(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０１〜０．２５％、Ｍｎ：０．４〜０．９％、Ｓ：０．００３〜０．０５０％、Ｃｒ：１．６５〜２．００％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％、Ｎｂ：０．０１〜０．０６％、及びＮ：０．０１０〜０．０２５％を含有するとともに、残部：Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、
下記の（１）式で表されるＦｎ１が、−３５≦Ｆｎ１≦−３０を満たし、
不純物としてのＰ及びＯの含有量が、それぞれ、Ｐ：０．０２０％以下、及びＯ：０．００２％以下であり、
表層部のＣ含有量（Ｃｓ）が、０．６５〜１．００％であり、
表面から２０μｍの深さの組織が、マルテンサイト及び残留オーステナイトの合計で９７％以上であり、
表面から２００μｍ深さの範囲での最大残留オーステナイト体積率が１３〜２８％であり、
表面から２０μｍの深さ位置での残留オーステナイト体積率と、表面から２００μｍの範囲で最大残留オーステナイト体積率との、比が０．８０以下であり、
表面に厚さ１．０〜１５．０μｍの塑性流動組織を有し、
表面の算術平均粗さＲａが０．８μｍ以下であり、
曲げ疲労強度が７７５ＭＰａ以上であり、低サイクル曲げ疲労強度が８７５ＭＰa以上である
ことを特徴とする浸炭機械構造部品。
Ｆｎ１＝３８×Ｓｉ−７×Ｍｎ＋７×Ｎｉ−１７×Ｃｒ−１０×Ｍｏ    ・・・（１）
但し、（１）式中の元素記号には、その元素の含有量（質量％）が代入される。
【請求項２】
前記残部に代えて、さらに、質量％で、Ｐｂ：０．５％、Ｃｕ：０．０５〜０．３％、Ｎｉ：０．０５〜０．３％、及びＭｏ：０．０５〜０．１５％未満から選択される１種以上を含有する、請求項１に記載の浸炭機械構造部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸炭して表面硬化を施した機械構造部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や産業機械の歯車、シャフトなどの鋼製動力伝達部品には、表面硬化処理の一種である浸炭焼入れが施されるものがある。
【０００３】
浸炭焼入れする機械構造部品の製造方法は、例えば次の方法が挙げられる。即ち、初めに、最終部品に近い形状の粗部材を製造する。製造された粗部材に対して、切削加工を施して、最終部品形状にさらに近い中間部材を製造する。中間部材に対して浸炭焼入れ、研削加工を順次施して、最終部品としての機械構造部品を得る。
【０００４】
このように製造された部品は、燃費向上のため、小型化、軽量化が進み、部品にかかる負荷が増加する傾向にある。この結果、摺動面の耐摩耗性（特に高負荷が繰り返されることによる耐疲労摩耗）や、繰り返し数が１０7回オーダでの曲げ疲労強度（以下、単に「曲げ疲労強度」と称する場合がある）、さらには高負荷が繰り返される状況下における繰り返し数が１０4回オーダでの曲げ疲労強度（以下、単に「低サイクル曲げ疲労強度」と称する場合がある）に優れた部品の開発が、益々要請されている。
【０００５】
疲労強度を高める技術は、特許文献１から３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−１２０３１３号公報
【特許文献２】特開平８−２６０１２５号公報
【特許文献３】特開２００７−２１００７０号公報
【０００７】
特許文献１には、鋼部材に、強度向上のためのショットピーニングを施し、さらにその極表層部を切削加工する技術が開示されている。特許文献１では、当該技術により、疲労特性及びショットピーニング加工部の被削性が向上する、とされている。
【０００８】
特許文献２には、浸炭焼入れ及び焼戻しを施して表面硬化層を形成した後、表面硬化層を研削除去する技術が開示されている。特許文献２では、当該技術により、疲労強度が高まる、とされている。
【０００９】
特許文献３には、金属部材に対して、すくい面をネガティブ方向に３０〜５０°の範囲で傾けた工具を用いて旋削加工を施す技術が開示されている。特許文献３では、当該技術により、ショットピーニングのような工程を施さなくても、圧縮残留応力を付与して疲労強度を高めることができる、とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、昨今の機械構造部品、例えば、歯車、シャフトおよびCVTプーリーに用いられる機械構造部品については、摺動と衝撃的な荷重が繰り返し付加されることがあるという理由から、優れた耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が同時に要求される。
【００１１】
しかしながら、特許文献１から３に開示された技術によって製造された機械構造部品であっても、耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度を同時に高いレベルで発現させることは困難な場合がある。また、コスト面からは、ショットピーニングを省略し、さらに切削加工時に工具摩耗を抑制することも望まれる。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度に優れ、しかも被削性にも優れた浸炭機械構造部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度に優れ、しかも被削性にも優れた浸炭機械構造部品について、鋭意検討した。その結果、浸炭機械構造部品の化学組成と、金属組織と、表面の算術平均粗さと、を制御すれば、耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度に優れ、しかも被削性にも優れた浸炭機械構造部品を得ることができる、との知見を得た。以上の知見に基づき、本発明者らは発明を完成した。その要旨は以下のとおりである。
【００１４】
［１］質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０１〜０．２５％、Ｍｎ：０．４〜０．９％、Ｓ：０．００３〜０．０５０％、Ｃｒ：１．６５〜２．００％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％、Ｎｂ：０．０１〜０．０６％、及びＮ：０．０１０〜０．０２５％を含有するとともに、残部：Ｆｅ及び不可避的不純物を含み、
下記の（１）式で表されるＦｎ１が、−３５≦Ｆｎ１≦−３０を満たし、
不純物としてのＰ及びＯの含有量が、それぞれ、Ｐ：０．０２０％以下、及びＯ：０．００２％以下であり、
表層部のＣ含有量（Ｃｓ）が、０．６５〜１．０％であり、
表面から２０μｍの深さの組織が、マルテンサイト及び残留オーステナイトの合計で９７％以上であり、
表面から２００μｍ深さの範囲での最大残留オーステナイト体積率が１３〜２８％であり、
表面から２０μｍの深さ位置での残留オーステナイト体積率と、表面から２００μｍの範囲で最大残留オーステナイト体積率との、比が０．８以下であり、
表面に厚さ１〜１５μｍの塑性流動組織を有し、
表面の算術平均粗さＲａが０．８μｍ以下である、
ことを特徴とする浸炭機械構造部品。
Ｆｎ１＝３８×Ｓｉ−７×Ｍｎ＋７×Ｎｉ−１７×Ｃｒ−１０×Ｍｏ    ・・・（１）
但し、（１）式中の元素記号には、その元素の含有量（質量％）が代入される。
【００１５】
［２］質量％で、Ｐｂ：０．５％、Ｃｕ：０．０５〜０．３％、Ｎｉ：０．０５〜０．３％、及びＭｏ：０．０５〜０．１５％から選択される１種以上を含有する、上記［１］に記載の浸炭機械構造部品。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る浸炭機械構造部品では、浸炭機械構造部品の化学組成と、金属組織と、表面の算術平均粗さと、について改良を加えている。その結果、本発明に係る浸炭機械構造部品によれば、耐摩耗性、曲げ疲労強度、低サイクル曲げ疲労強度、被削性を、すべて高いレベルで発現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、浸炭機械構造部品の軸方向に垂直な面の走査型電子顕微鏡像である。
【図２】図２は、二円筒摩耗試験に用いる摩耗試験片の側面図である。
【図３】図３は、小野式回転曲げ疲労試験に用いる疲労試験片の側面図である。
【図４】図４は、二円筒摩耗試験方法を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、単に「実施形態」と称する場合がある）を詳細に説明する。これらの実施形態は、本発明を限定するものではない。また、上記実施形態の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。さらに、上記実施形態に含まれる各種形態は、当業者が自明の範囲内で任意に組み合わせることができる。なお、図中、同一又は相当する部材には、同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１９】
＜浸炭機械構造部品＞
浸炭機械構造部品（以下、単に「部品」と称する場合がある）の素材となる鋼材は、次の化学組成を有する。なお、以下に示す各元素の割合（％）は全て質量％を意味する。
【００２０】
[浸炭機械構造部品の化学組成（必須要件）}
Ｃ：０．１〜０．３％
炭素（Ｃ）は、部品の強度（特に芯部の強度）を高める。Ｃ含有量が低すぎれば、この効果が得られず、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。一方、Ｃ含有量が高すぎれば、鋼材の強度が高くなり、鋼材の被削性が低下する。従って、Ｃ含有量は０．１〜０．３％とする。Ｃ含有量の好ましい下限は０．１５％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．２５％である。
【００２１】
Ｓｉ：０．２５％以下
シリコン（Ｓｉ）は、表面硬化処理後の切削加工時に、工具と鋼の凝着を引き起こし、工具摩耗を増大させる。従って、Ｓｉ含有量は０．２５％以下とする。Ｓｉ含有量の好ましい上限は、０．１５％である。なお、量産における製造コストを考慮すると、Ｓｉ含有量の下限は０．０１％とすることが好ましい。
【００２２】
Ｍｎ：０．４〜０．９％
マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼入れ性を高めるとともに、鋼中の残留オーステナイトを増加させる。その結果、部品の耐摩耗性及び曲げ疲労強度が高まる。しかし、Ｍｎ含有量が０．４％未満では、この効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が０．９％を超えると、ガス浸炭中の表層にセメンタイトが生成しやすくなり、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。従って、Ｍｎ含有量は０．４〜０．９％に限定する。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．５％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．８％である。
【００２３】
Ｐ：０．０５０％以下
燐（Ｐ）は不純物である。Ｐは、オーステナイト結晶粒界に偏析して鋼を脆化する。従って、Ｐ含有量は０．０５０％以下とする。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０３０％であって、さらに低いことがより好ましい。
【００２４】
Ｓ：０．００３〜０．０５０％
硫黄（Ｓ）は、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、被削性を高める。Ｓ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｓ含有量が高すぎれば、粗大なＭｎＳを形成して、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。従って、Ｓ含有量は０．００３〜０．０５０％に限定する。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０１５％である。
【００２５】
Ｃｒ：１．６５〜２．００％
クロム（Ｃｒ）は、炭素との親和性が高いため、ガス浸炭時に表面炭素濃度を増大させる効果があり、また、浸炭層のＭｓ点を低下させる効果がある。その結果、浸炭焼入れ後の表層に残留オーステナイトが生成するため、疲労摩耗による耐摩耗性向上に有効な元素である。しかし、その含有量が１．６５％未満では、上記効果が十分でなく、目標とする耐摩耗性が得られない。一方、Ｃｒの含有量が２．００％を超えると、ガス浸炭中の表層にセメンタイトが生成しやすくなり、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。従って、Ｃｒの含有量を１．６５〜２．００％とした。Ｃｒの含有量は、１．７０％以上とすることが好ましく、１．７５％以上とすることが一層好ましい。また、Ｃｒの含有量は１．９５％以下とすることが好ましく、１．９０％以下とすることが一層好ましい。
【００２６】
Ａｌ：０．０１０〜０．０６０％
アルミニウム（Ａｌ）は、Ｎと結合してＡｌＮを形成し、鋼の結晶粒を微細化することで、鋼の強度を高める。Ａｌ含有量が低すぎれば、この効果は得られない。一方、Ａｌ含有量が高すぎれば、硬質で粗大なＡｌ２Ｏ３が生成して、鋼の被削性が低下し、さらに、曲げ疲労強度及び低サイクル疲労強度も低下する。従って、Ａｌ含有量は０．０１０〜０．０６０％とする。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０２０％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０５０％である。
【００２７】
Ｎｂ：０．０１〜０．０６％
ニオブ（Ｎｂ）は、Ｃ、Ｎと結合してＮｂＣ、ＮｂＮ、Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）を形成することで、浸炭加熱時のオーステナイト粒の粗大化を抑制する効果がある。その結果、使用時に亀裂の発生を抑制して、部品の低サイクル曲げ疲労強度が顕著に向上する。この効果を安定して得るためには、０．０１％以上のＮｂを含有させる必要がある。一方、Ｎｂの含有量が０．０６％を超えると、オーステナイト粒粗大化抑制の効果がむしろ低下する。従って、Ｎｂの含有量を０．０１〜０．０６％とした。Ｎｂの含有量は、０．０１５％以上とすることが好ましく、０．０２％以上とすることが一層好ましい。また、Ｎｂの含有量は０．０５％以下とすることが好ましく、０．０４％以下とすることが一層好ましい。
【００２８】
Ｎ：０．０１０〜０．０２５％
窒素（Ｎ）は窒化物を形成して鋼の結晶粒を微細化し、部品の耐摩耗性を高める。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、粗大な窒化物が生成して鋼の靱性が低下する。従って、Ｎ含有量を０．０１０〜００２５％に限定する。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０２０％である。
【００２９】
Ｏ：０．００２％以下
酸素（Ｏ）は不純物である。ＯはＡｌと結合して硬質な酸化物系介在物を形成する。酸化物系介在物は鋼の被削性を低下させ、曲げ疲労強度及び低サイクル疲労強度も低下させる。従って、Ｏ含有量は０．００２％以下とする。Ｏ含有量はなるべく低い方がよい。
【００３０】
上記鋼材の化学組成の残部には、Ｆｅ及び不可避的不純物が含まれる。不可避的不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップ、又は、製造工程の環境等から混入する成分であって、鋼材に意図的に含有させた成分ではない成分を意味する。例えば、０．０１％以下のＢ、０．０１％以下のＣａ、０．０１％以下のＭｇなどが該当する。
【００３１】
[浸炭機械構造部品の化学組成（任意選択的要件）]
Ｐｂ：０．５％以下
鉛（Ｐｂ）は選択元素であり、含有されなくてもよい。Ｐｂを含有した場合、工具摩耗の低減、及び切り屑処理性の向上などの被削性が良好となる。しかしながら、Ｐｂ含有量が高すぎれば、鋼の強度及び靱性が低下し、耐摩耗性及び曲げ疲労強度も低下するため、Ｐｂ含有量の上限は０．５％以下とすることが好ましい。このようなＰｂの効果を安定して得るためには、Ｐｂの含有量は０．０３％以上とすることが好ましい。Ｐｂ含有量のさらに好ましい上限は０．４％以下である。
【００３２】
Ｃｕ：０〜０．３％
銅（Ｃｕ）は、焼入れ性を高める作用があり、低サイクル曲げ疲労強度や耐ピッチング強度を高めるので、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｕの含有量が０．３％を超えると、浸炭性を阻害するために浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが増加しにくくなり、耐摩耗性が低下する。従って、含有させる場合のＣｕ含有量は０．３％以下とすることが好ましい。Ｃｕの含有量は０．２５％以下とすることがさらに好ましく、０．２％以下とすることが一層好ましい。このようなＣｕの効果を安定して得るためには、Ｃｕの含有量は、０．０５以上とすることが好ましく、０．１％以上とすることが一層好ましい。
【００３３】
鋼材はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｍｏ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。これらの元素はいずれも、鋼の焼入れ性を高め、残留オーステナイトを増加させる。
【００３４】
Ｍｏ：０．１５％以下
モリブデン（Ｍｏ）は選択元素であり、含有されなくてもよい。Ｍｏは鋼の焼入れ性を高め、残留オーステナイトを増加させる。Ｍｏはさらに、焼戻し軟化抵抗を高め、耐摩耗性及び曲げ疲労強度を高める。しかしながら、Ｍｏ含有量が高すぎれば、浸炭焼入れ及び焼戻し後の残留オーステナイトが過剰となる。この場合、切削加工時に十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。その結果、部品の耐摩耗性及び曲げ疲労強度が低下する。従って、Ｍｏ含有量を０．１５％以下に限定することが好ましい。Ｍｏ含有量のさらに好ましい上限は０．１３％である。また、Ｍｏを添加する場合、上記の効果を得るためのＭｏ含有量の好ましい下限は０．０５％である。
【００３５】
Ｎｉ：０．３％以下
ニッケル（Ｎｉ）は選択元素であり、含有されなくてもよい。Ｎｉは鋼の焼入れ性を高め、残留オーステナイトを増加させる。Ｎｉはさらに、鋼の靱性を高める。しかしながら、Ｎｉ含有量が高すぎれば、浸炭焼入れ及び焼戻し後の残留オーステナイトが過剰となる。この場合、焼戻し後の切削加工時に十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。その結果、部品の耐摩耗性及び曲げ疲労強度が低下する。従って、Ｎｉ含有量を０．３％以下とすることが好ましい。Ｎｉ含有量のさらに好ましい上限は０．２％である。また、Ｎｉを添加する場合、上記の効果を得るためのＮｉ含有量の好ましい下限は０．０５％である。
【００３６】
[各元素の含有量の関係（必須要件）]
本実施形態に係る浸炭機械構造部品は、下記（２）式で表されるＦｎ１が、−３５以上−３０以下の範囲内でなければならない。
Ｆｎ１＝３８×Ｓｉ−７×Ｍｎ＋７×Ｎｉ−１７×Ｃｒ−１０×Ｍｏ    ・・・（２）
なお、（１）式中の元素記号には、その元素の含有量（質量％）が代入される。
【００３７】
本実施形態に係る浸炭機械構造部品において、耐摩耗性を効率的に発現させるためには、浸炭焼入れ後に安定して残留オーステナイトを生成することが必要である。このためには、Ｆｎ１が上記範囲になければならない。Ｆｎ１は、ガス浸炭における炭素侵入のしやすさの指標であり、Ｆｎ１が小さいほど同じガス浸炭条件でも、表面の炭素濃度は高くなる。
【００３８】
しかしながら、Ｆｎ１が−３５より小さくなると、表面にセメンタイトが生成し、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。また、Ｆｎ１が−３０を超えると、表面の炭素濃度の上昇が不十分であり浸炭焼入れ時に生じる残留オーステナイト量が不十分となり、有効な耐摩耗性を発現できない。従って、−３５≦Ｆｎ１≦−３０とした。Ｆｎ１は、−３３以上であることが好ましく、また、−３１以下であることが好ましい。
【００３９】
[表層部のＣ含有量（Ｃｓ）：０．６５〜１．０％]
表層部に含まれるＣは、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度を高める。Ｃｓが低ければ、切削加工前後での残留オーステナイトの体積減少率が小さくなり、表層の硬さも低くなる。その結果、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。一方、Ｃｓが高ければ、表層部に硬質な初析セメンタイトが生成する。Ｃｓが過度に高く、表層部の初析セメンタイトが３％を超えた場合、セメンタイトが疲労破壊の起点となり、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下するだけでなく、切削加工時の工具摩耗が増大し、被削性が低下する。従って、表層部のＣ含有量（Ｃｓ）を０．６５〜１．０％に限定する。Ｃｓの好ましい下限は０．７０％である。Ｃｓの好ましい上限は０．９５％である。
【００４０】
[浸炭機械構造部品の組織及び表面の算術平均粗さ]
本実施形態に係る浸炭機械構造部品は、その表面から２０μｍの深さの組織が、マルテンサイト及び残留オーステナイトの合計で９７％以上であり、表面から２００μｍ深さの範囲での最大残留オーステナイト体積率（Ｒ１）が１３〜２８％であり、表面から２０μｍの深さ位置（以下、単に「基準位置」と称する場合がある）での残留オーステナイト体積率（Ｒ２）と、表面から２００μｍの範囲で最大残留オーステナイト体積率との、比（Ｍ）が０．８以下であり、表面に厚さ１〜１５μｍの塑性流動組織を有し、表面の算術平均粗さＲａが０．８μｍ以下である。
【００４１】
浸炭機械構造部品の組織観察は次の方法で実施される。上記基準位置を含む試験片を用意する。鏡面研磨した試験片を、５％ナイタール溶液で腐食する。表面から２０μｍ深さの位置を中心として、倍率１０００倍の光学顕微鏡にて３視野観察する。観察の対象範囲は、視野の中心から部品の表面方向に１０μｍ、視野の中心から部品内部方向に１０μｍ、視野の中心から部品の表面方向と垂直な両方向に各々５０μｍの２０μｍ×１００μｍの範囲内であり、各相の面積率を通常の画像解析方法によって求める。得られた各相の面積率を各相の体積率と定義する。
【００４２】
光学顕微鏡による組織観察では、フェライト、セメンタイト、及びマルテンサイトと残留オーステナイトの混合組織が区別して観察される。但し、残留オーステナイトはマルテンサイト相中に含まれるため、光学顕微鏡では、マルテンサイトと残留オーステナイトを区別することができない。そこで、部品の残留オーステナイトの体積率を、次の方法で測定する。
【００４３】
即ち、部品の表面にφ３ｍｍの穴が開いたマスキングを施し、電解研磨を施す。１１．６％の塩化アンモニウムと、３５．１％のグリセリンと、５３．３％の水とを含有する電解液を準備する。この電解液を用いて、基準位置を含む表面を、＋２０Ｖの電圧で電解研磨を実施する。電解研磨の時間を変化させることで研磨量を調整し、２０μｍ深さの穴を開ける。
【００４４】
続いて、電解研磨された穴底面の残留オーステナイト量を測定する。測定には市販のＸ線回折装置を使用することができる。光源にはＣｒ管球を使用する。Ｘ線回折により得られたｂｃｃ構造の（２２１）面と、ｆｃｃ構造の（２２０）面の回折ピークの積分強度比に基づいて、残留オーステナイトの体積率を測定する。
【００４５】
(基準位置での組織：マルテンサイトと残留オーステナイト合計で９７％以上)
表面から２０μｍの深さ位置（基準位置）にフェライト、パーライト等の強度の低い相が存在すれば、これらの相を基点に亀裂が発生しやすく、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。また、初析セメンタイトが存在すれば、切削加工時の工具摩耗が増大するうえに、疲労破壊の起点となるため、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。従って、マルテンサイト及び残留オーステナイト合計の体積率を９７％以上に限定する。上記体積率は９９％以上とすることが好ましい。
【００４６】
(表面から２００μｍ深さの範囲での最大残留オーステナイト体積率（Ｒ１）：１３〜２８％)
残留オーステナイトは、切削加工時に加工誘起マルテンサイト変態を発生する。その結果、表面の強度が上昇し、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が上昇する。このような効果を得るためには、最大残留オーステナイト体積率（Ｒ１）が少なくとも１３％存在しなければならない。一方、残留オーステナイトは軟質であるため体積率（Ｒ１）が２８％を超えるとかえって強度が低下する。従って、体積率（Ｒ１）は１３〜２８％に限定する。体積率（Ｒ１）は１５〜２５％とすることが好ましい。なお、上述した電解研磨方法と同じ方法を用いて、表面から１０μｍピッチで２００μｍ深さまで測定した残留オーステナイトの体積率のうち最大の値を、最大残留オーステナイト体積率（Ｒ１）とした。
【００４７】
（基準位置での残留オーステナイト体積率（Ｒ２）と、表面から２００μｍの範囲で最大残留オーステナイト体積率（Ｒ１）との、比（Ｍ（＝Ｒ２／Ｒ１））が０．８以下）
比Ｍは、仕上げ加工時の加工誘起マルテンサイト変態の程度を表す。Ｍが小さいと、仕上げ加工時により多くの加工誘起マルテンサイト変態が発生したことを意味し、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が向上する。上記の効果を得るためにはＭが０．８以下でなければならない。なお、好ましいＭの値は０．７５以下である。
【００４８】
（表面に厚さ１〜１５μｍの塑性流動組織が存在すること）
表層の塑性流動組織の厚さは次の方法で測定される。部品の表面を含み、部品の軸方向（例えば、ダンベル状の試験片の場合はその長手方向）に垂直な面（横断面）が観察面になるような試験片を採取する。鏡面研磨した試験片を、５％ナイタール溶液で腐食する。腐食された面を、倍率５０００倍の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察する。得られたＳＥＭ像の一例を図１に示す。同図において、塑性流動組織１１は、中心部１２に対して組織が製品部材の周方向（図１において紙面の左方向から右方向）に湾曲している部分であり、製品部材の表面から湾曲した組織の端までの距離を塑性流動組織１１の厚さと定義した。
【００４９】
本実施形態に係る浸炭機械構造部品を製造する際には、切削加工時に、表層に大きな変形が生じ、塑性流動組織が形成される。この塑性流動組織は硬質であり、厚さが１μｍ以上になると部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が向上する。しかし、塑性流動組織は脆いため、その厚さが薄い場合にはある程度変形が可能であるが、厚さが１５μｍを超えると、割れが生じて亀裂の発生起点となるため、部品の曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が逆に低下する。さらに、厚さが１５μｍを超えると、仕上げ加工時の工具への負担が大きくなり、工具寿命が著しく低下する。従って、表層の塑性流動組織の厚さは１〜１５μｍに限定した。
【００５０】
（表面の算術平均粗さＲａ：０．８μｍ以下）
算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１（２００１）に規定される算術平均粗さＲａであり、この規定に準拠する。算術平均粗さＲａの評価方法及び測定機は、ＪＩＳ  Ｂ０６３３（２００１）及びＪＩＳ  Ｂ０６５１（２００１）の規定に準拠する。
【００５１】
表面の算術平均粗さＲａが０．８μｍよりも大きい場合、仕上げ研磨を行って、算術平均粗さＲａを０．８μｍ以下にする。仕上げ研磨としては、例えば、ラップ研磨を採用することができる。
【００５２】
部品表面の算術平均粗さＲａが大きすぎれば、部品摺動面の摩擦抵抗が大きくなり、部品の耐摩耗性が低下する。従って、部品表面の算術平均粗さＲａは０．８μｍ以下に限定する。
【００５３】
以上示したように、本実施形態に係る浸炭機械構造部品では、特定の成分の鋼材に対して加工誘起変態を発生させて硬質のマルテンサイトを十分に存在させることで、耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度、及び被削性を高めることができる。また、本実施形態に係る浸炭機械構造部品では、さらに、Ｎｂを添加したことで、浸炭加熱時のオーステナイト粒の粗大化を抑制し、亀裂の発生を抑制し、特に、部品の低サイクル曲げ疲労強度を一段と高めることができる。
【００５４】
＜浸炭機械構造部品の製造方法＞
次に、本実施形態に係る浸炭機械構造部品の製造方法の一例を説明する。
【００５５】
［粗加工品の製造工程］
上記化学組成を有する鋼材を加工して粗加工品を製造する。加工方法は周知の方法でよい。例えば、熱間加工、冷間加工、切削加工等を用いることができる。粗加工品は、最終部品に近い形状とする。
【００５６】
［浸炭焼入れ工程］
浸炭焼入れ工程は、初めに、浸炭処理を施し、その後、恒温保持処理を施し、さらに、焼入れ処理及び焼き戻し処理を施す。浸炭処理、恒温保持処理、焼入れ処理及び焼き戻し処理は、それぞれ、次の条件で行う。
【００５７】
（浸炭処理）
浸炭温度（Ｔ１）：９００〜１０５０℃
浸炭温度Ｔ１が低すぎれば、粗加工品の表層が十分に浸炭されない。この場合、浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが少なく、表層の硬さも低い。そのため、製品部材の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低くなる。一方、浸炭温度Ｔ１が高すぎれば、オーステナイト粒が粗大化して耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。従って、浸炭温度Ｔ１は、例えば９００〜１０５０℃とすることができる。
【００５８】
カーボンポテンシャル（Ｃｐ１）：０．７〜１．１％
カーボンポテンシャルＣｐ１が低すぎれば、十分浸炭されない。Ｃｐ１が低い場合、浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが少なく、仕上げ加工後の表層の硬さが低くなるため、部品の耐摩耗性が低下する。一方、Ｃｐ１が高すぎれば、浸炭時に析出した硬質な初析セメンタイトが残存して切削加工時の工具摩耗が増大し、被削性が低下する。従って、Ｃｐ１は、例えば０．７〜１．１％とすることができる。Ｃｐ１は浸炭処理時に上記範囲内で変動させてもよい。
【００５９】
浸炭時間（ｔ１）：６０〜２４０分
浸炭処理の時間（浸炭時間）ｔ１が短すぎれば、十分な浸炭がされない。一方、ｔ１が長すぎれば、生産性が低下する。従って、ｔ１は、例えば６０〜２４０分とすることができる。
【００６０】
（恒温保持処理）
浸炭処理後、恒温保持処理を施す。恒温保持処理は、次の条件で行う。
【００６１】
恒温保持温度（Ｔ２）：８２０〜８７０℃
恒温保持温度Ｔ２が低すぎれば、カーボンポテンシャル等の雰囲気制御が困難になり、残留オーステナイトの体積率が調整しにくい。一方、Ｔ２が高すぎれば、焼入れ時に生じる歪みが増大して、焼割れが発生する場合がある。従って、恒温保持温度Ｔ２は、例えば８２０〜８７０℃とすることができる。
【００６２】
カーボンポテンシャル（Ｃｐ２）：０．７〜０．９％
恒温保持処理時におけるカーボンポテンシャルＣｐ２が低すぎれば、浸炭時に侵入したＣが再度外部に放出されて浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが少なくなり、表層硬さが低下し、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。一方、Ｃｐ２が高すぎれば、硬質な初析セメンタイトが析出して切削加工時の工具摩耗が増大し、浸炭品の被削性が低下する。従って、Ｃｐ２は、例えば０．７〜０．９％とすることができる。
【００６３】
恒温保持時間（ｔ２）：２０〜６０分
恒温保持時間ｔ２が短すぎれば、浸炭品の温度が均一にならず、焼入れ時に生じる歪みが増大して、浸炭品に焼割れが生じる場合がある。一方、ｔ２が長すぎれば、生産性が低下する。従って、ｔ２は、例えば２０〜６０分とすることができる。
【００６４】
（焼入れ処理）
上記恒温保持処理後、周知の方法で焼入れ処理を施す。焼入れ処理としては、例えば、油焼入れが挙げられる。
【００６５】
（焼戻し処理）
上記浸炭焼入れ処理を施した後、焼戻し処理を施す。焼戻し処理を行えば、製品部材の靱性が高まる。さらに、Ｃが拡散して炭化物の前駆体を生成するため、残留オーステナイトが不安定化して、切削加工時に加工誘起マルテンサイト変態が発生しやすくなる。焼戻し処理は次の条件で行われる。
【００６６】
焼戻し温度（Ｔ３）：１６０〜２００℃
焼戻し温度Ｔ３が低すぎれば、上記焼戻しによる効果が得られない。一方、焼戻し温度が高すぎれば、残留オーステナイトが著しく不安定化して、焼戻し中に残留オーステナイトが分解する。さらに、分解せずに残留したオーステナイトは、熱処理歪みから解放されて安定化するため、切削加工時に十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。従って、Ｔ３は、例えば１６０〜２００℃とすることができる。
【００６７】
焼戻し時間（ｔ３）：６０〜１８０分
焼戻し時間ｔ３が短すぎれば、上記焼戻しの効果が得られない。一方、焼戻し時間ｔ３が長すぎれば、残留オーステナイトが著しく不安定化して、焼戻し中に残留オーステナイトが分解する。さらに、分解せずに残留したオーステナイトは、熱処理歪みから解放されて安定化するため、切削加工時に十分に加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。従って、ｔ３は６０〜１８０分とする。
【００６８】
以上に示す浸炭焼入れ工程により得られた浸炭品は、その表面から５０μｍの深さまでのＣ含有量（Ｃｓ）が、０．６〜１．０％となっている。その後、以下に示すような仕上げ加工としての切削加工を経て、所望の浸炭機械構造部品が得られる。なお、浸炭部品の表層部のＣ濃度は、当該部品の表層５０μｍを切削加工によって切り出し、その切粉中のＣ含有量を発光分光分析で定量測定する。また、部品表層部のＣ濃度は、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）を用いて定量分析することもできる。
【００６９】
［切削加工工程］
上記浸炭焼入れ工程を経た後、切削加工工程を行う。切削加工工程により、製品部材の形状に仕上げつつ、表層に加工誘起マルテンサイト変態を生じさせる。これにより、部品の耐摩耗性が高まる。本発明における切削加工工程は、次の条件で行う。
【００７０】
切削工具のすくい角α：−３０°＜α≦−５°
すくい角αが−５°よりも大きければ、切削加工時に加工誘起マルテンサイト変態が十分に発生しない。そのため、部品の耐摩耗性が低下する。一方、αが−３０°以下であれば、切削抵抗が大きくなりすぎる。この場合、工具摩耗が増大し、場合によっては工具が欠損する。従って、αは、例えば−３０°＜α≦−５°とすることができる。より好ましいαの範囲は−２５°以上−１５°以下である。
【００７１】
工具のノーズｒ：０．４〜１．２ｍｍ
工具のノーズｒが小さければ表面粗さが大きくなり、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。表面粗さが大きくなった場合には、仕上げ研磨を実施して、表面粗さを小さくしなければならない。一方、ｒが大きければ、切削抵抗が大きくなるため、工具摩耗が増大する。従って、ｒは、例えば０．４〜１．２ｍｍとすることができる。
【００７２】
送りｆ：０．１超〜０．４ｍｍ／ｒｅｖ
送りｆが小さければ、切削抵抗、つまり、工具が被削材に押し付けられる力が小さくなり、十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。そのため、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。一方、送りが大きければ、切削抵抗が大きくなって工具摩耗が大きくなる。そのため、部品の耐摩耗性が低下する。従って、ｆは、例えば０．１超〜０．４ｍｍ／ｒｅｖとすることができる。ｆの好ましい下限は０．２ｍｍ／ｒｅｖである。
【００７３】
切削速度ｖ：５０〜１５０ｍ／分
切削速度ｖが大きければ、切削温度が上昇し、凝着摩耗が発生して工具摩耗が増大する。さらに、発熱によってオーステナイトの加工誘起変態が抑制され、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。一方、ｖが小さければ、切削能率が低下する。従って、切削速度ｖは、例えば５０〜１５０ｍ／分とすることができる。
【００７４】
切り込みｄ：０．０５〜０．２ｍｍ
切り込みｄが小さければ、切削抵抗が小さくなるため、十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。そのため、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。一方、切り込みｄが大きければ、切削抵抗が大きくなり、工具摩耗が大きくなる。従って、ｄは、例えば０．０５〜０．２ｍｍとすることができる。ｄの好ましい下限は０．０８ｍｍであり、好ましい上限は０．１５ｍｍである。
【００７５】
以上に示す浸炭機械構造部品の製造方法では、特に、浸炭焼入れ工程及び切削加工工程における上述した諸条件設定により、化学組成と、金属組織と、表面の算術平均粗さと、について改良を加えられた浸炭機械構造部品が得られる。従って、当該製造方法により得られた浸炭機械構造部品は、耐摩耗性、曲げ疲労強度、低サイクル曲げ疲労強度、被削性を、すべて高いレベルで発現することができる。
【実施例】
【００７６】
真空炉を用いて、表１に示す化学組成を有する１５０ｋｇの鋼片Ａ〜Ｓを得た。
【００７７】
【表１】
0006558016.tif 000002
【００７８】
各鋼種の溶鋼を用いて、造塊法によりインゴットを得た。各インゴットを１２５０℃で４時間加熱した後、熱間鍛造を行って直径３５ｍｍの丸棒を得た。熱間鍛造時の仕上げ温度は１０００℃であった。
【００７９】
各丸棒に対して焼準処理を行った。焼準処理温度は９２５℃であり、焼準処理時間は２時間であった。焼準処理後、丸棒を室温（２５℃）まで放冷した。
【００８０】
放冷後の丸棒に対して機械加工を実施して、図２に示す摩耗試験片２１及び図３に示す回転曲げ疲労試験片３１の元となる粗加工品を製造した。浸炭機械構造部品に相当する摩耗試験片２１の横断面は円形であり、円柱状の試験部２２と、試験部２２の両端に配置された円柱状の一対のつかみ部２３とを備えている。図２に示すとおり、試験部２２の外径は２６ｍｍ、試験部２２の長さは２８ｍｍであり、摩耗試験片２１の全体長さは１３０ｍｍであった。曲げ疲労試験片３１の横断面は円形であり、中央部に曲率半径１ｍｍのノッチがある。また、放冷後の丸棒に対して機械加工を施して、直径３０ｍｍ、長さ３００ｍｍの棒状の被削性試験片（図示せず）を製造した。
【００８１】
摩耗試験片２１及び曲げ疲労試験片３１の粗加工品、並びに上記被削性試験片に対して、表２に示す条件ａ〜ｋに基づいて、浸炭処理、恒温保持処理、焼入れ処理及び焼戻し処理を施した。浸炭焼入れにはガス浸炭炉を利用した。焼戻し後、熱処理歪みを取り除く目的で、つかみ部２３の仕上げ加工を実施した。表２に示す、Ｃｐ１、Ｃｐ２、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、ｔ１、ｔ２、ｔ３は、それぞれ、上述したカーボンポテンシャル、温度、時間である。
【００８２】
【表２】
0006558016.tif 000003
【００８３】
浸炭焼入れ及び焼戻し後の浸炭品（摩耗試験片２１及び曲げ疲労試験片３１の粗加工品、並びに上記被削性試験片）は、切削加工前に、後述する方法で、残留オーステナイトの体積率の測定、組織観察試験及びビッカース硬さ試験を行った。
【００８４】
浸炭品となった摩耗試験片２１の試験部２２及び曲げ疲労試験片３１のノッチに対して、表３に示す条件で切削加工を施して、部品相当の摩耗試験片２１及び曲げ疲労試験片３１を得た。但し、曲げ疲労試験片３１に対しては、工具のノーズｒは０．４ｍｍに固定した。切削加工は、１パス、すなわち表３に示す切り込み量を１回だけ適用した。
【００８５】
【表３】
0006558016.tif 000004
【００８６】
切削工具には、ｃＢＮ粒子を主成分とし、セラミックスを結合材とした焼結材の表面に、ＴｉＡｌＮベースのセラミックコーティングを施したｃＢＮ焼結工具を利用した。
【００８７】
そして、上記の切削加工を施した後、摩耗試験片２１及び曲げ疲労試験片３１を作成した。摩耗試験片２１については、＃２０００のエメリー紙を用いて仕上げ研磨を実施した。仕上げ研磨後の各試験番号の摩耗試験片２１及び切削加工後の曲げ疲労試験片３１の表面の算術平均粗さＲａは０．８μｍ以下であった。
【００８８】
［残留オーステナイトの体積率（ＲＦ）の測定］
部品相当の試験片（摩耗試験片２１）表面に対して、電解研磨を施した。具体的には、試験片表面に穴の直径３ｍｍのマスキングを施し、１１．６％の塩化アンモニウムと、３５．１％のグリセリンと、５３．３％の水とを含有する電解液中において、試験片を陽極として、２０Ｖの電圧で電解研磨を施し、表面から２０μｍ深さの位置の表面（以下、観察面という）を露出させた。
【００８９】
観察面に対して、上述の方法でＸ線回折を実施し、表面から２０μｍ位置の残留オーステナイトの体積率（Ｒ２）を求めた。
【００９０】
観察面に対して、同様の方法で電解研磨を実施し、穴の深さを１０μｍ深くして３０μｍとし、その表面に対して上述の方法でＸ線回折を実施し、表面から３０μｍ位置の残留オーステナイトの体積率を求めた。この過程を繰り返すことで、１０μｍずつ穴を深くし、その都度残留オーステナイトの体積率（Ｒ２）を測定することを、穴の深さが２００μｍとなるまで繰り返した。そしてその中で得られた最大の残留オーステナイト体積率をＲ１とした。
【００９１】
［組織観察試験］
部品相当の試験片において、残留オーステナイト以外の他の組織の体積率を、上述した方法で測定した。
【００９２】
［二円筒摩耗試験（ＲＰ試験）］
図２に示す摩耗試験片２を用いて、図４に示す二円筒摩耗試験（ＲＰ試験）を行った。図４は、ＲＰ試験方法を示す正面図である。図４に示すとおり、ＲＰ試験において、摩耗試験片２１と大ローラ試験片４１とを準備した。大ローラ試験片４１は円板状であり、直径が１３０ｍｍ、円周面の幅が１８ｍｍ、円周面のクラウニング曲率半径が７００ｍｍであった。大ローラ試験片は、ＪＩＳ規格ＳＣＭ８８２に相当する化学組成を有し、浸炭焼入れ処理がなされていた。大ローラ試験片４１の円周面を摩耗試験片２１の表面に接触させ、表４に示す条件でＲＰ試験を実施した。
【００９３】
【表４】
0006558016.tif 000005
【００９４】
試験後、摩耗試験片２１の表面のうち、大ローラ試験片４１と接触した部分の摩耗深さを測定した。摩耗深さの測定には、触針式の表面粗さ計を用いた。測定長さは２６ｍｍとして、摩耗試験片２１の軸方向に触針を走査して、断面曲線を得た。各試験片において、円周方向に９０°刻みの４箇所で、断面曲線を測定した。得られた断面曲線から、大ローラ試験片４１が接触していない部分と、大ローラ試験片４１が接触して最も摩耗した部分との高さの差を測定した。測定された高さの差の４箇所の平均値を、各試験番号の摩耗試験片２１の摩耗深さ（ＲＰ摩耗量：単位はμｍ）と定義した。
【００９５】
［回転曲げ疲労試験］
図３に示す疲労試験片３１を用いて、試験荷重を５０ＭＰaピッチで変化させて小野式回転曲げ疲労試験を行い、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度を求めた。
【００９６】
なお、繰り返し数１０７回に達する前に破断した応力の最小値（σf,min）と、（σf,min）より低い応力で最大の未破断点の応力（σｒ,max）の中間点（疲労限度）を求め、曲げ疲労強度とした。また、種々の荷重条件で試験片が破断するまで回転曲げ疲労試験を行い、繰り返し数１×１０4回での時間強度を算出し、低サイクル曲げ疲労強度とした。
【００９７】
［工具摩耗測定］
切削工具の工具摩耗を逃げ面摩耗量（μｍ）によって評価した。方法は以下の通りである。即ち、浸炭焼入れ及び焼戻し後の被削性試験片（浸炭品相当）を、表３に示す粗加工品と同じ切削条件で、１本あたり１パスの切削加工を行った。複数の試験片について切削加工を繰り返し、合計の切削時間が５分となるまで切削加工した後に、切削工具の逃げ面摩耗幅を測定した。逃げ面摩耗幅の測定には、マイクロスコープを用いた。工具逃げ面が測定物台と平行になるように工具を設置し、倍率２００倍で摩耗部を観察した。この時の、摩耗部中心付近で摩耗が最大となる部分の切れ刃から摩耗先端部までの距離を測定し、逃げ面摩耗量とした。本測定においては、本発明の切削条件（表３に示す所定の４タイプの切削条件α、β、γ、δのいずれか）で切削することを前提に、逃げ面摩耗量が４０μｍ以下の場合が、従来技術に対して切削加工時の工具摩耗を抑制することができるという点で合格である。
【００９８】
［試験結果］
以上に説明した各試験等に関する結果を表５、表６に示す。
【００９９】
【表５】
0006558016.tif 000006
【０１００】
【表６】
0006558016.tif 000007
【０１０１】
表５及び表６から明らかなように、所定の製造方法によって得られた浸炭機械加工部品であって本願所定の条件を満たす（即ち、浸炭機械構造部品の化学組成と、金属組織と、表面の算術平均粗さと、について改良を加えている）試験番号１〜９、２０〜２３、３０については、耐摩耗性、曲げ疲労強度、低サイクル曲げ疲労強度、被削性を、すべて高いレベルで発現することができている、ことが判る。
【０１０２】
これに対し、表５及び表６から明らかなように、本願所定の製造方法によって得られていない浸炭機械加工部品であって本願所定の条件を満たさない（即ち、浸炭機械構造部品の化学組成が表１の＊Ｊ〜＊Ｓのいずれかであるか、熱処理条件が表２の＊ｆ〜＊ｋのいずれかであるか、或いは切削条件が表３の＊ε〜＊λのいずれかである）試験番号１０〜１９、２４〜２９、３１〜３９については、耐摩耗性、曲げ疲労強度、低サイクル曲げ疲労強度、被削性、の少なくともいずれかについて、優れた結果が得られていないことが判る。
【符号の説明】
【０１０３】
１１    塑性流動組織
１２    中心部
２１    摩耗試験片
２２    試験部
２３    つかみ部
３１    曲げ疲労試験片
４１    大ローラ
【図１】
0006558016.tif 000008
【図２】
0006558016.tif 000009
【図３】
0006558016.tif 000010
【図４】
0006558016.tif 000011