JP2021091957A - 摺動部品用鋼材及び摺動部品用鋼材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動性及び加工性に優れた摺動部品用鋼材を提供する。【解決手段】摺動部品用鋼材は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．６５％、Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、Ｍｎ：０．４０〜１．７０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０７０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００１〜０．０２０％、Ｃｒ：０〜０．３５％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、少なくとも表面から１０μｍの深さまでの組織が、体積分率で３０〜８０％のパーライトと、マルテンサイト及びベイナイトの少なくとも一方と、フェライトとを含む組織である部分を含み、前記部分において、少なくとも表面から１０μｍの深さまでの前記パーライトのラメラ間隔が、９０〜２００ｎｍであり、前記部分において、少なくとも表面から１０μｍの深さまでのビッカース硬さが、Ｈｖ２７０〜３００である。【選択図】図１

Description

本発明は、摺動部品用鋼材及び摺動部品用鋼材の製造方法に関する。

鉄鋼材料は、自動車用部品、鉄道車両用部品、建築部材、パイプ等の工業製品に広く用いられている。鉄鋼材料は、他の金属材料に比べて機械的強度が高いため、歯車やシャフト等、動力伝達部品に代表される、所謂、摺動部品の材料として用いられる。

摺動部品の最大の課題は、部品同士の摩擦や摩耗であり、これらは機械システム全体の不具合や低効率化の原因と考えられている。今後、機械システムの小型軽量化が進むことで、摺動部品の環境は一層厳しくなると予想される。例えば自動車のエンジン部品であるクランクシャフトでは、小型軽量化に伴って、より厳しい環境での耐焼付き性が要求される。これらの問題を解決するためには、現行よりも機械的強度に優る摺動部品用鋼材を開発し、機械システム全体の小型軽量化に備える必要がある。

摺動部品の機械的強度を向上させる方法として、鋼材の硬度を引き上げることが考えられる。しかし、鋼材の硬度を引き上げることは、鋼材の加工性を損なうことになり、部品量産時にはリスクを伴う。そのため、摺動部品の摺動性を向上させる方法として、表層のみを選択的に組織制御し、当該部のみを硬化させる方法が有効である。

例えば特開平１−２３０７４６号公報には、鋳鉄よりなる固定部材と、鋳鉄より高硬度の材料よりなる摺動部材とを具備する摺動部品において、固定部材の表層組織を、マルテンサイト又はマルテンサイトとパーライトとフェライトと黒鉛との混相組織よりなる硬化層、及び酸化物からなる組織とすることが開示されている。

また、ＣｒやＭｏ等の金属元素を添加することによって組織の微細化や結晶強度を高めることによって、摩耗を抑制することも有効である。例えば特開２０１８−４４２２６号公報には、Ｃｒ：２．５〜３．５質量％、Ｍｏ：０．４〜０．６質量％を含む鉄合金粉末を用いた耐摩耗性鉄基焼結合金の製造方法が開示されている。また、特開２０１７−４８４４１号公報には、微細パーライト及びフェライトからなり、硬度がＨｖ２５０〜３００であるシームレス鋼管において、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、及びＮｂの一種又は二種以上を含有することで、強度が向上することが記載されている。

特許第５６６０２２０号公報には、炭化物の平均径が０．４μｍ以下であり、炭化物の球状化率が９０％以上であり、平均フェライト粒が１０μｍ以上である中炭素鋼板が開示されている。同公報には、巻取り後の鋼に含まれるパーライトの中のセメンタイトの平均ラメラ厚さを０．０２〜０．５μｍにすることも記載されている。

特開平１−２３０７４６号公報 特開２０１８−４４２２６号公報 特開２０１７−４８４４１号公報 特許第５６６０２２０号公報

特開平１−２３０７４６号公報は、鋳鉄からなる固定部材の表面の組織を制御したものであり、亜共析鋼に対して同様の技術を適用することはできない。特開２０１８−４４２２６号公報、特開２０１７−４８４４１号公報及び特許第５６６０２２０号公報は摺動部品用鋼材に関するものではなく、摺動性は不明である。

本発明の課題は、摺動性及び加工性に優れた摺動部品用鋼材を提供することである。本発明の他の課題は、摺動性及び加工性に優れた摺動部品用鋼材の製造方法を提供することである。

本発明の一実施形態による摺動部品用鋼材は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．６５％、Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、Ｍｎ：０．４０〜１．７０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０７０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００１〜０．０２０％、Ｃｒ：０〜０．３５％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、少なくとも表面から１０μｍの深さまでの組織が、体積分率で３０〜８０％のパーライトと、マルテンサイト及びベイナイトの少なくとも一方と、フェライトとを含む組織である部分を含み、前記部分において、少なくとも表面から１０μｍの深さまでの前記パーライトのラメラ間隔が、９０〜２００ｎｍであり、前記部分において、少なくとも表面から１０μｍの深さまでのビッカース硬さが、Ｈｖ２７０〜３００である。

本発明の一実施形態による摺動部品用鋼材の製造方法は、上記の摺動部品用鋼材を製造する方法であって、前記化学組成が、質量％で、Ｃ：０．４２〜０．４８％、Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００１〜０．０２０％、Ｃｒ：０〜０．３５％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、素材を７２０〜７７０℃の加熱温度に加熱する工程と、前記加熱温度から２５０℃までの温度域の平均冷却速度が４０．０〜５０．０℃／秒となるように前記素材を冷却する工程とを備える。

本発明の一実施形態による摺動部品用鋼材の製造方法は、上記の摺動部品用鋼材を製造する方法であって、前記化学組成が、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．４１％、Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、Ｍｎ：１．３５〜１．６５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０７０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００１〜０．０２０％、Ｃｒ：０〜０．３５％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、素材を７２０〜９５０℃の加熱温度に加熱する工程と、前記加熱温度から２５０℃までの温度域の平均冷却速度が２．０〜７．０℃／秒となるように前記素材を冷却する工程とを備える。

本発明によれば、摺動性及び加工性に優れた摺動部品用鋼材が得られる。

図１は、ボール・オン・ディスク型摩擦・摩耗試験の結果を示すグラフである。

本発明者らは、摺動性及び加工性に優れた鋼材を開発するため、各種鋼材の摺動性及び加工性を調査した。特に、鋼材の組織に着目し、組織ごとの摺動性及び加工性を調査した。その結果、以下の知見を得た。

ビッカース硬さがＨｖ２７０〜３００の鋼材が、最も良好な摩擦係数を示す。また、鋼材の組織は、パーライトと、マルテンサイト及びベイナイトの少なくとも一方と、フェライトとを含み、パーライトの体積分率が３０〜８０％である組織とすることが好適である。

硬質の組織であるマルテンサイト又はベイナイトを含むことにより、フェライト・パーライトからなる鋼材よりも硬さを高くすることができる。一方、硬さを高くしすぎると、加工性が低下することに加えて、摩擦係数も大きくなる。これは、靱性や延性の低下によって、耐摩耗性が低下するためと考えられる。

析出炭化物は、鋼材の硬さ及び加工性に影響するとともに、鋼材の摺動性にも影響する重要な因子である。鋼材の摺動性及び加工性を向上させるためには、パーライトのラメラ間隔を制御する必要がある。パーライトのラメラ間隔は、具体的には、硬さと摺動性とのバランスから、９０〜２００ｎｍにすることが好適である。

以上の知見に基づいて、本発明は完成された。以下、本発明の一実施形態による摺動部品用鋼材について詳述する。

［化学組成］
本実施形態による摺動部品用鋼材は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「％」は、質量％を意味する。

Ｃ：０．１５〜０．６５％
炭素（Ｃ）は、鋼の焼入れ性を高め、硬さの向上に寄与する。一方、Ｃ含有量が高すぎると、鋼の被削性が低下し、加工性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．１５〜０．６５％である。Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．２０％であり、さらに好ましくは０．２２％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．５０％であり、さらに好ましくは０．４８％である。

Ｓｉ：０．０５〜０．６０％
シリコン（Ｓｉ）は、脱酸作用及びフェライトを強化する作用を有する。一方、Ｓｉ含有量が高すぎると、鋼の被削性が低下し、加工性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０５〜０．６０％である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは０．５０％であり、さらに好ましくは０．３５％である。

Ｍｎ：０．４０〜１．７０％
マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼入れ性を高め、硬さの向上に寄与する。一方、Ｍｎ含有量が高すぎると、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．４０〜１．７０％である。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは０．５０％であり、さらに好ましくは０．６０％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは１．６０％であり、さらに好ましくは１．５０％である。

Ａｌ：０．００５〜０．０６０％
アルミニウム（Ａｌ）は、窒化物を形成し、結晶粒の微細化に寄与する。一方、Ａｌ含有量が高すぎると、鋼の被削性が低下し、加工性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．００５〜０．０６０％である。Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ａｌ含有量の上限は、好ましくは０．０５０％であり、さらに好ましくは０．０４５％である。

Ｎ：０．００１〜０．０２０％
窒素（Ｎ）は、窒化物や炭窒化物を形成し、結晶粒の微細化に寄与する。一方、Ｎ含有量が高すぎると、鋼の熱間延性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００１〜０．０２０％である。Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．００２％である。Ｎ含有量の上限は、好ましくは０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。

Ｐ：０．０３％以下
リン（Ｐ）は、不純物である。Ｐ含有量が高すぎると、鋼の疲労強度が低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０３％以下である。Ｐ含有量は、好ましくは０．０２５％以下であり、さらに好ましくは０．０２％以下である。

Ｓ：０．０７０％以下
硫黄（Ｓ）は、不純物である。Ｓ含有量が高すぎると、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０７０％以下である。Ｓ含有量は、好ましくは０．０６５％以下であり、さらに好ましくは０．０６０％以下である。Ｓは、鋼の被削性を向上させるために意図的に含有させる場合がある。この場合、Ｓ含有量の下限は、好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０３０％である。

本実施形態による摺動部品用鋼材の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここでいう不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから混入する元素、あるいは製造過程の環境等から混入する元素をいう。

本実施形態による摺動部品用鋼材の化学組成は、上述のＦｅの一部に代えて、Ｃｒを含有してもよい。Ｃｒは選択元素である。すなわち、本実施形態による摺動部品用鋼材の化学組成は、Ｃｒを含有していなくてもよい。

Ｃｒ：０〜０．３５％
クロム（Ｃｒ）は、鋼の焼入れ性を高め、硬さの向上に寄与する。Ｃｒが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Ｃｒ含有量が０．３５％を超えると、二相域が狭くなり、望ましい組織を得ることが困難になる。また、炭化物が析出しやすくなる。したがって、Ｃｒ含有量は０〜０．３５％である。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは０．２０％であり、さらに好ましくは０．１０％である。

本実施形態による摺動部品用鋼材は、一つの態様として、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．５５％、Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、Ｍｎ：０．４０〜１．２０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００１〜０．０２０％、Ｃｒ：０〜０．３５％、残部：Ｆｅ及び不純物であってもよい。

この態様の場合、Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．３５％であり、さらに好ましくは０．４２％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．５０％であり、さらに好ましくは０．４８％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは１．００％であり、さらに好ましくは０．９０％である。Ｓ含有量の上限は、好ましくは０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０２５％である。

本実施形態による摺動部品用鋼材は、別の態様として、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．４２〜０．４８％、Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００１〜０．０２０％、Ｃｒ：０〜０．３５％、残部：Ｆｅ及び不純物であってもよい。

本実施形態による摺動部品用鋼材は、別の態様として、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．４１％、Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、Ｍｎ：１．３５〜１．６５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０７０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００１〜０．０２０％、Ｃｒ：０〜０．３５％、残部：Ｆｅ及び不純物であってもよい。

［組織］
本実施形態による摺動部品用鋼材は、少なくとも表面から１０μｍの深さまでの組織が、体積分率で３０〜８０％のパーライトと、マルテンサイト及びベイナイトの少なくとも一方と、フェライトとを含む組織である部分を含む。

パーライトは、摺動中に加工硬化して耐摩耗性の向上に寄与する。パーライトの体積分率が低すぎると、この効果が十分に得られない。一方、パーライトの体積分率が高すぎると、マルテンサイトやベイナイト、フェライトの体積分率を確保することができず、硬度と加工性とのバランスを保つことが困難になる。そのため、パーライトの体積分率は３０〜８０％である。パーライトの体積分率の下限は、好ましくは３１％であり、さらに好ましくは３２％である。パーライトの体積分率の上限は、好ましくは７８％であり、さらに好ましくは７６％である。

マルテンサイト及びベイナイトは共に硬質組織であり、鋼の硬さ向上に寄与する。組織にマルテンサイト及びベイナイトのいずれもが全く含まれていない場合、ビッカース硬さをＨｖ２７０以上にすることが困難になる。マルテンサイトの体積分率とベイナイトの体積分率との合計の下限は、好ましくは３％であり、さらに好ましくは５％であり、さらに好ましくは１０％である。一方、マルテンサイトの体積分率とベイナイトの体積分率との合計が高すぎると、良好な摺動性が得られず、また、加工性も低下する。マルテンサイトの体積分率とベイナイトの体積分率との合計の上限は、好ましくは６０％であり、さらに好ましくは５８％であり、さらに好ましくは５６％である。

マルテンサイトとベイナイトとが混在した組織では、両者を正確に判別することが困難な場合が多い。そのため本実施形態では、マルテンサイトとベイナイトとを厳密に区別せず、マルテンサイトの体積分率とベイナイトの体積分率との合計を組織の指標とする。一方、ベイナイトよりもマルテンサイトの方がより硬質な組織であるため、ベイナイトに対するマルテンサイトの割合が明らかに高い組織では、ビッカース硬さがより高くなる。ベイナイトに対するマルテンサイトの割合が特に高い組織においても所定の範囲のビッカース硬さにするためには、マルテンサイトの体積分率とベイナイトの体積分率のとの合計の上限を３０％にすることが好ましい。この場合、マルテンサイトの体積分率とベイナイトの体積分率の上限は、さらに好ましくは２６％であり、さらに好ましくは２４％である。またこの場合、パーライトの体積分率の下限は、６１％にすることが好ましい。この場合、パーライトの体積分率の下限は、さらに好ましくは６２％であり、さらに好ましくは６５％である。

フェライトは軟質組織であり、鋼の加工性の向上に寄与する。フェライトの体積分率の下限は、好ましくは３％であり、さらに好ましくは５％であり、さらに好ましくは１０％である。一方、フェライトの体積分率が高すぎると、ビッカース硬さをＨｖ２７０以上にすることが困難になる。フェライトの体積分率の上限は、好ましくは３２％であり、さらに好ましくは２６％であり、さらに好ましくは２０％である。

摺動による影響が及ぶのは、表面から５μｍ程度である。そのため、少なくとも表面から１０μｍまでの組織（以下「表層組織」という。）が上述した組織であれば、十分な効果が得られる。換言すれば、表面から１０μｍよりも深い位置の組織は、摺動性に大きな影響を及ぼさない。そのため、表面から１０μｍよりも深い位置の組織は、上述した組織以外の組織であってもよい。

もっとも、制御する組織の厚さは任意であり、目的によって調整してもよい。上述した組織となる厚さは、好ましくは２０μｍ以上であり、さらに好ましくは５０μｍ以上である。上限は特になく、芯部まで上述した組織であってもよい。

本実施形態による摺動部品用鋼材は、鋼材の特定の部分（以下「特定部分」という。）の表層組織だけが上述した組織であってもよい。例えば摺動部品がクランクシャフトの場合、ジャーナルやピンの部分の表層組織だけが上述した組織であってもよい。本実施形態による摺動部品用鋼材は、鋼材の全体が上述した組織であってもよい。

本実施形態による摺動部品用鋼材の表層組織は、パーライト、マルテンサイト、ベイナイト及びフェライト以外の組織を含んでいてもよい。本実施形態による摺動部品用鋼材の表層組織に含まれるパーライト、マルテンサイト、ベイナイト及びフェライト以外の組織の体積分率は、好ましくは５％以下であり、さらに好ましくは３％以下であり、さらに好ましくは１％以下である。

特定部分の表層組織の体積分率は、次のように測定する。摺動部品用鋼材の特定部分から、表面を含むサンプルを採取する。表面と垂直な面を観察面として、機械研磨及び電解研磨によるエッチングを行う。ＳＥＭ像及びＥＢＳＤ像を観察し、各組織の面積率を求める。５箇所以上で測定してその平均値を求め、この値を各組織の体積分率とみなす。

［ラメラ間隔］
本実施形態による摺動部品用鋼材は、上述した特定部分において、少なくとも表面から１０μｍの深さまでのパーライトのラメラ間隔が９０〜２００ｎｍである。

パーライトのラメラ間隔が大きすぎても小さすぎても、良好な摺動性が得られない。また、パーライトのラメラ間隔が大きすぎると、ビッカース硬さをＨｖ２７０以上にすることが困難になる。一方、パーライトのラメラ間隔が小さすぎると、ビッカース硬さをＨｖ３００以下にすることが困難になる。したがって、パーライトのラメラ間隔は９０〜２００ｎｍである。パーライトのラメラ間隔の下限は、好ましくは９５ｎｍであり、さらに好ましくは１００ｎｍである。パーライトのラメラ間隔の上限は、好ましくは１８０ｎｍであり、さらに好ましくは１６０ｎｍである。

表面から１０μｍの深さまでのパーライトのラメラ間隔を規定している理由は、組織の体積分率の場合と同様である。表面から１０μｍよりも深い位置のラメラ間隔は、上述した範囲から外れていてもよい。パーライトと、マルテンサイト及びベイナイトの少なくとも一方と、フェライトとを含む組織の厚さが１０μｍ以上である場合であっても、この厚さの全体にわたってラメラ間隔が上述した範囲である必要はなく、表面から１０μｍの深さまでのパーライトのラメラ間隔が上述した範囲であればよい。

もっとも、パーライトのラメラ間隔を制御する厚さは任意であり、目的によって調整してもよい。パーライトのラメラ間隔が上述した範囲である厚さは、好ましくは２０μｍ以上であり、さらに好ましくは５０μｍ以上である。

パーライトのラメラ間隔は、次のように測定する。摺動部品用鋼材の特定部分から、表面を含むサンプルを採取する。表面と垂直な面を観察面として、機械研磨及び電解研磨によるエッチングを行う。倍率５０００倍以上のＳＥＭ像を観察し、析出セメンタイトの厚さ方向中央から隣接する析出セメンタイトの厚さ方向中央までの距離を測定し、３点以上を測定した平均値をラメラ間隔とする。

［ビッカース硬さ］
本実施形態による摺動部品用鋼材は、上述した特定部分において、少なくとも表面から１０μｍの深さまでのビッカース硬さがＨｖ２７０〜３００である。

ビッカース硬さが高すぎても低すぎても、良好な摺動性が得られない。また、ビッカース硬さが高すぎると、加工性が低下する。したがって、ビッカース硬さはＨｖ２７０〜３００である。ビッカース硬さの下限は、好ましくはＨｖ２７５であり、さらに好ましくはＨｖ２８０である。ビッカース硬さの上限は、好ましくはＨｖ２９５であり、さらに好ましくはＨｖ２９０である。

表面から１０μｍの深さまでのビッカース硬さを規定している理由は、組織の体積分率の場合と同様である。表面から１０μｍよりも深い位置のビッカース硬さは、上述した範囲から外れていてもよい。もっとも、ビッカース硬さを制御する厚さは任意であり、目的によって調整してもよい。ビッカース硬さが上述した範囲である厚さは、好ましくは２０μｍ以上であり、さらに好ましくは５０μｍ以上である。

ビッカース硬さは、摺動部品用鋼材の特定部分から表面を含むサンプルを採取し、表面に垂直な面を試験面として、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に準拠して測定することができる。試験力は１ｋｇｆ（９．８０７Ｎ）とし、５点以上を測定した平均値をビッカース硬さとする。表面に近い部分のビッカース硬さは、表面に対してナノインデンテーションを行うことで、押し込み深さごとの硬さを測定することができる。

［摩擦係数］
本実施形態による摺動部品用鋼材は、好ましくは、上述した特定部分において、摩擦係数が０．２５以下である。

［製造方法］
以下、本実施形態による摺動部品用鋼材の製造方法を説明する。

上述した化学組成の素材を準備する。素材は例えば、熱間鍛造品である。例えば、上述した化学組成を有する鋼を溶製し、連続鋳造又は分塊圧延を実施して鋼片にした後、鋼片を熱間鍛造して摺動部品の粗形状に加工したものを素材とすることができる。熱間鍛造後の素材に切削加工等を施してもよい。

素材の少なくとも一部を、所定の加熱温度に加熱して所定時間保持する。

保持時間が短すぎると、望ましい組織が安定して得られない。一方、保持時間が長すぎると、結晶粒が粗大化する。保持時間の下限は、好ましくは９００秒であり、さらに好ましくは１２００秒であり、さらに好ましくは１５００秒である。保持時間の上限は、好ましくは３６００秒であり、さらに好ましくは３０００秒であり、さらに好ましくは２７００秒である。

続いて、加熱した部分を所定の速度で冷却する。加熱温度から２５０℃までの温度域の平均冷却速度が小さすぎても大きすぎても、所望の組織、パーライトのラメラ間隔、及びビッカース硬さが得られない。具体的には、この温度域の冷却速度が小さすぎると、フェライトの体積分率が大きくなってパーライトの体積分率が小さくなる、パーライトのラメラ間隔が過度に大きくなる、又はビッカース硬さが過度に低くなる場合がある。一方、この温度域の冷却速度が大きすぎると、パーライトの体積分率が小さくなる、パーライトのラメラ間隔が過度に小さくなる、又はビッカース硬さが過度に高くなる場合がある。

２５０℃よりも低い温度域の冷却速度は任意である。ただし、２５０℃よりも低い温度域を強冷すると、変態膨張により割れが発生する場合がある。そのため、２５０℃よりも低い温度域の冷却速度は、５０．０℃／秒以下とすることが好ましい。

上記の加熱及び冷却は、例えば高周波誘導加熱によって素材の表層のみに行ってもよいし、熱処理炉によって素材の全体に行ってもよい。

冷却後、マルテンサイト中に炭化物を析出させないため、焼戻しを実施しないことが好ましい。本実施形態による摺動部品用鋼材は、焼戻しを実施しなくても、遅れ破壊は生じにくい。

次に、加熱温度及び冷却速度について詳述する。上述した製造方法において、素材の化学組成に応じて、（１）素材を二相域から冷却する、及び、（２）所定の温度域を緩冷却することのいずれか実施する。より具体的には、素材の化学組成に応じて、（１）素材を７２０〜７７０℃の加熱温度に加熱した後、加熱温度から２５０℃までの温度域の平均冷却速度が４０．０〜５０．０℃／秒となるように冷却する、あるいは、（２）７２０〜９５０℃の加熱温度に加熱した後、加熱温度から２５０℃までの温度域の平均冷却速度が２．０〜７．０℃／秒となるように冷却する。

焼入れ性が比較的低い素材（例えば化学組成が、質量％で、Ｃ：０．４２〜０．４８％、Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００１〜０．０２０％、Ｃｒ：０〜０．３５％、残部：Ｆｅ及び不純物である素材）の場合、上記（１）で製造する。

上記（１）で製造する場合の加熱温度の下限は、好ましくは７３０℃である。上記（１）で製造する場合の加熱温度の上限は、好ましくは７６０℃である。上記（１）で製造する場合の平均冷却速度の下限は、好ましくは４２．０℃／秒である。上記（１）で製造する場合の平均冷却速度の上限は、好ましくは４８．０℃／秒であり、より好ましくは４６．０℃／秒である。

なお、上記（１）で製造した場合、ベイナイトに対するマルテンサイトの割合が高くなる傾向がある。

そのため、焼入れ性が比較的低い素材（例えば化学組成が、質量％で、Ｃ：０．４２〜０．４８％、Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００１〜０．０２０％、Ｃｒ：０〜０．３５％、残部：Ｆｅ及び不純物である素材）の場合、パーライトの体積分率が６１〜８０％であり、マルテンサイトの体積分率及びベイナイトの体積分率の合計が３〜３０％であり、フェライトの体積分率が３〜３２％であることが好ましい。

一方、焼入れ性が比較的高い素材（例えば化学組成が、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．４１％、Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、Ｍｎ：１．３５〜１．６５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０７０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００１〜０．０２０％、Ｃｒ：０〜０．３５％、残部：Ｆｅ及び不純物である素材）の場合、上記（２）で製造する。

上記（２）で製造する場合の加熱温度の下限は、好ましくは７３０℃である。上記（２）で製造する場合の加熱温度の上限は、好ましくは９４０℃である。上記（２）で製造する場合の平均冷却速度の下限は、好ましくは３．０℃／秒であり、より好ましくは４．０℃／秒である。上記（２）で製造する場合の平均冷却速度の上限は、好ましくは６．０℃／秒である。

なお、上記（２）で製造した場合、パーライトのラメラ間隔が大きくなる傾向がある。

そのため、焼入れ性が比較的高い素材（例えば化学組成が、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．４１％、Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、Ｍｎ：１．３５〜１．６５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０７０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００１〜０．０２０％、Ｃｒ：０〜０．３５％、残部：Ｆｅ及び不純物である素材）の場合、パーライトのラメラ間隔は１５０〜２００ｎｍであることが好ましい。

以上、本発明の一実施形態による摺動部品用鋼材を説明した。本実施形態による摺動部品用鋼材は、優れた摺動性及び加工性を備える。そのため、本実施形態による摺動部品用鋼材は、摺動部品の材料として好適である。摺動部品は例えば、クランクシャフトである。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。

表１に示す化学組成を有する鋼を１５０ｋｇ真空誘導溶解炉（ＶＩＭ）によって溶製し、インゴットを作製した。

このインゴットを９５０〜１２００℃で熱間鍛造し、厚さ１３０ｍｍ、幅１３０ｍｍ、長さ１１２０ｍｍにした後、厚さ７ｍｍ、幅１６０ｍｍまで圧延し、長さ５００ｍｍに切断してから表２に記載の熱処理を行った。なお、熱処理前の組織は、フェライト・パーライト組織であった。

熱処理後の鋼板の肉厚方向中央から２０ｍｍ角、厚さ２ｍｍの試験片を採取した。試験片の表面（２０ｍｍ×２０ｍｍの面）は鏡面仕上げとした。本実施例ではバルクの組織が得られているため、試験片の表面を観察面又は試験面として組織、パーライトのラメラ間隔、及びビッカース硬さの測定を行った。試験片の表面を観察面又は試験面とした他は、実施形態で説明した方法に沿って測定を行った。結果を前掲の表２に示す。

表２において、「Ｐ」、「Ｍ＋Ｂ」、及び「Ｆ」はそれぞれ、パーライトの体積分率、マルテンサイトの体積分率及びベイナイトの体積分率の合計、並びにフェライトの体積分率を示す。ただし、試験片番号２８及び２９の試験片の組織は、マルテンサイトではなく焼戻しマルテンサイトを主体とする組織であった。

表２の「熱処理条件」の欄には、鋼板に加えた熱処理の条件を記載している。例えば試験片番号１の「７７０℃×１８００秒→水冷（４７℃／秒）」は、７７０℃で１８００秒保持した後、２５０℃までの温度域を４７℃／秒の平均冷却速度で水冷したことを表す。

熱処理後の鋼板から２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ２ｍｍの試験片を採取し、この試験片を用いてボール・オン・ディスク型摩擦・摩耗試験を実施して摺動性を評価した。試験機は、ＣＳＭ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製Ｔｒｉｂｏｍｅｔｅｒを使用した。

試験片の表面は＃１０００の砥粒を用いて粗研磨し、最終的には０．３μｍのダイヤモンドスラリーを用いて鏡面仕上げを行った。ボールは直径６ｍｍのアルミナ製のものを使用し、荷重：１０Ｎ、試験温度：室温、回転直径：６ｍｍ、摩擦速度：１０ｍｍ／秒、潤滑剤：なしの条件で摩擦試験を実施した。摩擦係数は、試験機のソフトウェアから提供される値を用いた。摺動距離：８００ｍｍのときの摩擦係数が０．２５以下であるものを「良」と評価し、それ以外を「不可」と評価した。

加工性は、ビッカース硬さがＨｖ３００以下のものを「良」、Ｈｖ３００を越えるものを「不可」とした。総合評価は、摺動性及び加工性の両方が「良」であるものを「合格」とし、摺動性及び加工性のいずれかが「不可」であるものを「不合格」とした。結果を表３に示す。

表２及び３に示すように、試験片番号１〜１１の鋼材は、パーライトの体積分率が３０〜８０％であり、パーライトのラメラ間隔が９０〜２００ｎｍであり、ビッカース硬さがＨｖ２７０〜３００であった。これらの鋼材は、摩擦係数が０．２５以下であり、優れた摺動性を示した。

試験片番号１２の鋼材は、摺動性が劣っていた。これは、パーライトの体積分率が高すぎたためと考えられる。

試験片番号１３及び１４の鋼材は、摺動性及び加工性が劣っていた。これは、パーライトのラメラ間隔が小さすぎたためと考えられる。

試験片番号１５の鋼材は、摺動性及び加工性が劣っていた。これは、パーライトの体積分率が低すぎたためと考えられる。

試験片番号１６〜２２及び３１の鋼材は、摺動性が劣っていた。これは、マルテンサイト及びベイナイトの体積分率が小さすぎたためと考えられる。

試験片番号２３〜２７及び３０の鋼材は、組織をマルテンサイトに調整したものである。これらの鋼材は、摺動性及び加工性が劣っていた。

試験片番号２８及び２９の鋼材は、組織を焼戻しマルテンサイトに調整したものである。これらの鋼材は、摺動性が劣っていた。

図１は、試験片番号３、１６（フェライト・パーライト）、２３（マルテンサイト）、及び２８（焼戻しマルテンサイト）のボール・オン・ディスク型摩擦・摩耗試験の結果を示すグラフである。図１に示すように、試験片番号３の鋼材で最も良好な摺動性が得られていることが分かる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。

Claims (10)

1. 化学組成が、質量％で、
   Ｃ ：０．１５〜０．６５％、
   Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、
   Ｍｎ：０．４０〜１．７０％、
   Ｐ ：０．０３％以下、
   Ｓ ：０．０７０％以下、
   Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、
   Ｎ ：０．００１〜０．０２０％、
   Ｃｒ：０〜０．３５％、
   残部：Ｆｅ及び不純物であり、
   少なくとも表面から１０μｍの深さまでの組織が、体積分率で３０〜８０％のパーライトと、マルテンサイト及びベイナイトの少なくとも一方と、フェライトとを含む組織である部分を含み、
   前記部分において、少なくとも表面から１０μｍの深さまでの前記パーライトのラメラ間隔が、９０〜２００ｎｍであり、
   前記部分において、少なくとも表面から１０μｍの深さまでのビッカース硬さが、Ｈｖ２７０〜３００である、摺動部品用鋼材。
2. 請求項１に記載の摺動部品用鋼材であって、
   前記マルテンサイトの体積分率及び前記ベイナイトの体積分率の合計が３〜６０％であり、前記フェライトの体積分率が３〜３２％である、摺動部品用鋼材。
3. 請求項１又は２に記載の摺動部品用鋼材であって、
   前記部分において、摩擦係数が０．２５以下である、摺動部品用鋼材。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の摺動部品用鋼材であって、
   前記化学組成が、質量％で、
   Ｃ ：０．３０〜０．５５％、
   Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、
   Ｍｎ：０．４０〜１．２０％、
   Ｐ ：０．０３％以下、
   Ｓ ：０．０３５％以下、
   Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、
   Ｎ ：０．００１〜０．０２０％、
   Ｃｒ：０〜０．３５％、
   残部：Ｆｅ及び不純物であり、
   前記パーライトの体積分率が６１〜８０％であり、前記マルテンサイトの体積分率及び前記ベイナイトの体積分率の合計が３〜３０％であり、前記フェライトの体積分率が３〜３２％である、摺動部品用鋼材。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の摺動部品用鋼材であって、
   前記化学組成が、質量％で、
   Ｃ ：０．４２〜０．４８％、
   Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、
   Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、
   Ｐ ：０．０３％以下、
   Ｓ ：０．０３５％以下、
   Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、
   Ｎ ：０．００１〜０．０２０％、
   Ｃｒ：０〜０．３５％、
   残部：Ｆｅ及び不純物である、摺動部品用鋼材。
6. 請求項５に記載の摺動部品用鋼材であって、
   前記パーライトの体積分率が６１〜８０％であり、前記マルテンサイトの体積分率及び前記ベイナイトの体積分率の合計が３〜３０％であり、前記フェライトの体積分率が３〜３２％である、摺動部品用鋼材。
7. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の摺動部品用鋼材であって、
   前記化学組成が、質量％で、
   Ｃ ：０．３５〜０．４１％、
   Ｓｉ：０．０５〜０．６０％、
   Ｍｎ：１．３５〜１．６５％、
   Ｐ ：０．０３％以下、
   Ｓ ：０．０７０％以下、
   Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、
   Ｎ ：０．００１〜０．０２０％、
   Ｃｒ：０〜０．３５％、
   残部：Ｆｅ及び不純物である、摺動部品用鋼材。
8. 請求項７に記載の摺動部品用鋼材であって、
   前記パーライトのラメラ間隔が、１５０〜２００ｎｍである、摺動部品用鋼材。
9. 請求項５又は６に記載の摺動部品用鋼材を製造する方法であって、
   素材を７２０〜７７０℃の加熱温度に加熱する工程と、
   前記加熱温度から２５０℃までの温度域の平均冷却速度が４０．０〜５０．０℃／秒となるように前記素材を冷却する工程とを備える、摺動部品用鋼材の製造方法。
10. 請求項７又は８に記載の摺動部品用鋼材を製造する方法であって、
    素材を７２０〜９５０℃の加熱温度に加熱する工程と、
    前記加熱温度から２５０℃までの温度域の平均冷却速度が２．０〜７．０℃／秒となるように前記素材を冷却する工程とを備える、摺動部品用鋼材の製造方法。

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