JPS6179719A - 加工熱処理法 - 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、動力伝達軸、歯車等の動力伝達用構成部品な
ど、機械部品や構造部材の疲労強度を著しく高めること
のできる加工熱処理法に関するものである。

従来の技術 従来、機械部品や構造部材の繰返し荷重に対する疲労強
度向上のため、表面層に圧縮残留応力を生せしめると同
時に表面層を硬化する方法としては、 （α）浸炭、窒化、タフトライド処理、高周波焼入れ等
の各種熱処理、 （ｂ）表面圧延、ショットピーニング等の表面冷間加工
、 （Ｃ）　　オースフォーミング等の加工熱処理、が採用
されている。

しかしながら、オースフォーミングに代表される上記（
Ｃ）の加工熱処理は、強加工を施すため圧延等を行なう
ので、動力伝達軸のような複雑な形状のものには加工し
難いという欠点があると共に、Ｃｒ等の含有量の多い高
合金鋼を使用するため高価であるという難点がある。

一方、前記（α）及び（Ａ）の表面硬化法は、加工の点
で問題がないことから広く行なわれている。

例えば、特開昭５４−１６４０７９号公報には、抜加工
物に引張応力を生じさせるため金属の被加工物を心棒に
締め付け、次いでショットピーニングにより被加工物の
表面に圧縮応力を誘起せしめ、被加工物の外面に残留圧
縮応力を生ぜしめる方法が提案されている。しかしなが
ら、このようなショットピーニングなどの上記＜ｂ＞の
表面冷間加工並びに上記（α）の熱処理法においては、
回転曲げ疲労強度（１００回）が５０〜９０　ｋｇ／ａ
程度であり、（Ｃ）の加工熱処理法による場合の１００
〜ｌ　ｌ　ＯｋｇＡｊに比べて低いという問題がある。

発明の背景ないし基礎知見 本発明者らは、鉄系金属部品の疲労強度を向上させるた
め、前記（α）の熱処理と（ｈ）のショットピーニング
を組み合わせた方法、すなわち、熱処理後にショットピ
ーニングを行ない、表面層の加工硬化と圧縮残留応力の
付与により疲労強度の向上を図ることができる処理法を
見い出し、別途特許出願している（特願昭５９−７２９
９７号及び特願昭５９−７２９９８号）。すなわち、浸
炭部品に最適の条件でショットピーニングを施した場合
、加工硬化により最大Ｈｖ中１０００程度の硬さが得ら
れ、また圧縮残留応力は最大約１２０に９．−にも達し
、疲労強度は浸炭のみの場合の１．５倍と著しく向上し
、表面粗さも３．２〜５．５Ｓ程度とかなり良好である
。

しかしながら、ショットピーニングによって得られる加
工層及び圧縮残留応力層は高々０・２〜０．３１１１１
１にすぎないという難点がある。従って、被処理品の寸
法が大きくなる程、寸法効果により疲労強度の向上率は
減じることになる。

そこで、本発明者らはさらに、加工層及び圧縮残留応力
層を増すために、オースフォーミング処理（泪をオース
テナイト化後適当な温度域に急冷し、適冷オーステナイ
トに機械的加工を施す加工熱処理法）とショットピーニ
ング処理とを組み合わせた処理法を開発し、別途特許出
願している（特願昭５９−１８３９２　）。すなわち、
この処理法は、前記した（ｃ）の加工熱処理の範嗜に属
するものであるが、その代表例であるオースフォーミン
グが、中炭素及が高炭素合金鋼をオーステナイト化温度
に加熱し、５ＥｌｌｌｌＩ線のオーステナイト湾（４０
０〜７ｏｏ℃）まで急冷し、この温度で圧延等による塑
性変形を与えて常温まで急冷するのに対し、低炭素低合
金鋼に浸炭焼入れ・焼戻しを施した謂を素材として用い
ること、及びこれを８ｏｏ〜８５０１：のオーステナイ
ト化温度に再加熱し、３００〜５５０　℃の熱浴に急冷
し、一定時間保持後シヨツトピーニングを開始し、表面
層の加工及びショットによる＋ＩＯ〜１３０℃／（各温
度から２ｏｏ℃まで）の冷却を行ない、室温近傍まで冷
却しながら加工を施すことを特徴とするものである。

このような処理法を採用することにより、加工層及び圧
縮残留応力層を０．５〜Ｑ、６錦と通常のショットピー
ニング処理の場合のほぼ２倍とすることができる。しか
し、この処理の場合、中温域（３００〜５５０　℃）か
らの加工であるために、表面粗さが２０〜２７５程度と
なり、通常のショットピーニング処理に比べて寸法精度
が悪くなる。また、圧縮残留応力分布は、上記のように
約２倍の深さまで高いレベルを維持するが、その絶対値
は−９０〜−＋００＃／ｊと通常のショットピーニング
よす低い。

発明が解決しようとする問題点 従って、従来技術から見た場合の本発明の一般的目的は
、前記した従来法の欠点を改善し、複雑な形状の部品に
も容易に加工できると共に、動力伝達軸、歯車等の動力
伝達用構成部品など、機械部品や構造部材の疲労強度を
著しく高めることのできる加工熱処理法を提供すること
にある。

また、上記本発明者らの関連発明から見た場合の本発明
の直接的目的は、前記オース７オーミング処理士ショッ
トピーニング処理による疲労強度向上法の欠点である表
面粗さを改善し、かつ疲労強度の向上に寄与の大きい圧
縮残留応力をより一層高めることのできる加工熱処理法
を提供することにある。

問題点を解決するための手段及び作用 本発明に係る加工熱処理法は、前記目的を達成するため
、浸炭処理を施して表面炭素濃度を０．７〜０．９％と
した低炭素低合金鋼を、８００〜８５０℃のオーステナ
イト域に再加熱後、３００〜５５０℃の熱浴に急冷し、
一定時間保持後、この’ｔＭＷ範囲からショットピーニ
ングを施し、浸炭層のノ動点以下まで冷却しながら加工
し、これを室温まで冷却した後、引き続き、上記ショッ
トピーニングで用いたショット径と同じかそれより小さ
なショット径を有するショットを用いて室温でショット
ピーニングを行なうものであり、これにより、表面粗さ
を３．９〜５．９Ｓ程度に改善し、圧縮残留応力の最大
値を−１１０”９／、ｊ以上とすることができる。

本発明に係る他の加工熱処理法は、上記処理法におζ゛
て、浸炭焼入れ・焼戻し後Ｆ３００〜８５０℃に再加熱
した後３００〜５５０℃の熱浴に急冷する工程に代えて
、浸炭後ただちに３００〜５５０℃の熱浴に急冷する工
程とし、以降を上記処理法と同様の工程とするものであ
り、上記処理法と同様の効果を得ることができる。

発明の態様 本発明に係る加工熱処理法を適用する素材は低炭素低合
金銅（例えば、ＳＣＭＡＩ５など）であや、これに通常
の浸炭焼入れ処理を行なった後、１５０〜２００℃の低
温焼戻し処理を施し、表面炭素濃度を０．７〜０．９％
とした銅を用いる。このような素材を用いることにより
、高合金側を使用せずとも、表面層の炭素濃度が高いこ
とにより、表面層のＳ曲線の変態開始曲線が長時間側に
移行することを利用し、適冷オーステナイト状態にある
表面層の加工熱処理を可能とすることができる。

上記素材は、本発明に従って８ｏｏ〜ｇｓｏ　ｃのオー
ステナイト域に再加熱後、３００〜５５０　ｔ：：の熱
浴に急冷し、一定時間保持後、上記状態において表面に
ショットピーニングを施すつ塑性変形を与える方法とし
てショットピーニングを用いる理由は、動力伝達軸のよ
うな複雑な形状の部品に容易に加工を施せると共に、表
面層の塑性変形後の冷却速度を空冷以上（１１０〜＋３
０’Ｃ／ａｍ）とし、表面層の焼入性を確保するためで
ある。

また、ショットピーニングは冷却を兼ねた加工であるた
め、適冷オーステナイトへの加工、変態途中及び変態後
のマルテンサイトへの加工が行なえ、複合的加工熱処理
を施すことができ、それによって顕著な疲労強度の向上
が図れる。

本発明の他の態様によれば、低炭素低合金Δに通常の浸
炭、例えば９００〜９５０℃で６〜２０時間浸炭を行な
った後さらに８５０℃で所定時間浸炭を行ない、ただち
に３００〜５５０　℃の熱浴に急冷し、一定時間保持後
、この温度範囲からショットピーニングを施す。

前記中温域からのショットピーニングは、前記したよう
に３００〜５５０℃の温度から開始すムこの開始温度を
３００〜５５０℃とした理由は、疲労強度に大きな影響
をもたらす表面近傍の軸方向圧縮残留応力分布が、この
温度範囲からの処理の場合−９０〜−１００９／ｊと非
常に高−・レベルにあるのに対し、３００℃未満からの
処理の場合、この位置での圧縮残留応力レベルは−３０
〜−４０臀−と上記温度範囲からの処理に比べて半減し
、通常の浸炭処理材に比べて疲労強度の顕著な向上が望
めないためである。

上記ショットピーニングの条件としては、゛遠心式の装
置を用い、ショット径０．６〜０．８此、投射速度３５
〜５０　ｍｌ！、投射時間５〜４Ｏ−１＝に設定するこ
とが好ましい。ショットピーニングの条件が不適当な場
合には、疲労強度の著しい向上が望めなかったり、逆に
疲労強度の低下がおこるため、その最適条件で行なう必
要がある。

まず、ショツト粒径は、小さすぎると軸方向の圧縮残留
応力の影響層が浅く、従って疲労強度の増加が少なく、
一方、大きすぎると、実用上、動力伝達軸のような複雑
な形状物の応力集中部（例えば各種の溝など）へのピー
ニングが不可能となる。このため、０．３〜＋、ｏ　朋
好ましくは０．６〜０．８餌の径のショットを用いるの
が良い。

また、ショットの投射時間は、５分間の投射時間までは
時間が長い方が疲労強度は向上するが、それ以降は飽和
する傾向にある。このため、ショットによる冷却と考え
併せて、投射時間は５〜４０分の範囲が好ましい。

さらに、ショットの投射速度（遠心式の装置では別車の
回転数に対応）は、小さすぎるとその効果が現われず、
また大きすぎても表面粗さが増したり、表面に微小亀裂
を発生させるため、３５〜５０　ｍ／Ｉの範囲が好まし
く、また最も好ましいのは４５〜５０　ｍ／！の範囲で
ある。

以上のように中温域からのショットピーニングを行なっ
た後、本発明に従ってさらに室温でショットピーニング
を行なう。この場合のショットピーニングの条件は、基
本的には前記中温域からのショットピーニングの条件が
そのまま適用できるが、この室温での７ヨツトビーニン
グは、疲労強度の向上に寄与の大きい圧縮残留応力をよ
り一層高める他に、表面粗さを改善するために行なうも
のであるから、中温域からのショットピーニングで用い
たショット径と同じかそれより小さなショット径を有す
るショットを用いることが好ましい。この２回目のショ
ットピーニングにより、表面粗さは３．９〜５．９Ｉ程
度に改善され、また圧縮残留応力の最大値は一１１０ｋ
ｇ、雇以上に達する。

実施例 以下、実施例及び比較例を示して本発明について具体的
に説明するが、本発明が下記実施例に限定されるもので
ないことはもとよりである。

比較例１ 低炭素低合金鋼ＳＣＭ４１５に、常法に従って浸炭焼入
・焼戻し処理を施した。すなわち、９３０℃で６時間（
０，１３％ＣＯ，含有浸炭性ガスで３．５時間、その後
０．２％ＣＯ７含有浸炭性ガスで２．５時間）浸炭を行
なった後さらに８５０℃で０．５時間（０，５％ＣＯ２
含有浸炭性ガス）行ない、油焼入れをした後、１５０〜
２００℃に焼戻しだ。このようにして通常浸炭材Ｃ１を
得た。

比　　較　　例　　２ 上記比較例１のように浸炭焼入れ、焼戻し処理を施した
通常浸炭材に、ショット径Ｑ、８ｍ＠。

遠心式装置の別車回転数２５０Ｏｒｐｍ　、投射時間１
０分の条件でショットピーニングを行ない、通常ショッ
トピーニング材Ｃ２を得た。

比　　較　　例　　３ 上記比較例１のように浸炭焼入れ、焼戻し処理を施した
通常浸炭材全、さらに８００〜８５０　Ｃに再加熱し、
これを３００　℃の熱浴に急冷し、所定時間保持後、こ
の温度から上記比較例２と同一条件でショットピーニン
グを行ない、（オースフォーミング＋ショットピーニン
グ）処理材Ｃ３を得た。

実施例 上記比較例３と同じ処理を行なった後、さらに室温で２
回目のショットピーニングを施し、本発明材Ｐを得た。

上記処理材ｐ　、　ｃ、　、　ｃ、　、　ｃ、の軸方向
圧縮残留応力分布を第１図に、また各種処理後の平均表
面粗さを第２図に示す。第１図及び第２図より、本発明
による処理法によれば、加工層及び圧縮残留応力層が充
分に深くできると共に、オースフォーミング＋ショット
ピーニング処理に比へて、疲労強度と密接な関係にある
圧縮残留応力を一層高めることができると同時に表面の
面粗さも改善できることがわかる。

発明の効果 以上のように、本発明の加工熱処理法によれば、浸炭焼
入れ、焼戻しを施した低炭素低合金蓋を８００〜８５０
℃のオーステナイト域に再加熱した後３００〜５５０℃
の熱浴に急冷し、あるいは低炭素低合金蓋を浸炭後ただ
ちに３００〜５５０℃の熱浴に急冷し、この温度範囲か
らショットピ−ニングを施し、さらに室温にて２回目の
ショットピーニング処理を施すから、加工層及び圧縮残
留応力層が充分に深くまた圧縮残留応力も一層大きくで
き、顕著な疲労強度の向上が図れると同時に、表面粗さ
も充分に改善できる。また、従来のオースフォーミング
のように複雑な形状のものに加工し難いというような問
題もない。

【図面の簡単な説明】

＠１図は各種処理材の軸方向圧縮残留応力分布を示すグ
ラフ、第２図は各種処理後の平均表面粗さを示す分布図
である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）浸炭処理を施して表面炭素濃度を０．７〜０．９
   ％とした低炭素低合金鋼を、８００〜８５０℃のオース
   テナイト域に再加熱後、３００〜５５０℃の熱浴に急冷
   し、一定時間保持後、この温度範囲からショットピーニ
   ングを施すことによって室温近傍まで冷却しながら加工
   を施し、その後、上記ショットピーニングで用いたショ
   ット径と同じかそれより小さなショット径を有するショ
   ットを用いて室温でショットピーニングを施すことを特
   徴とする加工熱処理法。
2. （２）低炭素低合金鋼を浸炭後ただちに３００〜５５０
   ℃の熱浴に急冷し、一定時間保持後、この温度範囲から
   ショットピーニングを施すことによって室温近傍まで冷
   却しながら加工を施し、その後、上記ショットピーニン
   グで用いたショット径と同じかそれより小さなショット
   径を有するショットを用いて室温でショットピーニング
   を施すことを特徴とする加工熱処理法。