JP3730182B2 - トロイダルcvt部品用浸炭用鋼 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い面疲労強度などを必要とする動力伝達部品などの製造に適した浸炭用鋼、詳細には、歯車、ベアリング転動体などの準高温〜高温で、かつ水素発生の環境下において使用され、高い面疲労強度を必要とする動力伝達部品の製造に適した浸炭用鋼に関する。
【0002】
【従来の技術】
歯車、ベアリング転動体のような動力伝達部品は、高い面圧強度が要求されているため、浸炭あるいは浸炭窒化により表面硬化されているが、小型・軽量化が求められており、そのため接触面圧の増加を招き、部品の表面温度が準高温から高温(100〜300℃程度)にまで上昇し、面疲労強度が劣化するという問題が生じている。
また、近年、トロイダルCVT(無断変速機)の動力伝達部品がトラクション油中で使用されるようになってきた。この油中で動力伝達部品を使用すると、温度が上昇して上記油成分の分解が促進されることがあり、分解した水素の一部が部品に侵入して面疲労強度を劣化させ、脆化型剥離が発生しやすくなることも懸念されている。
【0003】
従来、歯車、ベアリング転動体のような動力伝達部品のうち高い面疲労強度などを必要とするものは、機械構造用鋼、例えばJIS SCM420H(C:0.17〜0.23%、Si:0.15〜0.35%、Mn:0.55〜0.90%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:0.85〜1.25%およびMo:0.15〜0.35%を含有し、残部が実質的にFe)、SNC415H、SNCM420Hを鍛造、機械加工などによって成形し、その後高い面疲労強度にするために浸炭または浸炭窒化し、更に焼入れ焼戻しをして製造されている。
【0004】
しかし、上記動力伝達部品は、小型・軽量化すると接触面圧が増加して表面温度が準高温から高温にまで上昇し、面疲労強度が劣化するという問題がある。
そこで、面疲労強度を高めるため、Si,CrまたはMoを増量して硬化層の軟化を抑える浸炭用鋼も開発されているが、水素が侵入した場合には高い面疲労強度を維持することができなかった。
【0005】
また、水素による疲労強度の劣化を防止する浸炭用鋼として、C:0.10〜0.40%、Si:0.05〜0.50%、Mn:0.2〜2.Ti:0.05〜0.20%、Al:0.010〜0.50%、N:0.0120%以下、O:12ppm以下を含有し、更に必要に応じてNi:0.1〜2.0%、Cr:0.20〜2.0%およびMo:0.05〜1.0%のうちの1種ないし2種以上を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなり、大きさ70nm以下のTi炭化物、Ti炭窒化物を鋼中に微細分散させ、これらの析出物に水素をトラップさせて耐遅れ破壊性を改善するものが特開平11−293392号公報に開示されている。
しかし、この浸炭用鋼は、準高温から高温の温度域では、面疲労強度の低下を十分に回避することができないという問題がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、準高温から高温の温度域で、かつ水素が発生する環境下で使用されても高い面疲労強度を維持することができるトロイダルCVT部品の製造に適した浸炭用鋼を提供することを課題とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者らは、準高温から高温の温度域で、かつ水素が発生する環境下で使用されても高い面疲労強度を維持することができるトロイダルCVT部品の製造に適した浸炭用鋼について鋭意研究していたところ、準高温から高温下で、かつ水素が発生する環境下で使用された場合、水素をV、Ti、Nbなどの炭化物または炭窒化物でトラップすることが有効であること、準高温から高温下で安定で硬度低下を抑制し、内部組織変化を遅延するM23C6 型炭化物を多くするには、Cr、Moなどの含有量を多くすればよいこと、水素の侵入経路となる粒界を強化する、すなわち脆化し難くするにはPおよびSの含有量を低く抑えることが有効であること、SiおよびNiの含有量を多くすると準高温から高温下でも基地の疲労強度を維持することができることなどの知見を得た。 本発明は、これらの知見に基づいて発明をされたものである。
【0008】
すなわち、本発明のトロイダルCVT部品用浸炭用鋼においては、C:0.15〜0.40%、Si:0.50超〜1.50%、Mn:0.20〜1.50%、Ni:0.40〜4.50%、Cr:1.50〜3.0%、Mo:0.50〜1.25%およびAl:0.01〜0.10%を含有し、更にV:0.05〜0.40%、Ti:0.03〜0.20%およびNb:0.03〜0.15%のうちの1種または2種以上を含有し、必要に応じてB:0.0005〜0.0030%を含有し、また必要に応じてS:0.01%以下および/またはP:0.01%以下にし、かつSi+Ni:1.50〜5.0%およびCr+Mo:2.50〜4.0%の条件を満たし、残部がFeおよび不可避不純物からなるものとすることである。
【0009】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の浸炭用鋼において成分組成を上記のように特定した理由を説明する。
C:0.15〜0.40%
Cは、基地に固溶して強度を高くすると共に、焼入性を高めるので、これらのために含有させる元素である。これらの作用効果を得るためには0.15%以上、好ましくは0.16%以上含有させる必要があるが、0.40%、好ましくは0.34%を超えると硬くなり過ぎて被削性が低下するので、その含有量を0.15〜0.40%にする。好ましい含有量は0.16〜0.34%である。
【0010】
Si:0.50超〜1.50%
Siは、鋼溶製時の脱酸剤であり、焼入れ性を向上させると共に、準高温から高温環境下での基地の疲労強度を維持するために必要であり、また焼戻し軟化抵抗を高める(焼戻しによる硬さの低下を阻止することによって疲労強度を向上させる)ので、これらのために含有させる元素である。これらの作用効果を得るためには0.50%より多く、好ましくは0.52%以上含有させる必要があるが、1.50%、好ましくは1.24%を超えると硬くなり過ぎて加工性を低下させるので、その含有量を0.50超〜1.50%にする。好まし含有量は0.52〜1.24%である。
【0011】
Mn:0.20〜1.50%
Mnは、Siと同様に鋼溶製時の脱酸剤であり、また焼入れ性を向上させるので、これらのために含有させる元素である。これらの作用効果を得るためには0.20%以上、好ましくは0.31%以上含有させる必要があるが、1.50%、好ましくは1.31%を超えると硬くなり過ぎて加工性が低下すると共に、焼なまし処理による変態終了時間が長くなって経済的でないので、その含有量を0.20〜1.50%にする。好ましい含有量は0.31〜1.31%である。
【0012】
Ni:0.40〜4.50%
Niは、基地の疲労強度、靱性および焼入性を向上させるので、これらのために含有させる元素である。これらの作用効果を得るためには0.40%以上、好ましくは0.61%以上含有させる必要があるが、4.50%、好ましくは3.55%を超えると硬くなり過ぎて加工性を低下させると共にコストを高くするので、その含有量を0.40〜4.50%とする。好ましい含有量は0.61〜3.55%である。
また、準高温から高温下で基地の疲労強度を維持するには、Si+Niの含有量を1.50〜5.0%にする必要がある。1.5%以下ではこの効果が少ないからであり、また5.0%より多く含有させると、硬くなり過ぎて加工性が低下すると共に、コストを高くするからである。
【0013】
Cr:1.50〜3.0%
Crは、M23C6 型炭化物を形成して上記理由により面疲労強度(転動疲労寿命)を向上させると共に、靱性および焼入性を向上させるので、これらのために含有させる元素である。これらの作用効果を得るためには1.50%、好ましくは1.61%以上含有させる必要があるが、3.0%、好ましくは2.59%より多くなると粗大な炭化物が多くなって面疲労強度(転動疲労寿命)を低下させるので、その含有量を1.50〜3.0%とする。好ましい含有量は1.61〜2.59%である。
【0014】
Mo:0.50〜1.25%
Moは、M23C6 型炭化物を析出して上記理由により面疲労強度(転動疲労寿命)を向上させるので、このために含有させる元素である。0.50%、好ましくは0.75%より少ないとM23C6 型炭化物が安定して析出せず、また1.25%を超えると切削性が低下するので、その含有量を0.50〜1.25%とする。好ましい含有量は0.75〜1.25%である。
また、準高温から高温下での硬度低下を抑制するだけのM23C6 型炭化物を析出させるためには、Cr+Moを2.50%以上にする必要がある。2.50%より少ないと、上記M23C6 型炭化物が必要なだけ析出しないからである。また4.0%を超えるとM23C6 型炭化物が安定して析出しなくなるので、4.0%以下にする必要がある。
【0015】
Al:0.01〜0.10%
Alは、水素トラップサイトになる炭化物または炭窒化物を析出するので、このために含有させる元素である。0.01%より少ないと水素トラップサイトになる析出物の必要量が確保されず、また0.10%を超えると粗大な析出物の生成を招き、加工性を低下させるので、その含有量を上記のとおりにする。
V:0.05〜0.40%、Ti:0.03〜0.20%、Nb:0.03〜0.15% V、TiおよびNbは、水素トラップサイトになる炭化物または炭窒化物を析出するので、このために含有させる元素である。これらの含有量がVにおいて0.05%、TiおよびNbにおいて0.03%より少ないと水素トラップサイトになる析出物の必要量が確保されず、またVにおいて0.40%、Tiにおいて0.20%、Nbおいて0.15%を超えると粗大な析出物の生成を招き、加工性を低下させるので、その含有量を上記のとおりにする。
【0016】
B:0.0005〜0.0030%
Bは、水素による粒界割れを防止するので、そのために含有させる元素である。この作用効果を得るには0.0005%以上含有させる必要があるが、0.0030%を超えると焼入性が不安定になるので、その含有量を0.0005〜0.0030%とする。
【0017】
P:0.01%以下、S:0.01%以下
PおよびSは、不純物元素として粒界に偏析しやすく脆化を招きやすい元素である。これらの元素が偏析した粒界には侵入してきた水素が溜まりやすく、比較的短寿命な脆性型の転動疲労剥離を起こしやすくなる。PおよびSの含有量を低減することで、粒界での水素のトラップ量が低減し、脆化型転動剥離を発生し難くするので、0.01%以下にするのが好ましい。
【0018】
N:0.015%以下、O:0.0010%以下、Cu:0.30%以下
Nは、多くなると粗大なV、Tiなどの窒化物になって微細に分散されなくなるので、0.015%以下にするのが好ましい。
Oは、不純物であり、多くなると粗大な酸化物となって析出して疲労強度を低下させるので、0.0010%以下にするのが好ましい。
Cuは、不純物であり、多くなると熱間加工性を低下させるので、0.30%以下にするのが好ましい。
【0019】
【作用】
本発明のトロイダルCVT用浸炭用鋼は、Siを0.50超〜1.50% をすると共にNiを0.40〜4.50%、Si+Niの含有量を1.50〜5.0%にしているので、準高温から高温環境下における基地の疲労強度の劣化を防止することができる。またCrを1.50〜3.0%およびMoを0.50〜1.25%、Cr+Moを2.50〜4.0%にして準高温から高温下での硬度低下を抑制するM23C6 型炭化物を十分析出させているので、優れた転動疲労強度を有し、かつ水素をV,Tiなどのトラップサイトに捕捉し、なおかつ水素の侵入経路となる粒界を強化し、すなわち脆化し難くするため、面疲労強度の劣化を防止することができる。
【0020】
本発明のトロイダルCVT用浸炭用鋼の使用方法の一例は、850〜1050℃において浸炭処理または浸炭窒化処理を行い、830〜920℃から油中に焼入れるか、上記の処理後、焼入れずに次の熱処理を行うことである。
上記次の熱処理の一例は、630〜700℃で3〜6時間加熱保持してM23C6 型炭化物を析出させ、更に820〜900℃で30〜80分間加熱保持して窒化処理を施してから、あるいは直接150〜140℃に加熱した油中に入れて焼入れをし、続いて150〜200℃で1.5〜3時間保持した後焼戻しをすることである。
【0021】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって説明する。
下記表1に示す成分組成の本発明例および比較例の鋼を真空誘導加熱炉を用いて溶製し、通常の鋳造方法で鋳造してインゴットを得た。これらのインゴットを熱間鍛造をしてφ65mmの鍛造素材とした。この鍛造素材から径60mm厚さ5mmのスラスト転動試験用の円板型試験片を削り出し、下記方法で浸炭または浸炭窒化処理をした後、図1に示す条件でM23C6 型炭化物を析出させから油中に入れて焼入れをし、続いて170℃で2時間保持した後冷却して焼戻しをした。その後各試験片の表面を0.1mm研削仕上げをし、表面の炭素または炭素および窒素の濃度を測定すると共に、表面から50μmの深さの硬さを測定し、その結果を下記表3に示す。
また、準高温から高温の温度域で、かつ水素が発生する環境下における面疲労強度を求める試験として、図2に示す方法により下記表2に示す条件下で、剥離が発生するまでのn=10における累積破損確率10%寿命(L10)を求める転動寿命試験をした。その結果も下記表3に示す。
【0022】
浸炭処理
真空炉に試験片を入れ、真空下で920℃に加熱し、この状態で浸炭ガスのC3 H8 (プロパンガス)を入れ、浸炭層が1〜1.5mmになるまで浸炭処理をした。
浸炭窒化処理
熱処理炉に試験片および浸炭ガスのプロパンガスにアンモニアガスを添加した浸炭窒化ガスを入れ、880℃で浸炭層が1〜1.5mmになるまで浸炭窒化処理をした。この時の窒素侵入深さは0.2〜0.5mmである。
【0023】
【表1】
【0024】
【表2】
【0025】
【表3】
【0026】
表3の結果によると、本発明例は、浸炭処理のものでは表面の炭素濃度が0.70〜0.95%であり、浸炭窒化処理をしたものでは炭素の富化とともに窒素濃度が0.18〜0.35%であり、表面から50μmの硬さが712〜780HV、面疲労強度を表す転動寿命(L10) が970×104 以上であった。
また、SおよびP含有量を0.01%以下にした参考例2(V,TiおよびNbのうちの1種または2種以上を含有していない点以外は本発明と同じである。)は、粒界の偏析が低減し、脆性型の剥離が発生し難くなるため面疲労強度を表す転動寿命(L10)が100×104 以上であった。
【0027】
これに対して、Si,CrおよびMoの含有量が本発明より少ない比較例1は、表面の炭素濃度および窒素濃度が本発明例のものと同程度であるが、硬さが本発明例のものよりやや低い707HVであり、転動寿命(L10) が本発明例のものの約1/8.8以下の110×104 であった。
さらに、NiおよびSi+Niが本発明より少ない比較例2は、表面の炭素濃度および硬さが本発明例のものと同程度であるが、転動寿命(L10) が本発明例のものの約1/4.6以下の210×104 であった。
また、V、Ti、NbおよびAlが入っていないかまたは本発明より少ない比較例3は、表面の炭素濃度および硬さが本発明例のものと同程度であるが、転動寿命(L10) が本発明例のものの約1/2.1以下の460×104 であった。
【0028】
また、VまたはNb含有量が本発明より多い比較例4または6は、表面の炭素濃度および硬さが本発明例のものと同程度であるが、転動寿命(L10) が本発明例のものの約1/3.1以下または約1/5.1以下の310×104 または190×104 であった。
また、Ti含有量が本発明より多い比較例5は、表面の炭素濃度および窒素濃度と硬さが本発明例のものと同程度であるが、転動寿命(L10) が本発明例のものの約1/2.9以下の330×104 であった。
また、B含有量が本発明より多い比較例7は、表面の炭素濃度および硬さが本発明例のものと同程度であるが、転動寿命(L10) が本発明例のものの約1/9.7以下の100×104 であった。
【0029】
【発明の効果】
本発明のトロイダルCVT部品用浸炭用鋼は、上記成分組成にすることにより、準高温から高温の温度域で、かつ水素が発生する環境下で使用しても、上記従来のものに類似している比較例3、上記公報に記載されているものに類似している比較例2のものなどの比較例のものと比較して転動寿命(L10) が大幅に長くなる、すなわち面疲労強度が高くなるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例における熱処理条件を示す説明図である。
【図2】 実施例における転動寿命試験方法を示す概念図である。
Claims (4)
- 質量%で(以下同じ)、C:0.15〜0.40%、Si:0.50超〜1.50%、Mn:0.20〜1.50%、Ni:0.40〜4.50%、Cr:1.50〜3.0%、Mo:0.50〜1.25%およびAl:0.01〜0.10%を含有し、更にV:0.05〜0.40%、Ti:0.03〜0.20%およびNb:0.03〜0.15%のうちの1種または2種以上を含有し、かつSi+Ni:1.50〜5.0%およびCr+Mo:2.50〜4.0%の条件を満たし、残部がFeおよび不可避不純物からなることを特徴とするトロイダルCVT部品用浸炭用鋼。
- C:0.15〜0.40%、Si:0.50超〜1.50%、Mn:0.20〜1.50%、Ni:0.40〜4.50%、Cr:1.50〜3.0%、Mo:0.50〜1.25%およびAl:0.01〜0.10%を含有し、更にV:0.05〜0.40%、Ti:0.03〜0.20%およびNb:0.03〜0.15%のうちの1種または2種以上を含有し、またB:0.0005〜0.0030%を含有し、かつSi+Ni:1.50〜5.0%およびCr+Mo:2.50〜4.0%の条件を満たし、残部がFeおよび不可避不純物からなることを特徴とするトロイダルCVT部品用浸炭用鋼。
- 上記浸炭用鋼の不純物のS含有量が0.01%以下であることを特徴とする請求項1または請求項2記載のトロイダルCVT部品用浸炭用鋼。
- 上記浸炭用鋼の不純物のP含有量が0.01%以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のうちのいずれか1項記載のトロイダルCVT部品用浸炭用鋼。
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