JP3527154B2 - 非調質軟窒化鋼部品 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱間加工後の調質
処理および焼ならし処理のいずれの処理をも施さずに軟
窒化処理を行っても、高い疲労強度、優れた曲げ特性お
よび優れた耐摩耗性を有する軟窒化鋼部品に関する。 【０００２】 【従来の技術】自動車、産業機械および建設機械などの
軸部品は、所望の強度を得るために機械構造用炭素鋼な
どの鋼片を熱間鍛造および機械加工などで所望の形状に
加工した後、調質処理（高周波焼入・焼戻し処理）を
施す方法、上記の調質処理または焼きならし処理を施
した後、さらに軟窒化処理を施す方法によって製造され
る。 【０００３】軟窒化処理は、調質処理を施した後に行え
ば、調質処理のままよりも更に高い疲労強度を付与する
ことができる。 【０００４】近年、コスト削減のために軟窒化処理前の
調質処理または焼きならし処理を省略する、所謂「非調
質化軟窒化処理法」や「非焼きならし化軟窒化処理法」
が検討されている。しかし、ＪＩＳ（日本工業規格）で
規定されている機械構造用炭素鋼などを母材とした場合
には、軟窒化処理前の調質処理や焼きならし処理を省略
すると、熱間加工時の粗大結晶粒組織や混粒組織がその
まま最終製品に引き継がれてしまい、疲労強度の低下や
曲げ特性の低下という問題が生じる。また、クランク軸
のように高速回転する軸では、摺動部で摩耗が発生する
と油漏れや焼付きを誘発する。 【０００５】軟窒化処理前の調質処理や焼きならし処理
を省略する鋼部品およびその製造方法についての提案が
下記に示すように、いくつかなされている。 【０００６】(1)Ｃ、Si、Mn、Ｐ、Ｓ、Cr、sol.Al、T
i、Ca、PbおよびＮを含有し、調質処理を省略して窒化
処理しても、疲労限度および曲げ矯正で発生する亀裂長
さが調質鋼と同等以上の優れた性能となる窒化用鋼とそ
の製造方法（特開平9-3601号公報、参照）。 【０００７】(2)Ｃ、Si、Mn、Ｐ、Ｓ、sol.Al、Ti、C
a、PbおよびＮを含有し、不純物中のCrおよびＶの含有
量を少なく制限し、調質処理を省略して窒化処理して
も、切り欠き疲労限度および曲げ矯正で発生する亀裂長
さが、調質鋼と同等以上の優れた性能となる窒化用鋼、
およびそれを素材とする窒化鋼製品の製造方法（特開平
10-46287号公報、参照）。 【０００８】(3)Ｃ、Si、Mn、Ti、Al、Ｎ、ＳおよびC
a、更に必要に応じPbを含有し、不純物中のＰおよびＶ
の含有量を少なく制限し、調質処理を省略して窒化処理
して製造されるクランク軸およびその製造方法（特開平
11-62943号公報、参照）。 【０００９】(4)Ｃ、Si、Mn、、Cr、Ni、Mo、Ｎ、Ｖ、N
b、Ti、Zr、Ta、Ｓ、Pb、Ca、BiおよびTeを特定した鋼
において、熱間加工後の組織が実質上フェライト・パー
ライト組織であり、フェライト面積率が30％以上かつフ
ェライト粒度番号が5番以上の粒度、かつ、パーライト
の平均寸法が50μｍ以下である窒化鋼（特開平9-291339
号公報、参照）。 【００１０】(5)Ｃ、Si、Mn、、Cr、Ni、Mo、Ｎ、Ｖ、N
b、Ti、Zr、Ta、Ｓ、Pb、Ca、BiおよびTeを特定した鋼
を、熱間鍛造のままで、フェライトの結晶粒の平均寸法
が50μｍ以下、パーライトの結晶粒の平均寸法が50μｍ
以下のフェライト＋パーライト組織を有する窒化処理部
品（特開平9-324258号公報、参照）。 【００１１】 【発明が解決しようとする課題】軟窒化鋼部品に求めら
れる摩耗特性、疲労特性および曲げ特性は、それぞれ相
反する関係にあり、調質処理または焼きならし処理を省
略すると、通常すべての特性を所望のレベルに保つこと
は困難である。しかし、上記(1)〜(5)に提案されている
窒化処理用鋼および窒化処理部品の発明は、いずれも摩
耗特性の変動を考慮していない。 【００１２】本発明の目的は、熱間加工後の調質処理お
よび焼きならし処理のいずれの処理をも施さずに軟窒化
処理（以下、これを「非調質軟窒化処理」という）を行
っても、高い疲労強度、優れた曲げ特性および優れた耐
摩耗性を合わせ持つ非調質軟窒化鋼部品を提供すること
にある。具体的には、機械構造用炭素鋼JIS-S48Cを素材
とし、熱間加工後焼きならし処理を行って軟窒化処理し
た鋼部品と同等またはそれ以上の疲労強度、曲げ特性お
よび耐摩耗性を備える非調質軟窒化鋼部品を提供するこ
とが本発明の目的である。 【００１３】 【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決するため検討を重ねた結果、下記の知見を得
た。 【００１４】特定の化学組成に規定した鋼を非調質軟
窒化処理を施した後の耐摩耗性は、下記Fn1と相関があ
る。 【００１５】 Fn1=−141.5(Ｃ%)−19.6(Mn%)＋1280(Ｎ%)＋95.6 そして、JIS-S48Cの鋼を素材として、焼きならし後軟窒
化処理を施した鋼部品と同等またはそれ以上の耐摩耗性
を得るためには、Fn1の値を60以下とする必要がある。 【００１６】特定の化学組成に規定した鋼を非調質軟
窒化処理を施した後の疲労強度は、下記Fn2と相関があ
る。 【００１７】 Fn2=−103.8(Ｃ%)＋59.1(Mn%)＋850.4(Ｎ%)＋360.9 そして、JIS-S48Cの鋼を素材として、焼きならし後軟窒
化処理を施した鋼部品と同等またはそれ以上の疲労強度
を得るためには、Fn2の値を350以上とする必要がある。 【００１８】特定の化学組成に規定した鋼を非調質軟
窒化処理を施した後の曲げ特性は、下記Fn3と相関があ
る。 【００１９】 Fn3=−13.4(Ｃ%)−3.45(Mn%)＋112.7(Ｎ%)＋13.2 そして、JIS-S48Cの鋼を素材として、焼きならし後軟窒
化処理を施した鋼部品と同等またはそれ以上の曲げ特性
を得るためには、Fn3の値を7以上とする必要がある。 【００２０】本発明は、上記知見に基づき完成されたも
ので、その要旨は、下記の非調質軟窒化鋼部品にある。 【００２１】質量％でＣ：0.35〜0.45％、Si：0.05〜1.
00％、Mn：0.3〜1.0％、Ｐ：0.03％以下、Cr：0.15％以
下、Ti：0.002〜0.03％、V：0.03％以下、N：0.010〜0.
020％、Al：0.08％以下、Pb：0.05〜0.30％、Ｓ：0.10
％以下およびCa：0.003％以下を含有し、かつ下記(1)〜
(3)式を満足し、残部はFeおよび不可避不純物からなる
鋼から製造され軟窒化処理されている非調質軟窒化鋼部
品。 【００２２】 Fn1=−141.5(Ｃ%)−19.6(Mn%)＋1280(Ｎ%)＋95.6≦60 ・・・・(1) Fn2=−103.8(Ｃ%)＋59.1(Mn%)＋850.4(Ｎ%)＋360.9≧350 ・・・・(2) Fn3=−13.4(Ｃ%)−3.45(Mn%)＋112.7(Ｎ%)＋13.2≧7 ・・・・(3) 【００２３】 【発明の実施の形態】本発明の非調質軟窒化鋼部品の化
学組成は、次に述べる理由に基づき定めた。なお、成分
含有量に関する「％」は「質量％」を意味する。 【００２４】Ｃ：0.35〜0.45％ Ｃは、非調質軟窒化鋼部品に耐摩耗性を付与するための
有効な元素であり、少なくとも0.35％以上含有させるこ
とが必要である。望ましくは、0.4％以上含有させる。
しかし、その含有量が0.45％を超えると、疲労強度が低
下する。また、軟窒化処理後の歪による曲りを矯正する
際に割れ（曲げ特性低下）を生じることがある。したが
って、Ｃ含有量は、0.35〜0.45％とした。 【００２５】Si：0.05〜1.00％ Siは、鋼の脱酸に有効であり、更に疲労強度を高める元
素である。しかし、その含有量が0.05％未満ではその効
果を得られない。また、1.0％を超えると曲げ特性が低
下する。したがって、Si含有量は、0.05〜1.00％とし
た。 【００２６】Mn：0.3〜1.0％ Mnは、鋼の脱酸に有効であり、焼入性を高める元素であ
る。さらに、軟窒化特性を向上させて疲労強度を高める
効果がある。しかし、その含有量が0.3％未満ではその
効果が期待できない。また、1.0％を超えて含有すると
曲げ特性の劣化を招き、軟窒化処理後の歪による曲りを
矯正する際に割れが発生する。したがって、Mnの含有量
は、0.3〜1.0％とした。 【００２７】Ｐ：0.03％以下 Ｐは、曲げ特性を低下させる不純物元素であり、極力含
有させないことが望ましい。しかし、0.03％以下の含有
量であればその影響は小さい。したがって、精錬の困難
性とのかねあいで、Ｐの含有量は、0.03％以下とした。 【００２８】Cr：0.15％以下 Crは、鋼の精錬の際に含まれる不純物元素である。軟窒
化処理によって硬い窒化物を生成し曲げ特性を劣化させ
るため、含有させないことが望ましい。しかし、0.15％
以下の含有量であればその影響は小さいので、精錬の困
難性とのかねあいでCr含有量の許容上限を0.15％とし
た。 【００２９】Ti：0.002〜0.03％ Tiは、鋼の結晶粒を微細化させ、疲労強度を高める元素
である。しかし、0.002％未満ではそれらの効果を得る
ことができない。また、0.03％を超えると曲げ特性を低
下させ、軟窒化処理後の歪による曲りを矯正する際に割
れを発生させる。したがって、Ti含有量は、0.002〜0.0
3％とした。 【００３０】Ｖ：0.03％以下 Ｖは、窒化処理後の表面硬さを高めて、曲げ特性を劣化
させる元素であり、含有しない方がよい。しかし、鋼の
溶製の際に不純物として混入するので、精錬の困難性と
のかねあいで許容上限を0.03％とした。0.03％以下であ
れば上記の悪影響は小さい。 【００３１】Ｎ：0.010〜0.020％ Ｎは、疲労強度および曲げ特性の改善に効果のある元素
である。しかし、その含有量が0.010％未満ではその効
果を得ることができない。しかしながら、０．０２０％
を超えて含有させても、その効果は飽和する。したがっ
て、Ｎ含有量は、０．０１〜0.02％とした。 【００３２】Al：0.08％以下 Alは、鋼の脱酸剤として使用してもよい。ただし、本発
明鋼ではSiとMn（または、更にCa）で脱酸できるので、
Alは無添加でもよい。特に、Alの多量の添加では酸化物
介在物が多くなり、鋼の曲げ特性を低下させる。したが
って、Al含有量は、0.08％以下とした。 【００３３】Ｓ：0.10％以下 Ｓは、鋼の熱間加工性および強度などを低下させるので
含有させなくともよい。しかし、被削性を改善するため
に積極的に含有させることもできる。しかしながら、そ
の含有量が0.10％を超えると疲労強度を著しく低下させ
る。したがって、Ｓ含有量は、0.10％以下とした。な
お、被削性改善の効果を十分に得るには、0.005％以上
の含有が望ましい。 【００３４】Ca：0.003％以下 Caは、鋼の疲労強度および曲げ特性をいずれも低下させ
るので含有させなくともよい。しかし、被削性を改善す
るためには、積極的に含有させることができる。しかし
ながら、その含有量が0.003％を超えると疲労特性が著
しく低下する。したがって、Ca含有量は、0.003％以下
とした。なお、被削性改善の効果を十分に得るには、0.
0003％以上の含有が望ましい。 【００３５】Pb：0.05〜0.30％ Pbは、鋼の被削性を改善するために0.05％以上含有させ
る。しかし、その含有量が0.30％を超えると介在物が増
加し、疲労強度および曲げ特性をいずれも低下させる。
したがって、Pb含有量は、0.05〜0.30％とした。 【００３６】後述の実施例に示す非調質軟窒化処理後の
鋼を摩耗試験、疲労試験および曲げ試験の結果を回帰分
析によって整理すると、Ｃ、MnおよびＮの含有量によっ
て有意差があり、それぞれ下記(a)式、(b)式および(c)
式が得られた。 【００３７】 Fn1＝−141.5(Ｃ%)−19.6(Mn%)＋1280(Ｎ%)＋95.6 ・・・・(a) Fn2＝−103.8(Ｃ%)＋59.1(Mn%)＋850.4(Ｎ%)＋360.9 ・・・・(b) Fn3＝−13.4(Ｃ%)−3.45(Mn%)＋112.7(Ｎ%)＋13.2 ・・・・(c) 図３は、非調質軟窒化処理後の鋼について摩耗量（図
(a)）、疲労強度（図(b)）およびクラック発生ストロー
ク（図(c)）と上記Fn1〜Fn3式との関係を示す図であ
る。図において、○印は本発明例、△印は比較例であ
る。また、JIS-S48C鋼を焼きならし後軟窒化処理した材
料のデータを●印で示した。 【００３８】図３(a)から明らかなように、本発明で定
める化学組成に調整した鋼においては、JIS-S48C鋼の焼
きならし後軟窒化処理材と等しい耐摩耗性を得るために
は、下記(1)式を満足する必要がある。 【００３９】 Fn1＝−141.5(Ｃ%)−19.6(Mn%)＋1280(Ｎ%)＋95.6≦60 ・・・・(1) 図３(b)から明らかなように、本発明で定める化学組成
に調整した鋼においては、JIS-S48C鋼の焼きならし後軟
窒化処理材と等しい疲労特性を得るためには、下記(2)
式を満足する必要がある。 【００４０】 Fn2＝−103.8(Ｃ%)＋59.1(Mn%)＋850.4(Ｎ%)＋360.9≧350 ・・・・(2) 図３(c)から明らかなように、本発明で定める化学組成
に調整した鋼においては、JIS-S48C鋼の焼きならし後軟
窒化処理材と等しい曲げ特性を得るためには、下記(3)
式を満足する必要がある。 【００４１】 Fn3＝−13.4(Ｃ%)−3.45(Mn%)＋112.7(Ｎ%)＋13.2≧7 ・・・・(3) 図３を求めた摩耗量、疲労強度および曲げ特性のデータ
をＣ、MnおよびＮの含有量との関係を調査した。 【００４２】図４は、摩耗量（図(a)）、疲労強度（図
(b)）および曲げ特性（図(c)）とＣ、MnおよびＮの含有
量との関係を示す図である。Ｎ含有量は、前述の(1)〜
(3)式に0.01％、0.015％および0.02％を代入した直線で
示した。この図は、それぞれの特性がS45C鋼よりも劣る
ものを●印および△印で、S45C鋼よりも優れているもの
を○印で示した。●印で示すのは、Fn1、Fn2およびFn3
のいずれかが本発明で定める範囲から外れていることを
示す。また、△印で示すのは、Fn1、Fn2およびFn3が本
発明で定める範囲であるが、いずれかの成分の含有量が
本発明で定める範囲を外れていることを示している。 【００４３】図５は、Ｃ、MnおよびＮの含有量ならびに
Fn1、Fn2およびFn3の関係で本発明で定める範囲を示す
図である。この図は、図４のFn1、Fn2およびFn3式にＮ
含有量を0.01％および0.02％を代入して求めた直線を図
(a)、図(b)および図(c)について纏めた線図である。図
５において斜線で示す範囲が、本発明で示す範囲であ
る。 【００４４】次に、本発明の非調質軟窒化鋼部品の製造
方法について説明する。 【００４５】前記組成の素材 (本発明鋼) を加熱し、鍛
造加工を行い目的の形状とする。この時の加熱温度は、
低ければ低いほど好ましいが、低温鍛造には大きなプレ
ス能力が必要となるため、一般的な条件として1200℃を
標準とし、プレスの能力に応じて1100〜1250℃の範囲で
決める。鍛造後は、製造コストの点から自然放冷 (空
冷) とする。ただし、製造時間短縮のために送風等によ
る強制空冷を行ってもなんら問題はない。 【００４６】目的とする形状に整えた後に、一般に行わ
れる焼準または焼入れ焼もどしなどの調質処理を行うこ
となく、軟窒化処理を施す。軟窒化条件は、ＲＸガス：
アンモニア＝0.8 〜1.2 の雰囲気で、温度 570〜600
℃、時間60〜120 分とし、その後は直接油冷する。雰囲
気のガス組成比、処理温度および時間を上記のようにす
れば、耐焼付き性の改善のための適正な化合物層と十分
な深さの拡散層を得ることができる。軟窒化処理後、曲
げ矯正などの後処理を施してもよいことは言うまでもな
い。 【００４７】 【実施例】表１および表２に示す化学組成に調整した鋼
を150Kg溶解炉で溶製した。表１の番号 2〜15の鋼は、本
発明で定める化学組成範囲に調整した発明例である。表
２の番号16〜32の鋼は、化学組成またはFn1、Fn2および
Fn3のいずれかが本発明で定める範囲から外れる比較例
である。また、表２の番号33の鋼は、従来クランク軸に
多用されているJIS-S48C鋼材である。 【００４８】 【表１】【００４９】 【表２】 【００５０】これらの鋼片を1250℃に加熱し、1250〜11
00℃の温度範囲で直径50mmの丸棒に熱間鍛造し、空冷し
た。番号33の鋼は、850℃で1時間保持する焼きならし処
理を施した。 【００５１】直径50mmの丸棒から、図１および図２に示
す疲労試験片および摩耗試験片を切り出した。得られた
試験片をRXガスにアンモニアを1：1の割合で混合した雰
囲気で、温度を570℃として2時間保持して軟窒化処理を
施し、その後油中冷却した。 【００５２】疲労特性は、小野式回転曲げ疲労試験機
（回転速度3000min-1）を使用し、曲げ疲労強度(切欠部
応力）を求めた。疲労強度は、切欠底部の応力であり、
ひずみゲージを貼付して求めた。 【００５３】曲げ特性は、疲労試験片の切り欠き部にク
ラックゲージ（ひずみゲージ）を貼り付け、支持スパン
を50mmとしてクラックゲージの反対側をクロスヘッドス
ピード20mm/minとして3点曲げ試験を行い、クラックが
発生したときのクロスヘッドのストローク（クラック発
生ストローク）を求めた。 【００５４】摩耗試験は、ディスク・ピン式摩耗試験機
を用いて行った。 【００５５】図２は、供試鋼からなるディスク型試験片
の形状を示す図である。 【００５６】摩耗試験機は、図２に示すディスク型試験
片の平面にふっ素系ゴム（ピン）を押しつけ、研磨剤を
含む油中で試験片を回転(1000min-1)させるものであ
る。摩耗量は、試験片を100時間回転させた後の試験片
平面の窪み量を表面あらさ計で測定した。 【００５７】それらの試験結果を表３にまとめて示し
た。 【００５８】 【表３】 【００５９】本発明で定める範囲の化学成分を有する番
号 2〜15の鋼は、従来例のJIS-S48C焼きならし後軟窒化
処理材である番号33と同等またはそれ以上の耐摩耗性、
疲労強度および曲げ特性(クラック発生ストローク)が得
られた。 【００６０】これに対し、比較例の番号16の鋼は、Ｃ含
有量が0.32％と低く、Fn1が65.8と高いため、摩耗量が2
16μｍと従来例の33鋼よりも大きい。 【００６１】番号17の鋼は、Ｃ含有量が0.51％と高く、
Fn2が345.2と低いため、疲労強度が486.8MPaと従来例の
33鋼よりも低い。 【００６２】番号18の鋼は、Si含有量が1.05％と高く、
クラック発生までのストロークが1.5mmであり、曲げ特
性に劣る。 【００６３】番号19の鋼は、Mn含有量が1.08％と高く、
Fn3が5.7と低いため、クラック発生までのストロークが
2.0mmであり、曲げ特性に劣る。 【００６４】番号20の鋼は、Ｐ含有量が0.038％と高
く、クラック発生までのストロークが1.8mmであり、曲
げ特性に劣る。 【００６５】番号21の鋼は、Cr含有量が0.18％と高く、
クラック発生までのストロークが1.5mmであり、曲げ特
性に劣る。 【００６６】番号22の鋼は、Ti含有量が0.038％と高
く、クラック発生までのストロークが1.3mmであり、曲
げ特性に劣る。 【００６７】番号23の鋼は、Ｖ含有量が0.05％と高く、
クラック発生までのストロークが0.9mmであり、曲げ特
性に劣る。 【００６８】番号24の鋼は、Al含有量が0.095％と高く
クラック発生までのストロークが1.1mmであり、曲げ特
性に劣る。 【００６９】番号25の鋼は、Ｎ含有量が0.0082％と低
く、Fn3が6.4と低いため、クラック発生までのストロー
クが1.7mmであり、曲げ特性に劣る。 【００７０】番号26の鋼は、Ｎ含有量が0.0227％と高
く、Fn1が64.3と高いため、摩耗量が207μｍと従来例の
33鋼よりも大きい。 【００７１】番号27の鋼は、Ｓ含有量が0.125％と高い
ため、疲労強度が482.3MPaと低い。 【００７２】番号28の鋼は、Ca含有量が0.0038％と高い
ため、疲労強度が468.2MPaと低い。また、クラック発生
までのストロークが1.6mmであり、曲げ特性に劣る。 【００７３】番号29の鋼は、Pb含有量が0.32％と高いた
め、疲労強度が411.5MPaと低い。また、クラック発生ま
でのストロークが1.3mmであり、曲げ特性に劣る。 【００７４】番号30の鋼は、Fn1が63.1と高いため、摩
耗量が199μｍと大きい。 【００７５】番号31の鋼は、Fn2が342.9と低いため、疲
労強度が483.5MPaと低い。 【００７６】番号32の鋼は、Fn3が5.1と低いため、クラ
ック発生までのストロークが1.7mmであり、曲げ特性に
劣る。 【００７７】 【発明の効果】本発明の軟窒化鋼部品は、Ｃ、Si、Mn、
Ｐ、Cr、Ti、V、N、Al、Pb、ＳおよびCaの含有量を規定
し、さらにＣ、MnおよびNの含有量から計算される値
（前記Fn1〜Fn3式で求められる値）を規定することによ
って、調質または焼きならしを施さずに軟窒化処理を行
ってもJIS-S48Cの焼きならし後軟窒化処理材と等しい
か、またはそれ以上の疲労強度、曲げ特性および耐摩耗
性を付与することができる。これらの部品は、自動車、
産業機械および建設機械などのクランク軸として利用す
ることができる。調質処理または焼きならし処理を施さ
ずに軟窒化処理を行うことができるので、部品の生産コ
スト低減に寄与し、産業上の効果はきわめて大きい。
処理および焼ならし処理のいずれの処理をも施さずに軟
窒化処理を行っても、高い疲労強度、優れた曲げ特性お
よび優れた耐摩耗性を有する軟窒化鋼部品に関する。 【０００２】 【従来の技術】自動車、産業機械および建設機械などの
軸部品は、所望の強度を得るために機械構造用炭素鋼な
どの鋼片を熱間鍛造および機械加工などで所望の形状に
加工した後、調質処理（高周波焼入・焼戻し処理）を
施す方法、上記の調質処理または焼きならし処理を施
した後、さらに軟窒化処理を施す方法によって製造され
る。 【０００３】軟窒化処理は、調質処理を施した後に行え
ば、調質処理のままよりも更に高い疲労強度を付与する
ことができる。 【０００４】近年、コスト削減のために軟窒化処理前の
調質処理または焼きならし処理を省略する、所謂「非調
質化軟窒化処理法」や「非焼きならし化軟窒化処理法」
が検討されている。しかし、ＪＩＳ（日本工業規格）で
規定されている機械構造用炭素鋼などを母材とした場合
には、軟窒化処理前の調質処理や焼きならし処理を省略
すると、熱間加工時の粗大結晶粒組織や混粒組織がその
まま最終製品に引き継がれてしまい、疲労強度の低下や
曲げ特性の低下という問題が生じる。また、クランク軸
のように高速回転する軸では、摺動部で摩耗が発生する
と油漏れや焼付きを誘発する。 【０００５】軟窒化処理前の調質処理や焼きならし処理
を省略する鋼部品およびその製造方法についての提案が
下記に示すように、いくつかなされている。 【０００６】(1)Ｃ、Si、Mn、Ｐ、Ｓ、Cr、sol.Al、T
i、Ca、PbおよびＮを含有し、調質処理を省略して窒化
処理しても、疲労限度および曲げ矯正で発生する亀裂長
さが調質鋼と同等以上の優れた性能となる窒化用鋼とそ
の製造方法（特開平9-3601号公報、参照）。 【０００７】(2)Ｃ、Si、Mn、Ｐ、Ｓ、sol.Al、Ti、C
a、PbおよびＮを含有し、不純物中のCrおよびＶの含有
量を少なく制限し、調質処理を省略して窒化処理して
も、切り欠き疲労限度および曲げ矯正で発生する亀裂長
さが、調質鋼と同等以上の優れた性能となる窒化用鋼、
およびそれを素材とする窒化鋼製品の製造方法（特開平
10-46287号公報、参照）。 【０００８】(3)Ｃ、Si、Mn、Ti、Al、Ｎ、ＳおよびC
a、更に必要に応じPbを含有し、不純物中のＰおよびＶ
の含有量を少なく制限し、調質処理を省略して窒化処理
して製造されるクランク軸およびその製造方法（特開平
11-62943号公報、参照）。 【０００９】(4)Ｃ、Si、Mn、、Cr、Ni、Mo、Ｎ、Ｖ、N
b、Ti、Zr、Ta、Ｓ、Pb、Ca、BiおよびTeを特定した鋼
において、熱間加工後の組織が実質上フェライト・パー
ライト組織であり、フェライト面積率が30％以上かつフ
ェライト粒度番号が5番以上の粒度、かつ、パーライト
の平均寸法が50μｍ以下である窒化鋼（特開平9-291339
号公報、参照）。 【００１０】(5)Ｃ、Si、Mn、、Cr、Ni、Mo、Ｎ、Ｖ、N
b、Ti、Zr、Ta、Ｓ、Pb、Ca、BiおよびTeを特定した鋼
を、熱間鍛造のままで、フェライトの結晶粒の平均寸法
が50μｍ以下、パーライトの結晶粒の平均寸法が50μｍ
以下のフェライト＋パーライト組織を有する窒化処理部
品（特開平9-324258号公報、参照）。 【００１１】 【発明が解決しようとする課題】軟窒化鋼部品に求めら
れる摩耗特性、疲労特性および曲げ特性は、それぞれ相
反する関係にあり、調質処理または焼きならし処理を省
略すると、通常すべての特性を所望のレベルに保つこと
は困難である。しかし、上記(1)〜(5)に提案されている
窒化処理用鋼および窒化処理部品の発明は、いずれも摩
耗特性の変動を考慮していない。 【００１２】本発明の目的は、熱間加工後の調質処理お
よび焼きならし処理のいずれの処理をも施さずに軟窒化
処理（以下、これを「非調質軟窒化処理」という）を行
っても、高い疲労強度、優れた曲げ特性および優れた耐
摩耗性を合わせ持つ非調質軟窒化鋼部品を提供すること
にある。具体的には、機械構造用炭素鋼JIS-S48Cを素材
とし、熱間加工後焼きならし処理を行って軟窒化処理し
た鋼部品と同等またはそれ以上の疲労強度、曲げ特性お
よび耐摩耗性を備える非調質軟窒化鋼部品を提供するこ
とが本発明の目的である。 【００１３】 【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決するため検討を重ねた結果、下記の知見を得
た。 【００１４】特定の化学組成に規定した鋼を非調質軟
窒化処理を施した後の耐摩耗性は、下記Fn1と相関があ
る。 【００１５】 Fn1=−141.5(Ｃ%)−19.6(Mn%)＋1280(Ｎ%)＋95.6 そして、JIS-S48Cの鋼を素材として、焼きならし後軟窒
化処理を施した鋼部品と同等またはそれ以上の耐摩耗性
を得るためには、Fn1の値を60以下とする必要がある。 【００１６】特定の化学組成に規定した鋼を非調質軟
窒化処理を施した後の疲労強度は、下記Fn2と相関があ
る。 【００１７】 Fn2=−103.8(Ｃ%)＋59.1(Mn%)＋850.4(Ｎ%)＋360.9 そして、JIS-S48Cの鋼を素材として、焼きならし後軟窒
化処理を施した鋼部品と同等またはそれ以上の疲労強度
を得るためには、Fn2の値を350以上とする必要がある。 【００１８】特定の化学組成に規定した鋼を非調質軟
窒化処理を施した後の曲げ特性は、下記Fn3と相関があ
る。 【００１９】 Fn3=−13.4(Ｃ%)−3.45(Mn%)＋112.7(Ｎ%)＋13.2 そして、JIS-S48Cの鋼を素材として、焼きならし後軟窒
化処理を施した鋼部品と同等またはそれ以上の曲げ特性
を得るためには、Fn3の値を7以上とする必要がある。 【００２０】本発明は、上記知見に基づき完成されたも
ので、その要旨は、下記の非調質軟窒化鋼部品にある。 【００２１】質量％でＣ：0.35〜0.45％、Si：0.05〜1.
00％、Mn：0.3〜1.0％、Ｐ：0.03％以下、Cr：0.15％以
下、Ti：0.002〜0.03％、V：0.03％以下、N：0.010〜0.
020％、Al：0.08％以下、Pb：0.05〜0.30％、Ｓ：0.10
％以下およびCa：0.003％以下を含有し、かつ下記(1)〜
(3)式を満足し、残部はFeおよび不可避不純物からなる
鋼から製造され軟窒化処理されている非調質軟窒化鋼部
品。 【００２２】 Fn1=−141.5(Ｃ%)−19.6(Mn%)＋1280(Ｎ%)＋95.6≦60 ・・・・(1) Fn2=−103.8(Ｃ%)＋59.1(Mn%)＋850.4(Ｎ%)＋360.9≧350 ・・・・(2) Fn3=−13.4(Ｃ%)−3.45(Mn%)＋112.7(Ｎ%)＋13.2≧7 ・・・・(3) 【００２３】 【発明の実施の形態】本発明の非調質軟窒化鋼部品の化
学組成は、次に述べる理由に基づき定めた。なお、成分
含有量に関する「％」は「質量％」を意味する。 【００２４】Ｃ：0.35〜0.45％ Ｃは、非調質軟窒化鋼部品に耐摩耗性を付与するための
有効な元素であり、少なくとも0.35％以上含有させるこ
とが必要である。望ましくは、0.4％以上含有させる。
しかし、その含有量が0.45％を超えると、疲労強度が低
下する。また、軟窒化処理後の歪による曲りを矯正する
際に割れ（曲げ特性低下）を生じることがある。したが
って、Ｃ含有量は、0.35〜0.45％とした。 【００２５】Si：0.05〜1.00％ Siは、鋼の脱酸に有効であり、更に疲労強度を高める元
素である。しかし、その含有量が0.05％未満ではその効
果を得られない。また、1.0％を超えると曲げ特性が低
下する。したがって、Si含有量は、0.05〜1.00％とし
た。 【００２６】Mn：0.3〜1.0％ Mnは、鋼の脱酸に有効であり、焼入性を高める元素であ
る。さらに、軟窒化特性を向上させて疲労強度を高める
効果がある。しかし、その含有量が0.3％未満ではその
効果が期待できない。また、1.0％を超えて含有すると
曲げ特性の劣化を招き、軟窒化処理後の歪による曲りを
矯正する際に割れが発生する。したがって、Mnの含有量
は、0.3〜1.0％とした。 【００２７】Ｐ：0.03％以下 Ｐは、曲げ特性を低下させる不純物元素であり、極力含
有させないことが望ましい。しかし、0.03％以下の含有
量であればその影響は小さい。したがって、精錬の困難
性とのかねあいで、Ｐの含有量は、0.03％以下とした。 【００２８】Cr：0.15％以下 Crは、鋼の精錬の際に含まれる不純物元素である。軟窒
化処理によって硬い窒化物を生成し曲げ特性を劣化させ
るため、含有させないことが望ましい。しかし、0.15％
以下の含有量であればその影響は小さいので、精錬の困
難性とのかねあいでCr含有量の許容上限を0.15％とし
た。 【００２９】Ti：0.002〜0.03％ Tiは、鋼の結晶粒を微細化させ、疲労強度を高める元素
である。しかし、0.002％未満ではそれらの効果を得る
ことができない。また、0.03％を超えると曲げ特性を低
下させ、軟窒化処理後の歪による曲りを矯正する際に割
れを発生させる。したがって、Ti含有量は、0.002〜0.0
3％とした。 【００３０】Ｖ：0.03％以下 Ｖは、窒化処理後の表面硬さを高めて、曲げ特性を劣化
させる元素であり、含有しない方がよい。しかし、鋼の
溶製の際に不純物として混入するので、精錬の困難性と
のかねあいで許容上限を0.03％とした。0.03％以下であ
れば上記の悪影響は小さい。 【００３１】Ｎ：0.010〜0.020％ Ｎは、疲労強度および曲げ特性の改善に効果のある元素
である。しかし、その含有量が0.010％未満ではその効
果を得ることができない。しかしながら、０．０２０％
を超えて含有させても、その効果は飽和する。したがっ
て、Ｎ含有量は、０．０１〜0.02％とした。 【００３２】Al：0.08％以下 Alは、鋼の脱酸剤として使用してもよい。ただし、本発
明鋼ではSiとMn（または、更にCa）で脱酸できるので、
Alは無添加でもよい。特に、Alの多量の添加では酸化物
介在物が多くなり、鋼の曲げ特性を低下させる。したが
って、Al含有量は、0.08％以下とした。 【００３３】Ｓ：0.10％以下 Ｓは、鋼の熱間加工性および強度などを低下させるので
含有させなくともよい。しかし、被削性を改善するため
に積極的に含有させることもできる。しかしながら、そ
の含有量が0.10％を超えると疲労強度を著しく低下させ
る。したがって、Ｓ含有量は、0.10％以下とした。な
お、被削性改善の効果を十分に得るには、0.005％以上
の含有が望ましい。 【００３４】Ca：0.003％以下 Caは、鋼の疲労強度および曲げ特性をいずれも低下させ
るので含有させなくともよい。しかし、被削性を改善す
るためには、積極的に含有させることができる。しかし
ながら、その含有量が0.003％を超えると疲労特性が著
しく低下する。したがって、Ca含有量は、0.003％以下
とした。なお、被削性改善の効果を十分に得るには、0.
0003％以上の含有が望ましい。 【００３５】Pb：0.05〜0.30％ Pbは、鋼の被削性を改善するために0.05％以上含有させ
る。しかし、その含有量が0.30％を超えると介在物が増
加し、疲労強度および曲げ特性をいずれも低下させる。
したがって、Pb含有量は、0.05〜0.30％とした。 【００３６】後述の実施例に示す非調質軟窒化処理後の
鋼を摩耗試験、疲労試験および曲げ試験の結果を回帰分
析によって整理すると、Ｃ、MnおよびＮの含有量によっ
て有意差があり、それぞれ下記(a)式、(b)式および(c)
式が得られた。 【００３７】 Fn1＝−141.5(Ｃ%)−19.6(Mn%)＋1280(Ｎ%)＋95.6 ・・・・(a) Fn2＝−103.8(Ｃ%)＋59.1(Mn%)＋850.4(Ｎ%)＋360.9 ・・・・(b) Fn3＝−13.4(Ｃ%)−3.45(Mn%)＋112.7(Ｎ%)＋13.2 ・・・・(c) 図３は、非調質軟窒化処理後の鋼について摩耗量（図
(a)）、疲労強度（図(b)）およびクラック発生ストロー
ク（図(c)）と上記Fn1〜Fn3式との関係を示す図であ
る。図において、○印は本発明例、△印は比較例であ
る。また、JIS-S48C鋼を焼きならし後軟窒化処理した材
料のデータを●印で示した。 【００３８】図３(a)から明らかなように、本発明で定
める化学組成に調整した鋼においては、JIS-S48C鋼の焼
きならし後軟窒化処理材と等しい耐摩耗性を得るために
は、下記(1)式を満足する必要がある。 【００３９】 Fn1＝−141.5(Ｃ%)−19.6(Mn%)＋1280(Ｎ%)＋95.6≦60 ・・・・(1) 図３(b)から明らかなように、本発明で定める化学組成
に調整した鋼においては、JIS-S48C鋼の焼きならし後軟
窒化処理材と等しい疲労特性を得るためには、下記(2)
式を満足する必要がある。 【００４０】 Fn2＝−103.8(Ｃ%)＋59.1(Mn%)＋850.4(Ｎ%)＋360.9≧350 ・・・・(2) 図３(c)から明らかなように、本発明で定める化学組成
に調整した鋼においては、JIS-S48C鋼の焼きならし後軟
窒化処理材と等しい曲げ特性を得るためには、下記(3)
式を満足する必要がある。 【００４１】 Fn3＝−13.4(Ｃ%)−3.45(Mn%)＋112.7(Ｎ%)＋13.2≧7 ・・・・(3) 図３を求めた摩耗量、疲労強度および曲げ特性のデータ
をＣ、MnおよびＮの含有量との関係を調査した。 【００４２】図４は、摩耗量（図(a)）、疲労強度（図
(b)）および曲げ特性（図(c)）とＣ、MnおよびＮの含有
量との関係を示す図である。Ｎ含有量は、前述の(1)〜
(3)式に0.01％、0.015％および0.02％を代入した直線で
示した。この図は、それぞれの特性がS45C鋼よりも劣る
ものを●印および△印で、S45C鋼よりも優れているもの
を○印で示した。●印で示すのは、Fn1、Fn2およびFn3
のいずれかが本発明で定める範囲から外れていることを
示す。また、△印で示すのは、Fn1、Fn2およびFn3が本
発明で定める範囲であるが、いずれかの成分の含有量が
本発明で定める範囲を外れていることを示している。 【００４３】図５は、Ｃ、MnおよびＮの含有量ならびに
Fn1、Fn2およびFn3の関係で本発明で定める範囲を示す
図である。この図は、図４のFn1、Fn2およびFn3式にＮ
含有量を0.01％および0.02％を代入して求めた直線を図
(a)、図(b)および図(c)について纏めた線図である。図
５において斜線で示す範囲が、本発明で示す範囲であ
る。 【００４４】次に、本発明の非調質軟窒化鋼部品の製造
方法について説明する。 【００４５】前記組成の素材 (本発明鋼) を加熱し、鍛
造加工を行い目的の形状とする。この時の加熱温度は、
低ければ低いほど好ましいが、低温鍛造には大きなプレ
ス能力が必要となるため、一般的な条件として1200℃を
標準とし、プレスの能力に応じて1100〜1250℃の範囲で
決める。鍛造後は、製造コストの点から自然放冷 (空
冷) とする。ただし、製造時間短縮のために送風等によ
る強制空冷を行ってもなんら問題はない。 【００４６】目的とする形状に整えた後に、一般に行わ
れる焼準または焼入れ焼もどしなどの調質処理を行うこ
となく、軟窒化処理を施す。軟窒化条件は、ＲＸガス：
アンモニア＝0.8 〜1.2 の雰囲気で、温度 570〜600
℃、時間60〜120 分とし、その後は直接油冷する。雰囲
気のガス組成比、処理温度および時間を上記のようにす
れば、耐焼付き性の改善のための適正な化合物層と十分
な深さの拡散層を得ることができる。軟窒化処理後、曲
げ矯正などの後処理を施してもよいことは言うまでもな
い。 【００４７】 【実施例】表１および表２に示す化学組成に調整した鋼
を150Kg溶解炉で溶製した。表１の番号 2〜15の鋼は、本
発明で定める化学組成範囲に調整した発明例である。表
２の番号16〜32の鋼は、化学組成またはFn1、Fn2および
Fn3のいずれかが本発明で定める範囲から外れる比較例
である。また、表２の番号33の鋼は、従来クランク軸に
多用されているJIS-S48C鋼材である。 【００４８】 【表１】【００４９】 【表２】 【００５０】これらの鋼片を1250℃に加熱し、1250〜11
00℃の温度範囲で直径50mmの丸棒に熱間鍛造し、空冷し
た。番号33の鋼は、850℃で1時間保持する焼きならし処
理を施した。 【００５１】直径50mmの丸棒から、図１および図２に示
す疲労試験片および摩耗試験片を切り出した。得られた
試験片をRXガスにアンモニアを1：1の割合で混合した雰
囲気で、温度を570℃として2時間保持して軟窒化処理を
施し、その後油中冷却した。 【００５２】疲労特性は、小野式回転曲げ疲労試験機
（回転速度3000min-1）を使用し、曲げ疲労強度(切欠部
応力）を求めた。疲労強度は、切欠底部の応力であり、
ひずみゲージを貼付して求めた。 【００５３】曲げ特性は、疲労試験片の切り欠き部にク
ラックゲージ（ひずみゲージ）を貼り付け、支持スパン
を50mmとしてクラックゲージの反対側をクロスヘッドス
ピード20mm/minとして3点曲げ試験を行い、クラックが
発生したときのクロスヘッドのストローク（クラック発
生ストローク）を求めた。 【００５４】摩耗試験は、ディスク・ピン式摩耗試験機
を用いて行った。 【００５５】図２は、供試鋼からなるディスク型試験片
の形状を示す図である。 【００５６】摩耗試験機は、図２に示すディスク型試験
片の平面にふっ素系ゴム（ピン）を押しつけ、研磨剤を
含む油中で試験片を回転(1000min-1)させるものであ
る。摩耗量は、試験片を100時間回転させた後の試験片
平面の窪み量を表面あらさ計で測定した。 【００５７】それらの試験結果を表３にまとめて示し
た。 【００５８】 【表３】 【００５９】本発明で定める範囲の化学成分を有する番
号 2〜15の鋼は、従来例のJIS-S48C焼きならし後軟窒化
処理材である番号33と同等またはそれ以上の耐摩耗性、
疲労強度および曲げ特性(クラック発生ストローク)が得
られた。 【００６０】これに対し、比較例の番号16の鋼は、Ｃ含
有量が0.32％と低く、Fn1が65.8と高いため、摩耗量が2
16μｍと従来例の33鋼よりも大きい。 【００６１】番号17の鋼は、Ｃ含有量が0.51％と高く、
Fn2が345.2と低いため、疲労強度が486.8MPaと従来例の
33鋼よりも低い。 【００６２】番号18の鋼は、Si含有量が1.05％と高く、
クラック発生までのストロークが1.5mmであり、曲げ特
性に劣る。 【００６３】番号19の鋼は、Mn含有量が1.08％と高く、
Fn3が5.7と低いため、クラック発生までのストロークが
2.0mmであり、曲げ特性に劣る。 【００６４】番号20の鋼は、Ｐ含有量が0.038％と高
く、クラック発生までのストロークが1.8mmであり、曲
げ特性に劣る。 【００６５】番号21の鋼は、Cr含有量が0.18％と高く、
クラック発生までのストロークが1.5mmであり、曲げ特
性に劣る。 【００６６】番号22の鋼は、Ti含有量が0.038％と高
く、クラック発生までのストロークが1.3mmであり、曲
げ特性に劣る。 【００６７】番号23の鋼は、Ｖ含有量が0.05％と高く、
クラック発生までのストロークが0.9mmであり、曲げ特
性に劣る。 【００６８】番号24の鋼は、Al含有量が0.095％と高く
クラック発生までのストロークが1.1mmであり、曲げ特
性に劣る。 【００６９】番号25の鋼は、Ｎ含有量が0.0082％と低
く、Fn3が6.4と低いため、クラック発生までのストロー
クが1.7mmであり、曲げ特性に劣る。 【００７０】番号26の鋼は、Ｎ含有量が0.0227％と高
く、Fn1が64.3と高いため、摩耗量が207μｍと従来例の
33鋼よりも大きい。 【００７１】番号27の鋼は、Ｓ含有量が0.125％と高い
ため、疲労強度が482.3MPaと低い。 【００７２】番号28の鋼は、Ca含有量が0.0038％と高い
ため、疲労強度が468.2MPaと低い。また、クラック発生
までのストロークが1.6mmであり、曲げ特性に劣る。 【００７３】番号29の鋼は、Pb含有量が0.32％と高いた
め、疲労強度が411.5MPaと低い。また、クラック発生ま
でのストロークが1.3mmであり、曲げ特性に劣る。 【００７４】番号30の鋼は、Fn1が63.1と高いため、摩
耗量が199μｍと大きい。 【００７５】番号31の鋼は、Fn2が342.9と低いため、疲
労強度が483.5MPaと低い。 【００７６】番号32の鋼は、Fn3が5.1と低いため、クラ
ック発生までのストロークが1.7mmであり、曲げ特性に
劣る。 【００７７】 【発明の効果】本発明の軟窒化鋼部品は、Ｃ、Si、Mn、
Ｐ、Cr、Ti、V、N、Al、Pb、ＳおよびCaの含有量を規定
し、さらにＣ、MnおよびNの含有量から計算される値
（前記Fn1〜Fn3式で求められる値）を規定することによ
って、調質または焼きならしを施さずに軟窒化処理を行
ってもJIS-S48Cの焼きならし後軟窒化処理材と等しい
か、またはそれ以上の疲労強度、曲げ特性および耐摩耗
性を付与することができる。これらの部品は、自動車、
産業機械および建設機械などのクランク軸として利用す
ることができる。調質処理または焼きならし処理を施さ
ずに軟窒化処理を行うことができるので、部品の生産コ
スト低減に寄与し、産業上の効果はきわめて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】疲労試験および曲げ試験に供した試験片の形状
を示す図である。 【図２】摩耗試験に供した試験片の形状を示す図であ
る。 【図３】摩耗試験、疲労試験および曲げ試験の結果をFn
1式〜Fn3式との関係で整理して示す図である。 【図４】摩耗量（図(a)）、疲労強度（図(b)）および曲
げ特性（図(c)）とＣ、MnおよびＮの含有量との関係を
示す図である。 【図５】Ｃ、MnおよびＮの含有量ならびにFn1、Fn2およ
びFn3の関係で本発明で定める範囲を示す図である。
を示す図である。 【図２】摩耗試験に供した試験片の形状を示す図であ
る。 【図３】摩耗試験、疲労試験および曲げ試験の結果をFn
1式〜Fn3式との関係で整理して示す図である。 【図４】摩耗量（図(a)）、疲労強度（図(b)）および曲
げ特性（図(c)）とＣ、MnおよびＮの含有量との関係を
示す図である。 【図５】Ｃ、MnおよびＮの含有量ならびにFn1、Fn2およ
びFn3の関係で本発明で定める範囲を示す図である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 宇野 光男
福岡県北九州市小倉北区許斐町１番地住
友金属工業株式会社小倉製鉄所内
(72)発明者 栗田 真人
兵庫県尼崎市扶桑町１番８号住友金属テ
クノロジー株式会社内
(72)発明者 小池 精一
埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会
社本田技術研究所内
(72)発明者 高島 光男
埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会
社本田技術研究所内
(56)参考文献 特開 平９−324241（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C22C 38/00 - 38/60
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】質量％でＣ：0.35〜0.45％、Si：0.05〜1.
00％、Mn：0.3〜1.0％、Ｐ：0.03％以下、Cr：0.15％以
下、Ti：0.002〜0.03％、V：0.03％以下、N：0.010〜0.
020％、Al：0.08％以下、Pb：0.05〜0.30％、Ｓ：0.10
％以下およびCa：0.003％以下であり、かつ下記(1)〜
(3)式を満足し、残部はFeおよび不純物からなる鋼から
製造され軟窒化処理されている非調質軟窒化鋼部品。
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