JP6414385B2 - 浸炭部品 - Google Patents
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OA/SL≦0.7 (1)
FI=仮想円と重複する領域の面積OA(mm2)/仮想円と重複する領域の表面長さSL(mm)
FI=OA/SL≦0.7 (1)
FI=OA/SL=π/8=0.39(mm)≦0.7(mm)
したがって、図1中の点Pcを含む縁表面部分は「エッジ部」である。
本実施形態による浸炭部品は、鋼材に対して真空浸炭処理を実施することにより製造される。
鋼材は、次の化学組成を有する。
炭素(C)は、浸炭部品の芯部の強度を高める。C含有量が低すぎれば、上記効果が有効に得られない。一方、C含有量が高すぎれば、熱間加工(熱間圧延、熱間鍛造等)後の鋼材の強度が過剰に高くなり、被削性が低下する。したがって、C含有量は0.10〜0.25%である。C含有量の好ましい下限は0.10%よりも高く、さらに好ましくは0.13%である。C含有量の好ましい上限は0.25%未満であり、さらに好ましくは0.22%であり、さらに好ましくは0.20%である。
シリコン(Si)は、鋼材の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高め、耐摩耗性を高める。Si含有量が低すぎれば、上記効果が有効に得られない。一方、Si含有量が高すぎれば、浸炭処理後の鋼材の平坦表層部におけるセメンタイトの析出が抑制され、マトリクスの炭素濃度が高まる。その結果、鋼材の曲げ疲労強度が低下する。したがって、Si含有量は0.05〜1.0%である。Si含有量の好ましい下限は0.05%よりも高く、さらに好ましくは0.1%であり、さらに好ましくは0.15%である。Si含有量の好ましい上限は1.0%未満であり、さらに好ましくは0.80%であり、さらに好ましくは0.45%である。
マンガン(Mn)は、鋼材の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高め、耐摩耗性を高める。Mn含有量が低すぎれば、上記効果が有効に得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、熱間加工後の鋼材の強度が過剰に高くなり、被削性が低下する。したがって、Mn含有量は1.2〜3.0%である。Mn含有量の好ましい下限は1.2%よりも高く、さらに好ましくは1.4%である。Mn含有量の好ましい上限は3.0%未満であり、さらに好ましくは2.4%であり、さらに好ましくは1.8%である。
燐(P)は、不純物である。Pは、粒界に偏析して粒界を脆化する。そのため、Pは、鋼材の曲げ疲労強度及び面疲労強度を低下する。P含有量はなるべく低い方が好ましい。したがって、P含有量は0.03%以下である。好ましいP含有量は0.03%未満であり、さらに好ましくは0.02%以下である。
硫黄(S)は、Mnと結合してMnSを形成し、鋼材の被削性を高める。S含有量が低すぎれば、上記効果が得られにくい。一方、S含有量が高すぎれば、粗大なMnSが形成され、鋼材の曲げ疲労強度及び面疲労強度が低下する。したがって、S含有量は0.01〜0.1%である。S含有量の好ましい下限は0.01%よりも高く、S含有量の好ましい上限は0.1%未満であり、さらに好ましくは0.06%であり、さらに好ましくは0.03%である。
クロム(Cr)は、鋼材の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高め、鋼材の耐摩耗性を高める。Crはさらに、微細なセメンタイトの析出を促進する。Cr含有量が低すぎれば、上記効果が得られにくい。一方、Cr含有量が高すぎれば、高温浸炭時に浸炭部品のエッジ表層部が過剰に浸炭され、曲げ疲労強度が低下する。さらに、熱間加工後(熱間圧延及び熱間鍛造)の鋼材の強度が過剰に高くなり、被削性が低下する。したがって、Cr含有量は0.8〜2.0%である。Cr含有量の好ましい下限は0.8%である。Cr含有量の好ましい上限は、2.0%未満であり、さらに好ましくは1.3%である。
アルミニウム(Al)は、鋼材を脱酸する。Al含有量が高すぎれば、硬質な酸化物系介在物が生成しやすい。これらの酸化物系介在物は、鋼材の曲げ疲労強度を低下する。したがって、Al含有量は0.01〜0.1%である。Al含有量の好ましい下限は0.01%よりも高く、さらに好ましくは0.02%である。Al含有量の好ましい上限は0.1%未満であり、さらに好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.04%である。本明細書におけるAl含有量は、酸可溶Al(sol.Al)の含有量である。
窒素(N)は、不可避的に鋼中に含有される。N含有量が高すぎれば、鋼材の熱間鍛造性及び衝撃特性が低下する。したがって、N含有量は0.03%以下である。N含有量の好ましい下限は0.003%であり、さらに好ましくは0.008%である。N含有量の好ましい上限は0.03%未満であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.018%である。
モリブデン(Mo)は、鋼材の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高め、鋼材の耐摩耗性を高める。Mo含有量が低すぎれば、上記効果が有効に得られない。一方、Mo含有量が高すぎれば、熱間加工後の鋼材の強度が高くなりすぎ、鋼材の被削性が低下する。したがって、Mo含有量は0.1〜0.5%である。Mo含有量の好ましい下限は、0.1%よりも高く、さらに好ましくは0.15%である。Mo含有量の好ましい上限は、0.5%未満であり、さらに好ましくは0.30%である。
銅(Cu)は任意元素である。Cuは、鋼材の過剰浸炭を抑制し、さらに、鋼材の靱性を高める。一方、Cu含有量が高すぎれば、鋼材の熱間加工性が低下する。したがって、Cu含有量は0〜0.5%である。Cu含有量が0.1%以上含有されれば、上記効果が顕著に得られる。Cu含有量の好ましい上限は、0.5%未満であり、さらに好ましくは0.3%である。
ニッケル(Ni)は任意元素である。Niは、鋼材の過剰浸炭を抑制し、さらに、鋼材の靱性を高める。一方、Ni含有量が高すぎれば、鋼材の製造コストが上昇する。したがって、Ni含有量は0〜0.5%である。Ni含有量が0.1%以上含有されれば、上記効果が顕著に得られる。Ni含有量の好ましい上限は0.5%未満であり、さらに好ましくは0.2%である。
ニオブ(Nb)は、任意元素である。Nbは、焼入れ性を高める。しかしながら、Nb含有量が高すぎれば、粗大な窒化物系介在物が生成しやすくなる。したがって、Nb含有量は0〜0.1%である。Nb含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。Nb含有量の好ましい上限は0.1%未満であり、さらに好ましくは0.05%である。
本実施の形態による浸炭部品は、上記化学組成を有する鋼材に対して真空浸炭処理を実施して製造される。浸炭部品は、上述の定義により区分される頂点部と、エッジ部と、平坦部とを含む。たとえば、浸炭部品が歯車やプーリである場合も、上記定義に基づいて、浸炭部品は頂点部と、エッジ部と、平坦部とを含む。
平坦部における炭素濃度は、質量%で、1.0%を超え1.2%以下である。平坦部の炭素濃度が1.0%を超え1.2%以下である場合、平坦表層部の耐摩耗性は高くなる。平坦部の炭素濃度は、EPMA(電子線マイクロアナライザ)により分析する。
平坦表層部の硬度が低いと、耐摩耗性が低下する。したがって、平坦表層部の好ましい硬度はHV700以上である。さらに好ましい下限はHV700よりも高く、さらに好ましくはHV730である。
浸炭部品のエッジ表層部は、複数のセメンタイトを含有する。本実施の形態による浸炭部品では、エッジ部から0.08mmの深さまでの範囲のエッジ表層部における円相当径が5μmを超えるセメンタイトの面積率は、5%以下である。
平坦部から0.05mmの深さまでの平坦表層部のセメンタイト分率は3.5〜10%である。平坦表層部内のセメンタイトの面積率は次の方法で測定される。断面CS内の平坦表層部をナイタル等で腐食する。その後、平坦部から0.05mmの深さまでの範囲(平坦表層部)を、連続的に観察する。観察には、倍率を5000倍に設定した走査型電子顕微鏡(SEM)を用いる。観察した各セメンタイトの総面積を求める。観察視野の総面積に対する、セメンタイトの総面積の比を、百分率表示して、平坦表層部のセメンタイト分率とする。
本実施の形態による浸炭部品の製造方法の一例を説明する。
図6に本実施形態における真空浸炭処理及び焼入れ処理の処理パターン例を示す。図中の左側の縦軸及び実線のグラフは、熱処理温度(浸炭温度及び焼入れ温度)を示す。右側の縦軸及び破線のグラフは、炉圧を示す。横軸は、時間を示す。
浸炭温度Tsは、浸炭工程S3及び拡散工程S4後のエッジ表層部の炭素の固溶度を高めるために、高い方が好ましい。浸炭温度Tsが低すぎれば、エッジ表層部の炭素の固溶度が低くなり、粗大なセメンタイトが析出する。一方、浸炭温度Tsが高すぎれば、上記効果が飽和し、加熱のコストも高くなる。したがって、浸炭温度Tsは1040〜1100℃である。浸炭温度Tsの好ましい下限は1040℃よりも高い。浸炭温度Tsの好ましい上限は1100℃よりも低く、1080℃である。
上述のとおり、浸炭ガスは炭化水素ガスである。炭化水素ガスはたとえば、アセチレン、プロパン、エチレン等である。浸炭ガス圧Psが高すぎれば、炉内に煤が発生しやすくなる。したがって、浸炭ガス圧Psは10kPa以下である。好ましい浸炭ガス圧Psは、1kPa以下である。
冷却工程S5での冷却速度Vcが小さすぎれば、エッジ表層部のセメンタイトが微細化しにくく、円相当径が5μmを超えるセメンタイトの面積率が5%を超える場合がある。したがって、冷却速度Vcは5℃/秒以上である。ここでいう冷却速度Vcは、鋼材の表面温度の冷却速度(℃/秒)を意味し、さらに具体的には、冷却工程S5において、浸炭温度TsからA1点に至るまでの平均の冷却速度(℃/秒)を意味する。
冷却工程S5において、好ましくは、鋼材をA1点以下に冷却する。つまり、冷却上限温度TcsはA1点以下にする。これにより、エッジ表層部及び平坦表層部の鋼組織が変態してセメンタイトが析出する。冷却上限温度Tcsは常温(25℃)でもよい。要するに、セメンタイトが析出する温度であれば、冷却上限温度Tcsは特に制限されない。A1以下の温度域での冷却方法は、問わない。放冷であってもよいし、他の冷却方法であってもよいし、冷却する必要もない。
浸炭工程S3の時間TIS及び拡散工程S4の時間TIDは、たとえば、真空浸炭シミュレーションにより設定する。真空浸炭シミュレーションは、たとえば、次の方法により実施される。
δC/δt=−∇J
J=−D∇C
ここで、Dは拡散定数、tは時間(sec)、Cは炭素濃度(質量%)を表す。上記拡散方程式は、炭素のオーステナイト中における拡散方程式である。
真空浸炭処理後の鋼材に対して焼入れ温度Tqまで再加熱し、焼入れ処理を実施する。焼入れ処理により、浸炭部品の強度を高める。さらに、冷却工程S5により析出したセメンタイトが、再加熱時において溶解し始めて分断され、微細なセメンタイトになる。ミクロ組織がマルテンサイトを含む場合はさらに、微細なセメンタイトが析出する。そのため、エッジ表層部に微細なセメンタイトが形成され、粗大なセメンタイトが形成されるのを抑制できる。
表1に示す鋼A〜Gの化学組成を有する溶鋼を製造した。製造された溶鋼を用いて、インゴットを製造した。
エッジ表層部の曲げ疲労強度は、4点曲げ疲労試験結果に基づいて評価した。具体的には、平坦部とエッジ部とを含む4点曲げ疲労試験片に対して後述の真空浸炭処理及び焼入れ処理を実施して、浸炭部品を製造した。製造された4点曲げ疲労試験片を用いて4点曲げ疲労試験を実施して、得られた曲げ疲労強度をエッジ表層部の曲げ疲労強度の指標とした。
製造された丸棒から、図1に示す形状の複数の4点曲げ疲労試験片を採取した。4点曲げ疲労試験片は、高さ及び幅が共に13mmであり、長さが100mmであった。4点曲げ疲労試験片は、長さ中央に、断面形状が半円弧の切り欠きが形成された。切り欠きの半径は2mmであった。
製造された丸棒の中央部より、図7に示すローラーピッチング試験片を採取した。ローラーピッチング試験片は、横断面が円形状であり、中央部に直径26mmの平行部を有していた。図7中の各数値は、寸法(単位はmm)を示す。ローラーピッチング試験片は、の直径26mmの平行部の、FI=OA/SLは、0.77であった。したがって、ローラーピッチング試験片の平行部は「平坦部」に相当した。
各鋼A〜Gの複数の4点曲げ疲労試験片及びローラーピッチング試験片に対して、表2に示す条件、浸炭温度Ts(℃)、浸炭工程時間TIS(min)、浸炭時の浸炭ガス圧Ps(kPa)、拡散工程時間TID(min)、冷却速度Vc(℃/秒)、及び、焼入れ温度Tq(℃)で、試験番号1〜16の試験片(各試験番号ごとに複数の4点曲げ疲労試験片及びローラーピッチング試験片)に対して真空浸炭処理、焼入れ及び焼戻し処理を実施した。
真空浸炭処理、焼入れ及び焼戻し処理がされた複数の試験片のうち、各試験番号ごとに4点曲げ疲労試験片及びローラーピッチング試験片を用いて、各試験片の平坦部の炭素濃度と表層硬度を測定した。具体的には、4点曲げ疲労試験片では、図1に示す平坦部の点Pfにおいて、EPMA(電子線マイクロアナライザ)により平坦部の炭素濃度Cc(%)を測定した。表層硬さは平坦部(表面)から0.05mm位置をJIS Z 2244に準拠し測定した。
製造された4点曲げ疲労試験片の浸炭部品を用いて、前述の方法により、エッジ表層部のセメンタイトの円相当径が5μmを超えるセメンタイトの面積率Rce1(%)を求めた。さらに、ローラーピッチング試験片の浸炭部品を用いて、平坦表層部のセメンタイト分率Rce2(%)を求めた。なお、円相当径が5μmを超えるセメンタイトの面積率は、1000倍倍に設定した走査型電子顕微鏡(SEM)で上記視野を観察して求めた。平坦表層部のセメンタイト分率は、5000倍に設定した走査型電子顕微鏡(SEM)で上記視野を観察して求めた。
各試験番号の複数の4点曲げ疲労試験片のうち、上記平坦部の炭素濃度測定試験及びエッジ表層部の組織観察試験に用いられなかった他の4点曲げ疲労試験片の浸炭部品を用いて、4点曲げ疲労試験を実施した。試験には、サーボ型疲労試験機を用いた。4点曲げ疲労試験片の支点間距離は45mmであった。最大負荷応力は1258MPaであり、最大負荷応力と最小負荷応力との応力比は0.1であった。周波数は10Hzであった。応力負荷繰り返し回数が1×104回での破断強度を、4点曲げ疲労強度FS4(MPa)と評価した。
各試験番号の複数のローラーピッチング試験片のうち、上記平坦部の炭素濃度測定試験及び平坦表層部の組織観察試験に用いられなかった他のローラーピッチング試験片に対して、面圧2000MPa、回転数1500rpmの条件で、ローラーピッチング試験を実施した。そして、回転数が1×106回における摩耗深さDwを測定し、耐摩耗性の指標とした。
表2に試験結果を示す。
Pf 平坦部
Vc 仮想円
Claims (3)
- 鋼材に対して浸炭処理を実施して製造される浸炭部品であって、
前記浸炭部品の表面は、
3以上の面により形成される頂点と、前記頂点から1mm以内の頂点近傍表面部分とを含む頂点部と、
前記頂点から1mmよりも離れ、かつ、前記表面の辺から1mm以内の縁表面部分のうち、前記辺上の点を含む、前記辺と垂直な断面において、前記点を中心とした半径1mmの仮想円と前記断面とが重複する領域の面積OA(mm2)と、前記重複する領域において、前記仮想円と前記表面とが重なる辺として示される、前記浸炭部品の表面長さSL(mm)とが式(1)を満たす部分であるエッジ部と、
前記浸炭部品の前記表面のうち、前記頂点部及び前記エッジ部以外の部分である平坦部とを含み、
前記鋼材は、質量%で、
C:0.10〜0.25%、
Si:0.05〜1.0%、
Mn:1.2〜3.0%、
P:0.03%以下、
S:0.01〜0.1%、
Cr:0.8〜2.0%、
Al:0.01〜0.1%、
N:0.03%以下、
Mo:0.1〜0.5%、
Cu:0〜0.5%、
Ni:0〜0.5%、及び、
Nb:0〜0.1%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、
前記平坦部における炭素濃度は、質量%で、1.0%を超え1.2%以下であり、
前記エッジ部から0.08mmの深さまでのエッジ表層部内の円相当径が5μmを超えるセメンタイトの面積率が5%以下であり、
前記平坦部から0.05mmの深さまでの平坦表層部のセメンタイト分率は3.5〜10%である、浸炭部品。
OA/SL≦0.7 (1) - 請求項1に記載の浸炭部品であって、
前記鋼材は、
Cu:0.1〜0.5%、及び、
Ni:0.1〜0.5%からなる群から選択される1種以上を含有する、浸炭部品。 - 請求項1又は請求項2に記載の浸炭部品であって、
前記鋼材は、
Nb:0.01〜0.1%を含有する、浸炭部品。
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