WO2009142205A1 - 表層部を焼入れされた鉄鋼材料及びその製造方法並びに焼入れ部品 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄鋼材料の表面に形成された化合物層の焼入れによる酸化を回避し得るように、表層部を焼入れした鉄鋼材料及びその製造方法並びに高周波焼入れ部品を提供する。 【解決手段】鉄鋼材料１１とその表面に形成した化合物層１２と化合物層１２上に形成した酸化防止用被覆層１３とからなり、鉄鋼材料１１が所定の深さの硬化層を有する焼入れされた鉄鋼材料１０であって、鉄鋼材料１１の表面上の硬度が高められている。鉄鋼材料１０は、表面に化合物層１２を形成した鉄鋼材料１１上に酸化防止用被覆層１３を形成する第一の段階と、化合物層１２及び酸化防止用被覆層１３を備えた鉄鋼材料１１を高周波焼入れする第二の段階とを備え、第二の段階が所定の加熱温度となるまで所定の加熱時間で昇温し、加熱温度に達した後、直ちに冷却することで得られる。

Description

表層部を焼入れされた鉄鋼材料及びその製造方法並びに焼入れ部品

　本発明は、面圧強度，耐摩耗性，曲げ疲労強度等の機械的強度に優れた機械構造部品として使用される表層部を焼入れされた鉄鋼材料及びその製造方法並びに焼入れ部品に関する。

　従来、機械的強度の向上のために、鋳鉄や鋼の機械構造部品に窒化処理，軟窒化処理，浸炭焼入れ，高周波焼入れ等の表面硬化処理が施されている。このうち、窒化処理等により最表面に形成される窒化物層、特に表面側の化合物層は、耐摺動性に優れていると共に、摩耗に強く、さらに焼き付き抵抗性が高いことが知られている。

　ところで、従来の窒化処理あるいは軟窒化処理は、浸炭焼入れ，高周波焼入れに比較して、硬化層深さが浅く、面圧強度，疲労強度等に改善の余地があった。
　このため、近年、窒素の特性を活かして、窒化処理または軟窒化処理の後で、高周波焼入れ処理を施し、硬化深度を深くして面圧強度を高めて疲労強度を高くするようにした複合硬化処理が開発されている。

　ここで、例えば窒化処理により鉄鋼材料の表面に窒化膜等の化合物層を形成した後、高周波焼入れ処理を施した場合、鉄鋼材料の表層部に化合物層に含まれる窒素が拡散して、所謂Ｎ拡散層が拡大する。

　この場合、高周波焼入れでは、焼入れ温度は少なくともオーステナイト組織になるＡｃ１変態点以上の温度が必要であり、通常７５０～１０５０℃の温度範囲から選択される。例えば、窒化温度５７０℃で形成される窒化物層は、鉄と窒素の結合であり、６５０℃以上に再加熱されると、酸化を受けて分解し、窒化物層の窒素が最表面では窒素ガスとして放出され、また内部では拡散する結果になる。

　従って、化合物層の表層部が高周波焼入れによって酸化されてしまい、化合物層の表面が酸化層になってしまう。ここで、化合物層が緻密であるのに対して酸化層は多孔質である。このため、化合物層の表面が酸化層によって覆われて露出せず、また化合物層の少なくとも一部が消失して薄くなってしまうこともあって、化合物層の特性に基づく機械的強度や耐摺動性、耐摩耗性が損なわれてしまう。

　これに対して、特許文献１には、窒化処理により表面に形成された窒化物層をそのまま高周波焼入れすることによって高温加熱での窒化物層の損傷や消失という問題を解決するために、窒化処理後の表面上に、酸化ケイ素を成分とするガス窒化・イオン窒化防止剤，浸炭防止剤，酸化防止剤等を１～３ｍｍの厚さで被覆し、焼入れを行う方法が開示されている。

　また、例えば特許文献２には、鉄鋼材料の表面に硬い窒化物からなる化合物層が形成され、さらにその上層として、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ及びＡｌから成る群の中から選択される少なくとも一種の金属酸化物を含む無機化合物層が形成されたことを特徴とする焼入れ鉄鋼部材が開示されている。

特開昭５８－０９６８１５号公報 特開２００８－０３８２２０号公報

　しかしながら、特許文献１による焼入れ方法では、加熱時における酸化現象を防止することができるが、１ｍｍ以上の厚膜が必要であり、熱伝導性も低いことから冷却速度が遅くなって焼入れ時の冷却温度が不十分となり、目的とする硬度を得ることは困難であった。また、このような酸化防止膜は摩擦抵抗が大きいため、焼入れ処理後に除去する必要があり生産効率が低下してしまう。

　特許文献２による鉄鋼材料においては、鉄鋼材料の表面に形成された硬い窒化物からなる化合物層が、焼入れ工程前に施される無機化合物層の表面保護剤によって、焼入れ工程の損傷や消失から保護されるとあるが、当該発明を用いても、８００℃を上回る高温で３秒以上にわたり焼入れすると、少なからず当該化合物層の酸化を防止することができないことがあった。

　本発明は、上記課題に鑑みて案出されたもので、鉄鋼材料の表面に形成された化合物層の高周波焼入れによる酸化を回避して焼入れを施すことで、表層部を焼入れした鉄鋼材料及びその製造方法並びに焼入れ部品を提供することを目的としている。

　本発明者等は鋭意研究を重ねた結果、鉄鋼材料の表面に形成された化合物層の酸化が、高周波加熱処理を短時間で行うことによって回避できるという知見を得て、本発明を完成するに至った。

　上記目的を達成するため、本発明の表層部を焼入れされた鉄鋼材料は、基材と、上記基材の表面に形成した化合物層と、上記化合物層上に形成した酸化防止用被覆層と、からなる鉄鋼材料であって、上記基材の表面より所定の深さまで焼入れ硬化層を有し、かつ前記化合物層の表層部に多孔質の酸化層が形成されていないことを特徴とする。
　上記構成において、化合物層は、好ましくはＦｅ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｂ及びＳｉの中から選択される少なくとも一つの元素の窒化物層からなり、酸化防止用被覆層は、好ましくはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ及びＡｌからなる群より選択される少なくとも１つを含む金属元素の酸化物からなる。
　本発明の焼入れ部品は、上記鉄鋼材料を用いたことを特徴とする。焼入れ部品は、例えばパワートレイン系部品である。

　上記目的を達成するため、本発明の鉄鋼材料の高周波焼入れ方法は、基材の表面に形成した化合物層を被覆するように酸化防止用被覆層を形成する第一の処理工程と、上記基材の表面に化合物層及び酸化防止用被覆層を形成してなる鉄鋼材料を高周波焼入れする第二の処理工程と、を含む、鉄鋼材料の焼入れ方法であって、上記第二の処理工程が、所定の加熱時間（ｔ１）で所定の加熱温度（Ｔ１）となるまで加熱し、上記所定の加熱温度に達した後、直ちに冷却を行うことを特徴とする。
　上記構成において、好ましくは、加熱温度Ｔ１は、７６０℃≦Ｔ１≦８８０℃の範囲であり、加熱時間ｔ１は０．６秒≦ｔ１≦２秒の範囲である。好ましくは、第一の処理工程における酸化防止用被覆層を金属付着量として１５０～２００ｍｇ／ｍ^２を含むように形成する。

　上記構成によれば、基材の表面に形成した化合物層の上に酸化防止用被覆層、好ましくは酸化チタン層が形成されて、鉄鋼材料の表層部を高周波焼入れされるので、化合物層の表面の酸化が酸化防止用被覆層によって阻止される。
　従って、化合物層の表層部が多孔質の酸化層に変成されることを抑制できるので、従来に比して、化合物層がより厚く残存しかつ高周波焼入れにより硬度が高められることになり、化合物層の特性に基づく機械的強度や耐摺動性，耐摩耗性等が維持される。

　本発明の表層部を焼入れされた鉄鋼材料及びその製造方法並びに焼入れ部品によれば、化合物層の表面において高周波焼入れによる酸化層の形成が抑制される。従って、残りの化合物層が薄くなってしまったり、その一部が消失したりすることがなく、比較的厚い化合物層が残存することになり、化合物層の特性に基づく機械的強度，耐摺動性，耐摩耗性等が損なわれることがない。

本発明の一実施形態に係る表層部を焼入れされた鉄鋼材料における高周波焼入れ前の状態を示す概略断面図である。 図１の鉄鋼材料の製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。 高周波焼入れの加熱条件を模式的に示す図である。 図１の鉄鋼材料の高周波焼入れ後の状態を示す概略断面図である。 実施例及び比較例において種々の高周波焼入れ時間及び温度で製造された鉄鋼材料の各層の厚さを示す表である。 実施例４の高周波焼入れされた鉄鋼材料と各種鉄鋼材料との断面硬さ分布を示すグラフである。 実施例４の高周波焼入れされた鉄鋼材料と各種鉄鋼材料とのＳ－Ｎ線図を示すグラフである。 実施例３の高周波焼入れされた鉄鋼材料と各種鉄鋼材料とのファビリー摩擦摩耗試験の結果を示すグラフである。 実施例４の高周波焼入れされた鉄鋼材料と各種鉄鋼材料とのファレックス摩擦摩耗試験の結果を示すグラフである。 実施例４の高周波焼入れされた鉄鋼材料と各種鉄鋼材料とのＳＲＶ試験の結果を示すグラフである。

　以下、本発明の幾つかの実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

　図１は、本発明による表層部を焼入れされた鉄鋼材料１０の一実施形態における高周波焼入れ前の状態を示す概略断面図である。
　図１において、鉄鋼材料１０は、高周波焼入れ前においては、鉄鋼材料（以下、基材という。）１１と、基材１１の表面に形成された化合物層１２と、化合物層１２の上に形成された酸化防止用被覆層１３と、から構成されている。
　なお、発明の名称の「鉄鋼材料」は、化合物層１２と酸化防止用被覆層１３とを表面に積層している鉄鋼材料を称し、「基材」は、化合物層１２と酸化防止用被覆層１３とを表面に積層していない鉄鋼材料のみを指称する。

　基材１１とは、例えば炭素鋼，低合金鋼，高合金鋼，鋳鉄等の鉄鋼材料であり、好ましくは、例えば高炭素鋼，低合金鋼等が使用される。

　化合物層１２は、基材１１を表面処理して形成されるものである。この化合物層１２は、好ましくは、例えばＦｅ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｂ及びＳｉの中から選択される少なくとも一つの元素の窒化物層である。

　化合物層１２を形成する表面処理の方法については、特に限定されず、例えば窒化拡散処理，ＣＶＤ（化学蒸気堆積法），ＰＶＤ（物理蒸気堆積法）等により形成される。イソナイト（登録商標）処理，パルソナイト処理等の塩浴軟窒化処理，ガス軟窒化処理，イオン窒化処理，プラズマ窒化処理等の方法がより好適である。

　酸化防止用被覆層１３は、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ及びＡｌからなる群より選択される、少なくとも１つを含む金属元素の酸化物から形成される。なかでも、Ｔｉの酸化物（ＴｉＯ_２）は好ましく、例えばＴｉ化合物を含有する溶液中に被処理物を浸漬し、引き上げ、後に乾燥することによるディップコーティング法等の塗布手段を用いて、化合物層１２の上に形成することができる。

　上記酸化防止用被覆層１３は、その下に在る化合物層１２の高周波焼入れによる酸化を確実に防止し得るように、例えば酸化防止用被覆層の金属付着量が１５０～２００ｍｇ／ｍ^２程度になるように形成される。

　本発明の実施形態による鉄鋼材料１０は、高周波焼入れ前においては、以上のように構成されており、次にその製造方法を説明する。
　図２は、図１の鉄鋼材料１０の製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。
　先ず、ステップＳＴ１において、基材１１の表面に例えばイソナイト（登録商標）処理によって化合物層１２を形成する。

　続いて、ステップＳＴ２にて化合物層１２の表面に酸化防止用被覆層１３を形成する。

　次に、ステップＳＴ３にて、化合物層１２及び酸化防止用被覆層１３を備えた基材１１に高周波焼入れ処理を施す。

　図３は、高周波焼入れの加熱条件を模式的に示す図である。図の横軸は加熱時間（秒）を示し、図の縦軸は加熱温度（℃）を示している。図３に示すように、高周波焼入れは、所定の加熱時間（ｔ１）で所定の加熱温度（Ｔ１）に達するまで短時間で行い、所定の加熱温度（Ｔ１）に達したら直ちに急速冷却することによって行われる。図示の場合には、加熱速度（℃／秒）が一定の場合を例として示している。

　加熱温度Ｔ１は７６０℃以上で８８０℃以下の温度（７６０℃≦Ｔ１≦８８０℃）の範囲であり、加熱時間ｔ１は、０．６秒から２秒の範囲（０．６秒≦ｔ１≦２秒）であることが好ましい。加熱時間ｔ１が、０．６秒から２秒の範囲にある限り、加熱速度は一定でなくとも良い。
　これにより、化合物層１２を含む基材１１の表層部が焼入れによって硬度が高められると共に、化合物層１２を酸化防止用被覆層１３で被覆しているから、化合物層１２の表面部の酸化が酸化防止用被覆層１３により抑制され酸化層が形成されない。

　図４は、図１の鉄鋼材料１０の高周波焼入れ後の状態を示す概略断面図である。高周波焼入れした鉄鋼材料１０は、基材１１の化合物層１２と接する表層部が、高周波焼入れによってＮ濃化層１１ａに変化する。このＮ濃化層１１ａは比較的軟らかいので、化合物層１２の基材１１に対する保持性が向上することになる。
　なお、このＮ濃化層１１ａの直下には化合物層１２から窒素原子が拡散して、Ｎ拡散層１１ｂが形成される。
　以上で、表層部を焼入れされた鉄鋼材料１０が完成する。

　ステップＳＴ３にて高周波焼入れが上記した範囲（７６０℃≦Ｔ１≦８８０℃、０．６秒≦ｔ１≦２秒）で行われる場合には、焼入れ後の化合物層１２，Ｎ濃化層１１ａが共に良好であり、また基材の１１の表面に形成される硬化層の硬度も良好である。

　加熱時間ｔ１と加熱温度Ｔ１が上記範囲外の場合には、基材１１の表面部に形成される硬化層の硬度が低下し、また、焼入れ後の化合物層１２の表面やＮ濃化層１１ａが不良となって好ましくない。この場合の、化合物層１２の不良は、加熱温度Ｔ１が高すぎるとき及び加熱温度Ｔ１が低い側の範囲外でも加熱時間ｔ１が大き過ぎるときには、過熱により酸化防止用被覆層１３の表面が多孔質となる。

　ステップＳＴ３における高周波焼入れにより、基材１１の化合物層１２に接する表層部がＮ濃化層１１ａに変化する場合には、Ｎ濃化層１１ａの形成により基材１１の表層部の硬度が高められる。

　本発明の表層部を焼入れされた鉄鋼材料１０によれば、化合物層１２の表面にさらに酸化防止用被覆層１３が被覆されていることによって、化合物層１２の表面において高周波焼入れによる酸化層の形成が抑制される。従って、残りの化合物層１２が薄くなってしまったり、その一部が消失したりすることがなく、比較的厚い化合物層１２が残存し、化合物層１２の特性に基づく機械的強度，耐摺動性，耐摩耗性等が損なわれることがない。なお、酸化防止用被覆層１３は、高周波焼入れの後で除去しても、しなくてもよく、必要に応じて選定することができる。
　これにより、本発明の鉄鋼材料１０は、高面圧下の試験でも座屈は発生せず、各種歯車やＣＶＴ部品、あるいはピニオンシャフト等の高負荷状況で使用される部品に適用可能である。例えば、自動車等のエンジンからタイヤに至る駆動系部品、所謂パワートレイン用部品に使用することができる。

　以下、本発明による表層部を焼入れされた鉄鋼材料（以下、単に鉄鋼材料という。）１０の実施例について詳細に説明する。
　基材１１として直径６．５ｍｍ、長さ４０ｍｍのクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４４０）を使用し、この表面を脱脂洗浄したのち、溶融塩浴中で５７０℃で２時間塩浴軟窒化処理（イソナイト（登録商標）処埋：日本パーカライジング（株）製）して油冷し、基材１１の表面に厚さ約１１μｍの窒化鉄からなる化合物層１２を形成した。

　こうして表面に窒化鉄層１２を形成した基材１１に対して、さらに濃度４％の酸化チタン中性水分散ゾル（パルチタン５６０３：アナターゼ＋アモルファスゾル、日本パーカライジング（株）製）をディップコーティングし、余分な液を除去した後、１８０℃で乾燥させた。Ｔｉの付着量を蛍光Ｘ線分析装置で測定したところ、１５０ｍｇ／ｍ^２付着していた。

　このようにして酸化チタン層からなる酸化防止用被覆層１３と窒化鉄からなる化合物層１２を形成した基材１１を、さらに高周波焼入れ装置によって加熱し、加熱開始後０．６秒で７８０℃に達した後、直ちに加熱を停止して、つまり、冷却を行なって実施例１の鉄鋼材料１０を作製した。

　高周波焼入れの条件として、加熱開始後０．６秒で８００℃に達した後、直ちに加熱を停止して焼入れを行った以外は実施例１と同様にして、実施例２の鉄鋼材料１０を作製した。

　高周波焼入れの条件として、加熱開始後１秒で７８０℃に達した後、直ちに加熱を停止して焼入れを行った以外は実施例１と同様にして、実施例３による鉄鋼材料１０を作製した。

　高周波焼入れの条件として、加熱開始後１秒で８００℃に達した後、直ちに加熱を停止して焼入れを行った以外は実施例１と同様にして、実施例４の鉄鋼材料１０を作製した。

（比較例１）
　実施例に対する比較例１においては、高周波焼入れの条件として、加熱開始後３秒で７６０℃に達した後、直ちに加熱を停止して焼入れを行った以外は実施例１と同様にして鉄鋼材料を作製した。

（比較例２）
　高周波焼入れの条件として、加熱開始後３秒で８８０℃に達した後、直ちに加熱を停止して焼入れを行った。これ以外は実施例１と同様にして、比較例２の鉄鋼材料を作製した。

　ここで、高周波焼入れの条件を種々に変更した実施例及び比較例において、鉄鋼材料１０の面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、断面において表面側から酸化防止用被覆層１３，化合物層１２，基材１１の表面に形成されるＮ濃化層１１ａの厚さを測定した。
　図５は、実施例及び比較例において種々の高周波焼入れ時間及び温度で製造された鉄鋼材料の各層の厚さを示す表である。図５から明らかなように、高周波焼入れ温度が高いほど、化合物層１２が薄くなると共に、Ｎ濃化層１１ａが厚くなる。高周波焼入れ温度Ｔが７６０℃及び７８０℃において、化合物層１２が薄くならずに、Ｎ濃化層１１ａが良好に形成されていることが分かる。

　図５の表中の数値は、化合物層１２及びＮ濃化層１１ａのビッカース硬度を示している。ビッカース硬度は、微小硬度計を使用して、荷重０．４９Ｎを１０秒間印加して測定した。高周波焼入れ時間が０．６秒及び１秒の場合、化合物層１２及びＮ濃化層１１ａのビッカース硬度は、高周波焼入れ温度が上昇すると低下する傾向にある。一方、焼入れで基材１１の表面に形成される硬化層のビッカース硬度は、高周波焼入れ温度が７８０℃及び８００℃で良好な値が得られた。

　表１は、実施例及び比較例の高周波焼入れ条件と焼入れ後の鉄鋼材料１０の化合物層１２，Ｎ濃化層１１ａ，硬化層の各層のビッカース硬度の評価と、鉄鋼材料１０としての総合判断を示す表である。表１から明らかなように、実施例１～４においては、化合物層１２，Ｎ濃化層１１ａ，硬化層の各層は何れもビッカース硬度が高く、焼入れが良好に施されたことが分かる。一方、高周波焼入れの温度Ｔ１が７６０℃で加熱時間ｔ１が３秒の比較例１においては、硬化層のビッカース硬度が低くなった。高周波焼入れの温度Ｔ１が８８０℃で加熱時間ｔ１が３秒の比較例２においては、硬化層のビッカース硬度は高く化合物層１２を含む鉄鋼材料１０において良好な高周波焼入れができたが、Ｎ濃化層１１ａのビッカース硬度が低かった。
　以上説明したように、実施例１～４においては、化合物層１２を含む鉄鋼材料１０において良好な高周波焼入れができるのに対して、比較例１及び２においては化合物層１２及び硬化層の何れかがビッカース硬度が不足し、鉄鋼材料１０としては不可ということが判明した。

　図６～図１０に、本発明に従って高周波焼入れ処理を施した鉄鋼材料１０と従来の鉄鋼材料との試験結果を示す。

　図６は、実施例４の鉄鋼材料１０と各種鉄鋼材料の断面硬さ分布を示すグラフである。図６の横軸は表面からの深さ（μｍ）を示し、図６の縦軸はビッカース硬度（ＨＶ０．０５）を示している。この場合、試験方法は、硬さ試験機として、微小硬度計を使用して、荷重０．４９Ｎを１０秒間印加してビッカース硬度を測定した。

　図６において、符号Ａ１は実施例４で高周波処理した鉄鋼材料１０を、符号Ａ２は基材１１にイソナイト（登録商標）処理により化合物層１２のみを形成しかつ高周波焼入れしないものを、符号Ａ３は基材１１に高周波焼入れ処理（以下、ＩＨ処理と呼ぶ）したものを、符号Ａ４は基材１１に浸炭焼入れ処理（以下、ＣＱ処理と呼ぶ）したもの（ＳＣＭ４１５，有効深さ０．５ｍｍ）を、符号Ａ５は基材１１に調質処理（以下、ＱＴ処理と呼ぶ）したものを、それぞれ示している。

　図６によれば、実施例４の鉄鋼材料１０（符号Ａ１）は、表面近傍で、比較的高い硬度、即ちビッカース硬度ＨＶで８７０程度を有しており、符号Ａ２で示すものと比較して硬度が高くなっていることが分かる。また、実施例４の鉄鋼材料１０は、硬化層が深くなっており、符号Ａ４で示すＣＱ処理したものとほぼ同様の硬度特性を有している。

　図７は、実施例４の鉄鋼材料１０と各種鉄鋼材料のＳ－Ｎ線図を示すグラフである。Ｓ－Ｎ線図はウエーラー線図とも言い、破壊を引き起こすために必要とされる繰り返し数（Ｎ）に対する応力（Ｓ）の関係を示す図である。図７の横軸は回数を示し、図７の縦軸は疲労強度（ＭＰａ）を示している。この場合の試験方法は、小野式回転曲げ疲労試験機を使用して、材質ＳＣＭ４４０から成る直径８ｍｍの平滑試験片を、室温雰囲気下で打ち切り回数１×１０７で試験した。

　図７において、符号Ｂ１は実施例４の鉄鋼材料１０を、符号Ｂ２は基材１１にイソナイト（登録商標）処理により化合物層１２のみを形成しかつ高周波焼入れしないものを、符号Ｂ３は基材１１にＩＨ処理したものを、符号Ｂ４は基材１１にＱＴ処理したものを、それぞれ示している。

　図７によれば、実施例４の鉄鋼材料１０（符号Ｂ１）は、その疲労強度が８６０ＭＰａであり、疲労強度が５７５ＭＰａの符号Ｂ２で示す鉄鋼材料と比較して、１．５９倍、疲労強度が６８０ＭＰａの符号Ｂ３で示す鉄鋼材料と比較して、１．２６倍だけ向上していることが分かる。

　図８は、実施例３の鉄鋼材料１０と各種鉄鋼材料のファビリー摩擦摩耗試験の結果を示すグラフである。図８の横軸は荷重（Ｎ）を示し、図８の縦軸はトルク（Ｎ・ｍ）を示している。この場合の試験方法は、ファビリー摩耗摩擦試験機を使用して、ＳＣＭ４４０（ＣＱ：ＳＣＭ４１５）から成る直径６．５ｍｍのピン及びＳＣＭ４１５（ＣＱ）から成るＶブロックを周速０．１ｍ／秒で回転させながら、潤滑油としてエンジンオイル（１０Ｗ－３０）を使用して、初期荷重２００ｋｇから、２５ｋｇ／秒で徐々に増加させて、トルクを測定した。

　図８において、符号Ｃ１は実施例３の鉄鋼材料１０を、符号Ｃ２は基材１１にイソナイト（登録商標）処理により化合物層１２のみを形成しかつ高周波焼入れしないものを、符号Ｃ３は基材１１にＩＨ処理したものを、符号Ｃ４は基材１１にＣＱ処理したものを、それぞれ示している。図８によれば、実施例３の鉄鋼材料１０（符号Ｃ１）は、２３００ｋｇ荷重でも焼き付きが発生せず、符号Ｃ２で示す鉄鋼材料と同様である。これに対して、符号Ｃ３で示す鉄鋼材料は約７００ｋｇで、また符号Ｃ４で示す鉄鋼材料は約３５０ｋｇで焼き付きが発生している。

　図９は、実施例４の鉄鋼材料１０と各種鉄鋼材料のファレックス摩擦摩耗試験の結果を示すグラフである。図９の縦軸は限界焼き付き荷重（ｋｇ）を示している。この場合の試験方法は、ファレックス摩擦摩耗試験機を使用して、ＳＣＭ４４０（ＣＱ：ＳＣｒ４２０）から成る直径１０ｍｍのピン及びＳＣｒ４２０（ＣＱ処理＋リン酸マンガン処理）から成るＶブロックを周速０．４ｍ／秒で回転させながら、潤滑油としてＣＶＴオイル（ＮＳ２）を使用して、５０ｋｇ／分でステップ荷重を印加しながら限界焼き付き荷重を測定した。

　図９において、符号Ｄ１は実施例４の鉄鋼材料１０を、符号Ｄ２は基材１１にＣＱ処理したものを示している。符号Ｄ３は基材１１にＱＰＱ処理したものを示している。ＱＰＱ処理とは、基材１１を軟窒化処理した後、酸化処理と研磨との組み合わせ処理を行う手法である。例えば、軟窒化処理を施した後、水酸化アルカリ金属及び硝酸化アルカリ金属を主成分とする溶融塩中に浸漬して酸化処理を行い、その後、ブラスト処理等で表面を研磨し、再度溶融塩中に浸漬し、窒化物層の上に酸化皮膜を生成させる。ＱＰＱ処理の特長は、基材１１に窒化された化合物層１２を残したままで平滑にし、最表層が酸化されているために摺動特性が向上することである。符号Ｄ４は、基材１１に無電解ニッケルめっき（Ｎｉ－Ｐ処理）を施したものを示している。

　図９から明らかなように、実施例４の鉄鋼材料１０（符号Ｄ１）は、ＣＱ処理とリン酸マンガン処理を施したＶブロックとの組合せにおいて、８００ｋｇ荷重でも焼き付きが発生しないが、符号Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４に示した鉄鋼材料は、何れも焼き付きが発生した。このことから、実施例４の鉄鋼材料１０は、基材１１にＱＰＱ処理したものよりも摺動特性が向上していることが分かった。

　図１０は、実施例４の鉄鋼材料１０と各種鉄鋼材料のＳＲＶ試験の結果を示すグラフである。図１０の横軸は時間（秒）を示し、図１０の縦軸は摩擦係数（μ）を示している。この場合の試験方法は、ＳＲＶ試験機を使用して、ＳＣＭ４４０（ＣＱ：ＳＣＭ４２０）から成るピン及びＳＣＭ４２０（ＣＱ）から成る円板を速度３０Ｈｚで２ｍｍ移動させながら、温度１１０℃の油中で摩擦を測定した。

　図１０において、符号Ｅ１は実施例４の鉄鋼材料１０を、符号Ｅ２は基材１１にＣＱ処理したものを、符号Ｅ３は基材１１にＣＱ処理とリン酸マンガン処理したものを、符号Ｅ４は基材１１にＣＱ処理とリン酸マンガン処理と固体潤滑処理したものを、それぞれ示している。
　図１０によれば、実施例４の鉄鋼材料１０は、符号Ｅ１で示すように３００秒を越えてから焼き付きを生じており、最良の耐焼き付き性を示している。符号Ｅ２で示すＣＱ処理した基材１１と符号Ｅ４で示すＣＱ処理とリン酸マンガン処理と固体潤滑処理した基材１１では、数十秒で焼き付き、符号Ｅ３で示すＣＱ処理とリン酸マンガン処理を施したものでも１００～２００秒で焼き付きを生じた。
　これにより、符号Ｅ１で示す実施例４の鉄鋼材料１０は、高面圧下の試験でも座屈は発生せず、各種歯車やＣＶＴ部品、あるいはピニオンシャフト等の高負荷状況で使用される部品に適用可能である。

　以上述べたように、本発明によれば、基材１１の表面に形成された化合物層１２について、高周波焼入れによる酸化を酸化防止用被覆層１３で防止するようにした、極めて優れた鉄鋼材料１０及びその製造方法並びに高周波焼入れ部品を提供することができる。

１０：表層部を焼入れした鉄鋼材料
１１：基材（鉄鋼材料）
１１ａ：Ｎ濃化層
１１ｂ：Ｎ拡散層
１２：化合物層
１３：酸化防止用被覆層

Claims (9)

1. 　基材と、
   　上記基材の表面に形成した化合物層と、
   　上記化合物層上に形成した酸化防止用被覆層と、
   　からなる鉄鋼材料であって、
   　上記基材の表面より所定の深さまで焼入れ硬化層を有し、かつ上記化合物層の表層部に多孔質の酸化層が形成されていないようにした、表層部を焼入れされた鉄鋼材料。
2. 　前記化合物層がＦｅ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｂ及びＳｉの中から選択される少なくとも一つの元素の窒化物層からなる、請求項１に記載の表層部を焼入れされた鉄鋼材料。
3. 　前記酸化防止用被覆層が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ及びＡｌからなる群より選択される少なくとも一つの金属元素の酸化物からなる、請求項１又は２に記載の表層部を焼入れされた鉄鋼材料。
4. 　前記焼入れ硬化層は、加熱温度Ｔ１が７６０℃≦Ｔ１≦８８０℃の範囲で、かつ、前記加熱時間ｔ１が０．６秒≦ｔ１≦２秒の範囲で昇温加熱され、加熱温度Ｔ１に到達後直ちに冷却を行う高周波焼入れを施すことで形成されている、請求項１乃至３のいずれかに記載の表層部を焼入れされた鉄鋼材料。
5. 　基材の表面に形成した化合物層を被覆するように酸化防止用被覆層を形成する第一の処理工程と、
   　上記基材の表面に化合物層及び酸化防止用被覆層を形成してなる鉄鋼材料を高周波焼入れする第二の処理工程と、を含む、鉄鋼材料の焼入れ方法であって、
   　上記第二の処理工程が、所定の加熱時間（ｔ１）で所定の加熱温度（Ｔ１）となるまで加熱し、上記所定の加熱温度に達した後、直ちに冷却を行うことを特徴とする、鉄鋼材料の高周波焼入れ方法。
6. 　前記加熱温度Ｔ１が、７６０℃≦Ｔ１≦８８０℃の範囲であり、前記加熱時間ｔ１が、０．６秒≦ｔ１≦２秒の範囲である、請求項５に記載の鉄鋼材料の高周波焼入れ方法。
7. 　前記第一の処理工程における酸化防止用被覆層を金属付着量として１５０～２００ｍｇ／ｍ^２を有するように形成する、請求項５又は６に記載の鉄鋼材料の高周波焼入れ方法。
8. 　請求項１～４の何れかに記載の表層部を焼入れされた鉄鋼材料を用いて形成されていることを特徴とする、高周波焼入れ部品。
9. 　前記焼入れ部品はパワートレイン系部品である、請求項８に記載の高周波焼入れ部品。

Images