JP2011111637A

JP2011111637A - 鋼材の処理方法

Info

Publication number: JP2011111637A
Application number: JP2009266917A
Authority: JP
Inventors: Kiyohiko Nozaki; 崎精彦野; Kazuhiro Hirakawa; 川和宏平; Makoto Taguchi; 口誠田
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-06-09

Abstract

【課題】鋼材の疲労強度を向上することが出来る処理方法の提供。
【解決手段】炭素量０．１５％〜０．７０％の鋼材に焼入れ処理を施す工程（Ｓ１）と、２５０℃〜３００℃で２時間以上加熱して焼き戻し処理を行ない、組織中のオーステナイトをマルテンサイトに変態せしめる熱処理工程（Ｓ２）と、ショットピーニングを行なう工程（Ｓ３）とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼材の熱処理に関する。より詳細には、本発明は、例えば自動車用トランスミッションのギヤのように、大きな曲げや捩じり及び転動負荷に曝されるような機器の材料である鋼材の熱処理に関する。

自動車用トランスミッションのギヤのように、常時大きな曲げ、捩じり、及び転動（ピッチング）負荷が作用する鋼製品は、疲労強度を向上させる目的で、浸炭焼入れ処理や、浸炭窒化焼入れ処理を行った後に、１５０℃〜２５０℃で焼きならし処理を行っている。
ここで、浸炭焼入れ処理や、浸炭窒化処理の後、金属製品にショットピーニングを施す場合があるが、ショットピーニングにより金属製品の表面近傍に付加された圧縮残留応力は、３５０℃程度の加熱処理によってほぼ完全に開放されてしまう。
そのため、ショットピーニングを施した後に、３５０℃程度の焼き戻しを行った場合には、係るショットピーニングによる疲労強度向上の効果は小さいことが分かっている。

近年、エンジンの高トルク化に伴い、自動車用トランスミッションで用いられる浸炭窒化処理を施したギヤの様な鋼製品では、疲労強度をより向上させることが要請されている。
ここで、高濃度の炭素環境において浸炭焼入れ熱処理を行うこと（いわゆる「高濃度浸炭焼入れ熱処理）を行うことも考えられるが、上述した要請に十分に応えるだけの疲労強度は得られていない。

また、疲労強度向上のため金属表面に窒素を浸入させる窒化法と、上述の高濃度浸炭焼入れ熱処理とを組み合わせた処理、いわゆる「高濃度浸炭窒化焼入れ処理」も存在する。
図８（常温疲労線図）で示すように、高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労強度は、公知の浸炭焼入れ処理が為された鋼材（例えば、ＳＣＭ４２０Ｈ浸炭鋼材）の疲労強度よりも向上している。
ここで、高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労強度特性は、図８において、「高濃度浸炭窒化材」或いは「常温高濃度浸炭窒化品」と表示されており、その特性は「◆」のプロットで示されている。
また、公知の浸炭焼入れ処理が為された鋼材の疲労強度特性は、図８では、「現行浸炭焼入れ材」或いは「常温：現行ＳＣＭ４２０Ｈ浸炭」と表示されており、「■」のプロットで示されている。

しかし、図８で示すように、常温において、繰り返し数が多い領域では、高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労強度は、高濃度浸炭焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労強度を上回っているが、繰り返し数が少ない領域では下回っている。
なお、高濃度浸炭焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労強度特性は、図８では、「高濃度浸炭材」或いは「常温高濃度浸炭品」と表示されており、「●」のプロットで示されている。

同様に、図９（高温疲労線図）で示すように、高温の疲労試験の結果においても、繰返し数が多い領域では、高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の（高温における）疲労強度は、高濃度浸炭焼入れ処理が為された鋼材の（高温における）疲労強度を上回っているが、繰り返す数が少ない領域では下回っている。
すなわち、高濃度浸炭窒化焼入れ処理は、常温及び高温においては、繰返し回数によっては、高濃度浸炭焼入れ処理が為された場合よりも、疲労強度が劣る場合が存在する。
ここで、高濃度浸炭窒化焼入れ処理が為された鋼材の高温における疲労強度特性は、「高濃度浸炭窒化材」或いは「高温：高濃度浸炭窒化品」と表示されており、その特性は「●」のプロットで示されている。
そして、高濃度浸炭焼入れ処理が為された鋼材の高温における疲労強度特性は、「高濃度浸炭材」或いは「高温：高濃度浸炭品」と表示されており、「◆」のプロットで示されている。

なお、図８、図９で示す疲労強度特性は、ＪＩＳＺ２２７３「金属材料疲れ試験方法通則」、ＪＩＳＺ２２７４「金属材料回転曲げ疲れ試験方法」に係る疲労破壊試験を行なうことにより得られた。

これに加えて、高濃度浸炭窒化焼入れ処理を行った場合には、鋼材表面にオーステナイト（残留オーステナイト）が多量に析出してしまう。オーステナイトは不完全焼入れ組織であり、疲労強度を低下させてしまうので、所望の疲労強度を得ることが出来ない。

その他の従来技術として、すべりを伴う接触疲労が存在する条件下、または潤滑油が希薄な環境下においても、優れた耐摩耗性と耐焼付き性、及び転動疲労寿命を有する浸炭軸受け部品が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、この従来技術（特許文献１）では、素材の条件が厳密に定められていることに加えて、その用途が軸受部品に限定されているので、上述した問題を解決することはできない。

また、耐曲げ疲労特性と耐ピッチング特性に優れた浸炭部品又は浸炭窒化部品の提供がなされている（例えば特許文献２参照）。
ところが、係る従来技術（特許文献２）では、素材の条件が限定されており、浸炭窒化部品全般の疲労強度を向上させることが困難であった。

さらに、真空浸炭窒化方法に関する従来技術や（例えば特許文献３）、ガス浸炭方法、ガス浸炭窒化方法及び表面処理装置に関する従来技術（例えば特許文献４参照）が提案されているが、何れも上述した問題点を解消するものではない。

特開２００６−９７０９６号公報特開２００８−８８５３６号公報国際公開第２００３／０５０３２１号パンフレット特開２００５−１２０４０４号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、鋼材の疲労強度を向上することが出来る鋼材の熱処理方法の提供を目的としている。

発明者は、種々の研究の結果において、浸炭窒化処理を施した鋼材を所定時間以上で且つ一定の温度で熱処理（焼き戻し）を行うと、低サイクルから高サイクルに亘る全ての範囲において疲労強度が向上することを見出した。
それと共に、発明者は、ショットピーニングが鋼材の各種強度を向上することに着目した。
本発明は、係る知見に基づいて提案されたものである。

本発明の鋼材の熱処理方法は、炭素量０．１５％〜０．７０％の鋼材に窒素及び炭素を浸入させる処理を施す工程（Ｓ１）と、２５０℃〜３００℃で２時間以上加熱して焼き戻し処理を行い、組織中のオーステナイト（の９９．５％以上、より詳細には９９．８％以上）をマルテンサイトに変態せしめる熱処理工程（Ｓ２）と、（粒径０．６〜１．２ｍｍのショット粒を用いて）ショットピーニングを行う工程（Ｓ３）とを有することを特徴としている。

ここで、ショットピーニング工程（Ｓ３）は、はずみ車により（粒径が０．６〜１．２ｍｍの）ショット粒を噴射するインペラショット、或いは、エアによってショット粒を噴射するエアショットにより行なわれるのが好ましい。
そして、ショットピーニング工程（Ｓ３）では、その強度を表すアークハイト（ショットピーニング強度測定法：ＳＡＥＪ４４２ａによる）０．４ｍｍ（Ａタイプ）以上で行なわれるのが好ましい。

本発明の実施に際して、前記窒素及び炭素を浸入させる処理を施す工程（Ｓ１）では、高濃度浸炭窒化焼入れ処理を施し、鋼材表面に炭素を１．０％以上、窒素を１．０％弱だけ浸入させるのが好ましい。
ここで、高濃度浸炭窒化焼入れは、浸炭窒化焼入れよりも炭素濃度と窒素濃度を高濃度にして行なわれる焼入れである。また、浸炭窒化法は、熱ガス雰囲気中に鋼合金と炭素を置くことにより、鋼合金が炭素と窒素を同時吸収する表面硬化法である。
換言すれば、炭素焼入層に炭化物を析出させるのが高濃度浸炭窒化処理であり、炭素焼入層に炭化物を析出させないのが浸炭窒化処理である。
なお、本明細書では、高濃度浸炭窒化処理を「高濃度浸炭窒化焼入れ」、「高濃度浸炭窒化」と表示する場合がある。また、浸炭窒化処理を「浸炭窒化焼入れ」或いは「浸炭窒化」と表示する場合がある。

或いは、本発明において、前記窒素及び炭素を浸入させる工程（Ｓ１）では、浸炭窒化焼入れ処理を施し、鋼材表面に炭素を０．７〜１．２％、窒素を０．２〜１．０％浸入させるのが好ましい。

上述した構成を具備する本発明によれば、鋼材に窒素及び炭素を浸入させる処理を施す工程（Ｓ１）と、２５０℃〜３００℃で２時間以上加熱して焼き戻し処理（Ｓ２）を行うことにより、熱処理（焼き戻し処理）後の組織において、不完全焼入れ組織であるオーステナイトの殆ど（９９．５％以上、より詳細には９９．８％以上）を、焼入れ組織であるマルテンサイトに変態せしめ、その結果、鋼材における曲げ、捩じり及び転動（ピッチング）に対する疲労強度を向上させることが出来る。

これに加えて、本発明によれば、（粒径０．３〜１．２ｍｍの）ショット粒を用いてショットピーニング工程（Ｓ３）を行って、鋼材表面から比較的深い領域の圧縮残留応力積分値のピークを形成する。その結果、鋼材表面から一定の深さ（例えば、１５０μｍ）までの領域における圧縮残留応力積分値を増加させることが出来る。
ここで、圧縮残留応力積分値と疲労強度には相関関係があり（図３参照）、本発明では、鋼材表面から一定の深さ（例えば、１５０μｍ）までの領域における圧縮残留応力積分値を増加させているので、当該領域における鋼材の疲労強度が向上する。

本発明の第1実施形態に係る処理方法を示すフローチャートである。実験例１に係る鋼材の常温における疲労線図である。材料表面から１５０μｍの深さまでの領域における圧縮残留応力値の大きさと１０^６回の疲労強度との関係を示す特性図である。実験例１に係る鋼材のショットピーニング処理後における鋼材表面からの深さと圧縮残留応力分布との関係を示す特性図である。本発明の第２実施形態に係る処理方法を示すフローチャートである。実験例８に係る鋼材の３００℃における疲労線図である。実験例８に係る鋼材のショットピーニング処理後における鋼材表面からの距離と圧縮残留応力分布との関係を示す特性図である。従来技術に係る鋼材の常温における疲労線図である。従来技術に係る鋼材の高温における疲労線図である。

以下、添付図面をも参照して、本発明の実施形態について説明する。
先ず、図１〜図４に基づいて、第1実施形態を説明する。
図１は、第１実施形態に係る鋼材処理方法の手順を示している。
図１において、第１実施形態に係る鋼材の処理方法は、高濃度浸炭窒化処理工程Ｓ１、焼き戻し処理工程Ｓ２、ショットピーニング処理工程Ｓ３を有している。
ここで、高濃度浸炭窒化処理工程Ｓ１は、窒素及び炭素を浸入させる処理を施す工程である。

第１実施形態では、高濃度浸炭窒化処理工程Ｓ１は、炭素量０．１５％〜０．７０％の鋼材に対して施させる。そして、焼き戻し処理工程Ｓ２において、２５０℃〜３００℃で２時間以上加熱して焼き戻し処理を行ない、組織中のオーステナイト（の９９．５％以上、より詳細には９９．８％以上）をマルテンサイトに変態せしめる。
ここで、炭素焼入層に炭化物を析出させるのが高濃度浸炭窒化処理であり、炭素焼入層に炭化物を析出させないのが浸炭窒化処理である。高濃度浸炭窒化処理と浸炭窒化処理において、鋼の表面に浸入する窒素量は１．０％弱である。
第１実施形態における高濃度浸炭窒化処理工程Ｓ１では、鋼材表面への炭素の浸入量は１．０％以上、窒素の浸入量は１．０％弱である。

第１のショットピーニング処理工程Ｓ３では、例えば粒径が０．３〜１．２ｍｍ）のショット粒を用いてショットピーニングを行う。ここで、ショットピーニング工程Ｓ３では、例えば粒径が０．３〜１．２ｍｍのショット粒を鋼材表面に衝突させて、鋼材表面から比較的深い領域（例えば、鋼材表面から７５μｍ程度）に圧縮残留応力積分値のピークを形成する。

ショットピーニング工程Ｓ３は、はずみ車によりショット粒を噴射するインペラショット、或いは、エアによってショット粒を噴射するエアショットにより行なわれるのが好ましい。
そして、ショットピーニング工程Ｓ３では、その強度を表すアークハイト（ショットピーニング強度測定法：ＳＡＥＪ４４２ａによる）０．４ｍｍ（Ａタイプ）以上で行なわれるのが好ましい。

［実験例１］
実験例１では、炭素量０．２％の合金に対して、鋼材表面に炭素を１．５％、窒素を０．６％浸入させる高濃度浸炭窒化処理を行った。
そして、係る高濃度浸炭窒化処理を行った合金鋼に対して、３００℃で２時間加熱して、焼き戻し処理を行った。
ここで、炭素焼入層に炭化物を析出させるのが高濃度浸炭窒化処理であり、炭素焼入層に炭化物を析出させないのが浸炭窒化処理である。高濃度浸炭窒化処理と浸炭窒化処理において、鋼の表面に浸入する窒素量は１．０％弱である。
焼き戻し処理後、粒径０．８ｍｍのショット粒を用いて、インペラショットによりショットピーニングを行った。
この様にして製造された鋼材について、常温で、ＪＩＳＺ２２７３「金属材料疲れ試験方法通則」、ＪＩＳＺ２２７４「金属材料回転曲げ疲れ試験方法」に係る常温における疲労破壊試験を行った。疲労破壊試験の結果として得られた疲労破壊特性は、図２で示されている。

図２において、実験例１に係る鋼材の疲労破壊特性は、「○」のプロットで示されており、「本発明」或いは「本発明品」なる表示が付されている。
図２では、比較のために、ＳＣＭ４２０Ｈ浸炭鋼の常温における疲労破壊特性と、公知の高濃度浸炭焼入れ処理が為された鋼材の常温における疲労破壊特性と、公知の高濃度浸炭窒化焼入れ処理を行った後、ショットピーニングを施した鋼材の常温における疲労破壊特性とが示されている。

図２において、ＳＣＭ４２０Ｈ浸炭鋼（焼き戻し処理もショットピーニングも施されていない鋼材）の疲労強度特性は、「現行浸炭焼入れ材」或いは「常温：現行ＳＣＭ４２０Ｈ浸炭」と表示されており、「■」のプロットで示されている。
公知の高濃度浸炭焼入れ処理が為された鋼材（焼き戻し処理もショットピーニングも施されていない鋼材）の常温における疲労破壊特性は、「高濃度浸炭材」或いは「常温高濃度浸炭品」と表示されており、「●」のプロットで示されている。
公知の高濃度浸炭窒化焼入れ処理を行って、ショットピーニングを施した鋼材（焼き戻し処理が施されていない鋼材）の、常温における疲労破壊特性は、「高濃度浸炭窒化＋ショットピーニング」或いは「高濃度浸炭窒化＋ショットピーニング品」と表示されており、「◆」のプロットで示されている。

図２から明らかな様に、実験例１に係る鋼材は、比較例であるＳＣＭ４２０Ｈ浸炭鋼、高濃度浸炭材、高濃度浸炭窒化焼入れ処理を行ってショットピーニングを施した鋼材の何れよりも、繰返し数Ｎが少ない領域から繰返し数Ｎが多い領域に亘って、疲労強度が向上している。
高濃度浸炭窒化焼入れ処理を行って、ショットピーニングを施した鋼材（焼き戻し処理が施されていない鋼材：「◆」のプロット）に比較して、実験例１に係る鋼材（「○」のプロット）の疲労強度が向上しているのは、実験例１に係る鋼材が、高濃度浸炭窒化処理を行った後、３００℃で２時間加熱して焼き戻し処理を行って、不完全焼入れ組織（残留オーステナイト）をマルテンサイトに組織変化（変態）させていることが一因であると推定される。
また、実験例１に係る鋼材は、３００℃で２時間加熱して焼き戻し処理を行った後に、ショットピーニングを施しているので、ショットピーニング加工により実験例１に係る鋼材における圧縮残留応力積分値が増加して、疲労強度が向上した、と推定される。

ここで、圧縮残留応力積分値が増加すれば、疲労強度が向上することは、図３から明らかである。
図３は、鋼材の表面から１５０μｍまでの圧縮残留応力積分値（ＭＰａ・ｍｍ）と、１０^６回の疲労強度（ＭＰａ）との関係を示した特性図である。
図３において、鋼材の表面から１５０μｍまでの圧縮残留応力積分値（ＭＰａ・ｍｍ）と、１０^６回の疲労強度（ＭＰａ）との間には、比例関係が概略成立している。すなわち、１５０μｍまでの圧縮残留応力積分値（ＭＰａ・ｍｍ）が高ければ、１０^６回の疲労強度（ＭＰａ）は向上する。
このことから、圧縮残留応力積分値が増加して、疲労強度が向上することが明らかである。
なお、図３では、常温における疲労試験のデータ（「●」）と、３００℃（高温）における疲労試験のデータ（「■」）の双方を用いている。すなわち、常温であっても、高温（３００℃）であっても、圧縮残留応力積分値が増加すれば、疲労強度が向上するのである。

ショットピーニングを施すことにより、圧縮残留応力が増加することは、図４から明らかである。
図４は、実験例１に係る鋼材の表面から１５０μｍの深さまでの、ショットピーニング処理後の圧縮残留応力の分布を示している。
図４において、比較対象である高濃度浸炭窒化焼入れのみでショットピーニングを施さない鋼材（「□」のプロット）の残留応力値に比較して、高濃度浸炭窒化焼入れ後にショットピーニング処理を施した鋼材（「◆」のプロット）と、実験例１に係る鋼材（高濃度浸炭窒化焼入れ後に３００℃で２時間焼き戻しして、その後ショットピーニング処理した鋼材：「○」のプロット）は、何れも、残留応力値の絶対値が増加している。

ここで図４では、残留応力値は圧縮応力であり、符号は「マイナス」となる。そのため、図４において残留応力（圧縮応力）値が大きいということは、絶対値が大きいことであり、図４においては特性曲線が下方に位置することになる。
図４において、ショットピーニング処理を施していない鋼材の特性曲線（「□」のプロット）に対して、ショットピーニング処理を施した鋼材の特性曲線（「◆」のプロットと、実験例１に係る鋼材における「○」のプロット）は、下方に位置しており、残留応力（圧縮応力）の絶対値が大きい。
図２で示す実験例１の結果において、実験例１に係る鋼材（本発明品）の疲労強度（図２の「○」のプロット）が向上した原因として、ショットピーニングによる圧縮残留応力の増加が推定されるのは、図２の結果から妥当である。

［実験例２］
実験例２では、焼き戻し処理における加熱温度を、２３０℃〜３２０℃まで、１０℃ずつ変化させて、実験例１と同様な条件で疲労破壊特性を求めた。
その結果が、下表１に示されている。
なお、表１では、加熱温度３００℃の場合を示していない。係る場合の疲労強度は、実験例１と同一となったからである。
表１

表１において、「○」印は、実験例１に係る鋼材（加熱温度３００℃）と同程度か、それ以上の疲労強度を有していたことを意味している。
一方、「×」印は、実験例１に係る鋼材（加熱温度３００℃）に比較して、疲労強度が有意に劣っていたことを意味している。
表１より、本発明における熱処理（焼き戻し処理）における加熱温度は、２５０℃〜３００℃が好適であることが理解される。

実験例１の処理を行うと、疲労強度が向上した鋼材表面は、疲労強度を低下される不完全焼入れ組織であるオーステナイトが、９９．８％以上が焼入れ組織であるマルテンサイトに変態した。
これに対して、焼き戻し処理時の温度が低いと（２５０℃未満）、硬質の微小窒化物の析出が進行せず、且つ、オーステナイトからマルテンサイトへの変態が進行せず、そのため、疲労強度が向上しなかったと推定される。
一方、焼き戻し温度が高いと（３００℃よりも高温）、硬質の微小窒化物は析出するが、マルテンサイト自体が高温のため焼き戻されてしまうので、硬度が低下して、疲労強度も低下してしまう。そのため、疲労強度が向上しなかったと推定される。

［実験例３］
実験例３では、焼き戻し処理における加熱時間を、１時間〜５時間まで、０．５時間刻みで変化させて、実験例１と同様な条件で疲労破壊特性を求めた。
その結果が、下表２に示されている。
なお、表２で加熱時間が２時間の場合を示していないのは、実験例１と同一条件となるからである。
表２

表２において、「○」印は、実験例１に係る鋼材（加熱時間２時間）と同程度かそれ以上の疲労強度を有していたことを意味している。
一方、「×」印は、実験例１に係る鋼材（加熱時間２時間）に比較して、疲労強度が有意に劣っていたことを意味している。
表２より、本発明における熱処理（焼き戻し処理）における加熱時間は、２時間以上であれば良いことが理解される。
焼き戻し時間が短過ぎると（２時間未満）、硬質の微小窒化物の析出が進行せず、且つ、熱処理（焼き戻し）が十分に為されず、オーステナイトからマルテンサイトへの変態が進行しないため、疲労強度が向上しなかったと推定される。

ここで、加熱時間が長くなり過ぎると、疲労強度の点では問題がないが、加熱処理の効率と、加熱のためのエネルギー消費、その他のコストの点で、不都合である。
発明者の試算によると、熱処理時間（加熱時間、焼き戻し処理の時間）が５時間を超える場合には、上述した効率及びコストの点から、適正ではないことが明らかになった。
従って、本発明における熱処理（焼き戻し処理）における加熱時間は、２時間〜５時間が適正であると云える。

［実験例４］
実験例４では、実施形態に係る処理を行う以前の合金鋼の炭素量を０．１０％〜０．８０％の範囲で、０．０５％刻みで変化させて、実験例１と同様な条件で疲労破壊特性を求めた。
その結果が、下表３に示されている。
なお、表３で合金鋼の炭素量が０．２０％の場合を示していないのは、実験例１と同一条件となるからである。
表３

表３において、「○」印は、実験例１に係る鋼材（合金鋼の炭素量が０．２％）と同程度かそれ以上の疲労強度を有していたことを意味している。
一方、「×」印は、実験例１に係る鋼材（合金鋼の炭素量が０．２％）に比較して、疲労強度が有意に劣っていたことを意味している。
なお、表３では、合金鋼の炭素量が０．３５％〜０．６０％については、何れも実験例１に係る鋼材（合金鋼の炭素量が０．２％）と同程度かそれ以上の疲労強度を有していた（表３における「○」印）ので、表示を省略した。
表３より、本発明における熱処理（焼き戻し処理）を行う以前の合金鋼の炭素量は、０．１５％〜０．７０％が好適であることが理解される。

［実験例５］
実験例５では、合金鋼に対して高濃度浸炭窒化処理を行うに際して、鋼材表面に浸入させる炭素量を０．５％〜２．０％の範囲では０．５％刻みで変化させ、２．０％〜２．５％の範囲では０．１％刻みで変化させて、実験例１と同様な条件で疲労破壊特性を求めた。
その結果が、下表４に示されている。
なお、表４で炭素浸入量が１．５％の場合を示していないのは、実験例１と同一条件となるからである。
表４

表４において、「○」印は、実験例１に係る鋼材（炭素浸入量が１．５％）と同程度かそれ以上の疲労強度を有していたことを意味している。
一方、「×」印は、実験例１に係る鋼材（炭素浸入量が１．５％）に比較して、疲労強度が有意に劣っていたことを意味している。
表４及び実験例１（炭素浸入量が１．５％）より、本発明における熱処理（焼き戻し処理）を行う以前の浸炭窒化処理における炭素浸入量は、１．０％以上が適当であることが理解される。

［実験例６］
実験例６では、合金鋼に対して高濃度浸炭窒化処理を行うに際して、鋼材表面に浸入させる素量を０％〜１．２％の範囲で、０．１％刻みで変化させて、実験例１と同様な条件で疲労破壊特性を求めた。
その結果が、下表５に示されている。
表５

表５においても、「○」印は、実験例１に係る鋼材（窒素浸入量が０．６％）と同程度かそれ以上の疲労強度を有していたことを意味している。
表５で示す結果からは、本発明における熱処理（焼き戻し処理）を行う以前の浸炭窒化処理における窒素浸入量は、０．２％〜０．９％が適正であることが分かった。換言すれば、「１．０％弱」については、「０．２％〜０．９％」であることが確認された。
窒素浸入量が１．０％以上の場合は、残留オーステナイトが大量に析出し、疲労強度を低下させる結果になったと推定される。

なお、実験例５、実験例６において、発明者は、高濃度浸炭窒化処理において、鉄鋼中に含有可能な炭素量及び窒素量（炭素浸入量及び窒素浸入量）は、現実的には、合計で約３．０％が限度であることを見出した。
炭素及び窒素を鋼材表面に固容させ、その総量が約３．０％を超えると飽和して、余剰な窒素がボイド（ブローホールｅｔｃ．）として鋼材表面付近に存在する様になる。これは、一種の材料欠陥（不良）であり、そのため、鋼材の強度を低下する原因となる。

［実験例７］
実験例７では、実験例１の合金鋼（鋼材）に２段ショットピーニングを行なう際に、ショットピーニング処理で用いるショット粒の粒径を、０．２ｍｍ〜１．８ｍｍの範囲で、０．２ｍｍ刻みで変化させた。そして、実験例１と同様な疲労破壊試験を行って、疲労破壊特性を求めた。
その結果が、下表６に示されている。
なお、表６でショット粒径が０．８ｍｍの場合を示していないのは、実験例１と同一条件となるからである。
表６

表６において、「○」印は、実験例１に係る鋼材（ショット粒径が０．８ｍｍ）と同程度かそれ以上の疲労強度を有していたことを意味している。
一方、「×」印は、実験例１に係る鋼材（ショット粒径が０．８ｍｍ）に比較して、疲労強度が有意に劣っていたことを意味している。
表６で示す結果からは、本発明における第１段のショットピーニングのショット粒径は、０．６ｍｍ〜１．２ｍｍが適正であることが分かった。

次に、図５〜図６を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。
図５において、浸炭窒化処理工程Ｓ１Ａは、炭素量０．１５％〜０．７０％の鋼材に対して施させる。そして、焼き戻し工程Ｓ２Ａにおいて、２５０℃〜３００℃で２時間以上加熱して焼き戻し処理を行い、組織中のオーステナイト（の９９．５％以上、より詳細には９９．８％以上）をマルテンサイトに変態せしめる。ここで、浸炭窒化処理工程Ｓ１Ａは、窒素及び炭素を浸入させる処理を施す工程である。
ショットピーニング処理工程Ｓ３Ａでは、例えば粒径０．６〜１．２ｍｍのショット粒を用いてショットピーニングを行う。

ここで、第２実施形態における浸炭窒化処理工程Ｓ１Ａでは、鋼材表面に炭素を０．７〜１．２％、窒素を０．２〜１．０％浸入させている。
換言すれば、第１実施形態と第２実施形態では、窒素及び炭素を浸入させる処理を施す工程において、炭素及び窒素を鋼材へ浸入させる量が相違している。

［実験例８］
実験例８では、炭素量０．２％の合金に対して、窒素及び炭素を浸入させる処理として、鋼材表面に炭素を０．８％、窒素を０．５％浸入させる浸炭窒化処理を行った。
そして、係る浸炭窒化処理を行った合金鋼に対して、３００℃で２時間加熱して、焼き戻し処理を行った。
焼き戻し処理後、粒径０．８ｍｍのショット粒を用いて、インペラショットにより、ショットピーニングを行った。
この様にして製造された鋼材について、常温で、ＪＩＳＺ２２７３「金属材料疲れ試験方法通則」、ＪＩＳＺ２２７４「金属材料回転曲げ疲れ試験方法」に係る常温における疲労破壊試験を行った。疲労破壊試験の結果として得られた疲労破壊特性は、図６で示されている。

図６において、実験例８に係る鋼材の高温（３００℃）における回転曲げの疲労破壊特性は、「○」のプロットで示されており、「本発明」或いは「本発明品」なる表示が付されている。
ここで、図６では、比較のために、３００℃で２時間焼き戻しを施した浸炭窒化材であるが、ショットピーニングは施されていない浸炭窒化材（「●」のプロット：「浸炭窒化材」或いは「３００℃浸炭窒化品」と表示）の疲労破壊特性と、ショットピーニングを施した浸炭窒化材であるが、焼き戻し処理がされていない浸炭窒化材（「◆」のプロット：「浸炭窒化材+ショットピーニング」）の疲労破壊特性も示されている。

図６から明らかな様に、実験例８に係る鋼材（「○」のプロット）は、２段ショットピーニングは施されていない浸炭窒化材（「●」のプロット）と、焼き戻し処理がされていない浸炭窒化材（「◆」のプロット）に対して、繰返し数Ｎが少ない領域から繰返し数Ｎが多い領域に亘って、疲労強度が向上している。
焼き戻し処理がされていない浸炭窒化材（「◆」のプロット：「浸炭窒化材+２段ショットピーニング」）に比較して、その差は大きくはないものの、実験例８に係る鋼材（「○」のプロット）の疲労強度が向上しているのは、実験例８に係る鋼材は３００℃で２時間焼き戻しを行ったため、残留オーステナイト組織がマルテンサイト組織に変態したため、疲労強度が幾分向上したと推定される。
また、ショットピーニングは施されていない浸炭窒化材（「●」のプロット）に比較して、実験例８に係る鋼材（「○」のプロット）の疲労強度が向上しているのは、実験例８に係る鋼材はショットピーニングを施工しているため、圧縮残留応力積分値が増加したことが一因であると推定される。

ショットピーニングを施すことにより、圧縮残留応力が増加することは、図７から明らかである。
図７において、浸炭窒化焼入れのみでショットピーニングを施さない鋼材（「□」のプロット：比較対象）の残留応力値に比較して、浸炭窒化焼入れ後にショットピーニング処理を施した鋼材（「◆」のプロット）と、実験例８に係る鋼材（浸炭窒化焼入れ後に３００℃で２時間焼き戻して、その後ショットピーニング処理した鋼材：「○」のプロット）は、何れも、残留応力値の絶対値が増加している。

図７においても、残留応力値は圧縮応力であり、符号は「マイナス」となる。図７においても、残留応力（圧縮応力）値が大きいということは絶対値が大きいことであり、図７においては特性曲線が下方に位置することになる。
図７において、ショットピーニング処理を施していない鋼材の特性曲線（「□」のプロット）に対して、ショットピーニング処理を施した鋼材の特性曲線（「◆」のプロットと、実験例８に係る鋼材における「○」のプロット）は、下方に位置しており、残留応力（圧縮応力）の絶対値が大きい。
図６で示す実験例８の結果において、実験例８に係る鋼材の疲労強度（図６の「○」のプロット）が向上した原因として、ショットピーニングによる圧縮残留応力の増加が推定されるのは、図７の結果から妥当である。

［実験例９］
実験例９では、合金鋼に対して浸炭窒化処理を行うに際して、鋼材表面に浸入させる炭素量を０．５％〜１．４％の範囲で、０．１％刻みで変化させて、実験例８と同様な条件で疲労破壊特性を求めた。
その結果が、下表７に示されている。
なお、表７で炭素浸入量が０．８％の場合を示していないのは、実験例８と同一条件となるからである。
表７

表７において、「○」印は、実験例８に係る鋼材（炭素浸入量０．８％）と同程度かそれ以上の疲労強度を有していたことを意味している。
一方、表７における「×」印は、実験例８に係る鋼材に比較して、疲労強度が有意に劣っていたことを意味している。
表７で示す実験例９の結果から、浸炭窒化処理における炭素浸入量は、０．７０％〜１．２％が適正であることが理解される。

［実験例１０］
実験例１０では、合金鋼に対して浸炭窒化処理を行うに際して、鋼材表面に浸入させる窒素量を０．１％〜１．２％の範囲で、０．１％刻みで変化させて、実験例８と同様な条件で疲労破壊特性を求めた。
その結果が、下表８に示されている。
なお、表８で窒素浸入量が０．５％の場合を示していないのは、実験例８と同一条件となるからである。
表８

表８においても、「○」印は、実験例８に係る鋼材（窒素浸入量が０．５％）と同程度かそれ以上の疲労強度を有していたことを意味している。
一方、表８における「×」印は、実験例８に係る鋼材に比較して、疲労強度が有意に劣っていたことを意味している。
表８で示す実験例１０の結果から、浸炭窒化処理における窒素浸入量は、０．２％〜１．０％が適正であることが理解される。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない。

Claims

炭素量０．１５％〜０．７０％の鋼材に窒素及び炭素を浸入させる処理を施す工程と、２５０℃〜３００℃で２時間以上加熱して焼き戻し処理を行い、組織中のオーステナイトをマルテンサイトに変態せしめる熱処理工程と、ショットピーニングを行う工程とを有することを特徴とする鋼材の熱処理方法。
前記窒素及び炭素を浸入させる処理を施す工程では、高濃度浸炭窒化焼入れ処理を施し、鋼材表面に炭素を１．０％以上、窒素を１．０％弱だけ浸入させる請求項１の鋼材の熱処理方法。
前記窒素及び炭素を浸入させる処理を施す工程では、浸炭窒化焼入れ処理を施し、鋼材表面に炭素を０．７〜１．２％、窒素を０．２〜１．０％浸入させる請求項１の鋼材の熱処理方法。