(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％にて、Ｃ：０．２０〜０．４５％、Ｓｉ：０．０３〜１．５０％、Ｓ：０％超え０．０７０％以下、Ｍｎ：０．５０〜２．００％、Ｃｒ：０．３０〜２．５０％、Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、Ｎ：０．００７０〜０．０２００％、Ｖ：０〜０．３０％（０％を含む）、Ｍｏ：０〜０．５０％（０％を含む）を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、
以下の式１を満足し、
式１：１９［Ｃ］＋２．３［Ｍｎ］＋１．４［Ｃｒ］＋１３［Ｍｏ］＋２５［Ｖ］＞１１
（但し、式中における［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］及び［Ｖ］は、それぞれ、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶの含有率（質量％）を示す。）、
最表面に位置し、Ｃ濃度が０．５０％以上であると共に硬さが７００ＨＶ以上である第１硬化層と、
該第１硬化層よりも内側に位置し、硬さが４５０ＨＶ以上である第２硬化層と、
該第２硬化層よりも内側に位置し、硬さが３００ＨＶ以上である内部層とを、備え、
上記第１硬化層の厚みは、０．２０ｍｍ以上であり、
上記第２硬化層の内側端は、最表面から上記シャフト部材の直径の０．１倍以上の深さ位置にある、
シャフト部材。
【請求項２】
質量％にて、Ｃ：０．２０〜０．４５％、Ｓｉ：０．０３〜１．５０％、Ｓ：０％超え０．０７０％以下、Ｍｎ：０．５０〜２．００％、Ｃｒ：０．３０〜２．５０％、Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、Ｎ：０％超え０．０２００％以下、Ｖ：０〜０．３０％（０％を含む）、Ｍｏ：０〜０．５０％（０％を含む）、Ｂ：０％超え０．００５０％以下、Ｔｉ：０％超え０．１０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、
以下の式１を満足し、
式１：１９［Ｃ］＋２．３［Ｍｎ］＋１．４［Ｃｒ］＋１３［Ｍｏ］＋２５［Ｖ］＞１１
（但し、式中における［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］及び［Ｖ］は、それぞれ、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶの含有率（質量％）を示す。）、
最表面に位置し、Ｃ濃度が０．５０％以上であると共に硬さが７００ＨＶ以上である第１硬化層と、
該第１硬化層よりも内側に位置し、硬さが４５０ＨＶ以上である第２硬化層と、
該第２硬化層よりも内側に位置し、硬さが３００ＨＶ以上である内部層とを、備え、
上記第１硬化層の厚みは、０．２０ｍｍ以上であり、
上記第２硬化層の内側端は、最表面から上記シャフト部材の直径の０．１倍以上の深さ位置にある、
シャフト部材。
【請求項３】
上記シャフト部材は、中心軸に沿った内穴を有すると共に、外表面から上記内穴に連通するよう径方向に設けられた横穴を有している、請求項１又は２に記載のシャフト部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばトランスミッション等に用いられるシャフト部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車部品の一種であるトランスミッションの小型化・軽量化のニーズが益々高まっている。その要求を満たすには、トランスミッションに適用されるシャフト部材の高強度化による細径化が必要である。エンジンにより発生する回転力を伝達するシャフト部材には、ねじりトルクが負荷されるため、その高強度化は、ねじり強度の向上を意味する。ねじり強度の向上における具体的な要求項目としては、衝撃的に付与されるような高いトルクによる塑性変形を防止できるようにするための高い比例限度を確保することと、比較的低いトルクでの繰り返し疲労による亀裂発生の防止、すなわちねじり疲労強度を向上することの２つがある。そして、ねじりトルクが負荷された際に生じるねじり応力は、軸心から離れているほど高く、表面において、最も高くなり、軸心に近い位置ほど低い応力となる。そのため、高強度化を実現するためには、軸心からの距離を考慮に入れた各部位の必要な強度確保が、適切にされていることが重要となる。【０００３】
従来、高いねじり強度が要求されるシャフト部材には、例えばＳＣＭ４２０等の肌焼鋼に浸炭処理を施したものと、ＳＣｒ４４０等の中炭素鋼に高周波焼入れを施したもの等の使用が適切であることが知られている。しかしながら、極めて要求レベルの高い部品にこれらの従来のシャフト部材を適用した場合、前者のシャフト部材は、最表面の浸炭層が高硬度化されるものの、浸炭層よりも内部において急激に硬度低下する。浸炭による強度向上効果が及ばなくなる浸炭層直下においては、表面よりも若干負荷応力が低くなるものの、かなり高い応力が負荷されることになる。そのため、浸炭層直下の部位は、その応力に耐えることができずに最弱部位となって、最初に塑性変形が生じ、比例限度を超えてしまうという問題が生じる。また、後者のシャフト部材は、表面の高硬度化が、浸炭処理に比べると十分でなく、表面の高い応力負荷に耐えられないという問題が生じる。このような理由から、従来のシャフト部材では、期待した性能が得られず、これまで以上にねじり強度を高めることが難しく、細径化も困難であるという問題が生じていた。さらに、シャフト部材には、潤滑等を目的として油孔を設けなければならないことが多い。たとえば、特許文献１に示されたような穴部等を有するシャフト部品の場合には、応力集中する部位が存在することとなる。そのため、穴部等を有するシャフト部品の場合には、応力集中部位から折損しやすくなるという点を考慮する必要があり、中実の場合よりも細径化がさらに難しくなるという問題がある。【０００４】
これに対し、特許文献２には、ガス浸炭焼入れ後に１回以上高周波焼入れを行った後、これを焼戻し、その後に浸炭異常層を除去するという製造方法が示されている。この製造方法によれば、高周波焼入れを繰り返し行うことによる結晶粒微細化効果と、浸炭異常層を除去することによる効果とによって、優れた衝撃強度および曲げ強度を有するものとなるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２２２９号公報
【特許文献２】特開２００９−２９９１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献２に記載の製造方法は、浸炭異常層を除去することを必須とし、かつ、高周波焼入れを繰り返し行うことを理想とするものであり、処理に時間がかかり、製造コスト上不利な方法といえる。また、特許文献２においては、浸炭層の結晶粒を微細化することによって、浸炭層の高強度化を図るものであるが、浸炭層よりも内部の特性は特に言及されておらず、不明であり、表面から軸心までの内部の状態をどのように調整した場合に、より高い比例限度と優れた疲労強度が得られるかという点については不明なままである。【０００７】
シャフト部材において、ねじり強度を向上させて細径化するためには、単に最表面の硬度（強度）を高めるだけでなく、シャフト全体での比例限度の向上が不可欠である。そのためには、全体の比例限度向上に有効な化学成分の範囲を規定すると共に、最表面から内部までの硬度プロファイルをどのように設定すべきかを明らかにする必要がある。【０００８】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、従来よりも確実に比例限度を高めることができ、細径化が可能なシャフト部材を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様は、質量％にて、Ｃ：０．２０〜０．４５％、Ｓｉ：０．０３〜１．５０％、Ｓ：０％超え０．０７０％以下、Ｍｎ：０．５０〜２．００％、Ｃｒ：０．３０〜２．５０％、Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、Ｎ：０．００７０〜０．０２００％、Ｖ：０〜０．３０％、Ｍｏ：０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、
以下の式１を満足し、
式１：１９［Ｃ］＋２．３［Ｍｎ］＋１．４［Ｃｒ］＋１３［Ｍｏ］＋２５［Ｖ］＞１１
（但し、式中における［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］及び［Ｖ］は、それぞれ、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶの含有率（質量％）を示す。）、
最表面に位置し、Ｃ濃度が０．５０％以上であると共に硬さが７００ＨＶ以上である第１硬化層と、
該第１硬化層よりも内側に位置し、硬さが４５０ＨＶ以上である第２硬化層と、
該第２硬化層よりも内側に位置し、硬さが３００ＨＶ以上である内部層とを、備え、
上記第１硬化層の厚みは、０．２０ｍｍ以上であり、
上記第２硬化層の内側端は、最表面から上記シャフト部材の直径の０．１倍以上の深さ位置にある、
シャフト部材にある。【００１０】
本発明の第２の態様は、質量％にて、Ｃ：０．２０〜０．４５％、Ｓｉ：０．０３〜１．５０％、Ｓ：０％超え０．０７０％以下、Ｍｎ：０．５０〜２．００％、Ｃｒ：０．３０〜２．５０％、Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、Ｎ：０％超え０．０２００％以下、Ｖ：０〜０．３０％、Ｍｏ：０〜０．５０％、Ｂ：０％超え０．００５０％以下、Ｔｉ：０％超え０．１０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、
以下の式１を満足し、
式１：１９［Ｃ］＋２．３［Ｍｎ］＋１．４［Ｃｒ］＋１３［Ｍｏ］＋２５［Ｖ］＞１１
（但し、式中における［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］及び［Ｖ］は、それぞれ、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶの含有率（質量％）を示す。）、
最表面に位置し、Ｃ濃度が０．５０％以上であると共に硬さが７００ＨＶ以上である第１硬化層と、
該第１硬化層よりも内側に位置し、硬さが４５０ＨＶ以上である第２硬化層と、
該第２硬化層よりも内側に位置し、硬さが３００ＨＶ以上である内部層とを、備え、
上記第１硬化層の厚みは、０．２０ｍｍ以上であり、
上記第２硬化層の内側端は、最表面から上記シャフト部材の直径の０．１倍以上の深さ位置にある、
シャフト部材にある。
【発明の効果】
【００１１】
上記シャフト部材は、各元素の含有範囲が上記特定の範囲にあると共にさらに式１を満たすような化学成分組成を有し、かつ、外表面から順次、上記第１硬化層、上記第２硬化層および上記内部層とを備えている。そして、上記第１硬化層の厚みが０．２０ｍｍ以上であると共に、その下に位置する上記第２硬化層が、上記シャフト部材の直径の０．１倍以上の深さまで存在し、さらにその下にも所定の硬さ以上に硬化された内部層が存在している。これらの要件を全て具備することによって、上記シャフト部材は、最表面から内部にわたる硬さプロファイルが、急激な硬度低下部位が存在しない等、軸心から表面までの各部位にかかる負荷応力に耐えるのに適した状態となる。そのため、上記シャフト部材は、ねじり応力が付与された際の比例限度を従来よりも大幅に高めることができ、ねじり強度の向上を図ることができる。また、軸心からの距離に応じた部位毎の適切な強化がされた結果として、油孔等の角部といった応力集中部位が存在するシャフト部材に対しても、高い強度向上効果を得ることができる。その結果、シャフト部材の細径化要求にも対応可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態例１において作製するシャフト部材を示す説明図。
【図２】図１のＡ−Ａ線矢視断面図。
【図３】実施例１と従来例１の硬さプロファイルを示す説明図。
【図４】実施形態例２における、第２硬化層深さと比例限度との関係を示す説明図。
【図５】実施形態例３における、表面からの距離と硬さとの関係を示す説明図。
【図６】実施形態例４における、Ｖ添加の有無と焼戻し軟化抵抗との関係を示す説明図。
【図７】実施形態例４における、Ｖ添加の有無と焼戻し軟化抵抗との関係を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
上記第１の態様のシャフト部材の化学成分について、その限定理由を説明する。
Ｃ：０．２０〜０．４５％、
Ｃ（炭素）は、内部硬さを確保するために必要な元素であり、０．２０％以上含有させる。一方、Ｃは過剰に添加すると被削性、冷間鍛造性および靱性の低下を招くため、Ｃ含有率の上限は０．４５％とする。
【００１４】
Ｓｉ：０．０３〜１．５０％、
Ｓｉ（ケイ素）は、脱酸に必要不可欠な元素であり、０．０３％以上含有させる。一方、Ｓｉは過剰に添加すると靱性低下と熱間加工性低下を招くため、Ｓｉ含有率の上限は１．５０％とする。
【００１５】
Ｓ：０％超え０．０７０％以下、
Ｓ（硫黄）は、不可避的に含有される元素であり、０％を超えて含有されるが、多量に含有された場合には疲労強度が低下するおそれがある。そのため、Ｓ含有率の上限は０．０７０％とする。
【００１６】
Ｍｎ：０．５０〜２．００％、
Ｍｎ（マンガン）は、内部硬さを確保するために重要な元素である。そのため、Ｍｎは０．５０％以上含有させる。一方、Ｍｎは過剰に添加すると被削性を低下させるため、Ｍｎ含有率の上限は２．００％とする。
【００１７】
Ｃｒ：０．３０〜２．５０％、
Ｃｒ（クロム）は、内部硬さを確保するために有効であり、その効果を得るために０．３０％以上含有させる。一方、Ｃｒは過剰に添加しても効果が飽和し、コスト高となるため、Ｃｒ含有率の上限は２．５０％とする。
【００１８】
Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、
Ａｌ（アルミニウム）は、浸炭後の結晶粒粗大化を抑制するために有効な元素であり、その効果を得るために０．０１０％以上含有させる。一方、Ａｌを過剰に添加しても上記効果が飽和すると共に、硬質なアルミナ系介在物が増加して、疲労強度が低下するおそれがあるため、Ａｌ含有率の上限は０．１００％とする。
【００１９】
Ｎ：０．００７０〜０．０２００％、
Ｎ（窒素）も、Ａｌと同様に、浸炭後の結晶粒粗大化を抑制する効果を得るために有効な元素であり、その効果を得るために０．００７０％以上含有させる。一方、Ｎを過剰に添加しても上記効果が飽和するおそれがあるため、Ｎ含有率の上限は０．０２００％とする。
【００２０】
Ｖ：０〜０．３０％（０％を含む）、
Ｖ（バナジウム）は、任意添加元素ではあるが、結晶粒微細化効果及び焼戻し軟化抵抗の向上効果が期待できるため、それらの効果を高めたい場合には、添加することが好ましい。特に、Ｖは、高周波加熱時に変態点以上に温度が上がる最大深さ位置より少し内部に入った位置、すなわち焼境部の硬さを、析出強化による焼戻し軟化抵抗の向上により、大きく高めることができる。焼境部においては、変態点以上に温度が上がらないため、浸炭焼入れにより得た組織を高周波加熱により焼もどすことになり、硬さが低下するが、Ｖが添加されていると、析出強化により高周波加熱後の硬さが大きく向上するため、疲労強度を大きく改善することができる。Ｖを添加する場合には、０．２０％以上とすることが好ましく、これにより、上述の効果を確実に得ることができる。一方、Ｖを過剰に添加しても上記効果が飽和すると共に、コスト高を招くおそれがあるため、Ｖを含有する場合の上限は、０．３０％とする。
【００２１】
Ｍｏ：０〜０．５０％（０％を含む）、
Ｍｏ（モリブデン）は、任意添加元素ではあるが、焼入れ性向上に有効であるため、必要に応じ添加することが好ましい。一方、Ｍｏを過剰に添加するとコスト高および加工性低下を招くおそれがあるため、Ｍｏ含有率の上限は０．５０％とする。
【００２２】
なお、任意元素であるＶ及びＭｏは、スクラップを原料とし、電気炉で製造する場合には、不可避的に不純物として含有される場合も多く、実際の分析結果においては、微量の検出があることが多い。通常、Ｖは０．０１％、Ｍｏは、０．０６％程度までは積極的に添加しなくても、不可避的に不純物として含有されることがある。
【００２３】
次に、式１：１９［Ｃ］＋２．３［Ｍｎ］＋１．４［Ｃｒ］＋１３［Ｍｏ］＋２５［Ｖ］＞１１（但し、式中における［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］及び［Ｖ］は、それぞれ、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶの含有率（質量％）を示す。）は、上述した化学成分を前提として、さらに、内部層において、３００ＨＶ以上の硬さを確保するために必要なものであり、多くの実験により導かれたものである。したがって、上述した基本的な化学成分の範囲を考慮した上で、さらに、式１を満足することが、シャフト部材のねじり強度向上に重要である。少なくともこの式１を満足しなければ、十分な内部層における硬さを確保することが難しくなる。
【００２４】
次に、上記第２の態様のシャフト部材の化学成分について、その限定理由を説明する。
第２の態様における、Ｎ、Ｂ及びＴｉ以外の限定理由は、第１の態様の場合と基本的に同じである。
【００２５】
Ｎ：０％超え０．０２００％以下、
Ｎは、第１の態様においては、Ａｌと同様に、浸炭後の結晶粒粗大化を抑制する効果を得るために必須元素として０．００７０％以上を確保している。しかしながら、この第２の態様においては、後述するごとく、Ｔｉ及びＢを必須元素とすることによる粒界強度向上による疲労強度向上効果が、Ｎ含有による結晶粒微細化による強度改善効果を上回り、Ｎ含有率が低い方がＢの添加効果を向上できるため、Ｎ含有率の下限は、特に設定しないこととした。しかしながら、Ｎは通常不可避的に含有されることを考慮し、下限は０％超えとした。上限については、上述したとおりである。
【００２６】
Ｂ（ホウ素）：０％超え０．００５０％以下、
Ｂは、金属組織における粒界強度の向上に寄与する元素であり、その効果によりさらに疲労強度を向上させる。そして、前記効果を確実に得るには、０．０００５％以上の含有が必要であるが、微量の含有であってもＴｉ、Ｂ未添加鋼と比較して同等以上の特性は得ることができるので、特に下限は設定していない。一方、Ｂを過剰に添加しても上記効果が飽和するため、Ｂ含有率の上限値は０．００５０％とする。なお、Ｂの添加効果は非常に大きく、後述の実施例に示す通り、試験片に油孔のような応力集中部位を有する場合でも、Ｂの添加効果による角部強度改善効果で、破壊の起点が孔角部から焼境部に移動することが確認できた。
【００２７】
Ｔｉ（チタン）：０％超え０．１０％以下、
上述したＢによる粒界強度の向上効果を得るためには、鋼中のＮと結合してＢＮとして析出することによるＢの消費を抑制する必要がある。ＢＮになると、Ｂの粒界強度改善効果が得られなくなるためである。この対策として、Ｔｉを積極的に添加し、ＴｉＮを優先的に析出させ、Ｂの粒界強度改善に寄与する固溶Ｂの量を確保することが有効である。この効果を得るために、Ｂを０．０００５％以上添加しつつ、Ｔｉを０．０１％以上添加することが好ましい。しかし、微量添加であっても、Ｔｉ、Ｂ未添加鋼との比較で同等以上の特性は得ることができるので、特に下限の具体的値は設定していない。一方、Ｔｉを過剰に添加した場合、ＴｉＮ等の介在物が過剰に生成してしまい、疲労強度が低下するおそれがあるため、Ｔｉ含有率の上限値は０．１０％とする。
【００２８】
このように、第２の態様においては、ＴｉとＢとの積極的な複合添加を必須とし、粒界強度の向上によるシャフト部材のさらに疲労強度の向上を図る一方、Ｎの下限値を緩和している。
【００２９】
次に、上記シャフト部材は、上記第１硬化層、第２硬化層、内部層とを、最表面から順次備えている。上記シャフト部材は、後述するように、浸炭及びその直後の焼入れを施した後、高周波焼入れを行うことによって作製されるが、第１硬化層は、浸炭及び高周波焼入れにより硬化された層であって、Ｃ濃度が０．５０％以上であると共に硬さが７００ＨＶ以上である層と定義することができ、最表面に位置する層である。その厚みは、Ｃ濃度と硬さのプロファイルを把握し、Ｃ濃度が０．５０％以上であって、かつ、硬さが７００ＨＶ以上である範囲を特定することによって把握できる。
【００３０】
この第１硬化層は、０．２０ｍｍ以上確保することが必要である。この部分は、浸炭により必要な量のＣが表面に侵入拡散された後、高周波焼入れにより、再度変態点以上に加熱された後急冷されることにより、必ず硬いマルテンサイト組織が得られるため、厚み確保には、実質的に、浸炭処理時にＣ濃度が０．５０％以上の範囲を表面から０．２０ｍｍ以上確保することによって実現可能である。なお、第１硬化層の厚み、すなわち、浸炭処理によるＣ拡散による有効硬化深さを深くすれば、表面層の高強度化をさらに図ることができるものの、そのために必要な浸炭処理時間が長くなり、生産性が低下するため、その点を考慮した現実的な厚みである０．８０ｍｍ以下程度に調整することが好ましい。また、第１硬化層のＣ濃度の上限値は、セメンタイト析出の防止、表面層の脆化を抑制する必要があるという理由から０．９５％とすることが好ましい。なお、浸炭処理には、ガス浸炭、減圧浸炭等、複数の処理方法が考えられるが、本発明では、表面に炭素を侵入させることができさえすれば、必要な性能を得ることができるため、その方法は、特に限定されない。
【００３１】
上記第１硬化層の内側には、上記第２硬化層を設ける。第２硬化層は、浸炭の効果が及んでいる第１硬化層よりも内側に位置し、高周波焼入れにより硬化された層であって、硬さが４５０ＨＶ以上の層である。高周波焼入れ時に加熱された部分は短時間加熱であるため、それよりも内側の高周波加熱の効果が及んでいない部分と比較すると、明らかに結晶粒が細かくなっており、組織観察によりその範囲を特定することができる。具体的には、後述する内部層と比較すると、結晶粒のレベルが明らかに異なるレベルであることが組織観察により確認できるため、当業者なら容易に第２硬化層と後述の内部層との境界位置を把握できる。
【００３２】
なお、第２硬化層であることの条件には、Ｃ濃度は含めないが、実質的には浸炭層よりも浸炭処理によるＣ拡散の影響が小さくなる部位であるため、Ｃ濃度は、０．５０％未満の範囲となる。そして、この第２硬化層は、その最も深い内側の端部がシャフト部材の直径の０．１倍以上の深さに位置するように厚みを確保することが必要である。この厚み確保のために、高周波焼入の加熱の際に、表面から深さ方向にシャフト部材の直径の０．１倍以上の部分までをオーステナイト化温度まで加熱されるように、高周波焼入れ時の周波数、加熱コイルに流す電流値や電圧値、加熱コイルに対する被熱処理材の移動速度等を調整することが必要である。
【００３３】
上記第２硬化層が、シャフト部材の直径の０．１倍以上の深さまで存在するような厚みを確保できない場合には、十分な比例限度の向上を得ることは難しくなるおそれがある。従って、例えば、シャフト部材の直径が２０ｍｍφであれば、表面から少なくとも２．０ｍｍ以上の深さまで第２硬化層を設ける必要がある。なお、この第２硬化層の深さとは、第２硬化層のみの厚みではなく、表面から内部層との境目までの深さのことを意味する。そして、第２硬化層の深さは、比例限度向上に大きく影響するので、シャフト部材の直径に関係なく、表面から２．０ｍｍ以上の深さとするのがより好ましい。
【００３４】
上記第２硬化層の内側には、上記内部層を備える。内部層は、硬さが３００ＨＶ以上の層であり、浸炭後の焼入れにより硬化された後、高周波焼入れによる硬化効果が及んでいない内部層である。すなわち、高周波焼入れ時の加熱は、表面から特定の距離範囲までしか加熱されないため、内部層となる領域は、高周波焼入れ時の加熱によっては、変態点以上の温度に加熱されない。従って、内部層は、全体加熱となる浸炭時の加熱後の焼入れによって、硬化されることとなる。そして、前記した通り、高周波加熱により加熱された部分は、熱処理後の組織観察で特定することができるため、その位置より軸心に近い部分が内部層であると判断することができる。
【００３５】
そして、上記内部層は、前記式１を満足する成分とすることにより、３００ＨＶ以上の硬さを確保することができる。この内部層の厚みは、最大厚みとしては、シャフト部材の軸心まで、あるいは、中空の場合には内周面までの範囲となるが、少なくとも、外周面から直径の１／４の位置までの範囲において、３００ＨＶ以上の硬さとしておくことが好ましい。ねじりが加わった場合、外周に近いほど大きな応力が加わり、軸心近傍では高い応力負荷がかからないため、外周面から直径の１／４の位置までについて３００ＨＶ以上の硬さを確保しておけば、必ずしも軸心までの硬さを限定しなくても、高い比例限度、疲労強度を得ることが可能だからである。なお、内部層の硬さの上昇は、比例限度の向上に寄与するため、好ましくは３５０ＨＶ以上とするのが良い。
【００３６】
特に、第２硬化層と内部層の境目付近、すなわち、内部層の中でも最も表面に近い位置（焼境部）では、高周波加熱時に変態点以上には加熱されないものの、変態点未満のかなりの高温に加熱されるため、浸炭後の焼入れにより得られた組織が焼戻しされることになり、これにより硬さが低下する。しかし、この際に鋼にＶが含有されていると、析出強化により硬さの低下を抑制できるため、後述の実施例に示すように、大きな疲労強度改善効果を得ることができる。焼境部は、内部層の中で最も表面に近く、応力の高い部位となるため、ここが最弱部位となる可能性があるためである。
【００３７】
次に上記シャフト部材の製造方法について説明する。まず、電気炉にて製造した所望の化学成分に調整した溶鋼を鋳造して鋳塊を作製する。その鋳塊に圧延や鍛伸等の熱間加工を施して、粗加工前の棒材に加工する。そして、この棒材に、必要に応じ機械加工性向上のための焼鈍し処理を行った後、所望形状にほぼ近いシャフト部材に切削加工する粗加工を行う。その後、浸炭焼入れ処理を施した後、必要に応じ焼戻し処理を行う。この焼戻し処理は、後工程である高周波焼入れ前の遅れ破壊を防止することが目的なので、すぐに高周波焼入れが行われる場合には、必ずしも必要な処理ではない。さらに、シャフト部材の外周面に高周波焼入れ処理を施した後、焼戻し処理を行う。最後に、面取り加工等の仕上げ加工を施して所望形状とする。
【００３８】
上記製造方法において、浸炭焼入れ処理においては、浸炭条件等を、Ｃ含有率が０．５０％以上となる浸炭層の厚みが０．２０ｍｍ以上となるよう調整する。また、その後の高周波焼入れ処理においては、その加熱条件を、直径の０．１倍以上の深さまで十分に焼入れ効果が得られるように調整する。
【００３９】
また、上記シャフト部材としては、中心軸に沿った内穴を有すると共に、外表面から上記内穴に連通するよう径方向に設けられた横穴を有しているものであってもよい。この場合、内穴および横穴は、上記粗加工時に設けることが好ましい。
【００４０】
（実施形態例１）
上記シャフト部材の実施例につき、比較例と共に説明する。まず、表１、表２に示す化学成分を有する複数の鋼種（Ｅ１〜Ｅ３２、Ｃ１〜Ｃ６、従来材１〜２）を準備した。なお、表１、２におけるＶの欄の「−」は、０．００５％未満の分析結果であることを意味し、表２におけるＢ及びＴｉの欄の「−」は、製造時に積極的に添加しなかった場合を意味する。
【００４１】
これらの鋼は、電気炉で溶解して鋼塊を作製し、鋼塊に鍛伸加工を施して粗加工前の棒材に加工する。そして、この棒材を９００℃に１時間保持した後、６００℃まで４時間かけて冷却した後空冷する焼き鈍し処理を行った。その後、ほぼ所望形状に近い形状に切削加工する粗加工を行い、シャフト部材を得た。シャフト部材に対しては、浸炭、高周波焼入等の熱処理を施した。その後仕上げ加工を施して、シャフト部材を最終の形状に仕上げた。
【００４２】
【表１】
0006394844.tif 000002
【００４３】
【表２】
0006394844.tif 000003
【００４４】
図１、図２に示すごとく、本例では、油孔等の応力集中の影響が無視できない形状のシャフト部材における強度を評価したいため、中心軸に沿った内穴２を有すると共に、外表面１１から内穴２に連通するよう径方向に貫通して設けられた横穴３を有するシャフト部材１を作製して評価した。外径Ｄ１は２０ｍｍ、内径Ｄ２は７ｍｍ、横穴３の内径Ｄ３は４ｍｍである。横穴３の開口端には、Ｃ＝０．５ｍｍの面取りがなされる。シャフト部材１の切削加工は、上述した熱処理前の加工で、最終形状まで加工される。なお、実際の試験では、ねじり試験機でねじりトルクを負荷しやすい形状とする必要があるため、試験片両端の試験時における固定部（図１では省略している）を図１より径の太い円断面とし、一面が平面となる形状としたものを準備し、最後の仕上げ加工で、この平面部分の寸法調整のための加工のみを行った。
【００４５】
本例では、表３、表４に示すごとく、実施例、比較例及び従来例として、表１に示した各鋼種を用いて熱処理条件を一部変えて実験を行った。
【００４６】
【表３】
0006394844.tif 000004
【００４７】
【表４】
0006394844.tif 000005
【００４８】
まず、実施例１〜３２、比較例１〜６、８〜１０、並びに従来例１の浸炭焼入れは、プロパンガスを基にしたＲＸガス及びエンリッチガスを用いたガス浸炭処理であって、保持温度：９５０℃、浸炭期：７５分、拡散期：７５分の条件で処理した後、降温して８５０℃に保持し、その後、１３０℃の油に焼入れるという条件を採用した。この条件は、Ｃ濃度が０．６％以上となる浸炭層の深さが０．３０ｍｍ以上となることを狙った条件である。またこれらの例の浸炭焼入れ後の焼戻しは、１５０℃×１ｈｒという条件で行った。
【００４９】
比較例７及び従来例２は、浸炭焼入れ及びその後の焼戻しは行っていない。また、比較例８、９は、上記浸炭処理のＣ．Ｐ．（カーボンポテンシャル）や処理時間を変更し、Ｃ濃度が０．５０％以上となる浸炭層の深さが０．２０ｍｍ未満となった場合の比例限度や疲労強度に及ぼす影響を調査したものである。なお、浸炭焼入れ後の焼戻しは、他の例と同様とした。
【００５０】
次に、高周波焼入れは、ワーク移動式高周波焼入れ装置を使用し、周波数：２００ｋＨｚで、軸方向全てにおける外周面に高周波焼入れを実施する条件で行った。冷却は、水冷とした。硬化層深さはコイル電圧と試験材のコイルに対する移動速度により調整した。高周波焼入れ後の焼戻しは、１８０℃に１時間保持するという条件で行った。実施例１〜３２、比較例１〜５及び７〜９については、硬化層深さ（高周波加熱によりオーステナイト化する深さ）は、３．０ｍｍの狙いとした。それに対し、比較例１０は、硬化層深さの影響を確認するため、意図的に本発明の条件を満足しない２．０ｍｍ未満となるように調整した。比較例６は、高周波焼入れを行わないことによる影響を確認するため、高周波焼入れを行わずに評価を行った。また、従来例１は、従来の浸炭処理により強化したシャフト材の例であるので、これも高周波焼入れは行っていない。なお、従来例２については浸炭処理を行わずに高周波焼入れを行ったが、その条件は後述する。
【００５１】
以上の製造方法によって得られた各実施例、比較例、及び従来例のシャフト部材に対して、以下の評価を行い、その結果を表５〜７に示した。
【００５２】
＜Ｃ濃度測定＞
図２に示すように、横穴３を設けた位置の断面において、測定ラインＬに沿った断面において、外周端から内方に向けてＥＰＭＡを用いて、測定点ピッチ１μｍでＣ濃度を測定した。外周端のＣ濃度を表面Ｃ濃度として、表５に示した。また、Ｃ濃度が０．５０％以上である最も内側の測定点の深さを測定し、その点が０．２０ｍｍ以上となるかどうかを判定した。０．２０ｍｍ以上となった場合は○、０．２０ｍｍ未満の場合には数値を表５に示した。なお、○のものは、いずれも、０．３０〜０．４５ｍｍの範囲内の数値となっていた。
【００５３】
＜硬度測定＞
図２に示す測定ラインＬ上における最表面位置と、深さ０．２０ｍｍ位置、２．０ｍｍの位置、５．０ｍｍ（直径の１／４の深さに相当）の位置のビッカース硬さを、測定荷重３００ｇｆで測定した。
【００５４】
＜第１硬化層評価＞
第１硬化層の最表層硬さ及び０．２０ｍｍの位置での硬さは、７００ＨＶ以上の場合を○、７００ＨＶ未満の場合を数値で、表５〜７に示した。また、一部の浸炭を行わなかった試験材については、表５に未実施と記入した。
【００５５】
＜第２硬化層評価＞
第２硬化層の硬さは、若干の変動はあるものの、表面から深くなるほど硬さは低くなる傾向であることを考慮し、最表面からの深さが試験片直径の０．１倍である表面から２．０ｍｍの位置での硬さを代表値として測定し、４５０ＨＶ以上の場合を○、４５０ＨＶ未満の場合を数値で、表５〜７に示した。表面からの深さが試験片直径の０．１倍である２．０ｍｍの位置での硬さが４５０ＨＶ以上であることを確認することにより、本発明の第２硬化層の条件を満足しているかどうかを確認することができる。
【００５６】
また、一部の高周波焼入れを行わなかった試験材については、表５に未実施と記入した。なお、前記した通り、高周波焼入れは、一部の試験材を除き、硬化深さが３．０ｍｍとなるように調整しており、３．０ｍｍとなるよう調整した試験材については、断面の組織を観察したが、調整した通りの結果となっていることを確認できた。また、意図的に硬化深さが浅くなるよう調整した比較材１０は、焼入れ深さは表５に記載の通り１．８ｍｍであった。ここで。第２硬化層と内部層の境目は、前記した通り、結晶粒度の違いを観察することにより、判断した。この観察結果より、第２硬化層の厚みが所定の厚み以上であるかどうかの確認を行った。なお、比較材１０は、高周波焼入れによる硬化深さが１．８ｍｍであるが、表面から２．０ｍｍの位置でも４５０ＨＶ以上の硬さを有していたため、比較材１０の硬さの欄への評価は○と記載した。
【００５７】
＜内部層評価＞
内部層の硬さも、軸心に近いほど浸炭後の焼入れ時の冷却速度が遅くなり、硬さが低くなる傾向となることを考慮し、直径の１／４の位置である深さ５．０ｍｍの位置の値で評価した。この結果により、表面から直径の１／４の深さまで所定の値以上の硬さとなっていることを確認することができる。そして、その硬さが３００ＨＶ以上の場合を○、３５０ＨＶ以上の場合を◎、３００ＨＶ未満の場合はその数値で、表５〜７に示した。なお、従来例１、２は数値で示した。
【００５８】
＜比例限度＞
各シャフト部材に対して、静ねじり試験を実施し、比例限度を測定した。具体的には、各試料の図２の断面Ｌ上の位置の表面側に歪みゲージを貼り付け、ねじりトルクを負荷し、歪ゲージからの出力と負荷したねじりトルクから、歪−トルク線図をそれぞれ求めた。そして、弾性変形域での直線関係が外れた時点のねじりトルクを比例限度の値として求めた。比例限度は、従来例２の場合を１００％として、これに対する比率で求め、１００％未満の場合を×、１００％以上１１０％未満の場合を△、１１０％以上１２０％未満の場合を○、１２０％以上の場合を◎として、表５に示した。
【００５９】
＜疲労強度＞
各シャフト部材に対して、疲労ねじり試験を実施し、１０万回強度を測定した。具体的には、軸方向一方から見て右ねじり側と左ねじり側に、それぞれ同じ最大トルクが加わるようなトルクの範囲で繰り返しトルクを変動させながら、疲労寿命が１０万回となる際の、前記最大ねじりトルクの値により評価した。１０万回強度は、従来例１の場合の値を１００％として、これに対する比率で求め、１００％未満の場合を×、１００％以上１１０％未満の場合を△、１１０％以上１３０％未満の場合を○、１３０％以上の場合を◎、１４０％以上の場合を☆、１５０％以上の場合を★として、表５〜７に示した。
【００６０】
表７に示すように、実施例２７〜３２については、前記疲労ねじり試験により破壊した試料における破壊起点をＳＥＭにて撮影後、撮影された画像を目視により確認すると共に、焼境部における断面硬さを測定した。「焼境部」は、高周波加熱時に変態点温度以上に加熱される限界深さよりも少し内部に入ったその近傍で最も硬度が低くなる位置を意味する。すなわち、高周波加熱時に変態点以上に加熱される最大深さ位置より少し軸芯に近い位置であって、高周波加熱時に変態点未満ではあるが、かなり高温に加熱されることで、焼戻し効果により硬度が低下する位置を意味する。
【００６１】
【表５】
0006394844.tif 000006
【００６２】
【表６】
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【００６３】
【表７】
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【００６４】
ここで、図３には、実施例１と従来例１について、その硬さプロファイルを図示した。同図は、横軸に表面からの距離（ｍｍ）を、縦軸に硬さ（ＨＶ）をとり、実施例１をａ、従来例１をｂとして、それぞれの硬さをプロットしたものである。同図から知られるように、従来例１については、高周波焼入れを行っていないため、７００ＨＶ以上の浸炭層を表面に有するものの、深さ０．５〜１．０ｍｍ程度のところで４００ＨＶ以下まで急激に硬さが低下するような硬さプロファイルを有している。
【００６５】
一方、実施例１では、硬化深さが優れた強度を得るのに適した条件となるように、浸炭焼入れと高周波焼入れが行われているため、７００ＨＶ以上であって、浸炭及び高周波焼入れで硬化された第１硬化層を少なくとも０．２ｍｍ以上備え、その下層に、４５０ＨＶ以上であって、高周波焼入れにより硬化された第２硬化層を、深さが直径の０．１倍以上に相当する２．０ｍｍ以上（本実施例では、３．０ｍｍ狙いとなるように調整）備え、その内部に浸炭後の焼入れにより、３００ＨＶを十分に超える硬さに硬化された内部層を備えた硬さプロファイルを有していることがわかる。
【００６６】
表１、２、５〜７に示すように、実施例１〜３２は、上述した特定の化学成分組成を具備し、かつ、式１の値が全て１１を超えている。そして、かつ、適切な熱処理を施すことによって、図３にも示したように、Ｃ濃度が０．５０％以上であると共に硬さが７００ＨＶ以上となるように浸炭及び高周波焼入れで硬化された第１硬化層が０．２０ｍｍ以上の厚みを有し、硬さが４５０ＨＶ以上となるように高周波焼入れにより硬化された第２硬化層が、その内側端が最表面からシャフト部材の直径の０．１倍以上の深さを有し、かつ、硬さが３００ＨＶ以上となるように浸炭後の焼入れにより硬化された内部層を備えている。
【００６７】
ねじりトルクが負荷された際、表面に近い部位ほど高い応力状態となるが、上記の状態に調整されたシャフト部材は、各部位が、実際に負荷される応力に耐えるのに適した強度を有するものとなっている。その結果、実施例１〜３２は、従来例１、２に比べて、大きく比例限度が改善するとともに、優れた疲労強度を有することが確認できた。特に、内部層の硬さが３５０ＨＶ以上である実施例１、３〜７、９、１１、１３、１４、１６、１７、１９、２２〜２４、２６については、比例限度が従来例２に比べて２０％以上向上していた。
【００６８】
特に、Ｔｉ、Ｂが好ましい範囲で添加された実施例である実施例１１〜２４は、Ｔｉ、Ｂ未添加鋼の実施例である実施例１〜１０と比較して、明確に優れた疲労強度が得られることが確認でき、特に、Ｖ添加により焼境部の硬さ向上を図った実施例２１〜２４は、特に優れた疲労強度を示した。
【００６９】
また、実施例２５、２６は、Ｔｉ、Ｂを添加しているものの、その添加が十分でなかった例を示すものであるが、この場合でもＴｉ、Ｂ添加による効果は十分ではなかったものの、実施例１〜１０にて示されるＴｉ、Ｂ未添加鋼とほぼ同等の性能を示すことが確認できた。
【００７０】
また、実施例２７〜３２は、Ｔｉ、Ｂ添加の効果とＶ添加の有無による効果の差異を明確にするため、鋼種Ｅ２７〜２９、Ｅ３０〜３２は、Ｔｉ、Ｂ、Ｖ以外の成分含有率をほぼ同じとし、鋼種Ｅ２７、Ｅ３０がＴｉ、Ｂ未添加鋼、鋼種Ｅ２８、Ｅ３１が、Ｔｉ、Ｂ添加鋼であってＶ未添加鋼、鋼種Ｅ２９、Ｅ３２がＴｉ、Ｂ、Ｖ全て添加した鋼からなるものであり、その評価結果を表７に示す。表７に示した結果より、Ｔｉ、Ｂ添加により、粒界強度改善により油孔角部の強度が大きく改善され、破壊起点が油孔角部から焼境部に移動したことが確認された。さらにＶを添加すると、焼境部硬さが５０〜６０ＨＶ程度改善され、疲労強度がさらに改善されることが確認できた。
【００７１】
なお、表５〜７には、本発明の条件を満足しているという意味で硬さ、焼入れ深さを○や◎で示したが、具体的な測定値は、浸炭層の最表層硬さは、７４２〜８３３ＨＶ、０．２ｍｍ位置硬さは７０２〜７８８ＨＶ、第２硬化層硬さは、４５３〜７００ＨＶであった。また、内部層硬さの◎は、３５２〜４４６ＨＶ、○は、３０３〜３４６ＨＶであった（比較例、従来例の○も含む）。
【００７２】
これに対し、比較例１は、化学成分が式１を満たさないために、内部層の硬さが不十分となった。その結果、比例限度が低くなった。
【００７３】
比較例２は、Ｃ含有率が低すぎたために、高周波焼入れ後の第２硬化層の硬さが低くなり、本発明の条件を満足する第２硬化層が形成されなかった。その結果、比例限度が低くなった。
【００７４】
比較例３は、Ｍｎ含有率が低すぎたために、浸炭後の焼入れによる内部層の硬度向上効果が十分に得られなかった。その結果、比例限度が低くなった。
【００７５】
比較例４は、Ｓ含有率が高すぎたために、疲労強度の起点となる硫化物系介在物が増加し、その結果、疲労強度が低くなった。
【００７６】
比較例５は、Ｃｒ含有率が低すぎると共に式１を満たさなかったために、浸炭後の焼入れによる内部層の硬度向上効果が十分に得られなかった。その結果、比例限度が低くなった。
【００７７】
比較例６は、高周波焼入れをしなかったために、前記の従来例１と同様に、本発明の条件を満足する第２硬化層が形成されず、浸炭層直下で急激に硬度低下する硬さプロファイルとなった結果、比例限度が低くなった。
【００７８】
比較例７は、浸炭焼入れを行わなかったために、第１硬化層が形成されなかった。その結果、表面硬度が浸炭焼入れを行う場合と比べて低く（５５０ＨＶ）、疲労強度が従来例１に比べて低下するとともに、比例限度も期待したほど向上しなかった。
【００７９】
比較例８は、Ｃ．Ｐ．と浸炭処理時間の調整で、浸炭により十分な炭素が拡散浸入する前に処理を終了させたことによる影響を把握するための比較例である。そのため、高硬度の浸炭層の形成が不完全となり、疲労強度改善効果が十分に得られず、比例限度の改善効果も不十分となった。
【００８０】
比較例９は、浸炭処理時間の調整により、意図的に浸炭層深さが浅くなるよう調整し、その結果、第１硬化層の深さが０．２ｍｍ未満となった例であるその結果、比例限度と疲労強度の両方の改善効果が不十分となったものである。
【００８１】
比較例１０は、高周波焼入れ処理による硬化深さが浅く、本発明の条件を満足する第２硬化層が形成されなかったため、比例限度の改善効果が不十分となったものである。なお、比較例１０は、高周波焼入れ時の加熱深さが浅いため、深さ２．０ｍｍ位置での硬さはぎりぎり４５０ＨＶ以上を確保していたが、その位置から硬さは内部層に向かって３５０〜３６０のＨＶレベルまで急低下していることが確認された。
【００８２】
従来例１は、従来高強度シャフト材として用いられてきたＪＩＳのＳＣＭ４２０を用い、ガス浸炭処理を行ったもので、従来のシャフト材の疲労強度レベルを把握するための、疲労強度評価の基準とする試験結果を示すものである。この試験材は、高周波焼入れを行なっておらず、本発明の条件を満足する上記第２硬化層が形成されていないため、比例限度が大きく劣るものである。
【００８３】
従来例２も、従来例１と同様に、従来高強度シャフト材として用いられてきたＪＩＳのＳＣｒ４４０を用い、高周波焼入れを行ったもので、従来のシャフト材の比例限度レベルを把握するための、比例限度評価の基準と試験結果を示すものである。なお、第２硬化層の深さは、従来の多くのシャフト材の仕様を考慮して、２．０ｍｍとなるよう、高周波加熱条件を調整した。結果を表５に示す。
この試験材は、浸炭焼入れを行なっておらず、高硬度な上記第１硬化層が形成されていないため、疲労強度が大きく劣ることがわかった。
【００８４】
（実施形態例２）
本例では、第２硬化層の深さと比例限度との関係をより詳細に調べる実験を行った。まず、化学成分を実施例１における鋼種Ｅ１に固定して、浸炭焼入れ及びその後の焼戻しの条件を実施例１と同じとし、高周波焼入れ時の加熱コイル電圧、加熱する際の試験材の移動速度の調整等により、第２硬化層の深さを変化させた複数のシャフト部材を準備した。化学成分を同じとしたことにより、すべての内部層の硬さは、浸炭後の焼入れによる硬度向上効果により、約４００ＨＶに調整されたので、内部層の硬さの差異による比例限度への影響は皆無と判断することがきでる。その他の条件は実施例１の場合と同様である。そして、実施例１と同様の静ねじり試験を実施し、比例限度を求めた。
【００８５】
比例限度は、前記した従来例２の場合を１００％として、これに対する比率で求め、その数値を表８に示した。また、図４には、横軸に第２硬化層深さ（ｍｍ）を、縦軸に比例限度の強度比（従来例２を基準とした）をとり、表８のデータをプロットした。
【００８６】
【表８】
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【００８７】
表８及び図４から知られるように、第２硬化層の深さを、シャフト部材の直径の０．１倍の深さである２．０ｍｍ以上とすることにより、従来、高い比例限度が得られるとして採用されてきた従来例２に比べ、確実に１０％以上比例限度を向上させることができることがわかる。特に、第２硬化層の深さを３．０ｍｍ以上とした場合には、２０％以上比例限度を高められることがわかる。
【００８８】
（実施形態例３）
本例では、内部層の硬さ（直径の１／４の深さの位置の硬さ）と比例限度との関係をより詳細に調べる実験を行った。まず、表９に示すごとく、内部層の硬さを変化させるため、化学成分を調整し、焼入れ性を変化させた異なる６種類の鋼種である調査材１〜６を準備し、実施例１と同様にしてシャフト部材を作製した。この成分を変化させる際、Ｃ含有率が変化すると、マルテンサイトの硬さ、すなわち第２硬化層の硬さが変化し、比例限度の値に影響が生じる可能性があるので、調査材１〜６のＣ含有率は、表９に示すごとく、ほぼ同じ含有率となるようにした。浸炭焼入れ及びその後の焼戻し、ならびに高周波焼入れ及びその後の焼戻し条件は実施例１と同様とした。また、高周波焼入れ深さは実施例１と同様に、３．０ｍｍとなるよう、高周波加熱条件を調整した。その他の条件は実施例１の場合と同様である。そして、実施例１と同様の静ねじり試験を実施し、比例限度を求めた。
【００８９】
【表９】
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【００９０】
比例限度は、従来例２の場合を１００％として、これに対する比率で求め、その数値を表１０に示した。また、図５には、横軸に内部層の硬さ（ＨＶ）を、縦軸に比例限度の強度比（従来例２を基準とした）をとり、表１０のデータをプロットした。
【００９１】
【表１０】
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【００９２】
表１０及び図５から知られるように、内部層の硬さを３００ＨＶ以上とすることにより、従来よりも確実に１０％以上比例限度を向上させることができることがわかる。
内部層は、図４で変化させている第２硬化層に比べ軸心に近く、応力の低い領域の硬さ変化による比例限度への影響は、当然の如く、第２硬化層の硬さ変化の影響に比べ、若干小さいものとはなるものの、依然として硬さを高める効果は小さくなく、内部層の硬さであっても、その硬さを高めることによって、比例限度を高めるのに有効であることが明確となった。
【００９３】
（実施形態例４）
本例では、Ｖ添加とＶ未添加による、焼戻し軟化抵抗の差異を具体的に調べた例を示す。表１１に示すごとく、Ｔｉ、Ｂ未添加鋼である調査材４１、４２と、Ｔｉ、Ｂ添加鋼である調査材４３、４４に示すように、Ｖ以外の成分をほぼ同じとした上で、Ｖ添加鋼とＶ未添加鋼を準備し、この鋼材に後述の方法で、熱処理を行い、Ｖ添加の有無による熱処理後の硬さの違いを調べたものである。
【００９４】
【表１１】
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【００９５】
調査材４１〜４４は、電気炉にて溶製した材料を鍛伸した後、機械加工し、直径φ２６ｍｍ×長さ４０ｍｍの試験片に加工した。その試験片に、前処理として、８５０℃×１時間の均熱処理を施した後、１３０℃の油に焼入れる焼入れ処理を施した。その後、各温度（焼戻し温度）に昇温した管状炉に挿入し、１時間均熱させたのち空冷する焼戻し処理を行った。焼戻し温度としては、５００℃、５５０℃、６００℃、６５０℃の４種類とした。
【００９６】
焼戻し処理が完了した各試験片について、長手方向の中央で切断し、切断面を研磨し、ビッカース硬さ試験にて硬さを測定した。硬さ試験は、Ｄ／４位置（表面から直径の１／４深さの位置）を測定位置とし、測定荷重は１０ｋｇｆとする条件で実施した。また、各試験は、それぞれ３つの試験片について繰り返し行い（ｎ＝３）測定値の平均値を測定結果として採用した。測定結果を図６及び図７に示す。これらの図は、横軸に焼戻し温度（℃）を取り、縦軸に硬さ（ＨＶ）を取ったものである。焼戻し処理前の試験片についても同様にビッカース硬さを測定し、各図の１５０℃の位置にプロットした。
【００９７】
図６及び図７が示すように、Ｖ添加鋼である調査材４１及び４３は、Ｖ無添加鋼である調査材４２及び４４と比較して、いずれの焼戻し温度であっても高い硬度を示し、焼戻し後の硬度低下が少なかった。このことは、Ｖの積極的な添加が、析出強化による効果によって焼き戻し軟化抵抗向上効果をもたらすことを示しているといえる。高周波焼入は、一定の深さまでが加熱され、それより深い位置は、変態点以上に加熱されない。変態点以上に加熱されるぎりぎりの深さから少し内部に入った位置では、変態点未満でしか加熱されないため、高周波焼入前の浸炭焼入れ時の加熱で得られた組織が焼もどされるという現象が起きる。この際、Ｖ添加鋼では、析出硬化により焼戻し軟化抵抗が高められるため、Ｖ未添加鋼に比べ硬さが低下しにくくなる。そして、Ｖ添加鋼におけるこの効果が、焼境部の硬さ向上をもたらし、疲労強度の大幅改善につながることが確認できた。
【要約】
Ｃ：０．２０〜０．４５％、Ｓｉ：０．０３〜１．５０％、Ｓ：０．０７０％以下、Ｍｎ：０．５０〜２．００％、Ｃｒ：０．３０〜２．５０％、Ａｌ：０．０１０〜０．１００％、Ｎ：０．００７０〜０．０２００％、Ｖ：０〜０．３０％、Ｍｏ：０〜０．５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、式１：１９［Ｃ］＋２．３［Ｍｎ］＋１．４［Ｃｒ］＋１３［Ｍｏ］＋２５［Ｖ］＞１１を満足する。Ｃ濃度が０．５０％以上であると共に硬さが７００ＨＶ以上である第１硬化層と、硬さが４５０ＨＶ以上である第２硬化層と、硬さが３００ＨＶ以上である内部層とを備える。第１硬化層の厚みは、０．２０ｍｍ以上であり、第２硬化層の内側端は、最表面から上記シャフト部材の直径の０．１倍以上の深さ位置にある。必要に応じＴｉ：０％超え０．１０％以下、Ｂ：０％超え０．００５０％以下を含有することにより疲労強度をさらに改善できる。【図１】
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【図２】
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【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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