JP2007262506A - 機械部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】浸炭処理時に発生した不完全焼入れ層を抑制及び是正し、機械部品の疲労強度を簡便に向上させる。
【解決手段】本発明に係る機械部品の製造方法は、機械部品に浸炭処理を行う工程（Ｓ１）と、前記機械部品に対して処理室内に窒化ガス（例えば、アンモニア（ＮＨ_３）など）を流量６リットル／分で供給しつつ、８７０℃で２０分間、窒化処理（Ｓ２）を行う工程と、前記機械部品に２段ショットピーニング処理を行う工程とを具備することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、機械部品の製造方法に関し、特に本発明は、浸炭処理時に発生した不完全焼入れ層を抑制又は是正し、疲労強度を簡便に向上することができる機械部品の製造方法に関する。

自動車や建設機械に含まれる機械部品は、歯車に代表される駆動系への負荷の増大に伴い、表面の耐磨耗性が要求されている。また、機械部品の破壊の原因となる疲労に対しては、表面が硬いほど亀裂発生に対する抵抗が高くなり安全性が向上する。そのため、機械部品の表面を硬化することは重要な技術となっている。

表面硬化処理の１つとしてショットピーニング処理が実用化されている。ショットピーニング処理とは、大きさが一定の鋼球を噴射して材料の表面を冷間衝撃加工し、新たな圧縮残留応力を表面に付与させて硬化させる表面硬化処理である。また、機械部品の表面からの深さが１０〜３０μｍといった表面直下のごく浅い部分への圧縮残留応力の付与が、機械部品の疲労強度向上には効果が大きい。よって、非常に微細な鋼球でのショットピーニング処理（以下、小球ピーニング処理という）が有効である。

また、歯車やシャフト類といった機械部品は、表面を硬化させるための熱処理として、大量生産が可能で品質が安定している、ガス浸炭焼入れ処理が広く行われている。しかし、図９に示すように、ガス浸炭処理時の雰囲気ガス中のＯ_２と材料中のＣｒ、Ｍｎ、Ｓｉなどの合金元素が結晶粒界において偏析を起こし、粒界酸化物を形成する。これにより、表面の焼入れ性が劣化し、焼入れ不十分となり、硬度の低い層（ベイナイト、トルースタイト、又はソルバイトの混合組織層。以下、不完全焼入れ層という）が形成される。

そこで、従来の機械部品の製造方法では、浸炭焼入れ処理した機械部品の表面を研磨して不完全焼入れ層を除去し、その後小球ピーニング処理を施す方法がある。また、機械部品の表面に、不完全焼入れ層が発生しない真空浸炭処理を施し、その真空浸炭処理後の表面に、小球ピーニング処理を施す方法もある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３０３４４号公報

上記浸炭焼入れ処理後に表面を研磨して不完全焼入れ層を除去する方法は、工程数の増加、及び完成品に至るまでのリードタイムの増加によるコストアップが問題である。また、特開２００２−３０３４４号公報の方法では、真空浸炭処理を行うための新規設備が必要となり、既存の設備を利用できないという問題点がある。

また、建設機械部品に含まれるような大物部品の浸炭焼入れ処理には長時間を要する。また、浸炭時間の１／２乗と硬化層深さは近似的に比例関係が成立することが知られている。そして、浸炭時間に比例して機械部品の表面に形成される不完全焼入れ層も厚くなる。よって、前記大物部品の浸炭処理後の表面には２０μｍを超える厚さの不完全焼入れ層が形成される。また、不完全焼入れ層の厚さが２０μｍを超えると小球ピーニング処理を行っても、機械部品の表面へ圧縮残留応力が付与できず、小球ピーニング処理の効果を十分に発揮させることができない。よって、疲労強度の向上においては不完全焼入れ層を２０μｍ以下に抑制、又は後処理により是正することが望ましい

本発明は上記のような事情を考慮してなされたもので、その目的は、浸炭処理時に発生した不完全焼入れ層を抑制又は是正し、疲労強度を簡便に向上することができる機械部品の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決すため、本発明に係る機械部品の製造方法は、機械部品に浸炭処理を行う工程と、
前記機械部品に窒化処理を行う工程と、
前記機械部品にショットピーニング処理を行う工程と、
を具備する。

また、前記浸炭処理を行う工程後の前記機械部品の表面は、粒界酸化物を有することが好ましい。また、前記浸炭処理を行う工程の直後に前記機械部品に第１の焼入れ処理を行う工程をさらに具備し、前記第１の焼入れ処理を行う工程後の前記機械部品の表面は、ベイナイト、トルースタイト及びソルバイトの少なくとも１つを備える混合組織層を有することが好ましい。

また、前記窒化処理を行う工程後の前記機械部品の表面は、粒界酸化物を有することが好ましい。また、前記窒化処理を行う工程後に前記機械部品に第２の焼入れ処理を行う工程をさらに具備し、前記第２の焼入れ処理を行う工程後の前記機械部品の表面は、ベイナイト、トルースタイト及びソルバイトの少なくとも１つを備える混合組織層を有することが好ましい。

前記ショットピーニング処理は２段行うことが好ましい。そして、２段目の鋼球の直径が１段目の鋼球の直径よりも小さく、２段目の鋼球の直径が０．１ｍｍ以下であることが好ましい。
また、前記ショットピーニング処理は、３段以上行ってもよい。そして、前記ショットピーニング処理の鋼球の直径は前段目の鋼球の直径よりも小さく、最後段の鋼球の直径が０．１ｍｍ以下であることが好ましい。

以上説明したように本発明によれば、浸炭処理時に発生した不完全焼入れ層を抑制又は是正し、疲労強度を簡便に向上することができる機械部品の製造方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について説明する。本実施形態は、浸炭処理後に窒化処理を行うことにより機械部品の表面部の焼入れ性を改善し、不完全焼入れ層の抑制を図り、小球ピーニング処理によって機械部品の表面に圧縮残留応力を効率的に付与するものである。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る機械部品の製造方法の熱処理サイクルを示す図である。まず、機械部品に対して浸炭処理を行う（Ｓ１）。浸炭処理は、例えば処理室内に機械部品を配置し、処理室内に浸炭ガス（例えば、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）、炭酸ガス（ＣＯ_２）など）を所定のガス圧に制御して供給すると共に処理室内を９３０℃まで加熱し、９．５時間浸炭を行う（Ｓ１ａ）。その後、ガス圧を制御して９３０℃で１時間拡散を行う（Ｓ１ｂ）。これにより、機械部品の表面に炭素が侵入し、表面が硬化される。また同時に、機械部品の表面に粒界酸化物が厚さ２０μｍ超で形成される。

次いで、浸炭処理が行われた機械部品に対して窒化処理を行う（Ｓ２）。本実施形態に係る窒化処理の詳細は、処理室内に窒化ガス（例えば、アンモニア（ＮＨ_３）など）を流量６リットル／分で供給しつつ、８７０℃で２０分間、浸炭処理が行われた機械部品に対して窒化処理を行う。前記窒化処理により、機械部品の表面の粒界酸化物の厚さを２０μｍ以下にする事ができる。次いで、窒化処理が行われた機械部品を６０℃から９０℃の温度域の油で急冷することにより、焼入れ処理を行う（Ｓ３）。このとき、前記のように窒化処理を行っているため、不完全焼入れ層の厚さを２０μｍ以下にする事ができる。

次いで、窒化焼入れ処理を行った機械部品に対して、小球ピーニング処理を行う。図２は、小球ピーニング処理を説明するための概略図である。本発明に係る小球ピーニング処理の詳細は、φ０．８ｍｍ（ＨＲｃ６０±２）の鋼球２０で投射圧０．３５ＭＰａ、投射重量１５．０ｋｇ／分、カバレージ値４００％、アークハイト値０．７７ｍｍＡで第１段目の小球ピーニング処理を行う。次いで、φ０．１ｍｍ（ＨＲｃ６０〜６５）の鋼球２１で投射圧０．３５ＭＰａ、投射重量１５．０ｋｇ／分、カバレージ値４００％、アークハイト値０．３５ｍｍＡで第２段目の小球ピーニング処理を行う。これにより、機械部品に比べ、鋼球２０，２１は硬いので機械部品表面がへこまされ、表面に丸いくぼみを残すようになる。従って小球ピーニングを行った面は無数のくぼみ（痕）でおおわれるようになり梨子地模様となるが、表面の硬さが増し、また、繰り返し荷重に対しては表面層に付与された圧縮残留応力が相殺する形で作用し疲労強度が増す。また、２段目の小球ピーニング処理には、１段目より球径が小さい鋼球２１を投射することによって、１段目の小球ピーニング処理で生じた圧縮残留応力分布に、さらにごく表面近傍により大きな圧縮残留応力を付与させる効果がある。

本発明の効果を調べるために、本方法により熱処理した機械部品（浸炭処理後に窒化処理、そして焼入れ処理を行い、その後小球ピーニング処理）と従来の方法で熱処理した機械部品（浸炭処理後に焼入れ処理を行い、小球ピーニング処理）とを用意し、以下の比較実験を行った。

図３は、比較実験を行う機械部品の一例の歯車１を示す図である。図３（ａ）は、歯車１の正面図であり、図３（ｂ）は歯車１の歯元部の拡大図を示す。歯車１の詳細は、モジュール３．２５，圧力角２５°，歯数３６，ピッチ円径１１７．００ｍｍ、材質ＳＣＭ４２０Ｈ低合金製の平歯車である。

図４（ａ）は、浸炭処理を行った後に、窒化処理を行わず焼入れ処理を行った歯車の小球ピーニング処理を行う前の、歯元表面部の組織写真である。図４（ｂ）は、浸炭処理を行った後に、窒化処理を行った歯車の小球ピーニング処理を行う前の、歯元表面部の組織写真である。図４（ａ）に示すように、窒化処理を行わない熱処理では、表面部の不完全焼入れ層の厚さが２８μｍであるが、図４（ｂ）に示すように、浸炭処理後に窒化処理を行う熱処理では、表面部の不完全焼入れ層の厚さが１６μｍに減少している。

図５は、上記各歯車に小球ピーニング処理を行ったときの表面の残留応力分布を示す。上記各熱処理方法を施した各歯車をＸ線解析装置を用いて表面の残留応力を測定した。ここで、マイナス成分は圧縮残留応力を示しており、圧縮残留応力値が高いほど疲労強度が高いとされている。これにより、浸炭処理後に窒化処理を行わない歯車より窒化処理を行った歯車のほうが、表面から２０μｍ領域の圧縮残留応力が高く、強度が高い。

図６は、油圧サーボパルサー繰り返し試験機１０（以下、試験機１０という）を用いた、測定装置の側面図である。測定方法の詳細は、歯車１を試験機１０の支持台１３に固定ボルト１４と留め具１５及びピン１６を用いて固定する。そして、歯車１の下部歯３のピッチ円直径部を試験機１０の下部治具１２に当て、上部歯２のピッチ円直径部を試験機１０の上部治具１１に当てる。次いで、試験機１０により上部治具１１から上部歯２に対して、周波数２０Ｈｚで繰り返し荷重を与える。そして、歯車１が破断するまでの繰り返し数を測定する。図７は、繰り返し負荷応力と、本方法と従来の方法で熱処理を施した歯車が破断するまでの繰り返し数の測定結果を示した図である。この測定結果によれば、疲労強度は浸炭処理後に窒化処理を行っていない歯車に比べて、窒化処理を施している歯車は、１．２倍程度向上している。

図８は、歯元曲げ疲労強度と不完全焼入れ層の厚さとの関係を示した図である。これにより、不完全焼入れ層が厚いほど疲労強度が低下していることがわかる。つまり、不完全焼入れ層が厚い従来の方法では、小球ピーニング処理による疲労強度の向上の効果は小さい。しかし、本方法のように窒化処理を行い、不完全焼入れ層を減少させると、小球ピーニング処理による疲労強度の向上の効果は大きくなる。

以上、本実施形態によれば、浸炭処理を行った機械部品に対して、小球ピーニング処理を行う前に窒化処理を行っている。これにより、浸炭処理で形成された粒界酸化物の厚さが減少し、不完全焼入れ層の厚さが２０μｍ以下に抑制される。よって、小球ピーニング処理による疲労強度向上の効果を十分に発揮させることができ、機械部品の表面から２０μｍ以内に１００ｋｇｆ／ｍｍ^２以上の高い圧縮残留応力を付与することが可能である。また、浸炭処理及び窒化処理を連続して同一の処理室で行うことが可能であるため、真空浸炭処理のように新規設備は不要であり、リードタイムを減少させコストダウンすることができる。また、長時間の浸炭時間を要し、不完全焼入れ層も深い大物部品に対して、簡便に疲労強度を向上させることができる。

また、窒化処理により、焼戻しによる軟化抵抗性も向上するため、摺動特性を要求される部品においては耐ピッチング強度の向上も合わせて期待できる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上述した実施形態では、２段小球ピーニング処理を行っているが、これに限定されるものでなく、小球ピーニングを３段以上行ってもよい。この場合、鋼球の直径を前段よりも小さくする。そして、最後段での鋼球の直径をφ０．１ｍｍ以下にする。

また、図１（ｂ）に示す熱処理サイクルのように、浸炭処理（Ｓ１）後の機械部品を油で急冷し焼入れ処理を行い（Ｓ４）、その後に再び加熱して窒化処理（Ｓ２）を行ってもよい。この時、焼入れ処理（Ｓ４）後の機械部品の表面に厚さ２０μｍ超で粒界酸化物及び不完全焼入れ層が形成される。しかし、窒化処理（Ｓ２）、焼入れ処理（Ｓ３）後において、機械部品の表面の粒界酸化物及び不完全焼入れ層の厚さを２０μｍ以下にすることができる。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る機械部品の製造方法の熱処理サイクルを示す図。（ｂ）は、本発明の他の実施形態に係る機械部品の製造方法の熱処理サイクルを示す図。 小球ピーニング処理を説明するための概略図。 機械部品の一例の歯車を示す図。（ａ）は、歯車の正面図。（ｂ）は、歯車の歯元部の拡大図。 （ａ）は、浸炭処理を行った後に、窒化処理を行わず焼入れ処理を行った歯車の小球ピーニング処理を行う前の、歯元表面部の組織写真。（ｂ）は、浸炭処理を行った後に、窒化処理を行った歯車の小球ピーニング処理を行う前の、歯元表面部の組織写真 各歯車に小球ピーニング処理を行ったときの表面の残留応力分布。 油圧サーボパルサー繰り返し試験機を用いた、測定装置の側面図。 繰り返し負荷応力と、本方法と従来の方法で熱処理を施した歯車が破断するまでの繰り返し数との関係を示した図。 歯元曲げ疲労強度と不完全焼入れ層の厚さとの関係を示した図。 不完全焼入れ層について説明する模式図。

符号の説明

１・・・歯車、２・・・上部歯、３・・・下部歯、１０・・・試験機、１１・・・上部治具、１２・・・下部治具、１３・・・支持台、１４・・・固定ボルト、１５・・・止め具、１６・・・ピン、２０，２１・・・鋼球

Claims (10)

1. 機械部品に浸炭処理を行う工程と、
   前記機械部品に窒化処理を行う工程と、
   前記機械部品にショットピーニング処理を行う工程と、
   を具備することを特徴とする機械部品の製造方法。
2. 前記浸炭処理を行う工程後の前記機械部品の表面は、粒界酸化物を有することを特徴とする請求項１に記載の機械部品の製造方法。
3. 前記浸炭処理を行う工程の直後に前記機械部品に第１の焼入れ処理を行う工程をさらに具備し、
   前記第１の焼入れ処理を行う工程後の前記機械部品の表面は、ベイナイト、トルースタイト及びソルバイトの少なくとも１つを備える混合組織層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の機械部品の製造方法。
4. 前記窒化処理を行う工程後の前記機械部品の表面は、粒界酸化物を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の機械部品の製造方法。
5. 前記窒化処理を行う工程後に前記機械部品に第２の焼入れ処理を行う工程をさらに具備し、
   前記第２の焼入れ処理を行う工程後の前記機械部品の表面は、厚さが２０μｍ以下のベイナイト、トルースタイト及びソルバイトの少なくとも１種備える混合組織層を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の機械部品の製造方法。
6. 前記ショットピーニング処理は、２段行うことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の機械部品の製造方法。
7. 前記ショットピーニング処理は、２段目の鋼球の直径が１段目の鋼球の直径よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載の機械部品の製造方法。
8. 前記ショットピーニング処理の２段目の鋼球の直径が０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項６又は７に記載の機械部品の製造方法。
9. 前記ショットピーニング処理は、３段以上行うことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の機械部品の製造方法。
10. 前記ショットピーニング処理の鋼球の直径は、前段目の鋼球の直径よりも小さく、最後段の鋼球の直径が０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の機械部品の製造方法。