JP3436867B2 - 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

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静的強度、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。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車用差動装置は表面硬化処理
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。

【０００３】そこで、これらの問題の解決のため、高周
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。

【０００４】なお、高周波焼き入れ処理については幾つ
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。

【０００５】また、高炭素鋼の靭性向上の手段として結
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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、部品に成形
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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、その要旨とす
るところは下記のとおりである。 （１）質量％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質量％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質量
％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。

【０００８】（４）質量％で、Ｃ：０．４０％以上０．
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、該素材を９００℃以上１１５０
℃以下の温度で加熱した後、６００℃８５０℃以下の温
度で加工を開始する加工率３０％以上の温間加工を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質量％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質量
％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。

【０００９】本発明（１）〜（３）によれば、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。

【００１０】本発明（４）〜（６）によれば、所要の成
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。

【００１１】ここで、所定量のＶ添加、あるいはさらに
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。

【００１２】Ｖ炭窒化物およびＮｂ炭窒化物による細粒
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１１５０℃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。

【００１３】上記温間加工と高周波焼入れの組合わせに
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。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
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。

【００１５】Ｓｉは製鋼時の脱酸材として含有させると
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。

【００１６】ＭｎはＳｉ同様に鋼材の強度向上元素であ
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。

【００１７】ＣｒはＭｎと同様に鋼材の強度向上元素で
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。

【００１８】ＭｏおよびＮｉは粒界偏析を軽減してオー
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。

【００１９】Ｐは硬化層の靭性を劣化させる。特に０．
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。

【００２０】Ｓは被削性の改善に有効な元素であり、そ
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。

【００２１】Ｖは焼入性を高め疲労強度を向上させるの
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。

【００２２】Ｎｂは窒化物を生成し、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０．０５０
％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。

【００２３】Ａｌは脱酸作用を持ち、ＡｌＮとして細粒
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。

【００２４】ＮはＡｌ、Ｖ、Ｎｂとの親和力が強い元素
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。

【００２５】なお、本発明鋼では、本発明に係る前記各
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。

【００２６】本発明の硬化層の結晶粒度条件について以
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。

【００２７】本発明の温間加工の条件を以下に述べる。
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。

【００２８】この場合、温間鍛造の鍛造前の加熱温度は
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
８５０℃以下、好ましくは６００℃以上７００℃以下に
調整するのが良い。

【００２９】また、未再結晶域での大歪み加工は、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、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。

【００３０】なお、大歪み加工後の冷却は放冷を基本と
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。

【００３１】本発明の高周波焼入条件を以下に述べる。
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。

【００３２】

【実施例】表１に示す化学成分の鋼を真空溶解炉で溶製
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。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】

【表３】

【００３６】次に各試験材に高周波焼入れを施した。こ
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：５
ｍｍ／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。

【００３７】表２および表３に示した調査結果からは次
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。

【００３８】これに対して、本発明範囲外の成分を有す
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。

【００３９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の高周波焼入
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】衝撃値および三点曲げ強度に及ぼす硬化層の結
晶粒度の影響を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｃ 38/38 Ｃ２２Ｃ 38/38 Ｆ１６Ｈ 55/06 Ｆ１６Ｈ 55/06 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 C21D 1/00 - 11/00 F16H 55/06

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％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、 高周波焼入れ硬化層のマルテンサイトの結晶粒度がＪＩ
   Ｓ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. 【請求項２】 請求項１に記載の成分に加えて更に質量
   ％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。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の成分に加えて更
   に質量％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。
4. 【請求項４】 質量％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る鋼を素材とし、該素材を９００℃以上１１５０℃以下の温度で加熱した
   後、６００℃８５０℃以下の温度で加工を開始する加工
   率３０％以上の温間加工を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. 【請求項５】 請求項４に記載の成分に加えて更に質量
   ％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。
6. 【請求項６】 請求項４又は５に記載の成分に加えて更
   に質量％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。