JP2012115925A - 鋳鉄材料の疲労強度向上方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳鉄材料、特に球状黒鉛鋳鉄の疲労強度を、浸炭焼入れした場合の炭素鋼と同程度まで向上することが出来る疲労強度向上方法の提供
【解決手段】重量比でＣ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜４．５％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：１．８〜４．０％を含有した球状黒鉛鋳鉄であって、８００〜９５０℃で焼きならし熱処理を行なって引張強さ８５０ＭＰａ以上とした球状黒鉛鋳鉄に対して、それぞれ所定のショット粒径による第１、第2、第３のショットピーニング処理を行なう工程を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋳鉄材料、特に球状黒鉛鋳鉄の疲労強度を向上する技術に関する。

従来の自動車用トランスミッションギヤは、鉄鋼材料を切削歯切り加工後に浸炭焼入れをしていた。しかし、熱処理歪みによる部材の変形が欠点であった。
一方、球状黒鉛鋳鉄は製造が容易であるが、疲労強度が低く、自動車用トランスミッションギヤに使用できないという欠点があった。そのため、浸炭焼入れをしない鋳鉄材料について、浸炭焼入れした鉄鋼材料と同程度の疲労強度が望まれている。

ここで、球状黒鉛鋳鉄は、鋳鉄の中で、強度が高い。球状黒鉛鋳鉄の疲労強度を向上させる技術として、重量比Ｃ：２.０〜４.０％、Ｓｉ：１.５〜４.５％、Ｍｎ：２.０％以下、Ｐ：０.０８％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｍｇ：０.０２〜０.１％、Ｃｕ：１.８〜４.０％、を含有した球状黒鉛鋳鉄にオーステンパ処理したものがある。
係る組成の球状黒鉛鋳鉄の１０^７回における曲げ疲労強度は、１４００ＭＰａの高張力鋳鉄であっても、２００ＭＰａ程度に過ぎない。この数値は、鍛造品並であって、浸炭焼入れした鉄鋼材料並みの６００ＭＰａ以上の強度は得られていない。
そして、「２００ＭＰａ程度」という疲労強度では、自動車用トランスミッションギヤには使用できない。

その他の従来技術として、片状黒鉛鋳鉄の溶湯に添加物を含有せしめて球状黒鉛鋳鉄を鋳造して、その疲労強度を向上する技術が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、係る従来技術は、鋳造段階を工夫することにより疲労強度を向上するものであり、鋳鉄材料を機械加工した後に材料の疲労強度を向上することは出来ない。

特開２００５−８９１３号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、鋳鉄材料、特に球状黒鉛鋳鉄の疲労強度を、浸炭焼入れした場合の炭素鋼と同程度まで向上することが出来る疲労強度向上方法の提供を目的としている。

本発明の鋳鉄材料の疲労強度向上方法は、重量比でＣ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜４．５％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：１．８〜４．０％を含有した球状黒鉛鋳鉄であって、８００〜９５０℃で焼きならし熱処理を行なって引張強さ８５０ＭＰａ以上とした球状黒鉛鋳鉄に対して、
硬さ６００Ｈｖ以上、ショット粒径（φ）０．５〜０．８ｍｍで第１のショットピーニング処理を行なう工程（１工程）と、
硬さ６００Ｈｖ以上、ショット粒径（φ）０．１〜０．３ｍｍで第２のショットピーニング処理を行なう工程（２工程）と、
硬さ６００Ｈｖ以上、ショット粒径（φ）０．１ｍｍ以下で第３のショットピーニング処理を行なう工程（３工程）、
を有することを特徴としている。

本発明の実施に際して、上述した第１〜第３のショットピーニング処理を施した後、錫、モリブデンから成るショットを用いてショットピーニング処理を行ない、金属潤滑を行なうように構成することが好ましい。

上述した構成を具備する本発明によれば、重量比でＣ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜４．５％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：１．８〜４．０％を含有した球状黒鉛鋳鉄であって、８００〜９５０℃で焼きならし熱処理を行なって引張強さ８５０ＭＰａ以上とした球状黒鉛鋳鉄に対して、上述した第１〜第３のショットピーニング処理を施すことにより、浸炭焼入れをした鋼材レベルの曲げ疲労強度である６００ＭＰａ以上の疲労強度を得ることが出来る。

そして本発明によれば、上述した第１〜第３のショットピーニング処理を施すことにより、表面から１００μｍの範囲についても高い（ほぼ６００ＭＰａの）圧縮残留応力が付与されるので、球状黒鉛鋳鉄表面における微細亀裂の発生と、亀裂の進展が遅延して、疲労強度が向上する。

本発明によれば、重量比でＣ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜４．５％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：１．８〜４．０％を含有した球状黒鉛鋳鉄であって、８００〜９５０℃で８００〜９５０℃で焼きならし熱処理を行なって引張強さ８５０ＭＰａ以上とした球状黒鉛鋳鉄に所定の機械加工（例えば、自動車用トランスミッションギヤであれば歯切り加工）を施し、その後、上述した第１〜第３のショットピーニング処理を施せば、浸炭焼入れ処理を施すこと無く、浸炭焼入れをした鋼材と同程度の曲げ疲労強度を得ることが出来る。
そして、機械加工後に熱処理（例えば、浸炭焼入れ処理）を行なう必要がないため、熱処理歪みを防止することが出来る。

本発明の疲労強度向上方法の手順を示す図である。 試験材料の引張試験の試験結果を示す図である。 曲げ疲労試験片を示す図である。 第１〜第３のショットピーニング処理を施した試験材料の圧縮残留応力分布を示す図である。 実験例１における回転曲げ疲労試験の試験結果を示す図である。 実験例２の結果を表として示す図である。 実験例３の結果を表として示す図である。 実験例４の結果を表として示す図である。 実験例５の結果を表として示す図である。 実験例６の結果を表として示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
先ず、図１を参照して、図示の実施形態における作業手順を説明する。
図１において、重量比でＣ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜４．５％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：１．８〜４．０％を含有した球状黒鉛鋳鉄を、８００〜９５０℃で焼きならし熱処理を行って、引張り強さを８５０ＭＰａ以上にする（ステップＳ０）。

ついで、硬さ６００Ｈｖ以上、ショットの粒径φが０．５〜０．８ｍｍでショットピーニングをする（ステップＳ１：第１のショットピーニング処理を行う工程：第１工程）。

次に、硬さ６００Ｈｖ以上、ショットの粒径φが０．１〜０．３ｍｍでショットピーニングをする（ステップＳ２：第２のショットピーニング処理を行う工程：第２工程）。

そして、硬さ６００Ｈｖ以上、ショットの粒径φが０．１ｍｍ以下でショットピーニングをする（ステップＳ３：第３のショットピーニング処理を行う工程：３工程）。

その後、適宜の硬さ、ショットの粒径の錫、モリブデンでショットピーニングをする（ステップＳ４：第４のショットピーニング処理を行う工程：４工程）。
ステップＳ４によって、第１〜第３のショットピーニング処理が施されたワークの表面に金属潤滑を施すことが可能である。
なお、このステップＳ４は省略することが可能である。

第１〜第３のショットピーニング処理（１〜３工程）を行なった後の試験材料により、図３で示す疲労試験片を作成した。
全体を符号１３で示す曲げ疲労試験片の形状は、図示の実施形態では、外径１２ｍｍの丸棒部５の中央部に、縮径された小径部７が設けられている。小径部７の両端部は円弧状のＲ曲線６によって丸棒部５に滑らかに接続されている。
係る試験片１３を用いて、回転曲げ疲労試験を行なった。
後述の実験例１で記載する通り、図１のステップＳ１〜Ｓ３のショットピーニング処理を行なった球状黒鉛鋳鉄の疲労強度は、浸炭焼入れをした鋼材と同程度の曲げ疲労強度（例えば、６００ＭＰａ程度）を有している。

発明者は、重量比でＣ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜４．５％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：１．８〜４．０％を含有した球状黒鉛鋳鉄を用いて、以下のような実験（実験例１〜実験例６）を行った。

［実験例１］
上記球状黒鉛鋳鉄に８００〜９５０℃で焼きならし熱処理を行なって、引張強さ８５０ＭＰａ以上とした。
上記球状黒鉛鋳鉄に焼きならし熱処理を行なった試験材料（焼きならし熱処理を行なった上記球状黒鉛鋳鉄）の引張り試験結果が図２の特性曲線ＦＣＤで示されている。
図２において、縦軸は引張り応力（ＭＰａ）で、横軸は引張り歪（ε）である。試験片最大引張り応力が１０８０ＭＰａである。参考に例示した特性曲線ＦＣＡは、鋳鉄の特性を示しており、最大引張り応力が２７２ＭＰａであった。

次に、硬さ６００Ｈｖ以上、ショット粒径（φ）０．５〜０．８ｍｍで第１のショットピーニング処理を行なった。ついで、その試験片に硬さ６００Ｈｖ以上、ショット粒径（φ）０．１〜０．３ｍｍで第２のショットピーニング処理を行なった。さらに、第１、第２のショットピーニング処理を行なった試験片に、硬さ６００Ｈｖ以上、ショット粒径（φ）０．１ｍｍ以下で第３のショットピーニング処理を行なった。

上記第1〜第３のショットピーニング処理を行った試験片の残留応力の測定結果が、図４の残留応力分布を示す曲線Ｓａに示されている。
図４において、試験片表面（０μｍ）から深さ１００μｍまでは僅かに残留応力の変動があるが、残留圧縮応力は概略６００（ＭＰａ）になっている。
なお、図４では、縦軸は残留応力の数値を示している。そのため、圧縮残留応力の数値が高い場合には、図４では下方（負の絶対値が大きい側）に表示されることになる。

図４を参照すれば、第１〜第３のショットピーニング処理を施した試験片は、第１〜第３のショットピーニング処理を施していない試験片（図４において縦軸でゼロＭＰａ、横軸が横座標に平行な線Ｓｏ）とは異なり、表面から深さ２００μｍの領域で圧縮残留応力が存在していることがわかる。

実験例１では、同一の試験片に対して第１〜第３のショットピーニング処理を行ない、当該材料により、図３で示す疲労試験片を作成して、回転曲げ疲労試験を行なった。係る疲労試験結果を図５に示す。図５おいて、縦軸には曲げ応力（σ）、横軸には繰り返し回数（Ｎ）が表示されている。
図５における符号Ｈが、実験例１で、第１〜第３のショットピーニング処理を施した試験片の曲げ疲労強度を示す特性曲線であり、疲労強度が６２０〜６３０ＭＰａであった。

実験例１における６２０〜６３０ＭＰａという疲労強度は、図５において、符号Ｋで示す浸炭焼入れ鋼ＳＣＭ４２０Ｈの疲労強度７００ＭＰａに近い数値である。
すなわち、実験例１によれば、浸炭焼入れ鋼ＳＣＭ４２０Ｈと同程度の疲労強度が得られている。

なお、図５における曲げ疲労曲線Ｊは、ショットピーニング処理を行わない高張力鋳鉄ＦＣＤ 1０００ＭＰａの曲げ疲労強度を示しており、その疲労曲線強度は４００ＭＰａであった。
また符合Ｃは、鋳造状態の鋳鉄の曲げ疲労強度を示しており、その疲労強度は１００ＭＰａであった。

第１実験例において、図５で示す結果より、重量比でＣ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜４．５％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：１．８〜４．０％を含有した球状黒鉛鋳鉄に８００〜９５０℃で焼きならし熱処理を行なって、引張強さ８５０ＭＰａ以上として、第１〜第３のショットピーニング処理を行なえば、浸炭焼入れをした低炭素鋼材と同程度（６００ＭＰａ程度）の曲げ疲労強度を得ることが出来ることが明らかになった。

［実験例２］
実験例１で用いられた試験片（重量比でＣ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜４．５％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：１．８〜４．０％を含有した球状黒鉛鋳鉄に８００〜９５０℃で焼きならし熱処理を行なった上記球状黒鉛鋳鉄）に対して第１ショットピーニング処理を行なうに際して、粒径が０．８ｍｍより大きいショット（粒径が０．９ｍｍ、１．０ｍｍ、１．１ｍｍ）を用いて、その他の処理は実験例１と同様にした試験片について、曲げ疲労強度の疲労試験を行なった。

図６において、ショット粒径０．８ｍｍ、０．９ｍｍ、１．０ｍｍ、１．１ｍｍで第１ショットピーニング処理を行なった場合の疲労試験結果（実験例２の結果）を示す。
０．８ｍｍの粒径では浸炭焼入れをした鋼材と同程度（６００ＭＰａ程度）の疲労強度が得られた（図６の「○」）が、粒径０．９ｍｍ、１．０ｍｍ、１．１ｍｍでは、曲げ疲労強度は６００ＭＰａ以下であった（図６の「×」）。
図６から、第１ショットピーニング処理では、ショット粒径を０．８ｍｍ以下にするべきであることが分った。
第１ショットピーニング処理において、ショット粒径が０．８ｍｍより大きいと、ショットを打ち出す際の空気の流れにショットが乗らず、十分に試験片に衝撃が与えられないことが原因と思われる。

［実験例３］
第１ショットピーニング処理で、０．５ｍｍ以下のショット（粒径が、０．５ｍｍ、０．４ｍｍ、０．３ｍｍ）を用いて、その他の処理は実験例１と同様にして、曲げ疲労強度について疲労試験を行なった。
図７で示すように、ショット粒径０．５ｍｍでは、浸炭焼入れをした鋼材と同程度（６００ＭＰａ程度）の疲労強度が得られた（図７の「○」）が、粒径０．４ｍｍ、０．３ｍｍでは、曲げ疲労強度は６００ＭＰａ以下であった（図７の「×」）。
実験例３の結果（図７）から、第１ショットピーニング処理では、ショット粒径を０．５ｍｍ以上にするべきであることが分った。
第１ショットピーニング処理において、ショット粒径が０．５ｍｍよりも小さいと、鋼材表面側の圧縮応力は高くなるが、鋼材内部の圧縮応力が小さくなってしまうことが原因と思われる。

［実験例４］
第２ショットピーニング処理で、粒径が０．３ｍｍ以上（粒径０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ）のショットを用いて、その他の処理は実験例１と同様にして、曲げ疲労強度について疲労試験を行なった。
図８で示すように、ショット粒径０．３ｍｍでは、浸炭焼入れをした鋼材と同程度（６００ＭＰａ程度）の疲労強度が得られた（図８の「○」）が、粒径０．４ｍｍ、０．５ｍｍでは、曲げ疲労強度は６００ＭＰａ以下であった（図８の「×」）。
実験例４の結果（図８）から、第２ショットピーニング処理では、ショット粒径を０．３ｍｍ以下にするべきであることが分った。
第２ショットピーニング処理は、鋳鉄試験片の最表面（表面〜深さ５０ミクロンまでの領域）の圧縮残留応力を高める処理であるが、ショット粒径が０．３ｍｍよりも大きいと、最表面に圧縮残留応力のピークが発生せず、疲労強度が上昇しなかったものと推定される。

［実験例５］
第２ショットピーニング処理で、粒径が０．１ｍｍ以下（粒径０．１ｍｍ、０．０７ｍｍ、０．０１ｍｍ）のショットを用いて、その他の処理は実験例１と同様にして、曲げ疲労強度について疲労試験を行なった。
図９で示すように、ショット粒径０．１ｍｍでは、浸炭焼入れをした鋼材と同程度（６００ＭＰａ程度）の疲労強度が得られた（図９の「○」）が、粒径０．０７ｍｍ、０．０１ｍｍでは、曲げ疲労強度は６００ＭＰａ以下であった（図９の「×」）。
実験例５の結果（図９）から、第２ショットピーニング処理では、ショット粒径を０．１ｍｍ以上にするべきであることが分った。
第２ショットピーニング処理で使用されるショットの粒径が小さいと、鋳鉄表面をならすのみであり、鋼材最表面の圧縮残留応力は生せず、疲労強度は向上しなかったと推定される。

［実験例６］
実験例１の試験材料で作成された歯車（第１〜第３ショットピーニング処理が行なわれた歯車）Ｚと、第３ショットピーニング処理を省略した試験材料で作成した歯車Ｙを用意して、図１０に示す様に、噛み合い面の滑りを比較した。
実験例１の試験材料で作成された歯車（第１〜第３ショットピーニング処理が行なわれた歯車）Ｚでは、噛み合い面の滑りは良好な数値を示した。
一方、第３ショットピーニング処理を省略した試験材料で作成した歯車Ｙでは、噛み合い面の滑りに異常があった。

より詳細には、図１０において、歯車Ｚでは噛み合い歯面が当たり及び滑りが良好で所定の耐久性試験をクリアした。一方歯車Ｙでは噛み合い歯面が当たり及び滑りが不良で歯面に微細亀裂が生じて所定の耐久性試験をクリアできなかった。
実験例６の結果（図１０）から、第３ショットピーニング処理は省略するべきではないことが判明した。

第３ショットピーニング処理により、第１及び第２ショットピーニングで凸凹になった表面がならされると、歯面表面の凸凹が小さくなり、微小な凸凹であれば、そこに油がたまって潤滑作用を発揮する。
第３ショットピーニング処理を省略した試験材料では、係る潤滑処理が発揮されず、噛み合い面の滑りに異常が発生したものと推定される。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない。
例えば図示の実施形態において、動弁系のカム、コンロッド、ギヤ、高圧油供給用各種ポンプへ適用することも可能である。

５・・・・丸棒部
６・・・・Ｒ曲線
７・・・・小径部
１３・・・曲げ試験片
Ｙ・・・・３工程を省略した材料で作製した歯車
Ｚ・・・・実験１の後の材料で作製した歯車

Claims (1)

1. 重量比でＣ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜４．５％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：１．８〜４．０％を含有した球状黒鉛鋳鉄であって、焼きならし熱処理を行なって引張強さ８５０ＭＰａ以上とした球状黒鉛鋳鉄に対して、
   硬さ６００Ｈｖ以上、ショット粒径０．５〜０．８ｍｍで第１のショットピーニング処理を行なう工程と、
   硬さ６００Ｈｖ以上、ショット粒径０．１〜０．３ｍｍで第２のショットピーニング処理を行なう工程と、
   硬さ６００Ｈｖ以上、ショット粒径０．１ｍｍ以下で第３のショットピーニング処理を行なう工程、
   を有することを特徴とする鋳鉄材料の疲労強度向上方法。

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