JP2005256143A - 過共析鋼を用いた高面圧用部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 鋼素材からなる耐ピッチング性、耐摩耗性、疲労強度、耐衝撃性に優れた機械構造用部品、特に歯車などの高面圧用部品の製造方法を提供する。
【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．８〜２．０％を含有する過共析鋼からなる高面圧用部品素材の球状化焼なましした状態を前組織とし、焼き入れ温度をＡｃ₁〜Ａｃ_mに制御することにより結晶粒を微細化させ、マトリックスの炭素量を０．６％以下に制御しその後焼戻しを行い、炭化物を残すことからなる高面圧用部品の製造方法。
【選択図】 なし

Description

本発明は高面圧のかかる機械構造用部品、例えば歯車などの高面圧用部品に焼入れ、浸炭、浸炭窒化、高濃度浸炭などを施して歯車などの高面圧用部品に用いられる、耐ピッチング性および耐摩耗性に優れる機械構造用部品の製造方法に関する。

機械構造用部品、例えば歯車などの高面圧を受ける部品は、鋼材を熱間鍛造、冷間鍛造、切削などにより部品形状に成形し、さらに浸炭を施して使用している。このような部材の用途の鋼材には、ＪＩＳ−ＳＣＭ４２０、ＪＩＳ−ＳＣｒ４２０などの低炭素肌焼鋼が主に用いられている。例えば、このような低炭素肌焼鋼からなる高面圧部品の製造方法がすでに知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。

しかし、近年これらの鋼材からなる部品を使用する機械装置の高性能化、小型軽量化に伴い、使用条件が過酷になり、部品にかかる負荷が増大するに伴い、部品の耐ピッチング性、耐摩耗性、耐疲労強度のさらなる向上が求められている。

このような要求に対し有効な手段として、部材に対する高濃度浸炭が挙げられる。高濃度浸炭は浸炭材表層の炭素濃度を従来の０．８質量％程度よりも高い１．０〜１．５質量％とし、浸炭材表面のマルテンサイト組織に炭化物を分散させる表面処理方法である（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、この方法では長時間の熱処理が必要であり、このためコストが高くなる。また炭化物を球状に制御する必要がある。なぜなら網目状の炭化物が析出した場合には、かえって部品の耐ピッチング性や疲労強度が低下してしまうという欠点があるためである。

特許第３０３３３４９号公報 特許第３２１９１６７号公報 「熱処理技術」２６巻２号、昭和６１年４月、"高炭素浸炭の技術"、内野武志外著、ｐ．１５７〜１６２

本発明が解決しようとする課題は、上記の問題を克服した鋼素材からなる耐ピッチング性、耐摩耗性、疲労強度、耐衝撃性に優れた機械構造用部品、特に高面圧用部品の製造方法を提供することである。

上記の課題を達成するため、本発明による高面圧部品の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．８〜２．０％を含有する過共析鋼からなる高面圧用部品素材を、すなわち、質量％で、Ｃ：０．８〜２．０％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｓ：０．０３％未満、Ｃｒ：２．０％以下、残部実質的にＦｅおよび不可避不純物からなる高面圧用部品素材に球状化処理を施した後、焼入れ焼戻しを行いさらに必要に応じてショットピーニングを行うことを特徴とする。

すなわち、上記の課題を解決するための本発明の手段は、質量％で、Ｃ：０．８〜２．０％を含有する過共析鋼からなる高面圧用部品素材を球状化焼なましした状態を前組織とし、焼き入れ温度をＡｃ₁〜Ａｃ_mに制御することにより結晶粒を微細化させ、マトリックスの炭素量を０．６％以下に制御しその後焼戻しを行い、炭化物を残すことを特徴とする高面圧用部品の製造方法である。

さらに、上記の過共析鋼は、質量％で、Ｃ：０．８〜２．０％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｓ：０．０３％未満、Ｃｒ：２．０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする。

さらに上記の過共析鋼は、上記成分に加えて、質量％で、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ｖ：０．０５〜１．５％、Ｎｂ：０．０２〜０．５％、Ｔｉ：０．０２〜０．５％から選択した１種または２種以上を含有することを特徴とする。

さらに、上記において球状化焼なましの前に、上記の過共析鋼の炭素量〜２．５％炭素量の濃度の浸炭または浸炭窒化を行うことを特徴とする。

さらに上記の焼戻しを行った後に、さらにショットピーニング、ハードショットピーニング、微粒子ショットピーニングの１種またはこの中の複数の表面硬化処理を行うことを特徴とする。

以上に記載の通り、本発明は、過共析鋼を用い高面圧用部品素材に球状化焼なましを施し、この状態から焼入れを行い、焼入れ後に球状または擬球状の炭化物を分散析出させることにより、（１）焼入れ焼戻し後の硬さを７７０ＨＶ以上と浸炭に比べ高くすること、および（２）マトリックス同士の接触を防ぎ、凝着を防止することにより、高い耐摩耗性、耐ピッチング性を実現している。

すなわち、低炭素鋼に浸炭を施した材料と比較して、本発明の手段では、焼入れ温度をＡｃ₁〜Ａｃ_mにすることで、セメンタイト粒子のピンニング効果を利用することにより、結晶粒を微細化して耐衝撃性、疲労強度を高めている。

さらに、マトリックス中の炭素を０．６％以下に制御し、炭化物が過剰にマトリックス中に溶け込み、０．６％以上の炭素を固溶した靱性に劣るレンズ状マルテンサイト組織となるのを防止し、耐衝撃性、疲労強度を高めている。さらに必要に応じて浸炭または浸炭窒化を施し、表面の硬さおよび凝着防止効果を向上させ、耐ピッチング性、耐摩耗性を高めている。さらに必要に応じてショットピーニングを施し、表面に圧縮応力を付与し疲労強度を高めている。またさらに必要な炭素をあらかじめ添加することにより、浸炭、高濃度浸炭などにみられる表面炭素濃度のばらつきを解消している。さらに高濃度浸炭にみられるネット状炭化物の発生を球状化状態から焼き入れを行うことで防止している。

本発明における過共析鋼の成分の限定理由を以下に説明する。なお、％は質量％を示すものとする。

Ｃ：０．８〜２．０％
Ｃは、焼入れ硬さを確保し、焼入れ後の炭化物を確保するために必要な元素で、このためには０．８％以上を必要とする。しかし、２．０％を超えると加工性を悪化する。そこでＣは０．８〜２．０％とする。

Ｓｉ：≦２．０％、好ましくは０．５〜１．５％
Ｓｉは、焼戻し軟化抵抗を向上させるために必要な元素であり、好ましくは０．５％以上が含有される。しかし、多過ぎるとその効果は飽和し、加工性を悪化する。そこでＳｉは≦２．０％、好ましくは０．５〜１．５％とする。

Ｍｎ：≦２．０％、好ましくは０．３〜１．５％
Ｍｎは、焼入性を確保するために必要な元素であり、好ましくは０．３％以上が含有される。しかし、多過ぎると加工性を悪化する。そこでＭｎは≦２．０％、好ましくは０．３〜１．５％とする。

Ｓ：＜０．０３％
Ｓは、不純物として含有される元素であり、多く含有されると耐ピッチング性を悪化する。そこでＳは＜０．０３％とする。

Ｃｒ：≦２．０％、好ましくは０．１〜１．５％
Ｃｒは、焼入れ性を確保し、焼戻し軟化抵抗を向上させ、靱性を向上させるために必要な元素で、好ましくは０．１％以上を必要とする。しかし、１．５％を超えると加工性を悪化する。そこでＣｒは≦２．０％、好ましくは０．１〜１．５％とする。

Ｎｉ：０．１〜２．０％
Ｎｉは、靱性を向上させるために必要な元素で、このためには０．１％以上を必要とする。しかし、多過ぎると加工性を悪化し、コストアップとなる。そこでＮｉは０．１〜２．０％とする。

Ｍｏ：０．１〜１．０％
Ｍｏは、靱性を向上させるために必要な元素で、このためには０．１％以上を必要とする。しかし、多過ぎるとコストアップとなる。そこでＭｏは０．１〜１．０％とする。

Ｖ：０．０５〜１．５％
Ｖは、結晶粒を微細化するために必要な元素で、このためには０．０５％以上を必要とする。しかし、多くても効果は飽和する。そこでＶは０．０５〜１．５％とする。

Ｎｂ：０．０２〜０．５％
Ｎｂは、結晶粒を微細化するために必要な元素で、このためには０．０２％以上を必要とする。しかし、多くても効果は飽和する。そこでＮｂは０．０２〜０．５％とする。

Ｔｉ：０．０２〜０．５％
Ｔｉは、結晶粒を微細化するために必要な元素で、このためには０．０２％以上を必要とする。しかし、多くても効果は飽和する。そこでＴｉは０．０２〜０．５％とする。

以上に説明したように、必要な炭素をあらかじめ鋼成分中に含有させることにより、浸炭、高濃度浸炭などに見られる表面炭素濃度のばらつき問題を解決し、従来の高濃度浸炭にみられるネット状炭化物の発生を防止し、長時間の熱処理を施すことなく、耐ピッチング性、耐摩耗性、疲労強度、耐衝撃性などの耐高面圧性に優れた歯車などの部品が得られるという、本発明は優れた効果を奏するものである。

本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例および比較例の試験を通じて説明する。

先ず、本実験に適用した試験片の製造工程について延べる。１００ｋｇ真空溶解炉にて表１に示す化学成分を含む鋼を溶解して得た鋼から、熱間鍛造にてφ３２ｍｍの丸棒に製作した。

１）請求項１、２、３の各発明に対する試験
上記の丸棒を、加工を容易にしかつセメンタイトを球状化するため、最高温度７９０℃、熱処理時間１２時間として球状化熱処理を施し、さらに機械加工によりローラーピッチング試験片、シャルピー衝撃試験片、小野式回転曲げ試験片をそれぞれ製作した。その後、本発明例の試験片は７８０℃〜８８０℃の範囲、例えば８５０℃から６０℃の油にて焼入れし、次いで１８０℃にて焼戻しを行った。

一方、比較例については、上記の熱間鍛造にてφ３２ｍｍの丸棒から、機械加工によりローラーピッチング試験片、シャルピー衝撃試験片、小野式回転曲げ試験片をそれぞれ製作し、浸炭条件：９３０℃−６ｈｒにて浸炭および拡散後、８５０℃より６０℃の油にて焼入れ、１８０℃で焼戻しを行った。

これらの試験片を用いて、先ず、以下の条件にてローラーピッチング試験を行った。また同試験において摩耗量を測定した。摩耗量の測定は、面圧：３４４０ＭＰａ、滑り率：−４０％、油温度：８０℃、回転数５×１０⁶回でのローラーピッチング試験片の摺動部の凹み深さを測定し、摩耗量として評価した。

さらにシャルピー衝撃試験および小野式回転曲げ試験を行った。これらの試験によって得られた結果を表２に示す。

表２において、炭化物の有無は、上記の処理を施した試験片の最表面の断面のミクロ組織を観察して確認した。表面硬さは、試験片の表面より０．０５ｍｍの位置にて測定をした。表面の浸炭濃度は最表面をカントバックにて調査し、比較例の浸炭部品に関しては、別途φ３０ｍｍ×２０ｍｍ長さの試験片を作成して測定を行った。マトリックス中の炭素濃度は最表面をＥＰＭＡにて測定した。

表２に示したとおり、本発明例は、比較例に比して耐摩耗性、耐ピッチング性、疲労強度、耐衝撃性で優れていることが分かる。

２）請求項４の発明に対する試験
イ．浸炭条件：９３０℃−６ｈｒにて浸炭および拡散、
ロ．浸炭窒化条件：９３０℃−６ｈｒにて浸炭および拡散後、８５０℃にて窒化

上記１）で鍛造した丸棒からイ、ロの条件にてそれぞれの処理を行った後、上記の１）と同様に、以下の条件にてローラーピッチング試験を行った。また同試験において摩耗量を測定した。摩耗量の測定は、面圧：３４４０ＭＰａ、滑り率：−４０％、油温度：８０℃、回転数５×１０⁶回でのローラーピッチング試験片の摺動部の凹み深さを測定し、摩耗量として評価した。

さらにシャルピー衝撃試験および小野式回転曲げ試験を行った。試験によって得られた結果を表３に示す。なお、表３において、本発明例５、６、７、８はそれぞれ本発明例１、２、３、４の処理に加えて、その球状化焼きなましの前に浸炭処理あるいは浸炭窒化処理を行ったものである。

上記のように浸炭および浸炭窒化を行うことにより特に耐摩耗性、耐ピッチング性が向上することが分かる。

３）請求項５の発明に対する試験
さらに、焼戻し後に表４に示す条件によるショットピーニング、ハードショットピーニングまたは微粒子ショットピーニングを行い、それらについて、上記の１）と同様に、以下の条件にてローラーピッチング試験を行った。また同試験において摩耗量を測定した。摩耗量の測定は、面圧：３４４０ＭＰａ、滑り率：−４０％、油温度：８０℃、回転数５×１０⁶回でのローラーピッチング試験片の摺動部の凹み深さを測定し、摩耗量として評価した。

さらにシャルピー衝撃試験および小野式回転曲げ試験を行った。試験によって得られた結果を表５に示す。なお、表５において、本発明例９、１０、１１、１２はそれぞれ本発明例１、２、３、４の焼戻し処理の後にショットピーニング、ハードショットピーニングまたは微粒子ショットピーニングをしたものである。

以上の表５に示すように各種のショットピーニングにより特に疲労強度が向上することが判る。

Claims (5)

1. 質量％で、Ｃ：０．８〜２．０％を含有する過共析鋼からなる高面圧用部品素材の球状化焼なましした状態を前組織とし、焼き入れ温度をＡｃ₁〜Ａｃ_mに制御することにより結晶粒を微細化させ、マトリックスの炭素量を０．６％以下に制御しその後焼戻しを行い、炭化物を残すことを特徴とする高面圧用部品の製造方法。
2. 上記の過共析鋼は、質量％で、Ｃ：０．８〜２．０％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｓ：０．０３％未満、Ｃｒ：２．０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１に記載の高面圧用部品の製造方法。
3. 上記の過共析鋼は、上記成分に加えて、質量％で、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ｖ：０．０５〜１．５％、Ｎｂ：０．０２〜０．５％、Ｔｉ：０．０２〜０．５％から選択した１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の高面圧用部品の製造方法。
4. 上記の球状化焼なましの前に、上記の過共析鋼の炭素量〜２．５％炭素量の濃度の浸炭または浸炭窒化を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高面圧用部品の製造方法。
5. 上記の焼戻しを行った後に、さらにショットピーニング、ハードショットピーニング、微粒子ショットピーニングの１種またはこの中の複数の表面硬化処理を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高面圧用部品の製造方法。