JP4102866B2

JP4102866B2 - Gear manufacturing method

Info

Publication number: JP4102866B2
Application number: JP2001117525A
Authority: JP
Inventors: 樹一伊藤; 吉田　　誠; 秀樹臼木; 孝雄林
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; JATCO Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; JATCO Ltd
Priority date: 2001-04-16
Filing date: 2001-04-16
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2021-04-16
Also published as: JP2002309318A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車や産業機械などの変速機に用いられる歯車の製造技術に係わり、特に高面圧下の過酷な条件で使用される歯車に好適な歯車の製造方法に関するするものである。
【０００２】
【従来の技術】
歯車などの高面圧部材用の材料としては、従来、ＪＩＳＧ４１０４に規定されるクロム鋼ＳＣｒ４２０や、ＪＩＳＧ４１０５に規定されるクロムモリブデン鋼ＳＣＭ４２０などが用いられており、これら材料に浸炭焼入れ焼戻し処理を施して使用されている。
【０００３】
近年、歯車は、適用される機械装置類や自動車などの高性能化、小型化などに伴って使用条件が過酷になってきており、歯車にかかる負荷応力が大きなものとなっている。このため、浸炭焼入れ焼戻し後にショットピーニング処理を施し、歯元疲労強度を高めてから、歯面研削をすることによって面疲労強度を高めるようにしている。
【０００４】
しかし、上記のような材料および熱処理によって製造された従来の歯車においては、ヘルツ面圧で２２００ＭＰａを超えるような高面圧を受ける過酷な環境下では、噛み合い中に繰り返し加わる面圧およびすべりによって、歯面の表面あるいは表面近傍部より疲労亀裂が発生し、ピット状の剥離が生じるピッティングや、歯面の金属接触による摩耗（スコーリング）や、転動疲労による硬化層内部から剥離するスポーリングなどの歯面損傷が発生することにより、十分な歯車寿命が得られない場合がかなりあった。
【０００５】
そして、このような歯面損傷への対応策としては、浸炭処理時のカーボンポテンシャルを高めに設定することによって表面に微細な炭化物を析出分散させる過共析浸炭や、素材鋼の合金成分の調整、あるいは浸炭窒化によるＮの浸入などによってＭｓ点を低下させ、表面層に残留オーステナイトを多量に形成し、噛み合い接触時の面圧による残留オーステナイトのマルテンサイト変態に伴う硬化を利用する方法や、二硫化モリブデンなどの個体潤滑被膜の形成により、噛み合いによる接触応力、摩擦力を緩和する方法などがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来の方法では、浸炭処理に長時間を要したり、熱処理歪みが増大したり、表面への炭化物分散による靭性の低下や研削加工性の悪化を来たしたり、安定した残留オーステナイト量を確保するための品質管理が難しかったり、処理コストが増大したりする割には、面疲労強度がさほど向上せず、このような問題点を解決することが上記のような高面圧歯車における課題となっていた。
【０００７】
【発明の目的】
本発明は、従来の高面圧歯車における上記課題に鑑みてなされたものであって、ピッティング、スコーリング、スポーリングといった歯面損傷を防止することができ、優れた面疲労強度を備えた歯車を得ることができる歯車の製造方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる歯車の製造方法は、請求項１ないし４に記載しているように、質量比で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜０．８０％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｃｒ：０．８５〜２．２１％、Ａｌ：０．０１０〜０．０４０％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％を含有し、必要に応じて、Ｍｏ：０．０５〜０．７０％，Ｖ：０．０５〜０．５０％，Ｗ：０．０５〜０．７０％から選ばれる少なくとも１種、さらに必要に応じてＢ：０．０００５〜０．００５％，Ｎｂ：０．０１〜０．１０％，Ｔｉ：０．０１〜０．１０％から選ばれる少なくとも１種を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物から成る素材鋼に過共析浸炭焼入れ焼戻し処理、すなわち表面Ｃ濃度が０．９〜２．０％となるように浸炭したのち、７００℃以下に５分以上冷却後、再度８００℃以上に加熱する処理を少なくとも１回実施して焼入れ焼戻しを行い、表層における炭化物の平均粒径を０．１６〜０．３３μｍ、炭化物の面積率を５．４〜８．１％としたのち、歯面を研削し、さらにショットピーニングを施す構成としたことを特徴としており、歯車の製造方法におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００９】
本発明に係わる歯車の製造方法の実施形態として請求項５に係わる製造方法においては、ショットピーニング処理に際して、エアーノズルを用いると共に、投射エアー圧力を０．３〜０．８ＭＰａとし、平均粒径が１５０μｍ以下、硬さが７００Ｈｖ以上の微粒子をショット粒として用いる構成とし、同じく実施形態として請求項６に係わる歯車の製造方法においては、歯面研削処理に際して、ピッチ点における研削量を０．２ｍｍ以下、研削後の歯面粗さをＲａで０．５μｍ以下とするようにしている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者は、ピッティングやスコーリングなどといった歯面損傷が歯車素材の表層部における焼戻し軟化抵抗に関係が深いことに着目し、高面圧下、特にヘルツ面圧が２２００ＭＰａを超えるような高面圧下では、歯車同士の噛み合いによって歯面の表層部が２５０℃以上もの高温になることもあることを踏まえて種々の調査を行った結果、材料と共に、熱処理および加工方法を最適化することによって、２５０℃焼戻し処理後の歯面の最表層硬さを高めることで、ピッティング寿命および耐摩耗性を高めることができることを見出した。
【００１２】
しかし、浸炭焼入れ焼戻し後にショットピーニング処理を施した場合には、最表層硬さを高めることができるが、歯面が荒れるために油膜が切れ易く、ピッティング強度が向上しない。一方、ショットピーニング処理後に研削する工程を採用すると、最も硬化した最表層が除去されてしまうために面疲労強度が向上しないことになる。本発明に係わる歯車の製造方法においては、このような問題を製造条件により解消して、優れた面疲労強度を備えると共に、耐摩耗性にも優れた歯車を得るようにしている。
【００１３】
以下に、本発明における各種数値範囲、すなわち素材鋼の成分組成、熱処理および加工条件などの限定理由について説明する。
【００１４】
Ｃ：０．１０〜０．３０質量％
Ｃは、歯車の芯部硬さを確保するために必要な元素であり、この芯部硬さを得るためには０．１０％以上、望ましくは０．１５％以上含有することが必要である。しかし、過剰に添加すると素材の被削性や靭性を低下させるので、その上限を０．３０％とする。
【００１５】
Ｓｉ：０．０５〜０．８０質量％
Ｓｉは、素材鋼のマトリックス中に固溶し、パーライト変態を抑制することによって焼戻し軟化抵抗を向上させる元素である。そして、このような効果を発揮させるには、０．０５％以上の添加が必要であり、場合によっては０．４０％以上とするのが良い。また、０．８０％を超えて添加しても得られる効果が飽和するばかりでなく、冷間鍛造性や被削性の低下を招くことから、その上限を０．８％とする。
【００１６】
Ｍｎ：０．２０〜１．５質量％
Ｍｎは、溶鋼の脱酸・脱硫元素として有効であるので、０．２％以上の添加が必要である。しかし、１．５％を超えて含有すると焼入れ性の増加によって素材の被削性を低下させるので、１．５％以下、場合によっては０．９０％以下とする。
【００１７】
Ｃｒ：０．８５〜２．２１質量％
Ｃｒは、炭化物の形成により、Ｓｉと同様に焼戻し軟化抵抗を向上させる重要な元素であるが、０．８５％未満では十分な効果が得られないので、０．８５％以上の添加が必要である。一方、２．２１％を超えて含有すると被削性を低下させると共に、経済性も損なわれるため、２．２１％以下とする。
【００１８】
Ａｌ：０．０１０〜０．０４０質量％
Ａｌは、脱酸と結晶粒度の微細化に有効な元素であるため、０．０１０％以上の添加が必要である。しかし、０．０４０％を超えると結晶粒度微細化効果が飽和するので、０．０４０％以下とする。
【００１９】
Ｎ：０．００５〜０．０３０質量％
Ｎは、Ａｌと結合して窒化物を生成し、結晶粒度を微細化して鋼の強靭化を図るのに有効な元素であり、このためには０．００５％以上添加する必要がある。しかし、０．０３０％以上添加しても効果が飽和することから、０．０３０％以下とする。
【００２０】
本発明の素材鋼には、上記の必須成分に加えて、Ｍｏ，Ｖ，Ｗ，Ｂ，Ｎｂ及びＴｉの元素を必要に応じて含有させることができる。
【００２１】
Ｍｏ：０．０５〜０．７０質量％，Ｖ：０．０５〜０．５０質量％，Ｗ：０．０５〜０．７０質量％から選ばれる少なくとも１種
これらの元素は、炭化物形成元素であるので焼戻し軟化抵抗を向上させることができる。このような効果を発揮させるためには、各元素ともそれぞれ０．０５％以上添加する必要がある。しかし、多量に添加すると被削性が低下すると共に、浸炭時に炭化物が粗大化して面疲労強度が低下するので、Ｍｏ及びＷについては０．７０％以下、Ｖについては０．５０％以下とする。
【００２２】
Ｂ：０．０００５〜０．００５質量％，Ｎｂ：０．０１〜０．１０質量％，Ｔｉ：０．０１〜０．１０質量％から選ばれる少なくとも１種
本発明においては、Ｂを添加することにより、炭化物が微細化することが確認されている。また、Ｂは、微量の添加で鋼の焼入れ性を著しく高める。このような効果を得るには、０．０００５％以上の添加が必要である。しかし０．００５％を超えても効果が飽和してしまうので、０．００５％をＢの上限とする。さらに、Ｂ添加鋼では、Ｎが存在するとＢＮとなって焼入れ性が改善されなくなるため、Ｔｉを添加することによりＢと結合するＮを低減する。Ｔｉによるこのような効果を得るには０．０１％の添加が必要である。また、ＴｉやＮｂは、結晶粒微細化元素であり、このような効果を発揮させるには０．０１％の添加が必要である。しかし、多量に添加してもその効果が飽和するので、Ｎｂ及びＴｉ添加量はそれぞれ０．０１〜０．１０％の範囲とする。
【００２３】
本発明に係わる歯車の製造方法においては、上記した成分組成の素材鋼に過共析浸炭焼入れ焼戻し処理を施した後、歯面を研削し、さらにショットピーニング処理を施すようにしており、過共析浸炭処理によって表面炭素濃度が高められ、微細な炭化物が生成して焼戻し軟化抵抗が向上することになる。そして、歯面を研削することにより熱処理歪が除去されて歯当たりが改善され、さらにショットピーニングによって歯面に圧縮残留応力が付与され、疲労強度が向上することになる。
【００２４】
本発明に係わる歯車の製造方法においては、上記ショットピーニング処理に際して、エアーノズルを用いると共に、投射エアー圧力を０．３〜０．８ＭＰａとし、平均粒径が１５０μｍ以下、硬さが７００Ｈｖ以上の微粒子ショットを用いた微粒子ショットピーニングを施すことができる。
【００２５】
微粒子ショットピーニングは、従来歯元曲げ疲労強度を高めるために行っていたハードショットピーニングよりも使用するショット粒が細かいので、表面粗さを悪化させることがなく、これによって油膜を保持することができる。また、最表面に大きな圧縮残留応力を付与することができ、これによってピッティングの発生源である初期の亀裂の開口が防止され、面疲労強度が向上することになる。
【００２６】
なお、面疲労強度と同時に歯元曲げ疲労強度を高めるために、過共析浸炭焼入れ焼戻し処理と研削の間に、ハードショットピーニングを施すようにしてもよい。
【００２７】
この微粒子ショットピーニングに際しては、エアーノズルを用いてショットを投射することにより高速での噴射が可能となることから、エアーノズル式を用いることが望ましい。このときのエアー圧力は、低すぎると十分な圧縮残留応力や、高い最表面硬さが得難くなることから、０．３ＭＰａ以上とすることが望ましい。しかし、０．８ＭＰａを超えても空気抵抗によって失速して効果が飽和する傾向があるため、上限を０．８ＭＰａとする。
【００２８】
微粒子ショットピーニングに用いるショット粒は、細かいほど表面粗度を悪化させない。しかも平均粒径１５０μｍ以下のショット粒を用いると、歯面研削の砥石による凹凸が取れて平滑化されるようになることから、ショット粒としては１５０μｍ以下のものを用いることが望ましい。また、ショット粒の硬さが低い場合には、変形を起こして歯車の歯面に付着する傾向があり、これを防ぐためにはショット粒の硬さを７００Ｈｖ以上とすることが望ましい。
【００２９】
微粒子ショットピーニングに先立つ歯面研削工程においては、ピッチ点における研削量を０．２ｍｍ以下、研削後の歯面粗さをＲａ表示で０．５μｍ以下とすることが望ましい。すなわち、過共析浸炭処理によって、表層ほど多くの炭化物が析出することになるが、研削量が多い場合には、この焼戻し軟化抵抗が高められた表層部が除去されてしまうためピッティング寿命が低下する。したがって、研削量を０．２ｍｍ以下として、過剰な研削を防止しピッティング寿命の低下を避けることが望ましい。また、研削後には、上記のような微粒子ショットピーニングを施して使用するために、研削する時点で歯面粗さを小さくしておく必要性がある。そこで仕上研削レベルの粗さであるＲａで０．５μｍ以下の粗さとすることが望ましい。
【００３０】
また、過共析浸炭焼入れ焼戻し処理に際しては、表面Ｃ濃度が０．９〜２．０％となるように浸炭し、さらに７００℃以下に５分以上冷却した後、再度８００℃以上に加熱する処理を少なくとも１回、好ましくは２回以上繰り返して焼入れ焼戻しするようになすことが望ましい。
【００３１】
すなわち、過共析浸炭処理によって炭化物を形成させ、もって焼戻し軟化抵抗を高めるためには、表面Ｃ濃度として０．９％以上のＣ添加が望ましい。しかし多量に添加すると炭化物が粗大なものとなり、亀裂発生の起点となりやすいため、その上限を２．０％とするのがよい。
【００３２】
そして、過共析浸炭時には、オーステナイト中に固溶していたＣが、７００℃以下に冷却することにより固溶できなくなって微細に析出することになるので、７００℃以下に冷却する必要性がある。また、Ｃを全て析出させるためには、５分以上の冷却が望ましい。その後、再加熱することにより、析出した炭化物の周囲が溶融して炭化物が微細化する。このとき、炭化物の周囲が溶け出すためには８００℃以上に加熱する必要性がある。この処理は、繰り返せば繰り返すほど、炭化物が微細になるので、最低でも１回、できれば数回繰り返すことが望ましい。
【００３３】
さらに、本発明に係わる歯車の製造方法においては、炭化物が大きすぎると破壊起点となり得るため、その表層における平均粒径を０．１６〜０．３３μｍとすることが望ましい。また、炭化物の量が多いほど焼戻し軟化抵抗が高くなるが、その効果を有効に発揮させるためには、炭化物の面積率を５．４〜８．１％とすることが望ましい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わる歯車の製造方法は、Ｃ：０．１０〜０．３０質量％（以下、同じ）、Ｓｉ：０．０５〜０．８０％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｃｒ：０．８５〜２．２１％、Ａｌ：０．０１０〜０．０４０％、Ｎ：０．００５〜０．０３０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物から成る素材鋼に、表面Ｃ濃度が０．９〜２．０％となるように浸炭したのち、７００℃以下に５分以上冷却後、再度８００℃以上に加熱する処理を少なくとも１回実施して焼入れ焼戻しする過共析浸炭焼入れ焼戻し処理を施し、表層における炭化物の平均粒径を０．１６〜０．３３μｍ、炭化物の面積率を５．４〜８．１％としたのち、歯面を研削し、さらにショットピーニングを施す構成としたものであるから、過共析浸炭処理によって炭化物を分散析出させたのち、微細化することができ、焼戻し抵抗が向上し、表面硬さが高く、しかも２５０℃における焼戻し硬さが高くなることによって、優れた歯面疲労強度を備えた歯車を得ることができるという優れた効果をもたらすものである。
【００３５】
本発明の請求項２に係わる歯車の製造方法においては、上記基本成分に加えて、炭化物形成元素であるＭｏ：０．０５〜０．７０質量％（以下、同じ），Ｖ：０．０５〜０．５０％，Ｗ：０．０５〜０．７０％から選ばれる少なくとも１種をさらに含有する素材鋼を用いるようにしているので、焼戻し軟化抵抗をさらに向上させることができ、本発明の請求項３に係わる歯車の製造方法においては、上記基本成分に加えて、焼入れ性向上元素あるいは結晶粒微細化元素でもあるＢ：０．０００５〜０．００５質量％（以下、同じ），Ｎｂ：０．０１〜０．１０％，Ｔｉ：０．０１〜０．１０％から選ばれる少なくとも１種を含有する素材鋼を用いるようにしているので、さらに強靭化を図ることができ、本発明の請求項４に係わる歯車の製造方法においては、上記基本成分に加えて、Ｍｏ：０．０５〜０．７０質量％（以下、同じ），Ｖ：０．０５〜０．５０％，Ｗ：０．０５〜０．７０％から選ばれる少なくとも１種と、Ｂ：０．０００５〜０．００５％，Ｎｂ：０．０１〜０．１０％，Ｔｉ：０．０１〜０．１０％から選ばれる少なくとも１種をさらに添加した素材鋼を用いるようにしているので、歯車の靭性と共に焼戻し軟化抵抗をさらに一層向上させることができる。
【００３６】
本発明に係わる歯車の製造方法に実施の形態として請求項５に係わる製造方法においては、ショットピーニング処理に際してエアーノズルを用い、投射エアー圧力を０．３〜０．８ＭＰａとし、平均粒径が１５０μｍ以下、硬さが７００Ｈｖ以上の微粒子をショット粒として用いるようにしているので、表面粗さを悪化させることなく高い表面硬さを得ることができ、油膜を保持してピッティング強度を向上させることができ、同じく実施の形態として請求項６に係わる製造方法においては、歯面研削処理に際して、ピッチ点における研削量を０．２ｍｍ以下、研削後の歯面粗さをＲａで０．５μｍ以下とするようにしているので、微粒子ショットピーニング後の表面粗さを平滑なものとすることができると共に、過共析浸炭による炭化物析出によって焼戻し軟化抵抗を高めた表層部を失うことなく、ピッティング寿命を保持することができる。
【００３８】
【実施例】
まず、表１に示す化学成分を有する各種素材鋼を溶製したのち、造塊し、熱間圧延によって直径９０ｍｍの歯車素材を製造した。次いで、得られた各歯車素材を図１に示す工程に従って、焼きならし（９２０℃×２時間）、旋削および歯切り加工を行ない、過共析浸炭焼入れ焼戻しの後には、表２の製造履歴に示す工程によってそれぞれ歯車を作製した。
【００３９】
【表１】

【００４０】
図２は、過共析浸炭焼入れ焼戻し処理における７００℃以下への冷却および８００℃以上への再加熱条件を示すものであって、この図では冷却−再加熱を２回繰り返した例を示す。すなわち、１０００℃で１２０分浸炭および拡散処理したのち、７００℃以下に５分以上冷却し、再度８７０℃に加熱してこの温度に６０分間保持したのち、或いは必要に応じて図に示すようにもう一度冷却―加熱を繰り返したのち油中に焼入れるようにしている。なお、比較例においては、再加熱することなく１０００℃から直接油中に冷却する条件も採用して比較を行うようにしている。
【００４１】
ピッチ点における切削量については、全ての歯車について０．０８ｍｍとした。そして、微粒子ショットピーニング二ついては、エアーノズル式のショット機を用いて表２に示す条件で処理した。
【００４２】
面疲労強度の評価は、上記製造方法によって作製した、基準ピッチ円直径８４．１ｍｍ、モジュール３．８５、歯数２１、圧力角１７．５°、ねじれ角１５°のはすば歯車試験片を用いて耐ピッティング試験を行った。
【００４３】
耐ピッティング試験は、動力循環式歯車疲労試験機を用いて、歯車ピッチ点へのヘルツ面圧を２２００ＭＰａ、試験歯車回転数を１０００ｒｐｍとすると共に、潤滑油として自動変速機用オイルを使用して試験を実施した。そして、ピッティング寿命は、試験歯車歯面上のピッティングによって剥離した部分の面積が、試験歯車全歯の噛み合い有効面積の３％に相当する累積回転数によって評価した。
【００４４】
炭化物粒径については、歯車ピッチ点の表面から１０μｍの位置において、走査型電子顕微鏡による写真撮影を行い、画像解析装置を使用して炭化物の円相当平均粒径を求めた。また、炭化物面積率についても、同様に画像解析によって求めた。
【００４５】
表面硬さは、歯車ピッチ点の表面から１０μｍの位置で測定した。また、２５０℃×３時間焼戻しを実施した歯車についても、同様の位置の硬さを測定した。
【００４６】
【表２】

【００４７】
表２に示す試験結果から明らかなように、本発明例であるＮｏ．１〜６に係わる歯車においては、過共析浸炭焼入れ焼戻し−歯面研削−微粒子ショットピーニングという工程で製造されているので、表面硬さおよび２５０℃焼戻し硬さが高く、ピッティング寿命が１０００万回転以上と長寿命となっていることが確認された。
【００４８】
一方、比較例であるＮｏ．８〜１０においては、浸炭焼入れ焼戻し−ハードショットピーニング−歯面研削という工程で製造され、ショットピーニングにより硬化した部分を除去してしまっているため、表面硬さが低く、ピッティング寿命が１０００万回転以下という低い値に留まっている。また、比較例Ｎｏ．７及び８においては、素材鋼中のＣｒ量が少ないため、２５０℃焼戻し硬さが低く、ピッティング寿命が低下していることが確認された。
【００４９】
過共析浸炭焼入れ焼戻し処理において中間冷却を行なわなかった比較例Ｎｏ．１０に係わる歯車試験片においては、炭化物の粗大化が認められ、ピッティング寿命も低下している。
【図面の簡単な説明】
【図１】試験歯車の製作工程を示すフローチャートである。
【図２】本発明に係わる歯車の製造方法の実施例において採用した過共析浸炭焼入れ条件を示す説明図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gear manufacturing technique used for transmissions such as automobiles and industrial machines, and more particularly to a gear manufacturing method suitable for gears used under severe conditions under high surface pressure.
[0002]
[Prior art]
As materials for high surface pressure members such as gears, conventionally, chromium steel SCr420 specified in JIS G4104, chromium molybdenum steel SCM420 specified in JIS G4105, and the like are used. Used after being treated.
[0003]
In recent years, the use conditions of gears have become severe with the improvement in performance and size of applied mechanical devices and automobiles, and the load stress on the gears has become large. For this reason, shot peening is performed after carburizing, quenching, and tempering to increase the root fatigue strength, and then the tooth surface grinding is performed to increase the surface fatigue strength.
[0004]
However, in the conventional gear manufactured by the material and heat treatment as described above, in a severe environment that receives a high surface pressure exceeding 2200 MPa in Hertz surface pressure, due to the surface pressure and slip repeatedly applied during meshing, Fitting that causes fatigue cracks on the tooth surface or in the vicinity of the surface, causing pit-like peeling, wear due to metal contact on the tooth surface (scoring), and spalling that peels from the hardened layer due to rolling fatigue In some cases, sufficient gear life cannot be obtained due to the occurrence of tooth surface damage.
[0005]
And as countermeasures against such tooth surface damage, hypereutectoid carburization that precipitates and disperses fine carbides on the surface by setting the carbon potential during carburizing treatment high, and adjustment of alloy components of raw steel Or a method of utilizing the hardening associated with martensitic transformation of residual austenite due to surface pressure at the time of meshing contact by lowering the Ms point by N penetration by carbonitriding, etc., forming a large amount of residual austenite in the surface layer, There is a method of reducing contact stress and frictional force due to meshing by forming a solid lubricating film such as molybdenum sulfide.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, these conventional methods require a long time for carburizing treatment, increase in heat treatment strain, decrease toughness due to carbide dispersion on the surface and deteriorate grindability, and provide a stable retained austenite amount. Although the quality control for securing is difficult or the processing cost increases, the surface fatigue strength does not improve so much, and it is a problem in the high surface pressure gear as described above to solve such a problem It was.
[0007]
OBJECT OF THE INVENTION
The present invention has been made in view of the above problems in conventional high surface pressure gears, and can prevent tooth surface damage such as pitting, scoring, and spalling, and has excellent surface fatigue strength. It aims at providing the manufacturing method of the gear which can obtain a gear.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The gear manufacturing method according to the present invention includes, as described in claims 1 to 4, C: 0.10 to 0.30%, Si: 0.05 to 0.80%, Mn : 0.20 to 1.50%, Cr: 0.85 to 2.21%, Al: 0.010 to 0.040%, N: 0.005 to 0.030%, if necessary , Mo: 0.05 to 0.70%, V: 0.05 to 0.50%, W: 0.05 to 0.70%, and if necessary, B: 0.0005 ˜0.005%, Nb: 0.01 to 0.10%, Ti: 0.01% to 0.10%, at least one selected from steel, and hypereutectoid in the material steel consisting of the remainder Fe and inevitable impurities After carburizing, quenching and tempering, that is, carburizing so that the surface C concentration is 0.9 to 2.0%, the temperature is reduced to 700 ° C. Or after cooling, subjected to quenching and tempering was performed at least once a process of heating the above again 800 ° C., 0.16 to an average particle size of the carbide in the surface layer 0.33 .mu.m, the area ratio of carbides 5.4 to 8 .1%, then the tooth surface is ground and shot peened, and this configuration in the gear manufacturing method is a means for solving the above-described conventional problems. .
[0009]
In the manufacturing method according to claim 5 as an embodiment of the gear manufacturing method according to the present invention, an air nozzle is used in the shot peening process, the projection air pressure is set to 0.3 to 0.8 MPa, and the average particle diameter is A fine particle having a hardness of 150 μm or less and a hardness of 700 Hv or more is used as a shot particle. Similarly, in the gear manufacturing method according to claim 6, the grinding amount at the pitch point is 0.2 mm or less in the tooth surface grinding process. The tooth surface roughness after grinding is set to 0.5 μm or less in terms of Ra.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present inventor noticed that tooth surface damage such as pitting and scoring is deeply related to tempering softening resistance in the surface layer portion of the gear material, and high surface pressure, particularly the Hertz surface pressure exceeding 2200 MPa. Under the reduction, as a result of various investigations based on the fact that the surface layer portion of the tooth surface may become as high as 250 ° C. or more due to the meshing of the gears, together with the material, by optimizing the heat treatment and processing method, It has been found that the pitting life and wear resistance can be increased by increasing the outermost surface hardness of the tooth surface after tempering at 250 ° C.
[0012]
However, when the shot peening treatment is performed after carburizing, quenching and tempering, the hardness of the outermost layer can be increased, but since the tooth surface is rough, the oil film is easily cut and the pitting strength is not improved. On the other hand, if a step of grinding after the shot peening process is employed, the most hardened outermost layer is removed, so that the surface fatigue strength is not improved. In the gear manufacturing method according to the present invention, such a problem is solved by the manufacturing conditions, and a gear having excellent surface fatigue strength and excellent wear resistance is obtained.
[0013]
Hereinafter, various numerical ranges in the present invention, that is, reasons for limitation such as component composition of the raw steel, heat treatment, and processing conditions will be described.
[0014]
C: 0.10 to 0.30 mass%
C is an element necessary for securing the core hardness of the gear, and in order to obtain this core hardness, it is necessary to contain 0.10% or more, preferably 0.15% or more. . However, if added excessively, the machinability and toughness of the material are lowered, so the upper limit is made 0.30%.
[0015]
Si: 0.05-0.80 mass%
Si is an element that improves the temper softening resistance by dissolving in a matrix of the raw steel and suppressing pearlite transformation. And in order to exhibit such an effect, addition of 0.05% or more is necessary, and it may be 0.40% or more depending on the case. Moreover, since the effect acquired even if it adds exceeding 0.80% not only saturates but the cold forgeability and machinability fall, it sets the upper limit to 0.8%.
[0016]
Mn: 0.20 to 1.5% by mass
Since Mn is effective as a deoxidizing / desulfurizing element for molten steel, it is necessary to add 0.2% or more. However, if the content exceeds 1.5%, the machinability of the material is lowered due to the increase in hardenability, so the content is made 1.5% or less, and in some cases 0.90% or less.
[0017]
Cr: 0.85 to 2.21 % by mass
Cr is an important element that improves the temper softening resistance in the same manner as Si due to the formation of carbides, but if less than 0.85%, a sufficient effect cannot be obtained, so 0.85% or more must be added. is there. On the other hand, if the content exceeds 2.21 %, the machinability is lowered and the economical efficiency is also impaired, so the content is made 2.21 % or less.
[0018]
Al: 0.010-0.040 mass%
Since Al is an element effective for deoxidation and refinement of the crystal grain size, addition of 0.010% or more is necessary. However, if it exceeds 0.040%, the effect of refining the crystal grain size is saturated, so 0.040% or less.
[0019]
N: 0.005-0.030 mass%
N is an element effective for bonding to Al to form a nitride, refining the crystal grain size and toughening the steel, and for this purpose, it is necessary to add 0.005% or more. However, even if 0.030% or more is added, the effect is saturated, so 0.030% or less.
[0020]
In addition to the above essential components, the material steel of the present invention can contain Mo, V, W, B, Nb and Ti elements as required.
[0021]
At least one element selected from Mo: 0.05 to 0.70 mass%, V: 0.05 to 0.50 mass%, and W: 0.05 to 0.70 mass% is a carbide forming element. Therefore, the temper softening resistance can be improved. In order to exert such effects, it is necessary to add 0.05% or more of each element. However, if added in a large amount, the machinability deteriorates, and the carbides coarsen during carburization and the surface fatigue strength decreases, so Mo and W are 0.70% or less, and V is 0.50% or less. .
[0022]
B: at least one selected from 0.0005 to 0.005 mass%, Nb: 0.01 to 0.10 mass%, Ti: 0.01 to 0.10 mass% In the present invention, B is added. Thus, it has been confirmed that the carbide is refined. Moreover, B remarkably enhances the hardenability of steel with a small amount of addition. In order to obtain such an effect, the addition of 0.0005% or more is necessary. However, since the effect is saturated even if it exceeds 0.005%, 0.005% is made the upper limit of B. Furthermore, in the case of B-added steel, if N is present, it becomes BN and the hardenability is not improved. Therefore, by adding Ti, N combined with B is reduced. To obtain such an effect by Ti, addition of 0.01% is necessary. Further, Ti and Nb are crystal grain refining elements, and 0.01% addition is necessary to exert such an effect. However, since the effect is saturated even if it is added in a large amount, the amounts of Nb and Ti added are each in the range of 0.01 to 0.10%.
[0023]
In the gear manufacturing method according to the present invention, the material steel having the above composition is subjected to hypereutectoid carburizing and quenching and tempering, and then the tooth surface is ground and further subjected to shot peening. The surface carbon concentration is increased by the precipitation carburizing treatment, and fine carbides are generated to improve the temper softening resistance. Then, by grinding the tooth surface, the heat treatment strain is removed and the tooth contact is improved, and further, compressive residual stress is applied to the tooth surface by shot peening, and the fatigue strength is improved.
[0024]
In the gear manufacturing method according to the present invention, in the shot peening process, an air nozzle is used, the projection air pressure is 0.3 to 0.8 MPa, the average particle size is 150 μm or less, and the hardness is 700 Hv or more. Fine particle shot peening using shots can be performed.
[0025]
Fine shot peening uses finer shot grains than hard shot peening, which has been conventionally performed to increase the root bending fatigue strength, so that the surface roughness is not deteriorated, and the oil film can be held thereby. . Moreover, a large compressive residual stress can be applied to the outermost surface, thereby preventing the opening of an initial crack, which is a source of pitting, and improving the surface fatigue strength.
[0026]
Note that hard shot peening may be performed between the hypereutectoid carburizing quenching and tempering treatment and grinding in order to increase the root bending fatigue strength simultaneously with the surface fatigue strength.
[0027]
In this fine particle shot peening, it is desirable to use an air nozzle type because it is possible to eject at high speed by projecting a shot using an air nozzle. If the air pressure at this time is too low, it is difficult to obtain sufficient compressive residual stress and high outermost surface hardness. However, even if it exceeds 0.8 MPa, the effect tends to be saturated due to air resistance and the upper limit is set to 0.8 MPa.
[0028]
The finer the shot grain used for fine particle shot peening, the worse the surface roughness is. In addition, if shot grains having an average particle size of 150 μm or less are used, unevenness due to a tooth grinding wheel can be removed and smoothed. Therefore, it is desirable to use shot grains having a grain size of 150 μm or less. Further, when the hardness of the shot grains is low, the shot grains tend to be deformed and adhere to the tooth surface of the gear. To prevent this, it is desirable that the hardness of the shot grains is 700 Hv or more.
[0029]
In the tooth surface grinding step prior to the fine particle shot peening, it is desirable that the grinding amount at the pitch point is 0.2 mm or less, and the tooth surface roughness after grinding is 0.5 μm or less in terms of Ra. In other words, the hypereutectoid carburization treatment causes more carbide to be deposited on the surface layer, but when the amount of grinding is large, the surface layer portion with increased temper softening resistance is removed, so the pitting life is increased. descend. Therefore, it is desirable that the grinding amount is 0.2 mm or less to prevent excessive grinding and avoid a decrease in pitting life. In addition, after grinding, in order to use the fine particle shot peening as described above, it is necessary to reduce the tooth surface roughness at the time of grinding. Accordingly, it is desirable that the roughness of the finish grinding level is 0.5 μm or less.
[0030]
Further, in the hypereutectoid carburizing and quenching tempering treatment, carburizing is performed so that the surface C concentration is 0.9 to 2.0%, and further cooling to 700 ° C or lower for 5 minutes or more, and then heating to 800 ° C or higher again. It is desirable to repeat the treatment at least once, preferably twice or more, and quenching and tempering.
[0031]
That is, in order to form carbides by hypereutectoid carburization and thereby increase the temper softening resistance, it is desirable to add C of 0.9% or more as the surface C concentration. However, if added in a large amount, the carbide becomes coarse and tends to be the starting point of cracking, so the upper limit is preferably made 2.0%.
[0032]
And at the time of hypereutectoid carburizing, C, which has been dissolved in austenite, becomes difficult to be dissolved by cooling to 700 ° C. or lower and precipitates finely. Therefore, it is necessary to cool to 700 ° C. or lower. is there. Moreover, in order to precipitate all C, cooling for 5 minutes or more is desirable. Thereafter, by reheating, the surroundings of the precipitated carbide melt and the carbide is refined. At this time, in order for the periphery of the carbide to melt, it is necessary to heat to 800 ° C. or higher. As this process is repeated, the carbide becomes finer as it is repeated. Therefore, it is desirable to repeat this process at least once, preferably several times.
[0033]
Furthermore, in the gear manufacturing method according to the present invention, if the carbide is too large, it can become a fracture starting point, so it is desirable that the average particle size in the surface layer is 0.16 to 0.33 μm . In addition, as the amount of carbide increases, the temper softening resistance increases. However, in order to effectively exhibit the effect, it is desirable that the area ratio of the carbide is 5.4 to 8.1%.
[0034]
【The invention's effect】
The gear manufacturing method according to claim 1 of the present invention includes C: 0.10 to 0.30 mass% (hereinafter the same), Si: 0.05 to 0.80%, Mn: 0.20 to 1. 50%, Cr: 0.85 to 2.21%, Al: 0.010 to 0.040%, N: 0.005 to 0.030%, and the material steel consisting of the balance Fe and inevitable impurities, After carburizing so that the surface C concentration becomes 0.9 to 2.0%, after cooling to 700 ° C. or lower for 5 minutes or longer, again heating to 800 ° C. or higher is performed at least once and quenching and tempering. After subjecting to precipitation carburizing and tempering treatment, the average particle size of the carbide in the surface layer is 0.16 to 0.33 μm , the area ratio of carbide is 5.4 to 8.1%, the tooth surface is ground, and shot peening is performed. Therefore, the carbide is formed by hypereutectoid carburizing treatment. Can be made finer, the tempering resistance is improved, the surface hardness is high, and the tempering hardness at 250 ° C. is increased, thereby providing a gear having excellent tooth surface fatigue strength. This provides an excellent effect that it can be obtained.
[0035]
In the gear manufacturing method according to claim 2 of the present invention, in addition to the above basic components, Mo: 0.05 to 0.70 mass% (hereinafter the same), which is a carbide forming element, V: 0.05 to Since the material steel further containing at least one selected from 0.50% and W: 0.05 to 0.70% is used, the temper softening resistance can be further improved, and the present invention is claimed. In the gear manufacturing method according to Item 3, in addition to the above basic components, B: 0.0005 to 0.005 mass% (hereinafter the same), which is also a hardenability improving element or a crystal grain refining element, Nb: 0 Since the material steel containing at least one selected from 0.01 to 0.10% and Ti: 0.01 to 0.10% is used, further toughening can be achieved. Manufacture of gears related to item 4 In the method, in addition to the above basic components, Mo: 0.05 to 0.70% by mass (hereinafter the same), V: 0.05 to 0.50%, W: 0.05 to 0.70% A material further added with at least one selected from B: 0.0005 to 0.005%, Nb: 0.01 to 0.10%, Ti: 0.01 to 0.10% Since steel is used, the temper softening resistance can be further improved together with the toughness of the gear.
[0036]
In the manufacturing method according to claim 5 as an embodiment of the gear manufacturing method according to the present invention, an air nozzle is used for shot peening, the projection air pressure is set to 0.3 to 0.8 MPa, and the average particle size is 150 μm. Hereinafter, since fine particles having a hardness of 700 Hv or more are used as shot particles, a high surface hardness can be obtained without deteriorating the surface roughness, and the oil film is retained and the pitting strength is improved. Similarly, in the manufacturing method according to claim 6 as an embodiment, in the tooth surface grinding treatment, the grinding amount at the pitch point is 0.2 mm or less, and the tooth surface roughness after grinding is 0.5 μm or less in terms of Ra. As a result, the surface roughness after fine particle shot peening can be made smooth, and carbide precipitation by hypereutectoid carburization Thus, the pitting life can be maintained without losing the surface layer portion having increased temper softening resistance.
[0038]
【Example】
First, various material steels having chemical components shown in Table 1 were melted and then ingot-formed, and a gear material having a diameter of 90 mm was manufactured by hot rolling. Then, each gear material obtained was subjected to normalization (920 ° C. × 2 hours), turning and gear cutting according to the steps shown in FIG. 1, and after hypereutectoid carburizing and quenching and tempering, the manufacturing history shown in Table 2 was obtained. Gears were produced by the steps shown in FIG.
[0039]
[Table 1]

[0040]
FIG. 2 shows conditions for cooling to 700 ° C. or lower and reheating to 800 ° C. or higher in the hypereutectoid carburizing and tempering treatment. In this figure, an example in which cooling-reheating is repeated twice is shown. That is, after carburizing and diffusion treatment at 1000 ° C. for 120 minutes, cooling to 700 ° C. or lower for 5 minutes or more, heating again to 870 ° C. and holding at this temperature for 60 minutes, or as shown in the figure as necessary After repeated cooling and heating, it is quenched in oil. In the comparative example, the comparison is made by adopting the condition of cooling directly into the oil from 1000 ° C. without reheating.
[0041]
The cutting amount at the pitch point was 0.08 mm for all gears. The two fine particle shot peenings were processed under the conditions shown in Table 2 using an air nozzle type shot machine.
[0042]
The surface fatigue strength was evaluated by using a helical gear test piece having a reference pitch circle diameter of 84.1 mm, a module of 3.85, a number of teeth of 21, a pressure angle of 17.5 °, and a helix angle of 15 ° produced by the above manufacturing method. A pitting resistance test was performed.
[0043]
In the anti-pitting test, a power circulation gear fatigue tester was used, the Hertz surface pressure to the gear pitch point was 2200 MPa, the test gear rotation speed was 1000 rpm, and the oil for automatic transmission was used as the lubricating oil. The test was conducted. The pitting life was evaluated based on the cumulative number of revolutions in which the area of the part peeled off by pitting on the test gear tooth surface corresponds to 3% of the effective meshing area of all the test gear teeth.
[0044]
With respect to the carbide particle size, a photograph was taken with a scanning electron microscope at a position 10 μm from the surface of the gear pitch point, and the circle equivalent average particle size of the carbide was determined using an image analyzer. Also, the carbide area ratio was similarly determined by image analysis.
[0045]
The surface hardness was measured at a position of 10 μm from the surface of the gear pitch point. Moreover, the hardness of the same position was measured also about the gear which tempered 250 degreeC x 3 hours.
[0046]
[Table 2]

[0047]
As is clear from the test results shown in Table 2, the present invention is No. The gears 1 to 6 are manufactured by the process of hypereutectoid carburizing and quenching tempering-tooth surface grinding-fine particle shot peening, so the surface hardness and 250 ° C tempering hardness are high, and the pitting life is 10 million. It was confirmed that the service life was longer than the rotation.
[0048]
On the other hand, No. which is a comparative example. Nos. 8 to 10 are manufactured by a process of carburizing, tempering, hard shot peening, and tooth surface grinding, and the hardened part is removed by shot peening, so the surface hardness is low and the pitting life is 10 million. It remains at a low value of less than rotation. Comparative Example No. In Nos. 7 and 8 , since the Cr content in the raw steel was small, it was confirmed that the tempering hardness at 250 ° C. was low and the pitting life was reduced.
[0049]
Comparative Example No. in which intermediate cooling was not performed in the hypereutectoid carburizing quenching and tempering treatment. In the gear test piece according to No. 10 , coarsening of carbides is recognized and the pitting life is also reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a manufacturing process of a test gear.
FIG. 2 is an explanatory view showing hypereutectoid carburizing and quenching conditions employed in an embodiment of a gear manufacturing method according to the present invention.

Claims

By mass ratio, C: 0.10 to 0.30%, Si: 0.05 to 0.80%, Mn: 0.20 to 1.50%, Cr: 0.85 to 2.21%, Al: The material steel containing 0.010 to 0.040%, N: 0.005 to 0.030%, and the balance Fe and inevitable impurities, so that the surface C concentration is 0.9 to 2.0% After carburizing, after cooling to 700 ° C. or lower for 5 minutes or more, perform a hyper-eutectoid carburizing quenching and tempering treatment in which the heating to 800 ° C. or higher is performed at least once and quenching and tempering are performed. A gear manufacturing method, characterized in that after 0.16 to 0.33 μm and a carbide area ratio of 5.4 to 8.1%, tooth surfaces are ground and shot peening is performed.

By mass ratio, C: 0.10 to 0.30%, Si: 0.05 to 0.80%, Mn: 0.20 to 1.50%, Cr: 0.85 to 2.21%, Al: It contains 0.010 to 0.040%, N: 0.005 to 0.030%, Mo: 0.05 to 0.70%, V: 0.05 to 0.50%, W: 0.00. After carburizing the material steel containing at least one selected from 05 to 0.70% and comprising the balance Fe and inevitable impurities so that the surface C concentration becomes 0.9 to 2.0%, 700 ° C. or less After cooling to 800 ° C. or higher for 5 minutes or more, a hypereutectoid carburizing and quenching tempering treatment is performed at least once by quenching and tempering, and the average particle size of the carbide in the surface layer is 0.16-0.33 μm After setting the area ratio of carbide to 5.4 to 8.1%, the tooth surface is ground, and the A method for manufacturing a gear, characterized in that topping is performed.

By mass ratio, C: 0.10 to 0.30%, Si: 0.05 to 0.80%, Mn: 0.20 to 1.50%, Cr: 0.85 to 2.21%, Al: It contains 0.010 to 0.040%, N: 0.005 to 0.030%, B: 0.0005 to 0.005%, Nb: 0.01 to 0.10%, Ti: 0.00. After carburizing the material steel containing at least one selected from 01 to 0.10% and comprising the balance Fe and inevitable impurities so that the surface C concentration becomes 0.9 to 2.0%, 700 ° C. or less After cooling to 800 ° C. or higher for 5 minutes or more, a hypereutectoid carburizing and quenching tempering treatment is performed at least once by quenching and tempering, and the average particle size of the carbide in the surface layer is 0.16-0.33 μm After setting the area ratio of carbide to 5.4 to 8.1%, the tooth surface is ground, A method for manufacturing a gear, characterized in that shot peening is applied to the gear.

By mass ratio, C: 0.10 to 0.30%, Si: 0.05 to 0.80%, Mn: 0.20 to 1.50%, Cr: 0.85 to 2.21%, Al: It contains 0.010 to 0.040%, N: 0.005 to 0.030%, Mo: 0.05 to 0.70%, V: 0.05 to 0.50%, W: 0.00. At least one selected from 05 to 0.70%, B: 0.0005 to 0.005%, Nb: 0.01 to 0.10%, Ti: 0.01 to 0.10% After carburizing the material steel containing 1 type and the balance Fe and inevitable impurities so that the surface C concentration becomes 0.9 to 2.0%, after cooling to 700 ° C. or less for 5 minutes or more, again 800 ° C. The hypereutectoid carburizing quenching and tempering treatment in which the above heating treatment is performed at least once and quenching and tempering is performed, and the surface layer is applied. That the average particle diameter 0.16 to 0.33 .mu.m carbide, after the area ratio of the carbide and 5.4 to 8.1%, by grinding the tooth surface, further gears, characterized in that shot peening Production method.

In the shot peening treatment, an air nozzle is used, a projection air pressure is set to 0.3 to 0.8 MPa, fine particles having an average particle size of 150 μm or less and a hardness of 700 Hv or more are used as shot particles. 5. A method for manufacturing a gear according to any one of 1 to 4.

The gear according to any one of claims 1 to 5, wherein in the tooth surface grinding process, the grinding amount at the pitch point is 0.2 mm or less, and the tooth surface roughness after grinding is 0.5 µm or less in terms of Ra. Manufacturing method.