JP4436225B2

JP4436225B2 - 疲労特性に優れた高強度機械部品およびその疲労特性向上方法

Info

Publication number: JP4436225B2
Application number: JP2004295861A
Authority: JP
Inventors: 敏三樽井; 崇史藤田; 修司小澤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: JP2006104551A

Description

本発明は、自動車や各種産業機械等に広く使用されているシャフト、歯車などの疲労特性に優れた高強度機械部品および疲労特性向上方法に関する。
具体的には、曲率半径が２５ｍｍ以下の切欠き部を有し、さらに表面ＨＶ硬度が２５０以上である疲労特性に優れた高強度機械部品および疲労特性向上方法に関する。

自動車や各種産業機械の軽量化、高性能化のために、各種機械部品の高強度化のニーズが高まっており、この機械部品の高強度化は、鋼材の化学成分の調整や種々の熱処理方法・条件で達成が可能である。
しかしながら、機械部品の高強度化は実現できても疲労特性が機械部品の強度の増加に応じて向上しない場合がある。特に切欠き部を有する機械部品では、高強度化を図っても疲労強度の向上効果が少ない。これは、切欠き部に応力が集中するためである。
一般に疲労強度を増加する手段として、非特許文献１に記載されているように、高周波焼入れ、浸炭、窒化、浸炭窒化、タフトライド処理などの表面硬化処理、ショットピーニングや表面ロール加工処理、等がある。しかしながら、曲率半径が小さな切欠き部がある機械部品では、上記のような疲労強度の増加手段では限界があり、大幅な疲労特性の向上は実現できないと言う課題があった。

また、内燃機関のクランクシャフトでは、アームとピンまたはジャーナルとの接合部が断面アール状のフィレット部となっている。このフィレット部は、クランクシャフト回転時の捻り応力や曲げ応力が集中しやすい箇所となっている。このため、フィレット部を強化することが行なわれており、その方法として、ロール加工法、高周波焼き入れ法等が挙げられる。
ロール加工法は、ピン／フランジ、ジャーナル／フランジの境目をフィレットロールにより冷間加工し強度を向上する技術である。従来技術として、例えば、特許文献１では、引張応力のかかる部分の曲率半径を大きくして応力集中を緩和する技術が、また、特許文献２ではフレット部の軸径の減少を抑えて結果として応力集中を緩和する技術が紹介されている。
一方、高周波焼き入れ法は、ピン、ジャーナル部およびピン／フランジ、ジャーナル／フランジ境界のフィレット部の表面を高周波焼き入れによりマルテンサイト化して強度を高める技術である。従来技術として、例えば、特許文献３では焼き割れが生じにくい高周波焼入方法と装置が紹介されている。
「金属材料疲労設計便覧」（日本材料学会編集、養賢堂、昭和５６年８月２０日、第２版発行）９５〜１０５頁特開２００２−１２２１２６号公報特開２００２−２２４９２０号公報特開２００２−１７３７１１号公報

本発明は上記の如き実状に鑑みなされたものであって、曲率半径が２５ｍｍ以下の切欠き部を有し、更に表面ＨＶ硬度が２５０以上である疲労特性に優れた高強度機械部品およびその疲労強度向上方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、焼入れ・焼戻し処理、浸炭処理、高周波焼入れ処理などの各種の熱処理を施した切欠きを有する高強度の機械部品の疲労特性の向上方法について、種々の検討を重ねた。この結果、疲労特性を向上させるためには切欠き部に圧縮残留応力を付与させることが必須であるとともに、従来のショットピーニング処理では曲率半径の小さな切欠き部に効率的に圧縮残留応力を付与させることが困難であることを明確にした。そこで、ショットピーニングに替わる圧縮残留応力の付与方法として種々の手段を検討した結果、超音波打撃処理が圧縮残留応力の導入に対して極めて有効であり、疲労特性が大幅に向上することを見出し、更に最適な超音波打撃処理の製造技術を確立した。以上の検討結果に基づき、圧縮残留応力および超音波打撃処理による圧縮残留応力の付与方法を最適に選択すれば、疲労特性の優れた切欠き部を有する高強度機械部品を実現できると言う結論に達し、本発明をなしたものである。

本発明は以上の知見に基づいてなされたものであって、その要旨とするところは、次の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：０．１〜１．２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材で構成され、曲率半径が２５ｍｍ以下の切欠き部を有する機械部品であって、前記鋼材表面のＨＶ硬度が２５０以上であり、かつ、前記切欠き部表層の圧縮残留応力が−３００〜−１５００ＭＰａであり、前記切欠き部表層からの深さが少なくとも３０μｍ以内の領域において、結晶粒の長軸方向と短軸方向の長さの比であるアスペクト比が１．５以上であることを特徴とする疲労特性に優れた高強度機械部品。
（２）（１）に記載の高強度機械部品の切欠き部を超音波振動子により打撃して圧縮残留応力を付与する高強度機械部品の疲労特性向上方法であって、
前記超音波振動子の機械部品に対する硬度比：１．１以上、超音波振動子の振動数：１０〜６０ｋＨｚ、超音波の出力：５００〜５０００Ｗ、超音波振動子の切欠き部への押し付け力：１０〜１０００Ｎの条件で、前記高強度機械部品の切欠き部に超音波打撃処理を施すことを特徴とする高強度機械部品の疲労特性向上方法。

本発明によれば、切り欠き部に超音波打撃処理を施して圧縮残留応力を導入することによって、曲率半径が２５ｍｍ以下の切欠きを有する高強度機械部品の疲労特性を大幅に向上させることができ、これにより疲労特性に優れた高強度機械部品および疲労特性向上方法を提供することができるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。

以下に本発明を実施するための最良の形態について説明する。
まず、本発明の対象とする鋼材の成分の限定理由について述べる。
Ｃは機械部品の強度を確保する上で必須の元素であるが、０．１％未満では本発明で目的とするＨＶ硬度が２５０以上を得ることが困難であり、一方１．２％を越えると機械部品の延性が低下するため、０．１〜１．２％の範囲に制限した。
Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ等の合金元素は、各種機械部品の熱処理条件、用途等に応じて添加しても差し支えがない。好ましい範囲は、Ｓｉ：０．０１〜２％、Ｍｎ：０．２〜２％、Ｃｒ：０．０５〜２％、Ｍｏ：０．０５〜３％、Ｎｉ：０．０５〜２％、Ｃｕ：０．０５〜１％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％である。更に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖの好ましい範囲は、いずれの元素も０．００２〜０．５％の範囲である。また、Ｐ、Ｓの好ましい範囲は、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０５％以下である。
なお、本発明は、高強度機械部品に用いる鋼材の組織や処理工程は問わず、フェライト-パ−ライト鋼、ベイナイト鋼、マルテンサイト鋼など、いずれの組織の鋼材にも適用できるうえ、熱間鍛造後に切削され、浸炭処理、高周波焼入れ、焼入れやき戻し処理などが施される場合に広く適用できる。

次に機械部品の曲率半径、表面ＨＶ硬度、圧縮残留応力の限定理由について説明する。曲率半径が２５ｍｍを超えるような大きな切欠きがある場合は、疲労強度の低下が少ないため、本発明の対象外とした。また、２５ｍｍを超えるような切欠きを有する部品に圧縮残留応力を付与する場合、従来技術のショットピーニング処理の方が超音波打撃処理よりも経済的であるため、曲率半径の上限を２５ｍｍに限定した。本発明の技術は、機械部品の表面ＨＶ硬度が２５０未満であっても十分な効果があるが、一般的に低強度鋼の場合は高い疲労強度が要求されないため、表面ＨＶ硬度の下限を２５０に制限した。切欠き部表層の圧縮残留応力が−３００ＭＰａ未満では疲労強度の向上効果が少なく、一方、−１５００ＭＰａを超える圧縮残留応力を付与させても疲労特性の向上効果が飽和するため、切欠き部の表層の圧縮残留応力の範囲を−３００〜−１５００ＭＰａに限定した。なお、本発明の残留応力はＸ線法で測定したものである。

本発明の超音波打撃処理を行わない場合には、結晶粒の長軸方向と短軸方向のアスペクト比が１．５未満となり疲労特性の向上効果が不十分であるため、アスペクト比の下限を１．５に制限した。また、アスペクト比が１．５以上の領域が、切欠き表層から３０μｍ未満では、十分な疲労強度向上効果を得ることが困難であるため、下限を３０μｍに制限した。本発明において、結晶粒のアスペクト比は、５００倍の光学顕微鏡で測定したものである。機械部品の組織がフェライト・パーライトの場合はフェライト粒およびパーライト粒の平均値であり、パーライトが主体の場合はパーライト粒の平均値、マルテンサイトもしくは焼戻しマルテンサイトの場合は旧オーステナイト粒の平均値である。
次に、超音波打撃処理の条件について説明する。本発明では、機械部品の仕様に応じて熱間鍛造、冷間鍛造、各種の機械加工や焼入れ・焼戻し処理、浸炭処理、高周波焼入れ処理などの各種工程を経て最終の機械部品に仕上げた後、最後に切欠き部に超音波打撃処理を行うものである。

超音波振動子の硬度が切欠き表面の硬度の１．１倍未満では、超音波打撃処理による切欠き部への圧縮残留応力を効率的に付与することが困難であるため、超音波振動子と機械部品の硬度比を１．１以上に限定した。なお、超音波振動子の先端の曲率半径は特に限定しないものの、機械部品の切欠き部の曲率半径よりも大きい場合は効率的に圧縮残留応力を付与することが出来ないため、超音波振動子の先端半径は切欠き部の曲率半径と同等以下にすることが好ましい条件である。超音波振動子の振動数が１０ｋＨｚ未満では、効率的に圧縮残留応力を付与することができないため、下限を１０ｋＨｚに限定した。一方、６０ｋＨｚを超える振動数で超音波打撃処理を行っても圧縮残留応力の導入効果が飽和するため、振動数の上限を６０ｋＨｚに制限した。振動数の好ましい範囲は、２０〜４０ｋＨｚである。超音波の出力が５００Ｗ未満では、所定の圧縮残留応力を付与させるための超音波打撃処理時間が長くなり経済的でないため、下限を５００Ｗに限定した。超音波出力が５０００Ｗを超えても効果が飽和するため、５０００Ｗを上限にした。超音波振動子の切欠き部への押し付け力が１０Ｎ未満では、効率的に圧縮残留応力を付与することができず経済的でないため、下限を１０Ｎに制限した。一方、押し付け力が１０００Ｎを超えて超音波打撃処理を行っても効果が飽和するため、上限を１０００Ｎに制限した。

超音波打撃処理による圧縮残留応力付与は、ショットピーニングによる圧縮残留応力付与よりも、疲労特性が優れている。この理由は、
１）超音波打撃処理による圧縮残留応力はショットピーニングよりも高い
２）超音波打撃処理による圧縮残留応力はショットピーニングよりも鋼材内部まで付与されている
３）超音波打撃処理の部位は塑性変形されており、疲労特性が向上する
４）超音波打撃処理による表面粗さがショットピーニングよりも小さい
ことに起因すると推定される。

以下、実施例により本発明の効果をさらに具体的に説明する。
表１に示す化学成分の鋼材を用いて、熱間鍛造で図１に示すような丸棒形状の部品（シャフト）を製造した。熱間鍛造温度は１２００℃である。その後、機械加工で図１に示す切欠きを有する機械部品に仕上げた。更に、これらの機械部品を用いて焼入れ・焼戻し処理、高周波加熱処理、浸炭処理を行い、表面のＨＶ硬度を測定した。焼入れ・焼戻し処理は、焼入れ温度：８５０〜９５０℃、焼戻し温度：１８０〜６５０℃の条件で行った。高周波加熱処理は、９５０℃に加熱後、焼入れ処理を行い、その後１５０℃で焼戻し処理を行った。浸炭処理は、浸炭温度が９５０℃、焼戻し温度が１６０℃の条件で行った。また、最終的に切欠き部に超音波打撃処理を施した。超音波打撃処理後に切欠き部の残留応力はＸ線法で測定した。結晶粒のアスペクト比は、切欠き部の表層から３０μｍの領域を５００倍の光学顕微鏡で１０視野以上を観察することにより求めた。機械部品の疲労強度（10⁷サイクル）は回転曲げ疲労試験で調査した。上記の製造条件、測定結果を表２に示す。

表２の試験Ｎｏ.３、５、７、８、９、１２、１６、１８、２０、２１、２３、２５、２８、３２、３４、３７が本発明例で、これ以外は比較例である。同表に見られるように本発明例は、いずれも切欠き部に高い圧縮残留応力が付与され、結晶粒のアスペクト比も１．５以上になっている。この結果、比較例に比べ疲労強度が高く、疲労特性の優れた高強度部品が実現されている。
これに対して、比較例である試験Ｎｏ.１、４、６、８、１１、１４、１７、１９、２２、２４、２７、３０、３３、３５は、いずれも機械部品製造後に切欠き部の残留応力制御の処理を施さなかった場合である。圧縮残留応力が低いか、あるいは引張残留応力になっているため、いずれも疲労強度が本発明例よりも低い例である。

比較例である試験Ｎｏ.２、１５、３１、３６は、いずれも部品製造後に従来のショットピーニング処理を施したものである。ショットピーニング処理を行うことによって、切欠き部の残留応力は圧縮残留応力側に移行するものの、切欠き部の曲率半径が小さいために大きな圧縮残留応力を効率的に付与することができない。この結果、いずれの例においても本発明例に比べ疲労強度が劣っている。
比較例である試験Ｎｏ.１０、１３、２６、２９、３８は、いずれも超音波打撃処理の条件が不適切な例である。即ち、Ｎｏ.１０は超音波振動子と機械部品の硬度比が低いために、Ｎｏ.１３は超音波振動子の振動数が低いために、Ｎｏ.２６は超音波振動子の切欠き部への押し付け力が低すぎるために、Ｎｏ.２９は硬度比および超音波振動子の振動数が低いために、Ｎｏ.３８は超音波出力が低いために、いずれも切欠き部の圧縮残留応力値が低く、疲労強度の向上効果が少なかった例である。

本発明の実施例で用いた切欠きを有する機械部品を例示する図である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．１〜１．２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材で構成され、曲率半径が２５ｍｍ以下の切欠き部を有する機械部品であって、前記鋼材表面のＨＶ硬度が２５０以上であり、かつ、前記切欠き部表層の圧縮残留応力が−３００〜−１５００ＭＰａであり、前記切欠き部表層からの深さが少なくとも３０μｍ以内の領域において、結晶粒の長軸方向と短軸方向の長さの比であるアスペクト比が１．５以上であることを特徴とする疲労特性に優れた高強度機械部品。
請求項１に記載の高強度機械部品の切欠き部を超音波振動子により打撃して圧縮残留応力を付与する高強度機械部品の疲労特性向上方法であって、前記超音波振動子の機械部品に対する硬度比：１．１以上、超音波振動子の振動数：１０〜６０ｋＨｚ、超音波の出力：５００〜５０００Ｗ、超音波振動子の切欠き部への押し付け力：１０〜１０００Ｎの条件で、前記高強度機械部品の切欠き部に超音波打撃処理を施すことを特徴とする高強度機械部品の疲労特性向上方法。