JPH0339460A - 曲げ疲労強度に優れた鋼製部品及びその製造法 - 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） 本発明は、曲げ疲労強度に優れた鋼製部品とその製造法
に関する。

（従来の技術） 近年、産業界では材料の高強度化の期待がますます強く
なっている。このような状況の中で、使用中繰り返し応
力が作用するような部品、例えば歯車、各種シャフト、
ビニオン等の鋼製部品には、従来よりもより高い曲げ疲
労強度の賦与が必要とされている。

鋼製部品の曲げ疲労強度上昇のためのもっとも代表的な
手法の一つに浸炭処理がある。浸炭処理は鋼のオーステ
ナイト領域にて炭素を鋼の表面より浸透拡散させ、その
後オーステナイト領域より焼入れ焼戻し処理を行って、
鋼の表面を高強度の高炭素マルテンサイトとするもので
ある。浸炭による曲げ疲労強度の上昇効果は、この鋼表
面の高炭素マルテンサイトによるところが多い０通常こ
のような高炭素マルテンサイトを得るためには、浸炭処
理でのカーボンポテンシャルを０．８〜１．２重量％程
度にする。

しかしながら、このような高炭素マルテンサイトの強度
のみにたよっただけでは疲労強度の上昇には限界があっ
た。

そこで、数々の研究・調査の結果、現在では高炭素マル
テンサイトの強度のみにたよるのではなく、他の疲労限
上昇のための因子をたくみに取り入れた新しい浸炭方法
が提案されている０代表的なものを以下にあげる。

■残留応力の活用 熱処理の際生じる残留応力は、曲げ疲労強度に大きな影
響を与える。特に、圧縮残留応力は、曲げ疲労強度を上
昇させるため、浸炭焼入れの際（特に焼入れの際）、こ
の圧縮残留応力を積極的に導入し疲労限を上昇させる（
本出願人が先に出願した特願昭６３−１４３２９８号）
。

■高炭素浸炭処理 浸炭の際、カーボンポテンシャルを鉄−炭素状態図のＡ
ｃｌＩ点以上に保持して、炭化物を球状に析出させ、基
地の高炭素マルテンサイトと球状硬質析出物の分散とに
より、曲げ疲労強度を上昇させる（特公昭５９−３５６
３０号公報）。

一方、浸炭処理方法のみではなく、浸炭処理に供される
鋼の材質の研究・調査も数多〈実施され、次のような新
しい浸炭用鋼もある。

■浸炭異常層低減調 通常の脱燐ｊ１１（例えばＪＴＳ規格ＳＣ１＋４２０、
ＳＣ門４２０等）をガス浸炭すると鋼の表面近傍に浸炭
異常層と称される粒界酸化と不完全焼入組織とから構成
される層が生成する。浸炭異常層は曲げ疲労強度に悪影
響を及ぼすので、この浸炭異常層を低減した肌焼鋼であ
る（特公昭５５−３２７７７号公報等）。

■低Ｐ化による浸炭層粒界強化鋼 浸炭部品の曲げ疲労破壊によって浸炭層の破面形態は旧
オーステナイト粒界破壊となる。浸炭層の旧オーステナ
イトの粒界を強化するために旧オーステナイト粒界を脆
弱化するＰの粒界偏析を低減した肌焼鋼である（特開昭
６０−２４３２５２号公報）。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように、鋼製部品の曲げ疲労強度上昇のために種
々の浸炭方法、種々の浸炭用鋼が提案されており、これ
により鋼製部品の曲げ疲労強度は上昇したが、上記のい
ずれの方法、いずれの浸炭用鋼においても次のような共
通した問題点がある。

すなわち、前記のとおり曲げ疲労強度を上昇させるため
には、鋼の表面を高炭素マルテンサイトにすることが第
一に必要であり、このためには、上記のいずれの浸炭方
法、いずれの浸炭用鋼においても浸炭処理の際には、鋼
の表面を高炭素マルテンサイトにするために、カーボン
ポテンシャルを０．８〜１．２重量％程度にすることが
必要である。

しかしながら、上記の方法、上記の鋼において、高炭素
マルテンサイトを得るために、このような高いカーボン
ポテンシャルで浸炭した場合には、マトリックスは高炭
素マルテンサイトとなり高い硬度が得られるが、粒界は
相対的に著しく脆弱化するという問題がある。

このため、曲げ疲労破壊は、浸炭部における粒界破壊に
よって生起し、マトリックスをｔ＊或する高炭素マルテ
ンサイトの強度は十分に曲げ疲労強度に反映しないので
ある。

本発明は、この問題を解決し、曲げ疲労強度に優れた鋼
製部品およびその製造法の提供を目的としたものである
。

すなわち、本発明の目的は、換言すれば、浸炭の際のカ
ーボンポテンシャルを０．８〜１．２重量％にしても粒
界を脆化させることなく曲げ疲労に対して、マトリック
スを構成する高炭素マルテンサイトの強度を十分に反映
させた曲げ疲労強度にすぐれた鋼製部品およびその製造
法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは、上記の目的を達成するため種々検討を重
ねた結果、前述の従来技術に示したいずれの浸炭方法、
いずれの浸炭用鋼についても、次に示すような基本的な
事実があることに着目した。

すなわち、マトリックス強度を充分に強化するためにカ
ーボンポテンシャル０．８〜１．２重量％で浸炭した場
合、曲げ疲労による浸炭部の破面は粒界破壊が支配的に
なることである。

この事実に基づき、本発明者らはさらに詳細な調査・検
討を進めた結果、次に示すような新規知見を得た。

（ａ）曲げ疲労により浸炭部が粒界破壊支配となる理由
は、浸炭中、旧Ｔ粒界にフィルム状の炭化物が析出し、
これが粒界を脆弱化させる。

（ｂ）浸炭中のフィルム状炭化物の析出による粒界脆化
については、微１ｉＢの存在が有効であり、浸炭処理に
先立ってポロナイジングをして鋼中にＢを浸入させてお
くと、浸炭後の粒界が強化され、疲労限が大幅に上昇す
る。この際、浸炭層の破面状況から粒界破壊が大幅に減
少しているのが分かる。

（ｃ）　Ｂによる粒界強化の機構としては、（ア）粒界
偏析ボロンによる粒界歪エネルギーの低下、（イ）浸炭
中のフィルム状炭化物析出の阻止である。

第１図（ａ）は従来技術の例の疲労破面の顕微鏡組織写
真であり、第１図中）はその一部拡大写真であり、浸炭
層粒界に析出したフィルム状炭化物を示す。

これらの知見により、本発明者らはさらに検討を重ねた
結果、浸炭処理前にポロナイジング処理をして鋼中にＢ
を侵入させて、（ア）固溶粒界偏析ボロンによる粒界歪
エネルギーの低下、および（イ）浸炭中のフィルム状炭
化物析出の阻止により、浸炭層の粒界を強化し、その後
に浸炭を行うことにより、曲げ疲労強度を上昇させるこ
とができることを知り、本発明を完成した。

第２図に本発明による疲労破面の顕微鏡組織写真を示す
が、粒界破壊が大幅に低減しているのが分かる。

ここに、本発明の要旨とするところは、表面に、Ｂの浸
透拡散層を含む、Ｂ濃度が０．０１重量％以下の浸炭硬
化層を備えた、Ｃを０．１〜０．５重量％含有する炭素
鋼または合金鋼よりなることを特徴とする、曲げ疲労強
度に優れた鋼製部品である。

また、別の面からは、Ｃを０．１〜０．５重量％含有す
る炭素鋼および合金鋼からなる鋼製部品の浸炭焼入処理
に際して、まず浸炭焼入処理に先だち、鋼の表面にＢを
浸透拡散させて、しかる後に浸炭、焼入、焼戻し処理を
施して、得られる浸炭硬化層のＢ濃度を０．０１％以下
とすることを特徴とする曲げ疲労強度に優れた鋼製部品
の製造法である。

浸炭処理に先立ち、Ｂの浸透拡散、つまりボロナイジ：
／グ処理を行うことが本発明の特徴である。

−Ｃにポロナイジング処理は鉄の表面に高い硬度を有す
る鉄−ボロンの金属間化合物（Ｆｅｄ、　ＦｅｔＢ）を
形成して、耐摩耗性の向上を目的とした表面硬化法の一
種である。このような目的をもった方法として現在まで
、例えば特開昭５７．３５６８４号公報に記載された提
案がある。

一方、本発明で行うポロナイジング処理はあくまでもそ
の後に行う浸炭処理の前処理であり、浸炭処理との組合
せにより曲げ疲労強度に優れた硬化層を得ようとするも
のである。

なお、浸炭処理後の浸炭硬化層は高炭素マルテンサイト
を主体として、Ｆｅ＝　ｃｃａ）を含む硬化層であり、
ポロナイジング単独処理によるＦｅＪ、　ＦｅＢを主体
として耐摩耗性向上を目的とした硬化層とは異なる。実
際にポロナイジング単独処理を行って得た硬化層には、
曲げ疲労強度の改善効果はない、従って、本発明は特開
昭５７−３５６８４号公報に記載された提案とは、それ
ぞれの目的、構成およびと効果を全く異にするものであ
る。

（作用） 本発明において各構成要件を限定した理由を以下に説明
する。なお、本明細書において、「％」は特にことわり
がない限り「重量％」を意味するものとする。

Ｃを０．１〜０．５％としたのは、次の理由による。

Ｃは非硬化層である芯部の強度を上昇させ、かつ芯部の
靭性を低下させる作用がある元素である。

しかし、Ｃ含有量が０．１％未満であると芯部の強度は
十分得られなく、硬化層を含めた材料全体の強度は不足
する。従って下限を０．１％とする。また、０．５％を
超えて添加すると、芯部の強度は上昇するが、逆に芯部
の靭性は低下し、材料全体の靭性が不足してしまう、そ
こで、上限を０．５％とする。

なお、Ｃ以外の元素については特に制限を設ける必要は
なく、この種の鋼製部品に用いられる一般的な範囲でよ
い０例えば、５ｉｌｏ〜２．０％、Ｍｎ＝０．２〜２．
０％、Ｐｒｏ〜０．０３％、Ｓｈｏ〜０．１０％程度は
許容される。

ここで、対象を炭素鋼および合金鋼とした理由は次の通
りである。

（１）曲げ疲労強度が必要な浸炭鋼製部品の中には、用
途によっては大型の部品もある。このような大型部品の
場合は、焼入性確保のため合金鋼が多数使用されるから
である。

（２）合金鋼に添加される合金元素の種類にかかわらず
、本発明による表面硬化法は曲げ疲労強度の上昇を実現
できる作用があるからである。

また、浸炭焼入処理に先立ち鋼の表面にＢを浸透拡散さ
せることは、本発明の最大の必須要素であり、これには
次の２つの作用がある。

（３）浸炭中の鋼の７粒界へのフィルム状の炭化物の析
出を阻止し、粒界脆化を起こさない。

（４）浸透拡散したＢは、浸炭後には固溶状態あるいは
Ｆｅｗ（ＣＢ）となって粒界に偏析して、粒界の歪エネ
ルギーを低下させて浸炭層の粒界を強化する。

以上の（３）、（４）の作用により、本発明においては
浸炭層の粒界が強化され、曲げ疲労強度の上昇を実現す
ることができる。

Ｂの浸透拡散処理を浸炭に先立って行う理由は、次の如
くである。

Ｂは浸炭中の鋼の７粒界へのフィルム状の炭化物の析出
を防止する効果を有するが、この効果は浸炭処理の際に
すでに鋼中にＢが存在しなければ期待できない、たとえ
ば、浸炭を行って鋼のγ粒界へフィルム状の炭化物が析
出した後にＢを浸透拡散してもすでに析出したフィルム
状の炭化物は除去できないのである。

浸炭焼入は鋼の表面を高炭素マルテンサイトとして鋼の
表面のマトリックス強度を上昇させ、綱の曲げ疲労強度
を上昇させる作用がある。

浸炭処理条件は特に指定しないが、鋼の表面のマトリッ
クスを充分に強化するためには、０．７〜１．２％のカ
ーボンポテンシャルで処理することが望ましい。

焼入はオーステナイト固溶体から冷却により、過飽和固
溶体（マルテンサイト）を生成させ、浸炭層および芯部
を硬化させる工程である０曲げ疲労限の向上のためには
一般には、十分に焼きを入れて、表面硬度、芯部硬度と
もに高くすることが望ましいが、鋼製部品の用途によっ
ては、焼入歪の軽減を考慮して焼きの入りを意識的に不
充分にすることもあり、この点、限定を必要とするもの
ではない、従って本発明では、用途に応じて、焼入後の
具体的な材料の硬度規定および焼入方法を適宜選定すれ
ばよい、なお、焼きの入りの程度によって本発明の効果
は全く影響されることがないことはいうまでもない。

浸炭焼入処理の後に行う焼戻処理には、浸炭焼入後の浸
炭層を高靭性化する作用があり、鋼の浸炭による表面硬
化処理においては必須の工程である。焼戻条件は特に指
定しないが、例えば通常の浸炭焼入処理の後行われる１
７０〜２００　’ＣＸ２ｈｒ→＾Ｃの条件が本発明にお
いても有効である。

浸炭硬化層のＢ濃度を重量比で０．０１％以下としたの
は、次の理由による。

浸炭硬化層のフィルム状炭化物の粒界析出抑制および粒
界歪エネルギー緩和による粒界強化に必要な浸炭層中の
Ｂ濃度は、重量比で数＋ｐｐｗａで充分であり、これ以
上添加しても効果は変わらないからである。一方、０．
０１％を越えると、この後に行う浸炭処理でのＣの浸透
が困難となり充分な硬化層を得ることが出来ないからで
ある。

なお、Ｂ濃度は、上記の作用効果を奏するためには、０
．００１０％以上含有することが望ましい。

本発明を実施例によってさらに具体的に説明するが、こ
れは本発明の例示であり、これにより本発明が限定され
るものではない。

実施例Ｉ ＪＩＳＩ格５ＣＲ４２０１４を溶製し、インゴットを３
ｏφに鍛造して焼準を行って第３図に示す小野式回転曲
げ疲労試験片を２つ作製した０次にこの試験片を一方は
ポロナイジングと浸炭とを行い、他方は浸炭のみを行っ
て、双方とも焼戻しを行った後、小野式回転曲げ疲労テ
ストを行った。

ポロナイジング処理はガス法により行い、具体的にはＢ
ＣＱｓとＡｒとを体積比でｌ：５０の割合で滌合したガ
ス雰囲気中で、６００°Ｃに加熱して０．５ｈｒ保持し
た後空冷することにより行った。

浸炭処理もガス法で行い、カーボンポテンシャル０．８
％の雰囲気で９３０″Ｃ加熱で２ｈｒ保持した後、常温
の油中に焼入した。

焼戻処理は、１７０℃加熱で２ｈｒ保持した後空冷して
行った。

使用したｔｊｊ４Ｍ成は第１表の通りである。

第１表 この結果、第２表に示すようにポロナイジングと浸炭処
理とを行った試料は、浸炭のみの試料に比べ約１０％疲
労限を上昇することができる。また、試験片の破面の中
に粒界破面が占める割合（粒界破面率）は、浸炭前にポ
ロナイジング処理することにより著しく減少した。これ
は浸炭硬化層での粒界の強度が枠内に比べ相対的に上昇
したものと考えられる。そしてこの結果、疲労限が上昇
したものと考えられる。

第２表 実施例２ 第３表に示す供試鋼Ａ−Ｄを溶製し、実施例１の要領で
疲労試験を行った。供試鋼ＡはＪＩＳ規格５２０Ｃの炭
素鋼である。供試ＪＩＢはＪＩＳ規格ＳＣ月４２０鋼、
供試ｊｌｌｃ、　Ｄは、各々、特公昭５５−３２７７７
号公報および特開昭６０−２４３２５２３号公報で提案
されている浸炭異常層低減鋼および低Ｐによる浸炭層粒
界強化鋼である。

この結果、第４表に示すように炭素鋼および合金鋼にか
かわらず、また、現在提案されている高強度浸炭用鋼に
かかわらず、本発明による浸炭方法により曲げ疲労強度
は上昇したことがわかる。

実施例３ 実施例１と同様にしてＪＩＳ規格５ＣＲ４２０鋼の３０
φ焼準材から小野式回転曲げ疲労試験片を製作した。

この後、ポロナイジング処理の条件を種々変更させて、
鋼表面のＢ浸透量を変化させ、浸炭焼入焼戻処理を行い
、小野式回転曲げ疲労試験を実施し、曲げ疲労限に及ぼ
す浸炭硬化層中のＢｌｉの影響を調査した。

ボロナイジング処理条件は温度を６００〜ｂ処理時間を
０．５〜２．Ｏｈｒ変化させ、処理雰囲気は実施例１と
同様にＢ　０２　ｓとＡｒ（１：　５０）の混合ガス中
とした。

浸炭、焼入、焼戻処理は実施例１と同様とした。

浸炭硬化層中のＢ１１１度の測定は、ポロナイジング士
浸炭処理＋焼戻した小野式回転疲労試験片の横断面の硬
度分布を測定して、硬化深さ（芯部硬さに収束した深さ
〉に相当する厚みを研削し切粉を分析することにより行
った。

この結果、第５表に示すように、浸炭硬化層中のボロン
濃度は工０．００４０〜メ０．００６０ｗｔ％が最適で
ある。処理の温度を上昇すると、硬化層中のＢ濃度が上
昇しポロナイジング処理による疲労限の上昇は小さくな
る０本例の結果より、１００　ｐｐｗｘ以下の濃度が最
適であるといえる。

第５表 （発明の効果） 以上説明したように構成された本発明により浸炭鋼部品
の問題点である、曲げ疲労による浸炭層の粒界割れを解
決して、曲げ疲労強度の向上を達威し、繰り返し応力が
作用するような歯車、各種シャフト、ビニオン等に応力
でき、従来よりもより高い応力の負荷を実現できるとい
う顕著な効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、Ｏ）は、従来技術での疲労破面に観察さ
れた浸炭層粒界に析出したフィルム状炭化物のＷ４′＠
鏡金属組織写真； 第２図は、本発明製品の疲労破面における顕微鏡金属組
織写真；および 第３図は、曲げ回転疲労試験片の外観を示す略式断面図
である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面に、Ｂの浸透拡散層を含む、Ｂ濃度が０．０
   １重量％以下の浸炭硬化層を備えた、Ｃを０．１〜０．
   ５重量％含有する炭素鋼または合金鋼よりなることを特
   徴とする、曲げ疲労強度に優れた鋼製部品。
2. （２）Ｃを０．１〜０．５重量％含有する炭素鋼および
   合金鋼からなる鋼製部品の浸炭焼入処理に際して、まず
   浸炭焼入処理に先だち、鋼の表面にＢを浸透拡散させて
   、しかる後に浸炭、焼入、焼戻し処理を施して、得られ
   る浸炭硬化層のＢ濃度を０．０１％以下とすることを特
   徴とする曲げ疲労強度に優れた鋼製部品の製造法。