JP3996386B2 - ねじり疲労特性に優れた浸炭用鋼 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用部品、建築機械用部品、産業機械用部品などに使用される軸状部材を製造するのに有用なねじり疲労特性に優れた浸炭用鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車、建築機械、産業機械などにおいて、動力の高出力化が行われてきており、例えば、自動車においてはエンジン出力が増大してきている。これら出力の増大につれて、前記自動車等において動力の伝達に使用されている軸状部材（シャフトなど）のねじり疲労強度の向上が求められている。
【０００３】
前記軸状部材としては、多くの場合、高周波焼入れによって表面の強度が高められた部材が使用されている。高周波焼入れは比較的簡易な設備で焼入れ処理ができ、生産性も高いため汎用的に用いられている。そのため、高周波焼入れに関する発明も多く行われており、高周波焼入鋼においてねじり疲労強度を高めた発明も多く行われている。例えば特許第２７７４１１８号公報には、Ｃｒ及びＮｉは高周波焼入によってねじり疲労強度を向上させるのに有用な元素であり、Ｃｒを１．０ｗｔ％以上含有させ、Ｎｉを０．１０ｗｔ％以上含有させ、かつＮｉ＋０．７０Ｃｒを０．２５０ｗｔ％以上とすることにより高いねじり疲労強度が得られることが記載されている。
【０００４】
しかし、高周波焼入用鋼は、一般に、Ｃ量が多いため被削性の点に課題を残している。また高周波焼入は、高周波によって部材の表面だけを加熱する方法であるため、形状が複雑な部材を焼入するのは困難である。従って、例えば、穴部や溝部などを有する部材を製造する場合、高周波焼入を利用するのは困難である。
【０００５】
穴部や溝部などを有するなど形状が複雑な部材の表面を硬化する場合、近年、浸炭焼入が行われるケースが増大してきている。浸炭焼入では、形状が複雑な部材でも容易に表面を硬化させることができる。ところが、高周波焼入に対してはねじり疲労強度を向上させる発明が種々なされているのに対して、浸炭に対してはねじり疲労強度を向上させる発明は殆ど見あたらない。
【０００６】
【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、浸炭用鋼において、ねじり疲労特性を向上させる点にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するため、浸炭焼入れを行った軸状部材のねじり疲労破壊に対する詳細な研究を行った結果、従来の浸炭部材において曲げ疲労特性を向上させる点では重要視されていなかった浸炭層内の炭化物量が、ねじり疲労特性の点では極めて大きな影響を及ぼしていることを発見した。以下、この点について図１を参照しながら詳細に説明する。
【０００８】
すなわち図１に示すように、浸炭用鋼では、Ｃｒ添加量が多いほど浸炭層の焼入性が向上し、表面硬さが向上する結果、耐ピッチング性や耐摩耗性が向上する（図１の実線参照）。Ｃｒは鋼中のセメンタイトに固溶して鋼を硬化させる特性を有しているためである。従って、耐ピッチング性や耐摩耗性の観点からすればＣｒ添加量は多いほど好ましいといえる。
【０００９】
しかし本発明者らの検討によれば、高周波焼入部材とは異なり、浸炭部材ではＣｒ添加量が増大するにつれてねじり疲労特性が低下することを発見した（図１の細破線参照）。そしてさらに検討を重ねたところ、Ｃｒの添加量そのものではなく、浸炭層中のＣｒ炭化物量が増大するにつれてねじり疲労特性が低下することを突き止めた。すなわちＣｒは単独でも炭化物を形成しやすい元素であり、通常は、添加量を増量すると炭素濃度の高い浸炭部最表層ではＣｒと炭素とが結合してＣｒ炭化物も大量に生じる（図１の細一点鎖線参照）。そしてねじり疲労においては、この増大したＣｒ炭化物が疲労き裂の進展を助長し、疲労強度を低下させているのではないかと考えられた。そこでＣｒの添加量を増大しても、炭化物の生成量を抑制するようにすると（図１の太一点鎖線参照）、ねじり疲労強度は従来に比べて向上することを見出した（図１の太破線参照）。要約すると、本発明者らは、Ｃｒの添加量を増大させるのが望ましい浸炭用鋼においては、ねじり疲労特性を改善するためにはＣｒ炭化物の生成を抑制することが重要であることを突き止めたのである。
【００１０】
そしてＣｒ炭化物の生成量を抑制するために、さらに鋭意検討を重ねた結果、Ｃｒの添加量が増大するにつれて、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＣｕの添加量も増大すると、炭化物（特に、粒界にフィルム状に析出する炭化物）の形成を抑制することができ、ねじり疲労強度を改善できることを見出し、本発明を完成した。
【００１１】
すなわち上記目的を達成し得た本発明のねじり疲労特性に優れた浸炭用鋼とは、炭素含有量が０．１〜０．３質量％であり、Ｃｒを含有する浸炭用鋼において、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕから選択された少なくとも一種を下記式（１）を満足する範囲で含有している点に要旨を有するものである。
【００１２】
［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４×［Ｃｒ］＞０ …（１）
［式中、［Ｃｏ］、［Ｎｉ］、［Ｃｕ］、又は［Ｃｒ］は、それぞれ、鋼中のＣｏ含有量（質量％）、Ｎｉ含有量（質量％）、Ｃｕ含有量（質量％）、又はＣｒ含有量（質量％）を示す］
前記Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＣｒの好ましい含有量は、Ｃｏ：７質量％以下（０％を含む）、Ｎｉ：４．５質量％以下（０％を含む）、Ｃｕ：４質量％以下（０％を含む）、Ｃｒ：０．５〜２質量％である（ただし、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕが同時に０％になることはない）
前記浸炭用鋼は、さらにＭｏ：０．４５質量％以下（０％を含まない）、Ｂ：０．００３質量％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．１質量％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１質量％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．１質量％以下（０％を含まない）などを含有していてもよい。
【００１３】
前記浸炭用鋼は、通常、さらにＳｉ：０．５質量％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：２質量％以下（０％を含まない）、Ｎ：０．０５質量％以下（０％を含まない）、Ｐ：０．０３質量％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３質量％以下（０％を含まない）を含有している。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の浸炭用鋼は、炭素含有量が０．１〜０．３質量％であり、Ｃｒを含有している。炭素含有量を０．１質量％以上としているのは、炭素含有量が少ないと得られる部材の強度が不足するためである。炭素含有量は、０．１０質量％以上であるのが好ましく、０．１５質量％以上であるのがさらに好ましい。また炭素含有量の上限を０．３質量％に設定しているのは、部材の製造工程で浸炭するために表面の炭素濃度を高めることができるため、鋼材の段階では被削性を維持するために炭素濃度を抑制しておくのが望ましいためである。炭素含有量の上限は、０．２５質量％であるのが望ましい。
【００１５】
Ｃｒの含有量は特に限定されないが、浸炭用鋼であることを考慮すると、含有量が多い程、得られる部材の耐摩耗性や耐ピッチング性が向上するため望ましい。Ｃｒの含有量は、例えば、０．５質量％以上、好ましくは０．６質量％以上、さらに好ましくは０．７質量％以上である。なおＣｒ含有量が多すぎると、後述のＣｒ炭化物抑制策を施しても炭化物を充分に抑制できず、部材のねじり疲労強度が低下してくる場合がある。そこでＣｒ含有量は、例えば、３質量％以下、好ましくは２質量％以下、さらに好ましくは１．５質量％以下、特に１．２質量％以下に抑制するのが望ましい。
【００１６】
そして本発明では、上記のようなＣｒを含有する浸炭用鋼において、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどの元素も添加している。Ｃｒ含有量が多いほど、浸炭時にＣｒ炭化物が多量に生成し易くなり、ねじり疲労強度が低下し易くなるにも拘わらず、本発明ではＣｒの添加量に応じて、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどの元素の添加量も増大させているため、Ｃｒ炭化物の生成を抑制でき、ねじり疲労強度が低下するのを防止できる。Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどは、炭化物生成を抑制する元素であり、これら元素を添加するとＣｒ炭化物の生成をも抑制できるのである。Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕの添加量は、これらの元素の炭化物抑制能とＣｒ添加量とに応じて適宜決定できるが、例えば、下記式（１）、好ましくは下記式（２）、さらに好ましくは下記式（３）を満足する範囲で添加する。
【００１７】
［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４×［Ｃｒ］＞０ …（１）
［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４×［Ｃｒ］＞１ …（２）
［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４×［Ｃｒ］＞２ …（３）
［式中、［Ｃｏ］、［Ｎｉ］、［Ｃｕ］、又は［Ｃｒ］は、それぞれ、鋼中のＣｏ含有量（質量％）、Ｎｉ含有量（質量％）、Ｃｕ含有量（質量％）、又はＣｒ含有量（質量％）を示す］
上記式（１）〜（３）の左辺の値が大きい程、浸炭後の浸炭層中のＣｒ炭化物量を抑制でき、浸炭部材のねじり疲労強度を高めることができる。なお前記Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕは単独で添加してもよく、２種以上組み合わせて添加してもよい。
【００１８】
なお前記式（１）〜（３）を満たす限りＣｏの添加量は特に限定されないが、例えば、７質量％以下（０％を含む）、好ましくは６質量％以下、さらに好ましくは５質量％以下、特に３質量％以下（例えば、１．５質量％以下）に抑制するのが望ましい。Ｃｏを添加しすぎても添加量に比べて効果が飽和し、さらには高価な元素であるため製造コストが向上する。
【００１９】
またＮｉの添加量も前記式（１）〜（３）を満たす限り特に限定されないが、例えば、４．５質量％以下（０％を含む）、好ましくは３．５質量％以下、さらに好ましくは２．５質量％以下、特に１．７質量％以下に抑制するのが望ましい。Ｎｉを添加しすぎても添加量に比べて効果が飽和する。
【００２０】
Ｃｕの添加量も前記式（１）〜（３）を満たす限り特に限定されないが、例えば、４質量％以下、好ましくは３質量％以下、さらに好ましくは２質量％以下、特に１．５質量％以下に抑制するのが望ましい。Ｃｕを添加しすぎても添加量に比べて効果が飽和し、さらには製品のリサクル性が低下する。
【００２１】
前記浸炭用鋼は、通常、Ｓｉ：０．５質量％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：２質量％以下（０％を含まない）、及びＮ：０．０５質量％以下（０％を含まない）を含有しており、Ｐ：０．０３質量％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３質量％以下（０％を含まない）に抑制されていることが多く、残部はＦｅ及び不可避的不純物であってもよく、必要に応じて種々の添加成分を含有していてもよい。以下、上記成分の限定理由について説明する。
【００２２】
Ｓｉ：０．５質量％以下（０％を含まない）
Ｓｉは粒界酸化層の生成を招き、疲労強度を低下させることもあるので必要以上に含有させないのが望ましい。Ｓｉの含有量は、例えば、０.５質量％以下、好ましくは０．３５質量％以下、さらに好ましくは０．１５質量％以下である。なおＳｉは、脱酸元素として有用であるため、積極的に添加する場合もある。積極的に添加する場合、Ｓｉの含有量は、例えば、０．０５質量％以上、好ましくは０．１０質量％以上程度である。
【００２３】
Ｍｎ：２質量％以下（０％を含まない）
Ｍｎの含有量が多すぎると、製鋼条件によっては疵や中心偏析を誘発し、鋼材の品質を劣化させることもあるため、必要以上に含有させないのが望ましい。従ってＭｎの含有量は、例えば、２質量％以下、好ましくは１．５質量％以下、さらに好ましくは１．２質量％以下である。なおＭｎは鋼材の脱酸に有用であり、また焼入れ性向上元素であるために浸炭硬化層深さを大きくするのに有効であり、積極的に添加する場合もある。積極添加する場合、Ｍｎの含有量は、例えば、０．５質量％以上、好ましくは０．６質量％以上、さらに好ましくは０．８質量％以上である。
【００２４】
Ｎ：０．０５質量％以下（０％を含まない）
Ｎが過剰になると、非金属介在物が形成され靭性が低下する。従って、Ｎの含有量は、例えば、０．０５質量％以下、好ましくは０．０３質量％以下、さらに好ましくは０．０２質量％以下にする。なお鋼がＡｌやＴｉを含有する場合、Ｎが存在していれば、ＡｌＮやＴｉＮを生成することによって結晶粒の粗大化を防止し、耐ピッチング性を高める作用がある。この場合、Ｎの含有量は、例えば、０．００５質量％以上、好ましくは０．０１質量％以上、さらに好ましくは０．０１５質量％以上とする。
【００２５】
Ｐ：０．０３質量％以下（０％を含まない）
Ｐは粒界に偏析し鋼材の疲労強度を劣化させるため、なるべく抑制することが望ましい。例えば、Ｐ含有量は、０．０３質量％以下、好ましくは０．０２質量％以下、さらに好ましくは０．０１５質量％以下に抑制するのが望ましい。
【００２６】
Ｓ：０．０３質量％以下（０％を含まない）
Ｓは鋼中でＭｎと結合してＭｎＳ介在物となり、部品形状によっては疲労強度を低下させる要因ともなるので、なるべく抑制することが望ましい。例えば、Ｓ含有量は、０．０３質量％以下、好ましくは０．０２５質量％以下、さらに好ましくは０．０２質量％以下に抑制するのが望ましい。
【００２７】
前記浸炭用鋼は、さらに、Ｍｏ：０．４５質量％以下（０％を含まない）、及びＢ：０．００３質量％以下（０％を含まない）から選択された少なくとも一種を含有しているのが望ましい。
【００２８】
Ｍｏは浸炭層の焼入性を向上させるのに有用であり、また浸炭異常層を軽減して疲労強度を改善することができる。Ｍｏの含有量は、例えば、０．１質量％以上、好ましくは０．２質量％以上、さらに好ましくは０．２５質量％以上である。一方、Ｍｏを過剰に添加すると、コスト上昇を招き、さらには圧延材の硬さが上昇して被削性や加工性が低下する。従って、Ｍｏの含有量は、例えば、０．４５質量％以下、好ましくは０．４質量％以下、さらに好ましくは０．３質量％以下とする。
【００２９】
Bも浸炭層の焼入性を向上させるのに有用である。Ｂの含有量は、例えば、０．０００５質量％以上、好ましくは０．００１質量％以上である。一方、Ｂを多量に添加しても焼入性向上効果は飽和し、コスト上昇を招くだけである。従って、Ｂの含有量は、例えば、０．００３質量％以下、好ましくは０．００２質量％以下、さらに好ましくは０．００１５質量％以下とする。
【００３０】
本発明の浸炭用鋼は、さらに、Ｔｉ：０．１質量％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１質量％以下（０％を含まない）、及びＡｌ：０．１質量％以下（０％を含まない）から選択された少なくとも一種を含有するのが望ましい。Ｔｉは鋼中のＮを固定し、γ粒を微細化するのに有用である。Ｎｂは微細炭化物を形成し、γ粒を微細化するのに有用である。ＡｌはＴｉと同様にＮを固定し、γ粒を微細化するのに有用である。なおこれらの成分の好ましい添加量は、下記の通りである。
【００３１】
Ｔｉ：好ましくは０．０１質量％以上（さらに好ましくは０．０２質量％以上）、０．１質量％以下（さらに好ましくは０．０５質量％以下）
Ｎｂ：好ましくは０．０１質量％以上（さらに好ましくは０．０２質量％以上）、０．１質量％以下（さらに好ましくは０．０５質量％以下）
Ａｌ：好ましくは０．０１質量％以上（さらに好ましくは０．０２質量％以上）、０．１質量％以下（さらに好ましくは０．０５質量％以下）
前記浸炭用鋼の形状は特に限定されないが、軸状部材に加工することを考慮すると、線状又は棒状であるのが望ましい。
【００３２】
前記浸炭用鋼は、必要に応じて圧延、伸線、鍛造、熱処理、切削などの慣用の種々の処理を施した後、浸炭することによって浸炭部材（軸状部材など）に加工することができる。
【００３３】
浸炭条件は特に限定されず、汎用の条件で浸炭してもよい。浸炭温度は、例えば、７５０〜１１００℃程度、好ましくは８００〜１０００℃程度、さらに好ましくは８５０〜９５０℃程度の範囲から適宜選択できる。また浸炭時の炭素ポテンシャル（雰囲気中の平衡炭素濃度）は、０．５〜１．６質量％程度、好ましくは０．６〜１．４質量％程度、さらに好ましくは０．７〜１．０質量％程度の範囲から適宜選択できる。本発明では、このような汎用の条件で浸炭しても、鋼がＣｒの添加量に応じた所定量のＣｏ、Ｎｉ、及び／又はＣｕを含有しているため、Ｃｒ炭化物の生成量が抑制され、浸炭部材の耐ねじれ疲労強度が高められている。
【００３４】
なお前記浸炭条件は、部材表面の硬さを浸炭によって所定以上の硬さに維持できる限り、すなわち浸炭部の炭素濃度を所定以上の濃度にできる限り、炭化物の生成を抑制可能な条件で行ってもよい。例えば、浸炭雰囲気の炭素ポテンシャルを０．５〜０．８質量％程度、好ましくは０．５〜０．７質量％程度に抑制してもよい。
【００３５】
本発明によって得られる浸炭部材の浸炭部表面の炭素濃度は、例えば、０．６〜１．２質量％程度、好ましくは０．７〜１．０質量％程度、さらに好ましくは０．８〜０．９質量％程度である。
【００３６】
前記浸炭部材は、ねじり疲労強度に優れているため、例えば、軸状部材、好ましくは自動車用部品、建築機械用部品、産業機械用部品などにおいて動力を伝達するために使用される軸状部材として極めて有用である。
【００３７】
浸炭部材のねじり疲労強度は、例えば、図２に示すダンベル形状の試験片を切り出し、負荷トルク７０〜１２０ｋｇｆ・ｍの範囲で、繰り返し速度５Ｈｚの片降り試験を行いうことによって、１０万回の疲労試験に耐える応力（１０万回疲労強度）を求めることにより評価できる。本発明で得られる浸炭部材のねじり疲労強度（１０万回疲労強度）は、例えば、６８０ＭＰａ以上（好ましくは７００ＭＰａ以上、さらに好ましくは７２０ＭＰａ以上、特に７４０ＭＰａ以上）であり、通常、１０００ＭＰａ以下である。
【００３８】
また本発明によれば、高いねじり疲労強度を維持したままでＣｒ含有量を高めることができる。従って高Ｃｒの鋼材を使用する場合には、軸状部材の耐ピッチング性も高めることができる。この耐ピッチング性は、具体的には、下記１）〜４）に示す二ローラ式試験法によって測定できる。
【００３９】
１）軸状部材の製造方法と同様の方法で円筒試験片（ただし半径１２ｍｍの半円柱状の突出部が円筒試験片の側壁部を周方向に１周するように設けられている。前記突出部を含めた試験片の直径＝７０ｃｍ）を製造し、相手方の円筒部材（ただし高さ１２ｍｍ、幅１０ｍｍの直方体状の突出部が円筒試験片の側壁部を周方向に１周するように設けられている。前記突出部を含めた試験片の直径＝７０ｃｍ。ＪＩＳ ＳＵＪ２鋼製）と、互いに突出部で接するように並列に並べる。
【００４０】
２）前記円筒試験片と相手方円筒部材とを面圧５０００ＭＰａで押圧し、摺動部（接触部）にオートマチックトランスミッション用ギアオイルを流量２Ｌ／ｍｉｎで供給しながら、円筒試験片を回転数１９１０ｒｐｍで回転させ、相手方の円筒部材を回転数１３６４ｒｐｍで回転させる（すべり速度；２．０ｍ／ｓ）。
【００４１】
３）摺動面にピッチングが生じ、振動異常が発生するまでの円筒試験片の回転回数を測定する。
【００４２】
４）複数の円筒試験片を用いて、前記１）〜３）に示す試験を行い、１０％の試験片において振動異常が発生する回転数を求める（Ｌ１０寿命）。
【００４３】
本発明によれば、前記試験によって求められるＬ１０寿命を、例えば、５×１０7回以上、好ましくは７×１０7回以上、さらに好ましくは９×１０7回以上にすることができる。
【００４４】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明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適当に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包含される。
【００４５】
実験例１〜２３
真空誘導溶解炉（ＶＩＦ炉）において、表１に示す化学組成を有する鋼（残部はＦｅ及び不可避的不純物）を１５０ｋｇ溶製し、熱間鍛造により直径５０ｍｍの丸棒鋼にした後、溶体化処理（１３００℃×１時間）及び熱ならし（９００℃×２時間）処理を行った。この丸棒鋼を切削し、図２に示す試験片形状（ダンベル状）に切り出した。
【００４６】
前記ダンベル状の鋼材を、第１ステップ（温度９００℃、１５０分、炭素ポテンシャル：０．９５質量％）、第２ステップ（温度８４０℃、３０分、炭素ポテンシャル：０．８５質量％）、及び第３ステップ（水冷）からなる浸炭焼入を施した後、温度１８０℃×２時間の条件で焼戻しし、最表面から０．１ｍｍ（±０．０２５ｍｍ）の深さまで表面研磨を行った。
【００４７】
得られたダンベル状の浸炭部材をねじり疲労試験機にセットし、負荷トルク７０〜１２０ｋｇｆ・ｍの範囲で、繰り返し速度５Ｈｚの片降り試験を行い、１０万回の疲労試験に耐える応力（１０万回疲労強度）を求めた。
【００４８】
また前記ダンベル状浸炭部材と同様にして、円筒状浸炭部材（ただし半径１２ｍｍの半円柱状の突出部が円筒試験片の側壁部を周方向に１周するように設けられている。前記突出部を含めた試験片の直径＝７０ｃｍ）を製造した。この円筒状浸炭部材を用いて、上述の耐ピッチング試験（二ローラ式試験）を行い、耐ピッチング性（Ｌ１０寿命）を測定した。
【００４９】
結果を表２及び図３、図４に示す。なお図３中、○印は［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４［Ｃｒ］＞０の実験結果に対応しており、×印は［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４［Ｃｒ］≦０の実験結果に対応している。
【００５０】
【表１】
【００５１】
【表２】
【００５２】
表２及び図３より明らかなように、［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４［Ｃｒ］≦０の場合（Ｃｒの添加量に対するＣｏ、Ｎｉ、又はＣｕの添加量が不足する場合；図３中の×印）、ねじり疲労強度はＣｒの添加量が増大するにつれて急速に低下する。これに対して［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４［Ｃｒ］＞０の場合（図３中の○印）、Ｃｒ添加量が増大してもねじり疲労強度の低下が抑制されている。
【００５３】
また図４より明らかなように、Ｃｒ含有量が増大するにつれて、耐ピッチング性も向上する。そこで、Ｃｒ含有量を０．５質量％以上程度で区切り、耐ピッチング性に優れた試験片において、式［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４［Ｃｒ］とねじり疲労強度との関係を整理した。結果を図５に示す。図５より明らかなように、Ｃｒ含有量を０．５質量％以上とし、［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４［Ｃｒ］＞０とすれば、耐ピッチング性とねじり疲労強度とを両立できる。
【００５４】
なお実験例１４は、１０万回疲労強度に優れているものの、Ｃ含有量が少ないため、強度（静的強度）の点で他のＣ含有量が多い実験例の方が優れている。実験例１５は、１０万回疲労強度に優れているものの、Ｃ含有量が多いため、被削性の点で他のＣ含有量が少ない実験例の方が優れている。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の鋼によれば、Ｃｒの添加量が増大するにつれて、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなども増量添加しているため、浸炭処理した際に浸炭層中のＣｒ炭化物の生成量を抑制することができ、浸炭部材のねじり疲労強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はＣｒ含有量と鋼材特性との関係を概念的に示すグラフである。
【図２】図２はねじり疲労試験で使用する試験片の概略図である。
【図３】図３は実施例で試験した鋼材について、Ｃｒ含有量とねじり疲労強度（ＭＰａ）との関係を示すグラフである。
【図４】図４は実施例で試験した鋼材について、Ｃｒ含有量とローラーピッチング寿命との関係を示すグラフである。
【図５】図５は計算式［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８［Ｃｕ］−２．４［Ｃｒ］の値とねじり疲労強度との関係を示すグラフである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用部品、建築機械用部品、産業機械用部品などに使用される軸状部材を製造するのに有用なねじり疲労特性に優れた浸炭用鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車、建築機械、産業機械などにおいて、動力の高出力化が行われてきており、例えば、自動車においてはエンジン出力が増大してきている。これら出力の増大につれて、前記自動車等において動力の伝達に使用されている軸状部材（シャフトなど）のねじり疲労強度の向上が求められている。
【０００３】
前記軸状部材としては、多くの場合、高周波焼入れによって表面の強度が高められた部材が使用されている。高周波焼入れは比較的簡易な設備で焼入れ処理ができ、生産性も高いため汎用的に用いられている。そのため、高周波焼入れに関する発明も多く行われており、高周波焼入鋼においてねじり疲労強度を高めた発明も多く行われている。例えば特許第２７７４１１８号公報には、Ｃｒ及びＮｉは高周波焼入によってねじり疲労強度を向上させるのに有用な元素であり、Ｃｒを１．０ｗｔ％以上含有させ、Ｎｉを０．１０ｗｔ％以上含有させ、かつＮｉ＋０．７０Ｃｒを０．２５０ｗｔ％以上とすることにより高いねじり疲労強度が得られることが記載されている。
【０００４】
しかし、高周波焼入用鋼は、一般に、Ｃ量が多いため被削性の点に課題を残している。また高周波焼入は、高周波によって部材の表面だけを加熱する方法であるため、形状が複雑な部材を焼入するのは困難である。従って、例えば、穴部や溝部などを有する部材を製造する場合、高周波焼入を利用するのは困難である。
【０００５】
穴部や溝部などを有するなど形状が複雑な部材の表面を硬化する場合、近年、浸炭焼入が行われるケースが増大してきている。浸炭焼入では、形状が複雑な部材でも容易に表面を硬化させることができる。ところが、高周波焼入に対してはねじり疲労強度を向上させる発明が種々なされているのに対して、浸炭に対してはねじり疲労強度を向上させる発明は殆ど見あたらない。
【０００６】
【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、浸炭用鋼において、ねじり疲労特性を向上させる点にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するため、浸炭焼入れを行った軸状部材のねじり疲労破壊に対する詳細な研究を行った結果、従来の浸炭部材において曲げ疲労特性を向上させる点では重要視されていなかった浸炭層内の炭化物量が、ねじり疲労特性の点では極めて大きな影響を及ぼしていることを発見した。以下、この点について図１を参照しながら詳細に説明する。
【０００８】
すなわち図１に示すように、浸炭用鋼では、Ｃｒ添加量が多いほど浸炭層の焼入性が向上し、表面硬さが向上する結果、耐ピッチング性や耐摩耗性が向上する（図１の実線参照）。Ｃｒは鋼中のセメンタイトに固溶して鋼を硬化させる特性を有しているためである。従って、耐ピッチング性や耐摩耗性の観点からすればＣｒ添加量は多いほど好ましいといえる。
【０００９】
しかし本発明者らの検討によれば、高周波焼入部材とは異なり、浸炭部材ではＣｒ添加量が増大するにつれてねじり疲労特性が低下することを発見した（図１の細破線参照）。そしてさらに検討を重ねたところ、Ｃｒの添加量そのものではなく、浸炭層中のＣｒ炭化物量が増大するにつれてねじり疲労特性が低下することを突き止めた。すなわちＣｒは単独でも炭化物を形成しやすい元素であり、通常は、添加量を増量すると炭素濃度の高い浸炭部最表層ではＣｒと炭素とが結合してＣｒ炭化物も大量に生じる（図１の細一点鎖線参照）。そしてねじり疲労においては、この増大したＣｒ炭化物が疲労き裂の進展を助長し、疲労強度を低下させているのではないかと考えられた。そこでＣｒの添加量を増大しても、炭化物の生成量を抑制するようにすると（図１の太一点鎖線参照）、ねじり疲労強度は従来に比べて向上することを見出した（図１の太破線参照）。要約すると、本発明者らは、Ｃｒの添加量を増大させるのが望ましい浸炭用鋼においては、ねじり疲労特性を改善するためにはＣｒ炭化物の生成を抑制することが重要であることを突き止めたのである。
【００１０】
そしてＣｒ炭化物の生成量を抑制するために、さらに鋭意検討を重ねた結果、Ｃｒの添加量が増大するにつれて、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＣｕの添加量も増大すると、炭化物（特に、粒界にフィルム状に析出する炭化物）の形成を抑制することができ、ねじり疲労強度を改善できることを見出し、本発明を完成した。
【００１１】
すなわち上記目的を達成し得た本発明のねじり疲労特性に優れた浸炭用鋼とは、炭素含有量が０．１〜０．３質量％であり、Ｃｒを含有する浸炭用鋼において、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕから選択された少なくとも一種を下記式（１）を満足する範囲で含有している点に要旨を有するものである。
【００１２】
［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４×［Ｃｒ］＞０ …（１）
［式中、［Ｃｏ］、［Ｎｉ］、［Ｃｕ］、又は［Ｃｒ］は、それぞれ、鋼中のＣｏ含有量（質量％）、Ｎｉ含有量（質量％）、Ｃｕ含有量（質量％）、又はＣｒ含有量（質量％）を示す］
前記Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＣｒの好ましい含有量は、Ｃｏ：７質量％以下（０％を含む）、Ｎｉ：４．５質量％以下（０％を含む）、Ｃｕ：４質量％以下（０％を含む）、Ｃｒ：０．５〜２質量％である（ただし、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕが同時に０％になることはない）
前記浸炭用鋼は、さらにＭｏ：０．４５質量％以下（０％を含まない）、Ｂ：０．００３質量％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．１質量％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１質量％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．１質量％以下（０％を含まない）などを含有していてもよい。
【００１３】
前記浸炭用鋼は、通常、さらにＳｉ：０．５質量％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：２質量％以下（０％を含まない）、Ｎ：０．０５質量％以下（０％を含まない）、Ｐ：０．０３質量％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３質量％以下（０％を含まない）を含有している。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の浸炭用鋼は、炭素含有量が０．１〜０．３質量％であり、Ｃｒを含有している。炭素含有量を０．１質量％以上としているのは、炭素含有量が少ないと得られる部材の強度が不足するためである。炭素含有量は、０．１０質量％以上であるのが好ましく、０．１５質量％以上であるのがさらに好ましい。また炭素含有量の上限を０．３質量％に設定しているのは、部材の製造工程で浸炭するために表面の炭素濃度を高めることができるため、鋼材の段階では被削性を維持するために炭素濃度を抑制しておくのが望ましいためである。炭素含有量の上限は、０．２５質量％であるのが望ましい。
【００１５】
Ｃｒの含有量は特に限定されないが、浸炭用鋼であることを考慮すると、含有量が多い程、得られる部材の耐摩耗性や耐ピッチング性が向上するため望ましい。Ｃｒの含有量は、例えば、０．５質量％以上、好ましくは０．６質量％以上、さらに好ましくは０．７質量％以上である。なおＣｒ含有量が多すぎると、後述のＣｒ炭化物抑制策を施しても炭化物を充分に抑制できず、部材のねじり疲労強度が低下してくる場合がある。そこでＣｒ含有量は、例えば、３質量％以下、好ましくは２質量％以下、さらに好ましくは１．５質量％以下、特に１．２質量％以下に抑制するのが望ましい。
【００１６】
そして本発明では、上記のようなＣｒを含有する浸炭用鋼において、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどの元素も添加している。Ｃｒ含有量が多いほど、浸炭時にＣｒ炭化物が多量に生成し易くなり、ねじり疲労強度が低下し易くなるにも拘わらず、本発明ではＣｒの添加量に応じて、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどの元素の添加量も増大させているため、Ｃｒ炭化物の生成を抑制でき、ねじり疲労強度が低下するのを防止できる。Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどは、炭化物生成を抑制する元素であり、これら元素を添加するとＣｒ炭化物の生成をも抑制できるのである。Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕの添加量は、これらの元素の炭化物抑制能とＣｒ添加量とに応じて適宜決定できるが、例えば、下記式（１）、好ましくは下記式（２）、さらに好ましくは下記式（３）を満足する範囲で添加する。
【００１７】
［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４×［Ｃｒ］＞０ …（１）
［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４×［Ｃｒ］＞１ …（２）
［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４×［Ｃｒ］＞２ …（３）
［式中、［Ｃｏ］、［Ｎｉ］、［Ｃｕ］、又は［Ｃｒ］は、それぞれ、鋼中のＣｏ含有量（質量％）、Ｎｉ含有量（質量％）、Ｃｕ含有量（質量％）、又はＣｒ含有量（質量％）を示す］
上記式（１）〜（３）の左辺の値が大きい程、浸炭後の浸炭層中のＣｒ炭化物量を抑制でき、浸炭部材のねじり疲労強度を高めることができる。なお前記Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕは単独で添加してもよく、２種以上組み合わせて添加してもよい。
【００１８】
なお前記式（１）〜（３）を満たす限りＣｏの添加量は特に限定されないが、例えば、７質量％以下（０％を含む）、好ましくは６質量％以下、さらに好ましくは５質量％以下、特に３質量％以下（例えば、１．５質量％以下）に抑制するのが望ましい。Ｃｏを添加しすぎても添加量に比べて効果が飽和し、さらには高価な元素であるため製造コストが向上する。
【００１９】
またＮｉの添加量も前記式（１）〜（３）を満たす限り特に限定されないが、例えば、４．５質量％以下（０％を含む）、好ましくは３．５質量％以下、さらに好ましくは２．５質量％以下、特に１．７質量％以下に抑制するのが望ましい。Ｎｉを添加しすぎても添加量に比べて効果が飽和する。
【００２０】
Ｃｕの添加量も前記式（１）〜（３）を満たす限り特に限定されないが、例えば、４質量％以下、好ましくは３質量％以下、さらに好ましくは２質量％以下、特に１．５質量％以下に抑制するのが望ましい。Ｃｕを添加しすぎても添加量に比べて効果が飽和し、さらには製品のリサクル性が低下する。
【００２１】
前記浸炭用鋼は、通常、Ｓｉ：０．５質量％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：２質量％以下（０％を含まない）、及びＮ：０．０５質量％以下（０％を含まない）を含有しており、Ｐ：０．０３質量％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３質量％以下（０％を含まない）に抑制されていることが多く、残部はＦｅ及び不可避的不純物であってもよく、必要に応じて種々の添加成分を含有していてもよい。以下、上記成分の限定理由について説明する。
【００２２】
Ｓｉ：０．５質量％以下（０％を含まない）
Ｓｉは粒界酸化層の生成を招き、疲労強度を低下させることもあるので必要以上に含有させないのが望ましい。Ｓｉの含有量は、例えば、０.５質量％以下、好ましくは０．３５質量％以下、さらに好ましくは０．１５質量％以下である。なおＳｉは、脱酸元素として有用であるため、積極的に添加する場合もある。積極的に添加する場合、Ｓｉの含有量は、例えば、０．０５質量％以上、好ましくは０．１０質量％以上程度である。
【００２３】
Ｍｎ：２質量％以下（０％を含まない）
Ｍｎの含有量が多すぎると、製鋼条件によっては疵や中心偏析を誘発し、鋼材の品質を劣化させることもあるため、必要以上に含有させないのが望ましい。従ってＭｎの含有量は、例えば、２質量％以下、好ましくは１．５質量％以下、さらに好ましくは１．２質量％以下である。なおＭｎは鋼材の脱酸に有用であり、また焼入れ性向上元素であるために浸炭硬化層深さを大きくするのに有効であり、積極的に添加する場合もある。積極添加する場合、Ｍｎの含有量は、例えば、０．５質量％以上、好ましくは０．６質量％以上、さらに好ましくは０．８質量％以上である。
【００２４】
Ｎ：０．０５質量％以下（０％を含まない）
Ｎが過剰になると、非金属介在物が形成され靭性が低下する。従って、Ｎの含有量は、例えば、０．０５質量％以下、好ましくは０．０３質量％以下、さらに好ましくは０．０２質量％以下にする。なお鋼がＡｌやＴｉを含有する場合、Ｎが存在していれば、ＡｌＮやＴｉＮを生成することによって結晶粒の粗大化を防止し、耐ピッチング性を高める作用がある。この場合、Ｎの含有量は、例えば、０．００５質量％以上、好ましくは０．０１質量％以上、さらに好ましくは０．０１５質量％以上とする。
【００２５】
Ｐ：０．０３質量％以下（０％を含まない）
Ｐは粒界に偏析し鋼材の疲労強度を劣化させるため、なるべく抑制することが望ましい。例えば、Ｐ含有量は、０．０３質量％以下、好ましくは０．０２質量％以下、さらに好ましくは０．０１５質量％以下に抑制するのが望ましい。
【００２６】
Ｓ：０．０３質量％以下（０％を含まない）
Ｓは鋼中でＭｎと結合してＭｎＳ介在物となり、部品形状によっては疲労強度を低下させる要因ともなるので、なるべく抑制することが望ましい。例えば、Ｓ含有量は、０．０３質量％以下、好ましくは０．０２５質量％以下、さらに好ましくは０．０２質量％以下に抑制するのが望ましい。
【００２７】
前記浸炭用鋼は、さらに、Ｍｏ：０．４５質量％以下（０％を含まない）、及びＢ：０．００３質量％以下（０％を含まない）から選択された少なくとも一種を含有しているのが望ましい。
【００２８】
Ｍｏは浸炭層の焼入性を向上させるのに有用であり、また浸炭異常層を軽減して疲労強度を改善することができる。Ｍｏの含有量は、例えば、０．１質量％以上、好ましくは０．２質量％以上、さらに好ましくは０．２５質量％以上である。一方、Ｍｏを過剰に添加すると、コスト上昇を招き、さらには圧延材の硬さが上昇して被削性や加工性が低下する。従って、Ｍｏの含有量は、例えば、０．４５質量％以下、好ましくは０．４質量％以下、さらに好ましくは０．３質量％以下とする。
【００２９】
Bも浸炭層の焼入性を向上させるのに有用である。Ｂの含有量は、例えば、０．０００５質量％以上、好ましくは０．００１質量％以上である。一方、Ｂを多量に添加しても焼入性向上効果は飽和し、コスト上昇を招くだけである。従って、Ｂの含有量は、例えば、０．００３質量％以下、好ましくは０．００２質量％以下、さらに好ましくは０．００１５質量％以下とする。
【００３０】
本発明の浸炭用鋼は、さらに、Ｔｉ：０．１質量％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１質量％以下（０％を含まない）、及びＡｌ：０．１質量％以下（０％を含まない）から選択された少なくとも一種を含有するのが望ましい。Ｔｉは鋼中のＮを固定し、γ粒を微細化するのに有用である。Ｎｂは微細炭化物を形成し、γ粒を微細化するのに有用である。ＡｌはＴｉと同様にＮを固定し、γ粒を微細化するのに有用である。なおこれらの成分の好ましい添加量は、下記の通りである。
【００３１】
Ｔｉ：好ましくは０．０１質量％以上（さらに好ましくは０．０２質量％以上）、０．１質量％以下（さらに好ましくは０．０５質量％以下）
Ｎｂ：好ましくは０．０１質量％以上（さらに好ましくは０．０２質量％以上）、０．１質量％以下（さらに好ましくは０．０５質量％以下）
Ａｌ：好ましくは０．０１質量％以上（さらに好ましくは０．０２質量％以上）、０．１質量％以下（さらに好ましくは０．０５質量％以下）
前記浸炭用鋼の形状は特に限定されないが、軸状部材に加工することを考慮すると、線状又は棒状であるのが望ましい。
【００３２】
前記浸炭用鋼は、必要に応じて圧延、伸線、鍛造、熱処理、切削などの慣用の種々の処理を施した後、浸炭することによって浸炭部材（軸状部材など）に加工することができる。
【００３３】
浸炭条件は特に限定されず、汎用の条件で浸炭してもよい。浸炭温度は、例えば、７５０〜１１００℃程度、好ましくは８００〜１０００℃程度、さらに好ましくは８５０〜９５０℃程度の範囲から適宜選択できる。また浸炭時の炭素ポテンシャル（雰囲気中の平衡炭素濃度）は、０．５〜１．６質量％程度、好ましくは０．６〜１．４質量％程度、さらに好ましくは０．７〜１．０質量％程度の範囲から適宜選択できる。本発明では、このような汎用の条件で浸炭しても、鋼がＣｒの添加量に応じた所定量のＣｏ、Ｎｉ、及び／又はＣｕを含有しているため、Ｃｒ炭化物の生成量が抑制され、浸炭部材の耐ねじれ疲労強度が高められている。
【００３４】
なお前記浸炭条件は、部材表面の硬さを浸炭によって所定以上の硬さに維持できる限り、すなわち浸炭部の炭素濃度を所定以上の濃度にできる限り、炭化物の生成を抑制可能な条件で行ってもよい。例えば、浸炭雰囲気の炭素ポテンシャルを０．５〜０．８質量％程度、好ましくは０．５〜０．７質量％程度に抑制してもよい。
【００３５】
本発明によって得られる浸炭部材の浸炭部表面の炭素濃度は、例えば、０．６〜１．２質量％程度、好ましくは０．７〜１．０質量％程度、さらに好ましくは０．８〜０．９質量％程度である。
【００３６】
前記浸炭部材は、ねじり疲労強度に優れているため、例えば、軸状部材、好ましくは自動車用部品、建築機械用部品、産業機械用部品などにおいて動力を伝達するために使用される軸状部材として極めて有用である。
【００３７】
浸炭部材のねじり疲労強度は、例えば、図２に示すダンベル形状の試験片を切り出し、負荷トルク７０〜１２０ｋｇｆ・ｍの範囲で、繰り返し速度５Ｈｚの片降り試験を行いうことによって、１０万回の疲労試験に耐える応力（１０万回疲労強度）を求めることにより評価できる。本発明で得られる浸炭部材のねじり疲労強度（１０万回疲労強度）は、例えば、６８０ＭＰａ以上（好ましくは７００ＭＰａ以上、さらに好ましくは７２０ＭＰａ以上、特に７４０ＭＰａ以上）であり、通常、１０００ＭＰａ以下である。
【００３８】
また本発明によれば、高いねじり疲労強度を維持したままでＣｒ含有量を高めることができる。従って高Ｃｒの鋼材を使用する場合には、軸状部材の耐ピッチング性も高めることができる。この耐ピッチング性は、具体的には、下記１）〜４）に示す二ローラ式試験法によって測定できる。
【００３９】
１）軸状部材の製造方法と同様の方法で円筒試験片（ただし半径１２ｍｍの半円柱状の突出部が円筒試験片の側壁部を周方向に１周するように設けられている。前記突出部を含めた試験片の直径＝７０ｃｍ）を製造し、相手方の円筒部材（ただし高さ１２ｍｍ、幅１０ｍｍの直方体状の突出部が円筒試験片の側壁部を周方向に１周するように設けられている。前記突出部を含めた試験片の直径＝７０ｃｍ。ＪＩＳ ＳＵＪ２鋼製）と、互いに突出部で接するように並列に並べる。
【００４０】
２）前記円筒試験片と相手方円筒部材とを面圧５０００ＭＰａで押圧し、摺動部（接触部）にオートマチックトランスミッション用ギアオイルを流量２Ｌ／ｍｉｎで供給しながら、円筒試験片を回転数１９１０ｒｐｍで回転させ、相手方の円筒部材を回転数１３６４ｒｐｍで回転させる（すべり速度；２．０ｍ／ｓ）。
【００４１】
３）摺動面にピッチングが生じ、振動異常が発生するまでの円筒試験片の回転回数を測定する。
【００４２】
４）複数の円筒試験片を用いて、前記１）〜３）に示す試験を行い、１０％の試験片において振動異常が発生する回転数を求める（Ｌ１０寿命）。
【００４３】
本発明によれば、前記試験によって求められるＬ１０寿命を、例えば、５×１０7回以上、好ましくは７×１０7回以上、さらに好ましくは９×１０7回以上にすることができる。
【００４４】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明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適当に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包含される。
【００４５】
実験例１〜２３
真空誘導溶解炉（ＶＩＦ炉）において、表１に示す化学組成を有する鋼（残部はＦｅ及び不可避的不純物）を１５０ｋｇ溶製し、熱間鍛造により直径５０ｍｍの丸棒鋼にした後、溶体化処理（１３００℃×１時間）及び熱ならし（９００℃×２時間）処理を行った。この丸棒鋼を切削し、図２に示す試験片形状（ダンベル状）に切り出した。
【００４６】
前記ダンベル状の鋼材を、第１ステップ（温度９００℃、１５０分、炭素ポテンシャル：０．９５質量％）、第２ステップ（温度８４０℃、３０分、炭素ポテンシャル：０．８５質量％）、及び第３ステップ（水冷）からなる浸炭焼入を施した後、温度１８０℃×２時間の条件で焼戻しし、最表面から０．１ｍｍ（±０．０２５ｍｍ）の深さまで表面研磨を行った。
【００４７】
得られたダンベル状の浸炭部材をねじり疲労試験機にセットし、負荷トルク７０〜１２０ｋｇｆ・ｍの範囲で、繰り返し速度５Ｈｚの片降り試験を行い、１０万回の疲労試験に耐える応力（１０万回疲労強度）を求めた。
【００４８】
また前記ダンベル状浸炭部材と同様にして、円筒状浸炭部材（ただし半径１２ｍｍの半円柱状の突出部が円筒試験片の側壁部を周方向に１周するように設けられている。前記突出部を含めた試験片の直径＝７０ｃｍ）を製造した。この円筒状浸炭部材を用いて、上述の耐ピッチング試験（二ローラ式試験）を行い、耐ピッチング性（Ｌ１０寿命）を測定した。
【００４９】
結果を表２及び図３、図４に示す。なお図３中、○印は［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４［Ｃｒ］＞０の実験結果に対応しており、×印は［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４［Ｃｒ］≦０の実験結果に対応している。
【００５０】
【表１】
【表２】
表２及び図３より明らかなように、［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４［Ｃｒ］≦０の場合（Ｃｒの添加量に対するＣｏ、Ｎｉ、又はＣｕの添加量が不足する場合；図３中の×印）、ねじり疲労強度はＣｒの添加量が増大するにつれて急速に低下する。これに対して［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４［Ｃｒ］＞０の場合（図３中の○印）、Ｃｒ添加量が増大してもねじり疲労強度の低下が抑制されている。
【００５３】
また図４より明らかなように、Ｃｒ含有量が増大するにつれて、耐ピッチング性も向上する。そこで、Ｃｒ含有量を０．５質量％以上程度で区切り、耐ピッチング性に優れた試験片において、式［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４［Ｃｒ］とねじり疲労強度との関係を整理した。結果を図５に示す。図５より明らかなように、Ｃｒ含有量を０．５質量％以上とし、［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４［Ｃｒ］＞０とすれば、耐ピッチング性とねじり疲労強度とを両立できる。
【００５４】
なお実験例１４は、１０万回疲労強度に優れているものの、Ｃ含有量が少ないため、強度（静的強度）の点で他のＣ含有量が多い実験例の方が優れている。実験例１５は、１０万回疲労強度に優れているものの、Ｃ含有量が多いため、被削性の点で他のＣ含有量が少ない実験例の方が優れている。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の鋼によれば、Ｃｒの添加量が増大するにつれて、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなども増量添加しているため、浸炭処理した際に浸炭層中のＣｒ炭化物の生成量を抑制することができ、浸炭部材のねじり疲労強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はＣｒ含有量と鋼材特性との関係を概念的に示すグラフである。
【図２】図２はねじり疲労試験で使用する試験片の概略図である。
【図３】図３は実施例で試験した鋼材について、Ｃｒ含有量とねじり疲労強度（ＭＰａ）との関係を示すグラフである。
【図４】図４は実施例で試験した鋼材について、Ｃｒ含有量とローラーピッチング寿命との関係を示すグラフである。
【図５】図５は計算式［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８［Ｃｕ］−２．４［Ｃｒ］の値とねじり疲労強度との関係を示すグラフである。
Claims (3)
- 炭素含有量が０．１〜０．３質量％であり、Ｃｒの含有量が０．５〜２質量％であり、Ｃｏの含有量が７質量％以下（０％を含む）、Ｎｉの含有量が１．７質量％以下（０％を含む）、及びＣｕの含有量が４質量％以下（０％を含む）であり（ただしＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕが同時に０％になることはない）、さらにＳｉ：０．５質量％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：２質量％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．１質量％以下（０％を含まない）及びＮ：０．０５質量％以下（０％を含まない）を含有し、Ｐ：０．０３質量％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３質量％以下（０％を含まない）に抑制し、残部はＦｅ及び不可避的不純物であり、下記式（１）を満足することを特徴とするねじり疲労特性に優れた浸炭用鋼。
［Ｃｏ］＋２．１×［Ｎｉ］＋２．８×［Ｃｕ］−２．４×［Ｃｒ］＞０ …（１）
［式中、［Ｃｏ］、［Ｎｉ］、［Ｃｕ］、又は［Ｃｒ］は、それぞれ、鋼中のＣｏ含有量（質量％）、Ｎｉ含有量（質量％）、Ｃｕ含有量（質量％）、又はＣｒ含有量（質量％）を示す］ - さらに、Ｍｏ：０．４５質量％以下（０％を含まない）、及びＢ：０．００３質量％以下（０％を含まない）から選択された少なくとも一種を含有する請求項１に記載の浸炭用鋼。
- さらにＴｉ：０．１質量％以下（０％を含まない）、及びＮｂ：０．１質量％以下（０％を含まない）から選択された少なくとも一種を含有する請求項１または２に記載の浸炭用鋼。
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