JP2020041199A - 耐高面圧部品およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
その際、各プーリの溝幅を変化させることで各プーリの有効径を変化させ、変速を無段階で連続的に行う。
そこで従来においては、JIS SCM420等の鋼種を用いて構成したプーリに浸炭焼入れ処理を施し、更にショットピーニング処理を追加して表面硬さを向上させたものが用いられていた(例えば下記特許文献1参照)。
浸炭時の有効ピンニング粒子量Xと浸炭前のフェライト平均粒度番号Yとの関係が下記式(1)を満たすように、前記被加工材の成分組成および/または製造条件を制御することを特徴とする。
Y<(2.26×10-3)X+10.85 ・・・式(1)
ここで有効ピンニング粒子量Xは、浸炭処理後のNbCおよびAlNの析出量から熱間鍛造処理後のNbCおよびAlNの析出量を引いた値(ppm)である。
本発明によれば、ショットピーニング処理を付加しなくても、耐高面圧部品における摺動面の耐摩耗性を効果的に高めることができる。
ここでは、0.22C−0.73Mn−0.15Cu−0.10Niを基本成分とし、Si量を0.55〜1.05%の範囲で、Cr量を0.55〜1.00%の範囲で変化させた鋼材を用いた。
試験片の履歴は以下の通りである。上記成分の熱間鍛造材を970℃、150minの条件での真空浸炭焼入れ、および、130℃、140minの焼戻しの処理を行った後、10mm×10mm×15mmに機械加工を行ない、その後更に300℃、3時間の焼戻し処理を実施し表層の硬さ(Hv)を測定した。
このため本発明では、鋼中にNb−Al−Nを所定量添加することが望ましい。これらの元素により形成される微細な析出物(NbCおよびAlN)のピンニング効果でオーステナイト結晶粒界の移動を抑制し、浸炭時の粒成長を抑制することができるからである。
ここでは、0.22C−0.80〜1.01Si−0.67〜0.94Mn−0.15Cu−0.10Ni−0.80〜0.98Crを基本成分とし、Nb量を0.031〜0.062%の範囲で、Al量を0.029〜0.042%の範囲で、N量を0.011〜0.027%の範囲で変化させた鋼材を用いた。
旧オーステナイト結晶粒の平均粒度番号が6以上で、且つ、観察した領域における粗粒(粒度4.5以下)の面積率が20%未満であった場合、粗大化なしで「○」と判定した。
一方、観察した領域における粗粒(粒度4.5以下)の面積率が20%以上であった場合や、観察した領域中にわずかでも粒度3以下の粗粒があった場合、粗大化ありで「×」と判定した。
このような場合、型寿命を延ばすための方策として鍛造加熱温度を低下させることが有効である。具体的には熱間加熱温度を1165℃以下とすることで型摩耗を効果的に抑制し得て型寿命を延ばすことが可能である。
C:0.17〜0.23%
Cは、強度を確保する上で必要な元素であり、部品の内部硬さを確保するために0.17%以上含有させる。但し含有量が多くなると被削性が低下するため、上限を0.23%とする。好ましくは0.20〜0.23%である。
Siは、浸炭焼入れ層での高温焼戻し硬さを高めるために有効な元素である。この効果を得るために0.80%以上の添加が必要である。ただし、1.00%を超えて含有させると加工性が低下するため、上限を1.00%とする。好ましくは0.80〜0.95%である。
Mnは溶製時の脱酸剤として添加される。Mnは焼入れ性を確保する上で有用な成分であり、その働きのために0.65%以上含有させる。但し、含有量が多くなり過ぎると被削性の低下が懸念されるため、上限を1.00%とする。好ましくは0.80〜0.95%である。
PおよびSは、不純物である。これらは脆化を招くなど、部品の機械的性質にとって好ましくない元素であるため、その量は少ないほうが好ましいが、0.030%以下であれば特性にそれ程の影響がなく、その上限を0.30%とする。
Cuは、Ni,Crと共に引張強度、耐衝撃値および疲労強度を向上させる元素である。Cuの下限を0.01%としたのは、これよりも含有量が少ないと焼入れ性が低下し、強度が低下するためである。一方、Cuの上限を1.00%としたのはCuが多すぎると加工性、特に被削性が劣化するためである。好ましくは0.10〜0.20%である。
Niは、Cu,Crと共に引張強度、耐衝撃値および疲労強度を向上させる元素である。Niの下限を0.01%としたのは、これよりも含有量が少ないと焼入れ性が低下し、強度が低下するためである。一方、Niの上限を3.00%としたのはNiが多すぎると加工性、特に被削性が劣化するためである。好ましくは0.05〜0.50%である。
Crは焼入れ性を高めて内部硬度を確保する上で有用な成分であり、300℃焼戻し後の硬さを確保するために0.80%以上含有させる。但し、含有量が多くなり過ぎると被削性の低下が懸念されるため、上限を1.00%とする。好ましくは0.80〜0.98%である。
所定の熱処理後硬さを維持するためには、表層C濃度が0.70%以上必要であるため、表層C濃度の下限を0.70%に規定した。一方、表層C濃度が0.80%を超えると、大型の炭化物が生成し、耐摩耗性が低下する虞があるため、表層C濃度の上限を0.80%とした。好ましくは0.75〜0.80%である。
Nbは、炭化物を形成して浸炭時のオーステナイト粒界をピン止めする働きがある。但し、過大に含有しても結晶粒粗大化を抑制する効果が飽和してしまうので、その上限を0.065%とする。好ましくは0.046〜0.062%である。
Alは、鋼中のNと反応してAlNを形成し、浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する働きがあり、その効果を得るためには0.030%以上含有させる必要がある。但し、過大に含有しても結晶粒粗大化を抑制する効果が飽和してしまうため、上限を0.047%とする。好ましくは0.033〜0.042%である。
Nは、鋼中のAlと反応してAlNを形成し、浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する働きがあり、その効果を得るためには0.015%以上含有させる必要がある。但し、過大に含有しても結晶粒粗大化を抑制する効果が飽和するとともに、窒化物が増加して強度低下の原因となるため、その上限を0.030%とする。好ましくは0.018〜0.027%である。
粗熱処理は、図3(A)に示すように、鍛造加工後、引き続いて実施することができる。この場合、被加工材を640〜700℃の温度で30分以上保持し、その後に略室温までの冷却を行う。
一方、図3(B)に示すように、鍛造加工と粗熱処理と分けて実施する場合、熱間鍛造後(粗熱処理前)におけるNbCおよびAlNの析出量である。
試験用プーリ10の製造過程で浸炭前フェライト平均粒度番号Y、浸炭後の表層C濃度(%)、有効ピンニング粒子量X(ppm)を調査した。また得られた試験用プーリ10における結晶粒粗大化の有無を調査し、更に300℃、3時間の焼戻し処理を実施し、焼戻し硬さを調査した。これらの結果が下記表2に示してある。
被加工材を表2で示す鍛造加熱温度に加熱した後、被加工材の略上半部、下半部をそれぞれ上型、下型の凹部内に挿入して所定の形状に成形した。その後、熱間鍛造に引き続いて被加工材を640〜700℃の温度で30分以上保持し、その後に略室温まで冷却を行う粗熱処理(図3(A)参照)を実施した。
真空浸炭炉を用い、図5に示すヒートパターンで、浸炭温度970℃で2.5h保持し、次いで浸炭温度890℃で0.5h保持した後に、80℃の油で焼き入れする浸炭焼入れ処理を施した。焼戻しは130℃で1.5h保持し、空冷することにより行った。
300℃に保持された大気炉(炉温を熱電対にて実測しながら制御するタイプ)に試験用プーリ10を投入し、投入時に低下した温度が300℃に戻ってから3時間保持を実施した。
試験用プーリ10の摺動面を埋め込んで研磨仕上げし、表層部のC濃度をEPMA分析した。
JIS Z 2244に従い、試験用プーリ10の摺動面を鏡面研摩し、表面から50μmの位置を荷重2.94Nで測定した値を用いた。
鍛造処理後および浸炭処理後、試験用プーリ10の摺動面において抽出分析(臭素メタノール法、電界抽出法)を実施し、NbC抽出量およびAlN抽出量を定量分析し、NbCおよびAlNの析出量を求めた。そして浸炭処理後のNbCおよびAlNの析出量から熱間鍛造処理後のNbCおよびAlNの析出量を引いた値(ppm)を有効ピンニング粒子量Xとした。
浸炭前(機械加工後)の試験用プーリ10の摺動面について、光学顕微鏡の100倍視野且つ5視野でのフェライト結晶粒を「JIS G 0552 鋼のフェライト結晶粒度試験方法」に準じて測定し、それら結晶粒度番号の平均値をフェライト平均粒度番号Yとした。
浸炭処理後の試験用プーリ10の摺動面について、光学顕微鏡の100倍視野且つ5視野での旧オーステナイト結晶粒を「JIS G 0551 鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法」に準じて測定し、段落0021に記載した基準に基づいて結晶粒粗大化の有無を評価した。
Claims (3)
- 質量%で
C:0.17〜0.23%
Si:0.80〜1.00%
Mn:0.65〜1.00%
P:0.030%以下
S:0.030%以下
Cu:0.01〜1.00%
Ni:0.01〜3.00%
Cr:0.80〜1.00%
を含有し、残部Fe及び不可避的不純物の組成を有する鋼からなり、浸炭焼入れ層の表層C濃度が質量%で0.70〜0.80%であることを特徴とする耐高面圧部品。 - 請求項1において、前記鋼が質量%で
Nb:0.045〜0.065%
Al:0.030〜0.047%
N:0.015〜0.030%
を更に含有していることを特徴とする耐高面圧部品。 - 請求項2に記載の成分組成の鋼からなる被加工材に、熱間鍛造および機械加工を施し所定の部品形状とした後、浸炭処理を行なう耐高面圧部品の製造方法であって、
浸炭時の有効ピンニング粒子量Xと浸炭前のフェライト平均粒度番号Yとの関係が下記式(1)を満たすように、前記被加工材の成分組成および/または製造条件を制御することを特徴とする耐高面圧部品の製造方法。
Y<(2.26×10-3)X+10.85 ・・・式(1)
ここで有効ピンニング粒子量Xは、浸炭処理後のNbCおよびAlNの析出量から熱間鍛造処理後のNbCおよびAlNの析出量を引いた値(ppm)である。
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