JP2009228049A - 面圧疲労強度と低騒音性に優れた浸炭高周波焼入れ鋼部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 肌焼鋼に浸炭或いは浸炭窒化を施し、さらに高周波焼入れを施した鋼部品と同等の面圧疲労強度を有し、且つ、使用時に低騒音の鋼部品を提供する。
【解決手段】 化学成分が、質量％で、Ｃ：０．１〜１．２％、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．００１〜０．３％、Ｏ：０．００５０％以下、Ｎ：０．００３〜０．０３％、を含有し、さらに、Ａｌ：０．００５〜０．２％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％、のうち１種または２種を含有し、残部が実質的に鉄と不可避不純物よりなる鋼からなり、表層に浸炭層または浸炭窒化層と高周波焼入れ層とを有し、窒化層を除く全断面に亙って、平均粒径が０．１〜１０μｍであり、最大粒径が２０μｍ以下である黒鉛粒が存在することを特徴とする面圧疲労強度と低騒音性に優れた浸炭高周波焼入れ鋼部品。
【選択図】なし

Description

本発明は、浸炭高周波焼入れ鋼部品に関し、更に詳しくは、機械構造用部品、特に自動車等の動力伝達部品用に適用される歯車、無段変速機（ＣＶＴ）のシーブ、等速ジョイント（ＣＶＪ）のトリポード、ハブ等部品の騒音の軽減に関する。

機械構造用部品、例えば自動変速機の歯車や無段変速機（ＣＶＴ）のＣＶＴシーブ、等速ジョイント（ＣＶＪ）のトリポード、ハブなどの動力伝達部品は、その面圧疲労強度が要求される。従来、一般に上記した部品には素材にＪＩＳ ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０等のＣが０．２％前後の肌焼鋼を用い、浸炭焼入れ処理を施して部品表面をＣが０．８％前後のマルテンサイト組織とさせて面圧疲労強度を高めて使用される。

また、特許文献１には、浸炭焼入れした後に高周波焼入れを施して高疲労強度を得る肌焼品の製造方法が提案されている。
さらに、特許文献２は、疲労特性と被削性を兼ね備えさせるために黒鉛粒を析出させた等速ジョイント内輪が開示されている。

特開昭６４−３６７７９号公報 特開２００５−２７３００７号公報

近年では、高疲労強度の他、環境問題から運転時の振動に起因する騒音を軽減することも求められてきているが、上記従来技術では、騒音の低減対策が図られていない。
そこで本発明は、肌焼鋼に浸炭或いは浸炭窒化を施し、さらに高周波焼入れを施した鋼部品と同等の面圧疲労強度を有し、且つ、使用時に低騒音の鋼部品を提供することを課題とする。

本発明者らは、浸炭或いは浸炭窒化を施し、さらに高周波焼入れを施す鋼部品において、高面圧疲労強度を低下させずに、使用時の騒音を低減するには、下記事項が少なくとも必要であることを知見し、本発明を完成するに至った。
振動を減衰させる効果が有る黒鉛粒を、全断面（但し、窒化層を除く）に存在させると、使用時に騒音が低減すること。
その黒鉛粒は、平均粒径０．１〜１０μｍ、最大径２０μｍ以下とする必要があること。
その黒鉛粒を析出させるには、適正な鋼材成分が必要であること。
その黒鉛粒を析出させるには、浸炭処理または浸炭窒化処理の後に黒鉛化焼鈍処理を施す必要があり、そして、その後に高周波焼入れを施す必要があること。

以上の知見により成した本発明の要旨は以下のとおりである。

（１） 化学成分が、質量％で、
Ｃ：０．１〜１．２％、
Ｓｉ：０．５〜３．０％、
Ｍｎ：０．１〜１．５％、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．００１〜０．３％、
Ｏ：０．００５０％以下、
Ｎ：０．００３〜０．０３％、
を含有し、さらに、
Ａｌ：０．００５〜０．２％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
のうち１種または２種を含有し、
残部が実質的に鉄と不可避不純物よりなる鋼からなり、
表層に浸炭層または浸炭窒化層と高周波焼入れ層とを有し、窒化層を除く全断面に亙って、平均粒径が０．１〜１０μｍであり、最大粒径が２０μｍ以下である黒鉛粒が存在することを特徴とする面圧疲労強度と低騒音性に優れた浸炭高周波焼入れ鋼部品。

（２）さらに、化学成分が質量％で、
Ｖ：０．０１〜０．３％、
Ｎｂ：０．０１〜０．３％
の１種または２種を含有することを特徴とする上記（１）記載の面圧疲労強度と低騒音性に優れた浸炭高周波焼入れ鋼部品。

（３）さらに、化学成分が質量％で、
Ｎｉ：０．２〜３．０％、
Ｃｕ：０．２〜３．０％、
Ｃｏ：０．２〜３．０％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）または（２）記載の面圧疲労強度と低騒音性に優れた浸炭高周波焼入れ鋼部品。

（４）さらに、化学成分が質量％で、
Ｃｒ：０．０５〜０．４％、
Ｍｏ：０．０５〜０．４％、
Ｗ：０．０５〜０．４％、
Ｂ：０．０００６〜０．００５０％
の１種また２種以上を含有することを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の面圧疲労強度と低騒音性に優れた浸炭高周波焼入れ鋼部品。

（５） 鋼部品が、歯車、無段変速機のシーブ、等速ジョイントのトリポード、またはハブのいずれかであることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の面圧疲労強度と低騒音性に優れた浸炭高周波焼入れ鋼部品。

自動車等の動力伝達部品用に適用できる面圧疲労強度と、黒鉛の活用による騒音の軽減とが両立した歯車、無段変速機（ＣＶＴ）のシーブ、等速ジョイント（ＣＶＪ）のトリポード、ハブ等の部品を提供することができ、これにより自動車の快適性向上に大きく寄与する。

浸炭効果と黒鉛粒効果の活用を両立させるためには、好適な成分の鋼材を用いることに加えて、浸炭処理又は浸炭窒化処理の後に、黒鉛化焼鈍処理を施し、その後に高周波焼入れ処理を施すことが必要である。その理由は下記（ａ）〜（ｃ）による。

騒音の軽減の観点からは黒鉛のサイズは平均粒径０．１μｍ以上を確保する必要があるが、面圧疲労強度の観点からは最大粒径を２０μｍ以下に制限する必要があり、そのためには後述の化学成分とさせる必要がある。

面圧疲労強度の観点から、浸炭処理又は浸炭窒化処理によって部品表層のＣ濃度は０．４〜１．５％にさせる必要がある。しかし黒鉛化焼鈍処理の後にカーボンポテンシャル０．４〜１．５％の浸炭処理又は浸炭窒化処理を行うと、黒鉛がオーステナイト中に固溶してしまう問題があり、浸炭処理は黒鉛化焼鈍処理に先立って行う必要がある。

本発明成分の鋼材を用いて、浸炭処理に引き続き６５０〜７２０℃の温度範囲内で２４時間未満の黒鉛化焼鈍処理を行うことによって、表層の浸炭層も芯部も平均粒径が０．１〜１０μｍと微細な黒鉛粒を分散させることができる。しかし該黒鉛化焼鈍処理はフェライト域での処理であるため、動力伝達部品としては柔らかすぎる。そこで一旦、オーステナイト温度域（約７２３℃以上）に加熱したうえで焼入れ処理する必要がある。そのためには数秒オーダーで短時間加熱ができる高周波焼入れ処理が必要である。一般的な炉を用いた浸炭焼入れ処理や焼入れでは、加熱に数分オーダー以上が必要となり、微細な黒鉛粒が固溶してしまう問題がある。

先ず、本発明の鋼部品にとって重要である、組織の規定理由について説明する。

［表層に浸炭層または浸炭窒化層と高周波焼入れ層とを有し、窒化層を除く全断面に亙って平均粒径が０．１〜１０μｍ、最大粒径が２０μｍ以下の黒鉛粒が存在すること］
表層に浸炭層又は浸炭窒化層と高周波焼入れ層の両方が存在することにより、表層はＨＶ７００以上の高硬さが得られて必要な面圧疲労強度が確保できる。

騒音の軽減の観点からは平均粒径が０．１μｍ以上の黒鉛粒が必要である。しかし最大粒径が２０μｍを超える黒鉛粒が存在すると、使用時に該黒鉛粒に応力が集中して破壊起点となってしまい必要な面圧疲労強度が確保できないため、黒鉛サイズは偶発的に含まれる最大のものでも２０μｍ以下、平均粒径では１０μｍ以下とする必要がある。望ましくは平均粒径で１〜７μｍの範囲である。
ここで、平均粒径とは、黒鉛粒の個々における球形換算径を個数で単純に平均したもの（個々の球形換算径の合計値／個数）であり、また、最大粒径とは、黒鉛粒の個々における最長径であって、その最大のものをいう。

なお、鋼部品の黒鉛サイズは、鋼部品の表面から中心（中空の場合は内面）までの全断面を走査型電子顕微鏡にて観察し、反射電子線の強度を２値化して画像解析装置により、測定視野における平均粒径と最大粒径最大粒径と個数平均の平均粒径を計測することができる。

本発明は、浸炭処理又は浸炭窒化処理の後に黒鉛化焼鈍処理を施し、その後に高周波焼入れ処理を施すことが必要である。浸炭処理又は浸炭窒化処理の後に黒鉛化処理することが重要である。その理由は黒鉛サイズの安定性にある。若し黒鉛処理を先に処理した場合、その後の浸炭処理又は浸炭窒化処理でカーボンポテンシャルが１．５％未満の場合には数分から数１０分で黒鉛がオーステナイト中に固溶して焼失してしまうし、カーボンポテンシャルが１．５％超の場合には後述の黒鉛化焼鈍処理（６００〜７２０℃）に比べて高温であることに起因して既にある黒鉛粒が急速に粗大化してしまいサイズが２０μｍを超えてしまい、いずれにしても微細な黒鉛粒を存在させることができない。

浸炭処理又浸炭窒化処理は、そのカーボンポテンシャルが０．４〜１．５％の範囲内でかつカーボンポテンシャルを鋼材の炭素濃度より０．２％以上高くすることにより、その後の高周波焼入れ処理時に−３００ＭＰａ以上の充分な表層圧縮残留応力を付与して面圧疲労強度を確保するのが望ましい。カーボンポテンシャルと鋼材の炭素濃度の差が０．２％未満であると、マルテンサイト変態に伴う変態膨張量の表層と芯部の差が小さくなるために、その後の高周波焼入れ処理時に−３００ＭＰａ以上の充分な表層圧縮残留応力を付与することができなくなるので好ましくない。なお浸炭処理後の冷却速度は、冷却中に析出する黒鉛の粗大化を防止する観点から１℃／秒以上とすることが好ましく、焼入れを行っても良い。

本発明の化学成分を有する鋼に上述の浸炭処理又は浸炭窒化処理を行った後、６００〜７２０℃に保持（以降、黒鉛化焼鈍という）することによって表面の浸炭層および芯部の全領域に黒鉛粒が析出される。黒鉛化焼鈍時間は、短いと黒鉛粒が微細で析出量が少量であり、長くなるにつれて徐々に黒鉛粒が大きくなり析出量を増加する傾向となり、１〜２４時間の範囲内が目安となる。黒鉛化焼鈍時間を長くするほど黒鉛粒のサイズは大きくなる傾向があり、好ましい形態としては７００℃、２時間程度の処理により黒鉛粒の平均粒径を３μｍとさせることである。

本発明の化学成分を有する鋼に上述の浸炭処理又は浸炭窒化処理と黒鉛化焼鈍処理を行った後に、高周波焼入れを施すことで表面を硬化させつつ−３００ＭＰａ以上の表層圧縮残留応力を付与させることによって面圧疲労強度を確保する。ここで高周波により加熱する理由は、数秒オーダーで短時間加熱するためである。一般的な炉を用いた浸炭焼入れ処理や焼入れでは、加熱に数分オーダー以上が必要となり、微細な黒鉛が固溶してしまうからである。また高周波焼入れ処理は広く知られているように、通常の浸炭焼入れ処理よりも結晶粒が微細化されることと圧縮残留応力の増加を通じて疲労強度に有利であり、従って面圧疲労強度にも有利に働く。高周波焼入れ時の加熱方法については、特に格段な手法を採用する必要はなく、一般的な方法で充分である。例えば周波数は小物部品であれば４００ｋＨｚ前後、大物部品であれば５ｋＨｚ前後が目安になる。焼入れに用いる冷媒も特に格段な手法を採用する必要はないが、水、ポリマー焼入剤など水系で冷却能が大きなものを使用したほうが表層の圧縮残留応力を大きくすることができ好ましい。高周波焼入後は一般的な浸炭焼入れ品に準じて、１５０℃前後の低温焼戻を施して部品の靭性を確保することが好ましい。

本発明では浸炭処理、浸炭窒化処理いずれも可能であるが、違いは最表層の状態にある。

浸炭処理を採用した場合には、その後の黒鉛化焼鈍処理と高周波焼入れ処理後には表面から芯部にかけて平均粒径が０．１〜１０μｍのサイズの黒鉛を有する。浸炭窒化処理を採用した場合には、表面から０．２ｍｍ前後の窒化層が生成すること起因して、その後の黒鉛化焼鈍処理での黒鉛の析出が抑制されるため、窒化層の領域は黒鉛が無いか、又は少なく、深さ０．２ｍｍ前後から中心（中空の場合は内面）にかけて平均粒径が０．１〜１０μｍのサイズの黒鉛を有するものとなる。この場合、若干の黒鉛が減少した分だけ騒音の軽減の性能は低下するものの従来技術の浸炭処理品に比べては格段に騒音軽減の性能には優れ、窒化層は窒素が及ぼす焼戻軟化抵抗向上の効果によって従来技術の浸炭処理品に比べて強化され、面圧疲労強度が向上する。この浸炭窒化処理は特に格段な手法を採用する必要はなく、一般的な方法で充分である。例えば浸炭のための変成ガスにアンモニアを体積％で１０％程度添加し、９００℃で３０ｍｉｎ程度以上を保持することによって、鋼材には約０．１質量％の窒化層が０．１ｍｍ深さ程度以上とさせることができる。

なお、実際の鋼部品において表層に浸炭層又は浸炭窒化層と高周波焼入れ層との両方が存在することは、鋼部品からミクロサンプルを採取してナイタール腐食後に光学顕微鏡にて観察される組織分布と、表面から芯部への硬さ分布と、さらに、ＥＰＭＡにて測定される表面から芯部へのＣ分布、Ｎ分布により、判別できる。

また、本発明に係る浸炭高周波焼入れ鋼部品は高周波焼入れ処理した後、更にサブゼロ処理、焼戻処理、ＷＰＣ処理、バレル研磨処理、歯研処理、ホーニング仕上加工等の追加処理を行っても何ら効果を妨げるものではない。

次に、本発明の鋼の化学成分の規定理由について説明する。なお、ここで記載の％は質量％を意味する。

Ｃ：０．１〜１．２％
Ｃは黒鉛を生成する重要な元素であり、高周波焼入れ後の強度を確保するため必要不可欠の元素である。そこで本発明ではＣ量の下限を０．１％とした。しかし、その含有量が１．２％を超えると部品製作時の切削性や鍛造性を著しく害するため、上限を１．２％未満とした。最も好ましい添加量は０．２〜０．８％である。

Ｓｉ：０．５〜３．０％
Ｓｉは黒鉛化を促進する有力な元素の一つである。更には焼戻軟化抵抗の増加を通じて面圧疲労強度向上にも有効な元素の一つである。短時間の焼鈍処理により充分な黒鉛を析出させるには０．５％以上とすることが好ましい。しかし３．０％を超えると鍛造時の脱炭が著しくなるため、３．０％を上限とした。最も好ましい添加量は１．０〜２．０％である。

Ｍｎ：０．１〜１．５％
ＭｎはＳと結合してＭｎＳ介在物、あるいはマトリックス中に固溶Ｍｎとして存在する。固溶Ｍｎは焼入れ性の向上に有効であり、またＭｎＳは単独あるいは複合介在物を形成し黒鉛の生成サイトとなる。その効果を得るには０．１％以上の添加が必要である。しかし、１．５％を超えると黒鉛化を著しく阻害するので１．５％を上限とした。最も好ましい添加量は０．２〜０．７％である。

Ｐ：０．０５以下
Ｐは鋼中に不純物として含有される成分で、粒界に偏析して靭性を低下させるため極力低減する必要があり、０．０５％以下に制限する必要がある。

Ｓ：０．００１〜０．３％
ＳはＭｎ、ＭｇあるいはＣｕ等の合金元素と反応して硫化物として存在する。これらの硫化物は黒鉛の核生成サイトとして機能するため０．００１％以上は必要である。そこで、本発明ではＳ量の下限を０．００１％とした。しかしながら０．３０％を超えると鍛造性を阻害するため０．３％を上限とした。最も好ましい添加量は０．００１〜０．０２０％である。

Ｏ：０．００５０％以下、
Ｏはアルミナやチタニア等の酸化物系介在物として鋼中に存在するが、Ｏが多いと該酸化物が大型化してしまい、これを起点として動力伝達部品の破損に至るため、０．００５０％以下に制限する必要がある。少ないほど好ましいため０．００２０％以下が望ましく、更に、高寿命を指向する場合は０．００１５％以下が望ましい。

Ｎ：０．００３〜０．０３％
Ｎは各種窒化物を形成して高周波焼入処理時のオーステナイト組織の細粒化に有効に働くため０．００３％以上は必要である。しかし、０．０３％を超えると鍛造性を著しく阻害するため０．０３％を上限とした。最も好ましい添加量は０．００５〜０．０２％である。

Ａｌ：０．００５〜０．２％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％のうち１種または２種
Ａｌ、Ｔｉは窒化物として鋼中に析出分散することにより、高周波焼入処理時のオーステナイト組織の細粒化に有効に働くため、Ａｌ、Ｔｉのうち１種または２種で夫々０．００５％以上は必要である。しかし、０．２％を超えると析出物が粗大化して鋼を脆化させるため上限を夫々０．２％とした。最も好ましいのはＡｌを０．００５〜０．０５％添加することである。

Ｖ：０．０１〜０．３％、Ｎｂ：０．０１〜０．３％のうち１種または２種
Ｖ、Ｎｂは添加しなくてもよいが、添加することによってＡｌ、Ｔｉは窒化物として鋼中に析出分散することにより、高周波焼入処理時のオーステナイト組織の細粒化に有効である。これらの効果を発揮させるためには、Ｖ、Ｎｂのうち１種または２種で夫々０．０１％以上の添加が必要である。しかし、０．３％を超えて添加してもその効果は飽和して経済性を損ねるため上限を夫々０．３％とした。最も好ましいのはＶを０．１〜０．２％添加することである。

Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏの１種または２種以上
Ｎｉ：０．２〜３．０％
Ｎｉは、添加すればセメンタイトを不安定化させ黒鉛化を促進されるとともに、焼入れ性を高める効果がある。その効果を得るには０．２％以上とすることが好ましい。しかし、３．０％を超えて添加しても効果は飽和するとともに経済的に不利となるため３．０％を上限とした。

Ｃｕ：０．２〜３．０％
Ｃｕは、添加すればセメンタイトを不安定化させ黒鉛化を促進されるとともに、焼入れ性を高める効果がある。その効果を得るには０．２％以上とすることが好ましい。しかし、３．０％を超えて添加しても効果は飽和するとともに経済的に不利となるため３．０％を上限とした。

Ｃｏ：０．２〜３．０％
Ｃｏは、添加すればセメンタイトを不安定化させ黒鉛化を促進されるとともに、焼入れ性を高める効果がある。その効果を得るには０．２％以上とすることが好ましい。しかし、３．０％を超えて添加しても効果は飽和するとともに経済的に不利となるため３．０％を上限とした。

Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂの１種または２種以上
Ｃｒ：０．０５〜０．４％
Ｃｒは、添加すれば焼入れ性を高める効果がある。その効果を得るには０．０５％以上とすることが好ましい。但し、０．４％を超えて添加すると著しく黒鉛化を阻害するので０．４％を上限とした。

Ｍｏ：０．０５〜０．４％
Ｍｏは添加しなくてもよい。添加すれば焼入れ性を高める効果がある。その効果を得るには０．０５％以上とすることが好ましい。但し、０．４％を超えて添加すると著しく黒鉛化を阻害するので０．４％を上限とした。

Ｗ：０．０５〜０．４％
Ｗは、添加すれば焼入れ性を高める効果がある。その効果を得るには０．０５％以上とすることが好ましい。但し、０．４％を超えて添加すると著しく黒鉛化を阻害するので０．４％を上限とした。

Ｂ：０．０００６〜０．００５０％
Ｂは、添加すれば焼入性の向上に寄与する。その効果を得るには０．０００６％以上とすることが好ましい。但し、０．００５０％を超えると黒鉛化を阻害すると共に、Ｂ化合物が粒界に析出し破壊靭性を劣化させるため０．００５０％を上限とした。

本発明は、上記の成分の他、本発明の効果を損なわない範囲でＣａ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｔｅ、Ｃｅを添加できる。

以下に本発明を実施例によって具体的に説明する。なお、これらの実施例は本発明を説明するためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

表１に示す化学組成を有する各鋼材に鍛造と焼鈍を施した後、機械加工により直径が２６ｍｍ、幅２８ｍｍの円筒部を有する小ローラー試験片と、直径１３０ｍｍ、幅１８ｍｍで外周にはＲ＝１５０ｍｍのクラウニングを有した大ローラー試験片を製作した。その後、該小ローラー試験片と該大ローラー試験片にはＮｏ．１〜Ｎｏ．２１及びＮｏ．２５から２８については表２に示すカーボンポテンシャルで浸炭処理（９５０℃×２時間のＲＸガス浸炭→油焼入）を行い、引き続いて表２に示す温度と時間で黒鉛化焼鈍処理を行い、その後に高周波焼入（周波数１００ｋＨｚ、加熱温度９８０℃）を施した。高周波焼入時の冷媒は水を用いた。その後、１５０℃で９０分の焼戻処理を行い試験に供した。Ｎｏ．２５〜Ｎｏ．２８については表２に示すカーボンポテンシャルで浸炭窒化処理（９５０℃×２時間の１０％アンモニア−９０％ＲＸガス浸炭混合→油焼入）を行い、引き続いて表２に示す温度と時間で黒鉛化焼鈍処理を行い、その後に高周波焼入（周波数１００ｋＨｚ、加熱温度９８０℃）を施した。高周波焼入時の冷媒は水を用いた。その後、１５０℃で９０分の焼戻処理を行い試験に供した。Ｎｏ．２９については表２に示すカーボンポテンシャルで浸炭処理（９５０℃×２時間のＲＸガス浸炭→油焼入）を行い、その後、１５０℃で９０分の焼戻処理を行い試験に供した。Ｎｏ．３０については表２に示すカーボンポテンシャルで浸炭処理（９５０℃×２時間のＲＸガス浸炭→油焼入）を行い、その後に高周波焼入（周波数１００ｋＨｚ、加熱温度９８０℃）を施した。高周波焼入時の冷媒は水を用いた。その後、１５０℃で９０分の焼戻処理を行い試験に供した。Ｎｏ．３１については表２に示すカーボンポテンシャルで浸炭窒化処理（９５０℃×２時間の１０％アンモニア−９０％ＲＸガス浸炭混合→油焼入）を行い、その後、１５０℃で９０分の焼戻処理を行い試験に供した。Ｎｏ．３２については表２に示すカーボンポテンシャルで浸炭窒化処理（９５０℃×２時間の１０％アンモニア−９０％ＲＸガス浸炭混合→油焼入）を行い、その後に高周波焼入（周波数１００ｋＨｚ、加熱温度９８０℃）を施した。高周波焼入時の冷媒は水を用いた。その後、１５０℃で９０分の焼戻処理を行い試験に供した。
なお、部品の黒鉛サイズは、直径が２６ｍｍの円筒部の横断面を鏡面研磨した後、表面からの距離が０．０５、０．１、０．２、０．４、０．６、１．０、１．５、２．０、３．０、５．０、１３．０ｍｍの箇所をそれぞれ走査型電子顕微鏡での反射電子像を倍率１００００で縦０．００９ｍｍ×横０．０１２ｍｍの領域を５視野撮影した後、該画像を２値化して黒鉛と鋼を識別し、画像解析装置により、平均粒径と最大粒径を計測した。

本実施例で浸炭窒化処理したものはＥＰＭＡのＮ分布測定結果より、表面から０．０５ｍｍ深さにおいては窒化層であることが確認できたので窒化層の黒鉛サイズは０．０５ｍｍ深さの測定結果を採用した。また、ＥＰＭＡのＣ分布により浸炭層の深さを測定し、ナイタール腐食写真後の光学顕微鏡写真により高周波焼入れ層の深さを測定した結果を用いて、上述の黒鉛サイズ測定箇所が浸炭層であるか、高周波焼入れ層であるか、或いは、未高周波焼入れ層であるかを判別してそれぞれの黒鉛サイズ測定結果を表２に記載した。
また、表面の残留応力はＸ線法にて計測した。

騒音の評価として振動減衰試験を行った。上述の製作した小ローラーの円筒部にストレインゲージを貼着して糸で吊り下げて、該ストレインゲージの反対側をハンマーで打撃して、その歪み振動をストレインゲージで検出することによって対数減衰率を測定した。
面圧疲労強度の評価として、上述の製作した大ローラーと小ローラーを用いてローラーピッチング疲労試験を行った。ローラーピッチング疲労試験は、小ローラーに面圧をヘルツ応力２５００ＭＰａとして大ローラーを押し付けて、接触部での両ローラーの周速方向を同一方向とし、滑り率を−４０％（小ローラーよりも大ローラーの方が接触部の周速が４０％大きい）として回転させて、小ローラーにおいてピッチングが発生するまでの小ローラーの回転数を寿命とした。前記接触部に供給するギア油の油温は８０℃とした。ピッチング発生の検出は試験機に備え付けてある振動計によって行い、振動検出後に両ローラーの回転を停止させてピッチングの発生と回転数を確認した。回転数が１０００万回に達してもピッチングが発生しない場合は充分に面圧疲労強度を有しているものと評価できるので、１０００万回で試験を停止した。

表２に示すように、本発明例のＮｏ．１〜Ｎｏ．２４の対数減衰率は０．０１０を上回る優れた振動減衰特性を有し騒音軽減特性に優れるものとなったことに加え、ローラーピッチング疲労試験の寿命は１０００万回で耐久となり、優れた面圧疲労強度を有していることが明らかになった。

これに対し本発明において規定したＣの上限を上回った比較例Ｎｏ．２５は素材の切削性が悪く、部品製作不可のため評価中止せざるを得なかった。本発明に置いて規定したＣの下限を下回った比較例Ｎｏ．２６はローラーピッチング疲労試験の寿命が１１０万回と短かった。これはＣが低いことにより高周波焼入れ後の強度が確保できなかったためである。

本発明に置いて規定したＳｉの下限を下回った比較例Ｎｏ．２７は対数減衰率が０．００７と低く騒音軽減特性に劣るものとなった。これは部品中に黒鉛が無いためである。黒鉛化焼鈍時間を５０時間と長くして黒鉛を粗大化させ、本発明において規定した黒鉛サイズの平均粒径および最大径を共に上回った比較例Ｎｏ．２８はローラーピッチング疲労試験の寿命が５６０万回と短かった。試験後の試験片を調査した結果、これは粗大化した黒鉛を起点として亀裂が伝播して破損に至っていたことから、粗大化した黒鉛が原因で低寿命になったためである。黒鉛化焼鈍温度を７３０℃と高くして黒鉛を粗大化させ、本発明において規定した黒鉛の最大サイズを上回った比較例Ｎｏ．２９はローラーピッチング疲労試験の寿命が４８０万回と短かった。試験後の試験片を調査した結果、これは粗大化した黒鉛を起点として亀裂が伝播して破損に至っていたことから、粗大化した黒鉛が原因で低寿命になったためである。発明において規定した黒鉛の平均サイズを上回った比較例Ｎｏ．３０はローラーピッチング疲労試験の寿命が８５０万回と短かった。試験後の試験片を調査した結果、これは粗大化した黒鉛を起点として亀裂が伝播して破損に至っていたことから、粗大化した黒鉛が原因で低寿命になったためである。これに対し、黒鉛化処理を行わず一般的な鋼に浸炭処理の施した比較例のＮｏ．３１は、対数減衰率が０．００７と低く騒音軽減特性に劣るものとなった。これは部品中に黒鉛が無いためである。黒鉛化処理を行わず一般的な鋼に浸炭処理と高周波焼入れ処理を施した比較例のＮｏ．３２は、対数減衰率が０．００７と低く騒音軽減特性に劣るものとなった。これは部品中に黒鉛が無いためである。黒鉛化処理を行わず一般的な鋼に浸炭窒化処理の施した比較例のＮｏ．３３は、対数減衰率が０．００７と低く騒音軽減特性に劣るものとなった。これは部品中に黒鉛が無いためである。黒鉛化処理を行わず一般的な鋼に浸炭窒化処理と高周波焼入れ処理を施した比較例のＮｏ．３４は、対数減衰率が０．００７と低く騒音軽減特性に劣るものとなった。これは部品中に黒鉛が無いためである。

Claims (5)

1. 化学成分が、質量％で、
   Ｃ：０．１〜１．２％、
   Ｓｉ：０．５〜３．０％、
   Ｍｎ：０．１〜１．５％、
   Ｐ：０．０５％以下、
   Ｓ：０．００１〜０．３％、
   Ｏ：０．００５０％以下、
   Ｎ：０．００３〜０．０３％、
   を含有し、さらに、
   Ａｌ：０．００５〜０．２％、
   Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
   のうち１種または２種を含有し、
   残部が実質的に鉄と不可避不純物よりなる鋼からなり、
   表層に浸炭層または浸炭窒化層と高周波焼入れ層とを有し、窒化層を除く全断面に亙って、平均粒径が０．１〜１０μｍであり、最大粒径が２０μｍ以下である黒鉛粒が存在することを特徴とする面圧疲労強度と低騒音性に優れた浸炭高周波焼入れ鋼部品。
2. さらに、化学成分が質量％で、
   Ｖ：０．０１〜０．３％、
   Ｎｂ：０．０１〜０．３％
   の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１記載の面圧疲労強度と低騒音性に優れた浸炭高周波焼入れ鋼部品。
3. さらに、化学成分が質量％で、
   Ｎｉ：０．２〜３．０％、
   Ｃｕ：０．２〜３．０％、
   Ｃｏ：０．２〜３．０％
   の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２記載の面圧疲労強度と低騒音性に優れた浸炭高周波焼入れ鋼部品。
4. さらに、化学成分が質量％で、
   Ｃｒ：０．０５〜０．４％、
   Ｍｏ：０．０５〜０．４％、
   Ｗ：０．０５〜０．４％、
   Ｂ：０．０００６〜０．００５０％
   の１種また２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の面圧疲労強度と低騒音性に優れた浸炭高周波焼入れ鋼部品。
5. 鋼部品が、歯車、無段変速機のシーブ、等速ジョイントのトリポード、またはハブのいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の面圧疲労強度と低騒音性に優れた浸炭高周波焼入れ鋼部品。