WO2006030800A1

WO2006030800A1 - 疲労特性に優れた高強度機械部品およびシャフト、ならびにそれらの疲労特性向上方法

Info

Publication number: WO2006030800A1
Application number: PCT/JP2005/016881
Authority: WO
Inventors: Takashi Fujita; Toshimi Tarui; Shuji Kozawa; Tatsuro Ochi; Suguru Yoshida
Original assignee: Nippon Steel Corporation
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2006-03-23

Description

疲労特性に優れた高強度機械部品およびシャフト、ならびにそれらの疲労特性向上方法

技術分野

本発明は、自動車や各種産業機械等に広く使用されているシャフ明

ト、歯車などの疲労特性に優れた高強度機械部品および疲労特性向上方法に関する。

具体的には、曲率半径が 25龍以下の書切欠き部を有し、さらに表面 HV硬度が 250以上である疲労特性に優れた高強度機械部品および疲労特性向上方法に関する。

背景技術

自動車や各種産業機械の軽量化、高性能化のために、各種機械部品の高強度化のニーズが高まっており、この機械部品の高強度化は、鋼材の化学成分の調整や種々の熱処理方法 · 条件で達成が可能である。

しかしながら、機械部品の高強度化は実現できても疲労特性が機械部品の強度の増加に応じて向上しない場合がある。特に切欠き部を有する機械部品では、高強度化を図っても疲労強度の向上効果が少ない。これは、切欠き部に応力が集中するためである。

一般に疲労強度を増加する手段として、「金属材料疲労設計便覧」（日本材料学会編集、養賢堂、昭和 56年 8月 20日、第 2版発行） 95〜105頁に記載されているように、高周波焼入れ、浸炭、窒化、浸炭窒化、タフトライド処理などの表面硬化処理、ショットピーニングゃ表面ロール加工処理、等がある。しかしながら、曲率半径が小さな切欠き部がある機械部品では、上記のような疲労強度の増加手段では限界があり、大幅な疲労特性の向上は実現できないと言う課題があった。

また、内燃機関のクランクシャフトでは、ァームとピンまたはシヤーナルとの境界部が断面アール状のフィレ V 卜部となっているこのフィレツ卜部は、クランクシャフ卜回転時の捻り応力や曲げ応力が集中しやすい箇所となっている。このため、フィレツト部を強化することが行なわれており、その方法として、 P —ル加工法、高周波焼き入れ法等が挙げられる。

ロール加工法は、ピン Zフランジ、ジャ一ナル Zフランジの境巨をフィレツトロールにより冷間加工し強度を向上する技術である従来技術として、例えば、特開 2002— 122126号公報では、引張応力のかかる部分の曲率半径を大きくして応力集中を緩和する技術が、また、特開 2002— 224920号公報ではフィレツ卜部の軸径の減少を抑えて結果として応力集中を緩和する技術が紹介されている。

一方、高周波焼き入れ法は、ピン、ジャーナル部およびピン Zフランジ、ジャーナル/フランジ境界のフィレット部の表面を高周波焼き入れによりマルテンサイト化して強度を高める技術である。従来技術として、例えば、特開 2002— 17371 1号公報では焼き割れが生じにくい高周波焼入方法と装置が紹介されている。

また、自動車のエンジンに用いられているクランクシャフトゃギャシャフトには、エンジンの回転に伴い大きな変動負荷が作用し、強い強度が求められる。特に、シャフトに設けられた油穴部はいろいろな方向から穴が開けられていて強度上最も弱い部位となっている。

シャフトの油穴部の強化方法に関しては従来から種々の提案がなされており、例えば、特開 2002— 38220号公報には、高周波焼入により油穴周りの強度を上げ、かつ油穴表層に圧縮の残留応力を導入する方法が開示されており、クランクシャフトを回転させながら半解放型の高周波加熱コイルで加熱する際に、油穴が加熱コイル対面にきたときに回転を遅くし、油穴開口部近傍の加熱層を厚くして焼入硬化層を深くし、油穴周りを強化する方法が開示されている。しかし、焼入れを行う境界部であるいわゆる「焼き境」では引張の残留応力が発生するため、焼割れが発生しやすいうえ、「焼き境」から疲労亀裂が発生するため、部品として疲労強度の大幅向上は困難であった。

また、特開 2002— 160 163号公報には、油穴周りに特化したショットビーニング装置を用い、油穴周りを加工硬化、および圧縮残留応力を導入する方法が開示されている。この方法は、投射ノズルをその中心軸周りに回転させ、投射孔の開口方向をノズル中心軸に対してずらして配置することにより、マスキングすることなしに油穴周りにのみショットピーニングを行う方法であるが、この方法は、ショット球の回収のために覆いが必要となるため、装置が大がかりになりコストが上昇するうえ、ショット球の大きさに制限があるため大きな圧縮残留応力を付与することが困難であることが問題であつた。発明の開示

本発明は上記の如き実状に鑑みなされたものであって、曲率半径が 25nun以下の切欠き部を有し、更に表面 HV硬度が 250以上である疲労特性に優れた高強度機械部品およびその疲労強度向上方法を提供することを課題とする。

また、本発明は、シャフトの油穴における「焼き境」等に引張残留応力が発生しないシャフト、および、大きな圧縮残留応力を付加することができる簡便な疲労強度向上方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、焼入れ · 焼戻し処理、浸炭処理、高周波焼入れ処理などの各種の熱処理を施した切欠きを有する高強度の機械部品の疲労特性の向上方法について、種々の検討を重ねた。この結果、疲労特性を向上させるためには切欠き部に圧縮残留応力を付与させることが必須であるとともに、従来のショットビ一ニング処理では曲率半径の小さな切欠き部に効率的に圧縮残留応力を付与させることが困難であることを明確にした。そこで、ショットピ一ニングに替わる圧縮残留応力の付与方法として種々の手段を検討した結果、超音波打撃処理が圧縮残留応力の導入に対して極めて有効であり、疲労特性が大幅に向上することを見出し、更に最適な超音波打撃処理の製造技術を確立した。以上の検討結果に基づき、圧縮残留応力および超音波打撃処理による圧縮残留応力の付与方法を最適に選択すれば、疲労特性の優れた切欠き部を有する高強度機械部品を実現できると言う結論に達し、本発明をなしたものである。

また、本発明は、油穴部に超音波打撃処理を施して強化することによって油穴における「焼き境」等に引張残留応力が発生しないシャフト、および、大きな圧縮残留応力を付加することができる簡便な疲労強度向上方法を提供するものである。本発明の要旨は次のとおりである。

( 1 ) 質量％で、 C : 0. 1〜1. 2 %を含む鋼材で構成され、曲率半径が 25mm以下の切欠き部を有する機械部品であって、前記鋼材表面の HV硬度が 250以上であり、かつ前記切欠き部表層の圧縮残留応力が— 300〜一 1500MP aであることを特徴とする疲労特性に優れた高強度機械部品。

( 2 ) 前記切欠き部表層からの深さが少なくとも 30 m以内の領域において、結晶粒の長軸方向と短軸方向の長さの比であるァスぺクト比が 1.5以上であることを特徴とする（ 1 ) 記載の疲労特性に優れた高強度機械部品。

( 3 ) ( 1 ) または（ 2 ) 記載の高強度機械部品が、引張強さが 800MPa以上の鋼材からなるシャフ卜であって、該シャフトは油穴を有し、かつ前記油穴の表層における圧縮残留応力が前記鋼材の引張強さの 50〜90%であり、更に該油穴の内面に深さ 10〜50 mの打撃痕を有することを特徴とする疲労特性に優れたシャフト。

( 4 ) 質量％で、 C ： 0.1〜 1.2%、 Si： 0.05〜2.5%、 Mn： 0.2〜 3 %、 A1 ： 0.005〜0.1%、 N ： 0.001〜0.02%、残部 Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする疲労特性に優れたシャフト。

( 5 ) 前記シャフトが、更に、質量％で、 Cr : 0.1〜 2 %、 Ni： 0 • 1〜 2 %、 Mo： 0.1〜 2 %、 Cu： 0.1〜 2 %、 Ti ： 0.003〜 0.05 %、

V ： 0.05〜0.5%、 Nb： 0.01〜0.1%、 B ： 0.0003〜 0.005 %の 1種または 2種以上を含有することを特徴とする（4) 記載の疲労特性に優れたシャフト。

( 6) ( 1 ) または（ 2) 記載の高強度機械部品の切欠き部を超音波振動子により打撃して圧縮残留応力を付与する高強度機械部品の疲労特性向上方法であって、前記超音波振動子の機械部品に対する硬度比： 1.1以上、超音波振動子の振動数： 10〜60kHz、超音波の出力： 500〜 5000W、超音波振動子の切欠き部への押し付け力： 10 〜 1000Nの条件で、前記高強度機械部品の切欠き部に超音波打撃処理を施すことを特徴とする高強度機械部品の疲労特性向上方法。

( 7) (3 ) 記載のシャフトの疲労特性向上方法であって、前記油穴に振動数： 10〜60kHz、振幅： 0.5〜50 mで振動する頭部に膨らみを有するピンを挿入し、前記油穴の径方向に振動を付与することにより前記油穴内部を打撃することを特徴とするシャフトの疲労特性向上方法。

( 8 ) ( 3 ) 記載のシャフトの疲労特性向上方法であって、前記油穴の周囲を振動数： 10〜60kHz、振幅： 0.5〜50/i mで振動する端子で打撃することを特徴とするシャフトの疲労特性向上方法。図面の簡単な説明

図 1 は、本発明の実施例で用いた切欠きを有する機械部品を例示する図である。

図 2は、本発明におけるシャフトの油穴の内面を打撃する実施形態を例示する図である。

図 3は、本発明におけるシャフトの油穴の内面を打撃する実施形態を例示する図である。

図 4 ( a ) ， ( b ) ， ( c ) , ( d) は、いずれも本発明におけるシャフ卜の油穴の表層を打撃する実施形態を例示する図である。発明を実施するための最良の形態

まず、本発明の対象とする鋼材の成分の限定理由について述べる

Cは機械部品の強度を確保する上で必須の元素であるが、 0. 1% 未満では本発明で目的とする HV硬度が 250以上を得ることが困難であり、一方 1.2%を越えると機械部品の延性が低下するため、 0. 1〜 1.2%の範囲に制限した。

Si, Mn, Cr, Mo, Ni等の合金元素は、各種機械部品の熱処理条件、用途等に応じて添加しても差し支えがない。好ましい範囲は、 Si ： 0.05〜2.5%、 Mn： 0.2〜 3 %、 Cr ： 0. 1〜 2.%、 Mo： 0. 1〜 3 %、 Ni ： 0. 1〜 2 %、 Cu： 0. 1〜 1 %、 B ： 0.0003〜0.005 %である。更に、 Al， N, Ti， Nb, Vの好ましい範囲は、 A1 ： 0.005〜0. 1%、 N ： 0.001〜0.02%、 Ti： 0.003〜0.05%、 V ： 0.05〜0.5%、 Nb： 0.0 1〜0.1%の範囲である。また P， Sの好ましい範囲は、 P : 0.015 %以下、 S ： 0.05%以下である。

Siは、鋼の強化元素として有効であるが、 0.05%未満ではその効果がない。一方、過多に添加すると靭性および被削性が低下するため、添加量の上限を 2.5%とする。

Mnは、鋼の強化に有効な元素であるが、 0.2%未満では充分な効果が得られない。一方、過多に添加すると靭性および被削性が低下するため、添加量の上限を 2 %とする。

A1は、鋼の脱酸および結晶粒の微細化のために有効な元素であるが、 0.005 %未満ではその効果がない。一方、過多に添加すると被削性が低下するため、添加量の上限を 0.1%とする。

Nは、 V炭窒化物や Nb炭窒化物を生成し析出強化のために必要な元素であるが、 0.001%未満では充分な効果が得られない。一方、過多に添加すると靭性が劣化するため、添加量の上限を 0.02%とする。

Cr, Ni， Mo, Cuはいずれも適量の添加においては靭性を損なうことなく強度を増大する元素である。 Cr， Ni, Mo, Cuは、いずれも 0. 1%未満ではその効果はなく、 2 %を越えると靱性が大きく劣化するため、その添加量の下限をそれぞれ 0.1%、上限を 2 %とする。

Tiは、窒化物，炭化物を生成し、析出強化により強度が上昇するため有効な元素である。さらに Tiの窒化物は高温まで固溶せずに残るため、加熱時のオーステナイ卜粗大化を防止するのに有効である。 0.003%未満ではこれらの効果は現れず、 0.05%を越えると靭性が劣化するため、その添加量の下限を 0.003 %、上限を 0.05%とする。

Vも、 Ti同様窒化物 · 炭化物を生成し、析出強化により強度が上昇するため有効な元素であるが、効果を享受するためには 0. 05 %以上の添加が必要である。一方、過多に添加すると靱性が劣化するため、添加量の上限を 0. 5 %とする。

Nbも、 T i同様窒化物 · 炭化物を生成し、析出強化により強度が上昇するため有効な元素であるが、効果を享受するためには 0. 0 1 %未満では充分な効果が得られない。一方、過多に添加すると靭性が劣化するため、添加量の上限を 0. 1 %とする。

また、これらの元素以外にも、被削性を向上させる元素として、 Pb, S , B i等を添加してもよく、その場合も本発明に含まれる。

なお、本発明は、高強度機械部品に用いる鋼材の組織や処理工程は問わず、フェライトーパーライト鋼、ベイナイト鋼、マルテンサイト鋼など、いずれの組織の鋼材にも適用できるうえ、熱間鍛造後に切削され、浸炭処理、高周波焼入れ、焼入れ焼戻し処理などが施される場合に広く適用できる。

次に機械部品の曲率半径、表面 HV硬度、圧縮残留応力の限定理由について説明する。曲率半径が 25mmを超えるような大きな切欠きがある場合は、疲労強度の低下が少ないため、本発明の対象外とした。また、 25mmを超えるような切欠きを有する部品に圧縮残留応力を付与する場合、従来技術のショットピーニング処理の方が超音波打撃処理よりも経済的であるため、曲率半径の上限を 25匪に限定した。本発明の技術は、機械部品の表面 HV硬度が 250未満であっても十分な効果があるが、一般的に低強度鋼の場合は高い疲労強度が要求されないため、表面 HV硬度の下限を 250に制限した。切欠き部表層の圧縮残留応力が— 300MPa未満では疲労強度の向上効果が少なく、一方、 ― 1500MPaを超える圧縮残留応力を付与させても疲労特性の向上効果が飽和するため、切欠き部の表層の圧縮残留応力の範囲を一 300〜一 1500MP aに限定した。なお、本発明の残留応力は X線法で測定したものである。

本発明の超音波打撃処理を行わない場合には、結晶粒の長軸方向と短軸方向のァスぺクト比が 1. 5未満となり疲労特性の向上効果が不十分であるため、アスペクト比の下限を 1. 5に制限した。また、ァスぺクト比が 1. 5以上の領域が、切欠き表層から 30 m未満では、十分な疲労強度向上効果を得ることが困難であるため、下限を 30 X mに制限した。本発明において、結晶粒のアスペクト比は、 500 倍の光学顕微鏡で測定したものである。機械部品の組織がフェライト · パーライ卜の場合はフェライト粒およびパーライト粒の平均値であり、パーライトが主体の場合はパーライト粒の平均値、マルテンサイトもしくは焼戻しマルテンサイ卜の場合は旧オーステナイ卜粒の平均値である。

次に、超音波打撃処理の条件について説明する。本発明では、機械部品の仕様に応じて熱間鍛造、冷間鍛造、各種の機械加工や焼入れ * 焼戻し処理、浸炭処理、高周波焼入れ処理などの各種工程を経て最終の機械部品に仕上げた後、最後に切欠き部に超音波打撃処理を行うものである。

超音波振動子の硬度が切欠き表面の硬度の 1. 1倍未満では、超音波打撃処理による切欠き部への圧縮残留応力を効率的に付与することが困難であるため、超音波振動子と機械部品の硬度比を 1. 1以上に限定した。なお、超音波振動子の先端の曲率半径は特に限定しないものの、機械部品の切欠き部の曲率半径よりも大きい場合は効率的に圧縮残留応力を付与することが出来ないため、超音波振動子の先端半径は切欠き部の曲率半径と同等以下にすることが好ましい条件である。超音波振動子の振動数が 10kHz未満では、効率的に圧縮残留応力を付与することができないため、下限を 10kHzに限定した。一方、 60kHzを超える振動数で超音波打撃処理を行っても圧縮残留応力の導入効果が飽和するため、振動数の上限を 60kHzに制限した。振動数の好ましい範囲は、 20〜40kHzである。超音波の出力力 00W未満では、所定の圧縮残留応力を付与させるための超音波打撃処理時間が長くなり経済的でないため、下限を 500Wに限定した。超音波出力が 5000Wを超えても効果が飽和するため、 5000Wを上限にした。超音波振動子の切欠き部への押し付け力が 10 N未満では、効率的に圧縮残留応力を付与することができず経済的でないため、下限を 10 Nに制限した。一方、押し付け力が 1000 Nを超えて超音波打撃処理を行っても効果が飽和するため、上限を 1000 Nに制限した超音波打撃処理による圧縮残留応力付与は、ショットピーニングによる圧縮残留応力付与よりも、疲労特性が優れている。この理由は、

1 ) 超音波打撃処理による圧縮残留応力はショットピーニングょりも高い

2 ) 超音波打撃処理による圧縮残留応力はショットピーニングょりも鋼材内部まで付与されている

3 ) 超音波打撃処理の部位は塑性変形されており、疲労特性が向上する

4 ) 超音波打撃処理による表面粗さがショットピーニングよりも小さい

ことに起因すると推定される。

シャフト表層に開いた油穴は、断面積の減少および応力集中形状であるため、疲労亀裂の発生起点となっている。すなわち油穴の疲労強度が、シャフト全体の疲労強度を決定している。

油穴周りの疲労強度を向上するためには、油穴周りの強度を上げるか、圧縮の残留応力を導入するか 2点の対策が考えられる。本発明者等は、超音波振動する振動端子で鋼材を打撃することにより、上記 2点の対策を共に満足することが可能であることを見い出した。すなわち、油穴表面に大きな圧縮の残留応力を付与し、かつショットピーニングと同様表面を塑性加工することにより加工硬化し、油穴をもつシャフトの疲労強度の大幅向上が可能であることを見いだした。

図 2および図 3は、本発明におけるシャフトの油穴の内面を打撃する実施形態を例示する図であり、 1は油穴、 2は超音波振動端子、 3は打撃部を示す。

本発明において、打撃処理を行なう部位をシャフトの油穴部を対象としたのは、シャフトにおいて疲労破壊が主たる問題となるのが、油穴部だからである。油穴周りに疲労亀裂が入る位置があらかじめわかっているときは、その部位を集中的に処理すればよい。

まず、油穴内部から亀裂が入る場合は、図 2 に示すような、先端にふくらみのあるピン 2 を用い、油穴 1の径方向に振動させながら、内周をなぞるように打撃処理を行う。

この打撃処理により、図 2の右側に示すように、油穴 1 の内面に打撃痕を設けることができ、この塑性加工による加工硬化によって疲労強度を著しく向上させることができる。打撃痕の深さは、 10 m以下では、疲労強度の向上効果が十分でなく、また、を超えると加工硬化が飽和するため、 10〜50 ^ mの範囲が好ましい。図 3は、超音波振動端子 2が油穴 1 の内面をなぞる様子を模式的に説明した図である。図 3 に示すように、超音波振動端子 2 ·は時間の経過とともに、油穴 1 の内面をなぞるように旋回しながら振動することによって、油穴の内面を打撃処理することができる。

本発明においては、油穴 1 の内面の打撃部は問わないが、高周波焼入れ等により引張残留応力が発生する「焼き境」に相当する油穴 1 の端部から 1 mm前後の位置を打撃することによって加工硬化させることが好ましい。

図 4は、本発明におけるシャフトの油穴の表層を打撃する実施形態を例示する図であり、 1 は油穴、 2は超音波振動端子、 3は打撃部を示す。

油穴 1 の表面近傍から亀裂が入る場合は、図 4 ( a ) ， ( b ) , ( c ) , ( d ) に示すように亀裂が入る方向（図 4中ハッチング部 ) に打撃処理を行うことによって、処理時間を短縮することができる。

例えば、図 4 ( a ) のように、シャフトが曲げ疲労だけを受ける場合には、シャフ hの軸に垂直方向に打撃することが好ましく、また、図 4 ( c ) のように、シャフトがねじり疲労だけを受ける場合には、シャフ hの軸方向から 45 ° 傾斜した方向に打撃することが好ましレ。また、図 4 ( b ) のように、シャフトが曲げ +ねじり疲労を受ける場 aには、両者を複合した方向に傾けて打撃することが好ましい。シャフ卜破断の形態が、曲げ疲労主体であるのか、捻り疲労主体であるのか不明な場合は、図 4 ( d ) のように、全周打撃処理を行うことにより曲げ疲労にも捻り疲労にも対処可能である。

また、油穴近傍の表面を処理する場合には、超音波打撃ピン先端の形状は、半球状、蒲鋅状、鞍状等が考えられるが特に限定しない。ただし、半球状ないしは蒲鋅状の先端形状では、凸と凸をつきあわせることになるので処理が不安定になる可能性がある。最良は、凸と凹を組み合わせることになる鞍状であるが、超音波打撃ピンの製造コストが高くなる可能性がある。

本発明に用いる超音波振動子の振動数を 10 k〜 60kHzと限定したのは、鋼材に与えられる圧縮の残留応力がこの領域で大きくなるからである。同様に、超音波振動するピン先端の振幅を 0. 5〜50 ; m と限定したのも、 0. 5 / m未満の振幅では十分な圧縮残留応力を鋼材に与えることができないからである。振幅は大きいほど残留応力が増すが、超では塑性変形が大きくなり過ぎ、部品の寸法精度が低下するとともに疲労強度も低下するため、振幅の上限を 50 mに限定する。

<シャフト油穴の表層における圧縮残留応力 >

本発明のシャフトは、前述のような打撃処理を油穴部に施すことによって、シャフトの油穴の表層における圧縮残留応力が、シャフトを構成する鋼材の引張強さの 50 %〜 90 %とする必要がある。

ぐ引張強度 >

本発明のシャフトを構成する鋼材の引張強さについては、引張強さが 800MPa以下の鋼材では、油穴部の圧縮残留応力の下限規定である 50 %では十分な疲労強度向上効果が得られないため、その下限値を 800MPaとした。

<残留応力 >

本発明が対象とする 800MP a以上の強度を持つ鋼材において、引張強さの 50 %以下の圧縮残留応力では十分な疲労強度向上が認められないことおよび、引張強さの 90 %以上の圧縮残留応力を付与することは、本発明では困難であることから、その上限を 90 %とする。実施例 1

以下、実施例により本発明の効果をさらに具体的に説明する。表 1 に示す化学成分の鋼材を用いて、熱間鍛造で図 1 に示すような丸棒形状の部品（シャフト）を製造した。熱間鍛造温度は 1200°C である。その後、機械加工で図 1 に示す切欠きを有する機械部品に仕上げた。更に、これらの機械部品を用いて焼入れ · 焼戻し処理、高周波加熱処理、浸炭処理を行い、表面の HV硬度を測定した。焼入れ · 焼戻し処理は、焼入れ温度： 850〜 950°C、焼戻し温度： 180〜6 50°Cの条件で行った。高周波加熱処理は、 950°Cに加熱後、焼入れ処理を行い、その後 150°Cで焼戻し処理を行った。浸炭処理は、浸炭温度が 950°C、焼戻し温度が 160°Cの条件で行った。また、最終的に切欠き部に超音波打撃処理を施した。超音波打撃処理後に切欠き部の残留応力は X線法で測定した。結晶粒のアスペクト比は、切欠き部の表層から 30 の領域を 500倍の光学顕微鏡で 10視野以上を観察することにより求めた。機械部品の疲労強度（10⁷サイクル）は回転曲げ疲労試験で調査した。上記の製造条件、測定結果を表 2 に示す。

表 2の試験 No. 3 , 5， 7， 8， 9 , 12, 16, 18, 20, 21， 23, 2 5， 28, 32, 34, 37が本発明例で、これ以外は比較例である。同表に見られるように本発明例は、いずれも切欠き部に高い圧縮残留応力が付与され、結晶粒のアスペクト比も 1.5以上になっている。この結果、比較例に比べ疲労強度が高く、疲労特性の優れた高強度部品が実現されている。

これに対して、比較例である試験 No. 1 , 4 , 6 , 8 , 11, 14, 1 7， 19, 22, 24, 27, 30, 33, 35は、いずれも機械部品製造後に切欠き部の残留応力制御の処理を施さなかった場合である。圧縮残留応力が低いか、あるいは引張残留応力になっているため、いずれも疲労強度が本発明例よりも低い例である。

比較例である試験 No. 2 , 15, 31, 36は、いずれも部品製造後に従来のショットピーニング処理を施したものである。ショットピ一ニング処理を行うことによって、切欠き部の残留応力は圧縮残留応力側に移行するものの、切欠き部の曲率半径が小さいために大きな圧縮残留応力を効率的に付与することができない。この結果、いずれの例においても本発明例に比べ疲労強度が劣っている。比較例である試験 No. 10 , 13 , 26 , 29 , 38は、いずれも超音波打撃処理の条件が不適切な例である。即ち、 No. 10は超音波振動子と機械部品の硬度比が低いために、 No. 13は超音波振動子の振動数が低いために、 No. 26は超音波振動子の切欠き部への押し付け力が低すぎるために、 No. 29は硬度比および超音波振動子の振動数が低いために、 No. 38は超音波出力が低いために、いずれも切欠き部の圧縮残留応力値が低く、疲労強度の向上効果が少なかった例である。

表 1

化学成分（質量％)

C S i Mn P s Al N C r Mo N i Cu V T i Nb B .

A 0. 15 0. 23 0. 84 0. O i l 0. 007 0. 034 0. 0040 1. 14 0. 24 一 ― ― ― 一一

B 0. 22 0. 19 0. 68 0. 008 0. 010 0. 065 0. 0069 1. 18 0. 19 0. 74 ― ― ― 一一

C 0. 19 0. 04 0. 76 0. 007 0. 009 0. 049 0. 0 158 1. 05 ― ― ― ― 0. 058 一一

D 0. 25 0. 04 0. 34 0. 007 0. 005 0. 029 0. 0 120 ― 0. 90 一 ― ― ― 0. 049 ―

E 0. 53 0. 28 0. 98 0. 008 0. 006 0. 025 0. 0053 ― 一一 ― 0. 00 ― ― ―

F 0. 45 0. 59 1. 15 0. 008 0. 010 0. 069 0. 0050 ― ― ― ― ― 0. 017 一 0. 0028

G 0. 41 0. 26 0. 70 0. 009 0. 008 0. 065 0. 0034 0. 98 0. 25 一 ― ― ― ― ―

H 0. 39 0. 05 0. 38 0. 005 0. 009 0. 028 0. 0044 一 2. 40 0. 45 0. 13 0. 28 一 ― 一

I 0. 34 0. 28 0. 78 0. 010 0. 007 0. 020 0. 0026 一一一一一一一一

J 0. 55 1. 80 0. 83 0. 004 0. 005 0. 035 0. 0029 0. 70 ― ― ― ― ― ― ―

K 1. 05 0. 22 0. 38 0. 009 0. 010 0. 001 0. 0032 1. 49 一一 ― ― ― ― ―

L 0. 78 0. 28 0. 85 0. O i l 0. 007 0. 060 0. 0044 ― 一 ― 一一一一一

M 0. 32 1. 26 1. 65 0. 006 0. 065 0. 033 0. 01 16 0. 29 ― ― ― 0. 16 ― ― ―

表 2

切欠き部切欠き部結晶粒の超音波振動超音波振

率半押し付け

試験 No. ト超音波疲労強度鋼種醒度の残留応の曲熱処理組織形態ァスぺク子の機械部動子の振

力（N) 出力 (W) (MPa) 力（Jffa) 径（腿）比品の硬度比動数 (kHz)

1 比較例 A 740 -245 0. 7 浸炭処理焼戻しマルテンサイト一 ― ― ― ― 258

2 比較例 A 740 -285 0. 7 浸炭処理焼戻しマルテンサイト一ショッ卜ピーニング 263

3 本発明例 A 740 -1214 0. 7 浸炭処理焼戻しマルテンサイト 2. 2 1. 1 25 870 3000 569

4 比較例 B 726 -194 1. 5 浸炭処理焼戻しマルテンサイト - - ― - 一 253

5 本発明例 B 726 -868 1. 5 浸炭処理焼戻しマルテンサイト 2. 0 1. 2 25 250 2000 416

6 比較例 C 753 -232 0. 5 浸炭処理焼戻しマルテンサイト一 - - 一一 255

7 本発明例 C 753 -454 0. 5 浸炭処理焼戻しマルテンサイト 1. 7 1. 1 20 540 2500 292

8 本発明例 C 753 -796 0. 8 浸炭処理焼戻しマルテンサイト 1. 5 1. 2 28 785 2000 387

8 比較例 D 747 -183 2. 0 浸炭処理焼戻しマルテンサイト ― 一 ― 一 ― 250

9 本発明例 D 747 -815 2. 0 浸炭処理焼戻しマルテンサイ卜 1. 8 1. 1 25 455 1500 394

10 比較例 D 747 -237 2. 0 浸炭処理焼戻しマルテンサイト 1. 1 0. 8 25 310 1500 256

1 1 比較例 E 680 -66 1. 0 高周波焼入れ焼戻しマルテンサイト - - - 一 ― 245

12 本発明例 E 680 -981 1. 0 高周波焼入れ焼戻しマルテンサイト 1. 9 1. 3 25 270 1500 464

13 比較例 E 680 -80 1. 0 高周波焼入れ焼戻しマルテンサイト 1. 2 1. 3 8 300 1500 246

14 比較例 F 659 -82 0. 5 高周波焼入れ焼戻しマルテンサイト一 ― 一一 - 247

15 比較例 F 659 - 174 0. 5 高周波焼入れ焼戻しマルテンサイト一ショットピーニング 254

16 本発明例 F 659 -871 0. 5 高周波焼入れ焼戻しマルテンサイト 2. 1 1. 3 25 660 1500 420

17 比較例 G 387 +15 0. 7 焼入れ ·焼戻し焼戻しマルテンサイト一 - 一 - 一 203

18 本発明例 G 387 -755 0. 7 焼入れ ·焼戻し焼戻しマルテンサイト 2. 5 2. 2 32 400 1000 339

19 比較例 H 484 -1 1 1. 0 焼入れ ·焼戻し焼戻しマルテンサイト一一一 - 一 227

20 本発明例 H 484 -653 11. 0 焼入れ ·焼戻し焼戻しマルテンサイト 2. 2 1. 8 25 2 10 1000 332

21 本発明例 H 484 -880 1. 4 焼入れ ·焼戻し焼戻しマルテンサイト 2. 5 1. 9 24 550 1500 389

22 比較例 I 3 12 +20 1. 2 焼入れ ·焼戻し焼戻しマルテンサイト - ― 一 - 177

23 本発明例 I 3 12 -458 1. 2 焼入れ ·焼戻し焼戻しマルテンサイト 2. 1 ':■·■ 7 25 160 1000 233

24 比較例 J 589 -10 0. 7 焼入れ ·焼戻し焼戻しマルテンサイト一 - 一 - 一 241

25 本発明例 J 589 -759 0. 7 焼入れ ·焼戻し焼戻しマルテンサイト 1. 8 1. 4 25 125 1500 378

26 比較例 J 589 -79 0. 7 焼入れ ·焼戻し焼戻しマルテンサイト 1. 1 1. 4 20 7 1500 244

27 比較例 71 1 +37 2. 5 焼入れ ·焼戻し焼戻しマルテンサイト ― 一一一 - 240

28 本発明例 K 71 1 -948 2. 5 焼入れ '焼戻し焼戻しマルテンサイト 1. 9 1. 2 25 330 1500 449

29 比較例 K 71 1 H 2. 5 焼入れ ·焼戻し焼戻しマルテンサイト 1. 2 0. 9 7 330 1500 241

30 比較例 L 641 -42 0. 6 焼入れ ·焼戻し焼戻しマルテンサイト - ― ― ― ― 245

31 比較例 L 641 -156 0. 6 焼入れ，焼戻し焼戻しマルテンサイト一ショットピーニング 252

32 本発明例 L 641 -542 0. 6 焼入れ ·焼戻し焼戻しマルテンサイト 2. 0 1. 3 25 255 2000 318

33 比較例 L 335 +3 1. 0 熱間锻造ままパーライ卜 ― ― 一 ― ― 186

34 本発明例し 335 -956 1. 0 熱間鍛造ままパーライト 2. 2 2. 5 22 150 1000 397

35 比較例 M 296 +21 0. 8 熱間鍛造ままフェライト -パーライト一 ― 一 - 一 170

36 比較例 M 296 -107 0. 8 熱間锻造ままフェライト ·パーライト一ショットヒーニンク 176

37 本発明例 M 296 -827 0. 8 熱間鍛造ままフェライト ·パーライト 2. 6 2. 9 35 80 700 332

38 比較例 M 296 -249 0. 8 熱間鍛造ままフェライト ·パーライト 1. 3 2. 2 22 170 300 190

実施例 2

表 3に示す成分の鋼から、油穴を摸した貫通穴を開けた丸穴付小野式回転曲げ試験片を切り出した。試験片のサイズは平行部の径 d = 1 2匪（ J I S Z- 2274、 1号試験片、記号 1 — 1 2 ) 、貫通穴の径は 2. 4mmとした。

この試験片に本発明の超音波処理を施したもの、および無処理ないしは範囲外処理を施した比較材を用意し、小野式回転曲げ疲労試験を行ない疲労強度を求めた。結果を表 4に示す。

なお、本試験片は単純な曲げ疲労試験であるため、疲労亀裂は穴部表層から発生し軸方向と垂直な面で破断するため、超音波処理は、穴周りの表層全周について行った。

表 4中の残留応力測定値は、疲労試験を行っていない試験片を別途用意し接合部表層の残留応力を測定したものである。なお、残留応力の測定は X線を用いて行ない、回折 X線の強度を測定しピーク強度の半値幅から求めている。

超音波打撃処理無しの試料は、引張強度の 1 Z 4弱の疲労強度しか得られていない。これは、油穴が疲労強度を低下させていることが原因である。適正な超音波打撃処理を行うことにより、油穴周りの強度を増し、圧縮の残留応力を導入することにより、疲労強度を向上することが可能となっている。

穴内部から発生する亀裂を模すため、貫通穴を開けた小野式回転曲げ試験片を用意し、ショットピーニング（アークハイト 0. 3 5 ) により表面に圧縮残留応力を導入後、穴の内部に超音波処理を施し、処理の有無が疲労強度に及ぼす影響について調べた。結果を表 5 に示す。

残留応力は穴の表面で測定したため、処理の有無による変化は少ない。ショットピ一ニングにより表層に圧縮残留応力が入り、表 2 の結果に比べ超音波処理なし材の疲労強度も高い値を示している。これに超音波処理を施すことによりさらに疲労強度が上昇する。その結果、本発明の疲労強度向上方法を用いた本発明例は比較例に比べて、大幅な疲労強度向上が認められた。

表 3

引張強度

C Si Mn Al N Cr Ni Mo Cu Ti V Nb

番 (MP a)

A 0.37 1.30 1.60 0.040 0.0030 810

B 0. 11 1.30 1.95 0.040 0.0121 0.5 0.5 0.3 804

C 0.37 1.30 1.60 0.040 0.0030 0.2 854

D 0.33 1.30 1.60 0.040 0.0118 1.8 1171

E 0.35 1.30 1.59 0.040 0.0118 0.2 0.10 809

F 0.33 1.30 1.60 0.040 0.0121 1.7 822

G 0.33 2.40 1.60 0.006 0.0120 0. 1 816

H 0.33 0.06 0.25 0.094 0.0180 1.7 1005

I 0.39 1.30 1.40 0.030 0.0145 0.2 802

J 0.35 1.25 1.51 0.040 0.0138 1.7 827

K 0.35 1.25 1.50 0.039 0.0118 0.2 0.005 822

L 0.33 1.25 1.51 0.039 0.0122 0.2 0.044 824

M 0.33 1.25 1.49 0.040 0.0121 0.2 0. 10 805

N 0.33 1.25 1.49 0.039 0.0120 0.2 0.45 831

O 0.37 1.25 1.49 0.039 0.0120 0.010 804

P 0.36 1.25 1.50 0.039 0.0119 0.090 857

Q 0.78 0.24 0.55 0.025 0.0099 0. 10 1018

表 4

振動数振幅残留応力疲労強度鋼番号備考

(kHz) (MPa) (MPa)

A 超音波打撃処理無し -58 170 比較例

A 7 35 -103 170 比較例

A 12 35 -421 210 発明例

A 20 35 -488 225 発明例

A 55 35 -605 260 発明例

A 63 35 -298 190 比較例

A 20 0.2 - 120 170 比較例

A 20 0.5 - 410 210 発明例

A 20 1.2 -419 210 発明例

A 20 5 -426 215 発明例

A 20 20 -457 215 発明例

A 20 60 -581 175 比較例

B 超音波打撃処理無し -35 170 比較例

B 20 35 -484 225 発明例

C 超音波打撃処理無し -10 175 比較例

C 20 35 -514 240 発明例

D 超音波打撃処理無し -36 205 比較例

D 20 35 -705 335 発明例

E 超音波打撃処理無し -59 170 比較例

E 20 35 - 487 225 発明例

F 超音波打撃処理無し -45 170 比較例

F 20 35 -495 230 発明例

G 超音波打撃処理無し -52 170 比較例

G 20 35 -491 230 発明例

H 超音波打撃処理無し -18 190 比較例

H 20 35 -605 280 発明例

I 超音波打撃処理無し -46 170 比較例

I 20 35 -483 225 発明例

J 超音波打撃処理無し -46 170 比較例

J 20 35 -498 230 発明例

K 超音波打撃処理無し -16 170 比較例

K 20 35 -495 230 発明例

L 超音波打撃処理無し -44 170 比較例

L 20 35 -496 230 発明例

M 超音波打撃処理無し -35 170 比較例

M 20 35 -484 225 発明例

N 超音波打撃処理無し -14 175 比較例

N 20 35 -500 230 発明例

0 超音波打撃処理無し -15 170 比較例

O 20 35 -484 225 発明例

P 超音波打撃処理無し -54 175 比較例

P 20 35 -516 235 発明例

Q 超音波打撃処理無し -45 190 比較例

Q 20 35 -613 285 発明例表 5

産業上の利用可能性

本発明によれば、切り欠き部に超音波打撃処理を施して圧縮残留応力を導入することによって、曲率半径が 25匪以下の切欠きを有する高強度機械部品の疲労特性を大幅に向上させることができ、これにより疲労特性に優れた高強度機械部品および疲労特性向上方法を提供することができる。

また、本発明によれば、油穴における「焼き境」等に引張残留応力が発生しないシャフト、および、大きな圧縮残留応力を付加することができる簡便な疲労強度向上方法を提供することができ、その結果、油穴から破壊することがなくなり部品の信頼性が増すうえ、強化分相応の部品の軽量化が可能となり燃費向上 · コスト削減に寄与する。

Claims

請求の範囲

1 . 質量％で、 C ： 0. 1〜 1.2%を含む鋼材で構成され、曲率半径が 25匪以下の切欠き部を有する機械部品であって、前記鋼材表面の HV硬度が 250以上であり、かつ前記切欠き部表層の圧縮残留応力が一 300〜― 1500MPaであることを特徴とする疲労特性に優れた高強度機械部品。

2. 前記切欠き部表層からの深さが少なくとも 30 m以内の領域において、結晶粒の長軸方向と短軸方向の長さの比であるァスぺクト比が 1.5以上であることを特徴とする請求項 1記載の疲労特性に優れた高強度機械部品。

3. 請求項 1 または 2記載の高強度機械部品が、引張強さが 800M Pa以上の鋼材からなる自動車用シャフ卜であって、該シャフトは油穴を有し、かつ前記油穴の表層における圧縮残留応力が前記鋼材の引張強さの 50〜90%であり、更に該油穴の内面に深さ 10〜50/i mの打撃痕を有することを特徴とする疲労特性に優れたシャフト。

4. 質量％で、 C ： 0. 1〜 1.2%、 Si ： 0.05〜2.5%、 Mn： 0.2〜 3 %、 A1 ： 0.005〜0. 1%、 N ： 0.001〜0.02%、残部 Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする疲労特性に優れたシャフト。

5. 前記シャフト力更に、質量％で、 Cr : 0. 1〜 2 %、 Ni ： 0. 1 〜 2 %、 Mo : 0.ト 2 %、 Cu : 0. 1〜 2 %、 T i ： 0.003〜 0.05 %、 V

： 0.05〜0.5%、 Nb： 0.01〜0. 1%、 B ： 0.0003〜0.005%の 1種または 2種以上を含有することを特徴とする請求項 4記載の疲労特性に優れたシャフト。

6. 請求項 1 または 2記載の高強度機械部品の切欠き部を超音波振動子により打撃して圧縮残留応力を付与する高強度機械部品の疲労特性向上方法であって、前記超音波振動子の機械部品に対する硬度比： 1. 1以上、超音波振動子の振動数： 10〜60kHz、超音波の出力： 500〜 5000W、超音波振動子の切欠き部への押し付け力： 10〜100 O Nの条件で、前記高強度機械部品の切欠き部に超音波打撃処理を施すことを特徴とする高強度機械部品の疲労特性向上方法。

7 . 請求項 3記載のシャフトの疲労特性向上方法であって、前記油穴に振動数： 10〜 60kHz、振幅： 0. 5〜 50 mで振動する頭部に膨らみを有するピンを挿入し、前記油穴の径方向に振動を付与することにより前記油穴内部を打撃することを特徴とするシャフトの疲労特性向上方法。

8 . 請求項 3記載のシャフトの疲労特性向上方法であって、前記油穴の周囲を振動数： 10〜60kHz、振幅： 0. 5〜50 mで振動する端子で打撃することを特徴とするシャフトの疲労特性向上方法。