JP2021161471A - 鋼部材の製造方法、鋼部材の製造に用いる治具、及び鋼部材 - Google Patents

Abstract

【課題】塑性加工の工程を追加しなくても、焼入れ工程において、孔の開口の縁に残留圧縮応力を付与し、以て、孔を有する鋼部材の疲労強度を向上させる。【解決手段】鋼部材の製造方法は、外表面に孔を有する鋼の素材１を準備する工程と、素材１を加熱して浸炭処理する工程と、加熱された素材１を冷却することにより焼入れする焼入れ工程とを有する。焼入れは、孔１ａの開口の縁に接し、孔１ａの開口の縁の内径の収縮を抑える治具２を孔１ａに配置した状態で焼入れを行う。【選択図】図３

Description

本発明は、鋼部材の製造方法、鋼部材の製造に用いる治具、及び鋼部材に関する。

外表面に孔を有する鋼部材として、例えば、油孔を有するシャフト部材がある。このような外表面に孔を有する鋼部材では、孔の周辺が強度上弱い部分となり得る。そこで、例えば、ＷＯ２０１８／０５６３３３Ａ１（特許文献１）では、鋼の中間部材を浸炭焼入れ後、穴を切削加工することで、穴表層部の残留オーステナイトを硬質な加工誘起マルテンサイトに変態させ、穴付近の硬度を上昇させることが記載されている。ここでは、鋼材の化学成分、熱処理条件及び切削条件を最適化することで、穴付近の表層部のマルテンサイト及び残留オーステナイトの体積率を所定の範囲に制御することが提案されている。

また、特開２００６−１１１９６２号公報（特許文献２）では、油穴の内面を超音波振動子で打撃することで、内面に打撃痕を設けることが開示されている。この塑性加工による加工硬化によって疲労強度を向上させることができる。

ＷＯ２０１８／０５６３３３Ａ１ 特開２００６−１１１９６２号公報

発明者らは、外表面に孔を有する鋼部材に繰り返しの荷重が負荷されると、孔表面に応力が集中し破壊の起点となる場合があることがわかった。そこで、発明者らは、鋼部材の孔の開口付近に残留圧縮応力を付与し、疲労破壊に対する強度を高めることを検討した。上記のＷＯ２０１８／０５６３３３Ａ１の方法では、浸炭焼入れ後に切削工程が必要になる。また、特開２００６−１１１９６２号公報では、超音波振動子による打撃の工程が必要になる。

そこで、本発明は、切削や超音波打撃等の塑性加工の工程を追加しなくても、焼入れ工程において、孔の開口の縁に残留圧縮応力を付与し、以て、孔を有する鋼部材の疲労強度を向上させることができる、鋼部材の製造方法、鋼部材の製造に用いる治具、及び鋼部材を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態における鋼部材の製造方法は、外表面に孔を有する鋼の素材を準備する工程と、前記素材を加熱して浸炭処理する工程と、加熱された前記素材を冷却することにより焼入れする焼入れ工程とを有する。前記焼入れ工程では、前記孔の開口の縁に接し、前記孔の開口の縁の内径の収縮を抑える治具を前記孔に配置した状態で焼入れを行う。

本発明によれば、塑性加工の工程を追加しなくても、焼入れ工程において、孔の開口の縁に残留圧縮応力を付与し、以て、孔を有する鋼部材の疲労強度を向上させることができる。

図１Ａは、本発明の一実施形態に適用可能な鋼部材の一例を示す正面図である。 図１Ｂは、図１ＡのＢ−Ｂ線の断面図である。 図１Ｃは、図１Ｂの孔１ａの開口付近の拡大図である。 図２は、本実施形態における鋼部材の製造方法の例を示すフロー図である。 図３は、図１Ｂに示す鋼の素材に治具２を配置した状態を示す断面図である。 図４は、図３の孔１ａの開口付近の拡大図である。 図５は、孔の開口の縁に治具が接する状態の例を示す断面図である。 図６は、図４におけるＣ−Ｃ線の断面図である。 図７は、第１の治具と第２の治具を連結する構成の例を示す図である。 図８は、実施例の解析に用いた三次元モデルを示す図である。 図９は、実施例における浸炭焼入れのヒートパターンを示す。 図１０は、実施例における油の熱伝達係数を示す。 図１１は、解析により得られた油孔の残留応力分布を示すグラフである。 図１２は、解析により得られた焼入れ前後における変形を示す図である。 図１３は、治具を含めたシャフト部材の解析モデルを示す。 図１４は、解析により得られた油孔の残留応力分布の比較を示すグラフである。

図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の一実施形態に適用可能な孔を有する鋼部材の一例を示す図である。図１Ａ〜図１Ｃに示す例では、孔を有する鋼部材１は、油孔１ａを有するシャフト部材である。図１Ａは、鋼部材の正面図である。図１Ｂは、図１ＡのＢ−Ｂ線の断面図である。図１Ｃは。図１Ｂの孔１ａの開口付近の拡大図である。

図１Ａ〜図１Ｃに示す鋼部材１は、中空の円筒であるが、鋼部材は、中実の部材であってもよい。すなわち、鋼部材は、例えば、中実の円柱又は中空の円筒とすることができる。孔１ａは、鋼部材１の外表面に形成される。図１Ａ〜図１Ｃに示す例では、鋼部材１のシャフトの軸心（軸Ｊ１）に垂直な方向に延びる孔１ａが形成される。すなわち、孔１ａの軸Ｊ２の方向すなわち孔１ａの深さ方向は、鋼部材１の軸方向に対して垂直になっている。このように、孔１ａの軸方向が、鋼部材１の軸方向に対して角度を有して傾く構成は、シャフト部材の油孔の典型的な構成である。なお、孔１ａは、貫通孔であるが、孔１ａは、非貫通孔、すなわち、外表面の凹入孔であってもよい。

孔を有する鋼部材に対して、従来の方法で浸炭焼入れ処理した場合、孔の内面の周方向圧縮残留応力は、孔の軸方向（深さ方向）の中央で最も大きくなり、孔の端部すなわち開口部で極小となる。このような残留応力の分布を有する鋼部材に対して、鋼部材の軸方向周りのねじれ荷重が繰り返し負荷された場合、孔の端部が起点となってき裂が発生する場合がある。この場合、き裂面は、油孔に垂直になっている。

発明者らは、孔の内面の端部すなわち開口部における残留応力を圧縮方向に増加させることで、疲労強度を向上させることを検討した。圧縮残留応力を付与させる手法として、熱処理後にショットピーニング、超音波打撃、又は切削等の塑性加工を伴う処理を実施することが考えられる。しかし、このような塑性加工を伴う処理は、その処理を施す設備を用意する必要がある。そのため、コストの増加につながる。また、塑性加工により孔の開口部の表面が粗くなるために、疲労強度が低下し、破壊の起点となるリスクが高くなる。塑性加工後の表面粗さを改善するためには、例えば、エッチング等の追加工程が必要となる。

そこで、発明者らは、塑性加工を伴わずに、孔の開口部に残留応力を付与する方法を検討した。検討において、焼入れ時に、孔の開口の内径が収縮する点に注目した。そして、焼入れ時に孔の開口の内径収縮を妨げることで、破壊の起点となりやすい部分（破壊起点部）に引張の非弾性歪を増加させることを思い付いた。これにより、焼入れ完了後における破壊起点部の残留応力を圧縮方向に増加させることができることを見出した。

さらなる検討の結果、焼入れ工程における冷却中に鋼部材の孔の内径の収縮を妨げる手段として，孔の開口の縁に接する形状の治具を孔に挿入して焼入れを行うことに想到した。これにより、焼入れ後の孔の端部の残留応力を圧縮方向に増加させることができる。以下の実施形態は、この知見に基づくものである。

本発明の一実施形態における鋼部材の製造方法は、外表面に孔を有する鋼の素材を準備する工程と、前記素材を加熱して浸炭処理する工程と、加熱された前記素材を冷却することにより焼入れする焼入れ工程とを有する。前記焼入れ工程では、前記孔の開口の縁に接し、前記孔の開口の縁の内径の収縮を抑える治具を前記孔に配置した状態で焼入れを行う。

上記製造方法では、焼入れにおいて、孔の開口の縁に接する治具により、孔の開口の内径の収縮が妨げられる。これにより、孔の開口の縁、すなわち孔の端部において、引張の非弾性歪が増加する。その結果、焼入れ後の孔の開口の縁における残留応力が圧縮方向に増加する。すなわち、孔の開口の縁において、圧縮残留応力が増加する。これにより、破壊の起点となりやすい孔の端部に、圧縮残留応力を付与することができる。この製造方法では、破壊起点部への残留応力の付与のための塑性加工が不要である。すなわち、塑性加工の工程を追加しなくても、焼入れ工程において、孔の開口の縁に残留圧縮応力を付与し、以て、孔を有する鋼部材の疲労強度を向上させることができる。

前記焼入れにおいて、前記治具は、前記孔の開口の縁に接し、且つ前記孔の軸方向中央の内面に接しないよう配置されることが好ましい。これにより、焼入れ時に、孔の軸方向中央部の内径の収縮は妨げずに、孔の開口の内径収縮を妨げることができる。そのため、内径の収縮を阻害する作用が、孔の軸方向の全体に分散させず、開口の部分に集中する。そのため、破壊起点部への圧縮残留応力の付与の効果が高くなる。

同様の観点から、焼入れにおいて、治具は、孔の開口の縁で接し、且つ、孔の開口の縁以外の孔の内面には接しないよう配置されてもよい。

前記焼入れにおいて、前記治具は、前記孔の軸方向に対して斜めである傾斜面を有してもよい。前記焼入れにおいて、前記治具の前記傾斜面が、前記孔の開口の縁に接するよう前記治具が配置されてもよい。これにより、治具の傾斜面が、孔の開口の縁に接し、孔の開口の縁よりも奥の孔の内面に接しない状態となる。そのため、焼入れ時に、治具による孔の内径の収縮の妨げを、孔の開口の部分に集中させることができる。

前記治具の傾斜面は、前記孔の開口から前記孔の軸方向の奥に行くにしたがって、前記孔の内面から離れるように傾斜していてもよい。例えば、治具が孔の開口から軸方向の奥に向かって細くなるよう形成されたテーパ部を有してもよい。治具のテーパ部の外周面が傾斜面となり、焼入れにおいて、前記孔の開口の縁に接するよう配置されてもよい。

前記孔は、前記鋼の素材を貫通してもよい。この場合、前記焼入れにおいて、一方の外表面における前記孔の開口の縁に接する第１の治具と、前記一方の外表面の反対側の他方の外表面における前記孔の開口の縁に接する第２の治具が、ねじにより互いに連結された状態で、前記孔に配置されてもよい。これにより、鋼部材を関数する孔の一方の開口及び他方の開口の両方に、圧縮残留応力を付与することができる。

本発明の実施形態における治具は、外表面に孔を有する鋼の素材の焼入れ時に、前記孔に挿入して配置するための治具である。前記治具は、軸方向において太さが変化するテーパ部を有してもよい。前記テーパ部において、前記軸方向に垂直な面の最大断面は前記孔の開口の面積より大きく、前記軸方向に垂直な面の最小断面は前記孔の開口の面積より小さくすることができる。治具は、テーパ部の外周面が孔の開口の縁に接した状態で、孔に配置することができる。このように治具を孔に配置した状態で、鋼の素材を焼入れすることで、孔の開口の部分に圧縮残留応力を付与することができる。

本発明の実施形態における鋼部材は、外表面に孔を有する。前記鋼部材の前記外表面の前記孔の開口の縁の部分は、その外側の前記外表面の部分よりも残留圧縮応力が大きい。
前記孔の内面の前記開口の縁から２ｍｍ以内の領域における表面粗さＲａは、０．２〜５．０μｍである。

残留応力はＸ線応力測定法によって測定される。孔の開口の縁の部分の残留応力は、孔の縁から１ｍｍ以内の距離の外表面の残留応力とする。ここで、残留応力は、孔の周方向の残留応力とする。

表面粗さＲａは、算術平均表面粗さであり、触針式表面粗さ測定機を用いて、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に規定された方法で測定される。

上記構成の鋼部材では、孔の開口の縁における残留圧縮応力が周りの外表面の部分より大きい。すなわち、孔の開口の縁に圧縮残留応力が付与された構成となる。これにより、孔の開口が疲労による破壊の起点になりにくくなる。さらに、孔の開口付近の内面の表面粗さが０．２〜５．０μｍであるため、孔の開口付近の内面の表面が粗いことによる疲労強度低下を抑えられる。そのため、孔の開口が疲労による破壊の起点となりにくくなる。

なお、上記構成の鋼部材は、上記製造方法により製造することができる。外表面に孔を有する鋼の素材を浸炭処理後、治具を孔の開口の縁に接するよう配置した状態で、素材を焼入れする。これにより、焼入れにおいて、孔の開口の内径が収縮するのが抑えられ、孔の開口に圧縮残留応力が付与される。孔の開口の縁の部分が、その外側の外表面の部分よりも残留圧縮応力が大きくなる。このように、孔の内面の表面を塑性加工せずに、孔の開口に圧縮残留応力が付与される。また、孔の内面の表面が圧縮残留応力の付与により粗くならない。そのため、孔の開口付近の内面の表面粗さを０．２〜５．０μｍとして、表面が粗いことによる疲労強度の低下を抑えることができる。

上記鋼部材には、前記孔の内面の前記開口の縁から２ｍｍ以内の領域において、前記孔の軸方向において開口の縁から離れるにしたがって圧縮残留応力が小さくなる部分が存在してもよい。この構成において、孔の開口付近の内面において、開口の縁に近づくにつれて圧縮残留応力が大きくなる部分が存在することになる。すなわち、孔の開口の縁に圧縮残留応力が付与された構成となる。そのため、孔の開口が破壊の起点となりにくくなる。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

図２は、本実施形態における鋼部材の製造方法の例を示すフロー図である。図２に示す製造方法は、外表面に孔を有する鋼の素材を準備する工程（Ｓ１）、素材の孔に治具を配置する工程（Ｓ２）、素材を浸炭処理する工程（Ｓ３）、及び治具が配置された素材を焼入れする工程（Ｓ４）を有する。鋼部材は、特定の用途のものに限定されないが、ここでは、一例として、油孔を有するシャフトを鋼部材として製造する例を説明する。

（Ｓ１：熱処理の対象となる鋼の素材を準備）
素材の対象となる鋼の材料は限定されないが、本実施形態では、一例として、炭素含有量が０．１０〜０．４０質量％である低炭素系材料の鋼を準備する。

本実施形態では、一例として、質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．４０％、
Ｓｉ：０．０５〜２．５％、
Ｍｎ：０．２〜３％、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．２％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．１％、
Ｎ：０．００１〜０．０２％を含有し、
任意選択で、さらに、質量％で、
Ｃｒ：０．１〜２％、
Ｎｉ：０．１〜２％、
Ｍｏ：０．１〜２％、
Ｃｕ：０．１〜２％、
Ｂ：０〜０．０２％、
Ｔｉ：０．００３〜０．０５％、
Ｖ：０．０５〜０．５％、
Ｎｂ：０〜０．１％の１種または２種以上を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を準備する。

鋼の素材は、例えば、中実又は中空の丸棒或いは鋼管であってもよい。素材が、丸棒又は鋼管の場合、孔は、例えば、外周面に形成される。例えば、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、丸棒の軸方向に垂直な方向に貫通する孔を有する素材が準備される。この例では、丸棒の軸に垂直な方向において互いに対向する肉厚部に、一対の孔が設けられる。一対の孔は、同軸であり、丸棒の軸に垂直な方向に並ぶ。本実施例では、鋼部材（シャフト）の厚み方向が、孔の軸方向と同じである。なお、鋼素材は、丸棒ではなく、鋼管であってもよい。孔は、貫通孔であってもよいし、有底の凹部（凹入孔）であってもよい。

鋼部材のサイズは、特に限定されない。本実施形態では、一例として、外径が１５〜４０ｍｍ、内径５〜２０ｍｍ、長さ８〜２００ｍｍの中空丸棒を鋼素材として、準備する。

素材の製造工程は、これに限定されないが、例えば、鋼を溶製し、連続鋳造又は分塊圧延を実施してビレットにする工程を含む。また、ビレットを製造する工程は、連続鋳造又は分塊圧延に加えて、熱間加工、冷間加工、又は熱処理を含んでもよい。ビレットを、例えば、熱間加工後に機械加工を施して中実または中空の丸棒を製造することができる。熱間加工後に熱処理を施してもよい。また、熱間加工して鋼管を製造することができる。この熱間加工は、例えば、マンネスマン法やユジーン・セジュルネ法である。熱間加工後の丸棒又は鋼管を、所定の長さに切断してもよい。なお、鋼管は、継目無管に限られず、例えば、鍛接鋼管、電縫鋼管、又は、アーク溶接管等であってもよい。

（Ｓ２：治具を鋼の素材の孔に配置）
治具を、鋼の素材の孔の開口の縁に接するように配置する。図３は、図１Ｂに示す鋼の素材１に、治具２を配置した状態を示す断面図である。図４は、図３の孔１ａの開口付近の拡大図である。図３及び図４に示す例では、治具２は、治具２の軸Ｊ３方向において太さ（軸Ｊ３に垂直な断面の面積）が変化するテーパ部２ｔと、テーパ部２ｔの細い方の端部から軸Ｊ３方向に延びる細軸部２ｈとを含む。細軸部２ｈの太さは、テーパ部２ｔの細い方の端部の太さと同じである。テーパ部２ｔにおいて、軸Ｊ３方向に垂直な面の断面が最大となる断面Ｄ１の断面積は、孔１ａの開口の面積（孔１ａの軸Ｊ２に垂直な面における開口の縁１ｃの内径で囲まれる領域の面積）より大きい。テーパ部２ｔにおいて、軸Ｊ３方向に垂直な断面が最小となる断面Ｄ２の断面積は、孔１ａの開口の面積より小さい。

治具２の軸Ｊ３と、孔１ａの軸Ｊ２が同軸となるように、治具２が配置される。治具２が配置された状態では、テーパ部２ｔが、孔１ａの開口の縁１ｃに接し、細軸部２ｈが、孔１ａの内部に位置する。テーパ部２ｔの一部は、孔１ａの開口より外に位置する。テーパ部２ｔの外面２ａは、孔１ａの軸方向に対して斜めである傾斜面となっている。傾斜面は、孔１ａの開口から孔の奥に行くにしたがって、孔１ａの内面から離れるように傾斜している。この傾斜面であるテーパ部２ｔの外面２ａが、孔１ａの開口の縁１ｃに接する。この例では、治具２は、孔１ａの開口の縁１ｃで接し、且つ、孔１ａの開口の縁１ｃ以外の孔の内面には接しないよう配置される。後の浸炭処理（Ｓ３）及び焼入れ（Ｓ４）では、治具２により、孔１ａの開口の内径が収縮するのが抑えられる。

図５は、孔の開口の縁に治具が接する状態の例を示す断面図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、孔１ａの開口の角に面取りが施される場合の例である。図５（ａ）の例では、面取り面１ｃ２の孔１ａの内側（内径側）の端部に治具２の傾斜面（外面２ａ）が接する。図５（ｂ）の例では、面取り面１ｃ２の孔１ａの外側（外径側）の端部に治具２の傾斜面（外面２ａ）が接する。また、図示しないが、面取り面１ｃ２の全体又は一部に外面２ａが面接触してもよい。

図５（ｃ）の例では、孔１ａの開口の縁１ｃの軸Ｊ３を通る面における断面形状は曲線となっている。すなわち、孔１ａの開口の縁１ｃは丸みを帯びている（Ｒを有する）。この場合、孔１ａの開口の縁１ｃの曲面に、治具２の傾斜面（外面２ａ）が接する。なお、治具が孔の開口の縁に接する形態は、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す例に限られない。

図６は、図４におけるＣ−Ｃ線の断面図である。図６は、治具２と接する孔１ａの開口の縁１ｃの部分の断面を示す。図６（ａ）に示す例では、孔１ａの開口の縁１ｃの全周にわたって、治具２が接している。縁１ｃの全周にわたって治具２が接することで、治具２による縮径を抑える作用がより高くなる。

図６（ｂ）に示す例では、孔１ａの開口の縁１ｃの周方向の一部において治具２が接している。孔１ａの開口の縁１ｃの２箇所で治具２が接する。治具２が接する２箇所の縁１ｃの部分の間に、孔１ａの軸Ｊ３が位置する。すなわち、治具２は、孔１ａの軸Ｊ３を挟んで対向する位置で、開口の縁１ｃに接している。なお、治具２と孔１ａの開口の縁１ｃは、３箇所以上の部分で接してもよい。

図３に示す例では、一方の外表面の孔１ａの開口の縁に接する第１の治具２１と、他方の外表面の孔１ａの開口の縁に接する第２の治具２２が、互いに連結されて配置される。他方の外表面は、一方の外表面の反対側の外表面である。これにより、孔１ａの両端の外表面の開口の縁の縮径が治具２によって抑えられる。なお、孔１ａの両端の開口の縁を抑える治具の構成は、図３に示す例に限られない。例えば、第１の治具２１と第２の治具２２を一体的に形成されてもよい。この場合、一体的に形成された治具で孔１ａの両端の縁を抑えることができる。また、第１の治具２１と第２の治具２２は、互いに連結されず、それぞれ独立して、孔１ａの両端の開口の縁を抑えてもよい。

図７は、第１の治具２１と第２の治具２２を連結する構成の例を示す図である。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１の治具２１と第２の治具２２がねじにより連結される場合の例を示す。図７（ａ）の例では、第１の治具２１と第２の治具２２のテーパ部とは反対側の端部に雌ねじが形成される。第１の治具２１と第２の治具２２は、外周に雄ねじが形成された連結軸により連結される。連結軸３の一方端側の雄ねじが、第１の治具２１の雌ねじとかみ合い、連結軸３の他方端側の雄ねじが、第２の治具２２の雌ねじに噛み合う。

図７（ｂ）の例では、第１の治具２１のテーパ部とは反対側の端部に雌ねじが形成され、第２の治具２２のテーパ部とは反対側の端部に雄ねじが形成される。第１の治具２１の雌ねじと、第２の治具２２の雄ねじが噛み合うことで、これらが連結される。第１の治具２１の雌ねじと、第２の治具２２の雄ねじは、ねじ込み量を制限するストッパを有する構成であってもよいし、ストッパを有さない構成であってもよい。

図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、ねじによって、第１の治具２１と第２の治具２２とを連結する構成では、ねじの締結トルクによって、治具が孔の開口をより確実に抑えることができる。また、第１の治具２１と第２の治具２２の相対位置関係をねじのねじ込み量で調整することができる。なお、ねじによる連結の形態は、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す例に限られない。

図７（ｃ）に示す例では、第１の治具２１と第２の治具２２は、連結ピンにより連結される。この例では、第１の治具２１のテーパ部とは反対側の端部の内径が、第２の治具２２のテーパ部とは反対側の端部の外径より大きくなっている。第１の治具２１の端部と第２の治具の端部が径方向に重なることができる。第１の治具２１の端部と第２の治具２２の端部には、それぞれ、連結ピン４を通すための穴が設けられる。第１の治具２１と第２の治具２２の端部が重なった状態で、これらの穴に連結ピン４が挿入される。

治具２の材料は、特定のものに限定されないが、例えば、鋼の素材の浸炭及び焼入れ工程において、マルテンサイト変態をする鋼を治具２の材料としてもよい。治具２は、中空の筒であってもよいし、中実の棒であってもよい。強度の観点から治具２は中実体であることが好ましい。

（Ｓ３：浸炭処理）
浸炭処理では、鋼の素材を加熱して、鋼の素材の表層に炭素を浸透させる。浸炭処理は、特定の形態に限られないが、例えば、固体浸炭、液体浸炭、ガス浸炭又は真空浸炭等により行うことができる。浸炭処理は、鋼の素材の表層に炭素を浸透させる浸炭工程と、均熱工程とを含んでもよい。浸炭処理は、治具が配置された鋼の素材に対して行われる。

浸炭工程における浸炭温度は、例えば、８００〜１１００℃である。浸炭温度の下限は、好ましくは９００℃である。浸炭温度の上限は、好ましくは１０００℃、より好ましくは９５０℃である。

浸炭工程におけるカーボンポテンシャル（Ｃｐ１）は、これに限られないが、０．７〜１．１％とすることができる。カーボンポテンシャル（Ｃｐ１）は、浸炭工程において変動させてもよい。

浸炭工程の後、鋼の素材の雰囲気を、所定の温度で所定の時間保持することで、均熱処理を行う。均熱処理における温度は、これに限られないが、例えば、８００〜９００℃である。均熱処理の温度の下限は、好ましくは８２０℃であり、温度の上限は、好ましくは８７０℃である。均熱処理における温度保持時間（恒温保持時間）は、例えば、５〜８０分である。均熱処理の温度保持時間の下限は、好ましくは２０分であり、温度保持時間の上限は、好ましくは６０分である。

（Ｓ４：焼入れ）
浸炭処理において加熱及び均熱された鋼の素材を冷却することで焼入れする。焼入れは、鋼の素材の孔に治具が配置された状態で行われる。焼入れは、治具が孔に配置された鋼の素材を、Ａｃ_３点以上の温度まで加熱してオーステナイト変態させた後、急冷してマルテンサイト変態させる。焼入れは、例えば、油焼入れとしてもよい。また、焼入れの後、焼戻しを行ってもよい。

図２に示す製造方法において、焼入れ工程（Ｓ４）では、図３に示すように、孔１ａに治具２を挿入したまま焼入れ処理が施される。焼入れにおいて、孔１ａの内径が収縮する際に、孔１ａの開口の縁１ｃの内径の収縮が治具２に妨げられる。これにより、孔１ａの開口の縁１ｃ付近の圧縮残留応力が増大する。

本実施形態において、治具２の形状は、孔１ａの開口の縁の収縮を拘束できる形状である。また、図３に示す例では、治具２は、破壊の起点となり得る孔１ａの開口の縁１ｃのみに接し、孔１ａの軸Ｊ２方向の中央部に接しない形状となっている。すなわち、治具２の細軸部２ｈの太さは、孔１ａの内径より小さい。焼入れ後の孔１ａの内径の収縮は、孔１ａの軸Ｊ２方向の中央部が最も大きい。治具２を孔１ａの開口の縁１ｃのみに接するよう配置することで、治具２により、孔１ａの開口の縮径を効率的に抑えることができる。また、治具２の孔１ａの開口の縁１ｃとの接触部に、テーパ部２ｔの外面２ａのような傾斜面を設けることで、孔１ａの開口と治具２との接触部に隙間ができるのを防止できる。これにより、孔１ａの開口の縮径を抑える効果をより効率よく発揮できる。

本実施形態によれば、焼入れ時の治具による孔の開口の縮径を抑えることにより、孔の開口に圧縮残留応力を付与できる。そのため、ショットピーニング、超音波打撃、又は切削等の塑性加工による圧縮残留応力の付与工程が不要である。焼入れ後の鋼の素材の孔の内面は、浸炭処理後の内面の表面粗さを保っている。そのため、本実施形態の製造方法により製造される鋼部材の孔の内面の表面粗さは、浸炭焼入れを施すことで得られる表面粗さＲａ以上であり、塑性加工による生じる表面粗さＲａ以下となる。例えば、孔の内面の開口の縁から２ｍｍ以内の領域における表面粗さＲａを、０．２〜５．０μｍとすることができる。これにより、表面粗さによる疲労破壊のリスクを極力排除し、且つ、鋼部材の孔の開口に圧縮残留応力を付与した鋼部材を提供することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、製造方法において、ショットピーニング、超音波打撃、又は切削等の塑性加工を除外するものではなく、これらの工程が含まれていてもよい。

鋼部材は、特に限定されないが、例えば、外周面に油孔を有するシャフト部材であってもよい。例えば、自動車や産業機械に使用されるシャフト部材は、高応力に繰り返し曝される。このようなシャフト部材は、耐疲労性に優れることが要求される。シャフト部材には、回転動力を伝達するためにねじりトルクが加えられる。そのため、高い静ねじり強度ならびにねじり疲労強度が要求される。ねじり荷重が負荷されたシャフト部材に発生する周方向応力は半径に比例するので、シャフト部材の内周側よりも外周側の応力がクリティカルになる。油孔を有するシャフト部材に繰返しの荷重が負荷された場合、油孔の外周側の表面すなわち開口の縁に応力が集中し破壊の起点となる場合がある。上記実施形態をシャフト部材に適用することで、工程を複雑にしなくても、シャフト部材の外周面における油孔の開口の縁に残留圧縮応力を付加することができる。そのため、シャフト材の疲労強度を向上できる。

孔を有する鋼部材として、油孔を有するシャフト部材をモデル化してシミュレーションを行った。当該シャフト部材について浸炭焼入れシミュレーションによる解析を行った。解析では、熱処理残留応力を評価した。図８には、解析に用いた三次元モデルを示す。シャフト部材は、外径２４ｍｍ、内径８ｍｍの円筒形状とした。シャフト部材の軸心に垂直な方向に直径４ｍｍの油孔を貫通させている。油孔の両端（開口の縁）には面取りを施している。計算コスト削減のため、対称性を利用してシャフト部材の１／８のモデルとした。シャフト部材を構成する要素には、六面体要素を使用した。シャフト部材の材料には、浸炭用機械構造用鋼として一般的なＪＩＳ ＳＣＭ４２０を用いた。材料の化学成分を、下記表１に示す。

図９は、浸炭焼入れのヒートパターンを示す。本解析では、一般的なセミホット油の冷却条件を使用した。図１０は、油の熱伝達係数を示す。油温は１３０℃とした。ヤング率及び、応力−歪線図といった機械的特性は、ＳＣＭ４２０の実測データを使用した。比熱や熱伝導率といった熱的特性は、化学成分に基づいた予測式を用いて算出した。

図１１は、解析により得られた油孔のシャフト外径端部（開口の縁）からシャフト内径端部までの油孔内面の最表面における油孔周方向の残留応力分布を示す。なお、図１１は、治具を油孔に配置しないで浸炭焼入れをした場合の残留応力分布を示す。図１１において、シャフト外面からの距離は、油孔の軸方向における油孔の開口の縁からの距離である。図１１の例では、油孔の軸方向の全体にわたって圧縮残留応力が分布している。圧縮残留応力は、油孔の軸方向（厚さ方向）の中央部で最もが大きく、端部で最も小さいことが確認できる。

図１２は、解析によって得られた焼入れ前後における変形を図示したものを示す。図１２では、変形表示倍率は５０倍としている。焼入れによって、油孔の内径が収縮していることが確認できる。

次に、本実施形態を適用した条件で、シャフト部材の焼入れ解析を行った。図１３は、治具を含めたシャフト部材の解析モデルを示す。なお、治具の形状は、図１３に示す例に限られない。シャフト形状によって治具の形状を変えてもよい。

図１４は、解析により得られた治具を用いない焼入れ、及び、治具を用いた焼入れの後の油孔のシャフト外径端部（開口の縁）からシャフト内径端部までの、油孔内面の最表面における油孔周方向の残留応力分布の比較を示すグラフである。図１４の結果から、破壊（割れ）の起点となるシャフト外周側端部（開口の縁付近）における圧縮残留応力が増加していることが確認できた。治具を用いない焼入れでは、シャフト外周側端部の残留応力は−２９２ＭＰａであったのに対し、治具を用いた焼入れでは、残留応力は−３９１ＭＰａであった。本実施形態のように治具を用いることにより、圧縮残留応力を３０％以上増加できている。

上記結果から、治具を用いた焼入れにより、破壊起点となる油孔のシャフト外周部の端部（開口の縁）の残留応力を圧縮方向に増加させる、疲労強度の向上が期待できることがわかった。具体的には、油孔内に治具を入れて焼入れを実施することで、収縮しようとする油孔の開口の縁と治具とが拘束し合い、開口の縁において引張の非弾性歪が発生すると考えられる。これにより、焼入れ後の破壊起点となる油孔の端部（開口の縁）の圧縮残留応力を増加させることができる。

１ 鋼素材
１ａ 孔
１ｃ 孔の開口の縁
２ 治具
２ｔ テーパ部

Claims (7)

1. 外表面に孔を有する鋼の素材を準備する工程と、
   前記素材を加熱して浸炭処理する工程と、
   加熱された前記素材を冷却することにより焼入れする焼入れ工程とを有し、
   前記焼入れ工程では、前記孔の開口の縁に接し、前記孔の開口の縁の内径の収縮を抑える治具を前記孔に配置した状態で焼入れを行う、鋼部材の製造方法。
2. 請求項１に記載の鋼部材の製造方法であって、
   前記焼入れにおいて、前記治具は、前記孔の開口の縁に接し、且つ前記孔の軸方向中央の内面に接しないよう配置される、鋼部材の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の鋼部材の製造方法であって、
   前記治具は、前記孔の軸方向に対して斜めである傾斜面を有し、前記焼入れにおいて、前記治具の前記傾斜面が、前記孔の開口の縁に接するよう前記治具が配置される、鋼部材の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼部材の製造方法であって、
   前記孔は、前記鋼の素材を貫通しており、
   前記焼入れにおいて、一方の外表面における前記孔の開口の縁に接する第１の治具と、前記一方の外表面の反対側の他方の外表面における前記孔の開口の縁に接する第２の治具が、ねじにより互いに連結された状態で、前記孔に配置される、鋼部材の製造方法。
5. 外表面に孔を有する鋼の素材の焼入れ時に、前記孔に挿入して配置するための治具であって、
   軸方向において太さが変化するテーパ部を有し、
   前記テーパ部において、前記軸方向に垂直な面の最大断面は前記孔の開口の面積より大きく、前記軸方向に垂直な面の最小断面は前記孔の開口の面積より小さい、治具。
6. 外表面に孔を有する鋼部材であって、
   前記外表面の前記孔の開口の縁の部分は、その外側の前記外表面の部分よりも残留圧縮応力が大きく、
   前記孔の内面の前記開口の縁から２ｍｍ以内の領域における表面粗さＲａは、０．２〜５．０μｍである、鋼部材。
7. 請求項６に記載の鋼部材であって、
   前記孔の内面の前記開口の縁から２ｍｍ以内の領域において、前記孔の軸方向において開口の縁から離れるにしたがって圧縮残留応力が小さくなる部分が存在する、鋼部材。

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