減することが好ましいが、工業生産上、０％とすることは困難である。

Ｎｂは、鋳造時にニオブ炭窒化物を不可避的に生成し、曲げ疲労寿命および面疲労寿命を低下させる元素である。従って本発明では、Ｎｂ量は、０．００５％以下とする。Ｎｂ量は、好ましくは０．００４５％以下、より好ましくは０．００４０％以下である。Ｎｂ量はできるだけ低減することが好ましいが、工業生産上、０％とすることは困難である。

上記肌焼鋼の基本成分は、上述した通りであり、残部は、実質的に鉄である。但し、原材料、資材、製造設備等から持ち込まれる不可避不純物が鋼中に含まれることは当然に許容される。

上記肌焼鋼は、上記基本成分に加え、更に、他の元素として、Ｃｕ：０％超、１％以下、およびＮｉ：０％超、２％以下から選択される少なくとも１種、等を含有してもよい。

Ｃｕ、およびＮｉは、焼入性を高めて面疲労寿命を向上させる元素である。Ｃｕ、およびＮｉは、単独で、あるいは２種を併用できる。こうした効果を有効に発揮させるには、Ｃｕ量は、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上、更に好ましくは０．１０％以上である。Ｎｉ量は、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．１％以上、更に好ましくは０．３％以上である。しかし、ＣｕおよびＮｉを過剰に含有するとコスト高となる。こうした観点から、Ｃｕ量は、好ましくは１％以下、より好ましくは０．７％以下、更に好ましくは０．５％以下である。Ｎｉ量は、好ましくは２％以下、より好ましくは１．９％以下、更に好ましくは１．８％以下である。

以上、本発明の肌焼鋼の成分組成について説明した。

本発明の肌焼鋼は、Ｔｉ量を０％超、０．００５％以下、およびＮｂ量を０％超、０．００５％以下に制御するだけでは不充分であり、下記式（１）で表されるＺ値が０超、１．０×１０^-4以下を満足する必要がある。下記式（１）中、［］は、各元素の含有量（質量％）を示す。
Ｚ値＝［Ｔｉ］／４８＋［Ｎｂ］／９３・・・（１）

Ｔｉ量およびＮｂ量が上記範囲を満足していても、上記Ｚ値が、１．０×１０^-4を超えると、粗大なチタン窒化物およびニオブ炭窒化物が鋳造過程で生成し、これらの窒素系介在物が応力集中源となり、亀裂の発生および進展が促進される。その結果、面疲労寿命および曲げ疲労寿命の両方を改善できない。ＴｉおよびＮｂは、不純物レベルで含有する場合があるが、不純物レベルであってもＴｉ量とＮｂ量に基づいて算出される上記Ｚ値が所定の範囲を外れると、面疲労寿命および曲げ疲労寿命を改善できない。

従って本発明では、上記Ｚ値を１．０×１０^-4以下とする。上記Ｚ値は、好ましくは９．０×１０^-5以下、より好ましくは８．０×１０^-5以下である。ＴｉおよびＮｂは、不可避的に含まれる元素であるため、上記Ｚ値の下限は、０超である。

本発明の肌焼鋼は、面積が３μｍ²以上のチタン窒化物および面積が３μｍ²以上のニオブ炭窒化物の個数の合計（以下、個数密度ということがある。）が、２×１０⁵μｍ²あたり５個以下であればよい。

直径の１／４位置は、肌焼鋼の特性を代表するために設定した。

チタン窒化物およびニオブ炭窒化物のうち、応力集中源となる面積が３μｍ²以上の粗大なチタン窒化物およびニオブ炭窒化物の個数密度を制御することによって、面疲労寿命および曲げ疲労寿命の両方を改善できる。従って本発明では、２×１０⁵μｍ²あたりの個数密度は、好ましくは５個以下、より好ましくは４．０個以下、更に好ましくは３．５個以下である。最も好ましくは０個である。

上記粗大なチタン窒化物およびニオブ炭窒化物の個数の合計は、例えば、光学顕微鏡を用い、観察視野数を５視野以上として観察し、平均値を求めればよい。

なお、上記チタン窒化物は、ＴｉＮの他、化学量論比が外れたＴｉとＮの化合物も含む意味である。

また、上記ニオブ炭窒化物は、ＮｂＣＮの他、化学量論比が外れたＮｂとＣとＮの化合物も含む意味である。

上記粗大なチタン窒化物およびニオブ炭窒化物の個数密度は、肌焼鋼の成分組成を適切に制御することによって調整できる。なお、上記個数密度は、肌焼鋼を部品形状に加工し、浸炭処理等を行っても変化しないことを確認している。

次に、本発明に係る肌焼鋼の製造方法について説明する。

本発明の肌焼鋼は、常法に従って溶製した鋼を、常法に従って鋳造、分塊圧延、および仕上げ圧延して製造できる。具体的には、鋳造して得られた鋳片を、１１００〜１３００℃で３０分間〜５時間加熱保持した後、分塊圧延すればよい。分塊圧延後の鋼片は、例えば、平均冷却速度を０．０１〜５℃／秒としてＡ₁点以下の温度に冷却し、更に８５０〜１１００℃に加熱保持した状態で仕上げ圧延を行ない、更に平均冷却速度を０．０１〜５℃／秒として室温まで冷却することにより本発明の肌焼鋼が得られる。

本発明の肌焼鋼の形状は、例えば、棒鋼であり、直径は、例えば、２０〜５０ｍｍである。

上記肌焼鋼を、常法に従って切削、冷間鍛造、および熱間鍛造よりなる群から選ばれる１種以上の方法で加工して中間品とし、この中間品に浸炭処理を施すことにより浸炭部品を製造できる。

上記肌焼鋼は、中間品に加工する前に、必要に応じて常法に従って焼鈍処理を施してもよい。また、上記中間品に、必要に応じて常法に従って焼鈍処理を施してもよい。上記焼鈍処理の条件は特に限定されないが、例えば、６００〜９５０℃で、３０分〜１０時間保持すればよい。

上記浸炭処理は、浸炭処理のほか、浸炭窒化処理または高濃度浸炭処理も含む意味である。浸炭処理の後は、常法に従って焼入れ焼戻し処理してもよい。

上記浸炭処理の条件は特に限定されず公知の条件を適用できる。具体的には、カーボンポテンシャルＣＰを０．５〜１．０質量％とし、８５０〜１０００℃で、３０分間〜６時間保持して行えばよい。浸炭処理後は、常法に従って焼入れし、更に１００〜３００℃に加熱して３０分間〜３時間保持して焼戻しを行えばよい。

上記浸炭窒化処理の条件は特に限定されず公知の条件を適用できる。具体的には、カーボンポテンシャルＣＰが０．５〜１．０質量％で、ＮＨ₃を体積分率で２〜１５％含むプロパンガス雰囲気で、８００〜１０００℃で、３０分間〜６時間保持して行えばよい。浸炭窒化処理後は、常法に従って焼入れし、更に１００〜３００℃に加熱して３０分間〜３時間保持して焼戻しを行えばよい。

上記浸炭窒化処理は、浸炭処理してから浸炭窒化処理してもよい。例えば、浸炭処理として、カーボンポテンシャルＣＰを０．５〜１．０質量％とし、８５０〜１０００℃で、３０分間〜３時間保持してから、浸炭窒化処理として、カーボンポテンシャルＣＰを０．５〜１．０質量％とし、ＮＨ₃を体積分率で２〜１５％含むプロパンガス雰囲気で、８００〜９００℃で、３０分間〜３時間保持してもよい。

上記高濃度浸炭処理は、カーボンポテンシャルＣＰを１．０〜１．５質量％として８５０〜１０００℃で、３０分間〜６時間保持して行えばよい。浸炭処理後は、常法に従って焼入れし、更に１００〜３００℃に加熱して３０分間〜３時間保持して焼戻しを行えばよい。

なお、上記浸炭処理、上記浸炭窒化処理、上記高濃度浸炭処理は、２回以上に分けて行ってもよい。

上記浸炭処理または上記高濃度浸炭処理の温度に加熱するときの雰囲気は、浸炭雰囲気とすればよく、上記浸炭窒化処理の温度に加熱するときの雰囲気は、浸炭窒化雰囲気とすればよい。

上記浸炭方法は特に限定されず、例えば、ガス浸炭、真空浸炭など公知の方法を採用できる。浸炭ガスとしては、例えば、ＲＸガス（変性ガス）とプロパンガスの混合ガスを用いることができる。

上記浸炭窒化方法は特に限定されず、例えば、ガス浸炭窒化、真空浸炭窒化、高濃度浸炭窒化など公知の方法を採用できる。

真空浸炭または真空浸炭窒化するときの真空度は、例えば、０．０１ＭＰａ程度以下とすればよい。

上記浸炭処理後、浸炭窒化処理後、高濃度浸炭処理後は、必要に応じて常法に従って研磨、潤滑被膜処理、またはショットピーニング処理などを行ってもよい。

上記浸炭処理、浸炭窒化処理、または高濃度浸炭処理して得られた部品は、例えば、歯車、軸受、シャフト、ＣＶＴプーリー等の動力伝達部品などに好適に用いることができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限を受けるものではなく、前記および後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

下記表１に示す成分組成を満足し、残部は、鉄および不可避不純物からなる鋼を小型溶解炉で溶製し、インゴットを製造した。下記表１において、「−」は検出されなかったことを意味する。下記表１に示したＴｉ量およびＮｂ量と、上記式（１）に基づいてＺ値を算出し、結果を下記表２に示す。下記表２において、αＥ−βは、α×１０^-βを意味する。

次に、得られたインゴットを、１１００〜１３００℃で１０分間〜２時間加熱保持した後、熱間鍛造してφ３２ｍｍの棒鋼を製造した。熱間鍛造は、圧延を模擬している。

得られたφ３２ｍｍの棒鋼を、軸方向に垂直な方向に切断し、切断面を観察できるように樹脂に埋め、切断面を研磨した。棒鋼の直径に対して１／４位置を、光学顕微鏡で、倍率４００倍で、任意の５視野について観察した。撮影した写真を画像解析し、各視野で観察されるチタン窒化物およびニオブ炭窒化物の面積をそれぞれ算出した。画像解析には、日鉄住金テクノロジー株式会社製の「粒子解析ＩＩＩ（ソフト名）」を用い、介在物の面積を１画素ごとにカウントしてチタン窒化物およびニオブ炭窒化物の面積を算出した。

チタン窒化物およびニオブ炭窒化物はピンク色で、角ばった形状であるのに対し、チタン窒化物以外の窒化物、ニオブ炭窒化物以外の炭窒化物、並びに硫化物や酸化物等の他の介在物とは、色および形状に基づいて区別できる。

面積が３μｍ²以上のチタン窒化物およびニオブ炭窒化物の個数を測定し、観察視野２×１０⁵μｍ²あたりの個数密度を算出した。算出結果を下記表２に示す。

本発明では、面積が３μｍ²以上のチタン窒化物およびニオブ炭窒化物の合計個数を、観察視野２×１０⁵μｍ²あたりに換算したとき、５個以下［５個／（２×１０⁵μｍ²）以下］を合格と評価する。

次に、得られたφ３２ｍｍの棒鋼を、図１および図２に示す形状の試験片に加工した。

次に、得られた試験片をガス浸炭炉にて、図３に示す浸炭熱処理パターンで浸炭処理した。具体的には、まず、カーボンポテンシャルＣＰを０．８５質量％として９３０℃で１８０分間保持した後、８６０℃に降温し、カーボンポテンシャルＣＰは０．８５質量％のまま３０分間保持した直後に油焼入れを行った。浸炭ガスは、ＲＸガスとプロパンガスの混合ガスを用いた。油浴の温度は１００℃である。油焼入れ後、更に１７０℃に加熱して３時間保持してから放冷することにより焼戻しを行った。なお、図１に示した試験片については、浸炭処理後の焼入れ焼戻しにおける熱処理歪みを除くため、φ２４ｍｍのつかみ部を研磨した。

次に、浸炭処理後に焼入れ焼戻しして得られた試験片を用い、面疲労寿命および曲げ疲労寿命を評価した。

［面疲労寿命］
面疲労寿命は、図１に示した形状の試験片を用い、コマツエンジニアリング株式会社製の「ＲＰ−２０１型ローラーピッチング試験機」を用いて測定した。図４に、試験時の様子を示す。図４に示すように、試験中は、試験片１と荷重ローラー２が接触し、すべりながら転動する。図４の３は摺動部を示している。荷重ローラー２としてはＪＩＳＧ４８０５で規定される高炭素クロム鋼ＳＵＪ２、試験油として市販のオートマチック油を用いた。試験条件は、面圧：３．３ＧＰａ、すべり率：−４０％、回転数：２０００ｒｐｍとした。剥離損傷によって試験機が停止するまでの回転数を測定し、この回転数を面疲労寿命とした。各鋼種２本ずつ試験を行ない、平均値を求めた。結果を下記表２に示す。下記表２において、αＥ＋βは、α×１０^βを意味する。

本発明では、上記回転数が１．００Ｅ＋０６回以上を合格とし、面疲労寿命に優れると評価した。

［曲げ疲労寿命］
曲げ疲労寿命は、図２に示した形状の試験片を用い、４点曲げ試験で測定した。図５に、試験時の様子を示す。図５に示すように、上記図２に示した形状の試験片を４点支持した状態で、該試験片に繰り返し応力を加え、試験片が破断するまでの繰り返し回数を測定した。図５において、１１は試験片、１２は治具、１３は荷重の方向をそれぞれ示している。加えた応力は９５５ＭＰaで、周波数は２０Ｈｚ、応力比は０．１とした。応力比とは、最大応力に対する最小応力の比を意味する。

試験片が破断するまでの繰り返し回数を曲げ疲労寿命とした。各鋼種２本ずつ試験を行ない、平均値を求めた。結果を下記表２に示す。下記表２において、αＥ＋βは、α×１０^βを意味する。

本発明では、上記回転数が１．００Ｅ＋０５回以上を合格とし、曲げ疲労寿命に優れると評価した。

下記表２に基づいて、次のように考察できる。

Ｎｏ．１〜１７は、本発明で規定する要件を満足する例であり、成分組成のうち、特に、ＴｉとＮｂ量を厳密に制御しているため、面疲労寿命および曲げ疲労寿命の両方を改善できている。

これに対し、Ｎｏ．１８〜２９は、本発明で規定するいずれかの要件を満足しない例であり、面疲労寿命または曲げ疲労寿命の少なくとも一方を改善できていない。詳細は次の通りである。

Ｎｏ．１８は、本発明で規定する成分組成を満足しているが、ＴｉとＮｂ量が式（１）の関係を満足しなかった例であり、面疲労寿命および曲げ疲労寿命の両方を改善できなかった。

Ｎｏ．１９〜２２は、ＴｉおよびＮｂ量の少なくとも一方が本発明で規定する範囲を外れており、且つＴｉとＮｂ量が式（１）の関係を満足しなかった例であり、面疲労寿命および曲げ疲労寿命の両方を改善できなかった。

Ｎｏ．２３は、Ｃ量が多すぎた例であり、曲げ疲労寿命を改善できなかった。

Ｎｏ．２４は、Ｃ量が少なすぎた例であり、面疲労寿命および曲げ疲労寿命の両方を改善できなかった。

Ｎｏ．２５は、Ｓｉ量が少なすぎる例であり、面疲労寿命を改善できなかった。

Ｎｏ．２６は、Ｐ量が多すぎる例であり、面疲労寿命および曲げ疲労寿命の両方を改善できなかった。

Ｎｏ．２７は、Ｃ量およびＳ量が多すぎた例であり、面疲労寿命および曲げ疲労寿命の両方を改善できなかった。

Ｎｏ．２８は、Ｃｒ量が少なすぎる例であり、面疲労寿命および曲げ疲労寿命の両方を改善できなかった。

Ｎｏ．２９は、Ｍｏ量が少なすぎる例であり、面疲労寿命および曲げ疲労寿命を改善できなかった。

１試験片
２荷重ローラー
３摺動部
１１試験片
１２治具
１３荷重の方向

Claims

質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．２５％、
Ｓｉ：０．４〜１％、
Ｍｎ：０．３〜０．６％、
Ｐ：０％超、０．０３％以下、
Ｓ：０％超、０．０３％以下、
Ｃｒ：１．２〜２％、
Ｍｏ：０．３〜０．５％、
Ａｌ：０．０１〜０．０８％、
Ｎ：０％超、０．０２％以下、
Ｔｉ：０％超、０．００５％以下、および
Ｎｂ：０％超、０．００５％以下を含有し、
残部が鉄および不可避不純物からなり、
下記式（１）で表されるＺ値が０超、１．０×１０^-4以下であることを特徴とする肌焼鋼。
Ｚ値＝［Ｔｉ］／４８＋［Ｎｂ］／９３・・・（１）
［式（１）中、［］は、各元素の含有量（質量％）を示す。］
更に、他の元素として、質量％で、
Ｃｕ：０％超、１％以下、および
Ｎｉ：０％超、２％以下から選択される少なくとも１種を含有する請求項１に記載の肌焼鋼。
面積が３μｍ²以上のチタン窒化物および面積が３μｍ²以上のニオブ炭窒化物の個数の合計が、２×１０⁵μｍ²あたり５個以下である請求項１または２に記載の肌焼鋼。