(57)【要約】【課題】真空浸炭処理を実施して製造され、エッジ表層部の曲げ疲労強度及び平坦表層部の耐摩耗性に優れた浸炭部品を提供する。【解決手段】本実施形態の浸炭部品は、鋼材に対して真空浸炭処理を実施して製造される。浸炭部品の表面は、頂点部と、エッジ部と、平坦部とを含む。鋼材は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：１．２〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１〜０．１％、Ｃｒ：０．８〜２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｎ：０．０３％以下及びＭｏ：０．１〜０．５％を含有する。平坦部における炭素濃度は、質量％で、１．０％を超え１.２％未満であり、エッジ部から０．０８ｍｍの深さまでのエッジ表層部は、円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率が５％以下で、平坦部から０．０５ｍｍの深さまでの平坦表層部のセメンタイト分率は３．５〜１０％である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材に対して浸炭処理を実施して製造される浸炭部品であって、
前記浸炭部品の表面は、
３以上の面により形成される頂点と、前記頂点から１ｍｍ以内の表面部分とを含む頂点部と、
前記頂点から１ｍｍよりも離れ、かつ、前記表面の辺から１ｍｍ以内の表面部分のうち、前記辺と垂直な断面において前記辺を中心とした半径１ｍｍの仮想円と重複する領域の面積ＯＡ（ｍｍ2）と、前記重複する領域における前記浸炭部品の表面長さＳＬ（ｍｍ）とが式（１）を満たす表面部分であるエッジ部と、
前記頂点部及び前記エッジ部以外の表面部分である平坦部とを含み、
前記鋼材は、質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．２５％、
Ｓｉ：０．０５〜１．０％、
Ｍｎ：１．２〜３．０％、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０１〜０．１％、
Ｃｒ：０．８〜２．０％、
Ａｌ：０．０１〜０．１％、
Ｎ：０．０３％以下、
Ｍｏ：０．１〜０．５％、
Ｃｕ：０〜０．５％、
Ｎｉ：０〜０．５％、及び、
Ｎｂ：０〜０．１％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、
前記平坦部における炭素濃度は、質量％で、１．０％を超え１．２％以下であり、
前記エッジ部から０．０８ｍｍの深さまでのエッジ表層部内の円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率が５％以下であり、
前記平坦部から０．０５ｍｍの深さまでの平坦表層部のセメンタイト分率は３．５〜１０％である、浸炭部品。
ＯＡ／ＳＬ≦０．７  （１）
【請求項２】
請求項１に記載の浸炭部品であって、
前記鋼材は、
Ｃｕ：０．１〜０．５％、及び、
Ｎｉ：０．１〜０．５％以下からなる群から選択される１種以上を含有する、浸炭部品。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の浸炭部品であって、
前記鋼材は、
Ｎｂ：０．０１〜０．１％以下を含有する、浸炭部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸炭部品に関し、さらに詳しくは、真空浸炭処理を実施することにより製造される浸炭部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械部品の曲げ疲労強度や耐摩耗性を向上するために、機械部品に対して表面硬化処理が実施される。たとえば、自動車の変速機として使用される歯車やベルト式無段変速機（ＣＶＴ）用プーリでは、表面硬化処理として、浸炭焼入れ処理が実施される場合がある。
【０００３】
浸炭焼入れ処理として、従来、ガス浸炭焼入れ処理が多く利用されている。しかしながら、最近では、真空浸炭焼入れ処理が普及し始めている。真空浸炭焼入れ処理では、ガス浸炭焼入れ処理よりも減圧された雰囲気内で、炭化水素ガスを用いて浸炭処理を実施する。真空浸炭焼入れ処理では、真空炉と同じ構造の熱処理炉を利用する。そのため、ガス浸炭焼入れ処理と比較して、浸炭温度を高くすることができ、処理時間を短くすることができる。また、減圧下で浸炭処理するため、粒界酸化が抑制され、高い疲労強度が得られやすい。さらに、炭素収率が高いため、炭酸ガスの排出量を抑えることができる。
【０００４】
しかしながら、真空浸炭処理により製造された浸炭部品では、各部での炭素濃度がばらつく場合がある。特に、コーナ角部を含むエッジ表層部の炭素濃度は、平坦部と比較して高くなりやすい。このように、炭素濃度が高くなる現象を過剰浸炭という。過剰浸炭が発生したエッジ表層部では、粗大なセメンタイトが残存しやすい。粗大なセメンタイトは割れの起点となりやすいため、エッジ表層部の曲げ疲労強度が低下する場合がある。
【０００５】
ところで、ＣＤ（Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ）浸炭は、浸炭焼入れの中でも、高濃度浸炭するなどして炭化物を分散させる。ＣＤ浸炭では、炭化物による分散強化によって硬さが高くなる。そのため、ＣＤ浸炭は、浸炭部品の耐摩耗性を高め、焼戻し軟化抵抗を高める。ガス浸炭では鋼材表面の炭素濃度を高めるのにかかる時間が長い。そのため、短時間で炭素濃度を高められる真空浸炭処理を用いて、ＣＤ浸炭を実施することが求められている。
【０００６】
しかしながら、上述のように真空浸炭では、コーナ角部を含むエッジ表層部の炭素濃度は、平坦部と比較して高くなりやすい。そのため、通常の浸炭よりも平坦部の炭素濃度を高くするＣＤ浸炭を真空浸炭処理により実施した場合、エッジ表層部の炭素濃度はさらに高くなり、浸炭品に粗大なセメンタイトが残存しやすい。粗大なセメンタイトは割れの起点となりやすい。そのため、エッジ表層部の曲げ疲労強度が低下する場合がある。
【０００７】
特開２００７−２９１４８６号公報（特許文献１）、特開２００６−３４９０５５号公報（特許文献２）、特開２０００−１２９４１８号公報（特許文献３）、特開２００８−８１７８１号公報（特許文献４）は、真空浸炭処理の改善策を、特開２００９−５７５９７号公報（特許文献５）、特開２００７−３０８７７２号公報（特許文献６）、及び特開２００８−１１５４２７号公報（特許文献７）は、ＣＤ浸炭処理の改善策を提案する。
【０００８】
特許文献１は、エッジ表層部における過剰浸炭を抑制することを目的とする。特許文献１に開示された真空浸炭処理では、鋼材の化学組成が、質量％で、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｎｉ：０．０１〜３．０％、Ｃｕ：０．０１〜１．００％及びＣｒ：０．３〜１．０％を含有し、［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．５を満たす。要するに、特許文献１では、Ｓｉ含有量を高くし、Ｃｒ含有量を低くして、エッジ表層部の過剰浸炭を抑制する。
【０００９】
特許文献２は、真空浸炭処理を実施しても、歯車の面部と角部とにおける表面炭素濃度の差異が小さくなる歯車を提案する。特許文献２では、歯元近傍に位置する応力集中部分に対して面取り加工を実施し、その後、真空浸炭処理を実施する。
【００１０】
特許文献３は、浸炭むらの発生を抑制することを目的とする。特許文献３では、真空浸炭処理を実施した後、Ａr3変態点以下まで鋼部品を冷却する。その後、オーステナイト化温度域まで鋼部品を再加熱して、焼入れを実施する。特許文献３の図２では、上記冷却時の冷却速度は２℃／秒である。
【００１１】
特許文献４は、結晶粒の粗大化を改善して所定の物性値を有する被処理物を得ることを目的とする。特許文献４では、拡散工程と焼入れ工程との間において、被処理物（ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ）の温度を第１の温度から所定温度まで降下させる（焼ならし工程）。次に、被処理物を所定温度に保持する。その後、被処理物の温度を第２の温度まで上昇させる。特許文献４の図４及び図６では、焼ならし工程時における冷却速度は１．５℃／秒である。
【００１２】
特許文献５は、粗大なセメンタイトの残留を抑制して耐ピッチング性を高めた歯車を提供することを目的とする。特許文献５では、歯車の化学組成は、質量％でＣ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：１．０〜１．５％、Ｍｎ：０．２０〜１．５％、Ｃｒ：０．３１％以下、Ｍｏ：０．１〜１．０％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる。上記歯車をＡc3点以上に加熱して真空浸炭処理を実施して、歯車の表層に１質量％以上の炭素濃度を有する浸炭層を形成する。その後、歯車をＡr1点以下の温度に冷却する。
【００１３】
特許文献６は、曲げ疲労特性に優れた浸炭部品を提供することを目的とする。特許文献６では、浸炭部品の化学組成は、質量％でＣ：０．０５〜０．３０％、Ｓｉ：０．３５％を超え、２％以下、Ｍｎ：３％以下、Ｃｒ：２％以下を満足する。この浸炭部品は、上記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、Ｍｓ点〜Ｍｓ点＋９０℃の温度域で３０分以上保持する工程と、をこの順に行うことにより製造される。この浸炭部品は、表面の浸炭硬化層の炭素濃度が０．９％以上と高い。さらに、この浸炭部品の組織は、ベイナイトとセメンタイトの混合組織であり、表面硬さが適度に高められている。そのため、優れた曲げ疲労特性が得られる、と特許文献６には記載されている。
【００１４】
特許文献７は、２次浸炭初期温度を低くすることで、微細かつ球状の炭化物を大量に分散させることが可能な高濃度浸炭鋼の製造方法を提供することを目的とする。特許文献７では、浸炭する鋼材の化学組成は、質量％でＣ：０．１５〜０．３０％、Ｓｉ：０．４０〜０．８０％、Ｍｎ：０．３〜０．８％、Ｃｒ：１．２５〜２．００％、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる。上記成分を満足する鋼材を、１次浸炭温度において、その表面炭素濃度Ｃが共析炭素濃度を超え、Ａcm線に相当する炭素濃度となるまで浸炭させる。浸炭後の鋼材を、冷却速度１℃／分以上で７００℃以下まで冷却する。その後、鋼材を２次浸炭開始温度Ｔ２ｓまで昇温し、２次浸炭を実施する。２次浸炭後、鋼材を焼入れ温度Ｔｑ（℃）まで昇温し、焼入れ温度Ｔｑにおいてさらに浸炭させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００７−２９１４８６号公報
【特許文献２】特開２００６−３４９０５５号公報
【特許文献３】特開２０００−１２９４１８号公報
【特許文献４】特開２００８−８１７８１号公報
【特許文献５】特開２００９−５７５９７号公報
【特許文献６】特開２００７−３０８７７２号公報
【特許文献７】特開２００８−１１５４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
特許文献１に開示された化学組成のように、Ｓｉ含有量が高すぎたり、Ｃｒ含有量が低すぎたりすれば、曲げ疲労強度が低くなる場合がある。また、特許文献２に開示されたような、歯元近傍の面取り加工は非常に困難である。さらに、面取り加工を実施した場合であっても、曲げ疲労強度が低い場合がある。
【００１７】
さらに、特許文献３及び特許文献４の真空浸炭処理を実施した場合、セメンタイトが粗大になり、曲げ疲労強度が低い場合がある。
【００１８】
特許文献５の歯車は、Ｃｒ含有量が低すぎるため、曲げ疲労強度が低い場合がある。特許文献６の浸炭部品は、ベイナイトを多く含む。そのため、表面硬さが低い。さらに、１次浸炭温度を高温に制御していないため、エッジ表層部に粗大なセメンタイトが生成し、曲げ疲労強度が低い場合がある。
【００１９】
特許文献７の高濃度浸炭鋼では、１次浸炭温度を高温に制御していない。そのため、炭素濃度を高めに浸炭した場合、エッジ表層部に粗大なセメンタイトが生成する。この場合、曲げ疲労強度が低くなる。
【００２０】
本発明の目的は、真空浸炭処理を実施して製造され、エッジ表層部の曲げ疲労強度及び平坦表層部の耐摩耗性に優れた浸炭部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本実施の形態による浸炭部品は、鋼材に対して真空浸炭処理を実施して製造される。浸炭部品の表面は、頂点部と、エッジ部と、平坦部とを含む。頂点部は、３以上の面により形成される頂点と、頂点から１ｍｍ以内の表面領域とを含む。エッジ部は、上記頂点から１ｍｍよりも離れ、かつ、表面の辺から１ｍｍ以内の表面部分のうち、辺と垂直な断面において辺を中心とした半径１ｍｍの仮想円と重複する領域の面積ＯＡ（ｍｍ2）と、重複する領域における浸炭部品の表面長さＳＬ（ｍｍ）とが式（１）を満たす表面部分である。平坦部は、上記表面のうち、頂点部及びエッジ部以外の表面部分である。鋼材は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：１.２〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１〜０．１％、Ｃｒ：０．８〜２．０％、Ａｌ：０．０１〜０．１％、及び、Ｎ：０．０３％以下、Ｍｏ：０．１〜０．５％、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎｉ：０〜０．５％、及び、Ｎｂ：０〜０．１％、を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる。平坦部における炭素濃度は、質量％で、１．０％を超え１．２％以下である。エッジ部から０．０８ｍｍの深さまでのエッジ表層部内の円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率が５％以下である。平坦部から０．０５ｍｍの深さまでの平坦表層部のセメンタイト分率は３．５〜１０％である。
ＯＡ／ＳＬ≦０．７  （１）
【発明の効果】
【００２２】
本実施の形態による浸炭部品では、エッジ表層部及び平坦表層部の耐摩耗性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本実施の形態による浸炭部品の斜視図である。
【図２】図２は、図１中の浸炭部品の断面図である。
【図３】図３は、浸炭部品の一例である歯車の歯部分の斜視図である。
【図４】図４は、図１中の浸炭部品のエッジ表層部内のセメンタイトの円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率と４点曲げ疲労強度との関係を示す図である。
【図５】図５は、図１中の浸炭部品の平坦表層部のセメンタイト分率と耐摩耗性との関係を示す図である。
【図６】図６は、本実施形態による真空浸炭処理及び焼入れ処理の処理パターンを示す模式図である。
【図７】図７は、実施例で用いたローラーピッチング試験片の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００２５】
本発明者は、真空浸炭処理を実施して製造された浸炭部品の曲げ疲労強度について調査及び研究を行い、以下の知見を得た。
【００２６】
（Ａ）真空浸炭処理を実施された浸炭部品の表面が頂点部と、エッジ部と、平坦部とを含む場合、エッジ表層部に過剰浸炭が発生しやすい。
【００２７】
浸炭部品の表面において、頂点部は、３以上の面により形成される頂点と、頂点から１ｍｍ以内の表面部分とを含む。
【００２８】
浸炭部品の表面におけるエッジ部は、次のとおり定義される。浸炭部品の表面のうち、上記頂点部以外であって（つまり、頂点から１ｍｍよりも離れて）、かつ、表面の辺から１ｍｍ以内の表面部分に注目する。この表面部分を、「縁表面部分」という。縁表面部分のうち、辺上の任意の点を含み、辺と垂直な断面を想定する。この断面において、浸炭部品の上記辺上の点を中心とした半径１ｍｍの仮想円を想定する。そして、ＦＩ（ｍｍ）を次の式で定義する。
ＦＩ＝仮想円と重複する領域の面積ＯＡ（ｍｍ2）／仮想円と重複する領域の表面長さＳＬ（ｍｍ）
【００２９】
縁表面部分のうち、下記式（１）を満たす表面部分を、「エッジ部」と定義する。
ＦＩ＝ＯＡ／ＳＬ≦０．７  （１）
【００３０】
浸炭部品の表面のうち、頂点部及びエッジ部以外の表面部分を、「平坦部」と定義する。たとえば、縁表面部分であっても、ＦＩが０．７ｍｍよりも大きい場合、その表面部分は平坦部である。
【００３１】
図１に示すとおり、浸炭部品１００が４点曲げ試験片である場合を想定する。浸炭部品１００の表面のうち、頂点１０から１ｍｍよりも離れ、切り欠き部分の辺２から１ｍｍ以内の表面部分（縁表面部分）に注目する。
【００３２】
縁表面部分のうち、辺２上の任意の点を「点Ｐｃ」と定義する。点Ｐｃは、３以上の面により形成された頂点１０から１ｍｍよりも離れた辺上に位置する。
【００３３】
図１において、点Ｐｃにおける辺と垂直な断面ＣＳを想定する。図２は、断面ＣＳの模式図である。断面ＣＳにおいて、コーナの点Ｐｃを中心とした半径１ｍｍの仮想円ＶＣを想定する。断面ＣＳうち、点Ｐｃを中心とした仮想円ＶＣと重複する領域を、部分領域Ａｃと定義する。部分領域Ａｃの面積ＯＡ（ｍｍ2）を求める。本例では、部分領域Ａｃの面積ＯＡ＝π／４（ｍｍ2）である。さらに、部分領域Ａｃ内の表面長さＳＬ（ｍｍ）を求める。本例では、部分領域Ａｃは、点Ｐｃを頂点とした２辺を表面に持つ。そのため、部分領域Ａｃの表面長さＳＬ＝２（ｍｍ）である。したがって、ＦＩは、次のとおり計算される。
ＦＩ＝ＯＡ／ＳＬ＝π／８＝０．３９（ｍｍ）≦０．７（ｍｍ）
したがって、図１中の点Ｐｃを含む縁表面部分は「エッジ部」である。
【００３４】
以上の方法により、縁表面部分のうち式（１）を満たす複数の点の集合で構成される辺から１ｍｍ以内の表面部分を、エッジ部と定義できる。
【００３５】
また、図１における頂点部１は、３つの面により形成される頂点と、頂点から１ｍｍ以内の表面部分とを含む。頂点部及びエッジ部以外の表面部分を「平坦部」と定義する（図１中の符号３）。
【００３６】
図３は、浸炭部品の一例である歯車の歯近傍部分の斜視図である。歯車は外歯車であっても、内歯車であってもよい。図３に示す歯において、歯先には頂点１０を含む４つの頂点部がある。また、頂点１０から歯底に向かって辺２が延びる。辺２は歯元で湾曲している。頂点１０から１ｍｍよりも離れており、かつ、辺２から１ｍｍ以内の領域である縁表面部分に注目する。辺２上の任意の点Ｐｃを含み、辺２と垂直な断面ＣＳにおいて、式（１）が満たされる。そのため、点Ｐｃを含む縁表面部分はエッジ部である。縁表面部分の辺２のうち、式（１）が満たされる点で構成される辺部分から１ｍｍ以内の表面部分が、「エッジ部」に該当する。
【００３７】
図３の浸炭部品のうち、４つの頂点部と、エッジ部以外の表面部分は、平坦部３に該当する。
【００３８】
以上の方法により、浸炭部品の表面において、頂点部、平坦部、及びエッジ部を区分することができる。
【００３９】
過剰浸炭が発生したエッジ部を含む表層部分（エッジ表層部という）では炭素濃度が高いため、セメンタイトが析出及び成長し、粗大になりやすい。粗大なセメンタイトは、割れ発生の起点になりやすい。そのため、浸炭部品の特にエッジ表層部において、曲げ疲労強度が低下する。
【００４０】
（Ｂ）浸炭部品全体の炭素含有量を低くすれば、エッジ表層部における過剰浸炭が発生しにくくなる。しかしながらこの場合、平坦部を含む表層部分（以下、平坦表層部という）の炭素濃度も低下するため、平坦表層部のセメンタイト分率が低くなり、耐摩耗性が低下する。したがって、エッジ表層部の炭素濃度を低下するのではなく、エッジ表層部での粗大なセメンタイトの発生を抑制し、浸炭部品の曲げ疲労強度の向上する必要がある。
【００４１】
（Ｃ）微細なセメンタイトは、曲げ疲労強度に影響しにくい。エッジ表層部に析出するセメンタイトを微細化すれば、粗大なセメンタイトの発生を抑制でき、曲げ疲労強度も高くすることがきる。
【００４２】
図４は、浸炭部品のエッジ表層部内のセメンタイトの円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率と、４点曲げ疲労強度（ＭＰａ）との関係を示す図である。図４は、後述の実施例に記載された４点曲げ疲労試験により得られた結果に基づく。図４中の領域２００の点はいずれも、エッジ表層部中のセメンタイトの円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率が５％を超えた場合の試験結果である。
【００４３】
４点曲げ疲労強度は、浸炭部品のうち、エッジ表層部の曲げ疲労強度の指標となる。ここで、エッジ表層部を、エッジ部から０．０８ｍｍの深さまでの範囲と定義する。図４を参照して、エッジ表層部において円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率が５％以下である場合、エッジ表層部での円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率が５％を超える場合（領域２００の点の場合）と比較して、４点曲げ疲労強度が顕著に高くなる。したがって、エッジ表層部のセメンタイトを微細化することにより、浸炭部品のエッジ表層部の曲げ疲労強度は高くなる。
【００４４】
（Ｄ）平坦部の炭素濃度は、エッジ部より低い。平坦部の炭素濃度が低すぎれば、平坦表層部の耐摩耗性が低くなる。平坦部の炭素濃度が１．０％を超えれば、平坦表層部の耐摩耗性が高くなる。一方、平坦部の炭素濃度が１．２％を超えれば、エッジ表層部における円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率が５％を超える。したがって、平坦部の炭素濃度を１．０％を超え１．２％以下にする。
【００４５】
（Ｅ）さらに、平坦表層部でのセメンタイト分率を３．５〜１０％にする。ここで、セメンタイト分率は、次のとおり定義される。上述の方法で特定された断面ＣＳ内の平坦表層部内の任意の５つの視野（領域）を観察する。観察には、倍率を１００００倍に設定した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いる。各視野において、セメンタイトの面積率（＝セメンタイトの総面積／視野の総面積×１００）を測定する。測定されたセメンタイトの面積率の平均値（つまり、５つのセメンタイト面積率の平均）をセメンタイト分率（％）と定義する。
【００４６】
図５は、平坦表層部のセメンタイト分率（％）と摩耗深さ（μｍ）との関係を示す図である。図５は、後述の実施例に記載されたローラーピッチング試験により得られた結果に基づく。
【００４７】
摩耗深さは、平坦表層部の耐摩耗性の指標となる。図５を参照して、平坦表層部のセメンタイト分率が増加するに従い、摩耗深さは顕著に低下する。そして、平坦表層部のセメンタイト分率が３．５％以上となった場合、セメンタイト分率が増加しても、摩耗深さはそれほど低下しない。つまり、セメンタイト分率が３．５％となる地点に変曲点が存在する。平坦表層部のセメンタイト分率が３．５％以上であれば、摩耗深さは５μｍ以下になり、平坦表層部の耐摩耗性を高くすることができる。
【００４８】
（Ｅ）平坦部の炭素濃度を１．０％を超え１．２％以下とし、かつ、エッジ表層部の円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率を５％以下にするために、真空浸炭処理の拡散工程後の冷却工程において、浸炭部品の冷却速度を５℃／秒以上にする。この際の冷却速度が５℃／秒未満だと、初析セメンタイトが生成し成長して粗大化する。粗大化した初析セメンタイトは、その後再加熱しても微細化されない。浸炭部品の冷却速度を５℃／秒以上にすることにより、粗大なセメンタイトの生成を抑制し、パーライト、ベイナイト、又はマルテンサイトが形成される。
【００４９】
さらに、真空浸炭処理後（つまり、冷却工程後）において、浸炭部品を再加熱して焼入れする。このとき、焼入れ温度を８００〜８８０℃と低くする。ミクロ組織がパーライト又はベイナイトである場合、再加熱時において、鋼中のセメンタイトが溶解し始め、セメンタイトが分断される。そのため、平坦表層部に微細なセメンタイトが形成される。平坦表層部のミクロ組織がマルテンサイトである場合、マルテンサイトが変態して、微細なセメンタイトが析出される。
【００５０】
（Ｆ）焼入れ性を向上させるために添加しているＣｒやＭｎはセメンタイトに濃化する。そのため、セメンタイトが多く析出すれば、マトリクス中のＣｒやＭｎが欠乏し、焼入れ後の硬さが低くなる。表面硬さが低くなれば、耐摩耗性が低下する。ＣｒとＭｎとを比較した場合、ＭｎはＣｒよりもセメンタイトに濃化しにくく、焼入れ性を高めることができる。したがって、Ｍｎ含有量を高める。
【００５１】
以上のとおり、拡散工程後の冷却速度を５℃／秒以上とし、さらに、焼入れ工程での焼入れ温度を８００〜８８０℃とすることにより、粗大なセメンタイトの生成が抑制され、エッジ表層部の円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率が５％以下になる。さらに、適切な化学組成であれば、セメンタイトが析出していても、焼入れ後の平坦表層部の硬さがＨＶ７００以上になる。
【００５２】
以上の知見に基づいて完成された本実施形態の浸炭部品について詳述する。
【００５３】
［浸炭部品の構成］
本実施形態による浸炭部品は、鋼材に対して真空浸炭処理を実施することにより製造される。
【００５４】
［鋼材の化学組成］
鋼材は、次の化学組成を有する。
【００５５】
Ｃ：０．１０〜０．２５％
炭素（Ｃ）は、浸炭部品の芯部の強度を高める。Ｃ含有量が低すぎれば、上記効果が有効に得られない。一方、Ｃ含有量が高すぎれば、熱間加工（熱間圧延、熱間鍛造等）後の鋼材の強度が過剰に高くなり、被削性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．１０〜０．２５％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．１０％よりも高く、さらに好ましくは０．１３％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．２５％未満であり、さらに好ましくは０．２２％であり、さらに好ましくは０．２０％である。
【００５６】
Ｓｉ：０．０５〜１．０％
シリコン（Ｓｉ）は、鋼材の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高め、耐摩耗性を高める。Ｓｉ含有量が低すぎれば、上記効果が有効に得られない。一方、Ｓｉ含有量が高すぎれば、浸炭処理後の鋼材の平坦表層部におけるセメンタイトの析出が抑制され、マトリクスの炭素濃度が高まる。その結果、鋼材の曲げ疲労強度が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０５〜１．０％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．０５％よりも高く、さらに好ましくは０．１％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は１．０％未満であり、さらに好ましくは０．８０％であり、さらに好ましくは０．４５％である。
【００５７】
Ｍｎ：１．２〜３．０％
マンガン（Ｍｎ）は、鋼材の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高め、耐摩耗性を高める。Ｍｎ含有量が低すぎれば、上記効果が有効に得られない。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、熱間加工後の鋼材の強度が過剰に高くなり、被削性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は１．２〜３．０％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は１．２％よりも高く、さらに好ましくは１．４％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は３．０％未満であり、さらに好ましくは２．４％であり、さらに好ましくは１．８％である。
【００５８】
Ｐ：０．０３％以下
燐（Ｐ）は、不純物である。Ｐは、粒界に偏析して粒界を脆化する。そのため、Ｐは、鋼材の曲げ疲労強度及び面疲労強度を低下する。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。したがって、Ｐ含有量は０．０３％以下である。好ましいＰ含有量は０．０３％未満であり、さらに好ましくは０．０２％以下である。
【００５９】
Ｓ：０．０１〜０．１％
硫黄（Ｓ）は、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、鋼材の被削性を高める。Ｓ含有量が低すぎれば、上記効果が得られにくい。一方、Ｓ含有量が高すぎれば、粗大なＭｎＳが形成され、鋼材の曲げ疲労強度及び面疲労強度が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０１〜０．１％である。Ｓ含有量の好ましい下限は０．０１％よりも高く、Ｓ含有量の好ましい上限は０．１％未満であり、さらに好ましくは０．０６％であり、さらに好ましくは０．０３％である。
【００６０】
Ｃｒ：０．８〜２．０％
クロム（Ｃｒ）は、鋼材の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高め、鋼材の耐摩耗性を高める。Ｃｒはさらに、微細なセメンタイトの析出を促進する。Ｃｒ含有量が低すぎれば、上記効果が得られにくい。一方、Ｃｒ含有量が高すぎれば、高温浸炭時に浸炭部品のエッジ表層部が過剰に浸炭され、曲げ疲労強度が低下する。さらに、熱間加工後（熱間圧延及び熱間鍛造）の鋼材の強度が過剰に高くなり、被削性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０．８〜２．０％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．８％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は、２．０％未満であり、さらに好ましくは１．３％である。
【００６１】
Ａｌ：０．０１〜０．１％
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼材を脱酸する。Ａｌ含有量が高すぎれば、硬質な酸化物系介在物が生成しやすい。これらの酸化物系介在物は、鋼材の曲げ疲労強度を低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．０１〜０．１％である。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０１％よりも高く、さらに好ましくは０．０２％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．１％未満であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．０４％である。本明細書におけるＡｌ含有量は、酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）の含有量である。
【００６２】
Ｎ：０．０３％以下
窒素（Ｎ）は、不可避的に鋼中に含有される。Ｎ含有量が高すぎれば、鋼材の熱間鍛造性及び衝撃特性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．０３％以下である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００３％であり、さらに好ましくは０．００８％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０３％未満であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０１８％である。
【００６３】
Ｍｏ：０．１〜０．５％
モリブデン（Ｍｏ）は、鋼材の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高め、鋼材の耐摩耗性を高める。Ｍｏ含有量が低すぎれば、上記効果が有効に得られない。一方、Ｍｏ含有量が高すぎれば、熱間加工後の鋼材の強度が高くなりすぎ、鋼材の被削性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は０.１〜０．５％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は、０．１％よりも高く、さらに好ましくは０．１５％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は、０．５％未満であり、さらに好ましくは０．３０％である。
【００６４】
本実施形態の鋼材の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここでいう不純物は、鋼材の原料として利用される鉱石やスクラップ、又は製造過程の環境等から混入する元素をいう。
【００６５】
本実施の形態による鋼材はさらに、Ｆｅの一部に替えて、Ｃｕ及びＮｉからなる群から選択される１種以上を含有してもよい。これらの元素は任意元素である。これらの元素はいずれも、鋼材の過剰浸炭を抑制し、靱性を高める。
【００６６】
Ｃｕ：０〜０．５％
銅（Ｃｕ）は任意元素である。Ｃｕは、鋼材の過剰浸炭を抑制し、さらに、鋼材の靱性を高める。一方、Ｃｕ含有量が高すぎれば、鋼材の熱間加工性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０〜０．５％である。Ｃｕ含有量が０．１％以上含有されれば、上記効果が顕著に得られる。Ｃｕ含有量の好ましい上限は、０．５％未満であり、さらに好ましくは０．３％である。
【００６７】
Ｎｉ：０〜０．５％
ニッケル（Ｎｉ）は任意元素である。Ｎｉは、鋼材の過剰浸炭を抑制し、さらに、鋼材の靱性を高める。一方、Ｎｉ含有量が高すぎれば、鋼材の製造コストが上昇する。したがって、Ｎｉ含有量は０〜０．５％である。Ｎｉ含有量が０．１％以上含有されれば、上記効果が顕著に得られる。Ｎｉ含有量の好ましい上限は０．５％未満であり、さらに好ましくは０．２％である。
【００６８】
本実施形態による鋼材はさらに、Ｆｅの一部に替えて、Ｎｂを含有してもよい。Ｎｂは任意元素である。
【００６９】
Ｎｂ：０〜０．１％
ニオブ（Ｎｂ）は、任意元素である。Ｎｂは、焼入れ性を高める。しかしながら、Ｎｂ含有量が高すぎれば、粗大な窒化物系介在物が生成しやすくなる。したがって、Ｎｂ含有量は０〜０．１％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．１％未満であり、さらに好ましくは０．０５％である。
【００７０】
［浸炭部品］
本実施の形態による浸炭部品は、上記化学組成を有する鋼材に対して真空浸炭処理を実施して製造される。浸炭部品は、上述の定義により区分される頂点部と、エッジ部と、平坦部とを含む。たとえば、浸炭部品が歯車やプーリである場合も、上記定義に基づいて、浸炭部品は頂点部と、エッジ部と、平坦部とを含む。
【００７１】
［浸炭部品の平坦部の炭素濃度］
平坦部における炭素濃度は、質量％で、１．０％を超え１．２％以下である。平坦部の炭素濃度が１．０％を超え１．２％以下である場合、平坦表層部の耐摩耗性は高くなる。平坦部の炭素濃度は、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）により分析する。
【００７２】
平坦部の炭素濃度が低すぎれば、平坦表層部でのセメンタイト析出量が少なくなり、耐摩耗性が低下する。一方、平坦部の炭素濃度が高すぎれば、エッジ表層部において炭素濃度が過剰に高くなり、円相当径が５μｍを超える粗大セメンタイトが析出する。その結果、エッジ表層部の曲げ疲労強度が低下する。したがって、平坦部の炭素濃度は、１．０％を超え１．２％以下である。平坦部の炭素濃度の好ましい下限は、１．０５％である。平坦部の炭素濃度の好ましい上限は、１．２％未満であり、さらに好ましくは１．１５％である。
【００７３】
［浸炭部品の平坦表層部の硬度］
平坦表層部の硬度が低いと、耐摩耗性が低下する。したがって、平坦表層部の好ましい硬度はＨＶ７００以上である。さらに好ましい下限はＨＶ７００よりも高く、さらに好ましくはＨＶ７３０である。
【００７４】
後述の真空浸炭処理において、真空浸炭条件を調整することにより、平坦部の炭素濃度を１．０％を超え１．２％以下にすることができる。
【００７５】
［エッジ表層部の円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率］
浸炭部品のエッジ表層部は、複数のセメンタイトを含有する。本実施の形態による浸炭部品では、エッジ部から０．０８ｍｍの深さまでの範囲のエッジ表層部における円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率は、５％以下である。
【００７６】
エッジ表層部内の円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率は次の方法で測定される。断面ＣＳ内のエッジ表層部をナイタル等で腐食する。その後、エッジ部から０．０８ｍｍの深さまでの範囲（エッジ表層部）を、連続的に観察する。観察には、倍率を１０００倍に設定した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いる。上記範囲内のうち、セメンタイトの円相当径が５μｍを超えるものを特定し、その面積を合計し、総面積を求める。なお、円相当径とは、各セメンタイトの面積と等しい面積となる円の直径であり、セメンタイトの円相当径が５μｍを超えるものとは、６．２５πμｍ2を超える面積のセメンタイトである。観察視野の総面積に対する、上記セメンタイトの総面積の比を、百分率表示して、エッジ表層部の円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率とする。
【００７７】
粗大なセメンタイトは、疲労破壊の起点となり、浸炭部品のエッジ表層部の曲げ疲労強度を低下する。しかしながら、セメンタイトの円相当径が小さければ、つまり、セメンタイトが微細であれば、セメンタイトは疲労破壊の起点となりにくい。円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率が５％以下であれば、セメンタイトが十分に微細であるため、エッジ表層部の曲げ疲労強度が高くなる。
【００７８】
［平坦表層部のセメンタイト分率］
平坦部から０．０５ｍｍの深さまでの平坦表層部のセメンタイト分率は３．５〜１０％である。平坦表層部内のセメンタイトの面積率は次の方法で測定される。断面ＣＳ内の平坦表層部をナイタル等で腐食する。その後、平坦部から０．０５ｍｍの深さまでの範囲（平坦表層部）を、連続的に観察する。観察には、倍率を５０００倍に設定した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いる。観察した各セメンタイトの総面積を求める。観察視野の総面積に対する、セメンタイトの総面積の比を、百分率表示して、平坦表層部のセメンタイト分率とする。
【００７９】
エッジ表層部のセメンタイトが微細であっても、平坦表層部のセメンタイトの析出量が少なすぎれば、平坦表層部の耐摩耗性が低下する。
【００８０】
平坦表層部のセメンタイト分率が３．５％以上であれば、セメンタイトの析出量が十分に多い。そのため、耐摩耗性の低下が抑制される。また、マトリクス中の炭素濃度が適度に低くなるため、曲げ強度が高くなる。
【００８１】
平坦表層部のセメンタイト分率の上限は、高いほど良い。しかしながら、本実施形態の化学組成の場合、平坦表層部でのセメンタイト分率は１０％を超えにくい。したがって、平坦表層部でのセメンタイト分率の上限は１０％である。セメンタイト分率の好ましい下限は３．５％を超え、好ましい上限は８％である。
【００８２】
［製造方法］
本実施の形態による浸炭部品の製造方法の一例を説明する。
【００８３】
上述の化学組成を満たす鋼材を製造する。たとえば、上記化学組成の溶鋼を製造し、溶鋼を用いて、連続鋳造法により鋳片（スラブ又はブルーム）を製造する。溶鋼を用いて造塊法によりインゴット（鋼塊）を製造してもよい。鋳片又はインゴットを熱間加工して、ビレット（鋼片）を製造する。ビレットを熱間加工して、棒鋼又は線材を製造する。熱間加工は、熱間圧延でもよいし、熱間鍛造でもよい。製造された棒鋼又は線材を冷間鍛造や機械加工して、頂点部、エッジ部及び平坦部を含む所定の形状の鋼材を製造する。機械加工は例えば、切削や穿孔であり、頂点部、エッジ部及び平坦部は周知の方法により形成される。
【００８４】
製造された鋼材に対して、真空浸炭処理を実施する。さらに、真空浸炭処理後、鋼材を再加熱して焼入れ処理を実施する。真空浸炭処理及び焼入れ処理を実施することにより、平坦部の炭素濃度が１．０％を超え１．２％以下となる。さらに、平坦表層部に微細なセメンタイトが析出し、適切なセメンタイト分率（３．５〜１０％）も得られる。さらに、エッジ表層部の円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率が５％以下となる。以下、真空浸炭処理及び焼入れ処理について詳述する。
【００８５】
［真空浸炭処理］
図６に本実施形態における真空浸炭処理及び焼入れ処理の処理パターン例を示す。図中の左側の縦軸及び実線のグラフは、熱処理温度（浸炭温度及び焼入れ温度）を示す。右側の縦軸及び破線のグラフは、炉圧を示す。横軸は、時間を示す。
【００８６】
図６を参照して、真空浸炭処理は、加熱工程Ｓ１と、均熱工程Ｓ２と、浸炭工程Ｓ３と、拡散工程Ｓ４と、冷却工程Ｓ５とを含む。加熱工程Ｓ１では、炉内に装入された鋼材を浸炭温度Ｔｓ（℃）まで加熱する。均熱工程Ｓ２では、浸炭温度Ｔｓで鋼材を均熱する。浸炭工程Ｓ３では、均熱工程後、鋼材を浸炭処理する。拡散工程Ｓ４では、浸炭工程後、鋼材に侵入した炭素を鋼中で拡散する。冷却工程Ｓ５では、拡散工程後の鋼材を冷却速度Ｖｃ（℃／秒）でＡ１点以下に冷却する。
【００８７】
浸炭工程Ｓ３と拡散工程Ｓ４とは、２回以上繰り返してもよい、たとえば、浸炭工程Ｓ３、拡散工程Ｓ４を行った後、再度浸炭工程Ｓ３を実施し、その後、拡散工程Ｓ４を実施してもよい。また、浸炭工程Ｓ３と拡散工程Ｓ４とは、それぞれ１回のみ実施してもよい。
【００８８】
真空浸炭処理では、加熱工程Ｓ１において炉内を減圧し、炉内を略真空（たとえばＰｖ＝１０Ｐａ以下）にする。排気しながら窒素ガスを入れて、１Ｔｏｒｒ（約１３３Ｐａ）程度にしてもよい。また、１００〜７００ｈＰａ窒素雰囲気で加熱を実施してもよい。この場合、鋼材に熱が伝わり易く、昇温速度を高めることができる。なお、図６中の炉圧Ｐｒｅｆは大気圧以下である。炉内を略真空にして均熱工程Ｓ２を実施した後、浸炭工程Ｓ３において、炉内に炭化水素ガスを導入し、炉内を所定のガス圧（浸炭ガス圧）Ｐｓ（ｋＰａ）にして、浸炭処理を実施する。さらに、拡散工程Ｓ４では炉内を減圧して略真空（Ｐｖ）に戻す。
【００８９】
真空浸炭処理における各条件は次のとおりである。
【００９０】
浸炭温度Ｔｓ：１０４０〜１１００℃
浸炭温度Ｔｓは、浸炭工程Ｓ３及び拡散工程Ｓ４後のエッジ表層部の炭素の固溶度を高めるために、高い方が好ましい。浸炭温度Ｔｓが低すぎれば、エッジ表層部の炭素の固溶度が低くなり、粗大なセメンタイトが析出する。一方、浸炭温度Ｔｓが高すぎれば、上記効果が飽和し、加熱のコストも高くなる。したがって、浸炭温度Ｔｓは１０４０〜１１００℃である。浸炭温度Ｔｓの好ましい下限は１０４０℃よりも高い。浸炭温度Ｔｓの好ましい上限は１１００℃よりも低く、１０８０℃である。
【００９１】
浸炭ガス圧Ｐｓ：１０ｋＰａ以下
上述のとおり、浸炭ガスは炭化水素ガスである。炭化水素ガスはたとえば、アセチレン、プロパン、エチレン等である。浸炭ガス圧Ｐｓが高すぎれば、炉内に煤が発生しやすくなる。したがって、浸炭ガス圧Ｐｓは１０ｋＰａ以下である。好ましい浸炭ガス圧Ｐｓは、１ｋＰａ以下である。
【００９２】
冷却速度Ｖｃ：５℃／秒以上
冷却工程Ｓ５での冷却速度Ｖｃが小さすぎれば、エッジ表層部のセメンタイトが微細化しにくく、円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率が５％を超える場合がある。したがって、冷却速度Ｖｃは５℃／秒以上である。ここでいう冷却速度Ｖｃは、鋼材の表面温度の冷却速度（℃／秒）を意味し、さらに具体的には、冷却工程Ｓ５において、浸炭温度ＴｓからＡ１点に至るまでの平均の冷却速度（℃／秒）を意味する。
【００９３】
本実施形態において、冷却工程Ｓ５ではガス冷却を実施する。冷却ガスはたとえば、窒素である。ただし、冷却速度が５℃／秒以上となれば、他の冷却方法により冷却してもよい。
【００９４】
好ましい冷却速度は１０℃／秒以上である。この場合、セメンタイトがさらに微細化される。また、合金元素がセメンタイトに濃化しにくくなるため、焼入れ後の硬度も低くなりにくい。
【００９５】
冷却上限温度Ｔｃｓ：Ａ１点以下
冷却工程Ｓ５において、好ましくは、鋼材をＡ1点以下に冷却する。つまり、冷却上限温度ＴｃｓはＡ1点以下にする。これにより、エッジ表層部及び平坦表層部の鋼組織が変態してセメンタイトが析出する。冷却上限温度Ｔｃｓは常温（２５℃）でもよい。要するに、セメンタイトが析出する温度であれば、冷却上限温度Ｔｃｓは特に制限されない。Ａ１以下の温度域での冷却方法は、問わない。放冷であってもよいし、他の冷却方法であってもよいし、冷却する必要もない。
【００９６】
［浸炭工程Ｓ３及び拡散工程Ｓ４の所定時間の決定］
浸炭工程Ｓ３の時間ＴＩＳ及び拡散工程Ｓ４の時間ＴＩＤは、たとえば、真空浸炭シミュレーションにより設定する。真空浸炭シミュレーションは、たとえば、次の方法により実施される。
【００９７】
Ｆｉｃｋの第２法則に基づく下記の拡散方程式を差分法を用いて解き、真空浸炭熱処理後の鋼材の各部の炭素濃度分布を求める。
δＣ／δｔ＝−∇Ｊ
Ｊ＝−Ｄ∇Ｃ
ここで、Ｄは拡散定数、ｔは時間（ｓｅｃ）、Ｃは炭素濃度（質量％）を表す。上記拡散方程式は、炭素のオーステナイト中における拡散方程式である。
【００９８】
上記拡散方程式の算出において、浸炭工程時の鋼材表面は、黒鉛と平衡するまで炭素濃度が上昇すると仮定する。平衡相及び平衡組成は、市販の熱力学計算ソフト（たとえば、商品名Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ（商標））を使用して求めればよい。
【００９９】
以上の条件に基づいて求めた炭素濃度分布において、平坦部の炭素濃度が１．０％を超え１．２％以下になるように、浸炭工程時間ＴＩＳ、拡散工程時間ＴＩＤ及び浸炭温度Ｔｓ（ただし、浸炭温度Ｔｓは１０４０〜１１００℃）を決定する。たとえば、予め定めた浸炭工程時間ＴＩＳ、拡散工程時間ＴＩＤ及び浸炭温度Ｔｓに基づいて、上記拡散方程式を解き、平坦部（表面）の炭素濃度を求める。炭素濃度が１．０％を超え１．２％以下の範囲内であれば、予め定めた浸炭工程時間ＴＩＳ、拡散工程時間ＴＩＤ及び浸炭温度Ｔｓで、実際の真空浸炭処理を実施する。求めた炭素濃度が上記範囲外となった場合、浸炭工程時間ＴＩＳ、拡散工程時間ＴＩＤ、浸炭温度Ｔｓを変更して、再度拡散方程式を解き、平坦部の炭素濃度を求める。要するに、平坦部の炭素濃度が１．０％を超え１．２％以下になるまで拡散方程式の解を求め、浸炭工程時間ＴＩＳ、拡散工程時間ＴＩＤ及び浸炭温度Ｔｓを決定する。
【０１００】
また、上記真空浸炭シミュレーションに替えて、所望の形状の浸炭部品用の鋼材を用いて実際に真空浸炭処理試験を繰り返し実施して、平坦部の炭素濃度が１．０％を超え１．２％以下になる浸炭工程時間ＴＩＳ、拡散工程時間ＴＩＤ及び浸炭温度Ｔｓを決定してもよい。
【０１０１】
上記真空浸炭シミュレーションと実際の真空浸炭処理試験とをともに実施して、浸炭工程時間ＴＩＳ、拡散工程時間ＴＩＤ及び浸炭温度Ｔｓを決定してもよい。たとえば、真空浸炭シミュレーション結果で平坦部の炭素濃度が１．１０％となる条件で実際に真空浸炭処理を実施した結果、平坦部の炭素濃度が１．０５％となった場合、浸炭条件を、実際の真空浸炭処理での結果に基づいて補正してもよい。
【０１０２】
上述のとおり、真空浸炭シミュレーション及び／又は実機による事前試験により、平坦部の炭素濃度を上記範囲内とする条件（浸炭工程時間ＴＩＳ、拡散工程時間ＴＩＤ及び浸炭温度Ｔｓ）を決定する。そして、決定された条件を用いて、真空浸炭処理を実施する。これにより、平坦部の炭素濃度を１．０％を超え１．２％以下にすることができる。
【０１０３】
［焼入れ処理］
真空浸炭処理後の鋼材に対して焼入れ温度Ｔｑまで再加熱し、焼入れ処理を実施する。焼入れ処理により、浸炭部品の強度を高める。さらに、冷却工程Ｓ５により析出したセメンタイトが、再加熱時において溶解し始めて分断され、微細なセメンタイトになる。ミクロ組織がマルテンサイトを含む場合はさらに、微細なセメンタイトが析出する。そのため、エッジ表層部に微細なセメンタイトが形成され、粗大なセメンタイトが形成されるのを抑制できる。
【０１０４】
焼入れ温度Ｔｑが低すぎれば、芯部の組織がオーステナイト単相にならず、フェライトが残るので、強度が高くならない。さらに、セメンタイトが溶解しにくく、分断されにくいため、エッジ表層部のセメンタイトが微細になりにくい。一方、焼入れ温度Ｔｑが高すぎれば、平坦表層部のセメンタイトがほぼ全て溶解する。そのため、平坦表層部のセメンタイト分率が低くなり、焼入れ後のエッジ表層部のマトリクスの炭素濃度が高くなる。その結果、曲げ疲労強度が低下する。したがって、焼入れ温度Ｔｑは８００〜８８０℃である。ここでいう焼入温度は、浸炭部品の表面温度を意味する。つまり、焼入れ処理において、浸炭部品の表面温度が８００〜８８０℃になるように保持する。
【０１０５】
焼入れ温度Ｔｑでの保持時間が少なければ、鋼材が均一に加熱されない。したがって、焼入れ温度での好ましい保持時間は１０分以上である。
【０１０６】
鋼材を上記焼入れ温度Ｔｑで上記保持時間保持した後、鋼材を焼入れする。このとき、鋼材を水冷して焼入れしてもよいし、油冷して焼入れしてもよい。なお、焼入れ後に焼戻し処理を実施してもよい。
【０１０７】
以上の工程により、本実施形態による浸炭部品が製造される。
【実施例】
【０１０８】
種々の化学組成を有する複数の鋼材を用いて複数の浸炭部品を製造した。製造された複数の浸炭部品の曲げ疲労強度を調査した。
【０１０９】
［試験方法］
表１に示す鋼Ａ〜Ｇの化学組成を有する溶鋼を製造した。製造された溶鋼を用いて、インゴットを製造した。
【０１１０】
【表１】
2015160982.tif 000003
【０１１１】
表１を参照して、鋼Ａ〜Ｄはいずれも、上述の本実施形態の鋼材の化学組成の範囲内であった。しかしながら、鋼ＥはＭｏを含有しなかった。鋼ＦのＣｒ含有量は高すぎた。鋼ＧのＭｎ含有量は低すぎた。製造された各インゴットを熱間鍛造して直径３５ｍｍの複数の丸棒素材を製造した。
【０１１２】
［エッジ表層部の曲げ疲労強度及び平坦表層部の耐摩耗性の評価方法］
エッジ表層部の曲げ疲労強度は、４点曲げ疲労試験結果に基づいて評価した。具体的には、平坦部とエッジ部とを含む４点曲げ疲労試験片に対して後述の真空浸炭処理及び焼入れ処理を実施して、浸炭部品を製造した。製造された４点曲げ疲労試験片を用いて４点曲げ疲労試験を実施して、得られた曲げ疲労強度をエッジ表層部の曲げ疲労強度の指標とした。
【０１１３】
一方、平坦表層部の耐摩耗性は、ローラーピッチング試験結果に基づいて評価した。
【０１１４】
［４点曲げ疲労試験片の作製］
製造された丸棒から、図１に示す形状の複数の４点曲げ疲労試験片を採取した。４点曲げ疲労試験片は、高さ及び幅が共に１３ｍｍであり、長さが１００ｍｍであった。４点曲げ疲労試験片は、長さ中央に、断面形状が半円弧の切り欠きが形成された。切り欠きの半径は２ｍｍであった。
【０１１５】
［ローラーピッチング試験片の作製］
製造された丸棒の中央部より、図７に示すローラーピッチング試験片を採取した。ローラーピッチング試験片は、横断面が円形状であり、中央部に直径２６ｍｍの平行部を有していた。図７中の各数値は、寸法（単位はｍｍ）を示す。ローラーピッチング試験片は、の直径２６ｍｍの平行部の、ＦＩ＝ＯＡ／ＳＬは、０．７７であった。したがって、ローラーピッチング試験片の平行部は「平坦部」に相当した。
【０１１６】
［真空浸炭処理及び焼入れ処理］
各鋼Ａ〜Ｇの複数の４点曲げ疲労試験片及びローラーピッチング試験片に対して、表２に示す条件、浸炭温度Ｔｓ（℃）、浸炭工程時間ＴＩＳ（ｍｉｎ）、浸炭時の浸炭ガス圧Ｐｓ（ｋＰａ）、拡散工程時間ＴＩＤ（ｍｉｎ）、冷却速度Ｖｃ（℃／秒）、及び、焼入れ温度Ｔｑ（℃）で、試験番号１〜１６の試験片（各試験番号ごとに複数の４点曲げ疲労試験片及びローラーピッチング試験片）に対して真空浸炭処理、焼入れ及び焼戻し処理を実施した。
【０１１７】
【表２】
2015160982.tif 000004
【０１１８】
表２中の条件Ｉでは、次の条件で真空浸炭処理、焼入れ及び焼戻しを実施した。均熱工程Ｓ２では、表２に示す浸炭温度Ｔｓ（℃）で、試験片を６０分均熱した。均熱工程Ｓ２を実施後、浸炭工程Ｓ３を実施した。浸炭工程時間ＴＩＳ（ｍｉｎ）及び浸炭工程時の浸炭ガス圧Ｐｓ（ｋＰａ）は表２に示すとおりであった。浸炭工程Ｓ３後、拡散工程Ｓ４を実施した。拡散工程時間ＴＩＤ（ｍｉｎ）は表２に示すとおりであった。浸炭工程Ｓ３及び拡散工程Ｓ４は、それぞれ１回実施した。拡散工程後、表２に示す冷却速度Ｖｃで、Ａ１点以下までガス冷却を実施した。冷却ガスには窒素ガスを利用した。Ａ１点以下となった後もガス冷却を続け、合計のガス冷却時間が１０分となるまで冷却を継続した。ガス冷却時間が１０分を経過した後、冷却を停止した。
【０１１９】
冷却後、各試験片に対して次の条件で焼入れ及び焼戻し処理を実施した。鋼材を再び焼入れ温度Ｔｑ（表２参照）まで加熱した。この時の炉内雰囲気は窒素ガスであった。その後、焼入れ温度Ｔｑ（℃）で３０分均熱した。均熱後、鋼材を１２０℃の油に焼入れした。焼入れ後、鋼材に対して焼戻しを実施した。焼戻し温度は１７０℃であり、焼戻し温度での保持時間は２時間であった。
【０１２０】
表２中の条件ＩＩでは、次の条件で真空浸炭処理、焼入れ及び焼戻し処理を実施した。均熱工程Ｓ２では、１０５０℃の浸炭温度Ｔｓで６０分均熱した。均熱工程Ｓ２を実施後、浸炭工程Ｓ３を実施した。浸炭工程時間ＴＩＳ（ｍｉｎ）及び浸炭ガス圧Ｐｖ（ｋＰａ）は表２に示すとおりであった。浸炭工程Ｓ３後、拡散工程Ｓ４を実施した。拡散工程時間ＴＩＤ（ｍｉｎ）は表２に示すとおりであった。浸炭工程Ｓ３及び拡散工程Ｓ４は、それぞれ１回実施した。条件ＩＩではガス冷却を実施しなかった。拡散工程後、鋼材を８６０℃まで炉冷（徐冷）した。条件ＩＩでの、拡散工程後８６０℃までの冷却速度は５℃／ｓｅｃ未満であった。
【０１２１】
鋼材温度を８６０℃まで炉冷した後、鋼材を８６０℃で３０分均熱し、１２０℃の油に焼入れを実施した。焼入れ後、鋼材に対して焼戻しを実施した。焼戻し温度は１７０℃であり、焼戻し温度での保持時間は２時間であった。
【０１２２】
以上の工程により真空浸炭処理された試験片（各試験番号ごとに複数の４点曲げ疲労試験片及び複数のローラーピッチング試験片）を製造した。
【０１２３】
［平坦部の炭素濃度測定試験］
真空浸炭処理、焼入れ及び焼戻し処理がされた複数の試験片のうち、各試験番号ごとに４点曲げ疲労試験片及びローラーピッチング試験片を用いて、各試験片の平坦部の炭素濃度と表層硬度を測定した。具体的には、４点曲げ疲労試験片では、図１に示す平坦部の点Ｐｆにおいて、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）により平坦部の炭素濃度Ｃｃ（％）を測定した。表層硬さは平坦部（表面）から０．０５ｍｍ位置をＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に準拠し測定した。
【０１２４】
同様に、ローラーピッチング試験片の転動面の任意の点において、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）により平坦部の炭素濃度Ｃｃ（％）を求めた。さらに、ビッカース硬度計により平坦部（表面）から０．０５ｍｍ位置の硬さをＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に準拠し測定した（ＨＶ０．３）。
【０１２５】
表２中の「４点曲げＳＰ」欄の「Ｃｃ（％）」欄に４点曲げ疲労試験片の平坦部の炭素濃度（％）を示し、「ローラーピッチングＳＰ」欄の「Ｃｃ（％）」欄にローラーピッチング試験片の平坦部の炭素濃度（％）を示し、「ＨＳ（ＨＶ）」欄にローラーピッチング試験片の平坦表層部の表面硬さ（ＨＶ）を示す。
【０１２６】
［エッジ表層部及び平坦表層部の組織観察試験］
製造された４点曲げ疲労試験片の浸炭部品を用いて、前述の方法により、エッジ表層部のセメンタイトの円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率Ｒｃｅ１（％）を求めた。さらに、ローラーピッチング試験片の浸炭部品を用いて、平坦表層部のセメンタイト分率Ｒｃｅ２（％）を求めた。なお、円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率は、１０００倍倍に設定した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で上記視野を観察して求めた。平坦表層部のセメンタイト分率は、５０００倍に設定した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で上記視野を観察して求めた。
【０１２７】
［４点曲げ疲労試験］
各試験番号の複数の４点曲げ疲労試験片のうち、上記平坦部の炭素濃度測定試験及びエッジ表層部の組織観察試験に用いられなかった他の４点曲げ疲労試験片の浸炭部品を用いて、４点曲げ疲労試験を実施した。試験には、サーボ型疲労試験機を用いた。４点曲げ疲労試験片の支点間距離は４５ｍｍであった。最大負荷応力は１２５８ＭＰａであり、最大負荷応力と最小負荷応力との応力比は０．１であった。周波数は１０Ｈｚであった。応力負荷繰り返し回数が１×１０4回での破断強度を、４点曲げ疲労強度ＦＳ４（ＭＰａ）と評価した。
【０１２８】
［ローラーピッチング試験］
各試験番号の複数のローラーピッチング試験片のうち、上記平坦部の炭素濃度測定試験及び平坦表層部の組織観察試験に用いられなかった他のローラーピッチング試験片に対して、面圧２０００ＭＰａ、回転数１５００ｒｐｍの条件で、ローラーピッチング試験を実施した。そして、回転数が１×１０6回における摩耗深さＤｗを測定し、耐摩耗性の指標とした。
【０１２９】
［試験結果］
表２に試験結果を示す。
【０１３０】
試験番号１〜７の浸炭部品の化学組成は適切であり、浸炭温度Ｔｓ（℃）、浸炭ガス圧Ｐｓ（ｋＰａ）、冷却速度Ｖｃ（℃／秒）及び焼入れ温度Ｔｑ（℃）も適切であり、各試験片の平坦部の炭素濃度も１．０％を超え１．２％以下の範囲内であった。そのため、試験番号１〜７の浸炭部品（４点曲げ疲労試験片）のエッジ表層部の円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率Ｒｃｅ１は５％以下であり、平坦表層部のセメンタイト分率Ｒｃｅ２は３．５〜１０％であった。そのため、エッジ表層部の曲げ疲労強度の指標である４点曲げ疲労強度ＦＳ４は、８００ＭＰａ以上と高かった。さらに、平坦表層部の耐摩耗性の指標である摩耗深さＤｗも、２μｍ以下と小さかった。平坦表層部の硬さはＨＶ７００以上であった。
【０１３１】
試験番号８では、浸炭工程時間ＴＩＳ及び／又は拡散工程時間ＴＩＤが不適切であった。そのため、試験番号８のエッジ表層部の及び平坦部の炭素濃度は、１．２％を超え、エッチ表層部の円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率は５％を超えた。そのため、エッジ表層部の曲げ疲労強度の指標である４点曲げ疲労強度ＦＳ４は、８００ＭＰａ以未満と低かった。
【０１３２】
試験番号９も、浸炭工程時間ＴＩＳ及び／又は拡散工程時間ＴＩＤが不適切であった。そのため、試験番号９の平坦部の炭素濃度は１．０％以下で、セメンタイト分率は３．５％未満であった。その結果、ピッチング試験で得られた摩耗深さは２μｍよりも深く、平坦表層部の耐摩耗性が低かった。
【０１３３】
試験番号１０は、浸炭温度Ｔｓが低すぎ、エッジ表層部の円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率は５％を超えた。そのため、試験番号１０の４点曲げ疲労強度ＦＳ４は低かった。
【０１３４】
試験番号１１では、焼入れ温度Ｔｑが高すぎた。そのため、平坦表層部の多くのセメンタイトが溶解してしまい、平坦表層部のセメンタイト分率Ｒｃｅ２が低かった。そのため、平坦表層部の耐摩耗性の指標である摩耗深さＤｗは、２μｍよりも深かった。さらに、ビッカース硬さもＨＶ７００未満であった。
【０１３５】
試験番号１２はＭｏを含有しなかった。そのため、摩耗深さＤｗが２２μｍと大きく、平坦表層部の耐摩耗性が低かった。さらに、平坦表層部の硬さはＨＶ７００未満であった。
【０１３６】
試験番号１３のＣｒ含有量は高すぎた。そのため、エッジ表層部の円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率は５％を超え、４点曲げ疲労強度ＦＳ４は低かった。さらに、摩耗深さＤｗが１８μｍと大きく、平坦表層部の耐摩耗性が低かった。さらに、平坦表層部の硬さはＨＶ７００未満であった。
【０１３７】
試験番号１４のＭｎ含有量は低すぎた。そのため、平坦表層部の硬さはＨＶ７００未満であった。そのため、摩耗深さが２２μｍと大きく、平坦表層部の耐摩耗性が低かった。
【０１３８】
試験番号１５では、拡散工程後８６０℃までの冷却速度が５℃／ｓｅｃ未満であった。そのため浸炭によって導入された炭素が内部に拡散してしまい、平坦部の炭素濃度が低すぎた。そのため、平坦表層部のセメンタイト分率Ｒｃｅ２が低かった。さらに、エッジ表層部については、拡散工程後８６０℃までの冷却過程で、オーステナイト粒界にセメンタイトが析出して成長し、円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率は５％を超えた。そのため、４点曲げ疲労強度ＦＳ４が低く、平坦表層部の耐摩耗性も低かった。
【０１３９】
試験番号１６では、冷却速度Ｖｃが５℃／ｓｅｃ未満であった。そのため、エッジ表層部の円相当径が５μｍを超えるセメンタイトの面積率Ｒｃｅ１は５％を超えた。そのため、４点曲げ疲労強度ＦＳ４が低かった。さらに、平坦表層部の硬さがＨＶ７００未満と低く、平坦表層部の耐摩耗性も低かった。
【０１４０】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。
【符号の説明】
【０１４１】
Ｐｃ  エッジ部
Ｐｆ  平坦部
Ｖｃ  仮想円
【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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【図６】
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【図７】
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