JP5541048B2 - 耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品 - Google Patents

Description

本発明は、浸炭窒化処理により高い表面硬度を有するとともに、焼戻し軟化抵抗が良好で耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品に関するものである。

従来、機械構造用部品、トランスミッション歯車、差動歯車、ベルト式無段変速機（ＣＶＴ）用プーリー、歯車付き浸炭シャフトなどの鋼部品は、主に、ＪＩＳ Ｇ ４０５３に規定されているＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０等のＣが０．２％前後の肌焼鋼を、鍛造や切削などの加工により部品形状に成型した後、浸炭焼入れや浸炭窒化焼入れを施し、その後に低温焼戻し（１５０〜１８０℃前後）を行って製造されている。

このような鋼部品においては、自動車の燃費向上等のため、高強度化による小型化、軽量化が強く求められている。上記鋼部品を高強度化するためには、更なる耐ピッチング性の向上を図る必要がある。

耐ピッチング性を向上するための技術として、例えば、特許文献１には、表面から５０μｍ深さまでのＣ量が０．５〜１．０％で、Ｎ量が０．１〜０．３％の浸炭窒化層を有することを特徴とする高強度歯車が開示されている。特許文献２には、機械構造用肌焼鋼を素材とし、表面から少なくとも１５０μｍ深さまでのＮ量が０．２〜０．８％の浸炭窒化層を有することを特徴とする高強度歯車が開示されている。

特許文献３には、Ｍｎが０．２〜２％で、Ｃｒが０．２〜５％で、Ｖが０．１〜１％であり、浸炭窒化処理を施すことにより、表面から１５０μｍ深さ内部までに、炭化物又は炭窒化物を、面積率で１％以上析出させることを特徴とする機械構造用部品の製造方法が開示されている。

特許文献４には、Ｍｎが０．３〜１．５％で、Ｃｒが０．５〜４％で、残留オーステナイト量を少なくするために、焼戻し温度を、通常よりも高い２００〜５６０℃とすることを特徴とする浸炭窒化処理部材の熱処理方法が開示されている。

また、特許文献５には、Ｍｎが０．０５〜０．７％で、Ｃｒが１．２５〜２．５％で、Ｍｏが０．３５〜１％であり、表面から０．１ｍｍまでのＣ量が０．７％以上、Ｎ量が０．６〜２．０％の浸炭窒化層を有することを特徴とする浸炭窒化部品が開示されている。

特開２００１−１０７１８３号公報 特開平０７−１９０１７３号公報 特開平０８−１２０４３８号公報 特開２００１−１４００２０号公報 特開２００１−０７３０７２号公報

特許文献１に開示の高強度歯車では、Ｎ量が０．１〜０．３％と少ないことに起因して、焼戻し軟化抵抗が十分ではなく、耐ピッチング性は不十分である。特許文献２〜４に開示の鋼部品では、浸炭窒化処理材における不完全焼入れ層に対する検討が十分になされていない。本発明者らの評価によれば、不完全焼入れ層が顕著に残存することもあり、かならずしも、耐ピッチング性は向上していない。

特許文献５に開示の浸炭窒化部品においては、不完全焼入れ層に対する検討がなされている。即ち、浸炭窒化時に生成するＣｒＮによりオーステナイト中の固溶Ｃｒ量が減少することにより不完全焼入れが生じることに着目して、Ｍｏを０．３５％以上添加し、不完全焼入れ組織の発現を抑制している。しかし、Ｍｏは高価な元素であるので、経済性の点で問題がある。

特許文献１〜４に開示の技術では、今日、求められている耐ピッチング性の向上には、充分に答えることができない。特許文献５に開示の技術では、Ｍｏ添加鋼を用いるので、鋼部品が高価となる問題がある。

そこで、本発明は、高価なＭｏを添加しなくても、高い表面硬度を有するとともに、耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋼材の成分組成及び浸炭窒化材質特性を、広範囲でかつ系統的に変化させて評価を行った。その結果、鋼部品の表面に関して、次の点が明らかになった。

（ア）高価なＭｏを添加しないで焼入性を確保して、不完全焼入れ層の生成を抑制するためには、Ｍｎを、従来の機械構造用肌焼鋼（ＳＭｎ４２０、ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０など）のＭｎ量よりも多く、１．５〜３．０質量％添加することが有効である。

（イ）Ｍｎが１．５質量％以上で、Ｃが０．１〜０．３質量％の肌焼鋼は、海外に存在するが（ドイツＤＩＮ規格で、２０Ｍｎ５など）、浸炭用途で用いられていて、浸炭窒化処理した例は見当たらない。これは、Ｍｎも、Ｎも、Ｍｓ点を大幅に低下させる元素であるため、高Ｍｎ鋼を浸炭窒化すると、残留オーステナイト量が多くなり過ぎて、硬さが不足する懸念があることが理由の一つと考えられる。

本発明者らは、本発明の成分組成の鋼を用いて、表面から０．１ｍｍまでのＣ量［Ｃｓ］が０．１〜１．０質量％、Ｎ量［Ｎｓ］が０．３〜２．０質量％で、かつ、［Ｃｓ］＋０．３［Ｎｓ］−０．２９×Ｃｒを０．６〜１．１質量％に制御することにより、残留オーステナイト量を３０％以下に制限できることを知見した。

（ウ）Ｍｎを１．５〜３．０質量％として焼入れ性を確保した場合、表面硬度の観点からは、Ｃｒを添加する必要はない。

本発明は、以上の新規な知見に基づいてなされたものであり、その要旨は、以下のとおりである。

（１）質量％で、
Ｃ ：０．１〜０．３％、
Ｓｉ：０．０５〜２．０％、
Ｍｎ：１．５〜３．０％、
Ｐ ：０．０３％以下、
Ｓ ：０．００１〜０．１５％、
Ｎ ：０．００１〜０．０３％、
Ａｌ：０．００１〜０．３％
を含有し、
Ｃｒ：０．２％未満、
Ｏ ：０．００５％以下に制限し、
残部が鉄と不可避的不純物よりなる鋼からなり、
（ｘ）浸炭窒化処理を施した後に引き続いて、焼入れ処理として油焼入れ処理のみを施されて形成された表面硬化層を有し、
（ｙ）表面から０．１ｍｍまでにおいて、Ｃ量が０．１〜１．０％、Ｎ量が０．３〜２．０％で、かつ、表面から０．１ｍｍまでの残留オーステナイト量が３０体積％以下であり、
（ｚ）下記式で定義するＲ値が０．６〜１．１％である
ことを特徴とする耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品。
Ｒ値＝［Ｃｓ］＋０．３［Ｎｓ］−０．２９×Ｃｒ
ここで、［Ｃｓ］は、表面から０．１ｍｍまでにおけるＣ量（％）、［Ｎｓ］は、表面から０．１ｍｍまでにおけるＮ量（％）、Ｃｒは、鋼のＣｒ量（％）である。

Ｒ値＝［Ｃｓ］＋０．３［Ｎｓ］−０．２９×Ｃｒ
ここで、[Ｃｓ]は、表面から０．１ｍｍまでにおけるＣ量（％）、［Ｎｓ］は、表面から０．１ｍｍまでにおけるＮ量（％）、Ｃｒは、鋼のＣｒ量（％）である。

（２）前記鋼が、さらに、質量％で、Ｍｏ：０．０２〜０．５％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、及び、Ｎｉ：０．１〜３．０％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする上記（１）に記載の耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品。

（３）前記鋼が、さらに、質量％で、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％、及び、Ｖ：０．０２〜０．２％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品。

（４）前記鋼が、さらに、質量％で、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％、Ｚｒ：０．０００３〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００３〜０．００５％、及び、ＲＥＭ（希土類元素）：０．０００１〜０．００５％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品。

（５）前記鋼が、さらに、質量％で、Ｓｎ：０．０１〜１．０％を含有することを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品。

（６）前記油焼入れ処理の後の研削によって、最表層にある粒界酸化層を除去した表面硬化層を有することを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品。

（７）前記油焼入れ処理の後にショットピーニング処理を施した表面硬化層を有することを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品。

（８）浸炭窒化鋼部品が、トランスミッション歯車、差動歯車、又は、ベルト式無段変速機（ＣＶＴ）用プーリーであることを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品。

本発明の耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品を用いれば、トランスミッション歯車、差動歯車、又は、ベルト式無段変速機（ＣＶＴ）用プーリーなどの鋼部品を、大幅に小型化、軽量化することが可能となり、自動車の燃費向上と、それを通じたＣＯ₂排出量削減が可能となる。

以下、本発明の“高い表面硬度を有するとともに、耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品”について、詳細に説明する。

まず、本発明（浸炭窒化鋼部品）の素材となる鋼（本発明素材鋼）の成分組成を限定する理由について説明する。以下、質量％は、単に、％と記載する。

Ｃ：０．１〜０．３％
Ｃは、鋼の強度を保持するのに必須の元素であり、含有量は、芯部の硬さを決定し、有効硬化層深さにも影響する。本発明では、Ｃの下限を０．１％とし、芯部硬さを確保している。しかし、多すぎると靭性が低下するので、上限を０．３％とした。Ｃの好適な範囲は０．１５〜０．２５％である。本発明素材鋼のＣ量は、通常、靭性が要求される肌焼鋼として使用されるＪＩＳ規格のＳＭｎ４２０、ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０のＣ量程度である。

Ｓｉ：０．０５〜２．０％
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な元素であり、また、焼戻し軟化抵抗を向上するのに有効な元素である。０．０５％未満では、添加効果が不十分であり、一方、２．０％を超えると、添加効果が飽和するので、Ｓｉは、０．０５〜２．０％とする。好適な範囲は、０．５〜１．５％である。

Ｍｎ：１．５〜３．０％
Ｍｎは、鋼の脱酸に有効な元素であるとともに、焼入れ性の向上を通じて、浸炭窒化材の最表層における不完全焼入れ層の生成防止に有効な元素である。それ故、本発明において重要な元素であるが、１．５％未満では、添加効果が不十分であり、一方、３．０％を超えると、浸炭窒化処理後の残留オーステナイトが３０％を超えるので、Ｍｎは、１．５〜３．０％とする。好適な範囲は、１．８〜３．０％で、さらに好適な範囲は、２．０〜２．５％である。

Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、浸炭時のオーステナイト粒界に偏析して粒界破壊を引き起こし、強度を低下させる元素である。それ故、Ｐは０．０３％以下に制限する必要がある。好適な範囲は０．０１５％以下である。

Ｓ：０．００１〜０．１５％
Ｓは、鋼中でＭｎＳを形成する元素である。ＭｎＳは被削性の向上に寄与するが、０．００１％未満では、添加効果が不十分である。一方、０．１５％を超えると、添加効果は飽和し、むしろ、粒界に偏析して粒界脆化を引き起こす。それ故、Ｓは、０．００１〜０．１５％とする。好適な範囲は、０．０１〜０．１％である。

Ｃｒ：０．５％以下
Ｃｒは、課題解決の観点からすると、必ずしも添加する必要がない元素である。しかし、０．０５％以上添加すると、焼入れ性の向上を通じて、芯部（非浸炭窒化層）の硬さの確保に寄与する。また、鋼部品が、耐食性が要求される環境で使用される場合、０．０５％以上の添加で生成するＣｒ酸化物が不動態皮膜を形成して、耐食性が向上するという効果もある。それ故、Ｃｒを添加する場合は、０．０５％以上が好ましい。

しかし、Ｃｒは、浸炭窒化処理時のＮと結合して、粗大なＣｒＮも形成するので、浸炭窒化層においては好ましくない元素である。したがって、本発明において、Ｃｒは、課題解決の観点で、積極的に添加する必要がない元素であるが、Ｃｒを、芯部硬さの確保や耐食性向上の観点から添加する場合は、０．５％以下とする。好ましくは、０．２％未満である。なお、後述するように、Ｃｒ量は、不可避的不純物程度の量でも、把握する必要がある。本発明では、０．２％未満に制限する。

Ｎ：０．００１〜０．０３％
Ｎは、鋼中でＡｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ等と結合して窒化物又は炭窒化物を生成し、結晶粒の粗大化を抑制する作用をなす元素である。０．００１％未満では、添加効果が不十分であり、一方、０．０３％を超えると、添加効果が飽和するので、Ｎは、０．００１〜０．０３％とする。好適な範囲は、０．００３〜０．００８％である。

Ａｌ：０．００１〜０．３％
Ａｌは、鋼の脱酸を目的として添加する元素である。０．００１％未満では、添加効果が不十分であり、一方、０．３％を超えると、添加効果が飽和するので、Ａｌは、０．００１〜０．３％とする。

なお、Ｎを０．００８％以下に制限した状態で、Ａｌを０．１〜０．３％添加すると、鋼中に固溶Ａｌが存在し、固溶Ａｌが被削性の向上に寄与する効果が発現するが、その反面、Ａｌ₂Ｏ₃介在物のサイズが大きくなり、破壊起点となる恐れがあるので、強度をより重視する場合は、Ａｌを０．００１〜０．０５％添加し、被削性を重視する場合は、Ａｌを０．０５超〜０．３％添加することが好ましい。さらに優れた被削性を得るためのＡｌの好適な範囲は、０．１〜０．１５％である。

Ｏ：０．００５％以下
Ｏは、粒界に偏析して粒界脆化を起こし易くするとともに、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元素である。それ故、Ｏは、０．００５％以下に制限する必要がある。

本発明素材鋼は、さらに、Ｍｏ：０．０２〜０．５％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、及び、Ｎｉ：０．１〜３．０％の１種又は２種以上を含有する。このように限定した理由を以下に述べる。

Ｍｏ：０．０２〜０．５％
Ｍｏは、焼入れ性の向上を通じて、浸炭窒化焼入れ処理した部品の芯部硬さを高める作用をなす元素である。０．０２％未満では、添加効果が不十分であり、一方、０．５％を超えると、添加効果が飽和するので、Ｍｏは、０．０２〜０．５％とする。好適な範囲は、０．０２〜０．３％未満である。

Ｃｕ：０．１〜１．０％
Ｃｕは、焼入れ性の向上を通じて、浸炭窒化焼入れ処理した部品の芯部硬さを高める作用をなす元素である。０．１％未満では、添加効果が不十分であり、一方、１．０％を超えると、添加効果が飽和するので、Ｃｕは、０．１〜１．０％とする。

Ｎｉ：０．１〜３．０％
Ｎｉは、焼入れ性の向上を通じて、浸炭窒化焼入れ処理した部品の芯部硬さを高める作用をなす元素である。０．１％未満では、添加効果が不十分であり、一方、３．０％を超えると、添加効果が飽和するので、Ｎｉは、０．１〜３．０％とする。

本発明素材鋼は、さらに、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％、及び、Ｖ：０．０２〜０．２％の１種又は２種以上を含有する。このように限定した理由を以下に述べる。

Ｔｉ：０．０１〜０．２％
Ｔｉは、鋼中で、微細なＴｉＣ、ＴｉＣＳを形成して、浸炭窒化時のオーステナイト粒の微細化に寄与する元素である。また、Ｔｉは、鋼中で、Ｎと結合してＴｉＮを形成して、ＢＮの析出を防止し、固溶Ｂの確保に寄与する元素である。０．０１％未満では、添加効果が不十分であり、一方、０．２％を超えると、ＴｉＮ主体の析出物が多く析出して転動疲労特性が低下するので、Ｔｉは、０．０１〜０．２％とする。好適な範囲は、０．０２〜０．１％である。

Ｎｂ：０．０１〜０．２％
Ｎｂは、Ｎｂ炭窒化物を形成し、結晶粒の粗大化の抑制に寄与する元素である。０．０１％未満では、添加効果が不十分であり、一方、０．２％を超えると、被削性が劣化するので、Ｎｂは、０．０１〜０．２％とする。

Ｖ：０．０２〜０．２％
Ｖは、Ｖ炭窒化物を形成し、結晶粒の粗大化の抑制に寄与する元素である。０．０２％未満では、添加効果が不十分であり、一方、０．２％を超えると、被削性が劣化するので、Ｖは、０．０２〜０．２％とする。

本発明素材鋼は、さらに、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％、Ｚｒ：０．０００３〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００３〜０．００５％、及び、ＲＥＭ（希土類元素）：０．０００１〜０．００５％の１種又は２種以上を含有する。このように限定した理由を以下に述べる。

Ｃａ：０．０００２〜０．００５％
Ｃａは、酸化物を低融点化し、切削加工環境下の温度上昇で鋼部品を軟質化させて、被削性を改善する作用をなす元素である。０．０００２％未満では、添加効果がなく、一方、０．００５％を超えると、ＣａＳが多量に生成して、被削性が低下するので、Ｃａは、０．０００２〜０．００５％とする。

Ｚｒ：０．０００３〜０．００５％
Ｚｒは、脱酸元素であり、酸化物を生成するが、硫化物も生成するので、ＭｎＳとの相互関係を有する元素である。Ｚｒ系酸化物は、ＭｎＳの晶出／析出の核になり易いので、ＭｎＳの分散制御に有効であるが、０．０００３％未満では、添加効果はないので、０．０００３％以上とする。

ＭｎＳの球状化を狙う点で、０．００３％超が好ましいが、ＭｎＳの微細分散の点では、０．０００３〜０．００５％が好ましい。鋼部品（製品）としては、製造上、品質の安定性（成分歩留まり等)を維持する観点から、ＭｎＳを微細分散させる０．０００３〜０．００５％が現実的に好ましい。

Ｍｇ：０．０００３〜０．００５％
Ｍｇは、脱酸元素であり、酸化物を生成するが、硫化物も生成するので、ＭｎＳとの相互関係を有する元素である。Ｍｇ系酸化物は、ＭｎＳの晶出／析出の核になり易い。また、Ｍｇは、ＭｎとＭｇの複合硫化物を形成し、硫化物の変形を抑制して、球状化に寄与するので、ＭｎＳの分散制御に有効な元素である。０．０００３％未満では、添加効果がなく、一方、０．００５％を超えると、添加効果が飽和するので、Ｍｇは、０．０００３〜０．００５％とする。

ＲＥＭ（希土類元素）：０．０００１〜０．００５％
ＲＥＭ（希土類元素）は、ＭｎＳを微細分散させる作用をなす元素であり、また、被削性の改善に有効な元素である。添加効果を得るには、０．０００１％以上添加する必要がある。ただし、０．００５％を超えると、添加効果は飽和するので、ＲＥＭ（希土類元素）は、０．０００１〜０．００５％とする。好適な範囲は、０．０００５〜０．００３％である。

本発明素材鋼は、さらに、Ｓｎ：０．０１〜１．０％を含有する。このように限定した理由を以下に述べる。

Ｓｎ：０．０１〜１．０％
Ｓｎは、耐食性を高める作用をなす元素である。この効果は、０．０１％未満では発現せず、一方、１．０％を超えると、熱間延性が低下して、鍛造割れの原因を形成するので、Ｓｎは、０．０１〜１．０％とする。

次に、本発明素材鋼に浸炭窒化処理を施し、その後、焼入れ処理を施して表面硬化層を形成し、表面から０．１ｍｍまでのＣ量［Ｃｓ］を０．１〜１．０％、Ｎ量［Ｎｓ］を０．３〜２．０％と規定し、かつ、Ｒ値＝［Ｃｓ］＋０．３［Ｎｓ］−０．２９×Ｃｒで定義するＲ値を０．６〜１．１％と規定する理由について説明する。

本発明は、本発明素材鋼に浸炭窒化処理と焼入れ処理の両方を施して、耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品を得ることができる。

焼入れ処理は、浸炭窒化処理に引き続いて施してもよいし、熱処理歪みの軽減の観点から、浸炭窒化処理の後、一旦徐冷し、その後、施してもよい。焼入れ処理は、通常の油焼入れの他、高周波焼入れで、鋼部品の表面近傍のみを焼入れしてもよい。油焼入れ後に、高周波焼入れを施してもよい。なお、本発明では、浸炭窒化処理に引き続いて、焼入れ処理として油焼入れのみを施す処理を採用する。

焼入れ後の焼戻し処理は、鋼部品の靭性を重視する場合、低温焼戻し（１５０〜１８０℃前後）が望ましいが、耐ピッチング性のみを重視する場合は、焼戻し処理を省略してもよい。

本発明は、表面から０．１ｍｍまでのＣ量［Ｃｓ］を０．１〜１．０％、Ｎ量［Ｎｓ］を０．３〜２．０％とし、かつ、［Ｃｓ］＋０．３［Ｎｓ］−０．２９×Ｃｒを０．６〜１．１％とすることにより、焼戻し軟化抵抗に優れ、耐ピッチング性が優れた浸炭窒化鋼部品を得ることができる。

Ｃ量やＮ量が低いほど、焼入れ組織のマルテンサイトの硬さが低下する。一方、Ｃ量やＮ量が高くなるほど、Ｍｓ点が低下してマルテンサイトの量が減り、マルテンサイトよりも軟らかい残留オーステナイトが増えることになる。

残留オーステナイト量が３０％を超えると、鋼部品として必要な表面硬さＨＶ７００以上を達成できず、耐ピッチング性が低下するので、本発明では、残留オーステナイト量が３０％以下となる浸炭量、及び、窒化量とする。

［Ｃｓ］が０．１％未満であると、マルテンサイトの硬さが不足することになる。一方、［Ｃｓ］が１．０％を超えると、焼入れ後の残留オーステナイト量が３０％を超えてしまい、硬さが不足することになる。

鋼部品の稼働面が３００℃程度にまで上昇して、鋼部品が軟化してピッチングに至るので、耐ピッチング性能は、３００℃での焼戻し軟化抵抗が高いほど良好である。即ち、３００℃焼戻し後の硬さと、耐ピッチング性能との間には、相関関係がある。

［Ｎｓ］が増加すると、２００℃以上で析出するＦｅ₄Ｎの析出硬化により、焼戻し軟化抵抗が向上する。その作用を通じて、耐ピッチング性能が向上するので、［Ｎｓ］は、重要な指標である。

［Ｎｓ］が０．３％未満であると、焼戻し軟化抵抗が不十分で、その結果、耐ピッチング性が不十分となる。Ｎ量が多くなるほどＭｓ点が低下して、マルテンサイトの量が減り、マルテンサイトよりも軟らかい残留オーステナイトが増えるので、［Ｎｓ］は０．３％以上とする。一方、［Ｎｓ］が２．０％を超えると、焼入れ後の残留オーステナイト量が３０％を超えて、硬さ不足となるので、［Ｎｓ］は２．０％以下とする。

［Ｃｓ］＋０．３［Ｎｓ］−０．２９×Ｃｒは、本発明素材鋼を浸炭窒化し、焼入れして形成した表面硬化層において、表面から０．１ｍｍまでに存在する残留オーステナイト量を３０体積％以下とし、鋼部品として必要な硬さ（ＨＶ７００以上）を確保するためのパラメータであり、以下のようにして求めた。

上述したように、Ｃ量やＮ量が増加すると、Ｍｓ点が低下し、残留オーステナイト量が増加する。ただし、固溶Ｎのみが有効に作用するので、浸炭窒化焼入れ後に分析したＮ量から、窒化物となったＮの分を差し引く必要がある。

Ｃｒは、不可避的不純物レベルの少量でも、Ｎと結びついてＣｒＮを形成することが、電子顕微鏡観察とＸ線回折で確認したので、ＮとＣｒの原子量比の関係から、０．２９×Ｃｒの分のＮは無効とみなして、Ｒ値の定義式において、［−０．２９×Ｃｒ］を設定した。

本発明素材鋼（Ｍｎ：１．５〜３．０％）のような高Ｍｎ鋼では、Ｍｎ系窒化物（ＭｎＳｉＮ₂）などの生成により固溶Ｎが減少している可能性がある。そこで、本発明の成分組成（Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：１．５〜３．０％、Ｃｒ：０．５％以下（０を含む））の鋼を用いて、カーボンポテンシャル：０．６〜１．２％、及び、炉内アンモニア量：１〜１０％の浸炭窒化処理を行い、［Ｃｓ］、［Ｎｓ］、及び、残留オーステナイト量を実測した。

その実測結果に基づいて、残留オーステナイト量に及ぼす［Ｃｓ］及び［Ｎｓ］の影響を評価した。その結果、Ｎは、０．３×Ｃと等価であることを見いだしたので、Ｒ値の定義式において、［＋０．３［Ｎｓ］］を設定した。

そして、残留オーステナイト量を３０体積％以下とするためには、［Ｃｓ］＋０．３［Ｎｓ］−０．２９×Ｃｒで求めるＲ値を１．１％以下とする必要があることを見いだし、Ｒ値の上限を１．１％に規定した。

マルテンサイトの硬さは、Ｃ量やＮ量が低いほど低くなり、残留オーステナイト量が３０体積％以下となると、硬さが不足するので、Ｒ値の下限は０．６％と規定した。

なお、本発明の鋼部品を、ＣＶＴプーリーのシーブ面やベアリングなどに使用する場合、焼入れ後に、鋼部品の表面を研削（通常、０．０５〜０．２ｍｍ程度）すると、表面に不可避的に存在している粒界酸化層が除去されるので、耐ピッチング性がより向上する。表面を研削して使用する場合は、研削代を考慮して浸炭窒化処理を施す必要がある。研削は、焼戻し処理を施してから行なうのが好ましい。

また、焼入れ後に、鋼部品の表面にショットピーニング処理を施すと、ショットピーニングによる塑性変形によって導入された転位に、浸炭窒化のＮが時効析出して、焼戻し軟化抵抗がさらに向上し、耐ピッチング性がより向上する。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例）
表１及び表２（表１の続き）に示す成分組成を有する鋼材（試験Ｎｏ．１〜１１、１３〜２０、２２〜２７、３６〜４２）に、鍛造と焼鈍を施した後、機械加工により試験片を製作した。ローラーピッチング疲労試験片用に、直径２６ｍｍ、幅２８ｍｍの円筒部を有する小ローラー試験片２個と、直径１３０ｍｍ、幅１８ｍｍの大ローラー試験片を１個製作した。その後、小ローラー試験片と大ローラー試験片に、表３及び表４（表３の続き）に示す処理を施した。

表３及び表４に示す表面硬化処理で、「浸炭窒化焼入れ」（表中(1)）は、「９５０℃×１時間のＲＸガス浸炭→８４０℃×４時間のアンモニアとＲＸガスによる浸炭窒化→油焼入れ」、である。カーボンポテンシャルとアンモニア流量を変化させて、浸炭窒化でのＣ量とＮ量を制御して、試験片を製作した。

表３及び表４において、焼戻しが「有り」の試験片は、前述の焼入れ後に、「１５０℃で９０分→放冷」の焼戻し処理を施した試験片である。

表３及び表４において、表面研削が「有り」の小ローラー試験片は、予め、円筒部の直径を１００μｍだけ大きく製作し、試験前に、表面から片側５０μｍ（両側１００μｍ）を研削して、最表面近傍にある粒界酸化層を除去した試験片である。

表３及び表４において、ショットピーニングが「有り」の小ローラー試験片は、φ0.8mmの鋼球を用いて、ハークハイト１．０ｍｍＡのショットピーニング処理を施した試験片である。

大ローラー試験片の１個と、小ローラー試験片の１個を用いて、ローラーピッチング疲労試験を行った。ローラーピッチング疲労試験は、小ローラー試験片に、面圧を、ヘルツ応力４０００ＭＰａとして、大ローラー試験片を押し付け、接触部での両ローラー試験片の周速方向を同一方向とし、滑り率を−４０％（小ローラー試験片よりも大ローラー試験片の方が接触部の周速が４０％大きい）として回転させて、小ローラー試験片においてピッチングが発生するまでの小ローラー試験片の回転数を寿命とした。

前記接触部に供給するギア油の油温は９０℃とした。ピッチング発生の検出は、試験機に備え付けてある振動計によって行い、振動検出後に、両ローラー試験片の回転を停止させて、ピッチングの発生と回転数を確認した。

ローラー試験片の材質調査は、ローラーピッチング疲労試験を行っていない、残りの小ローラー試験片を用いて、以下の要領で行った。表面から０．１ｍｍまでのＣ量及びＮ量は、試験片の周面を垂直方向に切断し、切断面を鏡面研削した後に、ＥＰＭＡにて分析した。残留オーステナイト量は、表面から０．０５ｍｍまでを電解研削して、Ｘ線法により周面を測定した。

硬さの測定は、ローラーピッチング疲労試験を行っていない残りの小ローラー試験片を２分割し、片方は、そのまま（以下、「３００℃未焼戻し」という。）とし、もう片方は、３００℃焼戻し（３００℃で９０分→放冷後に硬さ測定）を行ない、両者の表面から０．０５ｍｍ深さの硬さを測定した。

表３及び表４に示すように、発明例の試験Ｎｏ．１〜１１、１３〜２０、２２〜２７のローラー試験片は、３００℃未焼戻しの硬さがＨＶ７００以上と良好な焼戻し軟化抵抗を有し、また、３００℃焼戻し硬さがＨＶ７００以上と優れた焼戻し軟化抵抗を有し、寿命が１０００万回以上と優れた耐ピッチング性を有している。

これに対し、Ｍｎ量を、本発明で規定する成分組成から逸脱させた比較例のＮｏ．３６は、疲労試験寿命が４，１６９，０００回と短かった。Ｍｎ量が少ないことにより、焼入性が不足して、不完全焼入れ層が発生したことに起因して、３００℃未焼戻しの硬さがＨＶ７００に達しなかったためである。

Ｃｒ量を、本発明で規定する成分組成から逸脱させた比較例のＮｏ．３７は、疲労試験寿命が７，７５８，０００回と短かった。Ｃｒ量が多すぎることにより、粗大なＣｒＮが多数生成し、それが破壊起点となったために低寿命になったためである。

Ｃ量［Ｃｓ］を、本発明で規定する成分組成から逸脱させた比較例のＮｏ．３８は、疲労試験寿命が３，０１６，０００回と短かった。［Ｃｓ］が高すぎることにより、残留オーステナイト量が３０％を超えてしまい、硬さ不足となったためである。

Ｎ量［Ｎｓ］を、本発明で規定する成分組成から逸脱させた比較例のＮｏ．３９は、疲労試験寿命が７，７４９，０００回と短かった。［Ｎｓ］が低すぎることにより、焼戻し軟化抵抗が不十分であり、３００℃焼戻し硬さがＨＶ６８２と、ＨＶ７００未満となったためである。

Ｎ量［Ｎｓ］を、本発明で規定する成分組成から逸脱させた比較例のＮｏ．４０は、疲労試験寿命が５，７８０，０００回と短かった。［Ｎｓ］が高すぎることにより、残留オーステナイト量が３０％を超えてしまい、硬さ不足となったためとである。

［Ｃｓ］＋０．３［Ｎｓ］−０．２９×Ｃｒを、本発明で規定する範囲から逸脱させた比較例のＮｏ．４１は、疲労試験寿命が５，５０２，０００回と短かった。［Ｃｓ］＋０．３［Ｎｓ］−０．２９×Ｃｒが低すぎることにより、３００℃未焼戻しの硬さがＨＶ７００に達しなかったためであり、また、焼戻し軟化抵抗も不十分（３００℃焼戻し硬さがＨＶ６７５とＨＶ７００未満）となったためである。

［Ｃｓ］＋０．３［Ｎｓ］−０．２９×Ｃｒを、本発明で規定する範囲から逸脱させた比較例のＮｏ．４２は、疲労試験寿命が４，８４０，０００回と短かった。［Ｃｓ］＋０．３［Ｎｓ］−０．２９×Ｃｒが高すぎることにより、残留オーステナイト量が３０％を超えてしまい、硬さ不足となったためである。

前述したように、本発明の耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品を用いれば、トランスミッション歯車、差動歯車、又は、ベルト式無段変速機（ＣＶＴ）用プーリーなどの鋼部品を、大幅に小型化、軽量化することが可能となり、自動車の燃費向上と、それを通じたＣＯ₂排出量削減が可能となる。よって、本発明による産業上の効果は極めて顕著である。

Claims (8)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．１〜０．３％、
   Ｓｉ：０．０５〜２．０％、
   Ｍｎ：１．５〜３．０％、
   Ｐ ：０．０３％以下、
   Ｓ ：０．００１〜０．１５％、
   Ｎ ：０．００１〜０．０３％、
   Ａｌ：０．００１〜０．３％
   を含有し、
   Ｃｒ：０．２％未満、
   Ｏ ：０．００５％以下に制限し、
   残部が鉄と不可避的不純物よりなる鋼からなり、
   （ｘ）浸炭窒化処理を施した後に引き続いて、焼入れ処理として油焼入れ処理のみを施されて形成された表面硬化層を有し、
   （ｙ）表面から０．１ｍｍまでにおいて、Ｃ量が０．１〜１．０％、Ｎ量が０．３〜２．０％で、かつ、表面から０．１ｍｍまでの残留オーステナイト量が３０体積％以下であり、
   （ｚ）下記式で定義するＲ値が０．６〜１．１％である
   ことを特徴とする耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品。
   Ｒ値＝［Ｃｓ］＋０．３［Ｎｓ］−０．２９×Ｃｒ
   ここで、［Ｃｓ］は、表面から０．１ｍｍまでにおけるＣ量（％）、［Ｎｓ］は、表面から０．１ｍｍまでにおけるＮ量（％）、Ｃｒは、鋼のＣｒ量（％）である。
2. 前記鋼が、さらに、質量％で、Ｍｏ：０．０２〜０．５％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、及び、Ｎｉ：０．１〜３．０％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品。
3. 前記鋼が、さらに、質量％で、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％、及び、Ｖ：０．０２〜０．２％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品。
4. 前記鋼が、さらに、質量％で、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％、Ｚｒ：０．０００３〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００３〜０．００５％、及び、ＲＥＭ（希土類元素）：０．０００１〜０．００５％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品。
5. 前記鋼が、さらに、質量％で、Ｓｎ：０．０１〜１．０％を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品。
6. 前記油焼入れ処理の後の研削によって、最表層にある粒界酸化層を除去した表面硬化層を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品。
7. 前記油焼入れ処理の後にショットピーニング処理を施した表面硬化層を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品。
8. 前記浸炭窒化鋼部品が、トランスミッション歯車、差動歯車、又は、ベルト式無段変速機（ＣＶＴ）用プーリーであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の耐ピッチング性に優れた浸炭窒化鋼部品。