JP2019099893A - 浸炭肌で使用される耐ピッチング特性に優れた機械構造用のはだ焼きされた鋼および該鋼からなるはだ焼きされた歯車等の機械部品 - Google Patents
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Abstract
Description
−5μm≦D2−D1≦10μm ・・・(1)
−5μm≦D2−D1≦10μm ・・・(1)
Cは、鋼素材の芯部の焼入性、鍛造性および機械加工性に影響する元素である。Cが0.10%未満では十分な鋼素材の芯部の硬さが十分に得られず強度が低下し、被削性および鍛造性などの加工性を阻害する。一方、Cが0.35%より多いと、鋼素材の芯部硬さが過剰となり歯車の曲げ強度が劣化する。そこで、Cは0.10〜0.35%とし、望ましくは、0.13〜0.30%とする。
Siは、製錬時の脱酸に必要な元素である。また、Siは、鋼素材の焼戻し軟化抵抗性を高めピッチング特性の向上に有効な元素である。しかし、Siが0.40%以上になると、粒界酸化深さが低減するため、ピッチング特性の向上のためには、0.40%以上が必要である。一方、Siは、鋼素材の硬さを増加して被削性および鍛造性などの加工性を阻害し、また、浸炭阻害を起こし、耐ピッチング強度の劣化につながる元素である。そこで、Siは0.40〜1.00%とし、望ましくは、0.45〜0.70%とする。
Mnは、焼入れ性の確保に必要な元素であり、浸炭時に粒界酸化や合金酸化物に濃化することで不完全焼入れ層を形成する。不完全焼入れ層を形成するにはMnは0.15%以上は必要である。一方、Mnは、多くなると鋼素材の硬さが増加し、被削性および鍛造性などの加工性を阻害する。また、Mnは0.45%より過多になると、浸炭時に粒界酸化や合金酸化物に濃化しきれなくなり、表層の焼入れ性が増すことで不完全焼入れ組織の生成を抑制する。そこで、必要な不完全焼入れ組織の生成には、Mnは0.45%以下とする必要がある。そこで、Mnは0.15〜0.45%とし、望ましくは、0.20〜0.35%とする。
Pは、鋼を脆化する元素であり、鋼素材の疲労強度を下げる。そこで、Pは0.030%以下とする。
Sは、冷間加工性を阻害する元素であり、鋼素材の疲労強度を劣化する。そこで、Sは0.030%以下とする。
Crは、鋼素材の焼入れ性の確保に必要な元素であり、かつ焼戻し軟化抵抗性を高める元素でもある。また、浸炭時に粒界酸化や合金酸化物に非常に濃化し易く、なじみ性に有用な不完全焼入れ層を形成する。十分な、不完全焼入れ層を形成するには、Crは最低1.50%以上は必要である。一方、Crは、2.50%より多すぎると、浸炭阻害を起こし、素材硬さの低減につながるほか、浸炭時に粗大炭化物を形成し、ピッチング寿命の低下につながる。そこで、Crは1.50〜2.50%とし、望ましくは、1.65〜2.10%とする。
Niは、鋼素材のコストを大きく増加する元素であり、また、ガス浸炭時に酸素との反応性が低いため、最表面近傍にはほとんど偏在せずに、不完全焼入れ組織の生成を抑制する。しかし、必要な不完全焼入れ組織の生成には、Niは0.20%以下とする必要がある。
Moは、Niと同様に鋼素材のコストを大きく増加する元素であり、また、ガス浸炭時に酸素との反応性が低いため、最表面近傍にはほとんど偏在せずに、不完全焼入れ組織の生成を抑制する。しかし、必要な不完全焼入れ組織の生成には、Moは0.10%以下とする必要がある。
Vは、鋼素材の浸炭または浸炭窒化時に炭化物または炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化させるために有効な元素である。さらに、Vは結晶粒を微細化することで、粒界酸化深さを浅くするとともに、粒界酸化となるき裂が生成した際にも、き裂長さが小さくなる。しかし、Vが0.01%未満では、効果が得られない。しかし、Vは、0.20%を超えると、結晶粒微細化の効果が飽和し、コストアップとなる。さらに、Vは多量に炭窒化物を形成することができ、加工特性を悪化させる。そこで、Vは0.01〜0.20%とする。
Nbは、鋼素材の浸炭または浸炭窒化時に炭化物または炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化させるために有効である。さらに、Nbは結晶粒を微細化することで、粒界酸化深さを浅くするとともに、粒界酸化となるき裂が生成した際にも、き裂長さが小さくなる。しかし、Nbが0.01%未満では、効果が得られない。しかし、Nbは0.20%を超えると結晶粒微細化の効果は飽和し、コストアップとなる。さらに、Nbは多量に炭窒化物を形成することでき、加工特性を悪化させる。そこで、Nbは0.01〜0.20%とする。
Tiは、鋼素材の浸炭または浸炭窒化時に炭化物または炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化させるために有効である。さらに、Tiは結晶粒を微細化することで、粒界酸化深さを浅くするとともに、粒界酸化となるき裂が生成した際にも、き裂長さが小さくなる。しかし、Tiは0.01%未満では、効果が得られない。しかし、Tiは0.20%を超えると結晶粒微細化の効果は飽和し、コストアップとなる。さらに、Tiは多量に炭窒化物を形成することでき、加工特性を悪化させる。そこで、Tiは0.01〜0.20%とする。
ガス浸炭またはガス浸炭窒化後の浸炭層内または浸炭窒化層内の硬度が低いと、鋼材内部でのせん断応力の影響により、変形の過多や内部はく離(スポーリング)が発生し、早期破損に至る。そこで、これらの早期破損を抑制するためには、特に高い内部せん断応力が付加される最表面から0.30mm位置での硬さは700HV以上とする。
ガス浸炭またはガス浸炭窒化後の最大粒界酸化深さD1が、15μmより深いと、粒界酸化深さが摩耗しても粒界酸化層が除去されずに存在し続けるため、粒界酸化を起点としたき裂が発生し、ピッチング強度が劣化する。そこで、粒界酸化深さD1は15μm以下とし、望ましくは、10μm以下とする。
軟質組織層が存在しない場合や少ない場合には、軟質組織層の摩耗によるなじみ性の向上効果が得られない。また、粒界酸化深さに対して軟質組織層が少すぎると、粒界酸化が摩耗後も残存するため、粒界酸化を起点とした早期のき裂生成が発生し、十分なピッチング特性が得られない。しかし、ピッチング特性の向上に十分ななじみ性の確保と粒界酸化起点のき裂生成の抑制のためには、D2−D1を−5μm以上とする必要がある。一方、軟質組織層が多すぎると過多に摩耗し、歯当たりが悪くなって歯当たりの端部でのはく離を発生することで、かえって耐ピッチング特性が劣化する。また、軟質組織層が過剰に存在すると、荷重を負荷した際に製品形状が大きく変形し、寸法精度を損なうため、粒界酸化深さに対して、軟質組織層が過多とならないようにすることが重要である。そのために、D2−D1を10μm以下とする必要がある。そこで、D2−D1は−5〜10μmとする。便宜的に、式(1)として以下に示す。
−5μm≦D2−D1≦10μm ・・・(1)
ナノインデンテーション法を用いることで、不明瞭な組織観察ではなく、絶対値として明確に軟質組織層の深さを定義することが可能となる。表面近傍の浸炭層内のマルテンサイト組織のインデンテーション硬さHITは10000〜11000であり、浸炭後の鋼材表面に9000HIT以下のマルテンサイトに対して軟質な組織層が存在する場合には、これらの軟質組織層の領域が使用時に摩耗することで寿命初期のなじみ性が向上すると同時に、粒界酸化した箇所が摩耗により残存しにくくなることから、粒界酸化を起点としたき裂生成の抑制にもつながるため、インデンテーション硬さを指標とすることで、浸炭異常層に相当する軟質組織層を客観的に的確に補足しうることとなる。
なお、本発明にいう歯車等の機械部品とは、具体的には、歯車、軸付き歯車、クランクシャフトなどのシャフト類、無段変速機(CVT)プーリ、等速ジョイント(CVJ)、軸受等が挙げられる。本発明はこうした機械部品の素材、とりわけ歯車に好適である。こうした機械部品の素材は、たとえば鍛造や切削加工によって所望の形状に形成させることができ、後述のように、表面にガス浸炭、あるいはガス浸炭窒化を施すことで最表面から0.30mm位置での硬さが700HV以上に表面硬化させつつも、式(1)の範囲を満足する浸炭異常層を残したままの状態とする。
2 試験部
3 つかみ部
4 ローラーピッチング試験片(大ローラー)
Claims (1)
- 質量%で、C:0.10〜0.35%、Si:0.40〜1.00%、Mn:0.15〜0.45%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:1.50〜2.50%、Ni:0.20%以下、Mo:0.10%以下を含有し、さらにV:0.01〜0.50%、Nb:0.01〜0.20%、Ti:0.01〜0.20%から選択した1種または2種以上を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる鋼であり、当該鋼のガス浸炭またはガス浸炭窒化における最表面から0.30mm位置での硬さが700HV以上、最大粒界酸化深さD1が15μm以下、かつインデンテーション硬さが9000HIT以下となる最表面からの最大深さD2が下記式(1)を満たす浸炭異常層が残った状態であることを特徴とする耐ピッチング特性に優れた機械構造用のはだ焼きされた鋼。
−5μm≦D2−D1≦10μm・・・(1)
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