JP2019218583A - 機械部品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
それとは対照的に、浸炭状態の鋼部品と同様の熱履歴のみを与えると、鋼中の炭素はオーステナイト中への固溶限の制限により、鋼中に固溶できないものが炭化物として鋼中に残存する。このような鋼中に残存した炭化物は、粒界に析出すると、靱性に対して悪影響がある。
鋼部品の表面の炭素濃度を1.2%以上の高濃度にすることで、炭化物を微細かつ大量に析出させ、さらに焼戻し軟化抵抗性の向上を志向する、高濃度浸炭法も提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
これらの高濃度浸炭法は、粒界に粗大な炭化物が析出することにより、靱性に対する悪影響を及ぼすことが指摘されている(例えば、特許文献3および特許文献4参照。)。
該素材の表面層の炭素濃度が0.8〜1.5%を満たすように該素材を浸炭する工程と、
該素材の表面層におけるAcm点(℃)より高い温度から、A1点(℃)よりも50℃以上低い温度である冷却終了温度までの温度範囲を平均5℃/sec以下の速度で冷却して、該表面層をパーライト組織もしくはベイナイト組織とする工程と、
該表面層におけるAcm点(℃)以下の加熱温度で球状化焼なましして該パーライト組織もしくは該ベイナイト組織の炭化物を球状化する工程と、
該素材の該表面層におけるAcm点(℃)以下に加熱してから焼入れし、次いで焼戻しする工程、
を経る機械部品の製造方法である。
が全炭化物の90%以上であり、旧オーステナイト粒界上の炭化物に関して、旧オーステナイト粒界上の球状化炭化物の個数が占める割合は全炭化物数の40%以下である機械部品の製造方法であり、
該化学成分の鋼材から形成された素材を準備する工程と、
該素材に対して、加熱温度を850〜1030℃とし、該表面層の炭素濃度が0.8〜1.5%を満たすように浸炭する工程と、
該表面層におけるAcm点(℃)より高い温度から、A1点(℃)よりも50℃以上低い温度である冷却終了温度までの温度範囲を平均5℃/sec以下の速度で冷却してパーライト組織もしくはベイナイト組織とする工程と、
該表面層におけるAcm点(℃)以下の加熱温度で球状化焼なましして該パーライト組織もしくはベイナイト組織中の炭化物を球状化する工程と、
該素材の該表面層におけるAcm点(℃)以下に加熱してから焼入れしてマルテンサイト組織を形成し、次いで焼戻しする工程、
を経る機械部品の製造方法である。
Cは、鋼部品の芯部の焼入性、鍛造性および機械加工性に影響する元素である。そして、Cが0.13%未満では十分な芯部の硬さが得られず、強度が低下するので、Cは0.13%以上の添加が必要であり、望ましくは、0.16%以上の添加がよい。一方、Cは、多いと、素材の硬さを増加し、被削性および鍛造性などの加工性を阻害する元素であるから、Cが過多になると、素材の芯部硬さが過剰となり、靭性が劣化する。そこで、Cは0.30%以下にする必要があり、望ましくは0.28%以下にするとよい。したがって、Cは0.13〜0.30%とし、望ましくは0.16〜0.28%とする。
Crは、焼入性を向上させる元素であり、また、球状化焼なましによる炭化物の球状化を容易にする元素である。これらの効果を得るためには、Crは0.90%以上が必要であり、望ましくは1.00%以上とするとよい。一方、Crは、過剰に添加するとセメンタイトが脆くなり、靭性を劣化させる元素である。また、Crは多いと、浸炭阻害を起こし、素材硬さの低減につながるほか、浸炭時に粗大炭化物を形成し、耐ピッチング性の低下につながる元素である。そこで、Crは2.00%以下にする必要があり、望ましくは1.90%以下にするとよい。したがって、Crの含有量は0.90〜2.00%とし、望ましくは1.50%より大きく1.90%以下とする。
他方、他の添加元素については、本発明において重要な炭化物の形成や分布に関しては、CやCrほどには影響を大きく与えるものではない。そこで、以下の選択的成分については、機械構造用肌焼き鋼として一般的な添加量であれば適用できる。
Si、Mn、Ni、Mo、Nb、V、Ti、B、Al、Nのうち1種以上
Si、Mn、Ni、Mo、Nb、V、Ti、B、Al、Nについては、要求される用途に応じて、そのうち1種以上を選択して使用する元素である。
なお、これらの成分が選択的成分として添加される場合には、たとえば、以下のような範囲であることが望ましい。
Siは、鋼部品の焼戻し軟化抵抗性を高め、ピッチング特性向上にも有効な元素である。さらに、Si添加量が0.15%以上になると、粒界酸化深さが低減するので、ピッチング特性の向上には、Siは0.15%以上である必要がある。一方、Siは多いと、浸炭阻害を起こし、耐ピッチング強度劣化につながる元素である。そこで、Siは0.80%以下にする必要がある。
Mnは、多いと靭性を低下させる元素である。そこで、Mnは0.90%以下にする必要がある。
Pは、鋼中に不可避的に含有される不純物元素であり、粒界に偏析し、靭性を劣化させる元素である。そこで、Pは0.030%以下にする必要がある。
Sは、鋼中に不可避的に含有される不純物元素であり、Mnと結びついてMnSを形成し、靭性を劣化させる元素である。そこで、Sは0.030%以下にする必要がある。P、Sなどを含めた不可避不純物の総量は1.0%未満に規制することが望ましい。
Alは、Nと結合してAlNを生成するため、結晶粒の粗大化の抑制に有効な元素である。結晶粒の粗大化は、靱性を劣化させる。そこで、Alは0.020%以上にする必要がある。
Nは、鋼中でAl窒化物やNb窒化物といった窒化物として微細に析出し、鋼部品の靭性などの強度を低下させる要因となる結晶粒の粗大化の抑制に有効な元素である。その効果を得るためには、Nは0.008%以上にする必要がある。
Tiは、B添加時に、Bによる焼入性の改善効果を発揮させる元素である。その焼入性の改善のためには、窒素とTiを結合させてTi窒化物を形成させる必要がある。そこで、Tiを0.01%以上添加する。なお、このTiの添加量はNの添加量の3.4倍以上であることが望ましい。
Nbは、浸炭時に炭化物または炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化させるのに有効な元素である。また、Nbは結晶粒を微細化することで、粒界酸化の深さを浅くするとともに、粒界酸化となるき裂が生成した際にもき裂長さが短くなる。しかし、Nbが0.01%未満では、き裂長さが小さくなる効果は得られない。一方、Nbは0.10%を超えると結晶粒微細化の効果は飽和する。
(i)鋼材より機械部品形状の素材を準備する工程と、
(ii)素材に対し、加熱温度850〜1050℃とし、素材の表面層の炭素濃度が質量%で0.8〜1.5%を満たすように浸炭する工程と、
(iii)素材の表面層におけるAcm点(℃)より高い温度から、A1点(℃)よりも50℃以上低い温度である冷却終了温度までの温度範囲を平均5℃/sec以下の速度で冷却してパーライト組織もしくはベイナイト組織とする工程と、
(iv)素材の表面層におけるAcm点(℃)以下の加熱温度で球状化焼なましする工程と、
(v)素材の表面層におけるAcm点(℃)以下に加熱してから焼入れし、次いで焼戻しする工程を含む。
以下にこれらの工程の理由を個別に説明する。
(i) 鋼材より機械部品形状の素材を準備する工程
鋼材を鍛造などで粗成形し、機械加工により目的の機械部品と同じ形状の素材を成形する。機械部品1の一例の歯車断面を図3に示す。素材は、以下の工程を経て、機械部品1とされる。
工程(ii)を経た素材は、芯部4と、芯部4の表面を被覆する浸炭層2と、より構成される。浸炭層2は、素材の表面側に表面層3を持つ。表面層3は最表面から少なくとも0.3mmの深さをもつ。本願の工程の効果を得るためには、加熱温度はAcm点(℃)より高い温度である必要がある。素材の加熱温度が高いほど、短時間で所定の炭素濃度まで浸炭することができる。素材の加熱温度が高すぎると加熱炉の寿命を低下させる。そこで、素材の加熱温度を850〜1050℃とする。
素材の表面層3の炭素濃度が0.8%未満では、目的とする炭化物を十分に析出させることができにくい。一方、素材の表面層3の炭素濃度が1.5%を超えると、オーステナイト粒界上にアスペクト比が1.5を超える炭化物を形成し、靭性が低下する。そこで、表面層3の炭素濃度を0.8〜1.5%を満たすように浸炭する。
炭素濃度が低いほど靱性の観点から好ましく、高いほど硬さの観点から好ましいことから、双方のバランスをはかって、表面層3の炭素濃度は、0.85〜1.20%であれば、更に好ましい。
表面層3の炭素濃度とは、素材の表面から0.3mmの深さまでの範囲の領域での平均炭素濃度を意味する。浸炭の方法は、ガス浸炭、真空浸炭あるいは浸炭窒化のいずれかによる方法でもよい。
なお、冷却の際にはそれに続く工程で処理するか、いったん任意に冷却し、再度所定の加熱温度まで加熱した後、それに続く工程で処理するかは、どちらでも良い。
本願の工程の効果を得るためには、炭化物を適度な大きさおよび適度な面積率で分布しておく必要がある。そのためには、浸炭後に、焼入れすることなく部品素材をいったん冷却した後、所定の熱処理を行う必要がある。
上記の工程とする理由は、浸炭中に部品素材中に過飽和に固溶したCの一部を、炭化物として析出させるためである。冷却後の表面層の組織はパーライト組織もしくはベイナイト組織より成る。
そこでこれらの温度領域間での冷却速度を、平均5℃/sec以下とする。平均5℃/secよりも速い冷却速度で冷却された場合は、マルテンサイトが生成することにより、炭化物が過飽和に固溶したまま冷却されるため、それに続く工程で十分な大きさの炭化物が殆ど析出せず、かつ析出しても微細に留まるため、炭化物の成長が不十分であり、所望の靭性や耐ピッチング性が得られないこととなる。
本工程の冷却をする際には、いったん室温まで冷却するか、図1に示されるように表面層3におけるA1点を下回った後に、それに続く工程へと進めるかは、どちらでもよい。
本願の工程の効果を得るためには、炭化物を適度な大きさに成長させ、適度な面積率で分布しておく必要がある。そのためには、Acm点(℃)以下の加熱温度で球状化焼なましする必要がある。なお、Acm点とは、加熱時、過共析鋼中の炭化物が完全に溶解する温度のことである。
上記の工程とする理由は、仮に、表面層3にAcm点(℃)以上の加熱温度で、球状化焼なましを行うと、炭化物が全て素材中に固溶してしまうために、本願の工程の効果を得ることができないからである。
なお、本工程の冷却をする際には、いったん室温まで冷却するか、Ar1点を下回った後に、それに続く工程に進めるかは、どちらでもかまわない。
本願の工程の効果を得るためには、炭化物を適度な大きさに成長させ、適度な面積率で分布しておく必要がある。また、機械部品1として使用可能な硬さを得る必要がある。そのために、熱処理炉で再加熱してから焼入れすることが必要である。
そこで、上記の工程とする理由は、表面層5におけるAcm点(℃)を超える加熱温度で焼入を行うと、炭化物が素材中に固溶してしまうために、本願の工程の効果を得ることができないからである。したがって加熱温度はできるだけ低い方が望ましい。一方で、加熱温度が低すぎると、機械部品1の芯部領域において、芯部が完全にオーステナイト化せず部分的に軟質なフェライトが残存し、疲労強度が低下するため、芯部のAr3点(℃)よりも高い温度で焼入を行うのが望ましい。
球状化炭化物5の長径/短径の比で定義するアスペクト比は、球状化の指標である。そして、アスペクト比が大きな形状の、例えば板状あるいは柱状に近い形状の炭化物は、その形状に起因して変形時に応力集中源となり、さらに、き裂発生の起点となって靭性を低下させる。そこで、靭性向上の観点から、炭化物は球状に近いことが望ましい。そして、球状化炭化物5のアスペクト比が1.5以下であれば、き裂発生の起点となる有害性を下げることができる。
そこで、アスペクト比が1.5以下の球状化炭化物5の割合が大きいほど好ましい。本発明の製造方法によると、アスペクト比が1.5以下の球状化炭化物5は全炭化物数の90%以上を得ることができ、さらに望ましくは95〜100%とすることもできる。
本発明の手段の鋼材の成分組成は、浸炭による機械部品の表面領域における炭素濃度からみて過共析の範囲である。そして、過共析鋼において耐衝撃特性を劣化させる脆性破壊の形態は、主に旧オーステナイト粒界5に沿った粒界破壊である。この原因となるのは、旧オーステナイト粒界6上の炭化物、すなわち特に粒界に沿った編目上の炭化物、であり、この粒界に析出して存在する炭化物は粒内の炭化物よりも破壊の起点となり易くかつ有害性が高い。したがって、このような炭化物が粒界上に存在すると好ましくない。そこで、本発明の製造方法により、旧オーステナイト粒界上の球状化炭化物の個数が占める割合は全炭化物の40%以下とすることができる。また、望ましくは20%以下、さらに望ましくは5%以下から0%とすることもできる。
炭化物が旧オーステナイト粒界上に存在することは好ましくない。特に、粒界に沿った網目状の炭化物やそれに類似するような粗大な炭化物は粒界破壊の起点となる危険が増加する。本発明によると、球状化炭化物5は、有害性の低い粒径1μm以下の粒径の大きさのものが90%以上とできる。さらに、望ましくは95〜100%とすることもできる。
なお、ここでいう%とは、走査型電子顕微鏡の5000倍程度で観察できる炭化物の全個数を100%とした時の割合である。上記の倍率で観察できない非常に微細な炭化物は靭性に与える影響が小さいため考慮しない。図4では、旧オーステナイト粒界上の球状化炭化物は大きさが小さいため、表れておらず、図示されていない。
旧オーステナイト粒界6の差渡しの大きさである粒径Aは、微細化することで、粒界破壊もしくはへき開破壊の破面単位を小さくすることができ、破壊に要するエネルギーを大きくすることができるので、靭性を向上させることができる。そこで、結晶粒径の微細化は硬度を下げることなく靭性を向上させる方法として非常に有効である。
本願の製造方法は、その微細な炭化物を析出させた状態で最終の焼入れを行い、その際、比較的低温で焼入れを行うことによって、旧オーステナイト粒界6の粒径Aを微細に維持することができる。
なお、一方、旧オーステナイト粒界6の粒径Aが15μmを超えると、靱性を向上させる効果が小さくなる。特に、浸炭時の加熱温度を1050℃以上にすることは、たとえ最終の焼入れを行ったとしても、旧オーステナイト粒界6を粗くしてしまう。そこで、旧オーステナイト粒界6の粒径Aは、大きさが15μm以下とできることが有用である。
供試材のうち、供試材No.1〜6は本願請求範囲の化学成分を有する。供試材No.7〜9は本願請求範囲の化学成分から外れる。
そして、図5の(a)に示すローラーピッチング試験片(小ローラー)(1)の粗形に加工(粗加工)した。この粗加工の際には、試験部(2)の仕上げ加工を実施しており、つかみ部(3)のみ、以降の熱処理後に研削仕上げを行うために、片肉0.2mmの余肉を付与した。また、10RCノッチのシャルピー衝撃試験片(1)の粗形に加工した。粗加工の際には、ノッチ面以外について以降の熱処理後に浸炭層を除去する加工を行うために片肉2mmの余肉を付与した。
実施鋼部品No.および比較鋼部品No.の数値の2桁目の値は、表1の供試材No.の成分組成に相当することを意味している。
(たとえば表2の実施鋼部品No.11およびNo.12は2桁目の値が1であるから、表1の供試材No.1の成分組成のものに対する熱処理条件を示すものであり、表2の実施鋼部品No.21およびNo.22は、2桁目の数値が2であるから、表1の供試材No.2の成分組成のものに対する熱処理条件を示している。)
また、表2における実施鋼部品No.および比較鋼部品No.の数値の1桁目の値は、1桁目の値が1ないし2の場合は、本願請求範囲の熱処理条件を充足している場合を意味しており、1桁目が3ないし4の場合は本願請求範囲の熱処理条件から外れることを意味している。
(たとえば、表2の比較鋼部品No.71は、2桁目の数値が7であるから、表1の供試材No.7のように本願の成分範囲から外れた成分組成のものを、1桁目の値が1であるから、本願請求範囲内の熱処理条件で処理していることを示している。また、表2の比較鋼部品No.23は、2桁目の値が2であるから、供試材No.2の成分組成のものであって、1桁目が3であるから、本願請求範囲から外れた熱処理条件で処理していることを意味している。)
なお、焼戻し後に、切削、研削、研磨、ショットブラスト、ショットピーニング、ハードショットピーニング、微粒子ショットピーニングのいずれか1種または複数種の表面処理を行う場合には、その処理面を表層として上記と同様の観察を行うものとする。
また、表4の各No.の鋼部品の耐ピッチング性は、比較鋼部品のNo.81のピッチング発生までの、サイクル数を1としたときの比でもって、表4に示している。このとき、ピッチング発生までのサイクル数比が2.0以上あれば、耐ピッチング性が良好であるとした。
このとき、表4に示すように、まず、アスペクト比が1.5以下の炭化物が実施鋼部品No.11〜62では90〜98%と、90%以上を示した。すなわち、アスペクト比の大きな炭化物は、変形時に、その形状に起因して応力集中源となり、き裂発生の起点となり靭性を低下させるが、そうした炭化物が少ないことから、靱性が低下せず、向上している。
そして、実施鋼部品No.11〜62は、比較鋼部品No.81を1.0としたシャルピー衝撃比が1.6〜2.5であり、1.5以上と高い靱性を示した。
同様に、実施鋼部品No.11〜62は、比較鋼部品No.81を1.0とした場合のピッチング発生までのサイクル数の比が、2.2〜2.9を示し、耐ピッチング性が良好であった。
このように、本発明の製造方法で製造された機械部品は、いずれも耐ピッチング特性と靱性に優れるものとなる。
2 浸炭層
3 表面層
4 芯部
5 球状化セメンタイト(球状化炭化物)
6 旧オーステナイト粒界
7 マルテンサイト組織または残留オーステナイト組織
8 ローラーピッチング試験片(小ローラー)
9 試験部
10 つかみ部
11 大ローラー試験片
A 粒径
Claims (4)
- 質量%で、C:0.13〜0.30%、Cr:0.90〜2.00%を含有し、さらにSi、Mn、Ni、Mo、Nb、V、Ti、B、Al、Nのうち1種以上を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる鋼材で形成された素材を準備する工程と、該素材に対して、加熱温度を850〜1050℃とし、該素材の表面層の炭素濃度が0.8〜1.5%を満たすように該素材を浸炭する工程と、
該表面層におけるAcm点(℃)より高い温度から、A1点(℃)よりも50℃以上低い温度である冷却終了温度までの温度範囲を平均5℃/sec以下の速度で冷却して、該表面層をパーライト組織もしくはベイナイト組織とする工程と、
該素材の該表面層におけるAcm点(℃)以下の加熱温度で球状化焼なましして該パーライト組織若しくは該ベイナイト組織中の炭化物を球状化する工程と、
該素材の該表面層におけるAcm点(℃)以下に加熱してから焼入れし、次いで焼戻しする工程、
を経る機械部品の製造方法。 - 質量%で、C:0.13〜0.30%、Cr:0.90〜2.00%を含有し、さらにSi、Mn、Ni、Mo、Nb、V、Ti、B、Al、Nのうち1種以上を含有し、残部がFeおよび不可避不純物とする化学成分を有する鋼材を用いた機械部品であって、表面の炭素濃度が0.8〜1.5%を満たすように浸炭され、さらに最表面を含む層である表面層の組織は球状化炭化物が分散するマルテンサイト組織及び残留オーステナイト組織から成り、アスペクト比が1.5以下の該球状化炭化物が全炭化物の90%以上であり、旧オーステナイト粒界上の炭化物に関して、旧オーステナイト粒界上の該球状化炭化物の個数が占める割合は全炭化物数の40%以下である該機械部品の製造方法であり、
該化学成分の該鋼材から形成された素材を準備する工程と、
該素材に対して、加熱温度を850〜1050℃とし、該素材の表面の炭素濃度が0.8〜1.5%を満たすように浸炭して該素材表面に表面層を形成する工程と、
該表面層におけるAcm点(℃)より高い温度から、A1点(℃)よりも50℃以上低い温度である冷却終了温度までの温度範囲を平均5℃/sec以下の速度で冷却してパーライト組織もしくはベイナイト組織とする工程と、
該素材の該表面層におけるAcm点(℃)以下の加熱温度で球状化焼なましして該パーライト組織若しくは該ベイナイト組織中の炭化物を球状化する工程と、
該素材の該表面層におけるAcm点(℃)以下に加熱してから焼入れしてマルテンサイト組織を形成し、次いで焼戻しする工程、
を経る機械部品の製造方法。 - 該旧オーステナイト粒界上の該球状化炭化物は、粒径の大きさの90%以上が粒径1μm以下である、
請求項2に記載の機械部品の製造方法。 - 該旧オーステナイト粒界の粒径が15μm以下である、請求項3に記載の機械部品の製造方法。
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