JP2008297618A

JP2008297618A - 耐圧痕性に優れた浸炭鋼部品の製造方法

Info

Publication number: JP2008297618A
Application number: JP2007147552A
Authority: JP
Inventors: Norimasa Tokokage; 典正常陰
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2007-06-02
Filing date: 2007-06-02
Publication date: 2008-12-11

Abstract

【課題】鋼材の結晶粒を超微細化して表面欠陥を除去して自動車その他のギア、シャフト、軸受などの耐圧痕性に及び芯部靱性に優れた浸炭鋼部品を製造する方法を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：５．０％以下、Ｃｒ：６．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．０１００％以下を含有し、さらにＴｉ：０．０５〜０．２０％、Ｎｂ：０．０２〜０．２０％のいずれか１種又は２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼材を部品形状に成形し、浸炭焼入れし、さらにズブ焼入れまたは高周波焼入れによる繰返し焼入れを行って旧オーステナイト結晶粒径をＪＩＳＧ０５５１のＮｏ．１１以上に微細化し、焼戻し後に表面を研磨して耐圧痕性に優れた浸炭鋼部品とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、浸炭部品全般、自動車、建設機械、工作機械などのギア、シャフト、軸受などの浸炭焼入れ鋼部品、特に高面圧下で使用した際の耐圧痕性に優れ、かつ、芯部の靱性に優れた浸炭鋼部品の製造方法に関する。

ギアの歯面、転がり軸受、直動軸受、あるいはボールネジの軌道面などの鋼部品において、高荷重あるいは衝撃荷重を付与すると塑性変形して表面に圧痕が発生する。この圧痕の発生を防止するためは、鋼部品の表面を硬化する必要がある。しかし、これらの鋼部品は硬通常度が５８ＨＲＣ以上で使用されているため、従来技術で、さらなる鋼部品の表面の高硬度化はコスト的にも困難である。

一方、硬質異物を噛み込むような環境で使用される鋼部品には、熱処理により残留オーステナイト量を特定量に調整し、圧痕周縁の盛り上がり部の曲率を大きくすることで対策が採られてきた。しかし、残留オーステナイト自体は硬さが低く圧痕自体はむしろ付き易いと言う問題があった（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照。）。

さらに、２回焼入れまたはベイナイトからの焼入れにより、積極的に旧オーステナイト結晶粒径を微細化して強度を向上させた場合、降伏点が上昇するために耐圧痕性も上昇する可能性がある。しかし、従来は衝撃特性などの強度面での改善例しかなかった（例えば、特許文献４、特許文献５参照。）。また、部品の表面の加工精度が悪く、粗さが大きい場合や熱処理時の酸化層などの表面に欠陥が存在する場合は、ある結晶粒径までは粒径が小さくなるほど強度は向上するが、それ以上に微細化しても効果は飽和してしまって強度は向上しない。

特開２０００−２７４４４０号公報特開平０９−１７７７８９号公報特許第３５４８９１８号公報特開２００３−３４８３９号公報特開２００３−３４８４３号公報特開２００６−１６９６３７号公報

本発明では、発明者はさらなる耐圧痕性の向上を検討した結果、化学成分のバランスと浸炭焼入れにより表面強度を得るだけでなく、ＴｉやＮｂを添加してピンニング粒子を増加させ、浸炭焼入れ後に繰返し焼入れを実施して得られる結晶粒微細化が有効であることを見出した。ただし、平均結晶粒径を微細化しても、混粒が発生した場合には耐圧痕性が低下すること、さらに、ガス浸炭した鋼では結晶粒径を小さくしても、ある粒径で強度は飽和してしまう。しかし、表面の浸炭異常層を除去したところ、強度の飽和現象は見られず、結晶粒径が小さくなればなるほど耐圧痕性は向上することも発見した。これは、浸炭異常層である粒界酸化層が欠陥として作用し、表面強度を制約したものと考えられる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、結晶粒を超微細化し、表面欠陥を除去することで優れた耐圧痕性を有し、かつ芯部靱性に優れた浸炭鋼部品が製造する方法を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、望ましくは、０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：５．０％以下、Ｃｒ：６．０％以下、望ましくは、４．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．０１００％以下望ましくは０．００８０％を含有し、さらにＴｉ：０．０５〜０．２０％、望ましくは、０．１０〜０．２０％、Ｎｂ：０．０２〜０．２０％、望ましくは、０．０３〜０．１０％のいずれか１種又は２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼材を用い、切削などの機械加工もしくは鍛造により部品形状に成形した後、浸炭焼入れを行い、その後にさらに焼入れにより、旧オーステナイト結晶粒径をＪＩＳＧ０５５１で規定のＮｏ．１１以上に微細化し、焼戻した後に１０μｍ以上、望ましくは２０μｍ以上を研磨することで浸炭異常層を除去することにより、耐圧痕性に優れた浸炭鋼部品とすることを特徴とする浸炭鋼部品の製造方法である。

請求項２の発明では、上記の鋼材は、質量％で、さらにＶ：０．０５〜０．２０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％のいずれか１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼材であることを特徴とする請求項１の手段の浸炭鋼部品の製造方法である。

請求項３の発明では、上記の浸炭焼入れを行った後にさらに行う焼入れはズブ焼入れもしくは高周波焼入れであることを特徴とする請求項１または２の手段の浸炭鋼部品の製造方法である。

上記の請求項１ないし請求項３の手段の各発明は、その鋼材のＣ含有量が低炭素領域であるため、芯部の靱性に優れ、かつ耐圧痕性に優れた浸炭鋼部品は、自動車、建設機械、工作機械などのギア、シャフトあるいは軸受などにおける突発的に発生する４．３ＧＰａ以上の高面圧下での耐圧痕性に優れた浸炭鋼部品の製造方法である。

本発明における鋼材の化学成分の限定理由を説明する。
先ず鋼材の化学成分について説明すると、本発明の方法における鋼材からなる部品は、繰返し焼入れによって結晶粒を微細化する。しかし、その際の加熱時に非常に微細なオーステナイト初期粒が生成し、通常の鋼では結晶粒が微細化せず、逆に粗大化してしまうという問題がある。そこで、その結晶粒の粗大化を防止するために、Ｔｉ、Ｎｂといったピンニング力の高い元素を含有させている。

次に、上記の繰返し焼入れについて説明すると、結晶粒の微細化手法として繰返し焼入れ法を用いている。繰返し焼入れの回数は１回よりも２回の方が効果は大きい。ただし、鋼種によっては、３回以上繰り返すと逆に混粒が発生し、強度も低下することがあるので、望ましくは２回までとする。

さらに、表面研削について説明すると、ガス浸炭による場合、表面に浸炭異常層すなわち粒界酸化層およびその周辺の不完全焼入れ層が生成する。そこで自動車、建設機械、工作機械などのギアやシャフト部品において、浸炭異常層が残った状態で使用されることがある。しかし、表面に浸炭異常層すなわち粒界酸化層が生成すると、その深さによっては、圧痕深さが制約されてしまい、結晶粒微細化の効果がでない。そのために浸炭異常層の除去が必要となる。つまり、ガス浸炭を行う場合、浸炭部品の耐圧痕性を向上させるためには、「結晶粒微細化」と「浸炭異常層の削減」のどちらか片方ではそれぞれの効果が十分に発揮できず、これら二つを組み合わせて、初めてその効果を十分に発揮させることができる。

浸炭異常層の除去方法として、研磨加工や切削加工が実施されるが、その深さについては浸炭異常層が充分除去できるだけでよく、深すぎると必要な浸炭層（硬化層）が減少してしまうため、１０〜１００μｍ程度とする。また、浸炭異常層の除去は耐圧痕性が必要な部分のみ、すなわち部品同士が接触する部分のみでよい。

さらに各成分元素について限定理由を説明する。なお、以下の成分元素の％は質量％である。

Ｃ：０．１０〜０．３０％、望ましくは０．１０〜０．２５％
Ｃは、焼入れ、焼戻しにて硬さを確保するために必要な元素であるが、０．１０％未満では、浸炭焼入後の芯部強度が低く、０．３０％を超えると加工性が低下し、靭性が低下する。そこで、Ｃは０．１０〜０．３０％、望ましくは、０．１０〜０．２５％とする。

Ｓｉ：０．０５〜２．００％
Ｓｉは、脱酸に有効な元素であるが、Ｓｉが０．０５％未満であれば脱酸が不十分であり、Ｓｉが２．００％を超えると加工性が低下する。そこで、Ｓｉは０．０５〜２．００％とする。

Ｍｎ：０．１０〜２．００％
Ｍｎは、脱酸に有効な元素であるが、Ｍｎが０．１０％未満であれば脱酸が十分でなく、Ｍｎが２．００％を超えると加工性を低下させる。そこで、Ｍｎは０．１０〜２．００％とする。

Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、不純物として不可避的に含有されるが、粒界を脆化させ、衝撃強度およびめげ強度を低下する。そこで、Ｐは０．０３０％以下とする。

Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、不純物として不可避的に含有されるが、Ｓは硫化物により転動寿命を低下する。そこで、Ｓは０．０３０％以下とする。

Ｎｉ：５．０％以下
Ｎｉは、焼入性を向上するとともに靱性を向上させる元素であるが、Ｎｉが５．０％を超えると加工性を低下する。そこで、Ｎｉは５．０％以下とする。

Ｃｒ：６．０％以下、望ましくは４．０％以下
Ｃｒは、焼入性を向上するとともに、残留オーステナイトを安定化させる元素であるが、Ｃｒが多すぎると加工性を低下し、浸炭性を低下する。そこで、Ｃｒは６．０％以下、望ましくは４．０％以下とする。

Ｍｏ：２．０％以下
Ｍｏは、焼入性を向上するとともに疲労強度を向上させる元素であるが、Ｍｏが２．０％を超えると加工性を低下する。そこで、Ｍｏは２．０％以下とする。

Ａｌ：０．００５〜０．０５％
Ａｌは、脱酸および結晶粒度調整に必要な元素であるが、Ａｌが０．００５％未満では、脱酸効果が不十分であり、Ａｌが０．００５を超えると、酸化物が増加する結果、疲労強度が低下しかつ加工性が低下する。そこで、Ａｌは０．００５〜０．０５％とする。

Ｔｉ：０．０５〜０．２０％、望ましくは０．１０〜０．２０％
Ｔｉは、Ｎｂと置換可能な、あるいは、ともに含有することのできる選択元素であり、Ｔｉはピンニングにより結晶粒粗大化を防止する効果を有するが、Ｔｉが０．０５％未満ではその効果は十分でなく、Ｔｉが０．２０％を超えると加工性を低下する。そこで、Ｔｉは０．０５〜０．２０％、望ましくは０．１０〜０．２０％とする。

Ｎｂ：０．０２〜０．２０％、望ましくは０．０３〜０．１０％
Ｎｂは、ピンニングにより結晶粒粗大化を防止する効果を有するが、Ｎｂが０．０２％未満ではその効果は十分でなく、Ｎｂが０．２０％を超えると加工性を低下する。そこで、Ｎｂは０．０２〜０．２０％とする。

Ｎ：１００ｐｐｍ以下、望ましくは８０ｐｐｍ以下
Ｎは、Ｔｉと結合してＴｉＮを生成するが、ＴｉＮが過剰に生成されると疲労強度を低下するとともに加工性を低下する。そこで、Ｎは１００ｐｐｍ以下、望ましくは８０ｐｐｍ以下とする。なお、ＴｉかＮｂは、どちらか一方、または両方を添加するものとする。

Ｖ：０．０５〜０．２０％
Ｖは結晶粒の粗大化を防止し、強度を向上する効果を有するが、Ｖが０．０５％未満では、これらの効果は十分でなく、一方、Ｖが０．２０％を超えると加工性を低下する。そこで、Ｖは０．０５〜０．２０％とする。

Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｂは焼入性を向上する効果を有するが、Ｂが０．０００５％未満では、その効果は十分でなく、一方、Ｂが０．００５％を超えると強度が低下する。そこで、Ｂは０．０００５〜０．００５０％とする。なお、Ｖ、Ｂは選択的に添加できる元素であり、添加しなくてもよい。

本発明は上記の手段とすることで、鋼部品に突発的に発生する４．３ＧＰａ以上の荷重による高面圧の下で優れた耐圧痕性を示す自動車、建設機械、工作機械などのギア、シャフトあるいは軸受などの浸炭した鋼部品を得ることができる優れた効果を奏する。

表１に示す化学成分からなる比較例および実施例の鋼を１００ｋｇ真空誘導炉で溶解し、インゴットに鋳造し、これを１２５０℃に加熱し、５時間保持して溶体化処理した後、φ４０ｍｍの素材に鍛伸した。さらに、この鍛伸した素材を９３０℃に加熱し、ガス浸炭により浸炭焼入した後、焼戻しを行った。さらに、これをズブ焼入れまたは高周波焼入れを１回ないし３回繰返して繰返し焼入れを行い、さらに表面異常層が１０μｍ程度であったため研磨により２０μｍを除去した。一方、試験のために、上記の鍛伸した素材を１０ｍｍ×１０ｍｍ×５０ｍｍＬの試験片に作製してガス浸炭により焼入した後、焼戻しを行い、さらに、これをズブ焼入れまたは高周波焼入れを１回ないし３回繰返して繰返し焼入れを行って表面異常層を研磨により除去して試験片１とし、下記に記載の耐圧痕性の試験に付した。

上記のガス浸炭焼入および焼戻しは、素材のガス浸炭焼入れを浸炭温度９３０℃で６時間保持した後、８３０℃で０．５時間保持後、油冷して実施した。この際、平衡炭素濃度（ＣＰ値）は０．８とした。さらに浸炭焼入れした素材を１８０℃に１．５時間保持した後、空冷して焼戻した。

上記の繰返し焼入れの条件は、再焼入れを８５０℃に０．５時間保持した後、油冷した。この場合、高周波焼入れの条件は、周波数を１５０ｋＨｚ、電力を１５０ｋｗ、加熱時間を２秒として水冷した。

上記の繰返し焼入れ材の表面に生じた表面異常層を研磨して除去した材料からなる、図１に示す、試験片１の圧痕箇所２に３．８インチのボール３を介して上方から荷重４を掛ける試験手段により、試験片１に掛けた荷重４の負荷により生じた、図２のグラフに示す、縦軸の高低差を耐圧痕性の指標とし、これらの値を表２および表３により試験結果として示す。ところで、表２および表３において、平均旧オーステナイト結晶粒度番号については、混粒が発生した場合を網掛けしている。さらに、耐圧痕性について、面圧４．３ＧＰａで０．４０μｍ以上の圧痕の生じたものを従来レベルとして網掛けして示している。

表２および表３の実施例において、ズブ焼入れを２回以上、またはズブ焼入１回でも高周波焼入れを１回以上行なうと、平均旧オーステナイト結晶粒度番号が１１以上となり、かつ混粒が発生しない。その結果、耐圧痕性すなわち圧痕の高低差は、面圧４．３ＧＰａでは０．４０μｍ未満となり、耐圧痕性において優れた鋼部品を得ることができた。なお、表２および表３では、繰返し焼入れ材の表面に生じた表面異常層を研磨して除去しなかった供試材Ｎｏ．１、Ｎｏ．５、Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１４を「未研磨」として圧痕の高低差を参考に示した。

耐圧痕性の試験手段を示す模式図である。耐圧痕性の試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１試験片
２圧痕箇所
３３．８インチボール
４荷重

Claims

質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：５．０％以下、Ｃｒ：６．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．０１００％以下を含有し、さらにＴｉ：０．０５〜０．２０％、Ｎｂ：０．０２〜０．２０％のいずれか１種又は２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼材を用い、これを部品形状に成形した後、浸炭焼入れを行い、その後、さらに焼入れにより旧オーステナイト結晶粒径をＪＩＳＧ０５５１で規定のＮｏ．１１以上に微細化し、焼戻した後に１０μｍ以上を研磨することで浸炭異常層を除去することにより、耐圧痕性に優れた浸炭鋼部品とすることを特徴とする浸炭鋼部品の製造方法。
上記の鋼材は、質量％で、さらにＶ：０．０５〜０．２０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％のいずれか１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼材であることを特徴とする請求項１に記載の浸炭鋼部品の製造方法。
上記の浸炭焼入れを行った後にさらに行う焼入れはズブ焼入れもしくは高周波焼入れであることを特徴とする請求項１または２に記載の浸炭鋼部品の製造方法。