CN118382717A - 齿轮部件 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供齿根的表层的硬度高、弯曲疲劳强度优异的齿轮部件。本发明的齿轮部件的特征在于，在齿根的表层包含碳化物面积率为10％以下且碳化物数密度为6个/10μm2以下的部分。

Description

齿轮部件
技术领域
本发明涉及实施了高浓度渗碳处理的齿轮部件。
背景技术
作为以变速器、减速机等为代表的动力传递装置的部件的齿轮通常通过在将表面硬化钢成型为部件形状后进行渗碳处理、渗碳浸氮处理而制造。近年来，以降低成本为目的而推进齿轮小型化、紧凑化，要求开发更高强度的部件。
在紧凑化时，每个齿轮的负荷增大。由于负荷增大而对提高耐久性的要求提高。作为耐久性提高技术，已知真空渗碳处理，其通过在大气压气氛下将碳素导入加热的钢中并进行淬火而形成硬的马氏体组织，通过进行部件强化的渗碳处理、减压下的渗碳处理来防止形成成为疲劳破坏起点的脆的晶界氧化物。近年来，采用将共析浓度以上的碳素导入钢中并使硬质的碳化物析出到马氏体母相中来进行部件强化的高浓度渗碳处理。
在高浓度渗碳处理中，已知碳化物的析出方式通常会影响耐久性。例如专利文献1中公开了一种碳化物的面积率为5％以上且直径0.5μm以下的碳化物的面密度为6.0个/10μm2以上的机械构造用钢部件。根据该部件，通过微细的碳化物分散析出，从而能够提高耐点蚀性性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-113168号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在上述专利文献1记载的部件中，大量析出的碳化物与母相的界面的表面积增加。该界面热力学不稳定，在淬火中容易成为珠光体相变、贝氏体相变等的核。而且，母相中的铬等合金元素在碳化物中富集，因此，在界面附近的母相中，铬等合金元素浓度减小，淬火性降低。由于这些影响，在淬火中容易形成珠光体、贝氏体等硬度低于马氏体的组织。该现象在应用于轮辋厚度厚且热容量大的齿轮时容易发生，特别是在冷却速度慢的齿根处显著。因此，存在齿根表层的硬度降低、齿根的弯曲疲劳强度降低的问题。换言之，在考虑作为齿轮整体的高强度化及长寿命化的情况下，若着眼于齿根，则还存在改善的余地。
为了应对上述的现有问题，本发明目的在于，提供一种齿根的表层硬度高、弯曲疲劳强度优异的齿轮部件。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的齿轮部件由实施了高浓度渗碳处理的钢材构成，具有包含齿根、齿尖及所述齿根与所述齿尖间的齿面的齿部，其特征在于，所述齿根具有在表层分散析出碳化物而成的碳化物层，所述齿根的所述碳化物层的至少一部分的碳化物面积率为10％以下，且碳化物数密度为6个/10μm2以下。
本说明书包含作为本申请的优先权基础的日本专利申请2022-050297号的公开内容。
发明效果
根据本发明的齿轮部件，碳化物的面积率小，且碳化物与母相的界面的表面积变小。因此，淬火中的珠光体、贝氏体相变等的核减少，另外，在界面附近，母相中的铬等合金元素的浓度降低幅度变小，淬火性降低幅度变小。其结果，难以在淬火中形成珠光体、贝氏体等软质组织，齿根表层的硬度提高，齿根的弯曲疲劳强度提高。
附图说明
图1是示出本发明的齿轮部件的一个实施方式的立体图。
图2是本发明一个实施方式的齿轮部件的轴方向的剖视图。
图3是图2的A部分的放大图。
图4是本发明一个实施方式的齿轮部件的径向剖视图。
图5是图4的B部分的放大图。
图6是示出本发明一个实施方式的齿轮部件的制造工序的图。
图7是示出高浓度渗碳处理工序的概要的图。
图8是示出实施例及比较例中的高浓度渗碳处理工序的概要的图。
图9是示出实施例及比较例中的齿面疲劳试验的试验片的形状的图。
图10是示出实施例及比较例中的材料组织与特性的关系的图表。
具体实施方式
以下，使用附图说明本发明的齿轮部件的一个实施方式。
首先，说明本发明的齿轮部件的成分组成。该齿轮部件由包含各种合金元素且余量为Fe及不可避免杂质的钢材构成。具体来说，例如，能够由JIS G4053等中规定的Cr钢(SCr材料)、Cr-Mo钢(SCM材料)、Ni-Cr-Mo钢(SNCM材料)等材料构成。
图1是本发明一个实施方式的齿轮部件的立体图。该齿轮部件1能够被用作液压挖掘机、自卸卡车等工程机械的齿轮，但并非限定于此。
图2是齿轮部件1的轴方向的剖视图。图3是图2的A部分的放大图，示意性示出齿轮部件1的轴方向的剖面。齿轮部件1通过实施高浓度渗碳处理而具有从芯部到表面10依次形成有母相11、渗碳层12、碳化物层13的内部构造。渗碳层12为碳素浓度高于母相11的范围。碳化物层13是渗碳层12中碳素浓度特别高、碳化物分散析出的层状区域。高浓度渗碳处理也可以称为形成该碳化物层13(即，进行至碳化物析出到接近表面的区域的程度)的渗碳处理。另外，也能够将渗碳层12及碳化物层13统称为碳素浓度高于母相11的层(渗碳处理层)。
图4是齿轮部件1的径向剖视图(图2的X-X’剖视图)。齿部14与内孔15的间隔为轮辋厚度D。
图5是图4的B部分的放大图。齿部14与图3所示的齿轮部件1的轴方向的剖面的放大图同样地，从齿轮部件1的芯部到表面10依次由母相11、渗碳层12、碳化物层13构成。齿部14的包含顶端部的范围是齿尖16，包含表面10与节圆R的交点的范围是齿面17。另外，包含相对于齿部14的中心线P成30°角的直线与表面10的切点的范围是齿根(齿底)18。即，齿部14包含齿根18、齿尖16及齿根18与齿尖16间与点的齿面17。
首先，就齿根18的表层即齿根18中的碳化物层13而言，其至少一部分的碳化物面积率为10％以下，且碳化物数密度为6个/10μm2以下。在齿根18的碳化物层13中，若碳化物面积率大于10％，则母相中的铬等合金元素的浓度降低而淬火性降低，硬度降低而齿根18的弯曲疲劳强度降低。若碳化物数密度大于6个/10μm2，则碳化物与母相的界面的表面积增加，容易在淬火中形成硬度低于马氏体的组织，齿根18的弯曲疲劳强度降低。
接下来，优选齿面17的表层即齿面17中的碳化物层13的至少一部分的碳化物面积率为10％以下。在齿面17的碳化物层13中，若碳化物面积率大于10％，则在齿轮工作中，粗大的碳化物成为起点而龟裂容易产生、发展，存在齿面点蚀性疲劳寿命变短的情况。
另外，优选齿面17中的碳化物层13的碳化物面积率大于齿根18中的碳化物层13的碳化物面积率。若齿面17中的碳化物层13的碳化物面积率变小，则齿面17的由碳化物引起的点蚀性疲劳寿命提高效果变小。另一方面，若齿根18中的碳化物层13的碳化物面积率变大，则齿根18的母相中的铬等合金元素的浓度降低而淬火性降低，硬度降低而齿根18的弯曲疲劳强度降低。因此，齿面17的表层的碳化物面积率减少或齿根18的表层的碳化物面积率增加，若齿面17的表层的碳化物面积率变为齿根18的表层的碳化物面积率以下，则齿轮整体存在耐久性降低的情况。
另外，优选齿根18中的碳化物层13的厚度比齿面17中的碳化物层13的厚度厚。需要说明的是，齿面17或齿根18的碳化物层13的厚度是指在与齿面17或齿根18的表面垂直的方向上测定的碳化物层13的厚度。齿面17中的内部起点型的点蚀性疲劳损伤从剪切应力最大的深度发生。因此，碳化物层13比剪切应力最大的深度深即可，也可以不厚。另一方面，齿根18中的碳化物层13的厚度越厚则齿根18的残余应力越大，齿根弯曲疲劳强度越高。因此，若齿根18的碳化物层13的厚度比齿面17的碳化物层13的厚度厚，则齿轮整体的耐久性提高。
接下来，使用附图说明本发明一个实施方式的齿轮部件的制造方法。
图6是示出本发明一个实施方式的齿轮部件的制造工序的图。首先，由于将上述成分组成的坯料钢整形为需要的尺寸来作为齿轮部件，因此在适当实施热锻后，实施用于消除加工组织和加工应变影响的正火，再切割为齿轮形状，并通过高浓度渗碳和回火进行表面硬化。根据需要，也可以在回火后实施精加工以减小热处理应变。
图7是示出高浓度渗碳处理工序的概要的图。以下，使用图7说明制造本发明一个实施方式的齿轮部件时的高浓度渗碳处理工序。如图7所示，高浓度渗碳处理工序包括渗碳工序和再加热工序。
在渗碳工序中，在将齿轮部件1均热后，通过以一定时间断续地导入乙炔等烃类气体，从而从材料表面向内部导入碳素并使其扩散，形成渗碳层12及碳化物层13。渗碳工序的温度设为A1相变温度以上。在渗碳工序的温度低于A1相变温度的情况下，组织未产生奥氏体相变而未渗碳。渗碳工序的温度越高则渗碳时间越短，但由于热处理应变变大，因此优选为980～1050℃左右。根据需要，渗碳工序的温度可以在处理中适当变化。为了实现作为齿轮部件所需的渗碳层12的厚度，优选渗碳工序的时间为1～10小时左右。优选渗碳工序结束时的表面碳素浓度为共析碳素浓度以上，且低于与渗碳工序温度的Acm线相当的碳素浓度。通过将表面碳素浓度设为共析碳素浓度以上，从而碳化物层13中的碳化物在再加热工序后分散。通过该碳化物来提高弯曲疲劳强度、点蚀性疲劳寿命。在表面碳素浓度为与渗碳工序温度的Acm线相当的碳素浓度以上的情况下，在渗碳工序中，粗大的碳化物沿着原奥氏体晶界析出。沿着晶界析出的粗大的碳化物在再加热工序后也会残存，因此淬火性降低而齿根硬度降低。由于渗碳工序结束时的表面碳素浓度越高则再加热工序后的碳化物面积率越大，淬火性降低而再加热工序后的齿根硬度降低，因此优选为1.0～2.0wt％的范围。渗碳工序的冷却速度没有特别限定，在冷却中以过饱和状态维持上述的碳素浓度，且在接下来的再加热工序中不形成可能成为粗大碳化物的碳化物即可。渗碳工序的冷却后的温度设为低于A1点的温度。在渗碳工序的冷却后的温度为A1点以上的情况下，奥氏体未发生珠光体相变，在再加热工序中，碳化物层13中的碳化物不分散。
在再加热工序中，在将齿轮部件1均热后，通过以一定时间断续地导入乙炔等烃类气体，从而从材料表面向内部导入碳素，使其扩散并淬火。由此，以在渗碳工序的冷却过程及再加热工序的加热、均热过程中形成的碳化物层13中的碳化物的核为中心，控制使得碳化物成为齿根硬度提高所需的上述的面积率及数密度的范围内，在淬火后得到齿根硬度高的齿轮部件1。另外，此时，根据渗碳工序后的过饱和碳素浓度得到的碳化物层13中的碳化物能够实现上述的碳化物的面积率及数密度的条件即可，在再加热工序中也可以不导入乙炔等。优选再加热工序的温度为A1相变温度以上，此外，低于再加热工序结束时的表面碳素浓度的Acm温度。在再加热工序的温度低于A1相变温度的情况下，组织未发生奥氏体相变，齿轮部件1在淬火过程中未硬化。在再加热工序的温度为渗碳工序结束时的部件的表面碳素浓度的Acm温度以上的情况下，碳化物层13中析出的碳化物固溶。再加热工序的温度越高则碳化物层13中的碳化物的数密度越少，但由于淬火后的残留奥氏体量增加而硬度降低，因此优选为820～900℃左右。为了使碳化物层13中的碳化物奥斯特瓦尔德熟化而满足上述的碳化物的面积率及数密度的条件，再加热工序的时间设为比通常的再加热时间长，具体来说，优选为3～24小时左右。另外，为了控制组织，可以根据需要在处理中使温度适当变化，也可以适当追加冷却加热过程。再加热工序的淬火后的温度设为低于Ms点的温度。在再加热工序的淬火后的温度为Ms点以上的情况下，奥氏体未发生马氏体相变而未硬化。
在高浓度渗碳处理工序后的回火工序中，将温度适当设定为从150℃到250℃的范围内，对齿轮部件1进行均热。此时，齿轮部件1被均热即可，处理时间没有特别限定，另外，冷却的方法也没有特别限定。
实施例
以下，进一步基于实施例及比较例详细说明本发明。
如表1所示，改变高浓度渗碳处理条件及轮辋厚度D，制作实施例1～3及比较例1～5的齿轮部件1。图8是示出各实施例及比较例中的高浓度渗碳处理工序的概要的图。就齿面17及齿根18的碳化物面积率及碳化物数密度而言，针对图4所示的齿轮部件的径向的剖面，在加热至80℃的苦味酸钠中进行20分钟的蚀刻，仅使碳化物呈现黑色，使用图像解析软件计算。就齿尖16、齿面17、齿根18的硬度比而言，在图4所示的齿轮部件的径向的剖面上，将使用维氏硬度试验机试验得到的值除以针对共析渗碳后的齿轮部件试验得到的值来计算。齿面疲劳寿命通过模拟齿面疲劳的要素试验的齿面疲劳试验来评价。图9示出各实施例及比较例中的齿面疲劳试验的试验片的形状。小齿轮20在将上述成分组成的素材钢热锻、正火、切齿后实施表1所示的高浓度渗碳处理并进行回火来制作。大齿轮30在将上述成分组成的素材钢热锻、正火、切齿后实施共析渗碳处理并进行回火来制作。齿面疲劳试验是使小齿轮20与大齿轮30成对啮合，使用油温70℃的减速机润滑油在赫兹面压230kgf/mm2下试验。齿面疲劳寿命设为在小齿轮20的齿面发生点蚀性疲劳损伤时的小齿轮20的反复次数。齿面疲劳寿命比将高浓度渗碳处理后的小齿轮20的齿面疲劳寿命除以共析渗碳处理后的小齿轮20的齿面疲劳寿命来计算。需要说明的是，在表1中，*表示齿根或齿面的表层包含碳化物面积率超过10％的部分的情况，或表示包含齿根的碳化物数密度超过6个/10μm2的部分的情况。
【表1】
实施例1～3针对轮辋厚度D为50mm及120mm的齿轮部件1以图8A所示的高浓度渗碳处理条件进行处理，将再加热工序的时间控制为3～24小时的范围，从而控制使得齿根的表层包含碳化物面积率为10％以下且碳化物数密度为6个/10μm2以下的部分，此外控制使得齿面的表层包含碳化物面积率为10％以下的部分。
比较例1、2、4、5针对轮辋厚度D为50mm及120mm的齿轮部件1以图8B所示的高浓度渗碳处理条件进行处理，通过将再加热工序的时间控制为1～3小时的范围，从而控制使得齿根的表层包含碳化物面积率超过10％或碳化物数密度超过6个/10μm2的部分。关于比较例4，进一步控制使得齿面的表层包含碳化物面积率超过10％的部分。
比较例3针对轮辋厚度D为50mm的齿轮部件1以图8C所示的高浓度渗碳处理条件进行处理，通过将再加热工序的时间设为3～12小时的范围，且在再加热工序中以一定时间断续地导入烃类气体，从而控制使得齿根及齿面的表层包含碳化物面积率超过10％的部分。
图10是示出各实施例及比较例中的材料组织与特性的关系的图表。图10A示出齿根碳化物数密度与齿根硬度比的关系，将表1的实施例及比较例中的齿根碳化物面积率为10％以下绘制为曲线。齿根硬度比以齿根碳化物数密度6个/10μm2为界大幅变化。图10B示出齿根碳化物面积率与齿根硬度比的关系，将表1的实施例及比较例中的齿根碳化物数密度为6个/10μm2以下绘制为曲线。齿根硬度比以齿根碳化物面积率10％为界大幅变化。图10C示出齿面碳化物面积率与齿面疲劳寿命比的关系。齿面疲劳寿命比以齿面碳化物面积率10％为界大幅变化。
另外，本发明不限定于上述实施例，能够在不脱离其主旨的范围内以施加多种变更后的方式实施。例如，在上述多种构成中，至少齿根18中的碳化物层13的至少一部分的碳化物面积率为10％以下，且碳化物数密度为6个/10μm2以下即可。
附图标记说明
1 齿轮部件
10 表面
11 母相
12 渗碳层
13 碳化物层
14 齿部
15 内孔
16 齿尖
17 齿面
18 齿根
20 小齿轮
30 大齿轮
D 轮辋厚度
R 节圆
W 齿幅
P 中心线
本说明书中引用的全部发行物、专利及专利申请直接引用而包含
在本说明书中。

Claims (4)

1.一种齿轮部件，其由实施了高浓度渗碳处理的钢材构成，具有包含齿根、齿尖及所述齿根与所述齿尖间的齿面的齿部，
所述齿轮部件的特征在于，
所述齿根具有在表层分散析出碳化物而成的碳化物层，
所述齿根的所述碳化物层的至少一部分的碳化物面积率为10％以下，且碳化物数密度为6个/10μm2以下。
2.根据权利要求1所述的齿轮部件，其特征在于，
所述齿面具有在表层分散析出碳化物而成的碳化物层，
所述齿面的所述碳化物层的至少一部分的碳化物面积率为10％以下。
3.根据权利要求1所述的齿轮部件，其特征在于，
所述齿面具有在表层分散析出碳化物而成的碳化物层，
所述齿面的所述碳化物层的碳化物面积率大于所述齿根的所述碳化物层的碳化物面积率。
4.根据权利要求1所述的齿轮部件，其特征在于，
所述齿面具有在表层分散析出碳化物而成的碳化物层，
所述齿根的所述碳化物层的厚度比所述齿面的所述碳化物层的厚度厚。
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