JP7768341B2 - 鋼部材の製造方法 - Google Patents

鋼部材の製造方法

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Description

本発明は、鋼部材の製造方法に関する。
従来、オーステナイト化した状態の鋼部材に炭素を浸入させる浸炭工程を備える鋼部材の製造方法が知られている。このような鋼部材の製造方法は、たとえば、特開２０１９－１２７６２４公報に開示されている。
特開２０１９－１２７６２４公報には、オーステナイト化した状態の鋼部材に炭素を浸入させる浸炭工程を備える鋼部材の製造方法が開示されている。特開２０１９－１２７６２４公報に記載されている鋼部材の製造方法では、浸炭工程において、オーステナイト化した状態の鋼部材に、鋼部材と炭素とが過共析組成となる炭素濃度で、炭素を浸入させる。
特開２０１９－１２７６２４号公報
しかしながら、特開２０１９－１２７６２４公報に記載されている鋼部材の製造では、オーステナイト化した状態の鋼部材に、鋼部材と炭素とが過共析組成となる炭素濃度で、炭素を浸入させるので、鋼部材に侵入する炭素濃度が過度に高くなり易い。ここで、鋼部材の硬さは、一般的に、鋼部材の表面（浸炭層）の炭素濃度に略比例する。また、鋼部材の硬さは、一般的に、鋼部材の靭性と略反比例する。すなわち、特開２０１９－１２７６２４公報に記載の鋼部材の製造では、鋼部材の硬さが過度に高くなるとともに鋼部材の靭性が過度に低くなり易い。鋼部材の靭性が低くなると、鋼部材は、衝撃に弱くなる。このため、鋼部材の硬さと靭性とをバランスよく向上させることが可能な鋼部材の製造方法が望まれている。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、鋼部材の硬さと靭性とをバランスよく向上させることが可能な鋼部材の製造方法を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の一の局面における鋼部材の製造方法は、鋼部材をオーステナイト化変態完了温度以上の温度まで加熱してオーステナイト化した状態の鋼部材に、鋼部材と炭素とが亜共析組成となる炭素濃度で、炭素を浸入させるとともに、炭素を浸入させた鋼部材を徐冷する浸炭工程と、浸炭工程の後に、鋼部材をオーステナイト化変態完了温度以上の温度まで再度加熱するとともに、加熱した鋼部材を急冷する焼入れ工程と、浸炭工程の後に、かつ、焼入れ工程の前に、鋼部材をオーステナイト化変態完了温度未満の温度まで加熱した状態の鋼部材に窒素を浸入させる浸窒工程と、を備える。
この発明の一の局面における鋼部材の製造方法では、上記のように、浸炭工程において、オーステナイト化した状態の鋼部材に、鋼部材と炭素とが亜共析組成となる炭素濃度で、炭素を浸入させる。これにより、オーステナイト化した状態の鋼部材に、鋼部材と炭素とが過共析組成となる炭素濃度で、炭素を浸入させる浸炭が行われる場合と異なり、鋼部材に侵入する炭素濃度が過度に高くなることがない。これにより、鋼部材の硬さが過度に高くならないとともに、鋼部材の靭性が過度に低くならない。その結果、鋼部材の硬さと靭性とをバランスよく向上させることができる。これにより、硬さの向上により曲げ疲労強度などを向上させることができるとともに、靭性の向上により衝撃に対する強度を向上させることができる。
本発明によれば、上記のように、鋼部材の硬さと靭性とをバランスよく向上させることが可能な鋼部材の製造方法を提供することができる。
本発明の一実施形態による鋼部材の製造フローを示す図である。 本発明の一実施形態による鋼部材の製造方法における鋼部材の温度変化を示す図である。 鋼部材の一例としてＳ２０Ｃの状態図である。 比較例１による鋼部材の製造方法における鋼部材の温度変化を示す図である。 比較例２による鋼部材の製造方法における鋼部材の温度変化を示す図である。 本発明の一実施形態による鋼部材の製造方法における鋼部材、第１変形例による鋼部材の製造方法における鋼部材、第２変形例による鋼部材の製造方法における鋼部材、および、比較例１による鋼部材の製造方法における鋼部材の曲げ疲労強度および靭性を示す図である。 本発明の一実施形態による鋼部材の製造方法における鋼部材、第１変形例による鋼部材の製造方法における鋼部材、および、比較例２による鋼部材の製造方法における鋼部材の曲げ疲労強度を示す図である。 本発明の一実施形態による鋼部材の製造方法における鋼部材、第１変形例による鋼部材の製造方法における鋼部材、および、比較例３による鋼部材の製造方法における鋼部材の捩じり疲労強度を示す図である。 本発明の一実施形態による鋼部材の製造方法における鋼部材、第１変形例による鋼部材の製造方法における鋼部材、および、比較例２による鋼部材の製造方法における鋼部材の表面硬さ、表面硬化層深さ、表面の炭素濃度等を示す図である。 本発明の一実施形態による鋼部材の製造方法における鋼部材、および、比較例２による鋼部材の製造方法における鋼部材の粒界酸化深さおよび平均結晶粒径を示す図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［鋼部材の製造方法］
図１～図３を参照して、本発明の一実施形態による鋼部材の製造方法について説明する。なお、本発明の一実施形態による鋼部材の製造方法は、たとえば、歯車、軸受け、シャフト等の鋼部材に適用することができる。
（冷間鍛造工程）
まず、図１に示すように、ステップＳ１において、冷間鍛造工程が行われる。冷間鍛造工程（Ｓ１）は、常温において鋼部材を所望の形状（たとえば、歯車、軸受け、シャフト等の形状）となるように鍛造する工程である。鋼部材には、表面に熱処理等を行って硬化層を生成するための肌焼鋼（たとえば、ＳＣＭ４２０）が用いられる。
（浸炭工程）
次に、ステップＳ２において、浸炭工程が行われる。図２に示すように、浸炭工程（Ｓ２）は、鋼部材をオーステナイト化変態完了温度Ａ３以上の温度Ｔ１（たとえば、約１０００℃）まで加熱してオーステナイト化した状態の鋼部材に、炭素を浸入させるとともに、炭素を浸入させた鋼部材を徐冷する工程である。図３に示すように、オーステナイト化した状態の鋼部材とは、オーステナイト（γ鉄）からなる鋼部材である。オーステナイト化変態完了温度Ａ３は、鋼部材が加熱されて、鋼部材のオーステナイト化変態が完了する温度である。具体的には、図２に示すように、鋼部材が、第１熱処理室に配置される。そして、鋼部材がオーステナイト化するように、鋼部材が温度Ｔ１まで加熱される。そして、鋼部材が温度Ｔ１に保持された状態（すなわち、鋼部材がオーステナイト化した状態）で、第１熱処理室の内部に浸炭用のガス（たとえば、Ｃ２Ｈ２）が導入される。そして、オーステナイト化した状態の鋼部材の表面において浸炭用のガスが分解して炭素が生成される。そして、生成された炭素が鋼部材の表面から内部に向かって拡散することによって、鋼部材の表層部に浸炭層が形成される。そして、鋼部材がパーライト化するように、鋼部材が徐冷される。鋼部材の徐冷は、鋼部材がパーライト化する冷却速度で行われる。すなわち、鋼部材の徐冷は、鋼部材がマルテンサイト化しない冷却速度で行われる。また、鋼部材の徐冷は、鋼部材に酸化膜が形成されるのを防止するために、不活性ガス（たとえば、Ａｒ、Ｎ２、Ｈｅ等）雰囲気により行われる。なお、浸炭工程（Ｓ２）は、第１熱処理室の内部が真空ポンプによって減圧されながら行われる。
図３に示すように、鋼部材と炭素とが亜共析組成となる炭素濃度（約０．７７％未満の濃度）の場合、オーステナイト化変態開始温度Ａ１よりも低い温度では、鋼部材は、フェライト（α鉄）とパーライトとからなる状態である。また、鋼部材と炭素とが亜共析組成となる炭素濃度未満の濃度の場合、オーステナイト化変態開始温度Ａ１よりも高い、かつ、オーステナイト化変態完了温度Ａ３よりも低い温度では、鋼部材は、オーステナイト（γ鉄）とフェライト（α鉄）とからなる状態である。また、鋼部材と炭素とが亜共析組成となる炭素濃度未満の炭素濃度の場合、オーステナイト化変態完了温度Ａ３よりも高い温度では、鋼部材は、オーステナイト（γ鉄）からなる状態である。
図２に示すように、浸炭工程（Ｓ２）において、オーステナイト化した状態の鋼部材に、鋼部材と炭素とが亜共析組成となる炭素濃度で、炭素を浸入させる。具体的には、第１熱処理室の内部に浸炭用のガスが導入され続けることによって、鋼部材の表面（浸炭層）の炭素濃度が上昇する。そして、鋼部材の表面（浸炭層）の炭素濃度が、鋼部材と炭素とが共析組成となる炭素濃度（たとえば、鋼部材が肌焼鋼のＳＣＭ４２０の場合、約０．７７％）未満となるように、浸炭用のガスを導入する時間が調整される。ここで、鋼部材の硬さは、一般的に、鋼部材の表面（浸炭層）の炭素濃度に略比例する。また、鋼部材の硬さは、一般的に、鋼部材の靭性と略反比例する。これにより、オーステナイト化した状態の鋼部材に、鋼部材と炭素とが過共析組成となる炭素濃度（約０．７７％以上の濃度）で、炭素を浸入させる浸炭が行われる場合と異なり、鋼部材に侵入する炭素濃度が過度に高くなることがない。これにより、鋼部材の硬さが過度に高くならないとともに、鋼部材の靭性が過度に低くならない。その結果、鋼部材の硬さと靭性とをバランスよく向上させることができる。これにより、硬さの向上により曲げ疲労強度などを向上させることができるとともに、靭性の向上により衝撃に対する強度を向上させることができる。
（浸窒工程）
次に、図１に示すように、ステップＳ３において、浸窒工程が行われる。図２に示すように、浸窒工程（Ｓ３）は、鋼部材をオーステナイト化変態完了温度Ａ３未満の温度Ｔ２（たとえば、約８１０℃）まで加熱した状態の鋼部材に窒素を浸入させる工程である。具体的には、鋼部材が、第２熱処理室に配置される。そして、浸炭工程（Ｓ２）においてパーライト化した状態の鋼部材が温度Ｔ２まで加熱される。このとき、鋼部材は、フェライト（α鉄）とオーステナイト（γ鉄）とが混ざった状態となっている。そして、鋼部材が温度Ｔ２に保持された状態（すなわち、鋼部材がフェライト（α鉄）とオーステナイト（γ鉄）とが混ざった状態）で、第２熱処理室の内部に浸窒用のガス（たとえば、ＮＨ３）が所定の量（たとえば、０．８ｍ３／時）だけ導入される。そして、鋼部材の表面において浸窒用のガスが分解して窒素が生成される。そして、生成された窒素が鋼部材の表面から内部に向かって拡散することによって、鋼部材の表層部の浸炭層に窒素が侵入して、浸炭浸窒層が形成される。なお、浸窒工程（Ｓ３）は、浸炭層の炭素濃度が低下しないように、第２熱処理室の内部の炭素濃度が調整されながら行われる。ここで、鋼部材の表層部に侵入する窒素量は、一般的に、オーステナイト化変態開始温度Ａ１（後述する）以上の温度において、鋼部材の温度に略反比例する。また、鋼部材の表層部の浸炭層に窒素を侵入させる場合、一般的に、浸炭層の炭素濃度が高い程、鋼部材にボイドが発生し易い。また、鋼部材の温度が高くなる程、一般的に、鋼部材に粒界酸化層が形成され易い。また、鋼部材の表層部に侵入する窒素量が増える程、鋼部材の硬さが向上する。これにより、鋼部材をオーステナイト化変態完了温度Ａ３以上の温度Ｔ３（たとえば、約８５０℃）まで加熱した状態の鋼部材に窒素を浸入させる浸窒が行われる場合と比較して、鋼部材に侵入する窒素量を多くすることができるとともに、鋼部材にボイドが発生したり粒界酸化層が形成されたりするのを抑制することができる。その結果、鋼部材の硬さを効果的に向上させることができるので、浸炭工程（Ｓ２）において鋼部材の靭性を向上させた分だけ鋼部材の硬さが低下した場合でも、鋼部材の十分な硬さを確保することができる。
浸窒工程（Ｓ３）では、鋼部材の表面（浸炭浸窒層）の窒素濃度が、所定の濃度となるように、浸窒用のガスを導入する時間および浸窒用のガスの量が調整される。すなわち、浸窒工程（Ｓ３）は、鋼部材の表面の窒素濃度が、所定の濃度となるように、鋼部材に窒素を浸入させる工程である。所定の濃度は、少なくとも、約０．５％以下である。所定の濃度は、好ましくは、約０．０５％以上かつ０．３５％以下である。これにより、鋼部材の硬さと靭性とをバランスよく向上させるように、浸窒を行うことができる。
浸窒工程（Ｓ３）は、オーステナイト化変態開始温度Ａ１以上で、かつ、オーステナイト化変態完了温度Ａ３未満の温度Ｔ２（たとえば、約８１０℃）で、鋼部材に窒素を浸入させる工程である。オーステナイト化変態開始温度Ａ１は、鋼部材のオーステナイト化変態が開始する温度である。ここで、オーステナイト化変態開始温度Ａ１未満で鋼部材に窒素を浸入させる浸窒が行わる場合、オーステナイト化変態開始温度Ａ１以上で鋼部材に窒素を浸入させる浸窒が行わる場合と比較して、一般的に、鋼部材に侵入する窒素量が著しく少なくなる。これにより、オーステナイト化変態開始温度Ａ１未満で、鋼部材に窒素を浸入させる浸窒が行わる場合と比較して、鋼部材に侵入する窒素量を多くすることができる。
上述したように、ステップＳ１において、冷間鍛造工程が行われている。すなわち、浸炭工程（Ｓ２）は、冷間鍛造された鋼部材に対して行われる。これにより、浸炭工程（Ｓ２）において、鋼部材が加熱されるとともに徐冷されることによって、冷間鍛造されることによって鋼部材に生じた残留応力を鋼部材から取り除くことができる。その結果、後工程（後述する焼入れ工程（Ｓ４）等）において、残留応力に起因して鋼部材の結晶粒が粗大化するのを抑制することができる。すなわち、結晶粒の粗大化に起因して鋼部材の強度が低下するのを抑制することができる。また、結晶粒が粗大化するのを抑制して、後工程において、鋼部材の部位毎の寸法変化が大きくなるのを抑制することができる。また、冷間鍛造された鋼部材に結晶粒の粗大化が生じるのを抑制するためにＮｂ、Ｔｉ、Ｖ等を添加した特殊な鋼部材を用いることなく、鋼部材として一般的に用いられる肌焼鋼（たとえば、ＳＣＭ４２０）を用いることができる。
（焼入れ工程）
次に、図１に示すように、ステップＳ４において、焼入れ工程が行われる。図２に示すように、焼入れ工程（Ｓ４）は、鋼部材をオーステナイト化変態完了温度Ａ３以上の温度Ｔ３（たとえば、約８５０℃）まで再度加熱するとともに、加熱した鋼部材を急冷する工程である。具体的には、鋼部材が、第２熱処理室に配置される。そして、鋼部材がオーステナイト化するように、鋼部材が温度Ｔ３まで再度加熱される。そして、鋼部材が温度Ｔ３に保持された状態（すなわち、鋼部材がオーステナイト化した状態）が暫く維持された後、鋼部材が熱処理室から冷却装置の内部に搬送され、鋼部材がマルテンサイト化するように、鋼部材が急冷される。鋼部材の急冷は、鋼部材がマルテンサイト化する冷却速度で行われる。すなわち、鋼部材の急冷は、鋼部材がパーライト化しない冷却速度で行われる。また、鋼部材の急冷は、水または油を用いて行われる。
焼入れ工程（Ｓ４）は、浸窒工程（Ｓ３）の直後に、鋼部材をオーステナイト化変態完了温度Ａ３未満の温度Ｔ２（たとえば、約８１０℃）からオーステナイト化変態完了温度Ａ３以上の温度Ｔ３（たとえば、約８５０℃）に加熱するとともに、加熱した鋼部材を急冷する工程である。すなわち、浸窒工程（Ｓ３）と焼入れ工程（Ｓ４）とが、この順に、連続して行われる。これにより、浸窒工程（Ｓ３）においてオーステナイト化変態完了温度Ａ３未満の温度Ｔ２（たとえば、約８１０℃）まで加熱した状態の鋼部材を、温度Ｔ２（たとえば、約８１０℃）からオーステナイト化変態完了温度Ａ３以上の温度Ｔ３（たとえば、約８５０℃）まで加熱するだけでよいので、焼入れ工程（Ｓ４）が浸窒工程（Ｓ３）の直後に行われない場合と比較して、鋼部材の加熱における消費エネルギーを抑制することができる。
（焼戻し工程）
次に、図１に示すように、ステップＳ５において、焼戻し工程が行われる。焼戻し工程（Ｓ５）は、マルテンサイト化した鋼部材を再度加熱して冷却する工程である。これにより、マルテンサイト化して一時的に硬さが過度に大きくなるとともに靭性が過度に低下した状態の鋼部材が、焼戻しされることによって、適切な疲労強度および靭性を有する状態となる。
［実施例］
図４～図１０を参照して、上記実施形態による鋼部材の製造方法の実施例について、比較例１による鋼部材の製造方法および比較例２による鋼部材の製造方法と比較しながら説明する。
（上記実施形態による鋼部材の製造）
上記実施形態による鋼部材の製造方法に基づいて、鋼部材を歯車として、鋼部材を作製した（実施例１）。具体的には、まず、鋼部材に対して冷間鍛造する冷間鍛造工程を行った。鋼部材には、肌焼鋼のＳＣＭ４２０を用いた。そして、鋼部材をオーステナイト化変態完了温度Ａ３以上の温度Ｔ１（１０００℃）まで加熱してオーステナイト化した状態の鋼部材に、炭素を浸入させるとともに、炭素を浸入させた鋼部材を徐冷する浸炭工程を行った。浸炭工程において、オーステナイト化した状態の鋼部材に、鋼部材と炭素とが亜共析組成となる炭素濃度（０．７７％未満）で、炭素を浸入させた。浸炭工程は、第１熱処理室の内部を真空ポンプによって減圧しながら行った。そして、鋼部材をオーステナイト化変態完了温度Ａ３未満の温度Ｔ２（８１０℃）まで加熱した状態の鋼部材に窒素を浸入させる浸窒工程を行った。そして、浸窒工程の直後に、鋼部材をオーステナイト化変態完了温度Ａ３以上の温度Ｔ３（８５０℃）まで再度加熱するとともに、加熱した鋼部材を急冷する焼入れ工程を行った。そして、マルテンサイト化した鋼部材を再度加熱して冷却する焼戻し工程を行った。
（第１変形例および第２変形例による鋼部材の製造）
上記実施形態の第１変形例として、上記実施形態による鋼部材の製造方法から浸窒工程を省いて、鋼部材を作製した（実施例２）。また、上記実施形態の第２変形例として、上記実施形態による鋼部材の製造方法から浸窒工程を省くとともに、上記実施形態による鋼部材の製造方法における鋼部材を肌焼鋼から焼結材に置き換えて、鋼部材を作製した（実施例３）。
（上記実施形態および第１変形例による別の鋼部材の製造）
上記実施形態による鋼部材の製造方法に基づいて、鋼部材をシャフトとして、鋼部材を作製した（実施例４）。また、第１変形例による鋼部材の製造方法に基づいて、鋼部材をシャフトとして、鋼部材を作製した（実施例５）。
（比較例１による鋼部材の製造）
図４に示す比較例１による鋼部材の製造方法に基づいて、鋼部材を歯車として、鋼部材を作製した。具体的には、まず、上記実施形態による鋼部材の製造方法と同様に、冷間鍛造工程を行った。鋼部材には、上記実施形態による鋼部材の製造方法と同様に、肌焼鋼のＳＣＭ４２０を用いた。そして、上記実施形態による鋼部材の製造方法と同様に、鋼部材をオーステナイト化変態完了温度Ａ３以上の温度Ｔ１（１０００℃）まで加熱してオーステナイト化した状態の鋼部材に、炭素を浸入させるとともに、炭素を浸入させた鋼部材を徐冷する浸炭工程を行った。上記実施形態による鋼部材の製造方法と異なり、浸炭工程において、鋼部材が徐冷される途中で、オーステナイトの一部のみがパーライト化されるように、鋼部材がオーステナイト化変態開始温度Ａ１未満の温度Ｔ４（７１０℃）に保持された状態で所定の時間だけ維持した。すなわち、鋼部材が温度Ｔ４（７１０℃）に保持された状態で維持される時間だけ、上記実施形態による鋼部材の製造方法よりも鋼部材が高温の状態（常温でない状態）が長くなる。また、上記実施形態による鋼部材の製造方法と異なり、浸炭工程において、オーステナイト化した状態の鋼部材に、鋼部材と炭素とが過共析組成となる炭素濃度（０．７７％以上）で、炭素を浸入させた。なお、浸炭工程は、上記実施形態による鋼部材の製造方法と同様に、熱処理室の内部を真空ポンプによって減圧しながら行った。そして、鋼部材がオーステナイト化変態完了温度Ａ３以上の温度Ｔ３（８５０℃）に加熱され、鋼部材が温度Ｔ３（８５０℃）に暫く維持された後、鋼部材を急冷する焼入れ工程を行った。なお、焼入れ工程において、鋼部材が温度Ｔ３（８５０℃）に保持された状態（すなわち、鋼部材がオーステナイト化した状態）が暫く維持される際に、鋼部材に窒素を浸入させる浸窒工程も行った。そして、上記実施形態による鋼部材の製造方法と同様に、焼戻し工程を行った。
（比較例２による鋼部材の製造）
図５に示す比較例２による鋼部材の製造方法に基づいて、鋼部材を歯車として、鋼部材を作製した。具体的には、まず、上記実施形態による鋼部材の製造方法と同様に、冷間鍛造工程を行った。鋼部材には、上記実施形態による鋼部材の製造方法と同様に、肌焼鋼のＳＣＭ４２０を用いた。そして、上記実施形態による鋼部材の製造方法と同様に、鋼部材をオーステナイト化変態完了温度Ａ３以上の温度Ｔ１（１０００℃）まで加熱してオーステナイト化した状態の鋼部材に、炭素を浸入させるとともに、炭素を浸入させた鋼部材を徐冷する浸炭工程を行った。なお、浸炭工程における徐冷は、鋼部材の温度が焼入れ工程のための温度Ｔ３（８５０℃）となるまで行った。また、上記実施形態による鋼部材の製造方法と異なり、浸炭工程において、オーステナイト化した状態の鋼部材に、鋼部材と炭素とが共析組成となる炭素濃度（０．７７％）で、炭素を浸入させた。なお、上記実施形態による鋼部材の製造方法と異なり、浸炭工程において、熱処理室の内部を減圧せずに行った。そして、鋼部材がオーステナイト化変態完了温度Ａ３以上の温度Ｔ３（８５０℃）に暫く維持された後、鋼部材を急冷する焼入れ工程を行った。すなわち、上記実施形態による鋼部材の製造方法と異なり、浸炭工程において鋼部材をパーライト化させずに、浸炭工程の直後に焼入れ工程を行った。なお、上記実施形態による鋼部材の製造方法と異なり、浸窒工程を行わなかった。そして、上記実施形態による鋼部材の製造方法と同様に、焼戻し工程を行った。
（比較例３による鋼部材の製造）
比較例３として、比較例２による鋼部材の製造方法における鋼部材を歯車からシャフトに置き換えて、鋼部材を作製した。
（鋼部材の性能の試験結果）
以下に、上記実施形態による鋼部材の製造方法を用いた鋼部材（実施例１の鋼部材および実施例４の鋼部材）、上記第１変形例による鋼部材の製造方法を用いた鋼部材（実施例２の鋼部材および実施例５の鋼部材）、上記第２変形例による鋼部材の製造方法を用いた鋼部材（実施例３の鋼部材）、比較例１による鋼部材の製造方法を用いた鋼部材（比較例１の鋼部材）、比較例２による鋼部材の製造方法を用いた鋼部材（比較例２の鋼部材）、および、比較例３による鋼部材の製造方法を用いた鋼部材（比較例３の鋼部材）の性能の試験結果について説明する。
図６に示すように、実施例１の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒有り））、実施例２の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒無し））および実施例３の鋼部材（図中の焼結材（浸窒無し））は、いずれも、衝撃試験時の亀裂発生エネルギーＥｉ（Ｊ／ｃｍ２）および曲げ疲労強度σ（ＭＰａ）が、共に、比較例１の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（比較例１））よりも大きかった。具体的には、実施例１の鋼部材の亀裂発生エネルギーＥｉは、比較例１の鋼部材の亀裂発生エネルギーＥｉよりも大きかった。実施例２の鋼部材の亀裂発生エネルギーＥｉは、実施例１の鋼部材の亀裂発生エネルギーＥｉよりも大きかった。実施例３の鋼部材の亀裂発生エネルギーＥｉは、実施例２の鋼部材の亀裂発生エネルギーＥｉよりも大きかった。実施例３の鋼部材の曲げ疲労強度σは、比較例１の鋼部材の曲げ疲労強度σよりも大きかった。実施例２の鋼部材の曲げ疲労強度σは、実施例３の鋼部材の曲げ疲労強度σよりも大きかった。実施例１の鋼部材の曲げ疲労強度σは、実施例２の鋼部材の曲げ疲労強度σよりも大きかった。なお、衝撃試験時の亀裂発生エネルギーＥｉの大きさは、靭性の大きさと略比例する。また、曲げ疲労強度σは、曲げに対する強度の大きさを意味する。曲げ疲労強度σは、一般的に、硬さと略比例する。衝撃試験時の亀裂発生エネルギーＥｉは、シャルピー衝撃試験を用いて測定した。また、曲げ疲労強度σは、小野式回転曲げ疲労試験を用いて測定した。
図７に示すように、実施例１の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒有り））および実施例２の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒無し））は、いずれも、曲げ疲労強度σ（ＭＰａ）が、比較例２の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（比較例２））よりも大きかった。
図８に示すように、実施例４の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒有り））および実施例５の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒無し））は、いずれも、トルク振幅Ｔａ（Ｎ・ｍ）が、比較例３の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（比較例３））よりも大きかった。なお、トルク振幅Ｔａは、捩じり疲労強度を表す指標である。トルク振幅Ｔａは、捩じり疲労試験を用いて測定した。
図９に示すように、比較例２の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（比較例２））の表面硬さが７６０ＨＶであったのに対して、実施例１の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒有り））の表面硬さは７７０であり、実施例２の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒無し））の表面硬さは７７１であった。すなわち、実施例１の鋼部材および実施例２の鋼部材は、表面硬さが、比較例２の鋼部材よりも大きかった。なお、表面硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠したビッカース硬さ試験を用いて測定した。
比較例２の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（比較例２））の表面硬化層深さが０．７７ｍｍであったのに対して、実施例１の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒有り））の表面硬化層深さは０．８２ｍｍであり、実施例２の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒無し））の表面硬化層深さは０．８０ｍｍであった。すなわち、実施例１の鋼部材および実施例２の鋼部材は、表面硬化層深さが、比較例２の鋼部材よりも大きかった。
比較例２の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（比較例２））の表面の炭素濃度が０．７０ｗｔ％であったのに対して、実施例１の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒有り））の表面の炭素濃度は０．５４ｗｔ％であり、実施例２の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒無し））の表面の炭素濃度は０．５７ｗｔ％であった。すなわち、実施例１の鋼部材および実施例２の鋼部材は、表面の炭素濃度が、比較例２の鋼部材よりも著しく小さかった。これは、比較例２の鋼部材が、浸炭工程において、オーステナイト化した状態の鋼部材に、鋼部材と炭素とが共析組成となる炭素濃度（０．７７％）で、炭素を浸入させたのに対して、実施例１の鋼部材および実施例２の鋼部材は、浸炭工程において、オーステナイト化した状態の鋼部材に、鋼部材と炭素とが亜共析組成となる炭素濃度（０．７７％未満）で、炭素を浸入させたことに起因すると考えられる。
実施例１の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒有り））の全浸炭深さ、実施例２の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒無し））の全浸炭深さ、および、比較例２の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（比較例２））全浸炭深さは、いずれも、１．４ｍｍであった。これは、実施例１の鋼部材、実施例２の鋼部材および比較例２の鋼部材は、いずれも、温度Ｔ１（１０００℃）まで加熱してオーステナイト化した状態の鋼部材に、炭素を浸入させたことに起因すると考えられる。
実施例１の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒有り））の表面の窒素濃度は、０．３４ｗｔ％であった。すなわち、実施例１の鋼部材は、表面の窒素濃度が表面の炭素濃度よりも小さかった。また、実施例１の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒有り））の全浸窒深さは、０．３ｍｍであった。すなわち、実施例１の鋼部材は、全浸窒深さが全浸炭深さよりも小さかった。
図１０に示すように、比較例２の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（比較例２））の粒界酸化深さが１４μｍであったのに対して、実施例１の鋼部材（図中のＳＣＭ４２０（浸窒有り））の粒界酸化深さは５μｍであった。すなわち、実施例１の鋼部材は、粒界酸化深さが、比較例２の鋼部材よりも小さかった。したがって、実施例１の鋼部材は、製造工程における粒界酸化層の形成が大きく抑制されていた。
実施例１の鋼部材の結晶粒径の最小値（図中のＭＩＮ）および比較例２の鋼部材の結晶粒径の最小値は、共に１０μｍであった。一方、比較例２の鋼部材の結晶粒径の最大値（図中のＭＡＸ）が１７０μｍであったのに対して、実施例１の鋼部材の結晶粒径の最大値は２２μｍであった。そして、比較例２の鋼部材の平均結晶粒径が３８μｍであったのに対して、実施例１の鋼部材の平均結晶粒径は１４μｍであった。すなわち、実施例１の鋼部材は、平均結晶粒径が、比較例２の鋼部材よりも小さかった。したがって、実施例１の鋼部材は、製造工程における結晶粒径の粗大化が大きく抑制されていた。
以上のように、実施例（実施例１～５）の鋼部材は、靭性、曲げ疲労強度、表面硬さ、表面硬化層深さ等が、比較的高いことが示された。したがって、上記実施形態による鋼部材の製造方法、上記実施形態の第１変形例による鋼部材の製造方法、および、上記実施形態の第２変形例による鋼部材の製造方法は、高い硬さと高い靭性とが共に要求される鋼部材（たとえば、歯車、軸受け、シャフト等）の製造方法として好適である。
［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく請求の範囲によって示され、さらに請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
たとえば、上記実施形態では、浸炭工程（Ｓ２）が、冷間鍛造された鋼部材に対して行われる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、浸炭工程が、熱間鍛造された鋼部材に対して行われてもよい。
また、上記実施形態では、浸窒工程（Ｓ３）が、オーステナイト化変態開始温度Ａ１以上で、かつ、オーステナイト化変態完了温度Ａ３未満の温度Ｔ２で、鋼部材に窒素を浸入させる工程である例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、浸窒工程が、オーステナイト化変態開始温度未満の温度で、鋼部材に窒素を浸入させる工程であってもよい。
また、上記実施形態では、浸窒工程（Ｓ３）が、鋼部材をオーステナイト化変態完了温度Ａ３未満の温度Ｔ２まで加熱した状態の鋼部材に窒素を浸入させる工程である例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、比較例１のように、浸窒工程が、鋼部材をオーステナイト化変態完了温度以上の温度まで加熱した状態の鋼部材に窒素を浸入させる工程であってもよい。その場合、比較例１のように、焼入れ工程における加熱と同時に浸窒工程が行われてもよい。
また、上記実施形態では、鋼部材に窒素を浸入させる浸窒工程（Ｓ３）が行われる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、上述した第１変形例および第２変形例のように、鋼部材に窒素を浸入させる浸窒工程が行われなくてもよい。
また、上記実施形態では、鋼部材には、肌焼鋼が用いられる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、上述した第２変形例のように、鋼部材には、焼結材が用いられてもよい。
オーステナイト化変態開始温度…Ａ１、オーステナイト化変態完了温度…Ａ３、（オーステナイト化変態完了温度以上の）温度…Ｔ１、Ｔ３、（オーステナイト化変態完了温度未満の）温度…Ｔ２

Claims (5)

  1. 鋼部材をオーステナイト化変態完了温度以上の温度まで加熱してオーステナイト化した状態の前記鋼部材に、前記鋼部材と炭素とが亜共析組成となる炭素濃度で、前記炭素を浸入させるとともに、前記炭素を浸入させた前記鋼部材を徐冷する浸炭工程と、
    前記浸炭工程の後に、前記鋼部材を前記オーステナイト化変態完了温度以上の温度まで再度加熱するとともに、加熱した前記鋼部材を急冷する焼入れ工程と、
    前記浸炭工程の後に、かつ、前記焼入れ工程の前に、前記鋼部材を前記オーステナイト化変態完了温度未満の温度まで加熱した状態の前記鋼部材に窒素を浸入させる浸窒工程と、を備える、鋼部材の製造方法。
  2. 前記焼入れ工程は、前記浸窒工程の直後に、前記鋼部材を前記オーステナイト化変態完了温度未満の温度から前記オーステナイト化変態完了温度以上の温度に加熱するとともに、加熱した前記鋼部材を急冷する工程である、請求項１に記載の鋼部材の製造方法。
  3. 前記浸窒工程は、オーステナイト化変態開始温度以上で、かつ、前記オーステナイト化変態完了温度未満の温度で、前記鋼部材に窒素を浸入させる工程である、請求項１に記載の鋼部材の製造方法。
  4. 前記浸窒工程は、前記鋼部材の表面の窒素濃度が０．５％以下となるように、前記鋼部材に窒素を浸入させる工程である、請求項１に記載の鋼部材の製造方法。
  5. 前記浸炭工程は、冷間鍛造された前記鋼部材に対して行われる、請求項１に記載の鋼部材の製造方法。
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