JP2002121644A

JP2002121644A - 歯元疲労寿命及び接触疲労寿命強度に優れた歯車

Info

Publication number: JP2002121644A
Application number: JP2000315018A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Toda; 正弘戸田; Seiji Ito; 誠司伊藤; Hideo Kanisawa; 秀雄蟹澤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2002-04-26

Abstract

(57)【要約】【課題】自動車部品の小型軽量化，高出力化にともな
い、負荷面圧が高い歯車において、ピッチング疲労寿命
の向上した歯車を提供する。【解決手段】表面の圧縮残留応力が４００ＭＰａ以上
で、不完全焼入れ層が５μｍ以上１５μｍ以下、表面粗
さＲmaxが４．５μｍ以下で、表面粗さ分布の非対称性
パラメータであるひずみ度ＳK値が−１．２≦Ｓｋ＜−
０．５あり，表面での残留オーステナイトの面積率が１
０％以下であることを特徴とする歯元疲労寿命及び接触
疲労寿命強度に優れた歯車。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車および工作
機械などに用いられる歯車に係わり、特に自動車トラン
スミッション等の駆動伝達系に使用される浸炭処理され
た鋼製の高強度歯車に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車では車両重量の軽量化のための部
品サイズの小型化、エンジンの高出力化等が要望されて
いる。駆動系に用いられる歯車は使用時の負荷が大きい
ことから歯車表面を高強度化するために浸炭処理されて
いるが、負荷がより大きくなるに従い、歯元での曲げ疲
労向上、及び歯車接触時に歯面に生じるピッチング疲労
寿命向上が要望されている。

【０００３】歯元曲げ疲労に対しては、歯車にショット
ピーニング処理などにより付与される圧縮残留応力が疲
労寿命に対して著しく効果の有ることが”日本機械学会
論文集Ｃ編，５５巻，５２０号，３０３４頁（１９８
９）”に報告されている。また、亀裂の起点となるＭｎ
Ｓ介在物を球状化することにより寿命が向上することが
特開平５−２５５８６号公報に開示されている。

【０００４】しかし、ピッチング寿命はその発生メカニ
ズムも不明であることから各種の対策が提案されてい
る。特開平１−２６４７２７号公報に開示されるように
熱処理後にショットピーニングを行い歯車に圧縮残留応
力を付与する方法が提案されている。しかし、特開平３
−１０７４１８号公報にはショットピーニングにより歯
面のピッチング疲労はかえって低下するとの記載もあ
る。また、ショットピーニングは歯車表面を荒らすた
め、使用時の騒音問題も有している。

【０００５】ピッチング疲労特性に優れた鋼材とし
て、”特殊鋼，４４巻，３号，３９〜４８頁（１９９５
年）”に各種鋼材が報告されている。いずれも浸炭時に
生成される粒界酸化層や不完全焼入れ層の深さ、硬さ制
御を目的として合金元素の成分調整が行われている。し
かし、粒界酸化層、及び不完全焼入れ層はそもそも初期
欠陥があり、軟質化した層であり成分調整を行っても特
性が得られにくい部分であり、また合金成分の添加はコ
ストアップを招くことになる。

【０００６】この様に、高負荷荷重下における歯車のピ
ッチング疲労特性に関して、その疲労強度を向上させる
工業的に有益な技術は、未だ見出されていないのが実状
である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、自動車のト
ランスミッション等の駆動伝達系歯車に関し、歯元疲労
強度向上のためにショットピーニング等の表面硬化処理
が施される高強度歯車において、さらに接触疲労寿命を
向上させることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上述の課
題に対して研究を重ねた結果以下の新知見を見出した。
歯車はその大きさや形状が多種多様であることから、標
準的なピッチング性評価試験であるローラーピッチング
試験を行い、ショットピーニング後の荒れた試験片表面
の凸部を研削することによりピッチング寿命が大幅に向
上することを見出した。ショットピーニングで表面が荒
れて深い凹部ができるとそこを起点としてピッチンング
が発生するが、凹部が浅いとそこが潤滑油溜まりとなっ
て良好な潤滑状態を形成するために、ピッチング寿命が
向上すると考えられる。

【０００９】さらに、歯元寿命向上のためには浸炭処理
に生じる不完全焼入れ層が無い方が良い。そこで不完全
焼入れ層を除去後にショットピーニングにより圧縮残留
応力を付与して歯元疲労寿命向上することも考えられ
る。しかし、不完全焼入れ層がない硬い浸炭層に、油溜
まりができる様に強いショットピーニングを行うとむし
ろショットピーニグ時に内部亀裂が発生する。そこで柔
らかい不完全焼入れ層が有る程度必要なことも分かっ
た。

【００１０】また、研削量が多いと残留オーステナイト
が多い層が現れる。残留オーステナイトが多くなるとロ
ーラーピッチング疲労試験の早期に表面が塑性変形して
凹部が潰れ、油潤滑油溜めの効果が無くなることも見出
した。

【００１１】さらに、接触疲労寿命を評価するローラー
ピッチング試験では、その疲労試験終期に潤滑油溜まり
も無くなるほど素材表面が摩耗する現象が生じる場合も
ある。摩耗が生じるてピッチングが発生した試験片の亀
裂発生起点は延伸したＭｎＳであった。研削材において
ＭｎＳの延伸を抑制することによりピッチング寿命が向
上することは、本発明者らにより特開平１１−２２９０
７３号公報に開示されている。しかし、ショットピーニ
ング後に所定の表面になるよう研削された場合は、さら
に高い面圧においても高い疲労寿命となることを見出し
た。潤滑油溜まりの凹部を設けることは摩耗発生まで寿
命を向上させ、摩耗発生後はＭｎＳの延伸制御が亀裂発
生までの寿命を向上させるためと思われる。

【００１２】こうした知見を基に、以下のような達成手
段を明らかにし、本発明に至った。

【００１３】すなわち本発明は、（１）質量％におい
て、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓi ：０．０１〜０．５
％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｃｒ：０．３〜１．５％
を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、表面の
圧縮残留応力が４００ＭＰａ以上で、不完全焼入れ層が
５μｍ以上１５μｍ以下、表面粗さＲmaxが４．５μｍ
以下で、表面粗さ分布の非対称性パラメターデであるひ
ずみ度ＳK値が−１．２≦Ｓｋ＜−０．５であり、表面
での残留オーステナイトの面積率が１０％以下であるこ
とを特徴とする歯元疲労寿命及び接触疲労寿命強度に優
れた歯車、（２）更に，鋼材組成として、Ｍｏ：０．１
〜１．０％、Ｎｉ：１．０％以下の中から１種以上を含
有することを特徴とする（１）に記載の歯元疲労寿命及
び接触疲労寿命強度に優れた歯車、（３）更に，鋼材組
成として、Ｓ：０．０１〜０．０６％、Ｃａ：０．００
１〜０．０１％、Ｏ：０．００３％以下（但し、Ｃａ／
Ｏ：０．５〜３．５）を含有することを特徴とする
（１）又は（２）に記載の歯元疲労寿命及び接触疲労寿
命強度に優れた歯車にある。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。
まず，前記（１）の発明について説明する。

【００１５】Ｃは部品として必要な強度、特に芯部の強
度を確保するために添加する元素であるが、０．１％未
満ではこの様な効果を十分に得ることができず、０．３
％を越えると靭性が低下するために０．１％〜０．３％
とする。

【００１６】Ｓｉは溶製時に脱酸材として用いており
０．０１％以上必要である。しかし、浸炭時に粒界酸化
層を生成する元素であり多量添加は歯元曲げ疲労低下な
ど浸炭用鋼の特性が著しく劣化するため０．５％以下と
した。

【００１７】Ｍｎは溶製時に脱酸材及び脱硫材として用
いられる他、強度，靭性，焼入性を確保するために必要
な元素であり０．３％以上必要である。しかし、１．５
％を越えると熱間圧延後の冷却過程でベイナイトやマル
テンサイトの硬質な組織になり、歯切り等の切削加工に
適さなくなる。

【００１８】Ｃｒは焼入性、機械的性能を確保するため
に必要な元素であり０．３％以上必要である。しかし、
この元素も１．５％を越えると熱間圧延後の冷却過程で
ベイナイトやマルテンサイトの硬質な組織になり、歯切
り等の切削加工に適さなくなる。

【００１９】歯元疲労強度を確保するためにショットピ
ーニング処理などを行い圧縮残留応力を付与するが、圧
縮残留応力は表面より内部が大きくなる。さらに後述す
るように、本発明ではショットピーニング面を研削加工
して表面に凹部を設けており、表面の圧縮残留応力はシ
ョットピーニングままの表面より大きくなる。従って、
表面での圧縮残留応力が４００ＭＰａ以上となるような
処理を行わないと高い歯元疲労寿命を確保できなくな
る。圧縮残留応力の上限は特に定めることなく本発明の
効果を得ることができるが、強いショットピーニングを
行って初期亀裂が発生することが問題となるときは１５
００ＭＰａ以下とすることが好ましい。

【００２０】浸炭処理後にショットピーニングを行う際
に、浸炭時の不完全焼入れ層がないとショットピーニン
グ時に亀裂が発生してしまう。しかしショットピーニン
グ後に不完全焼入れ層が深いと歯元疲労強度が低くな
る。そこでショットピーニング後に行う研削後の不完全
焼入れ深さを５μｍ以上，１５μｍ以下とした。

【００２１】研削後の表面粗さＲmaxが４．５μｍより
大きい荒れた表面であるとピッチング疲労寿命が低下す
る。

【００２２】そして、表面粗さがＲmax≦４．５μｍで
も凸部が多い表面より、凹部の多い表面であることが潤
滑油溜まりを形成するのに重要である。浸炭後にショッ
トピーニングで圧縮残留応力を付与するとともに、表面
に凹凸を形成させたのち表面の凸部のみを研削によって
除去することで凹部の多い表面を得ることが可能とな
る。そして凹部の深さを制御するために、表面粗さの非
対称性パラメーターであるひずみ度Ｓk値が負であるこ
とが必要となる。Ｓk値については研削工学（精密工学
会編集，オーム社出版，昭和６２年５月発行）の５０頁
から５３頁に詳細が記載されているが、Ｓk＜０で凹部
が多い表面状態となる。なおＳk＞０では凸部が多い表
面状態となり、Ｓk＝０では凹部と凸部が正規分布した
状態になる。このひずみ度Ｓｋ＞−０．５では、潤滑油
溜まりの効果が得られない。Ｓｋ＜−１．２では深い凹
部が残留することになり、潤滑油たまりよりピッチング
の初期亀裂となる可能性が多い。そこで−１．２≦Ｓｋ
≦−０．５とした。

【００２３】ショットピーニング後に表面の凸部を除去
するため研削代が多くなると残留オーステナイトが大き
い層が現れる。残留オーステナイトが大きくなると歯車
接触時に塑性変形しやすくなり、潤滑油溜まりとなる凹
部が塑性変形により潰れてしまう。そこで研削後の表面
残留オーステナイトの面積率を１０％以下とした。

【００２４】尚、残留オーステナイトの面積率は試験表
面のＸ線回折により測定した。

【００２５】前記（２）の発明は、焼入れ性を確保する
ためにＣｒだけでは不十分であり、Ｍｏ又はＮｉなどの
元素を必要に応じて含有させることにある。従来鋼と同
等あるいはそれ以上の焼入れ性を与えるために、Ｍｏは
０．１％以上含有させる。しかし１．０％を越えて含有
させても、その効果は飽和して経済性を損なうため１．
０％以下とする。

【００２６】また、Ｎｉは１．０％を越えて含有させて
も、その効果は飽和して経済性を損なうため１．０％以
下とする。Ｎｉの下限は特に定めないが、焼入れ性確保
のために０．３％以上とすることが好ましい。

【００２７】前記（３）の発明は延伸したＭｎＳの形態
制御に関するものでありる。歯車部品は熱間鍛造で粗成
形された後に歯形部はホブ切り等の歯切り加工が行わ
れ、その後浸炭処理が行われる。Ｓはその歯切り等切削
加工における被削性に有効であり、０．０１％以上含有
させる必要がある。しかし、０．０６％を越えると鍛造
時の加工限界を著しく低下させるために上限を０．０６
％とする。

【００２８】ＣａはＭｎＳの延伸抑制のために必要な元
素であり、０．００１％以上必要である。しかし、０．
０１％を越えて含有させても、その効果は飽和して経済
性を損なうため上限を０．０１％とする。

【００２９】Ｏは不純物であり、鋼中の介在物量を増大
し、回転曲げ疲労等の疲労強度特性を劣化させるので
０．００３％以下とする。

【００３０】ＭｎＳの延伸抑制としては、変形能を低下
させピッチングの起点となるような硬質介在物の生成を
抑制することが必要である。これに対してＣａ添加によ
りＭｎＳを（Ｍｎ，Ｃａ）Ｓ及び（Ｍｎ，Ｃａ）Ｓ＋カ
ルシウム・アルミネートにすることが有効である。Ｍｎ
Ｓを（Ｍｎ，Ｃａ）Ｓ及び（Ｍｎ，Ｃａ）Ｓ＋カルシウ
ム・アルミネートにするにはＣａ／Ｏ（カルシウム／酸
素）を所定の比に保ち、反応系を制御することが必要で
ある。Ｃａ／Ｏが０．５未満では硬質なＣａＯ・６Ａｌ
２Ｏ３等が生成しピッチングの起点となり、またＣａ／
Ｏが３．５を越えるとやはり硬質なＣａＳが生成し、ピ
ッチング疲労寿命を低下する。よってＣａ／Ｏを０．５
〜３．５とする。

【００３１】

【実施例】表１に示す化学成分の鋼を溶製したのち造塊
し、次に分塊圧延、棒鋼圧延して直径７０ｍｍ（圧延比
５０）を製造し、さらに直径３２ｍｍの丸棒へ圧延し
た。続いて各圧延材を９２５℃で焼きならし処理した。
その後、直径３２ｍｍの丸棒から試験片の直径が２６ｍ
ｍ、幅２８ｍｍの円筒部を有する小ローラー試験片を作
成した。また直径７０ｍｍの丸棒を直径１３０ｍｍ、幅
２５ｍｍへ鍛造した後、９２５℃で焼きならし処理し、
直径１３０ｍｍ、幅１８ｍｍの大ローラーを作成した。

【００３２】小ローラー試験片と大ローラーを浸炭ガス
雰囲気中で９３０℃×５時間加熱→１３０℃油焼入れ→
１８０℃×１時間焼戻しの条件で浸炭焼入・焼戻しの浸
炭処理を行った。

【００３３】その後ショットピーニングを施した小ロー
ラー試験片、及び大ローラーも作成した。ショットピー
ニング条件は、直径０．３〜０．８ｍｍの鋼球を用い、
アークハイト０．１〜１．５ｍｍＡの条件で行った。

【００３４】各条件でショットピーニングした後に、研
削加工を行い表面凸部の除去を行った。ショットピーニ
ングのアークハイトと研削代を各種組み合わせること
で、表面での表面粗さ，歪み度，残留γ，圧縮残留応力
が所定の条件になるように制御した。

【００３５】表面での歪み度は、針式の表面粗さ計で測
定された波形を計算機で波形分析し精密工学会誌Vol.6
1，No.11（1995)1527頁に記載されている下記式によっ
て算出した。

【００３６】歪み度＝∫（ｘ−ｘ₀）ｐ（ｘ）ｄｘ／σ³ ［ｘ：粗さの高さｘ₀：平均高さｐ（ｘ）：高さｘ
の存在確率 σ：自乗平均根粗さ］

【００３７】ピッチング寿命評価として、小ローラー試
験片と大ローラーを組み合わせてローラーピッチング疲
労試験を行った。試験条件は、試験片の回転数１０００
ｒｐｍ，すべり率４０％、潤滑剤にはオートマチック用
オイルを用い、油温約８０℃で行った。ローラーピッチ
ング試験での設定面圧は３３３２、及び３５２８ＭＰａ
で行い、小ローラーに発生するピッチングの面積率が３
％以上になった時点を疲労寿命としてそれまでの回転数
で評価した。

【００３８】歯元曲げ疲労として一歯曲げ疲労試験を行
った。一歯曲げ疲労試験は、前述の直径１３０ｍｍ，幅
２５ｍｍの素材を９２５℃で焼きならし処理した後、切
削によりモジュール４，歯数２７，ピッチ円直径１０８
ｍｍ，歯幅９ｍｍの試験用平歯車を作成した。油圧サー
ボ式引張試験機を用い、試験歯車の歯一枚に他方の歯車
から負荷されるように試験歯車を組み見合わせて歯元に
曲げ荷重を負荷する疲労試験を行った。

【００３９】表１には浸炭後の断面組織から不完全焼入
れ層深さの測定結果、及び延伸されたＭｎＳの長径方向
の長さを示す。Ｃａ添加された後述する表３に対応した
鋼種Ｄ，Ｅ，Ｆ，ＧはＭｎＳ長さが短くＭｎＳの延伸が
抑制されていることが分かる。

【００４０】表２は、前記（１）、（２）に係る本発明
の実施例であり、ショットピーニング後に研削加工を行
った小ローラー試験片に関して、その断面組織から不完
全焼入れ層深さを測定し、試験片表面での表面粗さ、歪
み度，圧縮残留応力，残留γの測定結果を示すと共に、
ローラーピッチング疲労試験，一歯曲げ疲労試験の各試
験結果を示す。なお、ローラーピッチンング試験は面圧
３３３２ＭＰａで行った。また、表２の圧縮残留応力
は、圧縮側を正値で示している。

【００４１】本発明例はいずれも、ローラーピッチング
試験において１０７回後もピッチングは発生しなかっ
た、そこで表２中には”＞10000×１０³回”と記述し
た。また、表２中、本発明例No.1〜No.5での歯元疲労寿
命強度は９８０ＭＰａと高い寿命強度になっている。

【００４２】比較例であるNo.6は表面の歪み度が小さ
く、深い凹部があるためローラーピッチング疲労寿命が
小さい。逆にNo.7は歪み度が大きく浅い凹形状となって
おり、ローラーピッチング疲労試験時に凹部の潤滑溜ま
りの効果が無くピッチング寿命が低い。No.8，No.9，N
o.10は表面粗さ，残留γ又は圧縮残留応力が所定の範囲
から外れているため、ローラーピッチング寿命が低くな
っている。No.11は、浸炭処理後に５０μｍの旋削代を
もって不完全焼入れ層が無くなるまで旋削加工した後に
アークハイト１．０ｍｍＡのショットピーニングとその
後の研削加工を行ったものであり、不完全焼入れ層の深
さは０μｍとなっている。不完全焼入れ層が無いままシ
ョットピーニングを行ったために初期亀裂があり、ピッ
チング寿命が低く、かつ歯元曲げ疲労強度も７８４ＭＰ
ａにも達していない。

【００４３】表３は前記（３）の発明に関する実施例で
あり、Ｃａ添加された表１の鋼種Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇを用い
た場合の結果が本発明例No.12〜No.15に示されている。
ピッチング疲労寿命は面圧３５２８ＭＰａであり、表２
でのピッチング疲労試験より高い面圧で行っている。ピ
ッチング寿命は１０７回以上であり、歯元疲労強度も
１１７６ＭＰａ以上と表２での本発明例よりさらに高い
値となっている。比較例のNo.16〜No.19では、歯元疲労
強度が９８０ＭＰａ前後と本発明例No.12からNo.15に比
べて低くなるものの、その強度は表２の本発明例とほぼ
同様である。

【００４４】

【表１】

【００４５】

【表２】

【００４６】

【表３】

【００４７】以上の結果から、請求項１，請求項２に係
る発明より、高いピッチング寿命と歯元疲労寿命を有す
る歯車を製造できるとともに、請求項３に係る発明を適
用することにより、ピッチング寿命を低下させることな
く歯元疲労寿命を一層向上できることが分かる。

【００４８】

【発明の効果】本発明では、浸炭処理を行った後にショ
ットピーニング等により歯元疲労寿命向上させて歯車に
おいて、ピッチング寿命を飛躍的に向上させることがで
きる。このことは歯車の受ける負荷荷重を増大できる、
或いは歯車自体の小型軽量化が可能となり、歯車を多く
用いる自動車、建築用機械の小型軽量化を実現し、燃費
改善など多大の効果をもたらす。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者蟹澤秀雄室蘭市仲町12番地新日本製鐵株式会社室蘭製鐵所内Ｆターム(参考） 3J030 BC02 BC03 BC10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％において、Ｃ：０．１〜０．３％Ｓi ：０．０１〜０．５％Ｍｎ：０．３〜１．５％Ｃｒ：０．３〜１．５％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、表面の
圧縮残留応力が４００ＭＰａ以上で、不完全焼入れ層が
５μｍ以上１５μｍ以下、表面粗さＲmaxが４．５μｍ
以下で、表面粗さ分布の非対称性パラメータであるひず
み度ＳK値が−１．２≦Ｓｋ＜−０．５であり，表面で
の残留オーステナイトの面積率が１０％以下であること
を特徴とする歯元疲労寿命及び接触疲労寿命強度に優れ
た歯車。
【請求項２】更に，鋼材組成として、Ｍｏ：０．１〜１．０％Ｎｉ：１．０％以下の中から１種以上を含有することを特徴とする請求項１
に記載の歯元疲労寿命及び接触疲労寿命強度に優れた歯
車。
【請求項３】更に，鋼材組成として、Ｓ：０．０１〜０．０６％Ｃａ：０．００１〜０．０１％Ｏ：０．００３％以下（但し、Ｃａ／Ｏ：０．５〜３．５）を含有することを
特徴とする請求項１又は２に記載の歯元疲労寿命及び接
触疲労寿命強度に優れた歯車。