JP6737387B2 - 軟窒化用鋼および部品 - Google Patents

Description

本発明は、軟窒化用鋼に関し、軟窒化処理前には一定の被削性を有しつつ、軟窒化処理後には疲労特性に優れたものとなる、自動車や建設機械用部品に用いて好適な軟窒化用鋼を提供しようとするものである。さらに、本発明は、この軟窒化用鋼を軟窒化処理して得られる部品に関するものである。

自動車の歯車等の機械構造部品には優れた疲労特性が要求されるため、表面硬化処理が施されるのが通例である。表面硬化処理としては、浸炭処理や高周波焼入処理、窒化処理などが良く知られている。

これらのうち、浸炭処理は、高温のオーステナイト域においてＣを浸入・拡散させることから、深い硬化深さが得られ、疲労特性の向上に有効である。しかしながら、浸炭処理により熱処理歪が発生するため、静粛性等の観点から厳しい寸法精度が要求される部品に対しては、その適用が困難であった。

また、高周波焼入処理は、高周波誘導加熱により表層部を焼入れする処理であるため、やはり熱処理歪みが発生し、浸炭処理と同様に寸法精度の面で問題があった。

一方、窒化処理は、Ａc₁変態点以下の比較的低温度域で窒素を浸入・拡散させて表面硬さを高める処理であるため、上記したような熱処理歪みが発生する、おそれはない。しかしながら、処理時間が50〜100時間と長く、また処理後に表層の脆い化合物層を除去する必要があるという問題があった。

そのため、窒化処理と同程度の処理温度で処理時間を短くした、いわゆる軟窒化処理が開発され、近年では機械構造用部品などを対象に広く普及している。この軟窒化処理は、500〜600℃の温度域でＮとＣを同時に浸入・拡散させて、表面を硬化するものであり、従来の窒化処理に比べて処理時間を半分以下にすることが可能である。

しかしながら、前述した浸炭処理では、焼入硬化により芯部硬度を上昇させることが可能であるのに対し、軟窒化処理は鋼の変態点以下の温度で処理を行うものであるため、芯部硬度が上昇せず、軟窒化処理材は浸炭処理材と比較すると、疲労特性が劣るという問題があった。

そこで、軟窒化処理材の疲労特性を高めるため、通常、軟窒化処理前に焼入・焼戻し処理を行い、芯部硬度を上昇させているが、得られる疲労特性は十分とは言い難く、また、製造コストが上昇し、さらに機械加工性の低下も避けられなかった。

このような問題を解決するものとして、特許文献１には、鋼中に、NiやCu，Al、Cr、Tiなどを含有させることにより、軟窒化処理後に高い曲げ疲労特性を得ることを可能にした軟窒化用鋼が提案されている。すなわち、この鋼は、軟窒化処理により、芯部についてはNi−Al、Ni−Ti系の金属間化合物あるいはCu化合物で時効硬化させる一方、表層部については窒化層中にCr、Al、Ti等の窒化物や炭化物を析出硬化させることで、曲げ疲労特性を向上させている。

また、特許文献２には、Cuを０．５〜２％含有させた鋼を、熱間鍛造で鍛伸後、空冷して、Cuが固溶したフェライト主体の組織とし、580℃、120分の軟窒化処理中にCuを析出硬化させ、さらにTi、ＶおよびNb炭窒化物の析出硬化も併用することで、軟窒化処理後において優れた曲げ疲労特性が得られる軟窒化用鋼が提案されている。

さらに、特許文献３には、Ti−Mo炭化物、またそれらにさらにNb、Ｖ、Ｗの一種または二種以上を含む炭化物を分散させた軟窒化用鋼が提案されている。

またさらに、特許文献４には、Ｖ，Nbを含有する鋼において、窒化前の組織をベイナイト主体の組織とし、窒化前の段階におけるＶ，Nb炭窒化物の析出を抑制する一方、窒化時にこれら炭窒化物を析出させることにより、芯部硬度を向上させた疲労特性に優れる窒化用鋼材が提案されている。

特開平５−５９４８８号公報 特開２００２−６９５７２号公報 特開２０１０−１６３６７１号公報 特許第５５６７７４７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の軟窒化鋼は、Ni−Al、Ni−Ti系の金属間化合物やCu等の析出硬化により曲げ疲労特性は向上するものの、加工性の確保が十分とは言い難かった。また、特許文献２に記載の軟窒化用鋼は、Cu、Ti、Ｖ、Nbを比較的多量に添加する必要があるため、生産コストが高いという問題があった。さらに、特許文献３に記載の軟窒化用鋼では、微細析出物を十分に析出させるためにはTi、Moを多量に含有させる必要があり、やはり高コストであるという問題があった。

一方、特許文献４に記載の窒化用鋼材は、窒化層の析出硬化のため，Cr，Ｖ，Nbを含んでいる。これらの元素は窒化層の硬化に有効な元素であるが過剰に添加した場合には表層のごく近傍でのみ析出硬化し、硬化層が表層の浅い部分のみに形成されるという課題があった。

本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、ごく表層のCr、Ｖ、Nbの析出を抑制することで硬化層深さが確保された軟窒化用鋼を提供することを目的とする。また、本発明は、機械加工後の軟窒化処理により芯部硬さを高め、もって疲労特性を向上させた部品を提供することを目的とする。

発明者らは、上記の課題を解決するために、鋼の成分組成および組織の影響について鋭意検討を行った。その結果、鋼の成分組成として、安価なＣを比較的多量に含有させるとともにCr、ＶおよびNbを適正量含有させ、鋼組織を面積率で50％超のベイナイト相とすることにより、Cr、Ｖ、Nbの析出が抑制される結果、優れた機械加工性を確保できることがわかった。さらに、軟窒化処理後には、軟窒化処理部品の芯部にCr、ＶおよびＮｂを含む微細な析出物を分散析出するようになり、芯部硬さが上昇し、優れた疲労特性が得られるとの知見を得た。また、Cr、Ｖ、Nb、Ｗ、Co、Hf、ZrおよびTiの含有量の適正化により、軟窒化処理時に、ＮおよびＣが表面から内部への拡散を妨害する、炭窒化物形成元素が減少し、軟窒化処理により形成できる硬化層の厚さが増大し、これが面疲労強度の向上につながるという知見を得た。

本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を加えた末に完成されたものであり、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．質量％で、
Ｃ：0.010％以上0.100％以下、
Si：1.00％以下、
Mn：0.50％以上3.00％以下、
Ｐ：0.020％以下、
Ｓ：0.060％以下、
Cr：0.30％以上0.90％以下、
Mo：0.005％以上0.200％以下、
Ｖ：0.02％以上0.50％以下、
Nb：0.003％以上0.150％以下、
Al：0.005％以上0.200％以下、
Ｎ：0.0200％以下、
Sb：0.0005％以上0.0200％以下、
Ｗ：0.3％以下（０％を含む）、
Co：0.3％以下（０％を含む）、
Hf：0.2％以下（０％を含む）、
Zr：0.2％以下（０％を含む）および
Ti：0.1％以下（０％を含む）
を、下記式（１）を満足する範囲にて含有し、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有し、かつベイナイト相の組織全体に対する面積率が50％超である鋼組織を有する軟窒化用鋼。
記
9.5≦（［Cr］／52＋［Ｖ］／50.9＋［Nb］／92.9＋Ｍ)×10³≦18.5 −−−（１）
但し、Ｍ：［Ｗ］／183.8、［Co］／58.9、［Hf］／178.5、［Zr］／91.2および［Ti］／47.9の総和
ここで、［ ］は該括弧内の元素の含有量（質量％）

２．前記成分組成が、更に質量％で、
Ｂ：0.0100％以下、
Cu：0.3％以下および
Ni：0.3％以下
のいずれか１種または２種以上を含有する前記１に記載の軟窒化用鋼。

３．前記成分組成が、更に質量％で、
Pb：0.2％以下、
Bi：0.2％以下、
Zn：0.2％以下および
Sn：0.2％以下
のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する前記１または２に記載の軟窒化用鋼。

４．前記１から３のいずれかに記載の成分組成および鋼組織を有する芯部と、該芯部の成分組成に対して、窒素および炭素の含有量が高い成分組成である表層部とを有し、前記ベイナイト相中に、Crを含む析出物、Ｖを含む析出物、およびNbを含む析出物が分散析出してなる部品。

本発明によれば、安価な成分系において、機械加工性に優れた軟窒化用鋼を提供することができる。この軟窒化用鋼に軟窒化処理を行うことにより、浸炭処理を施したJIS SCr420材と同等以上の疲労特性を有する、本発明の部品を得ることができる。従って、本発明の軟窒化用鋼は、自動車等の機械構造部品を製造するための素材として極めて有用である。また、本発明の部品は、自動車等の機械構造部品に適用して極めて有用である。

ローラーピッチング試験片を示す図である。 （［Cr］／52＋［Ｖ］／50.9＋［Nb］／92.9＋Ｍ)×10³の値が面疲労強度に及ぼす影響を示すグラフである。 軟窒化部品の代表的な製造工程を示す図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明において、成分組成を前記の範囲に限定した理由について説明する。なお、以下の成分組成を表す「％」は、特に断らない限り「質量％」を意味するものとする。

Ｃ: 0.010％以上0.100％以下
Ｃは、後述するベイナイト相の生成、および、強度確保のために必要である。Ｃ量が0.010％未満の場合、十分な量のベイナイト相が得られないだけでなく、軟窒化処理後にＶおよびNbの析出物量が不足し、強度確保が困難となるため、0.010％以上とする。一方、Ｃ含有量が0.100％超になると、生成したベイナイト相の硬さが増加し、機械加工性が低下するため、Ｃ量は0.010％以上0.100％以下の範囲とする。より好ましくは0.060％以上0.090％以下の範囲である。

Si：1.00％以下
Siは、脱酸だけでなく、ベイナイト相の生成に有効であるが、1.00％を超えるとフェライトおよびベイナイト相に固溶し、その固溶硬化により、機械加工性および冷間加工性を劣化させるため、Si量は1.00％以下とする。好ましくは0.50％以下、より好ましくは0.30％以下である。なお、Siを脱酸に有効に寄与させるためには、含有量を0.010％以上とすることが好ましい。

Mn：0.50％以上3.00％以下
Mnは、鋼の焼入れ性を高め、ベイナイト相を安定的に生成させる作用がある。また、Mnは自動車部品として重要な、曲げ衝撃性を向上させる。一般に、疲労特性を上げるためにはＣ量を上げ、部品における芯部硬さ（以下、芯部硬さという）を高くすることが有効である。しかし、単にＣ量を上げると、曲げ衝撃特性が低下する。しかし、Mn量が0.50％以上であれば、Ｃ量の上昇に伴う曲げ衝撃特性の低下を抑制できる。Mn量が0.50％未満の場合、上記効果は乏しく、また、MnSの生成量が十分でないため、被削性が低下する。従って、Mn量は0.50％以上とする。一方、3.00％を超えると機械加工性および冷間加工性を劣化させるので、Mn量は3.00％以下とする。好ましくは1.50％以上2.50％以下、より好ましくは1.50％以上2.00％以下の範囲である。

Ｐ：0.020％以下
Ｐは、不純物として鋼中に混入する元素であるが、オーステナイト粒界に偏析し、粒界強度を低下させることにより、強度、靭性を低下させる。従って、Ｐの含有は極力抑制することが望ましいが、0.020％までは許容される。なお、Ｐを0.001％未満とするには高いコストを要することから、工業的には0.001％まで低減すればよい。

Ｓ：0.060％以下
Ｓは、不純物として鋼中の混入する元素であるが、その含有量が0.060％を超えると、鋼の靭性が低下するため、含有量を0.060％以下に制限する。好ましくは0.040％以下である。一方、Ｓは、鋼中でMnＳを形成し、被削性を向上させるという意味で有用でもあり、Ｓによる被削性向上効果を発現させるためには、Ｓ量を0.002％以上とすることが好ましい。

Cr：0.30％以上0.90％以下
Crは、ベイナイト相の生成に有効なため添加する。しかしながら、含有量が0.30％未満の場合、ベイナイト相の生成量が少なくなり、軟窒化処理前にＶおよびNbの析出物が生成するため、軟窒化前の硬さが増加する。加えて、軟窒化処理後におけるＶおよびNbの析出物の絶対量が減少するため、軟窒化処理後の硬さが低下して強度確保が困難となる。従って、Cr量は0.30％以上とする。一方、後述のように0.90％を超えると有効硬化層深さの減少を招くため、Cr量は0.90％以下とする。好ましくは0.50〜0.90％の範囲である。

Mo：0.005％以上0.200％以下
Moは、ＶおよびNb析出物を微細に析出させ、軟窒化処理材の強度を向上させる効果があり、本発明において重要な元素である。またベイナイト相の生成にも有効である。ここに、強度向上のためには0.005％以上の添加を必要とするが、高価な元素であるため0.200％を超えて添加すると、成分コストの上昇を招く。このため、Mo量は0.005〜0.200％の範囲とする。好ましくは0.010〜0.200％、より好ましくは0.040〜0.200％の範囲である。

Ｖ：0.02％以上0.50％以下
Ｖは、軟窒化時の温度上昇により、Nbとともに微細析出物を形成して芯部硬さを増加させ、強度を向上させる重要な元素である。しかしながら、Ｖ量が0.02％未満では所望の効果が得難く、一方0.50％超では析出物が粗大化し、強度向上量が飽和する。さらに、連続鋳造中に初析フェライトが析出し、割れが生じやすくなるため、Ｖ量は0.02〜0.50％の範囲とする。好ましくは0.03〜0.30％、より好ましくは0.03〜0.25％の範囲である。

Nb：0.003％以上0.150％以下
Nbは、軟窒化時の温度上昇により、Ｖとともに微細析出物を形成して芯部硬さを増加させるため、疲労特性向上に極めて有効である。しかしながら、Nb量が0.003％未満では所望の効果が得難く、一方0.150％を超えると析出物が粗大化し、強度向上量が飽和する。さらに、連続鋳造中に初析フェライトが析出し、割れが生じやすくなるため、Nb量は0.003〜0.150％の範囲とする。好ましくは0.020〜0.120％の範囲である。

Al: 0.005％以上0.200％以下
Alは、軟窒化処理後の表面硬さおよび有効硬化層深さの向上に有用な元素であるので、積極的に添加する。また、熱間鍛造時におけるオーステナイト粒成長を抑制することによって、組織を微細化し靭性を向上させる上でも有用な元素である。このような観点から、Alは0.005％以上で含有させる。一方、0.200％を超えて含有させてもその効果は飽和し、むしろ成分コストの上昇を招く不利が生じるので、Al量は0.200％以下に限定する。好ましくは0.020％以上0.100％以下の範囲、より好ましくは0.020％以上0.040％以下の範囲である。

Ｎ：0.0200％以下
Ｎは、鋼中で炭窒化物を形成し、軟窒化処理材の強度を向上させる有用元素である。従って、0.0020％以上含有させることが好ましい。しかしながら、含有量が0.0200％を超えると、形成する炭窒化物が粗大化して鋼材の靭性を低下させる。また、鋳片の表面割れが生じ、鋳片品質が低下する。このため、Ｎは0.0200％以下に限定する。

Sb：0.0005％以上0.0200％
Sbは、ベイナイト相の生成を促進する効果を有する。その添加量が0.0005％に満たないと添加効果に乏しく、一方0.0200％を超えて添加しても効果が飽和し、成分コストの上昇を招くだけでなく、偏析により母材靭性の低下も生じるため、Sbは0.0005〜0.0200％の範囲に限定する。好ましくは0.0010〜0.0100％の範囲である。

Ｗ：0.3％以下（０％を含む）、Co：0.3％以下（０％を含む）、Hf：0.2％以下（０％を含む）、Zr：0.2％以下（０％を含む）、Ti：0.1％以下（０％を含む）
Ｗ、Co、Hf、ZrおよびTiはいずれも鋼の強度向上に有効な元素であり、含有されていてもよいが、必ずしも含有が必要とされる元素ではない（含有量が０％であってもよい）。これらの元素を鋼の強度向上に寄与させるためには、それぞれ、Ｗであれば0.01％以上、Coであれば0.01％以上、Hfであれば0.01％以上、Zrであれば0.01％以上、Tiであれば0.001％以上とすることが好ましい。また、これらの元素を複合して含有していてもよい。一方、Ｗは0.3％、Coは 0.3％、Hfは0.2％、Zrは0.2％、Tiは0.1％を超えて含有されると、鋼の靭性が低下するため、上記の範囲に規定する。なお、好ましくはＷ：0.01〜0.25％、Co：0.01〜0.25％、Hf：0.01〜0.15％、Zr：0.01〜0.15％，Ti：0.001〜0.01％である。

以上説明した元素のうち、Cr、Ｖ、Nb、Ｗ、Co、Hf、ZrおよびTiのような炭窒化物を形成する元素は、それらの添加量が増加すると、ごく表層でＮやＣが過剰に析出し、硬化層深さが減少する。かような事態を回避するには、下記の式（１）を満足させることが重要である。
記
9.5≦（［Cr］／52＋［Ｖ］／50.9＋［Nb］／92.9＋Ｍ)×10³≦18.5 −−−（１）
但し、Ｍ：［Ｗ］／183.8、［Co］／58.9、［Hf］／178.5、［Zr］／91.2および［Ti］／47.9の総和
ここで、［ ］は該括弧内の元素の含有量（質量％）
以下に、上記した式（１）を特定するに至った実験について説明する。
すなわち、Ｃ：0.05％、Si：0.1％、Mn：1.5％、Cr：(０〜1.5)％、Ｖ：(０〜0.3)％、Nb ：(０〜0.3)％、Mo：0.1％およびＮ：0.0100％を含み、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成を有する、100kg鋼塊を溶製した。この鋼塊を33mmφの棒鋼に熱間鍛造した。得られた棒鋼を1200℃で１時間保持した後、放冷し、熱間鍛造相当材とした。この熱間鍛造相当材より、図１に示す26ｍｍφ×130ｍｍのローラーピッチング試験片を採取した。この試験片に対し、570℃で３時間の軟窒化処理を施し、ローラーピッチング試験に供した。ローラーピッチング試験は、後述する実施例における疲労特性評価と同じ条件で行った。

ローラーピッチング試験の結果を、図２に示す。図２から、（［Cr］／52＋［Ｖ］／50.9＋［Nb］／92.9＋Ｍ)×10³で算出される値が9.5以上18.5以下の場合、特に面疲労特性が優れていることがわかる。さらに、上記と同様にして作製したローラーピッチング試験片について、軟窒化処理後の硬化層深さを後述する実施例における疲労特性評価と同じ条件で測定した。その結果、（［Cr］／52＋［Ｖ］／50.9＋［Nb］／92.9＋Ｍ)×10³で算出される値が、18.5を超える場合には、この値が18.5以下である場合に比較して硬化層深さが浅いことがわかった。このことが、この値が18.5を超える場合に面疲労特性が低下している原因であると考えられる。一方、この値が9.5未満である場合には、この値が9.5以上の場合に比して、表面硬さが低くなっていた。このことが、この値が9.5未満である場合に、面疲労特性が低下している原因であると考えられる。

したがって、硬化層深さを増加させるためには、Cr、Ｖ、Nb、Ｗ、Co、Hf、ZrおよびTiのような炭窒化物を形成する元素の添加量を抑制する必要がある。軟窒化処理後の硬化層深さを増加させるためには、これらの炭窒化物の形成元素の含有量（質量％）が、上記の式（１）を満足する必要がある。

以上が本発明の基本成分組成であるが、必要に応じて以下の元素の１種または２種以上を含有していてもよい。
Ｂ：0.0100％以下
Ｂは、焼入れ性を向上させ、ベイナイト組織の生成を促進する効果を有するため、好ましくは、0.0003％以上で添加する。一方、0.0100％を超えて添加すると、ＢがBNとして析出し、焼入れ性向上効果が飽和するだけでなく、成分コストの上昇を招くため、添加する場合は0.0100％以下の範囲に限定する。より好ましくは、0.0005％以上0.0080％以下とする。

Cu：0.3％以下
Cuは、軟窒化処理中にFeやNiと金属間化合物を形成し、析出硬化によって軟窒化処理材の強度を向上させる有用元素であり、ベイナイト相の生成にも有効である。Cu含有量が0.3％を超えると熱間加工性が低下するため、Cu含有量は0.3％以下の範囲とする。好ましくは0.05〜0.25％の範囲である。

Ni：0.3％以下
Niは、焼入れ性を増大し、低温脆性を抑制する効果を有する。しかし、Ni含有量が、0.3％を超えると硬度が上昇し、被削性に悪影響を及ぼすばかりでなく、コスト的にも不利となるため、Ni含有量は0.3％以下の範囲に限定する。好ましくは0.05〜0.25％の範囲である。

Pb：0.2％以下、Bi：0.2％以下、Zn：0.2％以下、Sn：0.2％以下
Pb、Bi、ZnおよびSnは、鋼の被削性を向上させる効果を有する元素であり、添加する場合は、それぞれ0.02％以上の含有量とすることが好ましい。一方、0.2％を超えての添加は強度や靭性を低下させるので、上記の範囲に規定する。なお、好ましくは、Pb：0.02〜0.1％、Bi：0.02〜0.1％、Zn：0.02〜0.1％、Sn：0.02〜0.1％である。
なお、鋼組成において、以上説明した元素以外の残部にFeおよび不可避的不純物を有する。この残部はFeおよび不可避的不純物からなることが好ましい。

次に、本発明における軟窒化用鋼の鋼組織を前記の範囲に限定した理由を説明する。
ベイナイト相：組織全体に対する面積率が50％超
本発明は、軟窒化処理後に表層窒化部以外の芯部にはＶおよびNbの析出物を分散析出させ、これによって芯部硬度を上昇させ、軟窒化処理後の疲労特性を向上させようとするものである。ここで、軟窒化処理前にCr、ＶおよびNbの析出物が存在していると、通常、軟窒化処理前に行われる切削加工時の被削性の観点からは不利である。この点、ベイナイト変態過程では、フェライト−パーライト変態過程に比べ、母相中にCr、ＶおよびNbの析出物が生成し難い。従って、本発明の軟窒化用鋼の鋼組織、すなわち軟窒化処理前の鋼組織はベイナイト相を主体とする。具体的には、ベイナイト相を組織全体に対する面積率で50％超とする。好ましくは60％超、より好ましくは80％超である。また100％であってもよい。なお、ベイナイト相以外の組織としては、フェライト相やパーライト相等が考えられるが、これらの組織は少ないほど好ましいのは言うまでもない。

ここに、各相の面積率は、次のようにして求めることができる。すなわち、得られた軟窒化用鋼から試験片を採取し、圧延方向に平行な断面（Ｌ断面）について、表面を研磨後にナイタールで腐食し、光学顕微鏡を用い、断面組織観察（200倍の光学顕微鏡組織観察）により相の種類を同定し、各相の面積率を求める。

また、鋼中に固溶するCr量、Ｖ量およびNb量がそれぞれ0.27％以上、0.05％以上、0.02％以上であり、かつ元々の含有量に占める固溶量の割合が、Crは90％以上、Ｖは75％以上、Nbは50％以上であることが好ましい。上述のとおり、本発明においては、Cr，ＶおよびNbを軟窒化処理において微細析出させて軟窒化処理後の疲労特性を向上させようとするものである。そして、被削性の確保の観点からも、Cr、ＶおよびNbの析出物の生成を回避するべきである。そこで、固溶するCr量、Ｖ量およびNb量を上記のとおりとすることが好ましい。

以上説明した本発明の軟窒化用鋼では通常の軟窒化処理を行うことによっても、従来の軟窒化用鋼に対して硬化層深さが大きい部品を得ることができる。具体的には、NH₃：Ｎ₂：CO₂＝50：45：５の雰囲気中で、560℃で3.5時間の軟窒化処理を行うことにより、後述の有効硬化層深さが0.2mm以上となる軟窒化用鋼が得られる。

次に、軟窒化用鋼から軟窒化部品に至る製造方法について説明する。
図３に、本発明に係る軟窒化用鋼（棒鋼）を用いて軟窒化部品を製造する代表的な製造工程を示す。ここで、Ｓ１は素材となる棒鋼（軟窒化用鋼）製造工程、Ｓ２は搬送工程、Ｓ３は部品（軟窒化部品）の製造工程である。

まず、棒鋼製造工程（Ｓ１）で鋼塊を熱間圧延および／または熱間鍛造して棒鋼とし、品質検査後、出荷する。そして、搬送（Ｓ２）後、軟窒化部品仕上げ工程（Ｓ３）で、棒鋼を所定の寸法に切断し、熱間鍛造あるいは冷間鍛造を行い、必要に応じてドリル穿孔や旋削等の切削加工で所望の形状（例えば、ギア製品やシャフト製品）とした後、軟窒化処理を行って、製品とする。

また、熱間圧延材をそのまま旋削やドリル穿孔等の切削加工で所望の形状に仕上げ、その後、軟窒化処理を行い製品とすることもある。なお、熱間鍛造の場合、熱間鍛造後に冷間矯正が行われる場合がある。また、最終製品にペンキやメッキ等の皮膜処理がなされる場合もある。

本発明の軟窒化用鋼の製造方法では、軟窒化処理前の熱間加工工程において、熱間加工時の加熱温度、加工温度を特定の条件とすることにより、前述したようなベイナイト相主体の組織とし、Cr、ＶおよびNbの固溶量を確保する。ここに、熱間加工とは、主に熱間圧延、熱間鍛造を意味するが、熱間圧延後さらに熱間鍛造を行ってもよい。また、熱間圧延後、冷間鍛造を行ってもよいのは言うまでもない。ここで、軟窒化処理直前の熱間加工工程が熱間圧延工程である場合、すなわち、熱間圧延後に熱間鍛造を行わない場合は、熱間圧延工程において以下に示す条件を満足させる。

熱間圧延加熱温度：950〜1250℃
熱間圧延工程では、圧延材（冷間鍛造および／または切削加工による部品の素材となる棒鋼）に微細析出物が析出し鍛造性を損なわないよう、溶解時から残存する炭化物を固溶させる。
ここで、圧延加熱温度が950℃に満たないと、溶解時から残存する炭化物が固溶し難くなる。一方、1250℃を超えると、結晶粒が粗大化して鍛造性が悪化しやすくなる。このため、圧延加熱温度は950〜1250℃の範囲とする。

圧延仕上げ温度：800℃以上
圧延仕上げ温度が800℃未満の場合、フェライト相が生成するため、軟窒化用鋼の組織全体に対して面積率で50％超を満足するベイナイト相を生成させる上で不利となる。また、圧延負荷も高くなる。従って、圧延仕上げ温度は800℃以上とする。なお、上限値については、1100℃程度とすることが好ましい。

圧延後の少なくとも700〜550℃の温度域における冷却速度：0.4℃／ｓ超
所望形状への仕上げ加工前に微細析出物が析出し、加工性を損なわないようにするため、すなわち、Ｃｒ，ＮｂおよびＶの固溶量を上述のとおりに確保するため、微細析出物の析出温度範囲である少なくとも700〜550℃の温度域においては、圧延後の冷却速度を上記固溶量を確保できる臨界冷却速度である0.4℃／ｓを超える速度とする。なお、上限値については、200℃／ｓ程度とすることが好ましい。

また、軟窒化処理前の熱間加工工程が熱間鍛造工程である場合、すなわち、熱間鍛造のみを行う場合または熱間圧延後に熱間鍛造を行う場合は、熱間鍛造工程において以下に示す条件を満足させる。なお、熱間鍛造前に熱間圧延を行う場合には、熱間圧延条件として必ずしも上記した条件を満足していなくてもよい。

熱間鍛造条件
この熱間鍛造では、ベイナイト相を組織全体に対する面積率で50％超とするため、および熱間鍛造後の冷間矯正や被削性の観点から微細析出物が析出して固溶Cr、ＶおよびNbを確保できなくなることを回避するため、熱間熱間鍛造時の加熱温度を950〜1250℃、鍛造仕上げ温度を800℃以上、鍛造後の冷却速度を少なくとも700〜550℃の温度域において0.4℃／ｓ超とする。なお、上限値については200℃／ｓ程度とすることが好ましい。

次いで、得られた圧延材または鍛造材に対して切削加工を施して部品形状とし、その後、軟窒化処理を行う。軟窒化処理は通常の条件でよく、具体的には処理温度を550〜700℃とし、処理時間を10分以上とすればよい。この処理温度、処理時間の軟窒化処理により、固溶状態にあったCr，ＶおよびNbが微細に析出し、芯部の強度が上昇する。また、この通常の軟窒化処理条件により得られる硬化層は、従来知られている軟窒化用鋼に対しても硬化層厚が大きいものとなる。なお、処理温度が550℃に満たないと十分な量の析出物が得られず、一方、700℃を超えるとオーステナイト域となり、相変態を伴わない表面硬化処理が困難となり、変態膨張が発生し、表面硬化処理に伴う歪が大きくなるため、もはや軟窒化処理と呼ぶことはできなくなり、軟窒化処理による利点を確保することが困難となる。軟窒化処理温度の好適範囲は、550〜630℃の範囲である。

なお、軟窒化処理では、ＮとＣとを同時に鋼中に浸入・拡散させるので、NH₃やＮ₂といった窒素性ガスと、CO₂やCOといった浸炭性ガスの混合雰囲気、例えばNH₃：Ｎ₂：CO₂＝50：45：５の雰囲気で軟窒化処理を行えばよい。

以上の製造工程により本発明の部品が得られる。かくして得られる部品は、上記した軟窒化用鋼と同じ成分組成および鋼組織を有する芯部と、該芯部の成分組成に対して、窒素および炭素の含有量が高い成分組成である表層部とを有し、前記ベイナイト相中に、Cr、ＶおよびNbを含む析出物が分散析出してなるものとなる。

芯部の成分組成、表層部の成分組成
上述の成分組成からなる軟窒化用鋼に対して軟窒化処理を行うと、表層部には表面からの窒素および炭素が侵入・拡散する。一方、芯部にまでは窒素および炭素の拡散が進行しない。すなわち、ＣおよびＮが拡散していない部分が芯部である。その結果、得られる部品の成分組成は、芯部は上述した軟窒化用鋼の成分組成そのものとなり、一方、部品の表層部は芯部に対して窒素および炭素の含有量が高い成分組成となる。部品の表層部に窒素および炭素が侵入拡散していないと、つまり、芯部よりも表層部の窒素および炭素の含有量が多くなっていないと、表層に硬質層が形成されないため、十分な疲労強度の向上が期待できない。

芯部の鋼組織
上述の本発明の軟窒化用鋼に対して軟窒化処理を施して部品とすると、芯部には上述の軟窒化用鋼の鋼組織がそのまま残る。すなわち、軟窒化処理後の部品の芯部の鋼組織は、ベイナイトの組織全体に対する面積率が50％超となる。部品の芯部の鋼組織は、軟窒化用鋼の鋼組織と同一であるから、上述のとおり、ベイナイト相を組織全体に対する面積率で好ましくは60％超、より好ましくは80％超である。また100％であってもよい。さらに、ベイナイト相以外の組織としては、フェライト相やパーライト相等が考えられるが、これらの組織は少ないほど好ましいのは言うまでもない。

ベイナイト相中に、Crを含む析出物、Ｖを含む析出物、および、Nbを含む析出物が分散析出
芯部のベイナイト相中に、Crを含む析出物、Ｖを含む析出物、および、Nbを含む析出物が分散析出していると、芯部硬さが上昇し、軟窒化処理後の部品の疲労特性が顕著に向上する。ここで、Crを含む析出物、Ｖを含む析出物、および、Nbを含む析出物が分散析出しているとは、こららの合計の分散析出状態が、（好ましくは）粒径が10nm未満の析出物が単位面積１μｍ²あたり500個以上分散析出していることである。かように分散析出していることが、軟窒化処理後の部品の析出強化に寄与させる上で好ましい。なお、析出物の粒径の測定限界、すなわち測定できる最少の粒径は１nmである。

以上の構成を有する部品は、後述の有効硬化層深さが深く、表面硬さおよび芯部硬さが高いものとなる。具体的には、有効硬化層深さが0.2mm以上、表面硬さが700HV以上および芯部硬さが200HV以上の部品となる。

有効硬化層深さが0.2mm以上
ここで、有効硬化層深さとは、特定の値以上の硬度を有する領域を有効硬化層としたときの有効硬化層の深さである。具体的には、HV550となる表面からの深さ（mm）を、有効硬化層深さとする。この有効硬化層深さが0.2mm以上でないと、高い疲労強度を得ることが難しくなる。よって、有効硬化層深さは、0.2mm以上は得ることが好ましい。より好ましくは、0.25mm以上である。

さらに、本発明の部品では、表面硬さが700HV以上および芯部硬さが200HV以上であることが好ましい。これらの硬さ条件を満足させることで、疲労特性が良好な部品とすることができる。

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
表１に示す組成の鋼（鋼種１〜42）を連続鋳造機にて断面300mm×400mmの鋳片とした。その際、表面における割れの有無を調査した。この鋳片を1250℃で30分の均熱後に熱間圧延にて一辺が140mmの矩形断面の鋼片とした。熱間圧延し、60mmφの棒鋼（熱間圧延まま素材）とした。熱間圧延時の鋼片の加熱温度、圧延仕上げ温度、熱間圧延後の700〜550℃の範囲の冷却速度は表２に示すとおりとした。

また、上記した熱間圧延まま素材のうち一部については、表２に示すとおりの加熱温度、鍛造仕上げ温度にて熱間鍛造を施し、30mmφの棒鋼とし、その後、700〜550℃の範囲を表２に示す冷却速度として、室温まで冷却し熱間鍛造材とした。

かくして得られた熱間圧延まま素材および熱間鍛造材について、被削性（工具寿命）を外周旋削試験により評価した。試験材には、熱間圧延まま素材あるいは熱間鍛造材を200mm長さに切断したものを用いた。切削工具としては、フォルダーが三菱マテリアル社製ＣＳＢＮＲ ２０２０、また、チップは三菱マテリアル社製ＳＮＧＮ １２０４０８ ＵＴｉ２０高速度工具鋼を用いた。外周旋削試験の条件は、切り込み量1.0mm、送り速度0.25mm／rev、切削速度200ｍ／minで、潤滑剤は用いなかった。評価項目としては、工具摩耗量（逃げ面摩耗量）が0.2mmとなるまでの時間を工具寿命とした。

また、上記した熱間圧延まま素材または熱間鍛造材について、組織観察および硬度測定を行った。評価用の試験片は、得られた、熱間圧延まま素材あるいは熱間鍛造材の中心部から採取した。組織観察では、前述した方法により、相の種類を同定するとともに、各相の面積率を求めた。硬度測定では、ビッカース硬度計を用い、JIS Ｚ2244に準拠して径方向１／４位置の硬さを2.94Ｎ（300ｇｆ）の試験荷重で５点測定し、その平均値を硬さＨＶとした。以上の測定結果および評価結果を表３に併記する。

さらに、上記した熱間圧延まま素材または熱間鍛造材について、長手方向と平行に、図１に示す平行部26mmφ×28mm長さおよびその両側の掴み部24.3mmφ×51mmのローラーピッチング試験片を採取し、この試験片に対して表４に示す処理温度で3.5時間および560℃で3.5時間の２種の条件にて軟窒化処理を行った。軟窒化処理は、ＮＨ₃：Ｎ₂：ＣＯ₂＝５０：４５：５の雰囲気とした。ここで、鋼種35の熱間鍛造材については、比較のため、930℃で３時間浸炭し、850℃に40分保持後、油冷し、さらに170℃で１時間焼戻す浸炭焼入れ・焼戻しを施した。

かくして得られた、表４に示す軟窒化処理温度にて軟窒化処理を行った軟窒化処理材、および浸炭焼入れ・焼戻し材について、組織観察、硬度測定、析出物の観察、Cr、ＶおよびNb固溶量の測定および疲労特性評価を行った。
ここで、組織観察は、軟窒化処理前と同様に、前述した方法により相の種類を同定するとともに、各相の面積率を求めた。

硬度測定は、表４に示す軟窒化処理温度にて軟窒化処理を行った軟窒化処理材および、浸炭焼入れ・焼戻し材の表層の硬さを平行部の表面から0.05mm深さの位置で、平行部の芯部硬さを径方向１／４位置でそれぞれ測定した。また、表層硬さおよび芯部硬さの測定は、いずれもビッカース硬度計を用い、JIS Ｚ2244に準拠して、2.94Ｎ（300ｇｆ）の試験荷重で６点測定し、その平均値をそれぞれ表層硬さHV，芯部硬さHVとした。さらに、硬化層深さは、HV550となる表面からの深さ（有効硬化層深さ）について測定した。なお、硬化層深さは、560℃で3.5時間の軟窒化処理を行ったものについても測定した。

析出物の観察は、表４の軟窒化温度の軟窒化材および浸炭焼入れ・焼戻し材の平行部の径方向１／４位置から、透過型電子顕微鏡観察用の資料を、ツインジェット法を用いた電解研磨法により作製し、得られた試料について、加速電圧を200Ｖとした透過型電子顕微鏡を用いて行った。さらに、観察される析出物の組成をエネルギー分散型Ｘ線分光装置（ＥＤＸ）により求めた。

Cr、ＶおよびNb固溶量の測定は、次の方法で行った。まず、上述の熱間鍛造した30mmφの棒鋼の径方向１／４位置から、10mm×10mm×40mmの試験片を採取し、10％アセチルアセトン−１％塩化テトラメチルアンモニウム−メタノール電解液を使用して、定電流電解を行った。抽出した析出物を孔径0.2mmのフィルターを用いて捕集した。得られた析出物について、混酸を用いて分解・溶液化した後、ICP発光分光分析法により分析し、析出量を測定した。その後、元々の含有量から、求めた析出量を引いて固溶量を求めた。

疲労特性評価は、表４の軟窒化温度の軟窒化処理あるいは浸炭焼入れ・焼き戻しを行った後のローラーピッチング試験片（図1参照）のうち、組織観察、硬度測定および析出物観察のいずれも行っていないものを用いて、ローラーピッチング試験にて、負荷面圧2600MPaにおける損傷までの繰り返し数を求めることで評価した。ローラーピッチング試験片の26mmφの平行部は転送面となる部分であり、軟窒化まま（研磨なし）あるいは浸炭焼入れ・焼戻しまま（研磨なし）とした。ローラーピッチング試験条件は、すべり率４０％で、潤滑油としてオートマチックトランスミッションオイル（三菱ＡＴＦ ＳＰ−III）を用い、油温８０℃で行った。転送面に接触させる大ローラーにはクラウニングＲ１５０ｍｍのＳＣＭ４２０Ｈの浸炭焼入品を使用した。

表４に試験結果を併せて示す。発明例１〜26が本発明に従う事例、No.27〜54が比較例、No.55がJIS SCR420相当鋼に浸炭焼入れ・焼戻しを施した従来例である。
表４から明らかなように、発明例No.１〜26はいずれも、軟窒化処理前の段階（軟窒化処理用鋼の段階）においては工具寿命に優れている。また、これら発明例No.１〜26はいずれも、軟窒化処理後の段階（軟窒化処理された部品に相当）では、浸炭焼入れ・焼戻しを施した従来例No.55に比べて疲労特性が若干劣るものの、軟窒化処理材としては優れた疲労強度を示した。なお、測定結果の詳細は省略するが、発明例No.１〜26において、軟窒化処理温度を560℃としたものはいずれも、有効硬化層深さが0.2mm以上であった。また、前述に従って析出物の組成をエネルギー分散型Ｘ線分光装置（ＥＤＸ）により求めたところ、発明例１〜26はいずれも、粒径が10μｍ未満のCr系析出物、Ｖ系析出物およびNb系の析出物が単位面積１μｍ²あたり500個以上分散析出していることが確認できた。

一方、比較例No.27〜54は、成分組成あるいは得られた鋼組織が本発明の範囲外であったため、連続鋳造時に割れが生じているか、疲労特性あるいは被削性に劣っている。
No.27は、熱間圧延時の加熱温度が低いため、連続鋳造時に生成した析出物が十分に固溶せず、軟窒化処理後の疲労特性に劣っている。また、フェライトとパーライトの合計の組織分率が高いため、熱間圧延後に被削性も低位である。

No.28は、熱間圧延の仕上げ温度が低すぎるため、組織のベイナイト分率が低く、被削性が劣っている。また、フェライトとパーライトの合計の組織分率が高いため、軟窒化処理前の段階において固溶Cr，Nb，Ｖ量が少なく、その結果、軟窒化処理後の微細析出物が生成せずに、疲労特性が低位となった。

No.29および30は、熱間圧延後の冷却速度が遅いため、適正量のベイナイトが得られず、また、軟窒化処理前の段階において固溶Cr，Nb，Ｖ量が少なく、その結果、軟窒化処理後の微細析出物が生成量が少ないため析出強化が不足し、発明例に比べ疲労特性が低位である。また、被削性も低位である。

No.31は、熱間鍛造時の加熱温度が低いため、析出物が十分に固溶せず、疲労特性も劣っている。また、フェライトとパーライトの合計組織分率が高いため、熱間圧延後に被削性も低位である。

No.32は、熱間鍛造の仕上げ温度が低すぎるため、組織のベイナイト分率が低く、被削性が劣っている。また、フェライトとパーライトの合計の組織分率が高いため、軟窒化処理前の段階において固溶Ｃｒ，Ｎｂ，Ｖ量が少なく、その結果、軟窒化処理後の微細析出物が生成せずに、疲労特性が低位となった。

No.33および34は、熱間鍛造後の冷却速度が遅いため、適正量のベイナイト相が得られず、軟窒化処理前の段階において固溶Cr，Nb，Ｖ量が少なく、また、軟窒化処理による微細析出物の生成量が少ないため析出強化が不足し、発明例に比べ疲労特性が低位である。また、被削性も低位である。No.35は、Ｃ含有量が適正範囲に満たないため、軟窒化処理後の芯部硬さが低く、発明例に比べ疲労特性が低位である。

No.36は、Ｃ含有量が適正範囲を超えているため、軟窒化処理前の熱間鍛造材の硬さが増加し、被削性が低下している。

No.37は、Si含有量が適正範囲を超えているため、窒化処理前の熱間鍛造材の硬さが増加し、被削性が低下している。

No.38は、Mn含有量が適正範囲に満たないため、軟窒化処理前の熱間鍛造材の鋼組織がフェライト相−パーライト相主体となっている。このため、組織中にＶおよびNb析出物が析出して、軟窒化処理前の硬さが増加し、被削性が低下している。
No.39は、Mn含有量が適正範囲を超えているため、連続鋳造時に割れが生じている。また、軟窒化処理前にマルテンサイト相が生成し、被削性が低くなっている。

No.40は、Ｐ含有量が適正範囲を超えているため、連続鋳造時に割れが生じている。また、疲労特性も低くなっている。
No.41は、Ｓ含有量が適正範囲を超えており、連続鋳造時に割れが生じている。また、疲労特性も低くなっている。

No.42は、Cr含有量が適正範囲に満たないため、軟窒化処理前の熱間鍛造材の鋼組織がフェライト相−パーライト相主体となっている。このため、組織中に粗大なＶおよびＮｂ析出物が析出して、軟窒化処理前の硬さが増加し、被削性が低位である。また、軟窒化処理前の段階において固溶Cr、NbおよびＶ量が少なく、また、軟窒化処理による微細析出物の生成量が少ないため析出強化が不足し、発明例に比べ疲労特性が低位である。
No.43は、Cr含有量が適正範囲を超えており、連続鋳造時に割れが生じている。また、熱間鍛造後の硬さも高いため、被削性が劣っている。

一方、No.44は、Mo含有量が適正範囲に満たないため、焼入れ性が低下し、ベイナイト相の生成が不十分である。その結果、軟窒化処理前の段階においてCr、NbおよびＶ量が少なく、また、軟窒化処理による微細析出物の生成量が少ないため析出強化が不足し、疲労特性が低位である。

No.45は、Ｖ含有量が適正範囲に満たないため、軟窒化処理前の固溶Ｖ量が少なく、軟窒化処理後の微細析出の生成量が少ないため、十分な芯部硬さが得られていない。このため、疲労特性が低位である。
No.46は、Ｖ含有量が適正範囲を超えており、連続鋳造時に割れが生じている。

No.47は、Nb含有量が適正範囲に満たないため、軟窒化処理前の固溶Nb量が少なく、軟窒化処理後の微細析出の生成量が少ないため、十分な芯部硬さが得られていない。このため、疲労特性が低位である。
No.48は、Nb含有量が適正範囲を超えており、連続鋳造時に割れが生じている。

No.49は、Al含有量が適正範囲に満たないため、軟窒化処理後の表面硬さが低く、疲労特性が低位である。
No.50は、Al含有量が適正範囲を超えているため、連続鋳造時に割れが生じている。

No.51は、Ｎ含有量が適正範囲を超えており、連続鋳造時に割れが生じている。
No.52は、式（１）を満足していないため、軟窒化処理後の硬化層深さが浅く、疲労特性が低位である。
No.53は、式（１）を満足していないため、軟窒化処理後の表面硬さが低く、疲労特性が低位である。
No.54は、Sb含有量が適正範囲に満たないため、連続鋳造時に割れが生じている。

Claims (2)

1. 質量％で、
   Ｃ：0.010％以上0.100％以下、
   Si：1.00％以下、
   Mn：0.50％以上3.00％以下、
   Ｐ：0.020％以下、
   Ｓ：0.060％以下、
   Cr：0.30％以上0.90％以下、
   Mo：0.005％以上0.200％以下、
   Ｖ：0.02％以上0.50％以下、
   Nb：0.003％以上0.150％以下、
   Al：0.005％以上0.200％以下、
   Ｎ：0.0200％以下、
   Sb：0.0005％以上0.0200％以下、
   Ｗ：0.3％以下（０％を含む）、
   Co：0.3％以下（０％を含む）、
   Hf：0.2％以下（０％を含む）、
   Zr：0.2％以下（０％を含む）および
   Ti：0.1％以下（０％を含む）
   を、下記式（１）を満足する範囲にて含み、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有し、かつベイナイト相の組織全体に対する面積率が50％超である鋼組織を有する軟窒化用鋼。
   記
   9.5≦（［Cr］／52＋［Ｖ］／50.9＋［Nb］／92.9＋Ｍ)×10³≦18.5 −−−（１）
   但し、Ｍ：［Ｗ］／183.8、［Co］／58.9、［Hf］／178.5、［Zr］／91.2および［Ti］／47.9の総和
   ここで、［ ］は該括弧内の元素の含有量（質量％）
2. 請求項１に記載の成分組成および鋼組織を有する芯部と、該芯部の成分組成に対して、窒素および炭素の含有量が高い成分組成である表層部とを有し、前記ベイナイト相中に、Crを含む析出物、Ｖを含む析出物、および、Nbを含む析出物が分散析出してなる部品。

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