JPH08260125A - 疲労強度を改善した部品の製造方法 - Google Patents

疲労強度を改善した部品の製造方法

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JPH08260125A
JPH08260125A JP6591195A JP6591195A JPH08260125A JP H08260125 A JPH08260125 A JP H08260125A JP 6591195 A JP6591195 A JP 6591195A JP 6591195 A JP6591195 A JP 6591195A JP H08260125 A JPH08260125 A JP H08260125A
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JP
Japan
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hardened layer
fatigue strength
steel
improved
quenching
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JP6591195A
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Mitsuo Uno
光男 宇野
Fukukazu Nakazato
福和 中里
Yoshihiko Kamata
芳彦 鎌田
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Nippon Steel Corp
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 強度のバラツキを軽減し、安定して疲労強度
を向上させる技術を開発する。 【構成】 炭素含有量が 0.1〜0.3 %未満の肌焼鋼を製
品形状に成形し、浸炭焼入れした後、あるいは炭素含有
量が 0.3〜0.5 %である機械構造用の炭素鋼または低合
金鋼を製品形状に形成し、浸炭焼入れした後、下式に示
す有効削り代が1〜80%となる範囲内で鋼表面を研削除
去する。 【数1】

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば、歯車、シャフ
ト等の浸炭焼入れ部品あるいは表面焼入れ部品の製造方
法、特に疲労強度を改善したそれらの部品の製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】従来、自動車、産業機械、土木建設機械
に使用される歯車や、シャフト等の部品には、耐摩耗性
と疲労強度を向上させる目的から、一般的には浸炭焼入
れ処理や表面焼入れ処理(例: 高周波焼入れ) が施され
る。
【0003】最近は、例えば自動車用部品の場合、燃費
向上の要請に基づき軽量化を図る必要上、特に疲労強度
向上策として、浸炭処理あるいは高周波焼入れ処理後に
ショットピーニングを施す対策が取られるようになっ
た。
【0004】しかし、このショットピーニングの方法
は、ショット玉のサイズ (使用中に割れたりして大きさ
が変わる) や、ショットの角度等によってその効果に大
きく差が出るため、強度にばらつきがあり、品質保証面
で問題がある。
【0005】従来の特許公報を概観しても、例えば肌焼
鋼に関しては疲労強度を改善した部品に関してはいくつ
かの提案が見られる。すなわち、特開平2−125842号公
報にはC:0.10 〜0.30%の疲労強度の優れた浸炭肌焼鋼
が開示されており、それからは、浸炭、焼入れ、焼戻
し、そしてショットピーニング処理を経て疲労強度を改
善した各種部品が製造される。
【0006】特開平2−259012号公報にはC:0.10 〜0.
30%の肌焼鋼に浸炭処理、さらに必要により焼戻し処理
を行うことで疲労強度を改善することが開示されてい
る。一方、特開平3−120313号公報には、ショットピー
ニング処理した表面層を切削加工 (machining)すること
によって表面の圧縮残留応力が増大することから、疲労
強度がより一層優れた機械構造部品を製造できることが
開示されている。
【0007】しかしながら、これらの従来技術は、いず
れも、今日求められている疲労強度の改善を満足させる
ことはできない。また、製造コスト的にもショットピー
ニング等効率の悪い手段が用いられる場合には問題があ
るばかりでなく、さらには前述のように疲労強度のバラ
ツキ発生は避けられないなど信頼性の点でも問題があ
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
従来技術の問題を解決し、簡便な手段でもって強度のバ
ラツキを軽減し、安定して疲労強度をさらに一層向上さ
せることの技術を開発することにある。より具体的には
疲労強度30%以上の特性が安定して得られる表面硬化層
を備えた部品を製造する方法を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上述の目
的を達成すべく、ショットピーニングを施こさずに、浸
炭処理品あるいは高周波焼入れ品の疲労強度向上を図る
手段について種々検討した結果、下記のような知見を
得、本発明を完成した。
【0010】(1) 浸炭処理あるいは高周波焼入れ処理後
に、表面硬化層を施削 (cutting)あるいは研削 (grindi
ng) することにより、疲労強度は著しく向上する。 (2) 同じ表面硬化層深さでも、浸炭処理まま材あるいは
高周波焼入れまま材と、浸炭処理あるいは高周波焼入れ
後、研削したものとでは、研削したものの方が疲労強度
は高い。
【0011】(3) 同じ表面硬化層深さの材料でも施削し
たものの方が、表層部の圧縮残留応力値が高い。 (4) 表面硬化層深さに対する削り代を有効削り代と定義
すると、有効削り代を、表面硬化層厚さの1〜80%に制
御すると疲労強度の改善が著しい。
【0012】かくして、本発明は、重量%で、炭素含有
量が 0.1〜0.3 %未満の肌焼鋼を製品形状に成形し、浸
炭焼入れして表面硬化層を形成した後、下式に示す有効
削り代が1〜80%となる範囲内で前記表面硬化層を例え
ば施削または研削により除去することを特徴とする疲労
強度を改善した部品の製造方法である。
【0013】
【数1】
【0014】別の面からは、本発明は、重量%で、炭素
含有量が 0.3〜0.5 %である機械構造用の炭素鋼または
低合金鋼を製品形状に成形し、表面焼入れにより表面硬
化層を形成した後、前記有効削り代が1〜80%となる範
囲内で前記表面硬化層を除去することを特徴とする疲労
強度を改善した部品の製造方法である。
【0015】
【作用】このように、本発明は、表面硬化層の研削ある
いは施削によって、疲労強度を安定してしかも簡便な手
段で向上させようとするものである。本発明により疲労
強度が顕著に改善される機構は、次のように説明できる
ことが判明した。
【0016】図1(a) は、研削前後の応力分布と表面硬
化層深さとの関係を示す模式図、図1(b) は、有効削り
代の定義の説明図である。図1(a) にあって、研削前
は、実線で示す領域Iのような分布を示す圧縮残留応力
が存在するが、研削すると、今度は破線で示す領域IIの
ような分布をもつ圧縮残留応力となって表面硬化におけ
る圧縮残留応力はむしろ大きくなるのである。このよう
な応力分布の変化に起因して疲労強度の著しい改善が見
られるのである。
【0017】すなわち、表面硬化層の圧縮残留応力と内
部 (母材部) の引張残留応力は、常にバランスが保たれ
ているが、表面硬化層の圧縮残留応力部を削り取るた
め、その域の面積が小さくなる。従って、圧縮と引張の
バランスを保つために、必然的に表面硬化層の圧縮残留
応力値の絶対値が向上する。
【0018】なお、この際、内部の引張残留応力値もバ
ランスをとるために若干低下する。しかし、そのような
低下は、むしろ、芯部の靱性値の改善をもたらし、これ
によっても疲労強度の改善が促進される。
【0019】ところで、特開平3−120313号公報にはシ
ョットピーニング層を表面切削することで残留応力を増
加させることが開示されているが、上述のような本発明
の残留応力増大手段と比較すると、次のような相違が見
られる。
【0020】すなわち、上記公報開示の方法は第一にシ
ョットピーニング処理により荒れた表面層の切削による
平滑化を図って疲労強度の改善を図るのであって、第二
に切削加工による表面の残留応力の増大は、1種の塑性
加工による加工歪みの導入に相当するものである。
【0021】ショットピーニングを施さなくても研削等
によって加工層の面積を小さくすることによって圧縮残
留応力を増加させる本発明の場合のそれとは異なる。ま
た、実際、研削仕上げは研削加工の際に発生する熱によ
って圧縮残留応力が緩和してしまうとして不適としてい
る。
【0022】本発明の方法は、浸炭焼入れ、あるいは表
面焼入れ、特に高周波焼入れによって表層部を高硬度化
し耐摩耗性を付与する機械構造用鋼材には全て適用でき
るものであるので、対象鋼の成分を特に限定するもので
はない。
【0023】例えば、肌焼鋼としては、JIS 規格の機械
構造用炭素鋼のS9CK、S15CK 、S20CK やCr、Ni、Moの1
種以上を含有するSCM420、SCM440、SCM415、SNCM420 、
SCr-420 、SCR420等がある。また、表面焼入れ用鋼
(例: 高周波焼入れ用鋼) としては、SC35、SC45、SCR43
5、SCR445、SCM435、SCM445等がある。
【0024】しかしながら、肌焼鋼でも、C量を0.10%
以上0.30%未満の鋼が特に実用的である。C:0.10 %未
満では母材強度が不足し、焼入れ部品としては使用がで
きなく、また0.30%以上では母材が高炭素となると浸炭
してもその効果がなくなり、疲労特性が低下するからで
ある。好ましくはC量は、0.15〜0.25%である。
【0025】一方、高周波焼入れ用鋼ではC量を0.30〜
0.50%に限定する鋼が実用的である。高周波焼入れ鋼
は、肌焼鋼のように浸炭処理を施さないので0.30%以上
の炭素が含有されないと、焼入れ部品として焼入れの効
果が充分得られない。また0.50%を超える高C量となる
と焼割れの恐れがあるので上限を0.50%とする。好まし
くはC量は0.35〜0.45%である。
【0026】次に、有効削り代を1 〜80%に限定した理
由であるが、疲労強度向上には、削り代1%未満でも効
果はあるものの、実際の作業上調整困難であり、一方、
削り代が80%を超えると、不完全焼入れ組織となるた
め、逆に疲労強度は低下してしまう。
【0027】従って、表面硬化層、つまり浸炭硬化層、
高周波焼入れ層 (硬化層) の削り代を1〜80%と限定す
る。好ましくは有効削り代の下限は、10%であり、また
上限は70%である。
【0028】ここに、表面硬化層深さとは、肌焼鋼で
は、JIS に規定するように、Hv550 である硬さの領域ま
での距離をもって定義し、また表面焼入れ鋼では、Hv40
0 である硬さの領域のまでの距離をもって定義する。
【0029】かくして、本発明によれば、ショットピー
ニング処理を行う必要なく、例えば、熱間鍛造で成品形
状に成形し、浸炭 (焼入れ+焼戻し) を行い、次いで表
面硬化層を旋削するか、あるいは熱間鍛造で成品形状に
近い形状に成形し、機械加工により製品形状に成形し、
浸炭 (焼入れ+焼戻し) を行い、次いで表面硬化層を旋
削するか、さらにあるいは熱間鍛造で成品形状に近い形
状に成形し、冷間鍛造により製品形状に成形し、浸炭
(焼入れ+焼戻し) を行い、次いで表面硬化層を旋削す
るかして、疲労強度を30〜40%向上にまで改善した部品
が容易に製造されるのである。浸炭 (焼入れ+焼戻し)
は慣用法で行えばよく、本発明にあっては特に制限され
ない。
【0030】ここに、浸炭 (焼入れ+焼戻し) に代えて
表面焼入れを行ってもよく、そのような表面焼入れ法と
しては高周波焼入れ、火炎焼入れなどが例示されるが、
特に高周波焼入れ法が好ましい。
【0031】従来、上述のような優れた疲労強度を実現
できる手段がなかったこと、またそれがショットピーニ
ング処理などを行うことなく実現できること、等から本
発明に顕著な作用効果は明らかである。次に、本発明の
作用について実施例を参照しながらさらに詳述する。
【0032】
【実施例】
(実施例1)SCM420鋼 (C:0.21%) の直径30mmの鍛伸材
を用いて図2に示す回転曲げ試験片を作製し、925 ℃、
CP=0.9 %の条件で浸炭、焼入れを行い、浸炭硬化層深
さ0.5 mmと1mmの2水準の試験片を準備した。図中、数
字は寸法(mm)を表す。その後、研磨用ペーパー、あるい
は施盤で有効削り代を1〜90%まで調整した。それらの
試験片を用いて小野式回転曲げ疲労試験を行い疲労強度
(疲労限σW 、107回) を求めた。
【0033】その結果を図3に示す。図中、白丸は施削
前の浸炭深さ1mmの場合、黒丸は同じく0.5 mmの場合で
ある。本例では、JIS の規定に基づいて表面硬化層深さ
はHv 550までの深さとした。
【0034】(実施例2)SCM440鋼 (C:0.40%) の直径
30mmの鍛伸材を用いて、実施例1と同様に図2に示す回
転曲げ試験片を作製し、20KHz 、950 ℃の条件で高周波
焼入れを実施した。表面硬化層深さは1mmと2mmの2水
準とした。その後、研磨用ぺーパーあるいは施盤で有効
削り代を1〜90%まで調整した。
【0035】それらの試験片を用い、小野式回転曲げ疲
労試験を行い、疲労強度 (疲労限σW 、107 回) を求め
た。その結果は図4に示す。本例では、JIS の規定に基
づいて表面硬化層深さはHv 400までの深さとした。
【0036】(実施例3)実施例1および2で準備した試
験片を用い、表面から10μm位置の残留応力をX線にて
測定した。その結果を図5および図6に示す。
【0037】このように、図3および図4に示す結果か
ら判るように、浸炭焼入れ+焼戻しまま材、あるいは高
周波焼入れ+焼戻しまま材に比べ、施削あるいは研削し
たものは、疲労強度が向上している。但し、有効削り代
が80%を越えると不完全焼入れ層の領域となり、逆に疲
労強度は低下する。最も疲労強度が向上する領域は、有
効削り代50%であり、疲労強度を著しく向上させるため
には、有効削り代を50%に制御することが望ましい。
【0038】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
肌焼鋼、機械構造用の炭素鋼または低合金鋼など広範囲
の材料について、浸炭焼入れあるいは高周波焼入れした
表面を研削除去することによって疲労強度を一層改善で
きるのであり、その手段が簡便でありショットピーニン
グ処理を不用とするという点からも実用上からは非常に
有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a) は、応力分布の模式図、図1(b) は、
有効削り代の定義の説明図である。
【図2】試験片形状の説明図である。
【図3】浸炭焼入れ材の有効削り代と疲労限との関係を
示すグラフである。
【図4】高周波焼入れ材の有効削り代と疲労限との関係
を示すグラフである。
【図5】浸炭焼入れ材の有効削り代と圧縮残留応力の関
係を示すグラフである。
【図6】高周波焼入れ材の有効削り代と圧縮残留応力の
関係を示すグラフである。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、炭素含有量が 0.1〜0.3 %未
    満の肌焼鋼を製品形状に成形し、浸炭焼入れおよび焼戻
    しを行って表面硬化層を形成した後、下式に示す有効削
    り代が1〜80%となる範囲内で前記表面硬化層を除去す
    ることを特徴とする疲労強度を改善した部品の製造方
    法。 【数1】
  2. 【請求項2】 重量%で、炭素含有量が 0.3〜0.5 %で
    ある機械構造用の炭素鋼または低合金鋼を製品形状に成
    形し、表面焼入れおよび焼戻しを行って表面硬化層を形
    成した後、下式に示す有効削り代が1〜80%となる範囲
    内で前記表面硬化層を除去することを特徴とする疲労強
    度を改善した部品の製造方法。 【数2】
JP6591195A 1995-03-24 1995-03-24 疲労強度を改善した部品の製造方法 Pending JPH08260125A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7958635B2 (en) 2004-03-26 2011-06-14 Jatco Ltd Process for producing a pulley for a continuously variable belt drive transmission
JP2014189857A (ja) * 2013-03-27 2014-10-06 Aisin Aw Co Ltd 複合部品の製造方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7958635B2 (en) 2004-03-26 2011-06-14 Jatco Ltd Process for producing a pulley for a continuously variable belt drive transmission
DE102005014191B4 (de) 2004-03-26 2018-05-24 Jatco Ltd Verfahren zur Herstellung einer Riemenscheibe für ein stufenloses Riemengetriebe
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Effective date: 20030617