JP4688727B2 - 浸炭部品およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車などの輸送機器や建設機械、その他の各種産業機械などにおいて、浸炭処理して使用される浸炭部品（機械部品）およびその製造方法に関するものであり、特に歯車やシャフト類、軸付き歯車、軸受などに関するものである。

輸送機器や建設機械、その他の各種産業機械において、耐摩耗性や疲労特性が要求される機械部品には、従来から、浸炭処理や窒化処理、或いは浸炭窒化処理などの表面硬化熱処理をした浸炭部品が用いられている。こうした表面硬化熱処理による効果を発揮させるために、上記部品の素材鋼（母材）としては、通常、ＪＩＳ Ｇ４０５２で規定されている焼入性を保証した構造用鋼鋼材（Ｈ鋼）等が用いられている。Ｈ鋼の中でも、Ｓｉを０．３５％以下の範囲で含有しているＳＭｎ４２０Ｈ、ＳＣｒ４１５Ｈ、ＳＣｒ４２０Ｈ、ＳＣＭ４１５Ｈ、ＳＣＭ４１８Ｈ、ＳＣＭ４２０Ｈ、ＳＮＣ４１５Ｈ、ＳＮＣＭ２２０Ｈ、ＳＮＣＭ４２０Ｈなどが一般的に用いられている。

このうち浸炭熱処理方法に関する技術として、例えば、特許文献１には、カーボンポテンシャルを０．９〜１．２％の高炭素域に設定して浸炭処理を行い、Ａｒ１変態以下に一旦冷却後８５０℃に再加熱し、引続き２００℃〜２３０℃で所定時間保持冷却することで、マトリックスの高炭素マルテンサイト化による強度低下を防止し、耐ピッチング性や曲げ疲れ限度を向上する方法が記載されている。

ところで、自動車や建設機械、産業機械等に用いられる部品には、近年、高応力化や小型軽量化に対する要望が高まり、動力伝達用歯車やシャフト、軸付き歯車、或いはこれらを受ける軸受などに負荷される応力も益々増大しており、特に曲げ疲労特性の更なる改善が求められている。
特開平７−３４２１８号公報（特許請求の範囲、段落００１１など）

本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、曲げ疲労特性に極めて優れた浸炭部品を提供することにある。また本発明の他の目的は、こうした浸炭部品を製造できる方法を提供することにある。

上記課題を解決することのできた本発明に係る浸炭部品は、母材が、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．３％、Ｓｉ：０．３５％を超え、２％以下、Ｍｎ：３％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：２％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｎ：０．０３％以下（０％を含まない）を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｏ：０．００２％以下を満足し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、浸炭硬化層のＣ濃度が０．９％以上で、その組織はベイナイトとセメンタイトを含んでおり、且つ最大硬さが６５０Ｈｖ以上である点に要旨を有する。

前記母材は、更に他の元素として、
（ａ）Ｃｕ：１％以下（０％を含まない）および／またはＮｉ：３％以下（０％を含まない）、
（ｂ）Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）、
（ｃ）Ｔｉ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．３％以下（０％を含まない）およびＮｂ：０．２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、
（ｄ）Ｂ：０．００３％以下（０％を含まない）、
（ｅ）Ｃａ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０．０２％以下（０％を含まない）およびＴｅ：０．０５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、
等を含有していてもよい。

本発明の浸炭部品は、上記化学成分を満足する鋼を、カーボンポテンシャル０．９〜１．５％で高濃度浸炭する工程と、８２０〜８９０℃で３０分以上保持する工程と、下記（１）式で算出されるＭｓ点〜Ｍｓ点＋９０℃の温度域で３０分以上保持する工程と、をこの順行うことで製造することができる。
Ｍｓ点（℃）＝５５０−３５０×［Ｃ］−４０×［Ｍｎ］−２０×［Ｃｒ］＋３０×［Ａｌ］−１０×［Ｃｕ］−１７×［Ｎｉ］−１０×［Ｍｏ］−３５×［Ｖ］ ・・・（１）
式中、［ ］は、高濃度浸炭後の部品表面におけるオーステナイトに含まれる化学成分の含有量（質量％）を意味する。

本発明の浸炭部品は、母材がＳｉ量の多い鋼で構成されていると共に、表面の浸炭硬化層のＣ濃度が０．９％以上と高く、しかもその組織がベイナイトとセメンタイトの混合組織を有しており、且つ表面硬さが適度に高められているため、曲げ疲労特性に極めて優れている。

本発明者らは、浸炭部品に要求される特性のなかでも、特に曲げ疲労特性に優れた浸炭部品を提供するという観点から検討を重ねてきた。その結果、浸炭部品を構成する素材鋼（母材）の成分組成と表面の浸炭硬化層の組織や硬さを適切に調整すれば、所望の浸炭部品が得られること、このような浸炭部品は、素材鋼として汎用されているＨ鋼よりもＳｉ量の多い鋼を用いて高濃度浸炭し、その後、適切な熱処理を施せば得られることを見出し、本発明を完成した。

まず、曲げ疲労特性について詳述する。一般に、金属材料は、繰り返し応力を受ける際に、通常の破壊応力よりかなり低い応力で破壊することが知られている。この破壊は、金属材料の疲労と呼ばれており、疲労破壊するときの応力は、切り欠きのない平滑な試験片と切り欠きのある試験片では大きく相違している。切り欠きのない平滑な試験片では、引張強さの１／３〜１／５程度の応力が負荷されるまで疲労破壊は生じないのに対し、切り欠きのある試験片では、引張強さの１／１０程度以下の応力が負荷されるだけで疲労破壊が起こる。これを切り欠き効果と呼んでいる。例えば、歯車のように歯の付け根（歯元）が応力集中部となっている部品では、切り欠きに対する疲労特性に優れていることが要求される点で、シャフトや軸付き歯車の軸部などのような平滑な部品とは、疲労特性向上のためのアプローチが異なると考えられる。

従って、例えば前述した特許文献１には、曲げ疲れ限度に優れた浸炭熱処理方法が記載されているが、本発明者らが素材鋼として汎用されているＨ鋼を用いて上記の方法を行ったところ、後記する実施例に示すように、切り欠きのある試験片（後記する実施例の図１に示す四点曲げ試験片）を用いて評価した疲労特性は良好であるが、平滑な試験片（後記する実施例の図２に示す回転曲げ試験片）を用いて評価した疲労特性は劣っていることが判明した。また特許文献１に記載されているように、高濃度浸炭処理した後に、母材の成分にかかわらず一律に２００〜２３０℃の温度に加熱保持する高濃度浸炭熱処理方法を実施すると、母材の鋼成分によっては、浸炭硬化層が軟化して表面硬さが低下するため、表面が平滑な部品の曲げ疲労強度が低下することが分かった。即ち、特許文献１の方法では、母材による特性のバラツキが大きく、所望の特性を兼備できないことが分かった。

そこで本発明者らは、歯車などの切り欠き部品及びシャフトや軸付き歯車の軸部などの平滑部品の両方に対する疲労特性が高められた浸炭部品を提供するため、特に母材の化学成分に着目し、検討を重ねてきた。その結果、回転曲げ試験片の場合、硬さを増大させれば、引張強さが向上し、疲労強度を高めることができること、一方、四点曲げ試験片の場合、硬さを増大させてもその効果は小さく、鋼材の靭性を増大させる方が有効であることを突き止めた。

このような観点に基づき、本発明者らは、更に検討を重ねた。その結果、母材としてＪＩＳで規定されているよりもＳｉ量が多い鋼を用い、高濃度浸炭後の加熱保持工程（後記する図４に示すベイナイト化工程）をＭｓ点との関係で制御すると、表面硬さの低下を抑えることができ、曲げ疲労特性を改善できることを見出し、本発明を完成した。

まず、本発明の浸炭部品について説明する。浸炭部品は、以下に示すように、母材と浸炭硬化層とに分けられる。母材とは、浸炭硬化層以外の部分であって、浸炭部品の製造に用いられる素材鋼を意味する。

はじめに、母材について説明する。本発明の浸炭部品を構成する母材において、Ｓｉは、ＪＩＳ Ｇ ４０５２でＨ鋼として規定されている成分組成の範囲よりも多く、０．３５％を超え、２％以下の範囲で含有していることが重要であり、これにより高濃度浸炭後の加熱保持工程における浸炭硬化層硬さの低下を防止することができる。表面硬さを確保することで、表面が平滑な部品の曲げ疲労強度を特に高めることができる。Ｓｉは０．４％以上であることが好ましく、より好ましくは０．４５％以上である。しかしＳｉが過剰になると、母材の硬さが著しく高くなり過ぎて被削性や鍛造性を劣化させる。従ってＳｉは２％以下である。好ましくは１％以下、より好ましくは０．６％以下である。

上記Ｓｉ以外の母材の化学成分は特に限定されず、例えば、ＪＩＳ Ｇ ４０５２でＨ鋼として規定されている構造用鋼鋼材と同様であってもよい。具体的には、基本元素として、Ｃ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｎを含有し、必要に応じてさらに種々の選択元素（例えば、ＣｕやＮｉなど）を含有していてもよい。各元素の添加量と添加理由は、以下の通りである。

Ｃ：０．０５〜０．３％
Ｃは、浸炭部品として必要な芯部硬さを確保する上で重要な元素である。Ｃが０．０５％未満では硬さ不足となり、浸炭部品としての静的強度が不足する。従ってＣは０．０５％以上である。好ましくは０．１％以上、より好ましくは０．１５％以上、更に好ましくは０．１７％以上である。しかしＣが多過ぎると、硬さが過度に高くなって被削性や鍛造性を劣化させる。従ってＣは０．３％以下である。好ましくは０．２６％以下であり、より好ましくは０．２５％以下、更に好ましくは０．２３％以下である。

Ｍｎ：３％以下（０％を含まない）
Ｍｎは、脱酸剤として作用し、酸化物系介在物量を低減して母材の内部品質を改善する作用を有すると共に、浸炭焼入れ時の焼入性を著しく向上させる作用も有する。またＭｎは、マルテンサイト変態点（Ｍｓ点）を低下させる元素であり、比較的低い温度でもベイナイト組織を生成させることができる。しかしＭｎが３％を超えると、中心偏析が顕著に発生し、内部品質を却って劣化させる。また、縞状組織も顕著に生成し、材質のバラツキを生じさせ、衝撃特性が悪化する。従ってＭｎは３％以下である。好ましくは２％以下、より好ましくは１．６％以下である。なおＭｎは製造上０．２％程度含有しているが、上記作用を有効に発揮させるためには、Ｍｎは０．３％以上であることがより好ましく、更に好ましくは０．４％以上、特に好ましくは０．５％以上である。

Ｃｒ：２％以下（０％を含まない）
Ｃｒは、炭化物（セメンタイト）に固溶して炭化物の硬さを向上させる元素であり、これにより耐摩耗性を向上させるのに有効に作用する。しかし２％を超えて過度に含有させると、母材が硬くなり過ぎて被削性や鍛造性が悪くなる。従ってＣｒは２％以下である。好ましくは１．５％以下、より好ましくは１．４％以下である。Ｃｒの下限は特に限定されないが、例えば０．４％以上であり、特には０．９％以上である。

Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）
Ａｌは、母材の結晶粒を微細化するのに作用する元素である。またＡｌは、鋼中のＮと結合してＡｌＮを生成し、この窒化物が高濃度浸炭時にオーステナイト粒が成長するのを抑制する。しかしＡｌを過剰に含有すると、粗大で硬い非金属介在物（Ａｌ₂Ｏ₃）が生成し、衝撃強度や転動疲労強度を低下させる。従ってＡｌは０．１％以下である。好ましくは０．０５％以下、より好ましくは０．０３％以下である。なおＡｌは、鋼中に不可避的に０．００１％程度は含まれているが、上記作用を有効に発揮させるためには、例えば０．００５％以上であることが好ましく、特に０．０１％以上であることがより好ましい。Ａｌを脱酸剤として溶鋼に添加した場合には、母材には０．０１〜０．０３％程度含まれている。

Ｎ：０．０３％以下（０％を含まない）
Ｎは、ＡｌやＴｉ，Ｎｂ等と結びついて窒化物や炭窒化物を形成し、高濃度浸炭時にオーステナイト粒が成長するのを抑制する元素である。しかしＮを過剰に含有すると、熱間加工性が低下し、製造が困難になったり、母材の衝撃特性が低下する。従ってＮは０．０３％以下である。好ましくは０．０２５％以下であり、より好ましくは０．０２％以下である。なおＮは、鋼中に不可避的に０．００１％程度含まれる。Ｎの下限は特に限定されないが、例えば０．００３％以上であり、特に０．００５％以上である。

本発明で高濃度浸炭する母材は、上述したように、基本元素としてＣ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｎを含有するものであるが、母材に含まれるＰ，Ｓ，Ｏ（酸素）は、下記の範囲を満足するのがよい。

Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、鋼中に不可避的に含まれる元素であるが、結晶粒界に偏析して浸炭部品の衝撃特性を低下させるため、Ｐは０．０３％以下であることが望ましい。好ましくは０．０１５％以下、より好ましくは０．０１％以下である。Ｐはなるべく低減することが好ましいが、不可避的に０．００１％程度は含有する。Ｐの下限は特に限定されないが、例えば０．００３％以上である。

Ｓ：０．０３％以下
Ｓは、鋼中に不可避的に含まれる元素であるが、Ｍｎと結合してＭｎＳ介在物を生成し、浸炭部品の衝撃強度を低下させるため、Ｓは０．０３％以下であることが望ましい。好ましくは０．０２％以下、より好ましくは０．０１５％以下、更に好ましくは０．０１％以下である。Ｓはなるべく低減することが好ましいが、不可避的に０．００１％程度は含有する。Ｓの下限は特に限定されないが、例えば０．００３％以上である。

Ｏ：０．００２％以下
Ｏは、鋼中に不可避的に含まれる元素であるが、母材の強度を低下させるため、Ｏは０．００２％以下であることが望ましい。好ましくは０．００１５％以下、より好ましくは０．００１％以下である。Ｏはなるべく低減することが好ましいが、不可避的に０．０００１％程度は含有する。Ｏの下限は特に限定されないが、例えば０．０００３％以上である。

本発明で高濃度浸炭する母材の化学成分は、上記の通りであり、残部はＦｅおよび不可避不純物であってもよい。また、浸炭部品の特性を更に向上させるために、更に他の元素として、（ａ）Ｃｕおよび／またはＮｉ、（ｂ）Ｍｏ、（ｃ）Ｔｉ、ＶおよびＮｂよりなる群から選ばれる１種以上、（ｄ）Ｂ、（ｅ）Ｃａ、ＭｇおよびＴｅよりなる群から選ばれる１種以上、等の元素を含有していてもよい。以下、これらの元素の好ましい範囲について説明する。

（ａ）Ｃｕ：１％以下（０％を含まない）および／またはＮｉ：３％以下（０％を含まない）
ＣｕとＮｉは、母材の耐食性を向上させる元素である。しかしＣｕの含有量が１％を超えると、母材の熱間での延性が低下するため、割れが発生し易くなる。従ってＣｕは１％以下であることが好ましい。より好ましくは０．８％以下であり、更に好ましくは０．６％以下である。Ｃｕの下限は特に限定されないが、例えば０．１％以上、特に０．２％以上である。

Ｎｉは、Ｃｕと同様に鋼材の耐食性を向上させる他、鋼材の耐衝撃性を向上させる作用も有する元素である。またＮｉは、Ｍｎと同様に、マルテンサイト変態点（Ｍｓ点）を低下させるのに作用し、比較的低い温度でもベイナイト組織を生成させることができる。しかしＮｉが過剰になるとコスト高となるため、上限は３％とすることが好ましい。より好ましくは２％以下、更に好ましくは１．５％以下である。Ｎｉの下限は特に限定されないが、例えば０．１％以上、特に０．３％以上である。

ＣｕとＮｉは、夫々単独で、或いは併用して用いることができる。ＣｕとＮｉを併用する場合の好ましい上限は３％であり、より好ましい上限は２％である。

（ｂ）Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）
Ｍｏは、高温浸炭後の部品をＭｓ点〜Ｍｓ点＋９０℃の温度域で保持したときに、浸炭硬化層の硬さが低下するのを抑制し、硬さを確保するのに作用する元素である。またＭｏは、高濃度浸炭時の焼入性を著しく向上させる効果を有するのに加え、耐水素脆性の向上にも有効に作用する。しかし過剰に含有すると、母材が硬くなり過ぎて被削性が悪くなる。また過剰に含有しても、添加効果は飽和し、コスト高となる。従ってＭｏは１％以下であることを推奨する。好ましくは０．８％以下であり、より好ましくは０．４５％以下である。Ｍｏの下限は特に限定されないが、例えば０．１％以上、特に０．１５％以上である。

（ｃ）Ｔｉ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．３％以下（０％を含まない）およびＮｂ：０．２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上
Ｔｉ，Ｖ，Ｎｂは、鋼中のＮやＣと結合して窒化物や炭化物、或いは炭窒化物を生成し、高濃度浸炭時にオーステナイト粒が成長するのを抑制する元素である。しかし過剰に含有すると、粗大な金属介在物が生成し、衝撃強度や転動疲労強度が低下する恐れがある。従ってＴｉは０．２％以下、Ｖは０．３％以下、Ｎｂは０．２％以下であることがよい。

Ｔｉは０．１５％以下であることが好ましく、より好ましくは０．１％以下である。Ｔｉの下限は特に限定されないが、例えば０．０１％以上、特に０．０２％以上である。Ｖは０．２％以下であることが好ましく、より好ましくは０．１５％以下である。Ｖの下限は特に限定されないが、例えば０．０３％以上、特に０．０５％以上である。Ｎｂは０．１５％以下であることが好ましく、より好ましくは０．１％以下である。Ｎｂの下限は特に限定されないが、例えば０．０１％以上、特に０．０２％以上である。

Ｔｉ，ＶおよびＮｂは、夫々単独で、或いは併用して用いることができる。Ｔｉ，ＶおよびＮｂを全て含有する場合の合計は０．２％以下であることが好ましい。

（ｄ）Ｂ：０．００３％以下（０％を含まない）
Ｂは、高濃度浸炭時の焼入れ性を大幅に向上させる元素である。また結晶粒界を強化し、衝撃強度を高める作用を有している。しかし０．００３％を超えると、Ｂ窒化物が生成しやすくなり、Ｂ窒化物は、冷間加工性や熱間加工性を劣化させることがある。従ってＢは０．００３％以下であることが望ましい。好ましくは０．００２５％以下であり、より好ましくは０．００２％以下である。Ｂの下限は特に限定されないが、例えば０．０００５％以上、特に０．０００８％以上である。

（ｅ）Ｃａ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０．０２％以下（０％を含まない）およびＴｅ：０．０５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上
Ｃａ，ＭｇおよびＴｅは、圧延時に、鋼中に生成した硫化物の展伸を抑制し、衝撃特性を向上させる元素である。

しかしＣａやＭｇを過剰に含有すると、粗大な酸化物が生成し、母材の強度が却って低下する恐れがある。従ってＣａは０．０２％以下、Ｍｇは０．０２％以下であることがよい。Ｃａは０．０１％以下であることが好ましく、より好ましくは０．００５％以下である。Ｍｇは０．０１％以下であることが好ましく、より好ましくは０．００５％以下である。上記作用を有効に発揮させるためには、Ｃａは、例えば０．０００５％以上、特に０．００１％以上であることが好ましい。ＭｇについてもＣａと同様に、例えば０．０００５％以上、特に０．００１％以上であることが好ましい。

一方、Ｔｅを過剰に含有すると、熱間延性が著しく悪化するため、母材自体を製造することや、部品形状への成形が難しくなる。従ってＴｅは０．０５％以下であることがよい。Ｔｅは０．０３％以下であることが好ましく、より好ましくは０．０２％以下、更に好ましくは０．０１５％以下である。上記作用を有効に発揮させるためには、Ｔｅは、例えば０．００１％以上、特に０．００５％以上であることが好ましい。

Ｃａ，ＭｇおよびＴｅは、夫々単独で、或いは任意に組み合わせて用いることができる。これらの好ましい元素の組合せは、ＣａとＭｇであり、質量基準で１：１の割合で用いればよい。Ｃａ，ＭｇおよびＴｅを全て含有する場合の合計は０．０２％以下であることが好ましい。

こうした母材の組織は、主にマルテンサイトとベイナイトからなっていればよい。

次に、浸炭硬化層について説明する。浸炭硬化層のＣ濃度（ベイナイトとセメンタイトの合計）は０．９％以上である。Ｃ濃度が０．９％未満では、セメンタイトが生成していないため、硬さ不足となり、表面が平滑な部品の曲げ疲労強度が低下する。従ってＣ濃度は０．９％以上であり、好ましくは０．９５％以上、より好ましくは１％以上である。Ｃ濃度の上限は特に限定されないが、例えば１．５％である。

浸炭硬化層の組織は、ベイナイトとセメンタイトを含んでおり、詳細にはベイナイトを主体とし、セメンタイトが析出していればよい。ベイナイト主体とは、浸炭硬化層に占めるベイナイトの割合（ベイナイト分率）が５０体積％以上であることを意味する。好ましくは５５体積％以上であり、より好ましくは６０体積％以上である。ベイナイト分率の上限は、セメンタイト分率とのバランスによって決定され、最大でも９５体積％程度である。

浸炭硬化層に占めるセメンタイトの割合は、浸炭硬化層の硬さを確保するために、５体積％以上であることが好ましい。より好ましくは７体積％以上である。セメンタイト分率は、ベイナイトとのバランスによって決定され、例えば１５体積％である。

浸炭硬化層は、少なくとも上記範囲のベイナイトとセメンタイトを含んでいればよく、ベイナイトとセメンタイトのみから構成されていてもよく、他の組織（例えば、残留オーステナイト）を有していても良い。浸炭部品に占める残留オーステナイトの割合は特に限定されないが、残留オーステナイトが多量に生成していると、ベイナイト分率が小さくなり、浸炭硬化層の硬さが小さくなって、部品表面が平滑な場合の曲げ疲労強度が低くなる。従って残留オーステナイト分率は、最大でも３０体積％であることが好ましく、より好ましくは２５体積％以下、更に好ましくは２０体積％以下である。もちろん０体積％であっても構わない。

上述したように、本発明の浸炭部品の浸炭硬化層は、Ｃ濃度が０．９％以上で、ベイナイトとセメンタイトを含む組織であるが、浸炭硬化層の硬さを測定したときに、最大硬さが６５０Ｈｖ以上であることが必要である。最大硬さが６５０Ｈｖ未満では、硬さ不足となり、シャフトや軸付き歯車の軸部などのように、表面が平滑な部品の曲げ疲労強度が低くなる（後記する実施例を参照）。従って最大硬さは６５０Ｈｖ以上であればよく、好ましくは６６０Ｈｖ以上、より好ましくは６７０Ｈｖ以上である。但し、表面が硬くなり過ぎると、却って疲労特性が劣化するため、上限は９００Ｈｖ程度である。好ましくは８５０Ｈｖ以下である。浸炭硬化層の硬さの測定方法は、後記する実施例の欄で詳述する。

浸炭部品の表面に形成されている浸炭硬化層の厚みは特に限定されないが、浸炭による効果を有効に発揮させるには、少なくとも０．３ｍｍ必要である。好ましくは０．３５ｍｍ以上、より好ましくは０．４ｍｍ以上である。浸炭硬化層の厚みの上限は特に限定されないが、一般に１ｍｍ程度である。好ましい上限は０．８ｍｍである。

なお、本発明において、浸炭硬化層の厚みは、ＪＩＳ Ｇ０５５７で定義される有効硬化層深さを意味し、浸炭部品の表層部のビッカース硬さを測定したときに、硬さが５５０ＨＶ以上となる領域の厚みを指す。

次に、本発明の浸炭部品を製造する方法について説明する。本発明の製造方法は、上述した成分組成の母材（素材鋼）を、［１］カーボンポテンシャル０．９〜１．５％で高濃度浸炭することで、母材表面を浸炭し、このときＣを母材の母相中に固溶させることによって、浸炭部品の表面硬さを高め、また後記する［２］の工程でセメンタイトを生成し易くし、次いで［２］高濃度浸炭後、８２０〜８９０℃で３０分以上保持することで、浸炭硬化層にセメンタイトを生成させ、次いで［３］下記（１）式で算出されるＭｓ点〜Ｍｓ点＋９０℃の温度域で３０分以上保持することで、浸炭硬化層の組織をベイナイト化すれば製造できる。以下、上記［１］〜［３］の工程に沿って、図３および図４を参照しつつ説明する。
Ｍｓ点（℃）＝５５０−３５０×［Ｃ］−４０×［Ｍｎ］−２０×［Ｃｒ］＋３０×［Ａｌ］−１０×［Ｃｕ］−１７×［Ｎｉ］−１０×［Ｍｏ］−３５×［Ｖ］ ・・・（１）
式中、［ ］は、高濃度浸炭後の部品表面におけるオーステナイトに含まれる化学成分の含有量（質量％）を意味する。

［１］
まず、上記成分組成の母材を、図３に示すように、温度Ｔ１（℃）で、時間ｔ１、カーボンポテンシャル（Ｃｐ）を０．９〜１．５％として高濃度浸炭し、浸炭硬化層を形成する。カーボンポテンシャルが０．９％未満では、母相に固溶するＣ量が少ないため、後記する［２］の工程で浸炭硬化層中に所定量のセメンタイトを生成させることができない。セメンタイト量が少ないと、浸炭硬化層の硬さを確保できず、特に表面が平滑な部品の曲げ疲労強度を充分高めることができない。従って高濃度浸炭するときのカーボンポテンシャルは０．９％以上とする。好ましくは０．９５％以上であり、より好ましくは１％以上である。しかしカーボンポテンシャルが１．５％を超えると、過剰浸炭となり、粗大なセメンタイトが残存して疲労特性に悪影響を与えたり、バラツキの原因となる。

高濃度浸炭する方法は特に限定されず、例えば、ガス浸炭や真空浸炭、イオン浸炭（プラズマ浸炭）等の方法を採用すればよい。高濃度浸炭するときの条件も特に限定されず、ガス浸炭の場合は、高濃度浸炭温度Ｔ１を例えば９００〜９５０℃程度、高濃度浸炭時間ｔ１を１〜８時間程度とすればよい。真空浸炭やイオン浸炭（プラズマ浸炭）の場合は、ガス浸炭よりも高温で短時間の処理が可能であり、９５０〜１１００℃程度で行ってもよい。

［２］
上記［１］で高濃度浸炭した後、図４に示すように、温度Ｔ２（℃）で時間ｔ２保持する。保持温度Ｔ２は８２０〜８９０℃の温度域とし、保持時間ｔ２は３０分以上とする。この温度域で所定時間保持することで、浸炭硬化層にセメンタイトを析出させることができ、浸炭硬化層が硬くなり、特に表面が平滑な部品の曲げ疲労強度が向上する。

保持温度Ｔ２は８３０℃以上とすることが好ましく、より好ましくは８４０℃以上である。一方、保持温度Ｔ２は８８０℃以下とすることが好ましく、より好ましくは８７０℃以下である。

また、保持時間ｔ２が３０分未満では、セメンタイトが充分に析出しない。従って保持時間は３０分以上とする。好ましくは１時間以上とし、より好ましくは２時間以上とする。保持時間の上限は特に限定されないが、長時間保持してもセメンタイトの析出量は増加せず、生産性が低下するため、上限は３時間程度とすればよい。

上記温度域Ｔ２で保持するときの雰囲気は特に限定されないが、例えば不活性ガス雰囲気とすればよい。また、浸炭雰囲気であってもよく、このときのカーボンポテンシャル（Ｃｐ）は特に限定されない。

高濃度浸炭後、上記温度域Ｔ２で保持するに当たっては、浸炭後、一旦、Ａ_１変態点以下（例えば６００℃程度）まで冷却した後に、上記温度域Ｔ２に再加熱してセメンタイトを析出させてもよいし、或いは高濃度浸炭した後、一旦、Ａ_１変態点以下に冷却することなく、冷却途中で、上記温度域Ｔ２で保持してもよい。好ましくは前者の方法を採用することがよく、Ａ_１変態点以下に冷却することでセメンタイトの粗大化を防止できる。

冷却するときの条件は特に限定されないが、冷却速度は大きくするのがよい。冷却速度を大きくすることで、析出したセメンタイトの粗大化を防止できるからである。

［３］
上記［２］の温度域Ｔ２で所定時間ｔ２保持した後は、図４に示すように、温度Ｔ３（℃）で、時間ｔ３保持する。保持温度Ｔ３（℃）は、上記（１）式で算出されるＭｓ点〜Ｍｓ点＋９０℃の温度域とし、保持時間ｔ３は、３０分以上とする。この工程は、所定のベイナイト組織を得るために重要であり、これにより歯車の歯元などの切り欠きのある部品の疲労強度が特に向上する。即ち、高濃度浸炭した後に、上記［２］や［３］の工程を行わずに、そのまま冷却した状態とするか、或いは高濃度浸炭した後に、上記［２］のように温度域Ｔ２で加熱保持してからＭｓ点未満に冷却すると、浸炭硬化層はベイナイト化せず、マルテンサイト化する。マルテンサイトは、ベイナイトよりも硬質なため、部品自体が硬くなり過ぎ、応力が集中したときの曲げ疲労強度が低くなる。これに対し、温度域Ｔ３で保持することで、浸炭硬化層の組織をベイナイト化でき、これにより応力が集中したときの曲げ疲労強度を高めることができる。

本発明では、焼入れ後の保持温度Ｔ３を下記（１）式で示すように、鋼中成分に基づいて定められるＭｓ点を用いて設定したところに特徴がある。Ｍｓ点を用いて保持温度を設定することにより、素材鋼の組成による曲げ疲労特性のバラツキを抑えることができるからである。即ち、Ｍｓ点以上の温度で保持するのは、表面の組織をマルテンサイト変態させずに、オーステナイトのままにしておき、冷却したときにベイナイト化するためである。保持温度はＭｓ点＋１０℃以上とすることが好ましく、より好ましくはＭｓ点＋２０℃以上である。

保持温度の上限は、Ｍｓ点＋９０℃とする。Ｍｓ点＋９０℃を超える温度で保持しても、浸炭硬化層はベイナイト化するが、浸炭部品全体の硬さは低くなる傾向があり、応力が集中したときの曲げ疲労強度が低くなるからである。即ち、浸炭部品の最表面は、高濃度浸炭によってＣ濃度が高くなるが、浸炭部品の内部にいくほどＣ濃度は低くなる。Ｃ濃度が低くなると、下記（１）式に基づいて算出されるマルテンサイト変態温度（Ｍｓ点）が高くなるため、マルテンサイトが生成し易くなる。このマルテンサイト組織をＭｓ点＋９０℃を超える温度で保持すると、マルテンサイト中の過飽和炭素が析出し、焼戻しされた状態となって内部の硬さが低下するため、結果的に浸炭硬化層の硬さも低下し、応力が集中したときの曲げ疲労強度も低くなる。よって本発明では、保持温度はＭｓ点＋９０℃以下とし、好ましくはＭｓ点＋８０℃以下とする。

上記Ｍｓ点は、下記（１）式から算出できる。
Ｍｓ点（℃）＝５５０−３５０×［Ｃ］−４０×［Ｍｎ］−２０×［Ｃｒ］＋３０×［Ａｌ］−１０×［Ｃｕ］−１７×［Ｎｉ］−１０×［Ｍｏ］−３５×［Ｖ］ ・・・（１）
（１）式中、［ ］には、高濃度浸炭後の部品表面におけるオーステナイトに含まれる化学成分の含有量（質量％）を代入する。本発明のように母材をカーボンポテンシャル０．９〜１．５％で高濃度浸炭すると、浸炭後の浸炭硬化層はオーステナイトとセメンタイトの２相組織になり、Ｃを含む母材の化学成分はオーステナイトとセメンタイトに分配して固溶するが、本発明では、マルテンサイト変態し得るオーステナイト中に含まれる化学成分の濃度のみに基づきＭｓ点を算出することにした。

ここでオーステナイトに固溶するＣ量（Ｘ質量％）は、鋼材の平衡状態図のＡｃｍ点の温度を用いて算出することができ、本発明で用いる鋼材の成分組成では、下記（２）式から算出できる。（２）式中、Ｔ２は、高温浸炭後に加熱保持したときの加熱温度（℃）を意味する（図２参照）。
Ｘ＝（Ｔ２−６２３．０５）／２７３．１７ ・・・（２）
例えば、カーボンポテンシャル（Ｃｐ）を１．１％で高濃度浸炭した後に、８６０℃（＝Ｔ２）で１時間（＝ｔ２）保持した場合は、高濃度浸炭した後のオーステナイトに含まれるＣ量は下記（３）式に示すように、０．８７％になる。従ってセメンタイトに固溶するＣ量は０．２３％となる。
Ｘ＝（８６０−６２３．０５）／２７３．１７＝０．８７（％） ・・・（３）
これに対し、カーボンポテンシャル（Ｃｐ）を０．９％未満として通常の浸炭を行った場合は、セメンタイトは生成しないため、オーステナイトに固溶するＣ量は浸炭時のカーボンポテンシャルと同じ値となる。例えば、カーボンポテンシャルを０．８％として浸炭すると、オーステナイトに固溶するＣ量は０．８％となる。

一方、Ｃ以外の化学成分の含有量については、前述したＣ量を算出したようにＡｃｍ点を利用せず、素材鋼に含まれる量をそのまま代入すればよい。

ところで上記温度域Ｔ３で保持したとしても、保持時間ｔ３が３０分未満では、浸炭硬化層のオーステナイトはベイナイト化せず、マルテンサイトが生成する。従って保持時間は３０分以上とする。好ましくは１時間以上とし、より好ましくは１．５時間以上とする。保持時間の上限は特に限定されないが、浸炭部品の硬さを確保し、応力集中部分を有する浸炭部品の曲げ疲労強度を高めるためにも、上限は８時間程度とすればよい。

温度域Ｔ２で保持した後、上記（１）式で算出されるＭｓ点〜Ｍｓ点＋９０℃の温度域に冷却して焼入れするときの条件は特に限定されないが、例えば、焼入れ層に使用する溶媒として、焼入れ油や塩浴を用いればよい。塩浴剤としては、例えば低温用塩浴剤として一般に使用されるＫＮＯ₃−ＮａＮＯ₂が挙げられる。

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更し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。

表１に示す成分組成（残部はＦｅおよび不可避不純物）の鋼Ａ〜Ｅを真空誘導溶解炉で溶製し、１５０ｋｇの鋳片を作製した。この鋳片を１２００℃に加熱した後、熱間加工してφ３０ｍｍの丸棒を得た。得られた丸棒を溶体化処理（１２５０℃×３０分→空冷）した後、実機での圧延を想定した条件（９００℃×１時間）で焼ならし処理した。

焼きならし処理した丸棒を、以下に示すように、組織観察・硬さ測定用試験片、四点曲げ疲労試験用試験片または回転曲げ疲労試験用試験片に機械加工した。このうち四点曲げ疲労試験は、浸炭部品に応力が集中したときの疲労強度を測定する試験であり、軸付き歯車の歯元等の応力状態を模擬した試験である。一方、回転曲げ疲労試験は、表面が平滑な浸炭部品の疲労強度を測定する試験であり、軸付き歯車の軸部やシャフトを模擬した試験である。

組織観察・硬さ測定用試験片としては、φ２６ｍｍ×８０ｍｍに機械加工した丸棒を用いた。四点曲げ疲労試験用試験片としては、図１（ａ）に示すように、１３ｍｍ×１００ｍｍの角棒の中央部に、図１（ｂ）に示す切り欠きを設けたものを用いた。回転曲げ疲労試験用試験片としては、φ１２ｍｍ×８０ｍｍに機械加工した丸棒を、図２に示す形状に機械加工したものを用いた。

上記のようにして加工した組織観察・硬さ測定用試験片、四点曲げ疲労試験用試験片または回転曲げ疲労試験用試験片を、図３に示すように、温度Ｔ１を９３０℃として加熱し、浸炭（表２に示す高濃度浸炭または通常の浸炭）を行った後、５０℃で油焼入れした。詳細には、高濃度浸炭は、カーボンポテンシャル（Ｃｐ）１．１％で時間ｔ１を２時間として行い、通常の浸炭は、カーボンポテンシャル（Ｃｐ）０．８％で時間ｔ１を２時間として行った。油焼入れ時の冷却速度は、おおよそ１８０℃／分程度である。

上記のように高濃度浸炭または通常の浸炭を行った各試験片のＭｓ点を前述した方法に基づいて算出した。算出結果を下記表２に併せて示す。

次に、油焼入れ後、図４に示すように、再びＴ２を８６０℃として加熱し、この温度で時間ｔ２を１時間として保持した後、塩浴焼入れし、表２に示す種々の塩浴温度Ｔ３で時間ｔ３を２時間として保持した。

塩浴焼入れした試験片について、前述した方法に基づいて浸炭硬化層のＣ量を測定した。本発明例では、最終的に歯車等の部品に加工する際の削り代（通常、仕上げ研磨で１０〜３０μｍ程度削り取られる）を考慮し、Ｃ量の測定位置を試験片の表面から深さ５０μｍ位置とした。上記と同様の観点から、浸炭硬化層の組織観察（後記する）も試験片表面から深さ５０μｍ位置で行った。

次に、組織観察・硬さ測定用試験片を用い、試験片の表面から深さ２ｍｍまでの領域における硬さを下記手順で測定した。組織観察・硬さ測定用試験片の長手方向の中心部を湿式切断し、該切断面の硬さをビッカース硬度計（荷重３００ｇｆ）で測定した。硬さは、表面から深さ１００μｍまでの領域を２５μｍピッチで測定し、深さ１００μｍから２ｍｍまでの領域を１００μｍピッチで測定した。但し、表面から深さ２５μｍ位置と５０μｍ位置の硬さについては、夫々５点ずつ測定し、その平均値を用いた。各深さ位置の硬さのうち最大硬さを求め、結果を下記表２に示す。

また、組織観察・硬さ測定用試験片の長手方向の中心部を湿式切断し、該切断面の硬さをビッカース硬度計（荷重３００ｇｆ）で試験片の表面から深さ３ｍｍまでの領域において測定した。このとき硬さは、表面から深さ０．０５ｍｍの位置と、深さ０．１ｍｍ〜３ｍｍまでの領域を０．１ｍｍピッチで測定し、硬さが５５０ＨＶ以上である領域を浸炭硬化層とし、厚み（有効浸炭層深さ）を測定した。結果を下記表２に示す。

また、組織観察・硬さ測定用試験片を用い、試験片の表面から深さ５０μｍ位置における金属組織を下記手順で観察した。組織観察・硬さ測定用試験片の長手方向の中心部を湿式切断し、該切断面について試験片の表面から深さ５０μｍ位置における組織を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて１６００倍で観察し、組織（ベイナイトまたはマルテンサイト）を判別した。ベイナイトとマルテンサイトの区別は、「鋼のベイナイト写真集−１」（社団法人 日本鉄鋼協会 基礎研究会 ベイナイト調査研究部会編）を参考にして判別した。

セメンタイトについては、上記と同一の部分を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて８０００倍で観察し、画像解析ソフトでセメンタイト部分を識別し、セメンタイト面積率を測定した。また、上記と同一の部分を、マイクロＸ線解析装置（リガク製「ＲＩＮＴ２５００Ｖ」）で分析して残留オーステナイト面積率を測定した。ベイナイトまたはマルテンサイトの面積率は、１００からセメンタイト面積率および残留オーステナイト面積率を引いた値とした。各組織の面積率を下記表３に示す。本実施例では、ベイナイトとセメンタイトの面積率の合計が７０％以上のものを合格（○）、それ以外の場合を不合格（×）として評価し、結果を下記表３に示す。表３において、「組織」の欄には、主体となる金属組織を示し、Ｂはベイナイト、Ｍはマルテンサイト、θはセメンタイト、残留γは残留オーステナイトを夫々意味している。なお、面積％は、体積分率（体積％）と等しいと考えてよい。

次に、上記四点曲げ疲労試験用試験片または回転曲げ疲労試験用試験片を、下記に示す条件でショットピーニング処理し、疲労強度試験を行った。
＜ショットピーニング条件＞
・ショット方式：エアノズル方式
・ショット粒：ＣＷ０．６（７００ＨＶ）
・投射圧：３．０ｋｇ／ｃｍ³
・投射距離：１７０ｍｍ
・投射時間：９秒
・アークハイト：０．７ｍｍＡ
・ターンテーブルは固定（回転なし）

四点曲げ疲労試験は、周波数２０Ｈｚにて荷重１００００Ｎ（応力１５２３ＭＰａ）〜２００００Ｎ（３０２６ＭＰａ）の間で荷重を変化させて８水準で行い、２万回寿命に相当する応力を求め、これを疲労強度の指標とした。本実施例では、応力が２０００ＭＰａ以上を合格（○）、２０００ＭＰａ未満を不合格（×）として評価した。測定結果および評価結果を下記表３に示す。

回転曲げ疲労試験は、ＪＩＳ Ｚ２２７４「金属材料の回転曲げ疲れ試験方法」に従い、小野式回転曲げ疲労試験機を用いて行った。本実施例では、応力が１０００ＭＰａ以上を合格（○）、１０００ＭＰａ未満を不合格（×）として評価した。測定結果および評価結果を下記表３に示す。

表３の「総合評価」の欄には、本発明の要件を全て満足しているものに○を付し、本発明のいずれかの要件を満足しないものに×を付している。

表１〜表３から次のように考察できる。Ｎｏ．２〜４，１４〜１６，２１〜２３，２６，２７〜２８は、四点曲げ疲労特性と回転曲げ疲労特性の両方の特性に優れている。

上記以外は、いずれも本発明で規定するいずれかの要件を外れる比較例である。このうちＮｏ．１，１３，１９，２０，２５，３１は、いずれも保持温度Ｔ３が高すぎる比較例であり、最大硬さ不足となり、回転曲げ疲労特性が劣っている。Ｎｏ．５，６，１１，１２，１７，１８，２４，２９，３０，３５，３６は、いずれも保持温度Ｔ３が低すぎる比較例であり、浸炭硬化層に所定のベイナイトが生成せず、四点曲げ疲労特性が劣っている。Ｎｏ．７〜１２は、いずれもカーボンポテンシャル０．８％で通常の浸炭をした比較例であり、浸炭硬化層に炭化物（セメンタイト）が生成せず、回転曲げ疲労特性が劣っている。Ｎｏ．３１〜３４は、前述した特許文献１の熱処理パターンを模擬した例である。これらは母材に含まれるＳｉ量が少ない鋼種を用いたため、本発明で規定する保持温度Ｔ３の範囲内に制御して所定の組織に制御したにもかかわらず、最大硬さが低下し、回転曲げ疲労特性が劣化している。

図１は、実施例に用いた四点曲げ試験用試験片の概略図であり、（ａ）は試験片の概観図、（ｂ）は切り欠き部の形状を示している。 図２は、実施例に用いた回転曲げ試験用試験片の概略図を示している。 図３は、本発明の工程［１］のヒートパターンを示す図である。 図４は、本発明の工程［２］および［３］のヒートパターンを示す図である。

Claims (7)

1. 母材が、質量％で、
   Ｃ ：０．０５〜０．３％、
   Ｓｉ：０．３５％を超え、２％以下、
   Ｍｎ：３％以下（０％を含まない）、
   Ｃｒ：２％以下（０％を含まない）、
   Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）、
   Ｎ ：０．０３％以下（０％を含まない）を含有し、
   Ｐ ：０．０３％以下、
   Ｓ ：０．０３％以下、
   Ｏ ：０．００２％以下を満足し、
   残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
   浸炭硬化層のＣ濃度が０．９％以上で、その組織はベイナイトを５０体積％以上とセメンタイトを含んでおり、且つ最大硬さが６５０Ｈｖ以上であることを特徴とする曲げ疲労特性に優れた浸炭部品。
2. 前記母材が、更に他の元素として、
   Ｃｕ：１％以下（０％を含まない）および／またはＮｉ：３％以下（０％を含まない）を含有する請求項１に記載の浸炭部品。
3. 前記母材が、更に他の元素として、
   Ｍｏ：１％以下（０％を含まない）を含有する請求項１または２に記載の浸炭部品。
4. 前記母材が、更に他の元素として、
   Ｔｉ：０．２％以下（０％を含まない）、
   Ｖ ：０．３％以下（０％を含まない）および
   Ｎｂ：０．２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の浸炭部品。
5. 前記母材が、更に他の元素として、
   Ｂ：０．００３％以下（０％を含まない）を含有する請求項１〜４のいずれかに記載の浸炭部品。
6. 前記母材が、更に他の元素として、
   Ｃａ：０．０２％以下（０％を含まない）、
   Ｍｇ：０．０２％以下（０％を含まない）および
   Ｔｅ：０．０５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有する請求項１〜５のいずれかに記載の浸炭部品。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の浸炭部品を製造する方法であって、
   請求項１〜６のいずれかに記載の化学成分を満足する鋼を、カーボンポテンシャル０．９〜１．５％で高濃度浸炭する工程と、
   ８２０〜８９０℃で３０分以上保持する工程と、
   下記（１）式で算出されるＭｓ点〜Ｍｓ点＋９０℃の温度域で３０分以上保持する工程と、
   をこの順で含むことを特徴とする浸炭部品の製造方法。
   Ｍｓ点（℃）＝５５０−３５０×［Ｃ］−４０×［Ｍｎ］−２０×［Ｃｒ］＋３０×［Ａｌ］−１０×［Ｃｕ］−１７×［Ｎｉ］−１０×［Ｍｏ］−３５×［Ｖ］ ・・・（１）
   式中、［ ］は、高濃度浸炭後の部品表面におけるオーステナイトに含まれる化学成分の含有量（質量％）を意味する。
   

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