JP2024002334A - 浸炭二相鋼 - Google Patents

Abstract

【課題】歪が小さく、かつ、疲労強度が高く、製造が容易な浸炭二相鋼を提供する。【解決手段】浸炭二相鋼は、質量％で、０．１０％以上０．３５％以下の炭素（Ｃ）、０％より大きく２．０％以下のケイ素（Ｓｉ）、０．４％以上２．０％以下のマンガン（Ｍｎ）、０．０３％未満のリン（Ｐ）、０．０５％未満の硫黄（Ｓ）、０％より大きく２．０％以下のクロム（Ｃｒ）、０．０１５以上２．０００％以下のアルミニウム（Ａｌ）、０．００５％以上０．１００％以下のニオブ（Ｎｂ）、０．００１％以上０．１００％以下の窒素（Ｎ）、を含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物である化学組成を有し、マルテンサイト単相組織である浸炭層と、マルテンサイト組織とフェライト組織の二相組織である非浸炭層とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、マルテンサイト単相組織である浸炭層と、マルテンサイト組織とフェライト組織の二相組織である非浸炭層とを備え低歪の鋼材に関する。

例えば、自動車のギヤ等、鋼材を用いて作製される機械装置には、従来から、その稼働時に発生する機械音の静粛性の向上が求められてきた。とりわけ、自動車の分野では、近年、その原動機の電動化に伴い、駆動系の機械装置に対する静粛性の向上の要求がより一層大きくなってきている。

機械音の静粛性の向上は、例えば、歯車等の機械要素を構成する鋼材の歪を低減し、かつ、鋼材の疲労強度を高めて、その設計精度を高めることにより実現可能である。ここでの「鋼材の歪」とは、下記の特許文献１～３に記載されているような、鋼材の製造工程において行われる熱処理による表面加工の際に生じる応力に起因する歪を意味している。

鋼材の熱処理としては、例えば、浸炭焼入れ処理が知られている。しかしながら、この浸炭焼入れ処理は、マルテンサイト変態を伴うため、マルテンサイトの生成に起因する応力により、鋼材の内部に大きな歪が生じる可能性がある。

その他の熱処理としては、例えば、軟窒化処理や窒化処理が知られている。軟窒化処理や窒化処理であれば、マルテンサイト変態を伴わないため、その処理に起因して鋼材に歪が発生することを抑制することはできる。しかしながら、軟窒化処理や窒化処理によって得られる硬化層の厚みは、鋼材の表層から０．２ｍｍ程度であるため、厚みの大きい機械要素を構成する鋼材には適さず、歯車などの機械要素に求められる疲労強度が十分に得られない可能性がある。

鋼材表層の硬化層の厚みを確保でき、かつ、鋼材内部の歪を低減できる熱処理としては、例えば、下記の特許文献１，２に開示されているような浸炭二相焼入れがある。浸炭二相焼入れによれば、表層をマルテンサイト組織の単相とし、内部をフェライト組織とマルテンサイト組織の二相組織とする浸炭二相焼入鋼を得ることができる。浸炭二相焼入鋼によれば、表層に厚みの大きい硬化層を形成して疲労強度を高めるこができ、内部に、マルテンサイト変態に起因した歪が発生することを抑制できる。

特開平９－１１１４０５号公報 特開２００１－３２０３６号公報 特開２０１２－００１７７４号公報

しかしながら、上記の特許文献１の技術では、浸炭二相鋼を得るためにケイ素（Ｓｉ）を過剰に添加する手法が用いられているが、Ｓｉは粒界酸化を助長し、浸炭二相鋼の疲労強度を著しく低下させる可能性がある。そのため、特許文献１の技術では、強度の確保と歪の低減の両立が困難であった。また、特許文献２に記載されている浸炭二相鋼では、各元素の含有割合の条件が複雑であり、設計の自由度が極めて低く、その製造は決して容易ではない。このように、浸炭二相焼入れに適し、歪が小さく、かつ、疲労強度が高い浸炭二相鋼の組成成分については、これまで十分な研究がなされてきたとは言えず、依然として改良の余地があった。

本発明の発明者は、マルテンサイト単相組織である浸炭層と、マルテンサイト組織とフェライト組織の二相組織である非浸炭層とを備え、歪が小さく、かつ、疲労強度が高い浸炭二相鋼のより簡易な製造方法について鋭意研究を重ねてきた。その結果、本発明の発明者は、アルミニウム（Ａｌ）の含有割合を調整することにより、マルテンサイト組織とフェライト組織を含む二相領域を広げることができ、浸炭二相鋼を得るための浸炭二相焼入れを容易化できるとの知見を得た。また、本発明の発明者は、Ａｌとともにニオブ（Ｎｂ）を所定の割合で含有させることにより、浸炭二相鋼の疲労強度を効果的に高めることができるとの知見を得た。本発明の発明者は、それらの知見に基づいて、以下の形態に示すような、製造が容易な簡素な化学組成を有し、歪が小さく、かつ、疲労強度が高い浸炭二相鋼の製造に成功した。

本発明は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。

［第１形態］第１形態は、質量％で、０．１０％以上０．３５％以下の炭素（Ｃ）、０％より大きく２．００％以下のケイ素（Ｓｉ）、０．４％以上２．０％以下のマンガン（Ｍｎ）、０．０３％未満のリン（Ｐ）、０．０５％未満の硫黄（Ｓ）、０％より大きく２．００％以下のクロム（Ｃｒ）、０．０１５以上２．０００％以下のアルミニウム（Ａｌ）、０．００５％以上０．１００％以下のニオブ（Ｎｂ）、０．００１％以上０．１００％以下の窒素（Ｎ）、を含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物である化学組成を有し、マルテンサイト単相組織である浸炭層と、マルテンサイト組織とフェライト組織の二相組織である非浸炭層とを備える、浸炭二相鋼として提供される。

［第２形態］質量％で、０．０１％以上１．００％以下の銅（Ｃｕ）、または、０．０１％以上２．００％以下のニッケル（Ｎｉ）の少なくとも１種をさらに含む化学組成を有する上記第１形態に記載の浸炭二相鋼。

［第３形態］質量％で、０．０１％以上１．００％以下のモリブデン（Ｍｏ）をさらに含む化学組成を有する上記第１形態、または、第２形態に記載の浸炭二相鋼。

［第４形態］質量％で、０．０１％以上０．５０％以下のバナジウム（Ｖ）、または、０．００５％以上０．２００％以下のチタン（Ｔｉ）の少なくとも一種をさらに含む化学組成を有する、上記第１形態、第２形態、および、第３形態のいずれか１つに記載の浸炭二相鋼。

［第５形態］質量ｐｐｍで、５ｐｐｍ以上３０ｐｐｍ以下のホウ素（Ｂ）をさらに含む化学組成を有する、上記第１形態、第２形態、第３形態、および、第４形態のいずれか１つに記載の浸炭二相鋼。

［第６形態］旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度番号が７番以上である、上記第１形態、第２形態、第３形態、第４形態、および、第５形態のいずれか１つに記載の浸炭二相鋼。

［第７形態］前記非浸炭層におけるフェライトの面積率が、１５％以上７０％以下である、上記第１形態、第２形態、第３形態、第４形態、第５形態、および、第６形態のいずれか１つに記載の浸炭二相鋼。

本発明によれば、歪が少なく、かつ、疲労強度が高く、製造が容易な浸炭二相鋼を得ることができる。

本発明は、浸炭二相鋼以外の種々の形態で実現することが可能である。例えば、浸炭二相鋼の製造方法や、浸炭二相鋼を製造するための浸炭二相焼入れの方法、浸炭二相鋼で製造された歯車やねじ等の金属部品、その金属部品を用いた機械、装置、器具等の形態で実現することもできる。

疲労試験用の供試材を構成する棒状鋼材片を示す概略図。 変形率測定用の供試材を構成する環状鋼材片を示す概略図。 浸炭二相鋼の状態図の一例を示す説明図。 比較例の鋼材の状態図の一例を示す説明図。 フェライト面積率と変形率との関係を示す説明図。

以下に、本発明に係る浸炭二相鋼の実施形態について説明する。

１．浸炭二相鋼の化学組成：
本実施形態の浸炭二相鋼は、マルテンサイト単相組織である浸炭層と、マルテンサイト組織とフェライト組織の二相組織である非浸炭層と、を備える。また、本実施形態の浸炭二相鋼は、Ｃと、Ｓｉと、Ｍｎと、Ｐと、Ｓと、Ｃｒと、Ａｌと、Ｎｂと、Ｎと、を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である化学組成を有する。

本実施形態の浸炭二相鋼における各化学成分の限定理由を以下に詳述する。なお、以下の説明では、特に断らない限り、「％」は、「質量％」を意味し、「ｐｐｍ」は、「質量ｐｐｍ」を意味する。

Ｃ：０．１０％以上０．３５％以下
Ｃは、鋼材の硬さや強度を確保するために有効な元素である。Ｃを含有させることによって、浸炭部品の内部（芯部）硬さを高めることができ、疲労強度を高めることができる。Ｃを０．１０％以上含有させることにより、鋼材に求められる強度を得ることができ、高い疲労強度を得ることができる。Ｃは、０．１２％以上含有されていることがより好ましい。これにより、高い疲労強度をより安定して得ることができる。ただし、浸炭二相鋼におけるＣの含有割合は、０．３５％以下とする。Ｃの含有割合が０．３５％を超えると浸炭二相鋼の切削加工性が著しく低下する可能性があるためである。Ｃの含有割合は、０．３０％以下であることがより好ましい。これにより、浸炭二相鋼のより良好な切削加工性を得ることができる。

Ｓｉ：０％より大きく２．０％以下
Ｓｉは、浸炭二相鋼の焼入れ性を高めるのに有効な元素である。また、Ｓｉは、脱酸元素としても有効である。Ｓｉを、０％を超えて含有させることにより、浸炭二相鋼の焼入れ性を効果的に高めることができる。ただし、浸炭二相鋼におけるＳｉの含有割合は２．０％以下とする。Ｓｉの含有割合が２．０％を超えると粒界酸化を助長し、疲労強度を低下させることに加え、冷間鍛造性や切削加工性が著しく低下する可能性があるためである。浸炭二相鋼におけるＳｉの含有割合は１．５％以下であることがより好ましい。これにより、浸炭二相鋼の切削加工性の低下をより確実に抑制することができる。

Ｍｎ：０．４％以上２．０％以下
Ｍｎは、浸炭二相鋼の焼入れ性を向上させ、強度を高めるのに有効な元素である。Ｍｎを０．４％以上含有させることにより、Ｓによってサルファイドが生成されることを抑制できる。Ｍｎは、０．５％以上含有されていることがより好ましい。これにより、Ｓを含有することにより生じる不具合をより確実に抑制することができる。ただし、浸炭二相鋼におけるＭｎの含有割合は２．０％以下とする。Ｍｎの含有割合が２．０％を超えると、浸炭二相鋼の被削性や加工性が著しく低下する可能性がある。また、ベイナイトが生成されて、浸炭二相鋼の靭性が著しく低下する可能性がある。浸炭二相鋼におけるＭｎの含有割合は１．８％以下であることがより好ましい。これにより、浸炭二相鋼の被削性や加工性、靭性の低下をより確実に抑制することができる。

Ｐ：０．０３％未満
Ｐは、粒界偏析による脆化を招くため、その含有量はより少ないことが好ましい。Ｐの含有割合の上限は、０．０３％未満とする。これにより、浸炭二相鋼における粒界偏析による脆化の発生を抑制することができる。

Ｓ：０．０５％未満
Ｓは、Ｐと同様に、粒界偏析による脆化を招くため、その含有量はより少ないことが好ましい。Ｓの含有割合の上限は、０．０５％未満とする。これにより、浸炭二相鋼における粒界偏析による脆化の発生を抑制することができる。

Ｃｒ：０％より大きく２．０％以下
Ｃｒは、浸炭二相鋼の焼入れ性を高める効果を有するため、０％を超えて含有されていることが好ましい。Ｃｒの含有割合は、０．２％以上であることがより好ましい。これにより、浸炭二相鋼の焼入れ性をより確実に高めることができる。ただし、Ｃｒの含有割合は、２．０％以下とする。Ｃｒの含有割合が２．０％を超えると、浸炭二相鋼の被削性や加工性が著しく低下する可能性があるためである。Ｃｒの含有割合は、１．５０％以下であることがより好ましい。これにより、浸炭二相鋼の被削性や加工性の低下をより一層、抑制することができる。

Ａｌ：０．０１５％以上２．０００％以下
後述の実施例において説明するように、浸炭二相鋼にＡｌを含有させ、Ａｌの含有割合を調整することにより、マルテンサイト組織とフェライト組織を含む二相領域を広げることができ、浸炭二相焼入れを容易化できる。Ａｌの含有割合を０．０１５％以上にすれば、非浸炭層を二相化させやすくできるとともに、非浸炭層におけるフェライト面積率を大きくでき、歪の発生を抑制できる。Ａｌの含有割合２．０００％以下とすることにより、浸炭層とともに非浸炭層まで二相化してしまうことを抑制できる。よって、Ａｌの含有割合を０．０１５％以上、かつ、２．０００％以下とすれば、歪が小さい浸炭二相鋼を容易に得ることができる。なお、Ａｌの含有割合は、０．０３５％以上であることがより好ましい。これにより、浸炭二相焼入れをより容易化でき、歪の発生をさらに抑制できる。

また、浸炭二相鋼では、Ａｌの含有割合が大きいほど、脱酸の効果を得ることができる。そのため、脱酸の効果を得る観点においては、浸炭二相鋼は、Ａｌを０．５０％以上含有していることがより好ましく、０．８０％以上含有していることがさらに好ましい。

ただし、粗大な介在物の生成を抑制する観点からは、Ａｌの含有割合は小さいことが好ましい。粗大な介在物の生成は、浸炭二相鋼の疲労強度を低下させる可能性がある。粗大な介在物の生成を抑制する観点からは、Ａｌの含有割合は、１．５０％以下であることが好ましく、１．２％以下であることがさらに好ましい。Ａｌの含有割合は、１．１％以下であることがさらに好ましい。

Ｎｂ：０．００５％以上０．１００％以下
Ｎｂは、炭窒化物の形成を促進し、Ａｌの添加に起因して生じる結晶粒の異常粒成長を抑制する働きを持つ。よって、Ａｌとともに、Ｎｂを含有させることにより、浸炭二相鋼の疲労強度を向上させることができる。

Ｎｂを、０．００５％以上含有させることにより、炭窒化物の形成による結晶粒の微細化を促進させることができる。よって、浸炭二相鋼の疲労強度を高めることができる。Ｎｂは、０．０１％以上含有されることがより好ましい。これにより、浸炭二相鋼の疲労強度をより一層高めることができる。ただし、Ｎｂの含有割合は、０．１００％以下とする。Ｎｂの含有割合が０．１００％を超える場合には、粗大窒化物の生成により、強度が低下する可能性があるためである。Ｎｂの含有割合は、０．０５％以下であることがより好ましい。これにより、粗大窒化物の生成に起因する強度の低下をより一層抑制することができる。

Ｎ：０．００１％以上０．１００％以下
Ｎを含有させることにより、浸炭二相鋼の強度を高めることができる。Ｎを、０．００１％以上含有させることにより、炭窒化物の形成によって結晶粒の微細化が促進され、浸炭二相鋼の強度を高めることができる。ただし、Ｎの含有割合は、０．１００％以下とする。Ｎの含有割合が０．１００％を超える場合には、窒化物の生成により、強度が低下する可能性があるためである。

不可避的不純物には、例えば、酸素（Ｏ）が含まれる。本実施形態の浸炭二相鋼では、Ｏの含有割合は、０．００２％未満とする。これによって、粗大酸化物が形成されることによる浸炭二相鋼の強度低下を抑制することができる。

本実施形態の浸炭二相鋼は、さらに、任意選択的に、下記の元素を含有していてもよい。

Ｃｕ：０．０１％以上１．００％以下
Ｃｕを０．０１％以上含有させることにより、浸炭二相鋼の耐食性を向上させることができる。Ｃｕは、０．０３％以上含有されていることがより好ましい。これにより、浸炭二相鋼の耐食性をさらに向上させることができる。ただし、浸炭二相鋼の熱間加工性の低下を抑制する観点からは、Ｃｕの含有割合は、１．００％以下であることが好ましく、０．５０％以下であることがより好ましい。

Ｎｉ：０．０１％以上２．００％以下
Ｎｉを０．０１％以上含有させることにより、浸炭二相鋼の延靭性、および、耐食性を向上させることができる。Ｎｉは、０．１０％以上含有されていることがより好ましい。これにより、延靭性、および、耐食性をさらに向上させることができる。ただし、ベイナイトの生成を抑制する観点からは、Ｎｉの含有割合は、２．００％以下であることが好ましく、１．５０％以下であることがより好ましい。Ｎｉの含有割合は、１．００％以下であることがさらに好ましい。

Ｍｏ：０．０１％以上１．００％以下
Ｍｏを０．０１％以上含有させることにより、浸炭二相鋼の焼入れ性を高めることができ、かつ、焼き戻しの後の硬さを高めることができる。Ｍｏは、０．１０％以上含有されていることがより好ましい。これにより、浸炭二相鋼の焼入れ性をさらに高めることができ、焼き戻しの後の硬さをさらに高めることができる。ただし、Ｍｏの含有割合は、１．００％以下であることが好ましく、０．８０％以下であることがより好ましい。これにより、Ｍｏの過剰添加に起因して浸炭二相鋼の加工性や切削性が低下することを抑制することができる。

Ｖ：０．０１％以上０．５０％以下
Ｖを０．０１％以上含有させることにより、浸炭二相鋼の結晶粒をより微細化させることができ、焼き戻しの後の硬さを高めることができる。ただし、Ｖの含有割合は、０．５０％以下であることが好ましく、０．３０％以下であることがより好ましい。これにより、Ｖの過剰添加に起因して浸炭二相鋼の加工性や切削性が低下することを抑制することができる。

Ｔｉ：０．００５％以上０．２００％以下
Ｔｉを０．００５％以上含有させることにより、炭窒化物の形成が促進され、結晶粒を微細化でき、浸炭二相鋼の強度を高めることができる。Ｔｉの含有割合は０．２００％以下であることが好ましく、０．１００％以下であることがより好ましい。これにより、Ｔｉの過剰添加によって粗大なＴｉＮの生成が促進され、それに起因して浸炭二相鋼の強度が低下することを抑制することができる。

Ｂ：５ｐｐｍ以上３０ｐｐｍ以下
Ｂは、５ｐｐｍ以上含有されていることが好ましい。これにより、ＰやＳが粒界に偏析することを防止でき、疲労強度を向上させることができる。Ｂの含有割合は、３０ｐｐｍ以下であることが好ましい。これにより、Ｂの過剰添加によってＢ窒化物の生成が促進されて、浸炭二相鋼の靭性が低下することを抑制できる。

２．浸炭二相鋼の組織：
上記の化学組成を有する浸炭二相鋼では、旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度番号が７番以上であることが好ましい。これにより、浸炭二相鋼の疲労強度が著しく低下することを抑制できる。

上記の化学組成を有する浸炭二相鋼では、非浸炭層におけるフェライトの面積率は、１５％以上であることが好ましい。これにより、浸炭二相鋼の歪が大きくなることを抑制できる。非浸炭層におけるフェライトの面積率は、７０％以下であることが好ましい。これにより、浸炭二相鋼の浸炭二相鋼の疲労強度が著しく低下することを抑制できる。

上記の化学組成を有する浸炭二相鋼では、旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度番号が７番以上であり、かつ、非浸炭層におけるフェライトの面積率が、１５％以上７０％以下であることがより好ましい。これにより、浸炭二相鋼の疲労強度を高めつつ、浸炭二相鋼の歪を低減させることができる。

３．浸炭二相鋼の製造方法：
本実施形態の浸炭二相鋼の製造方法を説明する。まず、上述した化学組成の範囲内の鋼を、例えば、高周波誘導炉で溶製する。続いて、それにより得られた鋼塊を熱間圧延または熱間鍛造によって成形し、得られた成形後の鋼材に対して焼きならし処理を実行する。焼きならし処理は、鋼材を、例えば、８００～１０００℃の温度で加熱した後、所定の時間、空冷することにより行われる。その後、焼きならしされた鋼材に対して浸炭処理を実行する。

本実施形態の浸炭処理では、ガス浸炭処理を実行する。ガス浸炭処理では、ガス浸炭炉を用い、浸炭ガスとして、例えば、プロパンガスを供給する。ガス浸炭処理では、ガス浸炭炉において、鋼材を、例えば、９００～９６０℃の温度で１～３時間程度、加熱処理をした後、例えば、８００～９００℃程度の温度まで降温させて、その温度で所定の時間保持する。これにより、非浸炭層が二相化する。なお、浸炭処理では、ガス浸炭処理の代わりに、例えば、ガス浸炭窒化処理や、真空浸炭処理、真空浸炭窒化処理等を実行してもよい。続いて、浸炭処理では、油焼入れが実行された後、焼き戻し処理が実行される。以上の工程により、本実施形態の浸炭二相鋼が得られる。

４．実施形態のまとめ：
本実施形態の浸炭二相鋼によれば、少なくとも、Ａｌを上述した好適な含有割合の範囲で含有しているため、浸炭二相焼入れが容易であり、歪の低減が容易である。また、本実施形態の浸炭二相鋼によれば、Ａｌとともに、Ｎｂを好適な含有割合の範囲で含有しているため、歪が低減と疲労強度の向上とが両立されている。その他に、上述した元素を好適な含有割合で含有していることにより、上述した様々な性能の向上が可能である。

次に、本発明に係る浸炭二相鋼の実施例を説明する。

Ａ．化学組成
本発明に係る浸炭二相鋼の実施例および比較例として、下記の表１に示す化学組成を有する供試材を製造した。表１では、上述した実施形態の化学組成の範囲内に供試材を実施例１～１４として示し、その化学組成の範囲から外れている供試材を比較例１～７として示してある。なお、各実施例１～１４および各比較例１～７の供試材は、後述する評価・試験の目的に応じて寸法・形状が異なるものを作製した。

＜供試材の製造条件＞
評価・試験のための供試材を、以下の工程によって製造した。

［工程１］表１に示す化学組成を有する鋼を高周波誘導路で溶製し、得られた鋼塊を熱間圧延または熱間鍛造によって成形し、評価・試験の目的に応じた後述の寸法を有する円形断面形状の丸棒鋼材を作製した。
［工程２］丸棒鋼材に対して、焼きならし処理を実施し、評価・試験の目的に応じた後述の形状・寸法を有する鋼材片を作製した。焼きならし処理では、９００℃で１時間加熱した後、空冷した。
［工程３］鋼材片に対して、浸炭処理を実施して、評価・試験の目的に応じた後述の形状・寸法を有する供試材を得た。浸炭処理では、ガス浸炭炉を用いて、浸炭ガスとしてプロパンガスを供給し、９３０℃で１２０分、加熱した後、焼入れ開始温度である８５０℃まで降温させてその温度で保持した。その後、油焼入れを行った後、１８０℃で１２０分間、焼き戻し処理を実施した。浸炭処理中のカーボンポテンシャル（ＣＰ）は、一酸化炭素と二酸化炭素の分圧を調整して、０．８に制御した。

Ｂ．評価・試験
表２には、実施例１～１４および比較例１～７の評価結果をまとめてある。表２には、実施例１～１４および比較例１～７の供試材について、その断面を観察し、浸炭層および非浸炭層の組織を確認した結果と、非浸炭層のフェライト面積率の測定結果と、供試材の結晶粒度の評価結果と、を示してある。また、表２には、実施例１～１４および比較例１～７の供試材の浸炭処理前後での変形率の計測結果と、疲労強度を評価する疲労試験の試験結果とを示してある。

１．断面組織の観察・評価方法
ａ．供試材について
上記の工程１において、溶製により得た鋼塊から、熱間圧延または熱間鍛造により、断面の直径が１０５ｍｍの丸棒形状に成形した後、さらに、熱間鍛造をおこなって断面直径３０ｍｍの丸棒鋼材を作製した。その丸棒鋼材に対して、上記工程２の焼きならし処理を実施した後、断面積が２５ｍｍ^２で、長さが１００ｍｍの丸棒形状の鋼材片を切り出し、その鋼材片に、上記工程３の浸炭処理を実施して、組織の観察・評価対象となる供試材を得た。

ｂ．供試材断面組織の観察方法
供試材を中心軸に沿って半分に分割して半円断面形状とした。その切断面を被検面として樹脂埋めをして鏡面研磨し、浸炭層と非浸炭層の組織を観察した。表２では、マルテンサイト単相組織を「Ｍ」で表記し、マルテンサイト組織とフェライト組織の二相組織を「Ｍ＋α」で表記してある。

非浸炭層のフェライト面積率については、供試材をナイタールで腐食し、供試材の中心軸から半径Ｒの１／２の位置を倍率４００倍で撮影した画像を用いて測定した。表２の値は、撮影画像を１０枚、ランダムに抽出し、それぞれの画像において測定されたフェライト面積率の平均値である。

結晶粒度については、供試材を研磨し、飽和ピクリン酸溶液で腐食させて旧オーステナイト粒界を現出させ、ＪＩＳ Ｇ ０５１１に準じて、倍率４００倍で、１０視野程度を観察し、粒度判定を行った。

２．疲労強度の測定方法
ａ．供試材について
上記の工程１において、溶製により得た鋼塊を、熱間圧延または熱間鍛造により、断面の直径が１０５ｍｍの丸棒形状に成形した後、さらに、熱間鍛造をおこなって断面直径が２５ｍｍの丸棒鋼材を作製した。その丸棒鋼材に対して、上記工程２の焼きならし処理を実施した後、その丸棒鋼材から、断面積１８ｍｍ^２で長さ２１０ｍｍの丸棒片を切り出して、その中心軸方向の中央部位を加工することにより、図１に示す棒状鋼材片１０を得た。この棒状鋼材片１０に対して上記工程３の浸炭処理を実施して、疲労試験用の供試材とした。

図１に示すように、棒状鋼材片１０は、中心軸方向の両端に位置し、径が均一な円柱状部位１１と、２つの円柱状部位１１に挟まれた中央部位に位置し、円柱状部位１１よりも径が小さくなっている縮径部１２と、を有する。縮径部１２は、第１縮径部１２ａと、第２縮径部１２ｂと、を含む。第１縮径部１２ａは、縮径部１２の中心軸方向の中心部を切り欠いて形成したノッチ部であり、棒状鋼材片１０の中で径が最も小さい部位である。第２縮径部１２ｂは、中心軸方向において第１縮径部１２ａの両側に設けられ、第１縮径部１２ａよりも径が大きく、径が均一な部位である。棒状鋼材片１０において、２つの円柱状部位１１の長さＬａはそれぞれ８０ｍｍであり、縮径部１２の長さＬｂは５０ｍｍであった。また、第１縮径部１２ａの径φａは１０ｍｍであり、そのノッチ底は１Ｒであり、第２縮径部１２ｂの径φｂは１５ｍｍであった。

ｂ．疲労試験の方法
上記の棒状鋼材片１０によって構成された供試材に対して、ＪＩＳ Ｚ ２２７４に準拠した方法で、小野式回転曲げ疲労試験を行って疲労強度を測定した（試験条件：回転数３５００ｒｐｍ，試験温度 室温）。疲労強度の値は、１０^７回の繰り返し数で破断しない最大応力である疲労限度を意味している。表２の疲労強度は、マルテンサイト単相組織のみの比較例７の疲労強度の測定値を基準値１としたときの、その基準値１に対する各実施例１～１４および比較例１～６の疲労強度の測定値の比率である。表２の疲労強度は、その値が大きいほど疲労強度が高いことを示している。

３．変形率の測定方法
ａ．供試材について
上記の工程１において、溶製により得た鋼塊を、熱間圧延または熱間鍛造により、断面の直径が１０５ｍｍの丸棒形状に成形した丸棒鋼材に対して、上記工程２の焼きならし処理を実施した。焼きならし処理後の丸棒鋼材を加工して、図２に示す円環状の形状を有する環状鋼材片２０を得た。環状鋼材片２０の周方向に直交する断面の形状は、略四角形である。環状鋼材片２０は、外径Ｒａが１００ｍｍであり、内径Ｒｂが９０ｍｍであり、厚みＴが２０ｍｍであった。この環状鋼材片２０に対して上記工程３の浸炭処理を実施して変形率測定用の供試材とした。

ｂ．変形率の測定方法
上記工程３の浸炭処理の前後での環状鋼材片２０の内径Ｒｂの歪量として測定した。変形率は、マルテンサイト単相組織のみの比較例７の歪量を基準歪量１としたときの、その基準歪量１に対する各実施例１～１４および比較例１～６の歪量の比率である。変形率は、表面処理前後での鋼材の歪の大きさを示す指標に相当する。表２の変形率は、その値が小さいほど、歪が小さいことを示している。

４．評価結果・試験結果について
４－１．Ａｌによる浸炭二相焼入れの容易化
図３は、実施例１に相当する浸炭二相鋼の状態図の一例を示しており、図４は、比較例７の鋼材の状態図の一例を示している。図３および図４の状態図は、縦軸を温度とし、横軸を鋼材中のＣの含有割合（質量％）とする。図３および図４の状態図には、８５０℃における浸炭層の中心領域に相当する点Ｐ１と、非浸炭層の中心領域に相当する点Ｐ２とを示してある。また、図３および図４の状態図には、便宜上、フェライト組織の単相組織領域γと、マルテンサイト組織とフェライト組織の二相組織領域α＋γとにそれぞれ濃度の異なるハッチングを付してある。

表１に示すように、比較例７でのＡｌの含有割合が０．０１０％であるのに対して、実施例１でのＡｌの含有割合は１．０１０％である。図３と図４の状態図を比較すると、Ａｌの添加量を増加させることにより、マルテンサイト組織とフェライト組織の二相領域α＋γを、高温領域に広げることができることがわかる。このことは、Ａｌの含有割合を増加させることにより、二相焼入れを容易化できることを示している。

比較例２では、Ａｌの含有割合は０．０１５％より小さい。また、比較例２では、浸炭層がマルテンサイト単相組織になり、非浸炭層がマルテンサイト組織とフェライト組織の二相組織になっており、変形率は１未満であり、比較例７よりも歪が小さい。しかしながら、比較例２では、非浸炭層が二相化されている他の実施例１～１４および比較例１，３～６よりもフェライト面積率が小さくなっており、変形率が最も大きくなっていた。このことから、Ａｌの含有割合を０．０１５％以上とすることにより、歪を低減できることがわかる。

Ａｌの含有割合が２．０００％より大きい比較例６では、浸炭層と非浸炭層の両方がマルテンサイト組織とフェライト組織の二相組織になっていた。これに対して、Ａｌの含有割合が２．０００％以下である実施例１～１４および比較例１～５ではいずれも浸炭層がマルテンサイト単相組織になり、非浸炭層がマルテンサイト組織とフェライト組織の二相組織になっていた。このことから、Ａｌの含有割合を２．０００％以下とすることにより、浸炭層をマルテンサイトの単相組織にし、非浸炭層がマルテンサイト組織とフェライト組織の二相組織にすることが容易にできることがわかる。

実施例１～１４のいずれもＡｌの含有割合は、０．０１５％以上、かつ、２．０００％以下であり、疲労強度も高く、歪も小さかった。

４－２．Ｎｂによる疲労強度の向上
Ｎｂの含有割合が、０．００５％以上、かつ、０．１００％以下である実施例１～１４はいずれも、高い疲労強度を得ることができた。比較例５では、Ｎｂの含有割合が０．００５％より小さく、結晶粒度と疲労強度とが実施例１～１４に比較して著しく低くなった。これは、比較例５では、Ｎｂの含有量が他よりも不足しているために、Ａｌの添加による結晶粒の異常粒成長を抑制できず、疲労強度が低下したためであると考えられる。比較例３では、Ｎｂの含有割合が０．１００％を超えており、結晶粒度と疲労強度とが実施例１～１４に比較して著しく低くなった。これは、比較例３では、Ｎｂの含有量が大きいために、粗大窒化物の生成が促進されて、疲労強度が低下したためであると考えられる。

４－３．Ｃの含有割合による性能向上
Ｃの含有割合が、０．０１％以上、かつ、０．３５％以下である実施例１～１４はいずれも、高い疲労強度を得ることができ、かつ、歪の発生が抑制されていた。比較例１では、Ｃの含有割合が０．１％よりも小さく、疲労強度が他の実施例１～１６および比較例２～７よりも低かった。これは、Ｃの含有量が不足したため、十分な強度を得ることができなかったためであると考えられる。比較例４では、Ｃの含有割合が０．３５％よりも大きかった。比較例４では、フェライト面積率が１５％より低い値となり、変形率がいずれの実施例１～１６よりも大きく、歪が大きくなっていた。

４－４．フェライト面積率について
図５には、横軸をフェライト面積率とし、縦軸を変形率として、表２に示した各実施例１～１６および比較例１～７の評価結果をプロットしたグラフを示してある。このグラフからも明らかなとおり、フェライト面積率が１５％以上であれば、変形率を０．３より小さい値とでき、歪の発生が効果的に抑制された。実施例１～１４はいずれも、フェライト面積率が１５％以上７０％以下の範囲内にあり、疲労強度および変形率の両方について良好な結果が得られた。これに対して、比較例１では、フェライト面積率が７０％を超えており、変形率が著しく小さくなったものの、疲労強度が他よりも低くなった。この疲労強度の低下は、非浸炭層に含まれるフェライトの量が多くなりすぎてしまったためであると考えられる。また、比較例２，４では、フェライト面積率が１５％未満であり、両方とも変形率が実施例１～１４よりも大きく、歪が大きかった。これは、非浸炭層に含まれるフェライトの量が不足して歪の発生が十分に抑制できなかったためであると考えられる。

４－５．結晶粒度について
実施例１～１４はいずれも結晶粒度が７番以上であり、疲労強度および変形率の両方について良好な結果が得られた。これに対して、比較例３，５，６はいずれも結晶粒度が７番より小さく、いずれも疲労強度が低い結果となった。このことから、結晶粒度が７番以上であれば、結晶粒が微細化され、高い疲労強度が得られることがわかる。

５．まとめ
以上のように、上記実施例および比較例が示しているように、上記実施形態で説明した好適な浸炭二相鋼であれば、浸炭二相焼入れに適してり、歪を低減しつつ、疲労強度を高めることができる。

本発明は、上記実施形態および実施例に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

１０…棒状鋼材片、１１…円柱状部位、１２…縮径部、１２ａ…第１縮径部、１２ｂ…第２縮径部、２０…環状鋼材片

Claims (7)

1. 質量％で、
   Ｃ：０．１０％以上０．３５％以下、
   Ｓｉ：０％より大きく２．０％以下、
   Ｍｎ：０．４％以上２．０％以下、
   Ｐ：０．０３％未満、
   Ｓ：０．０５％未満、
   Ｃｒ：０％より大きく２．０％以下、
   Ａｌ：０．０１５％以上、２．０００％以下、
   Ｎｂ：０．００５％以上０．１００％以下、
   Ｎ：０．００１％以上０．１００％以下、
   を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物である化学組成を有し、
   マルテンサイト単相組織である浸炭層と、マルテンサイト組織とフェライト組織の二相組織である非浸炭層と、を備える、浸炭二相鋼。
2. 質量％で、
   Ｃｕ：０．０１％以上１．００％以下、または、
   Ｎｉ：０．０１％以上２．００％以下、
   の少なくとも１種をさらに含む化学組成を有する、請求項１記載の浸炭二相鋼。
3. 質量％で、
   Ｍｏ：０．０１％以上１．００％以下、
   をさらに含む化学組成を有する、請求項１記載の浸炭二相鋼。
4. 質量％で、
   Ｖ：０．０１％以上０．５０％以下、または、
   Ｔｉ：０．００５％以上０．２００％以下、
   の少なくとも１種をさらに含む化学組成を有する、請求項１記載の浸炭二相鋼。
5. 質量ｐｐｍで、
   Ｂ：５ｐｐｍ以上３０ｐｐｍ以下
   をさらに含む化学組成を有する、請求項１記載の浸炭二相鋼。
6. 旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度番号が７番以上である、請求項１記載の浸炭二相鋼。
7. 前記非浸炭層におけるフェライトの面積率が、１５％以上７０％以下である、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の浸炭二相鋼。
   
   

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