JP7149179B2 - 静捩り強度ならびに捩り疲労強度に優れた高周波焼入れ用鋼材による自動車用機械部品 - Google Patents
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Description
そこで、従来のシャフト部材には、中炭素合金鋼であるSCr440やSCM440等が用いられてきた。しかし、前述のような自動車の高トルク化や高出力化の背景に伴い、さらなる静捩り強度や捩り疲労強度に優れたシャフト部材などの自動車用機械部品の開発が求められている。
しかし、高周波焼入れ前のミクロ組織は初析フェライト体積率が15%未満のパーライト主体の鋼で、この鋼の高周波焼入れ焼戻し後の芯部は軟質であり、有効硬化層/半径の比が0.4~0.6であることから、ねじり強度向上に有効な断面平均硬さの大幅な上昇は見込めないものである。
また、高周波焼入れ用鋼材からなる自動車用機械部品に高周波焼入れ・焼戻しを行った後、さらにショットピーニング層を付与した、静捩り強度ならびに捩り疲労強度に優れた、シャフト部材などの、自動車用機械部品を提供することである。
高周波焼入れ・焼戻しされた状態における、表面硬さが600Hv以上、芯部硬さが350Hv以上、(硬化層深さ/部品半径)の比が0.5~1.0、下記数式で表される断面平均硬さが550Hv以上、かつ、最表面の結晶粒度番号が7.0以上の値を有していることを特徴とする自動車用機械部品である。
高周波焼入れ・焼戻しされた状態における、表面硬さが600Hv以上、芯部硬さが350Hv以上、(硬化層深さ/部品半径)の比が0.5~1.0、下記数式で表される断面平均硬さが550Hv以上、かつ、最表面の結晶粒度番号が7.0以上の値を有していることを特徴とする自動車用機械部品である。
高周波焼入れ・焼戻しされた状態における、表面硬さが600Hv以上、芯部硬さが350Hv以上、(硬化層深さ/部品半径)の比が0.5~1.0、下記数式で表される断面平均硬さが550Hv以上、かつ、最表面の結晶粒度番号が7.0以上の値を有していることを特徴とする自動車用機械部品である。
また、上記の焼入れ・焼戻し後の鋼部品にショットピーニングした鋼部品は、表面硬さが700Hv以上で、かつ表面の圧縮残留応力が1000MPa以上となることから、静捩り強度および捩り疲労強度において、より一層に優れた鋼部品となっている。
このように本発明は、自動車用機械部品のなかでも、とりわけ軸部を有するシャフト部材に好適な静捩り強度と捩じり疲労特性と捻りを備えたものとなっている。
Cは、高周波焼入れ・焼戻し状態における、鋼部品の表面硬さを600Hv以上確保するためには、また、鋼部品の断面平均硬さを550Hv以上確保するためには、Cは0.42%以上が必要である。
しかし、Cが0.48%を超えると、鋼材の被削性や冷間鍛造性に劣ってくる。また、捩り試験時の鋼材の破壊が脆性破壊になり、かえって捩り強度が低下することとなる。また、高周波焼入れ時に、焼き割れが発生しやすくなる。 そこで、Cは0.42~0.48%とする。
Siは、脱酸に必要な元素であり、また鋼材の焼入性や強度向上に有効な元素であり、粒界を強化する元素であり、捩り強度向上に有効な元素である。このためには、Siは0.20%以上が必要である。
しかし、Siが1.10%を超えると、被削性が低下し、焼ならし、焼なまし後にフェライト基地の硬さを上げ、冷鍛時に割れが発生しやすくなる。
そこで、Siは0.20~1.10%とする
Mnは、脱酸に必要な元素であり、鋼材の焼入性や強度向上に有効な元素である。このためには、Mnは0.70%以上が必要である。
しかし、Mnが0.90%を超えると、鋼部品の焼なまし後のフェライト基地の硬さを上げて、冷間鍛造時に割れが発生しやすくなり、さらに被削性が低下する。さらにPとなどの脆化元素の粒界偏析を助長することで、静捩り強度を低下させる。
そこで、Mnは0.70~0.90%とする。
Pは、粒界に偏析して捩り疲労強度を低下させ、焼なまし後のフェライト基地の硬さを上げる元素であり、冷間鍛造時に割れ発生を助長する元素である。そこで、Pは0.030%以下とする。
Sは被削性を向上させる元素であるが、MnSを多く生成すると冷間鍛造性や捩り強度を低下させる。そこで、Sは0.030%以下とする。
Crは、鋼の焼入性や強度向上に有効な元素である。このためには、Crは0.90%以上が必要である。
しかし、Crが1.20%以上に含有されると、鋼材の被削性や冷間鍛造性を低下させる。
そこで、Crは0.90~1.20%とする。
Alは脱酸に必要な元素であり、また、固溶Nと結合してAlNを形成することで高周波焼入れ加熱時の結晶粒の粗大化を抑制する働きがある。このためには、Alは0.010%が必要である。
しかし、Alは0.040%より多く含有されると、鋼中にアルミナ系酸化物が増加し、鋼材の捩り疲労強度を低下させる。
そこで、Alは0.010~0.040%とする。
Nは鋼中でAlやNbと結合してAlNやNbCNを形成することで、鋼材の結晶粒粗大化の抑制に寄与する元素であるが、Nが0.0200%より多いと、鋼材の熱間加工性を劣化させ、かつ、窒化物が介在物となって捩り疲労強度に対して悪影響を及ぼす。そこで、Nは0.0200%以下とする。
Moは、鋼の焼入性や強度向上に有効な元素であり、粒界を強化し、脆性破面を減少させる元素であり、かつ捩り強度の向上に有効な元素である。そこで、Moは0.10%以上とする。
しかし、Moは焼なまし後のフェライト基地の硬さを上げ、冷間鍛造時に割れを発生し易くする元素であり、Moは0.30%より多いと、被削性が低下し、鋼材コストが増加する。
そこで、Moは0.10~0.30%とする。
TiはCと結合してTiCを形成することで、浸炭加熱時の粗大化を抑制する元素であり、さらにTiはNと結合することで、BがBNになることを防ぐ元素である。このためには、Tiは0.010%以上とする。
一方、Tiは0.050%より多いと、過剰なTiCやTiNの形成によって、鋼材の被削性や冷間鍛造性を低下させる元素である。
そこで、Tiは0.010~0.050%とする。
Bは少量の添加によって鋼の焼入性を著しく向上させる元素であり、Bの添加によって他の合金元素の添加量を減らすことができる。さらに、Bは粒界を強化し、脆性破面を減少させる元素でもあり、捩り強度の向上に有効な元素である。このために、Bは0.0003%以上とする。
しかし、Bは0.0030%より多く含有させても、鋼材の焼入性および強度向上の効果は飽和する。
そこで、Bは0.0003~0.0030%とする。
表面硬さが600Hv以上であると、自動車用機械部品の断面平均硬さが増加し、さらに該自動車用機械部品の捩り強度が向上する。そこで、表面硬さは600Hv以上とする。
芯部硬さが350Hv以上であると、自動車用機械部品の断面平均硬さが増加し、さらに自動車用機械部品の捩り強度が向上する。そこで、非硬化層である芯部硬さは350Hv以上とする。
(硬化層深さ/部品半径)の比が0.5以上であると、自動車用機械部品の断面平均硬さが増加し、さらに自動車用機械部品の捩り強度が向上する。
しかし、(硬化層深さ/部品半径)の比は1.0を超えても、自動車機械部品の断面平均硬さが増加することはない。
そこで、(硬化層深さ/部品半径)の比は0.5~1.0とする。
断面平均硬さが550Hv以上であると、自動車機械部品の捩り強度が向上する。そこで、断面平均硬さは550Hv以上とする。
表面の結晶粒度番号は、その番号が大きい方が鋼部材の捩り強度向上に有効であり、結晶粒度番号が7.0以上であると、PやSの粒界脆化元素の偏析量を軽減でき、この結果、自動車機械部品の捩り疲労強度が向上できる。そこで、表面の結晶粒度番号を7.0以上とする。
本発明の化学成分の鋼材に高周波焼入れ焼戻し処理をし、さらにショットピーニングを付与することによって表面硬さを700Hv以上にすると、ショットピーニングを施さないものに比して、自動車用機械部品の断面平均硬さがさらに増加し、該自動車用機械部品の捩り強度がより向上したものとなる。
また、ショットピーニングによって表面に圧縮残留応力領域が形成されると、き裂進展が抑制されるなど破壊を生じにくくなるので、捩り疲労強度がより向上する。
そこで、ショットピーニング層の表面硬さを700Hv以上、かつ表面の残留圧縮応力を1000MPa以上の値を有していることとする。
そして、表2には各供試材を(a)高周波焼入れ焼戻し処理した高周波焼き入れ鋼部品の場合の、表3には各供試材を(b)高周波焼入れ焼戻し処理をしたものにさらにショットピーニングを付してショットピーニング層を形成させた鋼部品の場合の、それぞれの表面硬さ、芯部硬さ、(硬化層深さ/部品半径)の比、断面平均硬さ、表面の結晶粒度番号、ショットピーニング後の表面硬さ、ショットピーニング後の圧縮残留応力、静捩り強度比、捩り疲労強度比を記載している。
また、表2及び表3には、比較例として、供試材No.2、供試材No.8~No.11を用いた比較例No.2(a)、比較例No.2(b)、比較例No.8(a)、比較例No.8(b)、比較例No.9(a)、比較例No.9(b)、比較例No.10(a)、比較例No.10(b)、比較例No.11(a)、比較例No.11(b)を示す。
なお、表2、表3における静捩り強度比と、捩り疲労強度比は、いずれも、表2の比較例No.11(a)の高周波焼入れ焼戻し処理された鋼部品の強度を1.0とした場合の、これに対する比を示したものである。
まず、供試材No.1~11の表1に示された化学成分を有し残部がFe及び不可避不純物からなる鋼材を、それぞれ100kg真空溶解炉で溶製し、直径45mmに熱間鍛伸した後に放冷し、次いで、焼ならしとして870℃で1時間保持した後空冷して標準的な状態とし、さらに、低温焼なましとして720℃に4時間保持した後に空冷により徐冷して、得られた鋼材を、図1に示す捩り試験片1に加工した。
さらに、この捩り試験片1に、ずぶ焼入れとして、860℃で0.5時間保持した後、油冷し、その後高温焼戻し温度580℃で1.5時間保持した後に空冷し、さらに、高周波焼入れ・焼戻しを行なって、捩り試験片1を表2(a)に示す高周波焼入れ・焼戻し状態とした。
また、高周波焼入れ・焼戻しした状態でさらにショットピーニング処理を施し、表面にショットピーニング層を形成した状態の試験片を表3(b)の捩じり試験片とした。
得られた(a)および(b)の各捩り試験片1に対して、それぞれ、静捩り・捩り疲労試験を実施した。
また、捩り疲労強度比は、両振り、周波数5Hzの条件で105サイクル疲労強度の値とした。
表2、表3に示すとおり、芯部硬さは、実施例No.1については(a)の高周波焼入れの場合及び(b)のショットピーニング層の場合も、共に629Hvであり、実施例No.3については(a)の高周波焼入れの場合及び(b)のショットピーニング層の場合も、共に638Hvであり、実施例No.4については(a)の高周波焼入れの場合及び(b)のショットピーニング層の場合も、共に451Hvであり、実施例No.5については(a)の高周波焼入れの場合及び(b)のショットピーニング層の場合も、共に632Hvであり、実施例No.6については(a)の高周波焼入れの場合及び(b)のショットピーニング層の場合も、共に642Hvであり、実施例No.7については(a)の高周波焼入れの場合及び(b)のショットピーニング層の場合も(a)の高周波焼入れの場合及び(b)のショットピーニング層の場合も、共に447Hvである。そこで、いずれも本発明が規定するとおり芯部硬さは350Hv以上である。
他方、比較例No.10については(a)の高周波焼入れの場合も(b)のショットピーニング層の場合も共に347Hvであり、いずれも本発明で規定する350Hvよりも芯部硬さは低い値である。
(硬化層深さ/部品半径)の比は、実施例No.1(a)高周波焼入れの場合およびNo.1(b)のショットピーニング層の場合のいずれも1.0であり、実施例No.3(a)および実施例No.3(b)のいずれの場合も1.0であり、実施例No.4(a)および実施例No.4(b)のいずれの場合も0.8であり、実施例No.5(a)および実施例No.5(b)のいずれの場合も1.0であり、実施例No.6(a)および実施例No.6(b)のいずれの場合も1.0であり、実施例No.7(a)および実施例No.7(b)のいずれの場合も0.5である。そこで、いずれも本発明が規定する0.5~1.0の比を満足している。
他方、比較例のNo.11では、(a)の高周波焼入れの場合及び(b)のショットピーニング層の場合のいずれも、0.4であり、本発明の規定する0.5~1.0よりも低い値となった。
供試材No.2を用いた比較例No.2(a)及び比較例No.2(b)は、表面の結晶粒度番号が6.8であり、本願の規定する7.0よりも下回っている。そこで、供試材1を用いた実施例No.1(a)及び実施例No.1(b)と比べて、捩り強度が低いものとなった。このように比較例のNo.2(a)及びNo.2(b)の結晶粒度番号が小さくなっているのは、高周波時のオーステナイト化保持時間を他条件と比べて2倍長く設定したためである。
また、供試材No.8を用いた比較例No.8(a)及び比較例No.8(b)は、表面の結晶粒度番号が6.9であり、本願の規定する7.0よりも下回っている。そこで、供試材7を用いた実施例No.7(a)及び実施例No.7(b)と比べて、捩り強度が低いものとなった。このように比較例のNo.8(a)及びNo.8(b)の結晶粒度番号が小さくなっているのは、高周波時のオーステナイト化保持時間を他条件と比べて2倍長く設定したためである。
結晶粒度の番号が大きい方が鋼部材の捩り強度向上に有効であり、結晶粒度番号が7.0以上であると、PやSの粒界脆化元素の偏析量を軽減でき、捩り疲労強度が向上できる。比較例No.2(a)及びNo.2(b)、比較例No.8(a)及び8(b)では、結晶粒度が7.0を下回っているので、静捩り強度、捩り疲労強度の双方が向上するといったことはなかった。そこで、実施例No.1、実施例No.3~No.7の場合と比して、(a)(b)いずれの場合も静捩り強度、捩り疲労強度が劣る結果となった。
供試材No.9を用いた比較例No.9(a)、比較例No.9(b)は、供試材No.5のC量が0.50%と本発明よりも多いことから、脆性破壊が起こりやすくなっている。そこで、比較例No.9(a)、比較例No.9(b)のいずれの場合も、実施例No.1、実施例No.3~No.7の(a)(b)のいずれもの場合と比して、静捩り強度、捩り疲労強度が劣る結果となっている。
供試材No.10を用いた比較例No.10(a)、比較例No.10(b)は、供試材No.10のC量が0.35%と本発明より少ないことから、表面硬さが低くなっており、また芯部硬さも低くなっている。そして、断面平均硬さも523Hvと550Hvを下回っており、捩り強度が向上していない。そこで、比較例No.10(a)、比較例No.10(b)のいずれの場合も、実施例No.1、実施例No.3~No.7の(a)(b)のいずれもの場合と比して、静捩り強度、捩り疲労強度が劣る結果となっている。
供試材No.11を用いた比較例No.11(a)、比較例No.11(b)は、供試材No.11のC量が0.40%と本発明より少ないことから、表面硬さが低くなっている。そして、断面平均硬さも532Hvと550Hvを下回っており、捩り強度が向上していない。そこで、比較例No.11(a)、比較例No.11(b)のいずれの場合も、実施例No.1、実施例No.3~No.7の(a)(b)のいずれもの場合と比して、静捩り強度、捩り疲労強度が劣る結果となっている。
2 φ7mmの貫通穴
3 φ4mmの貫通穴
Claims (4)
- 化学成分として、質量%で、C:0.42~0.48%、Si:0.20~1.10%、Mn:0.70~0.90%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:0.90~1.20%、Al:0.010~0.040%、N:0.0200%以下を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる高周波焼入れ用鋼からなる自動車用機械部品であって、
高周波焼入れ・焼戻しされた状態における、表面硬さが600Hv以上、芯部硬さが350Hv以上、(硬化層深さ/部品半径)の比が0.5~1.0、下記数式で表される断面平均硬さが550Hv以上、かつ、最表面の結晶粒度番号が7.0以上の値を有していることを特徴とする自動車用機械部品。
- 自動車用機械部品は、高周波焼入れ・焼戻しされた状態の自動車用機械部品にショットピーニング層を有し、このショットピーニング層の表面硬さが700Hv以上、かつ表面の圧縮残留応力が1000MPa以上の値を有していることを特徴とする請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の自動車用機械部品。
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