JP6680361B2 - 浸炭シャフト部品 - Google Patents
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Description
本発明は、浸炭シャフト部品に関する。
自動車や産業機械に使用されるシャフト部品(例えば、トランスミッションシャフト)には、表面硬化処理の一種である浸炭焼入れ又は高周波焼入れが施されるものがある。
焼入れを施すシャフト部品の製造方法としては、例えば次の方法が挙げられる。即ち、初めに、最終製品に近い形状の粗部材を製造する。次いで、ドリル加工等で油穴等の穴を開け、最終製品にさらに近い中間部材を製造する。そして最後に、中間部材に対して焼入れ(高周波焼入れ又は浸炭焼入れ)を施して、シャフト部品を得る。
通常、シャフト部品には油穴を含めた種々の穴が開けられており、この穴の周辺が、強度上最も弱い部位となっている。したがって、穴を有するシャフト部品の強度を高めるには、穴とその周辺を重点的に強化しなければならない。シャフト部品のねじり疲労強度を高める技術は、特許文献1及び特許文献2に開示されている。
特許文献1には、鋼材成分及び浸炭時間を最適化した、ねじり疲労強度の高いシャフト部品の製造方法が開示されている。
特許文献2には、油穴の表層における圧縮残留応力が、鋼材の引張強さの50%〜90%であることを特徴とする耐疲労特性に優れたシャフト及びその疲労特性向上方法が開示されている。
ところで、昨今の自動車や産業機械においては、好燃費化のため、小型化・軽量化が強く求められている。その中で、シャフト部品には、ねじり疲労強度の更なる向上に加え、優れた静ねじり強度がいずれも要求される。しかしながら、特許文献1に開示された技術により得られるシャフト部品では、穴の加工や強度改善に関する検討、さらには穴表層の組織の検討が十分でないために、静ねじり強度とねじり疲労強度を高いレベルで両立させることが困難な場合がある。
特許文献2に開示された技術では、超音波振動端子によって油穴内部を打撃することで、油穴の表層に圧縮残留応力を導入することでシャフトの疲労破壊の起点となる油穴部分を強化している。しかしながら、超音波振動端子による打撃では、油穴全体にむら無く処理を施すことが難しく、常に目標の強度が得られない可能性がある。さらに、鋼材の成分及び表層の組織の検討が十分でないために、静ねじり強度とねじり疲労強度を高いレベルで両立させることが困難な場合がある。
油穴を強化する手法としては、特許文献2に開示された超音波振動端子による打撃に加えて、ショットピーニングによる表面改質処理も考えられる。しかし、これらの工程はいずれも、通常の工程とは異なる設備や装置を必要とし、コストが上昇するため経済的に不利である。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、静ねじり強度及びねじり疲労強度に優れる浸炭シャフト部品を提供することを目的とする。
本発明者らは、優れた静ねじり強度及びねじり疲労強度を両立できる浸炭シャフト部品について鋭意検討した。その結果、本発明者らは、浸炭焼入れ後に穴を切削加工することで、切削時に穴表層部の残留オーステナイトが硬質な加工誘起マルテンサイトに変態して穴付近の硬度を上昇させることができることを見出した。さらに、本発明者らは、穴付近の硬度を上昇させることで穴付近の部位からの亀裂の発生及び進展が抑制されるため、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度を向上させることができること、また、切削時により多くの残留オーステナイトを加工誘起マルテンサイト変態させることで、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度をより一層向上させることができることも見出した。
通常、切削時の加工誘起マルテンサイトへの変態挙動を制御するためには、切削条件を最適化することが有効である。そのため、本発明者らは、マルテンサイトへの変態量をできるだけ多くすべく、切削条件の最適化を試みた。しかしながら、切削条件だけを最適化したのでは、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度は確かに向上するものの、目標とする値に到達するには至らなかった。
そこで、本発明者らは、鋼材(浸炭シャフト部品)の化学成分や熱処理条件にも着目して、静ねじり強度及びねじり疲労強度のさらなる改善を試みた。その結果、特定の鋼材成分や熱処理条件を採用することで、切削加工時に加工誘起マルテンサイト変態が生じ易くなり、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が格段に向上することが判明した。
従来、残留オーステナイト量を制御するために、特定の鋼材の化学成分や熱処理条件を採用することは、一般に行われている。しかしながら、残留オーステナイト量のみならず、切削加工時の加工誘起マルテンサイト変態の挙動を制御するために、鋼材の化学成分や熱処理条件を最適化することは、これまで行われていない新規な技術的思想である。
以上により、本発明者らは、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度を劇的に改善するには、鋼材の化学成分、熱処理条件及び切削条件を個別に最適化するのではなく、これらの条件を相互に関連付けて有機的に最適化することが望ましいとの知見を得た。
そして、本発明者らは、鋼材の化学成分、熱処理条件及び切削条件の有機的な最適化により、浸炭焼入れ後の組織と切削加工後の組織とが適切に制御され、ひいては、静ねじり強度及びねじり疲労強度がバランス良く改善された浸炭シャフト部品が得られる、との知見を得た。以上の知見に基づき、本発明者らは発明を完成した。その要旨は以下のとおりである。
[1]外周表面から3mm深さ又はそれより深い内部が、質量%で、
C:0.10〜0.30%、
Si:0.01〜0.30%、
Mn:0.4〜2.0%、
P:0.050%以下、
S:0.005〜0.020%、
Cr:0.4〜3.5%、
Al:0.010〜0.050%、
N:0.005〜0.025%、及び
O:0.003%以下
を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
任意選択で、さらに、質量%で、
Pb:0.5%以下、
V、Nb及びTiからなる群から選択される1種以上を総含有量で0.1%以下、
Mo:3.0%以下及びNi:2.5%以下からなる群から選択される1種以上、
Cu:0〜0.50%、及び
B:0〜0.020%
を含有し、式(1)及び式(2)を満たし、
表層部のC含有量(Cs)が質量%で0.60〜1.00%であり、
前記外周表面に少なくとも1つの穴を有し、
前記外周表面から前記穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ前記穴の表面から20μmの深さ位置での組織におけるマルテンサイトと残留オーステナイトの合計体積率(α’+γ)が97%以上であり、
前記外周表面から前記穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ前記穴の表面から200μm深さまでの範囲における最大残留オーステナイト体積率(R1)が10.0〜30.0%であり、
前記R1と、前記外周表面から前記穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ前記穴の表面から20μmの深さ位置での残留オーステナイト体積率(R2)とから式(A)によって求められる残留オーステナイト減少率(Δγ)が20%以上であることを特徴とする、浸炭シャフト部品。
1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Ni≧2.35 (1)
11.3≦−0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Ni≦33.8 (2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、各元素の含有量(質量%)が代入され、元素を含まない場合は0が代入される。
Δγ=(R1−R2)/R1×100 (A)
[2]前記R2が20%以下であることを特徴とする、上記[1]に記載の浸炭シャフト部品。
[3]前記穴の表面に塑性流動層を有することを特徴とする、上記[1]又は[2]に記載の浸炭シャフト部品。
[4]前記塑性流動層の厚さが0.5〜15μmであることを特徴とする、上記[3]に記載の浸炭シャフト部品。
C:0.10〜0.30%、
Si:0.01〜0.30%、
Mn:0.4〜2.0%、
P:0.050%以下、
S:0.005〜0.020%、
Cr:0.4〜3.5%、
Al:0.010〜0.050%、
N:0.005〜0.025%、及び
O:0.003%以下
を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
任意選択で、さらに、質量%で、
Pb:0.5%以下、
V、Nb及びTiからなる群から選択される1種以上を総含有量で0.1%以下、
Mo:3.0%以下及びNi:2.5%以下からなる群から選択される1種以上、
Cu:0〜0.50%、及び
B:0〜0.020%
を含有し、式(1)及び式(2)を満たし、
表層部のC含有量(Cs)が質量%で0.60〜1.00%であり、
前記外周表面に少なくとも1つの穴を有し、
前記外周表面から前記穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ前記穴の表面から20μmの深さ位置での組織におけるマルテンサイトと残留オーステナイトの合計体積率(α’+γ)が97%以上であり、
前記外周表面から前記穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ前記穴の表面から200μm深さまでの範囲における最大残留オーステナイト体積率(R1)が10.0〜30.0%であり、
前記R1と、前記外周表面から前記穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ前記穴の表面から20μmの深さ位置での残留オーステナイト体積率(R2)とから式(A)によって求められる残留オーステナイト減少率(Δγ)が20%以上であることを特徴とする、浸炭シャフト部品。
1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Ni≧2.35 (1)
11.3≦−0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Ni≦33.8 (2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、各元素の含有量(質量%)が代入され、元素を含まない場合は0が代入される。
Δγ=(R1−R2)/R1×100 (A)
[2]前記R2が20%以下であることを特徴とする、上記[1]に記載の浸炭シャフト部品。
[3]前記穴の表面に塑性流動層を有することを特徴とする、上記[1]又は[2]に記載の浸炭シャフト部品。
[4]前記塑性流動層の厚さが0.5〜15μmであることを特徴とする、上記[3]に記載の浸炭シャフト部品。
本発明によれば、静ねじり強度及びねじり疲労強度に優れた浸炭シャフト部品を得ることができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品を詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当する部材には、同一符号を付してその説明は繰り返さない。
<浸炭シャフト部品>
本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品は、外周表面から3mm深さ又はそれより深い内部が、質量%で、
C:0.10〜0.30%、
Si:0.01〜0.30%、
Mn:0.4〜2.0%、
P:0.050%以下、
S:0.005〜0.020%、
Cr:0.4〜3.5%、
Al:0.010〜0.050%、
N:0.005〜0.025%、及び
O:0.003%以下
を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
任意選択で、さらに、質量%で、
Pb:0.5%以下、
V、Nb及びTiからなる群から選択される1種以上を総含有量で0.1%以下、
Mo:3.0%以下及びNi:2.5%以下からなる群から選択される1種以上、
Cu:0〜0.50%、及び
B:0〜0.020%
を含有し、式(1)及び式(2)を満たし、
表層部のC含有量(Cs)が質量%で0.60〜1.00%であり、
前記外周表面に少なくとも1つの穴を有し、
前記外周表面から前記穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ前記穴の表面から20μmの深さ位置での組織におけるマルテンサイトと残留オーステナイトの合計体積率(α’+γ)が97%以上であり、
前記外周表面から前記穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ前記穴の表面から200μm深さまでの範囲における最大残留オーステナイト体積率(R1)が10.0〜30.0%であり、
前記R1と、前記外周表面から前記穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ前記穴の表面から20μmの深さ位置での残留オーステナイト体積率(R2)とから式(A)によって求められる残留オーステナイト減少率(Δγ)が20%以上であることを特徴としている。
1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Ni≧2.35 (1)
11.3≦−0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Ni≦33.8 (2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、各元素の含有量(質量%)が代入され、元素を含まない場合は0が代入される。
Δγ=(R1−R2)/R1×100 (A)
本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品は、外周表面から3mm深さ又はそれより深い内部が、質量%で、
C:0.10〜0.30%、
Si:0.01〜0.30%、
Mn:0.4〜2.0%、
P:0.050%以下、
S:0.005〜0.020%、
Cr:0.4〜3.5%、
Al:0.010〜0.050%、
N:0.005〜0.025%、及び
O:0.003%以下
を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
任意選択で、さらに、質量%で、
Pb:0.5%以下、
V、Nb及びTiからなる群から選択される1種以上を総含有量で0.1%以下、
Mo:3.0%以下及びNi:2.5%以下からなる群から選択される1種以上、
Cu:0〜0.50%、及び
B:0〜0.020%
を含有し、式(1)及び式(2)を満たし、
表層部のC含有量(Cs)が質量%で0.60〜1.00%であり、
前記外周表面に少なくとも1つの穴を有し、
前記外周表面から前記穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ前記穴の表面から20μmの深さ位置での組織におけるマルテンサイトと残留オーステナイトの合計体積率(α’+γ)が97%以上であり、
前記外周表面から前記穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ前記穴の表面から200μm深さまでの範囲における最大残留オーステナイト体積率(R1)が10.0〜30.0%であり、
前記R1と、前記外周表面から前記穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ前記穴の表面から20μmの深さ位置での残留オーステナイト体積率(R2)とから式(A)によって求められる残留オーステナイト減少率(Δγ)が20%以上であることを特徴としている。
1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Ni≧2.35 (1)
11.3≦−0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Ni≦33.8 (2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、各元素の含有量(質量%)が代入され、元素を含まない場合は0が代入される。
Δγ=(R1−R2)/R1×100 (A)
本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品は、外周表面に油穴等の少なくとも1つの穴を有しかつ浸炭処理された任意のシャフト部品を包含するものであり、特に限定されないが、例えば、自動車及び産業機械に使用されるシャフト部品、例えばトランスミッションシャフトを含む。また、本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品は、任意の形状のシャフト部品を包含し、特に限定されないが、例えば、直径が約150mm以下、約100mm以下又は約30mm以下であり、長さが5mm以上である中空又は中実の筒状又は棒状のシャフト部品であってよい。
(浸炭シャフト部品の化学組成(必須成分))
浸炭シャフト部品は以下の化学組成を有する。なお、以下に示す各元素の割合(%)は全て質量%を意味する。浸炭シャフト部品では、浸炭処理によって表層部に炭素が導入されるため、厳密には浸炭シャフト部品の表層部と内部とで化学組成が異なる。そこで、以下に示す化学組成(必須成分、不純物及び任意選択的成分を含む)は、浸炭処理前の鋼材の化学組成と一致するように、浸炭処理の影響を受けない領域、すなわち浸炭シャフト部品の外周表面から3mm深さ又はそれより深い内部における化学組成について言うものである。
浸炭シャフト部品は以下の化学組成を有する。なお、以下に示す各元素の割合(%)は全て質量%を意味する。浸炭シャフト部品では、浸炭処理によって表層部に炭素が導入されるため、厳密には浸炭シャフト部品の表層部と内部とで化学組成が異なる。そこで、以下に示す化学組成(必須成分、不純物及び任意選択的成分を含む)は、浸炭処理前の鋼材の化学組成と一致するように、浸炭処理の影響を受けない領域、すなわち浸炭シャフト部品の外周表面から3mm深さ又はそれより深い内部における化学組成について言うものである。
C:0.10〜0.30%
炭素(C)は、浸炭シャフト部品の強度(特に芯部の強度)を高める。Cはさらに、静ねじり強度及びねじり疲労強度を高めるための残留オーステナイトを生成する。C含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、C含有量が高すぎれば、浸炭シャフト部品に加工する鋼材の強度が高くなりすぎる。そのため、鋼材の被削性が低下する。従って、C含有量は0.10〜0.30%である。C含有量の好ましい下限は0.15%以上である。C含有量の好ましい上限は0.25%未満である。
炭素(C)は、浸炭シャフト部品の強度(特に芯部の強度)を高める。Cはさらに、静ねじり強度及びねじり疲労強度を高めるための残留オーステナイトを生成する。C含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、C含有量が高すぎれば、浸炭シャフト部品に加工する鋼材の強度が高くなりすぎる。そのため、鋼材の被削性が低下する。従って、C含有量は0.10〜0.30%である。C含有量の好ましい下限は0.15%以上である。C含有量の好ましい上限は0.25%未満である。
Si:0.01〜0.30%
シリコン(Si)は、焼入れ性を高める作用を有するが、浸炭処理の際、浸炭異常層を増加させてしまう。特に、その含有量が0.30%を超えると、浸炭異常層が大幅に増加するために不完全焼入れ組織とよばれる軟質組織が生成して、浸炭シャフト部品のねじり疲労強度が低下する。浸炭異常層の生成を防止するには、Siの含有量は0.25%以下とすることが好ましく、0.20%以下とすることがより好ましい。しかし、量産においてSiの含有量を0.01%未満にすることは困難である。したがって、Siの含有量を0.01〜0.30%とした。なお、量産における製造コストを考慮すると、実際に製造される本発明品では、Si含有量は0.05%以上含まれることが多いと思われる。
シリコン(Si)は、焼入れ性を高める作用を有するが、浸炭処理の際、浸炭異常層を増加させてしまう。特に、その含有量が0.30%を超えると、浸炭異常層が大幅に増加するために不完全焼入れ組織とよばれる軟質組織が生成して、浸炭シャフト部品のねじり疲労強度が低下する。浸炭異常層の生成を防止するには、Siの含有量は0.25%以下とすることが好ましく、0.20%以下とすることがより好ましい。しかし、量産においてSiの含有量を0.01%未満にすることは困難である。したがって、Siの含有量を0.01〜0.30%とした。なお、量産における製造コストを考慮すると、実際に製造される本発明品では、Si含有量は0.05%以上含まれることが多いと思われる。
Mn:0.4〜2.0%
マンガン(Mn)は、鋼の焼入れ性を高めるとともに、鋼中の残留オーステナイトを増加させる。Mnを含有するオーステナイトは、Mnを含有しないオーステナイトと比較して、浸炭焼入れ後の切削時に加工誘起マルテンサイト変態しやすい。その結果、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が高まる。Mn含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、浸炭焼入れ及び焼戻し後の残留オーステナイトが過剰に多くなる。そのため、切削加工時に十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生せず、切削加工後も残留オーステナイトが過剰となり、ひいては切削加工時に十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生せず、切削加工後も残留オーステナイトが減少しにくい。その結果、切削加工後の浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、Mn含有量は0.4〜2.0%である。Mn含有量の好ましい下限は0.8%である。Mn含有量の好ましい上限は1.8%である。
マンガン(Mn)は、鋼の焼入れ性を高めるとともに、鋼中の残留オーステナイトを増加させる。Mnを含有するオーステナイトは、Mnを含有しないオーステナイトと比較して、浸炭焼入れ後の切削時に加工誘起マルテンサイト変態しやすい。その結果、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が高まる。Mn含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、浸炭焼入れ及び焼戻し後の残留オーステナイトが過剰に多くなる。そのため、切削加工時に十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生せず、切削加工後も残留オーステナイトが過剰となり、ひいては切削加工時に十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生せず、切削加工後も残留オーステナイトが減少しにくい。その結果、切削加工後の浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、Mn含有量は0.4〜2.0%である。Mn含有量の好ましい下限は0.8%である。Mn含有量の好ましい上限は1.8%である。
P:0.050%以下
燐(P)は不純物である。Pは、粒界に偏析して粒界強度を下げる。その結果、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、P含有量は0.050%以下である。P含有量の好ましい上限は0.030%である。P含有量はなるべく低い方がよい。P含有量の好ましい下限は0.0002%である。
燐(P)は不純物である。Pは、粒界に偏析して粒界強度を下げる。その結果、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、P含有量は0.050%以下である。P含有量の好ましい上限は0.030%である。P含有量はなるべく低い方がよい。P含有量の好ましい下限は0.0002%である。
S:0.005〜0.020%
硫黄(S)は、Mnと結合してMnSを形成し、被削性を高める。S含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、S含有量が高すぎれば、粗大なMnSを形成して、鋼の熱間加工性、冷間加工性、浸炭シャフト部品のねじり疲労強度が低下する。従って、S含有量は0.005〜0.020%である。S含有量の好ましい下限は0.008%である。S含有量の好ましい上限は0.015%である。
硫黄(S)は、Mnと結合してMnSを形成し、被削性を高める。S含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、S含有量が高すぎれば、粗大なMnSを形成して、鋼の熱間加工性、冷間加工性、浸炭シャフト部品のねじり疲労強度が低下する。従って、S含有量は0.005〜0.020%である。S含有量の好ましい下限は0.008%である。S含有量の好ましい上限は0.015%である。
Cr:0.4〜3.5%
クロム(Cr)は鋼の焼入れ性を高め、さらに、残留オーステナイトを増加させる。Cr含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Cr含有量が高すぎれば、浸炭焼入れ及び焼戻し後の残留オーステナイトが過剰となる。この場合、穴切削工程における切削加工時に十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生せず、切削加工後も残留オーステナイトが減少しにくい。その結果、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、Cr含有量は0.4〜3.5%である。Cr含有量の好ましい下限は0.5%である。Cr含有量の好ましい上限は3.1%である。
クロム(Cr)は鋼の焼入れ性を高め、さらに、残留オーステナイトを増加させる。Cr含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Cr含有量が高すぎれば、浸炭焼入れ及び焼戻し後の残留オーステナイトが過剰となる。この場合、穴切削工程における切削加工時に十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生せず、切削加工後も残留オーステナイトが減少しにくい。その結果、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、Cr含有量は0.4〜3.5%である。Cr含有量の好ましい下限は0.5%である。Cr含有量の好ましい上限は3.1%である。
Al:0.010〜0.050%
アルミニウム(Al)は鋼を脱酸する。Alはさらに、Nと結合してAlNを形成し、結晶粒を微細化する。その結果、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が高まる。Al含有量が低すぎれば、この効果は得られない。一方、Al含有量が高すぎれば、硬質で粗大なAl2O3が生成して、鋼の被削性が低下し、さらに、ねじり疲労強度も低下する。従って、Al含有量は0.010〜0.050%である。Al含有量の好ましい下限は0.020%である。Al含有量の好ましい上限は0.040%である。
アルミニウム(Al)は鋼を脱酸する。Alはさらに、Nと結合してAlNを形成し、結晶粒を微細化する。その結果、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が高まる。Al含有量が低すぎれば、この効果は得られない。一方、Al含有量が高すぎれば、硬質で粗大なAl2O3が生成して、鋼の被削性が低下し、さらに、ねじり疲労強度も低下する。従って、Al含有量は0.010〜0.050%である。Al含有量の好ましい下限は0.020%である。Al含有量の好ましい上限は0.040%である。
N:0.005〜0.025%
窒素(N)は窒化物を形成して結晶粒を微細化し、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度を高める。N含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、N含有量が高すぎれば、粗大な窒化物が生成して鋼の靱性が低下する。従って、N含有量は0.005〜0.025%である。N含有量の好ましい下限は0.010%である。N含有量の好ましい上限は0.020%である。
窒素(N)は窒化物を形成して結晶粒を微細化し、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度を高める。N含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、N含有量が高すぎれば、粗大な窒化物が生成して鋼の靱性が低下する。従って、N含有量は0.005〜0.025%である。N含有量の好ましい下限は0.010%である。N含有量の好ましい上限は0.020%である。
O:0.003%以下
酸素(O)は不純物である。OはAlと結合して硬質な酸化物系介在物を形成する。酸化物系介在物は鋼の被削性を低下させ、浸炭シャフト部品のねじり疲労強度も低下させる。従って、O含有量は0.003%以下である。O含有量はなるべく低い方がよい。O含有量の好ましい下限は0.0001%である。
酸素(O)は不純物である。OはAlと結合して硬質な酸化物系介在物を形成する。酸化物系介在物は鋼の被削性を低下させ、浸炭シャフト部品のねじり疲労強度も低下させる。従って、O含有量は0.003%以下である。O含有量はなるべく低い方がよい。O含有量の好ましい下限は0.0001%である。
上記浸炭シャフト部品の化学組成の残部は鉄(Fe)及び不純物である。不純物とは、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップ、又は、製造工程の環境等から混入する成分であって、浸炭シャフト部品に意図的に含有させた成分ではない成分を意味する。浸炭シャフト部品に不純物が混入していても、微量であり鋼材の性質が損なわれない範囲であれば、本発明の目的は達成可能である。具体的な例として、本発明に係る浸炭シャフト部品は、以下に示す各元素を、それぞれ規定の範囲内で含んでいても、発明の目的を達成することができる。
希土類元素(REM) : 0.0005%以下
カルシウム(Ca) : 0.0005%以下
マグネシウム(Mg) : 0.0005%以下
タングステン(W) : 0.001%以下
アンチモン(Sb) : 0.001%以下
ビスマス(Bi) : 0.001%以下
コバルト(Co) : 0.001%以下
タンタル(Ta) : 0.001%以下
希土類元素(REM) : 0.0005%以下
カルシウム(Ca) : 0.0005%以下
マグネシウム(Mg) : 0.0005%以下
タングステン(W) : 0.001%以下
アンチモン(Sb) : 0.001%以下
ビスマス(Bi) : 0.001%以下
コバルト(Co) : 0.001%以下
タンタル(Ta) : 0.001%以下
(浸炭シャフト部品の化学組成(任意選択的成分))
浸炭シャフト部品はさらに、Feの一部に代えて、Pbを含有してもよい。
浸炭シャフト部品はさらに、Feの一部に代えて、Pbを含有してもよい。
Pb:0.5%以下
鉛(Pb)は任意選択的元素であり、含有されていなくてもよい。含有される場合、工具摩耗の低下及び切り屑処理性の向上が実現される。しかしながら、Pb含有量が高すぎれば、鋼の強度及び靱性が低下し、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度も低下する。従って、Pb含有量は0.5%以下とすることが好ましい。Pb含有量のさらに好ましい上限は0.4%である。なお、上記の効果を得るためにはPb含有量を0.03%以上とすることが好ましい。
鉛(Pb)は任意選択的元素であり、含有されていなくてもよい。含有される場合、工具摩耗の低下及び切り屑処理性の向上が実現される。しかしながら、Pb含有量が高すぎれば、鋼の強度及び靱性が低下し、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度も低下する。従って、Pb含有量は0.5%以下とすることが好ましい。Pb含有量のさらに好ましい上限は0.4%である。なお、上記の効果を得るためにはPb含有量を0.03%以上とすることが好ましい。
浸炭シャフト部品はさらに、Feの一部に代えて、V、Nb及びTiからなる群から選択される1種以上を含有してもよい。
V、Nb及びTi:総含有量で0.1%以下
バナジウム(V)、ニオブ(Nb)及びチタン(Ti)は任意選択的元素であり、含有されていなくてもよい。これらの元素は、C及びNと結合して、析出物を形成する。これらの元素の析出物は、AlNによる焼入れ部の結晶粒微細化を補完する。これらの元素の析出物は、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度を高める。しかしながら、これらの元素の総含有量が0.1%を超えれば、析出物が粗大化し、ねじり疲労強度が低下する。従って、V、Nb及びTiの総含有量は0.1%以下であることが好ましい。任意選択的元素として、V、Nb及びTiのいずれか1種以上が含有されれば、上記効果が得られる。V、Nb及びTiの総含有量のさらに好ましい上限は0.08%である。V、Nb及びTiによる上記の効果を得るためには、0.01%以上の含有が好ましい。
バナジウム(V)、ニオブ(Nb)及びチタン(Ti)は任意選択的元素であり、含有されていなくてもよい。これらの元素は、C及びNと結合して、析出物を形成する。これらの元素の析出物は、AlNによる焼入れ部の結晶粒微細化を補完する。これらの元素の析出物は、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度を高める。しかしながら、これらの元素の総含有量が0.1%を超えれば、析出物が粗大化し、ねじり疲労強度が低下する。従って、V、Nb及びTiの総含有量は0.1%以下であることが好ましい。任意選択的元素として、V、Nb及びTiのいずれか1種以上が含有されれば、上記効果が得られる。V、Nb及びTiの総含有量のさらに好ましい上限は0.08%である。V、Nb及びTiによる上記の効果を得るためには、0.01%以上の含有が好ましい。
浸炭シャフト部品はさらに、Feの一部に代えて、Mo及びNiからなる群から選択される1種以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも、鋼の焼入れ性を高め、残留オーステナイトを増加させる。
Mo:3.0%以下
モリブデン(Mo)は任意選択的元素であり、含有されていなくてもよい。含有される場合、Moは鋼の焼入れ性を高め、残留オーステナイトを増加させる。Moはさらに、焼戻し軟化抵抗を高め、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度を高める。しかしながら、Mo含有量が高すぎれば、浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが過剰となる。この場合、切削加工時に十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。その結果、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、Mo含有量は3.0%以下とすることが好ましい。Mo含有量のさらに好ましい上限は2.0%である。Moによる上記の効果を得るためには、0.1%以上の含有が好ましい。
モリブデン(Mo)は任意選択的元素であり、含有されていなくてもよい。含有される場合、Moは鋼の焼入れ性を高め、残留オーステナイトを増加させる。Moはさらに、焼戻し軟化抵抗を高め、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度を高める。しかしながら、Mo含有量が高すぎれば、浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが過剰となる。この場合、切削加工時に十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。その結果、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、Mo含有量は3.0%以下とすることが好ましい。Mo含有量のさらに好ましい上限は2.0%である。Moによる上記の効果を得るためには、0.1%以上の含有が好ましい。
Ni:2.5%以下
ニッケル(Ni)は任意選択的元素であり、含有されていなくてもよい。含有される場合、Niは鋼の焼入れ性を高め、残留オーステナイトを増加させる。Niはさらに、鋼の靱性を高める。しかしながら、Ni含有量が高すぎれば、浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが過剰となる。この場合、焼戻し後の切削加工時に十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。その結果、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、Ni含有量は2.5%以下であることが好ましい。Ni含有量のさらに好ましい上限は2.0%である。Niによる上記の効果を得るためには、0.1%以上の含有が好ましい。
ニッケル(Ni)は任意選択的元素であり、含有されていなくてもよい。含有される場合、Niは鋼の焼入れ性を高め、残留オーステナイトを増加させる。Niはさらに、鋼の靱性を高める。しかしながら、Ni含有量が高すぎれば、浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが過剰となる。この場合、焼戻し後の切削加工時に十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。その結果、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、Ni含有量は2.5%以下であることが好ましい。Ni含有量のさらに好ましい上限は2.0%である。Niによる上記の効果を得るためには、0.1%以上の含有が好ましい。
Cu:0〜0.50%
Cuはマルテンサイトに固溶して鋼材の強度を高める。そのため、鋼材の疲労強度が高まる。しかしながら、Cu含有量が高すぎれば、熱間鍛造時に鋼の粒界に偏析して熱間割れを誘起する。したがって、Cu含有量は0.50%以下である。なお、Cu含有量は0.40%以下であることが好ましく、0.25%以下であることが一層好ましい。Cuによる上記の効果を得るためには、0.10%以上の含有が好ましい。
Cuはマルテンサイトに固溶して鋼材の強度を高める。そのため、鋼材の疲労強度が高まる。しかしながら、Cu含有量が高すぎれば、熱間鍛造時に鋼の粒界に偏析して熱間割れを誘起する。したがって、Cu含有量は0.50%以下である。なお、Cu含有量は0.40%以下であることが好ましく、0.25%以下であることが一層好ましい。Cuによる上記の効果を得るためには、0.10%以上の含有が好ましい。
B:0〜0.020%
BはPの粒界偏析を抑制して靭性を高める効果がある。しかしながら、0.020%を超えて添加すると、浸炭時に異常粒成長が生じ、ねじり疲労強度が低下する。したがって、B含有量は0.020%以下である。なお、B含有量は、0.015%あることが好ましく、0.010%以下であることが一層好ましい。Bによる上記の効果を得るためには、0.0005%以上の含有が好ましい。
BはPの粒界偏析を抑制して靭性を高める効果がある。しかしながら、0.020%を超えて添加すると、浸炭時に異常粒成長が生じ、ねじり疲労強度が低下する。したがって、B含有量は0.020%以下である。なお、B含有量は、0.015%あることが好ましく、0.010%以下であることが一層好ましい。Bによる上記の効果を得るためには、0.0005%以上の含有が好ましい。
(各元素の含有量の関係)
浸炭シャフト部品を構成する各元素の含有量の関係は、以下に示す式(1)及び式(2)を満たす。
1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Ni≧2.35 (1)
11.3≦−0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Ni≦33.8 (2)
ここで、式(1)及び(2)中の各元素記号には、各元素の含有量(質量%)が代入され、元素を含まない場合は0が代入される。
浸炭シャフト部品を構成する各元素の含有量の関係は、以下に示す式(1)及び式(2)を満たす。
1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Ni≧2.35 (1)
11.3≦−0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Ni≦33.8 (2)
ここで、式(1)及び(2)中の各元素記号には、各元素の含有量(質量%)が代入され、元素を含まない場合は0が代入される。
式(1)について
F1=1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Niと定義する。F1は、鋼の焼入れ性を表すパラメータである。F1が低すぎれば、鋼の焼入れ性が低くなる。この場合、強度の低いフェライト及びパーライトが生成し、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、F1は2.35以上である。F1のより好ましい下限は3.0である。浸炭シャフト部品の靭性確保のためF1の好ましい上限は8.0である。
F1=1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Niと定義する。F1は、鋼の焼入れ性を表すパラメータである。F1が低すぎれば、鋼の焼入れ性が低くなる。この場合、強度の低いフェライト及びパーライトが生成し、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、F1は2.35以上である。F1のより好ましい下限は3.0である。浸炭シャフト部品の靭性確保のためF1の好ましい上限は8.0である。
式(2)について
F2=−0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Niと定義する。F2は、オーステナイトの安定度を表すパラメータである。F2が低すぎれば、浸炭焼き入れ後に得られる残留オーステナイト割合が低くなる。その結果、加工誘起マルテンサイト変態による穴周辺部の硬化作用を得られず、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低くなる。一方、F2が高すぎれば、浸炭焼入れ及び焼戻し後の残留オーステナイトの量が過剰となり、静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。さらに、残留オーステナイトが安定であるために、切削加工時に得られる加工誘起マルテンサイト変態の割合も少なくなる。この観点からも、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、F2は11.3〜33.8であることが求められる。F2の好ましい下限は12.0である。F2の好ましい上限は33.0である。
F2=−0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Niと定義する。F2は、オーステナイトの安定度を表すパラメータである。F2が低すぎれば、浸炭焼き入れ後に得られる残留オーステナイト割合が低くなる。その結果、加工誘起マルテンサイト変態による穴周辺部の硬化作用を得られず、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低くなる。一方、F2が高すぎれば、浸炭焼入れ及び焼戻し後の残留オーステナイトの量が過剰となり、静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。さらに、残留オーステナイトが安定であるために、切削加工時に得られる加工誘起マルテンサイト変態の割合も少なくなる。この観点からも、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、F2は11.3〜33.8であることが求められる。F2の好ましい下限は12.0である。F2の好ましい上限は33.0である。
[浸炭シャフト外周表面の少なくとも1つの穴]
本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品は、当該浸炭シャフト部品の長手(軸)方向に対して垂直又は所定の角度を有し、かつ当該浸炭シャフト部品の外周表面から開けられた1個又は複数個の貫通穴又は非貫通穴を有する。穴の直径は、特に限定されないが、例えば0.2mm〜10mmであってよい。
本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品は、当該浸炭シャフト部品の長手(軸)方向に対して垂直又は所定の角度を有し、かつ当該浸炭シャフト部品の外周表面から開けられた1個又は複数個の貫通穴又は非貫通穴を有する。穴の直径は、特に限定されないが、例えば0.2mm〜10mmであってよい。
[表層部のC含有量(Cs):0.60〜1.00%]
浸炭シャフト部品の表層部に含まれるCは、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度を高める。本発明において、浸炭シャフト部品表層部のC含有量は以下の手法で測定される。
浸炭シャフト部品の表層部に含まれるCは、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度を高める。本発明において、浸炭シャフト部品表層部のC含有量は以下の手法で測定される。
浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mm深さでかつ穴表層50μmの部分を切削加工によって切り出し、その切粉中のC含有量を発光分光分析で定量測定し、その値を表層部のC含有量とする。また、浸炭シャフト部品表層部のC濃度は、EPMA(電子線マイクロアナライザ)を用いて定量分析することもできる。
表層部に含まれるC含有量(Cs)が低ければ、浸炭層の硬度が低くなる。その結果、浸炭シャフト部品の静ねじり強度が低下する。一方、(Cs)が高ければ、浸炭シャフト部品の表層部に硬質な初析セメンタイトが生成する。Csが過度に高く、当該初析セメンタイトが3%を超えた場合には、セメンタイトが破壊の起点となり、静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。さらに、切削加工時の工具摩耗が増大し、被削性が低下する。従って、表層部のC含有量(Cs)は0.60〜1.00%である。Csの好ましい下限は0.65%である。Csの好ましい上限は0.90%である。
[浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面から20μmの深さ位置での組織におけるマルテンサイトと残留オーステナイトの合計体積率(α’+γ)]
浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面から20μmの深さ位置での組織として、フェライト、パーライト等の強度の低い相が存在すれば、これらの相を起点に亀裂が発生しやすく、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低くなる。また、初析セメンタイトが存在すれば、浸炭シャフト部品の製造工程における切削加工時の工具摩耗が増大するうえに、疲労破壊の起点となるためねじり疲労強度が低下する。従って、上記位置での組織におけるマルテンサイトと残留オーステナイトの合計体積率(α’+γ)を97%以上に限定する。なお、当該合計体積率の好ましい範囲は99%以上である。
浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面から20μmの深さ位置での組織として、フェライト、パーライト等の強度の低い相が存在すれば、これらの相を起点に亀裂が発生しやすく、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低くなる。また、初析セメンタイトが存在すれば、浸炭シャフト部品の製造工程における切削加工時の工具摩耗が増大するうえに、疲労破壊の起点となるためねじり疲労強度が低下する。従って、上記位置での組織におけるマルテンサイトと残留オーステナイトの合計体積率(α’+γ)を97%以上に限定する。なお、当該合計体積率の好ましい範囲は99%以上である。
本発明において、マルテンサイトと残留オーステナイトの合計体積率(α’+γ)は、浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面から20μmの深さ位置に相当する基準位置21(図2参照)を組織観察して次の方法で測定される。即ち、浸炭シャフト部品の外周から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴軸心に垂直な断面における穴表層部を含み、穴の軸方向に垂直な面(横断面)が観察面になるような試験片を採取する(図1A−A’)。鏡面研磨した試験片を、5%ナイタール溶液で腐食する。腐食された面を、倍率1000倍の光学顕微鏡にて3視野観察する。このとき、基準位置21を視野の中心にする(図1−11)。視野の中心から焼入れ材の表面方向に10μm、視野の中心から焼入れ材の表面と反対の方向に10μm、視野の中心から焼入れ材の表面方向と垂直な両方向に各々50μmの、20μm×100μmの範囲の平面内において、各相の面積率を通常の画像解析方法によって求める。3視野のそれぞれについて得られた各相の面積率の平均値を各相の体積率と定義する。
[浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面から200μm深さまでの範囲における最大残留オーステナイト体積率(R1)]
浸炭焼き入れによって導入された残留オーステナイトは、浸炭シャフト部品の穴切削加工時に加工誘起マルテンサイト変態する。具体的には、穴開け加工時に、切削工具と母材との間の摩擦力により、穴の表層付近にある残留オーステナイトの一部が、加工誘起マルテンサイトに変態する。一方、この作用による加工誘起マルテンサイト変態の発生は穴の表面に近いほど強く、穴の表面から離れるほど弱くなる。
浸炭焼き入れによって導入された残留オーステナイトは、浸炭シャフト部品の穴切削加工時に加工誘起マルテンサイト変態する。具体的には、穴開け加工時に、切削工具と母材との間の摩擦力により、穴の表層付近にある残留オーステナイトの一部が、加工誘起マルテンサイトに変態する。一方、この作用による加工誘起マルテンサイト変態の発生は穴の表面に近いほど強く、穴の表面から離れるほど弱くなる。
穴開け加工にともなう加工誘起マルテンサイト変態の結果、浸炭シャフト部品の強度が上昇し、静ねじり強度及びねじり疲労強度が上昇する。このような効果を得るためには、浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面から200μm深さまでの範囲における最大残留オーステナイト体積率(R1)が10.0%以上でなければならない。
一方、残留オーステナイトは軟質であるため、最大残留オーステナイト体積率(R1)が30.0%を超えるとかえって浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。
本発明において、最大残留オーステナイト体積率(R1)は次の方法で測定される。穴の軸方向でかつその中心を通って穴を2分割するように浸炭シャフト部品を切断する(図2B−B’)。穴表面において、外周表面から1mm深さ位置を中心にφ1mmの穴が開いたマスキングを施し、電解研磨を施す。電解研磨の時間を変化させることで研磨量を調整し、30μm深さの穴を掘る。電解研磨は、11.6%の塩化アンモニウムと、35.1%のグリセリンと、53.3%の水とを含有する電解液を用いて電圧20Vで行う。電解研磨された表面に対してX線回折を実施し、表面から30μm位置の残留オーステナイトの体積率を求める。この過程を繰り返すことで、10μmずつ穴を深くし、その都度残留オーステナイトの体積率を測定することを、穴の深さが200μmとなるまで繰り返す。そしてその中で得られた最大の残留オーステナイト体積率を(R1)とする。
電解研磨された表面において、基準位置を中心にX線を照射して、X線回折法により解析を行う。X線回折には、株式会社リガク製の商品名RINT−2500HL/PCを使用する。光源にはCr管球を使用する。管電圧は40kV、管電流は40mAであり、コリメーター直径は0.5mmである。VフィルターによってKβ線を除去し、Kα線を使用する。データ解析は、AutoMATEソフトウエア(株式会社リガク製)を用いる。Rachinger法によってKα2成分を除去し、Kα1成分のプロファイルを用いて、bcc構造の(211)面とfcc構造の(220)面の回折ピークの積分強度比に基づいて残留オーステナイト体積率(R1)を計算する。なお、照射するX線のスポットサイズはφ0.5mm以下とする。
[浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面から20μmの深さ位置での残留オーステナイト体積率(R2)]
浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面から20μmの深さ位置での残留オーステナイト体積率(R2)は20%以下であることが好ましい。切削加工後の残留オーステナイトの体積率が高すぎれば、硬質なマルテンサイトが得られず、静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。
浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面から20μmの深さ位置での残留オーステナイト体積率(R2)は20%以下であることが好ましい。切削加工後の残留オーステナイトの体積率が高すぎれば、硬質なマルテンサイトが得られず、静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。
本発明において、残留オーステナイト体積率(R2)は次の方法で測定される。穴の軸方向でかつその中心を通って穴を2分割するように浸炭シャフト部品を切断する(図2B−B’)。穴表面において、外周表面から1mm深さ位置を中心にφ1mmの穴が開いたマスキングを施し、電解研磨を施す。電解研磨の時間を変化させることで研磨量を調整し、20μm深さの穴を開ける。その穴の中心に、スポットサイズφ0.5mmのX線を照射して、残留オーステナイト体積率(R1)と同様にして残留オーステナイト体積率(R2)を測定する。
[R1とR2から式(A):Δγ=(R1−R2)/R1×100によって求められる残留オーステナイト減少率Δγ]
R1とR2から上記式(A)によって求められる残留オーステナイト減少率(Δγ)が20%以上である。
R1とR2から上記式(A)によって求められる残留オーステナイト減少率(Δγ)が20%以上である。
残留オーステナイト減少率(Δγ)は、切削加工時の加工誘起マルテンサイト変態の程度を表す。Δγが大きいと、切削時により多くの加工誘起マルテンサイト変態が発生したことを意味し、静ねじり強度及びねじり疲労強度が向上する。このような効果を得るためにはΔγが20%以上でなければならない。なお、好ましいΔγの値は25%以上である。
[穴表面の塑性流動層]
本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品は、穴の表面に塑性流動層を有していてもよい。この塑性流動層は、穴の切削加工時に、穴の表層部に大きな変形が生じることで形成される層である。この塑性流動層は硬質であり、厚さが0.5μm以上になると浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度を向上させ得る。しかしながら、塑性流動層は脆いため、その厚さが薄い場合にはある程度変形が可能であるが、厚さが15μmを超えると、割れが生じて亀裂発生の起点となるため、ねじり疲労強度が逆に低下する場合がある。さらに、塑性流動層はその厚さが15μmを超えると、被削性が低下し、切削加工時の工具への負担が大きくなって工具寿命が著しく低下する場合がある。以上により、浸炭シャフト部品の表層の塑性流動層の厚さは好ましくは0.5〜15μmである。なお、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度をさらに向上させるためには、浸炭シャフト部品の表層の塑性流動層の厚さは1μm以上とすることが好ましく、3μm以上とすることがさらに好ましい。また、好ましい上限は13μmであり、さらに好ましくは10μmである。
本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品は、穴の表面に塑性流動層を有していてもよい。この塑性流動層は、穴の切削加工時に、穴の表層部に大きな変形が生じることで形成される層である。この塑性流動層は硬質であり、厚さが0.5μm以上になると浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度を向上させ得る。しかしながら、塑性流動層は脆いため、その厚さが薄い場合にはある程度変形が可能であるが、厚さが15μmを超えると、割れが生じて亀裂発生の起点となるため、ねじり疲労強度が逆に低下する場合がある。さらに、塑性流動層はその厚さが15μmを超えると、被削性が低下し、切削加工時の工具への負担が大きくなって工具寿命が著しく低下する場合がある。以上により、浸炭シャフト部品の表層の塑性流動層の厚さは好ましくは0.5〜15μmである。なお、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度をさらに向上させるためには、浸炭シャフト部品の表層の塑性流動層の厚さは1μm以上とすることが好ましく、3μm以上とすることがさらに好ましい。また、好ましい上限は13μmであり、さらに好ましくは10μmである。
穴表面の塑性流動層の厚さは、次の方法で測定される。浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴に垂直な断面における穴表層部を含み、穴の軸方向に垂直な面(横断面)が観察面になるような試験片を採取する(図1のA−A’)。鏡面研磨した試験片を、5%ナイタール溶液で腐食する。腐食された面を、倍率5000倍の走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察する。得られたSEM像の一例を図3に示す。同図において、塑性流動層31は、母材32に対して組織が穴の表面に沿って(図3において紙面の左方向から右方向に)湾曲している部分であり、穴の表面から湾曲した組織の端までの距離を塑性流動層31の厚さと定義した。
[穴表層部の硬化層]
本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品は、上記の塑性流動層を含めて、穴表面から一定の深さにわたって硬化された層を有する。このような硬化層は、穴の切削加工時に穴表層部の残留オーステナイトが加工誘起マルテンサイト変態することで形成された層(加工誘起マルテンサイト層)を含み、例えば、約200〜300μmの厚さを有する。本発明に係る浸炭シャフト部品は、図5に示すように、静ねじり強度及びねじり疲労強度を低下させる要因となりうる穴43の周辺に、塑性流動層31と加工誘起マルテンサイト層51、特に硬質な加工誘起マルテンサイト層51を含む硬化層を備えることにより、全体としては優れた静ねじり強度及びねじり疲労強度を実現したものである。
本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品は、上記の塑性流動層を含めて、穴表面から一定の深さにわたって硬化された層を有する。このような硬化層は、穴の切削加工時に穴表層部の残留オーステナイトが加工誘起マルテンサイト変態することで形成された層(加工誘起マルテンサイト層)を含み、例えば、約200〜300μmの厚さを有する。本発明に係る浸炭シャフト部品は、図5に示すように、静ねじり強度及びねじり疲労強度を低下させる要因となりうる穴43の周辺に、塑性流動層31と加工誘起マルテンサイト層51、特に硬質な加工誘起マルテンサイト層51を含む硬化層を備えることにより、全体としては優れた静ねじり強度及びねじり疲労強度を実現したものである。
<浸炭シャフト部品の製造方法>
本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品は、浸炭焼入れ後に穴を切削加工することによって製造することができ、例えば、以下の態様1及び2に示す方法によって製造することができる。
本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品は、浸炭焼入れ後に穴を切削加工することによって製造することができ、例えば、以下の態様1及び2に示す方法によって製造することができる。
(態様1)
浸炭シャフト部品の製造方法は、鋼材を加工して粗部材を得る工程(粗部材製造工程)と、粗部材に対して浸炭焼入れ処理を施して浸炭材を得る工程(浸炭材製造工程)と、焼入れ材に対して穴の切削加工を施して、浸炭シャフト部品を得る工程(穴切削工程)とを含む。より具体的には、浸炭シャフト部品の製造方法は、質量%で、
C:0.10〜0.30%、
Si:0.01〜0.30%、
Mn:0.4〜2.0%、
P:0.050%以下、
S:0.005〜0.020%、
Cr:0.4〜3.5%、
Al:0.010〜0.050%、
N:0.005〜0.025%、及び
O:0.003%以下
を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
任意選択で、さらに、質量%で、
Pb:0.5%以下、
V、Nb及びTiからなる群から選択される1種以上を総含有量で0.1%以下、
Mo:3.0%以下及びNi:2.5%以下からなる群から選択される1種以上、
Cu:0〜0.50%、及び
B:0〜0.020%
を含有し、式(1)及び式(2)を満たす鋼材を加工して粗部材を得る工程(粗部材製造工程)と、
前記粗部材に対して浸炭処理、恒温保持処理、焼入れ処理を施して浸炭材を得る工程であって、
浸炭温度(T1)を900°以上1050℃以下とし、浸炭処理時のカーボンポテンシャル(Cp1)を0.7%以上1.1%以下とし、浸炭時間(t1)を60分以上とし、恒温保持温度(T2)を820℃以上870℃以下とし、恒温保持処理時のカーボンポテンシャル(Cp2)を0.7%以上0.9%以下とし、恒温保持処理時間(t2)を20〜60分とすることで、
前記浸炭材において、最終形態である浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面に相当する位置から20μmの深さ位置に相当する基準位置での組織が、マルテンサイトと体積率で12.0〜35.0%の残留オーステナイト(RI)とを含むとともに、前記マルテンサイト及び残留オーステナイト以外の他の相が体積率で3%以下となる工程(浸炭材製造工程)と、
前記浸炭材の穴に対して切削加工を施して浸炭シャフト部品を得る工程であって、
切削時の工具送りを0.01mm/rev超0.1mm/rev以下とし、切削速度を10m/分以上50m/分以下とし、切り込み(d)を0.05mm以上0.25mm以下とすることで、
前記基準位置での組織において、残留オーステナイトの体積率(RF)が20%以下となり、切削前の残留オーステナイト体積率(RI)と切削後の残留オーステナイトの体積率(RF)から式(B)によって求められる残留オーステナイト減少率(Δγ’)が35%以上となる工程(穴切削工程)と
を含む。
1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Ni≧2.35 (1)
11.3≦−0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Ni≦33.8 (2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、各元素の含有量(質量%)が代入され、元素を含まない場合は0が代入される。
Δγ’=(RI−RF)/RI×100 (B)
浸炭シャフト部品の製造方法は、鋼材を加工して粗部材を得る工程(粗部材製造工程)と、粗部材に対して浸炭焼入れ処理を施して浸炭材を得る工程(浸炭材製造工程)と、焼入れ材に対して穴の切削加工を施して、浸炭シャフト部品を得る工程(穴切削工程)とを含む。より具体的には、浸炭シャフト部品の製造方法は、質量%で、
C:0.10〜0.30%、
Si:0.01〜0.30%、
Mn:0.4〜2.0%、
P:0.050%以下、
S:0.005〜0.020%、
Cr:0.4〜3.5%、
Al:0.010〜0.050%、
N:0.005〜0.025%、及び
O:0.003%以下
を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
任意選択で、さらに、質量%で、
Pb:0.5%以下、
V、Nb及びTiからなる群から選択される1種以上を総含有量で0.1%以下、
Mo:3.0%以下及びNi:2.5%以下からなる群から選択される1種以上、
Cu:0〜0.50%、及び
B:0〜0.020%
を含有し、式(1)及び式(2)を満たす鋼材を加工して粗部材を得る工程(粗部材製造工程)と、
前記粗部材に対して浸炭処理、恒温保持処理、焼入れ処理を施して浸炭材を得る工程であって、
浸炭温度(T1)を900°以上1050℃以下とし、浸炭処理時のカーボンポテンシャル(Cp1)を0.7%以上1.1%以下とし、浸炭時間(t1)を60分以上とし、恒温保持温度(T2)を820℃以上870℃以下とし、恒温保持処理時のカーボンポテンシャル(Cp2)を0.7%以上0.9%以下とし、恒温保持処理時間(t2)を20〜60分とすることで、
前記浸炭材において、最終形態である浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面に相当する位置から20μmの深さ位置に相当する基準位置での組織が、マルテンサイトと体積率で12.0〜35.0%の残留オーステナイト(RI)とを含むとともに、前記マルテンサイト及び残留オーステナイト以外の他の相が体積率で3%以下となる工程(浸炭材製造工程)と、
前記浸炭材の穴に対して切削加工を施して浸炭シャフト部品を得る工程であって、
切削時の工具送りを0.01mm/rev超0.1mm/rev以下とし、切削速度を10m/分以上50m/分以下とし、切り込み(d)を0.05mm以上0.25mm以下とすることで、
前記基準位置での組織において、残留オーステナイトの体積率(RF)が20%以下となり、切削前の残留オーステナイト体積率(RI)と切削後の残留オーステナイトの体積率(RF)から式(B)によって求められる残留オーステナイト減少率(Δγ’)が35%以上となる工程(穴切削工程)と
を含む。
1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Ni≧2.35 (1)
11.3≦−0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Ni≦33.8 (2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、各元素の含有量(質量%)が代入され、元素を含まない場合は0が代入される。
Δγ’=(RI−RF)/RI×100 (B)
[粗部材製造工程]
本工程では、浸炭シャフト部品の形状に近い所望の形状を有する粗部材を製造する。初めに、上記化学組成を有する鋼材を準備する。
本工程では、浸炭シャフト部品の形状に近い所望の形状を有する粗部材を製造する。初めに、上記化学組成を有する鋼材を準備する。
(粗部材の製造)
上記化学組成を有する鋼材を加工して粗部材を得る。加工方法は周知の方法を採用することができる。加工方法としては、例えば、熱間加工、冷間加工、切削加工等が挙げられる。粗部材は、穴以外の部分は浸炭シャフト部品と同様の形状とし、穴の直径は、浸炭シャフト部品の穴の直径より小さくする。なお、浸炭シャフト部品の穴の半径と、粗部材における穴の半径の差が、後の穴切削工程における、切り込み(d)に相当する。
上記化学組成を有する鋼材を加工して粗部材を得る。加工方法は周知の方法を採用することができる。加工方法としては、例えば、熱間加工、冷間加工、切削加工等が挙げられる。粗部材は、穴以外の部分は浸炭シャフト部品と同様の形状とし、穴の直径は、浸炭シャフト部品の穴の直径より小さくする。なお、浸炭シャフト部品の穴の半径と、粗部材における穴の半径の差が、後の穴切削工程における、切り込み(d)に相当する。
[浸炭材製造工程]
上記のようにして得られた粗部材に対して、浸炭処理、恒温保持処理、焼入れ処理を施して浸炭材を得る。これにより、浸炭材において、最終形態である浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さでかつ穴の表面に相当する位置から20μmの深さ位置に相当する基準位置21(図2参照)での組織が、マルテンサイトと体積率で12.0〜35.0%の残留オーステナイト(RI)とを含むとともに、上記マルテンサイト及び残留オーステナイト以外の他の相が体積率で3%以下とする。
上記のようにして得られた粗部材に対して、浸炭処理、恒温保持処理、焼入れ処理を施して浸炭材を得る。これにより、浸炭材において、最終形態である浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さでかつ穴の表面に相当する位置から20μmの深さ位置に相当する基準位置21(図2参照)での組織が、マルテンサイトと体積率で12.0〜35.0%の残留オーステナイト(RI)とを含むとともに、上記マルテンサイト及び残留オーステナイト以外の他の相が体積率で3%以下とする。
(浸炭焼入れ)
浸炭焼入れ工程は、初めに、浸炭処理を施し、その後、恒温保持処理を施す。浸炭処理及び恒温保持処理は、次の条件で行う。
浸炭焼入れ工程は、初めに、浸炭処理を施し、その後、恒温保持処理を施す。浸炭処理及び恒温保持処理は、次の条件で行う。
(浸炭処理)
浸炭温度(T1):900〜1050℃
浸炭温度(T1)が低すぎれば、粗部材の表層が十分に浸炭されない。この場合、浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが少なく、表層の硬さも低い。そのため、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低くなる。一方、浸炭温度(T1)が高すぎれば、オーステナイト粒が粗大化して浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、浸炭温度(T1)は900〜1050℃である。浸炭温度(T1)の好ましい下限は910℃であり、好ましい上限は1000℃である。
浸炭温度(T1):900〜1050℃
浸炭温度(T1)が低すぎれば、粗部材の表層が十分に浸炭されない。この場合、浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが少なく、表層の硬さも低い。そのため、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低くなる。一方、浸炭温度(T1)が高すぎれば、オーステナイト粒が粗大化して浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、浸炭温度(T1)は900〜1050℃である。浸炭温度(T1)の好ましい下限は910℃であり、好ましい上限は1000℃である。
浸炭処理時のカーボンポテンシャル(Cp1):0.7〜1.1%
カーボンポテンシャル(Cp1)が低すぎれば、十分な浸炭がされない。この場合、浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが少なく、表層の硬さも低い。そのため、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。一方、カーボンポテンシャル(Cp1)が高すぎれば、浸炭時に析出した硬質な初析セメンタイトが浸炭焼入れ後にも3%を超えて残存する。この場合、初析セメンタイトを起点に亀裂が発生し、浸炭シャフト部品のねじり疲労強度が低下する。また、切削加工時の工具摩耗が増大し、浸炭材の被削性が低下する。従って、カーボンポテンシャル(Cp1)は0.7〜1.1%である。カーボンポテンシャル(Cp1)は浸炭処理時に上記範囲内で変動させてもよい。
カーボンポテンシャル(Cp1)が低すぎれば、十分な浸炭がされない。この場合、浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが少なく、表層の硬さも低い。そのため、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。一方、カーボンポテンシャル(Cp1)が高すぎれば、浸炭時に析出した硬質な初析セメンタイトが浸炭焼入れ後にも3%を超えて残存する。この場合、初析セメンタイトを起点に亀裂が発生し、浸炭シャフト部品のねじり疲労強度が低下する。また、切削加工時の工具摩耗が増大し、浸炭材の被削性が低下する。従って、カーボンポテンシャル(Cp1)は0.7〜1.1%である。カーボンポテンシャル(Cp1)は浸炭処理時に上記範囲内で変動させてもよい。
浸炭時間(t1):60分以上
浸炭処理の時間(浸炭時間)(t1)が短すぎれば、十分な浸炭がされない。従って、浸炭時間(t1)は60分以上とする。一方、浸炭時間(t1)が長すぎれば、生産性が低下する。従って、浸炭時間(t1)の上限は240分とすることが好ましい。
浸炭処理の時間(浸炭時間)(t1)が短すぎれば、十分な浸炭がされない。従って、浸炭時間(t1)は60分以上とする。一方、浸炭時間(t1)が長すぎれば、生産性が低下する。従って、浸炭時間(t1)の上限は240分とすることが好ましい。
(恒温保持処理)
浸炭処理後、恒温保持処理を施す。恒温保持処理は、次の条件で行う。
浸炭処理後、恒温保持処理を施す。恒温保持処理は、次の条件で行う。
恒温保持温度(T2):820〜870℃
恒温保持温度(T2)が低すぎれば、カーボンポテンシャル等の雰囲気制御が困難になる。この場合、残留オーステナイトの体積率が調整しにくい。一方、恒温保持温度(T2)が高すぎれば、焼入れ時に生じる歪が増大して、焼割れが発生する場合がある。従って、恒温保持温度(T2)は820〜870℃である。
恒温保持温度(T2)が低すぎれば、カーボンポテンシャル等の雰囲気制御が困難になる。この場合、残留オーステナイトの体積率が調整しにくい。一方、恒温保持温度(T2)が高すぎれば、焼入れ時に生じる歪が増大して、焼割れが発生する場合がある。従って、恒温保持温度(T2)は820〜870℃である。
恒温保持処理時のカーボンポテンシャル(Cp2):0.7〜0.9%
恒温保持処理時におけるカーボンポテンシャル(Cp2)が低すぎれば、浸炭時に侵入したCが再度外部に放出される。この場合、浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが少なく、表層硬さも低い。その結果、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。一方、カーボンポテンシャル(Cp2)が高すぎれば、硬質な初析セメンタイトが析出する。この場合、初析セメンタイトを起点に亀裂が発生し、浸炭シャフト部品のねじり疲労強度が低下する。また、切削加工時の工具摩耗が増大し、浸炭材の被削性が低下する。従って、カーボンポテンシャル(Cp2)は0.7〜0.9%である。
恒温保持処理時におけるカーボンポテンシャル(Cp2)が低すぎれば、浸炭時に侵入したCが再度外部に放出される。この場合、浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが少なく、表層硬さも低い。その結果、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。一方、カーボンポテンシャル(Cp2)が高すぎれば、硬質な初析セメンタイトが析出する。この場合、初析セメンタイトを起点に亀裂が発生し、浸炭シャフト部品のねじり疲労強度が低下する。また、切削加工時の工具摩耗が増大し、浸炭材の被削性が低下する。従って、カーボンポテンシャル(Cp2)は0.7〜0.9%である。
恒温保持時間(t2):20〜60分
恒温保持時間(t2)が短すぎれば、粗部材の温度が均一にならず、焼入れ時に生じる歪が増大する。この場合、浸炭材に焼割れが発生する場合がある。一方、恒温保持時間(t2)が長すぎれば、生産性が低下する。従って、恒温保持時間(t2)は20〜60分である。
恒温保持時間(t2)が短すぎれば、粗部材の温度が均一にならず、焼入れ時に生じる歪が増大する。この場合、浸炭材に焼割れが発生する場合がある。一方、恒温保持時間(t2)が長すぎれば、生産性が低下する。従って、恒温保持時間(t2)は20〜60分である。
(焼入れ処理)
恒温保持処理後、周知の方法で焼入れ処理を施す。焼入れ処理は、例えば、油焼入れとすることができる。
恒温保持処理後、周知の方法で焼入れ処理を施す。焼入れ処理は、例えば、油焼入れとすることができる。
(焼戻し処理)
浸炭シャフト部品の靭性を高めたい場合、浸炭焼入れ処理を施した後、焼戻し処理を施してもよい。
浸炭シャフト部品の靭性を高めたい場合、浸炭焼入れ処理を施した後、焼戻し処理を施してもよい。
(浸炭材製造工程終了後の浸炭材の組織)
上述の条件で最終形態であるシャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面に相当する位置から20μmの深さ位置に相当する基準位置21の組織は、マルテンサイトと体積率で12.0〜35.0%の残留オーステナイト(RI)とを含むとともに、上記マルテンサイト及び残留オーステナイト以外の他の相が体積率で3%以下となる。
上述の条件で最終形態であるシャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面に相当する位置から20μmの深さ位置に相当する基準位置21の組織は、マルテンサイトと体積率で12.0〜35.0%の残留オーステナイト(RI)とを含むとともに、上記マルテンサイト及び残留オーステナイト以外の他の相が体積率で3%以下となる。
なお、焼入れ材における最終形態である浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面に相当する位置から20μmの深さ位置に相当する基準位置21の組織観察は次の方法で実施される。即ち、焼入れ材において、最終形態である浸炭シャフト部品の外周から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴軸心に垂直な断面における穴表層部を含み、穴の軸方向に垂直な面(横断面)が観察面になるような試験片を採取する(図1A−A’)。鏡面研磨した試験片を、5%ナイタール溶液で腐食する。腐食された面を、倍率1000倍の光学顕微鏡にて3視野観察する。このとき、基準位置を視野の中心にする(図1−11)。視野の中心から焼入れ材の表面方向に10μm、視野の中心から焼入れ材の表面と反対の方向に10μm、視野の中心から焼入れ材の表面方向と垂直な両方向に各々50μmの、20μm×100μmの範囲の平面内において、各相の面積率を通常の画像解析方法によって求める。3視野のそれぞれについて得られた各相の面積率の平均値を各相の体積率と定義する。
光学顕微鏡による組織観察では、残留オーステナイトはマルテンサイトに含まれている。つまり、光学顕微鏡による組織観察では、マルテンサイトと残留オーステナイトとの区別ができない。そこで、最終形態である浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面に相当する位置から20μmの深さ位置に相当する基準位置(図2−21)での残留オーステナイト体積率(RI)を、次の方法で測定する。穴の軸方向でかつその中心を通って穴を2分割するように浸炭材を切断する(図2B−B’)。穴表面において、外周表面から1mm深さ位置を中心にφ1mmの穴が開いたマスキングを施し、電解研磨を施す。電解研磨の時間を変化させることで研磨量を調整し、基準位置に達する深さの穴を掘る。電解研磨は、11.6%の塩化アンモニウムと、35.1%のグリセリンと、53.3%の水とを含有する電解液を用いて電圧20Vで行う。
電解研磨された表面において、基準位置を中心にX線を照射して、X線回折法により解析を行う。X線回折には、株式会社リガク製の商品名RINT−2500HL/PCを使用する。光源にはCr管球を使用する。管電圧は40kV、管電流は40mAであり、コリメーター直径は0.5mmである。VフィルターによってKβ線を除去し、Kα線を使用する。データ解析は、AutoMATEソフトウエア(株式会社リガク製)を用いる。Rachinger法によってKα2成分を除去し、Kα1成分のプロファイルを用いて、bcc構造の(211)面とfcc構造の(220)面の回折ピークの積分強度比に基づいて残留オーステナイト体積率(RI)を計算する。なお、照射するX線のスポットサイズはφ0.5mm以下とする。
最終形態である浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面に相当する位置から20μmの深さ位置に相当する基準位置21での残留オーステナイトの体積率(RI)は12.0〜35.0%である。残留オーステナイトは、浸炭焼入れ後の穴切削加工時に、加工誘起マルテンサイト変態する。上述したように、本発明に係るシャフト部品では、穴の周辺で形成された加工誘起マルテンサイトにより、穴の存在による浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度の低下が抑制される。外周表面から1mm深さ位置における残留オーステナイトの体積率(RI)が12.0%より低い場合、この効果が得られない。一方、残留オーステナイトの体積率(RI)が35.0%より高い場合、切削加工後にも多くの軟質なオーステナイトが残留する。そのため、浸炭シャフト部品全体では、優れた静ねじり強度及びねじり疲労強度を得られない。RIを12.0〜35.0%の範囲内に制御することにより、最終形態である浸炭シャフト部品において、以下の特徴すなわち(a)10.0〜30.0%の最大残留オーステナイト体積率(R1)及び(b)20%以上の残留オーステナイト減少率(Δγ)のうち一方又は両方をより確実に達成することができる。
浸炭材の基準位置におけるマルテンサイト及び残留オーステナイト以外の他の相(例えば、フェライト、パーライト、初析セメンタイト)の体積率は3%以下である。浸炭材の基準位置にフェライト、パーライト等の強度の低い相が存在すれば、これらの相は切削加工後も維持されるため、これらの相を基点に亀裂が発生しやすく、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。また、初析セメンタイトが存在すれば、初析セメンタイトを起点に亀裂が発生し、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。
[穴切削工程(切削加工)]
浸炭焼入れ処理を施した後、穴に切削加工を施す。切削加工により、穴を開けつつ、その表層で加工誘起マルテンサイト変態を発生させる。これにより、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が高まる。切削加工は、次の条件で行う。なお、切削工具としては、例えばcBNのエンドミルを用いることができる。cBNのエンドミルを使用することは、工具摩耗の抑制及び加工能率向上の点で有効である。また、工具コストを削減したい場合、コーティングが施された超硬ドリル(JIS B 0171:2014年、1003、1004番に規定するコーテッド超硬ドリル)を用いても良い。
浸炭焼入れ処理を施した後、穴に切削加工を施す。切削加工により、穴を開けつつ、その表層で加工誘起マルテンサイト変態を発生させる。これにより、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が高まる。切削加工は、次の条件で行う。なお、切削工具としては、例えばcBNのエンドミルを用いることができる。cBNのエンドミルを使用することは、工具摩耗の抑制及び加工能率向上の点で有効である。また、工具コストを削減したい場合、コーティングが施された超硬ドリル(JIS B 0171:2014年、1003、1004番に規定するコーテッド超硬ドリル)を用いても良い。
工具送りf:0.01mm/rev(回転)超0.1mm/rev以下
浸炭後に油穴を切削加工する際には、浸炭材外周部から中心に向かって、油穴にそって工具を回転させながら進めていく。その際に、工具一回転あたりに進む距離を工具送りfという。工具送りfが小さすぎれば、切削抵抗、つまり、工具が被削材に押し付けられる力が小さすぎる。この場合、十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。そのため、浸炭シャフト部品のねじり疲労強度が向上しない。一方、送りが大きすぎれば、切削抵抗が大きくなり過ぎる。この場合、切削時に工具が破損する恐れがある。従って、送りfは0.01mm/rev超0.1mm/rev以下である。送りfの好ましい下限は0.02mm/revである。送りfの好ましい上限は0.08mm/revであり、より好ましくは0.05である。
浸炭後に油穴を切削加工する際には、浸炭材外周部から中心に向かって、油穴にそって工具を回転させながら進めていく。その際に、工具一回転あたりに進む距離を工具送りfという。工具送りfが小さすぎれば、切削抵抗、つまり、工具が被削材に押し付けられる力が小さすぎる。この場合、十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。そのため、浸炭シャフト部品のねじり疲労強度が向上しない。一方、送りが大きすぎれば、切削抵抗が大きくなり過ぎる。この場合、切削時に工具が破損する恐れがある。従って、送りfは0.01mm/rev超0.1mm/rev以下である。送りfの好ましい下限は0.02mm/revである。送りfの好ましい上限は0.08mm/revであり、より好ましくは0.05である。
切削速度v:10〜50m/分
浸炭後に穴を切削加工する際には、浸炭材外周部から中心に向かって、穴にそって工具を回転させながら進めていく。その際に、工具の外周部が回転する速度を切削速度vという。切削速度vが大きすぎれば、切削温度が上昇し、マルテンサイト変態が生じ難くなる。そのため、浸炭シャフト部品のねじり疲労強度が向上しない。一方、切削速度が小さすぎれば、切削能率が低下し、製造効率が低下する。従って、切削速度vは10〜50m/分である。好ましい上限は40m/分であり、より好ましくは30m/分である。
浸炭後に穴を切削加工する際には、浸炭材外周部から中心に向かって、穴にそって工具を回転させながら進めていく。その際に、工具の外周部が回転する速度を切削速度vという。切削速度vが大きすぎれば、切削温度が上昇し、マルテンサイト変態が生じ難くなる。そのため、浸炭シャフト部品のねじり疲労強度が向上しない。一方、切削速度が小さすぎれば、切削能率が低下し、製造効率が低下する。従って、切削速度vは10〜50m/分である。好ましい上限は40m/分であり、より好ましくは30m/分である。
切り込み(d):0.05〜0.25mm
切り込み(d)は、浸炭シャフト部品の穴の半径と、粗部材における穴の半径の差であり、切削加工による削り代に相当する。切り込み(d)が小さすぎれば、切削抵抗が小さくなる。この場合、十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。そのため、浸炭シャフト部品のねじり疲労強度が向上しない。一方、切り込み(d)が大きすぎれば、浸炭硬化層が薄くなりすぎるため、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、切り込み(d)は0.05〜0.25mmである。切り込み(d)の好ましい下限は0.08mmであり、好ましい上限は0.20mmであり、より好ましくは0.15mmである。
切り込み(d)は、浸炭シャフト部品の穴の半径と、粗部材における穴の半径の差であり、切削加工による削り代に相当する。切り込み(d)が小さすぎれば、切削抵抗が小さくなる。この場合、十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。そのため、浸炭シャフト部品のねじり疲労強度が向上しない。一方、切り込み(d)が大きすぎれば、浸炭硬化層が薄くなりすぎるため、浸炭シャフト部品の静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。従って、切り込み(d)は0.05〜0.25mmである。切り込み(d)の好ましい下限は0.08mmであり、好ましい上限は0.20mmであり、より好ましくは0.15mmである。
(浸炭シャフト部品の組織)
以上に示す穴切削加工により浸炭シャフト部品が得られる。浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面から20μmの深さ位置である基準位置21において、残留オーステナイトの体積率(RF)が20%以下となり、切削前の残留オーステナイト体積率(RI)と切削後の残留オーステナイトの体積率(RF)から式(B)によって求められる切削前後の残留オーステナイト減少率(Δγ’)が35%以上となる。
以上に示す穴切削加工により浸炭シャフト部品が得られる。浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面から20μmの深さ位置である基準位置21において、残留オーステナイトの体積率(RF)が20%以下となり、切削前の残留オーステナイト体積率(RI)と切削後の残留オーステナイトの体積率(RF)から式(B)によって求められる切削前後の残留オーステナイト減少率(Δγ’)が35%以上となる。
オーステナイト体積率(RF)の測定は次の方法で実施される。即ち、穴の軸方向でかつその中心を通って穴を2分割するように浸炭シャフト部品を切断する(図2B−B’)。穴表面において、外周表面から1mm深さ位置を中心にφ1mmの穴が開いたマスキングを施し、電解研磨を施す。電解研磨の時間を変化させることで研磨量を調整し、20μm深さの穴を開ける。その穴の中心に、スポットサイズφ0.5mmのX線を照射して、前述の残留オーステナイト体積率(RI)と同様の方法にて残留オーステナイト体積率(RF)を測定する。
よって、切削加工前後の残留オーステナイトの体積減少率(Δγ’)は、求めた体積率(RI)及び(RF)に基づいて、式(B)によって計算される。
減少率Δγ’=(RI−RF)/RI×100 (B)
減少率Δγ’=(RI−RF)/RI×100 (B)
浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴表面から20μmの深さ位置におけるオーステナイト体積率(RF)は20%以下である。切削加工後の残留オーステナイトの体積率が高すぎれば、硬質なマルテンサイトが得られず、静ねじり強度及びねじり疲労強度が低下する。
切削加工前後の残留オーステナイトの体積減少率(Δγ’)は35%以上である。切削加工により、残留オーステナイトが加工誘起マルテンサイト変態することで、静ねじり強度及び疲労強度が高まる。体積減少率(Δγ’)が低すぎれば、この効果が十分に得られない。ここで、残留オーステナイト体積率(RF)とは、浸炭シャフト部品の欄で述べた残留オーステナイト体積率(R2)である。また、式(B)によって求められる残留オーステナイト減少率(Δγ’)とは、上述した(浸炭シャフト部品の欄で述べた)Δγに類似した値であり、いずれも浸炭シャフト部品の製造工程における穴切削加工時のオーステナイトの加工誘起変態の程度を表す。したがって、Δγが大きくなるほどΔγ’も大きくなる。
態様1の製造方法では、上記のとおり、粗部材製造工程において最終の穴径よりも小径の下穴を開けた後、次の浸炭材製造工程において浸炭焼入れ処理が行われる。したがって、態様1の製造方法によれば、この浸炭焼入れ処理によってシャフト部品の外周表面に近い下穴表層部を比較的容易に硬化させることができ、その結果として、最後の穴切削工程において当該外周表面に近い穴表層部の残留オーステナイトを硬質な加工誘起マルテンサイトに確実に変態させることが可能となる。それゆえ、態様1の製造方法によれば、穴付近の部位からの亀裂の発生及び進展が抑制されるため、静ねじり強度及びねじり疲労強度に優れた浸炭シャフト部品を製造することができる。
(態様2)
本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品は、態様1の場合とは異なり、鋼材に下穴を開けずに浸炭焼入れ処理を行った後、穴を切削加工することによって製造することも可能である。しかしながら、この場合には、下穴を開ける場合と比較して、鋼材のより深い位置まで確実に浸炭されるように浸炭処理の時間、すなわち浸炭時間(t1)を態様1の場合よりも長くすることが必要である。したがって、態様2によれば、浸炭時間(t1)は300分以上、例えば300〜900分とすることが好ましい。t1が300分未満であると、十分な浸炭がされないからである。なお、浸炭焼入れ処理における他の条件、すなわち浸炭温度(T1)、浸炭処理時のカーボンポテンシャル(Cp1)、恒温保持温度(T2)、恒温保持処理時のカーボンポテンシャル(Cp2)及び恒温保持時間(t2)は、態様1について上で記載された範囲内で適宜決定すればよい。また、穴切削工程における切削時の工具送り及び切削速度についても、態様1に関連して記載された範囲内で適宜決定すればよい。態様2は、下穴を開ける必要がないため、態様1より工程が簡単であるという点で有利である。しかしながら、態様2は、上記のとおり非常に長い浸炭時間(t1)を必要とする。したがって、生産性の観点からは態様1の製造方法を用いて本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品を製造することが好ましい。
本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品は、態様1の場合とは異なり、鋼材に下穴を開けずに浸炭焼入れ処理を行った後、穴を切削加工することによって製造することも可能である。しかしながら、この場合には、下穴を開ける場合と比較して、鋼材のより深い位置まで確実に浸炭されるように浸炭処理の時間、すなわち浸炭時間(t1)を態様1の場合よりも長くすることが必要である。したがって、態様2によれば、浸炭時間(t1)は300分以上、例えば300〜900分とすることが好ましい。t1が300分未満であると、十分な浸炭がされないからである。なお、浸炭焼入れ処理における他の条件、すなわち浸炭温度(T1)、浸炭処理時のカーボンポテンシャル(Cp1)、恒温保持温度(T2)、恒温保持処理時のカーボンポテンシャル(Cp2)及び恒温保持時間(t2)は、態様1について上で記載された範囲内で適宜決定すればよい。また、穴切削工程における切削時の工具送り及び切削速度についても、態様1に関連して記載された範囲内で適宜決定すればよい。態様2は、下穴を開ける必要がないため、態様1より工程が簡単であるという点で有利である。しかしながら、態様2は、上記のとおり非常に長い浸炭時間(t1)を必要とする。したがって、生産性の観点からは態様1の製造方法を用いて本発明の実施形態に係る浸炭シャフト部品を製造することが好ましい。
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。以下に示した表においては、本発明の要件を満たさない項目、および、本発明の望ましい製造条件を満たさない項目については、アスタリスク(*)を付与した。
真空溶解炉を用いて、表1に示す化学組成を有する150kgの溶鋼A〜Tを得た。
各鋼種の溶鋼を用いて、造塊法によりインゴットを得た。各インゴットを1250℃で4時間加熱した後、熱間鍛造を行って直径35mmの丸棒を得た。熱間鍛造時の仕上げ温度は1000℃であった。
各丸棒に対して焼準処理を行った。焼準処理温度は925℃であり、焼準処理時間は2時間であった。焼準処理後、丸棒を室温(25℃)まで放冷した。
放冷後の丸棒に対して機械加工を実施して、図4に示すねじり試験片41の元となる粗部材を製造した。上記の態様1の方法に従って浸炭焼入れ前に下穴を開ける場合には、粗部材の状態では、穴の直径は3mmより小さい。浸炭シャフト部品相当のねじり試験片41は、横断面が円形であり、円柱状の試験部42と、試験部42中央に配置された穴43と、両側に配置された円柱状の太径部44と、太径部の周を面取りした一対のつかみ部45とを備えている。さらに、軽量化のため、試験片の中心部は中空穴46となっている。図4に示すとおり、ねじり試験片41の全体長さは200mmであり、試験部42の外径は20mm、試験部42の長さは30mmであり、穴43の直径は3mmであり、中空穴46の直径は6mmである。
ねじり試験片41の粗部材に対して、表2に示す条件に基づいて、浸炭焼入れを実施した。
浸炭焼入れ後、180℃で30分間の焼戻し処理を行った。
表1の鋼種Dを用いて、表2の熱処理条件aの浸炭焼入れ及び焼戻しにより形成された浸炭硬化層の厚さは、表面からの距離(厚さ)とそのビッカース硬度(HV)との測定値から約1.0mmであった。
[浸炭材の組織観察]
浸炭材における最終形態である浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面に相当する位置から20μmの深さ位置に相当する基準位置21の組織観察を次の方法で実施した。即ち、焼入れ材において、最終形態であるシャフト部品相当の試験片(ねじり試験片41)の外周から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴軸心に垂直な断面における穴表層部を含み、穴の軸方向に垂直な面(横断面)が観察面になるような試験片を採取した(図1の符号12参照)。鏡面研磨した試験片を、5%ナイタール溶液で腐食した。腐食された面を、倍率1000倍の光学顕微鏡にて3視野観察した。このとき、基準位置を視野の中心にした。視野の中心から焼入れ材の表面方向に10μm、視野の中心から焼入れ材の表面と反対の方向に10μm、視野の中心から焼入れ材の表面方向と垂直な両方向に各々50μmの、20μm×100μmの範囲の平面内において、各相の面積率を通常の画像解析方法によって求めた。3視野のそれぞれについて得られた各相の面積率の平均値を各相の体積率と定義した。
浸炭材における最終形態である浸炭シャフト部品の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面に相当する位置から20μmの深さ位置に相当する基準位置21の組織観察を次の方法で実施した。即ち、焼入れ材において、最終形態であるシャフト部品相当の試験片(ねじり試験片41)の外周から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴軸心に垂直な断面における穴表層部を含み、穴の軸方向に垂直な面(横断面)が観察面になるような試験片を採取した(図1の符号12参照)。鏡面研磨した試験片を、5%ナイタール溶液で腐食した。腐食された面を、倍率1000倍の光学顕微鏡にて3視野観察した。このとき、基準位置を視野の中心にした。視野の中心から焼入れ材の表面方向に10μm、視野の中心から焼入れ材の表面と反対の方向に10μm、視野の中心から焼入れ材の表面方向と垂直な両方向に各々50μmの、20μm×100μmの範囲の平面内において、各相の面積率を通常の画像解析方法によって求めた。3視野のそれぞれについて得られた各相の面積率の平均値を各相の体積率と定義した。
[残留オーステナイトの体積率(RI)の測定]
焼入れ材において、最終形態であるシャフト部品相当の試験片(ねじり試験片51)の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面に相当する位置から20μmの深さ位置に相当する基準位置21でのオーステナイト体積率(RI)を、次の方法で測定する。穴の軸方向でかつその中心を通って穴を2分割するように浸炭材を切断した(図2)。穴表面において、外周表面から1mm深さ位置を中心にφ1mmの穴が開いたマスキングを施し、電解研磨を施す。電解研磨の時間を変化させることで研磨量を調整し、基準位置に達する深さの穴を掘る。電解研磨は、11.6%の塩化アンモニウムと、35.1%のグリセリンと、53.3%の水とを含有する電解液を用いて、電圧20Vで電解研磨を行った。
焼入れ材において、最終形態であるシャフト部品相当の試験片(ねじり試験片51)の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面に相当する位置から20μmの深さ位置に相当する基準位置21でのオーステナイト体積率(RI)を、次の方法で測定する。穴の軸方向でかつその中心を通って穴を2分割するように浸炭材を切断した(図2)。穴表面において、外周表面から1mm深さ位置を中心にφ1mmの穴が開いたマスキングを施し、電解研磨を施す。電解研磨の時間を変化させることで研磨量を調整し、基準位置に達する深さの穴を掘る。電解研磨は、11.6%の塩化アンモニウムと、35.1%のグリセリンと、53.3%の水とを含有する電解液を用いて、電圧20Vで電解研磨を行った。
電解研磨された表面において、基準位置を中心にX線を照射して、X線回折法により解析を行った。X線回折には、株式会社リガク製の商品名RINT−2500HL/PCを使用する。光源にはCr管球を使用する。管電圧は40kV、管電流は40mAであり、コリメーター直径は0.5mmである。VフィルターによってKβ線を除去し、Kα線を使用した。データ解析は、AutoMATEソフトウエア(株式会社リガク製)を用いた。Rachinger法によってKα2成分を除去し、Kα1成分のプロファイルを用いて、bcc構造の(211)面とfcc構造の(220)面の回折ピークの積分強度比に基づいて残留オーステナイト体積率(RI)を計算した。なお、照射するX線のスポットサイズはφ0.5mm以下とした。
浸炭材となったねじり試験片41に対して、表3に示す条件で穴切削加工を施して、浸炭シャフト部品相当のねじり試験片41を得た。なお、表3中の切削条件α、β、γ、ε、ζ及びηは鋼材に下穴を開けて浸炭焼入れ処理を施した後、表3に示す工具送りf及び切削速度vの条件で穴切削加工することを意味している。一方、切削条件δは鋼材に下穴を開けずに浸炭焼入れ処理を施した後、表3に示す工具送りf及び切削速度vの条件で穴切削加工することを意味し、切削条件θは鋼材に下穴を開けて浸炭焼入れ処理を施した後、穴切削加工を行わないことを意味している。
穴切削加工の際、切削工具には、超硬合金の表面に、セラミックコーティングを施した、直径3mmのコーテッド超硬ドリルを利用した。また、面取りには、先端角90°の直径6mmのコーテッド超硬ドリルの先端部を用いた。
そして、上記の穴開け加工を施したものを、ねじり試験片41とした。
表1の鋼種Dを用いて、表2の熱処理条件a、表3の切削条件αにより形成された穴表面付近のビッカース硬度は、穴表面から深さ方向の距離10μmのところで約900Hv、20μmのところで約890HV、40μmのところで約860HV、50μmのところで約820HV、100μmのところで約770HV、300μmのところで約740HVであった。
[残留オーステナイトの体積率(R2・RF)の測定]
浸炭シャフト部品相当の試験片(ねじり試験片41)の穴の軸方向でかつその中心を通って穴を2分割するように浸炭シャフト部品を切断した(図2)。穴表面において、外周表面から1mm深さ位置を中心にφ1mmの穴が開いたマスキングを施し、電解研磨を施した。電解研磨の時間を変化させることで研磨量を調整し、20μm深さの穴を掘った。
浸炭シャフト部品相当の試験片(ねじり試験片41)の穴の軸方向でかつその中心を通って穴を2分割するように浸炭シャフト部品を切断した(図2)。穴表面において、外周表面から1mm深さ位置を中心にφ1mmの穴が開いたマスキングを施し、電解研磨を施した。電解研磨の時間を変化させることで研磨量を調整し、20μm深さの穴を掘った。
穴表面に対して、上述の方法でX線回折を実施し、外周表面から1mmの深さ位置でかつ穴の表面から20μm深さ位置の残留オーステナイトの体積率(R2・RF)を求めた。
[残留オーステナイトの体積率(R1)の測定]
浸炭シャフト部品相当の試験片(ねじり試験片41)の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面から200μm深さまでの範囲における最大残留オーステナイト体積率(R1)を、次の方法で測定した。穴の軸方向でかつその中心を通って穴を2分割するように浸炭材を切断した(図2)。穴表面において、外周表面から1mm深さ位置を中心にφ1mmの穴が開いたマスキングを施し、電解研磨を施した。電解研磨の時間を変化させることで研磨量を調整し、30μm深さの穴を掘った。その表面に対して上述の方法でX線回折を実施し、表面から30μm位置の残留オーステナイトの体積率を求めた。この過程を繰り返すことで、10μmずつ穴を深くし、その都度残留オーステナイトの体積率を測定することを、穴の深さが200μmとなるまで繰り返した。そしてその中で得られた最大の残留オーステナイト体積率を(R1)とした。
浸炭シャフト部品相当の試験片(ねじり試験片41)の外周表面から穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ穴の表面から200μm深さまでの範囲における最大残留オーステナイト体積率(R1)を、次の方法で測定した。穴の軸方向でかつその中心を通って穴を2分割するように浸炭材を切断した(図2)。穴表面において、外周表面から1mm深さ位置を中心にφ1mmの穴が開いたマスキングを施し、電解研磨を施した。電解研磨の時間を変化させることで研磨量を調整し、30μm深さの穴を掘った。その表面に対して上述の方法でX線回折を実施し、表面から30μm位置の残留オーステナイトの体積率を求めた。この過程を繰り返すことで、10μmずつ穴を深くし、その都度残留オーステナイトの体積率を測定することを、穴の深さが200μmとなるまで繰り返した。そしてその中で得られた最大の残留オーステナイト体積率を(R1)とした。
[静ねじり試験(静ねじり強度の測定)]
図4に示すねじり試験片41を用いて、サーボパルサー式ねじり試験機でねじり試験を行い、応力とねじり角の関係を取得した。次いで、応力とねじり角が比例関係を保つ最大のせん断応力τ、いわゆる比例限を静ねじり強度とした。この比例限は、引張試験でいう降伏応力に相当する。本試験においては、静ねじり強度が520MPa以上の場合が、従来技術に対して優れた静ねじり強度を有するという点で合格である。
図4に示すねじり試験片41を用いて、サーボパルサー式ねじり試験機でねじり試験を行い、応力とねじり角の関係を取得した。次いで、応力とねじり角が比例関係を保つ最大のせん断応力τ、いわゆる比例限を静ねじり強度とした。この比例限は、引張試験でいう降伏応力に相当する。本試験においては、静ねじり強度が520MPa以上の場合が、従来技術に対して優れた静ねじり強度を有するという点で合格である。
[ねじり疲労試験(ねじり疲労強度の測定)]
図4に示すねじり試験片41を用いて、負荷最大せん断応力τを50MPaピッチで変化させて、繰り返し周波数4Hzで両振りのねじり疲労試験を行った。そして、繰り返し数105回に達する前に破断した最大せん断応力の最小値(τf,min)と、(τf,min)より低い応力で最大の未破断点の最大せん断応力(σr,max)との中間点を疲労限度とした。なお、試験機にはサーボパルサー式ねじり試験機を用いた。本試験においては、ねじり疲労強度が375MPa以上の場合が、従来技術に対して優れたねじり疲労強度を有するという点で合格である。
図4に示すねじり試験片41を用いて、負荷最大せん断応力τを50MPaピッチで変化させて、繰り返し周波数4Hzで両振りのねじり疲労試験を行った。そして、繰り返し数105回に達する前に破断した最大せん断応力の最小値(τf,min)と、(τf,min)より低い応力で最大の未破断点の最大せん断応力(σr,max)との中間点を疲労限度とした。なお、試験機にはサーボパルサー式ねじり試験機を用いた。本試験においては、ねじり疲労強度が375MPa以上の場合が、従来技術に対して優れたねじり疲労強度を有するという点で合格である。
[試験結果]
以上に説明した各試験等に関する結果を表4、表5に示す。
以上に説明した各試験等に関する結果を表4、表5に示す。
表4から明らかなように、本発明に係る実施例の浸炭シャフト部品では、その化学組成(表層部のC含有量を含む)を調整することを前提に、特に切削前の穴表層部の残留オーステナイト体積率に相当するRIを所定の範囲に制御しつつ、切削後にその減少率Δγ‘が所定の割合以上になるように当該残留オーステナイトを加工誘起マルテンサイトに変態させることで、優れた静ねじり強度及びねじり疲労強度を達成できることが証明された。これらの特徴は、浸炭シャフト部品において、R1が10.0〜30.0%であること、Δγが20%以上であること等に見出される。また、鋼材に下穴を開けずに浸炭焼入れ処理を施した後、穴切削加工した表4のNo.26の浸炭シャフト部品(表3の切削条件δ)においても、600分の比較的長い浸炭時間(t1)にわたって浸炭処理(表2の熱処理条件d)を行うことで、最終形態である浸炭シャフト部品において、10.0〜30.0%のR1及び20%以上のΔγの両方の特徴を達成し、その結果として優れた静ねじり強度及びねじり疲労強度を達成できることが証明された。
これに対し、表5から明らかなように、比較例の浸炭シャフト部品では、その化学組成(表層部のC含有量を含む)、R1及びΔγ等が本発明の範囲内に制御されていないために、静ねじり強度とねじり疲労強度を高いレベルで両立できていないことがわかる。また、鋼材に下穴を開けずに浸炭焼入れ処理を施した後、穴切削加工した表5のNo.33の浸炭シャフト部品(表3の切削条件δ)においては、浸炭時間(t1)が120分と比較的短いために(表2の熱処理条件c)、例えば、最終形態である浸炭シャフト部品においてR1が10.0〜30.0%の範囲外となっており、結果として静ねじり強度とねじり疲労強度を高いレベルで両立できていないことがわかる。
11 組織観察位置
12 走査型電子顕微鏡観察位置
21 基準位置
22 浸炭シャフト部品の穴表面
23 浸炭材の穴表面
31 塑性流動層
32 母材
41 ねじり試験片
42 試験部
43 穴
44 太径部
45 つかみ部
51 加工誘起マルテンサイト層
12 走査型電子顕微鏡観察位置
21 基準位置
22 浸炭シャフト部品の穴表面
23 浸炭材の穴表面
31 塑性流動層
32 母材
41 ねじり試験片
42 試験部
43 穴
44 太径部
45 つかみ部
51 加工誘起マルテンサイト層
Claims (4)
- 外周表面から3mm深さ又はそれより深い内部が、質量%で、
C:0.10〜0.30%、
Si:0.01〜0.30%、
Mn:0.4〜2.0%、
P:0.050%以下、
S:0.005〜0.020%、
Cr:0.4〜3.5%、
Al:0.010〜0.050%、
N:0.005〜0.025%、及び
O:0.003%以下
を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
任意選択で、さらに、質量%で、
Pb:0.5%以下、
V、Nb及びTiからなる群から選択される1種以上を総含有量で0.1%以下、
Mo:3.0%以下及びNi:2.5%以下からなる群から選択される1種以上、
Cu:0〜0.50%、及び
B:0〜0.020%
を含有し、式(1)及び式(2)を満たし、
表層部のC含有量(Cs)が質量%で0.60〜1.00%であり、
前記外周表面に少なくとも1つの穴を有し、
前記外周表面から前記穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ前記穴の表面から20μmの深さ位置での組織におけるマルテンサイトと残留オーステナイトの合計体積率(α’+γ)が97%以上であり、
前記外周表面から前記穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ前記穴の表面から200μm深さまでの範囲における最大残留オーステナイト体積率(R1)が10.0〜30.0%であり、
前記R1と、前記外周表面から前記穴の軸方向に1mmの深さ位置でかつ前記穴の表面から20μmの深さ位置での残留オーステナイト体積率(R2)とから式(A)によって求められる残留オーステナイト減少率(Δγ)が20%以上であることを特徴とする、浸炭シャフト部品。
1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Ni≧2.35 (1)
11.3≦−0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Ni≦33.8 (2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、各元素の含有量(質量%)が代入され、元素を含まない場合は0が代入される。
Δγ=(R1−R2)/R1×100 (A) - 前記R2が20%以下であることを特徴とする、請求項1に記載の浸炭シャフト部品。
- 前記穴の表面に塑性流動層を有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の浸炭シャフト部品。
- 前記塑性流動層の厚さが0.5〜15μmであることを特徴とする、請求項3に記載の浸炭シャフト部品。
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