JPH0643604B2

JPH0643604B2 - 機械構造用部品の製造方法

Info

Publication number: JPH0643604B2
Application number: JP61036084A
Authority: JP
Inventors: 進神原; 賢治相原
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1986-02-20
Filing date: 1986-02-20
Publication date: 1994-06-08
Anticipated expiration: 2009-06-08
Also published as: JPS62196322A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、耐ピッチング性、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。さらに詳細に
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態
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、自動車等の動力伝達部品は、十分
な耐ピッ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、現在でもその主流を占めてい
る。かかる浸炭による耐ピッチング性、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、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Ｃ濃度に限界があり、したがって、表面硬さも
自ずと上限がある（Hv 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（Hv 200〜400）。したがって、特開昭56−11976
0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
ついては明確は定説はない）。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NH₃ ガスを添加す
る、いわゆる浸炭浸窒方法が従来から提案されている。
しかし、この方法ではNH₃ ガスおよびNH₃ ガス添加装置
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
の調整が非常に難しい。

したがって、本発明の具体的目的は、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量、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、Mn量は2.0 〜5.0
％、Ｎ量は0.008 〜0.025 ％、sol.Al量は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 ：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、C
a：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、所望によりNb：0.01 〜
0.14％、、および／またはMo： 0.05〜0.5 ％およびNi：0.1〜2.
0 ％の１種または２種含有し、かつsol.Alを0.015 ％未満に制限し、残部Fe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機械構造用部
品に浸炭焼入れを施し、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、ラッ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H_RC 25は必要であり、このためにはＣ量
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、Si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
層）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、MnもSi
に次いでその傾向が強いため、既に述べたように本発明
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
度に影響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0.05％超とした。好ましくは0.06〜0.12％で
ある。

Mn： 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量が必要以上に増加し、表面硬
度の低下に基づくピッチング寿命、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は焼入性を向上させるとともに、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、Alと結合してAlＮ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Al（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、上述のような効果から、本発明にあって
は、場合によっては添加するなどしても、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Ｎ量は0.008 ％である
が、0.025 ％を越えて添加すると、残留オーステナイト
量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含有量は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％、Pbにおいては0.35％を越える強度、靭性、ピッチ
ング寿命の低下が著しくなり、Caは製鋼技術上0.01％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.Al 固溶AlはMnとは逆に浸炭焼入後の表層部の残留オーステ
ナイトの生成量を減少させ、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.Al
量が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、固溶AlはSi以上に酸化しやすく、したがって浸炭
異常層の生成を助長するが、これについてもsol.Al量が
0.015 ％未満になると、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sol.Al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、MoおよびNiの少なくとも１種をさらに含有するが、
それはいずれも、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ッ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、sol.Al量を通常より少
なく規制しているため、AlＮ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、Al、Si、Mn、Cr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、M
n、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響を及ぼすＣは表層部でほゞ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0.1mm 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組成
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、一層効果が期待でき
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
なく、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10mm）、ローラ型転動疲労試験片（外径30mm）お
よび平歯車（外径54mm、モジュール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 ℃
×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回まで繰り返し応力を加え、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、転動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/mm²）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(L₅₀)を求
めた。

なお、第１図、第２図はいずれも鋼種No.2 の結果であ
る。

また歯車は、浸炭焼入まゝ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、投射密度300 kg／m²）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、10⁷回まで繰り返し
応力をかけ、疲労限（σ_WG）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0.1 mm除去し、Ｘ線回折法により残留
オーステナイト量（γ_Ｒ）を測定した。

このようにして測定した各鋼のγ_Ｒ、σ_WT、L₅₀ 、σ_WG
を第１表に併記する。

第１表において、鋼種No.１〜No.22は本発明に係る鋼で
あり、鋼種No.23〜27はSi含有量の点で、鋼種No.28〜32
はMn含有量の点で、鋼種No.33〜35はsol.Al含有量の点
で、鋼種No.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σ_WTはいずれも85 kgf/mm²以上であり、また転動疲
労試験における50％破損確率L₅₀ はいずれも26×10⁶回
以上と比較例の鋼より優れている。また、浸炭焼入れま
ゝ歯車の疲労限σ_WGはいずれも73 kgf/mm²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量γ_Ｒ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、σ_WT、σ_WG、L₅₀ 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No.1 〜3 、No.23〜27に関するσ
_WTとL₅₀ を第３図、第４図に示す。またMn量の影響を明
確にするため、Mn以外の成分量が実質的に同一の鋼種N
o.4 〜8 、No.28〜32に関するσ_WTとL₅₀ を第５図、第
６図に、sol.Al量の影響を明確にするため、sol.Al以外
の成分量が実質的に同一の鋼種No.16〜18、No.29〜31に
関するσ_WTとL₅₀ 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、No.36〜39に関するσ_WTとL₅₀ 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_WT、L
₅₀ が優れていることが明らかである。

さらには、浸炭焼入まゝ歯車とショットピーニング処理
歯車の疲労限σ_WG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10kgf/mm²の改善（向上率で2
2％以下）であるのに対し、本発明例ではいずれも22 kg
f/mm²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。

第11図は本実施例で用いた各種鋼についてMn量と残留オ
ーステナイト量との関係を表わしたグラフであり、図
中、カッコ内のデータは快削成分を添加した鋼種の場合
であって、いずれの場合にあってもMn≧2.0 ％で顕著な
増加を示していることが分かる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第11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

【特許請求の範囲】

【請求項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Fe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し、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。
【請求項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、ならびに、Nb：0.01 〜0.14％を含有し、かつsol.Alを0.015 ％未満に制限し、残部Fe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機械構造用部
品に浸炭焼入れを施し、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。
【請求項３】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、ならびに、Mo：0.05〜0.5％およびNi：0.1〜2.0％の１
種または２種を含有し、かつsol.Alを0.015 ％未満に制限し、残部Fe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機械構造用部
品に浸炭焼入れを施し、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。
【請求項４】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、 Nb：0.01 〜0.14％、ならびに、Mo：0.05 〜0.5 ％およびNi：0.1〜2.0 ％の
１種または２種を含有し、かつsol.Alを0.015 ％未満に制限し、残部Fe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機械構造用部
品に浸炭焼入れを施し、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。