JP7230475B2

JP7230475B2 - 浸炭鋼部品の製造方法

Info

Publication number: JP7230475B2
Application number: JP2018231569A
Authority: JP
Inventors: 直樹福田; 侑大岩本; 康弘福田; 浩行水野
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 2018-12-11
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2023-03-01
Anticipated expiration: 2038-12-11
Also published as: JP2020094231A

Description

本発明は、浸炭鋼部品の製造方法に関する。

例えば、自動車のエンジンからの出力をドライブシャフトへと伝えるデフリングギヤは、静的な強度と、低サイクルから高サイクルにおける疲労強度という幅広い強度特性を必要とする駆動系部品である。すなわち、デフリングギヤは、長期間の自動車の使用中において、突発的な急発進等で瞬間的に高応力が負荷されるため、高い低サイクル疲労強度が要求される。その一方で、突発的な急発進時ほど高い応力負荷はかからない状態で長期間安心して使用可能とするためには、優れた高サイクル疲労強度の確保が必要である。従って、両者の疲労強度を両立できる技術開発が強く求められていた。

ここで、本願明細書においては、低サイクル疲労強度とは、１００～１００００回程度の繰り返し数まで耐えられる応力値のことを言い、高サイクル疲労強度とは、従来から普通に疲労強度と言われている耐久限度であって、例えば繰り返し数１０⁷回程度まで耐えられる応力値のことをいう。

従来の浸炭鋼部品に関する文献においては、サイクル数について特に言及のない場合が多く、この場合は、１０⁷回といった高サイクルでの耐久限について検討されたものであることが一般的である。そして、後述の一部の特許文献において、低サイクルに注目した発明が提案されているにすぎない。さらに、低サイクルに加え、高サイクルの疲労特性まで両立できる発明は、ほとんど提案されていない。

例えば、特許文献１には、鋼材の化学成分および浸炭後の表面の硬さおよび心部の硬さを適切に制御することにより、繰り返し荷重の付加が１０²回～１０⁴回の低サイクル疲労強度を高めることが示されている。特に、心部硬さをＨＶ４００～５００とすることを特徴としている。しかしながら、本特許文献では、個々の実施例に熱処理条件に関する記載が全くなく、得られた低サイクル疲労強度と具体的な熱処理条件との関係を把握することができない。また、高サイクル疲労強度については、全く記載されていない。従って、いかなる条件とした場合に、２つの疲労強度を両立できるのか判断できない。

また、特許文献２には、鋼材の化学成分および浸炭後の表面近傍の浸炭異常層、あるいは部品芯部の不完全焼入れ相の制御をＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉの添加量により規定することで繰り返し荷重の付加が１００回～５００回の低サイクル疲労強度を高めることが示されている。しかしながら、この例でも、高サイクル疲労強度については何ら言及されておらず、特許文献１と同様に２つの疲労強度を両立できる条件の明確化が成されていない。

なお、過去に特許文献３に示す通り、幅広いサイクル数において、優れた疲労強度の得られる鋼が開発されているが、この鋼は、Ｔｉ、Ｂの必須添加を前提とする発明である。しかし、Ｔｉ、Ｂ添加鋼の場合、浸炭焼入れ処理によって生じる浸炭歪が非常に大きい点で、未添加鋼に比べて問題があるため、実部品への適用は十分にできていないのが現状である。

特開２０１０－２８５６８９号公報特開２０１１－２０８２２５号公報特開２０１０－１５０５９２号公報

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、浸炭歪を悪化させることなく、高サイクルと低サイクルの両方において高い疲労強度特性を発揮する浸炭鋼部品の製造方法を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、質量比において、Ｃ：０．１０％～０．２９％、Ｓｉ：０．７０％～１．２０％、Ｍｎ：０．３０％～１．００％（ただし、Ｍｎが０．５０％以下の場合を除く）、Ｃｒ：０．１５％～１．２５％、Ｍｏ：０．８０％以下（０％を含む）、Ａｌ：０．０２０％～０．０５０％、Ｎ：０．００３０％～０．０２００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる化学成分を有し、
表面に浸炭層を備え、
１Ｈｚあるいは５Ｈｚの周波数で繰り返し所定応力を負荷して行う低サイクル疲労試験における繰り返し回数１００回において、折損せずに耐えうる負荷応力の値が、１５４０ＭＰａ以上であり、
回転数１８００ｒｐｍで繰り返し曲げ応力を付与して行う高サイクル疲労試験における繰り返し回数１０⁷回において、折損せずに耐えうる負荷応力の値が、５２５ＭＰａ以上である、浸炭鋼部品を製造する方法であって、
前記化学成分を有する鋼部材に浸炭焼入れ処理を施した後、焼戻し処理を行うに当たり、当該焼戻し処理は、処理温度Ｔ（℃）が以下の式（１）及び式（２）を満足する条件で行う、浸炭鋼部品の製造方法である。
式（１）：Ｔ（℃）≧２００－４［Ｓｉ］－２９［Ｍｏ］
式（２）：１００［Ｓｉ］＋４５［Ｍｏ］＋１８０≧Ｔ（℃）
（ここで、［Ｓｉ］及び［Ｍｏ］は、それぞれＳｉの含有率（％）の値及びＭｏの含有率（％）の値を意味する）

上記浸炭鋼部品の製造方法においては、上記特定の化学成分を有することを前提として、焼入れ処理後の焼戻し処理の処理温度条件を、上記化学成分のうちのＳｉとＭｏの含有率との関係で整理した式（１）及び式（２）で規定される範囲に制限することによって、確実に、高サイクルと低サイクル（極低サイクルを含む）の両方において高い疲労強度特性を発揮する浸炭鋼部品を製造することが可能となる。

すなわち、低サイクル領域における破損モードは、負荷の上昇に伴い、浸炭表層において初期クラック（クラックインとよび、その応力をクラックイン応力という。）を生じ、繰返し応力付与の過程で、クラックが進展し、最終的に破断に至るというものである。本願の上記製造方法においては、鋼材の化学成分の制御および浸炭処理後の焼戻し処理温度を、式（１）を満足する範囲で、従来の浸炭処理後に行われる焼戻し温度である１５０℃前後に比較して高温化することにより、浸炭層および芯部の靭性を向上させることで、クラックイン応力や最終破断応力を高め、高強度化を達成することができ、これにより、低サイクル疲労強度の向上を図ることができる。後述の実施例にて示す通り、焼戻し温度の高温化で大きな低サイクル疲労強度の改善がみられており、この効果は非常に顕著なものであり、当業者には予測できない大きな効果が得られることが見出された。

また、焼戻し温度の高温化は、浸炭表層の硬さが低下し、高サイクル疲労強度の低下を招く背反が懸念される。しかし、上記特定の化学成分を採用すると共に式（２）により焼戻し温度の上限を定めることにより、高Ｓｉ化による熱軟化抵抗性の効果を考慮した、優れた高サイクル疲労強度の得られる範囲を明確化することができる。その結果、従来の背反的な特性を打破し、高サイクルと低サイクル（極低サイクル）の両方において高い疲労強度特性を得ることが可能となる。

実施例における、式（１）の値と、焼戻し温度（℃）及び、低サイクル疲労強度及び高サイクル疲労強度との関係を示す説明図。実施例における、式（２）の値と、焼戻し温度（℃）及び、低サイクル疲労強度及び高サイクル疲労強度との関係を示す説明図。

上記浸炭鋼部品の化学成分について、その限定理由を説明する。
Ｃ：０．１０％～０．２９％、
Ｃ（炭素）は、内部硬さを確保するために重要な元素であり、その効果を得るためにＣ含有率は０．１０％以上とする。一方、Ｃ含有率が高すぎると、被削性劣化、靭性劣化、冷間鍛造性劣化等のおそれがあるため、上限値は０．２９％とする。

Ｓｉ：０．７０％～１．２０％、
Ｓｉ（ケイ素）は、焼戻し温度を従来より高温化しても焼戻し軟化抵抗を高めることにより、高サイクル疲労強度の低下を抑制するとともに、浸炭層における粒界強化、および、浸炭異常層の形態悪化の抑制（ひげ状の粒界酸化層の抑制）効果を得るため、含有率の下限値を０．７０％とする。ここで、浸炭異常層の形態悪化とは、特開平１０－２５９４７０号公報に記載されているように、浸炭異常層の最大深さ位置から表面までの所定範囲の断面における浸炭異常層の占める面積が低下することを意味する。一方、Ｓｉ含有率が高すぎると、ガス浸炭性の劣化、被削性の劣化、冷間鍛造性の劣化等のおそれがあるため、上限値は１．２０％とする。

Ｍｎ：０．３０％～１．００％（ただし、Ｍｎが０．５０％以下の場合を除く）、
Ｍｎ（マンガン）は、内部硬さ（強度）確保のため、０．３０％以上含有させる。一方、Ｍｎ含有率が高すぎると、浸炭異常層の深さが増大すると共に、残留オーステナイトが増加するおそれがあり、上限値は１．００％とする。

Ｃｒ：０．１５％～１．２５％、
Ｃｒ（クロム）は、内部硬さ（強度）確保のため、０．１５％以上含有させる。一方、Ｃｒ含有率が高すぎると、浸炭異常層の深さが増大すると共に、ガス浸炭性が劣化するおそれがあるため、上限値は１．２５％とする。

Ｍｏ：０．８０％以下（０％を含む）、
Ｍｏ（モリブデン）は、必要に応じて添加できる任意添加元素であり、添加した場合には、内部硬さ（強度）確保及び浸炭異常層の抑制に有効な元素である。また、Ｍｏは、Ｓｉと同様に浸炭異常層の形態悪化の抑制に効果的な元素である。しかし、Ｍｏは、合金鉄の価格変動によって高価な元素になることがあるため、本発明では、任意添加元素としている。しかし、添加する場合でもコストと得られる効果のバランスを考慮して、上限値を０．８０％とする。

Ａｌ：０．０２０％～０．０５０％、
Ａｌ（アルミニウム）は、ＡｌＮ生成による結晶粒微細化に有効であるため、０．０２０％以上含有させる。一方、Ａｌ含有率が高すぎると、アルミナを起点とする強度低下が生じるおそれがあるため、上限値は０．０５０％とする。

Ｎ：０．００３０％～０．０２００％、
Ｎ（窒素）は、Ａｌと共にＡｌＮを生成することによる結晶粒微細化に有効であるため、０．００３０％以上含有させる。一方、Ｎ含有率が高すぎる場合には、Ｎのガス化によって、製造性が劣化するおそれがあり、上限値は０．０２００％とする。

次に、上記浸炭鋼部品の製造方法における焼戻し処理は、処理温度Ｔ（℃）が以下の式（１）及び式（２）を満足する条件で行う。
式（１）：Ｔ（℃）≧２００－４［Ｓｉ］－２９［Ｍｏ］
式（２）：１００［Ｓｉ］＋４５［Ｍｏ］＋１８０≧Ｔ（℃）
（ここで、［Ｓｉ］及び［Ｍｏ］は、それぞれＳｉの含有率（％）の値及びＭｏの含有率（％）の値を意味する）

式（１）及び式（２）は、本発明の特徴である低サイクル疲労強度と高サイクル疲労強度を両立するための焼戻し処理温度の条件を式で表現したものである。ＳｉとＭｏの含有率で式を定めているのは、前記した成分からなる鋼について、多数の実験を繰返した結果、従来の１５０℃程度で焼戻し処理した場合に得られる性能に比較して、優れた特性の得られる焼戻し処理温度の範囲が特にＳｉ、Ｍｏ含有率によって変化することが見出されたためである。

すなわち、Ｓｉ、Ｍｏは前記したように、共に浸炭異常層の形態を改善し、これが低サイクル疲労強度及び高サイクル疲労強度改善に寄与する。また、Ｍｏは浸炭異常層抑制に効果的であるとともに、Ｓｉは焼戻し軟化抵抗向上により、優れた高サイクル疲労強度の得られる焼戻し処理温度の上限値拡大に寄与する。以上、説明した効果を多数のデータに基づき表現した式が、式（１）及び式（２）である。

そして、式（１）と式（２）の両方を満足する条件で焼戻し処理を実施することにより、低サイクル疲労強度と高サイクル疲労強度の両方に優れた特性を得ることが可能となる。一方、式（１）を満足しない場合には、低サイクル疲労強度を確保することが困難となり、式（２）を満足しない場合には、高サイクル疲労強度を確保することが困難となる。

なお、前記した通り、従来でも焼戻しを行なう点では違いがないが、従来の焼戻しは１５０～１６０℃程度であり、式（１）で定まる下限温度より明確に低い。本発明は、成分の最適化と焼戻し処理温度の高温化を特定の条件範囲内で行うことにより、低サイクル疲労強度と高サイクル疲労強度の両立が可能となることを見出したものである。

上記浸炭鋼部品の製造方法の実施例について説明する。
本例では、表１に示すごとく、１０種類の鉄鋼材料（鋼種Ａ～Ｊ）を用意し、鍛造加工及び切削加工を施して、３種類の鋼部材、つまり、低サイクル疲労試験用の第１試験片、高サイクル疲労試験用の第２試験片、及び浸炭焼入れ歪評価用の歯車を作製した。このうち、Ａ～Ｅ鋼が本発明の条件を満足する鋼であり、Ｆ鋼は従来のＪＩＳのＣｒ－Ｍｏ鋼、Ｇ～Ｉ鋼は、一部の成分が本発明の条件を満足しない比較鋼、Ｊ鋼は特許文献３で開示されている過去の開発鋼である。そして、これらの３種類の鋼部材に所定の条件で浸炭焼入れ処理及び焼戻し処理を行って浸炭鋼部材とした。なお、Ａ鋼はＭｏを不純物として含有する鋼であり、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｉについては請求項に記載はないが、不純物として含有していた分析値を示したものである。

浸炭処理は、ガス浸炭法を用いた。浸炭処理条件は、浸炭ガス雰囲気において９５０℃に２．５時間保持することを基本条件とし、鋼種ごとに温度、時間、ＣＰ（カーボンポテンシャル）等の条件を調整した。浸炭処理直後の焼入れ処理は、１３０℃の油によって油冷する条件で行った。

浸炭焼入れ処理後の焼戻し処理は、表２に示す焼戻し温度に１時間保持することを基本条件とした。そして、得られた種類の浸炭鋼部材に対して、次のようにして各評価を行った。

＜低サイクル疲労試験＞
低サイクル疲労試験は、形状及びサイズが縦横１７．８ｍｍの正方形断面の角柱状の試験片であって、ノッチ角度６０°、ノッチ深さ１．８ｍｍ、ノッチ底部の曲率半径１．５ｍｍというノッチを設けた第１試験片を用いて行った。試験は、株式会社島津製作所製の３点曲げ試験装置を用い、２箇所の支点に支えられた第１試験片に対して、ノッチを設けた面と反対側の面から圧子を当接させて、１Ｈｚあるいは５Ｈｚの周波数で繰り返し所定応力を負荷して行った。評価は、繰り返し回数１００回において、折損せずに耐えうる負荷応力の値が、前記の通り過去に幅広いサイクル数で優れた性能が得られるとされたＪ鋼の値である１５４０ＭＰａ以上の場合を合格（○）とし、それ未満の場合を不合格（×）とした。

＜高サイクル疲労試験＞
高サイクル疲労試験は、形状及びサイズが直径φ１０ｍｍの円形断面の円柱状の試験片であって、ノッチ深さ１．０ｍｍ、ノッチ曲率半径１．０ｍｍというノッチを設けた第２試験片を用いて行った。試験は、株式会社島津製作所製の小野式回転曲げ試験装置（型番：Ｈ６型）を用い、回転数１８００ｒｐｍで繰り返し曲げ応力を付与して行った。評価は、繰り返し回数１０⁷回において、折損せずに耐えうる負荷応力の値が、従来のＣｒ－Ｍｏ鋼に通常温度である１５０℃で焼戻し処理を行って得られたＦ鋼の値である５２５ＭＰａ以上の場合を合格（○）とし、それ未満の場合を不合格（×）とした。

＜焼入れ歪み評価＞
焼入れ歪み評価は、歯車を用いて行った。試験に用いた歯車は、外径：１６０ｍｍφ、軸方向厚み：２０ｍｍであり、歯数：５１、モジュール：２．５４、圧力角：１５°、ねじれ角：右３４°という諸元の歯を設けたはすば歯車を用いた。歪みの評価は、浸炭焼入れ処理前後における歯溝のふれ変化量、具体的には、歯車の歯溝に測定子を挿入し、半径方向の位置の最大値と最小値の差を求め、その値が従来のＣｒ－Ｍｏ鋼であるＦ鋼の値と同等あるいはそれよりも優れる場合を合格（○）、それよりも劣る場合を不合格（×）とした。

＜表面硬さ及び内部硬さ＞
表面硬さ及び内部硬さは、低サイクル疲労試験と同様の第１試験片を用い、その表面と、任意断面の厚み方向中央部とにおいて、ビッカース硬さを測定した。

表２に示されているように、Ａ～Ｅの全ての鋼種において、式１の値以上の温度条件で焼戻し処理を行った場合に、低サイクル疲労強度が合格し、式２の値以下の温度条件で焼戻し処理を行った場合に、高サイクル疲労強度が合格した。そして、式１の値以上、かつ、式２の値以下の温度条件で焼戻し処理を行った場合に、低サイクル疲労強度と高サイクル疲労強度の両方において合格することがわかった。また、Ａ～Ｅの全ての鋼種は、焼入れ歪みが従来鋼と比較して同等以下であって小さく、問題のない形状維持性を有していることがわかった。

より具体的には、焼入歪み評価試験の結果、本発明であるＡ～Ｅ鋼の歯溝のふれ変化量は、焼戻し温度に関係なく、２７～３３μｍとなっており、本発明の条件を満足する焼戻し温度で行った場合についても、従来から肌焼鋼として普通に用いられているＣｒ－Ｍｏ鋼であるＦ鋼について１５０℃で焼戻し（従来の温度）を行った場合の結果である３１μｍとほぼ同等で問題のない値となっていた。
これに対し、Ｆ鋼は、従来のＣｒ－Ｍｏ鋼であり、Ｓｉ含有率が低いことが影響して、焼戻し温度を高温化した場合に高サイクル疲労強度の低下が大きくなり、２つの疲労強度を両立できる焼戻し温度の範囲が存在しないものである。Ｇ、Ｈ鋼は、Ｃ含有率が範囲外である影響で、低サイクル疲労強度が低下した。

なお、鋼種Ｊは、前記の通り幅広いサイクル数で優れた疲労強度の得られる開発鋼であるため、低サイクル疲労強度と高サイクル疲労強度の両方において合格するものであるが、Ｔｉ、Ｂを含有している影響で焼入れによる歪みが発生しやすく、例えば歪の条件に厳しい歯車等の製品に使用することは困難である。より、具体的には、歪の評価値が５１μｍと明らかに本発明であるＡ～Ｅ鋼を用いた歯車に比較して劣る結果となっていた。

次に、上述した鋼種Ａ～Ｅまでの結果を用い、式（１）、焼戻し温度（℃）及び、低サイクル疲労強度及び高サイクル疲労強度との関係をよりわかりやすくするために、図１において、横軸に式（１）の計算値を取り、縦軸に焼戻し温度（℃）を取り、式（１）の値に対して実際に採用した焼戻し温度（℃）をプロットし、サイクル疲労強度の結果を○×△によって表した。低サイクル疲労強度と高サイクル疲労強度の両方に優れる合格の場合を「○」、高サイクル疲労強度が合格であるものの低サイクル疲労強度が不合格の場合を「×」、低サイクル疲労強度が合格であるものの高サイクル疲労強度が不合格の場合を「△」として示した。また、式（１）の値＝焼戻し温度（℃）の関係を示す破線ａを示した。

また、上述した鋼種Ａ～Ｅまでの結果を用い、式（２）、焼戻し温度（℃）及び、低サイクル疲労強度及び高サイクル疲労強度との関係をよりわかりやすくするために、図２において、横軸に式（２）を取り、縦軸に焼戻し温度（℃）を取り、式（２）の値に対して実際に採用した焼戻し温度（℃）をプロットし、サイクル疲労強度の結果を○×△によって表した。○×△の表記の意味は、図１の場合と同じとした。また、式（２）の値＝焼戻し温度（℃）の関係を示す破線ｂを示した。

図１から理解できるように、式（１）の値よりも高い温度に焼戻し温度を設定した場合には、確実に、低サイクル疲労強度を向上させることができる。また、図２から理解できるように、式（２）の値よりも低い温度に焼戻し温度を設定した場合には、確実に、高サイクル疲労強度を向上させることができることがわかる。そして、式（１）及び式（２）を満足することによって、低サイクル疲労強度と高サイクル疲労強度の両方を同時に向上させることができることがわかる。

ここで、注目すべきことは、従来普通に行われていた焼戻し処理温度は、式（１）、式（２）の満足する温度範囲より低く、本発明は、前記の通り、従来よりも焼戻し処理温度を高温化した際に、前記両方の強度を向上できる最適条件範囲が存在することを見出したものである。
また、前記した実施例から明らかなように、図１、図２のように、合格（○）となる範囲を大きく確保できるのは、本発明で指定した成分範囲の場合に限定されるのであり、成分が適切でない場合には合格（○）となる領域を確保することが難しくなるということである。

以上説明したように、本発明により、特定の成分範囲内の鋼に対し、特定の範囲内の条件で焼戻し処理した場合に、低サイクル疲労強度と高サイクル疲労強度が両立できることが新規に見出されたものであり、産業への貢献は極めて大きいものである。

ａ式（１）の値＝焼戻し温度を示す破線
ｂ式（２）の値＝焼戻し温度を示す破線

Claims

質量比において、Ｃ：０．１０％～０．２９％、Ｓｉ：０．７０％～１．２０％、Ｍｎ：０．３０％～１．００％（ただし、Ｍｎが０．５０％以下の場合を除く）、Ｃｒ：０．１５％～１．２５％、Ｍｏ：０．８０％以下（０％を含む）、Ａｌ：０．０２０％～０．０５０％、Ｎ：０．００３０％～０．０２００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる化学成分を有し、
表面に浸炭層を備え、
１Ｈｚあるいは５Ｈｚの周波数で繰り返し所定応力を負荷して行う低サイクル疲労試験における繰り返し回数１００回において、折損せずに耐えうる負荷応力の値が、１５４０ＭＰａ以上であり、
回転数１８００ｒｐｍで繰り返し曲げ応力を付与して行う高サイクル疲労試験における繰り返し回数１０⁷回において、折損せずに耐えうる負荷応力の値が、５２５ＭＰａ以上である、浸炭鋼部品を製造する方法であって、
前記化学成分を有する鋼部材に浸炭焼入れ処理を施した後、焼戻し処理を行うに当たり、当該焼戻し処理は、処理温度Ｔ（℃）が以下の式（１）及び式（２）を満足する条件で行う、浸炭鋼部品の製造方法。
式（１）：Ｔ（℃）≧２００－４［Ｓｉ］－２９［Ｍｏ］
式（２）：１００［Ｓｉ］＋４５［Ｍｏ］＋１８０≧Ｔ（℃）
（ここで、［Ｓｉ］及び［Ｍｏ］は、それぞれＳｉの含有率（％）の値及びＭｏの含有率（％）の値を意味する）
前記浸炭鋼部品は歯車である、請求項１に記載の浸炭鋼部品の製造方法。