(57)【要約】機械部品を炭素の含有量が０．２％以上である鋼で構成するとともに、熱処理硬化後の水素の含有量を０．０４ｐｐｍ以下とした。また、熱処理硬化後の硬さをＨｖ４５０以上とした。このような機械部品は超長寿命疲労特性に優れているので、転がり軸受の軌道輪や転動体として好適に使用可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素の含有量が０．２％以上である鋼で構成され、熱処理硬化後の水素の含有量が０．０４ｐｐｍ以下であることを特徴とする機械部品。
【請求項２】
熱処理硬化後の硬さがＨｖ４５０以上であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の機械部品。
【請求項３】
転がり軸受の軌道輪又は転動体として使用されることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の機械部品。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、超長寿命疲労特性に優れた機械部品に係り、特に、新幹線等の車両の車軸、歯車、タービン等の翼、自動車，産業機械等の減速装置、軸受など、高い繰り返し応力（曲げ，引張り，圧縮等の応力）を受ける部分に好適に使用される機械部品に関する。
背景技術
従来、高強度鋼等の金属材料については、繰り返し応力（曲げ応力，引張り応力，圧縮応力等）による疲労破壊は、繰り返し数Ｎが１０７回を超えても破壊が生じない場合は、その後に疲労破壊が生じることはないものと考えられていた。よって、繰り返し数Ｎ＝１０７回において、疲労限度（疲労強度）が決定されてきた。
しかしながら、近年、１０７回では疲労破壊が生じず、繰り返し数Ｎが１０７回を超えて疲労破壊を起こすという現象（以降は、このような現象を超長寿命疲労破壊と記し、また、繰り返し数Ｎ＝１０７回超過における疲労特性を超長寿命疲労特性と記す）が、内藤ら（材料，３２，３６１（１９８３））や江村ら（機論　Ａ５５，５０９（１９８９））により発表され、注目され始めている。
新幹線等の車両の車軸やタービン等の翼などのような機械部品は、１０７回を超える繰り返し応力を受けて使用される場合があるので、超長寿命疲労破壊を起こす原因を究明することは重要なことである。
一方、高強度鋼の静的強度に水素が悪影響を与えることは、遅れ破壊などの現象としてよく知られている。しかし、高強度鋼の疲労特性を低下させる因子として水素の影響を指摘したのは、ごく近年の村上らが初めてである（日本材料学会第２４回疲労シンポジウム講演論文集（１９９８）及び材料，４８，１０（１９９９））。
水素による遅れ破壊特性の低下を防止する方法としては、鋼に侵入した水素をトラップして水素の集中源となる硫化物系の化合物，介在物の個数を制限する方法（日本国特許公開公報　平成１０年第１７４６号）や、鋼中に微細な炭化物，窒化物，硫化物等を分散析出させ、侵入した水素を分散してトラップさせることにより、水素脆化を生じにくくする方法（日本国特許公開公報　平成１０年第１１０２４７号）等が開示されている。これらの例は、主として使用中に鋼材表面から比較的多量の水素（拡散性水素）が侵入するおそれのあるような用途に使用される鋼材に対する方法である。
また、鋼中に侵入する水素量を、室温から３００℃に加熱した際に放出される水素量が０．５ｐｐｍ以下となるように制限することにより、遅れ破壊特性の向上を図った高強度微細鋼線が日本国特許公開公報　平成１１年第２５６２７４号に開示されている。
しかしながら、前述の日本国特許公開公報　平成１０年第１７４６号，平成１０年第１１０２４７号，及び平成１１年第２５６２７４号に開示の方法は、いずれも、超長寿命疲労特性の向上を目的としたものではなく、通常の疲労特性（遅れ破壊的）の向上を目的としたもである。さらに、それらは水素が疲労特性に及ぼす機構を明確にしたデータに基づいたものではない。したがって、前述の方法を用いても、超長寿命疲労特性を十分に向上させることは困難である。
そこで本発明は、上記のような従来技術の有する問題点を解決し、超長寿命疲労特性に優れた機械部品を提供することを課題とする。
発明の開示
上記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明の機械部品は、炭素の含有量が０．２％以上である鋼で構成され、熱処理硬化後の水素の含有量が０．０４ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
また、該機械部品は、表面硬化処理を施す等の方法により、その表面硬さをＨｖ４５０以上とすることが好ましい。
このような構成とすれば、前記機械部品は、水素の影響による不確定な疲労強度の低下が起こるおそれが小さく、超長寿命疲労特性が大変優れているので、信頼性が非常に高い。
よって、本発明の機械部品は、転がり軸受の軌道輪又は転動体のように、回転や振動によって１０７回を超える繰り返し応力を受けて使用される多くの機械部品に、好適に適用することができる。
本発明者らは、高強度鋼の超長寿命疲労破壊に及ぼす介在物と水素の影響について研究を重ねた結果、以下の知見を得て、本発明を完成するに至った。
超長寿命疲労破壊を起こした鋼製の試験片の破壊起点には非金属介在物が存在するが、この介在物の周辺には、表面状態が粗いため金属顕微鏡により黒く見える領域（以降はＯＤＡ：Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ　Ｄａｒｋ　Ａｒｅａと記す）が存在し、その形成には水素が重要な役割を果たしていることを、本発明者らは報告した（機論　Ａ６６，６４２（２０００））。
第１図に、超長寿命疲労破壊を起こした試験片（ＳＣＭ４３５製）の破壊起点の介在物，ＯＤＡ，及びその近傍を観察した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。第１図に示すように、ＯＤＡの外側においてはマルテンサイトの組織に典型的な疲労破面が観察されたが、ＯＤＡにおいてはマルテンサイトの組織は明瞭には観察されず、通常の疲労破面より一見脆性的で粗い組織が観察された。
介在物の周囲のＯＤＡは（第１図を参照）、低応力での疲労試験において長寿命で破壊した試験片には観察され、高応力での疲労試験において短寿命で破壊した試験片には観察されない。このことから、ＯＤＡは、介在物の周辺にトラップされた水素と繰り返し応力とにより、遅れ破壊に類似の機構で亀裂が不連続に進展した結果生じたものと推測される。
そこで、ＯＤＡの大きさと水素含有量との関係を調査するため、以下のような試験を行った。すなわち、試験片の熱処理（焼入れ処理）を、水素を含む雰囲気中（例えばＲｘガス中）又は真空中において行い、それぞれの試験片について疲労試験を行った。同程度の疲労寿命にて破壊した試験片の破壊起点を観察したところ、破壊起点となった介在物の周辺に存在するＯＤＡの寸法は、真空中で加熱後に焼入れ処理を行った試験片の方が、水素を含む雰囲気中で加熱後に焼入れ処理を行った試験片よりもかなり小さかった。このような結果から、ＯＤＡの寸法と水素含有量との間に相関性があることが分かった。
本発明者らは以前から、疲労強度に及ぼす非金属介在物（欠陥）の大きさの影響を評価するために、非金属介在物の大きさにより疲労限度を推定する推定式を提唱しており（金属疲労：微小欠陥と介在物，１９９３，養賢堂）、この推定式により部材の疲労強度を予測することが可能である。そして、前記推定式は非金属介在物の大きさ、すなわち非金属介在物の面積の平方根（以降は√ａｒｅａと記す）をパラメーターとしている。
本発明者らは、非金属介在物の大きさ（√ａｒｅａ）と、非金属介在物とＯＤＡとを合わせたものの大きさ（非金属介在物の面積とＯＤＡの面積との和の平方根であり、以降は√ａｒｅａ’と記す）とが、前記推定式による限界値を超えると、疲労破壊が生じることを見出した。
言い換えれば、水素含有量を低減させることによって非金属介在物とＯＤＡとを合わせたものの寸法（√ａｒｅａ’）を小さくすれば、より長寿命化が期待できることを見出したのである。なお、上記の非金属介在物とＯＤＡとを合わせたものの寸法を示す尺度としては、（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）を用いることが好ましい。
また、本発明者らは、水素含有量が０．０４ｐｐｍを超える場合は、疲労寿命が長いものほどＯＤＡの寸法が大きい（すなわち、（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値が大きい）傾向があることを見出した。すなわち、（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値が大きくなると、疲労破壊を起こすのである。このことから、繰り返し数Ｎ＝５．０×１０７回にて（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値が１．５以下であることが、長寿命化には望ましい。
さらに、上記の水素含有量の限定は、繰り返し応力を受ける機械部品を構成する鋼の炭素含有量が０．２％以上で、硬さがＨｖ４５０以上である場合において、特に有効である。
つまり、繰り返し応力を受ける機械部品を構成する鋼の炭素含有量を０．２％以上、硬さをＨｖ４５０以上とし、さらに、水素含有量を０．０４ｐｐｍ以下とすることで、ＯＤＡの寸法を小さくすることができる。
したがって、欠陥（非金属介在物）の大きさにより前記推定式から算出される疲労限度の推定値の限界値以下で疲労を受けることとなり、長寿命化が図れる。そして、それとともに、非金属介在物の大きさを機械部品の設計段階で小さく限定すれば、該機械部品の疲労限度を長寿命と推定することができ、超長寿命疲労特性に優れた信頼性の高い機械部品が期待できるのである。
そうすれば、歯車，軸受，タービン，車軸など、回転や振動によって１０７回を超える繰り返し応力を受けて使用される場合がある多くの機械部品に適合するものを設計段階で予測することが可能である。
なお、本発明における機械部品とは、原動機，作業機等の機器のような、外部から供給されたエネルギーを所定の有用な仕事に変換する機器を構成する部品を意味する。例えば、前述の新幹線等の車両の車軸，歯車，タービン，ポンプなどがあげられる。さらに、転がり軸受を構成する外輪，内輪，転動体，及び保持器や、直動案内軸受，ボールねじ等の転動装置を構成する転動部材にも適用可能である。
発明を実施するための最良の形態
本発明に係る機械部品の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
各種試験片を作製し、疲労試験を行った結果について説明する。
前記試験片の鋼材には、ＳＵＪ２（炭素含有量は０．９７％），ＳＣＭ４３５（炭素含有量は０．３５％），及びＳＣＲ４２０（炭素含有量は０．２％）を用い、第２図に示すような形状，寸法の試験片を作製した。
試験片の熱処理は、８４０℃で３０分間の焼入れ処理を施した後、１８０℃で１２０分間の焼戻し処理を施すという条件で行った。このとき、加熱を、水素を含む雰囲気中（約３０％の水素を含むＲｘガス中）又は真空中で行い、その後に焼入れ処理を行うことにより、水素含有量を変えた試験片を作製した。そして、疲労特性への水素含有量の影響を調べた。なお、これ以降は、水素を含む雰囲気中で加熱を行った場合の熱処理をＱＴ熱処理、真空中で加熱を行った場合の熱処理をＶＱ熱処理と記す。
ただし、試験片の水素含有量を低く抑えるためには、真空中で加熱を行う代わりに、水素を含まないガス（例えば窒素等の不活性ガス）中で加熱を行ってもよい。また、通常の焼入れ処理の後に若干高い温度で焼戻しを施すことによっても、同様の効果が得られる。
熱処理を施した試験片は、エメリー紙を用いて研磨して、＃２０００まで表面仕上げをした。そして、鋼中の水素含有量を測定した後、疲労試験に供した。
なお、鋼（熱処理硬化後の機械部品）中の水素含有量の測定は、昇温水素分析法により行った。以下に、昇温水素分析法による水素含有量の測定方法を、詳細に説明する。
試験片をガラス管内に挿入し、外部から赤外線で加熱する赤外線イメージ炉を用いて、昇温速度１５℃／ｍｉｎで昇温した。そして、室温から８００℃までの温度範囲において試験片から放出される水素を質量分析計（日本真空技術株式会社のＭａｓｓｍａｔｅ２００）に導いて、水素量の測定を行った。なお、温度の測定は、試験片に熱電対を接触させることにより行った。
質量分析計においては、真空中で放出される水素ガスは質量分析管内でイオン化される。そのイオン化強度は、検定済みの標準リークのイオン化強度を基準として水素放出速度に換算される。水素濃度は、水素放出速度を積分することによって求める。水素チャージ材と未チャージ材の水素放出速度プロファイルを比較して水素放出の有無を決定し、さらに、その前後の最も低位に安定したところを結んでバックグラウンドとして求めた。
疲労試験は引張圧縮疲労試験であり、応力比はＲ＝−１（引張応力と圧縮応力とが等しいという意味である）、繰り返し速度は３５〜４２Ｈｚである。なお、引張圧縮疲労試験においては、試験部に曲げ応力が作用すると若干低めの疲労強度が得られる傾向がある。よって、試験片のつかみ部付近の円周を４等分する位置にひずみゲージを取り付け、応力を負荷した際に試験部に曲げ応力が作用しないように注意深く調整しながら、試験片を疲労試験機に取り付けた。ただし、曲げ応力やせん断応力等が繰り返し負荷されても、定性的には同様の結果が得られる。
転がり軸受の軌道輪と転動体の転動接触における永久変形量の和（転動体直径の０．０００１倍）から求められる最大接触面圧は３．９２ＧＰａ（４００ｋｇｆ／ｍｍ２）であるが、実際には２．９４ＧＰａ（３００ｋｇｆ／ｍｍ２）の応力が繰り返し負荷される状態で使用されている（例えば、日本国特許公開公報　平成８年第６１３７２号を参照）。
このように高い繰り返し応力が負荷される機械部品に、超長寿命疲労特性の優れる本発明を適用することは、機械部品の疲労寿命向上及び信頼性向上に有効である。
疲労試験により破断した試験片の破断面を走査型電子顕微鏡（日本電子株式会社製ＪＳＭ−Ｔ２２０Ａ）により観察し、破壊起点である非金属介在物の寸法（√ａｒｅａ）、及び非金属介在物とその周辺のＯＤＡとを合わせた部分の寸法（√ａｒｅａ’）を調べた。そして、（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値を求めた。
すなわち、ＳＥＭの２次元走査像からコントラストの違い（第１図を参照）を利用して非金属介在物及びＯＤＡの投影面積を求め、（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値を算出した。
これらの結果を表１及び表２に示す。なお、各表には、表の左から順に、試験片の鋼種，水素の含有量，硬さＨｖ，疲労試験において負荷した繰り返し応力，疲労試験において破断するまでの繰り返し数，ＳＥＭ観察による非金属介在物の寸法（√ａｒｅａ）、及び（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値（寸法比）を示した。また、実施例の試験片はすべてＶＱ熱処理を施したものであり、比較例の試験片は、比較例１〜４がＶＱ熱処理、それ以外はすべてＱＴ熱処理を施したものである。
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そして、これらの結果のうち、（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値を縦軸に取り、繰り返し数を横軸にとってグラフ化したものを第３図に示す。
その結果、水素の含有量が０．０４ｐｐｍ以下である実施例においては、繰り返し数Ｎが１０７回を超えてもＯＤＡの寸法は小さく（すなわち、（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値が２．０５以下と小さい）、介在物を中心とした水素起因による疲労亀裂の進展が少ないことが分かる。一方、水素の含有量が０．０４ｐｐｍを超える比較例では、繰り返し数Ｎが１０７回を超えると、（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値が２．０５超過となり、疲労亀裂の進展によるＯＤＡが大きくなっていることが分かる。
疲労強度は、破壊起点となる介在物（欠陥）が大きいほど低くなることから、優れた超長寿命疲労特性を実現するためには、破壊起点となる欠陥の大きさがより小さいものが望ましい。上記のように水素の含有量を０．０４ｐｐｍ以下とすれば、水素起因による欠陥の拡大が小さいので（疲労亀裂の進展によるＯＤＡの拡大が生じにくいので）、優れた超長寿命疲労特性を鋼材に付与することができる。
次に、各試験片の硬さ（炭素含有量）に着目して、超長寿命疲労特性との関連を検討した結果について説明する。
試験片の鋼材には、ＳＵＪ２（炭素含有量は０．９７％），ＳＣＭ４３５（炭素含有量は０．３５％），ＳＣＲ４２０（炭素含有量は０．２％），及びＳＣＭ４１５（炭素含有量は０．１５％）を用い、第２図に示すような形状，寸法の試験片を作製した。
試験片の熱処理は前述の場合と同様であり、ＱＴ熱処理又はＶＱ熱処理を施すことにより、各種鋼材についてそれぞれ水素含有量を変えた試験片（水素含有量は０．０４，０．０８，０．３ｐｐｍ）を作製した。
各試験片の硬さＨｖを測定したところ、炭素含有量の多い順に硬さＨｖが高かった。すなわち、ＳＵＪ２製の試験片はＨｖ７２０、同じくＳＣＭ４３５製はＨｖ５６０、ＳＣＲ４２０製はＨｖ４５０、そしてＳＣＭ製４１５はＨｖ４００であった。
続いて、前述と同様の疲労試験を行い、繰り返し数Ｎが３×１０７〜５×１０７回にて破断した試験片について、破断面をＳＥＭにより観察した。そして、前述の場合と同様に、破壊起点である非金属介在物の寸法（√ａｒｅａ）、及び非金属介在物とその周辺のＯＤＡとを合わせた部分の寸法（√ａｒｅａ’）を調べた。そして、（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値を求めた。
その結果のうち、（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値を縦軸に取り、硬さＨｖを横軸にとってグラフ化したものを第４図に示す。
その結果、水素含有量が０．０４ｐｐｍの試験片は、いずれの鋼種においても（いずれの硬さにおいても）ＯＤＡの寸法は小さく（すなわち、（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値が小さい）、優れた超長寿命疲労特性が期待できるものであった。
しかしながら、水素含有量が０．０８ｐｐｍ以上の試験片は、硬さがＨｖ４００であるＳＣＭ４１５を除いては、（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値が２以上となり、欠陥と見なされる領域が拡大することから、優れた超長寿命疲労特性を期待することが困難であることがわかる。
高強度鋼の場合は従来より、引張り強度が高いほど水素含有量の影響を受けやすく、遅れ破壊的な疲労強度の低下を示すことが知られていた。引張り強度と硬さとは相関性があるため、該試験片の場合も硬さが高いほど水素含有量の影響を受けることが理由であると考えられる。そして、その臨界値は第４図のグラフからＨｖ４５０であり、Ｈｖ４５０以上の場合に、水素含有量を低減することが超長寿命疲労特性の向上に効果的であることが確認された。
硬さがＨｖ４５０を下回るＳＣＭ４１５の場合は、水素含有量が０．０４ｐｐｍ超過であっても（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値は大きくなく（水素含有量と（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値との間に相関性が無い）、優れた超長寿命疲労特性が期待できることとなる。したがって、水素含有量を低減して超長寿命疲労特性を向上させるという本発明においては、鋼の硬さはＨｖ４５０以上である必要がある。
Ｈｖ４５０以上の硬さを得るためには、鋼の炭素含有量が０．２％以上である必要があるので、本発明においては、鋼の炭素含有量は０．２％以上である必要がある。
以上説明したように、水素の含有量が０．０４ｐｐｍ以下で、且つ炭素の含有量が０．２％以上である鋼は、水素起因による欠陥の拡大が生じにくいので、超長寿命疲労特性が大変優れている。よって、このような鋼材は、回転や振動により１０７回を超える繰り返し応力を受けて使用される場合がある機械部品に、好適に適用することができる。
また、転がり軸受を構成する外輪，内輪，転動体，及び保持器や、直動案内軸受，ボールねじ等の転動装置を構成する転動部材にも適用可能である。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明を応用した機械部品は、超長寿命疲労特性が大変優れているので、信頼性が非常に高い。
【図面の簡単な説明】
第１図は、超長寿命疲労破壊を起こした試験片の破断面を観察したＳＥＭ写真を示す図である。
第２図は、疲労試験に用いる試験片の形状及び寸法を説明する図である。
第３図は、疲労試験における応力の繰り返し数と（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値との相関を示すグラフである。
第４図は、試験片の硬さＨｖと（√ａｒｅａ’）／（√ａｒｅａ）の値との相関を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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