JP2004027273A - 機械構造用鋼部品の製造方法および機械構造用鋼部品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】製造において、C:0.15〜0.25%(化学成分の場合は質量%の意味、以下同じ)、Si:0.35超〜0.7%、Mn:0.2〜1.0%、Cr:1.0〜1.5%、Mo:0.30〜0.6%、N:0.008〜0.05%の他、Al、NbおよびTiよりなる群から選択される少なくとも1種が下記式(1)を満たすように含まれている鋼部品を、浸炭処理した後に炭化物析出処理する工程を含むようにし、かつ前記炭化物析出工程の少なくとも一部で炭化物析出と同時に窒化処理を行うようにする。
0.005≦([Al]+[Nb]+[Ti])≦0.2 …(1)
{式中、[Al]は鋼部品のAl量(%)、[Nb]は鋼部品のNb量(%)、[Ti]は鋼部品のTi量(%)を示す}
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は機械構造用鋼部品の製造方法および機械構造用鋼部品に関し、詳細には、例えば歯車、摺動部品、軸類などの様な高面圧にて使用される鋼部品であって優れた耐ピッチング性を有する機械構造用鋼部品を製造する方法、および該方法にて得られる機械構造用鋼部品に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
機械構造用鋼部品は、例えば自動車分野、建設機械分野または産業機械分野など広範囲にわたる産業分野で動力伝達部品などとして広く使用されている。この様な機械構造用鋼部品は、これまでJIS G4104、G4105、G4103等に規定されているCr肌焼鋼、Cr−Mo肌焼鋼を成形加工した後、浸炭処理等の表面硬化処理がなされたものが用いられてきた。
【0003】
ところが近年、前記産業分野において高出力化や部品の小型軽量化に対する要望が高まってきていることから、動力伝達用歯車などの鋼部品への負荷応力がますます増大する傾向にあり、上述した様な従来の機械構造用鋼や表面硬化処理鋼ではこのような厳しい使用環境に適応し難くなっている。
【0004】
このような状況に鑑み、特に、すべりを伴う接触環境下において接触面圧の増加による接触面の剥離損傷、すなわちピッチング損傷を抑制するため、表層部のC濃度を高め炭化物を微細析出させることで表層部の高硬度化を狙った、高濃度浸炭法や高炭素浸炭法、CD(Carbide Dispersion)浸炭法などの表面硬化方法が採用されている。
【0005】
文献「高炭素浸炭の技術」(内藤・木林・中村、『熱処理』26巻2号、昭和61年4月)では、高炭素浸炭用材料として代表的な組成がC:0.1〜0.4%、Si:0.50%以下、Mn:0.2〜1.5%、Cr:2.0〜5.0%、Mo:0.30〜2.0%またはV:0.10〜0.5%である鋼が推奨されており、高炭素浸炭操業方法として、まず予備浸炭では、鋼のAcm以下のカーボンポテンシャル雰囲気下で表面の炭素濃度が共析炭素量以上となるよう浸炭後、空冷または焼入れを行い、次の炭化物生成処理段階では、Ac1以上950℃以下の温度範囲にて鋼のAcmを超えるカーボンポテンシャル雰囲気下で20℃/min以下の加熱速度で加熱し、750℃〜950℃で温度保持することによって炭化物を生成・成長させるといった方法が推奨されている。
【0006】
また特開平6−158266号公報には、C:0.10〜0.3重量%、Si:1.0重量%未満、Mn:0.3〜1.5重量%、P:0.020重量%未満、Cr:1.50重量%超であって、重量比が、4.5<8Si+3Cr<13.5を満足し、Al:0.010〜0.050重量%、N:0.005〜0.025重量%、残部Feからなる素材を、表面炭素濃度0.7〜1.2重量%となるように浸炭した後、焼入れ・焼戻しを行う高面圧部品の製造方法が開示されている。
【0007】
更に特開平6−25823号公報には、成分組成がC:0.05〜0.3重量%、Si:0.05〜2重量%、Mn:0.3〜2重量%、Cr:2〜8重量%、S:0.03重量%以下、Al:0.015〜0.06重量%、N:0.005〜0.02重量%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなり、該不可避不純物中のPを0.02重量%以下、O(酸素)を0.002重量%以下とした鋼部品に浸炭もしくは浸炭窒化処理を施して、炭化物または炭窒化物の平均粒径を5μm以下、その面積率を2〜60%とし、かつ該炭化物または炭窒化物中の30%以上がM7C3の組成となるようにして耐ピッチング性の向上を図ったことが示されている。またこの様な組織を得るための方法として、部品に浸炭処理または浸炭窒化処理を施した後、Ar1点以下に冷却し、さらにAr1点以上の温度で浸炭または浸炭窒化雰囲気に再加熱し、その後、焼入れ・焼戻し処理を施すことが開示されている。
【0008】
しかしながら、これらの方法では鋼材に添加する合金量が多いため、高濃度浸炭前に部品形状に成形する際の加工性が悪く、また炭化物の析出状態が良好でないためピッチング寿命がばらつき易いといった問題がある。
【0009】
また、特許第3271659号には、歯車の駆動側および被駆動側の歯面の噛み合い範囲において歯面の最表層から芯部方向に少なくとも0.2mm深さまで面積率で5〜10%の炭化物が分散析出し、かつ当該歯車の駆動側および被駆動側の歯元すみR部においては最表層から芯部にかけての炭化物が面積率で最大3%であり、かつ球状ないし擬球状に分散析出していると共に、窒化処理が施されており、前記かみ合い範囲においては歯面の最表層から芯部にかけての窒素濃度ピークが0.3wt%以上であるところに特徴を有する高強度歯車、およびその製造方法が開示されている。しかしながら上記歯車を構成する鋼材として示されているのは、いずれもSi量やCr量の比較的少ない、JIS規定のSC材やSNC材、SNCM材、SCr材、SCM材、SMnC材であることから、鋼材中に形成される炭化物の析出状態が好ましくなく、また炭化物析出後の鋼マトリックスの焼入れ性が不足するため不完全焼入れ組織が形成され易く、従って、ピッチング寿命のばらつきが懸念される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、高濃度浸炭前の加工性を劣化させることなく、安定したピッチング寿命を確保することのできた機械構造用鋼部品を製造するのに有用な方法、および該方法で得られた機械構造用鋼部品を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る機械構造用鋼部品の製造方法とは、C:0.15〜0.25%(化学成分の場合は質量%の意味、以下同じ)、Si:0.35超〜0.7%、Mn:0.2〜1.0%、Cr:1.0〜1.5%、Mo:0.30〜0.6%、N:0.008〜0.05%の他、Al、NbおよびTiよりなる群から選択される少なくとも1種が下記式(1)を満たすように含まれている鋼部品を、浸炭処理した後に炭化物を析出処理する工程を含み、該炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うところに要旨を有する。
0.005<([Al]+[Nb]+[Ti])<0.2 …(1)
{式中、[Al]は鋼部品のAl量(%)、[Nb]は鋼部品のNb量(%)、[Ti]は鋼部品のTi量(%)を示す}
【0012】
本発明は得られた機械構造用部品も規定するものである。即ち、本発明にかかる機械構造用部品は、心部において、C:0.15〜0.25%、Si:0.35超〜0.7%、Mn:0.2〜1.0%、Cr:1.0〜1.5%、Mo:0.30〜0.6%、N:0.008〜0.05%の他、Al、NbおよびTiよりなる群から選択される少なくとも1種が下記式(1)を満たすように含まれていると共に、鋼部品の表層から25μm位置の炭化物面積率が5%以上で、かつ部品の等価直径、心部のMo量およびMn量、並びに鋼部品の表層から50μm位置のN量が下記式(2)および(3)を満たすところに特徴を有する。
0.005≦([Al]+[Nb]+[Ti])≦0.2 …(1)
{式中、[Al]は鋼部品のAl量(%)、[Nb]は鋼部品のNb量(%)、[Ti]は鋼部品のTi量(%)を示す}
6000/(−20×D+1.68×JR+186.78)>40 …(2)
[N]≦0.25 …(3)
但し、JR=exp[(D0+77.7)/46.8]
D=0.5×aMn×aMo×aN
aMn=0.7×[Mn]2+2.3×[Mn]+1.3
aMo=0.5×[Mo]2+2.6×[Mo]+1.0
aN=10.2×[N]+1.0
{式中、D0は鋼部品の等価直径(mm)、[Mn]は心部のMn量(%)、[Mo]は心部のMo量(%)、[N]は鋼部品の表層から50μm位置のN量(%)を示す}
【0013】
尚、前記心部とは、浸炭処理の施されていない鋼の素地部分をいい、前記等価直径とは、鋼部品の心部硬さと中心が同じ硬さとなる丸棒の直径をいうものとする。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、前述した様な状況の下で、高濃度浸炭前の加工性に優れ、かつ安定した耐ピッチング性を有する機械構造用鋼部品の実現を目指して鋭意研究を進めた。その結果、本発明で規定する化学成分組成の鋼材を用い、本発明で規定する方法で浸炭・窒化を行うことが大変有効であることを見出し、上記本発明に想到した。
【0015】
まず、本発明で用いる鋼材の化学成分を規定した理由について詳述する。
【0016】
本発明で高濃度浸炭前の加工性を劣化させることなく、高いピッチング強度を確保するのに重要な元素はCrである。Crは高濃度浸炭処理時に表面の浸炭層内に炭化物を形成し、この炭化物により軟化抵抗性を高めることができピッチング強度が向上するのである。更にCrは、鋼材の焼入れ性を確保し部品の強度を確保するのにも有効な元素である。この様な理由からCr量の下限を1.0%とした。好ましくは1.2%以上である。一方、Cr量が多い場合には鋼材の硬度が必要以上に高くなり、浸炭前の部品成形時における加工性を劣化させることとなる。従ってCr量の上限を1.5%とした。好ましくは1.45%以下である。
【0017】
以下、その他の元素について規定した理由を述べる。
【0018】
C:0.15〜0.25%
Cは機械構造用鋼部品としての心部硬さを確保するのに必要な元素であることから、0.15%以上、好ましくは0.18%以上含有させる。一方、C量が多過ぎる場合には、必要以上に硬度が高くなり被削性や冷間鍛造性が劣化するので、0.25%以下、好ましくは0.23%以下に抑えるようにする。
【0019】
Si:0.35超〜0.7%
Siも本発明における重要な元素の1つであり、表面の浸炭層に析出させた炭化物を微細化するとともに、鋼マトリックスを固溶強化する効果を有することから、0.35%超、好ましくは0.4%以上、より好ましくは0.45%以上含有させる。一方Si量が過剰であると、鋼材の硬度が必要以上に高くなり被削性や冷間鍛造性が劣化するので、0.7%以下、好ましくは0.6%以下となるようにする。
【0020】
Mn:0.2〜1.0%
Mnは脱酸剤として作用し、酸化物系介在物を低減して鋼部品の内部品質を高めるとともに、焼入れ性を向上させて鋼部品の心部硬さや硬化層深さを高め、部品の強度を確保する。このような作用を十分に発揮させるには、Mnを0.2%以上、好ましくは0.3%以上含有させる必要である。一方Mn量が過剰になると、表層部の残留オーステナイト量が増加し部品表面の硬度が低下する。従ってMn量は1.0%以下、好ましくは0.8%以下とする。
【0021】
Mo:0.30〜0.6%
Moも重要な元素のうちの1つであり、炭化物の形成を促進するとともに、マトリックスの焼入れ性を確保し、不完全焼入れ組織の生成を抑制する効果を有する。この様な効果を有効に発揮させるには、0.30%以上、好ましくは0.4%以上含有させるようにする。一方、0.6%を超えて添加すると心部の硬度が必要以上に高くなり、機械加工時における被削性や冷間鍛造性が劣化することとなる。好ましくは0.5%以下である。
【0022】
Al、NbおよびTiよりなる群から選択される少なくとも1種:下記式(1)を満たすように含有させる。
0.005≦([Al]+[Nb]+[Ti])≦0.2 …(1)
{式中、[Al]は鋼部品のAl量(%)、[Nb]は鋼部品のNb量(%)、[Ti]は鋼部品のTi量(%)を示す}
【0023】
Al、NbおよびTiは、窒化物を形成することによって結晶粒を微細化し、鋼部品の靭性を確保する役割を有する。このような作用を有効に発揮させるには、Al、NbおよびTiよりなる群から選択される少なくとも1種を0.005%以上含有させる必要がある。好ましくは、上記元素の少なくとも1種を0.010%以上含有させる。一方、上記元素の含有量が過剰になると、これらの元素の粗大な化合物が生成されて、部品の強度低下や冷間加工性の低下を招くこととなる。従って、Al、NbおよびTiよりなる群から選択される少なくとも1種を0.2%以下に抑える必要があり、好ましくは、上記元素の少なくとも1種を0.1%以下に抑える。
【0024】
N:0.008〜0.05%
Nは、上述したAlやNb、Tiと窒化物を生成することによって結晶粒を微細化し、鋼部品の靭性を確保するのに有効な元素である。この様な効果を有効に発揮させるには、N量を0.008%以上、好ましくは0.010%以上含有させる必要がある。一方、N量が過剰となっても上記効果は飽和するだけであるのでその上限を0.05%とする。好ましくは0.03%以下である。
【0025】
本発明で用いる鋼材には、上記説明したものの他、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避的不純物、更には、本発明の課題達成に悪影響を与えない許容元素(例えばCu、Ni、B、Ca、Bi、Zr、S、Pb、Mg等)が含まれる場合も本発明の技術的範囲に包含される。
【0026】
次に本発明者らは、上記成分組成の鋼材を用いて、浸炭前の加工性および耐ピッチング性の両特性を備える機械構造用鋼部品を得るべく、浸炭・窒化処理方法について検討を行った。まず、従来の高濃度浸炭処理法について試みたが、上記成分組成の鋼材を用いても従来の高濃度浸炭処理法では十分なピッチング強度を確保することができなかった。そこで原因について追究したところ、高濃度浸炭処理では浸炭層内に炭化物を析出させるが、この炭化物が主にFeやCrの炭化物であって、鋼材中のCrが炭化物形成に用いられるため、マトリックス中のCr濃度が低下し、その分Crによる焼入れ性向上効果も低減して、焼入れを行っても均一かつ十分でなく、表面の浸炭層内に不完全焼入れ組織が生じてしまうことがわかった。
【0027】
そこで本発明者らは、Cr等の炭化物析出に伴い低下するマトリックスの焼入れ性を確保すべく様々な角度から製造方法について検討したところ、炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うようにすることが最も有効であることを見出した。即ち、本発明では、浸炭工程にて高温かつカーボンポテンシャルを高めた雰囲気で部品表面の炭素量を増加させた後、炭化物を析出させる工程で、炭化物の析出とともに鋼マトリックスの焼入れ性確保のための窒化を行なうことによって、鋼マトリックスの焼入れ性を高めて不完全焼入れ組織の生成を抑制することができ、優れた耐ピッチング性を確保することができたのである。
【0028】
本発明はこの様に鋼部品を浸炭させた後、炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うところに要旨を有するものであるが、各工程における望ましい処理条件は以下の通りである。
【0029】
<浸炭条件>
(1)加熱温度(浸炭温度)
鋼部品に十分な浸炭を施すには、浸炭温度を900℃以上とするのがよく、これより低温である場合には浸炭に要する時間が長くなり生産性が低下するので好ましくない。より好ましくは920℃以上である。一方、該浸炭温度が高すぎても結晶粒が粗大化し、鋼部品の靭性が劣ることとなるので浸炭温度は980℃以下とするのがよい。より好ましくは950℃以下である。この浸炭温度での保持時間(浸炭時間)は、特に制約されるものではなく所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、コスト面からは1時間以上10時間以下の範囲内で適宜設定するのがよい。
【0030】
(2)加熱雰囲気
加熱雰囲気は、カーボンポテンシャル0.9%以上1.5%以下とするのがよい。この工程におけるカーボンポテンシャルが低過ぎると、機械構造用鋼部品表面の炭素濃度が低くなり、次工程の炭化物析出工程で十分な炭化物を析出させることができず、結果として所望のピッチング強度を確保することが困難となる。より好ましくは1.0%以上である。一方、カーボンポテンシャルの上限に特に制約はないが、高すぎると「スーティング」と呼ばれるすすが鋼部品表面に付着して浸炭が阻害されるので、1.5%以下とするのがよい。より好ましくは1.2%以下である。
【0031】
尚、前記カーボンポテンシャルの測定は、O2センサ法や赤外線分析計によるCO2法、露点測定法、鉄線を用いたカーボンポテンショメータなど一般に用いられる方法によって測定可能であるが、特に、Cpコイルと呼ばれる鉄線を炉内雰囲気に放置し、このCpコイルを用いて赤外線吸収法などによって定量分析する方法が測定精度の面で最も優れている。
【0032】
(3)冷却速度
前記浸炭温度で一定時間保持した後は、冷却速度10℃/分以上で冷却するのがよい。その理由として、次工程である炭化物析出工程で微細な炭化物を析出させるには、前記浸炭温度で一定時間保持した後、浸炭した炭素を析出させず過飽和に固溶した状態で一旦Ar1点以下まで冷却するが、冷却速度が10℃/分未満である場合には、過飽和状態にある炭素が結晶粒界に拡散する時間的余裕があり、析出時に炭化物が網目状に析出してピッチング等の各種強度が低下するからである。より好ましくは15℃/分以上である。冷却速度の上限には特に制約はないが、あまり急速に冷却しても鋼部品に変形や割れが生じやすくなるので、冷却速度は1200℃/分以下とするのがよく、より好ましくは600℃/分以下である。
【0033】
<炭化物析出条件>
前述した様に、前記浸炭工程にて過飽和に炭素を固溶した浸炭層内から微細な炭化物を析出させることによって、機械構造用鋼部品のピッチング強度を向上させることができる。また、この炭化物析出工程の加熱温度保持中に窒素ポテンシャルを高く設定できることから、この炭化物析出工程で焼入れ性確保のための窒化を行うのがよいのである。以下に、炭化物析出および窒化の条件について詳述する。
【0034】
(1)加熱温度
炭化物析出は、800℃以上860℃以下の温度範囲内で行うのがよい。加熱温度が860℃を超えると、炭素量の固溶限界が大きくなり析出する炭化物量が減少するからであり、より好ましくは850℃以下である。一方、加熱温度が800℃未満の場合には、析出する炭化物が微細化しすぎてピッチング強度の向上に対する寄与が小さくなるからであり、より好ましくは830℃以上である。
【0035】
(2)加熱雰囲気
炭化物析出工程では、カーボンポテンシャル0.7%以上1.1%以下の雰囲気で炭化物の析出を行うのがよい。カーボンポテンシャルが0.7%未満の場合には、前記加熱温度保持中に脱炭してしまい、析出する炭化物量が減少するからである。より好ましいカーボンポテンシャルは0.75%以上である。一方、カーボンポテンシャルが1.1%を超える場合には、前記加熱温度保持中に浸炭が進んで炭化物が粗大化し、ピッチング等の各種強度が低下するので好ましくない。より好ましくはカーボンポテンシャルを1.0%以下とする。尚、前記カーボンポテンシャルは前述した方法で測定することができる。
【0036】
この炭化物析出工程における加熱保持時間は、特に制約されるものではなく、所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、部品サイズが大きくなり、該保持時間が30分間以上となる場合には、カーボンポテンシャルを0.7%以上で心部のAcm点対応炭素濃度以下とすることが好ましい。加熱温度保持中の鋼部品の浸炭層は、心部の鋼のAcm点の組成からなるオーステナイトと炭化物との混合組織となっているが、カーボンポテンシャルがAcm点対応炭素濃度を超える雰囲気では、前記組織におけるオーステナイトに対し強い浸炭雰囲気となり、炭化物が粗大化して鋼部品の機械的強度が低下するからである。この様な傾向は、部品が大型化して前記加熱保持時間が長時間になるほど顕著になることがわかった。カーボンポテンシャルは、心部のAcm点対応炭素濃度よりも0.1%以上低い炭素濃度以下とするのがより好ましい。一方、カーボンポテンシャルが0.7%未満の場合には、表面からの脱炭が生じて析出する炭化物量が減少するので好ましくない。より好ましくは0.75%以上とする。
【0037】
上述の通り、この炭化物析出工程の加熱温度保持中に窒素ポテンシャルを高く設定できることから、この炭化物析出工程で窒化処理を行うのがよい。窒化は、窒素ポテンシャルが0.05%以上の雰囲気で行えば、表面の窒素量を確保することができ、焼入れ時に十分な焼入れが行えて不完全焼入れ組織の生成を抑制することができる。窒素ポテンシャルは好ましくは0.08%以上である。また、窒素ポテンシャルが0.20%を超えても不完全焼入れ組織が増加するので好ましくない。その理由は明らかではないが、窒素量が高すぎるとCr窒化物が析出して鋼マトリックスの焼入れ性が低下するためと推測される。好ましくは0.15%以下である。窒素ポテンシャルの測定方法は、Cpコイルと呼ばれる鉄線を炉内雰囲気中に放置し、このCpコイルを赤外線吸収法などによって定量分析する方法が適用可能である。
【0038】
窒化の具体的方法としては、前記加熱温度で一定時間保持しながらアンモニアを流入する等の一般的な方法を適用することが可能である。本発明では、炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うことを必須とするが、その時期まで規定するものではなく、炭化物析出工程の全工程で窒化処理を行うことの他、該炭化物析出処理工程のうち、一部で炭化物析出と同時に窒化処理を行う場合や、二部以上に分けて窒化処理を行う場合も含むものとする。
【0039】
従って、本発明の製造方法における浸炭・炭化物析出工程としては、例えば図1〜図3に示す様な加熱温度の設定や窒化処理時期とすることが実施形態として挙げられる。
【0040】
本発明でより微細な炭化物を析出させて耐ピッチング性を更に高めるにあたっては、次の様な方法で炭化物析出・窒化を行うことが特に好ましい。即ち、炭化物析出工程を、
▲1▼810℃以上860℃以下の温度にてカーボンポテンシャル0.7%以上1.1%以下の雰囲気で加熱し、10℃/分以上の冷却速度で該加熱保持温度よりも10℃以上かつ800℃を下回らない温度まで降温させた(以下「炭化物析出段階▲1▼」という)後、
▲2▼該温度にてカーボンポテンシャル0.7%以上1.1%以下の雰囲気で一定時間保持する(以下「炭化物析出段階▲2▼」という)
ことによって、より微細な炭化物を、より均一に分散させることができ、優れた特性を有する機械構造用鋼部品を確実に得ることができるのである。
【0041】
そしてこの様な工程で炭化物の析出を行う場合には、前記炭化物析出段階▲2▼にて、窒素ポテンシャル0.05%以上0.15%以下の雰囲気で炭化物析出と同時に窒化を行えば、加熱温度保持中に窒素ポテンシャルを高く設定でき、良好に窒化処理を行えるので望ましい。
【0042】
以下、上記工程の処理条件について詳述する。
【0043】
<炭化物析出段階▲1▼の条件>
(1)加熱温度
炭化物析出段階▲1▼における加熱温度は、810℃以上860℃以下とするのがよい。860℃を超える場合には炭素量の固溶限界が大きくなり析出する炭化物量が減少するからであり、より好ましくは850℃以下である。一方810℃未満の場合には、析出する炭化物が微細になりすぎてピッチング強度向上に対する寄与が小さくなるからであり、より好ましくは830℃以上である。
【0044】
(2)加熱雰囲気
炭化物析出段階▲1▼における加熱雰囲気は、カーボンポテンシャルを0.7%以上1.1%以下とするのがよい。カーボンポテンシャルが0.7%未満の場合には加熱温度保持中に脱炭してしまい、析出する炭化物量が少なくなるからである。より好ましくはカーボンポテンシャルを0.75%以上とする。一方、カーボンポテンシャルが1.1%を超える場合には、加熱温度保持中に浸炭が進んで炭化物が粗大化し、ピッチング等の各種強度が低下するので好ましくない。より好ましくは1.0%以下である。尚、前記カーボンポテンシャルは前述した方法で測定することができる。
【0045】
この炭化物析出段階▲1▼における加熱保持時間は、特に制約されるものではなく、所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、部品サイズが大きくなり、該保持時間が30分間以上となる場合には、カーボンポテンシャルを0.7%以上で心部のAcm点対応炭素濃度以下とすることが好ましい。加熱温度保持中の鋼部品の浸炭層は、心部の鋼のAcm点の組成からなるオーステナイトと炭化物との混合組織となっているが、カーボンポテンシャルがAcm点対応炭素濃度を超える雰囲気では、前記組織におけるオーステナイトに対し強い浸炭雰囲気となり、炭化物が粗大化して鋼部品の機械的強度が低下するからである。この様な傾向は、部品が大型化して前記加熱保持時間が長時間になるほど顕著になることがわかった。カーボンポテンシャルは、心部のAcm点対応炭素濃度よりも0.1%以上低い炭素濃度以下とするのがより好ましい。一方、カーボンポテンシャルが0.7%未満の場合には、表面からの脱炭が生じて析出する炭化物量が減少するので好ましくない。より好ましくは0.75%以上とする。
【0046】
(3)冷却速度
前記加熱温度保持後の冷却速度は10℃/分以上とするのがよい。該冷却速度が10℃/分未満の場合には、一旦マトリックスに固溶した炭素が拡散できる時間的余裕を有することとなり、結晶粒界に析出した炭化物が粗大化するので、ピッチング強度がばらつく原因となる。前記冷却速度は20℃/分以上とするのが好ましい。前記冷却速度の上限は特に制限されないが、あまり急速に冷却しても鋼部品に変形や割れが生じやすくなるので、冷却速度は200℃/分以下であることが好ましい。
【0047】
<炭化物析出段階▲2▼の条件>
(1)加熱温度
炭化物析出段階▲1▼における前記冷却速度での冷却は、常温まで行なわず、800℃以上であって前期炭化物析出段階▲1▼における加熱温度よりも10℃以下の温度範囲までとし、該温度にて一定時間保持するのがよい。
【0048】
加熱温度が800℃未満の場合には、析出する炭化物が微細化しすぎてピッチング強度の向上にあまり寄与しないからである。より好ましくは830℃以上とする。一方、該温度が、前記炭化物析出段階▲1▼における加熱温度よりも10℃未満と高い場合には、冷却中に析出する炭化物量が少なく、ピッチング強度向上の効果が得られないからである。より好ましくは前記炭化物析出段階▲1▼における加熱温度よりも20℃以下(但し800℃以上)とする。
【0049】
(2)加熱雰囲気
前記炭化物析出段階▲2▼にて炭化物析出と同時に窒化を行うのが、加熱温度保持中に窒素ポテンシャルを高く設定できるので好ましい。窒化処理における窒素ポテンシャルは前述した範囲内、即ち、好ましくは0.05%以上、より好ましくは0.08%以上であって、好ましくは0.20%以下、より好ましくは0.15%以下とするのがよい。またカーボンポテンシャルは、前記炭化物析出段階▲1▼と同様にカーボンポテンシャルが0.7%以上1.1%以下の雰囲気下とするのがよい。カーボンポテンシャルが0.7%未満の場合には加熱温度保持中に脱炭し、析出する炭化物量が少なくなるからである。好ましくは0.75%以上である。一方、カーボンポテンシャルが1.1%を超える場合には、加熱温度保持中に表層が過剰に浸炭されて、炭化物が粗大化し、ピッチング等の各種強度が低下するからである。好ましくは1.0%以下である。
【0050】
尚、この場合の窒化処理も、炭化物析出段階▲2▼の少なくとも一部で炭化物の析出と同時に窒化を行なえばよく、例えば図4および図5に概略的に例示するような熱処理パターンで窒化を行うことができる。
【0051】
この炭化物析出段階▲2▼における加熱保持時間は、特に制約されるものではなく、所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、部品サイズが大きくなり、該保持時間が30分間以上となる場合には、カーボンポテンシャルを0.7%以上で心部のAcm点対応炭素濃度以下とすることが好ましい。加熱温度保持中の鋼部品の浸炭層は、心部の鋼のAcm点の組成からなるオーステナイトと炭化物との混合組織となっているが、カーボンポテンシャルがAcm点対応炭素濃度を超える雰囲気では、前記組織におけるオーステナイトに対し強い浸炭雰囲気となり、炭化物が粗大化して鋼部品の機械的強度が低下するからである。この様な傾向は、部品が大型化して前記加熱保持時間が長時間になるほど顕著になることがわかった。カーボンポテンシャルは、心部のAcm点対応炭素濃度よりも0.1%以上低い炭素濃度以下とするのがより好ましい。一方、カーボンポテンシャルが0.7%未満の場合には、表面からの脱炭が生じて析出する炭化物量が減少するので好ましくない。より好ましくは0.75%以上とする。
【0052】
前期炭化物析出工程における加熱温度保持後の冷却の際には、部品の強度を確保すべく焼入れを行うのがよく、該焼入れの方法としては、ソルト焼入れや油冷など一般的な焼入れ方法を適用することが可能である。
【0053】
尚、本発明は、鋼部品を浸炭処理した後に炭化物を析出させる工程を含み、前記炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うことを要旨とするものであって、その他の処理工程と組み合わせて行うことを排除するものではなく、例えば、本発明で規定する処理の前に焼ならしや焼鈍を行ったり、本発明で規定する処理の後に焼戻しを行う等の組み合わせが考えられる。また本発明は、製造に関するその他の条件を規定するものではなく、鋼材の製造に関する製鋼、圧延や機械構造用部品の製造に関する切削、鍛造等については一般的に用いられている方法を適用することができる。本発明の機械構造用部品として、例えば自動車のトランスミッション等に用いる歯車や歯車部分を有する軸状部品を製造するにあたっては、本発明で規定する成分組成の鋼材を、熱間鍛造や冷間鍛造等の鍛造方法で最終部品に近い形状まで成形した後、ホブ、ラック等を用いた歯切り工程で前記歯車や歯車部分の歯形を成型し、次に、本発明に係る方法で表面硬化処理を行い、その後必要に応じて、ショットピーニング等の強化処理や、歯形表面の研磨等の機械加工を行う仕上加工処理、表面に二硫化モリブデン等の潤滑皮膜を塗布する潤滑皮膜処理を行う方法が挙げられる。
【0054】
また本発明は、この様にして得られた機械構造用部品も規定するものである。即ち前記化学成分組成の鋼材を用い前記方法で製造して、鋼部品の表層から25μm位置における炭化物面積率を5%以上となるよう炭化物を析出させ、かつ、鋼材成分のうち特に焼入れ性に寄与する元素である心部のMnおよびMo、並びに焼入れ性を確保すべく窒化により添加した鋼部品の表層から50μm位置の窒素量が、部品サイズを代表する値である機械構造用鋼部品の等価直径との関係として下記式(2)および式(3)を満たすようにすれば、鋼部品の浸炭層に不完全焼入れ組織を生成させることなく十分なピッチング強度を確保できるのである。
6000/(−20×D+1.68×JR+186.78)>40 …(2)
[N]≦0.25 …(3)
但し、JR=exp[(D0+77.7)/46.8]
D=0.5×aMn×aMo×aN
aMn=0.7×[Mn]2+2.3×[Mn]+1.3
aMo=0.5×[Mo]2+2.6×[Mo]+1.0
aN=10.2×[N]+1.0
{式中、D0は部品の等価直径(mm)、[Mn]は心部のMn量(%)、
[Mo]は心部のMo量(%)、[N]は鋼部品の表層から50μm位置のN量(%)を示す}
【0055】
本発明では、鋼部品の表層から25μm位置における炭化物面積率が5%以上となるように炭化物を析出させる必要があるが、その理由は、該炭化物面積率が5%未満の場合には、表面の硬化が十分でなく高いピッチング強度が得られないからである。好ましくは前記炭化物面積率が7%以上となるようにする。更に、上述の通り上記式(2)および(3)を満たす必要がある。上記式(2)を満足しない場合には、部品の焼入れ性が不足し、表層に不完全焼入れ組織が生成してしまうので好ましくないのである。上記式(2)の左辺の値は50以上であることが好ましい。
【0056】
また上記式(3)を満足しない場合にも不完全焼入れ組織を生成するが、その原因は、N量が過剰となり表層にCr窒化物が析出して鋼マトリックスの焼入れ性が低下するためであると推測される。鋼部品の表層から50μm位置のN量は好ましくは0.20%以下である。
【0057】
上記式(2)における機械構造用鋼部品の等価直径D0は、一般に用いられる方法で測定することができる。また鋼部品の表層から50μm位置の窒素量は、その測定方法として、機械構造用鋼部品と同鋼種からなる丸棒等の試料を機械構造用鋼部品と同バッチで高濃度浸炭処理し、該試料の表層部位から切屑を採取して赤外線吸収法で測定する方法や、鋼部品表面に垂直な断面における部品表層から50μm位置の窒素量をEPMA(electron probe X−ray microanalyzer)で分析する方法を用いることができる。
【0058】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【0059】
実施例1
表1に示す各成分組成の鋼材を小型炉にて溶製し、熱間鍛造後に溶体化処理および焼きならし処理を行った後、機械加工によってローラピッチング試験片の形状に加工した。前記焼きならし処理は930℃×60分保持後に空冷して行い、焼きならし処理後であって機械加工前の鋼材硬さを、ビッカース硬度測定にて評価した。尚、このときの試験荷重は98Nとした。図6に前記ローラピッチング試験に用いた試験片の形状を示す。
【0060】
この様にして得た試験片を用い、図7に示す熱処理パターンで高濃度浸炭・窒化処理を行った。具体的には、
浸炭工程→炭化物析出工程(炭化物析出段階▲2▼のみ)→焼戻し工程、または
浸炭工程→炭化物析出工程(炭化物析出段階▲1▼→▲2▼)→焼戻し工程の順に高濃度浸炭・窒化処理を行った。尚、炭化物析出段階▲2▼ではNH3ガスを流入して炭化物析出と同時に窒化処理を行っている。
【0061】
表2および表3に、浸炭工程における加熱温度(浸炭温度)、カーボンポテンシャルおよび冷却速度、炭化物析出段階▲1▼における加熱温度、該温度での保持時間、カーボンポテンシャルおよび冷却速度、炭化物析出段階▲2▼における加熱温度、該温度での保持時間、カーボンポテンシャル、窒素ポテンシャル、およびこれらの処理に用いた鋼材No.を示す。
【0062】
前記高濃度浸炭・窒化処理後の試験片にショットピーニング処理を施し、さらに表面に約50μmの仕上げ研磨を施してローラピッチング試験片を完成させた。この様にして得られた試験片を用い、下記条件にてローラピッチング試験を行った。ピッチングが発生するまでの寿命をもってピッチング寿命とし、このピッチング寿命のn=3の平均値とワイブル分布に従うとして求めた10%破損寿命にて耐ピッチング性の評価を行った。結果を表2および表3に併記する。
[ローラピッチング試験条件]
面圧:3.7GPa
回転数:1500rpm
すべり率:−40%
すべり速度:0.8m/s
油種:ギアオイル
油温:90℃
相手ローラ:JIS G4104 クロム鋼SCr420の浸炭材
【0063】
【表1】
【0064】
【表2】
【0065】
【表3】
【0066】
得られた結果について以下の様に考察できる。尚、下記No.は表2および表3における実験No.を示す。
【0067】
本発明に係る鋼材を用い、かつ本発明で規定する条件で高濃度浸炭・窒化処理を行った場合には、焼きならし後の硬さが低く機械加工が良好に行えることに加え、得られた鋼部品の表層には微細な炭化物が均一かつ十分に分散しているので、耐ピッチング性に優れていることがわかる。特にNo.4,6,7,9および10は、炭化物析出工程を2段階とし、加熱・冷却した後に一定の温度に保持して炭化物をより均一に分散させていることから、安定したピッチング強度を有する機械構造用鋼部品が得られていることがわかる。その中でも特に、No.9の様に加熱・冷却した後に一定の温度に保持する際のカーボンポテンシャルをAcm対応炭素濃度以下とすることによって、ピッチング寿命の優れた鋼部品がより確実に得られることが分かる。
【0068】
これに対し、No.20,22,24および26は、それぞれSi、Mn、Cr、Moが本発明で規定する範囲を超えていることから、焼きならし処理後の硬さが必要以上に高くなり、部品形状に機械加工することが困難であったり、または加工に際しコストが非常に高くなるといった問題がある。No.19は、Si量が本発明の規定範囲を下回っているため、浸炭層の炭化物量が少なく、結果としてピッチング強度が低くなっている。またNo.23は、Cr量が本発明の規定範囲を下回っているため、浸炭層の炭化物量が少なく、結果としてピッチング強度が低くなっている。No.21および25は、それぞれMn、Mo量が少ないので表層に不完全焼入れ組織が生成し、ピッチング強度が低くなっている。
【0069】
またNo.27からは、析出炭化物量を確保するには浸炭工程のカーボンポテンシャルを本発明の好ましい範囲とするのがよく、No.28からは、浸炭後の冷却速度を好ましい範囲とすれば粗大な炭化物を析出させないようにすることができ、またNo.29からは、炭化物析出量を確保するには炭化物析出工程における加熱温度を好ましい上限以下とするのがよく、No.30からは、炭化物を適度なサイズで析出させてピッチング強度の向上を図るには、炭化物析出工程における加熱温度を好ましい下限以上とするのがよいことがわかる。
【0070】
No.31およびNo.32からは、10%破損寿命が短くなるのを抑制するには炭化物析出工程におけるカーボンポテンシャルを好ましい上限以下にして析出した炭化物の粗大化を抑制するのがよく、所望のピッチング強度を得るには、カーボンポテンシャルを好ましい下限以上にして炭化物析出量を確保するのがよいことがわかる。
【0071】
またNo.33およびNo.34からは、炭化物周辺に不完全焼入れ組織を生成して10%破損寿命が低くなったり、ピッチング強度が低下するのを防ぐには、窒化処理における窒素ポテンシャルを本発明で好ましいとする範囲にするのがよいことがわかる。
【0072】
実施例2
表4に示す成分組成の鋼材を小型炉にて溶製し、熱間鍛造後に溶体化処理および焼きならし処理を行った後、機械加工によって表4に示す等価直径の丸棒を得た。前記焼きならし処理は920℃×60分保持後に空冷して行い、その後、図7に示すヒートパターン{浸炭工程→炭化物析出工程(炭化物析出段階▲2▼のみ)→焼戻し工程}で前記丸棒試料に高濃度浸炭・窒化処理を施した。処理条件は、浸炭工程にて加熱温度(浸炭温度)920℃、カーボンポテンシャル1.24%の雰囲気で120分間保持後、20℃/minの冷却速度で500℃まで冷却した。次に、炭化物析出工程として加熱温度840℃、カーボンポテンシャル0.85%、窒素ポテンシャルを種々の濃度とした雰囲気下で60分間保持して炭化物析出・窒化を行った後、油焼入れし、最後に加熱温度180℃、加熱保持時間150分間の条件で焼戻しを行った。
【0073】
得られた試験片の表層から50μm位置の切り屑を採取し、赤外線吸収法で鋼部品の表層から50μm位置のN量を測定するとともに、該試験片の切断面について蛍光X線分析を行い心部のMn量、心部のMo量を求めた。さらに表層の不完全焼入れ組織の有無は、SEMを用い、表層を倍率1600倍および8000倍で観察して調査した。また8000倍のSEM観察結果から、表層の炭化物面積率を測定したところ、すべての試料において5%以上であった。鋼部品の表層から50μm位置のN量、式(2)の左辺の値、および表層の不完全焼入れ組織の有無を調べた結果を表4に併記する。
【0074】
【表4】
【0075】
表4より、No.35〜40は、本発明で規定する式(2)および式(3)、並びに表層の炭化物面積率を満足するものであり、表層に不完全焼入れ組織が見られないことから高い機械的強度が期待できる。
【0076】
これに対し、No.41はNo.40と鋼材成分、表層から50μm位置のN量および等価直径がほぼ同一の部品であるが、式(2)を満たさないことから表層に不完全焼入れ組織が形成する結果となった。またNo.42はNo.36と鋼材成分、表層から50μm位置のN量および等価直径がほぼ同一の部品であるが、式(2)を満たさないことから表層に不完全焼入れ組織が形成する結果となった。
【0077】
No.43は、No.39と鋼材成分および表層から50μm位置のN量がほぼ同じであるが、部品の等価直径がNo.39よりも大きく式(2)を満足しないことから、表層に不完全焼入れ組織が形成してしまう結果となった。またNo.44は、No.37と鋼材成分および等価直径がほぼ同じであるが、式(2)を満足しないことから表層に不完全焼入れ組織が形成する結果となった。またNo.45および46は、No.37と鋼材成分および等価直径がほぼ同じであるが、部品表層から50μm位置のN量が式(3)を満たさないので表層に不完全焼入れ組織が形成する結果となった。
【0078】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、高濃度浸炭・炭化物析出プロセスにおける窒化によって、鋼マトリックスの焼入れ性を高めて不完全焼入れ組織の生成を抑制することができ、優れた耐ピッチング性を確保することができた。また、焼入れ性確保のための合金元素を多量に添加する必要がないことから、高濃度浸炭前の部品成形時における加工性も確保できることとなった。そしてこの様な製造方法および機械構造用部品の実現によって、動力伝達用歯車等の様な負荷応力の高い鋼部品を提供できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で規定の製造方法にかかる熱処理パターンを概略的に例示したものである。
【図2】本発明で規定の製造方法にかかる他の熱処理パターンを概略的に例示したものである。
【図3】本発明で規定の製造方法にかかる他の熱処理パターンを概略的に例示したものである。
【図4】本発明で規定の製造方法にかかる他の熱処理パターンを概略的に例示したものである。
【図5】本発明で規定の製造方法にかかる他の熱処理パターンを概略的に例示したものである。
【図6】実施例1にて用いたローラピッチング試験片の形状を模式的に表した側面図である。
【図7】実施例1および実施例2にて行った高濃度浸炭・炭化物析出・窒化処理パターンを示す。
Claims (2)
- C:0.15〜0.25%(化学成分の場合は質量%の意味、以下同じ)、
Si:0.35超〜0.7%、
Mn:0.2〜1.0%、
Cr:1.0〜1.5%、
Mo:0.30〜0.6%、
N:0.008〜0.05%の他、
Al、NbおよびTiよりなる群から選択される少なくとも1種が下記式(1)を満たすように含まれている鋼部品を、浸炭処理した後に炭化物を析出させる工程を含み、該炭化物析出工程の少なくとも一部で同時に窒化処理を行うことを特徴とする機械構造用鋼部品の製造方法。
0.005≦([Al]+[Nb]+[Ti])≦0.2 …(1)
{式中、[Al]は鋼部品のAl量(%)、[Nb]は鋼部品のNb量(%)、[Ti]は鋼部品のTi量(%)を示す} - 心部において、
C:0.15〜0.25%、
Si:0.35超〜0.7%、
Mn:0.2〜1.0%、
Cr:1.0〜1.5%、
Mo:0.30〜0.6%、
N:0.008〜0.05%の他、
Al、NbおよびTiよりなる群から選択される少なくとも1種が下記式(1)を満たすように含まれていると共に、鋼部品の表層から25μm位置の炭化物面積率が5%以上で、かつ部品の等価直径、心部のMo量およびMn量、並びに鋼部品の表層から50μm位置のN量が下記式(2)および(3)を満たすことを特徴とする機械構造用鋼部品。
0.005≦([Al]+[Nb]+[Ti])≦0.2 …(1)
{式中、[Al]は鋼部品のAl量(%)、[Nb]は鋼部品のNb量(%)、[Ti]は鋼部品のTi量(%)を示す}
6000/(−20×D+1.68×JR+186.78)>40 …(2)
[N]≦0.25 …(3)
但し、JR=exp[(D0+77.7)/46.8]
D=0.5×aMn×aMo×aN
aMn=0.7×[Mn]2+2.3×[Mn]+1.3
aMo=0.5×[Mo]2+2.6×[Mo]+1.0
aN=10.2×[N]+1.0
{式中、D0は部品の等価直径(mm)、[Mn]は心部のMn量(%)、
[Mo]は心部のMo量(%)、[N]は鋼部品の表層から50μm位置のN量(%)を示す}
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JP2007262506A (ja) * | 2006-03-29 | 2007-10-11 | Komatsu Ltd | 機械部品の製造方法 |
JP2014185389A (ja) * | 2013-03-25 | 2014-10-02 | Kobe Steel Ltd | 面疲労強度と冷間鍛造性に優れた肌焼用鋼材および歯車 |
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-
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