JPH1171633A - 強度、耐疲労特性に優れた高周波焼入れ部品およびその製造方法 - Google Patents
強度、耐疲労特性に優れた高周波焼入れ部品およびその製造方法Info
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- JPH1171633A JPH1171633A JP9233994A JP23399497A JPH1171633A JP H1171633 A JPH1171633 A JP H1171633A JP 9233994 A JP9233994 A JP 9233994A JP 23399497 A JP23399497 A JP 23399497A JP H1171633 A JPH1171633 A JP H1171633A
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Abstract
の駆動伝達部品に適用できる、静的強度および耐疲労特
性の優れた高周波焼入部品およびその製造方法を提供す
る。 【解決手段】 C,Si,Mn,S,V,Nb,Al,
N等を特定の成分範囲で含み、硬化層は結晶粒度がJI
S粒度番号で14番以上である静的強度と耐疲労特性に
優れた高周波焼入れ部品。ならびに、未再結晶温度域で
加工率30%以上の大歪み加工を2回以上行う温間加工
を行い、次いで高周波焼入れ処理を行うことを特徴とす
る上記高周波焼入れ部品の製造方法。
Description
特性に優れた高周波焼入れ部品およびその製造方法に関
し、より詳しくは疲労による歯元の折損が問題になる自
動車の差動装置用歯車などの高周波焼入部品およびその
製造方法に関する。
を施して使用されることが多く、表面硬化法としては浸
炭、窒化および高周波焼き入れが採用されている。この
中で、「浸炭」はマトリックスが高靱性で材料の表層を
高炭素化することにより硬化することを狙ったもので、
疲労強度の向上を目的とした主にギヤ等の材料に適用さ
れる。しかし、浸炭処理はガス雰囲気中でのバッチ処理
が主流をなしており、例えば930℃近傍で数時間以上
の加熱保持を有するといったように多くのエネルギーと
コストが費やされる。また、実操業においては浸炭材の
処理等のために環境の悪化を伴いがちである等といった
問題のほか、インライン化が困難であるといった様な問
題もあった。
波焼き入れ処理のみで所望の強度特性をえるための研究
がなされるようになった。なぜなら、高周波焼き入れは
表面硬化処理時間の短縮やエネルギーの低減、さらには
環境のクリーン化に非常に有利だからである。
かの報告がなされている。例えば特開平5−33101
号公報には高周波焼入用非調質鋼に関する提案が掲載さ
れている。これはC、Mn、Cr量を調整することによ
ってマトリックス(芯部)自体にも所要硬さを確保した
ものである。しかし、その実施例の記載からもわかるよ
うに、靭性の観点からC量を0.52%以下にしたもの
である。即ち、浸炭鋼の代替には表層硬度を浸炭鋼並み
の硬度(ビッカース硬度で約700以上)にすることが
必要であるのに対し、C量を0.55%以上にしたとき
のマトリックス(芯部)の靭性および低サイクル疲労の
低下対策が不十分であるため、やはり浸炭代替鋼として
は十分なものとは言えなかった。
晶粒の微細化が有効であることが知られている。例え
ば、特開昭61−147849号公報では未再結晶域で
鍛造後焼き入れることにより、微細なフェライトと微細
ラスのマルテンサイトを得ることが示されている。さら
に、特開平5−9576号公報では非調質棒鋼を未再結
晶域で圧延し、圧延後に加速冷却することにより微細な
フェライトパーライト組織を得ることが示されている。
しかしながら、両者ともに高周波焼き入れ鋼とは全く別
な鋼材であり、しかも鋼種が異なるため強度レベルも浸
炭鋼並みの硬度(ビッカース硬度で約700以上)には
到達していない。さらに硬化層の組織に微細フェライト
を混在させることは両者ともに特徴となっているが、フ
ェライトの混在は歯車の疲労にとって有害な降伏現象を
促進するため、やはり浸炭代替鋼の靭性向上としては実
用上好ましいものとは言えなかった。
した後に高周波焼入処理を施すのみで経済的にかつ浸炭
材なみの強度、耐疲労特性を有する高周波焼入れ部品お
よびその製造方法を提供することであり、特に自動車の
差動装置用歯車などに使用される部品の浸炭処理から高
周波焼入処理への転換を図ろうとうするものである。
るところは下記のとおりである。 (1)重量%で、C:0.40%以上0.70%以下、
Si:0.05%以上0.80%以下、Mn:0.50
%以上2.00%以下、S:0.01%以上0.03%
以下、V:0.30%以上1.00%以下、Al:0.
010%以上0.050%以下、N:0.0050%以
上0.0200%以下を含有し、Pは0.030%以下
であり、残部Feおよび不可避不純物からなり、高周波
焼入硬化層のマルテンサイトの結晶粒度がJIS粒度番
号で14番以上であることを特徴とする静的強度と耐疲
労特性に優れた高周波焼入れ部品。 (2)(1)に記載の成分に加えて更に重量%で、N
b:0.05%以上0.50%以下を含有することを特
徴とする( 1) 記載の高周波焼入れ部品。 (3)(1)又は(2)に記載の成分に加えて更に重量
%で、Cr:0.1%以上1.50%以下を含有するこ
とを特徴とする(1)又は(2)記載の高周波焼入れ部
品。
70%以下、Si:0.05%以上0.80%以下、M
n:0.50%以上2.00%以下、S:0.01%以
上0.03%以下、V:0.30%以上1.00%以
下、Al:0.010%以上0.050%以下、N:
0.0050%以上0.0200%以下を含有し、Pは
0.030%以下であり、残部Feおよび不可避不純物
からなる鋼を素材とし、未再結晶温度域で加工率30%
以上の大歪み温間加工を2回以上行い、次いで高周波焼
入れ処理を行い、硬化層のマルテンサイトの結晶粒度が
JIS粒度番号で14番以上とすることを特徴とする静
的強度と耐疲労特性に優れた高周波焼入れ部品の製造方
法。 (5)(4)に記載の成分に加えて更に重量%で、N
b:0.05%以上0.50%以下を含有する鋼を素材
とすることを特徴とする(4)記載の高周波焼入れ部品
の製造方法。 (6)(4)又は(5)に記載の成分に加えて更に重量
%で、Cr:0.1%以上1.50%以下を含有する鋼
を素材とすることを特徴とする(4)又は(5)記載の
高周波焼入れ部品の製造方法。 (7)温間加工の加熱温度が900℃以上1100℃以
下であり、加工開始温度が600℃以上800℃以下で
あることを特徴とする(4)乃至(6)記載の高周波焼
入れ部品の製造方法。
入れ後の硬化層のマルテンサイト組織の粒度は、通常の
高周波焼入鋼ではJIS粒度番号で10番(粒径12.
4μm)であるのに対し、本発明においては平均14番
以上(粒径3.1μm以下)としたことから、従来の高
周波焼入材に比べ、硬化層の静的強度、衝撃特性ならび
に耐疲労特性が大幅に向上し、本発明が目的とする性能
を得ることができる。
分を有する機械構造用鋼を、未再結晶域で、1回の加工
量は30%以上の大歪加工の2回以上の温間加工を実施
して累積の加工量で60%以上の大歪み加工を行い、そ
の後室温まで放冷し、その後、高周波焼入れを施すこと
により、旧オーステナイト粒径が極めて微細な組織が得
られる。すなわち、未再結晶域での大歪み加工により、
γ粒界の増加ならびに変形帯の導入により、オーステナ
イトから微細なフェライト/フェライト組織に変態し、
その後、高周波焼入れを施すと、前組織の細粒化効果と
高周波による急速加熱効果が組合わされ、再加熱時のオ
ーステナイト粒が微細化され、焼入組織も微細化され
る。
Nbを添加の結果、温間鍛造における冷却時にV炭窒化
物、Nb炭窒化物が生成され、冷却後の組織は微細化さ
れる。その後、高周波焼入れを施すと、前組織の細粒化
効果と高周波による急速加熱効果が組合わされ、再加熱
時のオーステナイト粒がさらに微細化される。
化効果を温間鍛造時に有効に作用させるためには、一度
900℃から1100℃の間の温度に加熱し、V炭窒化
物およびNb炭窒化物を一旦固溶させ、その後の冷却工
程で析出させることにより、大歪加工との協働して大き
な微細化効果を発揮する。
より、高周波焼入れ後の硬化層のマルテンサイト組織の
粒度は、通常の高周波焼入鋼ではJIS粒度番号で10
番(粒径12.4μm)であるのに対し、本発明によれ
ば平均14番以上(粒径3.1μm以下)を得ることが
でき、従来の高周波焼入材に比べ、硬化層の静的強度、
衝撃特性ならびに耐疲労特性の大幅に向上し、本発明が
目的とする性能を得ることができる。
て詳しく説明する。本発明の素材鋼の化学組成は以下の
とおりである。Cには鋼(芯部)に所望の強度を確保す
る作用、更には高周波焼入後の表面硬さを確保する作用
があるが、その含有量が0.40%を下回ると前記作用
による所望の効果が得られず、一方、0.70%を越え
て含有させると靭性が劣化するようになる。従って、C
含有量は0.40%から0.70%と定めたが、上記効
果をより安定に確保するためには0.53%から0.7
0%に調整するのが好ましい。
ともに鋼材の強度向上元素であり、要求強度に応じてそ
の含有量を調節される。但し、Si含有量は脱酸作用を
有効ならしめるためには0.05%以上の含有量が必要
であり、一方、0.80%超では鋼材の靭性、延性が低
くなると同時に、その鋼材の加工性が低下する。そのた
め、Si含有量は0.05%以上0.80%以下と定め
た。
って、要求強度に応じてその含有量を調節される。従っ
て、この作用を有効ならしめるために0.50%以上の
含有量を確保する必要がある。但し、Mn含有量が2.
00%超では焼入性が向上し過ぎて、素材製造ならびに
温間鍛造時にベイナイト組織あるいは島状マルテンサイ
ト組織の生成が促進され、加工性が低下するようにな
る。従って、Mn含有量は0.50%から2.00%と
定めたが、上記効果をより安定に確保するためには0.
70%から1.50%に調整するのが好ましい。
あって、要求強度および部品の大きさに応じて所定量添
加しても本開発鋼の特性が損われることがない。但し、
Cr含有量が0.1%未満では前記作用による所望の効
果を得ることができず、一方、1.50%超では焼入性
が向上し過ぎて、素材製造ならびに温間加工時にベイナ
イト組織あるいは島状マルテンサイト組織の生成が促進
され、加工性が低下するようになる。従って、添加する
際は0.1%以上1.50%以下に調整するのが好まし
い。
ステナイト強化をする作用があり、所定量添加しても本
開発鋼の特性が損われることがない。
030%超では靭性の劣化をもたらすようになるので、
P含有量は0.030%以下と定めたが、好ましくは
0.020%以下に調整するのが良い。
の含有量が0.01%未満では該作用による所望の効果
を得ることができず、一方、0.03%超では鋼材の延
性が大幅に低下する。従って、S含有量は0.01%以
上0.03%以下と定めた。
に有効な元素であり、かつ、炭窒化物を生成し、結晶粒
を微細化させる元素であり、所望の効果を確保するには
0.30%以上含有させることが必要である。しかし、
1.00%超ではその効果が飽和する。従って、V含有
量は0.30%から1.00%と定めた。
せる元素であり、所望の効果を確保するには0.050
%以上含有させることが必要である。しかし、0.50
%超ではその効果が飽和する。従って、Nb含有量は
0.050%から0.50%と定めた。
化効果を有する元素であり、所望の効果を確保するため
には0.010%以上を含有させる必要がある。しか
し、0.050%超ではその効果が飽和してしまうばか
りか、鋼材の加工性や疲労特性を低下させるようにな
る。従って、Al含有量は0.010%から0.050
%と定めたが、好ましくは0.015%から0.030
%に調整するのが良い。
であり、鋼中にAl、V、Nbを窒化物として析出させ
て結晶粒の微細化をはかる元素である。N含有量が0.
0050%未満では前記作用による所望の効果が得られ
ず、一方、0.0200%を越えて含有させると靭性が
低下するようになる。従って、N含有量を0.0050
%から0.0200%と定めた。
成分の他、Pb、Bi、Te、Ca等の被削性を改善す
る快削元素を添加しても前述した効果が損われることが
ない。従って、温間鍛造後、部品の仕上げ加工に一層の
被削性が望まれる場合には、上記快削元素の一種または
2種以上を添加しても良い。
下に述べる。高周波焼入鋼の靭性および強度は、硬化層
の硬さおよび芯部硬度をほぼ一定とした場合、硬化層の
結晶粒度に強く影響を受ける。図1に示すように、結晶
粒の微細化とともに衝撃値及び三点曲げ強度は向上し、
特にJIS粒度番号で14番(3.1μm)以上に微細
化することにより著しく向上する。従って、硬化層の結
晶粒度はJIS粒度番号で14番以上と定めた。
温間加工は温間鍛造あるいは温間転造等により高周波熱
処理前の組織の微細化と同時に部品の形状を造り込む工
程である。一般に浸炭部品、あるいは高周波焼入部品は
熱間鍛造後、機械加工で仕上げられている。しかし、高
周波表面処理の前に調質や焼鈍を省略しつつ、高周波焼
入後に極めて微細な組織を達成するために温間鍛造は不
可欠な工程である。すなわち、素材を未再結晶域で大歪
み加工を行い、その後室温まで放冷し、高周波焼入れ前
の組織を十分に微細化するものである。
900℃未満ではV、Nbの固溶が不十分であり前記の
所望の効果が得られず、また1150℃超では未再結晶
域での加工が極めて困難となるため、加熱温度は900
℃以上1150℃以下に調整するのが良い。加工開始温
度は、未再結晶温度域での加工を経るため600℃以上
800℃以下、好ましくは600℃以上700℃以下に
調整するのが良い。
界の増加ならびに変形帯の導入により、オーステナイト
から微細なフェライト/フェライト組織に変態し、高周
波焼入れ前の組織を微細化する効果がある。この場合、
一回加工率が30%未満では細粒化効果が不十分であ
り、また、累積の加工率が60%未満では細粒化効果が
不十分である。従って、未再結晶域での大歪み加工は加
工率30%以上の大歪み加工を2回以上行うことと定め
た。
するが、取り扱い上の対策から風冷あるいは水冷を実施
しても前述した効果が損われることがない。
温間加工後、仕上げの機械加工処理を施された後、高周
波表面焼入処理を実施する。この場合、850℃未満の
温度では高周波加熱という短時間処理で、十分に溶態化
できず、また1100℃超の温度では結晶粒の成長が生
じ、組織微細化効果を十分に発揮できない。従って、加
熱温度は850℃から1100℃、好ましくは850℃
から900℃に調整するのが良い。なお、高周波加熱後
は水焼入を行い、必要に応じて焼戻しを行う。
し、インゴットに鋳造した。次いで得られたインゴット
を熱間鍛造により直径50mmの丸棒鋼に成形した。続
いて、加熱温度、加工開始温度および加工率を種々変更
し、温間鍛造を行った。加熱温度は850、900、9
50、1100、1150、1200℃とし、温間鍛造
の加工開始温度は500、600、650、750、8
00、850、950℃とした。なお、加工温度は丸棒
鋼の半径の1/2の位置に熱電対を埋め込み、放冷によ
り所定温度に達した時点で鍛造を開始した。また、加工
率は1回の加工率を20、30、40、60%とし、更
に同じ加工率を2回以上繰り返す加工も行い、累積の加
工率を20%から91%に種々変更した。温間加工の
後、丸棒鋼を放冷により室温まで冷却した。その後、丸
棒鋼から機械加工により、10mm角、長さ70mm、
中央に2mmRの半円の切欠付きの三点曲げ試験片、掴
み部15mmφ、平行部9mmφの切欠付き(ρ=1、
α=1.66)の小野式の回転曲げ疲労試験片および2
0mmφ、長さ200mmLの材質調査用の試験片を作
成した。なお、各種加工条件については表2および表3
にまとめて示した。化学成分は表1との対比で示され
る。
れによって達成された表面硬さ、硬化層の結晶粒度、三
点曲げ強度、回転曲げ疲労強度を調査した。調査結果は
表2および表3に示した。なお、この時の高周波焼入条
件は、 周波数:3kHz 出力:100kw 移動速度:5mm/s であった。また、比較のため従来鋼に温間鍛造なしで高
周波焼入れ、および浸炭処理を行った結果も調査した。
のことが分かる。ここで、本発明法(A1からA13を
用いて、本発明範囲の加工条件で実施)は、高周波焼入
れした硬化層は結晶粒度がJIS粒度番号ですべて14
番以上と極めて微細な結晶粒度を達成し、表面硬度も高
く、三点曲げ強度および回転曲げ疲労強度も高く、通常
の浸炭処理鋼(C2)と同等以上の特性が得られる。つ
まり、本開発法は高周波焼入れ処理ではあるものの、浸
炭処理と同等以上の優れた特性が得られることが分か
る。
る鋼(B1からB13)を本発明範囲内の加工条件で処
理した場合、B1とB2では14番以上の細粒鋼は得ら
れないため、強度と疲労強度は低く、また、B4からB
13では14番以上の細粒は得られるもの靭性の低下や
硬度の不足により、本発明法並みの優れた特性は得られ
ないことが分かる。さらに、本発明範囲内の成分を有す
る鋼(A1)を本発明範囲外の加工条件で処理した場
合、14番以上の細粒は得られないため、強度と疲労強
度は従来の高周波焼入鋼(C1)に比べやや良好ではあ
るものの、通常の浸炭処理鋼(C2)には及ばないこと
は明らかである。
れ部品は高周波焼入れ処理のみで浸炭処理鋼と同等以上
の静的強度および曲げ疲労強度を得ることが可能とな
り、従来は浸炭処理を施していた鋼種に代って各種機械
構造部品の性能向上および製造コストの低減に大きく資
するなど、産業上有用な効果がもたされる。
晶粒度の影響を示す図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 重量%で、C:0.40%以上0.70
%以下、Si:0.05%以上0.80%以下、Mn:
0.50%以上2.00%以下、S:0.01%以上
0.03%以下、V:0.30%以上1.00%以下、
Al:0.010%以上0.050%以下、N:0.0
050%以上0.0200%以下を含有し、Pは0.0
30%以下であり、残部Feおよび不可避不純物からな
り、高周波焼入れ硬化層のマルテンサイトの結晶粒度が
JIS粒度番号で14番以上であることを特徴とする静
的強度と耐疲労特性に優れた高周波焼入れ部品。 - 【請求項2】 請求項1に記載の成分に加えて更に重量
%で、Nb:0.05%以上0.50%以下を含有する
ことを特徴とする請求項1記載の高周波焼入れ部品。 - 【請求項3】 請求項1又は2に記載の成分に加えて更
に重量%で、Cr:0.1%以上1.50%以下を含有
することを特徴とする請求項1又は2記載の高周波焼入
れ部品。 - 【請求項4】 重量%で、C:0.40%以上0.70
%以下、Si:0.05%以上0.80%以下、Mn:
0.50%以上2.00%以下、S:0.01%以上
0.03%以下、V:0.30%以上1.00%以下、
Al:0.010%以上0.050%以下、N:0.0
050%以上0.0200%以下を含有し、Pは0.0
30%以下であり、残部Feおよび不可避不純物からな
る鋼を素材とし、未再結晶温度域で加工率30%以上の
大歪み温間加工を2回以上行い、次いで高周波焼入れ処
理を行い、硬化層のマルテンサイトの結晶粒度がJIS
粒度番号で14番以上とすることを特徴とする静的強度
と耐疲労特性に優れた高周波焼入れ部品の製造方法。 - 【請求項5】 請求項4に記載の成分に加えて更に重量
%で、Nb:0.05%以上0.50%以下を含有する
鋼を素材とすることを特徴とする請求項4記載の高周波
焼入れ部品の製造方法。 - 【請求項6】 請求項4又は5に記載の成分に加えて更
に重量%で、Cr:0.1%以上1.50%以下を含有
する鋼を素材とすることを特徴とする請求項4又は5記
載の高周波焼入れ部品の製造方法。 - 【請求項7】 温間加工の加熱温度が900℃以上11
00℃以下であり、加工開始温度が600℃以上800
℃以下であることを特徴とする請求項4乃至6記載の高
周波焼入れ部品の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23399497A JP3436867B2 (ja) | 1997-08-29 | 1997-08-29 | 強度、耐疲労特性に優れた高周波焼入れ部品およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP23399497A JP3436867B2 (ja) | 1997-08-29 | 1997-08-29 | 強度、耐疲労特性に優れた高周波焼入れ部品およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1171633A true JPH1171633A (ja) | 1999-03-16 |
| JP3436867B2 JP3436867B2 (ja) | 2003-08-18 |
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ID=16963892
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|---|---|---|---|
| JP23399497A Expired - Fee Related JP3436867B2 (ja) | 1997-08-29 | 1997-08-29 | 強度、耐疲労特性に優れた高周波焼入れ部品およびその製造方法 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3436867B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| WO2005100626A1 (ja) * | 2004-04-16 | 2005-10-27 | Jfe Steel Corporation | 曲げ疲労強度に優れるクランクシャフト |
| WO2007058364A1 (ja) * | 2005-11-21 | 2007-05-24 | National Institute For Materials Science | 温間加工用鋼、その鋼を用いた温間加工方法、およびそれにより得られる鋼材ならびに鋼部品 |
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1997
- 1997-08-29 JP JP23399497A patent/JP3436867B2/ja not_active Expired - Fee Related
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