JP2001200348A

JP2001200348A - 面疲労強度に優れた歯車対

Info

Publication number: JP2001200348A
Application number: JP2000041973A
Authority: JP
Inventors: Juichi Ito; 樹一伊藤; Tomonori Haniyuda; 智紀羽生田; Sadayuki Nakamura; 貞行中村
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2000-01-17
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2001-07-24

Abstract

(57)【要約】【目的】面疲労強度に優れた歯車対。【構成】動力伝達する鋼製の歯車において、歯面の表面
硬さが６５０〜９５０ＨＶかつ残留オーステナイト量が
１０〜３０％である駆動側歯車と、表面の残留オーステ
ナイト量が駆動側歯車よりも７％以上多く、表面硬さが
４００ＨＶ〜７５０ＨＶ、表面から０．４ｍｍ深さの硬
さが６５０ＨＶ〜８００ＨＶである従動側歯車からなる
ことを特徴とする優れた面疲労強度が得られる歯車対。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，産業用機械や自動
車用変速機に最適な、面疲労強度に優れた歯車対に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車用の変速機に使用される歯車は、
ＪＩＳ規格のＳＣｒ４２０ＨやＳＣＭ４２０Ｈのような
肌焼き鋼を歯車形状に成形した後、浸炭焼入れ焼戻しを
することにより製造されている。

【０００３】歯車対において、ピッティングは、駆動側
歯車に多く発生する。このため、駆動側歯車の熱処理あ
るいは表面処理を変えることにより、ピッティング寿命
向上が図られてきた。表面硬さを向上させることによる
ピッティング寿命向上は、炭化物などの析出により実現
されてきたが、硬い炭化物に擦られて、表面粗さが悪化
してピッティング寿命向上には限界がある。このため、
表面粗さを考慮して、軟らかい表面とした場合には、歯
元曲げ疲労強度が低下するため、面疲労強度と歯元曲げ
疲労強度の両立が必要である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、自動
車用変速機に代表される、過酷な条件下で使用される歯
車対であって、歯元曲げ疲労強度を確保しつつ、耐ピッ
ティング性が優れ、長寿命の歯車を実現することのでき
る肌焼鋼を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの第一の発明は、歯面の表面硬さが６５０〜９５０Ｈ
Ｖかつ残留オーステナイト量が１０〜３０％である駆動
側歯車と、表面の残留オーステナイト量が駆動側歯車よ
りも７％以上多く、表面硬さが４００ＨＶ〜７５０Ｈ
Ｖ、表面から０．４ｍｍ深さの硬さが６５０ＨＶ〜８０
０ＨＶである従動側歯車からなることを特徴とする。

【０００６】上記の目的を達成するための第二の発明
は、重量％で、Ｃ：０．１０〜０．４０％，Ｓｉ：０．
０５〜１．５０％，Ｍｎ：０．３〜１．５％，Ｓ：０．
００５〜０．５００％，Ｃｒ：０．３〜５．０％，Ａ
ｌ：０．０１〜０．７０％，Ｎ：０．００１〜０．０３
０％を含有し，残部実質的にＦｅからなる鋼を素材とし
て、浸炭あるいは浸炭窒化処理を施し、歯面の表面硬さ
が６５０〜９５０ＨＶかつ残留オーステナイト量が１０
〜３０％である駆動側歯車と、浸炭窒化処理を施した、
表面の残留オーステナイト量が駆動側歯車よりも７％以
上多く、表面硬さが４００ＨＶ〜７５０ＨＶ、表面から
０．４ｍｍ深さの硬さが６５０ＨＶ〜８００ＨＶである
従動側歯車からなることを特徴とする

【０００７】上記の目的を達成するための第三の発明
は、上記の基本的な合金に加えて、下記のグループの一
つまたは二つ以上の合金成分を、任意に含有することが
できる。Ｎｉ：０．０５〜３．００％，Ｍｏ：０．１〜
５．０％，Ｖ：０．０１〜０．５０％，Ｗ：０．０５〜
１．００％，Ｎｂ：０．００５〜０．１００％，Ｂ：
０．００１〜０．００５％，Ｔｉ：０．０１〜０．１０
％およびＣａ：０．００１〜０．０３０。

【０００８】

【作用】本発明においては、特に残留オーステナイト量
に注目した。浸炭窒化処理やＮｉなどの合金を多量に含
有したことにより、表面に軟らかい残留オーステナイト
が多く生成した場合には、歯面の接触により表面が平滑
化し、摩擦力が低下する。歯車表面の摩擦力低下によ
り、すべりと面圧により発生する応力も低下するので、
表面損傷のピッティングが発生しにくくなる。しかし、
歯面が受ける応力は、引張りと圧縮の繰り返しであるた
め、疲労強度が問題になる。疲労強度を向上させるに
は、表面硬さを高くすることが有効であるが、残留オー
ステナイトが多く表面硬さが低い場合には、表面にき裂
が入りやすく、ピッティングが発生する。このため、駆
動側歯車と従動側歯車の残留オーステナイト量をそれぞ
れ変えて試験した結果、我々は、駆動側よりも従動側の
歯車の残留オーステナイト量を多くすることにより、面
疲労強度が向上することを見出した。これは、従動側歯
車の残留オーステナイト量を多くすることにより、ピッ
ティングが問題になっている駆動側歯車の表面硬さは下
がらないのでピッティングは発生しない。また、従動側
歯車は、残留オーステナイト量が増加して、表面硬さが
低下したとしても、もともとピッティングが発生しにく
いのでピッティングは発生しない。そして、浸炭窒化処
理による表面平滑化により摩擦力が低下して、大幅に面
疲労強度を高めることができる。この効果が得られるの
は、駆動側よりも従動側歯車の残留オーステナイト量が
７％以上多くすることが必要である。また、従動側歯車
が内部起点の破壊を起こさないために表面から０．４ｍ
ｍ深さの硬さが６５０ＨＶ以上必要である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に限定理由について説明す
る。

【００１０】駆動側歯車の表面硬さ６５０〜９５０ＨＶ駆動側歯車の表面硬さが低い場合には、歯元曲げ疲労強
度が低下する。また、表面にき裂が入りやすく、ピッテ
ィングが発生しやすくなる。このため、６５０ＨＶ以上
必要である。浸炭や過共析浸炭の焼入焼戻し材では９５
０ＨＶ以上の硬さは出しにくいので上限とする。

【００１１】駆動側歯車の残留オーステナイト量を１０
〜３０％駆動側の残留オーステナイト量が少ない場合には、衝撃
値が低下するため１０％以上必要である。残留オーステ
ナイト量が多い場合には、表面硬さが低下するため、歯
元曲げ疲労強度が低下する。このため、３０％を上限と
する。

【００１２】従動側歯車の残留オーステナイト量は、駆
動側よりも７％以上多い駆動側より従動側の残留オーステナイト量が多くなけれ
ば、き裂が駆動側に発生してしまう。このため、残留オ
ーステナイト量は、駆動側より従動側歯車の方が７％以
上多くする必要がある。

【００１３】従動側歯車の表面硬さ４００ＨＶ〜７５０
ＨＶ従動側歯車表面は、硬さがあまり低いと歯元曲げ疲労強
度が低下する。このため４００ＨＶ以上の表面硬さが必
要がある。しかし、表面硬さが高い場合には、平滑化し
にくくなるので、上限を７５０ＨＶとする。

【００１４】従動側歯車の表面から０．４ｍｍ深さの硬
さを６５０ＨＶ〜８００ＨＶ歯車の歯面は、すべりと面圧により最大せん断応力が働
き、この部分の硬さが低い場合には、内部起点の破壊に
至る。位置としては、表面から０．４ｍｍ付近の場合が
多い。この位置の硬さが低い場合には、歯面にスポーリ
ング破壊が発生するため、表面から０．４ｍｍの硬さは
６５０ＨＶ以上とする。また、８００ＨＶを超える硬さ
にはなりにくいので、上限を８００ＨＶとする。

【００１５】

【発明の成分の形態】本発明は、上記条件において、各
合金成分のはたらきと、組成範囲の限定理由を説明すれ
ば、次のとおりである。Ｃ：０．１０〜０．４０％歯車の心部の硬さを確保するため、Ｃを０．１０％以上
存在させる必要がある。Ｃ量が高くなると、熱間鍛造で
歯車の素材を得て、これを焼ならした後の硬さが高くな
り過ぎて、切削が困難になる。０．４０％が適切な量の
上限である。

【００１６】Ｓｉ：０．０５〜１．５０％Ｓｉは、脱酸に役立つため、少なくとも０．０５％は添
加すべきである。しかし、多量の添加は、組成加工時の
加工抵抗が大きくなるほか、浸炭性を低下させるので、
１．５０％を上限とする。

【００１７】Ｍｎ：０．３〜１．５％Ｍｎも脱酸剤であるうえ、焼入性を高める。この効果
は、０．３％以上の添加で明確に得られる。多量に添加
すると焼ならし後の硬さが高くなって、Ｃについて上記
したところと同じ不利益が出てくるから、上限１．５％
を設けた。

【００１８】Ｓ：０．００５〜０．５００％耐ピッティング性の観点からは、Ｓはこのましくない存
在ではあるが、その問題が顕著にならない範囲で快削元
素として利用するのが得策である。０．００５％は被削
性改善が認められる下限として、０．５００％は耐ピッ
ティング性を損なわない上限として、それぞれ選択し
た。

【００１９】Ｃｒ：０．３〜５．０％Ｃｒは表面のＣ濃度を高めて浸炭を促進する。しかし、
この効果が過ぎると浸炭異常層が発生し、粒界酸化を招
いて硬さの低い部分ができてしまう。０．３〜５．０％
の範囲は、これらの兼ね合いで定めた。

【００２０】Ａｌ：０．０１〜０．７０％窒化物生成による結晶粒微細化のため、０．０１％以上
の添加が必要である。しかし、多量の添加をすると、圧
延時に地疵が多く発生して好ましくない。０．７０％が
限度である。

【００２１】Ｎ：０．００１〜０．０３０％Ｎは、鋼中でＡｌ，Ｂ、Ｔｉと窒化物を生成して、結晶
粒を微細化する。しかし、多量の添加は、窒化物を粗大
化させる。このため、０．００１〜０．０３０％とし
た。

【００２２】また、強度を高めるため、下記の元素の１
種または２種以上を含有することができる

【００２３】Ｎｉ：０．０５〜３．００％Ｎｉは靭性を高める効果があるから、必要に応じて、効
果が明確になる０．２％以上の量を添加する。被削性に
とっては不利な成分で、３．００％が実用上の限度であ
る。

【００２４】Ｍｏ：０．１〜５．０％Ｍｏは浸炭層の焼入性を大幅に増大させ、不完全焼入層
を生成を抑制するのに有効な元素である。また、炭化物
生成元素でもあるので表面硬さをより高めることができ
る。しかし、多量に添加してもこれらの効果は飽和す
る。このため、Ｍｏは、０．１〜５．０％の範囲とす
る。

【００２５】Ｖ：０．０１〜０．５０％鋼中で炭窒化物を形成してＳｉの偏析を抑制し、疲労寿
命のばらつきを防止するのに有効な元素である。この効
果を発揮するにはＶ含有量０．０１％以上を必要とす
る。しかし、過剰に添加してもその効果は飽和し、鋼の
変態点をたかめるので、０．５０％を上限とする。

【００２６】Ｗ：０．０５〜１．００％炭化物を形成して耐摩耗性を確保する。この効果が明確
に得られる下限値の、０．０５％以上添加することが好
ましい。多量に添加すると、被削性を低下させるので、
上限を１．００％とする。

【００２７】Ｎｂ：０．００５〜０．１００％Ｎｂは、結晶粒の微細化ないし粗大化防止に有効であ
る。その効果は、０．００５％の少量から認められ、
０．１００％に至ると飽和する。

【００２８】Ｂ：０．００１〜０．００５％Ｂは、微量添加でいちじるしく焼入を向上させるととも
に粒界のＰ偏析を抑制し、靭性を改善する効果がある。
この効果は、０．００１％未満の含有量ではその効果は
少なく、０．００５％を超えて含まれてもその効果は飽
和し、また赤熱脆性を起こす。

【００２９】Ｔｉ：０．０１〜０．１０％強力な窒化物生成による結晶粒微細化のため、０．０１
％以上の添加が必要である。しかし、多量の添加は、巨
大な窒化物が生成により歯車の強度を低下させる。この
ため、上限を０．１０％と規定する。

【００３０】Ｃａ：０．００１〜０．０３０強力な脱酸剤であるとともに硫化物を微細な粒状に析出
させるので衝撃抵抗を向上させる。これらの効果は、
０．００１％以上の添加が必要であるが、多量に添加さ
れた場合には、効果が飽和するため、０．０３０％を上
限とする。

【００３１】

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明を説明する。表
１に示す肌焼鋼を溶製後，熱間圧延により直径９２ｍｍ
の丸棒を製造した。次いで、はすば歯車試験片（モジュ
ール２．５圧力角２０度ねじれ角２５度歯幅１２
ｍｍ駆動側２６枚従動側３０枚）を作製した。次
に、図１に示す浸炭焼入（表面炭素濃度０．８〜１．５
％）あるいは、図２に示す浸炭窒化（表面炭素濃度０．
８〜１．２％，窒素濃度０．１〜１．０％）焼入れ後に
焼戻処理（１６０℃×２ｈｒ）した。発明例４〜１２と
比較例ＢＣＤには、ショットピーニング処理を施した。
また、発明例５〜１５と比較例ＣＤＥは、表面を０．１
ｍｍ研削した。硬さは、歯車のピッチ点で測定し、表面
硬さは、０．０５ｍｍ深さの硬さを測定した。残留オー
ステナイト量は、歯面をＸ線回折装置で測定した。歯車
試験は、トルク３００Ｎｍ、回転数３０００ｒｐｍ、油
温１３０℃とした。寿命は、ピッティング面積率が３％
以上となった時とした。試験結果を表２に示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【表２】

【００３４】表２から明らかなように、比較例Ａ〜Ｃの
ように駆動側と従動側歯車の残留オーステナイト量が同
じ（従動側−駆動側＝０）歯車対あるいは、比較例Ｄ、
Ｅのように駆動側歯車の表面硬さが低く、かつ駆動側歯
車の残留オーステナイト量が多い歯車対はピッティング
寿命が低いことを示している。これにたいし本発明例１
〜１５のように所定の表面硬さに調整し、かつ駆動側よ
りも従動側の残留オーステナイト量を多くした歯車対で
は、歯車ピッティング寿命が比較例の歯車対に比べて数
倍以上に延びていることがわかる。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、歯車対の残留オーステナイト
量に注目して、ピッティングが発生しにくい従動側歯車
の残留オーステナイト量を多くすることによって、面疲
労強度に優れた歯車対を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施例にて用いた浸炭焼入焼戻し処理の
説明図

【図２】発明の実施例にて用いた浸炭窒化焼入焼戻し処
理の説明図

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２３Ｃ 8/32 Ｃ２３Ｃ 8/32 Ｆ１６Ｈ 55/06 Ｆ１６Ｈ 55/06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】動力伝達する鋼製の歯車において、歯面
の表面硬さが６５０〜９５０ＨＶかつ残留オーステナイ
ト量が１０〜３０％である駆動側歯車と、表面の残留オ
ーステナイト量が駆動側歯車よりも７％以上多く、表面
硬さが４００ＨＶ〜７５０ＨＶ、表面から０．４ｍｍ深
さの硬さが６５０ＨＶ〜８００ＨＶである従動側歯車か
らなることを特徴とする面疲労強度が優れた歯車対。
【請求項２】重量％で、Ｃ：０．１０〜０．４０％，
Ｓｉ：０．０５〜１．５０％，Ｍｎ：０．３〜１．５
％，Ｓ：０．００５〜０．５００％，Ｃｒ：０．３〜
５．０％，Ａｌ：０．０１〜０．７０％，Ｎ：０．００
１〜０．０３０％を含有し，残部実質的にＦｅからなる
鋼を素材として、浸炭あるいは浸炭窒化処理を施し、歯
面の表面硬さが６５０〜９５０ＨＶかつ残留オーステナ
イト量が１０〜３０％である駆動側歯車と、浸炭窒化処
理を施した、表面の残留オーステナイト量が駆動側歯車
よりも７％以上多く、表面硬さが４００ＨＶ〜７５０Ｈ
Ｖ、表面から０．４ｍｍ深さの硬さが６５０ＨＶ〜８０
０ＨＶである従動側歯車からなることを特徴とする面疲
労強度が優れた歯車対。
【請求項３】請求項２に記載の合金に加え、Ｎｉ：
０．０５〜３．００％，Ｍｏ：０．１〜５．０％，Ｖ：
０．０１〜０．５０％，Ｗ：０．０５〜１．００％，Ｎ
ｂ：０．００５〜０．１００％，Ｂ：０．００１〜０．
００５％，Ｔｉ：０．０１〜０．１０％，Ｃａ：０．０
０１〜０．０３０から選んだ１種または２種以上を含有
し，残部実質的にＦｅからなる鋼を素材として、浸炭あ
るいは浸炭窒化処理を施し、歯面の表面硬さが６５０〜
９５０ＨＶかつ残留オーステナイト量が１０〜３０％で
ある駆動側歯車と、浸炭窒化処理を施した、表面の残留
オーステナイト量が駆動側歯車よりも７％以上多く、表
面硬さが４００ＨＶ〜７５０ＨＶ、表面から０．４ｍｍ
深さの硬さが６５０ＨＶ〜８００ＨＶである従動側歯車
からなることを特徴とする面疲労強度が優れた歯車対。