(57)【要約】【課題】耐摩耗性と靭性に優れ、曲げ疲労強度にも優れた鋼部材の提供。【解決手段】基材部と、前記基材部の少なくとも一部を覆う表層部とを備えた鋼部材であって、前記基材部が、所定の化学組成を有し、ビッカース硬さが３００〜６５０ＨＶであり、前記表層部が、所定の化学組成を有し、ビッカース硬さが７５０ＨＶ以上であり、前記表層部の表面の面内方向と平行な方向の圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上であり、厚さが０．３０〜２．００ｍｍである、鋼部材を採用する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材部と、前記基材部の少なくとも一部を覆う表層部とを備えた鋼部材であって、
前記基材部が、質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．５０％、
Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、
Ｍｎ：０．２０〜０．９０％、
Ａｌ：０．００５〜０．１００％、
Ｎ：０．００１０〜０．０２５０％、
Ｐ：０．００１〜０．０３０％、
Ｓ：０．００５〜０．０２５％および
Ｃｒ：０．１０〜１．５０％
を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、
ビッカース硬さが３００〜６５０ＨＶであり、
前記表層部が、質量％で、
Ｃ：０．８０〜１．６０％、
Ｓｉ：０．０５〜２．００％、
Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、
Ａｌ：０．００５〜０．１００％、
Ｎ：０．００１０〜０．０２５０％、
Ｐ：０．００１〜０．０３０％および
Ｓ：０．００５〜０．０２５％
を含有し、さらに、
Ｃｒ：０．６０〜４．００％、
Ｍｏ：０．２０〜３．００％、
Ｖ：０．４０〜２．００％および
Ｗ：０．３０〜２．５０％
からなる群から選択される１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、
ビッカース硬さが７５０ＨＶ以上であり、
前記表層部の表面の面内方向と平行な方向の圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上であり、
厚さが０．３０〜２．００ｍｍである、鋼部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼き入れ・焼き戻し処理をして使用する、鋼部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械、自動車等に使用される鋼部材のうち、軸受、歯車など、特に高い耐摩耗性を必要とされるものは、例えば、ＪＩＳ  Ｇ４０５３規定のクロム鋼を素材として、浸炭処理を行ってから焼き入れ・焼き戻し処理をして使用されている。また、ＪＩＳ  Ｇ４８０５規定の高炭素クロム鋼を素材として、焼き入れ・焼き戻し処理をして使用されているものもある。これらの鋼部材は、鋼材をオーステナイト単相域、あるいは、オーステナイトとセメンタイトの二相域となる高温に加熱した後に焼き入れ・低温焼き戻しを行い、表層を７５０ＨＶ以上の高硬度にすることで高い耐摩耗性を得ている。このような鋼部材は、高い面圧で他部材と接触・摺動することで起きる摩耗に強いだけでなく、例えば、歯車の歯元が受ける衝撃的な負荷や、曲げ応力に耐える強度も要求される。
【０００３】
鋼部材の耐摩耗性を向上させる手段として、浸炭処理により表層部のＣ濃度を上げたり、鋼素材として高炭素鋼を用いる方法がある。また、合金工具鋼、高速度工具鋼のように、鋼素材にＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗを添加し、セメンタイトよりも硬い合金炭化物（Ｍｏ２Ｃ、ＷＣなど）を鋼中に分散させる方法が知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗを多量に添加した耐摩耗性に優れる鋼粉末に、Ｎｉ粉末を配合して成形焼結することで耐衝撃強度を与え、さらに前記焼結体に潤滑油を含浸させることで摺動特性を向上させる発明が記載されている。
【０００５】
特許文献２には、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｃｏを多量に添加した鋼に浸炭処理を施し、耐摩耗性、特に３００℃〜４００℃の高温における耐摩耗性を向上させる発明が記載されている。
【０００６】
特許文献３には、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖを多く添加した鋼に浸炭処理を施し、表面から深さ５０μｍ位置までの領域に存在する炭化物の面積率を６〜２５％とすることで、耐摩耗性を向上させる発明が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１２５４９７号公報
【特許文献２】特開平７−０１９２５２号公報
【特許文献３】特開２０１５−１０５４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載された従来技術は、鋼の焼き入れ性が高いため内部まで焼きが入りやすく、さらに合金炭化物が多く存在するため、内部の靭性が低いという欠点があった。さらに、特許文献１は、鋼材成分が一様であるため、焼き入れ時、冷却速度の速い表面からマルテンサイト変態を起こし、その後、内部がマルテンサイト変態する。そのため、表面には高い引張残留応力が発生し、曲げ応力に対して著しく弱くなる。特許文献２および特許文献３に記載された従来技術には、耐摩耗性を向上させるためにＣｒ、Ｍｏ等の合金炭化物生成元素を多量に添加した場合、浸炭処理の際に、表面から侵入したＣが、過剰に存在する合金炭化物生成元素と反応して鋼内部への拡散が阻害され、硬化層深さを深くすることが困難という欠点があった。
【０００９】
本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性と靭性、曲げ疲労強度に優れた鋼部材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の欠点を解決するため、本発明では、以下の２点を解決手段として採用することとした。
（１）鋼部材の耐摩耗性を確保するために、耐摩耗性を必要とする表層部においては、Ｃ濃度を高めるとともに、Ｍｏ、Ｖ等の硬質な合金炭化物生成元素を含有させる成分設計とした。
（２）焼き入れ後に耐摩耗性を必要とする表層部に圧縮残留応力が発生するよう、また、表層部以外の基材部では靭性が損なわれないよう、基材部は表層部と比較してＣ濃度および合金元素濃度を低減する成分設計とした。
上記した設計思想により、本発明の鋼部材は、表層部のＣ濃度が高く、Ｍｏ、Ｖ等の硬質な合金炭化物生成元素を含有しているため、焼き入れ後に高い耐摩耗性が得られる。また、基材部はＣ濃度が低く、合金元素の濃度も低減されているため、焼き入れ後においても基材部は靭性に優れている。さらに、鋼成分が一様ではなく、表層部は基材部よりもＣ濃度および合金元素の濃度が高いため、Ｍｓ点が低い。そのため、焼き入れ時、最初にマルテンサイト変態を起こすのは表層部直下の基材部の低Ｃ低合金領域であり、その後、表層部が変態するため、表層部には圧縮残留応力が発生し、曲げ応力に対して強くなる。
上記した本発明の要旨は、以下の通りである。
【００１１】
［１］  基材部と、前記基材部の少なくとも一部を覆う表層部とを備えた鋼部材であって、
前記基材部が、質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．５０％、
Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、
Ｍｎ：０．２０〜０．９０％、
Ａｌ：０．００５〜０．１００％、
Ｎ：０．００１０〜０．０２５０％、
Ｐ：０．００１〜０．０３０％、
Ｓ：０．００５〜０．０２５％および
Ｃｒ：０．１０〜１．５０％
を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、
ビッカース硬さが３００〜６５０ＨＶであり、
前記表層部が、質量％で、
Ｃ：０．８０〜１．６０％、
Ｓｉ：０．０５〜２．００％、
Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、
Ａｌ：０．００５〜０．１００％、
Ｎ：０．００１０〜０．０２５０％、
Ｐ：０．００１〜０．０３０％および
Ｓ：０．００５〜０．０２５％
を含有し、さらに、
Ｃｒ：０．６０〜４．００％、
Ｍｏ：０．２０〜３．００％、
Ｖ：０．４０〜２．００％および
Ｗ：０．３０〜２．５０％
からなる群から選択される１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、
ビッカース硬さが７５０ＨＶ以上であり、
前記表層部の表面の面内方向と平行な方向の圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上であり、
厚さが０．３０〜２．００ｍｍである、鋼部材。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の鋼部材は、硬く、圧縮残留応力を有する表層部と、靭性が高い基材部とを備えており、耐摩耗性と靭性に優れ、曲げ疲労強度にも優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ローラーピッチング試験片の形状を説明する図。
【図２】Ｖノッチシャルピー試験片の形状を説明する図。
【図３】四点曲げ疲労試験片の形状を説明する図。
【図４】四点曲げ疲労試験方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態（以下、単に「実施形態」と称する場合がある）を詳細に説明する。これらの実施形態は、本発明を限定するものではない。また、下記実施形態の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。さらに、下記実施形態に含まれる各種形態は、当業者が自明の範囲内で任意に組み合わせることができる。
【００１５】
本実施形態の鋼部材は、基材部と、基材部の少なくとも一部を覆う表層部とを備えた鋼部材である。この鋼部材は、表層部の化学成分を有する鋼と基材部の化学成分を有する鋼とを一体化させた鋼素材を製造した後、鋼素材に対して必要に応じて機械加工を施して部品形状とし、更に、焼き入れ、焼き戻しを施すことにより製造される。このような製造過程を経て得られる鋼部材は、硬く、圧縮残留応力を有する硬化層としての表層部と、靭性が高い基材部とを有するものとなる。このような本実施形態の鋼部材は、例えば、軸受、歯車といった部品に適用することができる。
以下、鋼部材について説明する。
【００１６】
まず、鋼部材を構成する基材部と表層部との化学成分について説明する。以下に示す各元素の割合（％）は全て質量％を意味する。基材部と表層部との化学成分は、表層部と基材部とで同じ範囲の元素もあるし、異なる範囲の元素もある。以下の説明では、化学成分毎にその含有量の限定理由を説明する。
本実施形態に係る基材部は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．２０〜０．９０％、Ａｌ：０．００５〜０．１００％、Ｎ：０．００１０〜０．０２５０％、Ｐ：０．００１〜０．０３０％、Ｓ：０．００５〜０．０２５％およびＣｒ：０．１０〜１．５０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる。
また、表層部は、質量％で、Ｃ：０．８０〜１．６０％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ａｌ：０．００５〜０．１００％、Ｎ：０．００１０〜０．０２５０％、Ｐ：０．００１〜０．０３０％およびＳ：０．００５〜０．０２５％を含有し、さらに、Ｃｒ：０．６０〜４．００％、Ｍｏ：０．２０〜３．００％、Ｖ：０．４０〜２．００％およびＷ：０．３０〜２．５０％からなる群から選択される１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる。
【００１７】
Ｃ（表層部）：０．８０〜１．６０％
Ｃ（基材部）：０．１０〜０．５０％
炭素（Ｃ）は鋼部材の強度に大きく影響する重要な元素である。表層部は高い耐摩耗性を実現するため、硬さが７５０ＨＶ以上である必要がある。そのため、表層部のＣ含有量は０．８０〜１．６０％とする。表層部のＣ含有量が０．８０％未満では、焼き入れ・焼き戻し後でも７５０ＨＶ以上のビッカース硬さが得られず、一方、１．６０％を超えると鋳造・熱間圧延時の延性を劣化させると同時に、鋼素材の鍛造性および機械加工時の被削性を低下させる。そのため、表層部のＣ含有量を０．８０〜１．６０％とする。
鋼部材の基材部は硬さと靭性とのバランスが求められるため、硬さは３００〜６５０ＨＶである必要がある。そのため、基材部のＣ含有量は０．１０〜０．５０％とし、表層部よりも低くする。基材部のＣ含有量が０．１０％未満では、焼き入れ・焼き戻し後でも３００ＨＶ以上のビッカース硬さが得られず、一方、０．５０％を超えると、焼き入れ・焼き戻し後にビッカース硬さが６５０ＨＶ超となり十分な靭性が得られない。
【００１８】
Ｓｉ（表層部）：０．０５〜２．００％
Ｓｉ（基材部）：０．０５〜０．５０％
シリコン（Ｓｉ）は焼き戻し軟化抵抗を向上させ、温度上昇に伴う軟化を抑制する有用な元素である。表層部のＳｉ含有量が０．０５％未満では前記作用が発揮できず、一方、２．００％を超えると前記作用が飽和し始め、含有量に見合う効果が期待できない。そのため、表層部のＳｉ含有量を０．０５〜２．００％とする。
また、基材部には高い焼き戻し軟化抵抗は必要なく、鍛造性および機械加工時の被削性が優先される。そのため、基材部のＳｉ含有量を０．０５〜０．５０％とする。
【００１９】
Ｍｎ（表層部）：０．２０〜１．５０％
Ｍｎ（基材部）：０．２０〜０．９０％
マンガン（Ｍｎ）は焼き入れ性を高めると同時に、赤熱脆性を抑制し、熱間延性を向上させる元素である。表層部のＭｎ含有量が０．２０％未満では前記作用が発揮できず、一方、１．５０％を超えると含有量に見合う効果が期待できない。そのため、表層部のＭｎ含有量を０．２０〜１．５０％とする。
また、基材部には高い焼き入れ性は必要なく、鋼素材の鍛造性および機械加工時の被削性が優先される。そのため、基材部のＭｎ含有量を０．２０〜０．９０％とする。
【００２０】
Ａｌ（表層部および基材部）：０．００５〜０．１００％
アルミニウム（Ａｌ）は脱酸作用を有するとともに、熱処理の際、Ｎと結合してＡｌＮを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止し、靭性を高める効果を持つ。表層部および基材部のＡｌ含有量が０．００５％未満ではこれらの効果が発揮されず、一方、０．１００％を超えると上記効果が飽和する。そのため、表層部および基材部のＡｌ含有量をともに０．００５〜０．１００％とする。
【００２１】
Ｎ（表層部および基材部）：０．００１０〜０．０２５０％
窒素（Ｎ）はＡｌ、Ｖと結合して窒化物を形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止し、靭性を高める効果を有する。表層部および基材部のＮ含有量が０．００１０％未満ではその効果が小さく、一方、０．０２５０％を超えると上記効果が飽和する。そのため、表層部および基材部のＮ含有量をともに０．００１０〜０．０２５０％とする。好ましくは、０．００３０〜０．０１５０％とする。
【００２２】
Ｐ（表層部および基材部）：０．００１〜０．０３０％
リン（Ｐ）は不純物として含まれる元素である。Ｐは粒界に偏析して粒界強度を下げるため、Ｐ含有量はなるべく低い方が良い。そのため、表層部および基材部におけるＰ含有量の上限を０．０３０％以下とする。表層部および基材部におけるＰ含有量の好ましい上限は０．０２０％以下である。Ｐは製鋼工程において低減することができるものの、０．００１％未満とするには製造コストがかかり、また０．００１％未満としても粒界強度が顕著に向上することはないので、表層部および基材部におけるＰ含有量の下限を０．００１％以上とする。
【００２３】
Ｓ（表層部および基材部）：０．００５〜０．０２５％
硫黄（Ｓ）は鋼部材の被削性を向上させるため、０．００５％以上を含有させる。しかし、Ｓ含有量が多すぎると、Ｍｎによって固定されなかったＳがＦｅＳとして粒界に生成することで、熱間延性が低下する。また、大量に生成したＭｎＳによって、耐摩耗性が低下する。そのため、表層部および基材部におけるＳ含有量の上限を０．０２５％以下とする。したがって、表層部および基材部のＳ含有量をともに０．００５〜０．０２５％とする。
【００２４】
Ｃｒ（基材部）：０．１０〜１．５０％
基材部には高い焼き入れ性・耐摩耗性は必要なく、部品加工時の鍛造性および被削性が優先される。そのため、基材部のＣｒ含有量を０．１０〜１．５０％とする。
【００２５】
表層部のＣｒは、Ｍｏ、ＶおよびＷとともに選択的に含有される元素であるため、基材部のＣｒとは別に説明する。なお、基材部の靭性を確保するため、表層部に選択的に含有させるＭｏ、ＶおよびＷは、基材部には含有させないこととする。Ｍｏ、ＶおよびＷは、表層部に対して基材部のＭｓ点を上げるためにも基材部には含有させない。
【００２６】
鋼材の表層部において、Ｃｒ、Ｍｏ、ＶおよびＷは、１種または２種以上を含有する。以下、各元素について説明する。
【００２７】
Ｃｒ（表層部）：０．６０〜４．００％
クロム（Ｃｒ）は鋼材の焼き入れ性を高めると同時に、硬い炭化物を形成し耐摩耗性を向上させる有用な元素である。表層部のＣｒ含有量が０．６０％未満では上記作用が発揮できず、一方、４．００％を超えると部品加工時の鍛造性および被削性を低下させる。そのため、表層部のＣｒ含有量を０．６０〜４．００％とする。
【００２８】
Ｍｏ（表層部）：０．２０〜３．００％
モリブデン（Ｍｏ）は鋼材の焼き入れ性を高めると同時に、硬い炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる有用な元素である。表層部のＭｏ含有量が０．２０％未満では上記作用が発揮できず、一方、３．００％を超えると部品加工時の鍛造性および被削性を低下させる。そのため、表層部のＭｏ含有量を０．２０〜３．００％とする。
【００２９】
Ｖ（表層部）：０．４０〜２．００％
バナジウム（Ｖ）は硬い炭化物を形成して耐摩耗性を向上させるとともに、結晶粒を微細化して靭性を向上させる有用な元素である。表層部のＶ含有量が０．４０％未満では耐摩耗性向上効果が発揮できず、一方、２．００％を超えると部品加工時の鍛造性および被削性を低下させる。そのため、表層部のＶ含有量を０．４０〜２．００％とする。
【００３０】
Ｗ（表層部）：０．３０〜２．５０％
タングステン（Ｗ）は鋼材の焼き戻し軟化抵抗を高めると同時に、硬い炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる有用な元素である。表層部のＷ含有量が０．３０％未満では上記作用が発揮できず、一方、２．５０％を超えると部品加工時の鍛造性および被削性を低下させる。そのため、表層部のＷ含有量を０．３０〜２．５０％とする。
【００３１】
上記鋼材の表層部および基材部における化学組成の残部は鉄（Ｆｅ）及び不純物である。不純物とは、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップ、又は、製造工程の環境等から混入する成分であって、鋼材に意図的に含有させた成分ではない成分を意味する。
【００３２】
次に、表層部及び基材部の化学成分以外の構成について説明する。
【００３３】
（表層部）
本実施形態の鋼部材における表層部は、他の鋼部材と接触して摺動する部位となる。よって、本実施形態に係る表層部は、鋼部材の表面のうち、摺動を受ける部分を覆ったものでなければならない。表層部には高い耐摩耗性が必要となる。そのため、表層部は、前述のようにＭｏ、Ｖ等の硬質な合金炭化物生成元素と、高濃度のＣとを含有させ、ビッカース硬さを７５０ＨＶ以上とする。鋼部材の表層部におけるビッカース硬さが７５０ＨＶ未満であると、表層部の耐摩耗性を確保できなくなる。
なお、表層部のビッカース硬さは、表層部の表面から５０μｍ深さの位置におけるビッカース硬さを測定するとよい。
【００３４】
また、表層部は、曲げ応力に対して強いことも必要不可欠である。従って、表層部の表面の面内方向と平行な方向の圧縮残留応力を２００ＭＰａ以上とする。鋼部材における表層部の面内方向と平行な方向の圧縮残留応力が２００ＭＰａ未満であると、曲げ応力に対して弱くなり、曲げ疲労強度が劣化する。本実施形態に係る表層部は、基材部と比較してＣ濃度および合金元素濃度を高めており、Ｍｓ点が基材部よりも低くなっている。これにより、焼き入れの際に表層部は基材部よりも遅れてマルテンサイト変態するため、表層部の表面の面内方向と平行な方向に２００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が付与されることになる。
なお、表層部の表面の面内方向と平行な方向の圧縮残留応力は、Ｘ線回折結果を解析することによって求めるとよい。具体的には、表層部の表面にＸ線を種々の入射角で照射し、回折角の変化から、表層部の面内方向と平行な方向の表面の圧縮残留応力を求めるとよい。
【００３５】
さらに、表層部の厚さ（表面に垂直な方向）も重要である。表層部の厚さが０．３０ｍｍより薄いと、接触応力によるピッチングなど、摩耗以外の破損形態で表層部が破壊されてしまう。一方、表層部の厚さが２．００ｍｍを越えると、焼き入れによって生じる圧縮残留応力が弱まる。これにより、表層部の表面の面内方向と平行な方向の圧縮残留応力を２００ＭＰａ以上とすることができなくなり、曲げ応力に対して弱くなり、曲げ疲労強度が劣化する。よって、表層部の厚さは、０．３０〜２．００ｍｍとする。
なお、表層部の厚さは、試料断面にナイタール腐食を行った後、光学顕微鏡観察により断面を観察し、金属組織あるいは腐食度合いが基材部と異なる部分を表層部と判断して、表層部の厚さを測定するとよい。
【００３６】
（基材部）
本実施形態の鋼部材における基材部は、必ずしもその全面が表層部に覆われた領域を指すものではなく、他の部品と接触しない表面や、高い曲げ応力が付与されない表面に基材部が露出していてもよい。例えば、本実施形態の鋼部材なるギヤ付シャフトにおける中心軸方向と垂直な断面上には基材部が露出する場合があるが、この部分には耐摩耗性が要求されないので、基材部が露出していてもよい。
基材部は、鋼部材に加えられる衝撃的な力に耐える必要がある。また、表層部に高い圧縮残留応力を付与するため、基材部は表層部よりもＭｓ点を高くする必要がある。そのため、基材部は、前述のように表層部と比較してＣ量を下げるとともに、焼き入れ性を高める合金元素も表層部より低減させる。
また、基材部は、靭性を確保するために、ビッカース硬さを３００〜６５０ＨＶとする。なお、基材部のビッカース硬さは、表層部と基材部との境界から、基材部方向に５０μｍ深さの位置におけるビッカース硬さを測定するとよい。
【００３７】
（製造方法）
以下、本実施形態の鋼部材の製造方法を説明する。上述したように、本実施形態の鋼部材は、表層部の化学成分を有する鋼と基材部の化学成分を有する鋼とを一体化させた鋼素材を製造した後、必要に応じて機械加工することで部品形状とし、焼き入れ、焼き戻しを施して製造される。
【００３８】
まず、鋼部材の素材となる鋼素材の製造方法の一例を説明する。
上記表層部の化学成分を有する鋼と、上記基材部の化学成分を有する鋼とを用意する。例えば、基材部の化学成分を有する鋼を棒状に成形し、表層部の化学成分を有する鋼を中空筒状に成形する。そして、中空筒状に成形した鋼の中空部に、棒状に成形した基材部の化学成分を有する鋼を挿入して一体化させる。一体化は、中空筒状の鋼と棒状の鋼とを一体化させた状態での熱間鍛造、熱間押出や、電磁圧接などの手段により一体化する。
また、別の方法として、上記表層部の化学成分を有する鋼板と、上記基材部の化学成分を有する鋼板とを用意し、基材部となる鋼板の表面に、表層部となる鋼板を配置し、熱間圧延や電磁圧接することにより一体化する。
【００３９】
更に、別の方法として、上記表層部の化学成分を有する鋼と、上記基材部の化学成分を有する鋼とを用意し、基材部の化学成分を有する鋼は所定の形状とし、表層部の化学成分を有する鋼は粉末とする。そして、基材部の化学成分を有する鋼の表面に、表層部の化学成分を有する鋼粉末を配置し、鋼粉末を焼結することで一体化する。
更にまた、別の方法として、上記表層部の化学成分を有する鋼と、上記基材部の化学成分を有する鋼とを用意し、これらの鋼を粉末とする。そして、基材部の化学成分を有する鋼の粉末を仮成形して所定の形状とし、その周囲に表層部の化学成分を有する鋼粉末を配置し、これら鋼粉末を焼結することで一体化する。
また、上記表層部の化学成分を有する鋼と、上記基材部の化学成分を有する鋼とを用意し、基材部の化学成分を有する鋼は所定の形状とし、表層部の化学成分を有する鋼を溶射や金属３Ｄプリンターなどで一体化してもよい。
【００４０】
次いで、得られた鋼素材に対し、機械加工することで部品形状とし、焼き入れ・焼き戻しを施す。このようにして、本実施形態の鋼部材を製造する。本実施形態に係る表層部は、基材部と比較してＣ濃度および合金元素濃度を高めており、Ｍｓ点が基材部よりも低くなっている。このため、焼き入れの際に表層部は基材部よりも遅れてマルテンサイト変態するため、表層部の表面の面内方向と平行な方向に２００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が付与されることになる。
【００４１】
なお、表層部の厚みは、鋼素材の一体化の際に調整してもよく、鋼素材を機械加工する際に鋼素材の表面を切削等することで、表層部の厚みを調整してもよい。
【００４２】
以上、製造方法の一例について説明したが、本実施形態の鋼部材は上記以外の方法によって製造してもよいのはもちろんである。
【００４３】
なお、本実施形態の鋼部材は、表層部と基材部との境界で成分、硬さが急激に変化するため、表層部の厚さや使用条件によっては、当該境界が破壊起点となることが考えられる。そのような場合、鋼部材において、表層部と基材部との中間の成分を有する層を間に挟んで成分を段階的に変化させる、あるいは、高温で拡散処理を行って成分を連続的に変化させるなどの対策を講じることができる。
【実施例】
【００４４】
表１の「表層部」に示す化学成分を有する鋼を溶製し、連続鋳造により鋼片を製造した。この鋼片を外径５４ｍｍ、内径３６ｍｍの中空筒状に加工した。また、表１の「基材部」に示す化学成分を有する鋼を溶製し、連続鋳造により鋼片を製造した。この鋼片を外径３６ｍｍの棒状に加工した。次に、それらを嵌め合わせてＡｒガス雰囲気中で１１５０℃に加熱し、熱間押出加工で外径３６ｍｍの棒状に成形して圧着させた後、室温まで徐冷した。得られた棒状素材から、図１に示すローラーピッチング試験片を機械加工にて作製し、焼き入れ温度８５０℃で油焼き入れを行った後、１２０℃で焼き戻しを行った。
ただし、表１および表２の比較例Ｋは、熱間押出後の外径を３８．３ｍｍとすることで、ローラーピッチング試験片における表層部の厚さを薄くした。また、表１および表２の比較例Ｌは、熱間押出後の外径を３１ｍｍとすることで、ローラーピッチング試験片における表層部の厚さを厚くした。
【００４５】
次に、焼き入れ・焼き戻し後の上記ローラーピッチング試験片を用いて、すべり率１０％、面圧１．５ＧＰａ、回転数１０００ｒｐｍ、油温８０℃、相手ローラーＪＩＳ  Ｇ４８０５  ＳＵＪ２の条件で、繰り返し数１００万回のローラーピッチング試験を行った。その後、相手ローラーと接触していた直径２６ｍｍの試験部（表層部）について、試験片長手方向の表面プロファイルを、周囲９０°ごとに４回、粗さ計で測定し、最大摩耗深さの平均値を求めた。最大摩耗深さの平均値が５．０μｍ以下の場合を、耐摩耗性に優れるとして合格と判定した。また、最大摩耗深さの平均値が５．０μｍ超の場合を、耐摩耗性に劣るとして不合格と判定した。
【００４６】
また、ローラーピッチング試験に供さなかった試験片を、直径２６ｍｍの試験部を通り、試験片長手方向に対して垂直な面で切断し、ナイタール腐食を行った後、光学顕微鏡観察により表層部の厚さを測定した。なお、基材部と比較してより黒く腐食された部分を表層部と判断した。表層部の厚さが０．３０〜２．００ｍｍの場合を、本発明の範囲内であるとして合格と判定した。また、表層部の厚さが０．３０ｍｍ未満および、２．００ｍｍ超の場合を、本発明の範囲外であるとして不合格と判定した。
【００４７】
さらに、表層部の硬さとして、上記試験片長手方向に対して垂直な面において、半径方向外側の表面から５０μｍ深さの位置で、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に準拠して、ビッカース硬さを測定した。表層部のビッカース硬さが７５０ＨＶ以上の場合を、本発明の範囲内であるとして合格と判定した。
【００４８】
次に、基材部焼入前硬さとして、表１の「基材部」に示す化学成分を有する外径３６ｍｍの棒状素材の、素材長手方向に対して垂直な面において、半径方向外側の表面から９ｍｍ深さの位置で、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に準拠して、ビッカース硬さを測定した。基材部焼入前硬さが２２０ＨＶ未満の場合を、基材部の加工性に優れるとして合格と判定した。一方、基材部焼入前硬さが２２０ＨＶ以上の場合を、基材部の加工性に劣るとして不合格と判定した。
【００４９】
次に、ビッカース硬さを測定した上記棒状素材から、図２に示すＶノッチシャルピー試験片を機械加工（切削）にて作製し、焼き入れ温度８５０℃で油焼き入れを行った後、１２０℃で焼き戻しを行った。
【００５０】
焼き入れ・焼き戻し後の上記Ｖノッチシャルピー試験片を用いて、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に準拠して、室温（２３℃）でシャルピー衝撃試験を行い、基材部のシャルピー衝撃値を測定した。基材部のシャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ２以上の場合を、靭性に優れるとして合格と判定した。また、基材部のシャルピー衝撃値が３０Ｊ／ｃｍ２未満の場合を、靭性に劣るとして不合格と判定した。
【００５１】
また、シャルピー衝撃試験に供さなかった試験片を、Ｖノッチ底を通り、試験片長手方向に対して垂直な面で切断した後、基材部の硬さとして、ノッチ底から５０μｍ深さの位置でビッカース硬さを測定した。基材部のビッカース硬さが３００〜６５０ＨＶの場合を、本発明の範囲内であるとして、合格と判定した。一方、基材部のビッカース硬さが３００ＨＶ未満および、６５０ＨＶ超の場合を、本発明の範囲外であるとして、不合格と判定した。
【００５２】
次に、四点曲げ疲労試験片を作製して、曲げ応力に対する疲労寿命を測定し、曲げ疲労強度を評価した。
【００５３】
表１の「表層部」に示す化学成分を有する厚さ１０ｍｍの鋼板二枚の間に、表１の「基材部」に示す化学成分を有する厚さ１４ｍｍの鋼板を重ね合わせてＡｒガス雰囲気中で１１５０℃に加熱し、熱間圧延で厚さ１７ｍｍの鋼板にして圧着させた後、室温まで徐冷した。得られた板状素材から、図３に示すノッチ付き角状試験片を機械加工にて作製した。なお、図３の面Ａと、表層部と基材部の境界面が平行になるように、面Ａの表面から深さ３．００ｍｍまでが表層部となるように試験片を作製した。つまり、破壊起点となるノッチ底では、表層部の厚さは１．００ｍｍとなる。その後、焼き入れ温度８５０℃で油焼き入れを行った後、１２０℃で焼き戻しを行った。
ただし、表１および表２の比較例Ｋは、面Ａの表面から深さ２．２３ｍｍまでが表層部となるように試験片を作製して、ノッチ底における表層部の厚さを０．２３ｍｍとした。また、表１および表２の比較例Ｌは、面Ａの表面から深さ４．６７ｍｍまでが表層部となるように試験片を作製して、ノッチ底における表層部の厚さを２．６７ｍｍとした。
【００５４】
次に、図４に示すように、焼き入れ・焼き戻し後の上記四点曲げ疲労試験片を用いて、試験片長手方向に８０ｍｍ離れた２つの下側支点と、試験片長手方向に２０ｍｍ離れた２つの上側支点とを配置して、上側支点に、矢印方向ａに繰り返し荷重を負荷する四点曲げ疲労試験を行った。試験速度は１０Ｈｚ、切り欠き底に発生する最大応力は５００ＭＰａ、応力比は０．０５として、疲労寿命（試験片の破断に要した繰り返し数）を調べた。ただし、繰り返し数は１００万回を上限とした。１００万回の繰り返し荷重を負荷しても破断しなかった場合を、曲げ疲労強度に優れるとして合格と判定した。一方、１００万回未満の繰り返し荷重によって破断した場合を、曲げ疲労強度に劣るとして不合格と判定した。
【００５５】
表層部の表面の面内方向と平行な方向の圧縮残留応力は、Ｘ線回折結果を解析することによって求めた。具体的には、焼き入れ・焼き戻し後の上記四点曲げ疲労試験片について、図３におけるノッチ付き角状試験片の奥行き方向中央で、ノッチ底表面にビーム径φ０．５ｍｍのＸ線を種々の入射角で照射し、回折角の変化から試験片長手方向の圧縮残留応力を求めた。表層部の表面の面内方向と平行な方向の圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上の場合を、本発明の範囲内であるとして合格と判定した。一方、表層部の表面の面内方向と平行な圧縮残留応力が２００ＭＰａ未満の場合を、本発明の範囲外であるとして不合格と判定した。
【００５６】
以上により得られた結果を表２に示す。なお、表２の「−」は、ローラーピッチング試験において、繰り返し数１００万回までにピッチングが発生して、試験が途中で終了したことを示す。また、表２の「表層部圧縮残留応力」は、表層部の表面の面内方向と平行な圧縮残留応力を示す。
【００５７】
【表１】
2019026881.tif 000002
【００５８】
【表２】
2019026881.tif 000003
【００５９】
表１および表２のＡ〜Ｈが本発明例で、その他（Ｉ〜Ｑ）は比較例である。
比較例Ｉは、表層部のＣ量が低いため、表層部のビッカース硬さが低くなり、耐摩耗性が低下した例である。
比較例Ｊは、基材部のＣ量が高いため、焼き入れ前の基材部のビッカース硬さが高くなり、部品加工時の鍛造性および被削性が低下するとともに、焼き入れ・焼き戻し後の基材部のビッカース硬さが高くなり、靭性が低下した例である。
【００６０】
比較例Ｋは、表層部が薄いため、ローラーピッチング試験において繰り返し数１００万回までにピッチングが発生して試験が途中で終了するとともに、曲げ疲労試験において基材部起点で破壊が起こり、曲げ疲労強度が劣化した例である。
比較例Ｌは、表層部が厚いため、焼き入れ後、表層部に高い圧縮残留応力が発生せず、曲げ疲労強度が劣化した例である。
【００６１】
比較例Ｍは、表層部が硬質な合金炭化物生成元素であるＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗのいずれも含有していなかったため、表層部の耐摩耗性が低下した例である。
比較例Ｎは、表層部のＣｒ量が低いため、表層部のビッカース硬さおよび耐摩耗性が低下した例である。
【００６２】
比較例Ｏは、表層部のＭｏ量が低いため表層部の耐摩耗性が低下したことに加えて、基材部のＳｉ量が高いため焼き入れ前の基材部のビッカース硬さが高くなりＶノッチシャルピー試験片作製時の被削性が低下した例である。
比較例Ｐは、表層部のＶ量が低いため表層部の耐摩耗性が低下したことに加えて、基材部のＭｎ量が高いため焼き入れ前の基材部のビッカース硬さが高くなりＶノッチシャルピー試験片作製時の被削性が低下した例である。
比較例Ｑは、表層部のＷ量が低いため表層部のビッカース硬さおよび耐摩耗性が低下したことに加えて、基材部のＣｒ量が高いため焼き入れ前の基材部のビッカース硬さが高くなりＶノッチシャルピー試験片作製時の被削性が低下した例である。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明によれば、硬く、圧縮残留応力を有する表層部と、靭性が高い基材部とを備えており、耐摩耗性と靭性に優れ、曲げ疲労強度にも優れた鋼部材を得ることができ、産業上の利用価値は大である。
【図１】
2019026881.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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