(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基地組織のフェライトが面積率で３０％以上存する球状黒鉛鋳鉄素材を高周波表面焼入れして、焼入れ硬化によらないで表面に２００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を生成させることにより、疲労強度を向上させることを特徴とする高周波表面焼入れによる球状黒鉛鋳鉄の疲労強度の強化方法。
【請求項２】
引張強さが４００〜５００ＭＰａ、０．２％耐力２５０〜３５０ＭＰａ、伸び７％以上を有し、基地組織のフェライトが面積率で３０％以上存する球状黒鉛鋳鉄素材を高周波表面焼入れして、焼入れ硬化によらないで表面に２００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を生成させることにより、常温の回転曲げ疲労強度を１０6 回で３５０ＭＰａ以上に向上させることを特徴とする高周波表面焼入れによる球状黒鉛鋳鉄の疲労強度の強化方法。
【請求項３】
基地組織のフェライトが面積率で３０％以上存する球状黒鉛鋳鉄素材を高周波表面焼入れして、焼入れ硬化によらないで表面に２００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を生成させ、疲労強度を向上させたことを特徴とする疲労強度に優れた球状黒鉛鋳鉄。
【請求項４】
引張強さが４００〜５００ＭＰａ、０．２％耐力２５０〜３５０ＭＰａ、伸び７％以上を有し、基地組織のフェライトが面積率で３０％以上存する球状黒鉛鋳鉄素材を高周波表面焼入れして、焼入れ硬化によらないで表面に２００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を生成させ、常温の回転曲げ疲労強度を１０6 回で３５０ＭＰａ以上に向上させたことを特徴とする疲労強度に優れた球状黒鉛鋳鉄。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の減速機用の歯車や部品などに使用される、疲労強度を大幅に向上させた球状黒鉛鋳鉄とその製法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の減速機歯車などの騒音を軽減するために、従来の鋼よりヤング率の小さい球状黒鉛鋳鉄を使用した歯車が提案されている（特開平９−６８２６１号）。
【０００３】
前記特開平９−６８２６１号の球状黒鉛鋳鉄は、歯面の疲労強度を増すために、球状黒鉛鋳鉄素材に焼入れ、焼戻しの熱処理をして基地組織をパーライトやソルバイトのフェライトを含まない組織にした後高周波焼入れされる。このように高周波焼入れされる球状黒鉛鋳鉄としては、例えばＪＩＳ  ＦＣＤ７００のような基地組織がパーライトの高強度の球状黒鉛鋳鉄が使用されていた。ＪＩＳ  ＦＣＤ７００のような球状黒鉛鋳鉄は、Ｃｕ，Ｍｎなどの成分を調整したり、前述のように熱処理や鋳造後の冷却速度の調整によって基地組織をフェライトを含まないパーライト組織などにされて強化されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の熱処理による組織調整はコストがかかり、また鋳造後に急冷してパーライト組織にする組織調整は製品の形状に起因して困難な場合が多い。
【０００５】
さらに、前記ＪＩＳ  ＦＣＤ７００のような高強度球状黒鉛鋳鉄は基地がパーライト組織で硬さが高いために、ＪＩＳ  ＦＣＤ４００などのような基地組織がフェライトの鋳鉄に比して靭性が劣り、かつ切削加工性が悪く、加工工数とコストがかかるという問題点がある。
【０００６】
一方、歯車などの部品として、素材の引張強さはＦＣＤ４００程度でよいが、疲労強度はＦＣＤ７００相当の強度で、かつ高い靭性を有し、安価で切削加工性が良い球状黒鉛鋳鉄が求められる場合も多い。
【０００７】
これに対し岡林等は、フェライト基地黒鉛鋳鉄を高周波加熱して、黒鉛を囲む環状第二層を生成させることにより疲労強度の向上を図る研究を行っている（岡林他：鋳物第５４巻（１９８２）第４号）。
【０００８】
しかしながら、前記岡林等の研究は高周波で部材の表面から内部まで全体を加熱したもので、これにより環状第二層を生成させた鋳鉄の疲労強度が、それを有しないフェライト鋳鉄より高いことを示している（前掲２２２頁図４）。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明者らは、鋭意研究した結果、基地組織がフェライトの靭性を有するＦＣＤ４００相当の球状黒鉛鋳鉄を高周波で表面焼入れすることにより表面に２００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を生成させ、焼入硬さはあまり上昇しないがＦＣＤ７００相当の疲労強度を得られることを見出だした。これにより、本体はＦＣＤ４００相当のフェライト鋳鉄の特性を生かしながら、ＦＣＤ７００相当の疲労強度を有する鋳鉄を開発して、フェライト鋳鉄の用途を開いたものである。
【００１０】
また、本発明者らは、２，０００〜２０，０００℃／秒以上の超急速加熱焼入れを行うことにより、さらに圧縮残留応力が増加し、疲労強度が向上することを見出だし、先に鋼における超急速加熱による高周波加熱焼入方法を開示した（特開平１１−１５８５３８号公報）。
【００１１】
前述のように、鋼やＦＣＤ７００のような基地組織がパーライトの球状黒鉛鋳鉄を高周波焼入れすることは、従来から行われてきたが、ＦＣＤ４００などのような基地組織がフェライトである鋳鉄は、高周波焼入れしても硬さが得られないために、従来着目されることがなかった。したがって、本発明のようにＦＣＤ４００を高周波表面焼入れにより圧縮残留応力を生成させてＦＣＤ７００と同等の疲労強度を得ることは、従来知られていなかった。
【００１２】
本発明は、上記研究結果から、基地組織がフェライトの球状黒鉛鋳鉄が高周波表面焼入れにより、硬さは上がらなくても疲労強度が向上するという全く新しい知見から、基地組織がフェライトで靭性が高く切削加工性が良く、かつ疲労強度に優れた球状黒鉛鋳鉄と、その製法を提供することを目的とする。
【００１３】
即ち、本発明は、高周波表面焼入れによる球状黒鉛鋳鉄の疲労強度の強化方法と疲労強度に優れた球状黒鉛鋳鉄に関するもので、基地組織のフェライトが面積率で３０％以上存する球状黒鉛鋳鉄素材を高周波表面焼入れして、焼入れ硬化によらないで表面に２００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を生成させることにより、疲労強度を向上させることを特徴とするものである。
【００１５】
この高周波表面焼入れによる圧縮残留応力は、２００ＭＰａ以上であることが高い疲労強度を確保するために望ましい。
【００１６】
また、本発明の高周波表面焼入れによる球状黒鉛鋳鉄の疲労強度の強化方法と、疲労強度に優れた球状黒鉛鋳鉄は、引張強さが４００〜５００ＭＰａ、０．２％耐力２５０〜３５０ＭＰａ、伸び７％以上を有し、基地組織のフェライトが面積率で３０％以上存する球状黒鉛鋳鉄素材を高周波表面焼入れして、焼入れ硬化によらないで表面に２００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を生成させることにより、常温の回転曲げ疲労強度を１０6 回で３５０ＭＰａ以上に向上させることを特徴とするものである。
【００１７】
このように本発明は、高周波表面焼入れによって高い圧縮残留応力を生成させることにより、基地組織のフェライトが面積率で３０％以上存する硬さが低く切削加工性の良い球状黒鉛鋳鉄を、基地組織がパーライトからなり硬さが高く切削加工性が劣る球状黒鉛鋳鉄と同等またはそれ以上に疲労強度を改善できることを見出だし、さらに超急速加熱焼入れにより一層疲労強度を向上させるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
以下、本発明の第１実施例について説明する。実施例１においては、表１に示すうちＦＣＤ５００とＦＣＤ７００について比較試験した。
【００１９】
【表１】
0005088912.tif 000002
【００２０】
表１に示すＦＣＤ５００とＦＣＤ７００の２種の球状黒鉛鋳鉄素材から図１に示す試験片形状に機械加工した後、高周波により表面焼入れした試験片と処理しない試験片とを作製した。高周波表面焼入れは９５２℃まで０．１８ｓｅｃ（約５３００℃／ｓｅｃ）の加熱速度で超急速加熱した後、急冷して焼入れした。
【００２１】
高周波表面焼入れした試験片の断面硬さの分布を図２に示す。図２に示すように、ＦＣＤ７００では素材硬さはＨＶ２５０〜３００であるが、表面は約０．７ｍｍの深さまで約ＨＶ７００〜８００の硬さに焼きが入っている。これに対し、ＦＣＤ５００では、素材硬さはＨＶ２００〜２２０であり、焼入部はＨＶ３００〜４００に硬化しているのみで、焼入硬化は少ない。
【００２２】
上述した、表１のＦＣＤ５００とＦＣＤ７００について未処理と高周波表面焼入れした試験片とを、小野式回転曲げ疲労試験機を用いて疲労試験を行った。その結果を図３に示す。
【００２３】
図から判るように、未処理の試験片の疲労強度は、１０5 回の疲労試験ではＦＣＤ５００、ＦＣＤ７００ともに約３００ＭＰａ程度である。これに対し、高周波表面焼入れした試験片についてみると、いずれも高周波表面焼入れにより大幅に疲労強度が向上し、１０5 回ではＦＣＤ７００の４５０〜５００ＭＰａに対し、ＦＣＤ５００は約４５０ＭＰａとほぼ同等かやや低い程度になる。
【００２４】
さらに回転曲げ回数が増して１０6 回の長時間疲労になると、未処理の試験片の疲労強度は２７０ＭＰａ程度になるが、ＦＣＤ５００の疲労強度は３８０〜４００ＭＰａであり、ＦＣＤ７００のそれとほぼ同等になる。
【００２５】
また、１０7 回の長時間疲労で見ると、ＦＣＤ５００の疲労強度は３２０〜３８０ＭＰａとＦＣＤ７００の３００ＭＰａ程度に比して高くなっている。
【００２６】
このようにＦＣＤ５００は焼入硬さが低く、焼入硬化が少ないにもかかわらず疲労強度が向上している理由を見ると、圧縮残留応力の存在にあると考察される。表２にそれぞれの試験片の残留応力の測定値を示す。
【００２７】
【表２】
0005088912.tif 000003
【００２８】
表２から、ＦＣＤ５００も高周波表面焼入れにより、焼入硬さは上がっていなくても大きな圧縮残留応力が残っていることが分かる。このように、高周波表面焼入れにより大きな圧縮残留応力が残ることが疲労強度を向上させるものである。この圧縮残留応力は、疲労強度を得るためには２００ＭＰａ以上が必要である。
【００２９】
前述のように、素材においてはＦＣＤ５００の引張強さがＦＣＤ７００に劣るにも拘らず、高周波表面焼入れした試験片の１０6 回を超える長寿命域の疲労強度ではＦＣＤ５００の方がＦＣＤ７００より優れている。これを疲労強度比（疲労強度／引張強さ）で図示すると、図４のようにＦＣＤ５００がＦＣＤ７００の１．５倍にもなることが認められる。
【００３０】
この原因の他の要因を知るために、高周波表面焼入れした部分の両者の破断面の顕微鏡組織を検査した結果を図５に示す。この両者を観察した結果を明瞭にするために模式的に示したものが図６である。図５、図６のそれぞれ（ａ）はＦＣＤ５００の、（ｂ）はＦＣＤ７００の破断面を示す。
【００３１】
焼入組織は図５（ａ）に示すように、ＦＣＤ５００はわずかにパーライトが混ざったフェライトの基地に環状マルテンサイトに囲まれた黒鉛が分布している。この環状マルテンサイトにより疲労強度が向上すると推察されるが、基地のフェライトが存在するために焼入れしても焼入硬さが増さないのである。これに対して、図５（ｂ）のＦＣＤ７００はパーライトの基地がマルテンサイトに変態し、ソルバイトとマルテンサイトの混在する基地に同様に環状マルテンサイトに囲まれた黒鉛が分布している。ＦＣＤ７００はこのために高い焼入硬さが得られている。
【００３２】
図５から疲労試験により１０6 回を超えて破断したＦＣＤ５００とＦＣＤ７００の破断の起点を顕微鏡的に見ると、ＦＣＤ５００は図６（ａ）に模式的に示すように疲労亀裂は黒鉛を取り囲む環状マルテンサイト相を回避しながらフェライト組織内を優先的に成長している。これに対し、ＦＣＤ７００は図６（ｂ）に示すように疲労亀裂はマルテンサイト組織中を脆性的に進展し、一方向破壊に至っている。
【００３３】
このように、環状マルテンサイト層の生成が鋳鉄の疲労強度を向上させることは、前述した岡林等も明らかにしているところであるが（前掲鋳物第５４巻（１９８２）第４号）、本発明では前述の高周波表面焼入れによる圧縮残留応力の存在が、さらにこれを強化することを見出だしたものである。
【００３４】
これらのため、前述のように引張強さはＦＣＤ５００がＦＣＤ７００に劣るにもかかわらず、１０6 回を超える長寿命域において疲労強度が優れることになるものであると解される。
【００３５】
［実施例２］
実施例２においては、前記の表１に示すうち、ＦＣＤ５００よりさらにフェライトの多いＦＣＤ４００と前記ＦＣＤ７００の２種の球状黒鉛鋳鉄について比較試験した。これらの素材を図７に示す試験片形状に機械加工した後高周波表面焼入れした。高周波表面焼入れの条件は、実施例１と同様に９５０℃まで０．３７ｓｅｃ（約２６００℃／ｓｅｃ）の加熱速度で超急速加熱した後急冷して焼入れした。
【００３６】
高周波表面焼入れした試験片の断面硬さ分布を図８に示す。ＦＣＤ７００では、約１．５ｍｍの深さまでＨＶ７８０〜９５０の硬さに焼きが入っている。これに対し、ＦＣＤ４００では表面近くで約ＨＶ３５０にわずかに硬化しているのみで、ほとんど焼入硬化は認められない。
【００３７】
このＦＣＤ４００とＦＣＤ７００の、未処理の試験片と高周波表面焼入れした試験片について、実施例１と同様に疲労試験を行い比較した。その結果を図９に示す。
【００３８】
図９から判るように、未処理の試験片の１０6 回の疲労強度は、ＦＣＤ４００は２６０ＭＰａ、ＦＣＤ７００は３００ＭＰａ程度である。いずれも高周波表面焼入れにより大幅に疲労強度が向上し、ＦＣＤ４００の焼入試験片の疲労強度は１０6 回では４６０ＭＰａ以上と大幅に向上し、ＦＣＤ７００の４８０〜５００ＭＰａの疲労強度にわずかに劣るもののほとんど同等の疲労強度を有する。
【００３９】
ＦＣＤ４００の未処理部分と高周波表面焼入れした部分の顕微鏡組織を図１０及び図１１に示す。図１０の未処理部分の組織についてみると、全体がフェライトの基地に球状の黒鉛が分布している。図１１の焼入組織で見ると、フェライトの基地に環状マルテンサイトに囲まれた黒鉛が分布している。これらから、焼入れにより硬さがわずかに増すのみで、基地の大半がフェライトであるために硬さは大きく増加しないことが判る。
【００４０】
また、これらの試験片について残留応力を測定した結果を表３に示す。
【００４１】
【表３】
0005088912.tif 000004
【００４２】
このように、高周波表面焼入材は高い圧縮残留応力を有し、この高い圧縮残留応力の残存と前記した環状マルテンサイトの存在があいまって疲労強度が向上するものと推察される。ＦＣＤ４００の場合も圧縮残留応力は２００ＭＰａ以上が必要である。なお、表３のＦＣＤ７００の高周波表面焼入材の残留応力値が、実施例１の表２に示した数値より大幅に低いが、これは図１と図７に示すように試験片の形状が異なることと、図２と図８に示すように焼入硬化層の深さが異なることによるものである。
【００４３】
［実施例３］
上記実施例１と２においては超急速加熱により焼入れした試料について述べたが、実施例３においては通常加熱速度による焼入試験を行った。試験は実施例１と同様に前記表１に記載のＦＣＤ５００について、図１に示す試験片形状に機械加工した後、高周波表面焼入れを行った。焼入条件は、１５０ｋＨｚで９００℃まで５ｓｅｃ（１８０℃／ｓｅｃ）以内の通常の加熱速度で加熱後急冷した。
【００４４】
その試験結果を表４に示す。表に示すように通常加熱速度により高周波表面焼入れした試料は、圧縮残留応力が２０５ＭＰａと、実施例１の表２に示す超急速加熱による高周波表面焼入れとほぼ同等の値が得られ、１０6 回の疲労強度も３８０ＭＰａと、前述の実施例１の図３のＦＣＤ５００の値と同等に近い値が得られた。これにより、圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上あれば通常加熱速度による高周波表面焼入れにおいても疲労強度が向上することが分かった。
【００４５】
【表４】
0005088912.tif 000005
【００４６】
従来の知見では、前述のように基地がフェライト主体であるＦＣＤ４００やＦＣＤ５００は焼入硬化しないので、焼入れしても疲労強度は低いものとされてきた。そのために、歯車などの部品に球状黒鉛鋳鉄を使用する場合には、事前の熱処理などにより基地の組織をＦＣＤ７００のようにパーライトやソルバイトにした鋳鉄が使用された。本発明は、この従来の知見を打ち破り、基地がフェライトのＦＣＤ４００や５００のような球状黒鉛鋳鉄を高周波表面焼入れすることにより、十分部品として使用に耐える疲労強度を有する球状黒鉛鋳鉄部品を提供するものである。
【００４７】
とくに実施例１で述べたように、超急速加熱焼入れにより、回転曲げ回数が１０6 回を超えるとＦＣＤ５００の疲労強度がＦＣＤ７００のそれを超えることが認められた。さらに、実施例３に示すように通常の加熱速度の焼入によっても、ＦＣＤ５００においてＦＣＤ７００の疲労強度とほぼ同等の疲労強度が得られることが分かった。
【００４８】
以上述べたように、本発明の球状黒鉛鋳鉄の高周波表面焼入れによる疲労強度の強化方法と疲労強度に優れた球状黒鉛鋳鉄は、例えばＪＩＳ  ＦＣＤ４００あるいは５００のような、基地組織のフェライトが面積率で３０％以上存する安価で切削加工性の良好な球状黒鉛鋳鉄を高周波表面焼入れすることにより、ＦＣＤ７００のように基地組織がパーライトの球状黒鉛鋳鉄の疲労強度と同等またはそれ以上に強度を向上させるので、部品の靭性が増すとともに、部品の材料費と加工コストが大幅に低減できる。
【００４９】
すなわち、前記ＦＣＤ４００などの引張強さ４００〜５００ＭＰａ、０．２％耐力２５０〜３５０ＭＰａ、伸び７％以上を有し、基地組織のフェライトが面積率で３０％以上存する球状黒鉛鋳鉄素材を高周波表面焼入れして、焼入れ硬化によらないで表面に２００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を生成させることにより、常温の回転曲げ疲労強度を前記ＦＣＤ７００と同等の１０6 回で３５０ＭＰａ以上に向上させることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の球状黒鉛鋳鉄の高周波表面焼入れによる疲労強度の強化方法により製作された疲労強度に優れた球状黒鉛鋳鉄は、安価で靭性と疲労強度が高く加工性の良い球状黒鉛鋳鉄部品を提供できるので、材料費と加工コストを大幅に低減できる。これにより自動車部品などの省エネルギー、コスト低減が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例１の試験片の形状を示す図である。
【図２】本発明実施例１の高周波表面焼入れ後の断面硬さ分布を示す図である。
【図３】本発明実施例１の回転曲げ疲労試験結果を示す図である。
【図４】本発明実施例１の疲労強度比（疲労強度／引張強さ）を比較した図である。
【図５】本発明実施例１の疲労破断した断面の顕微鏡写真である。
【図６】図５の写真を模式的に示したものである。
【図７】本発明実施例２の試験片の形状を示す図である。
【図８】本発明実施例２の高周波表面焼入れ後の断面硬さ分布を示す図である。
【図９】本発明実施例２の回転曲げ疲労試験結果を示す図である。
【図１０】本発明実施例２のＦＣＤ４００の未処理部の顕微鏡写真である。
【図１１】本発明実施例２の高周波表面焼入部の顕微鏡写真である。
【図１】
0005088912.tif 000006
【図２】
0005088912.tif 000007
【図３】
0005088912.tif 000008
【図４】
0005088912.tif 000009
【図５】
0005088912.tif 000010
【図６】
0005088912.tif 000011
【図７】
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【図８】
0005088912.tif 000013
【図９】
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【図１０】
0005088912.tif 000015
【図１１】
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