(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
浸炭処理後の表面にアークハイト値０．５ｍｍＡ以上のショットピーニングが施され、このショットピーニング後における圧縮残留応力が最大となる深さをｄμｍとするとき、ｄ±３０μｍの範囲での炭化物体積率平均値が４％以下であって、
かつ、表面から５０μｍ深さまでの範囲での炭化物体積率平均値が１０％以上、６０％以下に形成された
ことを特徴とする浸炭鋼部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車、建設機械および産業機械などの動力伝達部品として用いられる浸炭鋼部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車、建設機械および産業機械などの動力伝達部品の多くが浸炭処理を施されて用いられている。このうちの多くは、歯車やシャフトに代表されるように、曲げ荷重に加えて面荷重が必要とされる過酷な条件で使用されている。したがって、このような浸炭鋼部品では、曲げ荷重に対する耐久性の重要指標である曲げ疲労強度の他に、面荷重に対する耐久性の重要指標である耐ピッティング特性を同時に確保することが要求されるようになってきた。
【０００３】
曲げ疲労強度を向上させる最も有効な手段の一つとして、ショットピーニングによる表層への圧縮残留応力付与が知られており、歯車、シャフト、ばねなど様々な部品において実際に利用されている。
一方、耐ピッティング性を向上させる手法としては、部品表面に炭化物を分散させ表面硬さを増大させる方法が近年提案され、効果をあげている（特公平７−８２８号公報、特開平４−２５０９２７号公報、特開平４−１６０１３５号公報等参照）。このような炭化物分散は耐摩耗性の向上などにも有効であり、このため、近年の浸炭鋼部品においては、炭化物形成元素を添加したり、高ポテンシャルの浸炭処理を施したりすることによって、浸炭層に炭化物を有するものが多く使用されるようになってきた。
【０００４】
そこで、炭化物が析出分散するような高ポテンシャルの浸炭処理を施した浸炭鋼部品に、さらに曲げ疲労強度を向上するため、前記したショットピーニングを施すことが考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、炭化物を析出させたことによって曲げ疲労強度がどのような影響を受けるかは、これまで明確にはされてはおらず、本発明者らが、ショットピーニングされた浸炭材における曲げ疲労強度に及ぼす炭化物析出の影響について調査したところ、多くの場合、炭化物はショットピーニングされた材料の曲げ疲労強度を損なうようにはたらくことが確かめられた。
このように、近年増加しつつある炭化物分散型浸炭部品では、単にショットピーニングを行っただけでは、その曲げ疲労強度向上効果は多くの場合阻害され、充分な強度が得られない。
【０００６】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みなされたもので、ショットピーニングにより曲げ疲労強度が向上し、さらに、耐ピッティング特性にも優れた炭化物分散型の浸炭鋼部品を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の浸炭鋼部品は、浸炭処理後の表面にアークハイト値０．５ｍｍＡ以上のショットピーニングが施され、このショットピーニング後における圧縮残留応力が最大となる深さをｄμｍとするとき、ｄ±３０μｍの範囲での炭化物体積率平均値が４％以下であって、かつ、表面から５０μｍ深さまでの範囲での炭化物体積率平均値が１０％以上、６０％以下に形成されたことを特徴としている。
【０００８】
【作用】
本発明者らは、ショットピーニングされた高強度鋼部品の曲げ疲労過程を詳細に調査した結果、ショットピーニングされた部材では、ショットピーニングにより材料表層に付与される圧縮残留応力が極大値をとる付近を疲労き裂が通過する過程が、曲げ疲労寿命の中で非常に重要な部分を占め、この付近の材質が曲げ疲労強度に大きな影響を与えることが明らかとなった。この観点でさらに浸炭鋼部品での調査を推し進めることによって、圧縮残留応力分布の極大値を示す深さをｄμｍとするとき、
イ.   ｄ±３０μｍの範囲における炭化物体積率の平均値が４％以下
であることが曲げ疲労強度を向上させる重要要件であることが解明された。
【０００９】
ショットピーニングのアークハイト値は、0.５ｍｍＡより小さいと充分量の圧縮残留応力が得られず、曲げ疲労強度の向上が不充分であるため、少なくとも0.５ｍｍＡは必要で、0.７ｍｍＡ以上であれば効果はさらに大きくなる。
ｄ±３０μｍの範囲における炭化物体積率の平均値を４％以下にするためには、炭化物量をできるだけ少なくすれば良いことになるが、部品に要求される諸特性のバランスを考慮し、炭化物をいくらかは析出させたい場合に、上記の条件を満たす範囲で炭化物を利用すれば良い。
【００１０】
一方、耐ピッティング性向上の観点から、必要な炭化物分散条件を調査した結果、さらに、
ロ．  表面より５０μｍ深さまでの範囲における炭化物体積率の平均値が１０％以上（望ましくは２０％以上）、６０％以下
であれば充分な耐ピッティング性を得られることがわかった。１０％以下では炭化物の耐ピッティング性向上効果が不充分となり、また、６０％以上では効果がなく、或いは表層が非常にもろい組織となるために、かえってピッティング寿命が劣化する。
【００１１】
このように、曲げ疲労強度と耐ピッティング性の両特性を向上させるためには、定性的には、表層付近に集中的に炭化物が析出し、かつ、圧縮残留応力極大値付近では析出が少ない組織とする必要があることになる。通常の処理では、このような炭化物分布を達成することはむしろ困難であるが、材料の化学組成と浸炭条件との組合せに注意を払うことにより可能となる。また、浸炭処理後に研磨などの加工を加えることで達成できるのであれば、これも可能であり、これらの処理法については限定するものではない。
【００１２】
ショットピーニングのアークハイト値は特に上限を設けないが、1.５ｍｍＡを超過するような条件では効果は飽和しており、設備的・経済的観点から好ましくない。0.５ｍｍＡ以上の条件でショットピーニングを施せば、通常、ｄの値は５０μｍ〜１５０μｍ程度となる。もし、ｄ＜３０μｍの場合には、最表面からｄ＋３０μｍ深さまでの炭化物体積率平均値で代用することができる。また、ｄ＜８０μｍの際には、前記イ・ロの両要件の指定領域に重なり部分が生じるが、炭化物体積率についてそれぞれの領域内での平均をとるので、ｄ＜８０μｍの場合にもイ・ロの両条件を満たすようにすることが可能である。
【００１３】
なお、部品内で曲げ疲労特性が要求される部位と、耐ピッティング性などが要求される部位とが異なる部品の場合、曲げ疲労強度が要求される部位（すなわち曲げ応力が最も高くなる部位）ではｄ±３０μｍの範囲での炭化物体積率平均値が４％以下であれば良く、部品内が全て均一組織である必要はない。
圧縮残留応力の極大値の測定法は特に限定しないが、Ｘ線回折法を用いることが簡便である。深さ方向への分布測定は、表層から少しずつ化学研磨にて層を除去しながらその都度測定し、測定値を測定位置に対してプロットした曲線をなめらかにつなぐことにより極大点が推定できる。この場合、ショットピーニングにより得られる一般的な残留応力分布を考慮すれば、極大点を正しく推定するためには各測定点は３０μｍおき以下にとることが必要である。
【００１４】
なお、通常ショットピーニングにより得られる圧縮応力の極大値の深さは表面より５００μｍ以内であり、これ以上測定を続けることは無意味である。部材形状が複雑で化学研磨並びにＸ線回折が困難な場合は、その部材と同じ化学成分、同等の質量、同等の加工、熱処理履歴を与えた丸棒あるいは角材などを代用して測定することができる。炭化物体積率は断面を研磨、エッチングして炭化物面積率を測定した値により代用することができる。
【００１５】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。供試材としてJIS SCM 420 鋼（Ｌ鋼）、およびこれを基本としてCrを1.５％、または３％とした素材（それぞれＭ鋼・Ｎ鋼）、あるいはＶを1.５％添加した素材（Ｏ鋼）を使い分けて用い、これらから、炭化物体積率測定用の試験片と、回転曲げ疲労試験片（応力集中係数2.０）、ローラーピッティング試験片とを作製した。
これらの試験片について、図３（ａ）〜（ｅ）に示す５種類の条件（処理Ｐ・Ｑ・Ｒ・Ｓ・Ｔ）で、それぞれ炭化物析出を意図した浸炭処理を施した。例えば同図（ａ）に示す処理Ｐは、カーボンポテンシャル（C.P.）1.２％、1173°Ｋ−２時間の浸炭処理を行った後、1123°Ｋまで炉冷（F.C.）し、その後、その温度で10分保持し、次いで、油焼入れ（O.Q.）を行うことを示している。
【００１６】
このように、各種浸炭処理を行った後、続いてHRC 60相当の鋼球によるショットピーニングを施した。アークハイト値は投射初速度の変更および投射材の粒径の変更により変化させた。
その後、まず、炭化物体積率測定用の試験片により、圧縮残留応力の極大値の測定をＸ線回折法により行った。この測定は、表層から少しずつ化学研磨にて層を除去しながらその都度測定し、得られた値を測定位置に対してプロットした曲線をなめらかにつなぐことにより極大点を求めた。さらに、炭化物体積率の深さ方向の分布測定を行った。これは、断面を研磨、エッチングして炭化物面積率を測定した値により求めた。この際、0.３μｍ以下の炭化物は体積率への寄与が小さく除外した。
【００１７】
一方、前記のショットピーニグを行った回転曲げ疲労試験片で、公称応力 900ＭPaを負荷した際の破断寿命（107 以上は停止）を測定し、また、ローラーピッティング試験片で、面圧3800ＭPaを負荷した際の破断寿命（106 以上は停止）を測定した。各試験片の処理条件と炭化物分散状態の測定結果とを、後掲する表２にまとめて示す。なお、同表に示す試料番号＃１〜＃1６の1６種の試験片について、
（i）  アークハイト値が0.５ｍｍ以上
（ii）  圧縮残留応力が最大となる深さをｄμｍとするとき、ｄ±３０μｍの範囲での炭
化物体積率平均値が４％以下
（iii）  表面から５０μｍ深さまでの範囲での炭化物体積率平均値が１０％以上、６０％以下
の３条件のいずれを満足するかで、表１に示すようにＡ〜Ｆの６種に分類し、表２における種別の欄に種別記号Ａ〜Ｆを付記している。例えば、Ａが記された試料は、（i）、（
ii）、（iii）のいずれの条件も満足し、Ｂが記された試料は、（i）、（ii）の条件は満
足するが、（iii）の条件は満たさないものである。
【００１８】
【表１】
0003832876.tif 000002
【００１９】
【表２】
0003832876.tif 000003
【００２０】
表２には、曲げ疲労試験結果とピッティング試験結果とに対する評価結果を併せて記載しているが、さらに、図１に、アークハイト量を横軸とするグラフに、曲げ疲労試験結果を種別Ａ〜Ｆ毎に区別してプロットしている。
同図から明らかなように、0.５ｍｍＡより小さいアークハイト値でショットピーニングを行った試料（種別Ｅ材・Ｆ材）では、炭化物析出条件にかかわらず短寿命であるのに対し、アークハイト値が0.５ｍｍＡ以上でショットピーニングが行われ、さらに、ｄ±３０μｍの範囲での炭化物体積率平均値が４％以下の析出状態の種別Ａ材・Ｂ材の疲労寿命は長く、これらの曲げ疲労特性が優位である。この傾向は、アークハイト値が0.７ｍｍＡ以上でさらに顕著になっている。
【００２１】
なお、種別Ａのグループと種別Ｂのグループとは、表２に示されているように、０〜５０μｍでの炭化物析出状態が相違するものであるが、この相違は、曲げ疲労強度には大きな影響を与えないことが明らかである。
一方、図２には、表面から50μｍ深さまでの炭化物体積率平均値を横軸とするグラフに、ピッティング試験結果を種別Ａ〜Ｆ毎に区別してプロットしている。
同図から、０〜５０μｍの範囲での炭化物体積率平均値が10〜60％の析出状態である種別Ａ材・Ｃ材、およびＥ材の寿命が優秀である。この効果は、炭化物体積率が２０％以上の時に特に顕著となっている。０〜５０μｍでの炭化物量が上記の条件を満たしていれば、ｄ±３０μｍでの炭化物量はピッティング寿命に大きな影響を与えないことが、Ａ材とＣ材との比較からわかる。さらに、Ａ材とＥ材との比較から、ショットピーニングのアークハイト条件とピッティング試験の結果とにも大きな相関がないことがわかる。
【００２２】
このように、前記の各条件（i）〜（iii）を満たすように作製された浸炭鋼部品は、た
とえ炭化物が存在していても高い曲げ疲労特性を有し、さらに、良好な耐ピッティング特性を兼備している。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明のように、本発明によれば、炭化物が存在していても曲げ疲労強度の向上した浸炭鋼部品として提供することができ、さらに、耐ピッティング特性にも優れた炭化物分散型の浸炭鋼部品として提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る各種試験片での曲げ疲労試験結果を示すグラフである。
【図２】各種試験片でのピッティグ疲労試験結果を示すグラフである。
【図３】各種試験片に対して行なった浸炭処理パターンを示す説明図である。
【図１】
0003832876.tif 000004
【図２】
0003832876.tif 000005
【図３】
0003832876.tif 000006