JPH10147814A - 熱処理歪みの少ない肌焼鋼製品の製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 浸炭焼入れ処理あるいは浸炭窒化焼入れ処理
等の表面硬化処理による熱処理歪が少なくて寸法精度に
優れ、且つ非浸炭、非窒化もしくは非浸炭浸窒層の硬さ
が高く耐疲労特性に優れた肌焼製品を得ることのできる
方法を確立すること。 【解決手段】 鋼材のＣ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ａｌ等の含有量
を規定すると共に、下記式で示されるＨ_eq1 の値が０．
３３以上である鋼材を用いて成形された部品を、所定の
温度で浸炭・窒化処理し、更にその後に行なわれる焼入
れを適正な温度範囲で行なうことにより、浸炭、窒化も
しくは浸炭浸窒の行なわれていない母材部分の金属組織
を２０〜８０％の初析フェライトとする。 Ｈ_eq1 ＝[C]+0.12×[Si]+ 0.13×[Mn]

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、浸炭、浸炭窒化も
しくは浸炭浸窒（以下、浸炭・窒化という）焼入れ処理
により表層部を硬質化した肌焼鋼製品の製法に関し、こ
の肌焼鋼製品は、特に高レベルの耐摩耗性や耐疲労特性
が求められる自動車などの歯車、シャフト、等速ジョイ
ント等の機械部品として有用である。尚本明細書では、
代表例として歯車への適用を主体にして説明するが、本
発明の肌焼鋼製品はもとより歯車に限定されるものでは
なく、浸炭・窒化焼入れにより表層部を硬質化した機械
部品であって、特に熱処理後の歪量低減が要求される全
ての機械部品として広く活用することができる。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車や自動２輪車等を始めとす
る様々の輸送機械などから放出される排ガスによる大気
汚染は大きな社会問題となっており、こうした問題を軽
減すると共に燃費低減を図るための車体軽量化対策の一
環として、歯車やシャフト等の機械部品の小型軽量化が
進められており、それに伴ってそれらの部品に対する耐
摩耗性や高疲労強度化の要求は一段と高まっている。

【０００３】ところで、歯車等の耐摩耗性や耐疲労性を
改善するための手段としては、従来より浸炭・窒化焼入
れに代表される表面硬化処理法が汎用されているが、そ
れら表面硬化処理部品の寸法精度を高めて作動時の円滑
性や静粛性を向上させる意味から、熱処理歪みを極力少
なくすることも重要な課題とされている。

【０００４】熱処理歪みの低減対策としては、例えば浸
炭・窒化熱処理後における内部組織がオーステナイト＋
フェライト層となる様に組織調整し、この状態から焼入
れすることにより歪みの小さな高強度歯車を製造する方
法（特開平５−７０９２４号や同５−７０９２５号な
ど）が知られているが、これらの方法では、用いる鋼材
のＳｉ量が少ないため軟化抵抗が低く、特に高速回転下
で用いられる機械部品に適用すると、使用時に表面温度
が上昇して軟化し、耐ピッチング性が低下するという難
点がある。

【０００５】また、同様の方法で熱処理歪みの低減を図
った肌焼鋼（特開昭５８−１１３３１６号）も知られて
いるが、この肌焼鋼はＣ量が多いため、被削性や冷間加
工性、靭性などが悪いという問題が指摘される。更に、
浸炭処理後の理想臨界直径を規定し、浸炭焼入れ後にお
ける浸炭・窒化の行なわれていない内部の金属組織をフ
ェライト含量１０〜７０％の低歪み型浸炭焼入れ組織と
した歯車用鋼（特開平８−１０９４３５号）も知られて
いるが、この歯車用鋼はＳｉ量が多いため浸炭性が阻害
されるばかりでなく、被削性や冷間加工性も悪いという
問題がある。

【０００６】更に、浸炭拡散後に２００℃程度の硝酸塩
や亜硝酸塩中で冷却・保持した後に空冷するマルクエン
チ法、鋼材の成分組成を適正に調整すると共に、最適の
浸炭処理条件を採用することによって熱処理歪みを低減
する方法（特開平２−２９８２５０号公報）、更には鋼
中のＣやＭｎ量によって臨界冷却速度を制御し、熱処理
後の低歪化を図る方法（特開昭６１−２１０１５４号公
報）等も提案されているが、これらの方法では、最近の
需要者の厳しい要求を満足し得る程度の低歪化は達成で
きない。

【０００７】また特開平５−１４８５３５号公報には、
他の歪量低減対策として浸炭冷却・再加熱焼入れ処理を
施し、熱処理歪みの低減と曲げ疲労強度の向上を図る方
法も提案されているが、この方法では、再加熱焼入れに
伴う生産性の低下や熱処理コストの上昇が避けられな
い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の様な事
情に着目してなされたものであって、その目的は、優れ
た耐摩耗性や高疲労強度を有すると共に、浸炭・窒化焼
入れ処理による熱処理歪が少なく、寸法精度の高い肌焼
鋼製品の製法を提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明に係る熱処理歪みの少ない肌焼鋼製品の
製法は、Ｃ ：０．０５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１５
〜１．０％、Ｍｎ：２．０％以下（０％を含む）、Ａ
ｌ：０．０１５〜０．０６％、Ｎ ：０．００５〜０．
０３％、Ｐ ：０．０３０％以下（０％を含む）、残
部：Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、下記式(A1)で
求められるＨeq₁ の値が０．３３以上である鋼材を用い
て成形された部品を、下記式(B1)の関係を満たす温度Ｔ
_A1で加熱し、浸炭・窒化処理した後、下記式(C1)の関係
を満たす焼入れ開始温度Ｔ_P1から焼入れを行ない、浸炭
・窒化されていない部分（以下、内部という）の金属組
織を２０〜８０％の初析フェライトとするところに要旨
が存在する。 Ｈeq₁ ＝[C]+0.12×[Si]+ 0.13×[Mn]……(A1) Ｔ_A1≧940- 470×[C]+70×[Si]- 20×[Mn]……(B1) Ｔ_1a≦Ｔ_P1≦Ｔ_2a……(C1) Ｔ_1a＝ 788-117×[C]+29×[Si]- 14×[Mn] Ｔ_2a＝ 900-387×[C]+63×[Si]- 18×[Mn] （式中、［元素］は鋼材中の各元素の含有量を表わ
す）。

【００１０】本発明においては、上記以外の元素とし
て、Ｍｏ：１．５％以下（０％を含まない）、Ｖ：１．
５％以下（０％を含まない）およびＮｂ：１．５％以下
（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくと
も一種の元素を含む鋼材を含み、下記式(A2)で求められ
るＨeq₂ の値が０．３３以上である鋼材を使用し、この
鋼材を用いて成形された部品を、下記式(B2)の関係を満
たす温度Ｔ_A2で加熱し、浸炭・窒化処理した後、下記式
(C2)の関係を満たす焼入れ開始温度Ｔ_P2から焼入れ処理
を行なうことにより、内部の金属組織を２０〜８０％の
初析フェライトとし、 Ｈeq₂ ＝[C]+0.12×[Si]+ 0.13×[Mn]+ 0.06×[Mo]＋0.01×[V] ……(A2) Ｔ_A2≧940- 470×[C]+70×[Si]- 20×[Mn]+ 40×[Mo]+120×[V]-20×[Nb] ……(B2) Ｔ_1b≦Ｔ_P2≦Ｔ_2b……(C2) Ｔ_1b＝ 788-117×[C]+29×[Si]- 14×[Mn] + 26 ×[Mo]- 15×[V]+183 ×[Nb] Ｔ_2b＝ 900-387×[C]+63×[Si]- 18×[Mn] + 35 ×[Mo]+ 60×[V]+31×[Nb] （式中、［元素］は鋼材中の各元素の含有量を表わす） あるいは、更に他の元素として、Ｃｕ：１．０％以下
（０％を含まない）、Ｎｉ：２．５％以下（０％を含ま
ない）およびＣｒ：２．０％以下（０％を含まない）よ
りなる群から選択される少なくとも一種の元素を含み、
下記式(A3)で求められるＨeq₃ の値が０．３３以上であ
る鋼材を使用し、この鋼材を用いて成形された部品を、
下記式(B3)の関係を満たす温度Ｔ_A3で加熱し、浸炭・窒
化処理した後、下記式(C3)の関係を満たす焼入れ開始温
度Ｔ_P3から焼入れ処理を行なうことによって、内部の金
属組織を２０〜８０％の初析フェライトとしたものも本
発明の対象となる。 Ｈeq₃ ＝[C]+0.12×[Si]+ 0.13×[Mn]+ 0.06×[Mo]+ 0.01×[V] + 0.06×[Cu]+ 0.09×[Ni]+ 0.01×[Cr]……(A3) Ｔ_A3≧940- 470×[C]+70×[Si]- 20×[Mn]+ 40×[Mo]+120×[V]-20×[Nb] -15 ×[Cu]- 27×[Ni]+5×[Cr]……(B3) Ｔ_1c≦Ｔ_P3≦Ｔ_2c……(C3) Ｔ_1c＝ 788-117×[C]+29×[Si]- 14×[Mn] + 26 ×[Mo] -15×[V]+183 ×[Nb]- 21×[Cu]- 24×[Ni]+ 18×[Cr] Ｔ_2c＝ 900-387×[C]+63×[Si]- 18×[Mn] + 35 ×[Mo] +60×[V]+31×[Nb]- 17×[Cu]- 26×[Ni]+[Cr] （式中、［元素］は鋼材中の各元素の含有量を表わ
す）。

【００１１】更に本発明を実施するに当たっては、鋼材
中に更に他の元素として、被削性等を高めるための元素
として、Ｓ：０．１０％以下（０％を含まない）、Ｃ
ａ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｚｒ：０．０
８％以下（０％を含まない）、Ｐｂ：０．３０％以下
（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくと
も一種を含有するものであってもよく、また、結晶粒を
微細化して靭性向上効果を発揮するＴｉを０．１０％以
下（０％を含まない）含有させ、更には焼入れ性向上効
果を有するＢを０．００５％以下（０％を含まない）以
下含有させることによって、肌焼鋼製品としての一層の
性能向上を図ることも有効である。

【００１２】更に本発明を実施するに当たっては、前記
焼入れ処理の後で１００〜２００℃程度の温度で焼戻し
処理を施すことによって、肌焼鋼製品の靭性を高めるこ
とができ、こうした処理を施すことも好ましい態様とし
て推奨される。また、上記焼入れ処理、あるいは焼入れ
・焼戻し処理の後で、硬さがＨＲＣ４５以上で且つ粒径
が０．０４〜１．５ｍｍのショット粒を使用し、アーク
ハイト（ショットピーニングによる表面の変形高さを表
わす値）０．２〜１．２ｍｍＡの条件で少なくとも１回
のショットピーニング処理を施せば、表面に高い圧縮残
留応力が付与されて疲労特性が大幅に改善され、肌焼鋼
製品の品質を一段と高めることができるので好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明者らは、肌焼鋼製品につい
て表面硬質化の為に行なわれる浸炭・窒化焼入れによる
熱処理歪みの低減を期して種々研究を進めた結果、該熱
処理歪みの低減には、浸炭・窒化焼入れ処理後における
浸炭・窒化の行なわれておらない内部の組織調整が極め
て重要であり、具体的には、浸炭・窒化焼入れ処理後の
浸炭・窒化の行なわれていない内部の金属組織が、初析
フェライト面積率で２０〜８０％の範囲となる様に、肌
焼鋼製品の成分組成をうまく調整してやればよいことを
知った。

【００１４】そして、こうした内部における金属組織の
初析フィライト面積率は、肌焼鋼中に含まれる浸炭・窒
化焼入れ処理後における内部組織の変態に影響を及ぼす
元素の含有量と、浸炭・窒化の為の加熱温度、および浸
炭・窒化処理後の焼入れ開始温度によって決まり、肌焼
鋼部品を製造する際に採用される浸炭・窒化の為の加熱
温度と該浸炭・窒化処理後の焼入れ開始温度を考慮し
て、前記変態に影響を及ぼす元素の含有量を適正に調整
してやれば、肌焼鋼製品としての内部組織を前述の好ま
しい初析フェライト面積率範囲に納めることができ、ひ
いては熱処理歪みが少なく寸法精度の高い肌焼鋼製品が
得られることをつきとめた。

【００１５】しかも、上記内部組織をフェライト＋マル
テンサイト、フェライト＋マルテンサイト＋ベイナイ
ト、フェライト＋マルテンサイト＋パーライト、フェラ
イト＋マルテンサイト＋ベイナイト＋パーライトなどの
２相以上の複合組織にしてやれば、それにより結晶粒の
粗大化が防止され、熱処理歪みを一層少なくできること
を知った。

【００１６】そして肌焼鋼製品としての内部組織の初析
フェライト面積率は、浸炭・窒化の為の加熱温度と該浸
炭・窒化処理後の焼入れ開始温度を踏まえた鋼材の成分
組成（特に、浸炭・窒化時の加熱温度とその後における
内部組織の変態に影響を及ぼす元素の含有量）と一定の
相関関係を有しており、該初析フェライト面積率を２０
〜８０％の範囲に納めるには、後で詳述する成分組成を
満たす鋼材を用いて成形した製品を、前記式(B1)、(B2)
または(B3)の関係を満たす温度Ｔ_A1、Ｔ_A2またはＴ_A3で
加熱し、浸炭・窒化処理を行なった後、前記式(C1)、(C
2)または(C3)の関係を満たす焼入れ開始温度Ｔ_P1、Ｔ_P2
またはＴ_P3から焼入れを行なえば良いことを知った。
尚、この焼入れ開始温度を得るための手段としては、上
記浸炭・窒化処理温度から上記焼入れ開始温度にまで降
温してから直ちに、あるいはこの温度で保持して組織を
安定化させてから、もしくは該焼入れ開始温度以下にま
で降温したのち焼入れ開始温度にまで再加熱してから焼
入れを行なう方法のいずれを採用しても構わない。

【００１７】即ち、本発明に係る肌焼鋼製品で意図する
十分な表面硬さを確保するには、浸炭・窒化処理に先立
って鋼材の温度を前記式(B1)、(B2)または(B3)の関係を
満たす温度Ｔ_A1、Ｔ_A2またはＴ_A3で加熱しておくことが
必要であり、加熱温度が不足する場合は、浸炭・窒化が
十分に進まず、表面硬さを満足し得る程度まで高めるこ
とができない。尚この加熱温度は、前記式(B1)、(B2)ま
たは(B3)からも明らかである様に、使用する鋼材の成分
組成によって決まってくるが、一般的な基準としては、
８５０〜１１００℃の範囲で且つＡ_C3変態点以上の温度
である。

【００１８】また、前記式(C1)、(C2)または(C3)で規定
するＴ_1a、Ｔ_1b、Ｔ_1cの値は、浸炭・窒化焼入れ処理す
ることによって得られる肌焼鋼製品の内部組織として初
析フェライト面積率を８０％以下にするための要件とな
るものであり、一方Ｔ_2a、Ｔ _2b、Ｔ_2cの値は、同じく浸
炭・窒化焼入れ処理することによって得られる肌焼鋼製
品の内部組織の初析フェライト面積率を２０％以上にす
るための要件となるものであり、浸炭・窒化処理後の焼
入れ開始温度を踏まえて鋼材中に含まれる元素、殊に内
部組織の変態に影響を及ぼす元素の種類や含有量が、前
記式(C1)、(C2)または(C3)の関係を満足する様にそれら
の成分組成を調整しておけば、肌焼鋼部品としての内部
組織を好ましい初析フェライト面積率（２０〜８０％）
の範囲に納めることができ、それにより熱処理歪みを可
及的に低減することが可能となる。

【００１９】このとき、内部組織の初析フェライト面積
率が２０％未満になると、後記実施例でも明らかにする
如く熱処理歪み低減効果が不十分となって、本発明で意
図する様な寸法精度の肌焼鋼製品を得ることができず、
一方、内部の初析フェライト面積率が多くなるほど熱処
理歪は更に少なくなるが、反面内部硬さが低下して曲げ
疲労強度が低下し、陥没やスポーリングなどが発生し易
くなるので、初析フェライト面積率は８０％以下に抑え
る必要があり、従って、十分な内部硬さを確保しつつ熱
処理歪を抑えるための必要上、焼入れ開始温度Ｔ_P1、Ｔ
_P2、Ｔ_P3が前記式(C1)、(C2)または(C3)の関係を満たす
様に制御することが必須の要件となるが、通常は８００
〜１０５０℃の範囲から選定することが好ましい。

【００２０】またこの様な初析フェライト面積率の範囲
では、浸炭・窒化の行なわれておらない内部組織はフェ
ライトとマルテンサイトなどの２相組織となって結晶粒
の粗大化も抑えられ、これも熱処理歪みの低減に好結果
を及ぼす。

【００２１】尚上記では、初析フィエラト面積率の上限
を８０％に抑えて内部、即ち非浸炭・窒化部の硬さを確
保するための要件として、焼入れ開始温度Ｔ_P1、Ｔ_P2、
Ｔ_P3の値を設定したが、内部硬さ不足による前記陥没や
スポーリング等の欠陥を回避するには、肌焼部品として
Ｈｖ２００以上の内部硬さを確保することが必要とな
る。そこで、こうした内部硬さを確保するには、前記初
析フェライト面積率の上限設定に加えて、内部硬度への
影響因子についても正確に把握しておく必要がある。こ
うした観点から、内部硬さに影響を及ぼす合金元素の種
類と含有量についても研究を重ねたところ、後述する如
くＨeq₁ ，Ｈeq₂ またはＨeq₃ の値が０．３３以上とな
る様に肌焼用鋼の成分組成を調整しておけば、初析フェ
ライト面積率が８０％の内部組織を有するものであって
も、Ｈｖ２００以上の内部硬さを確保し得ることが確認
された。

【００２２】かくして本発明によれば、浸炭・窒化処理
前の加熱温度（即ち浸炭・窒化開始温度）を規定して浸
炭・窒化による表面硬質化効果を確保すると共に、浸炭
・窒化後の焼入れ開始温度を踏まえて、肌焼部品の浸炭
・窒化を受けておらない内部の金属組織が初析フェライ
ト面積率で２０〜８０％の範囲となる様に、その原料素
材となる肌焼用鋼の成分組成を踏まえて、浸炭・窒化前
の加熱温度と浸炭・窒化後の焼入れ開始温度を規定する
ことにより、肌焼鋼製品として内部硬さでＨｖ２００以
上を確保しつつ、熱処理歪みが少なくて高い寸法精度を
有し且つ疲労特性の優れた肌焼鋼製品を得ることが可能
となる。次に、本発明に係る肌焼鋼製品を構成する各元
素の種類や含有率を定めた理由を説明する。

【００２３】Ｃ：０．０５〜０．３５％ Ｃは、機械部品としての内部強度を確保するうえで欠く
ことのできない元素であり、０．０５％未満では十分な
強度が得られなくなる。しかし、過剰に含有させると靭
性が劣化するほか、被削性や冷間鍛造性が低下して加工
性を損なうので０．３５％を上限とする。Ｃのより好ま
しい含有量は０．１０〜０．３０％の範囲である。

【００２４】Ｓｉ：０．１５〜１．０％ Ｓｉは、溶製時に脱酸性元素として有効に作用する他、
変態点を上げて内部強度を高める作用を有しており、通
常の焼入れ温度（８００〜１０５０℃）でも内部組織を
２相化して熱処理歪を抑える作用を発揮する。こうした
効果を有効に発揮させるには０．１５％以上含有させな
ければならないが、過剰量含有させると粒界酸化を助長
し、曲げ疲労強度を劣化させるばかりでなく冷間鍛造性
や被削性にも悪影響を及ぼすので、１．０％以下に抑え
なければならない。また、表面硬化手段としてガス浸炭
・窒化法を採用する場合は、Ｓｉ量が１．０％を超える
と浸炭・窒化が阻害されるので、そのためにもＳｉ量は
１．０％以下に抑えるべきである。

【００２５】Ｍｎ：２．０％以下（０％を含む） Ｍｎは、脱酸剤として又強度および焼入れ性向上元素と
して有効に作用するが、過度に含有させると、冷間加工
性を悪化させる他、結晶粒界への偏析量増大によって曲
げ疲労特性に悪影響を及ぼす様になるので、２．０％以
下に抑えなければならない。こうした利害得失を考慮し
てＭｎのより好ましい含有量は０．３〜１．５％の範囲
である。

【００２６】Ａｌ：０．０１５〜０．０６％ Ａｌは鋼材の脱酸材として鋼中に含まれてくる元素であ
り、鋼中のＮと結合してＡｌＮを生成し、結晶粒の粗大
化を防止する作用を有している。こうした効果を有効に
発揮させるには０．０１５％以上含有させなければなら
ないが、その効果は０．０６％程度で飽和し、それを超
えると酸素と結合して非金属系介在物となり、衝撃特性
等に悪影響を及ぼす様になるので、０．０６％を上限と
定めた。

【００２７】Ｎ：０．００５〜０．０３％ Ｎは鋼中でＡｌ，Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂ等と結合して窒化物を
生成し、結晶粒の粗大化を抑制する作用を有しており、
その効果は０．００５％以上含有させることによって有
効に発揮される。しかし、それらの効果は約０．０３％
で飽和し、それ以上に含有させると窒化物が介在物とな
って物性に悪影響を及ぼす様になるので、それ以上の添
加は避けなければならない。

【００２８】Ｐ：０．０３％以下（０％を含む） Ｐは結晶粒界に偏析して靭性を低下させる有害元素であ
り、こうした障害を回避するには０．０３％以下、より
好ましくは０．０２％以下に抑えなければならない。

【００２９】本発明で使用する鋼材の残部成分はＦｅお
よび不可避的不純物であるが、更に他の元素として以下
に示す様な元素を含有させることによってその特性を一
層高めることができる。

【００３０】Ｍｏ：１．５％以下、Ｖ：１．５％以下お
よびＮｂ：１．５％以下よりなる群から選択される少な
くとも一種（それぞれ０％を含まない） これらの元素は、いずれも変態点を高める作用を有して
おり、これらの１種以上を適量含有させることによっ
て、通常の焼入れ温度（８００〜１０５０℃）でも内部
組織の２相化を可能にし、熱処理歪みを抑える作用を発
揮する。しかもＭｏは粒界強度の向上、不完全焼入れ組
織の低減および焼入性の向上にも有効に作用する。また
ＶとＮｂは、ＣやＮと結合して炭窒化物を生成して結晶
粒を微細化し靭性の向上にも寄与する。しかしながら、
上記Ｍｏの添加効果は１．５％で飽和するのでそれ以上
の含有は経済的に無駄であり、Ｖは過剰量含有させると
被削性に悪影響を及ぼすので１．５％以下に抑えるべき
であり、またＮｂの過剰含有は加工性の劣化を招くので
１．５％以下に抑える必要がある。上記各元素の添加効
果と障害を加味してより好ましい含有量は、夫々０．０
０５〜１．０％の範囲である。

【００３１】Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：２．５％以下
およびＣｒ：２．０％以下よりなる群から選択される少
なくとも一種（それぞれ０％を含まない） これらも内部組織の２相化に寄与する元素であり、更に
Ｃｕは耐食性の向上効果も有している。しかしながらこ
うしたＣｕの加効果は１．０％で飽和し、それ以上含有
させると熱間加工性を劣化させるので注意しなければな
らない。特にＣｕを単独添加すると熱間加工性への悪影
響が顕著に現われるので、Ｃｕを添加するときは、後述
するＮｉの同量程度と併用することが望ましい。またＮ
ｉは、焼入れ硬化後の組織を微細化して靭性を高めると
共に加工性の向上にも寄与し、且つ安定した内部硬さを
与えるのに有効に作用するが、それらの効果は２．５％
で飽和するので、それ以上の含有は経済的に無駄であ
る。Ｃｒは、更に焼入れ性を高めて内部硬さを高める作
用を有しているが、含有量が多くなり過ぎると粒界への
炭化物の析出によって粒界強度を低下させ靭性に悪影響
を及ぼす様になるので２．０％以下に抑えなければなら
ない。これら元素のより好ましい含有量は、Ｎｉは２．
０％以下、Ｃｒは１．５％以下の範囲である。

【００３２】Ｓ：０．１０％以下 ＳはＭｎＳを生成して被削性の向上に寄与するが、多過
ぎると疲労強度を劣化させる原因になるので０．１０％
以下に抑えなければならない。一方、本発明の肌焼鋼製
品を歯車に適用する場合、縦目の衝撃特性だけでなく横
目の衝撃特性も重要になるが、横目の衝撃特性を高める
には異方性の低減が必要であり、その様な場合はＳ量を
０．０３％以下に抑えることが望ましい。

【００３３】Ｃａ：０．０１％以下、Ｚｒ：０．０８％
以下、Ｐｂ：０．３０％以下よりなる群から選択される
少なくとも一種（それぞれ０％を含む） Ｃａは、硬質介在物を軟質な介在物で包み込むことによ
って被削性を高め、ＺｒはＭｎＳを球状化させ異方性を
改善することによって被削性を高める作用があるが、そ
れらの効果はＣａが０．０１％、Ｚｒが０．０８％で飽
和するので、それ以上の添加は無駄である。またＰｂ
は、それ自身もしくは硫化物生成源として被削性の向上
に寄与するが、多過ぎるとピッチング寿命や疲労強度に
顕著な悪影響が現われてくるので、Ｐｂは０．３０％以
下に抑えなければならない。

【００３４】Ｔｉ：０．１０％以下（０％を含む） Ｔｉは、Ｎと結合して窒化物を生成して結晶粒を微細化
し靭性の向上に寄与するが、多過ぎるとピッチング寿命
や切削性に悪影響が現われてくるので０．１％以下に抑
えなければならない。Ｔｉのより好ましい含有量は０．
００５〜０．０５％の範囲である。

【００３５】Ｂ：０．００５％以下（０％を含む） Ｂは焼入れ性向上に有用な元素であるが、その効果は
０．００５％で飽和するので、それ以上の添加は経済的
に無駄である。

【００３６】Ｈ_eq1 、Ｈ_eq2 またはＨ_eq3 が０．３３以
下 前述の如く浸炭・窒化焼入れ後における内部の初析フェ
ライト面積率を大きくすると内部硬さが低下し、曲げ疲
労強度の低下、陥没、スポーリング等が生じ易くなる。
これらの障害を防止するには、浸炭・窒化焼入れ後の状
態でＨｖ２００以上の内部硬さを確保することが必要と
なる。そして、前記式(A1)、(A2)または(A3)で求められ
るＨ_eq1 、Ｈ_eq2 またはＨ_eq3 の値は、浸炭・窒化焼入
れ処理後の内部硬さに大きな影響を及ぼし、該内部硬さ
をＨｖ２００以上にするには、それらの値を０．３３以
上にすることが不可欠の要件となる。

【００３７】本発明の肌焼鋼製品は、上記成分組成を満
足する鋼材からなり、これを用いて歯車等に成形された
部品に浸炭・窒化焼入れ処理を施すことによって、表面
硬度が高く耐摩耗性に優れた機械部品を得るものである
が、このとき、歯車などとしての疲労特性を高めるた
め、前述の如く浸炭・窒化焼入れ処理後の内部組織をフ
ェライト面積率２０〜８０％とする為、前述の如く鋼材
の成分組成を踏まえて浸炭・窒化焼入れ温度Ｔ_A1、Ｔ_A2
またはＴ_A3を規定すると共に、浸炭・窒化処理後の焼入
れ開始温度Ｔ_P1、Ｔ_P2またはＴ_P3を規定するものであ
り、それにより優れた表面硬度と耐摩耗性および疲労特
性を確保すると共に、熱処理歪みが少なく寸法精度の高
い肌焼鋼製品を提供し得ることになった。

【００３８】尚、本発明を実施する際に採用される浸炭
・窒化処理法には一切制限がなく、従来から知られた例
えばガス浸炭（または浸炭窒化）法、固体浸炭（または
浸炭窒化）法、塩浴浸炭（または浸炭窒化）法、プラズ
マ浸炭（または浸炭窒化）法、真空浸炭（または浸炭窒
化）法などを全て採用することが可能である。

【００３９】また、前述の特性に加えて特に高レベルの
靭性が求められる肌焼鋼製品を得たい場合は、前記浸炭
・窒化焼入れの後で１００〜２００℃程度の温度で焼戻
し処理を行なうことが望ましい。

【００４０】更に、浸炭・窒化焼入れ処理の後、あるい
はその後更に焼戻し処理を行なった後でショットピーニ
ング処理を施し、表面に圧縮残留応力を与えることによ
って疲労強度を一段と高めることも好ましい方法として
推奨される。ここで採用される好ましいショットピーニ
ング処理条件としては、硬さがＨＲＣ４５以上で且つ粒
径が０．０４〜１．５ｍｍのショット粒を使用し、アー
クハイト（ショットピーニングによる表面の変形高さを
表わす値）０．２〜１．２ｍｍＡの条件が好ましく、該
ショットピーニングは通常１回で十分であるが、必要に
よっては２回以上繰り返して行なうことも可能である。

【００４１】尚、ショット粒の硬さがＨＲＣ４５未満あ
るいはアークハイトが０．２ｍｍＡ未満では、十分な圧
縮残留応力が与えられず、またアークハイトが１．２ｍ
ｍＡを超えるとオーバーピーニングになって疲労特性に
悪影響を及ぼす恐れが生じてくる。ショット粒の硬さの
上限は特に規定しないが、実用上はＨＲＣ６５程度まで
である。ショット粒の粒径にも格別の制限はないが、好
ましくは０．０４〜１．５ｍｍ、より好ましくは０．３
〜１．０ｍｍの範囲である。

【００４２】

【実施例】次に実施例を挙げ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が、本発明はもとより下記
実施例によって制限を受けるものではなく、前後記の趣
旨に適合し得る範囲で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含
まれる。

【００４３】実施例１ 表１，２に示す１〜２６の化学組成を有する鋼材を真空
溶解炉で溶製し鋳造した後直径８０ｍｍに熱間鍛造し、
長さ２００ｍｍに切断してから熱間鍛造により高さ２８
ｍｍに据え込み加工し、焼きならし処理（９００℃×１
時間→空冷）を行なった後、機械加工によって図１に示
す円筒型試験片（ｎ＝１０個）を作製した。各試験片を
用いて表３，４に示す加熱温度Ｔ_A1，Ｔ_A2，Ｔ_A3（Ｔ
_A1-3と表わす）でガス浸炭し、焼入れ開始温度Ｔ_P1，Ｔ
_P2，Ｔ_P3（Ｔ_P1-3と表わす）まで降温させ、等温保持し
た後、油焼入れ・焼戻し処理を施し、夫々について、芯
部硬さおよび熱処理歪みを測定した。

【００４４】熱処理歪みは、図１に示した様に試験片の
円周方向端面の平坦度（端面振れ）を１０個の試験片に
ついて測定して求めた。各試験片の成分組成から求めら
れるＴ_1a，Ｔ_1b，Ｔ_1c（Ｔ_1a-cと表わす）、Ｔ_2a，
Ｔ_2b，Ｔ_2c（Ｔ_2a-cと表わす）およびＨeq₁ 〜Ｈeq₃
（Ｈeq_1-3 と表わす）の計算値、並びに端面振れ、芯部
硬さ及び芯部のフェライト面積率を表３，４に併記し
た。尚フェライト面積率は、倍率４００倍の光学顕微鏡
を用いて芯部の断面をランダムに５視野を撮影し、画像
解析により５視野の平均値として求めた。

【００４５】

【表１】

【００４６】

【表２】

【００４７】

【表３】

【００４８】

【表４】

【００４９】表１〜４におけるＮｏ．１〜１５は、本発
明の規定要件を全て満足する実施例であり、いずれも端
面振れが少なく且つ芯部硬さは全てＨｖ２００以上であ
り、熱処理歪みが少なく芯部硬さの高い肌焼鋼製品を与
えている。

【００５０】これらに対し、Ｎｏ．１７は、Ｃ量が不足
し、Ｎｏ．１６は更にＳｉ，Ｃｒおよびその他の選択元
素量が不足すると共に、Ｈeq_1-3 が０．３３未満である
ため芯部硬さが低く、Ｎｏ．１８は、同じくＨeq_1-3 が
０．３３未満であるため芯部硬さが低く、Ｎｏ．１９
は、Ｃｒおよびその他の選択元素量が不足すると共に、
Ｈeq_1-3 が０．３３未満であるため芯部硬さが低く、Ｎ
ｏ．２０は、Ｓｉ量が不足すると共に、Ｈeq_1-3 が０．
３３未満であるため芯部硬さが低く、且つ焼入れ開始温
度Ｔ_P1-3に対してＴ_2a-cが低いため初析フェライト面積
率が２０％未満となって端面振れが大きく、Ｎｏ．２
１、Ｃ量が規定範囲を超えると共に、焼入れ開始温度Ｔ
_P1-3に対してＴ_2a-cが低過ぎるため端面触れが大きく、
Ｎｏ．２２，２３は、芯部硬さがＨｖ２００以上であっ
て端面振れも小さいが、Ｓｉ量が多過ぎるため浸炭性が
阻害され、表面硬さの不足が確認された。

【００５１】Ｎｏ．２４は、焼入れ開始温度Ｔ_P1-3に対
するＴ_2a-cの値およびＨeq_1-3 の値は全て適正である
が、Ｃ量が規定範囲を超えているため２層温度域が狭
く、端面振れのばらつきが大きくなることが確認され
た。Ｎｏ．２５，２６は、成分組成およびＨeq_1-3 の値
は適正であるが、焼入れ開始温度Ｔ_P1-3に対するＴ_1a-c
の値が大き過ぎるため端面振れが大きい。

【００５２】実施例２ 表１に示したＮｏ．１１，１３の化学組成を有する鋼材
を真空溶解炉で溶製し鋳造した後、直径２０ｍｍに熱間
鍛造し、焼きならし処理（９００℃×１時間→空冷）を
行なった後、機械加工によって図２に示す中村式回転曲
げ疲労試験片を作成し、表３に示した加熱温度Ｔ_A1-3で
ガス浸炭した。次いで焼入れ開始温度Ｔ _P1-3まで降温
し、等温保持した後油焼入れ・焼戻し処理を施した。そ
の後、各々の試験片について表５に示すショットピーニ
ング処理を施したものと、ショットピーニングを施して
いないものについて、中村式回転曲げ疲労試験を行なっ
た。

【００５３】結果は表６に示す通りであり、ショットピ
ーニング処理を施していないＮｏ．１１，１３の疲労限
は夫々４３０ＭＰａ，４２０ＭＰａであるのに対し、シ
ョットピーニング処理を施すと、夫々の疲労限は８７０
ＭＰａ，８５０ＭＰａに向上している。

【００５４】

【表５】

【００５５】

【表６】

【００５６】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、鋼
材の化学成分を特定すると共に、浸炭・窒化による表面
硬化処理時の加熱温度およびその後の焼入れ開始温度を
定量化し、Ｈeq_1-3 の値を０．３３以下にコントロール
することによって、Ｈｖ２００以上の内部硬さを確保
し、且つ鋼材の化学成分に応じて浸炭・窒化処理温度お
よびその後の焼入れ開始温度を適正に制御して表面硬化
処理後の内部組織をフェライト面積率２０〜８０％に納
めることによって熱処理歪みを可及的に抑制することに
より、優れた内部硬さ、表面硬さ、疲労特性などを有す
ると共に、熱処理歪みが小さくて寸法精度の高い肌焼鋼
製品を提供し得ることになった。しすると共に、Ｈｖ２
００以上の内部硬さを確実に与える肌焼用鋼を提供し得
ることになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱処理歪み試験に用いた円筒型試験片を示す説
明図である。

【図２】実施例で採用した中村式回転曲げ疲労試験片の
寸法・形状を示す図である。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｃ 38/12 Ｃ２２Ｃ 38/12 38/58 38/58 38/60 38/60

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｃ ：０．０５〜０．３５％、 Ｓｉ：０．１５〜１．０％、 Ｍｎ：２．０％以下（０％を含む）、 Ａｌ：０．０１５〜０．０６％、 Ｎ ：０．００５〜０．０３％、 Ｐ ：０．０３０％以下（０％を含む）、 残部：Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、下記式(A1)
   で求められるＨeq₁ の値が０．３３以上である鋼材を用
   いて成形された部品を、下記式(B1)の関係を満たす温度
   Ｔ_A1で加熱し、浸炭、浸炭窒化もしくは浸炭浸窒処理し
   た後、下記式(C1)の関係を満たす焼入れ開始温度Ｔ _P1か
   ら焼入れを行ない、非浸炭、非浸炭窒化もしくは非浸炭
   浸窒部の金属組織を２０〜８０％の初析フェライトとす
   ることを特徴とする熱処理歪みの少ない肌焼鋼製品の製
   法。 Ｈeq₁ ＝[C]+0.12×[Si]+ 0.13×[Mn]……(A1) Ｔ_A1≧940- 470×[C]+70×[Si]- 20×[Mn]……(B1) Ｔ_1a≦Ｔ_P1≦Ｔ_2a……(C1) Ｔ_1a＝ 788-117×[C]+29×[Si]- 14×[Mn] Ｔ_2a＝ 900-387×[C]+63×[Si]- 18×[Mn] （式中、［元素］は鋼材中の各元素の含有量を表わす）
2. 【請求項２】 鋼材が、他の元素としてＭｏ：１．５％
   以下（０％を含まない）、 Ｖ ：１．５％以下（０％を含まない）およびＮｂ：
   １．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択さ
   れる少なくとも一種の元素を含み、下記式(A2)で求めら
   れるＨeq₂ の値が０．３３以上である鋼材を用いて成形
   された部品を、下記式(B2)の関係を満たす温度Ｔ_A2で加
   熱し、浸炭、浸炭窒化もしくは浸炭浸窒処理した後、下
   記式(C2)の関係を満たす焼入れ開始温度Ｔ_P2から焼入れ
   処理を行ない、非浸炭、非浸炭窒化もしくは非浸炭浸窒
   部の金属組織を２０〜８０％の初析フェライトとする請
   求項１記載の熱処理歪みの少ない肌焼鋼製品の製法。 Ｈeq₂ ＝[C]+0.12×[Si]+ 0.13×[Mn]+ 0.06×[Mo]＋0.01×[V] ……(A2) Ｔ_A2≧940- 470×[C]+70×[Si]- 20×[Mn]+ 40×[Mo]+120×[V]-20×[Nb] ……(B2) Ｔ_1b≦Ｔ_P2≦Ｔ_2b……(C2) Ｔ_1b＝ 788-117×[C]+29×[Si]- 14×[Mn] + 26 ×[Mo]- 15×[V]+183 ×[Nb] Ｔ_2b＝ 900-387×[C]+63×[Si]- 18×[Mn] + 35 ×[Mo]+ 60×[V]+31×[Nb] （式中、［元素］は鋼材中の各元素の含有量を表わす）
3. 【請求項３】 鋼材が、他の元素としてＣｕ：１．０％
   以下（０％を含まない）、 Ｎｉ：２．５％以下（０％を含まない）およびＣｒ：
   ２．０％以下（０％を含まない）よりなる群から選択さ
   れる少なくとも一種の元素を含み、下記式(A3)で求めら
   れるＨeq₃ の値が０．３３以上である鋼材を用いて成形
   された部品を、下記式(B3)の関係を満たす温度Ｔ_A3で加
   熱し、浸炭、浸炭窒化もしくは浸炭浸窒処理した後、下
   記式(C3)の関係を満たす焼入れ開始温度Ｔ_P3から焼入れ
   処理を行ない、非浸炭、非浸炭窒化もしくは非浸炭浸窒
   部の金属組織を２０〜８０％の初析フェライトとする請
   求項１または２記載の熱処理歪みの少ない肌焼鋼製品の
   製法。 Ｈeq₃ ＝[C]+0.12×[Si]+ 0.13×[Mn]+ 0.06×[Mo]+ 0.01×[V] + 0.06×[Cu]+ 0.09×[Ni]+ 0.01×[Cr]……(A3) Ｔ_A3≧940- 470×[C]+70×[Si]- 20×[Mn]+ 40×[Mo]+120×[V]-20×[Nb] -15 ×[Cu]- 27×[Ni]+5×[Cr]……(B3) Ｔ_1c≦Ｔ_P3≦Ｔ_2c……(C3) Ｔ_1c＝ 788-117×[C]+29×[Si]- 14×[Mn] + 26 ×[Mo] -15×[V]+183 ×[Nb]- 21×[Cu]- 24×[Ni]+ 18×[Cr] Ｔ_2c＝ 900-387×[C]+63×[Si]- 18×[Mn] + 35 ×[Mo] +60×[V]+31×[Nb]- 17×[Cu]- 26×[Ni]+[Cr] （式中、［元素］は鋼材中の各元素の含有量を表わす）
4. 【請求項４】 鋼材が、更に他の元素として、Ｓ：０．
   １０％以下（０％を含まない）、Ｃａ：０．０１％以下
   （０％を含まない）、Ｚｒ：０．０８％以下（０％を含
   まない）、Ｐｂ：０．３０％以下（０％を含まない）よ
   りなる群から選択される少なくとも一種を含有するもの
   である請求項１〜３のいずれかに記載の熱処理歪みの少
   ない肌焼鋼製品の製法。
5. 【請求項５】 鋼材が、更に他の元素として、Ｔｉ：
   ０．１０％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熱処理歪みの少ない
   肌焼鋼製品の製法。
6. 【請求項６】 鋼材が、更に他の元素としてＢ：０．０
   ０５％以下（０％を含まない）を含むものである請求項
   １〜５のいずれかに記載の熱処理歪みの少ない肌焼鋼製
   品の製法。
7. 【請求項７】 焼入れ処理の後で焼戻し処理を行なう請
   求項１〜６のいずれかに記載の熱処理歪みの少ない肌焼
   鋼製品の製法。
8. 【請求項８】 焼入れ処理の後、硬さがＨＲＣ４５以上
   で且つ粒径が０．０４〜１．５ｍｍのショット粒を使用
   し、アークハイト０．２〜１．２ｍｍＡの条件で少なく
   とも１回のショットピーニング処理を行なう請求項１〜
   ５のいずれかに記載の熱処理歪みの少ない肌焼鋼製品の
   製法。
9. 【請求項９】 焼戻し処理の後、硬さがＨＲＣ４５以上
   で且つ粒径が０．０４〜１．５ｍｍのショット粒を使用
   し、アークハイト０．２〜１．２ｍｍＡの条件で少なく
   とも１回のショットピーニング処理を行なう請求項８に
   記載の熱処理歪みの少ない肌焼鋼製品の製法。