(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり軸受に接する表面を有する鋼製部品であって、
０．１ｗｔ％以上０．４ｗｔ％以下の炭素および０．３ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下のクロムを含む鋼から形成されたコネクティングロッドまたはクランクピンであり、
前記表面から０．１ｍｍの深さにおいて、残留オーステナイト量が５０ｖｏｌ％以上６５ｖｏｌ％以下で、且つ、ビッカース硬さＨＶが７１０以上７７５以下である鋼製部品。
【請求項２】
前記表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量が１．１ｗｔ％以上２．２ｗｔ％未満である請求項１に記載の鋼製部品。
【請求項３】
前記表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量が１．６ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下である請求項２に記載の鋼製部品。
【請求項４】
前記表面から０．１ｍｍの深さにおける鋼組織の結晶粒径が９μｍ以下である請求項１から３のいずれかに記載の鋼製部品。
【請求項５】
ロッド本体部と、
前記ロッド本体部の一端に設けられた小端部と、
前記ロッド本体部の他端に設けられた大端部と、を備え、
前記大端部の内周面が、転がり軸受に接する前記表面である請求項１から４のいずれかに記載の鋼製部品。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の鋼製部品を備えた内燃機関。
【請求項７】
前記表面に接するように設けられた転がり軸受をさらに備える請求項６に記載の内燃機関。
【請求項８】
請求項６または７に記載の内燃機関を備えた自動車両。
【請求項９】
転がり軸受に接する表面を有する鋼製部品の製造方法であって、
鋼から形成されたワークピースを用意する工程（Ａ）と、
前記ワークピースに対して１．１％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で浸炭処理を施してその後に窒化処理を施すか、または、前記ワークピースに対して１．１％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で浸炭窒化処理を施す工程（Ｂ）と、
前記工程（Ｂ）の後に、０．０７ｃｍ-1以上０．１１ｃｍ-1未満の焼入れ強烈度を有する焼入れ油を用い、前記焼入れ油の表面上の雰囲気圧を５ｋＰａ以上６０ｋＰａ以下に制御しながら前記ワークピースに対して焼入れを施す工程（Ｃ）と、を包含し、
前記鋼製部品の前記表面から０．１ｍｍの深さにおいて、残留オーステナイト量が５０ｖｏｌ％以上６５ｖｏｌ％以下で、且つ、ビッカース硬さＨＶが７１０以上７７５以下である鋼製部品の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（Ｂ）における前記浸炭処理または前記浸炭窒化処理は、２．２％未満のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行われる請求項９に記載の鋼製部品の製造方法。
【請求項１１】
前記工程（Ｂ）における前記浸炭処理または前記浸炭窒化処理は、１．６％以上２．０％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行われる請求項１０に記載の鋼製部品の製造方法。
【請求項１２】
前記工程（Ｂ）における前記浸炭処理または前記浸炭窒化処理は、１．４％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行われ、
前記工程（Ｃ）は、前記焼入れ油の表面上の雰囲気圧を５０ｋＰａ以上６０ｋＰａ以下に制御しながら実行される請求項９から１１のいずれかに記載の鋼製部品の製造方法。
【請求項１３】
前記工程（Ｂ）および前記工程（Ｃ）は、少なくとも前記焼入れ油の表面上の空間を減圧することができる減圧機構を備えた浸炭炉内で実行される請求項９から１２のいずれかに記載の鋼製部品の製造方法。
【請求項１４】
前記浸炭炉は、その内部で前記工程（Ｂ）が実行される加熱室と、その内部で前記工程（Ｃ）が実行される冷却室とをさらに備え、前記減圧機構によって前記加熱室の内部および前記冷却室の内部の両方を減圧することができる真空浸炭炉である請求項１３に記載の鋼製部品の製造方法。
【請求項１５】
前記工程（Ｂ）における前記浸炭処理または前記浸炭窒化処理中に、前記加熱室の内部への炭化水素の導入が複数回停止される請求項１４に記載の鋼製部品の製造方法。
【請求項１６】
前記工程（Ｂ）における前記浸炭処理または前記浸炭窒化処理中に、前記加熱室の内部への炭化水素の導入が４回または５回停止される請求項１５に記載の鋼製部品の製造方法。
【請求項１７】
前記工程（Ｂ）において、前記浸炭処理と前記窒化処理との間に、前記加熱室の内部へ炭化水素およびアンモニアのいずれもが導入されないリファイニング工程が実行される請求項１４から１６のいずれかに記載の鋼製部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼製部品およびその製造方法に関し、特に、転がり軸受に接する表面を有する鋼製部品およびその製造方法に関する。また、本発明は、そのような鋼製部品を備えた単気筒内燃機関や鞍乗型車両にも関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関には、ピストンとクランクシャフトとを連結するためにコネクティングロッドと呼ばれる（「コンロッド（con'rod）」と略称されることもある）部材が用いられている。コネクティングロッドは、棒状のロッド本体部と、ロッド本体部の一端に設けられた小端部と、ロッド本体部の他端に設けられた大端部とを備える。小端部がピストンに接続されるのに対し、大端部はクランクシャフトに接続される。より具体的には、小端部に形成された貫通孔にピストンのピストンピンが挿通される。また、大端部に形成された貫通孔にクランクシャフトのクランクピンが挿通される。これにより、コネクティングロッドがピストンおよびクランクシャフトに接続される。
【０００３】
コネクティングロッドは、大端部が２つに分割された分割型と、大端部が分割されていない一体型とに大別される。一体型のコネクティングロッドは、主に単気筒の内燃機関に用いられる。
【０００４】
一体型コネクティングロッドの大端部の内周面とクランクピンとの間には、フリクションロスを低減するためにニードルベアリングやボールベアリングなどの転がり軸受が配置される。内燃機関の運転時にピストンを経由して伝わる爆発力は、コネクティングロッドを転がり軸受に押し付けるので、大端部の内周面には、大きな応力が発生する。この応力が過大な場合、大端部の内周面には、フレーキング（flaking）と呼ばれる疲労破壊現象が発生する。
【０００５】
コネクティングロッドにフレーキングが発生すると、内燃機関のスムーズな回転が妨げられるので、内燃機関や車両に不快な音と振動が発生して商品性や快適性を損なってしまう。そのため、コネクティングロッドにはフレーキングが発生しないことが求められる。
【０００６】
従来、フレーキングの発生を抑制して長寿命化を実現するために、肌焼鋼（例えばＪＩＳ ＳＣＭ４２０）から形成されたコネクティングロッドに対し、浸炭処理を施すことが一般に行われている。浸炭処理によってコネクティングロッドの表面から炭素を浸透させることにより、表面近傍の炭素濃度が高くなる。そのため、焼入れ後に表面硬度が高くなり、そのことによりフレーキングの発生が抑制される。
【０００７】
また、特許文献１には、コネクティングロッドの表面硬度をさらに高くする技術として、高濃度浸炭処理が提案されている。この技術では、カーボンポテンシャル（ＣＰ）が０．８％以上である雰囲気下での浸炭を行う。これにより、コネクティングロッドの表面近傍に微細な粒状の炭化物が析出するとともに、表面近傍におけるマルテンサイト組織の結晶粒径が小さくなる。そのため、表面硬度が著しく高くなるので、疲労強度のいっそうの向上が可能となる。また、特許文献１には、高濃度浸炭処理と同様にコネクティングロッドの表面硬度を高くする技術として、高濃度浸炭窒化処理にも言及がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−３１３９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、近年、内燃機関を高性能化した場合、一般的な浸炭処理や、特許文献１に開示されているような高濃度浸炭処理、高濃度浸炭窒化処理が施されたコネクティングロッドでは、フレーキングが比較的短時間で発生するようになってきた。そのため、フレーキング寿命が内燃機関の高性能化の妨げとなり、内燃機関のさらなる高性能化のためには、フレーキング寿命の増大（つまりコネクティングロッドの長寿命化）が必須となってきた。また、フレーキング寿命の増大は、コネクティングロッドだけでなく、転がり軸受に接する表面を有する他の鋼製部品（例えばクランクピン）にも要望されている。
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、転がり軸受に接する表面におけるフレーキングの発生が抑制され、フレーキング寿命に優れた鋼製部品およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による鋼製部品は、転がり軸受に接する表面を有する鋼製部品であって、前記表面から０．１ｍｍの深さにおいて、残留オーステナイト量が５０ｖｏｌ％以上で、且つ、ビッカース硬さＨＶが７１０以上である。
【００１２】
ある好適な実施形態において、前記表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量は１．１ｗｔ％以上２．２ｗｔ％未満である。
【００１３】
ある好適な実施形態において、前記表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量は１．６ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下である。
【００１４】
ある好適な実施形態において、前記表面から０．１ｍｍの深さにおける鋼組織の結晶粒径は９μｍ以下である。
【００１５】
ある好適な実施形態において、前記表面から０．１ｍｍの深さにおける窒素含有量は０．０３ｗｔ％以上０．１９ｗｔ％以下である。
【００１６】
ある好適な実施形態において、本発明による鋼製部品は、浸炭窒化処理が施されているか、または、浸炭処理および窒化処理が施されている。
【００１７】
ある好適な実施形態において、前記表面近傍に析出している炭化物および炭窒化物の粒径は１０μｍ以下である。
【００１８】
ある好適な実施形態において、本発明による鋼製部品は、コネクティングロッドである。
【００１９】
ある好適な実施形態において、コネクティングロッドである、本発明による鋼製部品は、ロッド本体部と、前記ロッド本体部の一端に設けられた小端部と、前記ロッド本体部の他端に設けられた大端部と、を備え、前記大端部の内周面が、転がり軸受に接する前記表面である。
【００２０】
ある好適な実施形態において、本発明による鋼製部品は、クランクピンである。
【００２１】
本発明による内燃機関は、上記構成を有する鋼製部品を備える。
【００２２】
ある好適な実施形態において、本発明による内燃機関は、前記表面に接するように設けられた転がり軸受をさらに備える。
【００２３】
本発明による自動車両は、上記構成を有する内燃機関を備える。
【００２４】
本発明による鋼製部品の製造方法は、転がり軸受に接する表面を有する鋼製部品の製造方法であって、鋼から形成されたワークピースを用意する工程（Ａ）と、前記ワークピースに対して１．１％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で浸炭処理を施してその後に窒化処理を施すか、または、前記ワークピースに対して１．１％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で浸炭窒化処理を施す工程（Ｂ）と、前記工程（Ｂ）の後に、０．０７ｃｍ-1以上０．１１ｃｍ-1未満の焼入れ強烈度を有する焼入れ油を用い、前記焼入れ油の表面上の雰囲気圧を５ｋＰａ以上６０ｋＰａ以下に制御しながら前記ワークピースに対して焼入れを施す工程（Ｃ）と、を包含する。
【００２５】
ある好適な実施形態において、前記工程（Ｂ）における前記浸炭処理または前記浸炭窒化処理は、２．２％未満のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行われる。
【００２６】
ある好適な実施形態において、前記工程（Ｂ）における前記浸炭処理または前記浸炭窒化処理は、１．６％以上２．０％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行われる。
【００２７】
ある好適な実施形態において、前記工程（Ｂ）における前記浸炭処理または前記浸炭窒化処理は、１．４％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行われ、前記工程（Ｃ）は、前記焼入れ油の表面上の雰囲気圧を５０ｋＰａ以上６０ｋＰａ以下に制御しながら実行される。
【００２８】
ある好適な実施形態において、前記工程（Ｂ）および前記工程（Ｃ）は、少なくとも前記焼入れ油の表面上の空間を減圧することができる減圧機構を備えた浸炭炉内で実行される。
【００２９】
ある好適な実施形態において、前記浸炭炉は、その内部で前記工程（Ｂ）が実行される加熱室と、その内部で前記工程（Ｃ）が実行される冷却室とをさらに備え、前記減圧機構によって前記加熱室の内部および前記冷却室の内部の両方を減圧することができる真空浸炭炉である。
【００３０】
ある好適な実施形態において、前記工程（Ｂ）における前記浸炭処理または前記浸炭窒化処理中に、前記加熱室の内部への炭化水素の導入は複数回停止される。
【００３１】
ある好適な実施形態において、前記工程（Ｂ）における前記浸炭処理または前記浸炭窒化処理中に、前記加熱室の内部への炭化水素の導入が４回または５回停止される。
【００３２】
ある好適な実施形態において、前記工程（Ｂ）において、前記浸炭処理と前記窒化処理との間に、前記加熱室の内部へ炭化水素およびアンモニアのいずれもが導入されないリファイニング工程が実行される。
【００３３】
ある好適な実施形態において、前記工程（Ａ）において用意される前記ワークピースは、０．１ｗｔ％以上０．４ｗｔ％以下の炭素、０．１ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下のケイ素および０．３ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下のクロムを含む鋼から形成されている。
【００３４】
以下、本発明の作用を説明する。
【００３５】
転がり軸受に接する表面を有する鋼製部品では、最表面ではなく、表面から約０．１ｍｍの深さにおいて応力が最大となる。そのため、その深さにおける材料特性が、耐フレーキング性に大きな影響を与える。本発明による鋼製部品では、表面から０．１ｍｍの深さにおける残留オーステナイト量およびビッカース硬さＨＶが特定の範囲に設定されている。具体的には、本発明による鋼製部品では、表面から０．１ｍｍの深さにおける残留オーステナイト量が５０ｖｏｌ％以上で、且つ、その深さにおけるビッカース硬さＨＶが７１０以上である。このことにより、耐フレーキング性が顕著に向上し、フレーキングの発生を長期間にわたって防止することができる。
【００３６】
表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量は、１．１ｗｔ％以上２．２ｗｔ％未満であることが好ましく、１．６ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下であることがさらに好ましい。炭素含有量が１．１ｗｔ％未満となるような条件で製造された鋼製部品では、残留オーステナイト量が十分に多くならないことがある。また、炭化物の析出量が少なくなり、硬さが低下することがある。一方、炭素含有量が２．２％以上となるような条件で製造された鋼製部品では、炭化物の析出量が多くなりすぎ、靱性が低下することがある。
【００３７】
いっそうの長寿命化を図る観点からは、表面から０．１ｍｍの深さにおける鋼組織の結晶粒径は９μｍ以下であることが好ましい。
【００３８】
耐フレーキング性のいっそうの向上を図る観点からは、表面から０．１ｍｍの深さにおける窒素含有量は０．０３ｗｔ％以上０．１９ｗｔ％以下であることが好ましい。
【００３９】
本発明による鋼製部品は、典型的には、疲労強度を向上させるため、浸炭窒化処理が施されているか、または、浸炭処理および窒化処理が施されている。その場合、表面近傍に析出している炭化物および炭窒化物の粒径は、なるべく小さいことが好ましく、具体的には１０μｍ以下であることが好ましい。炭化物および炭窒化物の粒径が１０μｍを超えると、靭性が低下して十分な強度が得られないことがある。
【００４０】
本発明による鋼製部品は、例えば、コネクティングロッドである。コネクティングロッドは、ロッド本体部と、ロッド本体部の一端に設けられた小端部と、ロッド本体部の他端に設けられた大端部とを備える。コネクティングロッドでは、大端部の内周面が転がり軸受に接する。本発明によると、フレーキング寿命が向上するので、鋼製部品に従来よりも高負荷をかけることが可能になる。そのため、本発明による鋼製部品がコネクティングロッドである場合、大端部の寸法を小さくし、軽量化することも可能になる。
【００４１】
勿論、本発明による鋼製部品は、コネクティングロッド以外の部品であってもよく、例えば、クランクピンであってもよい。クランクピンでは、その外周面が転がり軸受に接する。
【００４２】
本発明による鋼製部品（例えばコネクティングロッドやクランクピン）は、内燃機関に好適に用いられる。フリクションロスの低減が重視される仕様の内燃機関（例えばシリンダの数が１つである単気筒内燃機関）では、一般的には、コネクティングロッドの大端部の内周面とクランクピンの外周面との間に転がり軸受（例えばニードルベアリングやボールベアリング）が設けられる。転がり軸受が設けられている場合、コネクティングロッドやクランクピンが転がり軸受に押し付けられることにより、コネクティングロッドの大端部の内周面やクランクピンの外周面に応力が発生する。この応力が過大であると、フレーキングの発生が懸念されるが、本発明によれば、耐フレーキング性が向上するので、フレーキングの発生が長期間にわたって防止される。
【００４３】
本発明による鋼製部品を備えた内燃機関は、各種の自動車両（例えば自動二輪車）に好適に用いられる。本発明によると、フレーキング寿命が向上するので、そのことによって鋼製部品の軽量化が可能になる（コネクティングロッドの場合について既に説明した）。そのため、内燃機関や自動車両の車体も軽量化することができるので、自動車両の走行安定性、乗り易さ、扱い易さなどが向上し、商品性が向上する。
【００４４】
本発明による鋼製部品の製造方法では、鋼から形成されたワークピースに対し、浸炭処理および窒化処理が施されるか、あるいは、浸炭窒化処理が施される（工程（Ｂ））。浸炭窒化処理（または浸炭処理と窒化処理）により、鋼製部品の表面硬度が高くなり、疲労強度が向上する。また、本発明による製造方法では、上記の浸炭窒化処理や浸炭処理が、カーボンポテンシャル（ＣＰ）が１．１％以上である雰囲気下で行われる。つまり、ワークピースに対して、高濃度浸炭窒化処理または高濃度浸炭処理が施される。高濃度浸炭窒化処理または高濃度浸炭処理によれば、ワークピースの表面近傍に微細な粒状の炭化物および／または炭窒化物が析出するとともに、表面近傍におけるマルテンサイト組織の結晶粒径が小さくなる。そのため、表面硬度が著しく高くなり、疲労強度の向上効果が高い。
【００４５】
さらに、本発明による製造方法では、上記の工程（Ｂ）の後に、０．０７ｃｍ-1以上０．１１ｃｍ-1未満の焼入れ強烈度（Ｈ値）を有する焼入れ油を用い、焼入れ油の表面上の雰囲気圧を５ｋＰａ以上６０ｋＰａ以下に制御しながらワークピースに対して焼入れを施す工程（Ｃ）が行われる。０．１１ｃｍ-1未満のＨ値を有する焼入れ油（いわゆるホットクエンチ油）を用いて減圧下で焼入れを施すと、焼入れ油の沸点が低くなるので、焼入れ初期にワークピースが焼入れ油の蒸気膜（断熱の役割を果たす）に覆われている時間（蒸気膜段階）が長くなる。そのため、焼入れ初期の冷却速度が遅くなる。しかしその一方で、蒸気膜破壊後の冷却速度は速くなるため、マルテンサイト変態自体には影響を及ぼさず、残留オーステナイト量を増加させることができる。蒸気膜段階を十分長くするためには、焼入れ油の表面上の雰囲気圧は６０ｋＰａ以下であることが好ましい。また、ホットクエンチ油は、常圧ではＨ値が低いが、減圧によって対流段階開始温度が低下するので、そのことによって焼入れ性（対流段階における冷却性）が向上し、実効的なＨ値を大きくすることができる。そのため、鋼製部品の表面近傍の硬さを十分に高くすることができる。これに対し、０．１１ｃｍ-1以上の焼入れ強烈度（Ｈ値）を有する焼入れ油（いわゆるコールドクエンチ油）には、一般に、蒸気膜段階を短くするための添加剤が含まれているので、このような焼入れ油（コールドクエンチ油）を用いると、たとえ減圧しても蒸気膜段階を十分に長くすることができず、残留オーステナイト量を増加させることができない。なお、工程（Ｃ）において用いられる焼入れ油の焼入れ強烈度（Ｈ値）は、０．０７ｃｍ-1以上であることが好ましい。Ｈ値が０．０７ｃｍ-1未満の場合、減圧の度合いによっては十分な焼入れ性が得られない（実効的なＨ値が十分に大きくならない）ことがある。さらに、工程（Ｃ）は、焼入れ油の表面上の雰囲気圧を５ｋＰａ以上に制御しながら実行されることが好ましい。雰囲気圧が５ｋＰａ未満である場合、焼入れ油の沸点が低くなりすぎて蒸気膜段階が長くなりすぎることがある。そのため、焼入れ性が低下して十分に高い硬さが得られないおそれがある。このように、本発明による製造方法によれば、鋼製部品の硬さを十分に高く維持しつつ、耐フレーキング性に寄与する（好影響を及ぼす）残留オーステナイト組織の量を増加させることができる。そのため、本発明による製造方法により製造された鋼製部品は、フレーキング寿命に優れる。
【００４６】
工程（Ｂ）における浸炭処理または浸炭窒化処理は、２．２％未満のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行われることが好ましい。カーボンポテンシャルが２．２％以上であると、炭化物の析出量が多くなりすぎ、靱性が低下することがある。
【００４７】
いっそうの長寿命化を図る観点からは、工程（Ｂ）における浸炭処理または浸炭窒化処理は、１．６％以上２．０％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行われることが好ましい。
【００４８】
また、表面近傍における鋼組織の結晶粒径を小さく（具体的には９μｍ以下に）することによっていっそうの長寿命化を図る観点からは、工程（Ｂ）における浸炭処理または浸炭窒化処理は、１．４％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行われ、且つ、工程（Ｃ）は、焼入れ油の表面上の雰囲気圧を５０ｋＰａ以上６０ｋＰａ以下に制御しながら実行されることが好ましい。
【００４９】
典型的には、工程（Ｂ）および工程（Ｃ）は、少なくとも焼入れ油の表面上の空間を減圧することができる減圧機構を備えた浸炭炉内で実行される。
【００５０】
浸炭炉は、例えば、真空浸炭炉である。真空浸炭炉は、その内部で工程（Ｂ）が実行される加熱室と、その内部で工程（Ｃ）が実行される冷却室とをさらに備えており、減圧機構によって加熱室の内部および冷却室の内部の両方を減圧することができる。
【００５１】
真空浸炭炉を用いる場合、工程（Ｂ）における浸炭処理または浸炭窒化処理中に、加熱室の内部への炭化水素の導入を複数回停止することが好ましい。これにより、カーボンポテンシャルを高い精度で調節することができ、鋼製部品の表面近傍における炭素含有量を高い精度で制御することができる。例えば、鋼製部品の表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量を１．６ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下に精度良く制御するためには、工程（Ｂ）における浸炭処理または浸炭窒化処理中に、加熱室の内部への炭化水素の導入を４回または５回停止することが好ましい。
【００５２】
工程（Ｂ）において、浸炭処理と窒化処理との間に、加熱室の内部へ炭化水素およびアンモニアのいずれもが導入されないリファイニング工程を実行すると、表面近傍に析出している炭化物の粒径をいっそう小さくすることが可能となる。
【００５３】
工程（Ａ）において用意されるワークピースは、０．１ｗｔ％以上０．４ｗｔ％以下の炭素、０．１ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下のケイ素および０．３ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下のクロムを含む鋼から形成されていることが好ましい。炭素含有量が０．１ｗｔ％以上０．４ｗｔ％以下であることにより、熱処理（焼入れおよび焼戻し）後の鋼製部品の表面から０．１ｍｍより深い位置における内部硬さ（ビッカース硬さＨＶ）を２００以上５００以下にすることができるので、鋼製部品内部の強度および靭性を十分に高く保つことができる。また、ケイ素含有量が増加すると、耐フレーキング性は向上するが、靭性は低下するおそれがある。ケイ素含有量が０．１ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下であることにより、耐フレーキング性を十分に向上させ、且つ、十分な靭性を確保することができる。また、クロム含有量が増加すると、焼入れ性が良くなる。ただし、クロム含有量が過度に多くなると、焼戻し脆化が発生することがある。クロム含有量が０．３ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下であることにより、適切な焼入れ性を得つつ、焼戻し脆化の発生を防止することができる。
【発明の効果】
【００５４】
本発明によると、転がり軸受に接する表面におけるフレーキングの発生が抑制され、フレーキング寿命に優れた鋼製部品およびその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の好適な実施形態におけるコネクティングロッド１を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中の１Ｂ−１Ｂ’線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）中の１Ｃ−１Ｃ’線に沿った断面図である。
【図２】一般的なコネクティングロッドの大端部内周面における深さ方向の応力分布（内燃機関の運転時で応力が最大になるときの応力分布）を示す図である。
【図３】本発明の好適な実施形態におけるコネクティングロッド１の製造方法を示すフローチャートである。
【図４】図３に示されている製造方法の一部の工程における処理条件の例を示す図である。
【図５】浸炭炉（真空浸炭炉）５０を模式的に示す図である。
【図６】従来の製造方法の一部の工程における処理条件の例を示す図である。
【図７】コネクティングロッド１の深さ方向における炭素濃度（炭素含有量）の分布を示すグラフである。
【図８】図３に示されている製造方法の一部の工程における処理条件の例を示す図である。
【図９】コネクティングロッド１の深さ方向における硬さ分布を示すグラフである。
【図１０】コネクティングロッド１の深さ方向における残留オーステナイト量分布を示すグラフである。
【図１１】残留オーステナイト量およびビッカース硬さＨＶを変化させてフレーキング寿命への影響を検証した結果を、横軸にビッカース硬さＨＶをとり、縦軸にＬ５０寿命をとってプロットしたグラフである。
【図１２】残留オーステナイト量およびビッカース硬さＨＶを変化させてフレーキング寿命への影響を検証した結果を、横軸に残留オーステナイト量をとり、縦軸にビッカース硬さＨＶをとってプロットしたグラフである。
【図１３】図４に示されている処理条件の改変例を示す図である。
【図１４】図８に示されている処理条件の改変例を示す図である。
【図１５】本発明の好適な実施形態におけるコネクティングロッド１を備えた内燃機関１００を模式的に示す断面図である。
【図１６】図１５に示す内燃機関１００を備えた自動二輪車を模式的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
本願発明者は、高濃度浸炭処理や高濃度浸炭窒化処理が施されたコネクティングロッドにおいてもフレーキングが発生する理由を詳細に検討し、その結果、以下に説明する知見を得た。
【００５７】
フレーキングの原因は、既に説明したように、ニードルベアリングやボールベアリングなどの転がり軸受から大端部の内周面に大きな応力が伝達されることにある。そのため、コネクティングロッドの表面硬度を、高濃度浸炭処理や高濃度浸炭窒化処理によって上昇させることにより、フレーキングの発生を防止することができると考えられるが、実際には、十分な効果を得ることができない。つまり、単純にコネクティングロッドの表面硬度を高くしても、十分な耐フレーキング性は得られない。
【００５８】
そこで、本願発明者が、コネクティングロッドの深さ方向における応力分布を分析したところ、最表面ではなく、表面からある程度の深さにおいてもっとも大きな応力が作用することがわかった。さらに、最大応力が作用する深さにおける材料特性と、耐フレーキング性との関係を検証したところ、最大応力が作用する深さにおける残留オーステナイト量およびビッカース硬さＨＶを特定の範囲に設定することにより、耐フレーキング性が顕著に向上することがわかった。
【００５９】
本発明は、本願発明者が見出した上記知見に基づいてなされたものである。以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、以下では、コネクティングロッドを例として説明を行うが、本発明はコネクティングロッドに限定されるものではなく、転がり軸受に接する表面を有する鋼製部品に広く用いられる。
【００６０】
図１（ａ）〜（ｃ）に、本実施形態におけるコネクティングロッド１を示す。図１（ａ）は、コネクティングロッド１を模式的に示す平面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）中の１Ｂ−１Ｂ’線に沿った断面図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）中の１Ｃ−１Ｃ’線に沿った断面図である。
【００６１】
コネクティングロッド１は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、ロッド本体部１０と、ロッド本体部１０の一端に設けられた小端部２０と、ロッド本体部１０の他端に設けられた大端部３０とを備える。
【００６２】
ロッド本体部（軸部）１０は、棒状である。ロッド本体部１０の断面形状は、典型的には、図１（ｃ）に示すように、Ｈ字状である。
【００６３】
小端部２０は、ピストンピンを通すための貫通孔（ピストンピン孔）２２を有する。小端部２０は、ピストンピンを介してピストンに接続される。小端部３２０の内周面（ピストンピン孔２２の外縁を規定する面）２０ａは、典型的には、ベアリングを介さずにピストンピンと接触する。
【００６４】
大端部３０は、クランクピンを通すための貫通孔（クランクピン孔）３２を有している。大端部３０は、クランクピンを介してクランクシャフトに接続される。クランクピン孔３２内には、典型的には、転がり軸受が配置されるため、大端部３０の内周面（クランクピン孔３２の外縁を規定する面）３０ａは、転がり軸受と接触する。コネクティングロッド１は、大端部３０が２つに分割されていない、一体型のコネクティングロッドである。
【００６５】
本実施形態におけるコネクティングロッド１は、鋼（鉄合金）から形成されている。また、コネクティングロッド１は、浸炭窒化処理が施されているか、または、浸炭処理および窒化処理が施されている。なお、コネクティングロッド１に施されている浸炭窒化処理（浸炭処理）は、比較的高いカーボンポテンシャル（ＣＰ）の雰囲気下で行われる、いわゆる高濃度浸炭窒化処理（高濃度浸炭処理）である。高濃度浸炭窒化処理（高濃度浸炭処理）によれば、コネクティングロッド１の表面近傍に微細な粒状の炭化物および／または炭窒化物が析出するとともに、表面近傍におけるマルテンサイト組織の結晶粒径が小さくなる。そのため、表面硬度が著しく高くなり、疲労強度の向上効果が高い。なお、一般的には、雰囲気のカーボンポテンシャル（ＣＰ）が０．８％以上の場合の浸炭窒化処理（浸炭処理）が高濃度浸炭窒化処理（高濃度浸炭処理）と称されるが、後述する理由から、カーボンポテンシャルは１．１％以上であることが好ましい。
【００６６】
さらに、本実施形態におけるコネクティングロッド１では、大端部３０の内周面３０ａから０．１ｍｍの深さにおける残留オーステナイト量が５０ｖｏｌ％以上で、且つ、その深さにおけるビッカース硬さＨＶが７１０以上である。このことにより、耐フレーキング性が顕著に向上する。
【００６７】
図２に、一般的なコネクティングロッドの大端部内周面における深さ方向の応力分布（内燃機関の運転時で応力が最大になるときの応力分布）を計算した結果を示す。図２中には、内周面からの深さが負の値で示されている。例えば、深さ０．１５ｍｍの位置は、「−０．１５」と表記されている。また、図２中で応力を示す複数の曲線には、１〜２２の番号が付されており、番号が大きいほど大きな応力を示している。
【００６８】
図２からわかるように、応力は最表面においてもっとも大きいわけではない。また、図２から、内周面から約０．１ｍｍの深さにおいて応力が最大となることがわかる。そこで、本願発明者が、深さ０．１ｍｍの位置における材料特性と耐フレーキング性との関係を詳細に検証したところ、深さ０．１ｍｍの位置における残留オーステナイト量およびビッカース硬さＨＶが、耐フレーキング性に大きな影響を与えることがわかった。具体的には、後に検証結果ともに説明するように、この深さにおける残留オーステナイト量が５０ｖｏｌ％で、且つ、ビッカース硬さＨＶが７１０以上であることにより、耐フレーキング性の向上効果が格段に高くなることがわかった。
【００６９】
本実施形態におけるコネクティングロッド１では、大端部３０の内周面３０ａから０．１ｍｍの深さにおける残留オーステナイト量が５０ｖｏｌ％以上で、且つ、その深さにおけるビッカース硬さＨＶが７１０以上であるので、耐フレーキング性が顕著に向上し、フレーキングの発生を長期間にわたって防止することができる。そのため、本実施形態におけるコネクティングロッド１は、単に高濃度浸炭窒化処理や高濃度浸炭処理が施されたコネクティングロッドに比べ、フレーキング寿命に優れる。
【００７０】
残留オーステナイト組織は、高い靭性を有し、また、表面付近の微細な凹凸による、内部への応力集中を緩和する効果を奏するために、耐フレーキング性に寄与する（好影響を及ぼす）と考えられる。ただし、残留オーステナイト量が多くなると、硬さが低下してしまう。そのため、浸炭処理が施された一般的なコネクティングロッドでは、表面近傍の残留オーステナイト量は２０ｖｏｌ％程度であり、高濃度浸炭処理が施されたコネクティングロッドでも、表面近傍の残留オーステナイト量は３0〜４０ｖｏｌ％程度である。このことからもわかるように、従来提案されていた製造方法では、表面近傍の硬さを高く維持しつつ、残留オーステナイト量を十分に増加させることは困難であった。そのため、表面近傍におけるビッカース硬さＨＶを７１０以上に維持しつつ、残留オーステナイト量を５０ｖｏｌ％以上にすることはできなかった。
【００７１】
これに対し、以下に説明する製造方法によれば、コネクティングロッドの表面近傍の硬さを高く維持しつつ、残留オーステナイト量を十分に増加させることができる。以下、図３および図４を参照しながら、本実施形態におけるコネクティングロッド１の製造方法を説明する。図３は、コネクティングロッド１の製造工程を示すフローチャートである。図４は、一部の工程における処理条件の例を示す図である。
【００７２】
まず、鋼から鍛造により成形されたワークピースを用意する（工程Ｓ１）。鋼の組成に特に限定はないが、鋼の炭素（Ｃ）含有量は、０．１ｗｔ％以上０．４ｗｔ％以下であることが好ましい。炭素含有量が０．１ｗｔ％以上０．４ｗｔ％以下であることにより、熱処理（焼入れおよび焼戻し）後のコネクティングロッド１の内部硬さ（ビッカース硬さＨＶ）を２００以上５００以下にすることができるので、コネクティングロッド１内部の強度および靭性を十分に高く保つことができる。
【００７３】
また、鋼のケイ素（Ｓｉ）含有量は、０．１ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下であることが好ましい。ケイ素含有量が増加すると、耐フレーキング性は向上するが、靭性は低下するおそれがある。ケイ素含有量が０．１ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下であることにより、耐フレーキング性を十分に向上させ、且つ、十分な靭性を確保することができる。
【００７４】
さらに、クロム含有量は、０．３ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下であることが好ましい。クロム含有量が増加すると、焼入れ性（熱処理による硬化のし易さを示す性質）が良くなるものの、クロム含有量が過度に多くなると、焼戻し脆化（鉄合金が所定の温度範囲に長時間保持された場合に生じる脆化現象）が発生することがある。クロム含有量が０．３ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下であることにより、適切な焼入れ性を得つつ、焼戻し脆化の発生を防止することができる。
【００７５】
このように、ワークピースの材料（コネクティングロッド１の材料）である鋼は、０．１ｗｔ％以上０．４ｗｔ％以下の炭素、０．１ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下のケイ素および０．３ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下のクロムを含むことが好ましい。炭素含有量、ケイ素含有量およびクロム含有量が上記の範囲内にある鉄合金としては、例えばＪＩＳ ＳＣＭ４２０鋼や、ＪＩＳ ＳＣｒ４２０鋼を用いることができる。ＳＣＭ４２０鋼は、０．１８ｗｔ％以上０．２３ｗｔ％以下の炭素、０．１５ｗｔ％以上０．３５ｗｔ％以下のケイ素、０．９０ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下のクロム、０．６０ｗｔ％以上０．８５ｗｔ％以下のマンガン、０．１５ｗｔ％以上０．３０％以下のモリブデンを含む。ＳＣｒ４２０鋼は、０．１８ｗｔ％以上０．２３ｗｔ％以下の炭素、０．１５ｗｔ％以上０．３５ｗｔ％以下のケイ素、０．９０ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下のクロム、０．６０ｗｔ％以上０．８５ｗｔ％以下のマンガンを含む。
【００７６】
なお、ここでは鍛造を例示したが、ワークピースを用意する工程における成形手法はこれに限定されるものではない。ワークピースは、例えば、焼結や鋳造、焼結鍛造などによって成形されてもよい。
【００７７】
次に、ワークピースに対して機械加工を行う（工程Ｓ２）。この機械加工により、鍛造後のワークピースの外径寸法が整えられる。例えば、バリ取り、ピストンピン孔２２およびクランクピン孔３２の形成、小端部２０および大端部３０の端面加工などが行われる。このように、この工程では主に切削が行われる。
【００７８】
続いて、ワークピースに対して高濃度浸炭処理を施す（工程Ｓ３）。この工程Ｓ３（および後述する工程Ｓ４〜Ｓ８）は、浸炭炉内で行われる。浸炭炉内を所定の温度に設定するとともに、カーボンポテンシャルが１．１％以上になるように炭化水素（ガス状である）を炉内に導入し、所定時間浸炭を行う。例えば、図４に示しているように、９５０℃で３００分間、浸炭を行う。また、この高濃度浸炭処理中には、炭化水素を導入する期間Ａと炭化水素の導入を停止する期間Ｂとが交互に複数回繰り返される。つまり、高濃度浸炭処理中に、浸炭炉内への炭化水素の導入が複数回停止される。
【００７９】
その後、ガス冷却を行う（工程Ｓ４）。例えば、窒素（Ｎ2）ガスを導入することにより、冷却を行う。
【００８０】
次に、ワークピースに対して窒化処理を施す（工程Ｓ５）。浸炭炉内を所定の温度に設定するとともに、アンモニアガスを浸炭炉内に導入し、所定時間窒化を行う。例えば、図４に示しているように、８５０℃で１３０分間、窒化を行う。
【００８１】
続いて、ワークピースに対して焼入れ（油冷）を施す（工程Ｓ６）。この工程Ｓ６は、０．０７ｃｍ-1以上０．１１ｃｍ-1未満の焼入れ強烈度（「Ｈ値」と呼ばれる）を有する焼入れ油を用いて行われる。０．１１ｃｍ-1未満のＨ値を有する焼入れ油は、一般には、ホットクエンチ油と呼ばれる。なお、本願明細書において、焼入れ油を特徴付ける「Ｈ値」は、特にことわらない限り、ほぼ常圧におけるＨ値を指し、より具体的には、ＪＩＳ Ｋ ２２４２に準拠した試験方法により、油温１２０℃、油面上の雰囲気圧１００ｋＰａ、撹拌無しで８００℃から焼入れした際の冷却曲線から求められるＨ値（ｃｍ-1）である。また、この工程Ｓ６は、焼入れ油の表面上の雰囲気圧を５ｋＰａ以上６０ｋＰａ以下に制御しながら実行される。つまり、工程Ｓ６は、常圧（標準大気圧）よりも低い雰囲気圧で（つまり減圧下で）行われる。
【００８２】
次に、焼戻しを行う（工程Ｓ７）。焼戻しは、例えば、図４に示しているように、１９０℃で１２０分間行われる。その後、空冷を行う（工程Ｓ８）。
【００８３】
最後に、ワークピースに対して機械加工を行う（工程Ｓ９）。例えば、小端部２０の内周面２０ａや大端部３０の内周面３０ａの研磨が行われる。このように、この工程では主に研磨が行われる。上述したようにして、コネクティングロッド１が完成する。
【００８４】
工程Ｓ４〜Ｓ８を実行するための浸炭炉の例を図５に示す。図５に示す浸炭炉５０は、加熱室５１と、冷却室５２とを備える。
【００８５】
加熱室５１の内部では、ワークピースＷＰに対する高濃度浸炭処理（工程Ｓ３）、窒化処理（工程Ｓ５）および焼戻し（工程Ｓ７）が実行される。加熱室５１内には、加熱を行うためのヒータ５３が設けられている。また、ここでは図示しないが、炭化水素ガスやアンモニアガスを導入するためのノズルも設けられており、高濃度浸炭処理の際に炭化水素は加熱室５１の内部に導入される。
【００８６】
冷却室５２の内部では、ガス冷却（工程Ｓ４）、焼入れ（工程Ｓ６）および空冷（工程Ｓ８）が行われる。冷却室５２内には、焼入れ油ＱＯが貯留された油槽５４が設けられている。
【００８７】
加熱室５１と冷却室５２との間、および、冷却室５２と外部との間には、それぞれ扉５５ａおよび５５ｂが設けられている。
【００８８】
浸炭炉５０は、さらに、加熱室５１の内部および冷却室５２の内部を減圧することができる減圧機構（例えば真空ポンプ）５６を備える。つまり、浸炭炉５０は、いわゆる真空浸炭炉である。減圧機構５６により、焼入れ油ＱＯの表面上の空間を減圧することができる。
【００８９】
上述した製造方法によれば、コネクティングロッド１の表面近傍の硬さを高く維持しつつ、残留オーステナイト量を十分に増加させることができる。その理由を説明するに先立ち、図６を参照しながら、従来提案されていた製造方法を説明する。図６は、従来の製造方法の一部の工程における処理条件を示す図である。
【００９０】
従来の製造方法においても、まず、鋼から形成されたワークピースを用意し、次に、ワークピースに対して機械加工を行う。続いて、ワークピースに対して高濃度浸炭処理を施す。例えば、図６に示すように、９５０℃で３００分間、浸炭を行う。ただし、このとき、浸炭炉内への炭化水素の導入は絶えず行われている。
【００９１】
次に、ガス冷却を行い、続いて、ワークピースに対して窒化処理を行う。例えば、図６に示すように、アンモニア（アンモニアガス）を浸炭炉内に導入して８５０℃で１３０分間、窒化を行う。
【００９２】
その後、ワークピースに対して焼入れ（油冷）を施す。一般的には、この工程は、０．１１ｃｍ-1以上の焼入れ強烈度（Ｈ値）を有する焼入れ油を用いて行われる。０．１１ｃｍ-1以上のＨ値を有する焼入れ油は、一般には、コールドクエンチ油と呼ばれる。また、この工程において、焼入れ油の表面上の雰囲気圧は、ほぼ常圧（約１００ｋＰａ）である。
【００９３】
次に、焼戻しを行う。焼戻しは、例えば、図６に示しているように、１９０℃で１２０分間行われる。その後、空冷を行い、最後に、ワークピースに対して機械加工を行う。
【００９４】
このように、従来の製造方法においては、焼入れにはコールドクエンチ油が用いられる。これは、従来の製造方法では、焼入れ性が高い（つまりＨ値が大きい）焼入れ油を用いる必要があるからである。０．８％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で浸炭処理（あるいは浸炭窒化処理）を行った場合には、鉄の炭化物が析出するだけでなく、鋼中に存在するクロムも炭化物として析出しやすくなり、その結果、鋼母材中のクロム濃度が低下して焼入れ性が低下する。そのため、焼入れ性が高いコールドクエンチ油を用いる必要がある。コールドクエンチ油を用いる従来の製造方法では、コネクティングロッドの表面近傍の硬さを十分に高く維持しつつ、残留オーステナイト量を十分に多くすることはできない。
【００９５】
これに対し、本実施形態における製造方法では、ワークピースに対して焼入れを施す工程（図３中に示す工程Ｓ６）が、０．１１ｃｍ-1未満の焼入れ強烈度（Ｈ値）を有する焼入れ油を用い、焼入れ油の表面上の雰囲気圧を６０ｋＰａ以下に制御しながら行われる。０．１１ｃｍ-1未満のＨ値を有する焼入れ油（ホットクエンチ油）を用いて減圧下で焼入れを施すと、焼入れ油の沸点が低くなるので、焼入れ初期にワークピースが焼入れ油の蒸気膜（断熱の役割を果たす）に覆われている時間（蒸気膜段階）が長くなる。そのため、焼入れ初期の冷却速度が遅くなる。しかしその一方で、蒸気膜破壊後の冷却速度は速くなるため、マルテンサイト変態自体には影響を及ぼさず、残留オーステナイト量を増加させることができる。蒸気膜段階を十分長くするためには、本実施形態のように、焼入れ油の表面上の雰囲気圧は６０ｋＰａ以下であることが好ましい。
【００９６】
また、ホットクエンチ油は、常圧ではＨ値が低いが、減圧によって対流段階開始温度が低下するので、そのことによって焼入れ性（対流段階における冷却性）が向上し、実効的なＨ値を大きくすることができる。そのため、コネクティングロッド１の表面近傍（深さ０．１ｍｍの位置）の硬さを十分に高くすることができる。これに対し、０．１１ｃｍ-1以上のＨ値を有する焼入れ油（コールドクエンチ油）には、一般に、蒸気膜段階を短くするための添加剤が含まれているので、コールドクエンチ油を用いると、たとえ減圧しても蒸気膜段階を十分に長くすることができず、残留オーステナイト量を十分に増加させることができない。
【００９７】
なお、焼入れを施す工程において用いられる焼入れ油のＨ値は、０．０７ｃｍ-1以上であることが好ましい。Ｈ値が０．０７ｃｍ-1未満の場合、減圧の度合いによっては十分な焼入れ性が得られない（実効的なＨ値が十分に大きくならない）ことがある。
【００９８】
また、焼入れを施す工程は、焼入れ油の表面上の雰囲気圧を５ｋＰａ以上に制御しながら実行されることが好ましい。雰囲気圧が５ｋＰａ未満である場合、焼入れ油の沸点が低くなりすぎて蒸気膜段階が長くなりすぎることがある。そのため、焼入れ性が低下して十分に高い硬さが得られないおそれがある。
【００９９】
このように、本実施形態における製造方法によれば、コネクティングロッド１の硬さを十分に高く維持しつつ、耐フレーキング性に寄与する（好影響を及ぼす）残留オーステナイト組織の量を増加させることができる。そのため、本実施形態における製造方法により製造されたコネクティングロッド１は、フレーキング寿命に優れる。また、フレーキング寿命が向上した本実施形態におけるコネクティングロッド１には、従来よりも高負荷をかけることが可能になる。そのため、大端部３０の寸法を小さくし、軽量化することも可能になる。
【０１００】
なお、本実施形態では、ワークピースに対し、高濃度浸炭処理と窒化処理とを別々に（順次）施す場合を説明したが、高濃度浸炭処理を施す際に窒化処理を同時に施してもよい。つまり、ワークピースに対し、高濃度浸炭窒化処理を施してもよい。
【０１０１】
高濃度浸炭処理（高濃度浸炭窒化処理）は、本実施形態にように、１．１％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行われることが好ましい。カーボンポテンシャルが１．１％未満である場合、残留オーステナイト量が十分に多くならないことがある。また、炭化物の析出量が少なくなり、硬さが低下することがある。
【０１０２】
また、高濃度浸炭処理（高濃度浸炭窒化処理）は、２．２％未満のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行われることが好ましい。カーボンポテンシャルが２．２％以上であると、炭化物の析出量が多くなりすぎ、靱性が低下することがある。
【０１０３】
高濃度浸炭処理（高濃度浸炭窒化処理）における雰囲気のカーボンポテンシャルは、表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量にほぼ対応する。従って、コネクティングロッド１の表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量は、１．１ｗｔ％以上２．２ｗｔ％未満であることが好ましい。また、後に検証結果を説明するように、いっそうの長寿命化を図る観点からは、コネクティングロッド１の表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量は、１．６ｗｔ％以上２．０ｗｔ％未満であることが好ましく、そのため、高濃度浸炭処理（高濃度浸炭窒化処理）は、１．６％以上２．０％以下のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行われることが好ましい。
【０１０４】
さらに、いっそうの長寿命化を図る観点からは、表面から０．１ｍｍの深さにおける鋼組織の結晶粒径が９μｍ以下であることも好ましい。例えば、高濃度浸炭処理（高濃度浸炭窒化処理）を、１．４％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行い、且つ、焼入れを、焼入れ油の表面上の雰囲気圧を５０ｋＰａ以上６０ｋＰａ以下に制御しながら実行することにより、鋼組織の結晶粒径を９μｍ以下にすることができる。
【０１０５】
また、靭性を高くする観点からは、表面近傍に析出している炭化物および炭窒化物の粒径は、なるべく小さいことが好ましく、具体的には１０μｍ以下であることが好ましい。
【０１０６】
さらに、耐フレーキング性のいっそうの向上を図る観点からは、表面から０．１ｍｍの深さにおける窒素含有量は、０．０３ｗｔ％以上０．１９ｗｔ％以下であることが好ましく、０．０４ｗｔ％以上０．１８ｗｔ％以下であることがより好ましく、０．０５ｗｔ％以上０．１５ｗｔ％以下であることがさらに好ましい。
【０１０７】
本実施形態のように真空浸炭炉を用いる場合、高濃度浸炭処理（または高濃度浸炭窒化処理）中に、加熱室５１の内部への炭化水素の導入を複数回停止することが好ましい。これにより、カーボンポテンシャルを高い精度で調節することができ、コネクティングロッド１の表面近傍における炭素含有量を高い精度で制御することができる。なお、図４には、炭化水素の導入の停止を２回行う例を示したが、炭化水素の導入の停止を３回以上行ってもよい。
【０１０８】
なお、必ずしも真空浸炭炉を用いなくてもよい。減圧機構５６は、少なくとも焼入れ油の表面上の空間を（つまり冷却室５２内を）減圧することができればよい。従って、冷却室５２内を減圧することができるように構成されたガス浸炭炉を用いてもよい。ガス浸炭炉を用いる場合、浸炭処理を平衡反応として行うことができるため、カーボンポテンシャルをより確実に上述した好ましい範囲（１．１％以上２．２％未満）に制御することが可能となる。
【０１０９】
図７に、本実施形態における製造方法によって実際に製造されたコネクティングロッド１の深さ方向における炭素濃度（炭素含有量）の分布を示す。コネクティングロッド１の材料である鋼としては、肌焼鋼（ＪＩＳ ＳＣＭ４２０）を用いた。高濃度浸炭処理等の処理条件は、図８に示す通りである。高濃度浸炭処理は、９５０℃で３００分間行った。その際、炭化水素（具体的にはアセチレン）を導入する期間Ａとして１時間、炭化水素の導入を停止する期間Ｂとして４０分を設定し、これらを交互に３回繰り返した。つまり、加熱室５１内への炭化水素の導入を３回停止した。窒化処理は、８５０℃で１３０分間行った。焼入れは、Ｈ値が０．１０ｃｍ-1の焼入れ油を用い、焼入れ油の表面上の雰囲気圧を１５ｋＰａに制御しながら行った。焼戻しは、１９０℃で１２０分間行った。
【０１１０】
図７に示されている例では、表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素濃度は約１．４ｗｔ％である。なお、図７に示したような炭素濃度分布は、例えば電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により測定することができる。
【０１１１】
図９に、コネクティングロッド１の深さ方向における硬さ分布を示し、図１０に、深さ方向における残留オーステナイト量分布を示す。図９に示されているように、表面から０．１ｍｍの深さにおけるビッカース硬さＨＶは７４０である。また、図１０に示されているように、表面から０．１ｍｍの深さにおける残留オーステナイト量は５８％である。このように、本実施形態における製造方法によれば、表面から０．１ｍｍの深さにおけるビッカース硬さＨＶを７１０以上に維持しつつ、その深さにおける残留オーステナイト量を５０ｖｏｌ％以上にすることができる。このコネクティングロッド１についてフレーキング寿命（累積破損確率５０％の寿命であり、「Ｌ５０寿命」と呼ばれる）を測定したところ、１．９１×１０6ｃｙｃｌｅと高い数値であった。
【０１１２】
次に、表面から０．１ｍｍの深さにおける残留オーステナイト量、ビッカース硬さＨＶを変化させ、フレーキング寿命への影響を検証した結果を説明する。
【０１１３】
下記表１に、Ｈ値が０．１０ｃｍ-1の焼入れ油を用いて６０ｋＰａ以下の雰囲気圧でワークピースに対して焼入れが施された実施例１〜１０と、Ｈ値が０．１１ｃｍ-1の焼入れ油を用いて１００ｋＰａの雰囲気圧でワークピースに対して焼入れが施された比較例１〜１１とについて、検証結果を示す。なお、残留オーステナイト量は、Ｘ線回折手法を用いた分析機（例えばＸ線残留応力測定機）により測定することができる。また、表１に示す結果を、横軸にビッカース硬さＨＶをとり、縦軸にＬ５０寿命をとってプロットしたものが図１１であり、横軸に残留オーステナイト量をとり、縦軸にビッカース硬さＨＶをとってプロットしたものが図１２である。図１１および図１２中のｅｘ１〜１０は実施例１〜１０に対応し、ｃｅ１〜１１は比較例１〜１１に対応する。また、図１１中にプロットされた点に付された数値は、残留オーステナイト量を示している。
【０１１４】
【表１】
0005603889.tif 000002
【０１１５】
表１および図１１から、実施例１〜１０のフレーキング寿命が、比較例１〜１１のフレーキング寿命よりも長いことがわかる。また、表１および図１２から、焼入れにコールドクエンチ油を用いる従来の製造方法では、残留オーステナイト量が５０ｖｏｌ％以上になると７１０以上のビッカース硬さＨＶを維持できないのに対し、焼入れにホットクエンチ油を用いる本実施形態における製造方法では、残留オーステナイト量が５０ｖｏｌ％以上になっても７１０以上のビッカース硬さＨＶを維持できることがわかる。
【０１１６】
このように、表面から０．１ｍｍの深さにおける残留オーステナイト量を５０ｖｏｌ％以上にし、且つ、その深さにおけるビッカース硬さＨＶを７１０以上にすることにより、フレーキング寿命を従来よりも長くし得ることがわかった。
【０１１７】
表２に、実施例１〜１０および比較例１〜１１について、表面から０．１ｍｍの深さにおける鋼組織の結晶粒径と、期間ＡおよびＢの繰り返し回数と、表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量とを示す。鋼組織の結晶粒径の測定は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１「鋼−結晶粒度の顕微鏡試験方法」中の「計数方法による評価方法」に従い、結晶粒の平均直径を求めることにより行った。また、炭素含有量の測定は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて行った。なお、比較例３〜１０については、一部の値は示されていない。
【０１１８】
【表２】
0005603889.tif 000003
【０１１９】
実施例４および８と、実施例１〜３、７、９および１０との比較から、鋼組織の結晶粒径を９μｍ以下にすることにより、いっそうの長寿命化が可能であることがわかる。
【０１２０】
また、表１および表２から、鋼組織の結晶粒径を９μｍ以下とするためには、表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量が１．４ｗｔ％以上で（つまり高濃度浸炭処理あるいは高濃度浸炭窒化処理を１．４％以上のカーボンポテンシャルを有する雰囲気下で行い）、且つ、焼き入れの際の焼入れ油の表面上の雰囲気圧が５０ｋＰａ以上であることが好ましいことがわかる。
【０１２１】
実施例１〜３および１０からわかるように、雰囲気圧が５０ｋＰａ未満（ここではいずれも４０ｋＰａ以下）であると、炭素含有量が十分多くても鋼組織の結晶粒径を十分に微細化することはできない。また、比較例１、２および１１からわかるように、雰囲気圧が５０ｋＰａ以上であっても、炭素含有量が少ないと、鋼組織の結晶粒径を十分に微細化することはできない。
【０１２２】
なお、既に説明したように、雰囲気圧が６０ｋＰａを超えると、蒸気膜段階を十分長くすることができず、残留オーステナイト量を十分に増やすことができないので、雰囲気圧は５０ｋＰａ以上６０ｋＰａ以下が好ましいといえる。
【０１２３】
また、実施例５および６と、実施例１〜３、７、９および１０との比較から、炭素含有量を１．６ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下にすることによっても、いっそうの長寿命化が可能であることがわかる。従って、炭素含有量は、１．６ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下であることが好ましい。
【０１２４】
表面から０．１ｍｍの深さにおける炭素含有量を１．６ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下に精度良く制御するためには、高濃度浸炭処理（高濃度浸炭窒化処理）中に、期間ＡおよびＢを４回または５回繰り返すことが好適である。つまり、加熱室５１の内部への炭化水素の導入を４回または５回停止することが好ましい。
【０１２５】
表３に、Ｈ値が０．０７ｃｍ-1の焼入れ油を用いて１５ｋＰａの雰囲気圧で焼入れが行われた実施例１１、Ｈ値が０．０６ｃｍ-1の焼入れ油を用いて１５ｋＰａの雰囲気圧で焼入れが行われた比較例１２、Ｈ値が０．１０ｃｍ-1の焼入れ油を用いて３ｋＰａ以下の雰囲気圧で焼入れが行われた比較例１３およびＨ値が０．１０ｃｍ-1の焼入れ油を用いて６５ｋＰａの雰囲気圧で焼入れが行われた比較例１４について、ビッカース硬さＨＶと残留オーステナイト量とを示す。
【０１２６】
【表３】
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【０１２７】
実施例１１では、ビッカース硬さＨＶが７１０以上であるのに対し、比較例１２および１３では、ビッカース硬さＨＶは７１０未満である。このように、実施例１１と比較例１２との比較から、また、実施例１１と比較例１３との比較から、十分な硬さを実現する観点からは、焼入れ油のＨ値は、０．０７ｃｍ-1以上であることが好ましく、焼入れ油の表面上の雰囲気圧は５ｋＰａ以上であることが好ましいことがわかる。また、実施例１１では、残留オーステナイト量が５０ｖｏｌ％以上であるのに対し、比較例１４では、残留オーステナイト量は５０ｖｏｌ％未満である。このように、実施例１１と比較例１４との比較から、残留オーステナイト量を十分に増加させる観点からは、焼入れ油の表面上の雰囲気圧は６０ｋＰａ以下であることが好ましいことがわかる。
【０１２８】
また、高濃度浸炭処理と窒化処理との間に、加熱室５１の内部へ炭化水素およびアンモニアのいずれもが導入されないリファイニング工程を実行することも好ましい。リファイニング工程により、表面近傍に析出している炭化物の粒径をいっそう小さくすることが可能となる。
【０１２９】
例えば、図４および図８に示した処理条件を、それぞれ図１３および図１４に示すように改変することができる。図１３および図１４に示す処理条件では、高濃度浸炭処理と窒化処理との間に、８５０℃で６０分間（もちろんこの温度、時間に限定されるものではない）、炭化水素およびアンモニアの導入が行われないリファイニング工程が実行され、その後、ガス冷却が行われる。このようなリファイニング工程により、表面近傍に析出している炭化物の粒径をいっそう小さくすることができる。例えば、図８に示した処理条件では、炭化物の粒径が7〜９μmであったのに対し、図１４に示した処理条件では、炭化物の粒径は４〜６μmであった。
【０１３０】
本実施形態におけるコネクティングロッド１は、内燃機関に好適に用いられる。図１５に、本実施形態におけるコネクティングロッド１を備えた内燃機関１００の一例を示す。内燃機関１００は、クランクケース１１０、シリンダブロック１２０およびシリンダヘッド１３０を有している。
【０１３１】
クランクケース１１０内にはクランクシャフト１１１が収容されている。クランクシャフト１１１は、クランクピン１１２およびクランクウェブ１１３を有している。クランクピン１１２と、クランクウェブ１１３とは、別体に形成されている。つまり、クランクシャフト１１１は、組立て式のクランクシャフトである。
【０１３２】
クランクケース１１０の上に、シリンダブロック１２０が設けられている。シリンダブロック１２０には、円筒状のシリンダスリーブ１２１がはめ込まれており、ピストン１２２は、シリンダスリーブ１２１内を往復し得るように設けられている。
【０１３３】
シリンダブロック１２０の上に、シリンダヘッド１３０が設けられている。シリンダヘッド１３０は、シリンダブロック１２０のピストン１２２やシリンダスリーブ１２１とともに燃焼室１３１を形成する。シリンダヘッド１３０は、吸気ポート１３２および排気ポート１３３を有している。吸気ポート１３２内には燃焼室１３１内に混合気を供給するための吸気弁１３４が設けられており、排気ポート１３３内には燃焼室１３１内の排気を行うための排気弁１３５が設けられている。
【０１３４】
ピストン１２２とクランクシャフト１１１とは、コネクティングロッド１によって連結されている。具体的には、コネクティングロッド１の小端部２０に形成されたピストンピン孔にピストン１２２のピストンピン１２３が挿通されているとともに、大端部３０に形成されたクランクピン孔にクランクシャフト１１１のクランクピン１１２が挿通されており、そのことによってピストン１２２とクランクシャフト１１１とが連結されている。
【０１３５】
フリクションロスの低減が重視される仕様の内燃機関（例えばシリンダの数が１つである単気筒内燃機関）では、図１５に示す内燃機関１００のように、コネクティングロッド１の大端部３０の内周面３０ａとクランクピン１１２との間には、ニードルベアリング１１４が設けられている。ニードルベアリング１１４が設けられている場合、コネクティングロッド１がニードルベアリング１１４に押し付けられることにより、大端部３０の内周面３０ａに応力が発生する。この応力が過大であると、フレーキングの発生が懸念される。しかしながら、本実施形態におけるコネクティングロッド１は、耐フレーキング性に優れているので、フレーキングの発生が商品として必要な期間以上の長期間にわたって防止される。
【０１３６】
なお、図１５には、転がり軸受としてニードルベアリング１１４を例示したが、転がり軸受は、ニードルベアリングのようなころ軸受に限定されるものではなく、ボールベアリング（玉軸受）であってもよい。
【０１３７】
図１６に、図１５に示した内燃機関１００を備えた自動二輪車を示す。図１６に示す自動二輪車では、本体フレーム３０１の前端にヘッドパイプ３０２が設けられている。ヘッドパイプ３０２には、フロントフォーク３０３が車両の左右方向に揺動し得るように取り付けられている。フロントフォーク３０３の下端には、前輪３０４が回転可能なように支持されている。
【０１３８】
本体フレーム３０１の後端上部から後方に延びるようにシートレール３０６が取り付けられている。本体フレーム３０１上に燃料タンク３０７が設けられており、シートレール３０６上にメインシート３０８ａおよびタンデムシート３０８ｂが設けられている。
【０１３９】
また、本体フレーム３０１の後端に、後方へ延びるリアアーム３０９が取り付けられている。リアアーム３０９の後端に後輪３１０が回転可能なように支持されている。
【０１４０】
本体フレーム３０１の中央部には、図１３に示した内燃機関１００が保持されている。内燃機関１００は、本実施形態におけるコネクティングロッド１を備えている。内燃機関１００の前方には、ラジエータ３１１が設けられている。内燃機関１００の排気ポートには排気管３１２が接続されており、排気管３１２の後端にマフラー３１３が取り付けられている。
【０１４１】
内燃機関１００には変速機３１５が連結されている。変速機３１５の出力軸３１６に駆動スプロケット３１７が取り付けられている。駆動スプロケット３１７は、チェーン３１８を介して後輪３１０の後輪スプロケット３１９に連結されている。変速機３１５およびチェーン３１８は、内燃機関１００により発生した動力を駆動輪に伝える伝達機構として機能する。
【０１４２】
図１６に示した自動二輪車には、本実施形態におけるコネクティングロッド１を備えた内燃機関１００が用いられているので、商品として必要な期間以上の長期間にわたってフレーキングの発生が防止される。また、本実施形態におけるコネクティングロッド１は、小型軽量化にも適している。高寿命化により、高負荷をコネクティングロッド１にかけることが可能になるためである。コネクティングロッド１の小型軽量化により、内燃機関１００や車体も軽量化され、自動二輪車の走行安定性や、乗り易さ、扱い易さが向上し、商品性が向上する。
【０１４３】
なお、本実施形態におけるコネクティングロッド１を備えた内燃機関１００は、自動二輪車に限定されず、自動車両全般に好適に用いられ、ライダーが跨って乗る鞍乗り型車両に特に好適に用いられる。鞍乗型車両としては、例示した自動二輪車の他、バギーなどのＡＴＶが挙げられる。
【０１４４】
また、本実施形態におけるコネクティングロッド１は、発電機や農作業機器などで用いられる小型内燃機関にも用いることができる。
【０１４５】
なお、本実施形態では、コネクティングロッドを例として説明を行ったが、本発明は、コネクティングロッドおよびその製造方法に限定されるものではない。本発明による鋼製部品は、コネクティングロッド以外の部品であってもよく、例えば、クランクピンであってもよい。クランクピンでは、その外周面が転がり軸受に接する。
【産業上の利用可能性】
【０１４６】
本発明によると、転がり軸受に接する表面におけるフレーキングの発生が抑制され、フレーキング寿命に優れた鋼製部品およびその製造方法が提供される。
【０１４７】
本発明による鋼製部品は、各種の自動車両用の内燃機関（例えば自動二輪車用の内燃機関）に広く用いられる。
【符号の説明】
【０１４８】
１    コネクティングロッド
１０    ロッド本体部
２０    小端部
２０ａ    小端部の内周面
２２    ピストンピン孔
３０    大端部
３０ａ    大端部の内周面
３２    クランクピン孔
１００    内燃機関
【図１】
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【図２】
0005603889.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005603889.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
0005603889.tif 000016
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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