JP2014194060A

JP2014194060A - 疲労強度に優れた自動車用機械部品の製造方法および該方法による自動車用機械部品

Info

Publication number: JP2014194060A
Application number: JP2013071332A
Authority: JP
Inventors: Satoru Nakana; 悟中名; Norimasa Tokokage; 典正常陰; Yoshihiko Inukai; 佳彦犬飼; Hirochika Ishikawa; 博規石川
Original assignee: Aisin AW Co Ltd; Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Aisin AW Co Ltd; Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP6211784B2

Abstract

【課題】冷間鍛造し、焼ならしや焼なましを施すことなく浸炭焼入れする浸炭用鋼部品で、浸炭処理時に結晶粒の粗大化を防止できる自動車用機械部品の製造方法およびこの方法による自動車用機械部品を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１３〜０．２０％、Ｓｉ：０．３０〜０．７０％、Ｍｎ：０．２０〜０．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：２．００〜２．５０％、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｔｉ：０．０２〜０．０８％、Ｎｂ：０．０２〜０．０８％、Ｂ：０．０００５〜０．００３５％、Ｎ：０．０２０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を１２５０℃以上で鋼片に圧延し、冷却後、８００〜１０５０℃に加熱して鋼材に圧延し、さらに軟化熱処理した後、冷間鍛造で部品形状に成形し、焼ならしまたは焼なましすることなく９５０℃以上で浸炭焼入焼戻し、オーステナイト結晶粒度番号７以上の鋼材とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、自動車のデファレンシャルギヤを構成するピニオンおよびサイドギヤなどの自動車用機械部品の製造方法およびその方法による自動車用機械部品に関するものである。

冷間鍛造その他の冷間加工といった冷間工法は自動車駆動系部品などの部品の製造コストダウンに対して有利な工法である。しかし、冷間加工後に直接的に浸炭処理を施して部品を製造する場合、冷間加工により浸炭初期に微細なオーステナイト粒が形成される影響により、浸炭時にかえって結晶粒が粗大化しやすいという問題を有する。結晶粒が粗大化すると部品強度が低下する場合があるので、結晶粒粗大化の抑制が不可欠である。この課題があるために、冷間工法のコストメリットを十分に活かすことができていないのが現状である。部品を冷間加工した後に浸炭温度まで加熱する過程で、冷間加工時のひずみの影響により、いったんフェライトが微細に再結晶する段階を経てからオーステナイトに変態することが浸炭初期の微細なオーステナイト粒形成を促している。

そこで、従来技術として冷間加工後に熱処理を行い、前述のフェライトが再結晶する段階における、フェライト再結晶の駆動力となるひずみエネルギーを解放させることを通じて、浸炭時の結晶粒粗大化を抑制する方法がある（例えば、非特許文献１参照）。しかし、この方法により新たな工程が追加されるため、部品コストダウンの観点からは利用しにくい。

ところで、化学成分の限定、球状化焼なまし後のラメラーパーライト面積率の制限、球状化焼なまし条件の限定を加えることにより、冷間鍛造もしくは冷間加工を行い、さらに必要に応じた切削加工を行って、所定の形状に加工してから浸炭処理を行った場合、結晶粒粗大化を起こしにくい機械構造用鋼、およびその製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

さらに、マトリックス中に第２相の析出物を制御することで結晶粒の粗大化防止を目指した技術が数多く開発されて、多数の提案がある（例えば、特許文献２〜１４参照）。しかし、上記提案のように、冷間鍛造もしくは他の冷間加工をした後に高温での直接浸炭を行った場合、浸炭後に整細粒を安定的に維持することは困難である。したがって、それらの条件を限定する必要がある。

特開２０１０−２４２２０９号公報特開平０４−２４７８４８号公報特開平０８−１９９３０３号公報特開平０９−５９７４５号公報特開平１０−８１９３８号公報特開２０００−６３９４３号公報特開２００１−２００３８号公報特開２００１−２７９３８３号公報特開平０４−１７６８１６号公報特許２７１６３０１号公報特開平１０−１３０７２０号公報特開平１０−１５２７５４号公報特開平１１−５０１９１号公報特開２００１−３０３１７４号公報

Ｋ．Ｃ．Ｅｖａｎｓｏｎ，Ｇ．ＫｒａｕｓｓａｎｄＤ．Ｋ．Ｍａｔｌｏｃｋ：ＧｒａｉｎＧｒｏｗｔｈｉｎＰｏｌｉｃｒｙｓｔａｌｌｉｎＭａｔｅｒｉａｌｓＩＩＩ，ｅｄ．ｂｙＨ．Ｗｅｉｌａｎｄ，Ｂ．Ｌ．ＡｄａｍｓａｎｄＡ．Ｄ．Ｒｏｌｌｅｔ，ＴＭＳ，Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ，ＰＡ（１９９３），５９９．

本発明が解決しようとする課題は、冷間鍛造した後、焼ならしや焼なましを施すことなく、９５０℃以上での浸炭焼入れする浸炭用部品であって、浸炭処理時に安定して結晶粒の粗大化を防止することのできる自動車用機械部品の製造方法およびこの製造方法による自動車用機械部品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、第１の手段では、質量％で、Ｃ：０．１３〜０．２０％、Ｓｉ：０．３０〜０．７０％、Ｍｎ：０．２０〜０．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：２．００〜２．５０％、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｔｉ：０．０２〜０．０８％、Ｎｂ：０．０２〜０．０８％、Ｂ：０．０００５〜０．００３５％、Ｎ：０．０２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼を鋳造後１２５０℃以上に加熱して鋼片に圧延した後、室温に冷却し、ついで、この鋼片を８００〜１０５０℃の温度域に加熱した後、さらに鋼材に圧延し、次いで該鋼材を軟化熱処理した後、冷間鍛造にて自動車用機械部品の形状体に成形し、次いで焼ならしあるいは焼なましを行うことなく該形状体に９５０℃以上で浸炭を行った後、焼入焼戻しを施し、ＪＩＳＧ０５５１に規定するオーステナイト結晶粒度番号７以上とすることを特徴とする自動車用機械部品の製造方法である。

第２の手段では、軟化熱処理は、鋼材の最高温度を７５０〜８００℃の温度域で保持した後、この最高温度から６５０℃までの温度域を毎時５０℃以下の冷却速度で冷却することを特徴とする第１の手段の自動車用機械部品の製造方法である。

第３の手段では、質量％で、Ｃ：０．１３〜０．２０％、Ｓｉ：０．３０〜０．７０％、Ｍｎ：０．２０〜０．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：２．００〜２．５０％、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｔｉ：０．０２〜０．０８％、Ｎｂ：０．０２〜０．０８％、Ｂ：０．０００５〜０．００３５％、Ｎ：０．０２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であって、１２５０℃以上で鋼片に圧延され、該鋼片は８００〜１０５０℃の温度域で鋼材に圧延され、さらに軟化熱処理され、さらに冷間鍛造で成形された自動車用機械部品の形状体であり、該形状体は焼ならしや焼なましされることなく９５０℃以上で浸炭され、さらに焼入焼戻しされてＪＩＳＧ０５５１に規定のオーステナイト結晶粒度番号７以上となっていることを特徴とする自動車用機械部品である。

第４の手段では、前述した第３の手段による自動車用機械部品であって、この部品は、析出物の組成がＮｂを含む炭化物であり、Ｎｂを含む炭化物の直径が１００ｎｍ以上である析出物が１μｍ²当り０．０５個未満で鋼部品中に含有されていることを特徴とする自動車用機械部品である。

第５の手段では、前述した第３の手段又は第４の手段による自動車用機械部品であって、この部品は、デファレンシャルギヤを構成するピニオンギヤおよび作動ギヤであることを特徴とする自動車用機械部品である。

上記の手段とすることで、本発明の機械構造用鋼は、結晶粒度特性に優れ、疲労強度も高く優れており、自動車のデファレンシャルギヤを構成するピニオンおよびサイドギヤなどの自動車用機械部品として極めて優れた部品を製造することができる。

本発明を実施するための形態について説明するにあたり、まず、上記の各請求項の手段における鋼の化学成分の限定理由について説明する。なお、化学成分における各元素の％は質量％で示す。

Ｃ：０．１３〜０．２０％
Ｃは、自動車用機械部品として鋼材の焼入焼戻し後の強度もしくは浸炭焼入焼戻し後の芯部強度を確保するために必要な元素である。Ｃは０．１３％未満では強度を確保できず、０．２０％を超えると素材の硬度が上昇して加工性が低下する。そこで、Ｃは０．１３〜０．２０％とする。

Ｓｉ：０．３０〜０．７０％
Ｓｉは、脱酸に必要な元素であるとともに、鋼に必要な強度、焼入性を付与し、また一定量以上の添加で浸炭異常層深さを浅くする効果がある。Ｓｉは、その効果を得るために、０．３０％以上の添加が必要である。一方、Ｓｉは０．７０％を超えると素材の硬度を高めるため、加工性を低下させる。そこで、Ｓｉは０．３０〜０．７０％とする。

Ｍｎ：０．２０〜０．５０％
Ｍｎは、焼入性を確保するために必要な元素である。しかし、Ｍｎが０．２０％未満では焼入性への効果は十分に得られない。一方、Ｍｎは０．５０％を超えると機械加工性を低下させると同時に、浸炭時の結晶粒の粗大化が発生し易くなる。そこで、Ｍｎは０．２０〜０．５０％とする。

Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、スクラップから含有される不可避な元素であるが、粒界に偏析して衝撃強度や曲げ強度などの特性を低下させる。そこで、Ｐは０．０３０％以下とする。

Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、被削性を向上させる元素であるが、非金属介在物であるＭｎＳを生成して横方向の靱性および疲労強度を低下する。そこで、Ｓは０．０３０％以下とする。

Ｃｒ：２．００〜２．５０％
Ｃｒは、焼入性を確保するためと浸炭時の結晶粒の粗大化を防止するために必要な元素である。しかし、Ｃｒが２．００％未満ではこれらの効果を十分に得られない。一方、Ｃｒは２．５０％を超えると浸炭を阻害し、また素材硬度を上昇させて機械加工性を低下させる。そこで、Ｃｒは２．００〜２．５０％とする。

Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％
Ａｌは、脱酸材として使用される元素である。この効果を得るため、Ａｌは０．０１０％以上の添加が必要である。一方、Ａｌは０．０５０％を超えて添加されると大型のアルミナ系介在物を形成し、疲労特性および加工性を低下する。そこで、Ａｌは０．０１０〜０．０５０％とする。

Ｔｉ：０．０２〜０．０８％
Ｔｉは、炭化物を形成し、結晶粒粗大化を防止する効果をもたらす。さらに、ＴｉはＮと結合することにより、ＢがＮと結合してＢＮとなることを防ぐ。その効果を得る場合には、Ｔｉは０．０２０％以上添加される必要がある。一方、Ｔｉは０．０８％を超えて添加されると機械加工性を損なう。そこで、Ｔｉは０．０２〜０．０８％とする。

Ｎｂ：０．０２〜０．０８％
Ｎｂは、炭化物を形成し、結晶粒粗大化防止効果をもたらし、特に鋼中に微細に分散したナノオーダーサイズのＮｂＣまたはＮｂＴｉＣが結晶粒の成長を抑制する。しかし、Ｎｂは０．０２％未満では、その効果は得られない。一方、Ｎｂは０．２０％を超えると析出物の量が過剰となり加工性を低下する。そこで、Ｎｂは０．０２〜０．０８％とする。

Ｂ：０．０００５〜０．００３５％
Ｂは、極く少量の含有によって鋼の焼入性を著しく向上させる元素であり、添加することによって他の合金元素の添加量を減らすことができるため、鋼材コストを下げるのに有効な元素である。しかし、Ｂは０．０００５％未満では焼入性の向上効果が小さい。一方、Ｂは０．００３５％を超えると強度を低下させる。そこで、Ｂは０．０００５〜０．００３５％とする。

Ｎ：０．０２０％以下
Ｂは、鋼中に固溶することによって上記した効果を発揮するが、Ｂの添加時にｆｒｅｅ−Ｎが存在すると、ＢＮを生成してしまい、上記効果を発揮できなくなるため、Ｂの添加前にＴｉを添加し、鋼中のｆｒｅｅ−ＮをＴｉＮの形で固定する必要がある。しかし、Ｎは多すぎるとＴｉＮ量が多くなり、疲労強度、衝撃強度、加工性を低下する。そこで、Ｎは０．０２０％以下とする。

鋼の鋳造材を１２５０℃以上に加熱後、鋼片に圧延して冷却し、ついでこの鋼片を８００℃〜１０５０℃の温度域に加熱する理由
鋼の鋳造材を１２５０℃以上に加熱することにより、Ｎｂ炭化物やＮｂＴｉ炭化物を固溶させて、ついで冷却した鋼片を８００℃〜１０５０℃の温度域に加熱することで、９５０℃の浸炭処理に供する段階ではナノオーダーから数十ナノオーダーと微細なＮｂ炭化物、ＮｂＴｉ炭化物を多数分散させている。１２５０℃未満ではＮｂ炭化物、ＮｂＴｉ炭化物が充分に固溶せず、鋳造時に析出した１００ｎｍ以上の粗大なＮｂ系炭化物が残留する。この１００ｎｍ以上の粗大なＮｂ系炭化物が残留すると、結晶粒粗大化防止に有効なＮｂ系炭化物が少なくなるのと同時に、８００℃〜１０５０℃の加熱時や浸炭時にオストワルド成長して、周辺の微細Ｎｂ系炭化物を減少させることで、分散状態が不均一となり、結晶粒度特性は劣化する。そこで、加熱温度は１２５０℃以上とし、好ましくは、１２７０℃以上とする。さらに、鋼片圧延後に１０５０℃以上の温度域に加熱した場合、Ｎｂ系炭化物は成長して、結晶粒の粗大化防止効果が小さくなる。一方、鋼片圧延後に８００℃以下に加熱後に圧延した場合は、圧延後の結晶粒が小さくなり、浸炭時の結晶粒度特性を劣化させる。そこで、鋼片を８００℃〜１０５０℃の温度域に加熱する。

７５０℃〜８００℃の温度域で保持した後、最高温度から６５０℃までの温度域を毎時５０℃以下の速度で冷却する理由
結晶粒度特性を向上させるには、軟化熱処理後のミクロ組織を均一な球状化組織にする必要がある。均一な球状化組織を得るためには、７５０℃〜８００℃の温度域から６５０℃の温度域までを毎時５０℃以下の速度で冷却する必要がある。７５０℃未満および８００℃を超える温度域から冷却すると均一な球状化組織は得られない。毎時５０℃を超える速度で冷却しても、均一な球状化組織は得られないからである。

Ｎｂを含む炭化物の直径が１００ｎｍ以上であるこれらの析出物が１μｍ²当り０．０５個未満とする理由
１００ｎｍ以上の析出物が１μｍ²当り０．０５個以上の場合は、結晶粒粗大化防止に有効なＮｂ系炭化物が不足し、かつ、８００℃〜１０５０℃の加熱時や浸炭時にオストワルド成長して、周辺の微細Ｎｂ系炭化物を減少させることで、分散状態が不均一となり、結晶粒度特性は劣化する。一方、１００ｎｍ以上の析出物が１μｍ²当り０．０５個未満の場合は、結晶粒粗大化防止に有効なＮｂ系炭化物を確保できるのと同時に、均一に分散させることが出来るために優れた結晶粒度特性が得られるからである。

表１に示す比較鋼のＮｏ．Ａ〜Ｎｏ．Ｈの８種および発明鋼のＮｏ．Ｉ〜Ｎｏ．Ｍの５種のそれぞれの化学成分を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を電気炉にて溶解し、精錬後に鋳造を行い、鋼塊またはブルームに製造した。

上記で製造した鋼塊又はブルームを、表２に示す各鋼片圧延の圧延温度の範囲に加熱した後、熱間圧延により鋼片に圧延を行って、そのまま室温まで冷却した。ついで、表２に示す棒鋼圧延の加熱温度の範囲に加熱して棒鋼圧延を行って棒鋼に製造した。さらに、これらの棒鋼を切断後、表２に示す軟化熱処理の最高温度に加熱して、この温度から６５０℃まで表２に示す冷却速度で軟化熱処理を施した。さらに冷間鍛造にてピニオンおよびサイドギヤに成形した後、これらに焼ならしや焼なましを行うことなく９５０℃にて浸炭焼入焼戻しを実施した。これらにより製造したピニオンおよびサイドギヤについて、ギヤの歯元部の結晶粒度の観察を実施し、これらの粒度Ｎｏ．および１００ｎｍ以上のＮｂ分散粒子数を１μｍ²当たりの個数を表２に示した。さらに、ピニオンおよびサイドギヤの疲労試験を実施し、１０⁴サイクルと１０⁵サイクルでの強度比（ピニオンはＮｏ．１との比較、サイドギヤはＮｏ．２との比較）を調査して同じく表２に示した。

表２において、Ｎｏ．１２は発明鋼の鋼種Ｉであり、Ｎｏ．１３およびＮｏ．１６は発明鋼のＪであり、Ｎｏ．２０は発明鋼の鋼種Ｋであり、Ｎｏ．２４は発明鋼の鋼種Ｌであり、Ｎｏ．２６は発明鋼の鋼種Ｍである。これらは本願発明の全ての請求項に係る条件、すなわち表２に示す条件である、鋼片圧延、棒鋼圧延、軟化熱処理温度、粒度Ｎｏ．とＮｂ分散粒子数の全てを満足するものである。これに対し、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１５、Ｎｏ．１７、Ｎｏ．１８、Ｎｏ．１９、Ｎｏ．２１、Ｎｏ．２２、Ｎｏ．２３、Ｎｏ．２５は、本願の発明鋼の表１に示す成分組成を示す鋼種であっても、本願発明の全ての請求項に係る条件、すなわち表２に示す、鋼片圧延、棒鋼圧延、軟化熱処理温度、粒度Ｎｏ．とＮｂ分散粒子数の、いずれかの条件を満足しないものであり、これらの満足しない条件は網かけで示している。

これらに対し、表２のＮｏ．１〜１１の鋼種Ａ〜Ｈは、本発明鋼の表１に示す化学成分において、表１に網かけで示すように、いずれかの化学成分の範囲が外れるものであり、その結果、表２に示す、鋼片圧延、棒鋼圧延、軟化熱処理温度、粒度Ｎｏ．とＮｂ分散粒子数のいずれかが本願発明の条件から外れるものであり、特に表２のＮｏ．１〜１１の鋼種Ａ〜Ｈは粒度Ｎｏ．が７未満で十分に微細化されていない。

以上のように、本発明の実施例の各鋼は、結晶粒度特性に優れ、ギヤの疲労試験において、表２に見られるように、疲労強度が高く優れており、疲労強度に優れた自動車のデファレンシャルギヤを構成するピニオンおよびサイドギヤなどの自動車用機械部品であることが確認された。

Claims

質量％で、Ｃ：０．１３〜０．２０％、Ｓｉ：０．３０〜０．７０％、Ｍｎ：０．２０〜０．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：２．００〜２．５０％、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｔｉ：０．０２〜０．０８％、Ｎｂ：０．０２〜０．０８％、Ｂ：０．０００５〜０．００３５％、Ｎ：０．０２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼を鋳造後１２５０℃以上に加熱して鋼片に圧延して冷却し、ついで、この鋼片を８００〜１０５０℃の温度域に加熱後に鋼材に圧延し、該鋼材を軟化熱処理した後、冷間鍛造にて自動車用機械部品の形状体に成形し、次いで焼ならしあるいは焼なましを行うことなく該形状体に９５０℃以上で浸炭を行った後、焼入焼戻しを施し、ＪＩＳＧ０５５１に規定するオーステナイト結晶粒度番号７以上とすることを特徴とする自動車用機械部品の製造方法。
軟化熱処理は、鋼材の最高温度を７５０〜８００℃の温度域で保持した後、この最高温度から６５０℃までの温度域を毎時５０℃以下の冷却速度で冷却することを特徴とする請求項１に記載の自動車用機械部品の製造方法。
質量％で、Ｃ：０．１３〜０．２０％、Ｓｉ：０．３０〜０．７０％、Ｍｎ：０．２０〜０．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：２．００〜２．５０％、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｔｉ：０．０２〜０．０８％、Ｎｂ：０．０２〜０．０８％、Ｂ：０．０００５〜０．００３５％、Ｎ：０．０２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、該鋼は１２５０℃以上で鋼片に圧延され、該鋼片は８００〜１０５０℃の温度域で鋼材に圧延され、さらに軟化熱処理され、さらに冷間鍛造で成形された自動車用機械部品の形状体であり、該形状体は焼ならしや焼なましされることなく９５０℃以上で浸炭されて、さらに焼入焼戻しされてＪＩＳＧ０５５１に規定のオーステナイト結晶粒度番号７以上となっていることを特徴とする自動車用機械部品。
自動車用機械部品は、鋼中に存在する析出物の組成がＮｂを含む炭化物であり、直径が１００ｎｍ以上である析出物が１μｍ²当り０．０５個未満であることを特徴とする請求項３に記載の自動車用機械部品。
自動車用機械部品は、デファレンシャルギヤを構成するピニオンギヤおよび作動ギヤであることを特徴とする請求項３又は４にに記載の自動車用機械部品。