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JP7758940B2 - steel parts - Google Patents
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JP7758940B2 - steel parts - Google Patents

steel parts

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JP7758940B2 JP2022002909A JP2022002909A JP7758940B2 JP 7758940 B2 JP7758940 B2 JP 7758940B2 JP 2022002909 A JP2022002909 A JP 2022002909A JP 2022002909 A JP2022002909 A JP 2022002909A JP 7758940 B2 JP7758940 B2 JP 7758940B2
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Description

本発明は、鋼部材に関する。 The present invention relates to steel members.

機械、自動車等の部品に使用される鋼部材の中には、高い剛性が求められるものがある。例えば、自動車の内燃機関や変速機においては、振動やノイズの低減を目的として可動部品の剛性向上が望まれている。自動車燃費向上のために鋼部材を小型・軽量化しつつ、その剛性を維持・向上させるためには、鋼よりも高い弾性率を有する材料(以下、「高弾性率材料」ともいう。)が必要となる。 Some steel components used in machinery, automobiles, and other parts require high rigidity. For example, in automobile internal combustion engines and transmissions, improving the rigidity of moving parts is desirable to reduce vibration and noise. To improve automobile fuel efficiency by making steel components smaller and lighter while maintaining or improving their rigidity, a material with a higher elastic modulus than steel (hereinafter referred to as a "high elastic modulus material") is required.

そのような高弾性率材料として、例えば、切削工具等に用いられる超硬合金やサーメットが挙げられる。サーメットとはTiBやNbC等のような、鋼よりも高い弾性率を有する硬質化合物を金属中に粒子分散させた複合材料であり、数多くのサーメットが提案されている。しかしながら、いずれの材料も一般的な鋼と比較して非常に高価であり、塑性加工や切削加工が困難な難加工材である。そのため、鋼部材全体を前述のような高弾性率材料に置き換えることは、材料コスト及び加工コストの両面から、経済性を大きく損ねることになる。 Examples of such high-elastic modulus materials include cemented carbides and cermets used in cutting tools. Cermets are composite materials in which hard compounds with a higher elastic modulus than steel, such as TiB2 and NbC, are dispersed in metal particles, and many cermets have been proposed. However, these materials are very expensive compared to ordinary steel and are difficult to process, making plastic processing and cutting difficult. Therefore, replacing the entire steel component with such high-elastic modulus materials would significantly impair economic efficiency in terms of both material cost and processing cost.

大幅なコストの増加を伴うことなく鋼部材の剛性を向上させる方法として、部分的な材料置換が考えられる。すなわち、鋼部材全体ではなく、剛性が必要とされる部位のみを高弾性率材料に置換すれば大幅なコストの増加を伴うことなく鋼部材の剛性を向上させることができる。また、外周部を高弾性率材料に置換することで、曲げ剛性及びねじり剛性を効率的に向上させることが可能となる。 Partial material replacement is one way to improve the rigidity of steel components without significantly increasing costs. In other words, by replacing only the areas of the steel component that require rigidity with a high-elasticity material, rather than the entire component, the rigidity of the steel component can be improved without significantly increasing costs. Furthermore, by replacing the outer periphery with a high-elasticity material, it is possible to efficiently improve bending rigidity and torsional rigidity.

例えば、以下の特許文献1には、軸受により支承される回転体の回転軸であって、少なくとも軸受から回転体までの間の部位を超硬合金やサーメット等のヤング率の高い高弾性率材料で構成することで剛性を向上させた、回転体の回転軸を提供する技術が記載されている。特許文献1では、また、回転体の回転軸において、少なくとも軸受から回転体までの間の部位における表層部は、マトリックス金属中に硼化物、炭化物、窒化物のうち少なくとも1種の硬質粒子が分散している複合材料で構成されていることが開示されている。 For example, Patent Document 1 below describes a technology for providing a rotating shaft for a rotating body that is supported by bearings, where at least the section between the bearing and the rotating body is made of a high-elasticity material with a high Young's modulus, such as cemented carbide or cermet, thereby improving rigidity. Patent Document 1 also discloses that in the rotating shaft for a rotating body, at least the surface layer between the bearing and the rotating body is made of a composite material in which hard particles of at least one type of material selected from boride, carbide, and nitride are dispersed in a matrix metal.

また、特許文献2には、表面硬化処理された歯車であって、歯車表面の荷重移動方向の表面粗さが0.2μm≦Rpk+0.5Rk≦0.8μmを満足することを特徴とする歯車が開示されている。 Patent Document 2 also discloses a surface-hardened gear characterized in that the surface roughness of the gear surface in the load transfer direction satisfies 0.2 μm≦Rpk+0.5Rk≦0.8 μm.

特開2005-90587号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-90587 特開2006-225741号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-225741

本発明者らが検討した結果、他部材との摺動部(例えばクランクシャフトのピン部)にサーメット等を被覆する場合は、その表面性状に注意する必要があることが分かった。例えば、表面に硬質化合物が突き出していると、それが砥石における砥粒のような役割を果たし、他部材を大きく摩耗・損傷させてしまうことが分かった。
上述した特許文献1では、表層部が、マトリックス金属中に硬質粒子が分散している複合材料で構成されていることが開示されているものの、このような課題について考慮しておらず、粗さの制御も行っていない。
As a result of the inventors' investigations, it was found that when a cermet or the like is coated on a sliding portion with another member (for example, the pin portion of a crankshaft), attention must be paid to the surface properties. For example, it was found that if hard compounds protrude from the surface, they act like abrasive grains in a grinding stone, causing significant wear and damage to the other member.
Although the above-mentioned Patent Document 1 discloses that the surface layer is made of a composite material in which hard particles are dispersed in a matrix metal, it does not take such issues into consideration and does not control the roughness.

特許文献2には、接触域内に突起状の「山」部が存在したり、逆に数μmの「谷」部が存在したりすると、その周囲に応力集中が生じるためピッチング強度の低下をきたしてしまうので、耐ピッチング疲労を高めるために接触域内における粗さ突起の高さをほぼ一様とする必要があることが開示されている。しかしながら、特許文献2では、高弾性率材料への材料置換の検討はされておらず、部材の剛性は十分でない。また、高弾性率材料による他部材の摩耗・損傷については検討されていない。
さらに、本発明者らが検討した結果、超硬合金やサーメットで形成された表層部の表面が過剰に平滑になると、摺動面に潤滑材が供給されにくくなり、スティック・スリップ現象や焼付きが生じる可能性があることが分かった。すなわち、特許文献2のように表面を平滑にすることは対象とする部品によっては好ましくない場合があることが分かった。
Patent Document 2 discloses that if protruding "mountains" or, conversely, "valleys" of several microns exist within the contact area, stress concentration occurs around them, resulting in a decrease in pitting strength, and therefore, in order to improve pitting fatigue resistance, it is necessary to make the height of the roughness protrusions within the contact area approximately uniform. However, Patent Document 2 does not consider replacing the material with a high-elasticity material, and the rigidity of the component is insufficient. Furthermore, it does not consider wear and damage to other components caused by high-elasticity materials.
Furthermore, as a result of investigations by the present inventors, it was found that if the surface of the surface layer formed of cemented carbide or cermet becomes excessively smooth, it becomes difficult for lubricant to be supplied to the sliding surface, which may result in the stick-slip phenomenon or seizure. In other words, it was found that smoothing the surface as in Patent Document 2 may not be desirable depending on the target part.

本発明は上記の課題に鑑み、高い剛性を有し、摺動相手となる他部材の摩耗や損傷を抑制し、さらに、摺動面の焼付きを抑制することができる鋼部材を提供することを課題とする。 In light of the above issues, the present invention aims to provide a steel member that has high rigidity, reduces wear and damage to other sliding components, and can also reduce seizure on the sliding surfaces.

本発明者らは、基材部と、表層部として高弾性率化合物を含む複合材料層とを備える鋼部材において、摺動相手となる他部材の摩耗や損傷を抑制し、かつ、摺動面の焼付きを抑制する方法について、検討を行った。その結果、表層部の表面の摺動方向の表面粗さとして、突出山部高さ及び突出谷部深さをそれぞれ制御することで、他部材の摩耗や損傷を抑制しつつ、摺動面の焼付きを抑制することができることを見出した。 The inventors investigated a method for suppressing wear and damage to other sliding components and suppressing seizure on the sliding surface of a steel component having a substrate and a surface layer made of a composite material containing a high-elasticity compound. As a result, they discovered that by controlling the height of the protruding peaks and the depth of the protruding valleys as the surface roughness in the sliding direction of the surface of the surface layer, it is possible to suppress wear and damage to other components while also suppressing seizure on the sliding surface.

本発明は上記の知見に基づいてなされた。本発明の要旨は、以下の通りである。 The present invention was made based on the above findings. The gist of the present invention is as follows:

[1]鋼からなる基材部と、前記基材部の少なくとも一部を覆う表層部と、を備え、前記表層部は、ホウ化物、炭化物、窒化物のうちの少なくとも1種の化合物を、面積%で前記表層部の断面の10%以上含有し、残部がバインダーである、複合材料からなり、前記化合物は、300GPa以上の縦弾性率を有し、かつ、1200HV以上のビッカース硬さを有し、平均粒子径が、0.1μm以上150μm以下であり、前記表層部の平均厚さが、0.5mm以上であり、前記表層部の表面の、摺動方向の表面粗さ負荷曲線において、突出山部高さRpkが0.50μm以下、かつ、突出谷部深さRvkが0.10μm以上である、鋼部材。
[2]前記基材部が、化学組成として、質量%で、C:0.10~0.55%、Si:0.05~1.50%、Mn:0.20~2.00%、Al:0.005~0.100%、N:0.0010~0.0250%、P:0.001~0.150%、S:0.005~0.150%、を含有し、残部がFe及び不純物からなる、[1]に記載の鋼部材。
[3]前記基材部は、前記化学組成として、残部のFeの一部に換えて、質量%で、Cr:0.10~5.00%、Mo:0.05~1.00%、から選択される1種又は2種を更に含有する、[2]に記載の鋼部材。
[4]前記基材部は、前記化学組成として、残部のFeの一部に換えて、質量%で、V:0.05~0.50%、Ti:0.05~0.30%、から選択される1種又は2種を更に含有する、[2]又は[3]に記載の鋼部材。
[5]前記複合材料の前記バインダーが、C含有量が0.1~1.0質量%である鉄基合金であり、かつ、前記化合物が、NbC、TiC、VC、WC、SiC、Cr、MoC、ZrC、TiB、W、Mo、TiN、VN、NbN、ZrNのうちの1種以上である、[1]~[4]の何れか一項に記載の鋼部材。
]前記表層部の平均厚さが0.5~30.0mmである、[1]~[]の何れか一項に記載の鋼部材。
]前記表層部と前記基材部との両方を通る断面における前記表層部の面積率が、10.0~50.0%である、[1]~[]の何れか一項に記載の鋼部材。
[1] A steel member comprising a substrate portion made of steel and a surface layer portion covering at least a portion of the substrate portion, wherein the surface layer portion is made of a composite material containing at least one compound of boride, carbide, and nitride, accounting for 10% or more of a cross section of the surface layer portion in terms of area percent, with the remainder being a binder, wherein the compound has a longitudinal elastic modulus of 300 GPa or more and a Vickers hardness of 1200 HV or more, an average particle diameter of 0.1 μm or more and 150 μm or less, an average thickness of the surface layer portion is 0.5 mm or more, and a surface roughness load curve in the sliding direction of the surface of the surface layer portion has a protruding peak height Rpk of 0.50 μm or less and a protruding valley depth Rvk of 0.10 μm or more.
[2] The steel member according to [1], wherein the substrate portion contains, as a chemical composition, in mass%, C: 0.10 to 0.55%, Si: 0.05 to 1.50%, Mn: 0.20 to 2.00%, Al: 0.005 to 0.100%, N: 0.0010 to 0.0250%, P: 0.001 to 0.150%, S: 0.005 to 0.150%, with the balance being Fe and impurities.
[3] The base material further contains, as the chemical composition, one or two selected from, in mass%, Cr: 0.10 to 5.00% and Mo: 0.05 to 1.00%, in place of a portion of the remaining Fe. The steel member according to [2].
[4] The base material further contains, as the chemical composition, one or two selected from, by mass%, V: 0.05 to 0.50% and Ti: 0.05 to 0.30%, in place of a portion of the remaining Fe. The steel member according to [2] or [3].
[5] A steel member according to any one of [1] to [4], wherein the binder of the composite material is an iron-based alloy having a C content of 0.1 to 1.0 mass %, and the compound is one or more of NbC, TiC, VC, WC, SiC, Cr 3 C 2 , Mo 2 C, ZrC, TiB 2 , W 2 B 5 , Mo 2 B 5 , TiN, VN, NbN, and ZrN.
[ 6 ] The steel member according to any one of [1] to [ 5 ], wherein the surface layer portion has an average thickness of 0.5 to 30.0 mm.
[ 7 ] The steel member according to any one of [1] to [ 6 ], wherein an area ratio of the surface layer portion in a cross section passing through both the surface layer portion and the base material portion is 10.0 to 50.0%.

本発明によれば、高い剛性を有し、摺動相手となる他部材の摩耗や損傷を抑制し、さらに、摺動面の焼付きを抑制することができる鋼部材を提供することができる。 The present invention provides a steel member that has high rigidity, reduces wear and damage to other sliding components, and further reduces seizure on the sliding surface.

ブロックオンリング試験の概要を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an outline of a block-on-ring test. 本実施形態に係る鋼部材の複合材料からなる表層部の腐食なしの場合の断面写真である。10 is a cross-sectional photograph of a surface layer of a steel member according to the present embodiment, made of a composite material, when there is no corrosion. 本実施形態に係る鋼部材の複合材料からなる表層部の図2Aと同じ部分を、ナイタールで腐食した場合の断面写真である。2B is a cross-sectional photograph of the surface layer portion of the steel member according to the present embodiment, which is made of a composite material, and which is the same as that shown in FIG. 2A, when the surface layer portion is corroded with nital. 化合物が部分的に脱落することで生じた谷部の例を示す断面写真である。1 is a cross-sectional photograph showing an example of a valley formed by partial dropping of a compound. 本実施形態に係る鋼部材の表面(複合材料からなる表層部の表面)の摺動方向の粗さ曲線の例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a roughness curve in the sliding direction of the surface of the steel member according to the present embodiment (the surface of the surface layer portion made of a composite material). 三点曲げ試験片の形状を説明するための説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the shape of a three-point bending test piece.

以下に、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
以下に示す実施形態は、本発明を限定するものではない。また、以下に示す実施形態の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれうる。更に、以下に示す実施形態に含まれる各種形態は、当業者が自明の範囲内で任意に組み合わせることができる。
Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below.
The following embodiments do not limit the present invention. Furthermore, the components of the following embodiments may include those that are easily replaceable by those skilled in the art, or may include those that are substantially identical. Furthermore, the various aspects included in the following embodiments may be combined in any way within the scope of obviousness to those skilled in the art.

(鋼部材について)
本発明の一実施形態に係る鋼部材(本実施形態に係る鋼部材)は、鋼からなる基材部と、前記基材部の少なくとも一部を覆う表層部と、を備える。
以下それぞれについてさらに説明する。
(Regarding steel members)
A steel member according to one embodiment of the present invention (steel member according to the present embodiment) includes a base portion made of steel and a surface layer portion covering at least a portion of the base portion.
Each of these is explained further below.

<基材部について>
まず、鋼部材を構成する基材部について説明する。
本実施形態に係る鋼部材における基材部は、鋼からなる。
本実施形態に係る鋼部材における基材部は、その全面が以下で詳述する表層部に覆われていてもよいし、部分的に以下で詳述する表層部に覆われ、部分的に表面に基材部が露出していてもよい。換言すれば、本実施形態に係る鋼部材における基材部には、以下で詳述する表層部で覆われている領域と、かかる表層部に覆われていない領域と、が存在していてもよい。
例えば、本実施形態に係る鋼部材を用いたギヤシャフトにおいて、基材部の一部が露出する場合があるが、かかる露出部分に高い剛性が要求されないのであれば、本実施形態に係る鋼部材を用いたギヤシャフトにおいて基材部が露出していてもよい。
基材部の形状や外径等は限定されないが、コネクティングロッドやギヤシャフトといった部品への適用を想定した場合、例えば断面が円や矩形状の棒状であり、外径(矩形の場合には断面の長径)が10~50mmであってもよい。または、クランクシャフトのピン部への適用を想定した場合、例えば断面が円であり、外径が30~120mmである。
<About the base material>
First, the substrate portion constituting the steel member will be described.
The substrate portion of the steel member according to this embodiment is made of steel.
The substrate portion of the steel member according to this embodiment may be entirely covered with a surface layer portion described in detail below, or may be partially covered with a surface layer portion described in detail below, with the substrate portion partially exposed on the surface. In other words, the substrate portion of the steel member according to this embodiment may have a region covered with a surface layer portion described in detail below and a region not covered with such a surface layer portion.
For example, in a gear shaft using the steel member according to this embodiment, a portion of the base material may be exposed, but if high rigidity is not required in such exposed portion, the base material may be exposed in a gear shaft using the steel member according to this embodiment.
The shape and outer diameter of the substrate are not limited, but when application to parts such as connecting rods and gear shafts is envisaged, the substrate may be rod-shaped with a circular or rectangular cross section and an outer diameter (the long diameter of the cross section in the case of a rectangle) of 10 to 50 mm, for example. Alternatively, when application to the pin portion of a crankshaft is envisaged, the substrate may be circular with an outer diameter of 30 to 120 mm, for example.

≪基材部の化学組成≫
基材部の化学組成は、求められる機械的特性に応じて決定することができるが、以下に示す化学組成とすることが好ましい。
すなわち、本実施形態に係る鋼部材の基材部(本実施形態に係る基材部と言う場合がある)は、化学組成として、質量%で、C:0.10~0.55%、Si:0.05~1.50%、Mn:0.20~2.00%、Al:0.005~0.100%、N:0.0010~0.0250%、P:0.001~0.150%、S:0.005~0.150%を含有し、残部がFe及び不純物からなることが好ましい。また、本実施形態に係る基材部は、必要に応じて、残部のFeの一部に換えて、質量%で、Cr:0.10~5.00%、Mo:0.05~1.00%の1種もしくは2種、及び/又は、V:0.05~0.50%、Ti:0.05~0.30%1種もしくは2種を、更に含有してもよい。
<Chemical composition of the base material>
The chemical composition of the substrate can be determined depending on the required mechanical properties, but it is preferable to use the chemical composition shown below.
That is, the substrate portion of the steel member according to this embodiment (sometimes referred to as the substrate portion according to this embodiment) preferably contains, in mass%, C: 0.10 to 0.55%, Si: 0.05 to 1.50%, Mn: 0.20 to 2.00%, Al: 0.005 to 0.100%, N: 0.0010 to 0.0250%, P: 0.001 to 0.150%, and S: 0.005 to 0.150%, with the balance consisting of Fe and impurities. Furthermore, the substrate portion according to this embodiment may, if necessary, further contain, in mass%, one or two of Cr: 0.10 to 5.00%, Mo: 0.05 to 1.00%, and/or V: 0.05 to 0.50%, and Ti: 0.05 to 0.30%, in place of a portion of the remaining Fe.

以下の説明では、上述した本実施形態に係る鋼部材の基材部の好ましい化学組成について、化学成分毎にその含有量の限定理由を説明する。以下に示す各元素の割合(%)は、断りのない限りは、全て質量%を意味する。 In the following explanation, the reasons for limiting the content of each chemical component in the preferred chemical composition of the substrate portion of the steel member according to this embodiment will be explained. The percentages (%) of each element shown below all refer to mass % unless otherwise specified.

[C:0.10~0.55%]
炭素(C)は、鋼部材の強度に大きく影響する重要な元素である。C含有量が0.10%未満であると、十分な強度が得られない場合がある。一方、C含有量が0.55%を超える場合には、部品加工時の鍛造性及び被削性が悪化する。そのため、本実施形態に係る基材部では、C含有量を0.10~0.55%とすることが好ましい。本実施形態に係る基材部では、強度をより向上させるために、C含有量は、0.18%以上であることがより好ましく、0.35%以上であることがさらに好ましい。また、本実施形態に係る基材部において、部品加工時の鍛造性及び被削性をより確実に保持するために、C含有量は、0.50%以下であることがより好ましく、0.45%以下であることがさらに好ましい。
[C: 0.10-0.55%]
Carbon (C) is an important element that significantly affects the strength of steel members. If the C content is less than 0.10%, sufficient strength may not be obtained. On the other hand, if the C content exceeds 0.55%, forgeability and machinability during part processing deteriorate. Therefore, in the substrate according to this embodiment, the C content is preferably 0.10 to 0.55%. In order to further improve the strength of the substrate according to this embodiment, the C content is more preferably 0.18% or more, and even more preferably 0.35% or more. Furthermore, in order to more reliably maintain forgeability and machinability during part processing, in the substrate according to this embodiment, the C content is more preferably 0.50% or less, and even more preferably 0.45% or less.

[Si:0.05~1.50%]
シリコン(Si)は、鋼部材の強度を高めるとともに、焼き戻し軟化抵抗を向上させ、温度上昇に伴う軟化を抑制する有用な元素である。Si含有量が0.05%未満である場合には、上記効果が発揮できない。一方、Si含有量が1.50%を超える場合には、上記効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できない。そのため、本実施形態に係る基材部では、Si含有量を0.05~1.50%とすることが好ましい。本実施形態に係る基材部では、上記効果をより確実に発揮させるために、Si含有量は、0.15%以上であることがより好ましく、0.50%以上であることがさらに好ましい。また、本実施形態に係る基材部では、Si含有量は、1.20%以下であることがより好ましく、0.70%以下であることがさらに好ましい。
[Si: 0.05-1.50%]
Silicon (Si) is a useful element that increases the strength of steel members, improves temper softening resistance, and suppresses softening due to temperature increases. If the Si content is less than 0.05%, the above effects cannot be achieved. On the other hand, if the Si content exceeds 1.50%, the above effects saturate, and effects commensurate with the content cannot be expected. Therefore, in the substrate portion according to this embodiment, the Si content is preferably 0.05 to 1.50%. In order to more reliably achieve the above effects, in the substrate portion according to this embodiment, the Si content is more preferably 0.15% or more, and even more preferably 0.50% or more. Furthermore, in the substrate portion according to this embodiment, the Si content is more preferably 1.20% or less, and even more preferably 0.70% or less.

[Mn:0.20~2.00%]
マンガン(Mn)は、鋼材の焼き入れ性を高めて鋼部材の強度を高めると同時に、赤熱脆性を抑制し、熱間延性を向上させる元素である。Mn含有量が0.20%未満である場合には、上記効果が発揮できない。一方、Mn含有量が2.00%を超える場合には、上記作用が飽和し、含有量に見合う効果が期待できない。そのため、本実施形態に係る基材部では、Mn含有量を0.20~2.00%とすることが好ましい。本実施形態に係る基材部では、上記効果をより確実に発揮させるために、Mn含有量は、0.60%以上であることがより好ましく、1.00%以上であることがさらに好ましい。また、本実施形態に係る基材部において、Mn含有量は、1.80%以下であることがより好ましく、1.50%以下であることがさらに好ましい。
[Mn: 0.20-2.00%]
Manganese (Mn) is an element that improves the hardenability of steel material, thereby increasing the strength of the steel member, while suppressing red shortness and improving hot ductility. If the Mn content is less than 0.20%, the above effects cannot be achieved. On the other hand, if the Mn content exceeds 2.00%, the above effects saturate, and no effects commensurate with the content can be expected. Therefore, in the substrate portion according to this embodiment, the Mn content is preferably 0.20 to 2.00%. In order to more reliably achieve the above effects, in the substrate portion according to this embodiment, the Mn content is more preferably 0.60% or more, and even more preferably 1.00% or more. Furthermore, in the substrate portion according to this embodiment, the Mn content is more preferably 1.80% or less, and even more preferably 1.50% or less.

[Al:0.005~0.100%]
アルミニウム(Al)は、脱酸作用を有するとともに、熱処理の際、Nと結合してAlNを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を抑制する効果を持つ元素である。Al含有量が0.005%未満である場合には、上記効果が発揮されない。一方、Al含有量が0.100%を超える場合には、上記効果が飽和する。そのため、本実施形態に係る基材部では、Al含有量を0.005~0.100%とすることが好ましい。本実施形態に係る基材部では、上記効果をより確実に発揮させるために、Al含有量は、0.015%以上であることがより好ましく、0.030%以上であることがさらに好ましい。また、本実施形態に係る基材部では、Al含有量は、0.080%以下であることがより好ましく、0.050%以下であることがさらに好ましい。
[Al: 0.005-0.100%]
Aluminum (Al) is an element that has a deoxidizing effect and also has the effect of suppressing coarsening of austenite grains by combining with N to form AlN during heat treatment. When the Al content is less than 0.005%, the above effect is not exerted. On the other hand, when the Al content exceeds 0.100%, the above effect is saturated. Therefore, in the substrate portion according to this embodiment, the Al content is preferably 0.005 to 0.100%. In order to more reliably exert the above effect, in the substrate portion according to this embodiment, the Al content is more preferably 0.015% or more, and even more preferably 0.030% or more. Furthermore, in the substrate portion according to this embodiment, the Al content is more preferably 0.080% or less, and even more preferably 0.050% or less.

[N:0.0010~0.0250%]
窒素(N)は、Alと結合してAlNを形成することにより熱処理時のオーステナイト粒の粗大化を抑制する効果を有する元素である。N含有量が0.0010%未満である場合には、上記効果を十分に得ることができない。一方、N含有量が0.0250%を超える場合には、上記効果が飽和する。そのため、本実施形態に係る基材部では、N含有量を0.0010~0.0250%とすることが好ましい。本実施形態に係る基材部では、上記効果をより確実に発揮させるために、N含有量は、0.0030%以上であることがより好ましく、0.0100%以上であることがさらに好ましい。また、本実施形態に係る基材部において、N含有量は、0.0200%以下であることがより好ましく、0.0150%以下であることがさらに好ましい。
[N:0.0010-0.0250%]
Nitrogen (N) is an element that combines with Al to form AlN, thereby suppressing the coarsening of austenite grains during heat treatment. When the N content is less than 0.0010%, the above effect cannot be fully achieved. On the other hand, when the N content exceeds 0.0250%, the above effect saturates. Therefore, in the substrate portion according to this embodiment, the N content is preferably 0.0010 to 0.0250%. In order to more reliably achieve the above effect, in the substrate portion according to this embodiment, the N content is more preferably 0.0030% or more, and even more preferably 0.0100% or more. Furthermore, in the substrate portion according to this embodiment, the N content is more preferably 0.0200% or less, and even more preferably 0.0150% or less.

[P:0.001~0.150%]
リン(P)は、通常、不純物として含まれる元素である。Pは、粒界に偏析して粒界強度を下げるため、P含有量はなるべく低い方が良い。しかしながら、Pは、製鋼工程において低減することができるものの、P含有量を0.001%未満とするには製造コストが著しく上昇する。また、P含有量を0.001%未満としても粒界強度が顕著に向上することはない。また、破断分割式コネクティングロッド用の鋼には、その分割工程において脆性破断面を得るため、意図的に多量のPを含有させることがある。そのため、本実施形態に係る基材部では、P含有量を0.001%以上とすることが好ましい。脆性破断面をより確実に得る場合、P含有量は、0.050%以上であることがより好ましく、0.080%以上であることがさらに好ましい。
一方、P含有量が0.150%を超える場合には、上記効果が飽和する。そのため、本実施形態に係る基材部では、P含有量を0.150%以下とすることが好ましい。P含有量は、0.120%以下であることがより好ましく、0.100%以下であることがさらに好ましい。
[P: 0.001-0.150%]
Phosphorus (P) is an element typically contained as an impurity. Since P segregates at grain boundaries and reduces grain boundary strength, it is desirable to keep the P content as low as possible. However, although P can be reduced during the steelmaking process, reducing the P content to less than 0.001% significantly increases manufacturing costs. Furthermore, reducing the P content to less than 0.001% does not significantly improve grain boundary strength. Furthermore, steel for fracture split connecting rods may intentionally contain a large amount of P to obtain a brittle fracture surface during the splitting process. Therefore, the P content of the substrate according to this embodiment is preferably 0.001% or more. To more reliably obtain a brittle fracture surface, the P content is more preferably 0.050% or more, and even more preferably 0.080% or more.
On the other hand, if the P content exceeds 0.150%, the above effect saturates. Therefore, in the substrate according to this embodiment, the P content is preferably 0.150% or less. The P content is more preferably 0.120% or less, and even more preferably 0.100% or less.

[S:0.005~0.150%]
硫黄(S)は、鋼部材の被削性を向上させる元素である。この効果を得る場合、S含有量を0.005%以上とすることが好ましい。被削性をより確実に向上させるためには、S含有量は、0.040%以上であることがより好ましく、0.060%以上であることがさらに好ましい。
一方、S含有量が多すぎると、Mnによって固定されなかったSがFeSとして粒界に生成することで、熱間延性が低下する。そのため、本実施形態に係る基材部では、S含有量を0.150%以下とすることが好ましい。S含有量は、0.120%以下であることがより好ましく、0.100%以下であることがさらに好ましい。
[S: 0.005-0.150%]
Sulfur (S) is an element that improves the machinability of steel members. To obtain this effect, the S content is preferably 0.005% or more. To more reliably improve machinability, the S content is more preferably 0.040% or more, and even more preferably 0.060% or more.
On the other hand, if the S content is too high, S that is not fixed by Mn is generated as FeS at grain boundaries, resulting in a decrease in hot ductility. Therefore, in the base material according to this embodiment, the S content is preferably 0.150% or less. The S content is more preferably 0.120% or less, and even more preferably 0.100% or less.

上記基材部の化学組成は、上記元素を含有し残部が、鉄(Fe)及び不純物であることを基本とする。ここで、不純物とは、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから、又は、製造工程の環境等から混入する成分であって、鋼材に意図的に含有させた成分ではない成分を意味する。
一方で、機械的特性等の向上を目的として、以下に示すCr、Mo、V、Tiの1種以上をFeの一部に換えてさらに含有させてもよい。ただし、これらの元素を含有することは必須ではないので、含有量は0%でもよく、また、不純物として、後述する範囲以下の含有量で含まれていてもよい。
The chemical composition of the substrate basically contains the above elements with the remainder being iron (Fe) and impurities, where impurities refer to components that are mixed in from ores or scrap used as raw materials for steel, or from the manufacturing process environment, etc., and are not components that are intentionally contained in the steel material.
On the other hand, for the purpose of improving mechanical properties, etc., one or more of Cr, Mo, V, and Ti shown below may be further contained in place of a portion of Fe. However, since it is not essential to contain these elements, the content may be 0%, or they may be contained as impurities in a content below the range described below.

[Cr:0.10~5.00%]
クロム(Cr)は、鋼の焼き入れ性を高めると同時に、鋼部材の弾性率を向上させる有用な元素である。そのため、本実施形態に係る基材部は、残部のFeの一部に換えて、Crを所定量含有してもよい。Cr含有量が0.10%未満であると、上記効果が発揮できない可能性がある。一方、Cr含有量が5.00%を超えると、部品加工時の鍛造性及び被削性が低下する可能性がある。そのため、本実施形態に係る基材部において、Crを含有させる場合、Cr含有量は、0.10~5.00%であることが好ましい。本実施形態に係る基材部において、鋼材の焼き入れ性及び弾性率をより確実に向上させるために、Cr含有量は、0.90%以上であることがより好ましい。また、本実施形態に係る基材部において、部品加工時の鍛造性及び被削性の低下を抑制する観点からは、Cr含有量は、3.00%以下であることがより好ましい。
[Cr:0.10-5.00%]
Chromium (Cr) is a useful element that improves the hardenability of steel and simultaneously improves the elastic modulus of steel members. Therefore, the substrate according to this embodiment may contain a predetermined amount of Cr in place of a portion of the remaining Fe. If the Cr content is less than 0.10%, the above effects may not be achieved. On the other hand, if the Cr content exceeds 5.00%, the forgeability and machinability during part processing may be reduced. Therefore, when Cr is contained in the substrate according to this embodiment, the Cr content is preferably 0.10 to 5.00%. In order to more reliably improve the hardenability and elastic modulus of the steel material in the substrate according to this embodiment, the Cr content is more preferably 0.90% or more. Furthermore, in order to suppress a reduction in forgeability and machinability during part processing, the Cr content is more preferably 3.00% or less in the substrate according to this embodiment.

[Mo:0.05~1.00%]
モリブデン(Mo)は、鋼の強度及び焼き入れ性を高める有用な元素である。そのため、本実施形態に係る基材部は、残部のFeの一部に換えて、Moを所定量含有してもよい。Mo含有量が0.05%未満であると、上記効果が発揮できない可能性がある。一方、Mo含有量が1.00%を超えると、部品加工時の鍛造性及び被削性を低下させる可能性がある。そのため、本実施形態に係る基材部において、Moを含有させる場合、Mo含有量は、0.05~1.00%であることが好ましい。本実施形態に係る基材部において、鋼材の強度及び焼き入れ性をより確実に向上させるために、Mo含有量は、0.15%以上であることがより好ましい。また、本実施形態に係る基材部において、部品加工時の鍛造性及び被削性の低下を抑制する観点からは、Mo含有量は、0.60%以下であることがより好ましい。
[Mo: 0.05-1.00%]
Molybdenum (Mo) is a useful element for increasing the strength and hardenability of steel. Therefore, the substrate according to this embodiment may contain a predetermined amount of Mo in place of a portion of the remaining Fe. If the Mo content is less than 0.05%, the above effects may not be achieved. On the other hand, if the Mo content exceeds 1.00%, forgeability and machinability during part processing may be reduced. Therefore, when Mo is contained in the substrate according to this embodiment, the Mo content is preferably 0.05 to 1.00%. In order to more reliably improve the strength and hardenability of the steel material in the substrate according to this embodiment, the Mo content is more preferably 0.15% or more. Furthermore, in order to suppress a reduction in forgeability and machinability during part processing, the Mo content is more preferably 0.60% or less in the substrate according to this embodiment.

[V:0.05~0.50%]
バナジウム(V)は、鋼中でバナジウム炭化物及び/又はバナジウム炭窒化物を形成して鋼の強度を高めるとともに、熱処理時のオーステナイト粒の粗大化を防止する効果を有する元素である。更に、鋼中にバナジウム炭化物及び/又はバナジウム炭窒化物が形成されることで、本実施形態に係る鋼部材を用いて破断分割式コネクティングロッドを製造する際には、破断分割式コネクティングロッドの分割工程において脆性破断面を得られやすくなる。そのため、本実施形態に係る基材部は、残部のFeの一部に換えて、Vを所定量含有してもよい。V含有量が0.05%未満であると、上記効果が発揮できない可能性がある。一方、V含有量が0.50%を超えると、鋼の製造コストが高くなるだけでなく、含有量に見合う効果が期待できない。そのため、本実施形態に係る基材部において、Vを含有させる場合、V含有量は、0.05~0.50%であることが好ましい。本実施形態に係る基材部において、上記効果をより確実に得るために、V含有量は、0.15%以上であることがより好ましい。また、本実施形態に係る基材部において、含有量に見合うだけの効果を、コスト抑制しつつより確実に発揮させるために、V含有量は、0.35%以下であることがより好ましい。
[V:0.05-0.50%]
Vanadium (V) is an element that forms vanadium carbide and/or vanadium carbonitride in steel to increase the strength of the steel and prevent coarsening of austenite grains during heat treatment. Furthermore, the formation of vanadium carbide and/or vanadium carbonitride in steel facilitates the formation of brittle fracture surfaces during the splitting process of a fracture split connecting rod when the steel member according to this embodiment is used to manufacture the fracture split connecting rod. Therefore, the substrate according to this embodiment may contain a predetermined amount of V in place of part of the remaining Fe. If the V content is less than 0.05%, the above-described effect may not be achieved. On the other hand, if the V content exceeds 0.50%, not only will the steel production cost increase, but effects commensurate with the content cannot be expected. Therefore, when V is contained in the substrate according to this embodiment, the V content is preferably 0.05 to 0.50%. To more reliably obtain the above-described effect in the substrate according to this embodiment, the V content is more preferably 0.15% or more. In addition, in the substrate according to this embodiment, in order to more reliably achieve an effect commensurate with the content while suppressing costs, the V content is more preferably 0.35% or less.

[Ti:0.05~0.30%]
チタン(Ti)は、鋼中でチタン炭化物及び/又はチタン炭窒化物を形成して鋼の強度を高めるとともに、熱処理時のオーステナイト粒の粗大化を防止する効果を有する元素である。更に、TiをVと複合して含有させることによって、鋼中でTiとVの複合炭化物が形成されやすくなり、破断分割式コネクティングロッドの分割工程において脆性破断面を得られやすくなる。そのため、本実施形態に係る基材部は、残部のFeの一部に換えて、Tiを所定量含有してもよい。Ti含有量が0.05%未満であると、上記効果が発揮できない可能性がある。一方、Ti含有量が0.30%を超えると、鋼の製造コストが高くなるだけでなく、含有量に見合う効果が期待できない。そのため、本実施形態に係る基材部において、Tiを含有させる場合、Ti含有量は、0.05~0.30%であることが好ましい。本実施形態に係る基材部において、上記効果をより確実に得るために、Ti含有量は、0.10%以上であることがより好ましい。また、本実施形態に係る基材部において、含有量に見合うだけの効果を、コスト抑制しつつより確実に発揮させるために、Ti含有量は、0.20%以下であることがより好ましい。
[Ti: 0.05-0.30%]
Titanium (Ti) is an element that forms titanium carbide and/or titanium carbonitride in steel to increase the strength of the steel and prevent coarsening of austenite grains during heat treatment. Furthermore, by incorporating Ti in combination with V, Ti and V composite carbides are more likely to form in the steel, making it easier to obtain brittle fracture surfaces during the splitting process of a fracture split-type connecting rod. Therefore, the substrate according to this embodiment may contain a predetermined amount of Ti in place of part of the remaining Fe. If the Ti content is less than 0.05%, the above-described effect may not be achieved. On the other hand, if the Ti content exceeds 0.30%, not only will the steel production cost increase, but the effect commensurate with the content cannot be expected. Therefore, when Ti is incorporated into the substrate according to this embodiment, the Ti content is preferably 0.05 to 0.30%. To more reliably obtain the above-described effect, the Ti content of the substrate according to this embodiment is more preferably 0.10% or more. In addition, in the substrate according to this embodiment, in order to more reliably achieve an effect commensurate with the content while suppressing costs, the Ti content is more preferably 0.20% or less.

上述したように、上記基材部の化学組成は、C、Si、Mn、Al、N、P、Sを含有し、残部が鉄(Fe)及び不純物であるか、C、Si、Mn、Al、N、P、Sを含有し、さらにCr、Mo、V、Tiの1種以上を含有し、残部が鉄(Fe)及び不純物であることが好ましい。 As described above, the chemical composition of the substrate preferably contains C, Si, Mn, Al, N, P, and S, with the balance being iron (Fe) and impurities, or contains C, Si, Mn, Al, N, P, and S, and one or more of Cr, Mo, V, and Ti, with the balance being iron (Fe) and impurities.

<表層部について>
次に、本実施形態に係る鋼部材が備える表層部(本実施形態に係る表層部という場合がある)の構成について、詳細に説明する。
図2A、図2Bに示すように、本実施形態に係る表層部1は、ホウ化物、炭化物、窒化物のうちの少なくとも1種の化合物11を、面積%で表層部の断面の10%以上含有し、残部がバインダー12である、複合材料からなり、前記化合物11は、300GPa以上の縦弾性率を有し、かつ、1200HV以上のビッカース硬さを有する。
本実施形態に係る表層部の平均厚さは、0.5mm以上であり、前記表層部の表面の、摺動方向の表面粗さ負荷曲線において、突出山部高さRpkが0.50μm以下、かつ、突出谷部深さRvkが0.10μm以上である。
<About the surface layer>
Next, the configuration of the surface layer portion of the steel member according to this embodiment (sometimes referred to as the surface layer portion according to this embodiment) will be described in detail.
As shown in FIGS. 2A and 2B , the surface layer 1 according to this embodiment is made of a composite material containing at least one compound 11 selected from borides, carbides, and nitrides, occupying 10% or more of the cross section of the surface layer in terms of area percent, with the remainder being a binder 12, and the compound 11 has a longitudinal elastic modulus of 300 GPa or more and a Vickers hardness of 1200 HV or more.
The average thickness of the surface layer portion according to this embodiment is 0.5 mm or more, and in the surface roughness load curve in the sliding direction of the surface of the surface layer portion, the protruding peak height Rpk is 0.50 μm or less and the protruding valley depth Rvk is 0.10 μm or more.

≪表層部の化合物について≫
本実施形態に係る鋼部材の表層部を構成する複合材料は、ホウ化物、炭化物、窒化物のうちの少なくとも1種の化合物を含有している。
<<Compounds in the surface layer>>
The composite material constituting the surface layer of the steel member according to this embodiment contains at least one compound selected from the group consisting of borides, carbides, and nitrides.

[化合物の縦弾性率]
鋼の縦弾性率は、200GPa程度である。そのため、剛性(縦弾性率)の向上を目的として含有する化合物(高弾性率化合物)の縦弾性率が300GPa未満である場合には、十分な弾性率向上効果が得られない。そのため、本実施形態に係る表層部において、表層部を構成する複合材料に含まれる化合物の縦弾性率は、300GPa以上とする。化合物の縦弾性率は、好ましくは400GPa以上であり、より好ましくは500GPa以上である。一方、化合物の縦弾性率は、大きければ大きいほど良く、その上限は特に規定されるものではない。ただし、本実施形態に係る鋼部材が備える表層部に引張応力が負荷された際、バインダーとなる金属部と化合物との弾性変形量の差により、バインダー(母材)と高弾性率化合物との界面が剥離したり、高弾性率化合物の周囲に大きな応力集中が生じたりすることが懸念される。そのため、このような界面の剥離や応力集中を抑制するという観点から、化合物の縦弾性率は、900GPa以下であることが好ましく、700GPa以下であることがより好ましい。
[Modulus of Young's Modulus of Compound]
The longitudinal modulus of steel is approximately 200 GPa. Therefore, if the longitudinal modulus of the compound (high-modulus compound) contained for the purpose of improving rigidity (longitudinal modulus of elasticity) is less than 300 GPa, a sufficient effect of improving the modulus of elasticity cannot be obtained. Therefore, in the surface layer portion according to this embodiment, the longitudinal modulus of the compound contained in the composite material constituting the surface layer portion is set to 300 GPa or more. The longitudinal modulus of the compound is preferably 400 GPa or more, more preferably 500 GPa or more. On the other hand, the larger the longitudinal modulus of the compound, the better, and its upper limit is not particularly specified. However, when tensile stress is applied to the surface layer portion provided in the steel member according to this embodiment, there is a concern that the difference in elastic deformation between the metal portion serving as the binder and the compound may cause peeling at the interface between the binder (base material) and the high-modulus compound, or that large stress concentration may occur around the high-modulus compound. Therefore, from the viewpoint of suppressing such interfacial peeling and stress concentration, the longitudinal modulus of the compound is preferably 900 GPa or less, more preferably 700 GPa or less.

以上のような、300GPa以上の縦弾性率を有する化合物として、例えば、NbC、TiC、VC、WC、SiC、Cr、MoC、ZrC、TiB、W、Mo、TiN、VN、NbN、ZrN等が挙げられる。化合物は、比ヤング率(比重1あたりのヤング率)の点で、TiC、またはTiBであることが好ましい。 Examples of the compound having a longitudinal modulus of 300 GPa or more include NbC, TiC, VC, WC, SiC, Cr3C2 , Mo2C , ZrC, TiB2 , W2B5 , Mo2B5 , TiN, VN, NbN, ZrN , etc. In terms of specific Young 's modulus (Young's modulus per specific gravity of 1), the compound is preferably TiC or TiB2 .

複合材料に含まれる化合物の縦弾性率は、以下のようにして測定することが可能である。すなわち、ミリメートルオーダー以上の試験片が作製可能な化合物については、JIS Z2241:2011に規定された引張試験や、JIS Z2280:1993に規定された共振法、超音波パルス法等によって、縦弾性率を測定することが可能である。また、ミリメートルオーダー以上の試験片が作製困難な化合物については、ISO14577に規定されたナノインデンテーション法によって縦弾性率を測定することが可能である。ナノインデンテーション法では、化合物の中心について、5mNの荷重で5点以上測定を行う。また、これを無作為に選んだ20個以上の化合物に対して行い、その平均値を化合物の縦弾性率とする。 The longitudinal modulus of elasticity of compounds contained in composite materials can be measured as follows. That is, for compounds for which test specimens on the order of millimeters or larger can be prepared, the longitudinal modulus can be measured using a tensile test as specified in JIS Z2241:2011, or the resonance method or ultrasonic pulse method as specified in JIS Z2280:1993. Furthermore, for compounds for which it is difficult to prepare test specimens on the order of millimeters or larger, the longitudinal modulus can be measured using the nanoindentation method as specified in ISO 14577. With the nanoindentation method, measurements are taken at five or more points around the center of the compound with a load of 5 mN. This is also performed on 20 or more randomly selected compounds, and the average value is used as the longitudinal modulus of the compound.

[化合物のビッカース硬さ]
また、本実施形態に係る表層部において、化合物は、そのビッカース硬さが1200HV以上である。
本実施形態に係る鋼部材では、化合物を含む複合材料からなる表層部を研磨することによって、表面の突出山部高さ及び突出谷部深さを制御する。特にこの突出谷部深さについては、研磨によって化合物を部分的に脱落させることによって、適度な窪み(谷部)を生じさせて制御する。
本発明者らが検討した結果、化合物のビッカース硬さが1200HV以上であれば、研磨によって適度なサイズで化合物を部分的に脱落させることができることが分かった。
化合物のビッカース硬さが1200HV未満では、化合物が平滑に研磨され、Rvkを好ましい範囲とすることができない。
図3は、化合物11が部分的に脱落することで生じた谷部21の例を示す断面写真である。
[Vickers hardness of compound]
In addition, in the surface layer according to this embodiment, the compound has a Vickers hardness of 1200 HV or more.
In the steel member according to this embodiment, the height of the protruding peaks and the depth of the protruding valleys on the surface are controlled by polishing the surface layer made of a composite material containing the compound. In particular, the depth of the protruding valleys is controlled by partially removing the compound by polishing, thereby creating appropriate depressions (valleys).
As a result of investigations by the present inventors, it was found that if the Vickers hardness of the compound is 1200 HV or more, the compound can be partially removed in an appropriate size by polishing.
If the Vickers hardness of the compound is less than 1200 HV, the compound is polished smoothly, and Rvk cannot be set within the preferred range.
FIG. 3 is a cross-sectional photograph showing an example of a valley 21 formed by partial dropping of the compound 11.

化合物のビッカース硬さは、JIS Z2244:2009に規定されたビッカース硬さ試験で測定することができる。化合物の中心について、10gfの荷重で測定を行う。これを無作為に選んだ20個以上の化合物に対して行い、その平均値を化合物のビッカース硬さとする。 The Vickers hardness of a compound can be measured using the Vickers hardness test specified in JIS Z2244:2009. Measurements are taken at the center of the compound under a load of 10 gf. This is done for 20 or more randomly selected compounds, and the average value is taken as the Vickers hardness of the compound.

[化合物の含有割合]
また、本実施形態に係る鋼部材の表層部の断面において、かかる断面の全面積に対する化合物の割合が10面積%未満である場合には、十分な弾性率向上効果が発揮されない。そのため、本実施形態に係る鋼部材の表層部の断面において、化合物(高弾性率化合物)の割合は、10面積%以上とする。表層部の断面における高弾性率化合物の割合は、好ましくは30面積%以上であり、より好ましくは50面積%以上である。
一方、表層部の断面における高弾性率化合物の割合は、大きければ大きいほど良く、上限は特に規定されるものではない。ただし、表層部においてバインダーである金属部の割合が少なくなると、表層部の靭性が低下する可能性がある。そのため、表層部の断面における化合物(高弾性率化合物)の割合は、70面積%以下であってもよい。
[Compound content]
Furthermore, in the cross section of the surface layer portion of the steel member according to this embodiment, if the proportion of the compound relative to the total area of the cross section is less than 10 area %, a sufficient effect of improving the elastic modulus is not exhibited. Therefore, in the cross section of the surface layer portion of the steel member according to this embodiment, the proportion of the compound (high elastic modulus compound) is set to 10 area % or more. The proportion of the high elastic modulus compound in the cross section of the surface layer portion is preferably 30 area % or more, and more preferably 50 area % or more.
On the other hand, the proportion of the high elastic modulus compound in the cross section of the surface layer portion is the better, and there is no particular upper limit. However, if the proportion of the metal part, which is the binder, in the surface layer portion is reduced, the toughness of the surface layer portion may be reduced. Therefore, the proportion of the compound (high elastic modulus compound) in the cross section of the surface layer portion may be 70 area % or less.

表層部の断面における化合物の面積率は、以下のようにして測定することが可能である。まず、表層部の断面の50000μm以上の範囲を、光学顕微鏡デジタル写真を撮影する。次に、光学顕微鏡デジタル写真において、表層部において、化合物とその他のバインダーとは明確に区別ができる場合は、かかる写真を用いて、JISG0555:2003に示される点算法を用いて、高弾性率化合物の面積率を測定する。高弾性率化合物とその他のバインダーとが明確に区別できない場合は、バインダーである金属部と高弾性率化合物とが区別できるよう表層部の断面を腐食した後、光学顕微鏡デジタル写真を撮影すればよい。例えば、バインダーが鉄基合金の場合、腐食液はナイタールを用いればよい。例えば、図2Bは、バインダーが鉄基合金である図2Aの断面に対し、ナイタール腐食を行った場合の写真である。腐食を行うことで、図2Bのように、化合物11とバインダー12とがより明瞭に区別できることが分かる。 The area ratio of the compound in the cross section of the surface layer can be measured as follows. First, an optical microscope digital photograph is taken of an area of 50,000 μm2 or more of the cross section of the surface layer. Next, if the compound and other binders can be clearly distinguished in the optical microscope digital photograph, the area ratio of the high modulus compound is measured using the point counting method specified in JIS G0555:2003. If the high modulus compound and other binders cannot be clearly distinguished, the cross section of the surface layer can be corroded so that the metal portion (the binder) can be distinguished from the high modulus compound, and then a digital optical microscope photograph can be taken. For example, if the binder is an iron-based alloy, nital can be used as the etchant. For example, Figure 2B is a photograph of the cross section of Figure 2A, where the binder is an iron-based alloy, after nital corrosion. It can be seen that by performing corrosion, compound 11 and binder 12 can be more clearly distinguished, as shown in Figure 2B.

[化合物の平均粒子径]
表層部は、繰り返し負荷される引張や曲げの力に対して強いことも求められる。
化合物の平均粒子径が150μm超である場合には、高弾性率化合物が亀裂発生源となり、疲労強度が低下することが懸念される。そのため、鋼部材の疲労強度も高める場合には、表層部の複合材料に含まれる化合物の平均粒子径を150μm以下とすることが好ましい。化合物の平均粒子径は、100μm以下であることがより好ましく、45μm以下であることがさらに好ましい。一方、化合物の平均粒子径が小さくなると表層部の靭性が低下するので、平均粒子径は、0.1μm以上とすることが好ましい。
また、平均粒子径は、高弾性率材料を複合材料化させる方法に応じて上記の範囲で変更することが好ましい。例えば、複合材料化させる方法として高速フレーム溶射を用いた場合には、化合物の平均粒子径を15~45μmとすることが好ましい。複合材料化させる方法として粉体プラズマ溶接を用いた場合には、化合物の平均粒子径を75~150μmとすることが好ましい。また、複合材料化させる方法としてレーザークラッディングを用いた場合には、化合物の平均粒子径を45~150μmとすることが好ましい。
[Average particle size of compound]
The surface layer is also required to be strong against repeated tensile and bending forces.
If the average particle size of the compound exceeds 150 μm, the high elastic modulus compound may become a crack initiation source, which may result in a decrease in fatigue strength. Therefore, when the fatigue strength of the steel member is also to be increased, it is preferable that the average particle size of the compound contained in the composite material of the surface layer portion is 150 μm or less. The average particle size of the compound is more preferably 100 μm or less, and even more preferably 45 μm or less. On the other hand, since a smaller average particle size of the compound reduces the toughness of the surface layer portion, it is preferable that the average particle size is 0.1 μm or more.
The average particle size is preferably changed within the above range depending on the method for forming the high elastic modulus material into a composite material. For example, when high-velocity flame spraying is used as the method for forming the composite material, the average particle size of the compound is preferably 15 to 45 μm. When powder plasma welding is used as the method for forming the composite material, the average particle size of the compound is preferably 75 to 150 μm. When laser cladding is used as the method for forming the composite material, the average particle size of the compound is preferably 45 to 150 μm.

化合物の平均粒子径は、光学顕微鏡による表層部の断面観察から求めることができる。具体的には、粒子の長径と短径を測定し、それらの平均値を粒子径とする。これを無作為に選んだ20個以上の粒子に対して行い、その平均値を平均粒子径とする。 The average particle size of a compound can be determined by observing the cross section of the surface layer using an optical microscope. Specifically, the long and short diameters of the particles are measured, and their average value is taken as the particle size. This is done for 20 or more randomly selected particles, and the average value is taken as the average particle size.

≪表層部のバインダーについて≫
本実施形態に係る鋼部材の表層部を構成する複合材料において、以上説明したような、化合物(高弾性率化合物)以外の残部は実質的にバインダーである。すなわち、化合物が、母材(マトリックス)となるバインダー中に存在している。
<About the binder in the surface layer>
In the composite material constituting the surface layer portion of the steel member according to this embodiment, the remainder other than the compound (high elastic modulus compound) as described above is substantially a binder, i.e., the compound is present in the binder that serves as the base material (matrix).

[バインダーの化学組成]
本実施形態に係る表層部のバインダーは金属材料であれば限定されるものではないが、例えば、C含有量が0.10~1.00質量%である鉄基合金やステンレス、Ni、Ni基合金、Cr、Cr基合金、CoまたはCo基合金が挙げられる。
バインダーが鉄基合金である場合には、C含有量が0.10%未満であると、表層部の強度が十分に確保できない可能性がある。一方、鉄基合金のC含有量が1.00%を超える場合には、延性及び靭性が低下し、化合物を含有することも相まって、表層部が脆くなる可能性が高くなる。鉄基合金のC以外の化学成分については、特に限定されるものではなく、所望の特性を実現するために有用な各種の元素を、適宜含有していればよい。
[Chemical composition of binder]
The binder for the surface layer portion according to this embodiment is not limited as long as it is a metal material, and examples thereof include an iron-based alloy having a C content of 0.10 to 1.00 mass %, stainless steel, Ni, Ni-based alloy, Cr, Cr-based alloy, Co, or Co-based alloy.
When the binder is an iron-based alloy, if the C content is less than 0.10%, there is a possibility that the strength of the surface layer portion will not be sufficient. On the other hand, if the C content of the iron-based alloy exceeds 1.00%, the ductility and toughness will decrease, and, combined with the presence of compounds, the surface layer portion will likely become brittle. There are no particular restrictions on the chemical components of the iron-based alloy other than C, and it is sufficient that the alloy appropriately contains various elements useful for achieving the desired properties.

≪断面における表層部の平均厚さ≫
鋼部材の剛性を向上させるため、表層部は、基材部の少なくとも一部を覆う必要がある。曲げ剛性及びねじり剛性を効率的に向上させるためには、表層部は、基材部の外周を覆うことが好ましい。
本実施形態に係る鋼部材において、十分な剛性向上効果を得るため、基材部の表面に表層部が形成された位置において、表層部の平均厚さ(表面に垂直な方向)は重要である。表層部の平均厚さが0.5mmより薄い(0.5mm未満である)場合には、十分な剛性向上効果が得られない。よって、表層部の平均厚さは、0.5mm以上とする。表層部の平均厚さは、1.0mm以上であることが好ましく、3.0mm以上であることがより好ましい。
一方、表層部の平均厚さが30.0mmを越える場合には、高価な複合材料の割合が多くなり、大幅なコストの増加を招く。そのため、表層部の平均厚さは、30.0mm以下とすることが好ましい。表層部の平均厚さは、20.0mm以下であることがより好ましく、10.0mm以下であることがさらに好ましい。
<Average thickness of the surface layer in cross section>
In order to improve the rigidity of the steel member, the surface layer needs to cover at least a part of the base material. In order to efficiently improve the bending rigidity and torsional rigidity, it is preferable that the surface layer covers the outer periphery of the base material.
In the steel member according to this embodiment, the average thickness (in the direction perpendicular to the surface) of the surface layer portion at the position where the surface layer portion is formed on the surface of the base material is important in order to obtain a sufficient rigidity improvement effect. If the average thickness of the surface layer portion is thinner than 0.5 mm (less than 0.5 mm), a sufficient rigidity improvement effect cannot be obtained. Therefore, the average thickness of the surface layer portion is set to 0.5 mm or more. The average thickness of the surface layer portion is preferably 1.0 mm or more, and more preferably 3.0 mm or more.
On the other hand, if the average thickness of the surface layer portion exceeds 30.0 mm, the proportion of expensive composite material increases, resulting in a significant increase in cost. Therefore, the average thickness of the surface layer portion is preferably 30.0 mm or less. The average thickness of the surface layer portion is more preferably 20.0 mm or less, and even more preferably 10.0 mm or less.

≪断面における表層部の面積率≫
十分な剛性向上効果を得る場合、表層部と基材部との両方を通る断面における、表層部の面積率は、上記断面の全面積に対して10.0%以上であることが好ましい。上記断面における表層部の面積率は、より好ましくは20.0%以上である。一方、上記断面における表層部の面積率は、大きければ大きいほど良く、その上限値は、特に規定されるものではない。ただし、鋼部材の材料コスト及び加工コストを抑えるという観点から、上記断面における表層部の面積率は、50.0%以下であることが好ましく、40.0%以下であることがより好ましい。
<<Area ratio of the surface layer in the cross section>>
To obtain a sufficient rigidity improvement effect, the area ratio of the surface layer portion in a cross section passing through both the surface layer portion and the base material portion is preferably 10.0% or more relative to the total area of the cross section. The area ratio of the surface layer portion in the cross section is more preferably 20.0% or more. On the other hand, the larger the area ratio of the surface layer portion in the cross section, the better, and there is no particular upper limit. However, from the viewpoint of reducing the material cost and processing cost of the steel member, the area ratio of the surface layer portion in the cross section is preferably 50.0% or less, and more preferably 40.0% or less.

鋼部材の断面における表層部の面積率及び平均厚さは、試料断面にナイタール腐食を行った後、光学顕微鏡により対象となる断面全体を観察し、高弾性率化合物粒子を含む部分を表層部と判断して測定すればよい。表層部の平均厚さは、例えば表層部が断面において略板状であった場合、試料断面における表層部の面積を、表層部の表面である線分の長さで除して算出すればよい。例えば表層部が断面において略環状であった場合、環の中心を起点として放射状に20本以上の半直線を引き、表層部を通過している部分の線分の長さの平均値を表層部の平均厚さとして算出すれば良い。
表層部の断面における面積率は、全体の厚みにおける表層部の平均厚さから求めることができる。
The area ratio and average thickness of the surface layer portion in the cross section of a steel member can be measured by performing nital etching on the cross section of a sample, observing the entire cross section under an optical microscope, and determining that the portion containing high elastic modulus compound particles is the surface layer portion. For example, if the surface layer portion is approximately plate-shaped in the cross section, the average thickness of the surface layer portion can be calculated by dividing the area of the surface layer portion in the cross section of the sample by the length of the line segments that form the surface of the surface layer portion. For example, if the surface layer portion is approximately ring-shaped in the cross section, 20 or more half-lines can be drawn radially from the center of the ring, and the average length of the line segments that pass through the surface layer portion can be calculated as the average thickness of the surface layer portion.
The area ratio of the surface layer portion in the cross section can be determined from the average thickness of the surface layer portion in the total thickness.

≪摺動方向の表層部の表面粗さ≫
本実施形態に係る表層部の表面(すなわち、本実施形態に係る鋼部材の表面でもある)は、摺動方向の表面粗さ負荷曲線において、突出山部高さRpkが0.50μm以下、かつ、突出谷部深さRvkが0.10μm以上である。
本実施形態に係る鋼部材は、他部材との摺動部を有する部材への適用を想定している。表面に硬質な化合物が突き出していると、それが砥石における砥粒のような役割を果たし、他部材を大きく摩耗・損傷させてしまう。摺動方向の表面粗さ負荷曲線において、突出山部高さRpkが0.50μm超であると、摺動相手部材の摩耗や損耗が著しく大きくなる。
そのため、突出山部高さRpkを0.50μm以下とする。
一方、表層部の表面が過剰に平滑になると、摺動面に潤滑材が供給されにくくなり、スティック・スリップ現象や焼付きが生じる。摺動方向の表面粗さ負荷曲線において、突出谷部深さRvkが0.10μm以上であれば、谷部が油だまりとなって、スティック・スリップ現象や焼付きを抑制できる。突出谷部深さRvkが0.10μm未満では十分な効果が得られない。
ここで、摺動方向とは、他部材と接触し、摺動する方向であり、鋼部材の移動方向や回転方向を意味する。ただし、鋼部材の一部に着目して、その一部の移動方向や回転方向を意味してもよい。例えばクランクシャフトのピン部であれば、その周方向であり、ピストンのスカート部であれば、その軸方向である。
<Surface roughness of the surface layer in the sliding direction>
The surface of the surface layer portion according to this embodiment (i.e., the surface of the steel member according to this embodiment) has a protruding peak height Rpk of 0.50 μm or less and a protruding valley depth Rvk of 0.10 μm or more in a surface roughness load curve in the sliding direction.
The steel member according to this embodiment is intended for use in a member having a sliding portion with another member. If hard compounds protrude from the surface, they act like abrasive grains in a grinding wheel, causing significant wear and damage to the other member. If the protruding peak height Rpk in the surface roughness load curve in the sliding direction exceeds 0.50 μm, the wear and damage of the sliding counterpart member will be significantly increased.
Therefore, the protruding peak height Rpk is set to 0.50 μm or less.
On the other hand, if the surface of the surface layer is excessively smooth, it becomes difficult for the lubricant to be supplied to the sliding surface, resulting in stick-slip and seizure. In the surface roughness load curve in the sliding direction, if the protruding valley depth Rvk is 0.10 μm or more, the valleys become oil reservoirs, thereby suppressing stick-slip and seizure. If the protruding valley depth Rvk is less than 0.10 μm, sufficient effect cannot be obtained.
Here, the sliding direction refers to the direction in which the steel member comes into contact with and slides against another member, and refers to the direction of movement or rotation of the steel member. However, it may also refer to the direction of movement or rotation of a part of the steel member by focusing on that part. For example, in the case of a pin portion of a crankshaft, it is the circumferential direction, and in the case of a skirt portion of a piston, it is the axial direction.

突出山部高さRpk及び突出谷部深さRvkは以下の方法で測定する。
JIS B0601:2001に規定された方法で粗さ曲線を測定し、さらに、この粗曲線を元にしてJIS B0671-2:2002に基づいて得られた負荷曲線から、Rpk及びRvkを算出する。
一般に、表面粗さの指標としては、Ra(算術平均粗さ)やRz(最大高さ粗さ)が用いられることも多いが、これらの指標では、本実施形態に係る表層部の粗さを評価できない。
The protruding peak height Rpk and the protruding valley depth Rvk are measured by the following method.
A roughness curve is measured by the method specified in JIS B0601:2001, and Rpk and Rvk are calculated from a load curve obtained based on this roughness curve in accordance with JIS B0671-2:2002.
Generally, Ra (arithmetic mean roughness) and Rz (maximum height roughness) are often used as indicators of surface roughness, but these indicators cannot evaluate the roughness of the surface layer portion according to this embodiment.

(鋼部材の製造方法について)
以下、本実施形態に係る鋼部材の製造方法について、詳細に説明する。
上述したように、本実施形態に係る鋼部材は、例えば、基材部として所望される化学組成を有する鋼と、高弾性率化合物を含有する複合材料と、を一体化させた鋼素材を製造した後、鋼素材に対して必要に応じて機械加工等を施して部品形状とし、更に必要に応じて、焼き入れ・焼き戻しを行い、その後ショットピーニングまたはウェットブラストを施すことにより製造される。また、かかる鋼部材は、基材部として所望される化学組成を有する鋼素材に対して機械加工等を施して部品形状とし、加工後の鋼素材を、高弾性率化合物粒子を含む複合材料と一体化させた後、必要に応じて、焼き入れ・焼き戻しを施し、その後ショットピーニングまたはウェットブラストを施すことにより製造される。
(Regarding the manufacturing method of steel members)
The method for manufacturing a steel member according to this embodiment will be described in detail below.
As described above, the steel member according to this embodiment is manufactured, for example, by manufacturing a steel material by integrating steel having a chemical composition desired as the substrate with a composite material containing a high-elasticity compound, then machining the steel material as needed to form a part, quenching and tempering the steel material as needed, and then performing shot peening or wet blasting. Furthermore, such a steel member is manufactured by machining a steel material having a chemical composition desired as the substrate with a part, integrating the processed steel material with a composite material containing high-elasticity compound particles, quenching and tempering the steel material as needed, and then performing shot peening or wet blasting.

本実施形態に係る鋼部材の製造方法の一例を説明する。
まず、基材部となる所望の化学組成を有する鋼と、所定の化合物(高弾性率化合物)を含む複合材料とを用意し、鋼は所定の形状とする。その上で、化合物を含む複合材料を、粉体プラズマ溶接や高速フレーム溶射、レーザークラッディングなどを用いて、基材部と一体化させ、鋼素材とする。
An example of a method for manufacturing a steel member according to this embodiment will be described.
First, a steel substrate with a desired chemical composition and a composite material containing a specific compound (high-elasticity compound) are prepared, and the steel is formed into a desired shape. The composite material containing the compound is then integrated with the substrate using powder plasma welding, high-velocity flame spraying, laser cladding, or other techniques to produce a steel material.

次いで、得られた鋼素材に対し、必要に応じて機械加工等を施して部品形状とする。また、更に部材の機械的特性を調整するため、必要に応じて、焼き入れ・焼き戻しを行い、所望の圧縮残留応力値を実現するために、ショットピーニングやウェットブラストを施す。 The resulting steel material is then machined as needed to create the part shape. Furthermore, to further adjust the mechanical properties of the component, quenching and tempering are performed as needed, and shot peening and wet blasting are performed to achieve the desired compressive residual stress value.

製造後の鋼部材において、表層部の断面における高弾性率化合物の面積率が所望の状態となるように、一体化に用いる複合材料を用意する際に、一体化に用いる手法についても考慮しつつ、含有させる高弾性率化合物の含有量(面積%)を適宜調整することが好ましい。 When preparing the composite material to be used for integration, it is preferable to appropriately adjust the content (area %) of the high elastic modulus compound to be contained, taking into consideration the integration method to be used, so that the area percentage of the high elastic modulus compound in the cross section of the surface layer of the manufactured steel member is the desired level.

このようにして得られた鋼部材に対し、少なくとも他部材との摺動が想定される部分に関しては、研磨を行って、表面粗さ(突出山部高さ及び突出谷部深さ)を制御する。研磨については、摺動方向に沿って行う。
研磨条件については特に限定されないが、例えば、粒度#60のCBN砥石を使って研磨を行うことが好ましい。
The steel member thus obtained is polished at least in the portion where it is expected to slide against another member, to control the surface roughness (height of the protruding peaks and depth of the protruding valleys). The polishing is carried out in the sliding direction.
There are no particular limitations on the polishing conditions, but it is preferable to use, for example, a CBN grindstone with a grit size of #60 for polishing.

摺動方向とは、他部材と接触し、摺動する方向であり、鋼部材の移動方向や回転方向を意味する。ただし、鋼部材の一部に着目して、その一部の移動方向や回転方向を意味してもよい。例えばクランクシャフトのピン部であれば、その周方向であり、ピストンのスカート部であれば、その軸方向である。 The sliding direction refers to the direction in which a steel member comes into contact with and slides against another member, and refers to the direction of movement or rotation of the steel member. However, it may also refer to the direction of movement or rotation of a portion of the steel member. For example, in the case of the pin portion of a crankshaft, it would be the circumferential direction, and in the case of the skirt portion of a piston, it would be the axial direction.

続いて、実施例及び比較例を示しながら、本発明の鋼部材について、具体的に説明する。以下に示す実施例は、本発明の鋼部材のあくまでも一例にすぎず、本発明の鋼部材が下記に示す例に限定されるものではない。 Next, the steel member of the present invention will be described in detail using examples and comparative examples. The examples shown below are merely examples of the steel member of the present invention, and the steel member of the present invention is not limited to the examples shown below.

表1の「基材部」に示す化学組成を有する鋼を真空溶解した後、鋳型を用いて鋳造し、鋼片を製造した。
表1中の空欄は、対応する元素含有量が、実施形態に規定の有効数字(最小桁までの数値)において、0%であることを意味する。換言すれば、対応する元素含有量において、上述の実施形態で規定の有効数字(最小桁までの数値)での端数を四捨五入した場合に0%であることを意味する。例えば、本実施形態で記載されたCr含有量は小数第二位までの数値で規定されている。したがって、表1中の鋼種符号Aでは、測定されたCr含有量を小数第三位で四捨五入した場合に、0%であったことを意味する。Mo、V、Tiについても本実施形態で記載された含有量は小数第二位までの数値で規定されており、同様に、測定されたそれらの含有量を小数第三位で四捨五入した場合に、0%であったことを意味する。四捨五入とは、規定された最小桁の下の桁(端数)が5未満であれば切り捨て、5以上であれば切り上げることを意味する。
Steel having the chemical composition shown in the "substrate portion" in Table 1 was vacuum melted and then cast using a mold to produce a steel billet.
A blank space in Table 1 means that the corresponding element content is 0% in significant figures (numbers to the least significant digit) specified in the embodiment. In other words, when the corresponding element content is rounded to the nearest significant digit (numbers to the least significant digit) specified in the embodiment, it means that it is 0%. For example, the Cr content described in this embodiment is specified to two decimal places. Therefore, for steel grade code A in Table 1, when the measured Cr content is rounded to three decimal places, it means that it is 0%. The contents of Mo, V, and Ti described in this embodiment are also specified to two decimal places. Similarly, when the measured contents are rounded to three decimal places, it means that it is 0%. Rounding means that if the digit (fraction) below the least significant digit specified is less than 5, it is rounded down, and if it is 5 or more, it is rounded up.

得られた鋼片を1250℃に加熱した後、外径25mmの丸棒に熱間鍛伸した。この丸棒から、幅14.0mm×高さ3.0~8.5mm×長さ150mmの角材を、機械加工にて作製し、No.1~11の角材(基材部)を得た。ただし、機械加工の際、実施例No.1、実施例No.4、比較例No.10については、複合材料からなる表層部の平均厚さを変化させるために、角材の高さをそれぞれ8.0mm、3.0mm、8.5mmとした。それ以外については、高さを5.0mmとした。
また、複合材料からなる表層部を持たない場合の曲げ剛性を測定するため、前記丸棒から別途後述の三点曲げ試験片を作製した。
The resulting steel billet was heated to 1250°C and then hot forged into a round bar with an outer diameter of 25 mm. From this round bar, square bars with a width of 14.0 mm, heights of 3.0 to 8.5 mm, and length of 150 mm were machined to obtain square bars (substrate portions) Nos. 1 to 11. However, during machining, the heights of the square bars were set to 8.0 mm, 3.0 mm, and 8.5 mm for Example No. 1, Example No. 4, and Comparative Example No. 10, respectively, in order to vary the average thickness of the surface layer portion made of the composite material. For the other examples, the height was set to 5.0 mm.
Furthermore, in order to measure the bending rigidity when there is no surface layer made of a composite material, a three-point bending test piece, which will be described later, was separately prepared from the round bar.

上記機械加工で得られたNo.1~No.11の角材(基材部)に対し、下記の加工を施した。
まず、表2の「表層部」に「含有化合物」として示す化合物の粉体と、JIS S55C(機械構造用炭素鋼、C含有量:0.54質量%)、JIS SUS410、またはNi基合金(スペシャルメタルズ社製「インコネル625」)の粉体とを混ぜた混合物を作製した。ここで、用いた化合物は、市販のものを用いており、その詳細は、以下の通りである。
NbC:平均粒子径 36μm
TiC:平均粒子径 52μm
TiN:平均粒子径 69μm
TiB:平均粒子径 124μm
VB:平均粒子径 76μm
WSi:平均粒子径 55μm
The square timbers (substrate portions) No. 1 to No. 11 obtained by the above machining were subjected to the following processing.
First, a mixture was prepared by mixing powder of the compound shown as "contained compound" in the "surface layer portion" of Table 2 with powder of JIS S55C (carbon steel for mechanical structures, C content: 0.54 mass%), JIS SUS410, or Ni-based alloy ("Inconel 625" manufactured by Special Metals Corporation). The compounds used here were commercially available products, the details of which are as follows:
NbC: average particle diameter 36 μm
TiC: average particle diameter 52 μm
TiN: average particle diameter 69 μm
TiB 2 : Average particle size 124 μm
VB 2 : Average particle diameter 76 μm
WSi 2 : Average particle size 55 μm

次に、上記角材の上面及び下面に対し、複合材料からなる表層部が両面で同じ平均厚さで形成され、かつ、上記表層部を含む角材の高さが10.0mm程度となるように、上記混合物を粉体プラズマ溶接した。粉体プラズマ溶接に際しては、Arガスをシールドガスとして使用し、溶接速度:5mm/s、溶接電流:200A、粉体供給量:20g/minを基準条件として、粉体の組み合わせに応じて適宜条件を調整した。
その後、粉体プラズマ溶接された角材から、試験片中心、高さ方向、及び、長手方向が変わらないように、幅5.0mm×高さ9.0mm×長さ120mmの三点曲げ試験片と、幅6.35mm×高さ9.0mm×長さ15.75mmのブロック試験片を機械加工にて作製した。各試験片の上面及び下面は平面研削加工で仕上げた。No.1~10については粒度#60のCBN砥石を使用し、No.11については粒度#20のCBN砥石を使用した。
Next, the mixture was plasma-welded to the upper and lower surfaces of the square bar so that surface layers made of the composite material were formed on both surfaces with the same average thickness, and the height of the square bar including the surface layers was approximately 10.0 mm. For the plasma-welding, Ar gas was used as the shielding gas, and the welding conditions were a welding speed of 5 mm/s, a welding current of 200 A, and a powder supply rate of 20 g/min, with the conditions adjusted appropriately depending on the powder combination.
The powder plasma welded square bars were then machined to prepare three-point bending test specimens measuring 5.0 mm wide, 9.0 mm high, and 120 mm long, and block test specimens measuring 6.35 mm wide, 9.0 mm high, and 15.75 mm long, so that the test specimen center, height, and longitudinal directions remained unchanged. The top and bottom surfaces of each test specimen were finished by surface grinding. Test specimens 1 to 10 were ground using a CBN grinding wheel with a grit size of #60, and test specimen No. 11 was ground using a CBN grinding wheel with a grit size of #20.

次に、試験片中心を通り、試験片長手方向に垂直な断面が観察面となるように上記三点曲げ試験片を切断し、樹脂埋め、研磨、ナイタール腐食を行った。光学顕微鏡(株式会社ニコン製ECLIPSE L150)により広さ45mmの断面を10視野に分けて観察した。各視野において、化合物粒子を含む部分を表層部と判断して、上面表層部の平均厚さ及び下面表層部の平均厚さを測定し、上面表層部の平均厚さと下面表層部の平均厚さの平均を更に算出して、表層部の平均厚さとした。
結果を表2に示す。
Next, the three-point bending test specimen was cut so that the cross section passing through the center of the specimen and perpendicular to the longitudinal direction of the specimen was the observation surface, and then embedded in resin, polished, and etched with nital. A 45 mm2 cross section was observed in 10 fields of view using an optical microscope (Nikon Corporation ECLIPSE L150). In each field of view, the portion containing the compound particles was determined to be the surface layer, and the average thickness of the upper surface layer and the lower surface layer were measured. The average of the average thicknesses of the upper surface layer and the lower surface layer was further calculated to determine the average thickness of the surface layer.
The results are shown in Table 2.

更に、光学顕微鏡(株式会社ニコン製ECLIPSE L150)により上記三点曲げ試験片の表層部の断面を200倍で観察し、広さ50000μm分の視野について、JIS G0551:2013に準じた切断法により化合物粒子の平均粒子径を求めた。
また、化合物縦弾性率を、ナノインデンテーション法によって測定した。具体的には、化合物の中心について、5mNの荷重で5点以上測定を行った。これを無作為に選んだ20個の化合物に対して行い、その平均値を化合物の縦弾性率とした。
また、化合物ビッカース硬さを、ビッカース硬さ試験によって測定した。具体的には、化合物の中心について、10gfの荷重で測定を行った。これを無作為に選んだ20個の化合物に対して行い、その平均値を化合物のビッカース硬さとした。
最後に、光学顕微鏡(株式会社ニコン製ECLIPSE L150)により、上記三点曲げ試験片の表層部の断面を200倍で観察し、広さ50000μm分の視野について、光学顕微鏡写真において白く写った化合物粒子の面積率を、JISG0555:2003に示される点算法により算出した。
それぞれの結果を表2に示す。
Furthermore, the cross section of the surface layer portion of the three-point bending test piece was observed at 200 magnifications using an optical microscope (Nikon Corporation ECLIPSE L150), and the average particle size of the compound particles was determined within a 50,000 μm 2- minute field of view by a cutting method in accordance with JIS G0551:2013.
The longitudinal elastic modulus of the compound was measured by nanoindentation. Specifically, measurements were performed at five or more points at the center of the compound under a load of 5 mN. This was performed on 20 randomly selected compounds, and the average value was taken as the longitudinal elastic modulus of the compound.
The Vickers hardness of the compound was measured by a Vickers hardness test. Specifically, the measurement was performed at the center of the compound under a load of 10 gf. This test was performed on 20 randomly selected compounds, and the average value was taken as the Vickers hardness of the compound.
Finally, the cross section of the surface layer portion of the three-point bending test piece was observed at 200 magnifications using an optical microscope (Nikon Corporation ECLIPSE L150), and the area ratio of compound particles that appeared white in the optical microscope photograph within a 50,000 μm 2- minute field of view was calculated using the point counting method specified in JIS G0555:2003.
The results are shown in Table 2.

また、ブロック試験片の上面および下面について、表面性状測定機(株式会社ミツトヨ製SV-C3200)によりRpk、Rvkを測定した。 In addition, Rpk and Rvk were measured on the top and bottom surfaces of the block test pieces using a surface texture measuring instrument (SV-C3200, manufactured by Mitutoyo Corporation).

次に、三点曲げ試験を行い、上記三点曲げ試験片の曲げ剛性を評価した。 Next, a three-point bending test was performed to evaluate the bending rigidity of the above three-point bending test specimen.

具体的には、図5に示すように、前記三点曲げ試験片を用いて、試験片長手方向に100mm離れた2つの下側支点と、試験片長手方向の中央に位置する1つの上側支点とを配置して、上側支点に下方向の変位を与える三点曲げ試験を行った。上側支点の下降速度は0.5mm/sとし、上側支点にかかる荷重と試験片中央のたわみ量から、上記三点曲げ試験片の曲げ剛性を算出した。更に、複合材料からなる表層部を持たない三点曲げ試験片の曲げ剛性で規格化した曲げ剛性比を算出した。曲げ剛性比が1.10以上の場合を、曲げ剛性に優れるとして合格と判定した。 Specifically, as shown in Figure 5, a three-point bending test was conducted using the three-point bending test specimen, with two lower supports 100 mm apart in the longitudinal direction of the specimen and one upper support located in the longitudinal center of the specimen, and a downward displacement applied to the upper support. The upper support was lowered at a speed of 0.5 mm/s, and the bending rigidity of the three-point bending test specimen was calculated from the load applied to the upper support and the deflection at the center of the specimen. Furthermore, the bending rigidity ratio was calculated, normalized by the bending rigidity of a three-point bending test specimen without a surface layer made of composite material. A bending rigidity ratio of 1.10 or greater was deemed to have excellent bending rigidity and passed the test.

また、上記ブロック試験片に対し、図1の要領で、以下の条件でブロックオンリング試験を行って、焼き付きの有無及び、リング試験片の摩耗量を測定した。
試験条件は、以下の通りとした。
リング試験片は純アルミ(JIS A1070)製で外径はφ37.32mmとした。リング試験片の回転数は1000rpm、押し付け荷重は50N、試験時間は1時間、潤滑油はエンジンオイル(エクソンモービル製モービル1 0W-30)、油温は60℃とした。
リング試験片の片側摩耗量が、50μm以下であれば合格と判断した。
Furthermore, a block-on-ring test was carried out on the block test piece under the following conditions in the manner shown in FIG. 1 to measure the presence or absence of seizure and the amount of wear of the ring test piece.
The test conditions were as follows:
The ring test piece was made of pure aluminum (JIS A1070) with an outer diameter of 37.32 mm. The rotation speed of the ring test piece was 1000 rpm, the pressing load was 50 N, the test time was 1 hour, the lubricant was engine oil (Mobil 1 0W-30 manufactured by ExxonMobil), and the oil temperature was 60°C.
If the amount of wear on one side of the ring test piece was 50 μm or less, it was judged to be acceptable.

表1、表2から分かるように、No.1~6では、高い剛性に加え、ブロックオンリング試験において、焼き付きが生じず、純アルミ製リング試験片の摩耗量も小さかった。ただし、No.4およびNo.5は、曲げ剛性比が非常に高く、焼き付きも防止でき、また、純アルミ製リング試験片の摩耗量も小さかったももの、表層部の面積率が大きく、材料コストが高くなった。
これに対し、No.7~11は、曲げ剛性比が低いか、焼き付きが発生したか、または、純アルミ製リング試験片の摩耗量が大きかった。
具体的には、No.7は、表層部に含まれる化合物の縦弾性率が低いため、十分な曲げ剛性が得られなかった。
No.8は、表層部に含まれる化合物粒子の割合が低いため、十分な曲げ剛性が得られなかった。
No.9は、表層部に含まれる化合物粒子のビッカース硬さが低いため平滑に研磨されてRvkが低くなり、ブロックオンリング試験で焼付きが生じた。
No.10は、表層部の平均厚さが薄い(それに伴い表層部の面積率も低い)ため十分な曲げ剛性が得られなかった。
No.11は、平面研削加工に用いた砥石が粗く表層部のRpkが高いため、ブロックオンリング試験で相手材が大きく摩耗した。
As can be seen from Tables 1 and 2, in addition to high rigidity, Nos. 1 to 6 did not experience seizure in the block-on-ring test and the amount of wear of the pure aluminum ring test pieces was small. However, Nos. 4 and 5 had an extremely high bending rigidity ratio, which prevented seizure and also reduced the amount of wear of the pure aluminum ring test pieces, but the surface area ratio was large, resulting in high material costs.
In contrast, Nos. 7 to 11 had a low bending rigidity ratio, or seizure occurred, or the amount of wear of the pure aluminum ring test piece was large.
Specifically, in No. 7, the compound contained in the surface layer had a low modulus of longitudinal elasticity, and therefore sufficient bending rigidity could not be obtained.
In No. 8, the proportion of compound particles contained in the surface layer was low, and therefore sufficient bending rigidity was not obtained.
In No. 9, the compound particles contained in the surface layer had a low Vickers hardness, so the surface was polished smoothly, resulting in a low Rvk, and seizure occurred in the block-on-ring test.
In No. 10, the average thickness of the surface layer portion was small (and the area ratio of the surface layer portion was also low), so sufficient bending rigidity was not obtained.
In No. 11, the grinding stone used in the surface grinding process was rough and the Rpk of the surface layer was high, so the mating material was significantly worn in the block-on-ring test.

1 表層部
11 化合物
12 バインダー
21 谷部
1 surface layer portion 11 compound 12 binder 21 valley portion

Claims (7)

鋼からなる基材部と、
前記基材部の少なくとも一部を覆う表層部と、
を備え、
前記表層部は、ホウ化物、炭化物、窒化物のうちの少なくとも1種の化合物を、面積%で前記表層部の断面の10%以上含有し、残部がバインダーである、複合材料からなり、
前記化合物は、300GPa以上の縦弾性率を有し、かつ、1200HV以上のビッカース硬さを有し、平均粒子径が、0.1μm以上150μm以下であり、
前記表層部の平均厚さが、0.5mm以上であり、
前記表層部の表面の、摺動方向の表面粗さ負荷曲線において、突出山部高さRpkが0.50μm以下、かつ、突出谷部深さRvkが0.10μm以上である、
鋼部材。
a base portion made of steel;
a surface layer portion covering at least a portion of the base material portion;
Equipped with
the surface layer portion is made of a composite material containing at least one compound selected from the group consisting of boride, carbide, and nitride, occupying 10% or more of a cross section of the surface layer portion in terms of area percent, and the remainder being a binder;
the compound has a longitudinal elastic modulus of 300 GPa or more and a Vickers hardness of 1200 HV or more, and an average particle size of 0.1 μm or more and 150 μm or less;
The average thickness of the surface layer portion is 0.5 mm or more,
In a surface roughness load curve in the sliding direction of the surface of the surface layer portion, the protruding peak height Rpk is 0.50 μm or less and the protruding valley depth Rvk is 0.10 μm or more.
steel parts.
前記基材部が、化学組成として、質量%で、
C:0.10~0.55%、
Si:0.05~1.50%、
Mn:0.20~2.00%、
Al:0.005~0.100%、
N:0.0010~0.0250%、
P:0.001~0.150%、
S:0.005~0.150%、
を含有し、残部がFe及び不純物からなる、
請求項1に記載の鋼部材。
The substrate portion has a chemical composition, in mass%, of
C: 0.10-0.55%,
Si: 0.05-1.50%,
Mn: 0.20-2.00%,
Al: 0.005-0.100%,
N: 0.0010-0.0250%,
P: 0.001-0.150%,
S: 0.005-0.150%,
and the balance being Fe and impurities.
The steel member according to claim 1 .
前記基材部は、前記化学組成として、残部のFeの一部に換えて、質量%で、
Cr:0.10~5.00%、
Mo:0.05~1.00%、
から選択される1種又は2種を更に含有する、
請求項2に記載の鋼部材。
The base material has the chemical composition, in mass %, replacing a part of the remaining Fe,
Cr: 0.10-5.00%,
Mo: 0.05-1.00%,
Further containing one or two selected from
The steel member according to claim 2.
前記基材部は、前記化学組成として、残部のFeの一部に換えて、質量%で、
V:0.05~0.50%、
Ti:0.05~0.30%、
から選択される1種又は2種を更に含有する、
請求項2又は3に記載の鋼部材。
The base material has the chemical composition, in mass %, replacing a part of the remaining Fe,
V: 0.05-0.50%,
Ti: 0.05-0.30%,
Further containing one or two selected from
The steel member according to claim 2 or 3.
前記複合材料の前記バインダーが、C含有量が0.1~1.0質量%である鉄基合金であり、かつ、
前記化合物が、NbC、TiC、VC、WC、SiC、Cr、MoC、ZrC、TiB、W、Mo、TiN、VN、NbN、ZrNのうちの1種以上である、
請求項1~4の何れか一項に記載の鋼部材。
The binder of the composite material is an iron-based alloy having a C content of 0.1 to 1.0 mass %, and
The compound is one or more of NbC, TiC, VC, WC, SiC , Cr3C2 , Mo2C , ZrC , TiB2 , W2B5 , Mo2B5 , TiN, VN, NbN, and ZrN;
The steel member according to any one of claims 1 to 4.
前記表層部の平均厚さが0.5~30.0mmである、
請求項1~5の何れか一項に記載の鋼部材。
The average thickness of the surface layer portion is 0.5 to 30.0 mm.
The steel member according to any one of claims 1 to 5 .
前記表層部と前記基材部との両方を通る断面における前記表層部の面積率が、10.0~50.0%である、
請求項1~6の何れか一項に記載の鋼部材。
an area ratio of the surface layer portion in a cross section passing through both the surface layer portion and the base material portion is 10.0 to 50.0%;
The steel member according to any one of claims 1 to 6 .
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