JP5343760B2

JP5343760B2 - 調質型軟窒化部品

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Publication number: JP5343760B2
Application number: JP2009192763A
Authority: JP
Inventors: 成史西谷; 斉松本; 幹高須賀; 英介中山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-08-24
Filing date: 2009-08-24
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-08-24
Also published as: JP2011042846A

Description

本発明は、調質型軟窒化部品に関する。より詳しくは、自動車、産業機械および建設機械などに用いられるクランクシャフト、コネクティングロッドなどのように、所要の形状に鍛造および機械加工した後、焼入れ−焼戻しの調質処理を行い、その後さらに軟窒化を施して製造される、高い曲げ疲労強度と優れた曲げ矯正性を有する調質型軟窒化部品に関する。さらに詳しくは、優れた曲げ矯正性と曲げ疲労試験において８００ＭＰａ以上の高い曲げ疲労強度を有する調質型軟窒化部品に関する。

なお、「調質型軟窒化部品」とは、いわゆる「調質処理」である「焼入れ−焼戻し処理」を行った後で、軟窒化処理が施された部品を指す。なお、以下の説明においては、上記の「軟窒化処理が施された部品」を単に「軟窒化部品」と称する。

高い疲労強度や耐摩耗性が要求される自動車部品では、鍛造と機械加工の後に表面硬化処理である高周波焼入れ処理や軟窒化処理が行われるものが多い。

上記のうちで「軟窒化処理」は、Ａ₁変態点以下の温度で窒素と炭素を拡散浸透処理するものであり、熱処理温度が低い。このため、「軟窒化処理」の大きな特徴として「高周波焼入れ処理」に比べて熱処理歪が小さいことが挙げられる。軟窒化処理を施した部品の表層には、ナイタールで腐食すると白く観察される「化合物層」（Ｆｅ₃Ｎ等の窒化物が析出した層）が、また、上記の化合物層と生地（母材）の間には「拡散層」が形成される。

上述のように、軟窒化処理した場合の熱処理歪は、高周波焼入れ処理した場合に比べて小さい。しかしながら、その熱処理歪は、皆無とはならず、特に、回転軸部品であるクランクシャフトなどにおいては軽微な熱処理歪でも寸法精度が低下して問題となってしまう。したがって、軟窒化処理後に曲げ矯正を行って寸法精度を高める必要がある。

ところが、軟窒化部品に曲げ矯正を行なうと表層から亀裂が発生する場合がある。このため、クランクシャフトのような軟窒化部品には、曲げ疲労強度の高いことに加えて、曲げ矯正を行なった場合にも亀裂が生じないこと、すなわち、曲げ矯正性に優れることも要求される。なお、以下の説明においては、上記の軟窒化部品を「クランクシャフト」で代表させて説明することがある。

近年、環境に対する配慮が要求されるようになって、クランクシャフトも例外なく軽量小型化が志向され、例えば、８００ＭＰａ以上という極めて高い曲げ疲労強度が要求されるようになっている。なお、クランクシャフトに上記の８００ＭＰａ以上という曲げ疲労強度を確保させるためには、部品表面から０．０５ｍｍ位置の硬さ（以下、「表層硬さ」ということがある。）を軟窒化処理後に少なくともビッカース硬さ（以下、「ＨＶ硬さ」という。）で４００以上とする必要がある。

しかしながら、クランクシャフトの表面から０．０５ｍｍ位置のＨＶ硬さを４００以上とした場合には、曲げ矯正を行なうと表層に亀裂が発生し、曲げ矯正を行った後に曲げ疲労試験を実施すると、その亀裂を起点として疲労破壊が生じる。

このため、８００ＭＰａ以上という曲げ疲労強度に加えて十分な曲げ矯正性を有するクランクシャフトに対する要望が極めて大きくなっている。

前記した要望に応えるべく、例えば、特許文献１に、質量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．２５〜１．０％、Ｓ：０．０３〜０．２％、Ｃｒ：０．２％以下、ｓ−Ａｌ：０．０４５％以下、Ｔｉ：０．００２〜０．０１０％、Ｎ：０．００５〜０．０２５％およびＯ：０．００１〜０．００５％を含有し、必要に応じてさらに、Ｐｂ：０．０１〜０．４０％、Ｃａ：０．０００５〜０．００５０％およびＢｉ：０．００５〜０．４０％のうちの１種または２種以上を含有し、かつ０．１２×Ｔｉ％＜Ｏ％＜２．５×Ｔｉ％および０．０４×Ｎ％＜Ｏ％＜０．７×Ｎ％の条件を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、熱間鍛造後の組織がフェライトとパーライトの混合組織であることを特徴とする軟窒化用非調質鋼が開示されている。

特許文献２には、表面に窒化処理または軟窒化処理が施された鋼よりなる、ピン部およびジャーナル部を有するクランクシャフトであって、前記鋼が合金成分として、Ｃ：０．０７質量％以上０．１２質量％以下、Ｓｉ：０．０５質量％以上０．２５質量％以下、Ｍｎ：０．１質量％以上０．５質量％以下、Ｃｕ：０．８質量％以上１．５質量％以下、Ｎｉ：２．４質量％以上４．５質量％以下、Ａｌ：０．８質量％以上１．５質量％以下、Ｔｉ：０．５質量％以上１．５質量％以下を含有し、必要に応じてさらに、Ｓ：０．０１質量％以上０．１０質量％、Ｃａ：０．００１０質量％以上０．００５０質量％のうちの１種または２種を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、かつ、窒化処理の影響を受けていない中心部から採片した鋼試料を１２００℃にて１時間溶体化した後、９００℃以上３００℃以下までの温度範囲を０．３℃／秒以上１．５℃／秒以下に設定される適当な冷却速度にて冷却することにより、鋼組織に占めるベイナイトの比率を８０％以上、ＨＶ硬さを２００以上３００以下とすることができ、前記窒化処理又は軟窒化処理が施された前記ピン部および前記ジャーナル部の内部硬さがＨＶ硬さで３５０以上５００以下であり、かつ表面から０．０５ｍｍの位置におけるＨＶ硬さが６５０以上９５０以下であることを特徴とするクランクシャフトが開示されている。

特開２００２−２２６９３９号公報特開２００７−１７７３０９号公報

前述の特許文献１で開示された技術の成分では、十分な表層硬さが得られない。このため、特許文献１の実施例に示されているように、曲げ疲労強度が低く、８００ＭＰａに達していない。

特許文献２で開示された技術の成分では、その実施例に示されているように軟窒化処理後の表層硬さが高くなりすぎる。このため、曲げ矯正処理を実施した際に十分な曲げ矯正性を有しているとはいえなかった。

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、優れた曲げ矯正性を有し、かつ曲げ疲労試験において８００ＭＰａ以上の高い曲げ疲労強度を有する調質型軟窒化部品を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記した課題を解決するために、種々の検討を行った。その結果、下記の１）〜８）の事項が明らかになった。

１）軟窒化処理した鋼材の表層から薄板試験片を採取して引張試験を行ったところ、化合物層を除去した試験片では化合物層を除去しない試験片に比べ、引張試験の伸びが大幅に向上する。

２）引張試験後の薄板試験片の破面を観察した結果、化合物層を除去していない試験片の破面は化合物層が脆性破壊して割れの起点となっているのに対して、化合物層を除去した試験片の場合には延性破面となっている。

３）軟窒化処理した鋼材の表層の化合物層を除去することにより、曲げ矯正時の破壊形態が化合物層を起点とした脆性破壊から延性破壊へと変化し、このため軟窒化部品の曲げ矯正性を改善することができる。

４）軟窒化処理後の表面から０．０５ｍｍ位置のＨＶ硬さを４００以上としても、軟窒化部品の表層の化合物層を除去すれば、実用上十分な曲げ矯正性を得ることができる。

５）但し、軟窒化部品の表面から０．０５ｍｍ位置の硬さが過剰に高くなり、ＨＶ硬さで６００以上となった場合には、たとえ化合物層を除去しても実用上十分な曲げ矯正性を得ることができない。

６）また調質処理により母材自体の靱性を高めることで、非調質鋼に比べ調質鋼は良好な曲げ矯正性を得ることができる。

７）一方、曲げ疲労強度に関しては、化合物層除去前後でもほとんど変化がなく、表面から０．０５ｍｍ位置のＨＶ硬さが４００以上であれば、８００ＭＰａ以上の高い曲げ疲労強度も同時に得ることができる。

８）Ｃｒを含有する鋼材に軟窒化処理を施すと表層硬さを過度に高めてしまう。このため、曲げ矯正性確保という観点から、従来は軟窒化部品の素材に対して積極的にＣｒを含有させることは行われてこなかった。しかしながら、表層のＨＶ硬さが４００〜６００の場合には、化合物層を除去することによって十分な曲げ矯正性を確保することができ、しかも、積極的にＣｒを含有させることで、８００ＭＰａ以上という曲げ疲労強度を確保させるのに必要なＨＶ硬さである４００〜６００という表層硬さを容易に確保することができる。このため、軟窒化部品の素材に対して適正量のＣｒを積極的に含有させることは極めて有効である。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記（１）〜（４）に示す調質型軟窒化部品にある。

（１）生地の鋼材が、質量％で、Ｃ：０．２５〜０．４０％、Ｓｉ：０．１０〜０．３５％、Ｍｎ：０．６０〜１．０％、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．１０％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｃｒ：０．３０〜１．１０％およびＮ：０．００３０〜０．０２５０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる調質型軟窒化部品であって、表面から０．０５ｍｍ位置のＨＶ硬さが４００〜６００であり、かつ応力集中部の化合物層深さが５μｍ以下であることを特徴とする調質型軟窒化部品。

（２）生地の鋼材が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：０．３％以下およびＶ：０．３％以下のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）に記載の調質型軟窒化部品。

（３）生地の鋼材が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｉ：０．５％以下およびＴｉ：０．０２０％以下うちの１種または２種を含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の調質型軟窒化部品。

（４）生地の鋼材が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃａ：０．０１０％以下を含有することを特徴とする上記（１）から（３）までのいずれかに記載の調質型軟窒化部品。

「調質型軟窒化部品」とは、いわゆる「調質処理」である「焼入れ−焼戻し処理」を行った後で、軟窒化処理が施された軟窒化部品を指す。

また、残部としての「Ｆｅおよび不純物」における「不純物」とは、鉄鋼材料を工業的に製造する際に、原料としての鉱石やスクラップあるいは環境などから混入するものを指す。

さらに、「応力集中部」とは、例えば、図１に示す形状のクランクシャフトである場合、「ピンフィレット」あるいは「ジャーナルフィレット」を指す。

本発明の調質型軟窒化部品は、軟窒化処理後の曲げ矯正性に優れ、しかも、曲げ疲労試験において８００ＭＰａ以上の高い曲げ疲労強度を有するので、自動車、産業機械および建設機械などの部品、例えば、クランクシャフトとして用いることができ、軽量小型化に対処することが可能である。

調質型軟窒化部品としてクランクシャフトの一部を例示し、その「応力集中部」となる「ピンフィレット」および「ジャーナルフィレット」を説明する図である。実施例で用いた溝付き小野式回転曲げ疲労試験片の形状を示す図である。図における寸法の単位は「ｍｍ」である。実施例で用いた４点曲げ試験片の形状を示す図である。図における寸法の単位は「ｍｍ」である。

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」は「質量％」を意味する。

（Ａ）生地の鋼材の化学組成について：
Ｃ：０．２５〜０．４０％
Ｃは、曲げ疲労強度を高める作用を有する。所望の曲げ疲労強度を得るためには、０．２５％以上のＣを含有する必要がある。しかしながら、Ｃの含有量が多くなりすぎると、表層硬さがあまりにも大きくなって、化合物層を除去した状態であっても十分な曲げ矯正性を得ることができない。このため、Ｃの含有量を０．２５〜０．４０％とした。なお、Ｃの含有量は０．３０％以上とすることが好ましい。

Ｓｉ：０．１０〜０．３５％
Ｓｉは、溶製時の脱酸用として必要な元素であり、かかる効果を得るためには少なくとも０．１０％の含有量とする必要がある。しかしながら、Ｓｉの含有量が多くなりすぎると、化合物層を除去した状態であっても曲げ矯正性の過度な低下を招く。このため、Ｓｉの含有量を０．１０〜０．３５％とした。なお、Ｓｉの含有量は０．１５％以上とすることが好ましく、また、０．２５％以下とすることが好ましい。

Ｍｎ：０．６０％〜１．０％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用を有する元素である。Ｍｎには、軟窒化時に表層の固溶窒素量を増加させて曲げ疲労強度を高める作用もある。このような効果を発揮させるためには、０．６０％以上の量のＭｎを含有させる必要がある。一方、Ｍｎの含有量が１．０％を超えると、表層硬さが過剰に高くなって、化合物層を除去した状態であっても曲げ矯正性が過度に低下する。したがって、Ｍｎの含有量は０．６０〜１．０％とした。なお、Ｍｎの含有量は０．７０％以上とすることが好ましい。

Ｐ：０．０８％以下
Ｐは、曲げ疲労強度を低下させてしまう。特に、その含有量が０．０８％を超えると、曲げ疲労強度の低下が著しくなる。したがって、Ｐの含有量を０．０８％以下とした。なお、Ｐの含有量は０．０４％以下とすることが好ましい。

Ｓ：０．１０％以下
Ｓの含有量が０．１０％を超えると、曲げ疲労強度と曲げ矯正性の著しい低下をきたす。したがって、Ｓの含有量を０．１０％以下した。Ｓの含有量は０．０８％以下とすることが好ましい。

なお、Ｓを含有させると被削性向上効果が得られる。したがって、良好な被削性が要求される場合には、０．０２％以上のＳを含有させることが好ましい。

Ａｌ：０．０５％以下
Ａｌの含有量が多くなると、曲げ矯正性の低下をきたす。特に、その含有量が０．０５％を超えると、化合物層を除去した状態であっても曲げ矯正性の低下が著しくなる。したがって、Ａｌの含有量を０．０５％以下とした。なお、Ａｌの含有量は０．０４％以下とすることが好ましい。

Ｃｒ：０．３０〜１．１０％
Ｃｒは、曲げ疲労強度を高める作用を有する元素であり、かかる効果を得るためには０．３０％以上の量を含有させる必要がある。しかしながら、Ｃｒの含有量が１．１０％を超えると、化合物層を除去した状態であっても曲げ矯正性が著しく低下する。このため、Ｃｒの含有量を０．３０〜１．１０％とした。

Ｎ：０．００３０〜０．０２５０％
Ｎは、曲げ疲労強度および曲げ矯正性を向上させる元素である。このような効果を得るためには、０．００３０％以上の量のＮを含有させる必要がある。一方、Ｎを０．０２５０％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の含有量は０．００３０％〜０．０２５０％とした。なお、Ｎの含有量は０．００４０％以上とすることが好ましく、また、０．０２２０％以下とすることが好ましい。

本発明の調質型軟窒化部品の生地の鋼材の一つは、上記元素のほか、残部がＦｅおよび不純物からなるものである。

本発明の調質型軟窒化部品の生地の鋼材の別の一つは、Ｆｅの一部に代えて、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ，ＴｉおよびＣａのうちから選んだ１種以上の元素を含有するものである。

以下、任意元素である上記Ｃｕ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ，ＴｉおよびＣａの作用効果と、含有量の限定理由について説明する。

Ｃｕ、ＭｏおよびＶは、曲げ疲労強度を高める作用を有するので、この効果を得るために上記の元素を含有させてもよい。以下、このことについて詳しく説明する。

Ｃｕ：１．０％以下
Ｃｕは、曲げ疲労強度を向上させる元素である。したがって、曲げ疲労強度向上のためにＣｕを含有してもよい。しかしながら、Ｃｕの含有量が１．０％を超えると、熱間加工性の低下をきたす。したがって、Ｃｕを含有させる場合、その含有量を１．０％以下とした。なお、Ｃｕの含有量は０．４％以下とすることが好ましく、０．３％以下とすれば一層好ましい。

一方、前記したＣｕの曲げ疲労強度向上効果を確実に得るためには、Ｃｕの含有量は、０．０５％以上とすることが好ましく、０．１％以上とすれば一層好ましい。

Ｍｏ：０．３％以下
Ｍｏは、フェライトを強化し、曲げ疲労強度を向上させる作用を有する。したがって、曲げ疲労強度向上のためにＭｏを含有してもよい。しかしながら、０．３％を超える量のＭｏを含有させても上記の効果が飽和して、経済性が損なわれるばかりである。したがって、Ｍｏを含有させる場合、その含有量を０．３％以下とした。なお、Ｍｏの含有量は０．２％以下とすることが好ましい。

一方、前記したＭｏの曲げ疲労強度向上効果を確実に得るためには、Ｍｏの含有量は０．０５％以上とすることが好ましく、０．１％以上とすれば一層好ましい。

Ｖ：０．３％以下
Ｖは、曲げ疲労強度を向上させる元素である。したがって、曲げ疲労強度向上のためにＶを含有してもよい。しかしながら、Ｖの含有量が０．３％を超えると、化合物層を除去した状態であっても曲げ矯正性が著しく低下する。したがって、Ｖを含有させる場合、その含有量を０．３％以下とした。なお、Ｖの含有量は０．２％以下とすることが好ましい。

一方、前記したＶの曲げ疲労強度向上効果を確実に得るためには、Ｖの含有量は０．０５％以上とすることが好ましく、０．１０％以上とすれば一層好ましい。

なお、上記のＣｕ、ＭｏおよびＶは、そのうちのいずれか１種のみ、または２種以上の複合で含有させることができる。なお、これらの元素の合計含有量は１．６％であっても構わないが、０．６０％以下とすることが好ましい。

ＮｉよびＴｉは、曲げ矯正性を向上させる作用を有するので、この効果を得るために上記の元素を含有させてもよい。以下、このことについて詳しく説明する。

Ｎｉ：０．５％以下
Ｎｉは、靱性を向上し、曲げ矯正性を向上させる元素である。したがって、曲げ矯正性向上のためにＮｉを含有してもよい。しかしながら、０．５％を超える量のＮｉを含有させても上記の効果が飽和して、経済性が損なわれるばかりである。したがって、Ｎｉを含有させる場合、その含有量を０．５％以下とした。なお、Ｎｉの含有量は０．３％以下とすることが好ましく、０．２％以下とすれば一層好ましい。

一方、前記したＮｉの曲げ矯正性向上効果を確実に得るためには、Ｎｉの含有量は０．０５％以上とすることが好ましく、０．０８％以上とすれば一層好ましい。

なお、Ｃｕを含有させる場合には、「Ｃｕチェッキング」と称される熱間割れが生じやすいので、これを防止するために、Ｎｉ／Ｃｕ≧０．５を満足するようにＮｉを複合して含有させることが好ましい。

Ｔｉ：０．０２０％以下
Ｔｉは、窒化物を形成し、結晶粒を微細化して曲げ矯正時にクラックを進展させにくくすることで曲げ矯正性を向上させる元素である。したがって、曲げ矯正性向上のためにＴｉを含有してもよい。しかしながら、Ｔｉの含有量が０．０２０％を超えると、窒化物が粗大になり、逆に化合物層を除去した状態であっても曲げ矯正性が著しく低下する。したがって、Ｔｉを含有させる場合、その含有量を０．０２０％以下とした。なお、Ｔｉの含有量は０．０１５％以下とすることが好ましい。

一方、前記したＴｉの曲げ矯正性向上効果を確実に得るためには、Ｔｉの含有量は０．００５％以上とすることが好ましい。

なお、上記のＮｉおよびＴｉは、そのうちのいずれか１種のみ、または２種の複合で含有させることができる。なお、これらの元素の合計含有量は０．５２０％であっても構わないが、０．３０％以下とすることが好ましい。

Ｃａ：０．０１０％以下
Ｃａは、被削性を向上させる効果を有する。したがって、被削性向上のためにＣａを含有してもよい。しかしながら、Ｃａの含有量が０．０１０％を超えると、大型介在物の混入が避けられず曲げ疲労強度が低下する。したがって、Ｃａを含有させる場合、その含有量を０．０１０％以下とした。なお、Ｃａの含有量は０．００５％以下とすることが好ましい。

一方、前記したＣａの被削性向上効果を確実に得るためには、Ｃａの含有量は０．０００３％以上とすることが好ましく、０．０００５％以上とすれば一層好ましい。

（Ｂ）表面から０．０５ｍｍ位置の硬さ：
生地の鋼材が前記（Ａ）項で述べた元素からなる調質型軟窒化部品は、表面から０．０５ｍｍ位置のＨＶ硬さが４００〜６００でなければならない。

調質型軟窒化部品の表面から０．０５ｍｍ位置、すなわち表層のＨＶ硬さが４００以上であれば、化合物層除去後も８００ＭＰａ以上の高い曲げ疲労強度を得ることができる。しかしながら、表層のＨＶ硬さが６００を超える場合には、化合物層を除去しても、実用上十分な曲げ矯正性を得ることができない。

したがって、本発明に係る調質型軟窒化部品は、表面から０．０５ｍｍ位置のＨＶ硬さが４００〜６００であることとした。なお、表面から０．０５ｍｍ位置のＨＶ硬さは４１０以上であることが好ましく、また、５５０以下であることが好ましい。

（Ｃ）応力集中部の化合物層深さ：
生地の鋼材が前記（Ａ）項で述べた元素からなる調質型軟窒化部品は、さらに、その応力集中部の化合物層深さが５μｍ以下でなければならない。

応力集中部における化合物層を除去することで、曲げ疲労強度を低下させることなく、曲げ矯正性を改善することができるが、深さ５μｍを超える化合物層が残っておれば曲げ矯正性の大きな改善が期待できない。

したがって、本発明に係る調質型軟窒化部品は、応力集中部の化合物層深さが５μｍ以下であることとした。なお、応力集中部の化合物層深さは４μｍ以下であることが好ましく、化合物層が完全に除去されていること、つまり、化合物層深さが０μｍであることが最も好ましい。

なお、例えば、本発明で規定する化学組成条件を満たした素材の熱間鍛造品に調質処理を実施し、機械加工を行った後にＲＸガスとアンモニアガスを１：１に混合した温度が６００℃の雰囲気中で２時間保持して軟窒化処理し、その後９０℃の油中に冷却する。その後、応力集中部をラッピング等の機械加工によって研磨することで、その表面から０．０５ｍｍ位置のＨＶ硬さを４００〜６００とし、さらに、応力集中部の化合物層深さを５μｍ以下とすることができる。なお、上記の「ＲＸガス」は変性ガスの１種で、ガスの商標名である。

より具体的に、調質型軟窒化部品の一例として「クランクシャフト」を挙げれば、例えば、本発明で規定する化学組成条件を満たした素材を熱間鍛造して作製されたクランクシャフトに調質処理を実施し、機械加工を実施した後にＲＸガスとアンモニアガスを１：１に混合した温度が６００℃の雰囲気中で２時間保持して軟窒化処理し、その後９０℃の油中に冷却する。その後、ピンフィレットおよびジャーナルフィレット部をラッピング等の機械加工によって研磨することによって、その表面から０．０５ｍｍ位置のＨＶ硬さを４００〜６００とし、さらに、応力集中部であるピンフィレット、ジャーナルフィレットの化合物層深さを５μｍ以下とすることができる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。

表１に示す化学組成を有する鋼Ａ〜Ｔを７０トン転炉で溶製した後、熱間鍛造して直径９０ｍｍの棒鋼に加工した。

なお、表１中の鋼Ａ〜Ｏは、化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例の鋼であり、一方、鋼Ｐ〜Ｔは、化学組成が本発明で規定する条件から外れた比較例の鋼である。

このようにして得た直径９０ｍｍの棒鋼を、１２００℃に加熱し、１０００〜１０５０℃の仕上温度で熱間鍛造して、直径５０ｍｍの棒鋼を作製した。

次いで、上記の直径５０ｍｍの棒鋼に対して、さらに表２に示す条件で焼入れ−焼戻し処理を施した。なお、「焼入れ」は温度９０℃の油中に冷却して行い、また、「焼戻し」における冷却は大気中での放冷とした。

焼入れ−焼戻し処理した直径５０ｍｍの各棒鋼のＲ／２部（「Ｒ」は棒鋼の半径を表す。）から、鍛錬軸に平行に図２に示す形状の溝付き小野式回転曲げ疲労試験片および図３に示す形状の４点曲げ試験片を切り出した。図２の試験片においては３Ｒの溝底が応力集中部となる。同様に、図３の試験片においては３Ｒのノッチ底が応力集中部となる。なお、図２および図３に示した前述の各試験片における寸法の単位は全て「ｍｍ」である。

上記のようにして得た溝付き小野式回転曲げ疲労試験片および４点曲げ試験片をＲＸガスとアンモニアガスを１：１に混合した温度が６００℃の雰囲気中で２時間保持して軟窒化処理し、その後９０℃の油中に冷却した。なお、既に述べたように、上記の「ＲＸガス」は変性ガスの１種で、ガスの商標名である。

試験番号１〜１５および試験番号３１〜３５については、上記の軟窒化処理後さらに、溝付き小野式回転曲げ疲労試験片の溝底および４点曲げ試験片のノッチ底について、目標研磨深さを０．０３ｍｍとして、下記の条件で電解研磨した。

・電解液：過塩素酸（ＨＣｌＯ₄）：酢酸（ＣＨ₃ＣＯＯＨ）＝１：９、
・電流値：０．１４Ａ、
・研磨面積：小野式回転曲げ疲労試験片の場合：１６０ｍｍ²、
４点曲げ試験片の場合：９６ｍｍ²、
・研磨時間：小野式回転曲げ疲労試験片の場合：９７０秒、
４点曲げ試験片の場合：５９０秒。

上記のようにして得た軟窒化処理ままの試験片および軟窒化処理後さらに電解研磨した試験片を用いて、小野式回転曲げ疲労試験による曲げ疲労強度の調査および４点曲げ試験による曲げ矯正性の調査を行った。

また、軟窒化処理ままあるいは軟窒化処理後さらに電解研磨した小野式回転曲げ疲労試験片および４点曲げ試験片を用いて、表層硬さ（つまり、試験片の表面から０．０５ｍｍ位置の硬さ）およびノッチ底の化合物層深さを調査した。

以下、上記各調査の内容について説明する。

〈１〉曲げ疲労強度の調査：
小野式回転曲げ疲労試験を、室温、大気中、回転数３０００ｒｐｍの両振りの条件で行い、曲げ疲労強度（以下、「σｗ」ともいう。）を調査した。

なお、σｗが８００ＭＰａ以上であることを目標とした。

〈２〉曲げ矯正性の調査：
４点曲げ試験片のノッチ底に２ｍｍの歪ゲージを接着し、ゲージが断線するまで曲げ矯正歪を付与した。ゲージが断線した時点でのゲージの読みを曲げ矯正性として評価した。なお、曲げ矯正性の目標は、ゲージの読みが１００００μ（曲げ矯正歪１．０％に相当）以上であることとした。

〈３〉表層硬さ：
小野式回転曲げ疲労試験片の３Ｒの溝底縦断部位および４点曲げ試験片の３Ｒのノッチ底縦断部位が被検面になるようにして樹脂に埋め込んだ後、前記の面が鏡面仕上げになるように研磨し、ビッカース硬度計を使用して表面硬さを調査した。

具体的には、ＪＩＳＺ２２４４に記載の「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠して、３Ｒの溝底および３Ｒのノッチ底から０．０５ｍｍの位置における任意の６点でのＨＶ硬さを、試験力を２．９４Ｎとしてビッカース硬度計で測定し、その値を算術平均して表面硬さを評価した。

〈４〉化合物層深さ：
前記〈３〉で用いた樹脂埋めした試験片を使用して、化合物層深さの調査を行った。

具体的には、上記の樹脂埋めした試験片を再度研磨し、ナイタールで腐食し、４００倍の倍率で光学顕微鏡によって３Ｒの溝底および３Ｒのノッチ底を任意に５視野観察して、白く観察される部分を「化合物層」とし、それらの深さを測定し、算術平均して化合物層深さとした。

表３に、上記の各調査結果をまとめて示す。

表３から、生地の鋼材が本発明で規定する化学組成条件を満たし、しかも、表面から０．０５ｍｍ位置の硬さである表層硬さおよび応力集中部である小野式回転曲げ疲労試験片の３Ｒの溝底および４点曲げ試験片の３Ｒノッチ底の化合物層深さが本発明で規定する条件を満たす試験番号１〜１５の場合、σｗおよび曲げ矯正性の目標を満足しており、曲げ疲労強度および曲げ矯正性に優れていることが明らかである。

これに対して、試験番号１６〜３０の場合は、生地の鋼材は本発明で規定する化学組成条件を満たしているものの、小野式回転曲げ疲労試験片の３Ｒの溝底および４点曲げ試験片の３Ｒノッチ底の化合物層深さがいずれも本発明で規定する条件から外れている。このため、曲げ矯正性がゲージの読みで１００００μ以上という目標に達しておらず、曲げ矯正性に劣っている。

また、試験番号３１〜３５の場合は、鋼Ｐ〜Ｔの化学組成が本発明で規定する条件から外れているので、曲げ疲労強度あるいは曲げ矯正性に劣っている。

すなわち、試験番号３１の場合は、生地の鋼材である鋼ＰのＣ含有量が本発明で規定する範囲を下回り、このため、表面から０．０５ｍｍ位置の硬さである小野式回転曲げ疲労試験片の表層硬さもＨＶ硬さで３４０と低く本発明で規定する範囲を下回っているので、σｗが８００ＭＰａ以上という目標に達しておらず、曲げ疲労強度に劣っている。

試験番号３２の場合は、生地の鋼材である鋼ＱのＭｎ含有量が本発明で規定する範囲を上回り、このため、表面から０．０５ｍｍ位置の硬さである４点曲げ試験片の表層硬さもＨＶ硬さで６３０と高く本発明で規定する範囲を上回っているので、化合物層深さは４μｍと小さく本発明の規定を満たしているにも拘わらず、曲げ矯正性がゲージの読みで１００００μ以上という目標に達しておらず、曲げ矯正性に劣っている。

試験番号３３の場合は、生地の鋼材である鋼ＲのＣｒ含有量が本発明で規定する範囲を上回り、このため、表面から０．０５ｍｍ位置の硬さである４点曲げ試験片の表層硬さもＨＶ硬さで６１５と高く本発明で規定する範囲を上回っているので、化合物層深さは２μｍと小さく本発明の規定を満たしているにも拘わらず、曲げ矯正性がゲージの読みで１００００μ以上という目標に達しておらず、曲げ矯正性に劣っている。

試験番号３４の場合は、生地の鋼材である鋼ＳのＶ含有量が本発明で規定する範囲を上回り、このため、表面から０．０５ｍｍ位置の硬さである４点曲げ試験片の表層硬さもＨＶ硬さで６４０と高く本発明で規定する範囲を上回っているので、化合物層深さは３μｍと小さく本発明の規定を満たしているにも拘わらず、曲げ矯正性がゲージの読みで１００００μ以上という目標に達しておらず、曲げ矯正性に劣っている。

試験番号３５の場合は、生地の鋼材である鋼ＴのＭｎ含有量が本発明で規定する範囲を下回り、このため、表面から０．０５ｍｍ位置の硬さである小野式回転曲げ試験片の表層硬さもＨＶ硬さで３７５と低く本発明で規定する範囲を下回っているので、σｗが８００ＭＰａ以上という目標に達しておらず、曲げ疲労強度に劣っている。

Claims

生地の鋼材が、質量％で、Ｃ：０．２５〜０．４０％、Ｓｉ：０．１０〜０．３５％、Ｍｎ：０．６０〜１．０％、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．１０％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｃｒ：０．３０〜１．１０％およびＮ：０．００３０〜０．０２５０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる調質型軟窒化部品であって、表面から０．０５ｍｍ位置のＨＶ硬さが４００〜６００であり、かつ応力集中部の化合物層深さが５μｍ以下であることを特徴とする調質型軟窒化部品。
生地の鋼材が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下、Ｍｏ：０．３％以下およびＶ：０．３％以下のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の調質型軟窒化部品。
生地の鋼材が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｉ：０．５％以下およびＴｉ：０．０２０％以下うちの１種または２種を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の調質型軟窒化部品。
生地の鋼材が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃａ：０．０１０％以下を含有することを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の調質型軟窒化部品。