JP2007246975A

JP2007246975A - 鉄鋼製の軸の製造方法

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Publication number: JP2007246975A
Application number: JP2006071391A
Authority: JP
Inventors: Naoharu Hamasaka; 直治浜坂
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】軸全体の疲労強度を向上する。
【解決手段】本発明に係る鉄鋼製の軸の製造方法は、例えばクランクシャフトやトランスミッションシャフト及びスプラインシャフトなどに用いられる鉄鋼製の軸１に高周波焼入れ処理を行う工程と、前記高周波焼入れ処理後の前記軸１に２００℃超から３００℃の温度域での焼戻し処理を行う工程と、前記焼戻し処理後の前記軸１に、ショットピーニング処理を行う工程とを具備し、前記高周波焼入れ処理の焼入れ深さは、前記軸１の半径の５０％以下である。
【選択図】図５

Description

本発明は、鉄鋼製の軸の製造方法に関し、特に本発明は、高周波焼入れ処理した軸全体の疲労強度を向上することができる鉄鋼製の軸の製造方法に関する。

鉄鋼製の軸は、例えばクランクシャフトやトランスミッションシャフト及びスプラインシャフトなどに用いられ、大きなねじり負荷などが作用する環境下で使用される。このため、軸は、ねじり疲労強度などで優れていることが要求される。これらの品質を確保するために、従来では、焼入れ処理を行った鉄鋼製の軸に焼戻し処理を行う熱処理が広く実施されている。この焼入れ処理の一例として高周波を用いた高周波焼入れがある。高周波焼入れ処理を行うと、加熱された軸の表面部は硬化するとともに、熱応力や変態応力により、表面部に圧縮残留応力が生成される。これは、表面部のマルテンサイト変態によるものである。

そして、高周波焼入れで生じた組織に、焼戻し処理を行うことにより、金属組織を調整するとともに靱性改善を図り、所要の性質及び状態を与える。また、従来の鉄鋼製の軸の製造方法では、表面部硬さの低下による強度低下を抑制しつつ、靭性を確保するために２００℃以下で焼戻し処理が行われる。（例えば特許文献１及び２参照）
特開２００５−３２５４４３号公報（第５１段落）特開２０００−１５４８１９号公報（第１９段落）

軸の疲労強度は、硬さや残留応力に大きく影響される。従来は、表面部の圧縮残留応力及び表面部の硬さが高いほど、疲労強度が高いとされている。しかし、軸は、表面部の強度とともに内部の強度も重要である。表面部の強度が十分でも内部の強度が不足すると、内部で降伏したり、内部を起点として破損したりする。そして、高周波焼入れをすると加熱された表面部の圧縮残留応力に対応するように内部には引張残留応力が発生する。そのため、表面部の圧縮残留応力が高くなると、それに伴い内部の引張残留応力も高くなる。引張残留応力が高くなると、内部の強度が低下する。特に高周波焼入れ処理では表面部に生成する圧縮残留応力が高く、その圧縮領域も広い範囲に生成されるという特徴がある。そのため、圧縮残留応力に対応する内部の引張残留応力も高く、その引張領域も軸内部の広い範囲に生成される。

また、従来の焼戻し処理は、表面硬さの低下による強度低下を抑制しつつ、靭性を確保するために２００℃以下で行っている。そのため、表面部の強度は高いが、焼入れ処理過程で生じた内部の高い引張残留応力が維持されるため、軸内部の強度が低くなり、軸全体としてはねじり疲労強度は低下している。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたもので、その目的は、高周波焼入れ処理した鉄鋼製の軸の表面強度を保持しつつ、内部の引張残留応力を開放させて、軸全体の疲労強度を向上することができる鉄鋼製の軸の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る鉄鋼製の軸の製造方法は、鉄鋼製の軸に高周波焼入れ処理を行う工程と、
前記高周波焼入れ処理後の前記軸に２００℃超から３００℃の温度域での焼戻し処理を行う工程と、
を具備する。

また、本発明に係る鉄鋼製の軸の製造方法において、前記高周波焼入れ処理の焼入れ深さは、前記軸の半径の５０％以下である。もしくは、前記高周波焼入れ処理及び前記焼戻し処理による有効硬化層深さｔと前記軸の半径ｒとの比ｔ／ｒが０．５以下であることが好ましい。また、本発明に係る鉄鋼製の軸の製造方法において、前記焼戻し処理後の前記軸に、ショットピーニング処理を行う工程をさらに具備することも可能である。

以上説明したように本発明によれば、高周波焼入れ処理した鉄鋼製の軸全体の疲労強度を向上できる鉄鋼製の軸の製造方法を提供することができる。

図１は、本発明を用いて製造した、鉄鋼製の軸の一例である。図１（ａ）は軸の正面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面の断面図を示している。軸１は、例えばクランクシャフトやスプラインシャフトなどに用いられる。高周波焼入れ処理及び焼戻し処理により、軸１の外周全面に有効硬化層１ａが形成される。

本発明に係る第１の実施形態について説明する。まず、鉄鋼製の軸１に対して高周波焼入れ処理を行う。高周波焼入れ処理は、例えば、１４０ｋＷの入力電力により高周波電流の表層電流効果を利用して軸１の表面部２を２２秒間高温に加熱し、この加熱した軸１に冷却水を１００リットル／分の水量で５０秒間供給して軸１を冷却することにより焼入れ処理を行う。これにより、軸１の表面部２はマルテンサイト変態により硬化される。

次いで、高周波焼入れ処理が行われた鉄鋼製の軸１に対して焼戻し処理を行う。本発明に係る焼戻し処理の詳細は、焼入れ処理後の軸１を加熱炉により２００℃超から３００℃の温度域で例えば１．５時間の焼戻し処理を行う。もしくは、誘導加熱を用いて焼戻し処理を行ってもよい。このように焼戻し処理を行うことにより、軸１の内部３の残留応力の除去と靭性を回復させて疲労強度を高めることができる。また、最終的な使用状態での組織と機械的性質が安定化される。このとき、有効硬化層１ａの厚さｔと、軸の半径ｒとの比ｔ／ｒを硬化層比としたとき、この比ｔ／ｒは０．５以下であることが望ましい。本発明で言う有効硬化層深さは、ＪＩＳＧ０５５９で規定する高周波焼入れ硬化層深さ測定方法に基づく有効硬化層深さである。

本発明の効果を調べるために、本方法により熱処理した鉄鋼製の軸（高周波焼入れ処理の後、２００℃超から３００℃の温度域で焼戻し処理）と従来の方法により熱処理した鉄鋼製の軸（高周波焼入れ処理の後、２００℃以下で焼戻し処理）とを用意し、以下の比較実験を行った。

図２は、φ６０材質ＳＣＭ４３５Ｈ低合金鋼製の軸を高周波焼入れ処理（加熱深さ１３ｍｍとする）を行った後に、１６０，２２０，及び３００℃の各温度で焼戻し処理したときの各軸断面のビッカース硬さ分布を示す。これにより、焼戻し温度の上昇とともに表面部の硬さは低下していることが分かる。ただし、前記軸は高周波焼入れ処理の前に素材調質を行い、５００℃以上の高温で焼戻し処理を適用している。このため、この高温焼戻し温度以下の温度で焼戻し処理を行っても、軸内部の硬さの低下はない。

図３（ａ）は各温度で焼戻し処理を行ったときの軸の円周方向に係る残留応力分布を示す。各温度で焼戻し処理を行ったそれぞれの軸をＸ線残留応力測定装置を用いて軸表面から内部までの残留応力を測定した。ここで、残留応力のプラス成分は引張残留応力を示しており、マイナス成分は圧縮残留応力を示している。図３（ａ）より、焼戻し温度が上昇するにつれ、表面の圧縮残留応力や内部の引張残留応力は焼戻し温度が徐々に開放される。つまり、表面部に発生した圧縮残留応力とともに内部に発生した引張残留応力も減衰し、応力が０に近づくようになる。また、残留応力は従来の疲労試験より、ねじり強度に影響を及ぼすことが確認されている。このとき、１６０℃で焼戻し処理を行った軸の表面部の圧縮残留応力は高いため、軸の表面部の強度は高い。しかし、内部の引張残留応力も非常に高い。

図４は、上記の硬さ分布（図２）及び残留応力分布（図３（ａ））から算出した、各断面位置のねじり疲労強度の分布図を示す。ねじり疲労強度より、硬さ及び残留応力の寄与について次の式１を得た。
式１ねじり疲労強度（ｋｇｆ／ｍｍ^２）＝０．０９Ｈｖ−０．３σ
ここで、Ｈｖはビッカース硬さ、σは残留応力値（ｋｇｆ／ｍｍ^２）である。そして、硬さが高いほど、又は圧縮残留応力値（式１ではマイナス）が大きいほど、ねじり疲労強度が高いことを示している。

図４より、表面部は硬さが高く、圧縮残留応力も高いため、ねじり疲労強度は高い。しかし、内部は硬さが低く、引張残留応力が高いため、ねじり疲労強度は低くなっていることがわかる。次いで、ねじり応力線を考えると、軸の中心が応力０Ｋｇ／ｍｍ^２で、表面部がもっとも高い直線的な応力分布になる。これによると、従来の１６０℃で焼戻し処理を行った軸のように、表面部の強度が高くても内部の強度が低いと、軸は内部から破損する可能性が高いことを示している。

図５（ａ）は、焼戻し温度とねじり疲労強度との関係を示した図である。高周波焼入れ処理を加熱深さ１ｍｍで行い、１６０℃で焼戻し処理を行った軸の強度を１．０として指数表示で示している。これによると、高周波焼入れによる加熱領域が大きくなるに従い、ねじり疲労強度が上昇傾向にある。そして、１６０℃で焼戻し処理を行った軸よりも、２２０，３００℃の高温で焼戻し処理を行った軸のほうがねじり疲労強度は高い。
図４、図５（ａ）より、焼戻し処理温度が３００℃までの温度域では、表面部のねじり疲労強度よりも、内部のねじり疲労強度のほうが軸全体のねじり疲労強度に大きな影響を与えていることがわかる。

また、図３（ｂ）、図５（ｂ）は、φ６０材質Ｓ５０Ｃ炭素鋼を用いて同様の比較実験を行った結果である。図３（ｂ）は、各温度で焼戻し処理を行ったときの軸の円周方向に係る残留応力分布を示す。また、図５（ｂ）は、焼戻し温度とねじり疲労強度との関係を示した図であり、高周波焼入れ処理を加熱深さ１ｍｍで行い、１６０℃で焼戻し処理を行った軸の強度を１．０として指数表示で示している。材質をＳＣＭ４３５Ｈ低合金鋼からＳ５０Ｃ炭素鋼に変えても同様の結果を得ることができる。これより、本発明に係る鉄鋼製の軸の製造方法は、材質に関係なく同様の効果が得られることができる。

本発明は、強度低下要因である内部の引張残留応力を開放させることにより内部起点の破損を解消させて、軸全体の強度を向上させようというものである。ただし、焼戻し温度を上げすぎると、今度は表面部の硬さ低下の影響が顕著になるため、表面起点の破損が生じることになる。図６はφ６０材質ＳＣＭ４３５Ｈ低合金鋼製の軸を用いて焼戻し温度を変化させたときの、ねじり疲労強度と焼戻し温度との関係を示したものである。各焼戻し処理を行った軸をねじり疲労試験機に装着し、繰り返し破断回数が２×１０^６回となる繰り返し応力の値をねじり疲労強度として求めた。これより、焼戻し温度の上昇とともにねじり疲労強度は向上するが、３００℃をピークに強度が低下している。つまり、焼戻し温度３００℃までは内部の引張残留応力の開放による全体の強度向上に対応している。しかし、３００℃を超えると表面部の硬さ低下の影響が大きく、軸全体の強度は低下する。

以上、第１の実施形態によれば、高周波焼入れ処理した鉄鋼製の軸を２００℃超から３００℃で焼戻し処理を行っている。このため、表面硬さの低下によるねじり疲労強度低下よりも、内部の引張残留応力の開放によるねじり疲労強度向上の効果が大きく、軸全体の疲労強度を向上することができる。

次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。第１の実施形態における高周波焼入れ、焼戻し処理を行った鉄鋼製の軸にショットピーニング処理を行う。図７は、ショットピーニング処理を説明するための概略図である。直径が例えば１ｍｍ程度以下で大きさが一定の小剛球４を噴射して軸１の表面を冷間衝撃加工し、新たな圧縮残留応力を表面に生成させる処理である。

以上、第２の実施形態によれば、高周波焼入れ、焼戻し処理を行った鉄鋼製の軸にショットピーニング処理を行うことにより、表面部は加工硬化され、図７（ｂ）のように新たに圧縮残留応力が付与される。また、式１より、硬さが高いほど、又は圧縮残留応力値が大きいほど、ねじり疲労強度が高くなる。よって、第1の実施形態よりも軸表面部の疲労強度が高くなり、軸全体の疲労強度を向上させることができる。これにより、本実施形態は軸に応力集中するような穴及び溝がある場合などのときに効果的である。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。

本発明を用いて製造した、鉄鋼製の軸の一例である。（ａ）は軸の正面図、（ｂ）は軸の断面図。１６０，２２０，及び３００℃で焼戻し処理を行った軸それぞれの表面からの距離と硬さの関係を示すグラフ。（材質ＳＣＭ４３５Ｈ）各温度で焼戻し処理を行った軸それぞれの表面からの距離と残留応力の関係を示すグラフ。（ａ）は、材質ＳＣＭ４３５Ｈ、（ｂ）は材質Ｓ５０Ｃ。図２と図３（ｂ）から算出した、軸それぞれの表面からの距離とねじり疲労強度の関係を示すグラフ。焼戻し温度とねじり疲労強度との関係を示すグラフ。高周波焼入れ処理を加熱深さ１ｍｍで行い、１６０℃で焼戻し処理を行った軸の強度を１．０として指数表示で示している。（ａ）は、材質ＳＣＭ４３５Ｈ、（ｂ）は材質Ｓ５０Ｃ。焼戻し温度を変化させたときの、ねじり疲労強度と焼戻し温度との関係を示すグラフ。ショットピーニング処理を説明するための概略図。（ａ）処理前、（ｂ）処理後。

符号の説明

１・・・軸、１ａ・・・有効硬化層、２・・・表面部、３・・・内部、４・・・小鋼球、ｔ・・・有効硬化層厚さ、ｒ・・・軸の半径

Claims

鉄鋼製の軸に高周波焼入れ処理を行う工程と、
前記高周波焼入れ処理後の前記軸に２００℃超から３００℃の温度域での焼戻し処理を行う工程と、
を具備することを特徴とする鉄鋼製の軸の製造方法。
前記高周波焼入れ処理の焼入れ深さは、前記軸の半径の５０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の鉄鋼製の軸の製造方法。
前記高周波焼入れ処理及び前記焼戻し処理による有効硬化層深さｔと前記軸の半径ｒとの比ｔ／ｒが０．５以下であることを特徴とし、前記有効硬化層深さｔは、ＪＩＳＧ０５５９で規定する高周波焼入れ硬化層深さ測定方法に基づく有効硬化層深さである請求項１に記載の鉄鋼製の軸の製造方法。
前記焼戻し処理後の前記軸に、ショットピーニング処理を行う工程と、
を具備することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の鉄鋼製の軸の製造方法。