JPH11199969A - 耐粗粒化肌焼鋼材並びに強度と靭性に優れた表面硬化部品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】1050℃での表面硬化処理時の粗粒化がなく熱処
理歪の少ない高強度・高靭性の表面硬化部品とその素材
となる被削性に優れた耐粗粒化肌焼鋼材及びその表面硬
化部品の製造方法を提供する。 【解決手段】重量％で、C：0.1〜0.3％、Si：0.01〜
0.5％、Mn：0.6〜2.0％、P≦0.03％、S：0.002〜0.2
％、Nb：0.005〜0.10％、Ti：0.04〜1.0％、N：0.002〜
0.008％、Cr：0〜2.0％、Mo：0〜1.0％、W：0〜1.0％、
Al： 0〜0.10％、残部はFe及び不純物からなる化学組成
で、鋼中のTi炭硫化物の最大直径が10μｍ以下で、その
量が清浄度で0.05％以上である被削性に優れた耐粗粒化
肌焼鋼材。 表面硬化処理後にHv300以上の芯部硬度と20J／cm² 以
上の衝撃値を有する表面硬化部品。表面硬化処理に先
立って1150℃以上に加熱してから熱間鍛造する表面硬化
部品の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、肌焼鋼材及び表面
硬化部品と、その表面硬化部品の製造方法に関し、より
詳しくは、被削性に優れた耐粗粒化肌焼鋼材並びに強度
と靭性に優れた表面硬化部品及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車用や産業機械用などの各種
機械構造部品、特に歯車を代表とする表面硬化部品は、
肌焼鋼を素材として、これを熱間鍛造や冷間鍛造した後
に切削加工して所望の形状に成形加工し、次いで、耐摩
耗性や疲労強度を向上させる目的で部品表面に浸炭処理
や浸炭窒化処理などの表面硬化処理を施してから使用に
供されている。

【０００３】表面硬化部品の素材鋼となる機械構造用肌
焼鋼としては、従来、JIS G 4106に規格された機械構造
用マンガン鋼（ＳＭｎ鋼）及びマンガンクロム鋼（ＳＭ
ｎＣ鋼）、JIS G 4105に規格されたクロムモリブデン鋼
（ＳＣＭ鋼）、JIS G 4104に規格されたクロム鋼（ＳＣ
ｒ鋼）、JIS G 4103に規格されたニッケルクロムモリブ
デン鋼（ＳＮＣＭ鋼）、JIS G 4102に規格されたニッケ
ルクロム鋼（ＳＮＣ鋼）などが用いられてきた。

【０００４】しかし、前記のＪＩＳ規格鋼を母材として
所定の部品形状に加工された鋼材の場合には、浸炭処理
や浸炭窒化処理などの表面硬化処理時に９００〜９５０
℃の温度に加熱されると結晶粒の粗大化や異常粒成長
（以下、結晶粒の粗大化と異常粒成長をまとめて「粗粒
化」という）が生じ易い。このため、焼入れ時の歪発生
や強度や靭性など材料特性の低下が生ずるという問題が
ある。

【０００５】このため、従来のＪＩＳ規格鋼に代わっ
て、Ｎｂを添加した鋼、例えば、特開昭６０−２１３５
９号公報に記載のＮｂ添加鋼などが浸炭部品の母材とな
る肌焼鋼として重用されてきた。こうした鋼は、Ｎｂの
添加によって析出した微細なＮｂＣのピン止め効果を利
用することで、浸炭処理や浸炭窒化処理などの表面硬化
処理における加熱時のオーステナイト粒の粗粒化を防止
しようとするものである。既に述べたように、従来の浸
炭処理や浸炭窒化処理などの表面硬化処理は９００〜９
５０℃程度の温度で行われていたために、ＮｂＣのピン
止め効果によって粗粒化を防止することが可能であっ
た。しかしながら、単にＮｂを添加しただけの鋼の場合
には鋼塊（ここでいう「鋼塊」にはJIS G 0203に規定さ
れているように連鋳鋼片（鋳片）を含む）の表面性状が
悪いという問題がある。したがって、鋼片や各種の鋼材
に加工した後に疵が生じるので、疵の手入れをしなけれ
ばならず、この疵手入れのために歩留まりが低下すると
ともにコストが嵩んでいた。

【０００６】更に近年、表面硬化処理の能率を大幅に向
上させるために、所謂「プラズマ浸炭処理」など高温で
の表面硬化処理が採用されるようになってきた。この
「プラズマ浸炭処理」は、１０５０℃もの高温で浸炭処
理を行うものであり、こうした高温に加熱される場合に
は、前記の単にＮｂを添加しただけの鋼では粗粒化を防
止することは不可能であった。すなわち、１０５０℃で
のプラズマ浸炭処理時には、従来の９００〜９５０℃程
度の処理の場合には粗粒化防止に有効であったＮｂＣが
凝集・粗大化してしまい、ピン止め効果を十分に発揮す
ることができないからである。

【０００７】そこで、例えば特開平４−１７６８１６号
公報に記載されているような、Ｎｂと、Ｔｉ及び／又は
Ｖとを複合添加した浸炭用鋼が提案されている。しか
し、前記公報に記載されているような単に、Ｎｂと、Ｔ
ｉ及び／又はＶとを複合添加しただけの浸炭用鋼の場合
には、浸炭時に粗粒化が生じてしまう場合もあった。

【０００８】又、近年、機械構造部品の高強度化に伴っ
て、熱間鍛造や冷間鍛造した後に所望の形状に成形する
ための切削加工のコストが嵩むという問題が生じてい
る。このため、切削加工を容易にし、低コスト化を図る
ために被削性に優れた快削肌焼鋼に対する要求がますま
す大きくなっている。

【０００９】従来、被削性を高めるために、鋼にＰｂ、
Ｔｅ、Ｂｉ、Ｃａ及びＳなどの快削元素を単独あるいは
複合添加することが行われてきた。しかし、ＪＩＳ規格
鋼である機械構造用鋼や、前記した特開昭６０−２１３
５９号公報に記載のＮｂ添加鋼や、特開平４−１７６８
１６号公報に記載されているような、Ｎｂと、Ｔｉ及び
／又はＶとを複合添加した浸炭用鋼などに、単に上記の
快削元素を添加しただけの場合には、所望の機械的性
質、なかでも靭性を確保できないことが多い。

【００１０】鉄と鋼（ｖｏｌ．５７（１９７１年）Ｓ４
８４）には、脱酸調整快削鋼にＴｉを添加すれば被削性
が高まる場合のあることが報告されている。しかし、Ｔ
ｉの多量の添加はＴｉＮが多量に生成することもあって
工具摩耗を増大させ、被削性の点からは好ましくないこ
とも述べられている。例えば、Ｃ：０．４５％、Ｓｉ：
０．２９％、Ｍｎ：０．７８％、Ｐ：０．０１７％、
Ｓ：０．０４１％、Ａｌ：０．００６％、Ｎ：０．００
８７％、Ｔｉ：０．２２８％、Ｏ：０．００４％及びＣ
ａ：０．００１％を含有する鋼では却ってドリル寿命が
低下して被削性が劣っている。このように、鋼に単にＴ
ｉを添加するだけでは被削性は向上するものではない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記現状に鑑
みなされたもので、充分な強度−靭性バランスを有し
て、過酷な環境下での使用に充分耐え得る表面硬化部品
及びその素材となる耐粗粒化肌焼鋼材と、その表面硬化
部品の製造方法を提供することを目的とする。なかで
も、本発明は、鋼材表面の温度が１０５０℃にも到るよ
うなプラズマ浸炭処理を初めとする高い温度での表面硬
化処理を受ける場合にも粗粒化を生ずることがなく、熱
処理歪の小さい高強度・高靭性の表面硬化部品と、その
素材となる鋼塊の表面性状が良好で且つ被削性にも優れ
た耐粗粒化肌焼鋼材及びその表面硬化部品の製造方法を
提供することを目的とする。

【００１２】なお、本発明でいう「耐粗粒化鋼材」と
は、「JIS G 0551の表１に示されるオーステナイト結晶
粒度番号５以上の整細粒鋼材」のことを指す。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記
（１）に示す化学組成を有する被削性に優れた耐粗粒化
肌焼鋼材、（２）に示す強度と靭性に優れた表面硬化部
品及び（３）、（４）に示す強度と靭性に優れた表面硬
化部品の製造方法にある。

【００１４】（１）重量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、
Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００２〜０．２％、Ｎ
ｂ：０．００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．０４〜１．０
％、Ｎ：０．００２〜０．００８％、Ｃｒ：０〜２．０
％、Ｍｏ：０〜１．０％、Ｗ：０〜１．０％、Ａｌ：０
〜０．１０％、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる化
学組成で、鋼中のＴｉ炭硫化物の最大直径が１０μｍ以
下で、且つ、その量が清浄度で０．０５％以上である耐
粗粒化肌焼鋼材。

【００１５】（２）素材が、上記（１）に記載の鋼材で
あって、表面硬化処理後にＨｖ３００以上の芯部硬度と
２０Ｊ／ｃｍ² 以上の衝撃値を有する表面硬化部品。

【００１６】（３）上記（１）に記載の鋼材を、表面硬
化処理に先立って１１５０℃以上に加熱してから熱間鍛
造することによる表面硬化部品の製造方法。

【００１７】（４）上記（１）に記載の鋼材を、分塊、
圧延及び熱処理の少なくとも１つの工程を１１５０℃以
上に加熱して行い、その後鍛造し、更に表面硬化処理す
ることによる表面硬化部品の製造方法。

【００１８】以下、上記（１）〜（４）に記載のものを
（１）〜（４）の発明ということがある。

【００１９】なお、本発明でいう「Ｔｉ炭硫化物」には
単なるＴｉ硫化物をも含むものとする。又、「（Ｔｉの
炭硫化物の）最大直径」とは「個々のＴｉの炭硫化物に
おける最も長い径」のことを指す。Ｔｉ炭硫化物の清浄
度は、光学顕微鏡の倍率を４００倍として、JIS G 0555
に規定された「鋼の非金属介在物の顕微鏡試験方法」に
よって６０視野測定した値をいう。

【００２０】表面硬化処理後の芯部とは表面硬化されて
いない部分のことをいう。

【００２１】（４）の発明における鍛造は、熱間、温
間、冷間のいずれかで行われるもの、又は、これらを組
み合わせたものを指す。

【００２２】本発明者らは、プラズマ浸炭処理を初めと
する高い温度での表面硬化処理時にも粗粒化を防止する
ことができるように、１０５０℃でも成長・凝集せず微
細に分散している析出物について調査・研究を行った。

【００２３】その結果、ＮｂとＴｉを複合添加した鋼に
おいて、ＮｂとＴｉの複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（Ｃ
Ｎ）〕が１０５０℃でも成長・凝集せず、微細に分散し
ている場合があることがわかった。

【００２４】そこで本発明者らは更に詳細な研究を続
け、その結果、次の知見を得るに到った。

【００２５】（ａ）ＮｂとＴｉを複合添加した鋼におい
て、凝固時に析出する合金炭窒化物はＮｂＣ、ＴｉＣ、
ＮｂＮ、ＴｉＮ、Ｎｂ（ＣＮ）及びＴｉ（ＣＮ）といっ
た単独合金による炭化物、窒化物や炭窒化物ではなく、
ＮｂとＴｉの複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕であ
る。しかし、凝固時に析出した複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ
（ＣＮ）〕は粗大であるので、粗粒化防止のためのピン
止め作用を有しない。

【００２６】（ｂ）複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕
の固溶と加熱温度（Ｔ）の関係は以下のとおりである。

【００２７】（イ）Ｔ＜１１５０℃の場合：上記の複合
炭窒化物は鋼中で安定に存在する。

【００２８】（ロ）１１５０℃≦Ｔ≦１３５０℃の場
合：上記の複合炭窒化物のＮｂだけが固溶し、Ｔｉが濃
化する。

【００２９】（ハ）１３５０℃＜Ｔの場合：上記の複合
炭窒化物は完全に固溶する（Ｔｉも固溶する）。

【００３０】（ｃ）表面硬化処理の前に素材鋼及び／又
は表面硬化部品が１１５０℃以上の温度域に加熱される
と、凝固時に析出した粗大な〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が固
溶するとともに、その後の冷却過程、あるいは冷却後に
行われる処理の加熱過程で〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が微細
に再析出し、そのピン止め効果で表面硬化処理時の異常
粒成長を防止することができる。なお、複合炭窒化物
〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が完全に固溶しなくても、複合炭
窒化物中のＮｂが優先的に固溶しさえすれば、その後の
冷却過程、あるいは冷却後に行われる処理の加熱過程で
〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕が微細に再析出する。

【００３１】（ｄ）表面硬化処理後、Ｈｖ３００以上の
芯部硬度と２０Ｊ／ｃｍ² 以上の衝撃値を有すれば、そ
の表面硬化部品は自動車や産業機械が使用される過酷な
環境においても充分な耐久性を示す。

【００３２】（ｅ）鋼に適正量のＴｉを添加し、鋼中の
介在物制御として硫化物をＴｉ炭硫化物に変え、更にＴ
ｉ炭硫化物を鋼材に微細に分散させれば、鋼材の被削性
が飛躍的に向上する。そこで、更に研究を続けた結果、
下記の事項を見いだした。

【００３３】（ｆ）Ｓとのバランスを考慮して鋼にＴｉ
を積極的に添加して行くと、鋼中にＴｉ炭硫化物が形成
される。

【００３４】（ｇ）鋼中に上記のＴｉ炭硫化物が生成す
ると、ＭｎＳの生成量が減少する。

【００３５】（ｈ）鋼中のＳ含有量が同じ場合には、Ｔ
ｉ炭硫化物はＭｎＳよりも大きな被削性改善効果を有す
る。これは、Ｔｉ炭硫化物の融点がＭｎＳのそれよりも
低いため、切削加工時に工具のすくい面での潤滑作用が
大きくなることに基づく。

【００３６】（ｉ）Ｔｉ炭硫化物の効果を充分発揮させ
るためには、Ｎ含有量を低く制限することが重要であ
る。これは、Ｎ含有量が多いとＴｉＮとしてＴｉが固定
されてしまい、Ｔｉ炭硫化物の生成が抑制されてしまう
ためである。

【００３７】（Ｊ）製鋼時に生成したＴｉ炭硫化物は、
通常の熱間加工のための加熱温度及びプラズマ浸炭処理
を初めとする高温の表面硬化処理における１０５０℃程
度の温度では基地に固溶しないし、凝集もしない。した
がって、オーステナイト領域において所謂「ピン止め作
用」が発揮されるので、オーステナイト粒の粗大化防止
に有効である。

【００３８】（Ｋ）Ｔｉ炭硫化物によって被削性を高め
るとともに大きな強度、特に、大きな疲労強度を確保す
るためには、Ｔｉ炭硫化物のサイズと、その清浄度で表
される量（以下、単に「清浄度」という）を適正化して
おくことが重要である。

【００３９】本発明は、上記の知見に基づいて完成され
たものである。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各要件について詳
しく説明する。なお、化学成分の含有量の「％」は「重
量％」を意味する。

【００４１】（Ａ）素材鋼の化学組成 Ｃ：０．１〜０．３％ Ｃは、ＳとともにＴｉと結合してＴｉの炭硫化物を形成
し、被削性を高める作用を有する。更に、Ｃは鋼の強度
を確保するとともに複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕
を形成させるのにも有効な元素である。しかし、その含
有量が０．１％未満では添加効果に乏しく、一方、０．
３％を超えて含有させると鋼の靭性が低下することにな
るので、その含有量を０．１〜０．３％とした。

【００４２】Ｓｉ：０．０１〜０．５％ Ｓｉは、鋼の脱酸及び焼入れ性を高める作用を有する。
更に、強度の向上及び高温での表面酸化の防止にも有効
な元素である。しかし、その含有量が０．０１％未満で
は所望の静的強度が確保できないことに加えて高温での
表面の耐酸化性が劣化し、０．５％を超えると靭性の劣
化を招くこととなる。したがって、Ｓｉの含有量を０．
０１〜０．５％とした。

【００４３】Ｍｎ：０．６〜２．０％ Ｍｎは、鋼の焼入れ性を高めるとともに熱間延性を向上
させる効果を有する。しかし、その含有量が０．６％未
満では充分な焼入れ性が得られず、２．０％を超えて含
有させると偏析を生じ、却って熱間延性が低下するよう
になる。したがって、Ｍｎの含有量を０．６〜２．０％
とした。

【００４４】Ｐ：０．０３％以下 Ｐは、鋼の靭性を劣化させるとともに、冷間及び熱間で
の鍛造性を低下させてしまう。特に、その含有量が０．
０３％を超えると靭性及び冷間・熱間鍛造性の劣化が著
しくなる。したがって、Ｐの含有量を０．０３％以下と
した。

【００４５】Ｓ ：０．００２〜０．２％ ＳはＣとともにＴｉと結合してＴｉの炭硫化物を形成
し、被削性を高める作用を有する。しかし、その含有量
が０．００２％未満では所望の効果が得られない。

【００４６】従来、快削鋼にＳを添加する目的は、Ｍｎ
Ｓを形成させて被削性を改善させることにあった。しか
し、本発明者らの検討によると、上記のＭｎＳの被削性
向上作用は、切削時の切り屑と工具表面との潤滑性を高
める機能に基づくことが判明した。しかもＭｎＳは巨大
化し、鋼材本体の地疵を大きくし、欠陥となる場合があ
る。本発明におけるＳの被削性改善作用は、適正量のＣ
とＴｉとの複合添加によってＴｉの炭硫化物を形成させ
ることで初めて得られる。このためには、上記したよう
に０．００２％以上のＳの含有量が必要である。一方、
Ｓを０．２％を超えて含有させても被削性に与える効果
に変化はないが、鋼中に粗大なＭｎＳが再び生じるよう
になり、地疵等の問題が生じる。更に、熱間での加工性
が著しく劣化し熱間での塑性加工が困難になるし、靭性
が低下することもある。したがって、Ｓの含有量を０．
００２〜０．２％とした。Ｓの好ましい含有量は０．０
０５〜０．１％である。

【００４７】Ｎｂ：０．００５〜０．１０％ Ｎｂは、Ｔｉとともに複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（Ｃ
Ｎ）〕を形成し、鋼の結晶粒を微細にして靭性を高める
とともに、表面硬化処理のための加熱時の粗粒化を防止
するのに有効な元素である。しかし、その含有量が０．
００５％未満では添加効果に乏しく、一方、０．１０％
を超えて含有させても結晶粒微細化の効果が飽和して経
済性を損なうばかりであるし、変形抵抗が上昇して冷間
鍛造性や熱間鍛造性が劣化するようにもなる。したがっ
て、Ｎｂの含有量を０．００５〜０．１０％とした。

【００４８】Ｔｉ：０．０４〜１．０％ Ｔｉは、Ｃ及びＳと結合してＴｉ炭硫化物を形成し、被
削性を高める作用を有する。更に、Ｔｉは、Ｎｂととも
に複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を形成し、鋼の結
晶粒を微細にして靭性を向上させる作用も有する。複合
炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕は前記のＴｉ炭硫化物と
ともに、表面硬化処理のための加熱時の粗粒化を防止す
るのに有効である。なお、Ｔｉには、Ｎｂ添加鋼の鋼塊
の表面性状を改善する作用もある。しかし、その含有量
が０．０４％未満では所望の効果が得られない。一方、
１．０％を超えて含有させても、Ｔｉ炭硫化物による被
削性改善効果が飽和してコストが嵩むばかりか、靭性及
び熱間加工性が著しく劣化してしまう。したがって、Ｔ
ｉ含有量を０．０４〜１．０％とした。なお、良好な被
削性と靭性を安定して得るためには、Ｔｉの含有量を
０．０６〜０．８％とすることが好ましい。

【００４９】Ｎ ：０．００２〜０．００８％ Ｎは、Ｎｂ、Ｔｉ及びＣと結合して複合炭窒化物〔Ｎｂ
Ｔｉ（ＣＮ）〕を形成し、鋼の結晶粒を微細化して靭性
を向上させるとともに、表面硬化処理のための加熱時の
粗粒化を防止するのに有効な元素である。しかし、その
含有量が０．００２％未満では添加効果に乏しい。一
方、ＮはＴｉとの親和力が大きいために容易にＴｉと結
合してＴｉＮを形成し、Ｔｉを固定してしまうので、Ｎ
を多量に含有する場合には前記したＴｉ炭硫化物の被削
性向上効果が充分に発揮できないこととなる。更に、粗
大なＴｉＮは靭性及び被削性を低下させてしまう。特
に、Ｎ含有量が０．００８％を超えると靭性及び被削性
の低下が著しくなる。したがって、Ｎの含有量を０．０
０２〜０．００８％とした。なお、Ｔｉ炭硫化物の効果
を高めるために、Ｎ含有量の上限は０．００６％とする
ことが好ましい。

【００５０】Ｃｒ：０〜２．０％ Ｃｒは添加しなくても良い。添加すれば鋼の焼入れ性を
向上させるとともに、浸炭処理などの表面硬化処理時に
Ｃと結合して複合炭化物を形成するので耐摩耗性を向上
させる効果がある。この効果を確実に得るには、Ｃｒは
０．０５％以上の含有量とすることが好ましい。しか
し、その含有量が２．０％を超えると靭性が劣化する。
したがって、Ｃｒ含有量を０〜２．０％とした。

【００５１】Ｍｏ：０〜１．０％ Ｍｏは添加しなくても良い。添加すれば鋼の焼入れ性を
向上させるとともに、表面硬化処理後の芯部硬度を上げ
る作用がある。この効果を確実に得るには、Ｍｏは０．
０５％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、そ
の含有量が１．０％を超えると、Ｔｉ炭硫化物を微細に
分散させた場合においても被削性が大幅に劣化するよう
になる。したがって、Ｍｏ含有量を０〜１．０％とし
た。

【００５２】Ｗ：０〜１．０％ Ｗは添加しなくても良い。添加すれば鋼の焼入れ性を向
上させるとともに、表面硬化処理後の芯部硬度を上げる
作用がある。この効果を確実に得るには、Ｗは０．１０
％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、その含
有量が１．０％を超えると、Ｔｉ炭硫化物を微細に分散
させた場合においても被削性が大幅に劣化するようにな
る。したがって、Ｗ含有量を０〜１．０％とした。

【００５３】Ａｌ：０〜０．１０％ Ａｌは添加しなくてもよい。添加すれば鋼の脱酸の安定
化及び均質化を図る作用がある。この効果を確実に得る
には、Ａｌは０．００５％以上の含有量とすることが望
ましい。しかし、その含有量が０．１０％を超えると前
記効果が飽和することに加えて靭性が劣化するようにな
る。したがって、Ａｌの含有量を０〜０．１０％とし
た。なお、Ｔｉ炭硫化物のサイズと清浄度を所定の値と
するためにはＴｉの酸化物が過剰に生成することを防ぐ
ことが重要であるので、Ｓｉ含有量が０．０５％未満の
場合には、少なくとも０．００５％のＡｌを含有させる
こととするのが良い。

【００５４】上記の化学組成を有する素材鋼は、例えば
熱間で分塊されて鋼片となり、次いで熱間で圧延された
後、熱間あるいは冷間で鍛造され、必要に応じて焼準を
施され、更に切削加工が施されて所定の表面硬化部品の
形状に加工される。そして最終的に表面硬化処理を施さ
れることとなる。

【００５５】（Ｂ）Ｔｉ炭硫化物のサイズと清浄度 上記の化学組成を有する鋼の被削性をＴｉ炭硫化物によ
って高めるとともに大きな強度と良好な靭性をも確保す
るためには、Ｔｉ炭硫化物のサイズと清浄度を適正化し
ておくことが重要である。

【００５６】Ｔｉ炭硫化物の最大直径が１０μｍを超え
ると疲労強度や靭性が低下してしまう。なお、Ｔｉ炭硫
化物の最大直径は７μｍ以下とすることが好ましい。こ
のＴｉ炭硫化物の最大直径が小さすぎると被削性向上効
果が小さくなってしまうので、Ｔｉ炭硫化物の最大直径
の下限値は０．５μｍ程度とすることが好ましい。

【００５７】最大直径が１０μｍ以下のＴｉ炭硫化物の
量が清浄度で０．０５％未満の場合には、Ｔｉ炭硫化物
による被削性向上効果が発揮できない。前記の清浄度は
０．０８％以上とすることが好ましい。上記のＴｉ炭硫
化物の清浄度の値が大きすぎると疲労強度が低下する場
合があるので、上記のＴｉ炭硫化物の清浄度の上限値は
２．０％程度とすることが好ましい。

【００５８】Ｔｉ炭硫化物のサイズと清浄度を前記の値
とするためには、Ｔｉの酸化物が過剰に生成することを
防ぐことが重要である。このための製鋼法としては、例
えば、Ｓｉ及びＡｌで充分脱酸し、最後にＴｉを添加す
る方法がある。

【００５９】なお、Ｔｉ炭硫化物は、鋼材から採取した
試験片を鏡面研磨し、その研磨面を被検面として倍率４
００倍以上で光学顕微鏡観察すれば、色と形状から容易
に他の介在物と識別できる。すなわち、前記の条件で光
学顕微鏡観察すれば、Ｔｉ炭硫化物の「色」は極めて薄
い灰色で、「形状」はＪＩＳのＢ系介在物に相当する粒
状（球状）として認められる。Ｔｉ炭硫化物の詳細判定
は前記の被検面をＥＤＸ（エネルギ−分散型Ｘ線分析装
置）などの分析機能を備えた電子顕微鏡で観察すること
によって行うこともできる。

【００６０】前記のＴｉ炭硫化物の清浄度は、既に述べ
たように、光学顕微鏡の倍率を４００倍として、JIS G
0555に規定された「鋼の非金属介在物の顕微鏡試験方
法」によって６０視野測定した値をいう。

【００６１】（Ｃ）熱間鍛造、分塊、圧延及び熱処理 本発明は、１０５０℃にも到る高温での表面硬化処理の
加熱時に、複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を微細に
析出させておき、そのピン止め効果により表面硬化処理
時の粗粒化の発生を抑制しようとするものである。そし
て、表面硬化処理の加熱時に、複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ
（ＣＮ）〕を微細に析出させておくためには、溶製後の
凝固時に粗大に析出した複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（Ｃ
Ｎ）〕を、表面硬化処理の前段階で一旦鋼中に固溶さ
せ、微細な〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕析出の素地を作ってお
く必要がある。このためには、表面硬化処理の前工程
で、一旦高温に加熱しておけばよい。

【００６２】既に述べたように、ＮｂとＴｉを複合添
加した鋼において凝固時に析出する粗大な合金炭窒化物
は、ＮｂとＴｉの複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕で
ある。複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕の固溶と加
熱温度（Ｔ）の関係については以下のとおりである。

【００６３】（イ）Ｔ＜１１５０℃の場合：上記の複合
炭窒化物は鋼中で安定に存在する。

【００６４】（ロ）１１５０℃≦Ｔ≦１３５０℃の場
合：上記の複合炭窒化物のＮｂだけが固溶し、Ｔｉが濃
化する。

【００６５】（ハ）１３５０℃＜Ｔの場合：上記の複合
炭窒化物は完全に固溶する（Ｔｉも固溶する）。

【００６６】したがって、本発明においては、微細に再
析出した〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕のピン止め作用を利用し
て粗粒化の発生を防止するために、表面硬化処理の前の
工程で一旦１１５０℃以上に加熱する。

【００６７】そこで、表面硬化部品への加工工程に熱間
鍛造が含まれる場合には、少なくともこの熱間鍛造にお
ける加熱温度を１１５０℃以上としてＮｂを固溶させれ
ば良いことになる（（３）の発明）。

【００６８】あるいは、既に述べた表面硬化処理の前工
程のうち、熱間鍛造以外で「加熱」処理を伴うものは分
塊、圧延及び所謂「熱処理」であるため、これら分塊、
圧延及び熱処理の少なくとも１つの工程において加熱温
度を１１５０℃以上とすれば良いことになる（（４）の
発明）。

【００６９】なお、本発明においては、微細に再析出し
た〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕のピン止め作用を利用すること
に加えて、Ｔｉ炭硫化物のピン止め作用も利用して表面
硬化処理時の異常粒成長の防止を図る。このＴｉ炭硫化
物は１３５０℃以下の温度では基地に固溶し難い。この
ため、上記した請求項３の発明及び同４の発明における
加熱温度の上限は、Ｔｉ炭硫化物のピン止め作用を確保
するために１３５０℃とするのが良い。加熱温度の上限
を１３５０℃とすれば、加熱時の表面酸化を低減するこ
ともできる。

【００７０】なお、プラズマ浸炭処理を初めとする高い
温度での表面硬化処理のための加熱時に、ＮｂとＴｉの
複合炭窒化物〔ＮｂＴｉ（ＣＮ）〕を微細に析出させて
おくためには、上記の加熱後の冷却速度は０．２℃／ｓ
以上とすることが望ましい。

【００７１】（Ｄ）表面硬化処理 本発明が対象とする表面硬化処理は、処理の能率を大幅
に高めることができる「プラズマ浸炭処理」を初めとす
る高温での表面硬化処理である。この表面硬化処理は、
所定の表面硬化部品の表面を硬化させ、製品として必要
な耐摩耗性や疲労強度を確保するのに必要不可欠の処理
である。この処理方法は特に規定されるものではなく、
通常の方法で行えば良い。なお、当然のことながら、本
発明は、表面硬化処理が９００〜９５０℃の温度に加熱
される従来の浸炭処理や浸炭窒化処理などの場合にも適
用できる。

【００７２】（Ｅ）表面硬化処理後の表面硬化部品の芯
部硬度と靭性 表面硬化部品が、自動車や産業機械が使用される過酷な
環境においても充分な耐久性を発揮するためには、表面
硬化処理後、Ｈｖ３００以上の芯部硬度と２０Ｊ／ｃｍ
² 以上の衝撃値を有することが必要である。これらの一
方及び／又は両方から外れる場合は表面硬化部品の実環
境での耐久性は極めて劣化したものとなってしまう。し
たがって、表面硬化部品の芯部硬度はＨｖ３００以上、
且つ、衝撃値は２０Ｊ／ｃｍ² 以上とした。

【００７３】（Ｆ）焼戻し 低温で焼戻しを行うと表面硬度の大きな低下を伴うこと
なく靭性を改善できるので、本発明の表面硬化部品は、
表面硬化処理の後に必要に応じて焼戻しを実施したもの
であっても良い。焼戻しをする場合は、表面硬度を確保
するためにその温度を１５０〜２００℃とするのが望ま
しい。

【００７４】

【実施例】（実施例１）表１、表２に示す化学組成の鋼
を通常の方法によって試験炉を用いて溶製した。なお、
鋼Ｏを除いて、Ｔｉ酸化物の生成を防ぐために、Ｓｉ及
びＡｌで充分脱酸し種々の元素を添加した最後にＴｉを
添加して、Ｔｉ炭硫化物のサイズと清浄度を調整するよ
うにした。鋼ＯについてはＳｉ及びＡｌで脱酸する際に
同時にＴｉを添加した。

【００７５】表１、表２において、鋼Ａ〜Ｈ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、鋼Ｉ〜
Ｓは成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲か
ら外れた比較例の鋼である。なお、比較例の鋼におい
て、鋼Ｑ、鋼Ｒ及び鋼ＳはそれぞれＪＩＳのＳＭｎ４２
０鋼、ＳＣｒ４２０鋼及びＳＣＭ４２０鋼に相当するも
のである。

【００７６】

【表１】

【００７７】

【表２】

【００７８】次いで、これらの鋼を１１４０℃に加熱し
た後に通常の方法によって鋼片とし、更に１１００℃に
加熱して、１１００〜１０００℃の温度で直径３０ｍｍ
の丸棒に熱間鍛造した。なお、鋼片に加工した後、一部
のものについては表面の手入れを行った。この表面の手
入れの有無を表１、表２に併せて示す。

【００７９】こうして得られた熱間鍛造後の丸棒からJI
S G 0555の図１に則って試験片を採取し、鏡面研磨した
幅が１５ｍｍで高さが２０ｍｍの被検面を、倍率が４０
０倍の光学顕微鏡で６０視野観察して、Ｔｉ炭硫化物を
他の介在物と区分しながらその清浄度を測定した。Ｔｉ
炭硫化物の最大直径も、倍率が４００倍の光学顕微鏡で
６０視野観察して調査した。

【００８０】又、上記の熱間鍛造後の丸棒から８ｍｍ直
径×１２ｍｍ長さの粗粒化測定試験片を切り出し、この
試験片を用いて下記の４条件の加工熱処理試験を行い、
粗粒化の発生率を倍率１００倍の光学顕微鏡で１０視野
観察して調査した。

【００８１】（条件１）真空中で、試験片を１１００
℃、１１７５℃及び１２５０℃の温度でそれぞれ１５分
間加熱した後、圧縮加工により３０％の変形量を与えて
常温（室温）まで１．０℃／ｓの冷却速度で冷却した。
この後、１０５０℃×４ｈｒ（炭素ポテンシャル：０．
８％）の浸炭処理を行った後油焼入した。

【００８２】（条件２）真空中で、試験片を１１００℃
で１５分間加熱し、続いて圧縮加工により３０％の変形
量を与え、一旦常温まで２．０℃／ｓの冷却速度で冷却
した。この後、更に、１１００℃、１１７５℃及び１２
５０℃の温度で１５分間加熱した後、常温まで１．０℃
／ｓの冷却速度で冷却した。次いで、１０５０℃×４ｈ
ｒ（炭素ポテンシャル：０．８％）の浸炭処理を行った
後油焼入した。

【００８３】（条件３）大気中で、試験片に常温で圧縮
加工により３０％の変形量を与えた。次いで、真空中
で、１１００℃、１１７５℃及び１２５０℃の温度でそ
れぞれ１５分間加熱した後、常温まで１．０℃／ｓの冷
却速度で冷却した。この後、１０５０℃×４ｈｒ（炭素
ポテンシャル：０．８％）の浸炭処理を行った後油焼入
した。

【００８４】（条件４）真空中で、試験片を１１００
℃、１１７５℃及び１２５０℃の温度でそれぞれ１５分
間加熱した後、一旦常温まで１．０℃／ｓの冷却速度で
冷却した。次いで、真空中で１１００℃で１５分間加熱
し、更に、圧縮加工により３０％の変形量を与え、常温
まで２．０℃／ｓの冷却速度で冷却した。この後、１０
５０℃×４ｈｒ（炭素ポテンシャル：０．８％）の浸炭
処理を行った後油焼入した。

【００８５】表３に、熱間鍛造後の丸棒におけるＴｉ炭
硫化物の清浄度及び最大直径の調査結果、並びに条件１
〜４の加工熱処理試験を行った場合の粗粒化発生率の調
査結果を示す。なお、粗粒化の発生率は１００倍の倍率
で１０視野検鏡した場合の面積割合で表示した。

【００８６】

【表３】

【００８７】表３から、化学組成及び最大直径が１０μ
ｍ以下のＴｉ炭硫化物の清浄度が本発明で規定する範囲
内にある本発明例の鋼Ａ〜Ｈを素材とするものと、比較
例の鋼のうち鋼Ｌ及び鋼Ｏを素材とするものだけが本発
明で規定した条件で加熱処理した場合に異常粒成長しな
いことが明らかである。

【００８８】（実施例２）前記の実施例１で作製した鋼
Ａ〜Ｓの鋼片を１１９０℃に加熱してから、１１９０〜
１０００℃の温度で３０ｍｍ直径の丸棒に熱間鍛造し
た。

【００８９】こうして得られた熱間鍛造後の丸棒から実
施例１の場合と同様に、JIS G 0555の図１に則って試験
片を採取し、鏡面研磨した幅が１５ｍｍで高さが２０ｍ
ｍの被検面を、倍率が４００倍の光学顕微鏡で６０視野
観察して、Ｔｉ炭硫化物を他の介在物と区分しながらそ
の清浄度を測定した。Ｔｉ炭硫化物の最大直径も、倍率
が４００倍の光学顕微鏡で６０視野観察して調査した。

【００９０】又、上記の熱間鍛造後の丸棒の中心部から
ＪＩＳ３号シャルピ−衝撃試験片を切り出し、表面硬化
処理として１０５０℃×４ｈｒ（炭素ポテンシャル：
０．８％）の浸炭処理を行った後油焼入れし、更に、１
６０℃で焼戻しを行った。次いで、常温で衝撃試験を行
うとともに試験片中心部すなわち芯部の硬度測定を行っ
た。

【００９１】被削性評価のため、ドリル穿孔試験も実施
した。すなわち、前記した熱間鍛造後の３０ｍｍ直径の
丸棒を２５ｍｍの長さに輪切りにしたものを用いて、Ｒ
／２部（Ｒは丸棒の半径）についてその長さ方向に貫通
孔をあけ、刃先摩損により穿孔不能となったときの貫通
孔の個数を数え、被削性の評価を行った。穿孔条件は、
ＪＩＳ高速度工具鋼ＳＫＨ５１のφ５ｍｍストレ−トシ
ャンクドリルを使用し、水溶性の潤滑剤を用いて、送り
０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、回転数９８０ｒｐｍで行った。

【００９２】表４に各種試験の結果を示す。

【００９３】

【表４】

【００９４】表４から、化学組成及び最大直径が１０μ
ｍ以下のＴｉ炭硫化物の清浄度が本発明で規定する範囲
内にある本発明例の鋼Ａ〜Ｈを素材とするものはＨｖ３
００以上の芯部硬度と２０Ｊ／ｃｍ² 以上の衝撃値を有
している。更に、被削性も良好なことが明らかである。
したがって、これらの鋼を素材とする表面硬化部品は自
動車や産業機械が使用される過酷な環境においても充分
な耐久性を発揮できることになる。

【００９５】一方、前記実施例１において本発明で規定
した条件で加熱処理した場合に異常粒成長しなかった比
較例の鋼の鋼Ｌ及び鋼Ｏを素材とするものは、芯部硬度
と衝撃値のいずれかが低く、表面硬化部品の実環境での
耐久性は極めて劣化したものとなってしまう。

【００９６】又、比較例の鋼のうち最大直径が１０μｍ
以下のＴｉ炭硫化物の量が清浄度で０．０５％を下回る
鋼Ｏ、並びにＴｉの含有量が本発明で規定する値を下回
る鋼Ｋ、鋼Ｎ及び鋼Ｐ〜Ｓではドリル貫通孔の個数が１
００個に達せず被削性が劣っている。

【００９７】（実施例３）前記の実施例１で作製した鋼
Ａ〜Ｈ、鋼Ｌ及び鋼Ｎの鋼片を１１８０℃で真空中の熱
処理を行い、一旦常温まで０．２５℃／ｓの冷却速度で
冷却した。その後、１１００℃に加熱してから、１１０
０〜１０００℃の温度で３０ｍｍ直径の丸棒に熱間鍛造
した。

【００９８】こうして得られた熱間鍛造後の丸棒から実
施例１の場合と同様に、JIS G 0555の図１に則って試験
片を採取し、鏡面研磨した幅が１５ｍｍで高さが２０ｍ
ｍの被検面を、倍率が４００倍の光学顕微鏡で６０視野
観察して、Ｔｉ炭硫化物を他の介在物と区分しながらそ
の清浄度を測定した。Ｔｉ炭硫化物の最大直径も、倍率
が４００倍の光学顕微鏡で６０視野観察して調査した。

【００９９】又、上記の熱間鍛造後の丸棒の中心部から
ＪＩＳ３号シャルピ−衝撃試験片を切り出し、表面硬化
処理として１０５０℃×４ｈｒ（炭素ポテンシャル：
０．８％）の浸炭処理を行った後油焼入れし、更に、１
７０℃で焼戻しを行った。次いで、常温での衝撃試験と
ともに試験片中心部硬度すなわち芯部硬度の測定を行っ
た。

【０１００】被削性評価のためのドリル穿孔試験も実施
した。その試験片、試験方法及び評価方法は実施例２で
述べたとおりである。

【０１０１】表５に各種試験の結果を示す。

【０１０２】

【表５】

【０１０３】表５から、化学組成及び最大直径が１０μ
ｍ以下のＴｉ炭硫化物の清浄度が本発明で規定する範囲
内にある本発明例の鋼Ａ〜Ｈを素材とするものはＨｖ３
００以上の芯部硬度と２０Ｊ／ｃｍ² 以上の衝撃値を有
している。更に、被削性も良好なことが明らかである。
したがって、これらの鋼を素材とする表面硬化部品は自
動車や産業機械が使用される過酷な環境においても充分
な耐久性を発揮できることになる。

【０１０４】一方、前記実施例１において本発明で規定
した条件で加熱処理した場合に粗粒化が生じなかった比
較鋼の鋼Ｌ及び鋼Ｎを素材とするものは、芯部硬さと衝
撃値のいずれかが低く、表面硬化部品の実環境での耐久
性は極めて劣化したものとなってしまう。

【０１０５】

【発明の効果】本発明による表面硬化部品は強度と靭性
に優れ、粗粒化も生じないので、自動車や産業機械など
の各種機械構造部品、特に歯車を代表とする表面硬化部
品として利用することができる。本発明の耐粗粒化肌焼
鋼材は被削性に優れるので、上記の表面硬化部品は、本
発明の耐粗粒化肌焼鋼材を素材とし、これに本発明方法
を適用することによって、比較的容易に製造することが
できる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：
   ０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｐ：
   ０．０３％以下、Ｓ：０．００２〜０．２％、Ｎｂ：
   ０．００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．０４〜１．０％、
   Ｎ：０．００２〜０．００８％、Ｃｒ：０〜２．０％、
   Ｍｏ：０〜１．０％、Ｗ：０〜１．０％、Ａｌ：０〜
   ０．１０％、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる化学
   組成で、鋼中のＴｉ炭硫化物の最大直径が１０μｍ以下
   で、且つ、その量が清浄度で０．０５％以上であること
   を特徴とする被削性に優れた耐粗粒化肌焼鋼材。
2. 【請求項２】素材が、請求項１に記載の鋼材であって、
   表面硬化処理後にＨｖ３００以上の芯部硬度と２０Ｊ／
   ｃｍ² 以上の衝撃値を有することを特徴とする強度と靭
   性に優れた表面硬化部品。
3. 【請求項３】請求項１に記載の鋼材を、表面硬化処理に
   先立って１１５０℃以上に加熱してから熱間鍛造するこ
   とを特徴とする強度と靭性に優れた表面硬化部品の製造
   方法。
4. 【請求項４】請求項１に記載の鋼材を、分塊、圧延及び
   熱処理の少なくとも１つの工程を１１５０℃以上に加熱
   して行い、その後鍛造し、更に表面硬化処理することを
   特徴とする強度と靭性に優れた表面硬化部品の製造方
   法。