JP2009030134A - 窒化歯車用粗形品および窒化歯車 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】(1)C:0.10〜0.30%、Si:0.10%超〜0.50%、Mn:0.50〜1.3%、S:0.005〜0.05%、Cr:0.70〜2.0%、Al:0.035〜0.10%、V:0.01〜0.30%、N:0.003〜0.015%を含有し、残部はFeと不純物からなり、不純物中のP:0.025%以下、Ti:0.010%未満、O:0.0020%未満の化学組成を有し、ミクロ組織が、ベイナイト、マルテンサイト又は、それらの混合組織のいずれかの窒化歯車用粗形品。(2)上記(1)の窒化歯車用粗形品を素材とする窒化歯車であって、表面の化合物層深さが5μm以下の窒化歯車。ミクロ組織に30%以下のフェライトを含んでもよく、化学組成に、(a)Mo≦0.5%、(b)Pb≦0.3%、Ca≦0.005%の1種以上、の少なくとも1つの群の元素のうちの1種以上を含んでもよい。
【選択図】なし
Description
C:0.10〜0.30%
Cは、窒化歯車の硬化層深さおよび芯部硬さを向上させる作用を有し、ピッチング強度および曲げ疲労強度の確保のために必須の元素であって、0.10%以上の含有量が必要である。しかしながら、Cの含有量が多くなると、硬さが大きくなって被削性の低下を招き、特に、その含有量が0.30%を超えると、硬さ上昇に伴う被削性の低下が著しくなる。したがって、Cの含有量を0.10〜0.30%とした。なお、Cの含有量は0.15〜0.25%とすることが好ましい。
Siは、脱酸作用を有する。また、Siは、焼戻軟化抵抗を向上させる元素であり、窒化歯車の使用中に歯面の温度が上昇した際の軟化を生じ難くして、ピッチング強度向上に有効に作用する。これらの効果を得るには、0.10%を超える含有量が必要である。しかしながら、Siの含有量が多すぎると、硬さが大きくなって被削性の低下を招き、特に、その含有量が0.50%を超えると、硬さ上昇に伴う被削性の低下が著しくなる。したがって、Siの含有量を0.10%を超えて0.50%以下とした。なお、Siの含有量は0.20〜0.35%とすることが好ましい。
Mnは、窒化歯車の硬化層深さおよび芯部硬さ向上に効果がある元素で、ピッチング強度および曲げ疲労強度を確保する作用を有する。また、Mnは、脱酸作用も有する。これらの効果を得るには、0.50%以上の含有量が必要である。しかしながら、Mnの含有量が多すぎると、硬さが大きくなって被削性の低下を招き、特に、その含有量が1.3%を超えると、硬さ上昇に伴う被削性の低下が著しくなる。したがって、Mnの含有量を0.50〜1.3%とした。なお、Mnの含有量は0.60〜1.0%とすることが好ましい。
Sは、Mnと結合してMnSを形成し、被削性を向上させる作用がある。しかしながら、その含有量が0.005%未満では、前記の効果が得難い。一方、Sの含有量が0.05%を超えると、粗大なMnSを形成して、熱間鍛造性が低下する。したがって、Sの含有量を0.005〜0.05%とした。なお、Sの含有量は0.015〜0.03%とすることが好ましい。
Crは、表面硬さ、硬化層深さおよび芯部硬さを向上させて、窒化歯車のピッチング強度および曲げ疲労強度を確保する作用を有する。この効果を得るには、0.70%以上の含有量が必要である。しかしながら、Crの含有量が多くなると、硬さが大きくなって被削性の低下を招き、特に、その含有量が2.0%を超えると、硬さ上昇に伴う被削性の低下が著しくなる。したがって、Crの含有量を0.70〜2.0%とした。なお、Crの含有量は0.80〜1.5%とすることが好ましい。
Alは、窒化あるいは軟窒化時にNと結合してAlNを形成し、表面硬さを向上させ、ピッチング強度および曲げ疲労強度を高める作用を有する重要な元素である。こうした効果を得るには、Alを0.035%以上含有させる必要がある。しかしながら、Alの含有量が過剰になって、特に、0.10%を超えると、硬質のAl2O3を多量に形成して被削性の低下を招くとともに硬化層深さが浅くなり、しかも、Al2O3が表層に存在した場合には、ピッチングの発生起点となるため、却ってピッチング強度が低下する。したがって、Alの含有量を0.035〜0.10%とした。なお、好ましいAlの含有量は0.040〜0.080%である。
Vは、窒化あるいは軟窒化時に、CおよびNと結合して微細な、炭化物、窒化物および炭窒化物として析出し、表面硬さと硬化層深さを向上させ、ピッチング強度および曲げ疲労強度を高める作用を有する重要な元素である。これらの効果を得るには、Vを0.01%以上含有させる必要がある。しかしながら、Vの含有量が多くなって、特に、0.30%を超えると、粗大な炭化物、窒化物および炭窒化物を析出して、靱性の低下を招く。したがって、Vの含有量を0.01〜0.30%とした。なお、好ましいVの含有量は0.05〜0.20%である。
Nは、窒化あるいは軟窒化時にAlと結合してAlNを形成し、表面硬さを向上させ、ピッチング強度および曲げ疲労強度を高める作用を有する。こうした効果を得るには、Nを0.003%以上含有させる必要がある。しかしながら、Nの含有量が過剰になると、TiNのような粗大な窒化物を形成して靱性の低下を招き、特に、その含有量が0.015%を超えると靱性の低下が著しくなる。したがって、Nの含有量を0.003〜0.015%とした。なお、好ましいNの含有量は0.004〜0.008%である。
Pは、鋼に含有される不純物であり、結晶粒界に偏析して鋼を脆化させる。特に、その含有量が0.025%を超えると、脆化の程度が著しくなる。したがって、不純物におけるPの含有量を0.025%以下とした。なお、不純物におけるPのより好ましい含有量は0.020%以下である。
Tiは、Nとの親和性が高いので、鋼中のNと結合して硬質で粗大な非金属介在物であるTiNを形成し、この粗大で硬質なTiNが窒化歯車の表面に存在した場合には、ピッチングの発生起点となってしまう。特に、Tiの含有量が0.010%以上になると、粗大で硬質なTiNの形成が著しくなる。したがって、不純物におけるTiの含有量を0.010%未満とした。なお、不純物におけるTiのより好ましい含有量は0.005%未満である。
前記0.035〜0.10%の量のAlを必須の元素として含む本発明において、Oの含有量が多いと硬質で粗大な酸化物であるAl2O3を形成し、この粗大で硬質なAl2O3が窒化歯車の表面に存在した場合には、ピッチングの発生起点となってしまう。また、Caを含む場合には、粗大な酸化物であるCaOを形成し、このCaOも窒化歯車の表面に存在した場合には、ピッチングの発生起点となってしまう。特に、Oの含有量が0.0020%以上になると、前記Al2O3やCaOの形成が著しくなる。したがって、不純物におけるOの含有量を0.0020%未満とした。なお、不純物におけるOのより好ましい含有量は0.0015%未満である。
第1群:Mo:0.5%以下、
第2群:Pb:0.3%以下およびCa:0.005%以下のうちの1種または2種、
の少なくとも1つの群の元素のうち1種以上を含有するものとすることができる。
Moは、窒化歯車の硬化層深さおよび芯部硬さ向上に効果がある元素で、ピッチング強度および曲げ疲労強度を確保する作用を有するので、必要に応じて添加、含有させてもよい。しかしながら、0.5%を超えるMoを含有させても前記の効果が飽和するのでコストが嵩んで経済性が損なわれるし、硬さ上昇に伴う被削性の低下を招く。したがって、添加する場合のMoの含有量を0.5%以下とした。より一層良好な被削性が要求される場合には、Moの含有量を0.3%以下とすることが好ましい。
PbおよびCaは、いずれも、被削性を改善する作用を有する。このため、より優れた被削性を得たい場合には以下の範囲で含有してもよい。
Pbは、被削性を改善する作用を有するので、さらなる被削性向上のために含有させてもよい。しかしながら、0.3%を超えるPbを含有させても被削性向上効果が飽和するのでコストが嵩んで経済性が損なわれ、さらに、靱性や強度の低下をきたす。したがって、添加する場合のPbの含有量を0.3%以下とした。
Caは、被削性を改善する作用を有するので、さらなる被削性向上のために含有させてもよい。しかしながら、0.005%を超えるCaを含有させても被削性向上効果が飽和するのでコストが嵩んで経済性が損なわれ、また、靱性や強度の低下をきたし、さらに粗大な酸化物であるCaOを形成して、ピッチング強度の低下を招いてしまう。したがって、添加する場合のCaの含有量を0.005%以下とした。
本発明に係る窒化歯車用粗形品の基本的なミクロ組織は硬質相、すなわち、ベイナイト、マルテンサイトまたはベイナイトとマルテンサイトの混合組織のいずれかである。これは、窒化歯車用粗形品のミクロ組織中に軟質相であるフェライトが多い場合には、窒化歯車の歯面において塑性変形や摩耗が起こり、ピッチング強度低下の原因となり、また、軟質のフェライト中では、ピッチングや曲げ疲労におけるき裂が進展しやすく、窒化歯車のピッチング強度および曲げ疲労強度の低下原因となるからである。
既に述べたように、「窒化」や「軟窒化」の処理を行った場合に被処理品の表面に形成される「窒化層」は、最表層部のポーラス層およびその下の緻密層から構成されたε−Fe2〜3N相を主体とした化合物層ならびに、その下の拡散層からなるものである。
上記の各インゴットは、均熱炉に装入して1250℃で8時間保持し、均質化した。
各インゴットは、上記1250℃で8時間保持した後、均熱炉から取り出して、直径が30mmで長さが1000mmおよび直径が140mmで長さが1000mmの2種類の丸棒に熱間鍛造した。なお、熱間鍛造仕上温度は1000℃以上とし、鍛造後は大気中で放冷した。
鋼1〜4および鋼6〜11について、熱間鍛造した直径が30mmの各丸棒は900℃で1時間保持した後に大気中で放冷して焼準し、また、熱間鍛造した直径が140mmの各丸棒は900℃で3時間保持した後に大気中で放冷して焼準した。
前記〔3〕において2つに切断した鋼5の残部について、次の等温焼鈍を行った。すなわち、熱間鍛造した直径が30mmの丸棒の一方を900℃で1時間保持した後に表面温度が680℃になるまで大気中で放冷し、その後さらに、680℃で1時間保持してから大気中で放冷する等温焼鈍を施した。また、熱間鍛造した直径が140mmの丸棒の一方を900℃で3時間保持した後に表面温度が680℃になるまで大気中で放冷し、その後さらに、680℃で3時間保持してから大気中で放冷する等温焼鈍を施した。
鋼4および鋼5について、前記〔3〕の焼準を行った直径が30mmと140mmの丸棒は、それぞれ、長さが150mmと21mmに切断して、いずれも900℃で1時間保持した後に100℃の油中に冷却する焼入を行なった。
鋼1について、前記〔3〕の焼準を行った直径が30mmと140mmの丸棒を2つに切断し、それぞれの一方をさらに長さが150mmと21mmに切断して、いずれも900℃で1時間保持した後に170℃の油中に冷却する焼入を行なった。
前記焼準、等温焼鈍、焼入Aおよび焼入Bで生じた内部応力を除去するため、全ての素材について500℃で1時間保持した後に大気中で放冷して焼戻した。
焼戻した直径が30mmの各丸棒の中心部から、鍛錬軸に平行に図2に示すローラーピッチング小ローラー試験片を切り出した。また、直径が140mmの各丸棒の中心部から、鍛錬軸に平行に図3に示すローラーピッチング大ローラー試験片を切り出した。
上記〔7〕で切り出したローラーピッチング小ローラー試験片のミクロ組織調査に供した残りの試験片、およびローラーピッチング大ローラー試験片の全てに対して、表面硬化処理として、図4に示すヒートパターンによるラジカル窒化(以下、「条件A」という。)または図5に示すヒートパターンによるガス軟窒化(以下、「条件B」という。)を施した。
上記〔8〕の条件Bのガス軟窒化を施した試験片の一部について、その表面に機械加工による研磨を施し、窒化層を形成する化合物層の深さの調整や化合物層そのものの除去を行った。
上記〔9〕の表面研磨して化合物層を除去した試験片の一部に対して、次の条件で二段ショットピーニング処理を実施した。
・投射材の種類:ラウンドカットワイヤ、
・投射材の直径(ショット粒の粒径):0.6mm、
・投射材の硬さ:ビッカース硬さ(以下、「Hv硬さ」という。)で700、
・アークハイト:0.4mmA、
二段目:
・投射材の種類:スチールビーズ、
・投射材の直径:0.1mm、
・投射材の硬さ:Hv硬さで700、
・アークハイト:0.1mmA。
上記種々の処理を施した各試験片を仕上加工して、図6に示すローラーピッチング小ローラー試験片および図7に示すローラーピッチング大ローラー試験片を作製した。
表面硬化処理前のローラーピッチング小ローラー試験片、すなわち、前記〔7〕のようにして切り出したままのローラーピッチング小ローラー試験片を用いて、φ26mmの中央部を横断した後、その切断面が被検面となるように樹脂に埋め込んで鏡面研磨し、次いで、ナイタルで腐食してミクロ組織を調査した。
前記〔11〕の仕上加工したローラーピッチング小ローラー試験片を用いて、φ26mmの中央部を横断した後、その切断面が被検面となるように樹脂に埋め込んで鏡面研磨し、次いで、ナイタルで腐食して表面の窒化層を形成する化合物層の深さを調査した。
上記《2》の表面の化合物層深さの調査で用いた樹脂埋めした試験片を使用して、表面硬さを調査した。
前記《2》の表面の化合物層深さの調査で用いた樹脂埋めした試験片を使用して、有効硬化層深さの調査を行った。
前記〔11〕の仕上加工したローラーピッチング小ローラー試験片およびローラーピッチング大ローラー試験片を用いて、下記の試験条件で行い、繰返し数が107回において、長辺が1mm以上の大きさのピッチングが発生しない最大の面圧をピッチング強度とした。なお、このピッチング強度の目標は1800MPa以上とし、ピッチング強度が目標とする1800MPa以上の場合に、耐ピッチング特性に優れるものとした。
・回転数:1000rpm
・潤滑:油温80℃のオートマチックトランスミッション用潤滑油を2リットル/分の割合で、ローラーピッチング小ローラー試験片とローラーピッチング大ローラー試験片の接触部に噴出させて実施。
{(V2−V1)/V1}×100。
上記《5》のローラーピッチング試験後の表面摩耗量を、次のようにして調査した。
Claims (5)
- 質量%で、C:0.10〜0.30%、Si:0.10%を超えて0.50%以下、Mn:0.50〜1.3%、S:0.005〜0.05%、Cr:0.70〜2.0%、Al:0.035〜0.10%、V:0.01〜0.30%およびN:0.003〜0.015%を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中のP、TiおよびO(酸素)がそれぞれ、P:0.025%以下、Ti:0.010%未満およびO:0.0020%未満の化学組成を有し、ミクロ組織が、ベイナイト、マルテンサイトまたはベイナイトとマルテンサイトの混合組織のいずれかであることを特徴とする窒化歯車用粗形品。
- ミクロ組織が、さらに面積割合で、30%以下のフェライトを含むものであることを特徴とする請求項1に記載の窒化歯車用粗形品。
- 化学組成が、Feの一部に代えて、質量%で、Mo:0.5%以下を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の窒化歯車用粗形品。
- 化学組成が、Feの一部に代えて、質量%で、Pb:0.3%以下およびCa:0.005%以下のうちの1種または2種を含有することを特徴とする請求項1から3までのいずれかに記載の窒化歯車用粗形品。
- 請求項1から4までのいずれかに記載の窒化歯車用粗形品を素材とする窒化歯車であって、表面の窒化層を形成する化合物層の深さが5μm以下であることを特徴とする窒化歯車。
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