JP7445119B2 - 機械部品、及び、機械部品の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、機械部品、及び、機械部品の製造方法に関する。

ハブやスピンドル、クランクシャフト等に代表される機械部品の多くは、通常、次の製造工程で製造される。鋼材である素材に対して熱間鍛造を実施して、中間品を製造する。中間品に対して、焼入れ及び焼戻しを実施する。焼入れ及び焼戻しされた中間品に対して、仕上げ加工である切削加工を実施して、最終製品形状に加工する。以上の工程により機械部品が製造される。

機械部品は、使用中において、繰り返しの圧縮荷重及び引張荷重を受ける。そのため、機械部品には、優れた疲労強度が求められる。一方で、上述のとおり、機械部品の製造工程では、切削加工を実施して最終形状の機械部品とする。そのため、機械部品では、その製造工程において、優れた被削性も求められる。

特開平６－３０６４６０号公報（特許文献１）は、疲労強度及び被削性に優れた熱間鍛造部品の製造方法を提案している。この文献では、質量％で、Ｃ：０．２０～０．６０％、Ｓｉ：０．１５～２．００％、Ｍｎ：０．５５～２．００％、Ｓ：０．０１～０．１０％、Ｐ：０．０３５％以下、Ａｌ：０．０１５～０．０５％、Ｎ：０．０２０％以下を含有し、さらに、Ｖ：０．０３～０．７０％、Ｔｉ：０．００５～０．０５０％、Ｎｂ：０．００５～０．２０％のうち一種又は二種以上を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなる成分の鋼材を用いて熱間鍛造を実施する。このとき、Ａ）９６０～１３５０℃以下の加熱温度で鋼材を加熱し、Ｂ）加熱後の鋼材に対して、圧下率１０～９０％の鍛造を行い、直ちに２０℃／秒以上の冷却速度で焼入れを行い、Ｃ）焼入れ後の鋼材に対して、４００℃以上Ａ_ｃ１変態点未満の温度範囲で焼戻しを行う。これにより、優れた疲労強度が得られつつ、十分な被削性も得られる、と特許文献１には記載されている。

特開平６－３０６４６０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の手段以外の他の手段により、優れた疲労強度を有し、被削性にも優れる機械部品があってもよい。

本発明の目的は、疲労強度及び被削性に優れた機械部品を提供することである。

本開示の機械部品は、
化学組成は、質量％で、
Ｃ：０．３０～０．４０％、
Ｓｉ：０．３０～１．００％、
Ｍｎ：１．００～２．００％、
Ｐ：０．０３５％以下、
Ｓ：０．０５０～０．１００％、
Ａｌ：０．０５０％以下、
Ｃｒ：０．０２～１．５０％、
Ｔｉ：０．００２～０．０２０％、
Ｎ：０．００３～０．０３０％、及び、
Ｏ：０．００５０％以下、を含有し、
残部はＦｅ及び不純物からなり、
前記機械部品のミクロ組織において、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率は９０％以上であり、
前記機械部品はさらに、
使用中に前記機械部品に外力が付与されたときに、
前記機械部品の表面のうち、最大のミーゼス応力が付与される位置を応力集中位置と定義したとき、前記応力集中位置から半径５００μｍの範囲の領域である応力集中部と、
前記応力集中部以外の領域である通常部とを備え、
前記応力集中部での旧オーステナイト粒の平均粒径は２６μｍ以下であり、
前記通常部での旧オーステナイト粒の平均粒径は１００～２０００μｍである。

本開示の機械部品は、疲労強度及び被削性に優れる。

図１は、機械部品の一例である、ハブの中心軸を含む断面図（縦断面図）である。 図２は、図１に示すハブの使用中における負荷状況を説明するための模式図である。 図３は、図１に示すハブの有限要素モデルの一例を示す図である。 図４は、図３の有限要素モデルを用いた有限要素解析結果を示す図である。 図５は、図４中の領域Ａ１近傍部分の拡大図である。 図６は、機械部品の一例である、スピンドルの中心軸を含む断面図（縦断面図）である。 図７は、図６に示すスピンドルの使用中における負荷状況を説明するための模式図である。 図８は、図６に示すスピンドルの有限要素モデルの一例を示す図である。 図９は、図８の有限要素モデルを用いた有限要素解析結果を示す図である。 図１０は、図９中の領域Ａ２近傍部分の拡大図である。 図１１は、機械部品の一例である、クランクシャフトの要部の模式図である。 図１２は、図１１に示すクランクシャフトの使用中における負荷状況を説明するための模式図である。 図１３は、図１１に示すクランクシャフトの有限要素モデルの一例を示す図である。 図１４は、図１３の有限要素モデルを用いた有限要素解析結果を示す図である。 図１５は本実施形態の機械部品の製造工程を示すフロー図である。 図１６は、図１５中の素材形状決定工程の詳細を示すフロー図である。 図１７は、実施例で使用したダイスの中心軸を含む断面図である。 図１８は、図１７のダイスで熱間押出を実施して形成された丸棒の中心軸を含む縦断面図である。

本発明者らは、疲労強度及び被削性に優れる機械部品について、検討を行った。

本発明者らは初めに、十分な疲労強度及び被削性が得られる化学組成を検討した。その結果、質量％で、Ｃ：０．３０～０．４０％、Ｓｉ：０．３０～１．００％、Ｍｎ：１．００～２．００％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０５０～０．１００％、Ａｌ：０．０５０％以下、Ｃｒ：０．０２～１．５０％、Ｔｉ：０．００２～０．０２０％、Ｎ：０．００３～０．０３０％、及び、Ｏ：０．００５０％以下、を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、任意元素として、Ｃｕ：０．２０％以下、Ｎｉ：０．５０％以下、Ｍｏ：０．２０％以下、Ｃａ：０．０１００％以下、Ｎｂ：０．０５０％以下、Ｂ：０．００５０％以下、及び、Ｖ：０．５００％以下、からなる群から選択される１種以上を含有してもよい機械部品であれば、十分な疲労強度及び製造工程中の十分な被削性が得られる可能性があると考えた。

本発明者らは、さらに、機械部品のミクロ組織についても検討した。機械部品には上述のとおり、高い疲労強度が求められる。本発明者らが検討した結果、上述の化学組成を有する機械部品では、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率が９０％以上であれば、優れた疲労強度が得られることが判明した。

しかしながら、機械部品の化学組成中の各元素含有量が上述の範囲を満たし、かつ、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率が９０％以上であっても、機械部品の疲労強度が十分に得られなかったり、被削性が低かったりする場合があった。そこで、本発明者らは、機械部品の被削性を確保しつつ、疲労強度をさらに高めるために、使用中の機械部品の応力分布に着目した。

機械部品の使用中において、機械部品は全方向から外力を受けるのではない。機械部品が使用されているとき、機械部品の特定の部位に、特定方向から外力が負荷される。そのため、使用中における機械部品内部の応力分布は一定ではなく、ばらつきがある。つまり、使用中の機械部品内部では、応力が高い部分と、応力が低い部分とが存在するはずである。

そこで、本発明者らは、使用中の機械部品のミーゼス応力に着目した。そして、有限要素解析を実施して、使用中の機械部品のミーゼス応力の分布を求めた。その結果、使用中の機械部品において、ミーゼス応力が顕著に高い領域は非常に少なく、局所的であることが判明した。つまり、機械部品が使用される場合、機械部品内において、応力が集中する箇所が局所的に存在することが判明した。

上記検討結果に基づいて、本発明者らは、次のとおり考えた。機械部品の全体の疲労強度を高めることは困難であっても、応力が集中する部分である応力集中部における疲労強度を高めれば、結果として、機械部品の疲労強度が高まると考えられる。機械部品において、旧オーステナイト粒が細粒であれば、疲労強度は高まる。一方で、機械部品の全体の旧オーステナイト粒が細粒となれば、被削性が低下する可能性がある。

そこで、本発明者らは、機械部品のうち、応力集中部の旧オーステナイト粒を細粒として、応力集中部以外の領域である通常部の旧オーステナイト粒を１００μｍ～２０００μｍ程度に維持すれば、機械部品の疲労強度を十分に高め、かつ、被削性も維持できると考えた。そして、機械部品の用途さえ判明すれば、つまり、機械部品がどのような機械に用いられるかがわかれば、周知の有限要素解析により、機械部品の応力集中部を特定できることがわかった。

以上の知見に基づいて、上述の化学組成の機械部品において、疲労強度を十分に高めるための応力集中部の旧オーステナイト粒の平均粒径について検証を行った。その結果、応力集中部の旧オーステナイト粒の平均粒径が２６μｍ以下であれば、十分な疲労強度が得られることが判明した。

本実施形態の機械部品は、以上の知見に基づいて完成したものであって、次の構成を有する。

［１］
機械部品であって、
化学組成は、質量％で、
Ｃ：０．３０～０．４０％、
Ｓｉ：０．３０～１．００％、
Ｍｎ：１．００～２．００％、
Ｐ：０．０３５％以下、
Ｓ：０．０５０～０．１００％、
Ａｌ：０．０５０％以下、
Ｃｒ：０．０２～１．５０％、
Ｔｉ：０．００２～０．０２０％、
Ｎ：０．００３～０．０３０％、及び、
Ｏ：０．００５０％以下、を含有し、
残部はＦｅ及び不純物からなり、
前記機械部品のミクロ組織において、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率は９０％以上であり、
前記機械部品はさらに、
使用中に前記機械部品に外力が付与されたときに、
前記機械部品の表面のうち、最大のミーゼス応力が付与される位置を応力集中位置と定義したとき、前記応力集中位置から半径５００μｍの範囲の領域である応力集中部と、
前記応力集中部以外の領域である通常部とを備え、
前記応力集中部での旧オーステナイト粒の平均粒径は２６μｍ以下であり、
前記通常部での旧オーステナイト粒の平均粒径は１００～２０００μｍである、
機械部品。

［２］
［１］に記載の機械部品であって、
前記化学組成は、質量％で、
Ｃｕ：０．２０％以下、
Ｎｉ：０．５０％以下、及び、
Ｍｏ：０．２０％以下、
からなる群から選択される１元素以上を含有する、
機械部品。

［３］
［１］又は［２］に記載の機械部品であって、
前記化学組成は、質量％で、
Ｃａ：０．０１００％以下、
を含有する、
機械部品。

［４］
［１］～［３］のいずれか１項に記載の機械部品であって、
前記化学組成は、質量％で、
Ｎｂ：０．０５０％以下、
Ｂ：０．００５０％以下、及び、
Ｖ：０．５００％以下、
からなる群から選択される１元素以上を含有する、
機械部品。

［５］
［１］～［４］のいずれか１項に記載の機械部品であって、
前記機械部品は、自動車用途のハブであり、
前記機械部品は、
貫通孔を有するハブ本体を備え、
前記ハブ本体は、
前記貫通孔の中心軸方向に順に、筒部、接続部、フランジ部を含み、
前記筒部は、使用時においてスピンドルが挿入され、
前記接続部は、前記筒部と前記フランジ部との間に配置され、前記筒部と前記フランジ部とにつながっており、前記筒部から前記フランジ部に向かって外径が大きくなり、
前記フランジ部は、使用時においてホイールが接続され、
前記応力集中位置は、前記接続部の外面の表層のうち、前記フランジ部に隣接する領域に位置する、
機械部品。

［６］
［１］～［４］のいずれか１項に記載の機械部品であって、
前記機械部品は自動車用途のスピンドルであり、
前記機械部品は、中心軸を有するスピンドル本体を備え、
前記スピンドル本体は、前記中心軸の方向に順に、シャフト部と、接続部と、フランジ部とを備え、
前記接続部は、前記シャフト部と前記フランジ部との間に配置され、前記シャフト部から前記フランジ部に向かうにしたがって外径が大きくなり、
前記応力集中部は、前記接続部の表層のうち、前記シャフト部に隣接する領域に位置する、
機械部品。

［７］
［１］～［４］のいずれか１項に記載の機械部品であって、
前記機械部品はクランクシャフトであって、
クランクピンと、
クランクアームと、
前記クランクピンと前記クランクアームとの間に配置され、前記クランクピン及び前記クランクアームとつながっているフィレット部とを備え、
前記応力集中部は、前記フィレット部の表層のうち、前記クランクピンに隣接する領域に位置する、
機械部品。

［８］
機械部品の製造方法であって、
［１］～［４］のいずれか１項に記載の化学組成を有する素材に対して１又は複数回の熱間鍛造を実施する熱間鍛造工程と、
最終の前記熱間鍛造後の部品を加熱することなく焼入れする直接焼入れ工程と、
前記直接焼入れ後の前記部品を焼戻しする焼戻し工程と、
最終の熱間鍛造前の前記素材の形状を決定する素材形状決定工程とを備え、
前記素材形状決定工程は、
最終の熱間鍛造前の前記素材の仮形状を設定する仮形状設定工程と、
有限要素解析を用いて、前記仮形状の前記素材を熱間鍛造して、最終の熱間鍛造後の前記部品を製造したときの、前記部品でのひずみ分布を求める解析工程と、
前記仮形状設定工程及び前記解析工程を実施して、前記部品の応力集中部での相当ひずみが０．８超～１．８であり、かつ、相当ひずみが０．８以上の領域における相当ひずみの最大勾配が０．８／ｍｍ以下となる、最終の熱間鍛造前の前記素材の前記仮形状を、実際の前記熱間鍛造工程での最終の熱間鍛造前の前記素材の形状に決定する正規形状決定工程とを備え、
前記熱間鍛造工程では、
最終の前記熱間鍛造前の前記素材の形状を、前記素材形状決定工程において決定された形状にして、最終の熱間鍛造を実施する、
機械部品の製造方法。

以下、本実施形態の機械部品について詳しく説明する。各元素の含有量の「％」は「質量％」を意味する。

［化学組成］
本実施形態による機械部品において、化学組成は、次の元素を含有する。

［必須元素について］
Ｃ：０．３０～０．４０％
炭素（Ｃ）は、機械部品を構成する鋼材の焼入れ性及び鋼材の硬さを高め、機械部品の強度を高める。Ｃ含有量が０．３０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃ含有量が０．６０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、機械部品を構成する鋼材の被削性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．３０～０．４０％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．３１％であり、さらに好ましくは０．３２％であり、さらに好ましくは０．３３％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．３９％であり、さらに好ましくは０．３８％であり、さらに好ましくは０．３７％である。

Ｓｉ：０．３０～１．００％
シリコン（Ｓｉ）は、鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、機械部品を構成する鋼材の焼入れ性を高め、機械部品の強度を高める。Ｓｉ含有量が０．３０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｓｉ含有量が１．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、機械部品を構成する鋼材の被削性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．３０～１．００％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．３２％であり、さらに好ましくは０．３４％であり、さらに好ましくは０．３５％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．９８％であり、さらに好ましくは０．９７％であり、さらに好ましくは０．９５％である。

Ｍｎ：１．００～２．００％
マンガン（Ｍｎ）は鋼を脱酸する。Ｍｎはさらに、機械部品を構成する鋼材の焼入れ性を高め、機械部品の強度を高める。Ｍｎ含有量が１．００％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｍｎ含有量が１．４０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、機械部品を構成する鋼材の被削性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は１．００～２．００％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は１．０５％であり、さらに好ましくは１．０８％であり、さらに好ましくは１．１０％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は１．９８％であり、さらに好ましくは１．９６％であり、さらに好ましくは１．９４％であり、さらに好ましくは１．９０％である。

Ｐ：０．０３５％以下
燐（Ｐ）は、不可避に含有される不純物である。つまり、Ｐ含有量は０％超である。Ｐは、粒界に偏析して機械部品の強度を局所的に低下する。Ｐ含有量が０．０３５％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、機械部品の強度が顕著に低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０３５％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０３２％であり、さらに好ましくは０．０３１％であり、さらに好ましくは０．０３０％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｐ含有量の過剰な低減は、製造コストを引き上げる。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｐ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％であり、さらに好ましくは０．００５％である。

Ｓ：０．０５０～０．１００％
硫黄（Ｓ）は、主としてＭｎと結合して硫化物を形成し、機械部品を構成する鋼材の被削性を高める。Ｓ含有量が０．０５０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｓ含有量が０．１００％を超えれば、機械部品を構成する鋼材の熱間鍛造性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０５０～０．１００％である。Ｓ含有量の好ましい下限は０．０５５％であり、さらに好ましくは０．０５８％であり、さらに好ましくは０．０６０％であり、さらに好ましくは０．０６２％である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０９０％であり、さらに好ましくは０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０７０％であり、さらに好ましくは０．０６０％である。

Ａｌ：０．０５０％以下
アルミニウム（Ａｌ）は、不可避に含有される。Ａｌは鋼を脱酸する。しかしながら、Ａｌ含有量が０．０５０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、硬質な酸化物系介在物を形成して、機械部品を構成する鋼材の熱間鍛造性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．０５０％以下である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０４８％であり、さらに好ましくは０．０４５％である。Ａｌ含有量の過剰な低減は、製造コストを引き上げる。したがって、工業生産を考慮した場合、Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。本実施形態の機械部品において、Ａｌ含有量とは、全Ａｌ（ｔｏｔａｌ．Ａｌ）の含有量を意味する。

Ｃｒ：０．０２～１．５０％
クロム（Ｃｒ）は、機械部品を構成する鋼材の焼入れ性を高め、機械部品の強度を高める。Ｃｒ含有量が０．０２％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が１．５０％を超えれば、機械部品を構成する鋼材の被削性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０．０２～１．５０％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．０３％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は１．４０％であり、さらに好ましくは１．３５％であり、さらに好ましくは１．３０％である。

Ｔｉ：０．００２～０．０２０％
チタン（Ｔｉ）は窒化物を形成する。Ｔｉ窒化物は、機械部品を構成する鋼材を焼入れするときに、ピンニング効果により、オーステナイト粒の粗大化を抑制する。これにより、機械部品の疲労強度を高める。Ｔｉ含有量が０．００２％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｔｉ含有量が０．０２０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大なＴｉ窒化物が生成して、機械部品の疲労強度がかえって低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０．００２～０．０２０％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．００７％であり、さらに好ましくは０．００９％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１６％である。

Ｎ：０．００３～０．０３０％
窒素（Ｎ）はＴｉと結合して窒化物を形成する。Ｔｉ窒化物は、機械部品を構成する鋼材を焼入れするときに、ピンニング効果により、オーステナイト粒の粗大化を抑制する。これにより、機械部品の疲労強度を高める。Ｎ含有量が０．００３％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎ含有量が０．０３０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な窒化物が生成して、機械部品の疲労強度がかえって低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００３～０．０３０％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００４％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．００６％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０２８％であり、さらに好ましくは０．０２６％であり、さらに好ましくは０．０２４％であり、さらに好ましくは０．０２２％である。

Ｏ：０．００５０％以下
酸素（Ｏ）は不可避に含有される不純物である。つまり、Ｏ含有量は０％超である。Ｏは、鋼材中に粗大な酸化物系介在物を形成する。粗大な酸化物系介在物は割れの起点となり、機械部品の疲労強度を低下する。Ｏ含有量が０．００５０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、機械部品の疲労強度が顕著に低下する。したがって、Ｏ含有量は０．００５０％以下である。Ｏ含有量の好ましい上限は０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３５％であり、さらに好ましくは０．００３０％である。Ｏ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｏ含有量の過剰な低減は、製造コストを引き上げる。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｏ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。

本実施の形態による機械部品の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、機械部品を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は、製造環境などから混入されるものであって、本実施形態の機械部品に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

上述の不純物として、Ｐｂが含有される場合がある。しかしながら、不純物中のＰｂ含有量は、次のとおり制限される。

Ｐｂ：０．０９％以下
鉛（Ｐｂ）は不純物である。Ｐｂは含有されなくてもよい。すなわち、Ｐｂ含有量は０％であってもよい。一方、Ｐｂ含有量が０．０９％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性が低下する。すなわち、本実施形態による鋼材において、０．０９％以下であればＰｂの含有が許容される。そのため、本実施形態の機械部品の化学組成は、不純物として、Ｐｂを０．０９％以下含有する場合があり得る。

［任意元素について］
［第１の任意元素群］
本実施の形態による機械部品の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃｕ、Ｎｉ、及びＭｏからなる群から選択される１元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、いずれも、鋼材の焼入れ性を高め、機械部品の疲労強度を高める。

Ｃｕ：０．２０％以下
銅（Ｃｕ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃｕ含有量は０％であってもよい。含有される場合、つまり、Ｃｕ含有量が０％超である場合、Ｃｕは固溶強化により機械部品を構成する鋼材の強度を高め、機械部品の疲労強度を高める。Ｃｕが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃｕ含有量が０．２０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、機械部品を構成する鋼材の熱間鍛造性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０．２０％以下である。つまり、Ｃｕ含有量は０～０．２０％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は０．１８％であり、さらに好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。

Ｎｉ：０．５０％以下
ニッケル（Ｎｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｉ含有量は０％であってもよい。Ｎｉが含有される場合、つまり、Ｎｉ含有量が０％超である場合、Ｎｉは固溶強化により機械部品を構成する鋼材の強度を高め、機械部品の疲労強度を高める。Ｎｉが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎｉ含有量が０．５０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、機械部品を構成する鋼材の熱間鍛造性が低下する。したがって、Ｎｉ含有量は０．５０％以下である。つまり、Ｎｉ含有量は０～０．５０％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０５％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は０．４５％であり、さらに好ましくは、０．４０％であり、さらに好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．２０％である。

Ｍｏ：０．２０％以下
モリブデン（Ｍｏ）は、任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｍｏ含有量は０％であってもよい。Ｍｏが含有される場合、つまり、Ｍｏ含有量が０％超である場合、Ｍｏは固溶強化により機械部品を構成する鋼材の強度を高め、機械部品の疲労強度を高める。Ｍｏが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｏ含有量が０．２０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間鍛造性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は０．２０％以下である。つまり、Ｍｏ含有量は０～０．２０％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．１８％であり、さらに好ましくは０．１６％であり、さらに好ましくは０．１５％である。

［第２の任意元素群］
本実施の形態による機械部品の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃａを含有してもよい。

Ｃａ：０．０１００％以下
カルシウム（Ｃａ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃａ含有量は０％であってもよい。Ｃａが含有される場合、つまり、Ｃａ含有量が０％超である場合、Ｃａは、機械部品を構成する鋼材の切削加工中において、工具の刃先にベラーク（保護膜）を形成し、機械部品の被削性を高める。Ｃａが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃａ含有量が０．０１００％を超えれば、上記効果が飽和し、製造コストが高くなる。したがって、Ｃａ含有量は０．０１００％以下である。つまり、Ｃａ含有量は０～０．０１００％である。Ｃａ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００３％であり、さらに好ましくは０．００１０％であり、さらに好ましくは０．００２０％である。Ｃａ含有量の好ましい上限は０．００４６％であり、さらに好ましくは０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３０％である。

［第３の任意元素群］
本実施の形態による機械部品の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｎｂ、Ｂ及びＶからなる群から選択される１元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、いずれも、機械部品の強度を高める。

Ｎｂ：０．０５０％以下
ニオブ（Ｎｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｂ含有量は０％であってもよい。Ｎｂが含有される場合、つまり、Ｎｂ含有量が０％超である場合、ＮｂはＣ及び／又はＮと結合して炭窒化物を形成する。これにより、機械部品の強度が高まる。Ｎｂが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．０５０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ｎｂ炭窒化物が粗大化する。粗大化したＮｂ炭窒化物は割れの起点となり、機械部品の疲労強度を低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０．０５０％以下である。つまり、Ｎｂ含有量は０～０．０５０％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％であり、さらに好ましくは０．００５％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。

Ｂ：０．００５０％以下
ボロン（Ｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｂ含有量は０％であってもよい。Ｂが含有される場合、つまり、Ｂ含有量が０％超である場合、Ｐが粒界に偏析するのを抑制し、粒界を強化する。Ｂはさらに、機械部品を構成する鋼材の焼入れ性を高める。Ｂが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｂ含有量が０．００５０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ｂの粒界偏析が強くなりすぎ、粒界強度がかえって低下する。したがって、Ｂ含有量は０．００５０％以下である。つまり、Ｂ含有量は０～０．００５０％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００２％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００４５％であり、さらに好ましくは０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３５％であり、さらに好ましくは０．００３０％である。

Ｖ：０．５００％以下
バナジウム（Ｖ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｖ含有量は０％であってもよい。含有される場合、つまり、Ｖ含有量が０％超である場合、ＶはＣ及び／又はＮと結合してＶ炭窒化物を形成する。これにより、機械部品の強度が高まる。Ｖが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｖ含有量が０．５００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、機械部品を構成する鋼材の被削性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０．５００％以下である。つまり、Ｖ含有量は０～０．５００％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％であり、さらに好ましくは０．００５％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．４００％であり、さらに好ましくは０．３００％であり、さらに好ましくは０．２００％である。

［化学組成の分析方法ついて］
本実施形態の機械部品の化学組成の分析は、周知の成分分析法により求めることができる。たとえば、本実施形態の機械部品の化学組成を、次の方法で求める。機械部品の表面の任意の位置から、サンプルを採取する。ドリルを用いてサンプルから切粉を生成し、その切粉を採取する。採取された切粉を酸に溶解させて溶液を得る。溶液に対して、ＩＣＰ－ＯＥＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を実施して、化学組成の元素分析を実施する。Ｃ含有量及びＳ含有量については、周知の高周波燃焼法により求める。具体的には、上記溶液を酸素気流中で高周波加熱により燃焼して、発生した二酸化炭素、二酸化硫黄を検出して、Ｃ含有量及びＳ含有量を求める。Ｎ含有量については、周知の不活性ガス溶融－熱伝導度法を用いて求める。Ｏ含有量については、周知の不活性ガス融解－非分散型赤外線吸収法を用いて求める。以上の分析法により、機械部品の化学組成を分析できる。

［機械部品のミクロ組織について］
本実施形態の機械部品のミクロ組織において、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率は９０％以上である。

本明細書でいう「マルテンサイト」は焼戻しマルテンサイトを含む。また、本明細書でいう「ベイナイト」は焼戻しベイナイトを含む。本実施形態の機械部品のミクロ組織において、マルテンサイト及びベイナイト以外の残部はフェライト及び／又はパーライトである。つまり、フェライト及びパーライトの総面積率は１０％未満である。

なお、本実施形態の機械部品のミクロ組織には、マルテンサイト、ベイナイト、フェライト及びパーライト以外に、炭化物、窒化物、炭窒化物等に代表される析出物や、介在物も存在する。しかしながら、これらの析出物及び介在物の総面積率は、マルテンサイト、ベイナイト、フェライト及びパーライトの面積率と比較して極めて小さく、無視できる。

なお、光学顕微鏡によるミクロ組織観察において、マルテンサイトとベイナイトとを区別することは極めて困難である。一方で、光学顕微鏡によるミクロ組織観察において、フェライト及びパーライトと、マルテンサイト及びベイナイトとは、コントラストにより極めて容易に区別できる。したがって、ミクロ組織観察において、フェライト及びパーライト以外の領域を、「マルテンサイト及びベイナイト」と認定する。

機械部品において、ミクロ組織における各相（Ｐｈａｓｅ）の面積率は、疲労強度に強く影響する。ミクロ組織において、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率が９０％未満であれば、機械部品の化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、機械部品において、十分な疲労強度が得られない。ミクロ組織において、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率が９０％以上であれば、機械部品の化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であることを前提として、十分な疲労強度が得られる。

ミクロ組織中のマルテンサイト及びベイナイトの総面積率は、次の方法で測定可能である。機械部品の任意の位置からサンプルを採取する。観察視野（５０μｍ×５０μｍ）を確保できれば、サンプルの形状及びサイズは特に限定されない。サンプルの表面のうち、上記観察視野を含む観察面を鏡面研磨した後、ナイタル液に１０秒程度浸漬してエッチングを実施し、組織を現出させる。エッチングにより組織が現出された観察視野を、１０００倍の光学顕微鏡により観察する。観察視野の視野面積は２５００μｍ^２とする。上述のとおり、観察視野中において、フェライト及びパーライトと、マルテンサイト及びベイナイトとは、コントラストに基づいて容易に区別できる。そこで、観察視野中のマルテンサイト及びベイナイトを特定して、特定されたマルテンサイト及びベイナイト領域の総面積を求める。求めたマルテンサイト及びベイナイト領域の総面積を、観察視野の総面積で除して、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率（％）を求める。

［応力集中部について］
本実施形態の機械部品において、「応力集中部」を次のとおり定義する。

本実施形態の機械部品では、機械部品に取り付けられた機械の使用中において、機械部品に外力が負荷され、曲げ応力が付与される。たとえば、機械部品が自動車用途のハブである場合、ハブは、ホイールを介して、路面からの外力を曲げ応力として受ける。機械部品が自動車用途のスピンドルである場合、スピンドルも、ホイールを介して、路面からの外力を曲げ応力として受ける。機械部品がクランクシャフトである場合、クランクシャフト中のクランクピンは、クランクピンに接続されたコンロッドからの外力を、曲げ応力として受ける。

このように、外力が付与され、曲げ応力を受ける機械部品において、機械部品の特定の部位に特定方向の外力が加わった場合の、機械部品内部のミーゼス応力の分布を求める。機械部品の種類によって、使用中に外力が加わる位置、及び、外力が加わる位置での外力の方向は決まっている。そのため、機械部品に対して有限要素解析を実施することにより、機械部品内部のミーゼス応力分布を求めることができる。機械の使用中における機械部品のミーゼス応力分布に基づいて、機械部品において、最大のミーゼス応力が付与される位置を、「応力集中位置」と定義する。そして、応力集中位置から半径５００μｍ以内の領域を、「応力集中部」と定義する。以下、自動車用途のハブ、自動車用途のスピンドル、及び、クランクシャフトを機械部品の一例として挙げ、各機械部品での応力集中部について説明する。

［機械部品が自動車用途のハブである場合の応力集中部について］
図１は、機械部品の一例である、ハブの中心軸を含む断面図（縦断面図）である。図１を参照して、ハブ１０は、貫通孔１５を有するハブ本体１０Ｂを備える。ハブ本体１０Ｂは、貫通孔１５の中心軸Ｃ１５方向に順に、筒部１１、接続部１２、及び、フランジ部１３を含む。なお、ハブ１０は自動車に取り付けられる。ハブ１０が自動車に取り付けられるとき、ハブ１０の貫通孔１５には、後述するスピンドルが挿入される。

筒部１１は筒状であり、筒部１１の端部には、接続部１２が連続的につながっている。筒部１１の外径は一定であってもよいし、変化していてもよい。

接続部１２は、筒部１１とフランジ部１３との間に配置されている。接続部１２は、筒部１１と連続的につながっており、かつ、フランジ部１３と連続的につながっている。接続部１２の外径は、筒部１１からフランジ部１３に向かって大きくなる。ここで、外径が「筒部１１からフランジ部１３に向かって大きくなる」とは、接続部１２の外径が、筒部１１からフランジ部１３に向かって連続的に大きくなってもよいし、不連続に大きくなってもよい。「不連続に大きくなる」とは、中心軸Ｃ１５方向に筒部１１からフランジ部１３に向かって、接続部１２の外表面の外径が一定である区域（図１中の区域１２１）や、急激に増加する区域（図１中の区域１２２）があってもよいことを意味する。

フランジ部１３は、接続部１２と連続的につながっている。フランジ部１３は円板状であり、フランジ部１３の外径は、接続部１２の最大の外径よりも大きい。フランジ部１３には複数の貫通孔１３１が形成されている。貫通孔１３１には、ハブ１０を図示しないホイールに固定するための固定部材が挿入される。固定部材はたとえばボルト、ビス、リベット等である。

以上の構成を有するハブ１０（機械部品）を取り付けた自動車（機械）の使用中において、ハブ１０に曲げ応力が付与された場合のハブ１０の応力集中部について検討する。

図２は、ハブ１０の使用中における負荷状況を説明するための模式図である。図２では、中心軸Ｃ１５で分割されたハブ１０の上半分を図示している。図２を参照して、ハブ１０は、固定部材１６により、ホイール１７に固定されている。さらに、ハブ１０の貫通孔１５には、ベアリング１８を介して、スピンドル２０が挿入されている。なお、スピンドル２０は後述するとおり、固定部材２５により、ナックル２６に固定されている。スピンドル２０はナックル２６と一体的に形成されていてもよい。

図２に示す構成でハブ１０を使用する場合、路面からの外力Ｆ１がホイール１７に付与される。このとき、ホイール１７に締結されたハブ１０のフランジ部１３では、図２に示すように、フランジ部１３の径方向に直交する曲げ応力Ｍ１が付与される。したがって、使用中のハブ１０には、フランジ部１３の径方向に直交する曲げ応力Ｍ１が継続して付与される。

使用中のハブ１０に付与される曲げ応力Ｍ１は、ハブ１０が使用される機械（自動車）の構造により、同じ方向及び同じ位置に付与される。そのため、周知の有限要素法（ＦＥＭ）を用いて、ハブ１０の応力集中部を求めることができる。図１に示す形状のハブ１０の場合、たとえば、次の周知の有限要素解析により、応力集中部を求めることができる。

ハブ１０の有限要素モデルを設定する。図３は、ハブ１０の有限要素モデルの一例を示す図である。図３の有限要素モデルは、ハブ１０の中心軸Ｃ１５を軸としたハブ１０全体の１／２の軸対称モデルである。ハブ１０の物性値として、ヤング率及びポアソン比を設定する。ＦＥＭ解析では、静的陰解法を採用する。

図３では、負荷条件として次の設定を行っている。ハブ１０と剛体１０１及び剛体１０２とが接触した状態とする。この状態において、固定部材１６が配置される部分において、フランジ部１３に、中心軸Ｃ１５と平行な方向に荷重Ｆ（強制変位：±０．１ｍｍ）を負荷する。摩擦係数は０．０１とする。以上の解析条件に基づいて、有限要素解析（ＦＥＡ）を実施して、ハブ１０の各部分に掛かるミーゼス応力を求める。

有限要素解析の結果の一例を図４及び図５に示す。図４は、ハブ１０中の各部位におけるミーゼス応力の大きさを色で示している。つまり、図４は、使用中のハブ１０内のミーゼス応力の分布を示す。図４中の領域Ａ１は、使用中のハブ１０において、ミーゼス応力が最も高い領域である。図５は、図４中の領域Ａ１近傍部分の拡大図である。図５を参照して、ハブ１０のうち、ミーゼス応力が最大となる位置を、「応力集中位置」Ｐｍａｘと定義する。ハブ１０では、応力集中位置Ｐｍａｘは、接続部１２の外面の表層のうち、フランジ部１３に隣接する領域に位置する。ハブ１０のうち、応力集中位置Ｐｍａｘから半径５００μｍ以内の範囲の領域を、「応力集中部」Ａｍａｘと定義する。

以上のとおり、周知の有限要素解析を実施することにより、ハブ１０の応力集中位置Ｐｍａｘを特定可能であり、応力集中部Ａｍａｘを定義できる。

［機械部品が自動車用途のスピンドルである場合の応力集中部について］
図６は、機械部品の一例である、スピンドル２０の中心軸Ｃ１５を含む断面図（縦断面図）である。図６を参照して、スピンドル２０は、中心軸Ｃ１５を有するスピンドル本体２０Ｂを備える。スピンドル本体２０Ｂは、中心軸Ｃ１５方向に順に、シャフト部２１、接続部２２、及び、フランジ部２３を含む。なお、スピンドル２０は、ハブ１０と同様に、自動車に取り付けられる。スピンドル２０が自動車に取り付けられるとき、スピンドル２０のシャフト部２１は、ハブ１０の貫通孔１５に挿入される。

シャフト部２１は、棒状である。シャフト部２１の端部には、接続部２２が連続的につながっている。シャフト部２１の外径は一定であってもよいし、図６に示すように、段差を有していたり、変化していてもよい。

接続部２２は、シャフト部２１とフランジ部２３との間に配置されている。接続部２２は、シャフト部２１と連続的につながっており、かつ、フランジ部２３と連続的につながっている。接続部２２の外径は、シャフト部２１からフランジ部２３に向かって大きくなる。ここで、外径が「シャフト部２１からフランジ部２３に向かって大きくなる」とは、接続部２２の外径が、シャフト部２１からフランジ部２３に向かって連続的に大きくなってもよいし、不連続に大きくなってもよい。「不連続に大きくなる」とは、中心軸Ｃ１５方向にシャフト部２１からフランジ部２３に向かって、接続部２２の外表面の外径が一定である区域（図６中の区域２２１）や、急激に増加する区域（図６中の区域２２２）があってもよいことを意味する。

フランジ部２３は、接続部２２と連続的につながっている。フランジ部２３は円板状であり、フランジ部２３の外径は、接続部２２の最大の外径よりも大きい。フランジ部２３には複数の貫通孔２３１が形成されている。貫通孔２３１には、スピンドル２０をナックル２６（図２参照）に固定するための固定部材２５（図２参照）が挿入される。固定部材２５はたとえばボルト、ビス、リベット等である。

以上の構成を有するスピンドル２０（機械部品）を取り付けた自動車（機械）の使用中において、スピンドル２０に外力が付与された場合のスピンドル２０の応力集中部について検討する。

図７は、スピンドル２０の使用中における負荷状況を説明するための模式図である。図７では、図２と同様に、中心軸Ｃ１５で分割されたハブ１０の上半分を図示している。図７を参照して、ハブ１０がホイール１７から受ける外力Ｍ１（曲げ応力）により、スピンドル２０には、中心軸Ｃ１５に直交する曲げ応力Ｍ２がシャフト部２１に継続して負荷される。

使用中のスピンドル２０に付与される曲げ応力Ｍ２は、スピンドル２０が使用される機械（自動車）の構造に起因して、同一位置及び同一方向に付与される。そのため、スピンドル２０の応力集中部も、周知の有限要素法（ＦＥＭ）を用いて求めることができる。たとえば、次の周知の有限要素解析（ＦＥＡ）により、スピンドル２０の応力集中部を求めることができる。

スピンドル２０の有限要素モデルを設定する。図８は、スピンドル２０の有限要素モデルの一例を示す図である。図８の有限要素モデルは、スピンドル２０の中心軸Ｃ１５を軸としたスピンドル２０の全体モデルである。スピンドル２０の物性値として、ヤング率及びポアソン比を設定する。ＦＥＭ解析では、静的陰解法を採用する。

図８では、解析条件として次の設定を行っている。スピンドル２０のシャフト部２１と剛体（ベアリング）１８との接触を設定する。さらに、スピンドル２０のフランジ部２３と固定部材２５との接触を設定する。スピンドル２０のシャフト部２１の先端位置において、中心軸Ｃ１５と垂直な方向に荷重Ｆ（強制変位：±０．１ｍｍ）を負荷する。摩擦係数は０．０１とする。以上の解析条件に基づいて、有限要素解析（ＦＥＡ）を実施して、スピンドル２０の各部分に掛かるミーゼス応力を求める。

有限要素解析の結果の一例を図９及び図１０に示す。図９及び図１０は、スピンドル２０中の各部位におけるミーゼス応力の大きさを色で示している。つまり、図９は、使用中のスピンドル２０内のミーゼス応力の分布を示す。図９中の領域Ａ２は、使用中のスピンドル２０において、ミーゼス応力が最も高い領域である。図１０は、図９中の領域Ａ２近傍部分の拡大図である。図１０を参照して、スピンドル２０のうち、ミーゼス応力が最大となる位置を、「応力集中位置」Ｐｍａｘと定義する。スピンドル２０では、応力集中位置Ｐｍａｘは、接続部２２の表層のうち、シャフト部２１に隣接する領域に位置する。スピンドル２０のうち、応力集中位置から半径５００μｍの範囲内の領域を、「応力集中部」Ａｍａｘと定義する。以上のとおり、周知の有限要素解析を実施することにより、スピンドル２０の応力集中位置Ｐｍａｘを特定可能であり、応力集中部Ａｍａｘを定義できる。

［機械部品がクランクシャフトである場合の応力集中部について］
図１１は、機械部品の一例である、クランクシャフト３０の要部の模式図である。図１１を参照して、クランクシャフト３０は、クランクピン部３１と、クランクジャーナル部３３と、クランクアーム部３２と、フィレット部３４とを備える。クランクジャーナル部３３は、クランクシャフト３０の回転軸と同軸に配置される。クランクピン部３１は、クランクシャフト３０の回転軸からずれて配置されている。クランクアーム部３２は、クランクピン部３１とクランクジャーナル部３３との間に配置されている。フィレット部３４は、クランクピン部３１及びクランクアーム部３２との間に配置されている。フィレット部３４は、隣接するクランクピン部３１と連続的につながっており、隣接するクランクアーム部３２と連続的につながっている。クランクピン部３１には、図示しないコンロッドが回転可能に取り付けられている。クランクジャーナル部３３は、図示しない軸受により回転可能に支持されている。

以上の構成を有するクランクシャフト３０（機械部品）を取り付けた自動車等の機械の使用中において、クランクシャフト３０に外力が付与された場合のクランクシャフト３０の応力集中部について検討する。

図１２は、クランクシャフト３０の使用中における負荷状況を説明するための模式図である。図１２を参照して、クランクシャフト３０のクランクピン部３１には、図示しないコンロッドの偏芯運動により、クランクピン部３１の中心軸Ｃ３１に垂直な方向に外力Ｆを受ける。このとき、クランクシャフト３０では、クランクピン部３１に曲げ応力Ｍ３が継続して負荷される。

曲げ応力Ｍ３は、クランクシャフト３０が使用されている機械の構造に起因して、同一位置及び同一方向に付与される。そのため、クランクシャフト３０の応力集中部も、周知の有限要素法（ＦＥＭ）を用いて、次のとおり求めることができる。

クランクシャフト３０の有限要素モデルを設定する。図１３は、クランクシャフト３０の有限要素モデルの一例を示す図である。図１３の有限要素モデルは、クランクシャフト３０のクランクピン部３１の幅方向における中央位置の軸ＣＷ３１を対称軸とした、クランクシャフト３０全体の１／２の軸対称モデルである。クランクシャフト３０の物性値として、ヤング率及びポアソン比を設定する。ＦＥＭ解析では、静的陰解法を採用する。

図１３では、解析条件として次の設定を行っている。クランクシャフト３０のクランクピン部３１と剛体（コンロッドを想定）１１０との接触を設定する。さらに、クランクジャーナル部３３と剛体（ベアリングを想定）１１１との接触を設定する。剛体１１０の中心軸Ｃ３１方向における中央位置に、中心軸Ｃ３１と垂直な方向に荷重Ｆ（強制変位：±０．１ｍｍ）を負荷する。摩擦係数は０．０１とする。以上の解析条件に基づいて、有限要素解析（ＦＥＡ）を実施して、クランクシャフト３０の各部分に掛かるミーゼス応力を求める。

有限要素解析の結果の一例を図１４に示す。図１４は、クランクシャフト３０中の各部位におけるミーゼス応力の大きさを色で示している。つまり、図１４は、使用中のクランクシャフト３０内のミーゼス応力の分布を示す。図１４を参照して、クランクシャフト３０のうち、ミーゼス応力が最大となる位置を、「応力集中位置」Ｐｍａｘと定義する。クランクシャフト３０では、応力集中位置Ｐｍａｘは、フィレット部３４の表層のうち、クランクピン部３１に隣接する領域に位置する。クランクシャフト３０のうち、応力集中位置から半径５００μｍの範囲内の領域を、「応力集中部」Ａｍａｘと定義する。以上のとおり、周知の有限要素解析を実施することにより、クランクシャフト３０の応力集中位置Ｐｍａｘを特定可能であり、応力集中部Ａｍａｘを定義できる。

以上に示すとおり、機械部品が取り付けられた機械の使用中に機械部品に外力が付与された場合における、機械部品中の応力集中部は、周知の有限要素解析により特定することができる。

［応力集中部での旧オーステナイト粒径について］
本実施形態の機械部品では、応力集中部における旧オーステナイト粒の平均粒径は２６μｍ以下である。一方、機械部品のうち、応力集中部以外の他の領域では、旧オーステナイト粒の平均粒径が１００～２０００μｍである。ここで、「応力集中部以外の他の領域」を「通常部」と定義する。通常部は、応力集中部の応力集中位置Ｐｍａｘから少なくとも３ｍｍ以上離れた領域を意味する。

上述のとおり、機械部品の使用中において応力が集中する箇所、つまり、応力集中部は、有限要素解析により、特定することができる。旧オーステナイト粒が微細であるほど、疲労強度は高くなる。しかしながら、機械部品全体の結晶粒を微細にすることは、極めて困難である。さらに、機械部品全体の結晶粒が微細であれば、被削性が低下する場合がある。そこで、本実施形態の機械部品では、応力集中部の旧オーステナイト粒の粒径を、応力集中部以外の他の領域よりも微細にする。

本実施形態の機械部品では、応力集中部の旧オーステナイト粒の粒径を２６μｍ以下と微細にして、応力集中部以外の他の領域（通常部）の旧オーステナイト粒の粒径を、通常の粒径である１００μｍ以上とする。応力集中部を細粒とすることにより、機械部品の疲労強度が高まる。

応力集中部の旧オーステナイト粒の平均粒径が２６μｍを超えれば、化学組成中の各元素含有量が実施形態の範囲であっても、十分な疲労強度が得られない。応力集中部での旧オーステナイト粒の粒径の好ましい上限は２５μｍであり、さらに好ましくは２４μｍである。応力集中部での旧オーステナイト粒の平均粒径は小さい方が好ましい。しかしながら、応力集中部の旧オーステナイト粒の平均粒径を極端に小さくすることは、工業生産上極めて困難である。したがって、応力集中部での旧オーステナイト粒の平均粒径の好ましい下限は２μｍであり、さらに好ましくは３μｍであり、さらに好ましくは４μｍであり、さらに好ましくは５μｍである。

一方、通常部の旧オーステナイト粒の平均粒径は、周知の平均粒径で足りる。疲労強度は、機械部品のうち、応力集中部での強度及び破断のしにくさにより、決まるためである。さらに、旧オーステナイト粒の平均粒径が小さすぎれば、被削性が低下する。そこで、本実施形態の機械部品において、通常部の旧オーステナイト粒の平均粒径は１００～２０００μｍである。

通常部の旧オーステナイト粒の平均粒径が１００μｍ未満であれば、機械部品を構成する鋼材の被削性が低下する。一方、通常部の旧オーステナイト粒の平均粒径が２０００μｍを超えれば、通常部において、機械部品の使用中において亀裂が発生して、疲労強度が低下する。したがって、通常部での旧オーステナイト粒の平均粒径は、１００μｍ～２０００μｍである。

通常部での旧オーステナイト粒の平均粒径の好ましい下限は１１０μｍであり、さらに好ましくは１２０μｍである。通常部での旧オーステナイト粒の平均粒径の好ましい上限は１９５０μｍであり、さらに好ましくは１９００μｍであり、さらに好ましくは１８５０μｍであり、さらに好ましくは１８００μｍである。

［旧オーステナイト粒の平均粒径の測定方法］
機械部品における、旧オーステナイト粒の平均粒径は、次の方法で求める。初めに、機械部品の応力集中部を特定する。具体的には、上述のとおり、周知の有限要素解析を実施して、応力集中部を特定する。特定された応力集中部から、サンプルを採取する。サンプルの観察面は１００μｍ×１００μｍとする。サンプルの観察面を鏡面研磨する。鏡面研磨されたサンプルの観察面に対して、ピクリン酸飽和水溶液を用いてエッチングを実施して、旧オーステナイト粒界を現出させる。観察面のうち、任意の３視野を１０００倍の光学顕微鏡を用いて観察する。そして、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に準拠して、各視野での旧オーステナイト粒度番号を得る。得られた３個の旧オーステナイト粒度番号の平均（平均旧オーステナイト粒度番号）を求める。得られた平均旧オーステナイト粒度番号を平均粒径に換算して、応力集中部の旧オーステナイト粒の平均粒径と定義する。

また、通常部での旧オーステナイト粒の平均粒径を、次の方法で求める。機械部品の応力集中位置Ｐｍａｘから少なくとも３ｍｍ以上離れた領域の、任意の３箇所から、サンプルを採取する。各サンプルの観察面は５００μｍ×５００μｍとする。サンプルの観察面を鏡面研磨する。鏡面研磨されたサンプルの観察面に対して、ピクリン酸飽和水溶液を用いてエッチングを実施して、旧オーステナイト粒界を現出させる。各観察面のうち、任意の３視野を１０００倍の光学顕微鏡を用いて観察する。そして、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に準拠して、各視野での旧オーステナイト粒度番号を得る。以上の方法により、各サンプルで３個（合計９個）の旧オーステナイト粒度番号を得る。得られた９個の旧オーステナイト粒度番号の平均（平均旧オーステナイト粒度番号）を求める。得られた平均旧オーステナイト粒度番号を平均粒径に換算して、通常部での旧オーステナイト粒の平均粒径と定義する。

以上のとおり、本実施形態の機械部品は、上述の化学組成を有し、ミクロ組織において、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率が９０％である。さらに、使用中に前記機械部品に外力が付与されたときに、機械部品の表面のうち最大のミーゼス応力が付与される位置を応力集中位置と定義したとき、応力集中位置から半径５００μｍの範囲の領域である応力集中部での旧オーステナイト粒の平均粒径は２６μｍ以下であり、応力集中部以外の他の領域である通常部での旧オーステナイト粒の平均粒径は１００μｍ以上である。本実施形態の機械部品では、応力集中部が細粒である。そのため、高い疲労強度が得られ、十分な被削性が得られる。

［製造方法］
本実施形態の機械部品の製造方法の一例を説明する。以降に説明する製造方法は、本実施形態の機械部品を製造するための一例である。したがって、本実施形態の機械部品は、以降に説明する製造方法以外の他の製造方法により製造されてもよい。しかしながら、以降に説明する製造方法は、本実施形態の機械部品の製造方法の好ましい一例である。

図１５は本実施形態の機械部品の製造工程の一例を示すフロー図である。図１５を参照して、本実施形態の機械部品の製造工程は、素材形状決定工程（Ｓ１）と、熱間鍛造工程（Ｓ２）と、直接焼入れ工程（Ｓ３）と、焼戻し工程（Ｓ４）とを備える。

本実施形態の製造方法では、熱間鍛造後の部品に対して直接焼入れを実施することにより、再加熱した後に焼入れする場合と比較して、機械部品の旧オーステナイト粒を微細に保つ。さらに、素材形状決定工程において、有限要素解析を用いて最終の熱間鍛造前の素材の形状を決定する。このとき、最終の熱間鍛造において、最終製品である機械部品の応力集中部の旧オーステナイト粒の平均粒径が２６μｍ以下であり、かつ、通常部の旧オーステナイト粒の平均粒径が１００～２０００μｍとなるように、素材に歪みが適切に与えられる素材形状に決定する。以下、各工程について詳述する。

［素材形状決定工程（Ｓ１）］
素材形状決定工程（Ｓ１）では、最終の熱間鍛造において、最終製品である機械部品の応力集中部の旧オーステナイト粒の平均粒径が２６μｍ以下であり、かつ、通常部の旧オーステナイト粒の平均粒径が１００～２０００μｍとなるように、最終の熱間鍛造前の素材の形状を決定する。

図１６は、図１５中の素材形状決定工程（Ｓ１）の詳細を示すフロー図である。図１６を参照して、素材形状決定工程（Ｓ１）は、仮形状設定工程（Ｓ１１）と、解析工程（Ｓ１２）と、正規形状決定工程（Ｓ１３）とを含む。以下、各工程について説明する。

［仮形状設定工程（Ｓ１１）］
熱間鍛造工程（Ｓ２）では、熱間にて複数回の成形を実施する。以降の説明では、１回の成形を、１回熱間鍛造する、と表現する。仮形状設定工程（Ｓ１１）では、熱間鍛造工程での最終の熱間鍛造前の素材の形状を仮形状として設定する。以下、仮形状として設定された素材を「仮形状素材」という。

［解析工程（Ｓ１２）］
解析工程（Ｓ１２）では、有限要素解析を用いて、熱間鍛造工程において、仮形状素材に対して最終の熱間鍛造を実施して、最終熱鍛部品を製造したときの、最終熱鍛部品でのひずみ分布を求める。ここで、最終熱鍛部品とは、熱間鍛造工程完了直後の部品を意味する。

解析工程（Ｓ１２）では、次の作業を実施する。仮形状素材の有限要素モデルを構築する。仮形状素材の物性値として、ヤング率及びポアソン比を設定する。また、熱間鍛造時の金型との関係に基づいて、荷重及び摩擦係数を設定する。有限要素解析では、静的陰解法を採用する。構築された仮形状素材の有限要素モデルを用いて、最終の熱間鍛造後の最終熱鍛部品における、ひずみ分布を求める。

最終熱鍛部品のひずみ分布を求めた後、最終熱鍛部品のひずみ分布において、次の２つの事項を確認する。
条件１：応力集中部での相当ひずみが０．８超～１．８である。
条件２：相当ひずみが０．８以上の領域における相当ひずみの最大勾配が０．８／ｍｍ以下である。

［条件１について］
条件１を満たさない場合、たとえば、応力集中部での相当ひずみが０．８以下である場合、熱間鍛造後において再結晶が発現するだけの駆動力が足りない。この場合、応力集中部での結晶粒が微細化しない。その結果、上述の化学組成の機械部品において、応力集中部での旧オーステナイト粒の平均粒径が２６μｍを超えてしまう。一方、応力集中部での相当ひずみが１．８を超えれば、異常粒成長が発生しやすくなり、応力集中部の旧オーステナイト粒の平均粒径が２６μｍを超えてしまう。

応力集中部での相当ひずみが０．８超～１．８である場合、応力集中部に再結晶が発現し、かつ、異常粒成長が発現しない程度の適切なひずみが付与されている。そのため、条件２を満たすことを前提として、応力集中部の旧オーステナイト粒の平均粒径が２６μｍ以下となる。

［条件２について］
条件２を満たさない場合、つまり、相当ひずみが０．８以上の領域における相当ひずみの最大勾配が０．８／ｍｍを超える場合、素材の表面近傍において、局所的に再結晶駆動力が大きくなる。この場合、異常粒成長が発生しやすくなる。そのため、上述の化学組成の機械部品において、応力集中部の旧オーステナイト粒の平均粒径が２６μｍを超えてしまう。

相当ひずみが０．８以上の領域における相当ひずみの最大勾配が０．８／ｍｍ以下であれば、条件１を満たすことを前提として、上述の化学組成の機械部品において、応力集中部の旧オーステナイト粒の平均粒径を２６μｍ以下とすることができ、さらに、通常部の旧オーステナイト粒の平均粒径を１００～２０００μｍとすることができる。

相当ひずみが０．８以上の領域の相当ひずみの勾配は、次の方法で求める。相当ひずみが０．８以上の領域を特定する。特定された領域において、１ｍｍピッチで相当ひずみの勾配を求める。求めた複数の勾配のうち、最大値を最大勾配と定義する。

［正規形状決定工程（Ｓ１３）］
正規形状決定工程（Ｓ１３）では、解析工程で求めた、最終熱鍛部品のひずみ分布に基づいて、条件１及び条件２の両方を満たすか否かを判断する。最終熱鍛部品のひずみ分布が、条件１及び条件２のいずれかを満たさない場合、Ｓ１１に戻って、仮形状素材の形状を変更して、再びＳ１２を実行する。一方、最終熱鍛部品のひずみ分布が、条件１及び条件２の両方を満たす場合、その仮形状素材を、最終の熱間鍛造前の素材形状に決定する。要するに、条件１及び条件２を満たす仮形状素材を見いだせるまで、Ｓ１１及びＳ１２を繰返し実行する。そして、条件１及び条件２を満たす仮形状素材を見出したとき、その仮形状素材を、最終の熱間鍛造前の素材形状に決定する。

［熱間鍛造工程（Ｓ２）］
図１５に戻って、素材形状決定工程（Ｓ１）により、最終の熱間鍛造の素材形状を決定した後、熱間鍛造工程（Ｓ２）を実行する。

熱間鍛造工程（Ｓ２）では、素材を熱間鍛造して、最終熱鍛部品を製造する。始めに、上述の化学組成を有する素材を高周波誘導加熱炉で加熱する。加熱温度は１０００～１３００℃であり、好ましくは、１１００～１３００℃である。高周波誘導加熱炉での加熱時間は特に限定されないが、好ましい加熱時間は１～１５分である。加熱後の素材に対して熱間鍛造を実施して、最終形状に近い形状を有する最終熱鍛部品を製造する。

なお、熱間鍛造工程に用いられる素材は、第三者から供給されたものであってもよし、製造したものであってもよい。素材を製造する場合、たとえば、次の工程を実施して素材を製造する。

はじめに、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内の溶鋼を製造する。溶鋼を用いて、連続鋳造法により鋳片（スラブ又はブルーム）を製造する。鋳片に対して、熱間加工を実施して、棒鋼を製造する（熱間加工工程）。熱間加工工程はたとえば、粗圧延工程と、仕上げ圧延工程とを含む。

粗圧延工程では、鋳片を熱間加工してビレットを製造する。熱間加工はたとえば、熱間圧延である。熱間圧延はたとえば、分塊圧延機、及び、複数のスタンドが一列に並び、各スタンドが複数のロールを有する連続圧延機を利用して実施する。熱間圧延されたビレットを冷却する。粗圧延工程での熱間圧延前の鋳片の加熱温度は、周知の温度で足り、たとえば、１０００～１３００℃である。

仕上げ圧延工程では、粗圧延工程後のビレットを用いて棒鋼を製造する。具体的には、仕上げ圧延機を用いて、加熱後のビレットを周知の方法で仕上げ圧延（熱間圧延）し、機械部品の素材（本例では棒鋼）を製造する。仕上げ圧延機は、一列に並んだ複数の圧延スタンドを有する。各スタンドは、パスライン周りに配置された複数のロール（ロール群）を有する。各スタンドのロール群が孔型を形成し、ビレットが孔型を通過するときに圧下され、棒鋼が製造される。仕上げ圧延工程でのビレットの加熱温度は、周知の温度で足り、たとえば、９００～１３００℃である。以上の製造工程により、機械部品の素材（本例では棒鋼）が製造される。

［直接焼入れ工程（Ｓ３）］
本実施形態では、熱間鍛造工程（Ｓ２）直後の最終熱鍛部品に対して、直接焼入れを実施する。ここで、直接焼入れとは、熱間鍛造直後の最終熱鍛部品を常温まで冷却後、再加熱して焼入れを実施するのではなく、熱間鍛造直後に、最終熱鍛部品を焼入れすることを意味する。ここで、直接焼入れ前の最終熱鍛部品の温度は、Ａ_ｒ３点以上である。直接焼入れ前の最終熱鍛部品の温度の好ましい下限は８４０℃であり、さらに好ましくは８５０℃である。直接焼入れ前の最終熱鍛部品の温度の好ましい上限は１２５０℃であり、さらに好ましくは１２００℃である。なお、焼入れは水冷又は油冷にて行う。

［焼戻し工程（Ｓ４）］
焼戻し工程（Ｓ４）では、直接焼入れ工程（Ｓ３）後の最終熱鍛部品に対して、焼戻しを実施する。焼戻し条件は周知の条件で足りる。たとえば、最終熱鍛部品を５００～Ａ_ｃ１変態点で、２０～４０分保持する。その後、中間品を冷却する。冷却条件は特に限定されないが、たとえば放冷である。

［切削工程］
切削工程では、焼戻し工程（Ｓ４）後の最終熱鍛部品に対して仕上げ加工として切削加工を実施して、最終製品の形状とし、機械部品を製造する。

以上の製造工程により、本実施形態の機械部品が製造できる。なお、本実施形態の機械部品は、上述の構成を備えれば、上記製造工程に限定されない。しかしながら、上述の製造方法は、本実施形態の機械部品の製造方法の好適な一例である。

［本実施形態の機械部品の用途］
本実施形態の機械部品は、熱間鍛造により製造される部品に広く適用可能である。本実施形態の機械部品はたとえば、ハブ、スピンドル、クランクシャフト等に代表される、自動車用途に好適である。

実施例により本実施形態の機械部品の効果をさらに具体的に説明する。以下の実施例での条件は、本実施形態の機械部品の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例である。したがって、本実施形態の機械部品はこの一条件例に限定されない。

［機械部品の製造工程］
表１に示す化学組成を有する溶鋼を真空溶製した。

表１の溶鋼を用いて、インゴットを製造した。インゴットを１２５０℃で加熱した。加熱後のインゴットに対して熱間圧延を実施して、直径５５ｍｍの丸棒を製造した。製造された丸棒を加工して、直径５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの丸棒試験片を準備した。

丸棒試験片を用いて、熱間鍛造工程を擬似した、ダイスを用いた熱間押出を実施した。図１７は、本実施例で使用したダイスの中心軸を含む断面図である。図１７を参照して、試験番号１～４２、４９～５９では、ダイス入側の直径ｄ０が５０ｍｍであり、ダイス出側の直径ｄ１が３０ｍｍであり、ダイス長ｄＬが１５ｍｍのタイプＡのダイスを用いた。試験番号４３では、ダイス入側の直径ｄ０が５０ｍｍであり、ダイス出側の直径ｄ１が２５ｍｍであり、ダイス長ｄＬが１５ｍｍのタイプＢのダイスを用いた。試験番号４４では、ダイス入側の直径ｄ０が５０ｍｍであり、ダイス出側の直径ｄ１が３５ｍｍであり、ダイス長ｄＬが１５ｍｍのタイプＣのダイスを用いた。試験番号４５では、ダイス入側の直径ｄ０が５０ｍｍであり、ダイス出側の直径ｄ１が２０ｍｍであり、ダイス長ｄＬが１５ｍｍのタイプＤのダイスを用いた。試験番号４６では、ダイス入側の直径ｄ０が５０ｍｍであり、ダイス出側の直径ｄ１が４０ｍｍであり、ダイス長ｄＬが１５ｍｍのタイプＥのダイスを用いた。試験番号４７及び４８では、ダイス入側の直径ｄ０が５０．０１ｍｍであり、ダイス出側の直径ｄ１が２５ｍｍであり、ダイス長ｄＬが１２．５ｍｍのタイプＦのダイスを用いた。各試験番号に用いたダイスの種類を表２にまとめる。

上述のダイスを用いて、熱間鍛造を模擬した熱間押出を実施した。具体的には、丸棒試験片を１２５０℃で３０分加熱した。加熱後の丸棒試験片に対して、熱間押出を実施した。熱間押出後、８～１０秒経過時に、熱間押出後の丸棒試験片を常温まで水冷することで、直接焼入れを実施した。

試験番号５９以外の各試験番号の丸棒試験片では、熱間押出を全長に実施するのではなく、熱間押出していない部分を一部残した。そして、熱間押出していない部分を、機械部品における通常部とみなした。一方、試験番号５９では、全長に対して熱間押出を実施した。試験番号４６では、１２００℃で３０分加熱した後、熱間押出を実施した。そして、熱間押出後、８～１０秒経過時に、熱間押出後の丸棒試験片を常温まで水冷することで、直接焼入れを実施した。

各試験番号において、直接焼入れ後の丸棒試験片に対して、６４０℃で３０分保持する焼戻しを実施した。３０分保持後の丸棒試験片を放冷した。以上の工程により、機械部品を模擬した模擬機械部品を製造した。

［評価試験］
［応力集中部の相当ひずみε、及び、相当ひずみεが０．８以上の領域の相当ひずみの最大勾配Δ算出試験］
初めに、図１７に示すダイスを用いて熱間鍛造を模擬した熱間押出を実施した場合の、最終熱鍛部品の応力集中部での相当ひずみεと、相当ひずみが０．８以上の領域における相当ひずみの最大勾配Δとを、次の方法により求めた。

各試験番号の熱間押し出し前の丸棒試験片の形状と、熱間押出後の丸棒（最終熱鍛部品を模擬）の形状とを特定した。熱間押出後の試験番号１～５８の丸棒の形状は、図１８のとおりであった。特定された熱間押出前後の丸棒の形状に基づいて、有限要素解析を実施して、熱間押出後の丸棒のひずみ分布を求めた。具体的には、ダイスとの摩擦係数は０．１とした。鍛造時の荷重Ｆを２．１ｔｏｎとした。図１８は、熱間押出後の丸棒の中心軸を含む縦断面図である。有限要素解析では、試験番号１～５８の熱間押出後の丸棒のひずみ分布では、ダイステーパ部ｄ１０の下端から下方に８ｍｍの位置で、剪断応力及び相当ひずみが最大となった。そこで、相当ひずみが最大となった位置Ｐｍａｘを最終熱鍛部品の応力集中位置に相当する部位とした。そして、応力集中位置Ｐｍａｘから半径５００μｍの範囲内を、応力集中部と定義した。定義された応力集中部内のひずみ分布に基づいて、応力集中部の相当ひずみεを求めた。具体的には、有限要素解析により得られた応力集中部内の各領域（各メッシュ）での相当ひずみの算術平均値を求めた。求めた値を、応力集中部の相当ひずみεと定義した。さらに、相当ひずみが０．８以上の領域における、相当ひずみの最大勾配Δ（／ｍｍ）とを求めた。具体的には、相当ひずみが０．８以上の領域を特定した。特定された領域において、１ｍｍピッチで相当ひずみの勾配を求めた。求めた複数の勾配の最大値を、最大勾配Δと定義した。得られた相当ひずみε、最大勾配Δを表３に示す。

さらに、有限要素解析で求めた応力集中位置Ｐｍａｘがノッチ底となる４点曲げ試験片ＴＰを作成した。具体的には、図１８に示すとおり、ダイステーパ部ｄ１０の下端から下方に８ｍｍ位置がノッチ底となるように、熱間押出後の丸棒から、４点曲げ試験片ＴＰを作製した。４点曲げ試験片ＴＰは、高さ１３ｍｍ、幅１３ｍｍ、長さ１００ｍｍ、ノッチ形状はＵノッチ、ノッチ半径は２ｍｍであった。４点曲げ試験片ＴＰの長さ方向は、熱間押出後の丸棒の長手方向と一致した。なお、試験番号５９の熱間押出後の丸棒に関しては、丸棒の上端からの試験採取位置及びノッチ底位置が他の試験番号１～５８の４点曲げ試験片の採取位置と同じになるように、４点曲げ試験片を採取した。

［ミクロ組織観察試験］
各試験番号の模擬機械部品（図１８に示す丸棒）の任意の位置からサンプルを採取した。サンプルの表面のうち、５０μｍ×５０μｍの視野を含む表面を観察面と特定した。観察面を鏡面研磨した後、ナイタル液に１０秒程度浸漬してエッチングを実施し、組織を現出させた。エッチングにより組織が現出された観察視野を、１０００倍の光学顕微鏡により観察した。観察視野の視野面積は２５００μｍ^２であった。観察視野中において、フェライト及びパーライトと、マルテンサイト及びベイナイトとは、コントラストに基づいて容易に区別できた。そこで、観察視野中のマルテンサイト及びベイナイトを特定して、特定されたマルテンサイト及びベイナイト領域の総面積を求めた。求めたマルテンサイト及びベイナイト領域の総面積を、観察視野の総面積で除して、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率（％）を求めた。求めたマルテンサイト及びベイナイトの総面積率を表３に示す。

［応力集中部の旧オーステナイト粒の平均粒径Ｄ１測定試験］
各試験番号の模擬機械部品の応力集中部における、旧オーステナイト粒の平均粒径Ｄ１を次の方法で求めた。上述の有限要素解析により特定された、模擬機械部品の応力集中部（図１８に示す４点曲げ試験片のノッチ底Ｐｍａｘから半径５００μｍの範囲）から、サンプルを採取した。サンプルの観察視野は１００μｍ×１００μｍとした。観察視野を含むサンプル表面（観察面）を鏡面研磨した。鏡面研磨されたサンプルの観察面に対して、ピクリン酸飽和水溶液を用いてエッチングを実施して、旧オーステナイト粒界を現出させた。観察面のうち、任意の３視野を１０００倍の光学顕微鏡を用いて観察した。そして、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に準拠して、各視野での旧オーステナイト粒度番号を得た。得られた３個の旧オーステナイト粒度番号の平均（平均旧オーステナイト粒度番号）を求めた。得られた平均旧オーステナイト粒度番号を平均粒径に換算して、応力集中部の旧オーステナイト粒の平均粒径Ｄ１と定義した。得られた平均粒径Ｄ１（μｍ）を表３に示す。

［通常部の旧オーステナイト粒の平均粒径Ｄ１測定試験］
また、模擬機械部品の応力集中部以外の他の領域（通常部）での旧オーステナイト粒の平均粒径を、次の方法で求めた。模擬機械部品の応力集中位置Ｐｍａｘから少なくとも３ｍｍ以上離れた領域のうち、任意の３箇所から、サンプルを採取した。各サンプルの観察面は５００μｍ×５００μｍとした。観察視野を含むサンプルの観察面を鏡面研磨した。鏡面研磨されたサンプルの観察面に対して、ピクリン酸飽和水溶液を用いてエッチングを実施して、旧オーステナイト粒界を現出させた。各観察面のうち、任意の３視野を１０００倍の光学顕微鏡を用いて観察した。そして、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に準拠して、各視野での旧オーステナイト粒度番号を得た。以上の方法により、各サンプルで３個（合計９個）の旧オーステナイト粒度番号を得た。得られた９個の旧オーステナイト粒度番号の平均（平均旧オーステナイト粒度番号）を求めた。得られた平均旧オーステナイト粒度番号を平均粒径に換算して、通常部の旧オーステナイト粒の平均粒径Ｄ２と定義した。得られた平均粒径Ｄ２（μｍ）を表３に示す。

［曲げ疲労強度評価試験（４点曲げ疲労試験）］
各試験番号の４点曲げ疲労試験片ＴＰを用いて、４点曲げ疲労試験を実施した。試験にはサーボ型疲労試験機を用いた。４点曲げ疲労試験片の支点間の距離は４５ｍｍとした。最大負荷応力は１１５０ＭＰａであり、最大負荷応力と最小負荷応力との応力比は０．１であった。周波数は１０Ｈｚであった。応力負荷繰り返し回数が１×１０^５回での破断強度を、４点曲げ疲労強度（ＭＰａ）と定義した。

得られた疲労強度が６８０ＭＰａ超の場合、疲労強度に優れると評価した（表３中の疲労強度欄に「Ａ」で表記）。また、得られた疲労強度が５５０～６８０ＭＰａの場合、疲労強度が良好であると評価した（表３中の疲労強度欄に「Ｂ」で表記）。得られた疲労強度が５５０ＭＰａ未満である場合、疲労強度が低いと評価した（表３中の疲労強度欄に「Ｃ」で表記）。

［被削性試験］
各試験番号の模擬機械部品から、被削性試験片を採取した。試験番号４６及び５９以外の試験番号では、模擬機械部品のうち、熱間押出を実施していない部分から、長さ２１ｍｍの円柱試験片を採取した。試験番号４６及び５９では、模擬機械部品の任意の位置から、長さ２１ｍｍの円柱試験片を採取した。

作製された円柱試験片に対して、ドリル加工による切削性評価試験を実施した。具体的に、加工穴の総深さが１０００ｍｍとなるまで、一定の切削速度でドリル加工を実施した。加工穴深さが１０００ｍｍとなった場合、ドリル加工をいったん終了した。そして、切削速度をさらに高めて設定し、設定された切削速度で、加工穴の総深さが１０００ｍｍとなるまで、ドリル加工を再度実施した。切削ドリルとして、株式会社不二越製 型番ＳＤ３．０ドリルを用いた。１回転当たりの送り量を０．２５ｍｍとした。１穴の穿孔深さを９ｍｍとした。潤滑は水溶性の切削油を用いた。切削速度を高めながら順次ドリル加工を実施し、加工穴の累積穴深さが１０００ｍｍ以上可能な最大切削速度ＶＬ１０００（ｍ／ｍｉｎ）を求めた。最大切削速度ＶＬ１０００は通常、工具寿命の評価指標として用いられており、最大切削速度ＶＬ１０００が大きいほど工具寿命が良好であると判断できる。各試験番号について最大切削速度を求めた。

最大切削速度ＶＬ１０００が１９ｍ／分以上である場合、被削性に優れると評価した（表３中の被削性欄に「Ａ」で表記）。また、最大切削速度ＶＬ１０００が１５ｍ／分以上１９ｍ／分未満である場合、被削性が良好であると評価した（表３中の被削性欄に「Ｂ」で表記）。最大切削速度ＶＬ１０００が１５ｍ／分未満である場合、被削性が低いと評価した（表３中の被削性欄に「Ｃ」で表記）。

［評価結果］
評価結果を表３に示す。表１及び表３を参照して、試験番号１～４、７～１０、１３～１６、１９、２０、２２～２６、２９～３２、３５～３８、４１、４３、４４、４７、４９～５８では、化学組成中の各元素含有量が適切であった。さらに、応力集中部の旧オーステナイト粒の平均粒径が２６μｍ以下であり、通常部の旧オーステナイト粒の平均粒径が１００～２０００μｍの範囲内であった。さらに、ミクロ組織におけるマルテンサイト及びベイナイトの総面積率は９０％であった。その結果、疲労強度評価はいずれもＡ又はＢであり、十分な疲労強度が得られた。さらに、被削性評価はいずれもＡ又はＢであり、十分な被削性が得られた。

一方、試験番号５では、Ｃ含有量が高すぎた。その結果、被削性が低かった。試験番号６では、Ｃ含有量が低すぎた。その結果、疲労強度が低かった。

試験番号１１では、Ｓｉ含有量が高すぎた。その結果、被削性が低かった。試験番号１２では、Ｓｉ含有量が低すぎた。その結果、疲労強度が低かった。

試験番号１７では、Ｍｎ含有量が高すぎた。その結果、被削性が低かった。試験番号１８では、Ｍｎ含有量が低すぎた。その結果、疲労強度が低かった。

試験番号２１では、Ｐ含有量が高すぎた。その結果、疲労強度が低かった。試験番号２７では、Ｎ含有量が高すぎた。その結果、疲労強度が低かった。試験番号２８では、Ｎ含有量が低すぎた。その結果、疲労強度が低かった。

試験番号３３では、Ｃｒ含有量が高すぎた。その結果、被削性が低かった。試験番号３４では、Ｃｒ含有量が低すぎた。その結果、疲労強度が低かった。

試験番号３９では、Ｔｉ含有量が高すぎた。その結果、疲労強度が低かった。試験番号４０では、Ｔｉ含有量が低すぎた。その結果、疲労強度が低かった。試験番号４２では、Ｏ含有量が高すぎた。その結果、疲労強度が低かった。

試験番号４５では、熱間押出後の模擬機械部品の応力集中部での相当ひずみεが高すぎた。そのため、模擬機械部品の応力集中部での旧オーステナイト粒の平均粒径が２６μｍを超えた。その結果、疲労強度が低かった。

試験番号４６では、熱間押出後の模擬機械部品の応力集中部での相当ひずみεが低すぎた。そのため、模擬機械部品の応力集中部での旧オーステナイト粒の平均粒径が２６μｍを超えた。その結果、疲労強度が低かった。

試験番号４８では、熱間押し出し後の模擬機械部品において、相当ひずみが０．８以上の領域における相当ひずみの最大勾配が０．８／ｍｍを超えた。そのため、模擬機械部品の応力集中部での旧オーステナイト粒の平均粒径が２６μｍを超えた。その結果、疲労強度が低かった。

試験番号５９では、通常部での旧オーステナイト粒の平均粒径が１００μｍ未満であった。その結果、被削性が低かった。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の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の形態を適宜変更して実施することができる。

Claims (7)

1. 機械部品であって、
   化学組成は、質量％で、
   Ｃ：０．３０～０．４０％、
   Ｓｉ：０．３０～１．００％、
   Ｍｎ：１．００～２．００％、
   Ｐ：０．０３５％以下、
   Ｓ：０．０５０～０．１００％、
   Ａｌ：０．０５０％以下、
   Ｃｒ：０．０２～１．５０％、
   Ｔｉ：０．００２～０．０２０％、
   Ｎ：０．００３～０．０３０％、及び、
   Ｏ：０．００５０％以下、を含有し、
   残部はＦｅ及び不純物からなり、
   前記機械部品のミクロ組織において、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率は９０％以上であり、
   前記機械部品はさらに、
   使用中に前記機械部品に外力が付与されたときに、
   前記機械部品の表面のうち、最大のミーゼス応力が付与される位置を応力集中位置と定義したとき、前記応力集中位置から半径５００μｍの範囲の領域である応力集中部と、
   前記応力集中部以外の領域である通常部とを備え、
   前記応力集中部での旧オーステナイト粒の平均粒径は２６μｍ以下であり、
   前記通常部での旧オーステナイト粒の平均粒径は１００～２０００μｍである、
   機械部品。
2. 請求項１に記載の機械部品であって、
   前記化学組成は、質量％で、
   Ｃｕ：０．２０％以下、
   Ｎｉ：０．５０％以下、及び、
   Ｍｏ：０．２０％以下、
   からなる群から選択される１元素以上を含有する、
   機械部品。
3. 請求項１又は請求項２に記載の機械部品であって、
   前記化学組成は、質量％で、
   Ｃａ：０．０１００％以下、
   を含有する、
   機械部品。
4. 請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の機械部品であって、
   前記化学組成は、質量％で、
   Ｎｂ：０．０５０％以下、
   Ｂ：０．００５０％以下、及び、
   Ｖ：０．５００％以下、
   からなる群から選択される１元素以上を含有する、
   機械部品。
5. 請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の機械部品であって、
   前記機械部品は、自動車用途のハブであり、
   前記機械部品は、
   貫通孔を有するハブ本体を備え、
   前記ハブ本体は、
   前記貫通孔の中心軸方向に順に、筒部、接続部、フランジ部を含み、
   前記筒部は、使用時においてスピンドルが挿入され、
   前記接続部は、前記筒部と前記フランジ部との間に配置され、前記筒部と前記フランジ部とにつながっており、前記筒部から前記フランジ部に向かって外径が大きくなり、
   前記フランジ部は、使用時においてホイールが接続され、
   前記応力集中位置は、前記接続部の外面の表層のうち、前記フランジ部に隣接する領域に位置する、
   機械部品。
6. 請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の機械部品であって、
   前記機械部品は自動車用途のスピンドルであり、
   前記機械部品は、中心軸を有するスピンドル本体を備え、
   前記スピンドル本体は、前記中心軸の方向に順に、シャフト部と、接続部と、フランジ部とを備え、
   前記接続部は、前記シャフト部と前記フランジ部との間に配置され、前記シャフト部から前記フランジ部に向かうにしたがって外径が大きくなり、
   前記応力集中部は、前記接続部の表層のうち、前記シャフト部に隣接する領域に位置する、
   機械部品。
7. 請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の機械部品であって、
   前記機械部品はクランクシャフトであって、
   クランクピンと、
   クランクアームと、
   前記クランクピンと前記クランクアームとの間に配置され、前記クランクピン及び前記クランクアームとつながっているフィレット部とを備え、
   前記応力集中部は、前記フィレット部の表層のうち、前記クランクピンに隣接する領域に位置する、
   機械部品。
   

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