JPH0873929A

JPH0873929A - 機械要素部品及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0873929A
Application number: JP6229036A
Authority: JP
Inventors: Naoharu Hamasaka; 直治浜坂; Yoichiro Hanada; 洋一郎花田
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 1996-03-19

Abstract

(57)【要約】【目的】短時間な熱処理でコストを低減すると共に、
多様な寸法形状の部品に対しても、容易に所望される機
械的性質を得ることができる機械要素部品及びその製造
方法を提供する。【構成】機械要素部品は、Ｃ量０．６〜０．９重量％
を含有する鋼材からなり、表面部には硬化層を形成し、
内部には未硬化部を形成すると共に、シャープエッジを
形成しやすい表面部分が焼割れに対して鈍感な形状であ
る。また、機械要素部品の製造方法は、Ｃ量０．６〜
０．９重量％を含有する鋼材を所定の形状に加工し、加
工物に高周波焼入れを施して加工物表面に硬化層を形成
した後、この加工物を焼戻しする。さらに、前記所定の
形状に加工する際、シャープエッジを形成する表面部
を、鈍感な形状に加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、機械要素部品及びその
製造方法に係り、特に表面部に硬化層を形成して高い機
械的性質が要求されるピン、軸物、歯車等の機械要素部
品及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、耐摩耗性、疲労強度など高い機械
的性質が要求される機械要素部品の製造方法は次のもの
が知られている。（イ）肌焼鋼などＣ量の比較的少ない鋼材を、機械加工
等により所定形状に加工し、浸炭焼入れ処理を施してい
る。この浸炭処理焼入れは、加工物を高温な（一般的に
は９００℃以上）浸炭炉に数時間〜数十時間保持するこ
とにより、加工物の表面近傍のＣ量を増大させた後、焼
入れを行い、表面部に高硬度な硬化層を形成する方法で
ある。これにより、高負荷が要求される歯車、軸物とし
て、多方面で利用されている。

【０００３】（ロ）Ｃ量０．５〜１．０％を含有する高
炭素低合金鋼を履帯用ブッシング素材とし、先ず外周側
に高周波焼入れを施す。この焼入では、内周面硬度を所
定硬度以上にしないと共に、外周表面から内周有効硬化
層の一部までの範囲を、有効硬さ以上にする。次に、外
周表面を冷却しつつ、内周側に高周波焼入れを施した
後、焼戻しを行っている（例えば、特開平５−７８７４
５号公報参照）。これにより、良好な機械的性質を有す
る履帯用ブッシングを得ると共に、熱処理コストを低減
している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には次のような問題点がある。上記（イ）におい
ては、浸炭処理は長時間を要し、製造コストが高いとい
う問題がある。また、浸炭の際、浸炭ガスに含まれる水
分や二酸化炭素により、加工物表面は浸炭されると同時
に酸化され、これにより粒界酸化層を生じる。この粒界
酸化層は、部品に負荷が加えられた場合、破壊起点にな
り易い問題がある。また、（ロ）に関しては、外周側か
らの高周波焼入れ時に、内周表面及び内周有効硬化層の
一部までの範囲が、所定の硬度に制御されない場合、次
工程の内周側焼き入れ時に割れを生じる危険がある。従
って、高周波焼入れ時に高度な制御が要求され、素材組
成、熱処理条件等の厳しい管理が必要になると共に、多
様な部品の形状、寸法等に対応しがたいという問題があ
る。

【０００５】本発明は、上記従来技術の問題点に着目
し、短時間な熱処理でコストを低減すると共に、多様な
寸法形状の部品に対しても、容易に所望される機械的性
質を得ることができる機械要素部品及びその製造方法を
提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る機械要素部品は、Ｃ量０．６〜０．９
重量％を含有する鋼材からなり、表面部には硬化層を形
成し、内部には未硬化部を形成すると共に、シャープエ
ッジを形成しやすい表面部分が焼割れに対して鈍感な形
状であることを特徴とする。また、前記焼割れに対して
鈍感な形状は、所定の焼割れ感受性値となる形状であ
る。本発明に係る機械要素部品の製造方法は、Ｃ量０．
６〜０．９重量％を含有する鋼材を所定の形状に加工
し、前記加工物に高周波焼入れを施して前記加工物表面
に硬化層を形成した後、前記加工物を焼戻しすることを
特徴とする。また、前記所定の形状に加工する際、シャ
ープエッジを形成する表面部を、焼割れに対して鈍感な
形状に加工する。さらに、前記鋼材は、重量％でＣ：
０．６〜０．９％，Ｓｉ：０．１５〜０．３５％，Ｍ
ｎ：０．３〜０．９％，Ｎｉ：０．４％以下，Ｃｒ：
１．０％以下及びＭｏ：０．２５％以下を夫々含有する
鋼材である。

【０００７】

【作用】上記構成による本発明の作用を説明する。ま
ず、機械要素部品は、Ｃ量０．６〜０．９重量％と高炭
素な鋼を素材にするので、表面部のＣ量増大を目的とす
る浸炭処理が不要であり、高周波焼入れ等の焼入れによ
り表面部に硬化層が形成できる。内部には、素地部とい
われる、比較的硬度の低い未硬化部を形成している。こ
れらにより、良好な耐摩耗性を有すると共に靱性があ
り、機械的性質が良い。また、シャープエッジを形成し
やすい表面部分、即ち、焼入れ時に焼割れを生じやすい
部分は、シャープエッジを形成しない形状、或いは、所
定の焼割れ感受性値となる形状であるので、ヘアクラッ
ク等の焼割れが存在せず、高負荷下での使用でも信頼性
が確保される。

【０００８】次に、機械要素部品の製造方法は、高炭素
鋼材を機械加工等の前加工により、所定の形状にする
が、シャープエッジを形成する部分がある場合は、シャ
ープエッジ部を取り除いて鈍感な形状に加工する。加工
後、この加工物を高周波により短時間で急速に加熱する
ので、結晶粒の粗大化が防止されると共に、浸炭処理で
生じる様な酸化層形成が防止され、優れた表面清浄度が
得られる。この高周波加熱により、加工物表面部はオー
ステナイト温度領域等焼入れ温度に加熱され、続いて一
般的な冷却材により良好に焼入れされる。従って、短時
間での機械要素部品製造が、可能となる。従来は、本発
明のような高炭素鋼の加工物を焼入れる場合、加工物表
面部に焼割れを生じることが多いため、信頼性の要求さ
れる歯車、ピン、軸物等の機械要素部品には不向きとさ
れていた。

【０００９】しかし、発明者らはこの焼割れ原因を研究
した結果、焼割れが加工物のシャープエッジに発生しや
すいことを解明し、シャープエッジを形成しない形状に
加工することで、焼割れを生じることなく、所定の硬化
層を形成できることを見いだした。従って、シャープエ
ッジを形成しない前加工により、一般的な方法及び条件
での焼入れが可能になり、しかも加工物のマクロな形状
寸法に制限されないので、種々の機械要素部品に対応で
きる。また、鋼材の各成分の添加量は、適用される機械
要素部品の要求特性に対応して選定することで、所望す
る機械的性質を得ることができる。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明に係る機械要素部品及びその
製造方法の実施例につき、図面を参照しつつ詳述する。
本発明の一実施例となる工程概要を示す図１に基づいて
説明する。先ず使用した鋼種に関し、本発明鋼Ａ，Ｂ，
Ｃの３種の成分（添加量は重量％）を表１に示す。本発
明鋼は、Ｃ量が０．８〜０．９％程度の、いわゆる共析
鋼をベースにしており、各成分の添加理由とその添加量
について述べる。

【００１１】

【表１】

【００１２】（１）ＣＣは焼入れ硬度を決定する元素であり、概ねＣ量の増加
に対応して焼入れ硬度は高くなる。本発明鋼のＣ量は、
一般的な浸炭処理後の表面Ｃ量に相当するように選定し
てあるが、このＣ量は０．６％以上でよい。例えば高周
波焼入れの場合、Ｃ量が０．６％を越えると、焼入れ硬
度はほぼ飽和するので、必要に応じて選定してよい。一
方、Ｃ量が０．９％を越えると、加熱温度にもよるが、
焼入れ後の残留オーステナイトが多量存在し、焼入れ硬
度はむしろ低下する。以上より、Ｃ量は、０．６％〜
０．９％とした。浸炭品と同様な表面硬度等を要求され
る場合は、Ｃ量が０．８〜０．９％が好ましい。（２）Ｓｉ及びＭｎＳｉ及びＭｎは、焼入れ性と強度を確保する上で重要で
ある。Ｓｉ量、Ｍｎ量は、夫々０．１５〜０．３５％、
０．３〜０．９％としてある。（３）Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏこれらの元素は、焼入れ性の調整、結晶粒の微細化、強
度確保、粒界の強化等を目的として添加してある。添加
量は、機械要素部品の要求特性等により決定され、添加
しなくても良い。以上から、Ｎｉ量、Ｃｒ量、Ｍｏ量
は、夫々０．４％以下、１．０％以下、０．２５％以
下、としてある。

【００１３】また、表１の比較鋼Ｄ、Ｅは、Ｃ量が０．
５％、０．９５％であり、高炭素低合金系の鋼である。
比較鋼Ｆは、一般的な肌焼鋼であり、図１（ｂ）に示す
浸炭処理を施して部品、試験片等としてある。

【００１４】次に、前記鋼材を機械要素部品に加工する
が、本実施例では、高負荷で使用されて耐摩耗性、高強
度が要求されるピンを、機械要素部品の一例としてい
る。図２は、本発明鋼Ａ，Ｂ，Ｃでの機械加工後のピン
１０の断面を示す。ピン１０は、直径Ｄ1 が２６ｍｍ、
長さＬが５０ｍｍであり、穴径Ｄ2 なる貫通穴１を有し
ている。この貫通穴１の両端部、即ちピン１０の表面部
には、面取り角θ１２０°、面取り径Ｄ3 なる面取り部
２が形成してある。この面取り加工は、貫通穴１加工に
より形成されるピン１０表面部のシャープエッジを、取
り除くことが目的である。なお、本実施例では、鋼材を
そのまま加工したが、必要に応じ加工の前工程として、
焼鈍、焼準、あるいは焼入れ焼戻し処理を行い、素材調
質してもよい。

【００１５】機械加工後、ピン１０を焼入れ焼戻して熱
処理する。本実施例の焼入れは、短時間加熱で表面清浄
度の優れる高周波加熱を採用し、その条件は、周波数が
１５０ＫＨｚ、出力が８０ＫＷ、送りが５．０ｍｍ／ｓ
ｅｃ、冷却材が水である。焼き入れ後、電気炉にて１８
０〜２００℃で焼戻しを行った。この焼戻し処理によ
り、機械要素部品となるピンが得られる。なお、寸法精
度、表面粗さなど、より高品質が要求される場合は、後
工程として研磨を行ってもよい。図３は、本発明鋼Ａ，
Ｂ，Ｃ及び比較鋼Ｄ，Ｅ，Ｆの焼戻し後のピン断面の硬
度分布を示す。なお、比較鋼Ｆは、ガス浸炭後、焼入れ
焼戻ししている。本発明鋼３種の表面硬度は、浸炭品で
ある比較鋼Ｆと同等以上の高硬度が得られ、比較鋼Ｄ，
Ｅより高い。また、本発明鋼３種において、Ｎｉ，Ｃｒ
或いはＭｏを添加した本発明鋼Ｂ，Ｃは、本発明鋼Ａよ
り硬化層深さが少し大きいが、ほぼ同等である。

【００１６】以上のように、Ｃ量が０．８〜０．９％の
共析鋼をベースとする鋼材を用いて、高周波焼入れを行
うことにより、表面部には硬化層を形成し、内部には未
硬化部を形成する機械要素部品が得られる。しかも、浸
炭品では硬化層厚さ１ｍｍ程度を得るために、５〜６時
間の浸炭処理が必要であるが、本実施例では、２〜３分
の加熱焼入れ処理で、約２ｍｍの硬化層厚さが得られ
る。従って、浸炭品と比較して、同等以上の耐摩耗性を
有すると共に、製造コストの大幅な低減が可能である。

【００１７】次に、前述のピン１０表面部にシャープエ
ッジを形成しない面取り加工について、図２とピン１０
の焼割れ感受性テスト結果を示す図４で説明する。この
テストに使用したピン１０は、穴径Ｄ2 が３〜６ｍｍ、
面取り径Ｄ3 が３〜１０ｍｍを、適宜組み合わせて加工
してある。この感受性テストでは、焼入れ後のピン１０
表面の割れ、特に水焼入れ時に割れを生じやすい貫通穴
１両端部の面取り部２の割れを、目視及びカラーチェッ
クで検査し、割れの有無を調査した。図４から明らかな
ように、穴径Ｄ2 に対して面取り径Ｄ3 が大きい領域
（斜線部）に加工することにより、焼割れを防止するこ
とができる。即ち、ドリル加工等により形成される貫通
穴１両端部のシャープエッジを、面取り加工して取り除
くことで、焼割れに対して鈍感な形状となる。

【００１８】従って、焼割れ原因となるシャープエッジ
を形成しない加工をすることにより、高炭素鋼でも焼割
れが防止され、しかも通常の条件での熱処理が可能とな
り、種々の機械要素部品に適用できる。なお、本実施例
では、鈍感な形状とするために面取り加工を行ったが、
この面取りは曲面でもよい。また、焼割れを生じない焼
割れ感受性値は、図４の斜線部に限定されるものではな
く、部品の形状、寸法等に応じて、予め求めておけば良
い。

【００１９】次に、本発明により得られる機械的性質に
関し、図５に回転曲げ疲労試験結果（試験片は平滑材を
使用）、図６にローラピッチング試験結果を示す。両試
験とも、本発明鋼Ａと比較鋼Ｅを使用し、夫々上述の熱
処理を施した試験片で行った。図５、図６から明らかな
ように、本発明鋼の曲げ疲労強度及びピッチング強度共
に、比較鋼Ｅ（浸炭品）と同等以上の強度を有する。ま
た、本発明鋼Ａ，Ｂ，Ｃと比較鋼Ｄ，Ｅ，Ｆとによる試
験片での強度比較を表２に示す。ここで、曲げ疲労強度
は、平滑材での１０⁷回応力、またピッチング強度はロ
ーラピッチング試験での１０⁷回応力に基づき、比較鋼
Ｅ（浸炭品）を１とする指数表示である。本発明鋼はい
ずれも、比較鋼Ｅより高強度な耐久性を有しており、比
較鋼Ｄ及びＥに対しても、少なくとも同等以上の強度で
ある。

【００２０】

【表２】

【００２１】上記実施例では、機械要素部品としてピン
について詳述したが、他の機械要素部品、例えばクラン
クシャフト等の軸物部品、歯車などにも適用できる。ま
た、熱処理条件も限定されるものではなく、例えば歯車
の場合、上記実施例のように、ある１つの周波数で加熱
してもよいが、低周波で歯車素地部を加熱後、より高い
周波数で歯車表面部のみをオーステナイト域まで加熱し
て、焼き入れしてもよい。この場合は、歯車の形状に沿
って、表面部に硬化層が形成される。周波数の選定は、
硬化層深さの要求に応じて設定することは、一般の高周
波焼入れと同様である。

【００２２】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。Ｃ
量が０．６〜０．９重量％と高炭素な鋼に、必要に応じ
て合金元素を添加した素材を使用しているので、浸炭処
理が不要となり、製造コストの大幅な低減が可能とな
る。しかも、高周波熱処理を採用することで、熱処理が
短時間になり、ジャストインタイム生産にも対応でき
る。また、熱処理前に、焼入れ時の割れ防止となる、シ
ャープエッジを形成しない加工を行うので、高炭素鋼に
もかかわらず、形状寸法に限定されずに通常の焼入れ等
熱処理を施すことが可能となる。熱処理により、表面部
には硬化層を形成し、内部には未硬化層を形成するの
で、良好な耐摩耗性を有すると共に、疲労強度も高く、
良好な機械的性質が得られ、信頼性の高い高品質を確保
することが可能である。従って、本発明の製造方法は、
ピン、軸物、歯車など広範囲な部品に適用され、しかも
安価で高品質な機械要素部品を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例と従来例との工程概要を示す
図である。

【図２】本発明に係る機械要素部品の一例となるピンの
機械加工後の断面図である。

【図３】本発明法と従来法との焼入れ焼戻し後のピン断
面の硬度分布を示す図である。

【図４】本発明の一実施例における焼割れ感受性テスト
結果を示す図である。

【図５】本発明法と従来法とによる試験片での回転曲げ
疲労試験結果を示す図である。

【図６】本発明法と従来法とによる試験片でのローラピ
ッチング試験結果を示す図である。

【符号の説明】

１貫通穴、２面取り部、１０ピン、Ｄ1 直径、
Ｄ2 穴径、Ｄ3 面取り径、θ 面取り角。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２１Ｄ 9/32 ＡＣ２２Ｃ 38/00 ３０１Ｚ 38/44

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ量０．６〜０．９重量％を含有する鋼
材からなり、表面部には硬化層を形成し、内部には未硬
化部を形成すると共に、シャープエッジを形成しやすい
表面部分が焼割れに対して鈍感な形状であることを特徴
とする機械要素部品。
【請求項２】前記焼割れに対して鈍感な形状は、所定
の焼割れ感受性値となる形状であることを特徴とする請
求項１記載の機械要素部品。
【請求項３】Ｃ量０．６〜０．９重量％を含有する鋼
材を所定の形状に加工し、前記加工物に高周波焼入れを
施して前記加工物表面に硬化層を形成した後、前記加工
物を焼戻しすることを特徴とする機械要素部品の製造方
法。
【請求項４】前記所定の形状に加工する際、シャープ
エッジを形成する表面部を、焼割れに対して鈍感な形状
に加工することを特徴とする請求項３記載の機械要素部
品の製造方法。
【請求項５】前記鋼材は、重量％でＣ：０．６〜０．
９％，Ｓｉ：０．１５〜０．３５％，Ｍｎ：０．３〜
０．９％，Ｎｉ：０．４％以下，Ｃｒ：１．０％以下及
びＭｏ：０．２５％以下を夫々含有する鋼材であること
を特徴とする請求項３又は４記載の機械要素部品の製造
方法。