(57)【要約】【課題】  浸炭により表面硬化した歯車やシャフトなどの、耐ピッチング特性や靱性に優れた機械構造用鋼からなる部品の製造方法を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．１３〜０．３０％、Ｃｒ：０．９０〜２．００％を含有し、さらにＳｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｎのうち１種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼材に対して、加熱温度８５０〜１０３０℃に加熱し、表面の炭素濃度０．８〜１．５％とする浸炭工程と、表面層３のＡcm点（℃）より高い温度から、Ａ1点（℃）よりも５０℃以上低い温の冷却終了温度まで、平均５℃／ｓｅｃ以下の速度で冷却して分散されたパーライト組織もしくはベイナイト組織とする工程と、表面層３におけるＡcm点（℃）以下の加熱温度での球状化焼なまし工程と、表面層３におけるＡcm点（℃）以下に加熱し、焼戻しする工程とを含む耐ピッチング特性と靱性に優れた機械部品１の製造方法。【選択図】      図１
2019218583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１３〜０．３０％、Ｃｒ：０．９０〜２．００％を含有し、さらにＳｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｎのうち１種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼材で形成された素材を準備する工程と、該素材に対して、加熱温度を８５０〜１０５０℃とし、該素材の表面層の炭素濃度が０．８〜１．５％を満たすように該素材を浸炭する工程と、
該表面層におけるＡcm点（℃）より高い温度から、Ａ1点（℃）よりも５０℃以上低い温度である冷却終了温度までの温度範囲を平均５℃／ｓｅｃ以下の速度で冷却して、該表面層をパーライト組織もしくはベイナイト組織とする工程と、
該素材の該表面層におけるＡcm点（℃）以下の加熱温度で球状化焼なましして該パーライト組織若しくは該ベイナイト組織中の炭化物を球状化する工程と、
該素材の該表面層におけるＡcm点（℃）以下に加熱してから焼入れし、次いで焼戻しする工程、
を経る機械部品の製造方法。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．１３〜０．３０％、Ｃｒ：０．９０〜２．００％を含有し、さらにＳｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｎのうち１種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物とする化学成分を有する鋼材を用いた機械部品であって、表面の炭素濃度が０．８〜１．５％を満たすように浸炭され、さらに最表面を含む層である表面層の組織は球状化炭化物が分散するマルテンサイト組織及び残留オーステナイト組織から成り、アスペクト比が１．５以下の該球状化炭化物が全炭化物の９０％以上であり、旧オーステナイト粒界上の炭化物に関して、旧オーステナイト粒界上の該球状化炭化物の個数が占める割合は全炭化物数の４０％以下である該機械部品の製造方法であり、
該化学成分の該鋼材から形成された素材を準備する工程と、
該素材に対して、加熱温度を８５０〜１０５０℃とし、該素材の表面の炭素濃度が０．８〜１．５％を満たすように浸炭して該素材表面に表面層を形成する工程と、
該表面層におけるＡcm点（℃）より高い温度から、Ａ1点（℃）よりも５０℃以上低い温度である冷却終了温度までの温度範囲を平均５℃／ｓｅｃ以下の速度で冷却してパーライト組織もしくはベイナイト組織とする工程と、
該素材の該表面層におけるＡcm点（℃）以下の加熱温度で球状化焼なましして該パーライト組織若しくは該ベイナイト組織中の炭化物を球状化する工程と、
該素材の該表面層におけるＡcm点（℃）以下に加熱してから焼入れしてマルテンサイト組織を形成し、次いで焼戻しする工程、
を経る機械部品の製造方法。
【請求項３】
該旧オーステナイト粒界上の該球状化炭化物は、粒径の大きさの９０％以上が粒径１μｍ以下である、
請求項２に記載の機械部品の製造方法。
【請求項４】
該旧オーステナイト粒界の粒径が１５μｍ以下である、請求項３に記載の機械部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高面圧が負荷される機械構造用鋼からなる部品に用いられる、耐ピッチング特性および靱性に優れる機械部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械部品、例えば、歯車やシャフトなどの高面圧を受ける部品は、鋼材を熱間鍛造、冷間鍛造、切削などの工法により部品形状に成形したのち、ガス浸炭や真空浸炭など浸炭処理を施してから使用に供されている。さらに必要に応じて、研削やショットピーニングなどの追加処理を施す場合がある。浸炭処理は鋼をオーステナイト化温度以上の高温に加熱することで、鋼に対する炭素の固溶限を高めた状態にしたのち、鋼部品の表面から炭素を内部に侵入させる処理である。
【０００３】
一般的には、浸炭により鋼部品の表面に０．７〜０．８％の炭素を侵入させる。その後、浸炭温度から直接的に焼入れするか、浸炭温度から一般的な焼入れ温度まで冷却してから焼入れするか、もしくは、浸炭処理後にいったん冷却し再加熱してから焼入れする、といった処理手順での焼入れ、およびそれに続く焼戻しが行われる。
それとは対照的に、浸炭状態の鋼部品と同様の熱履歴のみを与えると、鋼中の炭素はオーステナイト中への固溶限の制限により、鋼中に固溶できないものが炭化物として鋼中に残存する。このような鋼中に残存した炭化物は、粒界に析出すると、靱性に対して悪影響がある。
【０００４】
近年、燃費の向上を目的とした、自動車などのトランスミッションに代表される駆動系ユニットの小型軽量化に伴い、歯車やシャフト類への負荷は益々増大する傾向にある。特に歯車では、歯面のピッチング発生による短寿命化や歯元折損の可能性がある。
【０００５】
これらの問題に対して、歯車の歯面の耐ピッチング性を高める技術として、準高温から高温においても分解しにくい炭化物、例えばＦｅ3ＣであるセメンタイトやＭ23Ｃ6型の炭化物などを積極的に析出させて硬度を高め、焼戻し軟化抵抗性の向上を志向した高濃度浸炭法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
鋼部品の表面の炭素濃度を１．２％以上の高濃度にすることで、炭化物を微細かつ大量に析出させ、さらに焼戻し軟化抵抗性の向上を志向する、高濃度浸炭法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
これらの高濃度浸炭法は、粒界に粗大な炭化物が析出することにより、靱性に対する悪影響を及ぼすことが指摘されている（例えば、特許文献３および特許文献４参照。）。
【０００６】
特許文献３では、高濃度浸炭を行った後、パーライト変態を起こす冷却速度で空冷による徐冷を行って、表層の組織をパーライトと成し、しかる後にパーライト組織中のセメンタイトを細かく分断させることで、炭化物中に、１μｍ以下の炭化物が９０％以上を占める微細炭化物として生じせしめる、加熱および冷却条件によって、高周波焼入れを行う製造方法が提案されている。
【０００７】
特許文献３では、高周波焼入れの短い時間でパーライト組織中の層状の細くかつ長く伸びたセメンタイトを分断させるので、アスペクト比が１．５以下の球状化セメンタイトの割合は低いものとなっている。靱性の観点からすると、いまだ十分なものとはいえないものであった。特許文献４による場合も、同様に靱性の点でいまだ十分とはいえなかった。
【０００８】
一方、特許文献５では、質量％で、Ｃの含有量が０．５５〜１．１０％と、炭素を多く含有する鋼であって、焼入れ後の組織がマルテンサイト組織と球状化炭化物の二相組織からなり、全セメンタイトに占める球状化セメンタイト率や、旧オーステナイト粒界上のセメンタイト率を制御することによる高硬度かつ靱性に優れた鋼が提案されている。この鋼の炭素濃度は、浸炭法による処理を行った後の鋼部品の表面炭素濃度とほぼ同じである。ところが、この鋼では、鋼部品内部まで炭素濃度が高いために、浸炭法により処理された内部の炭素濃度が低い鋼部品に比べると、十分な靱性が得られない場合があるなど、硬度とのバランスをはかりつつも、さらにより靱性を高めることが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３４８６１５号公報
【特許文献２】特開２００６−１６１１４１号公報
【特許文献３】特開２０１０−９０４３７号公報
【特許文献４】特開２０１６−５０３５０号公報
【特許文献５】特開２０１７−５７４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本願の発明が解決しようとする課題は、高面圧が負荷される部品として用いるための、耐ピッチング特性及び靱性に優れた機械部品の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するための本発明の第１の手段は、質量％で、Ｃ：０．１３〜０．３０％、Ｃｒ：０．９０〜２．００％を含有し、さらにＳｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｎのうち１種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼材で形成された素材を準備する工程と、該素材に対して、加熱温度８５０〜１０５０℃とし、
該素材の表面層の炭素濃度が０．８〜１．５％を満たすように該素材を浸炭する工程と、
該素材の表面層におけるＡcm点（℃）より高い温度から、Ａ1点（℃）よりも５０℃以上低い温度である冷却終了温度までの温度範囲を平均５℃／ｓｅｃ以下の速度で冷却して、該表面層をパーライト組織もしくはベイナイト組織とする工程と、
該表面層におけるＡcm点（℃）以下の加熱温度で球状化焼なましして該パーライト組織もしくは該ベイナイト組織の炭化物を球状化する工程と、
該素材の該表面層におけるＡcm点（℃）以下に加熱してから焼入れし、次いで焼戻しする工程、
を経る機械部品の製造方法である。
【００１２】
本発明の第２の手段は、質量％で、Ｃ：０．１３〜０．３０％、Ｃｒ：０．９０〜２．００％を含有し、さらにＳｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｎのうち１種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物とする化学成分を有する鋼材を用いた機械部品であって、表面の炭素濃度が０．８〜１．５％を満たすように浸炭され、さらに最表面を含む層である表面層における組織は球状化炭化物が分散するマルテンサイト組織及び残留オーステナイト組織から成り、アスペクト比が１．５以下の球状化炭化物
が全炭化物の９０％以上であり、旧オーステナイト粒界上の炭化物に関して、旧オーステナイト粒界上の球状化炭化物の個数が占める割合は全炭化物数の４０％以下である機械部品の製造方法であり、
該化学成分の鋼材から形成された素材を準備する工程と、
該素材に対して、加熱温度を８５０〜１０３０℃とし、該表面層の炭素濃度が０．８〜１．５％を満たすように浸炭する工程と、
該表面層におけるＡcm点（℃）より高い温度から、Ａ1点（℃）よりも５０℃以上低い温度である冷却終了温度までの温度範囲を平均５℃／ｓｅｃ以下の速度で冷却してパーライト組織もしくはベイナイト組織とする工程と、
該表面層におけるＡcm点（℃）以下の加熱温度で球状化焼なましして該パーライト組織もしくはベイナイト組織中の炭化物を球状化する工程と、
該素材の該表面層におけるＡcm点（℃）以下に加熱してから焼入れしてマルテンサイト組織を形成し、次いで焼戻しする工程、
を経る機械部品の製造方法である。
【００１３】
本発明の第３の手段は、さらに旧オーステナイト粒界上の該球状化炭化物は、その大きさの９０％以上が粒径１μｍ以下である機械部品である前記第２の手段に記載の機械部品の製造方法である。
【００１４】
本発明の第４の手段は、さらに旧オーステナイト粒界は平均粒径の大きさが１５μｍ以下である機械部品である前記第３の手段に記載の機械部品の製造方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の手段に記載の製造方法によると、上記手段に記載の鋼材を用いて高面圧が負荷される機械部品に用いるための耐ピッチング特性および靱性に優れる機械部品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態の製造方法の工程を示す模式図である。
【図２】実施形態の製造方法の工程手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明により製造された機械部品の一例の断面図である。
【図４】本発明により製造された機械部品の一例の表面層の組織図である。
【図５】（ａ）はローラーピッチング試験片の形状を示す図で、（ｂ）はローラーピッチング試験の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
発明を実施するための形態を記載するに先立って、本願における浸炭処理前の機械構造用鋼の鋼材の化学成分の限定の理由および本願の発明における工程の限定の理由について説明する。
【００１８】
Ｃ：０．１３〜０．３０％
Ｃは、鋼部品の芯部の焼入性、鍛造性および機械加工性に影響する元素である。そして、Ｃが０．１３％未満では十分な芯部の硬さが得られず、強度が低下するので、Ｃは０．１３％以上の添加が必要であり、望ましくは、０．１６％以上の添加がよい。一方、Ｃは、多いと、素材の硬さを増加し、被削性および鍛造性などの加工性を阻害する元素であるから、Ｃが過多になると、素材の芯部硬さが過剰となり、靭性が劣化する。そこで、Ｃは０．３０％以下にする必要があり、望ましくは０．２８％以下にするとよい。したがって、Ｃは０．１３〜０．３０％とし、望ましくは０．１６〜０．２８％とする。
【００１９】
Ｃｒ：０．９０〜２．００％
Ｃｒは、焼入性を向上させる元素であり、また、球状化焼なましによる炭化物の球状化を容易にする元素である。これらの効果を得るためには、Ｃｒは０．９０％以上が必要であり、望ましくは１．００％以上とするとよい。一方、Ｃｒは、過剰に添加するとセメンタイトが脆くなり、靭性を劣化させる元素である。また、Ｃｒは多いと、浸炭阻害を起こし、素材硬さの低減につながるほか、浸炭時に粗大炭化物を形成し、耐ピッチング性の低下につながる元素である。そこで、Ｃｒは２．００％以下にする必要があり、望ましくは１．９０％以下にするとよい。したがって、Ｃｒの含有量は０．９０〜２．００％とし、望ましくは１．５０％より大きく１．９０％以下とする。
【００２０】
本発明の製造方法により耐ピッチング特性と靱性に優れる機械部品を得るためには、炭化物の形状と分布の制御が重要となる。炭化物は、主体がセメンタイト（Ｆｅ3Ｃ）であり、更に、Ｍ23Ｃ6型炭化物（主にＣｒ23Ｃ6）、（ＦｅＣｒ）3Ｃを含んでもよい。炭化物の主要構成元素はＦｅ、Ｃｒ、Ｃであることから、ＣとＣｒが炭化物の形状や分布に大きく影響する。そこで、本発明では、鋼に添加されるＣとＣｒの成分について、上記のとおり規定している。
他方、他の添加元素については、本発明において重要な炭化物の形成や分布に関しては、ＣやＣｒほどには影響を大きく与えるものではない。そこで、以下の選択的成分については、機械構造用肌焼き鋼として一般的な添加量であれば適用できる。
【００２１】
（選択的成分）
Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｎのうち１種以上
Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｎについては、要求される用途に応じて、そのうち１種以上を選択して使用する元素である。
なお、これらの成分が選択的成分として添加される場合には、たとえば、以下のような範囲であることが望ましい。
【００２２】
Ｓｉを含有する場合は０．１５〜０．８０％が望ましい。
Ｓｉは、鋼部品の焼戻し軟化抵抗性を高め、ピッチング特性向上にも有効な元素である。さらに、Ｓｉ添加量が０．１５％以上になると、粒界酸化深さが低減するので、ピッチング特性の向上には、Ｓｉは０．１５％以上である必要がある。一方、Ｓｉは多いと、浸炭阻害を起こし、耐ピッチング強度劣化につながる元素である。そこで、Ｓｉは０．８０％以下にする必要がある。
【００２３】
Ｍｎを含有する場合は０．９０％以下が望ましい。
Ｍｎは、多いと靭性を低下させる元素である。そこで、Ｍｎは０．９０％以下にする必要がある。
【００２４】
Ｐは０．０３０％以下が望ましい。
Ｐは、鋼中に不可避的に含有される不純物元素であり、粒界に偏析し、靭性を劣化させる元素である。そこで、Ｐは０．０３０％以下にする必要がある。
【００２５】
Ｓは０．０３０％以下が望ましい。
Ｓは、鋼中に不可避的に含有される不純物元素であり、Ｍｎと結びついてＭｎＳを形成し、靭性を劣化させる元素である。そこで、Ｓは０．０３０％以下にする必要がある。Ｐ、Ｓなどを含めた不可避不純物の総量は１．０％未満に規制することが望ましい。
【００２６】
Ａｌを含有する場合は０．０２０％以上が望ましい。
Ａｌは、Ｎと結合してＡｌＮを生成するため、結晶粒の粗大化の抑制に有効な元素である。結晶粒の粗大化は、靱性を劣化させる。そこで、Ａｌは０．０２０％以上にする必要がある。
【００２７】
Ｎを含有する場合は０．００８％以上が望ましい。
Ｎは、鋼中でＡｌ窒化物やＮｂ窒化物といった窒化物として微細に析出し、鋼部品の靭性などの強度を低下させる要因となる結晶粒の粗大化の抑制に有効な元素である。その効果を得るためには、Ｎは０．００８％以上にする必要がある。
【００２８】
Ｎｉ、Ｍｏ、ＶやＢは靭性を向上させるためには有効な元素である。
【００２９】
Ｂを含有する場合は、Ｔｉを０．０１〜０．０５％とすることが望ましい。
Ｔｉは、Ｂ添加時に、Ｂによる焼入性の改善効果を発揮させる元素である。その焼入性の改善のためには、窒素とＴｉを結合させてＴｉ窒化物を形成させる必要がある。そこで、Ｔｉを０．０１％以上添加する。なお、このＴｉの添加量はＮの添加量の３．４倍以上であることが望ましい。
【００３０】
Ｎｂを含有する場合は０．０１〜０．１０％が望ましい。
Ｎｂは、浸炭時に炭化物または炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化させるのに有効な元素である。また、Ｎｂは結晶粒を微細化することで、粒界酸化の深さを浅くするとともに、粒界酸化となるき裂が生成した際にもき裂長さが短くなる。しかし、Ｎｂが０．０１％未満では、き裂長さが小さくなる効果は得られない。一方、Ｎｂは０．１０％を超えると結晶粒微細化の効果は飽和する。
【００３１】
本発明の製造方法の素材材料に用いられる鋼材は、質量％で、Ｃ：０．１３〜０．３０％、Ｃｒ：０．９０〜２．００％を含有し、さらにＳｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｎのうち１種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる。
【００３２】
本発明の機械部品は、以下の各工程を含む手順にて製造することができる。手順の一例を、時間と処理温度の関係を示す線として図１に模式的に示す。
（ｉ）鋼材より機械部品形状の素材を準備する工程と、
（ii）素材に対し、加熱温度８５０〜１０５０℃とし、素材の表面層の炭素濃度が質量％で０．８〜１．５％を満たすように浸炭する工程と、
（iii）素材の表面層におけるＡcm点（℃）より高い温度から、Ａ1点（℃）よりも５０℃以上低い温度である冷却終了温度までの温度範囲を平均５℃／ｓｅｃ以下の速度で冷却してパーライト組織もしくはベイナイト組織とする工程と、
（iv）素材の表面層におけるＡcm点（℃）以下の加熱温度で球状化焼なましする工程と、
（v）素材の表面層におけるＡcm点（℃）以下に加熱してから焼入れし、次いで焼戻しする工程を含む。
以下にこれらの工程の理由を個別に説明する。
【００３３】
図２に処理工程のフローチャートを示す。
（ｉ）  鋼材より機械部品形状の素材を準備する工程
鋼材を鍛造などで粗成形し、機械加工により目的の機械部品と同じ形状の素材を成形する。機械部品１の一例の歯車断面を図３に示す。素材は、以下の工程を経て、機械部品１とされる。
【００３４】
（ii）  素材に対し、加熱温度を８５０〜１０５０℃とし、素材の表面層の炭素濃度が０．８〜１．５％を満たすように浸炭する工程
工程（ii）を経た素材は、芯部４と、芯部４の表面を被覆する浸炭層２と、より構成される。浸炭層２は、素材の表面側に表面層３を持つ。表面層３は最表面から少なくとも０．３ｍｍの深さをもつ。本願の工程の効果を得るためには、加熱温度はＡcm点（℃）より高い温度である必要がある。素材の加熱温度が高いほど、短時間で所定の炭素濃度まで浸炭することができる。素材の加熱温度が高すぎると加熱炉の寿命を低下させる。そこで、素材の加熱温度を８５０〜１０５０℃とする。
素材の表面層３の炭素濃度が０．８％未満では、目的とする炭化物を十分に析出させることができにくい。一方、素材の表面層３の炭素濃度が１．５％を超えると、オーステナイト粒界上にアスペクト比が１．５を超える炭化物を形成し、靭性が低下する。そこで、表面層３の炭素濃度を０．８〜１．５％を満たすように浸炭する。
炭素濃度が低いほど靱性の観点から好ましく、高いほど硬さの観点から好ましいことから、双方のバランスをはかって、表面層３の炭素濃度は、０．８５〜１．２０％であれば、更に好ましい。
表面層３の炭素濃度とは、素材の表面から０．３ｍｍの深さまでの範囲の領域での平均炭素濃度を意味する。浸炭の方法は、ガス浸炭、真空浸炭あるいは浸炭窒化のいずれかによる方法でもよい。
なお、冷却の際にはそれに続く工程で処理するか、いったん任意に冷却し、再度所定の加熱温度まで加熱した後、それに続く工程で処理するかは、どちらでも良い。
【００３５】
（iii）  表面層３におけるＡcm点（℃）より高い温度から、Ａ1点（℃）よりも５０℃以上低い温度である冷却終了温度までの温度範囲を平均５℃／ｓｅｃ以下の速度で冷却する工程
本願の工程の効果を得るためには、炭化物を適度な大きさおよび適度な面積率で分布しておく必要がある。そのためには、浸炭後に、焼入れすることなく部品素材をいったん冷却した後、所定の熱処理を行う必要がある。
上記の工程とする理由は、浸炭中に部品素材中に過飽和に固溶したＣの一部を、炭化物として析出させるためである。冷却後の表面層の組織はパーライト組織もしくはベイナイト組織より成る。
そこでこれらの温度領域間での冷却速度を、平均５℃／ｓｅｃ以下とする。平均５℃／ｓｅｃよりも速い冷却速度で冷却された場合は、マルテンサイトが生成することにより、炭化物が過飽和に固溶したまま冷却されるため、それに続く工程で十分な大きさの炭化物が殆ど析出せず、かつ析出しても微細に留まるため、炭化物の成長が不十分であり、所望の靭性や耐ピッチング性が得られないこととなる。
本工程の冷却をする際には、いったん室温まで冷却するか、図１に示されるように表面層３におけるＡ1点を下回った後に、それに続く工程へと進めるかは、どちらでもよい。
【００３６】
（iv）  素材の表面層３におけるＡcm点（℃）以下の加熱温度で球状化焼なましする工程
本願の工程の効果を得るためには、炭化物を適度な大きさに成長させ、適度な面積率で分布しておく必要がある。そのためには、Ａcm点（℃）以下の加熱温度で球状化焼なましする必要がある。なお、Ａcm点とは、加熱時、過共析鋼中の炭化物が完全に溶解する温度のことである。
上記の工程とする理由は、仮に、表面層３にＡcm点（℃）以上の加熱温度で、球状化焼なましを行うと、炭化物が全て素材中に固溶してしまうために、本願の工程の効果を得ることができないからである。
なお、本工程の冷却をする際には、いったん室温まで冷却するか、Ａｒ1点を下回った後に、それに続く工程に進めるかは、どちらでもかまわない。
【００３７】
（v）  素材の表面層３におけるＡcm点（℃）以下に加熱してから焼入れし、次いで焼戻しする工程
本願の工程の効果を得るためには、炭化物を適度な大きさに成長させ、適度な面積率で分布しておく必要がある。また、機械部品１として使用可能な硬さを得る必要がある。そのために、熱処理炉で再加熱してから焼入れすることが必要である。
そこで、上記の工程とする理由は、表面層５におけるＡcm点（℃）を超える加熱温度で焼入を行うと、炭化物が素材中に固溶してしまうために、本願の工程の効果を得ることができないからである。したがって加熱温度はできるだけ低い方が望ましい。一方で、加熱温度が低すぎると、機械部品１の芯部領域において、芯部が完全にオーステナイト化せず部分的に軟質なフェライトが残存し、疲労強度が低下するため、芯部のＡｒ3点（℃）よりも高い温度で焼入を行うのが望ましい。
【００３８】
さて、上記の工程を含む製造方法で得られる機械部品のさらなる特性について以下に詳述する。
【００３９】
（イ）  表面層３は球状化炭化物５が分散したマルテンサイト組織７及び残留オーステナイト組織７から成り、アスペクト比が１．５以下の球状化炭化物５が全炭化物の９０％以上の機械部品１が得られること
球状化炭化物５の長径／短径の比で定義するアスペクト比は、球状化の指標である。そして、アスペクト比が大きな形状の、例えば板状あるいは柱状に近い形状の炭化物は、その形状に起因して変形時に応力集中源となり、さらに、き裂発生の起点となって靭性を低下させる。そこで、靭性向上の観点から、炭化物は球状に近いことが望ましい。そして、球状化炭化物５のアスペクト比が１．５以下であれば、き裂発生の起点となる有害性を下げることができる。
そこで、アスペクト比が１．５以下の球状化炭化物５の割合が大きいほど好ましい。本発明の製造方法によると、アスペクト比が１．５以下の球状化炭化物５は全炭化物数の９０％以上を得ることができ、さらに望ましくは９５〜１００％とすることもできる。
【００４０】
（ロ）  旧オーステナイト粒界６上の炭化物に関して、旧オーステナイト粒界６上の球状化炭化物の個数が占める割合は全炭化物数の４０％以下とできること
本発明の手段の鋼材の成分組成は、浸炭による機械部品の表面領域における炭素濃度からみて過共析の範囲である。そして、過共析鋼において耐衝撃特性を劣化させる脆性破壊の形態は、主に旧オーステナイト粒界５に沿った粒界破壊である。この原因となるのは、旧オーステナイト粒界６上の炭化物、すなわち特に粒界に沿った編目上の炭化物、であり、この粒界に析出して存在する炭化物は粒内の炭化物よりも破壊の起点となり易くかつ有害性が高い。したがって、このような炭化物が粒界上に存在すると好ましくない。そこで、本発明の製造方法により、旧オーステナイト粒界上の球状化炭化物の個数が占める割合は全炭化物の４０％以下とすることができる。また、望ましくは２０％以下、さらに望ましくは５％以下から０％とすることもできる。
【００４１】
（ハ）  旧オーステナイト粒界６上の球状化炭化物５は、粒径の大きさの９０％以上が粒径１μｍ以下とできること
炭化物が旧オーステナイト粒界上に存在することは好ましくない。特に、粒界に沿った網目状の炭化物やそれに類似するような粗大な炭化物は粒界破壊の起点となる危険が増加する。本発明によると、球状化炭化物５は、有害性の低い粒径１μｍ以下の粒径の大きさのものが９０％以上とできる。さらに、望ましくは９５〜１００％とすることもできる。
なお、ここでいう％とは、走査型電子顕微鏡の５０００倍程度で観察できる炭化物の全個数を１００％とした時の割合である。上記の倍率で観察できない非常に微細な炭化物は靭性に与える影響が小さいため考慮しない。図４では、旧オーステナイト粒界上の球状化炭化物は大きさが小さいため、表れておらず、図示されていない。
【００４２】
（ニ）  旧オーステナイト粒界６は、粒径の大きさが１５μｍ以下であること
旧オーステナイト粒界６の差渡しの大きさである粒径Ａは、微細化することで、粒界破壊もしくはへき開破壊の破面単位を小さくすることができ、破壊に要するエネルギーを大きくすることができるので、靭性を向上させることができる。そこで、結晶粒径の微細化は硬度を下げることなく靭性を向上させる方法として非常に有効である。
本願の製造方法は、その微細な炭化物を析出させた状態で最終の焼入れを行い、その際、比較的低温で焼入れを行うことによって、旧オーステナイト粒界６の粒径Ａを微細に維持することができる。
なお、一方、旧オーステナイト粒界６の粒径Ａが１５μｍを超えると、靱性を向上させる効果が小さくなる。特に、浸炭時の加熱温度を１０５０℃以上にすることは、たとえ最終の焼入れを行ったとしても、旧オーステナイト粒界６を粗くしてしまう。そこで、旧オーステナイト粒界６の粒径Ａは、大きさが１５μｍ以下とできることが有用である。
【００４３】
次いで、発明を実施するための形態について、実施例を用いて説明する。なお、化学成分における、％は質量％である。
【００４４】
表１に示す化学成分を有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼を、１００ｋｇ真空溶解炉で溶製した。これらの鋼を１２５０℃で、直径３２ｍｍの棒鋼に鍛伸した後、９２５℃で１時間の焼ならしを行った。
供試材のうち、供試材Ｎｏ．１〜６は本願請求範囲の化学成分を有する。供試材Ｎｏ．７〜９は本願請求範囲の化学成分から外れる。
そして、図５の（ａ）に示すローラーピッチング試験片（小ローラー）（１）の粗形に加工（粗加工）した。この粗加工の際には、試験部（２）の仕上げ加工を実施しており、つかみ部（３）のみ、以降の熱処理後に研削仕上げを行うために、片肉０．２ｍｍの余肉を付与した。また、１０ＲＣノッチのシャルピー衝撃試験片（１）の粗形に加工した。粗加工の際には、ノッチ面以外について以降の熱処理後に浸炭層を除去する加工を行うために片肉２ｍｍの余肉を付与した。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
次に、表１に示す供試材Ｎｏ．のそれぞれについて、表２に示す加熱条件で試験片の表面炭素濃度が表２となるようにガス浸炭を実施し、その後、表２に示す冷却速度で、２００℃以下まで冷却した。次に表２に示した再加熱温度で保持する球状化焼なましを実施した。更に、表２に示した再加熱温度で保持後、焼入れを行い、その後、１８０℃で１．５時間保持した後に空冷する焼き戻しを実施して、ローラーピッチング試験片（小ローラー）（１）とシャルピー衝撃試験片にそれぞれ仕上げた。
実施鋼部品Ｎｏ．および比較鋼部品Ｎｏ．の数値の２桁目の値は、表１の供試材Ｎｏ．の成分組成に相当することを意味している。
（たとえば表２の実施鋼部品Ｎｏ．１１およびＮｏ．１２は２桁目の値が１であるから、表１の供試材Ｎｏ．１の成分組成のものに対する熱処理条件を示すものであり、表２の実施鋼部品Ｎｏ．２１およびＮｏ．２２は、２桁目の数値が２であるから、表１の供試材Ｎｏ．２の成分組成のものに対する熱処理条件を示している。）
また、表２における実施鋼部品Ｎｏ．および比較鋼部品Ｎｏ．の数値の１桁目の値は、１桁目の値が１ないし２の場合は、本願請求範囲の熱処理条件を充足している場合を意味しており、１桁目が３ないし４の場合は本願請求範囲の熱処理条件から外れることを意味している。
（たとえば、表２の比較鋼部品Ｎｏ．７１は、２桁目の数値が７であるから、表１の供試材Ｎｏ．７のように本願の成分範囲から外れた成分組成のものを、１桁目の値が１であるから、本願請求範囲内の熱処理条件で処理していることを示している。また、表２の比較鋼部品Ｎｏ．２３は、２桁目の値が２であるから、供試材Ｎｏ．２の成分組成のものであって、１桁目が３であるから、本願請求範囲から外れた熱処理条件で処理していることを意味している。）
【００４７】
【表２】
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【００４８】
次に、上記で作製した、図５の（ａ）に示すローラーピッチング試験片（小ローラー）（１）と、すべりを付与した状態で油膜を介して小ローラーと接触させる図５の（ｂ）に見られる大ローラー試験片（４）とを用いて、表３に示す条件で、図５（ｂ）に示すローラーピッチング試験を行った。示された条件の中で、滑り率が−４０％とは、小ローラーの周速度に対して大ローラーの周速度が４０％遅いことを意味する。潤滑油のＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）とは、車両の自動変速装置に使用される潤滑油を意味する。大ローラークラウニング量が１５０Ｒとは、小ローラーと当接する大ローラー外周面の回転軸方向の形状が半径１５０ｍｍの円弧であることを意味する。
【００４９】
【表３】
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【００５０】
ローラーピッチング試験は、振動計を用いて、剥離および変形過多による振動過多を検出し、試験停止する仕様とし、試験停止サイクルを試験片の寿命値とした。また、靭性評価のための室温でのシャルピー衝撃試験を行った。
【００５１】
なお、結晶粒度の調査は、上記の焼戻しまでを完了したローラーピッチング試験片（小ローラー）（１）を切断して試片とし、表層から内部にかけての断面が観察できるようにこの試片を樹脂中に埋込を行ってから、被検部位の鏡面研磨を行ない、粒界腐食を行ってから、光学顕微鏡により最表面から表面下０．３ｍｍまでの範囲にかけての平均的な視野を撮影し、平均結晶粒径（直径）を求めた。
【００５２】
また、炭化物の観察については、上記と同様に試片を樹脂中に埋込みを行なってから、被検部位の鏡面研磨の後、ナイタールで腐食し、走査型電子顕微鏡により最表面から表面下０．３ｍｍまでの範囲にかけての平均的な視野を撮影し、図４に示す炭化物を識別して示すミクロ組織の画像を得た。識別した炭化物について、画像解析により炭化物のアスペクト比が１．５以下の炭化物率（％）、旧オーステナイト粒界上の炭化物の個数率（％）、旧オーステナイト粒界上の粒径１μｍ超えの炭化物率（％）、旧オーステナイト粒界の平均粒径（μｍ）をそれぞれ確認した。
なお、焼戻し後に、切削、研削、研磨、ショットブラスト、ショットピーニング、ハードショットピーニング、微粒子ショットピーニングのいずれか１種または複数種の表面処理を行う場合には、その処理面を表層として上記と同様の観察を行うものとする。
【００５３】
上記の試験結果を表４に示す。シャルピー衝撃値と耐ピッチング性は、比較鋼部品Ｎｏ．８１を基準とした。比較鋼部品Ｎｏ．８１は、表１の供試材Ｎｏ．８の成分組成であり、これはＪＩＳ規定のＳＣｒ４２０に相当する鋼である。すなわち、表４の各Ｎｏ．の鋼のシャルピー衝撃値は、ＳＣｒ４２０に相当する鋼を用いて製造した比較鋼部品Ｎｏ．８１のシャルピー衝撃値の値を基準として相対的な比として示したものである。そして、シャルピー衝撃値比が比較鋼部品Ｎｏ．８１に比して１．５以上を示すならば、その鋼部品の靭性は良好であるとした。
また、表４の各Ｎｏ．の鋼部品の耐ピッチング性は、比較鋼部品のＮｏ．８１のピッチング発生までの、サイクル数を１としたときの比でもって、表４に示している。このとき、ピッチング発生までのサイクル数比が２．０以上あれば、耐ピッチング性が良好であるとした。
【００５４】
【表４】
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【００５５】
表１、表２に示すように、表１の成分組成の供試材Ｎｏ．１〜７（本願の成分組成範囲内の鋼）を用いて、表２に記載の８５０〜１０３０℃の温度で加熱し、表面層炭素濃度が０．８〜１．５％となるように浸炭した後、０．２〜５．０℃／ｓで２００℃まで冷却し、その後、８１０〜８６０℃まで再加熱して保持する球状化焼なまし後、１５０℃で焼き戻したものを実施鋼部品Ｎｏ．１１〜６２とした。
このとき、表４に示すように、まず、アスペクト比が１．５以下の炭化物が実施鋼部品Ｎｏ．１１〜６２では９０〜９８％と、９０％以上を示した。すなわち、アスペクト比の大きな炭化物は、変形時に、その形状に起因して応力集中源となり、き裂発生の起点となり靭性を低下させるが、そうした炭化物が少ないことから、靱性が低下せず、向上している。
【００５６】
また、実施鋼部品Ｎｏ．１１〜６２について、旧オーステナイト粒界上の球状化炭化物５の個数が占める割合は全炭化物数の１１〜４０％で、４０％以下となった。また、供試材Ｎｏ．１〜７（本願の成分組成範囲内の鋼）では、粒径の大きさが粒径１μｍを超えた旧オーステナイト粒界上の球状化炭化物５は３〜７％であり、すなわち、旧オーステナイト粒界上の球状化炭化物５は、粒径の大きさの９０％以上が粒径１μｍ以下であった。旧オーステナイト粒界に析出して存在する炭化物（特に粒界に沿った網目状の炭化物）は、粒内の炭化物よりも破壊の起点となり易くかつ有害性が高いところ、本発明では粒界上の炭化物が４０％以下に低減されており、有害性が小さい１μｍ以下のものが９０％以上を占めた。
【００５７】
また、実施鋼部品Ｎｏ．１１〜６２の旧オーステナイト粒界は粒径の大きさは、４〜８μｍであった。旧オーステナイト粒径は、微細化することで、粒界破壊もしくはへき開破壊の破面単位を小さくすることができ、破壊に要するエネルギーを大きくすることができるため、靭性を向上させることができるのであるから、本発明鋼を用いた機械構造用鋼部品は、靱性が向上している。
そして、実施鋼部品Ｎｏ．１１〜６２は、比較鋼部品Ｎｏ．８１を１．０としたシャルピー衝撃比が１．６〜２．５であり、１．５以上と高い靱性を示した。
同様に、実施鋼部品Ｎｏ．１１〜６２は、比較鋼部品Ｎｏ．８１を１．０とした場合のピッチング発生までのサイクル数の比が、２．２〜２．９を示し、耐ピッチング性が良好であった。
このように、本発明の製造方法で製造された機械部品は、いずれも耐ピッチング特性と靱性に優れるものとなる。
【００５８】
本発明の実施形態について上記のように説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１  歯車（機械部品）
２  浸炭層
３  表面層
４  芯部
５  球状化セメンタイト（球状化炭化物）
６  旧オーステナイト粒界
７  マルテンサイト組織または残留オーステナイト組織
８  ローラーピッチング試験片（小ローラー）
９  試験部
１０  つかみ部
１１  大ローラー試験片
Ａ  粒径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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