JP2021028413A - 浸炭歯車用鋼、浸炭歯車及び浸炭歯車の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガス浸炭焼入れを行って浸炭歯車を製造する場合に、耐食性に優れる浸炭歯車を製造することができる浸炭歯車用鋼及び浸炭歯車の製造方法、並びに耐食性に優れる浸炭歯車を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．２６〜０．３２％、Ｓｉ：０．４０〜１．００％、Ｍｎ：０．８０〜２．００％、Ｃｒ：０．６０〜１．１０％、Ｓ：０．００１〜０．０５０％、Ｎ：０．００４〜０．０３０％、Ａｌ：０．００１〜０．１００％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１００％、Ｏ：０．００５％以下、Ｐ：０．０５％以下、並びに残部：Ｆｅ及び不純物からなる浸炭歯車用鋼。【選択図】なし
Description
本発明は、浸炭歯車用鋼、浸炭歯車及び浸炭歯車の製造方法に関する。
建設機械、産業機械等に用いられる歯車は、精密な寸法精度と強度とを両立するため、一般に機械加工後に浸炭焼入れを施して使用される。
これらの歯車のうち、外界から密閉されずに使用されるものは、環境から侵入する水分等と接触しながら使用され、腐食減肉が発生している。一方、近年、軽量化を狙って歯車の小型化が進んでいる。
その結果、環境による腐食に伴う減肉の影響が拡大して課題となり始めていることから、耐食性に優れた歯車が求められている。
これらの歯車のうち、外界から密閉されずに使用されるものは、環境から侵入する水分等と接触しながら使用され、腐食減肉が発生している。一方、近年、軽量化を狙って歯車の小型化が進んでいる。
その結果、環境による腐食に伴う減肉の影響が拡大して課題となり始めていることから、耐食性に優れた歯車が求められている。
従来の歯車の技術開発に関し、例えば、特許文献１では、浸炭処理、窒化処理、高周波焼入れの順に熱処理を行うことで耐食性に優れた歯車を提供する技術が開示されている。
特許文献１に開示されている技術は、複雑な熱処理を行うことが必要であり、生産効率面で現実的な技術を提供するものではない。
本発明の目的は、ガス浸炭焼入れを行って浸炭歯車を製造する場合に、耐食性に優れる浸炭歯車を製造することができる浸炭歯車用鋼及び浸炭歯車の製造方法、並びに耐食性に優れる浸炭歯車を提供することである。
本発明の課題を解決する手段は、以下の態様を含む。
＜１＞ 質量％で、
Ｃ：０．２６〜０．３２％、
Ｓｉ：０．４０〜１．００％、
Ｍｎ：０．８０〜２．００％、
Ｃｒ：０．６０〜１．１０％、
Ｓ：０．００１〜０．０５０％、
Ｎ：０．００４〜０．０３０％、
Ａｌ：０．００１〜０．１００％、
Ｃａ：０．０００１〜０．０１００％、
Ｏ：０．００５％以下、
Ｐ：０．０５％以下、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなる浸炭歯車用鋼。
＜２＞ 質量％で、
Ｎｉ：０．１〜３．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｃｕ：０．０５〜１．０％、
Ｃｏ：０．０５〜３．０％、
Ｗ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０１〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、及び
Ｂ：０．０００５〜０．００５％
からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含む前記＜１＞に記載の浸炭歯車用鋼。
＜３＞ 質量％で、
Ｐｂ：０．０９％以下、
Ｂｉ：０．０００１〜０．５％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％、
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％、及び
希土類元素：０．０００５〜０．００５％
からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含む前記＜１＞又は＜２＞に記載の浸炭歯車用鋼。
＜４＞ ガス浸炭処理を施した後に表面に存在する酸化物中のＭｎ、Ｆｅ、及びＣｒの含有量が、下記式（１）を満たす前記＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の浸炭歯車用鋼。
１０％≦Ｍｎ／（Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ）×１００≦１００％ （１）
（式（１）中の元素記号は、前記酸化物中の元素の質量％での含有量を表す。）
＜５＞ 前記＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載の浸炭歯車用鋼を、歯車形状の部材に機械加工する工程と、
前記歯車形状の部材にガス浸炭処理を施す工程と、
を有する浸炭歯車の製造方法。
＜６＞ 表面から３ｍｍよりも深い位置において、質量％で、
Ｃ：０．２６〜０．３２％、
Ｓｉ：０．４０〜１．００％、
Ｍｎ：０．８０〜２．００％、
Ｃｒ：０．６０〜１．１０％、
Ｓ：０．００１〜０．０５０％、
Ｎ：０．００４〜０．０３０％、
Ａｌ：０．００１〜０．１００％、
Ｃａ：０．０００１〜０．０１００％、
Ｏ：０．００５％以下、
Ｐ：０．０５％以下、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、表面に存在する酸化物中のＭｎ、Ｆｅ、及びＣｒの含有量が、下記式（１）を満たす浸炭歯車。
１０％≦Ｍｎ／（Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ）×１００≦１００％ （１）
（式（１）中の元素記号は、前記酸化物中の元素の質量％での含有量を表す。）
＜７＞ 前記表面から３ｍｍよりも深い位置において、質量％で、
Ｎｉ：０．１〜３．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｃｕ：０．０５〜１．０％、
Ｃｏ：０．０５〜３．０％、
Ｗ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０１〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、及び
Ｂ：０．０００５〜０．００５％
からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含む前記＜６＞に記載の浸炭歯車。
＜８＞ 前記表面から３ｍｍよりも深い位置において、質量％で、
Ｐｂ：０．０９％以下、
Ｂｉ：０．０００１〜０．５％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％、
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％、及び
希土類元素：０．０００５〜０．００５％
からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含む前記＜６＞又は＜７＞に記載の浸炭歯車。
＜１＞ 質量％で、
Ｃ：０．２６〜０．３２％、
Ｓｉ：０．４０〜１．００％、
Ｍｎ：０．８０〜２．００％、
Ｃｒ：０．６０〜１．１０％、
Ｓ：０．００１〜０．０５０％、
Ｎ：０．００４〜０．０３０％、
Ａｌ：０．００１〜０．１００％、
Ｃａ：０．０００１〜０．０１００％、
Ｏ：０．００５％以下、
Ｐ：０．０５％以下、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなる浸炭歯車用鋼。
＜２＞ 質量％で、
Ｎｉ：０．１〜３．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｃｕ：０．０５〜１．０％、
Ｃｏ：０．０５〜３．０％、
Ｗ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０１〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、及び
Ｂ：０．０００５〜０．００５％
からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含む前記＜１＞に記載の浸炭歯車用鋼。
＜３＞ 質量％で、
Ｐｂ：０．０９％以下、
Ｂｉ：０．０００１〜０．５％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％、
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％、及び
希土類元素：０．０００５〜０．００５％
からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含む前記＜１＞又は＜２＞に記載の浸炭歯車用鋼。
＜４＞ ガス浸炭処理を施した後に表面に存在する酸化物中のＭｎ、Ｆｅ、及びＣｒの含有量が、下記式（１）を満たす前記＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の浸炭歯車用鋼。
１０％≦Ｍｎ／（Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ）×１００≦１００％ （１）
（式（１）中の元素記号は、前記酸化物中の元素の質量％での含有量を表す。）
＜５＞ 前記＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載の浸炭歯車用鋼を、歯車形状の部材に機械加工する工程と、
前記歯車形状の部材にガス浸炭処理を施す工程と、
を有する浸炭歯車の製造方法。
＜６＞ 表面から３ｍｍよりも深い位置において、質量％で、
Ｃ：０．２６〜０．３２％、
Ｓｉ：０．４０〜１．００％、
Ｍｎ：０．８０〜２．００％、
Ｃｒ：０．６０〜１．１０％、
Ｓ：０．００１〜０．０５０％、
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Ｃａ：０．０００１〜０．０１００％、
Ｏ：０．００５％以下、
Ｐ：０．０５％以下、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、表面に存在する酸化物中のＭｎ、Ｆｅ、及びＣｒの含有量が、下記式（１）を満たす浸炭歯車。
１０％≦Ｍｎ／（Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ）×１００≦１００％ （１）
（式（１）中の元素記号は、前記酸化物中の元素の質量％での含有量を表す。）
＜７＞ 前記表面から３ｍｍよりも深い位置において、質量％で、
Ｎｉ：０．１〜３．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｃｕ：０．０５〜１．０％、
Ｃｏ：０．０５〜３．０％、
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Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、及び
Ｂ：０．０００５〜０．００５％
からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含む前記＜６＞に記載の浸炭歯車。
＜８＞ 前記表面から３ｍｍよりも深い位置において、質量％で、
Ｐｂ：０．０９％以下、
Ｂｉ：０．０００１〜０．５％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％、
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％、及び
希土類元素：０．０００５〜０．００５％
からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含む前記＜６＞又は＜７＞に記載の浸炭歯車。
本発明によれば、ガス浸炭焼入れを行って浸炭歯車を製造する場合に、耐食性に優れる浸炭歯車を製造することができる浸炭歯車用鋼及び浸炭歯車の製造方法、並びに耐食性に優れる浸炭歯車が提供される。
以下、本発明の一例である実施形態について詳細に説明する。
なお、本明細書中において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
また、化学組成の元素の含有量について、「％」は「質量％」を意味する。
なお、本明細書中において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
また、化学組成の元素の含有量について、「％」は「質量％」を意味する。
（浸炭歯車用鋼）
まず、本発明に至った経緯を説明する。
本発明者らは、ガス浸炭焼入れ後の歯車の耐食性を向上させる方法について鋭意調査を行った。その結果、ガス浸炭により形成する酸化物組成が耐食性影響を与えることを知見した。そこでさらに本発明者らは耐食性を向上させる酸化物組成が得られる方法について、鋼材の化学成分の影響を調査した。その結果、鋼材成分を、Ｃ：０．２６〜０．３２％、Ｓｉ：０．４０〜１．００％、Ｍｎ：０．８０〜２．００％、Ｃｒ：０．６０〜１．１０％、Ｓ：０．００１〜０．０５０％、Ｎ：０．００４〜０．０３０％、Ａｌ：０．００１〜０．１００％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１００％、Ｏ：０．００５％以下、Ｐ：０．０５％以下、並びに残部：Ｆｅ及び不純物の範囲とすることで、ガス浸炭後の酸化物中のＭｎ濃度が増加し、高い耐食性が得られることを知見した。
まず、本発明に至った経緯を説明する。
本発明者らは、ガス浸炭焼入れ後の歯車の耐食性を向上させる方法について鋭意調査を行った。その結果、ガス浸炭により形成する酸化物組成が耐食性影響を与えることを知見した。そこでさらに本発明者らは耐食性を向上させる酸化物組成が得られる方法について、鋼材の化学成分の影響を調査した。その結果、鋼材成分を、Ｃ：０．２６〜０．３２％、Ｓｉ：０．４０〜１．００％、Ｍｎ：０．８０〜２．００％、Ｃｒ：０．６０〜１．１０％、Ｓ：０．００１〜０．０５０％、Ｎ：０．００４〜０．０３０％、Ａｌ：０．００１〜０．１００％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１００％、Ｏ：０．００５％以下、Ｐ：０．０５％以下、並びに残部：Ｆｅ及び不純物の範囲とすることで、ガス浸炭後の酸化物中のＭｎ濃度が増加し、高い耐食性が得られることを知見した。
ガス浸炭雰囲気下では、鉄は酸化しないが、ＭｎやＣｒ等の合金元素が選択酸化される。それにより形成される酸化物はＭｎ３Ｏ４や、ＭｎＣｒ２Ｏ４といったように変化し、Ｍｎ、Ｃｒ添加量の影響を受ける。調査の結果、Ｍｎ含有量が高い酸化物を表面に形成した場合に耐食性が向上した。
次に本実施形態に係る鋼の化学成分の限定理由について説明する。
Ｃ：０．２６〜０．３２％
Ｃ含有量は、歯車の非浸炭部の硬さに影響する。所要の硬さを確保するために、Ｃ含有量を０．２６％以上とする。非浸炭部の硬さを確保する観点から、Ｃ含有量の好ましい下限は０．２７％以上であり、さらに好ましくは０．２８％以上である。
一方、Ｃ含有量が多すぎると浸炭後の非浸炭部硬さが高くなり、衝撃に対する強度低下するため、Ｃ含有量を０．３２％以下とする。Ｃ含有量の好ましい上限は０．３１％以下であり、さらに好ましくは０．３０％以下である。
Ｃ含有量は、歯車の非浸炭部の硬さに影響する。所要の硬さを確保するために、Ｃ含有量を０．２６％以上とする。非浸炭部の硬さを確保する観点から、Ｃ含有量の好ましい下限は０．２７％以上であり、さらに好ましくは０．２８％以上である。
一方、Ｃ含有量が多すぎると浸炭後の非浸炭部硬さが高くなり、衝撃に対する強度低下するため、Ｃ含有量を０．３２％以下とする。Ｃ含有量の好ましい上限は０．３１％以下であり、さらに好ましくは０．３０％以下である。
Ｓｉ：０．４０〜１．００％
Ｓｉは、ガス浸炭により形成する酸化物に影響を与える元素である。耐食性に優れる酸化物を得るには、Ｓｉ含有量を０．４０〜１．００％範囲内にする必要がある。
ガス浸炭により耐食性に優れる酸化物を得る観点から、Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．４５％以上であり、さらに好ましくは０．５０％以上である。同様に、Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．９０％以下であり、さらに好ましくは０．８０％以下である。
Ｓｉは、ガス浸炭により形成する酸化物に影響を与える元素である。耐食性に優れる酸化物を得るには、Ｓｉ含有量を０．４０〜１．００％範囲内にする必要がある。
ガス浸炭により耐食性に優れる酸化物を得る観点から、Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．４５％以上であり、さらに好ましくは０．５０％以上である。同様に、Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．９０％以下であり、さらに好ましくは０．８０％以下である。
Ｍｎ：０．８０〜２．００％
Ｍｎは、ガス浸炭により形成する酸化物に影響を与える元素である。耐食性に優れる酸化物を得るには、Ｍｎ含有量を０．８０〜２．００％範囲内にする必要がある。
耐食性に優れる酸化物を得る観点から、Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．８３％以上であり、さらに好ましくは０．８５％以上である。同様に、Ｍｎ含有量の好ましい上限は１．９０％以下であり、さらに好ましくは１．８０％以下である。
Ｍｎは、ガス浸炭により形成する酸化物に影響を与える元素である。耐食性に優れる酸化物を得るには、Ｍｎ含有量を０．８０〜２．００％範囲内にする必要がある。
耐食性に優れる酸化物を得る観点から、Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．８３％以上であり、さらに好ましくは０．８５％以上である。同様に、Ｍｎ含有量の好ましい上限は１．９０％以下であり、さらに好ましくは１．８０％以下である。
Ｃｒ：０．６０〜１．１０％
Ｃｒは、ガス浸炭により形成する酸化物に影響を与える元素である。耐食性に優れる酸化物を得るには、Ｃｒ含有量を０．６０〜１．１０％範囲内にする必要がある。
耐食性に優れる酸化物を得る観点から、Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．６５％以上であり、さらに好ましくは０．７０％以上である。同様に、Ｃｒ含有量の好ましい上限は１．０５％以下であり、さらに好ましくは１．００％以下である。
Ｃｒは、ガス浸炭により形成する酸化物に影響を与える元素である。耐食性に優れる酸化物を得るには、Ｃｒ含有量を０．６０〜１．１０％範囲内にする必要がある。
耐食性に優れる酸化物を得る観点から、Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．６５％以上であり、さらに好ましくは０．７０％以上である。同様に、Ｃｒ含有量の好ましい上限は１．０５％以下であり、さらに好ましくは１．００％以下である。
Ｓ：０．００１〜０．０５０％
Ｓは、鋼中でＭｎＳを形成し、これにより鋼の被削性を向上させる。部品（歯車）への切削加工が可能なレベルの被削性を得るには、一般的な機械構造用鋼と同等のＳ含有量が必要である。以上の理由から、Ｓの含有量を０．００１〜０．０５０％の範囲内にする必要がある。
鋼の被削性を向上させる観点から、Ｓ含有量の好ましい下限は０．００５％以上であり、さらに好ましくは０．０１０％以上である。
一方、Ｓ含有量を過剰に高くすると粗大なＭｎＳを形成し、歯車の機械的性能を損なうことから、Ｓ含有量の好ましい上限は０．０４０％以下であり、さらに好ましくは０．０３０％以下である。
Ｓは、鋼中でＭｎＳを形成し、これにより鋼の被削性を向上させる。部品（歯車）への切削加工が可能なレベルの被削性を得るには、一般的な機械構造用鋼と同等のＳ含有量が必要である。以上の理由から、Ｓの含有量を０．００１〜０．０５０％の範囲内にする必要がある。
鋼の被削性を向上させる観点から、Ｓ含有量の好ましい下限は０．００５％以上であり、さらに好ましくは０．０１０％以上である。
一方、Ｓ含有量を過剰に高くすると粗大なＭｎＳを形成し、歯車の機械的性能を損なうことから、Ｓ含有量の好ましい上限は０．０４０％以下であり、さらに好ましくは０．０３０％以下である。
Ｎ：０．００４〜０．０３０％
Ｎは、ＡｌやＴｉ、Ｖ、Ｃｒなどと化合物を形成することによる結晶粒微細化効果があるため、０．００４％以上含有する必要がある。
しかし、Ｎ含有量が０．０３０％を超えると化合物が粗大となり、結晶粒微細化効果が得られない。以上の理由によって、Ｎ含有量を０．００４〜０．０３０％の範囲内にする必要がある。
結晶粒微細化効果を得る観点から、Ｎ含有量の好ましい下限は０．００５％以上であり、さらに好ましくは０．００６％以上である。
一方、化合物の粗大化による脆化を抑制する観点から、Ｎ含有量の好ましい上限は０．０２８％以下であり、さらに好ましくは０．０２５％以下である。
Ｎは、ＡｌやＴｉ、Ｖ、Ｃｒなどと化合物を形成することによる結晶粒微細化効果があるため、０．００４％以上含有する必要がある。
しかし、Ｎ含有量が０．０３０％を超えると化合物が粗大となり、結晶粒微細化効果が得られない。以上の理由によって、Ｎ含有量を０．００４〜０．０３０％の範囲内にする必要がある。
結晶粒微細化効果を得る観点から、Ｎ含有量の好ましい下限は０．００５％以上であり、さらに好ましくは０．００６％以上である。
一方、化合物の粗大化による脆化を抑制する観点から、Ｎ含有量の好ましい上限は０．０２８％以下であり、さらに好ましくは０．０２５％以下である。
Ａｌ：０．００１〜０．１００％
Ａｌは、鋼の脱酸に有効な元素であり、またＮと結合して窒化物を形成して結晶粒を微細化する元素である。Ａｌ含有量が０．００１％未満ではこの効果が不十分である。一方、Ａｌ含有量が０．１００％を超えると、窒化物が粗大になり脆化させる。
結晶粒微細化効果を得る観点から、Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００４以上％であり、さらに好ましくは０．００７％以上である。
一方、窒化物の粗大化による脆化を抑制する観点から、Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０８０％以下であり、さらに好ましくは０．０５０％以下である。
Ａｌは、鋼の脱酸に有効な元素であり、またＮと結合して窒化物を形成して結晶粒を微細化する元素である。Ａｌ含有量が０．００１％未満ではこの効果が不十分である。一方、Ａｌ含有量が０．１００％を超えると、窒化物が粗大になり脆化させる。
結晶粒微細化効果を得る観点から、Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００４以上％であり、さらに好ましくは０．００７％以上である。
一方、窒化物の粗大化による脆化を抑制する観点から、Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０８０％以下であり、さらに好ましくは０．０５０％以下である。
Ｃａ：０．０００１〜０．０１００％
Ｃａは、ガス浸炭により形成する酸化物に影響を与える元素である。耐食性に優れる酸化物を得るには、Ｃａ含有量を０．０００１〜０．０１００％範囲内にする必要がある。
耐食性に優れる酸化物を得る観点から、Ｃａ含有量の好ましい下限は０．０００３％以上であり、さらに好ましくは０．０００５％以上である。同様に、Ｃａ含有量の好ましい上限は０．００８０％以下であり、さらに好ましくは０．００６０％以下である。
Ｃａは、ガス浸炭により形成する酸化物に影響を与える元素である。耐食性に優れる酸化物を得るには、Ｃａ含有量を０．０００１〜０．０１００％範囲内にする必要がある。
耐食性に優れる酸化物を得る観点から、Ｃａ含有量の好ましい下限は０．０００３％以上であり、さらに好ましくは０．０００５％以上である。同様に、Ｃａ含有量の好ましい上限は０．００８０％以下であり、さらに好ましくは０．００６０％以下である。
Ｏ：０．００５％以下
Ｏは、鋼中で酸化物を形成し、介在物として作用して疲労強度を低下するため、Ｏ含有量は０．００５％以下に制限されることが好ましい。
鋼中で酸化物の形成を抑制する観点から、Ｏ含有量の上限は０．００３％以下としてもよく、０．００２％以下としてもよい。Ｏ含有量は少ない方が好ましいので、Ｏ含有量の下限値は０％である。
Ｏは、鋼中で酸化物を形成し、介在物として作用して疲労強度を低下するため、Ｏ含有量は０．００５％以下に制限されることが好ましい。
鋼中で酸化物の形成を抑制する観点から、Ｏ含有量の上限は０．００３％以下としてもよく、０．００２％以下としてもよい。Ｏ含有量は少ない方が好ましいので、Ｏ含有量の下限値は０％である。
Ｐ：０．０５％以下
Ｐは、焼入れ前の加熱時にオーステナイト粒界に偏析し、それにより疲労強度を低下させてしまう。従って、Ｐ含有量を０．０５％以下に制限することが好ましい。Ｐ含有量の上限は０．０４％以下としてもよく、０．０３％以下としてもよい。Ｐ含有量は少ない方が好ましいので、Ｐ含有量の下限値は０％である。
しかし、Ｐの除去を必要以上に行った場合、製造コストが増大する。従って、Ｐ含有量の実質的な下限は約０．００４％以上となるのが通常である。
Ｐは、焼入れ前の加熱時にオーステナイト粒界に偏析し、それにより疲労強度を低下させてしまう。従って、Ｐ含有量を０．０５％以下に制限することが好ましい。Ｐ含有量の上限は０．０４％以下としてもよく、０．０３％以下としてもよい。Ｐ含有量は少ない方が好ましいので、Ｐ含有量の下限値は０％である。
しかし、Ｐの除去を必要以上に行った場合、製造コストが増大する。従って、Ｐ含有量の実質的な下限は約０．００４％以上となるのが通常である。
本実施形態に係る鋼は、焼入れ性又は結晶粒微細化効果を高めるために、さらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＢからなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。これらの元素を含有しない場合の下限は０％である。
Ｎｉ：０．１〜３．０％
Ｎｉは、必要な焼入れ性を鋼に付与するために有効な元素である。Ｎｉ含有量が３．０％を超えると、焼入れ後に残留オーステナイトが多量になり、硬さが低下する。従って、Ｎｉ含有量を３．０％以下とする。
焼入れ後の残留オーステナイトによる硬さの低下を抑制する観点から、Ｎｉ含有量の上限は２．０％以下としてもよく、１．８％以下としてもよい。
一方、焼入れ性を鋼に付与する観点から、Ｎｉ含有量の下限は０．１％以上としてもよく、０．３％以上としてもよい。
Ｎｉは、必要な焼入れ性を鋼に付与するために有効な元素である。Ｎｉ含有量が３．０％を超えると、焼入れ後に残留オーステナイトが多量になり、硬さが低下する。従って、Ｎｉ含有量を３．０％以下とする。
焼入れ後の残留オーステナイトによる硬さの低下を抑制する観点から、Ｎｉ含有量の上限は２．０％以下としてもよく、１．８％以下としてもよい。
一方、焼入れ性を鋼に付与する観点から、Ｎｉ含有量の下限は０．１％以上としてもよく、０．３％以上としてもよい。
Ｍｏ：０．０５〜１．０％
Ｍｏは、必要な焼入れ性を鋼に付与するために有効な元素である。Ｍｏ含有量が１．０％を超えると、焼入れ後に残留オーステナイトが多量になり、硬さが低下する。従って、Ｍｏ含有量を１．０％以下とする。
焼入れ後の残留オーステナイトによる硬さの低下を抑制する観点から、Ｍｏ含有量の上限は０．９％以下としてもよく、０．８％以下としてもよい。
一方、焼入れ性を鋼に付与する観点から、Ｍｏ含有量の下限は０．０５％以上としてもよく、０．１％以上としてもよい。
Ｍｏは、必要な焼入れ性を鋼に付与するために有効な元素である。Ｍｏ含有量が１．０％を超えると、焼入れ後に残留オーステナイトが多量になり、硬さが低下する。従って、Ｍｏ含有量を１．０％以下とする。
焼入れ後の残留オーステナイトによる硬さの低下を抑制する観点から、Ｍｏ含有量の上限は０．９％以下としてもよく、０．８％以下としてもよい。
一方、焼入れ性を鋼に付与する観点から、Ｍｏ含有量の下限は０．０５％以上としてもよく、０．１％以上としてもよい。
Ｃｕ：０．０５〜１．０％
Ｃｕは、鋼の焼入れ性の向上に有効な元素である。Ｃｕ含有量が１．０％を超えると、熱間延性が低下する。従って、Ｃｕ含有量を１．０％以下とする。Ｃｕを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｃｕ含有量の下限は０．０５％以上としてもよく、０．１％以上としてもよい。
Ｃｕは、鋼の焼入れ性の向上に有効な元素である。Ｃｕ含有量が１．０％を超えると、熱間延性が低下する。従って、Ｃｕ含有量を１．０％以下とする。Ｃｕを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｃｕ含有量の下限は０．０５％以上としてもよく、０．１％以上としてもよい。
Ｃｏ：０．０５〜３．０％
Ｃｏは、鋼の焼入れ性の向上に有効な元素である。Ｃｏ含有量が３．０％を超えると、その効果が飽和する。従って、Ｃｏ含有量を３．０％以下とする。Ｃｏを含有させて上述の効果を得る場合、Ｃｏ含有量の下限は０．０５％以上としてもよく、０．１％以上としてもよい。
Ｃｏは、鋼の焼入れ性の向上に有効な元素である。Ｃｏ含有量が３．０％を超えると、その効果が飽和する。従って、Ｃｏ含有量を３．０％以下とする。Ｃｏを含有させて上述の効果を得る場合、Ｃｏ含有量の下限は０．０５％以上としてもよく、０．１％以上としてもよい。
Ｗ：０．０５〜１．０％
Ｗは、鋼の焼入れ性の向上に有効な元素である。Ｗ含有量が１．０％を超えると、その効果が飽和する。従って、Ｗ含有量を１．０％以下とする。Ｗを含有させて上述の効果を得る場合、Ｗ含有量の下限は０．０５％以上としてもよく、０．１％以上としてもよい。
Ｗは、鋼の焼入れ性の向上に有効な元素である。Ｗ含有量が１．０％を超えると、その効果が飽和する。従って、Ｗ含有量を１．０％以下とする。Ｗを含有させて上述の効果を得る場合、Ｗ含有量の下限は０．０５％以上としてもよく、０．１％以上としてもよい。
Ｖ：０．０１〜０．３％
Ｖは、鋼中でＣやＮと微細な化合物を形成し、結晶粒微細化効果をもたらす元素である。Ｖ含有量が０．３％を超えると化合物が粗大となり、結晶粒微細化効果が得られない。従って、Ｖ含有量を０．３％以下とする。Ｖを含有させて上述の効果を得る場合、Ｖ含有量の下限は０．０１％以上としてもよく、０．１５％以上としてもよい。
Ｖは、鋼中でＣやＮと微細な化合物を形成し、結晶粒微細化効果をもたらす元素である。Ｖ含有量が０．３％を超えると化合物が粗大となり、結晶粒微細化効果が得られない。従って、Ｖ含有量を０．３％以下とする。Ｖを含有させて上述の効果を得る場合、Ｖ含有量の下限は０．０１％以上としてもよく、０．１５％以上としてもよい。
Ｔｉ：０．００５〜０．３％
Ｔｉは、鋼中でＣやＮと微細な化合物を生成し、結晶粒の微細化効果をもたらす元素である。Ｔｉ含有量が０．３％を超えると、その効果は飽和する。従って、Ｔｉの含有量を０．３％以下とする。Ｔｉを含有させて結晶粒の微細化効果を得る場合、Ｔｉ含有量の下限は０．００５％以上としてもよく、０．０１０％以上としてもよい。
一方、硬さの増加に伴う切削性の低下を抑制する観点から、Ｔｉ含有量の上限は０．２５％以下としてもよく、０．２％以下としてもよい。
Ｔｉは、鋼中でＣやＮと微細な化合物を生成し、結晶粒の微細化効果をもたらす元素である。Ｔｉ含有量が０．３％を超えると、その効果は飽和する。従って、Ｔｉの含有量を０．３％以下とする。Ｔｉを含有させて結晶粒の微細化効果を得る場合、Ｔｉ含有量の下限は０．００５％以上としてもよく、０．０１０％以上としてもよい。
一方、硬さの増加に伴う切削性の低下を抑制する観点から、Ｔｉ含有量の上限は０．２５％以下としてもよく、０．２％以下としてもよい。
Ｎｂ：０．００５〜０．３％
Ｎｂは、鋼中でＣやＮと微細な化合物を生成し、結晶粒の微細化効果をもたらす元素である。Ｎｂ含有量が０．３％を超えると、その効果は飽和する。従って、Ｎｂの含有量を０．３％以下とする。Ｎｂを含有させて結晶粒の微細化効果を得る場合、Ｎｂ含有量の下限は０．００５％以上としてもよく、０．０１０％以上としてもよい。
一方、硬さの増加に伴う切削性の低下を抑制する観点から、Ｎｂ含有量の上限は０．２５％以下としてもよく、０．２％以下としてもよい。
Ｎｂは、鋼中でＣやＮと微細な化合物を生成し、結晶粒の微細化効果をもたらす元素である。Ｎｂ含有量が０．３％を超えると、その効果は飽和する。従って、Ｎｂの含有量を０．３％以下とする。Ｎｂを含有させて結晶粒の微細化効果を得る場合、Ｎｂ含有量の下限は０．００５％以上としてもよく、０．０１０％以上としてもよい。
一方、硬さの増加に伴う切削性の低下を抑制する観点から、Ｎｂ含有量の上限は０．２５％以下としてもよく、０．２％以下としてもよい。
Ｂ：０．０００５〜０．００５％
Ｂは、Ｐの粒界偏析を抑制する働きを有する。また、Ｂは粒界強度及び粒内強度の向上効果、及び焼入れ性の向上効果も有し、これらの効果は鋼の疲労強度を向上させる。Ｂ含有量が０．００５％を超えると、その効果は飽和する。従って、Ｂの含有量を０．００５％以下にする。Ｂを含有させて上述の効果を得る場合、Ｂ含有量の下限は０．０００５％以上としてもよく、０．００１０％以上としてもよい。
一方、焼入れ性向上による割れ発生の抑制の観点から、Ｂ含有量の上限は０．００４５％以下としてもよく、０．００４％以下としてもよい。
Ｂは、Ｐの粒界偏析を抑制する働きを有する。また、Ｂは粒界強度及び粒内強度の向上効果、及び焼入れ性の向上効果も有し、これらの効果は鋼の疲労強度を向上させる。Ｂ含有量が０．００５％を超えると、その効果は飽和する。従って、Ｂの含有量を０．００５％以下にする。Ｂを含有させて上述の効果を得る場合、Ｂ含有量の下限は０．０００５％以上としてもよく、０．００１０％以上としてもよい。
一方、焼入れ性向上による割れ発生の抑制の観点から、Ｂ含有量の上限は０．００４５％以下としてもよく、０．００４％以下としてもよい。
本実施形態による鋼の化学組成（鋼組成）はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｔｅ及び希土類元素（ＲＥＭ）からなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。これらの元素を含有しない場合の下限は０％である。
Ｐｂ：０．０９％以下
Ｐｂは環境に悪影響を与える元素であるので、含有しないことが望ましい。一方、Ｐｂは、被削性向上元素であり、切削時に鋼材の破壊を促進して切り屑の分断を促進し、かつ工具接触面で溶融することで工具寿命を向上する効果を発揮する。被削性向上のためにＰｂを添加する場合は、環境への影響を考慮してＰｂ含有量は０．０９％以下とする。Ｐｂを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｐｂ含有量の下限は０．０１％以上としてもよい。
Ｐｂは環境に悪影響を与える元素であるので、含有しないことが望ましい。一方、Ｐｂは、被削性向上元素であり、切削時に鋼材の破壊を促進して切り屑の分断を促進し、かつ工具接触面で溶融することで工具寿命を向上する効果を発揮する。被削性向上のためにＰｂを添加する場合は、環境への影響を考慮してＰｂ含有量は０．０９％以下とする。Ｐｂを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｐｂ含有量の下限は０．０１％以上としてもよい。
Ｂｉ：０．０００１〜０．５％
Ｂｉは、硫化物が微細分散することで被削性を向上する元素である。ただし、Ｂｉを過剰に含有すると鋼の熱間加工性が劣化し、熱間圧延が困難となることから、Ｂｉ含有量は０．５％以下とする。Ｂｉを含有させて上述の効果を得る場合には、好ましい下限は０．０００１％以上としてもよく、０．００１％以上としてもよい。
鋼の熱間加工性の劣化を抑制する観点から、Ｂｉの上限は０．４％以下としてもよく、０．３％以下としてもよい。
Ｂｉは、硫化物が微細分散することで被削性を向上する元素である。ただし、Ｂｉを過剰に含有すると鋼の熱間加工性が劣化し、熱間圧延が困難となることから、Ｂｉ含有量は０．５％以下とする。Ｂｉを含有させて上述の効果を得る場合には、好ましい下限は０．０００１％以上としてもよく、０．００１％以上としてもよい。
鋼の熱間加工性の劣化を抑制する観点から、Ｂｉの上限は０．４％以下としてもよく、０．３％以下としてもよい。
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％
Ｍｇは脱酸元素であり、鋼中に酸化物を生成する。さらに、Ｍｇが形成するＭｇ系酸化物は、ＭｎＳの晶出及び／又は析出の核になりやすい。また、Ｍｇの硫化物は、Ｍｎ及びＭｇの複合硫化物となることにより、ＭｎＳを球状化させる。このように、ＭｇはＭｎＳの分散を制御し、被削性を改善するために有効な元素である。
ただし、Ｍｇ含有量が０．０１％を超えると、ＭｇＳが大量に生成され、鋼の被削性が低下する。そのため、Ｍｇを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｍｇ含有量を０．０１％以下とする必要がある。Ｍｇ含有量の上限は０．００８％以下としてもよく、０．００６％以下としてもよい。
一方、Ｍｇを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｍｇ含有量の好ましい下限は０．０００５％以上としてもよく、０．００１％以上としてもよい。
Ｍｇは脱酸元素であり、鋼中に酸化物を生成する。さらに、Ｍｇが形成するＭｇ系酸化物は、ＭｎＳの晶出及び／又は析出の核になりやすい。また、Ｍｇの硫化物は、Ｍｎ及びＭｇの複合硫化物となることにより、ＭｎＳを球状化させる。このように、ＭｇはＭｎＳの分散を制御し、被削性を改善するために有効な元素である。
ただし、Ｍｇ含有量が０．０１％を超えると、ＭｇＳが大量に生成され、鋼の被削性が低下する。そのため、Ｍｇを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｍｇ含有量を０．０１％以下とする必要がある。Ｍｇ含有量の上限は０．００８％以下としてもよく、０．００６％以下としてもよい。
一方、Ｍｇを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｍｇ含有量の好ましい下限は０．０００５％以上としてもよく、０．００１％以上としてもよい。
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％
Ｚｒは脱酸元素であり、酸化物を生成する。さらに、Ｚｒが形成するＺｒ系酸化物はＭｎＳの晶出及び／又は析出の核になりやすい。このように、Ｚｒは、ＭｎＳの分散を制御し、被削性を改善するために有効な元素ある。ただし、Ｚｒ含有量が０．０５％を超えると、その効果が飽和する。そのため、Ｚｒを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｚｒ含有量を０．０５％以下とする。歯車の機械的特性低下の抑制の観点から、Ｚｒ含有量の上限は０．０４％以下としてもよく、０．０３％以下としてもよい。
一方、Ｚｒを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｚｒ含有量の好ましい下限は０．０００５％以上としてもよく、０．００１％以上としてもよい。
Ｚｒは脱酸元素であり、酸化物を生成する。さらに、Ｚｒが形成するＺｒ系酸化物はＭｎＳの晶出及び／又は析出の核になりやすい。このように、Ｚｒは、ＭｎＳの分散を制御し、被削性を改善するために有効な元素ある。ただし、Ｚｒ含有量が０．０５％を超えると、その効果が飽和する。そのため、Ｚｒを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｚｒ含有量を０．０５％以下とする。歯車の機械的特性低下の抑制の観点から、Ｚｒ含有量の上限は０．０４％以下としてもよく、０．０３％以下としてもよい。
一方、Ｚｒを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｚｒ含有量の好ましい下限は０．０００５％以上としてもよく、０．００１％以上としてもよい。
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％
Ｔｅは、ＭｎＳの球状化を促進するので、鋼の被削性を改善する。Ｔｅ含有量が０．１％を超えるとその効果が飽和する。従って、Ｔｅ含有量を０．１％以下とする。歯車の機械的特性低下の抑制の観点から、Ｔｅ含有量の上限は０．０８％以下としてもよく、０．０６％以下としてもよい。
一方、Ｔｅを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｔｅ含有量の好ましい下限は０．０００５％以上としてもよく、０．００１％以上としてもよい。
Ｔｅは、ＭｎＳの球状化を促進するので、鋼の被削性を改善する。Ｔｅ含有量が０．１％を超えるとその効果が飽和する。従って、Ｔｅ含有量を０．１％以下とする。歯車の機械的特性低下の抑制の観点から、Ｔｅ含有量の上限は０．０８％以下としてもよく、０．０６％以下としてもよい。
一方、Ｔｅを含有させて上述の効果を得る場合には、Ｔｅ含有量の好ましい下限は０．０００５％以上としてもよく、０．００１％以上としてもよい。
希土類元素：０．０００５〜０．００５％
希土類元素（ＲＥＭ）は、鋼中に硫化物を生成し、この硫化物がＭｎＳの析出核となることで、ＭｎＳの生成を促進する元素であり、鋼の被削性を改善する。希土類元素の合計含有量が０．００５％を超えると、硫化物が粗大になり、鋼の疲労強度を低下させる。従って、希土類元素の合計含有量を０．００５％以下とする。歯車の機械的特性低下の抑制の観点から、希土類元素の合計含有量の上限は０．００４％以下としてもよく、０．００３％以下としてもよい。
一方、希土類元素を含有させて上述の効果を得る場合には、希土類元素の合計含有量の下限は０．０００５％以上としてもよく、０．００１％以上としてもよい。
希土類元素（ＲＥＭ）は、鋼中に硫化物を生成し、この硫化物がＭｎＳの析出核となることで、ＭｎＳの生成を促進する元素であり、鋼の被削性を改善する。希土類元素の合計含有量が０．００５％を超えると、硫化物が粗大になり、鋼の疲労強度を低下させる。従って、希土類元素の合計含有量を０．００５％以下とする。歯車の機械的特性低下の抑制の観点から、希土類元素の合計含有量の上限は０．００４％以下としてもよく、０．００３％以下としてもよい。
一方、希土類元素を含有させて上述の効果を得る場合には、希土類元素の合計含有量の下限は０．０００５％以上としてもよく、０．００１％以上としてもよい。
なお、本明細書でいう希土類元素は、周期律表中の原子番号５７のランタン（Ｌａ）から原子番号７１のルテチウム（Ｌｕ）までの１５元素に、イットリウム（Ｙ）及びスカンジウム（Ｓｃ）を加えた１７元素の総称である。希土類元素の含有量は、これらの１種又は２種以上の元素の総含有量を意味する。
本実施形態に係る鋼は、上述の合金成分を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる。上述の合金成分以外の元素が、不純物として、原材料及び製造装置から鋼中に混入することは、その混入量が鋼の特性に影響を及ぼさない水準である限り許容される。
（浸炭歯車用鋼の製造方法）
本実施形態にかかる浸炭歯車用鋼の製造条件について説明する。
本実施形態にかかる浸炭歯車用鋼の製造方法は、上記化学組成を有する浸炭歯車用鋼を製造することができれば特に限定されないが、例えば、次のように製造することがよい。
まず、精錬工程において上記化学組成を有する溶鋼を得て、鋳造を行う。この際、成分調整や鋼中の清浄度向上のために、二次精錬を行ってもよい。その後、棒線圧延又は線材圧延を行って所望の形状を得る。これらの前に分塊圧延を行ってもよい。そして歯車形状への加工性を向上するため、焼準や焼鈍を行ってもよい。
圧延方法に関し、粗大粒のない均質な組織を得るため、圧延前の加熱温度は１１５０℃以上であることが好ましい。一方加熱炉の耐久性の観点から、加熱温度は１３５０℃以下であることが好ましい。また均質な組織を得るため、圧延による断面積の減少は２０％以下、圧延時の８００℃から３００℃の間の平均冷却速度は、０．１℃／秒以上、３．０℃／秒以下に制御することが好ましい。圧延後の組織はフェライトとパーライトの混合組織、またはフェライトとベイナイトの混合組織であることが好ましく、圧延後の硬さはビッカース硬さで２００以下であることが好ましい。
本実施形態にかかる浸炭歯車用鋼の製造条件について説明する。
本実施形態にかかる浸炭歯車用鋼の製造方法は、上記化学組成を有する浸炭歯車用鋼を製造することができれば特に限定されないが、例えば、次のように製造することがよい。
まず、精錬工程において上記化学組成を有する溶鋼を得て、鋳造を行う。この際、成分調整や鋼中の清浄度向上のために、二次精錬を行ってもよい。その後、棒線圧延又は線材圧延を行って所望の形状を得る。これらの前に分塊圧延を行ってもよい。そして歯車形状への加工性を向上するため、焼準や焼鈍を行ってもよい。
圧延方法に関し、粗大粒のない均質な組織を得るため、圧延前の加熱温度は１１５０℃以上であることが好ましい。一方加熱炉の耐久性の観点から、加熱温度は１３５０℃以下であることが好ましい。また均質な組織を得るため、圧延による断面積の減少は２０％以下、圧延時の８００℃から３００℃の間の平均冷却速度は、０．１℃／秒以上、３．０℃／秒以下に制御することが好ましい。圧延後の組織はフェライトとパーライトの混合組織、またはフェライトとベイナイトの混合組織であることが好ましく、圧延後の硬さはビッカース硬さで２００以下であることが好ましい。
（浸炭歯車）
本実施形態に係る浸炭歯車用鋼は、ガス浸炭焼入れを行って浸炭歯車を製造するための素材として適しており、特にガス浸炭焼入れを行って浸炭歯車を製造することが好ましい。例えば、本実施形態に係る浸炭歯車用鋼を用いて切削等の機械加工により歯車形状とした後、ガス浸炭焼入れを行って浸炭歯車を製造する。これにより、耐食性に優れる浸炭歯車を製造することができる。
例えば、本実施形態に係る浸炭歯車用鋼を切削して歯車形状とした後、９００〜１０００℃でカーボンポテンシャル０．７〜１．２の雰囲気下で１〜３０時間保持し、５０〜１４０℃の油焼入れを行う条件でガス浸炭処理を行う。次いで、１２０〜１８０℃で０．５〜３時間保持する条件で焼戻しを施すことで、非浸炭部においては、本実施形態に係る浸炭歯車用鋼と同じ化学成分を有し、耐食性に優れる浸炭歯車を製造することができる。
なお、部品の必要深さにより変化するが、ガス浸炭により表面から深さ０．５〜３ｍｍ程度の領域（浸炭部）におけるＣ含有量は、上記非浸炭部におけるＣ含有量よりも多くなり、強度を向上させることができる。かかる観点から、浸炭部におけるＣ含有量は、０．６〜０．９％であることが好ましい。なお、本実施形態に係る浸炭歯車用鋼では、部品（歯車の用途）に関わらず、通常、表面から深さ３ｍｍよりも深い位置は非浸炭部となる。
本実施形態に係る浸炭歯車用鋼は、ガス浸炭焼入れを行って浸炭歯車を製造するための素材として適しており、特にガス浸炭焼入れを行って浸炭歯車を製造することが好ましい。例えば、本実施形態に係る浸炭歯車用鋼を用いて切削等の機械加工により歯車形状とした後、ガス浸炭焼入れを行って浸炭歯車を製造する。これにより、耐食性に優れる浸炭歯車を製造することができる。
例えば、本実施形態に係る浸炭歯車用鋼を切削して歯車形状とした後、９００〜１０００℃でカーボンポテンシャル０．７〜１．２の雰囲気下で１〜３０時間保持し、５０〜１４０℃の油焼入れを行う条件でガス浸炭処理を行う。次いで、１２０〜１８０℃で０．５〜３時間保持する条件で焼戻しを施すことで、非浸炭部においては、本実施形態に係る浸炭歯車用鋼と同じ化学成分を有し、耐食性に優れる浸炭歯車を製造することができる。
なお、部品の必要深さにより変化するが、ガス浸炭により表面から深さ０．５〜３ｍｍ程度の領域（浸炭部）におけるＣ含有量は、上記非浸炭部におけるＣ含有量よりも多くなり、強度を向上させることができる。かかる観点から、浸炭部におけるＣ含有量は、０．６〜０．９％であることが好ましい。なお、本実施形態に係る浸炭歯車用鋼では、部品（歯車の用途）に関わらず、通常、表面から深さ３ｍｍよりも深い位置は非浸炭部となる。
また、本発明者らは、本実施形態に係る浸炭歯車用鋼を用いて上記のような条件で浸炭歯車を作製し、作製した浸炭歯車に対し、ＪＩＳＨ８５０２「中性塩水噴霧サイクル試験」を行う際に使用される複合サイクル試験機（ＣＣＴ試験機）を用いて、湿度５０％、温度２０℃の雰囲気が保持されるように調整し、同雰囲気内で７２時間試験片を保管した。なお、湿度調整には純水を用いた。保管後、歯車試験片の歯面部（切削加工で歯形状に成形した部分）を観察し、錆面積率を測定した。
錆面積率は以下のようにして求められる。
歯面部を外観写真撮影し、写真から歯面部のみをトリミングし、ＪＰＥＧ形式で保存する。その後、画像編集ソフト（たとえばＡｄｏｂｅ ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ）を用いて、評価面全体のピクセル数と錆発生部以外をカットした画像のピクセル数（つまり錆発生部のピクセル数）をヒストグラムから算出して、錆面積率ＳをＳ＝Ｂ／Ａ×１００として求める。
Ｓ：錆面積率（％）
Ａ：評価面全体のピクセル数
Ｂ：錆発生部のみのピクセル数
算出した錆面積率が、５％未満となる場合を耐食性に優れると判断して耐食性の評価を行った。
そして、表面における酸化物中のＭｎ濃度を測定した結果、Ｍｎ／（Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ）×１００が１０％以上である場合に耐食性に優れた。なお、上記式中の元素記号は、酸化物中の各元素の質量％を意味する。Ｍｎ／（Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ）×１００の上限は１００％である。表面における酸化物中のＭｎ／（Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ）×１００の下限は１５％としてもよく、２０％としてもよい。Ｍｎ／（Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ）×１００の上限は９０％としてもよく、８０％としてもよい。
錆面積率は以下のようにして求められる。
歯面部を外観写真撮影し、写真から歯面部のみをトリミングし、ＪＰＥＧ形式で保存する。その後、画像編集ソフト（たとえばＡｄｏｂｅ ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ）を用いて、評価面全体のピクセル数と錆発生部以外をカットした画像のピクセル数（つまり錆発生部のピクセル数）をヒストグラムから算出して、錆面積率ＳをＳ＝Ｂ／Ａ×１００として求める。
Ｓ：錆面積率（％）
Ａ：評価面全体のピクセル数
Ｂ：錆発生部のみのピクセル数
算出した錆面積率が、５％未満となる場合を耐食性に優れると判断して耐食性の評価を行った。
そして、表面における酸化物中のＭｎ濃度を測定した結果、Ｍｎ／（Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ）×１００が１０％以上である場合に耐食性に優れた。なお、上記式中の元素記号は、酸化物中の各元素の質量％を意味する。Ｍｎ／（Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ）×１００の上限は１００％である。表面における酸化物中のＭｎ／（Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ）×１００の下限は１５％としてもよく、２０％としてもよい。Ｍｎ／（Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ）×１００の上限は９０％としてもよく、８０％としてもよい。
以下、本発明について、実施例を挙げてさらに具体的に説明する。なお、これらの実施例は、本発明を制限するものではない。
表１に示す化学成分を有する種々の鋼塊を直径２８ｍｍに熱間鍛造した。鍛造前の加熱温度は１２５０℃とした。
鍛造後、９５０℃で１時間保持して完全にオーステナイト化させた後に放冷する条件で焼準処理を施した。
鍛造後、９５０℃で１時間保持して完全にオーステナイト化させた後に放冷する条件で焼準処理を施した。
（浸炭歯車の作製）
次に、浸炭歯車の耐食性を評価するため、モジュール２、歯数１６、φ１８ｍｍの内径をもつ、幅３０ｍｍの平歯車を切削加工により作製した。そして、作製した歯車に対して、９３０℃でカーボンポテンシャル０．８の雰囲気下で５時間保持し、１３０℃の油焼入れを行う条件でガス浸炭処理を行った後に、１５０℃で２時間保持する条件で焼戻しを施した。
次に、浸炭歯車の耐食性を評価するため、モジュール２、歯数１６、φ１８ｍｍの内径をもつ、幅３０ｍｍの平歯車を切削加工により作製した。そして、作製した歯車に対して、９３０℃でカーボンポテンシャル０．８の雰囲気下で５時間保持し、１３０℃の油焼入れを行う条件でガス浸炭処理を行った後に、１５０℃で２時間保持する条件で焼戻しを施した。
（評価）
表面の酸化物を調査するため、浸炭歯車より一歯分を切断して、歯面中央（歯筋方向、歯形方向ともに中央）より日立ハイテクノロジーズ社製ＦＩＢ（ＦＢ２１００）を用いて薄膜サンプルを採取した。薄膜サンプルに対し、日本電子社製ＴＥＭ（ＪＥＭ２１００）内のＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器）を用いて元素分析を行った。元素分析は倍率５００００倍で、表面の酸化物を含む領域を測定範囲として行い、測定後にソフトウェアＡｎａｌｙｓｉｓ Ｓｔａｔｉｏｎを用いて定量分析を行ってＭｎ／（Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ）を計算した。定量分析は、定量補正にＲａｔｉｏ、定量モードは簡易定量として、質量％で行った。
また、表面から深さ５０μｍの領域（浸炭部）におけるＣ含有量を測定したところ、いずれも非浸炭部におけるＣ含有量よりも多く、浸炭部におけるＣ含有量は、０．６５〜０．９０％であった。
表面の酸化物を調査するため、浸炭歯車より一歯分を切断して、歯面中央（歯筋方向、歯形方向ともに中央）より日立ハイテクノロジーズ社製ＦＩＢ（ＦＢ２１００）を用いて薄膜サンプルを採取した。薄膜サンプルに対し、日本電子社製ＴＥＭ（ＪＥＭ２１００）内のＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器）を用いて元素分析を行った。元素分析は倍率５００００倍で、表面の酸化物を含む領域を測定範囲として行い、測定後にソフトウェアＡｎａｌｙｓｉｓ Ｓｔａｔｉｏｎを用いて定量分析を行ってＭｎ／（Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ）を計算した。定量分析は、定量補正にＲａｔｉｏ、定量モードは簡易定量として、質量％で行った。
また、表面から深さ５０μｍの領域（浸炭部）におけるＣ含有量を測定したところ、いずれも非浸炭部におけるＣ含有量よりも多く、浸炭部におけるＣ含有量は、０．６５〜０．９０％であった。
そして作製した浸炭歯車の耐食性を評価した。浸炭歯車に対し、ＪＩＳＨ８５０２「中性塩水噴霧サイクル試験」を行う際に使用されるスガ試験機株式会社性複合サイクル試験機（ＣＹＰ−９０）を用いて、湿度５０％、温度２０℃の雰囲気が保持されるように調整し、同雰囲気内で７２時間試験片を保管した。なお、湿度調整には純水を用いた。保管後、歯車試験片の歯面部（切削加工で歯形状に成形した部分）を観察し、錆面積率を測定した。錆面積率は、歯面部を外観写真撮影し、写真から歯面部のみをトリミングし、ＪＰＥＧ形式で保存し、その後、画像編集ソフトを用いて、評価面全体のピクセル数と錆発生部以外をカットした画像のピクセル数（つまり錆発生部のピクセル数）をヒストグラムから算出して、錆面積率ＳをＳ＝Ｂ／Ａ×１００として求めた。
Ｓ：錆面積率（％）
Ａ：評価面全体のピクセル数
Ｂ：錆発生部のみのピクセル数
Ｓ：錆面積率（％）
Ａ：評価面全体のピクセル数
Ｂ：錆発生部のみのピクセル数
測定結果を表１の「耐食性評価」欄に示す。「◎」は、錆面積率が３％未満であったことを示す。「○」は、錆面積率が３％以上５％未満、「△」は錆面積率が５％以上８％未満、「×」は錆面積率が８％以上であったことを示す。
また、表１中、各成分の含有量について「−」は、その元素を含まない（意図的に添加していない）ことを意味する。
また、表１中、各成分の含有量について「−」は、その元素を含まない（意図的に添加していない）ことを意味する。
化学成分の範囲が本発明の範囲である発明例の試験Ｎｏ．１〜２０は、耐食性が良好であった。一方、化学成分の範囲が本発明の範囲外である比較例の試験Ｎｏ．２１〜２８は、良好な耐食性を得られなかった。
Claims (8)
- 質量％で、
Ｃ：０．２６〜０．３２％、
Ｓｉ：０．４０〜１．００％、
Ｍｎ：０．８０〜２．００％、
Ｃｒ：０．６０〜１．１０％、
Ｓ：０．００１〜０．０５０％、
Ｎ：０．００４〜０．０３０％、
Ａｌ：０．００１〜０．１００％、
Ｃａ：０．０００１〜０．０１００％、
Ｏ：０．００５％以下、
Ｐ：０．０５％以下、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物
からなる浸炭歯車用鋼。 - 質量％で、
Ｎｉ：０．１〜３．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｃｕ：０．０５〜１．０％、
Ｃｏ：０．０５〜３．０％、
Ｗ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０１〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、及び
Ｂ：０．０００５〜０．００５％
からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含む請求項１に記載の浸炭歯車用鋼。 - 質量％で、
Ｐｂ：０．０９％以下、
Ｂｉ：０．０００１〜０．５％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％、
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％、及び
希土類元素：０．０００５〜０．００５％
からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含む請求項１又は請求項２に記載の浸炭歯車用鋼。 - ガス浸炭処理を施した後に表面に存在する酸化物中のＭｎ、Ｆｅ、及びＣｒの含有量が、下記式（１）を満たす請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の浸炭歯車用鋼。
１０％≦Ｍｎ／（Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ）×１００≦１００％ （１）
（式（１）中の元素記号は、前記酸化物中の元素の質量％での含有量を表す。） - 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の浸炭歯車用鋼を、歯車形状の部材に機械加工する工程と、
前記歯車形状の部材にガス浸炭処理を施す工程と、
を有する浸炭歯車の製造方法。 - 表面から３ｍｍよりも深い位置において、質量％で、
Ｃ：０．２６〜０．３２％、
Ｓｉ：０．４０〜１．００％、
Ｍｎ：０．８０〜２．００％、
Ｃｒ：０．６０〜１．１０％、
Ｓ：０．００１〜０．０５０％、
Ｎ：０．００４〜０．０３０％、
Ａｌ：０．００１〜０．１００％、
Ｃａ：０．０００１〜０．０１００％、
Ｏ：０．００５％以下、
Ｐ：０．０５％以下、並びに
残部：Ｆｅ及び不純物からなり、
表面に存在する酸化物中のＭｎ、Ｆｅ、及びＣｒの含有量が、下記式（１）を満たす浸炭歯車。
１０％≦Ｍｎ／（Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ）×１００≦１００％ （１）
（式（１）中の元素記号は、前記酸化物中の元素の質量％での含有量を表す。） - 前記表面から３ｍｍよりも深い位置において、質量％で、
Ｎｉ：０．１〜３．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｃｕ：０．０５〜１．０％、
Ｃｏ：０．０５〜３．０％、
Ｗ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０１〜０．３％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、及び
Ｂ：０．０００５〜０．００５％
からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含む請求項６に記載の浸炭歯車。 - 前記表面から３ｍｍよりも深い位置において、質量％で、
Ｐｂ：０．０９％以下、
Ｂｉ：０．０００１〜０．５％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％、
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％、及び
希土類元素：０．０００５〜０．００５％
からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含む請求項６又は請求項７に記載の浸炭歯車。
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- 2019-08-09 JP JP2019148141A patent/JP7295417B2/ja active Active
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