JP4778626B2 - 熱処理歪の少ない鋼部品の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浸炭、窒化もしくは浸炭窒化などの表面硬化処理、あるいは調質処理時に焼入れされる機械部品用の素材として用いられる肌焼用鋼の改質技術に関し、特に耐摩耗性および耐疲労特性を高め、自動車などの歯車、シャフト、等速ジョイント等の機械部品として優れた性能を有する鋼製部品製造用の肌焼用鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車や自動2輪車等を始めとする様々の輸送機械などから放出される排ガスによる大気汚染は大きな社会問題となっており、こうした問題を軽減すると共に燃費低減を図るための車体軽量化対策の一環として、歯車やシャフト等の機械部品の小型軽量化が進められており、それに伴ってそれらの部品に対する耐摩耗性や高疲労強度化の要求は一段と高まっている。
【０００３】
ところで、歯車等の耐摩耗性や耐疲労性を改善するための手段としては、従来から浸炭焼入れや浸炭窒化焼入れ、高周波焼入、被膜処理等の表面硬化処理法が採用されているが、それら表面硬化処理部品の寸法精度を高めて作動時の円滑性や静粛性を向上させる意味から、焼入れ処理時における熱処理歪を極力少なくすることも重要な課題とされている。
【０００４】
熱処理歪の低減対策としては、例えば浸炭拡散後に200℃程度の塩浴（硝酸塩あるいは亜硝酸塩など）中で冷却・保持した後に空冷するマルクエンチ法、鋼材の成分組成を適正に調整すると共に、最適の浸炭処理条件を採用することによって熱処理歪を低減する方法（特開平2−298250号公報）、更には、鋼中のＣやＭｎ量などによって臨界冷却速度を制御し熱処理後の低歪化を図る方法（特開昭61−210154号公報）等が提案されている。しかしながらこれらの方法でも、年々厳しくなってくる低歪化の要請には応えきれなくなってきている。
【０００５】
また特開平5−148535号公報には、他の歪低減対策として浸炭冷却・再加熱焼入れ処理を施し、熱処理歪の低減と曲げ疲労強度の向上を図る方法も提案されている。しかしこの方法では、再加熱焼入れに伴う生産性の低下や熱処理コストの上昇が避けられない。
【０００６】
更に、上述したマルクエンチ法や特開平2−298250号公報に開示された技術では、浸炭層および芯部をマルテンサイト主体の高硬度組織に変態させるため、浸炭後の焼入れ用冷媒として塩浴や油浴を用いているが、これらの方法では塩や油の除去に要する煩雑な作業が加重されるばかりでなく、該除去に伴う汚染物質の排出が避けられず、廃液処理の問題も生じてくる。
【０００７】
他方、塩浴や油浴使用による上記難点を起こすことのない焼入れ法として、冷却媒体にガス冷却を利用する方法が知られており、冷却用のガスとしては被処理鋼材の酸化や脱炭を起こすことのない様、窒素やヘリウムなどの非酸化性ガスが使用される。このガス冷却法によれば、前記塩浴や油浴を用いた焼入れ法に伴う煩雑な除去作業や廃液処理の問題を生じることはないが、塩浴や油浴を用いた焼入れ処理に比べると相対的に緩冷却となるため、鋼材組成によっては満足のいく焼入れ効果が保証できなくなることがあり、適用可能な鋼種が制限される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、塩や油などの冷媒を用いることなく、浸炭焼入れ或は浸炭窒化焼入れ等の表面硬化処理に用いる冷却媒体として非酸化性ガスを使用し、表面硬化処理を効率よく実施し得ると共に、該焼入れ処理に伴う熱処理歪を可及的に低減し、寸法精度の高い機械部品を確実に与え得る様な肌焼用鋼を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成することのできた本発明の熱処理歪の少ない肌焼用鋼とは、Ｃ：0.03〜0.60％（質量％の意味。以下同じ）、Ｓｉ：0.05〜2.0％、Ｍｎ：0.05〜2.0％、Ｃｒ：0.20〜5％、Ｎ：0.005〜0.030％、を含む鋼であって、該鋼を用いて成形された鋼部品を焼入れする際に、該鋼部品の芯部温度がＡｒ3変態点〜600℃の温度範囲を、冷却媒体として非酸化性ガスを用いて焼入れされる肌焼鋼であり、上記温度範囲を冷却する際における上記非酸化性ガスの圧力をＰとした時、下記（1）式〜（3）式の関係を満たす様に成分調整されたものである点に要旨を有する。
3≦Ｐ≦25 ・・・ （1）
Ｋ1＝1.2×Ｓ1×Ｐ0.836／ＬｏｇＤｅｑ≦50 ・・・ （2）
Ｓ1＝4.5［Ｃ］＋［Ｍｎ］＋1.5［Ｃｒ］ ・・・ （3）
式中、Ｐ：非酸化性ガスの圧力（ｂａｒ）
Ｄｅｑ：部品の等価直径（ｍｍ）
［元素］：鋼中の各元素の含有量［質量％］
を夫々表わす。
【００１０】
また、上記目的は、Ｃ：0.03〜0.60％、Ｓｉ：0.05〜2.0％、Ｍｎ：0.05〜2.0％、Ｃｒ：0.20〜5％、Ｎ：0.005〜0.030％、Ｍｏ：1.5％以下及び／又はＮｉ：3％以下、を含む鋼であって、該鋼を用いて成形された鋼部品を焼入れする際に、該鋼部品の芯部温度がＡｒ3変態点〜600℃の温度範囲を、冷却媒体として非酸化性ガスを用いて焼入れされる肌焼鋼であり、上記温度範囲を冷却する際における上記非酸化性ガスの圧力をＰとした時、下記（1）式、（4）式、（5）式の関係を満たす様に成分調整された熱処理歪の少ない肌焼用鋼でも解決することができる。
3≦Ｐ≦25 ・・・ （1）
Ｋ2＝1.2×Ｓ2×Ｐ0.836／ＬｏｇＤｅｑ≦50 ・・・ （4）
Ｓ2＝4.5［Ｃ］＋［Ｍｎ］＋1.5［Ｃｒ］＋0.6［Ｍｏ］＋0.5［Ｎｉ］
・・・ （5）
式中、Ｐ：非酸化性ガスの圧力（ｂａｒ）
Ｄｅｑ：部品の等価直径（ｍｍ）
［元素］：鋼中の各元素の含有量［質量％］
を夫々表わす。
【００１１】
ここで、前記非酸化性ガスは、Ｎ2またはＨｅであることが好ましい。
【００１２】
また、鋼が、更に他の元素として、
▲１▼Ｃｕ：1％以下及び／又はＶ：1.5％以下を含有するものや、
▲２▼Ｎｂ：0.1％以下、Ｔｉ：0.1％以下およびＢ：0.1％以下よりなる群から選択される少なくとも1種を含有するものや、
▲３▼Ｓ，Ｃａ，Ｚｒ，Ｓｂ，ＰｂおよびＢｉよりなる群から選択される少なくとも1種の元素を合計で0.1％以下含有するものであると一層優れた効果を有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明者らは前述した様な従来技術の下で、特に非酸化性ガスを冷却媒体として使用する肌焼用鋼を対象として、焼入れ本来の目的である表面硬化を効率よく遂行し得ると共に、該表面効果処理による熱処理歪の低減を期して種々研究を進めてきた。
【００１４】
その結果、非酸化性ガスを用いて鋼部品の焼入れを行なう際に、当該鋼部品の形状特性（質量効果）や鋼組成を考慮して、冷却に用いる非酸化性ガスの圧力を適切に制御してやれば、内部硬さや表面硬さにおいて優れた強度特性を有すると共に、熱処理時の歪も可及的に抑えられて寸法精度の高い肌焼き鋼部品が得られることを知った。
【００１５】
そしてこうした知見を活かせば、焼入れ処理される鋼部品の形状特性や、焼入れ時に冷媒として用いる非酸化性ガスの圧力を予め想定して鋼材組成を適切に調整してやれば、浸炭若しくは浸炭窒化焼入れ処理で優れた強度特性を示すと共に寸法精度の高い肌焼き部品を与える肌焼用鋼が得られると考え、その線に沿って更に研究を進めた結果、上記本発明に想到したものである。
【００１６】
従って本発明の肌焼用鋼は、浸炭もしくは浸炭窒化後あるいはその後の調質処理後に行なわれる焼入れのための冷却に非酸化性ガスを使用することを前提とする発明であって、冷却に用いる上記非酸化性ガスの圧力と、焼入れ処理に付される鋼部品の形状特性（質量効果）を想定し、強度特性や寸法精度に優れた焼入れ部品を確実に与え得る様に鋼材組成を適切に調整してなる肌焼用鋼を提供するものである。
【００１７】
本発明では、機械構造用鋼としての強度特性を確保すると共に、目的とする浸炭・浸炭窒化焼入れ性や寸法精度を確保するための前提として、鋼の成分組成を特定する。但し、該鋼の成分組成はあくまで前提要件となるものであり、本発明の目的を果たすには、該前提要件を満たす範囲で、以下に詳述する如く、該鋼を用いて成形された鋼部品を焼入れする際に用いる非酸化性ガスの圧力（Ｐ）と、当該鋼部品の形状特性を等価直径（mm）に換算した値（Ｄｅｑ）を想定して、前記（1）式〜（5）式の関係を満たす様に鋼の成分組成を調整することが重要となる。
【００１８】
そして、上記非酸化性ガスの圧力（Ｐ）としては、用いる鋼部品の芯部温度がＡｒ3変態点〜600℃の温度範囲におけるガス圧力が用いられる。その理由は、本発明者によって確認された下記事実による。即ち焼入れに伴う熱処理歪に最も影響を及ぼすのは、上記芯部温度がＡｒ3変態点〜600℃の温度範囲における冷却条件であり、少なくともこの範囲の冷却時における非酸化性ガスの圧力（Ｐ）を適切に制御することで、熱処理歪を最も効果的に低減できるからである。
【００１９】
そして前記（1）式で規定する如く、非酸化性ガスの圧力（Ｐ）は3〜25（bar）の範囲内で制御することを必須とする。その理由は下記の通りである。
【００２０】
即ち、本発明者らが予備実験によって確認したところによると、
▲１▼肌焼用鋼を浸炭もしくは浸炭窒化処理した後の焼入れ時における焼入強烈度Ｈ（Ｈ度：Severity of quench）が高いほど焼入れ効果は向上するが、それに反比例して該焼入れによる熱処理歪量は大きくなること、
▲２▼該Ｈ度が0.5ｉｎ-1を超える急速冷却を採用すると熱処理歪が極端に大きくなること、
▲３▼Ｈ度が0.05ｉｎ-1を下回る遅速冷却では、熱処理歪は殆ど生じないものの緩冷却過ぎるため焼入れ本来の強度向上効果が殆ど見られなくなり、特に鋼部品の芯部強度が不十分になること、
▲４▼即ち、焼入れによる十分な強度向上効果を確保しつつ極端な熱処理歪を抑えるには、該Ｈ度を0.05ｉｎ-1〜0.5ｉｎ-1の範囲に制御することが有効であること、
▲５▼焼入れ時のＨ度は、非酸化性ガスの吹き付け圧力（Ｐ）によって調整することができ、上記適切なＨ度を非酸化性ガスの吹き付けによって保証するには、その吹き付け圧力（Ｐ）を3〜25（bar）の範囲に調整すれば良いこと、
といった事実を確認した。そこで本発明では、極端な熱処理歪を生じることなく十分な焼入れ効果を確保するための要件として、前記（1）式で規定する如く「非酸化性ガスの吹き付け圧力（Ｐ）は3〜25barの範囲」に定めたのである。尚、ここでいうガスの吹き付け圧力はゲージ圧を指し、本発明では供給される冷却ガスが部品全面に均一に当れば良く、そのガスの供給方法は特に限定されない。
【００２１】
また、肌焼用鋼を焼入れ処理する際には、鋼部品の寸法・形状による質量効果も考慮しなければならない。即ち鋼部品の寸法・形状が異なると、当該部品の熱容量や熱の伝導状態の違いによって冷却速度に差が生じ、これは焼入れ性にも影響を及ぼしてくる。そこで本発明では、鋼部品の質量効果や寸法・形状の違いによる由来する焼入れ性の差異をなくすため、鋼部品の寸法・形状を円形棒状物の直径に換算した等価直径（Ｄｅｑ：mm）で近似し、これを制御要素に加えている。
【００２２】
該等価直径（Ｄｅｑ）は、周知のジョミニー焼入性曲線を基にして算出すれば良い。例えば図１は、ある鋼材のジョミニー焼入性曲線を示している。そして、該鋼材を所定の部品形状に成形した後、浸炭（または浸炭窒化）焼入れ処理を行なって得た部品の芯部硬度（Ｈｃ）を測定し、上記ジョミニー焼入性曲線において、硬さがＨｃに相当するジョミニー位置Ｊｅｑ（mm）を求める。次に、このＪｅｑ値と、焼入れ時の前記温度範囲における冷却の際のＨ度の値を、例えば図2に示す様なGrossmannチャート（「鋼の熱処理 改訂5版」社団法人 日本鉄鋼協会，P.21，丸善株式会社）に当てはめると、当該鋼部品の等価直径Ｄｅｑ（mm）を求めることができる。
【００２３】
また、鋼部品の成分組成が焼入れ時の熱処理歪に影響を及ぼすことは勿論であるが、本発明者らが別途確認したところによると、該熱処理歪に顕著な影響を及ぼす元素はＣ，Ｍｎ，Ｃｒあるいは更にＭｏ，Ｎｉであり、これらの元素が熱処理歪に与える影響は、前記（3）式および（5）式で示す如くＳ1およびＳ2値で近似できることが確認された。
【００２４】
そして、上記で得られる等価直径（Ｄｅｑ：mm）と前記Ｐ値、および当該鋼組成から導かれるＳ1，Ｓ2値から、前記（2）式または（4）式によって算出されるＫ1またはＫ2の値が「50以下」となる様に上記各値を調整すれば、焼入れによる熱処理歪を可及的に小さく抑え得ることが確認された。
【００２５】
換言すると、鋼部品としての等価直径（Ｄｅｑ：mm）と、該鋼部品を焼入れ処理する際の前記Ｐ値が予め決められている時は、上記（2）式または（4）式に上記等価直径（Ｄｅｑ：mm）とＰ値を代入し、上記「Ｋ1またはＫ2≦50」の要件を満たす様にＳ1またはＳ2の値、即ち当該鋼の成分組成を適正に調整することにより、焼入処理を行なった時の熱処理歪を可及的に抑えることができ、即ち焼入れ処理後も歪が少なく寸法精度の高い焼入れ部品を与え得る様な肌焼用鋼を得ることができるのである。
【００２６】
即ち本発明では、予定されている鋼部品の寸法・形状が決まっており、しかも当該部品の芯部温度がＡｒ3変態点以下600℃以上の範囲を非酸化性ガスで冷却する際の該吹き付けガス圧（Ｐ）が予め決められている時に、その部品形状や非酸化性ガス圧（Ｐ）に応じて、前記（2）式または（4）式を満たす様に鋼の成分組成を調整することによって、焼入れ処理後の歪が少なく高寸法精度の焼入れ部品を与える肌焼用鋼を確実に得ることができるのである。
【００２７】
次に、本発明に係る肌焼用鋼を構成する各元素の種類や含有率を定めた理由を説明する。
【００２８】
Ｃ： 0.03 〜 0.60 ％
Ｃは、機械部品としての芯部強度を確保すると共に、表面硬化処理後の表面硬さを高める上で欠くことのできない元素であり、その作用を十分に発揮させるには0.03％以上含有させなければならない。しかし、過剰に含有させると靭性が劣化するほか、被削性や冷間鍛造性が低下して加工性を損なうので0.60％を上限とする。Ｃのより好ましい含有量は0.10％以上、0.50％以下である。
【００２９】
Ｓｉ： 0.05 〜 2.0 ％
Ｓｉは、溶製時に脱酸性元素として有効に作用する他、変態点を上げて芯部強度を高める作用を有している。また、表面硬化処理によって生成する炭化物等を球状化させて硬化層の基地をより高質化し、更には、熱処理歪を抑える作用も有しており、これらの作用を有効に発揮させるには、0.05％以上添加しなければならない。しかし、過剰量含有させると粒界酸化を助して曲げ疲労強度を劣化させるばかりでなく、冷間鍛造性や被削性にも悪影響を及ぼすので、2.0％以下に抑えなければならない。また、表面硬化手段としてガス浸炭やガス浸炭窒化法を採用する場合は、Ｓｉ量が1.0％を超えると浸炭または浸炭窒化が阻害されるので、この場合は1.0％以下に抑えるべきである。尚、表面硬化手段としてプラズマ浸炭やプラズマ浸炭窒化法を採用する場合は、Ｓｉ含有量が2.0％までは浸炭または浸炭窒化が阻害されることはなく、より好ましくは含有量を1.7％以下とすれば良い。
【００３０】
Ｍｎ： 0.05 〜 2.0 ％
Ｍｎは、脱酸剤として有効に作用する他、強度および焼入れ性向上元素として有効に作用する。また、鋼材内でＭｎＳを形成して切削加工性の向上にも寄与する元素であり、0.05％以上添加することが推奨される。しかし、過度に含有させると、冷間加工性を悪化させる他、結晶粒界への偏析量増大によって曲げ疲労特性に悪影響を及ぼす。しかもＭｎ量が多くなり過ぎると、部品表面に残留オーステナイトが過剰に生成し却って表面硬さを低下させるので、2.0％以下に抑えなければならない。こうした利害得失を考慮してＭｎのより好ましい含有量は0.30以上、1.70％以下である。
【００３１】
Ｃｒ： 0.20 〜 5 ％
Ｃｒは、表面硬化処理時に炭化物等を形成して焼戻し軟化抵抗性を高めて耐チッピング性を向上させる作用を有しており、0.20％以上含有させることが望ましい。しかし、5％を超えて過度に含有させると衝風冷却でも簡単に焼きが入り、熱処理歪も大きくなる。また、Ｃｒの過剰添加は、浸炭性や被削性にも悪影響を及ぼすので、5％以下に抑えるべきである。Ｃｒのより好ましい含有量は0.50％以上、4.2％以下である。
【００３２】
Ｎ： 0.005 〜 0.030 ％
Ｎは鋼中で窒化物を生成し、結晶粒の粗大化を抑制する作用を有しており、その効果は0.005％以上含有させることによって有効に発揮される。しかし、それらの効果は約0.030％で飽和し、それ以上に含有させると窒化物が介在物となって鍛造時や熱間加工時に割れを起こし易くなるので、それ以上の添加は避けなければならない。Ｎのより好ましい上限は0.025％である。
【００３３】
本発明で使用する鋼材の残部成分はＦｅおよび不可避的不純物であるが、更に他の元素として以下に示す様な元素を含有させることによって、その特性を一層高めることができる。
【００３４】
Ｍｏ： 1.5 ％以下及び／又はＮｉ： 3 ％以下
ＭｏとＮｉは共に焼入性向上に大きく寄与する元素であり、質量の大きな部品には積極的に添加される。またＭｏは、表面硬化処理時に炭化物等を形成し、粒界強度の向上および不完全焼入れ組織の低減、更には焼入性の向上にも有効に作用する。しかも、表面の有効硬化深さを増加させる他、複合炭化物等は硬質であるので、硬化層の硬さを高める作用を有する。しかし、1.5％を超えて添加すると、部品の靭性や機械加工性が低下すると共に、炭化物等が結晶粒界や部品表面に粗大かつ多量に析出するので、疲労破壊の起点となる。一方、Ｎｉは硬化層の基地中に固溶して硬化層の耐食性向上に寄与する元素であり、靭性を高めると共に加工性を向上させる。しかし、Ｎｉが3％を超えると残留オーステナイト量が多くなり過ぎて表面硬さが低下する。Ｍｏを添加する際のより好ましい量は0.15％以上、1.2％以下、Ｎｉを添加する際のより好ましい量は0.4％以上、2.5％以下である。
【００３５】
Ｃｕ： 1 ％以下及び／又はＶ： 1.5 ％以下
Ｃｕ及びＶは硬化層の改質に寄与する元素である。
【００３６】
Ｃｕは、硬化層の基地中に固溶して耐食性を向上する。しかしながらこうしたＣｕの添加効果は約1％で飽和し、それ以上含有させると熱間加工性を劣化させるので注意しなければならない。好ましくは0.8％以下とすれば良い。
【００３７】
Ｖは、ＣやＮと結合して炭化物を形成し、結晶粒を微細化して靭性を向上させる。また、含有量の増加に伴って表面の有効硬化深さを増加させる他、この複合炭化物等は硬質である為、表面硬さを高める作用を有する。しかし、1.5％を超えて添加すると、部品の靭性や機械加工性が低下すると共に、炭化物等が結晶粒界や部品表面に粗大かつ多量に析出し、それ自体が疲労破壊の起点となる。好ましくは1.3％以下とすれば良い。
【００３８】
Ｎｂ： 0.1 ％以下、Ｔｉ： 0.1 ％以下及びＢ： 0.1 ％以下よりなる群から選択される少なくとも１種
Ｎｂ，Ｔｉ，Ｂは、いずれも炭化物や窒化物などを形成して加熱時のオーステナイト結晶粒を微細化して靭性の向上に寄与する。しかし、Ｎｂ、Ｔｉ及びＢの添加量が0.1％を超えると、炭化物等の過剰生成によって靭性低下を招く。さらに、Ｎｂ，Ｔｉ，Ｂを2種以上添加する際は、その添加合計量を0.18％以下にすることが望ましい。
【００３９】
Ｓ，Ｃａ，Ｚｒ，Ｓｂ，ＰｂおよびＢｉよりなる群から選択される少なくとも１種の元素を合計で 0.1 ％以下
Ｓ，Ｃａ，Ｚｒ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉは、いずれも切削性の向上に有効な元素である。また、Ｚｒは靭性の向上にも寄与する。
【００４０】
しかし、Ｓの添加量が0.1％を超えると靭性が低下すると共に、ＭｎＳが破壊の起点となってピッチング寿命が低下してしまう。
【００４１】
また、Ｃａ，Ｚｒは熱間圧延時にＭｎＳの変形を抑制し、ＭｎＳの粒状化に寄与することによって曲げ疲労強度および被削性向上を発揮するが、その作用効果は0.1％で飽和するばかりでなく、過度に添加するとＺｒＯ2等の非金属介在物が多量に生成して耐チッピング性が低下するので、その上限を0.1％とした。
【００４２】
さらに、Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉは、過剰に添加してもその効果が飽和するのみならず、大きな金属介在物を生成して表面破壊の起点となり、ピッチング寿命が低下してしまう。
【００４３】
本発明に係る肌焼用鋼の残部成分は実質的にＦｅであり、Ｐなどの不可避不純物が微量混入していても良く、あるいは更に、上記作用効果に悪影響を及ぼさない範囲でその他の元素を必要に応じて適量積極添加することも可能である。
【００４４】
そして本発明では、上記成分組成の要件を満たす範囲で、前述した如く最終部品形状に対応する等価直径（Ｄｅｑ：mm）と焼入れ処理時の前記Ｐ値を想定して、前記（2）式または（4）式の関係を満たす様にＳ1またはＳ2の値、即ち当該鋼の成分組成を適正に調整することにより、浸炭もしくは浸炭窒化処理後の焼入れで十分な強化効果を示すと共に熱処理歪が少なくて寸法精度の高い肌焼鋼部品を与える肌焼用鋼を提供することが可能となる。
【００４５】
尚、表面硬化処理法には一切制限がなく、従来から知られた例えばガス浸炭（または浸炭窒化）法、固体浸炭（または浸炭窒化）法、塩浴浸炭（または浸炭窒化）法、プラズマ浸炭（または浸炭窒化）法、真空浸炭（または浸炭窒化）法などを全て採用することが可能である。
【００４６】
次に実施例を挙げて本発明の構成および作用効果をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限を受けるものではなく、前後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４７】
【実施例】
実施例１の予備実験
鋼材の焼入れ性を求める為に、ジェミニー焼入性曲線を求める。表1に示す化学成分組成を有する鋼種Aを小型高周波炉にて溶製した後熱間鍛造し、φ30mmの丸棒に加工したものをジョミニー焼入性試験の供試体とした。ジョミニー焼入性試験は、JIS G 0561に従って行ない、ジョミニー焼入性曲線を作成した。
【００４８】
【表１】
【００４９】
また、表1に示す鋼種Aを小型高周波炉にて溶製した後、熱間鍛造にてφ80mmの丸棒に加工し、200mmの長さに切断した後、熱間鍛造にて高さ28mmの円板に据え込み加工し、900℃で焼きならし処理を行なった。これを図3（a）に示す様なリング状に機械加工したものを試験片とする。
【００５０】
次に、前記試験片の寸法・形状を近似するために等価直径（Ｄｅｑ）を算出する。該試験片を925℃で3時間、カーボンポテンシャル0.8なる条件で浸炭処理を施し、Ｈ度が0.30ｉｎ-1である232℃の塩浴で焼入れた。焼入れ後の試験片の芯部硬度（Ｈｃ）を測定し、上記ジョミニー焼入性曲線において、硬度がＨｃに相当するジョミニー位置を求めると、Ｊｅｑは11mmであった。次に、このＪｅｑ値と、図2に示したGrossmannチャートの232℃の塩浴の場合を示す直線から等価直径を求めると25mmであった。
【００５１】
実施例１
表1に示す鋼種Aを小型高周波炉にて溶製した後、図3（a）に示すリング状試験片に機械加工し、925℃で3時間、カーボンポテンシャル0.8なる条件で浸炭処理を施した。浸炭処理後、処理容器内にＨｅガスを導入し所期の圧力まで加圧する。そして、加圧されたＨｅガスを供給しつつ、試験片の芯部温度が870℃〜453℃の範囲を冷却した。Ｈｅガスの吹き付け圧力Ｐと、鋼種Ａの成分組成から導かれるＳ1値を上記（3）式を用いて算出し、表2に示す。そして、予備実験で得られた等価直径（Ｄｅｑ）と前記Ｐ値、及びＳ1値を上記（2）式に代入してＫ1値を求めた。尚、鋼種ＡのＡｒ3変態点は827℃である。
【００５２】
【表２】
【００５３】
熱処理による歪の発生度合いを端面の平坦度を用いて評価する。端面の平坦度は、図3（a）に示した測定位置において測定した。結果を表2に示す。尚、図3（b）は端面の平坦度の測定方法を示し、実線は浸炭焼入れ前の形状、破線は浸炭焼入れ後の形状を夫々示す。また、Ｋ1値と端面の平坦度の関係を図4に示す。表2と図4から以下の様に考察できる。
【００５４】
No.1〜3は本発明例である。試験片の成分組成が同一（Ｓ1値＝3.51）で、試験片の等価直径が同一（Ｄｅｑ＝25mm）の場合は、試験片を冷却する際に用いるＨｅガスの吹き付け圧力によって端面の平坦度が大きく変化することが分かる。つまり、試験片を焼入れする際に、該試験片の芯部温度が少なくともＡｒ3変態点〜600℃の範囲を、3〜25barの範囲内で制御したＨｅガスを用いて冷却すると、Ｋ1値が50以下となるので、熱処理歪が少なく寸法精度の高い部品を提供できることが分かる。
【００５５】
実施例２
シャフト等の軸型部品への適用を想定し、軸型試験片で実験を行う。
【００５６】
表3に示す鋼種B〜Gを小型高周波炉にて溶製した後、熱間鍛造にてφ20mmの丸棒に加工し、230mmの長さに切断した後、900℃にて焼ならし処理を行ない、図5（a）に示す軸型試験片（φ20−19ｔ）に機械加工した。これを925℃で3時間、カーボンポテンシャル0.8なる条件で浸炭処理を施した。浸炭処理後、処理容器内にＮ2ガスを導入し所期の圧力まで加圧する。そして、加圧されたＮ2ガスを供給しつつ、試験片の芯部温度が870℃〜216℃の範囲を冷却した。Ｎ2ガスの吹き付け圧力Ｐを表4に示す。また、鋼種の組成から導かれるＳ1またはＳ2値を上記（3）式または上記（5）式を用いて算出し、表4に示す。尚、軸型試験片の等価直径（Ｄｅｑ）は20mmである。
【００５７】
等価直径（Ｄｅｑ）、前記Ｐ値、Ｓ1またはＳ2値を上記（2）式または（4）式に代入してＫ1またはＫ2値を求めた。尚、各鋼種のＡｒ3変態点を表4に示した。
【００５８】
【表３】
【００５９】
【表４】
【００６０】
熱処理による歪発生の度合いを軸の曲がりで評価する。図5（a）に示した軸の曲がり測定位置において曲がりを測定し、その結果を表4に示した。尚、図5（b）は、軸の曲がり測定方法を示し、実線は浸炭焼入れ前の形状を示し、破線は浸炭焼入れ後の形態を示す。
【００６１】
Ｋ1またはＫ2値と軸の曲がりの関係を図6に示す。表4と図6から以下の様に考察できる。
【００６２】
No.9〜11，15，16，20，21，24，28は本発明例であり、No.32〜34は比較例である。
【００６３】
No.9〜11，No.15，16，No.20，21，No.24，No.28から明らかな様に、試験片の等価直径（Ｄｅｑ）と冷却時のガス圧力（Ｐ）が同じであったとしても、部品の鋼種成分（Ｓ1またはＳ2値）によって、Ｋ1またはＫ2値が大きく影響を受けることが分かる。そして、Ｋ1またはＫ2値が50以下であると、軸の曲がりが小さく、熱処理による歪の発生が少ないことが分かる。
【００６５】
また、No.32〜34を見ると、試験片の形状を同一（Ｄｅｑが20mm）とし、本発明の要件を満たすように冷却時のガス圧力を制御したとしても、部品を形成する鋼材の化学成分組成によって試験片の冷却のされやすさは大きく変化するので、Ｋ1またはＫ2値が50を超える。尚、No.32とNo.33は、ガス圧力が本発明の要件を満足しており、且つＫ1またはＫ2値も50以下であるが、これらの鋼の化学成分組成は本発明の要件を満足していない。従って、この様な鋼は、衝風冷却または放冷でも部品は十分冷却され、熱処理歪を低減することができる。よって、浸炭処理後の冷却に非酸化性のガスを加圧して用いる必要はない。
【００７０】
以上のことから、熱処理歪を低減するには、部品の形状及び冷却時に用いる非酸化性のガス圧力を考慮に入れて鋼材の成分組成を適切に調整することが重要であることが分かる。
【００７１】
【発明の効果】
上記構成を用いると、塩や油などの冷媒を用いなくとも浸炭焼入れ処理あるいは浸炭窒化焼入れ処理等の表面硬化処理による熱処理歪が少なく、寸法精度の高い肌焼き機械部品を確実に与え得る様な肌焼用鋼を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】ジョミニー焼入性曲線の一例である。
【図２】 Grossmannチャートである。
【図３】リング状試験片を示す図である。
【図４】Ｋ1値と端面の平坦度との関係を示すグラフである。
【図５】軸型試験片を示す図である。
【図６】Ｋ1またはＫ2値と軸の曲がりの関係を示すグラフである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、浸炭、窒化もしくは浸炭窒化などの表面硬化処理、あるいは調質処理時に焼入れされる機械部品用の素材として用いられる肌焼用鋼の改質技術に関し、特に耐摩耗性および耐疲労特性を高め、自動車などの歯車、シャフト、等速ジョイント等の機械部品として優れた性能を有する鋼製部品製造用の肌焼用鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車や自動2輪車等を始めとする様々の輸送機械などから放出される排ガスによる大気汚染は大きな社会問題となっており、こうした問題を軽減すると共に燃費低減を図るための車体軽量化対策の一環として、歯車やシャフト等の機械部品の小型軽量化が進められており、それに伴ってそれらの部品に対する耐摩耗性や高疲労強度化の要求は一段と高まっている。
【０００３】
ところで、歯車等の耐摩耗性や耐疲労性を改善するための手段としては、従来から浸炭焼入れや浸炭窒化焼入れ、高周波焼入、被膜処理等の表面硬化処理法が採用されているが、それら表面硬化処理部品の寸法精度を高めて作動時の円滑性や静粛性を向上させる意味から、焼入れ処理時における熱処理歪を極力少なくすることも重要な課題とされている。
【０００４】
熱処理歪の低減対策としては、例えば浸炭拡散後に200℃程度の塩浴（硝酸塩あるいは亜硝酸塩など）中で冷却・保持した後に空冷するマルクエンチ法、鋼材の成分組成を適正に調整すると共に、最適の浸炭処理条件を採用することによって熱処理歪を低減する方法（特開平2−298250号公報）、更には、鋼中のＣやＭｎ量などによって臨界冷却速度を制御し熱処理後の低歪化を図る方法（特開昭61−210154号公報）等が提案されている。しかしながらこれらの方法でも、年々厳しくなってくる低歪化の要請には応えきれなくなってきている。
【０００５】
また特開平5−148535号公報には、他の歪低減対策として浸炭冷却・再加熱焼入れ処理を施し、熱処理歪の低減と曲げ疲労強度の向上を図る方法も提案されている。しかしこの方法では、再加熱焼入れに伴う生産性の低下や熱処理コストの上昇が避けられない。
【０００６】
更に、上述したマルクエンチ法や特開平2−298250号公報に開示された技術では、浸炭層および芯部をマルテンサイト主体の高硬度組織に変態させるため、浸炭後の焼入れ用冷媒として塩浴や油浴を用いているが、これらの方法では塩や油の除去に要する煩雑な作業が加重されるばかりでなく、該除去に伴う汚染物質の排出が避けられず、廃液処理の問題も生じてくる。
【０００７】
他方、塩浴や油浴使用による上記難点を起こすことのない焼入れ法として、冷却媒体にガス冷却を利用する方法が知られており、冷却用のガスとしては被処理鋼材の酸化や脱炭を起こすことのない様、窒素やヘリウムなどの非酸化性ガスが使用される。このガス冷却法によれば、前記塩浴や油浴を用いた焼入れ法に伴う煩雑な除去作業や廃液処理の問題を生じることはないが、塩浴や油浴を用いた焼入れ処理に比べると相対的に緩冷却となるため、鋼材組成によっては満足のいく焼入れ効果が保証できなくなることがあり、適用可能な鋼種が制限される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、塩や油などの冷媒を用いることなく、浸炭焼入れ或は浸炭窒化焼入れ等の表面硬化処理に用いる冷却媒体として非酸化性ガスを使用し、表面硬化処理を効率よく実施し得ると共に、該焼入れ処理に伴う熱処理歪を可及的に低減し、寸法精度の高い機械部品を確実に与え得る様な肌焼用鋼を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成することのできた本発明の熱処理歪の少ない肌焼用鋼とは、Ｃ：0.03〜0.60％（質量％の意味。以下同じ）、Ｓｉ：0.05〜2.0％、Ｍｎ：0.05〜2.0％、Ｃｒ：0.20〜5％、Ｎ：0.005〜0.030％、を含む鋼であって、該鋼を用いて成形された鋼部品を焼入れする際に、該鋼部品の芯部温度がＡｒ3変態点〜600℃の温度範囲を、冷却媒体として非酸化性ガスを用いて焼入れされる肌焼鋼であり、上記温度範囲を冷却する際における上記非酸化性ガスの圧力をＰとした時、下記（1）式〜（3）式の関係を満たす様に成分調整されたものである点に要旨を有する。
3≦Ｐ≦25 ・・・ （1）
Ｋ1＝1.2×Ｓ1×Ｐ0.836／ＬｏｇＤｅｑ≦50 ・・・ （2）
Ｓ1＝4.5［Ｃ］＋［Ｍｎ］＋1.5［Ｃｒ］ ・・・ （3）
式中、Ｐ：非酸化性ガスの圧力（ｂａｒ）
Ｄｅｑ：部品の等価直径（ｍｍ）
［元素］：鋼中の各元素の含有量［質量％］
を夫々表わす。
【００１０】
また、上記目的は、Ｃ：0.03〜0.60％、Ｓｉ：0.05〜2.0％、Ｍｎ：0.05〜2.0％、Ｃｒ：0.20〜5％、Ｎ：0.005〜0.030％、Ｍｏ：1.5％以下及び／又はＮｉ：3％以下、を含む鋼であって、該鋼を用いて成形された鋼部品を焼入れする際に、該鋼部品の芯部温度がＡｒ3変態点〜600℃の温度範囲を、冷却媒体として非酸化性ガスを用いて焼入れされる肌焼鋼であり、上記温度範囲を冷却する際における上記非酸化性ガスの圧力をＰとした時、下記（1）式、（4）式、（5）式の関係を満たす様に成分調整された熱処理歪の少ない肌焼用鋼でも解決することができる。
3≦Ｐ≦25 ・・・ （1）
Ｋ2＝1.2×Ｓ2×Ｐ0.836／ＬｏｇＤｅｑ≦50 ・・・ （4）
Ｓ2＝4.5［Ｃ］＋［Ｍｎ］＋1.5［Ｃｒ］＋0.6［Ｍｏ］＋0.5［Ｎｉ］
・・・ （5）
式中、Ｐ：非酸化性ガスの圧力（ｂａｒ）
Ｄｅｑ：部品の等価直径（ｍｍ）
［元素］：鋼中の各元素の含有量［質量％］
を夫々表わす。
【００１１】
ここで、前記非酸化性ガスは、Ｎ2またはＨｅであることが好ましい。
【００１２】
また、鋼が、更に他の元素として、
▲１▼Ｃｕ：1％以下及び／又はＶ：1.5％以下を含有するものや、
▲２▼Ｎｂ：0.1％以下、Ｔｉ：0.1％以下およびＢ：0.1％以下よりなる群から選択される少なくとも1種を含有するものや、
▲３▼Ｓ，Ｃａ，Ｚｒ，Ｓｂ，ＰｂおよびＢｉよりなる群から選択される少なくとも1種の元素を合計で0.1％以下含有するものであると一層優れた効果を有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明者らは前述した様な従来技術の下で、特に非酸化性ガスを冷却媒体として使用する肌焼用鋼を対象として、焼入れ本来の目的である表面硬化を効率よく遂行し得ると共に、該表面効果処理による熱処理歪の低減を期して種々研究を進めてきた。
【００１４】
その結果、非酸化性ガスを用いて鋼部品の焼入れを行なう際に、当該鋼部品の形状特性（質量効果）や鋼組成を考慮して、冷却に用いる非酸化性ガスの圧力を適切に制御してやれば、内部硬さや表面硬さにおいて優れた強度特性を有すると共に、熱処理時の歪も可及的に抑えられて寸法精度の高い肌焼き鋼部品が得られることを知った。
【００１５】
そしてこうした知見を活かせば、焼入れ処理される鋼部品の形状特性や、焼入れ時に冷媒として用いる非酸化性ガスの圧力を予め想定して鋼材組成を適切に調整してやれば、浸炭若しくは浸炭窒化焼入れ処理で優れた強度特性を示すと共に寸法精度の高い肌焼き部品を与える肌焼用鋼が得られると考え、その線に沿って更に研究を進めた結果、上記本発明に想到したものである。
【００１６】
従って本発明の肌焼用鋼は、浸炭もしくは浸炭窒化後あるいはその後の調質処理後に行なわれる焼入れのための冷却に非酸化性ガスを使用することを前提とする発明であって、冷却に用いる上記非酸化性ガスの圧力と、焼入れ処理に付される鋼部品の形状特性（質量効果）を想定し、強度特性や寸法精度に優れた焼入れ部品を確実に与え得る様に鋼材組成を適切に調整してなる肌焼用鋼を提供するものである。
【００１７】
本発明では、機械構造用鋼としての強度特性を確保すると共に、目的とする浸炭・浸炭窒化焼入れ性や寸法精度を確保するための前提として、鋼の成分組成を特定する。但し、該鋼の成分組成はあくまで前提要件となるものであり、本発明の目的を果たすには、該前提要件を満たす範囲で、以下に詳述する如く、該鋼を用いて成形された鋼部品を焼入れする際に用いる非酸化性ガスの圧力（Ｐ）と、当該鋼部品の形状特性を等価直径（mm）に換算した値（Ｄｅｑ）を想定して、前記（1）式〜（5）式の関係を満たす様に鋼の成分組成を調整することが重要となる。
【００１８】
そして、上記非酸化性ガスの圧力（Ｐ）としては、用いる鋼部品の芯部温度がＡｒ3変態点〜600℃の温度範囲におけるガス圧力が用いられる。その理由は、本発明者によって確認された下記事実による。即ち焼入れに伴う熱処理歪に最も影響を及ぼすのは、上記芯部温度がＡｒ3変態点〜600℃の温度範囲における冷却条件であり、少なくともこの範囲の冷却時における非酸化性ガスの圧力（Ｐ）を適切に制御することで、熱処理歪を最も効果的に低減できるからである。
【００１９】
そして前記（1）式で規定する如く、非酸化性ガスの圧力（Ｐ）は3〜25（bar）の範囲内で制御することを必須とする。その理由は下記の通りである。
【００２０】
即ち、本発明者らが予備実験によって確認したところによると、
▲１▼肌焼用鋼を浸炭もしくは浸炭窒化処理した後の焼入れ時における焼入強烈度Ｈ（Ｈ度：Severity of quench）が高いほど焼入れ効果は向上するが、それに反比例して該焼入れによる熱処理歪量は大きくなること、
▲２▼該Ｈ度が0.5ｉｎ-1を超える急速冷却を採用すると熱処理歪が極端に大きくなること、
▲３▼Ｈ度が0.05ｉｎ-1を下回る遅速冷却では、熱処理歪は殆ど生じないものの緩冷却過ぎるため焼入れ本来の強度向上効果が殆ど見られなくなり、特に鋼部品の芯部強度が不十分になること、
▲４▼即ち、焼入れによる十分な強度向上効果を確保しつつ極端な熱処理歪を抑えるには、該Ｈ度を0.05ｉｎ-1〜0.5ｉｎ-1の範囲に制御することが有効であること、
▲５▼焼入れ時のＨ度は、非酸化性ガスの吹き付け圧力（Ｐ）によって調整することができ、上記適切なＨ度を非酸化性ガスの吹き付けによって保証するには、その吹き付け圧力（Ｐ）を3〜25（bar）の範囲に調整すれば良いこと、
といった事実を確認した。そこで本発明では、極端な熱処理歪を生じることなく十分な焼入れ効果を確保するための要件として、前記（1）式で規定する如く「非酸化性ガスの吹き付け圧力（Ｐ）は3〜25barの範囲」に定めたのである。尚、ここでいうガスの吹き付け圧力はゲージ圧を指し、本発明では供給される冷却ガスが部品全面に均一に当れば良く、そのガスの供給方法は特に限定されない。
【００２１】
また、肌焼用鋼を焼入れ処理する際には、鋼部品の寸法・形状による質量効果も考慮しなければならない。即ち鋼部品の寸法・形状が異なると、当該部品の熱容量や熱の伝導状態の違いによって冷却速度に差が生じ、これは焼入れ性にも影響を及ぼしてくる。そこで本発明では、鋼部品の質量効果や寸法・形状の違いによる由来する焼入れ性の差異をなくすため、鋼部品の寸法・形状を円形棒状物の直径に換算した等価直径（Ｄｅｑ：mm）で近似し、これを制御要素に加えている。
【００２２】
該等価直径（Ｄｅｑ）は、周知のジョミニー焼入性曲線を基にして算出すれば良い。例えば図１は、ある鋼材のジョミニー焼入性曲線を示している。そして、該鋼材を所定の部品形状に成形した後、浸炭（または浸炭窒化）焼入れ処理を行なって得た部品の芯部硬度（Ｈｃ）を測定し、上記ジョミニー焼入性曲線において、硬さがＨｃに相当するジョミニー位置Ｊｅｑ（mm）を求める。次に、このＪｅｑ値と、焼入れ時の前記温度範囲における冷却の際のＨ度の値を、例えば図2に示す様なGrossmannチャート（「鋼の熱処理 改訂5版」社団法人 日本鉄鋼協会，P.21，丸善株式会社）に当てはめると、当該鋼部品の等価直径Ｄｅｑ（mm）を求めることができる。
【００２３】
また、鋼部品の成分組成が焼入れ時の熱処理歪に影響を及ぼすことは勿論であるが、本発明者らが別途確認したところによると、該熱処理歪に顕著な影響を及ぼす元素はＣ，Ｍｎ，Ｃｒあるいは更にＭｏ，Ｎｉであり、これらの元素が熱処理歪に与える影響は、前記（3）式および（5）式で示す如くＳ1およびＳ2値で近似できることが確認された。
【００２４】
そして、上記で得られる等価直径（Ｄｅｑ：mm）と前記Ｐ値、および当該鋼組成から導かれるＳ1，Ｓ2値から、前記（2）式または（4）式によって算出されるＫ1またはＫ2の値が「50以下」となる様に上記各値を調整すれば、焼入れによる熱処理歪を可及的に小さく抑え得ることが確認された。
【００２５】
換言すると、鋼部品としての等価直径（Ｄｅｑ：mm）と、該鋼部品を焼入れ処理する際の前記Ｐ値が予め決められている時は、上記（2）式または（4）式に上記等価直径（Ｄｅｑ：mm）とＰ値を代入し、上記「Ｋ1またはＫ2≦50」の要件を満たす様にＳ1またはＳ2の値、即ち当該鋼の成分組成を適正に調整することにより、焼入処理を行なった時の熱処理歪を可及的に抑えることができ、即ち焼入れ処理後も歪が少なく寸法精度の高い焼入れ部品を与え得る様な肌焼用鋼を得ることができるのである。
【００２６】
即ち本発明では、予定されている鋼部品の寸法・形状が決まっており、しかも当該部品の芯部温度がＡｒ3変態点以下600℃以上の範囲を非酸化性ガスで冷却する際の該吹き付けガス圧（Ｐ）が予め決められている時に、その部品形状や非酸化性ガス圧（Ｐ）に応じて、前記（2）式または（4）式を満たす様に鋼の成分組成を調整することによって、焼入れ処理後の歪が少なく高寸法精度の焼入れ部品を与える肌焼用鋼を確実に得ることができるのである。
【００２７】
次に、本発明に係る肌焼用鋼を構成する各元素の種類や含有率を定めた理由を説明する。
【００２８】
Ｃ： 0.03 〜 0.60 ％
Ｃは、機械部品としての芯部強度を確保すると共に、表面硬化処理後の表面硬さを高める上で欠くことのできない元素であり、その作用を十分に発揮させるには0.03％以上含有させなければならない。しかし、過剰に含有させると靭性が劣化するほか、被削性や冷間鍛造性が低下して加工性を損なうので0.60％を上限とする。Ｃのより好ましい含有量は0.10％以上、0.50％以下である。
【００２９】
Ｓｉ： 0.05 〜 2.0 ％
Ｓｉは、溶製時に脱酸性元素として有効に作用する他、変態点を上げて芯部強度を高める作用を有している。また、表面硬化処理によって生成する炭化物等を球状化させて硬化層の基地をより高質化し、更には、熱処理歪を抑える作用も有しており、これらの作用を有効に発揮させるには、0.05％以上添加しなければならない。しかし、過剰量含有させると粒界酸化を助して曲げ疲労強度を劣化させるばかりでなく、冷間鍛造性や被削性にも悪影響を及ぼすので、2.0％以下に抑えなければならない。また、表面硬化手段としてガス浸炭やガス浸炭窒化法を採用する場合は、Ｓｉ量が1.0％を超えると浸炭または浸炭窒化が阻害されるので、この場合は1.0％以下に抑えるべきである。尚、表面硬化手段としてプラズマ浸炭やプラズマ浸炭窒化法を採用する場合は、Ｓｉ含有量が2.0％までは浸炭または浸炭窒化が阻害されることはなく、より好ましくは含有量を1.7％以下とすれば良い。
【００３０】
Ｍｎ： 0.05 〜 2.0 ％
Ｍｎは、脱酸剤として有効に作用する他、強度および焼入れ性向上元素として有効に作用する。また、鋼材内でＭｎＳを形成して切削加工性の向上にも寄与する元素であり、0.05％以上添加することが推奨される。しかし、過度に含有させると、冷間加工性を悪化させる他、結晶粒界への偏析量増大によって曲げ疲労特性に悪影響を及ぼす。しかもＭｎ量が多くなり過ぎると、部品表面に残留オーステナイトが過剰に生成し却って表面硬さを低下させるので、2.0％以下に抑えなければならない。こうした利害得失を考慮してＭｎのより好ましい含有量は0.30以上、1.70％以下である。
【００３１】
Ｃｒ： 0.20 〜 5 ％
Ｃｒは、表面硬化処理時に炭化物等を形成して焼戻し軟化抵抗性を高めて耐チッピング性を向上させる作用を有しており、0.20％以上含有させることが望ましい。しかし、5％を超えて過度に含有させると衝風冷却でも簡単に焼きが入り、熱処理歪も大きくなる。また、Ｃｒの過剰添加は、浸炭性や被削性にも悪影響を及ぼすので、5％以下に抑えるべきである。Ｃｒのより好ましい含有量は0.50％以上、4.2％以下である。
【００３２】
Ｎ： 0.005 〜 0.030 ％
Ｎは鋼中で窒化物を生成し、結晶粒の粗大化を抑制する作用を有しており、その効果は0.005％以上含有させることによって有効に発揮される。しかし、それらの効果は約0.030％で飽和し、それ以上に含有させると窒化物が介在物となって鍛造時や熱間加工時に割れを起こし易くなるので、それ以上の添加は避けなければならない。Ｎのより好ましい上限は0.025％である。
【００３３】
本発明で使用する鋼材の残部成分はＦｅおよび不可避的不純物であるが、更に他の元素として以下に示す様な元素を含有させることによって、その特性を一層高めることができる。
【００３４】
Ｍｏ： 1.5 ％以下及び／又はＮｉ： 3 ％以下
ＭｏとＮｉは共に焼入性向上に大きく寄与する元素であり、質量の大きな部品には積極的に添加される。またＭｏは、表面硬化処理時に炭化物等を形成し、粒界強度の向上および不完全焼入れ組織の低減、更には焼入性の向上にも有効に作用する。しかも、表面の有効硬化深さを増加させる他、複合炭化物等は硬質であるので、硬化層の硬さを高める作用を有する。しかし、1.5％を超えて添加すると、部品の靭性や機械加工性が低下すると共に、炭化物等が結晶粒界や部品表面に粗大かつ多量に析出するので、疲労破壊の起点となる。一方、Ｎｉは硬化層の基地中に固溶して硬化層の耐食性向上に寄与する元素であり、靭性を高めると共に加工性を向上させる。しかし、Ｎｉが3％を超えると残留オーステナイト量が多くなり過ぎて表面硬さが低下する。Ｍｏを添加する際のより好ましい量は0.15％以上、1.2％以下、Ｎｉを添加する際のより好ましい量は0.4％以上、2.5％以下である。
【００３５】
Ｃｕ： 1 ％以下及び／又はＶ： 1.5 ％以下
Ｃｕ及びＶは硬化層の改質に寄与する元素である。
【００３６】
Ｃｕは、硬化層の基地中に固溶して耐食性を向上する。しかしながらこうしたＣｕの添加効果は約1％で飽和し、それ以上含有させると熱間加工性を劣化させるので注意しなければならない。好ましくは0.8％以下とすれば良い。
【００３７】
Ｖは、ＣやＮと結合して炭化物を形成し、結晶粒を微細化して靭性を向上させる。また、含有量の増加に伴って表面の有効硬化深さを増加させる他、この複合炭化物等は硬質である為、表面硬さを高める作用を有する。しかし、1.5％を超えて添加すると、部品の靭性や機械加工性が低下すると共に、炭化物等が結晶粒界や部品表面に粗大かつ多量に析出し、それ自体が疲労破壊の起点となる。好ましくは1.3％以下とすれば良い。
【００３８】
Ｎｂ： 0.1 ％以下、Ｔｉ： 0.1 ％以下及びＢ： 0.1 ％以下よりなる群から選択される少なくとも１種
Ｎｂ，Ｔｉ，Ｂは、いずれも炭化物や窒化物などを形成して加熱時のオーステナイト結晶粒を微細化して靭性の向上に寄与する。しかし、Ｎｂ、Ｔｉ及びＢの添加量が0.1％を超えると、炭化物等の過剰生成によって靭性低下を招く。さらに、Ｎｂ，Ｔｉ，Ｂを2種以上添加する際は、その添加合計量を0.18％以下にすることが望ましい。
【００３９】
Ｓ，Ｃａ，Ｚｒ，Ｓｂ，ＰｂおよびＢｉよりなる群から選択される少なくとも１種の元素を合計で 0.1 ％以下
Ｓ，Ｃａ，Ｚｒ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉは、いずれも切削性の向上に有効な元素である。また、Ｚｒは靭性の向上にも寄与する。
【００４０】
しかし、Ｓの添加量が0.1％を超えると靭性が低下すると共に、ＭｎＳが破壊の起点となってピッチング寿命が低下してしまう。
【００４１】
また、Ｃａ，Ｚｒは熱間圧延時にＭｎＳの変形を抑制し、ＭｎＳの粒状化に寄与することによって曲げ疲労強度および被削性向上を発揮するが、その作用効果は0.1％で飽和するばかりでなく、過度に添加するとＺｒＯ2等の非金属介在物が多量に生成して耐チッピング性が低下するので、その上限を0.1％とした。
【００４２】
さらに、Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉは、過剰に添加してもその効果が飽和するのみならず、大きな金属介在物を生成して表面破壊の起点となり、ピッチング寿命が低下してしまう。
【００４３】
本発明に係る肌焼用鋼の残部成分は実質的にＦｅであり、Ｐなどの不可避不純物が微量混入していても良く、あるいは更に、上記作用効果に悪影響を及ぼさない範囲でその他の元素を必要に応じて適量積極添加することも可能である。
【００４４】
そして本発明では、上記成分組成の要件を満たす範囲で、前述した如く最終部品形状に対応する等価直径（Ｄｅｑ：mm）と焼入れ処理時の前記Ｐ値を想定して、前記（2）式または（4）式の関係を満たす様にＳ1またはＳ2の値、即ち当該鋼の成分組成を適正に調整することにより、浸炭もしくは浸炭窒化処理後の焼入れで十分な強化効果を示すと共に熱処理歪が少なくて寸法精度の高い肌焼鋼部品を与える肌焼用鋼を提供することが可能となる。
【００４５】
尚、表面硬化処理法には一切制限がなく、従来から知られた例えばガス浸炭（または浸炭窒化）法、固体浸炭（または浸炭窒化）法、塩浴浸炭（または浸炭窒化）法、プラズマ浸炭（または浸炭窒化）法、真空浸炭（または浸炭窒化）法などを全て採用することが可能である。
【００４６】
次に実施例を挙げて本発明の構成および作用効果をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限を受けるものではなく、前後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４７】
【実施例】
実施例１の予備実験
鋼材の焼入れ性を求める為に、ジェミニー焼入性曲線を求める。表1に示す化学成分組成を有する鋼種Aを小型高周波炉にて溶製した後熱間鍛造し、φ30mmの丸棒に加工したものをジョミニー焼入性試験の供試体とした。ジョミニー焼入性試験は、JIS G 0561に従って行ない、ジョミニー焼入性曲線を作成した。
【００４８】
【表１】
また、表1に示す鋼種Aを小型高周波炉にて溶製した後、熱間鍛造にてφ80mmの丸棒に加工し、200mmの長さに切断した後、熱間鍛造にて高さ28mmの円板に据え込み加工し、900℃で焼きならし処理を行なった。これを図3（a）に示す様なリング状に機械加工したものを試験片とする。
【００５０】
次に、前記試験片の寸法・形状を近似するために等価直径（Ｄｅｑ）を算出する。該試験片を925℃で3時間、カーボンポテンシャル0.8なる条件で浸炭処理を施し、Ｈ度が0.30ｉｎ-1である232℃の塩浴で焼入れた。焼入れ後の試験片の芯部硬度（Ｈｃ）を測定し、上記ジョミニー焼入性曲線において、硬度がＨｃに相当するジョミニー位置を求めると、Ｊｅｑは11mmであった。次に、このＪｅｑ値と、図2に示したGrossmannチャートの232℃の塩浴の場合を示す直線から等価直径を求めると25mmであった。
【００５１】
実施例１
表1に示す鋼種Aを小型高周波炉にて溶製した後、図3（a）に示すリング状試験片に機械加工し、925℃で3時間、カーボンポテンシャル0.8なる条件で浸炭処理を施した。浸炭処理後、処理容器内にＨｅガスを導入し所期の圧力まで加圧する。そして、加圧されたＨｅガスを供給しつつ、試験片の芯部温度が870℃〜453℃の範囲を冷却した。Ｈｅガスの吹き付け圧力Ｐと、鋼種Ａの成分組成から導かれるＳ1値を上記（3）式を用いて算出し、表2に示す。そして、予備実験で得られた等価直径（Ｄｅｑ）と前記Ｐ値、及びＳ1値を上記（2）式に代入してＫ1値を求めた。尚、鋼種ＡのＡｒ3変態点は827℃である。
【００５２】
【表２】
熱処理による歪の発生度合いを端面の平坦度を用いて評価する。端面の平坦度は、図3（a）に示した測定位置において測定した。結果を表2に示す。尚、図3（b）は端面の平坦度の測定方法を示し、実線は浸炭焼入れ前の形状、破線は浸炭焼入れ後の形状を夫々示す。また、Ｋ1値と端面の平坦度の関係を図4に示す。表2と図4から以下の様に考察できる。
【００５４】
No.1〜3は本発明例である。試験片の成分組成が同一（Ｓ1値＝3.51）で、試験片の等価直径が同一（Ｄｅｑ＝25mm）の場合は、試験片を冷却する際に用いるＨｅガスの吹き付け圧力によって端面の平坦度が大きく変化することが分かる。つまり、試験片を焼入れする際に、該試験片の芯部温度が少なくともＡｒ3変態点〜600℃の範囲を、3〜25barの範囲内で制御したＨｅガスを用いて冷却すると、Ｋ1値が50以下となるので、熱処理歪が少なく寸法精度の高い部品を提供できることが分かる。
【００５５】
実施例２
シャフト等の軸型部品への適用を想定し、軸型試験片で実験を行う。
【００５６】
表3に示す鋼種B〜Gを小型高周波炉にて溶製した後、熱間鍛造にてφ20mmの丸棒に加工し、230mmの長さに切断した後、900℃にて焼ならし処理を行ない、図5（a）に示す軸型試験片（φ20−19ｔ）に機械加工した。これを925℃で3時間、カーボンポテンシャル0.8なる条件で浸炭処理を施した。浸炭処理後、処理容器内にＮ2ガスを導入し所期の圧力まで加圧する。そして、加圧されたＮ2ガスを供給しつつ、試験片の芯部温度が870℃〜216℃の範囲を冷却した。Ｎ2ガスの吹き付け圧力Ｐを表4に示す。また、鋼種の組成から導かれるＳ1またはＳ2値を上記（3）式または上記（5）式を用いて算出し、表4に示す。尚、軸型試験片の等価直径（Ｄｅｑ）は20mmである。
【００５７】
等価直径（Ｄｅｑ）、前記Ｐ値、Ｓ1またはＳ2値を上記（2）式または（4）式に代入してＫ1またはＫ2値を求めた。尚、各鋼種のＡｒ3変態点を表4に示した。
【００５８】
【表３】
【表４】
熱処理による歪発生の度合いを軸の曲がりで評価する。図5（a）に示した軸の曲がり測定位置において曲がりを測定し、その結果を表4に示した。尚、図5（b）は、軸の曲がり測定方法を示し、実線は浸炭焼入れ前の形状を示し、破線は浸炭焼入れ後の形態を示す。
【００６１】
Ｋ1またはＫ2値と軸の曲がりの関係を図6に示す。表4と図6から以下の様に考察できる。
【００６２】
No.9〜11，15，16，20，21，24，28は本発明例であり、No.32〜34は比較例である。
【００６３】
No.9〜11，No.15，16，No.20，21，No.24，No.28から明らかな様に、試験片の等価直径（Ｄｅｑ）と冷却時のガス圧力（Ｐ）が同じであったとしても、部品の鋼種成分（Ｓ1またはＳ2値）によって、Ｋ1またはＫ2値が大きく影響を受けることが分かる。そして、Ｋ1またはＫ2値が50以下であると、軸の曲がりが小さく、熱処理による歪の発生が少ないことが分かる。
【００６５】
また、No.32〜34を見ると、試験片の形状を同一（Ｄｅｑが20mm）とし、本発明の要件を満たすように冷却時のガス圧力を制御したとしても、部品を形成する鋼材の化学成分組成によって試験片の冷却のされやすさは大きく変化するので、Ｋ1またはＫ2値が50を超える。尚、No.32とNo.33は、ガス圧力が本発明の要件を満足しており、且つＫ1またはＫ2値も50以下であるが、これらの鋼の化学成分組成は本発明の要件を満足していない。従って、この様な鋼は、衝風冷却または放冷でも部品は十分冷却され、熱処理歪を低減することができる。よって、浸炭処理後の冷却に非酸化性のガスを加圧して用いる必要はない。
【００７０】
以上のことから、熱処理歪を低減するには、部品の形状及び冷却時に用いる非酸化性のガス圧力を考慮に入れて鋼材の成分組成を適切に調整することが重要であることが分かる。
【００７１】
【発明の効果】
上記構成を用いると、塩や油などの冷媒を用いなくとも浸炭焼入れ処理あるいは浸炭窒化焼入れ処理等の表面硬化処理による熱処理歪が少なく、寸法精度の高い肌焼き機械部品を確実に与え得る様な肌焼用鋼を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】ジョミニー焼入性曲線の一例である。
【図２】 Grossmannチャートである。
【図３】リング状試験片を示す図である。
【図４】Ｋ1値と端面の平坦度との関係を示すグラフである。
【図５】軸型試験片を示す図である。
【図６】Ｋ1またはＫ2値と軸の曲がりの関係を示すグラフである。
Claims (5)
- Ｃ ：０．０３〜０．６０％（質量％の意味。以下同じ）、
Ｓｉ：０．０５〜２．０％、
Ｍｎ：０．０５〜２．０％、
Ｃｒ：０．２０〜５％、
Ｎ ：０．００５〜０．０３０％、
を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を用いて成形された鋼部品を、該鋼部品の芯部温度がＡｒ3変態点〜６００℃の温度範囲にて、冷却媒体として非酸化性ガスを用いて焼入れする鋼部品の製造方法において、
前記鋼として、上記温度範囲を冷却する際における上記非酸化性ガスの圧力をＰとした時、下記（１）式〜（３）式の関係を満たす様に成分調整されたものを用いることを特徴とする熱処理歪の少ない鋼部品の製造方法。
３≦Ｐ≦２５ ・・・（１）
Ｋ1＝１．２×Ｓ1×Ｐ0.836／ＬｏｇＤｅｑ≦５０ ・・・（２）
Ｓ1＝４．５［Ｃ］＋［Ｍｎ］＋１．５［Ｃｒ］ ・・・（３）
式中、Ｐ：非酸化性ガスの圧力（ｂａｒ）
Ｄｅｑ：部品の等価直径（ｍｍ）
［元素］：鋼中の各元素の含有量［質量％］
を夫々表わす。 - Ｃ ：０．０３〜０．６０％、
Ｓｉ：０．０５〜２．０％、
Ｍｎ：０．０５〜２．０％、
Ｃｒ：０．２０〜５％、
Ｎ ：０．００５〜０．０３０％、
Ｍｏ：１．５％以下及び／又はＮｉ：３％以下、
を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を用いて成形された鋼部品を、該鋼部品の芯部温度がＡｒ3変態点〜６００℃の温度範囲にて、冷却媒体として非酸化性ガスを用いて焼入れする鋼部品の製造方法において、
前記鋼として、上記温度範囲を冷却する際における上記非酸化性ガスの圧力をＰとした時、下記（１）式、（４）式、（５）式の関係を満たす様に成分調整されたものを用いることを特徴とする熱処理歪の少ない鋼部品の製造方法。
３≦Ｐ≦２５ ・・・（１）
Ｋ2＝１．２×Ｓ2×Ｐ0.836／ＬｏｇＤｅｑ≦５０ ・・・（４）
Ｓ2＝４．５［Ｃ］＋［Ｍｎ］＋１．５［Ｃｒ］＋０．６［Ｍｏ］＋０．５［Ｎｉ］ ・・・（５）
式中、Ｐ：非酸化性ガスの圧力（ｂａｒ）
Ｄｅｑ：部品の等価直径（ｍｍ）
［元素］：鋼中の各元素の含有量［質量％］
を夫々表わす。 - 前記非酸化性ガスが、Ｎ2またはＨｅである請求項１または２に記載の製造方法。
- 鋼が、更に他の元素として、Ｎｂ：０．１％以下を含有するものである請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
- 鋼が、更に他の元素として、Ｚｒを０．１％以下含有する請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
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