JP2014210294A - 耐摩耗性及びピッチング強度に優れた歯車を形成するためのショットピーニング方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、歯面疲労強度については、ショットピーニングによる表層硬さ、表層に付与される圧縮残留応力及び表面粗さが大きな影響を与え、圧縮残留応力の応力値については、投射材の粒径、硬度、投射速度、投射時間等が大きな影響を与えることが知られており、ショットピーニングの条件が圧縮残留応力の応力値に及ぼす影響について様々な研究がなされている(例えば、下記特許文献1参照)。
一方、ショットピーニング後の表面粗さについては、ショットピーニングの投射条件や投射材の硬さ等が影響することが知られている(例えば、下記特許文献2参照)。
また、ピッチング強度については、摩擦熱により歯車の表面温度が上昇することから、焼戻し硬さが影響することが知られている。具体的には、焼戻し硬さを向上させる成分(Si,Cr,Mo等)を増加させることで、ピッチング強度を向上させることができる(例えば、下記非特許文献1参照)。
これらに関し下記特許文献3,4には、圧縮残留応力を付与することで耐摩耗性を向上させる旨が記載されている。また、下記特許文献5には、焼戻し硬さ、最表面での圧縮残留応力、更に表面粗さを向上させることでピッチング強度を向上させる旨が記載されている。
[Si%]+[Ni%]+[Cu%]−[Cr%]>0.5
の条件を満たしている。表1には、本実施例で採用した真空浸炭用鋼の組成の一例が示してある。ここで、真空浸炭用鋼について各元素の組成限定理由について概説しておく。
Crは炭化物の生成を促進する成分であるから、多量に存在させることができない。1.0%は、炭化物の生成を抑制する成分が多量である場合に可能な、Cr量の上限である。ただし、あまり低減しすぎると焼入れ性が低くなって、製品の機械的特性が不満足になるので、下限値として0.3%を設けた。
Moは焼入れ性を向上させ、焼戻し軟化抵抗性を高めるために添加することができる。多量になると鋼の加工性を悪くするので、2.0%以下の適切な添加量を選ぶべきである。
Si、Ni及びCuは炭化物の生成を抑制し、一方、Crは増加させるから、前三者の影響と後者の影響とをバランスさせて、抑制効果が高くなるようにすることによって、エッジ部の炭化物生成量抑制を実現することができる。
これらの成分は、浸炭時に生じる結晶粒の成長を抑制し、整粒組織を保つという目的にとって有効である。過大な添加は加工性に悪影響を及ぼすので、それぞれ上記の限界内の添加量に止める。
Bは、焼入れ性の向上に効果があるので、所望により添加する。大量の存在は加工性にとって有害であるから、0.01%以下の添加量を選ぶ。
これらの成分は、被削性の向上という目的にとって有効である。過大な添加は靱性に悪影響を及ぼすので、それぞれ上記の限界内の添加量に止める。
まず、表1に示す合金組成(残部はFe及び不可避不純物)の各鋼を真空溶解炉を用いて溶製し、インゴットに鋳造した。次に、このインゴットを圧延してバー材にした後、図2に示されるように、ローラー部21と軸部22が一体のローラーピッチング試験片20(以下、試験用ローラー20という)を作成した。ローラーピッチング試験(以下、RP試験ともいう)については後述する。
次に、試験用ローラー20に対し、下記の条件で浸炭及び熱処理を施した。すなわち、950℃で均熱保持後、そのままの温度で浸炭処理、拡散処理をこの順に行い、その後850℃で30分間保持し、油焼入れを行った。焼戻しは160℃で2時間行った。浸炭処理は、圧力1500Paとしてアセチレンガス雰囲気で行った。また、拡散処理は、窒素雰囲気で行った。拡散処理後に仕上げ研削加工を施し、歯面の表面粗さRaを0.01〜0.4μmの範囲内に調整した。
装置の噴射ノズルから試験用ローラー20までの距離を200mmとし、投射角はローラー部21の加工面に垂直となるよう試験用ローラー20を設置した。ショットピーニングは、試験用ローラー20におけるローラー部21の転走面を狙って行い、ローラー部21の転走面に対して均一にショットピーニングが施されるように、試験用ローラー20を設置したテーブルを回転させた。表2には、投射条件としての投射材の硬さ、投射材の粒径及びエア圧力(=投射圧)が示してある。なお、2段目ショットピーニングを行わなかった比較鋼1〜3,5〜7,9〜11については、2段目ショットピーニングの投射条件の各欄に「−」号を記載した。
ショットピーニング後の試験用ローラー20の圧縮残留応力測定方法は、非破壊的方法として一般的な「JIS B2711」に規定されているX線回折を利用したX線応力測定法を用いた。今回の試験用ローラー20は、マルテンサイト組織の鋼であるため、測定は特性X線の種類=CrKα線、X線応力係数k=−318[MPa/°]を用いて行った。また、測定部位はショットピーニング狙い位置中心とした。なお、図4,5において、表層から圧縮残留応力が600MPaとなる深さ位置までの距離を「圧縮残留応力-600MPa深さ(μm)」とした。
試験用ローラー20におけるローラー部21の転走面について、表面粗さ測定器(東京精密株式会社製:SURFCOM1500SD-13)を用いて軸方向の表面粗さRaを測定した。測定長さ8mm、カットオフ波長0.8mm、傾斜補正は最小二乗曲線補正とした。
面疲労強度を評価するために、RP試験を行った。RP試験は、図2に示されるように、負荷用ローラー30と試験用ローラー20(例えば、直径φ26mm、軸部22を含む全長130mm)を油潤滑下にて一定面圧で接触させ、すべりを与えながら回転させることにより、歯車のピッチング(剥離)損傷を再現する試験である。試験条件は面圧3.0GPa、すべり率−60%、回転数1500rpmとした。潤滑油はCVT用オイルを用い、湯温323K、流量2L/minで試験を行った。負荷用ローラー30は、軸受鋼SUJ2を焼入れ・焼戻し後に表面研削したもの(例えば、直径φ130mm、曲率半径1000mmのクラウニング加工を施したもの)を用いた。
11 歯元
12 歯面
20 試験用ローラー(ローラーピッチング試験片)
21 ローラー部
22 軸部
30 負荷用ローラー
Claims (2)
- 700HV以上の硬さの投射材を、投射エア圧力0.2〜0.6MPaの条件下で、1段目の前記投射材として粒径がφ0.3〜1.0mmの範囲内のものを用い、2段目の前記投射材として粒径がφ0.05〜0.2mmの範囲内のものを用いて浸炭処理後の歯車に投射する2段ショットピーニングを行うことにより、
前記歯車の歯面の表層から30μm深さ位置までの最大圧縮残留応力が1500MPa以上、前記歯面の表層から75μm深さ位置での圧縮残留応力が600MPa以上、かつ前記歯面の表面粗さRaが0.8μm以下に設定されることを特徴とする耐摩耗性及びピッチング強度に優れた歯車を形成するためのショットピーニング方法。 - さらに、前記歯面の最表層の圧縮残留応力が1000MPa以上に設定される請求項1に記載の耐摩耗性及びピッチング強度に優れた歯車を形成するためのショットピーニング方法。
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