JPH0565592A

JPH0565592A - 高疲労強度構造用鋼およびその鋼部材

Info

Publication number: JPH0565592A
Application number: JP3227522A
Authority: JP
Inventors: Yoshimi Aoyama; 善美青山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1991-09-07
Filing date: 1991-09-07
Publication date: 1993-03-19

Abstract

(57)【要約】【目的】優れた疲労強度を有する構造用鋼およびその
鋼部材に関し、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖの高価な合金元素を低減
し、かつＣ、Ｃｒも低減しつつ焼入性と軟窒化特性との
バランス良く兼備させ、優れた疲労強度を有しつつ低歪
化（精度向上）を図る。【構成】（重量％で）Ｃ：0.1 〜0.35％、Ｓｉ：0.05
〜0.35％、Ｍｎ：0.6 〜1.50％、Ｐ：0.01 ％以下、
Ｓ：0.015 ％以下、Ｃｒ：1.1 〜2.0％、Ｍｏ：0.5 〜
1.0 ％、Ｖ：0.03〜0.13％、Ｂ：0.0005〜0.0030％、Ｔ
ｉ：0.01〜0.04％、Ａｌ：0.01〜0.04％および残部：Ｆ
ｅおよび不可避的不純物、からなる高疲労強度構造用鋼
である。そして、この構造用鋼から造られた鋼部材であ
って、局部的に高周波誘導加熱して８５０〜１０５０℃
でオーステナイト化し、該鋼部材の自己冷却または空冷
によってベイナイト組織とし、そして、軟窒化処理を施
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、構造用鋼、より詳しく
は、優れた疲労強度を有する構造用鋼およびその鋼部材
に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車用クランクシャフトやカムシャフ
ト、あるいは産業機械用シャフトおよびギヤ（歯車）な
どは機械的強度に加えて優れた疲労強度を確保する必要
があり、さらに、高精度の形状が要求される鋼部材（部
品）には、焼入焼もどしができて構造用鋼中最も優れて
いるニッケルクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ・ＳＮＣＭ）
が用いられている。そして、疲労強度をさらに向上させ
かつ耐摩耗性を向上させるために、熱処理歪みが比較的
小さな窒化処理（ガス軟窒化、ガス窒化など）が施され
ている。

【０００３】近年は、上述のような用途に使用される部
品について、軽量化ないし大荷重化を目指した設計が行
われるようになり、それだけ従来に比べて厳しい（過酷
な）条件下で使用されることになる。そこで、本発明者
は特願平２−１８２９００号（平成２年７月６日出願
日）にて、クランクシャフト、カムシャフト、ギヤなど
の高疲労強度と耐摩耗性とを向上させるために、高焼入
性を確保し、緩冷却条件下の焼入による低歪化を図り、
高硬度域（例えば、ＨＶ４５０）での使用で高強度を得
ることのできる窒化用および軟窒化用鋼の高疲労強度構
造用鋼を提案した。

【０００４】この提案した鋼は、その組成が、重量％
で、Ｃ： 0.35 〜0.45％Ｓｉ： 0.05 〜1.00％Ｍｎ： 0.20 〜0.80％Ｐ： 0.01 ％以下Ｓ： 0.015 ％以下Ｃｒ： 1.70 〜2.30％Ｍｏ： 0.80 〜1.10％Ｖ： 0.15 〜0.30％Ａｌ： 0.001 〜0.04％Ｎ： 0.0050〜0.0200％Ｏ： 0.0015％以下 (Ｎｉ： 3.5 ％以下) 残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】提案した構造用鋼は焼
入性や窒化性ないし軟窒化性の配慮からＣ、Ｃｒ、Ｍ
ｏ、Ｖなどを主要添加（合金）元素として構成したもの
である。しかしながら、自動車部品などに使用する上で
次のような課題〔（１）〜（３）の材料成分上の課題お
よび（４）の加工工程上の課題〕が残されていた。

【０００６】（１）Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖの高価な合金元素を
比較的に多く添加することがコストアップを招き、経済
性の観点からの制約がある。（２）冷間成形部品に使用する上で、一般の冷間加工部
品と同様に焼鈍を行ってもＣｒ、Ｍｏ、Ｖなどを多く含
有するために、母材への固溶や炭化物形成により冷間成
形性が劣化する。

【０００７】（３）Ｃ、Ｃｒの添加量は主として高い焼
入性を狙いとしたものであり、窒化（軟窒化）特性（拡
散層の深さ）を向上させるには、これら添加量を減らし
たほうが望ましい。すなわち、焼入性と窒化（軟窒化）
特性とをバランス良く兼備した材料系が望まれている。（４）窒化（軟窒化）処理材の疲労強度や転動疲労強度
は、母材強度にも大きく左右され、提案した構造用鋼の
様に母材硬度を高めて使用することが効果的である。し
かし、冷間成形部品へ適用する上での問題として、成形
加工時に加工応力が内在して、後の熱処理で母材強化を
図ろうとした時に、加熱による応力解放で寸法精度悪化
が生じ、さらに焼入歪が複合してしまう精度面でのトラ
ブルがある。そのために、成形後の応力除去焼鈍や仕上
加工などの追加工程が必要となってしまう。

【０００８】さらに、ギヤ類では、一般に浸炭焼入が施
され、高硬度表面で高強度が得られるが、窒化（軟窒
化）処理よりも処理温度が高く熱処理歪が大きい。所定
の精度を得るためには、処理後の歯面研削量が多くなっ
てしまう。製造コストの経済性の観点からも改善が望ま
れている。また、近年、冷間成形したギヤを試みられて
いるが、上述の（４）項の場合と同様に精度面での問題
がある。

【０００９】本発明の目的は、上述した材料成分上およ
び加工工程上の課題に対しかつ冷間成形ギヤに適するよ
うに焼入性、軟窒化特性、冷間成形性を確保し構造用鋼
およびその鋼部材（部品）を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的が、（重量％
で）Ｃ：0.1 〜0.35％、Ｓｉ：0.05〜0.35％、Ｍｎ：0.
6 〜1.50％、Ｐ：0.01 ％以下、Ｓ：0.015 ％以下、Ｃ
ｒ：1.1 〜2.0 ％、Ｍｏ：0.5 〜1.0 ％、Ｖ：0.03〜0.
13％、Ｂ：0.0005〜0.0030％、Ｔｉ：0.01〜0.04％、Ａ
ｌ：0.01〜0.04％および残部：Ｆｅおよび不可避的不純
物、からなる高疲労強度構造用鋼によって達成される。

【００１１】そして、上述した組成の高疲労強度構造用
鋼から造られた鋼部材であって、局部的に高周波誘導加
熱して８５０〜１０５０℃でオーステナイト化し、該鋼
部材の自己冷却または空冷によってベイナイト組織と
し、そして、軟窒化されていることを特徴とする高疲労
強度構造用鋼の鋼部材によっても達成される。

【００１２】

【作用】本発明にかかる高疲労強度構造用鋼の鋼部材
（例えば、クランクシャフト、ギヤなどの部品）は、高
周波誘導加熱と適切な冷却（ベイナイト焼入）によりベ
イナイト組織層を応力集中部や転動疲労強度を高める部
分に形成し、さらに軟窒化により表面硬度を高めかつ硬
化層の深さを深くして硬さの変化をなだらかにしてあ
る。

【００１３】本発明にかかる高疲労強度構造用鋼の組成
の限定理由を以下に説明する。Ｃ（炭素）は強度を決め
る最も基本的な元素であって、0.１０％未満ではベイナ
イト焼入時に焼入性の不足からフェライトが残存して所
望の強度をえるのが困難となる。。一方、0.３５％を越
えると、軟窒化特性および冷間加工性の低下を招く。

【００１４】Ｓｉ（珪素）は脱酸および焼入性に効果が
あり、0.０５％未満ではその効果が不十分である。一
方、0.３５％を越えると、冷間加工性の低下を招く。Ｍ
ｎ（マンガン）はＳｉと同様に脱酸および焼入性に効果
があり、0.６０％未満ではその効果が不十分である。一
方、1.５０％を越えると、冷間加工性の低下を招く。

【００１５】Ｐ（リン）およびＳ（硫黄）は共に有害な
不純物であり、軟窒化層の如く高硬度部分内に存在する
と、切欠感受性の増加から疲労強度低下を招き、それぞ
れ0.１％、0.０１５％以下とした。Ｃｒ（クロム）は焼
入性および窒化硬化性を向上させるのに有効な元素であ
り、1.１％未満ではその効果が不十分である。一方、2.
０％を越えると、窒化層の靱性の低下を招き、冷間加工
性を阻害する。

【００１６】Ｍｏ（モリブデン）は焼入性を向上させる
とともに、焼もどし軟化抵抗を増加させる効果があり、
0.５％未満ではその効果が不十分である。一方、1.０％
を越えると、焼入加熱時の未固溶のＭｏ炭化物が残存
し、疲労強度を低下させかつ冷間加工性も著しく阻害す
る。Ｖ（バナジウム）は焼もどし軟化抵抗を高め、析出
する炭化物を微細化して疲労強度を高め、さらに窒化硬
化深さを増加する効果があり、0.０３％未満ではその効
果が不十分である。一方、0.１３％を越えると、冷間加
工性を阻害する。

【００１７】Ｂ（硼素）は鋼部材に高焼入性を与えてベ
イナイト化を図るのと、冷間成形性を両立させるのに重
要な元素である。0.０００５％未満では焼入性の改善効
果が充分でなく、0.０３０％を越えると、添加量の増加
に見合った焼入性向上効果が期待できないばかりか、熱
間成形時にFe₂Bを析出して熱間割れの原因となり易い。
さらに、0.０００５〜0.０３０％の添加量範囲では、冷
間成形性へはほとんど影響せず、かつ比較的低炭素量
（0.１〜0.３％）において高焼入性を示すので、上述し
たＣ（炭素）添加量範囲と組み合わせることは極めて望
ましい。

【００１８】Ｔｉ（チタン）およびＡｌ（アルミニウ
ム）は脱酸効果があり、かつ鋼素材中に含まれるＮ（窒
素）およびＯ（酸素）を化合物として固定することから
添加されたＢを有効に作用させる効果がある。それぞれ
の下限値未満では、改善効果が充分でなく、一方、上限
値を越えると鋼素材の洗浄度を低下させることになる。
本発明にかかる高疲労強度構造用鋼の鋼部材において、
部材表面にベイナイト焼入層を形成するのに制御性の良
い高周波誘導加熱を採用し、８５０〜１０５０℃の温度
範囲に加熱するのは、８５０℃未満では短時間加熱のた
めに合金成分が十分に固溶しないで、フェライトが存在
して所望の強度が得られないし、一方、１０５０℃を越
えると、オーステナイト結晶粒の粗大化が進み、硬化層
の靱性低下となるからである。そして、ベイナイト組織
とするための冷却は、鋼部材の自己冷却、あるいは不活
性ガス（窒素ガス、アルゴンガスなど）、空気などの気
体による空冷が好ましい。ベイナイト組織とする冷却速
度は加熱温度、組成、鋼部材の重量などによって変動す
るので、規定することは難しいが、９８０℃に加熱した
ギヤの場合に、次のような冷却速度条件９８０℃→４００℃の間で、１５〜２５０℃／秒４００℃→３００℃の間で、１〜２５０℃／秒にてほぼベイナイト組織が得られる。ベイナイト層厚さ
としては１〜２mm程度あれば良い。

【００１９】ベイナイト組織層を形成した後で、必要な
らば、応力除去焼鈍（６００〜６５０℃）を施すことも
できる。本発明ではベイナイト組織層に軟窒化処理を施
すより、鋼部材表面にベイナイトよりも高硬度の表面硬
化層を５３０〜５７０℃程度で形成して、耐摩耗性の表
面とすると同時に疲労強度を高める。

【００２０】

【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明の実施態
様例および比較例によって本発明を詳細に説明する。表
１に示す組成の５種類の鋼を供試材を用意した。ここで
発明鋼１および２は、本発明の組成範囲の鋼であり、比
較鋼１は上述した特願平２−１８２９００号にて提案し
た鋼であり、従来鋼１はＳＮＣＭ４３９（ＪＩＳ−Ｇ−
４１０３）相当材であり、そして、従来鋼２はＳＮＣＭ
４２０相当材である。

【００２１】

【表１】

【００２２】クランクシャフトの製作例供試材として表１の発明鋼１、比較鋼１および従来鋼１
を用いた。これら供試材を熱間鍛造してクランクシャフ
トの粗形材にし、発明鋼１および比較鋼１についは焼な
らしを施し、従来鋼１については焼入焼もどしを施し
た。従来鋼１の焼入焼もどしした粗形材の内部硬さはＨ
Ｖ２８０であった。これらの粗形材を機械加工して、図
１に示す４気筒クランクシャフト１を製作した。このク
ランクシャフト１はクランクピン２およびクランクジャ
ーナル３とからなり、油孔４が明けられており、ピンフ
ィレット部２ａおよびジャーナルフィレット部３ａにア
ールが付けられいてる。例えば、クランクピン径４８m
m、クランクジャーナル径５５mm、貫通油孔径５mm、フ
ィレット部Ｒ1.８mmのシャフトとした。

【００２３】発明鋼１および比較鋼１のクランクシャフ
トついてはピン、ジャーナルフィレットおよび軸部全周
に高周波誘導加熱によって、表面加熱温度９６０℃に加
熱し、自己冷却によって深さ約1.６mmの焼入層５を形成
した（図２）。この時のフィレット断面の表面下１mmの
硬さは、発明鋼１で平均硬度ＨＶ(10)３８１〔３７１〜
３９６〕であり、比較鋼１で平均硬度ＨＶ(10)５８４
〔５６１〜５９７〕であった。焼入層５は発明鋼１では
ベイナイト組織であり、比較鋼１では若干のベイナイ
ト、トルースタイトを含むマルテンサイト組織であっ
た。

【００２４】これら３鋼種のクランクシャフトを６２０
℃で応力除去焼鈍して、ジャーナル軸の曲がりを測定
し、その結果を表２に示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２から分かるように、発明鋼１および従
来鋼１は焼鈍時の組織変化がほとんどないために曲がり
は少ない。一方、比較鋼１はマルテンサイトからベイナ
イトへの相変態と高周波焼入時に付与された残留応力の
解放により、歪みが生じて曲がりが大きい。このため、
比較鋼１では歪取りや、研削代を大きくして所要の精度
を確保する必要がある。

【００２７】次に、これらのクランクシャフトを研削加
工してから、ガス軟窒化処理（５７０℃×４時間）を施
した。処理後のクランクシャフトのフィレット部におけ
る深さ方向の硬さ分布を測定して、図３に示す結果が得
られた。図３から分かるように、発明鋼１でベイナイト
層（高周波焼入層）（II）の硬度は比較鋼１よりも低い
が、その焼入深さはＣ、Ｃｒを減らしたにもかかわらず
ほぼ同等の深さとなり、Ｂ添加の効果が認められる。ま
た、発明鋼１の軟窒化層（Ｉ）は比較鋼１および従来鋼
１よりも深くまで推移しており、Ｃ量低減の効果が認め
られる。

【００２８】得られたクランクシャフトを共振式疲労試
験機にセットして、ピンおよびジャーナルのフィレット
部に繰返し曲げ荷重を加えて両振り曲げ疲れ限度を調
べ、その結果を図４に示す。図４から分かるように、発
明鋼１の疲労強度は従来鋼１よりも著しく高く、比較鋼
１と比べて同等以上である。したがって、上述したよう
に本発明によれば、被削性を容易にした鋼母材で、鋼部
材（部品）の応力集中部（フィレット部）に改善した焼
入性および軟窒化特性が得られる構造用鋼を用いること
により、表面軟窒化硬化層とベイナイト組織層とを得て
かつ加工精度改善と同時に疲労強度改善を図ることがで
きる。

【００２９】ギヤの製作例供試材として表１の発明鋼２および従来鋼２を用いた。実施例１発明鋼２を焼鈍してその硬度をＨＶ１４０とし、機械加
工によりリング粗材を作り、さらに、固体潤滑処理して
から冷間成形によってリングギヤ１１を、例えは、モジ
ュール1.９、内径１１８mm、外径１４６mmで製作した
（図５）。

【００３０】そして、高周波誘導加熱によって９８０℃
まで加熱し、自己冷却による高周波焼入処理を施して、
図５に示すように、歯先外径から歯底にわたってベイナ
イト組織層（焼入層）１２を形成した。このベイナイト
層１２は歯底から約1.２mm深さまでＨＶ２９０の硬さで
あった。次に、酸洗によって酸化スケールを除去してか
ら、ガス軟窒化処理（５７０℃×５時間）を施して表面
硬化層を形成した。

【００３１】比較例１発明鋼２を実施例１と同様に機械加工し、冷間成形して
リングギヤを製作した。高周波焼入処理の代わりに焼入
焼もどし処理を施して、その硬度をＨＶ２８０とした。
そして、実施例１と同様にガス軟窒化処理を施して表面
硬化層を形成した。

【００３２】比較例２発明鋼２を実施例１と同様に機械加工し、冷間成形して
リングギヤを製作した。高周波焼入処理を省略して、ガ
ス軟窒化処理を施して表面硬化層を形成した。比較例３従来鋼２を実施例１と同様に機械加工し、冷間成形して
リングギヤを製作した。そして、９２０℃×3.５時間の
浸炭焼入焼もどし処理を施して、表面硬化層を形成し
た。

【００３３】上述した実施例１および従来例１〜３によ
って製造したリングギヤについて、寸法精度としてオー
バーボール径（ＯＢＰ）を調べ、その結果を図６に示
す。また、これら製造したリングギヤの歯元曲げ疲労強
度を動力循環式試験機によって調べ、その結果を図７に
示す。これらの結果から分かるように、本発明にかかる
構造用鋼部材（実施例１）はそのギヤ歯元母材をベイナ
イト組織層と表面軟窒化硬化層とにして強化すること
で、低歪化（精度向上、図６）が図れかつ従来の浸炭処
理並みの曲げ疲労強度を確保することができる（図
７）。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る高疲
労強度構造用鋼の鋼部材は、鋼部材（部品）の応力集中
部をベイナイト組織の焼入層と軟窒化表面硬化層として
強化するものであり、表面より軟窒化層→ベイナイト層
→母材とする構成を本発明にかかる構造用鋼で得ること
ができる。特願平２−１８２９００号にて提案した高疲
労強度構造用鋼での疲労強度を本発明ではＣｒ、Ｍｏ、
Ｖの高価合金元素およびＣの添加量を低減しつつ達成
し、さらに低歪化（精度向上）を図ることができる。本
発明では、鋼粗材を焼鈍ないし焼きならしによって低い
硬さの状態にて供し得るので、被削性改善から生産性の
向上が図れ、また冷間成形加工できることから工程合理
化も図れる。特に、ギヤでは疲労強度を従来鋼並みに確
保しつつ精度を高めることができて、精度低下によるギ
ヤ騒音を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】クランクシャフトの部分側面図である。

【図２】クランクシャフトの部分断面図である。

【図３】フィレット部の表面からの硬さプロフィルを示
すグラフである。

【図４】クランクシャフトの疲労試験結果を示す両振り
曲げ荷重−繰返し数曲線のグラフである。

【図５】リングギヤの部分断面を含む平面図である。

【図６】リングギヤのＯＢＰ測定での変化量を示すグラ
フである。

【図７】リングギヤの歯元曲げ応力を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１…クランクシャフト２…クランクピン２ａ…フィレット部３…クランクジャーナル３ａ…フィレット部５…高周波焼入層１１…リングギヤ１２…ベイナイト組織層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２３Ｃ 8/26 8116−4Ｋ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記組成（重量％）：Ｃ： 0.1 〜0.35％Ｓｉ： 0.05 〜0.35％Ｍｎ： 0.6 〜1.50％Ｐ： 0.01 ％以下Ｓ： 0.015 ％以下Ｃｒ： 1.1 〜2.0 ％Ｍｏ： 0.5 〜1.0 ％Ｖ： 0.03 〜0.13％Ｂ： 0.0005〜0.0030％Ｔｉ： 0.01 〜0.04％Ａｌ： 0.01 〜0.04％残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高疲労強度構造用鋼。
【請求項２】請求項１記載の高疲労強度構造用鋼から
造られた鋼部材であって、局部的に高周波誘導加熱して
８５０〜１０５０℃でオーステナイト化し、該鋼部材の
自己冷却または空冷によってベイナイト組織とし、そし
て、軟窒化されていることを特徴とする高疲労強度構造
用鋼の鋼部材。