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 - Google Patents

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 Download PDF

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【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.Krauss and D.K.Matlock:Grain Growth in Policrystallin Materials III,ed.by H. Weiland,B.L.Adams and A.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、JIS G 0551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JIS G 0551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。
Figure 2014194060
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。
Figure 2014194060
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 (5)

  1. 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、JIS G 0551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。
  2. 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。
  3. 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JIS G 0551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。
  4. 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。
  5. 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。
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