(57)【要約】【課題】  鋼球と軟質金属を混合した後、混合粉末でショットピーニングを行うことで軟質固体潤滑粉末を摺動性を持った軟質金属皮膜を効率よく付着すると同時に、摺動面を成す基材との密着性を高めることができる耐ピッチング性および曲げ疲労強度に優れる高面圧用部品を提供する。【解決手段】  鋼球と軟質金属を混合し、その軟質金属の混合割合が５〜５０質量％である混合粉末をショットピーニング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面圧用部品。上記の軟質金属がＳｎ、Ｓｎ合金、Ｚｎ、Ｚｎ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金のいずれか１種または２種以上である混合粉末をショットピーニングする耐ピッチング性および曲げ疲労強度に優れる高面圧用部品。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼球と軟質金属を混合し、その軟質金属の混合割合が５〜５０質量％である混合粉末をショットピーニング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面圧用部品。
【請求項２】
請求項１に記載の軟質金属がＳｎ、Ｓｎ合金、Ｚｎ、Ｚｎ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金のいずれか１種または２種以上である混合粉末をショットピーニング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面圧用部品。
【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、ＣＶＴ、シャフト、ピストンリング、カムフォロア、クラック部品などの高面圧用部品に用いられる耐ピッチング性、および曲げ疲労強度に優れる機械構造用部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に機械構造用部品、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、さらに浸炭などの熱処理を施して使用していた。このような部品の用途の鋼材には、ＪＩＳ  ＳＣＭ４２０、ＪＩＳ  ＳＣＲ４２０などの肌焼鋼が主に用いられている。また、特に強度が必要な場合には、熱処理後にショットピーニングすることにより高硬度と高い圧縮残留応力を付与している。
【０００３】
また、歯車などの摺動部の潤滑は油などの液体潤滑剤を使用して行われることが多いが、設計上の理由により液体潤滑剤を使用することができない場合や、真空中において使用されるなどのように使用環境における制約がある場合、固体潤滑剤が用いられる。さらに、近年、エネルギー問題への社会的要請が高まるにつれて、自動車用のエンジンやトランスミッションに使用される摺動部材のさらなる摩擦低減が求められている。
【０００４】
そのため摺動部に使用される液体潤滑材の摩擦抵抗を低減するために粘性の低いものが使用される傾向にあり、摺動部における潤滑材の厚みが薄くなり、摺動部材同士が接触する可能性のある境界潤滑環境で使用される部品が増加しているため、境界潤滑環境下でも高い摺動性を持った、寿命の長い部材の開発が必要とされており、固体潤滑剤で摺動部を被覆することが行われている。
【０００５】
この摺動部材への固体潤滑剤の被覆方法として、例えば特開２００２−１６１３７１号公報（特許文献１）、および特開２００４−２５５５２２号公報（特許文献２）にあげられるように、亜鉛や錫などの軟質金属粉末と二硫化モリブデンといった固体潤滑剤粉末の混合粉末や、鋼球と固体潤滑材である二硫化モリブデン粉末の混合粉末を焼結体にショットピーニングを行なう方法が開示されている。
【０００６】
特許文献１においては、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤粉末が軟質金属中に分散した被膜を形成することで、従来、密着強度が低かった固体潤滑剤単体の被膜の密着性を改善しているため、固体潤滑剤の潤滑性を保ったまま、耐久性の高い被膜を形成できるとしている。また、特許文献２においては、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤粉末が鋼球の衝突エネルギーによって、より焼結体内部に浸透させることができるとしている。
【０００７】
また、特開２００７−１００５９号公報（特許文献３）においては、軟質金属粉末もしくは固体潤滑剤粉末単体をショットピーニングする成膜技術が開示されており、摺動面に形成する被膜の被覆面積、厚み、表面粗さを制御することで摩擦係数が小さく、優れた摺動性能を有する摺動部材ができるとしている。
【０００８】
また、特開２００９−２０９４４９号公報（特許文献４）においては、軟質金属からなる相と、その軟質金属とそれ以外の金属との合金からなる相の２相からなる粉末をショットピーニングすることで耐摩耗性と摺動性を向上させる技術が開示されている。
【０００９】
また、特開２０１１−２５３４６号公報（特許文献５）においては、Ｓｎなどの軟質金属とそれ以上の硬さを持つ１種以上の硬質金属との合金または金属間化合物とからなる膜をショットピーニング等を用いて形成させることにより、軟質金属が潤滑性を担い、金属間化合物が耐摩耗性を担うことで摺動性能を向上させる技術が開示されている。
【００１０】
また、特開２０１１−２５３４８号公報（特許文献６）においては、鋼球にＳｎなどの軟質金属被膜をめっきなどの方法で形成した粉末を用いたショットピーニングすることで、圧縮残留応力が付与されると同時に表面の軟質金属が被処理部材に被覆され、潤滑剤として働き、低摩擦係数が長期的に持続して高い摺動特性と耐摩耗性、疲労強度を得る方法が開示されている。
【００１１】
また、［トライボロジー会議  ２００７年春  予稿集  第１２３〜１２４頁「固体潤滑剤ショットコーティングによる転がり軸受の長寿命化」］（非特許文献１）にあげられるように、錫もしくは亜鉛の軟質金属粉末を摺動部材にショットピーニングし、軟質金属被膜を形成することで摺動部材の摩擦係数を低減させる技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１６１３７１号公報
【特許文献２】特開２００４−２５５５２２号公報
【特許文献３】特開２００７−１００５９号公報
【特許文献４】特開２００９−２０９４４９号公報
【特許文献５】特開２０１１−２５３４６号公報
【特許文献６】特開２０１１−２５３４８号公報
【非特許文献１】［トライボロジー会議  ２００７年春  予稿集  第１２３〜１２４頁「固体潤滑剤ショットコーティングによる転がり軸受の長寿命化」］
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述した特許文献１に記載の技術では、錫や鉛などの軟質金属粉末と二硫化モリブデンや黒鉛などの固体潤滑剤の粒体を均質に混合することは互いの密度が大きく異なるため非常に困難で、摺動面に均質に固体潤滑剤が分散された被膜を得ることが難しく、また、膜の密着性、付着効率が悪いため十分な摺動性が得られない場合がある。
【００１３】
また、特許文献２に記載の技術においても、鋼球と二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤の粒体を均質に混合することは互いの密度が大きく異なるため非常に困難で、鋼球による固体潤滑材の浸透効果を得ることが難しい。特許文献３に記載の技術では、摺動面における固体潤滑被膜の強度が低い錫や亜鉛などの軟質金属であるため密着性、耐摩耗性が低く、長時間の使用に膜が耐えられない可能性がある。
【００１４】
また、特許文献４に記載の技術では、ショット粉末の硬度が低いために被処理材は十分な硬度と圧縮残留応力が得られず、曲げ疲労強度が十分ではなく、さらに密着性が低いために十分なピッチング寿命が得られない可能性がある。また、特許文献５に記載の技術では、十分な摺動特性と曲げ疲労強度が得られる可能性が高いが、ＳｎやＣｕなどの金属のみを使用するために粉末のコストが高いことが予想される。
【００１５】
また、特許文献６に記載の技術でも、鋼球に軟質金属被膜をめっきなどの方法で形成することは、非常にコストアップとなる。さらに、非特許文献１に記載の技術は、引用文献３と同様に、摺動面における固体潤滑被膜の強度が低い錫や亜鉛などの軟質金属であるため密着性、耐摩耗性が低く、長時間の使用に膜が耐えられない可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述したような問題を解消するために発明者らは鋭意開発を進めた結果、圧縮残留応力を付与するために使用されている鋼球にＳｎなどの軟質固体潤滑粉末を混合した後、この混合粉末を用いてショットピーニングを行うことで、この軟質固体潤滑粉末が摺動性を持った軟質金属皮膜として効率よく付着すると同時に、摺動面を成す基材との密着性を高めることができることを見出した。
【００１７】
そもそもピッチングや摩耗は金属の表面が擦れ合うことにより発生する現象であるが、この軟質金属皮膜が部品と部品とが接触する界面に存在すると、この皮膜自体が部品同士の金属接触を低減させ、かつ潤滑剤として働くため摩擦抵抗を低減させることによりピッチング寿命、耐摩耗性が向上する。さらには前述したように鋼球にＳｎなど混合粉末を用いてショットを施すと、被処理材の表面に軟質金属による皮膜が形成されているにもかかわらず、被処理材の表面は鋼球のショットピーニングの効果が皮膜形成と同時に働いており、被処理材の加工した表面が加工硬化して表面硬さが高まり、また、圧縮残留応力が高くなっており、この結果としてピッチング寿命、耐摩耗性、並びに曲げ疲労強度を向上させることが可能となる。
【００１８】
その発明の要旨とするところは、
（１）鋼球と軟質金属を混合し、その軟質金属の混合割合が５〜５０質量％である混合粉末をショットピーニング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面圧用部品。
（２）前記（１）に記載の軟質金属がＳｎ、Ｓｎ合金、Ｚｎ、Ｚｎ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金のいずれか１種または２種以上である混合粉末をショットピーニング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面圧用部品にある。
【発明の効果】
【００１９】
以上述べたように、本発明による球状などの高硬度ショットピーニング用粉末とＳｎなどの軟質固体潤滑粉末を混合した後、この混合粉末でショットピーニングを行うことで軟質固体潤滑粉末を摺動性を持った軟質金属皮膜を効率よく付着すると同時に、摺動面を成す基材との密着性を高めることができ、この皮膜によって潤滑性を付与してピッチング寿命や耐摩耗性を高めるという効果が得られる。
【００２０】
さらに、皮膜を形成しているのに被加工材の表面には鋼球による強加工の効果が波及していることによってピッチング寿命、耐摩耗性、並びに曲げ疲労強度を向上させることができる。このように混合粉末を用いても一方の粉末から見ればもう片方の粉末は余計な粉末であるにもかかわらず、双方が弊害を起こすことなくそれぞれの特徴を両立させて、その結果部品の使用に当たって極めて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】
【００２１】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明は、鋼球と軟質金属を混合し、その軟質金属の混合割合を５〜５０質量％とする。すなわち、本発明は両者とも金属であるため比重が近い鋼球に軟質金属を５〜５０質量％の割合で混合した混合粉末をショットピーニングすることにより、境界潤滑環境下などの過酷な潤滑環境下で摺動性を発揮する軟質金属被膜を効率よく形成し、その密着性を高めることができる。しかし、混合割合が５質量％未満では、軟質金属粉末が少なすぎるために充分な軟質金属皮膜を得ることが困難で、逆に５０質量％を超えると鋼球による圧着効果が減少するために、膜の密着性が低下することから、その範囲を５〜５０質量％とする。好ましくは、１０〜４０質量％とする。なお、粒度はほぼ等しい鋼球と軟質金属粉末を軟質金属粉末が５〜５０質量％となるような割合で混合する。この混合はＶ型混合機を用いて、３０分〜１．５時間混合を行なう。
【００２２】
上述した本発明に係る鋼球としては、粉末ハイス鋼やＦｅ−Ｂ系合金等を掲げることができる。また、軟質金属としては、Ｓｎ、Ｓｎ合金、Ｚｎ、Ｚｎ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金を掲げることができる。鋼球は、ビッカース硬さ８００〜１５００ＨＶ、平均粒径３０〜６０μｍなる大きさのものを用い、軟質金属粉末も平均粒径３０〜６０μｍなる大きさのものを用いる。ショットピーニング条件は、ショットピーニング装置を用いて圧力０．４〜１．０ＭＰａ、噴射時間５〜２０分の条件下で加速して噴射することにより、摺動面に軟質金属を形成させるものである。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明について実施例により具体的に説明する。
ＪＩＳ  ＳＣＭ４２０である０．２Ｃ−０．２５Ｓｉ−０．７５Ｍｎ−１．０５Ｃｒ−０．１５Ｍｏ−残部Ｆｅからなる鋼を、１００ｋｇ真空溶解炉で溶製して鋼とした。次いで、この鋼を１２００℃で熱間鍛造し、ローラーピッチング試験片母材は径３２ｍｍ丸棒に、回転曲げ疲労試験片母材は径２０ｍｍ丸棒とした。次いで、この棒鋼を９００℃に加熱し、１時間保持後空冷して焼きならしを行った後、図１に示す形状のローラーピッチング試験片と、図２に示す形状の回転曲げ疲労試験片を作製し、それぞれ図３に示す浸炭焼入、焼戻し条件によりガス浸炭による浸炭焼入、焼戻しを行った。
【００２４】
ショットピーニング用混合粉末は、ハイス鋼、あるいは成分がＦｅ−Ｂ系合金で、平均粒径４４μｍ、ビッカース硬さ１２００ＨＶのショットピーニング用鋼球である粉末と、平均粒径４４μｍの軟質金属であるＳｎ、Ｚｎ、Ｃｕ粉末、あるいはそれらの合金を、本発明例、並びに比較例の組成となるようにＶ型混合機を用いて１時間混合して作製した。図４は、Ｆｅ−９Ｃｒ−６Ｂが７５質量％、Ｓｎ粉末が２５質量％の場合の混合粉末の走査型電子顕微鏡写真である。この図に示すように、鋼球粉末１中にＳｎ粉末２が分散していることが分かる。このような混合粉末をローラーピッチング試験片と回転曲げ疲労試験片にショットピーニングした。ショットピーニング条件はガス圧力０．７ＭＰａ、ショット時間１０分で行なった。
【００２５】
ショット後の表面の軟質金属被覆率は、ローラーピッチング試験片の表面からＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）を用いて、１０００倍で５視野観察し、視野に対する軟質金属が占める面積と観察した５視野分の面積との商を１００分率表記して示した。例えば、粉末ハイス鋼が７５質量％、Ｓｎ粉末が２５質量％の場合のＳｎ被覆率は７７％であった。軟質金属の厚みはローラーピッチング試験片を切断した断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の倍率５０００倍で５視野観察し、各視野６点の測定を行い、平均して求めたところ、粉末ハイス鋼が７５質量％、Ｓｎ粉末が２５質量％の場合、１．６μｍであった。平均粒径４４μｍの全量をＳｎ粉末で同様のショットピーニング条件でショットを行なったところ、Ｓｎの被覆率は７９％、膜厚１．８μｍとほぼ同様の値が得られた。よって、鋼球の衝突エネルギーにより混合粉末はＳｎの使用量が４分の１であったにも関らず、全量Ｓｎ粉末を使用する場合と同様の皮膜を得ることができ、鋼球と比較して高価なＳｎ粉末の消費量を抑えることができ、皮膜形成率で４倍効率よくＳｎ皮膜を形成できた。
【００２６】
また、膜の密着性を評価するために、上記ＳＥＭ用断面試料の皮膜との界面をＳＥＭ・ＥＤＳにて分析を行い、試験片中へのＳｎの拡散を測定したところ、Ｓｎ粉末が２５質量％の場合の混合粉末をショットした試験片ではＳｎが皮膜界面から０．５μｍ以下の点でも検出されたが、Ｓｎ単体をショットした試験片では０．５μｍ以下ではＳｎは検出されなかった。これは、鋼球の衝突エネルギーによって、Ｓｎ皮膜が機械的に圧着された効果によるもので、より深くまでＳｎが拡散した混合粉末の方が膜の密着性が高いと考えられる。
【００２７】
以上のように、鋼球と軟質金属粉末の混合粉末を高速で被処理部材に衝突させることにより、その衝突時に軟質金属粉末表面が被処理部材と凝着を起こし、移着することにより、軟質金属の皮膜が形成される際に、同時に鋼球の衝突エネルギーを加えることで、膜の形成を効率的に行なうと同時に、密着性の高い膜を形成することができる。
【００２８】
その結果、鋼球と軟質金属粉末の混合粉末でショットピーニングを行うと、軟質金属が処理部材に安定して密着性が高い状態で被覆され、潤滑剤として働き、低摩擦係数が長期的に持続して、耐ピッチング特性や耐摩耗性が長期的に安定して維持される。また、皮膜が存在するにもかかわらず、鋼球粉末の投射により加工硬化して表面硬さが増すと共に、表面に大きな圧縮残留応力が付与されるので、耐摩耗性が十分となるばかりか、面疲労特性や疲労強度も向上し、本発明の及ぼす効果は大きい。
【００２９】
次いで、ローラーピッチング試験、回転曲げ疲労試験を実施し、その結果の比較例および本発明例の軟質金属の被覆率、平均膜厚、表面圧縮残留応力、表面硬さ、ローラーピッチング寿命、並びに回転曲げ疲労強度を表１および表２に示す。回転曲げ疲労強度は１０7 サイクル強度で評価した。また、表１および表２のローラーピッチング寿命、並びに回転曲げ疲労強度は比較例１（ショットピーニングを実施しない場合）の強度を１．０とした際の強度比で示す。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
【表２】
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【００３２】
表１および表２に見られるように、本発明例では、鋼球と軟質金属を混合し、その軟質金属の混合割合を５〜５０質量％とした粉末を用いてショットピーニングすることで、膜厚０．５μｍ以上の密着性が良く潤滑性に優れた軟質金属皮膜を付与させることができ、かつ皮膜が存在するにもかかわらずその表面は高硬度で高い圧縮残留応力を付与することができるため、ローラーピッチング寿命が３倍以上、回転曲げ疲労強度が１．３倍以上という優れた特性を得ることが可能となった。
【００３３】
以上にように、本発明による鋼球と軟質金属を混合し、その軟質金属の混合割合を５〜５０質量％とした粉末を用いてショットピーニングすることで、膜厚０．５μｍ以上の密着性のよい皮膜を付着させることができ、かつ表面は高硬度で高い圧縮残留応力を付与することができるため、特に摺動部材としての高面圧用部品に対して極めて効果があることを確認することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】ローラーピッチング試験片を示す図である。
【図２】回転曲げ疲労試験片を示す図である。
【図３】浸炭焼入、焼戻し条件のヒートサイクルを示す図である。
【図４】混合粉末の走査型電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００３５】
１  鋼球粉末
２  Ｓｎ粉末
特許出願人  山陽特殊製鋼株式会社
代理人  弁理士    椎  名    彊
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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