JP5018586B2 - 高強度浸炭高周波焼入れ部品 - Google Patents
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Description
本発明は、鋼の表面硬化処理の手段として、浸炭と高周波焼入れとを併用した機械部品に関する。
鋼を材料として、高い表面硬度を要求される機械部品、たとえば歯車を製造する場合、表面硬化処理の手段としては、浸炭と高周波焼入れとが代表的なものである。浸炭は、部品表面の炭素濃度を高くする操作であって、その結果高い強度が得られるが、浸炭に続く焼入れにより部品の内部までマルテンサイト化させるため、残留する歪みが大きいという問題がある。一方、高周波焼入れは、部品の内部組織を変化させずに表面だけ硬化させる処理であるから、歪みが小さいという利点があるが、製造性の観点から、到達できる表面炭素濃度に限界があり、あまり高い強度は期待できない。
浸炭と高周波焼入れとを組み合わせ、両者の長所を併せて実現しようとする表面処理が、以前から試みられている。その一つとして、特定の炭素ポテンシャル条件下で浸炭焼入れをして、表層炭素濃度と芯部炭素濃度の差を一定値以上にした浸炭品を得、この浸炭品に対して、浸炭時の全硬化層深さの０．３〜１．５倍をオーステナイト化させる高周波焼入れを行なう技術が開示された（特許文献１）。開示された技術によれば、浸炭製品の疲労強度を左右する旧オーステナイト結晶粒度を、ＪＩＳ粒度番号にして１０番以上に細粒化することができるという。
特定の合金組成の肌焼鋼を浸炭焼入れした後、４００〜６００℃で焼戻し処理を行ない、ついで高周波焼入れを施して、焼戻しによって軟化した浸炭層の硬さを復活させるという提案もある（特許文献２）。この方法による製品は、引張り強度、衝撃強度、浸炭層硬度など、浸炭製品に通常要求される諸特性を十分に確保した上で、すぐれた耐遅れ破壊性を備えているとのことである。
部品の疲労強度や衝撃強度を改善するためには、結晶粒を微細化することが必要であり、表面硬化した部品において結晶粒微細化を実現することを意図して、浸炭浸窒焼入れに続いて、鋼をオーステナイト域まで昇温させて焼入れる、第二焼入れ工程を行なう熱処理方法が提案された（特許文献３）。この方法によるときは、浸炭浸窒焼入れにより、炭素および窒素を含有する鋼がオーステナイトからマルテンサイトに変態し、ついで第二焼入れにより結晶粒が微細になる。
特開昭６４−３６７７９
特開平５−２５５７３３
特開平１０−１８０２０
発明者らは、浸炭工程からは焼き入れずに徐冷し、続く高周波焼入れにより焼き入れることによって、浸炭焼入れが引き起こす歪みの発生を避けながら表面硬度を高めることを意図した。素材として、浸炭部品の製造に常用されて来たＪＩＳ鋼種のＳＣＲ４２０やＳＣＭ４２０を使用すると、所望の強度が得られない。この原因を追及した結果、浸炭により生成した炭化物が、高周波焼入れの工程ではマトリクスに溶け込まず残存し、浸炭品炭化物が起点となって破壊が進行するためであることがわかった。高周波焼入れは加熱時間が短いため、炭化物が溶け込む余裕がないわけである。これを避けるためには、炭素濃度を下げる必要があるが、表面の炭素濃度と強度とは比例する関係にあるから、炭素濃度を下げれば強度が低くなってしまう。
浸炭の手段としては、在来のガス浸炭に加えて、近年では真空浸炭が多く採用されるようになってきている。真空浸炭法は、ガス浸炭法に対して、
１）浸炭時の粒界酸化が避けられるから強度を高く得やすい、
２）高温の操業が容易であるために迅速に浸炭できる、
３）ランニングコストが安い、
などの利点があり、それを買われて、各種のギアやシャフトの製造に利用されている。しかし、部品の位置による炭素濃度の差が大きく、とくにエッジ形状の部分は高濃度になりやすく、したがって残存炭化物量も多くなるという問題があるため、高周波焼入れとの組み合わせは、いっそう困難である。そこで発明者は、炭化物が生成しにくい合金組成を選択することにより、高周波焼入れ時の炭化物溶け込みに期待しないですむという機構を考え、それが実現する浸炭用鋼の合金組成を確立した。
１）浸炭時の粒界酸化が避けられるから強度を高く得やすい、
２）高温の操業が容易であるために迅速に浸炭できる、
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本発明の目的は、上記した発明者の知見を生かし、機械部品の製造に当たって、浸炭と高周波焼入れとを併用して製品を得る技術を提供すること、具体的には、浸炭後は徐冷することにより組織のマルテンサイト化を避け、その後高周波焼入れを行ない、全体として歪みが小さく、かつ表面強度が高い機械部品を提供することにある。
本発明の機械部品は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜３．００％、Ｍｎ：０．３０〜３．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、Ｃｒ：０．２０〜１．００％、Ａｌ：０．２０％以下およびＮ：０．０５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなり、かつ、
［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．５０
の条件を満たす合金組成を有する鋼を部品形状に加工し、真空浸炭処理を施したのち徐冷し、ついで高周波焼入れにより表面を硬化させてなるものである。この合金組成では、浸炭時の炭化物生成が少なく、また、徐冷時に生じる炭化物についても高周波焼入れ時の再加熱にともなって、容易に溶解させることができる。
［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．５０
の条件を満たす合金組成を有する鋼を部品形状に加工し、真空浸炭処理を施したのち徐冷し、ついで高周波焼入れにより表面を硬化させてなるものである。この合金組成では、浸炭時の炭化物生成が少なく、また、徐冷時に生じる炭化物についても高周波焼入れ時の再加熱にともなって、容易に溶解させることができる。
本発明の機械部品は、上記の合金組成をもつ材料を使用することにより、浸炭時の炭化物の生成が少ないから、浸炭焼入れを行なわず徐冷し、焼入れを高周波焼入れによっても、残留炭化物に起因する問題が避けられる。高周波焼入れは多量の炭化物を溶け込ませることができないが、その必要がないからである。浸炭に続いて焼入れないから、マルテンサイトの生成に伴う歪みの発生は少なく、高周波焼入れもまた歪みの少ない焼入れ法であり、両者あいまって、得られる機械部品は、歪みがほとんどない製品となる。
高周波焼入れを行なう場合、従来は、残留炭化物を少なくすることを意図し、表面炭素濃度を低めに設定した浸炭を行なわざるを得なかったが、浸炭時の炭化物生成が少なく、また、徐冷時に生じる炭化物についても高周波焼入れ時の再加熱にともなって、容易に溶解させることができる本発明の場合、表面に十分な炭素濃度を与えることが可能であり、製品の表面硬度を高くして、高強度にすることができる。このようにして本発明の機械部品は、歪みがほとんどなく、高強度な製品である。
本発明の機械部品の材料とする浸炭用鋼は、上述した必須合金成分に加えて、つぎの任意添加成分の一つまたは二つを含有することができる。
（ａ）Ｍｏ：２．００％以下
（ｂ）Ｎｂ：０．２０％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｂ：０．０１％以下の１種または２種以上
（ａ）Ｍｏ：２．００％以下
（ｂ）Ｎｂ：０．２０％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｂ：０．０１％以下の１種または２種以上
本発明で使用する浸炭用鋼の組成について、必須成分および任意成分の順で説明すれば、つぎのとおりである。
Ｃ：０．１０〜０．３０％
上記のＣ量は、機械部品として必要な強度を得る上で適切な範囲である。
Ｍｎ：０．３０〜３．００％
Ｍｎは脱酸剤として鋼の溶製時に添加されるが、炭化物の生成にはあまり影響を与えないから、その量は上記の広い範囲から選ぶことができる。
Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下
これらは不純物であって、製品の機械的性質にとって好ましくない成分であるから、その量は低い方がよい。前記の値は、ともに許容限度である。
Ｃ：０．１０〜０．３０％
上記のＣ量は、機械部品として必要な強度を得る上で適切な範囲である。
Ｍｎ：０．３０〜３．００％
Ｍｎは脱酸剤として鋼の溶製時に添加されるが、炭化物の生成にはあまり影響を与えないから、その量は上記の広い範囲から選ぶことができる。
Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下
これらは不純物であって、製品の機械的性質にとって好ましくない成分であるから、その量は低い方がよい。前記の値は、ともに許容限度である。
Ｓｉ：０．５０〜３．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％およびＣｕ：０．０１〜１．００％
Ｓｉ、ＮｉおよびＣｕは、前述のように、炭化物の生成を抑制する成分であって、それぞれ上記の下限値以上であって、かつ、それらの量の合計からＣｒの量を差し引いた値が、０．５０を超過するように添加しなければならない。しかし、大量の添加は、熱間加工性を低下させるから、それぞれに上記の上限を設けた。
Ｓｉ、ＮｉおよびＣｕは、前述のように、炭化物の生成を抑制する成分であって、それぞれ上記の下限値以上であって、かつ、それらの量の合計からＣｒの量を差し引いた値が、０．５０を超過するように添加しなければならない。しかし、大量の添加は、熱間加工性を低下させるから、それぞれに上記の上限を設けた。
Ｃｒ：０．２０〜１．００％
Ｃｒは炭化物の生成を促進する成分であるから、本発明の浸炭用鋼においては、多量に存在させることができない。１．００％は、炭化物の生成を抑制する成分が多量である場合に可能な、Ｃｒ量の上限である。１．００％より高いＣｒ量は、加工性とくに被削性の観点からも、添加することができない。ただし、あまり低減しすぎると、焼入れ性が低くなって製品の機械的特性が不満足になるので、下限値として０．２０％を設けた。
Ｃｒは炭化物の生成を促進する成分であるから、本発明の浸炭用鋼においては、多量に存在させることができない。１．００％は、炭化物の生成を抑制する成分が多量である場合に可能な、Ｃｒ量の上限である。１．００％より高いＣｒ量は、加工性とくに被削性の観点からも、添加することができない。ただし、あまり低減しすぎると、焼入れ性が低くなって製品の機械的特性が不満足になるので、下限値として０．２０％を設けた。
Ａｌ：０．２０％以下
Ａｌは脱酸剤として添加されるが、過大に添加すると、鋼中にアルミナが形成されて強度の低下を招くから、避けなければならい。またアルミナの形成は、加工性を損なう点でも好ましくない。このようなわけで、０．２０％までのＡｌ添加量を選ぶのがよい。一方、Ａｌは結晶粒の粗大化を抑制するはたらきもあり、その効果を得たい場合は、０．００５％以上を添加するとよい。
Ａｌは脱酸剤として添加されるが、過大に添加すると、鋼中にアルミナが形成されて強度の低下を招くから、避けなければならい。またアルミナの形成は、加工性を損なう点でも好ましくない。このようなわけで、０．２０％までのＡｌ添加量を選ぶのがよい。一方、Ａｌは結晶粒の粗大化を抑制するはたらきもあり、その効果を得たい場合は、０．００５％以上を添加するとよい。
Ｎ：０．０５０％以下
Ｎが存在すると、結晶粒の粗大化を防止する作用があるので、少なくとも０．００１％を存在させることが好ましい。この効果は０．０５０％程度で飽和するので、この限界を超えて存在させる意味はない。
Ｎが存在すると、結晶粒の粗大化を防止する作用があるので、少なくとも０．００１％を存在させることが好ましい。この効果は０．０５０％程度で飽和するので、この限界を超えて存在させる意味はない。
Ｍｏ：２．００％以下
焼入れ性を向上させ、焼戻し軟化抵抗性を高めるために添加することができる。多量になると鋼の加工性を悪くするので、２．００％以下の適切な添加量をえらぶべきである。
焼入れ性を向上させ、焼戻し軟化抵抗性を高めるために添加することができる。多量になると鋼の加工性を悪くするので、２．００％以下の適切な添加量をえらぶべきである。
Ｎｂ：０．２０％以下、Ｔｉ：０．２０％以下
これらの成分は、浸炭時に生じる結晶粒の成長を抑制し、整粒組織を保つという目的にとって有効である。過大な添加は加工性に悪影響を及ぼすので、それぞれ上記の限界内の添加量に止める。
これらの成分は、浸炭時に生じる結晶粒の成長を抑制し、整粒組織を保つという目的にとって有効である。過大な添加は加工性に悪影響を及ぼすので、それぞれ上記の限界内の添加量に止める。
Ｂ：０．０１％以下
Ｂは、焼入れ性の向上に効果があるので、所望により添加する。大量の存在は加工性にとって有害であるから、０．０１％以下の添加量をえらぶ。
Ｂは、焼入れ性の向上に効果があるので、所望により添加する。大量の存在は加工性にとって有害であるから、０．０１％以下の添加量をえらぶ。
［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．５０
上述のように、Ｓｉ、ＮｉおよびＣｕは炭化物の生成を抑制し、一方、Ｃｒは増加させるから、前三者の影響と後者の影響とをバランスさせ、抑制効果が高くなるようにすることによって、浸炭した表面層における炭化物の生成が抑制され、炭化物の溶け込みを期待できない高周波焼入れを採用しても、残留炭化物に起因する強度の低下が防げる。
上述のように、Ｓｉ、ＮｉおよびＣｕは炭化物の生成を抑制し、一方、Ｃｒは増加させるから、前三者の影響と後者の影響とをバランスさせ、抑制効果が高くなるようにすることによって、浸炭した表面層における炭化物の生成が抑制され、炭化物の溶け込みを期待できない高周波焼入れを採用しても、残留炭化物に起因する強度の低下が防げる。
本発明の機械部品の製造工程に関して、「部品形状に加工」は、圧延、鍛造、機械加工およびそれらの組み合わせを含め、さまざまな手段を採用することができる。加工後の浸炭方法は、真空浸炭による。真空浸炭の減圧度は、０．００１〜０．１barが適切である。浸炭後の徐冷は、１℃／秒以下の冷却速度で実施することが好ましい。
本発明の機械部品においては、表面の炭素濃度を０．８５％以上の高い濃度とすることができ、かつ、それが好ましい。通常の浸炭焼入れを行なった機械部品においては、表面炭素濃度の増加につれて表面硬度が増大し、約０．８％において最高値が得られ、それ以上の炭素濃度になると、かえって表面硬度は低下することが知られている。したがって、通常は表面炭素濃度が０．８％前後になるように、浸炭を行なっている。これは、浸炭焼入れにより生じる残留オーステナイトが軟らかいためである。ところが、本発明では高周波焼入れを行なうために、残留オーステナイトの生成がなく、軟化が生じないから、表面炭素濃度が増加して０．８％を超えても、表面硬度の低下は始まらない。それゆえ、表面炭素濃度を０．８５％以上、さらには０．９０％以上の高い値にすることにより、いっそう高い表面硬度を実現することができる。ただし、表面炭素濃度の増加に伴って、表面硬度の増大は飽和する傾向を示すから、過度に高い炭素濃度を与えることは、得策とはいえない。
本発明の高強度浸炭高周波焼入れ部品の技術は、種々の機械部品の製造に適用できるが、とりわけ、オートマティックトランスミッションのプラネタリギヤを構成するピニオンギヤやサンギヤの製造に適用した場合に、その意義が大きい。サンギヤの製造は、所定の合金組成をもつ鋼材を圧延して棒鋼とし、それを切断して熱間鍛造を行ない、焼ならし（焼準）処理を施し、部品に近い形状にブランク加工した後に歯切り加工等の機械加工を行なって、浸炭の対象とする歯車部品を得る、という手順が代表的である。熱間鍛造および焼ならし処理の工程は、熱間鍛造のみにすることもできるし、焼なまし（焼鈍）処理と冷間鍛造の組み合わせに変えることもできる。一方、ピニオンギヤの製造は、上記の工程において熱間鍛造および焼ならし処理を省略することができ、その場合は、鋼材を直接機械加工してギヤ形状に加工すればよい。どちらの部品の製造に当たっても、必要に応じて、浸炭前に歯面のシェービング加工を行なってもよいし、高周波焼入れ後に歯面研磨を行なってもよい。
表１に示す合金組成の浸炭用鋼を溶製した。各材料を、下記の試験用ギヤの形状に機械加工し、
モジュール：２．５ 歯数：３０
ピッチ円径：８２．７５３mm
歯幅：２０mm ネジレ角：２５度
アセチレンガスまたはプロパンガスを使用して、減圧度が０．００１〜０．１barで、９００〜１０５０℃に保持する真空浸炭を行なった。浸炭後、冷媒として窒素または空気を用いたガス冷却により０．１℃／秒の冷却速度で、温度５００℃を下回る温度まで徐冷した。浸炭したギヤについて、炭化物の有無と表面炭素濃度とを測定した。
モジュール：２．５ 歯数：３０
ピッチ円径：８２．７５３mm
歯幅：２０mm ネジレ角：２５度
アセチレンガスまたはプロパンガスを使用して、減圧度が０．００１〜０．１barで、９００〜１０５０℃に保持する真空浸炭を行なった。浸炭後、冷媒として窒素または空気を用いたガス冷却により０．１℃／秒の冷却速度で、温度５００℃を下回る温度まで徐冷した。浸炭したギヤについて、炭化物の有無と表面炭素濃度とを測定した。
徐冷後のギヤを下記の条件で高周波焼入れすることにより、歯面に焼入れを施した。
加熱：７６０〜９００℃に１０秒以内
保持：７６０〜９００℃に１分以内
焼入れ：２００〜２０００℃／秒の水冷却
加熱：７６０〜９００℃に１０秒以内
保持：７６０〜９００℃に１分以内
焼入れ：２００〜２０００℃／秒の水冷却
このギヤに負荷をかけて回転させ、１０７回の回転で歯元が折損するに至る歯元応力を評価して、歯元疲労強度の尺度とした。別のサンプルギヤの歯元にショットピーニングを行なって歯元を強化し、上記と同様に負荷をかけて回転させ、同じく１０７回の回転で歯元が折損するに至る歯面応力を評価して、歯面疲労強度の尺度とした。試験の結果を、浸炭後の炭化物の有無および表面炭素濃度とともに、表２に示す。
表２
Claims (5)
- 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜３．００％、Ｍｎ：０．３０〜３．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、Ｃｒ：０．２０〜１．００％、Ａｌ：０．２０％以下およびＮ：０．０５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなり、かつ、
［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．５０
の条件を満たす合金組成を有する鋼を部品形状に加工し、真空浸炭処理を施したのち徐冷し、ついで高周波焼入れにより表面を硬化させてなる機械部品。 - 請求項１に規定した合金成分に加えて、さらにＭｏ：２．００％以下を含有する合金組成を有する鋼を部品形状に加工し、真空浸炭処理を施したのち徐冷し、ついで高周波焼入れにより表面を硬化させてなる機械部品。
- 請求項１または２に規定した合金成分に加えて、さらにＮｂ：０．２０％以下、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｂ：０．０１％以下の１種または２種以上を含有する合金組成を有する鋼を部品形状に加工し、真空浸炭処理を施したのち徐冷し、ついで高周波焼入れにより表面を硬化させてなる機械部品。
- 浸炭後の徐冷を、１℃／秒以下の冷却速度で実施して得た請求項１ないし３のいずれかの機械部品。
- 表面炭素濃度が０．８５〜１．５０％である請求項１ないし４のいずれかの機械部品。
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