JP2014201811A - 浸炭部品、その製造方法及び浸炭部品用鋼 - Google Patents

Abstract

【課題】特に中サイクル疲労強度に優れる浸炭部品およびその製造方法を提供する。。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．１５％以下、Ｍｎ：０．４〜１．１％、Ｃｒ：０．８〜１．４％、Ｍｏ：０．２５〜０．５５％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０３５％以下、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、且つ、元素Ｍの質量％を［Ｍ］とすると、０．１０≦［Ｍｏ］／（１０［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）≦０．４０を満たす鋼に浸炭により表面硬化処理を施した浸炭部品であって、７００Ｈｖ以上の硬さの浸炭処理層を少なくとも浸炭部の表面から３５０μｍ以内に与えるとともに、前記浸炭処理層の表面から２５μｍの深さ位置での硬さＨｖ_{ｄ＝２５μｍ}を６５０Ｈｖ以上、５０μｍの深さ位置での硬さＨｖ_{ｄ＝５０μｍ}を７５０Ｈｖ以下とし、Ｈｖ_{ｄ＝２５μｍ}とＨｖ_{ｄ＝５０μｍ}との差を５０Ｈｖ以下としたことを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、浸炭により表面硬化処理を与えた浸炭部品、その製造方法及び浸炭部品用鋼であって、特に、中サイクル疲労強度に優れる浸炭部品、その製造方法及び浸炭部品用鋼に関する。

浸炭により表面硬化処理を施された浸炭部品が自動車の変速機や差動機（デファレンシャル）の歯車や軸受部品などとして使用されている。かかる浸炭部品では、１０^５回程度以上の繰り返し荷重による疲労破壊（高サイクル疲労）と、１０^３回程度以下の繰り返し荷重による疲労破壊（低サイクル疲労）との両面から疲労強度に関する様々な検討がなされている。

例えば、特許文献１では、浸炭部品用鋼において、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの成分組成を調整することで、浸炭処理による表面硬化処理後の浸炭部品の高サイクル疲労強度を向上させ得ることを開示している。ＳＣＭ２１の如き、浸炭部品用鋼に対して浸炭処理後、熱処理を施すと浸炭処理表面近傍に不完全焼き入れ部分（浸炭異常層）を生じ、特に高サイクル疲労強度を低下させる。この浸炭異常層はＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの内部酸化によって生じるから、これら元素の成分組成を調整することで高サイクル疲労強度を向上させ得るとしている。すなわち、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５％以下、Ｍｎ：５％以下、Ｃｒ：５％以下、他に、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｂなどを所定の量以下で含み得る鋼において、元素Ｍの質量％を［Ｍ］とすると、内部酸化に影響を及ぼすＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの各元素について、（１０［Ｓｉ］＋０．１（［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）≦１．００とすべきことを開示している。

他方、例えば、特許文献２では、浸炭部品用鋼において、Ｃｒ及びＭｎを比較的多く含むように成分組成を調整することで、浸炭処理による表面硬化処理後の浸炭部品の低サイクル疲労強度を向上させ得ることを開示している。浸炭処理表面近傍の硬さを確保しつつそのＣ濃度を低く抑えて靭性を高めるとともに、該浸炭処理表面近傍と心部との硬さ差を所定範囲内に制御することで低サイクル疲労強度を向上させ得ると述べている。すなわち、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．７％以下、Ｍｎ：１．４１〜２．０％、Ｃｒ：１．０〜２．０％、他に、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｂなどを所定の量以下で含み得る鋼において、浸炭処理表面の浸炭処理層でＣ：０．４〜０．７５％、該浸炭処理層と心部との硬さ差を２００〜４００Ｈｖとすることを開示している。

ところで、近年、１０^３回程度〜１０^５回程度の繰り返し荷重による疲労破壊、すなわち中サイクル疲労についても検討がなされるようになってきた。一般的に、かかる中サイクル疲労強度は、低サイクルと高サイクルとの疲労強度を両立させるようにすることで向上させ得る。

例えば、特許文献３では、浸炭部品用鋼において、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｂの成分組成を調整しつつ、浸炭による表面硬化処理後の浸炭異常層の深さを１５μｍ以下に制御し且つその深さのばらつきを抑制することで中サイクル疲労強度を向上させ得ると述べている。ここでは、浸炭処理層の粒界強度を高めることで低サイクル疲労強度を向上させるとともに、浸炭異常層の深さとそのばらつきを制御することで疲労亀裂の発生を抑制し高サイクル疲労強度を向上させている。これらの結果として、中サイクル疲労強度をも向上させ得るとしている。

また、例えば、特許文献４では、浸炭部品用鋼において、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの成分組成を調整することで浸炭による表面硬化処理後の浸炭異常層の深さを所定値以下に制御できることが開示されている。質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓi：０．１％以下、Ｍｎ：０．２〜０．８％、Ｃr ０．２〜０．８％、他に、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ａｌなどを所定の量以下で含み得る鋼において、浸炭処理層でＣ：０．７〜０．９％、♯９以上の結晶粒度で、該浸炭処理層における元素Ｍの質量％を［Ｍ］とすると、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの各元素について、１０［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］≦２．０とすることで浸炭異常層を６μｍ以下とできることを開示している。

特開昭５１−９０９１８号公報 特開２００８−２４８２８４号公報 特開２０１０−１５０５９２号公報 特開平６−３０６５７２号公報

上記したように、中サイクル疲労強度を向上させるためには、低サイクル疲労強度及び高サイクル疲労強度の双方を向上させるべきであるが、これには浸炭により付与される有効硬化層の硬さ分布を制御することが必要となる。

本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、浸炭により特に中サイクル疲労強度に優れる表面硬化処理を与えた浸炭部品、その製造方法及びそのための鋼を提供することにある。

本発明による浸炭部品は、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．１５％以下、Ｍｎ：０．４〜１．１％、Ｃｒ：０．８〜１．４％、Ｍｏ：０．２５〜０．５５％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０３５％以下、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、且つ、元素Ｍの質量％を［Ｍ］とすると、０．１０≦［Ｍｏ］／（１０［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）≦０．４０を満たす部品鋼に浸炭により浸炭処理層を与えた浸炭部品であって、前記浸炭処理層における最大Ｃ量を質量％で、０．４５〜０．７５％の範囲内とするとともに、前記浸炭処理層の表面から２５μｍの深さ位置での硬さＨｖ_{ｄ＝２５μｍ}を６５０Ｈｖ以上、５０μｍの深さ位置での硬さＨｖ_{ｄ＝５０μｍ}を７５０Ｈｖ以下とし、Ｈｖ_{ｄ＝２５μｍ}とＨｖ_{ｄ＝５０μｍ}との差を５０Ｈｖ以下としたことを特徴とする。

かかる発明によれば、所定の成分組成の鋼に対して浸炭により表面硬化処理を与え、この硬さを高められた浸炭処理層において、特に、最大Ｃ量を制御してこの靭性を向上させて低サイクル疲労から中サイクル疲労に対する強度を高めるとともに、該浸炭処理層の表面付近の硬さ分布を所定にすることで中サイクル疲労から高サイクル疲労に対する強度を高めている。結果として、かかる浸炭部品では、優れた中サイクル疲労強度を得られるのである。

また、上記した発明において、前記浸炭による７００Ｈｖ以上の硬さの領域を前記浸炭処理層の表面から３５０μｍ以内に与えたことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、浸炭部品において、特に優れた中サイクル疲労強度を得られるのである。

また本発明による浸炭部品の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．１５％以下、Ｍｎ：０．４〜１．１％、Ｃｒ：０．８〜１．４％、Ｍｏ：０．２５〜０．５５％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０３５％以下、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、且つ、元素Ｍの質量％を［Ｍ］とすると、０．１０≦［Ｍｏ］／（１０［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）≦０．４０を満たす部品鋼に所定の機械加工を与える下加工ステップと、所定の温度に加熱し所定のカーボンポテンシャルの浸炭雰囲気中で浸炭及び拡散処理後、少なくとも８０℃以下の低温油浴に焼き入れて浸炭処理層を与える浸炭処理ステップと、を少なくとも含み、前記浸炭処理ステップは、前記浸炭処理層における最大Ｃ量を質量％で、０．４５〜０．７５％の範囲内とするとともに、前記浸炭処理層の表面から２５μｍの深さ位置での硬さＨｖ_{ｄ＝２５μｍ}を６５０Ｈｖ以上、５０μｍの深さ位置での硬さＨｖ_{ｄ＝５０μｍ}を７５０Ｈｖ以下とし、Ｈｖ_{ｄ＝２５μｍ}とＨｖ_{ｄ＝５０μｍ}との差を５０Ｈｖ以下となすステップであることを特徴とする。

かかる発明によれば、浸炭処理層において、特に、最大Ｃ量を制御してこの靭性を向上させて低サイクル疲労から中サイクル疲労に対する強度を高めるとともに、該浸炭処理層の表面付近の硬さ分布を所定にすることで中サイクル疲労から高サイクル疲労に対する強度を高めて、結果として、優れた中サイクル疲労強度を有する浸炭部品を与え得るのである。

上記した発明において、前記浸炭処理ステップは、７００Ｈｖ以上の硬さの領域を前記浸炭処理層の表面から３５０μｍ以内に与えるステップであることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、特に優れた中サイクル疲労強度を有する浸炭部品を与え得るのである

更に、本発明による浸炭部品用鋼は、浸炭により表面硬化処理を施した浸炭部品に用いられる鋼であって、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．１５％以下、Ｍｎ：０．４〜１．１％、Ｃｒ：０．８〜１．４％、Ｍｏ：０．２５〜０．５５％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０３５％以下、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、且つ、元素Ｍの質量％を［Ｍ］とすると、０．１０≦［Ｍｏ］／（１０［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）≦０．４０を満たすことを特徴とする。

かかる発明によれば、所定の浸炭処理を与えることで、優れた中サイクル疲労強度を有する浸炭部品を与え得るのである。

浸炭部品の断面硬さの分布を示す図である。 実施例及び比較例の成分組成及び浸炭条件をまとめた図である。 本発明による浸炭部品の製造工程のフロー図である。 浸炭焼入れの熱処理線図である。 ４点曲げ疲労試験の荷重位置を示す試験片の（ａ）正面図及び（ｂ）側面図である。 試験結果等をまとめた図である。

一般的に、浸炭により浸炭処理層を与えた浸炭部品において、該浸炭処理層の硬さを上げることで相対的に高サイクル疲労強度を向上させ得るが、逆に低サイクル疲労強度を低下させてしまう。本発明者は、浸炭処理層の最表面の硬さを上げつつも、該浸炭処理層全体の硬さについては抑制することで、高サイクル疲労及び低サイクル疲労に対する強度を高め、結果として、中サイクル疲労に優れた浸炭部品を与え得ることを考慮した。

すなわち、図１に示すような浸炭による硬さ分布Ｌ１において、浸炭異常層を含み得る浸炭処理層の最表面では硬さが低下する。ところで、鋼中のＭｏやＮｉの成分組成を調整することで浸炭異常層を抑制し、且つ、浸炭処理後の焼入れにおける強烈度を上げて浸炭異常層による焼き入れ性の低下を補うことで、かかる浸炭処理層の最表面の硬さの低下が抑制される（硬さ分布Ｌ２）。一方で、浸炭処理を制御して、浸炭処理層のＣ量を所定の範囲内に調整することで、浸炭処理層全体の硬さについて抑制するのである（硬さ分布Ｌ３）。

以下では、上記した浸炭部品を得るための鋼の成分組成及び浸炭処理の条件を明らかにすべく、図２に示すような実施例１乃至１０、比較例１乃至１７、及び、参考例１の浸炭部品を模した試験片を作製し、種々の試験を行った結果について説明する。

まず、図２乃至図４を用いて試験片の作製方法について説明する。

図３に示すように、各成分組成（図２参照）を有する合金を溶製し（Ｓ１）、圧延（Ｓ２）及び焼ならし（Ｓ３）を行った後に、後述する４点曲げ疲労試験片及び硬さ試験片を機械加工した（Ｓ４）。各試験片にはプロパンガスを炭素源とするガス浸炭処理及び浸炭焼入れ（Ｓ５）をし、続いて、１６０℃にて１２０分間加熱保持後、空冷を行う焼戻し熱処理（Ｓ６）を施して最終的な試験片を得た。

ここで、各試験片に適用した浸炭焼入れ（Ｓ５）の方法は、図２の「浸炭条件」として示した（ａ）乃至（ｃ）の符号に対応する処理であり、それぞれ図４（ａ）乃至（ｃ）に示す処理である。すなわち、（ａ）では、９３０℃においてカーボンポテンシャル（以降、「Ｃｐ」と称する）１．０５で１５０分間保持した後に、Ｃｐ０．５５で２０分間保持し、その後、８３０℃においてＣｐ０．５５で３０分間保持する浸炭及び拡散処理である。続いて、油温５０℃の低温油浴に投入し焼き入れる、いわゆる「コールド焼き」を施す。（ｂ）では、９３０℃においてＣｐ１．０５で３５分間保持し、その他は（ａ）と同様である。（ｃ）では、９３０℃においてＣｐ１．２で１２０分間保持した後に、Ｃｐ１．０で６０分間保持し、その後、８３０℃においてＣｐ０．７５で１２０分間保持する浸炭及び拡散処理である。続いて、油温１２０℃の通常油浴に投入し焼き入れる、いわゆる「セミホット焼き」を施す。

次に、試験方法について説明する。また各試験における目標値も併せて説明する。

図５に示すように、曲げ疲労試験では、上記した試験片のうち４点曲げ疲労試験片を使用する。４点曲げ疲労試験片１０は、直径１９ｍｍ×長さ１００ｍｍ丸棒を直径方向に１７ｍｍの幅となるように両側部に平行な平面１１を切削され、さらに長手方向中央部に底部の直径を１３ｍｍとする溝１２を切削されている。４点曲げ疲労試験片１０の片側の平面１１に２つの支持部２１を８０ｍｍ間隔で当接させ、他側の平面１１において溝１２を挟むように２つの負荷部２２を２０ｍｍ間隔で当接させる。そして、曲げ荷重を与え、３×１０^４回における時間強度を求めた。変位リミッターは０．２ｍｍ、負荷は荷重制御、周波数１〜２Ｈｚである。ここで、時間強度の目標値は１５５０ＭＰａ以上である。

硬さ試験では、ビッカース硬さ試験により、硬さ試験片の断面において、表面から深さ２５μｍの位置の最表層硬さ（Ｈｖ_{ｄ＝２５μｍ}）、表面から深さ５０μｍの表層硬さ（Ｈｖ_{ｄ＝５０μｍ}）、及び、試験片の中心部近傍の心部硬さを測定した。荷重は、深さ２５μｍ及び５０μｍ位置での測定において、それぞれ２００ｇ及び３００ｇとし、測定は５点で行いその平均値を採用した。更に、深さ方向の硬さプロファイルを測定し、硬さ７００Ｈｖとなる位置の表面からの深さである７００Ｈｖ深さを求めた。ここで、最表層硬さ（Ｈｖ_{ｄ＝２５μｍ}）の目標値は６５０Ｈｖ以上、表層硬さ（Ｈｖ_{ｄ＝５０μｍ}）の目標値は７５０Ｈｖ以下、好ましくは７２０Ｈｖ以下、７００Ｈｖ深さの目標値は０．３５ｍｍ以下、好ましくは０．３０ｍｍ以下、ＥＣＤの目標値は０．４〜１．１ｍｍの範囲内、好ましくは０．５〜０．８ｍｍの範囲内である。さらに、表層硬さと最表層硬さとの差（｜Ｈｖ_{ｄ＝５０μｍ}−Ｈｖ_{ｄ＝２５μｍ}｜）の目標値は５０Ｈｖ以下である。

また、表層Ｃ濃度測定では、ＪＩＳ Ｇ １２５３に基づき、発光分光分析により硬さ試験片の表層近傍における最大値を測定した。Ｃ量は１％まで測定できるように作成された検量線を用いた。ここで、表層Ｃ濃度の目標値は０．４５〜０．７５％の範囲内、好ましくは０．４５〜０．７０％の範囲内である。

次に、上記した各試験及び測定の結果を図６に示す。

実施例１乃至１０の各試験の結果は全て上記した目標値を満足した。すなわち、図２の実施例１乃至１０に示す成分組成の合金においては、所定の浸炭条件で浸炭焼入れを施すことで、所定の硬さのプロファイルを与えられ、中サイクル疲労強度を向上させた浸炭部品を得ることができた。なお、浸炭条件を（ｂ）とした実施例７乃至１０では、浸炭条件を（ａ）とした実施例１乃至６に比べて、時間強度において優れる傾向にある。浸炭条件（ｂ）においては浸炭条件（ａ）に比べて初期の浸炭時間を短縮し、図６に示すように表層Ｃ濃度を低く抑えて浸炭処理層全体の硬さを抑制したことが時間強度の優れる要因となったものと考えられる。

ところで、浸炭焼入れによる浸炭異常層の深さは、元素Ｍの質量％を［Ｍ］とすると、
１０［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］ （式１）
に依存する。この浸炭異常層深さのパラメータＰ_ａが大であるほど、浸炭異常層が生成しやすい。さらに、中サイクル疲労強度は、Ｍｏの含有量を式１で除して、
［Ｍｏ］／（１０［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］） （式２）
で評価し得る。この疲労パラメータＰ_ｂを一定の範囲
０．１０≦Ｐ_ｂ≦０．４０ （式３）
とすることで、３×１０^４回の繰り返し疲労における時間強度を１５５０ＭＰａ以上と出来得る。図６に示すように、実施例１乃至１０において、疲労パラメータＰ_ｂの値は０．１０〜０．２６であり、式３を満たしている。

続いて、比較例１乃至１７及び参考例１の試験結果について説明する。

比較例１、２、４及び５は、実施例１乃至１０とほぼ同じ成分組成を有するが、いずれも時間強度が目標値よりも低かった。比較例１では、表層Ｃ濃度が０．７７％と目標値よりも高く、７００Ｈｖ深さが０．４１ｍｍと目標値よりも深かった。また、比較例２及び４では、表層Ｃ濃度が目標値を満たすものの上限に近く、表層硬さが７５２Ｈｖ及び７５１Ｈｖと目標値よりも高く、７００Ｈｖ深さもそれぞれ０．４４ｍｍ、０．４１ｍｍと目標値よりも深かった。比較例５では、表層Ｃ濃度が０．７７と目標値よりも高く、故に、表層硬さが７８１Ｈｖと目標値よりも高く、７００Ｈｖ深さが０．４６ｍｍと目標値よりも深かった。以上の結果、比較例１、２、４及び５の時間強度は、１２５３〜１５１０ＭＰａといずれも目標値よりも低くなったと考える。

比較例３、６及び７は、実施例１乃至１０と比較して、Ｃｒの含有量が１．４０〜１．４１質量％と多くなっている。Ｃｒは粒界酸化を促進させて浸炭異常層を生成させ、また７００Ｈｖ深さをより深くするものと考えられる。比較例３及び６では、７００Ｈｖ深さは目標値の上限０．３５ｍｍとなり、その結果、時間強度が１５３６ＭＰａ及び１５３３ＭＰａと目標値を下回ったと考える。比較例６では、上記した疲労パラメータＰ_ｂの値も０．０９となり目標値を下回っている。また、比較例７では、表層Ｃ濃度も０．７７％と目標値より高いこともあり、７００Ｈｖ深さも０．４８ｍｍと目標値より深くなった。その結果、時間強度は１２００ＭＰａと目標値を大きく下回ったと考える。

比較例８、９、１１、１４及び１５においては、実施例１乃至１０と比較して、Ｍｏの含有量が０．１１〜０．２２質量％と少なくなっている。Ｍｏは焼入れ性を向上させる。つまり、焼き入れが不十分となると考えられ、時間強度は１５０３〜１５４９ＭＰａと目標値を下回ったと考える。なお、疲労パラメータＰ_ｂにおいても、比較例８及び９では、目標値の下限であり、比較例１１、１４及び１５では、それぞれ０．０３、０．０５及び０．０７と目標値を下回っている。

比較例１０においては、実施例１乃至１０と比較して、Ｍｎの含有量が０．３９質量％と少ない。Ｍｎも焼入れ性を向上させる。つまり、焼き入れが不十分であると考えられ、時間強度は１５０５ＭＰａと目標値を下回ったと考える。

比較例１２及び１３においては、実施例１乃至１０と比較して、Ｓｉの含有量がそれぞれ０．２０質量％及び０．２１質量％と多い。疲労パラメータＰ_ｂの値について、比較例１２では、目標値は満たすがその下限値０．１０程度であり、比較例１３では、０．０６と目標値を下回った。その結果、時間強度は、それぞれ１５２８ＭＰａ及び１５４５ＭＰａと目標値を下回った。Ｓｉが粒界酸化を促進させることによる浸炭異常層の生成により、特に高サイクル疲労強度を低下させて、その結果、中サイクル疲労強度をも低下させてしまったと考えられる。

比較例１６においては、実施例１乃至１０と比較して、Ｃｒの含有量を少なくし、Ｎｉ及びＭｏの含有量を多くしている。比較例１６では、浸炭条件（ａ）に示す浸炭焼入れを施されるが、表層Ｃ濃度が０．７７％と目標値より高くなった。その結果、表層硬さが７５８Ｈｖと目標値を超え、７００Ｈｖ深さが０．４１ｍｍと目標値よりも深くなって、時間強度が１４５５ＭＰａと目標値を下回ったものと考える。

比較例１７においては、実施例１乃至１０とほぼ同じ成分組成であるが、浸炭条件（ｃ）に示す浸炭焼入れ、つまり、「セミホット焼き」を施される。浸炭及び拡散処理においては、表層Ｃ濃度を実施例１乃至６と同等にできるが、「セミホット焼き」により、最表層硬さが６３７Ｈｖと目標値を下回った。また、表層硬さと最表層硬さの差の値が８２となり、目標値を大きく超過した。すなわち、所定の硬さプロファイルを得ることができなかった。また、心部硬さが２８３Ｈｖと実施例１乃至１０に比べて大幅に低下した。ここで７００Ｈｖ深さは０．１６ｍｍであり、時間強度は１７３４ＭＰａと中サイクル疲労に対する目標値を満足している。その一方で、表層硬さと最表層硬さの差が大きく、特に、面疲労強度において劣るものと考える。

さらに、参考例１においては、比較例１６と同じ成分組成であるが、比較例１７と同様に浸炭条件（ｃ）に示す浸炭焼入れを施される。表層Ｃ濃度は比較例１６と同じであるが、表層硬さと最表層硬さの差の値が６０となり、目標値を超えている。すなわち、図１の硬さ分布Ｌ２において説明したように、浸炭処理後の焼入れにおいて「コールド焼き」を施して強烈度を上げることで浸炭異常層による焼き入れ性の低下を補い、浸炭処理層の最表面の硬さの低下を抑制し得るものと考えられる。

これらの試験結果から、上記した実施例１乃至１０の成分組成を有する鋼において、疲労パラメータＰ_ｂの目標値を満たすと、所定の浸炭処理及び浸炭焼入れを施すことで３×１０^４回における時間強度で目標値を満たすと考えた。この浸炭処理及び浸炭焼入れにおいては、特に、表層Ｃ濃度、最表層硬さ、表層硬さ、及び、最表層硬さと表層硬さとの差のそれぞれが目標値を満たすように調整される。さらに、７００Ｈｖ深さが目標値を満たすように調整し、より内部の靭性値を向上させ得て、特に優れた中サイクル疲労強度を有する浸炭部品を得られる。また、これらの目標値を満たすために、浸炭焼入においては、少なくとも８０℃以下の低温油浴に焼き入れて「コールド焼き」を施すことが有効である。更に、浸炭処理において、上記した鋼は表面酸化しやすいガス浸炭だけでなく真空浸炭であっても同様の結果を得られる。

以上の結果に基づいて、上記した実施例１乃至１０の成分組成の鋼によって得られる浸炭部品としての特性を損なわない範囲において、その鋼材としての各々の組成成分の範囲を以下の指針により定めた。

Ｃは、浸炭部品として必要とされる機械的強度を確保するために重要な添加元素である。Ｃの含有量が少なすぎると機械的強度を確保できず、特に、心部での強度が確保できない。一方、Ｃを過剰に含有すると、靭性の低下とともに低サイクル疲労強度を低下させてしまう。そこで、質量％で、Ｃは、０．１５〜０．２５％の範囲内であり、好ましくは０．１８〜０．２２％の範囲内である。

Ｓｉは、溶製時の脱酸剤として添加され得る。Ｓｉを過剰に含有すると、浸炭時に粒界酸化を助長して浸炭異常層の生成を促進し、浸炭部品として必要とされる最表層硬さを確保できない。そこで、質量％で、Ｓｉは、０．１５％以下の範囲内であり、好ましくは０．１０％以下の範囲内である。

Ｍｎは、溶製時の脱酸剤として、また、鋼の焼入れ性を確保するために添加される。Ｍｎの含有量が少なすぎると、焼入れが不足し、浸炭部品として必要とされる靭性を確保できない。一方、Ｍｎを過剰に含有すると、浸炭時に粒界酸化を助長して浸炭異常層の生成を促進し、浸炭部品として必要とされる最表層硬さを確保できない。そこで、質量％で、Ｍｎは、０．４〜１．１％の範囲内であり、好ましくは０．５５〜０．７５％の範囲内である。

Ｃｒは、鋼の焼入れ性を確保するために添加され、浸炭部品として必要とされる機械的強度の確保に必要である。一方、Ｃｒを過剰に含有すると、浸炭時に粒界酸化を助長して浸炭異常層の生成を促進させる一方、焼入れ性を向上させることで、７００Ｈｖ深さも増大させ、浸炭部品として必要とされる中サイクル疲労強度を損なう。そこで、質量％で、Ｃｒは、０．８〜１．４％の範囲内、好ましくは０．８〜１．２％の範囲内である。

Ｍｏは、粒界酸化を助長することなく鋼の焼入れ性を向上させ浸炭層の破壊靭性を向上させる。Ｍｏの含有が過少であると、浸炭層での不安定亀裂進展を抑制できず、浸炭部品として必要とされる中サイクル疲労強度を確保できない。一方、Ｍｏの含有が過剰であると、より深部であっても焼入れされ７００Ｈｖ深さを増大させ、浸炭部品として必要とされる中サイクル疲労強度を損なう。そこで、質量％で、Ｍｏは０．２５〜０．５５％の範囲内、好ましくは０．３〜０．４％の範囲内である。

Ｐは、結晶粒界を脆化させ、過剰に含有すると機械的強度を低下させ、浸炭部品として必要とされる低サイクル疲労から中サイクル疲労に対する強度の低下を招く。そこで、質量％で、Ｐは０．０１５％以下の範囲内である。

Ｓは、硫化物を生成させて亀裂の進展速度を増加させ、過剰に含有すると浸炭部品として必要とされる低サイクル疲労から中サイクル疲労に対する強度の低下を招く。そこで、質量％で、Ｓは０．０３５％以下の範囲内である。

なお、Ｃｕ及びＮｉはスクラップを原料とする場合において不可避的に含有される元素ではあるが、積極的な添加は行わない。

ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく改変例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例を見出すことができるであろう。

Claims (5)

1. 質量％で、
   Ｃ：０．１５〜０．２５％、
   Ｓｉ：０．１５％以下、
   Ｍｎ：０．４〜１．１％、
   Ｃｒ：０．８〜１．４％、
   Ｍｏ：０．２５〜０．５５％、
   Ｐ：０．０１５％以下、
   Ｓ：０．０３５％以下、
   残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、且つ、
   元素Ｍの質量％を［Ｍ］とすると、
   ０．１０≦［Ｍｏ］／（１０［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）≦０．４０
   を満たす部品鋼に浸炭により浸炭処理層を与えた浸炭部品であって、
   前記浸炭処理層における最大Ｃ量を質量％で、０．４５〜０．７５％の範囲内とするとともに、前記浸炭処理層の表面から２５μｍの深さ位置での硬さＨｖ_{ｄ＝２５μｍ}を６５０Ｈｖ以上、５０μｍの深さ位置での硬さＨｖ_{ｄ＝５０μｍ}を７５０Ｈｖ以下とし、Ｈｖ_{ｄ＝２５μｍ}とＨｖ_{ｄ＝５０μｍ}との差を５０Ｈｖ以下としたことを特徴とする浸炭部品。
2. 前記浸炭による７００Ｈｖ以上の硬さの領域を前記浸炭処理層の表面から３５０μｍ以内に与えたことを特徴とする請求項１記載の浸炭部品。
3. 質量％で、
   Ｃ：０．１５〜０．２５％、
   Ｓｉ：０．１５％以下、
   Ｍｎ：０．４〜１．１％、
   Ｃｒ：０．８〜１．４％、
   Ｍｏ：０．２５〜０．５５％、
   Ｐ：０．０１５％以下、
   Ｓ：０．０３５％以下、
   残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、且つ、
   元素Ｍの質量％を［Ｍ］とすると、
   ０．１０≦［Ｍｏ］／（１０［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）≦０．４０
   を満たす部品鋼に所定の機械加工を与える下加工ステップと、
   所定の温度に加熱し所定のカーボンポテンシャルの浸炭雰囲気中で浸炭及び拡散処理後、少なくとも８０℃以下の低温油浴に焼き入れて浸炭処理層を与える浸炭処理ステップと、を少なくとも含み、
   前記浸炭処理ステップは、前記浸炭処理層における最大Ｃ量を質量％で、０．４５〜０．７５％の範囲内とするとともに、前記浸炭処理層の表面から２５μｍの深さ位置での硬さＨｖ_{ｄ＝２５μｍ}を６５０Ｈｖ以上、５０μｍの深さ位置での硬さＨｖ_{ｄ＝５０μｍ}を７５０Ｈｖ以下とし、Ｈｖ_{ｄ＝２５μｍ}とＨｖ_{ｄ＝５０μｍ}との差を５０Ｈｖ以下となすステップであることを特徴とする浸炭部品の製造方法。
4. 前記浸炭処理ステップは、７００Ｈｖ以上の硬さの領域を前記浸炭処理層の表面から３５０μｍ以内に与えるステップであることを特徴とする請求項３記載の浸炭部品の製造方法。
5. 浸炭により表面硬化処理を施した浸炭部品に用いられる鋼であって、
   質量％で、
   Ｃ：０．１５〜０．２５％、
   Ｓｉ：０．１５％以下、
   Ｍｎ：０．４〜１．１％、
   Ｃｒ：０．８〜１．４％、
   Ｍｏ：０．２５〜０．５５％、
   Ｐ：０．０１５％以下、
   Ｓ：０．０３５％以下、
   残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、且つ、
   元素Ｍの質量％を［Ｍ］とすると、
   ０．１０≦［Ｍｏ］／（１０［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）≦０．４０
   を満たすことを特徴とする浸炭部品用鋼。