JP2021085055A

JP2021085055A - 鉄鋼材料

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Publication number: JP2021085055A
Application number: JP2019213447A
Authority: JP
Inventors: 正明川原; Masaaki Kawahara; 真宏塚原; Masahiro Tsukahara; 佳孝三阪; Yoshitaka Misaka; 芳宏池田; Yoshihiro Ikeda
Original assignee: Neturen Co Ltd; Hino Motors Ltd; Nihon Parkerizing Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd; Hino Motors Ltd; Nihon Parkerizing Co Ltd
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2021-06-03
Anticipated expiration: 2039-11-26
Also published as: JP7262376B2

Abstract

【課題】高負荷時においても優れた疲労強度を有する鉄鋼材料の提供。【解決手段】窒素化合物層１、残留オーステナイト層２、マルテンサイト層３及び鉄鋼基材４をこの順に備え、断面視における残留オーステナイト層の厚さ及び窒素化合物層の厚さの比が２．５：７．５〜５．３：４．７である、鉄鋼材料１０。残留オーステナイト層の厚さが、１．５〜１８μｍである、鉄鋼材料。窒素化合物層が、鉄鋼材料表面から多孔質層１ａ及び非多孔質層１ｂを備える、鉄鋼材料。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄鋼材料に関する。

耐久性を向上させるべく、歯車等の動力伝達部品に浸炭焼入れ処理をする方法が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１５−１３４９４７号公報

しかしながら、浸炭焼入れ処理では、車両トルクの増加や小型化等に対応するに足る高い耐久性を付与できない場合がある。そのため浸炭窒化焼入れや高濃度浸炭焼入れ等が新たに提案されているものの、そのような処理が施された部品は表面がより高硬度となるためなじみ性が悪く、歯車等の摺動部品として用いられた場合に早期に破損する虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、高負荷時においても優れた疲労強度を有する鉄鋼材料を提供することを目的とする。

本発明は、窒素化合物層、残留オーステナイト層、マルテンサイト層及び鉄鋼基材をこの順に備え、残留オーステナイト層の厚さ及び窒素化合物層の厚さの比が２．５：７．５〜５．３：４．７である、鉄鋼材料を提供する。

一態様において、上記残留オーステナイト層の厚さが、１．５〜１８μｍであってよい。

一態様において、上記窒素化合物層が、鉄鋼材料表面から多孔質層及び非多孔質層を備えてよい。

一態様において、上記鉄鋼基材における炭素含有量が０．３質量％以上であってよい。

一態様において、鉄鋼材料が動力伝達部材用であってよい。

本発明によれば、高負荷時においても優れた疲労強度を有する鉄鋼材料を提供することができる。本発明の鉄鋼材料においては、運転初期や低負荷の状態では窒素化合物層（特にポーラスな層）による油溜まり効果により優れた摺動特性が発現されると推察される。一方、高負荷の状態では残留オーステナイト層が加工誘起変態することでなじみながら硬化すると推察される。これにより応力が低減し、材料強度が高くなるため、耐久性を大幅に向上させることができると推察される。

鉄鋼材料の模式断面図である。ローラーピッチング試験結果を示すグラフである。

＜鉄鋼材料＞
図１は鉄鋼材料の模式断面図である。鉄鋼材料１０は、窒素化合物層１、残留オーステナイト層２、マルテンサイト層３、及び鉄鋼基材４をこの順に備える。

（窒素化合物層）
窒素化合物層１は、一般に母材成分であるＦｅを主体とし、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃ、Ｂ、Ｓｉ等を含む窒化物を含む層である。窒素化合物層１は、鉄窒化物又は鉄−添加元素多元型窒化物からなる層であるということができる。窒素化合物層１は、鉄鋼材料表面から多孔質層１ａ及び非多孔質層１ｂを備えることができる。両層は多孔質であるか否かである点では異なるものの、金属組成は実質的に同じであってよい。

窒素化合物層１の厚さは１〜３０μｍとすることができ、好ましくは４．５〜２０μｍ、より好ましくは４．５〜７．５μｍの範囲である。窒素化合物層の厚さが１μｍ未満であると、保油性を確保し難い傾向がある。窒素化合物層１の厚さが３０μｍを超えると、ポーラス層が厚過ぎ、強度低下し易い傾向がある。また、そのようなポーラス層を導入するための処理時間が長くなり過ぎる傾向がある。

非多孔質層１ｂのビッカース硬度はＨＶ４００以上とすることができ、５００以上であることが好ましい。

（残留オーステナイト層）
残留オーステナイト層２の厚さは１．５〜１８μｍとすることができ、１．５〜１２μｍ、１．５〜６μｍ、又は２．５〜５．３μｍであることが好ましい。残留オーステナイト層の厚さが１８μｍを超えると、強度低下し易い傾向がある。残留オーステナイト層２の厚さが１．５μｍ未満であると、やはり強度低下し易い傾向がある。

断面視における残留オーステナイト層２の厚さ及び窒素化合物層１の厚さの比は２．５：７．５〜５．３：４．７である。これにより鉄鋼材料の疲労強度を向上させることができる。この観点から、残留オーステナイト層２及び窒素化合物層１の合計厚さを１０としたときの、残留オーステナイト層２の割合は２．８以上であってよく、３．０以上であってよく、また５．０以下であってよく、４．０以下であってよく、３．５以下であってよい。

（マルテンサイト層）
マルテンサイト層３は、残留オーステナイト層２下部に３００μｍ以上の厚さで存在することができる。マルテンサイト層３は、残留オーステナイト層２下部から鉄鋼材料内部に向かって漸減する硬度分布を有する。

鉄鋼材料１０の断面視における各層の厚さは、例えば、マイクロカッターで切断した鉄鋼材料１０を樹脂中に埋め込み、金属顕微鏡等による断面写真を撮像することで測定することができる。なお、ＥＢＳＤによる結晶方位解析に基づき、各層の厚さを測定することもできる。

（鉄鋼基材）
鉄鋼基材４としては、炭素鋼、低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼、鋳鉄等が挙げられる。これらのうち、コストの観点からは炭素鋼、低合金鋼等を用いることができる。炭素鋼としては、機械構造用炭素鋼鋼材（Ｓ２０Ｃ〜Ｓ５８Ｃ）が挙げられ、低合金鋼としては、ニッケルクロム鋼鋼材（ＳＮＣ２３６〜８３６）、ニッケルクロムモリブデン鋼鋼材（ＳＮＣＭ２２０〜８１５）、クロムモリブデン鋼鋼材（ＳＣＭ４１５〜４４５、８２２）、クロム鋼鋼材（ＳＣｒ４１５〜４４５）、機械構造用マンガン鋼鋼材（ＳＭｎ４２０〜４４３）、マンガンクロム鋼鋼材（ＳＭｎＣ４２０、４４３）等が挙げられる。これらの鋼材は調質鋼材（Ｈ材）であってよく、調質されていないフェライト−パーライト組織ままのならし鋼材であってよい。上記層構成による疲労強度向上を得易い観点から、鉄鋼基材における炭素含有量は０．３質量％以上であってよい。

本実施形態に係る鉄鋼材料は優れた疲労強度を有しており、高負荷・高面圧領域で使用される部材に用いることができる。そのような部材としては、軸、歯車、ピストン、シャフト、カム、エンジンバルブ、バルブリフター、プランジャー等の動力伝達部材が挙げられる。その他、本実施形態に係る鉄鋼材料は、自動車や建機のミッション関連部材、パワートレイン用部材にも用いることができる。

＜鉄鋼材料の製造方法＞
鉄鋼材料の製造方法は、鉄鋼基材に対して窒化処理をする窒化処理工程と、窒化処理後の鉄鋼基材に対して焼入れ処理をする焼入れ処理工程と、を備える。

（窒化処理工程）
窒化処理工程は、鉄鋼基材の表面に活性窒素を拡散させ、硬質で安定な窒化物を生成する工程である。本工程により、鉄鋼基材の表面から窒素化合物層と、窒素が拡散した窒素拡散層とが形成される。さらに窒素化合物層は、鉄鋼基材の表面から多孔質層及び非多孔質層を備えることとなる。本工程は、例えばタフトライド（登録商標）処理、イソナイト（登録商標）処理、パルソナイト（登録商標）処理等の塩浴窒化処理、ガス窒化、ガス軟窒化処理、プラズマ窒化処理等により実施される。

窒化処理工程（窒化熱処理工程）の処理温度は３５０〜６５０℃とすることができる。処理温度が３５０℃未満であると、良好な性能を発現させるために必要な窒素化合物層が鉄鋼基材の表面に形成され難い傾向がある。また、処理温度が６５０℃超であると、鉄鋼基材のより内部への窒素拡散が期待できるが、得られる窒素化合物層の硬度が不充分となる傾向がある。窒化処理工程（窒化熱処理工程）の処理温度は、高硬度を得易い観点から、５８０℃以下であってよく、５７０℃以下であってよい。

窒化処理工程後の窒素化合物層の厚さは、１〜３０μｍとすることができ、好ましくは４．５〜２０μｍ、より好ましくは４．５〜７．５μｍであってよい。

窒化処理工程の処理時間は、処理温度及び窒素化合物層の所望の厚さに鑑み、適宜設定すればよい。

（焼入れ処理工程）
焼入れ処理工程は高周波焼入れ処理工程とすることができる。高周波焼入れは、鉄鋼基材の表層部を高周波加熱コイルによって選択的に加熱することにより実施することができる。焼入れ時の処理温度は８６５〜９５０℃とすることができる。処理温度が８６５℃以上であることで充分な厚さの残留オーステナイト層を形成することができる。また、処理温度が９５０℃以下であることで、残留オーステナイト層を適度な厚さに留めることができ、また窒素化合物層において多孔質層が過度に形成されることを抑制することができる。鉄鋼材料の疲労強度をより向上させる観点から、当該温度は８６５〜９３０℃であってよく、８７０〜９２０℃であってよく、８７０〜９００℃であってよい。なお、高周波焼入れに準じるごく短時間での焼入れ処理を行える観点から、焼入れ処理工程は、その他レーザー焼入れ、衝撃焼入れ、火炎焼入れ等によって実施することもできる。

焼入れ時の処理温度での処理時間は、０．２〜１８０秒間とすることができる。また、焼入れ処理工程の雰囲気は、大気雰囲気とすることができるが、窒素化合物層の酸化が防げるガス雰囲気、低酸化雰囲気、又は真空としてもよい。

８６５〜９５０℃での加熱処理後、鉄鋼基材は冷却剤等を用いて直ちに冷却される。これにより、鉄鋼基材表面に、窒素化合物層、残留オーステナイト層及びマルテンサイト層をこの順に備える硬化層を形成することができる。この際、窒化処理により形成された多孔質の窒素化合物層の厚さは大きく変わり難い傾向がある一方で、非多孔質の窒素化合物層の厚さは減少し、新たに生じる残留オーステナイト層の厚さが増加する傾向がある。残留オーステナイト層は、断面視における残留オーステナイト層の厚さ及び窒素化合物層の厚さの比が２．５：７．５〜５．３：４．７となるように、窒素化合物層とマルテンサイト層との間に形成される。

（その他の工程）
鉄鋼材料の製造方法は、その他の工程として、窒化処理工程前に鉄鋼基材を所望の形状に加工する加工工程、焼入れ処理工程後に焼戻し処理工程等をさらに備えていてよい。

以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実験例１）
鉄鋼基材として、直径２６ｍｍ、長さ１２０ｍｍのＳＣＭ４４０調質材を準備した。この調質材の表面を脱脂洗浄した後、溶融塩浴中において５７０℃で２時間、塩浴軟窒化処理（イソナイト（登録商標）処理）をした。その後油冷し、鋼材基材の表面に厚さ１０μｍの窒化鉄を主体とする窒素化合物層を形成した。次いで、高周波焼入れ装置を使用して、大気雰囲気にて鋼材基材の表面に高周波焼入れを行った。すなわち、鉄鋼基材表面を０．８秒間掛けて８２０℃に加熱し、保持時間を掛けずに、直ちに急冷（水冷）して焼入れを行った。

（その他の実験例）
処理温度を表１に示すとおり変更した、あるいは高周波焼入れ処理を行わなかったこと以外は、実験例１と同様にして鉄鋼材料を得た。

（断面観察）
各実験例の鉄鋼材料をマイクロカッターで切断した後、樹脂中に埋め込み、金属顕微鏡を用いて断面観察を行った。断面写真を１０視野撮像して各層の厚さを測定し、その平均値を算出した。測定結果を表１に示す。

（ローラーピッチング試験）
各実験例の鉄鋼材料に加え、鉄鋼基材（ＪＩＳＳＣＭ４２０Ｈ）を浸炭焼入れした鉄鋼材料を準備した。浸炭焼入れ条件は、浸炭温度：９５０℃、焼入れ：８５０℃から油冷、焼き戻し：１６０℃で２時間保持とした。これらの鉄鋼材料について、以下に示す条件でローラーピッチング試験を行った。試験結果を図２に示す。
（条件）
相手材として、φ１３０でＲ３００のクラウニングを設けたＪＩＳＳＵＪ２（硬さ６２ＨＲＣ程度）の調質材を用いた。回転速度１５００ｒｐｍ、すべり率４０％とし、ＡＴＦオイルを巻き込み方向から１Ｌ／分で加えた。

１…窒素化合物層、１ａ…多孔質層、１ｂ…非多孔質層、２…残留オーステナイト層、３…マルテンサイト層、４…鉄鋼基材、１０…鉄鋼材料。

Claims

窒素化合物層、残留オーステナイト層、マルテンサイト層及び鉄鋼基材をこの順に備え、
残留オーステナイト層の厚さ及び窒素化合物層の厚さの比が２．５：７．５〜５．３：４．７である、鉄鋼材料。
前記残留オーステナイト層の厚さが、１．５〜１８μｍである、請求項１に記載の鉄鋼材料。
前記窒素化合物層が、鉄鋼材料表面から多孔質層及び非多孔質層を備える、請求項１又は２に記載の鉄鋼材料。
前記鉄鋼基材における炭素含有量が０．３質量％以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の鉄鋼材料。
動力伝達部材用である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の鉄鋼材料。