JPWO2019026909A1 - 鋼部品の製造方法および鋼部品 - Google Patents

Abstract

適正な表面硬さを有する鋼部品を容易に製造できる鋼部品の製造方法を提供する。質量％で、Ｃ：０．２５〜１．１０％、Ｓｉ：０．２５〜０．８０％、Ｍｎ：０．８０〜３．００％、Ａｌ：０．０５〜１．２０％を有する鋼を用い、当該鋼に対してＡ１変態点以上８５０℃以下の焼入れ処理及び焼戻し処理が順に施される焼入れ焼戻し工程を少なくとも１回行い、焼入れ処理は、表面窒素濃度を０．８％以上とする浸窒焼入れ処理を含み、焼入れ焼戻し工程の後に結晶粒微細化処理を行う。

Description

本発明は、鋼部品の製造方法および鋼部品に関する。

自動車のトランスミッション等で使用される歯車や軸受等の鋼部品は、クロム鋼やクロムモリブデン鋼を用いて部品加工を行い、浸炭焼入れ焼戻しを行って製造していた。近年、ＣＯ２排出量の削減を通じた地球温暖化防止や省資源化の要請が高まっており、更なる燃費向上のために車両の軽量化が求められている。このために、鋼部品は、小型化が要求されて負荷が増大することから、更なる高強度化が求められている。また、自動車に用いられる鋼部品は、環境温度が約３００℃にまで達することから、鋼部品の表面の硬さが低下し、ピッチング破壊が起こることがある。このため、耐ピッチング疲労特性の向上のためには、焼き戻し軟化抵抗に優れた鋼部品が求められる。

特許文献１に記載の技術では、質量％で、Ｓｉを０．７〜１．０％、Ｃｒを１．０〜１．５％含有した鋼に浸炭焼入れ焼戻しを施した鋼部品において、表面から５０μｍ深さの部分のＣ含有量（以下、「表面Ｃ濃度」と称する。）を０．９〜１．１％にし、残留オーステナイト量を３０％未満にして、３００℃に焼戻した（以下、「３００℃焼戻し」と称する。）後の鋼部品の表面から５０μｍ深さの部分の硬さ（以下、「表面硬さ」と称する。）がビッカース硬さ（以下、「ＨＶ」と称する。）７００以上になるようにしている。

特許文献２に記載の技術では、Ｓｉ＋０．２Ｃｒ＋０．０１Ｍｏを１．３％超含有する鋼材とすることで、３００℃焼戻し後の鋼部品の表面硬さがＨＶ７００以上になるようにしている。

特許文献３に記載の技術では、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ等を適量含有する鋼を部品形状に成形し、浸炭焼入れ、焼戻しまたは浸炭浸窒焼入れ、焼戻し後の硬さをＨＲＣ５８（ＨＶ６５３相当）以上とし、（焼入れ焼戻し後の表面硬さ）―（３００℃焼戻し後の表面硬さ）がＨＶ１３０以下になるように鋼部品が構成されている。

特許文献４に記載の技術では、従来の浸炭窒化では鋼の表面の窒素濃度が０．８％を超えるとボイドが発生する課題に対し、フェライト領域で窒化後再加熱焼入れすることが提案されている。この処理によって、０．８％を超える窒素を固溶させるこができるため、高い窒素濃度を実現することができ、その際の窒素濃度の上限が示されている。また、特許文献５に記載の技術では、特許文献４と同様の課題に対し、軟窒化処理と高周波焼入れとを組み合わせることが示されている。

国際公開第２０１１／１３２７２２号 特開２００３−２３１９４３号公報 特開２００６−９７０９６号公報 特開平７−１３８６９６号公報 国際公開第２０１４／１９２１１７号

例えば鋼部品を自動車の歯車として使用する場合、鋼製歯車において、ピッチング破壊等を防止するための歯面強度を確保する上で、３００℃焼戻し後の表面硬さがＨＶ６８０以上であることが好ましい。

特許文献１〜３では、鋼部品の製造に際し、母材に対して浸炭焼入れが９５０℃前後で行われる。また、母材に対して焼入れが２回行われる場合であっても、２回目の焼入れ温度は８５０℃以上に設定されている。母材に対して８５０℃以上で焼入れを行うと、オーステナイト粒が粗大化するため、焼入れ後の鋼部品は結晶粒が粗くなる。そうなると、鋼部品を歯車として用いる場合に歯面強度が不足するおそれがある。

特許文献４及び５の鋼部品では、窒化処理の処理温度が５００〜６００℃であって、Ａ１変態点（７２３℃）以下での処理であるため、母材に対するＮの侵入・拡散が遅く、処理に長時間を要する。また、窒化処理後の再加熱時において窒化物を固溶させるべく表面Ｎ濃度を低く制御することが必要なことから、さらに処理が長時間化する。加えて、再加熱時の温度を９００℃以上にすることで、脱炭素、脱窒素や、結晶粒の粗大化を招くことになり、鋼部品の耐久性が低下する。また、特許文献１〜５では、いずれの鋼部品も、母材にＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖ等の希少元素を含有しており、これらは再利用が容易ではないため環境負荷も大きい。

上記実情に鑑み、適正な表面硬さを有する鋼部品を容易に製造できる鋼部品の製造方法が望まれている。

本発明の鋼部品の製造方法の特徴構成は、質量％で、Ｃ：０．２５〜１．１０％、Ｓｉ：０．２５〜０．８０％、Ｍｎ：０．８０〜３．００％、Ａｌ：０．０５〜１．２０％を有する鋼を用い、当該鋼に対してＡ１変態点以上８５０℃以下の焼入れ処理及び焼戻し処理が順に施される焼入れ焼戻し工程を少なくとも１回行い、前記焼入れ処理は、表面窒素濃度を０．８質量％以上とする浸窒焼入れ処理を含み、前記焼入れ焼戻し工程の後に結晶粒微細化処理を行う点にある。

本構成のように、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌを有する鋼を用い、当該鋼に対して焼入れ及び焼戻しが順に施される焼入れ焼戻し工程と、結晶粒微細化処理とを行うことで、Ｃｒ、Ｍｏのように希少であって環境負荷が大きい元素を用いることなく、鋼部品を製造することができる。また、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌを有する鋼は、Ａ１変態点以上８５０℃以下を含む焼入れ焼戻し工程を、表面窒素濃度を０．８質量％以上とする浸窒焼入れ処理を含む形態で行った後に、結晶粒微細化処理を行うことで、鋼部品の結晶粒サイズが調整され、適正な表面硬さを有する鋼部品を簡便に製造することができる。

他の特徴構成は、前記結晶粒微細化処理として、アークハイトが０．４０ｍｍＡ以上のショットピーニングを行う点にある。

本構成のように、結晶粒微細化処理として、アークハイトが０．４０ｍｍＡ以上のショットピーニングを行うことで、鋼部品の結晶粒を微細にすることができ、適正な表面硬さを有する鋼部品を簡便に製造することができる。

他の特徴構成は、前記結晶粒微細化処理として、前記焼入れ焼戻し工程を行う点にある。

本構成のように、結晶粒微細化処理として、Ａ１変態点以上８５０℃以下の焼入れ処理及び焼戻し処理が順に施される焼入れ焼戻し工程を行うことで、鋼部品の結晶粒を微細にすることができ、適正な表面硬さを有する鋼部品を簡便に製造することができる。

本発明の鋼部品の特徴構成は、質量％で、Ｃ：０．２５〜１．１０％、Ｓｉ：０．２５〜０．８０％、Ｍｎ：０．８０〜３．００％、Ａｌ：０．０５〜１．２０％を有する母材と、前記母材の表面における表面窒素濃度が０．８質量％以上であり、且つ、（表面窒素濃度（質量％）−Ｓｉ（質量％）−０．５２×Ａｌ（質量％））が０．２０〜０．５５％である表面層と、を含み、半価幅を７ｄｅｇ以上とした点にある。

上記構成によれば、自動車部品等に用いられる歯車等の鋼部品において適正な表面硬さを得ることができる。

は、焼入れ焼戻し工程の一例を示す観念図である。 は、焼入れ焼戻し工程の一例を示す観念図である。 は、焼入れ焼戻し工程の一例を示す観念図である。 は、３００℃焼戻しの一例を示す観念図である。

以下に、本発明に係る鋼部品の製造方法を説明する。鋼部品は、例えば歯車、減速機、軸受等に用いられる。

〔第１実施形態〕
鋼部品の母材には、化学成分として、質量％で、Ｃ：０．２５〜１．１０％、Ｓｉ：０．２５〜０．８０％、Ｍｎ：０．８０〜３．００％、Ａｌ：０．０５〜１．２０％を有する鋼を用いる。当該鋼に対して焼入れ処理及び焼戻し処理が順に施される焼入れ焼戻し工程を複数回行うことで、鋼部品を製造する。

本実施形態では、鋼に対してＡ１変態点以上８５０℃以下の焼入れ処理及び焼戻し処理が順に施される焼入れ焼戻し工程を少なくとも１回行い（第１工程）、当該焼入れ焼戻し工程の後に、結晶粒微細化処理として、更に焼入れ焼戻し工程を行う（第２工程）。図１及び図３に、鋼に対する焼入れ処理及び焼戻し処理の例を示す。鋼に対し、第１工程として、焼入れ処理及び焼戻し処理を行う。焼入れ処理については、Ａ１変態点（７２３℃）以上８５０℃以下（図１では８００℃）で１２０分間の低温短時間の浸窒焼入れを行う。浸窒焼入れに代えて、浸炭浸窒焼入れを行ってもよい。第１工程に続いて第２工程として、鋼材に対し、焼入れ処理及び焼戻し処理を行う。第２工程では、Ａ１変態点（７２３℃）以上８５０℃以下（図３では７８０℃）の焼入れを行い、続いて焼戻しを行う。

図１及び図３に示される第１工程及び第２工程の焼き戻しは、共に１５０℃で１２０分間であり、図３に示される第２工程の焼入れは５分間である。第１工程及び第２工程の焼入れ及び焼戻しの温度及び時間は適宜調整することができる。鋼に対する焼入れ焼戻し工程は３回以上行ってもよい。

鋼の化学成分、浸窒焼入れ条件、及び、浸炭も行う場合には表面炭素濃度（以下、「表面Ｃ濃度」と称する。）等を調整し、表面窒素濃度（以下、「表面Ｎ濃度」と称する。）を０．８〜１．５質量％、表面Ｎ濃度と表面Ｃ濃度との和（以下、「表面（Ｎ＋Ｃ）濃度」と称する。）を１．５〜２．５質量％とした。ここで、表面Ｃ濃度、表面Ｎ濃度とは、鋼の表面近傍（表面から２００μｍまでの深さ部分）において、炭素及び窒素がそれぞれ最高濃度となる部分における母材に対する質量の比率のことである。また、表面（Ｎ＋Ｃ）濃度とは、鋼の表面近傍（表面から２００μｍまでの深さ部分）において、窒素が最高濃度となる部分における母材に対する質量の比率と、炭素が最高濃度となる部分における母材に対する質量の比率との和のことである。

Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌを有する鋼を用い、当該鋼に対して焼入れ処理及び焼戻し処理が順に施される焼入れ焼戻し工程を複数回行うことで、Ｃｒ、Ｍｏのように希少であって環境負荷が大きい元素を用いることなく、鋼部品を製造することができる。また、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌを有する鋼は、Ａ１変態点以上８５０℃以下の焼入れ処理を含む焼入れ焼戻し工程を複数回行い、表面Ｎ濃度を０．８質量％以上とする浸窒焼入れ処理を含むように処理を行うことで、鋼部品において残留オーステナイト量が調整されて結晶粒が微細化される。その結果、鋼部品の半価幅を調整することができ、適正な表面硬さを有する鋼部品を簡便に製造することができる。なお、鋼部品は、残留オーステナイト量が増加するにつれて表面硬さは低くなる。また、結晶サイズが微細になるにつれて３００℃焼戻し後の表面硬さは高くなる。その結果、自動車等の歯車に用いられる鋼材として適正な表面硬さを得ることができる。

質量％で、Ｓｉ：０．２５〜０．８０％、Ｍｎ：０．８０〜３．００％、Ａｌ：０．０５〜１．２０％を含有する鋼に対して焼入れ処理及び焼戻し処理が順に施される焼入れ焼戻し工程を複数回行って、表面Ｃ濃度：０．２５〜１．１０質量％、表面Ｎ濃度：０．８〜１．５質量％となり、ＭｎＳｉＮ２、及び、ＡｌＮの量とサイズとを最適化して、半価幅が７．００ｄｅｇ以上となるまで結晶粒を微細化する。

表面Ｃ濃度、表面Ｎ濃度、Ｍｎ、Ｓｉの含有量を高めて結晶粒を微細化すると、原子間相互作用によりＣ、Ｎの拡散、転位の移動が抑制されるため、鋼の軟化抵抗が高まるものと考えられる。また、表面Ｎ濃度を高めて結晶粒を微細化することで、３００℃焼戻し時にＦｅ４Ｎが多量かつ均一微細に析出するようになるため、鋼部品の軟化抵抗が高まるものと考えられる。

鋼のＳｉ、Ｍｎ、Ａｌの含有量を高くしつつ浸窒焼入れ後の表面Ｎ濃度を高めることで、Ｎの拡散を抑制しつつＭｎＳｉＮ２、ＡｌＮを多量に析出させて、Ｎ、Ｈのガス化によるボイドの発生を防止した。このためには、各元素が上記の範囲内であって、かつ、（表面Ｎ濃度（質量％）− Ｓｉ（質量％） −０．５２×Ａｌ（質量％）） ＜０．６０（％）を満たすことが必要とされる。また、Ａ１変態点（７２３℃）以上８５０℃以下で１２０分間の低温短時間の焼入れ処理もボイドの発生を抑制するために有効と考えられる。

〔第２実施形態〕
本実施形態では、鋼に対してＡ１変態点以上８５０℃以下の焼入れ処理及び焼戻し処理が順に施される焼入れ焼戻し工程を少なくとも１回行い（第１工程）、当該焼入れ焼戻し工程の後に、結晶粒微細化処理として、ショットピーニング処理を行う（第２工程）。鋼に対し、第１工程として、焼入れ処理及び焼戻し処理を行う。焼入れ処理については、Ａ１変態点（７２３℃）以上８５０℃以下（図１では８００℃）で１２０分間の低温短時間の浸窒焼入れを行う。浸窒焼入れに代えて、浸炭浸窒焼入れを行ってもよい。第１工程に続いて第２工程として、アークハイトが０．４０ｍｍＡ以上のショットピーニング処理を行う。

Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌを有する鋼を用い、当該鋼に対して焼入れ処理及び焼戻し処理が順に施される焼入れ焼戻し工程を少なくとも１回行い、その後にショットピーニングを行うことで、Ｃｒ、Ｍｏのように希少であって環境負荷が大きい元素を用いることなく、鋼部品を製造することができる。また、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌを有する鋼は、Ａ１変態点以上８５０℃以下の焼入れ処理を含む焼入れ焼戻し工程を行った後に、結晶粒微細化処理としてショットピーニングを行うことで、鋼部品において残留オーステナイト量が調整されて結晶粒が微細化される。その結果、鋼部品の半価幅を調整することができ、適正な表面硬さを有する鋼部品を簡便に製造することができる。

以下に、本発明を実施例によって具体的に説明する。なお、これらの実施例は本発明を説明するためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

以下の表１に示す化学成分を有する鋼塊を均熱処理後、圧延と焼準を施してからφ８×１２ｍｍの丸棒の試験片を加工した。図１、図３、及び、以下の表２に示すように、発明例１〜５、及び、比較例９では、第１工程及び第２工程において、焼入れ焼戻し工程を２回繰り返した。第１工程では、図１に示す焼入れ焼戻し工程（以下、焼入れ焼戻しＡと称する）を行い、続いて第２工程では、図３に示す焼入れ焼戻し工程（以下、焼入れ焼戻しＣと称する）を行った。焼入れ焼戻しＡでは、ＮＨ３濃度を制御した真空炉内において、試験片に対して８００℃×１２０分間の浸窒処理を施し、６５℃の油焼入れ処理を行い、その後に、１５０℃×１２０分間の焼戻し処理を行った。焼入れ焼戻しＣでは、大気雰囲気の電気炉で７８０℃×５分間保持後に室温で水焼入れ処理を行い、その後に、１５０℃×１２０分間の焼戻し処理を行った。なお、発明５については、第２工程の後に、更に焼入れ焼戻しＣを行った（第３工程）。

図１及び以下の表２に示すように、比較例１０〜１２では、第１工程として、焼入れ焼戻しＡ（焼入れ焼戻し工程を１回）のみを行った。

図１、図２、及び以下の表２に示すように、発明例６〜８、及び、比較例１３では、第１工程として、焼入れ焼戻しＡ（図１参照）を１回行い、第２工程としてショットピーニングを行った。比較例１４では、第１工程として、図２に示す焼入れ焼戻し工程（以下、焼入れ焼戻しＢと称する）を行い、第２工程としてショットピーニングを行った。焼入れ焼戻しＢでは、ＮＨ３濃度を制御した真空炉内において、試験片に対して８００℃×１２０分間の浸窒処理を施し、１２０℃の油焼入れ処理を行い、その後に１５０℃×１２０分間の焼戻し処理を行った。なお、発明例１〜８及び比較例９〜１４の第１工程の焼入れ焼戻し工程におけるＮＨ３濃度は、表２に表示されるように制御（高濃度、中濃度、低濃度）した。

各試験片の表面からのＣ濃度分布、Ｎ濃度分布をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）で測定し、それぞれの表面近傍（表面から２００μｍまでの深さ部分）の最高濃度を表面Ｃ濃度、表面Ｎ濃度とした。これらの測定は、発明例１〜８及び比較例９〜１３では第１工程後に行い、比較例１４のみ第２工程後に行った。これらを以下の表３の評価１に示す。

各試験片の最表面をＸ線残留応力測定装置（パルステック工業(株)社製μ−Ｘ３６０）によって測定し、残留オーステナイト量、半価幅を算出した。測定条件は、入射角：３５℃、コリメータ径：φ１．０ｍｍ、Ｘ線強度：３０ｋＶ／１ｍＡ、Ｘ線波長：Ｋα２．２９０９３Å、Ｋβ ２．０８４８０Å、計測距離：３９ｍｍ、回折面：２１１面、とした。これらの測定は、発明例１〜４、６〜８及び比較例９、１３〜１４では第２工程後に行い、発明例５では第３工程後に行い、比較例１０〜１２では第１工程後に行った。これらを以下の表３の評価１に示す。

発明例１〜８及び、比較例９〜１４の試験片に対し、図４に示すように、評価用として３００℃×２４０分間の焼戻しを施した。３００℃焼戻し前（図４のＣの時点）と、３００℃焼戻し後（図４のＤの時点）とにおいて、表面からの硬さ分布をマイクロビッカース硬度計（荷重３００ｇｆ）で測定した。測定されたそれぞれの硬さ分布において、表面から５０μｍの位置の硬さを３００℃焼戻し前後の表面硬さとした。また、３００℃焼戻し後に測定された硬さ分布から表面から０．２ｍｍの位置の硬さを確認した。さらに、試験片断面の表面近傍を光学顕微鏡で観察し、ボイドの発生の有無を確認した。これらを以下の表３の評価２及び評価３に示す。

例えば、鋼部品が自動車の歯車である場合、発明例１〜８では、半価値が７ｄｅｇ以上であり３００℃焼戻し後の表面硬さはＨＶ６８０以上であることで、ピッチング破壊等を防止するための歯面強度を確保することができる。また、発明例１〜８では、３００℃焼き戻し後の表面から０．２ｍｍ位置の硬さがＨＶ６００以上であるので、スポーリングの抑制が可能になる。さらに、発明例１〜３では、３００℃焼戻し前の表面硬さがＨＶ６６０未満であるため、歯当たりが改善され、ノイズの発生や片当たりを抑制することができる。また、発明例５〜８では、半価幅が７．６５以上であり、３００℃焼戻し後の硬さがＨＶ７００以上であるため、歯面強度を向上させることができる。

さらに、発明例１〜８では、表面Ｎ濃度が０．８質量％以上の環境下においてボイドの無い組織が得られた。このように、発明例１〜８によれば、環境負荷が小さく入手が容易な材料を用い、Ａ１変態点（７２３℃）以上８５０℃以下において、表面Ｎ濃度を０．８質量％以上の浸窒焼入れ工程を含む焼入れ焼戻し工程を少なくとも１回行い、焼入れ焼戻し工程の後に、結晶粒微細化処理を行うことで、適正な硬度を有する歯車等の鋼部品を得ることができる。ここで、結晶粒微細化処理とは、更なる焼入れ焼戻し工程、又は、アークハイトが０．４０ｍｍＡ以上のショットピーニングである。発明例１〜８の試験片は、表面Ｎ濃度が０．８質量％以上であり、且つ、（表面Ｎ濃度（質量％）−Ｓｉ（質量％）−０．５２×Ａｌ（質量％））が０．２０〜０．５５％である表面層を含む。

比較例９では、表面Ｎ濃度が０．８質量％よりも低く、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌが少ないことから、３００℃焼戻し後の表面硬さがＨＶ６６０以下と低く、ボイドの発生が認められた。

比較例１０では、結晶粒が粗い（半価幅が７ｄｅｇ未満で小さい）ため、３００℃焼戻し後の表面硬さがＨＶ６５０以下であって低い。比較例１１では、表面Ｎ濃度が低く、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌが少なく、結晶粒が粗い（半価幅が７ｄｅｇ未満で小さい）ため、３００℃焼戻し後の表面硬さがＨＶ６５０以下であって低く、ボイドの発生が認められた。比較例１２では、（表面Ｎ濃度（質量％）−Ｓｉ（質量％）−０．５２×Ａｌ（質量％））が０．６０（％）であって高いことから、ボイドの発生が認められた。また、比較例１０〜１２では、焼入れ焼戻し工程が１回であることから、表面の残留オーステナイト量が６２質量％、５２質量％。７１質量％と高くなり、３００℃焼戻し後の表面硬さの低下（ＨＶ６６５以下）を招いている。

比較例１３，１４では、第２工程のショットピーニングにおけるアークハイト値が小さいため、半価幅は７ｄｅｇ未満で小さく３００℃焼戻し後の表面硬さが低い。

本発明は、自動車用部品や機械部品に広く利用することができる。

Claims (4)

1. 質量％で、Ｃ：０．２５〜１．１０％、Ｓｉ：０．２５〜０．８０％、Ｍｎ：０．８０〜３．００％、Ａｌ：０．０５〜１．２０％を有する鋼を用い、当該鋼に対してＡ１変態点以上８５０℃以下の焼入れ処理及び焼戻し処理が順に施される焼入れ焼戻し工程を少なくとも１回行い、前記焼入れ処理は、表面窒素濃度を０．８質量％以上とする浸窒焼入れ処理を含み、前記焼入れ焼戻し工程の後に結晶粒微細化処理を行う、鋼部品の製造方法。
2. 前記結晶粒微細化処理として、アークハイトが０．４０ｍｍＡ以上のショットピーニングを行う、請求項１に記載の鋼部品の製造方法。
3. 前記結晶粒微細化処理として、前記焼入れ焼戻し工程を行う、請求項１に記載の鋼部品の製造方法。
4. 質量％で、Ｃ：０．２５〜１．１０％、Ｓｉ：０．２５〜０．８０％、Ｍｎ：０．８０〜３．００％、Ａｌ：０．０５〜１．２０％を有する母材と、前記母材の表面における表面窒素濃度が０．８質量％以上であり、且つ、（表面窒素濃度（質量％）−Ｓｉ（質量％）−０．５２×Ａｌ（質量％））が０．２０〜０．５５％である表面層と、を含み、半価幅を７ｄｅｇ以上とした鋼部品。

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