JPH04301064A - 疲労強度の優れた鋼部材およびその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、オーステンパ処理品の
疲労強度を改善した疲労強度の優れた鋼部材およびその
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、鋼部材の表面硬度を高める技
術として窒化処理が知られ、例えば特公昭６１−３１１
８４　号公報に見られるように、軟窒化処理による窒化
層を深く形成するために、窒化処理前の鋼組織を窒化特
性に優れたフェライトとパーライトとの混合組織とする
熱処理を施し、その後窒化処理を行うようにした技術が
公知である。

【０００３】一方、鋼部材の熱処理は、焼入れ、焼もど
し（調質）が一般的であり、この用途としては通常Ｃ量
が０．４０〜０．５０％の炭素鋼（ＪＩＳ．Ｓ４０Ｃ〜
Ｓ５０Ｃ）または合金鋼が用いられる。また、この調質
の代用として或いはその靱性を改善する目的でオーステ
ンパ処理が行われ、通常の焼入れが鋼のオーステナイト
域の温度から概略室温の焼入れ剤（水、油等）に急冷す
る操作であるのに対して、オーステンパ処理は同じくオ
ーステナイト域から３００　〜５００　℃の中間浴に冷
却し、この温度で恒温保持する操作であり、焼入れに比
べて冷却能が小さい。

【０００４】このため、オーステンパ処理は、材料の変
態能を高める必要から調質用途に比べて、炭素量を高め
た鋼材（０．５０〜０．６０％）あるいは、更に炭素含
有量の高い球状黒鉛鋳鉄に適用される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えば、歯
車等の自動車部品では、小型軽量化、高出力化に伴う荷
重の増大に対する強度の確保、および運転状態での回転
等に対して振動騒音の低減化が品質を高める点で重要で
あるが、このような点からは機械加工後の熱処理によっ
て特性を高める際に、鋼部材に対して熱処理変形が小さ
くて寸法精度が良好でかつ高い疲労強度が得られるよう
にする必要がある。

【０００６】このような鋼部材を得る方法として、熱処
理変形の小さい窒化処理を行うことが前述のように知ら
れているが、この窒化処理は、窒素により表面に高硬度
の窒化化合物層および窒素拡散層を生成し、疲労強度を
高めるものであるが、浸炭焼入れと異なり、熱処理後に
内部硬さの向上は得られないため、窒化処理前の基地硬
さで窒化処理後の硬さが決まる。従って、より高い疲労
強度を得るためには内部硬さの向上が必要となる。しか
しながら、上記鋼部材は窒化処理後は表面硬度の上昇で
機械加工が困難となることから、窒化処理前に加工が可
能な程度に硬度が低く設定されていることが好ましいも
のである。

【０００７】そこで、本発明は上記事情に鑑み、窒化処
理を施す前には加工が可能な内部硬さとし、熱処理変形
の少ない窒化処理によって表面硬さおよび内部硬さを同
時に向上して疲労強度を高めるようにした疲労強度の優
れた鋼部材およびその製造方法を提供することを目的と
するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の疲労強度の優れた鋼部材は、重量％で、０．７
〜１．２　％のＣ、１．５　〜２．５　％のＳｉを含有
する鋼部材が、オーステンパ処理と窒化処理されて基地
がセメンタイトとフェライトとの混在組織に構成されて
いるものである。

【０００９】また、その鋼部材の製造方法は、重量％で
、０．７　〜１．２　％のＣ、１．５　〜２．５　％の
Ｓｉを含有する鋼部材に、オーステンパ処理を施した後
、４５０　〜４９０　℃の温度で窒化処理を施し、窒化
層より下層の残留オーステナイトをセメンタイトとフェ
ライトとの混在組織に分解させるものである。

【００１０】上記窒化処理としては、４５０　〜４９０
　℃の温度で窒化が可能な、イオン窒化、ガス軟窒化、
塩浴窒化によって行うものである。また、オーステンパ
処理としては、公知の熱条件で行うものである。

【００１１】

【作用および効果】上記のような疲労強度の優れた鋼部
材およびその製造方法では、比較的多量のＣ，Ｓｉを含
有する鋼部材に対してオーステンパ処理を施し、このオ
ーステンパ処理によって得られる残留オーステナイトを
、再加熱によってセメンタイトとフェライトとに分解し
て内部硬さを上昇するについて、この再加熱を低温の窒
化処理によって行って、内部硬さの上昇と同時に窒化に
よって表面硬さも同時に高めて疲労強度を向上するもの
であり、さらに、窒化処理の前には機械加工を可能とし
て、しかも、窒化処理は熱処理変形が小さい状態で行え
て振動騒音の発生も防止できるものである。

【００１２】

【実施例】この実施例の疲労強度の優れた鋼部材の製造
方法は、所定組成の鋼部材にオーステンパ処理を施した
後、軟窒化処理を施すものであって、各処理を具体的に
説明する。

【００１３】上記鋼部材の組成は、重量％で、Ｃを０．
７　〜１．２　％、Ｓｉを１．５　〜２．５　％、Ｍｎ
を０．５　〜２．０　％含有し、残部Ｆｅおよび不純物
である。なお、必要に応じてその他、Ｃｒ、Ｖ等の添加
元素を含有する。

【００１４】上記鋼部材の化学組成の必須元素の添加量
の範囲を説明する。炭素Ｃは、焼入性および残留オース
テナイトの安定化、さらにはベイナイト変態を遅延する
ために必要であり、０．７　％より少なくなると残留オ
ーステナイトが不安定になると共に焼入性が不十分とな
る。 また、１．２　％より多くなると、遊離炭素が析出する
恐れがある。最も好ましいＣ量の範囲は、０．８　〜１
．１　％である。

【００１５】また、Ｓｉの添加は恒温処理でのベイナイ
ト変態時に、炭化物の析出を抑える作用があり、また、
安定な残留オーステナイトを生成するために必要な元素
である。そして、１．５　％より少ないと、炭化物の析
出抑制作用が不十分となり、２．５％を越えると効果が
飽和すると共に、熱処理時に遊離炭素が析出する恐れが
ある。

【００１６】さらに、Ｍｎの添加は、焼入性を向上する
と共に、残留オーステナイトを安定化する作用を有し、
また、炭素と同様にベイナイト変態を遅延する効果もあ
る。０．５　％より少なくなると部材の強度および焼入
性が不十分となり、ベイナイト変態が短時間側になるた
め処理が困難となり、一方、２．０％を越えると、効果
が不十分になると共に靱性を阻害することから前記のよ
うな範囲で添加するものである。

【００１７】上記必須元素に対して、必要に応じてＣｒ
（０．５０〜１．３０％）、Ｖ（０．０５〜０．２０％
）の元素を一種または二種添加する。Ｃｒは焼入性の向
上元素であると共に窒化物形成元素であり、有効な効果
を得るためには０．５０％以上の添加が必要であり、１
．３０％を越えると焼入性が過大となって好ましくない
。また、Ｖは鋼中の炭素、窒素と化合して炭窒化物を生
成し、基地硬さを向上させるものであると共に、窒化時
に窒化物を形成して、硬化深さを深くするものであり、
その有効な効果は０．０５％以上で得られるが、０．２
０％を越えると靱性および加工性が低下して好ましくな
い。

【００１８】上記のような鋼部材に対するオーステンパ
処理の条件を示す。鋼部材を、オーステナイト単相域（
９６０　〜１２００℃）、または、オーステナイトとセ
メンタイトとの共存域（７７０　〜９６０　℃）に加熱
し、この温度域から３００　〜５００　℃の中間浴に急
冷し、この温度域で３０〜３００　分間保持する。この
中間浴の温度および保持時間によって、オーステンパ処
理後の金属組織におけるベイナイトと残留オーステナイ
トの構成比が変わるので必要に応じて適宜調整する。

【００１９】上記オーステンパ処理後の残留オーステナ
イトの量は４０容量％以上とするのが好適である。この
残留オーステナイトと硬さとの関係は、残留オーステナ
イトが多くなるほど硬さは低くなる傾向にあり、このオ
ーステンパ処理後の鋼部材に機械加工を行う工程では、
硬さが高すぎると加工が困難となることから、残留オー
ステナイトを４０容量％以上として加工が行える程度の
硬さを確保する。

【００２０】上記オーステンパ処理の後に、４５０　〜
４９０　℃で軟窒化処理を施すものであるが、この温度
範囲はオーステンパ処理で生成した残留オーステナイト
を分解すると共に、窒化処理するための温度である。こ
の軟窒化処理は、放電を利用したイオン窒化、ガス軟窒
化、塩浴窒化などの公知の窒化方法で行うものであるが
、残留オーステナイトが分解して硬くなる現象を利用し
、内部硬さの向上を得ると同時に表面に窒化層を形成す
るためで、４５０　℃より低くなると残留オーステナイ
トの分解が不十分で内部硬さの上昇が低く、また、４９
０　℃より高くなると逆に硬さが低くなることから上記
範囲で窒化処理を施すものである。

【００２１】次に、上記窒化処理における処理温度の範
囲が４５０　〜４９０　℃であることを確認したテスト
結果を示す。

【００２２】下記（１）　に示す化学成分の鋼部材を用
意し、所定形状の試験片（直径１０ｍｍの回転曲げ疲労
試験片）に加工し、（２）　の条件によってオーステン
パ処理を施した。このオーステンパ処理後の鋼部材の硬
さはＨｖ３５２　、残留オーステナイト量は５２％であ
った。その後、下記（３）　の処理条件でイオン窒化処
理を施し、その処理温度を４４０　℃から５００　℃ま
で１０℃毎に変えて、この処理温度と窒化後の内部硬さ
の変動関係を図１に示す。

【００２３】（１）　テストピースの組成Ｃ…１．０５
％，Ｓｉ…１．６９％，Ｍｎ…１．４６％，残部Ｆｅお
よび不純物 （２）　オーステンパ処理条件 ９２０　℃×２Ｈｒ　　→　　３８０　℃×２Ｈｒ（３
）　窒化処理条件（イオン窒化処理）ガス混合比　　　
　Ｎ２　：Ｈ２　＝１：１温度×時間　　　　４４０　
〜５００　℃×６Ｈｒ上記図１の結果から、窒化処理温
度と硬さの関係は、４５０　〜４９０℃の範囲で４６０
　℃をピークとして硬くなっており、４４０　℃より低
い温度では残留オーステナイトの分解がなく硬さは変化
せず、また、５００　℃を越える温度になると、逆に硬
さが低くなっている。このことから、窒化処理の条件と
しては、上記４５０　〜４９０　℃で行うことで良好な
結果が得られる。

【００２４】また、上記窒化処理後の試験片の疲労試験
の結果を示す。この試験片の組成は前記（１）　と同一
で、（２）　の条件によるオーステンパ処理を施し、窒
化処理は（３）と同様のガス混合比で、処理温度は４７
０℃×６Ｈｒである。また、比較例として、ＪＩＳ　規
格のＳＣＲ４２０Ｈ　材による同一形状の試験片に対し
て、５７０　℃×３Ｈｒの条件でガス軟窒化を施した場
合の、同様の測定結果を示す。

【００２５】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　本実施例品　　　　　　　　比較品　　
　　窒化前　　　　内部硬さ　　　　　　　　　　　　
　Ｈｖ３５２　　　　　　　　　　　Ｈｖ３４８　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　窒化後　　　　表
面硬さ　　　　　　　　　　　　　Ｈｖ５０３　　　　
　　　　　　　Ｈｖ５１０　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　窒化後　　　　内部硬さ　　　　　　　
　　　　　　Ｈｖ４０５　　　　　　　　　　　Ｈｖ３
４８　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　疲労強
度（１０７　Ｋｇｆ／ｍｍ２　）　　　　　　　　７２
　　　　　　　　　　　　６１上記結果より分かるよう
に、本実施例品では、オーステンパ処理後の窒化処理前
の状態では、内部硬さが比較品と略同等で機械加工が可
能であり、窒化処理後においては両者の表面硬さは略同
程度に上昇しているのに対して内部硬さは、本発明品の
場合には　Ｈｖ４０５と大幅に上昇している一方、比較
品では　Ｈｖ３４８と窒化前と同じ値である。その結果
、疲労強度については本実施例品の方が高い値を示して
いる。

【００２６】さらに、前記ＣｒおよびＶを添加した鋼部
材でのオーステンパ処理および窒化処理後の疲労試験の
結果を示す。試験片の組成は、Ｃ…０．９８％，Ｓｉ…
１．７２％，Ｍｎ…１．３８％，Ｃｒ…０．９８％，Ｖ
…０．１０％，残部Ｆｅおよび不純物であり、前記（２
）　の条件によるオーステンパ処理を施し、この試験片
を所定形状（直径１０ｍｍの回転曲げ疲労試験片）に加
工した後、窒化処理を施す。窒化処理の条件は、前記（
３）　と同様のガス混合比で、処理温度は４７０　℃×
６Ｈｒ（前例と同様）である。窒化前後の内部および表
面硬さと疲労強度を前例と同様に示す。

【００２７】 　　上記結果より分かるように、前例のＣｒ、Ｖを含有
しないものに対して、窒化後の表面硬さが高くなってお
り、より高い疲労強度が得られた。

【００２８】なお、上記実施例の窒化処理の後に、その
表面にショットピーニングを施して圧縮残留応力を付与
してさらに疲労強度を高めるようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　重量％で、０．７　〜１．２　％のＣ
   、１．５　〜２．５　％のＳｉを含有する鋼部材が、オ
   ーステンパ処理と窒化処理されてなり、基地がセメンタ
   イトとフェライトとの混在組織に構成されていることを
   特徴とする疲労強度の優れた鋼部材。
2. 【請求項２】　　重量％で、０．７　〜１．２　％のＣ
   、１．５　〜２．５　％のＳｉを含有する鋼部材に、オ
   ーステンパ処理を施した後、４５０　〜４９０　℃の温
   度で窒化処理を施し、窒化層より下層の残留オーステナ
   イトをセメンタイトとフェライトとの混在組織に分解さ
   せることを特徴とする疲労強度の優れた鋼部材の製造方
   法。