JP5582855B2 - 機械構造部品の製造方法 - Google Patents
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Description
この鋼素材を軟化処理して、フェライト面積率30%以上のフェライトとパーライトとからなる金属組織、フェライトと球状炭化物とからなる金属組織、及びフェライトと粒状セメンタイトからなる金属組織からなるグループから選択された金属組織とする工程と、
前記工程で軟化処理された鋼素材を、所定の形状に加工処理する工程と、
加工処理された鋼素材の表面の金属組織をマルテンサイトとする第1回目の高周波熱処理工程と、
第1回目の高周波熱処理工程で生成された表面のマルテンサイトのうち、表層側をマルテンサイトとし、この表層側マルテンサイトに続く内層側を焼戻しマルテンサイト、又は、焼戻しマルテンサイトとフェライトとパーライトとする第2回目の高周波熱処理工程と、
を備えた機械構造部品の製造方法。
この鋼素材は、高曲げ強度を必要とする歯車等の鋼製品を製造する際に必要とする成分を所定量含むとともに、鋼の焼戻し軟化抵抗を高める成分を所定量含む。更に鋼素材は、必要により更に、鋼の焼入性を向上する元素を含む。また、鋼製品の用途に応じて必要とする特性により各成分は本発明の範囲内で適宜調整される。
Cは強度確保のために必要な元素であり、また、焼入後の硬さを決定する。その量は0.3%未満の場合は硬さが550HV以下と低くなるため、歯車などの摺動部品には適用が困難である。このため下限を0.3%とした。一方、1.5%を超えると靱性が低下するので、上限を1.5%とした。
Mnは焼入性を向上させる元素である.焼入性を確保するために、0.2%以上必要である。このため、下限を0.2%とした。一方、1.5%を超えて添加しても焼入性が過剰となり靱性が劣化する.また、加工性も低下するので、上限を1.5%とした。
これら元素は、何れも焼戻し軟化抵抗を高める元素である。
Siは焼戻し軟化抵抗を高める元素である。このことにより歯面強度を向上させるが、従来の浸炭焼入れと同等の歯面強度を確保するためには0.5%以上必要である。このため、下限を0.5%とした。一方、2.0%を超えるとフェライトの固溶強化により硬さが上昇し、被削性の低下を招くので、上限を2.0%とした。
Crは焼戻し軟化抵抗を高めるとともに焼入性も向上させる。0.1%未満では焼戻し軟化抵抗を高める効果が発揮され難いため、下限を0.1%とした。一方、1.5%を超える場合には軟化抵抗を高める効果は飽和し、また、加工性も低下するので、上限を1.5%とした。
Moは焼戻し軟化抵抗を高めるとともに、焼入層を強靱化して曲げ疲労強度を向上する効果がある。0.1%未満では、この効果は発揮し難いので、下限を0.1%とした。一方、1.5%を超えるとその効果は飽和し、加工性も悪化するので、上限を1.5%とした。
Vは特にSiと共存する場合、相乗的に焼戻し軟化抵抗を高める効果を持つ。特に、転動疲労によって短寿命で破壊する現象を防止するのに有効な元素である。またVは、鋼の結晶粒界を微細化する効果を持つ。これらの効果を発揮するために、上記Si含有範囲で、0.05%以上を必要とする。しかし、過剰に添加してもその効果は飽和するので上限を0.5%とする。
Nbは特にSiと共存する場合、相乗的に焼戻し軟化抵抗を高める効果を持つ。特に、転動疲労によって短寿命で破壊する現象を防止するのに有効な元素である。またNbは、鋼の結晶粒界を微細化する効果を持つ。これらの効果を発揮するために、上記Si含有範囲で、0.005%以上を必要とする。しかし、過剰に添加してもその効果は飽和するので上限を0.2%とする。
これら元素は、焼入性を向上させる元素である。
Bは焼入性を向上させるとともに、粒界強化により疲労特性を改善するだけでなく、強度を向上させる元素である。その効果のためには0.0005%以上必要で、0.05%を超えて添加してもその効果は飽和する。
Tiは焼入性を向上させるとともに、炭窒化物形成により結晶粒を微細化させ、歯元曲げ疲労強度を向上させる元素である。結晶粒微細化のためには0.02%以上必要で、0.05%を超えて添加してもその効果は飽和する。
Ni:0.01〜1.5%
Niは焼入性を向上させる元素である。0.01%未満では、この効果は発揮し難いので、下限を0.01%とした。一方、Niは高価な元素であり、かつ多すぎると焼き割れを生じる原因になるので1.5%を上限とした。
上記組成の鋼素材は、そのままでは硬度が高く、そのため加工処理に手間と時間がかかる。このため、本発明では、この鋼素材に加工処理前に予め軟化処理を施して、鋼素材を加工処理しやすい軟らかい金属組織とする。この軟らかい金属組織としては、フェライト面積率30%以上のフェライトとパーライトとからなる金属組織、フェライトと球状炭化物とからなる金属組織、又はフェライトと粒状化パーライトからなる金属組織が挙げられる。フェライトとパーライトとからなる金属組織において、フェライト面積率の下限を規定するのは、フェライト面積率が30%未満では加工性が悪化するためである。そして、本発明の軟化処理をした金属組織は、通常、硬さが280HV以下、好適には190〜270HV程度である。これは、加工性の良好な炭素鋼素材の硬さと同程度若しくはそれ以下である。なお、フェライト面積率は、画像解析装置によって測定される。
本発明に係る機械構造部品を製造するに際して、各種の加工(鍛造、冷間鍛造、転造等、圧延、プレス、切削加工、旋削加工、穿孔などの任意の加工処理及びこれら加工処理の組合せ)を行うが、ここでいう加工処理は、熱処理前におこなう切削、旋削、穿孔などの機械加工を意味する。
本発明では、加工処理後、少なくとも2回の高周波焼入れをおこなって、鋼素材の金属組織を、表面から、マルテンサイト、それに続いて焼戻しマルテンサイト、焼戻しマルテンサイトとフェライトとパーライトとからなる中間層、素地組織とする。
第1回目の高周波焼入れ前の鋼素材は、軟化処理された金属組織を有している。このため、第1回目の高周波焼入れの加熱温度を高くし、また、加熱時間を長くとって、表面から所定の深さの領域(「マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、焼戻しマルテンサイトとフェライトとパーライトとからなる中間層とすべき領域」)が十分なオーステナイト組織となるようにする。十分なオーステナイト組織とは、亜共析鋼では実質的に100%オーステナイトを意味し、過共析鋼では、実質的にオーステナイト組織と炭化物を意味する。
第2回目の高周波焼入れは、第1回目の高周波焼入れよりも浅く、即ち、第1回目の高周波焼入れで得られたマルテンサイト組織のうち、マルテンサイト層とすべき表層の領域に高周波焼入れを行なう。このことにより、表層はマルテンサイト層となり、表層に続く中間層は、焼戻しマルテンサイト、焼戻しマルテンサイトとフェライトとパーライトとなる。
本発明方法で作られた製品は、鋼に焼戻し軟化抵抗を高める成分が含まれているために、例えば2800〜3000MPa程度のローラピッチング特性が得られる。
本発明方法は、疲労特性や磨耗特性を必要とする機械構造部品、特に歯車等の小形の機械構造部品の製造に有効である。
歯数 40
圧力角 20°
歯幅 20
外径 126
これらの実施例と比較するために、鋼素材を鍛造後、所定の前熱処理をした後、所定の加工処理(機械加工)をして、所望の歯型形状とした。その後、所定の高周波焼入れ・焼戻しをして、所望の製品(歯車)を得た。これらを比較例1〜8とし、前熱処理条件及び加工処理前(前熱処理後)の鋼素材の金属組織を表2に、加工処理前の鋼素材の硬さ(HV),加工性(ドリル抵抗N・cm)を表3に併記する。また、高周波焼入れの熱処理条件を表5、表6に併記する。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.3〜1.5%と、Mn:0.2〜2.0%と、Si:0.5〜2.0%、Cr:0.1〜1.5%、Mo:0.1〜1.5%、V:0.05〜0.5%及びNb:0.005〜0.2%からなるグループから選択された1種又は2種以上と、残部Fe及び不可避的不純物とからなる鋼素材を用意する工程と、
この鋼素材を軟化処理して、フェライト面積率30%以上のフェライトとパーライトとからなる金属組織、フェライトと球状炭化物とからなる金属組織、及びフェライトと粒状セメンタイトからなる金属組織からなるグループから選択された金属組織とする工程と、
前記工程で軟化処理された鋼素材を、所定の形状に加工処理する工程と、
加工処理された鋼素材の表面の金属組織をマルテンサイトとする第1回目の高周波熱処理工程と、
第1回目の高周波熱処理工程で生成された表面のマルテンサイトのうち、表層側をマルテンサイトとし、この表層側マルテンサイトに続く内層側を焼戻しマルテンサイト、又は、焼戻しマルテンサイトとフェライトとパーライトとする第2回目の高周波熱処理工程と、
を備えた機械構造部品の製造方法。 - 鋼素材は、質量%で、B:0.0005〜0.05%、Ti:0.02〜0.05%及びNi:0.01〜1.5%、からなるグループから選択された1種又は2種を含有してなる請求項1記載の機械構造部品の製造方法。
- 鋼素材を軟化処理して鋼素材の硬さを280HV以下する、請求項1又は2に記載の機械構造部品の製造方法。
- 機械構造部品は歯車である請求項1〜3のいずれかに記載の機械構造部品の製造方法。
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