JP2009068065A - 面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼 - Google Patents

面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼 Download PDF

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Abstract

【課題】 浸炭歯車の面圧強度と衝撃強度の向上及び回転曲げ疲労強度の向上を両立させ、低コストで歯車の主要特性を向上させた高強度のはだ焼鋼を提供することである。
【解決手段】 質量%で、C:0.10〜0.35%、Si:0.40〜1.50%、Mn:0.10〜1.5%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:0.50〜3.0%、Al:0.02〜0.05%、N:0.01〜0.03%を含有し、7Si+3Cr+Mn≧7.0を満足し、残部はFeおよび不可避不純物からなるはだ焼鋼を図4に示す工程でガス浸炭及び焼入・焼戻しすることで面圧強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れた歯車用の鋼が得られる。
【選択図】 図4

Description

本発明は、低コストのガス浸炭焼入れ・焼戻しを施すことにより、動力を伝達する歯車の主要必要特性である、面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度を向上させることのできるはだ焼鋼に関する。
自動車の動力伝達用の歯車は、主として優れた歯面の面圧疲労強度と歯元の衝撃強度及び曲げ疲労強度が要求される。このため、自動車の動力伝達用の歯車には、JIS鋼のSCr420やSCM420などのはだ焼鋼に浸炭焼入れ・焼戻しを行ない使用される場合が多い。しかし、近年地球温暖化防止気運が高まり、自動車の二酸化炭素排出量削減のための燃費向上ニーズが高まっている。そのため、歯車の小型軽量化ニーズが高まっており、上記JIS鋼では十分な強度が得られなくなってきている。
従来、歯車用のはだ焼鋼において、面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度を同時に向上させようとした場合は、一般的なJIS SCr420やSCM420に対し、Si量を低減し、浸炭異常層深さを抑制し、Cr、Moなどの合金元素を増量添加し、焼戻し軟化抵抗特性を向上させる技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。しかし、この技術はSiを低減したことにより、焼戻し軟化抵抗特性はそれほど高くなく、面圧強度は十分とは言えない。
一方、従来のJISはだ焼鋼に対し、Siを増量し、焼戻し軟化抵抗特性を向上させ、かつ浸炭異常層深さを低減し、衝撃強度や曲げ疲労強度を低下させることなく、面圧強度を向上させた歯車用はだ焼鋼が提案されている(特許文献2)。しかし、この技術はSi量が浸炭異常層深さに影響を及ぼすことは述べられているが、その他の元素が浸炭異常層深さや形態にどの様な影響を及ぼすかは述べられておらず、その他の元素の影響は不明である。
特開2000−297347号公報 特開平7−258793号公報
本願の発明が解決しようとする課題は、浸炭歯車の面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度の全ての特性を向上させ、低コストのガス浸炭で浸炭部品の強度を向上させるはだ焼鋼を提供することである。
上記の課題を解決するための、本発明の手段は、請求項1の発明では、質量%で、C:0.10〜0.35%、Si:0.40〜1.50%、Mn:0.10〜1.5%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:0.50〜3.0%、Al:0.02〜0.05%、N:0.01〜0.03%を含有し、7Si+3Cr+Mn≧7.0を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが10μm以下であることを特徴とする面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼である。
請求項2の発明では、請求項1の組成に加え、さらに質量%で、Ni:3.0%以下、Mo:1.0%以下の1種または2種を含有し、7Si+3Cr+Mn≧7.0を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが10μm以下であることを特徴とする面圧強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼である。
請求項3の発明では、請求項1の組成に加え、さらにNb:0.02〜0.20%、V:0.02〜0.20%の1種または2種を含有し、7Si+3Cr+Mn≧7.0を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが10μm以下であることを特徴とする面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼である。
請求項4の発明では、請求項2の組成に加え、さらにNb:0.02〜0.20%、V:0.02〜0.20%の1種または2種を含有し、7Si+3Cr+Mn≧
7.0を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが10μm以下であることを特徴とする面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼である。
請求項5の発明では、質量%で、C:0.10〜0.35%、Si:0.40〜1.50%、Mn:0.10〜1.50%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:0.5〜3.0%、Al:0.02〜0.05%、N:0.01%以下、Ti:0.10〜0.20%を含有し、7Si+3Cr+Mn≧7.0を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが10μm以下であることを特徴とする面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼である。
請求項6の発明では、請求項5の組成に加え、さらに質量%で、Ni:3.0%以下、Mo:1.0%以下の1種または2種を含有し、7Si+3Cr+Mn≧7.0を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが10μm以下であることを特徴とする面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼である。
請求項7の発明では、請求項5の組成に加え、さらにNb:0.02〜0.20%、V:0.02〜0.20%の1種または2種を含有し、7Si+3Cr+Mn≧7.0を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが10μm以下であることを特徴とする面圧疲労強度と衝撃強度、及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼である。
請求項8の発明では、請求項6の組成に加え、さらにNb:0.02〜0.20%、V:0.02〜0.20%の1種または2種を含有し、7Si+3Cr+Mn≧7.0を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが10μm以下であることを特徴とする面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼である。
上記の手段における鋼成分の限定理由を以下に説明する。なお、以下において、%は質量%を示す。
C:0.10〜0.35%、望ましくは0.10〜0.25%
Cは、強度を付与するために必要な元素であるが、0.10%未満であると、浸炭焼入後の芯部強度が確保できず低く、0.35%超えると靱性が低下するとともに素材の硬度が上昇して加工性が劣化する。そこで、Cは0.10〜0.35%とし、望ましくは0.10〜0.25%とする。
Si:0.40〜1.50%、望ましくは0.5〜1.0%
Siは、本発明において重要な元素であり、鋼の脱酸に有効な元素であるとともに、鋼に必要な強度及び焼入性を付与し、焼戻し軟化抵抗特性を向上し、一定量以上の添加で浸炭異常層深さを小さくするために有効な元素であるが、0.40%未満では、焼戻し軟化抵抗特性が低く、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが大きくなる。一方、1.50%を超えると素材硬度が上昇し、加工性が劣化する。そこで、Siは0.40〜1.50%とし、望ましくは0.5〜1.0%とする。
Mn:0.10〜1.5%、望ましくは0.10〜1.0%
Mnは、鋼の焼入性を向上させる元素であるが、0.10%未満では脱酸が不十分であり、1.50%を超えると、加工性を低下する。そこで、Mnは0.10〜1.5%、望ましくは0.10〜1.0%とする。
P:0.030%以下
Pは、粒界に偏析して靱性及び疲労強度を低下させ、その結果、衝撃強度及び曲げ疲労強度を低下させる元素である。そこで、Pは0.030%以下とする。
S:0.030%以下
Sは、鋼中にMnSとして存在することにより素材の被削性を向上させる元素であるが、0.030%を超えると、粒界偏析により粒界脆化を招き、冷間加工性及び靱性を劣化させる。そこで、Sは0.030%以下とする。
Cr:0.50〜3.0%、望ましくは1.5〜3.0%
Crは、鋼の焼入性、靱性及び焼戻し軟化抵抗特性の向上に必要な元素である。少な過ぎると焼戻し軟化抵抗特性が低くなるので、下限値を0.5%とし、望ましくは1.5%する。しかし、多すぎると加工性を低下させ、かつ浸炭性を低下するので、Crは、3.0%以下とする。
Ni:3.0%以下
Niは、鋼の焼入性及び靱性の向上に有効な元素である。3.0%を超えると素材の硬度が上昇しすぎて加工性を低下させ、かつ、鋼材コストを上昇する。そこでNiは3.0%以下とする。
Mo:1.0%以下
Moは、鋼の焼入性、靱性及び焼戻し軟化抵抗特性の向上に必要な元素である。しかし、多すぎると加工性を低下し、かつ鋼材コストが上昇する。そこでMoは1.0%以下とする。
Al:0.02〜0.05%
Alは、鋼の脱酸作用を有すると同時に、窒素と結合してAlNを生成し、結晶粒の粗大化を抑制する効果を有するが、多すぎると脱酸効果が不十分であり、多くなり過ぎると酸化物が増加して疲労強度を低下し、さらに加工性を低下する。そこで、Alは0.02〜0.05%とする。
N:100〜300ppm
Nは、鋼中のAlと反応してAlNを生成し、浸炭時におけるオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する作用を有するが、Nが100ppm未満であると結晶粒粗大化を防止する効果が小さく、多すぎると窒化物が増加して疲労強度及び加工性が低下する。そこでNは100〜300ppmとする。
請求項5〜8の手段は、請求項1〜4の鋼成分に、さらにTiを添加した鋼であり、このようにTiを添加した場合はNを規定するものである。
N:100ppm以下、望ましくは50ppm以下
Nは、多すぎるとTiNが過剰に生成して疲労強度を低下し、さらに加工性を低下する。そこでTiを添加する場合は、Nを100ppm以下に規定する。
Ti:0.10〜0.20%、望ましくは0.12〜0.17%
Tiは、結晶粒の粗大化を防止する効果を有するが、0.10%未満ではその効果は小さく、0.20%を超えると加工性を低下する。そこで、Tiは0.10〜0.20%、望ましくは0.12〜0.17%とする。
Nb:0.02〜0.20%、望ましくは0.03〜0.10%
Nbは、結晶粒の粗大化を防止する効果を有するが、0.02%未満ではその効果は小さく、0.20%を超えるとその効果は飽和する傾向があり、かつ浸炭性を阻害する。そこで、Nbは0.02〜0.20%、望ましくは0.03〜0.10%とする。
V:0.02〜0.20%、望ましくは0.05〜0.10%
Vは、結晶粒の粗大化を防止する効果を有するが、0.02%未満ではその効果は小さく、0.20%を超えるとその効果は飽和する傾向があり、かつ加工性を低下する。そこで、Vは0.02〜0.20%、望ましくは0.05〜0.10%とする。
本発明は、上記の手段とすることにより、浸炭部品の焼戻し軟化抵抗特性を向上しつつ、浸炭異常層が浅くなり、面圧強度と衝撃強度、及び曲げ疲労強度の両方の特性を向上させ、さらにガス浸炭法により密な異常層を生成することで製品である歯車の歯面の接触面のなじみ性を向上させ面圧強度をさらに向上させるはだ焼鋼を提供することができた。
前述の特許文献2に示されているように、Siを増量していくと浸炭異常層深さはある値で最も深くなり、それ以上の添加で逆に浅くなることが示されている。しかし、発明者らは、鋭意研究したところ、Si以外のCr、Mnにも同様の効果があり、7Si+3Cr+Mn≧7.0を満たせば、浸炭異常層の深さが浅くなることを見出し、本発明を開発した。
そこで、本発明の実施の形態を以下に説明する。表1に示す比較例及び本発明の実施例の化学成分の鋼を100kg真空溶解炉で溶製し、インゴットに鋳造して鋼片とし、この鋼片を1250℃に加熱して5時間保持して溶体化処理した後、棒鋼に鍛伸した。シャルピー衝撃試験片は角40(40mm×40mm角棒)に、回転曲げ疲労試験片はφ20(径20mm丸棒)に、ローラーピッチング試験片はφ32(径32mm丸棒)にそれぞれ鍛伸した。
Figure 2009068065
ついで、この棒鋼を900℃に加熱し、1時間保持後空冷して焼きならしを行なった後、図1に示す形状の2mm10RCノッチを有するシャルピー衝撃試験片と、図2に示す形状の2mmVノッチを有する回転曲げ疲労試験片と図3に示す形状のローラーピッチング試験片を作製し、それぞれ図4に示す浸炭焼入・焼戻し条件によりガス浸炭による浸炭焼入・焼戻しを行った。
この場合、ガス浸炭処理は、機械加工後の鋼部材を800〜1000℃に加熱し、加熱炉中でCO又はCH4を含有する浸炭ガス雰囲気中に1〜5時間保持し、鋼部材の表面から1mm程度の深さまで炭素を拡散浸透させた。浸炭が終了した鋼部材は水中、または油中で焼入れし、さらに150〜200℃に焼戻す方法による。
次いで、シャルピー衝撃試験、回転曲げ疲労試験、ローラーピッチング試験を実施し、その結果の比較例及び本発明の実施例の浸炭異常層深さ、衝撃値、回転曲げ疲労強度並びにローラーピッチング寿命を表2に示す。回転曲げ疲労強度は107サイクル強度で評価をおこなった。また、表2の衝撃値、回転曲げ疲労強度並びにローラーピッチング寿命は比較例1の強度を1.0とした際の強度比で示す。
Figure 2009068065
表2に見られるように、本発明の実施例はSi、Cr量およびMn量を7Si+3Cr+Mn≧7.0を満足する範囲のものとしたことで浸炭異常層の深さが10μm以下と浅く、密な異常層を生成することができ、衝撃強度、曲げ疲労強度を向上させ、ローラーピッチング寿命も大幅に向上できた。
2mm10RCノッチを有するシャルピー衝撃試験片で、(a)は正面図、(b)は側面図を示し、数値の単位はmmである。 2mmVノッチを有する回転曲げ疲労試験片で、(a)は正面図、(b)はノッチ部であるA部の拡大図を示し、数値の単位はmmである。 ローラーピッチング試験片の形状を示し、数値の単位はmmである。 ガス浸炭による浸炭焼入・焼戻し例で、(a)は浸炭焼入、(b)は焼戻しを示す。

Claims (8)

  1. 質量%で、C:0.10〜0.35%、Si:0.40〜1.50%、Mn:0.10〜1.50%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:0.50〜3.0%、Al:0.02〜0.05%、N:0.01〜0.03%を含有し、7Si+3Cr+Mn≧7.0を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが10μm以下であることを特徴とする面圧強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼。
  2. 請求項1の組成に加え、さらに質量%で、Ni:3.0%以下、Mo:1.0%以下の1種または2種を含有し、7Si+2Cr+Mn≧7.0を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが10μm以下であることを特徴とする面圧強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼。
  3. 請求項1の組成に加え、さらにNb:0.02〜0.20%、V:0.02〜0.20%の1種または2種を含有し、7Si+2Cr+Mn≧7.0を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが10μm以下であることを特徴とする面圧強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼。
  4. 請求項2の組成に加え、さらにNb:0.02〜0.20%、V:0.02〜0.20%の1種または2種を含有し、7Si+2Cr+Mn≧7.0を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが10μm以下であることを特徴とする面圧強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼。
  5. 質量%で、C:0.10〜0.35%、Si:0.40〜1.50%、Mn:0.10〜1.50%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:0.5〜3.0%、Al:0.02〜0.05%、N:0.01%以下、Ti:0.10〜0.20%を含有し、7Si+3Cr+Mn≧7.0を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが10μm以下であることを特徴とする面圧強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼。
  6. 請求項5の組成に加え、さらに質量%で、Ni:3.0%以下、Mo:1.0%以下の1種または2種を含有し、7Si+3Cr+Mn≧7.0を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが10μm以下であることを特徴とする面圧強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼。
  7. 請求項5の組成に加え、さらにNb:0.02〜0.20%、V:0.02〜0.20%の1種または2種を含有し、7Si+3Cr+Mn≧7.0を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが10μm以下であることを特徴とする面圧強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼。
  8. 請求項6の組成に加え、さらにNb:0.02〜0.20%、V:0.02〜0.20%の1種または2種を含有し、7Si+3Cr+Mn≧7.0を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが10μm以下であることを特徴とする面圧強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼。
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