(57)【要約】【課題】耐面圧及び曲げ疲労強度に優れた安価な機械構造部品を提供する。【解決手段】Ｃｒの含有量が０．８５〜１．２５％、Ｍｏの含有量が０．１５〜０．３０％の鋼を素材としたガス浸炭浸窒熱処理により、微細炭化物分散浸炭層を０．１５ｍｍ以上形成するとともに、窒素浸入により残留オーステナイトを２５〜４５％含有させることにより強度を強化する。さらに、微細炭化物分散浸炭層２の上層部分で炭化物が殆ど存在しない未強化の表層１と粒界酸化とが存在する表層欠陥部を対象とした、粒径φ０．１ｍｍ以下のショット粒を用いたマイクロショットピーニングにより、表面粗さをＲｙ３μｍ以下に保持した状態で、表面圧縮残留応力が１０００Ｎ／ｍｍ2以上、表面硬さが９００ＨＶ以上の強度を確保する。また、表層１に電解浸硫処理を施して、表層１の表面に浸硫層を積層しておく。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製の機械構造部品であって、Ｃｒの含有量が０．８５〜１．２５％、Ｍｏの含有量が０．１５〜０．３０％の鋼を素材としてガス浸炭浸窒熱処理が行われており、そのガス浸炭浸窒熱処理による微細炭化物分散浸炭層が０．１５ｍｍ以上形成され、かつ窒素浸入により残留オーステナイトが２５〜４５％含有されているとともに、前記微細炭化物分散浸炭層の上層部分で炭化物が殆ど存在しない未強化の表層と粒界酸化とが存在する表層欠陥部を対象とした、粒径φ０．１ｍｍ以下のショット粒を用いたマイクロショットピーニングにより、表面粗さをＲｙ３μｍ以下に保持した状態で、表面圧縮残留応力が１０００Ｎ／ｍｍ2以上、表面硬さが９００ＨＶ以上の強度が確保されているとともに、前記表層の表面に電解浸硫処理が施されていることを特徴とする機械構造部品。
【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の歯車やエンジン駆動系等のカムシャフトなど、耐面圧及び曲げ疲労強度の向上が要求される機械構造部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、歯車やカムシャフトなどの機械構造部品には、ＳＣＭ４２０Ｈなどの低合金鋼を浸炭焼入れしたものが使用されている。
【０００３】
最近では、トランスミッションやエンジンにおいて軽量・小型化の要求がますます高くなってきており、歯車やカムシャフトなどの機械構造部品についても小型化が要求されてきている。歯車のような機械構造部品を小型化するには、耐面圧及び曲げ疲労強度をより一層高める必要があるが、ＳＣＭ４２０Ｈ鋼などの通常の浸炭焼入れではそれに対応することは難しい。
【０００４】
このような点を解消するため、例えば歯車の高強度化手法として、特許文献１に、歯面の要求強度特性と歯元の要求強度特性の双方を両立させた炭化物分散強化歯車とその製造方法が開示されている。
【０００５】
また、歯車の強度を向上する方法として、エアノズル方式を用いたショットピーニングが数多く報告されている。これらのショットピーニングにおいては、硬さが７００〜８００ＨＶで、粒径がφ０．３ｍｍ以上のショット粒を用いて、０．１ｍｍ以上の深い圧縮残留応力分布を付加するという方法が採られている。
【特許文献１】特開２０００−１８３６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１（特開２０００−１８３６９号公報）に記載の高強度化手法によれば、次のような問題がある。
【０００７】
（１）分散炭化物による歯元アール部の曲げ疲労強度低下を抑えるために、歯元炭化物分散量を低減し（体積率で歯面５〜１０％、歯元３％ｍａｘの削減）、歯元と歯面との強度バランスをとることにより歯車強度を高めている。
【０００８】
しかしながら、そのような性状を微細炭化物分散浸炭で得るには、浸炭防止剤塗布などの処理により、歯元部へのＣの浸入を抑制する何らかの処置を浸炭時に行っておく必要があるため、炭化物析出と表面軟化層消失のための再加熱浸窒処理を別工程で行わざるを得なくなる。従って、特許文献１に記載の高強度化手法では、熱処理工程が２工程となるため、処理コストのアップが課題となる。
【０００９】
（２）ガス浸炭浸窒処理で微細炭化物分散を行っているが、このような処理では、図１１に示すように表層に粒界酸化（潜在亀裂）が生じ、炭化物形成主要元素であるＣｒが酸化物に殆ど吸収されるため、表層の粒界酸化形成層には炭化物の分散が得られない。そのため、表層においては微細炭化物による分散強化を望むことができず、このような点及び粒界酸化（潜在亀裂）の存在によって十分な強度強化を図ることができない。従って、浸炭状態のまま使用される歯車においては歯元曲げ強度及び歯面ピッチング強度の向上は望めない。
【００１０】
また、特許文献１では、前記した（１）、（２）の問題点を解消するための強度強化法として、ショットピーニングによる削食除去と圧縮残留応力の付加による改善が提案されている。しかし、この改善処理では、ショット強度面（アークハイト値：０．３〜０．８ｍｍ）からみて、表面粗さ及び表面圧縮残留応力の向上は考慮されておらず、従って、表面起点型疲労破壊である歯元アール部の切欠き曲げ疲労強度並びに歯面ピッチング強度の大幅な向上は困難である。
【００１１】
一方、従来の浸炭歯車の高強度化に用いられているショットピーニング技術によれば、図１２に示すように、０．１ｍｍ以上の深い圧縮残留応力分布を得る方法であるので、歯元強度の向上には大きな効果を得ることは可能である。
【００１２】
しかし、表面粗さの増大及び表層塑性変形による表層圧縮残留応力の低下により、表面を起点とする歯面ピッチング強度の向上効果が損なわれるという問題がある。その対策として、表面粗さ・表面圧縮残留応力回復のために更に微粒子ピーニングを付加し、表面の凹凸を均すというような二段ピーニングが行われているが、このような対策ではコストアップが課題となる。
【００１３】
本発明は以上のような問題点を解決するためになされたもので、耐面圧及び曲げ疲労強度がともに優れた安価な機械構造部品の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の機械構造部品は、Ｃｒの含有量が０．８５〜１．２５％、Ｍｏの含有量が０．１５〜０．３０％の鋼を素材としてガス浸炭浸窒熱処理が行われており、そのガス浸炭浸窒熱処理による微細炭化物分散浸炭層が０．１５ｍｍ以上形成され、かつ窒素浸入により残留オーステナイトが２５〜４５％含有されているとともに、前記微細炭化物分散浸炭層の上層部分で炭化物が殆ど存在しない未強化の表層と粒界酸化とが存在する表層欠陥部を対象とした、粒径φ０．１ｍｍ以下のショット粒を用いたマイクロショットピーニングにより、表面粗さをＲｙ３μｍ以下に保持した状態で、表面圧縮残留応力が１０００Ｎ／ｍｍ2以上、表面硬さが９００ＨＶ以上の強度が確保されているとともに、前記表層の表面に電解浸硫処理が施されていることによって特徴づけられる。
【００１５】
次に、本発明を詳細に説明する。
【００１６】
まず、例えばＣｒ含有量：０．８５〜１．２５％、Ｍｏ含有量：０．５％以下の鋼を素材として、ガス浸炭浸窒熱処理による微細炭化物分散を行うと、図１１に示すように微細炭化物分散浸炭層が形成されるが、その上層に粒界酸化（潜在亀裂）と炭化物が殆ど存在しない未強化の表層（〜１５μｍ程度）が存在する。
【００１７】
本発明は、そのような欠陥のある表層を改質することにより、表面硬さ及び表面圧縮残留応力を高めようとするものであり、具体的には、粒径φ０．１ｍｍ以下のショット粒を用いたマイクロショットピーニングを行うことにより表層を強化している（図１参照）。その表層強化について以下に具体的に説明する。
【００１８】
図２に示すように、粒径φ０．３ｍｍ以上のショット粒を用いた通常のショットピーニング（従来の一般的な処理）では、深い領域の圧縮残留応力を高くすることができるが、表面付近の圧縮残留応力を高めることはできない。これに対し粒径φ０．１ｍｍ以下のショット粒を用いたマイクロショットピーニングの場合、深い領域（３０μｍ以上）でのピーニング効果は得られないものの、表面付近での圧縮残留応力を高めることが可能である。従って、φ０．１ｍｍ以下のマイクロショットピーニングを採用することにより、表層に圧縮残留応力を付加することができる。また、φ０．１ｍｍ以下のマイクロショットピーニングによる表面削食作用により、表層の粒界酸化深さを低減することができ（例えば１５μｍ→９μｍ）、粒界酸化による疲労強度の低下をなくすことができる。
【００１９】
さらに、ガス浸炭浸窒熱処理による微細炭化物分散にφ０．１ｍｍ以下のマイクロショットピーニングを付加することにより、表面粗さを悪くすることなく表面硬さを向上させることができる。
【００２０】
以上のように、本発明によれば、ガス浸炭浸窒熱処理による微細炭化物分散による強化つまり微細炭化物分散浸炭層（０．１５ｍｍ以上）の形成と残留オーステナイトの２５〜４５％含有による強度強化に加えて、表層部分の強度をφ０．１ｍｍ以下のマイクロショットピーニングにて強化しているので、耐面圧及び曲げ疲労強度を著しく高めることができる。
【００２１】
これにより、例えば歯車において、歯元切欠き曲げ疲労強度及び歯面の耐ピッチング強度を従来に比して著しく向上させることができ、伝達トルク当たりの処理コストの大幅な低減が可能になるという効果を達成できる。
【００２２】
しかも、複雑な工程のガス浸炭浸窒熱処理や二段ピーニング処理などを行う必要がないので、耐面圧及び曲げ疲労強度に優れた機械構造部品を安価で提供することができる。
【００２３】
そして、本発明の機械構造部品において、常温電解浸硫処理によって表層表面に３〜５μｍの浸硫層を積層しておくと、摺動により表面凹部に浸硫層が残存するため、表層表面の平滑性を高めることができ、また、残存浸硫層により摩擦力が更に低下するため、耐面圧を更に向上させることが可能になる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ガス浸炭浸窒熱処理による微細炭化物分散による強度強化に加えて、表層部分の強度をマイクロショットピーニングにて強化しているので、耐面圧及び曲げ疲労強度がともに優れた安価な機械構造部品を提供することができる。
【００２５】
従って、本発明を歯車に適用することで、歯元切欠き曲げ疲労強度及び歯面の耐ピッチング強度を従来に比して著しく向上させることができ、伝達トルク当たりの処理コストの大幅な低減が可能になるとともに、トランスミッションの軽量コンパクト化・低コスト化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
まず、本発明の機械構造部品の製造方法を説明する。
【００２８】
適用材質（鋼）の成分範囲は、炭化物形成元素であるＣｒ含有量を炭化物形成に必要な０．８５％以上とし、焼きならし時のベイナイト生成による切削性悪化を回避するため、Ｃｒ含有量の上限を１．２５％、靭性向上元素であるＭｏ含有量の上限を０．５％とする。
【００２９】
以上の成分の素材（Ｍｏ含有量が０．１５〜０．３０％）に、以下のガス浸炭浸窒熱処理及びマイクロショットピーニングを行うことによって高強度の機械構造部品を得る。
【００３０】
＜ガス浸炭浸窒熱処理＞
図６に示すパターンでガス浸炭浸窒熱処理を行う。その処理を具体的に説明すると、まず、素材（例えばＳＣＭ４２０Ｈ）を変態点Ａｒ１以上の温度：９３０℃に加熱し、その温度に４．５時間保持して浸炭処理（カーボンポテンシャルＣｐ：０．９０〜１．３５％）を行う。次いで、変態点Ａｒ１以下の温度：６５０℃に冷却した後に再加熱を行い、８５０℃の温度での焼入均熱処理（０．５時間、カーボンポテンシャルＣｐ：０．９０％）により微細炭化物分散を施すとともに、この焼入均熱処理において１．８％ＮＨ3の添加（０．５時間）を行って窒素を浸入させる（浸窒処理）。そして、油冷却（９０℃）を行った後、再加熱を行って焼き戻し（２００℃、２時間）を行う。
【００３１】
以上のようなガス浸炭浸窒熱処理により、図１の模式図に示すように、ガス浸炭による微細炭化物分散浸炭層２を０．１５ｍｍ以上形成することができ、さらに窒素浸入により残留オーステナイトを２５〜４５％含有させることができる。
【００３２】
＜マイクロショットピーニング＞
以上の浸炭浸窒熱処理を行った後、粒径φ０．１ｍｍ以下のショット粒を用いたマイクロショットピーニングを行って、微細炭化物分散浸炭層２上の表層１の強度を強化する。
【００３３】
このようなマイクロショットピーニングを行うと、その表面削食作用（５〜６μｍ）により、微細炭化物分散浸炭層２上の表層１の粒界酸化深さを最大で９μｍにすることができ、粒界酸化による疲労強度の低下をなくすことができる。また、表面付近（〜１５μｍ）の残留応力を１０００Ｎ／ｍｍ2以上とすることができる（図３及び図４）。
【００３４】
さらに、粒径φ０．１ｍｍ以下のショット粒を用いることにより、表面粗さをＲｙ３μｍ以下に抑えた状態で、表面硬さを９００ＨＶ以上とすることができる（図５）。その理由を具体的に説明すると、図１３に示すように、φ５５μｍのショット粒Ｐを用いたマイクロショットピーニングを行った場合、ショット粒Ｐによる圧痕Ｄは約２５μｍとなる。その場合の圧痕Ｄの深さは幾何学的に約３μｍとなり、従って表面粗さをＲｙ３μｍ以下に抑えることが可能になる。
【００３５】
次に、本発明の具体的な実施例を比較例とともに説明する。
【００３６】
＜実施例１−１＞
ＳＣＭ４２０Ｈ（Ｃｒ含有量：０．８５〜１．２５％、Ｍｏ含有量：０．１５〜０．３０％）を素材として、前記したガス浸炭浸窒熱処理（熱処理条件：図６）による微細炭化物分散を行った後、粒径φ０．１ｍｍ以下のショット粒を用いたマイクロショットピーニングを行ってテストピースを作製した。
【００３７】
＜比較例１−１＞
ＳＣＭ４２０Ｈを素材として、前記したガス浸炭浸窒熱処理（熱処理条件：図６）による微細炭化物分散のみを行ってテストピースを作製した。
【００３８】
＜比較例１−２＞
ＳＣＭ４２０Ｈを素材として、図７に示すパターンのガス浸炭浸窒熱処理（微細炭化物分散なし）を行ってテストピースを作製した。
【００３９】
以上の実施例１−１で作製したテストピースと、比較例１−１、１−２で作製したテストピースについて、歯元アール相当の切欠き（形状係数α＝２．４）をつけた試験片による１０7回回転曲げ疲労試験を行った。その試験結果を図８に示す。
【００４０】
図８の試験結果から明らかなように、実施例１−１は、比較例１−２（浸炭浸窒）に対して１．６倍の曲げ疲労強度が得られることがわかる。また、比較例１−１と比較例１−２との比較から、ガス浸炭浸窒熱処理による微細炭化物分散を行うと、ガス浸炭浸窒材よりも曲げ疲労強度が低下することがわかる。これは分散炭化物の切欠きによる影響であると考えられる。
【００４１】
さらに、実施例１−１で作製したテストピースと、比較例１−１、１−２で作製したテストピースについて、耐ピッチング性をローラピッチング試験にて評価した。その評価結果を図９に示す。評価試験は、６０℃のエンジン潤滑油（ＳＡＥ＃２０）を１．６Ｌ／ｍｉｎ滴下した状態で、すべり率−３３％付加して回転数１３５０ｒｐｍにて行った。
【００４２】
図９の評価結果から明らかなように、実施例１−１は、比較例１−２（浸炭浸窒）に対して１．４倍の耐ピッチング強度が得られることがわかる。また、比較例１−１と比較例１−２との比較から、ガス浸炭浸窒熱処理による微細炭化物分散を行っても、耐ピッチング強度は向上しないことがわかる。
【００４３】
＜実施例２−１＞
実施例１−１と同じ処理を行って舶用トランスミッション動力伝達用のはすば歯車（モジュール２．５）を作製した。
【００４４】
＜比較例２−１＞
比較例１−２と同じ処理を行って舶用トランスミッション動力伝達用のはすば歯車（モジュール２．５）を作製した。
【００４５】
以上の実施例２−１で作製したはすば歯車と、比較例２−１で作製したはすば歯車について、許容伝達トルクを動力循環式歯車試験機にて評価した。その評価結果を図１０に示す。評価試験は、エンジン潤滑油（ＳＡＥ＃３０）を用いて８０℃で回転数２６００ｒｐｍにて行った。
【００４６】
図１０の評価結果から明らかなように、実施例２−１は、比較例２−１（浸炭浸窒）に対して１．５倍の伝達トルクを有していることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の機械構造部品の要部組織を模式的に示す図である。
【図２】ショットピーニングにおいてショット粒径と圧縮残留応力分布との関係を示すグラフである。
【図３】マイクロショットピーニングを採用した場合の粒界酸化深さと疲労強度の関係を示すグラフである。
【図４】マイクロショットピーニングを付加した場合の表面残留応力の変化を示すグラフである。
【図５】マイクロショットピーニングを付加した場合の表面硬さの変化を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例で設定するガス浸炭浸窒熱処理の処理条件を示す図である。
【図７】本発明の比較例で設定するガス浸炭浸窒熱処理の処理条件を示す図である。
【図８】本発明の実施例及び比較例の曲げ疲労試験の試験結果を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例及び比較例の耐ピッチング性の評価結果を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例及び比較例の許容伝達トルクの評価結果を示すグラフである。
【図１１】鋼材にガス浸炭浸窒熱処理による微細炭化物分散を施した場合の要部組織を模式的に示す図である。
【図１２】一般的なショットピーニングによる圧縮残留応力分布を示すグラフである。
【図１３】φ５５μｍのショット粒を用いたマイクロショットピーニングを行った際の圧痕の大きさを模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  表層
２  微細炭化物分散浸炭層
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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