特開 2023-102145 鋼部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023102145

(43)【公開日】2023-07-24

(54)【発明の名称】鋼部材

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20230714BHJP

   C22C 38/38 20060101ALI20230714BHJP

   C21D 7/06 20060101ALN20230714BHJP

   C21D 9/32 20060101ALN20230714BHJP

   C21D 1/06 20060101ALN20230714BHJP

   C21D 1/76 20060101ALN20230714BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 301N

C22C38/38

C21D7/06 A

C21D9/32 A

C21D1/06 A

C21D1/76 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022002543

(22)【出願日】2022-01-11

(71)【出願人】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100187702

【弁理士】

【氏名又は名称】福地 律生

(74)【代理人】

【識別番号】100162204

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 学

(74)【代理人】

【識別番号】100195213

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 健治

(72)【発明者】

【氏名】成宮 洋輝

(72)【発明者】

【氏名】千葉 圭介

(72)【発明者】

【氏名】平上 大輔

(72)【発明者】

【氏名】山▲崎▼ 真吾

(72)【発明者】

【氏名】村松 健一郎

(72)【発明者】

【氏名】田和 久佳

【テーマコード（参考）】

4K042

【Ｆターム（参考）】

4K042AA18

4K042AA25

4K042BA03

4K042BA04

4K042CA06

4K042CA08

4K042DA01

4K042DA02

4K042DA06

4K042DC02

4K042DC03

4K042DC04

4K042DD02

4K042DE02

(57)【要約】

【課題】軸受や歯車などとして用いられる、高い面疲労強度を有する鋼部材を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０～０．３０％、Ｓｉ：１．６０～３．００％、Ｍｎ：０．２０～２．００％、Ｃｒ：０．１０～４．００％、Ａｌ：０．００５～０．１００％、Ｎ：０．００１０～０．０２５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００５～０．０２５％、Ｍｏ：０～１．００％を含有する鋼に浸炭、冷間加工を施すことにより、摺動等により他部品と接触する部分における表面のＣ濃度が０．６０～１．００質量％であり、３００℃で焼戻したときの、他部品と接触する部分のビッカース硬さが８００ＨＶ以上である鋼部材を得る。
【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量％で、
Ｃ ：０．１０～０．３０％、
Ｓｉ：１．６０～３．００％、
Ｍｎ：０．２０～２．００％、
Ｃｒ：０．１０～４．００％、
Ａｌ：０．００５～０．１００％、
Ｎ ：０．００１０～０．０２５０％、
Ｐ ：０．０３０％以下、
Ｓ ：０．００５～０．０２５％、及び
Ｍｏ：０～１．００％
を含有し、残部がＦｅ及び不純物である鋼で構成された鋼部材であって、
摺動等により他部品と接触する部分における表面のＣ濃度が０．６０～１．００質量％であり、
前記鋼部材を３００℃で焼戻したときの、前記他部品と接触する部分のビッカース硬さが８００ＨＶ以上である
ことを特徴とする鋼部材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は鋼部材に関し、特に、自動車等の動力伝達部品に適用される高い面疲労強度を有する歯車、無段変速機、等速ジョイント等に好適な鋼部材に関する。

【背景技術】

【0002】

たとえば自動変速機の歯車や無段変速機のシーブ、等速ジョイントなどの動力伝達部品等の鋼部品は、高い面疲労強度が要求される。一般に上記の部品には素材にＪＩＳ ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０等のＣ含有量が０．２％前後の肌焼鋼を用い、肌焼鋼に浸炭焼入れ・焼戻し処理を施して部品の表層にＣ含有量が０．８％前後のマルテンサイト組織の硬化層を形成して面疲労強度を高めて使用される。上記の部品は靭性よりも硬さが優先されるため、焼戻し温度は通常２００℃以下である。

【0003】

自動車の燃費向上を目的として、歯車等の機械構造部品の小型・軽量化が求められており、従来品と比べてより高い面疲労強度が必要とされている。歯車等の機械構造部品は、摺動部表面が摩擦発熱により３００℃前後まで温度が上昇することがある。鋼の温度が３００℃程度まで上昇し、下降すると、焼戻し処理を施したのと同様に鋼の硬さが低下するので、面疲労強度が低下する。面疲労強度と、鋼部材を３００℃で焼戻したときの硬さ（以下「３００℃焼戻し硬さ」という）にはよい相関関係があることが知られている。そのため、高い３００℃焼戻し硬さを得るために、焼戻し軟化抵抗を向上させるＳｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等の合金元素を添加した鋼及び鋼部材が種々提案されてきた。

【0004】

特許文献１は、Ｂ添加により衝撃強度を向上させ、Ｔｉ添加により鋼中に微細なＴｉＣを分散させ、さらにＳｉ添加により、浸炭時に生成する粒界酸化層深さが浅いことと焼戻し軟化抵抗性に優れた高強度肌焼鋼を開示している。

【0005】

特許文献２は、「浸炭焼入れ・焼戻し又は浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理後の表面硬さ」－「３００℃での焼戻し処理後の表面硬さ」で定義される３００℃焼戻し軟化抵抗が１３０ＨＶ以下であることを特徴とする軸受鋼部品が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００４－３００５５０号公報

【特許文献2】特開２００６－０９７０９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、いくら焼戻し軟化抵抗を高めても、３００℃焼戻しによって硬さが向上することはない。通常、浸炭焼入れ・焼戻し処理後の硬さは７００～８００ＨＶ程度であるため、８００ＨＶ以上の３００℃焼戻し硬さを得ることは困難であった。また、浸炭焼入れ・焼戻し処理後にショットピーニング等の冷間加工を行うことで、１０００ＨＶ以上の表面硬さを得ることが可能である。しかし、３００℃焼戻し時の硬さ低下も大きくなるため、冷間加工を行っても８００ＨＶ以上の３００℃焼戻し硬さを得ることは困難であった。

【0008】

本発明は上記の事情に鑑みなされたものであって、軸受や歯車などとして用いられる鋼部材であって、摺動等により他部品と接触する部分の３００℃焼戻し硬さが８００ＨＶ以上である、高い面疲労強度を有する鋼部材を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者らは、高い面疲労強度を有する鋼部材、言い換えれば、高い３００℃焼戻し硬さを有する鋼部材を得る方法について鋭意検討した。その結果、鋼部材の浸炭焼入れ処理後に焼戻し処理、冷間加工を行うことにより３００℃焼戻し前の硬さを向上させ、さらに、Ｓｉの多量添加により、３００℃焼戻し時の硬さ低下を大きく抑制することで、８００ＨＶ以上の３００℃焼戻し硬さが得られることを見出した。

【0010】

本発明は上記の知見に基づきなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。

【0011】

［１］質量％で、Ｃ：０．１０～０．３０％、Ｓｉ：１．６０～３．００％、Ｍｎ：０．２０～２．００％、Ｃｒ：０．１０～４．００％、Ａｌ：０．００５～０．１００％、Ｎ：０．００１０～０．０２５０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５～０．０２５％、及びＭｏ：０～１．００％を含有し、残部がＦｅ及び不純物である鋼で構成された鋼部材であって、摺動等により他部品と接触する部分における表面のＣ濃度が０．６～１．０質量％であり、前記鋼部材を３００℃で焼戻したときの、前記他部品と接触する部分のビッカース硬さが８００ＨＶ以上であることを特徴とする鋼部材。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、摺動等により他部品と接触する部分における表面の３００℃焼戻し硬さが８００ＨＶ以上の、高い面疲労強度を有する鋼部材を得ることができる。

【発明を実施するための形態】

【0013】

はじめに、本発明の鋼部材を構成する鋼の化学成分について説明する。以下、化学成分についての「％」は、「質量％」を意味するものとする。

【0014】

［Ｃ：０．１０～０．３０％］
Ｃは鋼部材の強度に大きく影響する重要な元素で、浸炭焼入れ・焼戻し処理後に十分な内部硬さを確保する上で０．１０％以上必要である。Ｃの含有量が０．３０％を超えると加工性が低下するので、含有量は０．３０％以下とする。

【0015】

［Ｓｉ：１．６０～３．００％］
Ｓｉは焼戻し軟化抵抗を向上させ、温度上昇に伴う軟化を抑制する有用な元素である。特に、Ｓｉを多量添加すると、焼入れ後の冷間加工によって高められた硬度が焼戻しにより軟化するのを顕著に抑えることができる。上記効果は、同じく焼戻し軟化抵抗を向上させるＣｒやＭｏにはないＳｉ特有の効果である。上記効果を得るため、Ｓｉの含有量は１．６０％以上とする。上記効果をより確実に発揮させるために、Ｓｉ含有量は２．００％以上であることが好ましい。Ｓｉ含有量が多すぎると、加工性が低下するだけでなく、上記効果が飽和して含有量に見合う効果が期待できなくなる。そのため、Ｓｉの含有量は３．００％以下とする。上記効果の飽和をより確実に抑制するために、Ｓｉ含有量は２．５０％以下であることが好ましい。

【0016】

［Ｍｎ：０．２０～２．００％］
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を高めると同時に、赤熱脆性を抑制し熱間延性を向上させる有用な元素である。この効果を得るためには、含有量は０．２０％以上とする必要がある。ただし、含有量が２．００％を超えると加工性が低下するので、Ｍｎの含有量は２．００％以下とする。

【0017】

［Ｃｒ：０．１０～４．００％］
Ｃｒは鋼の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を向上させる有用な元素であり、そのために０．１０％以上含有させる。鋼材の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗をより確実に向上させるために、Ｃｒ含有量は１．００％以上であることが好ましい。含有量が４．００％を超えると鋼の加工性が低下するので、Ｃｒの含有量は４．００％以下とする。加工性の低下をより確実に抑制するために、Ｃｒ含有量は３．００％以下であることが好ましい。

【0018】

［Ａｌ：０．００５～０．１００％］
Ａｌは脱酸作用を有するとともに、熱処理の際、Ｎと結合してＡｌＮを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止し、靭性を高める効果を持つ。この効果を得るためには、含有量を０．００５％以上とする必要がある。含有量が０．１００％を超えると、鋼の清浄度が低下するとともに、上記効果が飽和するので、Ａｌの含有量は０．１００％以下とする。

【0019】

［Ｎ：０．００１０～０．０２５０％］
ＮはＡｌと結合してＡｌＮを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止し、靭性を高める効果を持つ。この効果を得るためには、含有量を０．００１０％以上とする必要がある。含有量が０．０２５０％を超えると上記効果が飽和するので、Ｎの含有量は０．０２５０％以下とする。

【0020】

［Ｐ：０．０３０％以下］
Ｐは不純物として含まれる元素である。Ｐは粒界に偏析して粒界強度を下げるため、Ｐ含有量はなるべく低い方が良い。そのため、Ｐの含有量を０．０３０％以下とする。

【0021】

［Ｓ：０．００５～０．０２５％］
Ｓは被削性を向上させるため、０．００５％以上を含有させる。しかし、Ｓ含有量が多すぎると、Ｍｎによって固定されなかったＳがＦｅＳとして粒界に生成することで、熱間延性が低下する。また、大量に生成したＭｎＳによって、耐摩耗性及び冷間延性が低下する。そのため、Ｓの含有量を０．０２５％以下とする。

【0022】

［Ｍｏ：０～１．００％］
Ｍｏは、鋼材の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を高める有用な元素である。そのため、本実施形態に係る鋼は、残部のＦｅの一部に換えて、Ｍｏを所定量含有してもよい。Ｍｏを含有する場合、含有量が少量でも前記効果は得られるが、確実に効果を得るため含有量は０．１％以上とするのが好ましい。ただし、含有量が１．００％を超えると加工性が低下するため、Ｍｏの含有量は１．００％以下とする。

【0023】

上記の化学成分の残部は、鉄（Ｆｅ）及び不純物である。ここで、不純物とは、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップ、又は、製造工程の環境等から混入する成分であって、鋼材に意図的に含有させた成分ではない成分を意味する。

【0024】

次に、浸炭焼入れ、焼戻し処理及び冷間加工について説明する。

【0025】

浸炭焼入れ、焼戻し処理の条件は、摺動等により他部品と接触する部分における表面のＣ濃度が０．６０～１．００％となるような条件を選択する必要がある。８００ＨＶ以上の３００℃焼戻し硬さを得るため、Ｃ濃度は０．６０％以上とする。より高い３００℃焼戻し硬さを得るため、Ｃ濃度は０．７０％以上であることが好ましい。逆に、Ｃ濃度が１．００％を超えると、靭性に乏しいレンズマルテンサイトの生成が促進されるだけでなく、冷間加工後でも未変態オーステナイトが多量に残存するため８００ＨＶ以上の３００℃焼戻し硬さが得られない。よって、Ｃ濃度は１．００％以下とする。

【0026】

表面のＣ濃度が０．６０～１．００％となるような浸炭条件は、たとえば、アセチレンガスを用いて１０００℃で、浸炭期２分、拡散期７分の真空浸炭を行えばよい。真空浸炭後の焼入れは、たとえば、油冷等で行えばよい。焼戻しは、たとえば、１６０℃で１時間保持すればよい。

【0027】

表面のＣ濃度は、以下のように測定する。まず、摺動等により他部品と接触する部分の表面に対して垂直な面で鋼部材を切断し、切断面を鏡面研磨する。その後、加速電圧を１５ｋＶ、照射電流を３０ｎＡ、電子ビーム径を１μｍとした電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Electron Probe Micro Analyzer）により、表面から５０μｍ深い位置におけるＣ濃度を１μｍピッチで１０００点測定し、その平均値を表面Ｃ濃度とする。

【0028】

浸炭焼入れ、焼戻し処理後の冷間加工は、ショットピーニングが好適であるが、その他、ローラーバニシング、圧下押込み等が適用できる。冷間加工後の表面硬さは９００ＨＶ以上であることが好ましく、１０００ＨＶ以上であることがより好ましい。

【0029】

焼戻しと冷間加工の順序は逆でもよい。

【0030】

最後に、３００℃焼戻し硬さの測定方法について説明する。３００℃焼戻しは、鋼部材を３００℃で１時間保持した後、放冷する。この際、Ｓｉが多量に添加されているため、３００℃焼戻しによる硬さの低下が大きく抑制される。その後、摺動等により他部品と接触する部分の表面に対して垂直な面で鋼部材を切断し、切断面を研磨する。さらに、表面から５０μｍ深い位置で、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に規定された方法に即して、荷重０．３ｋｇｆでビッカース硬さを測定する。前記手順で５点のビッカース硬さを測定し、その平均値を３００℃焼戻し硬さとする。

【0031】

以上により、上述の化学成分の鋼を浸炭焼入れ、焼戻し、冷間加工することにより、高い面疲労強度を有する鋼部材を得ることができる。面疲労強度は３００℃焼戻し後のビッカース硬さで評価することができ、本発明の鋼部材は、８００ＨＶ以上の高い３００℃焼戻し硬さを有する。

【実施例0032】

続いて、実施例及び比較例を示しながら、本発明の実施形態に係る鋼部材について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明の実施形態に係る鋼部材のあくまでも一例にすぎず、本発明の実施形態に係る鋼部材が下記に示す例に限定されるものではない。

【0033】

表１に記載の成分を有する鋼を真空溶解した後、鋳型を用いて鋳造し、１０ｋｇの鋼塊を製造した。得られた鋼塊を１２００℃に加熱して１時間保持した後、外径３０ｍｍの丸棒に熱間鍛伸した。この丸棒から直径１５ｍｍ×高さ２０ｍｍの丸棒試験片を機械加工にて作製した。その後、表面Ｃ濃度が表２に示す狙い値になるよう種々の条件で真空浸炭処理を行い、１２０℃の油で焼入れ処理した後、１６０℃×１時間の焼戻し処理を行った。さらに、一部の試験片を除いて、両端面にショットピーニングによる冷間加工を施した。ショットピーニングは、φ０．８ｍｍ、７００ＨＶの鋼球を用いて、投射圧０．４ＭＰａ、カバレージ３００％の条件で行った。

【0034】

次に、中心軸を通る平面で丸棒試験片を切断し、切断面を鏡面研磨した。加速電圧を１５ｋＶ、照射電流を３０ｎＡ、電子ビーム径を１μｍとしたＥＰＭＡにより、端面から５０μｍ深さの位置におけるＣ濃度を１μｍピッチで１０００点測定し、その平均値を実際の表面Ｃ濃度とした。さらに、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に規定された方法に即して、端面から５０μｍ深い位置のビッカース硬さを０．５ｍｍピッチで５点、荷重０．３ｋｇｆで測定し、その平均値を３００℃焼戻し前硬さとした。その後、３００℃×１時間の３００℃焼戻しを行い、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に規定された方法に即して、端面から５０μｍ深い位置のビッカース硬さを０．５ｍｍピッチで５点、荷重０．３ｋｇｆで測定し、その平均値を３００℃焼戻し硬さとした。

【0035】

【表1】

【0036】

３００℃焼戻し硬さの測定結果等を表２に示す。

【0037】

【表2】

【0038】

表２のＮｏ．１～Ｎｏ．６が実施例であり、その他（Ｎｏ．７～Ｎｏ．１２）は、比較例である。

【0039】

比較例Ｎｏ．７及びＮｏ．８は、Ｓｉ含有量が低いため３００℃焼戻し時の硬さ低下が大きく、十分な３００℃焼戻し硬さが得られなかった例である。比較例Ｎｏ．９は、表面のＣ濃度が低いため、十分な３００℃焼戻し硬さが得られなかった例である。比較例Ｎｏ．１０は、表面のＣ濃度が高すぎるため、十分な３００℃焼戻し硬さが得られなかった例である。比較例Ｎｏ．１１及びＮｏ．１２は、ショットピーニングを行わなかったため３００℃焼戻し前硬さが低く、十分な３００℃焼戻し硬さが得られなかった例である。

【0040】

一方、本発明の実施例に該当するＮｏ．１～Ｎｏ．６については、焼戻し前の硬さが高く、さらに、３００℃焼戻し時の硬さ低下が小さく、その結果、３００℃焼戻し硬さが高い、すなわち、高い面疲労強度を有することが確認できた。

【0041】

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【産業上の利用可能性】

【0042】

本発明によれば、面疲労強度に優れた鋼部材を得ることができ、産業上の利用価値は大である。