JPH09302454A

JPH09302454A - 浸炭焼入れ材の前処理方法及び浸炭焼入れ材の製造方法

Info

Publication number: JPH09302454A
Application number: JP11787896A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Ogawa; 一義小川; Shoji Hotta; 昇次堀田; Tomohiro Suzuki; 智博鈴木
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1996-05-13
Filing date: 1996-05-13
Publication date: 1997-11-25

Abstract

(57)【要約】【課題】面圧疲労強度が高く、疲労寿命の長い浸炭焼入
れ材の製造方法を提供する。【解決手段】浸炭焼入れ処理が施される被処理材にショ
ットピーニングを施してその表面粗さＲｙを６〜２５μ
ｍとする第１工程と、該被処理材に浸炭焼入れ処理を施
して該被処理材の凹凸状の表面部に浸炭異常層と該浸炭
異常層より内部に浸炭硬化層とを形成する第２工程と、
を順次実施する。このようにして作製された浸炭焼入れ
材を使用に供すると、使用初期に表面の凹凸は相手材と
の接触および摺動により摩耗して比較的硬さの低い浸炭
異常層が使用初期に除去され、内部の浸炭硬化層が表面
に露出する。これにより、浸炭異常層の除去と同時に、
接触相手との馴染みの効果により表面粗さは小さくな
り、使用初期に滑らかでかつ高強度の接触面が生成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば歯車、軸受
け、カム、鉄道車輪などの部材として使用される浸炭焼
入れ材の前処理方法及び浸炭焼入れ材の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば歯車、軸受け、カム、
鉄道車輪などの鋼よりなる部材は、所定の強度を得るた
めに浸炭焼入れ処理が施されている。しかし、これらの
部材は、繰返し接触負荷を受けると被接触部位に疲労現
象が生じ、剥離などの損傷が生じる。この疲労現象に対
する材料の強さを一般に面圧疲労強度といい、この面圧
疲労強度を向上させるために表１に示すような種々の対
処法が提案されている。

【０００３】

【表１】すなわち、表面仕上げ（表面粗さの低減）、ショットピ
ーニングなどによる表面硬さの向上や圧縮残留応力の付
与、あるいは浸炭異常層の低減や除去などが提案されて
いる。

【０００４】しかし、これらの方法では、鋼材自体の製
造コストが増加したり（上記(3) ，(5) ）、工程数が増
加したり（上記(1) ，(2) ，(4) ，(6) ）、あるいは高
コストな工程が必要となる（上記(1) ，(6) ）などの問
題がある。また、特開平３−１１１５５１号公報および
特開平３−１０７４１８号公報には、歯車等の表面に浸
炭焼入れ処理を行った部品の面圧疲労強度を向上する方
法として形成加工した後、浸炭焼入れ処理前にショット
ピーニングを行い、表面を荒らすことが記載されてい
る。この技術でショットピーニングを行う目的は、歯車
等の形成加工時に生じる切削跡や研削跡の方向性をなく
し、切削跡や研削跡による応力集中からクラックが発生
することを防ぐためである。

【０００５】しかし、この技術のショットピーニング条
件は、比較的強力であるために表面が荒れ過ぎる。した
がって、切削跡や研削跡による応力集中は防がれるもの
の、ショットピーニングの表面荒れによる応力集中が生
じ、疲労強度をより一層向上させることを困難にしてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に鑑
みてなされたものであり、面圧疲労強度が高く、疲労寿
命の長い浸炭焼入れ材を得るための浸炭焼入れ材の前処
理方法及び浸炭焼入れ材の製造方法を提供することを解
決すべき課題とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の浸炭焼入れ材の前処理方法は、浸炭焼入れ処理が施
される被処理材の表面粗さＲｙを６〜２５μｍとするこ
とを特徴とするものである。また、上記課題を解決する
本発明の浸炭焼入れ材の製造方法は、浸炭焼入れ処理が
施される被処理材の表面粗さＲｙを６〜２５μｍとする
第１工程と、該被処理材に浸炭焼入れ処理を施す第２工
程と、を順次実施することを特徴とするものである。

【０００８】なお、本発明における表面粗さＲｙとは、
粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取
り、この抜き取り部分の山頂線と谷底線との間隔を粗さ
曲線の縦倍率の方向に測定し、この値をマイクロメート
ル（μｍ）で表したものをいう（ＪＩＳＢ０６０
１）。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の浸炭焼入れ材の前処理方
法及び浸炭焼入れ材の製造方法での第１工程において
は、被処理材の少なくとも製造後に組合せて使用される
相手材と接触する部分の表面に処理を行い、表面粗さＲ
ｙが６〜２５μｍとされる。なお、本発明に適用できる
被処理材は、浸炭焼入れ処理が可能な鋼等である。

【００１０】この被処理材の表面を荒らすための処理に
は、ショットピーニングを採用することができる。この
場合、ショットピーニング粒子の平均粒径は０．４〜
１．２ｍｍであることが望ましい。平均粒径が０．４ｍ
ｍより小さい場合は、加工力が不足し、十分な表面粗さ
Ｒｙが得られない可能性がある。平均粒径が１．２ｍｍ
より大きい場合は、表面粗さＲｙが大きくなり過ぎ、ま
た粗さの間隔が広がるために摩耗しにくくなる恐れがあ
る。

【００１１】また、ショットピーニング粒子の投射速度
は１５〜４５ｍ／ｓであることが望ましい。投射速度が
１５ｍ／ｓより小さい場合は、加工力が不足し、十分な
表面粗さＲｙが得られない可能性があり、また粒子の投
射が不安定になる。投射速度が４５ｍ／ｓより大きい場
合は、表面粗さＲｙが大きくなり過ぎる可能性がある。

【００１２】なお、被処理材の表面を荒らすための他の
処理方法として、表面に方向性のない凹凸を有する型を
押付けて、被処理材に凹凸形状を転写する方法も採用す
ることができる。本発明の第２工程においては、第１工
程を経た被処理材に浸炭焼入れ処理が施される。すなわ
ち、被処理材の表面粗さＲｙを６〜２５μｍの範囲内と
した表面に炭素を浸透させた後、焼入れ処理を行う。浸
炭焼入れ処理としては、ガス浸炭や液体浸炭、固体浸
炭、真空浸炭、プラズマ浸炭などが挙げられるが、本発
明では、浸炭異常層の生成が必要なため、ガス浸炭や液
体浸炭、あるいは固体浸炭が採用される。特に、ガス浸
炭は、浸炭異常層が均一に生成されやすいので望まし
い。

【００１３】浸炭焼入れ処理では、初めに被処理材の表
面から内部へ炭素を拡散浸透させ、その後、焼入れを施
すことによって、被処理材の表層に硬さの高い浸炭硬化
層を形成する。この際、浸炭硬化層の最表面に浸炭異常
層と呼ばれる硬さの低い層が生成される。浸炭異常層が
形成されるのは、炭素を拡散浸透させる処理の際に雰囲
気ガスに含まれるＨ₂Ｏ，ＣＯ₂，ＣＯなどの酸素を含
む成分によって、被処理材に含まれるＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒ
などの焼入れ性を高める元素が酸化され、その結果、最
表面の焼入れ性が低下し、それより内部の浸炭硬化層に
比べて硬さが低くなるためである。

【００１４】この第２工程において被処理材の表面に形
成する浸炭異常層の厚みは１０〜３０μｍとするのが望
ましい。１０μｍより薄い場合は、図１に示すように、
摩耗量が非常に少ないため、使用中の摩耗による表面の
平滑化が起こらず、表面の凹凸の残存部に接触応力が集
中するため強度が向上しない。また、３０μｍより厚い
場合は、図２に示すように、表面粗さに対して浸炭異常
層が厚すぎるため、使用中の摩耗による浸炭異常層の完
全除去が困難になり、浸炭異常層の残存により強度が向
上しない。

【００１５】また、第２工程において被処理材の浸炭異
常層より内部に形成する浸炭硬化層の硬さはＨｖ６００
〜Ｈｖ９００とすることが望ましい。使用中の摩耗を最
表面の浸炭異常層だけに止める必要があるため、浸炭異
常層より内部の浸炭硬化層はＨｖ６００以上の必要があ
る。また、浸炭硬化層がＨｖ９００より硬いと脆くなる
ため強度向上が期待できない。

【００１６】なお、本発明の第１工程の前処理として、
被処理材の形状加工などが適宜実施される。また、第２
工程の後加工としては、熱処理の歪みをとる目的で、例
えばハメ合い部分など精度的に要求される箇所の追加工
の他、残留応力付与のショットピーニングなどが考えら
れるが、この際に接触を受ける箇所（被接触面）の表面
粗さＲｙは上記の６〜２５μｍの範囲から外れないよう
にする必要があり、また浸炭異常層の厚みは１０〜３０
μｍの範囲から外れないようにするのが望ましい。

【００１７】本発明により製造した浸炭焼入れ材は、歯
車、滑り軸受け、カム、鉄道車輪などの、相手材との摺
動によって摩耗が起こりうる部品などに利用することが
できる。

【００１８】

【発明の作用および効果】本発明の浸炭焼入れ材の前処
理方法およびその後の浸炭焼入れ処理、本発明の浸炭焼
入れ材の製造方法の第１工程および第２工程が実施され
ると、浸炭焼入れ材の表面部にある程度の表面粗さの大
きさの形状で浸炭異常層が存在する表面層が生成する。
この状態で使用に供すると、使用初期に表面の凹凸は相
手材との接触および摺動により摩耗する。この摩耗によ
り、比較的硬さの低い浸炭異常層は使用初期に除去され
る。これにより、浸炭異常層の除去と同時に、接触相手
との馴染みの効果により表面粗さは小さくなり、使用初
期に滑らかな接触面が生成される。

【００１９】また、浸炭異常層より内部の浸炭硬化層は
硬さが高いため、浸炭異常層が除去された後は摩耗の進
行が非常に鈍くなる。すなわち、使用初期に生成する面
は、図３に示すように、強度の低い浸炭異常層が除去さ
れ、内部の浸炭硬化層が表面に現れた、硬さが高く高強
度の面であり、かつ相手材との馴染みにより平滑で応力
集中が起こりにくい面である。したがって、強度の低い
浸炭異常層の除去と、応力集中の原因となる凹凸の除去
により、疲労寿命が長くなる。

【００２０】よって、本発明によれば、面圧疲労強度が
高く、疲労寿命の長い浸炭焼入れ材を製造することがで
きる。なお、表面粗さがある程度大きくないと摩耗が起
こりにくいため、表面粗さＲｙが６μｍより小さい場合
は、図４に示すように、使用中の摩耗が不十分で、強度
の低い浸炭異常層が完全に除去されずに残留し強度が向
上しない。

【００２１】また、表面粗さＲｙが２５μｍを越える
と、浸炭異常層の厚みに対して表面粗さが大きすぎる。
すなわち、図５に示すように、浸炭異常層の摩耗によっ
ても平滑にならずに表面の凹凸が残り、凹凸の残存部に
接触応力が集中するため強度が向上しない。

【００２２】

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに具体的に
説明する。本実施例の浸炭焼入れ材の製造方法を実施す
るにあたり、表２に示す化学成分を含んで組成される鋼
を用いてφ２４ｍｍのローラ部材を加工形成し、これを
被処理材として用意した。

【００２３】

【表２】化学成分（重量％）次に、第１工程として、その被処理材の外周面にショッ
トピーニングを行って表面を荒らし、その表面粗さＲｙ
が６〜２５μｍの範囲となるようにした。このときのシ
ョットピーニングの条件は、ショットピーニング粒子の
平均粒径が０．６ｍｍ、投射速度が３０ｍ／ｓとし、処
理後の表面粗さＲｙは８μｍであった。

【００２４】次に、第２工程として、第１工程を経た被
処理材に浸炭焼入れ処理を施した。この浸炭焼入れ処理
は、９５０℃で５時間のガス浸炭を実施し、その後８５
０℃で３０分以上保持した後、１３０℃油冷による焼入
れと、１５０℃での焼戻しを施した。これにより、被処
理材の凹凸を有する外周表面には約２５μｍの厚さの浸
炭異常層が形成されるとともに、その浸炭異常層より内
部には硬さ約Ｈｖ８００の浸炭硬化層が形成された。

【００２５】なお、浸炭硬化層の硬さは焼戻し温度によ
って変化するが、その関係は図６に示すようになる。本
実施例の場合、浸炭硬化層の硬さがＨｖ６００〜Ｈｖ９
００となる範囲で焼戻し温度が設定されている。また、
被処理材の外周表面に形成される浸炭異常層の厚さは、
浸炭方法により異なり、ガス浸炭および真空浸炭の場合
には図７に示すようになる。よって、適宜浸炭方法を選
択して、形成される浸炭異常層の厚みが１０〜３０μｍ
となるようにする。

【００２６】以上のようにして作製されたローラ部材を
使用に供すると、使用初期において表面の凹凸が相手材
との接触および摺動により摩耗し、比較的硬さの低い浸
炭異常層は使用初期に除去される。これにより、浸炭異
常層の除去と同時に、接触相手との馴染みの効果により
表面粗さは小さくなり、使用初期に滑らかな接触面が生
成される。

【００２７】そして、強度の低い浸炭異常層が除去され
ると、硬さの高い浸炭硬化層が表面に露出してその後の
摩耗の進行が非常に鈍くなり、高強度でかつ相手材との
馴染みにより平滑で応力集中が起こりにくい面が生成さ
れる（図３参照）。これにより、強度の低い浸炭異常層
と、応力集中の原因となる凹凸が除去されるので、面圧
疲労強度を高め、疲労寿命を長くすることができる。

【００２８】（試験）上記実施例のローラ部材におい
て、第１工程で被処理材の表面に施す表面粗さＲｙを２
〜３０μｍの範囲で種々変化させて表３に示す試験片１
〜８を作製し、各試験片１〜８のＨｅｒｔｚ接触応力お
よび疲労寿命（繰返し数）を調べるローラ表面疲労試験
を行った。なお、各試験片１〜８の相手材としてのロー
ラ部材は、各試験片１〜８と対応して同じ表面粗さＲｙ
で同様に形成したφ９６ｍｍのものを用いた。その結果
を図８に示す。

【００２９】

【表３】（評価）表３および図８からも明らかなように、試験片
１，２の結果に対して、試験片３，４，５，６の結果は
接触応力で１．３倍、疲労寿命で７倍に向上しているこ
とが分かる。また、試験片８の結果は、試験片１，２の
結果と比較して応力集中により疲労寿命が低下している
と推定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】浸炭異常層が薄い場合の摩耗による表面変化を
示す説明図である。

【図２】浸炭異常層が厚い場合の摩耗による表面変化を
示す説明図である。

【図３】表面粗さが好適範囲にある場合の摩耗による表
面変化を示す説明図である。

【図４】表面粗さが小さい場合の摩耗による表面変化を
示す説明図である。

【図５】表面粗さが大きい場合の摩耗による表面変化を
示す説明図である。

【図６】焼戻し温度と浸炭硬化層の硬さの関係を示すグ
ラフである。

【図７】浸炭焼入れ方法と浸炭異常層の厚さの関係を示
すグラフである。

【図８】ローラ表面疲労試験の結果を示すグラフであ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】浸炭焼入れ処理が施される被処理材の表
面粗さＲｙを６〜２５μｍとすることを特徴とする浸炭
焼入れ材の前処理方法。
【請求項２】前記被処理材の表面粗さＲｙを６〜２５
μｍとするには、ショットピーニングを行い、ショット
ピーニング粒子の平均粒径が０．４〜１．２ｍｍ、投射
速度が１５〜４５ｍ／ｓである請求項１記載の浸炭焼入
れ材の前処理方法。
【請求項３】浸炭焼入れ処理が施される被処理材の表
面粗さＲｙを６〜２５μｍとする第１工程と、該被処理材に浸炭焼入れ処理を施す第２工程と、を順次実施することを特徴とする浸炭焼入れ材の製造方
法。
【請求項４】前記第１工程はショットピーニングを行
い、ショットピーニング粒子の平均粒径が０．４〜１．
２ｍｍ、投射速度が１５〜４５ｍ／ｓである請求項３記
載の浸炭焼入れ材の製造方法。
【請求項５】前記第２工程により形成する浸炭異常層
の厚みは１０〜３０μｍとする請求項３記載の浸炭焼入
れ材の製造方法。
【請求項６】前記第２工程により形成する浸炭硬化層
の硬さはＨｖ６００〜Ｈｖ９００とする請求項３記載の
浸炭焼入れ材の製造方法。