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【発明の名称】 転動部材とその製造方法
【発明者】 【氏名】高山　武盛
【住所又は居所】大阪府枚方市上野３丁目１−１　株式会社小松製作所生産技術開発センタ内
【課題】通常市販性が高く、かつ安価なベース鋼材を用いた歯車の表面から焼戻し軟化抵抗性や耐焼付き性を改善する合金元素を拡散浸透させた後に、浸炭、浸炭浸窒もしくは浸窒処理を施すことにより、耐ピッチング強度を高める。

【解決手段】フェライトＦｅ相を安定化する作用および鋼中の炭素と反発し合う作用を有するＳｉ，Ａｌ，Ｂｅ，Ｃｏ，Ｐ，Ｓｎのうちの少なくとも一種以上からなる合金元素を表面層から拡散浸透させるとともに、その表面層を浸炭、浸炭浸窒および／または浸窒処理した後に焼入れもしくは焼入れ焼戻し処理を施す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製の転動部材であって、表面層から一種以上の合金元素を拡散浸透させるとともに、その表面層を浸炭、浸炭浸窒および／または浸窒処理した後に焼入れもしくは焼入れ焼戻し処理が施されていることを特徴とする転動部材。
【請求項２】
前記合金元素がフェライトＦｅ相を安定化する作用および鋼中の炭素と反発し合う作用を有するＳｉ，Ａｌ，Ｂｅ，Ｃｏ，Ｐ，Ｓｎのうちの少なくとも一種以上からなることを特徴とする請求項１に記載の転動部材。
【請求項３】
表面層に少なくともＣ：０．５〜１．７重量％を含有し、さらに、Ｎ：０．２〜２．０重量％、Ｓｉ：１．０〜５．０重量％、Ａｌ：０．５〜２０重量％、Ｃｏ：１．０〜３０重量％、Ｂｅ：０．１〜５．０重量％の一種以上の合金元素を含有していることを特徴とする請求項１または２に記載の転動部材。
【請求項４】
少なくともＣ：０．１０〜０．３５重量％を含有する炭素鋼、低合金鋼および／または各種肌焼き鋼等をベース鋼材とし、その表面層が式
５≦４．３×Ｓｉ（重量％）＋７．３×Ａｌ（重量％）＋３．１×Ｖ（重量％）＋１．５×Ｍｏ（重量％）＋１．２×Ｃｒ（重量％）×（０．４５÷Ｃ（重量％））
の関係を満足するようにＳｉ，Ａｌの一種以上が拡散浸透され、さらに、浸炭処理および／または浸炭浸窒処理によってその浸炭または浸炭浸窒表面層の炭素濃度が０．６〜１．７重量％に調整されるとともに、その処理に続いて焼入れと３００℃以下の焼戻し処理、もしくはその処理後に一旦冷却して、再加熱焼入れと３００℃以下の焼戻し処理を施し、３００℃の焼戻し処理によってもＨＲＣ５８以上の硬さが確保されるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の転動部材。
【請求項５】
浸炭された転動部材において、その浸炭表面層の炭素濃度が０．６〜１．７重量％に調整され、その浸炭中に表面層にセメンタイトが析出しない状態から一旦Ａ１温度以下に冷却した後に再加熱焼入れと３００℃以下の焼戻し処理を施し、その浸炭表面層の焼戻しマルテンサイト相中に１μｍ以下の微細なセメンタイト粒子を分散させ、３００℃の焼戻し処理によってＨＲＣ６２以上の硬さが確保されるようにしたことを特徴とする転動部材。
【請求項６】
表面層におけるＣｒ含有量をＳｉ含有量の１．４倍以下に抑えるとともに、Ｍｏ：０．３５重量％以下、Ｖ：０．４重量％以下、（Ｍｎ＋Ｎｉ）：１．０〜２．５重量％のいずれか一種以上が添加され、かつそれらの含有量が式
−０．１４６×Ｓｉ（重量％）＋０．０３×Ｍｎ（重量％）−０．０２４×Ｎｉ（重量％）＋０．０７５×Ｃｒ（重量％）＋０．０４３×Ｍｏ（重量％）＋０．１３３×Ｖ（重量％）≦０
の関係を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の転動部材。
【請求項７】
フェライトＦｅ相を安定化し、鋼中の炭素と反発し合うＳｉ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｂｅ，Ｓｎの一種以上を同時もしくは先行して拡散浸透させながら、炭素と強力に反応するＣｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｗ等の炭化物形成元素を拡散浸透した後、浸炭、浸炭浸窒もしくは浸窒処理を施し、それらの元素が拡散浸透する表面層にＣｒ７Ｃ３，Ｍｏ２Ｃ，Ｖ４Ｃ３，ＴｉＣ，ＴｉＣＮ，ＴｉＮ，ＡｌＮ，ＷＣ等の特殊炭化物、特殊炭窒化物、窒化物の一種以上を微細に分散析出させたことを特徴とする請求項１に記載の転動部材。
【請求項８】
前記フェライトＦｅ相を安定化し、鋼中の炭素と反発し合う合金元素Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｂｅの一種以上および／またはＣｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｗの一種以上と顕著な時効硬化性を有するＮｉ等の合金元素を拡散浸透させたことを特徴とする請求項７に記載の転動部材。
【請求項９】
少なくともＣ：０．１０〜０．３５重量％を含有するとともに、Ｓｉ：０．０５〜１．０重量％、Ｍｎ：０．３〜１．５重量％、Ｎｉ：０〜２．５重量％、Ｃｒ：０〜２．０重量％、Ｍｏ：０〜０．３５重量％、Ｖ：０〜０．４重量％を含有し、さらに、Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｂ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｈｆ，Ａｌ，Ｃａの一種以上の合金元素とＰ，Ｓ，Ｎ，Ｏ等の不可避的不純物元素を含有し、残部が実質的にＦｅからなるベース鋼材を用いることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の転動部材。
【請求項１０】
鋼製転動部材の製造方法であって、表面層にフェライトＦｅ相を安定化し、鋼中の炭素と反発し合う合金元素：Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｂｅの一種以上を表面層から少なくとも１０μｍ以上の深さに拡散浸透させる工程と、この工程の後に、焼入れまたは焼戻し処理を施す工程を有することを特徴とする転動部材の製造方法。
【請求項１１】
前記フェライトＦｅ相を安定化し、鋼中の炭素と反発し合う合金元素：Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｂｅの一種以上を先行して拡散浸透させ、さらに、フェライトＦｅ相安定化元素で、かつ、強力な炭化物形成元素および／または窒化物形成元素であるＣｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｗの一種以上を拡散浸透させ、後工程の浸炭、浸炭浸窒および／または浸窒によって表面層に特殊炭化物、特殊炭窒化物、窒化物を微細に分散析出させることを特徴とする請求項１０に記載の転動部材の製造方法。
【請求項１２】
前記フェライトＦｅ相を安定化し、鋼中の炭素と反発し合う合金元素Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｂｅの一種以上および／またはＣｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｗの一種以上と顕著な時効硬化性を有するＮｉ等の合金元素を拡散浸透させたことを特徴とする請求項１０または１１に記載の転動部材の製造方法。
【請求項１３】
前記合金元素を拡散浸透させる際に、それらの合金元素を含有する塩素（Ｃ１）、ヨウ素（Ｉ）、フッ素（Ｆ）、水素（Ｈ）系揮発ガス等が用いられる請求項１０〜１２のいずれかに記載の転動部材の製造方法。
【請求項１４】
前記合金元素を拡散浸透させる際に、珪素浸透、Ａｌ浸透、Ｃｒ浸透等に使用する一種以上の固体媒剤を用いて拡散浸透した後に、不活性、還元性、真空および／または浸炭雰囲気中で拡散浸透処理が施される請求項１０〜１２のいずれかに記載の転動部材の製造方法。
【請求項１５】
前記合金元素を拡散浸透させる際に、それらの合金元素を含有する溶融メッキ法、塩浴法、電気メッキ法、化学メッキ法、蒸着法、スパッタリング法、溶射法等の各種方法でプレーティングした後に、不活性、還元性、真空および／または浸炭雰囲気中で拡散浸透処理が施される請求項１０〜１２のいずれかに記載の転動部材の製造方法。
【請求項１６】
前記合金元素を拡散浸透させる際に、請求項１３〜１５のいずれか一種以上の方法を組み合わせて拡散浸透処理が施される１０〜１２のいずれかに記載の転動部材の製造方法。
【請求項１７】
前記浸炭、浸炭浸窒処理は、真空浸炭およびプラズマ浸炭が処理可能な浸炭、浸炭浸窒処理炉を用いて、少なくとも１０００℃以上の温度で処理することにより行われる請求項１０〜１２のいずれかに記載の転動部材の製造方法。
【請求項１８】
前記浸炭および／または浸炭浸窒処理後にその処理に続いて焼入れと３００℃以下の焼戻し処理、もしくはその処理後に一旦冷却して、再加熱焼入れと３００℃以下の焼戻し処理が施される請求項１０〜１２のいずれかに記載の転動部材の製造方法。
【請求項１９】
前記再加熱焼入れ処理によって、浸炭および／または浸炭浸窒処理する表面層がマルテンサイト相にセメンタイトが分散した組織になるようにされる請求項１８に記載の転動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浸炭焼入れおよび／または浸炭浸窒焼入れおよび高周波焼入れ法によって製造される歯車等の転動部材に関するもので、より詳しくは３００〜３５０℃での低温焼戻し軟化抵抗性を顕著に高める合金元素を歯車の歯車表面層に拡散浸透させるとともに、浸炭、浸炭浸窒および／または浸窒処理によってその表面層に炭素および／または窒素を拡散浸透させた後に、直後焼入れ焼戻しもしくは再加熱焼入れ焼戻し処理を施し、耐ピッチング強度を高めた歯車等の転動部材とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車や建設・土木用機械に使用されている歯車減速装置や変速装置には、高出力化や軽量コンパクト化に対応した高い動力伝達力に対するニーズが高まっており、特に、歯車やベアリング等の転動部材に対してはよりコンパクトで高い面圧強度の特性が望まれている。また、歯車等の面圧強度を高める手段として、歯車では浸炭処理、窒化処理、高周波焼入れ処理等によってその表面を硬化させることが通常的に実施されている。またさらに、面圧強度を高めるため焼戻し軟化抵抗性を高めるようなＭｏ等の積極的な鋼への添加等の材料的な手段も採られている。特に、近年においては、浸炭や浸炭浸窒処理後に焼入れし、ショットピーニングを施し、積極的に表面硬度を高めるとともに、顕著な圧縮残留応力を付与する方法についても多く検討されている。
【０００３】
また、浸炭法により鋼表面に高密度なセメンタイトを析出させることによって、表面硬度を高め、かつ、その焼戻し軟化抵抗性を高めることによって面圧強度を高める方法も報告されている（特許文献１参照）。
【０００４】
さらに、浸炭浸窒によって鋼表面に高密度なＡｌＮを微細に分散析出させ、かつ、表面層のマルテンサイト葉を微細にすることによって面圧強度を高める方法も報告されている（特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特公昭６２−２４４９９号公報
【特許文献２】
特開平１０−１７６２１９号公報
【０００６】
さらにまた、歯車が噛み合う時のすべり率の大きなベベルギヤ類においては接触面圧疲労強度だけでなく、すべり時の発熱による耐焼付き性（耐スカッフィング性）の悪さが原因となる歯車の折損やピッチングの発生が問題となっているために、耐焼付き性に優れたＭｏＳ２等の潤滑膜を歯面にコーティングすることも実施されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
焼戻し軟化抵抗性を高めるＭｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｗを従来よりも多く添加した鋼を浸炭することによって面圧強度を高める手段が検討されているが、面圧疲労強度を高めるのに必要な低温度域での焼戻し軟化抵抗性を余り高めないために十分な改善が期待できず、またこれらの合金元素を多量に添加した場合には、鋼材コストと機械加工コストの顕著な増大を招くという問題点がある。また、Ｔｉ，Ｖ，Ｗ，Ｍｏ等を多量に添加すると、鋼材溶製の段階で炭素および窒素と炭化物、炭窒化物、炭化物として析出するため、多量に添加できない等の問題点がある。
【０００８】
また、前記浸炭品表面に対して強烈なショットピーニングを実施し、表面から約１００μｍ程度に存在する残留オーステナイトをマルテンサイト変態させて、より高い表面硬度と大きな圧縮残留応力を発生させることによって面圧強度向上を図ったものも報告されているが、この方法によれば、現実的には浸炭時に発生する粒界酸化層（欠陥層）におけるショットによる微視的欠陥の発生によって転動初期における摩耗粉の発生と、面あれによる摩擦係数の増大等のマイナス効果があり、さらには負荷される圧縮残留応力が２２０℃程度の低温温度域で急速に開放されることやショットが焼戻し軟化性改善にあまり効果的でないことから、必ずしも汎用的には利用できないという問題点がある。
【０００９】
さらに、浸炭方法によって表面層にセメンタイト相を高密度に分散させる高炭素浸炭（過剰浸炭）法を歯車に適用する方法が前記特許文献１に開示されているが、この方法によれば、高密度に析出させるセメンタイト粒子が５〜１０μｍと大きくなり易く、かつ、セメンタイト同士の凝集が起き易く、さらに、粒界に沿った巨大な析出が起こるため、結果的には接触応力によってセメンタイト凝集体が破壊され、表面欠陥の起点としてのマイナス効果が顕在化し、歯車に適用した場合には、歯元強度の低下を来たすなどの問題点がある。
【００１０】
また、前記特許文献２に開示されているように、Ａｌを多量に添加した鋼を浸炭浸窒処理し、表面層にＡｌＮを分散析出させて焼入れ処理で形成されるマルテンサイト葉を微細化することによって面圧強度を高める方法は、Ａｌが強力なフェライトＦｅ相を安定化する元素であるために、その添加量に限界があって十分な機能を発現できず、さらに鋼材そのものが特殊鋼化するために、鋼材コストが顕著に高くなるという問題点がある。
【００１１】
本発明は、従来の浸炭焼入れ歯車の耐面圧強度が十分でない問題点とその耐焼付き性が悪いという問題点と、さらに、転動部材のベース鋼材が特殊鋼化する問題点を解消するためになされたもので、通常市販性が高く、かつ安価なベース鋼材を用いた歯車の表面から前記焼戻し軟化抵抗性や耐焼付き性を改善する合金元素を１０μｍ以上の深さに拡散浸透させた後に、浸炭、浸炭浸窒もしくは浸窒処理を施し、さらに、焼入れおよび／または焼入れ焼戻し処理を行うことを特徴としたものである。
【００１２】
また、本発明は、滑りを伴う転動条件で使用する歯車として、その耐面圧強度が稼動中に起こる歯車温度の３００℃での焼戻し硬さがＨＲＣ５８以上となる各種の耐高面圧用の浸炭焼入れ歯車を開発したものである。
【００１３】
さらに本発明は、前記浸炭および／または浸炭浸窒後一旦Ａ１変態温度以下に冷却後、再加熱焼入れ焼戻し処理を施して、歯面表面層がマルテンサイト相中に微細なセメンタイト粒を分散させ、ピッチング強度を高めたものであり、３００℃での焼戻し硬さがＨＲＣ６２以上となるように焼戻し軟化抵抗性を高め、浸炭焼入れ歯車と同等以上のピッチング強度を発現できる安価な高周波焼入れ硬化歯車等の転動部材を提供することを目的とするものである。
【００１４】
さらにまた本発明は、強力なフェライト安定化元素で、鋼中の炭素と強力に反発する拡散性の高いＳｉと同時にフェライト安定化元素でかつ、炭化物形成元素であるＣｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗの一種以上を拡散浸透させ、後の浸炭および／または浸炭浸窒処理によって、特殊炭化物および／または特殊炭窒化物を表面層中に分散させたことを特徴とする高耐面圧歯車等の転動部材を開発したものである。
【００１５】
さらにまた本発明は、表面層にＮｉＴｉ，ＣｏＡｌ，ＦｅＣｏ，ＦｅＳｉ，ＦｅＡｌの規則相出現範囲の組成に調整することによって、表面層を摺動特性の良い材料成分系に調整したことを特徴とする高耐面圧歯車等の転動部材を開発したものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
浸炭焼入れ処理を施したＳＮＣＭ８１５，ＳＣＭ４２０，Ｓｃｒ４２０，ＳＭｎＢ４２０鋼について、それらの滑りを伴う転動面圧強度（ピッチング強度）を面圧３７５〜２２０ｋｇｆ／ｍｍ２の範囲で予備調査した結果、１０７回転でピッチングが発生し始める面圧は２１０ｋｇｆ／ｍｍ２であり、各面圧でピッチングを発生した転動面最表面層のマルテンサイト相のＸ線半価幅は４〜４．２°に減少するとともに転動面最表面層において顕著な軟化が認められる。
【００１７】
また、Ｓ５５Ｃ炭素鋼を焼入れ焼戻し処理によってＨＲＣ６１〜６２に調整した炭素鋼について、面圧２５０ｋｇｆ／ｍｍ２での転動面圧強度を予備調査した結果、１０７回転でピッチングが発生し始める面圧がほぼ１８０ｋｇｆ／ｍｍ２であり、面圧２５０ｋｇｆ／ｍｍ２でピッチングを発生した転動面のマルテンサイト相のＸ線半価幅は前記浸炭肌焼鋼のそれとほぼ同様に３．６〜４．２°に減少している。
【００１８】
さらに、共析炭素鋼（０．７７重量％Ｃ）についてもその転動面圧強度を予備調査した結果、１０７回転でピッチングが発生し始める面圧でほぼ２３０〜２４０ｋｇｆ／ｍｍ２であり、ほぼ同じ炭素量からなる前記浸炭肌焼鋼の転動面圧強度とほぼ同じであり、浸炭肌焼鋼の方が転動表面の粒界酸化層や不完全焼入れ層が存在することによる転動面圧強度のバラツキによる低下が見られることがわかった。
【００１９】
またさらに、共析炭素鋼（０．８２重量％Ｃ）の転動面を高周波焼入れしたものの転動面圧強度を予備調査した結果、１０７回転でピッチングが発生し始める面圧がほぼ２６０〜２７０ｋｇｆ／ｍｍ２であり、ほぼ同じ炭素量からなる前記浸炭肌焼鋼の転動面圧強度とほぼ同じであり、浸炭肌焼鋼の方が転動表面の粒界酸化層や不完全焼入れ層が存在することによる転動面圧強度のバラツキによる低下が見られることがわかった。
【００２０】
さらに、前記微細なセメンタイト粒子を分散させる観点から、約１．０重量％炭素と１．５重量％のＣｒを含有するＳＵＪ２を８４０℃から焼入れた後にＨＲＣ６２．５になるように焼戻したものの転動面圧強度を予備調査した結果、１０７回転でピッチングが発生し始める面圧がほぼ２７０ｋｇｆ／ｍｍ２であり、前記共析鋼のそれとほぼ同じ強度を示し、面圧２５０ｋｇｆ／ｍｍ２でピッチングを発生した転動面のマルテンサイト相のＸ線半価幅は前記浸炭肌焼鋼のそれとほぼ同様に４．２〜４．５°に減少していることがわかった。
【００２１】
さらに、炭素が０．４６，０．５５，０．６６，０．７７，０．８５重量％含有される炭素鋼を８２０℃から焼入れ、１００〜３５０℃で各３時間焼戻したときの硬さとＸ線半価幅を調査し、さらに、すでに公開されているこれらに関するデータ（例えば「材料」、（社）日本材料学会、第２６巻第２８０号、Ｐ２６）を参考にして検討した結果、マルテンサイト相のＸ線半価幅が４〜４．２°になる硬さはほぼＨＲＣ５１〜５３に焼戻される状態に相当し、例えば浸炭肌焼鋼の表面炭素濃度がほぼ０．７〜０．９重量％に調整されていることを参考にすると、その焼戻し温度はほぼ３００℃に相当することがわかった。
【００２２】
以上の予備試験結果から、歯車が高面圧下で噛み合う際に発生する熱によって歯面最表面部が焼戻され、軟化することによって、ピッチングを発生することを明らかにし、さらに、浸炭焼入れ歯車並みのピッチング強度を得るための指標としては３００℃での焼戻し硬さがＨＲＣ５３以上となることが必要であることを明らかにした。
【００２３】
また、ＳＣＭ４２０鋼に浸炭焼入れ処理を施した浸炭硬化層の３００℃焼戻し硬さと、単に焼入れ処理を施した共析炭素鋼の３００℃焼戻し硬さとの比較において、焼戻し軟化抵抗性に対するＣｒ，Ｍｏの改善がほとんど確認されないために、光輝焼入れや高周波焼入れ法によって浸炭焼入れ歯車以上のピッチング強度を付与するためには、ほぼ３００℃での低温焼戻しにおける焼戻し軟化抵抗性を高める新たな合金設計が必要となること、および、前記共析炭素鋼（０．８２重量％Ｃ），ＳＵＪ２の転動面圧強度改善作用のように微細なセメンタイト粒子などをマルテンサイト相中に分散させることが効果的であることがわかった。
【００２４】
なお、前述の浸炭焼入れによるピッチング強度と同等以上（面圧Ｐｍａｘ＝２３０ｋｇｆ／ｍｍ２以上）に耐える歯車設計としては、ヘルツ面圧の理論解析に基づいて、面圧値の０．３倍の片振り剪断応力（Ｒ＝０）の疲労強度に耐える硬さが設定されるが、その計算値はほぼＨＲＣ５３．４であり、前述の予備試験においてピッチングが発生した転動面のマルテンサイト相のＸ線半価幅から求まる硬さ（ＨＲＣ＝５３）と極めて良く合致しており、また、その硬さが滑りを伴う転動により発生する摩擦熱によって、転動面最表面部がほぼ３００℃に昇温する時点でピッチングが発生することから、３００℃焼戻し硬さを少なくともＰｍａｘ＝２３０ｋｇｆ／ｍｍ２に耐えるためのＨＲＣ５４以上となるように設定することによって浸炭焼入れ歯車と同等以上の高面圧歯車が開発されることがわかった。
【００２５】
なお、さらに、実施例２で後述するように、炭素を０．１〜１．０重量％含有する炭素鋼の３００℃焼戻しマルテンサイト相の硬さが、式
ＨＲＣ＝３６×√Ｃ（重量％）＋２０．９
で記述され、この硬さを基準にして各種合金元素の３００℃焼戻しマルテンサイト相の硬さに対する影響を調査した結果、３００℃焼戻しマルテンサイト相の硬さが、式
ＨＲＣ＝（３６√Ｃ（重量％）＋２０．９）＋４．３３×Ｓｉ（重量％）＋７．３×Ａｌ（重量％）＋３．１×Ｖ（重量％）＋１．５×Ｍｏ（重量％）＋１．２×Ｃｒ（重量％）×（０．４５÷Ｃ（重量％））
で記述されることを明らかにした。
【００２６】
なお、歯車減速機のコンパクト化による経済性を検討した場合には、ワンランクサイズダウンを可能とするコンパクト化率２５〜３０％が最も好都合である場合が多い。この場合、歯車面圧強度が従来面圧強度の１．１５倍以上改善されることが必要であり、最も汎用的に使用されている浸炭焼入れ歯車の耐面圧性２３０ｋｇｆ／ｍｍ２を２６５ｋｇｆ／ｍｍ２に改善することが必要であり、歯面の３００℃焼戻し硬さがＨＲＣ５８以上であることが必要となり、より好ましくはＨＲＣ６０以上が必要となることがわかる。
【００２７】
また、良く利用されているＳＣＭ系の浸炭焼入れ材料における浸炭層の３００℃焼戻し硬さは、通常ＨＲＣ＝５３〜５５の範囲にあることから、例えばＳｉ添加によってＨＲＣ６０以上を満足させる場合には１．５重量％以上のＳｉ添加が必要であり、Ａｌ添加でも約１重量％以上の添加が必要となり、これら組成の特別組成鋼を溶製する必要があるために、経済的でない問題があるとともに、高合金鋼化による機械加工性が悪くなる問題がある。
【００２８】
さらにまた、ＳＣＭ４２０Ｈの浸炭転動面におけるローラピッチングテスト前後の硬さ調査を実施した結果、表面から約７０μｍ深さまでの硬さ低下（軟化）が確認され、特に、最表面から約１０〜２０μｍまでの組織が変質していることが多く観察された。
【００２９】
そこで、第１発明においては、前記のように歯車等転動面を強化する各種合金元素の一種以上を転動表面層に拡散浸透させるとともに、その表面層に浸炭および／または浸炭浸窒処理によって炭素および／または窒素を浸透拡散させた後に焼入れ焼戻したことを特徴とすることによって、安価な鋼材を利用して、表面層の焼戻し軟化抵抗性および／または耐焼付き性を顕著に高めた鋼製転動部材を開発した。
【００３０】
また、その合金元素の拡散浸透深さは少なくとも１０μｍ以上で、好ましくは５０μｍ以上であることとした。
【００３１】
なお、前記拡散浸透させる合金元素としては、前記焼戻し軟化抵抗性を顕著に高める作用を有するとともに、転動面圧強度に耐えるだけの深さの浸透拡散層が得られやすいようにその合金の拡散固溶によって拡散性に優れたフェライトＦｅ相を形成すること、および拡散浸透する合金元素が鋼中の炭素と結合して多量の炭化物を形成しないＳｉ，Ａｌ，Ｂｅ，Ｃｏ，Ｐ，Ｓｎのうちの一種以上を選定することを特徴とした（第２発明）。
【００３２】
また、前記鋼製転動部材のベース鋼材としては、少なくともＣ：０．１０〜０．３５重量％を含有する炭素鋼、低合金鋼および／または肌焼き鋼をベース鋼材とし、その鋼材転動部材の表面層が、少なくともＣ：０．５〜１．７重量％を含有し、さらに、Ｎ：０．２〜２．０重量％、Ｓｉ：１．０〜５．０重量％、Ａｌ：０．５〜２０重量％、Ｃｏ：１．０〜３０重量％、Ｂｅ：０．１〜５．０重量％の一種以上の合金元素が含有されていることを特徴とする鋼製転動部材とした（第３発明）。
【００３３】
ここで、焼戻し軟化抵抗性を高めるＣｏの作用は、マルテンサイトの磁気変態温度を顕著に高め、焼戻し温度での軟化のための拡散性を顕著に抑制することに基づくものであり、さらに、高濃度なＣｏを含有するＦｅ−Ｃｏ合金においては規則相を形成し、摺動時の耐焼付き性を向上する機能を有することは明らかである。なお、規則相形成による耐焼付き性の向上現象はＦｅ−Ａｌ（ＯＭＲＦ：特開２００２−１８０２１６号公報参照）、Ｆｅ−Ｓｉ，Ｆｅ−Ｃｏ−Ａｌにおいても認められることは明らかである。
【００３４】
さらに、第４発明として、前記鋼製転動部材の表面層が、式
５≦４．３×Ｓｉ（重量％）＋７．３×Ａｌ（重量％）＋３．１×Ｖ（重量％）＋１．５×Ｍｏ（重量％）＋１．２×Ｃｒ（重量％）×（０．４５÷Ｃ（重量％））
の関係を満足するようにＳｉ，Ａｌの一種以上が拡散浸透され、さらに、浸炭処理および／または浸炭浸窒処理によってその浸炭または浸炭浸窒表面層の炭素濃度が０．６〜１．７重量％に調整されるとともに、その処理に続いて焼入れと３００℃以下の焼戻し処理、もしくはその処理後に一旦冷却して、再加熱焼入れと３００℃以下の焼戻し処理を施し、３００℃の焼戻し処理によってもＨＲＣ５８以下の硬さが確保されるようにした。
【００３５】
また、第５発明による転動部材は、前記浸炭された転動部材において、その浸炭表面層の炭素濃度が０．６〜１．７重量％に調整され、その浸炭中に表面層にセメンタイトが析出しない状態から一旦Ａ１温度以下に（ガス）冷却した後に再加熱焼入れと３００℃以下の焼戻し処理を施し、その浸炭表面層の焼戻しマルテンサイト相中に１μｍ以下の微細なセメンタイト粒子を分散させ、３００℃に焼戻し処理によってもＨＲＣ６２以上の硬さが確保されるようにしたことを特徴とする。
【００３６】
ここで、炭素量を１．７重量％以下と限定した理由は、これ以上の炭素含有量では浸炭処理中において転動表面層での粗大なセメンタイト粒子（３μｍ以上）の発生が避けられず、その歯車の曲げ強度が劣化する危険性が高いためであり、また、その浸炭中に表面層に粗大なセメンタイトを析出させずに１．７重量％以上の高濃度浸炭を実施することは、浸炭温度を１１００℃近くまで高める必要があり、設備的な制限からである。
【００３７】
また、前記発明においては、酸化物形成傾向の強いＳｉ，Ａｌ，Ｂｅ等の合金元素を浸透拡散させることから、前記表面炭素濃度を０．９〜１．７重量％にする高濃度な浸炭は炭素活量（ａｃ）が１近くの高い炭素ポテンシャル状態でかつ好ましくは高温度側（１０００℃以上）で実施されるために、酸素分圧を極度に低減した真空浸炭やプラズマ浸炭法で浸炭することが好ましい。また、その浸炭中に表面層に粗大なセメンタイトが析出しないように、高精度に炭素ポテンシャルを制御する必要があるが、１０００℃を越える高い炭素ポテンシャルでの浸炭制御が極めて困難であることから、鋼材成分中のＣｒが粗大なセメンタイトの析出を促進することに着目し、表面層におけるＣｒ添加量を０．５重量％以下に低減するかもしくはＳｉ添加量がＣｒ添加量の１．４倍以上になるように調整することによって、前記の高い炭素ポテンシャル状態での浸炭処理中においてもセメンタイトが析出しないようにした（第６発明）。
【００３８】
より詳細に見るときには、Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏ等の影響も考慮する必要があり、それらの含有量は、式
−０．１４６×Ｓｉ（重量％）＋０．０３×Ｍｎ（重量％）−０．０２４×Ｎｉ（重量％）＋０．０７５×Ｃｒ（重量％）＋０．０４３×Ｍｏ（重量％）＋０．１３３×Ｖ≦０
の関係を考慮することが好ましいが、実質的には、表面Ｓｉ濃度が１．０〜５．０重量％になるようにして使用することが好ましい。
【００３９】
また、フェライトＦｅ相を安定化し、鋼中の炭素と反発し合うＳｉ，Ａｌ、Ｃｏ，Ｂｅを同時もしくは先行して拡散浸透させた場合には、先行して浸透拡散するＳｉ等の元素がフェライトＦｅ相を形成しながらその相内の炭素含有量を顕著に低減させるので、鋼中の炭素と強力に反応して炭化物を形成するＣｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｗ等の合金元素を表面から遅れて浸透拡散させた場合には、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｗによる炭化物の形成が防止されるので、これらの合金元素の浸透拡散処理後に前記浸炭処理および／または浸炭浸窒処理を施すことによって耐焼付き性に優れたＣｒ７Ｃ３，Ｍｏ２Ｃ，ＷＣ，Ｖ４Ｃ３，ＴｉＣ，ＴｉＣＮ，ＡｌＮ，セメンタイトの炭化物および／または炭窒化物を析出させることを特徴とする転動部材を開発した（第７発明）。
【００４０】
なお、この第７発明において、転動部材の表面層における浸炭、浸炭浸窒および／または浸窒後の炭素濃度および／または窒素濃度は顕著に高まるが、Ｃ：０．５〜３．５重量％、Ｎ：０〜２．５重量％で十分その機能が達成されることは明らかである。
【００４１】
さらに、前記先行して拡散浸透させるＳｉ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｂｅの一種以上および／またはＣｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｗの一種以上と顕著な時効硬化性を有するＮｉ，Ｃｏ等の合金元素を拡散浸透させた後に、浸炭処理および／または浸炭浸窒処理、焼入れおよび／または焼入れ焼戻し処理を施すことを特徴とする転動部材を開発した（第８発明）。
【００４２】
なお、本発明においては、面圧強度を高めることに寄与する合金元素の全てを拡散浸透処理によって付与するものではなく、前記ベース鋼材にあらかじめ含有させておくことができることは明らかであり、第９発明においては、前記転動部材のベース鋼材として、少なくともＣ：０．１０〜０．３５重量％を含有するとともに、Ｓｉ：０．０５〜１．０重量％、Ｍｎ：０．３〜１．５重量％、Ｎｉ：０〜２．５重量％、Ｃｒ：０〜２．０重量％、Ｍｏ：０〜０．３５重量％、Ｖ：０〜０．４重量％、さらに、Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｂ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｈｆ，Ａｌ，Ｃａの一種以上の合金元素とＰ，Ｓ，Ｎ，Ｏ等の不可避的不純物元素が含有され、残部が実質的にＦｅからなる鋼材を用いることを特徴とした。
【００４３】
さらに、歯面強度の向上や歯元曲げ強度の向上のために歯面、歯元、歯底部にショットピーニングやローラバニシング等の物理的加圧処理を施し、明らかな圧縮残留応力を発生させることがより高強度の歯車等の転動部材に好ましいことは明らかであり、これらの処理を施した転動部材も本発明範囲にある。
【００４４】
前記合金元素を転動面表面に拡散浸透させた転動部材の製造方法として、第１０発明では、フェライトＦｅ相を安定化し、かつ、鋼中の炭素と反発し合うＳｉ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｂｅの一種以上の合金元素を表面層から少なくとも１０μｍ以上の深さにまで拡散浸透させる工程と、その後に浸炭、浸炭浸窒もしくは浸窒処理を施す工程、さらに、焼入れまたは焼入れ焼戻し処理を施す工程からなることを特徴とする鋼製転動部材の製造方法を開発した。
【００４５】
なお、前記フェライトＦｅ相を安定化する合金元素の拡散浸透処理は、表面拡散層においてフェライトＦｅ相を形成し、拡散性が高められることから、その下限処理温度を８５０℃にすることができ、上限温度はその処理およびその後に続く浸炭処理および浸炭浸窒処理の設備費の関係から１２００℃とすることが好ましい。
【００４６】
また、浸炭処理および浸炭浸窒処理の下限温度はその生産性を考慮して、８５０℃とし、その上限温度は表面層の炭素濃度を１．７重量％に高める必要性から１１００℃とした。
【００４７】
さらに、第１１発明では、前記Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｂｅの一種以上を同時もしくは先行して拡散浸透させ、さらに、フェライトＦｅ相を安定化する元素で、かつ、強力な炭化物形成元素もしくは窒化物形成元素であるＣｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｗの一種以上を拡散浸透させた後に、浸炭、浸炭浸窒および／または浸窒処理を施し、転動表面層においてＣｒ７Ｃ３，ＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＡｌＮ，Ｍｏ２Ｃ，ＷＣ等の特殊炭化物、特殊炭窒化物および／または特殊窒化物を微細に分散析出させることを特徴とした。
【００４８】
さらにまた、第１２発明では、前記先行して拡散浸透させるＳｉ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｂｅの一種以上および／またはＣｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｗの一種以上と顕著な時効硬化性を有するＮｉ，Ｃｏ等の合金元素を拡散浸透させることを特徴とした。
【００４９】
また、第１３発明では、転動面表面層からの合金元素の拡散浸透工程では、前記８５０〜１２００℃の温度範囲で、転動部材を加熱しながら目的とする合金元素を含有する塩素化合物系ガス（例えばＳｉＣｌ２等）、ヨウ素化合物系ガス（例えばＣｒＩ等）、フッ素化合物系ガス（例えばＣｒＦ等）、水素化合物系ガス（例えばＳｉＨ４等）を用いて拡散浸透することを特徴とした。
【００５０】
また、第１４発明では、従来から工業的に実施されている珪素浸透法（シリコナイジング）、Ａｌ浸透法（カロライジング）、Ｃｒ浸透法（クロマイジング）等に使用する一種もしくは二種以上の固体媒剤を用いて一種もしくは二種以上の合金元素を拡散浸透させた後、不活性、還元性、真空および／または浸炭性雰囲気中でさらに拡散処理し、表面層における金属間化合物（ＦｅＳｉ，ＦｅＡｌ系）を固溶させ、さらに、表面層中の合金元素濃度を調整することを特徴とした。
【００５１】
またさらに、本発明における合金元素の拡散浸透はその浸透層の合金元素濃度が比較的低濃度であることとその浸透量が少ないことから、転動部材に合金元素からなる極めて薄い単一元素もしくは多元素からなる拡散源をプレーティングし、加熱拡散期を設けて拡散浸透させることができるので、第１５発明においては、溶融メッキ法、塩浴法、電気メッキ法、化学メッキ法、蒸着法、スパッタリング法、溶射法等の各種方法でプレーティングした後に、拡散浸透させることを特徴とした。
【００５２】
また、当然のことであるが、前記第１３〜１５発明の拡散浸透方法を組合わせて利用できることは明らかである（第１６発明）。
【００５３】
また、第１７発明では、合金元素の拡散処理後に引き続いて浸炭、浸炭浸窒もしくは浸窒処理を実施して、生産性を高めるためには真空浸炭およびプラズマ浸炭が行える浸炭、浸炭浸窒炉を用いて、少なくとも１０００℃以上の温度で処理することを特徴とした。
【００５４】
また、第１８発明では、前記浸炭および／または浸炭浸窒処理後にその処理に続いて焼入れと３００℃以下の焼戻し処理、もしくはその処理後に一旦冷却して、再加熱焼入れと３００℃以下の焼戻し処理を施すことを特徴とした。ここで、前記再加熱焼入れ処理によって、浸炭および／または浸炭浸窒処理する表面層がマルテンサイト相にセメンタイトが分散した組織になるようにされるようにした（第１９発明）。
【００５５】
なお、本発明につながる各合金元素の働きについてまとめて次に記述する。
【００５６】
（１）Ｓｉ
ＳｉはフェライトＦｅ相を強力に安定化させるために、転動面表面から拡散浸透させる際には、▲１▼その表面層に拡散性に優れ、かつ、炭素固溶度が極めて少ないフェライトＦｅ相が形成され、▲２▼Ｓｉが炭素と強く反発し合い炭化物を形成しないこと、さらに、▲３▼Ｓｉ自身の拡散性が他の置換型合金元素のそれよりも大きいことなどの理由から、Ｓｉの浸透速度はフェライト相中におけるＳｉの拡散によって律せられるようになるので、その拡散浸透処理温度をより低温度で、もしくは、拡散浸透処理時間をより短時間にすることができ、例えば、８５０℃では１０μｍ以上の拡散浸透層が約１時間で形成され、また、１０００℃、１１００℃では１時間で５０μｍ，１００μｍの拡散層が形成されることが計算される（図１：表面のＳｉ濃度が５ｗｔ％となるようにした時の拡散プロフィル参照）。
【００５７】
またＳｉは、前述の３００〜３５０℃以下の低温焼戻し温度域での焼戻し軟化抵抗性を顕著に高める元素であり、その焼戻し軟化抵抗性を高める機構としては低温度で析出するε炭化物をより安定化し、セメンタイトの析出開始温度をより高温度側に引き上げることによって焼戻し軟化を防止することが示されている。
【００５８】
Ｓｉの下限添加量は、１重量％当りのＳｉの３００℃焼戻しでの軟化抵抗△ＨＲＣが４．３であることと、０．９重量％炭素から求まる３００℃焼戻しのベース硬さがＨＲＣ５５であることから、３００℃焼戻し硬さＨＲＣ６０を確保するためのＳｉ添加量は約１．１重量％であり、さらに、鋼中に含まれるＣｒ，Ｍｏ，Ａｌ等の合金元素の硬化を考慮すると、下限のＳｉ添加量は約１．０重量％であり、より好ましくはその下限量を１．５重量％として、より機能を高めることが好ましいのは明らかである。
【００５９】
また、Ｓｉの上限添加量は、前述の転動面表面層においてオーステナイトを顕著に安定化する炭素が０．６重量％以上含有されることから、Ａｃ３変態温度が８５０℃を超えないように７重量％と設定されるが、５重量％以上の合金化によってもろくなる危険があるために、５重量％を上限濃度とした。
【００６０】
さらに、歯車等転動部材の表面に浸炭を施し、その表面炭素添加量を０．９〜１．７重量％に高めて、さらに再加熱焼入れ処理によって転動面に微細なセメンタイト粒子を分散させ、３００℃以下の温度で焼戻し処理を施して、少なくとも３００℃焼戻しでの硬さをＨＲＣ６２以上に確保するためのＳｉの上・下限添加量は、ほぼ上述のＳｉ添加範囲が好ましい。
【００６１】
さらにまた、前記浸炭時に表面層にセメンタイトを析出させずに、表面炭素量を０．９〜１．７重量％に高めるためには、浸炭処理を９３０〜１１００℃の高温で実施し、その浸炭中に炭素活量を高める必要があるが、このような高濃度な炭素ポテンシャル下での浸炭時においては、鋼中にＣｒ元素が多く含有される場合に、その浸炭処理中に粗大（３〜１５μｍ）なセメンタイトの析出（過剰浸炭）が起こり易くなり、歯車強度を顕著に劣化することが危惧されるので、本発明では、そのセメンタイトの析出を伴う過剰浸炭を防止するためにＳｉを積極的に添加することとして、かつ、Ｓｉ添加量の１．４倍以上にＣｒを添加しないようにした。
【００６２】
なお、より詳細には、式
−０．１４６×Ｓｉ（重量％）＋０．０３×Ｍｎ（重量％）−０．０２４×Ｎｉ（重量％）＋０．０７５×Ｃｒ（重量％）＋０．０４３×Ｍｏ（重量％）＋０．１３３×Ｖ（重量％）≦０
の関係を満足させる鋼材を用いることとした。
【００６３】
したがって、この鋼材を用いた場合は、炭素活量を１の状態で浸炭処理する真空浸炭法やプラズマ浸炭法を利用することができ、１１００℃以下での高温浸炭が安価に採用できることは歯車等転動部材の製造方法として極めて有利であり、粗大なセメンタイトの析出を防止することは歯車等転動部材の強度を高めるのに好ましいことは明らかである。
【００６４】
なお、フェライトＦｅ相を安定化するが強力な炭化物形成元素であるＣｒ，Ｔｉ等を表面から拡散浸透させる場合には、表面層においてベース鋼材中の炭素と反応しながら特殊炭化物が形成されるために、Ｃｒ，Ｔｉの拡散浸透が極めて遅くなるとともに、表面層が脆弱化される問題がある。この場合に、まず炭素と反発し炭化物を鋼中において形成しないＳｉ等のフェライト安定化元素をＣｒ，Ｔｉ等よりも先行して拡散浸透させることによって表面層の炭素をより奥に排出しながら、遅れてＣｒ，Ｔｉを表面から拡散浸透させることが好ましいのは明らかである。
【００６５】
また、前述のようにしてＣｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ等を拡散浸透させた後に、浸炭処理、浸炭浸窒処理、浸窒処理を施すことによって、転動部材表面層に特殊炭化物、特殊炭窒化物、窒化物を微細に分散析出させる場合には、極めて良好な耐焼戻し軟化抵抗性と耐焼付き性を付与できることは明らかである。
【００６６】
なお、前記特殊炭化物、特殊炭窒化物を浸炭、浸炭浸窒処理で分散析出させる際においては、同時にセメンタイトの析出が起こらないような組成範囲に調整しておくことが必要であり、例えば表面層における各合金元素濃度がＣｒ：３．５〜２０重量％、Ｍｏ：２．０〜２０重量％、Ｖ：０．５〜２０重量％、Ｗ：１．０〜１０重量％、Ｔｉ：０．５〜５重量％に調整されていることが好ましい。
【００６７】
（２）Ａｌ
Ａｌは強力な脱酸作用を示すことおよび鋼中に含有される不純物元素であるＰ，Ｓを結晶粒界から排斥する作用が強力であることから鋼材の清浄度化に有効であること、さらに、本発明では、ＡｌがＳｉよりも低温焼戻し軟化抵抗性を高める元素であることを確認し（△ＨＲＣ＝７．３）、Ａｌを単独に拡散浸透させたときの下限のＡｌ表面濃度は０．７重量％となる。
【００６８】
ＡｌはＳｉよりも強力なフェライト安定化元素であり、Ａｃ３温度をＳｉに比べて約１．６倍高める作用を有するが、表面層の炭素濃度を前述のように０．６重量％以上に高めることから、Ａｌ表面濃度を１０重量％とした場合においても９００℃以下の焼入れ温度が確保されるが、表面層にＮｉ，Ｃｏ等を拡散浸透させた場合には、例えば１０〜２０重量％Ａｌ、１０〜３０重量％Ｃｏの組成範囲で極めて顕著な時効硬化性を示し（特開２００２−１８０２１６号公報参照）、顕著な焼戻し軟化抵抗性が発現されることが明らかなことから２０重量％Ａｌを上限値とした。
【００６９】
また、Ａｌを０．３５〜２．０重量％含有する鋼を浸炭浸窒処理後に焼入れ焼戻した転動部材のピッチング強度が顕著に改善されることが本発明者によって開示されている（特開平１０−１７６２１９号公報参照）。この開示技術はＡｌを合金元素として固溶、溶製された鋼材に浸炭浸窒されたものであることからその効果が十分でなく、本発明においては、そのＡｌ濃度を高めることによってより高面圧に耐える転動部材を開発することができることは明らかである。
【００７０】
さらにまた、Ａｌを２〜２０重量％に調整した表面層においてはＦｅ３Ａｌ相に関する規則・不規則変態が出現し、その摺動特性が顕著に改善されることが本発明者によってすでに報告されており（特開２００２−１８０２１６号公報参照）、すべりが大きく関与するベベルギヤ等の歯面のピッチング強度を高めることに有効であることは明らかである。
【００７１】
（３）Ｃｏ
Ｃｏはフェライトを安定化させ、炭素と反発し合い、ＦｅＣｏの規則変態性を有すること、さらにＦｅ−Ｃｏ−Ａｌ系においては前記７．５〜２０重量％Ａｌ、１０〜３０重量％Ｃｏの範囲においてその硬さＨｖ６００〜７６０（ＨＲＣ５５〜６２）の硬質相が形成されることから（特開２００２―１８０２１６号公報参照）、その焼戻し軟化抵抗性が改善されることは明らかである。
【００７２】
またさらに、Ｃｏの添加によってマルテンサイト相の磁気変態温度が顕著に高められて合金元素や炭素の拡散性が顕著に抑えられ、これによって焼戻し軟化抵抗性が改善されることは明らかである。
【００７３】
（４）Ｍｏ
Ｍｏは高価な合金元素であるが、鋼の焼入れ性を向上させる有効な元素であるとともに、焼戻し脆性を抑える元素であることから、多くはベース鋼材中に〜０．３５重量％含有されているが、本発明では０〜２０重量％範囲で表面層に拡散浸透されることが好ましいものとしたが、Ｍｏ系の特殊炭化物を浸炭によって分散析出させるために、その下限Ｍｏ濃度は約２．０重量％とし、すべりに伴う耐焼付き性の改善を図るためには、これ以上のＭｏ濃度が好ましいことは明らかである。
【００７４】
（５）Ｗ
ＷもＭｏとほぼ同様のことが考えられ、本発明では０〜１０重量％範囲で表面層に拡散浸透されることが好ましいものとしたが、Ｗ系の特殊炭化物（例えばＷＣ）を浸炭によって分散析出させるために、その下限Ｗ濃度は約１．０重量％とし、すべりに伴う耐焼付き性の改善を図るためには、これ以上のＷ濃度が好ましいことは明らかであるが、フェライトＦｅ相中へのＷの固溶度を勘案した場合のＷ添加の上限濃度は１０重量％である。
【００７５】
（６）Ｖ
Ｖも高価な合金元素であり、Ｖ４Ｃ３炭化物を形成するがその下限Ｖ濃度は０．５重量％であり、すべりに伴う耐焼付き性の改善を図るためには、これ以上のＶ濃度が好ましいことは明らかである。
【００７６】
（７）Ｔｉ
ＴｉはＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴｉＣＮ等の特殊炭化物、窒化物、特殊炭窒化物を強力に形成し、その下限Ｔｉ濃度は０．５重量％であり、すべりに伴う耐焼付き性の改善を図るためには、これ以上のＴｉ濃度が好ましいことは明らかであるが、フェライトＦｅ相中へのＴｉの固溶度を勘案した場合のＴｉ添加の上限濃度は５重量％である。
【００７７】
なお、ベース鋼材に元から添加する炭素量の下限値は０．１０重量％が望ましく、その上限値は焼入れ焼戻し後の浸炭層内部の素材組成部の硬さがＨＲＣ５５を超えない０．３５重量％とすることが望ましいことは明らかであり、さらに、前述の合金元素を拡散浸透させる際の浸透速度がフェライトＦｅ相の形成容易性に影響されることから、オーステナイト相を最も顕著に安定化する炭素の添加量はより低いことが望ましいので、上限炭素量を０．３５重量％とし、より好ましくは０．２５重量％とした。
【００７８】
炭素と同様な観点から、ベース鋼材に含有されるＭｎ，Ｎｉもオーステナイト相を安定化する合金元素であるために、必要以上に添加することは避けるべきであり、１重量％に抑制することが好ましい。
【００７９】
また、Ｍｎは、前述のようにオーステナイトを安定化させる元素であるが、顕著な脱硫作用を示すこと、および鋼の焼入れ性を向上させる有効な元素であるために、Ｍｎは目的に応じて適量添加されるが、そのＭｎ下限量は０．３重量％である。
【００８０】
さらにまた、高濃度のＳｉ，Ａｌを拡散浸透させることによって、本発明の熱処理過程において黒鉛が析出する場合には、強度の顕著な劣化が危惧されるので、少なくともセメンタイトを顕著に安定化し、黒鉛化を阻害するためのＣｒが０．２重量％以上含有されることが好ましい。
【００８１】
なお、本発明において、浸炭温度や再加熱温度および高周波焼入れ温度が高温度になりすぎた場合には、オーステナイト結晶粒が粗大化しやすい問題が起こる場合があるが、その場合にはＴｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｈｆ等の既知なる結晶粒度微細化元素と呼ばれる元素類を０．００５〜０．２重量％の範囲内で添加することが好ましいことは明らかである。
【００８２】
なお、前述のような浸炭前や浸炭途中で行い得る合金元素の拡散浸透処理はＳｉＣｌ２，ＳｉＣｌ４，ＴｉＣｌ２等の低温揮発性に優れたハロゲン化合物ガスやＳｉＨ４ガスを雰囲気ガスとして利用し、そのガス中の合金元素を拡散浸透させることが好ましいことは明らかであるが、その他に電子ビーム溶解法を使った各種蒸着法、溶融メッキ法、電気メッキ法、化学メッキ法、スパッタリング法等で表面部をプレーティングした後に、不活性雰囲気や真空中等で加熱拡散させることも好ましい方法である。
【００８３】
さらに、シリコナイジング、カロライジング、クロマイジング等の従来の各種合金拡散浸透処理（固体媒剤を使った方法や塩浴方法を含む）を施した後に、再加熱拡散処理によって表面層の合金元素濃度を調整し、さらに、浸炭、浸炭浸窒、浸窒を施し、表面層合金元素濃度を調整することも好ましい。
【００８４】
【実施例】
次に、本発明による転動部材とその製造方法の具体的実施例について、図面を参照しつつ説明する。
【００８５】
＜実施例１＞焼入れ焼戻し炭素鋼および浸炭焼入れ肌焼き鋼のピッチング強度
（予備試験）
本実施例では、歯車での歯面における転動疲労強度を調べるために、図２に示される試験片にてローラピッチング試験を実施し、各種の焼入れ焼戻し炭素鋼および浸炭焼入れ肌焼き鋼のピッチング強度を調べた。表１は本実施例に用いた各種炭素鋼、肌焼き鋼の化学成分を示したものである。
【００８６】
【表１】


【００８７】
各種鋼材は図２（ａ）に示される小ローラ形状に加工した後、Ｎｏ．１，２，４は８２０℃で３０分加熱後に水焼入れし、１６０℃で３時間焼戻して試験に供した。また、Ｎｏ．３は素材調質処理後に転動面を４０ｋＨｚの高周波電源を用いて焼入れ硬化し、上述と同様の焼戻し処理を施した。さらに、Ｎｏ．５は９３０℃で５時間の浸炭処理（炭素ポテンシャル０．８）した後、８５０℃に冷却し、８５０℃で３０分保持した後に６０℃の焼入れ油に焼入れした後、上述と同様の焼戻し処理を施した。
【００８８】
なお、図２（ｂ）に示される大ローラ片については、Ｎｏ．４のＳＵＪ２材を８２０℃で３０分加熱後に水焼入れし、１６０℃で３時間焼戻ししたものを使用し、ローラピッチング試験は７０℃の＃３０エンジンオイルで潤滑しながら、小ローラ片を１０５０ｒｐｍ、大ローラ片（負荷ローラ）を２９２ｒｐｍとして４０％の滑り率を与え、面圧３７５〜２２０ｋｇｆ／ｍｍ２の種々の条件で負荷を与えて実施した。
【００８９】
図３には、各種面圧でピッチングが発生した繰り返し回数がまとめて示されている。図中、基準とする浸炭肌焼き鋼における各面圧における最小繰り返し数をつないだ寿命線が実線で示されている。ピッチング発生繰り返し数が１０７回となる時の面圧を転動面疲労強度と定義した場合、そのピッチング強度は約２１０ｋｇｆ／ｍｍ２となることがわかった。また、同様の整理の仕方で検討すると、Ｎｏ．１：１７５ｋｇｆ／ｍｍ２、Ｎｏ．２：２４０ｋｇｆ／ｍｍ２、Ｎｏ．３：２６０ｋｇｆ／ｍｍ２、Ｎｏ．４：２６０ｋｇｆ／ｍｍ２となることがわかった。さらに、浸炭肌焼き鋼はバラツキが多少大きく、この原因は転動面での浸炭時の粒界酸化や不完全焼入れ層の存在や残留オーステナイト量が多いこと等によるもので、平均的なピッチング発生回数で比較した場合には、Ｎｏ．２のピッチング強度と変わらないことがわかる。
【００９０】
また、面圧２５０ｋｇｆ／ｍｍ２でピッチングを発生した転動面のマルテンサイト相のＸ線半価幅を調査した結果、Ｎｏ．１：３．６〜４．０°、Ｎｏ．２：４〜４．２°、Ｎｏ．３：４．２〜４．４°、Ｎｏ．４：４．３〜４．６°、Ｎｏ．５：４〜４．２°であった。
【００９１】
さらに、前記熱処理を施したＮｏ．１〜５のＴＰを２５０〜３５０℃で各３時間焼戻しした時のＸ線半価幅を調査した結果、前記ピッチング発生転動面の半価幅はほぼ３００℃で焼戻した半価幅と合致し、また「材料」、（社）日本材料学会、第２６巻、第２８０号、Ｐ．２６で報告されている各種炭素濃度の炭素鋼の焼戻し硬さと半価幅の関係ともほぼ合致することがわかる。
【００９２】
＜実施例２＞焼戻し軟化抵抗性の確認
表２は本実施例で使用した合金組成を示したものであり、熱処理は８１０〜８７０℃で３０分加熱後に水冷し、３００℃，３５０℃で３時間焼戻しした試験片のロックウェル硬さＨＲＣを調査し、さらに、これらの硬さに対する各合金元素添加量の影響を解析した。
【００９３】
【表２】


【００９４】
なお、予備実験として、０．１〜１．０重量％の炭素と０．３〜０．９重量％のＭｎを含有する炭素鋼についても調査し、前記合金元素の影響の解析ベースデータとしたが、その結果、
２５０℃では　ＨＲＣ＝３４×√Ｃ（重量％）＋２６．５
３００℃では　ＨＲＣ＝３６×√Ｃ（重量％）＋２０．９
３５０℃では　ＨＲＣ＝３８×√Ｃ（重量％）＋１５．３
で近似されることがわかった。
【００９５】
また、これらの炭素鋼硬さをベースに合金元素の影響を解析した結果、焼戻し軟化抵抗△ＨＲＣは、例えば３００℃で、次式で記述できることがわかった。
△ＨＲＣ＝４．３×Ｓｉ（重量％）＋７．３×Ａｌ（重量％）＋１．２×Ｃｒ（重量％）×（０．４５÷Ｃ（重量％））＋１．５×Ｍｏ（重量％）＋３．１×Ｖ（重量％）
この結果から、ＡｌはＳｉの１．７倍の焼戻し軟化抵抗性を発現することがわかり、転動面圧強度の改善要素として極めて効果的であることがわかった。
【００９６】
図４には、前記解析結果から求められる焼戻し硬さと実測した焼戻し硬さの合致性が示されている。この図から、バラツキ幅がＨＲＣ±１の範囲で精度良く予測できることがわかる。また、実施例１のＳＣＭ４２０（ＮＯ．５）の浸炭層（０．８重量％炭素）の３００℃焼戻し硬さについても図４の☆印で示しており、計算値と良く合致していることがわかる。
【００９７】
＜実施例３＞拡散浸透処理によるピッチング強度の改善
本実施例では、肌焼き鋼ＳＣＭ４１５Ｈを用い、図２に示されるローラピッチング試験片に加工した後、Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｒの拡散浸透処理を実施し、さらに、浸炭焼入れ処理を施した。
【００９８】
なお、拡散浸透処理は１００メッシュ以下のＳｉ粉末、Ｆｅ５１重量％Ａｌ合金粉末、Ｆｅ６６重量％Ｃｒ合金およびＡｌ２Ｏ３粉末とＮＨ４Ｃｌを適量に混合して前記試験片とともに鉄製容器に充填し、Ｈ２気流中で１０５０℃で３０分加熱することにより行った。
【００９９】
前記拡散浸透処理後は、試験片を真空中で１０２０℃で３０分加熱した後に、メタンガスを導入し、表面層炭素量が０．７重量％と１．３重量％になる条件で真空浸炭処理（浸炭期＋拡散期＝１２０分）を施し、一旦ガス急冷した後に８５０℃に再加熱後油中に焼入れし、１８０℃、３時間の焼戻し処理を施した。なお、前記熱処理後の表面層におけるＳｉ濃度は３〜５重量％、Ａｌは１．５〜３．０重量％、Ｃｒは４〜６重量％の範囲にそれぞれあることを確認した。また、そのときの拡散浸透深さはＳｉ，Ａｌは約０．１５ｍｍであり、Ｃｒは約０．０８ｍｍであった。
【０１００】
ローラピッチング試験は実施例１と同じ条件で実施した。その結果が図５に示されている。また、同図中には実施例１の予備試験結果が各実線で示されているが、まず、Ｓｉのみ、ＡｌのみおよびＳｉとＣｒを同時に拡散浸透させた後に０．７重量％Ｃの条件で浸炭した。Ｎｏ．Ｓ１（○）、Ｎｏ．Ａ１（△）、Ｎｏ．ＳＣ１（□）のピッチング強度は従来の浸炭肌焼きのそれに較べて顕著に改善されていることが明らかである。中でもＳｉとＣｒを同時に拡散浸透させたＮｏ．ＳＣ１が最もピッチング強度が優れている。これは０．７重量％Ｃの条件で浸炭した場合においてもＣｒ７Ｃ３炭化物が微細に析出するためである。
【０１０１】
また、前述と同様に各元素を拡散浸透させた後に、１．３重量％Ｃの条件で浸炭したＮｏ．Ｓ２（●）、Ｎｏ．Ａ２（▲）、Ｎｏ．ＳＣ２（■）においては、さらに微細なセメンタイトとＣｒ７Ｃ３炭化物が分散されるために、さらなるピッチング強度の改善が認められる。
【０１０２】
さらに、Ｎｏ．Ａ１の浸炭処理後に８５０℃の再加熱時にアンモニアガスを流気させて浸窒処理を１時間実施したＮｏ．ＡＮ１（☆）の試験結果も同図中に示したが、浸窒処理によりＡｌＮ窒化物が微細析出することによって顕著にピッチング強度が改善されていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ＳｉのαＦｅ相内拡散プロフィルを示すグラフである。
【図２】図２（ａ）（ｂ）は、ローラピッチング試験用試験片を示す図である。
【図３】図３は、ローラピッチング強度の予備試験結果を示すグラフである。
【図４】図４は、焼戻し硬さの実測値と計算値の比較を示すグラフである。
【図５】図５は、実施例３のピッチング強度を示すグラフである。
【出願人】 【識別番号】０００００１２３６
【氏名又は名称】株式会社小松製作所
【住所又は居所】東京都港区赤坂二丁目３番６号
【出願日】 平成１４年９月１７日（２００２．９．１７）
【代理人】 【識別番号】１０００９７７５５
【弁理士】
【氏名又は名称】井上　勉
【公開番号】 特開２００４−１０７７０９（Ｐ２００４−１０７７０９Ａ）
【公開日】 平成１６年４月８日（２００４．４．８）
【出願番号】 特願２００２−２７０３４０（Ｐ２００２−２７０３４０）