TWI544088B - Vacuum carburizing steel and its manufacturing method - Google Patents

Description

真空滲碳用鋼材及其製造方法

本發明是關於真空滲碳用鋼材，更詳細的說，是關於用來獲得真空滲碳後的面疲勞特性及彎曲疲勞特性優異的滲碳零組件之鋼材、其製造方法及使用該鋼材的滲碳零組件、以及該零組件之製造方法。本發明的鋼材，適用於作為汽車、建築機械及其他各種產業機械所使用的齒輪、軸類等的材料，以下雖是舉例說明運用於汽車用齒輪的情況，但並不限定於此。

汽車、建築機械及其他各種產業機械周圍的環境，社會上是要求省能源化及性能更加提昇，近年來，不斷致力於汽車車體的輕量化及引擎輸出的增大。因此，汽車、建築機械等所使用的齒輪，特別是驅動系統傳遞部所使用的齒輪之使用環境變得過於嚴苛，而要求具備優異的疲勞強度之齒輪。

以往的齒輪，作為齒輪用鋼是採用：屬於鉻鋼之JIS-SCr420鋼、或是屬於鉻鉬鋼之JIS-SCM420鋼等的表面硬化鋼(case hardening steel)。前述JIS-SCr420 鋼也包含SCr420H鋼，又前述JIS-SCM420鋼也包含SCM420H鋼。該等的表面硬化鋼，成形為齒輪形狀之後，實施滲碳、淬火回火處理(以下，有時將滲碳、淬火、回火統稱為「滲碳處理」)，而作為所謂滲碳齒輪來使用。

然而，上述習知的齒輪中，有以下的問題點 被指出。亦即，近年來，汽車、建設機械等所要求的汽車車體之輕量化及引擎的高輸出越來越強，將習知鋼基於以往基準實施滲碳處理後的滲碳齒輪，變成無法滿足面疲勞強度及彎曲疲勞強度的狀況。

例如，專利文獻1揭示一種滲碳零組件或滲 碳氮化零組件，滿足既定的化學組成，且在滲碳或滲碳氮化後實施珠擊(shot peening)，而具有既定的表層部的硬度及硬化層深度。然而，其表層部的軟化特性提昇不足，在表面附近的硬化技術方面，無法獲得可充分對應於最近所要求的零組件小型化、高應力負荷之面疲勞強度及彎曲疲勞強度。

此外，專利文獻2提示一種滿足既定的化學 組成之高強度齒輪用表面硬化鋼。雖記載著可對該表面硬化鋼進行氣體滲碳、真空滲碳、滲碳氮化、高濃度滲碳(過共析滲碳)等的表面硬化處理、及珠擊，但據信，依專利文獻2的技術，其表層部的軟化特性提昇仍是不足的。因此，縱使是依據專利文獻2的技術，仍無法獲得可充分對應於最近所要求的零組件小型化、高應力負荷之面 疲勞強度及彎曲疲勞強度。

[專利文獻1]日本特開2008-261037號公報

[專利文獻2]日本特開2005-163148號公報

本發明是有鑑於上述課題而開發完成的，其目的是為了獲得具有充分的面疲勞強度之滲碳零組件、具有面疲勞強度和彎曲疲勞強度之滲碳零組件、以及用來製得該滲碳零組件之鋼材。

為了達成上述課題，本發明之真空滲碳用鋼材，其特徵在於，以質量%計，係含有：C：0.15~0.35%、Si：0.6~2.0%、Mn：0.3~1.3%、S：超過0%、0.020%以下、P：超過0%、0.015%以下、Cr：0.7~1.7%、Mo：0.3~0.8%、V：0.10~0.4%、 Al：0.005~0.05%、N：0.004~0.025%，剩餘部分為鐵及不可避免的雜質所構成，且釩碳化物的平均圓等效直徑為25nm以下。

本發明較佳為，進一步含有屬於以下(a)、(b)中的任1種以上。

(a)Nb：超過0質量%、0.06質量%以下及Ti：超過0質量%、0.2質量%以下之至少1種

(b)B：超過0質量%、0.005質量%以下

本發明也包含上述鋼材的製造方法，該製造方法具體而言，是一種真空滲碳用鋼材之製造方法，其特徵在於，將具有上述任一項所記載的化學成分組成之鋼於1200℃以上保持30~300分而進行板坯輥軋，將熱軋前的加熱溫度設為950℃以上、加熱保持時間設為30分~5小時而進行熱軋。

本發明也包含使用上述真空滲碳用鋼材所製得的滲碳零組件，該滲碳零組件具體而言，係具有上述任一項所記載的化學成分組成，表面粒界氧化層深度為3μm以下，於400℃回火時之表面硬度為維氏硬度600以上。該滲碳零組件的面疲勞強度優異。

再者，對前述滲碳零組件進一步實施珠擊後的零組件也包含於本發明，該零組件具體而言，係具有上述任一項所記載的化學成分組成， 表面粒界氧化層深度為3μm以下，從表面到30μm深度位置之殘留應力積分值為40MPa．mm以上，於400℃回火時之表面硬度為維氏硬度600以上。該零組件的面疲勞強度及彎曲疲勞強度優異。

本發明也包含實施上述珠擊後之零組件的製造方法，該製造方法具體而言，係將上述任一項所記載的真空滲碳用鋼材實施真空滲碳、淬火回火及珠擊之滲碳零組件之製造方法，珠擊的噴射材之粒徑為0.10~0.5mm，前述噴射材的硬度為維氏硬度800~1000，該滲碳零組件的面疲勞強度及彎曲疲勞強度優異。

依據本發明的真空滲碳用鋼材，因為將化學成分組成適當地調整，且使釩碳化物之平均圓等效直徑成為既定值以下，可獲得真空滲碳處理後之面疲勞強度優異且真空滲碳及珠擊後的彎曲疲勞強度優異的滲碳零組件。

圖1係顯示後述實施例之彎曲疲勞試驗用的試驗片的形狀。

圖2係顯示後述實施例之彎曲疲勞試驗的要領之概略 圖。

圖3係用來說明後述實施例之彎曲疲勞試驗之10萬次強度的意義。

本發明人等，為了確保滲碳零組件的面疲勞 強度，且進一步確保彎曲疲勞強度，從各個角度進行探討。結果獲得下述(i)~(v)的認知。

(i)最近，隨著汽車之低油耗化，油的低黏 度化、零組件之高面壓負荷不斷的進展，在此環境中，為了使面疲勞強度提昇，將零組件之接觸面的抗軟化性提高是重要的，已知特別是讓於400℃回火的硬度提昇是有效的。特別是使零組件表面於400℃回火的硬度成為維氏硬度HV600以上，能將面疲勞強度大幅提昇。

此外，本發明的滲碳零組件，在藉由真空滲 碳來製得這點也具有特徵。當未實施真空滲碳而實施氣體滲碳、氣體滲碳氮化等的情況，表面會生成粒界氧化層，而使面疲勞強度及後述的彎曲疲勞強度降低。藉由真空滲碳所製得之本發明的滲碳零組件，表面粒界氧化層深度可為3μm以下。

(ii)為了使零組件表面於400℃回火的硬度 成為HV600以上，必須將滲碳前的鋼材中之Si、Mo及V調整成既定範圍，並調整釩碳化物的大小。Si可抑制回火時之ε碳化物、χ碳化物、η碳化物等的碳化物生成， Mo及V在回火時能使Mo₂C、VC析出而有助於二次硬化。滲碳前的鋼材中之Si、Mo及V量分別設定成Si：0.6~2.0%、Mo：0.3~0.8%、V：0.10~0.4%。

再者，滲碳前的鋼材中，釩碳化物之平均圓 等效直徑必須為25nm以下。藉由使釩碳化物的平均圓等效直徑成為25nm以下，在真空滲碳處理中能使釩碳化物充分地固溶，在回火時和零組件使用時能讓釩碳化物析出而使零組件進行二次硬化，結果可提高面疲勞強度。

(iii)為了在滲碳前的鋼材中使釩碳化物的 平均圓等效直徑成為25nm以下，輥軋前的加熱條件必須適切地調整。亦即，藉由使輥軋前的加熱溫度及保持時間成為既定以上，能讓在輥軋前所析出之釩碳化物充分地固溶，在輥軋後的冷卻可確保微細的釩碳化物，亦即能使釩碳化物的平均圓等效直徑成為25nm以下。

(iv)除了滲碳零組件的面疲勞強度以外，為 了進一步使彎曲疲勞強度提昇，對於將鋼材進行真空滲碳所獲得的零組件實施珠擊而賦予既定的殘留應力是有效的。具體而言，藉由使滲碳零組件的從表面到30μm深度位置之殘留應力積分值成為40MPa．mm以上，可抑制初期龜裂的發生及龜裂傳播，能使彎曲疲勞強度大幅提昇。

(v)為了使滲碳零組件之從表面到30μm深 度位置之殘留應力積分值成為40MPa．mm以上，在真空滲碳後所進行的珠擊，必須將噴射材的尺寸及硬度適切地調整。噴射材的粒徑為0.10~0.5mm，硬度為維氏硬度 HV800~1000。

本發明的鋼材、亦即熱軋後且真空滲碳前的 鋼材，如上述般，在規定鋼中的釩碳化物大小這點具有特徵，為了發揮作為滲碳零組件之基本特性，對於鋼材的化學成分組成也必須適切地調整。以下說明本發明的鋼材之化學成分組成。在本說明書中，化學成分組成都是指質量%。

C：0.15~0.35%

C是能對鋼材賦予強度的元素。為了獲得必要的強度，將C量定為0.15%以上。C量較佳為0.17%以上，更佳為0.19%以上。另一方面，當C量過剩時，被削性及韌性會降低。因此將C量定為0.35%以下。C量較佳為0.33%以下，更佳為0.31%以下。

Si：0.6~2.0%

Si是作為回火抗軟化提昇元素，當齒輪等在驅動中其接觸部位的溫度上昇時，藉由抑制軟化可維持硬度，而有助於孔蝕(pitting)強度等的疲勞強度提昇、耐摩耗性提昇。為了使上述效果有效地發揮，Si量定為0.6%以上。 Si量較佳為0.8%以上，更佳為1.0%以上。然而，當Si量過剩時，強度上昇變顯著，冷加工性及被削性會降低。於是，將Si量定為2.0%以下。Si量較佳為1.8%以下，更佳為1.6%以下。

Mn：0.3~1.3%

Mn是作為脫氧劑、脫硫劑、及淬火性提昇元素來添加。為了讓這種效果有效地發揮，將Mn量定為0.3%以上。Mn量較佳為0.4%以上，更佳為0.5%以上。然而，當Mn量過剩時，會導致冷鍛造性、韌性降低，且被削性也會變差。於是，Mn量定為1.3%以下。Mn量較佳為1.2%以下，更佳為1.1%以下。

S：超過0%、0.020%以下

S是以不可避免的雜質的形式包含於鋼中的元素，以MnS的形式析出而使疲勞特性、衝撃特性降低，因此宜儘量減少。然而，為了將其極端地減少，會導致製鋼成本的增大。基於此觀點，將S量定為0.020%以下。S量較佳為0.015%以下，更佳為0.010%以下。如上述般，S是不可避免的雜質，要使其含量成為0%在工業生產上是困難的，S量的下限為0.0005%左右。

P：超過0%、0.015%以下

P是以不可避免的雜質的形式包含於鋼中的元素，會在粒界偏析而使加工性及疲勞特性降低，因此宜儘量減少。然而，為了將其極端地減少，會導致製鋼成本的增大。基於此觀點，將P量定為0.015%以下。P量較佳為0.010%以下，更佳為0.008%以下。如上述般，P是不可 避免的雜質，要使其含量成為0%在工業生產上是困難的，P量的下限為0.0005%左右。

Cr：0.7~1.7%

Cr，和Mn同樣的是作為淬火性提昇元素來添加，又具備回火抗軟化元素的作用。為了讓這種效果有效地發揮，將Cr量定為0.7%以上。Cr量較佳為0.8%以上，更佳為0.9%以上。然而，當Cr量過剩時，會導致冷鍛造性、韌性的降低，且被削性也會變差。基於此觀點，將Cr量定為1.7%以下。Cr量較佳為1.6%以下，更佳為1.5%以下。

Mo：0.3~0.8%

Mo，在回火時使Mo₂C析出而具有使抗軟化性提昇的效果，當齒輪等在驅動中其接觸部位的溫度上昇時，藉由抑制軟化可維持硬度，而有助於孔蝕強度等的疲勞強度提昇。此外，Mo也具有使韌性提昇的效果。為了讓這種效果有效地發揮，將Mo量定為0.3%以上。Mo量較佳為0.35%以上，更佳為0.4%以上。另一方面，當Mo量過剩時，強度上昇變得顯著，冷加工性及被削性會降低。於是，將Mo量定為0.8%以下。Mo量較佳為0.75%以下，更佳為0.7%以下。

V：0.10~0.4%

V，在回火時能讓釩碳化物析出而具有使抗軟化性提昇的效果，當齒輪等在驅動中其接觸部位的溫度上昇時，藉由抑制軟化可維持硬度，而有助於孔蝕強度等的疲勞強度提昇。為了讓這種效果有效地發揮，V量定為0.10%以上。V量較佳為0.15%以上，更佳為0.2%以上。然而，當V量過剩時，強度上昇變顯著，冷加工性及被削性會降低，且在輥軋後會使粗大的釩碳化物析出，無助於真空滲碳處理後的抗軟化性提昇。於是，將V量定為0.4%以下。V量較佳為0.35%以下，更佳為0.3%以下。

Al：0.005~0.05%

Al，是一種脫氧劑，同時藉由形成微細的Al系氮化物，可將結晶粒微細化，還具有使韌性提昇的效果。為了讓這種效果有效地發揮，將Al量定為0.005%以上。Al量較佳為0.01%以上，更佳為0.012%以上。然而，當Al量過剩時，會對被削性造成不良影響而使加工性降低，且因為會生成粗大的氮化物，無助於作為釘扎粒子(pinning particle)，而引起結晶粒粗大化。基於此觀點，將Al量定為0.05%以下。Al量較佳為0.045%以下，更佳為0.043%以下。

N：0.004~0.025%

N，會和Al等形成氮化物，使結晶粒微細化，而發揮使韌性提昇的效果。為了讓這種效果有效地發揮，將N量 定為0.004%以上。N量較佳為0.0060%以上，更佳為0.010%以上。然而，當N量過剩時，特別是會生成Al系氮化物等的粗大氮化物，無助於作為釘扎粒子而引起結晶粒粗大化。基於此觀點，將N量定為0.025%以下。N量較佳為0.020%以下，更佳為0.017%以下。

本發明的真空滲碳用鋼材之基本成分是如上 述所述般，剩餘部分實質上為鐵。但是因原材料、資材、製造設備等的狀況而帶入之P、S以外的不可避免的雜質，當然也容許其包含於鋼中。再者，在本發明，在不阻害本發明的作用之範圍內，因應必要也能含有以下的任意元素。按照以下元素的種類，能使鋼材的特性更加改善。

Nb：超過0%、0.06%以下及Ti：超過0%、0.2%以下之1種以上

Nb及Ti能將滲碳後之結晶粒微細化，有助於鋼材的韌性提昇及彎曲疲勞強度提昇。這些元素，視必要含有任1種或2種，可揮發上述效果。為了讓這種效果有效地發揮，Nb量宜為0.01%以上，Ti量宜為0.005%以上。較佳的Nb量及Ti量都是0.015%以上。然而，當這些元素過剩時，不僅其效果飽和，且會形成粗大的析出物而使強度降低。於是，Nb量較佳為0.06%以下，Ti量較佳為0.2%以下。Nb量更佳為0.05%以下，Ti量更佳為0.1%以下，特佳為0.08%以下。

B：超過0%、0.005%以下

B具有在滲碳處理中將淬火性提高的作用，又能將粒界強化而使彎曲疲勞強度提昇。B藉由微量添加就能使淬火性提昇，因此對加工性等的影響較低。為了讓這種作用有效地發揮，B量較佳為0.0005%以上，更佳為0.0008%以上。然而，當B量過剩時，經由與N結合會生成BN，而使滲碳零組件的強度降低。因此，B量較佳為0.005%以下，更佳為0.0045%以下，特佳為0.0040%以下。

在本發明的真空滲碳用鋼材，釩碳化物之平均圓等效直徑為25nm以下。釩碳化物，經由回火時的加熱或是零組件使用時所產生的滑動發熱會析出，而具有讓抗軟化性提昇的效果。亦即，當齒輪等在驅動中其接觸部位的溫度上昇時，利用釩碳化物可抑制軟化而維持硬度，有助於孔蝕強度等的疲勞強度提昇。為了讓這種效果發揮，必須在熱軋後、真空滲碳前的鋼材中讓釩碳化物微細地分散，在真空滲碳時使其固溶。當真空滲碳用鋼材的釩碳化物較粗大時，無助於真空滲碳處理後的抗軟化性提昇，因此將釩碳化物的平均圓等效直徑定為25nm以下。釩碳化物的平均圓等效直徑較佳為20nm以下，更佳為15nm以下。釩碳化物的平均圓等效直徑的下限沒有特別的限定，通常為1nm左右。又本發明的釩碳化物是指可檢測出V(釩)和C(碳)的析出物，也能含有V及C以外的元素。

為了調整上述的釩碳化物，依據通常的熔製 法將鋼實施熔製，進行板坯輥軋後，再進行熱軋，在這一連串的製造步驟中，調整熱軋前的加熱條件是重要的。熱軋前的加熱溫度宜為950℃以上。當熱軋前的加熱溫度未達950℃時，無法讓輥軋前所存在的釩碳化物充分地固溶，未固溶的釩碳化物變得粗大化，無法使輥軋後的釩碳化物的平均圓等效直徑成為25nm以下。加熱溫度更佳為1000℃以上，特佳為1050℃以上。加熱溫度的上限，基於脫碳的觀點，較佳為1250℃以下，更佳為1200℃以下。

此外，熱軋前的加熱保持時間宜為30分~5小 時。當加熱保持時間未達30分時，無法使輥軋前所存在的釩碳化物充分地固溶，未固溶的釩碳化物變得粗大化，無法使輥軋後的釩碳化物的平均圓等效直徑成為25nm以下。加熱保持時間更佳為1小時以上，特佳為1.5小時以上。另一方面，當加熱保持時間超過5小時時，釩碳化物因奧斯華熟成(Ostwald ripening)而變得粗大化，無法使輥軋後的釩碳化物的平均圓等效直徑成為25nm以下。加熱保持時間更佳為4.5小時以下，特佳為4小時以下。

又上述板坯輥軋的條件沒有特別的限定，例 如於1200℃以上、較佳為於1250℃以上保持30~300分而進行板坯輥軋。板坯輥軋之加熱溫度的上限沒有特別的限定，例如1300℃以下。

將調整成上述化學成分組成及釩碳化物的大小後之本發明鋼材，藉由真空滲碳能獲得面疲勞強度優異 的零組件，進一步在真空滲碳後進行具備既定條件的珠擊，可獲得彎曲疲勞強度優異的滲碳零組件。

在本發明，作為滲碳處理是採用真空滲碳。 在本發明的滲碳用鋼材，如上述般將Si量提高到0.6%以上。當將這種鋼材藉由真空滲碳以外的氣體滲碳、氣體滲碳氮化等實施滲碳處理時，在表面會生成粒界氧化層而使零組件的面疲勞強度降低，且零組件的彎曲疲勞強度也會降低。藉由真空滲碳而獲得之本發明的零組件，表面粒界氧化層深度為3μm以下。表面粒界氧化層深度較佳為2μm以下，更佳為1μm以下，最佳為0μm。真空滲碳處理的條件沒有特別的限定，例如將滲碳溫度定為900~1000℃，較佳為930~980℃。滲碳後，可實施(a)直接淬火，或(b)於滲碳放冷後，進行再加熱淬火。又在前述(a)、(b)任一者的情況，可投入50~150℃左右、較佳為60~130℃的油浴等而進行淬火後，例如於150~200℃左右、較佳為160~180℃進行回火。又前述(a)的情況，可在真空滲碳後，進行爐內冷卻直到750~900℃、較佳為780~880℃後，進行淬火回火。

為了提高滲碳零組件之孔蝕強度等的疲勞強 度，將硬度提高是有效的。然而，當齒輪等在驅動中其接觸部位的溫度上昇時硬度會降低，因此不是將初期硬度提高，而是將發熱溫度附近、亦即400℃左右的硬度提高，對於疲勞強度的提昇是有效的。將本發明的真空滲碳用鋼材實施真空滲碳而獲得之本發明的零組件，於400℃回火 時的表面硬度可成為維氏硬度HV600以上。前述表面硬度較佳為HV620以上，更佳為HV650以上。前述表面硬度的上限沒有特別的限定，通常HV900左右。

藉由真空滲碳所獲得的零組件，進一步實施 珠擊可賦予壓縮殘留應力。壓縮殘留應力，可抑制反覆施加應力時之初期龜裂的發生及龜裂傳播，能將彎曲疲勞強度的大幅地提昇。為了讓這種效果發揮，從表面到30μm深度位置的殘留應力積分值必須為40MPa．mm以上。殘留應力積分值較佳為42MPa．mm以上，更佳為45MPa．mm以上。殘留應力積分值的上限沒有特別的限定，通常100MPa．mm左右。

為了對滲碳零組件賦予上述壓縮殘留應力， 必須將珠擊所使用的噴射材之粒徑和硬度予以適切地控制。噴射材的粒徑定為0.10~0.5mm。粒徑未達0.10mm時，僅表層被賦予壓縮殘留應力，無法將從表面到30μm深度位置的壓縮殘留應力提高。此外，當粒徑超過0.5mm時，會對內部側賦予壓縮殘留應力，無法使從表面到30μm深度位置的壓縮殘留應力位於上述範圍內。

噴射材的硬度定為維氏硬度HV800~1000。當 硬度未達HV800時，無法充分地賦予壓縮殘留應力，從表面到30μm深度位置的壓縮殘留應力無法位於上述範圍內。噴射材的硬度較佳為HV820以上，更佳為HV850以上。又當硬度超過HV1000時，鋼材的削蝕量會增加，無法獲得既定的零組件形狀。噴射材的硬度較佳為HV980 以下，更佳為HV950以下。

本發明的真空滲碳用鋼材，藉由真空滲碳可 獲得面疲勞強度優異的零組件，進一步在真空滲碳後藉由實施珠擊，可獲得彎曲疲勞強度優異的零組件。面疲勞強度，例如可成為滾軸孔蝕試驗之100萬次強度、亦即100萬次試驗時無破損之最大應力3.3GPa以上，較佳為3.4GPa以上；彎曲疲勞強度可成為4點彎曲疲勞試驗的10萬次強度、亦即10萬次試驗後無破損之最大應力1260MPa以上，較佳為1300MPa以上。

本申請是根據2014年3月24日提出申請之 日本特許出願第2014-060210號而主張優先權的利益。將2014年3月24日提出申請之日本特許出願第2014-060210號說明書的全部內容援用於本申請中而作為參考。

[實施例]

以下，舉實施例來將本發明更具體地說明。本發明並不受以下實施例的限制，在可符合前述、後述的趣旨的範圍內施加適當地變更來實施當然也可以，這些全都包含於本發明的技術範圍。

將下述表1所示化學成分組成的鋼進行熔製，於1250℃保持30分~300分後實施板坯輥軋。表1所示的化學成分組成之剩餘部分為鐵及不可避免的雜質。然後，如表2、3所示般，將輥軋前加熱溫度設定為920℃ ~1100℃、加熱保持時間設定為0.3~6小時而進行熱軋，製得 32mm的熱軋材、亦即棒鋼。又表1所示的鋼No.1為相當於習知鋼之SCr420H鋼。

對於所獲得的各熱軋材，依下述(1)的方法 測定釩碳化物的大小。此外，將上述熱軋材以表2、3所示的滲碳條件進行真空滲碳或氣體滲碳後，對於試驗No.26~34進一步使用表3所示的粒徑及硬度之噴射材進行珠擊，製作成試驗片。真空滲碳處理，是在表2、3所記載的930~980℃溫度範圍內進行真空滲碳處理，然後進行爐內冷卻直到780~880℃後，投入60~130℃的油中進行淬火，於170℃再加熱而實施回火。珠擊，是以噴射壓：0.4MPa、覆蓋率：400%以上的條件，使用表3所記載的噴射材來進行。前述噴射材是採用：經由篩分級後之粒度0.05~0.06mm、0.11~0.13mm、0.18~0.21mm、0.36~0.43mm及0.60~0.71mm者。

又，作為比較之氣體滲碳，是在平衡碳濃度(carbon potential)Cp：0.8%的滲碳氣體氛圍中，於930℃進行滲碳處理後，進行油冷，接著於170℃進行2小時的回火處理。

對於該等試驗片，依下述方法來測定(2) 400℃回火硬度、(3)從表面到30μm深度位置的殘留應力積分值及(4)表面粒界氧化層的深度，並評價(5)滾軸孔蝕疲勞特性及(6)彎曲疲勞特性。

(1)熱軋材中的釩碳化物大小的測定

在熱軋材之D/4位置將橫剖面切出、研磨後，進行碳蒸鍍，藉由FE-TEM(Field-Emission Transmission Electron Microscope)實施薄膜法(replica)觀察。前述D表示輥軋材的直徑。這時，藉由TEM的EDX(Energy Dispersive X-ray Analysis)來界定檢測出V及C的析出物，以10萬倍的倍率進行1.0μm×1.2μm的視野觀察。觀察是對任意的3視野進行，使用觀察到的釩碳化物之圓等效直徑的算術平均值來作為釩碳化物的平均圓等效直徑。 又根據FE-TEM的測定限界，測定對象之釩碳化物的大小之下限為圓等效直徑約1nm左右。

(2)400℃回火硬度的測定

將上述熱軋材的表面研磨成 26.02mm後進行滲碳，再度研磨成 26mm。對於試驗No.26~34，進一步進行珠擊，當作400℃回火硬度的測定用試驗片。對於試驗No.1~25之滲碳後的試驗片，對於No.26~34之滲碳及珠擊後的試驗片，於400℃進行3小時回火，在橫剖面中之離表面50μm的位置，使用維氏硬度計來測定硬度。維氏硬度計的試驗荷重為300gf，測定5個部位求取其算術平均值，作為各試驗片的400℃回火硬度。

(3)從表面到30μm深度位置之殘留應力積分值的測定

將後述之圖1的4點彎曲試驗片進行滲碳，對於試驗No.26~34進一步實施珠擊，當作殘留應力測定用的試驗片。對於試驗No.1~25之滲碳後的試驗片，對於No.26~34之滲碳及珠擊後的試驗片，使用PSPC(Position- Sensitive Proportional Counter)微小部X線應力測定裝置，分別測定從試驗片的凹口底表面起算10μm、20μm、30μm的位置之殘留應力，依下述計算式算出從表面到30μm深度位置的殘留應力積分值。PSPC微小部X線應力測定裝置的測定條件為準直管徑： 1mm、測定部位：軸方向中央位置、測定方向：圓周方向。

從表面到30μm深度位置的殘留應力積分值σ={σ(0mm)+σ(0.01mm)}/2×0.01mm+{σ(0.01mm)+σ(0.02mm)}/2×0.01mm+{σ(0.02mm)+σ(0.03mm)}/2×0.01mm其中，σ(Xmm)表示離表面Xmm的位置之殘留應力值。

(4)表面粒界氧化層的深度測定

將上述熱軋材的表面研磨成 26.02mm後進行滲碳，再度研磨成 26mm。對於試驗No.26~34進一步實施珠擊而當作試驗片。對於試驗No.1~25之滲碳後的試驗片，對於No.26~34之滲碳及珠擊後的試驗片，沿與輥軋方向垂直的方向切出，埋置於樹脂中，進行研磨後，將試驗片的最表面使用光學顯微鏡以倍率1000倍進行觀察，測定粒界氧化層的最深位置的深度。

(5)滾軸孔蝕疲勞特性的評價

準備出與上述(4)同樣的試驗片，將所獲得的試驗 片以面壓：2.7、3.0、3.3GPa、旋轉數：1500rpm、滑移比：-40%、使用自動變速箱油的條件進行滾軸孔蝕試驗，作成應力S-反覆數N線圖(以下稱S-N線圖)，利用100萬次強度來評價孔蝕強度。又前述自動變速箱油的油溫為80℃，前述100萬次強度是指100萬次試驗時無破損的最大應力。這時所使用的對方輥子，是使用SUJ2所構成的調質品，表面硬度：HV700，凸面R：150mm。

(6)彎曲疲勞特性的評價

從上述熱軋材切出圖1所示形狀的試驗片後進行滲碳，對於試驗No.26~34進一步實施珠擊，當作彎曲疲勞試驗用的試驗片。使用該試驗片，如圖2所示般，藉由4點支撐治具，以頻率20Hz、反覆負荷應力的最大應力：1371、1523、1675、1828MPa的條件，作成S-N線圖，根據該S-N線圖求出圖3所示的10萬次強度，使用此數值作為彎曲疲勞強度。

上述(1)~(6)的結果如表2、3所示。

試驗No.3、5、14~18、22~29、31~34是滿足 本發明所規定的化學成分組成且在適切的熱軋條件下所獲得的鋼材。因此，其等之VC的平均圓等效直徑為25nm以下，藉由真空滲碳所獲得的鋼、或藉由真空滲碳及珠擊所獲得的鋼，於400℃回火時的表面硬度為維氏硬度600以上，以100萬次強度表示之面疲勞強度為3.3GPa以上，相較於試驗No.1可達成1.20倍以上的面疲勞強度。 其中，特別是試驗No.26、31~34，是在進行真空滲碳後，以適切的條件進行珠擊的例子，因為可充分地賦予壓縮殘留應力，以10萬次強度表示的彎曲疲勞強度為1260MPa以上，相較於試驗No.1可達成1.20倍以上的彎曲疲勞強度。又未進行珠擊之No.3、5、14~18、22~25、及珠擊之噴射材的特性未適切地調整之No.27~29，如上述般雖然面疲勞強度良好，但彎曲疲勞強度成為比No.26、31~34差的結果。

試驗No.1、2是Si、V及Mo量較少的例子， 無法形成釩碳化物，滲碳後之400℃回火硬度較低，以100萬次強度表示之面疲勞強度成為變差的結果。又在No.1，因為作為滲碳處理是採用氣體滲碳，形成有粒界氧化層，而使面疲勞強度比No.2更差。No.4因為是採用氣體滲碳，形成有粒界氧化層，其面疲勞強度變差。

No.6是Si量較少的例子，No.7是Cr量較少 的例子，No.8是Mn量較少的例子，No.9是P量較多的例子，No.10是S量較多的例，No.11是V量較少的例 子，No.12是V量較多的例子，No.13是Mo量較少的例子，全都成為面疲勞強度變差的結果。

No.19，是熱軋前的加熱溫度較低的例子， No.20是熱軋前的加熱保持時間較短的例子，No.21是熱軋前的加熱保持時間較長的例子，全都是釩碳化物的平均圓等效直徑變大，成為面疲勞強度變差的結果。No.30是進行氣體滲碳的例子，形成有粒界氧化層而成為面疲勞強度變差的結果。

[產業利用性]

使用本發明的真空滲碳用鋼材所製得的滲碳零組件，適用於汽車、建築機械及其他各種產業機械所使用的齒輪和軸類，在產業上是有用的。

Claims (6)

1. 一種真空滲碳用鋼材，其特徵在於，以質量%計，係含有：C：0.15~0.35%、Si：0.6~2.0%、Mn：0.3~1.3%、S：超過0%、0.020%以下、P：超過0%、0.015%以下、Cr：0.7~1.7%、Mo：0.3~0.8%、V：0.10~0.4%、Al：0.005~0.05%、N：0.004~0.025%，剩餘部分為鐵及不可避免的雜質所構成，且釩碳化物的平均圓等效直徑為25nm以下。
2. 如申請專利範圍第1項所述之真空滲碳用鋼材，其中，進一步含有屬於以下(a)、(b)中的任1種以上，(a)Nb：超過0質量%、0.06質量%以下及Ti：超過0質量%、0.2質量%以下之至少1種，(b)B：超過0質量%、0.005質量%以下。
3. 一種真空滲碳用鋼材之製造方法，其特徵在於，係將具有申請專利範圍第1或2項所述的化學成分組成之鋼於1200℃以上保持30~300分而進行板坯輥軋， 將熱軋前的加熱溫度設為950℃以上、加熱保持時間設為30分~5小時而進行熱軋。
4. 一種面疲勞強度優異之滲碳零組件，其特徵在於，係具有申請專利範圍第1或2項所述的化學成分組成，表面粒界氧化層深度為3μm以下，於400℃回火時之表面硬度為維氏硬度600以上。
5. 一種面疲勞強度及彎曲疲勞強度優異的滲碳零組件，其特徵在於，係具有申請專利範圍第1或2項所述的化學成分組成，表面粒界氧化層深度為3μm以下，從表面到30μm深度位置的殘留應力積分值為40MPa‧mm以上，於400℃回火時之表面硬度為維氏硬度600以上。
6. 一種面疲勞強度及彎曲疲勞強度優異的滲碳零組件之製造方法，其特徵在於，係將申請專利範圍第1或2項所述的鋼材實施真空滲碳、淬火回火及珠擊之滲碳零組件之製造方法，珠擊的噴射材之粒徑為0.10~0.5mm，前述噴射材的硬度為維氏硬度800~1000。