(57)【要約】【課題】浸炭窒化処理することによってピッチング損傷の発生を抑制したうえで、スポーリング損傷の発生も抑制することにより、面疲労寿命を改善した浸炭窒化部品、および該浸炭窒化部品を製造する素材となる浸炭窒化用鋼材、並びに該浸炭窒化部品の製造方法を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３％、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｐ：０％超、０．０３％以下、Ｓ：０％超、０．０３％以下、Ｃｒ：０．２〜０．８％、Ｍｏ：０．２５〜１％、Ａｌ：０．０１〜０．０８％、Ｔｉ：０．０１〜０．１％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％、およびＮ：０％超、０．０１％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる浸炭窒化用鋼材。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．１５〜０．３％、
Ｓｉ：０．５〜１．５％、
Ｍｎ：０．２〜０．５％、
Ｐ  ：０％超、０．０３％以下、
Ｓ  ：０％超、０．０３％以下、
Ｃｒ：０．２〜０．８％、
Ｍｏ：０．２５〜１％、
Ａｌ：０．０１〜０．０８％、
Ｔｉ：０．０１〜０．１％、
Ｂ  ：０．０００５〜０．００５％、および
Ｎ  ：０％超、０．０１％以下を含有し、
残部が鉄および不可避不純物からなることを特徴とする浸炭窒化用鋼材。
【請求項２】
更に、他の元素として、質量％で、
Ｎｂ：０％超、０．１％以下、
Ｖ  ：０％超、０．５％以下、および
Ｈｆ：０％超、０．１％以下から選択される少なくとも１種を含有する請求項１に記載の浸炭窒化用鋼材。
【請求項３】
更に、他の元素として、質量％で、
Ｃｕ：０％超、１％以下、および
Ｎｉ：０％超、２％以下から選択される少なくとも１種を含有する請求項１または２に記載の浸炭窒化用鋼材。
【請求項４】
更に、他の元素として、質量％で、
Ｃａ：０％超、０．００５％以下、
Ｍｇ：０％超、０．００５％以下、
Ｚｒ：０％超、０．００５％以下、
Ｔｅ：０％超、０．１０％以下、および
ＲＥＭ：０％超、０．０２％以下から選択される少なくとも１種を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の浸炭窒化用鋼材。
【請求項５】
更に、他の元素として、質量％で、
Ｐｂ：０％超、０．１０％以下、
Ｂｉ：０％超、０．１０％以下、および
Ｓｂ：０％超、０．１％以下から選択される少なくとも１種を含有する請求項１〜４のいずれかに記載の浸炭窒化用鋼材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の浸炭窒化用鋼材を用いた浸炭窒化部品であって、
部品表面からの深さが２５〜５０μｍである領域における炭窒化物の合計面積率が０％以上５％以下であることを特徴とする浸炭窒化部品。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の浸炭窒化用鋼材に、浸炭窒化処理することを特徴とする浸炭窒化部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸炭窒化用鋼材、および該鋼材を用いた浸炭窒化部品に関する。本発明の浸炭窒化部品は、例えば、歯車、シャフトなどの等速ジョイント部品、軸受、無段変速機トランスミッション（Continuously Variable Transmission；ＣＶＴ）プーリーなどの動力伝達部品に好適に用いられる。
【背景技術】
【０００２】
動力伝達部品には、面疲労損傷に対する耐久寿命（以下、面疲労寿命という）が一般的に求められる。面疲労損傷とは、部品同士の摺動面で発生した亀裂が進展して剥離に至る損傷（ピッチング損傷）および部品表層で発生した亀裂が進展して剥離に至る損傷（スポーリング損傷）の総称である。
【０００３】
近年、動力源の高出力化および動力伝達ユニットの小型化が進んでおり、これに伴って各部品への負荷荷重は増大している。また、自動車のハイブリッド車化または電気自動車化により、歯車同士のすべり速度が増大している。また、伝達効率を向上させるため、作動油は低粘度化が指向されている。こうしたことから、摺動環境は益々苛酷になっており、ピッチング寿命に優れた鋼材が望まれている。
【０００４】
ピッチング損傷の発生を防止するには、部品表面を硬化させることが考えられ、表面硬化処理としては、浸炭処理が知られている（例えば、特許文献１）。しかし、浸炭部品が用いられる摺動環境が苛酷になると、摺動時の摩擦熱によりマルテンサイトが回復し、部品表面が軟化するため、ピッチングが発生することがあった。
【０００５】
そこで、苛酷な摺動環境下におけるピッチング寿命を改善するには、軟化抵抗を向上させる必要がある。軟化抵抗を向上させる方法としては、浸炭窒化処理が知られている。浸炭窒化処理は、Ａ3点の温度以上に加熱保持した状態で、部品表面に炭素および窒素を拡散させた後、急冷することによって、部品表面を硬質化する処理である。部品表層には炭窒化物が形成され、この炭窒化物によって軟化抵抗が向上する。その結果、ピッチング寿命が改善され、面疲労寿命が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−５３４２９号公報
【特許文献２】特開２０１５−１２７４３４号公報
【特許文献３】特開２００６−０９７０６６号公報
【特許文献４】特開２００６−３０７２７０号公報
【特許文献５】特開２００５−１６３１４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
浸炭窒化処理することによって、部品のピッチング寿命が向上するが、苛酷な摺動環境下では、高い負荷を受けるため、内部剪断応力が大きくなり、スポーリング損傷が発生して面疲労寿命が低下することがあった。
【０００８】
浸炭窒化処理するための肌焼鋼は、特許文献２〜５に開示されている。しかし、特許文献２〜５に開示されている肌焼鋼は、浸炭窒化処理することによって、部品のピッチング寿命を向上させることを目的としておらず、スポーリング損傷についても全く考慮されていない。
【０００９】
本発明は上記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、浸炭窒化処理することによってピッチング損傷の発生を抑制したうえで、スポーリング損傷の発生も抑制することにより、面疲労寿命を改善した浸炭窒化部品、および該浸炭窒化部品を製造する素材となる浸炭窒化用鋼材、並びに該浸炭窒化部品の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決することのできた本発明に係る浸炭窒化用鋼材とは、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３％、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｐ：０％超、０．０３％以下、Ｓ：０％超、０．０３％以下、Ｃｒ：０．２〜０．８％、Ｍｏ：０．２５〜１％、Ａｌ：０．０１〜０．０８％、Ｔｉ：０．０１〜０．１％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％、およびＮ：０％超、０．０１％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる点に要旨を有する。
【００１１】
上記浸炭窒化用鋼材は、更に、他の元素として、質量％で、
（ａ）Ｎｂ：０％超、０．１％以下、Ｖ：０％超、０．５％以下、およびＨｆ：０％超、０．１％以下から選択される少なくとも１種、
（ｂ）Ｃｕ：０％超、１％以下、およびＮｉ：０％超、２％以下から選択される少なくとも１種、
（ｃ）Ｃａ：０％超、０．００５％以下、Ｍｇ：０％超、０．００５％以下、Ｚｒ：０％超、０．００５％以下、Ｔｅ：０％超、０．１０％以下、およびＲＥＭ：０％超、０．０２％以下から選択される少なくとも１種、
（ｄ）Ｐｂ：０％超、０．１０％以下、Ｂｉ：０％超、０．１０％以下、およびＳｂ：０％超、０．１％以下から選択される少なくとも１種、
等を含有してもよい。
【００１２】
本発明には、上記浸炭窒化用鋼材を用いた浸炭窒化部品も包含され、該浸炭窒化部品は、部品表面からの深さが２５〜５０μｍである領域における炭窒化物の合計面積率が０％以上５％以下である点に要旨を有する。
【００１３】
上記浸炭窒化部品は、上記成分組成を満足する浸炭窒化用鋼材に、浸炭窒化処理することによって製造できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、成分組成のうち、特に、Ｍｎ、Ｃｒ、およびＡｌ量に着目して制御しているため、浸炭窒化処理時に部品表層に炭窒化物が生成するのを抑制できる。その結果、ピッチング損傷だけでなく、スポーリング損傷の発生も抑制できる浸炭窒化用鋼材を提供できる。この鋼材を用いた浸炭窒化部品は、面疲労寿命に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、試験片の形状を示す模式図である。
【図２】図２のａは、試験片の切断方向を説明するための模式図であり、ｂは試験片の切断面を観察する手順を説明するための模式図である。
【図３】図３は、試験片の切断面を撮影した図面代用写真である。
【図４】図４は、図３に矢印で示した位置における析出物の成分組成をエネルギー分散型Ｘ線分光法により測定した結果を示すスペクトルである。
【図５】図５は、面疲労寿命を測定したときの様子を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明者は、浸炭窒化部品について、スポーリングの発生を抑制することにより面疲労寿命を一段と改善するために、鋭意検討を重ねた。その結果、浸炭窒化処理時に部品表層に形成される炭窒化物がスポーリング損傷の原因となること、浸炭窒化部品を製造する素材として用いる浸炭窒化用鋼材の成分組成のうち、特に、Ｍｎ、Ｃｒ、およびＡｌ量を適切に調整すれば、浸炭窒化処理時に炭窒化物が生成するのを抑制できるため、浸炭窒化部品の内部でスポーリングが発生することを抑制でき、面疲労寿命を改善できることを見出し、本発明を完成した。
【００１７】
即ち、浸炭窒化処理を施すことによって部品表層にＣとＮが拡散する。そして、浸炭窒化処理した部品は、摺動時の摩擦熱によって部品表層に固溶していたＮがＦｅ4Ｎとして微細析出するため、軟化抵抗が向上し、ピッチング寿命が向上する。一方、部品表層に拡散したＣとＮは、鋼中の合金元素と結合することにより硬質な炭窒化物を形成する。そして、苛酷な摺動環境下において、高い負荷を受けると、スポーリングが発生しており、その原因について調べたところ、炭窒化物に起因していることが判明した。炭窒化物のヤング率は、母材である鋼と比べると非常に高いため、炭窒化物が分散している領域を析出物層とすると、析出物層のヤング率は炭窒化物の生成量に伴って増大する。従って、炭窒化物が析出している析出物層と、炭窒化物が析出していない非析出物層（即ち、母材）の界面ではヤング率に差が生じるため、苛酷な摺動環境下において高い負荷を受けると、ヤング率の差に起因した剪断応力が発生し、結果として層の界面に内部亀裂が発生する。この亀裂が進展し、スポーリング損傷に至ることが分かった。
【００１８】
このような観点から、高い負荷を受ける苛酷な摺動環境下における面疲労寿命を向上させるために、本発明では、浸炭窒化処理時に部品表層に拡散させたＣとＮが炭窒化物となるのを抑制し、固溶Ｃ、固溶Ｎとして存在させることが重要である。そして、炭窒化物の生成量は、合金元素のうち、特に、Ｍｎ、Ｃｒ、およびＡｌ量に影響することが分かり、鋼材の成分組成を設計した。以下、本発明に係る浸炭窒化用鋼材の成分組成について説明する。
【００１９】
本発明の鋼材は、基本成分として、Ｃ：０．１５〜０．３％、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｐ：０％超、０．０３％以下、Ｓ：０％超、０．０３％以下、Ｃｒ：０．２〜０．８％、Ｍｏ：０．２５〜１％、Ａｌ：０．０１〜０．０８％、Ｔｉ：０．０１〜０．１％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％、およびＮ：０％超、０．０１％以下を含有する。
【００２０】
Ｃは、浸炭窒化部品の芯部硬さを確保するために必要な元素であり、Ｃ量が０．１５％を下回ると芯部硬さを確保できず、面疲労寿命が低下する。従って本発明では、Ｃ量は、０．１５％以上とする。Ｃ量は、好ましくは０．１７％以上、より好ましくは０．１８％以上である。しかし、Ｃを過剰に含有すると、部品形状に加工する前にパーライト分率が増加し、部品形状への加工性が悪化する。従って本発明では、Ｃ量は、０．３％以下とする。Ｃ量は、好ましくは０．２７％以下、より好ましくは０．２５％以下である。
【００２１】
Ｓｉは、摺動発熱に対する軟化抵抗を高める元素である。Ｓｉ量が０．５％を下回ると摺動発熱に対する軟化抵抗が低下し、面疲労寿命を改善できない。従って本発明では、Ｓｉ量は、０．５％以上とする。Ｓｉ量は、好ましくは０．６％以上、より好ましくは０．６５％以上である。しかし、Ｓｉを過剰に含有すると、部品形状への加工性が悪化する。また、鋼材の炭素原子の活量を下げて浸炭不良を引き起こす。従って本発明では、Ｓｉ量は、１．５％以下とする。Ｓｉ量は、好ましくは１．３％以下、より好ましくは１．２％以下である。
【００２２】
Ｍｎは、Ｓと結合してＭｎＳを生成し、部品形状への加工性を悪化させるＦｅＳの生成を抑制する元素である。こうした効果を発揮させるために、Ｍｎ量は、０．２％以上とする。Ｍｎ量は、好ましくは０．３％以上、より好ましくは０．３５％以上である。しかし、Ｍｎを過剰に含有すると、浸炭窒化処理時に炭窒化物を形成し、面疲労寿命を低下させる。従って本発明では、Ｍｎ量は０．５％以下とすることが重要である。Ｍｎ量は、好ましくは０．４７％以下、より好ましくは０．４５％以下である。
【００２３】
Ｐは、不可避的に含まれる元素であり、結晶粒界に偏析して面疲労寿命を低下させるため、できるだけ低減する必要がある。こうした観点からＰ量は、０．０３％以下とする。Ｐ量は、好ましくは０．０２５％以下、より好ましくは０．０２０％以下である。Ｐ量は、できるだけ低減することが好ましいが、純度を高めるには製造コストが増加する。こうした観点からＰ量は、好ましくは０．００３％以上、より好ましくは０．００５％以上である。
【００２４】
Ｓは、不可避的に含まれる元素であり、Ｍｎと結合して形成したＭｎＳ系介在物は、面疲労寿命を低下させる。従って本発明では、Ｓ量は０．０３％以下とする。Ｓ量は、好ましくは０．０２５％以下、より好ましくは０．０２０％以下である。しかし、少量のＳは、被削性を向上させる作用を有する。また、純度を高めるには製造コストが増加する。こうした観点からＳ量は、好ましくは０．００３％以上、より好ましくは０．００５％以上である。
【００２５】
Ｃｒは、浸炭窒化処理時に炭窒化物を形成し、面疲労寿命を低下させる元素である。従って本発明では、Ｃｒ量は０．８％以下とすることが重要である。Ｃｒ量は、好ましくは０．７５％以下、より好ましくは０．６０％以下である。しかし、Ｃｒ量が０．２％を下回ると焼入性が低下し、面疲労寿命が低下するため、Ｃｒ量は０．２％以上とする。Ｃｒ量は、好ましくは０．３％以上、より好ましくは０．３５％以上である。
【００２６】
Ｍｏは、浸炭窒化処理時に軟質な不完全焼入れ組織が形成されるのを抑制し、軟化抵抗を高め、面疲労寿命を改善する元素である。従って本発明では、Ｍｏ量は０．２５％以上とする。Ｍｏ量は、好ましくは０．３０％以上、より好ましくは０．３５％以上である。しかし、Ｍｏを過剰に含有すると、部品形状への加工性が悪化する。また、コスト高となる。こうした観点からＭｏ量は、１％以下とする。Ｍｏ量は、好ましくは０．９％以下、より好ましくは０．８％以下である。
【００２７】
Ａｌは、不可避的に含まれる元素であるが、脱酸剤として作用すると共に、ＡｌＮを形成して浸炭窒化処理時に結晶粒が粗大化するのを抑制する元素である。こうした効果を発揮させために、Ａｌ量は０．０１％以上とすることが重要である。Ａｌ量は、好ましくは０．０１５％以上、より好ましくは０．０２０％以上である。しかし、Ａｌを過剰に含有すると、熱間加工性が悪化する。また、浸炭窒化処理時に炭窒化物を形成し、面疲労寿命を低下させる。従って本発明では、Ａｌ量は、０．０８％以下とすることが重要である。Ａｌ量は、好ましくは０．０６％以下、より好ましくは０．０５％以下である。
【００２８】
Ｔｉは、鋼中のＮと結合してＴｉＮを形成することによってＢを固溶させ、鋼の焼入性を高めて強度を向上させる元素である。こうした観点から本発明では、Ｔｉ量は、０．０１％以上とする。Ｔｉ量は、好ましくは０．０２％以上、より好ましくは０．０３％以上である。しかし、Ｔｉを過剰に含有するとコスト高となるため、Ｔｉ量は、０．１％以下とする。Ｔｉ量は、好ましくは０．０９％以下、より好ましくは０．０８％以下である。
【００２９】
Ｂは、焼入性を高めて強度を向上させると共に、粒界強度を高めて面疲労寿命を向上させる元素である。こうした効果を発揮させるために本発明では、Ｂ量は、０．０００５％以上とする。Ｂ量は、好ましくは０．００１０％以上、より好ましくは０．００１２％以上である。しかし、Ｂを過剰に含有しても効果は飽和し、ＢＮが生成して却って熱間加工性が悪化する。従って本発明では、Ｂ量は、０．００５％以下とする。Ｂ量は、好ましくは０．００４％以下、より好ましくは０．００３％以下である。
【００３０】
Ｎは、鋼中のＡｌ、Ｔｉ、Ｎｂと結合して微細な炭窒化物を形成し、ピンニング効果によって浸炭窒化処理時に結晶粒が粗大化するのを抑制する元素である。こうした効果を有効に発揮させるには、Ｎ量は、好ましくは０．００１％以上、より好ましくは０．００３％以上である。しかし、Ｎを過剰に含有すると、ＢＮを形成して鋼の焼入性を低下させるため、面疲労寿命を改善できない。従って本発明では、Ｎ量は、０．０１％以下とする。Ｎ量は、好ましくは０．００９％以下、より好ましくは０．００８％以下である。
【００３１】
上記鋼材の基本成分は、上述した通りであり、残部は、実質的に鉄である。但し、原材料、資材、製造設備等から持ち込まれる不可避不純物が鋼中に含まれることは当然に許容される。
【００３２】
本発明に係る浸炭窒化用鋼材は、上記元素に加え、更に、他の元素として、質量％で、
（ａ）Ｎｂ：０％超、０．１％以下、Ｖ：０％超、０．５％以下、およびＨｆ：０％超、０．１％以下から選択される少なくとも１種、
（ｂ）Ｃｕ：０％超、１％以下、およびＮｉ：０％超、２％以下から選択される少なくとも１種、
（ｃ）Ｃａ：０％超、０．００５％以下、Ｍｇ：０％超、０．００５％以下、Ｚｒ：０％超、０．００５％以下、Ｔｅ：０％超、０．１０％以下、およびＲＥＭ：０％超、０．０２％以下から選択される少なくとも１種、
（ｄ）Ｐｂ：０％超、０．１０％以下、Ｂｉ：０％超、０．１０％以下、およびＳｂ：０％超、０．１％以下から選択される少なくとも１種、
等を含有してもよい。
【００３３】
（ａ）Ｎｂ、Ｖ、およびＨｆは、いずれも鋼中のＣおよびＮと結合して炭窒化物を形成する元素である。浸炭窒化処理時に生成する粗大な炭窒化物は、面疲労寿命に対して悪影響を及ぼすが、浸炭窒化処理前に生成する微細な炭窒化物は、ピンニング効果によって浸炭窒化処理時に結晶粒が粗大化するのを防止する作用を有する。そこで、Ｎｂ、Ｖ、およびＨｆを、単独で、あるいは２種以上を含有してもよい。
【００３４】
こうした効果を有効に発揮させるには、Ｎｂ量は、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０１５％以上、更に好ましくは０．０２０％以上である。Ｖ量は、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上、更に好ましくは０．１０％以上である。Ｈｆ量は、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０２％以上、更に好ましくは０．０３％以上である。
【００３５】
しかし、Ｎｂ、Ｖ、およびＨｆを過剰に含有しても結晶粒粗大化防止効果は飽和すると共に、却って面疲労寿命を悪化させる。また、コスト高となる。従って本発明では、Ｎｂ量は、好ましくは０．１％以下、より好ましくは０．０９％以下、更に好ましくは０．０８％以下である。Ｖ量は、好ましくは０．５％以下、より好ましくは０．４５％以下、更に好ましくは０．４０％以下である。Ｈｆ量は、好ましくは０．１％以下、より好ましくは０．０９％以下、更に好ましくは０．０８％以下である。
【００３６】
（ｂ）Ｃｕ、およびＮｉは、焼入性を高めて面疲労寿命を向上させる元素である。Ｃｕ、およびＮｉは、単独で、あるいは２種を併用できる。
【００３７】
こうした効果を有効に発揮させるには、Ｃｕ量は、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上、更に好ましくは０．１０％以上である。Ｎｉ量は、好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．１％以上、更に好ましくは０．５％以上である。しかし、ＣｕおよびＮｉを過剰に含有するとコスト高となる。こうした観点から、Ｃｕ量は、好ましくは１％以下、より好ましくは０．７％以下、更に好ましくは０．５％以下である。Ｎｉ量は、好ましくは２％以下、より好ましくは１．９％以下、更に好ましくは１．８％以下である。
【００３８】
（ｃ）Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｔｅ、およびＲＥＭ（Ｒａｒｅ  Ｅａｒｔｈ  Ｍｅｔａｌ；希土類元素）は、いずれも被削性を向上させる元素である。特に、ＴｅとＲＥＭは、ＭｎＳの伸長を抑制することによって被削性を向上させるのに寄与する元素である。Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｔｅ、およびＲＥＭは、単独で、あるいは２種以上を併用できる。
【００３９】
こうした観点から、Ｃａ量は、好ましくは０．０００１％以上、より好ましくは０．０００５％以上、更に好ましくは０．００１０％以上である。Ｍｇ量は、好ましくは０．０００１％以上、より好ましくは０．０００５％以上、更に好ましくは０．００１０％以上である。Ｚｒ量は、好ましくは０．０００１％以上、より好ましくは０．０００５％以上、更に好ましくは０．００１０％以上である。Ｔｅ量は、好ましくは０．００１％以上、より好ましくは０．０１％以上、更に好ましくは０．０３％以上である。ＲＥＭ量は、好ましくは０．０００１％以上、より好ましくは０．００１％以上、更に好ましくは０．００５％以上である。
【００４０】
しかし、過剰に含有すると面疲労寿命が低下する。従って本発明では、Ｃａ量は、好ましくは０．００５％以下、より好ましくは０．００４％以下、更に好ましくは０．００３％以下である。Ｍｇ量は、好ましくは０．００５％以下、より好ましくは０．００４５％以下、更に好ましくは０．００４０％以下である。Ｚｒ量は、好ましくは０．００５％以下、より好ましくは０．００４％以下、更に好ましくは０．００３％以下である。Ｔｅ量は、好ましくは０．１０％以下、より好ましくは０．０７％以下、更に好ましくは０．０５％以下である。ＲＥＭ量は、好ましくは０．０２％以下、より好ましくは０．０１９％以下、更に好ましくは０．０１８％以下である。
【００４１】
なお、本発明において、ＲＥＭとは、ランタノイド元素（ＬａからＬｕまでの１５元素）およびＳｃ（スカンジウム）とＹ（イットリウム）を含む意味である。
【００４２】
（ｄ）Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｂは、いずれも被削性を向上させる元素である。Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｂは、単独で、あるいは２種以上を併用できる。
【００４３】
こうした観点から、Ｐｂ量は、好ましくは０．００１％以上、より好ましくは０．００２％以上、更に好ましくは０．００３％以上である。Ｂｉ量は、好ましくは０．００１％以上、より好ましくは０．００２％以上、更に好ましくは０．００３％以上である。Ｓｂ量は、好ましくは０．００１％以上、より好ましくは０．００１５％以上、更に好ましくは０．００２０％以上である。しかし、過剰に含有すると面疲労寿命が低下する。従って本発明では、Ｐｂ量は、好ましくは０．１０％以下、より好ましくは０．０８％以下、更に好ましくは０．０６％以下である。Ｂｉ量は、好ましくは０．１０％以下、より好ましくは０．０８％以下、更に好ましくは０．０５％以下である。Ｓｂ量は、好ましくは０．１％以下、より好ましくは０．０８％以下、更に好ましくは０．０５％以下である。
【００４４】
以上、本発明に係る浸炭窒化用鋼材の成分組成について説明した。
【００４５】
本発明には、上記浸炭窒化用鋼材を用いた浸炭窒化部品も包含される。上記浸炭窒化部品は、部品表層に存在する炭窒化物の合計面積率が０％以上５％以下である。部品表層に炭窒化物が多量に存在すると、苛酷な摺動環境下で高い負荷を受け、内部剪断応力が大きくなったときに、炭窒化物が亀裂発生の起点となり、スポーリング損傷が促進され、面疲労寿命が低下する。従って本発明では、部品表層に存在する炭窒化物の合計面積率を５％以下とする。炭窒化物の合計面積率は、好ましくは４％以下、より好ましくは３％以下である。炭窒化物の合計面積率は、最も好ましくは０％である。
【００４６】
上記部品表層とは、部品表面を基準としたとき、深さ２５μｍ位置から深さ５０μｍ位置までの領域を意味する。
【００４７】
上記炭窒化物の合計面積率は、走査型電子顕微鏡を用い、部品表面からの深さが２５〜５０μｍである領域を観察し、観察視野内に存在する炭窒化物の面積を測定し、これを合計し、観察視野に対する炭窒化物の合計面積率を算出すればよい。観察視野数は、例えば、５視野以上とすればよい。
【００４８】
本発明では、顕微鏡観察において粒状に観察される析出物を炭窒化物と判断している。このような形状の析出物をエネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ＥＤＸ）等で分析すると、通常、Ｍｎ、Ｃｒ、およびＡｌよりなる群から選ばれる少なくとも１種が検出される。つまり、本発明の炭窒化物は、通常、Ｍｎ、Ｃｒ、およびＡｌよりなる群から選ばれる少なくとも１種を含んでいる。
【００４９】
本発明に係る浸炭窒化部品は、電子線マイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｓｅｒ；ＥＰＭＡ）により、部品表面から深さ２５μｍ位置までの領域を、表面から深さ方向に５μｍ間隔でＣ量およびＮ量を測定し、平均値を求めたときに、平均Ｃ量が０．４〜１％、平均Ｎ量が０．２〜０．６％であることが好ましい。浸炭窒化処理によって部品表面に、Ｃ原子およびＮ原子が導入されることにより、部品表面の硬さが向上すると共に、軟化抵抗が向上する。その結果、面疲労寿命が高くなる。上記平均Ｃ量が０．４％を下回ると、マルテンサイトの硬度が充分に高くならず、面疲労寿命の改善が充分でない。従って本発明では、部品表面における平均Ｃ量は、０．４％以上とするのが好ましい。平均Ｃ量は、より好ましくは０．４５％以上、更に好ましくは０．５０％以上である。しかし、Ｃを過剰に含有すると、残留オーステナイトの生成量が増加したり、粗大な炭化物が析出し、面疲労寿命が低下する。従って本発明では、平均Ｃ量は１％以下が好ましい。平均Ｃ量は、より好ましくは０．９％以下、更に好ましくは０．８％以下である。
【００５０】
上記平均Ｎ量が０．２％を下回ると、固溶Ｎ量が少なくなり、摺動時にＦｅ4Ｎが析出しないため、面疲労寿命の改善が充分でない。従って本発明では、部品表面における平均Ｎ量は、０．２％以上が好ましい。平均Ｎ量は、より好ましくは０．２５％以上、更に好ましくは０．３０％以上である。しかし、Ｎを過剰に含有すると、合金成分の窒化物が析出し、面疲労寿命の改善が充分でない。従って本発明では、平均Ｎ量は０．６％以下が好ましい。平均Ｎ量は、より好ましくは０．５５％以下、更に好ましくは０．５０％以下である。
【００５１】
上記Ｃ量、およびＮ量は、浸炭窒化処理の条件を制御することによって調整できる。
【００５２】
次に、本発明に係る浸炭窒化用鋼材の製造方法について説明する。
【００５３】
本発明の浸炭窒化用鋼材は、常法に従って溶製した鋼を、常法に従って鋳造、分塊圧延、および仕上げ圧延して製造できる。具体的には、鋳造して得られた鋳片を、１１００〜１３００℃で３０分間〜５時間加熱保持した後、分塊圧延すればよい。分塊圧延後の鋼片は、例えば、平均冷却速度を０．０１〜５℃／秒としてＡ1点以下の温度に冷却し、更に８００〜１１００℃に加熱保持した状態で仕上げ圧延を行ない、更に平均冷却速度を０．０１〜５℃／秒として室温まで冷却することにより本発明の鋼材が得られる。
【００５４】
本発明の鋼材の形状は、例えば、棒鋼であり、直径は、例えば、２０〜５０ｍｍである。
【００５５】
上記鋼材を、常法に従って切削、冷間鍛造、および熱間鍛造よりなる群から選ばれる１種以上の方法で加工して中間品とし、この中間品に浸炭窒化処理を施すことにより本発明の浸炭窒化部品を製造できる。 
上記浸炭窒化処理する前に、必要に応じて常法に従って焼鈍処理、溶体化処理および焼準処理を施してもよい。
【００５６】
上記浸炭窒化処理の条件は特に限定されず、公知の条件を適用できる。具体的には、カーボンポテンシャルＣＰが０．５〜１．０質量％で、ＮＨ3を体積分率で２〜１５％含むプロパンガス雰囲気で、８００〜１０００℃で３０分〜６時間保持して行えばよい。浸炭窒化処理後は、常法に従って焼入れし、更に１００〜３００℃に加熱して３０分〜３時間保持して焼戻しを行えばよい。
【００５７】
上記浸炭窒化処理は、浸炭処理してから浸炭窒化処理してもよい。例えば、浸炭処理として、カーボンポテンシャルＣＰを０．５〜１．０質量％として８５０〜１０００℃で、３０分〜３時間保持してから、浸炭窒化処理として、カーボンポテンシャルＣＰを０．５〜１．０質量％、ＮＨ3を体積分率で２〜１５％含むプロパンガス雰囲気で、８００〜９００℃で、３０分〜３時間保持してもよい。なお、上記浸炭処理は、２回以上に分けて行ってもよい。上記浸炭窒化処理の温度に加熱するときの雰囲気は、浸炭窒化雰囲気とすればよい。
【００５８】
浸炭窒化方法は特に限定されず、例えば、ガス浸炭窒化、真空浸炭窒化など公知の方法を採用できる。真空浸炭窒化するときの真空度は、例えば、０．０１ＭＰａ程度以下とすればよい。
【００５９】
上記浸炭窒化処理後は、必要に応じて常法に従って研磨、潤滑被膜処理、またはショットピーニング処理などを施してもよい。
【００６０】
浸炭窒化処理して得られた浸炭窒化部品は、例えば、歯車、軸受、シャフト、ＣＶＴプーリー等の動力伝達部品などに好適に用いることができる。
【実施例】
【００６１】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限を受けるものではなく、前記および後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００６２】
下記表１、表２に示す成分組成の鋼（残部は、鉄および不可避不純物）を小型溶解炉で溶製し、インゴットを製造した。下記表１、表２において、「−」は検出されなかったことを意味する。
【００６３】
得られたインゴットを、１１００〜１３００℃で３０〜１２０分間加熱保持した後、熱間鍛造してφ３２ｍｍの棒鋼とし、更に溶体化処理として１２５０℃で６０分間加熱保持し、放冷後、更に焼準処理として９００℃で６０分間加熱保持した。溶体化処理は、実機における分塊圧延を模擬し、焼準処理は、実機における仕上げ圧延を模擬している。
【００６４】
焼準処理して得られたφ３２ｍｍの鋼材を図１に示す形状の試験片に加工した。なお、試験片は円筒状である。
【００６５】
次に、得られた試験片をガス浸炭炉にて浸炭窒化処理した。具体的には、まず、浸炭処理として、カーボンポテンシャルＣＰを０．９質量％として９３０℃で９０分間保持した後、続けてカーボンポテンシャルＣＰを０．７５質量％として９３０℃で６０分間保持した。次に、６０分間保持後、８５０℃に降温し、浸炭窒化処理として、カーボンポテンシャルＣＰが０．７５質量％で、ＮＨ3ガスを体積分率で１２％含むＲＸガス雰囲気で２時間保持した直後に油焼入れを行った。油焼入れ後、更に１７０℃に加熱して２時間保持してから放冷することにより焼戻しを行った。浸炭窒化処理後の焼入れ焼戻しにおける熱処理歪みを除くため、φ２４ｍｍのつかみ部を研磨した。
【００６６】
浸炭窒化処理後に焼入れ焼戻しして得られた試験片について、部品表層に存在する炭窒化物の合計面積率を測定した。測定手順を、図２を用いて説明する。
【００６７】
まず、上記図１に示した試験片のφ２６ｍｍ部分を、図２のａに点線で示すように、軸方向に対して垂直な方向に切断し、図２のｂに示すように、切断面Ｄを観察できるように樹脂Ｒに埋め、切断面Ｄを研磨した後、ピクリン酸にて腐食し、Ａｕ蒸着を施した。図２のｂに示す矢印は、観察方向を示している。
【００６８】
上記切断面Ｄにおける、上記試験片の表面Ｓ（即ち、試験片の円周面）に対して、深さ２５μｍ位置から深さ５０μｍ位置までの領域を、走査型電子顕微鏡で、観察倍率４０００倍で、観察視野は２００μｍ×１５０μｍで、任意の５視野について観察した。撮影した写真を画像解析し、各視野で観察される炭窒化物の合計面積率を算出し、平均値を求めた。結果を下記表１、表２に示す。なお、本発明では、観察視野内に認められる粒状の析出物を炭窒化物と判断した。
【００６９】
参考として、観察視野内に認められる粒状の析出物の成分組成を、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）により測定した。下記表２に示したＮｏ．３１について、上記切断面を撮影した図面代用写真を図３に示す。
【００７０】
図３に矢印で示した粒状の析出物について、ＥＤＸで測定したスペクトルを図４に示す。
【００７１】
図４から明らかなように、粒状の析出物は、Ｃｒを含有する炭窒化物であった。なお、図４に示したＥＤＸスペクトルには、Ａｕも検出されているが、このＡｕは、析出物を観察しやすくするように切断面に蒸着させたＡｕに起因している。
【００７２】
次に、浸炭窒化処理後に焼入れ焼戻しして得られた試験片について、部品表面から深さ２５μｍ位置までの領域（部品表面）におけるＣ量とＮ量を測定した。
【００７３】
Ｃ量およびＮ量の測定は、析出物を観察した後の試験片表面（即ち、切断面）を研磨した後、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて試験片の表面（即ち、試験片の円周面）から深さ方向（即ち、軸の中心方向）に向かって深さ２５μｍ位置までを、５μｍ間隔で行なった。測定結果の平均値を算出し、平均Ｃ量および平均Ｎ量を算出した。結果を下記表１および表２に示す。
【００７４】
次に、浸炭窒化処理後に焼入れ焼戻しして得られた試験片について、コマツエンジニアリング株式会社製の「ＲＰ−２０１型ローラーピッチング試験機」を用いて面疲労寿命を測定した。
【００７５】
図５に、試験時の外観として、試験片１と荷重ローラー２が接触し、すべりながら転動する様子を示す。図５の３は摺動部を示している。
【００７６】
荷重ローラー２にはＪＩＳ  Ｇ４８０５で規定される高炭素クロム鋼ＳＵＪ２、試験油には市販のオートマチック油を用いた。測定条件は、試験面圧：３．５ＧＰａ、すべり率：−４０％、回転数：１０００ｒｐｍとした。試験面圧が３．５ＧＰａは、苛酷な摺動環境を模擬している。
【００７７】
剥離損傷によって試験機が停止するまでの回転数を測定し、この回転数を面疲労寿命とした。回転数が２０００万回に到達した場合はその時点で試験を中止した。各鋼種２本ずつ試験を行ない、平均値を求めた。結果を下記表１および表２に示す。下記表１および表２において、αＥ＋βは、α×１０βを意味する。
【００７８】
本発明では、上記回転数が１０００万回以上の場合を合格とし、面疲労寿命に優れると評価した。
【００７９】
下記表１および表２に基づいて、次のように考察できる。
【００８０】
Ｎｏ．１〜２３は、本発明で規定する要件を満足する例であり、面疲労寿命評価試験における回転数が１０００万回以上となり、面疲労寿命に優れることが分かる。
【００８１】
Ｎｏ．２４〜４５は、本発明で規定するいずれかの要件を満足しない例であり、面疲労寿命を改善できていない。詳細は次の通りである。
【００８２】
Ｎｏ．２４は、Ｃ量が少なすぎる例であり、面疲労寿命を改善できなかった。
【００８３】
Ｎｏ．２５は、Ｓｉ量が少なすぎる例であり、面疲労寿命を改善できなかった。
【００８４】
Ｎｏ．２６、２７は、Ｍｎ量が多すぎる例であり、浸炭窒化処理時に炭窒化物が過剰に生成したため、面疲労寿命を改善できなかった。
【００８５】
Ｎｏ．２８は、Ｐ量が多すぎる例であり、面疲労寿命を改善できなかった。
【００８６】
Ｎｏ．２９は、Ｓ量が多すぎる例であり、面疲労寿命を改善できなかった。
【００８７】
Ｎｏ．３０、３１は、Ｃｒ量が多すぎる例であり、浸炭窒化処理時に炭窒化物が過剰に生成したため、面疲労寿命を改善できなかった。
【００８８】
Ｎｏ．３２は、Ｍｏ量が少なすぎる例であり、面疲労寿命を改善できなかった。
【００８９】
Ｎｏ．３３、３４は、Ａｌ量が多すぎる例であり、浸炭窒化処理時に炭窒化物が過剰に生成したため、面疲労寿命を改善できなかった。
【００９０】
Ｎｏ．３５は、Ｔｉを含有しない例であり、面疲労寿命を改善できなかった。
【００９１】
Ｎｏ．３６は、Ｂを含有しない例であり、面疲労寿命を改善できなかった。
【００９２】
Ｎｏ．３７は、Ｎ量が多すぎる例であり、面疲労寿命を改善できなかった。
【００９３】
Ｎｏ．３８は、Ｃａ量が多すぎる例であり、面疲労寿命を改善できなかった。
【００９４】
Ｎｏ．３９は、Ｍｇ量が多すぎる例であり、面疲労寿命を改善できなかった。
【００９５】
Ｎｏ．４０は、Ｚｒ量が多すぎる例であり、面疲労寿命を改善できなかった。
【００９６】
Ｎｏ．４１は、Ｔｅ量が多すぎる例であり、面疲労寿命を改善できなかった。
【００９７】
Ｎｏ．４２は、ＲＥＭ量が多すぎる例であり、面疲労寿命を改善できなかった。
【００９８】
Ｎｏ．４３は、Ｐｂ量が多すぎる例であり、面疲労寿命を改善できなかった。
【００９９】
Ｎｏ．４４は、Ｂｉ量が多すぎる例であり、面疲労寿命を改善できなかった。
【０１００】
Ｎｏ．４５は、Ｓｂ量が多すぎる例であり、面疲労寿命を改善できなかった。
【０１０１】
【表１】
2017125232.tif 000002
【０１０２】
【表２】
2017125232.tif 000003
【符号の説明】
【０１０３】
１  試験片
２  荷重ローラー
３  摺動部
Ｄ  切断面
Ｒ  樹脂
Ｓ  試験片の表面
【図１】
2017125232.tif 000004
【図２】
2017125232.tif 000005
【図３】
2017125232.tif 000006
【図４】
2017125232.tif 000007
【図５】
2017125232.tif 000008