JPH073324A

JPH073324A - 疲労強度に優れた鋼の製造方法

Info

Publication number: JPH073324A
Application number: JP14497493A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Murai; 暢宏村井; Terutaka Tsumura; 輝隆津村; Kenji Aihara; 賢治相原; Yoichi Watanabe; 陽一渡辺; Masayoshi Ogura; 真義小倉; Shunzo Umegaki; 俊造梅垣
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-06-16
Filing date: 1993-06-16
Publication date: 1995-01-06
Anticipated expiration: 2018-04-07
Also published as: JP3395252B2

Abstract

(57)【要約】【目的】機械部品の軽量化の要請に応じた曲げ疲労
強度、面疲労強度に優れた鋼材の製造方法を開発する。【構成】鋼部材を浸炭し、その後、10℃/sec以下の
冷却速度で組織の主体をフェライト、パーライト、ベイ
トナイトまたはそれらの混合組織とし、次いで高周波焼
入れをして表面部のみマルテンサイト化し、さらに必要
に応じてショットピーニング処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、曲げ疲労強度、面疲労
強度に優れた鋼の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、自動車産業を中心にして機械部品
の軽量化の要請が強い。これに対応して機械部品を構成
する鋼については従来よりも小さい部品で従来と同等も
しくは大きな負荷を受け持つことになるので高強度化が
必要である。特に、機械部品の摺動部等に使用される浸
炭部品については曲げ疲労強度と面疲労強度の向上が重
要である。

【０００３】これらの疲労強度向上のため従来は、浸炭
焼入後、ショットピーニング処理を施すなどしていた。
このような従来の浸炭焼入＋ショットピーニング処理は
浸炭焼入により表面硬化した鋼表面にさらにショットピ
ーニング処理を施すことにより、表面部に圧縮残留応力
を多量に生成させるもので、表面硬度上昇と圧縮残留応
力導入の複合効果により面疲労強度と曲げ疲労強度の向
上をはかる手法である。しかし、この浸炭焼入＋ショッ
トピーニング処理には以下のような問題点がある。

【０００４】(1) 工業生産する際、ショット球投射量の
バラツキが大きく、性能の安定性に欠ける。 (2) ショットピーニング処理により圧縮残留応力を大き
くするためにはショットピーニングの強度、つまりアー
クハイトの増大が必要であるが、これに伴い製品の表面
粗さが著しく劣化する。表面粗さの劣化はその部品の寸
法変化を伴いさらには面疲労強度に悪影響を及ぼす。

【０００５】(3) 特に、面疲労破壊の防止には圧縮残留
応力の導入のほか、硬度分布の最適化も重要である。面
疲労については接触部の面圧、すべりの大小により亀裂
の発生位置が異なり、この位置で十分な硬度を確保でき
るような硬化深さの最適化が重要となる。従来の浸炭焼
入＋ショットピーニング処理において硬化深さの最適化
を行うには浸炭時間の制御あるいは鋼の合金成分の最適
化が必要となるが、特に内部での亀裂発生を抑制するた
め硬化深さを大きくしようとする場合には浸炭時間を長
くするか合金元素の多量添加が必要となる。この場合、
製造コストあるいは鋼材コストが上がり、工業生産にお
いては経済面で大きな問題となる。このように、面疲労
強度を重視する場合、従来の浸炭焼入処理は硬化層増大
の観点からコスト的問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点を解決するためになされたものであり、その目的とす
るところは、従来の浸炭焼入＋ショットピーニング処理
の問題点であるショットピーニングによる性能のバラ
ツキ、寸法変化、肌荒れ、浸炭焼入処理における硬化
深さの不足を解決しつつ、浸炭部材の曲げ疲労強度と面
疲労強度を向上させた鋼の製造方法を提供することであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】ショットピーニング処理
による性能のバラツキ、寸法変化、肌荒れの問題を解決
するためには、浸炭焼入れ後のショットピーニング処理
を省略するか、あるいは軽微な処理にとどめるかのいず
れかが必要である。しかしながら、曲げ疲労強度と面疲
労強度の向上には圧縮残留応力を多量に導入させること
が最も有効である。

【０００８】本発明者らはショットピーニング処理に代
わる浸炭鋼の圧縮残留応力導入方法を究明しつつ、かつ
浸炭焼入れ処理の硬化深さ不足の問題も考慮に入れ、鋭
意研究した結果、以下のような知見を得ることができ
た。

【０００９】(1) 浸炭後10℃/sec以下の冷却速度で徐冷
して組織の主体をフェライト、パーライト、ベイトナイ
トまたはそれらの混合組織とし、次いで高周波焼入など
の表面焼入れをすることにより表面部の圧縮残留応力が
飛躍的に向上する。

【００１０】(2) 表面の圧縮残留応力の更なる向上のた
めショットピーニング処理を行う際、通常の浸炭焼入＋
ショットピーニング処理に比べ同じ圧縮残留応力を得る
ためのアークハイト量を小さくすることが可能で、ショ
ットピーニング処理後の性能のバラツキ、寸法変化、肌
荒れの問題が少なくなる。

【００１１】(3) 浸炭後10℃/sec以下の冷却速度で徐冷
することで組織を制御し、次いで高周波焼入れすること
により、浸炭時間を長くすることなく硬化層を深くで
き、しかも、高周波焼入れ条件を適正に選ぶことにより
硬度分布の形状も制御でき、面疲労強度を向上できる。

【００１２】ここに、本発明に要旨とするところは、鋼
部材を浸炭し、その後、10℃/sec以下の冷却速度で冷却
して組織の主体をフェライト、パーライト、ベイトナイ
トまたはそれらの混合組織、すなわちそのような組織の
２以上の混合組織とし、次いで表面焼入れ、例えば高周
波焼入れをして表面部のみマルテンサイト化することを
特徴とする曲げ疲労強度、面疲労強度の優れた鋼の製造
方法である。

【００１３】本発明の好適態様によれば、上述のように
表面焼入れ、例えば高周波焼入れをして表面部のみマル
テンサイト化してから、焼戻しを施してもあるいはショ
ットピーニング処理を施してもよく、さらにはそのよう
に表面部のみマルテンサイト化してから、焼戻しを施
し、次いでさらにショットピーニング処理を施すように
してもよい。

【００１４】すなわち、本発明によれば、浸炭→徐冷→
表面焼入れの各工程をとるのであって、従来の浸炭→焼
入れ→ショットピーニング処理、さらには後述する浸炭
→焼入れ→高周波焼入れの複合熱処理と比較しても、浸
炭→徐冷の構成は特異なものである。

【００１５】

【作用】次に、本発明の各工程の作用についてさらに具
体的に説明する。 (1) 浸炭処理本発明の本質的特徴は、すでに述べたところからも明ら
かなように、浸炭鋼を徐冷後、表面焼入れすることによ
り、浸炭焼入鋼として表面部と中心部の変態による膨張
のうち、中心部の膨張をできるだけ小さくし、表面部に
大きな圧縮残留応力を導入することである。

【００１６】ところで、浸炭焼入鋼の硬化層には圧縮残
留応力が一般に導入されている。これは次のような理由
からである。すなわち、浸炭処理によりＣの濃度勾配を
有した鋼を次の焼入処理によりマルテンサイト変態させ
た場合、Ｃ濃度が高い表面とＣ濃度が低い中心部とでは
変態による膨張が異なる。膨張が大きい表面部は膨張が
小さい中心部より圧縮の拘束を受けることになるので表
面部には圧縮残留応力が導入される。

【００１７】この浸炭焼入鋼の圧縮残留応力導入過程に
従うと、圧縮残留応力の大きさは表面と中心との膨張差
に大きく影響されることが考えられる。しかし、通常の
浸炭焼入では表面部と同時に中心部もマルテンサイト変
態のために膨張し、中心部の膨張の分だけ表面部の拘束
は弱まるので、表面部の膨張をそのまま圧縮残留応力に
反映させることはできない。

【００１８】ところが浸炭後10℃/sec以下の冷却速度で
上記した組織としてから高周波焼入のような表面焼入れ
を行うとＣ濃度が高い表面部のみを焼入できるので表面
部の膨張をそのまま圧縮残留応力に反映させることがで
きるのである。したがって、浸炭後10℃/sec以下の冷却
速度で徐冷し所定のミクロ組織としてから高周波焼入を
行うことにより、従来の浸炭焼入では得られない高い圧
縮残留応力を表面部に得ることが可能となる。また、本
発明によれば浸炭により表面部のＣ量を高くしているの
で表面焼入時の表面部のマルテンサイト変態による膨張
が大きく、通常の高周波焼入れに比べても表面部に高い
圧縮残留応力を得ることができるのである。

【００１９】なお、従来にあっても複合熱処理といって
浸炭焼入＋高周波焼入れ処理が、例えば雑誌「熱処理」
18巻１号昭和53年２月第15〜19頁、同第24巻５号昭和59
年10月第246 〜252 頁、そして特開昭64−36779 号公報
などに開示されている方法がある。しかし、例えば前述
の公開公報に示された方法は浸炭焼入処理の後、表面部
を高周波焼入するもので、浸炭処理後焼入することによ
って組織をマルテンサイト主体としている。かかる従来
技術の場合、高周波焼入前の浸炭焼入により中心部がす
でにマルテンサイト化されているため、この後、高周波
焼入により表面部をマルテンサイトにしても表面部の膨
張分をすべて圧縮残留応力に反映させることはできな
い。したがって特開昭64−36779 号公報で開示された方
法で得られる圧縮残留応力は比較的小さく、従来の浸炭
焼入＋ショットピーニング処理と比べても同等程度に過
ぎず、疲労強度の改善効果も十分ではない。

【００２０】したがって、これらをまとめると、本発明
にあって中心部の変態膨張を小さくするためのポイント
として次の２点が挙げられる。まず、第一は、中心部は
変態させずに表面部のみマルテンサイト変態により膨張
させることである。第二に、表面部のマルテンサイト変
態による膨張をさらに大きくするために表面のＣ量を上
昇させておくことである。

【００２１】浸炭処理はこのうち後者を達成する技術手
段であり、表面部の圧縮残留応力を一段と大きくする作
用がある。浸炭処理の際の加熱温度、保持時間、雰囲気
のカーボンポテンシャル値等の処理条件については対象
となる部材、部品のサイズ、使用条件により異なるし、
処理条件の相違により本発明の効果が失われることはな
いので特に限定はされない。

【００２２】浸炭方法についても固体浸炭、ガス浸炭、
イオン浸炭等の種々の方法があるが、方法の相違により
本発明の効果が失われることはないので特に限定はされ
ない。

【００２３】(2) 浸炭後の冷却浸炭後の冷却の大小は高周波焼入処理後の表面部の圧縮
残留応力の大きさを左右する作用がある。冷却速度が大
きくなり中心部がマルテンサイト変態すると中心部は膨
張する。この場合、次の高周波焼入により表面部のみマ
ルテンサイト変態させても表面部に導入される圧縮残留
応力は中心部の膨張の分だけ小さくなる。高周波焼入後
の表面部の圧縮残留応力を大きくするためには浸炭後に
徐冷することにより中心部のマルテンサイト変態を極力
阻止する必要がある。したがって、浸炭冷却後の組織と
してはフェライト、パーライト、ベイトナイト、または
それらの２以上の組織の混合組織が主体となる。換言す
れば、そのような組織とするために徐冷するのであっ
て、鋼組成との関連でそのような組織が生成されれば冷
却速度は特に制限はないとも言えるが、本発明では10℃
/sec以下とする。

【００２４】冷却速度の上限の理由は10℃/secを越える
と表面部の圧縮残留応力導入に悪影響を及ぼすマルテン
サイト組織が主体となるからである。好ましくは、冷却
速度は５℃／sec 以下である。なお、「油冷」の場合に
は通常20℃/sec程度となり、この場合通常の条件下では
マルテンサイト主体の組織の生成は避けられない。ここ
に、ある組織を「主体とする」とはその組織が面積割合
で50％以上を占めるということである。

【００２５】浸炭後の冷却速度と鋼の組織との関係は鋼
の合金元素含有量により大幅に異なる。例えば、Cr、M
n、Mo等を多量に含有させた鋼ではマルテンサイト組織
にするための臨界冷却速度が大きくなり、10℃/sec程度
の冷却速度でもマルテンサイトが多量に生成する。この
場合、浸炭後の冷却速度は10℃/secよりもかなり小さく
する必要がある。逆にCr、Mn、Mo添加量が低い鋼ではマ
ルテンサイト組織とするための臨界冷却速度が小さくな
り、浸炭後の冷却速度は大きくできる。浸炭用鋼として
通常使用される肌焼鋼のうち合金元素添加量が最も少な
いJIS 規格SCR420鋼では10℃/sec以下の冷却速度でマル
テンサイトの生成を面積割合で50％未満に抑えることが
できる。従って、浸炭後の冷却速度は10℃/secとした。

【００２６】(3) 表面焼入れ (例: 高周波焼入) 高周波焼入処理で代表される表面焼入れ処理は中心部は
膨張させずに表面部のみマルテンサイト変態により膨張
させるための技術手法であり、表面部に圧縮残留応力を
付与する作用がある。また、浸炭処理時間の長短、鋼の
添加合金元素の量に比較的影響されずに硬化層を大きく
する作用もある。高周波焼入処理の条件は部品の大き
さ、形状により変わるし、前述の面疲労での亀裂発生位
置によっても変わるので特に限定しない。ただし、本発
明は高周波焼入により表面部の高炭素領域のみマルテン
サイト化し、その膨張を利用して表面部に圧縮残留応力
を導入させることを特徴としているので、表面部のマル
テンサイト化率をできるだけ大きくするような高周波焼
入条件とするのが好ましい。

【００２７】(4) 焼戻し、ショットピーニング高周波焼入れなどの表面焼入れに続いて、必要に応じて
焼戻しを行ってもよい。焼戻し条件は特に制限はない
が、通常は 160℃×２hrの条件下で行えば十分である。

【００２８】さらに、本発明では浸炭後の10℃/sec以下
の冷却速度での徐冷と表面焼入の一連の熱処理により、
表面部の圧縮残留応力は従来の浸炭焼入よりもかなり高
くすることができ曲げ疲労強度と面疲労強度を大幅に向
上させることができるが、更なる向上のためにはショッ
トピーニング処理を行ってもよい。ただし、ショットピ
ーニング処理には寸法精度や面疲労強度を劣化させる作
用もあるので、できるだけ軽微な処理にとどめることが
望ましい。本発明にかかる熱処理を行った鋼材に対して
は、軽微なショットピーニング処理でも十分な圧縮残留
応力を得ることが可能である。

【００２９】本発明により得られる鋼、つまり本発明が
処理の対象とする鋼については特に制限なく、従来より
浸炭により機械部品として使用されていたものであれば
特に制限なく、例えばJIS 規格のSCR420、SCM420、SNCM
420 、SCM440、S30C等を挙げることができる。次に、本
発明の作用効果についてその実施例にもとずいてさらに
具体的に説明する。

【００３０】

【実施例】本例に用いた鋼は、JIS 規格のSCR420、SCM4
20、SNCM420 、SCM440、S30Cである。これらの鋼種の直
径30mm圧延材を焼準し、機械加工により回転曲げ疲労試
験片とローラピッチング試験片を作成した。試験片の形
状を図１、図２に示す。いずれも寸法の単位はmmであ
る。

【００３１】次いで、これらの試験片に対して表１、表
２に示す条件に従って熱処理を行い、JIS Z 2274にした
がって回転曲げ疲労試験とローラピッチング試験を実施
した。なお、本例では表面焼入れとして高周波焼入れを
実施した。ローラピッチング試験条件、要領を図３に示
す。半分だけ示す相手ローラーととも試験片を回転接触
させ、面疲労強度を求めるのである。一方、未使用の回
転曲げ疲労試験片とローラピッチング試験片を使用し残
留応力の測定と表面粗さの測定も行った。

【００３２】試験結果を表１、表２にまとめて示す。そ
れらの結果から次のような結論が得られた。 (1) 浸炭後10℃/sec以下の冷却速度での徐冷−高周波焼
入処理は従来の浸炭焼入処理に比べ、表面部の圧縮残留
応力を高くでき、曲げ疲労強度を向上できる。この傾向
は鋼種、浸炭温度、浸炭時間、浸炭雰囲気のカーボンポ
テンシャルが変わっても同じである。

【００３３】浸炭後10℃/sec以下の冷却速度での徐冷−
高周波焼入、ショットピーニングにより曲げ疲労強度を
さらに向上できる。ショットピーニングの強度 (アーク
ハイト) を上昇させると曲げ疲労強度をさらに向上でき
るが、一方では表面粗さが劣化する。本発明では浸炭後
10℃/sec以下の冷却速度での徐冷−高周波焼入により導
入される圧縮残留応力が高いため比較的弱いショットピ
ーニングでも大きな圧縮残留応力を導入することが可能
であり、表面粗さの劣化、寸法変化を伴うことなく曲げ
疲労強度を向上できる。

【００３４】(2) 浸炭後10℃/sec以下の冷却速度での徐
冷−高周波焼入処理は従来の浸炭焼入処理に比べ、表面
部の圧縮残留応力を高くでき、かつ硬化深さも大きくで
き、面疲労強度を向上できる。この傾向は鋼種、浸炭温
度、浸炭時間、浸炭雰囲気のカーボンポテンシャルが変
わっても同じである。

【００３５】浸炭後10℃/sec以下の冷却速度での徐冷−
高周波焼入、ショットピーニング処理により面疲労強度
を更に向上できる。ショットピーニングの強度 (アーク
ハイト) を上昇させると面疲労強度をさらに向上できる
が、過度のショットピーニング処理は表面粗さを劣化さ
せ面疲労強度を逆に低下させる。

【００３６】(3) 高周波焼入後の焼戻により残留応力は
低下するが曲げ疲労強度、面疲労強度には大きな影響は
ない。 (4) 浸炭後の冷却速度を大きくした比較例では中心部の
組織の主体がマルテンサイトとなり、この後高周波焼入
を施しても大きな圧縮残留応力を導入することができな
い。したがって、曲げ疲労強度、面疲労強度ともに大き
な向上は望めない。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、従来の浸炭＋ショット
ピーニング処理の問題点であるショットピーニングに
よる性能のバラツキ、寸法変化、肌荒れ、ならびに浸
炭焼入処理における硬化深さの不足を解決しつつ、浸炭
部材の曲げ疲労強度と面疲労強度を向上させることがで
き、したがって、曲げ疲労強度、面疲労強度が要求され
る鋼部品に本発明を適用でき、部品軽量化に対し効果が
あることが分かる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で使用した回転曲げ疲労試験片を示す側
面図である。

【図２】実施例で使用したローラピッチング試験片を示
す側面図である。

【図３】実施例のローラピッチング試験条件および要領
を示す説明図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者相原賢治大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者渡辺陽一横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者小倉真義横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者梅垣俊造横須賀市夏島町１番地日産自動車株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼部材を浸炭し、その後、10℃/sec以下
の冷却速度で冷却して組織の主体をフェライト、パーラ
イト、ベイトナイトまたはそれらの混合組織とし、次い
で表面焼入れをして表面部のみマルテンサイト化するこ
とを特徴とする曲げ疲労強度、面疲労強度の優れた鋼の
製造方法。
【請求項２】鋼部材を浸炭し、その後、10℃/sec以下
の冷却速度で冷却して組織の主体をフェライト、パーラ
イト、ベイトナイトまたはそれらの混合組織とし、次い
で表面焼入れをして表面部のみマルテンサイト化し、こ
の後焼戻しを施すことを特徴とする曲げ疲労強度、面疲
労強度の優れた鋼の製造方法。
【請求項３】鋼部材を浸炭し、その後、10℃/sec以下
の冷却速度で冷却して組織の主体をフェライト、パーラ
イト、ベイトナイトまたはそれらの混合組織とし、次い
で表面焼入れをして表面部のみマルテンサイト化し、そ
の後ショットピーニング処理を施すことを特徴とする曲
げ疲労強度、面疲労強度の優れた鋼の製造方法。
【請求項４】鋼部材を浸炭し、その後、10℃/sec以下
の冷却速度で冷却して組織の主体をフェライト、パーラ
イト、ベイトナイトまたはそれらの混合組織とし、次い
で表面焼入れをして表面部のみマルテンサイト化し、そ
の後焼戻しを施してからさらにショットピーニング処理
を施すことを特徴とする曲げ疲労強度、面疲労強度の優
れた鋼の製造方法。