JP6838508B2 - 真空浸炭用鋼及び浸炭部品 - Google Patents

Description

本発明は、真空浸炭用鋼及び真空浸炭用鋼を用いて製造される浸炭部品に関する。

従来、歯車、ベルト式無段変速機（ＣＶＴ）用プーリーなどの機械部品には、浸炭処理が施された浸炭部品が利用されている。近年、上述の機械部品では、小型化及び軽量化が求められている。したがって、これらの機械部品として利用される浸炭部品では、小型化及び軽量化が可能となるように、さらなる疲労強度の向上が求められている。

浸炭処理として、従来はガス浸炭処理が多く利用されていた。しかしながら、最近では、真空浸炭処理が利用されるようになってきている。真空浸炭処理に関する技術は、国際公開第２００９／１３１２０２号（特許文献１）、特許第５３０１７２８号公報（特許文献２）、特許第４２５４８１６号公報（特許文献３）、及び、特開２０１６−１９１１５１号（特許文献４）に開示されている。

真空浸炭処理は、ガス浸炭処理と比較して、次の効果を有する。真空浸炭処理では、浸炭温度を高くすることができる。そのため、短時間で所望の炭素濃度を有する浸炭部品が得られる。さらに、真空浸炭処理は真空での処理であるため、浸炭処理に伴う粒界酸化が抑制される。そのため、曲げ疲労強度の高い浸炭部品を製造しやすい。真空浸炭処理ではさらに、炭素収率が高い。そのため、二酸化炭素の排出量を抑えることができる。

真空浸炭処理は上述の効果を有するものの、次の問題を有する。真空浸炭処理により製造された浸炭部品では、エッジ部の炭素濃度が、平坦部と比較して高くなりやすい。そのため、エッジ部では、炭素濃度が必要以上に高くなる過剰浸炭が発生しやすい。過剰浸炭された部分の焼入れ組織には、粗大なセメンタイトが発生しやすい。粗大なセメンタイトは、曲げ疲労強度を低下する。過剰浸炭された部分の焼入れ組織にはさらに、残留オーステナイトが残存しやすくなる。残留オーステナイトは、硬さを低下したり、鋼材を脆くしたりする。したがって、真空浸炭処理により製造された浸炭部品では、曲げ疲労強度が不十分となる場合がある。特に、歯車、ＣＶＴ用プーリー等、多数のエッジ部を含む浸炭部品の場合、エッジ部において、過剰浸炭に起因して曲げ疲労強度が低下する場合がある。

真空浸炭処理を施した浸炭部品におけるエッジ部の過剰浸炭の問題を解決すべく、従来、種々の対策が提案されている。

たとえば、浸炭部品の表層における炭素濃度が低くなる条件で、真空浸炭処理を行なう方法がある。具体的には、特許文献１には、減圧浸炭工程を、炭素の拡散速度が速い歯形部の歯面または歯底の表面浸炭濃度が０．６５±０．１質量％の範囲内となる条件で行う鋼部材の製造方法が記載されている。

また、真空浸炭処理される鋼材の化学組成において、Ｓｉ濃度を高くしたり、Ｃｒ濃度を低くしたりすることが提案されている。鋼材に含まれるＣｒ濃度を低くすれば、真空浸炭処理によって生じる粗大セメンタイトの析出が抑制される。そのため、曲げ疲労強度の低下が抑制される。具体的には、特許文献２には、浸炭処理される鋼部材として、Ｓｉ：０．３５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｃｒ：０．２％未満、Ｍｏ：０．１％以下とした化学組成が記載されている。また、特許文献３には、浸炭処理される鋼部材として、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．３〜３．０％、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、Ｃｒ：０．３〜１．０％、［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．５とした化学組成が記載されている。

特許文献４では、化学組成を調整することにより、エッジ部の過剰浸炭を抑制できる浸炭部品を提案する。この文献に開示された浸炭部品は、芯部が、質量％で、Ｃ:０．１０〜０．３０％、Ｓｉ:０．１６〜１．４０％、Ｍｎ:１．４０〜３．００％、Ｐ:０．０３０％以下、Ｓ:０．０６０％以下、Ｃｒ:０．０１〜０．２９％、Ａｌ:０．０１０〜０．３００％、及び、Ｎ:０．００３〜０．０３０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、表面が平坦部とエッジ部とを有し、平坦部の表面から深さ０．０５ｍｍの位置までの平坦部表層領域の炭素濃度が０．７０％以上０．８９％以下であり、エッジ部の表面から深さ０．０５ｍｍの位置までのエッジ部表層領域の炭素濃度が１．２０％以下であり、粒界酸化層深さが１μｍ以下であり、芯部のビッカース硬さが２６０以上であることを特徴とする。

国際公開第２００９／１３１２０２号 特許第５３０１７２８号公報 特許第４２５４８１６号公報 特開２０１６−１９１１５１号公報

上述のとおり、エッジ部の過剰浸炭を抑制する提案は複数されている。ところで、上記特許文献を含む従前の技術では、浸炭部品において、頂角が９０°以上のエッジ部を想定している。しかしながら、上述の機械部品の中には、頂角が９０°未満（つまり鋭角）のエッジ部も存在する場合がある。たとえば、はすば歯車や、ハイポイドギア、ベベルギア等、歯筋が回転軸に対してねじれている歯車では、鋭角のエッジ部が存在する。さらに、ＣＶＴ用プーリーのねじ山やモジュールの小さなインボリュートスプラインにおいても、鋭角のエッジ部が存在する。このような鋭角なエッジ部では、９０°以上の頂角のエッジ部と比較して、過剰浸炭が発生しやすい。上述の文献では、鋭角なエッジ部での過剰浸炭の抑制については検討されていない。

鋭角のエッジ部での過剰浸炭を抑制するために、真空浸炭処理時において、浸炭部品の表層の炭素濃度が低くなるように調整することが考えられる。しかしながらこの場合、浸炭部品のエッジ部以外の部分（平坦部）において炭素濃度が不足する。この場合、浸炭部品の表面硬さが低下し、曲げ疲労強度が低下する。

さらに、上述の機械部品の用途では、曲げ疲労特性のうち、特に、応力負荷繰り返し回数が１×１０⁴回での破断強度である、低サイクル曲げ疲労強度の向上が求められる。このような低サイクル曲げ疲労強度を高めるには、浸炭部品の表層の硬さだけでなく、芯部の硬さも高い方が好ましい。

本発明の目的は、鋭角のエッジ部を有する浸炭部品を製造した場合にも、過剰浸炭を抑制でき、かつ、芯部の硬さが高い真空浸炭用鋼及び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真空浸炭用鋼は、化学組成が、質量％で、Ｃ:０．１０〜０．３０％、Ｓｉ:１．４１〜２．５０％、Ｍｎ:１．４０〜３．００％、Ｐ:０．０３０％以下、Ｓ:０．０６０％以下、Ｃｒ:０．０１〜０．５９％、Ａｌ:０．０１０〜０．１００％、Ｎ:０．００３〜０．０３０％、Ｍｏ：０〜０．２０％、Ｃｕ：０〜０．２０％、Ｎｉ：０〜０．４０％、Ｎｂ：０〜０．１０％、Ｔｉ：０〜０．１００％、及び、Ｂ：０〜０．００３０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、式（１）で定義されるｆｎ１が０．９０以上であり、式（２）で定義されるｆｎ２が０．５０以下である。
ｆｎ１＝Ｓｉ−Ｃｒ （１）
ｆｎ２＝Ｓｉ−０．８×Ｍｎ （２）
ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。

本実施形態による浸炭部品は、平坦部及びエッジ部とを含む表面と、表面から深さ２．０ｍｍ以上の領域であって、上述の化学組成を有する芯部とを備える。平坦部から深さ０．０５ｍｍの位置までの平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１が０．７０〜０．８９％であり、エッジ部から深さ０．０５ｍｍの位置までのエッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２が、炭素濃度ＣＰ１よりも高く１．２０％以下であり、芯部のビッカース硬さはＨＶ２６０〜５００である。

本実施形態の真空浸炭用鋼は、浸炭部品を製造したとき、鋭角なエッジ部での過剰浸炭を抑制でき、芯部の硬さも高めることができる。本実施形態の浸炭部品は、鋭角なエッジ部でも過剰浸炭が抑制され、優れた芯部硬さを有する。

図１は、本実施形態による浸炭部品の斜視図である。 図２は、図１中の断面ＣＳの模式図である。 図３は、図１と異なる他の浸炭部品の正面図及び側面図である。 図４は、低サイクル曲げ疲労強度と浸炭部品のエッジ部表層領域での炭素濃度との関係を示す図である。 図５は、鋭角なエッジ部での炭素濃度と、ｆｎ１との関係を示す図である。 図６は、芯部硬さとｆｎ２との関係を示す図である。 図７は図１及び図３と異なる他の浸炭部品の一例を示す斜視図である。 図８は、図１に示す断面ＣＳのコーナの点Ｐｃ周辺の拡大図である。

以下、本実施形態による真空浸炭用鋼及び浸炭部品について説明する。

真空浸炭処理により製造される浸炭部品は、表面と、芯部とを含む。本明細書において、芯部は、浸炭部品の表面からの深さが２．０ｍｍ以上の領域と定義する。ここでいう表面からの深さとは、表面からの最短深さを意味し、より具体的には、表面から垂直方向の深さを意味する。

図１は、本実施形態による浸炭部品の一例を示した斜視図である。図１に示す浸炭部品１００は、一例として４点曲げ疲労試験片を想定している。浸炭部品１００は、全体が四角柱状であり、長さ方向の中央に切欠き部が形成されている。

浸炭部品１００の表面は、エッジ部４と平坦部３とを含む。ここで、浸炭部品１００の長手方向に平行であって、切欠き部の長手方向と直交する側面における切欠き部の辺２に注目する。辺２上における任意の位置に存在する点を、点Ｐｃと定義する。そして、図１に示すように、点Ｐｃにおける辺２と垂直な断面ＣＳを想定する。

図２は、図１中の断面ＣＳの模式図である。図２を参照して、断面ＣＳにおいて、浸炭部品１００の表面の任意の点ＸＰから、表面から垂直方向に１．０ｍｍの深さの仮想点Ｐを想定する。仮想点Ｐの集合体１５を図２の破線で示す。仮想点Ｐを中心とする半径１．０ｍｍの仮想球を想定し、この仮想球が浸炭部品１００の表面と接する（１点で交わる）場合、仮想点ＰはＰ１とする。Ｐ１を中心とする仮想球と浸炭部品１００の表面との接点をＸＰ１とする。浸炭部品１００の表面のうち、点ＸＰ１で構成される領域を平坦部３と定義する。

さらに、浸炭部品１００の表面のうち、平坦部３以外の部分、図２では、点ＸＰ１以外の表面部分をエッジ部４と定義する。

このような平坦部３とエッジ部４とを含む表面を有する浸炭部品１００において、表層の硬さと曲げ疲労強度、芯部硬さと曲げ疲労強度とは、それぞれ相関関係があることは知られている。さらに、表層の硬さと、表層の炭素濃度とが相関関係があることも知られている。

ところで、浸炭部品では、図３に示すように、頂角が鋭角となるエッジ部４を含むものもある。図３では、エッジ部４の頂角は４０°である。

図１を参照して、浸炭部品１００の表面上における任意の位置に存在する点をＰと定義する。点Ｐを中心とする半径１．０ｍｍの仮想球を想定し、仮想球と浸炭部品とが重なる部分の体積をＶ、浸炭部品の表面のうち仮想球に含まれる部分の面積をＳとする。このとき、Ｖ／Ｓで表わされるパラメーターが小さいほど、エッジ部４の頂角が鋭角である。図１に示す点ＰｃでのＶ／Ｓは０．３３であり、鋭角ではない。一方、図３に示す頂角４０°での点Ｐｄでは、Ｖ／Ｓは０．１５となる。本明細書では、Ｖ／Ｓが０．３２以下の場合を、鋭角なエッジ部４と定義する。

このような鋭角なエッジ部４を含む浸炭部品１００においても、エッジ部４での過剰浸炭を抑制し、優れた曲げ疲労強度が求められる。

そこで、本発明者らはまず、質量％で０．１０〜０．３０％のＣを含有する化学組成を有する真空浸炭用鋼からなる４点曲げ疲労試験片（図１）を用いて、エッジ部の表層領域の炭素濃度ＣＰ２と、曲げ疲労強度との関係について調査した。４点曲げ疲労試験片の形状（寸法）は後述の実施例と同じとした。４点曲げ疲労試験には、サーボ型疲労試験機を用いた。４点曲げ疲労試験片の支点間の距離は２０ｍｍとした。また、最大負荷応力は１４８７ＭＰａ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。そして、応力負荷繰り返し回数が１×１０⁴回での破断強度を、４点曲げ疲労強度（ＭＰａ）と評価した。各４点曲げ疲労試験片のエッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２は、後述の方法により測定した。

得られた結果を図４に示す。図４を参照して、エッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２が増加するにしたがい、曲げ疲労強度は低下した。そして、炭素濃度ＣＰ２が１．２０を超えれば、曲げ疲労強度が９５０ＭＰａ以下となり、十分な曲げ疲労強度が得られなかった。

以上の検討結果から、本発明者らは、過剰浸炭が起こりやすいエッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２を１．２０％以下とすれば、低サイクルにおいて優れた曲げ疲労強度が得られると考えた。さらに詳細な検討をした結果、浸炭部品において、芯部のビッカース硬さがＨＶ２６０以上であり、かつ、平坦部の炭素濃度ＣＰ１が０．７０〜０．８９であり、エッジ部の炭素濃度ＣＰ２が炭素濃度ＣＰ１よりも高く１．２０以下であれば、優れた低サイクル曲げ疲労強度が得られることがわかった。このことは、特許文献４にも開示されている。

そこで、本発明者らは、鋭角なエッジ部を含む浸炭部品において、エッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２を１．２０％以下に抑制する方法について検討した。その結果、質量％で、Ｃ:０．１０〜０．３０％、Ｓｉ:１．４１〜２．５０％、Ｍｎ:１．４０〜３．００％、Ｐ:０．０３０％以下、Ｓ:０．０６０％以下、Ｃｒ:０．０１〜０．５９％、Ａｌ:０．０１０〜０．１００％、Ｎ:０．００３〜０．０３０％、Ｍｏ：０〜０．２０％、Ｃｕ：０〜０．２０％、Ｎｉ：０〜０．４０％、Ｎｂ：０〜０．１０％、Ｔｉ：０〜０．１００％、及び、Ｂ：０〜０．００３０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有する真空浸炭用鋼において、式（１）で定義されるｆｎ１が０．９０以上であれば、後述の式（２）で定義されるｆｎ２が０．５０以下になることを条件として、真空浸炭処理後の浸炭部品において、鋭角なエッジ部であっても炭素濃度ＣＰ２を１．２０以下にできることを見出した。
ｆｎ１＝Ｓｉ−Ｃｒ （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。

図５は、ｆｎ１と４０°の鋭角のエッジ部表層領域での炭素濃度ＣＰ２との関係を示す図である。図５は後述の実施例での炭素濃度測定試験と同様の方法により得られた。

図５を参照して、ｆｎ１の増加に伴い、４０°のエッジ部表層領域での炭素濃度ＣＰ２は顕著に低下し、１．２０％以下となった。そして、ｆｎ１が０．９０以上となったとき、炭素濃度ＣＰ２は１．２０％以下でほぼ一定となった。つまり、４０°のエッジ部表層領域での炭素濃度ＣＰ２は、ｆｎ１＝０．９０で変曲点を有した。

したがって、ｆｎ１が０．９０以上であれば、鋭角の角部のエッジ部表層領域においても、炭素濃度ＣＰ２を１．２０％以下にすることができ、優れた低サイクル曲げ疲労強度が得られる。

［芯部の硬さについて］
低サイクル疲労強度を高めるには、上述のとおり、浸炭部品の芯部の硬さも高める必要がある。具体的には、浸炭部品において、芯部のビッカース硬さがＨＶ２６０以上であれば、低サイクル疲労強度が高くなる。そこで、本発明者らは、芯部の硬さについて検討した。その結果、上記化学組成を有する真空浸炭用鋼において、式（２）で定義されるｆｎ２が０．５０以下であれば、真空浸炭処理後の浸炭部品において、芯部硬さをＨＶ２６０以上にできることを見出した。
ｆｎ２＝Ｓｉ−０．８×Ｍｎ （２）
ここで、式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。

図６は、ｆｎ２と芯部硬さとの関係を示す図である。図６は、質量％で０．１０〜０．３０％のＣを含有する化学組成を有する真空浸炭用鋼の試験片を用いて、後述の芯部硬さ試験と同じ方法により得られた。図６を参照して、ｆｎ２が高くなるほど、芯部硬さが低下する。そして、ｆｎ２が０．５０を超えると、芯部硬さが非連続に急激に低下し、ＨＶ２６０未満となる。つまり、図６の芯部硬さは、ｆｎ２＝０．５０で変曲点を有する。したがって、ｆｎ２が０．５０以下の場合、芯部硬さがビッカース硬さでＨＶ２６０以上となる。

したがって、真空浸炭用鋼の化学組成が質量％で、Ｃ:０．１０〜０．３０％、Ｓｉ:１．４１〜２．５０％、Ｍｎ:１．４０〜３．００％、Ｐ:０．０３０％以下、Ｓ:０．０６０％以下、Ｃｒ:０．０１〜０．５９％、Ａｌ:０．０１０〜０．１００％、Ｎ:０．００３〜０．０３０％、Ｍｏ：０〜０．２０％、Ｃｕ：０〜０．２０％、Ｎｉ：０〜０．４０％、Ｎｂ：０〜０．１０％、Ｔｉ：０〜０．１００％、及び、Ｂ：０〜０．００３０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、かつ、ｆｎ１が０．９０以上であることを前提として、ｆｎ２が０．５０以下であれば、芯部硬さがＨＶ２６０以上となる。その結果、優れた低サイクル疲労強度が得られると考えられる。

ｆｎ２が０．５０以下であれば芯部硬さＨＶ２６０以上となる理由は、次のとおりと考えられる。ｆｎ２が高くなると、鋼中において、Ｍｎ含有量に対してＳｉ含有量の割合が高くなる。Ｓｉはフェライトを安定化するため、真空浸炭後において、芯部に軟質なフェライトが多く生成する。その結果、Ｍｎ及びＳｉによる焼入れ性向上による強化機構よりも、Ｓｉによるフェライト増加による軟化機構が勝ってしまう。ｆｎ２が０．５０以上となれば、鋼中のフェライトが顕著に増加するために、芯部硬さが顕著に低下し、ＨＶ２６０未満になると考えられる。

以上の知見に基づいて完成した本実施形態による真空浸炭用鋼は、化学組成が、質量％で、Ｃ:０．１０〜０．３０％、Ｓｉ:１．４１〜２．５０％、Ｍｎ:１．４０〜３．００％、Ｐ:０．０３０％以下、Ｓ:０．０６０％以下、Ｃｒ:０．０１〜０．５９％、Ａｌ:０．０１０〜０．１００％、Ｎ:０．００３〜０．０３０％、Ｍｏ：０〜０．２０％、Ｃｕ：０〜０．２０％、Ｎｉ：０〜０．４０％、Ｎｂ：０〜０．１０％、Ｔｉ：０〜０．１００％、及び、Ｂ：０〜０．００３０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、式（１）で定義されるｆｎ１が０．９０以上であり、式（２）で定義されるｆｎ２が０．５０以下である。
ｆｎ１＝Ｓｉ−Ｃｒ （１）
ｆｎ２＝Ｓｉ−０．８×Ｍｎ （２）
ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。

上記化学組成は、Ｍｏ：０．０３〜０．２０％、Ｃｕ：０．０５〜０．２０％、及び、Ｎｉ：０．０５〜０．４０％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、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、及び、Ｔｉ：０．００５〜０．１００％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、Ｂ：０．０００５〜０．００３０％を含有してもよい。

本実施形態による浸炭部品は、平坦部及びエッジ部とを含む表面と、表面から深さ２．０ｍｍ以上の領域であって、上述の化学組成を有する芯部とを備え、平坦部から深さ０．０５ｍｍの位置までの平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１が０．７０〜０．８９％であり、エッジ部から深さ０．０５ｍｍの位置までのエッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２が炭素濃度ＣＰ１よりも高く１．２０％以下であり、芯部のビッカース硬さはＨＶ２６０〜５００である。

以下、本発明の実施の形態による真空浸炭用鋼及び浸炭部品について詳述する。

［真空浸炭用鋼の化学組成］
本実施形態による真空浸炭用鋼は、真空浸炭処理に適した鋼である。真空浸炭用鋼の化学組成は次の元素を含有する。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、浸炭部品の芯部硬度を高め、低サイクル曲げ疲労強度を高める。Ｃ含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｃ含有量が高すぎれば、芯部硬度が高くなりすぎる。この場合、靭性が低下するだけでなく、焼割れが発生しやすくなる。焼割れが発生すると、低サイクル曲げ疲労強度が低くなる。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０．１３％であり、さらに好ましくは０．１６％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．２６％であり、さらに好ましくは０．２４％である。

Ｓｉ：１．４１〜２．５０％
シリコン（Ｓｉ）は、本実施形態の化学組成において、浸炭部品のエッジ部の過剰浸炭を抑制する。Ｓｉ含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｓｉ含有量が高すぎれば、芯部に軟質なフェライトが生成し、低サイクル曲げ疲労強度が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は、１．４１〜２．５０％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は１．５０％であり、さらに好ましくは１．６０％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は２．１０％であり、さらに好ましくは２．００％である。

Ｍｎ：１．４０〜３．００％
マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼入れ性を高める。Ｍｎはさらに、オーステナイトを安定化し、軟質なフェライトの生成を抑制する。その結果、低サイクル曲げ疲労強度が高まる。Ｍｎ含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、熱間加工（熱間圧延、熱間鍛造等）後の強度が高くなりすぎて、熱間加工後の切削加工性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は１．４０〜３．００％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は１．６０％であり、さらに好ましくは１．７０％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は２．７０％であり、さらに好ましくは２．５０％である。

Ｐ：０．０３０％以下
りん（Ｐ）は、不純物である。Ｐは粒界に偏析して粒界を脆化する。その結果、Ｐは低サイクル曲げ疲労強度を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０３０％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２０％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｐ含有量を極限まで低減しようとすれば、製造コストが高くなる。したがって、製造コストの観点では、Ｐ含有量の好ましい下限は０．００３％であり、さらに好ましくは０．００６％である。

Ｓ：０．０６０％以下
硫黄（Ｓ）は不純物である。Ｓは低サイクル曲げ疲労強度を低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０６０％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０３０％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｓ含有量を極限まで低減しようとすれば、製造コストが高くなる。したがって、Ｓ含有量の好ましい下限は０．００３％である。

Ｃｒ：０．０１〜０．５９％
クロム（Ｃｒ）は、鋼の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高め、低サイクル曲げ疲労強度を高める。Ｃｒ含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｃｒ含有量が高すぎれば、浸炭部品のエッジ部において過剰浸炭が発生しやすくなる。したがって、Ｃｒ含有量は０．０１〜０．５９％である。Ｃｒ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。Ｃｒ含有量の好ましい上限は０．２９％であり、さらに好ましくは０．２０％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、鋼の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高め、低サイクル曲げ疲労強度を高める。Ａｌはさらに、Ｎと結合してＡｌＮを形成し、結晶粒を微細化することにより低サイクル曲げ疲労強度を高める。Ａｌ含有量が低すぎれば上記効果が得られない。一方、Ａｌ含有量が高すぎれば、粗大なＡｌ系介在物が生成し、低サイクル曲げ疲労強度が低下する。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０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０６０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。

Ｎ：０．００３〜０．０３０％
窒素（Ｎ）は、Ａｌと結合してＡｌＮを形成する。ＡｌＮは結晶粒を微細化し、低サイクル曲げ疲労強度を高める。Ｎ含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Ｎ含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。したがって、Ｎ含有量は０．００３〜０．０３０％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００７％であり、さらに好ましくは０．０１１％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０１８％である。

本実施形態の真空浸炭用鋼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、真空浸炭用鋼を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入されるものを意味する。

［任意元素について］
本実施形態における真空浸炭用鋼の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に替えて、Ｍｏ、Ｃｕ及びＮｉからなる群から選択される１種以上を含有してもよい。これらの元素は任意に含有される元素である。これらの元素はいずれも、鋼の靱性を高める。

Ｍｏ：０〜０．２０％
モリブデン（Ｍｏ）は、鋼の焼入れ性を高め、低サイクル曲げ疲労強度を高める。Ｍｏが少しでも含まれていれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｏ含有量が高すぎれば、効果が飽和し、製造コストが高くなる。したがって、Ｍｏ含有量は０．２０％以下である。上記効果をさらに有効に得るためのＭｏ含有量の好ましい下限は０．０３％であり、さらに好ましくは０．０６％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．２０％未満であり、さらの好ましくは０．１６％である。

Ｍｏ以外の他の元素により鋼の焼入れ性を十分確保できる場合、Ｍｏは含有されなくてもよい。この場合、Ｍｏ含有量は０．０１％以下にするのが好ましい。

Ｃｕ：０〜０．２０％
銅（Ｃｕ）は、鋼の過剰浸炭を抑制する。Ｃｕはさらに、鋼の靱性を高め、低サイクル曲げ疲労強度を高める。Ｃｕ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、Ｃｕ含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。したがって、Ｃｕ含有量は０．２０％以下である。上記効果をさらに有効に得るためのＣｕ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。Ｃｕ含有量の好ましい上限は０．１７％であり、さらに好ましくは０．１５％である。

Ｎｉ：０〜０．４０％
ニッケル（Ｎｉ）は、鋼の過剰浸炭を抑制する。Ｎｉはさらに、鋼の靱性を高め、低サイクル曲げ疲労強度を高める。Ｎｉ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、Ｎｉ含有量が高すぎれば、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。上記効果をさらに有効に得るための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％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は０．３０％であり、さらに好ましくは０．１５％である。

本実施形態による真空浸炭用鋼材はさらに、Ｆｅの一部に替えて、Ｎｂ及びＴｉからなる群から選ばれる１種以上を含有してもよい。Ｎｂ及びＴｉは任意元素であり、いずれも、炭窒化物等を形成して結晶粒を微細化する。

Ｎｂ：０〜０．１０％
ニオブ（Ｎｂ）は、鋼中のＮ及び／又はＣと結合して、微細な炭化物、窒化物、又は炭窒化物（以下、炭窒化物等という）を生成する。微細な炭窒化物等は、真空浸炭処理（表面硬化熱処理）において、結晶粒の成長を抑制し、低サイクル曲げ疲労強度を高める。Ｎｂが少しでも含有されていれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎｂ含有量が高すぎれば、上記効果は飽和する。したがって、Ｎｂ含有量は０．１０％以下である。上記効果をさらに有効に得るための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０．０８％であり、さらに好ましくは０．０４％である。

Ｔｉ：０〜０．１００％
チタン（Ｔｉ）は、鋼中のＮ及び／又はＣと結合して、微細な炭化物、窒化物、又は炭窒化物（以下、炭窒化物等という）を生成する。微細な炭窒化物等は、真空浸炭処理（表面硬化熱処理）において、結晶粒の成長を抑制し、低サイクル曲げ疲労強度を高める。Ｔｉはさらに、Ｂが含有された場合に、ＢＮの生成を抑制して、固溶Ｂによる焼入れ性作用及び粒界強化作用を確保する。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。しかしならが、Ｔｉ含有量が高すぎれば、粗大なＴｉ窒化物及びＴｉ酸化物が生成し、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０．１００％以下である。上記効果をさらに有効に得るためのＴｉ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。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。

Ｂ：０〜０．００３０％
ボロン（Ｂ）は、鋼の焼入れ性を高め、粒界強度を高める。そのため、低サイクル曲げ疲労強度が高まる。Ｂ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、Ｂ含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。したがって、Ｂ含有量は０．００３０％以下である。上記効果をさらに有効に得るためのＢ含有量の好ましい下限は０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００２５％であり、さらに好ましくは０．００２０％である。

［ｆｎ１について］
本実施形態による真空浸炭用鋼の化学組成はさらに、式（１）で定義されるｆｎ１が０．９０以上である。
ｆｎ１＝Ｓｉ−Ｃｒ （１）
ここで、式（１）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。

ｆｎ１は真空浸炭処理時に、特に鋭角なエッジ部での過剰浸炭を抑制する指標である。上記化学組成に含まれる元素のうち、真空浸炭処理時において、Ｃｒは鋼中へのＣの浸入を促進する。一方、真空浸炭処理時において、Ｓｉは鋼中へのＣの浸入を抑制する。図５に示すとおり、ｆｎ１が増加するに伴い、鋭角なエッジ部での炭素濃度ＣＰ２が顕著に低下する。そして、ｆｎ１が０．９０以上であれば、ｆｎ１が増加しても、鋭角なエッジ部での炭素濃度ＣＰ２はそれほど変化しない。つまり、鋭角なエッジ部での炭素濃度ＣＰ２の曲線は、ｆｎ１＝０．９０付近で変曲点を有する。ｆｎ１が０．９０以上であれば、真空浸炭処理後のエッジ部での過剰浸炭の発生を抑制でき、低サイクル曲げ疲労強度の低下を抑制できる。ｆｎ１の好ましい下限は１．１０であり、さらに好ましくは１．３０である。

［ｆｎ２について］
本実施形態による真空浸炭用鋼の化学組成はさらに、式（２）で定義されるｆｎ２が０．５０以下である。
ｆｎ２＝Ｓｉ−０．８×Ｍｎ （２）
ここで、式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。

上述のとおり、低サイクル曲げ疲労特性が要求される浸炭部品においては、芯部の硬さを高めることが、低サイクル曲げ疲労強度の向上に有効である。図６を参照して、上述の化学組成の各元素含有量が上述の範囲内においては、ｆｎ２が高くなるほど、芯部硬さが低下する。そして、ｆｎ２が０．５０を超えると、芯部硬さが非連続に急激に低下する。つまり、図６の芯部硬さは、ｆｎ２＝０．５０で変局点を有する。

ｆｎ２が０．５０以下の場合、芯部硬さがビッカース硬さでＨＶ２６０以上となる。その結果、浸炭部品において、優れた低サイクル曲げ疲労特性が得られる。

［真空浸炭用鋼の製造方法］
本実施形態による真空浸炭用鋼の製造方法の一例は次のとおりである。本製造方法は、鋳造工程と、熱間加工工程とを備える。

［鋳造工程］
上述の化学組成を有し、ｆｎ１が０．９０以上であり、ｆｎ２が０．５０以下である溶鋼を製造する。製造された溶鋼を用いて、周知の方法により鋳片（スラブ又はブルーム）又は鋼塊（インゴット）を製造する。鋳造方法はたとえば、連続鋳造法や造塊法である。

［熱間加工工程］
上記鋳造工程で製造された鋳片又は鋼塊に対して、熱間加工を実施して、棒鋼又は線材を製造する。熱間加工工程は周知の方法により実施される。熱間加工工程はたとえば、粗圧延工程と、仕上げ圧延工程とを含む。粗圧延工程はたとえば、分塊圧延である。仕上げ圧延工程はたとえば、連続圧延機を用いた圧延である。連続圧延機では、一対の水平ロールを有する水平スタンドと、一対の垂直ロールを有する垂直スタンドとが交互に一列に配列される。粗圧延工程及び仕上げ圧延工程での加熱温度はたとえば、１０００〜１３００℃である。熱間加工工程は、上述の熱間圧延に限定されない。熱間鍛造により真空浸炭用鋼材を製造してもよい。以上の工程により、真空浸炭用鋼が製造される。

［浸炭部品］
本実施形態による浸炭部品は、上述の真空浸炭用鋼を用いて製造される。

［浸炭部品の構成］
本実施形態の浸炭部品は、上述のとおり、表面と、芯部とを含む。芯部は、浸炭部品の表面からの深さが２．０ｍｍ以上の領域である。図１及び図２及び上述のとおり、浸炭部品１００における平坦部３とエッジ部４とが定義される。

図７は図１及び図３と異なる他の浸炭部品の一例を示す斜視図である。図７に示す浸炭部品１００ははすば歯車である。浸炭部品１００の歯において、歯先には頂点Ｐａがあり、頂点Ｐａから歯底に向かって辺２が延びている。図７においても、図１と同様に、辺２の任意の点Ｐｃを含み、辺２と垂直な断面ＣＳを定義できる。したがって、いずれの形状の浸炭部品１００においても、平坦部３とエッジ部４とを特定できる。

［浸炭部品の表層領域の炭素濃度ＣＰ１、ＣＰ２］
上述の浸炭部品において、平坦部からの深さ（最短深さ。つまり、表面と垂直方向の深さ）が０．０５ｍｍまでの領域を、平坦部表層領域と定義する。さらに、エッジ部からの深さ（最短深さ。つまり、表面と垂直方向の深さ）が０．０５ｍｍまでの領域をエッジ部表層領域と定義する。本実施形態の浸炭部品では、平坦部表層領域での炭素濃度ＣＰ１が質量５で０．７０〜０．８９％である。また、エッジ部表層領域での炭素濃度ＣＰ２がＣＰ１よりも高く、質量％で１．２０％以下である。

平坦部表層領域及びエッジ部表層領域の表面からの深さ範囲を深さ０．０５ｍｍまでとしたのは、浸炭部品の表層領域での浸炭度合いを高精度で評価するためである。具体的には、真空浸炭処理により生成する粗大炭化物は、旧オーステナイト粒界に析出する。そのため、浸炭部品の表層領域では、結晶粒内と結晶粒界とで炭素濃度が異なる。表面（平坦部又はエッジ部）から深さ０．０５ｍｍまでの範囲であれば、通常、０．０１ｍｍ程度の粒径を有するオーステナイト結晶粒が、深さ方向に３つ以上含まれる。そのため、表面から深さ０．０５ｍｍ位置までの範囲の炭素濃度は、結晶粒内での炭素濃度と結晶粒界での炭素濃度が平均された値となる。そのため、浸炭部品の表層領域での浸炭度合いを高精度に評価できる。

平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１が０．７０％未満であれば、浸炭部品の平坦部の硬さが低くなり、曲げ疲労強度が低下する。一方、炭素濃度ＣＰ１が０．８９％を超えれば、平坦部表層領域において残留オーステナイト量が多くなりすぎ、曲げ疲労強度が低下する。したがって、平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１は０．７０〜０．８９である。平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１の好ましい下限は０．７５％である。炭素濃度ＣＰ１の好ましい上限は０．８５％である。

エッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２は、平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１よりも高くなる。したがって、平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１が０．７０％以上であれば、エッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２も高くなり、エッジ部の表面硬さは十分に高くなる。その結果、低サイクル曲げ疲労強度が高まる。一方、炭素濃度ＣＰ２が１．２０％を超えれば、エッジ部表層領域において残留オーステナイト量が多くなりすぎ、低サイクル曲げ疲労強度が低下する。したがって、エッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２は炭素濃度ＣＰ１よりも高く、１．２０％以下である。エッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２の好ましい上限は１．１６％である。

［平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１の測定方法］
平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１は次の方法で測定する。浸炭部品の任意の平坦部の場所から、平坦部に垂直な断面を観察面とするサンプルを５つ採取する。各サンプルの観察面の炭素濃度を電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により分析し、表面（平坦部）から深さ０．０５ｍｍ位置までの炭素濃度の平均値を求める。求めた炭素濃度（５箇所）の平均を、平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１（質量％）と定義する。

［エッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２の測定方法］
エッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２は次の方法で測定する。図８は、図１に示す断面ＣＳのコーナの点Ｐｃ周辺の拡大図である。図８を参照して、エッジを形成する２つの面１１及び面１２から深さ方向に５μｍ離れた箇所を起点Ｐ２とする。起点Ｐ２から点Ｐｃとは逆の方向に２つの面１１及び面１２と等距離で離間して伸びる長さ５０μｍの線分ＭＰ上を測定位置とし、線分ＭＰ上の炭素濃度の平均値を求める。エッジ部表層領域においても、任意の５点において炭素濃度を求め、その平均値を、エッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２（質量％）と定義する。

なお、本実施形態において、起点Ｐ２を２つの面１１、１２から５μｍ離れた箇所としたのは、起点Ｐ２よりも２つの面１１、１２に近い領域の炭素濃度は、表面に析出した黒鉛や、表面の汚れの影響を受けるためである。

［粒界酸化層深さ］
本実施形態の浸炭部品は、上記化学組成の鋼材に対して真空浸炭処理を実施して製造される。そのため、ガス浸炭処理を実施する場合と比較して、浸炭部品に粒界酸化層が形成されにくい。粒界酸化層は、不完全焼入れ組織を形成しやすい。不完全焼入れ組織は、曲げ疲労強度を低下する。したがって、粒界酸化層は少ない方が好ましい。

本実施形態の浸炭部品は、真空浸炭処理により製造される。そのため、好ましくは、粒界酸化層が少ない、又は存在しない。具体的には、本実施形態の浸炭部品において、好ましくは、粒界酸化層深さは１μｍ以下である。

本実施形態において、浸炭部品の粒界酸化層深さとは、浸炭部品の表面から内部に向かって連続して伸びる黒色の酸化物が到達している表面からの最大深さを意味する。浸炭部品の粒界酸化層深さが１μｍ以下とは、浸炭部品の表面のどこであっても、粒界酸化層深さが１μｍ以下であることを意味する。

粒界酸化層深さは次の方法で測定できる。浸炭部品の表面の任意の位置で深さ方向に切断する。表面近傍の断面（以下、観察面という）を鏡面研磨する。鏡面研磨された観察面を１０００倍の光学顕微鏡で観察して写真画像（視野：浸炭窒化部品の表面に平行な幅１５０μｍ×深さ１１０μｍ）を生成する。写真画像において、粒界酸化層が形成された部分のコントラストは、マトリクス（母材）とは異なる。そのため、コントラストに基づいて、粒界酸化層を特定できる。具体的には、表面から内部に向かって筋状に伸びる黒色の酸化物を、粒界酸化層と特定する。上記視野のうち、特定された粒界酸化層の深さを最大のものから上位１０個特定する。特定された１０個の深さの平均を、粒界酸化層深さと定義する。ただし、特定された粒界酸化層が１０個に満たない場合は、特定された粒界酸化層の平均を、粒界酸化層深さと定義する。

［芯部でのビッカース硬さ］
本実施形態の浸炭部品の芯部でのビッカース硬さはＨＶ２６０以上である。芯部でのビッカース硬さが低すぎれば、曲げ荷重が負荷されたときに浸炭部品が塑性変形する。この場合、表面における応力が増大し、低サイクル曲げ疲労強度が低くなる。芯部でのビッカース硬さがＨＶ２６０以上であれば、浸炭部品として十分な低サイクル曲げ疲労強度が得られる。芯部でのビッカース硬さの好ましい下限はＨＶ２８０である。なお、ビッカース硬さが高すぎても、低サイクル曲げ疲労強度が低下する。したがって、芯部のビッカース硬さの上限はＨＶ５００である。

芯部でのビッカース硬さは次の方法で測定できる。芯部での任意の３箇所にて、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３００ｇｆとする。任意の３箇所で得られた値の平均を、芯部でのビッカース硬さと定義する。

［浸炭部品の製造方法］
浸炭部品は、上述の真空浸炭用鋼を用いて製造される。以下、浸炭部品の製造方法の一例を説明する。浸炭部品の製造方法は、中間品を成形する成形工程と、中間品に対して真空浸炭処理を実施する真空浸炭工程とを含む。

［成形工程］
上述の真空浸炭用鋼（棒鋼又は線材）に対して、冷間鍛造及び／又は機械加工を実施して、平坦部とエッジ部とを含む表面を有する所定の形状の中間品を製造する。機械加工はたとえば、切削加工、穿孔加工等である。中間品の形状は、最終製品である浸炭部品の用途に応じて決定されるものであり、公知の方法により形成される。

［表面硬化熱処理］
上記中間品に対して、表面硬化熱処理（真空浸炭処理及び焼入れ処理）を実施する。
本実施形態において、真空浸炭処理及び焼入れ処理における諸条件（均熱時間、浸炭ガスの種類、浸炭ガス圧、浸炭温度、浸炭工程での処理時間、拡散工程での処理時間、冷却工程での冷却速度、焼入れ温度等）は、特に限定されるものではない。これらの各条件は、中間品（鋼材）の化学組成、目標とする平坦部表層領域での炭素濃度ＣＰ１及びエッジ部表層領域での炭素濃度ＣＰ２、及び、芯部での硬さに応じて適宜調整可能である。

具体的には、周知のシミュレーションを用いて、真空浸炭処理及び焼入れ処理における上記諸条件を決定してもよい。また、サンプルの中間品を用いて真空浸炭処理試験及び焼入れ処理試験を実施して、平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１が０．７０〜０．８９％となり、エッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２が炭素濃度ＣＰ１よりも高く１．２０％以下となり、粒界酸化層深さが１μｍ以下となり、芯部のビッカース硬さ（ＨＶ）が２６０以上となるように、諸条件を決定してもよい。以下、本実施形態における真空浸炭処理及び焼入れ処理での諸条件の一例を説明する。

［真空浸炭熱処理］
真空浸炭処理は、加熱工程と、均熱工程と、浸炭工程と、拡散工程と、冷却工程とを含む。加熱工程では、たとえば、１０Ｐａ以下に減圧した炉内で中間品を浸炭温度まで加熱する。均熱工程では、加熱工程後、浸炭温度で中間品を均熱する。浸炭工程では、均熱工程後、炉内に浸炭ガスを導入し、所定の浸炭ガス圧及び浸炭温度で中間品に対して浸炭処理を実施する。拡散工程では、浸炭工程後、中間品を浸炭温度に維持した状態で均熱し、中間品内に侵入した炭素を鋼材中に拡散させる。冷却工程では、拡散工程後の中間品を冷却する。

均熱工程における好ましい均熱時間は、５〜１２０分であり、さらに好ましくは３０〜６０分である。均熱工程における炉内圧力は、１００Ｐａ以下であってもよいし、窒素ガスの導入と真空ポンプによる真空排気とを同時に実施して、１０００Ｐａ以下の窒素雰囲気としてもよい。

浸炭工程において用いられる浸炭ガスの種類は、真空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。

浸炭工程において、ガスの種類によってスーティングのし易さと浸炭むらの起こり易さとが異なる。そのため、浸炭工程における炉内の浸炭ガス圧は、浸炭ガスの種類に応じて適宜設定するのが好ましい。たとえば、浸炭ガスがアセチレンである場合、好ましい浸炭ガス圧は１０〜１０００Ｐａである。浸炭ガスがプロパンである場合、好ましい浸炭ガス圧は２００〜３０００Ｐａである。

好ましい浸炭温度は、９００〜１１００℃であり、さらに好ましくは９２０〜１０５０℃である。浸炭温度が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。浸炭温度が１１００℃以下であれば、結晶粒が粗大化しにくい。

浸炭工程及び拡散工程における処理時間は、中間品（鋼材）の化学組成と、目標とする平坦部表層領域及びエッジ部表層領域の浸炭濃度ＣＰ１、ＣＰ２と、芯部の硬さに応じて適宜決定される。

拡散工程における炉内の圧力は、浸炭工程における残留ガスを取り除くため、１００Ｐａ以下であってもよいし、窒素ガスの導入と真空ポンプによる真空排気を同時に行なって、１０００Ｐａ以下の窒素雰囲気としてもよい。

冷却工程では、公知の冷却方法を用いることができる。冷却方法は、真空下での放冷であってもよいし、ガス冷却であってもよいし、その他の冷却方法であってもよい。真空下での放冷を実施する場合、好ましい炉内圧力は１００Ｐａ以下である。ガス冷却を実施する場合、冷却ガスとして不活性ガスを用いることが好ましい。好ましい不活性ガスはたとえば、窒素ガス及び／又はヘリウムガスである。さらに好ましい不活性ガスは、安価で入手が容易な窒素ガスである。冷却ガスとして不活性ガスを用いれば、中間品の酸化が抑制される。

［焼入れ処理］
真空浸炭処理後の中間品に対して、焼入れ処理を実施する。焼入れ処理では、真空浸炭処理後の中間品を急冷する。本実施形態では、たとえば、真空浸炭処理の冷却工程において焼入れ温度で冷却を停止し、所定の時間均熱した後、焼入れ処理（急冷）を実施してもよい。また、真空浸炭処理の冷却工程において焼入れ温度未満（たとえば、室温（２５℃）程度）の温度まで冷却し、その後、焼入れ処理において焼入れ温度まで再加熱して所定の時間均熱し、急冷してもよい。

好ましい焼入れ温度は、８００〜８８０℃であり、さらに好ましくは、８２０〜８６０℃である。焼入れ温度での好ましい保持時間は、３〜８０分である。均熱（保持）するときの炉内雰囲気は、窒素ガス雰囲気であってもよい。好ましい炉内ガス圧は、大気圧以下であり、さらに好ましくは、４００ｈＰａ以下である。

焼入れ処理における冷却方法はたとえば、公知の方法を用いることができる。冷却方法はたとえば、油冷、水冷等である。冷却方法として油冷を用いる場合、焼入れ油の好ましい温度は６０〜１６０℃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に示す化学組成を有する鋼Ａ〜鋼ＡＦ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３５ｍｍ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。

［４点曲げ疲労試験片及び４０°角柱試験片の作製］
製造された各丸棒から、図１に示す平坦部及びエッジ部を含む表面を有する試験片として、図１に示す形状の４点曲げ疲労試験片と、図３に示す断面が４０°の角部を持つ台形である角棒（以下、「４０°角棒」という場合がある。）試験片とを複数個採取した。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切り欠き部を形成した。半円の切り欠き部の半径は２ｍｍであった。４０°角棒試験片の高さＤ１は１６ｍｍであり、幅Ｄ２は８ｍｍであり、長さはＤ３は３０ｍｍであった。

各鋼Ａ〜鋼ＡＦの４点曲げ疲労試験片及び４０°角棒試験片に対して、真空浸炭処理及び焼入れ処理を実施して、試験番号１〜３２の浸炭部品を製造した。

具体的には、各試験番号の４点曲げ疲労試験片に対して、１０Ｐａ以下に減圧した炉内で試験片を９５０℃の浸炭温度まで加熱した。そして、浸炭温度で６０分間試験片を均熱した。続いて、炉内にアセチレンガスを導入し、９５０℃の浸炭温度、及び、表２に示す処理時間で試験片を浸炭処理する浸炭工程を実施した。浸炭工程における浸炭ガス圧は１００Ｐａ以下であった。

次に、浸炭温度を維持した状態で１０Ｐａ以下の炉内の圧力で、表２に示す処理時間で、試験片に侵入した炭素を鋼材中に拡散させる拡散工程を行った。その後、試験片を冷却し、焼入れ温度である８６０℃で冷却を停止した。焼入れ温度（８６０℃）で１０分間均熱した後、１２０℃の焼入れ油を用いて油焼入れを行った。その後、焼戻し温度を１７０℃、焼戻し温度での保持時間を１２０分とする焼戻しを実施した。

［浸炭部品の平坦部表層領域及びエッジ部表層領域の炭素濃度］
各試験番号の４点曲げ疲労試験片の平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１、９０°の頂角を有するエッジ部（以下、９０°エッジ部という）表層領域の炭素濃度ＣＰ２、及び、４０°角棒試験片の４０°の頂角を有するエッジ部（以下、４０°エッジ部という）表層領域の炭素濃度ＣＰ２を、上述の方法により求めた。炭素濃度ＣＰ１が０．７０〜０．８９％であり、炭素濃度ＣＰ２が炭素濃度ＣＰ１よりも高く１．２０％以下である場合、優れた低サイクル曲げ疲労強度が得られると判断した。結果を表２に示す。

［芯部の硬さ］
各試験番号の４点曲げ疲労試験片（浸炭部品）を長さ方向に直交する方向に切断した。そして、切断面を測定面とする試験片を採取した。そして、浸炭部品の表面から深さ方向（断面の中心方向）に２ｍｍ以上離れた位置における切断面の硬さを、ビッカース硬度計を用いて、試験力を３００ｇｆとし、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に準拠して測定した。ビッカース硬さがＨＶ２６０〜５００である場合、優れた低サイクル曲げ疲労強度が得られると判断した。結果を表２に示す。

［評価結果］
表２に評価結果を示す。表２を参照して、試験番号１〜２１では、いずれの試験番号においても、炭素濃度ＣＰ１が０．７０〜０．８９％であり、さらに、４０°エッジ部表層領域及び９０°エッジ部表層領域での炭素濃度ＣＰ２が炭素濃度ＣＰ１よりも高く１．２０％以下であった。さらに、芯部硬さがＨＶ２６０以上であった。

一方、試験番号２２では、Ｃ含有量が低すぎた。そのため、芯部硬さがＨＶ２６０未満と低かった。

試験番号２３では、Ｃ含有量が高すぎた。そのため、芯部硬さがＨＶ５００を超えた。

試験番号２４では、Ｓｉ含有量が高すぎた。そのため、芯部硬さがＨＶ２６０未満と低かった。

試験番号２５では、Ｓｉ含有量が低すぎた。そのため、４０°エッジ部表層領域での炭素濃度ＣＰ２が１．２０％を超えた。

試験番号２６では、Ｍｎ含有量が低すぎた。そのため、芯部硬さがＨＶ２６０未満と低かった。

試験番号２７では、Ｃｒ含有量が高すぎた。そのため、４０°エッジ部表層領域での炭素濃度ＣＰ２が１．２０％を超えた。

試験番号２８では、ｆｎ１が０．９０未満であった。そのため、４０°エッジ部表層領域での炭素濃度ＣＰ２が１．２０％を超えた。

試験番号２９及び３０では、ｆｎ２が０．５０を超えた。そのため、芯部の硬さがＨＶ２６０未満と低かった。

試験番号３１では、Ｓｉ含有量が低く、Ｍｎ含有量が低く、Ｃｒ含有量が高かった。そのため、エッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２が１．２０％を超えた。

試験番号３２では、Ｓｉ含有量が低く、Ｍｎ含有量が低かった。そのため、４０°エッジ部表層領域での炭素濃度ＣＰ２が１．２０％を超えた。さらに、芯部の硬さがＨＶ２６０未満であった。

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。

１００ 浸炭部品
２ 辺
３ 平坦部
４ エッジ部
ＣＳ 断面

Claims (5)

1. 化学組成が、質量％で、
   Ｃ：０．１０〜０．３０％、
   Ｓｉ：１．４１〜２．５０％、
   Ｍｎ：１．４０〜３．００％、
   Ｐ：０．０３０％以下、
   Ｓ：０．０６０％以下、
   Ｃｒ：０．０１〜０．２９％、
   Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、
   Ｎ：０．００３〜０．０３０％、
   Ｍｏ：０〜０．２０％、
   Ｃｕ：０〜０．２０％、
   Ｎｉ：０〜０．４０％、
   Ｎｂ：０〜０．１０％、
   Ｔｉ：０〜０．１００％、及び、
   Ｂ：０〜０．００３０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、
   式（１）で定義されるｆｎ１が０．９０以上であり、
   式（２）で定義されるｆｎ２が０．５０以下である、真空浸炭用鋼。
   ｆｎ１＝Ｓｉ−Ｃｒ （１）
   ｆｎ２＝Ｓｉ−０．８×Ｍｎ （２）
   ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
2. 請求項１に記載の真空浸炭用鋼であって、
   前記化学組成は、
   Ｍｏ：０．０３〜０．２０％、
   Ｃｕ：０．０５〜０．２０％、及び、
   Ｎｉ：０．０５〜０．４０％からなる群から選ばれる１種以上を含有する、
   真空浸炭用鋼。
3. 請求項１又は請求項２に記載の真空浸炭用鋼であって、
   前記化学組成は、
   Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、及び、
   Ｔｉ：０．００５〜０．１００％からなる群から選ばれる１種以上を含有する、
   真空浸炭用鋼。
4. 請求項３に記載の真空浸炭用鋼であって、
   前記化学組成は、
   Ｂ：０．０００５〜０．００３０％を含有する、
   真空浸炭用鋼。
5. 平坦部及びエッジ部とを含む表面と、
   前記表面から深さ２．０ｍｍ以上の領域であって、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の化学組成を有する芯部とを備え、
   前記平坦部から深さ０．０５ｍｍの位置までの平坦部表層領域の炭素濃度ＣＰ１が０．７０〜０．８９％であり、
   前記エッジ部から深さ０．０５ｍｍの位置までのエッジ部表層領域の炭素濃度ＣＰ２が、前記炭素濃度ＣＰ１よりも高く１．２０％以下であり、
   前記芯部のビッカース硬さはＨＶ２６０〜５００である、
   浸炭部品。