(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】P2024152306
(43)【公開日】2024-10-25
(54)【発明の名称】酸窒化用鋼および酸窒化部品
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20241018BHJP
C22C 38/58 20060101ALI20241018BHJP
C21D 1/06 20060101ALI20241018BHJP
C23C 8/58 20060101ALI20241018BHJP
C21D 9/32 20060101ALN20241018BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 301N
C22C38/58
C21D1/06 A
C23C8/58
C21D9/32 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023066421
(22)【出願日】2023-04-14
(71)【出願人】
【識別番号】000003713
【氏名又は名称】大同特殊鋼株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100076473
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 昭夫
(74)【代理人】
【識別番号】100112900
【弁理士】
【氏名又は名称】江間 路子
(74)【代理人】
【識別番号】100198247
【弁理士】
【氏名又は名称】並河 伊佐夫
(72)【発明者】
【氏名】玉井 智也
(72)【発明者】
【氏名】根本 健史
【テーマコード（参考）】
4K042
【Ｆターム（参考）】
4K042AA18
4K042BA01
4K042BA03
4K042BA14
4K042CA02
4K042CA05
4K042CA06
4K042CA08
4K042CA09
4K042CA10
4K042CA12
4K042CA13
4K042DA01
4K042DA02
4K042DA06
4K042DC02
4K042DC03
4K042DC04
4K042DC05
4K042DE02
4K042DE06
(57)【要約】
【課題】耐焼付き性および内部強度に優れた酸窒化部品を製造することが可能な酸窒化用鋼を提供する。
【解決手段】酸窒化用鋼は、質量％で、Ｃ：０．１５％～０．５０％、Ｓｉ：０．０１％～２．００％、Ｍｎ：０．１０％～２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：２．００％以下、Ｎｉ：３．００％以下、Ｃｒ：０．４０％～３．００％、Ｍｏ：０．０１％～２．００％、Ｖ：０．０１％～２．００％、を含有するとともに、下記の式（１）を満足し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成を有する。
１．００×[Ｃ]－０．２０×[Cr]＋０．４０×[Mo]＋０．６０×[Ｖ]＞０．０５ …式（１）
【選択図】 なし
【解決手段】酸窒化用鋼は、質量％で、Ｃ：０．１５％～０．５０％、Ｓｉ：０．０１％～２．００％、Ｍｎ：０．１０％～２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：２．００％以下、Ｎｉ：３．００％以下、Ｃｒ：０．４０％～３．００％、Ｍｏ：０．０１％～２．００％、Ｖ：０．０１％～２．００％、を含有するとともに、下記の式（１）を満足し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成を有する。
１．００×[Ｃ]－０．２０×[Cr]＋０．４０×[Mo]＋０．６０×[Ｖ]＞０．０５ …式（１）
【選択図】 なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量％で
Ｃ：０．１５％～０．５０％、
Ｓｉ：０．０１％～２．００％、
Ｍｎ：０．１０％～２．００％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｕ：２．００％以下、
Ｎｉ：３．００％以下、
Ｃｒ：０．４０％～３．００％、
Ｍｏ：０．０１％～２．００％、
Ｖ：０．０１％～２．００％、
を含有するとともに、下記の式（１）を満足し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成を有する酸窒化用鋼。
１．００×[Ｃ]－０．２０×[Cr]＋０．４０×[Mo]＋０．６０×[Ｖ]＞０．０５ …式（１）
（式(１)中の[ ]は各元素の含有質量％を示す）
Ｃ：０．１５％～０．５０％、
Ｓｉ：０．０１％～２．００％、
Ｍｎ：０．１０％～２．００％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｕ：２．００％以下、
Ｎｉ：３．００％以下、
Ｃｒ：０．４０％～３．００％、
Ｍｏ：０．０１％～２．００％、
Ｖ：０．０１％～２．００％、
を含有するとともに、下記の式（１）を満足し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成を有する酸窒化用鋼。
１．００×[Ｃ]－０．２０×[Cr]＋０．４０×[Mo]＋０．６０×[Ｖ]＞０．０５ …式（１）
（式(１)中の[ ]は各元素の含有質量％を示す）
【請求項2】
請求項１において、質量％で
Ｎ：０．０５％以下、
ｓ－Ａｌ：０．１０％以下、
Ｎｂ：０．２０％以下、
Ｔｉ：２．００％以下、
Ｂ：０．０１％以下、
の何れか１種若しくは２種以上を更に含有する酸窒化用鋼。
Ｎ：０．０５％以下、
ｓ－Ａｌ：０．１０％以下、
Ｎｂ：０．２０％以下、
Ｔｉ：２．００％以下、
Ｂ：０．０１％以下、
の何れか１種若しくは２種以上を更に含有する酸窒化用鋼。
【請求項3】
請求項１，２の何れかに記載された鋼からなり、表層部に、窒素化合物層と、該窒素化合物層の表面側に形成された厚み３μｍ以上の鉄酸化物層とを備え、ビッカース硬さ５００ＨＶとなる有効硬化層深さが０．１５ｍｍ以上である酸窒化部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は酸窒化用鋼および酸窒化部品に関し、特に歯車等の摺動部品に用いられて好適な酸窒化用鋼および酸窒化部品に関する。
【背景技術】
【0002】
自動車の動力伝達機構などに用いられる歯車等の摺動部品にあっては、鋼を鍛造、切削等により所定の形状に加工した後、浸炭焼入れ処理、浸炭窒化焼入れ処理または窒化処理などの表面硬化の処理が施され、耐摩耗性等の機械的性質を向上させている。
近年は、高回転化やその際のすべり速度の増加など従来よりも焼付きが生じ易い環境下で使用される場合が多く、特に高い耐焼付き性が求められている。
近年は、高回転化やその際のすべり速度の増加など従来よりも焼付きが生じ易い環境下で使用される場合が多く、特に高い耐焼付き性が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１３－２２７６７５号公報
【特許文献2】特開２０１６－１２５１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
耐焼付き性を向上させるためには、部品の摺動面に窒化処理による窒素化合物層を形成して、金属同士が直接接触しないようにすることが有効とされている（例えば上記特許文献１，２参照）。しかしながら、窒化処理は、浸炭処理や浸炭窒化処理と比較して処理温度が低く（５００～６５０℃程度）、窒素の拡散深さが浅い。また、拡散層よりも内部の母材については窒化処理温度で軟化してしまう。
このため、例えば窒化処理を施した摺動部品の場合、内部強度が低いことに起因するケースクラッシュ（表面硬化層が広い範囲にわたって剥離する損傷）や内部塑性変形が生じ易いという問題があった。
このため、例えば窒化処理を施した摺動部品の場合、内部強度が低いことに起因するケースクラッシュ（表面硬化層が広い範囲にわたって剥離する損傷）や内部塑性変形が生じ易いという問題があった。
【0005】
本発明は以上のような事情を背景とし、耐焼付き性および内部強度に優れた酸窒化部品を製造することが可能な酸窒化用鋼およびこれを用いた酸窒化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】
【0006】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、以下の知見を得た。
（ａ）窒化処理による窒素化合物層の表面側に鉄酸化物層を形成することで、窒化部品の耐焼付き性を更に向上させることができる。
（ｂ）ＭｏおよびＶによる二次硬化が窒化処理における母材の軟化抑制に有効であり、鋼における各合金元素の添加量を適正にバランスさせることで、所望の有効硬化層深さを確保することができ、窒化部品の内部強度を高めることができる。
本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
（ａ）窒化処理による窒素化合物層の表面側に鉄酸化物層を形成することで、窒化部品の耐焼付き性を更に向上させることができる。
（ｂ）ＭｏおよびＶによる二次硬化が窒化処理における母材の軟化抑制に有効であり、鋼における各合金元素の添加量を適正にバランスさせることで、所望の有効硬化層深さを確保することができ、窒化部品の内部強度を高めることができる。
本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
【0007】
而して本発明の要旨は、次の通りである。
【0008】
［１］ 質量％で、Ｃ：０．１５％～０．５０％、Ｓｉ：０．０１％～２．００％、Ｍｎ：０．１０％～２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：２．００％以下、Ｎｉ：３．００％以下、Ｃｒ：０．４０％～３．００％、Ｍｏ：０．０１％～２．００％、Ｖ：０．０１％～２．００％、を含有するとともに、下記の式（１）を満足し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物の組成を有する酸窒化用鋼。
１．００×[Ｃ]－０．２０×[Cr]＋０．４０×[Mo]＋０．６０×[Ｖ]＞０．０５ …式（１）
（式(１)中の[ ]は各元素の含有質量％を示す）
１．００×[Ｃ]－０．２０×[Cr]＋０．４０×[Mo]＋０．６０×[Ｖ]＞０．０５ …式（１）
（式(１)中の[ ]は各元素の含有質量％を示す）
【0009】
［２］ ［１］において、質量％で、Ｎ：０．０５％以下、ｓ－Ａｌ：０．１０％以下、Ｎｂ：０．２０％以下、Ｔｉ：２．００％以下、Ｂ：０．０１％以下、の何れか１種若しくは２種以上を更に含有する酸窒化用鋼。
【0010】
［３］ ［１］，［２］の何れかに記載された鋼からなり、表層部に、窒素化合物層と、該窒素化合物層の表面側に形成された厚み３μｍ以上の鉄酸化物層とを備え、ビッカース硬さ５００ＨＶとなる有効硬化層深さが０．１５ｍｍ以上である酸窒化部品。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の実施形態である酸窒化部品の表層部の構造を模式的に示した図である。
【図2】ローラピッチング試験に使用されるローラの形状を示した図で、（Ａ）は試験ローラ、（Ｂ）は負荷ローラを示している。
【図3】（Ａ）は実施例における焼入れ焼戻し処理を示す説明図、（Ｂ）は実施例におけるガス酸窒化処理を示す説明図である。
【図4】ローラピッチング試験の概略説明図である。
【図5】比較例２に適用される真空浸炭焼入れおよび焼戻し処理の説明図である。
【図6】比較例４に適用されるガス軟窒化処理の説明図である。
【図7】式（１）左辺の有効硬化層深さについての指標と測定された有効硬化層深さとの関係を示した図である。
【図8】測定された有効硬化層深さと陥没深さとの関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
次に本発明の実施形態に係る酸窒化用鋼および酸窒化部品について具体的に説明する。
【0013】
１．酸窒化用鋼
本実施形態の酸窒化用鋼は、Ｃと、Ｓｉと、Ｍｎと、Ｐと、Ｓと、Ｃｕと、Ｎｉと、Ｃｒと、Ｍｏと、Ｖとを所定の範囲で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。また、Ｎ、ｓ－Ａｌ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｂ、の何れか１種若しくは２種以上を所定の範囲で更に含有してもよい。
本実施形態の酸窒化用鋼は、Ｃと、Ｓｉと、Ｍｎと、Ｐと、Ｓと、Ｃｕと、Ｎｉと、Ｃｒと、Ｍｏと、Ｖとを所定の範囲で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。また、Ｎ、ｓ－Ａｌ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｂ、の何れか１種若しくは２種以上を所定の範囲で更に含有してもよい。
【0014】
本酸窒化用鋼における各化学成分等の限定理由を以下に詳述する。尚、以降の説明では、特にことわりがない限り「％」は「質量％」を意味するものとする。
【0015】
Ｃ：０．１５％～０．５０％
Ｃは、本酸窒化用鋼を用いて部品を作製した場合における部品の内部強度を確保するために必要な元素である。本酸窒化用鋼では、Ｃを０．１５％以上含有させる。但し、Ｃの含有量が０．５０％を超えると切削性などの加工性が悪化する。好ましいＣの範囲は、０．１５％～０．４０％であり、より好ましくは、０．１５％～０．３５％である。
Ｃは、本酸窒化用鋼を用いて部品を作製した場合における部品の内部強度を確保するために必要な元素である。本酸窒化用鋼では、Ｃを０．１５％以上含有させる。但し、Ｃの含有量が０．５０％を超えると切削性などの加工性が悪化する。好ましいＣの範囲は、０．１５％～０．４０％であり、より好ましくは、０．１５％～０．３５％である。
【0016】
Ｓｉ：０．０１％～２．００％
Ｓｉは、軟化抵抗性を高める効果を有する元素である。また、溶製時の脱酸剤として添加される。このため本酸窒化用鋼では、Ｓｉを０．０１％以上含有させる。但し、Ｓｉは鋼の熱間加工性及び被削性を低下させるため、その上限を２．００%とする。好ましいＳｉの範囲は、０．１０％～１．００％であり、より好ましくは、０．１０％～０．７０％であり、更に好ましくは０．１０％～０．５０％である。
Ｓｉは、軟化抵抗性を高める効果を有する元素である。また、溶製時の脱酸剤として添加される。このため本酸窒化用鋼では、Ｓｉを０．０１％以上含有させる。但し、Ｓｉは鋼の熱間加工性及び被削性を低下させるため、その上限を２．００%とする。好ましいＳｉの範囲は、０．１０％～１．００％であり、より好ましくは、０．１０％～０．７０％であり、更に好ましくは０．１０％～０．５０％である。
【0017】
Ｍｎ：０．１０％～２．００％
Ｍｎは、鋼の焼入性を高めるのに有効な元素である。またＭｎ系硫化物を形成し被削性を向上させる効果がある。これらの効果を得るため、本実施形態ではＭｎを０．１０％以上含有させる。但し、過剰な添加は、鋼の硬さが高まり熱間加工性を低下させるため、その上限を２．００％とする。好ましいＭｎの範囲は、０．２０％～１．３０％であり、より好ましくは、０．２０％～０．８０％であり、更に好ましくは、０．２０％～０．６０％である。
Ｍｎは、鋼の焼入性を高めるのに有効な元素である。またＭｎ系硫化物を形成し被削性を向上させる効果がある。これらの効果を得るため、本実施形態ではＭｎを０．１０％以上含有させる。但し、過剰な添加は、鋼の硬さが高まり熱間加工性を低下させるため、その上限を２．００％とする。好ましいＭｎの範囲は、０．２０％～１．３０％であり、より好ましくは、０．２０％～０．８０％であり、更に好ましくは、０．２０％～０．６０％である。
【0018】
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、不純物であり含有量は少ない方が好ましい。Ｐは粒界に偏析して、鋼の熱間加工性を低下させるため０．０３０％以下とする。Ｐの含有量を完全に０とするのは難しく、現実的な下限は０．００４％である。
Ｐは、不純物であり含有量は少ない方が好ましい。Ｐは粒界に偏析して、鋼の熱間加工性を低下させるため０．０３０％以下とする。Ｐの含有量を完全に０とするのは難しく、現実的な下限は０．００４％である。
【0019】
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、不純物であり含有量は少ない方が好ましい。ＳはＭｎと結合し粗大なＭｎＳを生成しやすく、曲げ疲労強度や鋼の熱間加工性を低下させるため０．０３０％以下とする。Ｓの含有量を完全に０とするのは難しく、現実的な下限は０．００１％である。
Ｓは、不純物であり含有量は少ない方が好ましい。ＳはＭｎと結合し粗大なＭｎＳを生成しやすく、曲げ疲労強度や鋼の熱間加工性を低下させるため０．０３０％以下とする。Ｓの含有量を完全に０とするのは難しく、現実的な下限は０．００１％である。
【0020】
Ｃｕ：２．００％以下
Ｃｕは、鋼の焼入性を高めるのに有効な元素である。但し、Ｃｕの過剰な添加は熱間鍛造性の低下や材料コストの上昇をもたらすため、Ｃｕ量は２．００％以下とする。好ましいＣｕの範囲は０．０１％～２．００％である。
Ｃｕは、鋼の焼入性を高めるのに有効な元素である。但し、Ｃｕの過剰な添加は熱間鍛造性の低下や材料コストの上昇をもたらすため、Ｃｕ量は２．００％以下とする。好ましいＣｕの範囲は０．０１％～２．００％である。
【0021】
Ｎｉ：３．００％以下
Ｎｉは、鋼の焼入性を高めるのに有効な元素である。但し、Ｎｉの過剰な添加は切削性の低下や材料コストの上昇をもたらすため、Ｎｉ量は３．００％以下とする。好ましいＮｉの範囲は０．０１％～３．００％である。
Ｎｉは、鋼の焼入性を高めるのに有効な元素である。但し、Ｎｉの過剰な添加は切削性の低下や材料コストの上昇をもたらすため、Ｎｉ量は３．００％以下とする。好ましいＮｉの範囲は０．０１％～３．００％である。
【0022】
Ｃｒ：０．４０％～３．００％
Ｃｒは、窒化処理時に、微細な窒化物（ＣｒＮ）を硬化層中に形成し、部品表層部の硬さを向上させる。この効果を得るため、Ｃｒは０．４０％以上含有させる。但し、過剰な添加は材料コストを上昇させるため、その上限を３．００％とする。好ましいＣｒの範囲は、０．６０％～２．００％であり、より好ましくは、０．８０％～１．４０％である。
Ｃｒは、窒化処理時に、微細な窒化物（ＣｒＮ）を硬化層中に形成し、部品表層部の硬さを向上させる。この効果を得るため、Ｃｒは０．４０％以上含有させる。但し、過剰な添加は材料コストを上昇させるため、その上限を３．００％とする。好ましいＣｒの範囲は、０．６０％～２．００％であり、より好ましくは、０．８０％～１．４０％である。
【0023】
Ｍｏ：０．０１％～２．００％
Ｍｏは、二次硬化により炭化物を析出させて窒化処理時の母材硬さ（内部硬さ）の低下を抑制する効果を有し、窒化部品の有効硬化層深さを確保するのに有効な元素である。この効果を得るため、Ｍｏは０．０１％以上含有させる。但し、過剰な添加は材料コストを上昇させるため、その上限を２．００％とする。好ましいＭｏの範囲は、０．１０％～１．００％であり、より好ましくは、０．１０％～０．６０％である。
Ｍｏは、二次硬化により炭化物を析出させて窒化処理時の母材硬さ（内部硬さ）の低下を抑制する効果を有し、窒化部品の有効硬化層深さを確保するのに有効な元素である。この効果を得るため、Ｍｏは０．０１％以上含有させる。但し、過剰な添加は材料コストを上昇させるため、その上限を２．００％とする。好ましいＭｏの範囲は、０．１０％～１．００％であり、より好ましくは、０．１０％～０．６０％である。
【0024】
Ｖ：０．０１％～２．００％
Ｖは、Ｍｏと同様に二次硬化により炭化物を析出させて窒化処理時の母材硬さの低下を抑制する効果を有する元素である。この効果を得るため、Ｖは０．０１％以上含有させる。但し、過剰な添加は材料コストを上昇させるため、その上限を２．００％とする。好ましいＶの範囲は、０．１０％～０．６０％であり、より好ましくは、０．１０％～０．３０％である。
Ｖは、Ｍｏと同様に二次硬化により炭化物を析出させて窒化処理時の母材硬さの低下を抑制する効果を有する元素である。この効果を得るため、Ｖは０．０１％以上含有させる。但し、過剰な添加は材料コストを上昇させるため、その上限を２．００％とする。好ましいＶの範囲は、０．１０％～０．６０％であり、より好ましくは、０．１０％～０．３０％である。
【0025】
１．００×[Ｃ]－０．２０×[Cr]＋０．４０×[Mo]＋０．６０×[Ｖ]＞０．０５ …式（１）
式（１）の左辺は、有効硬化層深さに関する指標である。Ｃ、Ｍｏ、Ｖは窒化処理温度（５００℃～６５０℃）で炭化物を析出させる二次硬化に寄与し、有効硬化層深さを増大させる。一方、Ｃｒは窒化処理時の窒素の拡散を抑制するため、有効硬化層深さを減少させる。式(１)の左辺の値が０．０５を超えるように成分調整することで、窒化処理された部品における、ビッカース硬さ５００ＨＶとなる有効硬化層深さを０．１５ｍｍ以上確保することができる。
式（１）の左辺は、有効硬化層深さに関する指標である。Ｃ、Ｍｏ、Ｖは窒化処理温度（５００℃～６５０℃）で炭化物を析出させる二次硬化に寄与し、有効硬化層深さを増大させる。一方、Ｃｒは窒化処理時の窒素の拡散を抑制するため、有効硬化層深さを減少させる。式(１)の左辺の値が０．０５を超えるように成分調整することで、窒化処理された部品における、ビッカース硬さ５００ＨＶとなる有効硬化層深さを０．１５ｍｍ以上確保することができる。
【0026】
Ｎ：０．０５％以下
Ｎは、Ａｌと窒化物を形成することにより結晶粒の粗大化抑制に寄与するため、必要に応じて含有させることができる。但し、過剰な添加は、窒化物の粗大化を招くため、その上限を０．０５％とする。
Ｎは、Ａｌと窒化物を形成することにより結晶粒の粗大化抑制に寄与するため、必要に応じて含有させることができる。但し、過剰な添加は、窒化物の粗大化を招くため、その上限を０．０５％とする。
【0027】
ｓ－Ａｌ：０．１０％以下
ｓ－Ａｌは、Ｎと結合して窒化物を形成して結晶粒の粗大化抑制に寄与するため、必要に応じて含有させることができる。但し、過剰な添加は、Ａｌ2Ｏ3系介在物の生成による強度低下を招くため、その上限を０．１０％とする。
ｓ－Ａｌは、Ｎと結合して窒化物を形成して結晶粒の粗大化抑制に寄与するため、必要に応じて含有させることができる。但し、過剰な添加は、Ａｌ2Ｏ3系介在物の生成による強度低下を招くため、その上限を０．１０％とする。
【0028】
Ｎｂ：０．２０％以下
Ｎｂは、炭化物を析出させ、結晶粒の粗大化抑制に寄与するため、必要に応じて含有させることができる。但し、過剰な添加は、効果の飽和と材料コストの上昇をもたらすため、その上限を０．２０％とする。
Ｎｂは、炭化物を析出させ、結晶粒の粗大化抑制に寄与するため、必要に応じて含有させることができる。但し、過剰な添加は、効果の飽和と材料コストの上昇をもたらすため、その上限を０．２０％とする。
【0029】
Ｔｉ：２．００％以下
Ｔｉは、Ｃｒと同様に、微細な窒化物を硬化層中に形成し、部品表層部の硬さを向上させる効果を有するため必要に応じて含有させることができる。但し、過剰な添加は、鋼中に大型の窒化物系介在物を形成し疲労破壊の起点となり得るため、その上限を２．００％とする。
Ｔｉは、Ｃｒと同様に、微細な窒化物を硬化層中に形成し、部品表層部の硬さを向上させる効果を有するため必要に応じて含有させることができる。但し、過剰な添加は、鋼中に大型の窒化物系介在物を形成し疲労破壊の起点となり得るため、その上限を２．００％とする。
【0030】
Ｂ：０．０１％以下
Ｂは、鋼の焼入性を高める効果を有しており必要に応じて含有させることができる。但し、過剰な添加は、ＢＮの形成による焼入れ性向上効果の低下を招くため、その上限を０．０１％とする。
Ｂは、鋼の焼入性を高める効果を有しており必要に応じて含有させることができる。但し、過剰な添加は、ＢＮの形成による焼入れ性向上効果の低下を招くため、その上限を０．０１％とする。
【0031】
２．酸窒化部品
次に本実施形態の酸窒化部品について説明する。
図１は、本実施形態の酸窒化部品１における表層部２の構造を模式的に示した図である。酸窒化部品１は、上記成分組成の酸窒化用鋼からなり、その表層部２には酸窒化処理による硬化層が形成されている。詳しくは、図１で示すように、表層部２の最表層に鉄酸化物層４が形成され、その下層に窒素化合物層６が形成され、更にその下層に窒素拡散層８が形成されている。
次に本実施形態の酸窒化部品について説明する。
図１は、本実施形態の酸窒化部品１における表層部２の構造を模式的に示した図である。酸窒化部品１は、上記成分組成の酸窒化用鋼からなり、その表層部２には酸窒化処理による硬化層が形成されている。詳しくは、図１で示すように、表層部２の最表層に鉄酸化物層４が形成され、その下層に窒素化合物層６が形成され、更にその下層に窒素拡散層８が形成されている。
【0032】
窒素化合物層６は、窒素化合物としてのγ’（Ｆｅ4Ｎ）化合物およびε（Ｆｅ2-3Ｎ）化合物が含まれており、母材に比べて硬さが極めて高く、摺動面における焼付きを抑制する効果を有する。窒素化合物層６の厚さは、５μｍ～２５μｍであることが好ましい。
【0033】
ここで、窒素化合物層６中には脆く剥がれや割れが生じ易いポーラス層が含まれている。かかるポーラス層の剥がれや磨滅による耐焼付き性の低下を防ぐため、本例では窒素化合物層６の表面側にＦｅ3Ｏ4およびＦｅ2Ｏ3を主成分とする鉄酸化物層４が設けられている。本発明者らの評価によれば、鉄酸化物層４を厚さ３μｍ以上設けることで、鉄酸化物層を備えていない窒化部品に比べて耐焼付き性が高められることが確認された。より好ましい鉄酸化物層の厚さは３μｍ～１０μｍである。
【0034】
窒素拡散層８は、窒素化合物層６の直下の母材に窒素元素が侵入したことにより強化された層である。侵入窒素の固溶強化および窒化物粒子の分散により硬化されている。
【0035】
ビッカース硬さ５００ＨＶとなる有効硬化層深さ：０．１５ｍｍ以上
部品表面から内部に向かう硬さ分布を測定した時に、ビッカース硬さが５００ＨＶとなる部品表面からの深さを有効硬化層深さと呼ぶ。この有効硬化層深さが浅いほど内部から破壊が起こる可能性が高まる。本発明者らの調査によれば、有効硬化層深さを０．１５ｍｍ以上確保することで、窒素化合物層および窒素拡散層を含む窒化処理層よりも内部を起点とする損傷（例えばケースクラッシュ）を良好に抑制することができる。
部品表面から内部に向かう硬さ分布を測定した時に、ビッカース硬さが５００ＨＶとなる部品表面からの深さを有効硬化層深さと呼ぶ。この有効硬化層深さが浅いほど内部から破壊が起こる可能性が高まる。本発明者らの調査によれば、有効硬化層深さを０．１５ｍｍ以上確保することで、窒素化合物層および窒素拡散層を含む窒化処理層よりも内部を起点とする損傷（例えばケースクラッシュ）を良好に抑制することができる。
【0036】
次に本酸窒化部品の製造方法について説明する。本酸窒化部品は、上記成分組成の鋼（酸窒化用鋼）を所定の形状に加工（粗加工）した後、焼入れ焼戻し、摺動面等の仕上げ加工（精加工）、更に酸窒化の各工程を経て製造することができる。
【0037】
焼入れの工程では、所定の形状に加工された中間部材を８５０～９５０℃の焼入れ温度で保持する。焼入れ温度での保持時間は特に限定されないが、たとえば、３０～６０分である。所定時間加熱保持した後、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ以下まで急冷する。焼入れ媒体は、例えば水や油である。焼入れ後の中間部材に対しては、周知の焼戻し工程を実施する。焼戻し温度は、例えば５５０～６５０℃である。焼戻し温度での保持時間は、例えば６０～１２０分である。
【0038】
酸窒化の工程では、窒化の工程に続いて、酸化の工程を実施する。
窒化の工程では、ＮＨ3を含んだ雰囲気中でＡ１変態点以下の温度に加熱することにより、精加工された中間部材の表層部２に窒素を浸入させ、これにより、中間部材の表層部２に、主に鉄窒化物を含有する窒素化合物層６、および、その直下に窒素拡散層８が形成される。
窒化の工程では、ＮＨ3を含んだ雰囲気中でＡ１変態点以下の温度に加熱することにより、精加工された中間部材の表層部２に窒素を浸入させ、これにより、中間部材の表層部２に、主に鉄窒化物を含有する窒素化合物層６、および、その直下に窒素拡散層８が形成される。
【0039】
窒化の工程では、窒化ガスとして例えば（ＮＨ3＋ＣＯ2＋Ｎ2）の混合ガスを用いることができる。処理温度および処理時間については適宜調整可能である。処理温度が低すぎる場合は窒素の拡散速度が低下して処理時間が長くなってしまう。一方、処理温度が高すぎる場合には母材における軟化が進行して内部硬さが低下してしまう。処理温度としては、５００～６５０℃を例示することができる。処理時間は、所望の窒素化合物層厚さが得られるように、処理温度と連動させて決定することができる。処理時間としては、２～５時間を例示することができる。
【0040】
続く酸化の工程では、表面に窒素化合物層６が形成された中間部材を、水蒸気等の酸化性ガスを含んだ雰囲気中で熱処理することにより、窒素化合物層６の一部が転化しＦｅ3Ｏ4およびＦｅ2Ｏ3を主成分とする鉄酸化物層４が形成される。
酸化の工程の処理温度としては、５００～６００℃を例示することができる。処理時間は、所望の鉄酸化物層厚さが得られるように、処理温度と連動させて決定することができる。処理温度としては、１～３時間を例示することができる。
酸化の工程の処理温度としては、５００～６００℃を例示することができる。処理時間は、所望の鉄酸化物層厚さが得られるように、処理温度と連動させて決定することができる。処理温度としては、１～３時間を例示することができる。
【0041】
このようにして製造された酸窒化部品は、耐焼付き性および内部強度に優れており、歯車や軸受け等の摺動面を有する摺動部品に適用して好適である。
【0042】
＜実施例＞
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。ここでは、下記表１に示す実施例２７種および比較例４種について、溶解・鋳造→圧延→粗加工→焼入れ焼き戻し→精加工→ガス酸窒化の工程を経て製造された試験片（試験ローラおよび負荷ローラ）を用い、鉄酸化物層厚さ、有効硬化層深さ、耐焼付き性および内部強度について評価した。
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。ここでは、下記表１に示す実施例２７種および比較例４種について、溶解・鋳造→圧延→粗加工→焼入れ焼き戻し→精加工→ガス酸窒化の工程を経て製造された試験片（試験ローラおよび負荷ローラ）を用い、鉄酸化物層厚さ、有効硬化層深さ、耐焼付き性および内部強度について評価した。
【0043】
（試験片の製造）
真空誘導溶解炉にて、下記表１で示す所定化学成分の鋼塊１５０ｋｇを溶製し、インゴットに鋳造した。次に、このインゴットを圧延してバー材にした後、バー材を切断して図２（Ａ）に示す試験ローラ１０と、図２（Ｂ）に示す負荷ローラ２０を粗加工（機械加工）により作製した。尚、図２（Ａ）に示す試験ローラ１０におけるＢ寸法は１８ｍｍ、図中の１２は別体の軸体と係合する貫通穴である。また図２（Ｂ）に示す負荷ローラ２０におけるＧ寸法は１８ｍｍ、Ｒ寸法は７００ｍｍ、図中の２２は別体の軸体と係合する貫通穴である。
真空誘導溶解炉にて、下記表１で示す所定化学成分の鋼塊１５０ｋｇを溶製し、インゴットに鋳造した。次に、このインゴットを圧延してバー材にした後、バー材を切断して図２（Ａ）に示す試験ローラ１０と、図２（Ｂ）に示す負荷ローラ２０を粗加工（機械加工）により作製した。尚、図２（Ａ）に示す試験ローラ１０におけるＢ寸法は１８ｍｍ、図中の１２は別体の軸体と係合する貫通穴である。また図２（Ｂ）に示す負荷ローラ２０におけるＧ寸法は１８ｍｍ、Ｒ寸法は７００ｍｍ、図中の２２は別体の軸体と係合する貫通穴である。
【0044】
【表1】
【0045】
次に、試験ローラ１０および負荷ローラ２０を図３（Ａ）で示すヒートパターンで焼入れ焼戻し処理した。その後ローラ１０の転走面１０ａの表面粗さＲａが０．１±０．０５μｍ、ローラ２０の転走面２０ａの表面粗さＲｚが１．６±０．５μｍとなるようラップ仕上げ加工を施した。
【0046】
（ガス酸窒化処理）
上記のようにして作製した試験ローラ１０と負荷ローラ２０に対しガス酸窒化処理を施した。ガス酸窒化処理では、図３（Ｂ）のヒートパターンで示すように、先ず（ＮＨ3＋ＣＯ2＋Ｎ2）の混合ガス雰囲気中で窒化を行い表層部に窒素化合物層を形成し（具体的な処理温度および処理時間は下記表２参照）、続いて５２０℃の水蒸気雰囲気中で酸化処理を２ｈ行い、窒素化合物層上に鉄酸化物層を形成した。
上記のようにして作製した試験ローラ１０と負荷ローラ２０に対しガス酸窒化処理を施した。ガス酸窒化処理では、図３（Ｂ）のヒートパターンで示すように、先ず（ＮＨ3＋ＣＯ2＋Ｎ2）の混合ガス雰囲気中で窒化を行い表層部に窒素化合物層を形成し（具体的な処理温度および処理時間は下記表２参照）、続いて５２０℃の水蒸気雰囲気中で酸化処理を２ｈ行い、窒素化合物層上に鉄酸化物層を形成した。
【0047】
但し、比較例２についてはガス酸窒化処理に代えて真空浸炭処理を行った。その際、浸炭ガスとしてアセチレンガスを用い、図５で示すヒートパターンで処理を行った。また、比較例４（下記表３参照）については、ガス酸窒化処理に代えてガス軟窒化処理を行った。その際、窒化ガスとして（ＮＨ3＋ＣＯ2＋Ｎ2）の混合ガスを用い図６で示すヒートパターンで処理を行った。
【0048】
（鉄酸化物層厚さの測定）
試験ローラ１０の転走面１０ａを含む部分を切断し、転走面１０ａと直交する断面を研磨・エッチングして光学顕微鏡で観察して鉄酸化物層の厚さを測定した。光学顕微鏡により１０００倍で撮影した組織写真５視野について、それぞれ２０μｍ間隔で３箇所の鉄酸化物層を抽出してその厚さを測定し、計１５箇所の測定値の平均を鉄酸化物層厚さとした。このようにして得られた鉄酸化物層厚さを下記表２に示した。
試験ローラ１０の転走面１０ａを含む部分を切断し、転走面１０ａと直交する断面を研磨・エッチングして光学顕微鏡で観察して鉄酸化物層の厚さを測定した。光学顕微鏡により１０００倍で撮影した組織写真５視野について、それぞれ２０μｍ間隔で３箇所の鉄酸化物層を抽出してその厚さを測定し、計１５箇所の測定値の平均を鉄酸化物層厚さとした。このようにして得られた鉄酸化物層厚さを下記表２に示した。
【0049】
（有効硬化層深さの測定）
ビッカース硬さ（ＨＶ）は、「ＪＩＳ Ｚ２２４４」に規定されたビッカース硬さ試験法に従って測定したものであり、装置はマイクロビッカース硬さ試験機を用いた。圧子は「ＪＩＳ Ｂ７７２５」に規定されている対面角が１３６°のダイヤモンド四角錘圧子を用い、破壊されない程度の試験荷重で各試験片の鏡面研磨された所定の面に窪みをつける。そして、この窪みの対角線長さd[ｍｍ]と試験荷重F[Ｎ]とから次式によって計算した値をビッカース硬さとした。
ＨＶ＝０．１８９×（Ｆ／ｄ^２）
ビッカース硬さ（ＨＶ）は、「ＪＩＳ Ｚ２２４４」に規定されたビッカース硬さ試験法に従って測定したものであり、装置はマイクロビッカース硬さ試験機を用いた。圧子は「ＪＩＳ Ｂ７７２５」に規定されている対面角が１３６°のダイヤモンド四角錘圧子を用い、破壊されない程度の試験荷重で各試験片の鏡面研磨された所定の面に窪みをつける。そして、この窪みの対角線長さd[ｍｍ]と試験荷重F[Ｎ]とから次式によって計算した値をビッカース硬さとした。
ＨＶ＝０．１８９×（Ｆ／ｄ^２）
【0050】
有効硬化層深さは、試験ローラ１０の転走面１０aに垂直な切断面において、表面（転走面表面）から１００μｍの深さの位置から、深さ方向に１００μｍ間隔で硬さ測定を３００ｇの荷重で行った。そして、表面からの深さとビッカース硬さの関係を示す近似曲線から、５００ＨＶに該当する表面からの深さを有効硬化層深さ（ＥＣＤ）とし、その結果を表２に示した。
【0051】
（耐焼付き性評価）
上記で作製した試験ローラ１０と負荷ローラ２０をローラピッチング試験機に取り付け、ローラピッチング試験を行ない、耐焼付き性を評価した。
図４は、ローラピッチング試験の模式図である。同図で示すように、試験ローラ１０の外周１０ａに負荷ローラ２０の外周２０ａを所定の面圧Ｐで押しつけた状態で、接触部に潤滑剤を供給しつつ両者を回転させて、焼付きの発生の有無を調査した。尚、図中１６はトルク測定器、１８は転走面温度測定用の熱電対である。
具体的な試験条件は下記の通りである。
ヘルツの式から求まる接触面圧Ｐ：１．５ＧＰａ
試験ローラ回転数：４０００ｒｐｍ
すべり速度Ｖ：０～１４．３ｍ／ｓ（ＳＴＥＰ増加）
潤滑剤温度：９０℃
上記で作製した試験ローラ１０と負荷ローラ２０をローラピッチング試験機に取り付け、ローラピッチング試験を行ない、耐焼付き性を評価した。
図４は、ローラピッチング試験の模式図である。同図で示すように、試験ローラ１０の外周１０ａに負荷ローラ２０の外周２０ａを所定の面圧Ｐで押しつけた状態で、接触部に潤滑剤を供給しつつ両者を回転させて、焼付きの発生の有無を調査した。尚、図中１６はトルク測定器、１８は転走面温度測定用の熱電対である。
具体的な試験条件は下記の通りである。
ヘルツの式から求まる接触面圧Ｐ：１．５ＧＰａ
試験ローラ回転数：４０００ｒｐｍ
すべり速度Ｖ：０～１４．３ｍ／ｓ（ＳＴＥＰ増加）
潤滑剤温度：９０℃
【0052】
すべり速度Ｖを増加させながら、各試験条件で試験ローラ１０を５×１０4サイクル回転させ、焼付きの有無を調査した。詳しくは、試験ローラ１０の測定トルク等から下記式より摩擦係数を算出し、摩擦係数が０．０８を超えた場合を焼付き発生と判断した。
摩擦係数＝（測定トルク）／（（試験荷重）×（ローラ半径））
判定については、上記すべり速度Ｖの範囲内で焼付きの発生が無かった場合を「〇」、焼付きの発生があった場合を「×」とし、その結果を下記表２に示した。尚、表中ではこれら○、×の評価とともに、焼付きが生じたときのＰ×Ｖの値（焼付きの発生が無かった場合は、＞２１．５とする）も併せて示してある。
摩擦係数＝（測定トルク）／（（試験荷重）×（ローラ半径））
判定については、上記すべり速度Ｖの範囲内で焼付きの発生が無かった場合を「〇」、焼付きの発生があった場合を「×」とし、その結果を下記表２に示した。尚、表中ではこれら○、×の評価とともに、焼付きが生じたときのＰ×Ｖの値（焼付きの発生が無かった場合は、＞２１．５とする）も併せて示してある。
【0053】
（内部強度評価）
耐焼付き性評価と同様に、作製した試験ローラ１０と負荷ローラ２０をローラピッチング試験機に取り付け、ローラピッチング試験を行ない、内部強度を評価した。試験条件は下記の通りである。
ヘルツの式から求まる接触面圧Ｐ：２．０ＧＰａ
試験ローラ回転数：１５００ｒｐｍ
すべり速度Ｖ：０．１ｍ／ｓ
潤滑剤温度：９０℃
耐焼付き性評価と同様に、作製した試験ローラ１０と負荷ローラ２０をローラピッチング試験機に取り付け、ローラピッチング試験を行ない、内部強度を評価した。試験条件は下記の通りである。
ヘルツの式から求まる接触面圧Ｐ：２．０ＧＰａ
試験ローラ回転数：１５００ｒｐｍ
すべり速度Ｖ：０．１ｍ／ｓ
潤滑剤温度：９０℃
【0054】
上記試験条件で、試験ローラ１０を１×１０5サイクル回転させた後、転走面１０ａにおける深さ方向の変形量（陥没深さ）を調査した。転走面１０ａ（未剥離部）の形状プロファイルを試験前及び試験後に測定し、初期面からの深さを陥没深さと定義した。表面粗さ測定器（東京精密株式会社製、SURFACOM 1500SD-13）を用いて、転走面１０ａの軸方向の形状プロファイルを測定した。この場合、測定長さ１４ｍｍ、カットオフ波長０．８ｍｍとした。
内部強度についての判定は、陥没深さが１０μｍ未満であった場合を「〇」、陥没深さが１０μｍ以上であった場合を「×」とし、その結果を下記表２に示した。尚、表中ではこれら○、×の評価とともに、陥没深さの値も併せて示してある。
内部強度についての判定は、陥没深さが１０μｍ未満であった場合を「〇」、陥没深さが１０μｍ以上であった場合を「×」とし、その結果を下記表２に示した。尚、表中ではこれら○、×の評価とともに、陥没深さの値も併せて示してある。
【0055】
【表2】
【0056】
表２の評価結果から以下のことが分かる。
比較例１は、汎用浸炭用鋼として用いられているＳＣＲ４２０Ｈ相当材に酸窒化処理を施したものである。比較例１の鋼はＶ量が本実施形態の鋼の規定範囲の下限を下回っており、式（１）の要件を満たしていない。このため有効硬化層深さ（ＥＣＤ）が０．１０ｍｍと浅く、内部強度についての評価結果が「×」であった。
比較例１は、汎用浸炭用鋼として用いられているＳＣＲ４２０Ｈ相当材に酸窒化処理を施したものである。比較例１の鋼はＶ量が本実施形態の鋼の規定範囲の下限を下回っており、式（１）の要件を満たしていない。このため有効硬化層深さ（ＥＣＤ）が０．１０ｍｍと浅く、内部強度についての評価結果が「×」であった。
【0057】
比較例２は、比較例１と同様にＳＣＲ４２０Ｈ相当材を用いているが、酸窒化処理に代えて真空浸炭処理を施したものである。有効硬化層深さ（ＥＣＤ）は０．７ｍｍと深く、内部強度についての評価結果は「○」であるが、表層部に窒素化合物層が形成されておらず、耐焼付き性についての評価結果が「×」であった。
【0058】
比較例３は、鋼の組成が本実施形態の式（１）の要件を満たしていない例である。このため有効硬化層深さが０．１２ｍｍと浅く、内部強度についての評価結果が「×」であった。
【0059】
【表3】
【0060】
表３は、酸窒化処理を施した例（実施例１）と軟窒化処理を施した例（比較例４）の評価評価を比較して示している。比較例４は、実施例１と同じ組成の鋼に対して酸窒化処理に代えて軟窒化処理を施したものである。
比較例４は、表層部に窒素化合物層を有するも、窒素化合物層の表面側に鉄酸化物層が無いことから、耐焼付き性についての評価結果が「×」であった。
比較例４は、表層部に窒素化合物層を有するも、窒素化合物層の表面側に鉄酸化物層が無いことから、耐焼付き性についての評価結果が「×」であった。
【0061】
このように比較例１～４においては、耐焼付き性または内部強度の評価結果が「×」であった。
【0062】
これに対し、各元素の含有量が本実施形態の規定範囲を満たす鋼からなり、表層部に窒素化合物層と、該窒素化合物層の表面側に形成された厚み３μｍ以上の鉄酸化物層とを備え、ビッカース硬さ５００ＨＶとなる有効硬化層深さが０．１５ｍｍ以上の実施例１～２７は、耐焼付き性および内部強度についての評価結果がともに「○」であった。
従ってこれら実施例と同様の要件を備えた歯車等の摺動部品であれば、優れた耐焼付き性を有するとともに、内部強度の低いことに起因するケースクラッシュ等の損傷を良好に抑制することができると推測される。
従ってこれら実施例と同様の要件を備えた歯車等の摺動部品であれば、優れた耐焼付き性を有するとともに、内部強度の低いことに起因するケースクラッシュ等の損傷を良好に抑制することができると推測される。
【0063】
尚、図７は、式（１）左辺の有効硬化層深さについての指標と、測定された有効硬化層深さとの関係を示した図である。式（１）左辺の値が０．０５を超えていれば、０．１５ｍｍ以上の有効硬化層深さ（５００ＨＶ）が確保できることが分かる。
次に図８は、測定された有効硬化層深さと陥没深さとの関係を示した図である。有効硬化層深さが０．１５ｍｍ以上確保されていれば、陥没深さを１０μｍ未満とすることができている。即ち、窒化処理された試験片であっても式（１）を満たすように成分調整された鋼を用いていれば、真空浸炭処理された比較例２と同等の内部強度が得られていることが分かる。
次に図８は、測定された有効硬化層深さと陥没深さとの関係を示した図である。有効硬化層深さが０．１５ｍｍ以上確保されていれば、陥没深さを１０μｍ未満とすることができている。即ち、窒化処理された試験片であっても式（１）を満たすように成分調整された鋼を用いていれば、真空浸炭処理された比較例２と同等の内部強度が得られていることが分かる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】