(57)【要約】【課題】  軸や歯車などによく用いられている中炭素鋼Ｓ３５Ｃの軸材に対して、適正な熱処理および組織制御により、フェライトとパーライトとの２相混合組織から微細なソルバイト組織に均一化し、靱性を向上させることにより軸肥大加工における限界肥大率の向上を図ることを課題とする。【解決手段】中炭素鋼を被加工材として軸肥大加工を行う際に、軸肥大加工を行う前処理として、被加工材がトルースタイトやソルバイトの微細な均質組織となるような調質処理を行うことを特徴とする。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中炭素鋼を被加工材として軸肥大加工を行う際に、軸肥大加工を行う前処理として、被加工材がトルースタイトやソルバイトの微細な均質組織となるような調質処理を行うことを特徴とする軸肥大加工における最適な被加工材の前処理。
【請求項２】
請求項１に記載の調質処理を焼入れと焼戻しによる熱処理としたことを特徴とする請求項１記載の軸肥大加工における最適な被加工材の前処理。
【請求項３】
軸肥大加工方法において、肥大加工後の肥大部幅ｌを
【数１】
2007169684.tif 000018
ここでｌ０は被加工材の幅の初期値であり、ε０は限界肥大率（Ｄ＊ｆ／Ｄ０）に対する軸圧縮歪み、Ｎは回転数、Ｎ０は実測値に対し近似して得られる回転時定数とするとともに、
肥大加工後の肥大部直径Ｄを
【数２】
2007169684.tif 000019
ここでＤ０は被加工材の直径とし、
焼入れ・焼戻しによる熱処理の影響を軸圧縮歪みε０と焼戻しパラメータＭとの関係式を
【数３】
2007169684.tif 000020
とすることにより、熱処理した被加工材の軸肥大変形挙動を推測可能にしたことを特徴とする軸肥大加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸肥大加工性を向上させる前処理に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械部品の中には、ベアリング止めのような軸の径が一部だけ大きい部位を有するものが極めて多い。このような軸部品を加工する場合、従来は切削除去する加工方法あるいはカラー部品と軸部品を溶着する方法が用いられてきた。しかし、切削加工では材料の無駄が多過ぎ、溶着では溶着部位での強度の低下や手間がかかるなどの問題があった。
【０００３】
そこで、本願発明者は金属軸材に対して適当な降伏強度以下の圧縮軸力を負荷した状態で回転曲げによる交番応力を繰り返すことにより、要望する位置に軸肥大部を形成させる新しい塑性加工技術を発明した。この塑性加工方法は、メカニカル・ラチェット現象を利用したもので、交番応力によるバウシンガー効果が発揮され、常温での低い圧縮荷重下でも容易に圧縮変形が進行し、大きな塑性加工にもかかわらず、発熱による温度上昇がないという特徴がある。そして、この加工方法を用いて、一般的な構造用圧延鋼（ＪＩＳ  Ｇ３１０１）ＳＳ４００の丸棒に対する軸肥大加工を行い、被加工部（以下肥大部とする。）の軸径の肥大挙動に及ぼす諸加工条件の影響を明らかにした。軸径の依存性の検討も含めて、それらの変形挙動が統一的に評価できるパラメータの軸回転時定数を提案した（特許文献１参照）。
【０００４】
また、肥大部の疲労特性ならびに疲労損傷に対する健全性も明らかにした。さらに、ＳＳ４００より高強度を持つ機械構造用炭素鋼（ＪＩＳ  Ｇ４０５１）Ｓ３５Ｃ・Ｓ４５Ｃやクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ  ４１０５）ＳＣＭ４１５・ＳＣＭ４３５などの丸棒に対しても、加工実験を行って軸径の肥大変形挙動に及ぼす被加工材の強度特性の影響を検討してきた。ところが、ＳＣ材の場合では、加工途中で肥大部端部に亀裂が入ってしまい、健全な軸材の得られる加工限界としての最大肥大率が小さくなり、難加工性を呈する傾向があった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−０３９１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
解決しようとする問題点は、軸や歯車などによく用いられている中炭素鋼Ｓ３５Ｃの軸材に対して、適正な熱処理および組織制御により、フェライトとパーライトとの２相混合組織から微細なソルバイト組織に均一化し、靱性を向上させることにより軸肥大加工における限界肥大率の向上を図ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、中炭素鋼を被加工材として軸肥大加工を行う際に、軸肥大加工を行う前処理として、被加工材がトルースタイトやソルバイトの微細な均質組織となるような調質処理を行うことを特徴とする。
また、前記調質処理を焼入れと焼戻しによる熱処理としたことを特徴とする。
さらに、軸肥大加工方法において、肥大加工後の肥大部幅ｌを
【数４】
2007169684.tif 000003
ここでｌ０は被加工材の幅の初期値であり、ε０は限界肥大率（Ｄ＊ｆ／Ｄ０）に対する軸圧縮歪み、Ｎは回転数、Ｎ０は実測値に対し近似して得られる回転時定数とするとともに、
肥大加工後の肥大部直径Ｄを
【数５】
2007169684.tif 000004
ここでＤ０は被加工材の直径とし、
焼入れ・焼戻しによる熱処理の影響を軸圧縮歪みε０と焼戻しパラメータＭとの関係式を
【数６】
2007169684.tif 000005
とすることにより、熱処理した被加工材の軸肥大変形挙動を推測可能にしたことを特徴とする軸肥大加工方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、中炭素鋼を被加工材として軸肥大加工を行う際に、軸肥大加工を行う前処理として、被加工材がトルースタイトやソルバイトの微細な均質組織となるように調質処理を行う。この微細な均質組織とすることによって、延性は増加し、硬さや降伏強度も低下するので軸肥大加工において限界肥大率を向上させることができる。
また、前記前処理として焼入れと焼戻しによる調質処理としたので容易に前処理が行える。
【０００９】
さらに、熱処理による影響を数式化することにより、焼入れ・焼戻しした被加工材における軸肥大変形挙動を推測することが容易になり、実用的となった。
【実施例１】
【００１０】
まず、軸肥大加工における前処理として焼入れ・焼戻しを行い最適な組織を調べるために被加工材として、表１に示すような機械的特性を有する直径Ｄ０＝１０ｍｍの中炭素鋼Ｓ３５Ｃ磨き丸棒を使用し、１２０ｍｍの長さに切断したものを用いた。
【表１】
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そして、この被加工材をオーステナイト化温度８８０°Ｃに２時間加熱・保持した後、油冷焼入れを行い、Ｔ＝５５０℃、５７５℃、６００℃、６２５℃、６５０℃および６７５℃での４．５時間加熱・保持からの空冷焼戻しを施し、６種類の熱処理材を得た。
納入状態のままの素材および前記６種類の熱処理材の合計７種類を被加工材とし、研磨による鏡面仕上げの後、３％ナイタルでの約１２秒間の腐食により、光学顕微鏡にてミクロ組織観察を行った。
【００１１】
また、上述した７種類の被加工材に対して、超微小硬度計を用いて室温・大気中でのビッカース硬さを測定した。さらに、これらの試験片に対し、シャルピー衝撃試験機を用いて室温・大気中でのシャルピー衝撃値を測定した。
【００１２】
次に、前述の７種類の被加工材を使用して、第１図に示すような軸肥大加工装置１を用い、室温（２５℃）・大気中にて加工実験を行った。実験方法を第２図に示している。
まず、第２図（ａ）に示すように軸回転駆動側スリーブ２と軸加圧側スリーブ３の軸が同一軸上にある状態で、被加工材Ｗをスリーブ２．３間隔Ｌ０で装着する。
然る後、第２図（ｂ）に示すように加圧手段４により軸加圧側スリーブ３を軸回転駆動側スリーブに接近させるようにして設定の軸加圧力Ｐを先ず負荷した。この軸加圧力Ｐの負荷の後、スリーブ２，３間隔の変化を測定し、被加工部の幅の初期値ｌ０とした。
次いで、第２図（ｃ）に示すように軸回転駆動側スリーブ２を面内回転させて被加工材Ｗに曲げ角度θを負荷させる。
そして、第２図（ｄ）から（ｅ）に示すように軸の回転を開始し軸肥大加工を行った。
各加工実験中における被加工部の幅ｌおよび最大外形Ｄの変化を連続自動計測し、１回転ごとの被加工部の幅ｌＮおよび最大外形ＤＮを実測した。
さらに、第２図（ｆ）に示すように目標の軸肥大率に達すると、曲げ角度θを０度に復帰させ、軸の回転を停止した。
【００１３】
ここで、被加工部の初期設定スリーブ間隔としては、Ｌ０＝１４ｍｍとした。また、軸加圧力Ｐとしては、軸加圧応力σＣが各被加工材の初期降伏応力σｙの０．９７倍になるような軸荷重を負荷した。曲げ角度θは６度とし、軸回転速度ωは１４．７ｒｐｍとした。なお、スリーブ端のＲ部の曲率半径ρは２ｍｍとした。
【００１４】
次に、焼入れ焼戻し前後の材料組織の比較について説明する。
Ｓ３５Ｃの標準組織は、第３図に示すようになり、白色部の初析フェライト（αＦｅ）と黒色部のパーライトからとなる。
一方、焼入れにより得られたソルバイト組織およびトルースタイト組織を、それぞれ、第４図と第５図に示す。第４図に示すように、組織はマルテンサイトとマルテンサイトの白い素地の粒界に沿って結節状の黒い微細パーライトとの２相組織となり、共析変態点Ａ１〜約５００℃間の温度範囲での冷却速度がやや遅いために生じた組織であると考えられる。第５図から分かるように、焼戻し温度Ｔ＝６００℃以下の場合では、その焼戻し組織は、マルテンサイト組織に過飽和に固溶していた炭素が、再結晶しているフェライト基地中にセメンタイ粒子として均一に分散析出した微細な均一トルースタイト組織となる。一方、Ｔ＝６００℃以上の場合では析出粒子が一層細かくなり羽毛状を呈するソルバイト組織となっているのが確認できる。
【００１５】
続いて、焼入れ焼戻し前後の機械的性質の比較について説明する。
（１）焼戻しパラメータと焼戻し硬さの母曲線
焼戻しによる鋼の機械的性質の変化は拡散によって進行するマルテンサイトの分解と炭化物の析出凝集の結果であるから、焼戻し温度と同様に焼戻し時間も機械的性質を支配する重要な因子となる。そこで、この２つの支配因子が表現できる焼戻しパラメータＭは次式で表せる。
【数７】
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ここで、Ｔは焼戻し温度（Ｋ）であり、ｔは焼戻し時間（ｈ）である。定数Ｃは炭素量（Ｃ％）によって次式のように変える。
【数８】
2007169684.tif 000008
ここで、本実験ではＳ３５Ｃを被加工材として使用しているので０．３５％の炭素含有量により、定数Ｃは約１９と決定する。焼戻し条件Ｍ（Ｔ，ｔ）とその条件で得られた硬さＨＶとの関係は第６図に示すようなＨＶ−Ｔ曲線およびＨＶ−Ｍ曲線で示される。これを数式化すると次式のようになる。なお、ＨＶ−Ｔ曲線ではｔ＝１．５ｈで得られるものである。
【数９】
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【数１０】
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ここで、ＫＨＶ−Ｔ＝−０．１５１，ＨＶＴ０＝３４６，ＫＨＶ−Ｍ＝−０．００８，ＨＶＭ０＝３８７とし、数式４を用いて、任意のＴとｔとの組み合わせ条件での焼戻し硬さが推定できる。
【００１６】
次に機械的特性の変化について説明する。
Ｔによる機械的性質の変化を、それぞれ第７図と第８図に示す。なお、ｔ＝１．５ｈ，Ｔの上昇に伴い、伸びδは大きくなるが，Ｔ＝６５０℃以上の場合はほぼ一定になる傾向がある。
また、Ｔが高くなるにつれて，ビッカース硬さＨＶ、引張強さσＢおよび降伏強さσｙは低下していく。Ｔが高いほど、マルテンサイトから析出した多数の微細なセメンタイト粒子は次第に数少ない粗大粒子へ凝集していき、それに伴ってセメンタイト粒子の間隔が開いて柔らかいフェライトの変形が容易になると考えられる。
また、硬さと引張強度・降伏強度との関係を第９図に示し、式４，５で表すことができる。
【数１１】
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【数１２】
2007169684.tif 000012
ここで、ＫＢ＝７．８３，σＢ０＝１１８１，Ｋ８．８５，σｙ＝１６０６とし、これらを式４から６を用いて任意の条件Ｍ（Ｔ，ｔ）で施した焼戻し後のＨＶ，σＢおよびσｙが推定できる。
一方、シャルピー衝撃値ρとＴとの関係を第１０図に示す。Ｔが高いほど焼戻し靱性が高くなることを認められた。
【００１７】
そして、軸肥大加工限界におよぼす焼戻し条件の影響について説明する。
熱処理材において、疲労損傷を生じない限界肥大率Ｄｆ＊／Ｄ０およびそれを納入まま材の限界肥大率Ｄｆ＊／Ｄ０＝１．６５で基準化した（Ｄｆ＊／Ｄ０）／（Ｄｆ／Ｄ０）を第１１図に示す。Ｔが高くなるにつれて、Ｄｆ＊／Ｄ０および（Ｄｆ＊／Ｄ０）／（Ｄｆ／Ｄ０）は増大しており、第１０図に示した靱性向上の結果と一致している。また、焼戻しパラメータＭと限界肥大率との関係は第１２図に示すような線形関係があり、次式で表すことができる。
【数１３】
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ここで、Ａ１＝３×１０−３，Ｂ１＝０．５０３とする。式７を用いて各焼戻し条件Ｍ（Ｔ，ｔ）での限界肥大率Ｄｆ＊／Ｄ０を推測することができる。
【００１８】
次に、軸肥大変形挙動におよぼす焼戻し条件の影響について説明する。
まず、軸圧縮変形挙動ｌ／ｌ０は次式で表すことができる。
【数１４】
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ここで、Ｎは回転数であり、ε０は限界肥大率（Ｄｆ＊／Ｄ０）に対する軸圧縮ひずみである。Ｎ０は実測値に対し近似して得られる回転時定数であり、変形速度を表す係数である。
一方、肥大部の体積は不変であることから、（Ｄ／Ｄ０）＝（ｌ０／ｌ）１／２となり、式８に代入すると、軸肥大変形挙動Ｄ／Ｄ０は次式で表すことができる。
【数１５】
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ここで、
【数１６】
2007169684.tif 000016
となり、式７を式１０に代入すると、ε０とＭとの関係を次式で表すことができる。
【数１７】
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一方、各熱処理材における軸肥大変形挙動Ｄ／Ｄ０を第１３図に示す。Ｔの変化にもかかわらず軸肥大変形速度の差がほとんど見られなく、Ｎ０がほぼ一定（Ｎ０＝８．２）となる。また、式９，１１を用いて、任意の熱処理条件による軸肥大変形挙動を予測することができる。
【００１９】
これまで説明したように、軸材や歯車などによく用いられている中炭素鋼Ｓ３５Ｃに対して、焼入れ焼戻しの熱処理および組織制御により加工性および限界肥大率の向上を図る軸肥大加工の検討を行い、焼入れ焼戻しによる材料の機械的特性や組織などの変化を調べ、軸肥大加工性に対して影響をおよぼす巨視的および微視的な組織の要因究明を通して、次のような有用な結果が得られた。
（１）８００℃油焼入れ後、５５０℃〜６７５℃の６条件で１．５時間保持後空冷の焼入れ焼戻しにより、軸肥大加工に適した均質なトルースタイトやソルバイト組織が得られることを確認した。
（２）焼戻し温度シャルピー衝撃値・延性の増加および硬さ・引張り強さ・降伏強度の低下し，限界軸肥大率の向上させること明らかにした。
（３）焼戻し温度Tの上昇に伴い，限界軸肥大率は明瞭に増大していく傾向がある。
（４）被加工材の降伏強度に対する圧縮応力の比を一定とする軸荷重条件下では，軸肥大加工における変形速度としてはほぼ一定となる。
（５）軸肥大変形挙動の数式モデルに焼戻しパラメータMを導入することにより、Ｓ３５Ｃの任意の焼入焼戻し組織材における軸肥大変形挙動を推測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】軸肥大加工装置を示す全体図
【図２】加工手順を示す説明図
【図３】Ｓ３５Ｃの標準組織
【図４】Ｓ３５Ｃの焼入れにより得られたマルテンサイト組織
【図５】Ｓ３５Ｃの焼戻しで得られたソルバイト組織およびトルースタイト組織        （ａ）焼戻し温度  Ｔ＝５５０℃        （ｂ）焼戻し温度  Ｔ＝５７５℃        （ｃ）焼戻し温度  Ｔ＝６００℃        （ｄ）焼戻し温度  Ｔ＝６２５℃        （ｅ）焼戻し温度  Ｔ＝６５０℃        （ｆ）焼戻し温度  Ｔ＝６７５℃
【図６】焼戻し条件Ｍ（Ｔ，ｔ）とビッカース硬さＨＶの関係を示すグラフ
【図７】焼戻し温度Ｔとビッカース硬さＨＶおよび伸びδとの関係を示すグラフ
【図８】焼戻し温度Ｔと降伏強さσｙおよび引張強さσＢとの関係を示すグラフ
【図９】ビッカース硬さＨＶと降伏強さσｙおよび引張強さσＢとの関係を示すグラフ
【図１０】焼戻し温度Ｔとシャルピー衝撃値ρとの関係を示すグラフ
【図１１】焼戻し温度Ｔと限界肥大率および基準化した限界肥大率との関係を示すグラフ
【図１２】焼戻しパラメータＭと基準化した限界肥大率との関係を示すグラフ
【図１３】軸肥大加工における回転回数と限界肥大率との関係を示すグラフ
【符号の説明】
【００２１】
１    軸肥大加工装置
２    軸回転駆動側スリーブ
３    軸加圧側スリーブ
４    加圧手段
５    偏倚手段
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2007169684.tif 000029
【図１３】
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【図３】
2007169684.tif 000031
【図４】
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【図５】
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