JP2008163414A - 転動部材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る転動部材は、少なくとも、0.1〜0.35重量%のCと0.5〜2.0重量%のSiを含有し、0.05〜1.0重量%のV、0.3〜2.0重量%のCrおよび0.05〜0.8重量%のMoからなる群から選択された1種以上を含有する鋼材からなる転動部材であって、前記鋼材に形成され、表面炭素濃度が0.8〜1.8重量%に調整された浸炭層と、前記鋼材の表面側に分散された2〜20体積%の粒状化セメンタイトと、前記鋼材の表面から20μm以上の深さまで形成され、表面窒素濃度が0.1〜1.0重量%に調整された浸窒層と、前記浸炭層より深く形成された焼入れ硬化層と、を具備することを特徴とする。
【選択図】 なし
Description
前記鋼材に900℃以上の温度で浸炭処理を施すことによって、表面炭素濃度が0.8〜1.8重量%に調整された浸炭層を前記鋼材に形成した後に、一旦A1温度以下に降温させる工程と、
浸炭および脱炭が生じない非浸炭雰囲気中においてA1温度以上900℃以下の温度に前記鋼材を加熱してセメンタイトの粒状化処理を施すことによって、前記鋼材の表面側に2〜20体積%の粒状化セメンタイトを分散させるとともに、前記鋼材の表面窒素濃度が0.1〜1.0重量%になり且つ前記鋼材の表面から20μm以上の深さまで窒素を浸透させる浸窒処理をA1温度以上900℃以下の温度で施す工程と、
前記鋼材に焼入れ処理を施すことによって前記浸炭層より深く焼入れ硬化する工程と、
を具備することを特徴とする。
前記鋼材に形成され、表面炭素濃度が0.8〜1.8重量%に調整された浸炭層と、
前記鋼材の表面側に分散された2〜20体積%の粒状化セメンタイトと、
前記鋼材の表面から20μm以上の深さまで形成され、表面窒素濃度が0.1〜1.0重量%に調整された浸窒層と、
前記浸炭層より深く形成された焼入れ硬化層と、
を具備することを特徴とする。
尚、前記焼入れ硬化層は、50%マルテンサイト硬さ以上の硬さを有する層である。
尚、前記不可避な不純物元素はP、S、N、O等である。
PaA3=911−203(C+12N/14)1/2+40Si−41Mn−32Ni−12Cr+20Mo+37V+11W+70Al≦900 (1)
(Hv)400℃=100+340(C+12N/14)1/2+180N+95Si+39Cr+54Mo+101V+26W≧700 (2)
FPa=0.25Mn+36Cr+6.25Mo+144V+Si≧20 (3)
また、本実施の形態による転動部材において、前記粒状化セメンタイトが分散された前記焼入れ硬化層に存在する旧オーステナイト結晶粒が10μm以下に微細化されていることが好ましい。
また、本実施の形態による転動部材において、前記鋼材の表面が滑りを伴う転動面であり、前記転動面の面粗さを構成する凹凸におけると凸部が略平坦化されており、前記略平坦化された凸部が前記転動面に対して50面積%以上を占めるとともに、前記面粗さが5μm以下に調整されていることも可能である。尚、前記凸部の略平坦化はポリッシングによって行う。
また、前述した本実施の形態による転動部材が歯車部材であることも可能である。
A3(℃)=911−203(C+12N/14)1/2+40Si−41Mn−32Ni−12Cr+20Mo+37V+11W+70Al
ここで、式中のC、N、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、V、W、Alは各元素の重量%を表示するものである。
(Hv0)300℃=200+380×(C+12N/14)1/2
(0.057〜2.75重量%:(C+N))
(Hv)300℃=200+380(C+12N/14)1/2+95Si+20Cr+25Mo+52V+10W
(Hv)400℃=100+340(C+12N/14)1/2+180N+95Si+39Cr+54Mo+101V+26W
(Hv)500℃=80+230(C+12N/14)1/2+380N+95Si+56Cr+108Mo+205V+52W
FPa=(1−γKMn)2×Mn+(1−γKCr)2×Cr+(1−γKMo)2×Mo+(1−γKV)2×V+(1−γKSi)2×Si=0.25×Mn+36×Cr+6.25×Mo+144×V+Si
と定義し、セメンタイト粒子の平均粒径が1.5μm以下となるFPa=20以上に、より好ましくはFPa=30(平均粒径1μm)以上に調整されるものとする。
(炭素、窒素)
上記歯車部材に用いる鋼材にあらかじめ含有される炭素量0.1〜0.35重量%は、歯車部材の素地硬さと歯車部材の機械加工性を確保する観点から、従来の浸炭用鋼に適用される範囲をさほど逸脱するものではない。しかし、前述のようにフェライト安定化元素である2重量%のSiの添加によっても、焼入れ温度900℃で、オーステナイト化するようにその上限の炭素添加量を0.35重量%とした。
多量の粒状化セメンタイトが分散するオーステナイト母相においては、Mn、Cr、Mo、V等の合金元素がセメンタイト中に濃縮し、オーステナイト母相の合金元素が希薄になることによってオーステナイトの焼入れ性が顕著に低下し、また焼戻し軟化抵抗性も低下するようになる。このため、セメンタイトよりもオーステナイト中に濃縮するSi、Ni、Bの1種以上を0.5重量%以上添加することが好ましい。また、これら元素の添加量の上限は、Niがコスト的な観点から3重量%とすることが好ましく、Siが鋼製造上の介在物量の観点から2重量%以下とすることが好ましい。また、焼戻し軟化抵抗性を高める観点からは、Si添加量が極めて有用であり、Siの下限値を1.0重量%とすることがより好ましい。
Cr、Vはセメンタイト中に顕著に濃縮することによって、上記浸炭後のセメンタイト粒子を微細化する役割を果たすことは、本発明者が特開平11−117059にて開示している。Cr下限添加量は、セメンタイト粒の微細化が顕著に現れる0.3重量%とし、上限添加量は、900℃での前記浸窒処理によって、Cr窒化物が析出しない1重量%のCrを含有するオーステナイト中にCrが濃縮されたセメンタイト(γKCr=6.3)20体積%が分散される条件から算出された鋼材のCr濃度である2.0重量%とすることが好ましい。しかし、より好ましくは、850℃で浸窒処理を施し、その際にCr窒化物が析出しない0.6重量%Crを含有するオーステナイト中にCrが濃縮されたセメンタイト(γKCr=8.5)20体積%が分散される条件から算出された鋼材のCr濃度である1.5重量%とすることである。
Mn、Moは、オーステナイト/セメンタイト間のセメンタイト中への濃縮傾向が比較的小さいことから、上記オーステナイトの焼入れ性に有効に作用できる合金元素である。このことから、本実施の形態においては、通常の機械構造用肌焼き鋼の範囲としてMnを1.0〜2.0重量%に限定し、Moを0〜0.8重量%に限定してもよいと考えられる。また、焼入れ性を向上させるBの添加は通常の機械構造用肌焼き鋼の範囲が好ましい。
また、高温浸炭時の結晶粒粗大化防止の観点からはNb、Ti、Hf、Zrを0.01重量%以上添加することが好ましいが、上限値は経済的な観点から0.2重量%とすることが好ましい。
また、上記鋼材中のP、N、Oは歯車用鋼材としての通常の適用範囲で添加されることが好ましいが、O≦0.002重量%、P≦0.03重量%であることがより好ましい。
本発明で用いた供試鋼の組成を表1に示した。供試鋼中の炭素濃度は、歯車等の肌焼き鋼として使用される約0.2重量%のものとした。さらに、市販のSCM420H、SNCM220H、SNCM420Hも使用した。試験は、図1〜図3にそれぞれ示した炭素分析用丸棒片、回転曲げ疲労試験片、ローラピッチング試験片を用いて実施した。なお、ローラピッチング試験片用の大ローラ片にはSUJ2を焼入れ焼戻し、硬さをHRC64に調整した。
本試験の浸炭、浸炭後の粒状化処理は真空浸炭炉を主として用い、一部はRXガスとブタンガスを用いたRXガス浸炭を実施した。
本実施例においては、前記高濃度浸炭、浸窒処理によってセメンタイトを高密度に析出分散させた熱処理2の焼入れ硬化層を300〜500℃で焼戻し処理した後の硬さデータを加え、焼戻し硬さと炭素、窒素量の関係を表2、図11(A)、(B)、(C)に示した。図11(A)に示す300計算Hvは下記式(4)であり、図11(B)に示す400計算Hvは下記式(5)であり、図11(C)に示す500計算Hvは下記式(6)である。
(Hv)400℃=100+340(C+12N/14)1/2+180N+95Si+39Cr+54Mo+101V+26W (5)
(Hv)500℃=80+230(C+12N/14)1/2+380N+95Si+56Cr+108Mo+205V+52W (6)
図3に示したローラピッチング試験片を用いて、小ローラの回転速度を1000rpm、滑り率40%、潤滑油(#30エンジンオイル)の油温60℃の条件で転動面圧強度の確認を行った。
本例では、熱処理1〜4の各種浸炭法によって得られる転動面に析出するセメンタイト粒子の大きさと転動面強度の関係を調査するが、それらの結果は予備試験で求めたSCM420H、SNCM220H、SNCM420Hの通常の浸炭焼入れの転動面圧強度と比較して検討した。
さらに、図12に示した試験片と表2に示したNo.1〜No.5に浸窒処理を施し、セメンタイト粒径を1.5μm以下に調整した試験片にアークハイト0.6以上でHRC57、平均粒径0.8mmの剛球を使ったショットピーニングとその後に平均粒径0.2mmの剛球を使ったショットピーニング処理(WHSP)を施したもののピッチング強度の調査結果を図14に示した。なお、図14中の「S」はショット、「P」はポリッシュを意味する。ショットピーニング後の転動面硬さはほぼすべてHv900〜930程度に加工硬化されている。
図14中に示した、SCM420鋼材を用いたGCQT、GCQT+WHSPとNo.1S、No.2S試験片の転動面をバレル研磨した水準についても、前記(3−2)と同様にピッチング強度を調査し、その結果を図14中に、凡例GCQT-P、GCQT+WHSP-P、No.1S-P、No.2S-Pとして示した。その結果、バレル研磨によって、ピッチング強度が改善されることがわかったが、これはバレル研磨によって、図18に示すように、転動表面の凹凸面の凸部が略平坦化されるとともに、その平坦部の微視的面粗さが顕著に改善されることにより、滑りを伴う転動面での摩擦抵抗性が低減され、その摩擦係数に伴う転動最表面でピッチングを発生させる応力が低減されることによるものである。
Claims (15)
- 少なくとも、0.1〜0.35重量%のCと0.5〜2.0重量%のSiを含有し、0.05〜1.0重量%のV、0.3〜2.0重量%のCrおよび0.05〜0.8重量%のMoからなる群から選択された1種以上を含有する鋼材を準備する工程と、
前記鋼材に900℃以上の温度で浸炭処理を施すことによって、表面炭素濃度が0.8〜1.8重量%に調整された浸炭層を前記鋼材に形成した後に、一旦A1温度以下に降温させる工程と、
浸炭および脱炭が生じない非浸炭雰囲気中においてA1温度以上900℃以下の温度に前記鋼材を加熱してセメンタイトの粒状化処理を施すことによって、前記鋼材の表面側に2〜20体積%の粒状化セメンタイトを分散させるとともに、前記鋼材の表面窒素濃度が0.1〜1.0重量%になり且つ前記鋼材の表面から20μm以上の深さまで窒素を浸透させる浸窒処理をA1温度以上900℃以下の温度で施す工程と、
前記鋼材に焼入れ処理を施すことによって前記浸炭層より深く焼入れ硬化する工程と、
を具備することを特徴とする転動部材の製造方法。 - 前記焼入れ処理を施す工程の後に、前記鋼材の表面にショットピーニング処理を施すことにより、前記鋼材に表面圧縮残留応力を60〜200kgf/mm2の範囲で残留させる工程をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の転動部材の製造方法。
- 前記セメンタイトの粒状化処理後の前記浸窒処理時における前記鋼材のオーステナイト相のCr濃度が1.0重量%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の転動部材の製造方法。
- 前記浸炭処理を施すことによって前記鋼材の表面に発生する粒界酸化層が3μm以下に調整されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の転動部材の製造方法。
- 少なくとも、0.1〜0.35重量%のCと0.5〜2.0重量%のSiを含有し、0.05〜1.0重量%のV、0.3〜2.0重量%のCrおよび0.05〜0.8重量%のMoからなる群から選択された1種以上を含有する鋼材からなる転動部材であって、
前記鋼材に形成され、表面炭素濃度が0.8〜1.8重量%に調整された浸炭層と、
前記鋼材の表面側に分散された2〜20体積%の粒状化セメンタイトと、
前記鋼材の表面から20μm以上の深さまで形成され、表面窒素濃度が0.1〜1.0重量%に調整された浸窒層と、
前記浸炭層より深く形成された焼入れ硬化層と、
を具備することを特徴とする転動部材。 - 前記鋼材の表面にはショットピーニング処理による表面圧縮残留応力が60〜200kgf/mm2の範囲で残留していることを特徴とする請求項5に記載の転動部材。
- 前記鋼材は、1〜2重量%のMnおよび/または0.5〜2.0重量%のNiを含有し、Mo、Cu、W、Ti、B、Nb、Hf、Zr、AlおよびCaからなる群から選択された1種以上と不可避的な不純物元素を含有し、残部がFeからなり、A3変態温度が850℃以下に調整されていることを特徴とする請求項5又は6に記載の転動部材。
- 前記鋼材のA3パラメータであるPaA3が下記式(1)を満たすことを特徴とする請求項5乃至7のいずれか一項に記載の転動部材。
PaA3=911−203(C+12N/14)1/2+40Si−41Mn−32Ni−12Cr+20Mo+37V+11W+70Al≦900 (1) - 前記焼入れ硬化層における400℃焼戻しビッカース硬さパラメータである(Hv)400℃が下記式(2)を満たすことを特徴とする請求項5乃至7のいずれか一項に記載の転動部材。
(Hv)400℃=100+340(C+12N/14)1/2+180N+95Si+39Cr+54Mo+101V+26W≧700 (2) - 前記粒状化セメンタイトの微細化パラメータであるFPaが下記式(3)を満たすことを特徴とする請求項5乃至7のいずれか一項に記載の転動部材。
FPa=0.25Mn+36Cr+6.25Mo+144V+Si≧20 (3) - 前記鋼材中のSi含有量をCr含有量の1.0倍以上とすることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか一項に記載の転動部材。
- 前記粒状化セメンタイトが分散された前記焼入れ硬化層に存在する旧オーステナイト結晶粒が10μm以下に微細化されていることを特徴とする請求項5乃至11のいずれか一項に記載の転動部材。
- 前記浸窒層は、10〜40体積%の残留オーステナイト相を含有することを特徴とする請求項5乃至12のいずれか一項に記載の転動部材。
- 前記鋼材の表面が滑りを伴う転動面であり、前記転動面の面粗さを構成する凹凸におけると凸部が略平坦化されており、前記略平坦化された凸部が前記転動面に対して50面積%以上を占めるとともに、前記面粗さが5μm以下に調整されていることを特徴とする請求項5乃至12のいずれか一項に記載の転動部材。
- 請求項5乃至14のいずれか一項に記載の転動部材が歯車部材であることを特徴とする転動部材。
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