芳 賀 武   西 村 博 之   関 川 三 男

キー溝を有する高周波焼入れ鋼(S45C) の回転 曲げ疲労強度*

芳 賀 武   西 村 博 之   関 川 三 男

Fatigue Strength of Induction Hardening steel (S45C) with a  Key Groove in the Experiment of Rotated Bending

by

Takeshi HAGA Hiroyuki NISHIMURA and Mituo SEKIKAWA

Thisstudylュasinvestigatedoutthefatiguestrengthofinductionhardeningsteel materials.Somekindsofspecimenpossessedkeygroovesandsomedidnot.Paticularly, thematerialswithkeygroovesusedinthisexperimentpossessedthevariousdepths ofinduction hardening.Thefracturesurfaceswere investigated by meansofan electronmicroscope.

Theconculusionsobtainedareasfollows:

(1)Fatiguelimits(1Ⅹ10TcycleHncreasedabout13.6%atthematerialA(deepinduction hardeningstee

l

,

(2) Thecrack propagation patternsoffatiguewasobservedin thekey groove.Im particular,themeterialA wasobservedtohavecrackpropagationtothedirection of45degreesfrom therootofthekeygroove.

1. 緒 口

日常生活に使用 している電動横の伝動軸は安全を確保す るために,いろいろ と開発 されて いる.中で も疲労強度は熱処理方法を変 えることに よって増加 した り,減少 した りす る.従 ってこの熱処理方法の選び方は疲労寿命に重要な役割を果す.一般的にはシャフ トの部分に キー溝を有す る場合が多い. このキー溝が切欠 き効果の原因を生む結果 と考 え られ る.従 っ て, シャフ トが突然破壊す る例 もあ り,深刻な問題 となっている｡破壊の原因はキー溝底部 に応力が集中

( 2 )す るため, き裂の発生 と伝はが進み破壊す ると考えられる.キー溝を有 し たね じり疲労の研究が中川( 3 ) ,山本( 4 )等 によって実験的になされている. 実用伝動軸は回転 を ともない,ね じ り,曲げ両モーメソ トを同時に受けていることが多い. しか もキー溝を有

* 昭和63

月 日本機械学会北陸信越学会 第1

回学生員発表講演会に一部発末

* * 横桟工学科 助教授

* * * 長野高専 第21 期横桟工学科卒業 現在 日本 DEC( 秩)

** * * 機械工学科 教授

原稿受付 昭和6

年9 月2

日

8

芳賀 武 ･西村博之 ･関川三男

す るので授雑な現象要素を含み解析は困難である.

本研究は実際に使用 されている丸軸やキ‑溝を有す る材料に高周波焼入れをほ どこした疲 労強度を回転曲げの方法に よって調べることを 目的 とした.試険材料は

種で,キー溝を有 す る深い高周波焼入れ鋼 (A材) ,キー溝を有す る浅い高周波焼入れ鋼 (B材) ,キー溝を有 し加工のまま

,お よびキー溝がな く熱処理 もない

材)材料について 疲労強度 を 求め,破面模様お よび硬 さか ら破壊現象を調べ比較検討 した.

2.試 験 方 ･法

Fig.1

はキー溝を有す る丸棒試験片の形状 と寸法を示す. 辛‑溝付近の寸法は

で, 辛‑溝の深 さ

, キー溝 の先端部

の試験片を使用 した.

E 6 0 . l n. :

● ▲

̲‡ ≡ ≡主

^且 ±

Q I T _{L + ‑ U l} A ‑ + ‑ T ‑ ^N‑

Fig.1 For

m a n d d i m e n s i o n s o f f a t i g u e t e s t ^{s pe c i me n,}

1

) 処理方法 としての高周波焼入れは

のコイルに高周波電流を流 し表面部のみを加 熟 した.サイクル数は

で加熱時間は

で加熱後水性冷却剤を使いて焼入 れ した.特に浅い方は

1に示す

部を

,深い方は

部を

で焼 入れ した.焼戻 し温度は

で, 加熱時間

とし, 移動速度は

で 移動 し,その後空冷 した.

2)

高周波焼入れ鋼 の焼入れ状態を調べるため, 硬 さの 測定を行 った. 硬 さは試験片を 軸方向に

等分 し,その断面の表面か ら

まで ピッカ‑ス硬 さ試験機を使用 し測 定 し た.

3)

疲労試験は回転曲げ疲労試験椀に より行い

曲線を作成 した.

は応力であ り,

は破壊 した ときの繰返 し数である.

4)

疲労途中の観察は疲労寿命の

お よび

を液体窒素中に

間保持後, シャ ル ピー衝撃試験 より破壊させ,破面観察は走査型電子顕微鏡で行った.

3.実験結果および考察

Fig.2

と

は表面 の焼入れ状態を示 し,各点における深 さ方向の硬 さ分布である.

Fig.2

は

部 の加熱時間を

の速度で焼入れ した場合である. この時焼入れ深 さ は

のキー溝底で硬化 層が2.0‑3.

あるものを深い高周波焼入れ鋼A材 とした.

キー溝付近 の表面碇は

で

の値を示 した.Fi

部 の加熱時問を

secの速度で焼入れ した場合である.この時焼入れ深 さはFig.3のキー溝底で硬化 層が1.0

‑1

材 とした. キー溝 付近の表面硬 さほHv で400‑

500

の値を示 した.

qL:

1.0 2.0 3.0 4,0 5.0 6,0 DistancefromSurface‑mm Fig.2 HardnessDistribution

(Material

A)

1.0 2.0 3.0 4,0 5.0 6.0 DJStancefromSurface.mm Fig.3 HardnessI)istribution

(Material

B)

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Fig.4は各種の材料に対す るS‑N

曲線を示す. この

曲線 より強度を比較すると, 焼入れなしでキー溝がある場合はキー溝がない場合に比べて非常に弱い.しか しキ‑溝があ って焼入れすると,その強度はキー溝のない場合 とほとんど変わ らず, 疲労限度 (

同を言 う)は上昇す る.

S‑N

曲線か ら

材 ( 加工のまま)を基準にすると, 疲労限度はA材で1

材で

材で

回, お よび

･中で も

材 (キー溝がな く熱処理 もしない) が増大 した.

つ ぎに,Tabl

材を基準にすると疲労限度 は

材および

材で増加 し, 特 に

材は約1

%増加 した.

しか し1×1

8回お よび

×105回強度では減少 し,

中で も

度で1 1

ことは焼入れす ることに よ って疲労強度は増すが, 1

×106

回お よび

強度では逆に減少す る.ま た,浅い焼入れ材 (B 材) は

にかな りば らつ きがあ り, 不安定である′ .っ ぎに疲労 途 中の破面模様を観察す る ために,筆者 らの

人が提 案 した方法

を使用 した.

Fig.5

は疲労寿命の

,

お よび75%で運転中止 し.

その後衝撃用試験片に加工 し.液体窒素中に

保持後,衝撃を行 った.

C

材 と

材の衝撃吸収エ ネルギーは30

減少す る. しか し

材 と

材 の焼入れ材は50%以降急 激 に減少す る. このことよ り

材 と

材は30%以降疲 労進展が急速に進むのに対

Table 1 MATEBIALCBASE

MaterialA 】 MaterialB I MaterialD

Table 2 MATERIAL D BASE

MaterialA I MaterialB MaterialC + 5.03% 1 +ll.95% ‑ 7.55%

‑ 4.6% E ‑ 4.12% ‑12.36%

‑ll.22% l ‑ 5.85% l ‑13.17%

的糊鵠

脚

U

u山 1UD

o MQteriQLA

● MQteriQtB X MQtericLLC

0 McLteriQLD

RqtioofFQtigue life(N/Nf) Fig.5 Relation between ImpactEnergy

andRatioofFatiguelife

L,A材 とB ネ オ ● は5

ーと疲労強度 との関連性は不明である.

phot0.1か らphot0.4はそれぞれの材料に対す る破面模様を示 した ものである.疲労

寿命

% と疲労寿命の3

お よび7

nはキ ー 粥付近か ら 発生 し,特 にキー満底R 部か らキ裂 の発展を観察す る.

は深いl ' : . ' i 周波焼入れのA 材 を示す.キー溝底の先端部付近か ら疲労が進展 し,内部に伝はす る.巾で もキ

粥底R郡 よ り下方 向

0に大 きな クラックの痕跡が観察 された.

議周波焼入れの

材 を示す

ネ オと同様,キー溝底

部 よ り疲労が進展 し,内部に伝はす る投機が観察 された.

伝ばを示す ス トライエーシ ョソ投機が観察 され, このス トライェーツョソはキー糾

冊に 非常に細か く観察 された ことか ら,焼入れに よる効果 と判断す ることがで きる.

(a) 100%

(

( C

photo.1 SEM fl･aCtOgraPhs(Matel･ialA,0‑53kg/mm2,N‑2.12×109)

phot0.3

はキー溝を有 し加工 のままのC 材を示す.1

はキー港 底付近で

0方向にき裂 の凸凹破面が明瞭に観察 された.phot

と

O

は内部の疲労進 展模様を示 し, ス トライェーツョソの比較的大 きな模様が観察 された.

phot0.4はキー溝がな く熱処理 もないD

材を示す.通常 の

材 と同様 の模様

が観 察 され,ス トライェーシ ョソを初め,中央部にはデイソプル模様な どが観察 された.

上記 のことか ら,キー溝底の加工精度が重要な役割を果たす とともに,焼入れをすれば強

(

( b

( a )

空

photo,3 SEM fractographs(MaterialC,0‑40kg/mm2,N‑1.59×100)

photo.4 SEM fractographs(MaterialD,0‑52kg/mm2,N‑4.

77

度は良 くなるが,その焼入れの程度に問題がある.すなわ ち,焼入れ層に対す る強度 と切欠 き強度 とを混合 した突放であるため,今後は特に加工精度な どに十分注意 して多 くの試畝を 試み る必要があると考 える.

4.結 論

キー溝を有す る高周波焼入れ鋼の回転 曲げ疲労強度を実験的に調べた.試験片の柾餅はキ ー瓶を有す るもの とキー溝な しのものを使用 した.疲労破断後お よび疲労試奴を中断 した途 中の破面について フラク トグラフィ観察を行 った.その結果,

つ ぎの よ うな結論を得た.

(1

) キー溝を有す る材料

材)を基準に考 えたな らば,疲労限度

回) は

赫 ( 深い高周波焼入れ鋼)で

材 ( 浅い高周汲焼入れ鋼)で

,お よび

材 ( 高 周波焼入れ しない鋼)で

上昇 した.

(2)

衝撃吸収エネルギーは

材 と

材で

以降急速に減少す るのに対 して

材 と

材 の高周波焼入れ鋼は

以降急速に減少す る.

(3)

疲労 のき裂進展模様はキー粍底部で観察 され,砧周波焼入れ鋼材はス トライェ‑シ ョ ソ模様が細か く,特に, A材はキー藩政 R部 より下方向

に大 きな クラップの痕跡が観察 された.

以上のことよ り,キー沸底の加工精度が重要な役割を果たす.

14

芳賀 武 ･西村博之 ･関川三男

終 りに試験片の提供 と作製に当た り御協力下 さった山浦‑仁氏 ( 山洋電気 ( 秩) ) に感謝

参 考 文 献

(1)

西 田正孝

〝 応力集中〟p.

森北出版.

(2)

大久保肇,細野喜久雄,榊 芳, 日本機械学会論文集,3

中川隆夫,徳納久陸,杉山昭司,材料,33

(4)

山本義秋,中川隆夫,徳納久陸,大嶋正和,材料,35,33

芳賀 武,野 口 徹,日本金属学会誌,52,7

￠)

芳賀 武,関川三男,長野高専紀要