(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦部及びエッジ部を有する表面を含む表層部と、前記表層部よりも内部の芯部とを備え、
前記芯部は、質量％で、
Ｃ:０．１０〜０．３０％、
Ｓｉ:０．０１〜１．４０％、
Ｍｎ:１．４０〜３．００％ 、
Ｐ:０．０３０％以下、
Ｓ:０．０６０％以下、
Ｃｒ:０．０１〜０．５０％、
Ａｌ:０．０１０〜０．１００％、
Ｎ:０．００３〜０．０３０％、
Ｎｂ：０〜０．１０％、
Ｔｉ：０〜０．１００％、
Ｍｏ：０〜０．２０％、
Ｃｕ：０〜０．５０％、及び、
Ｎｉ：０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
前記平坦部から深さ０．０５ｍｍまでの領域における炭素濃度ＣＰ１は０．７０〜０．８９％であり、窒素濃度は０．１０〜０．８０％であり、
前記エッジ部から深さ０．０５ｍｍまでの領域における炭素濃度ＣＰ２は、前記炭素濃度ＣＰ１よりも高く１．２０％以下であり、
前記平坦部から深さ０．３ｍｍ位置でのビッカース硬さがＨＶ６５０以上であり、
前記表層部での粒界酸化層深さが３．０μｍ未満であり、
前記芯部のビッカース硬さがＨＶ２６０以上である、浸炭窒化部品。
【請求項２】
請求項１に記載の浸炭窒化部品であって、
前記芯部の化学組成は、
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、及び、
Ｔｉ：０．０１〜０．１００％からなる群から選択される１種以上を含有する、浸炭窒化部品。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の浸炭窒化部品であって、
前記芯部の化学組成は、
Ｍｏ：０．０２〜０．２０％、
Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、及び、
Ｎｉ：０．１０〜０．５０％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有  する、浸炭窒化部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部品に関し、さらに詳しくは、浸炭窒化処理が施された部品である浸炭窒化部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
歯車、ベルト式無段変速機（ＣＶＴ）用プーリー等の機械部品として、浸炭処理の施された部品である浸炭部品が利用されている。
【０００３】
浸炭処理として、ガス浸炭処理が多く利用されているが、最近では、真空浸炭処理が利用されるケースが増えている。真空浸炭処理はたとえば、特許第２９４５７１４号公報（特許文献１）、特開２００６−３４９０５５号公報（特許文献２）、特許第４２５４８１６号公報（特許文献３）、国際公開第２００９／１３１２０２号（特許文献４）、特許第５３０１７２８号公報（特許文献５）、及び、特許第５６６０２５９号公報（特許文献６）等に開示されている。
【０００４】
真空浸炭処理は、ガス浸炭処理と比較して、次の効果を有する。真空浸炭処理では浸炭温度を高くできる。そのため、短時間で所望の炭素濃度の浸炭部品が得られる。さらに、真空での処理であるため、粒界酸化が抑制され、曲げ疲労強度の高い浸炭部品が得られやすい。さらに、炭素収率が高いため、二酸化炭素の排出量を抑えることができる。
【０００５】
真空浸炭処理は上述の効果を有するものの、次の問題点を有する。真空浸炭処理により製造された浸炭部品では、エッジ部の炭素濃度が、平坦部よりも高くなる。そのため、エッジ部で過剰浸炭（炭素濃度が必要以上に高濃度になる現象）が発生しやすい。過剰浸炭された部分の焼入れ組織には、粗大なセメンタイトが生成しやすい。粗大なセメンタイトは、曲げ疲労強度を低下する。したがって、歯車、ＣＶＴ用プーリー等のエッジ部が多く存在する機械部品に、真空浸炭処理が実施された浸炭部品を利用する場合、十分な曲げ疲労強度が得られない場合がある。
【０００６】
真空浸炭処理が実施された浸炭部品のエッジ部の過剰浸炭を抑制する技術が次のとおり提案されている。
【０００７】
（１）浸炭部品の表層における炭素濃度が低くなる条件で真空浸炭処理を実施して、エッジ部の過剰浸炭を抑制する。たとえば、特許文献４では、歯形部の歯面又は歯底の表面浸炭濃度が０．６５±０．１質量％の範囲内となる条件で減圧浸炭工程を実施する。
【０００８】
（２）真空浸炭処理される鋼材の化学組成を調整することにより、過剰浸炭を抑制する。具体的には、鋼材のＳｉ含有量を高くしたり、Ｃｒ含有量を低くしたり、Ｍｎ含有量を低くしたりする。Ｃｒ含有量を低くすれば、真空浸炭処理によって生じる粗大セメンタイトの析出が抑制される。そのため、曲げ疲労強度が維持される。たとえば、特許文献５で提案される真空浸炭用の鋼材の化学組成は、Ｓｉ：０．３５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｃｒ：０．２％未満、Ｍｏ：０．１％以下を含有する。
【０００９】
（３）真空浸炭処理を行う前の鋼材に対して、エッジ部の面取り加工を行って過剰浸炭を抑制する。たとえば、特許文献２に開示された歯車では、平滑な面部における表面炭素濃度が０．６％以上となるように真空浸炭されている歯車であって、真空浸炭に先立って、歯元近傍に位置する応力集中部を含む表面に、有効硬化層深さＤ±０．２５（ｍｍ）の面取り加工が施される。
【００１０】
しかしながら、上記（１）のように、浸炭部品の平坦部表層における炭素濃度が低くなる条件で真空浸炭処理を実施する場合、平坦部表層の炭素濃度が低すぎ、浸炭部品の曲げ疲労強度が十分に得られない場合がある。
【００１１】
上記（２）のように、真空浸炭処理される鋼材のＣｒ含有量を低くすれば、鋼材の焼入れ性が低下する。この場合、浸炭部品の芯部の硬さが不足し、十分な曲げ疲労強度が得られない場合がある。また、鋼材のＳｉ含有量を高くすれば、鋼材の硬さが高くなりすぎ、加工性が低下する。そのため、エッジ部の過剰浸炭を抑制できる程度にＳｉ含有量を高めるには限界がある。
【００１２】
上記（３）のように、真空浸炭処理前の鋼材に対して、エッジ部の面取り加工を行う場合、生産性が低下する。
【００１３】
さらに、歯車やベルト式無段変速機（ＣＶＴ）用プーリーのように、使用中にすべりが発生し表面が高温になる機械部品では、曲げ疲労強度だけでなく、優れたピッチング強度も要求される。
【００１４】
そこで、曲げ疲労強度とともにピッチング強度に優れた機械部品として、浸炭窒化部品が提案されている。浸炭窒化部品はたとえば、特開２０１４−１８５３７９号公報（特許文献７）及び特許第５５４１０４８号公報（特許文献８）に開示されている。浸炭窒化部品は、浸炭部品と比較して、焼戻し軟化抵抗に優れ、面疲労強度を高く維持することができる。そのため、ピッチング強度及び曲げ疲労強度に優れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特許第２９４５７１４号公報
【特許文献２】特開２００６−３４９０５５号公報
【特許文献３】特許第４２５４８１６号公報
【特許文献４】国際公開第２００９／１３１２０２号
【特許文献５】特許第５３０１７２８号公報
【特許文献６】特許第５６６０２５９号公報
【特許文献７】特開２０１４−１８５３７９号公報
【特許文献８】特許第５５４１０４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、特許文献７及び８に開示された浸炭窒化部品であっても、十分な曲げ疲労強度及びピッチング強度が得られない場合がある。
【００１７】
本発明の目的は、平坦部及びエッジ部を含む表面を含み、優れた曲げ疲労強度及びピッチング強度を有する浸炭窒化部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本実施形態による浸炭窒化部品は、平坦部及びエッジ部を有する表面を含む表層部と、表層部よりも内部の芯部とを備える。芯部は、質量％で、Ｃ:０．１０〜０．３０％、Ｓｉ:０．０１〜１．４０％、Ｍｎ:１．４０〜３．００％、Ｐ:０．０３０％以下、Ｓ:０．０６０％以下、Ｃｒ:０．０１〜０．５０％、Ａｌ:０．０１０〜０．１００％、Ｎ:０．００３〜０．０３０％、Ｎｂ：０〜０．１０％、Ｔｉ：０〜０．１００％、Ｍｏ：０〜０．２０％、Ｃｕ：０〜０．５０％、及び、Ｎｉ：０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有する。平坦部から深さ０．０５ｍｍまでの領域における炭素濃度ＣＰ１は０．７０〜０．８９％であり、窒素濃度は０．１０〜０．８０％である。エッジ部から深さ０．０５ｍｍまでの領域における炭素濃度ＣＰ２は、炭素濃度ＣＰ１超え〜１．２０％である。平坦部から深さ０．３ｍｍ位置でのビッカース硬さはＨＶ６５０以上であり、芯部のビッカース硬さはＨＶ２６０以上である。表層部での粒界酸化層深さは３．０μｍ未満である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による浸炭窒化部品は、優れた曲げ疲労強度及びピッチング強度を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本実施形態による浸炭窒化部品の一例を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１中の断面Ｃｓを示す図である。
【図３】図３は、エッジ部表層領域の炭素濃度と四点曲げ疲労強度との関係を示す図である。
【図４】図４は、図２の断面Ｃｓの頂角近傍部分の拡大図である。
【図５】図５は、実施例で使用したローラーピッチング試験片の側面図及び正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本実施形態による浸炭窒化部品について説明する。初めに、本明細書における浸炭窒化部品の平坦部、エッジ部、表層及び芯部について説明する。
【００２２】
真空浸炭窒化処理された浸炭窒化部品が、表面にエッジ部及び平坦部を含む場合、エッジ部に過剰浸炭が発生しやすい。真空浸炭部品の頂点部は鋼材の体積に対する表面積が大きいため、炭素が多く入りやすく、深さ方向に拡散しにくい。そのため、過剰浸炭が起こりやすい。しかしながら、頂点部は実際に使用される際に大きな負荷がかからない部分であるため、過剰浸炭の度合いを評価する必要がない。したがって、本実施形態で過剰浸炭を抑制する対象は頂点部ではなくエッジ部である。
【００２３】
図１は、本実施形態の浸炭窒化部品の一例を示す斜視図である。図１に示す浸炭窒化部品１００は頂点部、エッジ部と平坦部を含む４点曲げ試験片である。浸炭窒化部品１００は、全体が四角柱状であり、長さ方向略中央に切り欠き部分が形成されている。
【００２４】
図１に示す浸炭窒化部品１００の表面のうち、頂点部は次のとおり定義される。浸炭窒化部品の表面上における任意の位置の点をＰａと定義する。点Ｐａを中心とする半径１．０ｍｍの仮想球を想定し、浸炭窒化部品と重なる部分の体積をＶ、浸炭窒化部品の表面のうち仮想球に含まれる部分の面積をＳとする。そしてＶ／Ｓで表わされるパラメーターが０．２２３以下である部分を頂点と定義する。図１に示す点ＰａでのＶ／Ｓは０．２２２であるため、点Ｐａは頂点部に含まれる。
【００２５】
次に、切り欠き部分の辺２の表面部分（縁表面部分）に注目する。縁表面部分において、辺２上における任意の位置に存在する点を、点Ｐｃと定義する。そして、図１に示すように、点Ｐｃにおける辺２と垂直な断面ＣＳを想定する。
【００２６】
図２は、断面ＣＳの模式図である。断面ＣＳにおいて、浸炭窒化部品１００の表面の任意の点ＸＰから、表面から１．０ｍｍの深さに位置する仮想点Ｐを想定する。仮想点Ｐの集合体が矩形１５になる。
【００２７】
仮想点Ｐを中心とする半径１．０ｍｍの仮想球を想定する。この仮想球が浸炭窒化部品１００の表面と接する（交わりが１点）場合の仮想点Ｐを「Ｐ１」と定義し、仮想点Ｐ１の球において、浸炭窒化部品の表面の接点を「ＸＰ１」と定義する。浸炭窒化部品１００の表面のうち、点ＸＰ１で定義可能な部分を「平坦部」２０と定義する。
【００２８】
そして、浸炭窒化部品１００の表面のうち、頂点部及び平坦部以外の部分、つまり、浸炭窒化部品１００の表面のうち、点ＸＰ１と点Ｐａ以外の部分を、「エッジ部」１０と定義する（図２参照）。たとえば図１において、辺２はエッジ部である。
【００２９】
浸炭窒化部品の「芯部」とは、炭素濃度及び窒素濃度が、浸炭窒化処理後であっても変動しない部分、つまり、浸炭窒化部品の表層よりも内部を意味する。本明細書において浸炭窒化部品の芯部とは、浸炭窒化部品の表面から深さ２ｍｍ以上の内部領域を意味する。浸炭窒化部品の表面から２ｍｍ未満の領域を「表層」と定義する。
【００３０】
本発明者は、上記課題を解決するために、真空浸炭窒化処理される鋼材中のＣｒ含有量、浸炭窒化部品の表層における炭素濃度、窒素濃度、及び、焼入れ性に着目し、調査及び検討を行った。その結果、本発明者は次の知見を得た。
【００３１】
（Ａ）浸炭窒化処理される鋼材のＣｒ含有量が０．５０％以下であれば、真空浸炭処理後の浸炭窒化部品のエッジ部において過剰浸炭が抑制され、かつ、平坦部での粗大なＣｒ窒化物の析出が抑制される。その結果、十分な曲げ疲労強度が得られる。
【００３２】
（Ｂ）浸炭窒化処理される鋼材のＭｎ含有量が１．４０％以上であれば、Ｃｒ含有量が０．５０％以下であっても十分な焼入れ性が得られる。その結果、浸炭窒化部品の表層及び芯部の硬さを高めることができ、十分な曲げ疲労強度が得られる。
【００３３】
（Ｃ）浸炭窒化部品の表面の平坦部から深さ０．０５ｍｍまでの領域（以下、平坦部表層領域という）での炭素濃度ＣＰ１を０．７０〜０．８９％にする。炭素濃度ＣＰ１は曲げ疲労強度の指標となる。炭素濃度ＣＰ１が０．７０％未満であれば、平坦部表層領域の硬さが低すぎ、十分な曲げ疲労強度及びピッチング強度が得られない。一方、炭素濃度ＣＰ１が０．８９％を超えれば、表層に粗大セメンタイトが析出し、曲げ疲労強度が低下する。炭素濃度ＣＰ１が０．７０〜０．８９％であれば、優れた曲げ疲労強度及びピッチング強度が得られる。
【００３４】
（Ｄ）平坦部表層領域での窒素濃度ＮＰを０．１０〜０．８０％にする。窒素濃度ＮＰが０．１０％未満であれば、平坦部表層領域の焼戻し軟化抵抗が低い。この場合、ピッチング強度が低下する。一方、窒素濃度ＮＰが０．８０％を超えれば、鋼中に残留オーステナイトが過剰に生成する。この場合、平坦部表層領域の硬さが低下し、曲げ疲労強度が低下する。窒素濃度ＮＰが０．１０〜０．８０％であれば、優れた曲げ疲労強度及びピッチング強度が得られる。
【００３５】
（Ｅ）浸炭窒化部品の表面のエッジ部から深さ０．０５ｍｍまでの領域（以下、エッジ部表層領域という）での炭素濃度ＣＰ２をＣＰ１超〜１．２０％にする。
【００３６】
図３は、炭素濃度ＣＰ２と四点曲げ疲労強度との関係を示す図である。図３は、質量％で、Ｃ:０．１０〜０．３０％、Ｓｉ:０．０１〜１．４０％、Ｍｎ:１．４０〜３．００％、Ｐ:０．０３０％以下、Ｓ:０．０６０％以下、Ｃｒ:０．５０％以下、Ａｌ:０．０１０〜０．１００％、Ｎ:０．００３〜０．０３０％、Ｎｂ：０〜０．１０％、Ｔｉ：０〜０．１００％、Ｍｏ：０〜０．２０％、Ｃｕ：０〜０．５０％、及び、Ｎｉ：０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有する鋼材を真空浸炭処理して作製された試験片を用いて、後述の実施例中の四点曲げ疲労試験を実施することにより得られた。
【００３７】
図３を参照して、炭素濃度ＣＰ２が１．２０質量％以下の場合、四点曲げ疲労強度は８５０ＭＰａ以上と高い。しかしながら、炭素濃度ＣＰ２が１．２０質量％を超えれば、四点曲げ疲労強度が急速に低下し、８２５ＭＰａ未満となる。したがって、炭素濃度ＣＰ２をＣＰ１超〜１．２０％にすれば、優れた曲げ疲労強度が得られる。
【００３８】
以上の知見に基づいて完成した本実施形態による浸炭窒化部品は、平坦部及びエッジ部を有する表面を含む表層部と、表層部よりも内部の芯部とを備える。芯部は、質量％で、Ｃ:０．１０〜０．３０％、Ｓｉ:０．０１〜１．４０％、Ｍｎ:１．４０〜３．００％、Ｐ:０．０３０％以下、Ｓ:０．０６０％以下、Ｃｒ:０．５０％以下、Ａｌ:０．０１０〜０．１００％、Ｎ:０．００３〜０．０３０％、Ｎｂ：０〜０．１０％、Ｔｉ：０〜０．１００％、Ｍｏ：０〜０．２０％、Ｃｕ：０〜０．５０％、及び、Ｎｉ：０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有する。平坦部から深さ０．０５ｍｍまでの領域における炭素濃度ＣＰ１は質量％で０．７０〜０．８９％であり、窒素濃度は質量％で０．１０〜０．８０％である。エッジ部から深さ０．０５ｍｍまでの領域における炭素濃度ＣＰ２は、炭素濃度ＣＰ１よりも高く質量％で１．２０％以下である。平坦部から深さ０．３ｍｍ位置でのビッカース硬さがＨＶ６５０以上であり、表層部での粒界酸化層深さは３．０μｍ未満である。芯部のビッカース硬さはＨＶ２６０以上である。
【００３９】
上記芯部の化学組成は、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、及び、Ｔｉ：０．０１〜０．１００％からなる群から選択される１種以上を含有してもよい。上記芯部の化学組成は、Ｍｏ：０．０２〜０．２０％、Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、及び、Ｎｉ：０．１０〜０．５０％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。
【００４０】
以下、本実施形態の浸炭窒化部品について詳述する。元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。
【００４１】
［浸炭窒化部品］
本実施形態の浸炭窒化部品は、下記の化学組成を有する鋼材に対して真空浸炭窒化処理を実施して製造される。浸炭窒化部品は、上記で定義された表層と芯部とを備える。浸炭窒化部品の表面は、上記で定義された平坦部とエッジ部とを含む。
【００４２】
［芯部の化学組成］
芯部の化学組成は、浸炭窒化処理される前の鋼材の化学組成に相当する。芯部の化学組成は、次の元素を含有する。
【００４３】
Ｃ：０．１０〜０．３０％
炭素（Ｃ）は、浸炭窒化部品の芯部硬度を高める。Ｃ含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｃ含有量が高すぎれば、芯部硬度が高くなりすぎ、靭性が低下する。この場合、曲げ疲労強度が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．１０〜０．３０％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．１３％であり、さらに好ましくは０．１６％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．２３％であり、さらに好ましくは０．２２％である。
【００４４】
Ｓｉ：０．０１〜１．４０％
シリコン（Ｓｉ）は、浸炭窒化処理前の鋼材の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高め、浸炭窒化部品の曲げ疲労強度及び面疲労強度を高める。Ｓｉ含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｓｉ含有量が高すぎれば、表層にＭｎ、Ｓｉ系窒化物が生成したり、芯部に軟質なフェライト相が生成し、曲げ疲労強度が低下する。したがって、Ｓｉの含有量は０．０１〜１．４０％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．８０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。
【００４５】
Ｍｎ：１．４０〜３．００％
マンガン（Ｍｎ）は、鋼材の焼入れ性を高め、浸炭窒化部品の曲げ疲労強度を高める。Ｍｎ含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、その効果が飽和する。Ｍｎ含有量が高すぎればさらに、熱間圧延及び熱間鍛造後の強度が高くなりすぎ、切削加工性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は１．４０〜３．００％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は１．７０％であり、さらに好ましくは２．００％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は２．５０％であり、さらに好ましくは２．４５％である。
【００４６】
Ｐ：０．０３０％以下
リン（Ｐ）は不純物である。Ｐは粒界偏析して粒界を脆化する。そのため、浸炭窒化部品の曲げ疲労強度及び面疲労強度を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０３０％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２０％である。Ｐ含有量を低減しようとすれば製造コストが高くなる。したがって、製造コストを考慮すれば、Ｐ含有量の好ましい下限は０．００３％であり、さらに好ましくは０．００６％である。
【００４７】
Ｓ：０．０６０％以下
硫黄（Ｓ）は不純物である。Ｓは、浸炭窒化部品の曲げ疲労強度を低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０６０％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０３０％である。Ｓ含有量を低減しようとすれば製造コストが高くなる。したがって、製造コストを考慮すれば、Ｓ含有量の好ましい下限は０．００３％である。
【００４８】
Ｃｒ：０．０１〜０．５０％
クロム（Ｃｒ）は、鋼材の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高め、浸炭窒化部品の曲げ疲労強度及び面疲労強度を高める。しかしながら、Ｃｒ含有量が高すぎれば、エッジ部の過剰浸炭により、浸炭窒化部品の曲げ疲労強度が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０．０１〜０．５０％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は０．２９％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｃｒ含有量を低減しようとすれば製造コストが高くなるばかりか、Ｃｒ含有量が０．０１％未満であれば、浸炭窒化部品の曲げ疲労強度及び面疲労強度が十分に高められない。したがって、製造コストを考慮すれば、Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。
【００４９】
Ａｌ：０．０１０〜０．１００％
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高める。Ａｌはさらに、鋼を脱酸する。Ａｌ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ａｌ含有量が高すぎれば、硬質な酸化物系介在物が生成して、結晶粒が粗大化し、曲げ疲労強度が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．０１０〜０．１００％である。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０５０％であり、さらに好ましくは０．０４５％である。本明細書にいうＡｌ含有量は、酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）の含有量を意味する。
【００５０】
Ｎ：０．００３〜０．０３０％
窒素（Ｎ）は、Ａｌと結合してＡｌＮを形成し、結晶粒成長を抑制する。その結果、浸炭窒化部品の曲げ疲労強度の低下を抑制する。Ｎ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｎ含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。したがって、Ｎ含有量は０．００３〜０．０３０％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００７％であり、さらに好ましくは０．０１１％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０１８％である。
【００５１】
本実施形態の浸炭窒化部品の芯部の化学組成の残部はＦｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、浸炭窒化処理前の鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入されるものであって、本実施形態の浸炭窒化部品に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００５２】
本実施形態における浸炭窒化部品の芯部の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に替えて、Ｎｂ、Ｔｉからなる群から選択される１種以上を含有してもよい。Ｎｂ、Ｔｉは任意に含有される元素（任意元素）であり、いずれも、結晶粒成長を抑制して曲げ疲労強度を高める。
【００５３】
Ｎｂ：０〜０．１０％
ニオブ（Ｎｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｎｂは鋼中のＮ及び／又はＣと結合して、微細な炭化物、窒化物、又は炭窒化物（以下、これらを総称して炭窒化物等という）を形成する。微細な炭窒化物等は、真空浸炭窒化処理での結晶粒成長を抑制し、浸炭窒化部品の曲げ疲労強度を高める。Ｎｂ含有量が少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎｂ含有量が高すぎれば、上記効果は飽和する。したがって、Ｎｂ含有量は０〜０．１０％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．０８％であり、さらに好ましくは０．０５％である。
【００５４】
Ｔｉ：０〜０．１００％
チタン（Ｔｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｔｉは鋼中のＮ及び／又はＣと結合して、微細な炭窒化物等を形成する。微細な炭窒化物等は、真空浸炭窒化処理での結晶粒成長を抑制し、浸炭窒化部品の曲げ疲労強度を高める。Ｔｉ含有量が少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｔｉ含有量が高すぎれば、上記効果は飽和する。したがって、Ｔｉ含有量は０〜０．１００％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０５０％であり、さらに好ましくは０．０４０％である。
【００５５】
本実施形態における浸炭窒化部品の芯部の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に替えて、Ｍｏ、Ｃｕ及びＮｉからなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。これらの元素は任意元素であり、はいずれも、鋼の靱性を高める。
【００５６】
Ｍｏ：０〜０．２０％
モリブデン（Ｍｏ）任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｍｏは、鋼の焼入れ性を高め、鋼の靭性及び曲げ疲労強度を高める。Ｍｏが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｏ含有量が高すぎれば、上記効果が飽和するだけでなく、原料コストが高まる。したがって、Ｍｏ含有量は０〜０．２０％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は０．０４％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．２０％未満であり、さらに好ましくは０．１６％である。他の元素により必要な焼入れ性が確保可能な場合、Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．０１％である。
【００５７】
Ｃｕ：０〜０．５０％
銅（Ｃｕ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｃｕは鋼の過剰浸炭を抑制する。Ｃｕはさらに、鋼材の靱性を高め、浸炭窒化部品の曲げ疲労強度を高める。Ｃｕが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃｕ含有量が高すぎれば、効果が飽和する。したがって、Ｃｕ含有量は０〜０．５０％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は０．１０％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は０．５０％未満であり、さらに好ましくは０．３０％である。
【００５８】
Ｎｉ：０〜０．５０％
ニッケル（Ｎｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｎｉは鋼の過剰浸炭を抑制する。Ｎｉはさらに、鋼の靱性を高め、曲げ疲労強度を高める。Ｎｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎｉ含有量が高すぎれば、上記効果が飽和するだけでなく、鋼材の製造コストが高まる。したがって、Ｎｉ含有量は０〜０．５０％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は０．１０％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は０．５０％未満であり、さらに好ましくは０．２０％である。
【００５９】
［浸炭窒化部品の表層領域の炭素濃度］
本実施形態では、浸炭窒化部品の表層のうち、平坦部から深さ０．０５ｍｍまでの領域（以下、平坦部表層領域という）の炭素濃度ＣＰ１が０．７０〜０．８９％であり、エッジ部から深さ０．０５ｍｍまでの領域（以下、エッジ部表層領域という）の炭素濃度ＣＰ２がＣＰ１超〜１．２０％である。
【００６０】
浸炭窒化処理により生成する粗大炭化物は、旧オーステナイト粒界に析出する。そのため、浸炭窒化部品の表層の炭素濃度は、結晶粒内と結晶粒界とで異なる。オーステナイト結晶粒の粒径は通常、０．０１ｍｍ程度である。表面から深さ０．０５ｍｍの領域であれば、深さ方向に３つ以上のオーステナイト結晶粒を含む。そのため、表面から深さ０．０５ｍｍの表層領域で炭素濃度を測定すれば、結晶粒内と結晶粒界との炭素濃度差が平均され、表層の浸炭の度合いを高精度で評価できる。
【００６１】
浸炭窒化部品の平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１は、曲げ疲労強度の指標となる。炭素濃度ＣＰ１が０．７０％未満であれば、平坦部及びエッジ部の表層の硬さが低すぎ、十分な曲げ疲労強度が得られない。一方、炭素濃度ＣＰ１が０．８９％を超えれば、表層の靭性が低下し、曲げ疲労強度が低下する。炭素濃度ＣＰ１が０．７０〜０．８９％であれば、優れた曲げ疲労強度が得られる。炭素濃度ＣＰ１の好ましい下限は０．７２％である。炭素濃度ＣＰ１の好ましい上限は０．８５％である。
【００６２】
エッジ部表層領域では、平坦部表層領域と比較して炭素濃度が高くなる。したがって、炭素濃度ＣＰ２は、炭素濃度ＣＰ１よりも高い。一方、炭素濃度ＣＰ２が１．２０％を超えれば、エッジ部表層領域に粗大なセメンタイトが析出し、曲げ疲労強度が低下する。したがって、炭素濃度ＣＰ２は炭素濃度ＣＰ１よりも高く、１．２０％以下である。炭素濃度ＣＰ２の好ましい上限は１．１５％である。
【００６３】
［浸炭窒化部品の平坦部表層領域の窒素濃度］
浸炭窒化部品の平坦部表層領域の窒素濃度ＮＰは０．１０〜０．８０％である。窒素濃度ＮＰはピッチング強度及び曲げ疲労強度の指標となる。窒素濃度ＮＰが０．１０％未満であれば、平坦部表層領域の焼戻し軟化抵抗が低い。この場合、ピッチング強度が低下する。一方、窒素濃度ＮＰが０．８０％を超えれば、鋼中に残留オーステナイトが過剰に生成する。この場合、平坦部表層領域の硬さが低下し、曲げ疲労強度が低下する。窒素濃度ＮＰが０．１０〜０．８０％であれば、優れた曲げ疲労強度及びピッチング強度が得られる。窒素濃度ＮＰの好ましい下限は０．１５％であり、さらに好ましくは０．２０％である。窒素濃度ＮＰの好ましい上限は０．６０％であり、さらに好ましくは０．４０％である。
【００６４】
平坦部表層領域及びエッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ１、ＣＰ２、及び、窒素濃度ＮＰは、次の方法により測定できる。
【００６５】
平坦部を表面から垂直方向に切断し、その断面（観察面という）において、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて、表面から深さ０．０５ｍｍまでの範囲で、深さ方向に０．００１ｍｍピッチで炭素濃度及び窒素濃度を測定する。得られた炭素濃度の平均を炭素濃度ＣＰ１とし、得られた窒素濃度の平均を窒素濃度ＮＰと定義する。
【００６６】
同様に、エッジ部を表面から垂直方向に切断し、その断面（観察面）において、平坦部と同じ方法で炭素濃度を測定する。得られた炭素濃度の平均を炭素濃度ＣＰ２とする。なお、エッジ部のうち、一方の表面から０．０５ｍｍ深さ位置に相当する部分が、他の表面から０．００５ｍｍ未満の深さ位置に相当する場合、その部分は測定対象から外す。エッジ部を構成する２以上の表面からの深さがいずれも０．０５ｍｍを確保できる部分でエッジ部表層領域の炭素濃度を測定する。浸炭窒化部品の表面に付着している可能性のある黒鉛や表面汚れの影響を排除するためである。
【００６７】
図４は、図２のエッジ部での断面ＣＳの点Ｐｃ近傍部分の一例を示す図である。図４を参照して、エッジ部のうち、エッジ部を形成する２つの面１１、１２から深さ方向に互いに５μｍ離れた箇所を測定の起点Ｐ２とする。起点Ｐ２から深さ方向に０．０５ｍｍ（５０μｍ）の範囲ＭＰを、炭素濃度ＣＰ２の測定位置とする。このとき、範囲ＭＰは、面１１及び１２からの距離が等しくなるように設ける。
【００６８】
後述のとおり、平坦部表層領域及びエッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ１、ＣＰ２と窒素濃度ＮＰは、真空浸炭窒化処理（及びその後の焼入れ処理）における条件を調整することにより調整できる。
【００６９】
［粒界酸化層深さ］
本実施形態の浸炭窒化部品は、上記化学組成の鋼材に対して真空浸炭窒化処理を実施して製造される。そのため、ガス浸炭窒化処理を実施する場合と比較して、浸炭窒化部品に粒界酸化層が形成されにくい。粒界酸化層は、不完全焼入れ組織を形成しやすい。不完全焼入れ組織は、曲げ疲労強度を低下する。したがって、粒界酸化層は少ない方が好ましい。本実施形態の浸炭窒化部品は、真空浸炭処理により製造されるため、粒界酸化層が少ない、又は存在しない。具体的には、粒界酸化層深さは３．０μｍ未満である。好ましくは、粒界酸化層深さが０μｍである。
【００７０】
粒界酸化層深さは次の方法で測定できる。浸炭窒化部品の表面の任意の位置で深さ方向に切断する。表面近傍の断面（以下、観察面という）を鏡面研磨する。鏡面研磨された観察面を１０００倍の光学顕微鏡で観察して写真画像（視野：浸炭窒化部品の表面に平行な幅１５０μｍ×深さ１１０μｍ）を生成する。写真画像において、粒界酸化層が形成された部分のコントラストは、マトリクス（母材）とは異なる。そのため、コントラストに基づいて、粒界酸化層を特定できる。具体的には、表面から内部に向かって筋状に伸びる黒色の酸化物を、粒界酸化層と特定する。上記視野のうち、特定された粒界酸化層の深さを最大のものから上位１０個特定する。特定された１０個の深さの平均を、粒界酸化層深さと定義する。ただし、特定された粒界酸化層が１０個に満たない場合は、特定された粒界酸化層の平均を、粒界酸化層深さと定義する。
【００７１】
［平坦部でのビッカース硬さ］
本実施形態の浸炭窒化部品の平坦部から深さ０．３ｍｍ位置（以下、平坦部位置Ｐ0.3という）でのビッカース硬さはＨＶ６５０以上である。平坦部位置Ｐ0.3で硬さが低ければ、曲げ荷重が負荷されたときに浸炭窒化部品が塑性変形して表面での応力が増大し、曲げ疲労強度が低下する。平坦部位置Ｐ0.3でのビッカース硬さがＨＶ６５０以上であれば、部品として十分な曲げ疲労強度が得られる。平坦部位置Ｐ0.3でのビッカース硬さの好ましい下限はＨＶ７００である。平坦部から深さ０．３ｍｍ位置とは、平坦部（表面）から深さ方向に０．３ｍｍの位置を意味する。
【００７２】
［芯部でのビッカース硬さ］
本実施形態の浸炭窒化部品の芯部のビッカース硬さはＨＶ２６０以上である。芯部のビッカース硬さが低すぎれば、曲げ荷重が負荷されたときに浸炭窒化部品が塑性変形し、表面における応力が増大し、曲げ疲労強度が低くなる。芯部でのビッカース硬さがＨＶ２６０以上であれば、部品として十分な曲げ疲労強度が得られる。芯部でのビッカース硬さの好ましい下限はＨＶ２８０である。
【００７３】
平坦部位置Ｐ0.3及び芯部でのビッカース硬さは次の方法で測定できる。任意の３箇所の平坦部位置Ｐ0.3、及び、芯部での任意の３箇所にて、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４（２００９）に準拠したビッカース硬さ試験を実施する。試験力は２．９４Ｎとする。任意の３箇所の平坦部位置Ｐ0.3、で得られた値の平均を、平坦部位置Ｐ0.3でのビッカース硬さ（ＨＶ）と定義する。同様に、芯部での任意の５箇所で得られた値の平均を、芯部でのビッカース硬さ（ＨＶ）と定義する。
【００７４】
［製造方法］
本実施形態の浸炭窒化部品の製造方法の一例を説明する。
【００７５】
初めに、上述の化学組成を満たす鋼材を製造する。本実施形態では、たとえば、上記化学組成の溶鋼を製造し、連続鋳造法により鋳片（スラブまたはブルーム）を製造する。鋳片に代えて、上記化学組成の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。
【００７６】
次に、鋳片またはインゴッ卜を熱間加工して、ビレット（鋼片）を製造する。その後、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、熱間圧延であってもよいし、熱間鍛造であってもよい。
【００７７】
次に、棒鋼又は線材に対して、冷間鍛造及び／又は機械加工を行って、平坦部とエッジ部とを含む表面を有する所定形状の中間品を製造する。機械加工はたとえば、切削加工、穿孔加工等である。中間品の形状は、最終製品である浸炭窒化部品の用途に応じて決定されるものであり、公知の方法により形成される。
【００７８】
［表面硬化熱処理］
製造された中間品に対して、真空浸炭処理及び窒化焼入れ処理を実施する。本実施形態では、真空浸炭処理及び窒化焼入れ処理における諸条件（均熱時間、浸炭ガスの種類、浸炭ガス圧、浸炭温度、浸炭工程での処理時間、拡散工程での処理時間、冷却工程での冷却速度、窒化工程での窒化ガス圧、アンモニアガス流量、処理時間、焼入れ温度等）は、特に限定されるものではない。これらの諸条件は、鋼材の化学組成、目標とする平坦部表層領域及びエッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ１、ＣＰ２及び窒化濃度ＮＰ、平坦部位置Ｐ0.3及び芯部での硬さに応じて適宜調整される。
【００７９】
具体的には、周知のシミュレーションを用いて真空浸炭処理及び／又は窒化焼入れ処理における上記諸条件を決定してもよいし、真空浸炭処理試験及び／又は窒化焼入れ処理試験を実施して、炭素濃度ＣＰ１、ＣＰ２、窒素濃度ＮＰ、平坦部位置Ｐ0.3及び芯部での硬さが目標とする値となる諸条件を決定してもよい。
【００８０】
本実施形態における真空浸炭処理及び窒化焼入れ処理の諸条件の一例を以下に説明するが、上述のとおり、諸条件はこれに限定されない。
【００８１】
［真空浸炭処理］
真空浸炭処理は、加熱工程と、均熱工程と、浸炭工程と、拡散工程と、冷却工程とを含む。加熱工程では、１０Ｐａ以下に減圧した炉内で中間品を浸炭温度まで加熱する。均熱工程では、加熱工程後、浸炭温度で中間品を均熱する。浸炭工程では、均熱後、炉内に浸炭ガスを導入する。そして、所定の浸炭ガス圧及び浸炭温度で中間品に対して浸炭処理を実施する。拡散工程では、浸炭工程後、中間品を浸炭温度に維持した状態で均熱し、中間品内に侵入した炭素を鋼材中に拡散する。冷却工程では、拡散工程後の中間品を冷却する。
【００８２】
均熱工程における好ましい均熱時間は５〜１２０分であり、さらに好ましくは３０〜６０分である。均熱工程における炉内圧力は、１００Ｐａ以下であってもよいし、窒素ガスの導入と真空ポンプによる真空排気とを同時に行なって、１０００Ｐａ以下の窒素雰囲気としてもよい。
【００８３】
好ましくは、均熱工程において窒素ガスを炉内に導入する。窒素は、炉内の断熱材等から離脱しにくい。そのため、均熱工程にて窒素を炉内に予め導入しておけば、その後の窒化工程において断熱材等が再度窒化されて炉内の雰囲気を乱すことが抑制される。
【００８４】
浸炭工程において用いられる浸炭ガスの種類は、真空浸炭処理に用いられている公知のものを用いることができる。浸炭ガスはたとえば、アセチレン、プロパン、エチレン等の炭化水素ガスである。
【００８５】
浸炭ガスの種類によってスーティングの程度及び浸炭むらの発生度合いが異なる。したがって、浸炭工程における炉内の浸炭ガス圧は、浸炭ガスの種類に応じて適宜設定するのが好ましい。たとえば、浸炭ガスがアセチレンである場合の好ましい浸炭ガス圧は１０〜１０００Ｐａである。浸炭ガスがプロパンである場合の好ましい浸炭ガス圧は２００〜３０００Ｐａである。
【００８６】
好ましい浸炭温度は、９００〜１１００℃である。浸炭温度のさらに好ましい下限は９２０℃である。浸炭温度が９２０℃以上であれば、短時間で所定の炭素濃度の浸炭部品が得られる。浸炭温度のさらに好ましい上限は１０５０℃である。浸炭温度が１０５０℃以下であれば、結晶粒が粗大化しにくい。
【００８７】
浸炭工程及び拡散工程における処理時間は、中間品（鋼材）の化学組成と、目標とする炭素濃度ＣＰ１、ＣＰ２、窒素濃度ＮＰ、平坦部位置Ｐ0.3及び芯部での硬さに応じて適宜調整される。
【００８８】
拡散工程における炉内圧力は、浸炭工程における残留ガスを取り除くため、１００Ｐａ以下であってもよいし、窒素ガスの導入と真空ポンプによる真空排気を同時に行なって、１０００Ｐａ以下の窒素雰囲気としてもよい。
【００８９】
冷却工程では、公知の冷却方法を用いることができる。真空下での放冷であってもよいし、ガス冷却であってもよいし、その他の冷却方法であってもよい。真空下での放冷を実施する場合、好ましい炉内圧力は１００Ｐａ以下である。ガス冷却を実施する場合、冷却ガスとして不活性ガスを用いることが好ましい。好ましい不活性ガスはたとえば、窒素ガス及び／又はヘリウムガスである。より好ましい不活性ガスは、安価で入手が容易な窒素ガスである。冷却ガスとして不活性ガスを用いれば、中間品の酸化が抑制される。
【００９０】
［窒化焼入れ処理］
真空浸炭処理後の中間品に対して、窒化焼入れ処理を実施する。
【００９１】
窒化焼入れ処理は、窒化工程と、焼入れ工程とを含む。窒化工程では、真空浸炭処理後の中間品を窒化雰囲気中で所定の窒化温度で均熱する。このとき、炉内にアンモニア含有ガスを導入して、アンモニア含有雰囲気中で中間品を窒化温度で保持する。これにより、中間品を窒化する。焼入れ工程では、所定時間窒化温度で保持された中間品を冷却して焼入れする。
【００９２】
窒化工程におけるアンモニア含有雰囲気は、窒素ガスと、アンモニアガスと、アンモニアが分解して生成するガスとを含む混合ガスの雰囲気であってもよい。窒化工程における炉内の好ましい窒化ガス圧は、大気圧以下であり、さらに好ましくは４００ｈＰａ以下である。アンモニアガス流量は特に制限しないが、炉の容積と強い相関がある。そのため、たとえば、容積が２０００リットルの炉の場合の好ましいアンモニアガス流量は１リットル／分以上である。窒化工程での好ましい窒化温度は９００℃以下であり、さらに好ましくは８６０℃以下である。
【００９３】
焼入れ工程では、窒化工程後の中間品を急冷する。焼入れ工程前の窒化工程にて温度を変更して（窒化温度から焼入れ温度に変更）、所定時間均熱した後、急冷してもよい。
【００９４】
好ましい焼入れ温度は７８０〜８８０℃であり、さらに好ましくは８２０〜８６０℃である。焼入れ温度での好ましい保持時間は５〜８０分である。焼入れ工程では、油冷、水冷等の公知の冷却方法を用いることができる。油冷する場合、焼入れ油の好ましい温度は６０〜１６０℃である。
【００９５】
本実施形態では、焼入れ工程後、焼戻し工程を実施してもよい。焼戻し工程における好ましい焼戻し温度は１５０〜２００℃であり、さらに好ましくは１６０〜１９０℃である。
【００９６】
以上の工程により、本実施形態による浸炭窒化部品が製造される。
【実施例】
【００９７】
表１に示す化学組成を有する鋼Ａ〜鋼Ｚを有する溶鋼を製造した。
【００９８】
【表１】
0006589708.tif 000002
【００９９】
溶鋼を用いて、インゴッ卜を製造した。インゴッ卜を熱間鍛造して、３５ｍｍの直径を有する丸棒を製造した。製造された丸棒を用いて、次の評価試験を実施した。
【０１００】
［曲げ疲労強度及びピッチング強度の評価試験］
浸炭窒化部品の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窒化焼入れ処理を実施して、浸炭窒化部品とした。浸炭窒化部品（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。一方、浸炭窒化部品の平坦表層部のピッチング強度は、ローラーピッチング試験結果に基づいて評価した。以下、これらの評価試験を詳述する。
【０１０１】
［４点曲げ疲労試験片の作製］
製造した鋼Ａ〜鋼Ｚの各化学組成を有する丸棒から、平坦部とエッジ部とを有する形状の鋼材として、図１に示す複数の４点曲げ疲労試験片１００を作製した。４点曲げ疲労試験片１００は、高さ及び幅が１３ｍｍであり、長さが１００ｍｍであった。４点曲げ疲労試験片１００は、表面３の長さ方向中央に切り欠きを有した。切り欠きは、４点曲げ疲労試験片１００の幅方向に延びており、その断面形状は半径２ｍｍの半円であった。
【０１０２】
［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５に示すローラーピッチング試験片を作製した。ローラーピッチング試験片は、その横断面が円形状であり、中央部に直径２６ｍｍ、長さ２８ｍｍの平行部を有していた。図５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の試験面は、長さ２８ｍｍの平行部のうち中央２０ｍｍの平坦部ＦＰに相当した。
【０１０３】
作製された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に示す諸条件で真空浸炭窒化処理を実施して、各試験番号の浸炭窒化部品を得た。以下、４点曲げ疲労試験片及びローラーピッチング試験片の総称を単に「試験片」という。
【０１０４】
【表２】
0006589708.tif 000003
【０１０５】
試験番号１〜４０の試験片を、１０Ｐａ以下に減圧した炉内で浸炭温度である９５０℃まで加熱し、その後、試験片を９５０℃で６０分均熱した。均熱後、表２に示す浸炭ガスを炉内に導入し、９５０℃の浸炭温度で、表２に示す処理時間（分）で浸炭処理を実施した（浸炭工程）。浸炭工程における浸炭ガス圧は１００Ｐａ以下であった。浸炭工程後、浸炭温度を維持したまま、炉内圧力を１０Ｐａ以下として、表２に示す処理時間（分）で拡散工程を実施した。なお、浸炭工程及び拡散工程の処理時間は、目標とする炭素濃度ＣＰ１、ＣＰ２に応じてシミュレーションにより予め決定した。
【０１０６】
拡散工程後、窒化焼入れ処理の窒化工程を実施した。具体的には、炉内圧力が３００ｈＰａとなるまで窒素ガスを炉内に導入した。さらに、表２に示す流量のアンモニアガス（Ｌ／分）を炉内に供給し、炉内圧力を３００〜３１０ｈＰａとしたアンモニア含有雰囲気中で、試験片を焼入れ温度（窒化温度）で６０分保持した。焼入れ温度は、いずれの試験番号も同じとした。焼入れ温度で６０分保持した後、試験片を１２０℃の焼入れ油に浸漬して油焼入れを実施し、焼入れ処理を兼ねた窒化処理を完了した。窒化処理後、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１２０分であった。
【０１０７】
試験番号４１及び４２では、真空浸炭処理を実施したものの、窒化処理を実施しなかった。具体的には、試験番号１〜４０と同様に、試験片に対して、表２に示す諸条件（他の条件は試験番号１〜４０と同じ）で浸炭工程及び拡散工程を実施した。拡散工程後、８６０℃まで炉冷し、その後、８６０℃で３０分均熱した。均熱後、１２０℃の焼入れ油を用いて油焼入れを実施した。油焼入れ後、試験番号１〜４０と同じ条件で焼戻しを実施した。
【０１０８】
試験番号４３では、試験片に対して、次の表面硬化熱処理を実施した。初めに試験番号１〜４０と同様に、試験片に対して、表２に示す諸条件（他の条件は試験番号１〜４０と同じ）で真空浸炭処理（浸炭工程及び拡散工程）、及び、窒化処理を実施した。窒化温度で６０分保持した後、試験片を炉内で冷却し、炉内温度が８６０℃になったとき、８６０℃で３０分均熱した。その後、窒素雰囲気中で試験片を室温までガス冷却した。ガス冷却後、試験片に対して、高周波焼入れを実施した。焼入れ温度は１０００℃であり、保持時間は１０秒であった。高周波焼入れ後、試験片に対して試験番号１〜４０と同じ条件で焼戻しを実施した。
【０１０９】
試験番号４４の試験片に対しては、真空浸炭処理ではなく、ガス浸炭処理を実施した。具体的には、試験片をＲＸガス中で９５０℃に加熱し、カーボンポテンシャル１．０％で４１分保持する浸炭工程を実施した。浸炭工程後、カーボンポテンシャル０．９％で６２分保持する拡散工程を実施した。拡散工程後、試験片を８６０℃まで炉冷し、８６０℃で１０分間均熱した。均熱後、表２に示す流量のアンモニアガスを炉内に供給して、アンモニア含有雰囲気中で、試験片を焼入れ温度（窒化温度）で６０分保持して窒化処理を実施した。６０分の保持後、１２０℃の焼入れ油を用いて試験片に対して油焼入れを実施した。油焼入れ後の試験片に対して、試験番号１〜４０と同じ条件で焼戻しを実施した。
【０１１０】
［炭素濃度ＣＰ１、ＣＰ２及び窒素濃度ＮＰの測定］
上述の方法により、４点曲げ疲労試験片の平坦部表層領域での炭素濃度ＣＰ１、窒素濃度ＮＰ、及び、エッジ部表層領域での炭素濃度ＣＰ２を求めた。また、ローラーピッチング試験片の平坦部表層領域での炭素濃度ＣＰ１及び窒素濃度ＮＰを求めた。図１及び図２を参照して、４点曲げ疲労試験片の平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１及び窒素濃度ＮＰの測定部位は、切り欠き底を含む断面Ｃｓの頂点Ｐｃ（切り欠きの底に相当）から試験片中央へ２ｍｍ離れた位置Ｐ２０とした。エッジ部表層領域での炭素濃度ＣＰ２の測定部位は、図４に示すとおりとした。
【０１１１】
ローラーピッチング試験片の平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ及び窒素濃度ＮＰの測定部位は、平坦部ＦＰ内の任意の位置とした。上記測定により得られた各試験片での炭素濃度ＣＰ１、ＣＰ２及び窒素濃度ＮＰ（質量％）を表２に示す。
【０１１２】
［４点曲げ疲労試験］
各試験番号の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の距離は３０ｍｍとした。最大負荷応力は１３７３ＭＰａ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（ＭＰａ）と定義した。き裂が４点曲げ試験片の横断面の面積の半分を超えた場合、試験片が破断したと判断した。得られた４点曲げ疲労強度を表２に示す。本実施例では、４点曲げ疲労強度が８５０ＭＰａ以上であれば、十分な曲げ疲労強度が得られたと判断した。
【０１１３】
［ローラーピッチング試験］
各試験番号のローラーピッチング試験片を用いて、ローラーピッチング試験を実施した。試験時の面圧は２２００ＭＰａ、回転数は１５００ｒｐｍであった。１×１０7回試験後の試験片において、剥離した面積が１０ｍｍ2以下であれば、ピッチングが発生しなかったと判断した（表２中で「○」印）。一方、剥離した面積が１０ｍｍ2を超えた場合、ピッチングが発生したと判断した（表２中の「×」印）。試験結果を表２に示す。
【０１１４】
［平坦部位置Ｐ0.3及び芯部でのビッカース硬さ測定］
各試験番号の４点曲げ疲労試験片を長手方向に切断し、切断面を測定面とする試験片を作製した。測定面のうち、平坦部から深さ方向に０．３ｍｍ及び３ｍｍ離れた位置（任意の３点）で、上述の方法によりビッカース硬さ（ＨＶ）を測定し、その平均値を平坦部位置Ｐ0.3のビッカース硬さ（ＨＶ）、及び、芯部のビッカース硬さ（ＨＶ）と定義した。得られた結果を表２に示す。
【０１１５】
［粒界酸化層深さ測定］
各試験番号の４点曲げ疲労試験片を長手方向に切断し、切断面を測定面（４点曲げ疲労試験片の表面含む）とするサンプルを作製した。サンプルの測定面を鏡面研磨し、上述の方法により、粒界酸化層深さ（μｍ）を求めた。粒界酸化層深さが３．０μｍ以上の場合、粒界酸化層が形成されたと判断した（表２中で「有り」）。一方、測定された粒界酸化層が３．０μｍ未満である場合、粒界酸化層が形成されなかったと判断した（表２中で「無し」）。
【０１１６】
［試験結果］
表２を参照して、試験番号１〜２１の化学組成は適正であった。さらに、炭素濃度ＣＰ１は０．７０〜０．８９であり、炭素濃度ＣＰ２はＣＰ１超〜１．２０％であり、窒素濃度ＮＰは０．１０〜０．８０％であった。さらに、平坦部位置Ｐ0.3でのビッカース硬さはＨＶ６５０以上であり、芯部のビッカース硬さはＨＶ２６０以上であった。その結果、これらの試験番号の四点曲げ疲労強度はいずれも８５０ＭＰａ以上であり、優れた曲げ疲労強度を示した。さらに、ローラーピッチング試験ではいずれも剥離面積が１０ｍｍ2以下であり、優れたピッチング強度を示した。
【０１１７】
一方、試験番号２２では、Ｃ含有量が低すぎた。そのため、芯部硬さが低すぎ、曲げ疲労強度が低かった。
【０１１８】
試験番号２３では、Ｓｉ含有量が高すぎた。そのため、曲げ疲労強度が低かった。
【０１１９】
試験番号２４及び４１では、Ｍｎ含有量が低すぎた。さらに、Ｃｒ含有量が高すぎたため、エッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２が高すぎた。その結果、曲げ疲労強度が低かった。
【０１２０】
試験番号２５では、Ｍｎ含有量が低すぎた。そのため、芯部及び平坦部位置Ｐ0.3でのビッカース硬さが低かった。その結果、曲げ疲労強度が低かった。
【０１２１】
試験番号２６では、Ｃｒ含有量が高すぎた。そのため、エッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２が高すぎ、曲げ疲労強度が低かった。
【０１２２】
試験番号２７では、Ｐ含有量が高すぎたため、曲げ疲労強度が低かった。試験番号２８では、Ｃ含有量が高すぎたため、曲げ疲労強度が低かった。
【０１２３】
試験番号２９では、Ｎ含有量が低すぎたため、曲げ疲労強度が低かった。結晶粒が粗大化したためと考えられる。
【０１２４】
試験番号３０〜３２、３４及び３６では、化学組成は適切であったものの、エッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２が高すぎた。その結果、曲げ疲労強度が低かった。
【０１２５】
試験番号３３では、化学組成は適切であったものの、平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１が高すぎた。さらに、エッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２も高すぎた。その結果、曲げ疲労強度が低かった。
【０１２６】
試験番号３５では、化学組成は適切であったものの、平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１が低すぎた。そのため、曲げ疲労強度及びピッチング強度が低かった。
【０１２７】
試験番号３７及び４２では、化学組成は適切であったものの、平坦部表層領域の窒素濃度ＮＰが低すぎた。そのため、ピッチング強度が低かった。
【０１２８】
試験番号３８及び４０では、化学組成は適切であったものの、平坦部位置Ｐ0.3でのビッカース硬さが低すぎた。そのため、曲げ疲労強度が低かった。
【０１２９】
試験番号３９では、化学組成は適切であったものの、平坦部表層領域の窒素濃度ＮＰが高すぎた。その結果、曲げ疲労強度が低かった。
【０１３０】
試験番号４３では、高周波焼入れを実施したため、芯部でのビッカース硬さが低かった。そのため、曲げ疲労強度が低かった。
【０１３１】
試験番号４４では、ガス浸炭処理を実施したため、粒界酸化層深さが３．０μｍ以上であった。そのため、曲げ疲労強度が低かった。
【０１３２】
以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、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。したがって、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更して実施することができる。
【符号の説明】
【０１３３】
Ｐａ    頂点
Ｐｃ    エッジ部
２０  平坦部
１０  エッジ部
【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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