CN1942692A - 小齿轮轴 - Google Patents

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Abstract

一种以非调质钢作为原料而形成的小齿轮轴(7)，其具备轴部(71、72)和与轴部(71、72)相连的小齿轮齿形成部(70)。小齿轮齿形成部(70)包含有小齿轮齿(7a)及齿根部(7b)。在小齿轮齿形成部(70)及轴部(71、72)上设定有实施了高频淬火及回火的硬化层(80)。上述钢含有C：0.45～0.55质量％，Si：0.10～.0.50质量％，Mo：0.15～0.25质量％，B：0.0005～0.005质量％。小齿轮齿形成部(70)及轴部(71、72)的表面硬度以维氏硬度表示为650～760HV。

Description

小齿轮轴
技术领域
本发明涉及一种例如使用于汽车转向装置上的小齿轮轴。
背景技术
电动式动力转向装置(EPS)与液压式动力转向装置相比较，可使燃料费用提高3～5％，由此看来，节省能耗，所以是理想的。
特别是小齿轮助力型的电动式动力转向装置与齿条助力型的电动式动力转向装置相比较，具有容易确保在车辆上的搭载空间，并且，制造成本低的优点，正在以小型车为中心进行普及。
在现有的普通的小齿轮轴中，对轧制后进行淬火回火(调质处理)的调质材料进行机械加工，存在制造成本高这一问题。
另一方面，进行了轧制后不进行淬火回火(调质处理)而直接进行机械加工后、再进行高频淬火等表面硬化处理而得到小齿轮轴的试验(例如参照日本国专利第3036061号公报)。
在小齿轮助力型的电动式动力转向装置中，对作为汽车的左右方向上延伸的转向轴的齿条和小齿轮的啮合部分作用的应力和表面压力与液压式动力转向装置相比较，大幅度地提高(例如6～10倍)。
另一方面，为了使产品通用化、实现规模效益所带来的成本降低，即使在小齿轮助力型的电动式动力转向装置中，也往往使用与液压式动力转向装置用的小齿轮轴相同的规格的小齿轮轴。因此，在高应力、高表面压力作用的中型车以上的车中，在小齿轮轴的耐磨损性、强度(包括静扭强度、抗扭疲劳强度)及韧性方面是不利的，其结果是电动式动力转向装置的采用具有局限于以小型车为中心的倾向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种廉价的并且能承受高应力、承受高表面压力的小齿轮轴。
为了实现上述目的，本发明提供一种以非调质钢为原料而制成的小齿轮轴。该小齿轮轴具有轴部、与所述轴部相连的小齿轮齿形成部，上述小齿轮齿形成部包含小齿轮齿及齿根部，在上述小齿轮齿形成部及轴部设置有实施了高频淬火及回火的硬化层，上述钢含有C：0.45～0.55质量％，Si：0.10～0.50质量％，Mo：0.15～0.25质量％，B：0.0005～0.005质量％，小齿轮齿形成部及轴部的表面硬度以维氏硬度表示为650～760HV。
将小齿轮齿形成部及轴部的表面硬度限定为650～760HV是基于下述理由。即，当低于650HV时，小齿轮齿形成部的表面硬度不足，相对于装配使用时的齿条的耐磨损性降低，另一方面，当超过760HV时，表层部的韧性降低，静扭强度不足。因此，通过将小齿轮齿形成部及轴部的表面硬度设定为650～760HV，由此来提高相对于齿条的耐磨损性，同时，确保相对于静态负荷的足够的抗扭强度。小齿轮齿形成部及轴部的表面硬度的更优选的下限值是680HV，更优选的上限值是730HV，进一步优选的上限值是710HV。
另外，上述钢优选进一步含有Mn：0.5～1.2质量％。
另外，上述钢优选进一步含有：从Cr：0.5质量％以下、Cu：0.5质量％以下、Ni：0.5质量％以下此三种中选择的至少一种。
另外，上述钢优选：进一步含有P：0.025质量％以下、S：0.025质量％以下、Ti：0.005～0.10质量％、N：0.015质量％以下，并且，C、Si、Mn、Cr、Mo、Cu、Ni及Cr的含有率(质量％)分别以a(C)、a(Si)、a(Mn)、a(Cr)、a(Mo)、a(Cu)、a(Ni)及a(Cr)表示，满足下式1及下式2，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
式1    0.80≤Ceq≤0.95
其中，Ceq＝a(C)+0.07×a(Si)+0.16×a(Mn)+0.20×a(Cr)+0.72×a(Mo)
式2    f值≤1.0
其中，f值＝2.78-3.2×a(C)+0.05×a(Si)-0.60×a(Mn)-0.55×a(Cu)-0.80×a(Ni)-0.75×a(Cr)
为了确保机械加工小齿轮轴时的工具寿命及小齿轮轴的强度，最好是将用于形成小齿轮轴的热轧后的作为制造用中间体的钢的硬度变为24～30HRC。这是因为当低于24HRC时，得不到小齿轮轴所需要的强度，另外，当超过30HRC时，工具寿命降低，增加成本，加工时需要更多的时间。
另一方面，在采用小齿轮轴用钢的情况下，由于其钢材的尺寸为20～30mm，热轧条件为850℃以下的温度、断面收缩率10％以上的压下率，另外，冷却方法是比较廉价的鼓风冷却、大气冷却或枢轴冷却，因此，其热轧后的硬度基本上由Ceq的大小来决定。为了使其硬度达到24～30HRC，需要使Ceq达到0.80～0.95。即，这是因为当Ceq低于0.80时，热轧后的硬度达不到24HRC以上，当Ceq大于0.95时，硬度大于30HRC，变得过硬，切削性降低，齿形精度变差。
同样地，在采用小齿轮轴用钢的情况下，其铁素体量基本上由f值的大小来决定。为了使铁素体量达到作为小齿轮轴用钢所需要的铁素体面积比40％以下，需要将f值控制在1.0以下。其理由如下。
即，如果在高频淬火前的组织中存在有大量的铁素体，则在高频淬火那样短时间的热处理中，C在铁素体中的扩散不充分，于是在高频淬火后的组织中就残留有铁素体。这残留的铁素体就成为抗弯强度及抗扭强度下降的原因。另外，也不易得到均匀的硬度，耐磨损性也下降了。
为了减少残余铁素体，可以考虑在高频淬火时长时间加热或高温加热，但是，在长时间加热的情况下，硬化层深度变得过深，制造的小齿轮轴的变形变大，同时，由于表面附近的残余应力的降低而成为疲劳强度降低的原因。另一方面，在进行高温加热的情况下，高频淬火层的晶粒粗大化，导致韧性下降。因此，最好将高频淬火前的铁素体量控制在40％以下，为此，需要将f值控制在1.0以下。
另外，在本发明中，上述齿根部的有效硬化层深度D(相当于从表面至450HV部位的深度)和齿根部半径R之比D/R最好是0.1～0.5。即，比值D/R超过0.5时，小齿轮齿的变形增大。另一方面，比值D/R低于0.1时，又担心小齿轮齿的静扭强度和抗扭疲劳强度不足。于是，将比值D/R设定为0.1～0.5范围内，由此确保小齿轮齿的静扭强度和抗扭疲劳强度，防止小齿轮齿的变形。比值D/R的更优选的下限值为0.2，比值D/R的更优选的上限值为0.4。
再者，在本发明中，上述轴部的有效硬化层深度d和轴部半径r之比d/r最好是0.05～0.6。当比值d/r低于0.05时，轴部的静扭强度和抗扭疲劳强度不足，并且还担心发生内部起点引起的疲劳破坏。另一方面，当比值d/r超过0.7时存在韧性下降的缺点，并且，制造成本高，不实用。因此，通过将比值d/r设定为0.05～0.6的范围内，确保轴部的静扭强度和抗扭疲劳强度，并且也确保韧性。比值d/r的更优选的下限为0.35。比值d/r的更优选的上限为0.5。如果是上述的小齿轮轴，使用廉价的非调质钢，可以实现高耐磨损性和高强度(静态强度、疲劳强度、冲击强度)，因此，可适用于承受高应力、高表面压力的高输出功率的小齿轮助力型电动式动力转向装置。
附图说明
图1是本发明一实施方式的应用了小齿轮轴的小齿轮助力型的电动式动力转向装置的示意图；
图2是小齿轮轴的剖面图；
图3是沿图2的III-III线的剖面图；
图4是沿图2的IV-IV线的剖面图；
图5是正向输入静态破坏试验的试验装置的概略图；
图6是逆向输入静态破坏试验的试验装置的概略图；
图7是逆向输入冲击试验的试验装置的概略图；
图8是正向输入耐久试验的试验装置的概略图；
图9是逆向输入耐久试验的试验装置的概略图。
具体实施方式
参照附图对本发明的优选的实施方式进行说明。
图1是表示采用本发明一实施方式的转向齿条的电动式动力转向装置概略结构的示意图。参照图1，电动式动力转向装置(EPS：Electric PowerSteering System)1具有转向轴3、中间轴5、小齿轮轴7和齿条8，其中：转向轴3连结于转向盘等转向部件2，中间轴5通过万向接头4连结于转向轴3，小齿轮轴7通过万向接头6连结于中间轴5，齿条8具有与设置于小齿轮轴7端部附近的小齿轮齿7a相啮合的齿条齿8a、并作为汽车的左右方向上延伸的转向轴。
齿条8在固定于车身上的外壳9内通过未图示的多个轴承支承，自由地进行直线往复运动。齿条8的两端部向外壳9的两侧突出，其各端部分别与转向横拉杆10相结合，各转向横拉杆10通过对应的转向臂(未图示)连结于对应的转向轮11。
当操作转向部件2使转向轴3转动时，该转动通过小齿轮齿7a和齿条齿8a，变换为沿着汽车左右方向的齿条8的直线运动。由此实现转向轮11的转向。
转向轴3被分为与转向部件2相连的输入轴3a和与小齿轮轴7相连的输出轴3b，这些输入轴3a、输出轴3b通过扭力杆12，在同一轴线上可相对转动地相互连结着。
设置有转矩传感器13，该转矩传感器13根据经由扭力杆12的输入轴3a、输出轴3b之间的相对转动位置量检测出转向转矩，将该转矩传感器13的转矩检测结果传给ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)14。在ECU14中，基于由转矩检测结果和未图示的车速传感器传给的车速检测结果等，通过驱动电路15控制施加给转向辅力用的电动机16的外加电压。电动机16输出的转动通过减速机构17减速，传给小齿轮轴7，变换为齿条8的直线运动，进行辅助转向。
减速机构17可以示例如下这样的齿轮机构：该齿轮机构具有小齿轮17a和大齿轮17b，其中，小齿轮17a为与电动机16的未图示的转动轴可一体转动地相连结的蜗杆轴等，大齿轮17b为与该小齿轮17a相啮合、同时与小齿轮轴7可一体转动地相连结的蜗轮等。
图2是小齿轮轴的剖面图，图3是沿着图2中的III-III线的剖面图，图4是沿着图2中的IV-IV线的剖面图。参照图2，小齿轮轴7具备小齿轮齿形成部70和在该小齿轮齿形成部70的两侧与轴线90同轴延伸设置的一对轴部71、72。轴部71由长轴构成，配置于中间轴5侧。轴部72由短轴构成。
参照图3，上述小齿轮齿形成部70包含多个在周向上等间隔形成的上述小齿轮齿7a和介于相邻的小齿轮齿7a之间的齿根部7b。
小齿轮轴7以廉价的非调质钢作为原料进行机械加工，在形成形状后，进行高频淬火及回火。由此，如图2、图3及图4所示，在小齿轮齿形成部70及轴部71、72上设有施行了作为表面硬化处理的高频淬火和回火的硬化层80，在与比硬化层80靠内部的轴内部81之间设定有硬度差。
上述钢含有：C：0.45～0.55质量％，Mo：0.15～0.25质量％，B：0.0005～0.005质量％。
通过对含有0.45～0.55质量％的C的非调质钢进行高频淬火和回火，可得到作为小齿轮轴所需要的耐磨损性和韧性。即，使C含量达到0.45质量％以上，由此，通过高频淬火可提高小齿轮轴7的耐磨损性，另一方面，如果C超过0.55质量％，则抗冲击性下降，另外，在高频淬火时容易产生淬裂现象，因此，将C设定在0.45～0.55质量％的范围内。
通过添加Mo提高淬硬性，同时，强化晶界内部，可使通过高频淬火得到的硬化层80的克服冲击应力作用的克服力提高，抑制由于冲击产生的龟裂现象的发生。为此，需要使其含有0.15质量％以上，但是，如果使其大量含有，则在轧制状态下形成马氏体而变硬，使切削性降低，因此，将其上限设定为0.25质量％。特别是通过与B复合添加，从而进一步提高通过高频淬火得到的硬化层80的韧性改善，硬度。
该B可抑制作为不可避免的杂质的P的晶界偏析，强化晶界，使硬化层80的韧性提高。为此，需要使其含有0.0005质量％以上，但是，如果含有过多，则会使晶粒粗大化，韧性下降，因此，将上限设定为0.005质量％。
作为钢的其他成分含有：Si：0.10～0.50质量％，Mn：0.50～1.20质量％，P：0.025质量％以下，S：0.025质量％以下，Cu：0.50质量％以下，Ni：0.50质量％以下，Cr：0.50质量％以下，Ti：0.005～0.1质量％，N：0.015质量％以下。剩余部分是Fe及不可避免的杂质。
Si在钢熔炼时具有脱氧作用，因此，是为此目的而含有的元素。为了得到其作用效果，需要使其含有0.10质量％以上，但是，如果含有过多，则钢的韧性会下降，因此，将其上限设定为0.50质量％。
Mn在钢熔炼时具有脱氧作用，同时，使钢的淬硬性提高，因此，是为此目的而含有的元素。为了得到这些作用效果，需要使其含有0.50质量％以上，但是，如果含有过多，则其硬度会过高，因此，将其上限设定为1.2质量％。
P是不可避免的杂质，发生晶界偏析使韧性下降，同时，又是高频淬火时助长淬裂产生的元素，因此，最好是含量低些，但即使含量低也会使效果饱合，而且成本也提高，因此，将其上限设定为0.025质量％。
S是不可避免的杂质，形成硫化物系夹杂物，构成疲劳破坏的起因，因而使疲劳强度下降。而且还是发生淬裂的原因。因此，S也优选含量低些，但如果含量显著降低，则切削性下降，因此，将其上限设定为0.025质量％。
Ti形成TiN，使钢中的N固定，阻碍BN的生成，增加有效的B量，因而是为此目的而含有的元素。为了固定N，发挥上述B的效果，需要使其含有0.005质量％以上，但是，如果含有过多，则会使韧性下降，因此，将其上限设定为0.10质量％。
N是不可避免的杂质，在钢中形成氮化物系非金属，使疲劳强度下降，因此，将其上限设定为0.015质量％。
Cu控制f值因而可以含有，但是，当含量多时会使钢的热加工性下降，因此，将其上限设定为0.50质量％。
Ni控制f值因而可以含有，但是，当含量多时会使钢的切削性下降，因此，将其上限设定为0.50质量％。
Cr控制f值因而可以含有，但是，当含量多时，钢的淬硬性会增加，在轧制状态下即产生马氏体，硬度过高，使切削性下降，因此，将其上限设定为0.50质量％。
Nb及Ta使高频淬火层的组织细化，改善韧性，因此，是为此目的而含有的元素。但含量多时效果饱合，因此，将其上限设定为0.20质量％。
Zr使高频淬火层的组织细化，改善韧性，同时，形成氧化物，成为硫化物的核，并且，改善MnS的延展性，形成粒状硫化物，因而，使抗扭疲劳强度提高，因此，是对此有益而含有的元素，但是，含量多时效果饱合，因此，将其上限设定为0.10质量％。
Al在钢熔炼时具有很强的脱氧作用，同时，细化晶粒，改善韧性，因此，是对此有益而含有的元素，但是，含量过多时，Al2O3系夹杂物增加，使疲劳强度下降，因此，将其上限设定为0.10质量％。
另外，上述的钢最好是将C、Si、Mn、Cr、Mo、Cu、Ni及Cr的含有率(质量％)分别以a(C)、a(Si)、a(Mn)、a(Cr)、a(Mo)、a(Cu)、a(Ni)及a(Cr)表示，满足下式1及下式2。
式1    0.80≤Ceq≤0.95
其中，Ceq＝a(C)+0.07×a(Si)+0.16×a(Mn)+0.20×a(Cr)+0.72×a(Mo)
式2    f值≤1.0
其中，f值＝2.78-3.2×a(C)+0.05×a(Si)-0.60×a(Mn)-0.55×a(Cu)-0.80×a(Ni)-0.75×a(Cr)
为了确保小齿轮轴在机械加工中的工具寿命及小齿轮轴的强度，最好是使用于形成小齿轮轴而热轧后的制造用中间体的硬度达到24～30HRC。如果低于24HRC，则得不到小齿轮轴所需要的强度，另外，如果超过30HRC，则工具寿命下降，成本增加，加工时需要更多的时间。
另一方面，在采用小齿轮轴用钢的情况下，由于其钢材的尺寸为20～30mm，热轧条件为850℃以下的温度、断面收缩率10％以上的压下率，另外，冷却方法是比较廉价的鼓风冷却、大气冷却或枢轴冷却，因此，其热轧后的硬度基本上由Ceq的大小来决定。为了使其硬度达到24～30HRC，需要将Ceq设为0.80～0.95。即，这是由于当Ceq低于0.80时，热轧后的硬度达不到24HRC以上，当Ceq大于0.95时，硬度高达30HRC以上，变得过硬，切削性降低，齿形精度变差。
同样地，在采用小齿轮轴用钢的情况下，其铁素体量基本上由f值的大小来确定。为了使铁素体量达到作为小齿轮轴用钢所需要的铁素体面积比40％以下，需要将f值控制在1.0以下。
如果在高频淬火前的组织中存在大量的铁素体，则在高频淬火那样短时间的热处理中，C在铁素体中的扩散不充分，在高频淬火后的组织中残留有铁素体。这残留的铁素体成为抗弯强度及抗扭强度下降的原因。另外，也不易得到均匀的硬度，耐磨损性也下降。
为了减少残余铁素体，考虑在高频淬火时长时间加热或高温加热，但是，在长时间加热的情况下，硬化层深度变得过深，制造的小齿轮轴的变形增大，同时，由于表面附近的残余应力的降低而成为疲劳强度降低的原因。另一方面，在进行高温加热的情况下，高频淬火层的晶粒粗大化，导致韧性下降。因此，最好将高频淬火前的铁素体量控制在40％以下，为此，将f值控制在1.0以下。
就热轧后的组织而言，最好是“铁素体+珠光体+贝氏体”的3相组织。这是因为存在马氏体时、热轧后的硬度显著提高同时冲击值下降。
另外，基于以下理由，热轧后的组织中的最大珠光体晶粒尺寸优选为圆当量直径100μm以下。即，为了抑制滚铣刀加工时发生啃削现象，进行细化组织是有效的。特别是当珠光体晶粒粗大时，滚铣刀加工时剥落，产生啃削现象。考虑到实用的小齿轮轴的表面加工精度，最好将珠光体晶粒的圆当量直径设定为100μm以下。
小齿轮齿形成部70及轴部71、72的表面硬度设定为650～760HV。即，这是由于当低于650HV时，小齿轮齿形成部70的表面硬度不足，相对于装配使用的齿条的耐磨损性下降，另一方面，当超过760HV时，表层部的韧性下降，静态抗扭强度不足。因此，将小齿轮齿形成部70及轴部71、72的表面硬度设定为650～760HV，由此来提高相对于齿条的耐磨损性，同时，确保对于静态负荷的足够的抗扭强度。小齿轮齿形成部70及轴部71、72的表面硬度更优选的下限值是680HV，更优选的上限值是710HV。
另外，参照图3，将齿根部7b中的硬化层80的有效深度即齿根部7b的有效硬化层深度D(相当于从表面至450HV部位的深度)与齿根部7b的半径R之比(硬化层比)D/R设定在0.1～0.5的范围内。当比值D/R超过0.5时，小齿轮齿的变形增大。另一方面，当比值D/R低于0.1时，又担心小齿轮齿的静态抗扭强度和抗扭疲劳强度不足。因此，将比值D/R设定为0.1～0.5的范围，由此确保小齿轮齿7a的静态抗扭强度和抗扭疲劳强度，防止小齿轮齿7a的变形。比值D/R的更优选的下限值是0.2，比值D/R的更优选的上限值是0.4。
另外，参照图4，将轴部71、72中的硬化层80的有效深度即轴部71、72的有效硬化层深度d与轴部半径r之比(硬化层比)d/r设定为0.05～0.6的范围。当d/r小于0.05时，轴部71、72的静态抗扭强度和抗扭疲劳强度不足，而且还担心产生源自内部的疲劳破坏。另一方面，当比值d/r超过0.6时，韧性下降，而且制造成本提高，是不实用的。因此，通过将比值d/r设定为0.05～0.6的范围，由此确保轴部71、72的静态抗扭强度和抗扭疲劳强度，并确保其韧性和经济实用性。比值d/r的更优选的下限值是0.35，比值d/r的更优选的上限值是0.5。
另外，最理想的是，在小齿轮齿形成部70及轴部71、72上，将比硬化层80更深部位的维氏硬度设定为260～300HV。当轴内部81的硬度低于260HV时，存在得不到小齿轮轴7所需的强度这一不良情况，当硬度超过300HV时，发生小齿轮轴7的整体韧性下降、滚铣刀加工时工具寿命缩短或加工时需要更长的时间这些不良情况。因此，通过设定在上述范围，可确保强度并且保持或提高生产率。轴内部81的硬度更优选的下限值是270HV，轴内部81的硬度更优选的上限值是290HV。
如果是上述的小齿轮轴7，采用廉价的非调质钢，可得到高耐磨损性和高强度(静态强度、疲劳强度、冲击强度)，因此，可适用于承受高应力、高表面压力的高输出的小齿轮助力型的电动式动力转向装置。
上面根据具体的实施方式对本发明进行了详细说明，但是，理解了上述内容的同行业人员可很容易地考虑其变更、改变及等同物。因此，本发明的范围应该规定为要求范围及其等同范围。
本申请与2004年4月14日由日本国特许厅提出的特愿2004-119360号相对应，该申请的全部公开内容通过在此引用而编入。
下面，列举实施例对本发明进行更具体的说明。
实施例及比较例
将下表1所示的成分组成的本发明的实施例及比较例的钢分别熔炼后制成钢坯，在800℃以下的温度下进行压下率15％的热轧，制成由直径23mm的圆棒构成的原料。对作为该原料的非调质钢进行机械加工，制成小齿轮形状的制造用中间体，然后，将制造用中间体进行高频加热至900～1000℃，通过水冷冷却至室温，进行高频淬火处理。其后，在气氛温度150℃、以处理时间1小时进行回火处理，形成硬化层80，制成了实施例及比较例的小齿轮轴。小齿轮轴长度为130mm，轴部平均直径为15mm，齿部外径为20mm，另外，具有5个齿。
利用这些实施例及比较例进行正向输入静态破坏试验、反向输入静态破坏试验、反向输入冲击破坏试验、正向输入耐久试验、反向输入耐久试验。还有，进行小齿轮齿形成部及轴部的表面的维氏硬度的测定以及小齿轮齿的切齿后的齿形精度的测定。其结果是，得到下记表2所示的结果。下面，就各试验进行具体的说明。
在各实施例及各比较例中，齿根部7b的有效硬化层深度D与齿根部7b的半径R之比D/R为0.3，轴部71、72的有效硬化层深度d与轴部71、72的半径r之比d/r为0.3。
正向输入静态破坏试验：
利用图5所示的试验装置。将保持与实施例的小齿轮轴7乃至比较例的小齿轮轴相啮合的齿条8的外壳9的两端分别固定于固定支柱31上。在中性位置固定齿条8，将驱动转矩由连结于小齿轮轴7上的旋转驱动器32传给小齿轮轴7。增大驱动转矩，直至破坏，测定破坏强度(N·m)。在表2中，○、△、×的标准如下述。
○：600N·m以上
△：400N·m以上且低于600N·m
×：低于400N·m
反向输入静态破坏试验：
利用图6所示的试验装置。将保持与实施例的小齿轮轴7乃至比较例的小齿轮轴相啮合的齿条8的外壳9的两端分别通过装配用橡胶33固定于固定支柱31上。通过联轴器34将小齿轮轴7固定于中性位置，由负荷气缸35通过负载传感器36推压齿条8的两端，增加负载直至确认破坏音(龟裂产生音)。将连接于负载传感器36上的动态应变计37的输出记录于记录器38上，由此测定破坏荷重(kN)。在表2中，○、△、×的标准如下述。
○：80kN以上
△：60kN以上且低于80kN
×：低于60kN
反向输入冲击破坏试验：
利用图7所示的试验装置。将保持与实施例的小齿轮轴7乃至比较例的小齿轮轴相啮合的齿条8的外壳9的两端固定在固定于固定支柱39上的一对固定支架40上。外壳9以靠近小齿轮轴7一侧的端部为上而直立配置。小齿轮轴7在中性位置固定于固定支柱41上。在靠近小齿轮轴7一侧的齿条8的端部固定有支承部件42。
在支承部件42的上方，设置有由导杆43支持而上下运动自如的重锤44，在该重锤44的下部固定有负载传感器45。固定负载传感器45的重锤44的重量为0.98kN，将负载传感器45与支承部件42之间的距离设定为20cm，使重锤44及负载传感器45落下，冲击支承部件42，测定至破损为止时的落下次数。
负载传感器45上连接有动态应变计46，将动态应变计46的输出记录于电磁示波器47上，测定反向输入冲击强度(kN×次数)。在表2中，○、△、×的标准如下述。
○：500kN×次数以上
△：200kN×次数以上且低于500kN×次数
×：低于200kN×次数
正向输入耐久试验：
利用图8所示的试验装置。将保持与实施例的小齿轮轴7乃至比较例的小齿轮轴相啮合的齿条8的外壳9的两端分别固定于固定支架54上。在齿条8的两端分别连接伺服执行机构55。小齿轮轴7通过联轴器56及转矩表57连接旋转驱动器58，通过该旋转驱动器58将驱动转矩传给小齿轮轴7。驱动转矩设定为50N·m，以频率0.15Hz重复次数设定为3万次。试验结束后，测定与齿条齿啮合部分的磨损量。在表2中，磨损量大、中、小的标准如下述。
磨损量小：20μm以下
磨损量中：超过20μm且为50μm以下
磨损量大：超过50μm
反向输入耐久试验：
利用图9所示的试验装置。将保持与实施例的小齿轮轴7乃至比较例的小齿轮轴相啮合的齿条8的外壳9的两端分别固定于固定支柱59上。通过联轴器60将小齿轮轴7固定于中性位置，通过靠近小齿轮轴7一侧的齿条8的端部相连的转向横拉杆10，由伺服执行机构61将轴向力施加给齿条8。将施加给齿条的轴向力设定为10kN，以频率5Hz重复次数设定为70万次。试验结束后，测定与齿条齿啮合部分的磨损量。在表2中，磨损量大、中、小的标准如下述。
磨损量小：60μm以下
磨损量中：超过60μm且为100μm以下
磨损量大：超过100μm
齿形精度测定试验：
求出了实施例及比较例的小齿轮轴的小齿轮齿的切齿后的齿形误差。具体而言，求出了所有齿中的最大误差(全齿Max.)。在表2中，最大误差的大小标准如下述。
最大误差小：10μm以下
最大误差中：超过10μm且为30μm以下
最大误差大：超过30μm
表1
                                                                                                                                         (质量％)
  No.     C     Si     Mn     P     S   Mo   B   Ti   N   其他     Ceq     f值
实施例   1     0.50     0.21     0.78     0.016     0.017   0.17   0.0015   0.04   0.008   Cr：0.22     0.81     0.35
  2     0.54     0.25     0.74     0.016     0.015   0.17   0.0016   0.045   0.008     0.85     0.00
  3     0.52     0.45     1.10     0.015     0.015   0.20   0.0015   0.04   0.008   Cr：0.30     0.93     0.12
  4     0.45     0.25     1.00     0.015     0.015   0.23   0.0015   0.04   0.008     0.82     0.50
5 0.49 0.28 0.82 0.016 0.015 0.19 0.0013 0.04 0.009   Cu：0.30 Ni：0.25Cr：0.18 Ta：0.06Al：0.05 0.81 0.23
比较例   1     0.45     0.25     0.70     0.015     0.015   0.23   0.0015   0.04   0.008     0.78     0.75
  2     0.41     1.10     0.55     0.015     0.0l5   0.26   0.0015   0.04   0.008     0.80     1.02
  3     0.55     0.65     1.10     0.015     0.015   0.20   0.0016   0.04   0.008     0.98     0.03
  4     0.60     0.24     0.85     0.016     0.015   0.20   0.0019   0.04   0.010     0.92     0.12
  5     0.51     0.25     0.83     0.015     0.015   0.12   0.0015   0.04   0.008     0.78     0.42
  6     0.49     0.30     0.60     0.015     0.015   0.30   0.0015   0.04   0.008     0.82     0.86
  7     0.51     0.65     0.75     0.017     0.018   0.21   0.0002   0.035   0.010     0.86     0.44
  8     0.53     0.08     0.82     0.014     0.017   0.16   0.0078   0.11   0.018     0.81     0.31
表2
  静态破坏试验   反向输入冲击破坏     耐久试验   齿形误差   Hv
正向输入 反向输入 正向输入 反向输入
  实1   ○   ○   ○     小   小   小   715
  实2   ○   ○   ○     小   小   小   718
  实3   ○   ○   ○     小   小   小   760
  实4   ○   ○   ○     小   小   小   650
  实5   ○   ○   ○     小   小   小   709
  比1   △   △   △     中   中   中   620
  比2   △   △   ×     大   大   中   570
  比3   △   △   ×     小   小   中   730
  比4   ○   ○   ×     小   小   中   770
  比5   △   △   ×     中   中   大   720
  比6   ○   ○   ○     中   中   大   705
  比7   △   △   ×     小   小   小   718
  比8   △   △   △     小   小   小   734
根据表2的结果可知，本发明的实施例1～5中均为，正向输入静态破坏强度为600N·m以上，反向输入静态破坏强度为80kN以上，正向输入耐久试验磨损量为20μm以下，反向输入耐久试验磨损量为60μm以下，表面硬度为650～760HV，另外，齿形误差小至10μm以下。
与此相对，Ceq为0.78、稍低于本发明的实施例1～5的比较例1与本发明的实施例1～5相比，表面硬度稍低为620HV，静态破坏强度及反向输入冲击破坏强度更低，耐久试验产生的磨损量更大，另外，齿形误差也更大。
另外，与本发明的实施例1～5相比，C含量略少、为0.41质量％，Si含量相当多、为1.10质量％，f值更高为1.02的比较例2与本发明的实施例1～5相比，表面硬度相当低为570HV，静态破坏强度更低，反向输入冲击破坏强度相当低，耐久试验产生的磨损量更大，另外，齿形误差也更大。
另外，Ceq为0.98、高于本发明的实施例1～5的比较例3，与本发明的实施例1～5相比，静态破坏强度更低，反向输入冲击破坏强度相当低，耐久试验产生的磨损量更大，齿形误差更大。
另外，C含量高于本发明的实施例1～5的比较例4，与本发明的实施例1～5相比，反向输入冲击破坏强度相当低，另外，齿形误差也更大。
另外，Mo含量比本发明的实施例1～5略少、Ceq比本发明的实施例1～5稍低的比较例5，与本发明的实施例相比，静态破坏强度稍低，反向输入冲击破坏强度相当低，耐久试验产生的磨损量更大，另外，齿形误差也更大。
另外，Mo含量高于本发明的实施例1～5的比较例6，与本发明的实施例1～5相比，耐久试验产生的磨损量更大，齿形误差相当大。
另外，Si含量多于本发明的实施例1～5、B含量少于本发明的实施例1～5的比较例7，与本发明的实施例1～5相比，静态破坏强度(相当于抗扭强度)更低，反向输入冲击破坏强度相当低。
另外，Ti含量及N含量多于本发明的实施例1～5的比较例8，与本发明的实施例1～5相比，静态破坏强度(相当于抗扭强度)及反向输入破坏强度更低。
硬化层比试验1
相对于上述实施例1，只是对高频淬火条件进行各种变更，使齿根部7b的有效硬化层深度D不同，由此作成仅仅使齿根部7b的有效硬化层深度D和齿根部7b的半径R之比(硬化层比)D/R如下述表3那样不同的实施例6～11(译者注：11还是1)，进行和上述同样的正向输入静态破坏试验及齿形精度测定试验后，得到了表3的结果。
表3
  硬化层比D/R     正向输入静态破坏试验     齿形误差
  比9   0.05     ×     小
  实6   0.1     △     小
  实7   0.2     ○     小
  实1   0.3     ○     小
  实8   0.4     ○     小
  实9   0.5     ○     中
  实10   0.6     ○     大
根据表3的结果判明：比值D/R为0.1以上(实施例1、实施例6～10)时，则可得到足够的抗扭强度，如果为0.2以上(实施例1、实施例7～10)，可得到更高的抗扭强度(静态破坏强度)。另外判明了：比值D/R为0.5以下(实施例1、实施例6～9)时，齿形误差为容许的水平，如果比值D/R为0.4以下(实施例1、实施例6～8)，则产生的齿形误差更小。
其结果判明：当比值D/R在0.1～0.5的范围内时，可得到抗扭强度及齿形误差(最大误差)两者均令人满意的结果。另外判明了：当比值D/R在0.2～0.4的范围内时，可得到抗扭强度及齿形误差(最大误差)两者均更令人满意的结果。
硬化层比试验2：
相对于上述实施例1，只是对高频淬火条件进行各种变更，作成如下述表4所示那样仅仅使轴部71、72的有效硬化层深度d和轴部的半径r之比(硬化层比)d/r不同的实施例11～15，进行和上述同样的正向输入静态破坏试验及如下述所示的抗扭疲劳试验后，得到了表4所示的结果。
抗扭疲劳试验：
将抗扭疲劳试验用试验片(平行部直径12mm、长度100mm的平滑试验片)作为试件，进行抗扭疲劳试验，以105次循环的时间强度进行评价。
○：650Mp以上
△：500Mp以上且低于650Mp
×：低于500Mp
表4
    硬化层比d/r     正向输入静态破坏试验     抗扭疲劳试验
  比10     0.03     △     ×
  实11     0.05     △     △
  实1     0.3     ○     △
实12 0.35 ○ ○
  实13     0.5     ○     ○
  实14     0.6     ○     △
  实15     0.7     ○     ×
根据表4的结果判明：比值d/r为0.05～0.6(实施例1、实施例11～14)时，可以得到容许标准以上的静态抗扭强度(静态破坏强度)及抗扭疲劳强度。即，比值d/r超过0.6(实施例15)时，相对于静态抗扭强度及抗扭疲劳强度的效果饱和，并且韧性下降。另外还发现，比值d/r为0.6时与比值d/r为0.5时相比较有韧性下降的倾向。因此，比值d/r的上限更优选0.5。另外还判明：当比值d/r在0.35～0.5(实施例12、13)的范围内时，可得到高的静态抗扭强度及高的抗扭疲劳强度。

Claims (9)

1.一种小齿轮轴，其中，
其以非调质钢作为原料而形成，
其具备轴部和与上述轴部相连的小齿轮齿形成部，
所述小齿轮齿形成部包含有小齿轮齿及齿根部，
在所述小齿轮齿形成部及轴部设定有实施了高频淬火及回火的硬化层，
所述钢含有C：0.45～0.55质量％、Si：0.10～0.50质量％、Mo：0.15～0.25质量％、B：0.0005～0.005质量％，
小齿轮齿形成部及轴部的表面硬度以维氏硬度表示为650～760HV。
2.如权利要求1所述的小齿轮轴，其中，所述钢还含有Mn：0.5～1.2质量％。
3.如权利要求2所述的小齿轮轴，其中，所述钢还含有选自Cr：0.5质量％以下、Cu：0.5质量％以下、Ni：0.5质量％以下三种的至少一种。
4.如权利要求3所述的小齿轮轴，其中，所述钢还含有P：0.025质量％以下、S：0.025质量％以下、Ti：0.005～0.10质量％、N：0.015质量％以下，并且，C、Si、Mn、Cr、Mo、Cu、Ni及Cr的含有率(质量％)分别以a(C)、a(Si)、a(Mn)、a(Cr)、a(Mo)、a(Cu)、a(Ni)及a(Cr)表示，满足下述式1及下述式2，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
式1    0.80≤Ceq≤0.95
其中，Ceq＝a(C)+0.07×a(Si)+0.16×a(Mn)+0.20×a(Cr)+0.72×a(Mo)
式2    f值≤1.0
其中，f值＝2.78-3.2×a(C)+0.05×a(Si)-0.60×a(Mn)-0.55×a(Cu)-0.80×a(Ni)-0.75×a(Cr)
5.如权利要求1所述的小齿轮轴，其中，所述小齿轮齿形成部及轴部在比所述硬化层更深的部位的维氏硬度为260～300HV。
6.如权利要求1所述的小齿轮轴，其中，所述齿根部的硬度为维氏硬度450HV以上的有效硬化层深度D与齿根部半径R之比D/R在0.1～0.5范围内。
7.如权利要求1所述的小齿轮轴，其中，所述齿根部的硬度为维氏硬度450HV以上的有效硬化层深度D与齿根部半径R之比D/R在0.2～0.4范围内。
8.如权利要求1所述的小齿轮轴，其中，所述轴部的硬度为维氏硬度450HV以上的有效硬化层深度d与轴部半径r之比d/r在0.05～0.6范围内。
9.如权利要求1所述的小齿轮轴，其中，所述轴部的硬度为维氏硬度450HV以上的有效硬化层深度d与轴部半径r之比d/r在0.35～0.5范围内。
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