JP2006063378A

JP2006063378A - 冷間鍛造−軟窒化による機械部品の製造方法

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Publication number: JP2006063378A
Application number: JP2004246236A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Cho; 浩之長; Mamoru Yamada; 守山田; Koichiro Inoue; 幸一郎井上
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2024-08-26
Also published as: JP4507763B2

Abstract

【課題】
歯車用鋼から冷間鍛造−ガス軟窒化の工程により歯車を製造するにあたり、冷間鍛造に先立つ熱処理の条件を適切に選択して、冷間鍛造時には加工に好都合であるが、最終製品の強度を確保する上で必要な程度の硬さ領域にあるようにし、軟窒化工程においてはＶの析出がもたらす再結晶温度上昇効果が適切に得られる量のＶを固溶させることができる熱処理方法を提供する。
【解決手段】
重量％で、Ｃ：０．１８〜０．２２％、Ｓｉ：０．０５〜０．１５％、Ｍｎ：０．５５〜０．９０％、Ｓ：０．０１〜０．０２％、Ｃｒ：０．９０〜１．１０％、ｓ−Ａｌ：０．１０〜０．１５％およびＶ：０．１８〜０．２３％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．３％以下およびＮｉ：０．２５％であって、残部が実質的にＦｅからなる合金組成を有する冷鍛軟窒化歯車用鋼を材料とし、下記の条件の熱処理を行なう。１）一次均熱：９００±１５℃に約１時間加熱、２）中間冷却：２〜１０℃／秒の速度で冷却、３）二次均熱：６８０±３０℃に１〜４時間加熱
【選択図】図１

Description

本発明は、冷間鍛造−軟窒化による機械部品、とくに歯車の製造方法に関する。本発明により、冷間鍛造性とガス軟窒化性とが両立した素材が提供され、高性能な歯車を安定的に製造することができる。

種々の歯車やバルブロッカーアームのような機械構造部品を製造する材料として、軟窒化鋼が使用されている。これらの部品は耐摩耗性を要求されるから、表面を硬化処理する必要があるが、その手段として、浸炭でなく軟窒化を採用すれば、材料の変態点よりも低い温度で表面処理ができるから、処理に伴う寸法の変化が小さいという利点がある。この目的に使用されてきた従来の代表的な鋼種は、「ＳＡＣ７２」や「ＳＡＣ７３」であって、下記の合金組成を有する。（重量％、残部Ｆｅ）
ＣＳｉＭｎＣｒＡｌ
ＳＡＣ７２ 0.15 − 0.7 1.0 適量
ＳＡＣ７３ 0.20 適量 0.9 1.0 適量

出願人は、部品の成形に冷間鍛造を採用する場合に好適な材料を求めて共同出願人と共に研究し、窒化鋼に適量のＶを添加したものを開発し、それを使用した窒化処理部品の製造方法を確立して、すでに開示した（特許文献１）。このＶ添加窒化鋼は、窒化処理に先立ち、いったん固溶させたＶを適量析出させることにより、表面硬化層が硬く、有効硬化層深さが深く、かつ、芯部の強度は確保した窒化処理部品を与える。この鋼は、つぎの合金組成を有する。
Ｃ：０．１０〜０．４０％、Ｓｉ：０．０．１０〜０．７０％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｃｒ：０．５０〜２．５０％、Ｖ：０．０５〜０．６０％、残部が実質的にＦｅ。
特開平７−１０２３４３

この材料を使用した機械部品の製造は、冷間鍛造による部品の成形と、それに続くガス軟窒化の手順に従う。冷間鍛造により、加工された部分が加工硬化を起こして硬くなり（一般にＨＶ２００程度になる）、ガス軟窒化により、表面が硬化する（ＨＶ７００程度になる）。ガス軟窒化は、５００〜６５０℃の範囲の再結晶温度近辺で実施するので、普通の窒化鋼では再結晶・回復が起こり、冷間鍛造した部分が軟化することがあるが、Ｖを添加した鋼は、固溶したＶが再結晶温度付近で微細に析出し、二次硬化するため再結晶が起こりにくくなるという機構により、再結晶温度が、従来の窒化鋼に比べて高くなるという効果を生じる。このような再結晶温度上昇効果により、冷間鍛造部分は加工硬化した硬さのままであり、したがって強度が高いという利点がある。

上記したＶの微細析出を実現するには、前提条件として、適切な量のＶをマトリクス中に固溶させる必要があり、それには、９００℃以上という高い温度で加熱しなければならない。発明者らが、上記のＶ添加窒化鋼においてＶ含有量０．２％とした場合について、加熱温度とＶの固溶量との関係を確認したデータによると、通常の球状化焼鈍の温度８００℃ではＶはほとんど固溶せず、９００℃において添加したＶの０．１５％程度が固溶し、この程度の固溶量が、適切なＶ析出にとって好都合である。

一方、冷間鍛造時の素材は、いうまでもないが、なるべく軟らかであること（通常、ＨＶ１７０以下）が求められる。ただし、あまり軟らかであると、冷間鍛造により加工硬化を生じさせてもなお、最終製品の硬さが低く、したがって強度が不足しがちになるから、ある程度の硬さ（たとえばＨＶ１４０以上）をもっている必要がある。このような、冷間鍛造に適し、かつ、冷間鍛造による加工硬化を考慮に入れたとき、製品に必要な強度が与えられるという観点から好適な硬さ（ＨＶ１４０〜１７０）を有する素材を対象にして９００℃以上の温度で一般的な熱処理、すなわち焼準、焼鈍、恒温焼鈍などを行なった場合、すでにＶの析出が始まって硬化が起こり、所望の軟らかさを得ることが、しばしば困難になる、という悩みがあった。

本発明の目的は、冷間鍛造用のＶ添加窒化鋼における上記の問題を打破して、冷間鍛造に先立つ熱処理において、後の軟窒化工程においてＶの析出がもたらす再結晶温度上昇効果を十分に得るに適した量のＶを固溶させ、しかも、冷間鍛造時には加工に便宜であり、製品に必要な強度を与えるような適切な軟らかさが得られるような熱処理を行なって、歯車を代表とする機械部品の製造において、高性能な製品を安定して製造することができる方法を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の製造方法は、冷間鍛造−軟窒化による機械部品の製造方法であって、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０％、Ｓｉ：０．２％以下、Ｍｎ：０．４〜１．５％、Ｃｒ：０．６〜１．５％、ｓ−Ａｌ：０．０５〜０．２０％およびＶ：０．０５〜０．３０％を含有し、残部が実質的にＦｅからなる合金組成を有する窒化鋼を、これを下記の条件で熱処理したのち
１）一次均熱：９００±１５℃に加熱
２）中間冷却：１０℃／秒以下の速度で冷却
３）二次均熱：６８０±３０℃に加熱
冷間鍛造により部品形状を与え、５００〜６５０℃におけるガス軟窒化により表面を硬化させることからなる。

本発明に従う窒化鋼の熱処理条件は、冷間鍛造性とガス軟窒化性とが両立した鍛造素材を与える。すなわち、のちの析出に適切な量のＶを固溶させ、その析出は防いだ状態で、すなわち硬さの上昇を抑え、かつ、最終製品に要求される強度は確保できる硬さ（たとえばＨＶ１４０〜１７０）をもった状態で冷間鍛造を行なうことができるから、鍛造加工性が確保され、その加工部分の加工硬化による強度の向上という利益を十分に得ることができる。適量を固溶させたＶは、ガス軟窒化の工程で加熱されて析出し、二次硬化により再結晶温度を高めるから、再結晶による回復が生じて所期の内部硬さの獲得が妨げられる心配はない。冷間鍛造の対象が適度に軟らかいことは、鍛造を容易にするだけでなく、鍛造型の寿命を長くするという利益も与える。このようにして、本発明の製造方法によって歯車などの機械部品を製造すれば、高性能の機械部品を、高い効率と低減されたコストで安定して提供することができる。

材料とする窒化鋼は、上記した合金組成を有するものであるが、その範囲内において、より好適な代表的合金組成を示せば、重量％で、Ｃ：０．１８〜０．２２％、Ｓｉ：０．１５％以下、とりわけ０．０５〜０．１５％、Ｍｎ：０．５５〜０．９０％、Ｃｒ：０．９０〜１．１０％、ｓ−Ａｌ：０．１０〜０．１５％およびＶ：０．１８〜０．２３％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．３％以下およびＮｉ：０．２５％であって、残部が実質的にＦｅからなる合金組成である。

この窒化鋼は、機械加工を容易にすることが望まれる場合は、さらに、Ｓ：０．０１〜０．０２％を含有することができる。

一次均熱の温度を９００±１５℃に選んだのは、必要量のＶを固溶させるために、この温度範囲の加熱が必要だからである。この範囲より低い温度ではＶの固溶が不十分であり、この範囲より高い温度では、過大な量のＶが固溶し、それが冷間鍛造以前に多量に析出してしまい、本発明で意図したところが実現しない。二次均熱の温度を６８０±３０℃に選んだのは、鍛造素材の表面および芯部の硬さを適切にするためである。熱処理の時間は、鍛造製品の寸法・形状に応じて、適切な値を選択すべきである。たとえば、後記する実施例では、一次均熱は約１時間、二次均熱は１〜４時間が適切であった。当業者は、必要により若干の実験を行なうことにより、最適な条件を見出すことができるであろう。

中間冷却の速度は、１０℃／秒を超えると、早すぎるＶの析出を招くので、この限界を守らなければならない。ただし、あまり遅いと、素材の表面および芯部が軟らかくなりすぎるおそれがあるし、実施の能率を考慮に入れると、２℃／秒以上の速度の冷却が適正であり、これは通常の炉冷により実現できる。以上の熱処理条件を概念的に示せば、図１のとおりである。

以下に、本発明の実施例および比較例を一括して掲げ、発明成立の過程を説明するとともに、本発明の熱処理条件を選択した理由を示す。

下記の合金組成（重量％、残部Ｆｅ）をもつ冷鍛軟窒化歯車用鋼を使用して、下記の仕様のリング状の歯車用鍛造素材を製造した。
合金組成:
ＣＳｉＭｎＰＳＣｕＮｉＣｒ s-ＡｌＶ
0.20 0.10 0.81 0.012 0.015 0.12 0.11 1.03 0.11 0.20
歯車用鍛造素材:
外径：１４０mm 内径：１０４０mm 厚さ：３０mm

この素材に対して、下記Ｎｏ．１〜６のパターンに従う熱処理を施して、硬さがどの水準になるかを調べた。上段のＮｏ．１〜３は恒温焼鈍であり、後段のＮｏ．４〜６は焼ならし−焼もどしの組み合わせである。処理後の素材の硬さ（ＨＶ）は、それぞれ右端に記載のとおりであった。
Ｎｏ．一次処理二次処理硬さ（ＨＶ）
１）９００℃×１時間 → ６５０℃×１時間２０５
２）９００℃×１時間 → ６５０℃×４時間２０２
３）９００℃×１時間 → ６８０℃×４時間１８９
４）９００℃×１時間→風冷、ついで６５０℃×１時間１９０
５）９３０℃×１時間→風冷、ついで６５０℃×１時間２００
６）９５０℃×１時間→風冷、ついで６５０℃×１時間２４３

上記の熱処理品はいずれも、硬さ範囲がＨＶ１４０〜１７０という目標に合致していなかった。これらの処理ではＶが析出したと考えられ、とくに風冷は適切でなく、一次処理から二次処理に至る温度降下を緩やかにすべきことに気づいた（上記のＮｏ．１〜３における冷却速度は約２０℃／秒）ので、上記の中では比較的好成績なＮｏ．３をベースにした下記Ｎｏ．７〜９の熱処理を試みた。一次処理から二次処理に至る下記Ｎｏ．７〜９の冷却速度は、それぞれ、７℃／秒、９℃／秒および５℃／秒とした。

熱処理品の硬さ（ＨＶ）の範囲、平均値、標準偏差をあわせて記す。
Ｎｏ．一次処理二次処理硬さ（ＨＶ）平均 σ
７）９００℃×１時間→６８０℃×１時間１５０〜１７０１５５２．５
８）９００℃×１時間→６５０℃×２．５時間１５０〜１５７１５２１．７
９）９００℃×１時間→６８０℃×４時間１４８〜１５７１５１１．２

これらの熱処理品は、硬さ範囲ＨＶ１４０〜１７０の条件を満たしていた。硬さのバラツキは二次均熱の時間を長くすることにより小さくできるが、消費エネルギーが増大するので、どの程度にするかは、製品に要求される特性を考慮して決定すべきである。

硬さがＨＶ１４８〜１７０の範囲にある上記Ｎｏ．７〜９の熱処理品を冷間鍛造し、リングの外側にギヤの形状を与えた。これは、自動車のトランスミッション部品を予定したものである。この冷間鍛造がもたらす加工硬化の程度はＨＶで７０程度であり、冷間鍛造後の硬さ範囲はＨＶ２２０〜２４０であった。

冷間鍛造品の芯部が、軟窒化後も十分な強度を有することを確認するため、５００〜６６０℃の範囲内で種々の温度に３時間加熱するガス軟窒化処理を行ない、処理品の硬さを測定した。ガス軟窒化処理の雰囲気および焼入れ条件は、常用のものである。硬さ測定位置は、図２に示した、歯車の歯先から深さ３．０mmのところである。結果は図３に示すとおりであって、ガス軟窒化処理温度が５００〜６５０℃の範囲において、冷間鍛造後の硬さ（ＨＶ２２０〜２４０）が維持され、軟化は起こっていなかった。

同じ鍛造素材に対し、本発明の熱処理によらず、球状化焼鈍（８００℃に均熱後−徐冷）の処理を施してから冷間鍛造した製品に、上記と同じガス軟窒化処理を行ない、硬さを測定した。その結果を、図４に示す。硬さ測定位置は、上記の例と同じ、歯車の歯先から深さ３．０mmのところである。図４が示すとおり、常用の球状化焼鈍処理をして冷間鍛造した製品は、ガス軟窒化処理を施したとき、ガス軟窒化処理温度が５６０℃を超える場合は内部硬さがＨＶ１２０〜１４０の水準に低下してしまい、歯車のような機械部品としては使用できないものになる。

本発明を特徴付ける、冷間鍛造に先立つ熱処理の条件を概念的に示した図。本発明の実施例で製造した冷間鍛造歯車の、歯の部分を示す断面図。本発明の実施例のデータであって、所定の熱処理を施した鍛造歯車をガス軟窒化処理した後の歯元の硬さを、ガス軟窒化処理温度との関係でプロットして得たグラフ。本発明の比較例のデータであって、常用の球状化焼鈍を施した鍛造歯車をガス軟窒化処理した後の歯元の硬さを、ガス軟窒化処理温度との関係でプロットして得たグラフ。

Claims

冷間鍛造−軟窒化により機械部品を製造する方法であって、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０％、Ｓｉ：０．２％以下、Ｍｎ：０．４〜１．５％、Ｃｒ：０．６〜１．５％、ｓ−Ａｌ：０．０５〜０．２０％およびＶ：０．０５〜０．３０％を含有し、残部が実質的にＦｅからなる合金組成を有する窒化鋼を、これを下記の条件で熱処理したのち
１）一次均熱：９００±１５℃に加熱
２）中間冷却：１０℃／秒以下の速度で冷却
３）二次均熱：６８０±３０℃に加熱
冷間鍛造により部品形状を与え、５００〜６５０℃におけるガス軟窒化により表面を硬化させることからなる製造方法。
材料とする窒化鋼が、重量％で、Ｃ：０．１８〜０．２２％、Ｓｉ：０．０５〜０．１５％、Ｍｎ：０．５５〜０．９０％、Ｃｒ：０．９０〜１．１０％、ｓ−Ａｌ：０．１０〜０．１５％およびＶ：０．１８〜０．２３％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．３％以下およびＮｉ：０．２５％であって、残部が実質的にＦｅからなる合金組成を有する冷鍛軟窒化歯車用鋼であり、製造される部品が歯車である請求項１の製造方法。
材料とする窒化鋼が、請求項１または２に規定した合金成分に加えて、重量％で、Ｓ：０．０１〜０．０２％を含有する合金組成を有する請求項１または２の製造方法。