JP3940322B2 - 機械構造用鋼部品の製造方法および機械構造用鋼部品 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は機械構造用鋼部品の製造方法および機械構造用鋼部品に関し、詳細には、例えば歯車、摺動部品、軸類などの様な高面圧にて使用される鋼部品であって優れた耐ピッチング性を有する機械構造用鋼部品を製造する方法、および該方法にて得られる機械構造用鋼部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械構造用鋼部品は、例えば自動車分野、建設機械分野または産業機械分野など広範囲にわたる産業分野で動力伝達部品などとして広く使用されている。この様な機械構造用鋼部品は、これまでＪＩＳ Ｇ４１０４、Ｇ４１０５、Ｇ４１０３等に規定されているＣｒ肌焼鋼、Ｃｒ−Ｍｏ肌焼鋼を成形加工した後、浸炭処理等の表面硬化処理がなされたものが用いられてきた。
【０００３】
ところが近年、前記産業分野において高出力化や部品の小型軽量化に対する要望が高まってきていることから、動力伝達用歯車などの鋼部品への負荷応力がますます増大する傾向にあり、上述した様な従来の機械構造用鋼や表面硬化処理鋼ではこのような厳しい使用環境に適応し難くなっている。
【０００４】
このような状況に鑑み、特に、すべりを伴う接触環境下において接触面圧の増加による接触面の剥離損傷、すなわちピッチング損傷を抑制するため、表層部のＣ濃度を高め炭化物を微細析出させることで表層部の高硬度化を狙った、高濃度浸炭法や高炭素浸炭法、ＣＤ（Carbide Dispersion）浸炭法などの表面硬化方法が採用されている。
【０００５】
文献「高炭素浸炭の技術」（内藤・木林・中村、『熱処理』２６巻２号、昭和６１年４月）では、高炭素浸炭用材料として代表的な組成がＣ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｃｒ：２．０〜５．０％、Ｍｏ：０．３０〜２．０％またはＶ：０．１０〜０．５％である鋼が推奨されており、高炭素浸炭操業方法として、まず予備浸炭では、鋼のＡｃｍ以下のカーボンポテンシャル雰囲気下で表面の炭素濃度が共析炭素量以上となるよう浸炭後、空冷または焼入れを行い、次の炭化物生成処理段階では、Ａｃ1以上９５０℃以下の温度範囲にて鋼のＡｃｍを超えるカーボンポテンシャル雰囲気下で２０℃／min以下の加熱速度で加熱し、７５０℃〜９５０℃で温度保持することによって炭化物を生成・成長させるといった方法が推奨されている。
【０００６】
また特開平６−１５８２６６号公報には、Ｃ：０．１０〜０．３重量％、Ｓｉ：１．０重量％未満、Ｍｎ：０．３〜１．５重量％、Ｐ：０．０２０重量％未満、Ｃｒ：１．５０重量％超であって、重量比が、４．５＜８Ｓｉ＋３Ｃｒ＜１３．５を満足し、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０重量％、Ｎ：０．００５〜０．０２５重量％、残部Ｆｅからなる素材を、表面炭素濃度０．７〜１．２重量％となるように浸炭した後、焼入れ・焼戻しを行う高面圧部品の製造方法が開示されている。
【０００７】
更に特開平６−２５８２３号公報には、成分組成がＣ：０．０５〜０．３重量％、Ｓｉ：０．０５〜２重量％、Ｍｎ：０．３〜２重量％、Ｃｒ：２〜８重量％、Ｓ：０．０３重量％以下、Ａｌ：０．０１５〜０．０６重量％、Ｎ：０．００５〜０．０２重量％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、該不可避不純物中のＰを０．０２重量％以下、Ｏ（酸素）を０．００２重量％以下とした鋼部品に浸炭もしくは浸炭窒化処理を施して、炭化物または炭窒化物の平均粒径を５μｍ以下、その面積率を２〜６０％とし、かつ該炭化物または炭窒化物中の３０％以上がＭ7Ｃ3の組成となるようにして耐ピッチング性の向上を図ったことが示されている。またこの様な組織を得るための方法として、部品に浸炭処理または浸炭窒化処理を施した後、Ａｒ1点以下に冷却し、さらにＡｒ1点以上の温度で浸炭または浸炭窒化雰囲気に再加熱し、その後、焼入れ・焼戻し処理を施すことが開示されている。
【０００８】
しかしながら、これらの方法では鋼材に添加する合金量が多いため、高濃度浸炭前に部品形状に成形する際の加工性が悪く、また炭化物の析出状態が良好でないためピッチング寿命がばらつき易いといった問題がある。
【０００９】
また、特許第３２７１６５９号には、歯車の駆動側および被駆動側の歯面の噛み合い範囲において歯面の最表層から芯部方向に少なくとも０．２ｍｍ深さまで面積率で５〜１０％の炭化物が分散析出し、かつ当該歯車の駆動側および被駆動側の歯元すみＲ部においては最表層から芯部にかけての炭化物が面積率で最大３％であり、かつ球状ないし擬球状に分散析出していると共に、窒化処理が施されており、前記かみ合い範囲においては歯面の最表層から芯部にかけての窒素濃度ピークが０．３ｗｔ％以上であるところに特徴を有する高強度歯車、およびその製造方法が開示されている。しかしながら上記歯車を構成する鋼材として示されているのは、いずれもＳｉ量やＣｒ量の比較的少ない、ＪＩＳ規定のＳＣ材やＳＮＣ材、ＳＮＣＭ材、ＳＣｒ材、ＳＣＭ材、ＳＭｎＣ材であることから、鋼材中に形成される炭化物の析出状態が好ましくなく、また炭化物析出後の鋼マトリックスの焼入れ性が不足するため不完全焼入れ組織が形成され易く、従って、ピッチング寿命のばらつきが懸念される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、高濃度浸炭前の加工性を劣化させることなく、安定したピッチング寿命を確保することのできた機械構造用鋼部品を製造するのに有用な方法、および該方法で得られた機械構造用鋼部品を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る機械構造用鋼部品の製造方法とは、Ｃ：０．１５〜０．２５％（化学成分の場合は質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：０．３５超〜０．７％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：１．２〜１．５％、Ｍｏ：０．３０〜０．６％、Ｎ：０．００８〜０．０５％の他、Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される少なくとも１種が下記式（１）を満たすように含まれている鋼部品を、浸炭処理した後に炭化物を析出させる工程を含み、該炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うところに要旨を有する。
0.005≦（[Ａｌ]＋[Ｎｂ]＋[Ｔｉ]）≦0.2 …（１）
｛式中、［Ａｌ］は鋼部品のＡｌ量（％）、［Ｎｂ］は鋼部品のＮｂ量（％）、［Ｔｉ］は鋼部品のＴｉ量（％）を示す｝
【００１２】
本発明は得られた機械構造用部品も規定するものである。即ち、本発明にかかる機械構造用部品は、心部において、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．３５超〜０．７％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：１．２〜１．５％、Ｍｏ：０．３０〜０．６％、Ｎ：０．００８〜０．０５％の他、Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される少なくとも１種が下記式（１）を満たすように含まれていると共に、鋼部品の表層から２５μｍ位置の炭化物面積率が５％以上で、かつ部品の等価直径、心部のＭｏ量およびＭｎ量、並びに鋼部品の表層から５０μｍ位置のＮ量が下記式（２）および（３）を満たすところに特徴を有する。
0.005≦（[Ａｌ]＋[Ｎｂ]＋[Ｔｉ]）≦0.2 …（１）
｛式中、［Ａｌ］は鋼部品のＡｌ量（％）、［Ｎｂ］は鋼部品のＮｂ量（％）、［Ｔｉ］は鋼部品のＴｉ量（％）を示す｝
6000／（−20×Ｄ＋1.68×ＪＲ＋186.78）＞40 …（２）
［Ｎ］≦0.25 …（３）
但し、ＪＲ＝exp［（Ｄ０＋77.7）／46.8］
Ｄ＝0.5×ａMn×ａMo×ａN
ａMn＝0.7×［Ｍｎ］2＋2.3×［Ｍｎ］＋1.3
ａMo＝0.5×［Ｍｏ］2＋2.6×［Ｍｏ］＋1.0
ａN＝10.2×［Ｎ］＋1.0
｛式中、ＤOは鋼部品の等価直径（ｍｍ）、［Ｍｎ］は心部のＭｎ量（％）、［Ｍｏ］は心部のＭｏ量（％）、［Ｎ］は鋼部品の表層から５０μｍ位置のＮ量（％）を示す｝
【００１３】
尚、前記心部とは、浸炭処理の施されていない鋼の素地部分をいい、前記等価直径とは、鋼部品の心部硬さと中心が同じ硬さとなる丸棒の直径をいうものとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、前述した様な状況の下で、高濃度浸炭前の加工性に優れ、かつ安定した耐ピッチング性を有する機械構造用鋼部品の実現を目指して鋭意研究を進めた。その結果、本発明で規定する化学成分組成の鋼材を用い、本発明で規定する方法で浸炭・窒化を行うことが大変有効であることを見出し、上記本発明に想到した。
【００１５】
まず、本発明で用いる鋼材の化学成分を規定した理由について詳述する。
【００１６】
本発明で高濃度浸炭前の加工性を劣化させることなく、高いピッチング強度を確保するのに重要な元素はＣｒである。Ｃｒは高濃度浸炭処理時に表面の浸炭層内に炭化物を形成し、この炭化物により軟化抵抗性を高めることができピッチング強度が向上するのである。更にＣｒは、鋼材の焼入れ性を確保し部品の強度を確保するのにも有効な元素である。この様な理由からＣｒ量の下限を１．０％とした。好ましくは１．２％以上である。一方、Ｃｒ量が多い場合には鋼材の硬度が必要以上に高くなり、浸炭前の部品成形時における加工性を劣化させることとなる。従ってＣｒ量の上限を１．５％とした。好ましくは１．４５％以下である。
【００１７】
以下、その他の元素について規定した理由を述べる。
【００１８】
Ｃ：０．１５〜０．２５％
Ｃは機械構造用鋼部品としての心部硬さを確保するのに必要な元素であることから、０．１５％以上、好ましくは０．１８％以上含有させる。一方、Ｃ量が多過ぎる場合には、必要以上に硬度が高くなり被削性や冷間鍛造性が劣化するので、０．２５％以下、好ましくは０．２３％以下に抑えるようにする。
【００１９】
Ｓｉ：０．３５超〜０．７％
Ｓｉも本発明における重要な元素の１つであり、表面の浸炭層に析出させた炭化物を微細化するとともに、鋼マトリックスを固溶強化する効果を有することから、０．３５％超、好ましくは０．４％以上、より好ましくは０．４５％以上含有させる。一方Ｓｉ量が過剰であると、鋼材の硬度が必要以上に高くなり被削性や冷間鍛造性が劣化するので、０．７％以下、好ましくは０．６％以下となるようにする。
【００２０】
Ｍｎ：０．２〜１．０％
Ｍｎは脱酸剤として作用し、酸化物系介在物を低減して鋼部品の内部品質を高めるとともに、焼入れ性を向上させて鋼部品の心部硬さや硬化層深さを高め、部品の強度を確保する。このような作用を十分に発揮させるには、Ｍｎを０．２％以上、好ましくは０．３％以上含有させる必要である。一方Ｍｎ量が過剰になると、表層部の残留オーステナイト量が増加し部品表面の硬度が低下する。従ってＭｎ量は１．０％以下、好ましくは０．８％以下とする。
【００２１】
Ｍｏ：０．３０〜０．６％
Ｍｏも重要な元素のうちの１つであり、炭化物の形成を促進するとともに、マトリックスの焼入れ性を確保し、不完全焼入れ組織の生成を抑制する効果を有する。この様な効果を有効に発揮させるには、０．３０％以上、好ましくは０．４％以上含有させるようにする。一方、０．６％を超えて添加すると心部の硬度が必要以上に高くなり、機械加工時における被削性や冷間鍛造性が劣化することとなる。好ましくは０．５％以下である。
【００２２】
Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される少なくとも１種：下記式（１）を満たすように含有させる。
0.005≦（[Al]＋[Nb]＋[Ti]）≦0.2 …（１）
｛式中、［Ａｌ］は鋼部品のＡｌ量（％）、［Ｎｂ］は鋼部品のＮｂ量（％）、［Ｔｉ］は鋼部品のＴｉ量（％）を示す｝
【００２３】
Ａｌ、ＮｂおよびＴｉは、窒化物を形成することによって結晶粒を微細化し、鋼部品の靭性を確保する役割を有する。このような作用を有効に発揮させるには、Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される少なくとも１種を０．００５％以上含有させる必要がある。好ましくは、上記元素の少なくとも１種を０．０１０％以上含有させる。一方、上記元素の含有量が過剰になると、これらの元素の粗大な化合物が生成されて、部品の強度低下や冷間加工性の低下を招くこととなる。従って、Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される少なくとも１種を０．２％以下に抑える必要があり、好ましくは、上記元素の少なくとも１種を０．１％以下に抑える。
【００２４】
Ｎ：０．００８〜０．０５％
Ｎは、上述したＡｌやＮｂ、Ｔｉと窒化物を生成することによって結晶粒を微細化し、鋼部品の靭性を確保するのに有効な元素である。この様な効果を有効に発揮させるには、Ｎ量を０．００８％以上、好ましくは０．０１０％以上含有させる必要がある。一方、Ｎ量が過剰となっても上記効果は飽和するだけであるのでその上限を０．０５％とする。好ましくは０．０３％以下である。
【００２５】
本発明で用いる鋼材には、上記説明したものの他、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避的不純物、更には、本発明の課題達成に悪影響を与えない許容元素（例えばＣｕ、Ｎｉ、Ｂ、Ｃａ、Ｂｉ、Ｚｒ、Ｓ、Ｐｂ、Ｍｇ等）が含まれる場合も本発明の技術的範囲に包含される。
【００２６】
次に本発明者らは、上記成分組成の鋼材を用いて、浸炭前の加工性および耐ピッチング性の両特性を備える機械構造用鋼部品を得るべく、浸炭・窒化処理方法について検討を行った。まず、従来の高濃度浸炭処理法について試みたが、上記成分組成の鋼材を用いても従来の高濃度浸炭処理法では十分なピッチング強度を確保することができなかった。そこで原因について追究したところ、高濃度浸炭処理では浸炭層内に炭化物を析出させるが、この炭化物が主にＦｅやＣｒの炭化物であって、鋼材中のＣｒが炭化物形成に用いられるため、マトリックス中のＣｒ濃度が低下し、その分Ｃｒによる焼入れ性向上効果も低減して、焼入れを行っても均一かつ十分でなく、表面の浸炭層内に不完全焼入れ組織が生じてしまうことがわかった。
【００２７】
そこで本発明者らは、Ｃｒ等の炭化物析出に伴い低下するマトリックスの焼入れ性を確保すべく様々な角度から製造方法について検討したところ、炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うようにすることが最も有効であることを見出した。即ち、本発明では、浸炭工程にて高温かつカーボンポテンシャルを高めた雰囲気で部品表面の炭素量を増加させた後、炭化物を析出させる工程で、炭化物の析出とともに鋼マトリックスの焼入れ性確保のための窒化を行なうことによって、鋼マトリックスの焼入れ性を高めて不完全焼入れ組織の生成を抑制することができ、優れた耐ピッチング性を確保することができたのである。
【００２８】
本発明はこの様に鋼部品を浸炭させた後、炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うところに要旨を有するものであるが、各工程における望ましい処理条件は以下の通りである。
【００２９】
＜浸炭条件＞
（１）加熱温度（浸炭温度）
鋼部品に十分な浸炭を施すには、浸炭温度を９００℃以上とするのがよく、これより低温である場合には浸炭に要する時間が長くなり生産性が低下するので好ましくない。より好ましくは９２０℃以上である。一方、該浸炭温度が高すぎても結晶粒が粗大化し、鋼部品の靭性が劣ることとなるので浸炭温度は９８０℃以下とするのがよい。より好ましくは９５０℃以下である。この浸炭温度での保持時間（浸炭時間）は、特に制約されるものではなく所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、コスト面からは１時間以上１０時間以下の範囲内で適宜設定するのがよい。
【００３０】
（２）加熱雰囲気
加熱雰囲気は、カーボンポテンシャル０．９％以上１．５％以下とするのがよい。この工程におけるカーボンポテンシャルが低過ぎると、機械構造用鋼部品表面の炭素濃度が低くなり、次工程の炭化物析出工程で十分な炭化物を析出させることができず、結果として所望のピッチング強度を確保することが困難となる。より好ましくは１．０％以上である。一方、カーボンポテンシャルの上限に特に制約はないが、高すぎると「スーティング」と呼ばれるすすが鋼部品表面に付着して浸炭が阻害されるので、１．５％以下とするのがよい。より好ましくは１．２％以下である。
【００３１】
尚、前記カーボンポテンシャルの測定は、Ｏ2センサ法や赤外線分析計によるＣＯ2法、露点測定法、鉄線を用いたカーボンポテンショメータなど一般に用いられる方法によって測定可能であるが、特に、Ｃｐコイルと呼ばれる鉄線を炉内雰囲気に放置し、このＣｐコイルを用いて赤外線吸収法などによって定量分析する方法が測定精度の面で最も優れている。
【００３２】
（３）冷却速度
前記浸炭温度で一定時間保持した後は、冷却速度１０℃／分以上で冷却するのがよい。その理由として、次工程である炭化物析出工程で微細な炭化物を析出させるには、前記浸炭温度で一定時間保持した後、浸炭した炭素を析出させず過飽和に固溶した状態で一旦Ａｒ1点以下まで冷却するが、冷却速度が１０℃／分未満である場合には、過飽和状態にある炭素が結晶粒界に拡散する時間的余裕があり、析出時に炭化物が網目状に析出してピッチング等の各種強度が低下するからである。より好ましくは１５℃／分以上である。冷却速度の上限には特に制約はないが、あまり急速に冷却しても鋼部品に変形や割れが生じやすくなるので、冷却速度は１２００℃／分以下とするのがよく、より好ましくは６００℃／分以下である。
【００３３】
＜炭化物析出条件＞
前述した様に、前記浸炭工程にて過飽和に炭素を固溶した浸炭層内から微細な炭化物を析出させることによって、機械構造用鋼部品のピッチング強度を向上させることができる。また、この炭化物析出工程の加熱温度保持中に窒素ポテンシャルを高く設定できることから、この炭化物析出工程で焼入れ性確保のための窒化を行うのがよいのである。以下に、炭化物析出および窒化の条件について詳述する。
【００３４】
（１）加熱温度
炭化物析出は、８００℃以上８６０℃以下の温度範囲内で行うのがよい。加熱温度が８６０℃を超えると、炭素量の固溶限界が大きくなり析出する炭化物量が減少するからであり、より好ましくは８５０℃以下である。一方、加熱温度が８００℃未満の場合には、析出する炭化物が微細化しすぎてピッチング強度の向上に対する寄与が小さくなるからであり、より好ましくは８３０℃以上である。
【００３５】
（２）加熱雰囲気
炭化物析出工程では、カーボンポテンシャル０．７％以上１．１％以下の雰囲気で炭化物の析出を行うのがよい。カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には、前記加熱温度保持中に脱炭してしまい、析出する炭化物量が減少するからである。より好ましいカーボンポテンシャルは０．７５％以上である。一方、カーボンポテンシャルが１．１％を超える場合には、前記加熱温度保持中に浸炭が進んで炭化物が粗大化し、ピッチング等の各種強度が低下するので好ましくない。より好ましくはカーボンポテンシャルを１．０％以下とする。尚、前記カーボンポテンシャルは前述した方法で測定することができる。
【００３６】
この炭化物析出工程における加熱保持時間は、特に制約されるものではなく、所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、部品サイズが大きくなり、該保持時間が３０分間以上となる場合には、カーボンポテンシャルを０．７％以上で心部のＡｃｍ点対応炭素濃度以下とすることが好ましい。加熱温度保持中の鋼部品の浸炭層は、心部の鋼のＡｃｍ点の組成からなるオーステナイトと炭化物との混合組織となっているが、カーボンポテンシャルがＡｃｍ点対応炭素濃度を超える雰囲気では、前記組織におけるオーステナイトに対し強い浸炭雰囲気となり、炭化物が粗大化して鋼部品の機械的強度が低下するからである。この様な傾向は、部品が大型化して前記加熱保持時間が長時間になるほど顕著になることがわかった。カーボンポテンシャルは、心部のＡｃｍ点対応炭素濃度よりも０．１％以上低い炭素濃度以下とするのがより好ましい。一方、カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には、表面からの脱炭が生じて析出する炭化物量が減少するので好ましくない。より好ましくは０．７５％以上とする。
【００３７】
上述の通り、この炭化物析出工程の加熱温度保持中に窒素ポテンシャルを高く設定できることから、この炭化物析出工程で窒化処理を行うのがよい。窒化は、窒素ポテンシャルが０．０５％以上の雰囲気で行えば、表面の窒素量を確保することができ、焼入れ時に十分な焼入れが行えて不完全焼入れ組織の生成を抑制することができる。窒素ポテンシャルは好ましくは０．０８％以上である。また、窒素ポテンシャルが０．２０％を超えても不完全焼入れ組織が増加するので好ましくない。その理由は明らかではないが、窒素量が高すぎるとＣｒ窒化物が析出して鋼マトリックスの焼入れ性が低下するためと推測される。好ましくは０．１５％以下である。窒素ポテンシャルの測定方法は、Ｃｐコイルと呼ばれる鉄線を炉内雰囲気中に放置し、このＣｐコイルを赤外線吸収法などによって定量分析する方法が適用可能である。
【００３８】
窒化の具体的方法としては、前記加熱温度で一定時間保持しながらアンモニアを流入する等の一般的な方法を適用することが可能である。本発明では、炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うことを必須とするが、その時期まで規定するものではなく、炭化物析出工程の全工程で窒化処理を行うことの他、該炭化物析出処理工程のうち、一部で炭化物析出と同時に窒化処理を行う場合や、二部以上に分けて窒化処理を行う場合も含むものとする。
【００３９】
従って、本発明の製造方法における浸炭・炭化物析出工程としては、例えば図１〜図３に示す様な加熱温度の設定や窒化処理時期とすることが実施形態として挙げられる。
【００４０】
本発明でより微細な炭化物を析出させて耐ピッチング性を更に高めるにあたっては、次の様な方法で炭化物析出・窒化を行うことが特に好ましい。即ち、炭化物析出工程を、
▲１▼８１０℃以上８６０℃以下の温度にてカーボンポテンシャル０．７％以上１．１％以下の雰囲気で加熱し、１０℃／分以上の冷却速度で該加熱保持温度よりも１０℃以上かつ８００℃を下回らない温度まで降温させた（以下「炭化物析出段階▲１▼」という）後、
▲２▼該温度にてカーボンポテンシャル０．７％以上１．１％以下の雰囲気で一定時間保持する（以下「炭化物析出段階▲２▼」という）
ことによって、より微細な炭化物を、より均一に分散させることができ、優れた特性を有する機械構造用鋼部品を確実に得ることができるのである。
【００４１】
そしてこの様な工程で炭化物の析出を行う場合には、前記炭化物析出段階▲２▼にて、窒素ポテンシャル０．０５％以上０．１５％以下の雰囲気で炭化物析出と同時に窒化を行えば、加熱温度保持中に窒素ポテンシャルを高く設定でき、良好に窒化処理を行えるので望ましい。
【００４２】
以下、上記工程の処理条件について詳述する。
【００４３】
＜炭化物析出段階▲１▼の条件＞
（１）加熱温度
炭化物析出段階▲１▼における加熱温度は、８１０℃以上８６０℃以下とするのがよい。８６０℃を超える場合には炭素量の固溶限界が大きくなり析出する炭化物量が減少するからであり、より好ましくは８５０℃以下である。一方８１０℃未満の場合には、析出する炭化物が微細になりすぎてピッチング強度向上に対する寄与が小さくなるからであり、より好ましくは８３０℃以上である。
【００４４】
（２）加熱雰囲気
炭化物析出段階▲１▼における加熱雰囲気は、カーボンポテンシャルを０．７％以上１．１％以下とするのがよい。カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には加熱温度保持中に脱炭してしまい、析出する炭化物量が少なくなるからである。より好ましくはカーボンポテンシャルを０．７５％以上とする。一方、カーボンポテンシャルが１．１％を超える場合には、加熱温度保持中に浸炭が進んで炭化物が粗大化し、ピッチング等の各種強度が低下するので好ましくない。より好ましくは１．０％以下である。尚、前記カーボンポテンシャルは前述した方法で測定することができる。
【００４５】
この炭化物析出段階▲１▼における加熱保持時間は、特に制約されるものではなく、所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、部品サイズが大きくなり、該保持時間が３０分間以上となる場合には、カーボンポテンシャルを０．７％以上で心部のＡｃｍ点対応炭素濃度以下とすることが好ましい。加熱温度保持中の鋼部品の浸炭層は、心部の鋼のＡｃｍ点の組成からなるオーステナイトと炭化物との混合組織となっているが、カーボンポテンシャルがＡｃｍ点対応炭素濃度を超える雰囲気では、前記組織におけるオーステナイトに対し強い浸炭雰囲気となり、炭化物が粗大化して鋼部品の機械的強度が低下するからである。この様な傾向は、部品が大型化して前記加熱保持時間が長時間になるほど顕著になることがわかった。カーボンポテンシャルは、心部のＡｃｍ点対応炭素濃度よりも０．１％以上低い炭素濃度以下とするのがより好ましい。一方、カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には、表面からの脱炭が生じて析出する炭化物量が減少するので好ましくない。より好ましくは０．７５％以上とする。
【００４６】
（３）冷却速度
前記加熱温度保持後の冷却速度は１０℃／分以上とするのがよい。該冷却速度が１０℃／分未満の場合には、一旦マトリックスに固溶した炭素が拡散できる時間的余裕を有することとなり、結晶粒界に析出した炭化物が粗大化するので、ピッチング強度がばらつく原因となる。前記冷却速度は２０℃／分以上とするのが好ましい。前記冷却速度の上限は特に制限されないが、あまり急速に冷却しても鋼部品に変形や割れが生じやすくなるので、冷却速度は２００℃／分以下であることが好ましい。
【００４７】
＜炭化物析出段階▲２▼の条件＞
（１）加熱温度
炭化物析出段階▲１▼における前記冷却速度での冷却は、常温まで行なわず、８００℃以上であって前期炭化物析出段階▲１▼における加熱温度よりも１０℃以下の温度範囲までとし、該温度にて一定時間保持するのがよい。
【００４８】
加熱温度が８００℃未満の場合には、析出する炭化物が微細化しすぎてピッチング強度の向上にあまり寄与しないからである。より好ましくは８３０℃以上とする。一方、該温度が、前記炭化物析出段階▲１▼における加熱温度よりも１０℃未満と高い場合には、冷却中に析出する炭化物量が少なく、ピッチング強度向上の効果が得られないからである。より好ましくは前記炭化物析出段階▲１▼における加熱温度よりも２０℃以下（但し８００℃以上）とする。
【００４９】
（２）加熱雰囲気
前記炭化物析出段階▲２▼にて炭化物析出と同時に窒化を行うのが、加熱温度保持中に窒素ポテンシャルを高く設定できるので好ましい。窒化処理における窒素ポテンシャルは前述した範囲内、即ち、好ましくは０．０５％以上、より好ましくは０．０８％以上であって、好ましくは０．２０％以下、より好ましくは０．１５％以下とするのがよい。またカーボンポテンシャルは、前記炭化物析出段階▲１▼と同様にカーボンポテンシャルが０．７％以上１．１％以下の雰囲気下とするのがよい。カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には加熱温度保持中に脱炭し、析出する炭化物量が少なくなるからである。好ましくは０．７５％以上である。一方、カーボンポテンシャルが１．１％を超える場合には、加熱温度保持中に表層が過剰に浸炭されて、炭化物が粗大化し、ピッチング等の各種強度が低下するからである。好ましくは１．０％以下である。
【００５０】
尚、この場合の窒化処理も、炭化物析出段階▲２▼の少なくとも一部で炭化物の析出と同時に窒化を行なえばよく、例えば図４および図５に概略的に例示するような熱処理パターンで窒化を行うことができる。
【００５１】
この炭化物析出段階▲２▼における加熱保持時間は、特に制約されるものではなく、所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、部品サイズが大きくなり、該保持時間が３０分間以上となる場合には、カーボンポテンシャルを０．７％以上で心部のＡｃｍ点対応炭素濃度以下とすることが好ましい。加熱温度保持中の鋼部品の浸炭層は、心部の鋼のＡｃｍ点の組成からなるオーステナイトと炭化物との混合組織となっているが、カーボンポテンシャルがＡｃｍ点対応炭素濃度を超える雰囲気では、前記組織におけるオーステナイトに対し強い浸炭雰囲気となり、炭化物が粗大化して鋼部品の機械的強度が低下するからである。この様な傾向は、部品が大型化して前記加熱保持時間が長時間になるほど顕著になることがわかった。カーボンポテンシャルは、心部のＡｃｍ点対応炭素濃度よりも０．１％以上低い炭素濃度以下とするのがより好ましい。一方、カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には、表面からの脱炭が生じて析出する炭化物量が減少するので好ましくない。より好ましくは０．７５％以上とする。
【００５２】
前期炭化物析出工程における加熱温度保持後の冷却の際には、部品の強度を確保すべく焼入れを行うのがよく、該焼入れの方法としては、ソルト焼入れや油冷など一般的な焼入れ方法を適用することが可能である。
【００５３】
尚、本発明は、鋼部品を浸炭処理した後に炭化物を析出させる工程を含み、前記炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うことを要旨とするものであって、その他の処理工程と組み合わせて行うことを排除するものではなく、例えば、本発明で規定する処理の前に焼ならしや焼鈍を行ったり、本発明で規定する処理の後に焼戻しを行う等の組み合わせが考えられる。また本発明は、製造に関するその他の条件を規定するものではなく、鋼材の製造に関する製鋼、圧延や機械構造用部品の製造に関する切削、鍛造等については一般的に用いられている方法を適用することができる。本発明の機械構造用部品として、例えば自動車のトランスミッション等に用いる歯車や歯車部分を有する軸状部品を製造するにあたっては、本発明で規定する成分組成の鋼材を、熱間鍛造や冷間鍛造等の鍛造方法で最終部品に近い形状まで成形した後、ホブ、ラック等を用いた歯切り工程で前記歯車や歯車部分の歯形を成型し、次に、本発明に係る方法で表面硬化処理を行い、その後必要に応じて、ショットピーニング等の強化処理や、歯形表面の研磨等の機械加工を行う仕上加工処理、表面に二硫化モリブデン等の潤滑皮膜を塗布する潤滑皮膜処理を行う方法が挙げられる。
【００５４】
また本発明は、この様にして得られた機械構造用部品も規定するものである。即ち前記化学成分組成の鋼材を用い前記方法で製造して、鋼部品の表層から２５μｍ位置における炭化物面積率を５％以上となるよう炭化物を析出させ、かつ、鋼材成分のうち特に焼入れ性に寄与する元素である心部のＭｎおよびＭｏ、並びに焼入れ性を確保すべく窒化により添加した鋼部品の表層から５０μｍ位置の窒素量が、部品サイズを代表する値である機械構造用鋼部品の等価直径との関係として下記式（２）および式（３）を満たすようにすれば、鋼部品の浸炭層に不完全焼入れ組織を生成させることなく十分なピッチング強度を確保できるのである。
6000／（−20×Ｄ＋1.68×ＪＲ＋186.78）＞40 …（２）
［Ｎ］≦0.25 …（３）
但し、ＪＲ＝exp［（Ｄ0＋77.7）／46.8］
Ｄ＝0.5×ａMn×ａMo×ａN
ａMn＝0.7×［Ｍｎ］2＋2.3×［Ｍｎ］＋1.3
ａMo＝0.5×［Ｍｏ］2＋2.6×［Ｍｏ］＋1.0
ａN＝10.2×［Ｎ］＋1.0
｛式中、Ｄ0は部品の等価直径（ｍｍ）、［Ｍｎ］は心部のＭｎ量（％）、
［Ｍｏ］は心部のＭｏ量（％）、［Ｎ］は鋼部品の表層から５０μｍ位置のＮ量（％）を示す｝
【００５５】
本発明では、鋼部品の表層から２５μｍ位置における炭化物面積率が５％以上となるように炭化物を析出させる必要があるが、その理由は、該炭化物面積率が５％未満の場合には、表面の硬化が十分でなく高いピッチング強度が得られないからである。好ましくは前記炭化物面積率が７％以上となるようにする。更に、上述の通り上記式（２）および（３）を満たす必要がある。上記式（２）を満足しない場合には、部品の焼入れ性が不足し、表層に不完全焼入れ組織が生成してしまうので好ましくないのである。上記式（２）の左辺の値は５０以上であることが好ましい。
【００５６】
また上記式（３）を満足しない場合にも不完全焼入れ組織を生成するが、その原因は、Ｎ量が過剰となり表層にＣｒ窒化物が析出して鋼マトリックスの焼入れ性が低下するためであると推測される。鋼部品の表層から５０μｍ位置のＮ量は好ましくは０．２０％以下である。
【００５７】
上記式（２）における機械構造用鋼部品の等価直径Ｄ0は、一般に用いられる方法で測定することができる。また鋼部品の表層から５０μｍ位置の窒素量は、その測定方法として、機械構造用鋼部品と同鋼種からなる丸棒等の試料を機械構造用鋼部品と同バッチで高濃度浸炭処理し、該試料の表層部位から切屑を採取して赤外線吸収法で測定する方法や、鋼部品表面に垂直な断面における部品表層から５０μｍ位置の窒素量をＥＰＭＡ（electron probe X-ray microanalyzer）で分析する方法を用いることができる。
【００５８】
【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可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００５９】
実施例１
表１に示す各成分組成の鋼材を小型炉にて溶製し、熱間鍛造後に溶体化処理および焼きならし処理を行った後、機械加工によってローラピッチング試験片の形状に加工した。前記焼きならし処理は９３０℃×６０分保持後に空冷して行い、焼きならし処理後であって機械加工前の鋼材硬さを、ビッカース硬度測定にて評価した。尚、このときの試験荷重は９８Ｎとした。図６に前記ローラピッチング試験に用いた試験片の形状を示す。
【００６０】
この様にして得た試験片を用い、図７に示す熱処理パターンで高濃度浸炭・窒化処理を行った。具体的には、
浸炭工程→炭化物析出工程（炭化物析出段階▲２▼のみ）→焼戻し工程、または
浸炭工程→炭化物析出工程（炭化物析出段階▲１▼→▲２▼）→焼戻し工程の順に高濃度浸炭・窒化処理を行った。尚、炭化物析出段階▲２▼ではＮＨ3ガスを流入して炭化物析出と同時に窒化処理を行っている。
【００６１】
表２および表３に、浸炭工程における加熱温度（浸炭温度）、カーボンポテンシャルおよび冷却速度、炭化物析出段階▲１▼における加熱温度、該温度での保持時間、カーボンポテンシャルおよび冷却速度、炭化物析出段階▲２▼における加熱温度、該温度での保持時間、カーボンポテンシャル、窒素ポテンシャル、およびこれらの処理に用いた鋼材Ｎｏ．を示す。
【００６２】
前記高濃度浸炭・窒化処理後の試験片にショットピーニング処理を施し、さらに表面に約５０μｍの仕上げ研磨を施してローラピッチング試験片を完成させた。この様にして得られた試験片を用い、下記条件にてローラピッチング試験を行った。ピッチングが発生するまでの寿命をもってピッチング寿命とし、このピッチング寿命のｎ＝３の平均値とワイブル分布に従うとして求めた１０％破損寿命にて耐ピッチング性の評価を行った。結果を表２および表３に併記する。
［ローラピッチング試験条件］
面圧：３．７ＧＰａ
回転数：１５００ｒｐｍ
すべり率：−４０％
すべり速度：０．８ｍ／ｓ
油種：ギアオイル
油温：９０℃
相手ローラ：ＪＩＳ Ｇ４１０４ クロム鋼ＳＣｒ４２０の浸炭材
【００６３】
【表１】
【００６４】
【表２】
【００６５】
【表３】
【００６６】
得られた結果について以下の様に考察できる。尚、下記Ｎｏ．は表２および表３における実験Ｎｏ．を示す。
【００６７】
本発明に係る鋼材を用い、かつ本発明で規定する条件で高濃度浸炭・窒化処理を行った場合には、焼きならし後の硬さが低く機械加工が良好に行えることに加え、得られた鋼部品の表層には微細な炭化物が均一かつ十分に分散しているので、耐ピッチング性に優れていることがわかる。特にＮｏ．４，６，９および１０は、炭化物析出工程を２段階とし、加熱・冷却した後に一定の温度に保持して炭化物をより均一に分散させていることから、安定したピッチング強度を有する機械構造用鋼部品が得られていることがわかる。その中でも特に、Ｎｏ．９の様に加熱・冷却した後に一定の温度に保持する際のカーボンポテンシャルをＡｃｍ対応炭素濃度以下とすることによって、ピッチング寿命の優れた鋼部品がより確実に得られることが分かる。
【００６８】
これに対し、Ｎｏ．２０，２２，２４および２６は、それぞれＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏが本発明で規定する範囲を超えていることから、焼きならし処理後の硬さが必要以上に高くなり、部品形状に機械加工することが困難であったり、または加工に際しコストが非常に高くなるといった問題がある。Ｎｏ．１９は、Ｓｉ量が本発明の規定範囲を下回っているため、浸炭層の炭化物量が少なく、結果としてピッチング強度が低くなっている。またＮｏ．２３は、Ｃｒ量が本発明の規定範囲を下回っているため、浸炭層の炭化物量が少なく、結果としてピッチング強度が低くなっている。Ｎｏ．２１および２５は、それぞれＭｎ、Ｍｏ量が少ないので表層に不完全焼入れ組織が生成し、ピッチング強度が低くなっている。
【００６９】
またＮｏ．２７からは、析出炭化物量を確保するには浸炭工程のカーボンポテンシャルを本発明の好ましい範囲とするのがよく、Ｎｏ．２８からは、浸炭後の冷却速度を好ましい範囲とすれば粗大な炭化物を析出させないようにすることができ、またＮｏ．２９からは、炭化物析出量を確保するには炭化物析出工程における加熱温度を好ましい上限以下とするのがよく、Ｎｏ.３０からは、炭化物を適度なサイズで析出させてピッチング強度の向上を図るには、炭化物析出工程における加熱温度を好ましい下限以上とするのがよいことがわかる。
【００７０】
Ｎｏ．３１およびＮｏ.３２からは、１０％破損寿命が短くなるのを抑制するには炭化物析出工程におけるカーボンポテンシャルを好ましい上限以下にして析出した炭化物の粗大化を抑制するのがよく、所望のピッチング強度を得るには、カーボンポテンシャルを好ましい下限以上にして炭化物析出量を確保するのがよいことがわかる。
【００７１】
またＮｏ．３３およびＮｏ.３４からは、炭化物周辺に不完全焼入れ組織を生成して１０％破損寿命が低くなったり、ピッチング強度が低下するのを防ぐには、窒化処理における窒素ポテンシャルを本発明で好ましいとする範囲にするのがよいことがわかる。
【００７２】
実施例２
表４に示す成分組成の鋼材を小型炉にて溶製し、熱間鍛造後に溶体化処理および焼きならし処理を行った後、機械加工によって表４に示す等価直径の丸棒を得た。前記焼きならし処理は９２０℃×６０分保持後に空冷して行い、その後、図７に示すヒートパターン｛浸炭工程→炭化物析出工程（炭化物析出段階▲２▼のみ）→焼戻し工程｝で前記丸棒試料に高濃度浸炭・窒化処理を施した。処理条件は、浸炭工程にて加熱温度（浸炭温度）９２０℃、カーボンポテンシャル１．２４％の雰囲気で１２０分間保持後、２０℃／ｍｉｎの冷却速度で５００℃まで冷却した。次に、炭化物析出工程として加熱温度８４０℃、カーボンポテンシャル０．８５％、窒素ポテンシャルを種々の濃度とした雰囲気下で６０分間保持して炭化物析出・窒化を行った後、油焼入れし、最後に加熱温度１８０℃、加熱保持時間１５０分間の条件で焼戻しを行った。
【００７３】
得られた試験片の表層から５０μｍ位置の切り屑を採取し、赤外線吸収法で鋼部品の表層から５０μｍ位置のＮ量を測定するとともに、該試験片の切断面について蛍光Ｘ線分析を行い心部のＭｎ量、心部のＭｏ量を求めた。さらに表層の不完全焼入れ組織の有無は、ＳＥＭを用い、表層を倍率１６００倍および８０００倍で観察して調査した。また８０００倍のＳＥＭ観察結果から、表層の炭化物面積率を測定したところ、すべての試料において５％以上であった。鋼部品の表層から５０μｍ位置のＮ量、式（２）の左辺の値、および表層の不完全焼入れ組織の有無を調べた結果を表４に併記する。
【００７４】
【表４】
【００７５】
表４より、Ｎｏ．３５〜４０は、本発明で規定する式（２）および式（３）、並びに表層の炭化物面積率を満足するものであり、表層に不完全焼入れ組織が見られないことから高い機械的強度が期待できる。
【００７６】
これに対し、Ｎｏ．４１はＮｏ．４０と鋼材成分、表層から５０μｍ位置のＮ量および等価直径がほぼ同一の部品であるが、式（２）を満たさないことから表層に不完全焼入れ組織が形成する結果となった。またＮｏ．４２はＮｏ．３６と鋼材成分、表層から５０μｍ位置のＮ量および等価直径がほぼ同一の部品であるが、式（２）を満たさないことから表層に不完全焼入れ組織が形成する結果となった。
【００７７】
Ｎｏ．４３は、Ｎｏ．３９と鋼材成分および表層から５０μｍ位置のＮ量がほぼ同じであるが、部品の等価直径がＮｏ．３９よりも大きく式（２）を満足しないことから、表層に不完全焼入れ組織が形成してしまう結果となった。またＮｏ．４４は、Ｎｏ．３７と鋼材成分および等価直径がほぼ同じであるが、式（２）を満足しないことから表層に不完全焼入れ組織が形成する結果となった。またＮｏ．４５および４６は、Ｎｏ．３７と鋼材成分および等価直径がほぼ同じであるが、部品表層から５０μｍ位置のＮ量が式（３）を満たさないので表層に不完全焼入れ組織が形成する結果となった。
【００７８】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、高濃度浸炭・炭化物析出プロセスにおける窒化によって、鋼マトリックスの焼入れ性を高めて不完全焼入れ組織の生成を抑制することができ、優れた耐ピッチング性を確保することができた。また、焼入れ性確保のための合金元素を多量に添加する必要がないことから、高濃度浸炭前の部品成形時における加工性も確保できることとなった。そしてこの様な製造方法および機械構造用部品の実現によって、動力伝達用歯車等の様な負荷応力の高い鋼部品を提供できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で規定の製造方法にかかる熱処理パターンを概略的に例示したものである。
【図２】本発明で規定の製造方法にかかる他の熱処理パターンを概略的に例示したものである。
【図３】本発明で規定の製造方法にかかる他の熱処理パターンを概略的に例示したものである。
【図４】本発明で規定の製造方法にかかる他の熱処理パターンを概略的に例示したものである。
【図５】本発明で規定の製造方法にかかる他の熱処理パターンを概略的に例示したものである。
【図６】実施例１にて用いたローラピッチング試験片の形状を模式的に表した側面図である。
【図７】実施例１および実施例２にて行った高濃度浸炭・炭化物析出・窒化処理パターンを示す。
【発明の属する技術分野】
本発明は機械構造用鋼部品の製造方法および機械構造用鋼部品に関し、詳細には、例えば歯車、摺動部品、軸類などの様な高面圧にて使用される鋼部品であって優れた耐ピッチング性を有する機械構造用鋼部品を製造する方法、および該方法にて得られる機械構造用鋼部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械構造用鋼部品は、例えば自動車分野、建設機械分野または産業機械分野など広範囲にわたる産業分野で動力伝達部品などとして広く使用されている。この様な機械構造用鋼部品は、これまでＪＩＳ Ｇ４１０４、Ｇ４１０５、Ｇ４１０３等に規定されているＣｒ肌焼鋼、Ｃｒ−Ｍｏ肌焼鋼を成形加工した後、浸炭処理等の表面硬化処理がなされたものが用いられてきた。
【０００３】
ところが近年、前記産業分野において高出力化や部品の小型軽量化に対する要望が高まってきていることから、動力伝達用歯車などの鋼部品への負荷応力がますます増大する傾向にあり、上述した様な従来の機械構造用鋼や表面硬化処理鋼ではこのような厳しい使用環境に適応し難くなっている。
【０００４】
このような状況に鑑み、特に、すべりを伴う接触環境下において接触面圧の増加による接触面の剥離損傷、すなわちピッチング損傷を抑制するため、表層部のＣ濃度を高め炭化物を微細析出させることで表層部の高硬度化を狙った、高濃度浸炭法や高炭素浸炭法、ＣＤ（Carbide Dispersion）浸炭法などの表面硬化方法が採用されている。
【０００５】
文献「高炭素浸炭の技術」（内藤・木林・中村、『熱処理』２６巻２号、昭和６１年４月）では、高炭素浸炭用材料として代表的な組成がＣ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｃｒ：２．０〜５．０％、Ｍｏ：０．３０〜２．０％またはＶ：０．１０〜０．５％である鋼が推奨されており、高炭素浸炭操業方法として、まず予備浸炭では、鋼のＡｃｍ以下のカーボンポテンシャル雰囲気下で表面の炭素濃度が共析炭素量以上となるよう浸炭後、空冷または焼入れを行い、次の炭化物生成処理段階では、Ａｃ1以上９５０℃以下の温度範囲にて鋼のＡｃｍを超えるカーボンポテンシャル雰囲気下で２０℃／min以下の加熱速度で加熱し、７５０℃〜９５０℃で温度保持することによって炭化物を生成・成長させるといった方法が推奨されている。
【０００６】
また特開平６−１５８２６６号公報には、Ｃ：０．１０〜０．３重量％、Ｓｉ：１．０重量％未満、Ｍｎ：０．３〜１．５重量％、Ｐ：０．０２０重量％未満、Ｃｒ：１．５０重量％超であって、重量比が、４．５＜８Ｓｉ＋３Ｃｒ＜１３．５を満足し、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０重量％、Ｎ：０．００５〜０．０２５重量％、残部Ｆｅからなる素材を、表面炭素濃度０．７〜１．２重量％となるように浸炭した後、焼入れ・焼戻しを行う高面圧部品の製造方法が開示されている。
【０００７】
更に特開平６−２５８２３号公報には、成分組成がＣ：０．０５〜０．３重量％、Ｓｉ：０．０５〜２重量％、Ｍｎ：０．３〜２重量％、Ｃｒ：２〜８重量％、Ｓ：０．０３重量％以下、Ａｌ：０．０１５〜０．０６重量％、Ｎ：０．００５〜０．０２重量％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、該不可避不純物中のＰを０．０２重量％以下、Ｏ（酸素）を０．００２重量％以下とした鋼部品に浸炭もしくは浸炭窒化処理を施して、炭化物または炭窒化物の平均粒径を５μｍ以下、その面積率を２〜６０％とし、かつ該炭化物または炭窒化物中の３０％以上がＭ7Ｃ3の組成となるようにして耐ピッチング性の向上を図ったことが示されている。またこの様な組織を得るための方法として、部品に浸炭処理または浸炭窒化処理を施した後、Ａｒ1点以下に冷却し、さらにＡｒ1点以上の温度で浸炭または浸炭窒化雰囲気に再加熱し、その後、焼入れ・焼戻し処理を施すことが開示されている。
【０００８】
しかしながら、これらの方法では鋼材に添加する合金量が多いため、高濃度浸炭前に部品形状に成形する際の加工性が悪く、また炭化物の析出状態が良好でないためピッチング寿命がばらつき易いといった問題がある。
【０００９】
また、特許第３２７１６５９号には、歯車の駆動側および被駆動側の歯面の噛み合い範囲において歯面の最表層から芯部方向に少なくとも０．２ｍｍ深さまで面積率で５〜１０％の炭化物が分散析出し、かつ当該歯車の駆動側および被駆動側の歯元すみＲ部においては最表層から芯部にかけての炭化物が面積率で最大３％であり、かつ球状ないし擬球状に分散析出していると共に、窒化処理が施されており、前記かみ合い範囲においては歯面の最表層から芯部にかけての窒素濃度ピークが０．３ｗｔ％以上であるところに特徴を有する高強度歯車、およびその製造方法が開示されている。しかしながら上記歯車を構成する鋼材として示されているのは、いずれもＳｉ量やＣｒ量の比較的少ない、ＪＩＳ規定のＳＣ材やＳＮＣ材、ＳＮＣＭ材、ＳＣｒ材、ＳＣＭ材、ＳＭｎＣ材であることから、鋼材中に形成される炭化物の析出状態が好ましくなく、また炭化物析出後の鋼マトリックスの焼入れ性が不足するため不完全焼入れ組織が形成され易く、従って、ピッチング寿命のばらつきが懸念される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、高濃度浸炭前の加工性を劣化させることなく、安定したピッチング寿命を確保することのできた機械構造用鋼部品を製造するのに有用な方法、および該方法で得られた機械構造用鋼部品を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る機械構造用鋼部品の製造方法とは、Ｃ：０．１５〜０．２５％（化学成分の場合は質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：０．３５超〜０．７％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：１．２〜１．５％、Ｍｏ：０．３０〜０．６％、Ｎ：０．００８〜０．０５％の他、Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される少なくとも１種が下記式（１）を満たすように含まれている鋼部品を、浸炭処理した後に炭化物を析出させる工程を含み、該炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うところに要旨を有する。
0.005≦（[Ａｌ]＋[Ｎｂ]＋[Ｔｉ]）≦0.2 …（１）
｛式中、［Ａｌ］は鋼部品のＡｌ量（％）、［Ｎｂ］は鋼部品のＮｂ量（％）、［Ｔｉ］は鋼部品のＴｉ量（％）を示す｝
【００１２】
本発明は得られた機械構造用部品も規定するものである。即ち、本発明にかかる機械構造用部品は、心部において、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．３５超〜０．７％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：１．２〜１．５％、Ｍｏ：０．３０〜０．６％、Ｎ：０．００８〜０．０５％の他、Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される少なくとも１種が下記式（１）を満たすように含まれていると共に、鋼部品の表層から２５μｍ位置の炭化物面積率が５％以上で、かつ部品の等価直径、心部のＭｏ量およびＭｎ量、並びに鋼部品の表層から５０μｍ位置のＮ量が下記式（２）および（３）を満たすところに特徴を有する。
0.005≦（[Ａｌ]＋[Ｎｂ]＋[Ｔｉ]）≦0.2 …（１）
｛式中、［Ａｌ］は鋼部品のＡｌ量（％）、［Ｎｂ］は鋼部品のＮｂ量（％）、［Ｔｉ］は鋼部品のＴｉ量（％）を示す｝
6000／（−20×Ｄ＋1.68×ＪＲ＋186.78）＞40 …（２）
［Ｎ］≦0.25 …（３）
但し、ＪＲ＝exp［（Ｄ０＋77.7）／46.8］
Ｄ＝0.5×ａMn×ａMo×ａN
ａMn＝0.7×［Ｍｎ］2＋2.3×［Ｍｎ］＋1.3
ａMo＝0.5×［Ｍｏ］2＋2.6×［Ｍｏ］＋1.0
ａN＝10.2×［Ｎ］＋1.0
｛式中、ＤOは鋼部品の等価直径（ｍｍ）、［Ｍｎ］は心部のＭｎ量（％）、［Ｍｏ］は心部のＭｏ量（％）、［Ｎ］は鋼部品の表層から５０μｍ位置のＮ量（％）を示す｝
【００１３】
尚、前記心部とは、浸炭処理の施されていない鋼の素地部分をいい、前記等価直径とは、鋼部品の心部硬さと中心が同じ硬さとなる丸棒の直径をいうものとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、前述した様な状況の下で、高濃度浸炭前の加工性に優れ、かつ安定した耐ピッチング性を有する機械構造用鋼部品の実現を目指して鋭意研究を進めた。その結果、本発明で規定する化学成分組成の鋼材を用い、本発明で規定する方法で浸炭・窒化を行うことが大変有効であることを見出し、上記本発明に想到した。
【００１５】
まず、本発明で用いる鋼材の化学成分を規定した理由について詳述する。
【００１６】
本発明で高濃度浸炭前の加工性を劣化させることなく、高いピッチング強度を確保するのに重要な元素はＣｒである。Ｃｒは高濃度浸炭処理時に表面の浸炭層内に炭化物を形成し、この炭化物により軟化抵抗性を高めることができピッチング強度が向上するのである。更にＣｒは、鋼材の焼入れ性を確保し部品の強度を確保するのにも有効な元素である。この様な理由からＣｒ量の下限を１．０％とした。好ましくは１．２％以上である。一方、Ｃｒ量が多い場合には鋼材の硬度が必要以上に高くなり、浸炭前の部品成形時における加工性を劣化させることとなる。従ってＣｒ量の上限を１．５％とした。好ましくは１．４５％以下である。
【００１７】
以下、その他の元素について規定した理由を述べる。
【００１８】
Ｃ：０．１５〜０．２５％
Ｃは機械構造用鋼部品としての心部硬さを確保するのに必要な元素であることから、０．１５％以上、好ましくは０．１８％以上含有させる。一方、Ｃ量が多過ぎる場合には、必要以上に硬度が高くなり被削性や冷間鍛造性が劣化するので、０．２５％以下、好ましくは０．２３％以下に抑えるようにする。
【００１９】
Ｓｉ：０．３５超〜０．７％
Ｓｉも本発明における重要な元素の１つであり、表面の浸炭層に析出させた炭化物を微細化するとともに、鋼マトリックスを固溶強化する効果を有することから、０．３５％超、好ましくは０．４％以上、より好ましくは０．４５％以上含有させる。一方Ｓｉ量が過剰であると、鋼材の硬度が必要以上に高くなり被削性や冷間鍛造性が劣化するので、０．７％以下、好ましくは０．６％以下となるようにする。
【００２０】
Ｍｎ：０．２〜１．０％
Ｍｎは脱酸剤として作用し、酸化物系介在物を低減して鋼部品の内部品質を高めるとともに、焼入れ性を向上させて鋼部品の心部硬さや硬化層深さを高め、部品の強度を確保する。このような作用を十分に発揮させるには、Ｍｎを０．２％以上、好ましくは０．３％以上含有させる必要である。一方Ｍｎ量が過剰になると、表層部の残留オーステナイト量が増加し部品表面の硬度が低下する。従ってＭｎ量は１．０％以下、好ましくは０．８％以下とする。
【００２１】
Ｍｏ：０．３０〜０．６％
Ｍｏも重要な元素のうちの１つであり、炭化物の形成を促進するとともに、マトリックスの焼入れ性を確保し、不完全焼入れ組織の生成を抑制する効果を有する。この様な効果を有効に発揮させるには、０．３０％以上、好ましくは０．４％以上含有させるようにする。一方、０．６％を超えて添加すると心部の硬度が必要以上に高くなり、機械加工時における被削性や冷間鍛造性が劣化することとなる。好ましくは０．５％以下である。
【００２２】
Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される少なくとも１種：下記式（１）を満たすように含有させる。
0.005≦（[Al]＋[Nb]＋[Ti]）≦0.2 …（１）
｛式中、［Ａｌ］は鋼部品のＡｌ量（％）、［Ｎｂ］は鋼部品のＮｂ量（％）、［Ｔｉ］は鋼部品のＴｉ量（％）を示す｝
【００２３】
Ａｌ、ＮｂおよびＴｉは、窒化物を形成することによって結晶粒を微細化し、鋼部品の靭性を確保する役割を有する。このような作用を有効に発揮させるには、Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される少なくとも１種を０．００５％以上含有させる必要がある。好ましくは、上記元素の少なくとも１種を０．０１０％以上含有させる。一方、上記元素の含有量が過剰になると、これらの元素の粗大な化合物が生成されて、部品の強度低下や冷間加工性の低下を招くこととなる。従って、Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される少なくとも１種を０．２％以下に抑える必要があり、好ましくは、上記元素の少なくとも１種を０．１％以下に抑える。
【００２４】
Ｎ：０．００８〜０．０５％
Ｎは、上述したＡｌやＮｂ、Ｔｉと窒化物を生成することによって結晶粒を微細化し、鋼部品の靭性を確保するのに有効な元素である。この様な効果を有効に発揮させるには、Ｎ量を０．００８％以上、好ましくは０．０１０％以上含有させる必要がある。一方、Ｎ量が過剰となっても上記効果は飽和するだけであるのでその上限を０．０５％とする。好ましくは０．０３％以下である。
【００２５】
本発明で用いる鋼材には、上記説明したものの他、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避的不純物、更には、本発明の課題達成に悪影響を与えない許容元素（例えばＣｕ、Ｎｉ、Ｂ、Ｃａ、Ｂｉ、Ｚｒ、Ｓ、Ｐｂ、Ｍｇ等）が含まれる場合も本発明の技術的範囲に包含される。
【００２６】
次に本発明者らは、上記成分組成の鋼材を用いて、浸炭前の加工性および耐ピッチング性の両特性を備える機械構造用鋼部品を得るべく、浸炭・窒化処理方法について検討を行った。まず、従来の高濃度浸炭処理法について試みたが、上記成分組成の鋼材を用いても従来の高濃度浸炭処理法では十分なピッチング強度を確保することができなかった。そこで原因について追究したところ、高濃度浸炭処理では浸炭層内に炭化物を析出させるが、この炭化物が主にＦｅやＣｒの炭化物であって、鋼材中のＣｒが炭化物形成に用いられるため、マトリックス中のＣｒ濃度が低下し、その分Ｃｒによる焼入れ性向上効果も低減して、焼入れを行っても均一かつ十分でなく、表面の浸炭層内に不完全焼入れ組織が生じてしまうことがわかった。
【００２７】
そこで本発明者らは、Ｃｒ等の炭化物析出に伴い低下するマトリックスの焼入れ性を確保すべく様々な角度から製造方法について検討したところ、炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うようにすることが最も有効であることを見出した。即ち、本発明では、浸炭工程にて高温かつカーボンポテンシャルを高めた雰囲気で部品表面の炭素量を増加させた後、炭化物を析出させる工程で、炭化物の析出とともに鋼マトリックスの焼入れ性確保のための窒化を行なうことによって、鋼マトリックスの焼入れ性を高めて不完全焼入れ組織の生成を抑制することができ、優れた耐ピッチング性を確保することができたのである。
【００２８】
本発明はこの様に鋼部品を浸炭させた後、炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うところに要旨を有するものであるが、各工程における望ましい処理条件は以下の通りである。
【００２９】
＜浸炭条件＞
（１）加熱温度（浸炭温度）
鋼部品に十分な浸炭を施すには、浸炭温度を９００℃以上とするのがよく、これより低温である場合には浸炭に要する時間が長くなり生産性が低下するので好ましくない。より好ましくは９２０℃以上である。一方、該浸炭温度が高すぎても結晶粒が粗大化し、鋼部品の靭性が劣ることとなるので浸炭温度は９８０℃以下とするのがよい。より好ましくは９５０℃以下である。この浸炭温度での保持時間（浸炭時間）は、特に制約されるものではなく所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、コスト面からは１時間以上１０時間以下の範囲内で適宜設定するのがよい。
【００３０】
（２）加熱雰囲気
加熱雰囲気は、カーボンポテンシャル０．９％以上１．５％以下とするのがよい。この工程におけるカーボンポテンシャルが低過ぎると、機械構造用鋼部品表面の炭素濃度が低くなり、次工程の炭化物析出工程で十分な炭化物を析出させることができず、結果として所望のピッチング強度を確保することが困難となる。より好ましくは１．０％以上である。一方、カーボンポテンシャルの上限に特に制約はないが、高すぎると「スーティング」と呼ばれるすすが鋼部品表面に付着して浸炭が阻害されるので、１．５％以下とするのがよい。より好ましくは１．２％以下である。
【００３１】
尚、前記カーボンポテンシャルの測定は、Ｏ2センサ法や赤外線分析計によるＣＯ2法、露点測定法、鉄線を用いたカーボンポテンショメータなど一般に用いられる方法によって測定可能であるが、特に、Ｃｐコイルと呼ばれる鉄線を炉内雰囲気に放置し、このＣｐコイルを用いて赤外線吸収法などによって定量分析する方法が測定精度の面で最も優れている。
【００３２】
（３）冷却速度
前記浸炭温度で一定時間保持した後は、冷却速度１０℃／分以上で冷却するのがよい。その理由として、次工程である炭化物析出工程で微細な炭化物を析出させるには、前記浸炭温度で一定時間保持した後、浸炭した炭素を析出させず過飽和に固溶した状態で一旦Ａｒ1点以下まで冷却するが、冷却速度が１０℃／分未満である場合には、過飽和状態にある炭素が結晶粒界に拡散する時間的余裕があり、析出時に炭化物が網目状に析出してピッチング等の各種強度が低下するからである。より好ましくは１５℃／分以上である。冷却速度の上限には特に制約はないが、あまり急速に冷却しても鋼部品に変形や割れが生じやすくなるので、冷却速度は１２００℃／分以下とするのがよく、より好ましくは６００℃／分以下である。
【００３３】
＜炭化物析出条件＞
前述した様に、前記浸炭工程にて過飽和に炭素を固溶した浸炭層内から微細な炭化物を析出させることによって、機械構造用鋼部品のピッチング強度を向上させることができる。また、この炭化物析出工程の加熱温度保持中に窒素ポテンシャルを高く設定できることから、この炭化物析出工程で焼入れ性確保のための窒化を行うのがよいのである。以下に、炭化物析出および窒化の条件について詳述する。
【００３４】
（１）加熱温度
炭化物析出は、８００℃以上８６０℃以下の温度範囲内で行うのがよい。加熱温度が８６０℃を超えると、炭素量の固溶限界が大きくなり析出する炭化物量が減少するからであり、より好ましくは８５０℃以下である。一方、加熱温度が８００℃未満の場合には、析出する炭化物が微細化しすぎてピッチング強度の向上に対する寄与が小さくなるからであり、より好ましくは８３０℃以上である。
【００３５】
（２）加熱雰囲気
炭化物析出工程では、カーボンポテンシャル０．７％以上１．１％以下の雰囲気で炭化物の析出を行うのがよい。カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には、前記加熱温度保持中に脱炭してしまい、析出する炭化物量が減少するからである。より好ましいカーボンポテンシャルは０．７５％以上である。一方、カーボンポテンシャルが１．１％を超える場合には、前記加熱温度保持中に浸炭が進んで炭化物が粗大化し、ピッチング等の各種強度が低下するので好ましくない。より好ましくはカーボンポテンシャルを１．０％以下とする。尚、前記カーボンポテンシャルは前述した方法で測定することができる。
【００３６】
この炭化物析出工程における加熱保持時間は、特に制約されるものではなく、所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、部品サイズが大きくなり、該保持時間が３０分間以上となる場合には、カーボンポテンシャルを０．７％以上で心部のＡｃｍ点対応炭素濃度以下とすることが好ましい。加熱温度保持中の鋼部品の浸炭層は、心部の鋼のＡｃｍ点の組成からなるオーステナイトと炭化物との混合組織となっているが、カーボンポテンシャルがＡｃｍ点対応炭素濃度を超える雰囲気では、前記組織におけるオーステナイトに対し強い浸炭雰囲気となり、炭化物が粗大化して鋼部品の機械的強度が低下するからである。この様な傾向は、部品が大型化して前記加熱保持時間が長時間になるほど顕著になることがわかった。カーボンポテンシャルは、心部のＡｃｍ点対応炭素濃度よりも０．１％以上低い炭素濃度以下とするのがより好ましい。一方、カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には、表面からの脱炭が生じて析出する炭化物量が減少するので好ましくない。より好ましくは０．７５％以上とする。
【００３７】
上述の通り、この炭化物析出工程の加熱温度保持中に窒素ポテンシャルを高く設定できることから、この炭化物析出工程で窒化処理を行うのがよい。窒化は、窒素ポテンシャルが０．０５％以上の雰囲気で行えば、表面の窒素量を確保することができ、焼入れ時に十分な焼入れが行えて不完全焼入れ組織の生成を抑制することができる。窒素ポテンシャルは好ましくは０．０８％以上である。また、窒素ポテンシャルが０．２０％を超えても不完全焼入れ組織が増加するので好ましくない。その理由は明らかではないが、窒素量が高すぎるとＣｒ窒化物が析出して鋼マトリックスの焼入れ性が低下するためと推測される。好ましくは０．１５％以下である。窒素ポテンシャルの測定方法は、Ｃｐコイルと呼ばれる鉄線を炉内雰囲気中に放置し、このＣｐコイルを赤外線吸収法などによって定量分析する方法が適用可能である。
【００３８】
窒化の具体的方法としては、前記加熱温度で一定時間保持しながらアンモニアを流入する等の一般的な方法を適用することが可能である。本発明では、炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うことを必須とするが、その時期まで規定するものではなく、炭化物析出工程の全工程で窒化処理を行うことの他、該炭化物析出処理工程のうち、一部で炭化物析出と同時に窒化処理を行う場合や、二部以上に分けて窒化処理を行う場合も含むものとする。
【００３９】
従って、本発明の製造方法における浸炭・炭化物析出工程としては、例えば図１〜図３に示す様な加熱温度の設定や窒化処理時期とすることが実施形態として挙げられる。
【００４０】
本発明でより微細な炭化物を析出させて耐ピッチング性を更に高めるにあたっては、次の様な方法で炭化物析出・窒化を行うことが特に好ましい。即ち、炭化物析出工程を、
▲１▼８１０℃以上８６０℃以下の温度にてカーボンポテンシャル０．７％以上１．１％以下の雰囲気で加熱し、１０℃／分以上の冷却速度で該加熱保持温度よりも１０℃以上かつ８００℃を下回らない温度まで降温させた（以下「炭化物析出段階▲１▼」という）後、
▲２▼該温度にてカーボンポテンシャル０．７％以上１．１％以下の雰囲気で一定時間保持する（以下「炭化物析出段階▲２▼」という）
ことによって、より微細な炭化物を、より均一に分散させることができ、優れた特性を有する機械構造用鋼部品を確実に得ることができるのである。
【００４１】
そしてこの様な工程で炭化物の析出を行う場合には、前記炭化物析出段階▲２▼にて、窒素ポテンシャル０．０５％以上０．１５％以下の雰囲気で炭化物析出と同時に窒化を行えば、加熱温度保持中に窒素ポテンシャルを高く設定でき、良好に窒化処理を行えるので望ましい。
【００４２】
以下、上記工程の処理条件について詳述する。
【００４３】
＜炭化物析出段階▲１▼の条件＞
（１）加熱温度
炭化物析出段階▲１▼における加熱温度は、８１０℃以上８６０℃以下とするのがよい。８６０℃を超える場合には炭素量の固溶限界が大きくなり析出する炭化物量が減少するからであり、より好ましくは８５０℃以下である。一方８１０℃未満の場合には、析出する炭化物が微細になりすぎてピッチング強度向上に対する寄与が小さくなるからであり、より好ましくは８３０℃以上である。
【００４４】
（２）加熱雰囲気
炭化物析出段階▲１▼における加熱雰囲気は、カーボンポテンシャルを０．７％以上１．１％以下とするのがよい。カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には加熱温度保持中に脱炭してしまい、析出する炭化物量が少なくなるからである。より好ましくはカーボンポテンシャルを０．７５％以上とする。一方、カーボンポテンシャルが１．１％を超える場合には、加熱温度保持中に浸炭が進んで炭化物が粗大化し、ピッチング等の各種強度が低下するので好ましくない。より好ましくは１．０％以下である。尚、前記カーボンポテンシャルは前述した方法で測定することができる。
【００４５】
この炭化物析出段階▲１▼における加熱保持時間は、特に制約されるものではなく、所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、部品サイズが大きくなり、該保持時間が３０分間以上となる場合には、カーボンポテンシャルを０．７％以上で心部のＡｃｍ点対応炭素濃度以下とすることが好ましい。加熱温度保持中の鋼部品の浸炭層は、心部の鋼のＡｃｍ点の組成からなるオーステナイトと炭化物との混合組織となっているが、カーボンポテンシャルがＡｃｍ点対応炭素濃度を超える雰囲気では、前記組織におけるオーステナイトに対し強い浸炭雰囲気となり、炭化物が粗大化して鋼部品の機械的強度が低下するからである。この様な傾向は、部品が大型化して前記加熱保持時間が長時間になるほど顕著になることがわかった。カーボンポテンシャルは、心部のＡｃｍ点対応炭素濃度よりも０．１％以上低い炭素濃度以下とするのがより好ましい。一方、カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には、表面からの脱炭が生じて析出する炭化物量が減少するので好ましくない。より好ましくは０．７５％以上とする。
【００４６】
（３）冷却速度
前記加熱温度保持後の冷却速度は１０℃／分以上とするのがよい。該冷却速度が１０℃／分未満の場合には、一旦マトリックスに固溶した炭素が拡散できる時間的余裕を有することとなり、結晶粒界に析出した炭化物が粗大化するので、ピッチング強度がばらつく原因となる。前記冷却速度は２０℃／分以上とするのが好ましい。前記冷却速度の上限は特に制限されないが、あまり急速に冷却しても鋼部品に変形や割れが生じやすくなるので、冷却速度は２００℃／分以下であることが好ましい。
【００４７】
＜炭化物析出段階▲２▼の条件＞
（１）加熱温度
炭化物析出段階▲１▼における前記冷却速度での冷却は、常温まで行なわず、８００℃以上であって前期炭化物析出段階▲１▼における加熱温度よりも１０℃以下の温度範囲までとし、該温度にて一定時間保持するのがよい。
【００４８】
加熱温度が８００℃未満の場合には、析出する炭化物が微細化しすぎてピッチング強度の向上にあまり寄与しないからである。より好ましくは８３０℃以上とする。一方、該温度が、前記炭化物析出段階▲１▼における加熱温度よりも１０℃未満と高い場合には、冷却中に析出する炭化物量が少なく、ピッチング強度向上の効果が得られないからである。より好ましくは前記炭化物析出段階▲１▼における加熱温度よりも２０℃以下（但し８００℃以上）とする。
【００４９】
（２）加熱雰囲気
前記炭化物析出段階▲２▼にて炭化物析出と同時に窒化を行うのが、加熱温度保持中に窒素ポテンシャルを高く設定できるので好ましい。窒化処理における窒素ポテンシャルは前述した範囲内、即ち、好ましくは０．０５％以上、より好ましくは０．０８％以上であって、好ましくは０．２０％以下、より好ましくは０．１５％以下とするのがよい。またカーボンポテンシャルは、前記炭化物析出段階▲１▼と同様にカーボンポテンシャルが０．７％以上１．１％以下の雰囲気下とするのがよい。カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には加熱温度保持中に脱炭し、析出する炭化物量が少なくなるからである。好ましくは０．７５％以上である。一方、カーボンポテンシャルが１．１％を超える場合には、加熱温度保持中に表層が過剰に浸炭されて、炭化物が粗大化し、ピッチング等の各種強度が低下するからである。好ましくは１．０％以下である。
【００５０】
尚、この場合の窒化処理も、炭化物析出段階▲２▼の少なくとも一部で炭化物の析出と同時に窒化を行なえばよく、例えば図４および図５に概略的に例示するような熱処理パターンで窒化を行うことができる。
【００５１】
この炭化物析出段階▲２▼における加熱保持時間は、特に制約されるものではなく、所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、部品サイズが大きくなり、該保持時間が３０分間以上となる場合には、カーボンポテンシャルを０．７％以上で心部のＡｃｍ点対応炭素濃度以下とすることが好ましい。加熱温度保持中の鋼部品の浸炭層は、心部の鋼のＡｃｍ点の組成からなるオーステナイトと炭化物との混合組織となっているが、カーボンポテンシャルがＡｃｍ点対応炭素濃度を超える雰囲気では、前記組織におけるオーステナイトに対し強い浸炭雰囲気となり、炭化物が粗大化して鋼部品の機械的強度が低下するからである。この様な傾向は、部品が大型化して前記加熱保持時間が長時間になるほど顕著になることがわかった。カーボンポテンシャルは、心部のＡｃｍ点対応炭素濃度よりも０．１％以上低い炭素濃度以下とするのがより好ましい。一方、カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には、表面からの脱炭が生じて析出する炭化物量が減少するので好ましくない。より好ましくは０．７５％以上とする。
【００５２】
前期炭化物析出工程における加熱温度保持後の冷却の際には、部品の強度を確保すべく焼入れを行うのがよく、該焼入れの方法としては、ソルト焼入れや油冷など一般的な焼入れ方法を適用することが可能である。
【００５３】
尚、本発明は、鋼部品を浸炭処理した後に炭化物を析出させる工程を含み、前記炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うことを要旨とするものであって、その他の処理工程と組み合わせて行うことを排除するものではなく、例えば、本発明で規定する処理の前に焼ならしや焼鈍を行ったり、本発明で規定する処理の後に焼戻しを行う等の組み合わせが考えられる。また本発明は、製造に関するその他の条件を規定するものではなく、鋼材の製造に関する製鋼、圧延や機械構造用部品の製造に関する切削、鍛造等については一般的に用いられている方法を適用することができる。本発明の機械構造用部品として、例えば自動車のトランスミッション等に用いる歯車や歯車部分を有する軸状部品を製造するにあたっては、本発明で規定する成分組成の鋼材を、熱間鍛造や冷間鍛造等の鍛造方法で最終部品に近い形状まで成形した後、ホブ、ラック等を用いた歯切り工程で前記歯車や歯車部分の歯形を成型し、次に、本発明に係る方法で表面硬化処理を行い、その後必要に応じて、ショットピーニング等の強化処理や、歯形表面の研磨等の機械加工を行う仕上加工処理、表面に二硫化モリブデン等の潤滑皮膜を塗布する潤滑皮膜処理を行う方法が挙げられる。
【００５４】
また本発明は、この様にして得られた機械構造用部品も規定するものである。即ち前記化学成分組成の鋼材を用い前記方法で製造して、鋼部品の表層から２５μｍ位置における炭化物面積率を５％以上となるよう炭化物を析出させ、かつ、鋼材成分のうち特に焼入れ性に寄与する元素である心部のＭｎおよびＭｏ、並びに焼入れ性を確保すべく窒化により添加した鋼部品の表層から５０μｍ位置の窒素量が、部品サイズを代表する値である機械構造用鋼部品の等価直径との関係として下記式（２）および式（３）を満たすようにすれば、鋼部品の浸炭層に不完全焼入れ組織を生成させることなく十分なピッチング強度を確保できるのである。
6000／（−20×Ｄ＋1.68×ＪＲ＋186.78）＞40 …（２）
［Ｎ］≦0.25 …（３）
但し、ＪＲ＝exp［（Ｄ0＋77.7）／46.8］
Ｄ＝0.5×ａMn×ａMo×ａN
ａMn＝0.7×［Ｍｎ］2＋2.3×［Ｍｎ］＋1.3
ａMo＝0.5×［Ｍｏ］2＋2.6×［Ｍｏ］＋1.0
ａN＝10.2×［Ｎ］＋1.0
｛式中、Ｄ0は部品の等価直径（ｍｍ）、［Ｍｎ］は心部のＭｎ量（％）、
［Ｍｏ］は心部のＭｏ量（％）、［Ｎ］は鋼部品の表層から５０μｍ位置のＮ量（％）を示す｝
【００５５】
本発明では、鋼部品の表層から２５μｍ位置における炭化物面積率が５％以上となるように炭化物を析出させる必要があるが、その理由は、該炭化物面積率が５％未満の場合には、表面の硬化が十分でなく高いピッチング強度が得られないからである。好ましくは前記炭化物面積率が７％以上となるようにする。更に、上述の通り上記式（２）および（３）を満たす必要がある。上記式（２）を満足しない場合には、部品の焼入れ性が不足し、表層に不完全焼入れ組織が生成してしまうので好ましくないのである。上記式（２）の左辺の値は５０以上であることが好ましい。
【００５６】
また上記式（３）を満足しない場合にも不完全焼入れ組織を生成するが、その原因は、Ｎ量が過剰となり表層にＣｒ窒化物が析出して鋼マトリックスの焼入れ性が低下するためであると推測される。鋼部品の表層から５０μｍ位置のＮ量は好ましくは０．２０％以下である。
【００５７】
上記式（２）における機械構造用鋼部品の等価直径Ｄ0は、一般に用いられる方法で測定することができる。また鋼部品の表層から５０μｍ位置の窒素量は、その測定方法として、機械構造用鋼部品と同鋼種からなる丸棒等の試料を機械構造用鋼部品と同バッチで高濃度浸炭処理し、該試料の表層部位から切屑を採取して赤外線吸収法で測定する方法や、鋼部品表面に垂直な断面における部品表層から５０μｍ位置の窒素量をＥＰＭＡ（electron probe X-ray microanalyzer）で分析する方法を用いることができる。
【００５８】
【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可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００５９】
実施例１
表１に示す各成分組成の鋼材を小型炉にて溶製し、熱間鍛造後に溶体化処理および焼きならし処理を行った後、機械加工によってローラピッチング試験片の形状に加工した。前記焼きならし処理は９３０℃×６０分保持後に空冷して行い、焼きならし処理後であって機械加工前の鋼材硬さを、ビッカース硬度測定にて評価した。尚、このときの試験荷重は９８Ｎとした。図６に前記ローラピッチング試験に用いた試験片の形状を示す。
【００６０】
この様にして得た試験片を用い、図７に示す熱処理パターンで高濃度浸炭・窒化処理を行った。具体的には、
浸炭工程→炭化物析出工程（炭化物析出段階▲２▼のみ）→焼戻し工程、または
浸炭工程→炭化物析出工程（炭化物析出段階▲１▼→▲２▼）→焼戻し工程の順に高濃度浸炭・窒化処理を行った。尚、炭化物析出段階▲２▼ではＮＨ3ガスを流入して炭化物析出と同時に窒化処理を行っている。
【００６１】
表２および表３に、浸炭工程における加熱温度（浸炭温度）、カーボンポテンシャルおよび冷却速度、炭化物析出段階▲１▼における加熱温度、該温度での保持時間、カーボンポテンシャルおよび冷却速度、炭化物析出段階▲２▼における加熱温度、該温度での保持時間、カーボンポテンシャル、窒素ポテンシャル、およびこれらの処理に用いた鋼材Ｎｏ．を示す。
【００６２】
前記高濃度浸炭・窒化処理後の試験片にショットピーニング処理を施し、さらに表面に約５０μｍの仕上げ研磨を施してローラピッチング試験片を完成させた。この様にして得られた試験片を用い、下記条件にてローラピッチング試験を行った。ピッチングが発生するまでの寿命をもってピッチング寿命とし、このピッチング寿命のｎ＝３の平均値とワイブル分布に従うとして求めた１０％破損寿命にて耐ピッチング性の評価を行った。結果を表２および表３に併記する。
［ローラピッチング試験条件］
面圧：３．７ＧＰａ
回転数：１５００ｒｐｍ
すべり率：−４０％
すべり速度：０．８ｍ／ｓ
油種：ギアオイル
油温：９０℃
相手ローラ：ＪＩＳ Ｇ４１０４ クロム鋼ＳＣｒ４２０の浸炭材
【００６３】
【表１】
【表２】
【表３】
得られた結果について以下の様に考察できる。尚、下記Ｎｏ．は表２および表３における実験Ｎｏ．を示す。
【００６７】
本発明に係る鋼材を用い、かつ本発明で規定する条件で高濃度浸炭・窒化処理を行った場合には、焼きならし後の硬さが低く機械加工が良好に行えることに加え、得られた鋼部品の表層には微細な炭化物が均一かつ十分に分散しているので、耐ピッチング性に優れていることがわかる。特にＮｏ．４，６，９および１０は、炭化物析出工程を２段階とし、加熱・冷却した後に一定の温度に保持して炭化物をより均一に分散させていることから、安定したピッチング強度を有する機械構造用鋼部品が得られていることがわかる。その中でも特に、Ｎｏ．９の様に加熱・冷却した後に一定の温度に保持する際のカーボンポテンシャルをＡｃｍ対応炭素濃度以下とすることによって、ピッチング寿命の優れた鋼部品がより確実に得られることが分かる。
【００６８】
これに対し、Ｎｏ．２０，２２，２４および２６は、それぞれＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏが本発明で規定する範囲を超えていることから、焼きならし処理後の硬さが必要以上に高くなり、部品形状に機械加工することが困難であったり、または加工に際しコストが非常に高くなるといった問題がある。Ｎｏ．１９は、Ｓｉ量が本発明の規定範囲を下回っているため、浸炭層の炭化物量が少なく、結果としてピッチング強度が低くなっている。またＮｏ．２３は、Ｃｒ量が本発明の規定範囲を下回っているため、浸炭層の炭化物量が少なく、結果としてピッチング強度が低くなっている。Ｎｏ．２１および２５は、それぞれＭｎ、Ｍｏ量が少ないので表層に不完全焼入れ組織が生成し、ピッチング強度が低くなっている。
【００６９】
またＮｏ．２７からは、析出炭化物量を確保するには浸炭工程のカーボンポテンシャルを本発明の好ましい範囲とするのがよく、Ｎｏ．２８からは、浸炭後の冷却速度を好ましい範囲とすれば粗大な炭化物を析出させないようにすることができ、またＮｏ．２９からは、炭化物析出量を確保するには炭化物析出工程における加熱温度を好ましい上限以下とするのがよく、Ｎｏ.３０からは、炭化物を適度なサイズで析出させてピッチング強度の向上を図るには、炭化物析出工程における加熱温度を好ましい下限以上とするのがよいことがわかる。
【００７０】
Ｎｏ．３１およびＮｏ.３２からは、１０％破損寿命が短くなるのを抑制するには炭化物析出工程におけるカーボンポテンシャルを好ましい上限以下にして析出した炭化物の粗大化を抑制するのがよく、所望のピッチング強度を得るには、カーボンポテンシャルを好ましい下限以上にして炭化物析出量を確保するのがよいことがわかる。
【００７１】
またＮｏ．３３およびＮｏ.３４からは、炭化物周辺に不完全焼入れ組織を生成して１０％破損寿命が低くなったり、ピッチング強度が低下するのを防ぐには、窒化処理における窒素ポテンシャルを本発明で好ましいとする範囲にするのがよいことがわかる。
【００７２】
実施例２
表４に示す成分組成の鋼材を小型炉にて溶製し、熱間鍛造後に溶体化処理および焼きならし処理を行った後、機械加工によって表４に示す等価直径の丸棒を得た。前記焼きならし処理は９２０℃×６０分保持後に空冷して行い、その後、図７に示すヒートパターン｛浸炭工程→炭化物析出工程（炭化物析出段階▲２▼のみ）→焼戻し工程｝で前記丸棒試料に高濃度浸炭・窒化処理を施した。処理条件は、浸炭工程にて加熱温度（浸炭温度）９２０℃、カーボンポテンシャル１．２４％の雰囲気で１２０分間保持後、２０℃／ｍｉｎの冷却速度で５００℃まで冷却した。次に、炭化物析出工程として加熱温度８４０℃、カーボンポテンシャル０．８５％、窒素ポテンシャルを種々の濃度とした雰囲気下で６０分間保持して炭化物析出・窒化を行った後、油焼入れし、最後に加熱温度１８０℃、加熱保持時間１５０分間の条件で焼戻しを行った。
【００７３】
得られた試験片の表層から５０μｍ位置の切り屑を採取し、赤外線吸収法で鋼部品の表層から５０μｍ位置のＮ量を測定するとともに、該試験片の切断面について蛍光Ｘ線分析を行い心部のＭｎ量、心部のＭｏ量を求めた。さらに表層の不完全焼入れ組織の有無は、ＳＥＭを用い、表層を倍率１６００倍および８０００倍で観察して調査した。また８０００倍のＳＥＭ観察結果から、表層の炭化物面積率を測定したところ、すべての試料において５％以上であった。鋼部品の表層から５０μｍ位置のＮ量、式（２）の左辺の値、および表層の不完全焼入れ組織の有無を調べた結果を表４に併記する。
【００７４】
【表４】
表４より、Ｎｏ．３５〜４０は、本発明で規定する式（２）および式（３）、並びに表層の炭化物面積率を満足するものであり、表層に不完全焼入れ組織が見られないことから高い機械的強度が期待できる。
【００７６】
これに対し、Ｎｏ．４１はＮｏ．４０と鋼材成分、表層から５０μｍ位置のＮ量および等価直径がほぼ同一の部品であるが、式（２）を満たさないことから表層に不完全焼入れ組織が形成する結果となった。またＮｏ．４２はＮｏ．３６と鋼材成分、表層から５０μｍ位置のＮ量および等価直径がほぼ同一の部品であるが、式（２）を満たさないことから表層に不完全焼入れ組織が形成する結果となった。
【００７７】
Ｎｏ．４３は、Ｎｏ．３９と鋼材成分および表層から５０μｍ位置のＮ量がほぼ同じであるが、部品の等価直径がＮｏ．３９よりも大きく式（２）を満足しないことから、表層に不完全焼入れ組織が形成してしまう結果となった。またＮｏ．４４は、Ｎｏ．３７と鋼材成分および等価直径がほぼ同じであるが、式（２）を満足しないことから表層に不完全焼入れ組織が形成する結果となった。またＮｏ．４５および４６は、Ｎｏ．３７と鋼材成分および等価直径がほぼ同じであるが、部品表層から５０μｍ位置のＮ量が式（３）を満たさないので表層に不完全焼入れ組織が形成する結果となった。
【００７８】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、高濃度浸炭・炭化物析出プロセスにおける窒化によって、鋼マトリックスの焼入れ性を高めて不完全焼入れ組織の生成を抑制することができ、優れた耐ピッチング性を確保することができた。また、焼入れ性確保のための合金元素を多量に添加する必要がないことから、高濃度浸炭前の部品成形時における加工性も確保できることとなった。そしてこの様な製造方法および機械構造用部品の実現によって、動力伝達用歯車等の様な負荷応力の高い鋼部品を提供できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で規定の製造方法にかかる熱処理パターンを概略的に例示したものである。
【図２】本発明で規定の製造方法にかかる他の熱処理パターンを概略的に例示したものである。
【図３】本発明で規定の製造方法にかかる他の熱処理パターンを概略的に例示したものである。
【図４】本発明で規定の製造方法にかかる他の熱処理パターンを概略的に例示したものである。
【図５】本発明で規定の製造方法にかかる他の熱処理パターンを概略的に例示したものである。
【図６】実施例１にて用いたローラピッチング試験片の形状を模式的に表した側面図である。
【図７】実施例１および実施例２にて行った高濃度浸炭・炭化物析出・窒化処理パターンを示す。
Claims (8)
- Ｃ：０．１５〜０．２５％（化学成分の場合は質量％の意味、以下同じ）、
Ｓｉ：０．３５超〜０．７％、
Ｍｎ：０．２〜１．０％、
Ｃｒ：１．２〜１．５％、
Ｍｏ：０．３０〜０．６％、
Ｎ：０．００８〜０．０５％の他、
Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される少なくとも１種が下記式（１）を満たすように含まれており、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼部品を、ガス浸炭処理した後に炭化物を析出させる工程を含み、該炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うことを特徴とする機械構造用鋼部品の製造方法。
０．００５≦（［Ａｌ］＋［Ｎｂ］＋［Ｔｉ］）≦０．２ …（１）
｛式中、［Ａｌ］は鋼部品のＡｌ量（％）、［Ｎｂ］は鋼部品のＮｂ量（％）、［Ｔｉ］は鋼部品のＴｉ量（％）を示す｝ - 前記ガス浸炭処理において加熱雰囲気をカーボンポテンシャル０．９％以上１．５％以下とする請求項１に記載の製造方法。
- 前記ガス浸炭処理した後の冷却速度を１０℃／分以上とする請求項１または２に記載の製造方法。
- 前記ガス浸炭処理した後、炭化物析出工程に先立って、一旦Ａｒ 1 点以下まで冷却する請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
- 前記炭化物析出工程では、
８００℃以上８６０℃以下の温度にてカーボンポテンシャル０．７％以上１．１％以下の雰囲気で保持すると共に、該炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒素ポテンシャル０．０５％以上０．２０％以下の雰囲気で窒化処理を行なう請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。 - 前記炭化物析出工程では、
炭化物析出段階１として、８１０℃以上８６０℃以下の温度にてカーボンポテンシャル０．７％以上１．１％以下の雰囲気で加熱し、１０℃／分以上の冷却速度で該加熱保持温度よりも１０℃以上低くかつ８００℃を下回らない温度まで降温させ、次いで、
炭化物析出段階２として、該温度にてカーボンポテンシャル０．７％以上１．１％以下の雰囲気で保持すると共に、該炭化物析出段階２の少なくとも一部で同時に窒素ポテンシャル０．０５％以上０．１５％以下の雰囲気で窒化処理を行なう請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。 - 心部において、
Ｃ：０．１５〜０．２５％、
Ｓｉ：０．３５超〜０．７％、
Ｍｎ：０．２〜１．０％、
Ｃｒ：１．２〜１．５％、
Ｍｏ：０．３０〜０．６％、
Ｎ：０．００８〜０．０５％の他、
Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される少なくとも１種が下記式（１）を満たすように含まれており、残部は鉄および不可避的不純物からなり、
鋼部品の表層から２５μｍ位置の炭化物面積率が５％以上で、かつ部品の等価直径、心部のＭｏ量およびＭｎ量、並びに鋼部品の表層から５０μｍ位置のＮ量が下記式（２）および（３）を満たすことを特徴とする機械構造用鋼部品。
０．００５≦（［Ａｌ］＋［Ｎｂ］＋［Ｔｉ］）≦０．２ …（１）
｛式中、［Ａｌ］は鋼部品のＡｌ量（％）、［Ｎｂ］は鋼部品のＮｂ量（％）、［Ｔｉ］は鋼部品のＴｉ量（％）を示す｝
６０００／（−２０×Ｄ＋１．６８×ＪＲ＋１８６．７８）＞４０ …（２）
［Ｎ］≦０．２５ …（３）
但し、ＪＲ＝ｅｘｐ［（Ｄ0＋７７．７）／４６．８］
Ｄ＝０．５×ａMn×ａMo×ａN
ａMn＝０．７×［Ｍｎ］2＋２．３×［Ｍｎ］＋１．３
ａMo＝０．５×［Ｍｏ］2＋２．６×［Ｍｏ］＋１．０
ａN＝１０．２×［Ｎ］＋１．０
｛式中、Ｄ0は部品の等価直径（ｍｍ）、［Ｍｎ］は心部のＭｎ量（％）、［Ｍｏ］は心部のＭｏ量（％）、［Ｎ］は鋼部品の表層から５０μｍ位置のＮ量（％）を示す｝ - 前記心部のＳｉ量が０．４〜０．７％である請求項７に記載の機械構造用鋼部品。
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