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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】P2024179337
(43)【公開日】2024-12-26
(54)【発明の名称】窒化部品用素形材、窒化部品、及び窒化部品の製造方法
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20241219BHJP
C21D 1/06 20060101ALI20241219BHJP
C22C 38/60 20060101ALI20241219BHJP
C21D 8/06 20060101ALI20241219BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 301N
C21D1/06 A
C22C38/60
C21D8/06 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023098095
(22)【出願日】2023-06-14
(71)【出願人】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】祐谷 将人
(72)【発明者】
【氏名】梅原 崇秀
【テーマコード（参考）】
4K032
【Ｆターム（参考）】
4K032AA01
4K032AA02
4K032AA04
4K032AA05
4K032AA08
4K032AA11
4K032AA14
4K032AA16
4K032AA17
4K032AA19
4K032AA21
4K032AA22
4K032AA23
4K032AA27
4K032AA29
4K032AA31
4K032AA35
4K032AA36
4K032BA02
4K032CA02
4K032CA03
4K032CC03
4K032CC04
4K032CD01
4K032CD02
4K032CD05
4K032CF01
4K032CF02
(57)【要約】
【課題】切削加工時は硬さが十分に低く被削性に優れ、窒化時には部品の変形が抑制され、窒化後には高い疲労特性を得ることができる窒化部品用素形材、窒化部品、及び窒化部品の製造方法をを提供する。
【解決手段】所定び化学組成を有し、表面から深さ５ｍｍの位置において、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満である微細組織を有し、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの含有量が０．４５％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが０．５０以上である、窒化部品用素形材、及びその応用。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの含有量を表す。）
【選択図】なし
【解決手段】所定び化学組成を有し、表面から深さ５ｍｍの位置において、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満である微細組織を有し、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの含有量が０．４５％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが０．５０以上である、窒化部品用素形材、及びその応用。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの含有量を表す。）
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１８％、
Ｓｉ：０．０３～０．３５％、
Ｍｎ：０．４０～２．２０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００１～０．０５０％、
Ｃｕ：０．０１～０．４０％、
Ｃｒ：０．５０～１．４０％、
Ｎｉ：０．０１～０．４０％、
Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｖ：０．１０～０．４０％、及び
Ｎ：０．００４０～０．０２５０％であり、残部はＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
表面から深さ５ｍｍの位置において、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満である微細組織を有し、
前記表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４５％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが０．５０以上である、窒化部品用素形材。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の質量％での含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの質量％での含有量を表す。）
Ｃ：０．０４～０．１８％、
Ｓｉ：０．０３～０．３５％、
Ｍｎ：０．４０～２．２０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００１～０．０５０％、
Ｃｕ：０．０１～０．４０％、
Ｃｒ：０．５０～１．４０％、
Ｎｉ：０．０１～０．４０％、
Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｖ：０．１０～０．４０％、及び
Ｎ：０．００４０～０．０２５０％であり、残部はＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
表面から深さ５ｍｍの位置において、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満である微細組織を有し、
前記表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４５％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが０．５０以上である、窒化部品用素形材。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の質量％での含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの質量％での含有量を表す。）
【請求項2】
質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１８％、
Ｓｉ：０．０３～０．３５％、
Ｍｎ：０．４０～２．２０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００１～０．０５０％、
Ｃｕ：０．０１～０．４０％、
Ｃｒ：０．５０～１．４０％、
Ｎｉ：０．０１～０．４０％、
Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｖ：０．１０～０．４０％、及び
Ｎ：０．００４０～０．０２５０％であり、さらに、下記Ａ群～Ｃ群からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
（Ａ群）
Ｍｏ：０．３０％未満
（Ｂ群）
Ｃａ：０．００５０％以下、及び
Ｓｎ：０．１００％以下からなる群より選択される１種又は２種
（Ｃ群）
Ｔｉ：０．０５０％以下、及び
Ｎｂ：０．０５０％以下からなる群より選択される１種又は２種
表面から深さ５ｍｍの位置において、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満である微細組織を有し、
前記表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４５％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが０．５０以上である、窒化部品用素形材。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の質量％での含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの質量％での含有量を表す。）
Ｃ：０．０４～０．１８％、
Ｓｉ：０．０３～０．３５％、
Ｍｎ：０．４０～２．２０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００１～０．０５０％、
Ｃｕ：０．０１～０．４０％、
Ｃｒ：０．５０～１．４０％、
Ｎｉ：０．０１～０．４０％、
Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｖ：０．１０～０．４０％、及び
Ｎ：０．００４０～０．０２５０％であり、さらに、下記Ａ群～Ｃ群からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
（Ａ群）
Ｍｏ：０．３０％未満
（Ｂ群）
Ｃａ：０．００５０％以下、及び
Ｓｎ：０．１００％以下からなる群より選択される１種又は２種
（Ｃ群）
Ｔｉ：０．０５０％以下、及び
Ｎｂ：０．０５０％以下からなる群より選択される１種又は２種
表面から深さ５ｍｍの位置において、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満である微細組織を有し、
前記表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４５％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが０．５０以上である、窒化部品用素形材。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の質量％での含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの質量％での含有量を表す。）
【請求項3】
質量％で、前記Ａ群を含有する化学組成を有する請求項２に記載の窒化部品用素形材。
【請求項4】
質量％で、前記Ｂ群を含有する化学組成を有する請求項２に記載の窒化部品用素形材。
【請求項5】
質量％で、前記Ｃ群を含有する化学組成を有する請求項２に記載の窒化部品用素形材。
【請求項6】
ビッカース硬さＨＶが、３００以下である請求項１又は請求項２に記載の窒化部品用素形材。
【請求項7】
表面から１．５ｍｍより深い部分である芯部と、当該芯部の外側に存在する窒化層とを有する部品であって、
前記芯部が、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の前記化学組成及び前記微細組織を有し、
表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４０％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが１．００以上である、窒化部品。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの含有量を表す。）
前記芯部が、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の前記化学組成及び前記微細組織を有し、
表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４０％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが１．００以上である、窒化部品。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの含有量を表す。）
【請求項8】
請求項７に記載の窒化部品を製造する方法であって、
請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の前記化学組成及び前記微細組織を有する棒鋼を鍛造により鋼素形材に成形する鋼素形材成形工程と、
前記鋼素形材を、５００～６３０℃で０．５～３．０時間保持する低温焼なまし工程と、
前記低温焼なまし工程後の前記鋼素形材を機械加工により部品形状を有する部材に加工する機械加工工程と、
前記部材に対し、５５０～６２０℃で、かつ、前記低温焼なまし工程における低温焼なまし温度＋５０℃以下の温度で１．０～１０．０時間保持する窒化処理を施す窒化処理工程と、
を含む、窒化部品の製造方法。
請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の前記化学組成及び前記微細組織を有する棒鋼を鍛造により鋼素形材に成形する鋼素形材成形工程と、
前記鋼素形材を、５００～６３０℃で０．５～３．０時間保持する低温焼なまし工程と、
前記低温焼なまし工程後の前記鋼素形材を機械加工により部品形状を有する部材に加工する機械加工工程と、
前記部材に対し、５５０～６２０℃で、かつ、前記低温焼なまし工程における低温焼なまし温度＋５０℃以下の温度で１．０～１０．０時間保持する窒化処理を施す窒化処理工程と、
を含む、窒化部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、窒化部品用素形材、窒化部品、及び窒化部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
自動車、船舶、産業機械等に用いられる機械構造部品には、高い曲げ応力が繰り返し加わる部品がある。それらの部品に必要な疲労強度を具備させるため、種々の表面硬化熱処理が施される場合がある。
一方、部品に浸炭や高周波焼入れ等の表面硬化熱処理を施すと、焼入れ時のマルテンサイト変態によって部品が変形する。このような焼入れ時の変形を抑制するために、浸炭や高周波焼入れの代わりに窒化が適用される場合がある。
一方、部品に浸炭や高周波焼入れ等の表面硬化熱処理を施すと、焼入れ時のマルテンサイト変態によって部品が変形する。このような焼入れ時の変形を抑制するために、浸炭や高周波焼入れの代わりに窒化が適用される場合がある。
【0003】
窒化処理は６００℃以下の比較的低温で行われ、マルテンサイト変態が生じないため、部品の変形量が小さいという特徴がある。窒化処理は、他の表面硬化熱処理と比べて部品の変形量が小さくなるが、変形が完全に無くなるわけではない。極めて高い寸法精度が必要とされる部品に窒化処理を施した場合、窒化時の変形が無視できなくなり、歩留まりが悪化したり、窒化後の矯正等の工程が追加されることで、製造コストが増大したりする場合がある。そのため、窒化部品の変形を抑制する技術が開発されている。
【0004】
窒化部品の変形の抑制に関する技術は、例えば特許文献１に開示されている。
【0005】
特許文献１に記載の技術では、変形の原因の一つである化合物層の生成を抑制するために、鋼成分を最適化するとともに窒化処理温度を制御している。化合物層の生成を抑制することでリング状試験片の外径変化量が抑制されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開平８－４９０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献１に記載の技術では、窒化層の膨張を抑制することが主眼に置かれている。したがって、形状が完全な軸対称のシャフトのように、部品の変形が径や軸長の増大のみであるような場合には効果があるものの、複雑な形状の部品の曲がり変形やねじれ変形の抑制には十分な効果が得られない。
【0008】
つばやキー溝の付いたシャフト状部品、ねじれ変形が起こりやすい薄肉大型のリング状部品、歯車のように複雑な形状の部品には、曲がり変形やねじり変形が抑制され、かつ、機械構造部品として必要な疲労強度と被削性を有することが望ましい。
【0009】
本開示は、切削加工時は硬さが十分に低く被削性に優れ、窒化時には部品の変形が抑制され、窒化後には高い疲労特性を得ることができる窒化部品用素形材、窒化部品、及び窒化部品の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記課題は、以下の手段により解決される。
＜１＞ 質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１８％、
Ｓｉ：０．０３～０．３５％、
Ｍｎ：０．４０～２．２０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００１～０．０５０％、
Ｃｕ：０．０１～０．４０％、
Ｃｒ：０．５０～１．４０％、
Ｎｉ：０．０１～０．４０％、
Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｖ：０．１０～０．４０％、及び
Ｎ：０．００４０～０．０２５０％であり、残部はＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
表面から深さ５ｍｍの位置において、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満である微細組織を有し、
前記表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４５％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが０．５０以上である、窒化部品用素形材。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の質量％での含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの質量％での含有量を表す。）
＜２＞ 質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１８％、
Ｓｉ：０．０３～０．３５％、
Ｍｎ：０．４０～２．２０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００１～０．０５０％、
Ｃｕ：０．０１～０．４０％、
Ｃｒ：０．５０～１．４０％、
Ｎｉ：０．０１～０．４０％、
Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｖ：０．１０～０．４０％、及び
Ｎ：０．００４０～０．０２５０％であり、さらに、下記Ａ群～Ｃ群からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
（Ａ群）
Ｍｏ：０．３０％未満
（Ｂ群）
Ｃａ：０．００５０％以下、及び
Ｓｎ：０．１００％以下からなる群より選択される１種又は２種
（Ｃ群）
Ｔｉ：０．０５０％以下、及び
Ｎｂ：０．０５０％以下からなる群より選択される１種又は２種
表面から深さ５ｍｍの位置において、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満である微細組織を有し、
前記表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４５％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが０．５０以上である、窒化部品用素形材。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の質量％での含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの質量％での含有量を表す。）
＜３＞ 質量％で、前記Ａ群を含有する化学組成を有する＜２＞に記載の窒化部品用素形材。
＜４＞ 質量％で、前記Ｂ群を含有する化学組成を有する＜２＞に記載の窒化部品用素形材。
＜５＞ 質量％で、前記Ｃ群を含有する化学組成を有する＜２＞に記載の窒化部品用素形材。
＜６＞ ビッカース硬さＨＶが、３００以下である＜１＞～＜５＞のいずれか１つに記載の窒化部品用素形材。
＜７＞ 表面から１．５ｍｍより深い部分である芯部と、当該芯部の外側に存在する窒化層とを有する部品であって、
前記芯部が、＜１＞～＜５＞のいずれか１つに記載の前記化学組成及び前記微細組織を有し、
表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４０％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが１．００以上である、窒化部品。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の質量％での含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの質量％での含有量を表す。）
＜８＞ ＜７＞に記載の窒化部品を製造する方法であって、
＜１＞～＜５＞のいずれか１つに記載の前記化学組成及び前記微細組織を有する棒鋼を鍛造により鋼素形材に成形する鋼素形材成形工程と、
前記鋼素形材を、５００～６３０℃で０．５～３．０時間保持する低温焼なまし工程と、
前記低温焼なまし工程後の前記鋼素形材を機械加工により部品形状を有する部材に加工する機械加工工程と、
前記部材に対し、５５０～６２０℃で、かつ、前記低温焼なまし工程における低温焼なまし温度＋５０℃以下の温度で１．０～１０．０時間保持する窒化処理を施す窒化処理工程と、
を含む、窒化部品の製造方法。
＜１＞ 質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１８％、
Ｓｉ：０．０３～０．３５％、
Ｍｎ：０．４０～２．２０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００１～０．０５０％、
Ｃｕ：０．０１～０．４０％、
Ｃｒ：０．５０～１．４０％、
Ｎｉ：０．０１～０．４０％、
Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｖ：０．１０～０．４０％、及び
Ｎ：０．００４０～０．０２５０％であり、残部はＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
表面から深さ５ｍｍの位置において、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満である微細組織を有し、
前記表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４５％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが０．５０以上である、窒化部品用素形材。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の質量％での含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの質量％での含有量を表す。）
＜２＞ 質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１８％、
Ｓｉ：０．０３～０．３５％、
Ｍｎ：０．４０～２．２０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００１～０．０５０％、
Ｃｕ：０．０１～０．４０％、
Ｃｒ：０．５０～１．４０％、
Ｎｉ：０．０１～０．４０％、
Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｖ：０．１０～０．４０％、及び
Ｎ：０．００４０～０．０２５０％であり、さらに、下記Ａ群～Ｃ群からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
（Ａ群）
Ｍｏ：０．３０％未満
（Ｂ群）
Ｃａ：０．００５０％以下、及び
Ｓｎ：０．１００％以下からなる群より選択される１種又は２種
（Ｃ群）
Ｔｉ：０．０５０％以下、及び
Ｎｂ：０．０５０％以下からなる群より選択される１種又は２種
表面から深さ５ｍｍの位置において、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満である微細組織を有し、
前記表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４５％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが０．５０以上である、窒化部品用素形材。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の質量％での含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの質量％での含有量を表す。）
＜３＞ 質量％で、前記Ａ群を含有する化学組成を有する＜２＞に記載の窒化部品用素形材。
＜４＞ 質量％で、前記Ｂ群を含有する化学組成を有する＜２＞に記載の窒化部品用素形材。
＜５＞ 質量％で、前記Ｃ群を含有する化学組成を有する＜２＞に記載の窒化部品用素形材。
＜６＞ ビッカース硬さＨＶが、３００以下である＜１＞～＜５＞のいずれか１つに記載の窒化部品用素形材。
＜７＞ 表面から１．５ｍｍより深い部分である芯部と、当該芯部の外側に存在する窒化層とを有する部品であって、
前記芯部が、＜１＞～＜５＞のいずれか１つに記載の前記化学組成及び前記微細組織を有し、
表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４０％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが１．００以上である、窒化部品。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の質量％での含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの質量％での含有量を表す。）
＜８＞ ＜７＞に記載の窒化部品を製造する方法であって、
＜１＞～＜５＞のいずれか１つに記載の前記化学組成及び前記微細組織を有する棒鋼を鍛造により鋼素形材に成形する鋼素形材成形工程と、
前記鋼素形材を、５００～６３０℃で０．５～３．０時間保持する低温焼なまし工程と、
前記低温焼なまし工程後の前記鋼素形材を機械加工により部品形状を有する部材に加工する機械加工工程と、
前記部材に対し、５５０～６２０℃で、かつ、前記低温焼なまし工程における低温焼なまし温度＋５０℃以下の温度で１．０～１０．０時間保持する窒化処理を施す窒化処理工程と、
を含む、窒化部品の製造方法。
【発明の効果】
【0011】
本開示によれば、切削加工時は硬さが十分に低く被削性に優れ、窒化時には部品の変形が抑制され、窒化後には高い疲労特性を得ることができる窒化部品用素形材、窒化部品、及び窒化部品の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】実施例の曲げ疲労試験で用いた、小野式回転曲げ疲労試験片の概略図である。
【図2】実施例における曲がり量評価で用いた、丸棒試験片の概略図である。
【図3】実施例における曲がり量の測定方法を説明する模式図である。
【図4】実施例において金属組織の面積率を求めるために使用した光学顕微鏡写真の一部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本開示の一例である実施形態について説明する。
本開示において、「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。ただし、数値に「超」又は「未満」が付されている場合は、これら数値を下限値又は上限値として含まない範囲を意味する。
化学組成の元素の含有量は、元素記号に「量」を付して（例えば、Ｃ量、Ｓｉ量等）表記する場合がある。
化学組成の元素の含有量について、「％」は「質量％」を意味する。
化学組成の元素の含有量について「０～」と記載している場合は、その元素を含まなくてもよいことを意味する。
「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
本開示において、「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。ただし、数値に「超」又は「未満」が付されている場合は、これら数値を下限値又は上限値として含まない範囲を意味する。
化学組成の元素の含有量は、元素記号に「量」を付して（例えば、Ｃ量、Ｓｉ量等）表記する場合がある。
化学組成の元素の含有量について、「％」は「質量％」を意味する。
化学組成の元素の含有量について「０～」と記載している場合は、その元素を含まなくてもよいことを意味する。
「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
【0014】
複雑な形状の部品の曲がり変形やねじり変形の原因の一つに、窒化前の部品に導入されている残留応力がある。本開示の発明者らは、窒化前の残留応力の分布状態を種々に造り込み、それらが曲がり変形に及ぼす影響を調査し、以下の知見を得た。
（ａ）窒化前に窒化温度以上の温度で低温焼なましを施すと、続く窒化時の変形量が低減する。
（ｂ）窒化前に窒化温度以上の温度で低温焼なましを施すと、窒化時の硬化量が低減し、疲労特性が劣化する。
（ｃ）低温焼なましによって窒化時の硬化量が低減する理由は、低温焼なまし時に合金元素が合金炭化物として析出したり、セメンタイトへ固溶したりすることで、続く窒化処理時に合金窒化物として析出しなくなるためである。
（ｄ）窒化後の疲労特性を大きく劣化させずに、窒化時の変形量を低減させるためには、合金成分量を最適化し、Ｃ（炭素）と合金元素のバランスを最適化させること、および、最適な低温焼なまし条件を選択し、合金炭化物の析出と合金元素のセメンタイトへの濃化を抑制することである。
（ｅ）組織の転位密度を高くしすぎないように制御することで、低温焼なまし時のＶ炭化物の生成を抑制できる。したがって、窒化時の硬化量の低減も抑制できる。
本開示に係る発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
（ａ）窒化前に窒化温度以上の温度で低温焼なましを施すと、続く窒化時の変形量が低減する。
（ｂ）窒化前に窒化温度以上の温度で低温焼なましを施すと、窒化時の硬化量が低減し、疲労特性が劣化する。
（ｃ）低温焼なましによって窒化時の硬化量が低減する理由は、低温焼なまし時に合金元素が合金炭化物として析出したり、セメンタイトへ固溶したりすることで、続く窒化処理時に合金窒化物として析出しなくなるためである。
（ｄ）窒化後の疲労特性を大きく劣化させずに、窒化時の変形量を低減させるためには、合金成分量を最適化し、Ｃ（炭素）と合金元素のバランスを最適化させること、および、最適な低温焼なまし条件を選択し、合金炭化物の析出と合金元素のセメンタイトへの濃化を抑制することである。
（ｅ）組織の転位密度を高くしすぎないように制御することで、低温焼なまし時のＶ炭化物の生成を抑制できる。したがって、窒化時の硬化量の低減も抑制できる。
本開示に係る発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
【0015】
［窒化部品用素形材］
（化学組成）
まず、本開示に係る窒化部品用素形材の化学組成について説明する。
なお、本開示に係る窒化部品用素形材の化学組成及び窒化部品の芯部における化学組成は、素材として用いられる鋼材の化学組成と同じである。以下の説明において、本開示に係る窒化部品用素形材及び窒化部品の製造に用いる鋼材を「本開示における鋼材」あるいは単に「鋼材」と称する場合がる。
本開示における鋼材及び窒化部品用素形材は、下記の元素を含有する。
（化学組成）
まず、本開示に係る窒化部品用素形材の化学組成について説明する。
なお、本開示に係る窒化部品用素形材の化学組成及び窒化部品の芯部における化学組成は、素材として用いられる鋼材の化学組成と同じである。以下の説明において、本開示に係る窒化部品用素形材及び窒化部品の製造に用いる鋼材を「本開示における鋼材」あるいは単に「鋼材」と称する場合がる。
本開示における鋼材及び窒化部品用素形材は、下記の元素を含有する。
【0016】
Ｃ：０．０４～０．１８％
炭素（Ｃ）は、鋼材の芯部硬さを高め、鋼材を素材として製造される窒化部品の曲げ疲労強度を高める。Ｃ含有量が０．０４％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ｃ含有量が０．１８％を超えれば、低温焼なまし中のセメンタイトへの合金元素の濃化が過剰に進行し、疲労特性が劣化する。また、機械加工時の被削性も低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０４～０．１８％である。
Ｃ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．０６％であり、さらに好ましくは０．０７％である。
Ｃ含有量の好ましい上限は０．１７％であり、より好ましくは０．１６％であり、さらに好ましくは０．１５％である。
炭素（Ｃ）は、鋼材の芯部硬さを高め、鋼材を素材として製造される窒化部品の曲げ疲労強度を高める。Ｃ含有量が０．０４％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ｃ含有量が０．１８％を超えれば、低温焼なまし中のセメンタイトへの合金元素の濃化が過剰に進行し、疲労特性が劣化する。また、機械加工時の被削性も低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０４～０．１８％である。
Ｃ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．０６％であり、さらに好ましくは０．０７％である。
Ｃ含有量の好ましい上限は０．１７％であり、より好ましくは０．１６％であり、さらに好ましくは０．１５％である。
【0017】
Ｓｉ：０．０３～０．３５％
シリコン（Ｓｉ）は、初析フェライト及びパーライト中のフェライト相に固溶して、本開示における鋼材を素材とした窒化部品の曲げ疲労強度を高める。Ｓｉ含有量が０．０３％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ｓｉ含有量が０．３５％を超えると、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、鋼材を素材とした鋼素形材の被削性が低下する。
したがって、Ｓｉ含有量は０．０３～０．３５％である。
Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．１０％である。
Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．３２％であり、さらに好ましくは０．２９％である。
シリコン（Ｓｉ）は、初析フェライト及びパーライト中のフェライト相に固溶して、本開示における鋼材を素材とした窒化部品の曲げ疲労強度を高める。Ｓｉ含有量が０．０３％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ｓｉ含有量が０．３５％を超えると、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、鋼材を素材とした鋼素形材の被削性が低下する。
したがって、Ｓｉ含有量は０．０３～０．３５％である。
Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．１０％である。
Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．３２％であり、さらに好ましくは０．２９％である。
【0018】
Ｍｎ：０．４０～２．２０％
マンガン（Ｍｎ）は、窒化部品の芯部硬さを高め、疲労強度を向上させる。また、窒化処理においては、窒化物を形成することで窒化層の硬さを高めることでも疲労強度を向上させる。Ｍｎはさらに、Ｓと結合してＭｎＳを形成して、鋼材を素材とした鋼素形材の被削性を高める。Ｍｎ含有量が０．４０％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ｍｎ含有量が２．２０％を超えると、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、十分な厚さの化合物層が得られなくなり、摺動性や耐食性が得られない場合がある。したがって、Ｍｎ含有量は０．４０～２．２０％である。
Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．４５％であり、さらに好ましくは０．５０％である。
Ｍｎ含有量の好ましい上限は２．００％であり、さらに好ましくは１．８０％であり、さらに好ましくは１．６０％である。
マンガン（Ｍｎ）は、窒化部品の芯部硬さを高め、疲労強度を向上させる。また、窒化処理においては、窒化物を形成することで窒化層の硬さを高めることでも疲労強度を向上させる。Ｍｎはさらに、Ｓと結合してＭｎＳを形成して、鋼材を素材とした鋼素形材の被削性を高める。Ｍｎ含有量が０．４０％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ｍｎ含有量が２．２０％を超えると、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、十分な厚さの化合物層が得られなくなり、摺動性や耐食性が得られない場合がある。したがって、Ｍｎ含有量は０．４０～２．２０％である。
Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．４５％であり、さらに好ましくは０．５０％である。
Ｍｎ含有量の好ましい上限は２．００％であり、さらに好ましくは１．８０％であり、さらに好ましくは１．６０％である。
【0019】
Ｐ：０．０５０％以下
燐（Ｐ）は不純物として鋼材に含まれる元素である。Ｐ含有量が０．０５０％を超えると、鋼材の靭性が劣化する。したがって、Ｐ含有量は０．０５０％以下である。
Ｐ含有量はいくら少なくてもよい。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０４５％であり、さらに好ましくは０．０４０％である。
燐（Ｐ）は不純物として鋼材に含まれる元素である。Ｐ含有量が０．０５０％を超えると、鋼材の靭性が劣化する。したがって、Ｐ含有量は０．０５０％以下である。
Ｐ含有量はいくら少なくてもよい。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０４５％であり、さらに好ましくは０．０４０％である。
【0020】
Ｓ：０．００１～０．０５０％
硫黄（Ｓ）は、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、鋼材を素材とした鋼素形材の被削性を高める。Ｓ含有量が０．００１％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ｓ含有量が０．０５０％を超えれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、粗大なＭｎＳが形成される。この場合、鋼素形材を素材とした窒化部品の曲げ疲労強度が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．００１～０．０５０％である。
Ｓ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。
Ｓ含有量の好ましい上限は０．０４５％であり、さらに好ましくは０．０４０％である。
硫黄（Ｓ）は、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、鋼材を素材とした鋼素形材の被削性を高める。Ｓ含有量が０．００１％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ｓ含有量が０．０５０％を超えれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、粗大なＭｎＳが形成される。この場合、鋼素形材を素材とした窒化部品の曲げ疲労強度が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．００１～０．０５０％である。
Ｓ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。
Ｓ含有量の好ましい上限は０．０４５％であり、さらに好ましくは０．０４０％である。
【0021】
Ｃｕ：０．０１～０．４０％
銅（Ｃｕ）は、フェライトに固溶して、芯部硬さを高めることで、曲げ疲労強度を向上させる。Ｃｕ含有量が０．０１％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ｃｕ含有量が０．４０％を超えれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、鋼材の製造工程中、又は、鋼材を素材とした鋼素形材の製造工程中の熱間加工工程において、鋼材の粒界に偏析して熱間割れが発生する場合がある。したがって、Ｃｕ含有量は０．０１～０．４０％である。
Ｃｕ含有量の好ましい下限は０．０３％であり、さらに好ましくは０．０５％である。
Ｃｕ含有量の好ましい上限は０．３５％であり、さらに好ましくは０．３０％である。
銅（Ｃｕ）は、フェライトに固溶して、芯部硬さを高めることで、曲げ疲労強度を向上させる。Ｃｕ含有量が０．０１％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ｃｕ含有量が０．４０％を超えれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、鋼材の製造工程中、又は、鋼材を素材とした鋼素形材の製造工程中の熱間加工工程において、鋼材の粒界に偏析して熱間割れが発生する場合がある。したがって、Ｃｕ含有量は０．０１～０．４０％である。
Ｃｕ含有量の好ましい下限は０．０３％であり、さらに好ましくは０．０５％である。
Ｃｕ含有量の好ましい上限は０．３５％であり、さらに好ましくは０．３０％である。
【0022】
Ｃｒ：０．５０～１．４０％
クロム（Ｃｒ）は、窒化物を形成して窒化層の硬さを高めることで疲労強度を向上させる。窒化前に低温焼なましを施すとＣｒはセメンタイトに濃化する。一度、セメンタイトに濃化したＣｒは窒化層の強化には寄与しなくなる。Ｃｒ含有量が０．５０％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、低温焼なまし後の窒化時の強化量が不十分となる。
一方、Ｃｒは窒化物を形成することで窒素の拡散を抑制するため、Ｃｒ量が多くなると、硬化層の厚さが薄くなる場合がある。Ｃｒ含有量が１．４０％を超えると、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、十分な厚さの窒化層が得られなくなり、疲労特性が劣化する場合がある。したがって、Ｃｒ含有量は０．５０～１．４０％である。
Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．５５％であり、さらに好ましくは０．６０％である。
Ｃｒ含有量の好ましい上限は１．３５％であり、さらに好ましくは１．３０％である。
クロム（Ｃｒ）は、窒化物を形成して窒化層の硬さを高めることで疲労強度を向上させる。窒化前に低温焼なましを施すとＣｒはセメンタイトに濃化する。一度、セメンタイトに濃化したＣｒは窒化層の強化には寄与しなくなる。Ｃｒ含有量が０．５０％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、低温焼なまし後の窒化時の強化量が不十分となる。
一方、Ｃｒは窒化物を形成することで窒素の拡散を抑制するため、Ｃｒ量が多くなると、硬化層の厚さが薄くなる場合がある。Ｃｒ含有量が１．４０％を超えると、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、十分な厚さの窒化層が得られなくなり、疲労特性が劣化する場合がある。したがって、Ｃｒ含有量は０．５０～１．４０％である。
Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．５５％であり、さらに好ましくは０．６０％である。
Ｃｒ含有量の好ましい上限は１．３５％であり、さらに好ましくは１．３０％である。
【0023】
Ｎｉ：０．０１～０．４０％
ニッケル（Ｎｉ）はフェライトに固溶して、芯部硬さを高めることで、曲げ疲労強度を向上させる。Ｎｉはさらに、鋼材がＣｕを含有する場合において、Ｃｕに起因する熱間割れの発生を抑制する。Ｎｉ含有量が０．０１％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ｎｉ含有量が０．４０％を超えれば、上記効果が飽和し、製造コストが高くなる。したがって、Ｎｉ含有量は０．４０％以下である。
Ｎｉ含有量の好ましい下限は０．０３％であり、さらに好ましくは０．０５％である。
Ｎｉ含有量の好ましい上限は０．３５％であり、さらに好ましくは０．３０％である。
ニッケル（Ｎｉ）はフェライトに固溶して、芯部硬さを高めることで、曲げ疲労強度を向上させる。Ｎｉはさらに、鋼材がＣｕを含有する場合において、Ｃｕに起因する熱間割れの発生を抑制する。Ｎｉ含有量が０．０１％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ｎｉ含有量が０．４０％を超えれば、上記効果が飽和し、製造コストが高くなる。したがって、Ｎｉ含有量は０．４０％以下である。
Ｎｉ含有量の好ましい下限は０．０３％であり、さらに好ましくは０．０５％である。
Ｎｉ含有量の好ましい上限は０．３５％であり、さらに好ましくは０．３０％である。
【0024】
Ａｌ：０．００１～０．０８０％
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼材の製造工程中の製鋼工程において、鋼を脱酸するために用いられ、その後の鋼材にも含有される。また、Ａｌは窒化層を強化する効果も有する。Ａｌ含有量が０．００１％未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、Ａｌ含有量が０．０８０％を超えれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、鋳造時のノズル詰まりが懸念される。
したがって、Ａｌ含有量は０．００１～０．０８０％である。
Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００２％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。
Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０７０％であり、さらに好ましくは０．０６０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼材の製造工程中の製鋼工程において、鋼を脱酸するために用いられ、その後の鋼材にも含有される。また、Ａｌは窒化層を強化する効果も有する。Ａｌ含有量が０．００１％未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、Ａｌ含有量が０．０８０％を超えれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、鋳造時のノズル詰まりが懸念される。
したがって、Ａｌ含有量は０．００１～０．０８０％である。
Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００２％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。
Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０７０％であり、さらに好ましくは０．０６０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。
【0025】
Ｖ：０．１０～０．４０％
バナジウム（Ｖ）は、窒化物を形成して窒化層の硬さを高めることで疲労強度を向上させる。窒化前に低温焼なましを施すとＶはセメンタイトに濃化する。一度、セメンタイトに濃化したＶは窒化層の強化には寄与しなくなる。Ｖ含有量が０．１０％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、低温焼なまし後の窒化時の強化量が不十分となる。
一方、Ｖは低温焼なまし時にＶ炭化物としても析出する。Ｖ炭化物は母相を硬化させるため、Ｖ量が多くなると、機械加工時の被削性が劣化する。また、Ｖは窒化物を形成することで窒素の拡散を抑制するため、Ｖ量が多くなると、硬化層の厚さが薄くなる場合もある。Ｖ含有量が０．４０％を超えると、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、十分な被削性が得られず、窒化層の厚さが薄くなることで疲労特性が劣化する場合もある。したがって、Ｖ含有量は０．１０～０．４０％である。
Ｖ含有量の好ましい下限は０．１１％であり、さらに好ましくは０．１３％であり、さらに好ましくは０．１５％である。
Ｖ含有量の好ましい上限は０．３５％であり、さらに好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．２５％である。
バナジウム（Ｖ）は、窒化物を形成して窒化層の硬さを高めることで疲労強度を向上させる。窒化前に低温焼なましを施すとＶはセメンタイトに濃化する。一度、セメンタイトに濃化したＶは窒化層の強化には寄与しなくなる。Ｖ含有量が０．１０％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、低温焼なまし後の窒化時の強化量が不十分となる。
一方、Ｖは低温焼なまし時にＶ炭化物としても析出する。Ｖ炭化物は母相を硬化させるため、Ｖ量が多くなると、機械加工時の被削性が劣化する。また、Ｖは窒化物を形成することで窒素の拡散を抑制するため、Ｖ量が多くなると、硬化層の厚さが薄くなる場合もある。Ｖ含有量が０．４０％を超えると、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、十分な被削性が得られず、窒化層の厚さが薄くなることで疲労特性が劣化する場合もある。したがって、Ｖ含有量は０．１０～０．４０％である。
Ｖ含有量の好ましい下限は０．１１％であり、さらに好ましくは０．１３％であり、さらに好ましくは０．１５％である。
Ｖ含有量の好ましい上限は０．３５％であり、さらに好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．２５％である。
【0026】
Ｎ：０．００４０～０．０２５０％
窒素（Ｎ）は、窒化部品の芯部硬さを高め、疲労強度を向上させる。Ｎ含有量が０．００４０％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ｎ含有量が０．０２５０％を超えれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、窒化部品中に窒素ガスによる気泡が発生し、曲げ疲労強度が低下する場合がある。
したがって、Ｎ含有量は０．００４０～０．０２５０％である。
Ｎ含有量の好ましい下限は０．００６０％であり、さらに好ましくは０．００８０％である。
Ｎ含有量の好ましい上限は０．０２３０％であり、さらに好ましくは０．０２００％である。
窒素（Ｎ）は、窒化部品の芯部硬さを高め、疲労強度を向上させる。Ｎ含有量が０．００４０％未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ｎ含有量が０．０２５０％を超えれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、窒化部品中に窒素ガスによる気泡が発生し、曲げ疲労強度が低下する場合がある。
したがって、Ｎ含有量は０．００４０～０．０２５０％である。
Ｎ含有量の好ましい下限は０．００６０％であり、さらに好ましくは０．００８０％である。
Ｎ含有量の好ましい上限は０．０２３０％であり、さらに好ましくは０．０２００％である。
【0027】
残部：Ｆｅ及び不純物
本開示における鋼材の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、化学組成における不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、意図的に含有するものではなく、本開示に係る窒化部品用素形材及び窒化部品の効果を妨げない範囲で許容されるものを意味する。一例として、ボロン（Ｂ）が、上限として０．０００５％以下の量で含まれたとしても、鋼の性質を大きく損なうことなく、本発明の効果を同様に得られる。
本開示における鋼材の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、化学組成における不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、意図的に含有するものではなく、本開示に係る窒化部品用素形材及び窒化部品の効果を妨げない範囲で許容されるものを意味する。一例として、ボロン（Ｂ）が、上限として０．０００５％以下の量で含まれたとしても、鋼の性質を大きく損なうことなく、本発明の効果を同様に得られる。
【0028】
＜任意元素（Ｏｐｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ）＞
本開示に係る窒化部品用素形材は、さらに、任意元素として、Ｆｅの一部に代えて、Ａ群、Ｂ群、及びＣ群からなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。以下、任意元素について説明する。
本開示に係る窒化部品用素形材は、さらに、任意元素として、Ｆｅの一部に代えて、Ａ群、Ｂ群、及びＣ群からなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。以下、任意元素について説明する。
【0029】
本開示は、鋼の曲げ疲労強度を高めるために、さらに、Ｆｅの一部に代えて、Ａ群としてＭｏを含有してもよい。
【0030】
（Ａ群）
Ｍｏ：０．３０％未満
モリブデン（Ｍｏ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｍｏ含有量は０％であってもよい。
Ｍｏが含有される場合、つまり、Ｍｏ含有量が０％超である場合、Ｍｏは、窒化部品の芯部硬さ、および窒化層の硬さを高め、窒化部品の曲げ疲労強度を高める。Ｍｏが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Ｍｏ含有量が０．３０％以上になると、機械加工時の硬さが高くなり、被削性が劣化する。したがって、Ｍｏ含有量は０～０．３０％である。
Ｍｏ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。
Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．２５％であり、さらに好ましくは０．２３％である。
Ｍｏ：０．３０％未満
モリブデン（Ｍｏ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｍｏ含有量は０％であってもよい。
Ｍｏが含有される場合、つまり、Ｍｏ含有量が０％超である場合、Ｍｏは、窒化部品の芯部硬さ、および窒化層の硬さを高め、窒化部品の曲げ疲労強度を高める。Ｍｏが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Ｍｏ含有量が０．３０％以上になると、機械加工時の硬さが高くなり、被削性が劣化する。したがって、Ｍｏ含有量は０～０．３０％である。
Ｍｏ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。
Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．２５％であり、さらに好ましくは０．２３％である。
【0031】
本開示に係る窒化部品用素形材の化学組成は、鋼の被削性を高めるために、さらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｂ群から選択される１種又は２種を含有してもよい。
【0032】
（Ｂ群）
Ｃａ：０．００５０％以下
Ｓｎ：０．１００％以下
Ｃａ：０．００５０％以下
Ｓｎ：０．１００％以下
【0033】
Ｃａ：０．００５０％以下
カルシウム（Ｃａ）は、任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃａ含有量は０％であってもよい。Ｃａが含有される場合、鋼素形材の被削性を高める。
しかしながら、Ｃａ含有量が高すぎれば、粗大なＣａ酸化物が生成し、窒化部品の疲労強度が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０～０．００５０％である。上記効果を安定して得るためのＣａ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、Ｃａ含有量の好ましい下限は０．０００３％である。
カルシウム（Ｃａ）は、任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃａ含有量は０％であってもよい。Ｃａが含有される場合、鋼素形材の被削性を高める。
しかしながら、Ｃａ含有量が高すぎれば、粗大なＣａ酸化物が生成し、窒化部品の疲労強度が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０～０．００５０％である。上記効果を安定して得るためのＣａ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、Ｃａ含有量の好ましい下限は０．０００３％である。
【0034】
Ｓｎ：０．１００％以下
錫（Ｓｎ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｓｎ含有量は０％であってもよい。Ｓｎが含有される場合、つまり、Ｓｎ含有量が０％超である場合、Ｓｎは、切削加工時の切り屑処理性を高めることで、鋼素形材の被削性を高める。Ｓｎが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Ｓｎ含有量が０．１００％を超えれば、鋼材の靭性が劣化する場合がある。したがって、Ｓｎ含有量は０～０．１００％である。Ｓｎ含有量の好ましい下限は０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。
錫（Ｓｎ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｓｎ含有量は０％であってもよい。Ｓｎが含有される場合、つまり、Ｓｎ含有量が０％超である場合、Ｓｎは、切削加工時の切り屑処理性を高めることで、鋼素形材の被削性を高める。Ｓｎが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Ｓｎ含有量が０．１００％を超えれば、鋼材の靭性が劣化する場合がある。したがって、Ｓｎ含有量は０～０．１００％である。Ｓｎ含有量の好ましい下限は０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。
【0035】
本開示に係る窒化部品用素形材は、鋼の靭性を高めるために、さらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃ群から選ばれる１種又は２種を含有してもよい。
【0036】
（Ｃ群）
Ｔｉ：０．０５０％以下
Ｎｂ：０．０５０％以下
Ｔｉ：０．０５０％以下
Ｎｂ：０．０５０％以下
【0037】
Ｔｉ：０．０５０％以下
チタン（Ｔｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｔｉ含有量は０％であってもよい。Ｔｉが含有される場合、つまり、Ｔｉ含有量が０％超である場合、Ｔｉは、結晶粒径を微細化させ、鋼材の靭性を高める。Ｔｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Ｔｉ含有量が０．０５０％を超えれば、粗大なＴｉ炭窒化物が生成し、疲労特性を劣化させる場合がある。したがって、Ｔｉ含有量は０～０．０５０％である。
Ｔｉ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００３％である。
Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。
チタン（Ｔｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｔｉ含有量は０％であってもよい。Ｔｉが含有される場合、つまり、Ｔｉ含有量が０％超である場合、Ｔｉは、結晶粒径を微細化させ、鋼材の靭性を高める。Ｔｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Ｔｉ含有量が０．０５０％を超えれば、粗大なＴｉ炭窒化物が生成し、疲労特性を劣化させる場合がある。したがって、Ｔｉ含有量は０～０．０５０％である。
Ｔｉ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００３％である。
Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。
【0038】
Ｎｂ：０．０５％以下
ニオブ（Ｎｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｂ含有量は０％であってもよい。Ｎｂが含有される場合、つまり、Ｎｂ含有量が０％超である場合、Ｎｂは、オーステナイト中で鋼材中のＣやＮと結合して炭窒化物を形成し、熱間鍛造時の結晶粒の粗大化を抑制し、組織を均質化する。その結果、熱間鍛造後の硬さのばらつきが小さくなる。
しかしながらＮｂ含有量が高すぎれば、Ｎｂの炭窒化物が粗大化し、疲労特性を劣化させる場合がある。したがって、Ｎｂ含有量は０～０．０５％である。
Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１％である。
Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．０４％であり、さらに好ましくは０．０３％である。
ニオブ（Ｎｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｂ含有量は０％であってもよい。Ｎｂが含有される場合、つまり、Ｎｂ含有量が０％超である場合、Ｎｂは、オーステナイト中で鋼材中のＣやＮと結合して炭窒化物を形成し、熱間鍛造時の結晶粒の粗大化を抑制し、組織を均質化する。その結果、熱間鍛造後の硬さのばらつきが小さくなる。
しかしながらＮｂ含有量が高すぎれば、Ｎｂの炭窒化物が粗大化し、疲労特性を劣化させる場合がある。したがって、Ｎｂ含有量は０～０．０５％である。
Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１％である。
Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．０４％であり、さらに好ましくは０．０３％である。
【0039】
（化学組成の測定方法）
本開示における鋼材、窒化部品用素形材、及び窒化部品の化学組成は、ＪＩＳ Ｇ０３２１：２０１７に準拠した周知の成分分析法で測定できる。具体的には、ドリルを用いて、鋼材の表面から１ｍｍ深さ以上の内部から、切粉を採取する。採取された切粉を酸に溶解させて溶液を得る。溶液に対して、ＩＣＰ－ＡＥＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を実施して、化学組成の元素分析を実施する。Ｃ含有量及びＳ含有量については、周知の高周波燃焼法（燃焼－赤外線吸収法）により求める。Ｎ含有量については、周知の不活性ガス溶融－熱伝導度法を用いて求める。
本開示における鋼材、窒化部品用素形材、及び窒化部品の化学組成は、ＪＩＳ Ｇ０３２１：２０１７に準拠した周知の成分分析法で測定できる。具体的には、ドリルを用いて、鋼材の表面から１ｍｍ深さ以上の内部から、切粉を採取する。採取された切粉を酸に溶解させて溶液を得る。溶液に対して、ＩＣＰ－ＡＥＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を実施して、化学組成の元素分析を実施する。Ｃ含有量及びＳ含有量については、周知の高周波燃焼法（燃焼－赤外線吸収法）により求める。Ｎ含有量については、周知の不活性ガス溶融－熱伝導度法を用いて求める。
【0040】
なお、各元素の含有量は、本開示で規定された有効数字に基づいて、測定された数値の端数を四捨五入して、本開示で規定された各元素含有量の最小桁までの数値とする。例えば、本開示における鋼材のＣ含有量は小数第二位までの数値で規定される。したがって、Ｃ含有量は、測定された数値の小数第三位を四捨五入して得られた小数第二位までの数値とする。
【0041】
本開示に係る窒化部品用素形材のＣ含有量以外の他の元素含有量も同様に、測定された値に対して、本開示で規定された最小桁までの数値の端数を四捨五入して得られた値を、当該元素含有量とする。
【0042】
なお、四捨五入とは、端数が５未満であれば切り捨て、端数が５以上であれば切り上げることを意味する。
【0043】
窒化部品用素形材中の固溶Ｃｒ量（Ｃｒｓｏｌ量）：０．４５％以上
Ｃｒが窒化時に微細な窒化物を形成し、窒化層の硬化に寄与するためには、窒化時に固溶状態である必要がある。低温焼なましをやり過ぎると固溶Ｃｒ量が減少し、窒化処理を行っても十分な疲労特性が得られない。具体的には表面から深さ５ｍｍの位置における固溶Ｃｒ量であるＣｒｓｏｌ量が０．４５％以上である必要がある。Ｃｒｓｏｌ量は０．５０％以上であることが好ましく、０．５５％以上であることがより好ましい。Ｃｒｓｏｌ量はいくら高くてもよい。
窒化部品用素形材中の固溶Ｃｒ量（Ｃｒｓｏｌ量）は、後述の実施例で説明する方法によって測定される。
Ｃｒが窒化時に微細な窒化物を形成し、窒化層の硬化に寄与するためには、窒化時に固溶状態である必要がある。低温焼なましをやり過ぎると固溶Ｃｒ量が減少し、窒化処理を行っても十分な疲労特性が得られない。具体的には表面から深さ５ｍｍの位置における固溶Ｃｒ量であるＣｒｓｏｌ量が０．４５％以上である必要がある。Ｃｒｓｏｌ量は０．５０％以上であることが好ましく、０．５５％以上であることがより好ましい。Ｃｒｓｏｌ量はいくら高くてもよい。
窒化部品用素形材中の固溶Ｃｒ量（Ｃｒｓｏｌ量）は、後述の実施例で説明する方法によって測定される。
【0044】
窒化部品用素形材中のＦｎ：０．５０以上
本開示に係る窒化部品用素形材は、窒化時の変形を抑制するために、鍛造等で鋼素形材に導入された残留応力が低温焼なましで開放されている。低温焼なましの過程において、Ｃｒはセメンタイト中へ濃化する。したがって、低温焼なましの進行の程度の指標は、セメンタイトに濃化したＣｒ量を用いて表される。具体的には、低温焼なましの進行の程度は、窒化部品用素形材中では下記式（１）で表されるＦｎが０．５０以上である必要がある。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、表面から深さ５ｍｍの位置におけるＣｒｓｏｌの含有量を表す。
例えば、低温焼なましを行っていない場合は、固溶Ｃｒ≒含有Ｃｒとなるため、Ｆｎの値は小さくなる。
Ｆｎが０．５０以上の窒化部品用素形材を、通常の窒化条件で窒化すれば、窒化部品中のＦｎは１．００以上になる。
窒化部品用素形材の深さ５ｍｍ位置におけるＦｎは０．５５以上であることが好ましく、０．６０以上であることがより好ましく、０．６５以上であることがさらに好ましい。なお、Ｆｎの上限は特に限定されないが、３．００を超えた状態は、固溶Ｃｒ量が少ない状態であることになり、疲労特性の劣化が懸念される。そのため、Ｆｎは３．００以下であることが好ましく、２．５０以下であることがより好ましい。
本開示に係る窒化部品用素形材は、窒化時の変形を抑制するために、鍛造等で鋼素形材に導入された残留応力が低温焼なましで開放されている。低温焼なましの過程において、Ｃｒはセメンタイト中へ濃化する。したがって、低温焼なましの進行の程度の指標は、セメンタイトに濃化したＣｒ量を用いて表される。具体的には、低温焼なましの進行の程度は、窒化部品用素形材中では下記式（１）で表されるＦｎが０．５０以上である必要がある。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、表面から深さ５ｍｍの位置におけるＣｒｓｏｌの含有量を表す。
例えば、低温焼なましを行っていない場合は、固溶Ｃｒ≒含有Ｃｒとなるため、Ｆｎの値は小さくなる。
Ｆｎが０．５０以上の窒化部品用素形材を、通常の窒化条件で窒化すれば、窒化部品中のＦｎは１．００以上になる。
窒化部品用素形材の深さ５ｍｍ位置におけるＦｎは０．５５以上であることが好ましく、０．６０以上であることがより好ましく、０．６５以上であることがさらに好ましい。なお、Ｆｎの上限は特に限定されないが、３．００を超えた状態は、固溶Ｃｒ量が少ない状態であることになり、疲労特性の劣化が懸念される。そのため、Ｆｎは３．００以下であることが好ましく、２．５０以下であることがより好ましい。
【0045】
（微細組織）
表面から深さが５ｍｍの位置におけるベイナイト＋マルテンサイトの面積率：９０％未満
本開示に係る窒化部品用素形材は、切削加工を施して部品形状を有する部材とし、さらに窒化処理を施して窒化部品が製造される。したがって、低温焼なまし後の鋼素形材（窒化部品用素形材）の硬さが高過ぎると切削加工コストが増大する。低温焼なまし後の硬さを高くし過ぎないためには、合金元素の含有量の制御に加え、微細組織（金属組織）の焼入れ度合いも制御する必要がある。具体的には、ベイナイトとマルテンサイトはそれ自体が硬く、被削性を劣化させるとともに、多量の転位を含むためＶ炭化物の核生成を促進する。そのため、本開示に係る窒化部品用素形材では、微細組織に占めるベイナイトとマルテンサイトの合計比率を限定する。低温焼なまし後も優れた被削性を有するためには、表面から深さが５ｍｍの位置（本開示において「深さ５ｍｍ位置」と称する場合がある。）におけるベイナイトとマルテンサイトの面積率の和を９０％未満にする。窒化部品用素形材の深さ５ｍｍ位置におけるベイナイトとマルテンサイトの面積率の和は８０％未満であることがより好ましく、７０％未満であることがさらに好ましく、５０％未満であることが特に好ましい。ベイナイトとマルテンサイトの面積率はいくら低くてもよく、０％であってもよい。ベイナイト及びマルテンサイト以外の微細組織は特に限定されず、パーライト、フェライトが挙げられる。
表面から深さが５ｍｍの位置におけるベイナイト＋マルテンサイトの面積率：９０％未満
本開示に係る窒化部品用素形材は、切削加工を施して部品形状を有する部材とし、さらに窒化処理を施して窒化部品が製造される。したがって、低温焼なまし後の鋼素形材（窒化部品用素形材）の硬さが高過ぎると切削加工コストが増大する。低温焼なまし後の硬さを高くし過ぎないためには、合金元素の含有量の制御に加え、微細組織（金属組織）の焼入れ度合いも制御する必要がある。具体的には、ベイナイトとマルテンサイトはそれ自体が硬く、被削性を劣化させるとともに、多量の転位を含むためＶ炭化物の核生成を促進する。そのため、本開示に係る窒化部品用素形材では、微細組織に占めるベイナイトとマルテンサイトの合計比率を限定する。低温焼なまし後も優れた被削性を有するためには、表面から深さが５ｍｍの位置（本開示において「深さ５ｍｍ位置」と称する場合がある。）におけるベイナイトとマルテンサイトの面積率の和を９０％未満にする。窒化部品用素形材の深さ５ｍｍ位置におけるベイナイトとマルテンサイトの面積率の和は８０％未満であることがより好ましく、７０％未満であることがさらに好ましく、５０％未満であることが特に好ましい。ベイナイトとマルテンサイトの面積率はいくら低くてもよく、０％であってもよい。ベイナイト及びマルテンサイト以外の微細組織は特に限定されず、パーライト、フェライトが挙げられる。
【0046】
なお、本開示に係る窒化部品の芯部における微細組織は、窒化部品用素形材の深さ５ｍｍ位置における微細組織と同様である。
窒化部品用素形材の深さ５ｍｍ位置及び窒化部品の芯部におけるベイナイトとマルテンサイトの面積率は、後述の実施例で説明する方法によって測定される。
窒化部品用素形材の深さ５ｍｍ位置及び窒化部品の芯部におけるベイナイトとマルテンサイトの面積率は、後述の実施例で説明する方法によって測定される。
【0047】
（硬さ）
本開示に係る窒化部品用素形材の硬さは限定されないが、硬さが高いほど被削性が低下する。そのため、ビッカース硬さＨＶが３００以下であることが好ましい。ビッカース硬さＨＶが３００以下であれば、高い被削性を有し、窒化部品用素形材から部品形状の部材に機械加工する際のコストを低く抑えることができる。かかる観点から、窒化部品用素形材のビッカース硬さは、２９０以下がより好ましく、２８０以下がさらに好ましく、２７０以下が特に好ましい。
窒化部品用素形材のビッカース硬さＨＶは、後述の実施例で説明する方法によって測定される。
本開示に係る窒化部品用素形材の硬さは限定されないが、硬さが高いほど被削性が低下する。そのため、ビッカース硬さＨＶが３００以下であることが好ましい。ビッカース硬さＨＶが３００以下であれば、高い被削性を有し、窒化部品用素形材から部品形状の部材に機械加工する際のコストを低く抑えることができる。かかる観点から、窒化部品用素形材のビッカース硬さは、２９０以下がより好ましく、２８０以下がさらに好ましく、２７０以下が特に好ましい。
窒化部品用素形材のビッカース硬さＨＶは、後述の実施例で説明する方法によって測定される。
【0048】
（形状）
本開示に係る窒化部品用素形材は、窒化部品用素形材を切削、窒化して得られる窒化部品の用途に応じた形状を選択することができる。最終的に製造する窒化部品は特に限定されないが、例えば、歯車、シャフト部品、リング状部品、ピン状部品などが挙げられる。
本開示に係る窒化部品用素形材は、窒化部品用素形材を切削、窒化して得られる窒化部品の用途に応じた形状を選択することができる。最終的に製造する窒化部品は特に限定されないが、例えば、歯車、シャフト部品、リング状部品、ピン状部品などが挙げられる。
【0049】
［窒化部品］
本開示に係る窒化部品は、表層に形成される窒化層と、窒化層よりも内部の芯部とを備え、芯部の化学組成は、前述した本開示における鋼材及び窒化部品用素形材の化学組成と同じである。
本開示において窒化部品の表層とは、表面から深さ１．５ｍｍまでの領域を意味し、芯部とは表面から１．５ｍｍより深い領域を意味する。窒化処理によって表面から侵入する窒素の深さは最大で１．５ｍｍ程度と見込まれる。すなわち、ここで窒化部品の表層とは窒素が侵入しうる領域を指し、芯部とは窒化処理による窒素の侵入が及ばない領域を指す。本開示に係る窒化部品は、表面から１．５ｍｍより深い部分である芯部と、芯部の外側（表層）に存在する窒化層とを有する。
本開示に係る窒化部品は、表層に形成される窒化層と、窒化層よりも内部の芯部とを備え、芯部の化学組成は、前述した本開示における鋼材及び窒化部品用素形材の化学組成と同じである。
本開示において窒化部品の表層とは、表面から深さ１．５ｍｍまでの領域を意味し、芯部とは表面から１．５ｍｍより深い領域を意味する。窒化処理によって表面から侵入する窒素の深さは最大で１．５ｍｍ程度と見込まれる。すなわち、ここで窒化部品の表層とは窒素が侵入しうる領域を指し、芯部とは窒化処理による窒素の侵入が及ばない領域を指す。本開示に係る窒化部品は、表面から１．５ｍｍより深い部分である芯部と、芯部の外側（表層）に存在する窒化層とを有する。
【0050】
本開示に係る窒化部品の芯部における化学組成及び微細組織は、前述した本開示に係る窒化部品用素形材の化学組成及び深さ５ｍｍ位置における微細組織と同じである。
【0051】
なお、鋼を窒化した場合、表層には鉄窒化物を主体とする化合物層と呼ばれる層が生じ、その直下には、母相が固溶Ｎや合金窒化物で強化された拡散層と呼ばれる層が生じる。本開示において、窒化層とは、化合物層と拡散層の両方を含み、化合物層のＮ含有量は、例えば２～１１％であり、拡散層のＮ含有量は、例えば０．０３０～０．６００％である。
【0052】
窒化部品中の固溶Ｃｒ量（Ｃｒｓｏｌ量）：０．４０％以上
Ｃｒが窒化時に微細な窒化物を形成し、窒化層の硬化に寄与するためには、窒化時に固溶状態である必要がある。窒化時に固溶状態であったＣｒ量は、窒化後の未窒化層の固溶Ｃｒ量と相関がある。窒化中に窒化層において十分な量のＣｒ窒化物が析出していれば、窒化後の未窒化層の固溶Ｃｒ量は０．４０％以上になっている。したがって、窒化部品において十分な析出強化を得るためには、表面から５ｍｍ位置における固溶Ｃｒ量であるＣｒｓｏｌ量が０．４０％以上である必要がある。Ｃｒｓｏｌ量は０．４５％以上であることが好ましく、０．５０％以上であることがより好ましい。Ｃｒｓｏｌ量はいくら高くてもよい。
Ｃｒが窒化時に微細な窒化物を形成し、窒化層の硬化に寄与するためには、窒化時に固溶状態である必要がある。窒化時に固溶状態であったＣｒ量は、窒化後の未窒化層の固溶Ｃｒ量と相関がある。窒化中に窒化層において十分な量のＣｒ窒化物が析出していれば、窒化後の未窒化層の固溶Ｃｒ量は０．４０％以上になっている。したがって、窒化部品において十分な析出強化を得るためには、表面から５ｍｍ位置における固溶Ｃｒ量であるＣｒｓｏｌ量が０．４０％以上である必要がある。Ｃｒｓｏｌ量は０．４５％以上であることが好ましく、０．５０％以上であることがより好ましい。Ｃｒｓｏｌ量はいくら高くてもよい。
【0053】
窒化部品中のＦｎ：１．００以上
本開示に係る窒化部品のＦｎは１．００以上である。十分に低温焼なましの効果が生じていれば、Ｆｎは高くなる。本開示に係る窒化部品のＦｎは、ひずみ抑制の観点から１．３以上であることが好ましく、１．５以上であることがより好ましく、１．７以上であることがさらに好ましい。本開示に係る窒化部品のＦｎの上限は特に限定されないが、Ｆｎが高い状態は、窒化層の硬化が不十分である状態を反映している場合がある。したがって、Ｆｎは５．０以下であってもよく、４．０以下であってもよい。
本開示に係る窒化部品のＦｎは１．００以上である。十分に低温焼なましの効果が生じていれば、Ｆｎは高くなる。本開示に係る窒化部品のＦｎは、ひずみ抑制の観点から１．３以上であることが好ましく、１．５以上であることがより好ましく、１．７以上であることがさらに好ましい。本開示に係る窒化部品のＦｎの上限は特に限定されないが、Ｆｎが高い状態は、窒化層の硬化が不十分である状態を反映している場合がある。したがって、Ｆｎは５．０以下であってもよく、４．０以下であってもよい。
【0054】
（拡散層の硬さ）
本開示に係る窒化部品の拡散層の硬さは特に限定されない。一方、疲労特性の観点から、本開示に係る窒化部品の拡散層のビッカース硬さＨＶは、４５０ＨＶ以上であることが好ましく、５００ＨＶ以上であることがより好ましく、５５０ＨＶ以上であることがさらに好ましい。
窒化部品の拡散層のビッカース硬さＨＶは、後述の実施例で説明する方法によって測定される。
本開示に係る窒化部品の拡散層の硬さは特に限定されない。一方、疲労特性の観点から、本開示に係る窒化部品の拡散層のビッカース硬さＨＶは、４５０ＨＶ以上であることが好ましく、５００ＨＶ以上であることがより好ましく、５５０ＨＶ以上であることがさらに好ましい。
窒化部品の拡散層のビッカース硬さＨＶは、後述の実施例で説明する方法によって測定される。
【0055】
（用途）
本開示に係る窒化部品の用途は特に限定されないが、窒化処理により表層が硬く、曲げ疲労強度も高いため、例えば、歯車、シャフト部品、リング状部品、ピン状部品などに好適である。
本開示に係る窒化部品の用途は特に限定されないが、窒化処理により表層が硬く、曲げ疲労強度も高いため、例えば、歯車、シャフト部品、リング状部品、ピン状部品などに好適である。
【0056】
［鋼材の製造方法］
本開示に係る窒化部品用素形材及び窒化部品の製造に用いる鋼材（本開示における鋼材）の製造方法の一例は、次の工程を含む。
（工程１）素材準備工程
（工程２）熱間加工工程
以下、各工程について説明する。
本開示に係る窒化部品用素形材及び窒化部品の製造に用いる鋼材（本開示における鋼材）の製造方法の一例は、次の工程を含む。
（工程１）素材準備工程
（工程２）熱間加工工程
以下、各工程について説明する。
【0057】
（工程１）素材準備工程
素材準備工程では、本開示における鋼材の素材を準備する。
具体的には、前述した化学組成を満たす溶鋼を製造する。精錬方法は特に限定されず、周知の方法を用いればよい。例えば、周知の方法で製造された溶銑に対して転炉での精錬（一次精錬）を実施する。転炉から出鋼した溶鋼に対して、周知の二次精錬を実施する。二次精錬において、合金元素を溶鋼に添加して成分を調整し、前述した化学組成を有する溶鋼を製造する。
素材準備工程では、本開示における鋼材の素材を準備する。
具体的には、前述した化学組成を満たす溶鋼を製造する。精錬方法は特に限定されず、周知の方法を用いればよい。例えば、周知の方法で製造された溶銑に対して転炉での精錬（一次精錬）を実施する。転炉から出鋼した溶鋼に対して、周知の二次精錬を実施する。二次精錬において、合金元素を溶鋼に添加して成分を調整し、前述した化学組成を有する溶鋼を製造する。
【0058】
上述の精錬方法により製造された溶鋼を用いて、周知の鋳造法により素材を製造する。たとえば、溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造する。また、溶鋼を用いて連続鋳造法によりブルーム又はビレットを製造してもよい。以上の方法により、素材（インゴット、ブルーム又はビレット）を製造する。
【0059】
（工程２）熱間加工工程
製造された素材を熱間加工して、鋼材を製造する。
熱間加工工程では通常、１又は複数回の熱間加工を実施する。複数回熱間加工を実施する場合、最初の熱間加工は例えば、分塊圧延又は熱間鍛造を用いた圧延であり、次回以降の熱間加工は、連続圧延機を用いた圧延であってもよい。連続圧延機は、一列に配列された複数の圧延スタンドを備える。
熱間加工後の鋼材を室温まで冷却する。粗圧延及び連続圧延機を用いた圧延により、ビレットを製造し、その後、そのビレットを再加熱して、連続圧延機を用いた仕上げ圧延をさらに実施して、所望のサイズの鋼材を製造してもよい。また、熱間鍛造のみにより素材から鋼材を製造してもよい。熱間加工時の素材の加熱温度は特に限定されないが、例えば、１１００～１３００℃である。
製造された素材を熱間加工して、鋼材を製造する。
熱間加工工程では通常、１又は複数回の熱間加工を実施する。複数回熱間加工を実施する場合、最初の熱間加工は例えば、分塊圧延又は熱間鍛造を用いた圧延であり、次回以降の熱間加工は、連続圧延機を用いた圧延であってもよい。連続圧延機は、一列に配列された複数の圧延スタンドを備える。
熱間加工後の鋼材を室温まで冷却する。粗圧延及び連続圧延機を用いた圧延により、ビレットを製造し、その後、そのビレットを再加熱して、連続圧延機を用いた仕上げ圧延をさらに実施して、所望のサイズの鋼材を製造してもよい。また、熱間鍛造のみにより素材から鋼材を製造してもよい。熱間加工時の素材の加熱温度は特に限定されないが、例えば、１１００～１３００℃である。
【0060】
以上の工程により、本開示に係る窒化部品用素形材を製造するための鋼材が製造される。
【0061】
［窒化部品用素形材の製造方法］
本開示に係る窒化部品用素形材の製造方法の一例は、次の工程を含む。
（工程３）鋼素形材成形工程
（工程４）低温焼なまし工程
本開示に係る窒化部品用素形材の製造方法の一例は、次の工程を含む。
（工程３）鋼素形材成形工程
（工程４）低温焼なまし工程
【0062】
（工程３）鋼素形材成形工程
鋼素形材成形工程では、前述の化学組成を有する鋼材を用いて、鋼素形材に成形する。成形方法は例えば、熱間鍛造である。
具体的には、初めに、鋼材を加熱する。加熱温度は例えば、１０００～１３００℃である。加熱温度が高すぎると、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満にならず、加熱温度が低すぎると、金型寿命が低下するため製造コストが増加してしまう。ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和を９０％未満にするためには、鍛造前の加熱温度を１３００℃以下にすることが好ましい。また、成形完了温度は１１００℃以下にすることが好ましい。加熱された鋼材を熱間鍛造して、最終的に製造する窒化部品に応じた所定の形状の鋼素形材に成形する。成形後の鋼素形材を空冷する。ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和を９０％未満にするためには成形後には空冷で室温まで冷却するのが好ましい。空冷での冷却速度は、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満になる限りは、ファンを用いて適宜調整してもよい。
成形後の冷却が速すぎると、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％以上になり、成形後の冷却が遅すぎると、製造のサイクルタイムが長くなり生産性が劣化する。ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和を９０％未満にするためには、成形後の冷却における９００℃から５００℃までの温度範囲の平均冷却速度を０．２～３．０℃／ｓの範囲にすることが好ましい。
鋼素形材成形工程では、前述の化学組成を有する鋼材を用いて、鋼素形材に成形する。成形方法は例えば、熱間鍛造である。
具体的には、初めに、鋼材を加熱する。加熱温度は例えば、１０００～１３００℃である。加熱温度が高すぎると、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満にならず、加熱温度が低すぎると、金型寿命が低下するため製造コストが増加してしまう。ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和を９０％未満にするためには、鍛造前の加熱温度を１３００℃以下にすることが好ましい。また、成形完了温度は１１００℃以下にすることが好ましい。加熱された鋼材を熱間鍛造して、最終的に製造する窒化部品に応じた所定の形状の鋼素形材に成形する。成形後の鋼素形材を空冷する。ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和を９０％未満にするためには成形後には空冷で室温まで冷却するのが好ましい。空冷での冷却速度は、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満になる限りは、ファンを用いて適宜調整してもよい。
成形後の冷却が速すぎると、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％以上になり、成形後の冷却が遅すぎると、製造のサイクルタイムが長くなり生産性が劣化する。ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和を９０％未満にするためには、成形後の冷却における９００℃から５００℃までの温度範囲の平均冷却速度を０．２～３．０℃／ｓの範囲にすることが好ましい。
【0063】
（工程４）低温焼なまし工程
熱間鍛造後の鋼素形材に対して、鍛造後に導入された残留応力を除去するために、低温焼なましを行う。
窒化前の残留応力を解放しつつ、窒化後の疲労強度を劣化させないために、低温焼なまし条件は適切に選択する必要がある。低温焼なまし温度が低すぎると、セメンタイトへのＣｒの濃化が不足してＦｎが過少となり、十分に残留応力が解放されず、窒化時の変形を抑制できない。一方、低温焼なまし温度が高すぎると、Ｃｒがセメンタイトへ過剰に濃化して固溶Ｃｒ量が減少し過ぎてしまい、窒化時の硬化量が低下するため疲労特性も劣化する。かかる観点から、低温焼なまし温度は５００～６３０℃で実施し、低温焼なまし時間は０．５～３．０ｈとする。
熱間鍛造後の鋼素形材に対して、鍛造後に導入された残留応力を除去するために、低温焼なましを行う。
窒化前の残留応力を解放しつつ、窒化後の疲労強度を劣化させないために、低温焼なまし条件は適切に選択する必要がある。低温焼なまし温度が低すぎると、セメンタイトへのＣｒの濃化が不足してＦｎが過少となり、十分に残留応力が解放されず、窒化時の変形を抑制できない。一方、低温焼なまし温度が高すぎると、Ｃｒがセメンタイトへ過剰に濃化して固溶Ｃｒ量が減少し過ぎてしまい、窒化時の硬化量が低下するため疲労特性も劣化する。かかる観点から、低温焼なまし温度は５００～６３０℃で実施し、低温焼なまし時間は０．５～３．０ｈとする。
【0064】
以上の製造工程により、本開示に係る窒化部品用素形材を製造することができる。
【0065】
［窒化部品の製造方法］
上述の窒化部品用素形材を素材とした本開示に係る窒化部品の製造方法の一例は、次の工程を含む。
（工程５）機械加工工程
（工程６）窒化処理工程
以下、各工程について説明する。
上述の窒化部品用素形材を素材とした本開示に係る窒化部品の製造方法の一例は、次の工程を含む。
（工程５）機械加工工程
（工程６）窒化処理工程
以下、各工程について説明する。
【0066】
（工程５）機械加工工程
機械加工工程では、窒化部品用素形材に対して機械加工を実施して、窒化部品用素形材を、最終製品形状に近い形状の部材に整える。具体的には、切削加工及び／又は研削加工を実施して、窒化部品用素形材を部品形状の部材に整える。
機械加工工程では、窒化部品用素形材に対して機械加工を実施して、窒化部品用素形材を、最終製品形状に近い形状の部材に整える。具体的には、切削加工及び／又は研削加工を実施して、窒化部品用素形材を部品形状の部材に整える。
【0067】
（工程６）窒化処理工程
窒化処理工程では、機械加工工程後の部材に対して、窒化処理を実施する。窒化処理は例えば、ガス窒化、ガス軟窒化、塩浴軟窒化、プラズマ窒化等である。窒化処理に用いるガスは、ＮＨ３のみであってもよいし、ＮＨ３に加え、Ｎ２、Ｈ２、ＣＯ２、各種炭化水素を含有する混合気体であってもよい。
窒化部品に高い疲労強度を具備させるために、窒化条件は適切に選択する必要がある。窒化温度が低すぎると十分に硬化層が生成せず、疲労特性が向上しない。窒化温度が、直前の低温焼なまし温度と比べて高すぎると、低温焼なまし時に解放されなかった残留応力が解放されるために窒化時の曲がりが抑制できない。また、窒化温度が高すぎると、合金窒化物が粗大化し、拡散層の硬さが低下する場合もある。かかる観点から、窒化温度は、５５０～６２０℃で、かつ、低温焼なましの温度＋５０℃以下の温度で実施し、窒化時間は１．０～１０．０ｈとする。
窒化後の冷却方法は、水冷であってもよいし、油冷であってもよいし、炉冷であってもよい。
窒化処理工程では、機械加工工程後の部材に対して、窒化処理を実施する。窒化処理は例えば、ガス窒化、ガス軟窒化、塩浴軟窒化、プラズマ窒化等である。窒化処理に用いるガスは、ＮＨ３のみであってもよいし、ＮＨ３に加え、Ｎ２、Ｈ２、ＣＯ２、各種炭化水素を含有する混合気体であってもよい。
窒化部品に高い疲労強度を具備させるために、窒化条件は適切に選択する必要がある。窒化温度が低すぎると十分に硬化層が生成せず、疲労特性が向上しない。窒化温度が、直前の低温焼なまし温度と比べて高すぎると、低温焼なまし時に解放されなかった残留応力が解放されるために窒化時の曲がりが抑制できない。また、窒化温度が高すぎると、合金窒化物が粗大化し、拡散層の硬さが低下する場合もある。かかる観点から、窒化温度は、５５０～６２０℃で、かつ、低温焼なましの温度＋５０℃以下の温度で実施し、窒化時間は１．０～１０．０ｈとする。
窒化後の冷却方法は、水冷であってもよいし、油冷であってもよいし、炉冷であってもよい。
【0068】
以上の製造工程により、本開示に係る窒化部品を製造することができる。
【実施例0069】
実施例により、本開示に係る窒化部品用素形材、窒化部品、及び窒化部品の製造方法についてさらに具体的に説明する。なお、以下の実施例における条件は、本開示に係る窒化部品用素形材、窒化部品、及び窒化部品の製造方法の実施可能性及び効果を確認するために採用した条件の一例である。したがって、本開示に係る窒化部品用素形材、窒化部品、及び窒化部品の製造方法は下記の実施例に限定されない。
【0070】
［鋼材の製造］
表１に示す化学組成（単位：質量％、残部：Ｆｅ及び不純物）を有する鋼材Ａ～Ｕをそれぞれ次の方法で製造した。下線は、本開示の範囲外であることを意味する。また、Ｍｏの「＜０．０１」は意図的に添加していないことを意味する。
真空溶解炉を用いて、５０ｋｇのインゴットを製造した。インゴットを１２５０℃に加熱した後、熱間加工を実施して、鋼材を製造した。具体的には、インゴットを熱間鍛造により、軸方向に垂直な断面が６０ｍｍ×６０ｍｍの棒鋼とした。
次いで、棒鋼を再度１２５０℃に加熱した後、直径４０ｍｍの断面を持つ棒鋼に熱間で鍛伸し、そのまま常温まで放冷した。以上の製造工程により、鋼材（棒鋼）を製造した。
表１に示す化学組成（単位：質量％、残部：Ｆｅ及び不純物）を有する鋼材Ａ～Ｕをそれぞれ次の方法で製造した。下線は、本開示の範囲外であることを意味する。また、Ｍｏの「＜０．０１」は意図的に添加していないことを意味する。
真空溶解炉を用いて、５０ｋｇのインゴットを製造した。インゴットを１２５０℃に加熱した後、熱間加工を実施して、鋼材を製造した。具体的には、インゴットを熱間鍛造により、軸方向に垂直な断面が６０ｍｍ×６０ｍｍの棒鋼とした。
次いで、棒鋼を再度１２５０℃に加熱した後、直径４０ｍｍの断面を持つ棒鋼に熱間で鍛伸し、そのまま常温まで放冷した。以上の製造工程により、鋼材（棒鋼）を製造した。
【0071】
【表1】
【0072】
［鋼素形材の製造］
製造された各鋼材を素材として、各試験番号の鋼素形材を次の方法で製造した。
製造された各鋼材を素材として、各試験番号の鋼素形材を次の方法で製造した。
【0073】
前述の工程３の鋼素形材成形工程を模擬して、鋼材を鍛造の仕上がり温度に近い１１５０℃で６０分保持した後、大気中で冷却したものを鋼素形材とし、一般的な中型の窒化部品の冷速を模擬すべく、常温までファンで風をかけながら冷却する、熱間鍛造模擬処理を施した。冷却時の鋼素形材の表面温度を放射温度計を用いて測温した。試験番号２０（鋼材Ｔ）以外は、いずれも９００～５００℃の区間の降温に要した時間を区間の温度幅で割った平均冷却速度は約１．５℃／秒であった。試験番号２０（鋼材Ｔ）については、金属組織の影響を評価すべく、ファンの風量を強くして冷却し、その平均冷却速度は３．２℃／秒であった。なお、ここでの熱間鍛造模擬処理では、実際の鋼材（棒鋼）に対して変形加工は行われていないが、変形加工の有無による微細組織等への影響は軽微である。
【0074】
熱間鍛造模擬処理後の鋼素形材（一部を除く）を４００～７００℃で１．０～４．０ｈ保持後に室温まで冷却する低温焼なまし処理に供した。
以上の製造工程により、窒化部品用素形材を模擬した、鋼素形材を製造した。
以上の製造工程により、窒化部品用素形材を模擬した、鋼素形材を製造した。
【0075】
［評価］
製造された各試験番号の鋼素形材に対して、次の評価試験（試験１～試験７）を実施した。
（試験１）鋼素形材の微細組織観察
（試験２）鋼素形材の被削性評価
（試験３）鋼素形材のＣｒ固溶量測定
（試験４）窒化後の曲げ疲労強度評価
（試験５）窒化時の曲がり測定量評価
（試験６）窒化部品のＣｒ固溶量測定
（試験７）窒化部品の拡散層硬さ測定
製造された各試験番号の鋼素形材に対して、次の評価試験（試験１～試験７）を実施した。
（試験１）鋼素形材の微細組織観察
（試験２）鋼素形材の被削性評価
（試験３）鋼素形材のＣｒ固溶量測定
（試験４）窒化後の曲げ疲労強度評価
（試験５）窒化時の曲がり測定量評価
（試験６）窒化部品のＣｒ固溶量測定
（試験７）窒化部品の拡散層硬さ測定
【0076】
（試験１）鋼素形材の微細組織観察
各試験番号の鋼素形材の長手方向に垂直な横断面のうち、表面から５ｍｍ深さ位置が被検面の中心となるように組織観察用のブロック状の試験片を切り出し、樹脂に埋め込んでから鏡面研磨した。研磨面をナイタールでエッチングして、光学顕微鏡を用いて、２００倍の倍率で、０．７４ｍｍ×０．５５ｍｍの視野を試験番号ごとに各４視野撮影した。撮影された写真から点算法により各金属組織の面積率を求め、４つの光学顕微鏡像から得られた面積率の平均値をその試験番号の金属組織の面積率とした。
各試験番号の鋼素形材の長手方向に垂直な横断面のうち、表面から５ｍｍ深さ位置が被検面の中心となるように組織観察用のブロック状の試験片を切り出し、樹脂に埋め込んでから鏡面研磨した。研磨面をナイタールでエッチングして、光学顕微鏡を用いて、２００倍の倍率で、０．７４ｍｍ×０．５５ｍｍの視野を試験番号ごとに各４視野撮影した。撮影された写真から点算法により各金属組織の面積率を求め、４つの光学顕微鏡像から得られた面積率の平均値をその試験番号の金属組織の面積率とした。
【0077】
図４は、金属組織の面積率を求めるために使用した鋼Ｊ（試験番号１０）の光学顕微鏡写真の一部である。白色に見える部分はフェライトであり、灰色に見える部分はベイナイトであり、一部が灰色で、大部分が黒く見える部分はパーライトである。なお、炭化物を含む組織はパーライトとベイナイトとのどちらであるか、判断し難い場合がある。本開示においては、パーライトとベイナイトはナイタールでエッチング後の光顕像では異なるコントラストを呈することに基づき、濃くエッチングされるものをパーライト、薄くエッチングされるものをベイナイトとした。
コントラストのみで判断が難しい場合には、該当の測定点を面積率の計算から除外した。
コントラストのみで判断が難しい場合には、該当の測定点を面積率の計算から除外した。
【0078】
（試験２）鋼素形材の被削性評価
各試験番号の微細組織観察試験片のビッカース硬さを測定した。鏡面研磨した面の無作為の５箇所で、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準拠したビッカース硬さ試験を実施した。試験力は９．８Ｎとした。得られた５つの硬さの算術平均値を、当該試験番号のビッカース硬さと定義した。ビッカース硬さが３００ＨＶ以下である場合、十分な被削性が得られると判断した。
各試験番号の微細組織観察試験片のビッカース硬さを測定した。鏡面研磨した面の無作為の５箇所で、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準拠したビッカース硬さ試験を実施した。試験力は９．８Ｎとした。得られた５つの硬さの算術平均値を、当該試験番号のビッカース硬さと定義した。ビッカース硬さが３００ＨＶ以下である場合、十分な被削性が得られると判断した。
【0079】
（試験３）鋼素形材のＣｒ固溶量測定
各試験番号の鋼素形材（直径４０ｍｍの棒鋼）の軸方向に垂直な断面の半径（Ｒ）の中央位置（Ｒ／２位置）から、直径１０ｍｍ、長さ４０ｍｍの電解分析用試験片を作製した。試験片を１０％アセチルアセトン－１％塩化テトラメチルアンモニウム－メタノール電解液で電流密度２０ｍＡ／ｃｍ２で電解し、電解後の溶液をメッシュサイズ０．２μｍのクリポアフィルターで吸引ろ過し、得られた残さ中のＣｒ量を高周波誘導結合プラズマ発光分光装置を用いて分析し、そのＣｒ量を含有Ｃｒ量から差し引いた値を鋼素形材の固溶Ｃｒ量とみなした。
各試験番号の鋼素形材（直径４０ｍｍの棒鋼）の軸方向に垂直な断面の半径（Ｒ）の中央位置（Ｒ／２位置）から、直径１０ｍｍ、長さ４０ｍｍの電解分析用試験片を作製した。試験片を１０％アセチルアセトン－１％塩化テトラメチルアンモニウム－メタノール電解液で電流密度２０ｍＡ／ｃｍ２で電解し、電解後の溶液をメッシュサイズ０．２μｍのクリポアフィルターで吸引ろ過し、得られた残さ中のＣｒ量を高周波誘導結合プラズマ発光分光装置を用いて分析し、そのＣｒ量を含有Ｃｒ量から差し引いた値を鋼素形材の固溶Ｃｒ量とみなした。
【0080】
（試験４）窒化後の曲げ疲労強度評価
各試験番号の鋼素形材（直径４０ｍｍの棒鋼）の軸方向に垂直な断面の半径中央位置（Ｒ／２位置）から、図１に示す小野式回転曲げ疲労試験片を作製した。図１中の数値は、寸法（単位はｍｍ）を示す。図１中の「φ」は直径を意味する。「Ｒ１」は、切欠き底の曲率半径が１ｍｍであることを意味する。
各試験番号の鋼素形材（直径４０ｍｍの棒鋼）の軸方向に垂直な断面の半径中央位置（Ｒ／２位置）から、図１に示す小野式回転曲げ疲労試験片を作製した。図１中の数値は、寸法（単位はｍｍ）を示す。図１中の「φ」は直径を意味する。「Ｒ１」は、切欠き底の曲率半径が１ｍｍであることを意味する。
【0081】
具体的には、各試験番号の鋼素形材を機械加工（切削加工）して、小野式回転曲げ疲労試験片の中間品を加工した。中間品に対して、窒化処理を実施して、図１に示す小野式回転曲げ疲労試験片を作製した。実施した窒化処理の条件は、以下のとおりとした。
窒化処理では、中間品を、ＲＸガス（吸熱型変成ガス）とアンモニアガスとが１：１の雰囲気内で、５８０℃で２時間保持した。保持後の中間品を油冷した。以上の工程により、窒化部品を模擬した小野式回転曲げ疲労試験片を作製した。
窒化処理では、中間品を、ＲＸガス（吸熱型変成ガス）とアンモニアガスとが１：１の雰囲気内で、５８０℃で２時間保持した。保持後の中間品を油冷した。以上の工程により、窒化部品を模擬した小野式回転曲げ疲労試験片を作製した。
【0082】
各試験番号の小野式回転曲げ疲労試験片を用いて、小野式回転曲げ疲労試験を行った。各試験番号ごとに複数の小野式回転曲げ疲労試験片を準備した。各試験片ごとに加える応力を変えて疲労試験を実施し、１０００万回（１０７回）繰り返しの後、破断しなかった最も高い応力を曲げ疲労強度（ＭＰａ）とした。小野式回転曲げ疲労試験では、回転速度を３０００ｒｐｍとし、応力比を両振りとした。得られた曲げ疲労強度を、表２中の「窒化部品」欄の「曲げ疲労強度（ＭＰａ）」欄に示す。疲労強度が５００ＭＰａ以上である場合、十分な疲労強度が得られると判断した。
【0083】
（試験５）窒化時の曲がり測定量評価
各試験番号の鋼素形材（直径４０ｍｍの棒鋼）の軸方向に垂直な断面の半径中央位置（Ｒ／２位置）から、図２に示すφ１５×１００ｍｍの曲がり測定用試験片を作製した。試験片に対して、ＲＸガスとアンモニアガスとが１：１の雰囲気内で、５８０℃で２時間保持し、その後油冷する窒化処理を施した。
窒化後の試験片の曲がり量を接触型の３次元測定機で測定した。具体的には、図３に示すように、試験片の両端部から１０ｍｍ位置、長手方向の中間位置の３ヶ所において、横断面から基準円を求め、その基準円の中心を求め、両端部から１０ｍｍ位置の基準円の中心座標を結んだ線（Ａ１）と、長手方向の中間位置の基準円の中心座標（Ａ０）との距離を曲がり量とみなした。基準円の求め方について述べる。基準円を求める位置において、円周部を４５°ピッチで各８点の座標を測定した。各８点の座標から真円を近似したものをその位置の基準円とした。曲がり量が４．０μｍ以下の場合、十分に曲がりが抑制できるとみなした。
各試験番号の鋼素形材（直径４０ｍｍの棒鋼）の軸方向に垂直な断面の半径中央位置（Ｒ／２位置）から、図２に示すφ１５×１００ｍｍの曲がり測定用試験片を作製した。試験片に対して、ＲＸガスとアンモニアガスとが１：１の雰囲気内で、５８０℃で２時間保持し、その後油冷する窒化処理を施した。
窒化後の試験片の曲がり量を接触型の３次元測定機で測定した。具体的には、図３に示すように、試験片の両端部から１０ｍｍ位置、長手方向の中間位置の３ヶ所において、横断面から基準円を求め、その基準円の中心を求め、両端部から１０ｍｍ位置の基準円の中心座標を結んだ線（Ａ１）と、長手方向の中間位置の基準円の中心座標（Ａ０）との距離を曲がり量とみなした。基準円の求め方について述べる。基準円を求める位置において、円周部を４５°ピッチで各８点の座標を測定した。各８点の座標から真円を近似したものをその位置の基準円とした。曲がり量が４．０μｍ以下の場合、十分に曲がりが抑制できるとみなした。
【0084】
（試験６）窒化部品のＣｒ固溶量測定
各試験番号の曲がり測定用試験片の中心付近から、直径１０ｍｍ、長さ４０ｍｍの電解分析用試験片を作製した。試験片は１０％アセチルアセトン－１％塩化テトラメチルアンモニウム－メタノール電解液で電流密度２０ｍＡ／ｃｍ２で電解し、電解後の溶液をメッシュサイズ０．２μｍのクリポアフィルターで吸引ろ過し、得られた残さ中のＣｒ量を高周波誘導結合プラズマ発光分光装置を用いて分析し、そのＣｒ量を含有Ｃｒ量から差し引いた値を窒化部品中の固溶Ｃｒ量とみなした。
各試験番号の曲がり測定用試験片の中心付近から、直径１０ｍｍ、長さ４０ｍｍの電解分析用試験片を作製した。試験片は１０％アセチルアセトン－１％塩化テトラメチルアンモニウム－メタノール電解液で電流密度２０ｍＡ／ｃｍ２で電解し、電解後の溶液をメッシュサイズ０．２μｍのクリポアフィルターで吸引ろ過し、得られた残さ中のＣｒ量を高周波誘導結合プラズマ発光分光装置を用いて分析し、そのＣｒ量を含有Ｃｒ量から差し引いた値を窒化部品中の固溶Ｃｒ量とみなした。
【0085】
（試験７）窒化部品の拡散層硬さ測定
試験４で用いた小野式回転曲げ疲労試験片の一部を用いて拡散層の硬さを測定した。試験片のφ１０ｍｍの平行部のうち、Ｒ１の切欠きのエッジ部から２ｍｍ位置を、長手方向と垂直に切断し、切断面を観察できるように樹脂に埋め込んでから鏡面研磨した。最表面から０．０５ｍｍ深さの無作為の５箇所で、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準拠したビッカース硬さ試験を実施した。試験力は２．９４Ｎとした。得られた５つの硬さの算術平均値を、当該試験番号の拡散層のビッカース硬さと定義した。ビッカース硬さが４５０ＨＶ以上である場合、十分に拡散層硬さが高いと判断した。
試験４で用いた小野式回転曲げ疲労試験片の一部を用いて拡散層の硬さを測定した。試験片のφ１０ｍｍの平行部のうち、Ｒ１の切欠きのエッジ部から２ｍｍ位置を、長手方向と垂直に切断し、切断面を観察できるように樹脂に埋め込んでから鏡面研磨した。最表面から０．０５ｍｍ深さの無作為の５箇所で、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準拠したビッカース硬さ試験を実施した。試験力は２．９４Ｎとした。得られた５つの硬さの算術平均値を、当該試験番号の拡散層のビッカース硬さと定義した。ビッカース硬さが４５０ＨＶ以上である場合、十分に拡散層硬さが高いと判断した。
【0086】
熱間鍛造模擬処理後の熱処理条件、及び試験２～７の評価結果等を表２に示す。表２において下線は、本開示の範囲外又は評価結果が不十分であることを示す。なお、窒化は６３０℃以下で行っているため、窒化後の鋼素形材（窒化部品）の芯部における微細組織は鋼素形材の微細組織と同様である。また、微細組織の残部は、フェライトとパーライト、またはそのいずれか一方である。
【0087】
【表2】
【0088】
本開示の要件を満たす試験番号１～１３では、鋼素形材の硬さＨＶが３００以下であり、被削性に優れ、また、窒化部品の曲げ疲労強度が５００ＭＰａ以上であり、曲がり量は４．０μｍ以下であった。
試験番号１５は、Ｃ含有量が過少であり、曲げ疲労強度が不十分であった。
試験番号１６は、Ｃ含有量が過多であり、被削性が劣り、曲げ疲労強度も不十分であっった。
試験番号１７は、Ｃｒ含有量及び固溶Ｃｒ量が過少であり、曲げ疲労強度が不十分であった。
試験番号１８は、Ｖ含有量が過少であり、曲げ疲労強度が不十分であった。
試験番号１９は、Ｖ含有量が過多であり、被削性が劣った。
試験番号２０は、ベイナイト及びマルテンサイトの合計面積率が過多であり、被削性が劣った。
試験番号２１は、Ｍｏ量が過多であり、ベイナイト及びマルテンサイトの合計面積率も過多であり、被削性が劣った。
試験番号２２、２３は、低温焼なましが不十分で、Ｆｎが過少となり、曲がり量が大きかった。
試験番号２４は、低温焼なまし温度が高過ぎて、固溶Ｃｒ量が過少となり、曲げ疲労強度が不十分であった。
試験番号２５、２６は、低温焼なましが不十分で、Ｆｎが過少となり、曲がり量が大きかった。
試験番号２７は、低温焼なまし温度が高過ぎて、固溶Ｃｒ量が過少となり、曲げ疲労強度が不十分であった。
試験番号２８は、鋼素形材としては本開示の要件を満たしていたが、窒化温度が高過ぎて窒化部品の固溶Ｃｒ量が過少となり、曲げ疲労強度が不十分であった。
試験番号１５は、Ｃ含有量が過少であり、曲げ疲労強度が不十分であった。
試験番号１６は、Ｃ含有量が過多であり、被削性が劣り、曲げ疲労強度も不十分であっった。
試験番号１７は、Ｃｒ含有量及び固溶Ｃｒ量が過少であり、曲げ疲労強度が不十分であった。
試験番号１８は、Ｖ含有量が過少であり、曲げ疲労強度が不十分であった。
試験番号１９は、Ｖ含有量が過多であり、被削性が劣った。
試験番号２０は、ベイナイト及びマルテンサイトの合計面積率が過多であり、被削性が劣った。
試験番号２１は、Ｍｏ量が過多であり、ベイナイト及びマルテンサイトの合計面積率も過多であり、被削性が劣った。
試験番号２２、２３は、低温焼なましが不十分で、Ｆｎが過少となり、曲がり量が大きかった。
試験番号２４は、低温焼なまし温度が高過ぎて、固溶Ｃｒ量が過少となり、曲げ疲労強度が不十分であった。
試験番号２５、２６は、低温焼なましが不十分で、Ｆｎが過少となり、曲がり量が大きかった。
試験番号２７は、低温焼なまし温度が高過ぎて、固溶Ｃｒ量が過少となり、曲げ疲労強度が不十分であった。
試験番号２８は、鋼素形材としては本開示の要件を満たしていたが、窒化温度が高過ぎて窒化部品の固溶Ｃｒ量が過少となり、曲げ疲労強度が不十分であった。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
