JPH02149616A - 窒化処理した鋼部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は窒化処理した鋼部材の製造方法に関し、特に鋼
部材に窒化処理とショットピーニング処理を施し疲労寿
命に優れる鋼部材を製造する方法に関する。

〔従来技術〕

従来、鋼部材を用いて疲労強度に優れる歯車などの鋼部
材を製造する技術として、鋼部材に浸炭処理を施す技術
と、鋼部材に窒化処理や軟窒化処理を施す技術が広く実
用化されている。

上記窒化処理や軟窒化処理を施すと、鋼部材の表層に窒
化鉄（ＦｅｚＮ、　ＦｅＪ、　ＦＥ１４Ｎ）からなる高
硬度の窒化物被膜が形成され、同時に鋼部材の内部にも
窒化物（拡散硬化層）が形成され、疲労寿命が著しく向
上する。

上記表層の窒化物被膜の内側の拡散硬化層を極力深く形
成することが重要であるとの観点から、窒化処理に際し
鋼組織を最適化し、金属組織をフェライト＋パーライト
組織にすることも提案されている（特公昭６１−３１１
８４号公報参照）。

一方、鋼部材の疲労寿命を高める技術として、ショット
ピーニング処理により鋼部材の表層部及び内部に圧縮残
留応力を付与し且つ加工硬化によりマルテンサイト組織
とする技術も広く実用化されている。

歯車などの鋼部材では、上記浸炭処理後の鋼部材ニショ
ットヒーニング処理を施すことにより疲労寿命を更に改
善する技術も法用化されているけれども、窒化処理や軟
窒化処理を施した鋼部材にショットピーニング処理を施
すと、高硬度で脆い窒化物に多数のクランクが発生して
窒化処理や軟窒化処理の効果が失なわれてしまうので、
窒化処理や軟窒化処理とショットピーニング処理を併用
する技術は実用化されていない。

但し、エンジンのバルブスプリングなどに関しては、鋼
部材を窒化処理後、電解研磨処理などによって表層の窒
化物被膜を除去してからショットピーニング処理を施す
技術も実用化されているが、このようにすると窒化物被
膜を除去してしまうので窒化処理の効果が大幅に減殺さ
れてしまう。

〔発明が解決しようとする課題］ 上記窒化処理や軟窒化処理を施した鋼部材にショットピ
ーニング処理を施した場合に、窒化物に多数のクラック
が発生する原因について考察してみると、次の３点が考
えられる。

（１）窒化鉄（ＦｅｚＮ、　ＦｅＪ、　Ｆｅ４Ｎ）から
なる窒化物被膜が本質的に高硬度で脆いこと、 （２）鋼部材の窒化物被膜下の基材の靭性が十分でなく
、ショットピーニングの打撃力によって降伏状態となり
、窒化物被膜を基材の内部より支持する支持作用が失な
われること、 （３）窒化処理や軟窒化処理した鋼部材に対するショッ
トピーニング処理条件が適正でないこと、などの原因が
考えられる。

上記公報に記載のように、フェライト＋パーライト組織
の鋼部材に窒化処理を施し、且つショットピーニングを
施す場合には、フェライト＋パーライト組織は余り硬度
が高くないことがら、上記（２）の原因により窒化物被
膜へのクラックの発生は避けられず、実用に適さない。

本発明の目的は、上記（２）と（３）の原因を除去し、
窒化処理や軟窒化処理を施した鋼部材にショットピーニ
ングを施す技術を確立して疲労寿命を大幅に改善した鋼
部材の製造方法を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る窒化処理した鋼部材の製造方法は、鋼部材
を、熱間鍛造後冷却するか或いはオーステナイト化温度
以上に加熱した後冷却して、ベイナイトを主体とする金
属組織とし、次にこの鋼部材に窒化処理又は軟窒化処理
を施し、次にこの鋼部材に、ショット径／窒化化合物膜
厚＝１５〜６ｏ、ショットのロックウェル硬さ＝４５〜
６０、ショット速度＝５０〜１２０　ｍ／ｓｅｃの条件
にてショットピーニング処理を施すものである。

〔作用〕

本発明に係る窒化処理した鋼部材の製造方法においては
、先ず、鋼部材を熱間鍛造後冷却するが或いはオーステ
ナイト化温度以上に加熱した後冷却して、ベイナイトを
主体とする金属組織とする。

ベイナイトの金属組織は、マルテンサイトよりは低硬度
であるものの非常に硬度が高く、フェライト＋パーライ
ト組織よりも硬く靭性も高いので、ショットピーニング
処理を施したときにも鋼部材の内部が降伏状態とならず
に表層の窒化物被膜を内部より支持する支持作用を維持
することになる。

上記ベイナイト組織は窒化化合物を生成し易いので、ベ
イナイト組織とすることは有利であるが、ベイナイト組
織の面積率は５０％以上であることが望ましい。残りは
フェライト、パーライト、ソルバイト（焼戻しマルテン
サイト）である。

次に、上記鋼部材に窒化処理又は軟窒化処理を施すと、
鋼部材の表層には約１０μｍ程度乃至数１０Ｘ／１１の
膜厚の窒化鉄（ＦｅｚＮ、、Ｆｅ：＋Ｎ、　ＦｅＪ）の
窒化化合物の被膜が形成されるとともに、内部にも窒素
原子が拡散して窒化鉄が形成される。

次に、上記鋼部材にショットピーニング処理を施すので
あるが、そのショットピーニングが、ショット径／窒化
化合物膜厚（Ｄ／ｌ）　−１５〜６０、ショットのロッ
クウェル硬さ（Ｈ，Ｃ）−４５〜６０、ショット速度（
Ｖ）　＝　１５〜１２０　ｍ／ｓｅｅのショットピーニ
ング条件で施される。

ここで、Ｄ／ｌ＜　１５では、窒化化合物の被膜下の金
属組織にショットピーニングの作用がおよばず、残留応
力の形成が不十分となり、ショットピニングによる疲労
寿命の改善を図り得ない。

方、Ｄ／ｌ＞６０では、ショットの打撃力が過大となっ
て窒化化合物の被膜下の金属組織が降伏状態となり、上
記被膜にクラックが発生する。

ＨＲＣ＜４５では、ショットピーニングの加工力に乏し
いため、被膜下の金属組織中の残留圧縮応力の形成が不
十分となる。また、ＨＲＣ＞６０では、ショットが硬す
ぎて被膜にクランクが発生する。Ｖ　＜　５０　ｍ／ｓ
ｅｃでは、ショットの運動エネルギが十分でなく、加工
力が不足し、またＶ＞１２０　ｍ／ｓｅｃでは、ショッ
トの運動エネルギが過大となるため被膜にクラックが発
生する。

上記のようにして窒化処理した鋼部材を製造すると、鋼
部材の金属組織は硬く靭性に優れ、その表層には窒化化
合物の被膜が形成されるとともに内部金属組織中にも拡
散により拡散窒化物層が形成されて硬度並びに疲労寿命
が改善され、且つショットピーニング処理によって、窒
化化合物被膜にクランクを発生させることなく、窒化化
合物被膜下の金属組織に適正に残留圧縮応力が形成され
、この残留圧縮応力の作用により疲労寿命が改善される
。

（発明の効果〕 本発明に係る窒化処理した鋼部材の製造方法によれば、
上記〔作用〕の項で説明したように、鋼部材の金属組織
をベイナイトを主体とする組織にし、窒化処理又は軟窒
化処理を施し、前記所定の条件でショットピーニング処
理を施す、というプロセスによって、窒化化合物の被膜
を破壊することなく、窒化処理又は軟窒化処理した鋼部
材にショットピーニング処理を施すことが可能となる。

これにより、窒化処理又は軟窒化処理した鋼部材であっ
て疲労寿命が飛躍的に向上した鋼部材を製造することが
可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

本実施例に係る窒化処理した鋼部材の製造方法について
、第１図に基いて説明しておく。

本願の製造方法を通用するのに適した鋼材料としては、
重量％にてＣが０．１５〜０．３５、Ｓｉが０．５０以
下、Ｍｎが０．５０〜１．２０、Ｃｒが０．８０〜１．
２０、■が　０゜０５〜０．２０、Ｍｏが０．０５〜０
．５０を含んだ鋼であることが望ましい。

先ず、鋼材を熱間鍛造に供するのに適した形状に切断し
、次にその鋼材を熱間鍛造して所定の形状の鋼部材とす
る。但し、この熱間鍛造するときの温度はオーステナイ
ト化温度（約７３０°Ｃ）よりも高い。

次に、上記熱間鍛造されオーステナイト化温度よりも高
温の鋼部材を０．４〜４．０°Ｃ／ｓｅｃの冷却速度で
調整冷却により鋼部材の金属組織をベイナイトを主体と
する組織にする。或いは、熱間鍛造後冷却してから再び
オーステナイト化温度以上に加熱後調整冷却により鋼部
材の金属組織をベイナイトを主体とする組織にする。上
記ベイナイトを主体とする組織にするのに従来周知の恒
温冷却により行なってもよいが、上記のような鋼材料を
用いる場合には、焼入れ性向上元素であるＭｏとＭｎと
Ｃｒとを適当に添加しであるので上記のように連続的な
調整冷却によってベイナイト組織とすることが出来る。

上記゛ベイナイトを主体とする金属組織は、フェライト
士ベイナイト組織であってもよいが、面積率で５０％以
上のベイナイトを含むことが望ましい。

次に、上記ベイナイトを主体とする金属組織の鋼部材を
機械加工し、或いは必要に応じて焼戻し処理を施してか
ら機械加工して機械部品の形状にする。この場合、フェ
ライト＋ベイナイト＋ソルバイト（焼戻しマルテンサイ
ト）の金属組織となるが、面積率で５０％以上のヘイナ
イトを含むことが望ましい。

次に、上記鋼部材に窒化処理又は軟窒化処理を施し、鋼
部材の表層に約１０μｍ程度の窒化鉄（ＦｅｚＮ、　Ｆ
ｅ＝Ｎ、　Ｆｅ、Ｎ）の被膜を形成するとともに内部に
は拡散窒化層を形成する。上記窒化処理や軟窒化処理の
技術は公知のものなので詳しい説明は省略する。

次に、上記鋼部材に、ショット径（Ｄ）／窒化鉄液膜厚
（ｔ）＝１５〜６０、ショットのロックウェル硬さ（Ｈ
，ＩＣ）＝４５〜６０、ショット速度（Ｖ）＝５０〜１
２０ｍ／ｓｅｃの条件にてショットピーニング処理を施
す。但し、ショット径（Ｄ）と膜厚（１）は何れも同じ
単位（例えばμｍ）での値を用いる。

上記の製造方法により得られる鋼部材は、ベイナイト組
織の利点（高硬度で靭性が高いこと）に加えて、窒化処
理による利点（高硬度の窒化鉄被膜及び拡散窒化層を有
し、疲労寿命に優れること）と、ショットピーニング処
理による利点（内部の金属組織に残留圧縮応力が形成さ
れて疲労寿命に優れること）と兼備したものとなる。

次に、ショットピーニング処理の処理条件と疲労寿命の
向上との相関関係を調べる為に実際に行なった実験例■
と実験例■について説明する。

〈実験例Ｉ〉 使用した鋼材の組成を次の第１表に示す。

第１表 （化学成分　％） （１）　　試験片の作成 上記組成の鋼材を熱間鍛造後９００°Ｃに加熱し、次に
１．０°Ｃ／ｓｅｃの冷却速度で冷却しオーステンパー
処理して、フェライト＋ベイナイト組織（ヘイナイトの
面積率７０％）の試験片を製作した。

次に上記試験片を機械加工して直径−１０ｍｍ、切欠Ｒ
＝１．０ｍｍの疲労試験片を作成した。

（２）窒化処理 次に、上記試験片に、５７０°（：　Ｘ　３Ｈｒ、　Ｎ
　Ｈ３／ＲＸ＝５０１５０の条件にてガス軟窒化処理を
施した。この窒化処理により表面に形成された窒化鉄被
膜の膜厚は１０μｍであった。尚、上記ＲＸは吸熱型変
性ガスである。

（３）　　ショットピーニング処理 上記疲労試験片に種々の径のスチールショットを用いて
ショットピーニング処理を施してから疲労試験片を疲労
試験に供した。

ショットピーニングの条件は、ショットのロックウェル
硬さ（Ｈ，Ｃ）＝４８、ショット速度（Ｖ）　＝８０ｍ
／ｓｅｃ　、疲労試験応力＝　４５　Ｋｇｆ／ｍｍ”で
あった。

（４）疲労試験結果 疲労試験結果をショット径（Ｄ）、窒化鉄被膜の膜厚（
１）とし、Ｄ／Ｔのパラメータを横軸に、また疲労寿命
比を縦軸にして整理すると第１図のような結果が得られ
た。ここで、疲労寿命比＝１゜０は窒化処理したままで
ショットピーニング処理を施さない試験片の場合である
。

第１図から判るように、Ｄ／Ｔ＝　１５〜６０の範囲の
ときに疲労寿命が４倍以上向上した。

Ｄ／Ｔ＜　１５では、ショット径（Ｄ）が小さく或いは
被膜の膜厚（１）が大きいために、ショットによるヘル
ツの接触応力が表層部に発生し、窒化鉄被膜下にショッ
トピーニングの影響が及ばず、残留圧縮応力の形成が不
十分となることから、疲労寿命の向上が不十分となる。

Ｄ／Ｔ＞６０では、ショットの打撃力が過大で且つヘル
・ンの接触応力が内部に及び、内部の銅材料が降伏状態
となって表層の窒化鉄被膜を内側から支持する支持作用
が不十分となり、窒化鉄被膜にクラックが発生しやすく
なることから、疲労寿命の向上が不十分となる。

く実験例■〉 上記実験例Ｉと同様に製作した試験片にショット径（Ｄ
）０．４ｍｍ、つまりＤ／Ｔ＝４０で且つショットの硬
さとショット速度を変えてショットピーニング処理を施
し、疲労試験（疲労試験応力−４５にｇｆ／ｍｍ”　）
に供した。

その結果、次の第２表のような結果となり、それを図示
すると第３図のようになった。

（来夏　以下余白） 第２表 第２表及び第３図から判るように、ショットのロックウ
ェル硬さ（Ｈ，Ｃ）−４５〜６０、ショット速度（Ｖ）
　−５０〜１２０ｍ１ｓｅｃの範囲のときに疲労寿命が
４倍以上に向上する。

１１、Ｉｃ＜４５では、ショットの加工力が小さく、残
留圧縮応力の形成が不十分となることから、疲労寿命の
向上が十分でない。

）！、Ｃ＞６０では、ショットの硬さが過大で、窒化鉄
被膜にクラックが発生することから、疲労寿命の向上が
十分でない。

また、ショット速度（Ｖ）　＜　５０ｍ／ｓｅｃでは、
ショットの運動エネルギが不十分で、加工力が不足する
ため疲労寿命の向上が十分でない。ショット速度（Ｖ）
　＞　１２０ｍ／ｓｅｃでは、ショットの加工力が過大
となるため疲労寿命の向上が十分でない。

上記実験例１と実験例■の結果を総合すると、結局量も
望ましいショットピーニング処理の条件は次のようにな
る。

（ｉ）ショット径（Ｄ）／窒化鉄被膜の膜厚（１）　−
１５〜６０、 （ｉｉ　）　　ショットのロックウェル硬さ（Ｈ，ＩＣ
）−４５〜６０、 （ｉｉｉ　）ショット速度（Ｖ）　＝５０〜１２０ｍ／
ｓｅｃ上記のように、鋼部材をベイナイトを主体とする
金属組織とし、その鋼部材に窒化処理や軟窒化処理を施
し、その後上記の条件でショットピーニング処理を施す
と、前述の如くベイナイトの特性と窒化処理により得ら
れる特性とショットピーニング処理により得られる特性
とを兼備した鋼部材を製造することが出来る。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例に係るもので、第１図は本実施例
に係る窒化処理した鋼部材の製造方法の製造工程図、第
２図は実験例Ｉで得られたショット径／窒化鉄被膜の膜
厚と疲労寿命比の関係を示す線図、第３図は実験例■で
得られたショットのロックウェル硬さとショット速度と
疲労寿命比の関係を示す図である。 第１図 第２図 ショット径（Ｄ） 窒イｂとｔｉ１階タジデ豐Ｊ１町（【）第３図 ショットのロックウェル硬さ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）鋼部材を、熱間鍛造後冷却するか或いはオーステ
   ナイト化温度以上に加熱した後冷却して、ベイナイトを
   主体とする金属組織とし、 次にこの鋼部材に窒化処理又は軟窒化処理を施し、 次にこの鋼部材に、ショット径／窒化化合物膜厚＝１５
   〜６０、ショットのロックウェル硬さ＝４５〜６０、シ
   ョット速度＝５０〜１２０ｍ／ｓｅｃの条件にてショッ
   トピーニング処理を施すことを特徴とする窒化処理した
   鋼部材の製造方法。