CN1954089A - 疲劳特性优异的高强度机械部件和轴及提高它们的疲劳特性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种疲劳强度优异的高强度机械部件和提高其疲劳强度的方法。所述的疲劳强度优异的高强度机械部件，是含有C：0.1～1.2质量％，并具有曲率半径为25mm以下的缺口部的机械部件，在表面的HV硬度为250以上的同时，缺口部表层的压缩残余应力为－100～－1500MPa。另外，本发明还提供一种耐疲劳特性优异的轴和提高其疲劳强度的方法，所述的耐疲劳特性优异的轴，是由以质量％表示，含有C：0.1～1.2％、Si：0.05～2.5％、Mn：0.2～3％、Al：0.005～0.1％、N：0.001～0.02％、其余量由Fe和不可避免的杂质组成的、抗拉强度为800MPa以上的钢材构成的轴，上述轴具有油孔，该油孔的表层中的压缩残余应力为上述钢材的抗拉强度的50％～90％。
Description
技术领域
本发明涉及在汽车和各种产业机械等中广泛使用的轴、齿轮等疲劳特性优异的高强度机械部件以及提高其疲劳特性的方法。
具体地讲，涉及具有曲率半径为25mm以下的缺口部、而且表面HV硬度为250以上的疲劳特性优异的高强度机械部件和提高其疲劳特性的方法。
背景技术
为了汽车和各种产业机械的轻量化、高性能化，各种机械部件的高强度化的要求提高，这种机械部件的高强度化，可以实现借助于钢材化学成分的调整和各种热处理方法·条件。
但是，即使机械部件的高强度化能够实现，有时其疲劳特性并不根据机械部件的强度的增加而提高。特别是具有缺口部的机械部件，即使已经谋求高强度化，但其疲劳强度的提高效果却小。这是因为缺口部应力集中的缘故。
通常，作为增加疲劳强度的手段，如“金属材料疲劳设计便览”(日本材料学会编辑，养贤堂，昭和56年8月20日，第2版发行)95～105页所述那样，有高频淬火、渗碳、氮化、渗碳氮化、盐浴软氮化(扩散渗氮)处理等的表面硬化处理、喷丸硬化和表面辊压加工处理等。但是，具有曲率半径小的缺口部的机械部件，用上述那样的提高疲劳强度的方法时有一定限度，存在不能实现疲劳特性大幅度提高的课题。
另外，对于内燃机的曲轴而言，臂与销子或者与轴颈的边界部成为断面圆弧形的圆角(fillet)部。该圆角部是曲轴旋转时扭转应力和弯曲应力容易集中的部位。因此，进行圆角部的强化，作为强化方法，可以列举辊压(轧制)加工法和高频淬火等。
辊压加工法，是利用圆角辊对销子/凸缘、轴颈/凸缘的分界处进行冷加工来提高强度的技术。作为现有技术，例如，特开2002-122126号公报介绍了将承受拉伸应力的部分的曲率半径增大以缓和应力集中的技术；在特开2002-224920号公报介绍了抑制圆角部的轴径的减小，其结果缓和应力集中的技术。
另一方面，高频淬火法，是通过高频淬火将销子、轴颈部以及销子/凸缘、轴颈/凸缘边界的圆角部的表面进行马氏体化以提高强度的技术。作为现有技术，例如特开2002-173711号公报介绍了不容易产生淬火裂纹的高频淬火方法和装置。
另外，汽车的发动机使用的曲轴和齿轮轴，伴随发动机的运转承受很大的波动负载的作用，要求其具有很强的强度。特别在轴上设置的油孔部从各个方向开孔，在强度上成为最弱的部位。
关于轴的油孔部的强化方法，一直以来提出了各种方案，例如特开2002-38220号公报公开了通过高频淬火提高油孔周围的强度、且对油孔表层(表面层)导入压缩残余应力的方法，公开了使曲轴一边旋转一边由半开放型的高频加热线圈进行加热时，油孔到达加热线圈的对面时减慢旋转、使油孔开口部附近的加热层加厚、加深淬火硬化层以对油孔周围进行强化的方法。但是，在进行淬火的边界部即所谓的“淬火边界”，发生拉伸残余应力，因此容易发生淬火裂纹，而且从“淬火边界”发生疲劳裂纹，因此作为部件其疲劳强度的大幅度提高是困难的。
另外，特开2002-160163号公报中公开了对油孔周围使用特别的喷丸硬化装置而对油孔周围进行加工硬化以及导入压缩残余应力的方法。该方法，是使投射喷嘴围绕其中心轴线旋转、并通过将投射孔的开口方向相对喷嘴中心轴线错开地配置而不用遮蔽地只对油孔周围进行喷丸强化的方法，该方法为了回收丸球而需要覆盖，因此装置增大、成本升高，且丸球的大小有限制，因此存在难以赋予大的压缩残余应力的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述现状而提出的，其课题是：提供具有曲率半径为25mm以下的缺口部的、且表面HV硬度为250以上的疲劳特性优异的高强度机械部件及其疲劳强度提高方法。
本发明的课题还在于：提供在轴的油孔的“淬火边界”等中不发生拉伸残余应力的轴、和能够附加大的压缩残余应力的简便的提高疲劳强度方法。
本发明者们对于实施了淬火-回火处理、渗碳处理、高频淬火处理等的各种热处理的具有缺口的高强度机械部件的疲劳特性提高方法，反复进行了种种研讨。研讨的结果明确知道：为了使疲劳特性提高，对缺口部赋予压缩残余应力是必须的，与此同时，采用以往的喷丸硬化处理，难以高效率地对曲率半径小的缺口部赋予压缩残余应力。于是，作为替代喷丸硬化的赋予压缩残余应力的方法，研讨了种种方法，结果发现超声波打击处理对压缩残余应力的导入极其有效，疲劳特性大幅度提高，而且确立了最佳的超声波打击处理的制造技术。根据以上的研讨结果，如果最佳地选择压缩残余应力和基于超声波打击处理的压缩残余应力的赋予方法，则能够实现疲劳特性优异的具有缺口部的高强度机械部件，从而完成本发明。
另外，本发明提供通过对油孔部实施超声波打击处理而进行强化，使得油孔的“淬火边界”等不发生拉伸残余应力的轴、以及能够附加大的压缩残余应力的简便的提高疲劳强度的方法。本发明的要旨如下：
(1)一种疲劳特性优异的高强度机械部件，其特征在于：是采用含有C：0.1～1.2质量％的钢材构成的、具有曲率半径为25mm以下的缺口部的机械部件，上述钢材表面的HV硬度为250以上(本申请发明中所述的表示数值范围的“以上”和“以下”包括本数)，且上述缺口部表层的压缩残余应力为-300～-1500MPa。
(2)根据(1)所述的疲劳特性优异的高强度机械部件，其特征在于：在从上述缺口部表层的深度为至少30μm以内的区域，晶粒的长轴方向与短轴方向的长度比即纵横比为1.5以上。
(3)一种疲劳特性优异的轴，其特征在于：(1)或(2)所述的高强度机械部件是由抗拉强度为800MPa以上的钢材构成的轴，该轴具有油孔，且上述油孔的表层中的压缩残余应力为上述钢材的抗拉强度的50～90％，而且在该油孔的内面具有深度10～50μm的打击痕。
(4)一种疲劳特性优异的轴，其特征在于：以质量％表示，由C：0.1～1.2％、Si：0.05～2.5％、Mn：0.2～3％、Al：0.005～0.1％、N：0.001～0.02％、以及余量的Fe和不可避免的杂质组成。
(5)根据(4)所述的疲劳特性优异的轴，其特征在于：以质量％表示，上述轴进一步含有Cr：0.1～2％、Ni：0.1～2％、Mo：0.1～2％、Cu：0.1～2％、Ti：0.003～0.05％、V：0.05～0.5％、Nb：0.01～0.1％、B：0.0003～0.005％中的1种或2种以上。
(6)一种提高高强度机械部件的疲劳特性的方法，其特征在于：是利用超声波振动器打击(1)或(2)所述的高强度机械部件的缺口部，来赋予压缩残余应力的提高高强度机械部件的疲劳特性的方法，在上述超声波振动器相对于机械部件的硬度比为1.1以上、超声波振动器的频率为10～60kHz、超声波的输出功率为500～5000W、超声波振动器对缺口部的推压力为10～1000N的条件下，对上述高强度机械部件的缺口部实施超声波打击处理。
(7)一种提高轴的疲劳特性的方法，其特征在于：是提高(3)所述的轴的疲劳特性的方法，向上述油孔中插入以频率：10～60kHz、振幅：0.5～50μm进行振动的、头部具有凸起的销子，通过在上述油孔的径向赋予振动来对上述油孔内部进行打击。
(8)一种提高轴的疲劳特性的方法，其特征在于：是提高(3)所述的轴的疲劳特性的方法，采用以频率：10～60kHz、振幅：0.5～50μm进行振动的端子对上述油孔的周围进行打击。
附图说明
图1是例示本发明的实施例所用的具有缺口的机械部件的图；
图2是例示对本发明的轴的油孔内面进行打击的实施方案的图；
图3是例示对本发明的轴的油孔内面进行打击的实施方案的图；
图4(a)、(b)、(c)、(d)均是例示对本发明的轴的油孔表层进行打击的实施方案的图。
具体实施方式
首先，阐述作为本发明的对象的钢材的成分的限定理由。
C：是为了确保机械部件的强度所必需的元素，在不足0.1％时难以得到作为本发明目标的HV硬度250以上，另一方面，当超过1.2％时机械部件的延展性下降，因此限制在0.1～1.2％的范围。
Si、Mn、Cr、Mo、Ni等合金元素：可以根据各种机械部件的热处理条件和用途等来添加。优选的范围为Si：0.05～2.5％、Mn：0.2～3％、Cr：0.1～2％、Mo：0.1～3％、Ni：0.1～2％、Cu：0.1～1％、B：0.0003～0.005％。此外，Al、N、Ti、Nb、V的优选的范围为Al：0.005～0.1％、N：0.001～0.02％、Ti：0.003～0.05％、V：0.05～0.5％、Nb：0.01～0.1的范围。另外，P、S的优选范围为P：0.015％以下、S：0.05％以下。
Si作为钢的强化元素是有效的，但不足0.05％时没有该效果。另一方面当过多地添加时韧性和易切削性降低，因此添加量的上限规定为2.5％。
Mn是对钢的强化有效的元素，但不足0.2％时不能得到充分的效果。另一方面当过多地添加时韧性和易切削性降低，因此添加量的上限规定为2％。
Al是对钢的脱氧和晶粒的细化有效的元素，但不足0.005％时没有该效果。另一方面当过多地添加时易切削性降低，因此添加量的上限规定为0.1％。
N是为了生成V碳氮化物、Nb碳氮化物、进行析出强化所必需的元素，但不足0.001％时不能得到充分的效果。另一方面当过多地添加时韧性劣化，因此添加量的上限规定为0.02％。
Cr、Ni、Mo、Cu均是在适量添加时不会损害韧性但能够增大强度的元素。Cr、Ni、Mo、Cu无论哪一种若不足0.1％则没有该元素的上述效果，若超过2％则韧性有很大劣化，因此上述元素添加量的下限分别规定为0.1％、上限规定为2％。
Ti是生成氮化物·碳化物、通过析出强化来提高强度的有效元素。而且，Ti的氮化物甚至在高温下也不固溶而残留，因此对防止加热时的奥氏体粗化有效。如果不足0.003％，则不能体现这些效果，当超过0.05％时韧性劣化，因此其添加量的下限规定为0.003％、上限规定为0.05％。
V也与Ti一样，是生成氮化物·碳化物、通过析出强化而提高强度的有效元素，但为了得到该效果，添加0.05％以上是必要的。另一方面，当过多地添加时韧性劣化，因此添加量的上限规定为0.5％。
Nb也与Ti一样是生成氮化物·碳化物、通过析出强化而提高强度的有效元素，但为了得到该效果，在不足0.01％时不能得到充分的效果。另一方面当过多地添加时韧性劣化，因此添加量的上限规定为0.1％。
另外，除了这些元素以外，作为使易切削性提高的元素，添加Pb、S、Bi等也可以，该情况也包括在本发明中。
此外，本发明不管高强度机械部件所使用的钢材的组织、处理工序，铁素体-珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢等任何组织的钢材都能够适用，而且在热锻后被切削、实施渗碳处理、高频淬火、淬火-回火处理等的场合，能够广泛地适用。
其次，对机械部件的曲率半径、表面HV硬度、压缩残余应力的限定理由进行说明。在具有曲率半径超过25mm那样的大缺口的场合，由于疲劳强度的降低较小，因此在本发明的对象之外。另外，对具有曲率半径超过25mm那样的缺口的部件赋予压缩残余应力的场合，现有技术的喷丸强化处理比超声波打击处理还经济，因此曲率半径的上限限定为25mm。本发明的技术，即使机械部件的表面HV硬度不足250，也具有充分的效果，但一般地在低合金钢的场合，不要求高的疲劳强度，因此表面HV硬度的下限限定为250。在缺口部表层的压缩残余应力不足-300MPa时，疲劳强度的提高效果较小，另一方面，即使赋予超过-1500MPa的压缩残余应力，其疲劳特性的提高效果也饱和，因此将缺口部的表层的压缩残余应力的范围限定为-300～-1500MPa。另外，本发明的残余应力是采用X射线法测定的。
在不进行本发明的超声波打击处理的场合，晶粒的长轴方向与短轴方向的纵横比变得不足1.5，疲劳特性的提高效果不充分，因此纵横比的下限限制为1.5。另外，纵横比为1.5以上的区域，距缺口表层不足30μm时，得到充分的疲劳强度提高效果是困难的，因此下限限制为30μm。在本发明中，晶粒的纵横比是用500倍的光学显微镜测定的。在机械部件的组织为铁素体-珠光体的场合，为铁素体晶粒与珠光体晶粒的平均值；在机械部件的组织以珠光体为主体的场合，为珠光体晶粒的平均值；在机械部件的组织为马氏体或回火马氏体的场合，为原始奥氏体晶粒的平均值。
其次，说明超声波打击处理的条件。在本发明中，根据机械部件的规格，经过热锻、冷锻、各种机械加工和淬火-回火处理、渗碳处理、高频淬火处理等的各种工序，精加工成最终的机械部件后，最后对缺口部进行超声波打击处理。
当超声波振动器的硬度不足缺口表面硬度的1.1倍时，通过超声波打击处理对缺口部高效率地赋予压缩残余应力是困难的，因此将超声波振动器与机械部件的硬度比限定为1.1以上。再者，超声波振动器的端头(前端)的曲率半径尽管没有特别限制，但是在比机械部件的缺口部的曲率半径大时，不能高效率地赋予压缩残余应力，因此优选的条件是超声波振动器的端头半径与缺口部的曲率半径相同或在其以下。当超声波振动器的频率不足10kHz时，不能高效地赋予压缩残余应力，因此下限限定为10kHz。另一方面，即使以超过60kHz的频率进行超声波打击，压缩残余应力的导入效果也饱和，因此频率的上限限定为60kHz。频率的优选范围为20～40kHz。当超声波的输出功率不足500W时，为了赋予规定的压缩残余应力，超声波打击处理时间变长从而不经济，因此下限限定为500W。即使超声波输出功率超过5000W，其效果也饱和，因此将5000W规定为上限。当超声波振动器对缺口部的推压力不足10N时，不能高效地赋予压缩残余应力、也不经济，因此下限限定为10N。另一方面，当推压力超过1000N而进行超声波打击处理时，其效果饱和，因此上限限定为1000N。
通过超声波打击处理来赋予压缩残余应力，与通过喷丸硬化来赋予压缩残余应力比较，疲劳特性优异。推测其原因是起因于下述事项：
1)由超声波打击处理赋予的压缩残余应力比喷丸硬化的高；
2)由超声波打击处理赋予的压缩残余应力比喷丸硬化更能够赋予到钢材内部；
3)超声波打击处理的部位发生塑性变形，疲劳特性提高；
4)由超声波打击处理得到的表面粗糙度比喷丸硬化的小。
在轴的表层开设的油孔，由于截面积减小并且是应力集中形状，因此成为疲劳裂纹发生的起点。即，油孔的疲劳强度决定着整个轴的疲劳强度。
为了提高油孔周围的疲劳强度，可以考虑提高油孔周围的强度、导入压缩残余应力这2点对策。
本发明者们发现通过用进行超声波振动的振动端子打击钢材，可以同时满足上述2点对策。即发现：对油孔表面赋予大的压缩残余应力、并且与喷丸硬化同样通过对表面进行塑性加工而进行加工硬化，能够大幅度提高具有油孔的轴的疲劳强度。
图2和图3是例示打击本发明的轴的油孔内面的实施方案的图，1表示油孔、2表示超声波振动端子、3表示打击部。
在本发明中，进行打击的部位是以轴的油孔部为对象，这是因为在轴上疲劳破坏成为主要问题的是油孔部。预先知道在油孔周围发生疲劳裂纹的位置时，对该部位集中地处理即可。
首先，从油孔内部发生裂纹的场合，使用图2所示那样的、端头具有凸起的销子2，一边使其在油孔1的径向振动一边描仿内周地进行打击处理。
通过该打击处理，如图2的右侧所示，能够在油孔1的内面设置打击痕，通过基于该塑性加工的加工硬化，能够使疲劳强度显著提高。打击痕的深度为10μm以下时，疲劳强度的提高效果不充分，另外当超过50μm时加工硬化饱和，因此优选为10～50μm的范围。
图3是示意性地说明超声波振动端子2描仿油孔1的内面的情形的图。如图3所示，超声波振动端子2随着时间的经过一边描仿油孔1的内面地旋转一边振动，由此能够进行打击处理油孔的内面。
在本发明中，不管油孔1的内面的打击部，但优选通过对下述位置进行打击来使其加工硬化，所述的位置为相当于通过高频淬火等而发生拉伸残余应力的“淬火边界”的距油孔1的端部1mm左右的位置。
图4是例举打击本发明的轴的油孔表层的实施方案的图，1表示油孔、2表示超声波振动端子、3表示打击部。
从油孔1的表面附近发生裂纹的场合，如图4(a)、(b)、(c)、(d)所示，通过在发生裂纹的方向(图4中阴影部)进行打击处理，能够缩短处理时间。
例如，如图4(a)所示，在轴只受弯曲疲劳的场合，优选在轴的与轴垂直的方向进行打击，另外，如图4(c)所示，在轴只受扭转疲劳的场合，优选在轴的与轴向成45°倾角的方向进行打击。另外，如图4(b)所示，在轴受到弯曲+扭转疲劳的场合，优选在将两者复合的方向倾斜地打击。在不清楚轴的断裂形态是以弯曲疲劳为主体还是以扭转疲劳为主体的场合，如图4(d)所示那样，通过进行全周打击处理，无论是弯曲疲劳还是扭转疲劳均能有效处理。
另外，在处理油孔附近的表面的场合，超声波打击销子端头的形状可以考虑是半球形、半圆锥体形、鞍形等，但没有特别限定。但是，如果是半球形或者半圆锥体形的端头形状，则将使得凸部与凸部紧挨着，存在处理变得不稳定的可能性。最好是将凸部与凹部组合的鞍形，但超声波打击销子的制造成本有可能提高。
本发明所使用的超声波振动器的频率限定在10kHZ～60kHz，是因为对钢材赋予的压缩残余应力在该频率范围变大的缘故。同样，进行超声波振动的销子端头的振幅限定为0.5～50μm，是因为不足0.5μm的振幅不能对钢材赋予足够的压缩残余应力的缘故。振幅越大，残余应力越增加，但振幅超过50μm时塑性变形过大，部件的尺寸精度降低，同时疲劳强度也下降，因此振幅的上限限定为50μm。
<轴的油孔表层中的压缩残余应力>
本发明的轴，通过对油孔部实施上述那样的打击处理，使得轴的油孔表层的压缩残余应力为构成轴的钢材的抗拉强度的50％～90％是必要的。
<抗拉强度>
关于构成本发明的轴的钢材的抗拉强度，抗拉强度为800MPa以下的钢材，在油孔部的压缩残余应力为规定的下限即抗拉强度的50％时，不能得到充分的疲劳强度提高效果，因此抗拉强度的下限值规定为800MPa。
<残余应力>
对于本发明作为对象的具有800MPa以上的强度的钢材而言，在抗拉强度的50％以下的压缩残余应力下不能看到充分的疲劳强度提高，并且，赋予抗拉强度的90％以上的压缩残余应力是本发明难以办到的，因此压缩残余应力的上限确定为抗拉强度的90％。
实施例1
以下，通过实施例更具体地说明本发明的效果。
使用表1所示的化学成分的钢材，通过热锻制造图1所示那样的圆棒状部件(轴)。热锻温度为1200℃。然后，通过机械加工，精加工成具有图1所示的缺口的机械部件。而且，采用这些机械部件，进行淬火-回火处理、高频加热处理、渗碳处理，测定表面的HV硬度。淬火-回火处理是在淬火温度850～950℃、回火温度180～650℃的条件下进行。高频加热处理是在加热到950℃后进行淬火处理，然后在150℃进行回火处理。渗碳处理是在渗碳温度950℃、回火温度160℃的条件下进行。另外，最终对缺口部实施超声波打击处理。超声波打击处理后，缺口部的残余应力用X射线法测定。晶粒的纵横比，通过对距缺口部的表层30μm的区域用500倍光学显微镜观察10个视场以上而求出。机械部件的疲劳强度(107循环)通过旋转弯曲疲劳试验进行调查。上述的制造条件、测定结果示于表2。
表2的试验No.3、5、7、8、9、12、16、18、20、21、23、25、28、32、34、37是本发明例，除此以外的例子是比较例。正如在该表所看到的那样，本发明例均对缺口部赋予高的压缩残余应力，晶粒的纵横比也达到1.5以上。该结果与比较例相比，实现了疲劳强度高、疲劳特性优异的高强度部件。
与此相对，比较例的试验No.1、4、6、8、11、14、17、19、22、24、27、30、33、35，都是在制造机械部件后没有实施缺口部的残余应力控制的处理的情况。由于压缩残余应力低、或者为拉伸残余应力，因此都是疲劳强度比本发明例低的例子。
比较例的试验No.2、15、31、36都是在部件制造后实施了现有的喷丸硬化处理的例子。虽然通过进行喷丸硬化处理，缺口部的残余应力向压缩残余应力侧转变，但是由于缺口部的曲率半径小，因此不能高效地赋予大的压缩残余应力。其结果，无论哪一个比较例，与本发明例相比，疲劳强度都差。
比较例的试验No.10、13、26、29、38，都是超声波打击处理的条件不合适的例子。即，No.10由于超声波振动器与机械部件的硬度比低，No.13由于超声波振动器的频率低，No.26由于超声波振动器对缺口部的推压力过低，No.29由于硬度比和超声波振动器的频率低，No.38由于超声波输出功率低，因此都是缺口部的压缩残余应力低、疲劳强度的提高效果小的例子。
表1
| 钢种 | 化学成分(质量％) | ||||||||||||||
| C | Si | Mn | P | S | Al | N | Cr | Mo | Ni | Cu | V | Ti | Nb | B | |
| A | 0.15 | 0.23 | 0.84 | 0.011 | 0.007 | 0.034 | 0.0040 | 1.14 | 0.24 | - | - | - | - | - | - |
| B | 0.22 | 0.19 | 0.68 | 0.008 | 0.010 | 0.065 | 0.0069 | 1.18 | 0.19 | 0.74 | - | - | - | - | - |
| C | 0.19 | 0.04 | 0.76 | 0.007 | 0.009 | 0.049 | 0.0158 | 1.05 | - | - | - | - | 0.058 | - | - |
| D | 0.25 | 0.04 | 0.34 | 0.007 | 0.005 | 0.029 | 0.0120 | - | 0.90 | - | - | - | - | 0.049 | - |
| E | 0.53 | 0.28 | 0.98 | 0.008 | 0.006 | 0.025 | 0.0053 | - | - | - | - | 0.00 | - | - | - |
| F | 0.45 | 0.59 | 1.15 | 0.008 | 0.010 | 0.069 | 0.0050 | - | - | - | - | - | 0.017 | - | 0.0028 |
| G | 0.41 | 0.26 | 0.70 | 0.009 | 0.008 | 0.065 | 0.0034 | 0.98 | 0.25 | - | - | - | - | - | - |
| H | 0.39 | 0.05 | 0.38 | 0.005 | 0.009 | 0.028 | 0.0044 | - | 2.40 | 0.45 | 0.13 | 0.28 | - | - | - |
| I | 0.34 | 0.28 | 0.78 | 0.010 | 0.007 | 0.020 | 0.0026 | - | - | - | - | - | - | - | - |
| J | 0.55 | 1.80 | 0.83 | 0.004 | 0.005 | 0.035 | 0.0029 | 0.70 | - | - | - | - | - | - | - |
| K | 1.05 | 0.22 | 0.38 | 0.009 | 0.010 | 0.001 | 0.0032 | 1.49 | - | - | - | - | - | - | - |
| L | 0.78 | 0.28 | 0.85 | 0.011 | 0.007 | 0.060 | 0.0044 | - | - | - | - | - | - | - | - |
| M | 0.32 | 1.26 | 1.65 | 0.006 | 0.065 | 0.033 | 0.0116 | 0.29 | - | - | - | 0.16 | - | - | - |
表2
| 试验No. | 钢种 | HV硬度 | 缺口部的残余应力(MPa) | 缺口部的曲率半径(mm) | 热处理 | 组织形态 | 晶粒的纵横比 | 超声波振动器与机械部件的硬度比 | 超声波振动器的频率(kHz) | 推压力(N) | 超声波输出功率(W) | 疲劳强度(MPa) | |
| 1 | 比较例 | A | 740 | -245 | 0.7 | 渗碳处理 | 回火马氏体 | - | - | - | - | - | 258 |
| 2 | 比较例 | A | 740 | -285 | 0.7 | 渗碳处理 | 回火马氏体 | - | 喷丸硬化 | 263 | |||
| 3 | 本发明例 | A | 740 | -1214 | 0.7 | 渗碳处理 | 回火马氏体 | 2.2 | 1.1 | 25 | 870 | 3000 | 569 |
| 4 | 比较例 | B | 726 | -194 | 1.5 | 渗碳处理 | 回火马氏体 | - | - | - | - | - | 253 |
| 5 | 本发明例 | B | 726 | -868 | 1.5 | 渗碳处理 | 回火马氏体 | 2.0 | 1.2 | 25 | 250 | 2000 | 416 |
| 6 | 比较例 | C | 753 | -232 | 0.5 | 渗碳处理 | 回火马氏体 | - | - | - | - | - | 255 |
| 7 | 本发明例 | C | 753 | -454 | 0.5 | 渗碳处理 | 回火马氏体 | 1.7 | 1.1 | 20 | 540 | 2500 | 292 |
| 8 | 本发明例 | C | 753 | -796 | 0.8 | 渗碳处理 | 回火马氏体 | 1.5 | 1.2 | 28 | 785 | 2000 | 387 |
| 8 | 比较例 | D | 747 | -183 | 2.0 | 渗碳处理 | 回火马氏体 | - | - | - | - | - | 250 |
| 9 | 本发明例 | D | 747 | -815 | 2.0 | 渗碳处理 | 回火马氏体 | 1.8 | 1.1 | 25 | 455 | 1500 | 394 |
| 10 | 比较例 | D | 747 | -237 | 2.0 | 渗碳处理 | 回火马氏体 | 1.1 | 0.8 | 25 | 310 | 1500 | 256 |
| 11 | 比较例 | E | 680 | -66 | 1.0 | 高频淬火 | 回火马氏体 | - | - | - | - | - | 245 |
| 12 | 本发明例 | E | 680 | -981 | 1.0 | 高频淬火 | 回火马氏体 | 1.9 | 1.3 | 25 | 270 | 1500 | 464 |
| 13 | 比较例 | E | 680 | -80 | 1.0 | 高频淬火 | 回火马氏体 | 1.2 | 1.3 | 8 | 300 | 1500 | 246 |
| 14 | 比较例 | F | 659 | -82 | 0.5 | 高频淬火 | 回火马氏体 | - | - | - | - | - | 247 |
| 15 | 比较例 | F | 659 | -174 | 0.5 | 高频淬火 | 回火马氏体 | - | 喷丸硬化 | 254 | |||
| 16 | 本发明例 | F | 659 | -871 | 0.5 | 高频淬火 | 回火马氏体 | 2.1 | 1.3 | 25 | 660 | 1500 | 420 |
| 17 | 比较例 | G | 387 | +15 | 0.7 | 淬火-回火 | 回火马氏体 | - | - | - | - | - | 203 |
| 18 | 本发明例 | G | 387 | -755 | 0.7 | 淬火-回火 | 回火马氏体 | 2.5 | 2.2 | 32 | 400 | 1000 | 339 |
| 19 | 比较例 | H | 484 | -1 | 11.0 | 淬火-回火 | 回火马氏体 | - | - | - | - | - | 227 |
| 20 | 本发明例 | H | 484 | -653 | 11.0 | 淬火-回火 | 回火马氏体 | 2.2 | 1.8 | 25 | 210 | 1000 | 332 |
| 21 | 本发明例 | H | 484 | -880 | 1.4 | 淬火-回火 | 回火马氏体 | 2.5 | 1.9 | 24 | 550 | 1500 | 389 |
| 22 | 比较例 | I | 312 | +20 | 1.2 | 淬火-回火 | 回火马氏体 | - | - | - | - | - | 177 |
| 23 | 本发明例 | I | 312 | -458 | 1.2 | 淬火-回火 | 回火马氏体 | 2.1 | 2.7 | 25 | 160 | 1000 | 233 |
| 24 | 比较例 | J | 589 | -10 | 0.7 | 淬火-回火 | 回火马氏体 | - | - | - | - | - | 241 |
| 25 | 本发明例 | J | 589 | -759 | 0.7 | 淬火-回火 | 回火马氏体 | 1.8 | 1.4 | 25 | 125 | 1500 | 378 |
| 26 | 比较例 | J | 589 | -79 | 0.7 | 淬火-回火 | 回火马氏体 | 1.1 | 1.4 | 20 | 7 | 1500 | 244 |
| 27 | 比较例 | K | 711 | +37 | 2.5 | 淬火-回火 | 回火马氏体 | - | - | - | - | - | 240 |
| 28 | 本发明例 | K | 711 | -948 | 2.5 | 淬火-回火 | 回火马氏体 | 1.9 | 1.2 | 25 | 330 | 1500 | 449 |
| 29 | 比较例 | K | 711 | +1 | 2.5 | 淬火-回火 | 回火马氏体 | 1.2 | 0.9 | 7 | 330 | 1500 | 241 |
| 30 | 比较例 | L | 641 | -42 | 0.6 | 淬火-回火 | 回火马氏体 | - | - | - | - | - | 245 |
| 31 | 比较例 | L | 641 | -156 | 0.6 | 淬火-回火 | 回火马氏体 | - | 喷丸硬化 | 252 | |||
| 32 | 本发明例 | L | 641 | -542 | 0.6 | 淬火-回火 | 回火马氏体 | 2.0 | 1.3 | 25 | 255 | 2000 | 318 |
| 33 | 比较例 | L | 335 | +3 | 1.0 | 热锻状态 | 珠光体 | - | - | - | - | - | 186 |
| 34 | 本发明例 | L | 335 | -956 | 1.0 | 热锻状态 | 珠光体 | 2.2 | 2.5 | 22 | 150 | 1000 | 397 |
| 35 | 比较例 | M | 296 | +21 | 0.8 | 热锻状态 | 铁素体-珠光体 | - | - | - | - | - | 170 |
| 36 | 比较例 | M | 296 | -107 | 0.8 | 热锻状态 | 铁素体-珠光体 | - | 喷丸硬化 | 176 | |||
| 37 | 本发明例 | M | 296 | -287 | 0.8 | 热锻状态 | 铁素体-珠光体 | 2.6 | 2.9 | 35 | 80 | 700 | 332 |
| 38 | 比较例 | M | 296 | -249 | 0.8 | 热锻状态 | 铁素体-珠光体 | 1.3 | 2.2 | 22 | 170 | 300 | 190 |
实施例2
从表3所示成分的钢，切取开设有模拟油孔的贯穿孔的带圆孔小野式旋转弯曲试验片”。试验片的尺寸，平行区的直径d＝12mm(JIS Z-2274，1号试验片，符号1-12)，贯穿孔的直径为2.4mm。
准备对该试验片实施了本发明的超声波处理的试验片、和无处理的比较材料或者实施了范围外的处理的比较材料，进行小野式旋转弯曲疲劳试验，求出疲劳强度。其结果示于表4。
另外，本试验片在单纯的弯曲疲劳试验中使用，因此疲劳裂纹从孔部表层发生，在与轴方向垂直的面上发生断裂，因此超声波处理针对孔周围的表层全周进行。
表4中的残余应力测定值，是另行准备没有进行疲劳试验的试验片、测定接合部表层的残余应力而得到的值。残余应力的测定用X射线进行，测定衍射X射线的强度，从峰值强度的半值宽求出。
无超声波打击处理的试样，只能得到比抗拉强度的1/4小一些的疲劳强度。其原因是油孔使疲劳强度降低。通过进行适宜的超声波打击处理，可增加油孔周围的强度，通过导入压缩残余应力，可提高疲劳强度。
为了模拟从孔内部发生的裂纹，准备开设有贯穿孔的小野式旋转弯曲试验片，通过喷丸硬化(圆弧高0.35)向表面导入压缩残余应力后，对孔的内部实施超声波处理，调查有、无处理对疲劳强度的影响。结果示于表5。
由于残余应力是在孔的表面测定，因此有、无处理所引起的变化小。通过喷丸硬化在表层中发生压缩残余应力，与表2的结果比较，无超声波处理的材料的疲劳强度也显示出高的值。通过对其实施超声波处理，疲劳强度进一步上升。
其结果，使用本发明的疲劳强度提高方法的本发明例与比较例比较，可以看到疲劳强度大幅度提高。
表3
| 钢编号 | C | Si | Mn | Al | N | Cr | Ni | Mo | Cu | Ti | V | Nb | 抗拉强度(MPa) |
| A | 0.37 | 1.30 | 1.60 | 0.040 | 0.0030 | 810 | |||||||
| B | 0.11 | 1.30 | 1.95 | 0.040 | 0.0121 | 0.5 | 0.5 | 0.3 | 804 | ||||
| C | 0.37 | 1.30 | 1.60 | 0.040 | 0.0030 | 0.2 | 854 | ||||||
| D | 0.33 | 1.30 | 1.60 | 0.040 | 0.0118 | 1.8 | 1171 | ||||||
| E | 0.35 | 1.30 | 1.59 | 0.040 | 0.0118 | 0.2 | 0.10 | 809 | |||||
| F | 0.33 | 1.30 | 1.60 | 0.040 | 0.0121 | 1.7 | 822 | ||||||
| G | 0.33 | 2.40 | 1.60 | 0.006 | 0.0120 | 0.1 | 816 | ||||||
| H | 0.33 | 0.06 | 0.25 | 0.094 | 0.0180 | 1.7 | 1005 | ||||||
| I | 0.39 | 1.30 | 1.40 | 0.030 | 0.0145 | 0.2 | 802 | ||||||
| J | 0.35 | 1.25 | 1.51 | 0.040 | 0.0138 | 1.7 | 827 | ||||||
| K | 0.35 | 1.25 | 1.50 | 0.039 | 0.0118 | 0.2 | 0.005 | 822 | |||||
| L | 0.33 | 1.25 | 1.51 | 0.039 | 0.0122 | 0.2 | 0.044 | 824 | |||||
| M | 0.33 | 1.25 | 1.49 | 0.040 | 0.0121 | 0.2 | 0.10 | 805 | |||||
| N | 0.33 | 1.25 | 1.49 | 0.039 | 0.0120 | 0.2 | 0.45 | 831 | |||||
| O | 0.37 | 1.25 | 1.49 | 0.039 | 0.0120 | 0.010 | 804 | ||||||
| P | 0.36 | 1.25 | 1.50 | 0.039 | 0.0119 | 0.090 | 857 | ||||||
| Q | 0.78 | 0.24 | 0.55 | 0.025 | 0.0099 | 0.10 | 1018 |
表4
| 钢编号 | 频率(kHz) | 振幅(μm) | 残余应力(MPa) | 疲劳强度(MPa) | 备注 |
| A | 无超声波打击处理 | -58 | 170 | 比较例 | |
| A | 7 | 35 | -103 | 170 | 比较例 |
| A | 12 | 35 | -421 | 210 | 发明例 |
| A | 20 | 35 | -488 | 225 | 发明例 |
| A | 55 | 35 | -605 | 260 | 发明例 |
| A | 63 | 35 | -298 | 190 | 比较例 |
| A | 20 | 0.2 | -120 | 170 | 比较例 |
| A | 20 | 0.5 | -410 | 210 | 发明例 |
| A | 20 | 1.2 | -419 | 210 | 发明例 |
| A | 20 | 5 | -426 | 215 | 发明例 |
| A | 20 | 20 | -457 | 215 | 发明例 |
| A | 20 | 60 | -581 | 175 | 比较例 |
| B | 无超声波打击处理 | -35 | 170 | 比较例 | |
| B | 20 | 35 | -484 | 225 | 发明例 |
| C | 无超声波打击处理 | -10 | 175 | 比较例 | |
| C | 20 | 35 | -514 | 240 | 发明例 |
| D | 无超声波打击处理 | -36 | 205 | 比较例 | |
| D | 20 | 35 | -705 | 335 | 发明例 |
| E | 无超声波打击处理 | -59 | 170 | 比较例 | |
| E | 20 | 35 | -487 | 225 | 发明例 |
| F | 无超声波打击处理 | -45 | 170 | 比较例 | |
| F | 20 | 35 | -495 | 230 | 发明例 |
| G | 无超声波打击处理 | -52 | 170 | 比较例 | |
| G | 20 | 35 | -491 | 230 | 发明例 |
| H | 无超声波打击处理 | -18 | 190 | 比较例 | |
| H | 20 | 35 | -605 | 280 | 发明例 |
| I | 无超声波打击处理 | -46 | 170 | 比较例 | |
| I | 20 | 35 | -483 | 225 | 发明例 |
| J | 无超声波打击处理 | -46 | 170 | 比较例 | |
| J | 20 | 35 | -498 | 230 | 发明例 |
| K | 无超声波打击处理 | -16 | 170 | 比较例 | |
| K | 20 | 35 | -495 | 230 | 发明例 |
| L | 无超声波打击处理 | -44 | 170 | 比较例 | |
| L | 20 | 35 | -496 | 230 | 发明例 |
| M | 无超声波打击处理 | -35 | 170 | 比较例 | |
| M | 20 | 35 | -484 | 225 | 发明例 |
| N | 无超声波打击处理 | -14 | 175 | 比较例 | |
| N | 20 | 35 | -500 | 230 | 发明例 |
| O | 无超声波打击处理 | -15 | 170 | 比较例 | |
| O | 20 | 35 | -484 | 225 | 发明例 |
| P | 无超声波打击处理 | -54 | 175 | 比较例 | |
| P | 20 | 35 | -516 | 235 | 发明例 |
| Q | 无超声波打击处理 | -45 | 190 | 比较例 | |
| Q | 20 | 35 | -613 | 285 | 发明例 |
表5
| 钢编号 | 频率(kHz) | 振幅(μm) | 残余应力(MPa) | 疲劳强度(MPa) | 备注 |
| A | 无超声波打击处理 | -454 | 220 | 比较例 | |
| A | 7 | 35 | -459 | 225 | 比较例 |
| A | 12 | 35 | -457 | 235 | 发明例 |
| A | 20 | 35 | -462 | 240 | 发明例 |
| A | 55 | 35 | -472 | 250 | 发明例 |
| A | 63 | 35 | -456 | 220 | 比较例 |
| A | 20 | 0.2 | -452 | 220 | 比较例 |
| A | 20 | 0.5 | -461 | 230 | 发明例 |
| A | 20 | 1.2 | -458 | 235 | 发明例 |
| A | 20 | 5 | -465 | 240 | 发明例 |
| A | 20 | 20 | -462 | 240 | 发明例 |
| A | 20 | 60 | -475 | 210 | 比较例 |
产业上的可利用性
根据本发明，通过对缺口部实施超声波打击处理、导入压缩残余应力，能够使具有曲率半径为25mm以下的缺口的高强度机械部件的疲劳特性大幅度提高，由此能够提供疲劳特性优异的高强度机械部件和疲劳特性提高方法。
另外，根据本发明，能够提供油孔的“淬火边界”等中不发生拉伸残余应力的轴、和可以附加大的压缩残余应力的简便的疲劳强度提高方法，其结果，不会从油孔发生破坏，部件的可靠性增加，而且经过强化的相应部件的轻量化成为可能，有助于提高燃料利用率和削减成本。
Claims (8)
1.一种疲劳特性优异的高强度机械部件，其特征在于：是采用含有C：0.1～1.2质量％的钢材构成的、具有曲率半径为25mm以下的缺口部的机械部件，上述钢材表面的HV硬度为250以上，且上述缺口部表层的压缩残余应力为-300～-1500MPa。
2.根据权利要求1所述的疲劳特性优异的高强度机械部件，其特征在于：在从上述缺口部表层的深度为至少30μm以内的区域，晶粒的长轴方向与短轴方向的长度比即纵横比为1.5以上。
3.一种疲劳特性优异的轴，其特征在于：权利要求1或2所述的高强度机械部件是由抗拉强度为800MPa以上的钢材构成的汽车用轴，该轴具有油孔，且上述油孔的表层中的压缩残余应力为上述钢材的抗拉强度的50～90％，而且在该油孔的内面具有深度10～50μm的打击痕。
4.一种疲劳特性优异的轴，其特征在于：以质量％表示，由C：0.1～1.2％、Si：0.05～2.5％、Mn：0.2～3％、Al：0.005～0.1％、N：0.001～0.02％、以及余量的Fe和不可避免的杂质组成。
5.根据权利要求4所述的疲劳特性优异的轴，其特征在于：以质量％表示，上述轴进一步含有Cr：0.1～2％、Ni：0.1～2％、Mo：0.1～2％、Cu：0.1～2％、Ti：0.003～0.05％、V：0.05～0.5％、Nb：0.01～0.1％、B：0.0003～0.005％中的1种或2种以上。
6.一种提高高强度机械部件的疲劳特性的方法，其特征在于：是利用超声波振动器打击权利要求1或2所述的高强度机械部件的缺口部来赋予压缩残余应力的提高高强度机械部件的疲劳特性的方法，在上述超声波振动器相对于机械部件的硬度比为1.1以上、超声波振动器的频率为10～60kHz、超声波的输出功率为500～5000W、超声波振动器对缺口部的推压力为10～1000N的条件下，对上述高强度机械部件的缺口部实施超声波打击处理。
7.一种提高轴的疲劳特性的方法，其特征在于：是提高权利要求3所述的轴的疲劳特性的方法，向上述油孔中插入以频率：10～60kHz、振幅：0.5～50μm进行振动的、头部具有凸起的销子，通过在上述油孔的径向赋予振动来对上述油孔内部进行打击。
8.一种提高轴的疲劳特性的方法，其特征在于：是提高权利要求3所述的轴的疲劳特性的方法，采用以频率：10～60kHz、振幅：0.5～50μm进行振动的端子对上述油孔的周围进行打击。
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