JP2630670B2

JP2630670B2 - 高疲労強度を有する浸炭歯車用鋼

Info

Publication number: JP2630670B2
Application number: JP2198015A
Authority: JP
Inventors: 正四郎鈴木; 達夫福住; 和夫坂本; 英生上野
Original assignee: Mitsubishi Steel KK
Current assignee: Mitsubishi Steel KK
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1990-07-27
Publication date: 1997-07-16
Anticipated expiration: 2012-07-16
Also published as: JPH0483848A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明鋼は、自動車、建設車輌及び産業機械等で使用
される歯車のように浸炭焼入処理が施されて使用される
部品の中でも高い疲労強度や長い耐久寿命を必要とされ
るものへの適用に対し優れた鋼である。

［従来の技術］従来、歯車など浸炭焼入処理されて使用される部品の
疲労強度や耐久寿命の向上対策としては、素材である鋼
の非金属介在物の含有量を低減させる方法が採られてき
た。又、近年では一層の改善を図る目的から、Niを多量
に添加したり、疲労亀裂の原因となる浸炭層での粒界酸
化層の発生を低減させるため、Si、Mn、Crのように酸化
され易い元素を低減することにより対応している。一
方、浸炭焼入処理された歯車の表面へショットピーニン
グ処理することにより、圧縮の残留応力を高め、表面を
強化する方法も対応策として採用されている。

［発明が解消しようとする課題］しかしながら、これら非金属介在物含有量の低減や、
従来範囲でのNiの添加量増加では、近年、自動車等の軽
量化と高出力エンジンにより、そこで使用される浸炭歯
車類は、寸法の小形化を達成しながら、高い疲労寿命を
確保するという要求は満足されていない。特に高い接触
圧力と回転方向の滑り作用を伴う歯車においてはピッチ
ングを始めとする歯面疲労の強度向上に対しては充分で
はない。他方、ショットピーニング処理による圧縮残留
応力の付与は有効な方法ではあるが、ショットの投射が
的確に行われないと効果が不安定であること、又、実施
するためには設備の設置が必要となること、など制約が
あり、完全な対策とはなっていない。

［課題を解決するための手段］本発明は、このような従来技術では達成することの困
難であった浸炭歯車の疲労強度、中でも歯元に繰り返し
応力がかかり、歯元の折損対策としての回転曲げ疲労強
度の向上と、特に歯面に高い引張応力と滑りの繰り返し
による歯面の劣化対策としてのピッチング疲労強度の向
上を図ることを主眼として、それぞれの疲労強度に及ぼ
す材料面からの対応先を解析し、前者については第１
表、後者については第２表に表わした。

以上の解析に基づいて、主たる対応策として次の四項
目に着眼した。

浸炭層の強靭化として、NiばかりでなくMoの添加に
よる強度と強靭性の向上を図る。

浸炭層表面硬さの向上を行うためＶ、Moの添加を行
う。

浸炭層及び芯部の靭性向上のため、Al、Nb、Ｎを適
正量添加を行い、オーステナイト結晶粒度の微細化を図
る。

浸炭層の粒界酸化層を少なくするため、Si含有量を
低減し、Mn、Crも焼入性の調整以外極力少なくする。

これらの効果について、Ni、Mo、Ｖ、Alの含有量を種
々変えた鋼を高周波溶解炉にて溶製し、供試鋼として浸
炭、焼入処理を想定した焼入、焼戻し、又は一部浸炭焼
入を行った後に、衝撃試験（10mmRノッチ付シャルピ
ー）及び焼もどし軟化抵抗など種々の試験を行って評価
し、本発明に到達した。

すなわち、本発明は、重量％で、C:0.15〜0.25％ Si:
0.20％以下、Mn:0.40〜0.70％、P:0.015％以下、S:0.00
5〜0.015％、Ni:1.00〜2.5％未満,Cr:0.40〜0.70％,Mo:
0.60超〜1.50％、Al:0.015〜0.030％、N:0.0100〜0.018
0％、Nb:0.015〜0.030％、O_T:0.0015％以下を含有し、
残部Fe並びに不可避的不純物からなることを特徴とする
高いピッチング疲労強度を有する浸炭歯車用鋼である。

次に本発明の上記組成について限定理由を説明する。

C:Cは浸炭焼入処理される歯車の要求される芯部硬さHRC
35〜45を得るためには0.15％以上の添加が必要である。
しかし、0.25％を超える多量の添加は、焼入後、表面で
の圧縮の残留応力を充分導入できず、又、芯部の衝撃値
を低下させる。したがって、Ｃの添加量は0.15〜0.25％
の範囲とした。

Si:Siは溶鋼の脱酸用として効果があり、後述するO_T値
を低下させる上からは多量に添加しておく方が好ましい
が、逆に酸化され易い元素でもあり、浸炭された表層部
において浸炭処理中の雰囲気中酸素と反応し粒界酸化層
が生じ易く、このため粒界酸化層を少なく（深さ10μｍ
以下）するため上限を0.20％とした。

Mn:Mnは焼入性を確保するため少なくとも0.40％は必要
とする反面、Si同様浸炭雰囲気中の酸素と反応し、粒界
酸化層を形成することから、この低減を目的として上限
を0.70％とした。したがって、Mnの添加量は0.40〜0.70
％の範囲とした。

Ni:Niは浸炭層並びに芯部の靭性を向上させる元素であ
り、特に浸炭層の硬さを高くした場合の靭性確保の上か
らは必要であり、本発明はこのNiと後述のMo含有量との
靭性向上に及ぼす最適組合せより行ったもので、このた
め少なくとも1.00％以上必要であること、一方、Niは残
留オーステナイトの形成を助長する元素であることと、
過剰の添加は経済性を損うことから、上限を2.5％未満
とした。したがて、Niの添加量は1.00〜2.5％未満の範
囲とした。

Cr:CrはMn同様に焼入性を得るために必要な元素である
と同時に浸炭雰囲気の酸素により粒界酸化を生じやすい
元素であることから、下限を0.40％上限を0.70％とし
た。

Mo:Moは焼入性向上元素であると共に、破壊の初期にお
ける亀裂発生を軽減し、靭性を向上させる元素であるこ
とが、本発明に至る研究から明らかになった。特に浸炭
層のような炭素含有量が高い場合にはNiより効果が大き
いことから、Niとの複合添加の下では下限が0.60％超で
あれば充分である。しかし、1.50％を超えると粗大炭化
物を形成し、浸炭層の靭性を低下させる。したがって、
Moの添加量は0.60超〜1.50％の範囲とした。

Al:AlはＮと結合してAlNとなり、オーステナイト結晶粒
度を細粒化する作用を有する元素であり、細粒化は浸炭
層並びに芯部の靭性を向上させる効果を有する。したが
って、浸炭処理温度でも細粒を確保するため下限を0.01
5％とした。一方、多量のAlは疲労強度に対し有害なAl₂
O₃介在物の生成を助長することや歯車とした場合の焼入
歪を増やすことから。上限を0.030％とした。

N:NはAlと結合してAlNを生成して結晶粒の微細化を図る
ために必要な元素であり、含有するAlを全てAlNとする
に必要な下限値として0.0100％を、又、過剰な添加は微
細化に対し効果がないばかりでなく、冷間での加工性を
低下させるので、上限を0.0180％とした。

Nb:NbはＣ、Ｎと結合して炭窒化物を生成し、AlNと同様
にオーステナイト結晶粒度の微細化に効果のある元素で
あり、この微細化を介して浸炭層並びに芯部の靭性向上
に寄与する。したがって添加量はAlとＮの量的バランス
で決るが、少ないと効果が出ないので、0.015％を下限
とし、一方、過剰の添加は粗大な炭窒化物を形成、析出
し、浸炭層の靭性を損うことから0.030％を上限とし
た。

P:Pは結晶粒界に偏析しやすい元素であり、特に浸炭層
のような高炭素鋼の靭性に対する影響が大きいので、靭
性改善の上からは低い程望ましいが、原材料の選択など
経済性から上限を0.015％とした。

S:Sは大部分は硫化物介在物として鋼中に存在し、多量
に存在する場合には、疲労強度低下の要因となる元素で
あるが、一方歯車のように切削加工により成形される部
品では、被削性を与える元素であることから、この両者
の特性を満たすため、下限値を0.005％、上限値を0.015
％とした。

O_T:O_Tは鋼中においては酸化物介在物として存在し、疲
労強度を損う元素であることから上限を0.0015％とし
た。

［実施例］次に実施例を挙げ、本発明を更に詳細に説明する。

第１図に本発明に至る研究での試験工程の概要を示す
が、本研究は主として二種類の鋼を高周波溶解炉により
溶製して行った。すなわち、一つは浸炭層の強靭化に与
えるNi、Mo、Ｖ及びAlの効果を調査する目的から製造さ
れた炭素含有量が0.74〜0.80％の高炭素鋼と、他は芯部
の衝撃特性、焼入性、浸炭特性を調査、確認するために
製造された炭素含有量が0.15〜0.21％の低炭素鋼であ
る。各々の供試鋼の化学成分を前者は第３表に、後者は
第４表に示した。

高炭素供試鋼は、20mmφへ鍛伸され、630℃×2hrで焼
なましされた後、100mmRノッチ付チャルピー衝撃試験片
（10mm×10mm×55mml）と、硬さ測定用の試験片（15mm
φ×20mml）を作成した後、浸炭後の焼入を想定した。8
50℃×0.5hr、油焼入を施した。その後衝撃試験片は180
℃×2hr、空冷、硬さ測定用の試験片は180〜350℃×8h
r、空冷の条件で焼もどし処理された。

衝撃試験片は室温にてシャルピー試験に供せられた。
その結果を第３表に合せて示す。

一方、種々の温度で焼もどし処理された硬さ測定用の
試験片は、軟化抵抗の確認のため硬さが測定された。結
果を第２図に示す。

又、低炭素供試鋼は熱間鍛造され、焼ならしされた
後、浸炭特性、ジョニー焼入性試験及び浸炭焼入後の芯
部での衝撃特性を評価するための試験片に加工され、所
定の熱処理が施された後各試験に供せられた。各試験の
結果は第５表に示される通りである。

以上の結果より、浸炭層の強靭化と浸炭層の表面硬さ
に対してはNi、Moの増加、中でもMoの効果が大きいこ
と、Ｖは表面硬さを増すが浸炭層の靭性を低下させるこ
とSi、Mn、Crの低減により浸炭層の粒界酸化層深さが少
なくなることなどが明らかとなった。

これらの結果をもとに本来の目的である疲労強度向上
特にピッチング疲労強度の向上が達成されることを確認
するために、第６表に示す化学成分を有する鋼を実用炉
（電気炉）にて溶製し、2.3tの鋼塊とし、所定の寸法へ
熱間圧延した後、小野式回転曲げ疲労試験（平滑）用
と、第４図（ａ）に示すピッチング疲労試験用の試験片
（ｂ）に加工した。第４図（ａ）中、１は試験片、２は
負荷ローラー、３、４はギヤー、５は軸受、６はカップ
リング、７は伝達ベルト、８はモーターである。なお、
第４図（Ｃ）は負荷ローラー２の詳細を示す。その後試
験片は920℃×100minで0.8〜1.0mmの有効硬化層深さが
得られるようガス浸炭処理され、焼入、焼もどしされ
た。各々の試験に際しては２種の発明鋼Ａ、Ｂは現用鋼
であるSCM420、SNCM420との比較により評価が行われ
た。

第７表は浸炭処理後の各供試鋼の特性を示す。

このように、本発明鋼は当初設計したとおり現用鋼に
比べ高い靭性値と高い表面、かたさ、少ない粒界酸化層
深さを呈している。

第３図、第５図はそれぞれ小野式回転曲げ疲労試験及
びピッチング疲労試験の結果を示したものであるが、比
較鋼とした各現用鋼に比べ、本発明鋼は優れた疲労特性
を示している。

［発明の効果］以上の実施例からも判るように、本発明鋼は回転曲げ
疲労強度並びにピッチング疲労強度が現用鋼に比べ優れ
ていることから、浸炭歯車の小形化、軽量化に又は形
状、寸法が同じでも高出力化による高負荷化に対しても
寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は高周波溶解炉で溶製した供試鋼を使用して本願
発明鋼の構成を試験研究した工程図、第２図は浸炭層の
軟化抵抗に対する化学成分の影響を比較して示すグラ
フ、第３図は本発明鋼の回転曲げ疲労強度を現用鋼であ
るSCM420と比較して示すグラフ、第４図（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）はピッチング疲労試験機及び試験片の概
略図、第５図は本発明鋼のピッチング疲労寿命を現用鋼
であるSNCM420と比較して示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂本和夫東京都江東区東雲１丁目９番31号三菱製鋼株式会社東京製作所内 (72)発明者上野英生東京都江東区東雲１丁目９番31号三菱製鋼株式会社東京製作所内 (56)参考文献特開昭62−63653（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−243252（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−21359（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％において、Ｃ（炭素）:0.15〜0.25％ Si（ケイ素）:0.20％以下 Mn（マンガン）:0.40〜0.70％Ｐ（リン）:0.015％以下Ｓ（硫黄）:0.005〜0.015％ Ni（ニッケル）:1.00〜2.5％未満 Cr（クロム）:0.40〜0.70％ Mo（モリブデン）:0.60超〜1.50％ Al（アルミニウム）:0.015〜0.030％Ｎ（窒素）:0.0100〜0.0180％ Nb（ニオビウム）:0.015〜0.030％ O_T（酸素）:0.0015％以下を含有し、残部Fe並びに不可避的不純物元素からなるこ
とを特徴とする高いピッチング疲労強度を有する浸炭歯
車用鋼。