JP2614653B2

JP2614653B2 - 熱処理歪の少ない浸炭部品の製造方法

Info

Publication number: JP2614653B2
Application number: JP1062970A
Authority: JP
Inventors: 守文中村; 義武松島; 周悟郎足立
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1989-03-14
Filing date: 1989-03-14
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: JPH02240249A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は浸炭部品の製造方法に関し、殊に浸炭焼入れ
時の変形を極力低減した浸炭部品を製造する方法に関す
るものである。

［従来の技術］歯車や軸受等の様に使用中に高い曲げ応力や面圧のか
かる鋼材には、耐疲労性，耐摩耗性および耐ピッチング
性等が要求される。この様な場合に、高炭素の鋼を焼入
れすれば製品全体の硬さが高くなって靭性に乏しくな
り、炭素量を低く抑えると硬さは低く耐摩耗性も低くな
る。そこで内部の靭性を保ったまま表面の特性を改善さ
せるという観点から各種の表面硬化法が行なわれてお
り、そのうち浸炭処理は広く実施されている技術であ
る。浸炭処理は、鋼材を高温雰囲気下で長時間加熱しつ
つ表層部に炭素を拡散浸透させ、その後焼入れ硬化する
ものである。ところが浸炭焼入れの際には、相変態に伴
なう体積変化、鋼材内での温度むらによる熱効力、相変
態の不均一発生による変態応力等によって熱処理歪が不
可避的に発生する。しかも浸炭焼入れ処理は、加工の最
終段階で施されるものであるので、発生した熱処理歪は
形状不良として製品にそのまま残り、負荷応力の増大に
よる寿命低下、騒音や振動の発生等を招き、製品の性能
に直接的に悪影響を及ぼすことになる。

［発明が解決しようとする課題］こうしたことから、従来では浸炭焼入れの際に拘束
治具を用いて鋼材を拘束する、冷却能の低い焼入剤を
用いて焼入れ時の温度むらを少なくする、等の方法によ
って熱処理歪の発生を低減している。また浸炭焼入れ後
に部品に冷間加工や研削加工を施し、形状を矯正するこ
とも行なわれる。特に歯車の場合には、相手方の歯車と
の噛み合い試験を行ない、基準に適合するものだけを製
品として使用する様にしている。しかしながらいずれの
方法によっても多大の費用と労力を要するという問題が
ある。

ところで熱処理歪は、円筒型部品の内・外面における
真円度或はテーパや端面の平坦度、更には軸型部品の曲
がり等の様な２次元,3次元の形状変化である変形と、１
次元での寸法変化である変寸とに大別される。これの熱
処理歪は変形と変寸が同時に発生するものであるが、変
寸については先行試験を行ない、予め変寸量を把握して
おき、鋼材の成形加工時にその変寸量に相当する分だけ
逆方向に加工することによってその影響をある程度緩和
することができる。しかしながら変形については、鋼材
の形状、浸炭焼入時のトレーへの鋼材の設置具合、焼入
れ時における冷却速度やそのばらつき等の各要因の微妙
な変化によって製品間で複雑な変化となって現われる。
例えば歯車の歯形誤差や歯すじ誤差の様に、１つ製品に
おいても複雑な変化を生じる。このような変形は予測す
るのが困難であり、その修正も技術的に困難であるの
で、浸炭焼入時に発生する熱処理歪のうち特に変形の少
ない浸炭部品を製造する為の技術が強く要望されてい
る。

本発明はこうした技術的課題を解決する為になされた
ものであって、その目的は、浸炭焼入れ時に発生する変
形を極力低減した浸炭部品を製造する為の方法を提供す
ることにある。

［課題を解決する為の手段］上記目的を達成し得た本発明とは、C:0.2〜0.3％、S
i:0.05〜0.5％、Mn:0.3〜1.5％を含有すると共に、Al:
0.02〜0.06％、Nb:0.005〜0.05％、Ti:0.005〜0.05％お
よびV:0.03〜0.2％よりなる群から選択される１種以上
を含有する機械構造用鋼を用いて部品に成形加工し、浸
炭処理した後、撹拌状態の焼入強烈度Ｈが0.3（1/inc
h）以下の焼入剤を用いて焼入れし、該鋼の心部硬さがH
RC30以下となる様にして製造する点に要旨を有する製造
方法である。

また本発明に係る機械構造用鋼においては、上記した
元素に加えて、Cr:2％以下、Ni:4.5％以下、Mo:0.5％よ
りなる群から選択される１種以上の元素を添加してもよ
い。これらの元素はいずれも、浸炭焼入れした部品に所
要の心部硬さを与え有効硬化深さを深くする効果を発揮
する。

また上記いずれの鋼成分においても、更にS:0.03〜0.
4％、Pb:0.05〜0.35％、Zr:0.05％〜0.2％、Ca:0.001〜
0.01％よりなる群から選択される１種以上を添加しても
よく、これらの元素はいずれも鋼被剤性を向上させる上
で有効である。

［作用］本発明者らは上記目的を達成すべく、各種合金元素を
様々の割合で含有する浸炭用鋼を供給材とし、製造形状
に加工して浸炭処理を施した後、焼入強烈度Ｈ（Severi
ty of quench）の異なる焼入剤を用いて焼入れ処理を行
ない、熱処理歪の発生特性について様々な角度から検討
した。その結果、撹拌状態での焼入強烈度Ｈが0.3（1/i
nch）以下の、冷却能が比較的低い焼入材を用いて焼入
れをすると共に、Ｃ量を0.2〜0.3％と比較的高めにし且
つ残りの合金元素量を鋼材の質量や焼入れ時の冷却速度
に応じて適切に調整し、心部の硬さがHRC30以下となる
様にして製造すれば、熱処理歪における変形の少ない機
械構造用鋼が得られることを見出し、本発明を完成する
に至った。

本発明において、合金元素量および焼入条件等を限定
した理由は次の通りである。

C:0.2〜0.3％Ｃは浸炭焼入れした部品に所要の心部硬さを付与する
と共に、有効硬化深さを深くするのに効果的な元素であ
る。このためにはＣは少なくとも0.1％以上添加する必
要があるが、熱処理歪を低減するには焼入強烈度Ｈが0.
3（1/inch）以下という冷却能の低い焼入剤で焼入れを
行ない、且つＣ量を0.2％以上とする必要がある。しか
しながらＣが0.3％を超えると焼入れ時の心部の変態膨
張量が大きくなって熱処理歪が大きくなり、また切削加
工時や冷間加工時の工具寿命が低下するのでＣ量の上限
は0.3％とした。

Si:0.05〜0.5％ Siは鋼溶製時の脱酸元素として必要である。

この為にはSiは0.05％添加する必要があるが、あまり
多く添加すると浸炭性が阻害されたり、冷間加工時の変
形能が低下し、割れ発生の原因となるので、Siの上限は
0.5％とした。

Mn:0.3〜1.5％ Mnは溶製時の脱酸、脱硫元素として必要であり、また
浸炭焼入れ処理した部品に所要の心部硬さを付与し、有
効硬化深さを深くする上でも効果的な元素である。その
為には0.3％以上添加する必要あるが、1.5％を超えると
被削性、冷間加工性が低下すると共に部品の心部硬さが
HRC30を超え、後述する様に熱処理歪が増大する。

Al:0.02〜0.06％ Alは浸炭加熱時におけるオーステナイト結晶粒成長を
抑制する元素であり、その効果を発揮させる為には0.02
％以上添加する必要がある。一方0.06％を超えて添加し
ても上記効果が飽和し、またアルミナ系非金属介在物が
多くなって耐ピッチング性を低下させる。

Nb:0.005〜0.05％ Ti:0.005〜0.05％ V:0.03〜0.2％これらの元素はいずれも、Alと同様に浸炭加熱時のオ
ーステナイト結晶粒成長を抑制する元素である。この効
果を発揮させる為には、NbおよびTiについては夫々0.00
5％以上、Ｖについては0.03％以上の添加を必要とす
る。しかしNbおよびTiについては0.05％、Ｖについては
0.2％を超えて添加しても結晶粒成長の抑制効果は飽和
する。

尚Al,Nb,Ti,およびＶは必ずしも全てを含有する必要
はなく、上記のうちから１種または２種以上を所定量添
加すればよい。

Cr:2％以下 Crは浸炭焼入れした部品を希望する心部硬さを付与
し、且つ有効硬化深さを深くすると共に、部品の耐摩耗
性を改善するのに有効な元素である。しかしあまり多量
に添加すると、浸炭時に表層部が過剰浸炭を受け、セメ
ンタイト網目状に析出して靭性や曲げ疲労性が低下する
と共に、心部硬さがHRC30を超え、後述する様に熱処理
歪が増大するので上限を２％とした。

Ni:4.5％以下、Mo:0.5％以下 NiおよびMoはCrと同様に、浸炭焼入れした部品に所要
の心部硬さを付与し、有効硬化深さを深くする元素であ
る。また浸炭層の靭性を向上させると共に、浸炭時に生
成する表面異常層を低減し、曲げ疲労性や耐ピッチング
性を改善する効果をも発揮する。しかしあまり多量に添
加すると、心部硬さが増大し過ぎて熱処理歪が増大する
ので、その添加量はNiについては4.5％以下、Moについ
ては0.5％以下とすべきである。

尚Cr,Ni,Moを添加する場合には、これらの元素から１
種以上を適切に選べばよい。

S:0.03〜0.4％ Pb:0.05〜0.35％ Zr:0.05〜0.2％ Ca:0.001〜0.01％本発明に係る機械構造用鋼においては、上記元素に加
えS,Pb,ZrおよびCa等の１種以上を添加してもよい。こ
れらの元素はいずれも被削性を向上させる元素であり、
その効果が認められるのはＳについては0.03％以上、Pb
およびZrについては0.05％以上、Caについては0.001％
以上である。しかしあまり多く添加すると靭性や耐疲労
性が劣化する。従ってＳについては0.4％以下、Pbにつ
いては0.35％以下、Zrについては0.2％以下、Caについ
ては0.01％以下とした。

焼入強烈度:0.3（1/inch）以下浸炭鋼については、浸炭処理後に部品を油やソルト等
の焼入剤に入れ、急冷することにより、浸炭層および心
部をマルテンサイトを主体とした高硬度の組織に変態さ
せる必要がある。合金元素をあまり多く含有しない低廉
な鋼を用いて、十分な有効硬化層深さと心部硬さを確保
する必要がある場合には、焼入強烈度が大きな焼入剤を
用いて焼入れした方がよい。しかしながら冷却能が大き
な焼入剤を用いると、部品表層品と内部の温度のばらつ
きが大きくなるので、発生する熱応力が大きくなる。ま
た焼入れ時に温度のばらつきがあるとマルテンサイト変
態の発生時期が部品内でずれ、大きな変態応力が発生す
る。これらの応力の和が焼入れ時の各温度における部品
の降状強度を超えた場合に塑性変形が生じ、焼入れ冷却
後に熱処理歪となって残存する。即ち熱処理歪は焼入れ
時における応力の大きさに起因すると考えられる。そこ
で熱処理歪を低減するという趣旨から、焼入れ時の冷却
能を低めて部品内での温度のばらつきを低減するのがよ
いと考えた。この様な観点から検討したところ、特に撹
拌状態での焼入強烈度が0.3（1/inch）以下の焼入剤を
用いて焼入れすれば、部品内での温度のばらつきが有効
に低減され、更に上記組成の鋼材を使うことによって熱
処理歪が大幅に低減することが判明した。

心部硬さ:HRC30以下上述の如く、焼入れ時における焼入れ剤の冷却能を上
記範囲に制限することによって、部品内での温度のばら
つきが少なくなり、熱処理歪が低減される。但し、冷却
能を低くしても鋼材の化学組成や質量に応じて心部のマ
ルテンサイト生成量が変化して心部硬さが変わり、熱処
理歪に影響を及ぼす。そこで本発明では用いる鋼材の化
学成分を調整して心部硬さをHRC30以下とし、このこと
によって熱処理歪を更に低減したのである。

以下本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、
下記実施例は本発明を前提する性質のものではなく、前
・後記の趣旨に微して設計変更することはいずれも本発
明の技術的範囲に含まれるものである。

［実施例］実施例１焼入れ時における焼入強烈度Ｈが熱処理歪に与える影
響について検討した。供給材としては、第１表に示す２
種類の鋼材を用い、これらを小型高周波炉にて溶製し
た。

これらの鋼材は熱間鍛造にて直径80mm又は直径30mmの
丸棒に加工した。その後、直径80mmの丸棒については、
200mmの長さに切断した後、熱間鍛造にて高さ28mmの円
板に据え込み加工し、900℃にて焼ならし処理を行なっ
た。更に、第１図に示す様なリング型試験片に機械加工
し、925℃で３時間、カーボンポテンシャル0.8なる条件
で浸炭処理を施し、A3点＋（50〜80℃）の温度に30分間
保持した後に直接油焼入れをした。直径30mmの丸棒につ
いては、第５図に示す様な回転曲げ疲労試験片に加工
し、上記と同様に、900℃にて焼ならし処理を行なった
後、925℃で３時間、カーボンポテンシャル0.8なる条件
で浸炭処理を施し、A3点＋（50〜80℃）の温度に30分間
保持した後、直接油焼入れをした。

焼入油としては焼入強烈度Ｈが0.2,0.35,0.45（1/inc
h）の３種類の油を用いた。即ちＨ＝0.2（1/inch）につ
いてはホット油（油温:150℃）、Ｈ＝0.35（1/inch）に
ついてはセミホット油（油温:100℃）、Ｈ＝0.45（1/in
ch）についてはコールド油（油温:60℃）を夫々用い
た。但し、上記焼入強烈度Ｈはいずれも撹拌状態での値
である。

焼入れした後、180℃で２時間空冷する条件で低温焼
もどし処理を施し、熱処理歪としては、第１図に測定位
置を示した様に、リング型試験片の円周方向の端面の平
坦度を測定し、疲労強度は、第５図に示す様な試験片を
用いて、回転曲げ疲労試験により測定した。

これらの結果を、焼入強烈度および心部硬さと共に第
１表に併記した。また焼入強烈度Ｈと熱処理歪（端面の
平坦度）の関係を第２図に示した。

これらの結果から明らかであるが、素材焼入性の大小
にかかわらず、焼入れ時の冷却能が小さい程熱処理歪が
小さくなり、且つ素材焼入性を低めて心部硬さをHRC30
以下にした本発明品の熱処理歪が特に小さくなっている
ことがよく分かる。また、浸炭処理により本発明品、比
較品ともに同等の疲労強度を有していることが分かる。

実施例２焼入れ時の焼入強烈度Ｈを0.2（1/inch）の一定と
し、このときの化学成分特にＣ量と心部硬さとの関係に
ついて検討した。

第２表に供給材の化学成分を示す。これらの鋼材を小
型高周波炉で溶製し、熱間鍛造にて直径80mm又は直径30
mmの丸棒に加工した。その後、実施例１と同様にして、
直径80mmの丸棒については、200mmの長さに切断した
後、熱間鍛造にて高さ28mmの円板に据え込み加工し、90
0℃にて焼ならし処理を行なった。更に、第１図に示す
様なリング型試験片に機械加工し、925℃で３時間、カ
ーボンポテンシャル0.8なる条件で浸炭処理を施し、A3
点＋（50〜80℃）の温度に30間保持した後に直接油焼入
れをした。直径30mmの丸棒については、第５図に示す様
な回転曲げ疲労試験片に加工し、上記と同様に、900℃
にて焼ならし処理を行なった後、925℃で３時間、カー
ボンポテンシャル0.8なる条件で浸炭処理を施し、A3点
＋（50〜80℃）の温度に30分間保持した後、直接油焼入
れをした。

その後180℃で２時間空冷する条件で低温焼もどし処
理を施し、実施例１と同様にして端面の平坦度および疲
労強度を測定した。これらの結果を、心部硬さと共に第
２表に併記した。尚実施例１のNO.6のときの結果をも含
め、心部硬さがHRC27〜29の範囲内にあるときの鋼材に
おける、Ｃ量と熱処理歪の関係を第３図に示した。また
Ｃ量が0.21〜0.23％の範囲内にあるときの鋼材におけ
る、心部硬さと熱処理歪との関係を第４図に示した。

これらの結果から明らかであるが、焼入れ時の冷却能
を低くした場合に、鋼材中のＣ量を0.2〜0.3％に調整
し、且つその他の合金元素量を調節して部品の心部硬さ
をHRC30以下にすることによって、熱処理歪を小さくで
きること分かる。また浸炭処理により、本発明品、比較
品ともに同等の疲労強度を有していることが分かる。

［発明の効果］以上述べた如く本発明によれば、鋼材の化学成分を適
切に設定すると共に、撹拌状態での焼入強度Ｈが0.3（1
/inch）以下の焼入剤を用いて比較的低い冷却能で焼入
れ、心部硬さがHRC30以下になる様にすることによって
熱処理歪の少ない浸炭部品が実現できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例で用いたリング状試験片を示す
図、第２図は焼入強烈度Ｈと熱処理歪（端面の平坦度）
の関係を示すグラフ、第３図は鋼材のＣ量と熱処理歪の
関係を示すグラフ、第４図は心部硬さと熱処理歪の関係
を示すグラフ、第５図は本発明の実施例で用いた回転曲
げ疲労試験片の形状を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２２Ｃ 38/60 Ｃ２２Ｃ 38/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】C:0.2〜0.3％（重量％、以下同じ）、Si:
0.05〜0.5％、Mn:0.3〜1.5％を含有すると共に、Al:0.0
2〜0.06％、Nb:0.005〜0.05％、Ti:0.005〜0.05％およ
びV:0.03〜0.2％よりなる群から選択される１種以上を
含有する機械構造用鋼を用いて部品に成形加工し、浸炭
処理した後、撹拌状態の焼入強烈度Ｈが0.3（1/inch）
以下の焼入剤を用いて焼入れし、該鋼の心部硬さがHRC3
0以下となる様にして製造することを特徴とする熱処理
歪の少ない浸炭部品の製造方法。
【請求項２】C:0.2〜0.3％（重量％、以下同じ）、Si:
0.05〜0.5％、Mn:0.3〜1.5％を含有すると共に、Al:0.0
2〜0.06％、Nb:0.005〜0.05％、Ti:0.005〜0.05％およ
びV:0.03〜0.2％よりなる群から選択される１種以上を
含有し、更にCr:2％以下、Ni:4.5％以下、Mo:0.5％以下
よりなる群から選択される１種以上を含有する機械構造
用鋼を用いて部品に成形加工し、浸炭処理した後、撹拌
状態の焼入強烈度Ｈが0.3（1/inch）以下の焼入剤を用
いて焼入れし、該鋼の心部硬さがHRC30以下となる様に
して製造することを特徴とする熱処理歪の少ない浸炭部
品の製造方法。
【請求項３】C:0.2〜0.3％（重量％、以下同じ）、Si:
0.05〜0.5％、Mn:0.3〜1.5％を含有すると共に、Al:0.0
2〜0.06％、Nb:0.005〜0.05％、Ti:0.005〜0.05％およ
びV:0.03〜0.2％よりなる群から選択される１種以上を
含有し、更にS:0.03〜0.4％、Pb:0.05〜0.35％、Zr:0.0
5〜0.2％、Ca:0.001〜0.01％よりなる群から選択される
１種以上を含有する機械構造用鋼を用いて部品に成形加
工し、浸炭処理した後、撹拌状態の焼入強烈度Ｈが0.3
（1/inch）以下の焼入剤を用いて焼入れし、該鋼の心部
硬さがHRC30以下となる様にして製造することを特徴と
する熱処理歪の少ない浸炭部品の製造方法。
【請求項４】C:0.2〜0.3％（重量％、以下同じ）、Si:
0.05〜0.5％、Mn:0.3〜1.5％を含有すると共に、Al:0.0
2〜0.06％、Nb:0.005〜0.05％、Ti:0.005〜0.05％およ
びV:0.03〜0.2％よりなる群から選択される１種以上を
含有し、更にCr:2％以下、Ni:4.5％以下、Mo:0.5％以下
よりなる群から選択される１種以上を含有する他、S:0.
03〜0.4％、Pb:0.05〜0.35％、Zr:0.05〜0.2％、Ca:0.0
01〜0.01％よりなる群から選択される１種以上を含有す
る機械構造用鋼を用いて部品に成形加工し、浸炭処理し
た後、撹拌状態の焼入強烈度Ｈが0.3（1/inch）以下の
焼入剤を用いて焼入れし、該鋼の心部硬さがHRC30以下
となる様にして製造することを特徴とする熱処理歪の少
ない浸炭部品の製造方法。