JP2008223126A - Gear made of ductile cast iron - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ダクタイル鋳鉄製歯車に関し、例えば自動車用各種歯車、特に引張強さ大で高負荷低回転歯車、又、高速回転で騒音が激しい歯車に対応できる歯車に関する。 The present invention relates to a ductile cast iron gear, for example, various gears for automobiles, and more particularly, to a gear capable of dealing with a gear having high tensile strength and a high load and low rotation speed, and a high speed rotation and high noise.
ディーゼルエンジンのタイミングギヤは、高負荷、低回転で使用され、また歯車の噛み合い時の片当りが生じやすい等、厳しい条件で使用されるため、通常、炭素鋼及び合金鋼の表面に窒化、軟窒化あるいは浸炭焼入れ等の表面化処理を施した歯車が使用されている。 Diesel engine timing gears are used under severe conditions, such as high load and low rotation, and easy contact with the gears. Gears subjected to surface treatment such as nitriding or carburizing and quenching are used.
又、新聞用オフセット両面印刷機は高回転で使用され、また歯車の噛み合い時の片当りが生じやすい等、厳しい条件で使用されるため、通常、炭素鋼及び合金鋼の表面に窒化、軟窒化あるいは浸炭焼入れ等の表面化処理を施した歯車が使用されている。加えて、機械加工は、歯形精度はJIS0級から1級の高精度を要求されるため、研削加工を施す必要がある。 Also, newspaper offset double-sided printing presses are used at high speeds, and are used under severe conditions, such as easy contact with the gears when meshing, so normally the surfaces of carbon steel and alloy steel are nitrided and soft-nitrided. Alternatively, a gear subjected to surface treatment such as carburizing and quenching is used. In addition, the machining requires a grinding process because the tooth profile accuracy is required to be high from JIS0 to 1st grade.
近年、エンジンの低騒音化がとみに要求されるようになり、これに対応するタイミングギヤとして、振動、騒音の減衰特性の大きい、つまりヤング率の小さい鋳鉄製歯車(鋼材のヤング率E=21000kgf/mm2程度に対し、鋳鉄はE=17000kgf/mm2程度)が提案されてきている。 In recent years, it has been required to reduce the noise of the engine. As a timing gear corresponding thereto, a cast iron gear having a large vibration and noise damping characteristic, that is, a small Young's modulus (Young's modulus E = 21000 kgf / steel) In contrast to mm2, cast iron has been proposed with E = 17,000 kgf / mm2).
かかる鋳鉄製歯車としては、その強度面や硬さから、球状黒鉛鋳鉄(いわゆるダクタイル鋳鉄、以下このように呼称する)が好適である。然るに、このダクタイル鋳鉄材で以て表面硬化を施した鋼製歯車に匹敵する強度を得るための手段の一つとして、ダクタイル鋳鉄素材に機械加工を施した後に熱処理(以下ADI処理という)を施す手段が提供されている(例えば、特許文献1参照。)。 As such cast iron gears, spheroidal graphite cast iron (so-called ductile cast iron, hereinafter referred to as such) is suitable because of its strength and hardness. However, as one of means for obtaining strength comparable to that of a steel gear surface-hardened with this ductile cast iron material, the ductile cast iron material is subjected to heat treatment (hereinafter referred to as ADI treatment). Means are provided (for example, see Patent Document 1).
特に、オーステンパ処理に基づく基地組織のベイナイト化により、強靭化されたオーステンパダクタイル鋳鉄の出現により、各種の歯車として使用されることが多く提案され実用化されている。 In particular, due to the emergence of toughened austempered ductile cast iron due to the bainite of the base structure based on austempering, it has been proposed and put into practical use as various gears.
例えば、上記特許文献1には、車輌用エンジンのタイミングギヤ等に採用されるオーステンパダクタイル鋳鉄製歯車が記載されている。
そこでは、従来の製造方法として、FCD500程度のダクタイル鋳鉄を、歯車素材を製造する工程と、同素材にホブ切りその他の歯切り法によって、歯切りを行なった後、歯面をシェービングして切り上げる工程と、その機械加工された歯車に熱処理(以下、ADI処理)を施す工程から成る方法が示されている。
For example,
There, as a conventional manufacturing method, ductile cast iron of about FCD500 is manufactured by gearing the gear material and hobbing or other gear cutting methods on the same material, and then the tooth surface is shaved and rounded up. There is shown a method comprising a step and a step of subjecting the machined gear to a heat treatment (hereinafter ADI treatment).
又、他の従来法は、鋳鉄により歯車素材を製造する工程とADI処理を施す工程と、熱処理語の歯車素材にホブ切り等の歯切りを行なった後、シェービングを行ない、歯面の精密仕上げを行なう方法である。 Other conventional methods include the steps of manufacturing gear materials with cast iron, applying ADI processing, and cutting gears such as hobbing on the heat-treated gear materials, then shaving them and precision finishing the tooth surfaces. It is a method of performing.
この方法は、ADI処理後の歯車素材をホブ切り等歯切加工の加工代が大きく、又加工硬化による被削性の悪化等があり、実用上切削コストがかかりすぎる欠点がある。
そこで、新規な方法として、歯車素材をオーステナイト化するため、所定温度で一定時間、更にアッパベーナイト化のため、第2所定温度で保持した後、徐冷する工程、それをシェービング加工して歯車を形成する方法を提案している。
This method has a drawback that the gear material after ADI processing has a large machining allowance for hobbing such as hobbing, and there is a deterioration in machinability due to work hardening, which is too expensive in practice.
Therefore, as a new method, a gear material is austenitized at a predetermined temperature for a certain period of time, and further maintained at a second predetermined temperature for upper bainite, and then gradually cooled, and then the gear is made by shaving it. A method of forming is proposed.
上記特許文献1記載の製造方法によれば、第1の工程においてダクタイル鋳鉄の歯車素材にホブ切り等の歯切り加工を行い歯車粗材を形成したのち、第2の工程として同歯車粗材にADI処理を施し、最後の第3の工程において歯面のシェービング仕上げ加工が施される。
しかしながら、この製造方法ではADI処理後のシェービング加工コストがかかるため、実用化には至っていない。
According to the manufacturing method described in the above-mentioned
However, this manufacturing method has not been put into practical use because it requires a shaving cost after the ADI treatment.
又、上記特許文献1の方法は歯切り後、シェービングを行なって精密に仕上げられた歯車に熱処理(ADI処理)が行なわれるので、熱処理による変形が大きく、精度が悪くなる欠点がある。
In addition, the method of
しかし、上記の歯車素材をオーステナイト化するため、所定温度で一定時間、更にアッパベーナイト化のため、第2所定温度で保持した後、徐冷する工程、それをシェービング加工して歯車を形成するこの方法でも、ADI処理後、歯車素材の歯面にシェービング仕上げが行なわれることは同じであり、ADI処理も手間がかかることも事実である。 However, in order to austenite the gear material described above, a step of holding at a second predetermined temperature for a certain time at a predetermined temperature and further to an upper bainite, followed by a slow cooling process, which is shaved to form a gear. In the method, it is the same that the shaving finish is performed on the tooth surface of the gear material after the ADI processing, and it is also true that the ADI processing is troublesome.
上記の如く、オーステンパダクタイル鋳鉄は、高強度を得るため熱処理工程が加わるのでコストの上昇、ベイナイト組織に由来する被削性の低下、加工工程の複雑化等の問題があり、特にコスト的な難点から、歯車として使用されるに至っていない。 As described above, the austempered ductile cast iron is subjected to a heat treatment process to obtain high strength, so there are problems such as an increase in cost, a decrease in machinability derived from a bainite structure, and a complicated processing process. Therefore, it has not been used as a gear.
特に、各種歯車に於いて、オーステンパダクタイル鋳鉄は、強度は極めて高く、且つ減衰性能、耐摩耗性は良いが、その反面、被削性が極めて悪く、そこで、従来のオーステンパダクタイル鋳鉄を歯車として使用する際に於いて、最も問題となる被削性を改善する必要がある。 In particular, in various gears, austempered ductile cast iron has extremely high strength and good damping performance and wear resistance, but on the other hand, it has extremely poor machinability. Therefore, conventional austempered ductile cast iron is used as a gear. In doing so, it is necessary to improve the machinability which is the most problematic.
又、従来、自動車等の歯車を中心として、鍛造品が多様されている。
しかし、鍛造品は、素材として鍛造メーカーが製作し、それを使用者が機械加工を施し、更に熱処理を行なって、製品化している。
Conventionally, forged products have been variously centered on gears of automobiles and the like.
However, forged products are produced as a raw material by a forging manufacturer, processed by a user, and then heat treated to produce a product.
この結果、加工コスト上昇を抑えるために研削加工は行わず、当然、歯形精度が悪く、騒音、振動が大きい。又、歯車精度が悪いので、フリクションが大きく、燃費への影響が大きいとの問題点がある。 As a result, grinding is not performed in order to suppress an increase in processing cost, and naturally the tooth profile accuracy is poor, and noise and vibration are large. Further, since the gear accuracy is poor, there is a problem that the friction is large and the influence on fuel consumption is large.
そこで、本発明の目的はダクタイル鋳鉄製の歯車において、熱処理を施すことなく、振動、騒音の減衰機能が大きく、かつ高い精度を確保しながら低コストで製作可能なタイミングギヤ等の高負荷、低回転歯車として好適な歯車を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a high load and low load such as a timing gear that can be manufactured at a low cost while ensuring high accuracy and a high vibration and noise damping function without performing heat treatment in a gear made of ductile cast iron. The object is to provide a gear suitable as a rotating gear.
今まで鋳放しによるダクタイル鋳鉄に於いて、FCD800(引張強さ800MPa、伸び2%以上のものを得ることは困難とされてきた。基地組織中のCuはパーライト安定成分であり、その量が増すに従い、引張強さは増大する。
しかし、Cuはダクタイル鋳鉄の球状化阻害元素でもあり、これまで2%以上の添加は試されていなかった。
Up to now, it has been difficult to obtain FCD800 (tensile strength of 800 MPa, elongation of 2% or more in ductile cast iron as cast. Cu in the base structure is a pearlite stable component, and its amount increases. Accordingly, the tensile strength increases.
However, Cu is also an element for inhibiting spheroidization of ductile cast iron, and so far, addition of 2% or more has not been tried.
近年、Cuを2%以上添加した鋳放しのままで、高強度を有するダクタイル鋳鉄が本発明者らにより開発された(特許文献2)。
本発明は、この発明を基礎として、広範な用途を有する歯車を提案する。
In recent years, the present inventors have developed a ductile cast iron having high strength while keeping as-cast with 2% or more of Cu added (Patent Document 2).
The present invention proposes a gear having a wide range of uses based on the present invention.
そこで、本発明に於いては、高強度で黒皮部の疲労強度が突出して高く、鋳鉄素材を使用することにより、研削工程が不要なほど、被削性に優れ、耐摩耗性があり、減衰能に優れ、各種歯車に使用できる歯形精度の向上及び加工コスト低減を図れる他、軽量化、騒音の低減を図れる歯車を提案するものである。 Therefore, in the present invention, the fatigue strength of the black skin portion is high with high strength, and by using a cast iron material, it is excellent in machinability and wear resistance so that a grinding process is unnecessary. The present invention proposes a gear that is excellent in damping capacity, can improve the tooth profile accuracy that can be used for various gears, reduce processing costs, and can reduce weight and noise.
これにより、鋼製や鍛造歯車に匹敵する強度や硬度を持ち、それらにはない被削性の良好で減衰、耐摩耗性を有する製造コストの安い歯車を提案せんとするものである。 As a result, the present invention proposes a gear that has strength and hardness comparable to those of steel and forged gears, good machinability, damping and wear resistance, and low manufacturing costs.
具体的には、球状化処理により得た、重量%でCu:2.4〜3.3%を含有するダクタイル鋳鉄にて、鋳放しで熱処理なく歯切り加工にて形成したことを特徴とする面圧強度の大なるダクタイル鋳鉄製歯車である。 Specifically, it is characterized in that it is formed by ductile cast iron containing Cu: 2.4 to 3.3% by weight, obtained by spheroidizing treatment, and cast by gear cutting without heat treatment. This is a ductile cast iron gear with high surface pressure strength.
又、少なくとも、Cu:2.4〜3.3%、Sn:0.01〜0.05%含有のダクタイル鋳鉄を用いて、鋳放しで構成した後、歯切り工程を経て形成した熱処理なく面圧強度の大なるダクタイル鋳鉄製歯車である。 In addition, it is a surface without heat treatment formed by gear cutting after being composed of cast iron using ductile cast iron containing at least Cu: 2.4-3.3% and Sn: 0.01-0.05%. Ductile cast iron gear with high pressure strength.
又、鋳放しで面圧強度が1000MPa以上であるダクタイル鋳鉄製歯車である。 Further, it is a ductile cast iron gear that has an as-cast surface pressure strength of 1000 MPa or more.
本発明によれば、鋳造鋳放しで高強度で、疲労強度が高い素材によりADI等の熱処理工程を必要としないため、加工が容易で加工工程を大幅に省略した歯形精度の良い振動や、騒音の減衰機能が大きく、低騒音化した歯車を低コストで提供できる。
又、このため自動車用各種歯車、印刷機用減速歯車等、従来騒音振動対策の困難であった歯車としての充分の機能を果たすことができ、その応用範囲は広大である。
According to the present invention, since a cast-cast material with high strength and high fatigue strength does not require a heat treatment process such as ADI, vibration and noise with easy tooth profile accuracy, which is easy to process and greatly eliminates the processing process. Gears with large damping function and low noise can be provided at low cost.
Therefore, it can perform a sufficient function as a gear that has conventionally been difficult to prevent noise and vibration such as various gears for automobiles and reduction gears for printing presses, and its application range is wide.
その他、本発明の請求項1によれば、球状化処理により得た、重量%でCu:2.4〜3.3%を含有するダクタイル鋳鉄にて、鋳放しで熱処理なく歯切り加工にて形成したことを特徴とする面圧強度大なるダクタイル鋳鉄製歯車を提供することが出来る。 In addition, according to the first aspect of the present invention, ductile cast iron containing Cu: 2.4 to 3.3% by weight obtained by spheroidizing treatment is casted without gearing without heat treatment. It is possible to provide a ductile cast iron gear having a large surface pressure strength characterized by being formed.
更に、請求項2によれば、少なくともCu:2.4〜3.3%を添加した後、Snを0.01〜0.05%含有のダクタイル鋳鉄を用いて、鋳放しで構成した後、歯切り工程を経て形成した熱処理なく、面圧強度の大なるダクタイル鋳鉄製歯車を提供することが出来る。
Furthermore, according to
又、請求項3によれば、鋳放しで面圧強度が1000MPa以上である請求項1又は2に記載したダクタイル鋳鉄製歯車を提供することが出来る。
Further, according to
このように、本発明のダクタイル鋳鉄製歯車は熱処理を施すことなく、振動、騒音の減衰機能が大きく、且つ高い精度を確保しながら低コストで製作可能なタイミングギヤ等の高負荷、低回転歯車として好適な歯車を得ることが出来る。 As described above, the ductile cast iron gear of the present invention has a high vibration and noise damping function without heat treatment, and a high load, low rotation gear such as a timing gear that can be manufactured at low cost while ensuring high accuracy. A suitable gear can be obtained.
本発明者は、図1の表に示す化学成分の高強度ダクタイル鋳鉄を使用し、以下の試験を実施した。 This inventor used the high intensity | strength ductile cast iron of the chemical component shown in the table | surface of FIG. 1, and implemented the following tests.
該高強度ダクタイル鋳鉄の面圧強さを、歯車の接触をシュミレートした二円筒試験機を用いて調べ、従来のダクタイル鋳鉄や同程度の硬さの鋼と比較、検討を行ない、高強度ダクタイル鋳鉄の歯車材としての適用の可能性を検討した。 The surface strength of the high-strength ductile cast iron was examined using a two-cylinder tester with simulated gear contact, and compared with conventional ductile cast iron and steel of the same degree of hardness. The possibility of application as a gear material was examined.
その結果、高強度ダクタイル鋳鉄は、FCD700やSCM435と比べて、格段に優れた面圧強さを有し、中硬度領域に於いて、歯車材として充分に適用可能であることが判明した。 As a result, it has been found that high-strength ductile cast iron has a surface strength superior to that of FCD700 and SCM435, and can be sufficiently applied as a gear material in a medium hardness region.
図1に示す高強度ダクタイル鋳鉄の特徴は、Cu含有量であり、約2.4%のCuを含有している。又、機械的性質を図2の表に示す。 The feature of the high-strength ductile cast iron shown in FIG. 1 is the Cu content, which contains about 2.4% Cu. The mechanical properties are shown in the table of FIG.
平均黒鉛粒径は、約35μm、黒鉛粒数は約120個/mm2程度で、基地はパーライトよりも更に微細な組織となっている。硬さは、HB280程度である。ローラ試験片は、直径70mm、幅25mmの円筒で、高速側ローラに3’のチャンファを付け、接触幅を10mmとした。表面の粗さは、サーメットホブによる仕上げホブ切りを想定して、研削加工により最大高さR2=2μm程度に仕上げた。 The average graphite particle size is about 35 μm, the number of graphite particles is about 120 / mm 2 , and the matrix has a finer structure than pearlite. The hardness is about HB280. The roller test piece was a cylinder having a diameter of 70 mm and a width of 25 mm, a 3 ′ chamfer was attached to the high-speed roller, and the contact width was 10 mm. The surface roughness was finished to a maximum height of R 2 = 2 μm by grinding, assuming finishing hobbing with a cermet hob.
試験機は、バックアップロール式ローラ試験機を用い、図3の表に示すように、高速ローラ回転数3190rpm、低速ローラ回転数2635rpmで、低速ローラに約−20%の負のすべり率を与えた。潤滑油は、ISO VG150相当基地(比重0.885(15℃)、粘度157.1×106m2/S(40℃)、15.42×106m2/S(100℃))を用い、油量2L/minで、ローラー接触部直上から供給した。 The tester used a backup roll type roller tester, and as shown in the table of FIG. 3, a negative slip rate of about −20% was given to the low-speed roller at a high-speed roller rotation speed of 3190 rpm and a low-speed roller rotation speed of 2635 rpm. . Lubricating oil, ISO VG150 equivalent base (specific gravity 0.885 (15 ° C.), viscosity 157.1 × 10 6 m 2 /S(40℃),15.42×10 6 m 2 / S (100 ℃)) and Used at an oil amount of 2 L / min and supplied from directly above the roller contact portion.
試験は、ローラ表面に損傷が発生するまで、或いは発生しない場合は、高速ローラの繰返し数N1=1.2×107(低速ローラの繰返し数N2=1.0×107まで一定荷重で付加運転を行なった。 The test was conducted until the roller surface was damaged or when it did not occur, the high-speed roller repetition number N 1 = 1.2 × 10 7 (the low-speed roller repetition number N 2 = 1.0 × 10 7 constant load) Additional operation was performed at.
図4に試験条件と結果の概要を示す。試験は、3通りの荷重で行ない、最大ヘルツ応力OH=1372MP3、繰返し数N1=4.5×106に於いて、振動・騒音が増大し損傷を生じた。損傷は、大きなピットが低速ローラに一箇所のみ突然生じるもので、歯が年のように徐々にピットが増加するピッチングとは異なる形態であった。 FIG. 4 shows an outline of test conditions and results. The test was performed under three loads, and the vibration and noise increased and damage occurred at the maximum Hertz stress O H = 1372MP 3 and the number of repetitions N 1 = 4.5 × 10 6 . The damage was a sudden occurrence of a large pit only at one point on the low-speed roller, and was different from the pitching in which the pit gradually increased like a year.
図5に損傷の様子を示す。約2mm×1mmの大ピットは、その右端を起点として、左側に向かって損傷が進行したと推測される。
又、0.1mm程度の小さなピットも接触領域に多数観察されるが、この小ピットの影響により振動・騒音は増大することなく、運転を続けることが出来たため、小ピットは損傷とは見なさず、大ピットの発生をもって試験片の寿命とした。
FIG. 5 shows the damage. A large pit of about 2 mm × 1 mm is assumed to have been damaged from the right end to the left.
In addition, many small pits of about 0.1 mm are observed in the contact area, but the operation was continued without increasing vibration and noise due to the influence of these small pits, so the small pits were not considered damaged. The life of the test piece was defined as the occurrence of large pits.
図6に繰返し数に対する許容荷重を示す。比較のために、同程度の硬さ、表面粗さのダクタイル鋳鉄(FCD700)および中硬度合金鋼(SCM435)の実験結果も合わせて示す。
尚、縦軸には一般には最大ヘルツ応力と、硬さの比Pmax/HBがよく用いられるが、ダクタイル鋳鉄と鋼ではヤング率やボアソン比が異なるので、荷重を比較する意味で、ここではヘルツ応力と比較する√Fと硬さの比、即ち√F/HBを用いた。
FIG. 6 shows the allowable load with respect to the number of repetitions. For comparison, experimental results of ductile cast iron (FCD700) and medium hardness alloy steel (SCM435) having the same hardness and surface roughness are also shown.
The vertical axis generally uses the maximum Hertz stress and the hardness ratio P max / HB, but the Young's modulus and Boisson ratio differ between ductile cast iron and steel. The ratio of √F and hardness compared with Hertz stress, ie, √F / HB was used.
歯面強さ(ピッチングやスポーリングなど歯面損傷に対する疲労強度)は、歯面に歯働く最大接触応力が材料の持つ許容接触応力以下になるように設計されるのが通例である。
最大接触応力は、一般に最大ヘルツ応力(σH)を用いる。
歯面に働く最大接触応力(σH)≦材料の持つ許容接触応力(σHllm)
実際には、σH≦σHllm・K1・K2…Kn
(K1・K2・Kn:荷重分布係数、潤滑油係数、粗さ係数…など)
どのような係数をどのように考慮するのかいくつか式がある。(JSME、JGMA、AGMA、ISO、BS、DINなど(「歯車強さ設計試料」:日本機械学会発行))
The tooth surface strength (fatigue strength against tooth surface damage such as pitching and spalling) is usually designed so that the maximum contact stress acting on the tooth surface is less than the allowable contact stress of the material.
As the maximum contact stress, the maximum Hertz stress (σ H ) is generally used.
Maximum contact stress acting on tooth surface (σ H ) ≦ Allowable contact stress of material (σ Hllm )
Actually, σ H ≦ σ Hllm · K 1 · K 2 ... K n
(K 1 · K 2 · K n: load distribution coefficient, lubricants coefficients, roughness coefficient ..., etc.)
There are several formulas for what factors are considered and how. (JSME, JGMA, AGMA, ISO, BS, DIN, etc. ("Gear Strength Design Sample": published by the Japan Society of Mechanical Engineers))
σHllmは、材料により決まる。例えば、HB320程度に調質した合金鋼では、σHllm=840MPa程度、図7にあるσH−N1線図より、本発明品H−FCDのσHllmを読み取ることが出来る。 σ Hllm is determined by the material. For example, in the alloy steel with tempering to about HB320, σ Hllm = 840MPa about, than .SIGMA.H-N 1 line diagram in Figure 7, it is possible to read the sigma Hllm of the present invention product H-FCD.
即ち、一般には疲労限度107回におけるσHの値が、σHllmとなるので、σHllm=1000MPa程度となる。実用上では、HB320程度に調質したSCM435の値を用いるのが無難と考えられる。
尚、図8のF/b−N1線図は、σHの値に対応するF/b(単位幅当たりの垂直荷重)を縦軸にしたもので、伝達荷重の目安となる。
That is, in general, the value of σ H at the fatigue limit of 10 7 times is σ Hllm , so σ Hllm = 1000 MPa. In practical use, it is considered safe to use the value of SCM435 refined to about HB320.
Note that the F / b-N 1 diagram of FIG. 8 has F / b (vertical load per unit width) corresponding to the value of σ H as the vertical axis, and is a measure of the transmission load.
又、図中の点は、φ0.4mm以上のピット発生点を示し、矢印は損傷の生じなかったことを示す。 Also, the points in the figure indicate pit occurrence points of φ0.4 mm or more, and the arrows indicate that no damage has occurred.
FCD700は、SCM435とほぼ同程度か、やや優れている程度であるが、本発明品H―FCDは、両者に比べて格段に優れていることが分かる。このことにより、本発明品H―FCDは中硬度領域に於いて、充分に適用可能であると考えられる。従来のFCDに比べて、面圧強さが向上した理由の一つに、基地組織に含まれる銅の影響が考えられる。 The FCD700 is almost the same as or slightly superior to the SCM435, but it can be seen that the product H-FCD of the present invention is remarkably superior to both. Therefore, it is considered that the product H-FCD of the present invention is sufficiently applicable in the medium hardness region. One of the reasons why the surface pressure strength is improved as compared with the conventional FCD is considered to be the influence of copper contained in the base organization.
本発明に於いて使用するダクタイル鋳鉄は、Cu、Sn、Alの作用が大きな特徴であり、特に詳細に説明する。 The ductile cast iron used in the present invention is characterized by the action of Cu, Sn, and Al, and will be described in detail.
Cuはオーステナイトを安定化し、オーステナイトーパーライト変態が低温でおき、基地パーライト面積率を増加させる作用を有し、質量効果を低減させる。
しかし、その臨界量は研究者により異なり、1.5%、1.9%、2.2%とも言われている。
Cu stabilizes austenite, the austenite-perlite transformation occurs at a low temperature, and has the effect of increasing the base pearlite area ratio, reducing the mass effect.
However, the critical amount varies depending on the researcher and is said to be 1.5%, 1.9%, and 2.2%.
そして、それを超えての使用はオーステナイト粒界に偏析し、不規則黒鉛を晶出して球状化を阻害すると言われている。加えて2%以上の添加はチル化傾向を増大すると言われている。 And use beyond this is said to segregate at the austenite grain boundaries and crystallize irregular graphite to inhibit spheroidization. In addition, addition of 2% or more is said to increase the tendency to chill.
指摘されている事項の確認のため、次なる実験を行った。2000kg容量の低周波誘導炉を用い、鋼屑及び戻し材を使用してFCD450相当の溶湯とし、これにCuを1.3%から2.8%と変化させて添加した後、市販のFe−Si−Mg−Ca−REM合金添加のサンドイッチ法による球状化処理を実施し、注湯取鍋移し換え時に接種、CO2鋳型のJIS G5502 Y型B号(25t×215l)に鋳込んだ。 The following experiment was conducted to confirm the pointed out matters. Using a low-frequency induction furnace with a capacity of 2000 kg and using steel scrap and return material to make a molten metal equivalent to FCD450, Cu was added in a change from 1.3% to 2.8%, and then commercially available Fe- The spheroidizing process by sandwich method with Si-Mg-Ca-REM alloy addition was carried out, inoculated at the time of transferring the pouring ladle, and cast into JIS G5502 Y type B (25t × 215l) as a CO2 mold.
実験は成分毎に2回実施した。その平均値を図9に示す。その結果、Cu1.5%、2.0%で不規則形黒鉛は確認できず、2.3%、2.6%、2.8%で球状黒鉛の周りにいくつかの凝集状黒鉛ができた。
球状化の阻害はCuが2.0〜2.3%で開始されることが予想されるが、注目すべきはCu2.0〜2.6%の範囲はわずかながらも引張強さが向上し、伸びの低下が急激でないことである。引張強さが上昇するのは基地がより緻密に強化され、球形阻害より優位になるためであり、伸びが低下するのは球形阻害がわずかながらも増えるからである。しかし、Cu2.6%を超えると球形阻害が優位となる。しかもその含有量の範囲でセメンタイトの発生は皆無であった。
The experiment was performed twice for each component. The average value is shown in FIG. As a result, irregular graphite was not confirmed at Cu 1.5% and 2.0%, and some aggregated graphite was formed around spherical graphite at 2.3%, 2.6%, and 2.8%. It was.
Inhibition of spheroidization is expected to start at 2.0 to 2.3% of Cu, but it should be noted that the range of Cu 2.0 to 2.6% is slightly improved in tensile strength. The decrease in elongation is not abrupt. The tensile strength increases because the base is strengthened more densely and becomes superior to the spherical inhibition, and the elongation decreases because the spherical inhibition increases slightly. However, when Cu exceeds 2.6%, spherical inhibition becomes dominant. Moreover, there was no generation of cementite within the content range.
このCu2.8%の試験溶湯に微量のSn0.02%を添加したところ、黒鉛形状、基地組織が改善され、引張強さと伸びが大幅に向上することを発見した。Sn0.02%を添加して得られた引張強さを(A)、伸びを(B)とし、これを図9に示し、前記実験と対比した。SnはCuと同様の効果を持つが、Cuとの相乗効果でオーステナイトーパーライト変態により低温側に移動させ、黒鉛粒をより微細にすると共に、適量の添加により不規則形黒鉛の晶出を防止し、黒鉛形状を改善し、伸びを増加させるものである。又、基地組織をより緻密にするため高強度となる。 When a small amount of Sn 0.02% was added to this Cu 2.8% test molten metal, it was found that the graphite shape and matrix structure were improved, and the tensile strength and elongation were greatly improved. The tensile strength obtained by adding Sn 0.02% was (A) and the elongation was (B), which is shown in FIG. Sn has the same effect as Cu, but with the synergistic effect with Cu, it moves to the low temperature side by austenite-perlite transformation, makes the graphite grains finer, and prevents the crystallization of irregular graphite by adding an appropriate amount. Thus, the graphite shape is improved and the elongation is increased. Moreover, it becomes high strength in order to make the base organization more precise.
更に、本発明の鋳鉄におけるCuとSnを試験する過程でAlが基地組織に多大な影響を与えていることを発見するに至った。即ち、球状化処理溶湯のAlの含有量を規制することにより、パーライトはソルバイトの如くに画期的に緻密になり、基地組織が強化され、強度が増加することが判明した。 Furthermore, it came to discover that Al had a great influence on a base structure in the process which tests Cu and Sn in the cast iron of this invention. That is, it was found that by controlling the Al content of the spheroidizing molten metal, pearlite becomes epoch-making as sorbite, strengthening the base structure and increasing the strength.
AlはCuやSnとは逆にオーステナイトーパーライト変態を高温側に移動させるが、球状化処理後の特性に与えるその影響は極めて小さい。注目すべきは極微量(0.05%)のAlが球状化処理前の溶製中の溶湯に含まれる溶解度を超えて遊離しているCu粒子の酸化を促進するのである。すなわち、球状化処理前のAlの含有量を0.005%以下に規制し、溶製中のこのAlの挙動を阻止することにより、球状化処理後の鋳鉄は基地が逆に強化され、更なる高強度を有するものである。 In contrast to Cu and Sn, Al moves the austenite-perlite transformation to the high temperature side, but its influence on the characteristics after spheroidization is very small. It should be noted that a very small amount (0.05%) of Al promotes the oxidation of Cu particles that are liberated beyond the solubility contained in the molten metal before spheroidization. That is, by restricting the Al content before spheroidizing treatment to 0.005% or less and preventing the behavior of this Al during melting, the base of cast iron after spheroidizing treatment is strengthened in reverse. It has a high strength.
Alは酸素や窒素と化合物を形成し、その多くは不純物として除去されるため、球状化処理前溶湯のAlの含有量を制御するにはAlの含有率の低い、例えば1.0%以下のFe−Siを使用し、過剰にAlが混入している鋼屑の使用を避ければよく、球状化剤や接種剤の含有量に配慮する必要はない。 Al forms a compound with oxygen and nitrogen, and most of them are removed as impurities. Therefore, to control the Al content of the molten metal before spheroidizing treatment, the Al content is low, for example, 1.0% or less. It is only necessary to use Fe-Si and avoid the use of steel scraps in which Al is excessively mixed, and it is not necessary to consider the contents of the spheroidizing agent and the inoculum.
ここで、上記に加え、C、Si、Mgは、Cは3%以下、或いは4%以上も使用可で、例えば2.7%上は例えば4.2%も可能である。又、Siは、2%以下2.7%以上、例えば1.7%、2.9%も可能である。Mnは、1%以下なら使用可能である。 Here, in addition to the above, C, Si, and Mg can use 3% or less, or 4% or more, for example, 2.7% and 4.2%, for example. Further, Si can be 2% or less, 2.7% or more, for example, 1.7% or 2.9%. Mn can be used if it is 1% or less.
本発明の前記素材を用いて作成した次の要目を有するJIS FCD800規格のダクタイル鋳鉄製歯車に、機械加工(旋削、歯切り、シェービング)を施し、両面印刷機における胴駆動装置に適用して次の(1)、(2)に示すような実験を行った。
(1)実験用ダクタイル鋳鉄製はすば歯車の要目
歯形:高歯
モジュール:2.5
歯数:88
圧力角:14.5°
ねじれ角:10.0°
(2)騒音計測試験
試験装置における騒音を計測した結果を図10に示す。本発明の実施製品であるFCD800材歯車は、従来のSCM材浸炭焼入れ、焼戻し歯車に比べ、目に見取る騒音低減が図れた。
Machined (turning, gear cutting, shaving) to a JIS FCD800 standard ductile cast iron gear having the following points made using the material of the present invention, and applied to a cylinder driving device in a double-sided printing machine The following experiments (1) and (2) were performed.
(1) Outline of experimental ductile cast iron helical gears Tooth profile: High-tooth module: 2.5
Number of teeth: 88
Pressure angle: 14.5 °
Twist angle: 10.0 °
(2) Noise measurement test FIG. 10 shows the results of measuring noise in the test apparatus. The FCD800 gear, which is an implementation product of the present invention, was able to reduce visible noise compared to conventional SCM carburized and tempered gears.
表1に従って作成した、ダクタイル鋳鉄の被削性について、同程度の鋼名(SCM435QT)と対比して試験した。結果を図11に示す。 The machinability of the ductile cast iron prepared according to Table 1 was tested in comparison with a comparable steel name (SCM435QT). The results are shown in FIG.
この結果を図12―1、図12―2により表示する。
この表に示す如く、施削時の切削抵抗は、75.2%、ドリリング時の切削抵抗は69.4%である。これらにより、被削性能は、極めて良いことが判明した。
The result is displayed as shown in FIGS. 12-1 and 12-2.
As shown in this table, the cutting resistance at the time of cutting is 75.2%, and the cutting resistance at the time of drilling is 69.4%. As a result, it was found that the machinability is very good.
本発明により形成された歯車と、他の方法により形成される歯車の製造法について比較した表を図14に示す。
この表によれば、クランクシャフトの場合、従来の熱処理ADI処理した方法と比し、ADI、研削二工程が省略される。S45C(H)では、鍛造、切削、高周波熱処理、研削が、FCD800で鍛造、切削の二工程で完成する。
SCMで、鍛造、熱処理、切削、熱処理、研削が必要であるが、同程度の強度、硬度、精度を得るのは、鍛造、熱処理、切削の工程のみで同一程度を得ることができ、その製造工程が大幅に省略でき、製造コストも大幅減を達成できた。
FIG. 14 shows a table comparing the gears formed according to the present invention and the manufacturing methods of gears formed by other methods.
According to this table, in the case of a crankshaft, the two steps of ADI and grinding are omitted as compared with the conventional heat treatment ADI treatment method. In S45C (H), forging, cutting, induction heat treatment, and grinding are completed in two steps of forging and cutting with FCD800.
SCM requires forging, heat treatment, cutting, heat treatment, and grinding, but the same degree of strength, hardness, and accuracy can be obtained only in the forging, heat treatment, and cutting processes, and its manufacture. The process could be greatly omitted, and the manufacturing cost could be greatly reduced.
前記試験と同様の手順、即ち2000kg容量の低周波誘導炉を用い、鋼屑及び戻し材を使用してFCD450相当の溶湯とし、これに図1に示す如く所望量のCuを添加した後、市販のFe−Si−Mg−Ca−REM合金添加のサンドイッチ法による球状化処理を実施時に図1に示す如く所望量のSnを添加し、注湯取鍋移し換え時に接種、CO2鋳型のJIS G5502 Y型B号(25t×215l)に鋳込んだ。同様の手順で化学組成を変化させた本発明実施品1〜4についての機械的性質及び化学組成を図13に示す。
又、本発明実施品3の金属組織の顕微鏡写真を図15に示す。
The same procedure as in the above test, that is, using a low-frequency induction furnace with a capacity of 2000 kg, using steel scrap and return material to make a molten metal equivalent to FCD450, after adding a desired amount of Cu as shown in FIG. As shown in FIG. 1, a desired amount of Sn is added at the time of carrying out the spheroidizing treatment by the sandwich method of adding Fe—Si—Mg—Ca—REM alloy, and inoculated at the time of transferring the pouring ladle, JIS G5502 Y of CO2 mold Cast into type B (25t × 215l). FIG. 13 shows the mechanical properties and chemical compositions of the
Moreover, the microscope picture of the metal structure of this
図1のCuを単独で含有した時に比べ、Snが加わることにより、引張り強さ、伸びが大幅に向上し、更にCuを2.6%超えても低下しないことがわかる。図15の金属組成の顕微鏡写真の如く、セメンタイトやベイナイトは皆無で、球形も良好で微細な黒鉛と非常に緻密な組織を有している。本発明のダクタイル鋳鉄はJIS G5502のFCD800−2規格である引張り強さ800MPa、伸び2%以上を鋳放しにて充分満足するものとする。 It can be seen that the tensile strength and elongation are greatly improved by adding Sn as compared to when Cu alone is contained in FIG. 1, and further, even if Cu exceeds 2.6%, it does not decrease. As shown in the micrograph of the metal composition in FIG. 15, there is no cementite or bainite, the sphere has a good shape, fine graphite, and a very dense structure. The ductile cast iron of the present invention sufficiently satisfies the JIS G5502 FCD800-2 standard tensile strength of 800 MPa and elongation of 2% or more when cast.
Al0.7%含有のFe−Siを使用した結果、球状化処理前溶湯のAlの含有率は0.005重量%以下であった。他は前記実施例1と同様の手順で化学組成を変化させた本発明実施品5〜8についての機械的性質及び化学組成を図13に示す。
As a result of using Fe-Si containing 0.7% Al, the Al content in the molten metal before spheroidizing treatment was 0.005% by weight or less. FIG. 13 shows mechanical properties and chemical compositions of the
又、本発明実施品の別の金属組織の顕微鏡写真を図16に示す。
図13の本発明実施品1〜4に比べ、本発明実施品5〜8は更に引張り強さが向上し、図16の金属組成の顕微鏡写真より、基地はソルバイトの如く緻密になっているのがわかる。本発明のダクタイル鋳鉄はISO1083のFCD900−2の規格である引張り強さ900MPa以上、伸び2%以上を鋳放しにて充分満足するものである。
FIG. 16 shows a micrograph of another metal structure of the product of the present invention.
Compared to the
前記実験および実施例1と同様の手順で注湯取鍋移し換え時に接種後、生型で造型した外径Φ227、内径Φ93、厚さ30mmの鋳型に鋳込んだ。得られた化学成分分析結果は重量%でCu:2.9%、Sn:0.04%、C:3.7%、Si:2.5%、Mn:0.4%、P:0.02%、Mg:0.04%で残部はFeその他不可避不純物であった。
この鋳物の黒皮部を旋盤加工により除去し、外径に比べ焼入れが困難な内径部に高周波焼入れ(焼入れ方法:定置一発、加熱時間:75秒)を行った。図17は硬化深さを示すもので、実線は本発明材を示し、点線は比較材を表している。
After inoculation at the time of transferring the pouring ladle in the same procedure as in the above experiment and Example 1, it was cast into a mold having an outer diameter of Φ227, an inner diameter of Φ93, and a thickness of 30 mm formed in a green mold. The chemical component analysis results obtained are Cu: 2.9%, Sn: 0.04%, C: 3.7%, Si: 2.5%, Mn: 0.4%, P: 0.00% by weight. 02%, Mg: 0.04%, and the balance was Fe and other inevitable impurities.
The black skin part of the casting was removed by lathe processing, and induction hardening (quenching method: stationary one shot, heating time: 75 seconds) was performed on the inner diameter part, which is harder to quench than the outer diameter. FIG. 17 shows the curing depth, the solid line represents the material of the present invention, and the dotted line represents the comparative material.
尚、比較材のグラフは(財)素形材センター発行の「鋳鉄の生産技術〔改〕」(p112、図2 107)を引用した。
図17に示す硬化深さでわかるように、本発明のダクタイル鋳鉄はSi値が2.5%と焼入れには不利な成分ながら、又、Cr、Mo、Ni等の代表的な焼入れ促進元素を含まず、強力な焼入れ性を有するのは、偏析したCuが熱伝導率を上げ、加熱冷却速度を早めるからであり、良好な微細黒鉛と緻密な組織を有し、セメンタイトの発生がないからである。
In addition, the graph of the comparative material referred to “Cast Iron Production Technology [Modified]” (p112, FIG. 2107) issued by the Shape Materials Center.
As can be seen from the hardening depth shown in FIG. 17, the ductile cast iron of the present invention has a Si value of 2.5%, which is a disadvantageous component for quenching, but also includes typical quenching promoting elements such as Cr, Mo, Ni and the like. It does not contain and has strong hardenability because segregated Cu increases the thermal conductivity and speeds up the heating and cooling, has good fine graphite and a dense structure, and does not generate cementite. is there.
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