JP6460069B2 - 肌焼鋼およびその製造方法ならびに歯車部品の製造方法 - Google Patents

肌焼鋼およびその製造方法ならびに歯車部品の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、自動車や各種産業機械等の機械構造用部品の素材として用いられる肌焼鋼およびその製造方法、ならびに歯車部品の製造方法に関するものである。特に、高い回転曲げ疲労強度および面圧疲労強度を有する機械構造用部品の素材として適した肌焼鋼およびその製造方法に関するものである。
機械構造用部品、例えば自動車等の駆動伝達部品に用いられている歯車は、近年、省エネルギー化による車体重量の軽量化に伴って、その小型化が要求される一方、エンジンの高出力化により負荷が増大しているため、耐久性の向上が課題とされている。
一般的に、歯車の耐久性は、歯元の回転曲げ疲労破壊および歯面の面圧疲労破壊によって決定されるため、これまで、回転曲げ疲労強度および面圧疲労強度の向上を目的とし、微量元素の添加による介在物の形態制御や浸炭異常層の発生抑制を図ったり、あるいは、焼戻し軟化抵抗性を付与した、すなわち、焼戻しに起因する硬度の低下を抑制する浸炭肌焼鋼が種々提案されている。
例えば、特許文献１には、鋼中のSiを0.15％未満に低減すると共に、Mn、Cr、MoおよびNiの量を制御することにより、浸炭熱処理後の表層の粒界酸化層を低減して亀裂の発生を少なくし、また不完全焼入層の生成を抑制することにより、表面硬さの低減を抑えて疲労強度を高め、さらにCaを添加して、亀裂の発生や伝播を助長するMnSの延伸を制御する方法が開示されている。
特許文献２には、素材としてSiを0.25％以上1.50％以下添加した鋼材を用いて焼戻し軟化抵抗性を高める方法が開示されている。
特許文献３には、焼戻し軟化抵抗の向上に寄与する、Si、MnおよびCrの量を所定値以上とし、かつ、鋼材の表層に当該元素からなる合金欠乏層を形成させることで、Siを増量しても、ガス浸炭性の低下を抑制し、面圧疲労強度を高める方法が開示されている。
特許文献４には、浸炭焼入れ後の芯部硬さと、有効硬化層深さと、破損部位の半径または肉厚の半分とから求まる投影芯部硬さを所定値以上とすることにより、低サイクル疲労時の微小亀裂の発生を遅延させる方法が開示されている。
特許文献５には、浸炭処理時または浸炭窒化処理時の表面の炭素量および窒素量を特定範囲内に制御して、表層部に微細な炭化物の生成を促し、かつ、表層部の残留オーステナイト量を適正量とすることにより、高い疲労強度を確保すると共に接触面の剥離を減少させる、すなわち耐ピッチング性を向上させる方法が開示されている。
特公平７−１２２１１８号公報 特許第２９４５７１４号公報 特許第５０９９２７６号公報 特許第５５０５２６３号公報 特開平７−１８８８９５号公報
しかしながら、上述した特許文献１〜５に記載の発明はいずれも、以下に述べる問題があった。
まず、特許文献１では、Siを0.15％未満に低減すると粒界酸化層および不完全焼入れ層が低減するため、歯車の歯元での回転曲げ疲労による亀裂発生を抑えることはできる。しかしながら、逆に焼戻し軟化抵抗が低下して、破壊の発生が歯元から歯面側に移行する結果、歯面での摩擦熱による焼戻し軟化を抑えることができなくなり表面が軟化するため、歯面の剥離損傷、すなわちピッチングが発生し易くなり、面圧疲労強度が低下することが問題になる。
特許文献２では、焼戻し軟化抵抗を上げるためにSiを添加しているが、Siの添加により通常のガス浸炭では粒界酸化層がより多く形成されて、この粒界酸化層が疲労起点となることにより回転曲げ疲労強度が低下する。そこで、浸炭処理を粒界酸化層が形成されないプラズマ浸炭または真空浸炭に限定せざるを得ない。しかしながら、これらの特殊な浸炭処理では製造コストが嵩むという不利があり、工業的規模での量産化には不適であった。
特許文献３では、Si、MnおよびCrの添加により焼戻し軟化抵抗は向上する。しかしながら、Ms点を大幅に低下するMnやCr量が多い場合、浸炭焼入れ後の残留オーステナイト量が増加し、表層硬度が低下してしまうことにより、面圧疲労強度および回転曲げ疲労強度が低下することが問題になる。
特許文献４では、投影芯部硬さを所定値以上とすることで、優れた低サイクル疲労特性を得ることができる。しかしながら、Si、Mn、CrおよびMo添加量のバランスによっては十分な焼戻し軟化抵抗が得られない場合があり、結果的に面圧疲労強度が低下してしまうという問題がある。
また、特許文献５では、高価なＶが必須の含有元素であり、また、高価なMoについても多量に添加することを許容しており、製造コストの大幅な増加を招いてしまう。さらに、これらの元素は、炭窒化物の析出を増加させ、連続鋳造時の割れの発生が懸念されるものであった。
そこで本発明は、上記課題に鑑み、高い回転曲げ疲労強度および面圧疲労強度を有する機械構造用部品を、比較的安価なコストで作製するための素材として適した肌焼鋼およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するため、浸炭焼入れ・焼戻し後の疲労特性に及ぼす、成分、浸炭後諸特性および介在物の影響について鋭意検討を行った。その結果、以下の（Ａ）〜（Ｃ）の事項を見出すに到った。
（Ａ）鋼材中のSi、Mn、CrおよびMoを増量して焼戻し軟化抵抗を高めることによって、例えば歯車としたときの接触面での発熱による軟化を抑えれば、歯車駆動時に生じる歯面の亀裂発生を抑制することができる。
（Ｂ）曲げ疲労および疲労亀裂の起点となり得る粒界酸化層については、Si、Mn、CrおよびMoを所定量以上添加することにより、粒界酸化層の成長方向が深さ方向から表面の密度増加方向に変わる。従って、起点となるような深さ方向に成長した酸化層がなくなるため、曲げ疲労および疲労亀裂の起点となり難くなる。
（Ｃ）上記（Ａ）および（Ｂ）で述べたとおり、Si、Mn、CrおよびMoは、焼戻し軟化抵抗の向上と粒界酸化層の制御に有効であるが、一方で、過剰に添加すると、残留オーステナイト量が多くなり、疲労亀裂の生成を助長する。そのため、Si、Mn、CrおよびMoについて、その含有量を厳密に制御する必要がある。
本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
［１］質量％で、Ｃ：0.15％以上0.30％以下、Si：0.80％以上2.00％以下、Mn：0.20％以上0.80％以下、Ｐ：0.003％以上0.030％以下、Ｓ：0.005％以上0.050％以下、Cr：1.00％以上1.80％未満、Mo：0.03％以上0.30％以下、Al：0.020％以上0.060％以下、Ｎ：0.0060％以上0.0300％以下およびＯ：0.0003％以上0.0025％以下を、下記（１）式および（２）式を満足する範囲の下で含み、残部はFeおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、さらに、下記（３）式を満足することを特徴とする肌焼鋼。
記
〔％Si〕＋（〔％Mn〕＋〔％Cr〕＋〔％Mo〕）／3≧1.5 ・・・（１）
180−45〔％Mn〕−14〔％Cr〕−51〔％Mo〕＋5〔％Si〕≧125 ・・・（２）
√I≦80 ・・・（３）
ただし、〔％Ｍ〕はＭ元素の含有量（質量％）を示し、Iは、前記肌焼鋼に浸炭焼入れおよび焼戻しを施し、その後回転曲げ疲労試験を行った後の破面における、フィッシュアイ中心部に位置する酸化物系介在物の面積（μｍ２）を示す。
［２］前記成分組成が、質量％でさらに、Nb：0.050％以下、Ti：0.025％未満、およびSb：0.035％以下のうちから選んだ１種以上を含む上記［１］に記載の肌焼鋼。
［３］前記成分組成が、質量％でさらに、Cu：1.0％以下、Ni：1.0％以下、およびＶ：0.050％以下のうちから選んだ１種以上を含む上記［１］または［２］に記載の肌焼鋼。
［４］前記成分組成が、質量％でさらに、Ca：0.0050％以下、Sn：0.50％以下、Se：0.30％以下、Ta：0.10％以下、Hf：0.10％以下のうちから選んだ１種以上を含む上記［１］〜［３］のいずれか一項に記載の肌焼鋼。
［５］質量％で、Ｃ：0.15％以上0.30％以下、Si：0.80％以上2.00％以下、Mn：0.20％以上0.80％以下、Ｐ：0.003％以上0.030％以下、Ｓ：0.005％以上0.050％以下、Cr：1.00％以上1.80％未満、Mo：0.03％以上0.30％以下、Al：0.020％以上0.060％以下、Ｎ：0.0060％以上0.0300％以下およびＯ：0.0003％以上0.0025％以下を、下記（１）式および（２）式を満足する範囲の下で含み、残部はFeおよび不可避不純物からなる成分組成を有する鋼の鋳片を、下記（４）式を満足する断面減少率にて熱間鍛造および／または熱間圧延による熱間加工を施して、棒鋼または線材である肌焼鋼を得ることを特徴とする肌焼鋼の製造方法。
記
〔％Si〕＋（〔％Mn〕＋〔％Cr〕＋〔％Mo〕）／3≧1.5 ・・・（１）
180−45〔％Mn〕−14〔％Cr〕−51〔％Mo〕＋5〔％Si〕≧125 ・・・（２）
（S1−S2）／S1≧0.960 ・・・（４）
ただし、S1は、熱間加工時の延伸方向と直交する断面における前記鋳片の断面積（ｍｍ２）、S2は、熱間加工時の延伸方向と直交する断面における前記棒鋼または線材の断面積（ｍｍ２）を示す。
［６］前記成分組成が、質量％でさらに、Nb：0.050％以下、Ti：0.050％未満およびSb：0.035％以下のうちから選んだ１種以上を含む上記［５］に記載の肌焼鋼の製造方法。
［７］前記成分組成が、質量％でさらに、Cu：1.0％以下、Ni：1.0％以下、およびＶ：0.050％以下のうちから選んだ１種以上を含む上記［５］または［６］に記載の肌焼鋼の製造方法。
［８］前記成分組成が、質量％でさらに、Ca：0.0050％以下、Sn：0.50％以下、Se：0.30％以下、Ta：0.10％以下、Hf：0.10％以下のうちから選んだ１種以上を含む上記［５］〜［７］のいずれか一項に記載の肌焼鋼の製造方法。
［９］上記［１］〜［４］のいずれか一項に記載の肌焼鋼に、機械加工、または、鍛造とその後の機械加工を施して歯車形状とし、その後、前記肌焼鋼に浸炭焼入れおよび焼戻しを施して、歯車部品を得ることを特徴とする歯車部品の製造方法。
［１０］上記［５］〜［８］のいずれか一項に記載の肌焼鋼の製造方法の工程に加えて、前記肌焼鋼に、機械加工、または、鍛造とその後の機械加工を施して歯車形状とし、その後、前記肌焼鋼に浸炭焼入れおよび焼戻しを施して、歯車部品を得ることを特徴とする歯車部品の製造方法。
本発明によれば、高い回転曲げ疲労強度および面圧疲労強度を有する機械構造用部品を、比較的安価なコストで作製するための素材として適した肌焼鋼およびその製造方法を提供することができる。すなわち、機械構造用部品として例えば歯車を、本発明鋼を用いて作製した場合に、その歯元の回転曲げ疲労特性のみならず、歯面の面圧疲労特性にも優れた歯車を量産することが可能になる。
回転曲げ疲労試験片を示す図である。 浸炭焼入れ・焼戻し処理における熱処理条件を示す図である。 ローラーピッチング疲労試験の概要を示す図である。
まず、本発明において、鋼の成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。なお、成分に関する「％」表示は、特に断らない限り質量％を意味するものとする。
Ｃ：0.15％以上0.30％以下
浸炭処理後の焼入れにより中心部の硬度を高めるためには、0.15％以上のＣを必要とするが、含有量が0.30％を超えると芯部の靭性が低下するため、Ｃ量は0.15％以上0.30％以下の範囲に限定した。好ましくは0.15％以上0.25％以下の範囲である。
Si：0.80％以上2.00％以下
Siは、歯車等が転動中に到達すると予想される200〜300℃の温度域における焼戻し軟化抵抗を高めると共に、浸炭表層部の硬さ低下を引き起こす残留オーステナイトの生成を抑制しつつ、焼入れ性を向上させる元素である。また、Siは、同温領域における炭化物の成長を抑制することにより、疲労亀裂の進展の抑制に寄与する転位密度の減少を抑える効果も有している。このような効果を有する鋼を得るには、少なくとも0.80％以上の添加が不可欠である。しかしながら、一方でSiはフェライト安定化元素であり、過剰な添加はAc3変態点を上昇させ、通常の焼入れ温度範囲で炭素の含有量の低い芯部でフェライトが出現し易くなり強度の低下を招く。また、過剰な添加は浸炭を阻害し、浸炭表層部の硬さ低下を引き起こす。この点、Si量が2.00％以下であれば、上記のような弊害は生じない。以上より、Si量は0.80％以上2.00％以下の範囲に限定した。好ましくは0.90％以上1.60％以下の範囲である。
Mn：0.20％以上0.80％以下
Mnは、焼入れ性の向上に有効な元素であり、少なくとも0.20％以上の添加を必要とする。しかしながら、Mnは、浸炭異常層を形成し易く、また過剰な添加は残留オーステナイト量が過多となることにより硬さの低下を招くため、上限を0.80％とした。好ましくは0.40％以上0.60％以下の範囲である。
Ｐ：0.003％以上0.030％以下
Ｐは、粒界に偏析し、浸炭層および内部の靭性を低下させる原因となるため、Ｐ量は、低いほど望ましい。具体的には、0.030％を超えると、上記弊害が現れるため、Ｐ量は0.030％以下とした。一方、製造コストの観点から、0.003％を下限とした。
Ｓ：0.005％以上0.050％以下
Ｓは、Mnと硫化物を形成し、被削性を向上させる作用を有するので、少なくとも0.005％以上含有させる。一方、過剰な添加は、部品の疲労強度および靭性を低下させるため、上限を0.050％とした。好ましくは0.010％以上0.030％以下の範囲である。
Cr：1.00％以上1.80％未満
Crは、焼入れ性のみならず、焼戻し軟化抵抗の向上にも有効な元素であるが、含有量が1.00％に満たないとその添加効果に乏しく、一方、1.80％以上になると焼戻し軟化抵抗を高める効果は飽和し、むしろ浸炭異常層を形成し易くなり、回転曲げ疲労強度の低下を招く。従って、Cr量は1.00％以上1.80％未満の範囲に限定した。好ましくは1.20％以上1.60％以下の範囲である。
Mo：0.03％以上0.30％以下
Moは、焼入れ性、焼戻し軟化抵抗および靭性を向上させると共に、浸炭処理後の結晶粒径を微細化する効果を有する元素であり、0.03％に満たないとその添加効果に乏しいため、0.03％を下限とした。一方、多量に添加すると、残留オーステナイト量が過多となることにより硬さの低下を招くだけではなく、製造コストを上昇させるため、0.30％を上限とした。なお、残留オーステナイト量および製造コストをより低くする観点から、上限値は0.20％とすることが好ましい。
Al：0.020％以上0.060％以下
Alは、Ｎと結合してAlＮを形成し、オーステナイト結晶粒の微細化に寄与する元素であり、この効果を得るためには0.020％以上の添加を必要とするが、含有量が0.060％を超えると疲労強度に対して有害なAl203介在物の生成を助長するため、Al量は0.020％以上0.060％以下の範囲に限定した。好ましくは0.020％以上0.040％以下の範囲である。
Ｎ：0.0060％以上0.0300％以下
Ｎは、Alと結合してAlＮを形成し、オーステナイト結晶粒の微細化に寄与する元素である。従って、適正添加量はAlとの量的バランスで決まるが、その効果を発揮するためには0.0060％以上の添加が必要である。しかし、過剰に添加すると凝固時の鋼塊に気泡が発生したり、鍛造性の劣化を招くため、上限を0.0300％とする。好ましくは0.0090％以上0.0150％以下の範囲である。
Ｏ：0.0003％以上0.0025％以下
Ｏは、鋼中において酸化物系介在物として存在し、疲労強度を損なう元素である。従って、Ｏ量は低いほど望ましいが、0.0025％までは許容される。好ましくは0.0015％以下である。一方、製造コストの観点から、0.0003％を下限とした。
本発明における鋼中成分は、上記成分を含み、残部はFeおよび不可避不純物であるが、本発明の作用範囲を損なわない範囲で、他の特性付与等を目的として、以下の選択成分を添加することが出来る。
Nb：0.050％以下
Nbは、炭窒化物形成元素であり、浸炭時のオーステナイト粒径を微細化して面圧疲労強度および回転曲げ疲労強度の向上に寄与する。このような作用を有効に発揮させるため、添加する場合は、0.010％以上とすることが好ましい。一方、その効果は0.050％で飽和し、かつ多量に添加するとコストが増加するため、上限は0.050％とすることが好ましい。より好ましくは0.010％以上0.025％未満の範囲である。
Ti：0.025％未満
Tiは、Nbと同じく炭窒化物形成元素であり、浸炭時のオーステナイト粒径を微細化して面圧疲労強度および回転曲げ疲労強度の向上に寄与する。このような作用を有効に発揮させるため、添加する場合は、0.005％以上とすることが好ましい。一方、その効果は0.025％未満で飽和し、かつ過剰に添加すると、粗大な炭窒化物が生成し、逆に上記の疲労強度の低下を招くため、上限は0.025％未満とすることが好ましい。
Sb：0.035％以下
Sbは粒界への偏析傾向が強く、浸炭処理時に焼入れ性向上に寄与するSi、Mn、Cr等の粒界酸化を抑制することで、鋼の極表層における浸炭異常層の発生を低減させ、結果として回転曲げ疲労強度を向上させる効果がある。このような作用を有効に発揮させるため、添加する場合は、0.003％以上とすることが好ましい。しかしながら、過剰に添加するとコストの増加につながるだけでなく、靭性を低下させるため、0.035％以下とすることが好ましい。より好ましくは0.005％以上0.020％以下の範囲である。
Cu：1.0％以下
Cuは、焼入性の向上に寄与する元素であり、また、Seととともに添加することにより、鋼中でSeと結合し、結晶粒の粗大化防止効果を示す有用な元素である。これらの効果を得るためには、Cu含有量は0.01％以上とすることが好ましい。一方、Cu含有量が1.0％を超えると、圧延材の表面肌が荒れてしまい、疵として残存する懸念がある。そこで、上限は1.0％とすることが好ましい。より好ましくは0.10％以上0.50％以下の範囲である。
Ni：1.0％以下
Niは、焼入性の向上に寄与するとともに、靱性の向上に有用な元素である。これらの効果を得るためには、Ni含有量は0.01％以上とすることが好ましい。一方、1.0％を超えて含有されても、上記の効果が飽和する。よって、上限は1.0％とすることが好ましい。より好ましくは0.10％以上0.50％以下の範囲である。
Ｖ：0.050％以下
Ｖは、Nbと同じく炭窒化物形成元素であり、浸炭時のオーステナイト粒径を微細化して、疲労強度の向上に寄与する。また、粒界酸化層深さを低減させる効果も有している。このような作用を有効に発揮させるため、添加する場合は、0.005％以上とすることが好ましい。一方、その効果は0.050％で飽和し、かつ過剰に添加すると、粗大な炭窒化物が生成し、逆に上記疲労強度の低下を招くため、上限は0.050％とすることが好ましい。より好ましくは0.005％以上0.030％以下の範囲である。
Ca：0.0050％以下
Caは、硫化物の形態を制御し、被削性の向上に有用な元素である。これらの効果を得るためには、Ca含有量は0.0005％以上とすることが好ましい。一方、Ca含有量が0.0050％を超えると、上記の効果が飽和するだけでなく、疲労破壊の起点となる粗大な酸化物系介在物の生成を助長するため、上限は0.0050％とすることが好ましい。より好ましくは0.0005％以上0.0020％以下の範囲である。
Sn：0.50％以下
Snは、鋼材表面の耐食性を向上させるために有効な元素である。耐食性向上の観点から、Sn含有量は0.003％以上とすることが好ましい。一方、過剰な添加は鍛造性を劣化させることから、上限は0.50％とすることが好ましい。より好ましくは0.010％以上0.050％以下の範囲である。
Se：0.30％以下
Seは、MnやCuと結合し、鋼中に析出物として分散する。Se析出物は浸炭熱処理温度域で析出物成長がほとんど起こらず安定に存在しており、オーステナイト粒径のピン止め効果が高い。このため、Se添加は結晶粒の粗大化防止に有効である。この効果を得るためには、少なくとも0.001％のSeを添加することが好ましい。一方、0.30％を超えて添加しても、結晶粒の粗大化防止効果は飽和する。このため、上限は0.30％とすることが好ましい。より好ましくは0.005％以上0.100％以下の範囲である。
Ta：0.10％以下
Taは、鋼中で炭化物を形成し、浸炭熱処理時のオーステナイト粒径の粗粒化をピン止め効果により抑制する。この効果を得るためには、少なくとも0.003％のTaを添加することが好ましい。一方、0.10％を超えて添加すると、鋳造凝固時に割れを生じやすくなり、圧延および鍛造後でも疵が残存してしまう懸念があるため、上限は0.10％とすることが好ましい。より好ましくは0.005％以上0.050％以下の範囲である。
Hf：0.10％以下
Hfは、鋼中で炭化物を形成し、浸炭熱処理時のオーステナイト粒径の粗粒化をピン止め効果により抑制する。この効果を得るためには、少なくとも0.003％のHfを添加することが好ましい。一方、0.10％を超えて添加すると、鋳造凝固時に粗大な析出物を生成し、粗粒化抑制能の低下や疲労強度の劣化を招くおそれがあるため、上限は0.10％とすることが好ましい。より好ましくは0.005％以上0.050％以下の範囲である。
本発明者らは、上記成分組成を有する肌焼鋼において、以下の（１）式および（２）式を満足する場合に、当該肌焼鋼に浸炭焼入れおよび焼戻しを施して製造した機械構造用部品が、従来に無い優れた曲げ疲労強度および面圧疲労強度を発揮することを見出した。
〔％Si〕＋（〔％Mn〕＋〔％Cr〕＋〔％Mo〕）／3≧1.5 ・・・（１）
180−45〔％Mn〕−14〔％Cr〕−51〔％Mo〕＋5〔％Si〕≧125 ・・・（２）
ただし、〔％Ｍ〕はＭ元素の含有量（質量％）を示す。
上記（１）式は、焼戻し軟化抵抗性に影響を与える因子を示し、左辺の値が1.5未満では焼戻し軟化抵抗性の改善効果に乏しい。また、上記（２）式は、残留オーステナイト量に影響を与える因子を示し、左辺の値が125未満では、浸炭表層部の硬度が低下するため、面圧疲労強度および回転曲げ疲労強度の低下を招くことになる。本発明では、上記（１）式を満たすことによって、歯車等が転動中に到達すると予想される200℃以上300℃以下の温度域での焼戻し軟化抵抗を高め、かつ、上記（２）式を満たすことによって、浸炭表層部の硬度の低下を引き起こす残留オーステナイト量を低減させることができるため、面圧疲労強度および回転曲げ疲労強度の低下を抑制することができる。
しかしながら、各々の元素が、上記（１）式および（２）式を満足している場合であっても、回転曲げ疲労試験後の試験片の破面に位置する酸化物系介在物のサイズがある値よりも大きいと、この酸化物系介在物に起因して面圧疲労強度および回転曲げ疲労強度が低下するため、早期疲労破壊を示すといった問題があることがわかった。そこで、本発明の肌焼鋼は、浸炭焼入れ及び焼戻し後に以下の（３）式を満足することが重要である。上記（３）式の左辺√Iの値は、より好ましくは60以下であり、さらに好ましくは40以下である。
√I≦80 ・・・（３）
上掲（３）式の左辺のIは、疲労破壊の起点となる最大の酸化物系介在物のサイズを示す指標であり、以下のようにして求める。肌焼鋼（棒鋼または線材）から、７本の試験片を採取する。試験片は、熱間加工による延伸方向（すなわち熱間圧延による場合には圧延方向、熱間鍛造による場合には鍛造による延伸方向）と平行に、直径1/2位置より採取し、図１に示す平行部直径8mm×平行部長さ16mmの寸法とする。
試験片に対して、図２に示す条件で浸炭焼入れ及び焼戻しを施し、その後、両振り小野式回転曲げ疲労試験を行って、フィッシュアイ破壊を生じさせる。試験条件は、浸炭後に表面を0.1mm研摩し、負荷応力1000MPa、回転数3500rpmとする。７本の試験片のうち最低疲労寿命のものについて、破面を走査型電子顕微鏡で観察し、フィッシュアイ中心部に位置する酸化物系介在物、すなわち、最大の酸化物系介在物の面積を画像解析にて測定し、Iとする。
本発明における、このような介在物の大きさの求め方によれば、3.14×(7.8mm÷2)2×16mm×７＝5349mm３の体積中の最大酸化物系介在物の大きさを評価できる。従来の被検面積中に存在する酸化物系介在物の大きさ、数量または密度の測定法では、このような大体積中の酸化物系介在物の状態の測定はできず、疲労寿命に影響を及ぼす介在物の評価は行えない。本発明における上記の介在物の評価手法では、5349mm3という大体積中で、実際に鋼の疲労破壊の起点となった酸化物系介在物の大きさを評価できるので、疲労寿命の予測精度がより向上する。
次に、本発明に係る肌焼鋼の製造方法について説明する。
上記（３）式を満足する肌焼鋼を得るためには、その製造工程において、鋳片の成分組成を上記（１）式および（２）式を含めて上記の範囲に調整することに加えて、当該鋳片に対して、次の（４）式を満足する断面減少率にて熱間鍛造および／または熱間圧延による熱間加工を施して、棒鋼または線材とする必要がある。
（S1−S2）／S1≧0.960 ・・・（４）
但し、S1は、熱間加工時の延伸方向と直交する断面における鋳片の断面積（ｍｍ２）であり、S2は、熱間加工時の延伸方向と直交する断面における棒鋼または線材の断面積（ｍｍ２）である。
上記（４）式の左辺は、鋳片に熱間加工を施す際の断面減少率を示す指標である。ここで、熱間加工は、熱間鍛造であってもよく、また熱間圧延であってもよい。さらに、熱間鍛造と熱間圧延との両方を行ってもよい。上記（４）式の左辺で示される指標が0.960未満では、サイズの大きな酸化物系介在物に起因して面圧疲労強度および回転曲げ疲労強度が低下し、結果として早期疲労破壊を示す。より好ましくは、上記（４）式の左辺が0.970以上であり、さらに好ましくは、0.985以上である。このように、本発明の成分組成を満足する鋼の鋳片に対して、上記（４）式を満足する断面減少率にて熱間加工を施すと、後述する浸炭焼入れ及び焼戻し後に上記（３）式を満足する肌焼鋼を得ることができる。
以上のようにして製造された本発明の肌焼鋼（棒鋼または線材）は、熱間鍛造または冷間鍛造を施すか施さずに、その後切削等の機械加工が施されて、部品形状（例えば歯車形状）に成型される。その後、この部品形状に対して、浸炭焼入れ・焼戻し処理を施すことにより所望の部品（例えば歯車）を得る。さらに、この部品に対して、ショットピーニング等の加工を施してもよい。なお、加工にあたり、熱間鍛造や冷間鍛造を施した場合には、酸化物系介在物のサイズが変化するが、疲労寿命を悪化させる方向に変化することはないので、これらの鍛造が施されて部品となる場合であっても、本発明の肌焼鋼を用いることは有効である。肌焼鋼に対する浸炭焼入れ・焼戻しの条件は特に限定されず、公知または任意の条件とすればよく、例えば、浸炭温度900℃以上1050℃以下で60分以上600分以下とし、焼入れ温度800℃以上900℃以下で10分以上120分以下とし、焼戻し温度120℃以上250℃以下で30分以上180分以下とすることができる。
以下、実施例に従って、本発明の構成および作用効果をより具体的に説明する。しかし、本発明は下記の実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲内にて適宜変更することも可能であり、これらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。
表１に示す成分組成（各元素の含有量の単位は質量％、残部はFeおよび不可避不純物）の鋼の鋳片を、表２に示す断面減少率にて熱間圧延し、種々の寸法の丸棒鋼および角材鋼を得た。表１中に示すNo.1〜27は成分組成が本発明を満足する適合鋼であり、No.28〜52は成分組成が本発明を満足しない比較鋼であり、表２中のNo.53は、断面減少率が本発明の規制値から外れた比較例である。
（評価方法）
各適合鋼および比較鋼において、以下の評価を行った。
（１）回転曲げ疲労強度およびIの評価
適合鋼および比較鋼から得た丸棒鋼の各々の直径1/2の位置より、既述の方法で試験片を７本採取し、既述の方法でＩを求めた。画像解析には、Media-Cybernetics社製Image-Pro_PLUSを用いた。この手順における両振り小野式回転曲げ疲労試験において、破断までの繰り返し数（７本のうちの最短疲労寿命）を表２に示す。なお、最短疲労寿命が100,000回以上の場合に、優れた回転曲げ疲労強度を有するとみなすことができる。
（２）面圧疲労強度の評価
適合鋼および比較鋼から得た36mmφの丸棒鋼の各々において、丸棒鋼の直径1/2の位置より、図３に示す26mmφの試験片を採取し、ローラーピッチング疲労試験片（小ローラー）とした。得られた試験片に対して、図２に示す浸炭焼入れ・焼戻し処理を行った。その後、ローラーピッチング疲労試験機を使用して、80℃のミッションオイルを潤滑に用い、すべり率：40％、回転数：1500rpmの条件下で、ローラーピッチング疲労試験を行った。なお、大ローラー（クラウニングR150mm）にはSUJ2の焼入れ焼戻し品を使用した。その際、107回を疲労限度として面圧疲労強度を測定して評価した。本試験において、2800MPa以上の疲労強度を有する場合、優れた面圧疲労強度を有するとみなすことができる。評価結果を表２に示す。
Figure 0006460069
Figure 0006460069
本発明によれば、高い回転曲げ疲労強度および面圧疲労強度を有する機械構造用部品を、比較的安価なコストで作製するための素材として適した肌焼鋼およびその製造方法を提供することができる。

Claims (10)

  1. 質量％で、Ｃ：0.15％以上0.30％以下、Si：0.80％以上2.00％以下、Mn：0.20％以上0.80％以下、Ｐ：0.003％以上0.030％以下、Ｓ：0.005％以上0.050％以下、Cr：1.00％以上1.80％未満、Mo：0.03％以上0.30％以下、Al：0.020％以上0.060％以下、Ｎ：0.0060％以上0.0300％以下およびＯ：0.0003％以上0.0025％以下を、下記（１）式および（２）式を満足する範囲の下で含み、残部はFeおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、さらに、下記（３）式を満足することを特徴とする肌焼鋼。
    記
    〔％Si〕＋（〔％Mn〕＋〔％Cr〕＋〔％Mo〕）／3≧1.5 ・・・（１）
    180−45〔％Mn〕−14〔％Cr〕−51〔％Mo〕＋5〔％Si〕≧125 ・・・（２）
    √I≦80 ・・・（３）
    ただし、〔％Ｍ〕はＭ元素の含有量（質量％）を示し、Iは、前記肌焼鋼に浸炭焼入れおよび焼戻しを施し、その後回転曲げ疲労試験を行った後の破面における、フィッシュアイ中心部に位置する酸化物系介在物の面積（μｍ２）を示す。
  2. 前記成分組成が、質量％でさらに、Nb：0.050％以下、Ti：0.025％未満、およびSb：0.035％以下のうちから選んだ１種以上を含む請求項１に記載の肌焼鋼。
  3. 前記成分組成が、質量％でさらに、Cu：1.0％以下、Ni：1.0％以下、およびＶ：0.050％以下のうちから選んだ１種以上を含む請求項１または２に記載の肌焼鋼。
  4. 前記成分組成が、質量％でさらに、Ca：0.0050％以下、Sn：0.50％以下、Se：0.30％以下、Ta：0.10％以下、Hf：0.10％以下のうちから選んだ１種以上を含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の肌焼鋼。
  5. 質量％で、Ｃ：0.15％以上0.30％以下、Si：0.80％以上2.00％以下、Mn：0.20％以上0.80％以下、Ｐ：0.003％以上0.030％以下、Ｓ：0.005％以上0.050％以下、Cr：1.00％以上1.80％未満、Mo：0.03％以上0.30％以下、Al：0.020％以上0.060％以下、Ｎ：0.0060％以上0.0300％以下およびＯ：0.0003％以上0.0025％以下を、下記（１）式および（２）式を満足する範囲の下で含み、残部はFeおよび不可避不純物からなる成分組成を有する鋼の鋳片に、下記（４）式を満足する断面減少率にて熱間鍛造および／または熱間圧延による熱間加工を施して、棒鋼または線材であり、下記（３）式を満足する肌焼鋼を得ることを特徴とする肌焼鋼の製造方法。
    記
    〔％Si〕＋（〔％Mn〕＋〔％Cr〕＋〔％Mo〕）／3≧1.5 ・・・（１）
    180−45〔％Mn〕−14〔％Cr〕−51〔％Mo〕＋5〔％Si〕≧125 ・・・（２）
    √I≦80 ・・・（３）
    （S1−S2）／S1≧0.960 ・・・（４）
    ただし、〔％Ｍ〕はＭ元素の含有量（質量％）を示し、Iは、前記肌焼鋼に浸炭焼入れおよび焼戻しを施し、その後回転曲げ疲労試験を行った後の破面における、フィッシュアイ中心部に位置する酸化物系介在物の面積（μｍ ２ ）を示し、S1は、熱間加工時の延伸方向と直交する断面における前記鋳片の断面積（ｍｍ２）、S2は、熱間加工時の延伸方向と直交する断面における前記棒鋼または線材の断面積（ｍｍ２）を示す。
  6. 前記成分組成が、質量％でさらに、Nb：0.050％以下、Ti：0.025％未満、およびSb：0.035％以下のうちから選んだ１種以上を含む請求項５に記載の肌焼鋼の製造方法。
  7. 前記成分組成が、質量％でさらに、Cu：1.0％以下、Ni：1.0％以下、およびＶ：0.050％以下のうちから選んだ１種以上を含む請求項５または６に記載の肌焼鋼の製造方法。
  8. 前記成分組成が、質量％でさらに、Ca：0.0050％以下、Sn：0.50％以下、Se：0.30％以下、Ta：0.10％以下、Hf：0.10％以下のうちから選んだ１種以上を含む請求項５〜７のいずれか一項に記載の肌焼鋼の製造方法。
  9. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の肌焼鋼に、機械加工、または、鍛造とその後の機械加工を施して歯車形状とし、その後、前記肌焼鋼に浸炭焼入れおよび焼戻しを施して、歯車部品を得ることを特徴とする歯車部品の製造方法。
  10. 請求項５〜８のいずれか一項に記載の肌焼鋼の製造方法の工程に加えて、前記肌焼鋼に、機械加工、または、鍛造とその後の機械加工を施して歯車形状とし、その後、前記肌焼鋼に浸炭焼入れおよび焼戻しを施して、歯車部品を得ることを特徴とする歯車部品の製造方法。
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