JP6225613B2

JP6225613B2 - 肌焼鋼鋼材

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Publication number: JP6225613B2
Application number: JP2013202917A
Authority: JP
Inventors: 徹也大橋; 雅之堀本; 国男橋口; 秀樹今高
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: JP2015067858A

Description

本発明は、肌焼鋼鋼材に関する。詳しくは、成分コストが低く、しかも、曲げ疲労強度と耐ピッチング特性に優れ、自動車用歯車、シャフトなど浸炭部品の素材として用いるのに好適な肌焼鋼鋼材に関する。

自動車部品、なかでもトランスミッションに用いられる歯車、シャフトなどの部品は、一般に、浸炭焼入などの表面硬化処理を行った後、焼戻しを施して製造されている。

なお、上記の「浸炭焼入」は、一般に、素材鋼（生地の鋼）として低炭素の「肌焼鋼」を使用し、Ａｃ₃点以上の高温のオーステナイト域でＣを侵入・拡散させた後、焼入する処理である。

近年では、自動車に、軽量化・高トルク化が要求されている。このため、上記自動車用歯車など浸炭部品には、従来にも増して高い曲げ疲労強度と高いピッチング強度が必要となっている。なお、本明細書においては、以下「浸炭部品」を「歯車」で代表させて説明する。

肌焼鋼にＮｉ、ＣｒおよびＭｏなどの合金元素を多量に含有させると、歯車に高い曲げ疲労強度と高いピッチング強度を確保させることができるものの、合金元素増量による成分コストの上昇を招いてしまう。

しかしながら一方で、ＮｉとＭｏはいずれも、浸炭層の深さおよび芯部の硬さを大きくする重要な元素であり、焼戻し軟化抵抗を向上させる元素である。しかも、ＮｉとＭｏはともに非酸化性の元素であるため、ガス浸炭の際に表面に生成する粒界酸化層の深さを増大させることなく浸炭層の焼入性を向上させる効果も有している。

このため、歯車の素材となる「肌焼鋼」には、ＪＩＳＧ４０５２（２００８）に規定されたＳＮＣＭ２２０Ｈなどの「ニッケルクロムモリブデン鋼」やＳＣＭ４２０Ｈなどの「クロムモリブデン鋼」が使用されることが多いが、特に近年のＮｉおよびＭｏの価格高騰の状況を踏まえて、ＮｉおよびＭｏの含有量を極力抑えて成分コストが低く、しかも、歯車に高い曲げ疲労強度と高いピッチング強度を確保させることができる肌焼鋼鋼材に対する要望が極めて大きくなっている。

そこで、前記した要望に応えるべく、例えば、特許文献１および特許文献２にそれぞれ、「浸炭部品用の耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼」および「面疲れ強度の優れた歯車用鋼」が提案されている。

具体的には、特許文献１に、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．６０％未満、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．１０％以下、Ｃｒ：１．５〜３．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｏ：０．００３０％以下を含有し、必要に応じて任意元素としてＮｉ、Ｍｏ、Ｖ、ＮｂおよびＴｉの1種以上を含有するか、Ｔｉを含む場合にはＢも複合して含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ、質量％比で［Ｍｎ／Ｃｒ］が０．３５未満で、ベイナイト組織分率が２０％以上であることを特徴とする熱間鍛造後に浸炭熱処理を行っても結晶粒粗大化を抑制することができる「浸炭部品用の耐粗粒化特性に優れたはだ焼鋼」が開示されている。

特許文献２には、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．８％以下、Ｃｒ：１．５〜２．５％であり、必要に応じてさらに、Ｎｉ：３．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｃｕ：１．０％以下の１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつＳｉ＋Ｃｒ量が１．８〜２．８％の範囲であり、また、浸炭窒化もしくは浸炭浸窒後焼入焼戻しによる表面硬化層を有し、表面から０．１ｍｍまでのＣ＋Ｎ量が１．０〜２．０％の範囲であることを特徴とする、「面疲れ強度の優れた歯車用鋼」が開示されている。

特開２００９−１９１３２２号公報特開平９−２９６２５０号公報

前述の特許文献１で開示された技術は、質量％で、Ｍｎを０．６０％未満、Ｃｒを１．５％以上としたうえで、［Ｍｎ／Ｃｒ］を０．３５未満とし、ベイナイト組織分率を２０％以上とすることにより、熱間鍛造後に浸炭熱処理を行っても結晶粒粗大化を抑制できるという技術的思想を有するものの、曲げ疲労強度およびピッチング強度に対する配慮がなされていない。このため、必ずしも、歯車やシャフトに高い曲げ疲労強度と耐ピッチング性を確保させることができるというものではなかった。

前述の特許文献２で開示された技術は、Ｓｉ＋Ｃｒ量が１．８〜２．８％の範囲であり、また、浸炭窒化もしくは浸炭浸窒後焼入焼戻しによる表面硬化層を有し、表面から０．１ｍｍまでのＣ＋Ｎ量が１．０〜２．０％の範囲とすることで面疲れ強度に優れるという技術的思想を有するものの、ＣとＮを複合して浸透させることにより面疲労強度を高めようとするものであり、必ずしも、浸炭または浸炭焼入焼戻しにより高い曲げ疲労と耐ピッチング強度を両立させることができるというものではなかった。

そこで、本発明の目的は、成分コストが低く、高価な元素であるＮｉおよびＭｏを極力含有しない場合であっても、歯車に対して、ＪＩＳＧ４０５２（２００８）に規定された「クロムモリブデン鋼」のＳＣＭ４２０Ｈを素材鋼とする場合と同じ程度あるいはそれを上回る曲げ疲労強度とピッチング強度をともに確保させることができる肌焼鋼鋼材を提供することである。

本発明者らは、前述した課題を解決するために、調査・研究を重ねた。その結果、まず、下記（ａ）〜（ｃ）の知見を得た。

（ａ）曲げ疲労強度を高めるためには、焼入性を確保し、粒界酸化層および不完全焼入層（以下、総称して「浸炭異常層」という。）を低減することが必要である。

（ｂ）ピッチング強度を高めるためには、浸炭時に粒界に沿って析出する粗大な炭化物の析出を抑制し、かつ焼戻し軟化抵抗を向上させる必要がある。

（ｃ）酸化性の元素、中でもＳｉとＣｒの含有量バランスを適正化することで、焼入性を確保しつつ、浸炭焼入後に粒界に沿って析出する粗大な炭化物を低減し、かつ浸炭異常層を低減することができる。

そこでさらに、種々の検討を行った結果、下記（ｄ）および（ｅ）の知見を得た。

（ｄ）式中の元素記号をその元素の質量％での含有量として、［ｆｎ１＝Ｃｒ／Ｓｉ］の式で表わされるｆｎ１を、５．０〜１２．０の範囲内にすることによって、高い曲げ疲労強度と高いピッチング強度を確保することができる。

（ｅ）式中の元素記号をその元素の質量％での含有量として、［ｆｎ２＝Ｓｉ＋Ｃｒ］の式で表わされるｆｎ２を、１．８５〜２．１４の範囲内とすることによって、焼戻し軟化抵抗が確保できて、浸炭焼入後に高温にさらされた場合にも十分な強度が得られ、さらに浸炭異常層を低減することができるので、高い曲げ疲労強度と高いピッチング強度を確保することができる。

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、下記に示す肌焼鋼鋼材にある。

（１）質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２４％、Ｓｉ：０．１６〜０．３４％、Ｍｎ：０．５０〜０．９０％、Ｓ：０．００５〜０．０５０％、Ｃｒ：１．６６〜１．９８％、Ａｌ：０．０２０〜０．０６０％およびＮ：０．０１３０〜０．０２００％と、
残部がＦｅおよび不純物とからなり、
不純物中のＰ、ＴｉおよびＯ（酸素）がそれぞれ、Ｐ：０．０２０％以下、Ｔｉ：０．００５％以下およびＯ：０．００２０％以下であり、
さらに、下記の(1)式および(2)式で表されるｆｎ１およびｆｎ２がそれぞれ、５．０≦ｆｎ１≦１２．０および１．８５≦ｆｎ２≦２．１４であることを特徴とする肌焼鋼鋼材。
ｆｎ１＝Ｃｒ／Ｓｉ・・・(1)
ｆｎ２＝Ｃｒ＋Ｓｉ・・・(2)
上記の(1)式および(2)式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。

（２）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：０．２０％以下、Ｎｉ：０．２０％以下、Ｍｏ：０．１５％以下から選択される１種以上を含有することを特徴とする上記（１）に記載の肌焼鋼鋼材。

（３）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｖ：０．２０％以下およびＮｂ：０．０６０％以下から選択される１種以上を含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の肌焼鋼鋼材。

本発明の肌焼鋼鋼材は成分コストが低く、しかも、この肌焼鋼鋼材を素材とする浸炭部品は、ＪＩＳＧ４０５２（２００８）に規定された「クロムモリブデン鋼」のＳＣＭ４２０Ｈを素材とする浸炭部品と同じ程度あるいはそれを上回る曲げ疲労強度とピッチング強度をともに有している。このため、本発明の肌焼鋼鋼材は、軽量化・高トルク化のために高い曲げ疲労強度と高いピッチング強度が要求される自動車用歯車、シャフトなど浸炭部品の素材として用いるのに好適である。

実施例で用いた切欠付き小野式回転曲げ疲労試験片の形状を示す図である。図中の寸法の単位は「ｍｍ」である。実施例で用いたローラーピッチング小ローラー試験片の形状を示す図である。図中の寸法の単位は「ｍｍ」である。実施例で用いたローラーピッチング大ローラー試験片の形状を示す図である。図中の寸法の単位は「ｍｍ」である。実施例において、図１および図２に示す試験片に施した「浸炭焼入−焼戻し」のヒートパターンを示す図である。実施例において、図３に示す試験片に施した「浸炭焼入−焼戻し」のヒートパターンを示す図である。

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、以下の説明における各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。

Ｃ：０．１０〜０．２４％
Ｃは、歯車やシャフトの芯部強度確保のために必須の元素であり、０．１０％以上の含有量が必要である。しかしながら、Ｃの含有量が多すぎると硬さが大きくなって被削性の低下を招き、特に、その含有量が０．２４％を超えると、硬さ上昇に伴う被削性の低下が著しくなる。したがって、Ｃの含有量を０．１０〜０．２４％とした。

なお、より高い芯部強度を確保しつつ、より一層良好な被削性が要求される場合には、Ｃの含有量は、下限を０．１２％、上限を０．２３％とすることが好ましい。

Ｓｉ：０．１６〜０．３４％
Ｓｉは、焼入性を向上させる作用および脱酸作用を有する。また、Ｓｉは焼戻し軟化抵抗を確保するのに有効で、歯車などの摺動表面が高温にさらされた状況下において、表面の軟化を防ぐ効果がある。これらの効果を得るには、０．１６％以上のＳｉを含有する必要がある。しかしながら一方、Ｓｉは酸化性の元素であるため、その含有量が多くなると、浸炭ガス中に含まれる微量のＨ₂ＯまたはＣＯ₂によってＳｉが選択酸化され、鋼表面にＳｉ酸化物が生成されるため、浸炭異常層である粒界酸化層および不完全焼入層の深さが大きくなる。そして、浸炭異常層の深さが大きくなると、曲げ疲労強度の低下を招く。また、Ｓｉの含有量が多すぎると、焼戻し軟化抵抗を確保する効果が飽和するだけでなく、浸炭性を阻害する。特に、Ｓｉの含有量が０．３４％を超えると、浸炭異常層の深さ増大および浸炭性の阻害による表面硬さ低下により曲げ疲労強度の低下が著しくなる。さらに、Ｓｉの含有量が多すぎると、硬さの上昇を招き、被削性が低下する。したがって、Ｓｉの含有量を０．１６〜０．３４％とした。

より一層良好な被削性が要求される場合には、Ｓｉの含有量は、下限を０．１７％、上限を０．３０％とすることが好ましい。

Ｍｎ：０．５０〜０．９０％
Ｍｎは、焼入性を向上させる作用および脱酸作用を有する。これらの効果を得るには、０．５０％以上のＭｎ含有量が必要である。しかしながら、Ｍｎの含有量が多くなると、硬さが大きくなって被削性の低下を招き、特に、その含有量が０．９０％を超えると、硬さ上昇に伴う被削性の低下が著しくなる。したがって、Ｍｎの含有量を０．５０〜０．９０％とした。なお、Ｍｎの含有量は、下限を０．５５％、上限を０．８８％とすることが好ましい。

Ｓ：０．００５〜０．０５０％
Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、被削性を向上させる作用がある。この効果を得るには、０．００５％以上のＳを含有させる必要がある。しかしながら、Ｓの含有量が０．０５０％を超えると、粗大なＭｎＳを形成して、熱間加工性、冷間鍛造性、曲げ疲労強度が低下する。したがって、Ｓの含有量を０．００５〜０．０５０％とした。

前記したＳの被削性向上効果を安定して得るためには、Ｓ含有量の下限は、０．０１０％とすることが好ましい。

また、より一層良好な熱間加工性、冷間鍛造性、曲げ疲労強度が要求される場合には、Ｓの含有量は、下限を０．０１０％、上限を０．０４０％とすることが好ましい。

Ｃｒ：１．６６〜１．９８％
Ｃｒは、焼入性を向上させる効果と焼戻し軟化抵抗を向上させる効果を有し、歯車やシャフトの摺動表面が高温にさらされた状況下において、表面の軟化を防ぐ効果がある。この効果を得るには、１．６６％を超えるＣｒ含有量が必要である。しかしながら、Ｃｒの含有量が多くなると、硬さが大きくなって被削性の低下を招き、特に、その含有量が１．９８％を超えると、硬さ上昇に伴う被削性の低下が著しくなる。しかも、Ｓｉと同様にＣｒは酸化性の元素であるため、その含有量が多くなると、浸炭異常層である粒界酸化層および不完全焼入層の深さが大きくなる。そして、浸炭異常層の深さが大きくなると、曲げ疲労強度の低下を招き、特に、Ｃｒの含有量が１．９８％を超えると、浸炭異常層の深さ増大による曲げ疲労強度の低下が著しくなる。さらに、その含有量が高くなると浸炭焼入後の表層に、粒界に沿った炭化物が生成しやすくなり、ピッチング強度が低下する。したがって、Ｃｒの含有量を１．６６〜１．９８％とした。なお、Ｃｒの含有量は、下限を１．７０％、上限を１．９５％とすることが好ましい。

Ａｌ：０．０２０〜０．０６０％
Ａｌは、脱酸作用を有する。また、Ａｌには、Ｎと結合してＡｌＮを形成し、結晶粒を微細化して鋼を強化する作用もある。しかしながら、Ａｌの含有量が０．０２０％未満では、前記の効果を得難い。一方、Ａｌの含有量が過剰になると、硬質で粗大なＡｌ₂Ｏ₃形成による被削性の低下をきたし、さらに、曲げ疲労強度も低下する。特に、Ａｌの含有量が０．０６０％を超えると、被削性、曲げ疲労強度の低下が著しくなる。したがって、Ａｌの含有量を０．０２０〜０．０６０％とした。なお、Ａｌの含有量は、下限を０．０２５％、上限を０．０５０％とすることが好ましい。

Ｎ：０．０１３０〜０．０２００％
Ｎは、窒化物を形成することにより結晶粒を微細化させ、曲げ疲労強度を向上させる効果を有する。この効果を得るには、Ｎを０．０１３０％以上含有する必要がある。しかしながら、Ｎの含有量が過剰になると、粗大な窒化物を形成して靱性の低下および冷間鍛造性の低下を招き、特に、その含有量が０．０２００％を超えると、靱性の低下および冷間鍛造性の低下が著しくなる。したがって、Ｎの含有量を０．０１３０〜０．０２００％とした。なお、Ｎ含有量の上限は、０．０１８０％とすることが好ましい。

本発明の肌焼鋼鋼材は、上述の元素と、残部がＦｅおよび不純物とからなり、不純物中のＰ、ＴｉおよびＯ（酸素）がそれぞれ、Ｐ：０．０２０％以下、Ｔｉ：０．００５％以下およびＯ：０．００２０％以下であり、さらに、前記の(1)式および(2)式で表されるｆｎ１およびｆｎ２がそれぞれ、５．０≦ｆｎ１≦１２．０および１．８５≦ｆｎ２≦２．１４の鋼材である。

なお、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、スクラップまたは製造環境などから混入するものを指す。

Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは、鋼に含有される不純物であり、結晶粒界に偏析して鋼を脆化させる。特に、その含有量が０．０２０％を超えると、脆化の程度が著しくなる。したがって、不純物中のＰの含有量を０．０２０％以下とした。なお、不純物中のＰ含有量の上限は、０．０１５％とすることが好ましい。

Ｔｉ：０．００５％以下
Ｔｉは、Ｎとの親和性が高いので、鋼中のＮと結合して硬質で粗大な非金属介在物であるＴｉＮを形成し、曲げ疲労強度を低下させ、さらに、被削性も低下させる。したがって、不純物中のＴｉの含有量を０．００５％以下とした。

Ｏ（酸素）：０．００２０％以下
Ｏ（酸素）は、鋼中のＳｉやＡｌと結合して、酸化物を生成する。酸化物のうちでも、特に、Ａｌ₂Ｏ₃は硬質であるため、被削性を低下させ、さらに、曲げ疲労強度の低下も招く。したがって、不純物中のＯの含有量を０．００２０％以下とした。なお、不純物中のＯ含有量の上限は、０．００１５％とすることが好ましい。

ｆｎ１：５．０〜１２．０の範囲内
本発明に係る肌焼鋼鋼材は、
ｆｎ１＝Ｃｒ／Ｓｉ・・・(1)
で表されるｆｎ１が、５．０〜１２．０の範囲内でなければならない。

既に述べたとおり、上記の(1)式の元素記号は、その元素の質量％での含有量を意味する。

高い曲げ疲労強度を確保するためには、焼入性を確保しつつ、浸炭異常層である粒界酸化層および不完全焼入層の深さを小さくする必要がある。また、高いピッチング強度を確保するためには、浸炭焼入後に粒界に沿って析出する粗大な炭化物を抑制する必要もある。そのためには、化学組成を前記の範囲に制御したうえで、さらに、ＳｉとＣｒの含有量バランスとしての(1)式で表されるｆｎ１を５．０〜１２．０の範囲内とする必要がある。

ｆｎ１が５．０より小さい場合、十分な焼入性が確保できず、また、浸炭異常層の深さが大きくなるので、曲げ疲労強度とピッチング強度が低下してしまう。一方、ｆｎ１が１２．０より大きい場合、浸炭焼入後の表層近傍に粒界に沿った粗大な炭化物が析出し、ピッチング強度が低下してしまう。したがって、５．０≦ｆｎ１≦１２．０とした。なお、ｆｎ１は６．０以上であることが好ましい。

ｆｎ２：１．８５〜２．１４の範囲内
本発明に係る肌焼鋼鋼材は、
ｆｎ２＝Ｃｒ＋Ｓｉ・・・(2)
で表されるｆｎ２が、１．８５〜２．１４の範囲内でなければならない。

既に述べたとおり、上記の(2)式の元素記号は、その元素の質量％での含有量を意味する。

高い曲げ疲労強度と高いピッチング強度を両立させるためには、浸炭異常層深さを低減しつつ焼戻し軟化抵抗を確保して、浸炭焼入後に高温にさらされた場合にも十分な強度を具備させる必要がある。焼戻し軟化抵抗を向上させるためには、化学組成を前記の範囲に制御したうえで、さらに、ＳｉとＣｒの含有量の和としての(2)式で表されるｆｎ２を１．８５〜２．１４の範囲内とする必要がある。ｆｎ２が１．８５より小さい場合は、焼戻し軟化抵抗が低く、高いピッチング強度が得られない。一方、ｆｎ２が２．１４より大きい場合は、浸炭異常層の深さが大きくなるので、曲げ疲労強度とピッチング強度が低下してしまう。したがって、１．８５≦ｆｎ２≦２．１４とした。なお、ｆｎ２は１．９０以上であることが好ましい。

本発明の肌焼鋼鋼材は、そのＦｅの一部に代えて、必要に応じて、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、ＶおよびＮｂから選択される１種以上の元素を含有してもよい。

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

Ｃｕ、ＮｉおよびＭｏは、いずれも、焼入性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：０．２０％以下
Ｃｕは、焼入性を高める作用を有するので、さらなる焼入性向上のために含有させてもよい。しかしながら、Ｃｕは高価な元素であるとともに、含有量が多くなると熱間加工性の低下を招き、特に、０．２０％を超えると、熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、含有させる場合のＣｕの量を０．２０％以下とした。なお、Ｃｕの量は、０．１５％以下とすることが好ましい。

一方、前記したＣｕの効果を安定して得るためには、Ｃｕの含有量は、０．０５％以上とすることが好ましい。

Ｎｉ：０．２０％以下
Ｎｉは、焼入性を高める作用を有する。Ｎｉには、靱性を向上させる作用があり、非酸化性の元素であるため、浸炭時に粒界酸化層の深さを増大させずに鋼表面を強靱化することもできる。このため、これらの効果を得るためにＮｉを含有させてもよい。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であり、過度の添加は成分コストの上昇につながり、特に、Ｎｉの含有量が０．２０％を超えると、コスト上昇が大きくなる。したがって、含有させる場合のＮｉの量を０．２０％以下とした。

一方、前記したＮｉの効果を安定して得るためには、Ｎｉの含有量は０．０５％以上とすることが好ましい。

Ｍｏ：０．１５％以下
Ｍｏは、焼入性を高める作用を有し、浸炭焼入後の表面硬さ、硬化層深さおよび芯部硬さを向上させて、浸炭部品の強度を確保する効果がある。しかも、Ｍｏは、非酸化性の元素であるため、浸炭時に粒界酸化層の深さを増大させずに鋼表面を強靱化することができる。しかしながら、Ｍｏは高価な元素であり、過度の添加は成分コストの上昇につながり、特に、Ｍｏの含有量が０．１５％を超えると、コスト上昇が大きくなる。したがって、含有させる場合のＭｏの量を０．１５％以下とした。なお、Ｍｏの量は、０．１４％以下とすることが好ましい。

一方、前記したＭｏの効果を安定して得るためには、Ｍｏの含有量は、０．０４％以上とすることが好ましい。

上記のＣｕ、ＮｉおよびＭｏ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、含有させる場合のこれらの元素の合計量は、０．４０％以下とすることが好ましい。

ＶおよびＮｂは、いずれも、ＣおよびＮと結合して微細な炭化物、窒化物や炭窒化物を形成して結晶粒を微細化し、曲げ疲労強度および耐摩耗性を向上させる効果を有するので、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。

Ｖ：０．２０％以下
Ｖは、ＣおよびＮと結合して微細な炭化物、窒化物や炭窒化物を形成して結晶粒を微細化し、曲げ疲労強度および耐摩耗性を向上させる効果を有する。しかしながら、Ｖの含有量が過剰になると熱間延性の低下を招き、特に、その含有量が０．２０％を超えると、熱間延性の低下が著しくなって、熱間圧延や熱間鍛造時に表面キズが発生しやすくなる。したがって、含有させる場合のＶの量を０．２０％以下とした。なお、Ｖの量は、０．１０％以下とすることが好ましい。

一方、前記したＶの効果を安定して得るためには、Ｖの含有量は、０．０５％以上とすることが好ましい。

Ｎｂ：０．０６０％以下
Ｎｂは、ＣおよびＮと結合して微細な炭化物、窒化物や炭窒化物を形成して結晶粒を微細化し、曲げ疲労強度および耐摩耗性を向上させる効果を有する。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると熱間延性の低下を招き、特に、その含有量が０．０６０％を超えると、熱間延性の低下が著しくなって、熱間圧延や熱間鍛造時に表面キズが発生しやすくなる。したがって、含有させる場合のＮｂの量を０．０６０％以下とした。なお、Ｎｂの量は、０．０５０％以下とすることが好ましい。

一方、前記したＮｂの効果を安定して得るためには、Ｎｂの含有量は、０．００５％以上とすることが好ましく、０．０１０％以上とすれば一層好ましい。

上記のＶおよびＮｂ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、含有させる場合のこれらの元素の合計量は、０．１５％以下とすることが好ましい。

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１〜２４を１５０ｋｇ真空溶解炉によって溶製後、造塊してインゴットを作製した。

なお、表１中の鋼１〜１２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１３〜２４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。

上記の比較例の鋼のうちで鋼１３は、ＪＩＳＧ４０５２（２００８）に規定されたＳＣＭ４２０Ｈに相当する鋼である。

上記の各インゴットを１２５０℃で２時間保持した後、熱間鍛造して直径が３５ｍｍの棒鋼を作製した。次いで、このようにして得た各棒鋼に、９２０℃で１時間保持後、空冷する焼準を施した。

前記焼準後の直径が３５ｍｍの各棒鋼の中心部から、長さ方向に平行に、図１に示す形状の切欠付き小野式回転曲げ疲労試験片および図２に示す形状のローラーピッチング小ローラー試験片（以下、「小ローラー試験片」という。）を作製した。

また、上記とは別に、ＪＩＳＧ４０５２（２００８）に規定されたＳＣＭ４２０Ｈの直径１４０ｍｍの焼準した棒鋼から、図３に示す形状のローラーピッチング大ローラー試験片（以下、「大ローラー試験片」という。）を作製した。

図１〜３中に示した上記の各試験片における寸法の単位は全て「ｍｍ」であり、図中の記号「▽」および「▽▽▽」は、表面粗さを示す「仕上記号」である。なお、「▽▽▽」に付した「Ｇ」は「研削」を示す加工方法の略号であることを意味する。

上記の切欠付き小野式回転曲げ疲労試験片および小ローラー試験片には、図４に示すヒートパターンで「浸炭焼入−焼戻し」を施した。また、大ローラー試験片には、図５に示す条件でヒートパターンで「浸炭焼入−焼戻し」を施した。なお、図４および図５中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを表す。また、「１３０℃油焼入」は油温１３０℃の油中に焼入したことを、さらに「ＡＣ」は大気中放冷したことを表す。

鋼１〜２４の各々について、表面硬さおよび焼戻し軟化抵抗の調査、硬化層深さの調査、粒界酸化層深さおよび不完全焼入層深さの調査、表層炭化物の調査、小野式回転曲げ疲労試験による疲労特性の調査、ならびに、ローラーピッチング試験による耐ピッチング特性の調査を実施した。

以下に、上記各調査内容の詳細を説明する。

＜１＞表面硬さおよび焼戻し軟化抵抗の調査：
浸炭焼入−焼戻し処理した切欠付き小野式回転曲げ疲労試験片を用いて、その直径８ｍｍの切欠部を横断し、切断面が被検面になるように樹脂に埋め込んだ後、前記面が鏡面仕上げになるように研磨し、マイクロ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（２００９）に記載の「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠して、試験片の表面から０．０３ｍｍの深さ位置における任意の１０点でのビッカース硬さ（以下、「ＨＶ」という。）を、試験力を０．９８Ｎとしてマイクロ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。

浸炭焼入−焼戻し処理した小ローラー試験片についても、試験片の中央の部位を横断し、切断面が被検面になるように樹脂に埋め込んだ後、前記面が鏡面仕上げになるように研磨し、マイクロビッカース硬度計を使用して、上述の切欠付き小野式回転曲げ疲労試験片を用いた場合と同様の方法で、表面硬さを測定した。

なお、上記の浸炭焼入−焼戻し処理した小ローラー試験片は、さらに、真空炉を用いて３００℃×１時間の焼戻し後に水冷する処理を行ったものについても、上記と同じ方法で表面硬さを測定した。

＜２＞有効硬化層深さの調査
浸炭焼入−焼戻し処理しただけで上記＜１＞の表面硬さの調査に用いた各樹脂埋めした試験片を使用して、有効硬化層深さの調査を行った。

具体的には、上記＜１＞の表面硬さの調査の場合と同様に、ＪＩＳＺ２２４４（２００９）に記載の「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠して、鏡面仕上げした試験片の表面から中心に向かう方向について、試験力を２．９４Ｎとしてマイクロビッカース硬度計で測定し、ＨＶが５５０となる場合の表面からの深さを測定し、任意の１０箇所を測った最小値を有効硬化層深さとした。

＜３＞粒界酸化層深さおよび不完全焼入層深さの調査：
前記＜１＞および＜２＞で用いた樹脂埋めした切欠付き小野式回転曲げ疲労試験片を使用して、粒界酸化層深さおよび不完全焼入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、鏡面仕上げしたままの腐食しない状態で、１０００倍の倍率で光学顕微鏡によって試験片の表面部を任意に１０視野観察して、表面部において粒界に沿って観察される酸化層を粒界酸化層とし、それらの深さを算術平均して粒界酸化層深さを評価した。

さらに、同じ試験片を、ナイタールで０．２〜２秒腐食し、１０００倍の倍率で光学顕微鏡によって試験片の表面部を任意に１０視野観察して、表面部において周囲より腐食の程度が顕著な部分を不完全焼入層とし、それらの深さを算術平均して不完全焼入層深さを評価した。

＜４＞表層炭化物の調査
前記＜１＞および＜２＞で用いた樹脂埋めした小ローラー試験片を使用して、表層炭化物の調査を行った。

具体的には、上記の樹脂埋めした試験片を再度研磨、鏡面仕上げし、ピクラルで腐食し、１０００倍の倍率で光学顕微鏡によって試験片の表面から１００μｍ深さまでを等間隔で８箇所観察し、旧オーステナイト粒界に沿って析出した炭化物のサイズを測定した。炭化物サイズの測定は、長径と短径を測定し、「（長径＋短径）／２」をその炭化物サイズとし、観察視野中、最大の炭化物サイズが７μｍ以上であった場合を粗大炭化物「有り」として評価した。

＜５＞小野式回転曲げ疲労試験による疲労特性の調査
切欠付き小野式回転曲げ疲労試験片を用いて、下記の試験条件によって小野式回転曲げ疲労試験を実施し、繰返し数が１０⁷回において破断しない最大の強度で曲げ疲労強度を評価した。

・温度：室温、
・雰囲気：大気中、
・回転数：３０００ｒｐｍ。

なお、曲げ疲労強度が、ＪＩＳＧ４０５２（２００８）に規定されたＳＣＭ４２０Ｈに相当する鋼である鋼１３と同等以上である場合に、曲げ疲労特性に優れるものとした。

＜６＞ローラーピッチング試験による耐ピッチング性調査：
小ローラー試験片および大ローラー試験片を用いて、下記の試験条件でローラーピッチング試験（耐ピッチング特性調査）を実施した。すなわち、小ローラー試験片および大ローラー試験片を接触させた状態で回転させ、接触部には下記の潤滑油を噴き付けた。繰り返し数１０⁷回において、小ローラー試験片表面に幅が１ｍｍ以上のピッチングが発生しない最大の強度でピッチング強度を評価した。ピッチング強度がＪＩＳＧ４０５２（２００８）に規定されたＳＣＭ４２０Ｈに相当する鋼である鋼１３と同じ程度あるいはそれを上回る場合に、耐ピッチング性に優れるものとした。

・すべり率：４０％、
・小ローラー試験片の回転数：１５００ｒｐｍ、
・潤滑油：種類：オートマチックトランスミッション用潤滑油、
油温：１００℃、
油量：２．０リットル／分。

ただし、上記の「すべり率」は、「Ｖ１」を小ローラー試験片表面の接線速度、「Ｖ２」を大ローラー表面の接線速度として、下記の式で計算される値を指す。
｛（Ｖ２−Ｖ１）／Ｖ１｝×１００。

表２に、上記の各調査結果をまとめて示す。

表２から、鋼１〜１２を用いた試験番号１〜１２の場合、本発明で規定する条件を満たすので、ＪＩＳＧ４０５２（２００８）に規定された「クロムモリブデン鋼」のＳＣＭ４２０Ｈに相当する鋼１３を用いた試験番号１３の場合と同じ程度あるいはそれを上回る曲げ疲労強度とピッチング強度が得られており、高い曲げ疲労強度と高いピッチング強度の確保が可能なことが明らかである。

これに対して、本発明で規定する条件から外れた比較例の試験番号１４〜２４の場合、曲げ疲労強度と耐ピッチング強度のいずれかまたは双方が、上記鋼１３を用いた試験番号１３の場合に比べて劣っている。

Claims

質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２４％、Ｓｉ：０．１６〜０．３４％、Ｍｎ：０．５０〜０．９０％、Ｓ：０．００５〜０．０５０％、Ｃｒ：１．６６〜１．９８％、Ａｌ：０．０２０〜０．０６０％およびＮ：０．０１３０〜０．０２００％と、
残部がＦｅおよび不純物とからなり、
不純物中のＰ、ＴｉおよびＯ（酸素）がそれぞれ、Ｐ：０．０２０％以下、Ｔｉ：０．００５％以下およびＯ：０．００２０％以下であり、
さらに、下記の(1)式および(2)式で表されるｆｎ１およびｆｎ２がそれぞれ、５．４≦ｆｎ１≦９．９（但し、７．６および８．５を除く。）および１．８５≦ｆｎ２≦２．１４であることを特徴とする肌焼鋼鋼材。
ｆｎ１＝Ｃｒ／Ｓｉ・・・(1)
ｆｎ２＝Ｃｒ＋Ｓｉ・・・(2)
上記の(1)式および(2)式中の元素記号は、その元素の質量％での含有量を表す。
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：０．２０％以下、Ｎｉ：０．２０％以下、Ｍｏ：０．１５％以下から選択される１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の肌焼鋼鋼材。
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｖ：０．２０％以下およびＮｂ：０．０６０％以下から選択される１種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の肌焼鋼鋼材。