JP2018044197A - 鋼部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニアガスを用いずに、簡便な操作で、低コストで、窒素富化表面層を有する鋼部材を製造することができる鋼部材の製造方法、及び高い耐摩耗性及び疲労強度を確保するのに適した窒素富化表面層を有する鋼部材を提供する。【解決手段】代表的成分としてＶ０．１〜１．０質量％と、Ｃｒ１．４質量％以下とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼材１１からなる素形材１２を、アンモニアガスを含まず、窒素ガスを含む浸炭雰囲気ガス中で加熱保持することにより、窒素富化表面層１３ａと基体部１３ｂとを含む中間素材１３を得、得られた中間素材１３に焼入れ処理を施し、窒素富化表面層１０ａと基体部１０ｂとを含む鋼部材１０を得る。【選択図】図２

Description

本発明は、鋼部材及びその製造方法に関する。

軸受構成部材、歯車等の鋼部材は、高い耐摩耗性及び高い疲労強度が求められている。そこで、十分な耐摩耗性及び疲労強度を得るために、前記鋼部材に対応する形状を有する素形材を、アンモニアガスを含む浸炭窒化雰囲気ガス中で加熱保持することにより、当該素形材に浸炭窒化焼入れ処理が施されることがある。

しかし、浸炭窒化焼入れ処理時の加熱温度が高い場合、前記浸炭窒化雰囲気ガス中のアンモニアガスが分解する。アンモニアガスが分解すると、単位時間あたりに素形材中に導入される窒素の量が少なくなる。したがって、前記素形材の内部まで十分に炭素を拡散させるために加熱温度を高い温度に設定すると、素形材における窒素の導入量が減少する。素形材における窒素の導入量を増加させるためには、前記加熱温度を低い温度に設定する必要がある。ところが、加熱温度が低い温度である場合、非常に長い浸炭窒化時間を要する。一方、アンモニアガスが分解しない低い温度で加熱を行なった場合には、浸炭炉内でスーティングが発生しやすい。したがって、熱処理炉内で用いられる部品の消耗が早いため、設備維持費が高くなる。さらに、アンモニアガスを用いる浸炭窒化焼き入れ処理では、アンモニアガスの供給のための設備が必要となるため、設備費が高くなる。

そこで、アンモニアガスを用いずに粗形材の表層部に窒素富化表面層を形成させる方法が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１の方法では、まず、素形材の表面にバナジウムを含む膜を形成する。つぎに、バナジウムを含む膜を有する前記鋼材を、窒素ガスを含む浸炭雰囲気ガス中で加熱する。これにより、素形材の表層部に窒素富化表面層を形成する。

特開２０１２−２３７０６２号公報

しかし、特許文献１に記載の方法では、素形材の表面にあらかじめバナジウムを含む膜を形成する必要がある。したがって、特許文献１に記載の方法は、操作が複雑である。また、特許文献１に記載の方法は、多くの工程数を要するため、製造コストの増大を招くことがある。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたもので、アンモニアガスを用いずに、簡便な操作で、低コストで、窒素富化表面層を有する鋼部材を製造することができる鋼部材の製造方法、及び高い耐摩耗性及び疲労強度を確保するのに適した窒素富化表面層を有する鋼部材を提供することを目的とする。

本発明は、１つの側面では、（Ａ）代表的成分として、バナジウム０．１〜１．０質量％と、クロム１．４質量％以下とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼材からなる素形材を準備する工程、
（Ｂ）前記工程（Ａ）で得られた素形材を、アンモニアガスを含まず、窒素ガスを含む浸炭雰囲気ガス中で加熱保持することによって当該素形材の表層部に窒素富化表面層を形成し、中間素材を得る工程、並びに
（Ｃ）前記工程（Ｂ）で得られた中間素材に焼入れを施し、鋼部材を得る工程
を含む、鋼部材の製造方法に関する。

本発明の鋼部材の製造方法は、代表的成分として、バナジウム０．１〜１．０質量％と、クロム１．４質量％以下とを含有する鋼材からなる素形材を、アンモニアガスを含まず、窒素ガスを含む浸炭雰囲気ガス中で加熱保持するという操作が採用されている。そのため、本発明の鋼部材の製造方法によれば、アンモニアガスを用いなくても、素形材に含まれるバナジウムが浸炭雰囲気ガスに含まれる窒素と結合することによって素形材の表層部に窒素を取り込む。また、鋼材に含まれるクロムの量が少ないため、素形材内への窒素の侵入を阻害する酸化膜が形成されにくく、バナジウムと窒素との結合を円滑に進めることができる。したがって、本発明の鋼部材の製造方法によれば、アンモニアガスを用いずに、簡便な操作で、低コストで、窒素富化表面層を有する鋼部材を製造することができる。この場合、前記鋼材は、炭素０．１〜１．１５質量％と、ケイ素０．０５〜０．７５質量％と、マンガン０．２〜１．２質量％と、モリブデン０．４質量％以下とをさらに含有することが好ましい。

前記工程（Ｂ）においては、前記素形材を８５０〜１０５０℃に加熱保持することが好ましい。この場合、耐摩耗性及び疲労強度を確保するのに十分な深さにまで窒素を素形材に導入することができ、しかも鋼部材の製造の際の窒素富化表面層の形成に要する時間を短縮することができる。

前記浸炭雰囲気ガスにおける窒素ガス濃度は、３８〜４５．５体積％であることが好ましい。この場合、高い耐摩耗性及び疲労強度を確保するのに十分な量の窒素を素形材の表層部に導入することができる。

本発明は、他の側面では、バナジウム０．１〜１．０質量％と、クロム１．４質量％以下とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である組成を有する基体部と、バナジウム０．１〜１．０質量％と、クロム１．４質量％以下とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である組成を有する窒素富化表面層とを含むことを特徴とする鋼部材に関する。本発明の鋼部材は、高い耐摩耗性及び疲労強度を確保するのに十分な窒素含有率を有する窒素富化表面層を含む。したがって、本発明の鋼部材においては、前記窒素富化表面層により、高い耐摩耗性及び疲労強度を確保することができる。この場合、前記基体部は、炭素０．１〜１．１５質量％と、ケイ素０．０５〜０．７５質量％と、マンガン０．２〜１．２質量％と、モリブデン０．４質量％以下とをさらに含有していることが好ましい。また、前記窒素富化表面層は、炭素０．７５〜１．１５質量％と、窒素０．１〜０．４質量％と、ケイ素０．０５〜０．７５質量％と、マンガン０．２〜１．２質量％と、モリブデン０．４質量％以下とをさらに含有ししていることが好ましい。

本発明の鋼部材の製造方法によれば、アンモニアガスを用いずに、簡便な操作で、低コストで、窒素富化表面層を有する鋼部材を製造することができる。また、本発明の鋼部材によれば、高い耐摩耗性及び疲労強度を確保することができる。

本発明の一実施形態に係る鋼部材を示す要部断面図である。 本発明の一実施形態に係る鋼部材の製造方法の各工程を示す工程図である。 図２に示される鋼部材の製造方法における熱処理条件を示す線図である。 比較例１３の熱処理条件を示す線図である。 試験例１において、鋼材におけるバナジウムの含有率と鋼部材の表面窒素濃度との関係を調べた結果を示すグラフである。 試験例１において、鋼材におけるクロムの含有率と鋼部材の表面窒素濃度との関係を調べた結果を示すグラフである。 試験例２において、浸炭窒化温度と鋼部材の表面窒素濃度との関係を調べた結果を示すグラフである。

［鋼部材］
以下、添付の図面により本発明の一実施形態に係る鋼部材を説明する。本実施形態に係る鋼部材は、例えば、外輪、内輪、転動体等の軸受構成部材；歯車等として用いることができる。図１は、本発明の一実施形態に係る鋼部材を示す要部断面図である。図１に示される鋼部材１０は、窒素富化表面層１０ａと基体部１０ｂとを含む。窒素富化表面層１０ａは、基体部１０ｂ上に存在している。

窒素富化表面層１０ａは、基体部１０ｂと比べて窒素が富化されている表面層である。より具体的には、窒素富化表面層１０ａは、０．１質量％以上の窒素濃度を有する層である。窒素富化表面層１０ａの厚さは、鋼部材１０の用途によって異なることから、鋼部材１０の用途に応じて適宜決定することができる。

窒素富化表面層１０ａは、バナジウム０．１〜１．０質量％と、クロム１．４質量％以下と、炭素０．７５〜１．１５質量％と、窒素０．１〜０．４質量％と、ケイ素０．０５〜０．７５質量％と、マンガン０．２〜１．２質量％と、モリブデン０．４質量％以下とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である組成を有する。窒素富化表面層１０ａは、例えば、後述の組成を有する鋼材に対し、後述の浸炭窒化焼入れ処理を施すこと等によって形成させることができる。鋼部材１０は、前記組成を有する窒素富化表面層１０ａを含むため、高い耐摩耗性及び疲労強度を確保することができる。

窒素富化表面層１０ａにおいて、バナジウム、クロム、ケイ素及びマンガンの含有率は、後述の鋼材と同様である。

窒素富化表面層１０ａにおいて、炭素は、鋼部材に求められる耐摩耗性及び疲労強度の確保のための硬さを得るための元素である。窒素富化表面層１０ａにおける炭素の含有率は、鋼部材に求められる耐摩耗性及び疲労強度の確保のための硬さを得る観点から、０．７５質量％以上、好ましくは０．８０質量％以上である。また、窒素富化表面層１０ａにおける炭素の含有率は、粗大な炭化物および炭窒化物の析出を抑制し、疲労寿命の低下を抑制する観点から、１．１５質量％以下、好ましくは１．１０質量％以下である。

窒素富化表面層１０ａにおいて、窒素は、炭素と同様に、鋼部材に求められる耐摩耗性及び疲労強度の確保のための硬さを得るための元素である。窒素富化表面層１０ａにおける窒素の含有率は、鋼部材に求められる耐摩耗性及び疲労強度の確保のための硬さを得る観点から、０．１０質量％以上、好ましくは０．１５質量％以上である。また、窒素富化表面層１０ａにおける窒素の含有率は、粗大な炭窒化物の析出を抑制し、疲労寿命の低下を抑制する観点から、０．４０質量％以下、好ましくは０．３５質量％以下である。

前記不可避不純物は、後述の鋼材を製造する際に、原料等から不可避的に混入する物質である。また、前記不可避不純物は、本発明の目的を阻害しない範囲で許容される物質である。前記不可避不純物としては、リン、硫黄、アルミニウム、酸素、ボロン、ニオブ、チタン等が挙げられるが、特に限定されない。

基体部１０ｂは、バナジウム０．１〜１．０質量％と、クロム１．４質量％以下と、炭素０．１〜１．１５質量％と、ケイ素０．０５〜０．７５質量％と、マンガン０．２〜１．２質量％と、モリブデン０．４質量％以下とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である組成を有する。なお、基体部１０ｂの元素組成は、後述の鋼部材の製造方法に用いられる鋼材の元素組成と同様である。

基体部１０ｂにおいて、バナジウム、クロム、炭素、ケイ素及びマンガンの含有率は、後述の鋼材と同様である。また、基体部１０ｂに含まれる不可避不純物は、窒素富化表面層１０ａに含まれる不可避不純物と同様である。

本実施形態に係る鋼部材１０は、窒素富化表面層１０ａにより、高い耐摩耗性及び疲労強度が確保されているので、例えば、外輪、内輪、転動体等の軸受構成部材；歯車等として用いることができる。

［鋼部材の製造方法］
つぎに、添付の図面により本発明の一実施形態に係る鋼部材の製造方法を説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る鋼部材の製造方法の各工程を示す工程図である。また、図３は、図２に示される鋼部材の製造方法における熱処理条件を示す線図である。

まず、中間素材準備工程では、所定の組成を有する鋼材１１から素形材１２を得る。前記中間素材準備工程では、鍛造、旋削などを含む成形工程を行なうことにより、素形材１２を得る。素形材１２は、鋼部材１０に対応する形状であって、所要部に研磨取り代を有する形状を有する。

鋼材１１は、バナジウム０．１〜１．０質量％と、クロム１．４質量％以下とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である組成を有する。鋼材１１は、より具体的には、バナジウム０．１〜１．０質量％及びクロム１．４質量％以下に加え、炭素０．１〜１．１５質量％と、ケイ素０．０５〜０．７５質量％と、マンガン０．２〜１．２質量％と、モリブデン０．４質量％以下とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である組成を有する。本実施形態に係る鋼部材の製造方法では、鋼材として、バナジウム０．１〜１．０質量％と、クロム１．４質量％以下とを含有する鋼材１１が用いられているので、アンモニアガスを用いなくても、素形材１２に含まれるバナジウムが浸炭雰囲気ガスに含まれる窒素と結合することによって素形材１２の表層部に窒素を取り込む。また、鋼材１１に含まれるクロムの量が少ないため、素形材１２内への窒素の侵入を阻害する酸化膜が形成されにくい。したがって、素形材１２の表層部におけるバナジウムと窒素との結合を円滑に進めることができる。そのため、本実施形態に係る鋼部材の製造方法によれば、アンモニアガスを用いずに、浸炭窒化焼入れ処理を行なうことができる。したがって、本実施形態に係る鋼部材の製造方法によれば、簡便な操作で、低コストで、窒素富化表面層１０ａを有する鋼部材１１を製造することができる。

バナジウムは、クロム及びモリブデンと同様に、鋼材１１から得られる素形材１２の焼入れ性を高め、強度確保のための硬さを得るための元素である。また、バナジウムは、窒素原子と容易に結合するため、アンモニアガスが存在していなくても、浸炭性ガス中に含まれる窒素ガスで容易に窒化される。しかしながら、鋼材１１におけるバナジウムの含有率が過剰に大きい場合、熱間加工後においても粗大な炭化物が残存し、浸炭窒化後の粗大な炭窒化物の形成をまねく。また、バナジウムは、鋼材１１の熱間加工性及び切削性の低下をもたらす。鋼材１１におけるバナジウムの含有率は、十分な浸炭窒化の効果を得る観点から、０．１質量％以上、好ましくは０．１５質量％以上である。また、鋼材１１におけるバナジウムの含有率は、粗大な析出物を形成させず、鋼材１１の加工性の低下を抑制する観点から、１．０質量％以下である。

クロムは、鋼材１１から得られる素形材１２の焼入れ性を確保し、強度確保のための硬さを得るための元素である。しかしながら、鋼材１１におけるクロムの含有率が過剰に大きい場合、浸炭窒化加熱時において、素形材１２の表面に酸化クロムから成る酸化膜が形成されやすくなる。酸化膜が形成された場合には、素形材１２の表面からの窒素の侵入が阻害され、窒化の効果が得られない。鋼材１１におけるクロムの含有率は、熱処理時の酸化膜の形成を抑制し、十分な浸炭窒化の効果を得る観点から、１．４質量％以下、好ましくは１．３５質量％以下である。なお、鋼材１１は、クロムを含まなくてもよい。このように、鋼材１１におけるクロムの含有率を１．４質量％以下にすることにより、酸化膜の形成が抑制されるので、浸炭窒化焼入れ処理を行なう際に、十分な量の炭素及び窒素を素形材１２に導入することができる。

炭素は、鋼部材１０の製造時における鋼材１１の焼入れ性を確保し、強度確保のための硬さを得るための元素である。しかしながら、鋼材１１における炭素の含有率が過剰に大きい場合、得られる鋼部材１０が硬くなりすぎ、熱間加工性の低下、切削時の工具寿命の低下等を引き起こす。鋼材１１における炭素の含有率は、十分な内部硬さを得る観点から、０．１質量％以上、好ましくは０．１５質量％以上である。また、鋼材１１における炭素の含有率は、熱処理前の加工性を十分に得る観点から、１．１５質量％以下、好ましくは１．１０質量％以下である。

ケイ素は、鋼材１１の製錬時の脱酸のために必要な元素であるとともに、炭化物に固溶しにくい性質を有するため、析出物の成長を抑制し、粗大化を防ぐための元素である。しかしながら、鋼材１１におけるケイ素の含有率が過剰に大きい場合、フェライトの強化によって硬さが上昇するため、鋼材１１の加工性が悪化する。鋼材１１におけるケイ素の含有率は、粗大な析出物の生成を抑制する観点から、０．０５質量％以上、好ましくは０．０７％以上である。また、鋼材１１におけるケイ素の含有率は、熱処理前において、十分な加工性を確保する観点から、０．７５質量％以下、好ましくは０．７０質量％以下である。

マンガンは、鋼部材の製造時における鋼材の焼入れ性を確保し、強度確保のための硬さを得るための元素である。しかしながら、鋼材１１におけるケイ素の含有率が過剰に大きい場合、鋼材１１の硬さが硬くなりすぎ、切削時における工具寿命の低下をもたらす。鋼材１１におけるマンガンの含有率は、十分な焼入れ性を得る観点から、０．２０質量％以上、好ましくは０．２５質量％以上である。また、鋼材１１におけるマンガンの含有率は、工具寿命の低下を抑制する観点から１．２０質量％以下、好ましくは１．１５質量％以下である。

モリブデンは、クロムと同様に、鋼材１１から得られる素形材１２の焼入れ性を高め、強度確保のための硬さを得るための元素である。しかしながら、モリブデンは、炭素との親和力が非常に強いため、鋼材におけるモリブデンの含有率が過剰に大きい場合、寿命低下の要因となる析出物の粗大化をまねく。鋼材１１におけるモリブデンの含有率は、粗大な析出物を形成させない観点から、０．４質量％以下、好ましくは０．３５質量％以下である。

つぎに、窒素富化層形成工程では、熱処理炉内で、アンモニアガスを含まず、窒素ガスを含む浸炭雰囲気ガス中において、図３に示される熱処理条件下に、素形材１２を加熱保持する。これにより、素形材１２の表層部に窒素富化表面層１３ａが形成される。その結果、窒素富化表面層１３ａと基体部１３ｂとを含む中間素材１３が得られる。このように、窒素富化層形成工程では、アンモニアガスを含まず、窒素ガスを含む浸炭雰囲気ガスが用いられているので、前記組成を有する鋼材１１から得られる素形材１２に対し、高い耐摩耗性及び疲労強度を確保するのに十分な量の窒素を導入することができる。

前記浸炭雰囲気ガスとしては、例えば、吸熱型変成ガス等が挙げられるが、本発明は、係る例示のみに限定されるものではない。吸熱型変成ガスは、例えば、吸熱型ガス変性炉内で、メタン、プロパン、ブタン等の炭化水素系原料ガスと空気とを混合し、得られた混合物を高温で加熱すること等によって得られる。

前記浸炭雰囲気ガスは、窒素ガス、一酸化炭素ガス及び水素ガスを主に含有する。また、前記浸炭雰囲気ガスは、二酸化炭素、メタンガス等をさらに含有してもよい。

前記浸炭雰囲気ガスにおける窒素ガス濃度は、図３に示されるように、通常、好ましくは３８〜４５．５体積％である。前記浸炭雰囲気ガスにおける窒素ガス濃度は、バナジウムとの結合により素形材１２に十分な量の窒素を取り込む観点から、好ましくは３８体積％以上、より好ましくは４０体積％以上である。また、前記浸炭雰囲気ガスにおける窒素ガス濃度は、浸炭効率の低下を防ぐ観点から、好ましくは４５．５体積％以下、より好ましくは４４体積％以下である。

前記浸炭雰囲気ガスにおける一酸化炭素ガス濃度は、通常、好ましくは２０〜２４．５体積％である。

前記浸炭雰囲気ガスにおける水素ガス濃度は、通常、好ましくは３０〜４１体積％である。

前記浸炭雰囲気ガスのカーボンポテンシャルは、図３に示されるように、好ましくは１〜１．４５である。前記浸炭雰囲気ガスのカーボンポテンシャルは、 素形材１２の内部にまで十分に炭素を拡散させ、部品に要求される硬さ分布を得る観点から、好ましくは１以上、より好ましくは１．０５以上である。また、前記浸炭雰囲気ガスのカーボンポテンシャルは、粗大な炭化物の生成および表面異常層の形成を抑制する観点から、好ましくは１．４５以下、より好ましくは１．４以下である。

前記浸炭雰囲気ガス中での素形材１２の加熱温度（以下、「浸炭窒化温度Ａ」ともいう）は、図３に示されるように、好ましくは８５０〜１０５０℃である。浸炭窒化温度Ａは、鋼部材１０の製造に要する時間を短縮する観点から、好ましくは８５０℃以上、より好ましくは９００℃以上である。また、浸炭窒化温度Ａは、浸炭窒化処理時における結晶粒の粗大化を抑制する観点から、好ましくは１０５０℃以下、より好ましくは１０００℃以下である。

浸炭窒化時間ｔ_Aは、図３に示されるように、好ましくは２時間以上である。浸炭窒化時間ｔ_Aは、鋼部材に適した硬さ分布を形成させる観点から、好ましくは３時間以上である。また、浸炭窒化時間ｔ_Aは、鋼部材に適した硬さ分布を形成させる目的を達成する範囲で、必要に応じ、さらに長い時間であってもよい。

つぎに、焼入れ工程において、図３に示される熱処理条件下に中間素材１３に焼入れ処理を施す。

焼入れ温度Ｂは、図３に示されるように、好ましくは８００〜９００℃である。焼入れ温度Ｂは、炭素を固溶させ、マルテンサイトを形成することで十分な硬さを得る観点から、好ましくは８００℃以上、より好ましくは８１０℃以上である。また、焼入れ温度Ｂは、硬さの低下を防ぐために残留オーステナイトの過剰な生成を抑制する観点から、好ましくは９００℃以下、より好ましくは８９０℃以下である。

焼入れ温度での保持時間（以下、「焼入れ均熱時間ｔ_B」ともいう）は、鋼部材全体の温度が所定の焼入れ温度になるために必要な時間以上であればよい。粗大な析出物の形成を抑制し、十分な靭性を確保する観点から、好ましくは１時間以内である。

焼入れ工程の後、必要に応じて、焼き戻し、研磨仕上げ加工、超仕上げ加工を行なってもよい。これにより、窒素富化表面層１０ａと基体部１０ｂとを含む鋼部材１０が得られる。

以下、実施例等により、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、かかる実施例のみに限定されるものではない。

実施例１〜９及び比較例１〜１１
表１に示される鋼材から素形材（直径：３０ｍｍ及び幅：８ｍｍ）を製造した。表１において、鋼材Ａ〜Ｉは、バナジウム０．１〜１．０質量％及びクロム１．４質量％以下の両方を満たす浸炭窒化用鋼材の一例である。また、鋼材Ｊ〜Ｔは、バナジウム０．１〜１．０質量％及びクロム１．４質量％以下のいずれか一方を満たしていない鋼材の一例である。

得られた素形材に対して浸炭窒化焼入れ処理を施し、鋼部材を得た。浸炭窒化焼入れ処理の熱処理条件は、以下のとおりである。

＜熱処理条件＞
浸炭窒化雰囲気
カーボンポテンシャルＣＰ：１．２
浸炭窒化温度Ａ：９５０℃
浸炭窒化時間ｔ_Ａ：２．５ｈ
焼入れ温度Ｂ：８３０℃
焼入れ均熱時間ｔ_Ｂ：０．５ｈ

実施例１０〜１２並びに比較例１２
鋼材Ａを用い、以下の熱処理条件で浸炭窒化焼入れ処理を行なったことを除き、実施例１〜９及び比較例１〜１１と同様の操作を行ない、鋼部材を得た。

＜実施例１０の熱処理条件＞
浸炭窒化雰囲気
カーボンポテンシャルＣＰ：１．０
浸炭窒化温度Ａ：１０５０℃
浸炭窒化時間ｔ_Ａ：２．５ｈ
焼入れ温度Ｂ：８１０℃
焼入れ均熱時間ｔ_Ｂ：０．５ｈ

＜実施例１１の熱処理条件＞
浸炭窒化雰囲気
カーボンポテンシャルＣＰ：１．３
浸炭窒化温度Ａ：８５０℃
浸炭窒化時間ｔ_Ａ：２．５ｈ
焼入れ温度Ｂ：８５０℃
焼入れ均熱時間ｔ_Ｂ：０．５ｈ

＜実施例１２の熱処理条件＞
浸炭窒化雰囲気
カーボンポテンシャルＣＰ：１．２
浸炭窒化温度Ａ：９０℃
浸炭窒化時間ｔ_Ａ：３ｈ
焼入れ温度Ｂ：８３０℃
焼入れ均熱時間ｔ_Ｂ：０．５ｈ

＜比較例１２の熱処理条件＞
浸炭窒化雰囲気
カーボンポテンシャルＣＰ：１．３
浸炭窒化温度Ａ：８３０℃
浸炭窒化時間ｔ_Ａ：２．５ｈ
焼入れ温度Ｂ：８５０℃
焼入れ均熱時間ｔ_Ｂ：０．５ｈ

比較例１３
鋼材Ｊを用い、図４に示される熱処理条件で浸炭窒化焼入れ処理を行なったことを除き、実施例１〜９及び比較例１〜１１と同様の操作を行ない、鋼部材を得た。

試験例１
実施例１〜９及び比較例１〜１１で得られた鋼部材を用い、原料である鋼材の元素組成の違いと表面窒素濃度との関係を調べた。まず、実施例１〜９及び比較例１〜１１の鋼部材それぞれの表層部の炭素濃度及び窒素濃度を測定した。前記炭素濃度及び窒素濃度の測定は、以下の手順で行なった。試験片を軸方向に垂直に切断した。つぎに、切断面に対して埋め込み研磨仕上げを行なった。その後、電子線マイクロアナライザを用いて前記試験片における研磨面の表面から５０μｍ深さの位置までの範囲について、１μｍピッチで炭素濃度及び窒素濃度を測定した。測定された値の平均値を、それぞれ、「表面炭素濃度」及び「表面窒素濃度」とした。前記表層部におけるケイ素、マンガン、クロム、モリブデン及びバナジウムそれぞれの含有率は、表１に示される鋼材におけるケイ素、マンガン、クロム、モリブデン及びバナジウムそれぞれの含有率と同様である。

実施例１〜９及び比較例１〜１１で得られた鋼部材それぞれの元素組成を表２に示す。

表２に示された結果から、実施例１〜９で得られた鋼部材は、炭素０．７８２〜０．８５２質量％及び窒素０．１２４〜０．２９７質量％を含むことがわかる。これに対し、比較例１〜１１で得られた鋼部材は、炭素０．７７３〜０．８６４質量％及び窒素０．０１２〜０．０４４質量％を含むことがわかる。したがって、実施例１〜９で得られた鋼部材の窒素含有率は、比較例１〜１１で得られた鋼部材の窒素含有率と比べて高いことがわかる。

つぎに、鋼材に対する浸炭窒化焼入れ処理の良否を以下の評価基準にしたがって評価した。

＜評価基準＞
良好：鋼部材の表面窒素濃度が０．１質量％以上である。
不良：鋼部材の表面窒素濃度が０．１質量％未満である。

実施例１〜９及び比較例１〜１１で得られた鋼部材それぞれの表面炭素濃度、表面窒素濃度及び鋼材に対する浸炭窒化焼入れ処理の良否の評価結果を表３に示す。

表３に示された結果から、実施例１〜９では、浸炭窒化焼入れ処理が良好に行なわれているのに対し、比較例１〜１１では、浸炭窒化焼入れ処理が良好に行なわれていないことがわかる。

また、鋼材におけるクロムの含有率及びバナジウムの含有率と表面窒素濃度との関係を調べた結果を図５に示す。図中、白丸はクロムの含有率が１．４質量％以下である鋼材、白三角はクロムの含有率が１．４質量％を超える鋼材を示す。さらに、バナジウムの含有率が０．１質量％以上である鋼材におけるクロムの含有率と表面窒素濃度との関係を調べた結果を図６に示す。

図５に示された結果から、クロムの含有率が１．４質量％以下である鋼材を用いた場合、バナジウムの含有率が高いほど、表面窒素濃度が高いことがわかる。一方、クロムの含有率が１．４質量％を超える鋼材を用いた場合、バナジウムの含有率が高くなっても、表面窒素濃度がほとんど変化しないことがわかる。これらの結果から、クロムの含有率が１．４質量％以下である鋼材を用いた場合、浸炭窒化焼入れ処理を良好に行なうことができることが示唆される。

また、図６に示された結果から、バナジウムの含有率が０．１質量％以上である鋼材を用いた場合、クロムの含有率が１．４質量％以下であれば、０．１質量％以上の表面窒素濃度を確保することができることがわかる。

試験例２
実施例１、１０及び１１並びに比較例１２で得られた鋼部材を用いたことを除き、試験例１と同様の操作を行ない、表面炭素濃度及び表面窒素濃度の測定並びに鋼材に対する浸炭窒化焼入れ処理の良否の評価を行なった。浸炭窒化温度と表面窒素濃度との関係を調べた結果を図７に示す。また、鋼材に対する浸炭窒化焼入れ処理の良否の評価結果を表４に示す。

図７に示された結果から、浸炭窒化温度が８５０℃以上である場合、表面窒素濃度が０．１質量％を超えるのに対し、浸炭窒化温度が８５０℃未満である場合、表面窒素濃度が０．１質量％未満であることがわかる。また、表４に示された結果から、浸炭窒化温度が８５０℃以上である実施例１０、１及び１１では、浸炭窒化焼入れ処理が良好に行なわれていることがわかる。これに対し、浸炭窒化温度が８５０℃未満である比較例１２では、浸炭窒化焼入れ処理が良好に行なわれていないことがわかる。これらの結果から、バナジウム０．１〜１．０質量％及びクロム１．４質量％以下の両方を満たす浸炭窒化用鋼材を、窒素ガスを含む浸炭性ガス中で８５０℃以上の浸炭窒化温度で加熱保持することにより、浸炭窒化焼入れ処理を良好に行なうことができることが示唆される。

試験例３
実施例１２及び比較例１３で得られた鋼部材を用い、アンモニアガスを用いない浸炭窒化焼き入れ処理及びアンモニアガスを用いる浸炭窒化焼入れ処理それぞれの良否を評価した。実施例１２及び比較例１３で得られた鋼部材を用いたことを除き、試験例１と同様の操作を行ない、表面炭素濃度及び表面窒素濃度の測定を行なった。また、試験片を軸方向に切断し、切断面に対し、埋め込み研磨仕上げを行なった後に表面から内部方向のビッカース硬さ分布測定を行なうことにより、ビッカース硬さが５５０となる深さ（以下、「５５０ＨＶ深さ」ともいう）を求めた。さらに、比較例１３の熱処理コスト比を、式（Ｉ）：
熱処理コスト比＝［比較例１３における浸炭窒化時間と焼入れ均熱時間との合計時間］／［実施例１２における浸炭窒化時間と焼入れ均熱時間との合計時間］ （Ｉ）
にしたがって求めた。実施例１及び比較例１３それぞれの浸炭窒化焼入れ処理の熱処理条件を表５に示す。また、表面炭素濃度、表面窒素濃度、５５０ＨＶ深さ及び熱処理コスト比を表５に示す。

表６に示された結果から、実施例１２で得られた鋼部材は、０．８２ｍｍの深さの位置において、ビッカース硬さ５５０を有していることがわかる。また、比較例１３で得られた鋼部材は、０．８５ｍｍの深さの位置において、ビッカース硬さ５５０を有していることがわかる。したがって、アンモニアガスを用いない浸炭窒化焼入れ処理（実施例１）によれば、アンモニアガスを用いる従来の浸炭窒化処理（比較例１３）と同様に素形材の表層部に窒素富化表面層を設けることができることがわかる。一方、表６に示された結果から、比較例１で行なわれた浸炭窒化焼入れ処理の熱処理コストは、実施例１２で行なわれた浸炭窒化焼入れ処理の熱処理コストの１．９倍であることがわかる。これらの結果から、所定のバナジウム含有率及びクロム含有率を有する鋼材からなる素形材を、アンモニアガスを含まず、窒素ガスを含む浸炭性ガス中で加熱保持することにより、アンモニアガスを含む浸炭窒化雰囲気ガスを用いる場合と比べて、低コストで良好に浸炭窒化焼入れ処理を行なうことができることが示唆される。

１０：鋼部材、１０ａ：窒素富化表面層、１０ｂ：基体部１０ｂ

Claims (6)

1. （Ａ）代表的成分として、バナジウム０．１〜１．０質量％と、クロム１．４質量％以下とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である組成を有する鋼材からなる素形材を準備する工程、
   （Ｂ）前記工程（Ａ）で得られた素形材を、アンモニアガスを含まず、窒素ガスを含む浸炭雰囲気ガス中で加熱保持することにより、窒素富化表面層と基体部とを含む中間素材を得る工程、並びに
   （Ｃ）前記工程（Ｂ）で得られた中間素材に焼入れ処理を施し、鋼部材を得る工程
   を含む、鋼部材の製造方法。
2. 前記鋼材が、前記代表的成分として、炭素０．１〜１．１５質量％と、ケイ素０．０５〜０．７５質量％と、マンガン０．２〜１．２質量％と、モリブデン０．４質量％以下とをさらに含有する請求項１に記載の方法。
3. 前記工程（Ｂ）において、前記素形材を８５０〜１０５０℃に加熱保持する請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記浸炭雰囲気ガスにおける窒素ガス濃度が、３８〜４５．５体積％である請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 代表的成分として、バナジウム０．１〜１．０質量％と、クロム１．４質量％以下とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である組成を有する基体部と、
   代表的成分として、バナジウム０．１〜１．０質量％と、クロム１．４質量％以下と、炭素０．７５〜１．１５質量％と、窒素０．１〜０．４質量％とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である組成を有する窒素富化表面層と
   を含むことを特徴とする鋼部材。
6. 前記基体部が、前記代表的成分として、炭素０．１〜１．１５質量％と、ケイ素０．０５〜０．７５質量％と、マンガン０．２〜１．２質量％と、モリブデン０．４質量％以下とをさらに含有しており、
   前記窒素富化表面層が、前記代表的成分として、ケイ素０．０５〜０．７５質量％と、マンガン０．２〜１．２質量％と、モリブデン０．４質量％以下とをさらに含有ししている請求項５に記載の鋼部材。