JP4515329B2 - 耐ケースクラッシング性に優れた熱処理歪の少ない鋼製歯車とその製法 - Google Patents
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C:0.10〜0.16%(質量%を意味する、以下同じ)、
Si:1.2〜2.0%、
Mn:0.2〜1.0%、
Cr:0.9〜1.5%、
P:0.03%以下(0%を含む)、
S:0.03%以下(0%を含む)、
Al:0.005%以下(0%を含む)、
N:0.005〜0.02%
を満たし、残部が実質的にFeおよび不可避不純物であるものが好ましい。
C:0.10〜0.16%、
Si:1.2〜2.0%、
Mn:0.2〜1.0%、
Cr:0.9〜1.5%、
P:0.03%以下(0%を含む)、
S:0.03%以下(0%を含む)、
Al:0.005%以下(0%を含む)、
N:0.005〜0.02%
を満たし、残部が実質的にFeおよび不可避不純物からなり、浸炭窒化・焼入れ後に前掲の特性を示すところに特徴を有している。
A1変態点(℃)=723−10.7×Mn(%)−16.9×Ni(%)+29.1×Si(%)+16.9×Cr(%)
こうした条件が、ケースクラッシング防止や歪低減に好結果をもたらす理由は次の様に考えられる。即ち、表面硬質化のための浸炭窒化処理温度とその後の焼入れ温度をA1変態点以上、850℃未満の範囲に制御すると、オーステナイト−フェライト組織からマルテンサイト−フェライト組織へ変態焼入れすることが可能となる。オーステナイトは体積膨張を伴うマルテンサイトへ変態するため、歯車等の焼入れ部品に歪を与えるが、フェライトはA1変態点より高温から焼入れても組織変化を生じないため、オーステナイト単体組織ではなくオーステナイト−フェライト複合組織に置き換えることで歪低減が可能となる。
Cは、鋼部品に所定の芯部硬さを与えると共に、硬化処理後の表層硬さと硬化層深さを確保する上で欠くことのできない成分であり、歯車用鋼としてそれらの作用を有効に発揮させるには、鋼中に0.10%以上含有させる必要があり、好ましくは0.12%以上含有させるのがよい。しかし多過ぎると、靭性や被削性、冷間加工性(冷間鍛造性)などが低下するので、0.16%以下、より好ましくは0.14%以下に抑えるのがよい。
Siは、鋼を溶製する際に脱酸性元素として有効に作用する他、鋼材の変態点を上げて芯部硬さを高める作用を有しており、特に、850℃未満の焼入れ保持温度条件下でも、芯部組織を初析フェライトを含む2相以上の複合組織として熱処理歪を抑える上でも有効に作用する。こうした作用を有効に発揮させるには1.2%以上含有させるべきであり、好ましくは1.5%以上含有させるのがよい。しかし多過ぎると、焼入れ硬化処理性を阻害するばかりか機械加工性や歯車の靭性を著しく劣化させるので、2.0%以下に抑えるべきであり、より好ましくは1.8%以下に抑えるのがよい。
Mnは、鋼溶製時の脱酸に有効に作用する他、焼入れ硬化性の向上にも寄与し、更にはMnSを形成することで切削加工性の向上にも寄与する。これらの作用を有効に発揮させるには0.2%以上含有させねばならず、好ましくは0.4%以上含有させるのがよい。しかし多過ぎると、冷間鍛造性や機械加工性に悪影響を及ぼすようになるので、多くとも1.0%以下、より好ましくは0.8%以下に抑えるのがよい。
Crは、表面硬化処理時における炭化物や窒化物の形成を助長し、浸炭窒化部の硬度を高める作用を有する他、芯部の焼入れ性を高める作用も有しており、これらの作用を有効に発揮させるには0.9%以上含有させねばならず、好ましくは1.0%以上含有させるのがよい。しかし多過ぎると、結晶粒界への炭化物の析出によって粒界強度を低下させ靭性に悪影響を及ぼす様になるので、1.5%以下、好ましくは1.3%以下に抑えるのがよい。
Pは結晶粒界に偏析して靭性を劣化させる有害元素であり、こうした障害を回避するには0.03%以下、より好ましくは0.02%以下に抑えるのがよい。
Sは被削性の向上に有効に作用する元素であり、歯車への加工性を高める上では有効であるが、多過ぎると歯車の靭性を劣化させるばかりか、Mnとの結合によって生成するMnSが破壊の起点となってピッチング寿命を低下させる原因になるので、多くとも0.03%以下、好ましくは0.02%以下に抑えるのがよい。
Alは、前述した如く硬質のアルミ窒化物を生成してケースクラッシングを起こさせる元素で、本発明ではNと共に特に注意しなければならない有害元素であり、本発明最大の目的である耐ケースクラッシング性を高めるには、多くとも0.005%以下に抑える必要があり、好ましくは0.003%以下に抑えるのがよい。
Nは、他の元素と結合して窒化物を形成し、結晶粒の粗大化を抑えて靭性の向上に寄与する元素であり、こうした効果を有効に発揮させるには0.005%以上含有させる必要があり、好ましくは0.007%以上とするのがよい。しかし多過ぎると、鍛造時や熱間加工時に割れを起こし易くなるので、0.02%以下、より好ましくは0.015%以下に抑えるのがよい。
熱間鍛造によって表1に示す成分組成の熱間圧延丸棒(直径65mm)を製造し、焼準、歯切りおよびシェービング加工を行なって歯車を作製した(モジュール:2.0、圧力角:20°、歯数:82、ねじれ角:0°、外径:169.7mm、歯幅:17.5mm)。
Akashi社製の商品名「MVK−HVL」を用いて、歯丈1/2部位の表面から50μm深さ位置を300gfのビッカースで5点測定し、その平均値とした。
Akashi社製の商品名「MVK−HVL」を用いて、歯幅1/2位置の歯底部からギアの中心方向に表面から硬度を測定し、硬度が513Hvとなる位置までの深さを5点測定し、その平均値を有効硬化層深さとした。
歯芯部とは、歯底を通る円周上で歯幅1/2位置の部位を指す。従ってフェライト面積率は、該歯芯部の縦断面組織をランダムに5視野選んで、光学顕微鏡(Nikon社製の商品名「エピフォトTME200」)により倍率400倍で組織観察し、画像解析によってフェライト組織が占める面積率を求め、その平均値を芯部フェライト分率とした。
上記歯芯部の任意の5点を、Akashi社製の商品名「MVK−HVL」を用いて荷重10kgfでビッカース硬度測定し、その平均値を芯部硬さとした。
歯形測定機(東京テクニカル社製の商品名「TTI−260P」)を用いて、浸炭窒化・焼入れ・焼戻し後の歯車の歯筋たおれの変化量を、図1に示した様なUS−NAVY C型試験片により歯筋長さ80%中心部を評価範囲として5点測定し、その平均値を求めた。
浸炭窒化・焼入れ・焼戻しして得た各供試歯車(緒元は、モジュール;2.52、圧力角;20°、歯数;22、ねじれ角;30°、外径;70.6mm、歯幅;12mm)について、神鋼造機社製の動力循環式歯車疲労試験機を用いて、面圧:1.9GPa、回転数:1500rpm、油温:80℃の条件で100サイクルまでの疲労試験を行い、ケースクラッシング発生の有無によって評価した。
Claims (2)
- 浸炭窒化が施された鋼製歯車であって、
鋼中成分が、
C:0.10〜0.16%(質量%を意味する、以下同じ)、
Si:1.2〜2.0%、
Mn:0.2〜1.0%、
Cr:0.9〜1.5%、
P:0.03%以下(0%を含む)、
S:0.03%以下(0%を含む)、
Al:0.005%以下(0%を含む)、
N:0.005〜0.02%、
Mo:0.01〜0.15%
を満たし、残部がFeおよび不可避不純物からなり、
表面硬さが650〜750Hv、有効硬化層深さが0.1〜0.3mm、非浸炭窒化部(芯部)のフェライト分率が40〜80面積%、非浸炭窒化部(芯部)の硬さが190〜350Hvであることを特徴とする耐ケースクラッシング性に優れた熱処理歪の少ない鋼製歯車。 - 前記請求項1に記載された成分組成の要件を満たす鋼材を歯車状に加工し、浸炭窒化してから焼入れする際に、A1変態点以上、850℃未満の温度域で浸炭窒化処理を行なう
と共に、同温度域で焼入れを開始することを特徴とする耐ケースクラッシング性に優れた熱処理歪の少ない鋼製歯車の製法。
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