走査型電子顕微鏡を用いて疲労破壊を観察し、破壊メカニズムを分析した。同時に、脱炭処理した試験片に対して異なる温度でスピン曲げ疲労試験を実施し、脱炭処理の有無による試験鋼の疲労寿命を比較し、脱炭処理が試験鋼の疲労性能に及ぼす影響を分析した。結果によると、加熱プロセス中に酸化と脱炭が同時に存在するため、両者の相互作用により、温度の上昇に伴って完全に脱炭した層の厚さが増加し、その後減少する傾向を示し、完全に脱炭した層の厚さは750℃で最大値120μmに達し、850℃で最小値20μmに達し、試験鋼の疲労限度は約760MPaであり、試験鋼の疲労亀裂の原因は主にAl2O3非金属介在物であることがわかった。脱炭現象は試験鋼の疲労寿命を著しく低下させ、試験鋼の疲労性能に影響を与える。脱炭層が厚いほど、疲労寿命は短くなる。脱炭層が試験鋼の疲労性能に及ぼす影響を低減するためには、試験鋼の最適な熱処理温度を850℃に設定する必要がある。
ギアは自動車の重要な構成要素です高速運転のため、歯車表面の噛み合い部分は高い強度と耐摩耗性を備えている必要があり、歯根は一定の繰り返し荷重により良好な曲げ疲労性能を備えている必要があり、材料の破損につながる亀裂を回避しなければなりません。研究によると、脱炭は金属材料の回転曲げ疲労性能に影響を与える重要な要因であり、回転曲げ疲労性能は製品品質の重要な指標であるため、試験材料の脱炭挙動と回転曲げ疲労性能を研究する必要があります。
本論文では、20CrMnTi歯車鋼の表面脱炭試験における熱処理炉の使用、異なる加熱温度が試験鋼の脱炭層深さに及ぼす変化法則の分析、QBWP-6000J単純梁疲労試験機を用いた試験鋼の回転曲げ疲労試験による試験鋼の疲労性能の判定、および脱炭が試験鋼の疲労性能に及ぼす影響の分析を行い、実際の生産における生産工程の改善、製品品質の向上、および合理的な参考情報の提供を目指す。試験鋼の疲労性能は、回転曲げ疲労試験機によって判定される。
1. 試験材料および試験方法
試験材料として、表 1 に示すような主な化学組成を持つ 20CrMnTi ギア鋼を 1 台提供する。脱炭試験: 試験材料を Ф8 mm × 12 mm の円筒形試験片に加工し、表面は汚れのない光沢のある状態にする。熱処理炉を 675 ℃、700 ℃、725 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃、1,000 ℃ に加熱し、試験片を 1 時間保持した後、室温まで空冷する。熱処理後の試験片をセット、研削、研磨し、4% 硝酸アルコール溶液で侵食し、冶金顕微鏡を使用して試験鋼の脱炭層を観察し、異なる温度での脱炭層の深さを測定する。スピン曲げ疲労試験：試験材料は、要求される処理に従って2つのグループのスピン曲げ疲労試験片に加工され、第1グループは脱炭試験を行わず、第2グループは異なる温度で脱炭試験を行う。スピン曲げ疲労試験機を使用して、2つのグループの試験鋼のスピン曲げ疲労試験を行い、2つのグループの試験鋼の疲労限度を決定し、2つのグループの試験鋼の疲労寿命を比較し、走査型電子顕微鏡を使用して疲労破壊を観察し、試験片の破壊の原因を分析し、試験鋼の疲労特性に対する脱炭の影響を調査する。
表1 試験鋼の化学組成（質量分率）wt%
加熱温度が脱炭に及ぼす影響
図1に、異なる加熱温度における脱炭組織の形態を示す。図からわかるように、温度が675℃のとき、試料表面には脱炭層は現れない。温度が700℃に上昇すると、試料表面に脱炭層が現れ始め、薄いフェライト脱炭層となる。温度が725℃に上昇すると、試料表面の脱炭層の厚さは著しく増加する。750℃の脱炭層の厚さは最大値に達し、このときフェライト粒はより鮮明で粗い。温度が800℃に上昇すると、脱炭層の厚さは著しく減少し始め、その厚さは750℃の半分になる。温度が850℃まで上昇し続けると、脱炭層の厚さは図1に示されています。800℃では、完全脱炭層の厚さが大幅に減少し始め、750℃では半分の厚さになりました。温度が850℃以上に上昇し続けると、試験鋼の完全脱炭層の厚さは減少し続け、半脱炭層の厚さが徐々に増加し始め、完全脱炭層の形態が完全に消失し、半脱炭層の形態が徐々に明確になりました。温度の上昇に伴い、完全脱炭層の厚さは最初は増加し、その後減少することがわかります。この現象の理由は、加熱プロセス中の試料が同時に酸化と脱炭の挙動を示すためであり、脱炭速度が酸化速度よりも速い場合にのみ脱炭現象が現れます。加熱開始時、完全脱炭層の厚さは温度上昇とともに徐々に増加し、完全脱炭層の厚さが最大値に達すると、温度上昇が継続し、試料の酸化速度が脱炭速度よりも速くなるため、完全脱炭層の増加が抑制され、減少傾向となる。675～950℃の範囲では、750℃での完全脱炭層の厚さが最大であり、850℃での完全脱炭層の厚さが最小であることがわかる。したがって、試験鋼の加熱温度は850℃が推奨される。
図1 異なる加熱温度で1時間保持した試験鋼の脱炭層の組織形態
半脱炭層と比較して、完全脱炭層の厚さは材料特性に深刻な悪影響を及ぼし、強度、硬度、耐摩耗性、疲労限度などの材料の機械的特性を大幅に低下させ、亀裂に対する感度を高め、溶接品質などに影響を与えます。したがって、完全脱炭層の厚さを制御することは、製品性能を向上させる上で非常に重要です。図2は、温度による完全脱炭層の厚さの変化曲線を示しており、完全脱炭層の厚さの変化がより明確に示されています。図から、700℃では完全脱炭層の厚さは約34μmに過ぎず、温度が725℃に上昇すると、完全脱炭層の厚さは86μmに大幅に増加し、700℃での完全脱炭層の厚さの2倍以上になることがわかります。温度が750℃まで上昇すると、完全に脱炭された層の厚さは最大値の120μmに達します。温度が上昇し続けると、完全に脱炭された層の厚さは急激に減少し始め、800℃で70μmになり、850℃で最小値の約20μmになります。
図2 異なる温度における完全脱炭層の厚さ
脱炭がスピン曲げにおける疲労性能に及ぼす影響
ばね鋼の疲労特性に対する脱炭の影響を調べるために、2つのグループのスピン曲げ疲労試験を実施した。第1グループは脱炭せずに直接疲労試験を行い、第2グループは同じ応力レベル（810 MPa）で脱炭後に疲労試験を行った。脱炭処理は700～850℃で1時間行った。第1グループの試験片の疲労寿命を表2に示す。
表2に、最初の試験片群の疲労寿命を示します。表2からわかるように、脱炭処理を行わない場合、試験鋼は810MPaで107サイクルしか受けず、破壊は発生しませんでした。応力レベルが830MPaを超えると、一部の試験片が破壊し始め、応力レベルが850MPaを超えると、疲労試験片はすべて破壊しました。
表2 異なる応力レベルにおける疲労寿命（脱炭処理なし）
疲労限度を決定するために、グループ法を使用して試験鋼の疲労限度を決定し、データの統計分析の後、試験鋼の疲労限度は約 760 MPa であることがわかりました。異なる応力下での試験鋼の疲労寿命を特徴付けるために、図 3 に示すように SN 曲線がプロットされました。図 3 からわかるように、異なる応力レベルは異なる疲労寿命に対応しており、疲労寿命が 7 の場合、サイクル数は 107 に相当し、これは、これらの条件下で試験片が状態を通過したことを意味します。対応する応力値は疲労強度値、つまり 760 MPa と近似できます。S - N 曲線は、材料の疲労寿命を決定する上で重要な参考値を持つことがわかります。
図3 実験用鋼材の回転曲げ疲労試験におけるSN曲線
表3に、第2グループの試験片の疲労寿命を示します。表3からわかるように、試験鋼を異なる温度で脱炭処理した後、サイクル数は明らかに減少し、107サイクルを超えるとすべての疲労試験片が破断し、疲労寿命が大幅に低下します。上記の脱炭層の厚さと温度変化曲線を組み合わせると、750℃の脱炭層の厚さが最も大きく、疲労寿命の値が最も低いことがわかります。850℃の脱炭層の厚さが最も小さく、疲労寿命の値が比較的高いことがわかります。脱炭処理によって材料の疲労性能が大幅に低下し、脱炭層が厚いほど疲労寿命が低くなることがわかります。
表3 異なる脱炭温度における疲労寿命（560MPa）
図4に示すように、試料の疲労破壊形態を走査型電子顕微鏡で観察した。図4(a)は亀裂発生源領域を示しており、明らかな疲労弧が見られる。疲労弧に従って疲労源を探すと、亀裂発生源は「魚の目」状の非金属介在物であることがわかる。介在物は応力集中を引き起こしやすく、疲労亀裂につながる。図4(b)は亀裂進展領域の形態を示しており、明らかな疲労縞が見られる。これは川のような分布であり、準解離破壊に属し、亀裂の拡大に伴って最終的に破壊に至る。図4(b)は亀裂進展領域の形態を示しており、明らかな疲労縞が見られる。これは川のような分布の形をしており、準解離破壊に属し、亀裂の連続的な拡大に伴って最終的に破壊に至る。
疲労破壊解析
図4 実験用鋼材の疲労破壊面のSEM像
図4に示す介在物の種類を特定するために、エネルギー分光組成分析を実施し、その結果を図5に示す。非金属介在物は主にAl2O3介在物であることがわかる。これは、介在物が介在物割れによって引き起こされる亀裂の主な原因であることを示している。
図5 非金属介在物のエネルギー分光分析
結論する
（１）加熱温度を８５０℃に設定することで脱炭層の厚さを最小限に抑え、疲労性能への影響を軽減します。
（２）試験鋼の回転曲げの疲労限度は７６０ MPaである。
（３）試験鋼の非金属介在物（主にAl2O3混合物）の割れ。
（４）脱炭は試験鋼の疲労寿命を著しく低下させ、脱炭層が厚いほど疲労寿命は低くなる。
投稿日時：2024年6月21日
