JP2819416B2

JP2819416B2 - 高疲労強度肌焼き品の製造方法

Info

Publication number: JP2819416B2
Application number: JP1082238A
Authority: JP
Inventors: 達朗越智; 洋一田中
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1989-03-31
Publication date: 1998-10-30
Anticipated expiration: 2013-10-30
Also published as: JPH02259012A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は高疲労強度肌焼き品の製造方法にかかわり、
さらに詳しくは自動車、建設機械の歯車、各種シャフト
類等の肌焼き品の製造に際して、材質特性、特に疲労強
度の向上を可能とした肌焼き品の製造方法に関するもの
である。

（従来の技術）自動車、建設機械の歯車、各種シャフト類等の機械部
品のなかで、特に高疲労強度を必要とするものは、所要
の製品形状に加工後、表面硬化処理が行なわれており、
このためにこれらの製品は通常肌焼き品と呼ばれてい
る。表面硬化処理法としては、浸炭焼入れによる方法が
最も一般的である。

浸炭焼入れとは、例えば、昭和44年10月１日丸善株式
会社発行「鋼の熱処理改訂５版」85〜97頁に見られる
ように、900℃程度の温度で浸炭処理を行なった後、焼
入れおよび必要に応じて焼戻しを行なうことにより、表
層のみを高炭素マルテンサイトとなし、疲労強度の向上
をはかる手法である。

こうした浸炭焼入れのみの表面硬化法は、例えば昭和
59年６月日本熱処理技術協会発行「熱処理第24巻第３
号」128〜136頁に見られるように、浸炭表層部のオース
テナイト粒界に沿って表面異常層が生成するために硬
さ、圧縮残留応力が低下し、必ずしも充分な疲労強度が
付与出来ないことが従来から問題となっていた。これに
対して、特開昭61−253346公報には、Si:0.10％以下、M
n:0.05％以下に低減して粒界酸化物の生成を抑制し、P:
0.010％以下に抑制して、粒界強度の向上をはかった浸
炭焼入れを行なって使用される材料が示されている。

しかしながら、このような材料を用いてもなおかつ浸
炭焼入れのみの表面硬化法では、特に高疲労強度を必要
とする肌焼き品の疲労強度の保証には、未だ充分である
とは言えないのが現状である。

（発明が解決しようとする課題）本発明の目的は、肌焼き品の疲労折損に対して、その
要求特性を保証することができる肌焼き品の製造方法を
提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段、作用）本発明者らは、肌焼き品の高疲労強度化を実現するた
めに種々検討を行なった結果、特定の成分範囲の鋼材に
ついて、表層に特定範囲の量の残留オーステナイトが導
入される条件で浸炭処理を行なった後、予荷重として特
定の条件で繰り返し曲げ応力を付与することによって、
肌焼き品の疲労折損に対してその要求特性を充分満足で
きる優れた疲労強度を実現することが可能であるという
新規な知見を得て、本発明をなしたものである。

すなわち、本発明は以上の知見にもとずいてなされた
ものであって、その要旨とするところは、重量比とし
て、 C:0.10〜0.30％、 Mn:0.50〜2.0％、 S:0.01〜0.20％、 Cr:0.50〜1.50％、 Al:0.02〜0.10％、 N:0.010〜0.025％を含有し、または、さらに Nb:0.020〜0.120％、 Ti:0.005〜0.10％のうち１種または２種を含有し、 Si:0.10％以下、 P:0.010％以下、 O:0.005％以下に制限し、または、さらに Ni:4.0％以下、 Mo:1.0％以下、 V:1.0％以下、 Cu:3.0％以下の１種または２種以上を含有し、残部Fe及
び不可避的不純物からなる鋼材を、所要の製品形状に加
工し、表層0.02mmでの残留オーステナイト量が面積率に
て20〜60％の範囲となるような条件で浸炭処理を行なっ
た後、応力集中部に、最表面での正味の最大応力で70〜
120kgf/mm²の範囲の繰り返し曲げ応力を、10³回以下付
与することを特徴とする高疲労強度肌焼き品の製造方法
にある。

以下に本発明を詳細に説明する。

最初に、本発明対象鋼として、成分組成範囲を前記の
如く限定した理由について説明する。

まず、Ｃは肌焼き品の芯部の強度を増加させるのに有
効な元素であるが、0.10％未満では強度が不足し、また
0.30％を超えると靭性の劣化を招くとともに、肌焼き品
の疲労強度に有用な圧縮残留応力が生じにくくなるた
め、含有量を0.10〜0.30％に定めた。

また、Mn,Crは焼入れ性の向上に有効な元素である
が、Mn:0.50％未満、Cr:0.50％未満ではその効果は不十
分であり、一方Mn:2.0％及びCr:1.50％を超えるとその
効果は飽和し、これらの元素の多量添加は経済性の点で
好ましくないので、これらの含有量をMn:0.50〜2.0％,C
r:0.50〜1.50％とした。

次にＳは被削性の向上に有効な元素であるが、その効
果は0.01％未満では不十分であり、一方0.20％を超える
と硫化物系介在物を生成してかえって疲労強度を劣化さ
せるので、含有量を0.01〜0.20％とした。

AlとＮは鋼中で化合物AlNを形成し、オーステナイト
結晶粒を微細化する働きがあり、どちらか一方でもAl:
0.020、N:0.010％の下限値より少ないと効果が不足す
る。一方Al:0.10％,N:0.025％を超えるとその効果は飽
和し、むしろ疲労強度を劣化させるので、これらの含有
量をAl:0.02〜0.10％、N:0.010〜0.025％とした。

一方、Siは、浸炭最表層部において粒界酸化物を生成
しやすい元素であり、特にSiが0.10％を超えると疲労強
度劣化が顕著となるため、0.1％を上限とした。

次に、Ｐは鋼中で粒界偏折を起こし、粒界強度の低下
を介して疲労強度劣化の原因となる。特にＰが0.010％
を超えると疲労強度劣化が顕著となるため、0.010％を
上限とした。

また、Ｏは鋼中で酸化物系介在物を生成し、疲労破壊
の起点となる。特にＯが0.005％を超えると疲労強度劣
化が顕著となるため、0.005％を上限とした。

以上が、基本成分系であるが、本発明においてはこの
他さらにオーステナイト結晶粒の微細化をはかることを
目的として、Nb,Tiのいずれか一方または両方を含有さ
せることが出来る。

まずNbは、鋼中で化合物Nb（CN）を形成しオーステナ
イト結晶粒を微細化する働きがあるが、0.020％未満で
はその効果は不十分であり、一方、0.120％を超えると
その効果は飽和し、むしろ疲労強度を劣化させるので、
その含有量を0.020〜0.120％とした。

また、Tiは鋼中で化合物Ti（CN）を形成しオーステナ
イト結晶粒を微細化する働きがあるが、0.005％未満で
はその効果は不十分であり、一方0.10％を超えるとその
効果は飽和し、むしろ疲労強度を劣化させるので、その
含有量を0.005〜0.10％とした。

また本発明対象鋼では、必要に応じて、Ni:4.0％以
下、Mo:1.0％以下、V:1.0％以下、Cu:3.0％以下の１種
または２種以上を含有させる事が出来る。これらの元素
はいずれも焼入れ性の向上に有効であるが、多量添加は
経済性の点で好ましくないために、上記の如く上限値を
規定した。

次に本発明においてはかかる鋼材を、所要の製品形状
に加工し、表層0.02mmでの残留オーステナイト量が面積
率にて20〜60％の範囲となるような条件で浸炭処理を行
なった後、応力集中部に、最表面での正味の最大応力で
70〜120kgf/mm²の範囲の繰り返し曲げ応力を10³回以下
付与するのであるが、以下にその理由を述べる。

肌焼き品の疲労強度は、表層の圧縮残留応力が支配的
であり、圧縮残留応力が大きい程疲労強度は向上する。
従来法である浸炭焼入れのみによる方法では、十分な表
層圧縮残留応力を得ることはできないが、本発明法で
は、大きな表層圧縮残留応力を得ることが可能である。
これは、表層に特定範囲の量の残留オーステナイトを導
入し、予荷重として特定の条件で繰り返し曲げ応力を付
与すれば、残留オーステナイト量がマルテンサイト変態
を起こすためである。ただし、いずれか一方でも、表層
0.02mmでの残留オーステナイト量が面積率にて20％未
満、製品の応力集中部に付与する繰り返し曲げ応力が、
最表面での正味の最大応力で70kgf/mm²未満では、得ら
れる圧縮残留応力量が不十分である。一方かかる残留オ
ーステナイト量が面積率にて60％、繰り返し曲げ応力が
120kgf/mm²、繰り返し曲げの回数が10³回を超えると、
その効果は飽和し、むしろ予荷重付与の過程で、製品が
破壊する危険性があるので、上記のように規定した。

なお、本発明において、浸炭処理の方法は、特に限定
されるものではなく、例えば、ガス浸炭法、真空浸炭
法、イオン浸炭法等を用いて、本発明の要件を満たせ
ば、任意の条件で行うことができる。また、本発明にお
いては、浸炭処理後、必要に応じて焼戻しを行うことが
できる。さらに、予荷重の付与は、最大応力のみ本発明
の要件を満たせば、最小応力は任意の条件で行うことが
できる。

以下に、本発明の効果を実施例により、さらに具体的
に示す。

（実施例）第１表の組成を有する鋼材を、切り欠き底直径:8mm、
応力集中係数:1.86の切り欠き付き試験片を用意し、930
℃×240分浸炭（カーボンポテンシャル:0.7〜0.9）→83
0℃×30分保定→油冷（油温:60〜150℃）→160℃×60分
焼戻しの条件で浸炭処理を行った。浸炭処理後（つま
り、予荷重付与前）の表層0.02mmでの残留オーステナイ
ト量（γ_Ｒ）、および小野式回転曲げ疲れ試験によって
評価した疲労限（切り欠き底表面での正味の最大応力値
で表示）を第１表に併せて示す。記号ｑの鋼材は、本発
明の成分の鋼であるが、浸炭処理後の残留オーステナイ
ト量は、本発明の要件を下回っている。

本発明の要件を満たす試験片はそうでないものに比べ
て、概ね優れた疲労限を示すものの、従来法である浸炭
処理のままでは、疲労限は95kgf/mm²が上限（記号ｈ
鋼）である。

次に、これらの試験片について小野式回転曲げ疲れ試
験機を用い、第２表に示す条件で予荷重を付与した。
Ｃ、Ｄの条件で予荷重付与を行おうとしたものは、全て
予荷重付与の過程で破断した。第３表に、予荷重付与後
の最大圧縮残留応力（深さ方向分布におけるピーク
値）、および小野式回転曲げ疲れ試験によって評価した
疲労限（切り欠き底表面での正味の最大応力値で表示）
を示す。

本発明法によれば、大きな圧縮残留応力が導入され、
従来法の上限値の1.2倍以上である120kgf/mm²以上の優
れた疲労限を有する肌焼き品の製造が可能であることが
わかる。

（発明の効果）以上述べた如く、本発明法よれば肌焼き品の折損に対
してその要求特性を充分満足できる優れた疲労強度を付
与することが可能となり、産業上の効果は極めて顕著な
るものがある。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C21D 8/00 C21D 8/06

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比として C:0.10〜0.30％、 Mn:0.50〜2.0％、 S:0.01〜0.20％、 Cr:0.50〜1.50％、 Al:0.02〜0.10％、 N:0.010〜0.025％を含有し、 Si:0.10％以下、 P:0.010％以下、 O:0.005％以下に制限し、残部Fe及び不可避的不純物からなる鋼材を、所要の製品
形状に加工し、表層0.02mmでの残留オーステナイト量が
面積率にて20〜60％の範囲となるような条件で浸炭処理
を行なった後、応力集中部に、最表面での正味の最大応
力で70〜120kgf/mm²の範囲の繰り返し曲げ応力を、10³
回以下付与することを特徴とする高疲労強度肌焼き品の
製造方法。
【請求項２】Nb:0.020〜0.120％、Ti:0.005〜0.10％の
うち１種または２種を含有する請求項１記載の高疲労強
度肌焼き品の製造方法。
【請求項３】Ni:4.0％以下、Mo:1.0％以下、V:1.0％以
下、Cu:3.0％以下の１種または２種以上を含有する請求
項１または２記載の高疲労強度肌焼き品の製造方法。