JPWO2006118243A1 - 浸炭高周波焼入部品 - Google Patents
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Abstract
Description
浸炭歯車は浸炭処理後そのままの状態か、あるいは浸炭処理後に低温焼戻を施すのみの状態で、機械加工をほとんど施すことなく使用されるため、浸炭焼入による熱処理歪が残存し、これが運転時の騒音発生の原因となっていた。
(1)素材のCを0.08%以上0.3%未満とし、その他成分を適正化することによって、素材の段階では切削性に優れたものにし、浸炭徐冷後には靭性に優れたものにする。
(2)浸炭処理後の冷却条件を適正に制御することにより、Cを含む合金元素を多量に添加せずに、曲げ疲労強度に優れる芯部硬度、及び熱処理歪が小さく、靭性に優れる芯部組織が得られる。
C:0.08%以上0.3%未満、
Si:2.0%以下(0%を含む)、
Mn:0.2〜3.0%、
P:0.03%以下、
S:0.005〜0.05%、
Ni:1.5%以下(0%を含む)、
Cr:3.0%以下(0%を含む)、
Mo:1.0%以下(0%を含む)、
O:0.0025%以下、
N:0.005〜0.03%
を含有し、さらに、
Al:0.005〜0.05%、
Ti:0.005〜0.05%
のうち1種または2種と、
V:0.3%以下(0%を含む)、
Nb:0.3%以下(0%を含む)
のうち1種または2種を含有し、残部がFeと不可避不純物よりなる鋼からなり、浸炭処理した後、高周波焼入処理を施した部品であって、
表層の硬さが55HRC以上、芯部の硬さが20〜50HRCであり、
芯部の金属組織がマルテンサイト組織を有しないことを特徴とする浸炭高周波焼入部品にある。
C:0.08%以上0.3%未満、
Si:2.0%以下(0%を含む)、
Mn:1.3〜3.0%、
P:0.03%以下、
S:0.005〜0.05%、
Ni:2.0%以下(0%を含む)、
Cr:3.0%以下(0%を含む)、
Mo:1.0%以下(0%を含む)、
O:0.0025%以下、
N:0.005〜0.03%
を含有し、さらに、
Al:0.005〜0.05%、
Ti:0.005〜0.05%
のうち1種または2種と、
V:0.01〜0.3%、
Nb:0.01〜0.3%
のうち1種または2種を含有し、残部がFeと不可避不純物よりなる鋼からなり、浸炭処理した後、高周波焼入処理を施した部品であって、
表層の硬さが55HRC以上、芯部の硬さが20〜50HRCであり、
芯部の金属組織が、マルテンサイト組織を有せず、且つ、ベイナイト組織の面積率が70%以上であることを特徴とする浸炭高周波焼入部品にある。
C:0.2%以上0.3%未満、
Si:0.2〜0.6%、
Mn:1.4〜2.0%、
P:0.03%以下、
S:0.01〜0.02%、
Cr:0.2〜0.6%、
Mo:0.4%以下(0%を含む)、
O:0.0025%以下、
N:0.005〜0.02%
Al:0.005〜0.05%、
V:0.05〜0.25%を含有し、残部がFeと不可避不純物よりなる鋼からなり、浸炭処理した後、高周波焼入処理を施した部品であって、
表層の硬さが55HRC以上、芯部の硬さが20〜50HRCであり、
芯部の金属組織が、マルテンサイト組織を有せず、且つ、ベイナイト組織の面積率が70%以上であることを特徴とする浸炭高周波焼入部品にある。
C:0.08%以上0.3%未満、
Cは鋼の強度、特に芯部の強度を確保するために添加する元素である。そこで、本発明ではC量の下限を0.08%として内部の強度を確保する。しかし、その含有量が0.3%以上となると硬さが増加することに起因して靭性が低下するため、並びに素材の切削性が悪化するため上限を0.3%未満とした。最も好ましいC添加量は0.2〜0.3%である。
Siは添加しなくてもよい。添加すれば焼入層の焼戻軟化抵抗を向上させることにより、例えば歯車のピッチング寿命が向上する効果がある。その効果を得るには0.2%以上とすることが好ましい。しかし、2.0%を超えると浸炭性が劣化するため、2.0%を上限とした。好ましいSi添加量は0.2〜0.6%、最も好ましくは0.4〜0.6%である。
Mnは焼入性を向上させるのに有効な元素であり、また焼戻軟化抵抗を向上させるのにも有効な元素である。その効果を得るには0.2%以上の添加が必要である。また、1.3%以上添加すれば、後述する浸炭処理後の冷却速度により芯部組織のベイナイト面積率を70%以上とすることができ、1.3%未満添加の場合よりも靭性が向上して好ましい。しかし、3.0%を超えると、芯部組織にマルテンサイト組織が生じて歪が大きくなるため3.0%を上限とした。最も好ましいMn添加量は1.4〜2.0%である。
Pは粒界に偏析して靭性を低下させるため極力低減する必要があり、0.03%以下に制限する必要がある。
Sは被削性の観点から0.005%以上は必要である。そこで、本発明ではS量の下限を0.005%とした。しかしながら0.05%を超えると鍛造性を阻害するため0.05%を上限とした。最も好ましいS添加量は0.01〜0.02%である。
Niは添加しなくてもよい。添加すれば焼入性を向上させる効果がある。その効果を得るには0.2%以上とすることが好ましい。しかし、2.0%を超えると芯部組織にマルテンサイト組織が生じて歪が大きくなるため2.0%を上限とした。
Crは添加しなくてもよい。添加すれば焼入層の焼戻軟化抵抗を向上させることにより、歯車のピッチング寿命が向上する効果がある。その効果を得るには0.5%以上とすることが好ましい。但し、3.0%を超えると浸炭時に部品表面にCr系炭化物が生成し靭性が劣化するため、3.0%を上限とした。好ましいCr添加量は0.2〜0.6%、最も好ましくは0.4〜0.6%である。
Moは添加しなくてもよい。添加すれば焼入層を強靭化して曲げ疲労強度を向上する効果がある。その効果を得るには0.01%以上とすることが好ましい。但し1.0%を超えて添加してもその効果は飽和して経済性を損ねるため1.0%を上限とした。好ましいMo添加量の上限は0.4%であり、さらに好ましくは、0.1%以下、または0.3〜0.4%である。
Oはアルミナやチタニア等の酸化物系介在物として鋼中に存在するが、Oが多いとこれらの酸化物が大型化してしまい、これを起点として動力伝達部品の破損に至るため0.0025%以下に制限する必要がある。少ないほど好ましく、特に接触疲労特性が必要な部品に適用する場合は0.0020%以下が望ましく、更に、高寿命を指向する場合は0.0015%以下が望ましい。
Nは各種窒化物を形成して浸炭処理時及び高周波焼入処理時のオーステナイト組織の粗大化を防止する効果があり0.005%以上は必要である。しかし、0.03%を超えると鍛造性を著しく阻害するため0.03%を上限とした。最も好ましいN添加量は0.005〜0.02%である。
Al、Tiは窒化物として鋼中に析出分散することにより、浸炭処理時及び高周波焼入処理時のオーステナイト組織の粗大化を防止する効果があり、Al、Tiのうち1種または2種で夫々0.005%以上は必要である。しかし、0.05%を超えると析出物が粗大化して鋼を脆化させるため上限を0.05%とした。最も好ましいものはAlを0.005〜0.05%添加することである。
V、Nbは添加しなくてもよいが、添加することによって浸炭処理後の徐冷時にはベイナイト変態温度を低下させてベイナイトを微細組織として靭性を高め、また、一部は徐冷時に炭窒化物として析出して鋼を強化する。これらの効果を発揮させるためには、V、Nbのうち1種または2種で夫々0.01%以上の添加が必要である。しかし、0.3%を超えて添加してもその効果は飽和して経済性を損ねるため上限を0.3%とした。好ましくはVを0.01〜0.3%、最も好ましくは0.05〜0.25%添加することである。
これらの元素は、例えば、歯車の曲げ疲労破壊や軸部品のスプラインの底の疲労破壊に対して、MnSの延伸を抑制し、一層曲げ疲労強度を向上させる元素である。すなわち、MnSの延伸抑制効果を与えるために、Ca:0.01%以下、Mg:0.01%以下、Zr:0.05%以下及びTe:0.1%以下よりなる群から選択される、少なくとも1種以上を含有させる。しかし、各元素で上記量を超えて含有させてもその効果は飽和して経済性を損なうため上記量を上限とする。
本発明の浸炭高周波焼入部品は、いずれも、浸炭処理し、その後、高周波焼入処理を施した部品である。そして、この浸炭処理と高周波焼入れ処理を行うことによって、表層の硬さが55HRC以上、芯部の硬さが20〜50HRCとしてある。表層(以下、表面から50μm深さを表層という)の硬さは、曲げ疲労強度およびピッチング強度の観点から55HRC以上は必要である。また、芯部の硬さは、曲げ疲労強度に影響を及ぼし、高いほど曲げ疲労強度が向上するため20HRC以上は必要である。しかし芯部の硬さが50HRCを超えると曲げ疲労強度の向上は飽和し、かえって曲げ疲労強度が低下する場合がある。そこで本発明では芯部の硬さを20〜50HRCとした。芯部の硬さを20〜50HRCにするためには、適正な焼入性の鋼材を用いる必要があり、具体的にはJIS G0561鋼の焼入性試験方法(一端焼入方法)における、焼入端からの距離が25mmにおける硬さが20〜50HRCの範囲内の鋼材を用い、該鋼材からなる部品を浸炭処理後に4〜10℃/秒の冷却速度で冷却するとよい。
表1に示す化学成分を有する熱間圧延素材を熱間鍛造後に焼鈍処理を施した後、機械加工により平行部φ9mmで半径1.14mmの半円弧の切欠を有する小野式回転曲げ疲労試験片を製作した。同様にUノッチ衝撃試験片(JIS Z 2202の図2a)、ギア歪測定用のリングギア(ピッチ円直径φ157mm、モジュール2.45、歯数51、内径φ86mm)を製作した。
[製法1]:20hPaの減圧雰囲気中で950℃×30min浸炭処理→表2の冷却速度で徐冷→100kHzで950℃加熱の高周波焼入処理→150℃×90min焼戻である。但し表面のC濃度を表3のように振り分けるため浸炭時における浸炭期と拡散期の比率は個々に調整し、同様に高周波焼入層深さを表2のように振り分けるため加熱時間は個々に調整した。
素材の切削性は1個のリングギアの歯切りの際に通常のホブ刃を交換することなしに切削できたものを合格として評価した。小野式回転曲げ疲労試験片は10の6乗回を疲労限度とした疲労強度を測定した。Uノッチ衝撃試験片では常温での衝撃値を測定した。リングギアの歪は浸炭後にJIS B 1752のオーバーピン法にて全ての歯厚を測定して、最大寸法と最小寸法の差が50μm以下を合格として評価した。試験および測定結果を表3に示す。
また、Mnを1.3〜3.0%含有し、芯部のベイナイト率が70%以上の本発明例の試験No.12〜15は、衝撃値が一段と高いものになった。
さらに、本発明例の試験No.6は、[製法3]のガス浸炭処理を行ったが、Si含有量を0.03%としたために、粒界酸化深さが3μmとなり、本発明を満足するものとなった。
比較例の試験No.17は疲労強度が480MPaと低かった。これは浸炭後の冷却速度が4℃/秒を下回ったことに起因して芯部の硬さが20HRCを下回ったためである。
比較例の試験No.18は曲げ疲労強度が450MPaと低かった。これは高周波焼入層の深さが浸炭層深さの2.0倍を超えたためである。
比較例の試験No.19は曲げ疲労強度が460MPaと低かった。これは表面の炭素濃度が1.5%を上回ったことに起因して表層の硬さが55HRCを下回ったためである。
比較例の試験No.21は素材の切削性が不良であり、1個のリングギアを製作するに際して途中でホブ刃の交換が必要となった。衝撃値も6J/cm2と低かった。これは鋼材のCが0.3%を超えたことに起因して芯部の硬さが50HRCを超えたためである。
比較例の試験No.23は曲げ疲労強度が460MPaと低かった。試験後の小野式回転曲げ疲労試験片には酸化物系介在物を起点としたフィッシュアイ破面が観察されたため、Oが0.0025%を超えたことに起因して酸化物介在物が大型化したことが原因と考えられた。
なお、本発明は、ここに例示した歯車に限らず様々な形態の歯車に適用でき、さらには、歯車に限らず自動車の動力伝達部品等の様々な鋼部品に適用できることは言うまでもない。
Claims (12)
- 質量%で、
C:0.08%以上0.3%未満、
Si:2.0%以下(0%を含む)、
Mn:0.2〜3.0%、
P:0.03%以下、
S:0.005〜0.05%、
Ni:1.5%以下(0%を含む)、
Cr:3.0%以下(0%を含む)、
Mo:1.0%以下(0%を含む)、
O:0.0025%以下、
N:0.005〜0.03%
を含有し、さらに、
Al:0.005〜0.05%、
Ti:0.005〜0.05%
のうち1種または2種と、
V:0.3%以下(0%を含む)、
Nb:0.3%以下(0%を含む)
のうち1種または2種を含有し、残部がFeと不可避不純物よりなる鋼からなり、浸炭処理した後、高周波焼入処理を施した部品であって、
表層の硬さが55HRC以上、芯部の硬さが20〜50HRCであり、
芯部の金属組織がマルテンサイト組織を有しないことを特徴とする浸炭高周波焼入部品。 - 質量%で、
C:0.08%以上0.3%未満、
Si:2.0%以下(0%を含む)、
Mn:1.3〜3.0%、
P:0.03%以下、
S:0.005〜0.05%、
Ni:2.0%以下(0%を含む)、
Cr:3.0%以下(0%を含む)、
Mo:1.0%以下(0%を含む)、
O:0.0025%以下、
N:0.005〜0.03%
を含有し、さらに、
Al:0.005〜0.05%、
Ti:0.005〜0.05%
のうち1種または2種と、
V:0.01〜0.3%、
Nb:0.01〜0.3%
のうち1種または2種を含有し、残部がFeと不可避不純物よりなる鋼からなり、浸炭処理した後、高周波焼入処理を施した部品であって、
表層の硬さが55HRC以上、芯部の硬さが20〜50HRCであり、
芯部の金属組織が、マルテンサイト組織を有せず、且つ、ベイナイト組織の面積率が70%以上であることを特徴とする浸炭高周波焼入部品。 - 質量%で、
C:0.2%以上0.3%未満、
Si:0.2〜0.6%、
Mn:1.4〜2.0%、
P:0.03%以下、
S:0.01〜0.02%、
Cr:0.2〜0.6%、
Mo:0.4%以下(0%を含む)、
O:0.0025%以下、
N:0.005〜0.02%
Al:0.005〜0.05%、
V:0.05〜0.25%を含有し、残部がFeと不可避不純物よりなる鋼からなり、浸炭処理した後、高周波焼入処理を施した部品であって、
表層の硬さが55HRC以上、芯部の硬さが20〜50HRCであり、
芯部の金属組織が、マルテンサイト組織を有せず、且つ、ベイナイト組織の面積率が70%以上であることを特徴とする浸炭高周波焼入部品。 - 請求項3において、鋼の化学成分が、質量%で、Si:0.4〜0.6%、Cr:0.4〜0.6%、Mo:0.1%以下(0%を含む)であることを特徴とする浸炭高周波焼入部品。
- 請求項3において、鋼の化学成分が、質量%で、Si:0.4〜0.6%、Cr:0.4〜0.6%、Mo:0.3〜0.4%であることを特徴とする浸炭高周波焼入部品。
- 請求項1〜5のいずれか1項において、鋼の化学成分が、更に質量%で、Ca:0.01%以下、Mg:0.01%以下、Zr:0.05%以下、Te:0.1%以下よりなる群から選択される、少なくとも1種以上を含有することを特徴とする浸炭高周波焼入部品。
- 請求項1〜6のいずれか1項において、表面の炭素量が0.5〜1.5質量%であることを特徴とする浸炭高周波焼入部品。
- 請求項1〜6のいずれか1項において、高周波焼入層の深さが、浸炭層深さの0.3〜2.0倍であることを特徴とする浸炭高周波焼入部品。
- 請求項8において、上記高周波焼入層の残留オーステナイト面積率が20%以下であることを特徴とする浸炭高周波焼入部品。
- 請求項1〜8のいずれか1項において、表面の粒界酸化深さが3μm以下であることを特徴とする浸炭高周波焼入部品。
- 請求項1〜10のいずれか1項において、上記高周波焼入処理後にショットピーニング処理が施されたものであることを特徴とする浸炭高周波焼入部品。
- 請求項1〜11のいずれか1項において、上記浸炭高周波焼入部品が、歯車であることを特徴とする浸炭高周波焼入部品。
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