JP5558887B2

JP5558887B2 - 低サイクル疲労強度に優れるＴｉ、Ｂ添加鋼を用いた高強度部品の製造方法

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Publication number: JP5558887B2
Application number: JP2010077277A
Authority: JP
Inventors: 典正常陰; 元裕西川; 修司小澤; 学久保田; 修加田
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd; Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP2011208225A

Description

本発明は、低サイクル曲げ疲労強度に優れる浸炭部品又は浸炭浸窒部品の製造方法に関するものである。

機械構造用部品、差動歯車、トランスミッション歯車、歯車付き浸炭シャフトなどの歯車や、等速ジョイント部品、ＣＶＴプーリーは、車両の急発進、急停車の負荷により、部品の特定部分が低サイクル疲労（数百から数千サイクル域の疲労）で破損することがある。特に、差動歯車やトランスミッション歯車においてはその低サイクル疲労強度の向上がより一層、望まれている。従来、一般に上記した部品には素材にＪＩＳＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０等のＣが０．２％前後のはだ焼鋼を用いることで、芯部の靭性を確保し、浸炭焼入れ処理と１５０℃前後の低温焼戻しを施して、部品表面をＣが０．８％前後の焼戻しマルテンサイト組織とさせて高サイクル曲げ疲労強度や耐摩耗性を高めて使用される。

しかし、近年環境問題への関心の高まりに伴い、自動車の燃費向上ニーズが高まっている。そのため、機械構造用部品の小型軽量化ニーズがさらに高まっており、上記ＪＩＳ鋼では十分な強度が得られなくなってきている。

従来の低サイクル曲げ疲労強度を向上するための技術としては、Ｃが０．１〜０．３％で、Ｂが０．００５％以下を含有し、Ｓｉは０．３％以下に制限し、Ｐは０．０３％以下に制限し、芯部硬さがＨＶ３５０以上である浸炭部品が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

さらに、Ｃが０．１５〜０．３％で、Ｓｉは０．５％以下に制限し、Ｐは０．０１％以下に制限し、化学成分から計算される塑性変形抵抗及び粒界強度の和を一定値以上にすることによる、低サイクル疲労強度に優れた肌焼鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

またＣが０．１〜０．３％で、Ｂが０．００１〜０．００５％で、Ｓｉは０．５％以下に制限し、Ｐは０．０３％以下に制限し、歯元部の芯部硬さがＨＶ３００以上である、低サイクル疲労強度に優れた浸炭歯車が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

また、さらに、Ｃが０．１５〜０．３％で、Ｂが０．０００３〜０．００５％で、Ｓｉは０．０３〜０．２５％で、Ｐは０．０２％以下に制限し、化学成分から計算される芯部硬さに関連する値を一定値以上にすることによる低サイクル衝撃疲労特性に優れた浸炭部品が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。

さらに、浸炭歯車の面圧疲労強度と衝撃強度の向上及び回転曲げ疲労強度の向上を両立させ、低コストで歯車の主要特性を向上させた高強度はだ焼鋼の発明が提案されている（例えば、特許文献５参照。）。これは、面圧疲労強度と衝撃強度の向上及び回転曲げ疲労強度の向上させるため、浸炭異常層の深さを浅くさせている。

特開平８−９２６９０号公報特開平１０−２５９４５０号公報ＷＯ２００２／０４４４３５号公報特開２００４−２２８７０２号公報特開２００９−６８０６４号公報

本願発明は、粒界強度の向上を図ることを課題としており、上記の先行技術文献と相違するメカニズムで強度改善を図った低サイクル曲げ疲労強度に優れる浸炭部品または浸炭窒素部品の製造方法を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、化学成分が、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．６０％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜３．０％、Ｔｉ：０．０２〜０．２％、望ましくは０．０５〜０．２％、Ｂ：０．０００２〜０．００５％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００１〜０．１５％、Ｎ：０．００１〜０．０３％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％、Ｏ：０．００５％以下を含有し、かつ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量が（０．０４＋０．３５Ｃ）×（１．００＋０．７０Ｓｉ）×（０．７０＋３．９６Ｍｎ）×（１．００＋２．１６Ｃｒ）≧１．１０からなる式（１）によって得られる焼入れ指数を満足し、残部が実質的にＦｅと不可避的不純物よりなる鋼を用いて、浸炭温度８８０℃〜９５０℃、浸炭時間と拡散時間の合計が２〜７時間からなる浸炭処理をした後に油焼入れし、さらに焼戻し処理として１５０℃〜２００℃で１〜３時間保持した後に空冷して鋼材とし、該鋼材からなる断面１３ｍｍ×１３ｍｍの角棒の試験片に半径１．５ｍｍ、深さ３ｍｍの切欠きを付与した後、切欠き側の支点間を８０ｍｍと、切欠きの反対側の支点間を２０ｍｍとする、低サイクルの繰り返し曲げ荷重をかける低サイクル４点曲げ疲労試験で、１００サイクルで強度１７ｋＮ以上かつ５００サイクルで強度１５ｋＮ以上の曲げ疲労強度を有する部品を該鋼材から形成することを特徴とする低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品の製造方法である。

請求項２の発明では、請求項１の化学成分に加えて、質量％で、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜５．０％の１種又は２種以上を含有し、かつ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉの含有量が、（０．０４＋０．３５Ｃ）×（１．００＋０．７０Ｓｉ）×（０．７０＋３．９６Ｍｎ）×（１．００＋２．１６Ｃｒ）×（１．００＋３．００Ｍｏ）×（１．００＋０．３７Ｃｕ）×（０．９０＋０．３８Ｎｉ）≧１．１０からなる式（２）によって得られる焼入れ指数を満足し、残部が実質的にＦｅと不可避的不純物よりなる鋼を用いて、浸炭温度８８０℃〜９５０℃、浸炭時間と拡散時間の合計が２〜７時間の浸炭後に油焼入れし、さらに焼戻し処理として１５０℃〜２００℃で１〜３時間保持した後に空冷して鋼材とし、該鋼材からなる断面１３ｍｍ×１３ｍｍの角棒の試験片に半径１．５ｍｍ、深さ３ｍｍの切欠きを付与した後、切欠き側の支点間を８０ｍｍと、切欠きの反対側の支点間を２０ｍｍとする、低サイクルの繰り返し曲げ荷重をかける低サイクル４点曲げ疲労試験で、１００サイクルで強度１７ｋＮ以上かつ５００サイクルで強度１５ｋＮ以上の曲げ疲労強度を有する部品を該鋼材から形成することを特徴とする低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品の製造方法である。

請求項３の発明では、請求項１または２の化学成分に加えて、質量％で、Ｎｂ：０超〜０．２％、Ｖ：０超〜０．２％の１種又は２種を含有し、かつ、請求項１に上記の化学成分を加えた場合は式（１）によって得られる焼入れ指数を満足し、あるいは請求項２に上記の化学成分を加えた場合は式（２）によって得られる焼入れ指数を満足し、残部が実質的にＦｅと不可避的不純物よりなる鋼を用いて、浸炭温度８８０℃〜９５０℃、浸炭時間と拡散時間の合計が２〜７時間の浸炭後に油焼入れし、さらに焼戻し処理として１５０℃〜２００℃で１〜３時間保持した後に空冷して鋼材とし、該鋼材からなる断面１３ｍｍ×１３ｍｍの角棒の試験片に半径１．５ｍｍ、深さ３ｍｍの切欠きを付与した後、切欠き側の支点間を８０ｍｍと、切欠きの反対側の支点間を２０ｍｍとする、低サイクルの繰り返し曲げ荷重をかける低サイクル４点曲げ疲労試験で、１００サイクルで強度１７ｋＮ以上かつ５００サイクルで強度１５ｋＮ以上の曲げ疲労強度を有する部品を該鋼材から形成することを特徴とする低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品の製造方法である。

請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれか１項の化学成分に加えて、質量％で、Ｚｒ：０．０００３〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００３〜０．００５％、希土類金属：０．０００１〜０．００５％の１種又は２種以上を含有し、かつ、その化学成分中にＭｏ：０．１〜１．５％、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜５．０％の１種又は２種以上を含有する場合には前記式（２）によって得られる焼入れ指数を満足し、その化学成分中に上記割合でＭｏ、Ｃｕ、Ｎｉを含まない場合には式（１）によって得られる焼入れ指数を満足するものであって、残部が実質的にＦｅと不可避的不純物よりなる鋼を用いて、浸炭温度８８０℃〜９５０℃、浸炭時間と拡散時間の合計が２〜７時間の浸炭後に油焼入れし、さらに焼戻し処理として１５０℃〜２００℃で１〜３時間保持した後に空冷して鋼材とし、該鋼材からなる断面１３ｍｍ×１３ｍｍの角棒の試験片に半径１．５ｍｍ、深さ３ｍｍの切欠きを付与した後、切欠き側の支点間を８０ｍｍと、切欠きの反対側の支点間を２０ｍｍとする、低サイクルの繰り返し曲げ荷重をかける低サイクル４点曲げ疲労試験で、１００サイクルで強度１７ｋＮ以上かつ５００サイクルで強度１５ｋＮ以上の曲げ疲労強度を有する部品を該鋼材から形成することを特徴とする低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品の製造方法である。

請求項５の発明では、化学成分として、請求項２に記載の成分に加えて、質量％でＣａ：０．０００２〜０．０１％を含有し、又は、請求項２に記載の成分に加えて、質量％でＣａ：０．０００２〜０．０１％を含有するとともに、さらにＮｂ：０超〜０．２％、Ｖ：０超〜０．２％、Ｚｒ：０．０００３〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００３〜０．００５％、希土類金属：０．０００１〜０．００５％から選択した１種又は２種以上を含有し、かつ、前記式（２）によって得られる焼入れ指数を満足するものであって、さらに、式（２）に加えて、Ｔｉ、Ｃａ、Ｏの含有量が、１００×Ｔｉ×Ｏ／Ｃａ＝１〜１００からなる式（３）を満足し、残部が実質的にＦｅと不可避的不純物よりなる鋼を用いて、浸炭温度８８０℃〜９５０℃、浸炭時間と拡散時間の合計が２〜７時間の浸炭後に油焼入れし、さらに焼戻し処理として１５０℃〜２００℃で１〜３時間保持した後に空冷して鋼材とし、該鋼材からなる断面１３ｍｍ×１３ｍｍの角棒の試験片に半径１．５ｍｍ、深さ３ｍｍの切欠きを付与した後、切欠き側の支点間を８０ｍｍと、切欠きの反対側の支点間を２０ｍｍとする、低サイクルの繰り返し曲げ荷重をかける低サイクル４点曲げ疲労試験で、１００サイクルで強度１７ｋＮ以上かつ５００サイクルで強度１５ｋＮ以上の曲げ疲労強度を有する部品を該鋼材から形成することを特徴とする低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品の製造方法である。

請求項６の発明では、請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼を用いて、短辺２５０ｍｍ以下の角もしくは丸の鋼片に製造し、該鋼片を浸炭温度８８０℃〜９５０℃、浸炭時間と拡散時間の合計が２〜７時間の浸炭後に油焼入れし、さらに焼戻し処理として１５０℃〜２００℃で１〜３時間保持した後に空冷して鋼材とし、該鋼材からなる断面１３ｍｍ×１３ｍｍの角棒の試験片に半径１．５ｍｍ、深さ３ｍｍの切欠きを付与した後、切欠き側の支点間を８０ｍｍと、切欠きの反対側の支点間を２０ｍｍとする、低サイクルの繰り返し曲げ荷重をかける低サイクル４点曲げ疲労試験で、１００サイクルで強度１７ｋＮ以上かつ５００サイクルで強度１５ｋＮ以上の曲げ疲労強度を有する部品を該鋼材から形成することを特徴とする低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品の製造方法である。

請求項７の発明では、請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼を用いて、短辺２５０ｍｍ以下の角もしくは丸の鋼片に製造し、該鋼片を浸炭温度８８０℃〜９５０℃、浸炭時間と拡散時間の合計が２〜７時間の浸炭処理している間に、もしくは、浸炭処理後の８００℃〜９００℃で保持している間に、ＮＨ₃ガスを加えて浸炭浸窒処理した後、油焼入れし、さらに焼戻し処理として１５０℃〜２００℃で１〜３時間保持した後に空冷して鋼材とし、該鋼材からなる断面１３ｍｍ×１３ｍｍの角棒の試験片に半径１．５ｍｍ、深さ３ｍｍの切欠きを付与した後、切欠き側の支点間を８０ｍｍと、切欠きの反対側の支点間を２０ｍｍとする、低サイクルの繰り返し曲げ荷重をかける低サイクル４点曲げ疲労試験で、１００サイクルで強度１７ｋＮ以上かつ５００サイクルで強度１５ｋＮ以上の曲げ疲労強度を有する部品を該鋼材から形成することを特徴とする低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品の製造方法である。

上記の本発明の手段における方法としたことで、高価な元素の使用をできるだけ抑制しながら、低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた浸炭部品あるいは浸炭窒化部品を得ることができる。

４点曲げ疲労試験片の形状を示す側面図である。４点曲げ疲労試験方法を示す模式図である。

本発明の実施の形態として、低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品の製造方法について以下に説明する。

先ず、本発明の方法を適用する鋼の化学成分の限定理由について説明する。以下化学成分における％は、質量％を示す。

Ｃ：０．１０〜０．６０％
Ｃは、強度を付与するために必要な元素であるが、０．１０％未満であると、浸炭焼入れ処理した部品の芯部が確保できず、低サイクルの繰返し曲げ疲労強度の向上を図ることができない。焼入れ処理後の芯部の組織はマルテンサイトが主体であるが、Ｃ量の増大と共に増加する、マルテンサイトの硬さと微細化物の分散強化による降伏比の増加とのバランスからＣの上限を０．６０％とする。なお、芯部の強度をＨＶ４５０以上とするためには好ましくは０．２０％以上、より好ましくは０．３０％以上とし、被削性の点から好ましくは０．４０％以下とする。

Ｓｉ：０．０１〜１．５％
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な元素であり、焼戻し軟化抵抗を向上し、焼入れ性の向上により、浸炭焼入れ処理した部品の芯部硬さを付与し、低サイクル繰返し曲げ疲労強度の向上に有効である。Ｓｉが０．０１％未満ではその効果は十分でなく、１．５％を超えると浸炭性が阻害される。そこでＳｉは０．０１〜１．５％とする。なお、Ｓｉの好ましい範囲は０．５〜１．５％である。

Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｍｎは、鋼の脱酸に有効な元素であると共に、焼入れ性の向上により、焼入れ処理した部品の芯部硬さを付与し、低サイクル曲げ疲労強度の向上に有効である。Ｍｎは０．３％未満ではその効果は十分でなく、２．０％を超えるとその効果は飽和する。そこで、Ｍｎは０．３〜２．０％とする。

Ｃｒ：０．１〜３．０％、望ましくは１．５〜３．０％
Ｃｒは、焼入れ性の向上をはかり浸炭焼入れ処理した部品の芯部硬さを付与し、低サイクル繰返し曲げ疲労強度の向上に有効である。Ｃｒは０．１％未満ではその効果は十分でなく、３．０％を超えるとその効果が飽和する。そこでＣｒは０．１〜３．０％とする。なお、望ましくはＣｒは１．５〜３．０％とする。

Ｔｉ：０．０２〜０．２％
Ｔｉは、ＴｉＣとして鋼中に微細に析出し、鋼を分散強化し、疲労き裂の生成および伝播を抑制する元素であるが、０．０２％以下では、その効果は小さく、０．２％を超えると加工性を低下する。そこで、Ｔｉは０．０２〜０．２％とする。なお、Ｔｉの望ましい範囲は０．０５〜０．２％とする。

Ｂ：０．０００２〜０．００５％
Ｂは、Ｐの粒界偏析を抑制すると共に、それ自体の粒界強度と粒界強度の向上および焼入れ性の向上により低サイクル繰返し曲げ疲労強度に有効な元素である。Ｂは０．０００２％未満ではその効果が十分でなく、０．００５％を超えるとその効果は飽和する。そこで、Ｂは０．０００２〜０．００５％とする。なお、Ｂの望ましい範囲は０．００３〜０．００５％である。

Ｐ：０．０２％以下
Ｐは、粒界に偏析して靱性および疲労強度を低下させ、その結果、衝撃強度および曲げ疲労強度を低下させる。そこで、Ｐは０．０２％以下とする。

Ｓ：０．００１〜０．１５％
Ｓは、鋼中でＭｎＳを形成し、これによる被削性の向上を図るために添加する。しかし、Ｓは、０．００１％未満では、その効果は十分ではなく、一方、０．１５％を超えると、その効果は飽和して粒界偏析を起こし、粒界脆化を引き起こす。そこで、Ｓは０．００１〜０．１５％とする。

Ｎ：０．００１〜０．０３％
Ｎは、鋼中でＡｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖなどと結合して窒化物または炭窒化物を生成し、結晶粒の粗大化を抑制する。Ｎは０．００１％未満では、その効果は十分でなく、０．０３％を超えると、その効果が飽和する。そこで、Ｎは０．００１〜０．０３％とする。なお、Ｎは望ましくは０．００３〜０．００８％とする。

Ａｌ：０．００１〜０．０６％
Ａｌは、鋼の脱酸のために添加する。Ａｌは、０．００１％未満ではその効果は十分でなく、０．０６％を超えるとその効果は飽和する。そこで、Ａｌは０．００１〜０．０６％とする。なお、Ａｌは望ましくは０．０１〜０．０４％とする。

Ｏ：０．００５％以下
Ｏは、粒界偏析を起こして粒界脆化を起こし易くすると共に、鋼中で硬い酸化物系介在物を形成して脆性破壊を起こし易くする。そこで、Ｏは０．００５％以下とする。

本発明の請求項２の発明では、請求項１の化学成分に加えて、さらに焼入れ性を向上して低サイクル繰返し曲げ疲労強度を向上させるために、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉの１種または２種以上を加えると共に、請求項１の発明の式（１）に代えて式（２）の焼入れ指数を用いるものである。

Ｍｏ：０．１〜１．５％
Ｍｏは、焼入れ性を向上して浸炭焼入れした鋼部品の芯部硬さを付与し、低サイクル繰返し曲げ疲労強度を向上する。Ｍｏは、０．１％未満ではその効果が十分でなく、１．５％を超えるとその効果は飽和する。そこで、Ｍｏは０．１〜１．５％とする。

Ｃｕ：０．１〜２．０％
Ｃｕは、焼入れ性を向上して浸炭焼入れした鋼部品の芯部硬さを付与し、低サイクル繰返し曲げ疲労強度を向上する。Ｃｕは、０．１％未満ではその効果が十分でなく、２．０％を超えるとその効果は飽和する。そこで、Ｃｕは０．１〜１．５％とする。

Ｎｉ：０．１〜５．０％
Ｎｉは、焼入れ性を向上して浸炭焼入れした鋼部品の芯部硬さを付与し、低サイクル繰返し曲げ疲労強度を向上する。Ｎｉは、０．１％未満ではその効果が十分でなく、５．０％を超えるとその効果は飽和する。そこで、Ｎｉは０．１〜５．０％とする。

本発明の請求項３の発明では、請求項１または請求項２の化学成分に加えて、高温浸炭時の結晶粒の粗大化による低サイクル繰返し曲げ疲労強度の劣化を防止するため、Ｎｂ、Ｖの１種または２種を加えるものである。

Ｎｂ：０超〜０．２％、望ましくは０．０３〜０．１０％
Ｎｂは、添加によってＮｂ炭窒化物を生成し、浸炭条件や浸炭前の加工工程が変化した場合でも、オーステナイト粒の微細化を安定的に図れ、低サイクル繰返し曲げ疲労強度の劣化が防止できる。しかし、Ｎｂは０．２％を超えると被削性を劣化させる。そこで、Ｎｂは０超〜０．２％とする。なお、望ましくはＮｂは０．０３〜０．１０％とする。

Ｖ：０超〜０．２％、望ましくは０．０５〜０．１０％
Ｖは、Ｎｂと同様に、添加によってＶ炭窒化物を生成し、浸炭条件や浸炭前の加工工程が変化した場合でも、オーステナイト粒の微細化を安定的に図れ、低サイクル繰返し曲げ疲労強度の劣化が防止できる。しかし、Ｖは０．２％を超えると被削性を劣化させる。そこで、Ｖは０超〜０．２％とする。なお、望ましくはＶは０．０５〜０．１０％とする。

次に、本発明の請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれか１項の化学成分に加えて、Ｚｒ、Ｍｇ、希土類元素の１種または２種以上を含有する。ここでいう希土類元素は原子番号５７〜７１番である。これらのＺｒ、Ｍｇ、希土類元素は、各々酸化物を生成し、この酸化物がＭｎＳの生成核となると共に、ＭｎＳが（Ｍｎ、Ｚｒ）Ｓのように、あるいはＭｎＳが（Ｍｎ、Ｍｇ）Ｓのように、組成改質され、熱間圧延時にこれらの延伸性が改善され、粒状ＭｎＳが微細分散し、焼入焼戻し後の低サイクル繰返し曲げ疲労強度が向上する。

Ｚｒ：０．０００３〜０．００５％
Ｚｒは、０．０００３％未満では、組成改質され微細分散した粒状ＭｎＳによる低サイクル繰返し曲げ疲労強度の向上が十分でなく、０．００５％を超えると上記の効果は飽和する。そこで、Ｚｒは０．０００３〜０．００５％とする。

Ｍｇ：０．０００３〜０．００５％
Ｍｇは、０．０００３％未満では、組成改質され微細分散した粒状ＭｎＳによる低サイクル繰返し曲げ疲労強度の向上が十分でなく、０．００５％を超えると上記の効果は飽和する。そこで、Ｍｇは０．０００３〜０．００５％とする。

希土類元素：０．０００１〜０．００５％
希土類元素は、０．０００１％未満では、組成改質され微細分散した粒状ＭｎＳによる低サイクル繰返し曲げ疲労強度の向上が十分でなく、０．００５％を超えると上記の効果は飽和する。そこで、希土類元素は０．０００１〜０．００５％とする。

次に、本発明の請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれか１項の化学成分に加えて、Ｃａの１種または２種以上を含有する。このＣａは酸化物を低融点化し、切削環境下の温度上昇により軟質化することで、被削性を改善する。

Ｃａ：０．０００２〜０．０１％
Ｃａは、上記したように酸化物を低融点化し、切削環境下の温度上昇により軟質化することで、被削性を改善する。しかし、Ｃａが０．０００２％未満では、その効果は無く、０．０１％を超えるとＣａＳを多量に生成して、被削性を低下する。そこで、Ｃａは０．０００２〜０．０１％とする。

式（１）の限定理由
低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品を得るためには、上述の化学成分を満足するだけではなく、焼入れ後の硬さ確保も重要となる。式（１）で、１．１０未満では表面近傍の浸炭異常層、あるいは部品の芯部で不完全焼入れ相が多くなり十分な硬さ確保ができない。したがって、式（１）は１．１０以上とする。

式（２）の限定理由
低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品を得るためには、上述の化学成分を満足するだけではなく、焼入れ後の硬さ確保も重要となる。式（２）で、１．１０未満では表面近傍の浸炭異常層、あるいは部品の芯部で不完全焼入れ相が多くなり十分な硬さ確保ができない。したがって、式（２）は１．１０以上とする。

式（３）の限定理由
上記成分において、Ｔｉ、Ｏ、Ｃａは鋼中の硫化物と酸化物の特性を変化させるため、含有量のバランスは被削性に大きな影響を及ぼす。１００×Ｔｉ×Ｏ／Ｃａが１未満の場合はＣａＳを多量に生成して被削性を低下させ、１００×Ｔｉ×Ｏ／Ｃａが１００を超えるとＣａによる硫化物と酸化物が十分に改質されない。そこで１００×Ｔｉ×Ｏ／Ｃａ＝１〜１００とする。

次に、本発明の実施の形態について、以下に説明する。表１に示す化学成分を有し、かつ、それぞれの式（１）、式（２）、式（３）の関係を満足する鋼を溶製して短辺２２０ｍｍ角の鋳片とし、この鋳片を常法どおりにφ４５ｍｍ径の棒鋼材に圧延した。次いで、この棒鋼材を浸炭処理あるいは浸炭浸窒処理した。この場合、一般的には、浸炭方法であるガス浸炭法、真空浸炭法あるいはガス浸炭窒化方法などのいずれの方法で処理してもよい。この実施例では、上記で得られた棒鋼材を、変性式ガス浸炭炉で、表２および表３に示す、浸炭温度、浸炭（または浸炭浸窒）＋拡散時間からなる浸炭（＋浸窒）処理を行ってオーステナイト領域まで加熱した後、油焼入れし、さらに焼戻し温度および焼戻し時間で焼戻し処理して空冷して部品とした。この場合、本願の実施例としては、変性ガスで浸炭処理し、浸炭浸窒処理は変性ガスによる８８０〜９５０℃の浸炭処理中あるいは浸炭処理後の８００〜９００℃で保持している間にＮＨ₃ガスを加えて処理した。

上記の部品の繰返し曲げ疲労強度を見るために、上記のそれぞれの発明例および比較例の化学成分からなるφ４５ｍｍ径の棒鋼材の中間部から、図１に示すように、断面１３ｍｍ×１７ｍｍ（切欠きを付与する面を１７ｍｍ）で長さ１００ｍｍの角棒から試験片１を形成した。次いで、表２および表３に示すように、これらの試験片１に対し、浸炭温度、浸炭（または浸炭浸窒）＋拡散時間からなる浸炭（＋浸窒）処理を行った後、油焼入れし、さらに表２および表３に示す焼戻し温度および焼戻し時間で焼戻し処理して空冷し、試験片の側面を片側２ｍｍ切削して１３ｍｍ×１３ｍｍに仕上げ加工を行なった。すなわち、浸炭（または浸炭浸窒）による硬化層は切欠き面とその反対面に残されている。次いで、図１に示すように、これらの浸炭（または浸炭浸窒）処理した試験片１の長さ方向の端から５０ｍｍの中央部の片側面に、アールが半径１．５ｍｍで深さ３ｍｍからなる切欠きであるＶノッチ２を形成した。次いで、図２に示すように、この試験片１を、間隔８０ｍｍ離れた左右の支点３の上に載置した。この場合、試験片１のＶノッチ２を有する面を下に向け、この試験片１のＶノッチ２を左右の高さ１３ｍｍの支点３、３の中央に位置させる。さらに試験片１の上には、高さ１３ｍｍの左右の支点４、４をＶノッチ２の真上の位置から左右に均等に１０ｍｍずつ振り分けて、互いにを２０ｍｍ離して載置する。さらに高さ１３ｍｍの左右の支点４、４の上には当板５を載置し、さらにこの当板５の上のＶノッチ２の真上の位置から下方の試験片１に向けて荷重６を掛けて、表２および表３に示す、１００サイクルおよび５００サイクルの繰返し曲げ試験で試験片が破断するまで行い、４点曲げ疲労試験とした。

本発明例および比較例の上記の４点曲げ疲労試験の結果を表２および表３に示す。この表２および表３において、破面の観察はＳＥＭで行い、そのミクロ組織は破面をナイタールで腐蝕後に光学顕微鏡で観察した。表２に示すように、発明例１〜発明例１４は、本願の請求項１の要件を満足するものである。これらは、表２の備考に記載のように、破面およびミクロ組織観察では、全ての発明例が、粒内破面が主体で、ミクロ組織は不完全焼き入れ相などの以上は見られなかった。比較例１〜比較例１２では、表１に示すように化学成分、あるいは計算式の式（１）、式（２）、式（３）のいずれかが、本願の請求項の発明の条件を満足していないものであり、表２の備考に示す問題点がある。

表３は化学成分が同一である、発明例１、発明例８、発明例１４について、浸炭温度、浸炭拡散時間、焼戻し温度、焼戻し時間を種々に代えた場合の１００サイクルおよび５００サイクルの繰返し曲げ試験の疲労強度を示したものである。この表３から、同一の化学成分の発明例でも、化学成分以外の他の条件が本発明の要件を満足していないときは、例えば発明例１の最上段のイ．のものでは、浸炭温度などのように１００サイクル曲げ疲労強度が１５．２ｋＮであり、５００サイクル曲げ疲労強度が１２．５ｋＮであり、これらは目的の疲労強度に達していないことが判り、備考に記載のように、浸炭域のＣ量が低く、硬さが不十分である。

１試験片
２Ｖノッチ
３支点
４支点
５当板
６荷重

Claims

化学成分が、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．６０％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜３．０％、Ｔｉ：０．０２〜０．２％、Ｂ：０．０００２〜０．００５％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００１〜０．１５％、Ｎ：０．００１〜０．０３％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％、Ｏ：０．００５％以下を含有し、かつ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量が（０．０４＋０．３５Ｃ）×（１．００＋０．７０Ｓｉ）×（０．７０＋３．９６Ｍｎ）×（１．００＋２．１６Ｃｒ）≧１．１０からなる式（１）によって得られる焼入れ指数を満足し、残部が実質的にＦｅと不可避的不純物よりなる鋼を用いて、浸炭温度８８０℃〜９５０℃、浸炭時間と拡散時間の合計が２〜７時間からなる浸炭処理をした後に油焼入れし、さらに焼戻し処理として１５０℃〜２００℃で１〜３時間保持した後に空冷して鋼材とし、該鋼材からなる断面１３ｍｍ×１３ｍｍの角棒の試験片に半径１．５ｍｍ、深さ３ｍｍの切欠きを付与した後、切欠き側の支点間を８０ｍｍと、切欠きの反対側の支点間を２０ｍｍとする、低サイクルの繰り返し曲げ荷重をかける低サイクル４点曲げ疲労試験で、１００サイクルで強度１７ｋＮ以上かつ５００サイクルで強度１５ｋＮ以上の曲げ疲労強度を有する部品を該鋼材から形成することを特徴とする低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品の製造方法。
請求項１の化学成分に加えて、質量％で、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜５．０％の１種又は２種以上を含有し、かつ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉの含有量が、（０．０４＋０．３５Ｃ）×（１．００＋０．７０Ｓｉ）×（０．７０＋３．９６Ｍｎ）×（１．００＋２．１６Ｃｒ）×（１．００＋３．００Ｍｏ）×（１．００＋０．３７Ｃｕ）×（０．９０＋０．３８Ｎｉ）≧１．１０からなる式（２）によって得られる焼入れ指数を満足し、残部が実質的にＦｅと不可避的不純物よりなる鋼を用いて、浸炭温度８８０℃〜９５０℃、浸炭時間と拡散時間の合計が２〜７時間の浸炭後に油焼入れし、さらに焼戻し処理として１５０℃〜２００℃で１〜３時間保持した後に空冷して鋼材とし、該鋼材からなる断面１３ｍｍ×１３ｍｍの角棒の試験片に半径１．５ｍｍ、深さ３ｍｍの切欠きを付与した後、切欠き側の支点間を８０ｍｍと、切欠きの反対側の支点間を２０ｍｍとする、低サイクルの繰り返し曲げ荷重をかける低サイクル４点曲げ疲労試験で、１００サイクルで強度１７ｋＮ以上かつ５００サイクルで強度１５ｋＮ以上の曲げ疲労強度を有する部品を該鋼材から形成することを特徴とする低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品の製造方法。
請求項１または２の化学成分に加えて、質量％で、Ｎｂ：０超〜０．２％、Ｖ：０超〜０．２％の１種又は２種を含有し、かつ、請求項１に上記の化学成分を加えた場合は式（１）によって得られる焼入れ指数を満足し、あるいは請求項２に上記の化学成分を加えた場合は式（２）によって得られる焼入れ指数を満足し、残部が実質的にＦｅと不可避的不純物よりなる鋼を用いて、浸炭温度８８０℃〜９５０℃、浸炭時間と拡散時間の合計が２〜７時間の浸炭後に油焼入れし、さらに焼戻し処理として１５０℃〜２００℃で１〜３時間保持した後に空冷して鋼材とし、該鋼材からなる断面１３ｍｍ×１３ｍｍの角棒の試験片に半径１．５ｍｍ、深さ３ｍｍの切欠きを付与した後、切欠き側の支点間を８０ｍｍと、切欠きの反対側の支点間を２０ｍｍとする、低サイクルの繰り返し曲げ荷重をかける低サイクル４点曲げ疲労試験で、１００サイクルで強度１７ｋＮ以上かつ５００サイクルで強度１５ｋＮ以上の曲げ疲労強度を有する部品を該鋼材から形成することを特徴とする低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品の製造方法。
請求項１〜３のいずれか１項の化学成分に加えて、質量％で、Ｚｒ：０．０００３〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００３〜０．００５％、希土類金属：０．０００１〜０．００５％の１種又は２種以上を含有し、かつ、その化学成分中にＭｏ：０．１〜１．５％、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜５．０％の１種又は２種以上を含有する場合には前記式（２）によって得られる焼入れ指数を満足し、その化学成分中に上記割合でＭｏ、Ｃｕ、Ｎｉを含まない場合には式（１）によって得られる焼入れ指数を満足するものであって、残部が実質的にＦｅと不可避的不純物よりなる鋼を用いて、浸炭温度８８０℃〜９５０℃、浸炭時間と拡散時間の合計が２〜７時間の浸炭後に油焼入れし、さらに焼戻し処理として１５０℃〜２００℃で１〜３時間保持した後に空冷して鋼材とし、該鋼材からなる断面１３ｍｍ×１３ｍｍの角棒の試験片に半径１．５ｍｍ、深さ３ｍｍの切欠きを付与した後、切欠き側の支点間を８０ｍｍと、切欠きの反対側の支点間を２０ｍｍとする、低サイクルの繰り返し曲げ荷重をかける低サイクル４点曲げ疲労試験で、１００サイクルで強度１７ｋＮ以上かつ５００サイクルで強度１５ｋＮ以上の曲げ疲労強度を有する部品を該鋼材から形成することを特徴とする低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品の製造方法。
化学成分として、請求項２に記載の成分に加えて、質量％でＣａ：０．０００２〜０．０１％を含有し、又は、請求項２に記載の成分に加えて、質量％でＣａ：０．０００２〜０．０１％を含有するとともに、さらにＮｂ：０超〜０．２％、Ｖ：０超〜０．２％、Ｚｒ：０．０００３〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００３〜０．００５％、希土類金属：０．０００１〜０．００５％から選択した１種又は２種以上を含有し、かつ、前記式（２）によって得られる焼入れ指数を満足するものであって、さらに、式（２）に加えて、Ｔｉ、Ｃａ、Ｏの含有量が、１００×Ｔｉ×Ｏ／Ｃａ＝１〜１００からなる式（３）を満足し、残部が実質的にＦｅと不可避的不純物よりなる鋼を用いて、浸炭温度８８０℃〜９５０℃、浸炭時間と拡散時間の合計が２〜７時間の浸炭後に油焼入れし、さらに焼戻し処理として１５０℃〜２００℃で１〜３時間保持した後に空冷して鋼材とし、該鋼材からなる断面１３ｍｍ×１３ｍｍの角棒の試験片に半径１．５ｍｍ、深さ３ｍｍの切欠きを付与した後、切欠き側の支点間を８０ｍｍと、切欠きの反対側の支点間を２０ｍｍとする、低サイクルの繰り返し曲げ荷重をかける低サイクル４点曲げ疲労試験で、１００サイクルで強度１７ｋＮ以上かつ５００サイクルで強度１５ｋＮ以上の曲げ疲労強度を有する部品を該鋼材から形成することを特徴とする低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品の製造方法。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼を用いて、短辺２５０ｍｍ以下の角もしくは丸の鋼片に製造し、該鋼片を浸炭温度８８０℃〜９５０℃、浸炭時間と拡散時間の合計が２〜７時間の浸炭後に油焼入れし、さらに焼戻し処理として１５０℃〜２００℃で１〜３時間保持した後に空冷して鋼材とし、該鋼材からなる断面１３ｍｍ×１３ｍｍの角棒の試験片に半径１．５ｍｍ、深さ３ｍｍの切欠きを付与した後、切欠き側の支点間を８０ｍｍと、切欠きの反対側の支点間を２０ｍｍとする、低サイクルの繰り返し曲げ荷重をかける低サイクル４点曲げ疲労試験で、１００サイクルで強度１７ｋＮ以上かつ５００サイクルで強度１５ｋＮ以上の曲げ疲労強度を有する部品を該鋼材から形成することを特徴とする低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品の製造方法。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼を用いて、短辺２５０ｍｍ以下の角もしくは丸の鋼片に製造し、該鋼片を浸炭温度８８０℃〜９５０℃、浸炭時間と拡散時間の合計が２〜７時間の浸炭処理している間に、もしくは、浸炭処理後の８００℃〜９００℃で保持している間に、ＮＨ₃ガスを加えて浸炭浸窒処理した後、油焼入れし、さらに焼戻し処理として１５０℃〜２００℃で１〜３時間保持した後に空冷して鋼材とし、該鋼材からなる断面１３ｍｍ×１３ｍｍの角棒の試験片に半径１．５ｍｍ、深さ３ｍｍの切欠きを付与した後、切欠き側の支点間を８０ｍｍと、切欠きの反対側の支点間を２０ｍｍとする、低サイクルの繰り返し曲げ荷重をかける低サイクル４点曲げ疲労試験で、１００サイクルで強度１７ｋＮ以上かつ５００サイクルで強度１５ｋＮ以上の曲げ疲労強度を有する部品を該鋼材から形成することを特徴とする低サイクルの繰返し曲げ疲労強度に優れた高強度部品の製造方法。