JP5632659B2 - 熱処理歪みの少ない肌焼鋼 - Google Patents
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Description
本発明は、自動車用無段変速機（ＣＶＴ）のプーリーや軸付き歯車など、浸炭処理や浸炭窒化処理等の表面硬化処理を施して使用される部品の素材となる肌焼鋼に関するものであり、特に表面硬化処理後の焼入れ時における熱処理歪みの少ない肌焼鋼に関するものである。
自動車用無段変速機（ＣＶＴ）のプーリーや軸付き歯車等の機械構造用部品は、鍛造等の加工を施した後、切削加工を施すことによって最終形状に仕上げられるのが一般的である。この切削加工に要するコストは製作費に占める割合が大きいことから、上記機械構造部品を構成する鋼材は被削性が良好であることが要求される。
上記のような機械構造用部品では、最終形状にされた後、浸炭や浸炭窒化処理等の表面硬化処理を施され、その後焼入れ（通常油焼き入れ）−焼戻しや高周波焼入れ等がされて所定の強度が確保されるのであるが、こうした機械構造用部品では疲労強度に優れている必要がある。
疲労強度に優れている機械構造用部品を得るための肌焼鋼（若しくは軸受鋼）としては、特許文献１、２のような技術も提案されている。これらの技術のように、化学成分組成を適切に調整することによって鋼材の疲労強度を向上させた例があるが、表面硬化処理後の焼入れ時に発生する歪み（熱処理歪み）の問題については示唆されていない。また、自動車用無段変速機（ＣＶＴ）のプーリー（以下、「ＣＶＴプーリー」と呼ぶことがある）や軸付き歯車の部品は、高い加工精度が要求される部品であるが、フランジ部（若しくはフランジ部に相当する部分）で特に熱処理歪みが大きくなる傾向があり、熱処理歪みを低減できる鋼材が要望されている。
機械構造用部品の製造プロセスでは、最終形状にされた後、浸炭や浸炭窒化処理等の表面硬化処理を行い、再度研磨加工するのが一般的である。上記のような熱処理歪みの発生が大きくなると、研磨加工だけでは修正しきれず、部品の寸法精度が悪くなることがあり、最悪の場合には製品としての価値が無くなってしまうことがある。
熱処理歪みを低減する技術として、例えば特許文献３のような技術も提案されている。この技術では、化学成分組成を適切に調整することによって、表面硬化処理時の異常粒成長を防止し、熱処理歪みを小さくすると共に、高強度・高靭性を達成するものである。この技術は、化学成分組成を適切に調整することによって、ＮｂＣやＴｉＣの粒子を鋼材中に分散させ、１１５０℃以上の高温の表面硬化処理においても、結晶粒の異常粒成長を防止して、異常粒の発生に伴う熱処理歪みの増大（悪化）を防止するものである。しかしながら、この技術では結晶粒の異常粒成長が問題となる高温での熱処理歪み低減に有効であるが、異常粒成長が問題とならない一般的な表面硬化処理（例えば、ガス浸炭焼入れは約９００〜９５０℃）において、熱処理歪みの低減効果は期待できない。
本発明は前記のような事情に着目してなされたものであって、その目的は、浸炭や浸炭窒化処理等の表面硬化処理後の焼入れ（以下、「浸炭焼入れ」で代表することがある）を行っても、熱処理歪みを小さくすることができ、ＣＶＴプーリーや軸付き歯車等の機械構造用部品の素材として有用な肌焼鋼を提供することにある。
上記目的を達成することのできた本発明の肌焼鋼とは、Ｃ：０．２〜０．３％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：０．６％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：０．９５〜２．２％、Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：０．１〜１．８％、Ａｌ：０．０６％以下（０％を含まない）、Ｎ：０．０２％以下（０％を含まない）およびＯ：０．００３％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、且つ下記（１）式で表される変態開始温度Ｔ（℃）が５４０℃以下であると共に、下記（２）式で表される変態開始時間ｔ（秒）が１５秒以上である点に要旨を有するものである。
Ｔ（℃）＝−１６３×［Ｃ］＋４３．１×［Ｓｉ］−５５．２×［Ｍｎ］＋３２．６×［Ｃｕ］−３０．０×［Ｎｉ］−４７．８×［Ｃｒ］＋１０４×［Ｍｏ］＋４１２×［Ｖ］＋６７７ …（１）
ｔ（秒）＝４０．４×［Ｃ］＋１．３１×［Ｓｉ］＋１８．７×［Ｍｎ］＋８．３７×［Ｃｕ］＋５．３３×［Ｎｉ］＋５．５７×［Ｃｒ］＋１１．８×［Ｍｏ］−５１．１×［Ｖ］−１７．８ …（２）
但し、［Ｃ］，［Ｓｉ］，［Ｍｎ］，［Ｃｕ］，［Ｎｉ］，［Ｃｒ］，［Ｍｏ］および［Ｖ］は、夫々Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，ＭｏおよびＶの含有量（質量％）を示す。
Ｔ（℃）＝−１６３×［Ｃ］＋４３．１×［Ｓｉ］−５５．２×［Ｍｎ］＋３２．６×［Ｃｕ］−３０．０×［Ｎｉ］−４７．８×［Ｃｒ］＋１０４×［Ｍｏ］＋４１２×［Ｖ］＋６７７ …（１）
ｔ（秒）＝４０．４×［Ｃ］＋１．３１×［Ｓｉ］＋１８．７×［Ｍｎ］＋８．３７×［Ｃｕ］＋５．３３×［Ｎｉ］＋５．５７×［Ｃｒ］＋１１．８×［Ｍｏ］−５１．１×［Ｖ］−１７．８ …（２）
但し、［Ｃ］，［Ｓｉ］，［Ｍｎ］，［Ｃｕ］，［Ｎｉ］，［Ｃｒ］，［Ｍｏ］および［Ｖ］は、夫々Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，ＭｏおよびＶの含有量（質量％）を示す。
本発明の肌焼鋼においては、必要によって、更に（ａ）Ｃｕ：０．３％以下（０％を含まない）、（ｂ）Ｎｉ：０．２５％以下（０％を含まない）、（ｃ）Ｍｏ：０．１５％未満（０％を含まない）、（ｄ）Ｖ：０．３０％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．０８％以下（０％を含まない）およびＴｉ：０．０８％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、（ｅ）Ｂ：０．００５％以下（０％を含まない）等を含有することも有効であり、含有される元素の種類に応じて鋼材の特性が更に改善される。
本発明によれば、化学成分組成を調整すると共に、各元素の関係式で表される変態開始温度Ｔ（℃）および変態開始時間ｔ（秒）を適切に制御することによって、熱処理歪みを極めて小さくした肌焼鋼が実現でき、このような肌焼鋼は、ＣＶＴプーリーや軸付き歯車等の機械構造用部品の素材として極めて有用である。
本発明者らは、熱処理歪みの小さい肌焼鋼を実現するべく、様々な角度から検討した。そして、まず次のような知見が得られた。ＣＶＴプーリーや軸付き歯車で、浸炭焼入れ後に熱処理歪みが発生する大きな原因としては、フランジ部の表面側・裏面側の夫々で、冷却速度が大きく異なることが分かった。
ＣＶＴプーリーでは、シーブに相当する面（フランジ部の表面側）を下方（下面）にして冷却されるが、このフランジ部の下面は、冷却媒体（焼入れ油）が対流や焼入れ層下部からの攪拌によって冷却されやすく、冷却速度が速くなっている。逆に、フランジ部の裏面側（上面）は、冷却媒体（焼入れ油）による抜熱が比較的少なく冷却速度が遅くなる。
本発明者らが検討したところでは、冷却開始約１５秒後で下面と上面の温度差は１００〜１５０℃にもなることが判明した。この温度差が、熱処理歪みの発生に大きく影響を及ぼしていると考えられた。そして、更に検討を重ねたところ、冷却速度の遅い上面では下面よりも先にベイナイト変態（若しくはパーライト変態）が起こり易く、また変態の起こり易い鋼材ほど熱処理歪み（フランジ部の反り量）が大きくなっていることが分かった。
こうした現象が生じる理由については、次のように考えることができた。即ち、変態が起こると結晶構造の変化に伴い体積膨張するが、上・下面で変態膨張量の差が生じるためにその差が熱処理歪みとして焼入れ後も残存するからであると推測される。このことから、熱処理歪みを少なくするための鋼材としては変態を開始するまでの時間をできるだけ遅くすると共に、変態を開始する温度をできるだけ低くすれば良いとの着想が得られた。
浸炭熱処理後の焼入れ時に部品に発生する熱処理歪みに及ぼす因子としては、鋼材のベイナイト生成（変態開始）の他、部品形状や焼入れ時の冷却速度等も考えられるが、本発明者らは、これらのうち特に鋼材のベイナイト生成に着目した。即ち、焼入れ時に早期にベイナイト生成が発生すると、オーステナイト相からベイナイト相に変態に伴う膨張に起因して、熱処理歪みが顕著に生じると考えられた。
どのような機械構造用部品においても、部品内に速く冷却される部位と遅く冷却される部位が存在するのが一般的であるが、遅く冷却される部位ほどベイナイト生成による膨張が大きくなるため、極力、ベイナイトの生成が開始する時間（変態開始時間）を遅くする必要がある。そのためにはベイナイト生成を遅延させる元素（特に、Ｃ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ等）の添加が有効である。また併せて、ベイナイト生成が開始する温度（変態開始温度）も低温である方が熱処理歪を小さく抑えられることが分かった。これは低温であるほど、素材硬さが高くなるために変態膨張による変形が生じ難くなるものと考えられる。
変態開始温度に関しては、それを低下させる元素（Ｃ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ等）の含有量を増大し、上昇させる元素（Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｖ等）を極力低減する必要がある。こうした着想の下で鋼材の化学成分組成の設定を行なう必要があるが、変態時間に関するパラメータをｔ（秒）、変態温度に関するパラメータをＴ（℃）とし、実験から下記の式［（１）式、（２）式］を導き出した。
Ｔ（℃）＝−１６３×［Ｃ］＋４３．１×［Ｓｉ］−５５．２×［Ｍｎ］＋３２．６×［Ｃｕ］−３０．０×［Ｎｉ］−４７．８×［Ｃｒ］＋１０４×［Ｍｏ］＋４１２×［Ｖ］＋６７７ …（１）
ｔ（秒）＝４０．４×［Ｃ］＋１．３１×［Ｓｉ］＋１８．７×［Ｍｎ］＋８．３７×［Ｃｕ］＋５．３３×［Ｎｉ］＋５．５７×［Ｃｒ］＋１１．８×［Ｍｏ］−５１．１×［Ｖ］−１７．８ …（２）
但し、［Ｃ］，［Ｓｉ］，［Ｍｎ］，［Ｃｕ］，［Ｎｉ］，［Ｃｒ］，［Ｍｏ］および［Ｖ］は、夫々Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，ＭｏおよびＶの含有量（質量％）を示す。
ｔ（秒）＝４０．４×［Ｃ］＋１．３１×［Ｓｉ］＋１８．７×［Ｍｎ］＋８．３７×［Ｃｕ］＋５．３３×［Ｎｉ］＋５．５７×［Ｃｒ］＋１１．８×［Ｍｏ］−５１．１×［Ｖ］−１７．８ …（２）
但し、［Ｃ］，［Ｓｉ］，［Ｍｎ］，［Ｃｕ］，［Ｎｉ］，［Ｃｒ］，［Ｍｏ］および［Ｖ］は、夫々Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，ＭｏおよびＶの含有量（質量％）を示す。
尚、上記（１）式、（２）式には、Ｃ，Ｓｉ，Ｃｒ等の基本成分の他、必要によって含有される元素（Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｖ等）も含まれるものとなるが、これらの元素を含まないときには、その項目がないものとして変態開始温度Ｔ（℃）、変態開始時間ｔ（秒）の値を計算し、これらの元素を含むときには、上記（１）式、（２）式からこれらの値を計算すれば良い。
上記（１）式および（２）式を導出した手順は次の通りである。まず各種鋼材（後記実施例に記載の各種鋼材）、および従来材等から試験片（後記図１）を作製し、自動変態記録装置（フォーマスタ）にて試験片を加熱すると共に、種々の冷却速度で冷却し、連続冷却変態曲線（ＣＣＴ曲線）を採取した。このときの加熱は、９００℃×５分で実施し、冷却速度は１０〜１４００℃／分の範囲で実施した。採取したＣＣＴ曲線から各素材の変態開始温度Ｔ（℃）と変態開始時間ｔ（秒）を読み取り、変態開始温度Ｔ（℃）を目的（従属）変数、化学成分を独立変数として重回帰分析を行い、パラメータ式［前記（１）式］を導出した。また、変態開始時間ｔ（秒）についてのパラメータ式［前記（２）式］もこれと同様の方法で導出した。
そして、変態開始温度Ｔ（℃）は極力低いことが好ましいとの観点から検討したところ、上記（１）式で表される変態開始温度Ｔ（℃）が５４０℃以下であれば、量産工程で問題が生じないレベルの歪み量が得られた。より好ましくは５３０℃以下である。
また変態開始時間ｔ（秒）については、できるだけ遅い方が熱処理歪を少なくできるとの観点から検討したところ、変態開始時間ｔ（秒）が１５秒以上であれば熱処理歪みが低減できたのである。この変態開始時間ｔ（秒）は、好ましくは２０秒以上である。
本発明の肌焼鋼では、肌焼鋼としての基本的な特性を発揮させるためには、その化学成分組成を適切に調整する必要がある。本発明で規定する化学成分組成の範囲限定理由は次の通りである。
［Ｃ：０．２〜０．３％］
Ｃは鋼材のベイナイト変態開始温度を低下させ、変態開始時間を遅くするため、可能な限り多く含有させるのが良い。こうした観点から、ＪＩＳ ＳＣｒ４２０Ｈ、ＪＩＳ ＳＣＭ４２０Ｈ等の一般的な肌焼鋼として用いられる鋼材のＣ含有量：０．２％（規格は０．１７〜０．２３％）よりも増大させる。しかしながら、Ｃ含有量が過剰になると、切削加工性、冷間鍛造性が低下するため０．３％以下とする必要がある。尚、Ｃ含有量の好ましい下限は０．２３％以上（より好ましくは０．２４％以上）であり、好ましい上限は０．２８％以下（より好ましくは０．２７％以下）である。
Ｃは鋼材のベイナイト変態開始温度を低下させ、変態開始時間を遅くするため、可能な限り多く含有させるのが良い。こうした観点から、ＪＩＳ ＳＣｒ４２０Ｈ、ＪＩＳ ＳＣＭ４２０Ｈ等の一般的な肌焼鋼として用いられる鋼材のＣ含有量：０．２％（規格は０．１７〜０．２３％）よりも増大させる。しかしながら、Ｃ含有量が過剰になると、切削加工性、冷間鍛造性が低下するため０．３％以下とする必要がある。尚、Ｃ含有量の好ましい下限は０．２３％以上（より好ましくは０．２４％以上）であり、好ましい上限は０．２８％以下（より好ましくは０．２７％以下）である。
［Ｓｉ：０．６％以下（０％を含まない）］
Ｓｉは、鋼材のベイナイト変態開始時間を遅くする効果のある元素であるが、Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏほど効果はなく、また、ベイナイト変態開始温度を大きく上昇させてしまう元素であるため極力低減することが好ましい。ベイナイト変態開始温度を上昇させないという観点から、０．６％以下とする必要がある。また、Ｓｉは、鉄中に固溶して材料の変形抵抗を増大させて冷間鍛造性を低下させることからも、０．６％以下とする必要がある。尚、Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．３５％以下（より好ましくは０．１５％以下）である。
Ｓｉは、鋼材のベイナイト変態開始時間を遅くする効果のある元素であるが、Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏほど効果はなく、また、ベイナイト変態開始温度を大きく上昇させてしまう元素であるため極力低減することが好ましい。ベイナイト変態開始温度を上昇させないという観点から、０．６％以下とする必要がある。また、Ｓｉは、鉄中に固溶して材料の変形抵抗を増大させて冷間鍛造性を低下させることからも、０．６％以下とする必要がある。尚、Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．３５％以下（より好ましくは０．１５％以下）である。
［Ｍｎ：０．９５〜２．２％］
Ｍｎはベイナイト変態開始温度を低下させ、変態開始時間を遅くするために有効な元素であるため、可能な限り多く含有させる。こうした観点から、ＪＩＳ ＳＣｒ４２０Ｈ、ＪＩＳ ＳＣＭ４２０Ｈ等の肌焼鋼の規格上限（０．９５％）をＭｎ含有量の下限とした。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると、縞状の偏析が顕著となり、材質のバラツキが大きくなる結果、変形能（割れ発生）にも悪影響を与えるので２．２％を上限とした。尚、Ｍｎ含有量の好ましい下限は１．２％以上（より好ましくは１．３％以上）であり、好ましい上限は２．０％以下（より好ましくは１．８％以下）である。
Ｍｎはベイナイト変態開始温度を低下させ、変態開始時間を遅くするために有効な元素であるため、可能な限り多く含有させる。こうした観点から、ＪＩＳ ＳＣｒ４２０Ｈ、ＪＩＳ ＳＣＭ４２０Ｈ等の肌焼鋼の規格上限（０．９５％）をＭｎ含有量の下限とした。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると、縞状の偏析が顕著となり、材質のバラツキが大きくなる結果、変形能（割れ発生）にも悪影響を与えるので２．２％を上限とした。尚、Ｍｎ含有量の好ましい下限は１．２％以上（より好ましくは１．３％以上）であり、好ましい上限は２．０％以下（より好ましくは１．８％以下）である。
［Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）］
Ｐは、鋼材中に不可避的に含まれる不純物であり、結晶粒界に偏析して部品の衝撃特性を低下させる元素であるため、できるだけ低減するのが良い。そのため上限を０．０３％とした。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２％以下（より好ましくは０．０１５％以下）である。尚、Ｐは、その含有量を０％とすることは工業的に困難である。
Ｐは、鋼材中に不可避的に含まれる不純物であり、結晶粒界に偏析して部品の衝撃特性を低下させる元素であるため、できるだけ低減するのが良い。そのため上限を０．０３％とした。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２％以下（より好ましくは０．０１５％以下）である。尚、Ｐは、その含有量を０％とすることは工業的に困難である。
［Ｓ：０．０３％以下（０％を含まない）］
Ｓは、鋼材中に不可避的に含まれる不純物であり、結晶粒界に偏析して部品の衝撃特性を低下させる元素であるため、なるべく低減するのが良い。しかしながら、ＳはＭｎＳを形成して鋼材の切削性を向上させる元素でもあるため、適量を含有させてもよい。但し、部品強度に悪影響を与えないためにもその上限は０．０３％以下にする必要がある。好ましくは０．０２％以下であり、より好ましくは０．０１５％以下である。尚、Ｓは、鋼に不可避的に含まれる不純物であり、その量を０％とすることは工業的に困難である。
Ｓは、鋼材中に不可避的に含まれる不純物であり、結晶粒界に偏析して部品の衝撃特性を低下させる元素であるため、なるべく低減するのが良い。しかしながら、ＳはＭｎＳを形成して鋼材の切削性を向上させる元素でもあるため、適量を含有させてもよい。但し、部品強度に悪影響を与えないためにもその上限は０．０３％以下にする必要がある。好ましくは０．０２％以下であり、より好ましくは０．０１５％以下である。尚、Ｓは、鋼に不可避的に含まれる不純物であり、その量を０％とすることは工業的に困難である。
［Ｃｒ：０．１〜１．８％］
ＣｒはＭｎと同様にベイナイト変態開始温度を低下させ、変態開始時間を遅くする元素であるため可能な限り多く含有させる。こうした観点から、Ｃｒ含有量は０．１％以上とした。但し、Ｍｎに比べ高価な合金元素であるためその含有量は控えることが好ましい。また、Ｃｒ含有量が過剰になると、浸炭時にＣｒ炭化物の析出が過剰になり、目的とする浸炭硬化層深さが得られない等の不具合が生じる場合があるため、その上限を１．８％とした。尚、Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．５％以上（より好ましくは０．７％以上）であり、好ましい上限は１．６％以下（より好ましくは１．３％以下）である。
ＣｒはＭｎと同様にベイナイト変態開始温度を低下させ、変態開始時間を遅くする元素であるため可能な限り多く含有させる。こうした観点から、Ｃｒ含有量は０．１％以上とした。但し、Ｍｎに比べ高価な合金元素であるためその含有量は控えることが好ましい。また、Ｃｒ含有量が過剰になると、浸炭時にＣｒ炭化物の析出が過剰になり、目的とする浸炭硬化層深さが得られない等の不具合が生じる場合があるため、その上限を１．８％とした。尚、Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．５％以上（より好ましくは０．７％以上）であり、好ましい上限は１．６％以下（より好ましくは１．３％以下）である。
［Ａｌ：０．０６％以下（０％を含まない）］
Ａｌは脱酸剤として作用し、酸化物系介在物量を低減して鋼材の内部品質を高める作用を発揮するため適量含有させることが好ましい。しかしながら、Ａｌ含有量が過剰になると粗大で硬い非金属介在物（Ａｌ2Ｏ3）が生成し、疲労特性を低下させるので０．０６％以下とする必要がある。尚、Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００５％以上（より好ましくは０．０１％以上）であり、好ましい上限は０．０５％以下（より好ましくは０．０３％以下）である。
Ａｌは脱酸剤として作用し、酸化物系介在物量を低減して鋼材の内部品質を高める作用を発揮するため適量含有させることが好ましい。しかしながら、Ａｌ含有量が過剰になると粗大で硬い非金属介在物（Ａｌ2Ｏ3）が生成し、疲労特性を低下させるので０．０６％以下とする必要がある。尚、Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００５％以上（より好ましくは０．０１％以上）であり、好ましい上限は０．０５％以下（より好ましくは０．０３％以下）である。
［Ｎ：０．０２％以下（０％を含まない）］
Ｎは鋼中に不可避的に含まれる不純物元素であるが、Ｎ含有量が多いと鋼材の変形能を低下させるＡｌＮ等の窒化物が生成するためできるだけ少なくするほうが好ましい。そのため、Ｎ含有量は０．０２％以下とする必要がある。尚、Ｎ含有量の好ましい上限は０．０１８％以下（より好ましくは０．０１５％以下）である。
Ｎは鋼中に不可避的に含まれる不純物元素であるが、Ｎ含有量が多いと鋼材の変形能を低下させるＡｌＮ等の窒化物が生成するためできるだけ少なくするほうが好ましい。そのため、Ｎ含有量は０．０２％以下とする必要がある。尚、Ｎ含有量の好ましい上限は０．０１８％以下（より好ましくは０．０１５％以下）である。
［Ｏ：０．００３％以下（０％を含まない）］
Ｏ含有量が過剰になると、粗大な酸化物系介在物が生成して、被削性や延性・靭性、鋼の熱間加工性および延性に悪影響を及ぼす。そこでＯ含有量の上限を、０．００３％（好ましくは０．００２％）と定めた。
Ｏ含有量が過剰になると、粗大な酸化物系介在物が生成して、被削性や延性・靭性、鋼の熱間加工性および延性に悪影響を及ぼす。そこでＯ含有量の上限を、０．００３％（好ましくは０．００２％）と定めた。
本発明の肌焼鋼の基本成分組成は上記の通りであり、残部は実質的に鉄である。但し原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避不純物（上記Ｐ，Ｓ，Ｎ，Ｏ以外にＣａ，Ｍｇ，Ｚｒ等）が鋼中に含まれることは許容される。また本発明の肌焼鋼には、必要に応じて、以下の選択元素を含有していても良い。含有される元素の種類に応じて、鋼材の特性が更に改善される。
［Ｃｕ：０．３％以下（０％を含まない）］
Ｃｕは、ベイナイト変態開始時間を遅くするのに有効な元素であるが、変態開始温度を上昇させる元素でもあるため、なるべく低減することが好ましい。そのため、その上限を０．３％（ＪＩＳ規格と同等）とした。尚、Ｃｕ含有量のより好ましい上限は０．１％以下（更に好ましくは０．０５％以下）である。
Ｃｕは、ベイナイト変態開始時間を遅くするのに有効な元素であるが、変態開始温度を上昇させる元素でもあるため、なるべく低減することが好ましい。そのため、その上限を０．３％（ＪＩＳ規格と同等）とした。尚、Ｃｕ含有量のより好ましい上限は０．１％以下（更に好ましくは０．０５％以下）である。
［Ｎｉ：０．２５％以下（０％を含まない）］
ＮｉはＭｎと同様に、ベイナイト変態開始温度を低下させ、変態開始時間を遅くするために有効な元素であるため、可能な限り多く含有させる。しかしながら、効果のわりには高価な合金元素であるため極力添加を控えることが好ましい。こうした観点から、その上限を０．２５％以下（ＪＩＳ規格と同等）とした。Ｎｉ含有量のより好ましい上限は０．１％以下（更に好ましくは０．０５％以下）である。
ＮｉはＭｎと同様に、ベイナイト変態開始温度を低下させ、変態開始時間を遅くするために有効な元素であるため、可能な限り多く含有させる。しかしながら、効果のわりには高価な合金元素であるため極力添加を控えることが好ましい。こうした観点から、その上限を０．２５％以下（ＪＩＳ規格と同等）とした。Ｎｉ含有量のより好ましい上限は０．１％以下（更に好ましくは０．０５％以下）である。
［Ｍｏ：０．１５％未満（０％を含まない）］
Ｍｏはベイナイト変態開始時間を遅くするのに効果的な元素であるが、変態開始温度を上昇させるため過剰の含有は望ましくない。こうした観点から、その上限をＪＩＳ ＳＣＭ４２０Ｈ等の肌焼鋼の規格下限を考慮し、０．１５％未満とする。Ｍｏ含有量のより好ましい上限は０．１０％以下（更に好ましくは０．０５％以下）である。
Ｍｏはベイナイト変態開始時間を遅くするのに効果的な元素であるが、変態開始温度を上昇させるため過剰の含有は望ましくない。こうした観点から、その上限をＪＩＳ ＳＣＭ４２０Ｈ等の肌焼鋼の規格下限を考慮し、０．１５％未満とする。Ｍｏ含有量のより好ましい上限は０．１０％以下（更に好ましくは０．０５％以下）である。
［Ｖ：０．３０％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．０８％以下（０％を含まない）およびＴｉ：０．０８％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上］
Ｖ，ＮｂおよびＴｉは、いずれも微細な析出物を生成することで結晶粒粗大化防止特性を発揮させるのに有効な元素である。このうちＶは、炭素ならびに窒素と活性な元素であり、微細な析出物を生成することで結晶粒粗大化防止特性を向上させることができるので添加しても良いが、フェライト中に固溶して素材硬さを増大させ、素材の切削性を低下させることがあるのでその上限は０．３０％とした。Ｖ含有量のより好ましい上限は０．２０％以下（更に好ましくは０．１０％以下）である。尚、上記の効果を発揮させるための好ましいＶ含有量は０．０５％以上（より好ましくは０．０３５％以上）である。
Ｖ，ＮｂおよびＴｉは、いずれも微細な析出物を生成することで結晶粒粗大化防止特性を発揮させるのに有効な元素である。このうちＶは、炭素ならびに窒素と活性な元素であり、微細な析出物を生成することで結晶粒粗大化防止特性を向上させることができるので添加しても良いが、フェライト中に固溶して素材硬さを増大させ、素材の切削性を低下させることがあるのでその上限は０．３０％とした。Ｖ含有量のより好ましい上限は０．２０％以下（更に好ましくは０．１０％以下）である。尚、上記の効果を発揮させるための好ましいＶ含有量は０．０５％以上（より好ましくは０．０３５％以上）である。
Ｎｂは浸炭時の結晶粒粗大化を抑制するために添加してもよい。Ｎｂ含有量が増大するに従い、結晶粒粗大化防止に有効なＮｂ炭化物(ＮｂＣ)の量が増えるが、０．０８％を超えるとその効果は飽和する。そのため、Ｎｂ含有量は０．０８％以下とすることが好ましい。Ｎｂ含有量のより好ましい上限は０．０７％以下（更に好ましくは０．６５％以下）である。尚、上記の効果を発揮させるための好ましいＮｂ含有量は０．０３％以上（より好ましくは０．０３５％以上）である。
Ｔｉは浸炭時の結晶粒粗大化を抑制するのに有効な元素である。Ｔｉ含有量が増大するに従い、結晶粒粗大化防止に有効なＴｉ炭化物（ＴｉＣ)の量が増えるが、０．０８％を超えると、その効果は飽和する。そのため、Ｔｉ含有量は０．０８％以下とした。Ｔｉ含有量のより好ましい上限は０．０７％以下（更に好ましくは０．６５％以下）である。尚、上記の効果を発揮させるための好ましいＴｉ含有量は０．０３％以上（より好ましくは０．０３５％以上）である。
［Ｂ：０．００５％以下（０％を含まない）］
Ｂは、微量で鋼材の焼入れ性を大幅に向上させる効果があるため必要によって含有してもよい。上記効果は、Ｂ含有量が０．０００５％以上で有効に発揮されるが、０．００５％を超えて過剰に含有されると、冷間および熱間の変形能が悪くなり、割れ等が生じ易くなる。尚、Ｂを含有させるときのより好ましい下限は０．０００８％以上（更に好ましくは０．００１０％以上）であり、より好ましい上限は０．００３％以下（更に好ましくは０．００２０％以下）である。
Ｂは、微量で鋼材の焼入れ性を大幅に向上させる効果があるため必要によって含有してもよい。上記効果は、Ｂ含有量が０．０００５％以上で有効に発揮されるが、０．００５％を超えて過剰に含有されると、冷間および熱間の変形能が悪くなり、割れ等が生じ易くなる。尚、Ｂを含有させるときのより好ましい下限は０．０００８％以上（更に好ましくは０．００１０％以上）であり、より好ましい上限は０．００３％以下（更に好ましくは０．００２０％以下）である。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記・下記の趣旨に適合し得る範囲で適当に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包含される。
下記表1、２に示す化学成分組成の鋼材（試験Ｎｏ．１〜６０）を、真空誘導溶製炉によって溶製し、実機の分塊圧延を模擬して断面が１５５ｍｍ×１５５ｍｍの鋼塊に鍛造した。次に、この鋼塊を圧延により直径８０ｍｍφの棒材とした。得られた棒材を適当な長さに切断し、熱間鍛造を行い、試験片の粗形状を作製した。熱間鍛造は、切断した棒材を高周波誘導加熱によって約１２００℃に加熱した後、鍛造した。その後、室温まで空冷し、９００℃で２時間の焼ならしを行った。
これを旋盤加工で表面切削し、図１（外観形状を示す説明図）に示すような熱処理歪み測定用試験片とした。試験片形状は、ＣＶＴプーリーや軸付き歯車の熱処理歪みを測定するため、その形状を模擬したものである。この試験片を所定の治具にセットし、ガス浸炭・焼入れ炉に装入し、浸炭焼入れ・焼戻しを行った。ガス浸炭焼入れ・焼戻しの熱処理パターンは図２に示す通りである。
浸炭は９３０℃で行い（カーボンポテンシャルＣｐ：０．８５％狙い）、試験片の有効硬化層深さが１．０ｍｍとなるように浸炭時間ｔ0を調節した。このときの浸炭時間ｔ0は、およそ４時間である。浸炭後、８６０℃で３０分保持後、５０℃のコールド油中で油焼入れを行った。その後、１７０℃×２時間の焼戻し処理を行った。
浸炭焼入れ・焼戻し後の試験片について、熱処理歪みの測定を行なった。熱処理歪みの測定は、図３［図３（ａ）］に示すように、浸炭処理前に予め熱処理歪みの測定位置（測定点）を設定しておき、浸炭処理後に同様の測定を行うことにより形状の変化を定量化した。フランジ部の反り量については、図３中に示したＸ点について、円周方向に各８点（Ａ〜Ｈ）測定し［図３（ｂ）］、その平均値にて評価を行った。この平均値が０．１２ｍｍ以下のときに、熱処理歪みが少ないと評価できるものである。その結果を、変態開始温度Ｔ（℃）および変態開始時間ｔ（秒）と共に、下記表３、４に示す。尚、変態開始温度Ｔ（℃）および変態開始時間ｔ（秒）の夫々の判定は、本発明で規定する範囲を満足するときに「○」、満足しないときに「×」とした。
これらの結果から、次のように考察できる。まず、試験Ｎｏ．１〜２９、５２、５３、５５〜６０のものは、本発明で規定する要件の全てを満足する実施例である。いずれも化学成分組成は、本発明で規定する範囲内となっており、また変態開始温度Ｔ（℃）が５４０℃以下であるとあると共に、変態開始時間ｔ（秒）が１５秒以上となっている例である。いずれも、フランジ部の反り量は小さくなっており、良好な結果が得られていることが分かる。
これに対して、試験Ｎｏ．３０〜５１、５４のものは、本発明で規定するいずれかの要件を満たさない例であり、いずれかの特性が劣化している。このうち、試験Ｎｏ．３０，３１は、浸炭用鋼としてごく一般的に使用されているＪＩＳ ＳＣｒ４２０ＨおよびＳＣＭ４２０Ｈに相当する鋼材を使用したものであり、変態開始温度Ｔ（℃）および変態開始時間ｔ（秒）のいずれも本発明で規定する要件を満足しておらず、フランジ部の反り量が大きくなっている。また試験Ｎｏ．３２は、ＪＩＳ ＳＣＭ４２５Ｈを使用した例であるが、本発明で規定する成分範囲、および変態開始温度Ｔ（℃）を満たしておらず、フランジ部の反り量が大きくなっている。
試験Ｎｏ．３３，３４のものは、本発明で規定する化学成分組成を満足しているものの、変態開始温度Ｔ（℃）が本発明で規定する範囲を満足しておらず、フランジ部の反り量が大きくなっている。
試験Ｎｏ．３５〜５１のものは、化学成分組成が本発明で規定する範囲を外れる例である。このうち、試験Ｎｏ．３５は、Ｃ含有量が過剰になっている例であるが、変態開始温度Ｔ（℃）および変態開始時間ｔ（秒）の要件を満足している。しかし、このようにＣ含有量が過剰な材料は切削加工性が著しく低下し実用に適さないものであった。
また、試験Ｎｏ．３８のものは、Ｍｎ含有量が過剰になっている例であり、変態開始温度Ｔ（℃）および変態開始時間ｔ（秒）の要件を満足しているが、Ｍｎ含有量が過剰となっているので、鋼材の変形抵抗を増大させ、またＭｎの偏析に起因した切削加工性の低下が起こる。従って、実用には適さないものである。
その他、試験Ｎｏ．４０〜４４、４７〜５１のものについても上記と同様であり、変態開始温度Ｔ（℃）および変態開始時間ｔ（秒）の要件を満足し、良好なフランジ部の反り量が得られているが、化学成分組成（基本成分または選択成分）が本発明で規定する範囲を外れているので、鋼材としての基本的特性を満足しないものである。
試験Ｎｏ．３９,４５,４６のものは、化学成分組成と共に、変態開始温度Ｔ（℃）および変態開始時間ｔ（秒）の少なくともいずれかの要件を満足しないものであり、フランジ部の反り量が得られていないのは勿論のこと、鋼材としての基本的特性を満足しないものである。
試験Ｎｏ．５４は、本発明で規定する化学成分組成を満足しているものの、変態開始温度Ｔ（℃）および変態開始時間ｔ（秒）のいずれも本発明で規定する要件を満足しておらず、フランジ部の反り量が大きくなっている。
フランジ部の反り量が変態開始温度Ｔ（℃）と変態開始時間ｔ（秒）で整理できるかを検証するため、反り量を目的変数、変態開始温度Ｔ（℃）および変態開始時間ｔ（秒）を独立変数（推定値）として重回帰分析を行った。このときの回帰分析は、本発明で規定する化学成分組成を満足する試験Ｎｏ．１〜３４、５２〜６０のデータを用いた。その結果、実績値との関係で、フランジ部の反り量ｙは、ｙ＝０．０００８２７×Ｔ（℃）−０．００４３６×ｔ（秒）−０．２６５の回帰式が得られ、重相関係数Ｒ２：０．９９と非常に高い相関があることが確認された。従って、この式を用いれば鋼材成分からフランジ部の反り量が高精度で推定できることが分かる。フランジ部の反り量の推定値と実績値の関係を図４に示す。
Claims (5)
- Ｃ：０．２１〜０．３％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：０．６％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：０．９５〜２．２％、Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：０．１〜１．８％、Ａｌ：０．０６％以下（０％を含まない）、Ｎ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：０．１５％未満（０％を含まない）およびＯ：０．００３％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、且つ下記（１）式で表される変態開始温度Ｔ（℃）が５４０℃以下であると共に、下記（２）式で表される変態開始時間ｔ（秒）が１５秒以上であることを特徴とする熱処理歪みの少ない肌焼鋼。
Ｔ（℃）＝−１６３×［Ｃ］＋４３．１×［Ｓｉ］−５５．２×［Ｍｎ］＋３２．６×［Ｃｕ］−３０．０×［Ｎｉ］−４７．８×［Ｃｒ］＋１０４×［Ｍｏ］＋４１２×［Ｖ］＋６７７ …（１）
ｔ（秒）＝４０．４×［Ｃ］＋１．３１×［Ｓｉ］＋１８．７×［Ｍｎ］＋８．３７×［Ｃｕ］＋５．３３×［Ｎｉ］＋５．５７×［Ｃｒ］＋１１．８×［Ｍｏ］−５１．１×［Ｖ］−１７．８ …（２）
但し、［Ｃ］，［Ｓｉ］，［Ｍｎ］，［Ｃｕ］，［Ｎｉ］，［Ｃｒ］，［Ｍｏ］および［Ｖ］は、夫々Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，ＭｏおよびＶの含有量（質量％）を示す。 - 更に、Ｃｕ：０．３％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１に記載の肌焼鋼。
- 更に、Ｎｉ：０．２５％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１または２に記載の肌焼鋼。
- 更に、Ｖ：０．３０％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．０８％以下（０％を含まない）およびＴｉ：０．０８％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の肌焼鋼。
- 更に、Ｂ：０．００５％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜４のいずれかに記載の肌焼鋼。
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