JP3760535B2 - 耐粗粒化肌焼鋼及び強度と靱性に優れた表面硬化部品並びにその製造方法 - Google Patents
耐粗粒化肌焼鋼及び強度と靱性に優れた表面硬化部品並びにその製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、肌焼鋼及び表面硬化部品と、その表面硬化部品の製造方法に関し、より詳しくは、耐粗粒化肌焼鋼及び強度と靭性に優れた表面硬化部品並びにその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車用や産業機械用などの各種機械構造部品、特に歯車を代表とする表面硬化部品は、肌焼鋼を母材としてこれを熱間鍛造や冷間鍛造、更には機械加工により所望の形状に成形加工した後、耐磨耗性及び疲労強度を向上させる目的で部品表面に浸炭処理や浸炭窒化処理などの表面硬化処理を施してから使用に供されている。
【０００３】
表面硬化部品の母材となる機械構造用肌焼鋼としては、従来、JIS G 4106に規定された機械構造用マンガン鋼（ＳＭｎ鋼）及びマンガンクロム鋼（ＳＭｎＣ鋼）、JIS G 4105に規定されたクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ鋼）、JIS G 4104に規定されたクロム鋼（ＳＣｒ鋼）、JIS G 4103に規定されたニッケルクロムモリブデン鋼（ＳＮＣＭ鋼）、JIS G 4102に規定されたニッケルクロム鋼（ＳＮＣ鋼）などが用いられてきた。
【０００４】
しかし、前記のＪＩＳ規格鋼を母材として所定の部品形状に加工された鋼材の場合には、浸炭処理や浸炭窒化処理などの表面硬化処理時に９００〜９５０℃の温度に加熱されると結晶粒の粗大化や異常粒成長（以下、結晶粒の粗大化と異常粒成長をまとめて「粗粒化」という）が生じ易い。このため、焼入れ時の歪み発生や強度や靭性など材料特性の低下が生ずるという問題がある。
【０００５】
このため、従来のＪＩＳ規格鋼に代わって、Ｎｂを添加した鋼、例えば、特開昭６０−２１３５９号公報に記載のＮｂ添加鋼などが浸炭部品の母材となる肌焼鋼として重用されてきた。こうした鋼は、Ｎｂの添加によって析出した微細なＮｂＣのピン止め効果を利用することで、浸炭処理や浸炭窒化処理などの表面硬化処理における加熱時のオーステナイト粒の粗粒化を防止しようとするものである。既に述べたように、従来の浸炭処理や浸炭窒化処理などの表面硬化処理は９００〜９５０℃程度の温度で行われていたために、ＮｂＣのピン止め効果によって粗粒化を防止することが可能であった。しかしながら、単にＮｂを添加しただけの鋼の場合には鋼塊（ここでいう「鋼塊」にはJIS G 0203に規定されているように連鋳鋼片（鋳片）を含む）の表面性状が悪いという問題がある。したがって、鋼片や各種の鋼材に加工した後に疵が生じるので、疵の手入れをしなければならず、この疵手入れのために歩留りが低下するとともにコストが嵩んでいた。
【０００６】
近年、表面硬化処理の能率を大幅に向上させるために、所謂「プラズマ浸炭処理」など高温での表面硬化処理が採用されるようになってきた。上記の「プラズマ浸炭処理」は、１０５０℃もの高温で浸炭処理を行うものであり、こうした高温に加熱される場合には、前記の単にＮｂを添加しただけの鋼では粗粒化を防止することは不可能である。すなわち、１０５０℃でのプラズマ浸炭処理時には、従来の９００〜９５０℃程度の処理の場合には粗粒化防止に有効であったＮｂＣが凝集・粗大化してしまい、ピン止め効果を充分に発揮することができないからである。
【０００７】
そこで、例えば特開平４−１７６８１６号公報に記載されているような、Ｎｂと、Ｔｉ及び／又はＶとを複合添加した浸炭用鋼が提案されている。しかし、前記公報に記載されているような単に、Ｎｂと、Ｔｉ及び／又はＶとを複合添加しただけの浸炭用鋼の場合には、浸炭時に粗粒化が生じてしまう場合もあった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、充分な強度−靭性バランスを有して、過酷な環境下での使用に充分耐え得る表面硬化部品及びその母材となる耐粗粒化肌焼鋼と、その表面硬化部品の製造方法を提供することを目的とする。なかでも、本発明は、鋼材表面の温度が１０５０℃にも到るようなプラズマ浸炭処理を初めとする高い温度での表面硬化処理を受ける場合にも粗粒化を生ずることがなく、熱処理歪の小さい高強度・高靭性の表面硬化部品と、その母材となる鋼塊の表面性状が優れた耐粗粒化肌焼鋼及びその表面硬化部品の製造方法を提供することを目的とする。なお、本発明でいう「耐粗粒化鋼」とは、「オーステナイト結晶粒度番号５以上の整細粒鋼」のことを指す。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）に示す化学組成を有する耐粗粒化肌焼鋼、（２）に示す強度と靭性に優れた表面硬化部品及び（３）、（４）に示す強度と靭性に優れた表面硬化部品の製造方法にある。
【００１０】
（１）重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｃｒ：０．０５〜２．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、Ｎ：０．００２〜０．０５％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％を含有するとともに、｛Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）｝＜（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝、０．０２％≦Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）≦０．２５％及び０．８５％＜（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝＜２．６％を満たし、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＰは０．０３％以下、Ｓは０．０４％以下であることを特徴とする耐粗粒化肌焼鋼。
【００１１】
（２）母材が、上記（１）に記載の鋼であって、表面硬化処理後にＨｖ３００以上の芯部硬度と２０Ｊ／ｃｍ2 以上の衝撃値を有することを特徴とする強度と靭性に優れた表面硬化部品。
【００１２】
（３）上記（１）に記載の鋼を、表面硬化処理に先立って１１５０℃以上の温度に加熱してから熱間鍛造することを特徴とする強度と靭性に優れた表面硬化部品の製造方法。
【００１３】
（４）上記（１）に記載の鋼を、分塊、圧延及び熱処理の少なくとも１つの工程を１１５０℃以上の温度に加熱して行い、その後鍛造し表面硬化処理することを特徴とする強度と靭性に優れた表面硬化部品の製造方法。
【００１４】
なお、表面硬化処理後の芯部とは表面硬化されていない部分のことをいう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、プラズマ浸炭処理を初めとする高い温度での表面硬化処理時にも粗粒化を防止することができるように、１０５０℃でも成長・凝集せず微細に分散している析出物を調査した。その結果、ＮｂとＴｉの複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が１０５０℃でも成長・凝集せず、微細に分散している場合があることを見いだした。
【００１６】
そこで、ＮｂとＴｉを複合添加した各種の鋼を溶製し、凝固時に析出する合金炭化物、窒化物及び炭窒化物について調査した。その結果、下記(1)の事項が判明した。
【００１７】
(1)ＮｂとＴｉを複合添加した鋼において、凝固時に析出するのはＮｂＣ、ＴｉＣ、ＮｂＮ、ＴｉＮ、Ｎｂ（ＣＮ）及びＴｉ（ＣＮ）といった単独合金による炭化物、窒化物や炭窒化物ではなく、ＮｂとＴｉの複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕である。しかし、凝固時に析出した複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕は粗大であるので、粗粒化防止のためのピン止め作用を有しない。
【００１８】
各種鋼板の母材となるＮｂ添加鋼にＴｉを複合添加して鋼塊の表面性状を改善し、コストアップの要因となる表面手入れを行うことなく製品鋼板の表面性状を高めることは良く知られた技術である。そこで、本発明者らは、次に、ＮｂとＴｉとを複合添加して単に鋼塊の表面性状を優れたものにするだけではなく、凝固時に粗大に析出した〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を固溶させるとともに〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を微細に再析出させることがことができ、しかも１０５０℃でも前記の再析出した〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を凝集・粗大化させずに安定して微細に分散させておき、粗粒化を防止することが可能な鋼の化学組成と加熱温度条件に関して種々検討した。
【００１９】
その結果、母材の化学組成が特定の範囲にあり、且つ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃ及びＮが特定の関係式を満足する組み合わせの時に、再析出したＮｂとＴｉの複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が１０５０℃でも凝集・粗大化せず、微細に分散していることがわかった。
【００２０】
更に、母材の化学組成が特定の範囲にあり、且つ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃ及びＮが特定の関係式を満足する組み合わせの時、ＮｂとＴｉの複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕の固溶と加熱温度（Ｔ）の関係は、以下の通りであることもわかった。
【００２１】
（イ）Ｔ＜１１５０℃の場合には、上記の複合炭窒化物は鋼中で安定して存在する。
【００２２】
（ロ）１１５０℃≦Ｔ≦１３５０℃の場合には、上記の複合炭窒化物中のＮｂが優先的に固溶して、Ｔｉが濃化する。
【００２３】
（ハ）１３５０℃＜Ｔの場合には、上記の複合炭窒化物はほぼ完全に固溶する（Ｔｉも固溶する）。
【００２４】
そして、鋼材が上記（ロ）及び（ハ）のようにＮｂとＴｉの複合炭窒化物が固溶する温度域に加熱された場合、母材の化学組成が特定の範囲にあって、しかも、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃ及びＮの含有量が特定の関係式を満足する組み合わせの時には、その後の冷却過程、あるいは冷却後に行われる処理の加熱過程での前の〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が微細に再析出する。なお、複合炭窒化物が完全に固溶しなくても、複合炭窒化物中のＮｂが優先的に固溶しさえすれば、その後の冷却過程、あるいは冷却後に行われる処理の加熱過程で〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が微細に再析出する。
【００２５】
すなわち、下記(2)の重要な事項が判明した。
【００２６】
(2)母材の化学組成が特定の範囲にあり、且つ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃ及びＮが特定の関係式を満足する組み合わせの時、表面硬化処理の前に母材及び／又は表面硬化部品が１１５０℃以上の温度域に加熱されると、凝固時に析出した粗大な〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が固溶するとともに、その後の冷却過程、あるいは冷却後に行われる処理の加熱過程で〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が微細に再析出し、そのピン止め効果で表面硬化処理時の異常粒成長を防止することができる。
【００２７】
更に、母材の化学組成が特定の範囲にあり、且つ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃ及びＮが特定の関係式を満足する組み合わせの表面硬化処理後の部品について調査したところ、下記(3)が明らかになった。
【００２８】
(3)表面硬化処理後、Ｈｖ３００以上の芯部硬度と２０Ｊ／ｃｍ2以上の衝撃値を有すれば、その表面硬化部品は自動車や産業機械が使用される過酷な環境においても充分な耐久性を示す。
【００２９】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００３０】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、成分含有量の「％」は「重量％」を意味する。
【００３１】
（Ａ）化学組成
Ｃ：０．１０〜０．３０％
Ｃは鋼の静的強度を確保するとともに複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を形成させるために添加するが、その含有量が０．１０％未満では添加効果に乏しく、一方、０．３０％を超えて含有すると鋼の靭性が低下することになるので、その含有量を０．１０〜０．３０％とした。
【００３２】
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％
Ｓｉは、鋼の焼入れ性の向上、静的強度の向上及び高温での表面酸化の防止に有効な元素である。しかし、その含有量が０．０１％未満では所望の静的強度が確保できないことに加えて高温での表面の耐酸化性が劣化する。一方、０．５０％を超えると靭性の劣化を招くこととなる。したがって、Ｓｉの含有量を０．０１〜０．５０％とした。
【００３３】
Ｍｎ：０．６〜２．０％
Ｍｎは、鋼の焼入れ性向上及び熱間延性向上の作用を有する。しかし、その含有量が０．６％未満では充分な焼入れ性が得られず、２．０％を超えて含有させると偏析を起こし、却って熱間延性が低下するようになる。したがって、Ｍｎの含有量を０．６〜２．０％とした。
【００３４】
Ｃｒ：０．０５〜２．０％
Ｃｒは、添加すれば鋼の焼入れ性が向上するとともに、浸炭処理などの表面硬化処理時にＣと結合して複合炭化物を形成するので耐摩耗性が向上する効果がある。この効果を確実に得るには、Ｃｒは０．０５％以上の含有量とする必要がある。しかし、その含有量が２．０％を超えると靭性が劣化する。したがって、Ｃｒ含有量を０．０５〜２．０％とした。
【００３５】
Ｍｏ：０．０５〜１．０％
Ｍｏは、添加すれば鋼の焼入れ性が向上するとともに、表面硬化処理後の芯部硬度を上げる作用がある。この効果を確実に得るには、Ｍｏは０．０５％以上の含有量とする必要がある。しかし、その含有量が１．０％を超えると被削性が大幅に劣化するようになるので、Ｍｏ含有量を０．０５〜１．０％とした。
【００３６】
Ｎｂ：０．００５〜０．１０％
Ｎｂは、Ｔｉとともに複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を形成し、鋼の結晶粒を微細にして靭性を向上させるとともに、表面硬化処理のための加熱時の粗粒化を防止するのに有効な元素である。しかし、その含有量が０．００５％未満では添加効果に乏しく、一方、０．１０％を超えて含有させても前記の効果が飽和して経済性を損なうばかりであるし、変形抵抗が上昇して冷間鍛造性や熱間鍛造性が劣化するようにもなる。したがって、Ｎｂの含有量を０．００５〜０．１０％とした。
【００３７】
Ｔｉ：０．００５〜０．１０％
Ｔｉは、Ｎｂとともに複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を形成し、鋼の結晶粒を微細にして靭性を向上させるとともに、表面硬化処理のための加熱時の粗粒化を防止するのに有効な元素である。更に、Ｔｉには、Ｎｂ添加鋼の鋼塊の表面性状を改善する作用もある。しかし、その含有量が０．００５％未満では添加効果に乏しく、一方、０．１０％を超えて含有させても前記の効果が飽和して経済性を損なうばかりであるし、変形抵抗が上昇して冷間鍛造性や熱間鍛造性が劣化するようにもなる。したがって、Ｔｉの含有量を０．００５〜０．１０％とした。
【００３８】
Ｎ：０．００２〜０．０５％
Ｎは、Ｎｂ、Ｔｉ及びＣと結合して複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を形成し、鋼の結晶粒を微細にして靭性を向上させるとともに、表面硬化処理のための加熱時の粗粒化を防止するのに有効な元素である。しかし、その含有量が０．００２％未満では添加効果に乏しい。一方、０．０５％を超えて含有させると冷間鍛造性や熱間鍛造性の著しい劣化を招くし、前記した効果が飽和してしまう。このため、Ｎの含有量を０．００２〜０．０５％とした。
【００３９】
Ａｌ：０．００５〜０．１０％
Ａｌは、添加すれば鋼の脱酸の安定化及び均質化を図る作用がある。この効果を確実に得るには、Ａｌは０．００５％以上の含有量とする必要がある。しかし、その含有量が０．１０％を超えると前記効果が飽和することに加えて靭性が劣化するようになる。したがって、Ａｌの含有量を０．００５〜０．１０％とした。
【００４０】
Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）＜（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝
凝固時に析出した粗大な複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕の高温での安定性は、鋼中のＮｂ、Ｔｉ、Ｃ及びＮの含有量によって左右される。そして、鋼中のＮｂ及びＴｉの含有量に関するＮｂ（％）＋２Ｔｉ（％）の値が、鋼中のＣ及びＮの含有量に関する（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝の値以上になった場合に、前記の複合炭窒化物は非常に安定となって固溶温度が極めて高くなる。つまり、鋼を高温に加熱しても凝固時に析出した粗大な複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が安定して存在し、既に述べたように粗粒化防止のためのピン止め効果が得られない。したがって、Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）＜（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝とした。
【００４１】
０．０２％≦Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）≦０．２５％
粗粒化防止に有効な、微細な複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕の実質的な再析出量は、鋼中のＮｂ及びＴｉの含有量に関するＮｂ（％）＋２Ｔｉ（％）の値によって決定される。Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）の値が０．０２％未満の場合には、微細な複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕の再析出量が少なく、所望の粗粒化防止効果が得られない。一方、Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）の値が０．２５％を超えるＮｂとＴｉを含有させても粗粒化防止効果は飽和し、コストが嵩むばかりとなる。したがって、０．０２％≦Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）≦０．２５％とした。
【００４２】
０．８５％＜（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝＜２．６％
微細に再析出した複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕の安定性は、鋼中のＣ及びＮの含有量によって左右される。そして、鋼中のＣ及びＮの含有量に関する（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝の値が０．８５％を超える場合に、前記の複合炭窒化物は１０５０℃でも凝集・粗大化しない。したがって、鋼材表面の温度が１０５０℃にも到るようなプラズマ浸炭処理を初めとする高い温度での表面硬化処理を受ける場合にも粗粒化を生ずることがない。一方、（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝の値が２．６％を超えるＣとＮを含有させた場合には粗粒化防止効果が飽和することに加えて靭性や冷間鍛造性が劣化する。したがって、０．８５％＜（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝＜２．６％とした。
【００４３】
不純物元素Ｐ及びＳはその含有量を次のとおり制限する。
【００４４】
Ｐ ：０．０３％以下
Ｐは鋼の靭性を劣化させるとともに、冷間及び熱間鍛造性を低下させ、特にその含有量が０．０３％を超えると靭性及び冷間・熱間鍛造性の劣化が著しくなる。したがって、不純物元素としてのＰの含有量の上限を０．０３％とした。
【００４５】
Ｓ ：０．０４％以下
Ｓは表面硬化層の靭性を劣化させるばかりか、冷間及び熱間鍛造性を低下させ、特にその含有量が０．０４％を超えると靭性劣化、冷間及び熱間鍛造性の低下が著しくなる。したがって、不純物元素としてのＳの含有量の上限を０．０４％とした。
【００４６】
上記の化学組成を有する母材は、例えば熱間で分塊されて鋼片となり、次いで熱間で圧延された後、熱間あるいは冷間で鍛造され、必要に応じて焼準や機械加工を施されて所定の表面硬化部品の形状に加工される。そして最終的に表面硬化処理を施されることとなる。
【００４７】
（Ｂ）熱間鍛造、分塊、圧延及び熱処理
本発明は、１０５０℃にも到る高温での表面硬化処理の加熱時に、複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を微細に析出させておき、そのピン止め効果により表面硬化処理時の粗粒化の発生を抑制しようとするものである。そして、表面硬化処理の加熱時に、複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を微細に析出させておくためには、溶製後の凝固時に粗大に析出した複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を、表面硬化処理の前段階で一旦鋼中に固溶させ、微細な〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕析出の素地を作っておく必要がある。このためには、表面硬化処理の前工程で、一旦高温に加熱しておけば良い。
【００４８】
既に述べたように、前記（Ａ）に記載の化学組成を有する肌焼鋼においては、表面硬化処理の前に母材及び／又は表面硬化部品が１１５０℃以上の温度域に加熱されると、凝固時に析出した粗大な〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が固溶するとともに、その後の冷却過程、あるいは冷却後に行われる処理の加熱過程で〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が微細に再析出する。そして、そのピン止め効果で表面硬化処理時の異常粒成長を防止することができる。したがって、本発明においては、表面硬化処理の前工程で一旦１１５０℃以上の温度に加熱する。
【００４９】
そこで、表面硬化部品への加工工程に熱間鍛造が含まれる場合には、少なくともこの熱間鍛造における加熱温度を１１５０℃以上として粗大な〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を固溶させるとともに、その後の冷却過程、あるいは浸炭処理前の加熱過程で〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を微細に再析出させれば良いことになる（請求項３の発明）。
【００５０】
あるいは、既に述べた表面硬化処理の前工程のうち、熱間鍛造以外で「加熱」処理を伴うものは分塊、圧延及び所謂「熱処理」であるため、これら分塊、圧延及び熱処理の少なくとも１つの工程において加熱温度を１１５０℃以上として粗大な〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を固溶させるとともに、その後の冷却過程、あるいは冷却後に行われる処理の加熱過程で〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を微細に再析出させれば良いことになる（請求項４の発明）。
【００５１】
なお、上記した請求項３の発明及び同４の発明における加熱温度の上限は、加熱時の表面酸化を低減するために１３５０℃とするのが良い。前記（Ａ）に記載の化学組成を有する肌焼鋼においては、１３５０℃を超える温度に加熱して粗大な複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を完全に固溶させなくとも、１１５０℃以上の温度域での加熱で複合炭窒化物中のＮｂを優先的に固溶させさえすれば、その後の冷却過程、あるいは冷却後に行われる処理の加熱過程で〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を微細に再析出させることができるからである。
【００５２】
プラズマ浸炭処理を初めとする高い温度での表面硬化処理のための加熱時に、ＮｂとＴｉの複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を微細に析出させておくためには、上記した請求項３の発明及び請求項４の発明において、１１５０℃以上の温度に加熱した後の冷却速度を０．２℃／ｓ以上とすることが望ましい。
【００５３】
（Ｃ）表面硬化処理
本発明が対象とする表面硬化処理は、処理の能率を大幅に高めることができる「プラズマ浸炭処理」を初めとする高温での表面硬化処理である。この表面硬化処理は、所定の表面硬化部品の表面を硬化させ、製品として必要な耐摩耗性や疲労強度を確保するのに必要不可欠の処理である。この処理方法は特に規定されるものではなく、通常の方法で行えば良い。なお、当然のことながら、本発明は、表面硬化処理が９００〜９５０℃の温度に加熱される従来の浸炭処理や浸炭窒化処理などの場合にも適用できる。
【００５４】
（Ｄ）表面硬化処理後の表面硬化部品の芯部硬度と靭性
表面硬化部品が、自動車や産業機械が使用される過酷な環境においても充分な耐久性を発揮するためには、表面硬化処理後、Ｈｖ３００以上の芯部硬度と２０Ｊ／ｃｍ2 以上の衝撃値を有することが必要である。これらの一方及び／又は両方から外れる場合には、表面硬化部品の実環境での耐久性は極めて劣化したものとなってしまう。したがって、表面硬化部品の芯部硬度はＨｖ３００以上、且つ、衝撃値は２０Ｊ／ｃｍ2 以上とした。
【００５５】
（Ｅ）焼戻し
低温で焼戻しを行うと表面硬度の大きな低下を伴うことなく靭性を改善できるので、本発明の表面硬化部品は、表面硬化処理の後、必要に応じて焼戻しを実施したものであっても良い。焼戻しする場合は、表面硬度を確保するためにその温度を１５０〜２００℃とするのが望ましい。
【００５６】
【実施例】
（実施例１）
表１、表２に示す化学組成の鋼を通常の方法によって７０ｔ転炉を用いて溶製した。表１における鋼Ｂ、Ｃ及びＨは化学組成が本発明で規定する範囲内の鋼（以下、本発明鋼という）、表２における鋼Ｉ〜Ｔは成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外れた鋼（以下、比較鋼という）である。比較鋼において、鋼Ｒ、鋼Ｓ及び鋼ＴはそれぞれＪＩＳのＳＭｎ４２０、ＳＣｒ４２０及びＳＣＭ４２０に相当する鋼である。
【００５７】
【表１】
【００５８】
【表２】
【００５９】
次いで、これらの鋼を１１４０℃に加熱した後に通常の方法によって鋼片とし、更に１１００℃に加熱して、１１００〜１０００℃の温度で直径３０ｍｍの丸棒に熱間鍛造した。なお、鋼片に加工した後一部のものについては表面の手入れを行った。この表面の手入れの有無を表１、表２に併せて示す。
【００６０】
上記のようにして得られた熱間鍛造後の丸棒から８ｍｍ直径×１２ｍｍ長さの粗粒化測定試験片を切り出し、この試験片を用いて下記の４条件の加工熱処理試験を行い、粗粒化の発生率を光学顕微鏡観察によって調査した。
【００６１】
（条件１）真空中で、試験片を１１００℃、１１７５℃及び１２５０℃の温度でそれぞれ１５分間加熱した後、圧縮加工により３０％の変形量を与えて常温（室温）まで１．０℃／ｓの冷却速度で冷却した。この後、１０５０℃×４ｈｒ（炭素ポテンシャル：０．８％）の浸炭処理を行った後油焼入れした。
【００６２】
（条件２）真空中で、試験片を１１００℃で１５分間加熱し、続いて圧縮加工により３０％の変形量を与え、一旦常温まで２．０℃／ｓの冷却速度で冷却した。この後、更に、１１００℃、１１７５℃及び１２５０℃の温度で１５分間加熱した後、常温まで１．０℃／ｓの冷却速度で冷却した。次いで、１０５０℃×４ｈｒ（炭素ポテンシャル：０．８％）の浸炭処理を行った後油焼入れした。
【００６３】
（条件３）大気中で、試験片に常温で圧縮加工により３０％の変形量を与えた。次いで、真空中で、１１００℃、１１７５℃及び１２５０℃の温度でそれぞれ１５分間加熱した後、常温まで１．０℃／ｓの冷却速度で冷却した。この後、１０５０℃×４ｈｒ（炭素ポテンシャル：０．８％）の浸炭処理を行った後油焼入れした。
【００６４】
（条件４）真空中で、試験片を１１００℃、１１７５℃及び１２５０℃の温度でそれぞれ１５分間加熱した後、一旦常温まで１．０℃／ｓの冷却速度で冷却した。次いで、真空中で１１００℃で１５分間加熱し、更に、圧縮加工により３０％の変形量を与え、常温まで２．０℃／ｓの冷却速度で冷却した。この後、１０５０℃×４ｈｒ（炭素ポテンシャル：０．８％）の浸炭処理を行った後油焼入れした。
【００６５】
表３に、粗粒化発生率の調査結果を示す。なお、粗粒化の発生率は１００倍の倍率で１０視野検鏡した場合の面積割合で表示した。
【００６６】
【表３】
【００６７】
表３から本発明鋼である鋼Ｂ、Ｃ及びＨと比較鋼のうちの鋼Ｌ、鋼Ｏ及び鋼Ｐだけが本発明で規定した条件で加熱処理した場合に粗粒化を生じないことが明らかである。
【００６８】
（実施例２）
前記の実施例１で作製した鋼Ｂ、Ｃ及びＨ〜Ｔの鋼片を１１９０℃に加熱してから、１１９０〜１０００℃の温度で直径３０ｍｍの丸棒に熱間鍛造した。こうして得られた熱間鍛造後の丸棒の中心部からＪＩＳ３号シャルピー衝撃試験片を切り出し、表面硬化処理として１０５０℃×４ｈｒ（炭素ポテンシャル：０．８％）の浸炭処理を行った後油焼入れし、更に、１６０℃で焼戻しを行った。次いで、常温での衝撃試験とともに試験片中心部すなわち芯部の硬度測定を行った。
【００６９】
表４に試験結果を示す。表４から本発明鋼である鋼Ｂ、Ｃ及びＨはＨｖ３００以上の芯部硬度と２０Ｊ／ｃｍ2以上の衝撃値を有し、これらの鋼を母材とする表面硬化部品は自動車や産業機械が使用される過酷な環境においても充分な耐久性を発揮できることがわかる。一方、前記実施例１において本発明で規定した条件で加熱処理した場合に粗粒化を生じなかった比較鋼の鋼Ｌ、鋼Ｏ及び鋼Ｐは芯部硬さと衝撃値のいずれかが低く、表面硬化部品の実環境での耐久性は極めて劣化したものとなってしまう。
【００７０】
【表４】
【００７１】
（実施例３）
前記の実施例１で作製した鋼Ｂ、Ｃ及びＨ〜Ｔの鋼片を１１８０℃で真空中の熱処理を行い、一旦常温まで０．２５℃／ｓの冷却速度で冷却した。その後、１１００℃に加熱してから、１１００〜１０００℃の温度で直径３０ｍｍの丸棒に熱間鍛造し、更に、こうして得られた熱間鍛造後の丸棒の中心部からＪＩＳ３号シャルピ−衝撃試験片を切り出し、表面硬化処理として１０５０℃×４ｈｒ（炭素ポテンシャル：０．８％）の浸炭処理を行った後油焼入れし、更に、１７０℃で焼戻しを行った。次いで、常温での衝撃試験とともに試験片中心部硬度すなわち芯部硬度の測定を行った。
【００７２】
表５に試験結果を示す。表５から本発明鋼である鋼Ｂ、Ｃ及びＨはＨｖ３００以上の芯部硬度と２０Ｊ／ｃｍ2以上の衝撃値を有し、これらの鋼を素材とする表面硬化部品は自動車や産業機械が使用される過酷な環境においても充分な耐久性を発揮できることがわかる。一方、前記実施例１において本発明で規定した条件で加熱処理した場合に粗粒化を生じなかった比較鋼の鋼Ｌ、鋼Ｏ及び鋼Ｐは芯部硬さと衝撃値のいずれかが低く、表面硬化部品の実環境での耐久性は極めて劣化したものとなってしまう。
【００７３】
【表５】
【００７４】
【発明の効果】
本発明による表面硬化部品は強度と靭性に優れ、粗粒化も生じないので、自動車や産業機械などの各種機械構造部品、特に歯車を代表とする表面硬化部品として利用することができる。この表面硬化部品は、本発明の耐粗粒化肌焼鋼を素材とし、これに本発明方法を適用することによって、比較的容易に製造することができる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、肌焼鋼及び表面硬化部品と、その表面硬化部品の製造方法に関し、より詳しくは、耐粗粒化肌焼鋼及び強度と靭性に優れた表面硬化部品並びにその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車用や産業機械用などの各種機械構造部品、特に歯車を代表とする表面硬化部品は、肌焼鋼を母材としてこれを熱間鍛造や冷間鍛造、更には機械加工により所望の形状に成形加工した後、耐磨耗性及び疲労強度を向上させる目的で部品表面に浸炭処理や浸炭窒化処理などの表面硬化処理を施してから使用に供されている。
【０００３】
表面硬化部品の母材となる機械構造用肌焼鋼としては、従来、JIS G 4106に規定された機械構造用マンガン鋼（ＳＭｎ鋼）及びマンガンクロム鋼（ＳＭｎＣ鋼）、JIS G 4105に規定されたクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ鋼）、JIS G 4104に規定されたクロム鋼（ＳＣｒ鋼）、JIS G 4103に規定されたニッケルクロムモリブデン鋼（ＳＮＣＭ鋼）、JIS G 4102に規定されたニッケルクロム鋼（ＳＮＣ鋼）などが用いられてきた。
【０００４】
しかし、前記のＪＩＳ規格鋼を母材として所定の部品形状に加工された鋼材の場合には、浸炭処理や浸炭窒化処理などの表面硬化処理時に９００〜９５０℃の温度に加熱されると結晶粒の粗大化や異常粒成長（以下、結晶粒の粗大化と異常粒成長をまとめて「粗粒化」という）が生じ易い。このため、焼入れ時の歪み発生や強度や靭性など材料特性の低下が生ずるという問題がある。
【０００５】
このため、従来のＪＩＳ規格鋼に代わって、Ｎｂを添加した鋼、例えば、特開昭６０−２１３５９号公報に記載のＮｂ添加鋼などが浸炭部品の母材となる肌焼鋼として重用されてきた。こうした鋼は、Ｎｂの添加によって析出した微細なＮｂＣのピン止め効果を利用することで、浸炭処理や浸炭窒化処理などの表面硬化処理における加熱時のオーステナイト粒の粗粒化を防止しようとするものである。既に述べたように、従来の浸炭処理や浸炭窒化処理などの表面硬化処理は９００〜９５０℃程度の温度で行われていたために、ＮｂＣのピン止め効果によって粗粒化を防止することが可能であった。しかしながら、単にＮｂを添加しただけの鋼の場合には鋼塊（ここでいう「鋼塊」にはJIS G 0203に規定されているように連鋳鋼片（鋳片）を含む）の表面性状が悪いという問題がある。したがって、鋼片や各種の鋼材に加工した後に疵が生じるので、疵の手入れをしなければならず、この疵手入れのために歩留りが低下するとともにコストが嵩んでいた。
【０００６】
近年、表面硬化処理の能率を大幅に向上させるために、所謂「プラズマ浸炭処理」など高温での表面硬化処理が採用されるようになってきた。上記の「プラズマ浸炭処理」は、１０５０℃もの高温で浸炭処理を行うものであり、こうした高温に加熱される場合には、前記の単にＮｂを添加しただけの鋼では粗粒化を防止することは不可能である。すなわち、１０５０℃でのプラズマ浸炭処理時には、従来の９００〜９５０℃程度の処理の場合には粗粒化防止に有効であったＮｂＣが凝集・粗大化してしまい、ピン止め効果を充分に発揮することができないからである。
【０００７】
そこで、例えば特開平４−１７６８１６号公報に記載されているような、Ｎｂと、Ｔｉ及び／又はＶとを複合添加した浸炭用鋼が提案されている。しかし、前記公報に記載されているような単に、Ｎｂと、Ｔｉ及び／又はＶとを複合添加しただけの浸炭用鋼の場合には、浸炭時に粗粒化が生じてしまう場合もあった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、充分な強度−靭性バランスを有して、過酷な環境下での使用に充分耐え得る表面硬化部品及びその母材となる耐粗粒化肌焼鋼と、その表面硬化部品の製造方法を提供することを目的とする。なかでも、本発明は、鋼材表面の温度が１０５０℃にも到るようなプラズマ浸炭処理を初めとする高い温度での表面硬化処理を受ける場合にも粗粒化を生ずることがなく、熱処理歪の小さい高強度・高靭性の表面硬化部品と、その母材となる鋼塊の表面性状が優れた耐粗粒化肌焼鋼及びその表面硬化部品の製造方法を提供することを目的とする。なお、本発明でいう「耐粗粒化鋼」とは、「オーステナイト結晶粒度番号５以上の整細粒鋼」のことを指す。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）に示す化学組成を有する耐粗粒化肌焼鋼、（２）に示す強度と靭性に優れた表面硬化部品及び（３）、（４）に示す強度と靭性に優れた表面硬化部品の製造方法にある。
【００１０】
（１）重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｃｒ：０．０５〜２．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、Ｎ：０．００２〜０．０５％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％を含有するとともに、｛Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）｝＜（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝、０．０２％≦Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）≦０．２５％及び０．８５％＜（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝＜２．６％を満たし、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＰは０．０３％以下、Ｓは０．０４％以下であることを特徴とする耐粗粒化肌焼鋼。
【００１１】
（２）母材が、上記（１）に記載の鋼であって、表面硬化処理後にＨｖ３００以上の芯部硬度と２０Ｊ／ｃｍ2 以上の衝撃値を有することを特徴とする強度と靭性に優れた表面硬化部品。
【００１２】
（３）上記（１）に記載の鋼を、表面硬化処理に先立って１１５０℃以上の温度に加熱してから熱間鍛造することを特徴とする強度と靭性に優れた表面硬化部品の製造方法。
【００１３】
（４）上記（１）に記載の鋼を、分塊、圧延及び熱処理の少なくとも１つの工程を１１５０℃以上の温度に加熱して行い、その後鍛造し表面硬化処理することを特徴とする強度と靭性に優れた表面硬化部品の製造方法。
【００１４】
なお、表面硬化処理後の芯部とは表面硬化されていない部分のことをいう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、プラズマ浸炭処理を初めとする高い温度での表面硬化処理時にも粗粒化を防止することができるように、１０５０℃でも成長・凝集せず微細に分散している析出物を調査した。その結果、ＮｂとＴｉの複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が１０５０℃でも成長・凝集せず、微細に分散している場合があることを見いだした。
【００１６】
そこで、ＮｂとＴｉを複合添加した各種の鋼を溶製し、凝固時に析出する合金炭化物、窒化物及び炭窒化物について調査した。その結果、下記(1)の事項が判明した。
【００１７】
(1)ＮｂとＴｉを複合添加した鋼において、凝固時に析出するのはＮｂＣ、ＴｉＣ、ＮｂＮ、ＴｉＮ、Ｎｂ（ＣＮ）及びＴｉ（ＣＮ）といった単独合金による炭化物、窒化物や炭窒化物ではなく、ＮｂとＴｉの複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕である。しかし、凝固時に析出した複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕は粗大であるので、粗粒化防止のためのピン止め作用を有しない。
【００１８】
各種鋼板の母材となるＮｂ添加鋼にＴｉを複合添加して鋼塊の表面性状を改善し、コストアップの要因となる表面手入れを行うことなく製品鋼板の表面性状を高めることは良く知られた技術である。そこで、本発明者らは、次に、ＮｂとＴｉとを複合添加して単に鋼塊の表面性状を優れたものにするだけではなく、凝固時に粗大に析出した〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を固溶させるとともに〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を微細に再析出させることがことができ、しかも１０５０℃でも前記の再析出した〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を凝集・粗大化させずに安定して微細に分散させておき、粗粒化を防止することが可能な鋼の化学組成と加熱温度条件に関して種々検討した。
【００１９】
その結果、母材の化学組成が特定の範囲にあり、且つ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃ及びＮが特定の関係式を満足する組み合わせの時に、再析出したＮｂとＴｉの複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が１０５０℃でも凝集・粗大化せず、微細に分散していることがわかった。
【００２０】
更に、母材の化学組成が特定の範囲にあり、且つ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃ及びＮが特定の関係式を満足する組み合わせの時、ＮｂとＴｉの複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕の固溶と加熱温度（Ｔ）の関係は、以下の通りであることもわかった。
【００２１】
（イ）Ｔ＜１１５０℃の場合には、上記の複合炭窒化物は鋼中で安定して存在する。
【００２２】
（ロ）１１５０℃≦Ｔ≦１３５０℃の場合には、上記の複合炭窒化物中のＮｂが優先的に固溶して、Ｔｉが濃化する。
【００２３】
（ハ）１３５０℃＜Ｔの場合には、上記の複合炭窒化物はほぼ完全に固溶する（Ｔｉも固溶する）。
【００２４】
そして、鋼材が上記（ロ）及び（ハ）のようにＮｂとＴｉの複合炭窒化物が固溶する温度域に加熱された場合、母材の化学組成が特定の範囲にあって、しかも、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃ及びＮの含有量が特定の関係式を満足する組み合わせの時には、その後の冷却過程、あるいは冷却後に行われる処理の加熱過程での前の〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が微細に再析出する。なお、複合炭窒化物が完全に固溶しなくても、複合炭窒化物中のＮｂが優先的に固溶しさえすれば、その後の冷却過程、あるいは冷却後に行われる処理の加熱過程で〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が微細に再析出する。
【００２５】
すなわち、下記(2)の重要な事項が判明した。
【００２６】
(2)母材の化学組成が特定の範囲にあり、且つ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃ及びＮが特定の関係式を満足する組み合わせの時、表面硬化処理の前に母材及び／又は表面硬化部品が１１５０℃以上の温度域に加熱されると、凝固時に析出した粗大な〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が固溶するとともに、その後の冷却過程、あるいは冷却後に行われる処理の加熱過程で〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が微細に再析出し、そのピン止め効果で表面硬化処理時の異常粒成長を防止することができる。
【００２７】
更に、母材の化学組成が特定の範囲にあり、且つ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃ及びＮが特定の関係式を満足する組み合わせの表面硬化処理後の部品について調査したところ、下記(3)が明らかになった。
【００２８】
(3)表面硬化処理後、Ｈｖ３００以上の芯部硬度と２０Ｊ／ｃｍ2以上の衝撃値を有すれば、その表面硬化部品は自動車や産業機械が使用される過酷な環境においても充分な耐久性を示す。
【００２９】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００３０】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、成分含有量の「％」は「重量％」を意味する。
【００３１】
（Ａ）化学組成
Ｃ：０．１０〜０．３０％
Ｃは鋼の静的強度を確保するとともに複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を形成させるために添加するが、その含有量が０．１０％未満では添加効果に乏しく、一方、０．３０％を超えて含有すると鋼の靭性が低下することになるので、その含有量を０．１０〜０．３０％とした。
【００３２】
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％
Ｓｉは、鋼の焼入れ性の向上、静的強度の向上及び高温での表面酸化の防止に有効な元素である。しかし、その含有量が０．０１％未満では所望の静的強度が確保できないことに加えて高温での表面の耐酸化性が劣化する。一方、０．５０％を超えると靭性の劣化を招くこととなる。したがって、Ｓｉの含有量を０．０１〜０．５０％とした。
【００３３】
Ｍｎ：０．６〜２．０％
Ｍｎは、鋼の焼入れ性向上及び熱間延性向上の作用を有する。しかし、その含有量が０．６％未満では充分な焼入れ性が得られず、２．０％を超えて含有させると偏析を起こし、却って熱間延性が低下するようになる。したがって、Ｍｎの含有量を０．６〜２．０％とした。
【００３４】
Ｃｒ：０．０５〜２．０％
Ｃｒは、添加すれば鋼の焼入れ性が向上するとともに、浸炭処理などの表面硬化処理時にＣと結合して複合炭化物を形成するので耐摩耗性が向上する効果がある。この効果を確実に得るには、Ｃｒは０．０５％以上の含有量とする必要がある。しかし、その含有量が２．０％を超えると靭性が劣化する。したがって、Ｃｒ含有量を０．０５〜２．０％とした。
【００３５】
Ｍｏ：０．０５〜１．０％
Ｍｏは、添加すれば鋼の焼入れ性が向上するとともに、表面硬化処理後の芯部硬度を上げる作用がある。この効果を確実に得るには、Ｍｏは０．０５％以上の含有量とする必要がある。しかし、その含有量が１．０％を超えると被削性が大幅に劣化するようになるので、Ｍｏ含有量を０．０５〜１．０％とした。
【００３６】
Ｎｂ：０．００５〜０．１０％
Ｎｂは、Ｔｉとともに複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を形成し、鋼の結晶粒を微細にして靭性を向上させるとともに、表面硬化処理のための加熱時の粗粒化を防止するのに有効な元素である。しかし、その含有量が０．００５％未満では添加効果に乏しく、一方、０．１０％を超えて含有させても前記の効果が飽和して経済性を損なうばかりであるし、変形抵抗が上昇して冷間鍛造性や熱間鍛造性が劣化するようにもなる。したがって、Ｎｂの含有量を０．００５〜０．１０％とした。
【００３７】
Ｔｉ：０．００５〜０．１０％
Ｔｉは、Ｎｂとともに複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を形成し、鋼の結晶粒を微細にして靭性を向上させるとともに、表面硬化処理のための加熱時の粗粒化を防止するのに有効な元素である。更に、Ｔｉには、Ｎｂ添加鋼の鋼塊の表面性状を改善する作用もある。しかし、その含有量が０．００５％未満では添加効果に乏しく、一方、０．１０％を超えて含有させても前記の効果が飽和して経済性を損なうばかりであるし、変形抵抗が上昇して冷間鍛造性や熱間鍛造性が劣化するようにもなる。したがって、Ｔｉの含有量を０．００５〜０．１０％とした。
【００３８】
Ｎ：０．００２〜０．０５％
Ｎは、Ｎｂ、Ｔｉ及びＣと結合して複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を形成し、鋼の結晶粒を微細にして靭性を向上させるとともに、表面硬化処理のための加熱時の粗粒化を防止するのに有効な元素である。しかし、その含有量が０．００２％未満では添加効果に乏しい。一方、０．０５％を超えて含有させると冷間鍛造性や熱間鍛造性の著しい劣化を招くし、前記した効果が飽和してしまう。このため、Ｎの含有量を０．００２〜０．０５％とした。
【００３９】
Ａｌ：０．００５〜０．１０％
Ａｌは、添加すれば鋼の脱酸の安定化及び均質化を図る作用がある。この効果を確実に得るには、Ａｌは０．００５％以上の含有量とする必要がある。しかし、その含有量が０．１０％を超えると前記効果が飽和することに加えて靭性が劣化するようになる。したがって、Ａｌの含有量を０．００５〜０．１０％とした。
【００４０】
Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）＜（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝
凝固時に析出した粗大な複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕の高温での安定性は、鋼中のＮｂ、Ｔｉ、Ｃ及びＮの含有量によって左右される。そして、鋼中のＮｂ及びＴｉの含有量に関するＮｂ（％）＋２Ｔｉ（％）の値が、鋼中のＣ及びＮの含有量に関する（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝の値以上になった場合に、前記の複合炭窒化物は非常に安定となって固溶温度が極めて高くなる。つまり、鋼を高温に加熱しても凝固時に析出した粗大な複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が安定して存在し、既に述べたように粗粒化防止のためのピン止め効果が得られない。したがって、Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）＜（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝とした。
【００４１】
０．０２％≦Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）≦０．２５％
粗粒化防止に有効な、微細な複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕の実質的な再析出量は、鋼中のＮｂ及びＴｉの含有量に関するＮｂ（％）＋２Ｔｉ（％）の値によって決定される。Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）の値が０．０２％未満の場合には、微細な複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕の再析出量が少なく、所望の粗粒化防止効果が得られない。一方、Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）の値が０．２５％を超えるＮｂとＴｉを含有させても粗粒化防止効果は飽和し、コストが嵩むばかりとなる。したがって、０．０２％≦Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）≦０．２５％とした。
【００４２】
０．８５％＜（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝＜２．６％
微細に再析出した複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕の安定性は、鋼中のＣ及びＮの含有量によって左右される。そして、鋼中のＣ及びＮの含有量に関する（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝の値が０．８５％を超える場合に、前記の複合炭窒化物は１０５０℃でも凝集・粗大化しない。したがって、鋼材表面の温度が１０５０℃にも到るようなプラズマ浸炭処理を初めとする高い温度での表面硬化処理を受ける場合にも粗粒化を生ずることがない。一方、（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝の値が２．６％を超えるＣとＮを含有させた場合には粗粒化防止効果が飽和することに加えて靭性や冷間鍛造性が劣化する。したがって、０．８５％＜（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝＜２．６％とした。
【００４３】
不純物元素Ｐ及びＳはその含有量を次のとおり制限する。
【００４４】
Ｐ ：０．０３％以下
Ｐは鋼の靭性を劣化させるとともに、冷間及び熱間鍛造性を低下させ、特にその含有量が０．０３％を超えると靭性及び冷間・熱間鍛造性の劣化が著しくなる。したがって、不純物元素としてのＰの含有量の上限を０．０３％とした。
【００４５】
Ｓ ：０．０４％以下
Ｓは表面硬化層の靭性を劣化させるばかりか、冷間及び熱間鍛造性を低下させ、特にその含有量が０．０４％を超えると靭性劣化、冷間及び熱間鍛造性の低下が著しくなる。したがって、不純物元素としてのＳの含有量の上限を０．０４％とした。
【００４６】
上記の化学組成を有する母材は、例えば熱間で分塊されて鋼片となり、次いで熱間で圧延された後、熱間あるいは冷間で鍛造され、必要に応じて焼準や機械加工を施されて所定の表面硬化部品の形状に加工される。そして最終的に表面硬化処理を施されることとなる。
【００４７】
（Ｂ）熱間鍛造、分塊、圧延及び熱処理
本発明は、１０５０℃にも到る高温での表面硬化処理の加熱時に、複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を微細に析出させておき、そのピン止め効果により表面硬化処理時の粗粒化の発生を抑制しようとするものである。そして、表面硬化処理の加熱時に、複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を微細に析出させておくためには、溶製後の凝固時に粗大に析出した複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を、表面硬化処理の前段階で一旦鋼中に固溶させ、微細な〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕析出の素地を作っておく必要がある。このためには、表面硬化処理の前工程で、一旦高温に加熱しておけば良い。
【００４８】
既に述べたように、前記（Ａ）に記載の化学組成を有する肌焼鋼においては、表面硬化処理の前に母材及び／又は表面硬化部品が１１５０℃以上の温度域に加熱されると、凝固時に析出した粗大な〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が固溶するとともに、その後の冷却過程、あるいは冷却後に行われる処理の加熱過程で〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が微細に再析出する。そして、そのピン止め効果で表面硬化処理時の異常粒成長を防止することができる。したがって、本発明においては、表面硬化処理の前工程で一旦１１５０℃以上の温度に加熱する。
【００４９】
そこで、表面硬化部品への加工工程に熱間鍛造が含まれる場合には、少なくともこの熱間鍛造における加熱温度を１１５０℃以上として粗大な〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を固溶させるとともに、その後の冷却過程、あるいは浸炭処理前の加熱過程で〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を微細に再析出させれば良いことになる（請求項３の発明）。
【００５０】
あるいは、既に述べた表面硬化処理の前工程のうち、熱間鍛造以外で「加熱」処理を伴うものは分塊、圧延及び所謂「熱処理」であるため、これら分塊、圧延及び熱処理の少なくとも１つの工程において加熱温度を１１５０℃以上として粗大な〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を固溶させるとともに、その後の冷却過程、あるいは冷却後に行われる処理の加熱過程で〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を微細に再析出させれば良いことになる（請求項４の発明）。
【００５１】
なお、上記した請求項３の発明及び同４の発明における加熱温度の上限は、加熱時の表面酸化を低減するために１３５０℃とするのが良い。前記（Ａ）に記載の化学組成を有する肌焼鋼においては、１３５０℃を超える温度に加熱して粗大な複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を完全に固溶させなくとも、１１５０℃以上の温度域での加熱で複合炭窒化物中のＮｂを優先的に固溶させさえすれば、その後の冷却過程、あるいは冷却後に行われる処理の加熱過程で〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を微細に再析出させることができるからである。
【００５２】
プラズマ浸炭処理を初めとする高い温度での表面硬化処理のための加熱時に、ＮｂとＴｉの複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を微細に析出させておくためには、上記した請求項３の発明及び請求項４の発明において、１１５０℃以上の温度に加熱した後の冷却速度を０．２℃／ｓ以上とすることが望ましい。
【００５３】
（Ｃ）表面硬化処理
本発明が対象とする表面硬化処理は、処理の能率を大幅に高めることができる「プラズマ浸炭処理」を初めとする高温での表面硬化処理である。この表面硬化処理は、所定の表面硬化部品の表面を硬化させ、製品として必要な耐摩耗性や疲労強度を確保するのに必要不可欠の処理である。この処理方法は特に規定されるものではなく、通常の方法で行えば良い。なお、当然のことながら、本発明は、表面硬化処理が９００〜９５０℃の温度に加熱される従来の浸炭処理や浸炭窒化処理などの場合にも適用できる。
【００５４】
（Ｄ）表面硬化処理後の表面硬化部品の芯部硬度と靭性
表面硬化部品が、自動車や産業機械が使用される過酷な環境においても充分な耐久性を発揮するためには、表面硬化処理後、Ｈｖ３００以上の芯部硬度と２０Ｊ／ｃｍ2 以上の衝撃値を有することが必要である。これらの一方及び／又は両方から外れる場合には、表面硬化部品の実環境での耐久性は極めて劣化したものとなってしまう。したがって、表面硬化部品の芯部硬度はＨｖ３００以上、且つ、衝撃値は２０Ｊ／ｃｍ2 以上とした。
【００５５】
（Ｅ）焼戻し
低温で焼戻しを行うと表面硬度の大きな低下を伴うことなく靭性を改善できるので、本発明の表面硬化部品は、表面硬化処理の後、必要に応じて焼戻しを実施したものであっても良い。焼戻しする場合は、表面硬度を確保するためにその温度を１５０〜２００℃とするのが望ましい。
【００５６】
【実施例】
（実施例１）
表１、表２に示す化学組成の鋼を通常の方法によって７０ｔ転炉を用いて溶製した。表１における鋼Ｂ、Ｃ及びＨは化学組成が本発明で規定する範囲内の鋼（以下、本発明鋼という）、表２における鋼Ｉ〜Ｔは成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外れた鋼（以下、比較鋼という）である。比較鋼において、鋼Ｒ、鋼Ｓ及び鋼ＴはそれぞれＪＩＳのＳＭｎ４２０、ＳＣｒ４２０及びＳＣＭ４２０に相当する鋼である。
【００５７】
【表１】
【表２】
次いで、これらの鋼を１１４０℃に加熱した後に通常の方法によって鋼片とし、更に１１００℃に加熱して、１１００〜１０００℃の温度で直径３０ｍｍの丸棒に熱間鍛造した。なお、鋼片に加工した後一部のものについては表面の手入れを行った。この表面の手入れの有無を表１、表２に併せて示す。
【００６０】
上記のようにして得られた熱間鍛造後の丸棒から８ｍｍ直径×１２ｍｍ長さの粗粒化測定試験片を切り出し、この試験片を用いて下記の４条件の加工熱処理試験を行い、粗粒化の発生率を光学顕微鏡観察によって調査した。
【００６１】
（条件１）真空中で、試験片を１１００℃、１１７５℃及び１２５０℃の温度でそれぞれ１５分間加熱した後、圧縮加工により３０％の変形量を与えて常温（室温）まで１．０℃／ｓの冷却速度で冷却した。この後、１０５０℃×４ｈｒ（炭素ポテンシャル：０．８％）の浸炭処理を行った後油焼入れした。
【００６２】
（条件２）真空中で、試験片を１１００℃で１５分間加熱し、続いて圧縮加工により３０％の変形量を与え、一旦常温まで２．０℃／ｓの冷却速度で冷却した。この後、更に、１１００℃、１１７５℃及び１２５０℃の温度で１５分間加熱した後、常温まで１．０℃／ｓの冷却速度で冷却した。次いで、１０５０℃×４ｈｒ（炭素ポテンシャル：０．８％）の浸炭処理を行った後油焼入れした。
【００６３】
（条件３）大気中で、試験片に常温で圧縮加工により３０％の変形量を与えた。次いで、真空中で、１１００℃、１１７５℃及び１２５０℃の温度でそれぞれ１５分間加熱した後、常温まで１．０℃／ｓの冷却速度で冷却した。この後、１０５０℃×４ｈｒ（炭素ポテンシャル：０．８％）の浸炭処理を行った後油焼入れした。
【００６４】
（条件４）真空中で、試験片を１１００℃、１１７５℃及び１２５０℃の温度でそれぞれ１５分間加熱した後、一旦常温まで１．０℃／ｓの冷却速度で冷却した。次いで、真空中で１１００℃で１５分間加熱し、更に、圧縮加工により３０％の変形量を与え、常温まで２．０℃／ｓの冷却速度で冷却した。この後、１０５０℃×４ｈｒ（炭素ポテンシャル：０．８％）の浸炭処理を行った後油焼入れした。
【００６５】
表３に、粗粒化発生率の調査結果を示す。なお、粗粒化の発生率は１００倍の倍率で１０視野検鏡した場合の面積割合で表示した。
【００６６】
【表３】
表３から本発明鋼である鋼Ｂ、Ｃ及びＨと比較鋼のうちの鋼Ｌ、鋼Ｏ及び鋼Ｐだけが本発明で規定した条件で加熱処理した場合に粗粒化を生じないことが明らかである。
【００６８】
（実施例２）
前記の実施例１で作製した鋼Ｂ、Ｃ及びＨ〜Ｔの鋼片を１１９０℃に加熱してから、１１９０〜１０００℃の温度で直径３０ｍｍの丸棒に熱間鍛造した。こうして得られた熱間鍛造後の丸棒の中心部からＪＩＳ３号シャルピー衝撃試験片を切り出し、表面硬化処理として１０５０℃×４ｈｒ（炭素ポテンシャル：０．８％）の浸炭処理を行った後油焼入れし、更に、１６０℃で焼戻しを行った。次いで、常温での衝撃試験とともに試験片中心部すなわち芯部の硬度測定を行った。
【００６９】
表４に試験結果を示す。表４から本発明鋼である鋼Ｂ、Ｃ及びＨはＨｖ３００以上の芯部硬度と２０Ｊ／ｃｍ2以上の衝撃値を有し、これらの鋼を母材とする表面硬化部品は自動車や産業機械が使用される過酷な環境においても充分な耐久性を発揮できることがわかる。一方、前記実施例１において本発明で規定した条件で加熱処理した場合に粗粒化を生じなかった比較鋼の鋼Ｌ、鋼Ｏ及び鋼Ｐは芯部硬さと衝撃値のいずれかが低く、表面硬化部品の実環境での耐久性は極めて劣化したものとなってしまう。
【００７０】
【表４】
（実施例３）
前記の実施例１で作製した鋼Ｂ、Ｃ及びＨ〜Ｔの鋼片を１１８０℃で真空中の熱処理を行い、一旦常温まで０．２５℃／ｓの冷却速度で冷却した。その後、１１００℃に加熱してから、１１００〜１０００℃の温度で直径３０ｍｍの丸棒に熱間鍛造し、更に、こうして得られた熱間鍛造後の丸棒の中心部からＪＩＳ３号シャルピ−衝撃試験片を切り出し、表面硬化処理として１０５０℃×４ｈｒ（炭素ポテンシャル：０．８％）の浸炭処理を行った後油焼入れし、更に、１７０℃で焼戻しを行った。次いで、常温での衝撃試験とともに試験片中心部硬度すなわち芯部硬度の測定を行った。
【００７２】
表５に試験結果を示す。表５から本発明鋼である鋼Ｂ、Ｃ及びＨはＨｖ３００以上の芯部硬度と２０Ｊ／ｃｍ2以上の衝撃値を有し、これらの鋼を素材とする表面硬化部品は自動車や産業機械が使用される過酷な環境においても充分な耐久性を発揮できることがわかる。一方、前記実施例１において本発明で規定した条件で加熱処理した場合に粗粒化を生じなかった比較鋼の鋼Ｌ、鋼Ｏ及び鋼Ｐは芯部硬さと衝撃値のいずれかが低く、表面硬化部品の実環境での耐久性は極めて劣化したものとなってしまう。
【００７３】
【表５】
【発明の効果】
本発明による表面硬化部品は強度と靭性に優れ、粗粒化も生じないので、自動車や産業機械などの各種機械構造部品、特に歯車を代表とする表面硬化部品として利用することができる。この表面硬化部品は、本発明の耐粗粒化肌焼鋼を素材とし、これに本発明方法を適用することによって、比較的容易に製造することができる。
Claims (4)
- 重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｃｒ：０．０５〜２．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、Ｎ：０．００２〜０．０５％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％を含有するとともに、｛Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）｝＜（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝、０．０２％≦Ｎｂ（％）＋２Ｔｉ（％）≦０．２５％及び０．８５％＜（４／７）｛（１４Ｃ（％）＋１２Ｎ（％）｝＜２．６％を満たし、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＰは０．０３％以下、Ｓは０．０４％以下であることを特徴とする耐粗粒化肌焼鋼。
- 母材が、請求項１に記載の鋼であって、表面硬化処理後にＨｖ３００以上の芯部硬度と２０Ｊ／ｃｍ2以上の衝撃値を有することを特徴とする強度と靭性に優れた表面硬化部品。
- 請求項１に記載の鋼を、表面硬化処理に先立って１１５０℃以上の温度に加熱してから熱間鍛造することを特徴とする強度と靭性に優れた表面硬化部品の製造方法。
- 請求項１に記載の鋼を、分塊、圧延及び熱処理の少なくとも１つの工程を、１１５０℃以上の温度に加熱して行い、その後鍛造し表面硬化処理することを特徴とする強度と靭性に優れた表面硬化部品の製造方法。
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