(57)【要約】【課題】  鋼素材からなる耐ピッチング性、耐摩耗性、疲労強度、耐衝撃性に優れた機械構造用部品、特に高面圧用部品とその製造方法を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃｒ：１．５０〜６．００％（好ましくは２．００〜５．５０％）、Ｍｏ：０．０１〜３．００％（好ましくは０．０１〜１．５０％）を含有し、Ｃｒ＋２Ｍｏ：２．００〜８．００％（好ましくは２．００〜６．００％）である鋼からなる耐ピッチング強度、耐磨耗性に優れ、表層において√（長径×短径）が２μｍ以上である炭化物が面積率で２％以下である高面圧用部品。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃｒ：１．５０〜６．００％、Ｍｏ：０．０１〜３．００％を含有し、かつ、Ｃｒ＋２Ｍｏ：２．００〜８．００％である鋼からなり、表層において長径と短径の積の平方根が２μｍ以上である炭化物が面積率で２％以下であることを特徴とする耐ピッチング性および耐磨耗性に優れる高面圧用部品。
【請求項２】
請求項１に記載の鋼成分に加えて、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．６０％、Ｓｉ：０．０１〜２．００％、Ｍｎ：０．０１〜２．００％、Ａｌ：０．００３〜０．０５０％、Ｎ：０．００５〜０．１００％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、表層において長径と短径の積の平方根が２μｍ以上である炭化物が面積率で２％以下であることを特徴とする耐ピッチング性および耐磨耗性に優れる高面圧用部品。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鋼成分に加えて、質量％で、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｂ：０．０００１〜０．００２０％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．２０％、Ｔｉ：０．０１〜０．２０％から選択した１種または２種以上を含有し、表層において長径と短径の積の平方根が２μｍ以上である炭化物が面積率で２％以下であることを特徴とする耐ピッチング性および耐磨耗性に優れる高面圧用部品。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼成分に加えて、質量％で、Ｓ：０．００１〜０．０３０％、Ｐｂ：０．０１〜０．２０％、Ｂｉ：０．０１〜０．２０％から選択した１種または２種以上を含有し、表層において長径と短径の積の平方根が２μｍ以上である炭化物が面積率で２％以下であることを特徴とする耐ピッチング性および耐磨耗性に優れる高面圧用部品。
【請求項５】
上記の請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋼成分からなる高面圧用部品について、加熱温度を９３０〜１０５０℃、浸炭表層のＣ濃度を０．６０〜０．８０％、焼入れ温度を８５０〜９００℃に制御して浸炭焼入れ、焼戻し処理または浸炭窒化焼入れ、焼戻し処理を施すことを特徴とする高面圧用部品の製造方法。
【請求項６】
上記の焼戻し処理した後、研磨、ショットピーニング、ハードショットピーニング、微粒子ショットピーニングのいずれか１種またはこの中の複数の表面硬化処理を行うことを特徴とする請求項５に記載の高面圧用部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高面圧の掛かる機械構造用鋼からなる部品（以下、「機械構造用部品」という。）、例えば焼入れ、浸炭、浸炭窒化などを施して製造される歯車やＣＶＴなどの高面圧用部品に用いられる耐ピッチング性および耐摩耗性に優れる機械構造用部品とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械構造用部品、例えば歯車などの高面圧を受ける部品は、鋼材を熱間鍛造、冷間鍛造、切削などにより部品形状に成形し、さらに浸炭を施して使用している。このような部品の用途の鋼材には、ＪＩＳ−ＳＣＭ４２０、ＪＩＳ−ＳＣｒ４２０などの低合金肌焼鋼が主に用いられている。例えば、このような低合金肌焼鋼からなる高面圧用部品の製造方法がすでに知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００３】
しかし、近年これらの鋼材からなる部品を使用する機械装置の高性能化、小型軽量化に伴い、使用条件が過酷になり、部品にかかる負荷が増大するに伴い、部品の耐ピッチング性、耐摩耗性、疲労強度のさらなる向上が求められている。
【０００４】
このような要求に対し有効な手段として、部材に対する高濃度浸炭が挙げられる。この高濃度浸炭方法は、浸炭材表層における炭素濃度を従来のＣが０．８質量％程度よりも高いＣが１．０〜１．５質量％とし、浸炭材表面のマルテンサイト組織に炭化物を分散させる表面処理方法である（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、この方法では長時間の熱処理が必要であり、このためコストが高くなる。また、炭化物を球状に制御する必要がある。なぜなら網目状の炭化物が析出した場合には、かえって部品の耐ピッチング性や疲労強度が低下してしまうという欠点があるためである。
【０００５】
【特許文献１】特許第３０３３３４９号公報
【特許文献２】特許第３２１９１６７号公報
【非特許文献１】「熱処理技術」２６巻２号、昭和６１年４月、”高炭素浸炭の技術”、内野武志外著、ｐ．１５７〜１６２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、上記の問題を克服して、従来の高濃度浸炭による浸炭材の表層の炭素濃度をＣが１．０〜１．５質量％のように高めることなく、耐ピッチング性、耐摩耗性、疲労強度、耐衝撃性に優れた機械構造用部品、特に高面圧用部品とその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】
【０００７】
上記の課題を達成するため本発明の手段は、請求項１の発明では、質量％で、Ｃｒ：１．５０〜６．００％（好ましくは２．００〜５．５０％）、Ｍｏ：０．０１〜３．００％（好ましくは０．０１〜１．５０％）を含有し、Ｃｒ＋２Ｍｏ：２．００〜８．００％（好ましくは２．００〜６．００％）である鋼からなり、表層において長径と短径の積の平方根（以下、「√（長径×短径）」という。）が２μｍ以上である炭化物が面積率で２％以下であることを特徴とする耐ピッチング強度、耐磨耗性に優れる高面圧用部品である。
【０００８】
請求項２の発明では、上記の高面圧用部品は、請求項１の手段の鋼成分に加えて、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．６０％（好ましくは０．２０〜０．４５％）、Ｓｉ：０．０１〜２．００％(好ましくは０．３０〜１．００％)、Ｍｎ：０．０１〜２．００％（好ましくは０．３０〜１．５０％）、Ａｌ：０．００３〜０．０５０％（好ましくは０．００３〜０．０５０％）、Ｎ：０．００５０〜０．１０００（好ましくは０．００８０〜０．０２００）を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、表層において√（長径×短径）が２μｍ以上である炭化物が面積率で２％以下であることを特徴とする耐ピッチング性および耐磨耗性に優れる高面圧用部品である。
【０００９】
請求項３の発明では、上記の高面圧用部品は、上記請求項１または２の手段の鋼成分に加えて、質量％で、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｂ：０．０００１〜０．００２０％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．２０％、Ｔｉ：０．０１〜０．２０％から選択した１種または２種以上を含有し、表層において√（長径×短径）が２μｍ以上である炭化物が面積率で２％以下であることを特徴とする耐ピッチング性および耐磨耗性に優れる高面圧用部品である。
【００１０】
請求項４の発明では、上記の高面圧用部品は、上記請求項１〜３のいずれか１項の手段の鋼成分に加えて、質量％で、Ｓ：０．００１〜０．０３０％、Ｐｂ：０．０１〜０．２０％、Ｂｉ：０．０１〜０．２０％から選択した１種または２種以上を含有し、表層において√（長径×短径）が２μｍ以上である炭化物が面積率で２％以下であることを特徴とする耐ピッチング性および耐磨耗性に優れる高面圧用部品である。
【００１１】
請求項５の発明では、上記の請求項１〜４のいずれか１項の手段の鋼成分からなる高面圧用部品について、加熱温度を９３０〜１０５０℃（好ましくは９５０〜１０００℃）、浸炭表層のＣ濃度を０．６０〜０．８０％、焼入れ温度を８５０〜９００℃に制御して浸炭焼入れ、焼戻し処理または浸炭窒化焼入れ、焼戻し処理を施すことを特徴とする高面圧用部品の製造方法である。
【００１２】
さらに請求項６の発明では、上記の焼戻し処理した後、研磨、ショットピーニング、ハードショットピーニング、微粒子ショットピーニングのいずれか１種またはこの中の複数の表面硬化処理を行うことを特徴とする請求項５の手段の高面圧用部品の製造方法である。
【００１３】
以上に記載した通り、低合金肌焼鋼に浸炭を施した従来の材料の部品と比較して、本発明の手段の部品では、高Ｃｒ−Ｍｏ鋼を用い、高面圧用部品の素材に粗大な炭化物を生成させない浸炭焼入れ、焼戻しあるいは浸炭窒化焼入れ、焼戻しを施すことにより、（１）高Ｃｒ−Ｍｏ化によるマトリックスの強化、および（２）耐ピッチング性を低下させる粗大炭化物を防止することで、耐摩耗性、耐ピッチング性、耐衝撃性および疲労強度を高めている。
【００１４】
さらに必要に応じて、研磨、ショットピーニングを施し、表面の浸炭異常層の除去、圧縮応力の付与により耐摩耗性、耐ピッチング性、耐衝撃性、疲労強度を高めている。
【００１５】
以下に本発明の高面圧用部品の鋼成分の限定理由および処理条件の限定理由を説明する。
【００１６】
Ｃｒ：１．５０〜６．００％、好ましくは２．００〜５．５０％
Ｃｒは、後述のＭｏと同様に本発明で最も重要な元素の一つである。Ｃｒはマルテンサイト中に固溶することで、耐磨耗性、耐ピッチング性を著しく向上させる。その効果を得るためには、Ｃｒは１．５０％以上が必要である。しかし、Ｃｒは６．００％を超えると、加工性が劣化し、網目状炭化物を生成して耐ピッチング性が低下する。そこでＣｒは１．５０〜６．００％とし、好ましくは２．００〜５．５０％とする。
【００１７】
Ｍｏは０．０１〜３．００％、好ましくは０．０１〜１．５０％
Ｍｏは、Ｃｒと同様本発明で最も重要な元素の一つである。Ｍｏは耐磨耗性、耐ピッチング性の向上および焼入れ性の確保に有効な元素である。その効果を得るためには、Ｍｏは０．０１％が必要である。しかし、Ｍｏは３．００％を超えると加工性が劣化し、コストアップする。そこで、Ｍｏは０．０１〜３．００％とし、好ましくは０．０１〜１．５０％とする。
【００１８】
なお、Ｃｒ＋２Ｍｏ：２．００〜８．００％、好ましくは２．００〜６．００％
Ｃｒ＋２Ｍｏは耐磨耗性の向上に最低２．００％必要である。しかし、Ｃｒ＋２Ｍｏは多すぎると加工性が劣化する。そこで、Ｃｒ＋２Ｍｏは２．００〜８．００％、好ましくは２．００〜６．００％とする。
【００１９】
√（長径×短径）：２μｍ以上の炭化物が面積率で２％以下
√（長径×短径）が２μｍ以上の炭化物は、耐ピッチング性を低下させる。２％以下ではその低下は許容できる範囲である。そこで、√（長径×短径）：２μｍ以上の炭化物が面積率で２％以下とする。
【００２０】
Ｃ：０．１５〜０．６０％、好ましくは０．２０〜０．４５％
Ｃは高面圧用部品の芯部の硬さ確保に必要な元素である。そのためには、Ｃは０．１５％以上は必要である。しかし、Ｃは多すぎると加工性が劣化する。そこで、Ｃは０．１５〜０．６０％、好ましくは０．２０〜０．４５％とする。
【００２１】
Ｓｉ：０．０１〜２．００％、好ましくは０．３０〜１．００％
Ｓｉは脱酸に必要な元素であり、さらに、焼戻し軟化抵抗の向上にも有効な元素である。そのためにはＳｉは０．０１％以上は必要である。しかし、Ｓｉが多すぎると、焼戻し軟化抵抗の効果が飽和し、さらに、硬さが上昇して加工性を劣化する。そこでＳｉは０．０１〜２．００％、好ましくは０．３０〜１．００％とする。
【００２２】
Ｍｎ：０．０１〜２．００％、好ましくは０．３０〜１．５０％
Ｍｎは焼入れ性の確保に必要な元素であり、そのためには０．０１％以上は必要である。しかし、Ｍｎは多すぎると、硬さが上昇して加工性を劣化する。そこでＭｎは０．０１〜２．００％、好ましくは０．３０〜１．５０％とする。
【００２３】
Ａｌ：０．００３〜０．０５０％
Ａｌは脱酸に必要な元素であり、０．００３％以下では脱酸が不充分である。しかし、Ａｌは多すぎると、非金属介在物を生成して疲労強度が低下する。そこで、Ａｌは０．００３〜０．０５０％とする。
【００２４】
Ｎ：０．００５〜０．１００％、好ましくは、０．００８〜０．０２０％
ＮはＡｌとＡｌＮを形成して、浸炭時の結晶粒の粗大化を防止する。しかし、Ｎは０．００５％未満ではその効果は小さく、０．１００％を超えると結晶粒の粗大化防止効果が飽和する。そこでＮは０．００５〜０．１００％、好ましくは、０．００８〜０．０２０％とする。
【００２５】
Ｎｉ：０．１〜２．０％
Ｎｉは靭性の向上に有効な元素である。しかし、Ｎｉは０．１％未満ではその効果はない。一方、Ｎｉは２．０％より多すぎると加工性の劣化を招き、コストアップとなる。そこで、Ｎｉは０．１〜２．０％とする。
【００２６】
Ｂ：０．０００１〜０．００２０％
Ｂは焼入れ性の向上に有効な元素である。しかし、Ｂは０．０００１％未満ではその効果はない。一方、Ｂは０．００２０％を超えても、その効果は飽和する。そこで、Ｂは０．０００１〜０．００２０％とする。
【００２７】
Ｖ：０．０１〜０．５０％
Ｖは結晶粒微細化に有効な元素である。しかし、Ｖは０．０１未満ではその効果はない。一方、Ｖは０．５０％を超えても結晶粒微細化の効果は飽和し、コストアップとなる。そこでＶは０．０１〜０．５０％とする。
【００２８】
Ｎｂ：０．０１〜０．２０％
Ｎｂは結晶粒微細化に有効な元素である。しかし、Ｎｂは０．０１未満ではその効果はない。一方、Ｎｂは０．２０％を超えても結晶粒微細化の効果は飽和し、コストアップとなる。そこで、Ｎｂは０．０１〜０．２０％とする。
【００２９】
Ｔｉ：０．０１〜０．２０％
Ｔｉは結晶粒微細化に有効な元素である。しかし、Ｔｉは０．０１未満ではその効果はない。一方、Ｔｉは０．２０％を超えても結晶粒微細化の効果は飽和し、加工性が劣化する。そこで、ＴｉはＴｉ：０．０１〜０．２０％とする。
【００３０】
Ｓ：０．００１〜０．０３０％、好ましくは０．００３から０．０２０％
Ｓは被削性の確保には有効な元素であり、その効果は０．００１％以上で効果がある。しかし、Ｓは多すぎると耐ピッチング性および疲労強度が劣化する。そこでＳは０．００１〜０．０３０％、好ましくは０．００３〜０．０２０％とする。
【００３１】
Ｐｂ：０．０１〜０．２０％
Ｐｂは被削性の確保には有効な元素であり、その効果は０．０１％以上で効果がある。しかし、Ｐｂは多すぎると耐ピッチング性および疲労強度が劣化する。そこでＰｂは０．０１〜０．２０％とする。
【００３２】
Ｂｉ：０．０１〜０．２０％
Ｂｉは被削性の確保には有効な元素であり、その効果は０．０１％以上で効果がある。しかし、Ｂｉは多すぎると耐ピッチング性および疲労強度が劣化する。そこでＢｉは０．０１〜０．２０％とする。
【００３３】
浸炭加熱温度：９３０〜１０５０℃、好ましくは９５０〜１０００℃
浸炭加熱温度が９３０℃未満であると網目状炭化物が多量に生成する。一方、浸炭加熱温度が１０５０℃を超えると、浸炭時に結晶粒の粗大化が生じて、疲労強度の低下を招く。そこで、浸炭加熱温度は９３０〜１０５０℃、好ましくは９５０〜１０００℃とする。
【００３４】
浸炭表層のＣ濃度：０．６０〜０．８０％
浸炭表層のＣ濃度は高面圧部品に必要な表面硬さを確保するために０．６０％以上は必要である。しかし、浸炭表層のＣ濃度は０．８０％より高すぎると、網目状炭化物が多量に生成する。そこで、浸炭表層のＣ濃度は０．６０〜０．８０％とする。
【００３５】
焼入れ温度：８５０〜９００℃
焼入れ温度は８５０℃未満であると、網目状炭化物が多量に生成する。一方、焼入れ温度は９００℃を超えると、焼入れ後の歪みが増大して焼入れ時に割れが発生し易くなる。そこで、焼入れ温度は８５０〜９００℃とする。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の手段とすることで、高面圧の掛かる機械構造用部品、例えば焼入れ、浸炭、浸炭窒化などを施して製造する歯車やＣＶＴなどの高面圧用部品として、長時間の熱処理を必要とすることなく、耐ピッチング性および耐摩耗性に優れ、過酷な使用条件下で部品に掛かる負荷の増大する自動車の静粛性を向上し、さらに軽量化を低コストで可能とするなど、本発明は優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例の発明例および比較例の試験を通じて説明する。
【実施例１】
【００３８】
先ず、本実験に適用した試験片の製造工程について説明する。１００ｋｇ真空溶解炉にて、表１に示す化学成分を含む鋼を溶解して得た鋼から、熱間鍛造にてφ３２ｍｍの丸棒に製作した。
【００３９】
【表１】
2007246941.tif 000002
【００４０】
本発明成分例は、上記の熱間鍛造にて製造したφ３２ｍｍの丸棒から、機械加工によりローラーピッチング試験片、シャルピー衝撃試験片、小野式回転曲げ試験片をそれぞれ製作した。次いで、浸炭温度条件：９２０〜１０５０℃にて浸炭および拡散を行った後、８３０〜９００℃より６０℃の油中にて焼入れし、１８０℃で焼戻しを行った。焼戻し後、表面を０．１ｍｍ研磨により試験片を仕上げた。なお、浸炭炉内雰囲気は、浸炭後の表層が０．６０〜１．００％となるように制御し、次いで１８０℃にて焼戻しを行った。一方、比較成分例については、上記の熱間鍛造にてφ３２ｍｍの丸棒から、機械加工によりローラーピッチング試験片、シャルピー衝撃試験片、小野式回転曲げ試験片をそれぞれ製作し、浸炭条件：９２０℃にて浸炭および拡散を行った後、８３０℃より６０℃の油中にて焼入れし、１８０℃で焼戻しを行った。焼戻し後、表面を０．１ｍｍ研磨により試験片を仕上げた。表２に浸炭の条件と得られた表面から０．５ｍｍまでの√(長径×短径)が２μｍ以上の炭化物の面積率を測定した。測定面積は、０．２５ｍｍ2である。さらに、本発明例の√（長径×短径）：２μｍ以上の炭化物が面積率は２％以下であった。
【００４１】
【表２】
2007246941.tif 000003
【００４２】
これらの試験片を用いて、先ず、以下の条件にてローラーピッチング試験を行った。また、同試験において摩耗量を測定した。摩耗量の測定は、面圧：３４４０ＭＰａ、滑り率：−４０％、油温度：８０℃、回転数：１×１０6回でのローラーピッチング試験片の摺動部の凹み深さを測定し、摩耗量として評価した。さらにシャルピー衝撃試験および小野式回転曲げ試験を行った。なお、試験片は、シャルピー衝撃試験では角１０ｍｍの１０ＲＣノッチ、小野式回転曲げ疲労試験では平行部がφ８ｍｍの切欠き回転曲げ疲労試験片を使用した。これらの試験によって得られた結果を表３に示す。
【００４３】
【表３】
2007246941.tif 000004
【００４４】
表３に示したとおり、本発明例は、比較例に比して耐摩耗性、耐ピッチング性、疲労強度、耐衝撃性で優れていることが分かる。特に、耐磨耗性においては、本発明成分のものは比較成分１、２である比較例５、６に比して極めて優れていることが判った。
【００４５】
次に、仕上げ研磨した後に、表４に規定する条件のショットピーニング、ハードショットピーニング、および微粒子ショットピーニングを行った。
【００４６】
【表４】
2007246941.tif 000005
【００４７】
それらについて以下の条件にてローラーピッチング試験を行った。さらに、同試験において摩耗量を測定した。摩耗量の測定は、面圧：３４４０ＭＰａ、滑り率：−４０％、油温度：８０℃、回転数：１×１０6回におけるローラーピッチング試験片の摺動部の凹み深さを測定し、摩耗量として評価した。さらにシャルピー衝撃試験および小野式回転曲げ試験を行った。これらの試験によって得られた結果を表５に示す。
【００４８】
【表５】
2007246941.tif 000006
【００４９】
表５に、表４の各種のショットピーニングを施さないものと、各種のショットピーニングを施したものを、発明例１、発明例８、発明例１１、発明例３で対比し、さらにショットピーニングを施さない比較例５を対比して示した。なお、発明例３はハードショットピーニングと微粒子ショットピーニングの処理を共に施したものとの対比を示す。この表５から各種のショットピーニングを施すことにより特に疲労強度が向上することが判明した。これに対して比較例５は特に耐摩耗性が劣っていることがわかる。