JP5378512B2 - 浸炭部品およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、浸炭を施された部品（以下、「浸炭部品」という。）およびその製造方法に関する。詳しくは、自動車、建設機械、産業機械等の各種シャフト類あるいは動力伝達用部品等として用いられる高強度鋼製浸炭部品およびその製造方法に関する。より詳しくは、強度、なかでも、衝撃的な負荷に伴ういわゆる「低〜中サイクル域」における疲労強度、すなわち、「塑性変形を与えるように繰返しの衝撃的な負荷をかけた場合に、１０^３〜１０^４サイクル程度以下の繰返し数で疲労破壊が発生する強度」を高めた高強度鋼製浸炭部品およびその製造方法に関する。

アクスルシャフト、ドライブシャフト、等速ジョイント用アウターレースあるいは動力伝達用の歯車などの自動車部品、建設機械部品および産業機械部品は、一般に、所定形状への機械加工後、所望の機械的性質を具備させるために表面硬化処理、あるいは、通常の「焼入れ−焼戻し」による硬化処理が施されて製造されている。

上記部品のうちでも特に自動車部品については、近年の自動車の燃費向上あるいは排ガス低減など、環境問題対応の観点から、小型化、軽量化が求められるようになってきた。このため、部品への負荷がますます大きくなり、特に、衝撃的な負荷が問題となる「低〜中サイクル域」において、疲労強度を向上させることが重要になっている。

部品の高疲労強度化に対しては、一般に、表面硬化処理としての「浸炭焼入れ」が用いられることが多い。

しかしながら、通常の「浸炭焼入れ」処理の場合、表面の硬化処理された部位の炭素濃度は、質量％で、０．８％程度となり、焼入れ後のミクロ組織は高炭素マルテンサイト組織となる。このため、高い硬さを実現できるものの、高炭素マルテンサイト組織に起因した「脆化」を回避することが困難である。

本明細書の説明における「マルテンサイト」とは、等温変態および連続冷却変態によって得られるいわゆる「フレッシュマルテンサイト」、「自己焼戻しを受けたマルテンサイト」および、それらを焼戻しして得られる「焼戻しマルテンサイト」のうちで、「ラス状組織形態」である組織を指し、上記「ラス状組織」中にεあるいはθ等の炭化物が析出している組織も含む。

上記の「フレッシュマルテンサイト」および「自己焼戻しを受けたマルテンサイト」を焼戻しした場合であっても、高温での焼戻し、例えば、７００℃を超えるような高い温度での焼戻しを施して、「ラス状組織」が再結晶して等軸状のフェライトになった場合には、「焼戻しマルテンサイト」に含めない。

非特許文献１に、「浸炭焼入れ」処理を前提とした材料の検討がなされている。しかし、こうした材料の変更のみでは、上記の高炭素マルテンサイト組織に起因した「脆化」を回避することが困難である。このため、衝撃的な負荷に伴う「低〜中サイクル域」における疲労強度を向上させるには十分とはいえない。

そこで、高い疲労強度を実現する方法の一つとして、浸炭焼入れ等の表面硬化処理を施した後に、ショットピーニング処理を行い、部品表面に圧縮残留応力を付与することが検討されている。具体的には、例えば、特許文献１〜４に、浸炭焼入れ等の表面硬化処理とショットピーニング処理を組み合わせた高疲労強度部品とその製造方法が提案されている。特許文献５には、高い疲労強度を実現する別の方法として、浸炭焼入れの表面硬化処理を施した後、さらに製品の特定部位に高周波焼入れを行う高疲労強度部品とその製造方法が提案されている。

すなわち、特許文献１に、０．１〜０．３％の炭素を含有する鋼を用いて機械部品に成形し、浸炭処理あるいは浸炭窒化処理してビッカース硬さで４００以上７００未満の不完全焼入れ層を表面より１０μｍ以上５０μｍ以下の深さまで存在させた後、あるいは、０．３５〜０．７５％の炭素を含有する鋼を用いて機械部品に成形し、焼入れしてビッカース硬さで４００以上７００未満の不完全焼入れ層を表面より１０μｍ以上５０μｍ以下の深さまで存在させてさらに焼戻しを行った後、ビッカース硬さで５００以上の硬さを有する投射材でショットピーニング処理することを特徴とする「疲労強度の高い駆動系機械部品の製造方法」が開示されている。

特許文献２に、質量％で、Ｃ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：０．３％以下、Ａｌ：０．０２〜０．０８％をそれぞれ含有するとともに、Ｍｎ：０．３〜３．１％、Ｎｉ：０〜６％、Ｃｒ：０〜１．２％、Ｍｏ：０〜１．２％よりなる群から選択される２種以上の元素を〔６．４％≦２［Ｍｎ］＋［Ｎｉ］＋［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］≦８．２％〕の式を満足する様に含有し、さらに、必要に応じて、Ｎｂ：０．００５〜０．２％およびＶ：０．０３〜０．８％よりなる群から選択される１種または２種を含有し、残部鉄および不可避不純物からなる鋼材に、〔０．５５％≦表面炭素量（質量％）＋表面窒素量（質量％）≦０．９０％〕の式を満足する様な浸炭または浸炭窒化処理を施し、引き続きオーステナイト単相域から焼入れを行なうことによって、浸炭焼入硬化層の最高硬さがビッカース硬さで５５０〜６２０、かつ表面から３００μｍ深さまでにおける残留オーステナイト面積率が２０％以下となることのない鋼材を得、その後アークハイト：０．６ｍｍＡ以上の条件でショットピーニング処理することを特徴とする「高疲労強度浸炭焼入品の製造方法」が開示されている。

特許文献３に、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．６０％、Ｓｉ：０．０１〜２．００％、Ｍｎ：０．０１〜２．００％、Ａｌ：０．００３〜０．０５０％、Ｎ：０．００５〜０．１００％、Ｃｒ：１．５０〜６．００％、Ｍｏ：０．０１〜３．００％を含有し、かつ、Ｃｒ＋２Ｍｏ：２．００〜８．００％である鋼からなり、さらに、必要に応じて、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｂ：０．０００１〜０．００２０％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．２０％、Ｔｉ：０．０１〜０．２０％から選択した１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、表層において長径と短径の積の平方根が２μｍ以上である炭化物が面積率で２％以下であることを特徴とする「耐ピッチング性および耐磨耗性に優れる高面圧用部品」および、この高面圧用部品において、加熱温度を９３０〜１０５０℃、浸炭表層のＣ濃度を０．６０〜０．８０％、焼入れ温度を８５０〜９００℃に制御して浸炭焼入れ、焼戻し処理または浸炭窒化焼入れ、焼戻し処理を施すか、あるいは、上記の焼戻し処理を施した後、さらに、研磨、ショットピーニング、ハードショットピーニング、微粒子ショットピーニングのいずれか１種またはこの中の複数の表面硬化処理を行うことを特徴とする「高面圧用部品の製造方法」が開示されている。

特許文献４に、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％未満、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｃｒ：０．５０〜１．００％、Ｍｏ：０．５０〜１．００％、Ｂ：０．０００５〜０．００３０％、Ｔｉ：０．０１０〜０．１００％、Ｎｂ：０．０１０〜０．１００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭処理後の表層Ｃ濃度が０．４０〜０．６０％であり、限界硬さをビッカース硬さで５１３とする有効硬化層深さが０．６〜１．２ｍｍであり、かつショットピーニング処理後の表層硬さがビッカース硬さで７００以上であることを特徴とする「低サイクル疲労特性に優れた浸炭部品」が開示されている。

特許文献５に、質量比として、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ａｌ：０．０１〜０．１５％、Ｎ：０．００５〜０．０２５％、Ｍｎ：０．３０〜１．２％、Ｃｒ：０．３０〜１．２０％、Ｓ：０．０１〜０．２０％を含有し、必要に応じてさらに、（ａ）Ｎｂ：０．０２０〜０．１２０％およびＴｉ：０．００５〜０．１０％、（ｂ）Ｍｏ：１．０％以下、Ｎｉ：４．０％以下、Ｃｕ：２．０％以下、Ｖ１．０％以下、の２グループの元素を１または２以上組み合わせて含有し、Ｐ：０．０１％以下、Ｓｉ：０．５０％以下に制限し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼材を、所要の製品形状に加工し、炭素ポテンシャルＣｐが０．４〜０．９質量％の範囲で、かつ炭素ポテンシャルと材料の炭素濃度の差が０．２質量％以上である炭素ポテンシャルで、浸炭焼入れをしてから、製品の一部または全部を浸炭時の全硬化層深さの０．３〜１．５倍をオーステナイト化させる高周波焼入れを行うことを特徴とする「高疲労強度肌焼品の製造方法」が開示されている。

特開平５−１４０７２６号公報 特開平５−１５６４２１号公報 特開２００７−２４６９４１号公報 特開２００８−２５５４７０号公報 特開昭６４−３６７７９号公報

松島ら：Ｒ＆Ｄ神戸製鋼技報、Ｖｏｌ．５０、Ｎｏ．１（Ａｐｒ．２０００）、Ｐ．５７〜６０

前述の特許文献１で提案された技術は、表面硬化処理として浸炭焼入れあるいは浸炭窒化焼入れを前提に、表層部の特定の部位に軟質な「不完全焼入れ層」を存在させることで、ショットピーニング加工時に、内部の硬質層よりも表層の軟質層の方が比較的容易に塑性変形する結果、表層の圧縮残留応力が高くなることを利用するものである。したがって、この技術によって、例えば、小野式回転曲げ疲労試験のような、１×１０^６サイクル程度以上の繰返し数での疲労破壊が対象となるいわゆる「高サイクル域」における疲労強度を向上させることが可能である。しかしながら、衝撃的でしかも比較的大きな負荷が加わるいわゆる「低〜中サイクル域」においては、表層部にたとえ大きな圧縮残留応力を付与できても、不完全焼入れ層が存在すれば、その「不完全焼入れ層」自体が疲労亀裂の発生を助長することになって、疲労破壊が生じることを避けられない場合がある。このため、必ずしも「低〜中サイクル域」における疲労強度の向上効果が得られるというものではない。

特許文献２で提案された技術は、Ｍｎ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏの含有量総量、ならびに表面Ｃ量および表面Ｎ量が特定の範囲になるように制限して、浸炭焼入れ時に生成する残留オーステナイト量を適正化し、ショットピーニングによる表面圧縮残留応力付与の効果を材料内部のより深くまで到達させるものである。したがって、この技術によっても、「高サイクル域」における疲労強度を向上させることが可能である。しかしながら、残留オーステナイト量が２０％を超えて存在する場合には、ショットピーニング処理の際に、残留オーステナイトの加工誘起変態による変形量が大きくなるため、部品に歪みが生じることを避けられない。したがって、歪みを矯正するための作業が必要になる。

特許文献３で提案された高面圧部品は、鋼材の成分のうちでも比較的高価なＣｒおよびＭｏを、Ｃｒが１．５０〜６．００％の範囲、Ｍｏが０．０１〜３．００％の範囲で、〔Ｃｒ＋２Ｍｏ〕の値で２．００〜８．００％に調整するものである。このため、合金元素含有量の増加に伴う製造コストの増加が回避できない場合がある。この特許文献３で提案された技術は、浸炭表層のＣ濃度、すなわち、炭素ポテンシャルを０．６０〜０．８０％で浸炭焼入れを行い、さらに必要に応じて、各種ショットピーニング処理を行うことによって、高サイクル域での疲労強度を向上させることが可能である。しかしながら、炭素ポテンシャルが高いため、表面硬化層部における「脆化」を回避することが困難である。このため、必ずしも「低〜中サイクル域」における疲労強度の向上効果が得られるというものではない。

特許文献４で提案された技術においては、浸炭部品の表層Ｃ濃度を低くしたことに伴う表層硬さの低下を圧縮残留応力の付与によって補うとともに、圧縮残留応力が最大となる深さ位置を表層から１００μｍ以内として、曲げ疲労による亀裂の発生を抑制すること、および、亀裂の起点となる表層の粒界酸化層を除去すること、を目的としてショットピーニング処理が施されている。この特許文献４においては、ショットピーニング処理を２段階で行うことについても開示されている。しかしながら、部品の表面粗さについて全く考慮されていないので、部品の表面粗さが粗い場合には「切欠き効果」によって疲労亀裂が容易に発生することが考えられる。このため、必ずしも「低〜中サイクル域」における疲労強度の向上効果が得られるものではない。

特許文献５で提案された技術は、特定の炭素ポテンシャルで浸炭焼入れを行い、それに引き続いて特定の条件で高周波焼入れを行うことによって、表層の旧オーステナイト結晶粒度をＪＩＳ粒度番号で１０番以上の細粒とするとともに、−２９４ＭＰａ（−３０ｋｇｆ／ｍｍ^２）以下の表層圧縮残留応力を付与できるものである。このため、平滑試験片を用いて小野式回転曲げ疲労試験によって評価した疲労限で９４１ＭＰａ（９６ｋｇｆ／ｍｍ^２）以上の疲労強度を実現することが可能である。しかしながら、この方法は、表面硬化処理として「浸炭焼入れ」と「高周波焼入れ」の２つを共に行うものであるため、製造コストが嵩んでしまう。また、低〜中サイクル域における疲労強度に関する開示がない。

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、「低〜中サイクル域」における疲労強度を大幅に向上させた浸炭部品とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、「低〜中サイクル域」における疲労特性を向上させるために、硬化処理を施された部品の硬化層部ミクロ組織について精査した。

その結果、「低〜中サイクル域」における疲労強度を向上させるには、少なくとも硬化層部を「高靱性化」する必要があることが判明した。

そこで、硬化層部の高靱性化実現のための検討を行い、硬化層部の脆性破壊の抑制および不完全焼入れ組織の抑制が重要であることを見出した。

上記の硬化層部の脆性破壊を抑制するには、硬化層部のマルテンサイト組織のＣ量を適正化すればよいことが推定される。このことに関連して、Ｇ．Ｋｒａｕｓｓは、「Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ａ２７３−２７５（１９９９）」の第４０〜５７ページにおいて、調質処理した場合のマルテンサイト組織中のＣ量が０．５０％以下であれば、脆性破壊が抑制されて延性破壊が起こることを報告している。

しかしながら、「浸炭焼入れ」のような表面硬化処理を行う場合、部品表面から内部に向かって、炭素濃度の分布が生じる。この炭素濃度の分布は、浸炭焼入れ条件によって変化するため、表面の炭素濃度よりも内部の炭素濃度の方が高くなる場合がある。したがって、硬化層部の特性は、単に部品の極表面の炭素濃度のみでは評価できないと考えられる。

そこで、本発明者らは、表１に示す化学組成を有する鋼Ａを真空炉溶製して１５０ｋｇ鋼塊を作製し、浸炭処理品の炭素濃度分布と疲労試験での破壊形態との相関について４点曲げ疲労試験によって調査した。

上記の鋼Ａは、ＪＩＳ Ｇ ４０５３（２００８）に記載されたＳＣｒ４２０に相当する鋼である。

鋼Ａを用いた浸炭処理品の炭素濃度分布と４点曲げ疲労試験での破壊形態との相関の具体的な調査は次のようにして実施した。

すなわち、上記の鋼塊を、１２５０℃に加熱した後、熱間鍛造して直径３０ｍｍの丸棒とした。熱間鍛造後の冷却は大気中での放冷とした。

次いで、熱間鍛造して得た上記の直径３０ｍｍの丸棒に、加熱温度９００℃で６０ｍｉｎ均熱保持した後、大気中で放冷する焼準処理を施した。

上記の焼準処理した直径３０ｍｍの丸棒の中心部から、機械加工によって、断面が１３ｍｍ×１３ｍｍで長さが１００ｍｍの直方体を切り出し、その後さらに、上記直方体の一つの面の長さ方向中央の部位に、半径２ｍｍの半円切欠きを設けて、４点曲げ試験片を作製した。

次いで、「浸炭焼入れ」として、上記の４点曲げ試験片に対して、処理温度、保持時間、炭素ポテンシャルを種々に変えて浸炭処理し、その後、１２０℃の油中に投入した。上記の浸炭焼入れを行った後、さらに加熱温度１８０℃で１２０ｍｉｎ均熱保持し、その後、大気中で放冷する焼戻し処理を施した。

上記の「浸炭焼入れ−焼戻し」処理した４点曲げ試験片を用いて、応力比０．１、支点間距離４５ｍｍ、試験周波数５Ｈｚの条件で４点曲げ疲労試験を行い、５×１０^３回強度における破壊形態を調査した。

さらに、炭素濃度分布の調査を、上記の破壊形態を調査したものと同じ条件で浸炭焼入れ−焼戻し処理した４点曲げ試験片を用いて、次の方法で行った。４点曲げ試験片を、半円切欠きを設けた部位での横断面が調査できるように樹脂に埋め込んで研磨した。その後、切欠き底を最表面として、試験片中心方向への炭素濃度分布を、波長分散型ＥＰＭＡ装置を用いて検量線により測定した。

鋼Ａを用いて、上記の浸炭処理品の炭素濃度分布と４点曲げ疲労試験での破壊形態との相関について調査した結果、下記＜１＞の知見が得られた。

＜１＞最表面から深さ０．２ｍｍの位置までの質量％での平均炭素濃度（以下、「Ｃ（ａｖｅ）」ともいう。）と４点曲げ疲労試験での破壊形態との間には良い相関が認められ、Ｃ（ａｖｅ）が０．４５％以下であれば脆性破壊を抑制することができる。

上記の最表面から深さ０．２ｍｍの位置までの平均炭素濃度は、最表面から中心方向への距離をｘｍｍ、その部位における質量％での炭素濃度をＣ（ｘ）％として、
Ｃ（ａｖｅ）＝｛∫Ｃ（ｘ）ｄｘ｝／０．２＝５×∫Ｃ（ｘ）ｄｘ
の式で表される値を指す。上記の式において、積分区間、つまり「ｘ」の範囲は、０〜０．２（ｍｍ）である。

上記の知見＜１＞を基に、本発明者らは、最表面から深さ０．２ｍｍの位置までの平均炭素濃度を、硬化層部の高靱性化を表すパラメータの一つとして用いることとし、次に示す試験を実施した。

すなわち、表２に示す化学組成を有する鋼Ａ〜Ｅを真空炉溶製して１５０ｋｇ鋼塊を作製した。表２における鋼Ａは、前記表１における鋼Ａを再掲したものである。

上記の各鋼の鋼塊を、１２５０℃に加熱した後、熱間鍛造して直径３０ｍｍの丸棒とした。熱間鍛造後の冷却は大気中での放冷とした。

次いで、熱間鍛造して得た上記の直径３０ｍｍの丸棒に、加熱温度９００℃で６０ｍｉｎ均熱保持した後、大気中で放冷する焼準処理を施した。

上記の焼準処理した直径３０ｍｍの丸棒の中心部から、機械加工によって、断面が１３ｍｍ×１３ｍｍで長さが１００ｍｍの直方体を切り出した。その後、上記直方体の一つの面の長さ方向中央の部位に、半径２ｍｍの半円切欠きを設けて、４点曲げ試験片を作製した。

次いで、上記各鋼について、４点曲げ試験片に対して、均熱温度を９３０℃として浸炭処理し、その後、１２０℃の油中に投入して、「浸炭焼入れ」を行った。上記の浸炭焼入れを行った後、さらに加熱温度１８０℃で１２０ｍｉｎ均熱し、その後、大気中で放冷する焼戻し処理を施した。

鋼Ａについては、４点曲げ試験片に対して、一般的な条件での「浸炭焼入れ−焼戻し」処理も行った。具体的には、「浸炭焼入れ」として、上記の４点曲げ試験片に対して、９３０℃で、炭素ポテンシャルを１．１％として１００ｍｉｎ、次いで、炭素ポテンシャルを０．８％にして、５０ｍｉｎ均熱した後、炭素ポテンシャルを０．８％にしたままで一旦８７０℃まで冷却し、その温度でさらに６０ｍｉｎ保持して浸炭処理し、その後、１２０℃の油中に投入した。上記の浸炭焼入れを行った後、加熱温度１８０℃で１２０ｍｉｎ均熱し、その後、大気中で放冷する焼戻し処理を施した。

表３に、浸炭条件の詳細を示す。なお、表３の「Ｃｐ１」および「Ｃｐ２」は浸炭処理における「炭素ポテンシャル」を表し、先ずＣｐ１の条件で「均熱時間１」に示す時間、浸炭を行い、次いでＣｐ２の条件で「均熱時間２」に示す時間、浸炭を行った。表３における試験番号１７が、上記の一般的な条件での「浸炭焼入れ−焼戻し」処理に相当するものである。この試験番号１７の浸炭条件においては、上記の「炭素ポテンシャルを０．８％にしたままで一旦８７０℃まで冷却し、その温度でさらに６０ｍｉｎ保持」する処理の記載は、表３では省略した。

上記の「浸炭焼入れ−焼戻し」処理した４点曲げ試験片を用いて、硬さおよび炭素濃度分布を調査した。

硬さは、４点曲げ試験片を、半円切欠きを設けた部位での横断面が調査できるように樹脂に埋め込んで研磨した後、ビッカース硬さ（以下、「ＨＶ硬さ」ともいう。）を測定した。ＨＶ硬さ試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に規定された方法で、試験力を２．９４Ｎとして行い、中心部の硬さ（以下、「中心硬さ」という。）および表面部の硬さ（以下、「表面硬さ」という。）を求めた。

中心硬さは、樹脂埋め込みした試験片横断面における一辺を構成する半円切欠きを施した面を基準にして、その面から深さ１０ｍｍの位置を５点測定し、その平均値で表した。表面硬さは、上記の半円切欠きを施した面を基準にして、その面から深さ０．０５ｍｍの位置を５点測定し、その平均値で表した。

炭素濃度分布は次のようにして求めた。先ず、上記の硬さ測定と同様に、４点曲げ試験片を、半円切欠きを設けた部位での横断面が調査できるように樹脂に埋め込んで研磨した。その後、切欠き底を最表面として、試験片中心方向への炭素濃度分布を、波長分散型ＥＰＭＡ装置を用いて検量線により測定した。次いで、上記の測定結果を用いて、最表面から中心方向へ深さ０．２ｍｍの位置までの平均炭素濃度であるＣ（ａｖｅ）を前記「５×∫Ｃ（ｘ）ｄｘ」の式によって求めた。

上記のようにして求めた表面硬さ、中心硬さおよびＣ（ａｖｅ）を表３に併せて示す。

表３に示す試験番号１〜９および試験番号１１〜１３の「浸炭焼入れ−焼戻し」処理した４点曲げ試験片の半円切欠きを設けた面に対して、圧縮残留応力を付与することを目的に、下記［ＳＰ条件Ｉ］のショットピーニング処理を施した。表３に示す試験番号１４〜１６の「浸炭焼入れ−焼戻し」処理した４点曲げ試験片の半円切欠きを設けた面に対しては、下記［ＳＰ条件ＩＩ］のショットピーニング処理を施した。

［ＳＰ条件Ｉ］と［ＳＰ条件ＩＩ］の各ショットピーニング処理は、次に示す条件で２段階に分けて実施した。

［ＳＰ条件Ｉ］について：
１段階目のショットピーニング処理条件：
・投射材：ＨＶ硬さ：７００、平均粒径：０．６ｍｍ、
・投射時間：１２ｓ、
・投射エア圧力：０．３５ＭＰａ、
・カバレージ：５００％、
２段階目のショットピーニング処理条件：
・投射材：ＨＶ硬さ：８００、平均粒径：０．１ｍｍ、
・投射時間：２０ｓ、
・投射エア圧力：０．２ＭＰａ、
・カバレージ：５００％。

［ＳＰ条件ＩＩ］について：
１段階目のショットピーニング処理条件：
・投射材：ＨＶ硬さ：７８０、平均粒径：１．２ｍｍ、
・投射時間：１０ｓ、
・投射エア圧力：０．３５ＭＰａ、
・カバレージ：５００％、
２段階目のショットピーニング処理条件：
・投射材：ＨＶ硬さ：８００、平均粒径：０．１ｍｍ、
・投射時間：８ｓ、
・投射エア圧力：０．２ＭＰａ、
・カバレージ：２００％。

次いで、上記表３に示す試験番号１〜９および試験番号１１〜１６の「浸炭焼入れ−焼戻し」処理の後でさらに各条件のショットピーニング処理を施した４点曲げ試験片および、表３に示す試験番号１０および試験番号１７の「浸炭焼入れ−焼戻し」処理したままでショットピーニング処理を施さなかった４点曲げ試験片を用いて、
・応力比：０．１、
・支点間距離：４５ｍｍ、
・試験周波数：５Ｈｚ、
の条件で４点曲げ疲労試験を行った。

上記４点曲げ疲労試験においては、繰り返し回数が５×１０^３回における亀裂発生強度を「曲げ疲労強度」として評価した。

曲げ疲労強度は、表面硬化処理部品の代表例である試験番号１７の曲げ疲労強度（つまり、肌焼鋼として一般的なＳＣｒ４２０に相当する鋼Ａを用いて、一般的な条件で「浸炭焼入れ−焼戻し」処理したままの状態で曲げ疲労試験に供した試験番号１７の曲げ疲労強度）を基準にして、それより５０％以上向上していることを目標とした。

表４に、上記の曲げ疲労試験結果を示す。表４には、試験番号１７の曲げ疲労強度を基準値とした場合の、その値からの向上率を併せて示した。

図１に、試験番号１７の曲げ疲労強度を基準値とした場合の曲げ疲労強度の向上率を、最表面から深さ０．２ｍｍの位置までの質量％での平均炭素濃度であるＣ（ａｖｅ）で整理して示す。

上記の図１を基にして、本発明者らは、下記＜２＞の結論に達した。

＜２＞最表面から深さ０．２ｍｍの位置までの平均炭素濃度が質量％で、０．３５〜０．６０％の範囲にあれば、例えば、ショットピーニング処理を施して、圧縮残留応力を部品表面に付与することによって、通常浸炭処理品の曲げ疲労強度を基準にした場合の曲げ疲労強度を５０％以上向上させることが可能である。特に、硬化層部の破面形態が「脆性」になる硬化層部の平均炭素濃度が０．４５〜０．６０％の場合でも、ショットピーニング処理等によって、圧縮残留応力を部品表面に付与すれば、脆性破壊を抑制することができ、疲労強度を向上させることが可能である。

ただし、ショットピーニング処理によって圧縮残留応力を付与できるものの、残留応力にも炭素濃度と同様に分布があり、この残留応力分布はショットピーニングの処理条件によって変化することが考えられる。

一般には、「高サイクル域」における疲労強度とショットピーニング処理によって導入された圧縮残留応力の最小値（絶対値で表した場合の最大値）との間には相関があるといわれている。しかしながら、「低〜中サイクル域」における疲労強度と圧縮残留応力の最小値との間にも同じ相関関係が成り立つかは不明である。

さらに、ショットピーニング処理は、通常の場合、炭素ポテンシャルを０．８％程度にした浸炭処理品に代表されるような硬化層部の硬さがＨＶ硬さで７２０以上になるような部品に対して行われる。このため、ショットピーニング処理に伴う表面粗さの変化については、それほど問題にはならないと考えられる。

しかしながら、前記＜２＞の質量％で、０．３５〜０．６０％というＣ（ａｖｅ）の値は、上記の炭素ポテンシャルを０．８％程度にした浸炭処理の場合の平均炭素濃度に比べて低い。このため、Ｃ（ａｖｅ）が０．３５〜０．６０％の場合の硬化層部の硬さは、０．８％程度の炭素ポテンシャルで浸炭処理した通常の浸炭品の硬化層部の硬さに比べて低く、このため、圧縮残留応力を付与するためにショットピーニング処理した場合には、表面粗さの変化も大きくなることが考えられる。

しかも、「低〜中サイクル」域における疲労の場合には、比較的大きな負荷応力が衝撃的に作用する。このため、表面粗さが粗い場合は、「切欠き効果」となって疲労強度の低下をきたすことが想定される。

そこでさらに、本発明者らは、「低〜中サイクル域」における疲労強度と、圧縮残留応力および表面粗さとの相関について検討調査した。

すなわち、先ず、表４に曲げ疲労特性を示した４点曲げ試験片と同じ条件で処理した４点曲げ試験片（具体的には、上記の曲げ疲労試験を行った４点曲げ試験片と同じ条件で「浸炭焼入れ−焼戻し」処理とショットピーニング処理を施した試験番号１〜９および試験番号１１〜１６の４点曲げ試験片、ならびに、「浸炭焼入れ−焼戻し」処理だけを施した試験番号１０および試験番号１７の４点曲げ試験片）を用いて、その半円切欠き底の表面に導入された圧縮残留応力、つまり、最表面における圧縮残留応力（以下、「σｒ（０）」という。）の値、および最表面から１００μｍの位置における圧縮残留応力（以下、「σｒ（１００）」という。）の値を調査した。

圧縮残留応力は、電解研磨により表面から所定の深さ位置まで研磨し、各深さ位置で回折Ｘ線の強度を測定し、その測定で得られたピーク強度の半値幅とピーク中心位置との関係から求めた。

表５に、上記の残留応力調査結果を示す。なお、表５には、最表面から深さが１００μｍまでの位置について、その最表面からの深さ（以下、単に「深さ」ともいう。）をｙμｍ、残留応力をσｒ（ｙ）として、
Ｉｒ＝∫｜σｒ（ｙ）｜ｄｙ
の式で表される残留応力強度指数Ｉｒを併せて示した。

なお、上記の式における「｜σｒ（ｙ）｜」は、最表面からの深さがｙμｍである部位の圧縮残留応力の絶対値を指す。また、積分区間、つまり「ｙ」の範囲は、０〜１００（μｍ）である。

残留応力強度指数Ｉｒは、例えば、次の(1)〜(8)に示す方法によって求めることができる。
(1)対象となる試験片の最表面を基準位置である０μｍとする。
(2)電解研磨によって、深さｙ(1)μｍの位置まで研磨する。
(3)深さｙ(1)μｍの部位における圧縮残留応力をＸ線を用いて測定する。このＸ線による圧縮残留応力測定方法は、一般的な方法で良い。
(4)次に、再度電解研磨によって、深さｙ(2)μｍの位置まで研磨する。
(5)上記(3)と同様にして、深さｙ(2)μｍの部位における圧縮残留応力を測定する。
(6)深さ１００μｍの位置まで、上記の電解研磨を繰り返し、電解研磨した各深さの部位における圧縮残留応力を測定する。
(7)深さ０〜１００μｍの位置について、得られた深さと圧縮残留応力の関係を、横軸に深さ、縦軸に圧縮残留応力の絶対値をとってプロットし、深さと圧縮残留応力の絶対値との関係を関数として求める（換言すれば、曲線で近似する）。
(8)上記(7)で得られた曲線が縦軸と横軸で挟まれた部分の面積を算出すれば、圧縮残留応力の絶対値の積分である残留応力強度指数Ｉｒを求めることができる。

表５に示したＩｒは、上記(1)〜(8)に示す方法において、深さ０μｍ、１０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、８０μｍ、１００μｍの各位置について、圧縮残留応力を測定して求めた値である。

表５には、前記表４における「曲げ疲労強度向上率」も併記した。

表５から、下記＜３＞の事項が新たに判明した。

＜３＞曲げ疲労強度向上率に対して、σｒ（０）、σｒ（１００）および残留応力の分布状態が大きく影響する。そして、前記の曲げ疲労強度向上率が５０％以上という目標を達成できるのは、σｒ（０）およびσｒ（１００）がいずれも−８００ＭＰａ以下を満足し、かつ、上記の残留応力強度指数Ｉｒが８００００以上の場合である。

上記のσｒ（０）、σｒ（１００）および残留応力強度指数Ｉｒが、曲げ疲労強度向上率に影響するのは、これらのパラメータが疲労亀裂の発生に影響を及ぼすためと考えられる。

しかしながら、表５から明らかなように、たとえ上記 ＜３＞の条件を満足していても、試験番号１４〜１６のように曲げ疲労強度向上率が低く、５０％以上という目標に達していない場合がある。

上記曲げ疲労強度向上率の低下原因として、試験片の表面粗さが考えられる。すなわち、試験片の表面粗さは、疲労亀裂の発生に対して影響を及ぼし、部品の表面粗さが粗い場合には「切欠き効果」によって疲労亀裂が容易に発生し、このため疲労強度が低下したことが考えられる。

そこで次に、圧縮残留応力を測定した場合と同様に、表４に曲げ疲労特性を示した４点曲げ試験片と同じ条件で処理した４点曲げ試験片（具体的には、同じ条件で「浸炭焼入れ−焼戻し」処理とショットピーニング処理を施した試験番号１〜９および試験番号１１〜１６の４点曲げ試験片、ならびに、「浸炭焼入れ−焼戻し」処理だけを施した試験番号１０および試験番号１７の４点曲げ試験片）を用いて表面粗さ（具体的には、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）に規定された最大高さ粗さＲｚ）を測定した。

表６に、上記のＲｚ測定結果を示す。表６には、前記表４の「曲げ疲労強度向上率」、表５の「σｒ（０）」、「σｒ（１００）」および「残留応力強度指数Ｉｒ」を併記した。

表６から、下記＜４＞の事項が新たに明らかになった。

＜４＞「低〜中サイクル域」における曲げ疲労強度向上率に対して、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）に規定された最大高さ粗さＲｚが大きく影響する。そして、前記の曲げ疲労強度向上率が５０％以上という目標を達成できるのは、Ｒｚが１５μｍ以下の場合である。このため、圧縮残留応力をショットピーニング処理によって付与する場合には、最終的に〔Ｒｚ≦１５μｍ〕を満足できるような条件でショットピーニング処理する必要がある。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記（１）〜（３）に示す浸炭部品および（４）に示す浸炭部品の製造方法にある。

（１）鋼製の浸炭部品であって、生地の鋼が、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．０３〜０．５０％、Ｍｎ：０．６０％を超えて１．５％以下、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００６〜０．０３０％、Ｃｒ：０．０５〜２．０％、Ａｌ：０．１０％以下、Ｎ：０．０３％以下およびＯ：０．００２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有する鋼であり、表面硬化層部が下記（ａ）〜（ｃ）の条件を満たす、ことを特徴とする浸炭部品。
（ａ）Ｃ（ａｖｅ）：質量％で０．３５〜０．６０％、
（ｂ）表面粗さＲｚ：１５μｍ以下、ならびに、
（ｃ）σｒ（０）：−８００ＭＰａ以下、σｒ（１００）：−８００ＭＰａ以下および残留応力強度指数Ｉｒ：８００００以上。

「Ｃ（ａｖｅ）」は、最表面から深さ０．２ｍｍの位置までの平均炭素濃度で、最表面から中心方向へのｍｍ単位での距離をｘ、その部位における質量％での炭素濃度をＣ（ｘ）％として、〔Ｃ（ａｖｅ）＝５×∫Ｃ（ｘ）ｄｘ〕で表される値を指す。ここで、積分区間、つまり「ｘ」の範囲は、０〜０．２（ｍｍ）である。

表面粗さ「Ｒｚ」は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）に規定された「最大高さ粗さ」を指す。

「σｒ（０）」は、部品の最表面における圧縮残留応力、「σｒ（１００）」は、部品の最表面から１００μｍの位置における圧縮残留応力を指す。

残留応力強度指数「Ｉｒ」は、部品の最表面から１００μｍ深さまでの位置での最表面からの深さをｙμｍ、その部位における残留応力をσｒ（ｙ）として〔Ｉｒ＝∫｜σｒ（ｙ）｜ｄｙ〕で表される値を指す。ここで、積分区間、つまり「ｙ」の範囲は、０〜１００（μｍ）である。

（２）生地の鋼が、残部としてのＦｅの一部に代えて、質量％で、Ｍｏ：０．５０％未満、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：３．０％以下およびＢ：０．００３０％以下のうちから選ばれる１種以上を含む化学組成を有する鋼であることを特徴とする上記（１）に記載の浸炭部品。

（３）生地の鋼が、残部としてのＦｅの一部に代えて、質量％で、Ｔｉ：０．１０％以下、Ｎｂ：０．１０％以下およびＶ：０．３０％以下のうちから選ばれる１種以上を含む化学組成を有する鋼であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の浸炭部品。

（４）上記（１）から（３）までのいずれかに記載の生地の化学組成を有する鋼を用いて所望の形状に成形加工された部品に、下記の工程（ａ）および工程（ｂ）に記載の処理を順に施し、下記（ａ）〜（ｃ）の条件を満たす表面硬化層部を形成することを特徴とする浸炭部品の製造方法。

工程（ａ）：炭素ポテンシャルが０．３５〜０．９０％の雰囲気で浸炭処理することにより、部品の最表面から深さ０．２ｍｍの位置までの平均炭素濃度Ｃ（ａｖｅ）が質量％で、０．３５〜０．６０％となるようにして焼入れ処理するか、あるいは、前記焼入れ処理の後、さらに、２００℃以下の温度で焼戻し処理する。

工程（ｂ）：下記の条件を満たす２段階ショットピーニング処理を施す。
１段階目のショットピーニング処理条件：
・投射材のＨＶ硬さ：６５０〜７５０、
・投射材の平均粒径：０．６〜１．０ｍｍ、
・カバレージ：５００％以上、
２段階目のショットピーニング処理条件：
・投射材のＨＶ硬さ：７００〜８５０、
・投射材の平均粒径：０．０５〜０．２５ｍｍ、
・カバレージ：５００％以上。
（ａ）Ｃ（ａｖｅ）：質量％で０．３５〜０．６０％、
（ｂ）表面粗さＲｚ：１５μｍ以下、ならびに、
（ｃ）σｒ（０）：−８００ＭＰａ以下、σｒ（１００）：−８００ＭＰａ以下および残留応力強度指数Ｉｒ：８００００以上。
ただし、
Ｃ（ａｖｅ）：最表面から深さ０．２ｍｍの位置までの平均炭素濃度、
表面粗さＲｚ：ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）に規定された最大高さ粗さ、
σｒ（０）：部品の最表面における圧縮残留応力、
σｒ（１００）：部品の最表面から１００μｍの位置における圧縮残留応力、
残留応力強度指数Ｉｒ：部品の最表面から１００μｍ深さまでの位置での最表面からの深さをｙμｍ、その部位における残留応力をσｒ（ｙ）として〔Ｉｒ＝∫｜σｒ（ｙ）｜ｄｙ〕で表される値を指す。ここで、積分区間、つまり「ｙ」の範囲は、０〜１００（μｍ）である。

本明細書でいう残部としての「Ｆｅおよび不純物」における「不純物」とは、鉄鋼材料を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ等あるいは環境などから混入するものを指す。

本発明の浸炭部品の「低〜中サイクル域」での疲労強度は、従来の浸炭焼入れ−焼戻し処理した部品のそれに比べて大幅に向上している。このため、本発明の浸炭部品は、衝撃的でしかも比較的大きな負荷が加わることのある自動車、建設機械、産業機械等の各種シャフト類あるいは動力伝達用部品等として用いるのに好適である。

表３における試験番号１７の曲げ疲労強度を基準値とした場合の曲げ疲労強度の向上率を、最表面から０．２ｍｍ深さまでの質量％での平均炭素濃度であるＣ（ａｖｅ）で整理して示す図である。

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」は「質量％」を意味する。

（Ａ）生地の鋼の化学組成
Ｃ：０．１５〜０．２５％
Ｃは、鋼の強度を確保する作用および浸炭焼入れ後の硬化層硬さを確保する作用を有する。しかしながら、浸炭処理を前提とした場合、その含有量が０．１５％未満では、自動車、建設機械、産業機械等の各種シャフト類あるいは動力伝達用部品等として用いるのに適した強度が得られない。一方、Ｃの含有量が０．２５％を超えると、所定の形状に成形加工を行う際の被削性が低下する。したがって、Ｃの含有量を０．１５〜０．２５％とした。

疲労強度に対しては、部品の中心硬さも影響する。そして、特に、各種シャフト類あるいは動力伝達用部品等として用いるには、部品の中心硬さがＨＶ硬さで３５０以上であることが好ましい。したがって、Ｃ含有量の下限は０．２０％とすることが好ましい。Ｃ含有量の上限は０．２４％とすることが好ましい。

Ｓｉ：０．０３〜０．５０％
Ｓｉは、脱酸元素であり、さらに、マルテンサイト組織を焼戻し処理する際の硬さの低下を抑制する、いわゆる「焼戻し軟化抵抗」作用を有する元素である。しかしながら、その含有量が０．０３％未満ではこうした効果を得難い。一方、Ｓｉ含有量の増加に伴ってＡ_３変態点が上昇し、脱炭および浸炭時の異常層が生じやすくなり、特に、その含有量が０．５０％を超えると、脱炭および浸炭異常層の生成が顕著になる。したがって、Ｓｉの含有量を０．０３〜０．５０％とした。Ｓｉ含有量の下限は好ましくは０．０８％である。Ｓｉ含有量の上限は好ましくは０．３５％である。

Ｍｎ：０．６０％を超えて１．５％以下
Ｍｎは、焼入れ性を向上させるのに有効な元素である。さらに、Ｍｎは、浸炭処理後の硬化層部の残留オーステナイト量を増大させる作用を有し、特に、Ｍｎの含有量が０．６０％を超えると、浸炭処理後の硬化層部に残留オーステナイトを形成する。このため、ショットピーニング処理によって圧縮残留応力を付与する場合、その圧縮残留応力を深く、かつ安定的に導入することができる。しかしながら、１．５％を超えてＭｎを含有させても前記の効果が飽和することに加えて、残留オーステナイトが過剰に生成することによりショットピーニング加工後の表面粗さが粗くなる。そのうえに、コストも嵩んでしまう。したがって、Ｍｎの含有量を０．６０％を超えて１．５％以下とした。圧縮残留応力をショットピーニング処理によって付与する場合、その圧縮残留応力をより深く、かつより安定的に導入するためには、特に、Ｍｎ含有量の下限を０．７０％とすることが好ましく、その上限を１．２０％とすることが好ましい。

Ｐ：０．０１５％以下
Ｐは、焼入れ時の硬化層の靱性を劣化させ、特に、その含有量が０．０１５％を超えると、硬化層の靱性低下が著しくなる。したがって、Ｐの含有量を、０．０１５％以下とした。なお、Ｐの含有量は、０．０１０％以下にすることが好ましい。

Ｓ：０．００６〜０．０３０％
Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、被削性、なかでも切り屑処理性を高める作用を有する。しかしながら、Ｓの含有量が０．００６％未満では、こうした効果を得難い。一方、Ｓの含有量が多くなって形成されるＭｎＳが多くなると、被削性は改善されても、疲労強度の低下を招き、特に、Ｓの含有量が０．０３０％を超えると、疲労強度の低下が著しくなる。したがって、Ｓの含有量を０．００６〜０．０３０％とした。Ｓ含有量の下限は好ましくは０．００８％である。Ｓ含有量の上限は好ましくは０．０２０％である。

Ｃｒ：０．０５〜２．０％
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を向上させる効果がある。Ｃｒは、浸炭処理などの表面硬化処理時にＣと結合して複合炭化物を形成するので、耐摩耗性を向上させる効果も有する。これらの効果を確実に得るには、Ｃｒは０．０５％以上の含有量とする必要がある。しかしながら、Ｃｒの含有量が２．０％を超えると靱性が劣化する。したがって、Ｃｒ含有量を０．０５〜２．０％とした。Ｃｒ含有量の下限は好ましくは０．１０％である。Ｃｒ含有量の上限は好ましくは１．８５％である。

Ａｌ：０．１０％以下
Ａｌは、鋼の脱酸の安定化および均質化を図る作用を有する。しかしながら、その含有量が０．１０％を超えると、前記効果が飽和することに加えて靱性が劣化するようになる。したがって、Ａｌの含有量を０．１０％以下とした。Ａｌの含有量は、好ましくは、０．０８％以下、より好ましくは０．０５％以下である。

Ａｌの含有量については、特に下限を設ける必要はない。しかしながら、Ａｌ含有量の過度の低減は、脱酸効果が十分に得られず鋼の清浄性が低下するとともに、製造コストの増大を招く。そのため、Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００５％である。少なくともＡｌを０．００５％含んでおれば、脱酸の安定化および均質化効果は十分である。

Ｎ：０．０３％以下
Ｎは、鋼中に固溶し、この固溶Ｎ量が増加すると、熱間変形能の低下をきたす。したがって、Ｎの含有量を、０．０３％以下とした。Ｎの含有量は可能な限り低減することが好ましい。

Ｏ：０．００２０％以下
Ｏ（酸素）は、鋼中に不純物として存在し、鋼中の元素と結合して酸化物を形成し、強度低下、なかでも疲労強度の低下を招く。特に、Ｏの含有量が０．００２０％を超えると、形成される酸化物が多くなるとともにＭｎＳが粗大化して、疲労強度の低下が顕著になる。したがって、Ｏの含有量を０．００２０％以下とした。Ｏの含有量は０．００１５％以下とすることが好ましい。

本発明の浸炭部品の生地の鋼の一つは、上記元素のほか、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有するものである。

本発明の浸炭部品の生地の鋼の他の一つは、前記残部としての「Ｆｅおよび不純物」におけるＦｅの一部に代えて、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂ、Ｔｉ、ＮｂおよびＶのうちから選んだ１種以上の元素を含有する化学組成を有するものである。

以下、任意元素である上記Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂ、Ｔｉ、ＮｂおよびＶの作用効果と、含有量の限定理由について説明する。

Ｍｏ、Ｃｕ、ＮｉおよびＢは、焼入れ性を向上させる作用を有する。このため、より大きな焼入れ性を確保したい場合には、これらの元素を含有させてもよい。以下、上記のＭｏ、Ｃｕ、ＮｉおよびＢについて説明する。

Ｍｏ：０．５０％未満
Ｍｏは、鋼の焼入れ性を向上させるのに有効な元素である。Ｍｏは、粒界脆化の原因となる粒界セメンタイトの生成抑制および焼戻し軟化抵抗を高めて、面疲労強度を向上させるのに有効な元素でもある。しかしながら、Ｍｏを０．５０％以上含有させても、前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。このため、Ｍｏを含有させる場合、その量を０．５０％未満とした。Ｍｏ含有量の上限は０．３５％とすることが好ましい。

一方、安定して鋼の焼入れ性を向上させ、かつ、粒界セメンタイトの抑制効果および面疲労強度の向上効果を得るためには、Ｍｏ含有量の下限は０．１０％とすることが好ましい。

Ｃｕ：１．０％以下
Ｃｕは、焼入れ性を向上させる作用を有する。したがって、この効果を得るためにＣｕを含有してもよい。しかしながら、Ｃｕの含有量が１．０％を超えると、熱間加工性を劣化させる。したがって、Ｃｕを含有させる場合、その量を１．０％以下とした。Ｃｕの含有量は０．５０％以下とすることが好ましい。

一方、前記したＣｕの効果を確実に得るためには、Ｃｕ含有量の下限を０．０５％とすることが好ましく、０．１０％とすれば一層好ましい。

Ｎｉ：３．０％以下
Ｎｉは、焼入れ性を向上させる作用を有する。したがって、この効果を得るためにＮｉを含有してもよい。しかしながら、３．０％を超える量のＮｉを含有させても上記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｎｉを含有させる場合、その量を３．０％以下とした。Ｎｉの含有量は２．０％以下とすることが好ましい。

一方、前記したＮｉの効果を確実に得るためには、Ｎｉ含有量の下限を０．０５％とすることが好ましく、０．１０％とすれば一層好ましい。

Ｂ：０．００３０％以下
Ｂは、焼入れ性を向上させる作用を有する。Ｂには、焼入れ時のオーステナイト粒界におけるＰおよびＳの偏析を抑制する作用もある。したがって、こうした効果を得るためにＢを含有してもよい。しかしながら、０．００３０％を超える量のＢを含有させても上記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｂを含有させる場合、その量を０．００３０％以下とした。なお、Ｂの含有量は０．００２０％以下とすることが好ましい。

一方、前記したＢの効果を確実に得るためには、Ｂ含有量の下限を０．０００５％とすることが好ましく、０．００１０％とすれば一層好ましい。

上記した範囲の量のＢを含有する場合であっても、Ｂが鋼中のＮと結合してＢＮを形成した場合には、上述した効果が期待できない。したがって、Ｂの効果、つまり、焼入れ性向上効果ならびに、ＰおよびＳがオーステナイト粒界に偏析することを抑制する効果を発揮させるためには、鋼中のＮ含有量を低減する必要がある。

上記のＭｏ、Ｃｕ、ＮｉおよびＢは、そのうちのいずれか１種のみ、または、２種以上の複合で含有させることができる。これらの元素の合計含有量は４．５０３０％未満であってもよいが、４．０％以下とすることが好ましい。

次に、Ｔｉ、ＮｂおよびＶは、結晶粒を微細化させる作用を有する。このため、この効果を確保したい場合には、これらの元素を含有させてもよい。以下、上記のＴｉ、ＮｂおよびＶについて説明する。

Ｔｉ：０．１０％以下
Ｔｉは、結晶粒を微細化させる作用を有する。すなわち、Ｔｉは、鋼中のＣあるいはＮと結合して炭化物、窒化物あるいは炭窒化物を形成し、焼入れの際に結晶粒を微細化する作用を有する。したがって、この効果を得るためにＴｉを含有してもよい。しかしながら、０．１０％を超える量のＴｉを含有させた場合、結晶粒の微細化効果およびＮの固定効果は得られるが、靱性を低下させてしまう。したがって、Ｔｉを含有させる場合、その量を０．１０％以下とした。Ｔｉの含有量は０．０８％以下とすることが好ましい。

一方、前記したＴｉの効果を確実に得るためには、Ｔｉ含有量の下限を０．０１０％とすることが好ましく、０．０１５％とすれば一層好ましい。

Ｎｂ：０．１０％以下
Ｎｂは、結晶粒を微細化させる作用を有する。すなわち、Ｎｂは、鋼中のＣあるいはＮと結合して炭化物、窒化物あるいは炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化する作用を有する。Ｎｂには、鋼の強度を向上させる作用もある。したがって、これらの効果を得るためにＮｂを含有してもよい。しかしながら、０．１０％を超える量のＮｂを含有させても、前記の効果が飽和するのでコストが嵩むことになり、さらに、靱性の低下も生じる。したがって、Ｎｂを含有させる場合、その量を０．１０％以下とした。Ｎｂの含有量は０．０８％以下とすることが好ましい。

一方、前記したＮｂの効果を確実に得るためには、Ｎｂ含有量の下限を０．０１％とすることが好ましく、０．０１５％とすれば一層好ましい。

Ｖ：０．３０％以下
Ｖは、結晶粒を微細化させる作用を有する。すなわち、Ｖは、鋼中のＣあるいはＮと結合して炭化物、窒化物あるいは炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化する作用を有する。Ｖには、鋼の強度を向上させる作用もある。したがって、これらの効果を得るためにＶを含有してもよい。しかしながら、０．３０％を超える量のＶを含有させても、前記の効果が飽和するのでコストが嵩むことになり、さらに、靱性の低下も生じる。したがって、Ｖを含有させる場合、その量を０．３０％以下とした。Ｖの含有量は０．２５％以下とすることが好ましい。

一方、前記したＶの効果を確実に得るためには、Ｖ含有量の下限を０．００５％とすることが好ましく、０．０１０％とすれば一層好ましい。

上記のＴｉ、ＮｂおよびＶは、そのうちのいずれか１種のみ、または、２種以上の複合で含有させることができる。これらの元素の合計含有量は０．５０％以下であってもよいが、０．４０％以下とすることが好ましい。

（Ｂ）表面の硬化層部の特性
生地の鋼が、前記（Ａ）項で述べた化学組成を有する本発明の浸炭部品は、その表面の硬化層部が下記（ａ）〜（ｃ）の条件を満たすものでなければならない。

（ａ）Ｃ（ａｖｅ）：０．３５〜０．６０％、
（ｂ）表面粗さＲｚ：１５μｍ以下、
（ｃ）σｒ（０）：−８００ＭＰａ以下、σｒ（１００）：−８００ＭＰａ以下および残留応力強度指数Ｉｒ：８００００以上。

以下、上記（ａ）〜（ｃ）のそれぞれについて説明する。

（ａ）Ｃ（ａｖｅ）：
浸炭部品の表面の硬化層部の炭素濃度は疲労強度に大きく影響を与える。最表面から深さ０．２ｍｍの位置までの平均炭素濃度であるＣ（ａｖｅ）が、０．３５％未満の場合には、脆性破壊は生じないが疲労強度が低く、一方、０．６０％を超えた場合には、脆性破壊が生じ、たとえ、圧縮残留応力が付与された場合でも、疲労強度を向上させることが困難である。したがって、Ｃ（ａｖｅ）を０．３５〜０．６０％とした。Ｃ（ａｖｅ）の下限は好ましくは０．３８％である。Ｃ（ａｖｅ）の上限は好ましくは０．５８％である。

（ｂ）表面粗さＲｚ：
浸炭部品の表面粗さは、疲労亀裂の発生に対して影響を及ぼす。部品の表面粗さが粗い場合には「切欠き効果」によって疲労亀裂が容易に発生し、このため疲労強度が低下する。特に、「低〜中サイクル域」において、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）に規定された「最大高さ粗さ」であるＲｚが１５μｍを超える場合は、切欠き効果が顕著になり、疲労強度を向上させることができない。したがって、表面粗さＲｚを１５μｍ以下とした。Ｒｚの上限は１３μｍとすることが好ましい。Ｒｚが２．０μｍより小さくなると、摺動の際に焼付きが生じる危険性が高くなる。このため、Ｒｚの下限は２．０μｍとすることが好ましい。

（ｃ）残留応力（σｒ（０）、σｒ（１００）および残留応力強度指数Ｉｒ）：
圧縮残留応力を部品表面に付与することによって、疲労強度を高めることができるものの、最表面から１００μｍの位置までの残留応力の分布状態が大きく影響する。

最表面における圧縮残留応力である「σｒ（０）」および最表面から１００μｍの位置における圧縮残留応力である「σｒ（１００）」がともに−８００ＭＰａより大きければ（つまり、それらの絶対値がともに８００ＭＰａより小さければ）、疲労強度の向上が望めない。さらに、たとえ、「σｒ（０）≦−８００ＭＰａ」および「σｒ（１００）≦−８００ＭＰａ」を満足していても、残留応力強度指数Ｉｒが８００００より小さい場合には、疲労強度向上効果が期待できない。

したがって、σｒ（０）：−８００ＭＰａ以下、σｒ（１００）：−８００ＭＰａ以下および残留応力強度指数Ｉｒ：８００００以上、の全てを満たすこととした。

σｒ（０）の上限は−８５０ＭＰａであることが好ましい。σｒ（１００）の上限は−８５０ＭＰａであることが好ましい。さらに、残留応力強度指数Ｉｒの下限は８２０００であることが好ましい。

一方、圧縮残留応力であるσｒ（０）およびσｒ（１００）は小さいほど（つまり、絶対値が大きいほど）疲労強度の向上に寄与する。このため、それらの下限は特に定めるものではない。

最表面から深さが１００μｍまでの位置について、その最表面からの深さをｙμｍ、残留応力をσｒ（ｙ）として、
Ｉｒ＝∫｜σｒ（ｙ）｜ｄｙ
の式で表される残留応力強度指数Ｉｒは、疲労強度向上に寄与する圧縮残留応力の積分値であり、残留応力強度指数が大きいほど、疲労強度が向上する割合が大きくなる。このため、残留応力強度指数Ｉｒの上限も特に定めるものではない。

（Ｃ）製造条件について：
以下に詳述する製造条件は、工業的な規模で本発明の浸炭部品を経済的に要領よく実現するための方法の一つであり、浸炭部品自体の技術的範囲はこの製造条件によって規定されるものではない。

本発明に係る浸炭部品は、（Ａ）項に記載の生地の化学組成を有する鋼を用いて所望の形状に成形加工された部品に、例えば、下記の工程（ａ）および（ｂ）に記載の処理を順に施すことにより製造することができる。

工程（ａ）の処理を施す前の成形加工部品の製造については、特にその条件を特定する必要はない。

（Ｃ−１）工程（ａ）の「浸炭焼入れ」処理あるいは「浸炭焼入れ−焼戻し」処理：
工程（ａ）では、炭素ポテンシャルが０．３５〜０．９０％の雰囲気で浸炭処理することにより、部品の最表面から深さ０．２ｍｍの位置までの平均炭素濃度が質量％で、０．３５〜０．６０％となるように調整してから、焼入れ処理するか、あるいは、前記焼入れ処理の後、さらに、２００℃以下の温度で焼戻し処理する。

すなわち、「浸炭焼入れ」処理あるいは「浸炭焼入れ−焼戻し」処理である工程（ａ）において、炭素ポテンシャルが０．３５〜０．９０％の雰囲気で浸炭処理すれば、例えば、浸炭の温度と均熱時間を管理するだけで、容易に、前記（Ｂ）項の表面の硬化層部の特性としての最表面から深さ０．２ｍｍの位置までの平均炭素濃度であるＣ（ａｖｅ）を０．３５〜０．６０％に調整することが可能である。

上記の雰囲気中での浸炭処理は、例えば、温度を８９０〜９５０℃、均熱時間を１２０〜３００ｍｉｎとして行えばよい。

上記の焼戻し処理における温度の好ましい下限値は１００℃である。１００℃以上とすることにより、低濃度浸炭焼入れ後、時間をおいて割れる現象（置き割れ）を十分防止できる。

（Ｃ−２）工程（ｂ）のショットピーニング処理：
浸炭部品の表面硬化層部に、圧縮残留応力を付与する１つの手段としてのショットピーニングは、工程（ｂ）の２段階ショットピーニング処理、つまり、
１段階目のショットピーニング処理条件：
・投射材のＨＶ硬さ：６５０〜７５０、
・投射材の平均粒径：０．６〜１．０ｍｍ、
・カバレージ：５００％以上、
２段階目のショットピーニング処理条件：
・投射材のＨＶ硬さ：７００〜８５０、
・投射材の平均粒径：０．０５〜０．２５ｍｍ、
・カバレージ：５００％以上、
として行うのがよい。

本発明の浸炭部品の表面の硬化層部は、前述のとおりＣ（ａｖｅ）が０．３５〜０．６０％であるため、従来の浸炭部品に比べて表面硬化層部の硬さが低くなっている。

このような従来の浸炭部品より硬化層部の硬さが低いものに対して、圧縮残留応力を付与する１つの手段であるショットピーニングを、従来の浸炭部品、つまり、硬化層部の硬さがＨＶ硬さで７２０以上であるような部品に対するのと同様に、硬質な投射材（以下、「ショット球」ともいう。）を用いて行うと、圧縮残留応力を付与することはできるものの、前記（Ｂ）項の表面の硬化層部の特性としての、σｒ（０）：−８００ＭＰａ以下、σｒ（１００）：−８００ＭＰａ以下および残留応力強度指数Ｉｒ：８００００以上という条件の全てを同時に満たすことが難しい。しかも、部品の表面粗さＲｚが大きくなって１５μｍを超える場合があるため、本発明の目的である「低・中サイクル疲労強度」を向上できないばかりか、逆に低下させてしまう場合もある。

しかしながら、上記の２段階ショットピーニング処理を行えば、前記（Ｂ）項の表面の硬化層部の特性としての表面粗さＲｚ：１５μｍ以下、σｒ（０）：−８００ＭＰａ以下、σｒ（１００）：−８００ＭＰａ以下および残留応力強度指数Ｉｒ：８００００以上の条件の全てを、安定かつ容易に達成することができる。

以下、本発明における上記工程（ｂ）の２段階ショットピーニング処理について、詳しく説明する。

（Ｃ−２−１）１段階目のショットピーニング処理：
工程（ｂ）の２段階ショットピーニング処理における１段階目のショットピーニング処理は、主に浸炭部品の表面硬化層を深い位置まで塑性変形させて、前記（Ｂ）項の表面の硬化層部の特性としての、σｒ（０）：−８００ＭＰａ以下、σｒ（１００）：−８００ＭＰａ以下および残留応力強度指数Ｉｒ：８００００以上という３条件を同時に満たすために行うものである。上記のショットピーニング処理は、
・投射材のＨＶ硬さ：６５０〜７５０、
・投射材の平均粒径：０．６〜１．０ｍｍ、
・カバレージ：５００％以上、
として実施するのがよい。

投射材のＨＶ硬さが６５０未満では、表面硬化層の深い位置までを塑性変形させることが困難であり、所望の圧縮残留応力を付与することができない場合がある。一方、投射材のＨＶ硬さが７５０を超える場合には、浸炭部品の表面粗さＲｚが大きくなって１５μｍを超えることがあり、所望の疲労強度を得られない場合がある。したがって、投射材の硬さはＨＶ硬さで６５０〜７５０とするのがよい。表面粗さＲｚが大きくなるのを抑えるために、投射材の硬さの上限はＨＶ硬さで７００とすることがより好ましい。投射材の硬さの下限はＨＶ硬さで６８０とすることがより好ましい。

浸炭部品の表面にショット球を衝突させた際に形成される塑性変形領域、つまり、最表面からの深さは、ショット球の平均粒径に影響され、平均粒径が大きいほど、部品最表面から深く塑性変形する。１段階目のショットピーニング処理におけるショット球の平均粒径が０．６ｍｍを下回る場合には、σｒ（１００）を−８００ＭＰａ以下にできないことがある。一方、ショット球の平均粒径が１．０ｍｍを超えると、浸炭部品の表面粗さＲｚが大きくなって１５μｍを超え、所望の疲労強度を得られない場合がある。したがって、投射材の平均粒径は０．６〜１．０ｍｍとするのがよい。浸炭部品の表面粗さＲｚが大きくなることを抑えるために、投射材の平均粒径の上限は０．８ｍｍとすることがより好ましい。投射材の平均粒径の下限は０．６５ｍｍとすることがより好ましい。

投射材のＨＶ硬さおよび平均粒径がそれぞれ、上述の６５０〜７５０および０．６〜１．０ｍｍであっても、カバレージが５００％未満の場合には、投射材の衝突により形成された浸炭部品表面の大きな凹凸が残存するため、たとえ２段階目のショットピーニング処理を行っても、表面粗さを、最大高さ粗さＲｚで１５μｍ以下にすることができない場合がある。したがって、カバレージは５００％以上とするのがよい。カバレージの下限は５５０％とすることがより好ましい。カバレージを大きくすれば、表面粗さＲｚを小さくできるが、ショットピーニング処理時間が増加するため、生産性の観点から、カバレージの上限は７００％とすることが好ましい。

カバレージは、浸炭部品の被ショットピーニング面積に対する投射材の投射痕面積（圧痕面積）の総和の比から求めることができる。１回のショットピーニングでのカバレージがＣ１であるとき、ｎ回のショットピーニングでのカバレージは、
Ｃｎ＝［１−（１−Ｃ１）^ｎ］×１００
の式で表わされ、その算出値が９８％程度になったとき、これをフルカバレージとみなし、１００％とする。そして、カバレージ５００％とはカバレージが１００％に達する時間を５倍にした状態をいう。

１段階目のショットピーニング処理は、アークハイトを０．３０〜０．６０ｍｍＮとして行うのが、一層好ましい。これは、アークハイトが０．３０ｍｍＮより小さいと、浸炭部品表面の塑性変形領域が小さくなって、圧縮残留応力を所望の深さまで付与できないことがあって、一方、アークハイトが０．６０ｍｍＮより大きいと、浸炭部品の深い位置まで圧縮残留応力を付与できるものの、付与された圧縮残留応力の絶対値が小さくなることがあって、いずれの場合にも所望の疲労強度を得ることができないことがあるためである。アークハイトの下限は０．５０ｍｍＮとすることがより好ましい。

（Ｃ−２−２）２段階目のショットピーニング処理：
工程（ｂ）の２段階ショットピーニング処理における２段階目のショットピーニング処理は、１段階目の投射材よりも平均粒径が小さい投射材を用いることで、主に１段階目のショットピーニング処理を行った浸炭部品の表面硬化層の極表面近傍に圧縮残留応力を付与して、前記（Ｂ）項の表面の硬化層部の特性としての、σｒ（０）：−８００ＭＰａ以下、σｒ（１００）：−８００ＭＰａ以下および残留応力強度指数Ｉｒ：８００００以上という３条件、ならびに、表面粗さＲｚ：１５μｍ以下との条件を同時に、安定かつ確実に満たすために行うものである。上記のショットピーニング処理は、
・投射材のＨＶ硬さ：７００〜８５０、
・投射材の平均粒径：０．０５〜０．２５ｍｍ、
・カバレージ：５００％以上、
として実施するのがよい。

投射材のＨＶ硬さが７００未満では、表面硬化層の深い位置までを塑性変形させることが困難であり、所望の圧縮残留応力を付与することができない場合がある。一方、投射材のＨＶ硬さが８５０を超える場合には、浸炭部品の表面粗さＲｚが大きくなって１５μｍを超えることがあり、所望の疲労強度を得られない場合がある。したがって、２段階目のショットピーニング処理における投射材の硬さはＨＶ硬さで７００〜８５０とするのがよい。表面粗さＲｚが大きくなるのを抑えるために、投射材の硬さの上限はＨＶ硬さで８００とすることがより好ましい。投射材の硬さの下限はＨＶ硬さで７２０とすることがより好ましい。

２段階目のショットピーニング処理において、所望の圧縮残留応力を付与するためには、１段階目のショットピーニング処理とは逆に、ショット球の平均粒径を小さくするのがよい。しかしながら、ショット球の平均粒径が０．０５ｍｍ未満では、浸炭部品の表層部に塑性変形を生じさせることが困難になって、所望の圧縮残留応力を付与することができない場合がある。一方、ショット球の平均粒径が０．２５ｍｍを超えると、浸炭部品の表面粗さＲｚが大きくなって１５μｍを超える場合がある。したがって、２段階目のショットピーニング処理における投射材の平均粒径は０．０５〜０．２５ｍｍとするのがよい。浸炭部品の表面粗さＲｚが大きくなることを抑えるために、投射材の平均粒径の上限は０．１５ｍｍとすることがより好ましい。投射材の平均粒径の下限は０．０８ｍｍとすることがより好ましい。

２段階目のショットピーニング処理の場合も、１段階目のショットピーニング処理の場合と同様、カバレージが５００％未満の場合には、表面粗さを、最大高さ粗さＲｚで１５μｍ以下にすることができない場合がある。したがって、２段階目のショットピーニング処理におけるカバレージも５００％以上とするのがよい。カバレージの下限は５５０％とすることがより好ましい。カバレージを大きくすれば、表面粗さＲｚを小さくできるが、ショットピーニング処理時間が増加する。このため、生産性の観点から、カバレージの上限は７００％とすることが好ましい。

既に述べたとおり、カバレージ５００％とはカバレージが１００％に達する時間を５倍にした状態をいう。

２段階目のショットピーニング処理は、アークハイトを０．２０〜０．４０ｍｍＮとして行うのが、一層好ましい。これは、アークハイトが０．２０ｍｍＮより小さい場合には、浸炭部品表面の塑性変形領域が小さくなって圧縮残留応力を所望の深さまで付与できないことがあって、一方、アークハイトが０．４０ｍｍＮより大きい場合には、表面粗さを、最大高さ粗さＲｚで１５μｍ以下にすることができない場合があって、いずれの場合にも所望の疲労強度を得ることができないことがあるためである。アークハイトの下限は０．２５ｍｍＮとすることがより好ましい。アークハイトの上限は０．３５ｍｍＮとすることがより好ましい。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

表７に示す化学組成を有する鋼Ａおよび鋼Ｆ〜Ｎを真空炉溶製して１５０ｋｇ鋼塊を作製した。

表７中の鋼Ａおよび鋼Ｆ〜Ｋは、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼である。鋼Ｌ〜Ｍは、成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例の鋼である。

鋼Ａは、ＪＩＳ Ｇ ４０５３（２００８）に記載されたＳＣｒ４２０に相当する鋼で、前記表１における鋼Ａを再掲したものである。

上記の各鋼の鋼塊を、１２５０℃に加熱した後、熱間鍛造して直径３０ｍｍの丸棒とした。熱間鍛造後の冷却は大気中での放冷とした。

次いで、熱間鍛造して得た上記の直径３０ｍｍの丸棒に、加熱温度９００℃で６０ｍｉｎ均熱保持した後、大気中で放冷する焼準処理を施した。

上記の焼準処理した直径３０ｍｍの丸棒の中心部から、機械加工によって、断面が１３ｍｍ×１３ｍｍで長さが１００ｍｍの直方体を切り出し、その後さらに、上記直方体の一つの面の長さ方向中央の部位に、半径２ｍｍの半円切欠きを設けて、４点曲げ試験片を作製した。

次いで、上記各鋼について、「浸炭焼入れ」として、４点曲げ試験片に対して、均熱温度を９３０℃として浸炭処理し、その後、１２０℃の油中に投入した。上記の浸炭焼入れを行った後、さらに加熱温度１８０℃で１２０ｍｉｎ均熱し、その後、大気中で放冷する焼戻し処理を施した。

表８に、浸炭条件の詳細を示す。表８の「Ｃｐ１」および「Ｃｐ２」は浸炭処理における「炭素ポテンシャル」を表し、先ずＣｐ１の条件で「均熱時間１」に示す時間、浸炭を行い、次いでＣｐ２の条件で「均熱時間２」に示す時間、浸炭を行った。

表８には、鋼Ａに一般的な「浸炭焼入れ−焼戻し」条件での処理を施した前記表３の試験番号１７の処理を再掲した。表８においても、試験番号１７の処理については前記表３の場合と同様に、「炭素ポテンシャルを０．８％にしたままで一旦８７０℃まで冷却し、その温度でさらに６０ｍｉｎ保持」する処理の記載は省略した。

上記の「浸炭焼入れ−焼戻し」処理した４点曲げ試験片を用いて、硬さおよび炭素濃度分布を調査した。

硬さは、４点曲げ試験片を、半円切欠きを設けた部位での横断面が調査できるように樹脂に埋め込んで研磨した後、ＨＶ硬さを測定した。ＨＶ硬さ試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に規定された方法で、試験力を２．９４Ｎとして行い、中心硬さおよび表面硬さを求めた。

中心硬さは、樹脂埋め込みした試験片横断面における一辺を構成する半円切欠きを施した面を基準にして、その面から深さ１０ｍｍの位置を５点測定し、その平均値で表した。

表面硬さは、上記の半円切欠きを施した面を基準にして、その面から深さ０．０５ｍｍの位置を５点測定し、その平均値で表した。

炭素濃度分布は次のようにして求めた。先ず、上記の硬さ測定と同様に、４点曲げ試験片を、半円切欠きを設けた部位での横断面が調査できるように樹脂に埋め込んで研磨した。その後、切欠き底を最表面として、試験片中心方向への炭素濃度分布を、波長分散型ＥＰＭＡ装置を用いて検量線により測定した。次いで、上記の測定結果を用いて、最表面から中心方向へ深さ０．２ｍｍの位置までの平均炭素濃度であるＣ（ａｖｅ）を前記「５×∫Ｃ（ｘ）ｄｘ」の式によって求めた。

上記のようにして求めた表面硬さ、中心硬さおよびＣ（ａｖｅ）を表８に併せて示す。

表８に示す試験番号１７〜３０および試験番号３３〜４１の「浸炭焼入れ−焼戻し」処理した４点曲げ試験片については、その半円切欠きを設けた面に対して、表９に示す条件で、２段階のショットピーニング処理を施した。

表８に示す試験番号３１の「浸炭焼入れ−焼戻し」処理した４点曲げ試験片の場合は、その半円切欠きを設けた面に対して、表９に示す１段階目のショットピーニング処理だけを施し、試験番号３２の「浸炭焼入れ−焼戻し」処理した４点曲げ試験片にはショットピーニング処理を施さなかった。表９にも、前記表３の試験番号１７について併記した。

上記の処理を施した試験番号１８〜４１の４点曲げ試験片を用いて、σｒ（０）、σｒ（１００）、残留応力強度指数ＩｒおよびＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）に規定された最大高さ粗さＲｚを調査した。電解研磨により表面から所定の深さ位置まで研磨し、各深さ位置で回折Ｘ線の強度を測定し、その測定で得られたピーク強度の半値幅とピーク中心位置との関係から、半円切欠き底の表面におけるσｒ（０）およびσｒ（１００）を求めた。

残留応力強度指数Ｉｒは、既に述べた(1)〜(8)に示す方法において、深さ０μｍ、１０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、８０μｍ、１００μｍの各位置について、圧縮残留応力を測定して求めた。

次いで、上記の処理を施した試験番号１８〜４１の４点曲げ試験片を用いて、
・応力比：０．１、
・支点間距離：４５ｍｍ、
・試験周波数：５Ｈｚ、
の条件で４点曲げ疲労試験を行った。

上記４点曲げ疲労試験においては、繰り返し回数が５×１０^３回における亀裂発生強度を「曲げ疲労強度」として評価した。

曲げ疲労強度は、前記試験番号１７の曲げ疲労強度、つまり、肌焼鋼として一般的なＳＣｒ４２０に相当する鋼Ａを用いて、一般的な条件で「浸炭焼入れ−焼戻し」処理したままの状態で曲げ疲労試験に供した場合の曲げ疲労強度を基準にして、それより５０％以上向上していることを目標とした。

表１０に、上記の各試験結果をまとめて示す。表１０には、前記表６に示した試験番号１７についての試験結果を併記した。試験番号１７の曲げ疲労強度を基準値とした場合の、その値からの向上率も示した。

表１０から、本発明で規定する条件を満たす試験番号１８〜３０の場合の曲げ疲労強度は、肌焼鋼として一般的なＳＣｒ４２０に相当する鋼Ａを用いて、従来の一般的な条件で浸炭焼入れ−焼戻しした試験番号１７の曲げ疲労強度より５０％以上向上しており、「低〜中サイクル域」での疲労強度が、従来の浸炭焼入れ−焼戻し処理部品のそれに比べて大幅に向上することが明らかである。

これに対して、本発明で規定する条件から外れた試験番号の場合、目標とする曲げ疲労強度に達していない。

すなわち、試験番号３１の場合はσ（０）が−５７０ＭＰａであり、本発明で規定する上限値−８００ＭＰａよりも大きい。このため、目標とする疲労強度の向上が認められなかった。

試験番号３２の場合は、残留応力であるσ（０）およびσ（１００）の値の双方ともが、本発明で規定する上限値−８００ＭＰａよりも大きく、しかも、残留応力強度指数Ｉｒが７０００で本発明で規定する下限値の８００００よりも小さい。このため、目標とする疲労強度の向上が認められなかった。

試験番号３３、試験番号３４、試験番号３７および試験番号３８の場合、表面粗さＲｚがそれぞれ、１８．００μｍ、１６．００μｍ、２１．００μｍおよび１７．５０μｍといずれも本発明で規定する上限値より大きい。このため、いずれの場合も疲労強度の向上が見られなかった。

試験番号３５の場合、表面粗さＲｚが１６．００μｍと大きく、しかも、残留応力σ（０）の値が−７５０ＭＰａであって本発明で規定する上限値−８００ＭＰａよりも大きい。このため、疲労強度の向上目標が達成できなかった。

試験番号３６の場合、残留応力σ（１００）の値が−７２０ＭＰａであって本発明で規定する上限値−８００ＭＰａよりも大きい。このため、目標とする疲労強度に達しなかった。

試験番号３９の場合、鋼ＬのＣ含有量が０．１２％で本発明で規定する下限値の０．１５％を下まわる。このため、中心硬さが低くなって、疲労強度の向上が見られなかった。

試験番号４０の場合、鋼ＭのＭｎ含有量が０．３０％で本発明で規定する条件を下まわるので残留応力σ（１００）の値が−７５０ＭＰａと本発明で規定する上限値−８００ＭＰａよりも大きくなって、深い部位に十分な圧縮残留応力を確保できない。このため、目標とする疲労強度に達しなかった。

試験番号４１の場合、鋼ＮのＭｎ含有量が１．８０％で本発明で規定する条件を上回るために、表面粗さＲｚが１７．００μｍと本発明で規定する上限値より大きい。このため、疲労強度の向上が見られなかった。

本発明の浸炭部品の「低〜中サイクル域」での疲労強度は、従来の浸炭焼入れ−焼戻し処理した部品のそれに比べて大幅に向上している。このため、本発明の浸炭部品は、衝撃的でしかも比較的大きな負荷が加わることのある自動車、建設機械、産業機械等の各種シャフト類あるいは動力伝達用部品等として用いるのに好適である。

Claims (4)

1. 鋼製の浸炭部品であって、
   生地の鋼が、質量％で、
   Ｃ：０．１５〜０．２５％、
   Ｓｉ：０．０３〜０．５０％、
   Ｍｎ：０．６０％を超えて１．５％以下、
   Ｐ：０．０１５％以下、
   Ｓ：０．００６〜０．０３０％、
   Ｃｒ：０．０５〜２．０％、
   Ａｌ：０．１０％以下、
   Ｎ：０．０３％以下および
   Ｏ：０．００２０％以下
   を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有する鋼であり、
   表面硬化層部が下記（ａ）〜（ｃ）の条件を満たす、
   ことを特徴とする浸炭部品。
   （ａ）Ｃ（ａｖｅ）：質量％で０．３５〜０．６０％、
   （ｂ）表面粗さＲｚ：１５μｍ以下、ならびに、
   （ｃ）σｒ（０）：−８００ＭＰａ以下、σｒ（１００）：−８００ＭＰａ以下および残留応力強度指数Ｉｒ：８００００以上。
   ただし、
   Ｃ（ａｖｅ）：最表面から深さ０．２ｍｍの位置までの平均炭素濃度、
   表面粗さＲｚ：ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）に規定された最大高さ粗さ、
   σｒ（０）：部品の最表面における圧縮残留応力、
   σｒ（１００）：部品の最表面から１００μｍの位置における圧縮残留応力、
   残留応力強度指数Ｉｒ：部品の最表面から１００μｍ深さまでの位置での最表面からの深さをｙμｍ、その部位における残留応力をσｒ（ｙ）として〔Ｉｒ＝∫｜σｒ（ｙ）｜ｄｙ〕で表される値を指す。ここで、積分区間、つまり「ｙ」の範囲は、０〜１００（μｍ）である。
2. 生地の鋼が、残部としてのＦｅの一部に代えて、質量％で、
   Ｍｏ：０．５０％未満、
   Ｃｕ：１．０％以下、
   Ｎｉ：３．０％以下および
   Ｂ：０．００３０％以下
   のうちから選ばれる１種以上を含む化学組成を有する鋼であることを特徴とする請求項１に記載の浸炭部品。
3. 生地の鋼が、残部としてのＦｅの一部に代えて、質量％で、
   Ｔｉ：０．１０％以下、
   Ｎｂ：０．１０％以下および
   Ｖ：０．３０％以下のうちから選ばれる１種以上を含む化学組成を有する鋼であることを特徴とする請求項１または２に記載の浸炭部品。
4. 請求項１から３までのいずれかに記載の生地の化学組成を有する鋼を用いて所望の形状に成形加工された部品に、下記の工程（ａ）および工程（ｂ）に記載の処理を順に施し、下記（ａ）〜（ｃ）の条件を満たす表面硬化層部を形成することを特徴とする浸炭部品の製造方法。
   工程（ａ）：炭素ポテンシャルが０．３５〜０．９０％の雰囲気で浸炭処理することにより、部品の最表面から深さ０．２ｍｍの位置までの平均炭素濃度Ｃ（ａｖｅ）が質量％で、０．３５〜０．６０％となるようにして焼入れ処理するか、あるいは、前記焼入れ処理の後、さらに、２００℃以下の温度で焼戻し処理する。
   工程（ｂ）：下記の条件を満たす２段階ショットピーニング処理を施す。
   １段階目のショットピーニング処理条件：
   ・投射材のＨＶ硬さ：６５０〜７５０、
   ・投射材の平均粒径：０．６〜１．０ｍｍ、
   ・カバレージ：５００％以上、
   ２段階目のショットピーニング処理条件：
   ・投射材のＨＶ硬さ：７００〜８５０、
   ・投射材の平均粒径：０．０５〜０．２５ｍｍ、
   ・カバレージ：５００％以上。
   （ａ）Ｃ（ａｖｅ）：質量％で０．３５〜０．６０％、
   （ｂ）表面粗さＲｚ：１５μｍ以下、ならびに、
   （ｃ）σｒ（０）：−８００ＭＰａ以下、σｒ（１００）：−８００ＭＰａ以下および残留応力強度指数Ｉｒ：８００００以上。
   ただし、
   Ｃ（ａｖｅ）：最表面から深さ０．２ｍｍの位置までの平均炭素濃度、
   表面粗さＲｚ：ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）に規定された最大高さ粗さ、
   σｒ（０）：部品の最表面における圧縮残留応力、
   σｒ（１００）：部品の最表面から１００μｍの位置における圧縮残留応力、
   残留応力強度指数Ｉｒ：部品の最表面から１００μｍ深さまでの位置での最表面からの深さをｙμｍ、その部位における残留応力をσｒ（ｙ）として〔Ｉｒ＝∫｜σｒ（ｙ）｜ｄｙ〕で表される値を指す。ここで、積分区間、つまり「ｙ」の範囲は、０〜１００（μｍ）である。
   

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