JPH0613729B2

JPH0613729B2 - 肌焼鋼部品の製造方法

Info

Publication number: JPH0613729B2
Application number: JP61183939A
Authority: JP
Inventors: 敦団野; 利秋田中; 宗久松井; 政敏澤村
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1986-08-05
Filing date: 1986-08-05
Publication date: 1994-02-23
Anticipated expiration: 2009-02-23
Also published as: JPS63121617A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は肌焼鋼部品の製造方法、特に温間あるいは亜熱
間の温度域で塑性加工を施した後、浸炭、焼入れ処理を
行なって肌焼鋼部品を製造する方法に関するものであ
る。

［従来技術］６５０℃〜１０００℃の温間あるいは亜熱間温度域での
塑性加工によれば、複雑形状の鋼部品を精密に能率良く
成形できる。そのため、この温度域で歯車等の部品を鍛
造加工や転造加工で成形する技術が注目されている。

ところで、上記温度域で塑性加工した部品に浸炭焼入れ
処理を施す場合には、浸炭焼入れ処理に先立って焼準処
理を施さない限り、浸炭時にオーステナイト結晶粒の成
長（粗大化）を生じ、高強度の肌焼鋼部品を得ることは
困難とされている。

焼準処理としては、部品をそのＡｃ_３点直上の温度、一
般には９００℃前後に再加熱して、その温度で一定時
間、一般には２時間程度保持、空冷するそうさを行なう
が、加工後にこのような焼準処理を施すことは製造能率
を低下させ、かつ多大なエネルギ消費を必要とするた
め、経済的に不利である。

浸炭時のオーステナイト結晶粒の成長を抑制する他の手
段として、浸炭前に微細なＡｌＮやＴｉ、Ｖ、Ｎｂ等の
微細炭化物粒子をあらかじめ素材に数多く析出させてお
く方法が知られている。

しかしながら、上記温度域で塑性加工を施す場合には、
この手段の効果は充分でない。即ち、６５０℃〜１００
０℃の温度域で加工を施した場合には、オーステナイト
再結晶が生じたとしても、その成長が少ないため加工後
のオーステナイト粒は微細なものとなるとともに、加工
度が場所的に異ることよりオーステナイト粒の大きさは
不均一となる。更に再結晶を生じない低温域加工の場合
には必然的にひずみが残留する。またこの加工温度域で
はＡｌＮの凝集が生じやすい。これ等、微細な初期オー
ステナイトの生成、残留ひずみの発生、ＡｌＮの凝集
は、いずれも浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を
助長することとなり、ＡｌＮやＴｉ、Ｖ、Ｎｂ等の添加
効果を不充分なものとする。また加工後の不均一な大き
さのオーステナイト粒のために、浸炭後に均一な大きさ
のオーステナイトを得ることが困難である。

熱間鍛造後に微細な旧オーステナイト粒の焼入組織を得
る方法としては、素材を１２５０℃程度の熱間で鍛造
後、鍛造品を７２０℃〜６２０℃あるいは３９０℃〜２
５０℃の温度域に一旦冷却させてオーステナイト組織を
実質的に消失させ、その後、所定の焼入温度に再加熱、
保持して焼入をすることが提案されている（特開昭５８
−１４１３３１号、特開昭５８−１４１３３３号）。

しかしながら、この方法は熱間加工品を対象としてお
り、かつ加工後の浸炭処理は意図されておらず、この方
法を温間または亜熱間加工後に浸炭処理を行なう場合に
適用しても、浸炭時のオーステナイト結晶粒の成長を充
分に抑制することはできない。

［本発明が解決しようとする問題点］本発明は上記の実情に鑑みてなされたもので、素材を温
間あるいは亜熱間の温度域で塑性加工した後に、浸炭、
焼入れ処理を行なって肌焼鋼部品を製造する場合におい
て、浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制し
て、微細で均一な旧オーステナイト粒径を有する肌焼鋼
部品が知られる方法を提供することを目的とする。

また本発明は、浸炭前の長時間の焼準処理を必要とせ
ず、上記肌焼鋼部品を短時間の能率的な処理により得る
ことができる方法を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］上記の目的を達成する本発明は、浸炭用鋼素材に次の工
程による処理を行なうことを特徴とする。第１図は工程
を模式的に示すものである。

（イ）素材を加熱してオーステナイト化する。

（ロ）引続き１０００℃〜６５０℃の温度範囲において
オーステナイト状態で素材に塑性加工を施す。

（ハ）引続いて素材を、その塑性変形域が少なくとも部
分的にフェライトとパーライトに変態する温度以下にな
るまで冷却する。

（ニ）引続いて素材の上記塑性変形域をＡｃ_３＋１００
℃ないし１１００℃の温度に急速に再加熱後、室温まで
冷却する。

（ホ）冷却された素材を９００℃以上の温度で浸炭後、
焼入れ焼戻し処理を行なう。

本発明において用いる素材は、浸炭、焼入れがなされる
ことより、低合金の浸炭用鋼、例えば機械構造用炭素鋼
Ｓ１０Ｃ〜Ｓ２２Ｃ、クロム鋼ＳＣｒ４１５、４２０、
クロム・モリブデン鋼ＳＣＭ４１５、４１８、４２０、
ニッケル・クロム鋼ＳＮＣ８１５、ニッケル・クロム・
モリブデン鋼ＳＮＣＭ２２０、４１５、４２０、８１
５、マンガン鋼ＳＭｎ４２０、マンガン・クロム鋼ＳＭ
ｎＣ４２０等が用いられる。また結晶粒微細化のために
微量のＡｌＮやＮｂ、Ｔｉ、Ｖが添加された上記浸炭用
鋼も用いられ得る。

（イ）の工程における加熱温度は９００℃〜１２５０℃
程度が適当である。素材をオーステナイト化するための
実際的下限値は９００℃であり、一方、加熱時の粗大オ
ーステナイト粒の生成を避けるには１２５０℃ないしそ
れ以下とするのが望ましい。

（ロ）において、加工は転造、鍛造、押出しが適用さ
れ、加工温度は、精密な成形を実現するために、材料の
変形態と変形抵抗が塑性加工可能な範囲にあり、また塑
性加工終了後の二次酸化スケールの発生および金型への
熱負荷が少ない領域として選んだものである。

即ち、６５０℃以下の加工温度域では、材料の変形能が
低下して加工時の材料割れの危険が増すとともに、変形
抵抗が著しく高くなるため、通常の工具鋼では実用に耐
える程の金型の耐久性が期待できない。１０００℃以上
の加工温度では、鍛造後の二次酸化スケールの発生が多
く、また金型への熱負荷が過大とするために金型の損耗
がはげしく、精密加工が実現し難い。

更に、（ロ）の工程は（イ）に引続いて短時間（１分程
度）で主としてオーステナイト状態で加工を行なうもの
である。かつ再結晶が生じないか、生じたとしても再結
晶速度の小さい温度域で行なうものである。

（ハ）の冷却処理は、上記（ロ）の工程の加工による塑
性変形域のオーステナイト（Ａ）組織を、少なくとも部
分的にフェライト（Ｆ）＋パーライト（Ｐ）の混合組織
に変態させるためのものである。従って冷却の下限温度
はＣＣＴ曲線（連続冷却変態曲線）において、上記の変
態が生じる温度域、即ち、第１図の（ａ）領域か、それ
以下とする必要がある。

（ニ）の再加熱処理は、上記（ハ）の冷却処理に引続い
て行なわれ、素材を急速にＡｃ_３＋１００℃以上の温
度、即ち、第１図の（ｂ）領域にまで昇温させるもので
ある。これにより上記（ハ）の工程で生じたフェライト
＋パーライト、もしくはベーナイト（Ｂ）を含む組織を
再びオーステナイトに完全に変態させる。

したがって再加熱の下限温度はＡｃ_３＋１００℃であ
り、上限温度は、この時点でのオーステナイト結晶粒の
粗大化および部品の表面酸化を最小限に押えるために１
０５０℃〜１１００℃までとする。急速加熱手段として
は高周波誘導加熱が最も適している。

オーステナイト変態を確実なものとするために昇温後、
温度保持を行なってもよいが、保持時間は再加熱時のオ
ーステナイト粒の成長と表面酸化を極力おさえるため
に、最小必要限度（１５秒程度ないしそれ以下）とす
る。

所定の昇温、保持が終了後に、室温まで放令する。

（ホ）の浸炭処理は、通常の浸炭温度範囲（一般には９
００℃〜９５０℃）で行なえばよく、引続いて通常の焼
入れ、例えば８５０℃〜９５０℃の油冷と、焼戻し、例
えば１５０℃〜２００℃空冷を行なう。

なお、上記工程のうち、（イ）〜（ニ）の工程は時間的
に引続いて実施例される必要があり、各々の工程間に別
の工程や操作あるいは休止時間を挿入しない。（ホ）の
工程は、必ずしも（ニ）に引続いて続いて直ちに実施す
る必要はなく、（ニ）、（ホ）の工程間に任意の休止時
間を設けてもよい。

［作用、効果］本発明においては、先ず上記（イ）の工程で素材の組織
はオーステナイト化され、該オーステナイトは（ロ）の
工程で塑性変形される。（ロ）の工程は温間あるいは亜
熱間領域で行なわれ、部品の精密成形が可能である。

一方、（ロ）の工程での塑性変形によってオーステナイ
ト組織には加工ひずみが集積される。この加工ひずみを
有するオーステナイト組織は（ハ）の工程におけるパー
ライト変態と、（ニ）の工程における再度のオーステナ
イト化によって、加工ひずみの極めて少ない均一微細な
オーステナイト組織となり、その後空冷される。

なお、（ハ）の工程の処理を行なうことにより、（ニ）
の工程において生成されるオーステナイト結晶粒の大き
さは、（ハ）の工程の処理を行なわずに加工後にオース
テナイト組織（加工ひずみを含む）のままで（ニ）の工
程の処理を行なった場合に比べて、より小さく、かつ均
一なものである。（ニ）の工程で生成されるオーステナ
イト粒が均一になるのは（ハ）の工程によって加工オー
ステナイト組織がＡ＋Ｆ＋ＰあるいはＡ＋Ｆ＋Ｐ＋Ｂに
変態する再、加工オーステナイト粒の場所における加工
度の不均一およびこれに起因する再結晶度合いの不均一
が解消されることによる。

このように本発明は、温間あるいは亜熱間の温度域で素
材を加工するにかかわらず、浸炭前の時点における旧オ
ーステナイト組織は加工ひずみが極めて少なく微細で均
一なものとなっているので、通常の浸炭処理を行なって
もオーステナイト結晶粒の粗大化は生じず、引続く焼入
れ、焼戻し処理によって均一、微細組織の肌焼鋼部品が
得られる。

本発明によるときは、部品の精密成形が可能であるとと
もに、従来の焼準処理に比べて上記（ハ）、（ニ）の工
程が極めて短時間で済み、消費エネルギも大幅に節減で
きる。また本発明により得られる肌焼鋼部品の旧オース
テナイト結晶粒径は、従来法にる場合に比べて、より微
細なものとなる。従ってより高強度の部品の製造が可能
となる。上記（イ）〜（ホ）の工程はいずれも不可欠で
あり、この等の工程が複合されることによって、はじめ
て本発明の効果が奏され得るのである。

［実施例］素材としてＪＩＳＳＣｒ４２０（クロム鋼、０．２２
％Ｃ、０．２３％Ｓｉ、０．７３％Ｍｎ、０．０２３％
Ｐ、０．０１４％Ｓ、０．１５％Ｃｕ０．０７％Ｎｉ、
１．００％Ｃｒ、０．０２７％Ａｌ、０．０４％Ｎ）を
用い、はずば歯車の転造加工を実施した。加工条件は次
の通りである。

素材寸法：外径８６．７mm、幅１３．８mm円板状。

転造方法：円板状素材の外周部（深さ１０mmの範囲）を
１１００℃に高周波誘導加熱してオーステナイト化した
後に、素材外周部に同方向、同速度で回転する２個の歯
車状ローラダイスを連続的に押込むことによって素材の
外周部に歯形を形成した。歯形の諸元はモジュール２．
７５、歯数２８、ネジレ角２５°である。このときの転
造加工開始温度は９５０℃、加工完了温度は７００℃
（いずれも素材外周部の塑性変形域の温度）であり、ロ
ーラダイスの押し込み速度は素材の半回転あたり０．５
５mm、転造加工所要時間は約３秒である。

上記素材加熱、転造加工を含み、本実施例における温度
条件は第２図に示す通りである。図において（イ）〜
（ホ）は工程を、Ｉ．Ｈは高周波誘導加熱を、Ａ．Ｃは
空冷を、Ｏ．Ｑは油冷を示す。

転造加工終了後、素材（成形された歯車）の外周部の温
度をＴ_２（時点２）まで空冷し次いで高周波誘導加熱に
よってＴ_３（時点３）まで急速加熱し、０〜２ｓｅｃ
保持後に室温まで空冷した。

次いで、９５０℃×４ｈｒの浸炭処理を行なった後に油
焼入れを行なった（時点４）。

温度Ｔ_２，Ｔ_３を種々変化させた場合において、浸炭焼
入れ後（時点４）の歯の各部の旧オーステナイト結晶粒
径を調査した。結果を第３図および第４図に示す。

第３図において●、○、◎、△、▲、印はそれぞれ同図に付記した表および歯の図に示すよう
に、、の測定位置においてＴ_２をＲ．Ｔ（室温）、
５５０℃、６５０℃としたときの結果を示すものであ
る。本発明における（ハ）の工程の条件を満足するＴ_２
はＲ．Ｔおよび５５０℃である。しかして本発明により
Ｔ_３が９５０℃（Ａｃ_３＋１００℃）以上の場合には浸
炭時のオーステナイト結晶粒の成長が抑制されている。
特にＴ_３が９５０℃前後では、従来の焼準処理（＊印で
示される、９５０℃×１ｈｒ、空冷）より微細粒とな
る。

第４図において、線Ａは本発明により（ハ）の工程で冷
却処理を行なってＴ_２≦５５０℃とした場合であり、線
ＢはＴ_２＝６５０℃あるいは（ハ）の工程における冷却
処理を行なわなかった場合である。Ｔ_３は６００℃〜１
２５０℃の範囲で変化させた。本発明により（ハ）の工
程で冷却処理を行なうと、浸炭前のオーステナイト結晶
粒径がより小さい範囲まで結晶粒成長が抑制される。図
で斜線部分が本発明においてＴ_３＞９５０℃とした場合
の結晶粒径を示す。

また、第２図の時点２および時点３から成形された歯車
を水冷し、歯の各部について組織観察を行なった。結果
を下記の表に示す。表においてＡはオーステナイト、Ｆ
はフェライト、Ｐはパーライト、Ｂはベーナイト、Ｃは
セメンタイルである。本発明の範囲においては、時点２
および時点３で上記の変態が生じていることが知られ
る。

第５図は、（ニ）の再加熱工程において、時点３で生成
されるオーステナイト結晶粒の大きさの実験結果を示す
図である。（ハ）の冷却処理工程を行ないＴ_２＝５５０
℃、Ｒ．Ｔとして（ニ）の再加熱工程を行なった場合に
は、（ハ）の冷却処理工程を行なわず（Ｔ_２＝６５０
℃）、加工されたオーステナイトのままで（ニ）の再加
熱工程を行なった場合に比べてＴ_３＝９５０℃〜１１０
０℃で時点３におけるオーステナイト結晶粒は小さくな
っている。これにより（ハ）の冷却処理工程が有効であ
ることが知られる。なお図には再加熱を行なわなかった
場合の結果を付記した。また、測定個所は同図に付記し
た歯車における〜である。各実験において、５つの
結果が示されているのは上記の５個所の測定個所による
ものであるが、各結果がいずれの測定個所によるもので
あるかは記載を省略した。

しかしＴ_２＝６５０℃の場合に比べ、本発明のＴ＝５５
０℃、Ｒ．ＴおよびＴ_３＝９５０℃〜１１００℃では、
オーステナイト結晶粒の場所による差が少なく、均一化
されていることが知られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の工程説明図、第２図は本発明の実施例
の操作を示す説明図、第３図、第４図および第５図は、
本発明の実施例におけるオーステナイト結晶粒の大きさ
の測定結果を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者澤村政敏愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献特開昭59−190321（ＪＰ，Ａ) 特公昭59−46288（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】浸炭用鋼の素材を次の（イ）、（ロ）、
（ハ）、（ニ）および（ホ）の工程を経て処理すること
を特徴とする肌焼鋼部品の製造方法。（イ）素材を加熱してオーステナイト化する。（ロ）引続いて１０００℃〜６５０℃の温度範囲におい
てオーステナイト状態で素材に塑性加工を施す。（ハ）引続いて素材を、その塑性変形域が少なくとも部
分的にパーライトとフェライトに変態する温度以下にな
るまで冷却する。（ニ）引続いて素材の上記塑性変形域を、Ａｃ_３＋１０
０℃以上ないし１１００℃の温度に急速に再加熱後、直
ちに、ないしは１５秒以内で温度保持して後、室温まで
冷却する。（ホ）冷却された素材を９００℃以上の温度で浸炭処理
後、焼入れ、焼戻しを行なう。
【請求項２】上記（イ）の工程において、加熱温度が９
００℃〜１２５０℃である特許請求の範囲第１項記載の
肌焼鋼部品の製造方法。
【請求項３】上記（ロ）の工程において、塑性加工は転
造加工および鍛造加工のいずれかである特許請求の範囲
第１項記載の肌焼鋼部品の製造方法。
【請求項４】上記（ロ）の工程において、塑性加工の終
了温度が６５０℃〜７００℃である特許請求の範囲第１
項記載の肌焼鋼部品の製造方法。