JP2023102175A - 鋼部材 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受や歯車などとして用いられる、高い面疲労強度を有する鋼部材を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０～０．３０％、Ｓｉ：１．６０～３．００％、Ｍｎ：０．２０～２．００％、Ｃｒ：１．００～４．００％、Ｍｏ：０．１０～１．００％、Ａｌ：０．００５～０．１００％、Ｎ：０．００１０～０．０２５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００５～０．０２５％を含有する鋼に炭化物分散浸炭、冷間加工を施すことにより、摺動等により他部品と接触する部分における表面のＣ濃度が１．００～３．００質量％であり、３００℃で焼戻したときの、他部品と接触する部分のビッカース硬さが８５０ＨＶ以上である鋼部材を得る。【選択図】なし

Description

本発明は鋼部材に関し、特に、自動車等の動力伝達部品に適用される高い面疲労強度を有する歯車、無段変速機、等速ジョイント等に好適な鋼部材に関する。

たとえば自動変速機の歯車や無段変速機のシーブ、等速ジョイントなどの動力伝達部品等の鋼部品は、高い面疲労強度が要求される。一般に上記の部品には素材にＪＩＳ ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０等のＣ含有量が０．２％前後の肌焼鋼を用い、肌焼鋼に浸炭焼入れ・焼戻し処理を施して部品の表層にＣ含有量が０．８％前後のマルテンサイト組織の硬化層を形成して面疲労強度を高めて使用される。上記の部品は靭性よりも硬さが優先されるため、焼戻し温度は通常２００℃以下である。

自動車の燃費向上を目的として、歯車等の機械構造部品の小型・軽量化が求められており、従来品と比べてより高い面疲労強度が必要とされている。歯車等の機械構造部品は、摺動部表面が摩擦発熱により３００℃前後まで温度が上昇することがある。鋼の温度が３００℃程度まで上昇し、下降すると、焼戻し処理を施したのと同様に鋼の硬さが低下するので、面疲労強度が低下する。面疲労強度と、鋼部材を３００℃で焼戻したときの硬さ（以下「３００℃焼戻し硬さ」という）にはよい相関関係があることが知られている。そのため、高い３００℃焼戻し硬さを得るために、焼戻し軟化抵抗を向上させるＳｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等の合金元素を添加した鋼及び鋼部材が種々提案されてきた。

特許文献１は、浸炭窒化、高周波焼入れ、焼戻し処理の後、ショットピーニング処理を施すことにより、表面硬さを９００～１０００ＨＶとした転動軸を開示している。

特許文献２は、浸炭焼入れ、焼戻し処理の後、ショットピーニング処理を施すことにより、表面硬さを８８０ＨＶ以上とした歯車を開示している。

特開２０１５－７２６５号公報 特開２０１０－５３４２９号公報

特許文献１、２で開示された技術によれば、高い表面硬さを有する鋼部材を得ることができる。しかしながら、３００℃で焼戻しを施した場合の硬さ低下が大きく、８５０ＨＶ以上の３００℃焼戻し硬さを得ることは困難であった。

本発明は上記の事情に鑑みなされたものであって、軸受や歯車などとして用いられる鋼部材であって、摺動等により他部品と接触する部分の３００℃焼戻し硬さが８５０ＨＶ以上である、高い面疲労強度を有する鋼部材を提供することを課題とする。

本発明者らは、高い面疲労強度を有する鋼部材、言い換えれば、高い３００℃焼戻し硬さを有する鋼部材を得る方法について鋭意検討した。その結果、炭化物分散浸炭焼入れ処理により、マルテンサイトよりも硬く、焼戻し軟化が起こりにくい炭化物（セメンタイト）を組織中に微細分散させ、その後、焼戻し処理、冷間加工を行うことにより３００℃焼戻し前の硬さを向上させ、さらに、Ｓｉの多量添加により、３００℃焼戻し時のマルテンサイトの硬さ低下を大きく抑制することで、８５０ＨＶ以上の３００℃焼戻し硬さが得られることを見出した。

本発明は上記の知見に基づきなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。

［１］質量％で、Ｃ：０．１０～０．３０％、Ｓｉ：１．６０～３．００％、Ｍｎ：０．２０～２．００％、Ｃｒ：１．００～４．００％、Ｍｏ：０．１０～１．００％、Ａｌ：０．００５～０．１００％、Ｎ：０．００１０～０．０２５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００５～０．０２５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である鋼で構成された鋼部材であって、摺動等により他部品と接触する部分における表面のＣ濃度が１．００～３．００質量％であり、前記鋼部材を３００℃で焼戻したときの、前記他部品と接触する部分のビッカース硬さが８５０ＨＶ以上であることを特徴とする鋼部材。

本発明によれば、摺動等により他部品と接触する部分における表面の３００℃焼戻し硬さが８５０ＨＶ以上の、高い面疲労強度を有する鋼部材を得ることができる。

はじめに、本発明の鋼部材を構成する鋼の化学成分について説明する。以下、化学成分についての「％」は、「質量％」を意味するものとする。

［Ｃ：０．１０～０．３０％］
Ｃは鋼部材の強度に大きく影響する重要な元素で、浸炭焼入れ・焼戻し処理後に十分な内部硬さを確保する上で０．１０％以上必要である。Ｃの含有量が０．３０％を超えると加工性が低下するので、含有量は０．３０％以下とする。

［Ｓｉ：１．６０～３．００％］
Ｓｉは炭化物分散浸炭時に炭化物の球状化を促進するとともに、焼戻し軟化抵抗を向上させる有用な元素である。特に、Ｓｉを多量添加すると、焼入れ後の冷間加工によって高められた硬度が焼戻しにより軟化するのを顕著に抑えることができる。上記効果は、同じく焼戻し軟化抵抗を向上させるＣｒやＭｏにはないＳｉ特有の効果である。上記効果を得るため、Ｓｉの含有量は１．６０％以上とする。上記効果をより確実に発揮させるために、Ｓｉ含有量は２．００％以上であることが好ましい。Ｓｉ含有量が多すぎると、加工性が低下するだけでなく、上記効果が飽和して含有量に見合う効果が期待できなくなる。そのため、Ｓｉの含有量は３．００％以下とする。上記効果の飽和をより確実に抑制するために、Ｓｉ含有量は２．５０％以下であることが好ましい。

［Ｍｎ：０．２０～２．００％］
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を高めると同時に、赤熱脆性を抑制し熱間延性を向上させる有用な元素である。この効果を得るためには、含有量は０．２０％以上とする必要がある。ただし、含有量が２．００％を超えると加工性が低下するので、Ｍｎの含有量は２．００％以下とする。

［Ｃｒ：１．００～４．００％］
Ｃｒは鋼の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を向上させる有用な元素である。さらに、Ｃｒは炭化物析出元素であり、浸炭の際の炭化物析出反応を促進する。上記効果を得るため、Ｃｒ含有量は１．００％以上とする。上記効果をより高く得るため、Ｃｒ含有量は１．５０％以上であることが好ましい。含有量が４．００％を超えると加工性が低下するので、Ｃｒの含有量は４．００％以下とする。

［Ｍｏ：０．１０～１．００％］
Ｍｏは、鋼材の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高める有用な元素である。特に、Ｍｏは炭化物（セメンタイト）中に分配されにくいため、炭化物分散浸炭焼入れにおいて懸念される不完全焼入れ組織の生成を抑制する。上記効果を得るため、含有量は０．１０％以上とする。ただし、含有量が１．００％を超えると加工性が低下するため、Ｍｏの含有量は１．００％以下とする。

［Ａｌ：０．００５～０．１００％］
Ａｌは脱酸作用を有するとともに、熱処理の際、Ｎと結合してＡｌＮを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止し、靭性を高める効果を持つ。この効果を得るためには、含有量を０．００５％以上とする必要がある。含有量が０．１００％を超えると、鋼の清浄度が低下するとともに、上記効果が飽和するので、Ａｌの含有量は０．１００％以下とする。

［Ｎ：０．００１０～０．０２５０％］
ＮはＡｌと結合してＡｌＮを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止し、靭性を高める効果を持つ。この効果を得るためには、含有量を０．００１０％以上とする必要がある。含有量が０．０２５０％を超えると上記効果が飽和するので、Ｎの含有量は０．０２５０％以下とする。

［Ｐ：０．０３０％以下］
Ｐは不純物として含まれる元素である。Ｐは粒界に偏析して粒界強度を下げるため、Ｐ含有量はなるべく低い方が良い。そのため、Ｐの含有量を０．０３０％以下とする。

［Ｓ：０．００５～０．０２５％］
Ｓは被削性を向上させるため、０．００５％以上を含有させる。しかし、Ｓ含有量が多すぎると、Ｍｎによって固定されなかったＳがＦｅＳとして粒界に生成することで、熱間延性が低下する。また、大量に生成したＭｎＳによって、耐摩耗性及び冷間延性が低下する。そのため、Ｓの含有量を０．０２５％以下とする。

上記の化学成分の残部は、鉄（Ｆｅ）及び不純物である。ここで、不純物とは、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップ、又は、製造工程の環境等から混入する成分であって、鋼材に意図的に含有させた成分ではない成分を意味する。

次に、炭化物分散浸炭焼入れ、焼戻し処理及び冷間加工について説明する。

炭化物分散浸炭焼入れ、焼戻し処理の条件は、摺動等により他部品と接触する部分における表面のＣ濃度が１．００～３．００％となるような条件を選択する必要がある。８５０ＨＶ以上の３００℃焼戻し硬さを得るため、Ｃ濃度は１．００％以上とする。より高い３００℃焼戻し硬さを得るため、Ｃ濃度は１．５０％以上であることが好ましい。逆に、Ｃ濃度が３．００％を超えると、炭化物割合が過剰になり冷間化加工時に割れが発生する可能性が高まるため、Ｃ濃度は３．００％以下とする。

適切な焼入れ温度範囲は、摺動等により他部品と接触する部分の化学成分によって変化するが、７００～１０００℃である必要がある。焼入れ温度が７００℃未満だと、オーステナイトが存在しない状態で鋼が焼入れられるため、硬質なマルテンサイト組織が得られない。焼入れ温度が１０００℃を超えると、炭化物が存在しない状態で鋼が焼入れられるため、あるいは、オーステナイト中のＣ濃度が過剰な状態で鋼が焼入れられ、冷間加工後も多量の未変態オーステナイトが残存するため、あるいは、それら両方の理由により、８５０ＨＶ以上の３００℃焼戻し硬さが得られない。

表面のＣ濃度が１．００～３．００％となるような浸炭条件は、たとえば、アセチレンガスを用いて１０００℃で、浸炭期２０分、拡散期３分の真空浸炭を行えばよい。真空浸炭後は、一度Ａ１変態点以下の温度に冷却してオーステナイトをパーライト等に変態させてから再び加熱し、たとえば、８４０℃で１０分保持してから油焼入れすればよい。上記の真空浸炭及び焼入れ処理により、マルテンサイト中に炭化物（セメンタイト）が微細分散した組織が得られる。焼戻しは、たとえば、１６０℃で１時間保持すればよい。

表面のＣ濃度は、以下のように測定する。まず、摺動等により他部品と接触する部分の表面に対して垂直な面で鋼部材を切断し、切断面を鏡面研磨する。その後、加速電圧を１５ｋＶ、照射電流を５０ｎＡ、電子ビーム径を１０μｍとした電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Electron Probe Micro Analyzer）により、表面から５０μｍ深い位置におけるＣ濃度を１０μｍピッチで１００点測定し、その平均値を表面Ｃ濃度とする。

炭化物の有無は、以下のように確認する。まず、摺動等により他部品と接触する部分の表面に対して垂直な面で鋼部材を切断し、切断面を研磨する。その後、ピクラール腐食を行い、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）により表面から５０μｍ深い位置を倍率５０００倍で観察し、視野全体に白く写る組織があれば、それを炭化物と判断する。

炭化物分散浸炭焼入れ、焼戻し処理後の冷間加工は、ショットピーニングが好適であるが、その他、ローラーバニシング、圧下押込み等が適用できる。冷間加工後の表面硬さは９５０ＨＶ以上であることが好ましく、１０５０ＨＶ以上であることがより好ましい。

焼戻しと冷間加工の順序は逆でもよい。

最後に、３００℃焼戻し硬さの測定方法について説明する。３００℃焼戻しは、鋼部材を３００℃で１時間保持した後、放冷する。この際、Ｓｉ多量添加と炭化物の微細分散により、３００℃焼戻しによる硬さの低下が大きく抑制される。その後、摺動等により他部品と接触する部分の表面に対して垂直な面で鋼部材を切断し、切断面を研磨する。さらに、表面から５０μｍ深い位置で、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に規定された方法に即して、荷重０．３ｋｇｆでビッカース硬さを測定する。前記手順で５点のビッカース硬さを測定し、その平均値を３００℃焼戻し硬さとする。

以上により、上述の化学成分の鋼を炭化物分散浸炭焼入れ、焼戻し、冷間加工することにより、高い面疲労強度を有する鋼部材を得ることができる。面疲労強度は３００℃焼戻し後のビッカース硬さで評価することができ、本発明の鋼部材は、８５０ＨＶ以上の高い３００℃焼戻し硬さを有する。

続いて、実施例及び比較例を示しながら、本発明の実施形態に係る鋼部材について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明の実施形態に係る鋼部材のあくまでも一例にすぎず、本発明の実施形態に係る鋼部材が下記に示す例に限定されるものではない。

表１に記載の成分を有する鋼を真空溶解した後、鋳型を用いて鋳造し、１０ｋｇの鋼塊を製造した。得られた鋼塊を１２００℃に加熱して１時間保持した後、外径３０ｍｍの丸棒に熱間鍛伸した。この丸棒から直径１５ｍｍ×高さ２０ｍｍの丸棒試験片を機械加工にて作製した。その後、表面Ｃ濃度が表２に示す狙い値になるよう種々の条件で真空浸炭処理を行い、１２０℃の油で焼入れ処理した。再び表２に示す焼入れ温度に加熱して１０分保持した後、１２０℃の油で焼入れを行い、１６０℃×１時間の焼戻し処理を行った。さらに、一部の試験片を除いて、両端面にショットピーニングによる冷間加工を施した。ショットピーニングは、φ０．８ｍｍ、７００ＨＶの鋼球を用いて、投射圧０．４ＭＰａ、カバレージ３００％の条件で行った。

次に、中心軸を通る平面で丸棒試験片を切断し、切断面を鏡面研磨した。加速電圧を１５ｋＶ、照射電流を５０ｎＡ、電子ビーム径を１０μｍとしたＥＰＭＡにより、端面から５０μｍ深さの位置におけるＣ濃度を１０μｍピッチで１００点測定し、その平均値を実際の表面Ｃ濃度とした。さらに、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に規定された方法に即して、端面から５０μｍ深い位置のビッカース硬さを０．５ｍｍピッチで５点、荷重０．３ｋｇｆで測定し、その平均値を３００℃焼戻し前硬さとした。

さらに、ピクラール腐食を行い、ＳＥＭにより表面から５０μｍ深い位置を倍率５０００倍で観察し、視野全体に白く写る組織があれば、それを炭化物と判断した。その後、３００℃×１時間の３００℃焼戻しを行い、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に規定された方法に即して、端面から５０μｍ深い位置のビッカース硬さを０．５ｍｍピッチで５点、荷重０．３ｋｇｆで測定し、その平均値を３００℃焼戻し硬さとした。

３００℃焼戻し硬さの測定結果等を表２に示す。

表２のＮｏ．１～Ｎｏ．６が実施例であり、その他（Ｎｏ．７～Ｎｏ．１２）は、比較例である。

比較例Ｎｏ．７及びＮｏ．８は、Ｓｉ含有量が低いため３００℃焼戻し時の硬さ低下が大きく、十分な３００℃焼戻し硬さが得られなかった例である。比較例Ｎｏ．９は、表面のＣ濃度が低いため、十分な３００℃焼戻し硬さが得られなかった例である。比較例Ｎｏ．１０は、焼入れ温度が高く冷間加工後も多量の未変態オーステナイトが残存していたため３００℃焼戻し前硬さが若干低く、さらに、炭化物が存在しないため３００℃焼戻し時の硬さ低下が若干大きく、十分な３００℃焼戻し硬さが得られなかった例である。比較例Ｎｏ．１１及びＮｏ．１２は、ショットピーニングを行わなかったため３００℃焼戻し前硬さが低く、十分な３００℃焼戻し硬さが得られなかった例である。

一方、本発明の実施例に該当するＮｏ．１～Ｎｏ．６については、焼戻し前の硬さが高く、さらに、３００℃焼戻し時の硬さ低下が小さく、その結果、３００℃焼戻し硬さが高い、すなわち、高い面疲労強度を有することが確認できた。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明によれば、面疲労強度に優れた鋼部材を得ることができ、産業上の利用価値は大である。

Claims (1)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．１０～０．３０％、
   Ｓｉ：１．６０～３．００％、
   Ｍｎ：０．２０～２．００％、
   Ｃｒ：１．００～４．００％、
   Ｍｏ：０．１０～１．００％、
   Ａｌ：０．００５～０．１００％、
   Ｎ ：０．００１０～０．０２５０％、
   Ｐ ：０．０３０％以下、
   Ｓ ：０．００５～０．０２５％
   を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である鋼で構成された鋼部材であって、
   摺動等により他部品と接触する部分における表面のＣ濃度が１．００～３．００質量％であり、
   前記鋼部材を３００℃で焼戻したときの、前記他部品と接触する部分のビッカース硬さが８５０ＨＶ以上である
   ことを特徴とする鋼部材。