JP2019031745A - 浸炭部品 - Google Patents

Abstract

【課題】浸炭層を薄くせずとも、また製造工程を煩雑にせずとも、面疲労強度の高い浸炭部品を提供する。【解決手段】母材が規定の成分組成を満たすと共に、部品表面に垂直な断面において、部品表面から１００μｍ深さまでの表層域の旧オーステナイト結晶粒の平均結晶粒度が１０．０番以上であり、かつ、部品表面からの深さが２００〜５００μｍの内部域の旧オーステナイト結晶粒の平均結晶粒度が、６．０番以上９．０番以下であり、更に、表面Ｃ濃度：０．７０〜１．００％、および有効硬化層深さ：０．５０〜１．３ｍｍを満たすことを特徴とする浸炭部品。【選択図】図４

Description

本発明は、浸炭部品に関する。特には、面疲労寿命に優れた浸炭部品に関する。

輸送機器、建設機械、その他産業機械などにおいて、高強度が要求される機械構造用部品は、一般的にＳＣｒ、ＳＣＭ、ＳＮＣＭなどのＪＩＳ規格で定められた機械構造用合金鋼鋼材、いわゆる肌焼鋼を用い、鍛造や切削などの機械加工により所望の部品形状に成形された後、浸炭や浸炭窒化などの表面硬化処理が施され、浸炭部品等として製造される。
該浸炭部品としてより高強度な部品を提供するため、結晶粒微細化に着目した技術が例えば下記の特許文献１〜５で提案されている。

特許文献１には、浸炭焼入れ後に再度加熱して浸炭焼入れされる鋼製部品であって、再加熱して浸炭焼入れ後の表面から５０μｍ以内の部位において、旧オーステナイト結晶粒度番号が１１番以上、粒径０．５μｍ以下の析出炭化物の面密度が１０個／１０μｍ²以上及び析出炭化物の平均粒径が１μｍ以下である鋼製部品が提案されている。

特許文献２には、成分組成を規定した肌焼きボロン鋼を、鍛造工程前に１１５０℃以上に加熱してから熱間鍛造することにより、歯車内部のオーステナイト結晶粒度を７〜１１の範囲に抑え込み、熱処理後の歯車の変形を小さく抑えることが提案されている。

特許文献３には、歯車部品における歯元強度と歯面強度とを両立させることが可能な歯車部品が提案されている。具体的には、Ｂ：０．０００５〜０．００３５％を含む成分組成を規定すると共に、所定の歯車形状に形成された後に施される浸炭処理により、次の式（１）及び（２）を満たす歯車部品が提案されている。前記歯車部品の歯元部：（５５３．５３×Ｓ質量％）＋（３４．３６×有効硬化層深さｍｍ）−（０．１６×心部硬さＨＶ）＋（１２３．８６×表層Ｃ濃度質量％）≦５２…（１）、前記歯車部品の歯面部：（０．００１×心部硬さＨＶ）＋（０．０３７×全硬化層深さｍｍ）≧０．４６０…（２）

特許文献４には、規定の成分組成の肌焼鋼を材料とし、部品形状への成形および浸炭処理を経てなる浸炭部品であって、表層部のＣ濃度が０．５〜０．８％、かつ、Ｃ濃度が０．４％となる深さが０．１５〜０．５５ｍｍの範囲である炭素プロファイルを有する浸炭部品が提案されている。

特許文献５には、規定の成分組成を含み、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｐ、Ｂ、ＴｉおよびＮを含むパラメータと、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂを含むパラメータを規定した鋼材を素材とする浸炭部品であって、その部品を素材の圧延方向又は鍛錬軸に平行に切断した面におけるＭｎＳの面積の平方根を極値統計処理し、予測される累積分布関数が９９％の時のＭｎＳの最大面積の平方根ＲＳが４０μｍ以下で、且つ、浸炭層の表面のＣ濃度が質量％で０．８５％以下の浸炭部品が示されている。

特開２００７−２８４７３９号公報 特開平９−２４１７５０号公報 特開２０１０−１５２７号公報 特開２００７−２３１３０５号公報 特開２００４−２３８７０２号公報

上記の通り、結晶粒微細化に着目した技術として特許文献１〜５が提案されているが、特許文献１では微細な結晶粒を得るために２次焼入れが必要となる。また特許文献２は、熱間鍛造温度を恒温化することによりＮｂ（Ｔｉ）ＣＮによるピンニング効果を発揮させるものであるが、部品成型時に加熱を行う必要がある。更に特許文献３では、特許文献２の様なピンニング効果の利用とともに真空浸炭処理を行う必要があり、大量生産を行うことは難しいと考える。特許文献４では、耐摩耗性と耐衝撃強度を両立させるために浸炭層を浅くする必要があるが、浸炭層を浅くすると面疲労強度の低下が生じやすいと思われる。特許文献５では、低サイクル強度を確保するためにＭｎＳ形態を制御しなくてはならず、製造条件を厳密に制御する必要がある。

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、浸炭層を薄くせずとも、また製造工程を煩雑にせずとも、面疲労強度の高い浸炭部品を提供することにある。

上記課題を解決し得た本発明の浸炭部品は、
母材が、質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０１〜２．０％、
Ｍｎ：０．３０〜２．０％、
Ｐ：０％超０．０３０％以下、
Ｓ：０％超０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．５０〜３．０％、
Ａｌ：０．０１０〜０．１０％、
Ｎ：０．００１０〜０．０５０％、
Ｔｉ：０．０１％超０．３０％以下、および
Ｎｂ：０．０１〜０．３０％
を含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなり、
部品表面に垂直な断面において、
部品表面から１００μｍ深さまでの表層域の旧オーステナイト結晶粒の平均結晶粒度が１０．０番以上であり、かつ、
部品表面からの深さが２００〜５００μｍの内部域の旧オーステナイト結晶粒の平均結晶粒度が、６．０番以上９．０番以下であり、更に、
表面Ｃ濃度：０．７０〜１．００％、および有効硬化層深さ：０．５０〜１．３ｍｍを満たすところに特徴を有する。

前記浸炭部品は、更に、下記（ａ）〜（ｄ）のうちの１以上を含んでいてもよい。下記％は、質量％を意味する。
（ａ）Ｍｏ：０％超２．００％以下
（ｂ）Ｃｕ：０％超０．１０％以下、およびＮｉ：０％超３．０％以下よりなる群から選択される１種以上の元素
（ｃ）Ｖ：０％超０．３０％以下、Ｗ：０％超０．３０％以下、およびＨｆ：０％超０．３０％以下よりなる群から選択される１種以上の元素
（ｄ）Ｂ：０％超０．０１０％以下

本発明によれば、浸炭部品の表層域の結晶粒を微細化でき、かつ内部域の結晶粒の粗大化防止を達成して、面疲労寿命に優れた浸炭部品を提供することができる。尚、以下では、面疲労寿命に優れていることを「面疲労強度が高い」ということがある。

図１は、実施例における分塊圧延と棒鋼圧延を模擬した熱処理条件を示した図である。 図２は、試験片である小ローラーの形状を示す図である。 図３−１は、実施例における浸炭条件を示す図である。 図３−２は、実施例における他の浸炭条件を示す図である。 図４は、実施例における浸炭部品の断面観察顕微鏡写真である。 図５は、実施例における面疲労寿命試験で、試験片と組み合わせる部品である大ローラーの形状を示す図である。 図６は、実施例における面疲労寿命試験で大ローラーと小ローラーを組合せた状態を示す図であり、（ａ）が側面図、（ｂ）が正面図である。

本発明者らは、浸炭層を薄くせずとも、また製造工程を煩雑にせずとも、従来提案された部品と同等またはそれ以上の強度、特には面疲労強度の高い浸炭部品を得るべく、鋭意研究を重ねた。その結果、部品表面に垂直な断面において、後述の通り、部品の表層域は微細な結晶粒とし、かつ部品の内部域は結晶粒の粗大化が防止された組織とすれば、高い面疲労強度、即ち、後記実施例で測定する面疲労寿命に優れた浸炭部品が得られること、更にこの様な組織を得るには、製造工程を煩雑にせずとも、後述の通り冷間加工条件と加熱条件を制御すればよいことを見出し、本発明を完成させた。詳細を次に述べる。

本発明の浸炭部品は、部品表面に垂直な断面において、
（i）部品表面から１００μｍ深さまでの表層域の旧オーステナイト結晶粒の平均結晶粒度が１０．０番以上であり、かつ、
（ii）部品表面からの深さが２００〜５００μｍの内部域の旧オーステナイト結晶粒の平均結晶粒度が、６．０番以上９．０番以下である点に特徴がある。以下、上記「部品表面から１００μｍ深さまでの表層域」を「部品表層域」、上記「部品表面からの深さが２００〜５００μｍの内部域」を「部品内部域」ということがある。また「旧オーステナイト結晶粒の平均結晶粒度」を単に「結晶粒度」ということがある。

まず上記（i）の通り部品表層域の結晶粒度は１０．０番以上とする。この結晶粒度が例えば９．０番以下であって部品内部域の結晶粒度と差異がない場合、面疲労強度は従来部品と同等となるため、上記の通り部品表層域の結晶粒度の下限を定めた。上記結晶粒度は、好ましくは１０．５番以上、より好ましくは１１．０番以上である。尚、後述する製造条件等を考慮すると、上記結晶粒度の上限は１３番程度となる。

また、部品内部域の結晶粒度が６．０番未満であると面疲労寿命が低下するため、上記（ii）の通り、部品内部域の結晶粒度の下限は６．０番以上とする。好ましくは６．５番以上、より好ましくは７．０番以上である。また部品内部域の結晶粒度の上限は、後述する製造工程において、冷間加工時に導入できるひずみ量を考慮すると、９．０番以下、好ましくは８．５番以下、さらに好ましくは８．０番以下である。

本発明では、上記部品表面から１００μｍ深さまでの表層域と、上記部品表面からの深さが２００〜５００μｍの内部域の旧オーステナイト結晶粒の平均結晶粒度が、上記範囲を満たせばよく、それ以外の領域の旧オーステナイト結晶粒の平均結晶粒度は特に問わない。部品表層域と部品内部域の間、即ち、部品表面からの深さが１００〜２００μｍの領域の結晶粒のサイズは、後記図４に示す通り、部品表層域の結晶粒サイズと部品内部域の結晶粒サイズの間であり、例えば７．０〜１３．０番の範囲内にある。また、部品表面からの深さが５００μｍよりも深い領域の結晶粒度も問わず、例えば６．０〜９．０番の範囲内にある。部品表面からの測定深さとして、例えば部品表面から８００μｍ深さまでを観察することが挙げられる。

優れた面疲労寿命を確保するには、浸炭部品の表面Ｃ濃度も制御する必要がある。よって本発明では、浸炭部品の表面Ｃ濃度を０．７０〜１．００％とする。上記表面Ｃ濃度は、好ましくは０．７５％以上、より好ましくは０．８０％以上である。一方、表面Ｃ濃度が高すぎると、面疲労寿命はかえって低下するため、表面Ｃ濃度は１．００％以下とする必要があり、好ましくは０．９５％以下、より好ましくは０．９０％以下である。

面疲労寿命の向上には更に、浸炭による有効硬化層も一定以上の深さを確保する必要がある。本発明では、有効硬化層深さ（ＥＣＤ、ＥｆｆｅｃｔｉｖｅＣａｓｅＤｅｐｔｈ）として、浸炭部品の表面から５１３ＨＶの位置までの距離が、０．５０ｍｍ以上であることを規定する。前記ＥＣＤは、好ましくは０．５５ｍｍ以上、さらに好ましくは０．６０ｍｍ以上である。一方、前記ＥＣＤが深すぎると、高炭素領域が増えて部品全体の靭性が低下するため、前記ＥＣＤの上限は、１．３ｍｍ以下とする。前記ＥＣＤの上限は、好ましくは１．２５ｍｍ以下、さらに好ましくは１．２０ｍｍ以下である。

本発明の浸炭部品は、上述したように部品表層域の結晶粒が微細であり、かつ部品内部域の結晶粒粗大化を防止しているところに特徴があるが、例えば機械構造用部品として用いること等を考慮すると、母材の成分組成、即ち部品を構成する鋼の成分組成も適切に調整する必要がある。以下、該成分組成について説明する。

Ｃ：０．１０〜０．３０％
Ｃは、部品として必要な内部硬さを確保するために必要な元素であり、Ｃ量が０．１０％未満では硬さ不足により部品としての静的強度が不足する。従ってＣ量は０．１０％以上、好ましくは０．１２％以上、より好ましくは０．１５以上である。しかし過剰にＣが含まれると、素材硬さが増大し冷間加工性が悪化する。従ってＣ量は０．３０％以下に抑える必要がある。Ｃ量は、好ましくは０．２８％以下、より好ましくは０．２５％以下である。

Ｓｉ：０．０１〜２．０％
Ｓｉは、浸炭処理時の面疲労寿命向上に有効な元素である。こうした効果を有効に発揮させるため、Ｓｉ量は０．０１％以上とする。Ｓｉ量は、より好ましくは０．０３％以上、更に好ましくは０．０５％以上である。しかし過剰にＳｉを含有すると、部品表面に酸化物が形成されやすく、浸炭時にＣが浸入しにくくなる。その結果、浸炭時に表面Ｃ濃度の確保や有効硬化層深さの確保が困難になり面疲労寿命が低下する。またＣが浸入しにくいと、ピンニング粒子であるＮｂＴｉＣＮ等の析出物が安定化しにくく、固溶しやすいと考えられる。その結果、結晶粒の粗大化を招きやすいと思われる。従って、Ｓｉ量は２．０％以下、好ましくは１．５％以下、より好ましくは１．０％以下である。

Ｍｎ：０．３０〜２．０％
Ｍｎは、浸炭処理時の焼入性を高めるのに作用する元素である。またＭｎは、脱酸材としても作用し、鋼中の酸化物系介在物量を低減して内部品質を高める作用を有する元素である。更に、Ｍｎは赤熱脆性の防止にも作用する。こうした作用を有効に発揮させるため、Ｍｎを０．３０％以上含有させる。Ｍｎ量は、好ましくは０．４０％以上、より好ましくは０．５０％以上である。しかしＭｎが過剰に含まれると、素材硬さが増大し冷間加工性が悪化する。従ってＭｎ量は２．０％以下とする。Ｍｎ量は、好ましくは１．８％以下、より好ましくは１．７％以下である。

Ｐ：０％超０．０３０％以下
Ｐは、鋼中に不可避不純物として含まれる元素であり、結晶粒界に偏析して浸炭部品の面疲労寿命を劣化させる。従ってＰ量は０．０３０％以下に抑える。Ｐ量は、好ましくは０．０２５％以下、より好ましくは０．０２０％以下とする。

Ｓ：０％超０．０３０％以下
Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、切削加工するときの被削性を改善する元素である。こうした作用を有効に発揮させるには、Ｓは０．００１０％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．００５０％以上、更に好ましくは０．０１００％以上である。しかしＳを過剰に含有してＭｎＳの生成量が多くなると、浸炭部品の面疲労寿命が劣化する。従ってＳ量は０．０３０％以下、好ましくは０．０２５％以下である。

Ｃｒ：０．５０〜３．０％
Ｃｒは、浸炭を促進させ、鋼の表面に硬化層を形成するために必要な元素である。またＣｒ炭化物を形成し、ピンニング効果により結晶粒の微細化にも寄与する元素である。こうした作用を有効に発揮させるため、Ｃｒは０．５０％以上含有させる。Ｃｒ量は、好ましくは０．６０％以上、より好ましくは０．７０％以上である。しかしＣｒが過剰に含まれると、過剰浸炭を引き起こし、面疲労寿命を低下させる。従ってＣｒ量は３．０％以下、好ましくは２．５％以下、より好ましくは２．０％以下である。

Ａｌ：０．０１０〜０．１０％
Ａｌは、脱酸材として作用する元素であり、またＡｌＮを形成し、ピンニング効果により結晶粒の微細化にも寄与する元素である。こうした作用を有効に発揮させるため、Ａｌを０．０１０％以上含有させる。Ａｌ量は、好ましくは０．０１５％以上、より好ましくは０．０２０％以上である。しかしＡｌが過剰に含まれると、素材硬さが増大し冷間加工性が悪化する。従ってＡｌ量は０．１０％以下、好ましくは０．０８０％以下、より好ましくは０．０６０％以下とする。

Ｎ：０．００１０〜０．０５０％
Ｎは、浸炭部品の結晶粒度の適切な調整に作用するＡｌＮの形成に必要な元素である。
従ってＮ量は０．００１０％以上とする。Ｎ量は、好ましくは０．００２０％以上、より好ましくは０．００３０％以上である。しかしＮ量が過剰に含まれると、素材硬さが増大し冷間加工性を悪化させる。従ってＮ量は０．０５０％以下、好ましくは０．０４０％以下、より好ましくは０．０３０％以下とする。

Ｔｉ：０．０１％超０．３０％以下
Ｔｉは、Ｔｉ系析出物やＴｉＮｂ系析出物を形成して、部品表層域の結晶粒微細化および部品内部域の結晶粒粗大化防止に寄与する元素である。この効果を発揮させるため、Ｔｉ量を０．０１％超とする。Ｔｉ量は、好ましくは０．０２％以上、より好ましくは０．０３％以上である。しかしＴｉが過剰に含まれると、素材硬さが増大し冷間加工性が悪化する。従ってＴｉ量は０．３０％以下とする。Ｔｉ量は、好ましくは０．２０％以下、より好ましくは０．１０％以下である。

Ｎｂ：０．０１〜０．３０％
Ｎｂは、Ｎｂ系析出物やＮｂＴｉ系析出物を形成して、部品表層域の結晶粒微細化および部品内部域の結晶粒粗大化防止に寄与する元素である。この効果を発揮させるため、Ｎｂ量を０．０１％以上とする。Ｎｂ量は、好ましくは０．０２％以上、より好ましくは０．０３％以上である。しかしＮｂが過剰に含まれると、素材硬さが増大し冷間加工性が悪化する。従ってＮｂ量は０．３０％以下とする。Ｎｂ量は、好ましくは０．２０％以下、より好ましくは０．１０％以下である。

本発明の浸炭部品を構成する母材の成分は上記の通りであり、残部は鉄および不可避不純物である。不可避不純物としては、例えば、原料、資材、製造設備などの状況によって持ち込まれる元素が挙げられる。

また本発明の浸炭部品を構成する母材は、上記元素に加えて更に、下記Ｍｏ等の元素を含んでいてもよい。含有させる元素に応じて鋼の特性がさらに改善される。以下、これらの元素について詳述する。

（ａ）Ｍｏ：０％超２．００％以下
Ｍｏは、浸炭処理における面疲労寿命向上に寄与する元素である。こうした作用を有効に発揮させるには、Ｍｏ量を０．２０％以上とすることが好ましい。Ｍｏ量は、より好ましくは０．２５％以上、更に好ましくは０．３０％以上である。しかしＭｏが過剰に含まれると、素材硬さが増大し冷間加工性が悪化する。従ってＭｏ量は２．００％以下であることが好ましく、より好ましくは１．８０％以下、更に好ましくは１．５０％以下である。

（ｂ）Ｃｕ：０％超０．１０％以下、およびＮｉ：０％超３．０％以下よりなる群から選択される１種以上の元素
ＣｕとＮｉは、上記Ｍｏと同様に、浸炭処理における焼入性の向上に作用する元素である。また、ＣｕとＮｉは、Ｆｅよりも酸化され難い元素であるため、浸炭部品の耐食性改善にも有用な元素である。こうした作用を有効に発揮させるには、Ｃｕを含有させる場合、Ｃｕ量を０．０３％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．０４％以上、更に好ましくは０．０５％以上である。またＮｉを含有させる場合、Ｎｉ量を０．０３％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．０５％以上、更に好ましくは０．０８％以上である。

しかし、Ｃｕを過剰に含有すると、熱間圧延性が低下し、割れなどの問題が発生し易くなる。従ってＣｕ量は０．１０％以下であることが好ましく、より好ましくは０．０８％以下である。また、Ｎｉを過剰に含有すると、コスト高となるため、Ｎｉ量は３．０％以下とすることが好ましい。Ｎｉ量は、より好ましくは２．５％以下、更に好ましくは２．０％以下である。ＣｕとＮｉは、何れか一方を含有してもよいし、両方を含有してもよい。

（ｃ）Ｖ：０％超０．３０％以下、Ｗ：０％超０．３０％以下、およびＨｆ：０％超０．３０％以下よりなる群から選択される１種以上の元素
Ｖ、Ｗ、Ｈｆは、鋼中に炭化物、窒化物、炭窒化物などの結晶粒微細化効果および結晶粒粗大化防止効果を発揮する析出物を生成させて、浸炭後の結晶粒度を調整するのに有用な元素である。

Ｖを含有させる場合、上記析出物としてＶ系析出物を生成させて、上記効果を得るには、Ｖ量を０．０１％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．０２％以上、更に好ましくは０．０３％以上である。しかしＶが過剰に含まれると、素材硬さが増大し冷間加工性が悪化する。従ってＶ量は０．３０％以下であることが好ましく、より好ましくは０．２０％以下、更に好ましくは０．１０％以下である。

Ｗを含有させる場合、上記析出物としてＷ系析出物を生成させて、上記効果を得るには、Ｗ量を０．０１％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．０２％以上、更に好ましくは０．０３％以上である。しかしＷが過剰に含まれると、冷間加工性が低下し加工し難くなる。従ってＷ量は０．３０％以下であることが好ましく、より好ましくは０．２０％以下、更に好ましくは０．１０％以下である。

Ｈｆを含有させる場合、上記析出物としてＨｆ系析出物を生成させて、上記効果を得るには、Ｈｆ量を０．０１％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．０２％以上、更に好ましくは０．０３％以上である。しかしＨｆが過剰に含まれると、冷間加工性が低下し加工し難くなる。従ってＨｆ量は０．３０％以下であることが好ましく、より好ましくは０．２０％以下、更に好ましくは０．１０％以下である。尚、これらの元素は、単独で用いてもよいし２種以上を併用してもよい。

（ｄ）Ｂ：０％超０．０１０％以下
Ｂは、浸炭処理における焼入性を高めるのに作用する元素である。ＢはＣｒ、Ｍｎ、Ｍｏなどに比べ微量で焼入性の向上効果が生じうるため、冷間加工性の低下を招きにくい。
こうした作用を有効に発揮させるには、Ｂ量を０．０００５％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．０００８％以上、更に好ましくは０．００１０％以上である。しかし、Ｂが過剰に含まれると、Ｎとの結合によりＢＮを生成し面疲労寿命が低下する。また、ＢＮが形成され易く、ピンニング粒子であるＡｌＮやＮｂＣＮ、ＴｉＣＮなどの生成が抑えられ、結晶粒の粗大化を招きやすい。従ってＢ量は、０．０１０％以下であることが好ましく、より好ましくは０．００８０％以下、更に好ましくは０．００５０％以下である。

次に、上記成分組成の鋼を用い、本発明の浸炭部品を製造する方法について説明する。
本発明の浸炭部品には、浸炭窒化部品も含まれる。

本発明の浸炭部品は例えば次の様にして製造することができる。即ち、上記範囲に成分調整した鋼を溶製し、鋳造して得られた鋳片に対し鍛伸加工を行った後、分塊圧延、棒鋼圧延を行って例えば棒鋼を得る。その後、黒皮を酸洗または機械加工により除去した後、軟化熱処理、鍛造などの塑性変形を伴う冷間加工、必要に応じて更に機械加工等を施して部品形状に成型した後、浸炭処理を行うことにより、浸炭部品が得られる。前記軟化熱処理は、特に限定されず一般的な条件を採用することができる。

前述の通り部品表層域の結晶粒が微細、かつ部品内部域の結晶粒粗大化のない組織を得るには、上記製造工程において、特に冷間加工条件と加熱条件を制御することが推奨される。以下、これらの工程で推奨される条件について説明する。

上記冷間加工として、冷間鍛造や冷間押し出し等が挙げられる。この冷間加工は、部品成型と共に表面にひずみを導入することが目的である。上記ひずみ導入のためには、その加工ひずみを０．５以上とする必要がある。加工ひずみは、好ましくは０．６以上、さらに好ましくは０．７以上である。上限は鋼材表面に割れが発生しない程度とする。

前記冷間加工後（必要に応じて機械加工後）には浸炭処理を行う。この浸炭処理は、浸炭雰囲気に制御された炉内に挿入して浸炭を開始する。その雰囲気は、浸炭処理全体を通じて、Ｃｐ（カーボンポテンシャル、Ｃａｒｂｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌ）の下限値を０．７０％以上とする。前記Ｃｐは、好ましくは０．７５％以上、さらに好ましくは０．８０％以上であり、Ｃｐ上限は１．００％以下、好ましくは０．９５％以下、さらに好ましくは０．９０％以下である。

部品表層域の結晶粒微細化と部品内部域の結晶粒粗大化防止に有効な、Ｎｂ系析出物、Ｔｉ系析出物、ＮｂＴｉ系析出物といったピンニング粒子の安定化を図るため、浸炭工程における加熱条件を次の通りとする。即ち、浸炭前部品を挿入して実施する浸炭工程１と、前記浸炭工程１の後に行う、前記浸炭工程１よりも高い加熱温度で浸炭を行う浸炭工程２とを、少なくとも有する。

前記浸炭工程１の加熱温度、つまり浸炭前部品挿入時の加熱温度の下限は、８４０℃以上とする。上記加熱温度は、好ましくは８５０℃以上、さらに好ましくは８６０℃以上である。また、上記加熱温度の上限は、９００℃以下、好ましくは８９０℃以下、さらに好ましくは８８０℃以下とする。更に該加熱温度での保持時間の下限は５分以上、好ましくは７分以上、さらに好ましくは１０分以上であり、上記保持時間の上限は３０分以下、好ましくは２５分以下、さらに好ましくは２０分以下である。

その後、より高い加熱温度で浸炭を行う浸炭工程２を実施することにより、浸炭層を深くし、高強度の確保を図る。この浸炭工程２における加熱温度の下限は、９００℃以上であり、好ましくは９１０℃以上、さらに好ましくは９２０℃以上である。また上記加熱温度の上限は、９６０℃以下であり、好ましくは９５０℃以下である。浸炭層深さの確保のためには、前記加熱温度での保持時間を１２０分以上とする必要がある。該保持時間は、好ましくは１５０分以上、さらに好ましくは１８０分以上である。尚、保持時間の上限は、生産性等の観点から４５０分以下とする。好ましくは４００分以下、さらに好ましくは３５０分以下である。

浸炭方法として、ガス浸炭、真空浸炭、イオン浸炭（プラズマ浸炭）等の方法が挙げられる。浸炭ガス中にＮＨ₃等を添加して浸炭と同時に浸窒を行う浸炭窒化を行ってもよい。

後記する実施例では、浸炭工程１に引き続き、昇温させて浸炭工程２を実施する熱処理パターンで行っているが、これに限定されず、浸炭工程１後に冷却した後、再び昇温させて浸炭工程２を実施してもよい。

また、浸炭工程２の後に更に、浸炭工程２よりも低い加熱温度で浸炭を行う浸炭工程を１以上含んでいてもよい。

浸炭終了時には油焼入れを行う。焼入れひずみの低減を勘案し、焼入れ温度を低めとする。具体的には焼入れ温度を、８７０℃以下、好ましくは８６０℃以下、より好ましくは８５０℃以下とする。尚、部品強度確保の観点からは、焼入れ温度の下限は８２０℃以上であり、好ましくは８３０℃以上、より好ましくは８４０℃以上である。焼入れ用油の温度は特に限定しないが５０℃以上１６０℃以下であることが好ましい。

その後、焼戻し処理を行う。焼戻しの効果を得るため、焼戻し温度は１５０℃以上、好ましくは１５５℃以上とする。一方、焼戻し温度が高すぎると表層硬さが低下し、面疲労強度の劣化につながるため、焼戻し温度の上限は１７０℃以下、好ましくは１６５℃以下、より好ましくは１６０℃以下である。また上記焼戻し温度での保持時間は、１時間以上、好ましくは１．２時間以上、さらに好ましくは１．５時間以上であり、上記保持時間の上限は、３時間以下、好ましくは２．５時間以下、より好ましくは２．０時間以下である。上記焼戻し温度での保持後は室温まで放冷を行う。この浸炭処理の前に焼準処理を挟んでも構わない。

本発明によれば浸炭部品の表面異常層の形成が抑制されているため、浸炭後に表面異常層を除去することなく浸炭部品を得ることができる。

本発明で得られる浸炭部品の具体的な形態として、例えば自動車などの輸送機器、建設機械、その他産業機械などにおいて用いられる機械構造用部品が挙げられる。より具体的には、歯車、シャフト類、無段変速機（ＣＶＴ、Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）プーリ、等速ジョイント（ＣＶＪ、Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｊｏｉｎｔ）、軸受などが挙げられる。

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。

表１−１および表１−２に示す成分組成のインゴットを真空溶解炉にて溶製し、鍛伸加工を行った後、図１に示す分塊圧延と棒鋼圧延を模擬した熱処理条件で熱処理を施し、径の異なる棒鋼を作製した。作製した棒鋼の表面を酸洗、ボンデ処理した後、冷間引き抜き加工を行い、初期径の違いにより表２に示す各加工ひずみを与えて、いずれの例も直径２７ｍｍの丸棒を作製した。その後、機械加工により図２に示す形状の試験片１を作成した。この浸炭前の試験片１を用い、９５０℃×６０ｍｉｎ→６５０℃×６０ｍｉｎ→放冷の条件で軟化熱処理を行ってから、図３−１および図３−２に示す条件で浸炭処理し、浸炭後の試験片１を得た。表２の「浸炭条件」の欄の条件１〜６は、前記図３−１および図３−２の（１）〜（６）の浸炭条件に夫々対応する。尚、図３−１および図３−２において、（２）〜（４）の浸炭条件はそれぞれ、特許文献１〜３で実施の条件に相当する。また（５）、（６）の浸炭条件はそれぞれ、特許文献４、５で実施の浸炭条件に近い条件である。また前記冷間引き抜き加工で断線が生じたものは、表２にて浸炭条件の欄に「加工不可」と記載し、浸炭処理や組織・特性の評価を行わなかった。

旧オーステナイト結晶粒度の判定
図２に示す試験片１のφ２６ｍｍ部の長手方向中央に垂直な面Ｘを切断し、切断面を、研磨、エタノールと３％硝酸との混合液であるナイタール液でエッチングした後、光学顕微鏡にて観察倍率１００倍で観察を行った。その一例を図４に示す。この図４に示す通り、本発明の浸炭部品の表面に垂直な断面において、表面から約１００〜２００μｍのあたりを境界として、この境界よりも部品表面側と部品内部側とでは結晶粒度が異なり、前記境界よりも部品表面側では微細粒層が形成されたような様相を呈する。

本実施例では、前記図４の部品表面から１００μｍ深さまでの領域Ｑの旧オーステナイト粒の平均結晶粒度と、前記図４の部品表面からの深さが２００〜５００μｍの領域Ｒの旧オーステナイト粒の平均結晶粒度とを判定した。前記平均結晶粒度は、ＪＩＳＧ０５５１（２００５年）に従って旧オーステナイト粒の粒度番号を測定して求めた。その測定結果を表２に示す。

表面Ｃ濃度の測定
図２に示す試験片１のφ２６ｍｍ部の長手方向中央に垂直な面Ｘを切断し、切断面において、試験片１の表面から２ｍｍ深さまでのＣ濃度分布を、日本電子株式会社製ＪＸＡ−８９００型ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ ＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｓｅｒ、電子線マイクロアナライザ）を用いて求め、試験片１の表面から２０μｍ深さまでのＣ濃度の平均値を「表面Ｃ濃度」として求めた。その結果を表２に示す。

有効硬化層深さの測定
有効硬化層深さは、ビッカース硬さ計を用いた硬さ分布測定により行った。図２に示す試験片１のφ２６ｍｍ部の長手方向中央に垂直な面Ｘを切断し、切断面において、試験片表面から１００μｍ深さの位置から、１００μｍ間隔で２ｍｍ深さまでの硬さ測定を３００ｇの荷重で行った。そして、試験片表面からの深さとビッカース硬さの関係を示す近似曲線から、５１３ＨＶに該当する試験片表面からの深さを有効硬化層深さとした。各試験片の有効硬化層深さを表２のＥＣＤの欄に示す。

面疲労寿命試験
コマツ式ローラーピッチング試験機を用い、試験片と組み合わせる部品である図５に示すＳＵＪ２製の大ローラーのＲ部と、図２に示す試験片１のφ２６ｍｍ部との摺動試験を、図６の通り実施した。試験には市販のＡＴ油を用い、油温９０℃、面圧３．０ＧＰａ、回転数１５００ｒｐｍ、すべり率−６０％にて試験を実施した。そしてピッチング寿命が５０万回以上の場合を面疲労寿命に優れていると評価した。その結果を表２に示す。

表１−１、表１−２および表２から次のことがわかる。試験Ｎｏ．１〜１８は、規定の成分組成を満たし、かつ部品表面に垂直な断面において、旧オーステナイト結晶粒の平均結晶粒度が、表層域と内部域のそれぞれで規定を満たしており、かつ規定の表面Ｃ濃度と有効硬化層深さを確保できているため、優れた面疲労寿命を確保できた。

これに対して試験Ｎｏ．１９〜５５は、本発明で規定の成分組成と部品の組織の少なくともいずれかが規定を外れているため、加工できなかったり、表面Ｃ濃度や有効硬化層深さを確保できない、優れた面疲労寿命が得られないといった不具合が生じた。詳細は次の通りである。

試験Ｎｏ．１９は、母材のＣ量が不足しており、微細なＮｂＴｉＣＮ等の析出物が形成されず、ピンニング粒子の微細分散が不十分であるため、部品内部域の結晶粒粗大化が生じたため、面疲労寿命が小さくなった。

試験Ｎｏ．２０は、母材のＣ量が過剰であるため素材硬さが増大して冷間加工性が悪化し、良好に冷間引き抜き加工できなかった。即ち、冷間引き抜き加工で断線が生じた。

試験Ｎｏ．２１は、Ｓｉ量が過剰であるため、部品表層域の結晶粒が粗大であると共に、規定の表面Ｃ濃度と有効硬化層深さを確保できず、面疲労寿命が著しく短くなった。

試験Ｎｏ．２２は、Ｍｎ量が不足しているため、十分に焼きが入らず部品表層域の結晶粒が粗大となり、面疲労寿命が短くなった。試験Ｎｏ．２３は、Ｍｎ量が過剰であるため素材硬さが増大し、良好に冷間引き抜き加工できなかった。

試験Ｎｏ．２４はＰ量が過剰であるため、また試験Ｎｏ．２５はＳ量が過剰であるため、いずれも面疲労寿命が劣化した。

試験Ｎｏ．２６は、Ｃｒ量が不足しているため、ピンニングに寄与するＣｒ炭化物が十分形成されず、部品表層域の結晶粒が粗大となり、面疲労寿命が短くなった。

試験Ｎｏ．２７は、Ｃｒ量が過剰であり、過剰浸炭が生じて面疲労寿命が低下した。

試験Ｎｏ．２８は、結晶粒微細化に寄与するＡｌの含有量が不足しており、部品表層域の結晶粒が粗大となり、面疲労寿命が短くなった。

試験Ｎｏ．２９は、Ａｌが過剰であるため、素材硬さが増大して冷間加工性が悪化し、良好に冷間引き抜き加工できなかった。また試験Ｎｏ．３０は、Ｎ量が過剰であるため、素材硬さが増大して冷間加工性が悪化し、良好に冷間引き抜き加工できなかった。

試験Ｎｏ．３１は、Ｔｉ量が不足しているため、結晶粒微細化に寄与するＴｉ系析出物を十分形成できず、部品表層域の結晶粒粗大化が生じ、その結果、面疲労寿命が短くなった。試験Ｎｏ．３２は、Ｔｉ量が過剰であるため、素材硬さが増大して冷間加工性が悪化し、良好に冷間引き抜き加工できなかった。

試験Ｎｏ．３３は、Ｎｂ量が不足しているため、結晶粒微細化に寄与するＮｂ系析出物を十分形成できず、部品表層域の結晶粒粗大化が生じ、その結果、面疲労寿命が短くなった。試験Ｎｏ．３４は、Ｎｂ量が過剰であるため、素材硬さが増大して冷間加工性が悪化し、良好に冷間引き抜き加工できなかった。

試験Ｎｏ．３５〜３８はそれぞれ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｈｆが過剰に含まれているため、素材硬さが増大して冷間加工性が悪化し、良好に冷間引き抜き加工できなかった。

試験Ｎｏ．３９は、Ｂ量が過剰であり、部品表層域の結晶粒が粗大となり、面疲労寿命が短くなった。

試験Ｎｏ．４０、４１は、成分組成が本発明で規定範囲内である鋼材Ｎｏ．１を用い、試験Ｎｏ．４０は、加工ひずみが０．３３である冷間引き抜き加工を行い、試験Ｎｏ．４１は、冷間引き抜き加工を行わなかった、即ちひずみを導入しなかった例である。これらの例では、上記の通りひずみを導入しなかったか、十分なひずみを導入しなかったため、部品表層域の結晶粒が粗大となり、面疲労寿命が短くなった。

試験Ｎｏ．４２、４３は、成分組成が本発明で規定範囲内である鋼材Ｎｏ．４０を用い、特許文献１の浸炭条件に相当する浸炭条件（２）で浸炭を実施した例である。試験Ｎｏ．４３では更に、冷間引き抜き加工を行わなかった。その結果、試験Ｎｏ．４２、４３のいずれも、部品表層域の結晶粒が粗大となり、かつ表面Ｃ濃度が過剰となり、面疲労寿命が短くなった。

試験Ｎｏ．４４、４５は、成分組成が本発明の規定範囲内である鋼材Ｎｏ．４１を用い、特許文献２の浸炭条件に相当する浸炭条件（３）で浸炭を実施した例である。試験Ｎｏ．４５では更に、冷間引き抜き加工を行わなかった。その結果、試験Ｎｏ．４４、４５のいずれも、部品表層域の結晶粒が粗大となり、面疲労寿命が短くなった。

試験Ｎｏ．４６、４７は、成分組成が本発明の規定範囲内である鋼材Ｎｏ．４２を用い、特許文献３の浸炭条件に相当する浸炭条件（４）で浸炭を実施した例である。試験Ｎｏ．４７では更に、冷間引き抜き加工を行わなかった。その結果、試験Ｎｏ．４６、４７のいずれも、部品表層域の結晶粒が粗大となり、かつ表面Ｃ濃度が不足し、面疲労寿命が短くなった。

試験Ｎｏ．４８、４９は、成分組成が本発明の規定範囲内である鋼材Ｎｏ．４３を用い、特許文献４の浸炭条件に近い浸炭条件（５）で浸炭を実施した例である。試験Ｎｏ．４９では更に、冷間引き抜き加工を行わなかった。その結果、試験Ｎｏ．４８、４９のいずれも、部品表層域の結晶粒が粗大となり、面疲労寿命が短くなった。

試験Ｎｏ．５０、５１は、成分組成が本発明の規定範囲内である鋼材Ｎｏ．４４を用い、特許文献５の浸炭条件に近い浸炭条件（６）で浸炭を実施した例である。試験Ｎｏ．５１では更に、冷間引き抜き加工を行わなかった。その結果、試験Ｎｏ．５０、５１のいずれも、部品表層域の結晶粒が粗大となり、面疲労寿命が短くなった。

試験Ｎｏ．５２〜５５はそれぞれ、成分組成が本発明の規定範囲内である鋼材Ｎｏ．１を用い、特許文献１〜４の浸炭条件に相当または近い浸炭条件（２）〜（５）で浸炭を実施した例である。これら従来の条件で浸炭を行うと、部品表層域の結晶粒が粗大となり、面疲労寿命が短くなった。また試験Ｎｏ．５２、５３および５５では表層Ｃ濃度が過剰となった。

１ 試験片
Ｘ φ２６ｍｍ部の長手方向中央に垂直な面
Ａ 放冷
Ｂ 油温１００℃の油焼入れ
Ｑ 部品表面から１００μｍ深さまでの領域
Ｒ 部品表面からの深さが２００〜５００μｍの領域

Claims (5)

1. 前記母材が、質量％で、
   Ｃ：０．１０〜０．３０％、
   Ｓｉ：０．０１〜２．０％、
   Ｍｎ：０．３０〜２．０％、
   Ｐ：０％超０．０３０％以下、
   Ｓ：０％超０．０３０％以下、
   Ｃｒ：０．５０〜３．０％、
   Ａｌ：０．０１０〜０．１０％、
   Ｎ：０．００１０〜０．０５０％、
   Ｔｉ：０．０１％超０．３０％以下、および
   Ｎｂ：０．０１〜０．３０％
   を含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなり、
   部品表面に垂直な断面において、
   部品表面から１００μｍ深さまでの表層域の旧オーステナイト結晶粒の平均結晶粒度が１０．０番以上であり、かつ、
   部品表面からの深さが２００〜５００μｍの内部域の旧オーステナイト結晶粒の平均結晶粒度が、６．０番以上９．０番以下であり、更に、
   表面Ｃ濃度：０．７０〜１．００％、および有効硬化層深さ：０．５０〜１．３ｍｍを満たすことを特徴とする請求項１に記載の浸炭部品。
2. 前記母材は、更に、質量％で、Ｍｏ：０％超２．００％以下を含有する請求項１に記載の浸炭部品。
3. 前記母材は、更に、質量％で、Ｃｕ：０％超０．１０％以下、およびＮｉ：０％超３．０％以下よりなる群から選択される１種以上の元素を含有する請求項１または２に記載の浸炭部品。
4. 前記母材は、更に、質量％で、Ｖ：０％超０．３０％以下、Ｗ：０％超０．３０％以下、およびＨｆ：０％超０．３０％以下よりなる群から選択される１種以上の元素を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の浸炭部品。
5. 前記母材は、更に、質量％で、Ｂ：０％超０．０１０％以下を含有する請求項１〜４のいずれかに記載の浸炭部品。