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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024126478
(43)【公開日】2024-09-20
(54)【発明の名称】機械部品および機械部品の製造方法
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20240912BHJP
C22C 38/18 20060101ALI20240912BHJP
C22C 38/48 20060101ALI20240912BHJP
C21D 1/06 20060101ALI20240912BHJP
C21D 9/32 20060101ALI20240912BHJP
C23C 8/22 20060101ALI20240912BHJP
C23C 8/32 20060101ALI20240912BHJP
C23C 8/34 20060101ALI20240912BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 301N
C22C38/18
C22C38/48
C21D1/06 A
C21D9/32 A
C23C8/22
C23C8/32
C23C8/34
【審査請求】有
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023034868
(22)【出願日】2023-03-07
(71)【出願人】
【識別番号】000001236
【氏名又は名称】株式会社小松製作所
(74)【代理人】
【識別番号】100136098
【弁理士】
【氏名又は名称】北野 修平
(72)【発明者】
【氏名】金澤 大吾
【テーマコード（参考）】
4K028
4K042
【Ｆターム（参考）】
4K028AA01
4K028AA03
4K028AB01
4K028AC03
4K028AC07
4K042AA18
4K042BA02
4K042BA03
4K042BA04
4K042CA06
4K042CA08
4K042CA09
4K042CA10
4K042DA01
4K042DA02
4K042DC02
4K042DC03
4K042DC04
4K042DE02
4K042DE06
(57)【要約】
【課題】白層剥離の発生を抑制することにより耐久性を向上させた機械部品および機械部品の製造方法を提供する。
【解決手段】機械部品である平歯車（１）は、０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、マルテンサイト組織を有する鋼から構成され、表面の少なくとも一部を構成するように配置され、他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層（３１）を備える。浸炭層（３１）は、表面を構成するように配置され、１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有し、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜（４０）を含む。
【選択図】図３
【解決手段】機械部品である平歯車（１）は、０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、マルテンサイト組織を有する鋼から構成され、表面の少なくとも一部を構成するように配置され、他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層（３１）を備える。浸炭層（３１）は、表面を構成するように配置され、１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有し、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜（４０）を含む。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素と、
０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、
０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、
０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、マルテンサイト組織を有する鋼から構成され、
表面の少なくとも一部を構成するように配置され、他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を備え、
前記浸炭層は、前記表面を構成するように配置され、１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有し、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を含む、機械部品。
０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、
０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、
０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、マルテンサイト組織を有する鋼から構成され、
表面の少なくとも一部を構成するように配置され、他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を備え、
前記浸炭層は、前記表面を構成するように配置され、１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有し、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を含む、機械部品。
【請求項2】
０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素と、
０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、
０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、
０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、
０．１５質量％以上０．４５質量％以下のモリブデン、０．０１質量％以上２．００質量％以下のニッケルおよび０．０４質量％以上０．０８質量％以下のニオブからなる群から選択される少なくとも１つと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、マルテンサイト組織を有する鋼から構成され、
表面の少なくとも一部を構成するように配置され、他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を備え、
前記浸炭層は、前記表面を構成するように配置され、１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有し、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を含む、機械部品。
０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、
０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、
０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、
０．１５質量％以上０．４５質量％以下のモリブデン、０．０１質量％以上２．００質量％以下のニッケルおよび０．０４質量％以上０．０８質量％以下のニオブからなる群から選択される少なくとも１つと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、マルテンサイト組織を有する鋼から構成され、
表面の少なくとも一部を構成するように配置され、他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を備え、
前記浸炭層は、前記表面を構成するように配置され、１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有し、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を含む、機械部品。
【請求項3】
前記浸炭層の厚みは５００μｍ以上である、請求項１または請求項２に記載の機械部品。
【請求項4】
前記浸炭層の厚み方向における最大炭素濃度は０．６質量％以上である、請求項１または請求項２に記載の機械部品。
【請求項5】
前記浸炭層において、
厚み方向における最大炭素濃度は０．８質量％以上１．２質量％以下であり、
前記表面に垂直な断面における炭化物の最大粒径は１μｍ以下であり、
ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定される結晶粒度番号は１２以上である、請求項１または請求項２に記載の機械部品。
厚み方向における最大炭素濃度は０．８質量％以上１．２質量％以下であり、
前記表面に垂直な断面における炭化物の最大粒径は１μｍ以下であり、
ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定される結晶粒度番号は１２以上である、請求項１または請求項２に記載の機械部品。
【請求項6】
前記浸炭層において、
厚み方向における最大炭素濃度は１．１質量％以上１．８質量％以下であり、
前記表面に垂直な断面における炭化物の最大粒径は２５μｍ以下であり、
ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定される結晶粒度番号は１１以上である、請求項１または請求項２に記載の機械部品。
厚み方向における最大炭素濃度は１．１質量％以上１．８質量％以下であり、
前記表面に垂直な断面における炭化物の最大粒径は２５μｍ以下であり、
ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定される結晶粒度番号は１１以上である、請求項１または請求項２に記載の機械部品。
【請求項7】
前記浸炭層において、厚み方向における最大窒素濃度は０．７質量％以上１．２質量％以下である、請求項１または請求項２に記載の機械部品。
【請求項8】
前記機械部品は、作業機械のトランスミッション、アクスル、ファイナルドライブまたはスイングマシナリを構成する部品である、請求項１または請求項２に記載の機械部品。
【請求項9】
０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素と、
０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、
０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、
０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼材を準備する工程と、
前記鋼材を成形することにより成形体を得る工程と、
前記成形体を酸化性雰囲気中で加熱することにより前記成形体の表面にマグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を形成する工程と、
前記複合酸化膜が形成された前記成形体を圧力１ｋＰａ以下の浸炭性雰囲気中で加熱することにより前記成形体の表面に他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を前記複合酸化膜よりも大きい厚みで形成する工程と、
前記複合酸化膜および前記浸炭層が形成された前記成形体を焼入硬化する工程と、を備える、機械部品の製造方法。
０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、
０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、
０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼材を準備する工程と、
前記鋼材を成形することにより成形体を得る工程と、
前記成形体を酸化性雰囲気中で加熱することにより前記成形体の表面にマグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を形成する工程と、
前記複合酸化膜が形成された前記成形体を圧力１ｋＰａ以下の浸炭性雰囲気中で加熱することにより前記成形体の表面に他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を前記複合酸化膜よりも大きい厚みで形成する工程と、
前記複合酸化膜および前記浸炭層が形成された前記成形体を焼入硬化する工程と、を備える、機械部品の製造方法。
【請求項10】
０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素と、
０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、
０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、
０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、
０．１５質量％以上０．４５質量％以下のモリブデン、０．０１質量％以上２．００質量％以下のニッケルおよび０．０４質量％以上０．０８質量％以下のニオブからなる群から選択される少なくとも１つと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼材を準備する工程と、
前記鋼材を成形することにより成形体を得る工程と、
前記成形体を酸化性雰囲気中で加熱することにより前記成形体の表面にマグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を形成する工程と、
前記複合酸化膜が形成された前記成形体を圧力１ｋＰａ以下の浸炭性雰囲気中で加熱することにより前記成形体の表面に他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を前記複合酸化膜よりも大きい厚みで形成する工程と、
前記複合酸化膜および前記浸炭層が形成された前記成形体を焼入硬化する工程と、を備える、機械部品の製造方法。
０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、
０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、
０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、
０．１５質量％以上０．４５質量％以下のモリブデン、０．０１質量％以上２．００質量％以下のニッケルおよび０．０４質量％以上０．０８質量％以下のニオブからなる群から選択される少なくとも１つと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼材を準備する工程と、
前記鋼材を成形することにより成形体を得る工程と、
前記成形体を酸化性雰囲気中で加熱することにより前記成形体の表面にマグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を形成する工程と、
前記複合酸化膜が形成された前記成形体を圧力１ｋＰａ以下の浸炭性雰囲気中で加熱することにより前記成形体の表面に他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を前記複合酸化膜よりも大きい厚みで形成する工程と、
前記複合酸化膜および前記浸炭層が形成された前記成形体を焼入硬化する工程と、を備える、機械部品の製造方法。
【請求項11】
前記複合酸化膜を形成する工程と前記浸炭層を形成する工程とは、交互に複数回くり返して実施される、請求項９または請求項１０に記載の機械部品の製造方法。
【請求項12】
前記浸炭層を形成する工程では、厚み方向における最大炭素濃度が０．８質量％以上１．２質量％以下となるように前記浸炭層が形成され、
前記成形体を焼入硬化する工程よりも前に、
前記浸炭層が形成された前記成形体をＡ１変態点以上の温度域からＡ１変態点未満の温度域に冷却して前記浸炭層をパーライト組織とする工程と、
パーライト組織とされた前記浸炭層を有する前記成形体をＡ１変態点以上の温度域に加熱した後、Ａ１変態点未満の温度域に冷却することにより、前記浸炭層に含まれる炭化物を球状化させるとともに、前記浸炭層の結晶粒を微細化する工程と、をさらに備え、
前記成形体を焼入硬化する工程の後において、前記成形体の表面に垂直な断面における前記浸炭層内の炭化物の最大粒径は１μｍ以下であり、前記浸炭層のＪＩＳ Ｇ０５５１に規定される結晶粒度番号は１２以上である、請求項９または請求項１０に記載の機械部品の製造方法。
前記成形体を焼入硬化する工程よりも前に、
前記浸炭層が形成された前記成形体をＡ１変態点以上の温度域からＡ１変態点未満の温度域に冷却して前記浸炭層をパーライト組織とする工程と、
パーライト組織とされた前記浸炭層を有する前記成形体をＡ１変態点以上の温度域に加熱した後、Ａ１変態点未満の温度域に冷却することにより、前記浸炭層に含まれる炭化物を球状化させるとともに、前記浸炭層の結晶粒を微細化する工程と、をさらに備え、
前記成形体を焼入硬化する工程の後において、前記成形体の表面に垂直な断面における前記浸炭層内の炭化物の最大粒径は１μｍ以下であり、前記浸炭層のＪＩＳ Ｇ０５５１に規定される結晶粒度番号は１２以上である、請求項９または請求項１０に記載の機械部品の製造方法。
【請求項13】
前記浸炭層を形成する工程では、厚み方向における最大炭素濃度が１．１質量％以上１．８質量％以下となるように前記浸炭層が形成され、
前記成形体を焼入硬化する工程よりも前に、
前記浸炭層が形成された前記成形体をＡ１変態点未満の温度域に冷却して前記浸炭層をパーライト組織とする工程と、
パーライト組織とされた前記浸炭層を有する前記成形体をＡ１変態点以上の温度域に加熱した後、Ａ１変態点未満の温度域に冷却することにより、前記浸炭層に含まれる炭化物を球状化させる工程と、をさらに備え、
前記成形体を焼入硬化する工程の後において、前記成形体の表面に垂直な断面における前記浸炭層内の炭化物の最大粒径は２５μｍ以下であり、前記浸炭層のＪＩＳ Ｇ０５５１に規定される結晶粒度番号は１１以上である、請求項９または請求項１０に記載の機械部品の製造方法。
前記成形体を焼入硬化する工程よりも前に、
前記浸炭層が形成された前記成形体をＡ１変態点未満の温度域に冷却して前記浸炭層をパーライト組織とする工程と、
パーライト組織とされた前記浸炭層を有する前記成形体をＡ１変態点以上の温度域に加熱した後、Ａ１変態点未満の温度域に冷却することにより、前記浸炭層に含まれる炭化物を球状化させる工程と、をさらに備え、
前記成形体を焼入硬化する工程の後において、前記成形体の表面に垂直な断面における前記浸炭層内の炭化物の最大粒径は２５μｍ以下であり、前記浸炭層のＪＩＳ Ｇ０５５１に規定される結晶粒度番号は１１以上である、請求項９または請求項１０に記載の機械部品の製造方法。
【請求項14】
前記成形体を焼入硬化する工程よりも前に、
前記成形体を浸窒性雰囲気中で加熱することにより、前記浸炭層に窒素を浸入させる工程をさらに備える、請求項９または請求項１０に記載の機械部品の製造方法。
前記成形体を浸窒性雰囲気中で加熱することにより、前記浸炭層に窒素を浸入させる工程をさらに備える、請求項９または請求項１０に記載の機械部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、機械部品および機械部品の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
鋼から構成される機械部品においては、強度向上の観点から、他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層が表面を構成するように形成される場合がある。浸炭層を有し、焼入硬化された機械部品は、表層部の硬度が高い。一方、浸炭層以外の領域は、硬度が低く、優れた靭性を有する。その結果、浸炭層を有する機械部品は、強度と靭性とを両立することができる。
【0003】
浸炭層は、ガス浸炭によって形成されるのが一般的である。ガス浸炭においては、機械部品の表面で２分子の一酸化炭素（ＣＯ）が１分子の二酸化炭素（ＣＯ２）に変化する反応において生成する炭素（Ｃ）が、機械部品の表面に供給される。ガス浸炭は、低コストで浸炭を実施することが可能な点において、優れた処理方法である。一方、上記反応において二酸化炭素が生成するため、浸炭処理において多量の二酸化炭素が排出されるという問題点を有している。
【0004】
他の浸炭方法として、真空浸炭が知られている。真空浸炭においては、減圧（たとえば圧力１ｋＰａ以下の）雰囲気中において機械部品を加熱し、機械部品の表面においてアセチレン（Ｃ２Ｈ２）などの炭化水素が分解する反応で生成する炭素が機械部品の表面に供給される。真空浸炭は、ガス浸炭に比べて一般的に設備コストが大きくなるものの、処理時間の短縮や製造コストの低減、多量の二酸化炭素の排出を回避できるという利点を有している。真空浸炭に適した鋼、真空浸炭により浸炭層が形成されることにより優れた特性を有する機械部品、などが提案されている（たとえば、特許文献１～３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０２２－０８０３６９号公報
【特許文献2】国際公開第２０２０／１４４８３０号
【特許文献3】特開２００６－１８３０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記特許文献においても言及されているように、真空浸炭により浸炭層が形成された機械部品は、ガス浸炭により浸炭層が形成された機械部品に比べて表面における粒界酸化層の形成が抑制されるという特徴を有している。一般に、粒界酸化層の形成が抑制されることにより、機械部品の疲労強度（寿命）などの特性が向上するとされている。
【0007】
しかしながら、本発明者らの検討によれば、真空浸炭により浸炭層が形成された機械部品においては、ガス浸炭により浸炭層が形成された機械部品に比べて短期間で、白層が発生し表面に剥離が生じる現象（白層剥離）が生じる場合がある。
【0008】
白層剥離の発生を抑制することにより耐久性を向上させた機械部品および機械部品の製造方法を提供することが、本開示の目的の１つである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本開示の第１の局面における機械部品は、０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素（Ｃ）と、０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素（Ｓｉ）と、０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガン（Ｍｎ）と、０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、マルテンサイト組織を有する鋼から構成され、表面の少なくとも一部を構成するように配置され、他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を備える。浸炭層は、表面を構成するように配置され、１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有し、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）とヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）とを含む複合酸化膜を含む。
【0010】
本開示の第２の局面における機械部品は、０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、０．１５質量％以上０．４５質量％以下のモリブデン（Ｍｏ）、０．０１質量％以上２．００質量％以下のニッケル（Ｎｉ）および０．０４質量％以上０．０８質量％以下のニオブ（Ｎｂ）からなる群から選択される少なくとも１つと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、マルテンサイト組織を有する鋼から構成され、表面の少なくとも一部を構成するように配置され、他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を備える。浸炭層は、表面を構成するように配置され、１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有し、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を含む。
【0011】
本開示の第１の局面における機械部品の製造方法は、鋼材を準備する工程と、成形体を得る工程と、複合酸化膜を形成する工程と、浸炭層を形成する工程と、成形体を焼入硬化する工程と、を備える。鋼材を準備する工程では、０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼材が準備される。成形体を得る工程では、鋼材を成形することにより成形体を得る。複合酸化膜を形成する工程では、成形体を酸化性雰囲気中で加熱することにより成形体の表面にマグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を形成する。浸炭層を形成する工程では、複合酸化膜が形成された成形体を圧力１ｋＰａ以下の浸炭性雰囲気中で加熱することにより、成形体の表面に他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を複合酸化膜よりも大きい厚みで形成する。成形体を焼入硬化する工程では、複合酸化膜および浸炭層が形成された成形体を焼入硬化する。
【0012】
本開示の第２の局面における機械部品の製造方法は、鋼材を準備する工程と、成形体を得る工程と、複合酸化膜を形成する工程と、浸炭層を形成する工程と、成形体を焼入硬化する工程と、を備える。鋼材を準備する工程では、０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、０．１５質量％以上０．４５質量％以下のモリブデン、０．０１質量％以上２．００質量％以下のニッケルおよび０．０４質量％以上０．０８質量％以下のニオブからなる群から選択される少なくとも１つと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼材が準備される。成形体を得る工程では、鋼材を成形することにより成形体を得る。複合酸化膜を形成する工程では、成形体を酸化性雰囲気中で加熱することにより成形体の表面にマグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を形成する。浸炭層を形成する工程では、複合酸化膜が形成された成形体を圧力１ｋＰａ以下の浸炭性雰囲気中で加熱することにより、成形体の表面に他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を複合酸化膜よりも大きい厚みで形成する。成形体を焼入硬化する工程では、複合酸化膜および浸炭層が形成された成形体を焼入硬化する。
【発明の効果】
【0013】
上記機械部品および機械部品の製造方法によれば、白層剥離の発生を抑制することにより耐久性を向上させた機械部品および機械部品の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
［実施形態の概要］
本開示の第１の局面に従った機械部品は、０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素（Ｃ）と、０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素（Ｓｉ）と、０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガン（Ｍｎ）と、０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、マルテンサイト組織を有する鋼から構成され、表面の少なくとも一部を構成するように配置され、他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を備える。浸炭層は、表面を構成するように配置され、１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有し、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）とヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）とを含む複合酸化膜を含む。
本開示の第１の局面に従った機械部品は、０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素（Ｃ）と、０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素（Ｓｉ）と、０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガン（Ｍｎ）と、０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、マルテンサイト組織を有する鋼から構成され、表面の少なくとも一部を構成するように配置され、他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を備える。浸炭層は、表面を構成するように配置され、１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有し、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）とヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）とを含む複合酸化膜を含む。
【0016】
本開示の第２の局面に従った機械部品は、０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、０．１５質量％以上０．４５質量％以下のモリブデン（Ｍｏ）、０．０１質量％以上２．００質量％以下のニッケル（Ｎｉ）および０．０４質量％以上０．０８質量％以下のニオブ（Ｎｂ）からなる群から選択される少なくとも１つと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、マルテンサイト組織を有する鋼から構成され、表面の少なくとも一部を構成するように配置され、他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を備える。浸炭層は、表面を構成するように配置され、１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有し、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を含む。
【0017】
本発明者らは、真空浸炭により浸炭層が形成された機械部品において白層剥離の発生を抑制する方策について検討を行った。その結果、浸炭層の表面を構成するように所定の厚み以上、より具体的には１μｍ以上の厚みを有し、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を形成することにより、白層剥離の発生を抑制できることを見出した。白層剥離の発生が抑制される理由は、以下に限定するものではないが、たとえば以下のようなものであると考えることができる。
【0018】
白層剥離は、次のようにして発生するものと考えられる。まず、機械部品の表面に、他の部品との接触等によって新生面が生成する。この新生面に潤滑油が触れることで潤滑油に含まれる炭化水素が分解し、この分解によって生成した水素が機械部品の表層部に侵入することにより白層が形成される。この白層が起点となって、機械部品に亀裂が生じることにより、短時間で機械部品の表面に損傷（白層剥離）が生じる。
【0019】
これに対し、浸炭層の表面を構成するように所定の厚み以上（具体的には１μｍ以上）の厚みを有し、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を形成することにより、白層剥離の発生を抑制できる。この理由としては、たとえば複合酸化膜の存在により上記新生面の生成が抑制されること、複合酸化膜が、機械部品が新たに機械に組み込まれて稼働を開始する際に、他の機械部品との接触部分において適度に削り取られることで機械部品の形状の誤差を吸収する（初期なじみが向上する）こと、などが考えられる。なお、ガス浸炭により形成される浸炭層にも、表面を構成するように酸化膜（粒界酸化層）が形成されることが知られている。しかし、ガス浸炭において形成される酸化膜はマグネタイトの単相から構成される酸化膜であって、上記複合酸化膜とは異なる酸化膜である。
【0020】
一般に、浸炭層の形成に真空浸炭を採用することの最も重要なメリットの１つとして、表層部に酸化膜（粒界酸化層）が形成されないことが挙げられている。これとは逆に、本発明者らは、浸炭層の表面にマグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜をあえて形成することにより、白層剥離の発生を抑制できることを見出した。白層剥離の発生を抑制する機能を十分に発揮するためには、複合酸化膜の厚みは１μｍ以上とする必要がある。一方、複合酸化膜の厚みが２５μｍを超えると上記機能が飽和する一方で、機械部品の曲げ強度やねじり強度等が低下し、また製造コストが上昇する。そのため、複合酸化膜の厚みは２５μｍ以下とする必要がある。
【0021】
本開示に従った機械部品においては、浸炭層は、表面を構成するように配置され、１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有し、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を含む。その結果、本開示に従った機械部品によれば、白層剥離の発生を抑制することにより耐久性を向上させた機械部品を提供することができる。
【0022】
以下、本開示の機械部品を構成する鋼の成分組成を上記範囲に限定した理由について説明する。
【0023】
炭素：０．１２質量％以上０．２８質量％以下
炭素含有量は、マルテンサイト組織を有する鋼（焼入硬化された鋼）の硬度に大きな影響を及ぼす。浸炭層以外の領域であるベース部の十分な硬度を確保するとともに、浸炭層を十分な炭素量とするための浸炭処理時間を抑制する観点から、炭素含有量は０．１２質量％以上とする必要がある。一方、ベース部の炭素含有量が高くなると、機械部品の靭性が低下する。十分な靭性を確保する観点から、炭素含有量は０．２８質量％以下とする必要がある。
炭素含有量は、マルテンサイト組織を有する鋼（焼入硬化された鋼）の硬度に大きな影響を及ぼす。浸炭層以外の領域であるベース部の十分な硬度を確保するとともに、浸炭層を十分な炭素量とするための浸炭処理時間を抑制する観点から、炭素含有量は０．１２質量％以上とする必要がある。一方、ベース部の炭素含有量が高くなると、機械部品の靭性が低下する。十分な靭性を確保する観点から、炭素含有量は０．２８質量％以下とする必要がある。
【0024】
珪素：０．１５質量％以上０．７０質量％以下
珪素は、焼入性の向上および焼戻軟化抵抗性の向上に寄与する。このような機能を確保する観点から、珪素含有量は０．１５質量％以上とすることが必要である。一方、珪素含有量が過剰になると、被削性などの加工性が低下する傾向にある。容易な加工を可能にする観点から、珪素含有量は０．７０質量％以下とすることが必要である。加工性を重視する観点からは、珪素含有量は０．３５質量％以下とすることが好ましい。焼入性および焼戻軟化抵抗性を重視する観点からは、珪素含有量は０．４５質量％以上とすることが好ましい。
珪素は、焼入性の向上および焼戻軟化抵抗性の向上に寄与する。このような機能を確保する観点から、珪素含有量は０．１５質量％以上とすることが必要である。一方、珪素含有量が過剰になると、被削性などの加工性が低下する傾向にある。容易な加工を可能にする観点から、珪素含有量は０．７０質量％以下とすることが必要である。加工性を重視する観点からは、珪素含有量は０．３５質量％以下とすることが好ましい。焼入性および焼戻軟化抵抗性を重視する観点からは、珪素含有量は０．４５質量％以上とすることが好ましい。
【0025】
マンガン：０．２０質量％以上０．９５質量％以下
マンガンは、焼入性の向上に寄与する。このような機能を確保する観点から、マンガン含有量は０．２０質量％以上とすることが必要である。一方、マンガン含有量が過剰になると、焼入後の残留オーステナイト量が増加する傾向にある。残留オーステナイト量を適切に制御する観点から、マンガン含有量は０．９５質量％以下とすることが必要である。焼入性を重視する観点からは、マンガン含有量は０．４０質量％以上とすることが好ましい。残留オーステナイト量をより適切に制御する観点からは、マンガン含有量は０．４０質量％以下とすることが好ましい。
マンガンは、焼入性の向上に寄与する。このような機能を確保する観点から、マンガン含有量は０．２０質量％以上とすることが必要である。一方、マンガン含有量が過剰になると、焼入後の残留オーステナイト量が増加する傾向にある。残留オーステナイト量を適切に制御する観点から、マンガン含有量は０．９５質量％以下とすることが必要である。焼入性を重視する観点からは、マンガン含有量は０．４０質量％以上とすることが好ましい。残留オーステナイト量をより適切に制御する観点からは、マンガン含有量は０．４０質量％以下とすることが好ましい。
【0026】
クロム：０．８５質量％以上１．９０質量％以下
クロムは、焼入性を向上させる元素である。十分な焼入性を確保する観点から、Ｃｒ含有量は０．８５質量％以上とする必要がある。一方、Ｃｒ含有量が過剰となると、靭性が低下する。そのため、Ｃｒ含有量は１．９０質量％以下とする必要がある。クロムは、炭化物の微細化を容易にする機能を有する。このような機能を十分に確保する観点からは、クロム含有量は１．７０質量％以上とすることが好ましい。一方、靭性の確保を重視する観点からは、クロム含有量は１．３０質量％以下とすることが好ましい。
クロムは、焼入性を向上させる元素である。十分な焼入性を確保する観点から、Ｃｒ含有量は０．８５質量％以上とする必要がある。一方、Ｃｒ含有量が過剰となると、靭性が低下する。そのため、Ｃｒ含有量は１．９０質量％以下とする必要がある。クロムは、炭化物の微細化を容易にする機能を有する。このような機能を十分に確保する観点からは、クロム含有量は１．７０質量％以上とすることが好ましい。一方、靭性の確保を重視する観点からは、クロム含有量は１．３０質量％以下とすることが好ましい。
【0027】
不可避的不純物
製造プロセスにおいて意図的に添加された成分以外に、不可避的不純物として、機械部品を構成する鋼中に上記以外の元素が含まれる場合がある。たとえば酸素（Ｏ）は、脱酸処理によって極力低減されるものの、不可避的に鋼中に含有される。酸素は、鋼中において非金属介在物を形成し、機械部品の特性に悪影響を及ぼすおそれがある。そのため、酸素含有量は２０ｐｐｍ以下とすることが好ましい。その他の不純物元素も、妥当な製造コストの範囲内で、可能な限り低減されることが好ましい。不可避的不純物の総量は、１．００質量％以下とすることが好ましい。
製造プロセスにおいて意図的に添加された成分以外に、不可避的不純物として、機械部品を構成する鋼中に上記以外の元素が含まれる場合がある。たとえば酸素（Ｏ）は、脱酸処理によって極力低減されるものの、不可避的に鋼中に含有される。酸素は、鋼中において非金属介在物を形成し、機械部品の特性に悪影響を及ぼすおそれがある。そのため、酸素含有量は２０ｐｐｍ以下とすることが好ましい。その他の不純物元素も、妥当な製造コストの範囲内で、可能な限り低減されることが好ましい。不可避的不純物の総量は、１．００質量％以下とすることが好ましい。
【0028】
モリブデン：０．１５質量％以上０．４５質量％以下
モリブデンは、意図的に添加することが必須の元素ではない。しかし、モリブデンは、焼入性および焼戻軟化抵抗性の向上に寄与する。このような機能を得るためには、モリブデン含有量は０．１５質量％以上とすることが好ましい。一方、モリブデンは高価な元素であり、過剰に添加するとコストの増大をまねく。必要以上にコストを増大させない観点から、モリブデン含有量は０．４５質量％以下とすることが好ましい。
モリブデンは、意図的に添加することが必須の元素ではない。しかし、モリブデンは、焼入性および焼戻軟化抵抗性の向上に寄与する。このような機能を得るためには、モリブデン含有量は０．１５質量％以上とすることが好ましい。一方、モリブデンは高価な元素であり、過剰に添加するとコストの増大をまねく。必要以上にコストを増大させない観点から、モリブデン含有量は０．４５質量％以下とすることが好ましい。
【0029】
ニッケル：０．０１質量％以上２．００質量％以下
ニッケルは、意図的に添加することが必須の元素ではない。しかし、ニッケルは、靭性の向上に寄与する。このような機能を得るためには、ニッケル含有量は０．０１質量％以上とすることが好ましい。一方、ニッケルは高価な元素であり、過剰に添加するとコストの増大をまねく。必要以上にコストを増大させない観点から、ニッケル含有量は２．００質量％以下とすることが好ましい。コストの低減を重視する観点からは、ニッケル含有量は０．７５質量％以下とすることが好ましく、０．２５質量％以下とすることがより好ましい。一方、靭性の向上を重視する観点からは、ニッケル含有量は０．３５質量％以上とすることが好ましく、１．５５質量％以上とすることがより好ましい。
ニッケルは、意図的に添加することが必須の元素ではない。しかし、ニッケルは、靭性の向上に寄与する。このような機能を得るためには、ニッケル含有量は０．０１質量％以上とすることが好ましい。一方、ニッケルは高価な元素であり、過剰に添加するとコストの増大をまねく。必要以上にコストを増大させない観点から、ニッケル含有量は２．００質量％以下とすることが好ましい。コストの低減を重視する観点からは、ニッケル含有量は０．７５質量％以下とすることが好ましく、０．２５質量％以下とすることがより好ましい。一方、靭性の向上を重視する観点からは、ニッケル含有量は０．３５質量％以上とすることが好ましく、１．５５質量％以上とすることがより好ましい。
【0030】
ニオブ：０．０４質量％以上０．０８質量％以下
ニオブは、意図的に添加することが必須の元素ではない。しかし、ニオブは、結晶粒の微細化に寄与する。このような機能を得るためには、ニオブ含有量は０．０４質量％以上とすることが好ましい。一方、０．０８質量％を超えてニオブを添加しても、上記効果は飽和する。そのため、ニオブ含有量は０．０８質量％以下とすることが好ましい。
ニオブは、意図的に添加することが必須の元素ではない。しかし、ニオブは、結晶粒の微細化に寄与する。このような機能を得るためには、ニオブ含有量は０．０４質量％以上とすることが好ましい。一方、０．０８質量％を超えてニオブを添加しても、上記効果は飽和する。そのため、ニオブ含有量は０．０８質量％以下とすることが好ましい。
【0031】
上記機械部品において、浸炭層の厚みは５００μｍ以上であってもよい。この構成により、機械部品に十分な強度を付与することが容易となる。
【0032】
上記機械部品において、浸炭層の厚み方向における最大炭素濃度は０．６質量％以上であってもよい。この構成により、機械部品の表層部に十分な硬度を付与することが容易となる。
【0033】
上記機械部品の浸炭層において、厚み方向における最大炭素濃度は０．８質量％以上１．２質量％以下であってもよい。浸炭層において、表面に垂直な断面における炭化物の最大粒径は１μｍ以下であってもよい。浸炭層において、ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定される結晶粒度番号は１２以上であってもよい。このように、浸炭層の最大炭素濃度を高く設定するとともに、微細な炭化物を浸炭層に分散させ、かつ結晶粒を微細化することにより、強度と靭性とを高いレベルで両立することができる。浸炭層において、表面に垂直な断面における炭化物の面積率は１％以上１０％以下であってもよい。浸炭層において、表面に垂直な断面における炭化物の平均粒径は１μｍ以下であってもよい。
【0034】
上記機械部品の浸炭層において、厚み方向における最大炭素濃度は１．１質量％以上１．８質量％以下であってもよい。浸炭層において、表面に垂直な断面における炭化物の最大粒径は２５μｍ以下であってもよい。浸炭層において、ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定される結晶粒度番号は１１以上であってもよい。このように、浸炭層の最大炭素濃度を高く設定するとともに、結晶粒を微細化することにより、表面損傷に対する耐久性（たとえば耐ピッチング性）と靭性とを高いレベルで両立することができる。浸炭層において、表面に垂直な断面における炭化物の面積率は３％以上３０％以下であってもよい。
【0035】
上記機械部品の浸炭層において、厚み方向における最大窒素濃度は０．７質量％以上１．２質量％以下であってもよい。浸炭層に窒素を浸入させ、適切な残留オーステナイト量を確保することにより、耐ピッチング性が大幅に向上する。浸炭層において、厚み方向における最大残留オーステナイト量は５０体積％以上７０体積％以下であってもよい。
【0036】
上記機械部品は、作業機械のトランスミッション、アクスル、ファイナルドライブまたはスイングマシナリを構成する部品であってもよい。白層剥離の発生を抑制することにより耐久性を向上させた本開示の機械部品は、これらの部品として好適である。
【0037】
本開示の第１の局面に従った機械部品の製造方法は、鋼材を準備する工程と、成形体を得る工程と、複合酸化膜を形成する工程と、浸炭層を形成する工程と、成形体を焼入硬化する工程と、を備える。鋼材を準備する工程では、０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼材が準備される。成形体を得る工程では、鋼材を成形することにより成形体を得る。複合酸化膜を形成する工程では、成形体を酸化性雰囲気中で加熱することにより成形体の表面にマグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を形成する。浸炭層を形成する工程では、複合酸化膜が形成された成形体を圧力１ｋＰａ以下の浸炭性雰囲気中で加熱することにより、成形体の表面に他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を複合酸化膜よりも大きい厚みで形成する。成形体を焼入硬化する工程では、複合酸化膜および浸炭層が形成された成形体を焼入硬化する。
【0038】
本開示の第２の局面に従った機械部品の製造方法は、鋼材を準備する工程と、成形体を得る工程と、複合酸化膜を形成する工程と、浸炭層を形成する工程と、成形体を焼入硬化する工程と、を備える。鋼材を準備する工程では、０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、０．１５質量％以上０．４５質量％以下のモリブデン、０．０１質量％以上２．００質量％以下のニッケルおよび０．０４質量％以上０．０８質量％以下のニオブからなる群から選択される少なくとも１つと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼材が準備される。成形体を得る工程では、鋼材を成形することにより成形体を得る。複合酸化膜を形成する工程では、成形体を酸化性雰囲気中で加熱することにより成形体の表面にマグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を形成する。浸炭層を形成する工程では、複合酸化膜が形成された成形体を圧力１ｋＰａ以下の浸炭性雰囲気中で加熱することにより、成形体の表面に他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を複合酸化膜よりも大きい厚みで形成する。成形体を焼入硬化する工程では、複合酸化膜および浸炭層が形成された成形体を焼入硬化する。
【0039】
本開示に従った機械部品の製造方法によれば、上記本発明の機械部品を容易に製造することができる。
【0040】
上記本開示の機械部品の製造方法において、複合酸化膜を形成する工程と浸炭層を形成する工程とは、交互に複数回くり返して実施されてもよい。これにより、浸炭層を形成する工程において成形体に導入された炭素を、後続の複合酸化膜を形成する工程において成形体の内部へと拡散させることができる。その結果、複合酸化膜の形成と浸炭層の形成とを効率よく実施することができる。
【0041】
上記本開示の機械部品の製造方法において、浸炭層を形成する工程では、厚み方向における最大炭素濃度が０．８質量％以上１．２質量％以下となるように浸炭層が形成されてもよい。機械部品の製造方法は、成形体を焼入硬化する工程よりも前に、浸炭層が形成された成形体をＡ１変態点以上の温度域からＡ１変態点未満の温度域に冷却して浸炭層をパーライト組織とする工程と、パーライト組織とされた浸炭層を有する成形体をＡ１変態点以上の温度域に加熱した後、Ａ１変態点未満の温度域に冷却することにより、浸炭層に含まれる炭化物を球状化させるとともに、浸炭層の結晶粒を微細化する工程と、をさらに備えていてもよい。成形体を焼入硬化する工程の後において、成形体の表面に垂直な断面における浸炭層内の炭化物の最大粒径は１μｍ以下であり、浸炭層のＪＩＳ Ｇ０５５１に規定される結晶粒度番号は１２以上であってもよい。これにより、強度と靭性とを高いレベルで両立する機械部品を容易に製造することができる。成形体を焼入硬化する工程の後の浸炭層において、表面に垂直な断面における炭化物の面積率は１％以上１０％以下であってもよい。成形体を焼入硬化する工程の後の浸炭層において、表面に垂直な断面における炭化物の平均粒径は１μｍ以下であってもよい。
【0042】
上記本開示の機械部品の製造方法において、浸炭層を形成する工程では、厚み方向における最大炭素濃度が１．１質量％以上１．８質量％以下となるように浸炭層が形成されてもよい。機械部品の製造方法は、成形体を焼入硬化する工程よりも前に、浸炭層が形成された成形体をＡ１変態点未満の温度域に冷却して浸炭層をパーライト組織とする工程と、パーライト組織とされた浸炭層を有する成形体をＡ１変態点以上の温度域に加熱した後、Ａ１変態点未満の温度域に冷却することにより、浸炭層に含まれる炭化物を球状化させる工程と、をさらに備えていてもよい。成形体を焼入硬化する工程の後において、成形体の表面に垂直な断面における浸炭層内の炭化物の最大粒径は２５μｍ以下であり、浸炭層のＪＩＳ Ｇ０５５１に規定される結晶粒度番号は１１以上であってもよい。これにより、表面損傷に対する耐久性（たとえば耐ピッチング性）と靭性とを高いレベルで両立する機械部品を容易に製造することができる。成形体を焼入硬化する工程の後において、表面に垂直な断面における浸炭層内の炭化物の面積率は３％以上３０％以下であってもよい。
【0043】
上記本開示の機械部品の製造方法は、成形体を焼入硬化する工程よりも前に、成形体を浸窒性雰囲気中で加熱することにより、浸炭層に窒素を浸入させる工程をさらに備えていてもよい。これにより、窒素を含む浸炭層を有する上記機械部品を容易に製造することができる。
【0044】
［具体的な実施の形態の例示］
次に、本開示の機会部品の具体的な実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
次に、本開示の機会部品の具体的な実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【0045】
（実施の形態１）
まず、図１～図３を参照して、本開示に従った機械部品の一例である実施の形態１の平歯車について説明する。図１は、実施の形態１における平歯車の外観を示す概略斜視図である。図２は、実施の形態１における平歯車の断面の構造を示す概略断面図である。図３は、実施の形態１における浸炭層の構造を示す概略断面図である。図２は、図１の中心軸Ａに垂直な断面を示す。図３は、浸炭層の表面付近を構成する鋼の組織を示す。
まず、図１～図３を参照して、本開示に従った機械部品の一例である実施の形態１の平歯車について説明する。図１は、実施の形態１における平歯車の外観を示す概略斜視図である。図２は、実施の形態１における平歯車の断面の構造を示す概略断面図である。図３は、実施の形態１における浸炭層の構造を示す概略断面図である。図２は、図１の中心軸Ａに垂直な断面を示す。図３は、浸炭層の表面付近を構成する鋼の組織を示す。
【0046】
図１を参照して、実施の形態１における平歯車１は、遊星歯車機構を構成するギヤである。平歯車１は、円環状（中空円筒状）の形状を有している。平歯車１には、中心軸にそって貫通する貫通孔２が形成されている。平歯車１の外周面１０には、遊星歯車機構のサンギヤおよびアウターギヤの歯と噛み合う複数の歯１１が周方向の全域にわたって形成されている。貫通孔２を取り囲む内周面２０は、円筒形状を有している。貫通孔２には、遊星歯車機構のキャリアの軸が挿入される。平歯車１は、たとえば作業機械である油圧ショベルのファイナルドライブまたはスイングマシナリ、ブルドーザのトランスミッションまたはファイナルドライブ、ダンプトラックのトランスミッションまたはファイナルドライブなどを構成する部品として使用することができる。
【0047】
平歯車１は、０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、マルテンサイト組織を有する鋼から構成されている。平歯車１は、０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、０．１５質量％以上０．４５質量％以下のモリブデン、０．０１質量％以上２．００質量％以下のニッケルおよび０．０４質量％以上０．０８質量％以下のニオブからなる群から選択される少なくとも１つと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、マルテンサイト組織を有する鋼から構成されていてもよい。
【0048】
図２を参照して、平歯車１は、歯１１が形成された外周面１０を構成するように配置され、他の部分であるベース部３２に比べて炭素濃度が高い浸炭層３１を備えている。浸炭層３１の厚みｔＡは、たとえば５００μｍ以上であってもよく、８００μｍ以上であってもよい。浸炭層３１の厚み方向（外周面１０に垂直な方向）における最大炭素濃度は０．６質量％以上であってもよい。浸炭層３１は、外周面１０の全域にわたって形成されている。浸炭層３１は、歯１１の表面を全域にわたって覆うように形成されている。
【0049】
図３を参照して、浸炭層３１は、多数の旧オーステナイト結晶粒５０が敷き詰められた構造を有している。隣り合う旧オーステナイト結晶粒５０同士の境界は、結晶粒界５１である。本実施の形態においては、外周面１０から結晶粒界５１にそって酸素が浸入した領域である粒界酸化領域４１が形成されている。粒界酸化領域４１は、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化物から構成されている。本願において、複合酸化物から構成される粒界酸化領域４１が形成されている表層部が、複合酸化膜４０と定義される。複合酸化膜４０の厚みｔＢは、１μｍ以上２５μｍ以下である。すなわち、本実施の形態における浸炭層３１は、平歯車１の表面である外周面１０を構成するように配置され、１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有し、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を含んでいる。浸炭層３１におけるＪＩＳ Ｇ０５５１に規定される結晶粒度番号（以下、単に「結晶粒度番号」ともいう）は、たとえば８である。浸炭層３１の厚み方向における最大炭素濃度は、たとえば０．６８質量％以上０．８０質量％以下である。浸炭層３１には、炭化物（セメンタイト）は、実質的に分散していない。ここで、セメンタイトが実質的に分散していない状態とは、たとえばＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用い、浸炭層の断面において５０００倍で一辺２０μｍの正方形領域を１０か所調査した場合に発見されるセメンタイトの個数が１個以下である状態をいう。
【0050】
本実施の形態の機械部品である平歯車１においては、浸炭層３１は、平歯車１の表面である外周面１０を構成するように配置され、１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有し、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜４０を含んでいる。その結果、本実施の形態の平歯車１は、白層剥離の発生が抑制されることにより耐久性が向上した機械部品となっている。
【0051】
次に、本実施の形態の機械部品である平歯車１の製造方法の一例について説明する。図４は、平歯車の製造方法の概略を示すフローチャートである。図４を参照して、本実施の形態の平歯車１の製造方法では、まず工程Ｓ１０として鋼材準備工程が実施される。この工程Ｓ１０では、本実施の形態の平歯車１を構成する鋼からなる鋼材が準備される。
【0052】
具体的には、０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼材が準備される。この工程Ｓ１０では、０．１２質量％以上０．２８質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．２０質量％以上０．９５質量％以下のマンガンと、０．８５質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、０．１５質量％以上０．４５質量％以下のモリブデン、０．０１質量％以上２．００質量％以下のニッケルおよび０．０４質量％以上０．０８質量％以下のニオブからなる群から選択される少なくとも１つと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼材が準備されてもよい。工程Ｓ１０において準備される鋼材としては、たとえばＪＩＳ規格ＳＣｒ４２０Ｈ、ＳＣＭ４１５Ｈ、ＳＣＭ４１８Ｈ、ＳＣＭ４２０Ｈ、ＳＣＭ４２５Ｈ、ＳＣＭ８２２Ｈ、ＳＮＣＭ２２０Ｈ、ＳＮＣＭ４２０Ｈなどを採用することができる。
【0053】
次に、工程Ｓ２０として成形工程が実施される。この工程Ｓ２０では、工程Ｓ１０において準備された鋼材が成形されることにより成形体が得られる。具体的には、工程Ｓ１０において準備された鋼材が加工されることにより、平歯車１の形状を有する成形体が作製される。工程Ｓ２０における加工としては、たとえば熱間鍛造、冷間鍛造、切削などを実施することができる。
【0054】
次に、工程Ｓ３０として酸化膜形成工程が実施される。この工程Ｓ３０では、工程Ｓ２０において作成された成形体が酸化性雰囲気中で加熱されることにより、成形体（平歯車１）の表面（外周面１０）に、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜４０が形成される。
【0055】
次に、工程Ｓ４０として浸炭工程が実施される。この工程Ｓ４０では、工程Ｓ３０において複合酸化膜４０が形成された成形体（平歯車１）が圧力１ｋＰａ以下の浸炭性雰囲気中で加熱されることにより、平歯車１の表面（外周面１０）に他の部分であるベース部３２よりも炭素濃度が高い浸炭層３１が複合酸化膜４０よりも大きい厚みで形成される。
【0056】
次に、工程Ｓ５０として拡散工程が実施される。この工程Ｓ５０では、工程Ｓ４０において浸炭層３１が形成された成形体（平歯車１）がＡ１変態点以上の温度域に保持されることにより、工程Ｓ４０において平歯車１の表面付近に浸入した炭素が内部へと拡散する。これにより、浸炭層３１における炭素濃度が平準化されるとともに、浸炭層３１の厚みが増加する。
【0057】
次に、工程Ｓ６０として焼入工程が実施される。この工程Ｓ６０では、工程Ｓ３０において複合酸化膜４０が形成され、工程Ｓ４０において浸炭層３１が形成された成形体（平歯車１）が焼入硬化される。具体的には、複合酸化膜４０および浸炭層３１が形成された平歯車１がＡ１変態点以上の温度域からＭＳ点以下の温度域まで冷却（急冷）されることにより、焼入硬化される。
【0058】
ここで、工程Ｓ３０～Ｓ６０の具体例の詳細について、図５を参照して説明する。図５は、実施の形態１における平歯車の製造方法において実施される熱処理を説明するための図である。図５において、横軸は時間に対応する。横軸において右に進むにしたがって時間が経過している。図５において、縦軸は成形体（平歯車１）の加熱温度に対応する。縦軸において、上に進むにしたがって加熱温度が高いことを意味する。
【0059】
図５および図４を参照して、まず工程Ｓ３０として酸化膜形成工程が実施される。具体的には、図５に示すように、まず時刻ｔ１までに、平歯車１が温度Ｔ１まで加熱される。温度Ｔ１は、Ａ１変態点（７２７℃）以上の温度であり、９３０℃以上９８０℃以下の温度、たとえば９５０℃とすることができる。このとき、平歯車１は、酸素（Ｏ２）および二酸化炭素（ＣＯ２）の少なくともいずれか一方を含み、水分量が露点未満である酸化性雰囲気中において加熱され、時刻ｔ１からｔ２まで温度Ｔ１に保持される。この酸化性雰囲気としては、たとえば乾燥空気を採用することができる。時刻ｔ１からｔ２までの時間は、たとえば１２０分間とすることができる。雰囲気の圧力は、１００ｋＰａ以以下とすることができ、たとえば４０ｋＰａとすることができる。これにより、平歯車１の表面（歯１１の表面）にマグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜４０が形成される。より具体的には、平歯車１を構成する鋼のオーステナイト結晶粒界に沿って酸素が浸入し、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化物から構成される粒界酸化領域４１が形成される。
【0060】
次に、工程Ｓ４０として浸炭工程が実施される。具体的には、図５に示すように、時刻ｔ２からｔ３までの時間、平歯車１が圧力１ｋＰａ以下の浸炭性雰囲気中で加熱されることにより、浸炭層３１が形成される。浸炭性雰囲気としては、たとえば炭化水素であるアセチレン雰囲気を採用することができる。時刻ｔ２からｔ３までの時間は、時刻ｔ１からｔ２までよりも短い時間、たとえば１０分間とすることができる。
【0061】
次に、本実施の形態では、再度工程Ｓ３０が実施される。本実施の形態では、複合酸化膜を形成する工程である工程Ｓ３０と浸炭層を形成する工程である工程Ｓ４０とは、交互に複数回（具体的には４回）くり返して実施される。具体的には、図５に示すように、時刻ｔ３からｔ４までの時間、平歯車１が、時刻ｔ１からｔ２までと同じ温度Ｔ１に同じ雰囲気中で保持される。これにより、平歯車１を構成する鋼のオーステナイト結晶粒界に沿って酸素がさらに浸入し、複合酸化膜４０の厚みが大きくなる。時刻ｔ３からｔ４までの時間は、時刻ｔ１からｔ２までよりも短い時間、たとえば５分間とすることができる。このとき、時刻ｔ２からｔ３までの時間に平歯車１の表面付近に浸入した炭素が、平歯車１の内部へと拡散する。これにより、浸炭層３１の厚みが大きくなるとともに、浸炭層の厚み方向における炭素濃度が平準化される。すなわち、工程Ｓ４０が実施された後に実施される工程Ｓ３０は、炭素の拡散工程としても機能する。
【0062】
次に、工程Ｓ４０が再度実施される。具体的には、図５に示すように、時刻ｔ４からｔ５までの時間、平歯車１が、時刻ｔ２からｔ３までと同じ温度Ｔ１に同じ雰囲気中で保持される。これにより、平歯車１の表面からさらに炭素が浸入することで浸炭層３１が形成される。時刻ｔ４からｔ５までの時間は、時刻ｔ２からｔ３までと同じ時間、たとえば１０分間とすることができる。
【0063】
次に、工程Ｓ３０が再度実施される。具体的には、図５に示すように、時刻ｔ５からｔ６までの時間、平歯車１が、時刻ｔ３からｔ４までと同じ温度Ｔ１に同じ雰囲気中で保持される。これにより、平歯車１の表面からさらに酸素が浸入することで複合酸化膜４０の厚みが増大する。時刻ｔ５からｔ６までの時間は、時刻ｔ３からｔ４までよりも長く、時刻ｔ１からｔ２までよりも短い時間、たとえば２０分間とすることができる。
【0064】
次に、工程Ｓ４０が再度実施される。具体的には、図５に示すように、時刻ｔ６からｔ７までの時間、平歯車１が、時刻ｔ２からｔ３までと同じ温度Ｔ１に同じ雰囲気中で保持される。これにより、平歯車１の表面からさらに炭素が浸入することで浸炭層３１が形成される。時刻ｔ６からｔ７までの時間は、時刻ｔ２からｔ３までと同じ時間、たとえば１０分間とすることができる。
【0065】
次に、工程Ｓ３０が再度実施される。具体的には、図５に示すように、時刻ｔ７からｔ８までの時間、平歯車１が、時刻ｔ３からｔ４までと同じ温度Ｔ１に同じ雰囲気中で保持される。これにより、平歯車１の表面からさらに酸素が浸入することで複合酸化膜４０の厚みが増大する。時刻ｔ７からｔ８までの時間は、時刻ｔ５からｔ６までよりも長く、時刻ｔ１からｔ２までよりも短い時間、たとえば５０分間とすることができる。
【0066】
次に、工程Ｓ４０が再度実施される。具体的には、図５に示すように、時刻ｔ８からｔ９までの時間、平歯車１が、時刻ｔ２からｔ３までと同じ温度Ｔ１に同じ雰囲気中で保持される。これにより、平歯車１の表面からさらに炭素が浸入することで浸炭層３１が形成される。時刻ｔ８からｔ９までの時間は、時刻ｔ２からｔ３までよりも短い時間、たとえば４分間とすることができる。時刻ｔ８からｔ９までの浸炭工程は、時刻ｔ７からｔ８までの酸化膜形成工程において発生した脱炭を補償する工程、すなわち復炭工程として機能する。
【0067】
次に、工程Ｓ５０が実施される。具体的には、時刻ｔ９からｔ１０までの時間、時刻ｔ８からｔ９までの時間と同じ温度Ｔ１に不活性ガス雰囲気中（たとえばアルゴンガス雰囲気中または窒素ガス雰囲気中）で保持される。このとき、平歯車１の表面付近に浸入した炭素が、平歯車１の内部へと拡散する。これにより、浸炭層３１の厚みが大きくなるとともに、浸炭層の厚み方向における炭素濃度が平準化される。時刻ｔ９からｔ１０までの時間は、時刻ｔ８からｔ９までの時間よりも短い時間、たとえば１分間とすることができる。
【0068】
次に、工程Ｓ６０が実施される。具体的には、図５に示すように、時刻ｔ１０からｔ１１までの時間で平歯車１の温度が温度Ｔ１から、温度Ｔ１よりも低い温度であってＡ１変態点よりも高い温度である温度Ｔ２、たとえば８５０℃へと冷却される。その後、平歯車１は、時刻ｔ１１からｔ１２までの時間、温度Ｔ２に保持されたうえで、ＭＳ点以下の温度まで冷却（急冷）される。これにより、平歯車１は焼入硬化され、平歯車１を構成する鋼の組織はマルテンサイト組織を有する状態となる。
【0069】
図４を参照して、次に工程Ｓ７０として焼戻工程が実施される。この工程Ｓ７０では、工程Ｓ６０が実施されて焼入硬化された成形体（平歯車１）に対して、焼戻処理が実施される。具体的には、平歯車１が、Ａ１変態点未満の温度、たとえば１５０℃以上２００℃以下の温度域（たとえば１６０℃）に加熱された後、室温まで冷却される。以上の手順により、本実施の形態の平歯車１を製造することができる。
【0070】
（実施の形態２）
本開示の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。実施の形態２における平歯車１は、基本的には実施の形態１の平歯車１と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２の平歯車１は、主に浸炭層３１の構造において実施の形態１の場合と異なっている。以下、実施の形態１との相違点について説明する。
本開示の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。実施の形態２における平歯車１は、基本的には実施の形態１の平歯車１と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２の平歯車１は、主に浸炭層３１の構造において実施の形態１の場合と異なっている。以下、実施の形態１との相違点について説明する。
【0071】
図６は、実施の形態２における平歯車の浸炭層の構造を示す概略断面図である。図６を参照して、実施の形態２における平歯車１の浸炭層３１において、浸炭層３１の厚み方向における最大炭素濃度は０．８質量％以上１．２質量％以下である。浸炭層３１には、多数の炭化物６１（セメンタイト）が分散している。平歯車１の表面である外周面１０に垂直な浸炭層３１の断面（図６の断面）における炭化物６１の最大粒径は１μｍ以下である。また、浸炭層３１において、結晶粒度番号は１２以上である。図６の断面における炭化物６１の面積率は１％以上１０％以下であってもよい。図６の断面における炭化物６１の平均粒径は１μｍ以下であってもよい。ここで、浸炭層３１における炭化物６１の面積率、最大粒径および平均粒径は、たとえばＳＥＭを用い、浸炭層の断面において５０００倍で一辺２０μｍの正方形領域を１０か所調査した場合に発見されるセメンタイトの面積率、最大粒径および平均粒径を測定することにより把握することができる。
【0072】
平歯車１を構成する鋼としては、たとえば実施の形態１の場合に比べてクロム含油量が大きい鋼を採用してもよい。実施の形態２の平歯車１を構成する鋼として、たとえば０．２２質量％以上０．２６質量％以下の炭素と、０．４５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．２０質量％以上０．４０質量％以下のマンガンと、１．７０質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、０．０４質量％以上０．０８質量％以下のニオブと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼を採用することができる。
【0073】
このように、浸炭層３１の最大炭素濃度を高く設定するとともに、微細な炭化物６１を適切な面積率で浸炭層３１に分散させ、かつ旧オーステナイト結晶粒５０を微細化することにより、実施の形態２の平歯車１は、強度と靭性とが高いレベルで両立された機械部品となっている。
【0074】
次に、実施の形態２の平歯車１の製造方法について説明する。実施の形態２における平歯車１は、基本的には実施の形態１の平歯車１と同様の手順により製造することができる。しかし、実施の形態２の平歯車１の製造方法では、上記特徴的な浸炭層３１の構造を得るために、製造方法が実施の形態１とは一部異なっている。以下、実施の形態１との相違点について説明する。
【0075】
図７は、実施の形態２における平歯車の製造方法の概略を示すフローチャートである。図８は、実施の形態２における平歯車の製造方法において実施される熱処理を説明するための図である。図７および図８は、それぞれ実施の形態１における図４および図５に対応する図である。
【0076】
図７を参照して、まず、実施の形態１と同様に、工程Ｓ１０として鋼材準備工程が実施される。実施の形態２の平歯車の製造方法においては、たとえば０．２２質量％以上０．２６質量％以下の炭素と、０．４５質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．２０質量％以上０．４０質量％以下のマンガンと、１．７０質量％以上１．９０質量％以下のクロムと、０．０４質量％以上０．０８質量％以下のニオブと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼材が準備されてもよい。
【0077】
次に、工程Ｓ２０が実施の形態１と同様に実施される。その後、図７および図８を参照して、工程Ｓ３０～Ｓ５０（図８の時刻ｔ１０まで）が、実施の形態１の場合と同様に実施される。ここで、工程Ｓ４０において、浸炭時間が実施の形態１に比べて長くされることにより、実施の形態１よりも炭素濃度が高い浸炭層３１が形成される。具体的には、厚み方向における最大炭素濃度が０．８質量％以上１．２質量％以下となるように浸炭層３１が形成される。
【0078】
次に、工程Ｓ５１としてパーライト化工程が実施される。この工程では、浸炭層３１が形成された成形体（平歯車１）がＡ１変態点以上の温度域からＡ１変態点未満の温度域に冷却される。これにより、浸炭層３１がパーライト組織とされる。具体的には、図８を参照して、時刻ｔ１０からｔ２１の間に、平歯車１がＡ１変態点以上の温度である温度Ｔ１からＡ１変態点未満の温度である温度Ｔ３まで冷却され、時刻ｔ２２まで保持される。温度Ｔ３は、たとえば６５０℃とすることができる。
【0079】
次に、工程Ｓ５２として炭化物および結晶粒微細化工程が実施される。この工程Ｓ５２では、パーライト組織とされた浸炭層３１を有する成形体（平歯車１）がＡ１変態点以上の温度域に加熱された後、Ａ１変態点未満の温度域に冷却されることにより、浸炭層３１に含まれる炭化物が球状化するとともに、浸炭層３１の結晶粒が微細化する。具体的には、図８を参照して、時刻ｔ２２からｔ２３の間に、平歯車１がＡ１変態点未満の温度である温度Ｔ３からＡ１変態点以上の温度である温度Ｔ４まで加熱され、時刻ｔ２４まで保持される。温度Ｔ４は、温度Ｔ１よりも低い温度、たとえば８１０℃とすることができる。これにより、パーライト組織を構成するラメラ状の炭化物が分断され、多数の微細な炭化物の核が形成される。また、温度Ｔ４において鋼の組織が再度オーステナイト化することにより、微細なオーステナイト結晶粒が得られる。その後、時刻ｔ２４からｔ２５の間に、平歯車１が温度Ｔ３まで冷却され、時刻ｔ２６まで保持される。これにより、析出する炭化物によって上記核が成長し、多数の微細な球状の炭化物が形成される。また、微細な旧オーステナイト結晶粒５０を有する鋼の組織が得られる。
【0080】
本実施の形態では、時刻ｔ２６からｔ２７の間に、再度平歯車１が温度Ｔ３から温度Ｔ４まで加熱され、時刻ｔ２８まで保持される。これにより、残存していたラメラ状の炭化物が分断され、さらに多数の微細な炭化物の核が形成される。また、温度Ｔ４において鋼の組織が再度オーステナイト化することにより、微細なオーステナイト結晶粒が得られる。その後、時刻ｔ２８からｔ２９の間に、平歯車１が温度Ｔ５まで冷却され、時刻ｔ３０まで保持される。温度Ｔ５は、温度Ｔ３よりも高く、かつＡ１変態点未満の温度、たとえば７００℃とすることができる。これにより、析出する炭化物によって上記核が成長し、さらに多数の微細な球状の炭化物が形成される。また、微細な旧オーステナイト結晶粒５０を有する鋼の組織が得られる。
【0081】
次に、工程Ｓ６０として焼入工程が実施される。この工程Ｓ６０では、工程Ｓ５２までが実施された成形体（平歯車１）が焼入硬化される。具体的には、図８を参照して、時刻ｔ３０からｔ３１の間に、平歯車１が温度Ｔ５から温度Ｔ２まで加熱される。温度Ｔ２は、温度Ｔ５よりも高く、温度Ｔ１よりも低い温度、たとえば８５０℃とすることができる。その後、平歯車１は、時刻ｔ３１からｔ３２までの時間、温度Ｔ２に保持されたうえで、ＭＳ点以下の温度まで冷却（急冷）される。これにより、平歯車１は焼入硬化され、平歯車１を構成する鋼の組織はマルテンサイト組織を有する状態となる。
【0082】
このとき、本実施の形態においては、成形体（平歯車１）の表面である外周面１０に垂直な断面における浸炭層３１内の炭化物６１の最大粒径は１μｍ以下となる。また、浸炭層３１の結晶粒度番号は１２以上となる。また、外周面１０に垂直な断面における浸炭層３１内の炭化物６１の面積率を１％以上１０％以下、炭化物６１の平均粒径を１μｍ以下とすることも可能である。
【0083】
その後、工程Ｓ７０として焼戻工程が実施の形態１の場合と同様に実施される。以上の手順により、本実施の形態の平歯車１を製造することができる。
【0084】
（実施の形態３）
本開示のさらに他の実施の形態である実施の形態３について説明する。実施の形態３における平歯車１は、基本的には実施の形態１の平歯車１と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態３の平歯車１は、主に浸炭層３１の構造において実施の形態１の場合と異なっている。以下、実施の形態１との相違点について説明する。
本開示のさらに他の実施の形態である実施の形態３について説明する。実施の形態３における平歯車１は、基本的には実施の形態１の平歯車１と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態３の平歯車１は、主に浸炭層３１の構造において実施の形態１の場合と異なっている。以下、実施の形態１との相違点について説明する。
【0085】
図９は、実施の形態３における平歯車の浸炭層の構造を示す概略断面図である。図９を参照して、実施の形態３における平歯車１の浸炭層３１において、浸炭層３１の厚み方向における最大炭素濃度は１．１質量％以上１．８質量％以下である。浸炭層３１には、多数の炭化物６１（セメンタイト）が分散している。平歯車１の表面である外周面１０に垂直な浸炭層３１の断面（図９の断面）における炭化物６１の最大粒径は、たとえば２５μｍ以下である。また、浸炭層３１において、結晶粒度番号は１１以上である。平歯車１を構成する鋼としては、たとえば０．３５質量％以上のモリブデンを含有する鋼、たとえばＪＩＳ規格ＳＣＭ８２２Ｈを採用してもよい。
【0086】
このように、浸炭層３１の最大炭素濃度を高く設定するとともに、旧オーステナイト結晶粒５０を微細化することにより、実施の形態３の平歯車１は、表面損傷に対する耐久性（たとえば耐ピッチング性）と靭性とが高いレベルで両立された機械部品となっている。浸炭層３１において、外周面１０に垂直な断面における炭化物６１の面積率は３％以上３０％以下であってもよい。
【0087】
次に、実施の形態３の平歯車１の製造方法について説明する。実施の形態３における平歯車１は、基本的には実施の形態２の平歯車１と同様の手順により製造することができる。しかし、実施の形態３の平歯車１の製造方法では、上記特徴的な浸炭層３１の構造を得るために、製造方法が実施の形態２とは一部異なっている。以下、実施の形態２との相違点について説明する。
【0088】
【0089】
図１０を参照して、まず、実施の形態２と同様に、工程Ｓ１０として鋼材準備工程が実施される。実施の形態３の平歯車の製造方法においては、たとえばＪＩＳ規格ＳＣＭ８２２Ｈからなる鋼材が準備されてもよい。
【0090】
次に、工程Ｓ２０が実施の形態１および２と同様に実施される。その後、図１０および図７を参照して、工程Ｓ３０～Ｓ５１が、実施の形態２の場合と同様に実施される。ここで、工程Ｓ４０において、浸炭時間が実施の形態２に比べてさらに長くされることにより、実施の形態１および２よりも炭素濃度が高い浸炭層３１が形成される。具体的には、厚み方向における最大炭素濃度が１．１質量％以上１．８質量％以下となるように浸炭層３１が形成される。
【0091】
次に、工程Ｓ５３として炭化物球状化工程が実施される。この工程Ｓ５３では、パーライト組織とされた浸炭層３１を有する成形体（平歯車１）がＡ１変態点以上の温度域に加熱された後、Ａ１変態点未満の温度域に冷却されることにより、浸炭層３１に含まれる炭化物が球状化される。具体的には、図８を参照して、実施の形態２の時刻ｔ２２からｔ３０の間と同様に加熱と冷却とが繰り返される。これにより、パーライト組織を構成するラメラ状の炭化物が分断され、多数の炭化物の核が形成され、この核が成長することで多数の球状の炭化物が形成される。このとき、実施の形態２に比べて浸炭層３１の炭素含有量が高いため、実施の形態２の場合に比べて炭化物６１の面積率が高く、炭化物６１の粒径の大きい鋼の組織が得られる。また、実施の形態２の場合と同様に、微細な旧オーステナイト結晶粒５０を有する鋼の組織が得られる。
【0092】
その後、工程Ｓ６０として焼入工程が実施の形態２の場合と同様に実施される。これにより、平歯車１は焼入硬化され、平歯車１を構成する鋼の組織はマルテンサイト組織を有する状態となる。
【0093】
このとき、本実施の形態においては、成形体（平歯車１）の表面である外周面１０に垂直な断面における浸炭層３１内の炭化物６１の最大粒径は２５μｍ以下となる。また、浸炭層３１の結晶粒度番号は１１以上となる。浸炭層３１において、外周面１０に垂直な浸炭層３１の断面における炭化物６１の面積率は３％以上３０％以下となっていてもよい。
【0094】
その後、工程Ｓ７０として焼戻工程が実施の形態１および２の場合と同様に実施される。以上の手順により、本実施の形態の平歯車１を製造することができる。
【0095】
（実施の形態４）
本開示のさらに他の実施の形態である実施の形態４について説明する。実施の形態４における平歯車１は、基本的には実施の形態１の平歯車１と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態４の平歯車１は、浸炭層３１が窒素を含んでいる点において実施の形態１の場合と異なっている。以下、実施の形態１との相違点について説明する。
本開示のさらに他の実施の形態である実施の形態４について説明する。実施の形態４における平歯車１は、基本的には実施の形態１の平歯車１と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態４の平歯車１は、浸炭層３１が窒素を含んでいる点において実施の形態１の場合と異なっている。以下、実施の形態１との相違点について説明する。
【0096】
図３を参照して、実施の形態４における平歯車１の浸炭層３１において、厚み方向における最大窒素濃度は０．７質量％以上１．２質量％以下である。このように、浸炭層３１に窒素を浸入させ、適切な残留オーステナイト量を確保することにより、耐ピッチング性を大幅に向上させることができる。浸炭層３１において、厚み方向における最大残留オーステナイト量は５０体積％以上７０体積％以下であってもよい。
【0097】
次に、実施の形態４の平歯車１の製造方法について説明する。実施の形態４における平歯車１は、基本的には実施の形態１の平歯車１と同様の手順により製造することができる。しかし、実施の形態４の平歯車１の製造方法では、浸炭層３１に窒素を導入するために、製造方法が実施の形態１とは一部異なっている。以下、実施の形態１との相違点について説明する。
【0098】
図１１は、実施の形態４における平歯車の製造方法の概略を示すフローチャートである。図１２は、実施の形態４における平歯車の製造方法において実施される熱処理を説明するための図である。図１１および図１２は、実施の形態１における図４および図５に対応する図である。
【0099】
図１１を参照して、まず、実施の形態１と同様に、工程Ｓ１０として鋼材準備工程が実施される。実施の形態４の平歯車の製造方法においては、実施の形態１の場合と同様の成分組成を有する鋼からなる鋼材が準備される。
【0100】
【0101】
次に、工程Ｓ５４として浸窒工程が実施される。この工程Ｓ５４では、成形体（平歯車１）を浸窒性雰囲気中で加熱することにより、浸炭層３１に窒素を浸入させる。具体的には、図１２を参照して、時刻ｔ９からｔ４１の間、浸炭層３１が形成された成形体（平歯車１）が浸窒性の雰囲気中で温度Ｔ１の状態に保持される。浸窒性の雰囲気としては、たとえば窒素（Ｎ２）とアンモニア（ＮＨ３）との混合ガスを採用することができる。雰囲気の圧力は、１００ｋＰａ以下とすることができ、たとえば４０ｋＰａとすることができる。これにより、浸炭層３１に窒素が浸入する。
【0102】
その後、時刻ｔ４１からｔ４２の間に平歯車１が温度Ｔ１から温度Ｔ２まで冷却される。そして、時刻ｔ４２からｔ４３の間、平歯車１が上記浸窒性の雰囲気中で温度Ｔ２の状態に保持される。これにより、浸炭層３１にさらに窒素が浸入する。
【0103】
次に、工程Ｓ６０として焼入工程が実施される。この工程Ｓ６０では、工程Ｓ５４までが実施された成形体（平歯車１）が焼入硬化される。具体的には、図１２を参照して、時刻ｔ４３まで浸窒性の雰囲気中で保持された平歯車１が、ＭＳ点以下の温度まで冷却（急冷）される。これにより、平歯車１は焼入硬化され、平歯車１を構成する鋼の組織はマルテンサイト組織を有する状態となる。
【0104】
その後、工程Ｓ７０として焼戻工程が実施の形態１の場合と同様に実施される。以上の手順により、本実施の形態の平歯車１を製造することができる。
【0105】
（実施の形態５）
次に、実施の形態５として、本開示の機械部品をベベルピニオンに適用した例について説明する。図１３は、ベベルピニオンの外観を示す概略斜視図である。
次に、実施の形態５として、本開示の機械部品をベベルピニオンに適用した例について説明する。図１３は、ベベルピニオンの外観を示す概略斜視図である。
【0106】
図１３を参照して、実施の形態５におけるベベルピニオン４は、シャフト部５と、ギヤ部６とを含んでいる。シャフト部５は、一方の端部５Ａ側にスプライン部５Ｂを含んでいる。スプライン部５Ｂは、外周面に、軸方向に延びる溝部が等間隔で全周にわたって形成された部分である。シャフト部５の一方の端部５Ａとは反対側の端部には、ギヤ部６が接続されている。ギヤ部６は、円錐台状の形状を有している。円錐台の外周面に対応する領域（円錐面）には、歯６Ａが全周にわたってらせん状に形成されている。ベベルピニオン４は、たとえば作業機械であるホイルローダまたはダンプトラックのアクスルを構成する部品として使用することができる。
【0107】
本実施の形態のベベルピニオン４は、実施の形態１～４の平歯車１と同様の鋼から構成されている。ベベルピニオン４は、ギヤ部６の外周面（表面）を構成するように配置され、他の部分よりも炭素濃度が高い浸炭層を実施の形態１～４の平歯車１と同様に含んでいる。浸炭層は、実施の形態１～４の平歯車１と同様に、ギヤ部６の外周面を構成するように配置され、１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有し、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜を含んでいる。
【0108】
本実施の形態のベベルピニオン４は、上記実施の形態１～４と同様の構成を有することにより、白層剥離の発生が抑制されることにより耐久性が向上した機械部品となっている。本実施の形態のベベルピニオン４は、上記実施の形態１～４の平歯車１と同様の手順で製造することができる。
【実施例0109】
（１）複合酸化膜の白層剥離に対する効果
本開示の機械部品における複合酸化膜の白層剥離を抑制する効果を確認する実験を行った。実験の手順は以下のとおりである。
本開示の機械部品における複合酸化膜の白層剥離を抑制する効果を確認する実験を行った。実験の手順は以下のとおりである。
【0110】
まず、試験用ギヤの形状を有する成形体を作製し、上記実施の形態１において説明した工程Ｓ３０～Ｓ７０と同様の手順で熱処理を行うことにより、試験用ギヤを作製した。このとき、酸化膜形成工程（Ｓ３０）の条件を変更することにより、複合酸化膜の厚みを２～８μｍの間で変化させた試験用ギヤを作製した。比較のため、酸化膜形成工程（Ｓ３０）を省略することにより、複合酸化膜を有さない（複合酸化膜の厚みが０である）試験用ギヤも作製した。
【0111】
そして、上記試験用ギヤよりも径の大きいギヤ（大ギヤ）を別途準備した。そして、試験用ギヤと大ギヤとをかみ合わせ、試験用ギヤを駆動し、大ギヤが従動する状態で試験用ギヤの表面にピッチングが発生するまでギヤを駆動した。試験用ギヤの回転数は分速２０００回転、ギヤ同士の接触部の面圧は２２０～２６０ｋｇｆ／ｍｍ２とした。また、白層が発生しやすくするため、潤滑油の温度を通常の使用条件よりも高く設定した。そして、試験終了後、損傷部を調査し、白層の発生率を算出した。試験の結果を図１４に示す。
【0112】
図１４において、横軸はマグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜の厚みに対応する。縦軸は、白層の発生率に対応する。図１４を参照して、複合酸化膜を有さない（複合酸化膜の厚みが０である）試験用ギヤでは、白層剥離の発生率は１００％となっている。これに対し、複合酸化膜の厚みが１μｍ以上である試験用ギヤでは、明確に白層剥離が抑制されていることが分かる。具体的には、複合酸化膜の厚みを２μｍ以上とすることにより白層発生率は７０％以下、６μｍ以上とすることにより１０％以下、さらに８μｍ以上とすることにより５％となることが分かる。このことから、複合酸化膜の厚みは１μｍ以上で効果があり、さらに２μｍ以上、６μｍ以上、さらには８μｍ以上とすることが好ましいといえる。
【0113】
（２）複合酸化膜の組成の確認
本開示の機械部品が有する複合酸化膜の組成を確認する実験を行った。実験の手順は以下のとおりである。
本開示の機械部品が有する複合酸化膜の組成を確認する実験を行った。実験の手順は以下のとおりである。
【0114】
まず、鋼製の成形体を作製し、上記実施の形態１において説明した工程Ｓ３０～Ｓ７０と同様の手順で熱処理を行うことにより、実施例のサンプルを作製した。一方、比較のため、同様に作成した鋼製の成形体に対し、ガス浸炭焼入を実施した（比較例のサンプル）。ガス浸炭の条件は、浸炭時間１８０分、拡散時間１２０分とした。そして、実施例および比較例のサンプルについて薄膜ＸＲＤ（Ｘ－ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）分析を実施することにより、サンプルの表面に形成された酸化膜に含まれる酸化物を同定した。
【0115】
図１５は、実施例のサンプルにおける複合酸化膜のＸ線回折分析の結果を示す図である。図１６は、ガス浸炭で形成された比較例のサンプルにおける酸化膜のＸ線回折分析の結果を示す図である。図１５を参照して、実施例のサンプルには、マグネタイトとヘマタイトとを含む複合酸化膜が形成されていることが確認される。一方、図１６を参照して、比較例のサンプルにはヘマタイトの存在が確認されず、マグネタイト単相から構成される酸化膜が形成されていることが確認される。
【0116】
（３）微細炭化物の効果の確認
上記実施の形態２の機械部品（浸炭層に微細な炭化物が分散した機械部品）の優位性を確認する実験を行った。実験の手順は以下のとおりである。
上記実施の形態２の機械部品（浸炭層に微細な炭化物が分散した機械部品）の優位性を確認する実験を行った。実験の手順は以下のとおりである。
【0117】
上記実施の形態２の工程Ｓ１０～Ｓ７０の手順に沿って上記（１）と同様に試験用ギヤを作製した（実施例）。比較のため、熱処理をガス浸炭に変更した試験用ギヤも作製した（比較例）。ガス浸炭の条件は、浸炭時間１８０分、拡散時間１２０分とした。実施例および比較例の試験用ギヤを構成する鋼として、それぞれ表１の鋼Ａおよび鋼Ｂを採用した。表１において、表示された成分組成以外の部分は、鉄および不可避的不純物である。そして、上記（１）と同様に別途大ギヤを準備し、歯面に負荷される面圧を変化させ、各面圧におけるピッチング発生までのかみ合い回数を調査した（面圧強度試験）。
【0118】
【表1】
【0119】
また、上記実施例および比較例の試験用ギヤ１００について、歯元曲げ疲労を実施した。図１７は、歯元曲げ疲労試験の方法を説明するための図である。図１７を参照して、試験装置２００は、固定治具２０１と揺動治具２０２とを含んでいる。実施例および比較例の試験用ギヤ１００の１つの歯１１１に固定治具２０１を接触させた状態で、他の歯１１１に揺動治具２０２を接触させ、揺動治具２０２を矢印αに沿って揺動させることにより歯１１１の歯元に曲げ応力をくり返し付与する。そして、歯１１１が破損するまでの応力のくり返し回数を調査した。揺動治具２０２の揺動の周波数は５Ｈｚ、歯１１１に付与される荷重は１００～２４０ｋｇｆ／ｍｍ２の範囲とした。なお、応力のくり返し回数が４．０×１０６回の時点で破損が発生しなかった場合、試験を中止した。
【0120】
また、上記実施例および比較例の試験用ギヤの歯元に衝撃曲げ荷重を付与し、折損に至る最小荷重を調査した（歯元曲げ衝撃試験）。試験は室温にて実施した。さらに、上記実施の形態２の工程Ｓ１０～Ｓ７０の手順に沿って試験片を作製し、シャルピー衝撃試験（ＪＩＳ規格Ｚ２２４２参照）を実施した。試験片の形状は１０Ｒノッチとした。また、試験は常温（室温）および低温（－４０℃）のそれぞれにて実施した。
【0121】
以下、試験結果について説明する。図１８は、面圧強度試験の結果を示す図である。図１８において、横軸は歯のかみ合い回数に、縦軸は歯面に負荷される平均面圧に、それぞれ対応する。図１８を参照して、同じかみ合い回数でピッチングが発生する場合、実施例の試験用ギヤに付与される平均面圧は、比較例の試験用ギヤに付与される平均面圧に比べて高いことが確認される。たとえば、かみ合い回数７．０×１０７回でピッチングが発生する荷重は、比較例を１．００とした場合、実施例は１．２８となっている。このことから、浸炭層に微細な炭化物が分散した実施の形態２の機械部品は、従来のガス浸炭にて作製された機械部品に比べて、耐ピッチング性において優れていることが確認される。
【0122】
図１９は、歯元曲げ疲労試験の結果を示す図である。図１９において、横軸は応力のくり返し回数に、縦軸は歯元曲げ応力に、それぞれ対応する。図１９において、応力のくり返し回数が４．０×１０６回の時点で破損が発生せず、試験を中止した試験条件に対応するデータ点には、矢印が付されている。また、図１９の縦軸は、比較例の試験結果に沿って描かれた曲線が、応力のくり返し回数４．０×１０６回に対応する縦線と交差する点の応力を１．００とした相対値で表示されている。
【0123】
図１９を参照して、同じくり返し回数で歯元に破損が発生する場合、実施例の試験用ギヤに付与される歯元曲げ応力は、比較例の試験用ギヤに付与される歯元曲げ応力に比べて高いことが確認される。たとえば、破損することなく応力のくり返し回数が４．０×１０６回に到達する曲げ応力は、比較例を１．００とした場合、実施例は１．１５となっている。このことから、浸炭層に微細な炭化物が分散した実施の形態２の機械部品は、従来のガス浸炭にて作製された機械部品に比べて、歯元曲げ応力に対する耐久性において優れていることが確認される。
【0124】
図２０は、歯元曲げ衝撃試験の結果を示す図である。図２０の縦軸である折損荷重は、比較例の折損荷重を１．００とした相対値で表示されている。図２０を参照して、歯元曲げ衝撃試験における折損荷重は、実施例が比較例を約２０％上回っている。このことから、浸炭層に微細な炭化物が分散した実施の形態２の機械部品は、従来のガス浸炭にて作製された機械部品に比べて、歯元曲げ衝撃荷重に対する強度において優れていることが確認される。
【0125】
図２１は、シャルピー衝撃試験の結果を示す図である。図２０の縦軸である折損荷重は、常温、低温のそれぞれの条件について、比較例の折損荷重を１．００とした相対値で表示されている。図２１を参照して、シャルピー衝撃試験における折損荷重は、実施例が比較例を大幅に上回っている。このことから、浸炭層に微細な炭化物が分散した実施の形態２の機械部品は、結晶粒微細化の効果により従来のガス浸炭にて作製された機械部品に比べて、靭性において優れていることが確認される。
【0126】
なお、上記実施の形態においては、本開示の機械部品の一例として、作業機械のトランスミッション、ファイナルドライブまたはスイングマシナリを構成する平歯車、アクスルを構成するベベルピニオンについて説明したが、本開示の機械部品の適用対象はこれらに限られない。たとえば、本開示の機械部品は、作業機械のファイナルドライブまたはスイングマシナリを構成するシャフト、アクスルを構成するベベルギヤまたはリングギヤなどにも適用可能である。
【0127】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0128】
１ 平歯車、２ 貫通孔、４ ベベルピニオン、５ シャフト部、５Ａ 端部、５Ｂ スプライン部、６ ギヤ部、６Ａ 歯、１０ 外周面、１１ 歯、２０ 内周面、３１ 浸炭層、３２ ベース部、４０ 複合酸化膜、４１ 粒界酸化領域、５０ 旧オーステナイト結晶粒、５１ 結晶粒界、６１ 炭化物、１００ 試験用ギヤ、１１１ 歯、２００ 試験装置、２０１ 固定治具、２０２ 揺動治具、Ａ 中心軸、ｔＡ 厚み、ｔＢ 厚み。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】