JPS62196322A - 機械構造用部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、耐ピツチング性、疲労強度の優れた機械構造
用部品の製造方法に関するものである。

さらに絣細には、本発明は、浸炭により表層部に十分な
残留オーステナイトを生成させ、かかる残留オーステナ
イトを使用中に加わる応力または使用前の表面へのショ
ットピーニングにより加わる応力によってマルテンサイ
トに誘起変！ホさせ、かくして、表層部に圧縮残留応力
を導入することによって、高ピッチング寿命、高疲労強
度を確保した機械構造用部品の製造方法に関するもので
ある。

（従来の技術） 産業機械、建設機械、自動東等の動力伝達部品は、十分
な耐ピツチング性と疲労強度を確保するため、表面硬化
処理が施されるのが一般的である。

表面硬化処理には種々の方法があるが、浸炭は鋼の上記
特性の向上が著しいため、現在でもその玉流を占めてい
る。かかる浸炭による耐ピツチング性、疲労強度の向上
効果の主因の一つに、表面と内部の硬度差に起因する表
層部の圧縮残留応力の存在があげられる。

したがって、そのような考えにもとづいて、浸炭後の表
層部の圧縮残留応力を増大せしめる鋼として、例えば、
特開昭５６−１１９７６０号が提案されている。すなわ
ち、特開昭５６−１１９７６０号においては、Ｃ，Ｍｎ
ｓ　Ｃｒ、　Ｍｏ、Ｎｉの各添加量の割合を規定するこ
とにより、表面硬さと内部硬さの差を確保し、圧縮残留
応力を発生せしめる考え方が基本になっている。しかし
、浸炭あるいは浸炭窒化時のカーボンポテンシャルを１
．０％以上にすると表面に網状の初析セメンタイトが生
成し、特性が著しく劣化するため、表面Ｃ４度に限界が
あり、したがって、表面硬さも自ずと上限がある（■ν
８００〜９００）。

また、構造用部材として使用するためには、内部硬度に
は自ずと下限が存在する（Ｉｌｖ　２００〜４００）。

したがって、特開昭５６−１１９７６０号の考え方によ
る表面圧縮残留応力の向上には限界がある。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、−上記の従来技術の問題点を解決する
ことにあり、さらに詳細には、高ピッチング寿命、高疲
労強度を確保した機械構造用部品を提供することにある
。

既に述べたように、表層部の圧縮残留応力がピッチング
寿命、疲労強度を向上させることは周知の事実であり、
また、例えば日刊工業新聞社発行の内藤武志著「浸炭焼
入れの実際」第１６４〜１６９頁に示されるように、表
層部の残留オーステナイトはピッチング寿命を向上せし
める効果があることはよく知られている（但し、その原
因については明確な定説はない）。そこで、残留オース
テナイト量を調整する熱処理方法、すなわち、上記文献
に示されるように浸炭終了時に温度を下げＮｉ（。

ガスを添加する、いわゆる浸炭浸窒方法が従来から’１
にされている。しかし、この方法ではＮｌ＋、ガスおよ
びＮｌｈガス添加’２にのコストが高いため、浸炭のみ
の場合より大幅なコストアップになるばかりでなく、残
留オーステナイト生成量の２Ｊ！１整が」１′常に難し
い。

したがって、本発明の１１１体的目的は、十分な量の残
留オーステナイトを安定して生成させ、かつ表層部の圧
縮残留応力の増大化を図る方法を提供することである。

（問題点を解決するための手段） そこで、本発明者らは鋭意研究を重ねたところ、浸炭焼
入れにより生成した表層部の残留オーステナイトは、機
械構造用部品の使用前あるいは使用中に付加される応力
ないしは塑性変形によりマルテンサイトに誘起変態し、
これに基づく圧縮残留応力が発生することによってピッ
チング寿命、疲労強度が向上すること、さらには、十分
な量の残留オーステナイトを安定して生成させるために
は、鋼の成分組成、特にＭｎ星、Ｎ量．Ａｌ量を調整す
ることが最も有効であることを見出した。

即ち、本発明者らは、高ピッチング寿命、高疲労強度を
確保するための表層部（表面下０．１ｍｍ）の残留オー
ステナイト量は、浸炭焼入れ後、望ましくは１５体積％
以上７０体積％以下であり、このためには、Ｍ＋＋ｆｌ
は２．０〜５．０％、Ｎｌは０．００８〜０．０２５％
、ｓｏｌ、八Ｑｆｉｔは０，１５％未満にする必要があ
り、さらには浸炭焼入れ後は表面にショットピーニング
を施すことによって可及的多量に上述の残留オーステナ
イトをマルテンサイトに誘起変態させるのが一層有効で
あることを知見した。塑性変形によって残留オーステナ
イトをマルテンサイトに誘起変態させてしまうため焼入
れ後の残留オーステナイト量の正確な調整は不必要であ
り、最終的な圧縮残留応力の量のみを考えればよく、ま
たそのときの圧縮残留応力は上限もなく、容易に調整可
能である。

そこで、さらに検討を重ねた結果、上述のように、Ｍｎ
を２．０％以上添加すると、切削性の劣化と浸炭異常層
の生成が助長されるため、切削性向上元素の添加と、浸
炭異常層助長元素のＳｉの低減が不可欠であることも併
せて知見した。

ここに、本発明の要旨とするところは 重量％で、 Ｃ：Ｏ，ｔ〜０．５％、Ｓｉ：０．０５％超０．１５％
以下、Ｍｎ：２．０〜５．０％、　　　Ｃｒ：１．５％
以下、Ｎ　：０．００８〜０．０２５％ を含み、さらニＳ　：０．３０％以下、Ｉ’ｂ：０．３
５％以下、Ｃａ：０．０１％以下、およびＴｅ：０．０
５％以下の１種または２種以上を含有し、ならびｃ”’
５ゞ２５９Ｎｂ：０．０１〜０．１４％、　Ｍｏ：０．
０５〜０．５％、およびＮＩ：０．１〜２．０％の１種
または２種以上を含有し、 かつｓｏｌ．Ａｌを０．０１５％未満に制限し、残部Ｆ
ｅおよび不可避的不純物 である組成を有する鋼から成る所定形状のｉ械構造用部
品に浸炭焼入れを施すこと、またはその後、該部品の所
要表面にショットピーニングを施すことを特徴とする、
機械構造用部品の製造方法である。

ここに、所定形状の上記機械構造用部品の成形は、すで
に周知のように切削などの機械的加工あるいは鍛造、プ
レス等の塑性加工によって行われる。かかる部品の代表
例としては歯車、カム軸、ランク軸等が挙げられるが、
それらにのみ制限されるものではない。

（作用） 次に、本発明が目的とする機械構造用部品の鋼の組成を
上述の如く限定した理由を以下に述べる。

なお、本明細書において特にことわりがない限り、「％
」は「重量％」である。

Ｃ： Ｃは構造用部品としての強度確保のための基本成分であ
り、肌焼鋼として、浸炭焼入れ、焼戻し後の中心部硬さ
は、少なくともｕ＊ｃ　２５は必要であり、このために
はｃｌは最低０．１％含有することが必要である。

一方、０．５％を越えて添加すると冷間鍛造性、切削性
の大幅な劣化を招くため、下限を０．１％、上限を０．
５％とした。

Ｓｉ： Ｓｉは、通常、脱酸剤として添加される。しかし、Ｓｔ
は非常に酸化されやすい元素であり、したがって浸炭時
に表層部の内部酸化を助長し、ひいては表面に不完全焼
入層、つまり浸炭異常層を生成させる傾向が強い。周知
のように、極端な浸炭異常層（内部酸化および不完全焼
入店）はピッチング寿命、疲労強度を低下させるため、
本発明が対象とする鋼においては、浸炭異常層に最も有
害なＳｉの添加量を規制する必要がある。ところで、Ｍ
ｎもＳｉに次いでその傾向が強いため、既に述べた。に
うに本発明における如くＭｎ添加量が２．０％以上と多
い場合にはその傾向が助長される。したがって、Ｍｎ　
２．０％以上である本発明にあって、浸炭異常層を、ピ
ッチング寿命、疲労強度に影ツしない程度に抑制するた
めには、Ｓｉは０．１５％以下に規制する必要がある。

しかし、０．０５％以下に少なくしてもその効果はそれ
以上向上しないばかりでなく、脱酸が不十分になり酸化
物系介在物が増加して、かえってピッチング寿命、疲労
強度が低下するので、上限を０．１５％、下限を０．０
５％超とした。好ましくは０．０６〜０．１２％である
。

阿れ： Ｍｎは、通常、焼入性確保のために添加されるが、本発
明にあっては、浸炭焼入後の表層部の残留オーステナイ
トの生成を促進する極めて重要な元素でもある。既に述
べたように、残留オーステナイトはピッチング寿命およ
び疲労強度を向上させるが、このために必要な残留オー
ステナイトの最小量を確保するためには、Ｍｎを２゜０
％以上添加する必要がある。また、５．０％を越えて添
加すると、残留オーステナイトｆｉｔが必要以上に増加
し、表面硬度の低下に基づくピソチング寿命、疲労強度
の劣化を招くだけでなく、被削性が急激に劣化するので
、本発明において、Ｍｎ添加量の下限を２．０％、上限
を５．０％とした。

好ましくは、２，０〜３．０％である。

Ｃｒ： Ｃｒは焼入性を向上さゼるとともに、浸炭性を良好にし
、浸炭後の耐摩耗性の向上にも有効であるため、他の焼
入性向上元素の添加量を考慮しながら添加するのが望ま
しい。しかし、１．５％を越えて添加すると過剰浸炭す
る傾向が大きくなり、表面層に網状のセメンタイトが生
成しピッチング寿命、疲労強度を大幅に低下させるので
、上限を１．５％とした。

Ｎ： 固溶ＮはＭｎと同様、ピッチング寿命、疲労強度向上に
有効である浸炭焼入後の残留オーステナイトを増加させ
る効果が大きく、更には、八Ｑと結合してＡＱＮをつく
ことによって、残留オーステナイト生成を抑制する固溶
へＱ（後述）を低減させる効果もある。

したがって、Ｎは一般に不可避的不純物として含有する
元素であるが、上述のような効果がら、本発明にあって
は、場合によっては添加するな２しても、所定範囲内に
制限する必要がある。

これらの効果を十分に発揮して、ピッチング寿命、疲労
強度を向上させるために必要なＮｆｌは０．００８％で
あるが、０．０２５％を越えて添加すると、残留オース
テナイ１−ｆｆｉが過度に多くなって、所要の目的を達
成できなくなる。好ましくは０．０１〜０．０２％であ
る。

なお、今日の標準的な操業条件の下で製造した肌焼鋼の
一般的なＮ含有世は０．００６〜０．０１２％である。

Ｓ、　Ｐｂ、　Ｃａ、　Ｔｅ これらの元素は、いずれも切削性改善元素であり、浸炭
処理前に切削する場合の切削性向上に有効である。

本発明によれば、すでに述べたように、切削性を劣化せ
しめるＭｎの添加量が多いため、これら切削性改善元素
の添加は必須であるが、添加量、添加元素数はその切削
性に応じて決めるのが好ましい。しかし、Ｓにおいては
０．３０％、ｐｈにおいては０．３５％を越えると強度
、靭性、ピッチング寿命の低下が著しくなり、Ｃａは！
！！鋼技術上０．Ｏ１％を越えて添加することは困難で
あり、また、Ｔｅについては０．０５％を越えると熱間
加工性が急激に低下するので、切削性改善元素としての
Ｓ　、　Ｐｂ、　Ｃａ、　Ｔｅそれぞれの上限値を０．
３０％、０．３５％、０．０１％、０．０５％とした。

ｓｏｌ、　八Ｑ 固溶ＭはＭｎとは逆に浸炭焼入後の表層部の残留オース
テナイトの生成はを残少させ、したがってピッチング寿
命、疲労強度を低下させる傾向がある。しかし、ｓｏｌ
．Ａｌｌｔが０．０１５％未満になると、この傾向はほ
とんど無視できる程度になる。

また、固？８ＡＱはＳｉ以上に酸化しやすく、したがっ
て浸夫異當層の生成を助長するが、これについてもｓｏ
ｌ．Ａｌｆｆｌが０．０１５％未ン１看になると、この
傾向は無視できる程度に収まるため、本発明においてｓ
ｏｌ、八Ｑは０．０１５％未満とした。好ましくは０．
０１０％以下である。

本発明にあっては、その対象鋼の好適態様としてさらに
Ｎｂ、　ＮｏおよびＮｉの少なくとも１種をさらに含仔
するが、それらはいずれも、結局、鋼の浸炭性を向上さ
せることによってかかる鋼の耐ピツチング性そして疲労
強度を改善するものである。

以下に、それぞれについてさらにその添加理由および効
果を詳述する。

Ｎｂ： 既に述べたように、本発明では、ｓａｔ、鵠量を通常よ
り少なく規制しているため、ＭＮによる浸炭時のオース
テナイト粒の粗大化抑制効果は小さい。したがって、例
えば、９３０℃以上で処理する場合など、浸炭温度いか
んによってはＮｂＮあるいはＮｂＣによるオーステナイ
ト粒の粗大化抑制が必要になる。このために、所望によ
りＮｂは少なくとも０．０１％必要であるが、０．１４
％を越えて添加してもオーステナイト粒粗大化抑制効果
は飽和するので、下限を０．０１％、上限を０゜１４％
とした。

ＭＯ＝ Ｍｏは任意添加元素であり、鋼の焼入性、浸炭性を向上
させる元素である。また、八Ｑ、　Ｓｉ、　Ｍｎ、Ｃ「
とは異なり、Ｆｅより酸化されにくいため、浸炭異常層
の生成を抑制する作用がある。これらの作用を発揮させ
るためには、少なくとも０．０５％必要であるが、高価
な元素であるため、Ｍｎ、Ｃｒ等の他の焼入性向上元素
と複合添加されることを考慮すれば、肌焼鋼として０．
５％を越えて添加することは得策ではない。したがって
、下限を０．０５％、上限を０，５％とした。

Ｎｉ： Ｎｉも任意添加元素であり、鋼の焼入性、靭性を向上さ
せる元素である。さらにＭｏと同様、浸炭異常層も抑制
する。これらの効果を十分に発揮させるためには、少な
くとも０．１％必要であるが、高価な元素であり、また
浸炭性を阻害する作用もあるため、２．０％を越える添
加は好ましくない。したがって、下限を０．１％、上限
を２．０％とした。

次に、本発明にかかる製造方法における各処理条件を規
定した理由を述べる。

上記の如く、本発明の対象とする鋼は、焼入後の表層部
に残留オーステナイトの生成しやすい成分組成ではある
が、その前提として、好適態様としては残留オーステナ
イトの生成に大きな影舌を及ぼすＣは表層部では一゛０
．７〜０．９％であることが必要である。したがって、
本発明においては浸炭焼入を施すことを規定した。つま
り、換言すれば、本発明における浸炭焼入れは、表層部
（表面した０、１１の表面領域）におけるＣ濃度を０．
７〜０．９％にするものであれば、その具体的条件は、
特に制限されない。なお、浸炭それ自体は周知である。

また、一般的には機械構造用部品の使用中に表層部に応
力ないしは塑性変形が付与されるため、生成した残留オ
ーステナイトがマルテンサイトに誘起変態して、圧縮残
留応力が導入される。

したがって、本発明におけるごとく、使用前に予め人為
的に表層部に塑性変形を付与することは圧縮残留応力の
導入という見地からすれば、−ｉ効果が期待できる。こ
の意味から、浸炭焼入後に表面にショットピーニングを
施し、表層部に塑性変形を付与するのが好ましいのであ
る。

かかるショットピーニング処理の目的は、このように表
層部に塑性変形を加えることであり、したがって、その
限りにおいて特に具体的手段にのみ制限されるものでは
な（、例えば、バニッシング等によっても同等の目的を
達成することができる。

なお、上述の残留オーステナイトの量および塑性変形量
、さらにはそれにより誘起変態するマルテンサイトの量
については、以上の説明から当業者が適宜選択しうる範
囲のものであって、特に制限的なものではないが、浸炭
焼入れ後の残留オーステナイト量が１５％より少ないと
疲労強度向上効果が小さく、７５％を越えるとショット
ピーニングによる表面粗れが顕著となり、かえって疲労
強度の低下を招くことになるので好ましくは１５〜７５
％である。

次に、実施例をもって本発明をさらに具体的に説明する
。

実施例 第１表に示す化学成分を有する３９種類の鋼を溶製し、
造塊した後、直径６０ｍｍの棒材に圧延して試験素材を
準備した。これらの素材から、平滑回転曲げ疲労試験片
（平行部直径１０ｍｌ１１）、ローラ型転動疲労試験片
（外径３０ｍｍ）および平歯車（外径５４１１モジユー
ル２、歯数２５、圧力角２０°、歯幅１５ｍｍ）を機械
加工によりそれぞれ複数個作成した。

次に、これら試験片および歯車を同一チャンスで９２０
℃Ｘ　４Ｈｒの周知のガス浸炭（カーボンポテンシャル
０．９％）を行なった後、１５０℃のホットクエンチ油
で焼入れした。

浸炭焼入後、回転曲げ疲労試験片について小野式回転曲
げ疲労試験を行い、１０７回まで操り返し応力を加え、
第１図に示すようなＳ−Ｎ曲線を作成して、疲労限（σ
ｗｔ）を求めた。また、転勤疲労試験片については、ロ
ーラ接触型転動疲労試験（無潤滑、すべり率２０％、面
圧２５０　ｋｇｆ／朋２）を行い、試験結果を第２図に
示すようにワイブル確率紙に整理し、５０％の破壊確率
（Ｌｓ。）を求めた。

なお、第１図、第２図はいずれも鋼種階２の結果である
。

また歯車は、浸炭焼入ま−のものおよび浸炭焼入後歯面
にショットピーニング（研掃材：　０．３ｍｍスチール
ボール、投射士度３００　ｋｇ／　ｒ／）を施したもの
についてそれぞれ動力循環式歯車試験機を用いて、１０
７回まで操り返し応力をかけ、疲労限（σｗＧ）を求め
た。

さらに、試験前の回転曲げ疲労試験片の平滑部を化学研
磨により表面からＯ，１ｍｍ除去し、Ｘ線回折法により
残留オーステナイト量（γ、）を測定した。

このようにして測定した各鋼のＴＢ−、σ、１７、Ｌ、
。、σ、Ｇを第１表に併記する。

第１表において、鋼種ｌｌ＆Ｌ１〜１ｔ２２は本発明に
係る鋼であり、鋼種隘２３〜２７はＳｉ含有量の点で、
鋼種１１に＋２８〜３２はＭｎ含存量の点で、鋼種ｌｌ
＆Ｌ３３〜３５はｓ。

１．Ａｌ含有量の点で、鋼種尚３６〜３９はＮ含有量の
点で本発明の範囲外である比較鋼である。

第１表の試験結果から明らかなように、本発明の対象と
する鋼を浸炭焼入れしたものは、回転曲げ疲労試験にお
けるσＷ？はいずれも８５　ｋｇｆ／ｍｍ”以上であり
、また転勤疲労試験における５０％破ｌ貝確率し、。は
いずれも２６ＸＩＯ’回以上と比較例の鋼より優れてい
る。また、浸炭焼入れま＼歯車の疲労限σ工、はいずれ
も７３　ｋｇｆ／ｍｍ”以上が確保されており、これも
比較鋼より優れていることがわかる。

なお、残留オーステナイト揖ＴＲはいずれも１８〜６６
％の範囲内におさまっており、残留オーステナイトの効
果により、σ８ア、σ□いり、。が向上したことを示唆
している。

さらに、Ｓｉ量の影響を明確にするため、Ｓｉ以外の成
分量が実質的に同一の鋼種患１〜３　、ＮＯ，２３〜２
７に関するσ、７とり、。を第３図、第４図に示す。

またＭｎｌの影響を明確にするため、Ｍｎ以外の成分量
が実質的に同一の鋼種階４〜８　、Ｎ１２８〜３２に関
するσ、Ｔとし、。を第５図、第６図に、ｓｏｌ、八Ｑ
ｉの影響を明確にするため、ｓｏｌ、へＱ以外の成分量
が実質的に同一の鋼種Ｎ１１６〜１８、階２９〜３１に
関するσＷＴとり、。を第７図、第８図に、Ｎ量の影響
を明確にするためＮ以外の成分量が実質的に同一の鋼種
１９〜２２、隘３６〜３９に関するσＷＴとし、。を第
９図、第１０図に示す。

第３図〜第１０図から、本発明範囲においてのみσい１
、し、。が優れていることが明らかである。

°さらには、浸炭焼入ま＼歯車とショットピーニング処
理歯車の疲労限σ。Ｇを比較すると、比較例においては
ショットピーニングにより高々ｌＯｋｇｆ／ｓｕｍ”の
改善（向上率で２２％以下）であるのに対し、本発明例
ではいずれも２２　ｋｇｆ／ｍｍ”以上（向上率で３０
％以上）の改善がなされている。このことから、本発明
にあって浸炭焼入後、表面にショットピーニングを施す
ことにより疲労強度がさらに大幅に改善されることがわ
かる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第１０図は、本発明の実施例のデータをそ
れぞれまとめて示すグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、 Ｃ：０．１〜０．５％、Ｓｉ：０．０５％超０．１５％
   以下、Ｍｎ：２．０〜５．０％、Ｃｒ：１．５％以下、
   Ｎ：０．００８〜０．０２５％ を含みさらにＳ：０．３０％以下、Ｐｂ：０．３５％以
   下、Ｃａ：０．０１％以下、およびＴｅ：０．０５％以
   下の１種または２種以上を含有し、 かつｓｏｌ．Ａｌを０．０１５％未満に制限し、残部Ｆ
   ｅおよび付随不純物 である組成を有する鋼から成る所定形状の機械構造用部
   品に浸炭焼入れを施すこと、またはその後、該部品の所
   要表面にショットピーニングを施すことを特徴とする、
   機械構造用部品の製造方法。
2. （２）重量％で、 Ｃ：０．１〜０．５％、Ｓｉ：０．０５％超０．１５％
   以下、Ｍｎ：２．０〜５．０％、Ｃｒ：１．５％以下、
   Ｎ：０．００８〜０．０２５％ を含みさらにＳ：０．３０％以下、Ｐｂ：０．３５％以
   下、Ｃａ：０．０１％以下、およびＴｅ：０．０５％以
   下の１種または２種以上を含有し、ならびに、Ｎｂ：０
   ．０１〜０．１４％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％、およ
   びＮｉ：０．１〜２．０％の１種または２種以上を含有
   し、 かつｓｏｌ．Ａｌを０．０１５％未満に制限し、残部Ｆ
   ｅおよび不可避的不純物 である組成を有する鋼から成る機械構造用部品に浸炭焼
   入れを施すこと、またはその後該部品の所要表面にショ
   ットピーニングを施すことを特徴とする、機械構造用部
   品の製造方法。