JPH07118791A - 高面疲労強度機械構造用部品及びその製法 - Google Patents

高面疲労強度機械構造用部品及びその製法

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JPH07118791A
JPH07118791A JP26232193A JP26232193A JPH07118791A JP H07118791 A JPH07118791 A JP H07118791A JP 26232193 A JP26232193 A JP 26232193A JP 26232193 A JP26232193 A JP 26232193A JP H07118791 A JPH07118791 A JP H07118791A
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 C:0.35〜0.75%、Si:0.05
〜1.0%、Mn:0.3〜2.0%、Al:0.01
5〜0.05%、S:0.03%以下、P:0.015
%以下、の要件を満たし、残部Feおよび不可避不純物
からなる鋼を鍛造後所定形状に成形加工してから二段に
高周波焼入れしてなり、表面γ粒度がJIS G055
1の粒度No.10以上で且つ炭化物が微細に分散した
高面疲労強度機械構造用部品およびその製法を開示す
る。 【効果】 用いる鋼材の化学成分を特定すると共に、高
周波焼入れを2段に分けて行なうと共に夫々の条件をう
まく制御することによって、面疲労特性の非常に優秀な
機械構造用鋼部品を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、機械構造用部品および
その製法に関し、特に面疲労強度に優れた高強度の機械
構造用部品および該部品を製造する方法に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】機械構造用部品としては、歯車類、シャ
フト類、自動車部品等様々なものがあり、いずれも優れ
た疲労強度が要求される。殊に近年、自動車等の燃費低
減あるいは排ガス低減を目的とする車体軽量化の要請に
適合させる為、機械構造用部品には一層の高強度化が求
められている。しかも、それら機械構造用部品に対する
低コスト化の要望も強い。
【0003】機械構造用部品の疲労強度を高める為の一
つの手段として、公知の高周波焼入れは、表面硬化と圧
縮残留応力の増大が効果的に達成されると共に、加工費
が安く且つ処理時間が極めて短くて効率が良く、また環
境に優しいという利点も有しており、更には製品に生じ
る歪が少なくきれいな表面に仕上がるといった様々の利
点を有していることから、機械構造用部品の有用な強化
法として注目されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが従来の高周波
焼入れでは、硬化層を深くしようとすると長時間加熱し
なければならず、それに伴って結晶粒の粗大化、表面圧
縮残留応力の低下、表面層の硬さの低下等の障害を招
き、また微細炭化物の析出も少なくなる。一方、結晶粒
の微細化や炭化物の析出に主眼をおいて焼入れ条件を緩
和すると、硬化層が浅くなって満足のいく表面硬化効果
が得られなくなる。
【0005】即ち、従来の高周波焼入れでは、深く焼入
れてもまた浅く焼入れても、実現可能な面疲労強度の上
昇には限度があり、面疲労強度の飛躍的向上には期し難
い。本発明は、この様な事情に着目してなされたもので
あって、その目的は、従来の高周波焼入れ装置を有効に
活用し、従来の高周波焼入材に比べて面疲労強度の格段
に改善された、高強度機械構造用部品を得ることのでき
る技術を確立しようとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成すること
のできた本発明に係る高面疲労強度機械構造用部品の構
成は、C:0.35〜0.75%、Si:0.05〜
1.0%、Mn:0.3〜2.0%、Al:0.015
〜0.05%、S:0.03%以下、P:0.015%
以下、の要件を満たし、残部Feおよび不可避不純物か
らなる鋼を鍛造後所定形状に成形加工してから二段に高
周波焼入れしてなり、表面γ粒度がJISG0551の
粒度No.10以上で且つ炭化物が微細に分散したもの
であるところに要旨を有するものである。また本発明に
係る製法の構成は、C:0.35〜0.75%、Si:
0.05〜1.0%、Mn:0.3〜2.0%、Al:
0.015〜0.05%、S:0.03%以下、P:
0.015%以下の要件を満たし、残部Feおよび不可
避不純物からなる鋼を素材とし、該素材を鍛造後所定形
状に成形加工した後、周波数200KHz以下の高周波
焼入れにより加熱して0.5mm以上の硬化層深さを
得、次いで再び、周波数200KHz以下の高周波によ
り最高到達温度がAc3変態点(ここでAc3変態点とは、
高周波加熱における急速加熱時の変態点を表わす)以上
〜(Ac3変態点+150K)以下で焼入れを行なうこと
によって一段目より浅く焼入れし、表面γ粒度をJIS
G0551の粒度No.10以上にすると共に炭化物
を微細に分散させるところに要旨が存在する。
【0007】
【作用】本発明者らは、上記目的を達成するため鋼材の
化学成分や高周波焼入れ条件等を主体にして様々な角度
から検討を行った。その結果、所定の化学成分組成を有
する鋼を素材とし、この素材を鍛造、切削及び転造加工
によって所定の機械構造用部品に成形した後、通常の高
周波焼入れによって硬化層深さ0.5mm以上となる様
に処理し、その後、再度の高周波焼入れによって前記硬
化層の焼入れを行なって表面γ粒度を細粒化すると共に
微細炭化物を析出させるものであり、それにより、従来
の一発高周波焼入れでは得ることのできなかった硬化層
深さと微細結晶粒及び微細炭化物を析出せしめ、表層部
を硬質化すると共に表面圧縮残留応力を高めるものであ
り、それにより面疲労強度の著しく改善された機械構造
用部品を得ることに成功したものである。まず、本発明
で使用する鋼材の化学成分を定めた理由について説明す
る。
【0008】C:0.35〜0.75% Cは高周波焼入れ後の部品の疲労強度を高めるのに不可
欠の元素であり、0.35%未満では、耐摩耗性や耐フ
レッチング性を確保するのに十分な表面硬さが得られな
い。しかし、C量が過多になると切削加工性が劣化する
ばかりでなく、高周波焼入れ時に焼割れが生じ易くなる
ので、0.75%以下に抑えなければならない。
【0009】Si:0.05〜1.0% Siは、炭化物生成元素の少ない鋼においては、高温硬
さを高めるうえで重要な元素であり、一方炭化物元素の
多い鋼材では炭化物の析出を遅らせる。従って、その好
適含有量は炭化物生成元素の含有量によって変わってく
るが、標準的な含有率は0.05〜1.0%の範囲であ
り、炭化物生成元素の少ない鋼材では0.5〜1.0%
程度、炭化物生成元素量の多い鋼材では0.05〜0.
5%程度にするのが良い。
【0010】Mn:0.3〜2.0% Mnは、高周波焼入れの安定性を確保するのに必須の元
素であり、0.3%以上含有させなければならない。し
かし、Mn量が多くなり過ぎると焼入れ部以外の部分ま
で硬質化して部品全体としての靭性を悪化させるので、
2.0%以下に抑えなければならない。
【0011】Al:0.015〜0.05% Alは脱酸と結晶粒微細化に有効な元素であり、0.0
15%未満ではこれらの効果が有効に発揮されない。し
かし0.05%を超えて含有させてもそれ以上の結晶粒
微細化効果は発揮されず、むしろ酸素との結合により生
成する不純介在物量の増大によって靭性を悪化させるの
で0.05%以下に抑えなければならない。
【0012】S:0.03%以下 Sは鋼材の強度、殊に加工方向に対して横目の強度を著
しく低下させるので、0.03%以下に抑える必要があ
る。 P:0.015%以下 Pは粒界偏析を起こして粒界強度を低下させ、脆化の原
因となるので0.015%以下に抑えなければならな
い。
【0013】本発明で用いる鋼材は、上記化学成分の要
件を満たし、残部Feおよび不可避不純物からなるもの
であるが、上記元素に加えてNi,Cu,Cr,Mo,
V,Ti,Nb,Ca,Pb,Te,B,N,O等を適
量含有させ或は上限を規制することによって更に改質す
ることができる。
【0014】Ni:2%以下,Cu:0.03〜0.3
%,Cr:2%以下,Mo:2%以下よりなる群から選
択される1種以上 Niは、焼入性を向上させると共に、切欠靭性を高める
作用があるが、多過ぎると焼割れを生じる原因になるの
で2%を上限とする。Cuは、焼入性を向上させ、耐腐
食性も向上させる効果があるが、0.03%未満ではそ
の効果が得られず、また、過度に添加すると疲労強度に
悪影響が表われてくるので上限は0.3%とする。Cr
も炭化物生成元素であって焼入性を向上させる作用があ
り、しかも微細炭化物を生成させて疲労強度を高める作
用も有している。しかし、それらの効果は2%で飽和
し、過多になると素材硬さを低下させるので、2%を上
限とした。MoはCr等と同様に炭化物を形成して焼入
性を高める作用を有しているが、多過ぎると加工性が悪
くなるばかりでなく、焼入性も向上し過ぎるので2%以
下に抑えなければならない。
【0015】V:1%以下,Ti:0.1%以下および
Nb:0.1%以下よりなる群から選ばれる1種以上 Vは、炭化物を形成すると共にその安定性を高める作用
を有しているが、多過ぎると素地硬さの低下を招くので
1%を上限とする。TiはNやOと親和性が強く、結晶
粒の微細化に有効であるが、Vと同様に素地硬さの低下
を招くので0.1%を上限とする。NbもTi同様結晶
粒の微細化に有効であるが、過度に添加してもそれ以上
の効果は得られないので、0.1%を上限とする。
【0016】Ca:0.01%以下,Pb:0.3%以
下およびTe:0.1%以下よりなる群から選ばれた1
種以上 Caは、被削性を高める効果があるが、多過ぎると疲労
強度に悪影響を及ぼすので、0.01%以下とした。P
bもCa同様に被削性の向上に寄与するが、多過ぎると
疲労強度を悪化させるので、0.03%以下とした。T
eもCaやPb同様に被削性を向上させるが、多過ぎる
とやはり疲労強度を低下させるので、0.1%を上限と
する。
【0017】B:0.01%以下,N:0.03%以下
およびO:0.003%以下 Bは、少量の添加で焼入性を高めると共に粒界強度を上
昇させる効果を有しているが、その効果は0.01%程
度で飽和する。Nは、V,Nb,Tiと結合して析出硬
化を促進させるが、多過ぎると脆化の原因となるので、
0.03%を上限とする。Oは、酸化物系介在物を形成
して靭性を悪化させる原因になるので、0.003%以
下に抑えるべきである。
【0018】本発明は、上記化学成分の要件を満たす鋼
を素材とし、この素材を所定の機械構造用部品形状にし
た後、まず周波数200KHz以下の高周波焼入れを行
なって深さ0.5mm以上の硬化層を形成する。硬化層
深さは、温度や加熱時間をコントロールすることによっ
てコントロールすればよい。このとき、硬化層深さが
0.5mm未満では、転動疲労試験時の最大負荷応力が
かかるのが0.5mm未満であるため、強度の弱い素地
部分との剥離を生じる恐れがでてくるので、少なくとも
0.5mmの硬化層深さを得ることが必須となる。また
該高周波焼入れ時の周波数200KHz以下と定めたの
は、加熱速度の調整を容易にすると共に、低い加熱温度
で深い硬化層を得るためであり、周波数が200KHz
を超えると、加熱速度の調整が困難になるばかりでな
く、低い加熱温度域で十分な深さの硬化層が形成され難
くなる。
【0019】尚、該高周波焼入れ時における好ましい硬
化層深さの上限は、機械構造用部品の寸法・サイズ等に
よって変わってくるので一律に規定することはできない
が、あまり深くなり過ぎると内部まで硬質化し過ぎて部
品全体としての靭性を低下させる傾向が表われてくるの
で、好ましくは高周波焼入部の板厚の1/2以下あるい
は軸材では半径の1/2以下程度以下に抑えるのが良
い。
【0020】本発明は、上記高周波焼入れを行なった
後、再び200KHz以下の高周波により最高到達温度
をAc3変態点以上(Ac3変態点+150K)以下として
上記一段目よりも浅く焼入れを行なうことにより、一段
目よりも浅く焼入れすることによって表面γ粒度をJI
S G 0551の10以上とし、炭化物が微細に分散
した焼入れ組織を得る。このときの焼入れ温度がAc3
態点未満では、焼入れ効果が得られず、また(Ac3変態
点+150K)を超える高温になると、結晶粒が粗大化
すると共に、硬化層が一段目よりも深くなり、面疲労強
度がかえって低下傾向を示す様になる。しかし2段目の
高周波焼入れを上記好適温度範囲で行なうと、焼入れ部
の結晶粒を上記粒度No.10以上の微細なものにでき
ると共に炭化物が微細に分散した組織を得ることがで
き、面疲労強度を大幅に高めることができる。尚、該2
段目の高周波焼入れ硬化層深さの下限値は特に限定され
ないが、2段焼入れによる面疲労強度改善効果をより効
果的に発揮させるには、該2段目高周波焼入れ硬化層深
さを0.3mm程度以上にするのがよい。
【0021】
【実施例】次に本発明の実施例を示すが、本発明はもと
より下記実施例によって制限を受けるものではなく、前
・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実
施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明
の技術的範囲に含まれる。
【0022】実験例1 表1,2に示す化学成分の鋼を通常の溶製法に従って溶
解・鋳造後、鍛造し、焼ならし後、切削によって直径1
2mm、長さ22mmの転動疲労試験片を作製した。得
られた各試験片について下記の高周波焼入れを施した
後、焼入れ硬化層深さを測定すると共に、表層部の硬さ
およびγ結晶粒度を測定し、更に下記の条件で転動疲労
試験を行なった。結果を表3に示す。
【0023】(高周波焼入れ条件) 比較法:出力150KW、周波数100KHz、電圧
6.0KV、一次電流2.5A、二次電流2.5A、ワ
ークコイル移動速度7.1mm/secの条件で加熱し
た後水冷する。次いで120℃×90minで焼戻しし
てから表面研削する。 本発明法:上記比較法と同様にして第1段目の高周波焼
入れ・焼戻しおよび表面研削を行なった後、電圧150
KV、周波数100KHzで2段目の高周波焼入れを行
なう。 (転動疲労試験)ピッチング疲労試験機を使用し、潤滑
油としてタービン油#140を用い、接触応力5880
N/mm2 、回転数46800rpmの条件で測定し
た。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】
【表3】
【0027】表1〜3からも明らかである様に、本発明
の規定要件を満たす実施例1〜12は対応する比較例1
〜12に比べて表面硬さはあまり変わらないが、いずれ
も結晶粒が微細であり、優れた転動疲労寿命を有してい
ることが分かる。
【0028】尚図1〜4はいずれも表面から0.05m
mの深さ位置における金属組織を示す図面代用顕微鏡写
真(倍率:3000倍)であり、図1は実施例4、図2
は比較例4、図3は実施例5、図4は比較例5の焼入れ
材である。これらの写真からも明らかである様に、本発
明によって得られる2段高周波焼入れ材は硬化層の結晶
粒が非常に小さく、且つ炭化物も非常に微細であること
が分かる。
【0029】実験例2 表4に示す化学成分の鋼を通常の溶製法に従って溶解・
鋳造後、鍛造し、焼ならし後、実施例1と同様にして試
験片を作製し、高周波焼入れを施した後、転動疲労試験
を行なった。結果を表4に示す。
【0030】
【表4】
【0031】
【表5】
【0032】表4,5からも明らかである様に、本発明
の規定要件を満たす実施例13,14は、対応する比較
例13,14に比べて、実施例13では、表面硬さはあ
まり変わらないが、高い転動疲労寿命を有している。こ
れは、比較例13は、Mn量が不足するため焼入性が低
下し、同様の硬さと硬化層を得るための一段目高周波焼
入に長時間を要するため、二段高周波焼入れを行って
も、焼入部の結晶粒を上記粒度No. 10以上にすること
ができず、転動疲労寿命を十分に高めることができな
い。また比較例14では、C量が不足するため焼きが入
り難くなって十分な硬度が得られず、転動疲労寿命がか
なり低くなる。
【0033】実験例3 表1に示した実施例1の鋼種Aを使用し、一段目の高周
波焼入れを実施例1と同様の条件で電流電圧を変化させ
ることにより硬化層深さを変えたもの(実施例15)
と、二段目の高周波焼入れも同様に電流電圧を変化させ
ることによって硬化層深さを変化させたもの(比較例1
5)、二段目高周波焼入れ温度をAc3 +150K以上
に加熱したもの(比較例16)、及び二段目高周波焼入
れを周波数1kHzで行ったもの(参考例1)につい
て、同様に転動疲労試験を行った。結果を表5に示す。
【0034】
【表6】
【0035】表5からも明らかである様に、本発明の規
定要件を満たす実施例15は、対応する比較例15〜1
7に比べて結晶粒が微細になり、高い転動疲労寿命が得
られている。これは、比較例15及び16では、結晶粒
が微細にならず転動疲労寿命が十分に改善されず、ま
た、参考例1では、周波数が高いため、加熱温度をAc
3 +150K以下に抑えると十分な二段目の硬化層深さ
が得られず、転動疲労寿命が低くなっている。
【0036】
【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、用
いる鋼材の化学成分を特定すると共に、高周波焼入れを
2段に分けて行なうと共に夫々の条件をうまく制御する
ことによって、面疲労特性の非常に優秀な機械構造用鋼
部品を提供し得ることになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例4で得た焼入れ材の表層部金属組織を示
す図面代用顕微鏡写真である。
【図2】比較例4で得た焼入れ材の表層部金属組織を示
す図面代用顕微鏡写真である。
【図3】実施例5で得た焼入れ材の表層部金属組織を示
す図面代用顕微鏡写真である。
【図4】比較例5で得た焼入れ材の表層部金属組織を示
す図面代用顕微鏡写真である。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】C :0.35〜0.75%(重量%:以
    下同じ)、 Si:0.05〜1.0%、 Mn:0.3〜2.0%、 Al:0.015〜0.05%、 S :0.03%以下、 P :0.015%以下 の要件を満たし、残部Feおよび不可避不純物からなる
    鋼を鍛造後所定形状に成形加工してから二段に高周波焼
    入れしてなり、表面γ粒度がJIS G0551の粒度
    No.10以上で且つ炭化物が微細に分散したものであ
    ることを特徴とする高面疲労強度機械構造用部品。
  2. 【請求項2】 他の元素として、Ni:2%以下、C
    u:0.03〜0.3%以下、Cr:2%以下およびM
    o:2%以下よりなる群から選ばれる1種または2種以
    上を含む鋼からなるものである請求項1記載の高面疲労
    強度機械構造用部品。
  3. 【請求項3】 更に他の元素として、V:1%以下、T
    i:0.1%以下およびNb:0.1%以下よりなる群
    から選ばれる1種または2種以上を含む鋼からなるもの
    である請求項1または2記載の高面疲労強度機械構造用
    部品。
  4. 【請求項4】 更に他の元素として、Ca:0.01%
    以下、Pb:0.3%以下およびTe:0.1%以下よ
    りなる群から選ばれる1種または2種以上を含む鋼から
    なるものである請求項1〜3記載の高面疲労強度機械構
    造用部品。
  5. 【請求項5】 Bを0.01%以下、Nを0.03%以
    下およびOを0.003%以下に夫々制限された鋼から
    なるものである請求項1〜4のいずれかに記載の高面疲
    労強度機械構造用部品。
  6. 【請求項6】C :0.35〜0.75%、 Si:0.05〜1.0%、 Mn:0.3〜2.0%、 Al:0.015〜0.05%、 S :0.03%以下、 P :0.015%以下の要件を満たし、 残部Feおよび不可避不純物からなる鋼を素材とし、該
    素材を鍛造後所定形状に成形加工した後、周波数200
    KHz以下の高周波焼入れにより加熱して0.5mm以
    上の硬化層深さを得、次いで再び、周波数200KHz
    以下の高周波により最高到達温度がAc3変態点(ここで
    Ac3変態点とは、高周波加熱における急速加熱時の変態
    点を表わす)以上〜(Ac3変態点+150K)以下で焼
    入れを行なうことによって一段目より浅く焼入れし、表
    面γ粒度をJIS G0551の粒度No.10以上に
    すると共に、炭化物を微細に分散させることを特徴とす
    る高面疲労強度機械構造用部品の製法。
  7. 【請求項7】他の元素として、Ni:2%以下、Cu:
    0.03〜0.3%以下、Cr:2%以下およびMo:
    2%以下よりなる群から選ばれる1種または2種以上を
    含む鋼を素材として使用する請求項6記載の製法。
  8. 【請求項8】更に他の元素として、V:1%以下、T
    i:0.1%以下およびNb:0.1%以下よりなる群
    から選ばれる1種または2種以上を含む鋼を素材として
    使用する請求項6または7記載の製法。
  9. 【請求項9】更に他の元素として、Ca:0.01%以
    下、Pb:0.3%以下およびTe:0.1%以下より
    なる群から選ばれる1種または2種以上を含む鋼を素材
    として使用する請求項6〜8のいずれかに記載の製法。
  10. 【請求項10】Bを0.01%以下、Nを0.03%以
    下およびOを0.003%以下に夫々制限された鋼を素
    材として使用する請求項6〜9のいずれかに記載の製
    法。
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