JP2970441B2 - 耐転動疲労性に優れた窒化処理鉄系部品とその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、土木機械、産業機械等
で耐転動疲労性・耐摩耗性・耐疲労性に優れた機械構造
部品として使用される窒化処理鉄系部品とその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、耐摩耗性・耐疲労性が要求さ
れる機械構造用部品には、浸炭・窒化処理等の表面硬化
処理が行われている。

【０００３】浸炭処理は、高温のγ域において、Ｃを侵
入・拡散させるため、深い硬化深さが得られるが、浸炭
に引続いて行う焼入・焼戻に際して熱処理歪が大きく、
厳しい寸法精度の要求される歯車などの機械構造用部品
では問題となっている。

【０００４】一方、窒化処理は、A₁変態点以下の温度域
で、Ｎのみを侵入・拡散させる方法と、ＮとＣを同
時に侵入・拡散させて窒化させる方法 (軟窒化) とがあ
り、共に焼入れ時の相変態による熱処理歪の問題はな
く、特に軟窒化処理では短時間に硬化層深さを深くする
ことができることから、急速に普及しつつある処理法で
ある。

【０００５】なお、本明細書においては、以下、窒化処
理および軟窒化処理を総称して便宜上窒化処理と言う。

【０００６】ここに、図１に模式的に示すように、窒化
処理可能な鉄系部品の表面は、窒化処理により処理面に
化合物層10と拡散層12が形成され、かつ化合物層の最表
面には窒化雰囲気中に不可避的に存在する水酸化物によ
り生ずる空洞状のポーラス層14が存在する。このポーラ
ス層14は、表面硬さや耐摩耗性、耐疲労性の低下を起こ
すとともに、摺動部では、ポーラス層を起点とする化合
物層の剥離やピッチングおよびスポーリング等を生じ、
窒化部品の性能を低下させる。

【０００７】このような問題を解決するために、これま
でにも、例えば特開昭63−93821 号公報では、軟窒化処
理部品のポーラス層をショットピーニングにより除去し
耐疲労性の向上を図ったが、耐転動疲労性に関しては、
充分でなく、耐転動疲労性に優れた窒化処理部品の開発
が望まれていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、以上
のような問題を解決し、窒化処理後ポーラス層厚さを制
御することにより、耐転動疲労性に優れると同時に耐摩
耗性、耐疲労性に優れている窒化処理鉄系部品とその製
造方法を提供することである。

【０００９】具体的には表面硬さ、転動疲労強度、摩耗
量、そして疲労限が要求される窒化処理鉄系部品とその
製造法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる目
的を達成すべく種々検討を重ね、それらの検討結果から
以下の知見を得た。

【００１１】耐転動疲労性・耐摩耗性の向上策 ポーラス層の存在は、一般的には、上記特性を阻害する
因子となるが、ポーラス層を５μｍ以下という最適厚さ
に調整することにより、予想外にも上記特性の向上に効
果があった。

【００１２】耐疲労性の向上と更なる向上策 ポーラス層の切欠き形状により耐疲労性は影響を受ける
が、ポーラス層の制御をショットピーニングで行うこと
により、表面のポーラス層の切欠き形状を穏やかにし、
むしろ圧縮残留応力を表面に付与することで耐疲労性を
向上させる。またこれにより、耐転動疲労性、耐摩耗性
の更なる改善を実現する効果がある。

【００１３】これらの知見により完成された本発明の要
旨とするところは、下記成分を含む窒化処理を行った鉄
系部品の最表層に、窒化処理により形成され、厚さを１
μｍ以上５μｍ以下に調整されたポーラス層を備えたこ
とを特徴とする転動疲労強度：2000 N/mm²以上および疲
労限：500N/mm²以上である耐転動疲労性に優れた窒化処
理鉄系部品である。

【００１４】 Ｃ：0.05〜0.50％、Si：０〜1.50％、Mn：0.50〜2.00％、 Cr：０〜2.00％、Mo：０〜1.00％、Ｖ：０〜0.50％ また、別の面からは、本発明は鉄系部品に窒化処理を行
って、最表層にポーラス層を形成し、次いで、該ポーラ
ス層にショットピーニング加工を行うことにより該ポー
ラス層の厚さを１μｍ以上５μｍ以下とすることを特徴
とする上述の成分を含む耐転動疲労性に優れた窒化処理
鉄系部品の製造方法である。

【００１５】

【作用】次に、本発明において上述のように規定する理
由について、その作用とともに詳述する。

【００１６】ポーラス層厚さ：１〜５μm ポーラス層厚さの制御は耐転動疲労性、耐摩耗性、そし
て耐疲労性を向上させるのに必須な因子である。特にそ
の厚さが10μm を超えると、ポーラス層先端部は鋭角で
空洞が多く脆弱になり耐摩耗性が低下し、またそのよう
なポーラス層を有する部品を揺動部に用いた場合、ポー
ラス層内部に存在する長いマイクロクラックの先端への
応力負荷が増大し、急速に内部に亀裂の伝播が進行し、
耐転動疲労性が低下する。本発明においては、上記ポー
ラス層の厚さを例えば研摩あるいはショットピーニング
加工によって厚さ１〜５μｍに調整した。

【００１７】また、接触体同士の摩擦抵抗の増加による
潤滑状態の悪化を考慮し、特に耐摩耗性および耐転動疲
労性が要求される場合は、１〜５μm が望ましい。ちな
みに、従来の窒化処理に際しては、厚さ10μm 超のポー
ラス層が形成されるが、これをそのまゝ使用するか、完
全に除去して用いている。

【００１８】ショットピーニング加工 ショットピーニング加工により、ポーラス層を一部除去
すると同時に切欠き部の形状を穏やかに改善することが
でき、耐疲労性の向上を図ることができる。また、化合
物層および拡散層にピーニング効果による圧縮残留応力
の付与を行うことにより、耐疲労性、耐転動疲労性、耐
摩耗性に対しても、特性を向上させることから、好適態
様としてショットピーニング加工を行うことを規定し
た。

【００１９】鉄系部品 本発明は、窒化処理可能な金属系部品一般を対象とする
のであるが、より実際的には鉄系部品であって、窒化処
理可能な鉄系部品とする。具体的には、炭素鋼、合金鋼
製の部品が例示される。

【００２０】より具体的には、重量％で、次の成分を含
む鋼から構成される鉄系部品である。 Ｃ：0.05〜0.50％、Si：０〜1.50％、Mn：0.50〜2.00％、 Cr：０〜2.00％、Mo：０〜1.00％、Ｖ：０〜0.50％。

【００２１】窒化処理 すでに述べたように、本明細書に言う窒化処理は、いわ
ゆる窒化処理ばかりでなく軟窒化処理をも包含する。具
体的には、ガス窒化、タフトライド処理、ガス軟窒化、
イオン窒化等が例示される。次に、実施例によって本発
明の作用効果をさらに一層具体的に説明する。

【００２２】

【実施例】(実施例１) 表１に示す化学成分を有する鋼を溶製後、各々160mm 角
の鋼片とし、この鋼片を1100℃に加熱し、仕上温度950
℃の熱間鍛造を施して直径30mmの丸棒とした後、放冷し
た。

【００２３】冷却後、転動疲労試験片、摩耗試験片およ
びＪＩＳ２号回転曲げ疲労試験片をそれぞれ採取し、表
２に示す各窒化条件で窒化処理を施した。ポーラス層厚
さの調整は、＃1500のエメリー紙で荒削り後、バフ研磨
で仕上げることによって行った。

【００２４】このようにして調整された試験片を用い、
転動疲労試験、摩耗試験および疲労試験を行った。転動
疲労試験は、回転速度1000rpm 、すべり率40％、油温80
℃の条件下で行い10⁷ 回達成時の面圧強度を転動疲労強
度とした。また、摩耗試験は、直径10mmのピンに面圧0.
10kgf/mm² の負荷をかけ、1000mDry走行時の摩耗量を測
定した。試験後の測定結果を表３および４に示す。

【００２５】目標特性は、次の通りである。

【００２６】 表面硬さ： Hv 750 芯部硬さ： Hv 200 〜300 転動疲労強度： 2000 N/mm² 以上 摩耗量： 50 mg以下 疲労限： 500 N/mm²以上。

【００２７】表３および４より明らかなように、本発明
にかかる窒化処理部品は、転動疲労強度および摩耗特性
が著しく向上し、特に最表層のポーラス層の厚さが１〜
５μm になると更に向上することが可能となる。一方、
ポーラス層厚さが規格から外れた場合は、上下限に限ら
ず転動疲労強度および摩耗特性は著しく低下する。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】

【表３】

【００３１】

【表４】

【００３２】(実施例２) 表１に示す供試鋼 No.１の160 mm角の鋼片を1100℃に加
熱し、仕上温度 950℃の熱間鍛造後、実施例１と同じ要
領で試験片加工と軟窒化処理を行い、表５のショットピ
ーニング条件でポーラス層の厚さの調整を行った後、特
性調査を行った。表６にその測定結果を示す。

【００３３】本発明にかかる窒化処理部品をショットピ
ーニング加工で製造した場合、転動疲労強度および摩耗
特性はより一層の向上が図れ、また疲労強度も向上す
る。しかし、本例でもポーラス層の厚さが本発明の規定
範囲から外れた場合は、上下限のいずれかによらず特性
の低下は避けられない。

【００３４】

【表５】

【００３５】

【表６】

【００３６】

【発明の効果】窒化処理鉄系部品を機械構造用部品とし
て使用するに際し、本発明により軟窒化処理後に発生す
るポーラス層の厚さを制御することにより、従来技術に
見られない優れた耐転動疲労性・耐摩耗性あるいは耐疲
労性を発揮でき、歯車等の性能を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ポーラス層が形成された本発明にかかる窒化処
理鉄系部品の最表面の模式図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西田 和彦 北九州市小倉北区許斐町１番地 住友金 属工業株式会社小倉製鉄所内 (56)参考文献 特開 平５−280643（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−149616（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−74356（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−364（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−300662（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C23C 8/26,8/32,8/80

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記成分を含む窒化処理を行った鉄系部
   品の最表層に、窒化処理により形成され、厚さを１μｍ
   以上５μｍ以下に調整されたポーラス層を備えたことを
   特徴とする転動疲労強度：2000 N/mm²以上および疲労
   限：500N/mm²以上である耐転動疲労性に優れた窒化処理
   鉄系部品。 Ｃ：0.05〜0.50％、Si：０〜1.50％、Mn：0.50〜2.00％、 Cr：０〜2.00％、Mo：０〜1.00％、Ｖ：０〜0.50％
2. 【請求項２】 鉄系部品に窒化処理を行って、最表層に
   ポーラス層を形成し、次いで、該ポーラス層にショット
   ピーニング加工を行うことにより該ポーラス層の厚さを
   １μｍ以上５μｍ以下とすることを特徴とする請求項１
   記載の耐転動疲労性に優れた窒化処理鉄系部品の製造方
   法。