摺動部品
【課題】優れた耐摩耗性を有し、自動車および産業機械の歯車、プーリー、シャフトなどとして用いるのに好適な摺動部品の提供。
【解決手段】浸炭または浸炭窒化された摺動部品であって、摺動面の表面から深さ１０μｍまでの表層部において、セメンタイト粒子の平均粒子径：０．６μｍ以下、摺動面に対して垂直方向の断面におけるセメンタイト粒子の数密度：１個／μｍ2以上、かつ、摺動面の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さ：７００以上、を満たすとともに、摺動面の表面粗さが、Ｒｚ：４．０μｍ以下、Ｒｐｋ／Ｒｋ：１．０未満、を満たす摺動部品。なお、Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）で規定された「最大高さ粗さ」を表し、また、ＲｐｋおよびＲｋはそれぞれ、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定された「突出山部高さ」および「コア部のレベル差」を表す。
【解決手段】浸炭または浸炭窒化された摺動部品であって、摺動面の表面から深さ１０μｍまでの表層部において、セメンタイト粒子の平均粒子径：０．６μｍ以下、摺動面に対して垂直方向の断面におけるセメンタイト粒子の数密度：１個／μｍ2以上、かつ、摺動面の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さ：７００以上、を満たすとともに、摺動面の表面粗さが、Ｒｚ：４．０μｍ以下、Ｒｐｋ／Ｒｋ：１．０未満、を満たす摺動部品。なお、Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）で規定された「最大高さ粗さ」を表し、また、ＲｐｋおよびＲｋはそれぞれ、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定された「突出山部高さ」および「コア部のレベル差」を表す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗性に優れた動力伝達部品としての摺動部品に関し、詳しくは、浸炭または浸炭窒化された摺動部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車および産業機械における歯車、プーリー、シャフトなどの部品は、ＪＩＳ規格のＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０、ＳＮＣＭ４２０などの機械構造用合金鋼に、浸炭または浸炭窒化を施して焼入れ（以下、浸炭を施した焼入れを「浸炭焼入れ」といい、また、浸炭窒化を施した焼入れを「浸炭窒化焼入れ」という。）を行った後、２００℃以下の温度で焼戻しを行い、さらに必要に応じてショットピーニング処理を施すことにより、面疲労強度、曲げ疲労強度、耐摩耗性など、それぞれの部品に要求される特性を確保することが行われてきた。
【０００３】
しかしながら、近年、自動車の燃費向上やエンジンの高出力化に対応するために、部品の小型化および軽量化が進み、これに伴って、部品にかかる負荷が著しく増加するようになってきた。このため、産業界からは、動力伝達用の摺動部品に対して、特に、優れた耐摩耗性を具備させることが要望されている。
【０００４】
なお、これまでに、浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れを施した部品の耐摩耗性を向上させる対策として、部品の表面粗さを小さくすること、部品表層部の硬さを硬くすること、不完全焼入れ組織の生成を防止することなどが知られている。
【０００５】
しかしながら、単に上述したような対策を施すだけでは、部品にかかる負荷が著しく増加した場合には耐摩耗性の低下が避けられず、前述した産業界からの要望に応えることはできなかった。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に、化学成分を規定するとともに、「炭素ポテンシャルが１．２重量％以上の条件で浸炭した後に、Ａ１温度以下の温度域に冷却し、再加熱処理を施して使用することを特徴とする浸炭部材」に関する技術が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２に、特定量の成分元素を含有するとともに、表面から深さ０．３ｍｍまでの炭素濃度、析出炭化物の最大径、平均径、析出炭化物の面積率、残留オーステナイト量および常温での硬さを規定した「無段変速機の転動体」に関する技術が開示されている。
【０００８】
さらに、特許文献３に、接触面の粗さ曲線の最大高さＲｙが１〜３μｍであり、粗さ曲線から得られる負荷曲線の減衰山高さＲｐｋと、最大高さＲｙとの間にＲｐｋ／Ｒｙ≦０．１の関係を満たす接触面を有することを特徴する「機械部品」に関する技術が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−１１７０５９号公報
【特許文献２】特開平１１−１９９９８３号公報
【特許文献３】ＷＯ９７／１９２７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記の特許文献１で開示された「浸炭部材」は、浸炭時における表面Ｃ濃度を調整した後に冷却し再加熱することによって分散させるセメンタイトの平均粒径と量を調整することについては規定されているものの、部材の表面粗さおよびその形状の特徴に関しては考慮されていない。しかしながら、耐摩耗性は、部材における表層の組織だけではなく、硬さ、表面粗さおよびその形状の特徴によって様々に変化する。このため、セメンタイトの平均粒径とその分散量を規定するだけの特許文献１で提案された技術では、十分な耐摩耗性を確保できない場合がある。しかも、特許文献１においては、部品の起動時のような、摩擦係数が急激に減少する場合の耐摩耗性を向上させることについては全く検討されていない。
【００１１】
特許文献２で開示された「無段変速機の転動体」も動力伝達用の摺動部品であるが、前述のとおり、耐摩耗性には、部材表層の組織および硬さだけではなく、表面粗さおよびその形状の特徴も影響する。このため、表面粗さおよびその形状についての考慮がなされていない特許文献２で提案された技術では、優れた耐摩耗性を確保できない場合がある。さらに、この特許文献２においても、部品の起動時のような、摩擦係数が急激に減少する場合の耐摩耗性を向上させることについては全く検討されていない。
【００１２】
特許文献３で提案された「機械部品」の一実施態様として開示されている「カムフォロワ用ローラ」も動力伝達用の部品であるが、耐摩耗性には、部材の表面粗さおよびその形状の特徴だけではなく、表層の硬さおよび組織も影響する。このため、部材における表層の組織および硬さについての考慮がなされていない特許文献３で提案された技術では、優れた耐摩耗性を確保できない場合がある。さらに、この特許文献３の場合も、部品の起動時のような、摩擦係数が急激に減少する場合の耐摩耗性を向上させることについては全く検討されていない。
【００１３】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、優れた耐摩耗性を有する摺動部品、なかでも、浸炭または浸炭窒化を施され、優れた耐摩耗性を有する摺動部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
既に述べたように、部品の表面粗さを小さくすること、部品表層部の硬さを硬くすること、不完全焼入れ組織の生成を防止すること、といった従来の対策を施すだけでは、部品にかかる負荷が著しく増加した場合には耐摩耗性の低下を避けることができない。
【００１５】
そこで、本発明者らは、部品にかかる負荷が著しく増加した場合の耐摩耗性を向上させるために、表層部の制御、特に、表面粗さとセメンタイトの分散とを制御することに着目して調査・研究を重ね、さらにそれに付帯する条件について詳細な検討を重ねた。
【００１６】
その結果、下記（ａ）〜（ｄ）の知見を得た。
【００１７】
（ａ）動力伝達部品は、駆動側部品と従動側部品からなり、両部品の間で速度差が生じることがある。定常状態では、この速度差は一定あるいは連続的に変化し、接触面間の真実接触部がせん断力によって破壊される凝着摩耗や、あるいは、接触面間の高硬度の粗さ突起が低硬度の表面を削り取るアブレシブ摩耗が主となる。一方、例えば、部品の起動時のように、停止状態から瞬間的に速度差が生じる場合には、接触面の摩擦は瞬間的に静摩擦状態から動摩擦状態に遷移する。そして、この場合には、静摩擦係数に比べて動摩擦係数の値の方が小さいため、急激に摩擦係数が減少し、その結果、静摩擦力と動摩擦力の差を起振力とする振動が生じる。この振動は比較的短時間で減衰するものの、これが繰り返されることによって、接触面では疲労摩耗が生じる。
【００１８】
（ｂ）「凝着摩耗」および「アブレシブ摩耗」には表面粗さが影響を及ぼす。これらの摩耗を抑制するためには、粗さの最大値、例えば、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）で規定された「最大高さ粗さ」であるＲｚを小さくすることが有効であるが、これだけでは不十分であり、さらに、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定された「突出山部高さ」であるＲｐｋと「コア部のレベル差」であるＲｋの比、つまり、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値を１．０未満にするのが有効である。
【００１９】
（ｃ）しかしながら、表面粗さを小さくすると、静摩擦係数が大きくなるので、瞬間的に速度差が生じた際に発生する振動が生じやすくなる。
【００２０】
（ｄ）表面粗さを小さくした場合でも、表層に特定のサイズのセメンタイトを分散させると、上記（ｃ）で述べた振動の発生を抑制できる場合がある。これは、鋼どうしの直接接触の頻度を下げることが可能なためと考えられる。
【００２１】
以下に、上記の知見（ａ）〜（ｄ）を得るに至った調査・研究の具体的内容について説明する。
【００２２】
（Ａ）凝着摩耗およびアブレシブ摩耗について：
本発明者らは、先ず、表面粗さが耐摩耗性に及ぼす影響を以下の方法で調査した。
【００２３】
すなわち、表１に示す化学組成を有する鋼を１５０ｋｇ真空溶解炉で溶解した後、鋳造してインゴットを作製した。
【００２４】
【表１】
【００２５】
上記のインゴットを１２５０℃で８時間保持した後、大気中で放冷して一旦室温まで冷却した。次いで、１２５０℃に再加熱して３０分保持し、仕上げ温度を１０００℃以上として熱間鍛造して、直径４５ｍｍの丸棒を得た。なお、熱間鍛造終了後は、大気中で放冷して室温まで冷却した。
【００２６】
このようにして得た丸棒に、９２５℃で１時間保持した後に大気中で放冷して室温まで冷却する焼ならしを施した。
【００２７】
焼ならし後の直径が４５ｍｍの丸棒のＲ／２部（Ｒ：半径）から、機械加工により鍛錬軸に平行に図１に示す形状のブロックオンリング試験用ブロック試験片を切り出した。なお、ブロックオンリング試験およびその試験片形状は、ＡＳＴＭ−Ｇ７７−９８で規定されたものである。上記図１における（イ）および（ロ）は、それぞれ、ブロック試験片の正面図と側面図である。
【００２８】
上記のブロックオンリング試験用ブロック試験片（以下、「ブロック試験片」という。）は、ガス浸炭炉を用いて、図２または図３に示すヒートパターンで浸炭してから油温８０℃の油中に焼入れし、さらに、１７０℃で２時間焼戻しを行った。なお、図２および図３中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを意味する。
【００２９】
上記のようにして浸炭焼入れ−焼戻ししたブロック試験片の試験部に、研削、ショットピーニング、研磨など種々の表面加工を施して、表面粗さを変化させた。
【００３０】
表２に、表面加工条件の詳細を熱処理パターンとともに「処理条件」として示す。
【００３１】
ここで、表２における「縦研削」とは、試験片の長手方向、つまり、図１の長さ１５．７５ｍｍの方向に研削したことを、一方、「横研削」とは長手方向と直角の方向、つまり、図１の６．３５ｍｍの方向に研削したことを意味する。なお、研削は粒度８０〜５００の砥石を用いて実施した。
【００３２】
また、「ペーパー研磨」とは、＃５００および＃８００のＳｉＣ研磨紙の順で、ランダムな研磨方向で湿式研磨したことを意味する。
【００３３】
「鏡面研磨」とは、＃５００、＃８００、＃１０００、＃１５００および＃２０００のＳｉＣ研磨紙の順でランダムな研磨方向で湿式研磨した後、さらに、粒子径５０μｍのアルミナ砥粒で研磨方向はランダムとしてバフ研磨し、仕上げたことを意味する。
【００３４】
「ショットピーニング」とは、硬さがビッカース硬さで８００および粒径が０．８ｍｍのラウンドカットワイヤを使用して、また、「微粒子ショットピーニング」とは、硬さがビッカース硬さで８００および粒径が０．２５ｍｍのラウンドカットワイヤを使用して、いずれも、０．４ＭＰａの投射圧でショットピーニング処理したことを意味する。
【００３５】
【表２】
【００３６】
上記のようにして表面加工したブロック試験片の表面粗さをＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）およびＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定される方法に準拠し、次に示す条件で測定した。
【００３７】
・測定方向：試験片長手方向、
・評価長さ：３．０ｍｍ、
・カットオフ値：０．８ｍｍ、
・測定項目：Ｒｚ、Ｒｐｋ、ＲｋおよびＲｖｋ。
【００３８】
表２に、このようにして測定したＲｚ、Ｒｐｋ、ＲｋおよびＲｖｋを、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値とともに示す。なお、Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）で規定された「最大高さ粗さ」を表し、また、Ｒｐｋ、ＲｋおよびＲｖｋはそれぞれ、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定された「突出山部高さ」、「コア部のレベル差」および「突出谷部深さ」を表す。
【００３９】
また、上記のようにして表面加工したブロック試験片の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さを次のようにして調査した。
【００４０】
すなわち、ショットピーニングによる圧縮残留応力のピーク深さは、表面から５０μｍ以内となることが多い。そこで、ショットピーニングによる硬さの増大も、表面から５０μｍ以内で生じると考え、通常よりも表層の硬さを詳細に観察することを目的に、摺動部に対応する位置であるブロック試験片の中央部を切断した後、長手方向に垂直な断面に対して１５゜の角度で樹脂に埋め込んで鏡面研磨した。このとき、表面は見かけ上深さ方向に拡大されているため、表面から４０μｍの位置で５点の硬さを測定した。なお、上記の位置は、垂直方向の１０μｍ位置に対応する。硬さ測定にはビッカース硬度計を用い、試験力を１．９６１Ｎとしてビッカース硬さ（以下「Ｈｖ硬さ」ともいう。）を測定した。そして、これら５点の硬さの算術平均値を求めた。
【００４１】
表２に、このようにして求めた深さ１０μｍにおけるビッカース硬さを併せて示す。なお、表２においては、上記の硬さを「表面硬さ」と表記した。
【００４２】
さらに、上記の表面加工したブロック試験片と図４に示す形状のブロックオンリング試験用リング試験片（以下、「リング試験片」という。）を用いて、表３に示す条件でブロックオンリング試験を実施して耐摩耗性を調査した。
【００４３】
図５に、ブロックオンリング試験の模式図を示す。
【００４４】
【表３】
【００４５】
試験数は各処理条件について２個ずつとし、試験後のブロック試験片の摩耗幅を光学顕微鏡で測定した。なお、測定箇所は図６に示すように、各試験片について摩耗痕の両端および中央とし、各処理条件について、合計６箇所の摩耗幅を算術平均してこれを摩耗幅とした。
【００４６】
なお、リング試験片は、既に述べた焼ならし後の直径が４５ｍｍの丸棒の中心部から、機械加工により鍛錬軸に平行に切り出し、ガス浸炭炉を用いて、図２に示すヒートパターンで浸炭してから油温８０℃の油中に焼入れし、さらに、１７０℃で２時間焼戻しを行った。その後、粒度８０の砥石を用いて２０００ｍ／ｍｉｎの研磨速度で２〜３分間円周方向に研磨し、表面粗さをＲｑで０．１５〜０．３０μｍに仕上げた。なお、「Ｒｑ」はＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）に規定された「二乗平方根粗さ」を表す。
【００４７】
表４に、摩耗幅の測定結果を示す。なお、この表４には、表２に示したブロック試験片の深さ１０μｍにおけるビッカース硬さならびに、表面粗さのうちのＲｚおよび〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値を併せて示した。なお、表４においても、上記の硬さを「表面硬さ」と表記した。
【００４８】
【表４】
【００４９】
先ず、深さ１０μｍにおけるビッカース硬さと摩耗幅を比較すると、ビッカース硬さが７００を下回る値の５８０である処理条件ｈと、ビッカース硬さが８００を超える値の８３０と９１０である処理条件ｅおよびｆの摩耗幅がいずれも２ｍｍを超える著しく大きな値となっていることがわかる。
【００５０】
なお、処理条件ｈの表面粗さＲｚは１．９３μｍで、摩耗幅が１．１４ｍｍと小さい処理条件ａの１．９５μｍと同程度であることから、処理条件ｈの摩耗幅が著しく大きいのは、深さ１０μｍにおけるビッカース硬さが７００よりも低いためであると考えられる。
【００５１】
そこで次に、処理条件ｈを除いた残りの６条件について、摩耗幅とＲｚの関係を整理して図７に示した。なお、図７中の符号は、「処理条件」を表す。
【００５２】
図７から、摩耗幅は、Ｒｚが大きいほど増大し、Ｒｚが２．０μｍ以下の場合には摩耗幅は２ｍｍに達しないことが認められる。このことから、処理条件ｅおよびｆの場合に、深さ１０μｍにおけるビッカース硬さが８００を超える高い値であるにもかかわらず摩耗幅が著しく大きいのは、Ｒｚがそれぞれ、６．９９μｍと４．８２μｍという４．０μｍを超える大きな値であるためと考えられる。
【００５３】
しかしながら、図７でＲｚが４．０μｍ以下である処理条件ａ〜ｄおよびｇの場合でも、摩耗幅は１．１４〜１．７２ｍｍとばらついていた。
【００５４】
そこで、さらに、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定される粗さの幾何パラメータであるＲｐｋ（突出山部高さ）、Ｒｋ（コア部のレベル差）およびＲｖｋ（突出谷部深さ）に着目し、摩耗幅との関係を調査した。
【００５５】
上記のＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定された「Ｒｐｋ」、「Ｒｋ」および「Ｒｖｋ」は、それぞれ、荷重移動方向の表面粗さ負荷曲線中の「初期摩耗高さ」、「有効負荷粗さ」および「油溜まり深さ」を分離して表現したものに対応し、試験片どうしの接触には、これらのパラメータのうちで、ＲｐｋとＲｋが関与すると考えられる。
【００５６】
すなわち、初期摩耗高さに対応する「Ｒｐｋ」は、粗さ曲線中の特に高さの高い突起を表すものであるため「直接接触」に大きな影響を及ぼす。また、有効負荷粗さに対応する「Ｒｋ」は、「Ｒｖｋ」と「Ｒｐｋ」の中間の粗さ分布を表すものであり、「Ｒｋ」のうちの特定領域が「直接接触」に影響する。しかしながら、「Ｒｐｋ」は粗さ曲線中の特に高さの高い突起であるがゆえに、接触または滑りの初期に摩耗し、その摩耗粉が相手面や自らの表面を摩耗させることがある。このため、「Ｒｐｋ」は小さい方が望ましい。また、「Ｒｋ」はその領域のうち、半分程度しか直接接触に関与しないため、その値は大きい方が好ましい。
【００５７】
「Ｒｋ」に対して「Ｒｐｋ」が大きいほど接触が過酷になり、相手材を摩耗させたり、相手材の表面を荒らしたり、さらに、生成した摩耗粉で自己摩耗したり、表面が粗くなった相手材から摩耗させられたりすると考えられるので、二つの粗さの比である〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値は小さい方が好ましいと考えられる。
【００５８】
そこで、処理条件ａ〜ｄおよびｇについて、摩耗幅と〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値の関係を整理して図８に示した。なお、図８中の符号は、「処理条件」を表す。
【００５９】
図８から、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値が１．０未満のとき、摩耗幅は１．５ｍｍ以下に抑制されていることがわかる。
【００６０】
すなわち、表４、さらには、図７および図８から、深さ１０μｍにおけるビッカース硬さを７００以上とすることに加えて、表面粗さを、Ｒｚが４．０μｍ以下で、さらに、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値が１．０未満を満たすようにすれば、摩耗幅を１．５ｍｍ以下に抑制できて良好な耐摩耗性の確保が可能になることがわかる。
【００６１】
（Ｂ）疲労摩耗について：
動力伝達部品では、部品の起動時のように、停止状態から瞬間的に速度差が生じる場合、接触面の摩擦は瞬間的に静摩擦状態から動摩擦状態に遷移する。この時、静摩擦係数に比べて動摩擦係数の値の方が小さいため、急激に摩擦係数が減少し、その結果、静摩擦力と動摩擦力の差を起振力とする振動が生じる。この振動は比較的短時間で減衰するが、これが繰り返されることによって、接触面においてき裂が生成することがあり、このき裂は繰返し数の増大により連結し、摺動面がはく離して、疲労摩耗が生じると考えられる。したがって、疲労摩耗低減のためには、このき裂の生成を抑制する必要がある。
【００６２】
そこで、本発明者らは、上記のき裂を抑制する条件を明らかにするために、一定滑り速度での耐摩耗性を増大することができる表面硬さと表面粗さとをもつ試験片、つまり、摺動面の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さが７００以上で、表面粗さを、Ｒｚが４．０μｍ以下で、さらに、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値が１．０未満を満たすように調整した試験片を用いて、調査・研究を重ねた。
【００６３】
具体的には、上記（Ａ）で述べた焼ならし後の直径が４５ｍｍの丸棒のＲ／２部（Ｒ：半径）から、機械加工により鍛錬軸に平行に図１に示す形状のブロック試験片を切り出し、ガス浸炭炉を用いて、図２に示すヒートパターンで浸炭してから油温８０℃の油中に焼入れするか、あるいは、図９〜１１に示すヒートパターンで高濃度浸炭し、さらに、再加熱処理してから油温８０℃の油中に焼入れして、表層部の組織を変化させた。いずれの場合も、油焼入れ後は、１７０℃で２時間焼戻しを行った。
【００６４】
なお、図９〜１１中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを意味し、高濃度浸炭してから窒素冷却を行って一旦６００℃まで冷却し、６００℃で１５分保持した後再び加熱し、温度が８７０℃、８５０℃または８３０℃で、カーボンポテンシャルが１．０％の雰囲気で再加熱処理した。
【００６５】
次いで、上記の焼戻を施したブロック試験片の試験部に、研削、研磨の表面加工を施して、表面粗さを変化させた。
【００６６】
表５に、表面加工条件の詳細を熱処理パターンとともに「処理条件」として示す。
【００６７】
ここで、表５における「縦研削」は、試験片の長手方向、つまり、図１の長さ１５．７５ｍｍの方向に研削したことを、一方、「横研削」は、長手方向と直角の方向、つまり、図１の６．３５ｍｍの方向に研削したことを意味する。なお、研削は粒度８０〜５００の砥石を用いて実施した。
【００６８】
また、「鏡面研磨」は、＃５００、＃８００、＃１０００、＃１５００および＃２０００のＳｉＣ研磨紙の順でランダムな研磨方向で湿式研磨した後、さらに、粒子径５０μｍのアルミナ砥粒で研磨方向はランダムとしてバフ研磨し、仕上げたことを意味する。
【００６９】
【表５】
【００７０】
上記のようにして表面加工したブロック試験片の表面粗さをＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）およびＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定される方法に準拠し、次に示す条件で測定した。
【００７１】
・測定方向：試験片長手方向、
・評価長さ：３．０ｍｍ、
・カットオフ値：０．８ｍｍ、
・測定項目：Ｒｚ、ＲｐｋおよびＲｋ。
【００７２】
表５に、このようにして測定したＲｚおよび〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値を併せて示す。なお、Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）で規定された「最大高さ粗さ」を表し、また、ＲｐｋおよびＲｋはそれぞれ、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定された「突出山部高さ」および「コア部のレベル差」を表す。
【００７３】
また、上記のようにして表面加工したブロック試験片の表層部の組織と表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さを次のようにして調査した。
【００７４】
すなわち、既に（Ａ）項で述べたように、摺動部に対応する位置であるブロック試験片の中央部を切断した後、長手方向に垂直な断面に対して１５゜の角度で樹脂に埋め込んで鏡面研磨した。このとき、表面は見かけ上深さ方向に拡大されているため、表面から４０μｍの位置で５点の硬さを測定した。なお、上記の位置は、垂直方向の１０μｍ位置に対応する。硬さ測定にはビッカース硬度計を用い、試験力を１．９６１ＮとしてＨｖ硬さを測定した。そして、これら５点の硬さの算術平均値を求めた。
【００７５】
次に、上記ブロック試験片の硬さを測定した面をピクラールで腐食し、走査型電子顕微鏡（以下、「ＳＥＭ」という。）を用いて、試験片の最表層を含むように、垂直方向の１０μｍ位置に対応する表面から４０μｍの位置までの領域について倍率１００００倍で各４視野撮影し、表層部の組織を調査した。なお、各視野の大きさは１０．６μｍ×１３μｍである。また、ＳＥＭ像の画像処理からセメンタイト粒子の分布状況を調査し、平均粒子径および面積１μｍ2当たりのセメンタイト粒子の数、つまり、数密度を算出した。
【００７６】
なお、「粒子径」とは「相当直径」を指し、上記の平均粒子径および数密度の算出には、相当直径が０．１μｍ以上であるセメンタイト粒子のデータを用いた。
【００７７】
表５に、上記のようにして求めた深さ１０μｍにおけるビッカース硬さを併せて示す。なお、表５においては、上記の硬さを「表面硬さ」と表記した。
【００７８】
また、表６に、表層部の組織、セメンタイト粒子の平均粒子径および数密度を示す。
【００７９】
【表６】
【００８０】
さらに、き裂発生の原因が、接触面で静摩擦力と動摩擦力の差を起振力とする振動が生じることであるとして、前記（Ａ）項の場合と同様に、上記の表面加工したブロック試験片と既に（Ａ）項で述べたリング試験片、つまり、焼ならし後の直径が４５ｍｍの丸棒の中心部から、機械加工により鍛錬軸に平行に切り出し、ガス浸炭炉を用いて、図２に示すヒートパターンで浸炭してから油温８０℃の油中に焼入れし、さらに、１７０℃で２時間焼戻しを行い、さらに、その後、粒度８０の砥石を用いて２０００ｍ／ｍｉｎの研磨速度で２〜３分間円周方向に研磨し、表面粗さをＲｑで０．１５〜０．３０μｍに仕上げたリング試験片を用いて、ブロックオンリング試験を行い、最大静摩擦係数と動摩擦係数の値を測定し、さらに、き裂発生の有無を調査した。
【００８１】
上記の最大静摩擦係数および動摩擦係数の測定は、ブロック試験片をリング試験片に１０００Ｎの負荷で押し付けた後、滑り速度０．１ｍ／ｓでリング試験片を回転させて行った。この際、潤滑油として、温度９０℃のオートマティックトランスミッション油を用いた。
【００８２】
なお、静止状態から急激に接触面に速度差が生じるため、図１２に示すように、滑りはじめに瞬間的に摩擦係数が増大し、その後、動摩擦状態に遷移するために摩擦係数が低減する。このように摩擦係数は滑り速度の変化により変化するが、上記のブロックオンリング試験では、滑りはじめのピーク値を最大静摩擦係数とし、回転開始後１０〜１５秒間の平均摩擦係数を動摩擦係数とした。また、この試験を各試験片につき２０００回繰返した後、ブロック試験片の摺動部を光学顕微鏡により５００倍の倍率で観察して、き裂発生の有無を確認した。
【００８３】
表５に、上記のようにして求めた最大静摩擦係数、動摩擦係数およびき裂発生調査結果を併せて示す。
【００８４】
表５から、最大静摩擦係数と動摩擦係数との比が２以下の処理条件Ｇ〜Ｌの場合に、き裂が生じていないことがわかる。なお、処理条件Ａ〜Ｌのいずれの場合も、（Ａ）項で示した表面硬さと表面粗さ条件、つまり、摺動面の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さが７００以上という表面硬さと、Ｒｚが４．０μｍ以下で、さらに、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値が１．０未満という表面粗さをともに満たしている。したがって、処理条件Ａ〜Ｆにおいてき裂が発生し、一方、処理条件Ｇ〜Ｌの場合にき裂が生じていないのは、熱処理パターンによるセメンタイト粒子の分散形態の違いであると考えられる。
【００８５】
実際、表６に示すように、き裂が認められなかった処理条件Ｇ〜Ｌの場合は、セメンタイト粒子の平均粒子径が０．６μｍ以下で、かつ、数密度が１個／μｍ2以上である。これに対して、き裂が認められなかった処理条件Ａ〜Ｆの場合は、表層部の組織にセメンタイト粒子が存在しないか（処理条件Ａ〜Ｃ）、存在してもその平均粒子径は０．６２〜０．６４μｍと大きく、また、数密度は０．２６〜０．３１個／μｍ2と小さい（処理条件Ｄ〜Ｆ）。
【００８６】
このことから、摺動面の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さを７００以上、表面粗さをＲｚが２μｍ以下で、さらに、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値が１．０未満とし、かつ、表層に平均粒子径が０．６μｍ以下のセメンタイト粒子を数密度で１個／μｍ2以上とすることで、凝着摩耗およびアブレシブ摩耗の抑制に加えて、急速滑りによる疲労摩耗も抑制することができることがわかる。
【００８７】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記に示す摺動部品にある。
【００８８】
『浸炭または浸炭窒化された摺動部品であって、摺動面の表面から深さ１０μｍまでの表層部において、
摺動面の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さ：７００以上、
セメンタイト粒子の平均粒子径：０．６μｍ以下、
摺動面に対して垂直方向の断面におけるセメンタイト粒子の数密度：１個／μｍ2以上、を満たすとともに、摺動面の表面粗さが、
Ｒｚ：４．０μｍ以下、
Ｒｐｋ／Ｒｋ：１．０未満、
を満たすことを特徴とする摺動部品。
なお、Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）で規定された「最大高さ粗さ」を表し、また、ＲｐｋおよびＲｋはそれぞれ、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定された「突出山部高さ」および「コア部のレベル差」を表す。』
【発明の効果】
【００８９】
本発明の摺動部品は、優れた耐摩耗性を備えているので、自動車および産業機械における動力伝達用の摺動部品である歯車、プーリー、シャフトなどとして用いるのに好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９０】
以下、本発明の各要件について説明する。
【００９１】
〈１〉表面硬さ（摺動面の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さ）：
「（Ａ）凝着摩耗およびアブレシブ摩耗について」の項で述べたように、表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さが７００を下回ると、著しく大きな摩耗を生じる。このため、部品にかかる負荷が著しく増加した場合には、動力伝達用の摺動部品である歯車、プーリー、シャフトなどとして用いることができない。
【００９２】
したがって、摺動面の表面から深さ１０μｍまでの表層部において、表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さが７００以上であることと規定した。
【００９３】
上記の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さは７３０以上とすることが好ましい。なお、上記のビッカース硬さは高ければ高いほどよいので、上限は特に規定するものではな。
【００９４】
〈２〉表面粗さ：
「（Ａ）凝着摩耗およびアブレシブ摩耗について」の項で述べたように、上記〈１〉の「表面硬さ」規定を満たしていても、Ｒｚが４．０μｍを超えると、大きな摩耗を生じる。このため、部品にかかる負荷が著しく増加した場合には、動力伝達用の摺動部品である歯車、プーリー、シャフトなどとして用いることができない。
【００９５】
同様に、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値が１．０を超えても、摩耗量が大きくなるので、やはり、品にかかる負荷が著しく増加した場合には、動力伝達用の摺動部品である歯車、プーリー、シャフトなどとして用いることができない。
【００９６】
したがって、摺動面の表面粗さが、Ｒｚ：４．０μｍ以下および〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕：１．０未満を満たすことと規定した。
【００９７】
上記のＲｚは２．０μｍ以下とすることが好ましい。なお、Ｒｚが０．３０μｍより小さくなると，摺動の際に焼付きが生じる危険性が高くなる。よって、Ｒｚは、０．３０μｍ以上が望ましい。
【００９８】
また、上記の〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値は０．８０以下とすることが好ましい。なお、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕が０．２０より小さくなると、摺動の際に焼付きが生じる危険性が高くなる。よって、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値は０．２０以上とすることが望ましい。
【００９９】
〈３〉セメンタイト粒子：
「（Ｂ）疲労摩耗について」の項で述べたように、垂直方向の１０μｍ位置に対応する領域までの表層部にセメンタイト粒子が存在し、しかも、その平均粒子径が０．６μｍ以下で、かつ、数密度が１個／μｍ2以上の場合には、き裂が発生しないので疲労摩耗を防止することができる。これに対して、上記表層部の組織にセメンタイト粒子が存在しないか、存在してもその平均粒子径が大きく、さらに、数密度が小さい場合には、き裂が発生して疲労摩耗を生じてしまう。
【０１００】
したがって、摺動面の表面から深さ１０μｍまでの表層部において、セメンタイト粒子の平均粒子径が０．６μｍ以下で、さらに、摺動面に対して垂直方向の断面におけるセメンタイト粒子の数密度：１個／μｍ2以上であることと規定した。
【０１０１】
上記のセメンタイト粒子の平均粒径の上限は０．５μｍとすることが好ましい。
【０１０２】
また、上記のセメンタイトの数密度は１．５個／μｍ2以上とすることが好ましい。
【０１０３】
本発明に係る摺動部品は、浸炭または浸炭窒化を施すことができるものであれば何を素材に用いても構わないが、好ましい素材としては、例えば、質量％で、Ｃ：０．１３〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜０．８０％、Ｍｎ：０．３５〜１．５０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００５〜０．０３５％、Ｃｒ：０．５０〜２．５％、Ａｌ：０．０２０〜０．０４０％、Ｎ：０．００３０〜０．０２５０％を含み、さらに必要に応じて、〔ａ〕Ｃｕ：０．３０％以下、Ｎｉ：０．３０％以下、〔ｂ〕Ｍｏ：０．５０％以下、Ｎｂ：０．０８０％以下、の２つの群から選ばれる１種以上の元素を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物中のＯ（酸素）が０．００２０％以下である鋼が挙げられる。
【０１０４】
以下、実施例により本発明の構成および作用・効果をより具体的に説明するが、本発明は、もとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、趣旨に適合しうる範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【０１０５】
表７に示す化学組成を有する鋼１〜７を３０ｋｇ真空溶解炉で溶解した後、鋳造してインゴットを作製した。
【０１０６】
【表７】
【０１０７】
上記のインゴットを１２５０℃で８時間保持した後、大気中で放冷して一旦室温まで冷却した。次いで、１２５０℃に再加熱して３０分保持し、仕上げ温度を１０００℃以上として熱間鍛造して、直径２５ｍｍの丸棒を得た。なお、熱間鍛造終了後は、大気中で放冷して室温まで冷却した。
【０１０８】
このようにして得た丸棒に、９２５℃で１時間保持した後に大気中で放冷して室温まで冷却する焼ならしを施した。
【０１０９】
焼ならし後の直径が４５ｍｍの丸棒のＲ／２部（Ｒ：半径）から、機械加工により鍛錬軸に平行に図１に示す形状のブロック試験片を切り出した。
【０１１０】
上記のブロック試験片に、ガス浸炭炉を用いて、図１０または図１１に示すヒートパターンで高濃度浸炭し、さらに、再加熱処理してから油温８０℃の油中に焼入れして、あるいは、ガス浸炭炉を用いて、図１３に示すヒートパターンで高濃度浸炭し、さらに、再加熱処理して窒化してから油温８０℃の油中に焼入れして、その後さらに、１７０℃で２時間焼戻しを行った。
【０１１１】
なお、図１３中の「Ｃｐ」もカーボンポテンシャルを意味し、高濃度浸炭してから窒素冷却を行って一旦６００℃まで冷却し、６００℃で１５分保持した後再び加熱し、温度が８３０℃で、カーボンポテンシャルが１．０％、窒素ガス流量が１５Ｌ／ｍｉｎの雰囲気で再加熱処理した。
【０１１２】
次いで、上記の焼戻を施したブロック試験片の試験部に、研削、研磨の表面加工を施して、表面粗さを変化させた。
【０１１３】
表８に、供試鋼、熱処理パターンと表面加工条件の詳細を示す。
【０１１４】
ここで、表８における「縦研削」とは、試験片の長手方向、つまり、図１の長さ１５．７５ｍｍの方向に研削したことを意味する。なお、研削は粒度８０〜５００の砥石を用いて実施した。
【０１１５】
また、「鏡面研磨」とは、＃５００、＃８００、＃１０００、＃１５００および＃２０００のＳｉＣ研磨紙の順でランダムな研磨方向で湿式研磨した後、さらに、粒子径５０μｍのアルミナ砥粒で研磨方向はランダムとしてバフ研磨し、仕上げたことを意味する。
【０１１６】
【表８】
【０１１７】
上記のようにして表面加工したブロック試験片の表面粗さをＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）およびＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定される方法に準拠し、次に示す条件で測定した。
【０１１８】
・測定方向：試験片長手方向、
・評価長さ：３．０ｍｍ、
・カットオフ値：０．８ｍｍ、
・測定項目：Ｒｚ、ＲｐｋおよびＲｋ。
【０１１９】
表８に、このようにして測定したＲｚおよび〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値を示す。なお、既に述べたように、Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）で規定された「最大高さ粗さ」を表し、また、ＲｐｋおよびＲｋはそれぞれ、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定された「突出山部高さ」および「コア部のレベル差」を表す。
【０１２０】
また、上記のようにして表面加工したブロック試験片の表層部の組織と表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さを次のようにして調査した。
【０１２１】
すなわち、摺動部に対応する位置であるブロック試験片の中央部を切断した後、長手方向に垂直な断面に対して１５゜の角度で樹脂に埋め込んで鏡面研磨した。このとき、表面は見かけ上深さ方向に拡大されているため、表面から４０μｍの位置で５点の硬さを測定した。なお、上記の位置は、垂直方向の１０μｍ位置に対応する。硬さ測定にはビッカース硬度計を用い、試験力を１．９６１ＮとしてＨｖ硬さを測定した。そして、これら５点の硬さの算術平均値を求めた。
【０１２２】
次に、上記ブロック試験片の硬さを測定した面をピクラールで腐食し、ＳＥＭを用いて、試験片の最表層を含むように、垂直方向の１０μｍ位置に対応する表面から４０μｍの位置までの領域について倍率１００００倍で各４視野撮影した。なお、各視野の大きさは１０．６μｍ×１３μｍである。次いで、ＳＥＭ像の画像処理からセメンタイト粒子の分布状況を調査し、平均粒子径および面積１μｍ2当たりのセメンタイト粒子の数、つまり、数密度を算出した。
【０１２３】
表８に、上記のようにして求めた深さ１０μｍにおけるビッカース硬さ、セメンタイト粒子の平均粒子径および数密度を併せて示す。なお、表８においては、上記の硬さを「表面硬さ」と表記した。
【０１２４】
また、上記の表面加工したブロック試験片と既に述べたリング試験片、つまり、表１に示す化学組成を有する鋼の、焼ならし後の直径が４５ｍｍの丸棒の中心部から、機械加工により鍛錬軸に平行に切り出し、ガス浸炭炉を用いて、図２に示すヒートパターンで浸炭してから油温８０℃の油中に焼入れし、さらに、１７０℃で２時間焼戻しを行い、さらに、その後、粒度８０の砥石を用いて２０００ｍ／ｍｉｎの研磨速度で２〜３分間円周方向に研磨し、表面粗さをＲｑで０．１５〜０．３０μｍに仕上げたリング試験片を用いて、ブロックオンリング試験を実施して滑り摩耗性を調査した。
【０１２５】
試験数は、各試験番号について１個ずつとし、試験後のブロック試験片の摩耗幅を光学顕微鏡で測定した。なお、測定箇所は、既に述べたように、各試験片について摩耗痕の両端および中央とし（図６参照）、各試験番号について、３箇所の摩耗幅を算術平均してこれを摩耗幅とした。なお、本発明における摩耗幅の目標は、１．５ｍｍ以内であることとした。
【０１２６】
さらに、疲労摩耗性についても評価した。すなわち、ブロック試験片をリング試験片に１０００Ｎの負荷で押し付けた後、滑り速度０．１ｍ／ｓで５秒間滑らせた後に除荷し、リング試験片の回転を停止するという工程を各試験番号について４０００回繰返した。その後、ブロック試験片の摺動部を光学顕微鏡により５００倍の倍率で観察して、き裂の有無を調査した。なお、潤滑油として、温度９０℃のオートマティックトランスミッション油を用いた。
【０１２７】
表８に、上記の摩耗幅、き裂の有無の調査結果を併せて示す。
【０１２８】
表８から明らかなように、本発明で規定する条件を満たせば、ブロックオンリング試験における滑り摩耗試験で摩耗幅が１．５ｍｍ以内となり、しかも、疲労摩耗試験で、き裂は生じておらず、耐摩耗性に優れていることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
本発明の摺動部品は、優れた耐摩耗性を備えているので、自動車および産業機械における動力伝達用の摺動部品である歯車、プーリー、シャフトなどとして用いるのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】ブロックオンリング試験用ブロック試験片の形状を示す図で、（イ）が正面図、（ロ）が側面図である。
【図２】「浸炭焼入れ−焼戻し」における「浸炭焼入れ」のヒートパターンについて説明する図である。なお、図２中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを意味する。
【図３】「浸炭焼入れ−焼戻し」における別の「浸炭焼入れ」のヒートパターンについて説明する図である。なお、図３中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを意味する。
【図４】ブロックオンリング試験用リング試験片の形状を示す図である。
【図５】ブロックオンリング試験について模式的に説明する図である。
【図６】ブロックオンリング試験後のブロック試験片の摩耗幅を光学顕微鏡で測定した箇所について説明する図である。
【図７】表２および表４における処理条件ａ〜ｇについて、摩耗幅とＲｚの関係を整理して示す図である。
【図８】表２および表４における処理条件ａ〜ｄおよびｇについて、摩耗幅と〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値の関係を整理して示す図である。
【図９】「高濃度浸炭再加熱焼入れ−焼戻し」における「高濃度浸炭再加熱焼入れ」のヒートパターンについて説明する図である。なお、図９中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを意味する。
【図１０】「高濃度浸炭再加熱焼入れ−焼戻し」における別の「高濃度浸炭再加熱焼入れ」のヒートパターンについて説明する図である。なお、図１０中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを意味する。
【図１１】「高濃度浸炭再加熱焼入れ−焼戻し」におけるさらに別の「高濃度浸炭再加熱焼入れ」のヒートパターンについて説明する図である。なお、図１１中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを意味する。
【図１２】実施例で行ったブロックオンリング試験による疲労摩耗性の評価の際の摩擦係数の変動と「最大静摩擦係数」および「動摩擦係数」の定義について説明する図である。
【図１３】「高濃度浸炭再加熱窒化焼入れ−焼戻し」における「高濃度浸炭再加熱窒化焼入れ」のヒートパターンについて説明する図である。なお、図１３中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを意味する。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗性に優れた動力伝達部品としての摺動部品に関し、詳しくは、浸炭または浸炭窒化された摺動部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車および産業機械における歯車、プーリー、シャフトなどの部品は、ＪＩＳ規格のＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０、ＳＮＣＭ４２０などの機械構造用合金鋼に、浸炭または浸炭窒化を施して焼入れ（以下、浸炭を施した焼入れを「浸炭焼入れ」といい、また、浸炭窒化を施した焼入れを「浸炭窒化焼入れ」という。）を行った後、２００℃以下の温度で焼戻しを行い、さらに必要に応じてショットピーニング処理を施すことにより、面疲労強度、曲げ疲労強度、耐摩耗性など、それぞれの部品に要求される特性を確保することが行われてきた。
【０００３】
しかしながら、近年、自動車の燃費向上やエンジンの高出力化に対応するために、部品の小型化および軽量化が進み、これに伴って、部品にかかる負荷が著しく増加するようになってきた。このため、産業界からは、動力伝達用の摺動部品に対して、特に、優れた耐摩耗性を具備させることが要望されている。
【０００４】
なお、これまでに、浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れを施した部品の耐摩耗性を向上させる対策として、部品の表面粗さを小さくすること、部品表層部の硬さを硬くすること、不完全焼入れ組織の生成を防止することなどが知られている。
【０００５】
しかしながら、単に上述したような対策を施すだけでは、部品にかかる負荷が著しく増加した場合には耐摩耗性の低下が避けられず、前述した産業界からの要望に応えることはできなかった。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に、化学成分を規定するとともに、「炭素ポテンシャルが１．２重量％以上の条件で浸炭した後に、Ａ１温度以下の温度域に冷却し、再加熱処理を施して使用することを特徴とする浸炭部材」に関する技術が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２に、特定量の成分元素を含有するとともに、表面から深さ０．３ｍｍまでの炭素濃度、析出炭化物の最大径、平均径、析出炭化物の面積率、残留オーステナイト量および常温での硬さを規定した「無段変速機の転動体」に関する技術が開示されている。
【０００８】
さらに、特許文献３に、接触面の粗さ曲線の最大高さＲｙが１〜３μｍであり、粗さ曲線から得られる負荷曲線の減衰山高さＲｐｋと、最大高さＲｙとの間にＲｐｋ／Ｒｙ≦０．１の関係を満たす接触面を有することを特徴する「機械部品」に関する技術が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−１１７０５９号公報
【特許文献２】特開平１１−１９９９８３号公報
【特許文献３】ＷＯ９７／１９２７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記の特許文献１で開示された「浸炭部材」は、浸炭時における表面Ｃ濃度を調整した後に冷却し再加熱することによって分散させるセメンタイトの平均粒径と量を調整することについては規定されているものの、部材の表面粗さおよびその形状の特徴に関しては考慮されていない。しかしながら、耐摩耗性は、部材における表層の組織だけではなく、硬さ、表面粗さおよびその形状の特徴によって様々に変化する。このため、セメンタイトの平均粒径とその分散量を規定するだけの特許文献１で提案された技術では、十分な耐摩耗性を確保できない場合がある。しかも、特許文献１においては、部品の起動時のような、摩擦係数が急激に減少する場合の耐摩耗性を向上させることについては全く検討されていない。
【００１１】
特許文献２で開示された「無段変速機の転動体」も動力伝達用の摺動部品であるが、前述のとおり、耐摩耗性には、部材表層の組織および硬さだけではなく、表面粗さおよびその形状の特徴も影響する。このため、表面粗さおよびその形状についての考慮がなされていない特許文献２で提案された技術では、優れた耐摩耗性を確保できない場合がある。さらに、この特許文献２においても、部品の起動時のような、摩擦係数が急激に減少する場合の耐摩耗性を向上させることについては全く検討されていない。
【００１２】
特許文献３で提案された「機械部品」の一実施態様として開示されている「カムフォロワ用ローラ」も動力伝達用の部品であるが、耐摩耗性には、部材の表面粗さおよびその形状の特徴だけではなく、表層の硬さおよび組織も影響する。このため、部材における表層の組織および硬さについての考慮がなされていない特許文献３で提案された技術では、優れた耐摩耗性を確保できない場合がある。さらに、この特許文献３の場合も、部品の起動時のような、摩擦係数が急激に減少する場合の耐摩耗性を向上させることについては全く検討されていない。
【００１３】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、優れた耐摩耗性を有する摺動部品、なかでも、浸炭または浸炭窒化を施され、優れた耐摩耗性を有する摺動部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
既に述べたように、部品の表面粗さを小さくすること、部品表層部の硬さを硬くすること、不完全焼入れ組織の生成を防止すること、といった従来の対策を施すだけでは、部品にかかる負荷が著しく増加した場合には耐摩耗性の低下を避けることができない。
【００１５】
そこで、本発明者らは、部品にかかる負荷が著しく増加した場合の耐摩耗性を向上させるために、表層部の制御、特に、表面粗さとセメンタイトの分散とを制御することに着目して調査・研究を重ね、さらにそれに付帯する条件について詳細な検討を重ねた。
【００１６】
その結果、下記（ａ）〜（ｄ）の知見を得た。
【００１７】
（ａ）動力伝達部品は、駆動側部品と従動側部品からなり、両部品の間で速度差が生じることがある。定常状態では、この速度差は一定あるいは連続的に変化し、接触面間の真実接触部がせん断力によって破壊される凝着摩耗や、あるいは、接触面間の高硬度の粗さ突起が低硬度の表面を削り取るアブレシブ摩耗が主となる。一方、例えば、部品の起動時のように、停止状態から瞬間的に速度差が生じる場合には、接触面の摩擦は瞬間的に静摩擦状態から動摩擦状態に遷移する。そして、この場合には、静摩擦係数に比べて動摩擦係数の値の方が小さいため、急激に摩擦係数が減少し、その結果、静摩擦力と動摩擦力の差を起振力とする振動が生じる。この振動は比較的短時間で減衰するものの、これが繰り返されることによって、接触面では疲労摩耗が生じる。
【００１８】
（ｂ）「凝着摩耗」および「アブレシブ摩耗」には表面粗さが影響を及ぼす。これらの摩耗を抑制するためには、粗さの最大値、例えば、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）で規定された「最大高さ粗さ」であるＲｚを小さくすることが有効であるが、これだけでは不十分であり、さらに、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定された「突出山部高さ」であるＲｐｋと「コア部のレベル差」であるＲｋの比、つまり、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値を１．０未満にするのが有効である。
【００１９】
（ｃ）しかしながら、表面粗さを小さくすると、静摩擦係数が大きくなるので、瞬間的に速度差が生じた際に発生する振動が生じやすくなる。
【００２０】
（ｄ）表面粗さを小さくした場合でも、表層に特定のサイズのセメンタイトを分散させると、上記（ｃ）で述べた振動の発生を抑制できる場合がある。これは、鋼どうしの直接接触の頻度を下げることが可能なためと考えられる。
【００２１】
以下に、上記の知見（ａ）〜（ｄ）を得るに至った調査・研究の具体的内容について説明する。
【００２２】
（Ａ）凝着摩耗およびアブレシブ摩耗について：
本発明者らは、先ず、表面粗さが耐摩耗性に及ぼす影響を以下の方法で調査した。
【００２３】
すなわち、表１に示す化学組成を有する鋼を１５０ｋｇ真空溶解炉で溶解した後、鋳造してインゴットを作製した。
【００２４】
【表１】
【００２５】
上記のインゴットを１２５０℃で８時間保持した後、大気中で放冷して一旦室温まで冷却した。次いで、１２５０℃に再加熱して３０分保持し、仕上げ温度を１０００℃以上として熱間鍛造して、直径４５ｍｍの丸棒を得た。なお、熱間鍛造終了後は、大気中で放冷して室温まで冷却した。
【００２６】
このようにして得た丸棒に、９２５℃で１時間保持した後に大気中で放冷して室温まで冷却する焼ならしを施した。
【００２７】
焼ならし後の直径が４５ｍｍの丸棒のＲ／２部（Ｒ：半径）から、機械加工により鍛錬軸に平行に図１に示す形状のブロックオンリング試験用ブロック試験片を切り出した。なお、ブロックオンリング試験およびその試験片形状は、ＡＳＴＭ−Ｇ７７−９８で規定されたものである。上記図１における（イ）および（ロ）は、それぞれ、ブロック試験片の正面図と側面図である。
【００２８】
上記のブロックオンリング試験用ブロック試験片（以下、「ブロック試験片」という。）は、ガス浸炭炉を用いて、図２または図３に示すヒートパターンで浸炭してから油温８０℃の油中に焼入れし、さらに、１７０℃で２時間焼戻しを行った。なお、図２および図３中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを意味する。
【００２９】
上記のようにして浸炭焼入れ−焼戻ししたブロック試験片の試験部に、研削、ショットピーニング、研磨など種々の表面加工を施して、表面粗さを変化させた。
【００３０】
表２に、表面加工条件の詳細を熱処理パターンとともに「処理条件」として示す。
【００３１】
ここで、表２における「縦研削」とは、試験片の長手方向、つまり、図１の長さ１５．７５ｍｍの方向に研削したことを、一方、「横研削」とは長手方向と直角の方向、つまり、図１の６．３５ｍｍの方向に研削したことを意味する。なお、研削は粒度８０〜５００の砥石を用いて実施した。
【００３２】
また、「ペーパー研磨」とは、＃５００および＃８００のＳｉＣ研磨紙の順で、ランダムな研磨方向で湿式研磨したことを意味する。
【００３３】
「鏡面研磨」とは、＃５００、＃８００、＃１０００、＃１５００および＃２０００のＳｉＣ研磨紙の順でランダムな研磨方向で湿式研磨した後、さらに、粒子径５０μｍのアルミナ砥粒で研磨方向はランダムとしてバフ研磨し、仕上げたことを意味する。
【００３４】
「ショットピーニング」とは、硬さがビッカース硬さで８００および粒径が０．８ｍｍのラウンドカットワイヤを使用して、また、「微粒子ショットピーニング」とは、硬さがビッカース硬さで８００および粒径が０．２５ｍｍのラウンドカットワイヤを使用して、いずれも、０．４ＭＰａの投射圧でショットピーニング処理したことを意味する。
【００３５】
【表２】
【００３６】
上記のようにして表面加工したブロック試験片の表面粗さをＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）およびＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定される方法に準拠し、次に示す条件で測定した。
【００３７】
・測定方向：試験片長手方向、
・評価長さ：３．０ｍｍ、
・カットオフ値：０．８ｍｍ、
・測定項目：Ｒｚ、Ｒｐｋ、ＲｋおよびＲｖｋ。
【００３８】
表２に、このようにして測定したＲｚ、Ｒｐｋ、ＲｋおよびＲｖｋを、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値とともに示す。なお、Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）で規定された「最大高さ粗さ」を表し、また、Ｒｐｋ、ＲｋおよびＲｖｋはそれぞれ、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定された「突出山部高さ」、「コア部のレベル差」および「突出谷部深さ」を表す。
【００３９】
また、上記のようにして表面加工したブロック試験片の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さを次のようにして調査した。
【００４０】
すなわち、ショットピーニングによる圧縮残留応力のピーク深さは、表面から５０μｍ以内となることが多い。そこで、ショットピーニングによる硬さの増大も、表面から５０μｍ以内で生じると考え、通常よりも表層の硬さを詳細に観察することを目的に、摺動部に対応する位置であるブロック試験片の中央部を切断した後、長手方向に垂直な断面に対して１５゜の角度で樹脂に埋め込んで鏡面研磨した。このとき、表面は見かけ上深さ方向に拡大されているため、表面から４０μｍの位置で５点の硬さを測定した。なお、上記の位置は、垂直方向の１０μｍ位置に対応する。硬さ測定にはビッカース硬度計を用い、試験力を１．９６１Ｎとしてビッカース硬さ（以下「Ｈｖ硬さ」ともいう。）を測定した。そして、これら５点の硬さの算術平均値を求めた。
【００４１】
表２に、このようにして求めた深さ１０μｍにおけるビッカース硬さを併せて示す。なお、表２においては、上記の硬さを「表面硬さ」と表記した。
【００４２】
さらに、上記の表面加工したブロック試験片と図４に示す形状のブロックオンリング試験用リング試験片（以下、「リング試験片」という。）を用いて、表３に示す条件でブロックオンリング試験を実施して耐摩耗性を調査した。
【００４３】
図５に、ブロックオンリング試験の模式図を示す。
【００４４】
【表３】
【００４５】
試験数は各処理条件について２個ずつとし、試験後のブロック試験片の摩耗幅を光学顕微鏡で測定した。なお、測定箇所は図６に示すように、各試験片について摩耗痕の両端および中央とし、各処理条件について、合計６箇所の摩耗幅を算術平均してこれを摩耗幅とした。
【００４６】
なお、リング試験片は、既に述べた焼ならし後の直径が４５ｍｍの丸棒の中心部から、機械加工により鍛錬軸に平行に切り出し、ガス浸炭炉を用いて、図２に示すヒートパターンで浸炭してから油温８０℃の油中に焼入れし、さらに、１７０℃で２時間焼戻しを行った。その後、粒度８０の砥石を用いて２０００ｍ／ｍｉｎの研磨速度で２〜３分間円周方向に研磨し、表面粗さをＲｑで０．１５〜０．３０μｍに仕上げた。なお、「Ｒｑ」はＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）に規定された「二乗平方根粗さ」を表す。
【００４７】
表４に、摩耗幅の測定結果を示す。なお、この表４には、表２に示したブロック試験片の深さ１０μｍにおけるビッカース硬さならびに、表面粗さのうちのＲｚおよび〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値を併せて示した。なお、表４においても、上記の硬さを「表面硬さ」と表記した。
【００４８】
【表４】
【００４９】
先ず、深さ１０μｍにおけるビッカース硬さと摩耗幅を比較すると、ビッカース硬さが７００を下回る値の５８０である処理条件ｈと、ビッカース硬さが８００を超える値の８３０と９１０である処理条件ｅおよびｆの摩耗幅がいずれも２ｍｍを超える著しく大きな値となっていることがわかる。
【００５０】
なお、処理条件ｈの表面粗さＲｚは１．９３μｍで、摩耗幅が１．１４ｍｍと小さい処理条件ａの１．９５μｍと同程度であることから、処理条件ｈの摩耗幅が著しく大きいのは、深さ１０μｍにおけるビッカース硬さが７００よりも低いためであると考えられる。
【００５１】
そこで次に、処理条件ｈを除いた残りの６条件について、摩耗幅とＲｚの関係を整理して図７に示した。なお、図７中の符号は、「処理条件」を表す。
【００５２】
図７から、摩耗幅は、Ｒｚが大きいほど増大し、Ｒｚが２．０μｍ以下の場合には摩耗幅は２ｍｍに達しないことが認められる。このことから、処理条件ｅおよびｆの場合に、深さ１０μｍにおけるビッカース硬さが８００を超える高い値であるにもかかわらず摩耗幅が著しく大きいのは、Ｒｚがそれぞれ、６．９９μｍと４．８２μｍという４．０μｍを超える大きな値であるためと考えられる。
【００５３】
しかしながら、図７でＲｚが４．０μｍ以下である処理条件ａ〜ｄおよびｇの場合でも、摩耗幅は１．１４〜１．７２ｍｍとばらついていた。
【００５４】
そこで、さらに、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定される粗さの幾何パラメータであるＲｐｋ（突出山部高さ）、Ｒｋ（コア部のレベル差）およびＲｖｋ（突出谷部深さ）に着目し、摩耗幅との関係を調査した。
【００５５】
上記のＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定された「Ｒｐｋ」、「Ｒｋ」および「Ｒｖｋ」は、それぞれ、荷重移動方向の表面粗さ負荷曲線中の「初期摩耗高さ」、「有効負荷粗さ」および「油溜まり深さ」を分離して表現したものに対応し、試験片どうしの接触には、これらのパラメータのうちで、ＲｐｋとＲｋが関与すると考えられる。
【００５６】
すなわち、初期摩耗高さに対応する「Ｒｐｋ」は、粗さ曲線中の特に高さの高い突起を表すものであるため「直接接触」に大きな影響を及ぼす。また、有効負荷粗さに対応する「Ｒｋ」は、「Ｒｖｋ」と「Ｒｐｋ」の中間の粗さ分布を表すものであり、「Ｒｋ」のうちの特定領域が「直接接触」に影響する。しかしながら、「Ｒｐｋ」は粗さ曲線中の特に高さの高い突起であるがゆえに、接触または滑りの初期に摩耗し、その摩耗粉が相手面や自らの表面を摩耗させることがある。このため、「Ｒｐｋ」は小さい方が望ましい。また、「Ｒｋ」はその領域のうち、半分程度しか直接接触に関与しないため、その値は大きい方が好ましい。
【００５７】
「Ｒｋ」に対して「Ｒｐｋ」が大きいほど接触が過酷になり、相手材を摩耗させたり、相手材の表面を荒らしたり、さらに、生成した摩耗粉で自己摩耗したり、表面が粗くなった相手材から摩耗させられたりすると考えられるので、二つの粗さの比である〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値は小さい方が好ましいと考えられる。
【００５８】
そこで、処理条件ａ〜ｄおよびｇについて、摩耗幅と〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値の関係を整理して図８に示した。なお、図８中の符号は、「処理条件」を表す。
【００５９】
図８から、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値が１．０未満のとき、摩耗幅は１．５ｍｍ以下に抑制されていることがわかる。
【００６０】
すなわち、表４、さらには、図７および図８から、深さ１０μｍにおけるビッカース硬さを７００以上とすることに加えて、表面粗さを、Ｒｚが４．０μｍ以下で、さらに、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値が１．０未満を満たすようにすれば、摩耗幅を１．５ｍｍ以下に抑制できて良好な耐摩耗性の確保が可能になることがわかる。
【００６１】
（Ｂ）疲労摩耗について：
動力伝達部品では、部品の起動時のように、停止状態から瞬間的に速度差が生じる場合、接触面の摩擦は瞬間的に静摩擦状態から動摩擦状態に遷移する。この時、静摩擦係数に比べて動摩擦係数の値の方が小さいため、急激に摩擦係数が減少し、その結果、静摩擦力と動摩擦力の差を起振力とする振動が生じる。この振動は比較的短時間で減衰するが、これが繰り返されることによって、接触面においてき裂が生成することがあり、このき裂は繰返し数の増大により連結し、摺動面がはく離して、疲労摩耗が生じると考えられる。したがって、疲労摩耗低減のためには、このき裂の生成を抑制する必要がある。
【００６２】
そこで、本発明者らは、上記のき裂を抑制する条件を明らかにするために、一定滑り速度での耐摩耗性を増大することができる表面硬さと表面粗さとをもつ試験片、つまり、摺動面の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さが７００以上で、表面粗さを、Ｒｚが４．０μｍ以下で、さらに、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値が１．０未満を満たすように調整した試験片を用いて、調査・研究を重ねた。
【００６３】
具体的には、上記（Ａ）で述べた焼ならし後の直径が４５ｍｍの丸棒のＲ／２部（Ｒ：半径）から、機械加工により鍛錬軸に平行に図１に示す形状のブロック試験片を切り出し、ガス浸炭炉を用いて、図２に示すヒートパターンで浸炭してから油温８０℃の油中に焼入れするか、あるいは、図９〜１１に示すヒートパターンで高濃度浸炭し、さらに、再加熱処理してから油温８０℃の油中に焼入れして、表層部の組織を変化させた。いずれの場合も、油焼入れ後は、１７０℃で２時間焼戻しを行った。
【００６４】
なお、図９〜１１中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを意味し、高濃度浸炭してから窒素冷却を行って一旦６００℃まで冷却し、６００℃で１５分保持した後再び加熱し、温度が８７０℃、８５０℃または８３０℃で、カーボンポテンシャルが１．０％の雰囲気で再加熱処理した。
【００６５】
次いで、上記の焼戻を施したブロック試験片の試験部に、研削、研磨の表面加工を施して、表面粗さを変化させた。
【００６６】
表５に、表面加工条件の詳細を熱処理パターンとともに「処理条件」として示す。
【００６７】
ここで、表５における「縦研削」は、試験片の長手方向、つまり、図１の長さ１５．７５ｍｍの方向に研削したことを、一方、「横研削」は、長手方向と直角の方向、つまり、図１の６．３５ｍｍの方向に研削したことを意味する。なお、研削は粒度８０〜５００の砥石を用いて実施した。
【００６８】
また、「鏡面研磨」は、＃５００、＃８００、＃１０００、＃１５００および＃２０００のＳｉＣ研磨紙の順でランダムな研磨方向で湿式研磨した後、さらに、粒子径５０μｍのアルミナ砥粒で研磨方向はランダムとしてバフ研磨し、仕上げたことを意味する。
【００６９】
【表５】
【００７０】
上記のようにして表面加工したブロック試験片の表面粗さをＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）およびＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定される方法に準拠し、次に示す条件で測定した。
【００７１】
・測定方向：試験片長手方向、
・評価長さ：３．０ｍｍ、
・カットオフ値：０．８ｍｍ、
・測定項目：Ｒｚ、ＲｐｋおよびＲｋ。
【００７２】
表５に、このようにして測定したＲｚおよび〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値を併せて示す。なお、Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）で規定された「最大高さ粗さ」を表し、また、ＲｐｋおよびＲｋはそれぞれ、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定された「突出山部高さ」および「コア部のレベル差」を表す。
【００７３】
また、上記のようにして表面加工したブロック試験片の表層部の組織と表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さを次のようにして調査した。
【００７４】
すなわち、既に（Ａ）項で述べたように、摺動部に対応する位置であるブロック試験片の中央部を切断した後、長手方向に垂直な断面に対して１５゜の角度で樹脂に埋め込んで鏡面研磨した。このとき、表面は見かけ上深さ方向に拡大されているため、表面から４０μｍの位置で５点の硬さを測定した。なお、上記の位置は、垂直方向の１０μｍ位置に対応する。硬さ測定にはビッカース硬度計を用い、試験力を１．９６１ＮとしてＨｖ硬さを測定した。そして、これら５点の硬さの算術平均値を求めた。
【００７５】
次に、上記ブロック試験片の硬さを測定した面をピクラールで腐食し、走査型電子顕微鏡（以下、「ＳＥＭ」という。）を用いて、試験片の最表層を含むように、垂直方向の１０μｍ位置に対応する表面から４０μｍの位置までの領域について倍率１００００倍で各４視野撮影し、表層部の組織を調査した。なお、各視野の大きさは１０．６μｍ×１３μｍである。また、ＳＥＭ像の画像処理からセメンタイト粒子の分布状況を調査し、平均粒子径および面積１μｍ2当たりのセメンタイト粒子の数、つまり、数密度を算出した。
【００７６】
なお、「粒子径」とは「相当直径」を指し、上記の平均粒子径および数密度の算出には、相当直径が０．１μｍ以上であるセメンタイト粒子のデータを用いた。
【００７７】
表５に、上記のようにして求めた深さ１０μｍにおけるビッカース硬さを併せて示す。なお、表５においては、上記の硬さを「表面硬さ」と表記した。
【００７８】
また、表６に、表層部の組織、セメンタイト粒子の平均粒子径および数密度を示す。
【００７９】
【表６】
【００８０】
さらに、き裂発生の原因が、接触面で静摩擦力と動摩擦力の差を起振力とする振動が生じることであるとして、前記（Ａ）項の場合と同様に、上記の表面加工したブロック試験片と既に（Ａ）項で述べたリング試験片、つまり、焼ならし後の直径が４５ｍｍの丸棒の中心部から、機械加工により鍛錬軸に平行に切り出し、ガス浸炭炉を用いて、図２に示すヒートパターンで浸炭してから油温８０℃の油中に焼入れし、さらに、１７０℃で２時間焼戻しを行い、さらに、その後、粒度８０の砥石を用いて２０００ｍ／ｍｉｎの研磨速度で２〜３分間円周方向に研磨し、表面粗さをＲｑで０．１５〜０．３０μｍに仕上げたリング試験片を用いて、ブロックオンリング試験を行い、最大静摩擦係数と動摩擦係数の値を測定し、さらに、き裂発生の有無を調査した。
【００８１】
上記の最大静摩擦係数および動摩擦係数の測定は、ブロック試験片をリング試験片に１０００Ｎの負荷で押し付けた後、滑り速度０．１ｍ／ｓでリング試験片を回転させて行った。この際、潤滑油として、温度９０℃のオートマティックトランスミッション油を用いた。
【００８２】
なお、静止状態から急激に接触面に速度差が生じるため、図１２に示すように、滑りはじめに瞬間的に摩擦係数が増大し、その後、動摩擦状態に遷移するために摩擦係数が低減する。このように摩擦係数は滑り速度の変化により変化するが、上記のブロックオンリング試験では、滑りはじめのピーク値を最大静摩擦係数とし、回転開始後１０〜１５秒間の平均摩擦係数を動摩擦係数とした。また、この試験を各試験片につき２０００回繰返した後、ブロック試験片の摺動部を光学顕微鏡により５００倍の倍率で観察して、き裂発生の有無を確認した。
【００８３】
表５に、上記のようにして求めた最大静摩擦係数、動摩擦係数およびき裂発生調査結果を併せて示す。
【００８４】
表５から、最大静摩擦係数と動摩擦係数との比が２以下の処理条件Ｇ〜Ｌの場合に、き裂が生じていないことがわかる。なお、処理条件Ａ〜Ｌのいずれの場合も、（Ａ）項で示した表面硬さと表面粗さ条件、つまり、摺動面の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さが７００以上という表面硬さと、Ｒｚが４．０μｍ以下で、さらに、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値が１．０未満という表面粗さをともに満たしている。したがって、処理条件Ａ〜Ｆにおいてき裂が発生し、一方、処理条件Ｇ〜Ｌの場合にき裂が生じていないのは、熱処理パターンによるセメンタイト粒子の分散形態の違いであると考えられる。
【００８５】
実際、表６に示すように、き裂が認められなかった処理条件Ｇ〜Ｌの場合は、セメンタイト粒子の平均粒子径が０．６μｍ以下で、かつ、数密度が１個／μｍ2以上である。これに対して、き裂が認められなかった処理条件Ａ〜Ｆの場合は、表層部の組織にセメンタイト粒子が存在しないか（処理条件Ａ〜Ｃ）、存在してもその平均粒子径は０．６２〜０．６４μｍと大きく、また、数密度は０．２６〜０．３１個／μｍ2と小さい（処理条件Ｄ〜Ｆ）。
【００８６】
このことから、摺動面の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さを７００以上、表面粗さをＲｚが２μｍ以下で、さらに、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値が１．０未満とし、かつ、表層に平均粒子径が０．６μｍ以下のセメンタイト粒子を数密度で１個／μｍ2以上とすることで、凝着摩耗およびアブレシブ摩耗の抑制に加えて、急速滑りによる疲労摩耗も抑制することができることがわかる。
【００８７】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記に示す摺動部品にある。
【００８８】
『浸炭または浸炭窒化された摺動部品であって、摺動面の表面から深さ１０μｍまでの表層部において、
摺動面の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さ：７００以上、
セメンタイト粒子の平均粒子径：０．６μｍ以下、
摺動面に対して垂直方向の断面におけるセメンタイト粒子の数密度：１個／μｍ2以上、を満たすとともに、摺動面の表面粗さが、
Ｒｚ：４．０μｍ以下、
Ｒｐｋ／Ｒｋ：１．０未満、
を満たすことを特徴とする摺動部品。
なお、Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）で規定された「最大高さ粗さ」を表し、また、ＲｐｋおよびＲｋはそれぞれ、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定された「突出山部高さ」および「コア部のレベル差」を表す。』
【発明の効果】
【００８９】
本発明の摺動部品は、優れた耐摩耗性を備えているので、自動車および産業機械における動力伝達用の摺動部品である歯車、プーリー、シャフトなどとして用いるのに好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９０】
以下、本発明の各要件について説明する。
【００９１】
〈１〉表面硬さ（摺動面の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さ）：
「（Ａ）凝着摩耗およびアブレシブ摩耗について」の項で述べたように、表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さが７００を下回ると、著しく大きな摩耗を生じる。このため、部品にかかる負荷が著しく増加した場合には、動力伝達用の摺動部品である歯車、プーリー、シャフトなどとして用いることができない。
【００９２】
したがって、摺動面の表面から深さ１０μｍまでの表層部において、表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さが７００以上であることと規定した。
【００９３】
上記の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さは７３０以上とすることが好ましい。なお、上記のビッカース硬さは高ければ高いほどよいので、上限は特に規定するものではな。
【００９４】
〈２〉表面粗さ：
「（Ａ）凝着摩耗およびアブレシブ摩耗について」の項で述べたように、上記〈１〉の「表面硬さ」規定を満たしていても、Ｒｚが４．０μｍを超えると、大きな摩耗を生じる。このため、部品にかかる負荷が著しく増加した場合には、動力伝達用の摺動部品である歯車、プーリー、シャフトなどとして用いることができない。
【００９５】
同様に、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値が１．０を超えても、摩耗量が大きくなるので、やはり、品にかかる負荷が著しく増加した場合には、動力伝達用の摺動部品である歯車、プーリー、シャフトなどとして用いることができない。
【００９６】
したがって、摺動面の表面粗さが、Ｒｚ：４．０μｍ以下および〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕：１．０未満を満たすことと規定した。
【００９７】
上記のＲｚは２．０μｍ以下とすることが好ましい。なお、Ｒｚが０．３０μｍより小さくなると，摺動の際に焼付きが生じる危険性が高くなる。よって、Ｒｚは、０．３０μｍ以上が望ましい。
【００９８】
また、上記の〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値は０．８０以下とすることが好ましい。なお、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕が０．２０より小さくなると、摺動の際に焼付きが生じる危険性が高くなる。よって、〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値は０．２０以上とすることが望ましい。
【００９９】
〈３〉セメンタイト粒子：
「（Ｂ）疲労摩耗について」の項で述べたように、垂直方向の１０μｍ位置に対応する領域までの表層部にセメンタイト粒子が存在し、しかも、その平均粒子径が０．６μｍ以下で、かつ、数密度が１個／μｍ2以上の場合には、き裂が発生しないので疲労摩耗を防止することができる。これに対して、上記表層部の組織にセメンタイト粒子が存在しないか、存在してもその平均粒子径が大きく、さらに、数密度が小さい場合には、き裂が発生して疲労摩耗を生じてしまう。
【０１００】
したがって、摺動面の表面から深さ１０μｍまでの表層部において、セメンタイト粒子の平均粒子径が０．６μｍ以下で、さらに、摺動面に対して垂直方向の断面におけるセメンタイト粒子の数密度：１個／μｍ2以上であることと規定した。
【０１０１】
上記のセメンタイト粒子の平均粒径の上限は０．５μｍとすることが好ましい。
【０１０２】
また、上記のセメンタイトの数密度は１．５個／μｍ2以上とすることが好ましい。
【０１０３】
本発明に係る摺動部品は、浸炭または浸炭窒化を施すことができるものであれば何を素材に用いても構わないが、好ましい素材としては、例えば、質量％で、Ｃ：０．１３〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜０．８０％、Ｍｎ：０．３５〜１．５０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００５〜０．０３５％、Ｃｒ：０．５０〜２．５％、Ａｌ：０．０２０〜０．０４０％、Ｎ：０．００３０〜０．０２５０％を含み、さらに必要に応じて、〔ａ〕Ｃｕ：０．３０％以下、Ｎｉ：０．３０％以下、〔ｂ〕Ｍｏ：０．５０％以下、Ｎｂ：０．０８０％以下、の２つの群から選ばれる１種以上の元素を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物中のＯ（酸素）が０．００２０％以下である鋼が挙げられる。
【０１０４】
以下、実施例により本発明の構成および作用・効果をより具体的に説明するが、本発明は、もとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、趣旨に適合しうる範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【０１０５】
表７に示す化学組成を有する鋼１〜７を３０ｋｇ真空溶解炉で溶解した後、鋳造してインゴットを作製した。
【０１０６】
【表７】
【０１０７】
上記のインゴットを１２５０℃で８時間保持した後、大気中で放冷して一旦室温まで冷却した。次いで、１２５０℃に再加熱して３０分保持し、仕上げ温度を１０００℃以上として熱間鍛造して、直径２５ｍｍの丸棒を得た。なお、熱間鍛造終了後は、大気中で放冷して室温まで冷却した。
【０１０８】
このようにして得た丸棒に、９２５℃で１時間保持した後に大気中で放冷して室温まで冷却する焼ならしを施した。
【０１０９】
焼ならし後の直径が４５ｍｍの丸棒のＲ／２部（Ｒ：半径）から、機械加工により鍛錬軸に平行に図１に示す形状のブロック試験片を切り出した。
【０１１０】
上記のブロック試験片に、ガス浸炭炉を用いて、図１０または図１１に示すヒートパターンで高濃度浸炭し、さらに、再加熱処理してから油温８０℃の油中に焼入れして、あるいは、ガス浸炭炉を用いて、図１３に示すヒートパターンで高濃度浸炭し、さらに、再加熱処理して窒化してから油温８０℃の油中に焼入れして、その後さらに、１７０℃で２時間焼戻しを行った。
【０１１１】
なお、図１３中の「Ｃｐ」もカーボンポテンシャルを意味し、高濃度浸炭してから窒素冷却を行って一旦６００℃まで冷却し、６００℃で１５分保持した後再び加熱し、温度が８３０℃で、カーボンポテンシャルが１．０％、窒素ガス流量が１５Ｌ／ｍｉｎの雰囲気で再加熱処理した。
【０１１２】
次いで、上記の焼戻を施したブロック試験片の試験部に、研削、研磨の表面加工を施して、表面粗さを変化させた。
【０１１３】
表８に、供試鋼、熱処理パターンと表面加工条件の詳細を示す。
【０１１４】
ここで、表８における「縦研削」とは、試験片の長手方向、つまり、図１の長さ１５．７５ｍｍの方向に研削したことを意味する。なお、研削は粒度８０〜５００の砥石を用いて実施した。
【０１１５】
また、「鏡面研磨」とは、＃５００、＃８００、＃１０００、＃１５００および＃２０００のＳｉＣ研磨紙の順でランダムな研磨方向で湿式研磨した後、さらに、粒子径５０μｍのアルミナ砥粒で研磨方向はランダムとしてバフ研磨し、仕上げたことを意味する。
【０１１６】
【表８】
【０１１７】
上記のようにして表面加工したブロック試験片の表面粗さをＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）およびＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定される方法に準拠し、次に示す条件で測定した。
【０１１８】
・測定方向：試験片長手方向、
・評価長さ：３．０ｍｍ、
・カットオフ値：０．８ｍｍ、
・測定項目：Ｒｚ、ＲｐｋおよびＲｋ。
【０１１９】
表８に、このようにして測定したＲｚおよび〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値を示す。なお、既に述べたように、Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）で規定された「最大高さ粗さ」を表し、また、ＲｐｋおよびＲｋはそれぞれ、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定された「突出山部高さ」および「コア部のレベル差」を表す。
【０１２０】
また、上記のようにして表面加工したブロック試験片の表層部の組織と表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さを次のようにして調査した。
【０１２１】
すなわち、摺動部に対応する位置であるブロック試験片の中央部を切断した後、長手方向に垂直な断面に対して１５゜の角度で樹脂に埋め込んで鏡面研磨した。このとき、表面は見かけ上深さ方向に拡大されているため、表面から４０μｍの位置で５点の硬さを測定した。なお、上記の位置は、垂直方向の１０μｍ位置に対応する。硬さ測定にはビッカース硬度計を用い、試験力を１．９６１ＮとしてＨｖ硬さを測定した。そして、これら５点の硬さの算術平均値を求めた。
【０１２２】
次に、上記ブロック試験片の硬さを測定した面をピクラールで腐食し、ＳＥＭを用いて、試験片の最表層を含むように、垂直方向の１０μｍ位置に対応する表面から４０μｍの位置までの領域について倍率１００００倍で各４視野撮影した。なお、各視野の大きさは１０．６μｍ×１３μｍである。次いで、ＳＥＭ像の画像処理からセメンタイト粒子の分布状況を調査し、平均粒子径および面積１μｍ2当たりのセメンタイト粒子の数、つまり、数密度を算出した。
【０１２３】
表８に、上記のようにして求めた深さ１０μｍにおけるビッカース硬さ、セメンタイト粒子の平均粒子径および数密度を併せて示す。なお、表８においては、上記の硬さを「表面硬さ」と表記した。
【０１２４】
また、上記の表面加工したブロック試験片と既に述べたリング試験片、つまり、表１に示す化学組成を有する鋼の、焼ならし後の直径が４５ｍｍの丸棒の中心部から、機械加工により鍛錬軸に平行に切り出し、ガス浸炭炉を用いて、図２に示すヒートパターンで浸炭してから油温８０℃の油中に焼入れし、さらに、１７０℃で２時間焼戻しを行い、さらに、その後、粒度８０の砥石を用いて２０００ｍ／ｍｉｎの研磨速度で２〜３分間円周方向に研磨し、表面粗さをＲｑで０．１５〜０．３０μｍに仕上げたリング試験片を用いて、ブロックオンリング試験を実施して滑り摩耗性を調査した。
【０１２５】
試験数は、各試験番号について１個ずつとし、試験後のブロック試験片の摩耗幅を光学顕微鏡で測定した。なお、測定箇所は、既に述べたように、各試験片について摩耗痕の両端および中央とし（図６参照）、各試験番号について、３箇所の摩耗幅を算術平均してこれを摩耗幅とした。なお、本発明における摩耗幅の目標は、１．５ｍｍ以内であることとした。
【０１２６】
さらに、疲労摩耗性についても評価した。すなわち、ブロック試験片をリング試験片に１０００Ｎの負荷で押し付けた後、滑り速度０．１ｍ／ｓで５秒間滑らせた後に除荷し、リング試験片の回転を停止するという工程を各試験番号について４０００回繰返した。その後、ブロック試験片の摺動部を光学顕微鏡により５００倍の倍率で観察して、き裂の有無を調査した。なお、潤滑油として、温度９０℃のオートマティックトランスミッション油を用いた。
【０１２７】
表８に、上記の摩耗幅、き裂の有無の調査結果を併せて示す。
【０１２８】
表８から明らかなように、本発明で規定する条件を満たせば、ブロックオンリング試験における滑り摩耗試験で摩耗幅が１．５ｍｍ以内となり、しかも、疲労摩耗試験で、き裂は生じておらず、耐摩耗性に優れていることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
本発明の摺動部品は、優れた耐摩耗性を備えているので、自動車および産業機械における動力伝達用の摺動部品である歯車、プーリー、シャフトなどとして用いるのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】ブロックオンリング試験用ブロック試験片の形状を示す図で、（イ）が正面図、（ロ）が側面図である。
【図２】「浸炭焼入れ−焼戻し」における「浸炭焼入れ」のヒートパターンについて説明する図である。なお、図２中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを意味する。
【図３】「浸炭焼入れ−焼戻し」における別の「浸炭焼入れ」のヒートパターンについて説明する図である。なお、図３中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを意味する。
【図４】ブロックオンリング試験用リング試験片の形状を示す図である。
【図５】ブロックオンリング試験について模式的に説明する図である。
【図６】ブロックオンリング試験後のブロック試験片の摩耗幅を光学顕微鏡で測定した箇所について説明する図である。
【図７】表２および表４における処理条件ａ〜ｇについて、摩耗幅とＲｚの関係を整理して示す図である。
【図８】表２および表４における処理条件ａ〜ｄおよびｇについて、摩耗幅と〔Ｒｐｋ／Ｒｋ〕の値の関係を整理して示す図である。
【図９】「高濃度浸炭再加熱焼入れ−焼戻し」における「高濃度浸炭再加熱焼入れ」のヒートパターンについて説明する図である。なお、図９中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを意味する。
【図１０】「高濃度浸炭再加熱焼入れ−焼戻し」における別の「高濃度浸炭再加熱焼入れ」のヒートパターンについて説明する図である。なお、図１０中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを意味する。
【図１１】「高濃度浸炭再加熱焼入れ−焼戻し」におけるさらに別の「高濃度浸炭再加熱焼入れ」のヒートパターンについて説明する図である。なお、図１１中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを意味する。
【図１２】実施例で行ったブロックオンリング試験による疲労摩耗性の評価の際の摩擦係数の変動と「最大静摩擦係数」および「動摩擦係数」の定義について説明する図である。
【図１３】「高濃度浸炭再加熱窒化焼入れ−焼戻し」における「高濃度浸炭再加熱窒化焼入れ」のヒートパターンについて説明する図である。なお、図１３中の「Ｃｐ」はカーボンポテンシャルを意味する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
浸炭または浸炭窒化された摺動部品であって、摺動面の表面から深さ１０μｍまでの表層部において、
摺動面の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さ：７００以上、
セメンタイト粒子の平均粒子径：０．６μｍ以下、
摺動面に対して垂直方向の断面におけるセメンタイト粒子の数密度：１個／μｍ2以上、を満たすとともに、摺動面の表面粗さが、
Ｒｚ：４．０μｍ以下、
Ｒｐｋ／Ｒｋ：１．０未満、
を満たすことを特徴とする摺動部品。
なお、Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）で規定された「最大高さ粗さ」を表し、また、ＲｐｋおよびＲｋはそれぞれ、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定された「突出山部高さ」および「コア部のレベル差」を表す。
【請求項１】
浸炭または浸炭窒化された摺動部品であって、摺動面の表面から深さ１０μｍまでの表層部において、
摺動面の表面からの深さ１０μｍにおけるビッカース硬さ：７００以上、
セメンタイト粒子の平均粒子径：０．６μｍ以下、
摺動面に対して垂直方向の断面におけるセメンタイト粒子の数密度：１個／μｍ2以上、を満たすとともに、摺動面の表面粗さが、
Ｒｚ：４．０μｍ以下、
Ｒｐｋ／Ｒｋ：１．０未満、
を満たすことを特徴とする摺動部品。
なお、Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）で規定された「最大高さ粗さ」を表し、また、ＲｐｋおよびＲｋはそれぞれ、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２（２００２）で規定された「突出山部高さ」および「コア部のレベル差」を表す。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１００８８１（Ｐ２０１０−１００８８１Ａ）
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７１８１１（Ｐ２００８−２７１８１１）
【出願日】平成２０年１０月２２日（２００８．１０．２２）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２２日（２００８．１０．２２）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]