JP2005023399A

JP2005023399A - 面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れた鋼部品の製造方法及び鋼部品

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Publication number: JP2005023399A
Application number: JP2003270037A
Authority: JP
Inventors: Keita Shiibashi; 慶太椎橋
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】浸炭窒化などの化学的表面硬化処理とショットピーニング処理をした後に、面疲労強度をさらに高める為に硬質皮膜処理を追加した場合であっても、ショットピーニングによる曲げ疲労強度向上効果を維持する。
【解決手段】Ｃを０．１〜０．４質量％含有し、かつ部品形状に加工された浸炭用鋼を、化学的表面硬化処理工程、ショットピーニング工程、及び硬質皮膜処理工程の順に処理することによって鋼部品を製造する。そして前記浸炭用鋼として、０．７質量％以上のＳｉと、０．３質量％以上のＭｏとをＳｉ＋Ｍｏが１．２〜４質量％となる範囲で含有しているものを使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は面疲労強度及び曲げ疲労強度の両方が求められる鋼部品（例えば、車軸、軸受、等速ジョイント、レールガイド、歯車などの転動部品）において面疲労強度及び曲げ疲労強度の両方を高める技術に関するものである。

車軸、軸受、等速ジョイント、レールガイド、歯車などの転動部品では、面疲労強度（耐ピッチング性など）、曲げ疲労強度（歯元曲げ疲労強度を含む）などに優れていることが望まれる。例えば浸炭処理、浸炭窒化処理などの化学的表面硬化処理を行えば面疲労強度を向上することが可能であり、またショットピーニングを施して圧縮残留応力を付与することによって曲げ疲労強度を高めることができる（例えば特許文献１〜３）。

なお前記特許文献１〜３では、さらなる改善が行われている。すなわち特許文献１では、浸炭窒化処理等とショットピーニングとを組み合わせており、浸炭窒化処理後に表面の残留オーステナイトを４０〜６５％程度残しておくことが重要であるとしている。残留オーステナイトを残しておくと、その後のショットピーニングによって加工誘起変態によってマルテンサイトに変態し、面疲労強度が向上すると考えているためである。なお具体的には、Ｃｒを１．５〜２．５％とし、浸炭窒化処理時の表面のＣ量及びＮ量をＣ＋Ｎで１．０％以上とすることによって表面に４０〜６５％程度の残留オーステナイトを残している。

一方、特許文献２では特許文献１とは逆の考えを示しており、浸炭処理後の残留オーステナイトは２０％以下にすべきであるとしている。残留オーステナイトが残留すると、その後のショットピーニングによって表面が荒れ、切欠効果によって曲げ疲労強度が低下すると考えているためである。具体的には、Ｍｎを１．２％以下に抑制し、Ｃｒも１．２％以下に抑制することによって表面の残留オーステナイトを２０％以下にしている。

特許文献３は浸炭処理時の不完全焼入れ層に着目しており、不完全焼入れ層が存在すると、ショットピーニング処理しても高い圧縮残留応力が得られず、表面のあらさが劣化して、かえって大幅な疲労強度の向上は期待できないとしている。そして前記不完全焼入れ層を抑制しながら浸炭表層部に２０〜４０％の残留オーステナイトを生成しておくと、ショットピーニングによって高い圧縮残留応力を付与でき、疲労強度を高めることができるとしている。具体的にはＭｏによって浸炭後の残留オーステナイトを確保している。

なお浸炭後の残留オーステナイトについては、前記特許文献１及び３の考え方をさらに進めたものも存在する。すなわち浸炭及びショットピーニングの両方を施した後の製品では、表面（深さ４０μｍ）の残留オーステナイトは亀裂発生の原因となって曲げ疲労強度を低下させる一方、該表面よりも奥（深さ３００μｍ）の残留オーステナイトは亀裂の伝播を防止して曲げ疲労強度を向上させるとしている。そして特定の浸炭窒化法によって最表面から深さ４０μｍの残留オーステナイトを１８〜３３％とし、最表面から深さ３００μｍの残留オーステナイトを４０μｍ深さよりも多く（２１〜４３％）とし、４０μｍ深さの部分については特定のショットピーニングを施すことによって残留オーステナイトを著しく少なくしている。

上記のようにして表面硬化処理とショットピーニング処理とを組み合わせた分野では、様々な手法によって面疲労強度や曲げ疲労強度の向上策がとられている。

ところで面疲労強度を向上するためには、部品の表面に硬質皮膜を形成することも行われている。例えば、特許文献５では歯車を製造するにあたって、浸炭窒化処理を行い、歯面にショットピーニングを施したのち、硬質皮膜を形成している。この特許文献５で具体的に使用されている鋼は、ＳＵＳ４４０Ｃであって高Ｃ（規格では０．９５〜１．２０％）、低Ｓｉ（規格では１．００％以下）である。

単純に考えれば、面疲労強度と曲げ疲労強度をさらに向上させる場合、前記特許文献５が開示しているように、浸炭窒化等、ショットピーニング、及び表面硬化処理の３つを組み合わせることが有効であると考えられるかも知れない。しかしながらこの方法には未だ不十分な点がある。すなわち曲げ疲労強度を高めるためにはショットピーニングによって圧縮残留応力をかけることが重要であるが、その後に硬質皮膜処理を施すとこの被膜処理のときの熱（特許文献５では基板温度は２６０℃となっている）によって圧縮残留応力が解放されてしまい、十分に曲げ疲労強度を高めることが困難である。そのためか前記特許文献５は、曲げ疲労強度については明らかにせず、むしろショットピーニングの効果は明確ではないとしている。
特開平９−２９６２５０号公報（特許請求の範囲、段落００１３、００１７、００１９）特開平８−６０２９４号公報（特許請求の範囲、段落０００３、０００４、００１３、００１６）特開平５−５９４３２号公報（特許請求の範囲、段落０００６、０００８、００１３、００１６）特開平６−７５３５２号公報（特許請求の範囲、段落０００３〜０００７、表３）特開平１２−２３１５号公報（請求項７、段落０００８、００４２）

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、浸炭窒化などの化学的表面硬化処理とショットピーニング処理をした後に、面疲労強度をさらに高める為に硬質皮膜処理を追加した場合であっても、ショットピーニングによる曲げ疲労強度向上効果を維持できる技術を確立することにある。

本発明者らは前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、加熱による圧縮残留応力の解放を抑制するにはＳｉが極めて重要な働きをしていることを発見した。すなわちＳｉは、従来、焼戻し軟化抵抗の向上、フェライト強化などに有用であるとして少量の範囲で用いられていたが、曲げ疲労強度の点からは粒界酸化を助長するために有害であるとしてその使用を制限されていた元素であり、かかる観点から例えば特許文献１では０．３５％以下に、また特許文献２及び３では０．１５％以下に抑制していたのである。しかしながら本発明者らは、硬質被膜処理を行う場合、Ｓｉは圧縮残留応力の解放を抑制でき、曲げ疲労強度の低下を抑制する点で極めて重要であり、前記粒界酸化の影響があったとしてもなお増量する方が有効であることを見出し、本発明を完成した。

従って本発明に係る面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れた鋼部品の製造方法では、Ｃを０．１〜０．４質量％含有し、かつ部品形状に加工された浸炭用鋼を、該浸炭用鋼の表面に炭素を浸み込ませる化学的表面硬化処理工程、ショットピーニング工程、及び硬質皮膜処理工程の順に処理することによって鋼部品を製造することとしており、しかも前記浸炭用鋼には０．７質量％以上のＳｉと、０．３質量％以上のＭｏとをＳｉ＋Ｍｏが１．２〜４質量％となる範囲で含有させている。前記化学的表面硬化処理工程では、最表面のＣ濃度が０．５〜１．０質量％、最表面のＮ濃度が０．１〜０．５質量％以上となる条件で浸炭窒化処理することが望ましく、前記ショットピーニング工程では、アークハイト値が０．６ｍｍＡ以上のショットピーニング処理を行うことが望ましい。前記硬質皮膜処理工程では、成膜開始時の鋼材温度は通常５０〜３５０℃である。

上記製造方法によって得られる鋼部品（特に歯車）は、鋼材と、この鋼材を覆う硬質皮膜層とからなっており、この鋼材は表層に炭素浸入層が形成されており、また鋼材表層には圧縮応力が残留している。なお鋼材の最深部の化学成分は、用いる浸炭用鋼と実質的に同じである。前記圧縮残留応力は、−４５０ＭＰａ以下程度であるのが望ましい。

本発明には上記製造方法に最適な転動部品用鋼（浸炭用鋼）も含まれる。該転動部品用鋼は、Ｍｎ：０．２〜１質量％及びＣｒ：０．５〜１．５質量％を含有するのが望ましく、Ａｌ：０．５質量％以下（０質量％を含まない）、Ｎｂ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）、Ｔｉ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）、及びＶ：０．３質量％以下（０質量％を含まない）から選択された少なくとも一種と、Ｎ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）とを含有するのがさらに望ましい。またＰｂ、Ｃａ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｚｒ、ＲＥＭから選択された少なくとも一種を含有していてもよい。残部はＦｅ及び不可避不純物であってもよい。

本発明によれば、浸炭窒化などの化学的表面硬化処理とショットピーニング処理をした後に、面疲労強度をさらに高める為に硬質皮膜処理を追加した場合であっても、鋼材が所定量以上のＳｉを含有し、圧縮残留応力の解放を抑制できるため、ショットピーニングによる曲げ疲労強度向上効果を維持できる。

本発明では、部品形状に加工した浸炭用鋼の表面に、化学的表面硬化処理を施した後、ショットピーニングし、次いで硬質皮膜処理することによって鋼部品を製造する。そして従来の方法では、ショットピーニングの後に硬質皮膜処理を施すと、ショットピーニングによって一旦付与された圧縮残留応力が解放されてしまい、曲げ疲労強度が低下してしまうのに対して、本発明では特定の鋼を使用しているために、圧縮残留応力の解放を抑制し、曲げ疲労強度が低下するのを防止できる。そのため硬質皮膜処理による面疲労強度向上の効果を、曲げ疲労強度を低下することなく得ることができる。

より詳細には、前記浸炭用鋼はＣを０．１〜０．４質量％含有しており、さらに０．７質量％以上のＳｉと０．３質量％以上のＭｏとをＳｉ＋Ｍｏが１．２〜４質量％となる範囲で含有している。Ｃが少なすぎると鋼部品の基本強度が低下し、またＣが多すぎると鋼部品の基本靭性、被削性などが低下してしまう。好ましいＣ量の範囲は、例えば、０．１３質量％以上（特に０．１５質量％以上）、０．３５質量％以下（特に０．３０質量％以下）程度である。

Ｓｉを所定量以上添加するのは、Ｓｉが硬質皮膜処理時の圧縮残留応力の低下を抑制するのに有効なためである。特筆すべきは、Ｓｉは粒界酸化を助長して曲げ疲労強度を低下すると従来は考えられていたにも拘わらず、硬質皮膜処理を行う場合には、この粒界酸化の影響があったとしてもなおＳｉは曲げ疲労強度の向上に有効である点である。好ましいＳｉの量は、例えば、０．９質量％以上（特に１．０質量％以上）である。

Ｍｏを所定量以上添加するのは、浸炭後の最表面の残留オーステナイト量を必要量程度確保しておくためである。該残留オーステナイト量が不足すると、ショットピーニング後の圧縮残留応力の付与量が少なくってしまい、曲げ疲労強度を高めることができない。好ましいＭｏの量は、例えば、０．５質量％以上（特に０．７質量％以上）程度である。

ＳｉとＭｏの合計量を所定量以上とするのは、圧縮残留応力を付与するために必要となるＭｏ量と、付与された圧縮残留応力が解放されるのを抑制するのに必要となるＳｉ量とのバランスをとり、表面硬化処理が終了した時点で必要な圧縮残留応力量を維持するためである。好ましい合計量（Ｓｉ＋Ｍｏ）は、例えば、１．４質量％以上（特に１．５質量％以上）である。

ＳｉとＭｏの合計量を所定量以下とするのは、これら元素の合計量が過剰となると、曲げ疲労強度が低下するためである。好ましい合計量（Ｓｉ＋Ｍｏ）は、例えば、３．７質量％以下（特に３．５質量％以下）である。

なおＳｉとＭｏのそれぞれの上限量は、これらの合計量が前記範囲を満足する範囲で適当に設定できるが、例えばＳｉは３質量％以下程度、好ましくは２質量％以下程度、さらに好ましくは１．５質量％以下程度としてもよい。またＭｏは、例えば、３質量％以下程度、好ましくは２．５質量％以下程度、さらに好ましくは２．３質量％以下程度としてもよい。

上述のようにして圧縮残留応力に対して大きな影響を与えるＳｉ量及びＭｏ量を調整（調製）した上で、化学的表面硬化処理、ショットピーニング、及び硬質皮膜処理することによって曲げ疲労強度と面疲労強度の両方に優れた鋼部品を製造することができる。化学的表面硬化処理、ショットピーニング、及び硬質皮膜処理の詳細は、鋼部品の要求特性に応じて適宜設定することができるが、その一例を挙げると、例えば以下の通りである。

［化学的表面硬化処理］
化学的表面硬化処理は、浸炭用鋼の表面に炭素を浸み込ませる処理である限り特に限定されず、例えば、浸炭処理、浸炭窒化処理のいずれであってもよい。これらの処理によれば化学的表面硬化処理後の最表面の残留オーステナイト量を確保でき、その後のショットピーニングのときに圧縮残留応力を多く付与できる。ショットピーニング前の鋼材表面の残留オーステナイト量は、１０〜７０体積％（好ましくは２０〜６０体積％）程度とするのが最適である。

好ましい化学的表面硬化処理は浸炭窒化処理である。浸炭窒化処理によれば、表層の硬さをさらに増大させることができ、亀裂の発生をさらに防止できる。

浸炭窒化による場合、最表面のＣ濃度が０．５％以上（好ましくは０．６質量％以上、特に０．７質量％以上）、１．０質量％以下（好ましくは０．９質量％以下、さらに好ましくは０．８質量％以下）、最表面のＮ濃度が０．１質量％以上（好ましくは０．１５質量％以上、特に０．２０質量％以上）、０．５質量％以下（好ましくは０．４５質量％以下、特に０．４０質量％以下）となる条件で浸炭窒化処理することが推奨される。Ｃ濃度及びＮ濃度を所定範囲内に制御すると、残留オーステナイト量を最適な範囲にするのが簡便となる。最表面のＣ濃度及びＮ濃度は、カーボンポテンシャル及び窒素ポテンシャルによって制御できる。カーボンポテンシャルは、例えば０．６〜１．１％程度（好ましくは０．７〜１．０％程度）の範囲から選択でき、窒素ポテンシャルは、例えば０．０５〜０．４％程度（好ましくは０．１０〜０．３％程度）の範囲から選択することができる。浸炭窒化温度は、例えば、７５０〜９５０℃程度（好ましくは８００〜９００℃）程度の範囲から選択することができる。

なお浸炭窒化処理では、前記のようにして最表面にＣ及びＮを浸入させた後、Ｃを内部に拡散させると、さらに曲げ疲労強度を高めることができる。Ｃを内部に拡散させることによって、内部の残留オーステナイト量を増大できるためである。なお拡散は、前記のようにして最表面にＣ及びＮを浸入させる段階でも起こっているが、拡散のために追加の処理を行うのが望ましく、この追加の拡散処理は１段階で行ってもよいが、炭素浸入を継続しながらの第１の追加の拡散処理と、炭素浸入を停止してからの第２の追加の拡散処理との２段階で行うことが好ましい。第１の追加の拡散処理では、例えば、温度は８５０℃〜９５０℃程度（好ましくは９００〜９５０℃程度）、カーボンポテンシャルは０．６〜１．１％程度（好ましくは０．７〜１．０％程度、さらに好ましくは０．８〜１．０％程度）の範囲から選択でき、また前記最表面にＣ及びＮを浸入させる段階よりもカーボンポテンシャルを高くしてもよい。第２の追加の拡散処理では、温度は、例えば前述した最表面にＣ及びＮの両方を浸入させる処理のときの温度と同程度の範囲から選択できる。

化学的表面硬化処理では、最終段階で焼入れ（例えば油冷）するのが推奨される。焼入れによって芯部強度を高めることができる。

［ショットピーニング］
ショットピーニング工程は、鋼材表層に圧縮残留応力を付与できる限り特に限定されず、アークハイト値も表層の残留オーステナイトの残存量に応じて適当に設定できるが、例えば、０．６ｍｍＡ以上（好ましくは０．７ｍｍＡ以上、特に０．７５ｍｍＡ以上）とすれば効率よく圧縮残留応力をつけることができる。また表層の残留オーステナイトを効率よく減少することができ、曲げ疲労強度をさらに高めることができる。なおショット粒子の粒径は、例えば、０．４〜０．８ｍｍ程度、好ましくは０．５〜０．７ｍｍ程度の範囲から選択するのが最適である。

該ショットピーニング処理では、前記所定のアークハイト値のショットピーニングを含めて１回以上ショットピーニングを行うことが望ましく、例えば２回以上（特に２回）行うことが望ましい。２段目のショットピーニングでは、１段目のショットピーニングよりもショット粒子を小さくすることが推奨され、例えば１段目のショットピーニングで前述のようにして０．４〜０．８ｍｍ程度のショット粒を採用した場合、２段目のショットピーニングでは粒径が０．０１〜０．２ｍｍ（好ましくは０．０５〜０．１５ｍｍ）程度のショット粒子を使用するのが推奨される。２段目のショット粒子を小さくすることによってさらに曲げ疲労強度を高めることができる。なお２段目のショットピーニングのアークハイト値は、１段目よりも小さくなることが多く、通常、０．２〜０．６ｍｍＡ程度（特に０．３〜０．５ｍｍＡ程度）となることが多い。

ショットピーニング処理後の圧縮残留応力は、例えば、−９５０ＭＰａ以下、好ましくは−１０００ＭＰａ以下、さらに好ましくは−１１００ＭＰａ以下程度であるのが最適である。

［硬質皮膜処理］
硬質皮膜処理としては、鋼材（基材）表面が加熱される処理である限り特に限定されないが、かかる硬質皮膜処理としてはアークイオンプレーティング処理が代表的である。

該アークイオンプレーティング処理によって形成する硬質皮膜は特に限定されず、窒素系硬質皮膜、炭素系硬質皮膜、炭素窒素系硬質皮膜などが挙げられる。これら硬質皮膜としては、例えば、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＺｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮなどが例示でき、これら皮膜は慣用の方法によって形成できる。

本発明によれば鋼材（基材）に所定量以上のＳｉを添加しているため、硬質皮膜処理によって鋼材（基材）が加熱されても、圧縮残留応力が解放されるのを抑制できる。従って皮膜形成開始時に鋼材（基材）を、例えば、５０℃以上（通常１００℃以上、特に１５０℃以上）に加熱してもよい。なお該加熱温度が高すぎると圧縮残留応力の解放量が大きくなるため、前記温度は例えば３５０℃以下、好ましくは３３０℃以下、さらに好ましくは３００℃以下にすることが推奨される。

上記のような鋼部品の製造方法に適した鋼材（浸炭用鋼）は、上述したようにＣ、Ｓｉ、及びＭｏを所定範囲で含有する鋼材であるが、特に適した鋼材としては、さらにＭｎ：０．２〜１質量％及びＣｒ：０．５〜１．５質量％を含有しているものが挙げられる。Ｍｎ及びＣｒは鋼材の焼入性を高めるのに有用である。また化学的表面硬化処理後の最表面の残留オーステナイト量を増大するのに有効である。なおＭｎ及びＣｒが過剰になると鋼材の靭性が低下する。好ましいＭｎ量は、例えば、０．３質量％以上（特に０．４質量％以上）、０．８質量％以下（特に０．７質量％以下）程度である。好ましいＣｒ量は、例えば、０．６質量％以上（特に０．６５質量％以上）、１．３質量％以下（特に１．１質量％以下）程度である。

また前記浸炭用鋼には、Ａｌ：０．５質量％以下（０質量％を含まない）、Ｎｂ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）、Ｔｉ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）、Ｖ：０．３質量％以下（０質量％を含まない）から選択された少なくとも一種を添加するのが推奨される。これらの元素は、窒化物或いは炭窒化物を形成し、化学的表面硬化処理の加熱時にオーステナイト結晶粒が粗大化するのを抑制するのに有効である。各元素の好ましい添加量は、Ａｌ：０．００５質量％以上（特に０．０１０質量％以上）、Ｎｂ：０．００５質量％以上（特に０．０１質量％以上）、Ｔｉ：０．００５質量％以上（特に０．０１質量％以上）、Ｖ：０．０３質量％以上（特に０．０５質量％以上）程度である。なおこれら元素を過剰に添加しても効果が飽和する。また被削性が低下する場合もある。各元素の好ましい量は、Ａｌ：０．２質量％以下（特に０．１質量％以下）、Ｎｂ：０．０８質量％以下、Ｔｉ：０．０８質量％以下、Ｖ：０．２質量％以下程度である。

Ａｌ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖなどを添加する場合、窒化物或いは炭窒化物を有効に生成させるためＮ量も調整する必要がある。なおＮを過剰に添加しても効果が飽和するため、Ｎ量は０．１質量％以下（０質量％を含まない）程度とする。好ましいＮ量は、例えば０．００３質量％以上（特に０．００５質量％以上）、０．０５質量％以下（特に０．０２質量％以下）程度である。

前記浸炭用鋼は、さらに慣用の添加元素を慣用の範囲内で含有していてもよい。例えば被削性を高めるため、Ｐｂ、Ｃａ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｚｒ、ＲＥＭなどから選択された少なくとも一種を含有していてもよい。前記浸炭用鋼は、残部がＦｅ及び不可避不純物であってもよい。

上記のような製造方法によって得られる鋼部品は、具体的には以下のような構造となっている。すなわち該鋼部品は、鋼材（鋼部分）と、この鋼材（鋼部分）を覆う硬質皮膜層とで構成されている。そして該鋼材（鋼部分）は表層に炭素浸入層が形成されており、鋼材表層には圧縮応力が残留している。なお最深部（芯部）の化学成分は、用いた浸炭用鋼と実質的に同じである。

そして本発明の鋼部品は、Ｓｉによって圧縮残留応力の解放が抑制されているため、鋼材（鋼部分）表層の圧縮残留応力は多く残存している。圧縮残留応力は負の値であり、この値がマイナス側に大きくなるほど圧縮残留応力の付与量が大きくなる。該圧縮残留応力は、例えば−４５０ＭＰａ以下、好ましくは−５００ＭＰａ以下、さらに好ましくは−５５０ＭＰａ以下程度である。なお圧縮残留応力の付与量は大きいほど望ましいが、通常、−１０００ＭＰａ以上程度である。

本発明の鋼部品の対象は、面疲労強度及び曲げ疲労強度の両方を要求される部品である限り特に限定されないが、例えば、車軸、軸受、等速ジョイント、レールガイド、歯車などの転動部品（特に歯車）が代表的である。

本発明によれば、鋼材を部品形状に加工した後、化学的表面硬化処理、ショットピーニング、及び硬質皮膜処理を施す場合に、Ｓｉを所定量以上含有する鋼材を使用しているため、硬質皮膜処理のときの圧縮残留応力の解放を抑制できる。従って曲げ疲労強度の低下を防止しながら、硬質皮膜処理によって面疲労強度をさらに高めることができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

実験例１
下記表１記載の成分の鋼を実験炉で溶製し、鋳造した。得られた鋳片は鍛伸によって直径２０ｍｍの棒状材とし、焼ならし（温度９００℃×３０分；空冷）した。なおここまでの処理は、実機における分解圧延、棒鋼圧延、熱間鍛造を模したものである。前記棒状材は、切断、切削、及び研磨によって直径８ｍｍ×長さ１００ｍｍ［仕上げ面粗さ６．３Ｓ（すなわち最大高さＲ_maxが６．３μｍ以下）］の試験片形状に加工した（加工片１と称する）。

この加工片１は、温度８５０℃×時間５．５ｈｒの浸炭窒化処理（炭素ポテンシャル：０．７７％、窒素ポテンシャル：０．３０％）を施し、さらに温度９２５℃×時間１．２５ｈｒの浸炭処理（炭素ポテンシャル：０．８９％）を行った後、温度８５０℃で１０分間保持し、油冷（８０℃）した（浸炭窒化処理材と称する）。

この浸炭窒化処理材に１段目のショットピーニング（ショット粒：０．６ｍｍ、アークハイト値：０．８５ｍｍＡ）を施し、さらに２段目のショットピーニング（ショット粒：０．１ｍｍ、アークハイト値：０．３５ｍｍＡ）を施した（ＳＰ処理材と称する）。

ショットピーニング処理後、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）法によって硬質皮膜（ＣｒＮ）を表面に形成した（ＡＩＰ処理材と称する）。なおアークイオンプレーティングは、成膜開始時の基材温度（ＳＰ処理材の温度）を１００℃、２５０℃、及び３００℃の三水準でふって行った。

この実験例１では、ＡＩＰ処理のときの圧縮残留応力の低下率を以下のようにして測定した。

［圧縮残留応力低下率］
ＡＩＰ処理前としてＳＰ処理材の表面の残留応力をＸ線回折法によって測定し、またＡＩＰ処理後としてＡＩＰ処理材の鋼部表層（深さ５０μｍ位置）の残留応力をＸ線回折法によって求め、下記式に従って残留応力低下率を求めた。

圧縮残留応力低下率（％）＝（１−ＡＩＰ材の残留応力／ＳＰ処理材の残留応力）×１００
結果を表１及び図１〜図３に示す。

表１及び図１〜図３から明らかなように、Ｓｉ量が多い程圧縮残留応力の低下を抑制できる。

実験例２
前記表１のＮｏ．１，３，８，９，１１，１２及び１７の鋼を実験炉で溶製し、鋳造した。それぞれの鋳片は、一方で鍛伸によって直径２０ｍｍの棒状材とし、他方で鍛伸によって直径３０ｍｍの棒状材とし、いずれの棒状材も焼ならし（温度９００℃×３０分；空冷）した。直径２０ｍｍの棒状材は、切断、切削、及び研磨によって直径１０〜１２ｍｍ×長さ８０ｍｍの切り欠き付き回転曲げ試験片形状（図８参照）に加工した（加工片２と称する）。また直径３０ｍｍの棒状材は、切断、切削、及び研磨によって中央部が直径２６ｍｍ×長さ２０ｍｍとなる小ローラー形状（図９参照）に加工した（加工片３と称する）。

前記加工片２及び加工片３は、実験例１と同様にして浸炭窒化処理、ショットピーニング、及びＡＩＰを施した。ただしＡＩＰの成膜開始時の基材温度は、１２０〜３１０℃とした。

実験例１と同様にして圧縮残留応力低下率を求めると共に、下記のようにして曲げ疲労強度及びピッチング寿命を調べた。また浸炭窒化処理材の残留オーステナイト量及び粒界酸化層深さについても調べた。

［曲げ疲労強度］
浸炭窒化処理〜ＡＩＰを施した加工片２の１０⁷回疲れ強さを回転曲げ疲労試験（回転速度：３６００ｒｐｍ）によって調べた。

［ピッチング寿命］
浸炭窒化処理〜ＡＩＰを施した加工片３（小ローラー）と、高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２で作製された大ローラーとを用いてローラーピッチング試験［面圧：３．０ＧＰａ、回転速度：１５００ｒｐｍ、すべり率：−４０％、潤滑油：ディーゼルオイル（８０℃）］を行い、ピッチングの発生によって生じた振動で試験装置が停止するまでの回転数を求めた。

［残留オーステナイト］
浸炭窒化処理材の最表面の残留オーステナイトの体積％をＸ線回折装置を用いて求めた。

［粒界酸化層深さ］
浸炭窒化処理材の表面を検鏡面まで研磨し、光学顕微鏡にて倍率４００倍で観察し、粒界酸化層の平均深さを調べた。

結果を表２及び図４〜７に示す。

表２の鋼Ｎｏ．１１はＳｉ量が少なくなっており、浸炭後の粒界酸化層深さが抑制されている。従来の知見からは、このような鋼は疲労強度が高くなると思料されるが、ＡＩＰ処理する場合には圧縮残留応力の低下が著しく、曲げ疲労強度が低下する。なお図４から明らかなように、実験例２でも実験例１と同様、Ｓｉ量が少ないほど圧縮残留応力の低下が著しくなる。

また表２の鋼Ｎｏ．１２はＳｉが増量されている一方で、Ｍｏ量は少なくなっている。Ｍｏが少ないと浸炭後の最表面の残留オーステナイト量が少なくなり、ショットピーニング後の圧縮残留応力の付与量が少なくってしまう。そのためＳｉを増量してＡＩＰ処理時の圧縮残留応力の低下を抑制しても、元々の圧縮残留応力の付与量が低いために曲げ疲労強度が不十分となる。

一方、表２の鋼Ｎｏ．１７のようにＳｉとＭｏの合計量が過剰な場合でも、曲げ疲労強度は低下する。

これらに対して所定量以上のＳｉ及びＭｏを添加し、かつこれらＳｉ及びＭｏの総量を所定量以下に制限している表２の鋼Ｎｏ．１，３，８，９の例では、優れた曲げ疲労強度が達成されている（図５〜６も参照）。そのためピッチング疲労寿命と曲げ疲労強度を両立することができる（図７も参照）。

図１はＳｉ量と圧縮残留応力低下率との関係を示す第１のグラフである。図２はＳｉ量と圧縮残留応力低下率との関係を示す第２のグラフである。図３はＳｉ量と圧縮残留応力低下率との関係を示す第３のグラフである。図４はＳｉ量と圧縮残留応力低下率との関係を示す第４のグラフである。図５はＳｉ＋Ｍｏ量と曲げ疲労強度との関係を示すグラフである。図６は実験例２における曲げ疲労強度の結果を示すグラフである。図７は実験例２におけるピッチング寿命の結果を示すグラフである。図８は実験例２で使用する回転曲げ試験片の形状を示す概略図である。図９は実験例２で使用する小ローラーの形状を示す概略斜視図である。

Claims

Ｃを０．１〜０．４質量％含有し、かつ部品形状に加工された浸炭用鋼を、該浸炭用鋼の表面に炭素を浸み込ませる化学的表面硬化処理工程、ショットピーニング工程、及び硬質皮膜処理工程の順に処理することによって鋼部品を製造する方法であって、
前記浸炭用鋼は０．７質量％以上のＳｉと、０．３質量％以上のＭｏとをＳｉ＋Ｍｏが１．２〜４質量％となる範囲で含有していることを特徴とする面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れた鋼部品の製造方法。
前記化学的表面硬化処理工程では、最表面のＣ濃度が０．５〜１．０質量％、最表面のＮ濃度が０．１〜０．５質量％以上となる条件で浸炭窒化処理する請求項１に記載の面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れた鋼部品の製造方法。
前記ショットピーニング工程では、アークハイト値が０．６ｍｍＡ以上のショットピーニング処理を行う請求項１又は２に記載の面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れた鋼部品の製造方法。
前記硬質皮膜処理工程では、成膜開始時の鋼材温度が５０〜３５０℃である請求項１〜３のいずれかに記載の面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れた鋼部品の製造方法。
鋼材と、この鋼材を覆う硬質皮膜層とからなる鋼部品であって、
前記鋼材は表層に炭素浸入層が形成されており、また鋼材表層には圧縮応力が残留しており、鋼材の最深部は０．１〜０．４質量％のＣ、０．７質量％以上のＳｉ、及び０．３質量％以上のＭｏをＳｉ＋Ｍｏが１．２〜４質量％となる範囲で含有するものである面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れた鋼部品。
鋼材表層の圧縮残留応力は、−４５０ＭＰａ以下である請求項５に記載の面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れた鋼部品。
前記鋼材は、Ｍｎ：０．２〜１質量％、及びＣｒ：０．５〜１．５質量％を含有する請求項５又は６に記載の面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れた鋼部品。
前記鋼材は、Ａｌ：０．５質量％以下（０質量％を含まない）、Ｎｂ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）、Ｔｉ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）、及びＶ：０．３質量％以下（０質量％を含まない）から選択された少なくとも一種と、Ｎ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）とを含有するものであり、残部はＦｅ及び不可避不純物である請求項５〜７のいずれかに記載の面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れた鋼部品。
前記鋼材は、さらにＰｂ、Ｃａ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｚｒ、ＲＥＭから選択された少なくとも一種を含有するものである請求項５〜８のいずれかに記載の面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れた鋼部品。
歯車である請求項５〜９のいずれかに記載の鋼部品。
鋼表面に炭素を浸み込ませる化学的表面硬化処理、ショットピーニング処理、及び硬質皮膜処理の全てを施した転動部品を製造するための鋼であって、
Ｃ：０．１〜０．４質量％、
Ｓｉ：０．７質量％以上、
Ｍｎ：０．２〜１質量％、
Ｍｏ：０．３質量％以上、
Ｃｒ：０．５〜１．５質量％、
を含有し、
さらにＡｌ：０．５質量％以下（０質量％を含まない）、Ｎｂ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）、Ｔｉ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）、及びＶ：０．３質量％以下から選択された少なくとも一種と、Ｎ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）とを含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物である面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れた転動部品用鋼。
前記転動部品用鋼は、さらにＰｂ、Ｃａ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｚｒ、ＲＥＭから選択された少なくとも一種を含有するものである請求項１１記載の面疲労強度及び曲げ疲労強度に優れた転動部品用鋼。