JP7306581B2 - 鋼部品 - Google Patents

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Description

本発明は、鋼部品に関し、特に軟窒化処理による化合物層を表層に有する疲労特性に優れた鋼部品に関するものである。
自動車の歯車等の機械構造部品には優れた疲労特性が要求されるため、表面硬化処理が施されるのが通例である。表面硬化処理としては、浸炭処理や高周波焼入処理、窒化処理などが良く知られている。
これらのうち、浸炭処理は、高温のオーステナイト域においてＣを浸入・拡散させることから、深い硬化深さが得られ、疲労特性の向上に有効である。しかしながら、浸炭処理により熱処理歪が発生するため、静粛性等の観点から厳しい寸法精度が要求される部品に対しては、その適用が困難であった。
また、高周波焼入処理は、高周波誘導加熱により表層部を焼入れする処理であるため、やはり熱処理歪みが発生し、浸炭処理と同様に寸法精度の面で問題があった。
一方、窒化処理は、Ａc1変態点以下の比較的低温度域で窒素を浸入・拡散させて表面硬さを高める処理であるため、上記したような熱処理歪みは小さい。しかしながら、処理時間が50～100時間と長く、また処理後に表層の脆い化合物層を除去する必要があるという問題があった。
そのため、窒化処理と同程度の処理温度で処理時間を短くした、いわゆる軟窒化処理が開発され、近年では機械構造用部品などを対象に広く普及している。この軟窒化処理は、500～600℃の温度域でＮとＣを同時に浸入させ、再表層にＣが固溶した窒化物層を形成させるともに、さらに、Ｎを地鉄中に拡散させて硬化層を形成させて、表面を硬化するものであり、従来の窒化処理に比べて処理時間を半分以下にすることが可能である。
しかしながら、前述した浸炭処理では、焼入硬化により芯部硬度を上昇させることが可能であるのに対し、軟窒化処理は鋼の変態点以下の温度で処理を行うものであるため、芯部硬度が上昇せず、軟窒化処理材は浸炭処理材と比較すると、疲労特性が劣るという問題があった。
そこで、軟窒化処理材の疲労特性を高めるため、通常、軟窒化処理前に焼入・焼戻し処理を行い、芯部硬度を上昇させているが、得られる疲労特性は十分とは言い難く、また、製造コストが上昇し、さらに機械加工性の低下も避けられなかった。
このような問題を解決するものとして、特許文献１には、鋼中に、NiやCu，Al、Cr、Tiなどを含有させることにより、軟窒化処理後に高い曲げ疲労特性を得ることを可能にした軟窒化用鋼が提案されている。すなわち、この鋼は、軟窒化処理により、芯部についてはNi－Al、Ni－Ti系の金属間化合物あるいはCu化合物で時効硬化させる一方、表層部については窒化層中にCr、Al、Ti等の窒化物や炭化物を析出硬化させることで、曲げ疲労特性を向上させている。
また、特許文献２には、Cuを0.5～２％含有させた鋼を、熱間鍛造で鍛伸後、空冷して、Cuが固溶したフェライト主体の組織とし、580℃、120分の軟窒化処理中にCuを析出硬化させ、さらにTi、ＶおよびNb炭窒化物の析出硬化も併用することで、軟窒化処理後において優れた曲げ疲労特性が得られる軟窒化用鋼が提案されている。
さらに、特許文献３には、Ti－Mo炭化物、またそれらにさらにNb、Ｖ、Ｗの一種または二種以上を含む炭化物を分散させた軟窒化用鋼が提案されている。
特許文献４には、表面の化合物層の空隙率を減少させることで、面疲労強度を向上させることが提案されている。
特開平５－５９４８８号公報 特開２００２－６９５７２号公報 特開２０１０－１６３６７１号公報 特許６３８８０７５号
しかしながら、特許文献１～３に記載の軟窒化鋼は曲げ疲労特性に優れるものの、面疲労特性については考慮されていない。また、特許文献４に記載の技術は、最表層の化合物層を改善することによって面疲労特性を改善しているが、硬化層深さについては考慮されていない。
本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、化合物層と硬化層深さを適切に調整することによって、優れた面疲労特性を有する鋼部品を提供することを目的とする。
発明者らは、上記の課題を解決するために、最適な化合物層と硬化層深さについて鋭意検討を行った。その結果、硬化層深さの増加と、化合物層の脆化の抑制を両立させることが面疲労特性の向上に有効であることがわかった。
１．表面から内側へ順に、厚さが5.0μｍ～30.0μｍである窒化化合物層および硬化層を有し、
前記窒化化合物層の最表層におけるポーラス層の厚さが、3.0μｍ以下、かつ前記窒化化合物層の厚さの40.0％以下であり、
前記硬化層は、前記表面から内側へ50μｍの位置での硬さがHV600以上、前記表面から内側へ400μmまでの硬さがHV400以上および、前記表面から内側へ600μmまでの硬さがHV250以上である鋼部品。
２．前記鋼部品は歯付き部品であって、前記窒化化合物層および前記硬化層を、少なくとも歯部分に有してなる前記１記載の鋼部品。
本発明によれば、面疲労強度に優れた鋼部品を提供することができる。従って、本発明の鋼部品は、自動車等の機械構造部品に適用して極めて有用である。
ローラーピッチング試験片を示す図である。 軟窒化部品の代表的な製造工程を示す図である。
以下、本発明を具体的に説明する。
先ず、本発明における鋼部品の窒化化合物層およびポーラス層の厚さと硬化層の硬度分布を前記の範囲に限定した理由を説明する。
窒化化合物からなる窒化化合物層の厚さ：5.0μm～30.0μm
窒化化合物層（以下、化合物層とも云う）は極めて硬さが高く、鋼部品の面疲労特性の向上に寄与する。この窒化化合物層の厚さが薄すぎると、摩耗により早期に鋼部品の地鉄部分が露出してしまい、疲労強度向上効果が損なわれる。そのため、窒化化合物層の厚さは5.0μm以上とする。好ましくは6.0μm以上、より好ましくは10.0μm以上である。
一方、窒化化合物層の厚さが厚すぎる場合には、後述のポーラス層の発生を抑制することが難しくなる。そのため、窒化化合物層の厚さは30.0μm以下とする。好ましくは25.0μm以下である。
ポーラス層厚さ：窒化化合物層の厚さの40.0％以下かつ3.0μm以下
ポーラス層とは軟窒化によって化合物層の最表層に不可避的に発生する微小な空孔の集合体である。このポーラス層の存在は疲労強度に悪影響を及ぼすため、可能な限り薄くすることが望ましい。すなわち、ポーラス層の厚さが、3.0μｍを超えたり、窒化化合物層の厚さの40.0％を超えると、窒化化合物層の形成により期待する疲労特性向上の効果が十分に得られない。よって、ポーラス層の厚さは、窒化化合物層の厚さの40.0％以下かつ3.0μm以下であることを必要とする。勿論、０であってもよい。
なお、本発明におけるポーラス層の厚さは後述する実施例で説明する手法にて測定するものとする。
硬化層深さ：表面から内側へ50μm位置の硬さがHV600以上、表面から内側へ400μmまでの硬さがHV400以上であり、表面から内側へ600μmまでの硬さがHV250以上
材料の硬度と疲労強度には相関関係があることが知られている（例えば、「NIMS物質・材料データベース、JIS機械構造用鋼、クロム鋼及びクロムモリブデン鋼の機械的性質と疲れ特性」参照）。すなわち、成分に関わらず、硬度が十分であれば、所望の疲労強度を得ることができる。
ここで、鋼部品に、すべりを伴う接触がある場合、該鋼部品には２種類の力がかかる。一つは接線力によるせん断応力で、これは表面で最大となる。もう一つは垂直抗力によるせん断応力で、これはより深い位置で最大となる。これら２種類の力に対して優れた疲労特性を発揮させるために、上記硬さ分布を設定した。
特に、垂直抗力によるせん断応力は、硬化層が浅い軟窒化鋼にとって問題となりやすい。歯車の歯や円筒、球体同士を接触させた場合に垂直抗力によって発生するせん断応力分布は次式で表すことができる。ここで、zは深さ、P(z)は深さzでのせん断応力、Pmaxは最大接触応力、bは接触楕円短径である。
Figure 0007306581000001
鋼部品の形状や負荷荷重にもよるが、多くの場合、せん断応力は深さ400μm位置で最大値をとり、破壊の起点となりうる。そのため、上記の通りに硬さ分布を設定した。
なお、上記した窒化化合物層は、鋼に軟窒化処理を施した後に形成されるが、この軟窒化処理により、Ｎが化合物層よりも内側に向かって拡散する結果、このＮ拡散層が硬化層となる。拡散によるＮ濃度の調整により、硬化層硬さを上記のとおりに調整できる。
本発明の鋼部品は、歯車等の歯付き部品に適用することが特に好適であり、この歯付き部品の歯の部分に、前述の窒化化合物層および硬化層が形成されていることが特に好適である。歯車のような歯付き部品の歯は、すべりを伴う接触がある部位であり、優れた面疲労強度が要求される部位である。この歯の部分に前述の窒化化合物層および硬化層が形成されていると、歯付き部品としての耐久性の確保に繋がる。
なお、歯付き部品でなくとも、すべりを伴う接触がある部位が存在する鋼部品については、この部位の面疲労が部品耐久性の確保には重要となるため、このような部位に対して前述の窒化化合物層および硬化相を形成させることにより、耐久性の向上効果が得られる。よって、本発明の鋼部品は歯付き部品に限定されるものではない。
次に、本発明の鋼部品の製造方法について説明する。
図２に、軟窒化用鋼（棒鋼）を用いて軟窒化部品を製造する代表的な製造工程を示す。ここで、Ｓ１は素材となる棒鋼（軟窒化用鋼）製造工程、Ｓ２は搬送工程、Ｓ３は部品（軟窒化部品）の製造工程である。
まず、棒鋼製造工程（Ｓ１）で鋼塊を熱間圧延および／または熱間鍛造して棒鋼とし、品質検査後、出荷する。そして、搬送（Ｓ２）後、軟窒化部品仕上げ工程（Ｓ３）で、棒鋼を所定の寸法に切断し、熱間鍛造あるいは冷間鍛造を行い、必要に応じてドリル穿孔や旋削等の切削加工で所望の形状（例えば、ギア製品やシャフト製品）とした後、軟窒化処理を行って、製品とする。
また、熱間圧延材をそのまま旋削やドリル穿孔等の切削加工で所望の形状に仕上げ、その後、軟窒化処理を行い製品とすることもある。なお、熱間鍛造の場合、熱間鍛造後に冷間矯正が行われる場合がある。
次いで、得られた圧延材または鍛造材に対して切削加工を施して部品形状とし、その後、軟窒化処理を行う。前述の硬化層深さを得るためには、軟窒化温度を550～590℃として、軟窒化時間は５時間以上は必要である。一方、軟窒化時間がこれほど長時間となる場合には、軟窒化条件によっては化合物層及びポーラス層が過剰に成長し、疲労強度の低下を招いてしまう。そこで、軟窒化中の窒化ポテンシャルは低く抑える必要がある。軟窒化中の雰囲気の窒化ポテンシャルを低くすると、ポーラス層の厚さが小さくなる。したがって、窒化ポテンシャルとポーラス層厚さとの関係を素材となる鋼の規格あるいは成分ごとに予め求めておき、本発明で規定するポーラス層厚さを達成可能な窒化ポテンシャルを採用する必要がある。
なお、軟窒化処理では、ＮとＣとを同時に鋼中に浸入させて、Ｃが固溶した窒化化合物層を形成させ、さらにＮを地鉄中に拡散させるので、NH3やＮ2といった窒素性ガスと、CO2やCOといった浸炭性ガスの混合雰囲気、例えばNH3：Ｎ2：CO2＝50：45：５の雰囲気で軟窒化処理を行えばよい。
以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
表１に示す組成の鋼（鋼種Ａ～Ｅ）を連続鋳造機にて断面300mm×400mmの鋳片とした。この鋳片を1250℃で30分の均熱後に熱間圧延にて一辺が140mmの矩形断面の鋼片とした。さらに、この鋼片を熱間圧延し、80mmφの棒鋼（熱間圧延まま素材）とした。この棒鋼を1200℃で１時間保持したのちに熱間鍛造を行い、より小径の35mmφの棒鋼とした。
Figure 0007306581000002
さらに、上記した熱間鍛造材について、長手方向と平行に、図１に示すローラーピッチング試験片を採取し、この試験片に対して軟窒化処理を行った。所望の化合物層、硬度分布を得るため、軟窒化温度、時間、窒化ポテンシャルは適宜調整した。
かくして得られた軟窒化処理材について、硬度測定、化合物層・ポーラス層厚さの測定および疲労特性評価を行った。これらの測定結果及び評価結果を、表２に示す。
硬度測定は、上記の軟窒化処理材の断面について、表面から50μm、400μm、600μmの各位置でそれぞれ測定した。また、硬さの測定は、いずれもビッカース硬度計を用い、JIS Ｚ2244に準拠して、2.94Ｎ（300ｇｆ）の試験荷重で６点測定し、その平均値を求めた。
化合物層とポーラス層厚さの測定は、軟窒化処理材の断面について行った。３％ナイタール液で鋼を腐食させ、光学顕微鏡を用いて表層部分を1000倍で３視野の観察を行い、腐食されない化合物層を特定した。化合物層の厚さは、３視野における最大の化合物層厚の値を測定した。ポーラス層については、上記の３視野について、表面から深さ方向に連続して存在する微小な空孔の集合体のうち、最も厚さが厚い箇所の厚さをそれぞれ測定し、それらのうちの最大の値をポーラス層厚さとした。
疲労特性評価は、軟窒化処理を行った後のローラーピッチング試験片（図１参照）のうち、組織観察、硬度測定および析出物観察のいずれも行っていないものを用いて、ニッコークリエート製RPT-402にて、疲労寿命を測定した。ローラーピッチング試験条件は、最大接触応力2600MPa、すべり率40％で、潤滑油としてギアオイル（BESCO トランスアクスル）を用い、油温80℃で行った。試験時の回転数は1500rpmである。転送面に接触させる大ローラーにはクラウニングＲ150mmのSUJ２の焼入焼き戻し品を使用した。
Figure 0007306581000003
Figure 0007306581000004
Figure 0007306581000005
なお、全ての発明例において、硬さの表面からの深さ方向分布は、表面から400μｍ未満の深さ位置における硬さは、表面から400μｍ位置における硬さよりも大きく、また、600μｍ未満の深さ位置における硬さは、表面から600μｍ位置における硬さよりも大きくなっていたことから、表面から400μmまでの硬さは表面から400μｍ位置の硬さ以上であり、表面から600μmまでの硬さは表面から600μm位置の硬さ以上であることが確認できている。

Claims (2)

  1. 表面から内側へ順に、厚さが5.0μｍ～30.0μｍである窒化化合物層および硬化層を有し、
    前記窒化化合物層の最表層におけるポーラス層の厚さが、1.0μｍ以上3.0μｍ以下、かつ前記窒化化合物層の厚さの40.0％以下であり、
    前記硬化層は、前記表面から内側へ50μｍの位置での硬さがHV600以上、前記表面から内側へ400μmまでの硬さがHV400以上および、前記表面から内側へ600μmまでの硬さがHV250以上である鋼部品。
  2. 前記鋼部品は歯付き部品であって、前記窒化化合物層および前記硬化層を、少なくとも歯部分に有してなる請求項１記載の鋼部品。
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