JPH0192069A - 浸炭焼入れ鋼材の表面処理方法 - 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】 童栗上少科里分！ 本発明は、浸炭焼入れした鋼材の表面処理方法に関し、
詳しくは、浸炭焼入れした種々の機械部材のうち、特に
、なじみ性にすぐれ、高い耐面圧強度を必要とする歯車
や軸部材を製造するための表面処理方法に関する。

従来ｑ狡五 従来、機械部材の耐ピツチング性、即ち、耐面圧強度の
改善を目的とする処理方法として、リュブライト処理や
銅メツキ処理等が知られている。

しかし、前者の方法は、皮膜厚さが薄く、なじみ効果が
不十分であるので、満足すべき耐面圧強度を得ることが
困難である。また、後者の方法は、メツキ処理時の水素
の吸収によって、疲労強度が劣化するおそれがある。

また、例えば、従来、歯車は、浸炭焼入れままにて、又
は浸炭焼入れの後に軽度のショットを施して高強度化し
た後、使用に供されている。しかし、最近、歯車に対す
る強度要求が厳しさを著しく増しつつあり、上記した従
来の処理によっては、かかる要求に応えることができな
いために、鋼材の高級化やショット条件の最適化等、種
々の手段が試みられている。しかし、これらの手段によ
っても、浸炭焼入れの際に発生する焼入れ異常層や、焼
入れ歪等のために、実験規模では歯車の高強度化を達成
し得ても、実際の工業規模の高強度化に適用するときは
、歯車が片当りしたり、或いは面状況が適切でない等の
ために、なじみ性及び耐ピツチング性が十分でなく、未
だ実用的な水準には達していない。

が１゛シようと　る口　占 一般に、歯車に硬質ショツト粒を照射することによって
、高い圧縮残留応力を得ることができることは、既に知
られている。しかし、浸炭処理によって、歯車の最表面
層には、硬さの著しく低い異常層と呼ばれる部分が選択
酸化によって生じており、これが硬質のショットによっ
て塑性変形したり、或いは除去されたりして、歯車の表
面性状が劣化する場合がある。従って、従来の硬質ショ
ットピーニング処理によっては、歯車が相互に噛み合っ
て動力を伝達する際の相互のなじみ性及び耐ピツチング
性が十分でない。

本発明は、機械部材の製造において、耐ピツチング性を
改善するための従来の表面処理方法における上記した問
題を解決するためになされたものであって、浸炭焼入れ
した鋼材にすぐれたなじみ性と耐ピツチング性と共に、
すぐれた疲労強度を与えることができる表面処理方法を
提供することを目的とする。

エ　占を”するための 本発明による浸炭焼入れ鋼材の表面処理方法は、浸炭焼
入れした鋼材をショットピーニング処理して、上記鋼材
の表面に表面粗さ０．５〜１．５μｍを与える多孔質化
処理を施す第１工程と、次いで、上記鋼材の表面に軟質
金属粒子を投射するショットピーニング処理によって、
上記鋼材の表面にこの軟質金属の被膜を形成する第２工
程とからなることを特徴とする。

以下に本発明について詳細に説明する。

本発明の方法において、浸炭焼入れした鋼材を得るため
の浸炭焼入れの方法は、特に限定されるものではなく、
通常の方法によることができる。

また、浸炭焼入れ処理としては、窒化も組み合わせた浸
炭窒化焼入れ処理であってもよい。この浸炭焼入れによ
って、鋼材の表面に硬質層が形成され、疲労強度を向上
させることができる。しかし、本発明の方法においては
、特に、浸炭焼入れは、浸炭表面下１　’Ｏｐ　ｍの位
置におけるビッカース硬さを６００以上とするのが好ま
しい。

前述したように、硬質のショットピーニング処理によっ
て、浸炭した鋼材の最表面に存在する異常層が塑性変形
し、或いは除去されることによって、浸炭した鋼材の表
面性状が劣化する。本発明によれば、硬質のショットに
よる表面性状、特に、表面あらさば、浸炭表面から１０
μｍの位置でのビッカース硬さとよく対応し、浸炭表面
から１０μｍの位置でのビッカース硬さが６００よりも
小さいときは、硬質ショットによって表面あらさが極め
て悪くなる。換言すれば、本発明によれば、浸炭表面か
ら１０８ｍの位置でのビッカース硬さを６００以上、好
ましくは７００以上とすることによって、硬質ショット
による歯車の表面性状の劣化を防止することができる。

本発明の方法において、第１工程は、浸炭焼入れした綱
部材の表面を多孔質化又はポーラス化する工程であって
、硬質ショットピーニング処理によって上記鋼材の表面
に表面粗さ０．５〜１．５μｍを与え、かくして、次工
程において、軟質金属粒子の密着性を高めるものである
。表面粗さが０．５μｍよりも小さいときは、次工程に
おける軟質金属粒子が十分に密着せず、他方、表面粗さ
が１．５μｍよりも大きいときは、次工程において、軟
質金属粒子は十分に密着するものの、表面の著しい粗さ
に基づく切欠きのために、耐面圧強度が低下することと
なる。

本発明の方法においては、上記多孔質化処理の手段とし
て、スチールショット、カットワイヤ、アルミナ粒子、
ガラス粒子等を用いるショットピーニングが採用される
。

この第１工程は、単一の工程であってもよいが、必要に
応じて、２段階以上の複数の段階によってなされるもの
であってもよい。例えば、浸炭焼入れした歯車を処理す
る好ましい方法の一つとして、本発明の方法によれば、
前述したように、浸炭表面下１０μｍの位置におけるビ
ッカース硬さを６００以上とした後、浸炭表面硬さの９
０％以上の硬さを有すると共に、歯車の歯元曲率半径の
１〜１　／　１．５倍の直径をもつショツト粒を初速７
０〜１００ｍ／秒にて歯車に照射する第１段階を行ない
、引続き、浸炭表面硬さの９０％以上の硬さを有すると
共に、歯車の歯元曲率半径の約１／２〜１１５倍の半径
をもつショツト粒を初速６０〜９０ｍ／秒にて歯車に照
射する第２段階を行なって、歯車表面を多孔質化するこ
とができる。

上記第１段階は、大きいエネルギーを有する硬質のショ
ツト粒にて、歯車を多孔質化すると共に、深い圧縮残留
応力を付与するものであり、ショツト粒の照射時間は５
〜６０分間が適当である。しかし、このように、歯車に
深い圧縮残留応力を付与するときは、必然的に歯車の最
表面の圧縮残留応力の低下を招（。そこで、本発明の方
法によれば、第２段階として、硬質ではあるが、比較的
エネルギーの低い軽度のショットを行なう。

即ち、本発明の好ましい一態様においては、第１工程に
おいて、上記第１段階に引き続いて、第２段階として、
浸炭表面硬さの９０％以上の硬さを有すると共に、歯車
の歯元曲率半径の約１／２〜１１５倍の半径をもつショ
ツト粒を初速６０〜９０ｍ／秒にて歯車に照射する。こ
の第２段階のショットピーニング処理によって、歯車の
最表面の多孔質化を最適化すると共に、最表面の圧縮残
留応力を向上させることができる。この第２段階におけ
るショツト粒の照射時間は、通常、２〜１０分間の範囲
が好適である。

次に、本発明の方法における第２工程は、上記のように
して多孔質化した鋼部材表面に引き続いて軟質金属粒子
をショットピーニングして、表面に上記軟質金属による
被膜を形成し、鋼部材表面のなじみ性を高め、かくして
、負荷応力を緩和して、耐ピツチング性を高める。ここ
に、上記軟質金属粒子としては、例えば、銅、亜鉛、ス
ズ等が用いられるが、特に、銅が好適に用いられる。

この第２工程において、軟質金属被膜の厚さは、好まし
くは５〜３０ｕｍの範囲にある。被膜厚みが５μｍより
も薄いときは、なじみ性及び耐面圧強度が十分に改善さ
れず、しがも、金属被膜が短時間のうちに剥離するおそ
れがある。しかし、３０μｍを越えて厚（しても、なじ
み性の改善効果が飽和するので、不必要である。

上記のように、軟質金属粒子のショットピーニング処理
にて、所定厚みの金属被膜を形成するには、通常、粒子
径０．５〜１．５　ｔｍの軟質金属粒子を投射速度５０
〜１００ｍ／秒にて１〜１０分間投射すればよい。

光皿皇勉果 以上のように、本発明の方法によれば、浸炭焼入れした
網部材の表面を多孔質化処理して、鋼部材表面の残留圧
縮強度を高めると共に、次工程での軟質金属被膜の形成
を容易とする適当な表面粗さを付与し、次いで、軟質金
属粒子を用いるショットピーニング処理を行なって、上
記表面に上記軟質金属の被膜を密着させることによって
、浸炭焼入れした鋼材にすぐれたなじみ性と耐ピツチン
グ性と共に、すぐれた疲労強度を与えることができる。

特に、本発明に従って、歯車の浸炭焼入れに際して、硬
質の極最表面の硬さを規制して、硬質ショットによる表
面の劣化を防止すると共に、この後の比較的軽度のショ
ットによって、最表面の圧縮残留応力を向上させ、更に
、純銅のショツト粒によるショットを施すことによって
、歯車相互の歯面のなじみを改善し、負荷応力の緩和を
実現することができる。

従って、本発明の方法によって高強度化された歯車や軸
部材を用いることによって、低振動で低騒音の動力伝達
系を構成することができる。

１施■ 以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこ
れら実施例により何ら限定されるものではない。

実施例１ （歯車の耐ピツチング性に及ぼす表面粗さの影響）３０
Ｍ４２０１１からなるモジュール２．５、歯数２９枚の
歯車を浸炭した０表面粗さは０．３μｍであった。この
歯車に、第１工程として、粒子径０゜６Ｍ５ＨＲＣ硬さ
５３のスチールショットを５５ｍ／秒にて１２０秒間、
投射して、その表面粗さを１．０μｍとした。次いで、
第２工程として、引き続いて、その表面に粒子径１．　
Ｏｔｍの純銅ショットを７５ｍ／秒にて５分間、投射し
て、厚み２５μｍの銅被膜を形成した。

このように表面処理して得た歯車について、動力循環式
歯車疲労試験機を用い、回転数３０００ｒｐｍ、面圧２
７０　ｋｇｆ／ｍｍ”にて疲労試験を行なって、表面粗
さが耐ピツチング性に及ぼす影響について調べた。結果
を第１図に示す、比較のために、浸炭ままの表面粗さ０
．３μｍの歯車についても、同様に粒子径１．　Ｏｔｍ
の純銅ショットを７５ｍ／秒にて５分間、投射して、厚
み２５μｍの銅被膜を形成して、疲労試験を行なった。

結果を第１図に併せて示す。

本発明に従って、歯車表面を多孔質化した後に純銅ショ
ットピーニング処理して、銅被膜を形成することによっ
て、歯車の耐ピツチング性が著しく向上することが明ら
かである。

（歯車の耐ピツチング性に及ぼす軟質金属被膜の厚さの
影響） 上記と同じ歯車に上記と同じ条件にてスチールショット
によるショットピーニング処理を施して、表面粗さを１
．０μｍとした後、これに粒子径１．０鰭の純銅ショッ
トを７５ｍ／秒にて５分間投射して、厚み２５μｍの銅
被膜を形成した。

別に、上記と同じ歯車に粒子径１．　Ｏｖｍの亜鉛ショ
ットを７５ｍ／秒にて５分間、投射して、厚み３５μｍ
の亜鉛被膜を形成した。

更に、比較のために、上記と同じ歯車に粒子径１、Ｏｎ
の銅ショットを４５ｍ／秒にて３０秒間投射して、厚み
３μｍの銅被膜を形成した。

以上のように表面処理して得たそれぞれの歯車について
、前記と同じ条件下に疲労試験を行なって、軟質金属被
膜厚さが歯車の耐ピツチング性に及ぼす影響について調
べた。結果を第２図に示す。

本発明に従って、歯車表面を多孔質化した後に軟質金属
粒子によるショットピーニング処理を行なって、所定厚
さの被膜を形成することによって、歯車の耐ピツチング
性が著しく向上することが明らかである。

実施例２ ３０Ｍ４２０鋼からなるモジュール２．２５、歯数２０
枚の自動車用アウトプット・ギヤを浸炭焼入れした。こ
の歯車の表面粗さは０．３μｍであった。

この歯車に粒子径０．６　ｔｍ、ＨＲＣ硬さ５３のスチ
ールショットを５５ｍ／秒にて１２０秒間、投射して、
その表面粗さを０．６μｍとした。次いで、この歯車の
表面に粒子径１．０ｆｌの純銅ショットを７５ｍ／秒に
て２分間、投射して、厚み１５μｍの銅被膜を形成した
。

このように表面処理して得た歯車について、潤滑油ＡＴ
Ｆを用い、温度８０℃、負荷面圧２６０ｋｇｆ／ｍａ＋
”にて、回転速度１０００〜５０００ｒｐｍにて加減速
を繰り返す実車試験を行なった。結果を第３図に示すよ
うに、本発明による歯車は、８０００サイクル後もピッ
チングが生じない。

比較のために、浸炭焼入れままの歯車及び上記多孔質化
処理のみした歯車についても、同様にして、実車試験し
た。結果を併せて第３図に示すように、浸炭焼入れまま
の歯車は、２５００サイクルにてピッチングが生じ、多
孔質化処理のみした歯車は４０００サイクルにてピッチ
ングが生じた。

実施例３ 盪巌茨λ並工里 浸炭処理した歯車の表面硬さを種々に変化させて、硬質
ショットを施したとき、第４図に示すように、表面あら
さば、浸炭表面から１０μｍの位置での硬さと対応する
ことが認められ、浸炭表面から１０μｍの位置での硬さ
がビッカース硬さにて６００以上ないときは、表面あら
さが著しく悪い。この浸炭表面から１０μｍの位置は、
浸炭時に選択酸化によって形成される異常層と呼ばれる
部分である。この部分の硬さを高めるには、例えば、鋼
組成や熱処理等、適宜の手段によることができる。

１工の１ 上記に従って、表面から１０μｍの位置でのビッカース
硬さが７５０以上となるように浸炭焼入れした歯車に圧
縮残留応力を付与して、その高強変化を図るために、歯
車の表面硬さと同じ硬さの硬質ショツト粒の照射時間と
圧縮残留応力との関係を調べた。結果を第５図に示すよ
うに、ショツト粒照射時間が５分までは、時間と共に圧
縮残留応力が増加し、それ以後は圧縮残留応力が飽和す
る傾向にあるので、ショツト粒の照射時間は５分間以上
が適当である。照射時間の上限は、通常、６０分である
。

次に、ショツト粒の硬さと歯車の表面圧縮残留応力との
関係を第６図に示す、ショツト粒が歯車の表面硬さの９
０％以上の硬さを有するときに、歯車の歯元に十分な圧
縮残留応力を付与することができることが明らかである
。

歯車の疲労強度は歯元の圧縮残留応力にて決定されるの
で、硬質ショツト粒を歯元に十分に照射することが必要
である。第７図に表面から約１５０μｍまでの歯元残留
圧縮応力と歯車の歯元曲率半径、及び歯車の表面硬さと
同じ硬さを有するショツト粒の直径との関係を示す、シ
ョツト粒径が歯元曲率半径よりも大きいときは、歯元部
にショツト粒が衝突しないためにショット効果がなく、
他方、ショツト粒径が歯元曲率半径の１　／　１．５倍
よりも小さいときは、ショツト粒に十分な運動エネルギ
ーを与えることができないので、同様に、有効なショッ
ト効果を得ることができない。

更に、ショツト粒の照射速度は、余りに小さきときは、
ショット効果がなく、他方、余りに大きすぎても、表面
あらさが増したり、或いは表面に微小な亀裂を生じさせ
る。歯車の表面硬さと同じ硬さを有するショツト粒を用
いたときのショツト粒の初速と圧縮残留応力との関係を
第８図に示す。

量も好ましい照射速度は、図示したように、７０〜１０
０ｍ／秒の範囲である。

１工の２ ショツト粒径が小さいときは、軸方向の圧縮残留応力の
影響層が浅くなるので、前記第１工程及び第２工程に従
ってショツト粒を照射した浸炭歯車に硬質のショツト粒
にて低エネルギーにて軽度のショットを施し、且つ、こ
の際に、ショツト粒径による影響層を浅くするために、
ショツト粒径を歯元曲率半径の１／２〜１１５とし、更
に、表面あらさが悪化し、或いは表面に微小亀裂が発生
するのを防止するために、６０〜９０ｍ／秒の速度にて
照射した。

この第１工程としての第１段階及び第２段階の処理の後
の歯車の表面あらさば０．５〜０．８μｍであった。

また、得られた歯車の積置表面の圧縮残留応力を調べた
。結果を第９図に示すように、歯車の積置表面層におい
て、圧縮残留応力が増大していることが認められる。こ
の工程におけるショツト粒の粒径は、前述したように、
歯元曲率半径の約１／３が最も好ましいが、本発明の方
法においては、通常、ショツト粒の粒径は、歯元曲率半
径の１／２〜１１５の範囲であればよい。

員ｌ工程 以上のようにショットした浸炭歯車について、粒径約１
ｍの純銅からなるショツト粒を初速７０ｍ／秒にて５分
間照射した。銅被膜厚さは２０μｍであった。

この歯車について、一定負荷応力の下で、歯が根元から
折損するまでの回転の繰返し数を第１０図に示す、前記
純銅ショットピーニング処理によって、歯車相互のなじ
みが改善されて、歯当りがよ（なった結果、負荷応力の
緩和が図られて、歯元疲労強度までも改善されている。

通常、繰返し数１０′回回転した後、歯元折損しない最
大負荷応力をもって、その歯車の歯元疲労強度と称して
いるが、これによれば、本発明による歯車の歯元疲労強
度は１２５ｋｇｆ／ａｒｍ”　、純銅ショットピーニン
グ処理がないときは１１９ｋｇｆ／ｍｍ”　、従来の浸
炭焼入れままでは８８ｋｇｆ／ｍｓ＋”である。また、
繰返し数と耐ピツチング性との関係を第１１図に示す。

同様に、純銅ショットピーニング処理によって、歯車の
歯当りが改善され、耐ピツチング性が著しく改善されて
いる。

この工程におけるショツト粒は、前述したように、約１
ｍであることが最も好ましいが、通常、０、５〜１．５
鶴の範囲であればよい。また、初速は５０〜１００ｍ／
秒の範囲が好適である。照射時間は特に限定されるもの
ではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明及び比較例としての歯車について、そ
の表面あらさが耐ピツチング性に及ぼす影響を示すグラ
フ、第２図は、本発明及び比較例としての歯車について
、軟質金属被膜の被膜厚さが耐ピツチング性に及ぼす影
響を示すグラフ、第３図は、本発明及び比較例としての
自動車用アウトプット・ギヤの実車試験による耐ピツチ
ング性を比較して示すグラフである。 第４図は、浸炭処理した歯車の表面あらさと浸炭表面か
ら１０μｍの位置でのビッカース硬さとの関係を示すグ
ラフ、第５図から第８図は、第１工程中の第１段階にお
ける硬質ショットピーニング処理条件が歯車の疲労強度
に及ぼす影響を示し、第５図は、硬質ショット照射条件
と圧縮残留応力との関係を示すグラフ、第６図は、ショ
ツト粒の硬さと歯車の表面圧縮残留応力との関係を示す
グラフ、第７図は、歯車の歯元曲率半径及びショツト粒
の直径と歯車の表面から約１５０μｍまでの歯元圧縮残
留応力との関係を示すグラフ、第８図は、硬質ショツト
粒の初速と圧縮残留応力との関係を示すグラフである。 第９図は、第１工程における第２段階としての比較的軽
度の硬質ショットにおいて、表面からの深さと圧縮残留
応力との関係を示すグラフである。 第１Ｏ図は、本発明及び比較例としての歯車についての
疲労試験の結果を示すグラフ、第１１図は、本発明及び
比較例としての歯車についての耐ピツチング性を示すグ
ラフである。 特許出願人　　株式会社神戸製鋼所 第１・図 ６ｊり返し奏上Ｎ（１に１） 第２図 参千烟し婁ｆｗ（田） 第３図 第４図 瑣声老面ムらｌのｍ〜位置凸硬さ（Ｈり第５図 前方−ｒ＊韻（分） 第６図 シヨ、ットＲ／）セ更１１（÷鵞ＩＬ紐歪口く史）じノ
第７図 Ｏｆ００ ４ｉ匂本らのり斧ざＯ旬π） 第８図 〉り・Ｙ隊／）初速（−俊゛）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）浸炭焼入れした鋼材をショットピーニング処理し
   て、上記鋼材の表面に表面粗さ０．５〜１．５μｍを与
   える多孔質化処理を施す第１工程と、次いで、上記鋼材
   の表面に軟質金属粒子を投射するショットピーニング処
   理によつて、上記鋼材の表面にこの軟質金属の被膜を形
   成する第２工程とからなることを特徴とする浸炭焼入れ
   鋼材の表面処理方法。