(57)【要約】【課題】従来から使用されている浸炭部材に比べて、部品コストの大幅な増加がなく、製造性に優れ、ねじり疲労強度に優れた機械構造部材及びこれを用いたシャフトを提供すること。【解決手段】Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：０．３０〜１．７０％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：０．１０〜１．６０％、Ｍｏ：０．１０〜１．００％、Ｂ：０．０００５〜０．００３０％、Ｎ：０．０３％以下及びＡｌ：０．０４％以下を含有し、更にＮｂ：０．０１０〜０．２００％及び／又はＴｉ：０．０１０〜０．１００％を含有する鋼材より構成され、有効硬化層深さ（基準硬さ：５１３ＨＶ）を、部材厚さに対して１．０〜２．５％とした機械構造部材である。  上記機械構造部材を用いて成ることを特徴とするシャフト。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：０．３０〜１．７０％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：０．１０〜１．６０％、Ｍｏ：０．１０〜１．００％、Ｂ：０．０００５〜０．００３０％、Ｎ：０．０３％以下及びＡｌ：０．０４％以下を含有し、更にＮｂ：０．０１０〜０．２００％及び／又はＴｉ：０．０１０〜０．１００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼材より構成される機械構造部材であって、
浸炭焼入れ焼戻し処理による有効硬化層深さ（基準硬さ：５１３ＨＶ）が、当該部材の厚さに対して０．５〜３．０％を満足していることを特徴とする機械構造部材。
【請求項２】
Ｎｉ：０．２５％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の機械構造部材。
【請求項３】
Ｐｂ：０．３％以下、Ｂｉ：０．１％以下及びＣａ：０．１％以下から成る群より選ばれた少なくとも１種の元素を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の機械構造部材。
【請求項４】
４０〜２００μｍの鋼球を投射圧力４〜６ｋｇ／ｃｍ２で投射するショットピーニング処理が施され、被投射部表面の圧縮残留応力が１０００〜１５００ＭＰａを満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の機械構造部材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の機械構造部材を用いて成ることを特徴とするシャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械構造部材及びこれを用いたシャフトに係り、更に詳細には、特にねじり疲労強度が重要視される全ての部品に用い得る機械構造部材及びこれを用いたシャフトに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の浸炭シャフトとしては、ＪＩＳで定められているＳＣｒ４２０Ｈ、ＳＣＭ４２０Ｈ等が用いられている。しかし、最近の自動車等輸送機械の高出力化、軽量化の動向に伴い、動力伝達部品においてねじり強度向上のニーズが高く、上記ＪＩＳ規格鋼では十分ではなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような背景から、本願発明者は、ボロンを添加した肌焼鋼を用いてねじり強度を向上させる手法を開示している（例えば特許文献１参照）。しかしながら、この手法では不完全焼入れによる硬度低下を避けるべく、浸炭熱処理条件が限定されることから、量産製造性が良くないという欠点があった。
【特許文献１】特開２００３−２３９０３９号公報
【０００４】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来から使用されている浸炭部材に比べて、部品コストの大幅な増加がなく、製造性に優れ、ねじり疲労強度に優れた機械構造部材及びこれを用いたシャフトを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、ボロン以外にモリブデンを添加すること、及び浸炭層の深さを最適化することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
また、本発明者らは、小径のショットピーニングを破壊起点部に効率良く投射することにより、ねじり疲労強度の向上が見込めることを見出し、本発明を完成するに至った。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ボロンとともに添加するモリブデン及び一定深さの浸炭層により、浸炭層の靭性が向上するため、ねじり疲労強度に優れた機械構造部材及びこれを用いたシャフトが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の機械構造部材及びこれを用いたシャフトについて詳細に説明する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。
【０００８】
本発明の機械構造部材は、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：０．３０〜１．７０％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：０．１０〜１．６０％、Ｍｏ：０．１０〜１．００％、Ｂ：０．００５〜０．００３０％、Ｎ：０．０３％以下及びＡｌ：０．０４％以下を含有し、更にＮｂ：０．０１０〜０．２００％及び／又はＴｉ：０．０１０〜０．１００％を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物より構成される。このような構成により、浸炭層の靭性が向上し、ねじり入力を受ける構造部品に採用すれば高強度化、軽量化が可能となる。
以下に、各含有成分の限定理由を示す。
【０００９】
Ｃ：０．１０〜０．３０％
Ｃは浸炭焼入れ後の硬さを向上させ、浸炭後の強度を向上させる作用がある。また、心部の強度を得るために必要な元素である。Ｃ量が０．１０％未満の場合、その効果が小さくなり、０．３０％を超えると心部の靭性や加工性が低下する。
【００１０】
Ｓｉ：１．００％以下
Ｓｉは浸炭後の粒界酸化を助長し、強度の低下をもたらすため０．２５％以下とすることが望ましい。しかし、真空浸炭やプラズマ浸炭などの粒界酸化の抑制が可能な処理においては０．２５％以下に限定しなくてもよい。但し、過剰な添加は機械加工性や冷間鍛造性の悪化を招くので、その上限を１．００％以下とする。
【００１１】
Ｍｎ：０．３０〜１．７０％
Ｍｎは焼入れ性向上に有効な元素である。下限を０．３としたのは、靭性向上のため浸炭後に適度なオーステナイトの残留も必要だからである。また、１．７０％を超えて含有すると冷間鍛造性を低下させ、浸炭後の粒界酸化を助長する。
【００１２】
Ｐ：０．０１５％以下
Ｐは粒界に偏析しやすく、浸炭層の靭性を劣化させる元素である。その含有量が０．０１５％を超えると疲労強度の低下が顕著となる。また、Ｐは不純物元素のためなるべく含有量を０％に近づけることが望ましい。
【００１３】
Ｓ：０．０２０％以下
Ｓも浸炭層の靭性を劣化させる元素である。その含有量が０．０２０％を超えると疲労強度の低下が顕著となる。またＳは不純物元素のためなるべく含有量を０％に近づけることが望ましい。
【００１４】
Ｃｒ：０．１０〜１．６０％
Ｃｒは母材の焼入れ性の向上や心部の強度を向上させるため添加するが、過剰に添加すると結晶粒界の脆性を招くことがあるので１．６０％以下とする。また、焼入れ性を確保するため含有量は０．１０％以上添加する。
【００１５】
Ｍｏ：０．１０〜１．００％
Ｍｏは焼入れ性を向上させ、浸炭層の異常組織の生成を抑制し、且つ浸炭層の粒界強度の向上によって靭性を向上させることにより、き裂進展を遅延させる効果がある。０．１０％未満ではその効果が十分ではなく、１．００％を超えて添加すると素材の硬さが増加し加工性や被削性が劣化する。
【００１６】
Ｂ：０．０００５〜０．００３０％
Ｂは焼入れ性に有効な元素であり、結晶粒界に偏析して粒界を強化して強度を向上させる効果がある。含有量が０．０００５％未満ではその効果は十分に発揮されず、０．００３０％を超えてもその効果は飽和する。
【００１７】
Ａｌ：０．０４％以下
Ａｌは鋼中のＮと反応してＡｌＮを形成し、浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する作用がある。しかし、０．０４％を超えて添加するとその効果が飽和する。
【００１８】
Ｎ：０．０３％以下
Ｎは銅中のＡｌと反応してＡｌＮを形成し、浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する作用がある。しかし、０．０３％を超えて添加するとその効果が飽和する。
【００１９】
Ｎｂ：０．０１０〜０．２００％
浸炭焼入れ処理を施す肌焼鋼は、結晶粒が粗大化し易い。これを抑制するために微細析出物による粒界のピン留めが有効でありＮｂの炭窒化物を利用する。この場合、Ｎｂの含有量が少ないと粒成長を抑制効果が乏しく、過剰に添加すると圧延後の鋼材の硬さ上がり冷間鍛造性が悪化する。
【００２０】
Ｔｉ：０．０１０〜０．１００％
Ｂを添加してその結果を発揮するためには鋼材中では固溶Ｂで存在する必要がある。しかしＢはＮと親和力がつよくＢＮを形成してしまう。そこで、NをＴｉで固定して固溶Ｂを確保する。その場合、０．０１０％未満では添加量が少く、Ｎが残ってしまう。また、０．１００％超では過剰な添加となり、粗大は析出物が発生して強度面に悪影響を及ぼす。
【００２１】
また、本発明の機械構造部材は、表面硬化処理として浸炭焼入れ焼戻し処理が施され、当該処理後の有効硬化層深さ（基準硬さ：５１３ＨＶ）は、機械構造部材の厚さに対して０．５〜３．０％である。例えば、本機械構造部材を用いたシャフトであれば、軸径に対して有効硬化層深さの比が０．５〜３．０％を満足する。
浸炭焼入れ焼戻し処理は、表面を硬化させ、ねじり強度を向上させるのに有効な処理であるが、少なくとも部材厚さ対する有効硬化層深さの比０．５％以上でなければその効果は発揮せず、３．０％を超えると浸炭層の靭性低下をもたらす。更に好ましくは１．０〜２．５％とすることがよい。
【００２２】
Ｎｉ：０．２５％以下
Ｎｉは、焼入れ性を向上させる元素であり、浸炭焼入れ後の内部硬さを上げることに寄与する。また、製鋼段階において、除去不可能な不純物として存在している。しかし、０．２５％を超える添加の場合は鋼材の硬さが高くなることにより、製造時の冷間鍛造性や切削加工性が悪化すること、材料のコストが大幅に増大するといった副作用が生じる。よって上限を０．２５とする。
【００２３】
更に、上記機械構造部材は、Ｐｂ：０．３％以下、Ｂｉ：０．１％以下又はＣａ：０．１％以下、及びこれらを任意に組合せて含有することが好適である。
これらの元素は被削性を向上させるのに有効な元素であるが、上記含有量を超えると被削性向上効果が飽和するばかりでなく靭性が低下することがある。
【００２４】
更にまた、上記機械構造部材は、４０〜２００μｍの鋼球を投射圧力４〜６ｋｇ／ｃｍ２で投射するショットピーニング処理が施され、被投射部表面の圧縮残留応力が１０００〜１５００ＭＰａを満足することが好適である。
ねじり疲労負荷においてショットピーニングは初期亀裂の発生を抑制するのに有効である。初期亀裂の起点となる応力集中部を強化するためには、２００μｍ以下の鋼球が望ましい。一方、４０μｍを下回ると、鋼球に十分なエネルギーを与えられず、圧縮残留応力の付与が困難となる。また、付与される圧縮残留応力は高い方が望ましいが、上述の手法により１０００〜１５００ＭＰａであれば足りる。
【００２５】
上述の機械構造部材は、ねじり疲労強度が重要視される全ての部品に用い得るが、代表的には、変速機のシャフトが挙げられる。かかるシャフトは、ねじり疲労強度が向上するので、部品の高強度化及び細軸化による軽量化が可能である。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２７】
（実施例１及び比較例１〜４）
表１に示す化学組織の鋼を通常の方法によって１５０ｋｇ真空溶製した。次いで、これらの鋼を通常の方法によって熱間鍛造、焼きならした後、図１に示すシャフト試験片に加工した。また、各試験片について浸炭焼入れ焼戻しを行い、表面の研削加工を施した。
また、実施例１及び比較例１，２では、表２に示す条件にてショットピーニング処理を行った。作製したシャフトの全仕様を表１に示す。
【００２８】
【表１】
2006152330.tif 000002
【００２９】
【表２】
2006152330.tif 000003
【００３０】
得られたシャフト試験片を用いて、ねじり試験機により疲労試験を実施した。図２に示す試験結果により負荷トルクと破損回数の関係を求め、それぞれ１０万回の時間強度を求めた。表３に１０万回強度及び比較例４を基準にしたときの強度比を示す。
【００３１】
【表３】
2006152330.tif 000004
【００３２】
表１及び表３より、実施例１では、モリブデンが添加され、硬化層も浅く、ショットピーニング処理も施されていることから、最も高いねじり疲労強度を示す。
これに対して、比較例１では、ボロンが添加され、硬化層が浅く、ショットピーニング処理が施されているが、モリブデンが添加されていない材料であるため強度が低い。また、比較例２では、硬化層が浅く、ショットピーニング処理が施されているが、ボロン、モリブデンが添加されていない材料であるため強度が低い。更に、比較例３では、ボロンが添加されているが、モリブデンが添加されていない材料であり、硬化層が深く、ショットピーニング処理が施されていないため強度が低い。更にまた、比較例４はボロン，モリブデンが添加されていない材料であり、硬化層も深く、ショットピーニング処理が施されていないため強度が低い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】シャフト試験片を示す断面図である。
【図２】ねじり疲労試験結果を示すグラフである。
【図１】
2006152330.tif 000005
【図２】
2006152330.tif 000006