JP6275821B2

JP6275821B2 - 鋼部品およびその製造方法

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Publication number: JP6275821B2
Application number: JP2016507787A
Authority: JP
Inventors: 謙司松本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2018-02-07
Anticipated expiration: 2035-03-11
Also published as: US20170016083A1; CN106068331B; JPWO2015137388A1; WO2015137388A1; CN106068331A; US10053747B2

Description

この発明は、鋼部品およびその製造方法に関する。

鋼部品あるいはその製造方法としては、下記の特許文献１，２記載の技術が知られている。特許文献１記載の技術においては、炭化水素系ガスが導入される密閉容器内に鋼部品を納入して角部を除く部分を加熱すると共に、角部を周辺からの熱伝導により昇温させて周辺の平坦部より低い温度とし、それによって角部におけるセメンタイトの析出を抑えて靭性に優れた鋼部品を製造するように構成している。

特許文献２記載の技術においては、ワークを収納した室内に水素と窒素の混合ガスを導入して雰囲気置換を行い、露点が−５０℃以下まで低下した後、アセチレンと窒素の混合ガスを供給して浸炭を開始し、よって酸化膜による浸炭に妨げられることなく、ムラのない浸炭製品を製造するように構成している。

特開２００９−１１４４８０号公報特開２００８−２６０９９４号公報

特許文献１，２記載の技術にあっては、浸炭窒化処理を行って内部のみならず、表面あるいはその付近の硬度も一様に上げているため、靭性が低下し、クラックも、一度入ると、大きく成長しがちであった。その結果、他の鋼部品と摺動するとき、表面あるいはその付近で剥離や大きな粒径の摩耗粉を生じ易く、鋼部品の性能と寿命を低下させる不都合があった。

従って、この発明の目的は上記した不都合を解消し、表面付近の靭性を上げ、他の鋼部品と摺動するときも剥離や大きな粒径の摩耗粉を生じ難いようにした鋼部品およびその製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る鋼部品にあっては、浸炭窒化処理された鋼材から製造された鋼部品において、前記鋼材の表面直下に、超微細結晶層が形成され、前記形成された超微細結晶層の下にクラックが１平方マイクロメートル当たり１個から１００個形成される如く構成した。

請求項２にあっては、鋼材から鋼部品を製造する鋼部品の製造方法において、前記鋼材を切削して所望の形状に加工する切削加工工程と、前記切削加工された鋼材を浸炭窒化処理する浸炭窒化処理工程と、前記浸炭窒化処理された鋼材の表面を機械的に摩擦することによって、または、前記表面に粒体または流体を衝突させることによって、刺激して加熱した後、冷却する加熱・冷却処理を所定回繰り返し、よって前記鋼材の表面直下に、超微細結晶層を形成すると共に、前記形成された超微細結晶層の下にクラックを１平方マイクロメートル当たり１個から１００個形成するクラック形成工程とからなる如く構成した。

請求項１に係る鋼部品にあっては、浸炭窒化処理された鋼材から製造された鋼部品において、鋼材の表面直下に、超微細結晶層が形成され、形成された超微細結晶層の下にクラックが１平方マイクロメートル当たり１個から１００個形成される如く構成したので、表面あるいは表面直下の靭性を上げて粘りを生じさせることができ、クラックの成長を抑制することができる。それによって使用時に他の鋼部品と摺動するときも、微小な粒径の摩耗粉として排出させることで剥離や大きな粒径の摩耗粉を生じ難くすることができ、よって鋼部品の性能と耐久性を向上させることができる。

即ち、鋼材の表面直下に、超微細結晶層を形成すると共に、その下にクラックを所定数以上形成することで、鋼部品全体の残留応力を低下させることなく、表面直下の残留応力のみを解放することができ、それによって表面の靭性を上げて粘りを生じさせることができる。

その結果、他の鋼部品と摺動するときも、表面直下において剥離や大きな粒径の摩耗粉を生じ難いようにすることができ、よって鋼部品の性能と耐久性を向上させることができる。

尚、この明細書で「超微細結晶層」とは例えば数ｎｍから１μｍの粒径の結晶粒を持つ層を意味する。

請求項２に係る鋼部品の製造方法にあっては、鋼材を切削して所望の形状に加工する切削加工工程と、切削加工された鋼材を浸炭窒化処理する浸炭窒化処理工程と、浸炭窒化処理された鋼材の表面を機械的に摩擦することによって、または、表面に粒体または流体を衝突させることによって、刺激して加熱した後、冷却する加熱・冷却処理を所定回繰り返し、よって鋼材の表面直下に、超微細結晶層を形成すると共に、形成された超微細結晶層の下にクラックを１平方マイクロメートル当たり１個から１００個形成するクラック形成工程とからなる如く構成したので、上記した如く、表面あるいは表面直下の靭性を上げて粘りを生じさせることができ、クラックの成長を抑制することができる。それによって他の鋼部品と摺動するときも、微小な粒径の摩耗粉として排出させることで剥離や大きな粒径の摩耗粉を生じ難くすることができ、よって製造される鋼部品の性能と耐久性を向上させることができる。

即ち、加熱・冷却処理を所定回繰り返して鋼材の表面直下に、超微細結晶層を形成すると共に、その下にクラックを所定数以上形成することで、鋼部品全体の残留応力を低下させることなく、表面直下の残留応力のみを解放することができ、それによって表面の靭性を上げて粘りを生じさせることができる。

その結果、他の鋼部品と摺動するときも、表面直下において剥離や大きな粒径の摩耗粉を生じ難いようにすることができ、よって製造される鋼部品の性能と耐久性を向上させることができる。

この発明の実施例に係る鋼部品の製造方法を示す工程図である。図１に示す工程図に従って製造される鋼部品の一例としての車両用自動変速機のファイナルギアを示す正面図である。図１に示す工程図に従って製造されるギアの表面直下の金属組織の断面ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope：透過型電子顕微鏡）像（写真）である。同様に、図１に示す工程図に従って製造されるギアの表面直下の金属組織の断面ＴＥＭ像（写真）である。図１に示す工程図に従って製造されるギアの表面直下のＸ線回折法による残留応力の測定結果を示すデータ図である。図５のデータの測定部の説明図（写真）である。

以下、添付図面に即してこの発明に係る鋼部品およびその製造方法を実施するための形態を説明する。

図１はこの実施例に係る鋼部品の製造方法を実施するための工程図、図２は図１に示す工程図に従って製造される鋼部品の一例としての車両用自動変速機のファイナルギアを示す正面図である。

図１を参照して最初にこの実施例に係る鋼部品の製造方法を説明すると、Ｓ１０において工作機械によって円筒形の鋼材の円周を歯切り（切削加工）して図２に示すような完成品に近い所望の形状に加工する（Ｓ：工程）。以下、各工程で得られる、完成品に至るまでの半製品を「ワーク」ともいう。

上記した如く、鋼部品としては、図２に示すような車両用自動変速機のファイナルギア（以下「ギア」という）１０を例にとる。ギア１０は、類似する形状の他のギアと歯面を接触させつつ噛合して変速駆動力を伝達する。ギア１０の歯面はインボリュート曲線などで構成されるため、曲面からなる。

次いでＳ１２に進み、ワーク（加工された鋼材）をシェービング加工（研削加工）する。具体的には、シェービングカッタによって切削加工されたワークの歯形を仕上げ削りする。

次いでＳ１４に進み、周知の手法で浸炭窒化処理（あるいは浸炭処理）する。この処理によってワークは表面あるいは表面付近（直下）から内部に至るまで、既定の均一な硬度に高められる。

次いでＳ１６に進み、浸炭窒化処理されたワークの表面の凹凸を小さくするなどして歯研ぎ（仕上げ研磨）する。尚、この工程は省略しても良い。

次いでＳ１８に進み、仕上げ研磨されたワークの表面を刺激して加熱する。加熱は、ワークの表面を機械的に摩擦するか、ワークの表面に粒体（ビーズ）を吹き付けるショットブラスト処理を施すことで行い、それによってワークの表面温度を１５０℃から２００℃程度まで上昇させる。

機械的な摩擦処理は、ワークの表面に治具を適宜な圧力で押し付けつつ、摩擦することで行う。ショットブラスト処理はワークの表面にシリコンあるいはセラミック製の硬い粒体、またはオイル、水など（流体）を適宜な時間吹き付けることで行う。尚、ショットブラスト処理に代え、ショットピーニング処理（金属粒子やオイル、超音波、レーザなどを使用したもの）あるいは溶射を行っても良い。

次いでＳ２０に進み、加熱されたワークを空気、水、あるいはオイルに接触させて急速に冷却する。冷却は適宜な時間、ワークを空気などに接触させることでワークを急速に冷却する。

次いで、Ｓ２２に進み、カウンタＣの値を１つインクリメントし、Ｓ２４に進み、カウンタＣの値がＣｒｅｆ（所定値。例えば１０）以上か否か判断する。

Ｓ２４で否定されるときはＳ１８に戻る一方、肯定されて加熱・冷却処理を所定回繰り返したと判断されるときは、作業を終了する。尚、Ｓ１８の処理はＳ１６の仕上げ研磨と類似する処理なので、Ｓ１８の処理と同様の効果が得られるようにＳ１６の処理条件を設定しても良い。

あるいは、Ｓ２４の後に最終研磨などの工程を適宜追加しても良い。この最終研磨には機械研磨、化学研磨、あるいは電解研磨などが含まれる。あるいは、Ｓ２４の後に表面にＤＬＣ（Diamond Like Carbon）や二硫化モリブデンなどのコーティングを行っても良い。

図３は図１に示す工程図に従って製造されるギア１０の表面直下の金属組織の断面ＴＥＭ像（写真）である。

上記したＳ１０からＳ２４までの処理を行うことにより、ワーク（鋼材。ギア１０）の表面直下に、より具体的には表面から少なくとも１００ｎｍ下で、そこから５００ｎｍまでの間の所定領域に、図示の如く、超微細結晶層が形成されると共に、形成された超微細結晶層の下の微細結晶層（通常の結晶層）にはクラック（ｃｒａｃｋ）が所定数以上形成される（換言すれば、浸炭窒化処理で形成される結晶領域にはクラックが形成され難い）。

即ち、表面から４００ｎｍ程度下までの間に超微細結晶層が形成されると共に、その下の微細結晶層にはクラックが所定数以上形成される。この所定数は、望ましくはクラック同士がつながらないような数とし、例えば１個／μｍ²から１００個／μｍ²とする。図３に示す場合、２個／１μｍ²程度形成されている。

図４に同様に図１に示す工程図に従って製造されるギア１０の表面直下の金属組織の断面ＴＥＭ像（写真）を示す。図４に示す例はワークの表面を機械的に摩擦して加熱した場合であるが、図３に示す例はワークの表面をショットブラスト処理で加熱した場合である。

図４の場合も、表面直下の所定領域には、図示の如く、超微細結晶層が形成されると共に、形成された超微細結晶層の下の微細結晶層にクラックが所定数以上、より詳しくは２０個／１μｍ²程度形成されている。

尚、超微細結晶層は、図３と図４に示す例では表面から約４００ｎｍまでの間に形成される。

図５は、図１に示す工程図に従って製造されるギア１０について、同図の右部に示すように歯面の一部を図示の方向で切り取ったときの歯面直下の上記した所定領域での水平方向と垂直方向における残留応力をＸ線回折法で測定したときのデータ図、図６は図５のデータの測定部の説明図（写真）である。

同図において、左端はワーク（ギア１０）について浸炭窒化処理した直後（Ｓ１４の工程後）の所定領域での残留応力（同図左端）の測定値を、その右側はショットブラスト＋冷却、機械的摩擦＋冷却、機械的摩擦のみの３種の処理を行ったときの所定領域での残留応力の測定値を示す。

図示の如く、ショットブラスト＋冷却、あるいは機械的摩擦＋冷却を行うことによって残留応力が水平／垂直方向について減少し、特にショットブラスト＋冷却によって垂直方向について大きく減少しているのが見て取れよう。また、機械的摩擦のみの場合も水平方向の値は大きく減少していることが測定された。

即ち、発明者は、図５の測定データから、図１の工程図を参照して説明した加熱・冷却処理を所定回繰り返して鋼材の表面直下の所定領域に、超微細結晶層を形成すると共に、その下にクラックを所定数以上形成することで、表面直下の所定領域の残留応力が図示の値だけ解放され、換言すれば、表面直下の所定領域において靭性がその分だけ上げられることを見出してこの発明をなしたものである。

発明者は、上記した知見に基づき、これによってギア（鋼部品）１０に粘りを生じさせると共に、クラックの成長を抑制することができ、その結果、他のギアと摺動するときも、表面直下の所定領域からの微小な粒径の摩耗粉として排出させることができ、剥離や大きな粒径の摩耗粉を生じ難いようにすることができ、よって製造されるギア１０の性能と耐久性を向上させることができることを見出したものである。

上記した如く、この実施例に係る鋼部品（ギア１０）にあっては、浸炭窒化処理された鋼材から製造された鋼部品（ギア１０）において、前記鋼材の表面直下（より詳しくはその所定領域）に、超微細結晶層が形成され、前記形成された超微細結晶層の下にクラックが１平方マイクロメートル当たり１個から１００個形成される如く構成したので、表面あるいは表面直下の靭性を上げて粘りを生じさせることができ、クラックの成長を抑制することができる。それによって使用時に他の鋼部品（ギア１０）と摺動するときも、微小な粒径の摩耗粉として排出させることで剥離や大きな粒径の摩耗粉を生じ難くすることができ、よってギア（鋼部品）１０の性能と耐久性を向上させることができる。

その結果、他の鋼部品と摺動するときも、表面直下において剥離や大きな粒径の摩耗粉を生じ難いようにすることができ、よってギア（鋼部品）１０の性能と耐久性を向上させることができる。

また、鋼材から鋼部品を製造する鋼部品（ギア１０）の製造方法において、前記鋼材を切削して所望の形状に加工する切削加工工程（Ｓ１０）と、前記切削加工された鋼材を浸炭窒化処理する浸炭窒化処理工程（Ｓ１４）と、前記浸炭窒化処理された鋼材の表面を機械的に摩擦することによって、または、前記表面に粒体または流体を衝突させること（例えばショットブラスト処理、ショットピーニング処理、溶射など）によって、刺激して加熱した後、冷却する加熱・冷却処理を所定回（Ｃｒｅｆ）繰り返し、よって前記鋼材の表面直下（より詳しくはその所定領域）に、超微細結晶層を形成すると共に、前記形成された超微細結晶層の下（微細結晶層）にクラックを所定数以上形成するクラック形成工程（Ｓ１８からＳ２４）とからなる如く構成したので、上記した如く、表面あるいは表面直下の靭性を上げて粘りを生じさせることができ、クラックの成長を抑制することができる。それによって使用時に他の鋼部品と摺動するときも、微小な粒径の摩耗粉として排出させることで剥離や大きな粒径の摩耗粉を生じ難くすることができ、よって製造されるギア（鋼部品）１０の性能と耐久性を向上させることができる。

その結果、他の鋼部品と摺動するときも、表面直下において剥離や大きな粒径の摩耗粉を生じ難いようにすることができ、よって製造されるギア（鋼部品）１０の性能と耐久性を向上させることができる。

尚、上記において鋼部品として車両用自動変速機のギアを例示したが、それに限られるものではなく、鋼部品はどのようなものであっても良い。

この発明によれば、所望の形状に切削加工され、浸炭窒化処理された鋼材の表面を刺激して加熱した後、冷却する加熱・冷却処理を所定回繰り返し、よって鋼材の表面直下に、超微細結晶層を形成すると共に、形成された超微細結晶層の下にクラックを所定数以上形成してなる如く構成したので、表面あるいは表面直下の靭性を上げて粘りを生じさせることができ、クラックの成長を抑制することができる。

１０ギア（鋼部品）

Claims

浸炭窒化処理された鋼材から製造された鋼部品において、前記鋼材の表面直下に、超微細結晶層が形成され、前記形成された超微細結晶層の下にクラックが１平方マイクロメートル当たり１個から１００個形成されたことを特徴とする鋼部品。
鋼材から鋼部品を製造する鋼部品の製造方法において、前記鋼材を切削して所望の形状に加工する切削加工工程と、前記切削加工された鋼材を浸炭窒化処理する浸炭窒化処理工程と、前記浸炭窒化処理された鋼材の表面を機械的に摩擦することによって、または、前記表面に粒体または流体を衝突させることによって、刺激して加熱した後、冷却する加熱・冷却処理を所定回繰り返し、よって前記鋼材の表面直下に、超微細結晶層を形成すると共に、前記形成された超微細結晶層の下にクラックを１平方マイクロメートル当たり１個から１００個形成するクラック形成工程とからなることを特徴とする鋼部品の製造方法。