JP2008261037A - ショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な面疲労強度を有し、軽量化、小型化、高応力負荷化の要求に応えることができるショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品の提供。
【解決手段】生地が、質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．０５〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｓ：０．００３〜０．０５％、Ｃｒ：０．５〜３．０％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％、Ｎ：０．００８〜０．０２５％を含有し、残部はＦｅと不純物からなる化学成分の鋼で、表層部の硬さがビッカース硬さで８５０以上、表面からビッカース硬さで７００の位置までの距離で定義する硬化層深さが０．６〜１．０ｍｍ、表面からの深さが０．１ｍｍまでの領域に占めるレンズ状マルテンサイトの体積分率が３％以下であるショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品。
【選択図】なし

Description

本発明は、浸炭又は浸炭窒化後に、更にショットピーニングを施されて使用される鋼製の部品や、浸炭又は浸炭窒化後に焼戻しされ、その後更にショットピーニングを施されて使用される鋼製の部品（以下、それらの部品を「ショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品」という。）に関する。より詳しくは、優れた面疲労強度を確保するために浸炭又は浸炭窒化の後、あるいは、必要に応じて更に焼戻しされた後、ショットピーニングを施されて使用される歯車、プーリー及びシャフトなどショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品に関する。

従来、自動車や産業機械の歯車、プーリー及びシャフトなどの鋼製の部品（以下、「鋼製の部品」を単に「部品」ともいう。）は、ＪＩＳ規格のＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０やＳＮＣＭ４２０などの機械構造用合金鋼を素材として、浸炭焼入れ又は浸炭窒化焼入れを施し、その後、２００℃以下の焼戻しを行い、更に、必要に応じてショットピーニング処理を施すことにより、接触疲労強度、曲げ疲労強度や耐摩耗性など、それぞれの部品に要求される特性を確保することがなされていた。

しかしながら、近年、自動車の燃費向上やエンジンの高出力化への対応のために部品の軽量・小型化が進み、これに伴って、部品にかかる負荷、なかでも、部品表面に繰り返しかかる応力が飛躍的に高まる傾向にある。このため、産業界からは、部品における前記特性のうちでも特に接触疲労強度を高めたいとの要望が大きくなっている。

上記の「接触疲労」には「面疲労」、「線疲労」及び「点疲労」が含まれるが、実際には「線」接触や「点」接触になることはほとんどない。このため、接触疲労強度として「面疲労強度」を高めたいとの産業界からの要望が大きい。

なお、「ピッチング」は、面疲労の破壊形態の一つであり、歯車の歯面、プーリー及びシャフトにおける損傷形態は主にピッチングである。このため、ピッチング強度を向上させることが、上記の面疲労強度の向上に対応することになるので、以下、「面疲労」としての「ピッチング」について説明し、「ピッチング強度」を「面疲労強度」という。

上記の産業界からの要望に対しては、従来、部品の面疲労強度を向上させるために、浸炭焼入れ又は浸炭窒化焼入れを施した部品に対して、
・部品表層部の硬さを上昇させること、
・部品表層部のＣの含有量（以下、「濃度」ともいう。）、あるいは、「Ｃ＋Ｎ」の濃度を制御すること、
・表面粗さを小さくすること、
などの対策が講じられ、例えば、特許文献１〜３に面疲労強度に優れた歯車やその製造方法に関する技術が提案されている。

すなわち、特許文献１には、化学成分を規定するとともに、浸炭窒化もしくは浸炭浸窒後焼入焼戻しによる表面硬化層を有し、表面から０．１ｍｍまでのＣ＋Ｎ量、更に、必要に応じて、表面から５０μｍ深さでのビッカース硬さや表面粗さを規定した、面疲れ強度の優れた歯車用鋼が開示されている。

また、特許文献２には、化学成分を規定するとともに、必要に応じて、浸炭焼入れ焼戻しまたは浸炭窒化焼入れ焼戻しによる表面硬化層を有し、表面から深さ０．１ｍｍまでのＣ、Ｓｉ及びＣｒ量、更には、表面から深さ５０μｍでのビッカース硬さや表面粗さを規定した、歯面強度の優れた歯車用鋼と歯車が開示されている。

更に、特許文献３には、ガス浸炭による微細炭化物分散浸炭層、窒素侵入させることによる残留オーステナイト量、並びに、マイクロショットピーニングによる表面粗さ、表面圧縮残留応力及び表面硬さを規定した、耐面圧（面疲労強度）及び曲げ疲労強度に優れた機械構造部品が開示されている。

特開平９−２９６２５０号公報 特開平７−２４２９９４号公報 特開２００３−１８３８０８号公報

特許文献１で提案された歯車用鋼によれば、その実施例に示されているように、歯面のピッチング寿命（面疲労強度）が向上する。しかしながら、特許文献１で提案された技術は、表面から０．１ｍｍを超える深さの部位、つまり、表面からの距離が０．１ｍｍを超える内側の部位の影響について考慮されていない。

特許文献２で提案された歯車用鋼によっても、その実施例に示されているように、歯面強度（面疲労強度）が向上する。しかしながら、特許文献２で提案された技術は、前記特許文献１で提案された技術と同様に、表面からの深さが０．１ｍｍを超える内側の部位の影響について考慮されたものではない。

また、特許文献３で提案された機械構造部品によれば、その実施例に示されているように、歯面強度（面疲労強度）が向上する。しかしながら、特許文献３で提案された技術も、最表層近傍の部位のみを制御するものである。

しかしながら、上記特許文献１〜３で開示されたような表層部近傍の高硬度化技術ではいずれも、近年、産業界から要望されている部品の軽量化、小型化、高応力負荷化に十分対応できる面疲労強度を得ることはできなかった。

そこで、本発明の目的は、部品の軽量化、小型化、高応力負荷化の要求に十分応えることができるショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品を提供することである。

なお、本発明における面疲労強度の目標は、後述するローラーピッチング試験の評価で２８６０ＭＰａ以上の面疲労強度を有することとした。

本発明者らは、前記した課題を解決するためには、表層部近傍の性状だけではなく、表面からの距離が大きい内側の部位（すなわち部品内部）の性状を制御することが重要であるとの着想の下、硬さ分布、ミクロ組織などに着目した調査・研究を重ね、更に、それに付帯する条件について種々の検討を行った。その結果、先ず、下記（ａ）〜（ｄ）の知見を得た。

（ａ）面疲労強度の向上にはピッチングの発生を抑制する必要があるが、ピッチングの起点となる亀裂は最表層部近傍で発生し、それが徐々に伝播して部品の破損に至る。したがって、ピッチングの発生を抑止して大きな面疲労強度を確保するためには、亀裂の発生に加え亀裂の伝播速度をも抑制する必要がある。

（ｂ）亀裂の発生を抑制するためには、表層部近傍を高硬度化すればよい。高硬度化するためには、表層部のＣ濃度、あるいは、「Ｃ＋Ｎ」の濃度を高めて、且つマルテンサイト主体の組織にすることが有効があるが、表層部のＣ濃度、あるいは、「Ｃ＋Ｎ」の濃度を高めると、ラスマルテンサイトが減少し、レンズ状マルテンサイトが増加する。そして、レンズ状マルテンサイトが増加すると、亀裂が発生しやすくなる。

（ｃ）一方、亀裂の伝播速度の抑制には、表層部近傍だけでなく、表面からの深さ（以下、「表面からの距離」ともいう。）が０．１〜１ｍｍ程度の内部の領域まで高硬度化することが有効である。これは接触部では、表層部近傍だけでなく、それより内部の領域でも高い応力が繰り返し付与されるためである。

（ｄ）しかしながら、硬化層深さが過大であると、面疲労強度が飽和するだけでなく、浸炭、あるいは浸炭窒化処理の長時間化によるコストの増大、また、焼入れ後の変形量が大きくなる、という問題が生じる。

次に、本発明者らは、格段に優れた面疲労強度を得るための組織と鋼組成の条件についても調査・研究を重ね、その結果、下記（ｅ）の知見を得た。

（ｅ）部品は接触時に温度が上昇するため、表層部の硬さが低下しやすい。このため、生地の鋼の化学組成は、焼戻し軟化抵抗を高める元素であるＭｏの含有量を高めることが有効である。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記（１）〜（３）に示すショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品にある。

（１）生地が、質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．０５〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｓ：０．００３〜０．０５％、Ｃｒ：０．５〜３．０％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％及びＮ：０．００８〜０．０２５％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる化学成分の鋼で、表層部の硬さがビッカース硬さで８５０以上、硬化層深さが０．６〜１．０ｍｍ及び表面からの深さが０．１ｍｍまでの領域に占めるレンズ状マルテンサイトの体積分率が３％以下であることを特徴とする、ショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品。
但し、硬化層深さとは、表面からビッカース硬さで７００の位置までの距離と定義する。

（２）生地の鋼が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｍｏ：０．８％以下を含有することを特徴とする上記（１）に記載のショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品。

（３）生地の鋼が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ：０．０８％以下及びＶ：０．１５％以下のうちの１種以上を含有することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品。

なお、上記の表層部の硬さとしての「ビッカース硬さ」とは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００３）における「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠して、表面から０．０３ｍｍの位置で試験力を１．９６１Ｎとして任意に１０点測定した場合の算術平均値を指す。

以下、上記（１）〜（３）のショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品に係る発明を、それぞれ、「本発明（１）」〜「本発明（３）」という。また、総称して「本発明」ということがある。

本発明のショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品は、面疲労強度が極めて優れているので、自動車や産業機械の部品である歯車、プーリー及びシャフトなどに用いることができる。

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、化学成分の含有量の「％」は「質量％」を意味する。

（Ａ）生地の鋼の化学組成
Ｃ：０．１〜０．３％
Ｃは、浸炭焼入れ、あるいは、浸炭窒化焼入れしたときの部品の生地の強度（芯部強度）を確保するために必須の元素である。しかし、その含有量が０．１％未満では前記の効果が不十分である。一方、Ｃの含有量が０．３％を超えると、棒鋼、線材や熱間鍛造後の強度が高くなりすぎるため、被削性が大きく低下する。したがって、生地の鋼のＣの含有量を０．１〜０．３％とした。なお、生地の鋼のＣ含有量の望ましい範囲は０．２〜０．２５％である。

Ｓｉ：０．０５〜１．５％
Ｓｉは、脱酸作用を有する。しかしながら、その含有量が０．０５％未満では前記の効果が不十分である。一方、Ｓｉの含有量が１．５％を超えると、棒鋼、線材や熱間鍛造後の強度が高くなりすぎるため、被削性が大きく低下する。したがって、生地の鋼のＳｉの含有量を０．０５〜１．５％とした。なお、Ｓｉの含有量が０．３％以上であれば、面疲労強度を高める効果が十分に得られる。このため、生地の鋼のＳｉの含有量は、より好ましくは０．３〜１．５％である。

Ｍｎ：０．２〜１．５％
Ｍｎは、焼入れ性を高める効果があるため、面疲労強度を高めるのに有効な元素である。しかしながら、その含有量が０．２％未満では前記の効果が不十分である。なお、Ｍｎの含有量が０．４％以上になると、面疲労強度の向上が顕著になる。一方、Ｍｎの含有量が１．５％を超えると、面疲労強度を高める効果が飽和するだけでなく、棒鋼、線材や熱間鍛造後の強度が高くなりすぎるため、被削性が大きく低下する。したがって、生地の鋼のＭｎの含有量を０．２〜１．５％とした。より好ましい生地の鋼のＭｎ含有量は、０．４〜１．５％である。

Ｓ：０．００３〜０．０５％
Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、被削性を向上させる。しかしながら、その含有量が０．００３％未満では、前記の効果が得難い。一方、Ｓの含有量が多くなると、粗大なＭｎＳを生成しやすくなって、面疲労強度を低下させる傾向があり、特に、その含有量が０．０５％を超えると、他の要件を満たしていても面疲労強度の低下が顕著になる。したがって、生地の鋼のＳの含有量を０．００３〜０．０５％とした。なお、生地の鋼のＳ含有量の望ましい範囲は０．０１〜０．０３％である。

Ｃｒ：０．５〜３．０％
Ｃｒは、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高める効果があり、面疲労強度を高めるのに有効な元素である。しかしながら、その含有量が０．５％未満では前記の効果が不十分である。なお、Ｃｒの含有量が１．２％以上になると、面疲労強度の向上が顕著になる。一方、Ｃｒの含有量が３．０％を超えると、面疲労強度を高める効果が飽和するだけでなく、棒鋼、線材や熱間鍛造後の強度が高くなりすぎるため、被削性が著しく低下する。したがって、生地の鋼のＣｒの含有量を０．５〜３．０％とした。より好ましい生地の鋼のＣｒ含有量は１．２〜２．５％である。

Ａｌ：０．０１〜０．０５％
Ａｌは、脱酸作用を有すると同時に、Ｎと結合してＡｌＮを形成しやすく、焼入れ部の結晶粒微細化に有効で、面疲労強度を高める効果がある。しかしながら、Ａｌの含有量が０．０１％未満ではこの効果は得難い。一方、Ａｌは硬質な酸化物系介在物を形成しやすく、Ａｌの含有量が０．０５％を超えると、面疲労強度の低下が著しくなり、他の要件を満たしていても目標とする面疲労強度（後述するローラーピッチング試験の評価で２８６０ＭＰａ以上の面疲労強度）が得られなくなる。したがって、生地の鋼のＡｌの含有量を０．０１〜０．０５％とした。なお、生地の鋼のＡｌ含有量の望ましい範囲は０．０２〜０．０４％である。

Ｎ：０．００８〜０．０２５％
Ｎは、Ａｌ、Ｎｂ、ＶやＴｉと結合してＡｌＮ、ＮｂＮ、ＶＮやＴｉＮを形成しやすく、このうちＡｌＮ、ＮｂＮ、ＶＮは結晶粒微細化に有効で、面疲労強度を高める効果がある。しかしながら、Ｎ含有量が０．００８％未満ではこうした効果は得難い。一方、Ｎの含有量が０．０２５％を超えると、不純物中のＴｉと結合した粗大なＴｉＮが形成されやすくなって面疲労強度が低下し、他の要件を満たしていても目標とする面疲労強度（後述するローラーピッチング試験の評価で２８６０ＭＰａ以上の面疲労強度）が得られなくなる場合がある。したがって、生地の鋼のＮの含有量を０．００８〜０．０２５％とした。より好ましい生地の鋼のＮ含有量は０．０１２〜０．０２０％である。

上記の理由から、本発明（１）に係るショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品は、生地が、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｃｒ、Ａｌ及びＮを上述した範囲で含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる化学成分の鋼であることと規定した。

なお、本発明（１）に係るショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品は、生地が、上記本発明（１）におけるＦｅの一部に代えて、
第１群：Ｍｏ：０．８％以下、
第２群：Ｎｂ：０．０８％以下及びＶ：０．１５％以下のうちの１種以上、
の少なくとも１つの群の元素のうち１種以上を含有する鋼とすることができる。

すなわち、更により優れた特性を得るために、前記第１群と第２群の少なくとも１つの群の元素のうち１種以上を、本発明（１）の生地の鋼におけるＦｅの一部に代えて、含有してもよい。

以下、上記の元素に関して説明する。

第１群：Ｍｏ：０．８％以下
Ｍｏは、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高める効果があり、面疲労強度を高めるのに有効な元素である。しかしながら、Ｍｏの含有量が多くなり、特に、０．８％を超えると、面疲労強度を高める効果が飽和するだけでなく、棒鋼、線材や熱間鍛造後の強度が高くなりすぎて、被削性が大きく低下する。したがって、添加する場合の生地の鋼のＭｏの含有量を０．８％以下とした。

なお、前記したＭｏの効果を確実に得るためには、生地の鋼のＭｏ含有量を０．１％以上とすることが好ましい。このため、添加する場合の生地の鋼のより望ましいＭｏ含有量は０．１〜０．８％であり、０．１〜０．４％であれば一層好ましい。

第２群：Ｎｂ：０．０８％以下及びＶ：０．１５％以下のうちの１種以上
Ｎｂは、Ｃ、Ｎと結合してＮｂＣ、ＮｂＮ、Ｎｂ(Ｃ、Ｎ)を形成しやすく、前述したＡｌＮによる焼入れ部の結晶粒微細化を補完するのに有効で、面疲労強度を高める効果がある。しかしながら、Ｎｂの含有量が多くなり、特に、０．０８％を超えると、中心偏析部に粗大なＮｂ(Ｃ、Ｎ)が生成しやすくなり、面疲労強度が低下する。したがって、添加する場合の生地の鋼のＮｂの含有量を０．０８％以下とした。

なお、前記したＮｂの効果を確実に得るためには、生地の鋼のＮｂ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。このため、添加する場合の生地の鋼のより望ましいＮｂ含有量は０．０１〜０．０８％であり、０．０２〜０．０５％であれば一層好ましい。

Ｖは、Ｃ、Ｎと結合してＶＮ、ＶＣを形成しやすく、このうち、ＶＮは前述したＡｌＮによる焼入れ部の結晶粒微細化を補完するのに有効で、面疲労強度を高める効果がある。また、浸炭窒化時にＶＮが析出すると、面疲労強度をより高める効果がある。しかしながら、Ｖの含有量が多くなり、特に、０．１５％を超えると、棒鋼、線材や熱間鍛造後の強度が高くなりすぎて、被削性が大きく低下する。したがって、添加する場合の生地の鋼のＶの含有量を０．１５％以下とした。

なお、前記したＶの効果を確実に得るためには、生地の鋼のＶ含有量を０．０２％以上とすることが好ましい。このため、添加する場合の生地の鋼のより望ましいＶ含有量は０．０２〜０．１５％であり、０．０５〜０．１０％であれば一層好ましい。

上記の理由から、本発明（２）に係るショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品は、生地の鋼が、本発明（１）の生地の鋼におけるＦｅの一部に代えて、Ｍｏ：０．８％以下を含有することと規定した。

また、本発明（３）に係るショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品は、生地の鋼が、本発明（１）又は本発明（２）の生地の鋼におけるＦｅの一部に代えて、Ｎｂ：０．０８％以下及びＶ：０．１５％以下のうちの１種以上を含有することと規定した。

なお、本発明に係るショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品は、より安定した特性を得るために、その生地の鋼における不純物元素としてのＰ、Ｔｉ及びＯ（酸素）の含有量を下記のとおりに制限することが好ましい。

Ｐ：０．０２５％以下
Ｐは、粒界偏析して粒界を脆化させやすい元素であるため、０．０２５％を超えると、他の要件を満たしていても少ない頻度であるが、面疲労強度が低下する場合がある。したがって、生地の鋼のＰの含有量は、０．０２５％以下とすることが好ましい。

Ｔｉ：０．００５％以下
Ｔｉは、Ｎと結合してＴｉＮを形成しやすく、特に、Ｔｉ含有量が０．００５％を超えると、粗大なＴｉＮが形成されやすくなり、他の要件を満たしていても少ない頻度であるが、面疲労強度が低下する場合がある。したがって、生地の鋼のＴｉの含有量は、０．００５％以下とすることが好ましい。更に、不純物元素としてのＴｉ含有量はできる限り少なくすることが望ましいが、製鋼でのコストを考慮すると、０．００２％以下にすることがより好ましい。

Ｏ（酸素）：０．００２％以下
Ｏは、Ａｌと結合して硬質な酸化物系介在物を形成しやすく、特に、Ｏ含有量が０．００２％を超えると、他の要件を満たしていても少ない頻度であるが、面疲労強度が低下する場合がある。したがって、生地の鋼のＯの含有量は、０．００２％以下とすることが好ましい。更に、不純物元素としてのＯ含有量はできる限り少なくすることが望ましいが、製鋼でのコストを考慮すると、０．００１％以下にすることがより好ましい。

（Ｂ）硬さ及び組織
本発明者らの検討によって、本発明に係るショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品は、表層部の硬さがビッカース硬さで８５０以上、硬化層深さが０．６〜１．０ｍｍ及び表面からの深さが０．１ｍｍまでの領域に占めるレンズ状マルテンサイトの体積分率が３％以下でなければならないことが明らかになった。

以下、上記の事項について詳しく説明する。

面疲労は、接触部近傍の硬さや組織に大きく影響されることが知られており、従来、表層部近傍の高硬度化が面疲労強度の向上に有効であるといわれてきた。しかしながら、表層部近傍の高硬度化による面疲労強度向上では、産業界からの要望である前述した部品の軽量化、小型化、高応力負荷化に対応できる面疲労強度の確保に対して十分ではない。

そこで、本発明者らは、表層部近傍だけでなく、表面からの距離がそれより大きい内部の領域も制御することにより、面疲労強度を向上させるという、従来とは異なる視点にたって、以下に示す検討を行った。

先ず、表１に示す前記（Ａ）項で述べた生地の鋼の化学組成を満たす鋼α〜εを１５０ｋｇ真空溶解炉で溶解した後、インゴットに鋳造した。

各インゴットを１２５０℃で４時間加熱し、一旦室温まで冷却した後、再度１２５０℃で３０分加熱し、仕上げ温度を９５０℃以上として熱間鍛造して、直径３５ｍｍの丸棒を得た。

次いで、上記の直径が３５ｍｍの各丸棒に、９２０℃で１時間保持して室温まで放冷する処理を行った後、機械加工により図１（ａ）に示す形状のローラーピッチング試験用小ローラーを作製した。

上記のローラーピッチング試験用小ローラーには、ガス浸炭炉を用いて、図２及び表２に示す条件で浸炭焼入れ（表２に示す処理条件Ａ〜Ｅ、Ｇ及びＩ）又は浸炭窒化焼入れ（表２に示す処理条件Ｆ、Ｈ、Ｊ及びＫ）を行い、次いで、１７０℃で２時間の焼戻しを行った後、熱処理ひずみを除く目的で、つかみ部の仕上げ加工を行い、更に、試験部を３０μｍ研削した。なお、図２及び表２における「ＣＰ」は、カーボンポテンシャルを意味する。

更に、上記の浸炭焼入れ・焼戻し及びつかみ部の仕上げ加工と３０μｍの試験部研削を行ったローラーピッチング試験用小ローラーの試験片は、下記の条件でショットピーニング処理を行った。なお、このショットピーニングには、直圧式ショットピーニング装置を用いた。

・投射材の種類：高炭素鋼、
・投射材の直径（ショット粒の粒径）：０．３ｍｍ、
・投射材の硬さ：ビッカース硬さで７００〜８００、
・投射圧力：０．３ＭＰａ、
・カバレージ：２００％、
・投射距離：１２０ｍｍ。

上記のようにして得たローラーピッチング試験用小ローラーの試験部近傍のビッカース硬さを、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００３）における「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠して、次の方法で測定した。

すなわち、前記試験部を小ローラーの軸方向に垂直な面で切断し、その切断面を鏡面研磨して試験部の表面からの深さが０．０３ｍｍの位置で、試験力を１．９６１Ｎとして１０点測定し、その算術平均値を表層部のビッカース硬さとした。

また、表面からの深さが、０．０３ｍｍの位置、０．０５ｍｍの位置、これ以降１．０ｍｍの位置までを０．０５ｍｍピッチで、更に、前記１．０ｍｍの位置以降２．４ｍｍの位置までを０．１ｍｍピッチで、試験力を１．９６１Ｎとして各部位において２点ずつ測定し、その算術平均値を各位置のビッカース硬さとして、硬さ分布図を求め、この硬さ分布図を用いて、表面からビッカース硬さで７００の位置までの距離である「硬化層深さ」及び５５０の位置までの距離を測定した。

なお、表面からビッカース硬さで５５０の位置までの距離は、ＪＩＳ Ｇ ０５５７（１９９６）などにおいて定義されている一般的な硬化層深さで、以下これを「硬化層深さ₅₅₀」という。

一方、前記の表面からビッカース硬さで７００の位置までの距離は、本発明でいう硬化層深さである。

本発明において、表面からビッカース硬さで７００の位置までの距離をもって「硬化層深さ」とするのは、以下の理由である。

・表層部近傍に大きな応力が繰り返し付与されることは、従来から知られており、表層部近傍の硬さをビッカース硬さで７００以上にするのは、一般的である。

・表面からの深さが数百μｍの位置でも、表層部近傍と大差ない応力が繰り返し付与されることが明らかになった。

次いで、上記のようにして得たローラーピッチング試験用小ローラー及び表１に示す鋼γを素材とし、図１（ｂ）に示す形状、すなわち、直径が１３０ｍｍで、接触部のＲ形状が１５０ｍｍＲの形状のローラーピッチング試験用大ローラーを用いて、表３に示した条件でローラーピッチング試験を行った。

なお、ローラーピッチング試験は、一般には油温を８０〜９０℃として行われることが多いが、今回は油温を１００℃として実施した。これは、油温を上げることで面疲労強度が低くなることが知られているため、極端に高い面圧での試験を避けることができるためである。

なお、上記ローラーピッチング試験用大ローラーは一般的な製造工程、つまり、「焼きならし、試験片加工、ガス浸炭炉による共析浸炭、低温焼戻し及び研磨」の工程によって作製したものである。

各試験番号について、ローラーピッチング試験における試験数は５とし、縦軸に面圧、横軸にピッチング発生までの繰り返し数をとったＳ−Ｎ線図を作成し、繰り返し数１．０×１０⁷回での面圧を、面疲労強度とした。なお、小ローラーの試験部の表面が損傷している箇所のうちで、最大のものの面積が１ｍｍ²以上になった場合をピッチング発生とした。

なお、本発明における面疲労強度は、鋼組成がＪＩＳ Ｇ ４０５３（２００３）に規定されたＳＣＲ４２０の規格を満たす鋼αを用いて、表２に示す処理条件Ａで処理し、次いで、１７０℃で２時間の焼戻しを行った後、更に、試験部を３０μｍ研削して、ショットピーニングを施した場合の面疲労強度（後述の表４の試験番号１の面疲労強度）である２２００ＭＰａを３０％以上上回ること、すなわち、２８６０ＭＰａ以上であることを目標とした。そして、面疲労強度が２８６０ＭＰａ以上の場合に、面疲労特性に優れるものとした。

また、面疲労強度が、上記の２２００ＭＰａを４０％以上上回る３０８０ＭＰａ以上の場合に、面疲労特性に極めて優れるものとした。

表４及び表５に、上記の各試験結果をまとめて示す。また、図３に、表層部の硬さと面疲労強度の関係を整理して示す。表４及び表５における「硬化層深さ₅₅₀」は、表面からビッカース硬さで５５０の位置までの距離を指す。なお、表４、表５及び図３においては、ビッカース硬さを「Ｈｖ」と表記した。

図３からわかるように、表層部の硬さがビッカース硬さで８５０未満の場合には、目標とする２８６０ＭＰａ以上の面疲労強度が得られていない。一方、表層部の硬さがビッカース硬さで８５０以上であっても、目標とする２８６０ＭＰａ以上の面疲労強度が得られない場合のあることも明らかである。

そこで、図４に、表層部の硬さがビッカース硬度で８５０以上である試験番号、具体的には、試験番号３〜８、試験番号１０、試験番号１１、試験番号１４〜１９、試験番号２１、試験番号２２、試験番号２５〜３０、試験番号３２、試験番号３３、試験番号３６〜４１、試験番号４３、試験番号４４及び試験番号４７〜５５について、硬化層深さと面疲労強度の関係を整理した。

図４からわかるように、硬化層深さが０．６ｍｍ未満の場合には、目標とする２８６０ＭＰａ以上の面疲労強度が得られていない。

このように、表層部の硬さがビッカース硬さで８５０以上及び硬化層深さが０．６ｍｍ以上であっても安定して目標とする２８６０ＭＰａ以上の高い面疲労強度が得られないため、本発明者らは、次に、表層部の組織を観察した。

その結果、表層部の硬さがビッカース硬さで８５０以上及び硬化層深さが０．６ｍｍ以上であっても、目標とする２８６０ＭＰａ以上の面疲労強度が得られなかったものでは、レンズ状マルテンサイトが頻繁に観察され、その部分に微小な亀裂が発生していることがわかった。

そこで、前記の硬さを測定した鏡面研磨面をナイタールで腐食して、光学顕微鏡によって、試験片最表層を含むように、倍率４００倍で各４視野撮影した。なお、各視野の大きさは０．２２ｍｍ×０．１５ｍｍである。

上記の各視野について、表面からの深さが０．１ｍｍまでの領域の、長さが０．２２ｍｍの範囲について、通常の方法による画像解析を行って、レンズ状マルテンサイトの面積分率を求めた。なお、各試験番号について４視野の面積分率の平均値をその試験番号のレンズ状マルテンサイトの体積分率とした。

高炭素鋼においては、ラスマルテンサイトとレンズ状マルテンサイトが混在することが知られているが、レンズ状マルテンサイト組織は、ラスマルテンサイト組織に較べて腐食されにくく、またラス構造を有しないことから、ラスマルテンサイト組織と区別可能である。さらにレンズ状マルテンサイト組織の形状から、残留オーステナイト組織とも区別が可能である。

表４及び表５に、上記のようにして求めた表面からの深さが０．１ｍｍまでの領域に占めるレンズ状マルテンサイトの体積分率を併せて示した。

表４及び表５から、表層部の硬さがビッカース硬さで８５０以上、硬化層深さが０．６ｍｍ以上で、且つ表面からの深さが０．１ｍｍまでの領域に占めるレンズ状マルテンサイトの体積分率が３％以下であれば、安定して目標とする２８６０ＭＰａ以上の面疲労強度が得られることがわかる。

そこで、確認のため、表層部の硬さがビッカース硬さで８５０以上で、且つレンズ状マルテンサイトの体積分率が３％以下である試験番号、具体的には、試験番号３〜７、試験番号１０、試験番号１４〜１８、試験番号２１、試験番号２５〜２９、試験番号３２、試験番号３６〜４０、試験番号４３、試験番号４７〜５１及び試験番号５４について、図５に、表面からビッカース硬さで７００の位置までの距離として定義した本発明の硬化層深さと面疲労強度の関係を、また、図６に、硬化層深さ₅₅₀と面疲労強度の関係を整理した。

図５と図６の比較から、本発明で定義する硬化層深さで整理した方が、硬化層深さ₅₅₀で整理した場合に比べて、安定して目標とする２８６０ＭＰａ以上の高い面疲労強度が得られることが明らかである。

なお、図５から、硬化層深さが１．０ｍｍを超えても、面疲労強度が飽和することがわかる。

硬化層深さを大きくするためには、浸炭や浸炭窒化の処理時間を長くする必要があるためコストの増大を招く。しかも、長時間にわたる浸炭処理や浸炭窒化処理の場合には、熱処理ひずみが大きくなりやすい。したがって、硬化層深さは、１．０ｍｍ以下にするのがよい。

以上のことから、本発明に係るショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品の硬さ及び組織について、表層部の硬さがビッカース硬さで８５０以上、硬化層深さが０．６〜１．０ｍｍ及び表面からの深さが０．１ｍｍまでの領域に占めるレンズ状マルテンサイトの体積分率が３％以下であることと規定した。

上記の本発明でいう「硬化層深さ」とは、表面からビッカース硬さで７００の位置までの距離を指すことは既に定義したとおりである。

なお、上記の表層部の硬さがビッカース硬さで８５０以上、硬化層深さが０．６〜１．０ｍｍ及び表面からの深さが０．１ｍｍまでの領域に占めるレンズ状マルテンサイトの体積分率が３％以下であるという規定を満たす試験番号、具体的には、試験番号５〜７、試験番号１０、試験番号１６、試験番号１７、試験番号２１、試験番号２７、試験番号２８、試験番号３２、試験番号３８、試験番号３９、試験番号４３、試験番号４９、試験番号５０及び試験番号５４のうちでも、３０８０ＭＰａを上回る面疲労強度が得られているものには、浸炭窒化処理したものが多い（試験番号６、試験番号１０、試験番号１７、試験番号２１、試験番号２８、試験番号３２、試験番号３９、試験番号４３、試験番号５０及び試験番号５４）。このことから、本発明に係るショットピーニングを施した鋼製の部品は、浸炭窒化処理によって本発明の規定を満たすようにした部品であることがより好ましい。

また、硬化層深さ₅₅₀が１．５ｍｍを超えると、熱処理ひずみが顕著になる。このため、硬化層深さ₅₅₀は１．５ｍｍ以下であることが好ましい
なお、本発明で規定した硬さ及び組織を得る方法については、いずれの方法でもよく、特に規定しないが、例えば、以下に示す〈１〉〜〈４〉の手順によって得ることができる。

〈１〉Ｍｎ、Ｃｒ及びＭｏの含有量をそれぞれ、Ｍｎ（％）、Ｃｒ（％）及びＭｏ（％）としたときに、Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）＋２Ｍｏ（％）が２．２以上である鋼材を用いる。
〈２〉表面から深さ０．１ｍｍまでの「Ｃ＋Ｎ」濃度が０．８０〜０．９５％、表面から深さ０．１〜０．６ｍｍの「Ｃ＋Ｎ」濃度が０．５０〜０．８５％となる浸炭あるいは浸炭窒化を行い、これらの処理に続く焼入れを、油温を１００℃以下とした油焼入れとし、その後、１６０〜１８０℃で１〜２時間の条件で焼戻しする。
〈３〉真空浸炭炉を用いて上記の浸炭あるいは浸炭窒化の処理を行う。又は、ガス浸炭炉を用いて上記の浸炭あるいは浸炭窒化の処理を行い、前記〈２〉の焼戻し後に２０μｍ以上研削する。
〈４〉ショットピーニングを下記の条件範囲で行う。
投射材の種類：高炭素鋼、
投射材の直径（ショット粒の粒径）：０．２〜０．８ｍｍ、
投射材の硬さ：ビッカース硬さで７００〜８００、
投射圧力：０．２５〜０．３５ＭＰａ、
カバレージ：１２０〜２５０％、
投射距離：１００〜１５０ｍｍ。

以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。

表６に示す鋼ａ〜ｌを１５０ｋｇ真空溶解炉で溶解した後、インゴットに鋳造した。なお、表６中の鋼ａ〜ｉは、本発明で規定する生地の化学成分を満たす鋼である。一方、鋼ｊ〜ｌは、本発明で規定する生地の化学成分の条件から外れた鋼である。

各インゴットを１２５０℃で４時間加熱し、一旦室温まで冷却した後、再度１２５０℃で３０分加熱し、仕上げ温度を９５０℃以上として熱間鍛造して、直径３５ｍｍの丸棒を得た。

次いで、上記の直径が３５ｍｍの各丸棒に、９２０℃で１時間保持して室温まで放冷する処理を行った後、機械加工により図１（ａ）に示す形状のローラーピッチング試験用小ローラーを作製した。

上記のローラーピッチング試験用小ローラーには、ガス浸炭炉を用いて、図２及び表２に示す条件で浸炭焼入れ（表２に示す処理条件Ａ〜Ｅ及びＩ）又は浸炭窒化焼入れ（表２に示す処理条件Ｆ、Ｈ、Ｊ及びＫ）を行い、次いで、１７０℃で２時間の焼戻しを行った後、熱処理ひずみを除く目的で、つかみ部の仕上げ加工を行い、更に、試験部を３０μｍ研削した。

更に、上記の浸炭焼入れ・焼戻し及びつかみ部の仕上げ加工と３０μｍの試験部研削を行ったローラーピッチング試験用小ローラーの試験片は、下記の条件でショットピーニング処理を行った。なお、このショットピーニングには、直圧式ショットピーニング装置を用いた。

・投射材の種類：高炭素鋼、
・投射材の直径（ショット粒の粒径）：０．３ｍｍ、
・投射材の硬さ：ビッカース硬さで７００〜８００、
・投射圧力：０．３ＭＰａ、
・カバレージ：２００％、
・投射距離：１２０ｍｍ。

上記のようにして得たローラーピッチング試験用小ローラーの試験部近傍のビッカース硬さを、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００３）における「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠して、次の方法で測定した。

すなわち、前記試験部を小ローラーの軸方向に垂直な面で切断し、その切断面を鏡面研磨して試験部の表面からの深さが０．０３ｍｍの位置で、試験力を１．９６１Ｎとして１０点測定し、その算術平均値を表層部のビッカース硬さとした。

また、表面からの深さが、０．０３ｍｍの位置、０．０５ｍｍの位置、これ以降１．０ｍｍの位置までを０．０５ｍｍピッチで、更に、前記１．０ｍｍの位置以降２．４ｍｍの位置までを０．１ｍｍピッチで、試験力を１．９６１Ｎとして各部位において２点ずつ測定し、その算術平均値を各位置のビッカース硬さとして、硬さ分布図を求め、この硬さ分布図を用いて、表面からビッカース硬さで７００の位置までの距離である「硬化層深さ」及び５５０の位置までの距離である「硬化層深さ₅₅₀」を測定した。

また、上記の硬さを測定した鏡面研磨面をナイタールで腐食して、光学顕微鏡によって、試験片最表層を含むように、倍率４００倍で各４視野撮影した。なお、各視野の大きさは０．２２ｍｍ×０．１５ｍｍである。

上記の各視野について、表面からの深さが０．１ｍｍまでの領域の、長さが０．２２ｍｍの範囲について、通常の方法による画像解析を行って、レンズ状マルテンサイトの面積分率を求めた。なお、各試験番号について４視野の面積分率の平均値をその試験番号のレンズ状マルテンサイトの体積分率とした。

次いで、上記のようにして得たローラーピッチング試験用小ローラー及び表１に示す鋼γを素材とし、図１（ｂ）に示す形状、すなわち、直径が１３０ｍｍで、接触部のＲ形状が１５０ｍｍＲの形状のローラーピッチング試験用大ローラーを用いて、表３に示した条件でローラーピッチング試験を行った。

なお、上記ローラーピッチング試験用大ローラーは一般的な製造工程、つまり、「焼きならし、試験片加工、ガス浸炭炉による共析浸炭、低温焼戻し及び研磨」の工程によって作製したものである。

各試験番号について、ローラーピッチング試験における試験数は５とし、縦軸に面圧、横軸にピッチング発生までの繰り返し数をとったＳ−Ｎ線図を作成し、繰り返し数１．０×１０⁷回での面圧を、面疲労強度とした。なお、小ローラーの試験部の表面が損傷している箇所のうちで、最大のものの面積が１ｍｍ²以上になった場合をピッチング発生とした。

表７に、上記の各試験結果をまとめて示す。

表７から、本発明で規定する条件から外れた比較例の試験番号、具体的には、試験番号５６、試験番号５８、試験番号６１〜６３、試験番号６５、試験番号６７、試験番号６８、試験番号７１、試験番号７３、試験番号７４、試験番号７７及び試験番号８１〜８５の場合には、ローラーピッチング試験における面疲労強度が目標とする２８６０ＭＰａに達していないことが明らかである。

上記の比較例に対し、本発明で規定する条件を満たす本発明例の試験番号、具体的には、試験番号５７、試験番号５９、試験番号６０、試験番号６４、試験番号６６、試験番号６９、試験番号７０、試験番号７２、試験番号７５、試験番号７６及び試験番号７８〜８０の場合のローラーピッチング試験における面疲労強度は、目標とする２８６０ＭＰａ以上であり、良好な面疲労強度を有することが明らかである。

更に、本発明例のうちでも、浸炭窒化処理を施した試験番号６０、試験番号６４、試験番号６９、試験番号７０、試験番号７２、試験番号７５、試験番号７６、試験番号７９及び試験番号７８〜８０は、３０８０ＭＰａを上回る大きな面疲労強度を有することが明らかである。

本発明のショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品は、面疲労強度が極めて優れているので、自動車や産業機械の部品である歯車、プーリー及びシャフトなどに用いることができる。

ローラーピッチング試験用ローラーの形状を説明する図で、（ａ）は小ローラーの形状を（ｂ）は大ローラーの形状を示す図である。 ガス浸炭炉を用いてローラーピッチング試験用小ローラーに施した表２に記載の浸炭焼入れ又は浸炭窒化焼入れの条件を示す図である。 試験番号１〜５５における表層部の硬さと面疲労強度の関係を示す図である。 表層部の硬さがビッカース硬さ８５０以上である試験番号３〜８、試験番号１０、試験番号１１、試験番号１４〜１９、試験番号２１、試験番号２２、試験番号２５〜３０、試験番号３２、試験番号３３、試験番号３６〜４１、試験番号４３、試験番号４４及び試験番号４７〜５５について、硬化層深さと面疲労強度の関係を示す図である。 表層部の硬さがビッカース硬さで８５０以上で、且つレンズ状マルテンサイトの体積分率が３％以下である試験番号３〜７、試験番号１０、試験番号１４〜１８、試験番号２１、試験番号２５〜２９、試験番号３２、試験番号３６〜４０、試験番号４３、試験番号４７〜５１及び試験番号５４について、表面からビッカース硬さで７００の位置までの距離として定義した本発明でいう「硬化層深さ」と面疲労強度の関係を示す図である。 表層部の硬さがビッカース硬さで８５０以上で、且つレンズ状マルテンサイトの体積分率が３％以下である試験番号３〜７、試験番号１０、試験番号１４〜１８、試験番号２１、試験番号２５〜２９、試験番号３２、試験番号３６〜４０、試験番号４３、試験番号４７〜５１及び試験番号５４について、表面からビッカース硬さで５５０の位置までの距離を示す硬化層深さ₅₅₀と面疲労強度の関係を示す図である。

Claims (3)

1. 生地が、質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．０５〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｓ：０．００３〜０．０５％、Ｃｒ：０．５〜３．０％、Ａｌ：０．０１〜０．０５％及びＮ：０．００８〜０．０２５％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる化学成分の鋼で、表層部の硬さがビッカース硬さで８５０以上、硬化層深さが０．６〜１．０ｍｍ及び表面からの深さが０．１ｍｍまでの領域に占めるレンズ状マルテンサイトの体積分率が３％以下であることを特徴とする、ショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品。
   但し、硬化層深さとは、表面からビッカース硬さで７００の位置までの距離と定義する。
2. 生地の鋼が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｍｏ：０．８％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載のショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品。
3. 生地の鋼が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ：０．０８％以下及びＶ：０．１５％以下のうちの１種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のショットピーニングを施した鋼製の浸炭部品又は浸炭窒化部品。

Images