JP3464356B2 - 耐疲労性に優れたボロン鋼歯車およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は従来のボロン鋼製歯
車の改善に関するものであり、耐疲労性および耐衝撃性
に一層優れたボロン鋼製歯車およびその製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】表面を浸炭焼入れして使用される歯車用
鋼材の代表的なものとして、ＪＩＳＧ ４０５２（焼入
れ性を保証した構造用鋼鋼材）のＳＣｒ４２０（Ｃｒ：
０．８５〜１．２５wt.%）やＳＣＭ４２０（Ｃｒ：０．
８５〜１．２５wt.%、Ｍｏ：０．１５〜０．３５）が挙
げられる。しかし近年、鋼材コストの低減、加工工程の
合理化および簡略化に対する要求が強まっており、これ
に伴い下記技術の開発が望まれている。

【０００３】肌焼鋼（低炭素鋼および低炭素合金鋼
で、主として浸炭焼入れによって表面硬化させる鋼）の
ＣｒおよびＭｏ含有率を下げ、コストの低減を図る。 歯車の製造工程で、熱間圧延により棒鋼を製造し、次
いで焼鈍した後に鍛造により歯車形状に加工する場合、
素材の強度を低下させ上記焼鈍を省略乃至簡略化するこ
とができる肌焼鋼を開発し、製造工程を効率化する。

【０００４】このような素材の強度を低下させる方法と
しては、合金元素の含有率を減らすのが効果的である。
しかし、肌焼鋼においてはＣｒやＭｏは浸炭焼入れ性や
製品歯車の強度を確保するため重要な元素であり、いた
ずらにこれらの元素を削減することはできない。

【０００５】このようなＣｒやＭｏを削減した場合に発
生する肌焼鋼用合金鋼の問題を解決使用とするものとし
てボロン鋼がある。ボロンは微量の添加により焼入れ性
を大幅に向上させるので、高価な合金元素を削減したう
えで浸炭焼入れ性や歯車の強度を確保するためには有益
な元素である。しかしながら、焼入れ性向上に有効なの
は固溶ボロンであって、窒化物（ＢＮ）として存在する
ボロンはその効果を発揮しない。そこで通常のボロン鋼
では、Ｔｉを添加してＮをＴｉＮの形態で固定し、Ｂが
Ｎと結合しないように考慮されている。このような技術
が、例えば特開昭５７−７０２６１号公報および特開昭
５８−１２０７１９号公報に開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ボロン鋼に添加された
Ｔｉは上述したようにＮをＴｉＮの形態で固定する。し
かしながら、ＴｉＮは比較的大きい角型の介在物として
鋼中に存在するので、これが疲労の起点となり、歯車に
おいてはチッピング等の面疲労や歯元疲労強度を低下さ
せる。また、角型のＴｉＮは歯車の耐衝撃値を低下さ
せ、歯車に衝撃的な荷重がかかった場合に歯車の折損に
つながる恐れがある。そこで、このような恐れがなく、
耐疲労性および耐衝撃性に優れたボロン鋼の開発が望ま
れている。

【０００７】また、ボロン鋼は浸炭後に結晶粒が粗大化
しやすく、これが歯車の歪みを増大させ、歯車からの騒
音発生の原因になったりする。従って、この発明の目的
は、上述した問題を解決して、Ｔｉ添加型の従来のボロ
ン鋼歯車よりも靱性および疲労強度において一層優れた
ものとし、従来のＳＣＭ４２０が有する程度の靱性およ
び疲労強度を備え、且つ、合金元素の削減により素材を
軟質化させ、冷間または熱間鍛造前の軟化焼鈍の省略乃
至簡略化や鍛造工具の寿命延長が可能な、耐疲労性に優
れたボロン鋼歯車およびその製造方法を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上述した
観点から耐疲労性に優れたボロン鋼歯車およびその製造
方法を開発すべく鋭意研究を重ねた。その結果、Ｔｉを
添加せず、鋼中におけるＡｌ−Ｂ−Ｎの化学平衡により
決定される固溶Ｂの含有率を、焼入れ性に効果のある３
ｐｐｍ以上に確保する方策を研究し、浸炭処理中に粒成
長を起こさず、衝撃特性および耐疲労性に優れたボロン
鋼歯車を開発するに至った。

【０００９】請求項１記載の耐疲労性に優れたボロン鋼
歯車は、下記化学成分組成を有し、且つ、下記表面層硬
さを有することに特徴を有するものである。 （ａ）化学成分組成 Ｃ：０．１０〜０．３０wt.%、Ｓｉ：０．０１〜０．５
０wt.%、Ｍｎ：０．３〜２．０wt.%、Ｓ：０．００５〜
０．０５０wt.%、Ｃｒ：０．１０〜２．０wt.%、Ｎｂ：
０．００５〜０．１００wt.%、Ｂ：０．０００５〜０．
００５０wt.%、および、Ｎ：０．０１５０wt.%以下を含
有し、不純物として、Ｐ：０．０３０wt.%以下、Ｔｉ：
０．００５wt.%以下、および、Ｏ：０．００３０wt.%以
下に限定する。更に、Ａｌを、Ｂ−（10.8／14）Ｎ≧0.
0003 wt.% の時は、0.010 wt.%≦Ａｌ≦0.150 wt.%の範
囲内、そして、Ｂ−（10.8／14）Ｎ＜0.0003 wt.% の時
は、27／14｛（Ｎ−(14 ／10.8) Ｂ＋0.024 ｝≦Ａｌ≦
0.150 wt.%の範囲内含有し、残部がＦｅおよび不可避的
不純物よりなる。

【００１０】（ｂ）表面層硬さ ビッカ−ス硬さＨｖ≧５５０である有効硬化層深さが表
面から０．３０ｍｍ以上まで形成されている。

【００１１】請求項２記載の耐疲労性に優れたボロン鋼
歯車は、請求項１記載の発明において、その化学成分組
成に更に、Ｎｉ：０．０１〜１．００wt.%、および、Ｍ
ｏ：０．０１〜０．５０wt.%からなる群から選ばれた１
種以上を付加して含有することに特徴を有するものであ
る。

【００１２】請求項３記載の耐疲労性に優れたボロン鋼
歯車の製造方法は、請求項１記載の発明の化学成分組成
（上記（イ）に同じ）を有する鋼塊または鋳片を調製
し、得られた鋼塊または鋳片を熱間圧延して丸棒を調製
し、得られた丸棒を鍛造または／および切削加工により
歯車形状に加工し、８５０〜１０００℃の温度範囲内で
浸炭し、次いで焼入れおよび焼戻しを施すことに特徴を
有するものである。

【００１３】請求項４記載の耐疲労性に優れたボロン鋼
歯車の製造方法は、請求項３記載の発明において、その
化学成分組成に更に、Ｎｉ：０．０１〜１．００wt.%、
および、Ｍｏ：０．０１〜０．５０wt.%からなる群から
選ばれた１種以上を付加して含有することに特徴を有す
るものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】この発明において、歯車の化学成
分組成を上記の通り限定する理由を説明する。

【００１５】（イ）炭素（Ｃ）：０．１０〜０．３０w
t.% Ｃは鋼の強度を確保するために必要な元素である。Ｃ含
有率が０．１０wt.%未満では所望の強度を確保するのが
困難であるが、０．３０wt.%を超えると靱性の低下が大
きくなる。従って、Ｃ含有率は０．１０〜０．３０wt.%
の範囲内に限定する。

【００１６】（ロ）シリコン（Ｓｉ）：０．０１〜０．
５０wt.% Ｓｉはこの発明においては添加する必要はないが、製鋼
工程においてはＳｉはＡｌとの共同脱酸に効果を発揮す
る。しかしながら、Ｓｉは歯車においては浸炭性を阻害
し、０．５０wt.%を超えると浸炭に長時間を要する。従
って、Ｓｉ含有率は０．５０wt.%以下に限定する。な
お、歯車段階では実質的に含有されなくてもよいが、通
常、０．０１wt.%程度のＳｉは不可避的に残留する。

【００１７】（ハ）マンガン（Ｍｎ）：０．３〜２．０
wt.% Ｍｎは鋼の焼入れ性を確保し、またＳをＭｎＳとして固
定するので、靱性を向上させ、切削性を向上させるため
に必要な元素である。Ｍｎ含有率が０．３wt.%未満では
所望の強度を確保するのが困難である。一方、２．０w
t.%を超えると切削性が劣化する。従って、Ｍｎ含有率
は０．３０〜２．０wt.%の範囲内に限定する。

【００１８】（ニ）硫黄（Ｓ）：０．００５〜０．０５
０wt.%、 Ｓは切削性を確保するために必要な元素である。しかし
ながら、０．００５wt.%未満では切削性が劣る。一方、
０．０５０wt.%を超えると靱性が劣化する。従って、Ｓ
含有率は０．００５〜０．０５０wt.%の範囲内に限定す
る。

【００１９】（ホ）クロム（Ｃｒ）：０．１０〜２．０
wt.% Ｃｒは鋼の焼入れ性を確保するために必要な元素であ
る。しかしながら、０．１０wt.%未満では所望の強度を
確保するのが困難である。一方、２．０wt.%を超えると
切削性並びに靱性および疲労強度が劣化する。従って、
Ｃｒ含有率は０．１０〜２．０wt.%の範囲内に限定す
る。

【００２０】（ヘ）ニオブ（Ｎｂ）：０．００５〜０．
１０wt.% 従来のボロン鋼歯車の欠点である、浸炭時の粒成長を抑
止し、歯車の歪みをなくすことは、この発明の重要課題
である。この観点からＮｂを添加する。ＮｂはＮｂの微
細な炭窒化物をつくり、これが浸炭時の結晶の成長を抑
止するので、結晶粒の粗大化防止に有効である。この目
的のためにはＮｂを０．００５wt.%以上添加する必要が
あるが、０．１０wt.%を超えて添加しても効果は飽和
し、コストが高くなる。従って、Ｎｂ含有率は０．００
５〜０．１０wt.%の範囲内に限定する。

【００２１】（ト）ボロン（Ｂ）：０．０００５〜０．
００５０wt.% Ｂは微量の添加により焼入れ性を確保するのに有効な元
素である。ところがＢによる焼入れ性向上のためには、
窒化物（ＢＮ）、炭化物（ＢＣ）あるいは炭窒化物（Ｂ
（Ｃ、Ｎ））のような化合物となっていない固溶Ｂの存
在が必要である。その効果を発揮するためには固溶Ｂを
０．０００３wt.%以上確保し、且つトータルＢ（以下、
単に「Ｂ」という）として０．０００５wt.%以上確保す
る必要がある。固溶Ｂが０．０００３wt.%未満だと、更
に、歯車の芯部組織が充分にマルテンサイト化せず、ベ
イナイトやフェライトが混在して靱性および疲労強度が
向上しない。一方、Ｂが０．００５０wt.%を超えるとＢ
の一部は炭堋化物を形成し、靱性を低下させる。また、
炭堋化物の析出が破壊の起点になるので疲労限強度も低
くなる。従って、Ｂ含有率は０．０００５〜０．００５
０wt.%の範囲内に限定する。

【００２２】（チ）燐（Ｐ）：０．０３０wt.%以下、 Ｐは不純物元素として鋼の靱性を低下させるので０．０
３０wt.%以下に限定する。

【００２３】（リ）チタン（Ｔｉ）：０．００５wt.%以
下 従来のボロン鋼歯車の欠点である、ＴｉＮ介在物の生成
を抑止して疲労強度および靱性を向上させることは、こ
の発明の重要課題である。この観点からＴｉ含有率を低
く限定する。そして、Ｔｉ含有率を低く限定することに
伴い、鋼材中のＴｉの固定機能をＡｌ含有率を適切に添
加することにより解決する。ＴｉはＮとの結合力が強く
ＴｉＮを生成する。しかしながら、これは比較的大きい
介在物を形成するので、疲労強度および靱性を低下させ
る原因となる。従って、本発明ではＴｉは不純物であり
できるだけ少ない方がよい。そしてＴｉが０．００５w
t.%を超えると、上記弊害が現れる。従って、Ｔｉ含有
率は０．００５wt.%以下としなければならない。

【００２４】（ヌ）酸素（Ｏ）：０．００３０wt.%以下 ＯはＡｌと結合してアルミナ系介在物を形成し、ＴｉＮ
介在物と同様に疲労強度および靱性を低下させる原因と
なる。従って、本発明ではＯは不純物でありできるだけ
少ない方がよい。そしてＯが０．００３０wt.%を超える
と、上記弊害が現れる。従って、Ｏ含有率は０．００３
０wt.%以下としなければならない。

【００２５】（ル）窒素（Ｎ）：０．０１５０wt.%以下 ＮはＢと結合してＢＮを形成し、固溶Ｂ含有率を低下さ
せるのでＢの焼入れ性効果を減ずる。しかし、ＮはＡｌ
と結合して微細なＡｌＮを析出し結晶粒の粗大化を抑止
する。しかし、Ｎが０．０１５０wt.%を超えると、製鋼
時に窒素ガスのブローホールを生じ易くなり、靱性およ
び疲労限低下の原因となるので、Ｎは０．０１５０wt.%
以下としなければならない。

【００２６】Ｎの下限値については特に限定をしない。
その理由は次の通りである。上述した通り、この発明に
おいてＮは微細なＡｌＮの形態で有用な作用をする。従
って、下記（ヲ）の項で限定する通りのＡｌ含有率が確
保されれば、Ｎの下限値を限定する必要はない。一方、
鋼材中のＮ含有率は、通常、製鋼段階終了時点、即ち、
鋳造終了時までに定まる。そして、この発明における歯
車の対象となる鋼材のＮ含有率は、製鋼段階で脱Ｎを目
的とする真空脱ガス処理をしない限り、大半の場合、
０．００２乃至０．００３wt.%以上含有されることが経
験上知られている。脱Ｎを目的とする上記真空脱ガス処
理はコストが余分にかかる。よって、Ｎ含有率の下限値
は設けるべきではない。

【００２７】なお、製鋼用スクラップの品位および精錬
炉（例えば電気炉の場合）により、製鋼段階終了時のＮ
含有率は０．０１５０wt.%程度となることもあり得るの
で、上記理由により上限値を限定する。

【００２８】以上より、Ｎ含有率は上限値のみを限定
し、０．０１５０wt.%以下とする。そして下限値は限定
しない。 （ヲ）アルミニウム（Ａｌ）含有率： Ｂ−(10.8 ／14) Ｎ≧0.0003 wt.% ------------ （１） の時は、 0.010 wt.%≦Ａｌ≦0.150 wt.% ------------ （２） Ｂ−(10.8 ／14) Ｎ＜0.0003 wt.% -------------（３） の時は、 (27 ／14）｛Ｎ−（14／10.8）Ｂ＋0.024 ｝≦Ａｌ≦0.150 wt.% -------------（４） Ａｌは脱酸剤として必要な元素であると同時に、本発明
においては固溶Ｂを確保するためにも必要な元素であ
る。ＡｌがＮを固定したときに生成するＡｌＮは、Ｔｉ
がＮを固定して生成する比較的大型なＴｉＮ介在物とは
異なり、微細な析出物となるので疲労強度や靱性を低下
させる原因とはならないばかりか、逆に結晶粒を微細化
することによって疲労強度や靱性を向上させる効果を有
する。これが、従来型のＴｉ添加ボロン鋼よりも疲労強
度や靱性に格段に優れた歯車が得られる要因である。

【００２９】（ヲ−）ＢはＮと結合し易いので、他に
Ｎと結合し易い合金元素がないとＮは全量、Ｂと結合す
る。従って、Ｂの含有率が、化学量論的にＮと結合する
Ｂ量より０．０００３wt.%以上多い場合、即ち、下記
（１）式： Ｂ−（１０．８／１４）Ｎ≧０．０００３wt.% ----------（１） を満たす場合には、０．０００３wt.%以上の固溶Ｂが確
保される。（１）式の意味は、例えば、Ｂ＝０．００２
５wt.%の時は、（１）式により、Ｎ≦０．００２９wt.%
が得られるから、Ｎが０．００２９wt.%以下であれば固
溶Ｂを０．０００３wt.%以上残すことができることを示
すものである。

【００３０】Ｂ含有率とＮ含有率との間に（１）式が成
り立つときは、固溶Ｂが０．０００３wt.%以上確保され
るから、Ａｌ含有率の下限は、脱酸に必要な量だけあれ
ばよい。Ａｌが０．０１０wt.%未満では脱酸が十分でな
く、酸素量が０．００３０wt.%を超えアルミナ系介在物
による疲労強度および靱性の低下原因となる。一方、Ａ
ｌを０．１５０wt.%を超えて添加すると、連続鋳造時の
ノズル詰まりの発生や、アルミナクラスター介在物の発
現により靱性の低下を招く。従って、Ａｌ含有率は、下
記（２）式： ０．０１０≦Ａｌ≦０．１５０wt.% ------------（２） に限定すべきである。

【００３１】（ヲ−）これに対して、Ｂ含有率から、
Ｂが化学量論的にＮと結合するＢ量を差し引いた残部の
Ｂが０．０００３wt.%未満の場合、即ち、下記（２）
式： Ｂ−（１０．８／１４）Ｎ＜０．０００３wt.% ----------（３） の場合は、他にＮと結合し易い合金元素がない限り、Ｎ
は全量、Ｂと結合するので、固溶Ｂを０．０００３wt.%
以上確保することができない。そこで、Ｎと比較的結合
し易いＡｌの量を増やし、Ｂと結合するＮの量を減らし
てＢが焼入れ性向上に有効に作用するようにする。即
ち、固溶Ｂ量を０．０００３wt.%以上に確保する。その
際、Ａｌの上限値を０．１５０wt.%超えに増やすと、上
記と同じく疲労強度および靱性が低下するので増やして
はならず、下限値のみを増やす。

【００３２】Ａｌ含有率の下限値決定に当たり、肌焼鋼
における通常の焼入温度９２０℃で固溶Ｂを０．０００
３wt.%以上確保する。そのためには、Ａｌ−Ｂ−Ｎ系の
化学平衡に基づき本発明者が実験的に見い出した下記
（５）式： （２７／１４）｛Ｎ−（１４／１０．８）Ｂ＋０．０２４｝≦Ａｌ ------------（５） を満たすように、Ａｌを、ＮおよびＢ含有率に応じて添
加することが必要である。（５）式は、例えば、Ｎ＝
０．００３０wt.%でＢ＝０．００２５wt.%のときは、Ａ
ｌを０．０４７wt.%以上、Ｎ＝０．０１００wt.%でＢ＝
０．００２５wt.%のときは、Ａｌを０．０６０wt.%以上
添加する必要があることを示す。

【００３３】ＢとＮとの間に（３）式が成り立つ場合で
も、Ａｌが０．０１０wt.%未満では脱酸が十分でなく、
酸素量が０．００３０wt.%を超えてアルミナ系介在物に
よる疲労強度および靱性の低下原因となる。一方、Ａｌ
を０．１５０wt.%を超えて添加すると、連続鋳造時のノ
ズル詰まりや歯車の靱性の低下を招く。従って、Ａｌ含
有率は、（３）式の場合であっても、少なくとも０．０
１０≦Ａｌ≦０．１５０wt.%を満たさなければならず、
更に、上述したように、下限は（５）式によって定まる
値でなければならない。ところが、Ｂ含有率とＮ含有率
との間に（３）式の関係があるときは、（５）式の左辺
は常に０．０４６と算出される。

【００３４】従って、Ａｌ含有率の下限は（５）式によ
り定まる値（ＮおよびＢ含有率に依存して定まる値）で
あり、上限は常に０．１５０wt.%とすべきである。即
ち、Ａｌ含有率は上記（４）式を満たす範囲内に限定す
べきである。

【００３５】図１に、本発明の範囲内のＡｌ含有率下限
値のＮ含有率への依存性を、Ｂ含有率が０．０００５、
０．００２５および０．００５０wt.%の各場合について
例示する。図１について説明する。

【００３６】Ｂ＝０．０００５wt.%と低いとき：Ｎが、
Ｎ≦０．０００３wt.%なら、Ａｌを０．０１０wt.%以上
添加すれば固溶Ｎを０．０００３wt.%以上に確保するこ
とができるが、Ｎ＞０．０００３wt.%となるとＡｌを
０．０４６wt.%超え添加しなければ固溶Ｂを０．０００
３wt.%以上に確保することができない。即ち、通常得ら
れるＮ含有率として例えば、Ｎ＝０．００３０wt.%ある
いは０．０１５０wt.%のときには、それぞれＡｌ＝０．
０５１wt.%以上あるいは０．０７５wt.%以上添加しなけ
れば固溶Ｂを０．０００３wt.%以上に確保することがで
きない。ところが、 Ｂ＝０．００５０wt.%と高くなったとき：Ｎが、Ｎ≦
０．００６１wt.%なら、Ａｌを０．０１０wt.%以上添加
すれば固溶Ｂを０．０００３wt.%以上に確保することが
できる。そして、Ｎ＝０．００６１wt.%超えあるいは
０．０１５０wt.%のときは、それぞれＡｌ＝０．０４６
wt.%超えあるいは０．０６４wt.%以上添加すれば固溶Ｂ
を０．０００３wt.%以上に確保することができる。

【００３７】なお、焼入れ性の安定のためには、固溶Ｂ
は０．０００４wt.%以上確保するのが望ましく、そのた
めには、Ａｌ含有率を下記（６）式： ２７／１４（Ｎ−１４／１０．８Ｂ＋０．０３３）≦Ａｌ≦０．１５０wt.% ------------（６） を満たすようにしなければならないことを本発明者は見
い出した。例えば、Ｎ＝０．００３０wt.%でＢ＝０．０
０２５wt.%のときは、Ａｌの範囲は０．０６３≦Ａｌ≦
０．１５０wt.%となる。

【００３８】（ワ）ニッケル（Ｎｉ）：１．０wt.%以
下、モリブデン（Ｍｏ）：０．５wt.%以下 ＮｉおよびＭｏはいずれも、強度および靱性を向上させ
る作用を有する。歯車に与えようとする所定の強度およ
び靱性の大きさに応じた量を添加する。Ｎｉ：１wt.%以
下（添加しない場合も含む）およびＭｏ：０．５wt.%以
下（添加しない場合も含む）の両方またはいずれか一方
を添加する。ＮｉおよびＭｏは高価な元素であるから、
コスト高にならないようにするために上限を定める。

【００３９】以上の元素の他にＰｂ、ＣａおよびＢｉ等
の快削性を向上させる元素を適宜添加してもよい。この
他にＣｕおよびＳｎ等の不可避的に混入する元素を不純
物として含んでもよい。

【００４０】次に、この発明において、上記化学成分組
成を有する鋼塊または鋳片を上述した通りの製造方法に
限定した理由を説明する。丸棒を熱間圧延により調製す
るのは、コストが安価で効率よく製造することができる
からである。次に、従来は、素材である上記丸棒を歯車
形状に加工するに先立って軟化焼鈍を施し、素材の強度
を適切に下げて次工程の鍛造性または／および切削加工
性をよくすると共に、鍛造工具や切削工具の延命を図っ
ていた。これに対して、請求項３記載の発明では、素材
の強度を下げるためにＭｏ添加を全く行わず、軟化焼鈍
を省略乃至簡略化（焼鈍時間の短縮化等）し、そして鍛
造、切削加工を行なうことができる。

【００４１】このようにして得られた歯車形状の鋼材
を、８５０〜１０００℃の温度範囲内で浸炭する。浸炭
温度をこのように広範囲にとることができるのは、鋼の
化学成分組成を上記の通り限定したためである。浸炭温
度を広範囲にとることができるので、浸炭処理工程の管
理が容易で且つ工程運用がやり易い。次いで行なう焼入
れおよび焼戻しの条件は常法によればよく、特に限定す
る必要はない。

【００４２】

【実施例】次に、この発明の耐疲労性に優れたボロン鋼
歯車の製造方法を、実施例によって更に詳細に説明す
る。実施例は試験１〜試験３で行なった。

【００４３】〔試験１〕表１に示す鋼Ａのように、Ｂ含
有率を０．００２５wt.%で一定とし、ＡｌおよびＮ含有
率を種々変化させた化学成分組成の鋼（鋼１〜９）のそ
れぞれを１５０ｋｇ真空溶解し鋼塊を調製した。

【００４４】

【表１】

【００４５】図２に、鋼１〜９のＡｌおよびＮ含有率を
示す。図２で斜線内部は、Ｂ含有率＝０．００２５wt.%
の場合の本発明の範囲内のＡｌおよびＮ含有率の組合わ
せ領域を示す。従って、鋼１〜５は本発明の範囲内の化
学成分組成を有し、鋼６、７および９はＡｌ含有率のみ
が本発明の範囲外、そして鋼８はＮ含有率が本発明の範
囲外の化学成分組成を有する。上記各鋼塊を７０ｍｍφ
棒に熱間圧延し、次いで熱間鍛造および切削によりモジ
ュ−ル２．５、歯数２８枚の歯車形状に加工した。これ
らの歯車を９２０℃×５ｈｒの浸炭処理後、８４０℃か
ら焼入れをし、１７０℃で焼戻しを行った。なお、熱間
圧延以降の製造方法は本発明の範囲内である。

【００４６】以下、鋼１〜５および鋼６〜９から上記の
通り製造された歯車をそれぞれ、実施例１〜５および比
較例６〜９という。このようにして得られた各歯車を試
験に供した。

【００４７】歯車の浸炭・焼入れによる硬化層深さをビ
ッカース硬さＨ_V ≧５５０で表わし測定した。また、浸
炭および熱処理後の歯車からＪＩＳ３号の衝撃試験片を
採取し、室温での衝撃試験を行なった。一方、歯車をシ
ョットピ−ンニング処理後、疲労試験を行って歯車の疲
労限強度を求めた。上記試験結果を図３に示す。

【００４８】図３より、下記事項がわかる。本発明の範
囲内にある実施例１〜５はいずれも、浸炭・焼入れ後の
硬化層深さが０．５５ｍｍ前後と良好であり、且つ、衝
撃値および疲労限強度も十分高い。

【００４９】これに対して、化学成分組成の内一つでも
本発明の範囲外である比較例６〜９はいずれも、硬化層
深さ、衝撃値および疲労限強度の内少なくとも一つにお
いて劣っている。即ち、比較例６は、Ａｌ含有率が本発
明の範囲より低く（０．０１０wt.%未満）脱酸不良のた
め、靱性および疲労限強度とも低い。

【００５０】比較例７は、Ｂ（トータルＢ）は０．００
２５wt.%で本発明の範囲内にあるが、Ｎ＝０．００６５
wt.%であるから上記（３）式のときに該当し、Ａｌ含有
率は（４）式を満たさなければならないが、その下限値
よりも小さい。従って、固溶Ｂが０．０００３wt.%以上
に確保されていない。よって、焼入れ性不足のため硬化
層が浅く、芯部組織が十分にマルテンサイト化しておら
ずベイナイトやフェライトが混在して靱性および疲労限
強度も低い。

【００５１】比較例８は、Ｂ＝０．００２５wt.%、Ｎ＝
０．０１５６wt.%であるから、Ｂ−（１０．８／１４）
Ｎ＝−０．００９５wt.% となる。従って、（３）式が
成り立つ時に該当する。そこで（５）式の左辺：（２７
／１４）｛Ｎ−（１４／１０．８）Ｂ＋０．０２４｝を
計算すると、０．０７０wt.%となるので、（５）式は、
０．０７０wt.%≦Ａｌ≦０．１５０wt.%となる。比較例
８のＡｌ含有率は図２によれば、０．１０７wt.%であ
る。従って、Ａｌ含有率は十分含まれているので、固溶
Ｂは０．０００３wt.%以上に確保されている。従って、
硬化層深さは約０．６ｍｍあり良好である。しかしなが
ら、Ｎ含有率が本発明の範囲より高い（０．０１５６w
t.%）ので、鋼中に窒素ガスのブローホールが発生した
ため靱性が不足し、また疲労限強度も低い。

【００５２】比較例９はＡｌが０．１５wt.%より高いの
で、アルミナクラスター介在物の発現により靱性が不足
し、また疲労限強度も低い。 〔試験２〕表２に示す鋼Ｂのように、Ｎ含有率を０．０
０５０wt.%で一定とし、ＢおよびＮ含有率を種々変化さ
せた化学成分組成の鋼（鋼１０〜１８）のそれぞれを１
５０ｋｇ真空溶解し鋼塊を調製した。

【００５３】

【表２】

【００５４】鋼１０〜１８のＡｌおよびＢ含有率を図４
に示す。図４で斜線内部は、Ｎ含有率＝０．００５０w
t.%の場合の本発明の範囲内のＡｌおよびＢ含有率の組
合わせ領域を示す。従って、鋼１０〜１４は本発明の範
囲内の化学成分組成を有し、鋼１５、１６および１８は
Ａｌ含有率のみが本発明の範囲外、そして鋼１７はＮ含
有率が本発明の範囲外の化学成分組成を有する。上記各
鋼塊を試験１と同じく、７０ｍｍφ棒に熱間圧延し、次
いで熱間鍛造および切削によりモジュ−ル２．５、歯数
２８枚の歯車形状に加工した。これらの歯車を９２０℃
×５ｈｒの浸炭処理後、８４０℃から焼入れをし、１７
０℃で焼戻しを行った。なお、この熱間圧延以降の製造
方法は本発明の範囲内である。

【００５５】以下、鋼１０〜１４および鋼１５〜１８か
ら上記の通り製造された歯車をそれぞれ、実施例１０〜
１４および比較例１５〜１８という。このようにして得
られた各歯車を試験１と同じ試験をし、歯車の硬化層深
さ、衝撃値および疲労限強度を求めた。試験結果を図５
に示す。

【００５６】図５より、下記事項がわかる。本発明の範
囲内にある実施例１０〜１４はいずれも、浸炭・焼入れ
後の硬化層深さが０．６０ｍｍ前後と良好であり、且
つ、衝撃値および疲労限強度も十分高い。

【００５７】これに対して、化学成分組成の内一つでも
本発明の範囲外である比較例１５〜１８はいずれも、硬
化層深さ、衝撃値および疲労限強度の内少なくとも一つ
において劣っている。即ち、比較例１５はＢ（トータル
Ｂ）としては０．００１６wt.%で本発明の範囲内にある
が、Ｎ含有率＝０．００５０wt.%であるから上記（３）
式のときに該当する。従って、Ａｌ含有率は（４）式を
満たさなければならないが、その下限値よりも小さい。
従って、固溶Ｂが０．０００３wt.%以上に確保されてい
ない。よって、焼入れ性不足のため硬化層が浅く、ま
た、マルテンサイトへの変態が不完全で、内部の強度も
不足して靱性および疲労限強度も低い。

【００５８】比較例１６は、Ａｌ含有率が本発明の範囲
より低く（０．０１０wt.%未満）脱酸不良のため、靱性
および疲労限強度とも低い。比較例１７は、Ｂ含有率が
本発明の範囲より高い（０．００５５wt.%）ので靱性が
低下し、疲労限強度も低い。

【００５９】比較例１８は、Ａｌが０．１５wt.%より高
いため、靱性が不足し、また疲労限強度も低い。 〔試験３〕表３に示す化学成分組成の鋼（鋼１９〜３
２）のそれぞれを１５０ｋｇ真空溶解し鋼塊を調製し
た。上記各鋼塊を試験１および２と同じく、７０ｍｍφ
棒に熱間圧延し、必要に応じて軟化焼鈍した後、冷間鍛
造および切削によりモジュ−ル２．５、歯数２８枚の歯
車形状に加工した。これらの歯車を本発明の範囲内の各
種温度で５ｈｒの浸炭処理をした後、８４０℃から焼入
れをし、１７０℃で焼戻しを行った。

【００６０】

【表３】

【００６１】鋼１９〜２４は本発明の範囲内の化学成分
組成および製造方法のものであり、一方、鋼２５〜３２
は少なくとも一つの化学成分組成が本発明の範囲外のも
のである。

【００６２】以下、鋼１９〜２４および鋼２５〜３２か
ら上記の通り製造された歯車をそれぞれ、実施例１９〜
２４および比較例２５〜３２という。このようにして得
られた各歯車を試験１および２と同じ試験をし、歯車の
硬化層深さ、衝撃値および疲労限強度を求めた。試験結
果を表３に併記する。

【００６３】上記試験結果より下記事項がわかる。実施
例１９〜２４はいずれも、浸炭・焼入れ後の硬化層深さ
が０．３ｍｍ以上と良好であり、且つ、衝撃値および疲
労限強度も良好なものであった。

【００６４】これに対して、化学成分組成の内一つでも
本発明の範囲外である比較例２５〜３２はいずれも、硬
化層深さ、衝撃値および疲労限強度の内少なくとも一つ
において劣っている。即ち、比較例２５は、ＣおよびＯ
含有率が本発明の範囲内より高いので、靱性が低い。

【００６５】比較例２６は、Ｓｉ、ＭｎおよびＰ含有率
が本発明の範囲内より高いので、靱性および疲労限強度
が低い。比較例２７は、本発明の範囲内よりＣ含有率が
低いので硬化層が０．３ｍｍ以下と浅く疲労強度が低
い。一方Ｓ含有率が高いので靱性および疲労限強度も低
い。

【００６６】比較例２８は、本発明の範囲内よりＭｎ含
有率が低く、Ｎｂ含有率が高いので靱性および疲労強度
が低い。比較例２９は、Ｔｉ含有率が本発明の範囲内
（０．００５wt.%以下）より高いので靱性および疲労強
度共に低い。

【００６７】比較例３０は、Ｃｒ含有率が本発明の範囲
内より高いので、靱性および疲労強度が低い。比較例３
１は、ＴｉでＮを固定した従来型のボロン鋼であるが、
Ｔｉが本発明の範囲内より高いので、靱性および疲労強
度共に低い。

【００６８】比較例３２は、従来のＳＣＭ４２０であ
り、ＮｂおよびＢを含有しないので本発明の範囲外であ
るが、靱性および疲労特性共に優れている。しかしなが
ら、比較例３２では、棒に熱間圧延後、歯車形状に冷間
鍛造する前に軟化焼鈍をする必要がある。これに対し
て、実施例１９においては、熱間圧延ままの素材強度が
９１０Ｎ／ｍｍ² から６８０Ｎ／ｍｍ² に低下し、これ
によって鍛造前の軟化焼鈍を省略することができた。ま
た、他の実施例ではいずれも、焼鈍時間を短縮すること
ができた。

【００６９】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
Ｔｉ添加型の従来型のボロン鋼歯車より格段に優れた靱
性および疲労強度を有し、従来のＳＣＭ４２０と同等の
靱性および疲労強度特性を有する歯車が得られる。ま
た、請求項１および２記載の発明によれば、従来のＳＣ
Ｍ４２０よりも合金元素の削減が可能になり、これによ
って素材が軟質化するので従来鋼で行なわれていた軟化
焼鈍を省略乃至簡略化することができ、また、鍛造工具
の寿命が延び、切削性が向上するという利点を有する。
このように耐疲労性に優れたボロン鋼歯車およびその製
造方法を提供することができ、工業上有用な効果がもた
らされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の範囲内のＡｌ含有率下限値のＮ含有率
への依存性を、Ｂ含有率が０．０００５、０．００２５
および０．００５０wt.%の各場合について示すグラフで
ある。

【図２】Ｂ含有率が０．００２５wt.%の場合における本
発明の範囲内のＡｌおよびＮ含有率を示す領域と、実施
例および比較例のＡｌおよびＮ含有率をプロットしたグ
ラフである。

【図３】実施例および比較例における試験結果の一例を
示すグラフである。

【図４】Ｎ含有率が０．００５０wt.%の場合における本
発明の範囲内のＡｌおよびＢ含有率を示す領域と、実施
例および比較例のＡｌおよびＢ含有率をプロットしたグ
ラフである。

【図５】実施例および比較例における試験結果の他の例
を示すグラフである。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃ ：０．１０〜０．３０wt.%、 Ｓｉ：０．０１〜０．５０wt.%、 Ｍｎ：０．３〜２．０wt.%、 Ｓ ：０．００５〜０．０５０wt.%、 Ｃｒ：０．１０〜２．０wt.%、 Ｎｂ：０．００５〜０．１００wt.%、 Ｂ ：０．０００５〜０．００５０wt.%、および、 Ｎ ：０．０１５０wt.%以下 を含有し、不純物としての下記元素の含有率を、 Ｐ ：０．０３０wt.%以下、 Ｔｉ：０．００５wt.%以下、および、 Ｏ ：０．００３０wt.%以下 に限定し、さらにＡｌを、 Ｂ−（10.8／14）Ｎ≧0.0003 wt.% の時は、 0.010 wt.%≦Ａｌ≦0.150 wt.%、そして、 Ｂ−（10.8／14）Ｎ＜0.0003 wt.% の時は、 27／14｛（Ｎ−(14 ／10.8) Ｂ＋0.024 ｝≦Ａｌ≦0.15
   0 wt.% 含有し、残部鉄および不可避的不純物よりなる化学成分
   組成を有し、且つ、ビッカ−ス硬さＨｖ≧５５０である
   有効硬化層深さが表面から０．３０ｍｍ以上まで形成さ
   れていることを特徴とする、耐疲労性に優れたボロン鋼
   歯車。
2. 【請求項２】 請求項１記載の発明の化学成分組成に、
   更に、 Ｎｉ：０．０１〜１．００wt.%、および、 Ｍｏ：０．０１〜０．５０wt.% からなる群から選ばれた１種以上を付加して含有する、
   請求項１記載の耐疲労性に優れたボロン鋼歯車。
3. 【請求項３】 Ｃ ：０．１０〜０．３０wt.%、 Ｓｉ：０．０１〜０．５０wt.%、 Ｍｎ：０．３〜２．０wt.%、 Ｓ ：０．００５〜０．０５０wt.%、 Ｃｒ：０．１０〜２．０wt.%、 Ｎｂ：０．００５〜０．１００wt.%、 Ｂ ：０．０００５〜０．００５０wt.%、および、 Ｎ ：０．０１５０wt.%以下 を含有し、不純物としての下記元素の含有率を、 Ｐ ：０．０３０wt.%以下、 Ｔｉ：０．００５wt.%以下、および、 Ｏ ：０．００３０wt.%以下 に限定し、さらにＡｌを、 Ｂ−（10.8／14）Ｎ≧0.0003 wt.% の時は、 0.010 wt.%≦Ａｌ≦0.150 wt.%、そして、 Ｂ−（10.8／14）Ｎ＜0.0003 wt.% の時は、 27／14｛（Ｎ−(14 ／10.8) Ｂ＋0.024 ｝≦Ａｌ≦0.15
   0 wt.% 含有し、残部鉄および不可避的不純物よりなる化学成分
   組成を有する鋼塊または鋳片を調製し、得られた前記鋼
   塊または鋳片を熱間圧延して丸棒を調製し、得られた前
   記丸棒を鍛造または／および切削加工により歯車形状に
   加工し、８５０〜１０００℃の温度範囲内で浸炭し、次
   いで焼入れおよび焼戻しを施すことを特徴とする、耐疲
   労性に優れたボロン鋼歯車の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３記載の発明の化学成分組成に、
   更に、 Ｎｉ：０．０１〜１．００wt.%、および、 Ｍｏ：０．０１〜０．５０wt.% からなる群から選ばれた１種以上を付加して含有する、
   請求項３記載の耐疲労性に優れたボロン鋼歯車の製造方
   法。