JP2008511759A

JP2008511759A - ブローチ工具寿命を改良する鋼鉄冶金法の最適化

Info

Publication number: JP2008511759A
Application number: JP2007530350A
Authority: JP
Inventors: マイケルイーブルネット; ジェフリーイーイヴズ
Original assignee: Timken Co
Current assignee: Timken Co
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2008-04-17
Also published as: EP1786940A2; WO2006026700A2; US20080095657A1; WO2006026700A3

Abstract

実質的にパーライトを含まないミクロ構造を有し、ブローチ工具の有効寿命が最大化されたブローチ加工可能な加工物としての使用のための鋼鉄。パーライトの形成は、ミクロ構造および硬度レベルをコントロールする合金改質；オンライン加工；オフライン加工；またはこれらの技法の組合せによって抑制される。加工物は、例えばギアまたはレースなどの動力伝達系構成要素の形にブローチ加工され、それらは、ブローチ加工後に鋼鉄の炭素含有量に依存して浸炭、窒化または高周波焼き入れの１つによって表面硬化される。鋼鉄、ブローチ加工可能な加工物およびブローチ加工され、表面硬化された動力伝達系物品を製造するための鋼鉄組成物および加工方法が開示されている。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、「ブローチ工具寿命を改良するための鋼鉄冶金法の最適化（ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＳｔｅｅｌＭｅｔａｌｌｕｒｇｙｔｏＩｍｐｒｏｖｅＢｒｏａｃｈＴｏｏｌＬｉｆｅ）」という表題の２００４年９月２日に出願された米国仮出願第６０／６０６，８１６号（この出願は、参照によってその全てが本明細書中に組み込まれている）の利益を主張する。

連邦政府による資金提供を受けた研究の記載
本題に関する研究の一部は、契約番号ＤＥ−ＦＣ３６−９９１Ｄ１３８１９のもとで、米国エネルギー省によって部分的に資金を提供されている。

本発明は、一般に、鉄の冶金法、より詳しくは、例えばブローチ加工によって形成され、浸炭または高周波焼き入れによって、硬化される例えば動力伝達系ギア、レース、類似する部材などの物品の製造に使用される鋼鉄組成物およびミクロ構造に関する。さらにもっと詳しくは、本発明は、ブローチ工具寿命を著しく改良する鋼鉄加工物材料を供給する最適化された鋼鉄冶金ミクロ構造を得、その結果、部材あたりの製造費を下げる技法に関する。また、本発明はまた、鋼鉄加工物および完成品において所望のミクロ構造および特性を得るための方法に関する。

ブローチ加工は、自動車のトランスミッションおよび同様のものなどの動力伝達系部品の大量生産のためのギア歯またはカムプロファイルを切断するのに一般的に使用される機械加工の技法である。部品プロファイルが、最少量の全時間で単一のブローチ加工操作で形成され、ブローチ加工操作はそのような費用に敏感な用途にとって理想的なものになる。しかしながら、単一のステーションでブローチ加工操作を実行するために、ブローチ機械は、加工物から金属を１回の動作で取り除く１個の長い高速の鋼鉄ブローチ工具を使用して、必要な部材プロフィールの全体の荒削り、成形、および仕上げを実行しなければならない。ブローチ工具は、製造するために比較的高価であり、工具がもう使用できないようになる前に、一定の回数だけ整復し、または研ぎ澄ますことしかできない。オリジナルのブローチ工具の費用および整復コストは、完成部品の全製造費の重要な部分である。製造された部品あたりの精密なブローチ加工および治工具コストは、ブローチ工具の整復の間に製造され得る部材の数に非常に依存している。５０，０００ドル〜８０，０００ドルの範囲の螺旋状ブローチ加工バーの寿命に至るまでの治工具コストおよび現在１０，０００〜８０，０００部品の範囲内の単一ブローチ加工バーで製造される全部品に関して、部品あたりのコストは、典型的に０．６０ドル〜５．００ドルの範囲内である。したがって、ブローチ治工具費は、完成部品について、総製造費の約１５％〜５０％を相当する。したがって、ブローチ加工は、環状鋼鉄部品にプロファイルを切削するための時間およびプラントスペースで効率的な方法に相当するが、この操作を実行する治工具費は、総製造費の重要な部分に相当する。

加工物材料の改質によってブローチ工具寿命を改良するこれまでの試みは、交互の材料の選定、機械加工性を高めるための伝統的な熱処理のルートの変更または例えば硫黄やカルシウムなどの合金成分の添加を含む。最適化されたブローチ加工性能を生み出すことは、以前の材料および熱処理の選択の試行が、ブローチ工具寿命に影響を与える要素の完全な知識なしになされたことにおいて妨げられてきた。さらに、限定された量の特定の含有添加物だけがこれらの従来上使用される加工物の鋼鉄グレードの中で許容される。これらの以前の試みは、２５％〜１００％の改良の範囲に入る工具寿命における増分改良のみを提供したが、それらは最適のブローチ加工のミクロ構造および硬度の組合せを作り出していないという事実のために、本発明によって提供された改良のレベルより下回っている。また、以前のアプローチは、硬度レベルおよび加工物鋼鉄の摩損性を下げるための合金含有量の低下；硬度レベルを下げるための焼き戻し温度の上昇；ならびに炭素レベルの低下またはより低い炭素、より低摩損性鋼鉄の使用を可能にするための熱処理方法の変換を含んでいる。これらのアプローチは、全て上述の増分の改良のみを生み出したに過ぎない。

動力伝達系ギアおよびレースのためのプロファイルされた部品を製造するために使用される加工物鋼鉄は、完成部品の負荷座面を硬化するのに使用される方法によって、浸炭／窒化タイプまたは高周波焼き入れタイプのいずれかに大まかに分類することができる。鋼鉄は、部品を製造するための費用を最小にするための努力において、硬化方法、およびその後の炭素レベル、および硬化された表面の熱処理硬化可能な要件に基づいて歴史的に大まかに選択されてきた。そのように選ばれた従来の加工物の鋼鉄は、通常１５０〜３００ＢＨＮの総合的なブローチ加工な硬度範囲の中のより狭い目的／範囲に、フェライト／パーライトタイプのミクロ構造を発生するように処理され、かつ／または熱処理されてきた。前記のミクロ構造および硬度を達成するために結果としてなされる加工物鋼鉄の選択、処理および熱処理は、これまで最適であるブローチ工具寿命より短くしてきたが、歴史的なデータに基づいて許容できると考えられてきた。この歴史的なデータは、生産装置の上での加工物鋼鉄の新しいグレードの可能性をテストする法外に高いコストのために、あまり疑問視されることはなく、または体系的なやり方で改良されるというわけではなかった。

例えばギアなどの動力伝達系構成要素においては、強度のためにギアのコアにおいて低い硬度レベルを維持しながら、摩耗抵抗についてブローチ加工された歯の表面を硬化することが望ましい。上で暗示されるように、局所化された表面硬化を得るための主な技法は、部品を作るのに使用される鋼鉄のタイプによって、浸炭、窒化および高周波焼き入れがある。一般に、Ｃ約０．３２重量％未満を有する鋼鉄グレードは、熱的な硬化を与えるために表面に不十分な炭素しか有していない。したがって、この鋼鉄のタイプは、その後の熱的／熱間の硬化を可能にするために、部品の負荷座面において炭素（または窒素）を多く含む層を拡散させるように通常炭化される（または窒化される）。他方では、例えばＣ約０．３５〜０．８０重量％を有するグレードなどのＣ０．３２重量％超えて有している鋼鉄は、高周波加熱技法を使用して表面硬化することができる。誘導質の高周波磁場は、ブローチ加工された部品の表面層を、言わば、１７００〜１８００°Ｆの所望のオーステナイト化温度までわずか数秒のうちに加熱し、次いで加熱された表面は、直ぐに水またはその他の焼き入れ剤中で直ぐに焼き入れされる。浸炭（および窒化）は、制御雰囲気炉の中で通常５〜１０時間に行われるので、浸炭および窒化は、高周波焼き入れの技法よりかなり時間がかかり、高価である。これまで、高周波焼き入れに適したより高い炭素タイプの加工物鋼鉄は、より低い炭素の浸炭タイプより短いブローチ工具寿命をもたらし、加工物鋼鉄の炭素含有量の増加に従ってブローチ工具寿命は減少するという傾向を伴う。したがって、速い高周波焼き入れによって享受されていた経済的利益は、これまで、１部品あたりの増加するブローチ工具費用によって相殺された。

本出願人は、この産業において、約１５０〜２４０ＢＨＮの所望のブローチ加工硬度範囲内のブローチ加工可能な鋼鉄を供給することが行われていた従来の仕事を知っている。この鋼鉄は、表面硬化処理反応を最適化する手段として実行され、ブローチ工具寿命を最適化する手段として実行されたものではないオフライン熱処理で得られた非パーライトのミクロ構造を有する。しかしながら、この鋼鉄は、０．２５〜０．３１重量％の炭素範囲を有し、伝達系ギアのための表面硬化を達成するためにブローチ加工後に窒化熱処理にかけられる。

本出願人は、さらに部品に所望の機械的特性を発現させるためにブローチ加工前に高いコア硬度を必要とするブローチ加工された動力伝達系部品を含む従来の仕事を知っている。これら部品についての硬度範囲は、典型的には２５０〜３００ＢＨＮまたはそれより高い。ほとんどの鋼鉄は、パーライトのミクロ構造を維持しながら、この硬度範囲を達成することができない。その結果、この範囲の中のレベルに硬度を増加させる最も一般的な方法は、非パーライトのベイナイト／マルテンサイトの焼き戻し構造を発生するように、オフライン熱処理（焼き入れおよび焼き戻し）を実行することである。この非パーライト構造を得る理由は、コア硬度範囲を発展させることであって、ブローチ加工を最適化することではない。まさに、２５０〜３００ＢＨＮまたはそれより高い硬度レベルにおいて、ブローチ工具寿命は、高い硬度のために犠牲にされる。

本発明は、ブローチ加工による物品の製造のために、加工物に最適化された鋼鉄ミクロ構造を与えることによって先行技術の問題を解決し、格段に改良されたブローチ工具寿命をもたらす。この物品は、自動車、トラック、トラクタならびに例えば伝達系ギアおよびレースなどの動力伝達系部品などとして有用である。さらにまた、本発明は、これらの鋼鉄のタイプのためのブローチ工具寿命を顕著に増加させる、浸炭、窒化、および高周波焼き入れタイプを含む加工物のための鋼鉄を提供する。

簡潔に述べると、本発明は、ブローチ加工されるための加工物のために最適化された鋼鉄冶金法を企図しており、そのミクロ構造は、ベイナイト、マルテンサイト、および／またはフェライトが選ばれて、実質的にパーライトの存在を排除する。本発明は、次の処理技法：（ａ）パーライト形成を抑制するための鋼鉄合金組成の変更；（ｂ）パーライト形成を抑制するためのオンライン熱加工；（ｃ）パーライト相の形成を抑制するためのオフライン熱処理；ならびに／あるいは（ｄ）前記の技法の１つもしくは複数の組合せまたは他の技法の使用；の中の少なくとも１つまたは複数によって、実質的にパーライト相がなく、ベイナイトおよび／または焼き戻しマルテンサイトからなる所望のミクロ構造を達成するための、ブローチ加工されるための加工物におけるこの最適化された鋼鉄冶金法を提供する。本発明のさらなる態様は、ブローチ加工後の、浸炭、窒化または高周波焼き入れによる表面硬化に好適な鋼鉄加工物であり、ここで鋼鉄のミクロ構造は、オンラインまたはオフラインの熱処理の１つまたは両方と組み合わせられた鋼鉄合金組成の変更によってパーライトを実質的に含まない鋼鉄加工物を提供する。加工物材料についての好ましい硬度の範囲は、約１６０〜２５０ＢＨＮ、さらに好ましくは、約１７０〜２４５ＢＨＮ、さらにもっと好ましくは、約１８０〜２４０ＢＨＮである。加工物鋼鉄は、約０．１５〜０．８０重量％、さらに好ましくは、約０．１８〜０．７０重量％の炭素含有量Ｃを有し、したがって、浸炭、窒化および高周波焼き入れタイプの鋼鉄を含む。本発明の１つの態様は、ブローチ加工された加工物を浸炭することができるように約０．１５〜０．３５重量％、好ましくは、約０．２０〜０．３２重量％の炭素含有量Ｃを企図している。本発明のさらなる態様は、ブローチ加工された加工物を高周波硬化することができるように約０．３２〜０．８０重量％のＣ、さらに好ましくは、約０．３３〜０．７０重量％のＣ、さらにもっと好ましくは、約０．３５〜０．６５重量％のＣを有するブローチ加工のための加工物鋼鉄を含む。本発明は、ブローチ加工される加工物を作る鋼鉄材料、ブローチ加工される鋼鉄加工物、鋼鉄加工物から製造された完成品、およびこれらを製造する方法を含む。

実験室ブローチ試験機が、ブローチ工具寿命への冶金変数の効果の経済的かつ効率的な
試験および比較を可能にするために考案され、造られた。実験室試験は、Ｍ４工具鋼鉄から作られた往復する３つの歯の高速度鋼鉄ブローチ工具を利用した。このブローチ工具は、製造ブローチバーに含まれた典型的なブローチ工具が、多くの部品に切断する同等な鋼鉄容積を急速かつ効率的に切断した。実験室試験機および手順は、ブローチ工具材料およびその熱処理、工具歯のデザイン、１歯あたりの切断深さ、切断速度、切断用潤滑剤のタイプおよび潤滑剤デリバリ系ならびに工具摩耗評価基準限界を含む全ての可能な局面で生産ブローチ加工環境に厳密に似せるように設計された。ブローチ工具は、各切断で適切に輪状の試験用鋼鉄加工物を置くためのインデックステーブルを利用し、それぞれのリストされた変数に確立された特定のパラメータ類を使用して、リング形状の輪状の試験用鋼鉄加工物の内側の直径を通して繰り返して引かれる。ブローチ工具は摩耗について定期的に測定され、以前に確立した摩耗評価基準が満たされたとき、実験室試験が完全であると考えられ、それぞれの加工物材料状態についてブローチ工具欠損までの切断の数を割り当てた。

この実験室ブローチ試験は、特定の摩耗評価基準限界に対する切断の数に基づいた互いに対する各鋼鉄／状態に関して、様々な鋼鉄タイプと条件に実行された。表Ｉに示されるこの大規模な試験から発生するデータベースは、最適の加工物鋼鉄のブローチ加工条件またはミクロ構造／硬度がすべての鋼鉄について存在していて、ほとんどの鋼鉄が現在この条件でブローチ加工されていないことを示している。また、この試験は、ブローチ加工に関して非最適化加工物鋼鉄状態を明らかにし、驚くべきことに、ほとんどの鋼鉄が現在その非最適状態またはその状態がわずかに変更されたバージョンでブローチ加工されていることを明らかにした。さらに、表ＩＩに報告されている鋼鉄合金組成、表ＩＩに報告されている鋼鉄処理および熱処理スキームは、総合的なパラメータの広い範囲にわたってブローチ加工の最適化された加工物鋼鉄状態の開発を考慮する本発明によって開発された。

試験された鋼鉄は、重量％で次の組成範囲を含んでいた。
Ｃ− ０．１８％〜０．６２％
Ｍｎ− ０．５５％〜１．６０％
Ｓｉ− ０．１５％〜０．７０％
Ｓ− ０．０１０％〜０．０６０％
Ｃｒ− ０．１０％〜１．０％
Ｎｉ− ０．０５％〜０．５５％
Ｍｏ− ０．０２％〜０．３０％
Ｖ− ０．０１％〜０．１２％
Ａｌ− ０．００２％〜０．０３５％
Ｆｅ− 残量に加えて、それぞれ０．０５％以下の痕跡不純物または添加物
試験された鋼鉄状態は、：熱加工され、空冷された；熱加工され、ゆっくりと空冷された；微粒子および粗粒子が焼きならしされた；微粒子および粗粒子が焼きならしされ、焼き戻しされた；焼き入れされ、焼き戻しされた；割り込みで焼き入れされ、焼き戻しされた；および焼き鈍しされた状態を含んでいた。これらの状態のための典型的なパラメータは、以下の通りである。

表Ｉ〜ＩＩＩに報告された鋼鉄のサンプル（番号１〜１５、３０〜３３および４０〜４４）は、製造電気炉操作において溶融され、表ＩＩに詳しく説明された組成に従ってレードル精錬された。鋼鉄試料は、ブルーム中に連続的に鋳造され、次いで２２５０°Ｆに加熱され、丸い鋼片に熱間圧延され、次いで２２５０°Ｆに再加熱され、貫通され、圧延されたままの管状形状を与えた。この管状物は、次いで試験または試験ブローチ加工する前に表ＩＩＩに従ってさらなる熱処理のためのリング形状の環状鋼鉄加工物に切断される。表Ｉに報告されている様々な鋼鉄の試料についての結果として得られたミクロ構造は、焼き戻しされたバージョン、および焼き戻しされなかったバージョンの両方において、炭化物の球状化の程度を変えながら、フェライト、パーライト、ベイナイトおよび／またはマルテンサイトの混合物を含んでいた。試験された様々な鋼鉄の硬度レベルは、１５０ＢＨＮ〜３３０ＢＨＮの範囲であり、硬度レベルのほとんどは、１６０ＢＨＮ〜２６０ＢＨＮのブローチ加工可能な範囲内であった。表Ｉに示されるように、ここで、好ましいブローチ加工可能な硬度範囲は、約１５０〜２５０ＢＨＮ、さらに好ましくは１７５〜２４０ＢＨＮである。表ＩＩに示される鋼鉄組成の広い範囲、処理スキーム（表ＩＩＩ）、ミクロ構造および硬度レベル（表Ｉ）の分析は、本発明に従ってブローチ工具寿命を最適化するための重要な冶金の変数の同定を可能にした。

歴史的なブローチ加工の知識と専門的技術は、これまで、より高い炭素含有量および硬度レベルが、伝統的な処理法と共にブローチ工具寿命にマイナスの影響を与えることを示した。これらの結果は、生み出されたブローチ加工試験データ（表Ｉ）（ここでは、多数の従来の「基準線」の加工物鋼鉄グレード（試料番号１〜１５）のブローチ加工結果が、０．２０重量％〜０．６０重量％（図１）の範囲の炭素レベルおよび硬度レベル（図２）の関数として示されている）において支持される。

より詳細には、図１および表Ｉにおいて、０．２０重量％の炭素含有量および２１０ＢＨＮのブリネル硬度を有する基準線加工物鋼鉄（試料番号１）が６，２００（限界までの切断数）のブローチ工具寿命をもたらしたことが理解されるだろう。基準線鋼鉄の炭素含有量が０．６重量％（試料番号１５）に増加するにつれて、ブリネル硬度は２５２ＢＨＮに上昇し、ブローチ工具寿命は、８０（限界までの切断数）に減少した。これらの従来の基準線の加工物鋼鉄グレードのミクロ構造は、図６および図７に示されるように主としてフェライトおよびパーライトであった。図６および図７の顕微鏡写真において、フェライトは、明るい領域として現れ、パーライトは、より暗い領域として現れる。図６は、圧延されたままの状態のフェライトおよびパーライトを含む基準線５１３０グレード鋼鉄（試料番号２）のミクロ構造を示し、図７は、焼きならしされ、焼き戻しされた状態のフェラ
イトおよびパーライトを含む基準線５１５０グレード（試料番号１０）のミクロ構造を描写している。これらのフェライトおよびパーライトのミクロ構造は、最も多い従来のブローチ加工用途に許容可能なブローチ加工のミクロ構造として典型的に特定される。

対照的に、本発明は、表Ｉの基準線鋼鉄において示される同じ炭素および硬度レベルにおいて、パーライトのミクロ構造の形成を抑制し、または最少にするために冶金処理のある段階を変更し、その変更において、好ましくは球状化に進む傾向があるさらに細かな針状炭化物のミクロ構造を形成することによってブローチ工具寿命が、２〜１０倍増加され得るという発見を包含する。本発明の好ましいミクロ構造は、実質的にパーライトを含まないで、主としてベイナイトおよび／またはマルテンサイトおよびフェライトからなり、より高い炭素レベルで１６０〜２６０ＢＨＮの所望の硬度範囲内に焼き戻しされ得る。いくらかのパーライト相、最大で約２０容量％までの層状パーライト、好ましくは最大で１０容量％未満の層状パーライト、さらにもっと好ましくは５容量％未満の層状パーライトが存在し得る。理想的には、実質的にいかなる層状パーライトもミクロ構造で存在しない。本明細書で使用される用語「実質的にパーライトを含まない」または「最少量のパーライト」は、他に限定がなければ、約２０容量％まで、さらに好ましくは０％の層状パーライトを含むミクロ構造を意味する。

所望の針状ベイナイトのミクロ構造は、図８に示され、所望の球状化されたベイナイトのミクロ構造は、図９に示され、所望の球状化されたマルテンサイトおよびフェライトのミクロ構造は、図１０に示されている。図８は、圧延された状態のままの合金改質された４０３０グレード（試料番号２０）であり、図９は、オンライン焼き入れされ、焼き戻しされた５１３０グレード（試料番号３０）であり、図１０は、オンライン焼き入れされ、および焼き戻しされたグレード５１５０鋼鉄（試料番号３３）であり、全て本発明によって製造されている。

ゼロまたは最少量のパーライトと共に１つまたは複数のベイナイト、マルテンサイトおよびフェライトを含む本発明の実質的にパーライトを含まないミクロ構造は、次のものに必ずしも限定されないが、（１）熱加工され、空冷された状態において、パーライト形成を抑制するための合金組成の変更（試料番号２０〜２３）、および／または（２）熱加工温度から焼き入れ時のパーライト形成を抑制するオンライン熱処理（試料番号３０〜３３）、および／または（３）パーライト形成を抑制するためのオフライン熱処理（試料番号４０〜４４）、またはこれらの技法の何らかの組合せ、またはパーライト形成温度より下での等温変態などの他の技法を含む様々な技法によって形成される。最終的なベイナイト／マルテンサイト／フェライトの実質的にパーライトを含まないミクロ構造は、もちろん、所望ならば、次いで所望のブローチ加工硬度範囲内に焼き戻しされる。

ミクロ構造の改質で生じる効果は、主としてパーライトのミクロ構造を有する様々な炭素および硬度のレベルについての前に記載されたブローチ工具寿命傾向を、同じ炭素レベル（図１）および硬度範囲（図２）内の実質的にパーライトを含まない類似の鋼鉄についての最適化されたブローチ工具寿命結果と比較することによって観察され得る。容易に気付かれるように、ブローチ工具寿命における改良は、同じまたは類似の初期の炭素含有量およびブローチ工具寿命を全て類似の硬度範囲内で比較すると、２００％〜１０００％のオーダーである。例えば、フェライト／パーライトミクロ構造と共にＣ０．２０％を有する従来技術の基準線の５１２０グレード加工物鋼鉄（試料番号１）のブローチ加工寿命は、６２００（限界までの切断数）のブローチ加工寿命をもたらした。これは、またＣ含有量０．２０％を有するオフライン焼きならしされた８６２０グレード（試料番号４０）と比較することができるが、１２，０００（限界までの切断数）のブローチ工具寿命を与える本発明のベイナイト／フェライトのミクロ構造に関しては、従来の加工物鋼鉄のブローチ加工寿命の約２倍を与えた。増加する炭素含有量で実現されたブローチ工具寿命における同様の改良は、図１においてグラフで見られる。この有意レベルのブローチ工具寿命改良は、１部品あたりのブローチ工具費における大幅削減に直接換算される。さらに詳細には、本発明は、１部品あたりの工具費用において４０％〜８０％の削減を与え、その結果、部品メーカーに、部品製造費における著しい全体的な削減を実現させる。上で暗示されるように、このコスト節約は、高容積精密自動車部材の製造において最大に重要である。

ブローチ加工について最適な鋼鉄加工物の状態を得ることは、次のものに必ずしも限定されないが、（１）熱加工され、空冷された状態におけるパーライト形成を抑制または最少化するための合金組成の変更、（２）熱間加工温度からの焼き入れ時のパーライト形成を抑制するためのオンライン熱処理の設計、および／または（３）パーライト形成を抑制するためのオフライン熱処理、必要な場合に、それに続いて行う焼き戻し操作を含む３つの前述の技法のいずれか、またはこれらの組合せによって本発明によって実現することができる。

パーライトのミクロ構造の望ましくない形成の抑制のための他の技法が、当業者の頭に浮かび得るが、これらの技法は、本発明の精神および範囲の中に入るだろう。本発明の好ましい技法の実施例が、以下に論じられる。

１．合金改質
合金組成は、ベース鋼鉄組成物に応じて、いくつかの可能な化学元素の個別または組合せの添加および添加レベルによってパーライト形成を抑制するように設計され得る。合金改質のアプローチの実施例は、パーライト形成を抑制するためにベースの炭素およびマンガンの組成物にＭｏ約０．２５重量％を加えた４つの炭素レベル（Ｃ０．３％、Ｃ０．４１％、Ｃ０．５１％およびＣ０．６２％）で、一連の実験用の真空誘導溶融加熱物を溶融することによって実証された。他に注記がなければ、全てのパーセントは、重量％であることが理解されるであろう。さらに詳細には、これらの試料番号２０〜２３についての合金組成、示されたグレード４０３０、４０４０、４０５０および４０６０は、それぞれ０．３０〜０．６２重量％の範囲の炭素レベルと共に表ＩＩに示される組成を有している。表ＩＩＩに見られるように、インゴットが熱間圧延され、空冷され、試験リングに成形され、約１８０〜２４０ＢＨＮの所望のブローチ加工の硬度範囲（表Ｉ）を達成するために必要に応じて焼き戻しされる。これらの鋼鉄のミクロ構造は、主として微細なベイナイト／フェライトから構成されていた。試料番号２１〜２３のように鋼鉄が焼き戻しされた場合、ミクロ構造は、球状化されたの傾向があった。球状化されたベイナイトのミクロ構造の例は、図９に示される。

図３は、合金改質された本発明の鋼鉄（試料番号２０〜２３）についてのブローチ加工試験結果を、Ｃ０．３〜０．６０％の類似の炭素範囲をカバーする従来の基準線のフェライト／パーライト含有鋼鉄（試料３、５、７、１１および１４）と比較してグラフで表す。基準線の鋼鉄は、炭素レベルが増加するに伴って、Ｃ０．３０％における４６００（限界までの切断数）（試料番号３）から、Ｃ０．６０％におけるわずか２００（限界までの切断数）（試料番号１４）へのブローチ工具寿命における着実な減少を示す。しかしながら、本発明の合金改質された鋼鉄は、Ｃ０．４１％において限界までの切断数９５００（試料番号２１）および次いでＣ０．６２％における限界までの切断数約４０００（試料番号２３）を示す。本発明の改質された鋼鉄組成物は、同等の炭素レベルの従来の基準線鋼鉄を超えてブローチ上のブローチ工具寿命における桁を超える改良を示す。したがって、様々な炭素レベルを有するグレードのミクロ構造およびブローチ工具寿命を最適化するための本発明の合金改質アプローチは、試験データによって証明されるように、好結果であり、効果的であることが裏付けられた。

熱間圧延され、空冷された（場合により、焼き戻しされた）状態においてパーライトを
含むミクロ構造の形成を抑制または最少化した、本発明の現在の好ましい改質された鋼鉄組成は、表ＩＶにおいて重量％で以下に掲載される。

さらに詳しくは、また、本発明の所望の特性を達成するための現在の好ましい合金改質された組成物は、表ＩＩにおいて試料番号２０〜２３（「合金最適化された」という見出しで出ている）について詳しく説明される。

２．オンライン処理
本発明によるブローチ工具寿命を改良するための第２の技法は、所望のミクロ構造を達成するためのオンライン処理を含む。オンライン熱処理は、鋼鉄組成を全てまたはある程度改質する必要なしに、望ましくないパーライト相が例えば熱間圧延などの熱加工からの焼き入れ時に抑制される工夫可能な熱機械的な処理スキームを使用する熱加工および焼き入れを含む。本明細書において使用される用語「オンライン」最適化または処理は、パーライト相が避けられ、または最少化され、ベイナイト／マルテンサイト／フェライト相が促進される、最終的な熱間加工操作（圧延、鍛造等）と直接的に結びつけられた熱機械的鋼鉄処理スキームを意味する。

このオンライン技法の例は、グレード５１３０および５０４６の鋼鉄管状物（それぞれ、試料番号３０および３２）の１６００°Ｆでの、様々なオーステナイト粒状構造へのオーステナイト化（最終の熱加工されたままのミクロ構造領域をシミュレートする）、その後のパーライト形成を避けるための水中での割り込みの焼き入れの遂行、次いで鋼鉄を所望の硬度範囲（約１８０〜２４０ＢＨＮ）に持って行くための１２２５°Ｆで２時間の焼き戻し（試料番号３０）および１３２５°Ｆで２時間の焼き戻し（試料番号３２）によって実証された。両方のグレードのミクロ構造および硬度レベルは、２００〜２３５ＢＨＮの範囲の硬度を有する球状化する傾向がある焼き戻しされたベイナイトで構成された。図４は、本発明のオンライン処理されたグレードについて行われたブローチ加工試験の結果を、試験済の図３（試料番号３、５、７、１１および１４）において先に示された様々な従来の基準線のフェライト／パーライトのグレードと比較して示す。オンライン最適化されたグレード５１３０および５０４６（試料番号３０および３２）についてのブローチ工具寿命試験結果は、報告された基準線レベルより２〜６倍大きく、それは、浸炭された鋼鉄グレードおよび高周波焼き入れされた鋼鉄グレードの両方についてブローチ工具寿命を最適化するためのこのアプローチの成功を例証する。グレード５１３０（試料番号３０）は、Ｃ０．２９重量％含み、鋼鉄の浸炭タイプであるが、グレード５０４６（試料番号３２）は、Ｃ０．４７重量％含み、鋼鉄の高周波焼き入れタイプであることに留意されたい。

オンライン最適化されたグレード５１３０（試料番号３０および３１）およびグレード５０４６（試料番号３２）との基準線グレード５１３０（試料番号２および３）およびグレード５０４６（試料番号６および７）に関するほとんど同じ組成の直接比較を通して、注意は表Ｉ、ＩＩおよびＩＩＩに向けられる。限界までの切断数１３００（試料番号２、圧延されたまま）だけの寿命および限界までの切断数４６００（試料番号３、焼きならしされた）（両方共にＣ０．３０重量％を含む）を有する基準線グレード５１３０と比較して、オンライン最適化された試料番号３０グレード５１３０（Ｃ０．２９重量％）鋼鉄は、限界までの切断数９６００のブローチ工具寿命を有し、試料番号３１は、限界までの切断数８８００のブローチ工具寿命を有していた。また、Ｃ０．４６重量％を含み、焼きならしされた状態のより高い炭素レベルの従来のグレード５０４６（試料番号６）は、限界までの切断数６００のブローチ工具寿命を有していたことに比較して、Ｃ０．４６重量％を含み、オンライン処理され、焼き戻しされ、オンライン最適化されたグレード５０４６（試料番号３２）が限界までの切断数７６００のブローチ工具寿命を有していた。これは、ブローチ工具寿命における１２倍を越す増加を表している。

３．オフライン処理
ブローチ加工可能な加工物において所望のミクロ構造を得るためのさらなる本発明の技法は、オフライン処理を含む。本明細書において使用される「オフライン」処理または最適化という用語は、熱加工後に時々遂行され、パーライト相を実質的に避け、ベイナイト／マルテンサイト／フェライト相を促進する熱的処理方法を意味する。パーライト形成を完全に抑制するか、またはそうでなければ、最少にするために様々な鋼鉄タイプおよび切断面寸法にオフライン最適化スキームを実行することができる。そのような熱処理の後は、非常にたびたび適当なブローチ加工硬度範囲（典型的に１８０〜２４０ＢＨＮである）に焼き戻しが行われる。通常、本発明によるオフライン熱処理は、次の工程：試験鋼鉄部分の１５００°Ｆ〜１７５０°Ｆでのオーステナイト化；古典的な鋼鉄硬化性計算に基づく、パーライト形成を避けるための例えば水のような適当な焼き入れ剤中での鋼鉄部分の完全なまたは割り込みの焼き入れを含む。焼き入れ後に、所望のミクロ構造（実質的にパーライト相を含まない）を形成し、約１８０〜２４０ＢＨＮのブローチ加工に所望の硬度を与えるために通常１１００°Ｆ〜１３５０°Ｆで１〜４時間（鋼鉄タイプおよび温度に依存する）焼き戻しを行う。

表Ｉは、Ｃ０．２０重量％含むオフライン最適化された試料番号４０（グレード８６２０）およびＣ０．２７重量％含む試料番号４１（グレード４０２７）は、焼きならしされた状態であり、試験された試料の中で最も高いブローチ工具寿命、すなわち、それぞれ限界までの切断数１２，０００および限界までの切断数１１，０００を与えたこと示している。焼きならしは、鋼鉄を転移領域の上の温度まで加熱して、次に、静止の空気で室温に焼き入れすることを含む。試料番号４０および４１について生成したミクロ構造は、ミクロ構造にパーライトを含まないベイナイト／フェライトであった。

Ｃ０．５０重量％のさらに高い炭素を含む試料番号４３（グレード４１５０）もまた、焼きならし処理にかけられ、その後１３４０°Ｆで３時間焼き戻しされ、同様にパーライトを含まないベイナイト／フェライトのミクロ構造を示した。試料番号４３からの加工物は、ブローチ加工試験において、試料番号４３と同等の炭素含有量および硬度（表Ｉ）の試料番号１０（従来のグレード５１５０鋼鉄）の限界までの切断数４６０と比較して、限界までの切断数５，８００のブローチ工具寿命をもたらした。

Ｃ０．４７重量％含むオフライン最適化された試料番号４２（グレード５０４６）およびＣ０．５３重量％含む試料番号４４（グレード１５５２）は、オーストナイト化され、
水で焼き入れされ、次いで試料４２については１３２５°Ｆで２時間、試料番号４４については１３００°Ｆで４時間焼き戻しされた。焼き入れおよび焼き戻しは、本発明によるパーライトを含まない焼き戻しされたマルテンサイトのミクロ構造を生成した。ブローチ加工寿命は、試料番号４２について限界までの切断数８，７００および試料番号４４について限界までの切断数６，２００であった。（これは、これらの高い炭素の高周波焼き入れ鋼鉄タイプにおける顕著な改良である。）
図５は、基準線のフェライト／パーライトのグレードに対するこれらのそれぞれの鋼鉄についてのブローチ工具寿命を示し、これは、他の技法と比較して、炭素レベルと同じ傾向および基準線グレードを越す類似またはより大きなレベルの改良を例証している。したがって、オフライン処理最適化アプローチが、本発明に従ってブローチ工具寿命を最適化するための別の技法を表していることが理解されるだろう。

４．最適化技法の組合せ
本発明によってブローチ加工可能な加工物に所望されるミクロ構造および特性を与えるために、前に論じた最適化技法１〜３の中の２つまたは複数を組み合わせることができる。

例えば、試料番号４０および４１は、前に論じられた、オフライン処理されたグレード８６２０および４０２７であり、また、モリブデン添加：Ｍｏ０．２１重量％（試料番号４０）およびＭｏ０．２７重量％（試料番号４１）による合金最適化にもかけられた（表ＩＩを参照）。これらのオフライン焼きならしされ、合金改質された鋼鉄は、試験された全ての試料の中で最高のブローチ工具寿命を与え、このことは本発明の組み合わせられた合金および熱処理最適化技法の効果を証明している。
表面硬化処理
本明細書において上で論じられたように、ブローチ加工されたギア歯の改良された摩耗耐性のために硬化された外部表面および部材に対して内部強度を与えるために低減された硬度のコアを提供することは動力伝達系構成要素において有益である。ブローチ加工された動力伝達系構成要素の表面硬化の知られた技法は、浸炭、窒化および高周波焼き入れを含み、使用される特定の技法は、鋼鉄の炭素含有量に依存する。一般に、Ｃ約０．３２重量％未満を含む鋼鉄は、高周波焼き入れで提供される熱で誘発された表面硬化処理ためには不十分な炭素レベルしか有していない。したがって、これらの鋼鉄は、表面硬化処理を可能にするために追加の炭素または他の成分を必要とする。約０．３２重量％未満の炭素含有量を有する鋼鉄は、高められた表面硬化処理を得るために一般に、浸炭され、または窒化される。

前に論じられた試験結果は、本発明が、様々な加工物鋼鉄をブローチ加工するためのブローチ工具寿命に著しい改良を与えることを明確に裏付け、これらの改良が実現される合金改質および材料処理スキームのいくつかの態様が、本明細書に記載されてきた。ターゲットのブローチ加工する加工物のミクロ構造は、非パーライトの理想的には球状化の傾向がある微細なカーバイドベイナイト／マルテンサイトのミクロ構造であることを示してきた。加工物鋼鉄中に目標のミクロ構造／硬度の組合せを発展させるための合金および処理のスキームが、前記の試料鋼鉄との関係で示され、記載されてきた。最終的目標の冶金特性が達成されるとして、データは、本発明が、広範囲の鋼鉄組成物および代替される処理に適用できることを示している。前に詳しく説明された特定の例に加えて、目標の非パーライトの微細なカーバイドのミクロ構造、好ましくは球状化の傾向のあるものを得るために使用され得る、交互の合金改質および／または鋼鉄処理スキームが存在することが、当業者の頭に浮かぶだろう。もちろん、これらの交互のおよび／または追加の方法もまた、本明細書に詳しく説明された有益なブローチ工具寿命結果を達成することも期待されるなら、そのような追加の変更は、本発明の精神および範囲内に入ると考えられると解釈される。

基準線および本発明の最適化された鋼鉄加工物材料についてのブローチ工具寿命対炭素含有量のグラフである。図１で試験された鋼鉄加工物についてのブローチ工具寿命対硬度のグラフである。主として微細なベイナイトからなる改質された合金およびフェライト／パーライトミクロ構造を有する基準線の合金加工物のブローチ工具寿命対炭素含有量のグラフある。焼き戻しされたベイナイトで構成されたオンライン熱処理加工物およびフェライト／パーライトミクロ構造を有する基準線の合金加工物についてのブローチ工具寿命対炭素含有量のグラフである。本発明のミクロ構造で構成されたオフライン熱処理された加工物およびフェライト／パーライトミクロ構造を有する基準線の合金加工物についてのブローチ工具寿命対炭素含有量のグラフである。圧延されたままの基準線グレード５１３０（試料番号２）の従来の鋼鉄のパーライトおよびフェライトを含む典型的なミクロ構造を示す顕微鏡写真である。焼きならしされ、焼き戻しされた基準線グレード５１５０（試料番号１０）の従来の鋼鉄のパーライトおよびフェライトを含む典型的なミクロ構造を示す顕微鏡写真である。本発明によって処理され、合金が最適化され、針状ベイナイトのミクロ構造を示している圧延された条件のままの鋼鉄（試料番号２０）の顕微鏡写真である。本発明によってオンライン処理された、割り込みで焼き戻しされた条件下の鋼鉄（試料番号３０）の球状化されたベイナイトおよびフェライトを含むミクロ構造を示す顕微鏡写真である。本発明によってオンライン処理された、焼き入れされ、焼き戻しされた条件下の鋼鉄（試料番号３３）の球状化されたマルテンサイトを含むミクロ構造を示す顕微鏡写真である。

Claims

ブローチ加工およびその後の浸炭または高周波焼き入れの１つによる表面硬化の前に、実質的にパーライトを含まないミクロ構造および１５０〜２５０ＢＨＮの硬度を有する、ブローチ加工可能な加工物の作製に好適な鋼鉄。
ミクロ構造が、ベイナイト、マルテンサイトおよびフェライト相の１つまたは複数を含み、１６０〜２４０ＢＨＮの硬度を有する、請求項１に記載の鋼鉄。
０．１５〜０．３５重量％の炭素含有量を有し、ブローチ加工後の浸炭に好適である、請求項１に記載の鋼鉄。
０．３２〜０．８０重量％の炭素含有量を有し、ブローチ加工後の高周波焼き入れに好適である、請求項１に記載の鋼鉄。
実質的にパーライトを含まないミクロ構造および１５０〜２５０ＢＨＮの硬度を有するブローチ加工のための鋼鉄加工物であって、ブローチ加工後の浸炭または高周波焼き入れの１つによる表面硬化に好適である加工物。
ミクロ構造がベイナイト、マルテンサイトおよびフェライト相の１つまたは複数を含み、約１６０〜２４０ＢＨＮの硬度を有する、請求項５に記載の鋼鉄加工物。
前記鋼鉄が０．１５〜０．３５重量％の炭素含有量を有する浸炭タイプの１つである、請求項５に記載の鋼鉄加工物。
前記鋼鉄が約０．３５〜０．８０重量％の炭素含有量を有する高周波焼き入れタイプである、請求項５に記載の鋼鉄加工物。
動力伝達系構成要素としての使用に好適であるブローチ加工された鋼鉄物品であって、実質的にパーライトを含まないミクロ構造およびブローチ加工された表面プロファイルを有し、前記表面プロファイルは、浸炭または高周波焼き入れの１つによって適用された硬化された表面を有する物品。
ギアまたはレースの１つの形である、請求項９に記載の物品。
ミクロ構造がベイナイト、マルテンサイトおよびフェライト相の１つまたは複数を含む、請求項９に記載の物品。
ギアまたはレースの１つの形である、請求項１１に記載の物品。
前記鋼鉄が０．２０〜０．３２重量％の炭素含有量を有し、浸炭によって表面硬化されている、請求項９に記載の物品。
ギアまたはレースの１つの形である、請求項１３に記載の物品。
前記鋼鉄が約０．３３〜０．７０重量％の炭素含有量を有し、高周波焼き入れによって表面硬化されている、請求項９に記載の物品。
ギアまたはレースの１つの形である、請求項１５に記載の物品。
重量％において、Ｃ０．１５〜０．６５％；Ｍｎ０．５〜１．７５％；Ｓ０．０１０〜０．１０％；Ｓｉ０．１０〜０．７０％；Ｃｒ０．１〜０．５０％；Ｎｉ０．０１〜１．０％；Ｍｏ０．１０〜０．５０％；Ａｌ０．００１〜０．０７％；Ｖ０．００１〜０．２０％；Ｂ０．００５〜０．０３％；ならびにＦｅ残量に加えて、それぞれ０．０５％未満の付随的な添加物および不純物を含むブローチ加工に好適である鋼鉄組成物。
Ｃ０．２０〜０．６５％；Ｍｎ０．７〜１．５％；Ｓ０．０１５〜０．０７％；Ｓｉ０．１５〜０．３５％；Ｃｒ０．０３〜０．３５％；Ｎｉ０．０３〜０．２５％；Ｍｏ０．１５〜０．４０％；Ａｌ０．０１〜０．０５％；Ｖ０．０１〜０．１０％；およびＢ０．００７〜０．０２５％を含む、請求項１７に記載の鋼鉄。
Ｃ０．３〜０．６％；Ｍｎ０．８０〜１．３０％；Ｓ０．０１８〜０．０３０％；Ｓｉ０．２０〜０．３０％；Ｃｒ０．０５〜０．２５％；Ｎｉ０．０５〜０．２０％；Ｍｏ０．２０〜０．３０％；Ａｌ０．０１５〜０．０４％；Ｖ０．０１〜０．０３％；およびＢ０．０１０〜０．０２％を含む、請求項１７に記載の鋼鉄。
Ｃ０．３〜０．６％および通常：Ｍｎ１．０％；Ｓ０．０２５％；Ｓｉ０．２５％；Ｃｒ０．１％；Ｎｉ０．１％；Ｍｏ０．２５％；Ａｌ０．０３％；Ｖ０．００１％；およびＢ０．０１５を含む、請求項１７に記載の鋼鉄。
ベイナイト、マルテンサイトおよび／またはフェライトを含み、実質的にパーライトを含まないミクロ構造を有し、浸炭または高周波焼き入れの１つによる表面硬化に好適である熱加工された、または焼きならしされた状態の１つである、請求項１７に記載の鋼鉄。
ブローチ加工およびその後の浸炭または高周波焼き入れの１つによる表面硬化にかけられる加工物材料の製造方法であって、
（ａ）鋼鉄を供給する工程と；
（ｂ）前記鋼鉄を合金改質、オンライン熱処理およびオフライン熱処理を含む１つまたは複数の処理にかけて、それによりブローチ加工前に実質的にパーライトを含まないミクロ構造および１５０〜２５０ＢＨＮの硬度を有する鋼鉄を与える工程と
を含む方法。
合金改質処理が、鋼鉄におけるパーライトの形成を抑制するために１つまたは複数の合金元素を鋼鉄に加えることを含む、請求項２２に記載の方法。
パーライトの形成を抑制するためにＭｏが鋼鉄に０．１５〜０．４０重量％の量で添加される、請求項２３に記載の方法。
オンライン熱処理が、ベイナイト、マルテンサイトおよび／またはフェライトを含む、ミクロ構造を生成するためにオーステナイト化の工程および割り込みの焼き入れ工程を含む請求項２２に記載の方法。
焼き入れ工程後に焼き戻し工程を含む、請求項２５に記載の方法。
焼き戻し工程が、１１００°Ｆ〜１３４０°Ｆ（５９３℃〜７２７℃）の温度で１〜４時間行われる、請求項２６に記載の方法。
オフライン熱処理が、焼きならし、焼きならしおよび焼き戻し、ならびにオーステナイト化、焼き入れおよび焼き戻しの１つを含む、請求項２２に記載の方法。
鋼鉄が、ベイナイトおよびフェライトを含むミクロ構造を生成させるために焼きならしされるか、または、焼きならしおよび焼き戻しされるかの１つである、請求項２８に記載の方法。
鋼鉄が、焼き戻しされたマルテンサイトを含むミクロ構造を生成させるためにオーステナイト化され、焼き入れされ、かつ焼き戻しされる、請求項２８に記載の方法。
オフライン熱処理における焼き戻しが、１２００°Ｆ〜１３４０°Ｆ（６４９℃〜７２７℃）で１〜４時間行われる、請求項２８に記載の方法。
鋼鉄を、動力伝達系ギアおよびレースをブローチ加工するための加工物を与えるために熱間圧延された管状形状に形成する工程を含む、請求項２２に記載の方法。
前記鋼鉄が、前記処理の少なくとも２つにかけられる、請求項２２に記載の方法。
（ａ）Ｃ約０．１５〜０．８０重量％の炭素含有量を有する溶融された鋼鉄を供給し、溶融された鋼鉄をパーライト相の形成を抑制するために合金改質処理に場合によりかける工程と；
（ｂ）前記鋼鉄をパーライト相の形成を抑制するためのオンライン熱処理およびオフライン熱処理を含む１つまたは複数の処理にかける工程と；
（ｃ）実質的にパーライトを含まないミクロ構造および１５０〜２５０ＢＨＮの硬度を有するブローチ加工のための鋼鉄加工物を与える工程と；
（ｄ）前記鋼鉄加工物をブローチ加工して、ブローチ加工された動力伝達系構成要素を形成する工程と；
（ｅ）浸炭または高周波焼き入れの１つを選択することによってブローチ加工された動力伝達系構成要素を表面硬化する工程と
を含む動力伝達系構成要素の製造方法。
鋼鉄が、Ｃ０．２〜約０．３２重量％を含み、選択された表面硬化工程が浸炭である、請求項３４に記載の方法。
鋼鉄が、Ｃ０．３２重量％を超えてＣ０．６５重量％までを含み、選択された表面硬化工程が高周波焼き入れである、請求項３５に記載の方法。
工程（ａ）における任意の合金改質処理が、溶融された鋼鉄へＭｏ０．１０〜０．５０重量％を加えることを含む、請求項３４に記載の方法。
（ａ）Ｃ約０．１５〜０．８０重量％の炭素含有量を有する溶融された鋼鉄を供給する工程と；
（ｂ）溶融された鋼鉄をパーライト相の形成を抑制するために合金改質処理にかける工程と；
（ｃ）鋼鉄をパーライト相の形成を抑制するためにオンライン熱処理およびオフライン熱処理の１つまたは複数にかけ、実質的にパーライトを含まないミクロ構造を有するブローチ加工のための加工物を与える工程と；
（ｄ）前記加工物をブローチ加工して、ブローチ加工された動力伝達系構成要素を形成する工程と；
（ｅ）ブローチ加工された動力伝達系構成要素を浸炭、窒化または高周波焼き入れの１つによって表面硬化する工程と
を含む動力伝達系構成要素の製造方法。
鋼鉄がＣ０．２〜約０．３２重量％を含み、表面硬化工程が浸炭または窒化の１つである、請求項３８に記載の方法。
鋼鉄がＣ０．３５〜０．６５重量％を含み、選択された表面硬化工程が高周波焼き入れである、請求項３８に記載の方法。