JP2019183211A - 浸炭部品 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた耐水素脆化特性を有し、十分な耐摩耗性及び疲労強度を有する浸炭部品を提供する。【解決手段】浸炭部品の芯部の化学組成は、質量％でＣ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．４０％、Ｐ：０．０３０％未満、Ｓ：０．０３０％未満、Ｃｒ：０．５０〜２．００％、Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、Ｎ：０．００１〜０．０３０％を含有し、表面のＣ濃度が０．５０〜０．７０％である。軸部のノッチの最大外径をＤ（ｍｍ）、ノッチ底の曲率半径をｒ（ｍｍ）、表面から０．１５ｍｍ深さ、０．４０ｍｍ深さでのビッカース硬さをＨＶ０．１５、ＨＶ０．４０と定義したとき次式を満たす。１．０＜ｆｎ１＝３×ｒ×Ｄ＜６０．０、０．０１０＜ｒ／Ｄ、５８０＋ｆｎ１≦ＨＶ０．１５≦７３０＋ｆｎ１、４３０＋ｆｎ１≦ＨＶ０．４０≦６３０＋ｆｎ１、−９００＜（ＨＶ０．４０−ＨＶ０．１５）／０．２５＜−２８０【選択図】図２

Description

本発明は、浸炭部品に関する。

自動車や産業機械のエンジン等の動力源及び動力伝達機構に用いられる機械部品には、衝撃的に付与される負荷や摺動により、摩耗が発生する。さらに、使用中に曲げ応力を受ける。したがって、これらの用途の機械部品には、耐摩耗性及び高い曲げ疲労強度が求められる。十分な耐摩耗性及び高い曲げ疲労強度を得るために、これらの用途に用いられる機械部品には、浸炭部品が用いられることが多い。浸炭部品は、鋼材を浸炭処理して得られる。浸炭処理により、浸炭部品の表面には硬化層が形成されている。この硬化層により、耐摩耗性及び高い曲げ疲労強度が得られる。

ところで、浸炭部品を製造する浸炭処理では通常、雰囲気ガスとして、炭化水素ガスが用いられる。浸炭処理中において、炭化水素ガスが分解されて水素が発生する。浸炭処理中に発生した水素は、浸炭部品内に吸収される場合がある。そのため、浸炭部品では、浸炭処理中に鋼中に吸収された水素に起因した水素脆化割れが発生する場合がある。したがって、浸炭部品には、耐摩耗性及び高い曲げ疲労強度だけでなく、優れた耐水素脆化特性も求められる。

浸炭部品の耐水素脆化特性を高める技術が、特開平９−２１７１４８号公報（特許文献１）、特開２０１４−１９９２０号公報（特許文献２）及び特開２０１２−３６４７５号公報（特許文献３）に提案されている。

特許文献１に記載された高強度肌焼鋼は、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．３０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００５〜０．０２０％、Ｎｉ：０．３０〜２．００％、Ｃｒ：０．４０〜１．５０％、Ｍｏ：０．３０〜０．４５％、Ａｌ：０．０１５〜０．０３０％、Ｎ：０．０１００〜０．０１８０％、Ｏ_Ｔ：０．００１５％以下を含有し、残部Ｆｅ並びに不可避的不純物元素からなり、高周波加熱による焼きなましをして硬さＨｖ４２０以下を有する。

特許文献２に記載された浸炭又は浸炭窒化部品用鋼材は、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．４０％、Ｓｉ：０．１５〜０．４０％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｓ：０．００３〜０．０５０％、Ｃｒ：０．７〜１．５％、Ｃｕ：０．３０〜０．８０％、Ｎｉ：０．１５〜１．０％、Ｎ：０．００３〜０．０２０％、及び、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる。不純物中のＰ及びＯはそれぞれ、Ｐ：０．０２５％以下、Ｏ：０．００２０％以下であり、式（１）：２Ｎｉ−Ｃｕ≧０、及び、式（２）：６Ｃ−７．５Ｓｉ＋１．６Ｍｎ＋４Ｃｒ−Ｃｕ−１．６Ｎｉ≧４．０を満たす。これにより、浸炭又は浸炭窒化部品の使用中に、潤滑剤及び外部から混入した水分から発生する水素が鋼中へ侵入する量を低く抑えることができ、水素脆化への感受性を抑制できる、と特許文献２には記載されている。

特許文献３に記載された転動部品もしくは歯車は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．４５％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．１０〜２．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｃｒ：１．３０〜３．５０％、Ａｌ：０．００３〜０．１０％、Ｎ：０．００４〜０．０５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼材からなる。特許文献３では、浸炭もしくは浸炭窒化処理により、この転動部品もしくは歯車の鋼材表層面中の（Ｃ＋Ｎ）量を０．５０〜０．７５％とする。

特開平９−２１７１４８号公報 特開２０１４−１９９２０号公報 特開２０１２−３６４７５号公報

しかしながら、特許文献１の高強度肌焼鋼を用いて製造される浸炭部品では、高温での焼きなましが実施される。そのため、浸炭部品の曲げ疲労強度が低い場合がある。

特許文献２及び３は、浸炭部品の使用中に侵入する水素に対する脆化を抑制する技術を開示する。しかしながら、上述のとおり、浸炭処理時において水素はある程度鋼材に吸収される。そのため、浸炭処理時において吸収された水素に対しても、耐水素脆化特性を高めた方が好ましい。特許文献２には、この点に関する開示がない。

特許文献３では、表面の炭素濃度及び窒素濃度を０．５０〜０．７５％とすることにより、平滑部における耐水素脆化特性が高まるとしている。しかしながら、浸炭部品において、水素脆化は、ノッチを含む応力集中部で発生しやすい。特許文献３では、応力集中部における耐水素脆化特性を高める点に関する開示がない。

本発明の目的は、優れた耐水素脆化特性を有し、かつ、十分な耐摩耗性及び曲げ疲労強度を有する浸炭部品を提供することである。

本発明の実施の形態による浸炭部品は、摺動部と軸部とを備える。摺動部は、他の部材と接触する摺動面を有する。軸部は、摺動部と繋がっている。軸部は、応力集中部を備える。応力集中部は、軸部の周方向に延びる１又は複数のノッチを含む。
軸部のうち、硬化層を除く芯部の化学組成は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．４０％、Ｐ：０．０３０％未満、Ｓ：０．０３０％未満、Ｃｒ：０．５０〜２．００％、Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、Ｎ：０．００１〜０．０３０％、Ｍｏ：０〜０．８０％、Ｎｉ：０〜０．５０％、Ｃｕ：０〜０．５０％、Ｔｉ：０〜０．１０％、及び、Ｎｂ：０〜０．１０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる。
軸部の表面のＣ濃度は０．５０〜０．７０％である。
軸部において、ノッチの最大外径をＤ（ｍｍ）、ノッチのノッチ底の曲率半径をｒ（ｍｍ）、表面から０．１５ｍｍ深さ位置でのビッカース硬さをＨＶ_０．１５、表面から０．４０ｍｍ深さ位置でのビッカース硬さをＨＶ_０．４０と定義したとき、式（１）〜式（５）を満たす。
１．０＜ｆｎ１＝３×ｒ×Ｄ＜６０．０ （１）
０．０１０＜ｒ／Ｄ （２）
５８０＋ｆｎ１≦ＨＶ_０．１５≦７３０＋ｆｎ１ （３）
４３０＋ｆｎ１≦ＨＶ_０．４０≦６３０＋ｆｎ１ （４）
−９００＜（ＨＶ_０．４０−ＨＶ_０．１５）／０．２５＜−２８０ （５）

本実施形態の浸炭部品は、優れた耐水素脆化特性を有し、かつ、十分な耐摩耗性及び曲げ疲労強度を有する。

図１は、本実施形態による浸炭部品の一例を示す側面図である。 図２は、浸炭部品の断面における、残留応力分布を模式的に示す図である。 図３は、図２と異なる、浸炭部品の断面における、残留応力分布を模式的に示す図である。 図４は、ガス浸炭工程及び焼入れ工程のヒートパターンの一例を示す図である。 図５は、図４と異なる、ガス浸炭工程及び焼入れ工程のヒートパターンの一例を示す図である。 図６は、実施例で作製した耐水素脆化特性評価試験片の断面図である。 図７は、実施例で作製したローラーピッチング試験片の平面図である。 図８は、実施例で作製した４点曲げ試験片の模式図である。 図９は、ローラーピッチング試験の模式図である。

以下、本実施形態による浸炭部品について説明する。

［本実施形態の浸炭部品について］
初めに、本実施形態の対象となる、浸炭部品について説明する。図１は、本実施形態による浸炭部品１の一例を示す側面図である。浸炭部品１は、後述の化学組成を有する鋼材を浸炭処理して製造される。本実施形態の浸炭部品１は、摺動部２と、軸部３とを備える。

摺動部２は、摺動面を有する。摺動面は、他の部材と接触して、他の部材が摺動面に対して摺動する面である。他の部材はたとえば、機械部品である。他の部材である機械部品が浸炭部品であってもよい。摺動面はたとえば、かさ歯車やピニオン等の歯車の歯面や、プーリーにおけるベルトとの接触面である。

軸部３は、摺動部２と繋がっている。軸部３は、長手方向に延びる棒状の形状を有する。軸部３は、応力集中部４を備える。応力集中部４は、軸部３の周方向に延びる１又は複数のノッチ５を含む。ノッチ５は、軸部３の周方向に平行に延びていてもよいし、周方向に対して±１０°の範囲で傾いていてもよい。ノッチ５はリング状に形成されていてもよいし、螺旋状に形成されていてもよい。

このような浸炭部品１は、たとえば、自動車や産業機械のエンジン等の駆動源及び伝達機構に用いられる。浸炭部品１はたとえば、プーリーや、ピニオンギア等である。浸炭部品１がピニオンギアである場合、摺動部２がピニオン部に相当し、軸部３がピニオンシャフト部に相当する。

上述の構成を有する本実施形態の浸炭部品１は、硬化層と、芯部とを備える。硬化層は、浸炭部品の表面を含む表層に形成されている。芯部は、硬化層よりも内部の領域である。浸炭部品１の表面から０．１５ｍｍ深さ位置は硬化層に相当する。浸炭部品１の表面から０．１５ｍｍ深さ位置でのビッカース硬さを、ビッカース硬さＨＶ_０．１５と定義する。浸炭部品１の表面から０．４０ｍｍ深さ位置は、芯部に相当する。浸炭部品１の表面から０．４０ｍｍ深さ位置でのビッカース硬さを、ビッカース硬さＨＶ_０．４０と定義する。本実施形態の浸炭部品において、ビッカース硬さＨＶ_０．１５はビッカース硬さＨＶ_０．４０よりも高い。

［本実施形態の浸炭部品を想到するまでの技術思想］
通常、機械部品の強度を高めるためには、焼入れ性を高め、芯部の硬さを高めることが有効である。

しかしながら、上述のような応力集中部を含む浸炭部品において、芯部の硬さが高い場合、応力集中部での耐水素脆化特性が低くなる。そのため、本発明者らは、動力伝達用の機械部品として必要な耐摩耗性及び高い曲げ疲労強度を有しつつ、応力集中部の耐水素脆化特性を高める方法を検討した。その結果、以下の知見を得た。

鋼材に対して浸炭処理を実施して浸炭部品を製造した場合、浸炭部品の表層には圧縮残留応力が発生する。この理由は次のとおりである。浸炭処理を実施すると、鋼材の表層のＣ濃度は、芯部のＣ濃度よりも高くなる。そのため、表層のマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）は、芯部のＭｓ点よりも低くなる。その結果、浸炭処理中において、表層よりも先に芯部がマルテンサイト変態を開始する。表層部は、芯部よりも後にマルテンサイト変態するため、表層においては、圧縮残留応力が発生する。

本発明者らは、上記の浸炭処理により発生する圧縮残留応力に着目した。具体的には、浸炭部品の応力集中部の表面の圧縮残留応力を高めれば、耐水素脆化特性が高まると考えた。

そこで、本発明者らはさらに、表面の圧縮残留応力を高める方法について検討した。図２は、浸炭部品の断面における、残留応力分布を模式的に示す図である。図２の横軸は、浸炭部品の断面における表面からの距離を示し、図２の横軸の左端及び右端が表面に相当する。図２の縦軸は残留応力を示す。プラス（＋）が引張残留応力を意味し、マイナス（−）が圧縮残留応力を意味する。

図２の曲線Ｃ１は、浸炭部品の断面における残留応力分布を示す。図２を参照して、浸炭部品では、両表面から所定深さＨ１に至るまでの領域では、圧縮残留応力が掛かっており、表面では、圧縮残留応力ＹＣ１が掛かっている。そして、深さＨ１よりも内部の領域では、引張残留応力が掛かっている。浸炭部品内の残留応力はつり合っているため、曲線Ｃ１において、引張残留応力の領域Ａ１の面積は、圧縮残留応力の領域Ａ２の面積と、圧縮残留応力の領域Ａ３の面積との和に相当する。

圧縮残留応力が掛かる領域（深さ方向において、表面から深さＨ１に至るまでの領域）は、硬化層の深さに依存する。そこで、図３に示すとおり、浸炭処理を調整して硬化層を図２よりも浅くして、圧縮残留応力が掛かる深さを深さＨ１よりも浅いＨ２にしたと仮定する。

この場合、引張残留応力の領域Ａ１の面積と、圧縮残留応力の領域Ａ２及び領域Ａ３の総面積とを一致させるために、残留応力分布は曲線Ｃ２のようになる。具体的には、圧縮残留応力の領域Ａ２及び領域Ａ３において、表面からの深さ方向における残留応力の勾配（残留応力勾配）が急峻になる。その結果、表面での圧縮残留応力が、ＹＣ１よりも大きいＹＣ２になる。

以上のとおり、浸炭部品の応力集中部での表面での割れの発生を抑制するために、表面での圧縮残留応力を高めるためには、深さ方向における圧縮応力の掛かる領域を狭くすればよい（深さＨ１→Ｈ２）。浸炭部品の応力集中部の表面での圧縮残留応力が高まれば、ノッチ底に生じる引張残留応力が緩和され、表面での割れが発生しにくくなる。その結果、浸炭部品の応力集中部での耐水素脆化特性が高まる。

以上の考え方に基づいて、本発明者らは、応力集中部の形状と、応力集中部の表層部での硬さと、芯部での硬さとについて検討を行った。

図１に示すとおり、応力集中部４のノッチ５の最大外径をＤ（ｍｍ）と定義する。また、ノッチ５のノッチ底の曲率半径をｒ（ｍｍ）と定義する。応力集中部４の軸方向にノッチ５が複数配列されている場合、各ノッチ５の最大外径の平均をＤ（ｍｍ）と定義し、各ノッチ５のノッチ底の曲率半径の平均をｒ（ｍｍ）と定義する。

さらに、上述のとおり、軸部３の任意の表面から０．１５ｍｍ深さ位置でのビッカース硬さをＨＶ_０．１５と定義し、軸部３の任意の表面から０．４０ｍｍ深さ位置でのビッカース硬さをＨＶ_０．４０と定義する。

上記のとおり定義された最大外径Ｄ、曲率半径ｒ、ビッカース硬さＨＶ_０．１５及びＨＶ_０．４０が次の式（１）〜式（５）を満たせば、浸炭部品の表面からの深さ方向において、圧縮残留応力が掛かる領域が十分に狭まり、表面において十分な圧縮残留応力を掛けることができる。その結果、十分な耐水素脆化特性が得られることが分かった。
１．０＜ｆｎ１＝３×ｒ×Ｄ＜６０．０ （１）
０．０１０＜ｒ／Ｄ （２）
５８０＋ｆｎ１≦ＨＶ_０．１５≦７３０＋ｆｎ１ （３）
４３０＋ｆｎ１≦ＨＶ_０．４０≦６３０＋ｆｎ１ （４）
−９００＜（ＨＶ_０．４０−ＨＶ_０．１５）／０．２５＜−２８０ （５）

以上の知見に基づいて完成した本発明の実施の形態による浸炭部品は、摺動部と軸部とを備える。摺動部は、他の部材と接触する摺動面を有する。軸部は、摺動部と繋がっている。軸部は、応力集中部を備える。応力集中部は、軸部の周方向に延びる１又は複数のノッチを含む。
軸部のうち、硬化層を除く芯部の化学組成は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．４０％、Ｐ：０．０３０％未満、Ｓ：０．０３０％未満、Ｃｒ：０．５０〜２．００％、Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、Ｎ：０．００１〜０．０３０％、Ｍｏ：０〜０．８０％、Ｎｉ：０〜０．５０％、Ｃｕ：０〜０．５０％、Ｔｉ：０〜０．１０％、及び、Ｎｂ：０〜０．１０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる。
軸部の表面のＣ濃度は０．５０〜０．７０％である。
軸部において、ノッチの最大外径をＤ（ｍｍ）、ノッチのノッチ底の曲率半径をｒ（ｍｍ）、表面から０．１５ｍｍ深さ位置でのビッカース硬さをＨＶ_０．１５、表面から０．４０ｍｍ深さ位置でのビッカース硬さをＨＶ_０．４０と定義したとき、式（１）〜式（５）を満たす。
１．０＜ｆｎ１＝３×ｒ×Ｄ＜６０．０ （１）
０．０１０＜ｒ／Ｄ （２）
５８０＋ｆｎ１≦ＨＶ_０．１５≦７３０＋ｆｎ１ （３）
４３０＋ｆｎ１≦ＨＶ_０．４０≦６３０＋ｆｎ１ （４）
−９００＜（ＨＶ_０．４０−ＨＶ_０．１５）／０．２５＜−２８０ （５）

上記化学組成は、Ｍｏ：０．０１〜０．８０％、Ｎｉ：０．０５〜０．５０％、及び、Ｃｕ：０．１０〜０．５０％からなる群から選ばれる１種以上を含有してもよい。

上記化学組成は、Ｔｉ：０．０５〜０．１０％、及び、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％からなる群から選ばれる１種以上を含有してもよい。

以下、本発明の実施の形態による浸炭部品について詳述する。

［浸炭部品の軸部の芯部の化学組成］
本実施形態による浸炭部品１は、図１に示すとおり、摺動部２と、軸部３とを備える。浸炭部品の軸部３のうち、硬化層を除く芯部の化学組成は、次の元素を含有する。ここで、芯部の化学組成とは、浸炭部品の軸部において、表面から２．０ｍｍ深さ位置よりも深い位置での採取されたサンプルにおいて、ＪＩＳ Ｇ ０３２１（２０１０）に準拠した製品分析により得られる化学組成を意味する。以下、元素の含有量に関する「％」は、質量％を意味する。

Ｃ：０．１０〜０．３０％
炭素（Ｃ）は、鋼の焼入れ性を高める。これにより、浸炭部品の硬さが高まり、耐摩耗性が高まる。Ｃ含有量が０．１０％未満であれば、この効果が得られない。一方、Ｃ含有量が０．３０％を超えれば、鋼の被削性及び冷間鍛造性が低下する可能性がある。したがって、Ｃ含有量は０．１０〜０．３０％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．１５％であり、さらに好ましくは０．１８％である。Ｃ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。

Ｓｉ：０．５０〜１．５０％
シリコン（Ｓｉ）は鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、鋼の焼戻し軟化抵抗を高める。これにより、浸炭部品の耐摩耗性が高まる。しかしながら、Ｓｉ含有量が０．５０％未満であれば、上記効果は十分に得られず、浸炭部品の耐摩耗性が低下する。一方、Ｓｉ含有量が１．５０％を超えれば、鋼の浸炭を阻害する。この場合、浸炭部品の耐摩耗性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．５０〜１．５０％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．５２％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．８０％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は１．３０％であり、さらに好ましくは１．２０％である。

Ｍｎ：０．３０〜１．４０％
マンガン（Ｍｎ）は鋼を脱酸する。Ｍｎはさらに、鋼の焼入れ性及び強度を高める。Ｍｎはさらに、鋼の軟化抵抗を高める。その結果、浸炭部品の耐摩耗性が高まる。Ｍｎ含有量が０．３０％未満であれば、これらの効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が１．４０％を超えれば、Ｐとの共偏析が顕著になり、粒界脆化が発生する。その結果、浸炭部品の耐水素脆化特性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．３０〜１．４０％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．５０％であり、さらに好ましくは０．７０％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は１．２０％であり、さらに好ましくは１．００％である。

Ｐ：０．０３０％未満
リン（Ｐ）は不可避に含有される不純物である。つまり、Ｐ含有量は０％超である。Ｐは浸炭時にオーステナイト粒界に偏析して、浸炭層の粒界強度を低下する。浸炭層の粒界強度が低下すれば、耐水素脆化特性が低下する。Ｐ含有量が０．０３０％未満であれば、芯部だけでなく表層のＰ含有量も低い。このため、表層の靱性が高まり、粒界き裂の発生が抑制される。その結果、耐水素脆化特性が高まる。したがって、Ｐ含有量は０．０３０％未満である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０１５％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、製鋼工程においてＰ含有量を極度に低減すれば製造コストが掛かり、生産性も低下する。したがって、好ましいＰ含有量の下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。

Ｓ：０．０３０％未満
硫黄（Ｓ）は不可避に含有される不純物である。つまり、Ｓ含有量は０％超である。Ｓは結晶粒界に残存して浸炭層の粒界強度を低下する。Ｓはさらに、粒界に粗大なＭｎＳを形成して残留応力の集中する点となる。その結果、浸炭部品の耐水素脆化特性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０３０％未満である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０１５％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、製鋼工程においてＳ含有量を極度に低減すれば製造コストが掛かり、生産性も低下する。したがって、好ましいＳ含有量の下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。

Ｃｒ：０．５０〜２．００％
クロム（Ｃｒ）は、鋼の焼入れ性を高めて芯部の硬さを高める。Ｃｒはさらに、焼戻し軟化抵抗を高める。その結果、浸炭部品の耐摩耗性が高まる。Ｃｒ含有量が０．５０％未満であれば、この効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が２．００％を超えれば、冷間加工性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０．５０〜２．００％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．６０％であり、さらに好ましくは０．８０％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は１．８５％であり、さらに好ましくは１．７０％である。

Ａｌ：０．０１０〜０．１００％
アルミニウム（Ａｌ）は鋼を脱酸する。Ａｌはさらに、鋼中のＮと結合してＡｌＮを形成し、浸炭時のオーステナイト粒の粗大化を抑制する。その結果、浸炭部品の耐水素脆化特性が高まる。Ａｌ含有量が０．０１０％未満であればこの効果が得られない。一方、Ａｌ含有量が０．１００％を超えれば、上記効果が飽和する。したがって、Ａｌ含有量は０．０１０〜０．１００％である。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０２５％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０６５％である。本実施形態の浸炭部品の芯部の化学組成において、Ａｌ含有量は、鋼材中に含有する全Ａｌ量を意味する。

Ｎ：０．００１〜０．０３０％
窒素（Ｎ）は、鋼中でＴｉ、Ａｌ、Ｖ及びＮｂと結合して窒化物や炭窒化物を形成し、浸炭時のオーステナイト粒の粗大化を抑制する。これにより、浸炭部品の耐水素脆化特性が高まる。Ｎ含有量が０．００１％未満であれば、十分な粗大化抑制効果は得られない。一方、Ｎ含有量が０．０３０％を超えれば、上記効果が飽和する。したがって、Ｎ含有量は０．００１〜０．０３０％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．００８％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。

本実施形態による浸炭部品の芯部の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、浸炭部品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、本実施形態の浸炭部品に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

［任意元素について］
本実施形態の浸炭部品の軸部の芯部の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｍｏ、Ｎｉ及びＣｕ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。これらの元素は任意元素であり、いずれも、鋼の焼入れ性を高める。

Ｍｏ：０〜０．８０％
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。含有される場合、Ｍｏは、浸炭部品の焼戻し軟化抵抗を高めて、浸炭部品の耐摩耗性を高める。Ｍｏが少しでも含有されれば、これらの効果が得られる。しかしながら、Ｍｏ含有量が０．８０％を超えれば、これらの効果は飽和し、原料コストが高くなる。したがって、Ｍｏ含有量は０〜０．８０％である。上記効果を安定して得るためのＭｏ含有量の好ましい下限は０．０１％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０．６０％であり、さらに好ましくは０．４０％である。

Ｎｉ：０〜０．５０％
ニッケル（Ｎｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｉ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｎｉは、鋼の焼入れ性を高めて浸炭部品の強度を高める。Ｎｉが少しでも含有されれば、これらの効果が得られる。しかしながら、Ｎｉ含有量が０．５０％を超えれば、残留オーステナイト量が増大して加工性が低下する。したがって、Ｎｉ含有量は０〜０．５０％である。上記効果を安定して得るためのＮｉ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は０．４５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。

Ｃｕ：０〜０．５０％
銅（Ｃｕ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃｕ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃｕは鋼の焼入れ性を高めて浸炭部品の強度を高める。Ｃｕが少しでも含有されればこの効果が得られる。一方、Ｃｕ含有量が０．５０％を超えれば、熱間加工性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０〜０．５０％である。上記効果を安定して得るためのＣｕ含有量の好ましい下限は０．１０％であり、さらに好ましくは０．１５％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０．２５％である。

本実施形態の浸炭部品の芯部はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｔｉ及びＮｂからなる群から選択される１種又は２種を含有してもよい。これらの元素は任意元素であり、いずれも、結晶粒の粗大化を抑制する。

Ｔｉ：０〜０．１０％
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。含有される場合、Ｔｉは鋼中のＣ及びＳと結合して微細なＴｉＣ及びＴｉＳを形成し、浸炭時のオーステナイト粒の粗大化を抑制する。これにより、浸炭部品の耐水素脆化特性が高まる。Ｔｉが少しでも含有されれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．１０％を超えれば、ＴｉＣが粗大化して鋼の靱性が低下する。この場合、浸炭部品の耐水素脆化特性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０〜０．１０％である。上記効果を安定して得るためのＴｉ含有量の好ましい下限は０．０５％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０８％であり、さらに好ましくは０．０７％である。

Ｎｂ：０〜０．１０％
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。含有される場合、Ｎｂは鋼中のＣ及びＮと結合してＮｂ炭窒化物（Ｎｂ（ＣＮ））を形成し、浸炭時のオーステナイト粒の粗大化を抑制する。これにより、浸炭部品の耐水素脆化特性が高まる。Ｎｂが少しでも含有されれば、この効果が得られる。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．１０％を超えれば、浸炭性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０〜０．１０％である。上記効果を安定して得るためのＮｂ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．０７％であり、さらに好ましくは０．０５％である。

［浸炭部品の軸部の表面のＣ濃度：０．５０〜０．７０％］
浸炭部品の軸部の表面のＣ濃度（以下、表面Ｃ濃度）は、質量％で０．５０〜０．７０％である。表面Ｃ濃度が０．５０％未満であれば、浸炭部品の表面硬さが低すぎ、耐摩耗性が低下する。一方、表面Ｃ濃度が０．７０％を超えれば、浸炭層の靱性が低くなるため、耐水素脆化特性が低下する。そのため、表面Ｃ濃度は０．５０〜０．７０％である。表面Ｃ濃度の好ましい下限は０．５４％であり、さらに好ましくは０．５６％である。表面Ｃ濃度の好ましい上限は０．６６％であり、さらに好ましくは０．６４％である。

浸炭部品の表面Ｃ濃度は次の方法で測定される。浸炭部品の表面のうち、任意の５箇所の測定位置を選定する。選定された測定位置のＣ濃度（質量％）を、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）により分析する。ＥＰＭＡにより得られた５箇所のＣ濃度の平均を、浸炭部品の表面Ｃ濃度（質量％）と定義する。

［式（１）及び式（２）について］
上述のとおり、浸炭部品の軸部の応力集中部において、ノッチの最大外径をＤ（ｍｍ）、ノッチのノッチ底の曲率半径をｒ（ｍｍ）と定義した場合、本実施形態の浸炭部品は、式（１）及び式（２）を満たす。
１．０＜ｆｎ１＝３×ｒ×Ｄ＜６０．０ （１）
０．０１０＜ｒ／Ｄ （２）
なお、応力集中部において、複数のノッチが軸方向に並んで配置されている場合、各ノッチの最大外径の平均値をＤ（ｍｍ）と定義し、各ノッチのノッチ底の曲率半径の平均値をｒ（ｍｍ）と定義する。

式（１）おいて、ｆｎ１（ノッチ底の曲率半径ｒとノッチの最大外径Ｄとの積）が小さすぎれば、軸部の応力集中部の表面に応力（引張応力）が集中しやすくなり、割れが発生しやすくなる。そのため、耐水素脆化特性が低下する。一方、耐水素脆化特性との関係において、ｆｎ１の上限は存在しないが、浸炭部品の形状として、ｆｎ１の上限は６０．０未満である。したがって、ｆｎ１は１．０超〜６０．０未満である。ｆｎ１の好ましい下限は１．５であり、さらに好ましくは４．０であり、さらに好ましくは８．０である。ｆｎ１の好ましい上限は５５．０であり、さらに好ましくは５０．０であり、さらに好ましくは４５．０である。

式（２）において、ｆｎ２＝ｒ／Ｄと定義する。ｆｎ２が小さすぎる場合、負荷が掛かったときにノッチ底に応力（引張応力）が集中しやすくなる。この場合、耐水素脆化特性が低下する。したがって、ｆｎ２は０．０１０超である。ｆｎ２の好ましい下限は０．０１５であり、さらに好ましくは０．０１８である。ｆｎ２の上限は特に限定されないが、たとえば０．２００である。

［式（３）及び式（４）について］
上記の応力集中部において、表面から深さ０．１５ｍｍ位置でのビッカース硬さＨＶ_０．１５と、表面から深さ０．４０ｍｍ位置でのビッカース硬さＨＶ_０．４０とは、式（３）及び式（４）を満たす。
５８０＋ｆｎ１≦ＨＶ_０．１５≦７３０＋ｆｎ１ （３）
４３０＋ｆｎ１≦ＨＶ_０．４０≦６３０＋ｆｎ１ （４）

ビッカース硬さＨＶ_０．１５は、硬化層での硬さの指標であり、ビッカース硬さＨＶ_０．４０は、芯部での硬さの指標である。式（３）を参照して、ビッカース硬さＨＶ_０．１５に代表される硬化層の硬さが低すぎれば、浸炭部品の耐摩耗性が低下する。一方、硬化層の硬さが高すぎれば、特にノッチ底において割れが発生しやすくなり、耐水素脆化特性が低下する。ＨＶ_０．１５が式（３）を満たせば、上記化学組成において、式（１）、式（２）、式（４）及び式（５）を満たすことを前提として、優れた耐摩耗性及び耐水素脆化特性が得られる。

ｆｎ３＝ＨＶ_０．１５−ｆｎ１と定義する。ｆｎ３の好ましい下限は６００であり、さらに好ましくは６２０である。ｆｎ３の好ましい上限は７１０であり、さらに好ましくは６９０である。

式（４）を参照して、ビッカース硬さＨＶ_０．４０に代表される芯部の硬さが低すぎれば、曲げ荷重が負荷された際に塑性変形し、表面における応力が増大し、機械部品としての曲げ疲労強度が低くなる。一方、芯部の硬さが高すぎれば、特にノッチ底において割れが発生しやすくなり、耐水素脆化特性が低下する。ＨＶ_０．４０が式（４）を満たせば、上記化学組成において、式（１）、式（２）、式（３）及び式（５）を満たすことを前提として、優れた疲労強度及び耐水素脆化特性が得られる。

ｆｎ４＝ＨＶ_０．４０−ｆｎ１と定義する。ｆｎ４の好ましい下限は４５０であり、さらに好ましくは４７０である。ｆｎ３の好ましい上限は６１０であり、さらに好ましくは５９０である。

［式（５）について］
図２に示すとおり、浸炭部品の表面からの深さ方向において、圧縮残留応力が掛かる領域（Ａ２及びＡ３）を狭くすることにより、表面に掛かる圧縮残留応力を大きくすることができる。圧縮残留応力の掛かる領域（Ａ２及びＡ３）を狭くするには、表層の硬さと芯部の硬さとの硬さ差を大きくすればよく、表層と芯部との間の硬さ勾配を急峻にすればよい。

ｆｎ５＝（ＨＶ_０．４０−ＨＶ_０．１５）／０．２５と定義する。ｆｎ５は、表面から０．１５ｍｍ深さ位置と表面から０．４０ｍｍ深さ位置との間の硬さ勾配を意味する。ｆｎ５が−９００以下の場合、表層の硬さと芯部の硬さとの硬さ勾配が大きすぎる。この場合、芯部の硬さが低くなりすぎ、部品として曲げ疲労強度が低くなる。一方、ｆｎ５が−２８０以上の場合、表層の硬さと芯部の硬さとの硬さ勾配が小さすぎるため、表面において十分な圧縮残留応力が得られない。この場合、浸炭部品の耐水素脆化特性が低下する。

ｆｎ５が−９００超〜−２８０未満であれば、つまり、ｆｎ５が式（５）を満たせば、上記化学組成において、式（１）〜式（４）を満たすことを前提として、優れた疲労強度及び耐水素脆化特性が得られる。ｆｎ５の好ましい下限は−８５０であり、さらに好ましくは−８００である。ｆｎ５の好ましい上限は−３３０であり、さらに好ましくは−３８０である。

［ビッカース硬さＨＶ_０．１５及びＨＶ_０．４０の測定方法］
ビッカース硬さＨＶ_０．１５及びＨＶ_０．４０は次の方法で測定できる。浸炭部品の軸部において、表面から０．１５ｍｍ深さ位置での任意の５点、表面から０．４０ｍｍ深さ位置での任意の５点で、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に準拠したビッカース硬さ試験を実施する。試験力は０．９８Ｎとする。任意の５箇所で得られた値の平均を、それぞれ、ビッカース硬さＨＶ_０．１５及びＨＶ_０．４０と定義する。

［製造工程］
本実施形態による浸炭部品の製造方法の一例を説明する。

上述の化学組成を満たす鋼材を準備する。鋼材はたとえば、次の方法で製造され、準備される。上記化学組成の溶鋼を製造し、溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片（スラブ又はブルーム）を製造する。溶鋼を用いて造塊法によりインゴット（鋼塊）を製造してもよい。鋳片又はインゴットを熱間加工して、ビレット（鋼片）を製造する。ビレットを熱間加工して、棒鋼又は線材を製造する。熱間加工は、熱間圧延でもよいし、熱間鍛造でもよい。

製造された鋼材に対して、鍛造を実施する。鍛造方法は熱間でも冷間でもよい。熱間鍛造の場合、熱間鍛造時における鋼材の加熱温度は特に限定されないが、たとえば、１０００〜１３００℃である。鍛造後の鋼材に対して必要に応じて切削加工に代表される機械加工を実施して、摺動部及び軸部を備える中間品を製造する。

製造された中間品に対して、浸炭焼入れ処理を実施し、さらに、浸炭焼入れ処理後の中間品に対して焼戻しを実施する。焼入れ後の中間品に対してさらに機械加工（切削加工等）を実施してもよい。以上の製造工程により、浸炭部品が製造される。

浸炭焼入れ処理の条件の一例は次のとおりである。

［浸炭焼入れ処理］
浸炭焼入れ処理は、ガス浸炭工程と、焼入れ（急冷）工程とを含む。本実施形態の浸炭部品で実施される浸炭処理は、ガス浸炭処理である。以下、ガス浸炭工程、焼入れ工程について説明する。

［ガス浸炭工程Ｓ１０］
図４は、ガス浸炭工程Ｓ１０及び焼入れ工程Ｓ２０でのヒートパターンの一例を示す図である。図４の縦軸は浸炭処理時における処理温度（℃）であり、横軸は時間である。図４を参照して、ガス浸炭工程Ｓ１０は、加熱工程Ｓ０と、浸炭工程Ｓ１と、拡散工程Ｓ２と、均熱工程Ｓ３とを含む。

加熱工程Ｓ０では、炉内に装入された中間品を浸炭温度Ｔｃまで加熱する。浸炭工程Ｓ１では、所定のカーボンポテンシャルＣｐ１の雰囲気中において、浸炭温度Ｔｃで中間品を所定時間（処理時間ｔ１）保持して、浸炭処理を実施する。拡散工程Ｓ２では、浸炭工程Ｓ１でのカーボンポテンシャルＣｐ１よりも低く、かつ、浸炭部品の表面Ｃ濃度と同程度のカーボンポテンシャルＣｐ２の雰囲気中において、浸炭温度Ｔｃで所定時間（処理時間ｔ２）保持する。均熱工程Ｓ３は、中間品全体を所定の焼入れ温度に均熱化することを目的とした工程である。均熱工程Ｓ３では、浸炭温度Ｔｃよりも低い均熱温度Ｔｓで所定時間（保持時間ｔ３）均熱する。ただし、均熱工程Ｓ３は省略してもよい。

浸炭工程Ｓ１において用いられる浸炭ガスの種類は、ガス浸炭処理に用いられている公知のものを用いることができる。浸炭ガスはたとえば、アセチレン、プロパン、エチレン等の炭化水素ガスである。

好ましい浸炭温度Ｔｃは、９００〜１１００℃であり、さらに好ましくは９２０〜１０５０℃である。浸炭温度Ｔｃが９００℃以上であれば、短時間で所定の炭素濃度の浸炭部品が得られる。浸炭温度Ｔｃが１１００℃以下であれば、結晶粒が粗大化しにくい。

浸炭工程Ｓ１における処理時間ｔ１及び拡散工程Ｓ２における処理時間ｔ２は、合計（ｔ１＋ｔ２）で、１１０分以下である。ただし、カーボンポテンシャルＣｐ１及びＣｐ２が後述の好ましい範囲であることを条件とする。浸炭時間が長すぎれば、芯部にまで焼きが入り、芯部の硬さが高まる。この場合、表層部と芯部と間の硬さ勾配ｆｎ５が小さくなる。その結果、浸炭部品の耐水素脆化特性が低下する。

カーボンポテンシャルＣｐ１及びＣｐ２が後述の好ましい範囲であることを条件として、浸炭工程Ｓ１における処理時間ｔ１の下限は４５分である。処理時間ｔ１が短すぎれば、ビッカース硬さＨＶ_０．４０に代表される芯部の硬さが低下する。浸炭工程Ｓ１における処理時間ｔ１のさらに好ましい下限は５０分である。処理時間ｔ１の好ましい上限は８０分であり、さらに好ましくは７０分である。

カーボンポテンシャルＣｐ１及びＣｐ２が後述の好ましい範囲であることを条件として、拡散工程Ｓ２における処理時間ｔ２の好ましい下限は２５分超である。処理時間ｔ２が短すぎれば、拡散時間が十分で無いため、炭素の拡散が表面寄りになる。つまり、表面と芯部とでの炭素濃度の勾配が大きくなる。その結果、ＨＶ_０．１５に代表される表面の硬さは高まり、ＨＶ_０．４０は低くなる。拡散工程Ｓ２における処理時間ｔ２の下限は、さらに好ましくは３０分である。処理時間ｔ２の好ましい上限は５０分であり、さらに好ましくは４５分である。

処理時間ｔ１及びｔ２の合計の好ましい上限は１１０分であり、さらに好ましくは１００分である。

浸炭工程Ｓ１でのカーボンポテンシャルＣｐ１は、０．８０〜１．１０であるのが好ましい。拡散工程Ｓ２でのカーボンポテンシャルＣｐ２：０．５５〜０．８０であるのが好ましい。カーボンポテンシャルＣｐ１及びＣｐ２が高すぎれば、芯部にまで焼きが入り、芯部の硬さが高まる。この場合、表層部の硬さと芯部の硬さとの硬さ勾配が小さくなる。その結果、耐水素脆化特性が低下する。カーボンポテンシャルＣｐ１の好ましい下限は０．８５であり、さらに好ましくは０．９０である。カーボンポテンシャルＣｐ１の好ましい上限は１．０５であり、さらに好ましくは１．００である。カーボンポテンシャルＣｐ２の好ましい下限は０．６０であり、さらに好ましくは０．６５である。カーボンポテンシャルＣｐ２の好ましい上限は０．７５であり、さらに好ましくは０．７０である。

均熱工程Ｓ３は実施してもしなくてもよい。均熱工程Ｓ３を実施する場合、好ましい均熱温度Ｔｓの上限は浸炭温度Ｔｃ−１０℃であり、さらに好ましくはＴｃ−５０℃である。好ましい均熱温度Ｔｓの下限はＴｃ−１００℃であり、さらに好ましくはＴｃ−７０℃である。

［焼入れ工程（Ｓ２０）］
ガス浸炭工程Ｓ１０後の中間品に対して、焼入れ工程Ｓ２０を実施する。焼入れ工程Ｓ２０では、ガス浸炭工程後の中間品を急冷して焼入れする。本実施形態では、たとえば、図４に示すとおり、ガス浸炭工程Ｓ１０中の均熱工程Ｓ３において、均熱温度Ｔｓを焼入れ温度として、所定の時間ｔ３均熱した後、急冷を実施してもよい。また、図５に示すとおり、ガス浸炭工程Ｓ１０後の中間品を常温まで冷却し、その後、焼入れ工程Ｓ２０を実施してもよい。この場合、焼入れ工程Ｓ２０では、初めに、中間品を焼入れ温度まで加熱して、所定時間保持した後、急冷する。なお、図５において、ガス浸炭工程Ｓ１０中の均熱工程Ｓ３は省略してもよい。

焼入れ工程Ｓ２０における好ましい焼入れ温度は、８００〜９００℃である。焼入れ温度のさらに好ましい下限は８２０℃である。焼入れ温度の好ましい上限は８８０℃である。

焼入れ処理における冷却方法は、油冷である。具体的には、冷却媒体である油を収納した冷却浴に、焼入れ温度に保持された中間品を浸漬して急冷する。冷却媒体である油の温度（油温）は、１２０〜１４０℃である。油温が１２０℃未満であれば、芯部まで焼きが入ってしまい、芯部硬さが高くなりすぎる。この場合、表層と芯部との間の硬さ勾配が小さくなり、ｆｎ５が式（５）を満たさなくなる。その結果、耐水素脆化特性が低下する。また、油温が１４０℃を超えると、表層の硬さＨＶ_０．１５が低くなりすぎ、耐摩耗性が低下する。したがって、焼入れ時の油温は１２０〜１４０℃である。なお、油冷時においては、浴内の油を周知の方法で十分に攪拌する。なお、冷却媒体である油の特性温度は特に限定されないが、たとえば５００〜６５０℃である。

以上の工程により、本実施形態による浸炭部品が製造される。なお、焼入れ処理後に周知の方法で焼戻し処理を実施してもよい。

表１及び表２に示す化学組成を有する溶鋼を製造した。製造された溶鋼を用いて、インゴッ卜を製造した。インゴッ卜を熱間鍛造して、直径５０ｍｍの丸棒を製造した。製造された丸棒を用いて、次の評価試験を実施した。

［試験片の作製］
初めに、各棒鋼に対して、焼準処理を実施した。焼準処理での処理温度は９２５℃であり、保持時間は１時間であった。保持時間経過後の棒鋼を大気中で放冷した。焼準処理後の棒鋼から、３種類の試験片を作製した。

［耐水素脆化特性評価試験片］
焼準処理後の直径５０ｍｍの棒鋼に対して機械加工を実施して、図６に示す耐水素脆化特性評価試験片を、各試験番号の棒鋼につき複数作製した。図６中の１．００ｍｍは、試験片のＶノッチの深さが１．００ｍｍであることを示す。図６中の「Ｄ」は、Ｖノッチの最大外径（軸の外径）（ｍｍ）を示す。図中の「６０°」は、Ｖノッチ角度が６０°であることを示す。図中の「ｒ」は、Ｖノッチ底の曲率半径（ｍｍ）を意味する。

各試験番号の最大外径Ｄ及び曲率半径ｒの寸法は、次のとおりであった。試験番号３５では最大外径Ｄ：２０ｍｍ、曲率半径ｒ：０．９ｍｍとした。試験番号３６では最大外径Ｄ：５ｍｍ、曲率半径ｒ：０．０７２ｍｍとした。試験番号３７では最大外径Ｄ：２０ｍｍ、曲率半径ｒ：１．１ｍｍとした。試験番号３８では最大外径Ｄ：４ｍｍ、曲率半径ｒ：０．０７２ｍｍとした。試験番号３９では最大外径Ｄ：２０ｍｍ、曲率半径ｒ：０．３ｍｍとした。試験番号４０では最大外径Ｄ：２０ｍｍ、曲率半径ｒ：０．１５ｍｍとした。上記以外の試験番号は全て、最大外径Ｄ：２０ｍｍ、曲率半径ｒ：０．３６ｍｍとした。

［ローラーピッチング試験片］
焼準処理後の直径５０ｍｍの棒鋼に対して機械加工を実施して、図７に示す形状を有するローラーピッチング試験片を作製した。図７中の数値は寸法を示す。ローラーピッチング試験片は円柱状であり、中央に直径２６ｍｍの平行部を有していた。ローラーピッチング試験片の平行部以外の直径は２２ｍｍであった。ローラーピッチング試験片は、後述するローラーピッチング試験における小ローラーであった。

［４点曲げ疲労試験片の作製］
焼準処理後の直径５０ｍｍの棒鋼に対して機械加工を実施して、図８に示す形状の４点曲げ疲労試験片を複数個採取した。４点曲げ疲労試験片は、高さ及び幅が共に１３ｍｍであり、長さが１００ｍｍであった。４点曲げ疲労試験片の長さ方向中央位置には、断面形状が半円であるノッチを形成した。半円のノッチは、４点曲げ疲労試験片の幅方向に延びていた。半円のノッチの曲率半径ｒは２ｍｍであった。

耐水素脆化特性評価試験片、ローラーピッチング試験片及び４点曲げ疲労試験片に対して、浸炭処理及び焼入れ処理を実施して、試験番号１〜試験番号５９の浸炭部品を製造した。なお、試験番号３５〜試験番号４０のローラーピッチング試験及び４点曲げ疲労試験については、試験番号７と同じ評価となると予想し、省略した。

具体的には、各試験番号の耐水素脆化特性評価試験片、ローラーピッチング試験片及び４点曲げ疲労試験片に対して、炉内で試験片を９３０℃の浸炭温度Ｔｃまで加熱した。炉内にアセチレンガスを導入し、試験片を浸炭処理する浸炭工程Ｓ１を実施した。浸炭工程Ｓ１でのカーボンポテンシャルＣｐ１及び処理時間ｔ１は表３及び表４に示すとおりであった。

次に、試験片に侵入した炭素を鋼材中に拡散させる拡散工程Ｓ２を行った。拡散工程Ｓ２でのカーボンポテンシャルＣｐ２及び処理時間ｔ２は表３及び表４に示すとおりであった。

浸炭工程Ｓ１での処理時間ｔ１及び拡散工程Ｓ２での処理時間ｔ２の合計時間（ｔ１＋ｔ２）は、表３及び表４に示すとおりであった。

その後、試験片を冷却し、焼入れ温度である８７０℃で冷却を停止した。焼入れ温度（８７０℃）で１０分間均熱した後、油焼入れを実施した。

油焼入れ時の油温は、表３及び表４に示すとおりであった。なお、油の特性温度はいずれの試験番号においても、６００℃であった。

油焼入れ後の各試験片に対して、焼戻し温度１８０℃、焼戻し温度での保持時間１２０分とする焼戻しを実施した。

以上の製造工程により、試験番号１〜５９の浸炭部品（耐水素脆化特性評価試験片、ローラーピッチング試験片及び４点曲げ疲労試験片）を作製した。なお、浸炭部品において、表面から２．０ｍｍ深さよりも深い位置からサンプルを採取して、ＪＩＳ Ｇ ０３２１（２０１０）に準拠した製品分析を実施した結果、いずれの試験番号においても、表１に示す化学組成であった。

［評価試験］
製造された各試験番号の浸炭部品に対して、次の評価試験を実施した。

［表面Ｃ濃度測定］
試験前の耐水素脆化特性評価試験片に対して、上述の方法により表面Ｃ濃度（％）を測定した。結果を表３及び表４に示す。

［表層及び芯部の硬さ測定］
試験前の耐水素脆化特性評価試験片を長さ方向に直交する方向に切断した。切断面を測定面として、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に準拠したビッカース硬さ試験を実施して、上述の方法に基づいて、ビッカース硬さＨＶ_０．１５及びＨＶ_０．４０を測定した。なお、ビッカース硬さ試験における試験力を０．９８Ｎとした。得られたビッカース硬さＨＶ_０．１５及びＨＶ_０．４０を表５及び表６に示す。また、ビッカース硬さＨＶ_０．１５及びＨＶ_０．４０から得られるｆｎ５を表５及び表６に示す。

［耐水素脆化特性評価試験］
連続チャージ定荷重（定電位）試験法を用いて、試験番号ごとに、試験片に対して種々の濃度の水素を導入した。連続チャージ定荷重試験法は次のとおり実施した。３％塩化ナトリウム水溶液中に試験片を浸漬した。試験片を浸漬した状態で、試験片の表面に、電位１０００ｍＡで陰極電位を発生させて水素を試験片内に取り込んだ。

試験片内に水素を導入した後、試験片表面に亜鉛めっき被膜を形成し、試験片中の水素の散逸を防止した。続いて、試験片のＶノッチ断面に対して一定加重を負荷する定荷重試験を実施した。２００時間経過しても破断しなかった最大の負荷応力（ＭＰａ）を求めた。

さらに、ＪＩＳ Ｇ ４０５３（２０１６）に規定のＳＣｒ４２０に相当する化学組成を有する鋼を耐水素脆化特性評価試験の基準品として準備した。ＳＣｒ４２０は一般的に使用されている浸炭用鋼である。基準品に対して、試験番号１と同様に試験片を作製した。作製した試験片に対して、通常の浸炭条件で浸炭処理を実施した。具体的には、次のとおりの浸炭処理条件とした。
浸炭工程Ｓ１での浸炭温度Ｔｃ：９３０℃
浸炭工程Ｓ１での処理時間ｔ１：１８０分
浸炭工程Ｓ１でのカーボンポテンシャルＣｐ１：０．８
均熱工程Ｓ３での均熱温度：８７０℃
均熱工程Ｓ３での保持時間ｔ３：３０分
均熱工程Ｓ３でのカーボンポテンシャルＣｐ３：０．８
なお、焼入れ及び焼戻しの条件は、試験番号１と同じであった。

基準品の軸部の表面のＣ濃度は０．８％であった。基準品のＨＶ_０．１５は７５０、ＨＶ_０．４０は７００であった。基準品において、２００時間経過しても破断しなかった最大の負荷応力（ＭＰａ）（基準耐久応力）を求めた。

各試験番号の試験結果において、基準耐久応力に対する最大の負荷応力（ＭＰａ）の比が１．６以上であった場合、評価「Ａ」とした。基準耐久応力に対する最大の負荷応力（ＭＰａ）の比が１．４〜１．６未満であった場合、評価「Ｂ」とした。基準耐久応力に対する最大の負荷応力（ＭＰａ）の比が１．２〜１．４未満であった場合、評価「Ｃ」とした。基準耐久応力に対する最大の負荷応力（ＭＰａ）の比が、１．２未満であった場合、評価「×」とした。評価Ａ〜Ｃの場合、耐水素脆化特性に優れると判断した。評価×の場合、耐水素脆化特性が低いと判断した。

［耐摩耗性評価試験（ローラーピッチング試験）］
耐摩耗性を評価するため、ローラーピッチング試験を実施した。図９は、ローラーピッチング試験の模式図である。具体的には、コマツエンジニアリング社製ローラーピッチング疲労強度試験機を用いて、以下の条件で試験を実施した。
すべり率：−４０％
潤滑剤：オートマチック用オイル
潤滑剤温度：９０℃
潤滑剤の流量：２Ｌ／分
回転数：１５００ｒｐｍ
面圧：２０００ＭＰａ

図９に示すとおり、小ローラー２００に大ローラー１００を上記面圧で押し当てながら小ローラー２００を回転させた。小ローラー２００は上記試験片の作製で作製したローラーピッチング試験片であった。大ローラー１００はＪＩＳ Ｇ ４０５３（２０１６）に規定のＳＣＭ４２０に相当する化学組成を有する鋼を用いて、共析浸炭後に低温焼戻しして表面研磨したものを使用した。大ローラー１００の半径は１３０ｍｍであった。回転数１×１０^６回における各試験片の摩耗深さＤｗを測定した。摩耗深さＤｗの測定には、触針式の表面粗さ計を用いた。測定長さは２４ｍｍとして、各試験片の軸方向に触針を走査して断面曲線を得た。各試験片において、円周方向に１８０°毎に２箇所測定を実施し、断面曲線を得た。得られた断面曲線から、各試験片において、大ローラー１００が接触していない部分における断面曲線要素の平均高さ、及び、大ローラー１００が接触して摩耗した部分における断面曲線要素の平均高さをそれぞれ算出した。そして、大ローラー１００が接触していない部分と大ローラー１００が接触していた部分との高さの差を算出した。得られた高さの差の上記測定箇所における平均値を、各試験番号の摩耗深さＤｗ（μｍ）とした。

摩耗深さＤｗが２０μｍ未満であった試験片を評価「Ａ」とし、２０〜４０μｍ未満であった試験片を評価「Ｂ」、４０〜６０μｍ未満であった試験片を評価「Ｃ」、６０〜８０μｍ未満であった試験片を評価「Ｄ」、８０μｍ以上であった試験片を評価「×」とした。評価Ａ〜Ｄの場合、耐摩耗性に優れると判断した。評価×の場合、耐摩耗性が低いと判断した。

［曲げ疲労強度評価試験（４点曲げ疲労試験）］
各試験番号の４点曲げ疲労試験片を用いて、４点曲げ疲労試験を実施した。試験にはサーボ型疲労試験機を用いた。４点曲げ疲労試験片は、ノッチを有する面が下面となるように設置した。４点曲げ疲労試験片上の、上部支点間の距離は４５ｍｍ、下部支点間の距離は８０ｍｍとした。最大負荷応力は１１５０ＭＰａであり、最大負荷応力と最小負荷応力との応力比は０．１であった。周波数は１０Ｈｚであった。応力負荷繰り返し回数が１×１０^４回での破断強度を、４点曲げ疲労強度（ＭＰａ）と定義した。

４点曲げ疲労強度が８５０ＭＰａ以上であった試験片を評価「Ａ」とし、７５０〜８５０ＭＰａ未満であった試験片を評価「Ｂ」、６５０〜７５０ＭＰａ未満であった試験片を評価「Ｃ」、６５０ＭＰａ未満であった試験片を評価「×」とした。評価Ａ〜Ｃの場合、曲げ疲労強度に優れると判断した。評価×の場合、曲げ疲労強度が低いと判断した。

［評価結果］
表５及び表６に評価結果を示す。

表１〜表６を参照して、試験番号１〜４、６〜９、１２、１３、１６、１７、１９、２０、２２、２３、２５、２６、２８、２９、３１、３２、３５、３６、３９、４１、４２、４５、４６、４９、５０及び５３〜５７では、いずれの試験番号においても、本実施形態で規定する化学組成を有した。さらに、表面Ｃ濃度が０．５０〜０．７０％であった。式（１）〜式（５）を満たした。その結果、優れた耐水素成果特性を示し、かつ、十分な耐摩耗性及び曲げ疲労強度を有した。

一方、試験番号５では、Ｃ含有量が高すぎた。そのため、耐水素脆化特性が低かった。

試験番号１０では、Ｓｉ含有量が高すぎた。そのため、耐摩耗性が低かった。浸炭が阻害され、表面Ｃ濃度が低下したためと考えられる。

試験番号１１では、Ｓｉ含有量が低すぎた。そのため、耐摩耗性が低かった。

試験番号１４では、Ｍｎ含有量が高すぎた。そのため、耐水素脆化特性が低かった。

試験番号１５では、Ｍｎ含有量が低すぎた。そのため、耐摩耗性が低かった。

試験番号１８では、Ｐ含有量が高すぎた。そのため、耐水素脆化特性が低かった。

試験番号２１では、Ｓ含有量が高すぎた。そのため、耐水素脆化特性が低かった。

試験番号２４では、Ａｌ含有量が低すぎた。そのため、耐水素脆化特性が低かった。

試験番号２７では、Ｎ含有量が低すぎた。そのため、耐水素脆化特性が低かった。

試験番号３０では、Ｃｒ含有量が低すぎた。そのため、耐摩耗性が低かった。

試験番号３３では、表面Ｃ濃度が高すぎた。そのため、ＨＶ_０．１５が高すぎた。その結果、耐水素脆化特性が低かった。Ｃｐ２が高かったためと考えられる。

試験番号３４では、表面Ｃ濃度が低すぎた。そのため、耐摩耗性が低かった。Ｃｐ２が低かったためと考えられる。

試験番号３７では、ｆｎ１が高すぎた。そのため、耐水素脆化特性が低かった。

試験番号３８では、ｆｎ１が低すぎた。そのため、耐水素脆化特性が低かった。

試験番号４０では、ｆｎ２が低すぎた。そのため、耐水素脆化特性が低かった。

試験番号４３では、ＨＶ_０．１５が高すぎた。その結果、耐水素脆化特性が低かった。油焼入れ時の油温が１２０℃未満であったため、浸炭部品の硬さが全体的に高めになり、かつ、処理時間ｔ１が長めであったため、表面Ｃ濃度が高めになったためと考えられる。

試験番号４４では、ＨＶ_０．１５が低すぎた。そのため、耐摩耗性が低かった。油温が１４０℃を超えたためと考えられる。

試験番号４７では、ＨＶ_０．４０が高すぎた。その結果、耐水素脆化特性が低かった。浸炭工程Ｓ１における処理時間ｔ１及び拡散工程Ｓ２における処理時間ｔ２の合計（ｔ１＋ｔ２）が長すぎたためと考えられる。

試験番号４８では、ＨＶ_０．４０が低すぎた。そのため、曲げ疲労強度が低かった。浸炭工程Ｓ１における処理時間ｔ１が短すぎたためと考えられる。

試験番号５１及び５８では、油温が１２０℃未満であった。そのため、硬さ勾配ｆｎ５が小さすぎた。そのため、耐水素脆化特性が低かった。

試験番号５２では、硬さ勾配ｆｎ５が大きすぎた。そのため、曲げ疲労強度が低かった。拡散工程Ｓ２における処理時間ｔ２が短すぎたためと考えられる。

試験番号５９では、ＨＶ_０．１５及びＨＶ_０．４０が低すぎた。そのため、耐摩耗性が低かった。浸炭工程Ｓ１における処理時間ｔ１及び拡散工程Ｓ２における処理時間ｔ２の合計（ｔ１＋ｔ２）が長すぎたためと考えられる。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

１ 浸炭部品
２ 摺動部
３ 軸部
４ 応力集中部
５ ノッチ
１００ 大ローラー
２００ 小ローラー

Claims (3)

1. 他の部材と接触する摺動面を有する摺動部と、
   前記摺動部と繋がっている軸部とを備え、
   前記軸部は、前記軸部の周方向に延びる１又は複数のノッチを含む応力集中部を備え、
   前記軸部のうち、硬化層を除く芯部の化学組成が、質量％で、
   Ｃ：０．１０〜０．３０％、
   Ｓｉ：０．５０〜１．５０％、
   Ｍｎ：０．３０〜１．４０％、
   Ｐ：０．０３０％未満、
   Ｓ：０．０３０％未満、
   Ｃｒ：０．５０〜２．００％、
   Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、
   Ｎ：０．００１〜０．０３０％、
   Ｍｏ：０〜０．８０％、
   Ｎｉ：０〜０．５０％、
   Ｃｕ：０〜０．５０％、
   Ｔｉ：０〜０．１０％、及び、
   Ｎｂ：０〜０．１０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、
   前記軸部の表面のＣ濃度が０．５０〜０．７０％であり、
   前記軸部において、前記ノッチの最大外径をＤ（ｍｍ）、前記ノッチのノッチ底の曲率半径をｒ（ｍｍ）、表面から０．１５ｍｍ深さ位置でのビッカース硬さをＨＶ_０．１５、表面から０．４０ｍｍ深さ位置でのビッカース硬さをＨＶ_０．４０と定義したとき、式（１）〜式（５）を満たす、
   浸炭部品。
   １．０＜ｆｎ１＝３×ｒ×Ｄ＜６０．０ （１）
   ０．０１０＜ｒ／Ｄ （２）
   ５８０＋ｆｎ１≦ＨＶ_０．１５≦７３０＋ｆｎ１ （３）
   ４３０＋ｆｎ１≦ＨＶ_０．４０≦６３０＋ｆｎ１ （４）
   −９００＜（ＨＶ_０．４０−ＨＶ_０．１５）／０．２５＜−２８０ （５）
2. 請求項１に記載の浸炭部品であって、
   前記化学組成は、
   Ｍｏ：０．０１〜０．８０％、
   Ｎｉ：０．０５〜０．５０％、及び、
   Ｃｕ：０．１０〜０．５０％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有することを特徴とする、浸炭部品。
3. 請求項１又は請求項２に記載の浸炭部品であって、
   前記化学組成は、
   Ｔｉ：０．０５〜０．１０％、及び、
   Ｎｂ：０．０１〜０．１０％からなる群から選択される１種又は２種を含有することを特徴とする、浸炭部品。

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