(57)【要約】【課題】  自動変速機油を用いるオートマチック車の動力伝達部で使用される機械構造用鋼部品であって、耐ピッチング性に優れたものを提供する。【解決手段】  心部が、質量％で（以下、同じ）、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．３５超〜０．７％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：１．０〜１．５％、Ｍｏ：０．３０〜０．６％、Ｎ：０．００８〜０．０５％を満たすとともに、Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される１種以上を総量で０．００５〜０．２％含み、かつ鋼部表面から深さ５０μｍ以内の鋼表層部における炭化物の面積率が５％以上であり、鋼部表面に固体潤滑被膜が形成されていることを特徴とする機械構造用鋼部品。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動変速機油を用いるオートマチック車の動力伝達部で使用される機械構造用鋼部品であって、心部が、
Ｃ  ：０．１５〜０．２５％（質量％を表す、以下、成分含量の場合は同じ）、
Ｓｉ：０．３５超〜０．７％、
Ｍｎ：０．２〜１．０％、
Ｃｒ：１．０〜１．５％、
Ｍｏ：０．３０〜０．６％、
Ｎ  ：０．００８〜０．０５％
を満たすとともに、Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される１種以上を総量で０．００５〜０．２％含み、鋼部表面から深さ５０μｍ以内の鋼表層部における炭化物の面積率が、走査型電子顕微鏡で８０００倍の倍率で観察したときに５％以上であり、かつ鋼部表面に固体潤滑被膜が形成されていることを特徴とする機械構造用鋼部品。
【請求項２】
前記固体潤滑被膜が二硫化モリブデンである請求項１に記載の機械構造用鋼部品。
【請求項３】
走査型電子顕微鏡で８０００倍の倍率で観察したときに、鋼部表面から深さ５０μｍ以内の鋼表層部における直径０．５μｍ以下の炭化物の面密度が６．０個／１０μｍ2以上であり、かつ鋼部表面から深さ５０μｍ以内の鋼表層部における全炭化物数に占める直径０．５μｍ以下の炭化物数の割合が８０％以上である請求項１または２に記載の機械構造用鋼部品。
【請求項４】
鋼部表面から深さ５０μｍ位置の窒素量が０．０７〜０．２％である請求項１〜３のいずれかに記載の機械構造用鋼部品。
【請求項５】
更に他の元素として、心部に、
Ｃａ：０．０００５〜０．０５％、
Ｚｒ：０．０１〜０．１５％、
Ｂｉ：０．０５％以下（０％を含まない）、
Ｓ  ：０．１２％以下（０％を含まない）、
Ｐｂ：０．０９％以下（０％を含まない）、または
Ｍｇ：０．０２％以下（０％を含まない）
が含まれる請求項１〜４のいずれかに記載の機械構造用鋼部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は機械構造用鋼部品に関し、詳細には、自動変速機油を用いるオートマチック車の動力伝達部で使用する場合に、優れた耐ピッチング性を発揮する機械構造用鋼部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車のトランスミッション用歯車等の様な動力伝達部に使用される械構造用鋼部品は、その使用時に、接触面圧の増大によって接触部分が剥離損傷する、いわゆるピッチング損傷を起こし易い。そこでこの様な用途に使用される鋼部品としては、こうした損傷を抑制するため、ＪＩＳ Ｇ ４１０４やＪＩＳ Ｇ ４１０５、ＪＩＳ Ｇ ４１０３などで規定されているＣｒ肌焼鋼やＣｒ−Ｍｏ肌焼鋼、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ肌焼鋼を用いて成形加工した後、浸炭処理や浸炭窒化処理等の表面硬化処理を施し、更に、部材表面に二硫化モリブデン等の固体潤滑被膜を形成したものが用いられてきた。
【０００３】
また特許文献１には、ピッチング損傷をより一層抑制すべく、高炭素浸炭処理を行って鋼部材の浸炭硬化層に微細な炭化物を析出させることが提案されている。
【特許文献１】特開２００２−２１２６７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし近年では、機械構造部の高応力化や機械構造用鋼部品の小型軽量化に対する要望が一段と高まってくるにつれ、鋼部品にかかる負荷応力はますます増大する傾向にあり、上記の如くＣｒ肌焼鋼やＣｒ−Ｍｏ肌焼鋼、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ肌焼鋼を浸炭処理等して得た鋼部材に固体潤滑被膜を施したものでも、要望されるピッチング強度を達成することが困難になりつつある。
【０００５】
また上記特許文献１に開示されている鋼部材は、ピッチング強度の支配要因と考えられる焼戻し硬さが十分に高いものの、その割にはピッチング強度が要望されるレベルに達しておらず、これら従来の機械構造用鋼部品では、上述した厳しい使用環境に適応し難くなっている。
【０００６】
ところで、オートマチック車では、１００℃における動粘度が３〜１０ｃＳｔと比較的粘度の低い自動変速機油が動力伝達部で使用され、該動力伝達部を構成する鋼部品の表面に形成される油膜が薄く、油膜が殆ど形成されていない箇所も局所的に発生する。よって、この様な箇所では鋼部品同士の摩擦が生じ易く、その結果、摩擦熱により温度上昇が生じて鋼部品の軟化が生じ易いため、ピッチング強度が低下し易い。
【０００７】
本発明は、この様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、比較的粘度の低い自動変速機油を用いるオートマチック車の動力伝達部に採用したときに、より優れた耐ピッチング性を発揮する機械構造用鋼部品（以下単に「鋼部品」ということがある）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決し得た本発明の機械構造用鋼部品とは、自動変速機油を用いるオートマチック車の動力伝達部で使用される機械構造用鋼部品であって、心部が、質量％で（以下、同じ）、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．３５超〜０．７％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：１．０〜１．５％、Ｍｏ：０．３０〜０．６％、Ｎ：０．００８〜０．０５％を満たすとともに、Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される１種以上を総量で０．００５〜０．２％含み、鋼部表面から深さ５０μｍ以内の鋼表層部における炭化物の面積率が、走査型電子顕微鏡で８０００倍の倍率で観察したときに５％以上であり、かつ鋼部表面に固体潤滑被膜が形成されているところに特徴がある。前記固体潤滑被膜としては、二硫化モリブデンが形成されていることが好ましい。
【０００９】
また本発明の機械構造用鋼部品は、走査型電子顕微鏡で８０００倍の倍率で観察したときに、鋼部表面から深さ５０μｍ以内の鋼表層部における直径０．５μｍ以下の炭化物の面密度が６．０個／１０μｍ2以上であり、かつ鋼部表面から深さ５０μｍ以内の鋼表層部における全炭化物数に占める直径０．５μｍ以下の炭化物数の割合が８０％以上であるものが好ましい。
【００１０】
更に鋼部表面から深さ５０μｍ位置の窒素量が０．０７〜０．２％となるようにすれば、不完全焼入れ組織のより抑制されたものが得られる。
【００１１】
また本発明の機械構造用鋼部品は、更に他の元素として、心部に、Ｃａ：０．０００５〜０．０５％、Ｚｒ：０．０１〜０．１５％、Ｂｉ：０．０５％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．１２％以下（０％を含まない）、Ｐｂ：０．０９％以下（０％を含まない）、またはＭｇ：０．０２％以下（０％を含まない）が含まれていれば、被削性を改善できるので好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、１００℃における動粘度が３〜１０ｃＳｔの自動変速機油が使用されるオートマチック車の動力伝達部に使用することにより、著しく優れた耐ピッチング性を発揮する歯車、摺動部品、軸類等の機械構造用鋼部品を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明者らは前述した状況の下で、オートマチック車の動力伝達部で比較的粘度の小さい潤滑油を使用した場合でも、より優れた耐ピッチング性を発揮する機械構造用鋼部品を得るべく鋭意研究を行った。その結果、規定する化学成分組成を満たす鋼心部とするとともに、鋼表層部に炭化物を多数析出させ、かつ該鋼部表面に固体潤滑被膜を形成すればよいことを見出し、上記本発明に至った。
【００１４】
尚、本発明の機械構造用鋼部品は、オートマチック車の動力伝達部において、比較的粘度の低い自動変速機油を使用した場合でも、著しく優れた耐ピッチング性を発揮するものであり、本発明の機械構造用鋼部品は、この様な状況で使用することを前提とする。
【００１５】
上記自動車変速機油としては、ＤＥＸＲＯＮ規格やＭＥＲＣＯＮ規格に準拠したものが挙げられるが、特に１００℃における動粘度が３〜１０ｃＳｔの潤滑油が用いられる動力伝達部において、本発明の効果が存分に発揮される。
【００１６】
以下、本発明において上記炭化物のサイズや個数、化学成分組成を定めた理由について詳述する。
【００１７】
まず本発明の鋼部品は、鋼部表面から深さ５０μｍ以内の鋼表層部において、炭化物が面積率で５％以上析出していることを要件とする。この様に鋼表層部に炭化物を存在させることで、使用時の高温環境下でも鋼部品の硬度を維持でき、高い材料強度を確保できる。この様な効果を得るには、上記の通り炭化物を面積率で５％以上析出させる必要があり、好ましくは６％以上、より好ましくは７％以上である。
【００１８】
炭化物の析出量が多い場合には、鋼マトリックスに不完全焼入れ組織が生成し、強度低下を招きやすい。よって上記炭化物は面積率で２０％以下に抑えることが好ましく、より好ましくは１８％以下、更に好ましくは１５％以下である。
【００１９】
本発明の鋼部品は、更に、鋼表面に固体潤滑被膜が形成されていることを要件とする。表層部に炭化物を析出させた鋼部材表面に固体潤滑被膜を形成することで、炭化物の析出のみで固体潤滑被膜を形成しない場合や、通常の浸炭処理を行った後に固体潤滑被膜を形成した場合よりも優れた効果が得られるのは勿論のこと、これらの相加作用をはるかに上回る効果が得られる。その理由について次の様に考えられる。
【００２０】
鋼部品使用時（動力伝達時）には、相手鋼部品との摩擦熱などで高温環境となり、一般に鋼部品の材料強度は低下し易くなる。しかし鋼表層部に炭化物を析出させた鋼部品では、該炭化物によって高硬度が与えられ、材料強度を高レベルに保つことができるため、結果として、優れた耐ピッチング性を確保できる。ところが、相手方歯車との噛み合わせ具合等により、部分的に接触面圧の著しく高い箇所が存在する場合には、前掲の炭化物による耐ピッチング性向上効果が十分に発揮されず、接触面圧の高い箇所から剥離損傷する等してピッチング寿命が短くなると考えられる。
【００２１】
一方、固体潤滑被膜の形成により耐ピッチング性が向上するメカニズムは、上記炭化物を析出させる場合と異なる。鋼部品の表面に形成された固体潤滑被膜は、使用時に摩耗して使用初期に消失し、該被膜の消失した箇所では鋼部品の鋼部表面も摩耗する。この様な固体潤滑被膜と鋼部の摩耗が、相手鋼部品との噛み合わせで生じる接触面圧の高い箇所から起こり、その結果、鋼部品は相手鋼部品の形状に沿った形となる。この所謂「初期なじみ」によって、以後の局部負荷が抑えられる結果、耐ピッチング性が向上するものと考えられる。
【００２２】
本発明の鋼部品は、上記炭化物の析出と固体潤滑被膜の形成をいずれも行ったものであるが、その効果は、後述する実施例から明らかな通り、炭化物析出と固体潤滑被膜の形成による相加作用をはるかに上回っている。
【００２３】
その理由は未だ明らかにされていないが、接触面圧の高い部分が存在しない場合には、母材である鋼部材の耐ピッチング性が鋼部品の耐ピッチング性を支配すると考えられることから、本発明の鋼部品を使用した場合、固体潤滑被膜が摩耗して接触面圧の著しく高い部分が存在しなくなった状態で、上記炭化物による硬度維持効果が存分に発揮され、著しく優れた耐ピッチング性を示すものと考えられる。
【００２４】
上記固体潤滑被膜としては、金や銀、銅、亜鉛、鉛等の軟質金属や、酸化鉛等の金属酸化物の他、（ＣａＦ2＋ＢａＦ2＋Ａｇ系等の複酸化物）、二硫化モリブデンや二硫化タングステン等の硫化物、フッ化物や窒化硼素等の窒化物、グラファイト等が挙げられる。その中でも特に、一般に「デフリックコート」と呼ばれる二硫化モリブデン被膜は上記効果が得られやすいので好ましい。
【００２５】
上記固体潤滑被膜は、膜厚が薄すぎると上記初期なじみ効果が小さいので、その膜厚は５μｍ以上（より好ましくは１０μｍ以上）とすることが好ましい。一方、膜厚が厚すぎると上記初期なじみ効果が飽和し、却って密着性が劣化するので３０μｍ以下とするのが好ましく、より好ましくは２５μｍ以下である。
【００２６】
上記炭化物のサイズが、鋼部品の特性に及ぼす影響についても検討したところ、該炭化物が粗大であると、鋼中の固溶Ｃｒが該炭化物中に固溶し易くなり、鋼中の固溶Ｃｒ量が減少して焼入性の向上が抑えられることがわかった。そのため、固溶Ｃｒの少ない鋼素材に浸炭焼入れを施すと、炭化物周辺に不完全焼入れ組織が生じ易くなり強度の低下を招き易い。また粗大な炭化物を起因とする疲労破壊を招き易くなる。
【００２７】
従って、ピッチング強度を確実に高めつつ曲げ疲労などの疲労特性も向上させるには、鋼表層部に微細な炭化物を多数析出させるのがよく、具体的には下記（ａ）および（ｂ）の要件を満たすことが推奨される。
【００２８】
（ａ）鋼部表面から深さ５０μｍ以内の鋼表層部における直径０．５μｍ以下の炭化物の面密度が６．０個／μｍ2以上、より好ましくは８．０個／１０μｍ2以上であること。
【００２９】
（ｂ）鋼部表面から深さ５０μｍ以内の鋼表層部における全炭化物数に占める直径０．５μｍ以下の炭化物数の割合が８０％以上であること。直径０．５μｍ超の疲労破壊の原因となる粗大な炭化物を低減することで、機械構造用鋼部品の曲げ疲労強度を高めることができるからである。より好ましくは９０％以上、更に好ましくは９５％以上である。
【００３０】
更に、炭化物周辺の焼入性を確保して、不完全焼入れ組織の生成を抑制するには、鋼表層部に炭化物を析出させるための高濃度浸炭処理工程の少なくとも一部で窒化処理を行い、鋼部品の鋼部表面から深さ５０μｍ位置における窒素量を０．０７％以上に高めることが有効である。より好ましくは０．０８％以上であり、更に好ましくは０．０９％以上である。但し、該窒素量が０．２％を超えると、ＣｒＮが生成し却って焼入性が低下するので好ましくない。該窒素量は、より好ましくは０．１８％以下であり、更に好ましくは０．１６％以下である。
【００３１】
本発明では、更に心部の化学成分が適切な鋼材を使用すれば、上記要件を容易に満たすことができ耐ピッチング性を確実に向上できるとともに、鋼部品として備えるべきその他の特性も確保できる。以下、本発明で定める鋼材の化学成分について、各成分の限定理由を説明する。
【００３２】
Ｃｒ：１．０〜１．５％
本鋼材の中で特に重要な元素はＣｒである。Ｃｒは高濃度浸炭処理により鋼表層部の浸炭層内で炭化物を形成し、この炭化物によって鋼部の軟化抵抗を高め、ピッチング強度の向上に寄与する。こうした効果を有効に発揮させるには、鋼中のＣｒ量を１．０％以上、好ましくは１．２％以上にするのがよい。しかしＣｒ含有量が多過ぎると、心部が硬質化して加工性が劣悪になる。したがってＣｒ量は１．５％以下に抑える。好ましくは１．４５％以下である。
【００３３】
Ｃ：０．１５〜０．２５％
Ｃ（炭素）は、機械構造用鋼部品としての心部硬さを確保するのに必要な元素であり、０．１５％以上、好ましくは０．１８％以上含有させる。一方、Ｃ量が多過ぎると、必要以上に硬度が高くなって被削性や冷間鍛造性が劣化するので、０．２５％以下、好ましくは０．２３％以下に抑える。
【００３４】
Ｓｉ：０．３５超〜０．７％
Ｓｉも本発明における重要な元素の１つであり、鋼表層部の浸炭層に析出する炭化物を微細化するとともに、鋼マトリックスを固溶強化する効果を有しており、これらの効果を有効に発揮させるため、０．３５％超、好ましくは０．４％以上、より好ましくは０．４５％以上含有させる。しかしＳｉ量が過剰になると、鋼材の硬度が必要以上に高くなって被削性や冷間鍛造性が劣化するので、０．７％以下、好ましくは０．６％以下に抑える。
【００３５】
Ｍｎ：０．２〜１．０％
Ｍｎは脱酸剤として作用し、酸化物系介在物を低減して鋼部品の内部品質を高めるとともに、焼入れ性を向上させて鋼部品の心部硬さや硬化層深さを高め、部品強度の向上に寄与する。このような作用を十分に発揮させるには、Ｍｎを０．２％以上、好ましくは０．３％以上含有させる必要がある。一方、Ｍｎ量が過剰になると、鋼表層部の残留オーステナイト量が増加して部品表面の硬度が低下するので、Ｍｎ量は１．０％以下、好ましくは０．８％以下とする。
【００３６】
Ｍｏ：０．３０〜０．６％
Ｍｏも重要な元素の１つであり、炭化物の形成を促進するとともに、マトリックスの焼入れ性を確保し、不完全焼入れ組織の生成を抑制する効果を有する。この様な効果を有効に発揮させるため、０．３０％以上、好ましくは０．４％以上含有させる。一方、０．６％を超えて添加すると心部の硬度が必要以上に高くなり、機械加工時における被削性や冷間鍛造性が劣化することとなる。好ましくは０．５％以下である。
【００３７】
Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される少なくとも１種：総量で０．００５〜０．２％
Ａｌ、ＮｂおよびＴｉは、窒化物を形成することによって結晶粒を微細化し、鋼部品の靭性を高める役割を有する。このような作用を有効に発揮させるには、Ａｌ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される少なくとも１種を総量で０．００５％以上含有させる必要がある。より好ましい含有量は０．０１０％以上である。一方、上記元素の含有量が過剰になると、それら元素の粗大な化合物が生成し、部品の強度や冷間加工性を低下させる。従ってこれらの元素は、総量で０．２％以下に抑える必要があり、好ましくは０．１％以下である。
【００３８】
Ｎ：０．００８〜０．０５％
Ｎは、上述したＡｌ、Ｎｂ、Ｔｉと窒化物を生成することによって結晶粒を微細化し、鋼部品の靭性を高めるのに有効な元素である。この様な効果を有効に発揮させるには、Ｎ量を０．００８％以上、好ましくは０．０１０％以上含有させる必要がある。一方、Ｎ量が過剰になっても上記効果は飽和するだけであり、むしろ、心部が脆化するといった欠点が現れてくるので、その上限を０．０５％とする。好ましくは０．０３％以下である。
【００３９】
本発明で規定する含有元素は上記の通りであり、残部成分は実質的にＦｅであるが、鋼中に、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避不純物として、０．３０％以下のＣｕ、０．２５％以下のＮｉ、０．００２％以下のＯ（酸素）等が含まれることが許容されるのは勿論のこと、前記本発明の作用に悪影響を与えない範囲で、下記の如く、更に他の元素を積極的に含有させることも可能である。
【００４０】
即ち本発明の機械構造用鋼部品は、更に他の元素として、心部に、Ｃａ：０．０００５〜０．０５％、Ｚｒ：０．０１〜０．１５％、Ｂｉ：０．０５％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．１２％以下（０％を含まない）、Ｐｂ：０．０９％以下（０％を含まない）、またはＭｇ：０．０２％以下（０％を含まない）を含有させるによって、鋼部品を切削加工して最終的な部品形状に仕上げる際の被削性を改善できる。
【００４１】
ちなみに、これら選択元素の含有量が下限値未満では上記作用効果が十分に発揮されず、一方、上限付近で各元素の上記作用効果は飽和し、むしろ粗大な複合介在物を多量に生成して、曲げ疲労強度や耐ピッチング性劣化させるといった障害を生じる原因になることがある。
【００４２】
上記要件を満たす本発明の鋼部品を得るには、鍛造や切削加工、浸炭処理として高濃度浸炭処理、および表面に固体潤滑被膜を形成する固体潤滑被膜処理を行えばよく、例えば溶製・鋳造した後に熱間圧延して得られた圧延材を用い、下記（ｉ）〜（iv）の工程を採用することによって製造することができる。
（ｉ）圧延材を熱間鍛造した後に機械加工を行う。
（ii）高濃度浸炭処理を行い、炭化物を析出させた表面硬化層を鋼部表面に形成する。
（iii）仕上げの機械加工を行う。
（iv）固体潤滑被膜形成のための下地処理を行った後に、固体潤滑被膜を形成する。
【００４３】
特に、本発明で規定する炭化物を鋼表層部に析出させ、また該炭化物の微細化を図るには、上記高濃度浸炭処理を、後述する実施例で行うように、浸炭処理した後に炭化物を析出させるようにするのがよく、該浸炭処理および炭化物析出処理では下記条件を採用することが好ましい。
【００４４】
＜浸炭条件＞
（１）加熱温度（浸炭温度）
鋼部品に十分な浸炭を施すには、浸炭温度を９００℃以上とするのが好ましく、これより低温である場合には浸炭に要する時間が長くなり生産性が低下するので好ましくない。より好ましくは９２０℃以上である。一方、該浸炭温度が高すぎても結晶粒が粗大化し、鋼部品の靭性が劣ることとなるので浸炭温度は９８０℃以下とするのがよい。より好ましくは９５０℃以下である。この浸炭温度での保持時間（浸炭時間）は、特に制約されるものではなく所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、コスト面からは１時間以上１０時間以下の範囲内で適宜設定するのがよい。
【００４５】
（２）加熱雰囲気
加熱雰囲気は、カーボンポテンシャル０．９％以上１．５％以下とするのがよい。この工程におけるカーボンポテンシャルが低過ぎると、機械構造用鋼部品表面の炭素濃度が低くなり、次工程の炭化物析出工程で十分な炭化物を析出させることができず、結果として所望のピッチング強度を確保することが困難となる。より好ましくは１．０％以上である。一方、カーボンポテンシャルの上限に特に制約はないが、高すぎると「スーティング」と呼ばれるすすが鋼部品表面に付着して浸炭が阻害されるので、１．５％以下とするのがよい。より好ましくは１．２％以下である。
【００４６】
尚、前記カーボンポテンシャルの測定は、Ｏ2センサ法や赤外線分析計によるＣＯ2法、露点測定法、鉄線を用いたカーボンポテンショメータなど一般に用いられる方法によって測定可能であるが、特に、Ｃｐコイルと呼ばれる鉄線を炉内雰囲気に放置し、このＣｐコイルを用いて赤外線吸収法などによって定量分析する方法が測定精度の面で最も優れている。
【００４７】
（３）冷却速度
前記浸炭温度で一定時間保持した後は、冷却速度１０℃／分以上で冷却するのがよい。その理由として、次工程である炭化物析出工程で微細な炭化物を析出させるには、前記浸炭温度で一定時間保持した後、浸炭した炭素を析出させず過飽和に固溶した状態で一旦Ａｒ1点以下まで冷却するが、冷却速度が１０℃／分未満である場合には、過飽和状態にある炭素が結晶粒界に拡散する時間的余裕があり、析出時に炭化物が網目状に析出してピッチング等の各種強度が低下するからである。より好ましくは１５℃／分以上である。冷却速度の上限には特に制約はないが、あまり急速に冷却しても鋼部品に変形や割れが生じやすくなるので、冷却速度は１２００℃／分以下とするのがよく、より好ましくは６００℃／分以下である。
【００４８】
＜炭化物析出条件＞
前述した様に、前記浸炭工程にて過飽和に炭素を固溶した浸炭層内から微細な炭化物を析出させることによって、機械構造用鋼部品のピッチング強度を向上させることができる。また、この炭化物析出工程の加熱温度保持中に窒素ポテンシャルを高く設定できることから、この炭化物析出工程で焼入れ性確保のための窒化を行うのがよい。以下に、炭化物析出および窒化の条件について詳述する。
【００４９】
（１）加熱温度
炭化物析出は、８００℃以上８６０℃以下の温度範囲内で行うのがよい。加熱温度が８６０℃を超えると、炭素量の固溶限界が大きくなり析出する炭化物量が減少するからであり、より好ましくは８５０℃以下である。一方、加熱温度が８００℃未満の場合には、析出する炭化物が微細化しすぎてピッチング強度の向上に対する寄与が小さくなるからであり、より好ましくは８３０℃以上である。
【００５０】
（２）加熱雰囲気
炭化物析出工程では、カーボンポテンシャル０．７％以上１．１％以下の雰囲気で炭化物の析出を行うのがよい。カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には、前記加熱温度保持中に脱炭してしまい、析出する炭化物量が減少するからである。より好ましいカーボンポテンシャルは０．７５％以上である。一方、カーボンポテンシャルが１．１％を超える場合には、前記加熱温度保持中に浸炭が進んで炭化物が粗大化し、ピッチング等の各種強度が低下するので好ましくない。より好ましくはカーボンポテンシャルを１．０％以下とする。尚、前記カーボンポテンシャルは前述した方法で測定することができる。
【００５１】
この炭化物析出工程における加熱保持時間は、特に制約されるものではなく、所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、部品サイズが大きくなり、該保持時間が３０分間以上となる場合には、カーボンポテンシャルを０．７％以上で心部のＡｃｍ点対応炭素濃度以下とすることが好ましい。加熱温度保持中の鋼部品の浸炭層は、心部の鋼のＡｃｍ点の組成からなるオーステナイトと炭化物との混合組織となっているが、カーボンポテンシャルがＡｃｍ点対応炭素濃度を超える雰囲気では、前記組織におけるオーステナイトに対し強い浸炭雰囲気となり、炭化物が粗大化して鋼部品の機械的強度が低下するからである。この様な傾向は、部品が大型化して前記加熱保持時間が長時間になるほど顕著になることがわかった。カーボンポテンシャルは、心部のＡｃｍ点対応炭素濃度よりも０．１％以上低い炭素濃度以下とするのがより好ましい。一方、カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には、表面からの脱炭が生じて析出する炭化物量が減少するので好ましくない。より好ましくは０．７５％以上とする。
【００５２】
この炭化物析出工程の加熱温度保持中に窒素ポテンシャルを高く設定できることから、この炭化物析出工程で上記窒化処理を行うのがよい。窒化は、窒素ポテンシャルが０．０５％以上の雰囲気で行えば、表面の窒素量を確保することができ、焼入れ時に十分な焼入れが行えて不完全焼入れ組織の生成を抑制することができる。窒素ポテンシャルは好ましくは０．０８％以上である。また、窒素ポテンシャルが０．２０％を超えても不完全焼入れ組織が増加するので好ましくない。その理由は明らかではないが、窒素量が高すぎるとＣｒ窒化物が析出して鋼マトリックスの焼入れ性が低下するためと推測される。好ましくは０．１５％以下である。窒素ポテンシャルの測定方法は、Ｃｐコイルと呼ばれる鉄線を炉内雰囲気中に放置し、このＣｐコイルを赤外線吸収法などによって定量分析する方法が適用可能である。
【００５３】
窒化の具体的方法としては、前記加熱温度で一定時間保持しながらアンモニアを流入する等の一般的な方法を適用することが可能である。窒化の時期は特に限定されず、炭化物析出工程の全工程で窒化処理を行うことの他、該炭化物析出処理工程のうち、一部で炭化物析出と同時に窒化処理を行う場合や、二部以上に分けて窒化処理を行う場合も含むものとする。
【００５４】
本発明でより微細な炭化物を析出させて耐ピッチング性を更に高めるにあたっては、次の様な方法で炭化物析出・窒化を行うことが特に好ましい。即ち、炭化物析出工程を、
（I）８１０℃以上８６０℃以下の温度にてカーボンポテンシャル０．７％以上１．１％以下の雰囲気で加熱し、１０℃／分以上の冷却速度で該加熱保持温度よりも１０℃以上かつ８００℃を下回らない温度まで降温させた（以下「炭化物析出段階（I）」という）後、
（II）該温度にてカーボンポテンシャル０．７％以上１．１％以下の雰囲気で一定時間保持する（以下「炭化物析出段階（II）」という）
ことによって、より微細な炭化物を、より均一に分散させることができ、優れた特性を有する機械構造用鋼部品を確実に得ることができるのである。
【００５５】
そしてこの様な工程で炭化物の析出を行う場合には、前記炭化物析出段階（II）にて、窒素ポテンシャル０．０５％以上０．１５％以下の雰囲気で炭化物析出と同時に窒化を行えば、加熱温度保持中に窒素ポテンシャルを高く設定でき、良好に窒化処理を行えるので望ましい。
【００５６】
以下、上記工程の処理条件について詳述する。
【００５７】
＜炭化物析出段階（I）の条件＞
（１）加熱温度
炭化物析出段階（I）における加熱温度は、８１０℃以上８６０℃以下とするのがよい。８６０℃を超える場合には炭素量の固溶限界が大きくなり析出する炭化物量が減少するからであり、より好ましくは８５０℃以下である。一方８１０℃未満の場合には、析出する炭化物が微細になりすぎてピッチング強度向上に対する寄与が小さくなるからであり、より好ましくは８３０℃以上である。
【００５８】
（２）加熱雰囲気
炭化物析出段階（I）における加熱雰囲気は、カーボンポテンシャルを０．７％以上１．１％以下とするのがよい。カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には加熱温度保持中に脱炭してしまい、析出する炭化物量が少なくなるからである。より好ましくはカーボンポテンシャルを０．７５％以上とする。一方、カーボンポテンシャルが１．１％を超える場合には、加熱温度保持中に浸炭が進んで炭化物が粗大化し、ピッチング等の各種強度が低下するので好ましくない。より好ましくは１．０％以下である。尚、前記カーボンポテンシャルは前述した方法で測定することができる。
【００５９】
この炭化物析出段階（I）における加熱保持時間は、特に制約されるものではなく、所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、部品サイズが大きくなり、該保持時間が３０分間以上となる場合には、カーボンポテンシャルを０．７％以上で心部のＡｃｍ点対応炭素濃度以下とすることが好ましい。加熱温度保持中の鋼部品の浸炭層は、心部の鋼のＡｃｍ点の組成からなるオーステナイトと炭化物との混合組織となっているが、カーボンポテンシャルがＡｃｍ点対応炭素濃度を超える雰囲気では、前記組織におけるオーステナイトに対し強い浸炭雰囲気となり、炭化物が粗大化して鋼部品の機械的強度が低下するからである。この様な傾向は、部品が大型化して前記加熱保持時間が長時間になるほど顕著になることがわかった。カーボンポテンシャルは、心部のＡｃｍ点対応炭素濃度よりも０．１％以上低い炭素濃度以下とするのがより好ましい。一方、カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には、表面からの脱炭が生じて析出する炭化物量が減少するので好ましくない。より好ましくは０．７５％以上とする。
【００６０】
（３）冷却速度
前記加熱温度保持後の冷却速度は１０℃／分以上とするのがよい。該冷却速度が１０℃／分未満の場合には、一旦マトリックスに固溶した炭素が拡散できる時間的余裕を有することとなり、結晶粒界に析出した炭化物が粗大化するので、ピッチング強度がばらつく原因となる。前記冷却速度は２０℃／分以上とするのが好ましい。前記冷却速度の上限は特に制限されないが、あまり急速に冷却しても鋼部品に変形や割れが生じやすくなるので、冷却速度は２００℃／分以下であることが好ましい。
【００６１】
＜炭化物析出段階（II）の条件＞
（１）加熱温度
炭化物析出段階（I）における前記冷却速度での冷却は、常温まで行なわず、８００℃以上であって前期炭化物析出段階（I）における加熱温度よりも１０℃以下の温度範囲までとし、該温度にて一定時間保持するのがよい。
【００６２】
加熱温度が８００℃未満の場合には、析出する炭化物が微細化しすぎてピッチング強度の向上にあまり寄与しないからである。より好ましくは８３０℃以上とする。一方、該温度が、前記炭化物析出段階（I）における加熱温度よりも１０℃未満と高い場合には、冷却中に析出する炭化物量が少なく、ピッチング強度向上の効果が得られないからである。より好ましくは前記炭化物析出段階（I）における加熱温度よりも２０℃以下（但し８００℃以上）とする。
【００６３】
（２）加熱雰囲気
前記炭化物析出段階（II）にて炭化物析出と同時に窒化を行うのが、加熱温度保持中に窒素ポテンシャルを高く設定できるので好ましい。窒化処理における窒素ポテンシャルは前述した範囲内、即ち、好ましくは０．０５％以上、より好ましくは０．０８％以上であって、好ましくは０．２０％以下、より好ましくは０．１５％以下とするのがよい。またカーボンポテンシャルは、前記炭化物析出段階（I）と同様にカーボンポテンシャルが０．７％以上１．１％以下の雰囲気下とするのがよい。カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には加熱温度保持中に脱炭し、析出する炭化物量が少なくなるからである。好ましくは０．７５％以上である。一方、カーボンポテンシャルが１．１％を超える場合には、加熱温度保持中に表層が過剰に浸炭されて、炭化物が粗大化し、ピッチング等の各種強度が低下するからである。好ましくは１．０％以下である。
【００６４】
尚、この場合の窒化処理も、炭化物析出段階（II）の少なくとも一部で炭化物の析出と同時に窒化を行なえばよい。
【００６５】
この炭化物析出段階（II）における加熱保持時間は、特に制約されるものではなく、所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、部品サイズが大きくなり、該保持時間が３０分間以上となる場合には、カーボンポテンシャルを０．７％以上で心部のＡｃｍ点対応炭素濃度以下とすることが好ましい。加熱温度保持中の鋼部品の浸炭層は、心部の鋼のＡｃｍ点の組成からなるオーステナイトと炭化物との混合組織となっているが、カーボンポテンシャルがＡｃｍ点対応炭素濃度を超える雰囲気では、前記組織におけるオーステナイトに対し強い浸炭雰囲気となり、炭化物が粗大化して鋼部品の機械的強度が低下するからである。この様な傾向は、部品が大型化して前記加熱保持時間が長時間になるほど顕著になることがわかった。カーボンポテンシャルは、心部のＡｃｍ点対応炭素濃度よりも０．１％以上低い炭素濃度以下とするのがより好ましい。一方、カーボンポテンシャルが０．７％未満の場合には、表面からの脱炭が生じて析出する炭化物量が減少するので好ましくない。より好ましくは０．７５％以上とする。
【００６６】
前期炭化物析出工程における加熱温度保持後の冷却の際には、部品の強度を確保すべく焼入れを行うのがよく、該焼入れの方法としては、ソルト焼入れや油冷など一般的な焼入れ方法を適用することが可能である。
【００６７】
本発明の機械構造用鋼部品は、上述の通り自動変速機油を用いるオートマチック車の動力伝達部で使用されるものであって、具体的には、例えば高面圧で使用されるアウトプットギア（出力用ギア）等の歯車、摺動部品、軸類等が挙げられる。
【００６８】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合しうる範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例１】
【００６９】
表１に示す成分組成の鋼材を転炉で溶製し、分塊圧延、棒鋼圧延を経て棒鋼を得た。次に、この棒鋼を切断してから熱間鍛造を行い、部品に近い形状にブランク加工した後に歯切り等の機械加工を行って、図１（ａ）（ｂ）に示す形状の歯車を得た。歯車の緒元は下記の通りである。
【００７０】
歯数：１９
モジュール：２．１２
圧力角：１９°０'０”
ねじれ角：２６°４５'０”
歯幅：３３．５ｍｍ
外径：φ５２．５１ｍｍ
次にこの歯車に、図２〜図７に示すパターンの浸炭処理を施した。図２、図４〜７は、浸炭により鋼表層部に硬質層を形成させるとともに、該硬質層内に炭化物を析出させるための高濃度浸炭処理であり、図３は通常の浸炭処理である。各処理は図２〜７に示す保持温度、保持時間および雰囲気（図中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを示し、「Ｎｐ」は窒素ポテンシャルを示す）の条件で行った。また図２，図４〜７に示す高濃度浸炭処理では、処理工程の一部で雰囲気内にアンモニアを吹き込んで流入して窒化処理を同時に行った。
【００７１】
上記処理後にホーニング加工を行い歯車として仕上げた。この様に仕上げた複数個の歯車のうちの幾つかに固体潤滑被膜処理を施した。
【００７２】
固体潤滑被膜の形成は、ドライホーニング、リューブライト処理の下地処理を行った後、通常「デフリック処理」と呼ばれる二硫化モリブデンを用いた焼き付け塗布によって行った。
【００７３】
得られた歯車（試料）を用いてピッチング耐久試験を行った。ピッチング耐久試験は、図８に略示するように相手側の歯車と噛み合わせて一定の入力トルク（２００Ｎ・ｍ）で回転させ、ピッチングが発生するまでのサイクル数（ピッチング寿命）で耐ピッチング性を評価した。
【００７４】
尚、相手側歯車には、ＪＩＳで規定するＳＣｒ４２０Ｈに通常の浸炭処理（前記図３）を施したものを用いた。相手側歯車の緒元は下記の通りである。
【００７５】
歯数：８８
モジュール：２．１２
圧力角：１９°０'０”
ねじれ角：２６°４５'０”
歯幅：２８ｍｍ
外径：φ２１４．６４ｍｍ
また潤滑油としてＡＴＦオイル［マツダ（株）純正Ｍ−III，１００℃での動粘度：７．４ｃＳｔ］を用いた。
【００７６】
上記試験後の歯車を前記図１の（ｃ）に示す様に切断し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて非接触側の歯部ピッチライン位置４［前記図１の（ｄ）］を観察して、鋼表層部の炭化物析出状況を確認した。観察は鋼表面から２５μｍ位置を８０００倍の倍率で行った。
【００７７】
撮影したＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真を画像解析して、鋼表面から２５μｍにおける炭化物のサイズや個数を測定し、面積率や面密度、微細炭化物の割合を求めた。尚、炭化物の直径は、各炭化物の面積と等価な面積をもつ円の直径（円相当直径）として求めた。これらピッチング耐久試験の結果と顕微鏡観察結果を表２に示す。
【００７８】
【表１】
2005113168.tif 000002
【００７９】
【表２】
2005113168.tif 000003
【００８０】
表２におけるＮｏ．１、６〜９、１７および１８は、本発明で規定する要件を満足するものであるため、優れた耐ピッチング性を発揮するものが得られた。即ち、鋼表層部に析出させた炭化物の面積率が５％以上であり焼戻し硬さが高く、また鋼部品の表面に形成した固体潤滑被膜により初期なじみ効果が発揮されたため、ピッチング寿命が著しく長くなった。
【００８１】
尚、Ｎｏ．７および８から、より優れた耐ピッチング性を得るには、微細な炭化物をより多く鋼表層部に析出させるのがよいことがわかる。またＮｏ．１とＮｏ．９の比較から、鋼部材表面を若干窒化することで炭化物周辺の不完全焼入組織の生成が抑制され、ピッチング寿命が更に長くなることがわかる。
【００８２】
これらに対して、Ｎｏ．２〜５、１０〜１６は本発明で規定するいずれかの要件を満たさないため、耐ピッチング性に劣るか、機械構造用鋼部品としての特性を具備しないものとなった。
【００８３】
即ち、Ｎｏ．２はピッチング寿命が短いが、これは、固体潤滑被膜による初期なじみ効果が発揮されているものの、鋼表層部に炭化物が析出しておらず、鋼自体の焼戻し硬さが低いため、ピッチング寿命が短かくなったと考えられる。
【００８４】
またＮｏ．３は、鋼表層部に規定量の炭化物が析出しており、鋼自体の焼戻し硬さは十分に高いが、固体潤滑被膜を形成していないため初期なじみ効果が得られず、鋼部品表面に存在する局所的な凹凸において、接触面圧の高い部分から亀裂が発生し、ピッチング寿命が短くなったと考えられる。
【００８５】
Ｎｏ．５は、固体潤滑被膜を表面に形成しているが、鋼表層部に炭化物が十分に析出していないため、ピッチング寿命が短くなったと考えられる。
【００８６】
Ｎｏ．４は、上記Ｎｏ．２やＮｏ．３、Ｎｏ．５よりもピッチング寿命が短い。これは、通常の浸炭処理を行っただけで炭化物を析出させていないため、鋼自体の焼戻し硬さが低く、また固体潤滑被膜も形成していないため、初期なじみ効果も得られず、剥離損傷が早期に生じたと考えられる。
【００８７】
Ｎｏ．１０〜１６は、本発明で規定する成分組成を満たしていないため、耐ピッチング性に劣るか、機械構造用鋼部品としてのその他の特性を具備しないものとなった。
【００８８】
即ち、Ｎｏ．１０はＳｉが過剰であり、またＮｏ．１１はＭｎが過剰であり、更にＮｏ．１３はＣｒが過剰であるため、いずれも加工性が低下してブランク加工時に使用する工具の寿命が短くなり、生産コストが増加する結果となった。
【００８９】
Ｎｏ．１２は、Ｍｎが不足しているため、母材の焼入性が不足し、不完全焼入組織が生成したため、ピッチング寿命が短くなったと考えられる。
【００９０】
Ｎｏ．１４は、Ｃｒが不足しているため、本発明で規定する炭化物が不足し、ピッチング寿命が短くなった。
【００９１】
Ｎｏ．１５は、Ｍｏが過剰であるため歯切り工程において工具が折損した。またＮｏ．１６はＭｏが不足しており、母材の焼入性が不足して不完全焼入組織が生成したため、ピッチング寿命が短くなったと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】（ａ）は実施例で用いた歯車の機械設計図（側面図）、（ｂ）は同機械設計図（断面図）、（ｃ）は該歯車の歯部の上面図、（ｄ）は（ｃ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図２】実施例で採用した高濃度浸炭処理パタンを示す図である。
【図３】従来の浸炭処理パタンを示す図である。
【図４】実施例で採用した別の高濃度浸炭処理パタンを示す図である。
【図５】実施例で採用した別の高濃度浸炭処理パタンを示す図である。
【図６】実施例で採用した別の高濃度浸炭処理パタンを示す図である。
【図７】実施例で採用した別の高濃度浸炭処理パタンを示す図である。
【図８】実施例で行ったピッチング耐久試験の一部を示す模式図である。
【符号の説明】
【００９３】
１  歯底
２  歯先
３  ピッチ円
４  歯部ピッチライン位置
【図１】
2005113168.tif 000004
【図２】
2005113168.tif 000005
【図３】
2005113168.tif 000006
【図４】
2005113168.tif 000007
【図５】
2005113168.tif 000008
【図６】
2005113168.tif 000009
【図７】
2005113168.tif 000010
【図８】
2005113168.tif 000011