JP6578651B2 - 耐摩耗性に優れた浸炭部材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
すなわち、特許文献1には明確な記載はないが、特許文献2と同様に0.50%以上に高Siとすることを特徴としており、Si量が0.2〜0.3%程度のJISG4053に規定されているCr鋼やCr−Mo鋼と比較すると、浸炭性が低下するという問題がある。従って、浸炭処理時に通常の条件では、表面炭素濃度が十分に上昇せず、特許文献2にも記載されているように、浸炭期のカーボンポテンシャルを高めての処理が必要となる。浸炭処理は、多数の鋼材を同じ処理炉で連続して行う場合が多く、このように一部の鋼種に限定して浸炭条件を変えて処理しなければならないとすると、生産性が低下し、コスト増の原因になるという問題がある。また、カーボンポテンシャルを高めて処理すると、煤が発生しやすくなり、使用する浸炭処理炉の点検補修維持費用が高くなるという問題がある。また、高Siとすることは、冷鍛性等の加工性が低下するという問題もある。
化学成分が、質量%で、C:0.10〜0.28%、Si:0.15〜0.35%(但し、0.35%は除く。)、Mn:0.30〜1.50%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、Cr:1.45〜3.00%、Mo:0.80%以下(0%を含む)、Al:0.020〜0.060%、および、N:0.0080〜0.0250%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物よりなるとともに、上記Cr含有率(質量%)は、浸炭部材の焼入相当直径D(mm)との関係が、下記式1を満足しており、
Cr≧0.02×D+0.95(但し、D(mm)は25〜90mm)・・・式1
上記摺動面は、浸炭異常層がなく、表面炭素濃度CPが0.70〜0.90質量%の範囲内であって、かつ焼入相当直径D(mm)との関係で、下記式2を満足し、
CP≧0.003×D+0.58(但し、D(mm)は25〜90mm、0.003×D+0.58<0.70の場合は、CP≧0.70)・・・式2
最表面から深さ50μmまでにおける組織のトルースタイト面積率が0.70%以下であることを特徴とする耐摩耗性に優れた浸炭部材にある。
上記鋼部材として、化学成分が、質量%で、C:0.10〜0.28%、Si:0.15〜0.35%(但し、0.35%は除く。)、Mn:0.30〜1.50%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、Cr:1.45〜3.00%、Mo:0.80%以下(0%を含む)、Al:0.020〜0.060%、および、N:0.0080〜0.0250%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物よりなり、かつ、上記Cr含有率(質量%)が、浸炭部材の焼入相当直径D(mm)との関係で、下記式1を満足する鋼を用い、
Cr≧0.02×D+0.95(但し、D(mm)は25〜90mm)・・・式1
浸炭処理及び熱処理工程後異常層除去工程前の段階において、表面の浸炭異常層を除く部分に、下記式2を満足し、かつ0.70〜0.90%の範囲内である表面炭素濃度CP(質量%)が存在する表面層を生成させ、
CP≧0.003×D+0.58(但し、D(mm)は25〜90mm、0.003×D+0.58<0.70の場合は、CP≧0.70)・・・式2
異常層除去工程において、表面に上記式2を満足する表面炭素濃度CP(質量%)を有する表面層が残存する状態となるように、表面の浸炭異常層を除去することにより、最表面から深さ50μmまでにおける組織のトルースタイト面積率を0.70%以下とすることを特徴とする耐摩耗性に優れた浸炭部材の製造方法にある。
Cは、強度を確保するための基本元素であり、CVTシーブ等の浸炭部材において十分な内部硬さを確保するために、0.10%以上添加する。添加量が多くなりすぎると被削性、冷鍛性等の加工性が低下するため、C含有率の上限を0.28%とする。
Siは、内部硬さの確保に効果のある元素であるとともに、熱による軟化抵抗性を高めるのに有効な重要元素であるが、増量すると前記した通り浸炭性が低下し、浸炭処理後に狙い通りの表面炭素濃度が得られなくなるおそれがある。本発明ではJISG4053で規定された鋼と同等の浸炭性を維持することを重視し、含有範囲をJIS鋼と同じ0.15〜0.35%(但し、0.35%は除く。)とする。これにより特許文献2に記載のように、浸炭時にJIS鋼を浸炭処理する際と比べて、浸炭期において高いカーボンポテンシャルに設定しなくても、狙いの表面炭素濃度を得ることができ、かつSi増量による冷鍛性、被削性等の加工性の低下も回避できる。
Mnは、強度向上に有効な元素であり、CVTシーブ等の浸炭部材において十分な内部硬さを確保するために、0.30%以上添加する。その一方で、Mnの含有率が高くなりすぎると被削性の低下や、残留オーステナイトの増加による表面硬化層における硬さ低下が懸念されるため、Mn含有率の上限を1.50%とする。
Pは、結晶粒界に偏析して疲労強度を低下させるため、上限を0.035%とする。Pは製造上の不純物として不可避に含有される元素であるが、精錬により極力低減することが好ましい。
Sは、被削性向上に有効であるが、含有率が高くなりすぎると硫化物系介在物が増加し、それが疲労破壊の起点となって強度低下を招く。そのため、S含有率の上限を0.035%とする。
Crは、強度向上に有効な元素であり、CVTシーブ等の浸炭部材において十分な内部硬さを確保するのに役立つ。また、浸炭後の表面のトルースタイトの発生を低減し、優れた耐摩耗性を確保するための必須元素である。従って、本発明は、少なくとも1.45%以上の含有が必要である。さらに、最表面から深さ50μmにおけるトルースタイトは、製造する浸炭部材の寸法が大きくなるほど、生成量が増加し、耐摩耗性への悪影響が大きくなる傾向となるため、Crは、前記下限以上に含有するだけでなく、さらに後述の式1を満足するように含有させる必要がある。しかしながら、Crの添加量が多くなりすぎると硬さが高くなって冷鍛性、被削性等の加工性が低下するため、上限を3.00%とする。
Moは、トルースタイトの低減に対しCrよりもさらに効果的な元素である。さらに、強度、靱性を向上させるのに有効な元素でもある。しかしながら、Moは、添加するために必要な合金鉄の価格が高騰することがあるとともに、通常の価格で比較しても、他の元素と比較して高価であるため、基本的には無添加とし、それを前提にトルースタイト面積率を狙いの値以下に抑制できるCr含有率の範囲を定めている。従って、添加する場合でも、その添加量は必要最小限の量とするのが良い。しかし、添加しすぎても効果が飽和するので、その上限を0.80%とする。
Alは、脱酸処理に必要なだけでなく、浸炭処理後の結晶粒の粗大化防止効果を得るために有効な元素であり、この効果を得るために0.020%以上添加する。しかしながら、Alの含有率が高くなりすぎるとその効果が飽和するとともに酸化物系介在物が増加し、それが疲労破壊の起点となって疲労強度が低下するおそれが高まるため、その上限を0.060%とする。
Nは、製造上不可避に含有される元素であるが、鋼中でAlと結合し生成するAlNがピン止め効果として働くことにより、浸炭時の加熱を原因とする結晶粒の粗大化を防止する効果を得ることができる。そして、この効果を得るために、0.0080%以上含有させる。しかしながら、N含有率が高くなりすぎるとその効果が飽和するとともに窒化物が鋼中に増加して疲労強度低下の原因となるため、その上限を0.0250%とする。
本発明では、優れた耐摩耗性の確保を可能とするため、表面層のトルースタイト面積率を0.70%以下としているが、表面層のトルースタイトは、浸炭部材の寸法が大きくなるほど生成量が多くなる傾向にある。従って、製造する浸炭部材の寸法に合わせて、トルースタイトの発生量抑制に効果のあるCr含有率を調整することが不可欠である。具体的には、浸炭部材の焼入相当直径D(mm)との関係で、式1を満足するようにCrを含有させる必要がある。ここで、焼入相当直径D(mm)は、製造する浸炭部材のサイズを判断する数値として用いている。すなわち、実際に製造する浸炭部材は、単純な丸棒形状ではないため、同じ材質の丸棒試験片を準備し、同じ条件で焼入処理した後に、実際に処理する浸炭部材を焼入した場合とほぼ同等の内部硬さが得られる丸棒試験片の直径のことを焼入相当直径D(mm)と定義したものである。従って、D(mm)の値は、実験により容易に求めることができる。なお、本発明で実際に対象となる部品の寸法を考慮し、D(mm)の範囲は25〜90mmとしている。従って、式1は、Dが25〜90mmの範囲で適用可能な式である。この点は、後述の式2も同様である。
本発明の浸炭部材は、既に詳細に説明した通り、他の部材と摺動し、優れた耐摩耗性を有する摺動面を備えている。この種の浸炭部材としては、例えば、CVTシーブ、アウター・インナーレース類、歯車などを例示することができ、特にベルト式の無段変速機用として用いられるCVTシーブに適用するとよい。CVTシーブは、低コスト化の要請が大きい上、摺動面に対して高い耐摩耗性が要求される部材である。それに対し、本発明は、カーボンポテンシャルを特別に高めに設定することなく製造できるため、コストを安価とすることができ、本発明の効果を十分に発揮することができる。
CP≧0.003×D+0.58(但し、D(mm)は25〜90mm、0.003×D+0.58<0.70の場合は、CP≧0.70)・・・式2
これにより、低いトルースタイト面積率を確実に達成することができる。
まず、最初に実施例1として、化学成分、試験片直径、浸炭条件等によりトルースタイト面積率がどう変化するかを調べた結果について説明する。
素材鋼として、表1に示す化学成分を有する各種の鋼を後述する方法により準備した。このうち、鋼No.1〜6が式1を除き、本発明の成分の条件を満足する開発鋼であり、鋼No.7、8がトルースタイト面積率に大きく影響するCr含有率が低い比較鋼であり、鋼No.9が浸炭性に大きく影響するSi含有率が高い比較鋼であり、鋼No.10が従来鋼であるSCM420である。
各素材鋼は、電気炉にて溶解し、冷却後得られた鋼塊を1200℃で直径がφ33、φ58、φ85、φ100の4種類の寸法に鍛伸した。次いで、得られた各鍛伸品に対して900℃で1時間保持した後、炉冷するという条件の焼なまし処理を行った。次いで、得られた各焼きなまし品を切削加工し、後述の表2に示す4種類の外径+0.20mmの寸法(長さは120mm一定)となるよう、円柱状の各浸炭前試験片を作製した。
各浸炭前試験片に対して浸炭処理、焼入れ、焼もどし、仕上げ加工を行った。具体的には、先ず、各浸炭前試験片を加熱昇温し、950℃の温度で6時間保持するガス浸炭処理を行った。この際、上記浸炭処理は、浸炭期のカーボンポテンシャルを1.00%、処理時間を3時間とした。また、拡散期のカーボンポテンシャルを後述する表2の通りとし、拡散期の時間は3時間とした。
各浸炭後試験片の表面炭素濃度をEPMAにより測定した。
各浸炭後試験片の表面(仕上げ加工後の表面)から深さ50μmまでの断面を観察し、画像解析ソフトを用いて、トルースタイトの面積率を測定した。
以下、表2に浸炭処理条件とともに各種試験結果を示す。なお、表2に記載の式1、式2の値は、試験片直径から求めた式の右辺の値である。
次に、実施例2として、得られた表面層のトルースタイト面積率と耐摩耗性能との関係を評価した実験結果を示す。
実施例1の実験結果により、トルースタイト面積率を0.70%以下に調整するための適切な条件についての把握が可能となったので、本実施例では、トルースタイト面積率が変化した場合に耐摩耗性能がどう変化するかを以下の実験により確認した。
試験No.29〜33は、式1を含む供試材の化学成分が、本発明の条件を満足する鋼No.1〜5の供試材を用いた試験結果であるが、浸炭後の仕上げ加工時の表面研磨量が0.4mmと適正な範囲より大きすぎたため、浸炭異常層除去後の表面炭素濃度が低く、かつ表面層のトルースタイト面積率が高めにはずれた試験片である。そして、摩耗試験による摩耗量は、トルースタイト面積率が高めとなった影響で、全て10μm超となり、耐摩耗性が劣るものである。
2 CVTシーブ
21 摺動面
201 入力プーリー
202 出力プーリー
3 ベルト
31 エレメント
32 スチールバンド
Claims (3)
- 摺動面を有する浸炭部材であって、
化学成分が、質量%で、C:0.10〜0.28%、Si:0.15〜0.35%(但し、0.35%は除く。)、Mn:0.30〜1.50%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、Cr:1.45〜3.00%、Mo:0.80%以下(0%を含む)、Al:0.020〜0.060%、および、N:0.0080〜0.0250%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物よりなるとともに、上記Cr含有率(質量%)は、浸炭部材の焼入相当直径D(mm)との関係が、下記式1を満足しており、
Cr≧0.02×D+0.95(但し、D(mm)は25〜90mm)・・・式1
上記摺動面は、浸炭異常層がなく、表面炭素濃度CPが0.70〜0.90質量%の範囲内であって、かつ焼入相当直径D(mm)との関係で、下記式2を満足し、
CP≧0.003×D+0.58(但し、D(mm)は25〜90mm、0.003×D+0.58<0.70の場合は、CP≧0.70)・・・式2
最表面から深さ50μmまでにおける組織のトルースタイト面積率が0.70%以下であることを特徴とする耐摩耗性に優れた浸炭部材。 - 請求項1に記載の浸炭部材は、CVTシーブであることを特徴とする耐摩耗性に優れた浸炭部材。
- 鋼部材に炭素を侵入させる浸炭期と上記鋼部材に侵入した炭素を拡散させる拡散期とを備えた浸炭処理工程と、該浸炭処理工程を経た鋼部材を焼入れ焼戻しする熱処理工程と、該熱処理工程を経た鋼部材の表面のうち、摺動面であって耐摩耗性を必要とする部位の表面に、前記浸炭処理工程により生成された浸炭異常層を除去する異常層除去工程を有する耐摩耗性に優れた浸炭部材の製造方法であって、
上記鋼部材として、化学成分が、質量%で、C:0.10〜0.28%、Si:0.15〜0.35%(但し、0.35%は除く。)、Mn:0.30〜1.50%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、Cr:1.45〜3.00%、Mo:0.80%以下(0%を含む)、Al:0.020〜0.060%、および、N:0.0080〜0.0250%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物よりなり、かつ、上記Cr含有率(質量%)が、浸炭部材の焼入相当直径D(mm)との関係で、下記式1を満足する鋼を用い、
Cr≧0.02×D+0.95(但し、D(mm)は25〜90mm)・・・式1
浸炭処理及び熱処理工程後異常層除去工程前の段階において、表面の浸炭異常層を除く部分に、下記式2を満足し、かつ0.70〜0.90%の範囲内である表面炭素濃度CP(質量%)が存在する表面層を生成させ、
CP≧0.003×D+0.58(但し、D(mm)は25〜90mm、0.003×D+0.58<0.70の場合は、CP≧0.70)・・・式2
異常層除去工程において、表面に上記式2を満足する表面炭素濃度CP(質量%)を有する表面層が残存する状態となるように、表面の浸炭異常層を除去することにより、最表面から深さ50μmまでにおける組織のトルースタイト面積率を0.70%以下とすることを特徴とする耐摩耗性に優れた浸炭部材の製造方法。
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