(57)【要約】【課題】  機械部品の処理方法の改善により、低コストでかつ機械部品強度、例えば歯車の歯元強度と歯面強度など、の向上を図る製造方法を提供する。【解決手段】  高強度機械構造用鋼から作製した機械部品に浸炭焼入焼戻しあるいは浸炭窒化焼入焼戻しの表面処理を施し、その後、機械部品の表面に、粒径４０〜２００μｍの鋼球と粒径５〜５０μｍの二硫化モリブデン粉末を鋼球／二硫化モリブデン粉末の体積比で０．５〜１０に混合してなるショット材を噴射速度１００ｍ／ｓｅｃ以上で１５ｓｅｃ以上間にわたって噴射することからなる耐ピッチング性および曲げ疲労強度に優れる高強度機械部品の製造方法である。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
高強度機械構造用鋼から作製した機械部品に浸炭焼入焼戻しあるいは浸炭窒化焼入焼戻しの表面処理を施し、その後、機械部品の表面に、粒径４０〜２００μｍの鋼球と粒径５〜５０μｍの二硫化モリブデン粉末を鋼球／二硫化モリブデン粉末の体積比で０．５〜１０に混合してなるショット材を噴射速度１００ｍ／ｓｅｃ以上で１５ｓｅｃ以上間にわたって噴射することを特徴とする耐ピッチング性および曲げ疲労強度に優れる高強度機械部品の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の高強度機械構造用鋼は、さらに強度および被削性の改善された鋼であることを特徴とする耐ピッチング性および曲げ疲労強度に優れる高強度機械部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の動力伝達部品として使用される歯車を代表とする高強度機械部品の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の自動車の動力伝達部品として使用される歯車を代表とする機械部品は、ＪＩＳ  ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０、ＳＮＣＭ４２０を代表とする機械構造用鋼材を熱間鍛造あるいは冷間鍛造した後に切削加工や研削加工により歯車形状などに成形し、さらにそれらを浸炭あるいは浸炭窒化で表面硬化して用いることが多い。
【０００３】
近年、環境問題への関心の高まりに伴い、自動車の燃費向上のために歯車などの機械部品の軽量化が重視されるようになり、そのために機械部品は高強度化のニーズが益々高まっている。
【０００４】
歯車などの機械部品の高強度化は、例えば、歯車の場合、歯元強度の向上と歯面強度向上に大別される。従来から歯元強度、特に歯元の曲げ疲労強度を改善する対策としてショットピーニングなどが案出され、その効果が大きいために広く実用化されている。その結果、現在では、機械部品の表面強度、例えば歯車であれば、歯元強度よりも歯面強度の方が、機械部品の高強度化のネックとなりつつある。
【０００５】
上記の機械部品の表面強度、例えば歯車の歯面強度、の中で特に問題となるのが面圧強度、つまり耐ピッチング性であり、これを改善するために、過共析浸炭焼入れ焼戻し処理を施した後、歯面を研削しショットピーニングを施す技術が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。さらに、Ｓｉ＋Ｃｒ量を１．８〜２．８として軟化抵抗を高め、かつ、浸炭窒化または浸炭浸窒した後に表面のＣ＋Ｎ量を１．０〜２．０に規制することにより、表面に適度な量の残留オーステナイトを形成させて耐ピッチング性を改善する技術がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
また、固体潤滑剤である二硫化モリブデンの皮膜を用いて軸受部品の面圧強度を上昇された例がある（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
さらに、機械構造用鋼材の歯車形状の表面から深さ０．１ｍｍまでのＣ、Ｓｉ、Ｍｎ量が５．５％＜３×Ｃ％＋５．２×Ｓｉ％＋Ｃｒ％とし、表面から深さ５０μｍでのビッカース硬さが７００〜９００であると共に、表面硬さが最大粗さＲｍａｘで５μｍ以下、平均粗さＲａで１μｍ以下で良好なピッチング寿命が得られるとした発明が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。
【０００８】
以上のように、従来の歯車の面圧強度の改善策は、歯車表面が３００℃付近まで上昇することから、材料の面ではＳｉ、Ｍｏ、Ｃｒを代表とする耐軟化抵抗性つまり高温硬さ改善が一般的であり、表面処理の面では浸炭や浸炭窒化により表面のＣ量やＮ量を制御すること、そして部品表面に固体潤滑剤皮膜や圧縮残留応力を付与したり、粗度を改善する方法が行われている。
【０００９】
しかし、これらの組合せを行っても、近年のさらなる部品の高強度化ニーズには十分ではない。また、一般に自動車用を代表とした機械における機械構造用部品は大量生産されるため、製造コストの削減が常に求められている。したがって、製造コスト上昇を抑えつつ優れた耐ヒッチング性を確保する必要がある。
【００１０】
一方、被削性に優れた高強度高靱性調質鋼としてＴｉ快削鋼の発明が提案されている。（例えば、特許文献５参照。）。しかし、この発明では、Ｔｉは炭硫化物を形成して被削性を上昇させるために添加しているのであり、さらに、Ｓｉも被削性を改善するために添加されている。しかし、この発明は、歯車の面圧強度改善については一切記載されておらず、したがって、歯車の面圧強度改善のためにＳｉとＴｉを複合添加する点についての記載は全くなく、従って、その全実施例についても、本発明の範囲から外れており、実質的に歯車の面圧強度改善について示唆するものではない。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−３０９３１８号公報
【特許文献２】特開平０９−２９６２５０号公報
【特許文献３】特許第３００６６３２号公報
【特許文献４】特許第３３０８３７７号公報
【特許文献５】特開平１１−１７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、材料面での新たな改善策に応えるもので、機械部品の処理方法の改善により、低コストでかつ機械部品強度、例えば歯車の歯元強度と歯面強度など、の向上を図る製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、高強度機械構造用鋼から作製した機械部品に浸炭焼入焼戻しあるいは浸炭窒化焼入焼戻しの表面処理を施し、その後、機械部品の表面に、粒径４０〜２００μｍの鋼球と粒径５〜５０μｍの二硫化モリブデン粉末を鋼球／二硫化モリブデン粉末の体積比で０．５〜１０に混合してなるショット材を噴射速度１００ｍ／ｓｅｃ以上で１５ｓｅｃ以上間にわたって噴射することを特徴とする耐ピッチング性および曲げ疲労強度に優れる高強度機械部品の製造方法である。
【００１４】
上記の請求項１の手段における高強度機械構造用鋼として最適なものは、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００８〜０．０６５％、Ｃｒ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．００３〜０．０３５％、Ｎ：０．００２０〜０．０２００％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼である。
【００１５】
請求項２の発明では、請求項１の手段における高強度機械構造用鋼は、さらに強度および被削性の改善された鋼であることを特徴とする耐ピッチング性および曲げ疲労強度に優れる高強度機械部品の製造方法である。
【００１６】
上記の請求項２の手段におけるさらに被削性の改善された鋼として最適なものは、上記の請求項１の手段における高強度機械構造用鋼の化学成分に、さらに、質量％で、Ｍｏ：０．１５〜１．５％、Ｎｉ：０．２５〜１．５％、Ｂ：０．０００３〜０．００８０％、Ｔｉ：０．１０〜０．２５％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％、Ｖ：０．０３〜０．３０％から選択した１種又は２種以上を含有し、さらに、Ｐｂ：０．０１〜０．３５％、Ｂｉ：０．０１〜０．３５％、Ｃａ：０．０００５〜０．０２００％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００％、Ｔｅ：０．０００５〜０．０２００％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０２００％から選択した１種又は２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼である。
【００１７】
上記の本発明における方法のショットピーニングに使用する鋼球と二硫化モリブデンの大きさを限定した理由を以下に説明する。
【００１８】
鋼球ショットは部品表面に圧縮残留応力を付与するために実施し、鋼球は大きいほど高い圧縮残留応力を付与でき、その大きさは４０μｍ以上が必要であり、大き過ぎると処理された機械部品の表面粗度が大きくなり、潤滑油膜形成に悪影響を及ぼし、面圧強度の低下を招く。従って、鋼球の大きさは、上限を２００μｍとする必要がある。
【００１９】
一方、部品表面に固体潤滑剤の皮膜を付与するために二硫化モリブデンをショットする。二硫化モリブデン粉末は、小さ過ぎるとショットの効果が得られないので、５μｍ以上とする。しかし、大き過ぎると、ショット時に空気抵抗が大きくなり、噴射速度が遅くなるので、上限を５０μｍとする。
【００２０】
これらの粉末は、（鋼球／二硫化モリブデン）＝０．５〜１０の比率で混合し、噴射速度１００ｍ／ｓｅｃ以上で１５ｓｅｃ以上噴射した場合に、極めて高い面圧強度と曲げ疲労強度が得られる。この理由は、鋼球ショットにより高い圧縮残留応力を付与することができること、そして二硫化モリブデンショットにより高い潤滑効果を付与できるだけでなく、表面に付着した二硫化モリブデン皮膜を鋼球ショットによって剥離し難くし、二硫化モリブデンの一部を鋼球ショットによって鋼材内部に侵入させた結果である。
【００２１】
（鋼球／二硫化モリブデン）＝０．５〜１０としたのは、０．５未満では鋼球が少ないために十分な圧縮残留応力を付与できず、１０を超えると鋼材表面に付着する二硫化モリブデン量が少ないために潤滑効果が小さくなり、面圧強度が低下するためである。噴射速度は速いほど良いが、十分にショットの効果を出すためには１００ｍ／ｓｅｃ以上が必要である。噴射時間も長い程良いが、十分にショットの効果を出すためには少なくとも１５ｓｅｃ以上が必要である。
【００２２】
本発明における機械部品に使用される上記の最適な鋼の化学成分の限定理由を以下に説明する。なお、％は質量％とする。
【００２３】
Ｃ：０．１０〜０．３５％
Ｃは、強度を確保するために必要な元素であり、０．１０％未満では芯部強度が確保できず、０．３５％を超えると、被削性が阻害される。そこでＣは０．１０〜０．３５％とし、好ましくは０．１５〜０．２５％とする。
【００２４】
Ｓｉ：０．０５〜１．５０％
Ｓｉは、脱酸剤としても必要な元素であり、０．０５％未満では、その効果は十分でなく、１．５０％を超えると、被削性を阻害する。そこでＳｉは０．０５〜１．５０％とし、好ましくは、０．１０〜１．２５％とする。
【００２５】
Ｍｎ：０．３０〜１．００％
Ｍｎは、焼入性を確保するために必要な元素であり、０．３０％未満ではその効果はなく、１．００％を超えると被削性を阻害する。そこでＭｎは０．３０〜１．００％とし、好ましくは０．３５〜０．８０％とする。
【００２６】
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、オーステナイト粒界に偏析して衝撃強度低下させるため、含有量を０．０３０％以下とし、好ましくは０．０２５％以下とする。
【００２７】
Ｓ：０．００８〜０．０６５％
Ｓは、硫化物による被削性を確保するために必要な元素であり、０．００８％未満ではその効果はなく、０．０３５％を超えると熱間加工性および衝撃強度を低下する。そこでＳは０．００８〜０．０３５％とし、好ましくは０．０１２〜０．０３５％とする。
【００２８】
Ｃｒ：０．５〜２．０％
Ｃｒは、焼入性を確保するために必要な元素であり、０．５％未満ではその効果はなく、２．０％を超えると被削性を阻害する。そこでＣｒは０．５〜２．０％とし、好ましくは０．６〜１．７％とする。
【００２９】
Ａｌ：０．００３〜０．０３５％
Ａｌは、脱酸剤として添加される元素であり、０．００３％未満ではその効果はなく、０．０３５％を超えて添加してもその効果は飽和し、通常の電気炉レベルで０．０３５％以下である。そこでＡｌは、０．００３〜０．０３５％とし、好ましくは、０．０１０〜０．０３０％とする。
【００３０】
Ｎ：０．００２０〜０．０２００％
Ｎは、ＡｌＮによる浸炭時の結晶粒粗大化防止効果に役立つ元素であり、０．００２０％未満ではその効果はなく、さらに鋼の溶製において低Ｎ化操業はコスト高となる。一方、溶鋼中で不純物中のＴｉと反応し、大型ＴｉＮを晶出して被削性を低下するので上限を０．０２００％とする。そこでＮは０．００２０〜０．０２００％とし、好ましくは０．００５０〜０．００１５０％とする。
【００３１】
Ｍｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖは１種または２種以上を選択的に含有し得る元素であり、以下に説明する。
【００３２】
Ｍｏ：０．１５〜１．５％
Ｍｏは、高温硬さおよび焼入性確保に効果のある元素であり、０．１５％未満ではその効果はなく、１．５％を超えると被削性を低下しコスト的に不利となる。そこでＭｏは０．１５〜１．５％とし、好ましくは０．２５〜１．０％とする。
【００３３】
Ｎｉ：０．２５〜１．５％
Ｎｉは、機械部品の曲げ疲労強度確保に効果のある元素であり、０．２５％未満ではその効果はなく、１．５％を超えると被削性を低下しコスト的に不利となる。そこでＮｉ：０．２５〜１．５％とし、好ましくは０．３〜１．０％とする。
【００３４】
Ｂ：０．０００３〜０．００８０％
Ｂは、焼入性確保に効果のある元素であり、０．０００３％未満ではその効果はなく、０．００８０％を超えるとホウ炭化物析出により強度が低下する。そこでＢ：０．０００３〜０．００８０％とし、好ましくは０．００１０〜０．００３０％とする。
【００３５】
Ｔｉ：０．１０〜０．２５％
Ｔｉは、浸炭あるいは浸炭窒化時にＴｉＣあるいはＴｉＣＮを析出し、耐ヒッチング性と曲げ疲労強度を改善する元素であり、０．１０％未満ではその効果はなく、０．２５％を超えると被削性を低下する。そこでＴｉは、０．１０〜０．２５％とし、好ましくは０．１２〜０．２０％とする。
【００３６】
Ｎｂ：０．０１〜０．１５％
Ｎｂは、結晶粒微細安定化による曲げ疲労強度を改善する元素であり、０．０１％未満ではその効果はなく、０．１５％を超えるとコスト的に不利になる。そこでＮｂは０．０１〜０．１５％とし、好ましくは０．０２〜０．１０％とする。
【００３７】
Ｖ：０．０３〜０．３０％
Ｖは、高温硬さ確保に効果のある元素であり、０．０３％未満ではその効果はなく、０．３０％を超えるとコスト的に不利となる。そこでＶは０．０３〜０．３０％とし、好ましくは０．１０〜０．２５％とする。
【００３８】
さらに、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｎｇ、Ｔｅ、Ｚｒは１種または２種以上を選択的に含有し得る元素であり、以下に説明する。
【００３９】
Ｐｂ：０．０１〜０．３５％
Ｐｂは、被削性改善に効果のある元素であり、０．０１％未満ではその効果はなく、０．３５％を超えると、コスト的に不利になる。そこで、Ｐｂは０．０１〜０．３５％とし、好ましくは、０．０２〜０．２０％とする。
【００４０】
Ｂｉ：０．０１〜０．３５％
Ｂｉは、被削性改善に効果のある元素であり、０．０１％未満ではその効果はなく、０．３５％を超えると、コスト的に不利になる。そこで、Ｂｉは０．０１〜０．３５％とし、好ましくは、０．０２〜０．２０％とする。
【００４１】
Ｃａ：０．００５〜０．０２００％
Ｃａは、被削性改善に効果のある元素であり、０．００５％未満ではその効果はなく、０．０２００％を超えると、コスト的に不利になる。そこで、Ｃａは０．００５〜０．０２００％とし、好ましくは、０．００１０〜０．０１００％とする。
【００４２】
Ｍｇ：０．００５〜０．０２００％
Ｍｇは、被削性改善に効果のある元素であり、０．００５％未満ではその効果はなく、０．０２００％を超えると、コスト的に不利になる。そこで、Ｍｇは０．００５〜０．０２００％とし、好ましくは、０．００１０〜０．０１００％とする。
【００４３】
Ｔｅ：０．００５〜０．０２００％
Ｔｅは、被削性改善に効果のある元素であり、０．００５％未満ではその効果はなく、０．０２００％を超えると、コスト的に不利になる。そこで、Ｔｅは０．００５〜０．０２００％とし、好ましくは、０．００１０〜０．０１００％とする。
【００４４】
Ｚｒ：０．００５〜０．０２００％
Ｚｒは、被削性改善に効果のある元素であり、０．００５％未満ではその効果はなく、０．０２００％を超えると、コスト的に不利になる。そこで、Ｚｒは０．００５〜０．０２００％とし、好ましくは、０．００１０〜０．０１００％とする。
【００４５】
本発明において使用する鋼は、ショットピーニングの他に従来から利用されている様々な表面処理、例えばガス浸炭、真空浸炭、浸炭窒化、高濃度浸炭（過共析浸炭）などの表面硬化処理や、歯研処理あるいはその他の摩擦係数低減化処理などによって、さらなる部品、例えば歯車の歯元強度および歯面強度の改善が可能となる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明は、機械構造用鋼からなる機械部品において、鋼球および二硫化モリブデン粉末の混合材料を噴射することで、回転曲げ疲労強度、ローラーピッチング寿命共に向上し、機械部品、例えば歯車の歯元強度および歯面強度の高強度化が図られるなど、機械装置の小型軽量化が促進でき、その結果、無駄なエネルギーの消費を減少して環境改善に寄与するなど、本発明は優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
本発明を実施するための最良の形態について説明する。先ず、表１に本発明に実施する鋼の鋼化学成分を示す。これらの鋼を１００ｋｇ真空溶解炉で溶製し、鋼塊とし、鋼塊から径３０ｍｍの棒材に熱間鍛造し、さらに９００℃に１時間保持して放冷した。
【００４８】
【表１】
2005187850.tif 000002
【００４９】
上記で得た棒材から、切欠き回転曲げ疲労試験片とローラーピッチング試験片を作製した。その後、９３０℃に６時間保持し、雰囲気のＣｐ０．８で浸炭および拡散処理し、８３０℃から６０℃の油中に焼入れ、１８０℃で焼戻し後、試験片の表面に鋼球と二硫化モリブデン粉末をそれぞれ表３に示す条件で噴射してして表面処理を施した。これらの試験片を用いて、表２に示す試験条件でローラーピッチング試験を行なった。
【００５０】
【表２】
2005187850.tif 000003
【００５１】
さらに、小野式回転曲げ疲労試験を行ない、ローラーピッチング試験と小野式回転曲げ疲労試験の結果を表３に示す。
【００５２】
【表３】
2005187850.tif 000004
【００５３】
上記処理の目標値は、回転曲げ疲労強度で７００ＭＰａ以上、ローラーピッチングＬ50寿命は７．０×１０6以上である。従って、表３において、＊印の処理条件は本発明の請求範囲外である。
【００５４】
表３に示すように、本発明の条件１で鋼球および二硫化モリブデン粉末によるショット処理を行った場合、回転曲げ疲労強度、ローラーピッチング寿命共に目標値を達成している。しかし、網掛け部で示すように、条件２〜７の場合、あるいは、条件１において鋼球または二硫化モリブデン粉末のいずれか一方のみでショットした場合は、回転曲げ疲労強度とローラーピッチング寿命の少なくとも一方の目標が未達成であった。