JP4569961B2 - ボールネジまたはワンウェイクラッチ用部品の製造方法 - Google Patents

Description

ずぶ焼入れで異物混入環境下における転動寿命特性に優れた鋼からなるボールネジまたはワンウェイクラッチ用部品の製造法に関する。

従来、ボールネジのナットやワンウェイクラッチの鋼製の機械部品は寿命の向上に対しては、肌焼鋼による高濃度浸炭や浸炭窒化等による残留オーステナイトの増量や、残留炭化物の生成が有効であることが知られていた。しかし、これら鋼からなる機械部品では、研磨代が多いことから肌焼鋼に高濃度浸炭や浸炭窒化処理してもその効果の得られる表層部は研磨時に除去されてしまうため、研磨後に高い残留オーステナイトや残留炭化物が得られず、これらの機械部品の寿命の向上を図る的確な方策はなかった。

一方、従来技術として、軸受用鋼の一種であるＪＩＳ Ｇ ４８０５に規定されているＳＵＪ３をその通常の焼入温度の７９０〜８３０℃よりも高温の焼入温度である８５０〜８８０℃で高温焼入れすることにより、残留オーステナイトを２５％以上に増加させ、転がり軸受用途とするものが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

さらに、焼入れ時における割れ対策を講じたものに以下の特許文献２〜４がある。先ず、オーステナイト結晶粒度が１０番を超える範囲にあり、かつ、残留オーステナイト量が１１〜２５％である転がり軸受を得るために、焼入れを２回行う２次焼入れ方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、この方法では焼入れ作業が複数回であるために、コストが高く、また熱処理歪量が大きくなる問題がある。

さらに、残留オーステナイトを得る方法として、浸炭又は浸炭窒化処理する方法が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。しかし、この方法では、ずぶ焼入れに比べて熱処理時間が長くかかるので生産性が悪く、コストが高くなり、また、浸炭雰囲気のばらつきの影響を受けて熱処理品質にばらつきが生じ易い問題がある。

さらに、Ｈｖ７７２以上の表面硬さを有し、焼戻し後の残留オーステナイトの含有量が１３ｖｏｌ％以上を得る方法として、焼戻しを高周波誘導加熱により短時間焼戻しとする方法が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。しかし、この方法では、部位により焼戻温度にムラが生じて不安定な焼戻し状態となるため、安定した寿命が得られず、使用中の変寸の原因にもなる問題がある。

特開昭５４−１６３２４号公報 特開２００５−１３３９２１号公報 特開平９−７２３４２号公報 特開２００２−２４２９４１号公報

従来から機械部品用の鋼として使用されているＳＵＪ２のようなＭｎ成分の低い材料では、変態点（Ａｃ₁、Ｍｓ点）が高いため、本発明と同じ焼入温度でも残留オーステナイトが十分に得られない。ここで残留オーステナイトを得る目的で、さらに炭素を固溶させるため焼入温度を上げた場合には、球状化セメンタイトが固溶して結晶粒の成長抑制力が無くなり、結晶粒の粗大化が起こって衝撃値が低下する問題があった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ずぶ焼入れで異物混入環境下の転動寿命に優れた鋼製の機械部品の製造方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明は、機械部品用の鋼として、単純なずぶ焼入れ・焼戻し処理により高い特性を安定して得られる高炭素クロム軸受鋼の成分からなる鋼を使用し、しかもその変態点（Ａｃ₁点、Ｍｓ点）の温度を低下させるために、Ｍｎの多い成分系の鋼材とし、異物混入の環境下でも長寿命とするために、焼入れ・焼戻し状態での表面硬さを６０〜６４ＨＲｃとし、Ｍｓ点を下げることで残留オーステナイト２０〜３０％を得るものとする。

さらに、機械部品の長寿命、耐衝撃性を確保するために、機械部品の鋼材の旧オーステナイト結晶粒度を９番以上とする。さらに高い表面硬さを得るために、マトリックスに十分な炭素を溶かしこみ、さらに、従来の焼入温度の下限値を８００℃とするものに比し、それより高温の焼入温度とするため、さらに、高い残留オーステナイト量を得るために、焼入温度の下限を８５０℃とする。しかも、炭素を溶かしこむことでＭｓ点を下げ、残留オーステナイトを出やすくするために、さらに焼入温度を高温とする。しかし、炭素を過剰に溶かし込むと、Ｍｓ点が下がり過ぎて残留オーステナイトが過剰となって硬さが低下するため、また結晶粒の粗大化を防止するため、焼入温度を８９０℃以下とする。

本発明の手段では、高炭素クロム軸受鋼の鋼材の結晶粒粗大化を防止するために球状化セメンタイトを用いている。しかし、温度が上がり過ぎると、球状化セメンタイトが固溶してその粒子数が減少することとなり、結晶粒が粗大化する。そこで、球状化セメンタイトを結晶粒の粗大化を防止する粒子として活用するため、焼入れ前の状態で鋼材を球状化組織として球状化セメンタイトの数を１．２×１０⁶個／ｍｍ²以上とする。この個数よりも球状化セメンタイト数が少ないと、結晶成長抑制力が小さく、低い焼入温度でも結晶粒が粗大化する。一方、球状化セメンタイト数は多い方が良いが、多くなりあまり細かくなりすぎると、後工程の焼入れ時に過固溶するので、上限を１００×１０⁶個／ｍｍ²とする。焼入れ時に結晶成長抑制粒子として作用する球状化セメンタイトの個数は、球状化焼鈍時の昇温中にパーライト中の層状炭化物が分断する温度域の昇温速度で決まる。そこで、この発明の手段では、必要なセメンタイト粒子の個数を得るために、球状化焼鈍時に７２０〜７６０℃の範囲の平均昇温速度を１０℃／ｈｒ以上とする。

この平均昇温速度が１０℃／ｈｒ未満では、単位面積当たりの球状化セメンタイト数が１．２×１０⁶個／ｍｍ²未満となるからで、この場合は本発明の焼入温度にて結晶粒が粗大化し旧オーステナイト結晶粒の粒度が９度に達しない。この平均速度の上限は２４０℃／Ｈｒで、これは、これ以上の昇温速度の加熱炉を製作することが現在の技術で困難なことによる。なお、本発明における平均昇温速度とは、７２０℃から７６０℃まで４０℃上昇するのにかかった時間で、この上昇温度の４０℃を割った値を指している。焼戻温度は高くなりすぎると硬さが低下すると共に残留オーステナイトの分解が起こるため２５０℃以下とする。

このようにして製造する本発明の機械部品のターゲットとしては、ボールネジやワンウェイクラッチの機械部品で、これらの製造は、本発明における鋼材または鍛造品を本発明における球状化処理を行った後、切削および研削等の機械加工により形状化し、従来の高炭素軸受鋼よりも焼入れ温度を高温としてずぶ焼入れ・焼戻し処理によって機械部品とする。

以上のように、本発明の手段では、焼入れ前の炭化物の制御と焼入れによるＡｌＮでの結晶粒度の微細化とで鋼部品の割れを低減し、その用途を転がり軸受以外にも適用可能なものとした。

すなわち、本発明の課題を解決するための手段は、請求項１の発明では、質量％で、Ｃ：０．９０〜１．２０％、Ｓｉ≦１．０％、Ｍｎ：０．９〜２．０％、Ｃｒ：０．９０〜１．６％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．００５０〜０．０２００％、Ｐ≦０．０２５％、Ｓ≦０．０２５％、Ｏ≦０．００１５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物である高炭素クロム軸受鋼からなる鋼材または該鋼材を鍛造した鍛造品を７２０〜７６０℃の間の昇温時の平均昇温速度を１０℃／ｈｒ以上として球状化焼鈍して組織をフェライトおよび球状化セメンタイトとし、さらに機械加工により機械部品に形状化した後、形状化した機械部品を８５０〜８９０℃から焼入れした後、２５０℃以下の温度に焼戻しする熱処理を行うことを特徴とする表面硬さ６０〜６４ＨＲＣ、残留オーステナイト量２０〜３０％、旧オーステナイト結晶粒度９番以上を有するボールネジまたはワンウェイクラッチ用部品の製造方法である。

請求項２の発明では、球状化セメンタイトはその個数を１ｍｍ²あたり１．２×１０⁶個以上としたことを特徴とする請求項１に記載の表面硬さ６０〜６４ＨＲＣ、残留オーステナイト量２０〜３０％、旧オーステナイト結晶粒度９番以上を有するボールネジまたはワンウェイクラッチ用部品の製造方法である。

上記の発明における鋼の成分限定理由を以下に説明する。なお、％は質量％を示す。

Ｃ：０．９０〜１．２０％
Ｃは焼入性を付与する元素で、０．９０％以上とするのは焼入れ時にピンニング効果を付与する炭化物を残しつつ焼入れ硬さを得るためで、Ｃを１．２０％以下とするのは寿命低下の原因となる巨大炭化物の生成を防止するためである。そこで、Ｃは０．９０〜１．２０％とする。

Ｓｉ≦１．０％
Ｓｉが１．０％を超えて含有されると加工性を低下させるので、Ｓｉは１％以下とする。

Ｍｎ：０．９〜２．０％
Ｍｎは変態点温度のＡｃ₁、Ｍｓ点を下げるため、低温で焼入れが可能となり、残留オーステナイトを多くする元素であるので、Ｍｎを０．９以上とする。しかし、Ｍｎが２．０％を超えると焼入れ後の残留オーステナイトが過剰となり、適正な焼入れ硬さが得られない。そこでＭｎは０．９〜２．０％とする。

Ｐ≦０．０２５％
Ｐは０．０２５％を超えて含まれると、粒界を脆化させ耐衝撃性を下げる。そこで、Ｐは０．０２５％以下とする。

Ｓ≦０．０２５％
Ｓが０．０２５％を超えて含まれると、硫化物の生成により転勤寿命が低下する。そこで、Ｓは０．０２５％以下とする。

Ｃｒ：０．９０〜１．６％
Ｃｒを０．９０％以上とするのは、適正な球状化炭化物を得るためである。しかし、Ｃｒが１．６％を超えると焼入れ時に炭化物が溶け込み難くなり、焼入温度を上げないと硬さが得られなくなる。そこでＣｒは０．９０〜１．６％とする。

Ａｌ：０．００５〜０．０５０％
Ａｌは０．００５％以上とするのは脱酸および結晶粒度を微細に調整のためである。しかし、Ａｌを０．０５０％より過剰に含有すると、介在物が生成すると共に変態点を上げるため、残留オーステナイトが得られなくなる。そこで、Ａｌは０．００５〜０．０５０％とする。

Ｎ：０．００５０〜０．０２００％
ＮはＡｌと結合して結晶粒度を微細にする元素であり、結晶粒度を微細化するためにＮは０．００５０％以上を必要とする。しかし、Ｎが０．０２００％を超えてもその効果は飽和し、かつ、キズ発生の原因となる。そこで、Ｎは０．００５０〜０．０２００％とする。

Ｏ≦０．００１５％
Ｏは酸化物を形成して介在物となり含有されると、ボールネジまたはワンウェイクラッチ用部品などの鋼機械部品の寿命を低下させるなどの機械的性質を阻害するので、Ｏは０．００１５％以下とする。

本発明は高炭素軸受鋼の焼入温度を従来より高温とし、残留オーステナイト量を高め、かつＭｎの含有量をＳＵＪ２などの高炭素軸受鋼の含有量に比して高い含有成分値の材料を選択することにより結晶粒を粗大化させる温度域未満の温度での焼入れを可能としたことで、本発明の製造方法により製造された鋼機械部品は、Ｌ₅₀寿命およびシャルピー衝撃値が十分に高い値を示し、高い面圧を受け、かつ、長寿命を必要とする機械部品が得られるなど、本発明の方法は従来にない優れた効果を奏するものである。

本発明を実施するための最良の形態について以下に記載の実施例を通じて説明する。

表１に示す成分組成を含有する高炭素クロム軸受鋼の１００ｋｇ鋼塊を溶製し、この１００ｋｇ鋼塊を鍛伸してφ６５ｍｍ径の鋼材とした。次いで、この鋼材を加熱し、特に７２０〜７６０℃の間の昇温速度を２０℃／ｈｒとし、最高点温度８００℃で合計１４時間の球状化焼鈍を行った。この球状化処理した鋼材からスラスト型転勤疲労試験片および１０ＲＣノッチの衝撃試験片を採取し、表１に示すＡ〜ＢおよびＤ〜Ｇの組成からなる供試材とした。なお、供試材のＥ、Ｆ、Ｇは網かけで示す成分が本発明の成分範囲から逸脱する比較例を示す。

これらのＡ〜ＢおよびＤ〜Ｇの各組成の供試材をそれぞれ８４０〜９００℃の焼入温度に加熱して３０分間保持した後、５０℃の油中に焼入れした。次いで、焼入れした供試材を１８０℃で９０分間保持して焼戻しを行った。この焼入れ、焼戻し後に表面硬さ、残留オーステナイト量、オーステナイト結晶粒度を測定した。なお、残留オーステナイト量はＸ線回折によりマルテンサイトとオーステナイトの回折強度の比較で測定した。旧オーステナイト結晶粒度は、供試材をピクリン酸飽和水溶液にて結晶粒界を現出させた後、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に示される計数方法により、断面積１ｍｍ²当たりの結晶粒の数ｍを計算し、ｍ＝８×２^Gの関係式から粒度番号Ｇを求めた。さらに、Ｌ₅₀寿命で示す転動疲労寿命はスラスト型転動疲労試験機を用い、潤滑油１リットル当たりに、硬さが７００〜７５０ＨＶで１００〜１５０μｍ径の金属粉を１ｇ混入させ、異物混入下における転動疲労寿命を調査し、ワイブル統計処理により５０％破損寿命を評価指標として求めた。さらにシャルピー衝撃試験を行い、シャルピー衝撃値を得た。これらを表２に示す。なお、表２において、網かけで示す、焼入温度、表面硬さ、残留オーステナイト、旧オーステナイト結晶粒度の各値は本発明の請求項から逸脱するもので、その結果、Ｌ₅₀寿命、シャルピー衝撃値の劣っているものも網かけで示している。

これらの結果、本発明における鋼の成分組成である供試材Ａ、供試材Ｂ、供試材Ｄにおいて、焼入温度を本発明の８５０〜８９０℃とする鋼材からなるものでは、焼入温度、表面硬さ、残留オーステナイト、旧オーステナイト結晶粒度、Ｌ₅₀寿命、シャルピー衝撃値の全てにおいて優れた値を示している。

さらに、表３に示すように、球状化焼鈍時の昇温速度を変化させるため、上記と同様に供試材Ａからなる１００ｋｇ鋼塊を溶製し、この１００ｋｇ鋼塊を鍛伸してφ６５ｍｍ径の４個の鋼材とした。これらの４個の鋼材を７２０〜７６０℃の間を４０℃／ｈｒ、２０℃／ｈｒ、１０℃／ｈｒ、７℃／ｈｒの４種類の昇温速度として上記と同様に最高点温度８００℃で合計１４時間の球状化焼鈍をし、画像解析処理を用い単位面積当たりの球状化セメンタイト数を測定した。得られた４種類の供試材から試験片を割出し、８８０℃の焼入れ温度に加熱して３０分間保持した後、５０℃の油中に焼入れし、次いで１８０℃で９０分間保持して焼戻しを行った後、表２と同様の項目について測定した。さらに、Ｌ₅₀寿命で示す転動疲労寿命はスラスト型転動疲労試験機を用い、潤滑油１リットル当たりに、硬さが７００〜７５０ＨＶで１００〜１５０μｍ径の金属粉を１ｇ混入させ、異物混入下における転動疲労寿命を調査し、ワイブル統計処理により５０％破損寿命を評価指標として求めた。さらにシャルピー衝撃試験を行い、シャルピー衝撃値を得て、これらを表３に示す。

７２０〜７６０℃の平均昇温速度が７℃／ｈｒの場合は、単位面積当たりのセメンタイト数が１．１×１０⁶／ｍｍ²と１．２×１０⁶／ｍｍ²より少なく、この場合は旧オーステナイト結晶粒度が７．８と目的とする粒度番号の９番に達しなかった。転動疲労寿命のＬ₅₀寿命も９．７×１０⁶回と低く、シャルピー衝撃値も１１Ｊ／ｃｍ²と低かった。これに対し、平気昇温速度が１０℃／ｈｒ、２０℃／ｈｒ、４０℃／ｈｒの場合は、単位面積当たりのセメンタイト数も多く、旧オーステナイト結晶粒度も９番以上で、Ｌ₅₀寿命、シャルピー衝撃値も高いものであった。以上のように、本発明における鋼材は、Ｌ₅₀寿命およびシャルピー衝撃値が十分に高い値を示すので、高い面圧を受け、長寿命を必要とする機械部品であるボールネジまたはワンウェイクラッチ用部品として用いることが可能であり、これらに本発明の製造方法は適用することができる。

Claims (2)

1. 質量％で、Ｃ：０．９０〜１．２０％、Ｓｉ≦１．０％、Ｍｎ：０．９〜２．０％、Ｃｒ：０．９０〜１．６％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．００５０〜０．０２００％、Ｐ≦０．０２５％、Ｓ≦０．０２５％、Ｏ≦０．００１５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物である高炭素クロム軸受鋼からなる鋼材または該鋼材を鍛造した鍛造品を７２０〜７６０℃の間の昇温時の平均昇温速度を１０℃／ｈｒ以上として球状化焼鈍して組織をフェライトおよび球状化セメンタイトとし、さらに機械加工により機械部品に形状化した後、形状化した機械部品を８５０〜８９０℃から焼入れした後、２５０℃以下の温度に焼戻しする熱処理を行うことを特徴とする表面硬さ６０〜６４ＨＲＣ、残留オーステナイト量２０〜３０％、旧オーステナイト結晶粒度９番以上を有するボールネジまたはワンウェイクラッチ用部品の製造方法。
2. 球状化セメンタイトはその個数を１ｍｍ²あたり１．２×１０⁶個以上としたことを特徴とする請求項１に記載の表面硬さ６０〜６４ＨＲＣ、残留オーステナイト量２０〜３０％、旧オーステナイト結晶粒度９番以上を有するボールネジまたはワンウェイクラッチ用部品の製造方法。