JPH03173762A - 窒化処理した鋼部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、例えば自動車用歯車などの窒化処理した鋼
部材の製造方法に関する。

（従来技術） 一般に上述の鋼部材、特に自動車用歯車には不規則な高
低応力が負荷されたり或は瞬間的に高応力が付勢される
。

従来、このような自動車用歯車の疲労強度を向上させる
方法としては、炭素鋼に対して熱処理変形が小さい窒化
処理を行なう方法があるが、充分な疲労強度が得られな
い問題点があった。

そこで従来、上述の窒化処理鋼の疲労強度をさらに向上
させる目的で、例えば特開昭５９−１４０３２８号公報
に記載の窒化処理鋼の製造方法が既に発明されている。

すなわち、炭素（Ｃ）：０．１５〜０．４重量パーセン
ト、ケイ素（Ｓｉ）：Ｑ、５０重量パーセント以下、マ
ンガン（Ｍｏ）：　０．５０〜１゜５０重量パーセント
、クロム（Ｃｒ）＝１．００〜３．００重・量パーセン
ト、バナジウム（Ｖ）：０．０５〜０．１５重量パーセ
ント、窒素（Ｎ）：ｏ、ｏｏａ〜０．０２重量パーセン
ト、残部鉄（Ｆ　ｅ）からなる組成を有する鋼素材を、
１０００〜１２５０℃に加熱して熱間圧延を行ない、圧
延後８００℃から５００℃までを冷却速度０．　２〜ｂ 炭窒化物を析出させると共に、ベイナイト組織を析出さ
せ、その後、機械加工し、軟窒化処理を行なう製造方法
である。

この製造方法においては、ベイナイトが固くて強靭性が
あり、しかもベイナイトに対しては窒化させやすいこと
から、母材組織を強靭なものとすることができると共に
、有効硬化深さを深くすることができ、強度をより一層
向上させることができる。

しかし、この従来方法においても未だ充分な疲労強度を
得ることができず、高応力が付勢される自動車用歯車へ
の適用ができない問題点があった。

この自動車用歯車に適用させるためには、材料の疲労特
性であるＳ−Ｎ線図での高応力側の信頼性を高くする必
要があり、このためには、材料の内部硬さを高くするこ
と、窒化硬化深さを深くすること、圧縮残留応力分布を
深くすることが挙げられる。

そこで、上述の窒化硬化深さを深くするために、仮に窒
化処理時間を長くすると、生産性が悪化する。

また、圧縮残留応力を高くするために、仮にショットピ
ーニングを施すと、大径のショツト粒でショットピーニ
ングを行なう時には、ショツト粒の質量が大きいため窒
化合物層にクラックが生じたり、剥離の原因ともなり、
却って疲労強度が悪化し、小径のショツト粒でショット
ピーニングを行なう時には、表面の圧縮残留応力は高く
なり、疲労限が向上するものの、内部の圧縮残留応力、
硬さを高くすることができず、何れにしても高応力側で
の充分な時間疲労強度の向上を図ることができない問題
点があった。

（発明の目的） この発明の第１発明は、鋼部材の内部の圧縮残留応力を
高クシ、以て高応力側での時間疲労強度を充分に向上す
ることができる窒化処理した鋼部材の製造方法の提供を
目的とする。

この発明の第２発明は、表面と内部との圧縮残留応力を
ともに高くして、疲労限を向上すると共に、高応力側で
の時間疲労強度をより一層向上することができる窒化処
理した鋼部材の製造方法の提供を目的とする。

（発明の構成） この発明の第１発明は、クロム元素（Ｃｒ）およびバナ
ジウム（Ｖ）元素を含有する鋼材を焼ならしもしくは調
質した後、機械加工を施して窒化処理する鋼部材の製造
方法であって、上記窒化処理後に、３００〜５５０℃の
温度範囲で焼もどし処理を行なう窒化処理した鋼部材の
製造方法であることを特徴とする。

この発明の第２発明は、上記第１発明の焼もどし処理の
後に、ショットピーニングを施す窒化処理した鋼部材の
製造方法であることを特徴とする。

（発明の効果） この発明の第１発明によれば、クロム元素（Ｃｒ）およ
びバナジウム元素（Ｖ）を含有する鋼材をまず焼ならし
もしくは調質する。

つまり、鋼材の前加工による影響を除去して、性質改善
し、不均一組織を標準の均一微細組織にするＡｃｔ、Ａ
ｃ’ｍ以上４０〜６０℃の温度に加熱して全部を−様な
オースティナイトにした後、静かに大気中に放冷する焼
ならし処理を施すか或は鋼の結晶粒子を細かくして材質
を調整し、内部ひずみを完全に解放して、鋼を強靭化す
る調質処理を施す。

上述の焼ならしもしくは調質した鋼材に機械加工を施し
、機械加工後の鋼材を窒化処理すると、表面からの硬さ
分布および圧縮残留応力分布を高くかつ深くすることが
できる。

この窒化処理後の鋼材を３００〜５５０℃の温度範囲で
焼もどしすると、圧縮残留応力分布の表面部は低下する
ものの、内部の圧縮残留応力を高くすることができる。

また表面からの硬さ分布はほとんど変化しないので、表
面硬さの維持により疲労限は何等変わらず、内部の圧縮
残留応力を高くすることで、高応力側での時間疲労強度
の向上を図ることができる効果がある。

ここで焼もどし処理を３００〜５５℃の温度範囲で行な
う理由は、３００℃未満では硬さおよび圧縮残留応力が
ほとんど変化しないため焼もどしの効果が得られず、ま
た５５０℃を越えると、窒化処理温度と変わらなくなる
ため、窒化層の軟化が生じはじめ、疲労強度や靭性が低
下すると共に、変形が生ずるため好ましくないからであ
る。

この発明の第２発明によれば、上記第１発明の焼もどし
処理の後に、ショットピーニングを施すことで、鋼材表
面の圧縮残留応力を焼もどし前よりも高くすることがで
きる。

このように焼もどし処理後に、ショットピーニングを施
すことで、表面と内部との圧縮残留応力を共に高くして
、疲労限を向上することができ、高応力側での時間疲労
強度をより一層向上することができる効果がある。

（実施例） この発明の一実施例を以下図面に基づいて詳述する。

この発明の第１発明の実施例に係る窒化処理した鋼部材
の製造は、第１図に示す製造プロセスに従ってなされる
。

すなわち、まず材料としてクロム元素（Ｃｒ）を０．５
〜３．０重量パーセント、バナジウム元素（Ｖ）を０．
０５〜０．２重量パーセント含有する鋼材１を形成し、
この鋼材１を第１工程２で必要に応じて切断する。

ここで、鋼材１の組成としてクロム元素（Ｃｒ）を０．
５〜３．０重量パーセントとする理由は、母材の焼入れ
性を向上させ、その強度を高くし、窒化処理後の表面硬
さを向上させるためで、表面硬さ（ビッカース硬度）Ｈ
ｖ７００以上を得るためには含有率０．５％以上が必要
であり、含有率が過大な値つまり３．０％を越えると表
面硬さが高くなりすぎて靭性が低下し、硬化深さも減少
するからである。

一方、上述の鋼材１の組成としてバナジウム元素（Ｖ）
を０．０５〜０．２重量パーセントとする理由は次の通
りである。

つまり、バナジウム（Ｖ）は窒化による浸入炭素および
浸入窒素と結合して微細な炭化物を析出することにより
、表面硬さと硬化深さを増大させるが、特に硬化深さに
対する寄与度が大きい。

またバナジウム（Ｖ）は析出硬化によって母材硬さを向
上させると共に、加熱に対する軟化抵抗を増大させる。

これらの効果を得るためにバナジウム（Ｖ）の含有率０
．０５％以上が必要であるが、０．２０％を越えると靭
性が低下するので、含有率を０．０５〜０．２重量パー
セントとする。

次に、第２工程３で、上述の鋼材１を熱間鍛造する。

この熱間鍛造は例えば１１８０℃前後の一般的条件下で
行なわれる。

次に、第３工程４および第４工程５で、熱処理としての
空冷、焼ならしを行ない、鋼材の母材組織を、ベイナイ
トを含む組織（ベイナイト組織またはフェライト・ベイ
ナイト組織）とする。

これは、母材組織をベイナイトを含む組織とすることに
よって、該母材組織を固（て強靭なものとすると共に、
後工程における窒化処理を行ないやすくして有効硬化深
さを深くし、これにより強度を従前の窒化鋼部材の強度
以上にするために行なわれる。

また、上述の焼ならしにより、鍛造によって生じた各部
位の応力が解放されることになる。

上述の空冷および焼ならしの条件には、−膜内なものが
用いられ、例えば、空冷時においては、冷却速度を約０
．４〜ｂ においては再加熱温度を８５０〜９５０℃とし、冷却速
度を０．４〜ｂ なお、上述の第４工程５での焼ならし処理に代えて、第
５工程６による調質処理つまり鋼の結晶粒子を細かくし
て材質を調整し、熱間鍛造による内部ひずみを完全に解
放して、鋼を強靭化する処理を施してもよい。

次に、第６エ程７で焼ならしまたは調質後の鋼材を、必
要に応じて２００〜６００℃の温度範囲で低温焼鈍（焼
なまし）する。

これは、母材組織がベイナイトに変態した際の変態応力
を解放するために行なわれる。

上述の低温焼なましの処理温度範囲については、２００
℃未満では応力除去効果が不充分となり、６００℃を越
えると母材の焼もどし作用により硬さが低下する関係上
、２００〜６ｏｏ℃であるが、窒化処理の温度（通常５
５０〜５８０℃）以下である、３００〜５００℃の範囲
がより好ましい。

また、上述の低温焼なまし処理の保持時間は、０．５〜
３時間が適切である。０．５時間未満では効果が不充分
であり、３時間を越えると効果が飽和するからである。

次に、第７エ程８で、機械加工を行なう。

つまり、自動車用歯車等の所定の形状に加工する。ここ
で機械加工を行なうのは、窒化処理後では、鋼材の表面
が硬くなって機械加工が困難となるからである。

次に、第８工程９で、窒化処理を行なう。

この窒化処理は鋼材の表面を硬化させて強度を高めるた
めに行なわれる。

この際の硬化層は、上述したように母材組織をベイナイ
トを含む組織としたことにより、窒化が行なわれやすく
なることから、その深さが従前の窒化鋼部材以上に深く
なる。

上述の窒化処理には、ガス軟窒化、ガス窒化、塩浴窒化
、イオン窒化等を用いる。

次に、第９工程１０で、窒化処理後の鋼材を焼もどし処
理する。

この焼もどしは、３００〜５００℃の温度範囲で行ない
、窒化処理後において内部圧縮残留応力を生鳩させる。

上述の焼もどし温度条件は、３００℃未満では硬さおよ
び圧縮残留応力がほとんど変化しないため焼もどしの効
果が得られず、また５５０℃を越えると窒化処理温度と
変わらなくなるため、窒化層の軟化が生じはじめ、疲労
強度や靭性が低下すると共に変形が生じてくるからであ
る。

このような各工程を経ることにより、製造された鋼部材
は、上述の窒化処理により、表面からの硬さ分布および
圧縮残留応力分布を高く、かつ深くすることができ、こ
れを焼もどしすることにより、圧縮残留応力分布の表面
部は低下するものの、内部の圧縮残留応力を高くするこ
とができた。

また、表面から硬さ分布はほとんど変化しない。

したがって、表面硬さを維持していることで、疲労限は
変わらず、内部の圧縮残留応力を高（することができ、
第２図のＳ−Ｎ線図にこの実施例の特性を実線で、従来
のものを点線で示す如く、高応力側での時間疲労強度の
向上を図ることができた。

上述の製造方法に基づく効果は、下記実験例１゜により
裏付けすることができる。

実験例１゜ （Ａ）実験内容 表１に示す組成（数値は何れも重量パーセント）の鋼材
を熱間鍛造後９００℃に加熱し、次いで１゜０℃／ｓｅ
ｃの冷却速度で冷却して、フェライト＋ベイナイト組織
の試験片を作製した。

表１ 次に、この試験片を加工して直径１０ｍφ、切り欠きＲ
＝１．０ｉｍ＋の疲労試験片を作製した。

次に、上述の試験片を５７０’Ｃで、３．５時間、ＮＨ
３：ＲＸ＝１：１の条件でガス軟窒化処理を行なった。

次に、上述のガス軟窒化処理後に、２５０〜６００℃の
各温度で焼もどし処理し、２時間保持した後に、空冷し
、次表２に示すように各階の試験片を得た。

つまり、焼もどし温度が３００℃のこの実施例に相当す
る試験片Ｎａｌと、焼もどし温度が４００℃のこの実施
例に相当する試験片に２と、焼もどし温度が５００℃の
この実施例に相当する試験片漱３と、焼もどし温度が２
５０℃の比較例に相当する試験片Ｎ１１４と、焼もどし
温度が６００℃の比較例に相当する試験片Ｎａ５と、焼
もどしを行なわない比較例に相当する試験片漱６とをそ
れぞれ得た。

そして、これらの各試験片Ｎａｌ〜恥５について、それ
ぞれ表面からの硬さ分布、表面からの圧縮残留応力分布
を測定すると共に、疲労試験を行なった結果を第３図、
第４図、表２に示す。

（Ｂ）実験結果 実験の結果、窒化処理後に３００〜５５０℃の温度範囲
で焼もどしを行なった実施例の試験片魚１、Ｎ１１２、
Ｎ１３は、硬さ分布を変えることなく、内部側の圧縮残
留応力を高くすることができ、高応力側での時間疲労強
度が比較例の試験片Ｎａ４．１１ｈ５、Ｎｌ１６の何れ
と比較しても向上していることがわかった。

これは、固溶していた窒素元素（Ｎ）が焼もどしにより
、内部側へ拡散したことによるものと推考される。

また、比較例の試験片ＮＱ５のように、焼もどし温度が
高くなりすぎると、内部側の圧縮残留応力は高くなるが
、基地組織中のベイナイトが分解し始めるため、表面側
の硬さが低下し、疲労強度が低下する。

（以下次頁に続く） 表２．疲労試験結果 この発明の第２発明の実施例に係る窒化処理した鋼部材
の製造は、第５図に示す製造プロセスに従ってなされる
。

ここで、第９工程１０までの各工程はその諸条件が上述
の第１発明の実施例に係るそれと同一である。

この実施例では、上述の第９工程１ｏの焼もどし処理後
に、次の第１０工程１１で下記条件にてショットピーニ
ング処理を行なう。

すなわち、ショツト粒の粒径を０．２〜０．　６■φと
し、シミ１フト速度を５０〜１２ｏＩｌ／ｓｅｃとして
上述のショットピーニングを行なう。

これはショツト粒の粒径が０．２■φより小さくなると
、鋼材表面に有効な圧縮残留応力を生成することができ
ず、逆にショツト粒の粒径が０゜６閤φを越えると窒化
合物層にクラックが生じ、疲労強度が悪化するからであ
り、ショット速度が５０　ｍ／ｓｅｃ未満では加工力が
不足し、ショット速度が１２０　ｍ／ｓｅｔを越えると
加工力が過大となって、窒化合物層にクラックが生じた
り、剥離が生じたりするからである。

なお、ショツト材質は、スチール、ガラス、アルミナな
どの何れでもよい。

このように上述の焼もどし処理の後に、上記条件下にお
いてショットピーニングを施すことにより、表面の圧縮
残留応力を焼もどし前よりも高くすることができ、焼も
どし処理とショットピーニング処理とを組合わせること
で、表面と内部との両者の圧縮残留応力を共に高くして
、疲労限を向上することができ、第６図のＳ−Ｎ線図に
この実施例の特性を実線で、従来のものを点線で示す如
く、高応力側での時間疲労強度をより一層向上すること
ができる効果がある。

上述の製造方法に基づく効果は、下記実験例２゜により
裏付けることができる。

実験例２゜ （Ａ）実験内容 表３に示す組成（数値は何れも重量パーセント）の鋼材
を熱間鍛造後９００℃に加熱し、次いで１゜０℃／ｓｅ
ｃの冷却速度で冷却して、フェライト＋ベイナイト組織
の試験片を作製した。

表３ 次に、この試験片を加工して直径１０ｍｍφ、切り欠き
Ｒ＝１．０ｍの疲労試験片を作製した。

次に、上述の試験片を５７０℃で、３．５時間、ＮＨ：
ＲＸ＝１：１の条件でガス軟窒化処理を行なった。次に
上述のガス軟窒化処理後に、２５０〜６００℃の各温度
で焼もどし処理し、２時間保持した後に、空冷し、次表
４に示すように各魔の試験片を得た。

つまり、焼もどし温度が４００℃のこの実施例に相当す
る試験片磁７と、 焼もどし温度が５００℃のこの実施例に相当する試験片
血８と、 焼もどし温度が２５０℃の比較例に相当する試験片Ｎα
９と、 焼もどし温度が６００℃の比較例に相当する試験片随１
０と、 焼もどしおよびショットピーニング処理を行なわない比
較例に相当する試験片Ｎ１１ｌｌとをそれぞれ得た。

次に、上述の各試験片魚７〜胤１０についてのみ次の条
件でショットピーニングを行なった。

すなわち、ショツト粒の粒径が０．３ｍφで、ショット
材質がスチールで、ショット硬さ（ロックウェルＣ硬さ
）がＨｒＣ５４で、ショット速度が５２ｍｌ＠ｅｃでシ
ョットピーニングを行なった後に、上述の各試験片魚７
〜ＮｃＬ１１について、それぞれ表面からの硬さ分布、
表面からの圧縮残留応力分布を測定すると共に、疲労試
験を行なった結果を第７図、第８図、表４に示す。

（Ｂ）実験結果 実験の結果、窒化処理後に３００〜５５０℃の温度範囲
で焼もどしを行ない、さらに、上述の条件下でショット
ピーニングを施した実施例の試験片Ｎ１７、Ｎａ８は硬
さ分布を変化することなく、ショットピーニングによる
表面部、焼もどしによる内部側の圧縮残留応力を高くす
ることができ、高応力側での時間疲労強度が比較例の試
験片徹９、Ｎ１１ｌ　０１ｂｉ　ｉの何れと比較しても
向上していることがわかった。

以上要するに、この発明の第１発明に係る実施例の製造
方法は、窒化処理後の鋼材を３００〜５５０℃の温度範
囲で焼もどしするので、内部の圧縮残留応力を高め、高
応力側での時間疲労強度の向上を図ることができる効果
がある。

また、この発明の第２発明に係る実施例の製造方法は、
窒化処理後の鋼材を３００〜５５０℃の温度範囲で焼も
どし処理し、次いでショットピーニング処理を行なうの
で、鋼材の表面と内部との圧縮残留応力を共に高くして
、疲労限を向上することができ、高応力側での時間疲労
強度をより一層向上することができる効果がある。

なお、上記実施例においては、窒化処理した鋼部材とし
て、高応力が付勢される自動車用歯車を例示したが、他
の鋼部材に上述の製造方法を適用してもよいことは勿論
である。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の一実施例を示し、 第１図は窒化処理した鋼部材の製造プロセスを示す図、 第２図はＳ−Ｎ線図、 第３図は表面からの硬さ分布を示す特性図、第４図は表
面からの圧縮残留応力分布を示す特性図、 第５図は窒化処理した鋼部材の製造プロセスを示す図、 第６図はＳ−Ｎ線図、 第７図は表面からの硬さ分布を示す特性図、第８図は表
面からの圧縮残留応力分布を示す特性図である。 第１図 ℃ンｐ−に撃Ｊ子 層１怠し？え 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）クロム元素およびバナジウム元素を含有する鋼材
   を焼ならしもしくは調質した後、機 械加工を施して窒化処理する鋼部材の製造 方法であって、 上記窒化処理後に、３００〜５５０℃の温 度範囲で焼もどし処理を行なうことを特徴 とする 窒化処理した鋼部材の製造方法。
2. （２）上記焼もどし処理の後に、ショットピーニングを
   施すことを特徴とする 特許請求の範囲第１項記載の 窒化処理した鋼部材の製造方法。