JP2018053338A - 耐摩耗性に優れた浸炭部品およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許文献2では耐摩耗性部品を表面硬さ、粗さで規定して、さらに素材としてはJIS G4053に規定されたクロム鋼またはクロムモリブデン鋼かさらにMn、Moなどの合金を添加することが規定されている。
1.耐摩耗性に対して表面硬度を高める手段は一般的に使用されており、そのために表面硬化処理の一つである浸炭焼入れ焼戻しを行なっている。浸炭焼入れ焼戻しをして使用する場合には表面粗さを抑えて摩擦を抑えると共にその摩擦発熱による軟化の抑制が最も効果がある。
2.浸炭材の表面粗さをミクロ的に見ると浸炭時の表面の粒界酸化状況が表面粗さに影響を及ぼす。そのため、表面を研磨して使用する場合は必要ないが、浸炭焼入れ焼戻しままでの表面で使用する場合は、コストが嵩む為、粒界酸化を抑制する必要がある。
3.摩擦発熱による焼戻し軟化抑制については焼戻し軟化抵抗を有する合金添加が有効であり、その中で安価で代表的なものはSiである。
4.鋼材のSi増量添加では表面酸化は多くなる。しかし、表面の粒界・粒内の全域で酸化が進行するために深さ方向への進展が遅れる。結果、粒界優先で酸化した場合の表面の粗さよりも表面の粗さは小さくなる。よって表面粗さを抑えるための粒界酸化コントロールにはSi添加鋼が必須であるが、表面の酸化の状態をコントロールするにはさらに浸炭条件もコントロールしたうえで表層の粒界酸化密度をコントロールすることが重要である。
5.Siを添加すると鋼の変態点が上昇する。この点を利用して内部組織をコントロールし熱処理による歪みをコントロールする事で、歪み取り矯正の簡略化・簡素化を図れる。同時に、研磨の必要もなくなり、安価に表面硬度を高めに維持可能となる。
[1]成分組成が、C:0.15〜0.35mass%、Si:1.00〜2.50mass%、Mn:0.40〜0.70mass%、Cr:1.00〜2.00mass%、Mo:0.3mass%以下(0mass%を含む)、Al:0.010〜0.080mass%、N:0.0040〜0.0200mass%、Cu:0.50mass%以下(0mass%を含む)、Ni:2.0mass%以下(0mass%を含む)、残部Feおよび不可避的不純物であり、かつ、下記(1)式を満足する非浸炭部と、該非浸炭部より表面側にあって、該非浸炭部に対してC含有量またはさらにN含有量が高い成分組成である浸炭部を有し、該浸炭部は、表面から5μm深さ位置までの酸化密度が60%以上であり、前記非浸炭部の鋼組織はフェライト量が面積率で40%以下であることを特徴とする耐摩耗性に優れた浸炭部品。
[Si]+3[Cr]−[Mn]≧4.0 ・・・(1)
但し、[M]はM元素の含有量(mass%)を示す。
[2]成分組成として、更に、Nb:0.060mass%以下、V:0.20mass%以下、Ti:0.200mass%以下の1種以上を含有することを特徴とする上記[1]に記載の耐摩耗性に優れた浸炭部品。
[3]成分組成として、更に、B:0.0050mass%以下を含有することを特徴とする上記[1]または[2]のいずれかに記載の耐摩耗性に優れた浸炭部品。
[4]上記[1]乃至[3]のいずれか一つに記載の成分組成の鋼材を用いて機械加工、熱間鍛造、冷間鍛造、温間鍛造のいずれか一つ以上を行って部品形状とした後、浸炭焼入れあるいは浸炭浸窒焼入れの後、焼戻し処理を行うことを特徴とする耐摩耗性に優れた浸炭部品の製造方法。
なお、以下の説明において、成分組成の各元素の含有量の単位はいずれも「mass%」であり、特に断らない限り単に「%」で示す。
成分組成
Cは強度確保のために必要で、浸炭焼入れ焼戻しあるいは浸炭浸窒焼入れ焼戻し後の内部硬度を決定する。0.15mass%未満では内部硬度が低下し、耐曲げ応力が低下して強度を確保できない。一方、0.35mass%より多いと表層の残留オーステナイトが過多となり、表面硬度が低下するとともに、内部靭性が劣化し、疲労特性が悪くなる。よって、0.15〜0.35mass%とする。
Siは焼戻し軟化抵抗を高めるのに有効な元素である。軟化抵抗が低いと、摩擦熱による軟化が発生してしまい摩耗を早めてしまう。その抑制効果は1.00mass%以上で有効である。また、Siは変態点を上げる作用がある。浸炭焼入れ焼戻しあるいは浸炭浸窒焼入れ焼戻し後に、非浸炭部にフェライトを好適に15%以上存在させるためにはSiは1.00mass%以上必要である。一方、2.50mass%以上含有した場合は、フェライトが40%を超えてしまい、内部硬度が低下して疲労強度が下がる。よって1.50〜2.50mass%とする。
Mnは焼入れ性を高める元素である。焼入れ性を確保するため0.40mass%以上とする。一方、0.70mass%を超えて含有すると変態点が下がりすぎて熱処理変形が大きくなり疲労強度が低下してしまう。よって、0.40〜0.70mass%とする。
Crは焼入れ性向上元素であるとともに、焼戻し軟化抵抗を高める元素である。両方の性能を発揮させるには1.00mass%以上の含有が必要である。一方、2.00mass%を超えると軟化抵抗を高める効果は飽和する。また、焼入れ性が高くなりすぎるため歯車内部の靭性が劣化し、疲労亀裂の進展が早くなって曲げ疲労強度が低下するようになる。よって、1.00〜2.00mass%とする。
Mo添加は必須ではないが、焼入れ性向上元素であるため、0.3mass%を上限として含有することができる。0.3mass%を超えると焼入れ性が高すぎて焼割れが起こりやすくなり、また高価なため経済性も悪くなるので、0.3mass%以下とする。
Alは脱酸に有効な元素であり、その効果は0.010mass%以上の添加で発揮される。また、0.080mass%までの添加でNと結合してAlNを生成し、結晶粒の粗大化を抑える働きがある。0.080mass%を超えると粗大粒が発生して疲労亀裂が進展し易くなって曲げ疲労強度が低下する。よって、0.010〜0.080mass%とする。
NはAlと結合してAlNを生成し、結晶粒の粗大化を抑えて疲労強度を向上させる。その効果を得るには0.0040mass%以上必要である。一方、0.0200mass%を超えるとその効果は飽和するだけでなく、内部にブローホール等の欠陥を発生させ、曲げ疲労強度の低下を招く。よって、0.0040〜0.0200mass%とする。
Cuは必ずしもその含有を必須とするものではないが、鋼中に固溶して、鋼材の強度を高める元素であるため0.50mass%を上限として含有してもよい。しかし、0.50mass%を超えると鋼材製造時に表面疵が発生して部品製造の際に表面欠陥が発生しやすくなり、また表面研削等を行なった後に部品製造をするとコスト増となる等、不利益となる。よって、Cuは0.50mass%以下で使用する。なお、Cuによる固溶強化を有効に発現させるためには、0.02mass%以上で含有させることが好ましい。さらにCuを含有する場合は表面疵の発生を抑制する効果の高いNiを同時に含有することが好ましい。
Niは必ずしもその含有を必須とするものではない。しかし、鋼中に固溶して強度を高めると共に、焼入れ性を高くして表面の硬化層深さを深くする働きがあるため含有することができる。含有する場合は、Niは合金としては高価であるため2.0mass%を上限とする。なお、Niによる固溶強化や焼入れ性を高める効果を有効に発現させるためには、0.02mass%以上含有されることが好ましい。
Nbは炭窒化物形成により結晶粒を微細化し、疲労特性を向上させる。結晶粒の微細化効果は0.010mass%以上で増大するので、0.010mass%以上含有させることが好ましい。一方、0.060mass%を超えて含有してもその効果は飽和するようになるので、0.060mass%を上限とする。
Vは焼入性を向上させるとともにSi、Crと同じく焼戻し軟化抵抗を高める。また、炭窒化物を形成して結晶粒の粗大化を抑制する。このような効果を発揮させるためには、0.030mass%以上の含有が好ましい。一方、0.20mass%を超えて含有しても飽和してしまい、十分な効果は得られず、製造コストが上がるだけとなるので、含有する場合は0.20mass%を上限とする。
Tiは微細Ti化合物を生成して鍛造後の結晶粒を小さくして強度を高める。その効果は0.005mass%以上で増大するので、0.005mass%以上含有させることが好ましい。一方、0.200mass%を超えて含有するとTi析出物が粗大化し、疲労破壊の起点となって寿命が低下するようになるので、含有する場合は、0.200mass%を上限とする。
Bは焼入れ性を上げるのに有効である。その効果は0.0005mass%以上で得られるため、0.0005mass%以上で含有させることが好ましい。一方、0.0050mass%を超えると上記の効果が飽和するようになるので、含有する場合は0.0050mass%を上限とする。
[Si]+3[Cr]−[Mn]≧4.0・・・(1)
但し、[M]はM元素の含有量(mass%)を示す。
上記(1)式は焼戻し軟化抑制および粒界酸化状況改善、さらに非浸炭部フェライト量確保の3つの要素をコントロールするのに必要である、この値が4.0よりも小さい場合、焼戻し軟化抵抗、表層酸化状況、非浸炭部フェライト量不足による変形量のいずれかが満たされなくなり耐摩耗性が改善されない。
本発明は、浸炭処理が施されて表面から所定深さまでに浸炭部を有する浸炭部品に関するものである。浸炭処理は、上述した成分組成からなる鋼を部品形状としたものに対して行うが、浸炭領域(浸炭部)は表層に形成し、それよりも深い部分は上述した成分組成からなる非浸炭部となる。つまり浸炭部が非浸炭部の表面側に形成される。当然、浸炭部のC含有量は非浸炭部のC含有量に対して高くなる。また、浸炭処理と同時あるいは浸炭処理の後に、浸窒処理が施されていてもよく、この場合、浸炭部のN含有量が非浸炭部のN含有量よりも高くなる。このような、浸炭あるいは浸炭浸窒した場合、表層付近は酸化されるが、本発明ではその酸化密度が重要な要件となる。表面から5μm深さ位置までの表層酸化密度が60%未満の場合は表面の酸化が粒界を主体に内部へ伸展しており、部品として使用し、摩擦が発生した場合に表面が荒れ易く、局部摩耗が伸展しやすくなり疲労特性が落ちる。よって、60%以上必要である。尚、表層酸化密度については、表面から5μm深さ位置までについてEPMAを使用して酸素親和力の高いSiのマッピングを行い、非浸炭部の各合金含有量と比較して濃度が4倍以上の部分の面積の和を観察面積全体で除して求めた。観察面積は3000倍で200視野を観察した。
浸炭焼入れ焼戻しあるいは浸炭浸窒焼入れ焼戻し後の非浸炭部の組織中にフェライトを一定量存在させると部品の変形を少なくする事が可能である。そのため、フェライト量は面積率で15%以上が好ましい。一方、40%を超えて存在させると、内部の硬度が下がりすぎて疲労強度が低下してしまう。よって、非浸炭部のフェライト量は面積率で40%以下に限定する。なお、フェライト量の測定にはナイタールでエッチングした浸炭部品の切断・研磨品を光学顕微鏡で400倍の倍率で100視野観察し、それらを画像処理にて二値化処理を行って白い部分の面積を求め、全体の面積に対する割合とする。
本発明に係る浸炭部品は以下のように製造する。上記成分組成の鋼材を機械加工、熱間鍛造、温間鍛造、冷間鍛造のいずれか一つ以上の加工により、歯車等の所望の部品形状とする。または、熱間鍛造、冷間鍛造または温間鍛造のいずれかの後に機械加工で歯車等の所望の部品形状としてもよい。また、これらの加工を如何様に組み合わせてもよい。熱間鍛造や温間鍛造の温度条件は従来実施されている方法で良く、例えば、熱間鍛造は1000〜1300℃で行い、温間鍛造は400〜950℃で行う。
浸炭処理時の雰囲気制御についてはカーボンポテンシャル制御を行うが、その鋼の成分組成により平衡炭素濃度ならびに酸化状態が異なるため、事前に同一鋼材にてある条件で浸炭して、その結果により適宜調整する必要がある。また、この雰囲気制御の調整により最終的な鋼材表層の酸化状態が決定するが、必要な浸炭硬化層深さを得ると同時に規定する鋼材表層の酸化状態のコントロールには、成分組成の限定並びに雰囲気制御の両方が必要となる。
浸炭焼入焼戻しを実施したローラーピッチング試験片の試験前材について転送面を切断し、断面の硬度分布を測定して有効硬化層深さを求めた。
また内部の非浸炭部において硬度測定と組織観察を行ない、組織についてはフェライトの面積率も測定した。フェライトの面積率の測定は、試験片の芯部(径方向中心)よりサンプルを採取し、研磨後にナイタールでエッチングした面を光学顕微鏡を用いて400倍の倍率で100視野観察し、それらを画像処理にて二値化し、白い部分の面積を求め、全体の面積に対する割合求めることで行った。
内部硬度については、試験片の芯部(径方向中心)よりサンプルを採取しビッカース硬さ(マイクロビッカース2.94N)を5点測定し、これらの平均値を求めた。
また、浸炭焼入焼戻しを実施したローラーピッチング試験片の試験前材について、表層硬度、浸炭部の旧オーステナイト粒度(旧γ粒度)についても調査した。表層硬度は、表面より深さ0.03mmの位置について、ビッカース硬さ(マイクロビッカース2.94N)を5点測定し、これらの平均値を求めた。旧オーステナイト粒度は、表層硬度を測定したものと同一箇所について、光学顕微鏡で100倍で観察してオーステナイト結晶粒度番号を求めた。
浸炭焼入焼戻しを実施したローラーピッチング試験片の試験前材について、X線回折により表層部の残留オーステナイト量を調査した。
上記の浸炭焼入焼戻しを実施したローラーピッチング試験片について表面下5μm位置までのSiの濃化をEPMAにより調査した。非浸炭部(浸炭焼入焼戻しを実施したローラーピッチング試験片の断面中心位置)の濃度に対して4倍以上濃化した部分について全体の面積との比である面積率を測定した。尚、分析前には表層の粒界酸化状況をすべての視野で観察してもっとも深くまで酸化が進行していた部分を粒界酸化層深さとした。
摩耗量はローラーピッチング試験により調査した。大ローラー側のクラウニング量を150mmRとし、面圧3200MPaで10万回まで回転させ、その試験片の接触面の横断面の摩耗曲線を採取して、試験前表面に対する摩耗最大深さを求めた。
さらに溶製された上記、適合鋼、比較鋼、従来鋼のインゴットより熱間圧延により直径100mmの丸棒鋼に調製し、得られた丸棒鋼に対し焼準処理を実施した。 歯幅10mm、モジュール2.5、ピッチ円100mmの歯車にて回転数3000rpm、潤滑油はトランスミッション用オイルを80℃として、トルクを変化させて破損までの繰り返し数を調べ、繰り返し数1000万回で破損しない最大トルクを疲労強度として評価した。
No.41はC量が発明範囲より高い。そのため、浸炭後の残留γ量が多くなりすぎており、高い表面硬度が得られていない、そのため対摩耗性が低下した。また、内部の靭性が足りず歯元部での破壊も起こりやすくなった。よって歯車疲労強度が低下した。
Claims (4)
- 成分組成が、C:0.15〜0.35mass%、Si:1.00〜2.50mass%、Mn:0.40〜0.70mass%、Cr:1.00〜2.00mass%、Mo:0.3mass%以下(0mass%を含む)、Al:0.010〜0.080mass%、N:0.0040〜0.0200mass%、Cu:0.50mass%以下(0mass%を含む)、Ni:2.0mass%以下(0mass%を含む)、残部Feおよび不可避的不純物であり、
かつ、下記(1)式を満足する非浸炭部と、該非浸炭部より表面側にあって、該非浸炭部に対してC含有量またはさらにN含有量が高い成分組成である浸炭部を有し、
該浸炭部は、表面から5μm深さ位置までの酸化密度が60%以上であり、
前記非浸炭部の鋼組織はフェライト量が面積率で40%以下であることを特徴とする耐摩耗性に優れた浸炭部品。
[Si]+3[Cr]−[Mn]≧4.0 ・・・(1)
但し、[M]はM元素の含有量(mass%)を示す。 - 成分組成として、更に、Nb:0.060mass%以下、V:0.20mass%以下、Ti:0.200mass%以下の1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の耐摩耗性に優れた浸炭部品。
- 成分組成として、更に、B:0.0050mass%以下を含有することを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の耐摩耗性に優れた浸炭部品。
- 請求項1乃至3のいずれか一つに記載の成分組成の鋼材を用いて機械加工、熱間鍛造、冷間鍛造、温間鍛造のいずれか一つ以上を行って部品形状とした後、
浸炭焼入れあるいは浸炭浸窒焼入れの後、焼戻し処理を行うことを特徴とする耐摩耗性に優れた浸炭部品の製造方法。
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