JP4713344B2 - 超微細結晶層生成方法、その超微細結晶層生成方法により生成された超微細結晶層を備えた機械部品、及び、その機械部品を製造する機械部品製造方法、並びに、ナノ結晶層生成方法、そのナノ結晶層生成方法により生成されたナノ結晶層を備えた機械部品、及び、その機械部品を製造する機械部品製造方法 - Google Patents

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超微細結晶層生成方法、その超微細結晶層生成方法により生成された超微細結晶層を備えた機械部品、及び、その機械部品を製造する機械部品製造方法、並びに、ナノ結晶層生成方法、そのナノ結晶層生成方法により生成されたナノ結晶層を備えた機械部品、及び、その機械部品を製造する機械部品製造方法に関するものである。

金属材料の表層部に超微細結晶層やナノ結晶層を生成することにより、従来にない優れた特性を持つ材料を得られることが近年になって判明してきた。

超微細結晶層とは、結晶粒の大きさが１００ｎｍ〜１μｍのものをいい、ナノ結晶層とは、結晶粒の大きさが１００ｎｍ以下のものをいう。超微細結晶層は、母材の硬さに比べて高い硬度を持ち、また、高い圧縮残留応力を持つなど、機械部品に適した優れた特性を有している。同様に、ナノ結晶層は、母材の硬さに比べて極めて高い硬度を持ち、高温でも粒成長し難く、また、高い圧縮残留応力を持つなど、機械部品に適した優れた特性を有している。

これら超微細結晶層及びナノ結晶層を工業的に利用することができれば、金属材料から構成される製品の強度や性能の向上を図ることができるものと期待されている。

そこで、超微細結晶層やナノ結晶層（以下、「ナノ結晶層等」と称す。）を金属材料の表層部に生成する技術が種々提案されている。例えば、特開２００３−３９３９８号公報には、金属製重錘の先端面に設けられた突起を金属製品の表面に衝突させ、突起が衝突した金属製品の表面箇所にナノ結晶層等を生成させる技術が記載されている（特許文献１）。

また、従来の他の技術としては、ショットピーニングを利用する技術がある。図１６は、ショットピーニングについて示した模式図である。このショットピーニングは、図１６に示すように、噴射装置１００から噴射される圧縮空気の噴射圧力を利用して、鋼やセラミックスなどの硬質粒子Ｇを金属材料１０１の加工面１０１ａに高速で衝突させるものであり、この衝突によって、加工面１０１ａの表面に塑性変形を生じさせ、ナノ結晶層等を生成する。
特開２００３−３９３９８号公報（段落［００１０］、図２など）

しかしながら、上述した金属製重錘の突起を衝突させる技術では、例えば、ナノ結晶層等を生成すべき面がコーナー部や穴の内周面などである場合には、その面に金属製重錘の突起を衝突させることができないため、ナノ結晶層等を生成することができず、複雑な形状を有する実際の工業製品に適用することが困難であるという問題点があった。

また、上述した従来の技術では、金属性重錘の衝突装置や硬質粒子Ｇの噴射装置１００など、特殊な設備が別途必要となり、装置コストが嵩むという問題点があると共に、それらの装置を使用した工程を別途追加することも必要となり、加工コスト（ナノ結晶層等の生成コスト）が嵩むという問題点もあった。

更に、金属製重錘の突起を衝突させる技術では、一度の衝突で生成することができるナノ結晶層等の面積が狭いため、ナノ結晶層等を広い範囲に生成する場合には、加工を複数回繰り返す必要が生じ、加工時間が長時間化するため、その分、加工コスト（ナノ結晶層等の生成コスト）が嵩むという問題点があった。

また、上述した従来の技術は、製品の表面に突起や硬質粒子Ｇを衝突させ、その衝突面を塑性変形させることにより、ナノ結晶層等を生成するものであるため、ナノ結晶層等の生成面が粗くなり、平滑な仕上げ面を得ることができないばかりか、均一なナノ結晶層等を得ることができないという問題点があった。

例えば、突起を衝突させる技術では、突起の中心部と外縁部とで製品表面への衝突圧力が異なるため、製品の衝突面に形成されたナノ結晶層の厚みや特性が突起の径方向に不均一となる。また、ショットピーニングを利用する技術の場合には、穴の内周面などには硬質粒子Ｇを均一に衝突させることができず、穴の底部近傍に比べて口部近傍にナノ結晶層が集中して生成されてしまう。

一方、近年では、圧延や伸線加工などの強加工により、ナノ結晶層等を得る技術が提案されている。しかしながら、この技術は、素材状態での強化であるため、圧延等の加工後の熱処理によって高硬度化などの効果が消失するという問題点や、特殊な設備や加熱工程が必要となるためコストが嵩むという問題点があり、実際の工業製品に利用することが困難であった。

これに対し、本発明者は、これらの問題点について鋭意検討した結果、ドリル加工などによってナノ結晶層等を製品形状に創製する技術を提案して（特願２００３−３００３５４号、及び、特願２００４−１３４８７号、共に未公知）、ナノ結晶層等の工業的利用を可能にした。しかしながら、この技術は、加工面の材料温度を低温に維持しつつ、高歪を付与するものであるため、高硬度材料の被加工物を加工する場合には、工具に対する負荷が高くなり、工具破損を引き起こすという問題点や、加工が不可能になるという問題点があった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、金属製品の表面にナノ結晶層を低コストで、かつ、安定して生成することができる超微細結晶層生成方法、その超微細結晶層生成方法により生成された超微細結晶層を備えた機械部品、及び、その機械部品を製造する機械部品製造方法、並びに、ナノ結晶層生成方法、そのナノ結晶層生成方法により生成されたナノ結晶層を備えた機械部品、及び、その機械部品を製造する機械部品製造方法を提供することを目的としている。

この目的を達成するために、請求項１記載の超微細結晶層生成方法は、金属材料から構成される被加工物に加工工具を使用した機械加工を行って、その加工面に局部的な大歪を付与することにより、前記加工面の表層部に超微細結晶層を生成するものであり、前記加工工具を使用した機械加工は、前記被加工物の加工面に少なくとも真歪１以上の塑性加工を与えるものであり、前記加工工具を使用した機械加工は、前記被加工物の加工面における材料温度を所定の温度範囲に維持して行われるものであり、その所定の温度範囲は、前記被加工物が鉄鋼材料から構成される場合にはその鉄鋼材料のＡｃ１変態点より高く融点未満の温度範囲であり、前記被加工物が鉄鋼材料を除く他の金属材料から構成される場合にはその金属材料の絶対温度に換算した融点の１／２の温度より高く融点未満の温度範囲であり、前記加工工具を使用した機械加工は、前記被加工物の加工面における材料温度を前記所定の温度範囲に維持し、かつ、前記被加工物の加工面の下層部または前記加工面の表層部の非超微細結晶層における材料温度が５００°Ｃ以上となる時間を１秒以内とし、母材の硬度の８０％の硬度を確保する。

請求項２記載の超微細結晶層生成方法は、請求項１記載の超微細結晶層生成方法において、前記加工工具を使用した機械加工は、加工が開始された後の時間的な平均材料温度と、加工面全体における熱分布の平均材料温度とを、それぞれ前記所定の温度範囲に維持する。

請求項３記載の機械部品は、金属材料から構成され、その表層部の少なくとも一部に前記請求項１または２に記載の超微細結晶層生成方法によって生成された超微細結晶層を備えている。

請求項４記載の機械部品製造方法は、金属材料から構成され、その表層部の少なくとも一部に超微細結晶層が生成された機械部品を製造するものであり、前記請求項１または２に記載の超微細結晶層生成方法によって前記機械部品に超微細結晶層を生成する超微細結晶層生成工程を少なくとも備えている。

請求項５記載のナノ結晶層生成方法は、金属材料から構成される被加工物に加工工具を使用した機械加工を行って、その加工面に局部的な大歪を付与することにより、前記加工面の表層部にナノ結晶層を生成するものであり、前記加工工具を使用した機械加工は、前記被加工物の加工面に少なくとも真歪７以上の塑性加工を与え、かつ、前記被加工物の加工面における材料温度を所定の温度範囲に維持して行われるものであり、その所定の温度範囲は、前記被加工物が鉄鋼材料から構成される場合にはその鉄鋼材料のＡｃ１変態点より高く融点未満の温度範囲であり、前記被加工物が鉄鋼材料を除く他の金属材料から構成される場合にはその金属材料の絶対温度に換算した融点の１／２の温度より高く融点未満の温度範囲であり、前記加工工具を使用した機械加工は、前記加工面の表層部に１／μｍ以上のひずみ勾配を与えるように行われるものである。

請求項６記載のナノ結晶層生成方法は、請求項５記載のナノ結晶層生成方法において、前記加工工具を使用した機械加工は、前記被加工物の加工面における材料温度を前記所定の温度範囲に維持し、かつ、前記被加工物の加工面の下層部または前記加工面の表層部の非ナノ結晶層における材料温度が５００°Ｃ以上となる時間を１秒以内とし、母材の硬度の８０％以上の硬度を確保する。

請求項７記載のナノ結晶層生成方法は、請求項５または６に記載のナノ結晶層生成方法において、前記加工工具を使用した機械加工は、加工が開始された後の時間的な平均材料温度と、加工面全体における熱分布の平均材料温度とを、それぞれ前記所定の温度範囲に維持する。

請求項８記載の機械部品は、金属材料から構成され、その表層部の少なくとも一部に前記請求項５から７のいずれかに記載のナノ結晶層生成方法によって生成されたナノ結晶層を備えている。

請求項９記載の機械部品製造方法は、金属材料から構成され、その表層部の少なくとも一部にナノ結晶層が生成された機械部品を製造するものであり、前記請求項５から７のいずれかに記載のナノ結晶層生成方法によって前記機械部品にナノ結晶層を生成するナノ結晶層生成工程を少なくとも備えている。

請求項１記載の超微細結晶層生成方法によれば、被加工物に加工工具を使用した機械加工を行うことにより、その加工面の表層部に超微細結晶層を生成するので、従来の技術のように、被加工物の形状によって超微細結晶層の生成可能な部位が限定されたり、超微細結晶層の厚みや特性が不均一化したりすることを抑制することができ、その結果、超微細結晶層を機械部品などに安定して生成することができるという効果がある。

また、従来の技術のように、金属製重錘の衝突装置やショットピーニングの噴射装置などの特別な装置を別途設ける必要がないので、装置コストを抑制することができるという効果がある。また、製品の製造工程においては、超微細結晶層を生成するための工程変更を最小限とすることができるので、超微細結晶層の生成コストを低減して、その分、製品コストを抑制することができるという効果がある。

更に、従来の技術では、広い範囲に超微細結晶層を生成する場合、突起や硬質粒子の衝突を複数回繰り返し行う必要があるため、加工時間が嵩み非効率的であるのに対し、請求項１記載の超微細結晶層生成方法は、加工工具を使用した機械加工によって超微細結晶層を生成するので、超微細結晶層を効率良く生成することができ、その分、超微細結晶層の生成コストを抑制することができるという効果がある。

ここで、加工工具を使用した機械加工は、被加工物の加工面に真歪１以上の塑性加工を与えるものであるので、工具や加工機械の負担を抑制することができるという効果がある。その結果、高硬度材料の被加工物を加工する場合であっても、工具の破損などを抑制することができ、被加工物の加工面表層部に超微細結晶層を安定して生成することができるという効果がある。

また、加工工具を使用した機械加工は、被加工物の加工面における材料温度を所定の温度範囲に維持して行われるものであり、その所定の温度範囲は、被加工物が鉄鋼材料から構成される場合にはその鉄鋼材料のＡｃ１変態点より高く融点未満の温度範囲であり、被加工物が鉄鋼材料を除く他の金属材料から構成される場合にはその金属材料の絶対温度に換算した融点の１／２の温度より高く融点未満の温度範囲である。

このように、被加工物の加工面の材料温度を所定の温度以上に上昇させることで、被加工物の加工面を軟化させることができるので、工具や加工機械の負担を抑制しつつ、被加工物の加工面に真歪１以上の歪を確実に与えることができるという効果がある。その結果、硬度が比較的高い材料からなる被加工物を加工する場合であっても、工具の破損などを抑制することができ、被加工物の加工面表層部に超微細結晶層を安定して生成することができるという効果がある。

また、加工工具を使用した機械加工は、被加工物の加工面における材料温度を上述した所定の温度範囲に維持し、かつ、被加工物の加工面の下層部または加工面の表層部の非超微細結晶層における材料温度が５００°Ｃ以上となる時間を１秒以内とし、母材の硬度の８０％の硬度を確保する。

その結果、被加工物の加工面の下層部または加工面の表層部の非超微細結晶層が焼き戻しや焼き鈍しなどの熱影響を受けることを抑制して、加工面の下層部や加工面の表層部の非超微細結晶層の硬度が低下することを抑制することができるという効果がある。即ち、加工面に超微細結晶層を生成しつつ、加工面下層部や加工面の表層部の非超微細結晶層の硬度及び強度を確保することができる。

請求項３記載の機械部品によれば、請求項１または２に記載の超微細結晶層生成方法によって生成された超微細結晶層をその表層部の少なくとも一部に備えている。よって、機械部品の表面硬度を向上させることができると共に、圧縮残留応力が付加されるので疲労強度を向上させることができ、更に、高温でも再結晶し難くなるので耐摩耗性を向上させることができ、その結果、かかる機械部品の特性を向上させることができるという効果がある。

また、請求項１または２に記載の超微細結晶層生成方法により超微細結晶層を生成することで、かかる超微細結晶層を低コストに生成することができ、その分、機械部品全体としての製品コストを抑制することができるという効果がある。

請求項４記載の機械部品製造方法によれば、請求項１または２に記載の超微細結晶層生成方法によって機械部品に超微細結晶層を生成する超微細結晶層生成工程を少なくとも備えているので、超微細結晶層を安定して生成すると共に、その生成コストを抑制して、機械部品を製造することができるという効果がある。

請求項５記載のナノ結晶層生成方法によれば、被加工物に加工工具を使用した機械加工を行うことにより、その加工面の表層部にナノ結晶層を生成するので、従来の技術のように、被加工物の形状によってナノ結晶層の生成可能な部位が限定されたり、ナノ結晶層の厚みや特性が不均一化したりすることを抑制することができ、その結果、ナノ結晶層を機械部品などに安定して生成することができるという効果がある。

また、従来の技術のように、金属製重錘の衝突装置やショットピーニングの噴射装置などの特別な装置を別途設ける必要がないので、装置コストを抑制することができるという効果がある。また、製品の製造工程においては、ナノ結晶層を生成するための工程変更を最小限とすることができるので、ナノ結晶層の生成コストを低減して、その分、製品コストを抑制することができるという効果がある。

更に、従来の技術では、広い範囲にナノ結晶層を生成する場合、突起や硬質粒子の衝突を複数回繰り返し行う必要があるため、加工時間が嵩み非効率的であるのに対し、請求項５記載のナノ結晶層生成方法は、加工工具を使用した機械加工によってナノ結晶層を生成するので、ナノ結晶層を効率良く生成することができ、その分、ナノ結晶層の生成コストを抑制することができるという効果がある。

ここで、加工工具を使用した機械加工は、被加工物の加工面に真歪７以上の塑性加工を与えると共に、被加工物の加工面の材料温度を所定の温度範囲に維持して行われるものであり、その所定の温度範囲は、被加工物が鉄鋼材料から構成される場合にはその鉄鋼材料のＡｃ１変態点より高く融点未満の温度範囲であり、被加工物が鉄鋼材料を除く他の金属材料から構成される場合にはその金属材料の絶対温度に換算した融点の１／２の温度より高く融点未満の温度範囲である。

このように、被加工物の加工面の材料温度を所定の温度以上に上昇させることで、被加工物の加工面を軟化させることができるので、工具や加工機械の負担を抑制しつつ、被加工物の加工面に真歪７以上の大歪を確実に与えることができるという効果がある。その結果、硬度が比較的高い材料からなる被加工物を加工する場合であっても、工具の破損などを抑制することができ、被加工物の加工面表層部にナノ結晶層を安定して生成することができるという効果がある。
また、加工工具を使用した機械加工は、加工面の表層部に１／μｍ以上のひずみ勾配を与えるように行われるので、被加工物の加工面の表層部にナノ結晶層を確実に生成することができるという効果がある。

請求項６記載のナノ結晶層生成方法によれば、請求項５記載のナノ結晶層生成方法の奏する効果に加え、加工工具を使用した機械加工は、被加工物の加工面における材料温度を所定の温度範囲に維持し、かつ、被加工物の加工面の下層部または加工面の表層部の非ナノ結晶層における材料温度が５００°Ｃ以上となる時間を１秒以内とし、母材の硬度の８０％以上の硬度を確保する。

その結果、被加工物の加工面の下層部または加工面の表層部の非ナノ結晶層が焼き戻しや焼き鈍しなどの熱影響を受けることを抑制して、加工面の下層部や加工面の表層部の非ナノ結晶層の硬度が低下することを抑制することができるという効果がある。即ち、加工面にナノ結晶層を生成しつつ、加工面下層部や加工面の表層部の非ナノ結晶層の硬度及び強度を確保することができる。

請求項８記載の機械部品によれば、請求項５から７のいずれかに記載のナノ結晶層生成方法によって生成されたナノ結晶層をその表層部の少なくとも一部に備えている。よって、機械部品の表面硬度を向上させることができると共に、圧縮残留応力が付加されるので疲労強度を向上させることができ、更に、高温でも粒成長し難くなるので耐摩耗性を向上させることができ、その結果、かかる機械部品の特性を向上させることができるという効果がある。

また、請求項５から７のいずれかに記載のナノ結晶層生成方法によりナノ結晶層を生成することで、かかるナノ結晶層を低コストに生成することができ、その分、機械部品全体としての製品コストを抑制することができるという効果がある。

請求項９記載の機械部品製造方法によれば、請求項５から７のいずれかに記載のナノ結晶層生成方法によって機械部品にナノ結晶層を生成するナノ結晶層生成工程を少なくとも備えているので、ナノ結晶層を安定して生成すると共に、その生成コストを抑制して、機械部品を製造することができるという効果がある。

本発明の第１実施の形態における超微細結晶層生成方法を説明する図であり、（ａ）は、ドリルによる穴あけ加工中の被加工物の断面図であり、（ｂ）は、ドリルによる穴あけ加工後の被加工物の断面図である。 第１の加工条件としての切削条件について示す図である。 孔部の断面組織を示す図である。 第２実施の形態における超微細結晶層生成方法を説明する図であり、エンドミルによる切削加工中の被加工物の斜視図である。 第３実施の形態における超微細結晶層生成方法を説明する図であり、（ａ）は、押し付け工具によるスライディング加工中の被加工物の斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＶｂ−Ｖｂ線における被加工物の横断面図である。 第４実施の形態におけるナノ結晶層生成方法を説明する図であり、（ａ）は、ドリルによる穴あけ加工中の被加工物の断面図であり、（ｂ）は、ドリルによる穴あけ加工後の被加工物の断面図である。 第４の加工条件としての切削条件について示す図である。 孔部の断面組織を示す図である。 孔部の断面組織を示す写真である。 図９の断面組織を模式的に示した模式図である。 （ａ）は、孔部の表面からの深さと結晶の変位との関係を示す図であり、（ｂ）は、深さとせん断ひずみとの関係を示す図であり、（ｃ）は、深さとひずみ勾配との関係を示す図である。 第５実施の形態におけるナノ結晶層生成方法を説明する図であり、エンドミルによる切削加工中の被加工物の斜視図である。 第６実施の形態におけるナノ結晶層生成方法を説明する図であり、（ａ）は、ドリルによる穴あけ加工中の被加工物の断面図であり、（ｂ）は、ドリルによる穴あけ加工後の被加工物の断面図である。 従来の切削条件と第６の加工条件としての切削条件とを比較して示した図である。 第７実施の形態におけるナノ結晶層生成方法を説明する図であり、（ａ）は、押し付け工具によるスライディング加工中の被加工物の斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸＩＶｂ−ＸＩＶｂ線における被加工物の横断面図である。 従来のナノ結晶層等生成方法（ショットピーニング）を示した模式図である。

Ｗ 被加工物
Ｃ１ 超微細結晶層
１１ 表層（超微細結晶層）
Ｃ２ ナノ結晶層
３１ 表層（ナノ結晶層）
Ｃ３ ナノ結晶層
Ｄ ドリル（加工工具）
Ｅ エンドミル（加工工具）
Ｐ 押し付け工具（加工工具）

以下、本発明の好ましい実施の形態について、添付図面を参照して説明する。まず、第１実施の形態では、超微細結晶層生成方法として、ドリルＤ（加工工具）を使用した穴あけ加工（機械加工）により被加工物の加工面の表層部に超微細結晶層を生成する方法について説明する。

ここで、超微細結晶とは、その結晶粒の大きさ（長さ）が１００ｎｍ〜１μｍである結晶をいい、超微細結晶層とは、その結晶組織の少なくとも５０％以上に前記した超微細結晶が含まれている組織をいう。請求項１から４のいずれかに記載の「超微細結晶層」なる文言も同様の趣旨である。

なお、超微細結晶は、その結晶粒の大きさ（長さ）がいずれの方向においても１００ｎｍ〜１μｍである必要はなく、少なくとも一方向において１００ｎｍ〜１μｍであれば足りる趣旨である。即ち、超微細結晶は、必ずしも断面円形の結晶である必要はなく、断面偏平形状の結晶であっても良い。

また、超微細結晶層は、前記した超微細結晶を少なくとも５０％以上含むものであれば、混粒組織であることは当然可能であり、超微細結晶の残部がどのような態様の結晶から構成されていても良い。

図１は、本発明の第１実施の形態における超微細結晶層生成方法を説明する図であり、図１（ａ）は、ドリルＤによる穴あけ加工中の被加工物Ｗの断面図であり、図１（ｂ）は、ドリルＤによる穴あけ加工後の被加工物Ｗの断面図である。なお、図１では、ドリルＤ及び被加工物Ｗの一部が省略して図示されている。

第１実施の形態における超微細結晶層生成方法によれば、被加工物Ｗに対して、以下に示す第１及び第２の２つの加工条件をそれぞれ満たしつつ、ドリルＤによる孔部１の穴あけ加工を行うことにより（図１（ａ）参照）、その孔部１の内周面（加工面の表層部）に超微細結晶層Ｃ１を生成することができる（図１（ｂ）参照）。

まず、第１の加工条件としては、孔部１の内周面に少なくとも真歪１以上の塑性加工を与えることが条件とされ、これは、図２に示す切削条件に従うことによって達成される。ここで、図２を参照して、切削条件について説明する。

図２は、本発明の第１の加工条件としての切削条件（超微細結晶層生成切削条件）について示す図であり、横軸は被加工物Ｗの硬度（Ｈｖ）を、縦軸はドリルＤの周速（ｍ／ｍｉｎ）を、それぞれ示している。

図２に示すように、第１の加工条件は、ドリルＤの周速Ｖ［ｍ／ｍｉｎ］を被加工物Ｗの硬さＨ［Ｈｖ］に対応付けて規定するものであり、この第１の加工条件に従って、ドリルＤによる孔部１の穴あけ加工を行うことで、孔部１の内周面に少なくとも真歪１以上の塑性加工を与えることができる。

具体的には、図２に示すように、被加工物Ｗの硬さＨが５００［Ｈｖ］未満である場合には、ドリルＤの周速Ｖは、Ｖ≧１７５−Ｈ／４［ｍ／ｍｉｎ］として規定され、被加工物Ｗの硬さＨが５００［Ｈｖ］以上である場合には、ドリルＤの周速Ｖは、Ｖ≧５０［ｍ／ｍｉｎ］として規定される。

なお、ドリルＤの送り速度は、１回転当たり０．３ｍｍ以下とすることが好ましい。ドリルＤの負荷を抑制しつつ、孔部１の内周面に真歪１以上の塑性加工を確実に与えるためである。

ここで、第１の加工条件としての切削条件は、被加工物Ｗの硬さＨが５００［Ｈｖ］未満である場合には、ドリルＤの周速ＶをＶ≧１７５−Ｈ／４［ｍ／ｍｉｎ］とし、かつ、ドリルＤの送り速度を１回転当たり０．０５ｍｍ以下とし、被加工物Ｗの硬さＨが５００［Ｈｖ］以上である場合には、ドリルＤの周速Ｖを７５［ｍ／ｍｉｎ］以上、かつ、ドリルＤの送り速度を１回転当たり０．０５ｍｍ以下とすることがより好ましい。ドリルＤの負荷を抑制しつつ、孔部１の内周面に真歪１以上の塑性加工をより確実に与えることができるからである。

なお、ドリルＤによる孔部１の穴あけ加工は、図１に示すように、被加工物Ｗに下穴を予め穿設せずに行う場合を説明したが、必ずしもこれに限られるわけではなく、予め下穴を穿設した後に行っても良い。

具体的には、孔部１の穴あけ加工に際しては、まず、規定よりも小径のドリルで下穴２（図１（ａ）では１点鎖線にて示す）を予め穿設し、次いで、規定の外径を有する上述のドリルＤまたはリーマにより、孔部１を規定の径に仕上げるようにしても良い。この場合、下穴２の穴あけ加工は、通常の切削条件（例えば、周速毎分２０ｍ以下）に従う一方、ドリルＤまたはリーマによる孔部１の仕上げ加工は、図２に示す第１の加工条件（超微細結晶層生成切削条件）に従う。

次いで、第２の加工条件としては、ドリルＤによる穴あけ加工の間、孔部１の加工面の材料温度を所定の温度範囲（以下、「温度範囲」と称す。）に維持することが条件とされる。即ち、加工部への切削油などの供給量やドリルＤによる切削条件（周速Ｖ或いは送り速度など）を調整して、孔部１の加工面の材料温度を温度範囲内に保つのである。

ここで、温度範囲は、被加工物Ｗが鉄鋼材料から構成される場合には、その鉄鋼材料のＡｃ１変態点以上かつ融点未満とされ、被加工物Ｗが鉄鋼材料を除く他の金属材料（例えば、アルミニウム合金やチタン合金など）から構成される場合には、その金属材料の融点の略１／２の温度以上かつ融点未満とされる。

なお、融点は、絶対温度で計算されるものであり、例えば、融点が１５００℃であれば、その融点の略１／２の温度は、略８８６．５Ｋ（＝１７７３Ｋ／２）となる。

ここで、第２の加工条件における「温度範囲に維持する」とは、ドリルＤにより孔部１の穴あけ加工が開始された後の時間的な平均材料温度と、孔部１の加工面全体における熱分布の平均材料温度とが、それぞれ温度範囲に維持されていれば足りる趣旨である。

よって、ドリルＤによる孔部１の穴あけ加工を開始した直後の加工面の材料温度が温度範囲の最低温度に達していなくても、その後、上述の平均温度が温度範囲に維持されていれば、第２の加工条件は満たしている。

なお、ドリルＤによる孔部１の穴あけ加工を開始する前に被加工物Ｗを加熱手段（例えば、ガス炉や電気炉など）により加熱しておくことは当然可能である。これにより、超微細結晶層Ｃ１の生成を促進することができると共に、被加工物Ｗを軟化させることができるので、ドリルＤ（加工工具）や加工機械の負担を軽減して、その破損等を抑制することができる。

次いで、上述した超微細結晶層生成方法を適用して行った穴あけ加工の結果について説明する。この穴あけ加工に使用した被加工物Ｗは、炭素鋼（ＪＩＳ−Ｓ５５Ｃ）から構成されるものであり、焼き入れ処理によって、その硬度が約７．８ＧＰａ（８００Ｈｖ）とされている。

この被加工物Ｗに対して、上述した第１及び第２の加工条件に従いつつ、ドリルＤを使用して孔部１を穿設した結果、孔部１の内周面には、図１（ｂ）に示すように、超微細結晶層Ｃ１が生成された。ここで、図３を参照して、孔部１の内周面を詳細に観察した結果を説明する。

図３は、孔部１の断面組織を示す図である。孔部１の内周面には、図３に示すように、表面側（図３上側）から順に表層１１、第２層１２が観察された。なお、第２層１２の下層側（図３下側）は、無加工領域（ドリルＤによる加工の影響を受けない領域）１３である。

孔部１の表層１１では、粒径が略６００ｎｍの大きさの超微細結晶層Ｃ１が観察された。この超微細結晶層Ｃ１では、硬度が１０００Ｈｖまで向上していることが確認された。表層１１は、ドリルＤによる加工時の加熱によりα域で再結晶された後、更に（α＋γ）２相域に加熱された領域で、残留αが島状となり、炭素を固溶したγが冷却中に（α＋マルテンサイト）に変態したものと考えられる。なお、表層１１には、真歪１以上の塑性変形が付与されている。

ここで、第１実施の形態における表層１１の厚み（表面から表層１１下面までの深さ）は、略１０μｍであった。但し、かかる層の厚み（深さ）は、ドリルＤの周速Ｖを速くするほど増加することが観察されている。また、かかる層の厚み（深さ）は、ドリルＤの周速Ｖが一定であれば、ドリルＤの直径を大きくするほど、増加することが観察されている。

第２層１２は、ドリルＤの穴あけ加工により略７００°Ｃまで加熱され静的再結晶により生成された領域（即ち、穴あけ加工時の熱影響により焼戻しされた領域）であると考えられる。なお、この第２層１２が請求項１に記載した「被加工物の加工面の下層部の非超微細結晶層」に対応する。

ここで、ドリルＤによる穴あけ加工（機械加工）は、切削油などの供給量や切削条件（周速Ｖ或いは送り速度など）を調整することで、加工面における材料温度が上述した第２の加工条件を満たすように制御しつつ、第２層１２における材料温度が略５００°Ｃ以上となる時間を略１秒以内とすることができるように制御することが好ましい。これにより、第２層１２が焼戻しされることを抑制して、その硬度及び強度を確保することができるからである。

また、ドリルＤによる穴あけ加工を終了した後は、被加工物Ｗの焼入れに必要な冷却速度よりも速い速度で表層１１（超微細結晶層Ｃ１）を冷却することが好ましい。これにより、ドリルＤによる塑性変形と熱処理変態とを利用して、組織を微細化することができるので、超微細結晶層Ｃ１の硬度をより確保することができる。

次いで、超微細結晶層Ｃ１が生成された被加工物Ｗに焼鈍処理を行った結果について説明する。なお、焼鈍処理は、被加工物Ｗを６００℃の雰囲気温度中に１時間保持することにより行った。

焼鈍処理後の被加工物Ｗは、表層１１における超微細結晶層Ｃ１の粒径が略６００ｎｍに保たれていた。このように、超微細結晶層Ｃ１は、焼鈍処理によっても結晶粒が再結晶されにくく、温度鈍感性に優れていることが確認された。

次いで、上述した第１実施の形態における超微細結晶層生成方法をオートマチックトランスミッション用のインプットシャフトの製造に適用し、その捩り疲労強度試験を行った結果について説明する。インプットシャフトは、上述の被加工物Ｗと同材料から構成されるものであり、軸方向に延びる油導入用の横穴を内部に有する長尺の孔付きシャフトとして形成されている。

このインプットシャフトの外周面には、上記の横穴と連通する油供給用の分岐孔が複数穿設されており、この分岐孔の穴あけ加工において、上述の超微細結晶層生成方法が適用されている。従って、各分岐孔の内周面には、超微細結晶層Ｃ１が生成されており、その硬度が向上されている。

分岐孔形成部におけるインプットシャフトの捩り疲労強度は、付加トルク３９２Ｎｍでは平均３７８６５３回、付加トルク４５１Ｎｍでは平均９５７２７回となり、分岐孔の内周面に超微細結晶層Ｃ１を有しない従来品と比較して、その強度（９万回相当時のトルク比）が略２０％向上していることが確認された。

次いで、図４を参照して、第２実施の形態について説明する。第１実施の形態の超微細結晶層生成方法では、ドリルＤを使用した穴あけ加工により超微細結晶層Ｃ１を生成したが、第２実施の形態の超微細結晶層生成方法は、エンドミルＥを使用した切削加工により超微細結晶層Ｃ１を生成する。なお、上記した第１実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

図４は、第２実施の形態における超微細結晶層生成方法を説明する図であり、エンドミルＥによる切削加工中の被加工物Ｗの斜視図である。なお、図４では、エンドミルＥを保持しつつ加工機械からの回転力を伝達するホルダーの図示が省略されている。

第２実施の形態における超微細結晶層生成方法によれば、図４に示すように、被加工物Ｗに対して、上述した第１及び第２の２つの加工条件を満たしつつ、エンドミルＥ（加工工具）による切削加工（機械加工）を行うことにより、その加工面の表層部に超微細結晶層Ｃ１を生成することができる。

まず、被加工物Ｗ及びエンドミルＥの詳細諸元について説明する。被加工物Ｗは、材質：炭素鋼（ＪＩＳ−ＳＵＪ２）、熱処理：焼入れ、硬度：７９０［Ｈｖ］であり、エンドミルＥは、材質：超硬合金、コーティング：ＴｉＡｌＮコーティング、工具径：φ１０ｍｍである。また、切削条件は、周速：１５０ｍ／ｍｉｎ、送り速度：０．１８ｍｍ／ｒｅｖ、軸方向切り込み深さ：２ｍｍ、径方向切り込み深さ：０．１ｍｍ、切削油：不使用である。

このような条件により被加工物Ｗの切削加工を行った結果、被加工物Ｗの加工面には、真歪１以上の塑性加工が付与されると共に（上述した第１の加工条件）、その加工面の材料温度がＡｃ１変態点以上に上昇され（上述した第２の加工条件）、超微細細結晶層Ｃ１が加工面に生成された。

この切削加工後の被加工物Ｗを詳細に観察した結果、被加工物Ｗには、２．５μｍ程度の厚さの超微細結晶層Ｃ１が生成されていることが確認された。

次いで、図５を参照して、第３実施の形態について説明する。第１実施の形態の超微細結晶層生成方法では、ドリルＤを使用した穴あけ加工により超微細結晶層Ｃ１を生成したが、第３実施の形態の超微細結晶層生成方法は、押し付け工具Ｐを使用したスライディング加工により超微細結晶層Ｃ１を生成する。なお、前記した第１実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

図５は、第３実施の形態における超微細結晶層生成方法を説明する図であり、図５（ａ）は、押し付け工具Ｐによるスライディング加工中の被加工物Ｗの斜視図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＶｂ−Ｖｂ線における被加工物Ｗの横断面図である。

なお、図５（ａ）では、被加工物Ｗを保持しつつ旋盤からの回転力を伝達するホルダーの図示が省略されている。また、図５（ｂ）は、押し付け工具Ｐによるスライディング加工後における被加工物Ｗの横断面図を示している。

第３実施の形態における超微細結晶層生成方法は、硬度が比較的低い材料からなる被加工物Ｗの加工面表層部に超微細結晶層Ｃ１を安定して生成するための方法である。具体的には、被加工物Ｗに対して、上述した第１の加工条件を満たしつつ、押し付け工具Ｐ（加工工具）による外周加工面２１のスライディング加工（機械加工）を行うことにより（図５（ａ）参照）、その外周加工面２１の表層部（加工面の表層部）に超微細結晶層Ｃ１を生成する（図５（ｂ）参照）。

但し、第３実施の形態における超微細結晶層生成方法では、上述した第２の加工条件とは異なる条件（以下、「第３の加工条件」と称す。）が適用される。

ここで、第３の加工条件としては、ドリルＤによる穴あけ加工の間、外周加工面２１の材料温度を所定の温度（以下、「上限温度」と称す。）よりも低温に維持することが条件とされる。即ち、加工部への冷却液の供給量や被加工物Ｗの回転速度、押し付け工具Ｐの押し付け圧力などを調整して、外周加工面２１における材料温度が上昇することを抑制するのである。

上限温度は、被加工物Ｗが鉄鋼材料から構成される場合には、その鉄鋼材料のＡｃ１変態点であり、被加工物Ｗが鉄鋼材料を除く他の金属材料（例えば、アルミニウム合金やチタン合金など）から構成される場合には、その金属材料の融点の略１／２の温度である。なお、融点は、上述した場合と同様に、絶対温度で計算される。

なお、第３の加工条件における「上限温度よりも低温に維持する」とは、押し付け工具Ｐにより外周加工面２１のスライディング加工が行われる間の時間的な平均材料温度と、その外周加工面２１全体における熱分布の平均材料温度とが、それぞれ上限温度よりも低温に維持されていれば足りる趣旨である。よって、加工面の材料温度が瞬間的または局部的に上限温度よりも高温となった場合であっても、上述の平均温度が上限温度よりも低温に維持されていれば、第３の加工条件は満たしている。

スライディング加工とは、被加工物Ｗに回転（図５（ａ）矢印Ｒ方向）を与えると同時に、被加工物Ｗの外周加工面２１に押し付け工具Ｐを所定の圧力で押し付けて滑動させることにより、被加工物Ｗの外周加工面２１に塑性加工を与える加工である。

被加工物Ｗ及び押し付け工具Ｐの詳細諸元について説明する。被加工物Ｗは、材質：炭素鋼（ＪＩＳ−Ｓ１０Ｃ）、硬度：３．９ＧＰａ（４００Ｈｖ）、加工外周面２１の外径：φ１０ｍｍであり、押し付け工具Ｐは、材質：工具鋼（ＪＩＳ−ＳＫＤ６１）、硬度：８．３ＧＰａ（８５０Ｈｖ）、工具幅（図５（ａ）左右方向幅）：５ｍｍである。

ここで、超微細結晶層Ｃ１を生成するためには、上述した第１の加工条件（真歪１以上の塑性加工を与える条件）及び第３の加工条件（温度条件）を満たすべく、押し付け工具Ｐの押し付け面圧（例えば、１００ＭＰａ）、スライディング加工時間（例えば、３分）、被加工物Ｗの回転速度、冷却液の供給量などを適宜調整する。

次いで、第３実施の形態における超微細結晶層生成方法を適用して行ったスライディング加工の結果について説明する。図５（ａ）に示すように、被加工物Ｗに対して、上述した第１及び第３の加工条件を満たしつつ、押し付け工具Ｐを使用して加工外周面２１にスライディング加工を行った結果、その加工外周面２１には、図５（ｂ）に示すように、超微細結晶層Ｃ１が生成された。

このスライディング加工後の被加工物Ｗを詳細に観察した結果、被加工物Ｗは、超微細結晶層Ｃ１が生成されていない内部の硬度が３．９ＧＰａ（４００Ｈｖ）であったのに対し、超微細結晶層Ｃ１における硬度が１．５倍以上の硬度まで向上していることが確認された。

また、このような超微細結晶層Ｃ１が生成された被加工物Ｗに焼鈍処理を行った結果について説明する。なお、焼鈍処理は、被加工物Ｗを６００℃の雰囲気温度中に１時間保持することにより行った。

焼鈍処理後の被加工物Ｗは、超微細結晶層Ｃ１が生成されていない内部の硬度が１．５ＧＰａ（１５０Ｈｖ）であったのに対し、超微細結晶層Ｃ１における硬度が２倍以上の硬度であり、高い硬度が維持されていた。このように、超微細結晶層Ｃ１は、焼鈍処理によっても結晶粒が再結晶されにくく、温度鈍感性に優れているので、第３実施の形態における超微細結晶層生成方法を例えば回転軸の摺動面に適用することにより、かかる摺動面の耐摩耗性を向上させ、回転軸の寿命の向上を図ることができる。

以上、第１から第３実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、上記第１から第３実施の形態では、超微細結晶層Ｃ１を生成するための機械加工として、ドリルＤを使用した穴あけ加工、エンドミルＥを使用した切削加工、或いは、押し付け工具Ｐを使用したスライディング加工を例に説明したが、必ずしもこれらの機械加工に限られるわけではなく、上述した第１及び第２（又は、第３）の加工条件をともに満たす機械加工であれば、他の種類の機械加工を本発明に適用することは当然に可能である。

かかる機械加工としては、例えば、バイト工具を使用した旋盤加工、フライス工具を使用したフライス加工、バイト工具を使用した平削り加工、ホブ工具を使用した歯切り加工などに代表される切削加工や、砥石工具を使用した仕上げ加工などに代表される研削加工や、バニッシング工具を使用したバニッシング加工などが例示される。

また、上記第１実施の形態では、超微細結晶層Ｃ１を有する機械部品として、オートマチックトランスミッション用のインプットシャフトを例に説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、金属材料から構成されるものであれば、どのような機械部品であっても良く、自動車用の構造部品である必要もない。他の機械部品としては、例えば、建築用の構造部品などが例示される。

なお、上記第１から第３実施の形態では、被加工物Ｗが鉄鋼材料から構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるわけではなく、被加工物Ｗを鉄鋼材料を除く他の金属材料から構成することは当然可能である。鉄鋼材料を除く他の金属材料としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム、チタン、銅などの金属材料とその合金が例示される。即ち、請求項１から４のいずれかに記載した金属材料は、鉄鋼材料やここで例示した金属材料に限定されるものではなく、種々の金属材料が含まれる趣旨である。

次いで、図６から図１０を参照して、第４実施の形態について説明する。第４実施の形態では、ナノ結晶層生成方法として、ドリルＤ（加工工具）を使用した穴あけ加工（機械加工）により被加工物の加工面の表層部にナノ結晶層を生成する方法について説明する。

ここで、ナノ結晶とは、その結晶粒の大きさ（長さ）が１００ｎｍ以下の結晶をいい、ナノ結晶層とは、その結晶組織の少なくとも５０％以上に前記したナノ結晶が含まれている組織をいう。請求項５から９のいずれかに記載の「ナノ結晶層」なる文言も同様の趣旨である。

なお、ナノ結晶は、その結晶粒の大きさ（長さ）がいずれの方向においても１００ｎｍ以下である必要はなく、少なくとも一方向において１００ｎｍ以下であれば足りる趣旨である。即ち、ナノ結晶は、必ずしも断面円形の結晶である必要はなく、断面偏平形状の結晶であっても良い。

また、ナノ結晶層は、前記したナノ結晶を少なくとも５０％以上含むものであれば、混粒組織であることは当然可能であり、ナノ結晶の残部がどのような態様の結晶から構成されていても良い。

図６は、本発明の第４実施の形態におけるナノ結晶層生成方法を説明する図であり、図６（ａ）は、ドリルＤによる穴あけ加工中の被加工物Ｗの断面図であり、図６（ｂ）は、ドリルＤによる穴あけ加工後の被加工物Ｗの断面図である。なお、図６では、ドリルＤ及び被加工物Ｗの一部が省略して図示されている。

第４実施の形態におけるナノ結晶層生成方法によれば、被加工物Ｗに対して、以下に示す第４及び第５の２つの加工条件をそれぞれ満たしつつ、ドリルＤによる孔部１の穴あけ加工を行うことにより（図６（ａ）参照）、その孔部１の内周面（加工面の表層部）にナノ結晶層Ｃ２を生成することができる（図６（ｂ）参照）。

まず、第４の加工条件としては、孔部１の内周面に少なくとも真歪７以上の塑性加工を与えることが条件とされ、これは、図７に示す切削条件に従うことによって達成される。ここで、図７を参照して、切削条件について説明する。

図７は、本発明の第４の加工条件としての切削条件（ナノ結晶層生成切削条件）について示す図であり、横軸は被加工物Ｗの硬度（Ｈｖ）を、縦軸はドリルＤの周速（ｍ／ｍｉｎ）を、それぞれ示している。

図７に示すように、第４の加工条件は、ドリルＤの周速Ｖ［ｍ／ｍｉｎ］を被加工物Ｗの硬さＨ［Ｈｖ］に対応付けて規定するものであり、この第４の加工条件に従って、ドリルＤによる孔部１の穴あけ加工を行うことで、孔部１の内周面に少なくとも真歪７以上の塑性加工を与えることができる。

具体的には、図７に示すように、被加工物Ｗの硬さＨが５００［Ｈｖ］未満である場合には、ドリルＤの周速Ｖは、Ｖ≧１７５−Ｈ／４［ｍ／ｍｉｎ］として規定され、被加工物Ｗの硬さＨが５００［Ｈｖ］以上である場合には、ドリルＤの周速Ｖは、Ｖ≧５０［ｍ／ｍｉｎ］として規定される。

なお、ドリルＤの送り速度は、１回転当たり０．２ｍｍ以下とすることが好ましい。ドリルＤの負荷を抑制しつつ、孔部１の内周面に真歪７以上の塑性加工を確実に与えるためである。

ここで、第４の加工条件としての推奨切削条件（ナノ結晶層Ｃ２を生成するための好ましい条件）としては、被加工物Ｗの硬さＨを５００［Ｈｖ］以上、ドリルＤの周速Ｖを５０［ｍ／ｍｉｎ］以上、かつ、ドリルＤの送り速度を１回転当たり０．２ｍｍ以下として規定される。

そして、更に好ましい推奨切削条件としては、被加工物Ｗの硬さＨを５００［Ｈｖ］以上、ドリルＤの周速Ｖを７５［ｍ／ｍｉｎ］以上、かつ、ドリルＤの送り速度を１回転当たり０．０５ｍｍ以下として規定される。ドリルＤの負荷を抑制しつつ、孔部１の内周面に真歪７以上の塑性加工をより確実に与えることができるからである。

なお、ドリルＤによる孔部１の穴あけ加工は、図６に示すように、被加工物Ｗに下穴を予め穿設せずに行う場合を説明したが、必ずしもこれに限られるわけではなく、予め下穴を穿設した後に行っても良い。

具体的には、孔部１の穴あけ加工に際しては、まず、規定よりも小径のドリルで下穴２（図６（ａ）では１点鎖線にて示す）を予め穿設し、次いで、規定の外径を有する上述のドリルＤまたはリーマにより、孔部１を規定の径に仕上げるようにしても良い。この場合、下穴２の穴あけ加工は、通常の切削条件（例えば、周速毎分２０ｍ以下）に従う一方、ドリルＤまたはリーマによる孔部１の仕上げ加工は、図７に示す第４の加工条件（ナノ結晶層生成切削条件）に従う。

次いで、第５の加工条件としては、ドリルＤによる穴あけ加工の間、孔部１の加工面の材料温度を所定の温度範囲（以下、「温度範囲」と称す。）に維持することが条件とされる。即ち、加工部への切削油などの供給量やドリルＤによる切削条件（周速Ｖ或いは送り速度など）を調整して、孔部１の加工面の材料温度を温度範囲内に保つのである。

ここで、温度範囲は、被加工物Ｗが鉄鋼材料から構成される場合には、その鉄鋼材料のＡｃ１変態点以上かつ融点未満とされ、被加工物Ｗが鉄鋼材料を除く他の金属材料（例えば、アルミニウム合金やチタン合金など）から構成される場合には、その金属材料の融点の略１／２の温度以上かつ融点未満とされる。

なお、融点は、絶対温度で計算されるものであり、例えば、融点が１５００℃であれば、その融点の略１／２の温度は、略８８６．５Ｋ（＝１７７３Ｋ／２）となる。

ここで、第５の加工条件における「温度範囲に維持する」とは、ドリルＤにより孔部１の穴あけ加工が開始された後の時間的な平均材料温度と、孔部１の加工面全体における熱分布の平均材料温度とが、それぞれ温度範囲に維持されていれば足りる趣旨である。

よって、ドリルＤによる孔部１の穴あけ加工を開始した直後の加工面の材料温度が温度範囲の最低温度に達していなくても、その後、上述の平均温度が温度範囲に維持されていれば、第５の加工条件は満たしている。

なお、ドリルＤによる孔部１の穴あけ加工を開始する前に被加工物Ｗを加熱手段（例えば、ガス炉や電気炉など）により加熱しておくことは当然可能である。これにより、ナノ結晶層Ｃ２の生成を促進することができると共に、被加工物Ｗを軟化させることができるので、ドリルＤ（加工工具）や加工機械の負担を軽減して、その破損等を抑制することができる。

次いで、上述したナノ結晶層生成方法を適用して行った穴あけ加工の結果について説明する。この穴あけ加工に使用した被加工物Ｗは、炭素鋼（ＪＩＳ−Ｓ５５Ｃ）から構成されるものであり、焼き入れ処理によって、その硬度が約７．８ＧＰａ（８００Ｈｖ）とされている。

この被加工物Ｗに対して、上述した第４及び第５の加工条件に従いつつ、ドリルＤを使用して孔部１を穿設した結果、孔部１の内周面には、図６（ｂ）に示すように、ナノ結晶層Ｃ２が生成された。ここで、図８を参照して、孔部１の内周面を詳細に観察した結果を説明する。

図８は、孔部１の断面組織を示す図である。孔部１の内周面には、図８に示すように、表面側（図８上側）から順に表層３１、第２層３２及び第３層３３が観察された。なお、第３層３３の下層側（図８下側）は、無加工領域（ドリルＤによる加工の影響を受けない領域）１４である。

孔部１の表層３１では、粒径が略２０ｎｍの大きさのナノ結晶層Ｃ２が観察された。このナノ結晶層Ｃ２では、硬度が１１５０Ｈｖまで向上していることが確認された。表層３１は、ドリルＤによる穴あけ加工によりγ域に加熱されると共に大きな変形（真歪７以上）を受けて微細γ粒となり、その後の冷却中に拡散変態でナノ結晶層Ｃ２が生成されたと考えられる。

第２層３２では、粒径が略１００ｎｍの大きさの超微細結晶層が観察された。この微細結晶層では、硬度が１０００Ｈｖまで向上していることが確認された。第２層１３は、加工後の加熱によりα域で再結晶された後、更に（α＋γ）２相域に加熱された領域で、残留αが島状となり、炭素を固溶したγが冷却中に（α＋マルテンサイト）に変態したものと考えられる。なお、第２層３２には、真歪１以上（かつ、真歪７未満）の塑性変形が付与されている。

ここで、第４実施の形態における表層３１及び第２層３２の合計の厚み（表面から第２層３２下面までの深さ）は、略１０μｍであった。但し、かかる層の厚み（深さ）は、ドリルＤの周速Ｖを速くするほど増加することが観察されている。また、かかる層の厚み（深さ）は、ドリルＤの周速Ｖが一定であれば、ドリルＤの直径を大きくするほど、増加することが観察されている。

第３層３３は、ドリルＤの穴あけ加工により略７００°Ｃまで加熱され静的再結晶により生成された領域（即ち、穴あけ加工時の熱影響により焼戻しされた領域）であると考えられる。なお、この第３層３３が請求項６に記載した「被加工物の加工面の下層部の非ナノ結晶層」に対応する。

ここで、ドリルＤによる穴あけ加工（機械加工）は、切削油などの供給量や切削条件（周速Ｖ或いは送り速度など）を調整することで、加工面における材料温度が上述した第５の加工条件を満たすように制御しつつ、第３層３３における材料温度が略５００°Ｃ以上となる時間を略１秒以内とすることができるように制御することが好ましい。これにより、第３層３３が焼戻しされることを抑制して、その硬度及び強度を確保することができるからである。

また、ドリルＤによる穴あけ加工（機械加工）は、加工面の表層部に１／μｍ以上のひずみ勾配を与えるように行われることが好ましい。これにより、ナノ結晶層Ｃ２をより確実に生成することができるからである。

即ち、１／μｍのひずみ勾配が与えられると、転位密度が１平方メートルあたり略１０の１６乗程度に達するが、この程度まで転位密度が高くなると、転位を生じさせるよりも、結晶を微細化させる方が、エネルギーが小さくなる。そのため、この状態から機械加工により更にひずみ（変形）を与えた場合には、被加工物Ｗの状態を転位の生成から結晶の微細化へと遷移させることができる。その結果、１／μｍ以上のひずみ勾配を与えることで、ナノ結晶層Ｃ２の生成をより確実化させることが可能となるのである。

また、このように、ひずみ勾配の必要値が予め判明していれば、ナノ結晶層Ｃ２の生成においては、その必要値に基づいて、各加工条件（例えば、冷却方法、加工速度、或いは、材料硬度など）を調整すれば良い。よって、各加工条件を設定する際には、ひずみ勾配の値を目安とすることができるので、各加工条件の設定を容易かつ高効率に行うことができ、その結果、作業効率の向上を図ることができる。

なお、ドリルＤによる穴あけ加工（機械加工）に際しては、被加工物Ｗを予め液体窒素などの極低温の液化ガスに浸漬して冷却させておいても良い。これにより、加工時には、その加工面の表層部に大きな温度勾配を与えることができるので、一定値以上のひずみ勾配の付与を容易として、ナノ結晶層Ｃ２の生成を確実化することができる。特に、ひずみ勾配の付与が困難な硬度の低い材料（例えば、アルミニウム合金など）に対して有効である。

ここで、第４実施の形態における機械加工は、ドリルＤによる穴あけ加工であるので、加工面の表層部には、主に、せん断ひずみが発生する。従って、上述したひずみ勾配のひずみとは、せん断ひずみを意味する。

但し、請求項５記載のひずみ勾配は、必ずしもせん断ひずみに限定されるものではなく、せん断ひずみに加えて、圧縮ひずみと引張ひずみとを更に含む趣旨である。即ち、ドリルＤによる穴あけ加工以外の他の加工方法では、加工面の表層部のひずみ（変形）の態様が異なり、圧縮ひずみ又は引張ひずみが支配的となる場合もある。よって、この場合には、請求項５記載の「ひずみ勾配が１／μｍ以上」とは、圧縮ひずみ又は引張ひずみのひずみ勾配が１／μｍ以上となることを意味する。

なお、ドリルＤによる穴あけ加工（機械加工）は、１／μｍ以上のひずみ勾配を加工面の表層部に与えるものであれば、加工面の材料温度は特に限定されるものではない。即ち、上述した第５の加工条件（加工面の材料温度を所定の温度範囲に維持する）を満たさない場合であっても、１／μｍ以上のひずみ勾配を加工面の表層部に与えることができれば、ナノ結晶層Ｃ２を生成することができるからである。

よって、この場合のナノ結晶層生成方法は、「金属材料から構成される被加工物に加工工具を使用した機械加工を行って、その加工面に局部的な大歪を付与することにより、前記加工面の表層部にナノ結晶層を生成するナノ結晶層生成方法であって、前記加工工具を使用した機械加工は、前記被加工物の加工面に少なくとも真歪７以上の塑性加工を与え、かつ、前記加工面の表層部に１／μｍ以上のひずみ勾配を与えるように行われるものであることを特徴とするナノ結晶層生成方法」となる。

次いで、図９から図１１を参照して、ひずみ勾配の算出方法について説明する。図９は、孔部１の断面組織を示す写真であり、図１０は、図示を簡素化して理解を容易とするために、図９の断面組織を模式的に示した模式図である。また、図１１（ａ）は、孔部１の表面からの深さｚと結晶の変位ｘとの関係を示す図であり、図１１（ｂ）は、深さｚとせん断ひずみγとの関係を示す図であり、（ｃ）は、深さｚとひずみ勾配ｇとの関係を示す図である。

なお、図９及び図１０は、ドリルＤの送り方向に垂直な断面であり、仮想線Ｌｚは、切削方向に垂直な仮想線である。また、深さｚは、孔部１の表面を原点として仮想線Ｌｚに沿って計測され、変位ｘは、仮想線Ｌｚに垂直な方向に沿って計測される。

ドリルＤによる穴あけ加工前は、被加工物Ｗには層状結晶が仮想線Ｌｚに沿って並んでおり（図示せず）、ドリルＤによる穴あけ加工が行われると、各層状結晶は、図９及び図１０に示すように、滑り方向へ向かって大きく曲げられる。この場合、層状結晶のカーブ（変位ｘ）は、深さｚの指数関数ｘ（ｚ）として表すことがほぼ可能である。

そこで、一の層状結晶に着目し、図９及び図１０に示すように、ドリルＤによる穴あけ加工前の初期位置（即ち、仮想線Ｌｚ）からの変位ｘを複数箇所（図１０ではｚ＝５．８μｍからｚ＝１３．２μｍまでの１０箇所）で計測し、図１１（ａ）に示すように、各計測値（変位ｘ）を深さｚの関数としてプロットする。これにより、近似式ｘ（ｚ）＝７１．３ｅｘｐ（−０．３４１ｚ）を得ることができる。

その結果、上記近似式ｘ（ｚ）を深さｚで微分することにより、γ（ｚ）＝２４．３ｅｘｐ（−０．３４１ｚ）として、せん断ひずみγを深さｚの関数γ（ｚ）として得ることができる。関数γ（ｚ）によれば、せん断ひずみγは、孔部１の表面で最大となり、深さｚの増加と共に急激に減少する。また、真歪ε（ｚ）は、せん断ひずみγ（ｚ）を平方根３で除算した値として得られる。

そして、せん断ひずみγ（ｚ）を更に深さｚで微分することにより、ｇ（ｚ）＝８．２９ｅｘｐ（−０．３４１ｚ）として、ひずみ勾配ｇを深さｚの関数として得ることができる。即ち、図９から図１１に示すように、深さｚと変位ｘとの関係を計測し、両者の関係を指数関数として近似することで、所定の深さ位置におけるひずみ勾配ｇを得ることができる。

なお、関数ｇ（ｚ）によれば、孔部１の表面におけるひずみ勾配ｇは、ｇ（０）＝８．２９である。また、ナノ結晶層Ｃ２の生成深さを平均ｚ＝６．０程度と仮定すると（図９参照）、かかる深さ（ｚ＝６．０）におけるひずみ勾配ｇは、ｇ（６．０）＝１．０７であり、これにより、ナノ結晶層Ｃ２の生成には、１／μｍ以上のひずみ勾配ｇを与えることが有効であることが確認された。

次いで、ナノ結晶層Ｃ２が生成された被加工物Ｗに焼鈍処理を行った結果について説明する。なお、焼鈍処理は、被加工物Ｗを６００℃の雰囲気温度中に１時間保持することにより行った。

焼鈍処理後の被加工物Ｗは、表層３１におけるナノ結晶層Ｃ２の粒径が略２００ｎｍに保たれていた。このように、ナノ結晶層Ｃ２は、焼鈍処理によっても結晶粒が粒成長し難く、温度鈍感性に優れていることが確認された。

次いで、上述した第４実施の形態におけるナノ結晶層生成方法をオートマチックトランスミッション用のインプットシャフトの製造に適用し、その捩り疲労強度試験を行った結果について説明する。インプットシャフトは、上述の被加工物Ｗと同材料から構成されるものであり、軸方向に延びる油導入用の横穴を内部に有する長尺の孔付きシャフトとして形成されている。

このインプットシャフトの外周面には、上記の横穴と連通する油供給用の分岐孔が複数穿設されており、この分岐孔の穴あけ加工において、上述のナノ結晶層生成方法が適用されている。従って、各分岐孔の内周面には、ナノ結晶層Ｃ２が生成されており、その硬度が向上されている。

分岐孔形成部におけるインプットシャフトの捩り疲労強度は、付加トルク３９２Ｎｍでは平均３７８６５３回、付加トルク４５１Ｎｍでは平均９５７２７回となり、分岐孔の内周面にナノ結晶層Ｃ２を有しない従来品と比較して、その強度（９万回相当時のトルク比）が略２０％向上していることが確認された。

次いで、図１２を参照して、第５実施の形態について説明する。第４実施の形態のナノ結晶層生成方法では、ドリルＤを使用した穴あけ加工によりナノ結晶層Ｃ２を生成したが、第５実施の形態のナノ結晶層生成方法は、エンドミルＥを使用した切削加工によりナノ結晶層Ｃ２を生成する。なお、上記した第４実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

図１２は、第５実施の形態におけるナノ結晶層生成方法を説明する図であり、エンドミルＥによる切削加工中の被加工物Ｗの斜視図である。なお、図１２では、エンドミルＥを保持しつつ加工機械からの回転力を伝達するホルダーの図示が省略されている。

第５実施の形態におけるナノ結晶層生成方法によれば、図１２に示すように、被加工物Ｗに対して、上述した第４及び第５の２つの加工条件を満たしつつ、エンドミルＥ（加工工具）による切削加工（機械加工）を行うことにより、その加工面の表層部にナノ結晶層Ｃ２を生成することができる。

まず、被加工物Ｗ及びエンドミルＥの詳細諸元について説明する。被加工物Ｗは、材質：炭素鋼（ＪＩＳ−ＳＵＪ２）、熱処理：焼入れ、硬度：７９０［Ｈｖ］であり、エンドミルＥは、材質：超硬合金、コーティング：ＴｉＡｌＮコーティング、工具径：φ１０ｍｍである。また、切削条件は、周速：１５０ｍ／ｍｉｎ、送り速度：０．１８ｍｍ／ｒｅｖ、軸方向切り込み深さ：２ｍｍ、径方向切り込み深さ：０．１ｍｍ、切削油：不使用である。

このような条件により被加工物Ｗの切削加工を行った結果、被加工物Ｗの加工面には、真歪７以上の塑性加工が付与されると共に（上述した第４の加工条件）、その加工面の材料温度がＡｃ１変態点以上に上昇され（上述した第５の加工条件）、ナノ結晶層Ｃ２が加工面に生成された。

この切削加工後の被加工物Ｗを詳細に観察した結果、被加工物Ｗには、２．５μｍ程度の厚さのナノ結晶層Ｃ２が生成されていることが確認された。

以上、第４及び第５実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、上記第４の実施の形態では、ひずみ勾配を確実に付与するための手段として、加工面の表層部に温度勾配を与える、即ち、被加工物Ｗを極低温の液化ガスに浸漬して冷却させた後に加工を行う方法を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の手段を利用することは当然可能である。

例えば、ターニング加工においては、加工面にレーザー光を照射して表面のみを予め加熱した後に加工（機械加工）を行う手段が例示される。この場合にも、上述した場合と同様に、加工面の表層部により大きな温度勾配を与えることができるので、ひずみ勾配の付与を容易として、ナノ結晶層Ｃ２の生成を確実化することができる。

なお、被加工物Ｗに例えば脱炭処理を施して、加工面の表層部に硬さ勾配を与えることも好ましい。このように、硬さ勾配を与えることにより、上述した温度勾配を与える場合と同様に、ひずみ勾配の付与を容易として、ナノ結晶層Ｃ２の生成を確実化することができるからである。

また、上記第４及び第５実施の形態では、ナノ結晶層Ｃ２を生成するための機械加工として、ドリルＤを使用した穴あけ加工とエンドミルＥを使用した切削加工とを例に説明したが、必ずしもこれらの機械加工に限られるわけではなく、上述した第４及び第５の加工条件をともに満たす機械加工であれば、他の種類の機械加工を本発明に適用することは当然に可能である。

かかる機械加工としては、例えば、バイト工具を使用した旋盤加工、フライス工具を使用したフライス加工、バイト工具を使用した平削り加工、ホブ工具を使用した歯切り加工などに代表される切削加工や、砥石工具を使用した仕上げ加工などに代表される研削加工や、バニッシング工具を使用したバニッシング加工などが例示される。

また、上記第４実施の形態では、ナノ結晶層Ｃ２を有する機械部品として、オートマチックトランスミッション用のインプットシャフトを例に説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、金属材料から構成されるものであれば、どのような機械部品であっても良く、自動車用の構造部品である必要もない。他の機械部品としては、例えば、建築用の構造部品などが例示される。

なお、上記第４及び第５実施の形態では、被加工物Ｗが鉄鋼材料から構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるわけではなく、被加工物Ｗを鉄鋼材料を除く他の金属材料から構成することは当然可能である。鉄鋼材料を除く他の金属材料としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム、チタン、銅などの金属材料とその合金が例示される。即ち、請求項５から９のいずれかに記載した金属材料は、鉄鋼材料やここで例示した金属材料に限定されるものではなく、種々の金属材料が含まれる趣旨である。

次いで、第６実施の形態について、添付図面を参照して説明する。第６実施の形態では、ナノ結晶層生成方法として、ドリルＤ（加工工具）を使用した穴あけ加工（機械加工）により被加工物の加工面表層部にナノ結晶層を生成する方法について説明する。

図１３は、本発明の第６実施の形態におけるナノ結晶層生成方法を説明する図であり、図１３（ａ）は、ドリルＤによる穴あけ加工中の被加工物Ｗの断面図であり、図１３（ｂ）は、ドリルＤによる穴あけ加工後の被加工物Ｗの断面図である。なお、図１３では、ドリルＤ及び被加工物Ｗの一部が省略して図示されている。

第６実施の形態におけるナノ結晶層生成方法によれば、被加工物Ｗに対して、以下に示す第６及び第７の２つの加工条件をそれぞれ満たしつつ、ドリルＤによる孔部１の穴あけ加工を行うことにより（図１３（ａ）参照）、その孔部１の内周面（加工面の表層部）にナノ結晶層Ｃ３を生成することができる（図１３（ｂ）参照）。

まず、第６の加工条件としては、孔部１の内周面に少なくとも真歪７以上の塑性加工を与えることが条件とされ、これは、図１４に示す切削条件に従うことによって達成される。なお、図１４は、従来の切削条件と本発明の第６の加工条件としての切削条件（ナノ結晶層生成切削条件）とを比較して示した図であり、横軸はドリルＤの送り速度（ｍｍ／ｒｅｖ）を、縦軸はドリルＤの周速（ｍ／ｍｉｎ）を、それぞれ示している。

図１４に示すように、第６の加工条件は、ドリルＤの周速を毎分５０ｍ以上、かつ、ドリルＤの送り速度を１回転当たり０．２ｍｍ以下に規定するものであり、この第６の加工条件に従って、ドリルＤによる孔部１の穴あけ加工を行うことにより、その孔部１の内周面に少なくとも真歪７以上の塑性加工を与えることができる。

但し、第６の加工条件は、ドリルＤの周速を毎分７５ｍ以上、かつ、ドリルＤの送り速度を１回転当たり０．０５ｍｍ以下とすることがより好ましい。孔部１の内周面に真歪７以上の塑性加工をより確実に与えることができるからである。

なお、孔部１の穴あけ加工に際しては、まず、規定よりも小径のドリルで下穴２（図１３では１点鎖線にて示す）を予め穿設し、次いで、規定の外径を有する上述のドリルＤまたはリーマにより、孔部１を規定の径に仕上げるようにしても良い。この場合、下穴２の穴あけ加工は、図１４に示す従来の切削条件に従う一方、ドリルＤまたはリーマによる孔部１の仕上げ加工は、図１４に示す第６の加工条件（ナノ結晶層生成切削条件）に従う。

次いで、第７の加工条件としては、ドリルＤによる穴あけ加工の間、孔部１の加工面の材料温度を所定の温度（以下、「上限温度」と称す。）よりも低温に維持することが条件とされる。即ち、加工部に切削油など供給して、その加工面の材料温度が上昇することを抑制するのである。

ここで、上限温度は、被加工物Ｗが鉄鋼材料から構成される場合には、その鉄鋼材料のＡ１及びＡ３変態点とされ、被加工物Ｗが鉄鋼材料を除く他の金属材料から構成される場合には、その金属材料の融点の略１／２の温度とされる。なお、融点は、絶対温度で計算されるものであり、例えば、融点が１５００℃であれば、上限温度は、略８８６．５Ｋ（＝１７７３Ｋ／２）となる。

なお、第７の加工条件における「上限温度よりも低温に維持する」とは、ドリルＤにより孔部１の穴あけ加工が行われる間の時間的な平均材料温度と、その孔部１の加工面全体における熱分布の平均材料温度とが、それぞれ上限温度よりも低温に維持されていれば足りる趣旨である。よって、加工面の材料温度が瞬間的または局部的に上限温度よりも高温となった場合であっても、上述の平均温度が上限温度よりも低温に維持されていれば、第７の加工条件は満たしている。

次いで、上述したナノ結晶層生成方法を適用して行った穴あけ加工の結果について説明する。この穴あけ加工に使用した被加工物Ｗは、合金鋼（ＪＩＳ−ＳＣＭ４２０Ｈ）から構成されるものであり、浸炭焼き入れなどの熱処理によって、表面の硬化処理がなされている。なお、被加工物Ｗの硬度は、表面の硬度が約６．８ＧＰａ（７００Ｈｖ）とされ、内部の硬度が約３．４ＧＰａ（３５０Ｈｖ）とされている。

この被加工物Ｗに対して、上述した第６及び第７の加工条件に従いつつ、ドリルＤを使用して孔部１を穿設した結果、孔部１の内周面には、図１３（ｂ）に示すように、ナノ結晶層Ｃ３が生成された。生成されたナノ結晶層Ｃ３を詳細に観察した結果、ナノ結晶層Ｃ３は、粒径が略１００ｎｍ（０．１μｍ）であり、硬度が９．８ＧＰａ（９８０Ｈｖ）まで向上していることが確認された。なお、ナノ結晶層Ｃ３の面粗さは、Ｒａ０．７であった。

次いで、上述した第６実施の形態におけるナノ結晶層生成方法をオートマチックトランスミッション用のインプットシャフトの製造に適用し、その捩り疲労強度試験を行った結果について説明する。インプットシャフトは、上述の被加工物Ｗと同材料から構成されるものであり、軸方向に延びる油導入用の横穴を内部に有する長尺の孔付きシャフトとして形成されている。

このインプットシャフトの外周面には、上記の横穴と連通する油供給用の分岐孔が複数穿設されており、この分岐孔の穴あけ加工において、上述のナノ結晶層生成方法が適用されている。従って、各分岐孔の内周面には、ナノ結晶層が生成されており、その硬度が向上されている。

分岐孔形成部におけるインプットシャフトの捩り疲労強度は、付加トルク３９２Ｎｍでは平均３７８６５３回、付加トルク４５１Ｎｍでは平均９５７２７回となり、分岐孔の内周面にナノ結晶層を有しない従来品と比較して、その強度（９万回相当時のトルク比）が略２０％向上していることが確認された。

次いで、図１５を参照して第７実施の形態について説明する。第６実施の形態のナノ結晶層生成方法では、ドリルＤを使用した穴あけ加工によりナノ結晶層を生成したが、第７実施の形態のナノ結晶層生成方法は、押し付け工具Ｐを使用したスライディング加工によりナノ結晶層を生成する。なお、前記した第６実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

図１５は、第７実施の形態におけるナノ結晶層生成方法を説明する図であり、図１５（ａ）は、押し付け工具Ｐによるスライディング加工中の被加工物Ｗの斜視図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＸＩＶｂ−ＸＩＶｂ線における被加工物Ｗの横断面図である。なお、図１５（ａ）では、被加工物Ｗを保持しつつ旋盤からの回転力を伝達するホルダーの図示が省略されている。また、図１５（ｂ）は、押し付け工具Ｐによるスライディング加工後における被加工物Ｗの横断面図を示している。

第７実施の形態におけるナノ結晶層生成方法によれば、被加工物Ｗに対して、上述した第６及び第７の２つの加工条件を満たしつつ、押し付け工具Ｐ（加工工具）による外周加工面４１のスライディング加工（機械加工）を行うことにより（図１５（ａ）参照）、その外周加工面４１の表層部（加工面の表層部）にナノ結晶層Ｃ３を生成することができる（図１５（ｂ）参照）。

なお、スライディング加工とは、被加工物Ｗに回転（図１５（ａ）矢印Ｒ方向）を与えると同時に、被加工物Ｗの外周加工面４１に押し付け工具Ｐを所定の圧力で押し付けて滑動させることにより、被加工物Ｗの外周加工面４１に塑性加工を与える加工である。

まず、被加工物Ｗ及び押し付け工具Ｐの詳細諸元について説明する。被加工物Ｗは、材質：炭素鋼（ＪＩＳ−Ｓ１０Ｃ）、加工外周面４１の外径：φ１０ｍｍであり、押し付け工具Ｐは、材質：工具鋼（ＪＩＳ−ＳＫＤ６１）、硬度：８．３ＧＰａ（８５０Ｈｖ）、工具幅（図１５（ａ）左右方向幅）：５ｍｍである。

ここで、ナノ結晶層を生成するためには、上述した第６の加工条件（真歪７以上の塑性加工を与える条件）を満たすべく、押し付け工具Ｐの押し付け面圧を１００ＭＰａ以上、かつ、スライディング加工時間を３分以上とすることが必要である。但し、被加工物Ｗの回転速度はいずれの回転でも良い。

なお、より好ましくは、被加工物Ｗの回転速度を毎分２５回転以上、かつ、押し付け工具Ｐの押し付け面圧を４００ＭＰａ以上、かつ、スライディング加工時間を５分以上とし、更に、冷却液（例えば、メタノール）の供給量を毎分５０ｍｌ程度とするのが良い。加工外周面４１に真歪７以上の塑性加工をより確実に与えることができるからである。

次いで、第７実施の形態におけるナノ結晶層生成方法を適用して行ったスライディング加工の結果について説明する。図１５（ａ）に示すように、被加工物Ｗに対して、上述した第６及び第２の加工条件を満たしつつ、押し付け工具Ｐを使用して加工外周面４１にスライディング加工を行った結果、その加工外周面４１には、図１５（ｂ）に示すように、ナノ結晶層Ｃ３が生成された。

このスライディング加工後の被加工物Ｗを詳細に観察した結果、被加工物Ｗは、ナノ結晶層Ｃ３が生成されていない内部の硬度が３．９ＧＰａ（４００Ｈｖ）であったのに対し、ナノ結晶層Ｃ３における硬度が７．０ＧＰａ（７２０Ｈｖ）まで向上していることが確認された。

また、このようなナノ結晶層Ｃ３が生成された被加工物Ｗに焼鈍処理を行った結果について説明する。なお、焼鈍処理は、被加工物Ｗを６００℃の雰囲気温度中に１時間保持することにより行った。

焼鈍処理後の被加工物Ｗは、ナノ結晶層Ｃ３が生成されていない内部の硬度が１．５ＧＰａ（１５５Ｈｖ）であったのに対し、ナノ結晶層Ｃ３における硬度が３．９ＧＰａ（４００Ｈｖ）であり、高い硬度が維持されていた。このように、ナノ結晶層Ｃ３は、焼鈍処理によっても結晶粒が再結晶されにくく、温度鈍感性に優れているので、第７実施の形態におけるナノ結晶層生成方法を例えば回転軸の摺動面に適用することにより、かかる摺動面の耐摩耗性を向上させ、回転軸の寿命の向上を図ることができる。

以上説明したように、本発明のナノ結晶層生成方法は、被加工物ＷにドリルＤや押し付け工具Ｐを使用した機械加工（穴あけ加工、スライディング加工）を行って、その加工面（孔部１の内周面、加工外周面４１）の表層部にナノ結晶層Ｃ３を生成するので、従来のショットピーニング等を使用するナノ結晶層生成方法ではナノ結晶層Ｃ３を生成することができなかった部位にもナノ結晶層Ｃ３を生成することができ、また、均一なナノ結晶層Ｃ３を安定して生成することができる。

また、本発明のナノ結晶層生成方法によれば、従来のナノ結晶層生成方法のように、ショットピーニングの噴射装置１００（図４参照）などの特別な装置を別途設ける必要がないので、装置コストを抑制することができる。そして、製品の製造工程においては、ナノ結晶層Ｃ３を生成するために生じる工程変更を最小限として、ナノ結晶層の生成コストを低減することができ、その分、製品の製品コストを抑制することができる。

例えば、第６実施の形態の例では、ドリルＤによる孔部１の穴あけ加工と同時にナノ結晶層Ｃ３を生成することができるので、ナノ結晶層Ｃ３を生成するための工程追加を不要とすることができる。また、第７実施の形態の例では、加工外周面４１をバイトにより外径切削した後、そのバイトを押し付け工具Ｐに変更するだけで、即ち、被加工物Ｗをホルダに保持したままで、ナノ結晶層Ｃ３を生成することができるので、工程変更を最小限に抑制することができる。

更に、従来のナノ結晶層生成方法では、広い範囲にナノ結晶層Ｃ３を生成する場合、突起や硬質粒子Ｇ（図４参照）の衝突を何度も繰り返す必要があるため、加工時間が嵩み非効率的であったのに対し、本発明のナノ結晶層生成方法によれば、ドリルＤや押し付け工具Ｐを使用した機械加工（穴あけ加工、スライディング加工）によってナノ結晶層Ｃ３を生成するので、ナノ結晶層Ｃ３を効率良く生成することができ、その分、ナノ結晶層Ｃ３の生成コストを抑制することができる。

以上、第６及び第７実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、第６及び第７実施の形態では、ナノ結晶層を生成するための機械加工として、ドリルＤを使用した穴あけ加工や押し付け工具Ｐを使用したスライディング加工を例に説明したが、必ずしもこれらの機械加工に限られるわけではなく、上述した第６及び第７の加工条件をともに満たす機械加工であれば、他の種類の機械加工を本発明に適用することは当然可能である。

かかる機械加工としては、例えば、バイト工具を使用した旋盤加工、フライス工具を使用したフライス加工、バイト工具を使用した平削り加工、ホブ工具を使用した歯切り加工などに代表される切削加工や、砥石工具を使用した仕上げ加工などに代表される研削加工や、バニッシング工具を使用したバニッシング加工などに代表される研磨加工などが例示される。

また、上記第６実施の形態では、ナノ結晶層Ｃ３を有する機械部品として、オートマチックトランスミッション用のインプットシャフトを例に説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、金属材料から構成されるものであれば、どのような機械部品であっても良く、自動車用の構造部品である必要もない。他の機械部品としては、例えば、建築用の構造部品などが例示される。

なお、上記第６及び第７実施の形態では、被加工物Ｗが鉄鋼材料から構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるわけではなく、被加工物Ｗを鉄鋼材料を除く他の金属材料から構成することは当然可能である。鉄鋼材料を除く他の金属材料としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム、チタン、銅などの金属材料とその合金が例示される。即ち、請求項５から９のいずれかに記載した金属材料は、鉄鋼材料やここで例示した金属材料に限定されるものではなく、種々の金属材料が含まれる趣旨である。

Claims (9)

1. 金属材料から構成される被加工物に加工工具を使用した機械加工を行って、その加工面に局部的な大歪を付与することにより、前記加工面の表層部に超微細結晶層を生成する超微細結晶層生成方法であって、
   前記加工工具を使用した機械加工は、前記被加工物の加工面に少なくとも真歪１以上の塑性加工を与えるものであり、
   前記加工工具を使用した機械加工は、前記被加工物の加工面における材料温度を所定の温度範囲に維持して行われるものであり、
   その所定の温度範囲は、
   前記被加工物が鉄鋼材料から構成される場合にはその鉄鋼材料のＡｃ１変態点より高く融点未満の温度範囲であり、
   前記被加工物が鉄鋼材料を除く他の金属材料から構成される場合にはその金属材料の絶対温度に換算した融点の１／２の温度より高く融点未満の温度範囲であり、
   前記加工工具を使用した機械加工は、
   前記被加工物の加工面における材料温度を前記所定の温度範囲に維持し、
   かつ、前記被加工物の加工面の下層部または前記加工面の表層部の非超微細結晶層における材料温度が５００°Ｃ以上となる時間を１秒以内とし、母材の硬度の８０％の硬度を確保することを特徴とする超微細結晶層生成方法。
2. 前記加工工具を使用した機械加工は、加工が開始された後の時間的な平均材料温度と、加工面全体における熱分布の平均材料温度とを、それぞれ前記所定の温度範囲に維持することを特徴とする請求項１記載の超微細結晶層生成方法。
3. 金属材料から構成され、その表層部の少なくとも一部に前記請求項１または２に記載の超微細結晶層生成方法によって生成された超微細結晶層を備えていることを特徴とする機械部品。
4. 金属材料から構成され、その表層部の少なくとも一部に超微細結晶層が生成された機械部品を製造する機械部品製造方法であって、
   前記請求項１または２に記載の超微細結晶層生成方法によって前記機械部品に超微細結晶層を生成する超微細結晶層生成工程を少なくとも備えていることを特徴とする機械部品製造方法。
5. 金属材料から構成される被加工物に加工工具を使用した機械加工を行って、その加工面に局部的な大歪を付与することにより、前記加工面の表層部にナノ結晶層を生成するナノ結晶層生成方法であって、
   前記加工工具を使用した機械加工は、前記被加工物の加工面に少なくとも真歪７以上の塑性加工を与え、かつ、前記被加工物の加工面における材料温度を所定の温度範囲に維持して行われるものであり、
   その所定の温度範囲は、
   前記被加工物が鉄鋼材料から構成される場合にはその鉄鋼材料のＡｃ１変態点より高く融点未満の温度範囲であり、
   前記被加工物が鉄鋼材料を除く他の金属材料から構成される場合にはその金属材料の絶対温度に換算した融点の１／２の温度より高く融点未満の温度範囲であり、
   前記加工工具を使用した機械加工は、前記加工面の表層部に１／μｍ以上のひずみ勾配を与えるように行われるものであることを特徴とするナノ結晶層生成方法。
6. 前記加工工具を使用した機械加工は、
   前記被加工物の加工面における材料温度を前記所定の温度範囲に維持し、
   かつ、前記被加工物の加工面の下層部または前記加工面の表層部の非ナノ結晶層における材料温度が５００°Ｃ以上となる時間を１秒以内とし、母材の硬度の８０％以上の硬度を確保することを特徴とする請求項５記載のナノ結晶層生成方法。
7. 前記加工工具を使用した機械加工は、加工が開始された後の時間的な平均材料温度と、加工面全体における熱分布の平均材料温度とを、それぞれ前記所定の温度範囲に維持することを特徴とする請求項５または６に記載のナノ結晶層生成方法。
8. 金属材料から構成され、その表層部の少なくとも一部に前記請求項５から７のいずれかに記載のナノ結晶層生成方法によって生成されたナノ結晶層を備えていることを特徴とする機械部品。
9. 金属材料から構成され、その表層部の少なくとも一部にナノ結晶層が生成された機械部品を製造する機械部品製造方法であって、
   前記請求項５から７のいずれかに記載のナノ結晶層生成方法によって前記機械部品にナノ結晶層を生成するナノ結晶層生成工程を少なくとも備えていることを特徴とする機械部品製造方法。

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