(57)【要約】本発明は、従来よりも面圧疲労強度に優れる歯車、無段変速機、等速ジョイント、ハブ等の鋼部品とその製造方法を提供するもので、特定の化学成分組成よりなる鋼からなり、浸炭窒化処理後に高周波焼入れ処理を施した鋼部品であって、表面のＮ濃度が０．１〜０．８質量％であると共にＮ濃度とＣ濃度との和が１．０〜２．０質量％であり、表面の残留オーステナイト量が１５体積％未満であり、表面からの不完全焼入層の深さが５μｍ未満であり、さらに、表面のＸ線回折半価幅が６．０度以上であることを特徴とする浸炭窒化高周波焼入れ鋼部品およびその製造方法。
2009054530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学成分が、質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．８％、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：０．２〜３．０％、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．００５〜０．１０％、
Ｎｉ：３．０％以下（０％を含む）、
Ｃｒ：５．０％以下（０％を含む）、
Ｍｏ：２．０％以下（０％を含む）、
Ｗ：１．０％以下（０％を含む）
Ｂ：０．００５０％以下（０％を含む）
Ｏ：０．００５０％以下、
Ｎ：０．００３〜０．０３％
を含有し、さらに、
Ａｌ：０．００５〜０．２％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％のうち１種または２種、
および
Ｖ：０．３％以下（０％を含む）、
Ｎｂ：０．３％以下（０％を含む）のうち１種または２種を含有し、残部が実質的に鉄と不可避不純物よりなる鋼からなり、浸炭窒化処理後に高周波焼入れ処理を施した鋼部品であって、表面のＮ濃度が０．１〜０．８質量％であると共にＮ濃度とＣ濃度との和が１．０〜２．０質量％であり、表面の残留オーステナイト量が１５体積％未満であり、表面からの不完全焼入層の深さが５μｍ未満であり、さらに、表面のＸ線回折半価幅が６．０度以上であることを特徴とする高温での面圧疲労強度に優れた浸炭窒化高周波焼入れ鋼部品。
【請求項２】
鋼の化学成分が、さらに、質量％で、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％、
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％よりなる群から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１記載の高温での面圧疲労強度に優れた浸炭窒化高周波焼入れ鋼部品。
【請求項３】
鋼部品が、歯車、無段変速機、等速ジョイント、またはハブのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の高温での面圧疲労強度に優れた浸炭窒化高周波焼入れ鋼部品。
【請求項４】
化学成分が、質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．８％、
Ｓｉ：２．０％以下、
Ｍｎ：０．２〜３．０％、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．００５〜０．１０％、
Ｎｉ：３．０％以下（０％を含む）、
Ｃｒ：５．０％以下（０％を含む）、
Ｍｏ：２．０％以下（０％を含む）、
Ｗ：１．０％以下（０％を含む）
Ｂ：０．００５０％以下（０％を含む）
Ｏ：０．００５０％以下、
Ｎ：０．００３〜０．０３％
を含有し、さらに、
Ａｌ：０．００５〜０．２％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％のうち１種または２種、
および
Ｖ：０．３％以下（０％を含む）、
Ｎｂ：０．３％以下（０％を含む）のうち１種または２種を含有し、残部が実質的に鉄と不可避不純物よりなる鋼を用いて部品を成形し、浸炭窒化処理を施したのちに油またはソルト焼入を行い、引き続き高周波加熱を行い温度が４０℃未満の水またはポリマー焼入剤による焼入を実施して、該部品の最表面のＮ濃度が０．１〜０．８質量％であると共にＮ濃度とＣ濃度との和を１．０〜２．０質量％とし、表面の残留オーステナイト量を１５体積％未満とし、表面からの不完全焼入層の深さを５μｍ未満とし、さらに、表面のＸ線回折半価幅を６．０度以上とすることを特徴とする高温での面圧疲労強度に優れた浸炭窒化高周波焼入れ鋼部品の製造方法。
【請求項５】
鋼の化学成分が、さらに、質量％で、
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、
Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％、
Ｔｅ：０．０００５〜０．１％よりなる群から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項４記載の高温での面圧疲労強度に優れた浸炭窒化高周波焼入れ鋼部品の製造方法。
【請求項６】
鋼部品が、歯車、無段変速機、等速ジョイント、またはハブのいずれかであることを特徴とする請求項４または５に記載の高温での面圧疲労強度に優れた浸炭窒化高周波焼入れ鋼部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸炭窒化高周波焼入れ鋼部品に関し、具体的には機械構造用部品、特に自動車等の動力伝達部品用に適用される高い面圧疲労強度を有する歯車、無段変速機、等速ジョイント、ハブ等の鋼部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械構造用部品、例えば自動変速機の歯車や無段変速機のシーブ、等速ジョイント、ハブなどの動力伝達部品は、その面圧疲労強度が要求される。従来、一般に上記した部品には素材にＪＩＳ  ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０等のＣが０．２％前後の肌焼鋼を用い、浸炭焼入れ処理を施して部品の表面をＣが０．８％前後のマルテンサイト組織とさせて面圧疲労強度を高めて使用されている。
近年は使用条件の過酷化に伴い、面圧疲労強度の向上が求められてきており、従来の浸炭焼入れに代わって、より軟化抵抗に優れる浸炭窒化が注目を浴びている。
例えば特開平７−１９０１７３号公報では、窒化ないし浸炭窒化処理により窒素含有量を０．２％以上０．８％以下とし、引続くソルト浸漬による焼入れ処理による高強度化、更には該処理に引き続きショットピーニング処理を施すことによる一層の高強度が提案されている。
また特開２００６−２９２１３９号公報では、浸炭窒化処理及び焼鈍処理に続いて高周波焼入れ処理を施し、残留オーステナイト量が１５体積％以上である表層部を備えていることによるピニオンシャフトの剥離寿命の向上が提案されている。
しかしながら近年は更なる使用条件の過酷化に伴い、使用条件下では稼動面が３００℃強〜４００℃弱とより一層高温化しており、更なる面圧疲労強度向上が求められている。
【発明の開示】
【０００３】
そこで、本発明は、従来よりも面圧疲労強度に優れる浸炭窒化高周波焼入れ鋼部品、特に、歯車、無段変速機、等速ジョイント、ハブ等の鋼部品を提供することを課題とする。
上述したように、浸炭窒化焼入れ処理による軟化抵抗の向上を通じて面圧疲労強度が向上ができることは知られているところではあるが、本発明者らは近年の稼動面がより一層高温化（３００℃強〜４００℃弱）した場合での面圧疲労強度を向上させるために、以下の（ａ）〜（ｅ）事項が少なくとも必要であることを知見し、本発明を完成するに至った。
（ａ）浸炭窒化処理後に高周波焼入れ処理を施すこと。
（ｂ）浸炭窒化処理により、表面のＮ濃度が０．１〜０．８質量％であると共にＮ濃度とＣ濃度との和が１．０〜２．０％質量であること。
（ｃ）高周波焼入れ後の組織で残留オーステナイト量が１５体積％未満に制限されていること。
（ｄ）表面の不完全焼入層の深さが５μｍ未満に制限されていること。
（ｅ）表面のＸ線回折半価幅が６．０度以上であること。（なお、本発明でいう表面とは、最表面を意味する）。
即ち、本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）化学成分が、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．８％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：０．２〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５〜０．１０％、Ｎｉ：３．０％以下（０％を含む）、Ｃｒ：５．０％以下（０％を含む）、Ｍｏ：２．０％以下（０％を含む）、Ｗ：１．０％以下（０％を含む）、Ｂ：０．００５０％以下（０％を含む）、Ｏ：０．００５０％以下、Ｎ：０．００３〜０．０３％を含有し、さらに、Ａｌ：０．００５〜０．２％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％のうち１種または２種、およびＶ：０．３％以下（０％を含む）、Ｎｂ：０．３％以下（０％を含む）のうち１種または２種を含有し、残部が実質的に鉄と不可避不純物よりなる鋼からなり、浸炭窒化処理後に高周波焼入れ処理を施した鋼部品であって、表面のＮ濃度が０．１〜０．８質量％であると共にＮ濃度とＣ濃度との和が１．０〜２．０質量％であり、表面の残留オーステナイト量が１５体積％未満であり、表面からの不完全焼入層の深さが５μｍ未満であり、さらに、表面のＸ線回折半価幅が６．０度以上であることを特徴とする高温での面圧疲労強度に優れた浸炭窒化高周波焼入れ鋼部品。
（２）鋼の化学成分が、さらに、質量％で、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％、Ｔｅ：０．０００５〜０．１％よりなる群から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）記載の高温での面圧疲労強度に優れた浸炭窒化高周波焼入れ鋼部品。
（３）鋼部品が、歯車、無段変速機、等速ジョイント、またはハブのいずれかであることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の高温での面圧疲労強度に優れた浸炭窒化高周波焼入れ鋼部品。
（４）化学成分が、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．８％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：０．２〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５〜０．１０％、Ｎｉ：３．０％以下（０％を含む）、Ｃｒ：５．０％以下（０％を含む）、Ｍｏ：２．０％以下（０％を含む）、Ｗ：１．０％以下（０％を含む）、Ｂ：０．００５０％以下（０％を含む）、Ｏ：０．００５０％以下、Ｎ：０．００３〜０．０３％を含有し、さらに、Ａｌ：０．００５〜０．２％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％のうち１種または２種、およびＶ：０．３％以下（０％を含む）、Ｎｂ：０．３％以下（０％を含む）のうち１種または２種を含有し、残部が実質的に鉄と不可避不純物よりなる鋼を用いて部品を成形し、浸炭窒化処理を施したのちに油またはソルト焼入を行い、引き続き高周波加熱を行い温度が４０℃未満の水またはポリマー焼入剤による焼入を実施して、該部品の最表面のＮ濃度が０．１〜０．８質量％であると共にＮ濃度とＣ濃度との和を１．０〜２．０質量％とし、表面の残留オーステナイト量を１５体積％未満とし、表面からの不完全焼入層の深さを５μｍ未満とし、さらに、表面のＸ線回折半価幅を６．０度以上とすることを特徴とする高温での面圧疲労強度に優れた浸炭窒化高周波焼入れ鋼部品の製造方法。
（５）鋼の化学成分が、さらに、質量％で、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％、Ｔｅ：０．０００５〜０．１％よりなる群から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする（４）記載の高温での面圧疲労強度に優れた浸炭窒化高周波焼入れ鋼部品の製造方法。
（６）鋼部品が、歯車、無段変速機、等速ジョイント、またはハブのいずれかであることを特徴とする（４）または（５）に記載の高温での面圧疲労強度に優れた浸炭窒化高周波焼入れ鋼部品の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、不完全焼入層深さと疲労試験寿命との関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
浸炭窒化焼入れ処理を用いて更なる面圧疲労強度の向上を図るためには、浸炭窒化処理に引き続き高周波焼入れ処理も行うことが効果的である。その理由は下記（ａ）〜（ｃ）による。
（ａ）従来の浸炭窒化焼入れのみでは表面のオーステナイト結晶粒度が８番前後に留まるのに対して、浸炭窒化に引き続き加熱温度が８００℃〜９００℃の高周波焼入れを施こすことによってオーステナイト結晶粒度が１０番以上の細粒が得られる。
（ｂ）従来の浸炭窒化焼入れは部品全体の焼入れとなるため、焼入時の冷媒は、焼入歪み抑制の観点から冷却能が比較的小さい油やソルトを用いらざるをえない。それに対して高周波焼入れは部品表層部のみの加熱であり、芯部までは焼入されない理由により焼入歪み抑制には有利であるため、冷却能が大きい水冷が可能となり、表面に不可避的に生成する不完全焼入層が軽減できる。
尚、高周波焼入れに先駆けて実施される浸炭窒化後の冷却方法は、歪み抑制の観点から水焼入以外の方法、例えば油焼入やソルト焼入が好ましい。
（ｃ）同様に、高周波焼入れは、冷却能が大きく表面の残留オーステナイト量がより抑制できるため、浸炭窒化でのＣ量とＮ量が増量でき軟化抵抗が増加できる。
また、本発明者らは、従来は有効とされていたショットピーニング処理が、従来よりもより一層高温化（３００℃強〜４００℃弱）した場合での面圧疲労強度の向上にはかえって有害であることを見出した。従来はショットピーニング処理の効果のひとつとして加工硬化による硬さ向上を通じての疲労強度向上が考えられていた。ところが、ショットピーニング処理した場合、高温（３００℃強〜４００℃弱）の環境下での使用では、ショットピーニング処理を施さない場合より、むしろ面圧疲労強度の低下が確認された。本発明者はその原因を以下のように考えた。
ショットピーニング処理により硬さは、加工変形による加工硬化、圧縮残留応力の増加による硬化、及び加工誘起マルテンサイト変態による硬化によって増加する。しかし、これらのうち、加工変形による加工硬化、及び、圧縮残留応力の増加による硬さの増加分は、高温（３００℃強〜４００℃弱）下での面圧疲労強度向上には寄与していないものと推察される。その理由は３００℃強〜４００℃弱は比較的軽微な転位の移動によって大半の加工硬化、及び圧縮残留応力が開放されてしまう温度域であるためである。
そこで高温化（３００℃強〜４００℃弱）の面圧疲労強度向上には、加工硬化、及び圧縮残留応力の影響を排除した組織自体、即ちマルテンサイト組織自体の硬さ向上が重要であると本発明者らは考えた。
マルテンサイト組織の硬さは転位密度に対応し、転位密度の大小はＸ線回折半価幅に対応することから、Ｘ線回折半価幅を測定することによってマルテンサイト組織正味の硬さを測定することができるが、本発明者の調査では、ショットピーニング処理の適用によりＸ線回折半価幅は減少することを確認した。このメカニズムは定かではないが、ショットピーニングにより、加工誘起マルテンサイト変態が生じるが、これ以上に焼入れにより生成したマルテンサイト組織の一部が再結晶したのではないかと推測する。
以上の理由により、ショットピーニング処理による硬さ向上は、高温（３００℃強〜４００℃弱）下では、面圧疲労強度向上には寄与せず、むしろ、面圧疲労強度を低下させるものと考えた。そのため、硬さは面圧疲労強度向上の指針としては不十分であり、好ましい指針は表面のＸ線回折半価幅であると考えた。
さらに、本発明者らは３００℃強〜４００℃弱の使用環境下での面圧疲労強度には表面性状、特に表面の不完全焼入層の程度が大きく影響することを確認した。
従来、疲労強度に及ぼす表面性状の影響は例えば「熱処理」（ＶＯＬ．３０，Ｎｏ．５ＰＡＧＥ．２４０−２４６，１９９０年）で示されているように粒界酸化深さで整理でされていたが、本発明者が調査したところによると肝心なのは不完全焼入層の程度であり、表面のＸ線回折半価幅を測定することによっても不完全焼入層の程度を見積もることができる。従って、表面性状の視点からも、表面のＸ線半価幅を面圧疲労強度向上の指針として用いることが好ましいと考えた。更に、該不完全焼入層の深さは５μｍ未満であることも肝心であることを知見した。上述のことを踏まえて鋭意研究した結果、本発明を完成するに至った。
先ず、本発明の鋼部品にとって重要である、製造工程と組織の規定理由について説明する。
〔浸炭窒化処理後に高周波焼入れ処理を施した鋼部品〕
前述の通り、浸炭窒化処理後に高周波焼入れ処理を施すことによって更なる面圧疲労強度向上が可能となる。高周波焼入れで部品表面を硬化させるため、それに先駆けて施される浸炭窒化処理後の冷却は歪み抑制の観点から比較的冷却速度が小さい油またはソルト焼入が好ましい。水などの冷却能が高い焼入れでは焼入時の熱処理歪みが大きくなるため好ましくなく、逆に冷却速度が小さい炉冷では冷却中にＣｒ、Ｍｏ等が炭化物として析出してロスしてしまうため好ましくない。浸炭窒化処理時の全浸炭深さは、部品の大きさにより異なるものの、小さい部品では０．３ｍｍ以上を目安にして、大きい部品では０．８ｍｍ以上を目安にすると良い。
高周波焼入れ時の加熱方法については、特に格別な手法を採用する必要はなく、一般的な方法で充分である。例えば周波数は小物部品であれば４００ｋＨｚ前後、大物部品であれば５ｋＨｚ前後が目安になり、加熱温度は８００℃〜９００℃が目安になる。
焼入に用いる冷媒は水、ポリマー焼入剤など水系で冷却能が大きなものを使用温度４０℃を超えないように厳密に管理した状態で使用する必要がある。これによって表面の残留オーステナイト量を１５体積％未満に制限することができるとともに、不完全焼入層の深さを５μｍ未満に制限できる。
高周波焼入後は一般的な浸炭焼入れ品や浸炭窒化焼入れ品に準じて、１５０℃前後の低温焼戻を施して部品の靭性を確保することが好ましい。
尚、実際の鋼部品において、浸炭窒化処理後に高周波焼入れ処理を施した鋼部品であることは、鋼部品からミクロサンプルを採取してナイタール腐食後に光学顕微鏡にて観察される組織分布と、表面から芯部への硬さ分布と、さらに、ＥＰＭＡにて測定される表面から芯部へのＣ分布およびＮ分布により、判別できる。
〔表面のＮ濃度が０．１〜０．８質量％であると共にＮ濃度とＣ濃度との和が質量％で１．０〜２．０質量％〕
部品の面圧疲労強度は表面または極浅い表面直下で決まるため、表面のＮ濃度とＣ濃度が重要であり、軟化抵抗付与の観点からＮ濃度を０．１〜０．８質量％とする。Ｎ濃度が０．１質量％未満では軟化抵抗の付与が不十分であり、０．８質量％を超えるとＭｓ点の低下により表面の残留オーステナイト量を１５体積％未満に制限することが出来ないためである。該Ｎ濃度の好ましい範囲は０．５〜０．８％である。なお、一般的な浸炭窒化処理による表面のＮ濃度は焼入れ性の付与を目的としているため、通常で０．１質量％程度、高くても０．４％程度であり、本発明とは目的が異なる。
また、表面のＮ濃度とＣ濃度との和を１．０〜２．０質量％とする。Ｎ濃度とＣ濃度との和が１．０質量％未満であると部品の硬さ不足であり、１．４％を超えることが望ましいが、２．０質量％を超えるとＭｓ点の低下により表面の残留オーステナイト量が１５体積％未満に制限することが極めて困難となるため、本発明では１．０〜２．０質量％とした。望ましい範囲は１．４〜２．０質量％である。
〔表面の残留オーステナイト量が１５体積％未満〕
表面の残留オーステナイトは、使用条件下の面圧により加工誘起されてマルテンサイト変態したり、低炭素マルテンサイトと炭化物に変化することによって、部品の形状変化をもたらす。表面の残留オーステナイト量が１５体積％以上となるとその形状変化により面圧疲労強度の劣化をもたらすため、１５体積％未満に制限する必要がある。望ましくは１０体積％未満である。オーステナイト量が１５体積％未満に制限するためには、Ｎ濃度を０．８質量％以下で、かつＮ濃度とＣ濃度の和を２．０質量％以下とした浸炭窒化処理を適用することが少なくとも必要である。但し部品が小さかったり、後述する使用温度４０℃を超えない水またはポリマー焼入剤を用いる焼入冷媒の噴射量が部品に対して大きく焼入時の冷却速度が大きい場合にはオーステナイト量が１５体積％を超えることが起こりうるので、その場合には、焼入冷媒の使用温度を４０℃を超えない範囲で若干高めること、噴射量を少なくすること、又は高周波焼入れ後にサブゼロ処理を施すなどの調整を行う必要がある。予備テストを行うことによって、オーステナイト量を１５体積％未満に制限させる条件を確立しておく必要がある。
〔表面からの不完全焼入層の深さが５μｍ未満〕
鋼材に浸炭焼入れ処理や浸炭窒化焼入れ処理を施した場合、浸炭時に表面から侵入した酸素と鋼材中の合金元素（Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等）が結合することによる合金元素のロスに起因して、表層下１０μｍ程度以上の領域が焼入れ不足となり、その焼入れ不足の領域は不完全焼入層と広く呼ばれている。浸炭窒化処理と高周波焼入れ処理の両方を施すと共に、上述の焼入に用いる冷媒は水、ポリマー焼入剤など水系で冷却能が大きなものを使用温度４０℃を超えないように厳密に管理した状態で焼入れを行うことによって焼入れ時の冷却速度の増加を通じて、表面からの不完全焼入層の深さが５μｍ未満に制限できる。
本発明者らの調査では、図１に示すように、不完全焼入層の深さが５μｍを境にして、５μｍ未満以下では面圧疲労強度が大幅に向上することを知見した。疲労強度試験後の部品を詳細に観察したところ、不完全焼入層の深さが５μｍ以上では、表面に接する結晶粒の個々のおよそ半周以上が不完全焼入層に囲まれるため、使用時に、該結晶粒のはく離が生じやすいことがわかった。なお粒界酸化深さは、５μｍ超であっても面圧疲労強度上、差し支えない。
〔表面のＸ線回折半価幅が６．０度以上〕
Ｘ線回折半価幅が、６．０度未満では、十分な面圧疲労強度が得られず、６．０度以上とすることにより、従来より優れた面圧疲労強度が得られるので、６．０度以上とした。Ｘ線回折半価幅が６．０度は、ショットピーニング処理による加工硬化と圧縮残留応力の付与がない場合における常温硬さ５５ＨＲＣ程度に相当し、面圧疲労強度を得るための下限とした。６．２度以上であるのが望ましい。
これを実現するためには少なくとも表面のＮ濃度とＣ濃度との和を１．０〜２．０質量％とした浸炭窒化処理に引き続き、冷媒に使用温度４０℃を超えない水またはポリマー焼入剤を用いた高周波焼入れ処理を行う必要がある。但し、部品が大きかったり、焼入冷媒の噴射量が部品に対して小さい場合には、焼入時の冷却速度不足によりＸ線半価幅が６．０度未満になることが起こりうるため、その場合には、冷媒の使用温度を低くすること又は噴射量を多くするなどの調整をするとよい。予備テストを行うことによって、６．０度以上、望ましくは６．２度以上となる条件を確立しておく必要がある。なお、この焼入冷媒の条件は、上記の表面の残留オーステナイト量が１５体積％未満を同時に達成する条件とする必要がある。
ここで、Ｘ線回折半価幅とは、微小部Ｘ線残留応力測定装置（Ｃｒ管球）を用いてα−Ｆｅの（２１１）面を６０秒間かけて測定したピークの半価幅を意味する。
尚、部品に求められる曲げ疲労強度が高い等、ショットピーニング処理が必要な場合には、アークハイト０．３ｍｍＡ程度の軽微なショットピーニング処理に留めてＸ線回折半価幅を６．０度以上確保する必要がある。
また、本発明に係る浸炭窒化高周波焼入部品は高周波焼入れ処理した後、更にサブゼロ処理、焼戻処理、ＷＰＣ処理、バレル研摩処理、歯研処理、ホーニング仕上加工等の追加処理を行っても、表面の残留オーステナイト量とＸ線回折半価幅が発明の範囲内である限りは何ら効果を妨げるものではない。
次に、本発明の鋼の化学成分の規定理由について説明する。なお、ここで記載の％は質量％を意味する。
Ｃ：０．００５〜０．８％
Ｃは、鋼の強度を得るために重要な元素ではあるが、ＭｎやＣｒ等の焼入性向上元素を添加することによって代替可能であるため、０．００５％以上あればよい。そこで本発明ではＣ量の下限を０．００５％とした。しかし、その含有量が０．８％を超えると部品製作時の切削性や鍛造性を著しく害するため、上限を０．８％未満とした。最も好ましい添加量は０．１〜０．６％である。
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは、添加しなくてもよく、不可避的不純物レベルでもよい。添加すれば焼入層の軟化抵抗を向上させることにより、面圧疲労強度が向上する効果がある。その効果を得るには０．２％以上とすることが好ましい。しかし、２．０％を超えると鍛造時の脱炭が著しくなるため、２．０％を上限とした。最も好ましい添加量は０．２〜２．０％である。
Ｍｎ：０．２〜３．０％
Ｍｎは、焼入性を向上させるのに有効な元素であり、また軟化抵抗を向上させるのにも有効な元素である。その効果を得るには０．２％以上の添加が必要である。しかし、３．０％を超えると鋼材製造時に硬くなりすぎて棒鋼切断性等に支障があるため３．０％を上限とした。最も好ましい添加量は０．２〜２．０％である。
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、不可避不純物として含有され、粒界に偏析して靭性を低下させるため極力低減する必要があり、０．０３％以下に制限する必要がある。
Ｓ：０．００５〜０．１０％
Ｓは、被削性の観点から０．００５％以上は必要である。そこで、本発明ではＳ量の下限を０．００５％とした。しかしながら０．１０％を超えると鍛造性を阻害するため０．１０％を上限とした。最も好ましい添加量は０．０１〜０．０３％である。
Ｎｉ：３．０％以下（０％を含む）
Ｎｉは、添加しなくてもよい。添加すれば靭性を更に向上させる効果がある。その効果を得るには０．２％以上とすることが好ましい。しかし、３．０％を超えると切削性が悪化するため３．０％を上限とした。最も好ましい添加量は０．２〜２．０％である。
Ｃｒ：５．０％以下（０％を含む）
Ｃｒは、添加しなくてもよい。添加すれば焼入層の軟化抵抗を向上させることにより、面圧疲労強度が向上する効果がある。その効果を得るには０．２％以上とすることが好ましい。但し、５．０％を超えると切削性が悪化するため５．０％を上限とした。最も好ましい添加量は０．２〜２．０％である。
Ｍｏ：２．０％以下（０％を含む）
Ｍｏは、添加しなくてもよい。添加すれば焼入層の軟化抵抗を向上させることにより、面圧疲労強度が向上する効果に加えて、焼入層を強靭化して曲げ疲労強度を向上する効果もある。その効果を得るには０．０１％以上とすることが好ましい。但し２．０％を超えて添加してもその効果は飽和して経済性を損ねるため２．０％を上限とした。最も好ましい上限は０．７％である。
Ｗ：１．０％以下（０％を含む）
Ｗは、添加しなくてもよい。添加すれば焼入層の軟化抵抗を向上させることにより、面圧疲労強度が向上する効果がある。その効果を得るには０．１％以上とすることが好ましい。但し、１．０％を超えると切削性が悪化するため１．０％を上限とした。最も好ましい添加量は０．１〜０．４％である。
Ｂ：０．００５０％以下（０％を含む）
Ｂは、添加しなくてもよい。添加すれば焼入性の向上に寄与する。その効果を得るには０．０００６％以上とすることが好ましい。但し、０．００５０％を超えてもその効果は飽和するため０．００５０％を上限とした。最も好ましい添加量は０．０００６〜０．００４０％である。
Ｏ：０．００５０％以下、
Ｏは、アルミナやチタニア等の酸化物系介在物として鋼中に存在するが、Ｏが多いと該酸化物が大型化してしまい、これを起点として動力伝達部品の破損に至るため、０．００５０％以下に制限する必要がある。少ないほど好ましいため０．００２０％以下が望ましく、更に、高寿命を指向する場合は０．００１５％以下が望ましい。
Ｎ：０．００３〜０．０３％
Ｎは、各種窒化物を形成して高周波焼入処理時のオーステナイト組織の細粒化に有効に働くため０．００３％以上は必要である。しかし、０．０３％を超えると鍛造性を著しく阻害するため０．０３％を上限とした。最も好ましい添加量は０．００３〜０．０２％である。
Ａｌ：０．００５〜０．２％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％のうち１種または２種
Ａｌ、Ｔｉは、窒化物として鋼中に析出分散することにより、高周波焼入処理時のオーステナイト組織の細粒化に有効に働くため、Ａｌ、Ｔｉのうち１種または２種で夫々０．００５％以上は必要である。しかし、夫々０．２％を超えると析出物が粗大化して鋼を脆化させるため上限を夫々０．２％とした。最も好ましいのはＡｌを０．００５〜０．０５％添加することである。
Ｖ：０．３％以下（０％を含む）、Ｎｂ：０．３％以下（０％を含む）のうち１種または２種
Ｖ、Ｎｂは、添加しなくてもよいが、添加することによってＶ、Ｎｂは窒化物として鋼中に析出分散することにより、高周波焼入処理時のオーステナイト組織の細粒化に有効である。これらの効果を発揮させるためには、Ｖ、Ｎｂのうち１種または２種で夫々０．０１％以上の添加が必要である。しかし、夫々０．３％を超えて添加してもその効果は飽和して経済性を損ねるため夫々の上限を０．３％とした。最も好ましいのはＶを０．１〜０．２％添加することである。
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０５％、Ｔｅ：０．０００５〜０．１％よりなる群から選択される１種または２種以上
さらに、部品で曲げ疲労強度の向上も求められる場合には、次の含有量のＣａ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｔｅよりなる群から選択される１種または２種以上を添加することができ、これら成分は歯車の曲げ疲労破壊や軸部品のスプラインの底の疲労破壊に対して、ＭｎＳの延伸を抑制し、一層曲げ疲労強度を向上させる元素である。すなわち、ＭｎＳの延伸抑制効果を与えるために、Ｃａで０．０００５〜０．０１％、Ｍｇで０．０００５〜０．０１％、Ｚｒで０．０００５〜０．０５％及びＴｅで０．０００５〜０．１％よりなる群から選択される、少なくとも１種以上を含有させる。しかし、各元素で上記量を超えて含有させてもその効果は飽和して経済性を損なうため上限とする。
また、上記で規定した化学成分の他、本発明の効果を損なわない範囲で、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｒｅｍ、Ｐｂ、Ｓｂ等を含有させることができる。
【実施例】
【０００６】
以下に本発明を実施例によって具体的に説明する。
表１に示す化学組成を有する各鋼材に鍛造と焼鈍を施した後、機械加工によりローラーピッチング疲労試験片用に直径が２６ｍｍ、幅２８ｍｍの円筒部を有する小ローラー試験片を２個と、直径１３０ｍｍ、幅１８ｍｍの大ローラー試験片を１個製作した。その後、該小ローラー試験片と該大ローラー試験片に表２に示す以下の処理を施した。
Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１７については浸炭窒化処理（９５０℃×５時間のＲＸガス浸炭→８５０℃×４時間のアンモニアとＲＸガスによる浸炭窒化→油焼入れ）とそれに引き続いて高周波焼入れ（周波数１００ｋＨｚ、加熱温度８５０℃）を施した。高周波焼入れ時の冷媒は表２の高周波焼入れ時の冷却方法に示すように淡水またはポリビニルピロドリン系ポリマー焼入剤を用いた。その後、１８０℃で９０分の焼戻処理を行い疲労試験に供した。
Ｎｏ．１８については浸炭窒化処理（９５０℃×５時間のＲＸガス浸炭→８５０℃×４時間のアンモニアとＲＸガスによる浸炭窒化→油焼入れ）行った後、１８０℃で９０分の焼戻処理を行い疲労試験に供した。
Ｎｏ．１９については浸炭処理（９５０℃×５時間のＲＸガス浸炭→油焼入れ）とそれに引き続いて高周波焼入れ（周波数１００ｋＨｚ、加熱温度８５０℃）を施した。高周波焼入れ時の冷媒は表２の高周波焼入れ時の冷却方法に示すように淡水を用いた。その後、１８０℃で９０分の焼戻処理を行い疲労試験に供した。
Ｎｏ．２０については浸炭窒化処理（９５０℃×５時間のＲＸガス浸炭→８５０℃×４時間のアンモニアとＲＸガスによる浸炭窒化→油焼入れ）とそれに引き続いて高周波焼入れ（周波数１００ｋＨｚ、加熱温度８５０℃）を施した。高周波焼入れ時の冷媒は表２の高周波焼入れ時の冷却方法に示すように淡水またはポリビニルピロドリン系ポリマー焼入剤を用いた。その後、１８０℃で９０分の焼戻処理に引き続き、アークハイト１．０ｍｍＡ（φ０．８ｍｍ鋼球を使用）のショットピーニング処理を行い疲労試験に供した。
上述の製作した大ローラー試験片の１個と小ローラー試験片の１個を用いてローラーピッチング疲労試験を行った。ローラーピッチング疲労試験は、小ローラー試験片に面圧をヘルツ応力４０００ＭＰａとして大ローラー試験片を押し付けて、接触部での両ローラー試験片の周速方向を同一方向とし、滑り率を−４０％（小ローラー試験片よりも大ローラー試験片の方が接触部の周速が４０％大きい）として回転させて、小ローラー試験片においてピッチングが発生するまでの小ローラー試験片の回転数を寿命とした。試験時の摩擦熱により小ローラー試験片の表面温度が３５０℃になるように前記接触部に供給するギア油の油温は９０℃で流量は毎分２リットルとした。ピッチング発生の検出は試験機に備え付けてある振動計によって行い、振動検出後に両ローラー試験片の回転を停止させてピッチングの発生と回転数を確認した。ローラー試験片の材質調査は、上記のローラーピッチング疲労試験を行っていない残りの小ローラー試験片を用いて以下の要領で行った。表面のＮ濃度及びＣ濃度は試験片の周面を垂直方向に切断し、切断面の鏡面研磨した後にＥＰＭＡにて最表面の分析を行った。残留オーステナイト量とＸ線回折半価幅はＸ線法により周面を直接、測定した。不完全焼入層の表面からの深さは試験片の周面を垂直方向に切断し、切断面の鏡面研磨した後にエッチングを行い不完全焼入組織を識別して測定した。オーステナイト結晶粒度番号は試験片の周面を垂直に切断し、切断面の鏡面研磨した後に、切断面の周面に極近い部分をＪＩＳ  Ｇ  ０５５１に準じて測定した。その結果を表２に示す。
表２に示すように、本発明例のＮｏ．１〜Ｎｏ．１４のローラー試験片は、寿命が１０００万回以上であり、優れたピッチング疲労強度（面圧疲労強度）を有していることが明らかになった。
これに対し、高周波焼入時の水道水の温度が推奨の４０℃未満から逸脱させた比較例のＮｏ．１５は疲労試験寿命が８，１５２，０００回と短かった。これは水温が高いため焼入時の冷却速度が低下したことに起因して、表面の残留オーステナイトが１５体積％未満に制限できず、表面のＸ線回折半価幅が６．０度に達しなかったためと考えられる。
表面のＮ濃度を本発明において規定した成分範囲から逸脱させた比較例のＮｏ．１６は疲労試験寿命が８，０６８，０００回と短かった。Ｎ濃度が高いことによりＭｓ点が低下したことに起因して、表面の残留オーステナイトが１５体積％未満に制限できなかったためと考えられる。
表面のＮ濃度とＣ濃度のとの和を本発明において規定した成分範囲から逸脱させた比較例のＮｏ．１７は疲労試験寿命が５，６６３，０００回と短かった。Ｎ濃度とＣ濃度との和が高いことによりＭｓ点が低下したことに起因して、表面の残留オーステナイトが１５体積％未満に制限できず、また、表面のＸ線回折半価幅が６．０度に達しなかったためと考えられる。
浸炭窒化の後の高周波焼入を行わなかった比較例のＮｏ．１８は疲労試験寿命が６１２，０００回と極めて短かった。高周波焼入を行わなかったため焼入時の冷却速度が小さかったことに起因して、不完全焼入層の深さが５μｍ以上となったためと考えられる。
窒化を行わなかったＮｏ．１９は疲労試験寿命が７７３，０００回と極めて短かった。窒化を行わなかったため焼戻軟化抵抗不足となったことが低寿命の原因と考えられる。
ショットピーニングを行ったＮｏ．２０は疲労試験寿命が７，６５５，０００回と低かった。ショットピーニング処理によりＸ線回折半価幅が低くなったためと考えられる。
【表１】
2009054530.tif 000003
【表２】
2009054530.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【０００７】
本発明では、高い面圧疲労強度を有した浸炭窒化高周波焼入れ鋼部品、特に、自動車等の動力伝達部品用に適用できる高い面圧疲労強度を有した、歯車、無段変速機、等速ジョイント、ハブ等の部品を提供することができ、これにより自動車の高出力化および低コスト化等に大きく寄与する。
【図１】
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【国際調査報告】
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