JPH10176219A - 高耐面圧用鋼部品およびその製造方法 - Google Patents

高耐面圧用鋼部品およびその製造方法

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JPH10176219A JP8354150A JP35415096A JPH10176219A JP H10176219 A JPH10176219 A JP H10176219A JP 8354150 A JP8354150 A JP 8354150A JP 35415096 A JP35415096 A JP 35415096A JP H10176219 A JPH10176219 A JP H10176219A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 転動や滑りを伴う転動強度および耐摩耗性を
必要とする歯車，カム，軸受け部品等の高強度、コンパ
クト化等に向けた鋼製部品に好適な高耐面圧用鋼部品お
よびその製造方法を提供する。 【解決手段】 接触する表面組織に、少なくとも平均粒
子径が０．３μｍ以下の微細な窒化物および／または炭
窒化物を分散させ、これら窒化物および／または炭窒化
物によって細かく分断されて極微細化された不規則形状
なマルテンサイト葉にてなる複合組織を有し、３μｍ以
下の炭化物を分散させ、表面部の硬さを補強する。浸窒
もしくは浸炭・浸窒処理を施して、表面部から浸透させ
る窒素によってＡｌＮを極微細に析出させる工程と母相
がオーステナイトである温度領域から焼き入れ、もしく
は焼き入れ焼き戻しを実施して製造する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、歯車，ベアリング
の転動体およびそのレース，カム構成部品等の接触疲労
強度および耐摩耗性を必要とする駆動力伝達部品に適用
する高耐面圧用鋼部品およびその製造方法に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】近年の歯車減速装置や変速装置には、高
出力化や軽量コンパクト化に対応した高い動力伝達力の
ニーズがますます高まっており、特に歯車やベアリング
等に対してはよりコンパクトで面圧強度が高い特性が望
まれている。また、自動車や建設機械に使われる動力伝
達装置部品においても、歯車，ベアリング等では高い接
触疲労強度が要求されており、これらの面圧強度を高め
る手段として、歯車では浸炭処理や窒化処理等によって
表面硬化することが通常的に実施されている。また、面
圧強度を高める指針を通して表面の硬度をより高く、か
つ焼き戻し軟化抵抗性を高めるようなＭｏ等の積極的な
鋼への添加等の材料的な手段もとられている。特に、近
年においては、浸炭や浸炭浸窒処理後に焼き入れし、シ
ョットピーニングを施し、積極的に表面硬度を高めると
ともに、顕著な圧縮残留応力を付与する方法についても
多く検討されている。
【０００３】また、浸炭方法によって鋼表面に高密度の
セメンタイト相を析出させることによって、表面硬度を
高めるとともに、焼き戻し軟化抵抗性を高めることによ
って面圧強度を高める方法も報告されている。
【０００４】さらに、介在物起点の接触疲労破壊を防止
する観点からの鋼中における介在物量の低減を目指した
高清浄度鋼の開発に関しても報告されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来か
らの考え方に従って表面硬度をより高くし、かつ滑りを
伴った転動もしくは単に転動の摩擦や接触応力（ヘルツ
応力）による微小な剪断変形に基づく発熱による硬さの
低減を抑制するために、焼戻し軟化抵抗元素である例え
ばＭｏを従来より多く添加する鋼を浸炭することによっ
て、面圧強度を高める手段が広く検討されているが、現
実的には焼戻し軟化抵抗性を高めても、接触応力が高く
なるに従って、接触面における油膜厚さがより薄くな
り、結果としては潤滑性の劣化による摩耗力の増大が起
こり、さらなる発熱とより大きな接触応力に基づく破壊
剪断応力の発生の原因となり、大きくかつ十分な面圧強
度の向上が期待できない等の問題点がある。また、Ｍｏ
等の焼戻し軟化抵抗性を高める元素の多量の添加は鋼材
コストの顕著な増大を招く等の問題点もある。
【０００６】また、前記浸炭品表面に対して強烈なショ
ットピーニングを実施し、最表面部から約２００μｍ程
度に存在する残留オーステナイトをマルテンサイト変態
させてより高い表面硬度と大きな圧縮残留応力を発生さ
せることによって、面圧強度の向上を図っている報告が
あるが、現実的には浸炭時に発生する粒界酸化層（欠陥
層）におけるショットによる微視的欠陥の発生による転
動初期における摩耗粉の発生および面あれによる摩耗係
数の増大によるマイナス効果、更には、歯車においては
強度の残留応力の発生に起因すると考えられる歯先の欠
損トラブルや圧縮残留応力の存在がプラス面に働かない
スポーリング強度に対しては、表面での面あれによる摩
擦係数の増大が逆に面圧強度を結果的に低下させるマイ
ナス効果があるため、必ずしも汎用的には使用できない
等の問題点がある。
【０００７】さらに、手段は異なるが浸炭法によって表
面層にセメンタイト相を高密度に分散析出させる高炭素
浸炭もしくは、高濃度浸炭法を歯車に適用する例やセメ
ンタイトを微細に球状化分散させたＳＵＪ２等のベアリ
ング鋼のように基本的にはセメンタイトの析出効果によ
って転動面の硬度を高め、粒子分散効果による焼き戻し
軟化抵抗性の向上を改善している例がある。しかし、例
えば高炭素浸炭による方法で高密度にセメンタイトを析
出させる場合には、析出させるセメンタイトの大きさが
５〜１０μｍと大きくなりやすく、かつセメンタイト同
士の凝集が起こりやすく、また粒界に沿った巨大な析出
が起こるため、結果的には接触応力による剪断力によっ
てセメンタイト凝集体が破壊され、表面欠損の起点とし
てのマイナス面が顕在化し、さらに歯車に適用した場合
には、歯元強度の低下をきたすなどの問題点がある。
【０００８】また、このようなセメンタイトの微細化お
よび凝集性の防止を図る手段として高炭素浸炭方法の改
善や鋼中の合金元素の調整が実施されている。例えば特
開平４−１６０１３５号公報においては、Ｃｒ成分濃度
を２〜８重量％に高め、さらに０．５〜４重量％Ｎｉ，
０．０１〜０．５重量％Ｎｂ，０．１〜２重量％Ｖ，
０．０５〜１重量％Ｍｏの内の１種以上を添加し、浸炭
後の表面炭素濃度を２．０重量％以上にすることによっ
て５μｍ以下のＶ系とＣｒ系の炭化物および炭窒化物を
表面から１５０μｍ深さ内部に析出させる方法が開示さ
れているが、浸炭時のセメンタイト析出を容易にするた
めのＣｒの多量の添加および析出セメンタイトの凝集成
長を抑制するためのＶの添加など高価な材料設計となっ
ており、さらに析出セメンタイトへのＣｒ，Ｖ，Ｍｏ，
Ｍｎ等の濃縮化によって母相オーステナイト中でのこれ
ら合金元素濃度の低下をきたし、浸炭後の焼き入れ性不
足による不完全焼き入れ層が発生しやすいことを防止す
るために炭化物に濃縮しにくいＮｉを添加するため、一
段と高価な材料となっているなどの問題点がある。
【０００９】さらに、特開平８−１２０４３８号公報に
は高価な合金設計を改善しながら、かつ焼き入れ時の不
完全焼き入れ層の発生を抑制するための材料と方法に関
する技術が開示されている。特に、この公報では、析出
する炭化物を５μｍを越えて成長、凝縮することを防ぐ
ために表面炭素量を１．５重量％以下に設定することが
開示されているが、最適炭素量を１．５重量％以下とし
ていることから、その炭化物の析出量はほぼ７体積％以
下と低めに設定しており、さらにまた浸透させた窒素は
効果的に窒化物もしくは炭窒化物の析出による強化方策
として利用されず、浸透した窒素はほとんどが母相のオ
ーステナイト中に固溶させて焼き入れ時の不完全焼き入
れ層の発生防止機能として作用しているに過ぎない。そ
のため、従来の高炭素浸炭法のように炭化物（セメンタ
イト）を多量に析出させないことか、先の多量析出を図
ることによる高硬度化および焼戻し軟化抵抗性の改善に
よる面圧強度向上に対してマイナス面を持つとともに焼
き入れ性を促進するＣｒ，Ｍｏ等の元素が多量にセメン
タイト中に濃縮して、結果として母相のオーステナイト
中のこれらの元素が不足することによる焼き入れ不完全
層の発生を防止することによるセメンタイトの多量の析
出を回避することによって、回転曲げ疲労強度の確保と
面圧強度のバランスを図っており、結果的には面圧強度
の十分な改善がなされていない問題点がある。前記公報
と類似の方法については、特開平８−３７２０号にも開
示されており、多量のセメンタイトを析出させるととも
に、焼き入れ性の確保の観点から、セメンタイトが排出
されやすく、焼き入れ性を高めるＮｉとセメンタイト中
に濃縮する程度が低く、かつ効果的に焼き入れ性を高め
るＭｏを高濃度に添加する方法が示されている。
【００１０】また、ベアリング等の軸受け製品において
は転動寿命の改善を目的として、鋼中の酸化物，窒化
物，硫化物系の介在物を低減する目的から、鋼の精錬段
階において充分なる脱ガス工程と特殊なスラグを利用し
た脱硫、脱憐精錬を何段階にも実施して高清浄度な軸受
け鋼を使用する場合が多く、一般的には１０〜２０μｍ
サイズの酸化物系、硫化物系の介在物を低減したこのよ
うな高清浄度軸受け鋼の使用によって転動寿命が約１０
倍ほどに改善されることが報告されているが、通常の歯
車などに使う低炭素な機械構造用鋼では、充分な清浄度
が得られにくいことおよび仮にこのような高清浄度な機
械構造用鋼が生産されるときの製造コストは非常に高価
なものになる問題がある。したがって、現状技術におけ
る機械構造用鋼の介在物レベルが存在する場合において
も面圧強度が改善できる、低コストな技術の開発が必要
である。
【００１１】また、仮に鋼中の介在物量を低減させるこ
とができた場合においても、潤滑油中に混入してくるゴ
ミや摩耗粉末などによって接触表面からの疲労損傷がお
こりやすく、高面圧強化用部品としては耐ゴミ対応の表
面強靱化、強化技術を織り込む必要がある。
【００１２】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、転動や滑りを伴う転動強度お
よび耐摩耗性を必要とする歯車，カム，軸受け部品等の
高強度、コンパクト化等に向けた鋼製部品に好適な高耐
面圧用鋼部品およびその製造方法を提供することを目的
とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明による高耐面圧用
鋼部品は、前記目的を達成するために、表面組織におい
て、平均粒径が３μｍ以下の微細な窒化物，炭化物およ
び炭窒化物の１種以上を分散させ、母相のマルテンサイ
ト葉がこれらの分散物によって細かく分断されて微細化
されてなる複合組織を有することを特徴とするものであ
る。
【００１４】また、本発明による高耐面圧用鋼部品の製
造方法は、浸炭、浸炭・浸窒、浸窒法のうち１種以上の
手段によって炭素と窒素を表面から拡散浸透させながら
分散物を析出させる工程と、この分散物を析出させる工
程に続いて、または独自に鋼のオーステナイト温度領域
から急冷してマルテンサイト相を形成させる工程よりな
ることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明においては、接触する表面
組織に、少なくとも平均粒子径が０．３μｍ以下の微細
な窒化物および／または炭窒化物を分散させることを必
須要件として、母相のマルテンサイト葉が従来のレンズ
状マルテンサイト葉に較べて、これら窒化物および／ま
たは炭窒化物によって細かく分断されて極微細化された
不規則形状なマルテンサイト葉にてなる複合組織を有す
ることを特徴として、さらに、３μｍ以下の炭化物（セ
メンタイト）を分散させ、表面部の硬さを補強して、ま
た残留オーステナイト量２０〜８０体積％を組織要因と
して加えて靱性を向上させ、潤滑油中のゴミや鋼中の介
在物に対する耐久性を向上させることを特徴としてなる
ように、材料的には少なくともＡｌを０．３〜３．０重
量％を含有する鋼が用いられる。
【００１６】さらに、加工製品は浸炭，浸窒もしくは浸
炭浸窒処理を施して、表面から浸透させる窒素によって
０．５〜４．５重量％（体積％では約２．４倍）のＡｌ
Ｎを極微細に析出させる工程と、さらには平均粒径が３
μｍ以下のセメンタイトを３０体積％まで析出させる工
程を含めて、母相がオーステナイトである温度領域から
焼き入れ、もしくは焼き入れ焼き戻しを実施することに
よって製造される高耐面圧用部品とその製造方法に要旨
を有するものである。なお、窒素の浸透深さは、使用す
る転動面部品の受ける最大接触面圧（最大ヘルツ面圧）
によって発生する最大剪断応力位置の表面からの距離に
よって任意に調整するべきものであるが、一般的には１
ｍｍ以内で、好ましくは浸炭浸窒や浸窒処理の経済性か
ら０．５ｍｍ以下で適用する。
【００１７】従来の技術は、前記のように高硬度でかつ
焼き戻し軟化抵抗性の改善に向けた検討が主体であり、
機構的には接触応力に対する表面亀裂の発生抑制型の対
応であり、一旦発生した表面亀裂の進展に対しては有効
な手段となり得ない点で共通した問題を残している。本
発明では、前記従来型の表面亀裂発生の抑制型の改善技
術にさらに、表面亀裂発生後の亀裂進展に対する顕著な
抑制作用を組織学的な観点から検討した。特に、亀裂の
伝達経路を観察した場合には、材料的な欠陥（例えば素
材にある介在物、炭化物凝集体や浸炭、浸炭・浸窒処理
の段階で形成される粒界酸化層、大きなセメンタイトと
その凝集体や焼き入れ時に発生する不完全焼き入れ層、
偏析や焼き割れによる旧オーステナイト粒界等）に沿っ
た亀裂進展以外にもレンズ状マルテンサイトやラスマル
テンサイトに沿った亀裂の進展が強化機構の重要な要因
であることに注目した。通常の浸炭焼き入れ組織のレン
ズ状マルテンサイト葉が数μｍ〜数１０μｍ程度に比較
的大きく、かつその周囲には低硬度な残留オーステナイ
トが存在し、応力集中し易い状況にあるため、マルテン
サイト葉の微細化が重要と考えられるが、通常行うオー
ステナイト結晶粒の微細化によるマルテンサイト葉の微
細化を図った場合でも、精々数μｍ程度が限界であり、
顕著な強度改善策としては不十分である。そこで、本発
明では大きさの主体が０．１μｍ以下であり、粒状，ロ
ッド状，針状の極微細な窒化物および／または炭窒化物
を１〜１５体積％の高密度に分散させることによってマ
ルテンサイト葉中に取り込ませることによってその葉の
幅サイズを約１μｍ以下にまで顕著に減少させるととも
にその障害物効果によってマルテンサイト葉を屈曲湾曲
させ、単純なレンズ状マルテンサイト葉から微細な不規
則形状なマルテンサイトに組織変更できるものとするこ
とによって亀裂進展性に対する抗力を発揮させた。ま
た、この効果は、マルテンサイト葉周辺に存在する残留
オーステナイトの分布に対しても微細な分散効果を発揮
することになり、さらに、残留オーステナイトが接触応
力によって一部がマルテンサイト変態する際においても
極微細でイレギュラーなマルテンサイトに変態すること
によって大きなレンズ状マルテンサイト葉同士が衝突す
る際の応力集中を実質的に下げる作用があると考えら
れ、また、レンズ状マルテンサイト周辺に存在する残留
オーステナイトでの引っ張り残留応力の集中の緩和分散
につながることからマルテンサイト葉に沿った亀裂の進
展に対しても抗力として作用すると考えられる。
【００１８】なお、分散物としては先に開示されたセメ
ンタイトよりも顕著に微細な析出体が必要であることか
ら（後述の写真１に示したようにセメンタイト粒の析出
によってはマルテンサイトの微細化がほとんど認められ
ていない）、母相オーステナイトに対する固溶度が顕著
に小さく、かつセメンタイトよりも母相からの分散物の
形成自由エネルギーが顕著に負に大きく（より安定に析
出しやすいことを意味する）、かつ鋼中にはじめから含
有される炭素と反応して炭化物を形成せず、さらに、析
出と同時に起こるセメンタイトの成長速度よりも顕著に
遅く、かつ分散物の析出によっても実質的に鋼の焼き入
れ性を阻害する要因とならないＡｌ窒化物を主体として
浸窒処理によって微細に析出させる手段を講じた。
【００１９】なお、滑りを伴う転動中の接触面では前記
表面および表面近傍における亀裂破壊だけでなく最表面
での摩耗および焼き付き現象も重要な品質である。本発
明においては、前記の面圧強度、耐摩耗性改善に従来か
らの公知技術を組み合わせることも可能であり、例えば
数μｍのセメンタイトを浸炭によって高濃度に分散させ
て表面硬度を確保することなどである。
【００２０】肌焼き鋼のように初期の鋼中の炭素濃度が
低い場合には、前記浸炭浸窒処理を実施するが、軸受け
鋼のレベルの高炭素な鋼に対しては脱炭が起こらない雰
囲気での８００〜８５０℃での浸窒処理のみを実施する
ことによって窒化物を析出させることによっても十分な
面圧強度の改善が可能である。なお、ＳＵＪ２のような
軸受け鋼では平均粒径が０．３〜１．０μｍの粒状セメ
ンタイトを体積率で約１〜２．５％分散させた組織とし
ているが、焼き入れ組織におけるマルテンサイト形状は
レンズ状のマルテンサイト葉であり、この程度の粒状セ
メンタイトのサイズと量では、本発明のようなマルテン
サイト葉の形状改善が達成されないことが分かる。
【００２１】また、先に開示された技術（特開平８−１
２０４８８号公報）においても析出するセメンタイトサ
イズおよび量の点においてほぼ軸受け鋼、例えば前記Ｓ
ＵＪ２相当の組織変形に対応することから、ほぼ母相マ
ルテンサイトはレンズ状マルテンサイトを形成している
と考えられる。なお、この公報においては、軸受け鋼と
比べてＶの添加が開示されているが、浸炭処理温度であ
る９３０℃での浸炭表面においてはＶは約０．２８重量
％まで固溶が可能であり、実質的にはＶＣは析出しない
で、Ｖの多くはセメンタイトに固溶しており、さらに、
仮にＶを開示範囲の最大量１重量％を添加した場合には
その内の約０．５重量％は鋼素材の段階でＶＣ特殊炭化
物としてすでに析出し、０．２８重量％のＶがオーステ
ナイト中に固溶し、残りの０．２２重量％が浸炭時に微
細な炭化物として析出することが見積もられるが、ＶＣ
炭化物の析出量としては約０．２５体積％程度であり、
実施例のセメンタイト析出量と比べてわずかであること
から、母相マルテンサイトの形状に対して大きな影響を
与えないことがわかる。
【００２２】鋼中の介在物および潤滑油中の混入ゴミを
噛み込んだときの応力集中緩和対策としては、従来から
の公知技術である残留オーステナイト量を調整する手段
を前記の本発明に組み合わせた。さらに、後述するよう
に本発明の鋼に浸炭浸窒処理後焼き入れたものにショッ
トピーニングを施して表面層部の残留オーステナイト量
を１０〜１５体積％に低減した場合に、ローラピッチン
グ寿命が低下し始めたことから、残留オーステナイト量
としては２０体積％以上とし、また残留オーステナイト
の上限値は８０体積％とした。８０体積％以上であって
は、耐摩耗性が劣化し始めるためである。なお、残留オ
ーステナイト量は２０〜６０体積％が好ましい。
【００２３】残留オーステナイトの量的な制御は、浸炭
・浸窒または浸窒時の炭素ポテンシャルと窒素ポテンシ
ャルを制御することによって実施するが、さらに表面を
ショットやロール等の物理的加圧手段やサブゼロ処理等
による熱的手段によって、残留オーステナイト相をマル
テンサイト変態させて最終的に表面硬度の適正化の観点
から調整することとした。
【００２４】前記複合組織中の微細な窒化物および炭窒
化物を実現するために、Ａｌを０．３〜３．０重量％含
有し、表面に於ける窒素を０．４〜２．５重量％含有す
るが、後述するＡｌ添加量の関係から０．７〜１．７重
量％を含有することが好ましい。
【００２５】なお、Ａｌの添加量としては０．２重量％
以上において、前記マルテンサイトの微細効果が確認さ
れ、面圧強度の向上効果が確認でき、また添加量の上限
に関してはあまり厳格な範囲は無いが、４重量％以上の
添加によっては面圧部品の鋼の内部組織にフェライト相
が析出しやすくなることや素材の加工性が悪くなること
から上限を３重量％としたが、より好ましくは０．５〜
２重量％である。
【００２６】また、Ａｌの添加効果からＶについても窒
化物分散による同様の作用が期待できるが、前記のよう
に窒化物分散に作用できる有効なＶは実質的には０．２
重量％以下であり、Ａｌに期待されるほどの機能はな
い。しかし、本発明では前記Ａｌの添加効果に、更なる
耐磨耗性改善と焼き戻し軟化抵抗性の改善を図るため
に、表面に炭化物（セメンタイト）を約３０体積％まで
析出分解させるとともに、かつ炭化物の分散による疲労
強度の低下を防止するために、析出させるセメンタイト
の平均粒径を３μｍ以下に調整する目的で、０．５〜
５．０重量％のＣｒおよび／または０．２〜１．０重量
％のＶを加えて、先のＡｌ添加の効果と併用することが
さらに好ましい。なお、Ｖ添加の上限値については前記
のように窒化物の析出でなく、表面のセメンタイトの微
細化に作用させることを重点目的とする場合においては
（常識的には）１１００℃での高温浸炭を想定すると数
重量％程度までの添加が有効であるが、本発明ではコス
ト的な観点から２重量％を上限値とした。
【００２７】また、前記Ａｌ窒化物および／または炭窒
化物は最表面部においても最も微細に析出し、深くなる
にしたがって距離にほぼ比例して粒子径が大きくなるこ
とが知られているが、現実的には９００℃以下の温度に
おいて窒素を浸透させる場合、表面から０．５ｍｍ以内
においては０．３μｍ以下の平均粒子径であり、また、
接触応力によって発生する剪断応力は多くの場合におい
て接触表面から０．５ｍｍ以内に最大値を持つことが一
般的であることから問題がない。また、析出Ａｌ窒化物
および／または炭窒化物をより細かく分散させる手法と
しては窒素を浸透させる段階の温度を低く設定すること
が重要であり、好ましくは鋼の焼き入れ性の確保の観点
から８００〜８５０℃において実施する。また、以上の
ように非常に微細なＡｌ窒化物および／または炭窒化物
を高密度に分散させたマルテンサイトの焼き戻し軟化抵
抗性は顕著に改善することも面圧強度の改善に寄与する
ことが分かる。
【００２８】前記微細Ａｌ窒化物および／または炭窒化
物で分断されたマルテンサイトは最表面部近傍において
はマルテンサイト葉の長さではほぼ１μｍ程度に分断さ
れ、光学顕微鏡的には不明瞭な組織となるほど微細化さ
れ、表面部の疲労亀裂の発生に対しても顕著な効果を発
揮するものと考える。
【００２９】浸炭浸窒および／または浸窒処理時の表面
の炭素濃度は表面硬度を得るために少なくとも０．６重
量％以上としたが、窒素濃度は残留オーステナイト量を
２０体積％以上とする調整を目的として０．４重量％以
上とした。窒素含有量の上限はＡｌ濃度の最大添加量に
よって大きく変動させるようにし、かつ残留オーステナ
イト量を最大の８０体積％に調整するために２．５重量
％以内とした。なお、好ましくは先のＡｌ添加量範囲か
らして０．７〜１．７重量％である。また、炭素量はお
よそ１．１重量％を越えるにしたがってセメンタイトが
析出し始めるが、ローラピッチング強度や回転曲げ疲労
強度などでの劣化を防ぐため、セメンタイト平均粒径が
３μｍを越えないようにセメンタイトの凝集性を防ぐた
めの組織調整する上限値として、ほぼセメンタイト析出
量が約３０体積％となる３．０重量％とした。なお、
３．０重量％以上に炭素濃度を高めた場合には、Ｃｒ，
Ｖの添加調整によってもセメンタイト同士の凝集を防止
することが難しくなり、その結果曲げ疲労強度やピッチ
ング強度の低下が有効に防止できない。
【００３０】なお、前記セメンタイトの析出微細化のた
めには０．５重量％以上のＣｒの添加が必要であり、か
つ０．２重量％以上のＶの併用添加が効果的である。こ
のことは、オーステナイト母相中に析出するセメンタイ
トの粒子径に対する合金元素の影響が析出温度における
セメンタイト中に濃縮する傾向の強い合金元素ほど微細
化し（セメンタイト中の合金元素濃度／オーステナイト
母相中の合金元素濃度＝分配係数ＫＭと定義して、分配
係数が大きいほどセメンタイトに濃縮しやすい合金元素
であり、かつセメンタイトの平均粒子径を小さくする作
用が強い）、一般の機械構造用鋼に使用される合金元素
中では、特にＣｒ，Ｖの分配係数が大きいことから、微
細化作用が強く発現しているものである。（例えば、本
発明で調査した結果では９００℃におけるＣｒの分配係
数ＫＣｒは６．４、Ｖの分配係数ＫＶは１２．３、Ｍｎ
の分配係数ＫＭｎは２．１、Ｍｏの分配係数ＫＭｏは
３．５、Ｎｉの分配係数ＫＮｉは０．２２であった。）
また、Ａｌの添加はセメンタイト中への固溶度がほとん
ど無く、セメンタイトの微細化に効果的に作用しない
が、セメンタイトの粒子の成長中にＡｌが強制的にセメ
ンタイトから排出される必要があることから弱いながら
も微細化効果が発現され、本発明のように多量のＡｌを
添加する場合においては有効的である。さらに、セメン
タイトを３０体積％も析出させた場合には、Ａｌが顕著
に母相オーステナイト中に濃縮されるようになり、窒素
の浸透によるＡｌ窒化物および／または炭窒化物の析出
を促進することに作用してより効果的な共存効果を発揮
する。Ｃｒの添加量の上限に関しては焼き入れ性とコス
ト的なバランスを考慮して５重量％以下とした。
【００３１】本発明に使用する機械構造用鋼は、前記Ａ
ｌを必須成分として、さらにＶ，Ｃｒの１種以上を添加
するものとするものであるが、さらに、高面圧用部品の
芯部の強度を付与するために、それ以外の成分について
は下記のような範囲で添加されていることが必要であ
る。
【００３２】Ｃは所望の芯部硬さを与えるのに不可欠の
元素であり、通常は歯車材としては０．１〜０．５重量
％程度の炭素濃度が鋼素材として含有させている必要が
あり、また軸受け鋼では製品段階で浸炭処理を実施しな
い場合には通常１．２重量％まで炭素を含有させて球状
化処理を実施して使用されているが、１．２重量％を越
えて使用する場合にはセメンタイトの球状化処理によっ
てセメンタイトの凝集性が大きくなり、転動寿命に良い
効果が得られなくなるためであり、本発明においても前
記理由から鋼素材として含有される炭素量は０．１〜
１．２重量％とすることが望ましい。
【００３３】Ｓｉは通常普通元素として、不可避的に
０．２重量％ほどが含有されるものであり、また焼き戻
し軟化抵抗性を高める元素として従来より利用されてい
るが通常は１重量％以下の範囲内において使用されてい
る。また、Ａｌと同様に浸窒によるマルテンサイト微細
効果が期待できるが、現実的には粒界酸化性を高めるこ
とや浸炭性に対するバラツキ性を与えることから１重量
％以内に止めることが好ましい。
【００３４】Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏはそれぞれ浸炭・浸窒お
よび／または浸窒後の焼き入れ性に対して重要な役割を
持っており、本発明においても機械構造用鋼として通常
的に使用される範囲内において使用することが好ましい
（例えば、Ｍｎ：０．１〜１．５重量％、Ｎ：０〜４重
量％、Ｍｏ：０〜１．０重量％、その他ボロン処理）。
【００３５】Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒは鋼素材の結晶粒微細化
を目的として微量添加されるが、通常の範囲において使
用されることは好ましいことである。また、Ａｌと同様
に窒化物形成元素として微細な窒化物析出に効果を発揮
することが期待されるが、前記のように鋼素材に含有さ
れる炭素との反応性が高く、添加量のほとんど前記浸炭
浸窒および／または浸窒処理前に炭化物として析出し、
現実的に窒素の浸透により、窒化物を析出させるために
は多大の添加量が必要となりコスト的に非常に高価なも
のとなるため、本発明においては鋼素材の結晶粒微細化
に対する使用目的に限定して添加量としては０〜０．１
重量％の範囲内に限定することとした。
【００３６】Ｃａ，Ｓ，Ｐｂは通常において切削性の改
善を主目的に添加することが多い。このような目的のた
めには、前記本発明の面圧強度改善高価と勘案して必要
目的に応じて添加量を調整しながらしようすることが好
ましい。
【００３７】なお、前記のように浸炭浸窒および／また
は浸窒によって表面炭素量と表面窒素量をコントロール
することによって焼き入れ後の表面層近傍中の残留オー
ステナイト量を主体的に制御しているが、前記のように
ショットピーニングやサブゼロ処理のような物理的もし
くは熱的な手段よって残留オーステナイト量を調整する
ことが可能である。ショットピーニングにより残留オー
ステナイト量が表層部からのＸ−線解析法によってほぼ
１０体積％以下に減少した場合の転動寿命はそのバラツ
キが大きくなる傾向になり、２０体積％以上の存在によ
って、安定した面圧強度が得られるようになる傾向が認
められる。しかし、８０体積％の残留応力が存在する場
合には、転動寿命よりも転動面での摩耗が進行するよう
になり、かつ表面硬度も顕著に低下するため、残留オー
ステナイト量の好ましい体積％として最表面５０μｍま
での領域においては２０〜６０体積％とし、またさらに
０．５ｍｍ深さまでは２０〜８０体積％とした。
【００３８】本発明に適用する浸炭、浸炭浸窒処理およ
び／また浸窒処理を施すに際しては、一般的には９００
℃以上の温度において一旦浸炭した後に８５０℃付近の
温度に冷却した後にアンモニアガスを追加添加しながら
浸炭、浸窒雰囲気を形成させて脱炭しないか、もしくは
加炭する条件で浸窒する方法が実施されている。しか
し、本発明では９３０℃以上でほぼ１１００℃までの高
温で表面炭素濃度が１．１重量％以上から約２重量％以
下になるように浸炭した後、一旦Ａ1 点温度以下に冷却
し、ベイナイト，マルテンサイト，パーライト等の組織
状態にした後にＡ1 点温度以上に再加熱して９００℃以
下の温度で粒状の微細なセメンタイトを析出もしくは分
散させながら、浸炭浸窒雰囲気もしくは浸窒雰囲気で炭
素および／または窒素を拡散浸透させることによってセ
メンタイトが３０体積％を越えない３．０重量％炭素、
窒素濃度を２．５重量％まで含有させる方法を採っても
よい。
【００３９】本発明に適用する浸炭浸窒処理および／ま
たは浸窒処理法としては、特に限定されるものではな
く、通常のガス浸炭浸窒、ガス浸窒や減圧ガス雰囲気で
の浸炭浸窒、浸窒およびプラズマ雰囲気中での浸炭浸
窒、浸窒法など、前記浸炭浸窒、浸窒条件を満たすよう
に適時変更して実施できればよい。
【００４０】
【発明の効果】本発明においては、Ａｌ，Ｖ等の強力な
窒化形成元素を効果的に添加することによって、浸炭浸
窒および／または浸窒処理において極微細な窒化物を歯
車やベアリング転動面表面層に緻密に分散析出させ、そ
の後の焼き入れ操作によって析出窒化物もしくは炭窒化
物によって微細に分断されたイレギュラーな針状マルテ
ンサイトを母相に形成させることによって、転動中に表
面近傍に発生する疲労亀裂の発生とその進展を強力に抑
制することによって、大きな面圧のかかる高面圧用部品
の面圧強度を顕著に高めることができた。また、レンズ
状マルテンサイトを効果的に分断，微細化する分散物と
してＡｌを主体とする窒化物および／または炭窒化物を
使用することによって、析出物の極微細化が図られ、か
つ鋼にはじめから含有される炭素との反応性がなく、添
加量のほぼすべての量が浸炭窒化および／または浸窒処
理反応時に効率よく析出物利用できることが分かった。
さらに、Ａｌの窒化物および／または炭窒化物の分散効
果に加えて、鋼素材中にＣｒ，Ｖを併用添加し、表面に
３μｍ以下の微細なセメンタイトを同時に多量に分散析
出させることによって、疲労強度の劣化を防止させなが
ら、面圧強度を加算的に強化できた。
【００４１】前記浸炭浸窒、浸窒処理後は、油焼き入
れ，水焼き入れ等によって浸炭浸窒および／または浸窒
部を焼き入れ硬化させることによって、Ａｌ窒化物およ
び・または炭窒化物を極微細に析出させマルテンサイト
葉を微細化した硬化層が得られ、耐ピッチング性に優れ
たものとなる。焼き入れ方法としては鋼のＡｌ点変態以
上の温度から焼き入れるか、あるいはＡｌ点以下の温度
に冷却後Ａｌ点温度以上に再加熱して焼き入れることが
好ましい。特に、Ａｌ窒化物を析出させる本発明による
鋼では、再加熱焼き入れによって浸窒層部の平均結晶粒
が５μｍ程度以下に微細化することが容易であり、回転
曲げ疲労強度の改善等に効果的に作用する。
【００４２】
【実施例】次に、本発明による高耐面圧用鋼部品および
その製造方法の具体的な実施例について、図面を参照し
つつ説明する。
【００４３】表１には、本発明に用いられる組成範囲内
の鋼と比較材用の鋼の成分組成が示されている。供試鋼
中の炭素量は歯車などの肌焼き鋼の例としてよく使われ
る０．２重量％から中炭素鋼および軸受け鋼の代表であ
るＳＵＪ２相当の炭素量１．１重量％までのものを用い
た。また、Ｎｏ．１〜８には、ＡｌとＶの添加効果を検
討するための水準を準備し、前記浸炭浸窒によるＡｌ窒
化物および／または炭窒化物の分散効果と微細セメンタ
イトの分散効果の相互効果について検討した。さらに、
Ｎｏ．９〜１２には比較材として中炭素鋼、ＳＮＣＭ４
２０Ｈ，４２０Ｈ，ＳＵＪ２を準備した。
【００４４】
【表１】
【００４５】これらの供試鋼は溶製後、熱間鍛造、焼き
ならし処理した後に、図１，２に示すように回転曲げ試
験片とローラピッチング試験用小ローラ片に加工され
る。また、ローラピッチング試験用の大ローラ片には、
ＳＵＪ２を焼き入れ焼き戻し、硬度でＨR Ｃ６４に調整
して使用される。また、本実施例での浸炭浸窒および浸
窒処理は図３，４，５に示される方法で実施されてい
る。なお、浸炭浸窒、浸窒処理時の炭素ポテンシャルＣ
ｐは、浸炭ガス組成中のＣＯ2 ガス濃度を調整すること
によって実施し、窒素ポテンシャルＮｐは、アンモニア
流量を変えることによって調整される。
【００４６】なお、図３はＣｐを０．８重量％に調整し
ながら９３０℃で浸炭した後、８５０℃で浸窒を実施す
る浸炭浸窒処理を施したものであり、この条件において
は浸炭時にはセメンタイトの析出が起こらないようにし
て、浸窒時にＡｌ窒化物が析出するようにした条件であ
るが、１重量％以上のＣｒを含有する鋼では一部セメン
タイトが少量析出する場合がある。これは、Ｃｐを制御
する場合には浸炭ガスのＲＸガス中のＣＯ２％（０．２
５％）をコントロールの難しさを避けた結果であり、実
質的なＡｌ添加効果を確認するのに支障はない。
【００４７】また、図４はＣｐを１．４重量％に設定
し、浸炭期においても積極的にセメンタイトの析出を図
ると同時に、８５０℃での浸窒によってＡｌ窒化物の析
出を図ったものである。 そして、図５は高炭素な軸受
け鋼水準のＮｏ．８，１２に対して８３０℃での浸窒を
実施したものである。なお、すべての水準における焼き
戻し処理は１６０℃×２時間の条件に統一した。また、
８５０℃における浸窒時間によって、ほぼ浸透窒素深さ
は０．２ｍｍ程度になるように統一した。
【００４８】熱処理後の試験片表面層の炭素，窒素濃度
は試験片断面を検量線を用いたＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロ
アナライザー）によって適時分析される。また、表面近
傍層に析出するＡｌ窒化物および／または炭窒化物の観
察やマルテンサイト組織の観察は光学顕微鏡と走査型電
子顕微鏡が適時に用いられている。さらに、表面転数は
外羽根３の回転数よりも多く設定されている。さらに、
表面槽近傍での各位置における残留オーステナイト量や
残留応力の測定は表面から電解研磨を施して実施した。
【００４９】ローラピッチング疲労試験の条件は、図２
に示される供試鋼の小ローラにＳＵＪ２で加工した大ロ
ーラ片を押し当てながら、回転数１０５０ｒｐｍ，滑り
率−４０％で条件を固定し、面圧を２５０〜３７５ｋｇ
／ｍｍ2 の範囲において適時に調整しながら、面圧強度
を評価した。なお、ピッチング発生の判定条件は小ロー
ラにピッチ欠陥が１個発生するまでの回転数で評価し
た。なお、ローラピッチングのランアウト回数は２０〜
３０×１０6 回とした。また、回転曲げ疲労強度は回転
速度３６００ｒｐｍで２０×１０6 回をランアウト条件
として曲げ疲労強度を評価した。
【００５０】図３に示される条件で浸炭浸窒した小ロー
ラ片を用いて、調査したピッチング寿命が図６に示され
ている。Ａｌを実質的に含有しないＮｏ．９〜１１のピ
ッチング寿命を基準に検討すると、これらのピッチング
の寿命バラツキ下限として図６中の破線で示すことがで
きるが、Ａｌを０．３重量％以上を含有するＮｏ．１，
４，５，６，７，８のローラピッチング寿命は明らかに
Ａｌ添加量の増加とともに高寿命化していることがわか
る。特に、Ａｌをほぼ１重量％を含有するＮｏ．４，６
は本実施例の最大のヘルツ面圧３７５ｋｇ／ｍｍ2 にお
いても、そのほとんどがランアウトする極めて高強度な
耐面圧強度を示しており、０．３１重量％Ａｌを含有す
るＮｏ．５においても顕著なＡｌ添加効果が認められ
る。なお、２．５３重量％Ａｌを添加したＮｏ．７のピ
ッチング寿命がＮｏ．４，６のものに比べて短寿命側に
位置する原因はＮｏ．４，６等の窒素浸窒深さが前記の
ように０．２ｍｍであることに対して図３に示した条件
では、時間的に充分でなく、浸透深さが０．０５〜０．
１２ｍｍ程度と薄く、ばらついているためであり、８５
０℃での浸窒時間を長くすることによって改善できる。
また、実質的なＡｌが添加されていないが、０．４２重
量％のＶを含有させたＮｏ．２においてもＶ窒化物によ
る効果がわずかに認められるが、Ａｌの添加効果と比べ
てさほど顕著でないことがわかる。さらに、Ｃｒを２．
８５重量％添加したＮｏ．３のピッチング寿命がほとん
ど改善されていないことから、セメンタイトを積極的に
析出させない本浸炭浸窒条件においてはＣｒの添加効果
はあまり重要なものでなく、浸透してくる窒素との作用
が小さいことがわかった。
【００５１】図７には、代表的なＡｌ添加材料Ｎｏ．６
との比較材のＮｏ．１０の表面近傍に於ける金属組織を
示す組成比較が示されている。この図７から明らかなよ
うに、Ｎｏ．６の最表面近傍ではマルテンサイトが極微
細に析出しており、そのマルテンサイト葉の平均長さも
１μｍ程度以下に微細化され、さらに光学顕微鏡では針
状に見受けられるマルテンサイト葉はこれらの細かな極
微細なマルテンサイトが連なったものからなり、比較材
料とのマルテンサイト葉との組織形態において明らかな
相違を示している。また、図８は最表面から１００μｍ
位置での金属組織を示す高倍率写真を示したものである
が、マルテンサイト葉の内部には均質に分散した平均粒
子が０．３μｍ以下のＡｌ窒化物が含まれていることが
分かり、これらの微細なＡｌ窒化物および／または炭窒
化物の分散物によってマルテンサイト葉が幅で約１μｍ
以下に微細に分断され、結果として不規則形状なマルテ
ンサイト葉になっていることが分かる。なお、比較材に
おいても０．１〜０．２μｍ程度の粒径のセメンタイト
が少量析出しているが、実質的にはマルテンサイト葉の
形状は非常に直線性のあるレンズ状マルテンサイト葉に
なっており、このサイズレベルでの分散物によるマルテ
ンサイト葉の微細効果が認められていないことは明らか
である。また、表面に析出するＡｌ窒化物および／また
は炭窒化物の形状は微細な粒状以外にも径が０．３μｍ
以下にファイバー状（ロッド状）のものが多く認めら
れ、この析出形態が短繊維強化的な作用を強くすること
も本発明における特徴である。
【００５２】また、図９にはＥＰＭＡによる表面での金
属組織を示す窒素分析結果を示したが、Ｎｏ．６では
１．２重量％、Ｎｏ．１０では０．７重量％である。な
お、各試験片の表面窒素濃度はＡｌ濃度によって大きく
変化するが、その変化量は添加したＡｌがすべてＡｌＮ
になると仮定して、ＡｌＮの化学量論的組成から算出さ
れる窒素量にほぼ等しくなっている。また、炭素量はほ
ぼ目的通りに含有されている。
【００５３】さらに、Ｎｏ．６，１０の表面層の残留オ
ーステナイト量はほぼ４０〜６０体積％の範囲に入って
いることがＸ線解析によって確認されている。傾向とし
ては、最表面から２０μｍ位置での残留オーステナイト
量はＡｌ添加したＮｏ．６の方がＮｏ．１０に比べて約
１２体積％程度多い。しかし、全般的にいえることは、
浸炭浸窒処理後の焼き入れ組織においては残留オーステ
ナイト量は浸透させた窒素量によって大きく影響されて
おり、本実施例ではすべて３０体積％以上を確認してい
る。
【００５４】図１０には、浸炭浸窒後に焼き入れして形
成された表面浸窒部分のローラピッチング寿命に対する
影響を確認するために、前記浸炭浸窒処理したＮｏ．６
の浸窒０．２ｍｍ部分を表面から０．１０ｍｍ，０．１
５ｍｍを除去した場合のピッチング結果を示した。さら
に、Ｎｏ．６の表面層にアークハイト０．９の条件で、
ショットピーニングを施し、表面の残留オーステナイト
量を１４％程度に減少させた場合のピッチング結果につ
いても合わせて示した。その結果浸窒層の除去量が多く
なるにしたがって顕著にピッチング寿命は低下し、最終
的にはＡｌ窒化物によるマルテンサイト微細化結果の無
い比較材の浸炭浸窒処理強度とほぼ同じになることがわ
かる。また、ショットピーニングによる残留オーステナ
イト量の低減も、特に実施例の最高面圧３７５ｋｇ／ｍ
ｍ2 においてピッチング寿命を低下させているが、浸窒
層の除去効果ほど顕著でないことも分かった。ただし、
ショットピーニングは表面部を顕著に硬化させる作用と
高い圧縮残留応力の発生効果のあることが良く知られて
おり、ピッチング強度と耐摩耗性、曲げ疲労強度を高め
る要因としてのプラス面の作用も期待できることから、
表面部の残留オーステナイト量を約２０体積％以下にな
らない範囲で使用することは好ましい。
【００５５】図４に示される条件で高濃度の炭素を浸透
させて積極的セメンタイトを析出させながら浸炭浸窒し
たＮｏ．２，３，４，６，１１の小ローラ片を用いて、
調査したピッチング寿命が図１１に示される。また、鋼
素材が高炭素濃度で、すでにセメンタイトを析出してい
る軸受け鋼水準のＮｏ．８，１２に対して、図５に示し
た浸窒処理したピッチング結果についても図１１に合わ
せて示される。また、寿命評価基準として、先の図６の
破線で示したピッチング寿命下限値線を図１１にも示さ
れている。
【００５６】一般的には、比較材においても５μｍ以下
のセメンタイトの析出によって顕著なピッチング寿命の
向上が確認できるが、Ａｌの添加によって更なるピッチ
ング寿命の向上の図れることが分かった。とくに、セメ
ンタイトの析出効果とＡｌ窒化物の析出による極微細マ
ルテンサイトの析出効果は、例えばＮｏ．３，４の寿命
比較や軸受け鋼水準のＮｏ．８，１２の寿命比較からも
明らかに確認でき、本発明の両効果の加算性が確認でき
た。なお、Ｎｏ．２，６，１１の表面炭素量は１．５〜
１．８重量％で平均粒径が２〜５μｍのセメンタイトが
析出した組織であり、Ｎｏ．３，４の表面炭素量は２．
３〜２．６重量％の範囲にあり、平均粒径が１．５〜
２．５μｍのセメンタイトが析出した組織である。な
お、Ｎｏ．１１のＳＣＭ４２０Ｈ比較材では５μｍ、Ｎ
ｏ．３では２．５μｍであり、Ｃｒを多く含有するにし
たがって析出セメンタイトは細かくなっており、従来報
告の傾向と合致しているが、さらにＡｌを添加した鋼に
おいてはさらにそのセメンタイトの微細化効果が確認で
きた。また、このような炭素量とセメンタイト粒径の違
い、およびＡｌ窒化物の析出効果の組織的な観点から前
記ピッチング寿命の改善効果がほぼ合理的であることが
わかる。
【００５７】図１２は図３の熱処理後のＮｏ．６，１１
の回転曲げ疲労強度を示したものである。Ｎｏ．６の表
面層０．２ｍｍには、前記のように浸窒によるＡｌ窒化
物の析出層が存在して、表面部での曲げ応力の切り欠き
効果による応力集中発生が懸念されるが、図１２の結果
からその心配のないことが分かる。このことは析出する
Ａｌ窒化物のサイズが０．３μｍ以下と非常に極微細で
あるためである。また、同図にはアークハイト０．９で
ショットピーニングしたときの回転曲げ疲労強度につい
ても示したが、Ｎｏ．１１とほぼ同じ効果が認められて
おり、表面部の強加工を受けたときにおいてもＡｌ窒化
物の析出が応力集中点として作用しないことが分かる。
以上と同じ効果は、Ｎｏ．８，１１の軸受け鋼水準に図
５の熱処理を施したものの回転曲げ疲労強度の比較にお
いても確認できている。図１３は、図４の熱処理を施し
たＮｏ．３，４，６，１１の回転曲げ疲労強度結果を比
較して示したものであるが、前記のようにＮｏ．１１の
表面には平均粒径が約５μｍのセメンタイトが析出して
いるのに対して、Ｎｏ．６では、セメンタイトの平均粒
径が約２μｍに細かくなっていることから、Ｎｏ．１１
の回転曲げ強度はセメンタイトを析出させない場合に比
べて、約１０％程度の強度低下が認められた。しかし、
前記Ａｌ添加によりセメンタイト粒径を約２μｍに細か
くしたＮｏ．６では、その強度低下はほとんど認められ
ないことから、セメンタイトを表面に析出させて使用す
る場合には、セメンタイト平均粒径は３μｍ以下になる
ように熱処理することが好ましいと考える。また、Ｎ
ｏ．６，１１の熱処理後の回転曲げ試験片にアークハイ
トが０．９のショットピーニング処理を施した場合の疲
労強度についても図１３に合わせて示したが、セメンタ
イト粒径の大きなＮｏ．１１については大きな改善効果
が達成できないのに対して、微細なセメンタイトを析出
させたＮｏ．６の回転曲げ疲労強度には顕著な改善効果
が認められたことから、疲労強度的な観点からは、セメ
ンタイト平均粒径を３μｍ以下にすることも大切である
が、セメンタイトの凝集物をなくすこともより大切であ
ることがわかった。さらに、同図１３にはＮｏ．３，４
の図４の熱処理後の回転曲げ疲労強度についても合わせ
て示したが、セメンタイト量が約２５体積％であって
も、セメンタイト粒子の平均径がそれぞれ２．５μｍ，
１．５μｍと微細化されていることによって、疲労強度
に顕著な低下が認められないことがわかり、このことか
ら、セメンタイト量は３０体積％程度まではセメンタイ
トの微細化によって強度の劣化無く面圧強度の改善に寄
与できることが分かった。ただし、３０体積％を越える
セメンタイトを析出させる場合には、多くのセメンタイ
トが凝集し、粗大化する危険性が大きいことを認めてお
り、３０体積％以上のセメンタイトを析出させる場合に
おいて顕著な面圧強度の改善効果が期待できない。
【００５８】なお、Ａｌ窒化物の析出サイズを小さくす
るためには図３〜５に示した浸窒処理する温度を低く設
定することが効果的と考え、さらに図４に示したように
浸炭によってセメンタイトを積極的に析出させるために
も浸炭温度を低く設定することが好ましいが、現実的な
浸炭浸窒、浸窒処理は８００℃以上で行うことが好まし
い。
【００５９】本発明によれば、Ａｌ窒化物等極微細な析
出物を浸炭浸窒および／または浸窒法によって析出させ
た後に、焼き入れで生成されるマルテンサイト葉を極微
細化することにとって、接触応力によって引き起こされ
る疲労破壊が顕著に改善できた。特にその特徴は回転曲
げ強度に対する強度低下もなく、かつ安価なＡｌ等の合
金元素を添加する鋼を用いることによって容易に達成で
きることは非常に経済的である。また、本発明は細かな
セメンタイトを析出させて使用する場合においても、セ
メンタイト粒中からＡｌが排出され、母相の焼き入れ性
を阻害することがなく、かつ析出するセメンタイト粒を
微細にする作用があり、さらに浸窒処理によるＡｌ窒化
物の析出に対しても有効に作用して、転動疲労での平均
寿命の顕著な向上を可能にしている。したがって、本発
明は転動や滑りを伴う転動強度および耐摩耗性必要とす
る歯車、カム、軸受け部品等の高強度、コンパクト化等
に向けた鋼製部品に好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係る高耐面圧用鋼
部品である回転曲げ試験片の側面図である。
【図２】図２は、本実施例のローラピッチング試験片の
小ローラ試験片の側面図（ａ）および大ローラ試験片の
側面図（ｂ）である。
【図３】図３は、本実施例の浸炭期にセメンタイトを析
出させない浸炭浸窒処理の説明図である。
【図４】図４は、本実施例の浸炭期にもセメンタイトを
析出させる浸炭浸窒処理の説明図である。
【図５】図５は、本実施例の浸窒処理図である。
【図６】図６は、本実施例の浸炭期にセメンタイトを析
出させない浸炭浸窒処理した小ローラを用いて調査した
ピッチング寿命の結果図である。
【図７】図７は、本実施例のＮｏ．６とＮｏ．１０の表
面近傍における金属組織を示す組成比較写真である。
【図８】図８は、本実施例の最表面から１００μｍの位
置での金属組織を示す高倍率写真である。
【図９】図９は、本実施例ＥＰＭＡによる表面での金属
組織を示す窒素分析結果写真である。
【図１０】図１０は、本実施例の浸炭浸窒後に焼き入れ
して形成された表面浸窒部のローラピッチング寿命の結
果図である。
【図１１】図１１は、本実施例の浸炭期にもセメンタイ
トを析出させる浸炭浸窒処理した小ローラを用いて調査
したピッチング寿命の結果図である。
【図１２】図１２は、本実施例の浸炭期にセメンタイト
を析出させない浸炭浸窒処理の熱処理後の回転曲げ疲労
強度の結果図である。
【図１３】図１３は、本実施例の浸炭期にセメンタイト
を析出させない浸炭浸窒処理の熱処理後の回転曲げ試験
片にショットピーニング処理を施した場合の疲労強度の
結果図である。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 表面組織において、平均粒径が３μｍ以
    下の微細な窒化物，炭化物および炭窒化物の１種以上を
    分散させ、母相のマルテンサイト葉がこれら分散物によ
    って細かく分断されて微細化されてなる複合組織を有す
    ることを特徴とする高耐面圧用鋼部品。
  2. 【請求項２】 前記微細な窒化物および／または炭窒化
    物の分散物は大きさの主体が０．３μｍ以下であり、微
    細な窒化物および／または炭窒化物の１種以上の分散物
    の含有率が１体積％以上からなることを特徴とする請求
    項１に記載の高耐面圧用鋼部品。
  3. 【請求項３】 前記母相のマルテンサイト葉は、通常浸
    炭組織のレンズ状マルテンサイトに較べて顕著に針状化
    され、０．３μｍ幅以下の微細な窒化物および／または
    炭窒化物の分散物によって分断され、葉の幅が１μｍ以
    下になる微細マルテンサイト葉が主体となり、かつ顕著
    に不規則化されてなることを特徴とする請求項１または
    ２に記載の高耐面圧用鋼部品。
  4. 【請求項４】 前記複合組織に２０〜８０体積％の残量
    オーステナイトを含ませることを特徴とする請求項１乃
    至３のうちのいずれかに記載の高耐面圧用鋼部品。
  5. 【請求項５】 前記炭化物は平均粒径のセメンタイトを
    主体として、最大３０体積％まで分散されることを特徴
    とする請求項１乃至４のうちのいずれかに記載の高耐面
    圧用鋼部品。
  6. 【請求項６】 Ａｌを０．３〜３．０重量％含有し、表
    面において窒素を０．４〜２．５重量％含有する鋼を使
    用することを特徴とする請求項１乃至５のうちのいずれ
    かに記載の高耐面圧用鋼部品。
  7. 【請求項７】 Ｃｒを０．５〜５．０重量％およびＶを
    ０．２〜１．０重量％含有して表面における炭素含有量
    が１．０〜３．０重量％である鋼を使用することを特徴
    とする請求項１乃至６のうちのいずれかに記載の高耐面
    圧用鋼部品。
  8. 【請求項８】 炭素含有量が０．６〜３．０重量％、窒
    素含有量が０．４〜２．５重量％であることを特徴とす
    る請求項１乃至７のうちのいずれかに記載の高耐面圧用
    鋼部品。
  9. 【請求項９】 さらに、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｂ，
    ＳおよびＰ等の不純物成分や合金成分を通常の成分範囲
    において添加してなることを特徴とする請求項６乃至８
    のうちのいずれかに記載の高耐面圧用鋼部品。
  10. 【請求項１０】 歯車、ベアリングの転動体およびその
    レース、カム構成部品等の接触疲労強度および耐摩耗性
    を必要とする駆動力伝達部品に適用することを特徴とす
    る請求項１乃至９のうちのいずれかに記載の高耐面圧用
    鋼部品。
  11. 【請求項１１】 前記請求項１乃至５のうちのいずれか
    に記載の複合組織および微細マルテンサイト葉を得るた
    めに、前記請求項６乃至９のうちのいずれかに記載の成
    分鋼を用いる高耐面圧用鋼部品の製造方法であって、浸
    炭、浸炭・浸窒、浸窒法のうち１種以上の手段によって
    炭素と窒素を表面から拡散浸透させながら分散物を析出
    させる工程と、この分散物を析出させる工程に続いて鋼
    のオーステナイト温度領域から急冷してマルテンサイト
    相を形成させる工程からなるか、または浸炭によって炭
    素を表面から拡散浸透させた後、いったん共析変態温度
    以下に冷却させ、続いて鋼のオーステナイト温度領域に
    再加熱し、浸炭、浸窒雰囲気のもとで粒状炭化物を分散
    させると共に表面から拡散浸透させた窒素と炭素によっ
    て窒化物および炭窒化物を分散させた後に急冷してマル
    テンサイト相を形成させる工程からなることを特徴とす
    る高耐面圧用鋼部品の製造方法。
  12. 【請求項１２】 浸炭、浸炭・浸窒、浸窒法の１種以上
    の方法によって、表面部近傍層に浸透させた炭素および
    ／または窒素の成分量を制御し、鋼のオーステナイト温
    度領域からの急冷によって前記複合組織に含まれる残量
    オーステナイト量を２０〜８０体積％析出させることを
    特徴とする請求項１１に記載の高耐面圧用鋼部品の製造
    方法。
  13. 【請求項１３】 前記請求項６，７または９に記載の合
    金成分を含有し、かつ炭素量が１．２重量％を越えない
    鋼を使用することを特徴とする請求項１１または１２に
    記載の高耐面圧用鋼部品の製造方法。
  14. 【請求項１４】 高耐面圧用鋼部品の表面をショットも
    しくはロール等の物理的手段によって残留オーステナイ
    ト相をマルテンサイト変態させて前記残量オーステナイ
    ト量を調整することを特徴とする請求項１１乃至１３の
    うちいずれかに記載の高耐面圧用鋼部品の製造方法。
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