JP5153295B2 - 疲労強度に優れた浸炭部品 - Google Patents

Description

この発明は疲労強度に優れた浸炭部品に関する。

従来、自動車等の動力伝達部品として用いられる歯車類（歯付動力伝達部品）を代表とする機械構造用部品用の鋼材としては、部品製造時の鍛造性や切削性を確保し、かつ靭延性を低下させないためにCを0.2％程度としている。具体的には、ＪＩＳ ＳＣｒ４２０ＨやＳＮＣＭ４２０Ｈ等が用いられてきた。

機械構造用部品としての歯車は、曲げ応力が集中する歯元で生じる歯元破壊に対する強度を指す歯元強度と、歯面同士が擦りあうことにより発生する剥離や亀裂に対する強度を示す歯面強度が要求される部品である。そこで、通常は歯面強度，歯元強度（疲労強度，衝撃強度）を高めるために、浸炭処理を施し、表面部の硬さを高めた上で使用される。

しかしながら自動車の高出力化が著しく進む中で、従来では負荷されることのなかったような過大なトルクや衝撃荷重が歯車等に負荷される場合が生じており、こうした過酷な使用条件の下では従来の鋼材に浸炭処理を施したとしても十分に耐え得ず、上記ピッティングや歯の折損や変形が生じてしまい、十分な寿命が得られないのが現状である。

ここで歯の変形とは、折損までには到らないが大荷重によって歯自体が変形を生じる現象で、これにより歯同志の当りが変化してしまって、歯に負荷される面圧が高くなり、そのことが歯の折損に繋がるといった問題を生ずる。
本発明はこうした問題を解決するためになされたものである。

尚、下記特許文献１には「結晶粒粗大化防止鋼」についての発明が示され、そこにおいて本願発明における組成と類似した鋼組成が開示されているが、その構成においてこの引用文献１に開示のものは本発明とは異なったものである。
また下記特許文献２には「低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼材」についての発明が示されているが、この特許文献２に開示のものも鋼組成において本発明とは異なっている。
その他下記特許文献３には「熱処理歪の少ない肌焼鋼」についての発明が示されているが、この特許文献３に開示のものも鋼組成が本願発明とは異なっている。

特開平９−５９７４５号公報 特開平９−１１１４０５号公報 特開平１１−１３１１８４号公報

本発明は上記の事情を背景とし、歯車等の動力伝達部品について従来に増して大きなトルクや衝撃荷重等の負荷が加わった場合においても十分に耐え得て高い疲労寿命を与えることのできる浸炭部品を提供することを目的としてなされたものである。

而して請求項１の浸炭部品は、質量％で、C：0.25〜0.60％，Si：0.80〜3.00％，Mn：0.20〜0.50％，P：≦0.010％，S：≦0.005％，Ni：1.50〜4.50％，Cr：1.00〜2.50％，Mo：0.50〜2.00％，Al：≦0.015％，残部Fe及び不可避的不純物からなる組成で下記式（１），式（２）を満たし、且つ浸炭後の残留オーステナイト量が１５体積％以下であることを特徴とする。
2.4Si+1Cr+3.2Mo≧6・・式（１）
5≦(Ni＋Mo)/C≦20 ・・式（２）
（但し式中の元素記号は対応する元素の含有質量％を表す）

請求項２のものは、請求項１において、質量％で、Nb：0.005〜0.20％を更に含有していることを特徴とする。

請求項３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、質量％で、Ti：0.005〜0.05％、及び／又はB：0.0005〜0.0030％を更に含有していることを特徴とする。

発明の作用・効果

以上のような本発明は、Si，Cr，Moを総量で多量に、詳しくは2.4Si+1Cr+3.2Mo全体で6以上となるように多量に添加した点を１つの特徴とするものである。

これらSi，Cr，Moは歯面強度を高める働きを有するのもので、これらを上記所定の量で含有させることで歯車類における歯面強度を従来に増して高めることができる。
ここでSi，Cr，Moを多量に添加することで歯面強度を高めることのできる理由は明らかではないが、以下の通りと考えられる。

歯車等の接触面は高い面圧が負荷され、さらに繰返し摩擦を受けるため、３００℃程度まで温度上昇を引き起こす。よって、歯面強度は軟化抵抗性（高温に保持した時の軟化のしにくさ）と相関がある。Siは軟化抵抗性を有する元素で、Siが適量添加された鋼は、添加されていない鋼に比して３００℃程度に保持された場合、硬さの低下を抑制できる。
詳しくは、焼入れによって創生したマルテンサイト相を焼戻すと硬さが低下するが、Siは焼戻しの際の軟化の開始温度を高温側に移行させ、そのことによって歯面強度を高くする働きをなす。

一方Cr，Moはセメンタイトを生成し、Cr，Moの添加された鋼材は３００℃程度に保持された場合でも硬さの低下を抑制できる。
従ってこれらSi，Cr，Moを上記規定した量で多く含有させることで、歯面強度を従来に増して高めることができる。

しかしながら一方で、それらSi，Cr，Moを一定以上に多量に含有させると、焼入れの際のマルテンサイト変態開始温度が低くなり、焼入れ後における残留オーステナイト（γ_Ｒ）量が増加し、負荷荷重に耐えられる硬さが得られなくなってしまう。
即ちただ単にこれら成分を上記量で添加しただけであると、焼戻し後において硬さが不足し、却って歯面強度を低下させる原因となってしまう。

そこで本発明では残留γ量をも規定し、かかる残留γ量を１５％（体積％）以下に規制する。そしてこのことによって硬さが不十分となるのを防止する。
尚、本発明において残留γ量が１５％以下とは、表層部における残留γ量が１５体積％以下であることを意味する。

ここで残留γ量を１５％以下に抑えるための手段として、上記化学組成を有する素材を焼入れ処理した後に、−１９５〜−７５℃で１時間〜１２時間の時間保持するサブゼロ処理を好適に用いることができる。
このような条件でサブゼロ処理を施すことで軟質相の残留γ相が１５％以下となるまでマルテンサイトに変態させることができ、以て硬さを高めることができる。

このサブゼロ処理は、より低い温度で行うことが望ましく、具体的には例えば次のような方法を用いることができる。
即ちドライアイス（−７８℃）や液体窒素（−１９６℃）等の寒剤を用いて恒温槽に、例えば１時間以上浸炭部品を保持することによって行う方法を用いることができる。
ここでサブゼロ処理は浸炭部品を液体中に保持する方法の他、ガスを用いて間接的手法等でサブゼロ処理する等、その手法については特に限定されない。

本発明はまた、Cを高含量で添加していることを他の特徴としている。
通常、浸炭部品はC量を少なくして靭延性を確保し、そして浸炭によって表面を硬くし、そのことによって全体の靭延性を確保しつつ歯面を硬くして使用する。
しかしながら本発明では浸炭による表層Cの高濃度化だけでなく、母材内部についてもC濃度を高くし、そのことによって母材自体の硬度も硬くして歯元強度を高めるようにしている、

前述したように歯車類の歯に対して極めて大きなトルクが作用するような使用環境下では、歯が折れないまでも曲がり変形を生じることがあり、而してそのような曲り変形を生じると歯と歯の当りが変わってしまって、そのことで歯にかかる面圧が高くなり、遂には歯の折損に繋がる問題を生ずる。

そこで本発明では、従来と異なって母材のC量を多くし、母材の硬さを上げることによって、歯の変形を防止するようになしている。
但し全体のC量を多くして母材自体即ち歯元の硬さを硬くすると衝撃強度が低下してしまう。
そこで本発明ではC量を多くするのと併せてNi，Moを上記式(２)に規定する量で添加し、衝撃強度の低下を防いでいる。
ここでNiとMoとはCの添加量の増大による衝撃強度の低下を防ぐのに添加され、また衝撃強度低下に対する抑制効果としてNi，Mo共に同等の影響度を有することから、本発明ではC添加量に対するNi+Moの添加量の比率で規定している。

本発明では、必要に応じてNb：0.005〜0.20％を選択元素として更に含有させることができ（請求項２）、更に請求項１，２に対してTi：0.005〜0.05％及び／又はB：0.0005〜0.0030％を選択元素として更に含有させておくことができる（請求項３）。

次に本発明における各化学成分の添加及び限定理由を以下に詳述する。
C：0.25〜0.60％
鋼の強度を保持するのに必須の元素であり、過大なトルクや衝撃荷重に耐えるための内部の硬さを確保するためにはC量の下限を0.25％とする。しかし、その含有量が多すぎると靭性が低下するため0.60％を上限とする。

Si：0.80〜3.00％
軟化抵抗性を向上させるのに有効な元素であり、本発明ではSi量の下限を0.80％とする。より好ましくは1.30％以上とする。しかし、その含有量が3.00％を超えると効果が飽和するため、3.00％を上限とする。

Mn：0.20〜0.50％
Mnは焼入性を向上させるのに有効な元素である。その効果を得るためMn量としては0.20％以上必要である。しかし、過度の含有は素材硬さの増加により機械加工性を低下させてしまうので上限を0.50％とする。

P：≦0.010％
S：≦0.005％
P，Sは不可避的に混入する不純物元素である。粒界に偏析し粒界強度を弱め、靭性を低下させるためP，Sの含有量は低い方が望ましい。そこでPの含有量は0.010％以下、Sの含有量は0.005％以下とする。

Ni：1.50〜4.50％
Niは衝撃強度を向上させる。但し1.50％以上でないと過大な入力トルクに対して十分な衝撃強度が得られないため、1.50％以上とする。好ましくは1.80％以上とする。一方4.50％を超えて含有させてもその効果は飽和し、経済性を損なうので4.50％を上限とする。

Cr：1.00〜2.50％
Crは軟化抵抗性を向上させるのに有効な元素である。軟化抵抗性の向上効果を十分に得るためには1.00％以上が必要である。好ましくは1.30％以上とする。しかし、その含有量が2.50％を超えて多量になると素材硬さの増加をもたらし、機械加工性を低下させるため2.50％を上限とする。

Mo：0.50〜2.00％
Moは軟化抵抗性を向上させるのに有効な元素である。軟化抵抗性の向上効果を十分に得るためには0.50％以上が必要である。好ましくは0.70％とする。しかし、その含有量が2.00％を超えて多量になると衝撃強度が劣化するため2.00％以下とする。

Al：≦0.015％
Alは硬質のアルミナ系介在物を生成し、疲労特性を低下させる大きな原因になるので、本発明ではAl含有量を0.015％以下に規制する。

2.4Si+1Cr+3.2Mo≧6
本発明者は、Si，Cr，Moを適量添加した鋼において、軟化抵抗性に着目し、鋭意研究を重ねた結果、Si，Cr，Moの影響度は２．４：１：３．２の比率であることと、（2.4Si+1Cr+3.2Mo）が６よりも少ないと添加の効果が十分に得られないことを見出した。
5≦(Ni＋Mo)/C≦20
(Ni＋Mo)/Cを5以上と限定しているのは、これよりも少ないと添加の効果が十分に得られないからであり、逆に20を超えて添加したとき、C添加量に対してNi，Moが過剰となり、Ni，Moの衝撃値低下に対する抑制効果が飽和してしまうことによる。

Nb：0.005〜0.20％
Nbは結晶粒微細化の効果を有する元素である。その効果が得られる0.005％以上であるためこれを下限とする。一方Nbの含有量が0.20％を超えて過剰になると衝撃特性が悪化するため、その含有量は0.20％を上限とする。

B：0.0005〜0.0030％
Bは結晶粒の粒界強化のために含有させる元素である。Bの含有量は粒界強化の効果が得られる0.0005％以上とする。一方0.0030％を超えて過剰に添加してもその効果は飽和するため、Bの含有量は0.0030％以下とする。
Bの粒界強化の効果は、Bを鋼中に固溶させたときに得られるが、BはNと化合物になりやすい性質があるために好ましくは他の成分、本発明ではTiと複合添加してBを鋼中に固溶させる。

Ti：0.005〜0.05％
Tiは結晶粒微細化の効果を有する元素であり、またBの粒界強化を発現させる元素である。Tiを含有させない場合、BはNと親和力が強いためBNを形成し、Bの粒界強化の効果が十分に得られない。Tiを添加した場合、TiがNと結合することによりBNの形成を抑止してBを固溶させることができ、Bによる粒界強化の効果を発揮させることができる。Tiの含有量はこれらの効果を得るために0.005％以上とする。一方でTiを過剰に含有させると粗大な析出物が形成され、疲労特性に悪影響を及ぼすので、その含有量は0.05％以下とする。

次に本発明の実施例を以下に詳しく説明する。
表１に示す化学組成の鋼を１５０ｋｇ高周波真空誘導炉にて溶解し鋳造した。１２５０℃で２時間均熱した後にφ８０ｍｍの丸棒に鍛造し、続いて９２０℃×２ｈ，空冷の条件で焼きならしを行って、その後歯車試験片に加工した。
尚、歯車試験片の形状としては以下の通りとした。
I 歯元強度試験片
歯形：並歯
モジュール：２．５
歯数：２８
歯幅：１０ｍｍ
圧力角：２０°
II 歯面強度試験片
歯形：並歯
モジュール：３．４
歯数：１４
歯幅：１０ｍｍ
圧力角：２５°

その後試験片を以下の条件で浸炭焼入れ処理した。
試験片を９３０℃でカーボンポテンシャル１．１％（カーボンポテンシャルは浸炭ガスと平衡する被処理物の表面炭素濃度を示す。）に調整した雰囲気中で１００〜２００分かけて浸炭を行い、その後９３０℃でカーボンポテンシャル０．８％に調整した雰囲気中で１００〜３００分保持した。その後引き続き８４０℃に下げた炉内に１５分保持した後８０℃の油中に投入して焼入れを行なった。
この浸炭焼入れ処理では、全硬化深さが表１中の実施例及び比較例のそれぞれにおいて１〜１．２ｍｍとなるように浸炭及び拡散の時間を調整した。
尚、比較例２については、９３０℃に温度調整した炉内に３６０分保持し、次いで８４０℃に加熱した炉内で１５分保持させたのち、８０℃の油中に投入した。

この浸炭焼入れ処理の後にサブゼロ処理を行った。
ここでサブゼロ処理は、恒温槽に−７８℃のドライアイスのガスを充満させ、そして常に−７５℃以下となるように保ちながら、試験片を恒温槽内で８時間保持することにより行った。
続いて１８０℃×２ｈ，空冷の条件で焼戻しを実施し、その後に仕上げ加工を行った。

以上のようにして得られたものについて歯車衝撃試験及び歯面強度試験を以下の条件で実施し、評価を行った。結果が表２に示してある。
I．歯元強度試験
図１に示す歯車衝撃試験機１０に、固定歯車１２と回転歯車１４とを１組として装着し、ハンマー１６の振上角度を１０°としてインパクトアーム１８に衝撃荷重を与え、一対の歯に対して衝撃トルクを繰り返し加えた。歯元が折損するまでこれを行って、その繰返しの回数を求め、歯元の衝撃強度を評価した。
尚、表２中の数値は各例について３対試験を行って、その平均をとって示してある。
尚、歯車衝撃試験機１０の構成及び条件は次の通りである。
ハンマー１６の支点から打撃点までの距離：１．２ｍ
インパクトアーム１８の回転支点から打撃点までの距離：０．１４ｍ
ハンマー１６の重量：１３８ｋｇ
最大荷重：３９．２ｋＮ
また歯車の形状は以下の通りとした。
歯形：並歯
モジュール：２．５
歯数：２８
歯幅：１０ｍｍ
圧力角：２０°
II．歯面強度試験
トルク循環式歯車疲労試験機を用いて、一定のトルクを付与したまま歯車対を回転させ、歯面にピッティングが発生する寿命を求めた。
歯車の回転速度は２０００ｒｐｍとし、１０^６回でピッティングが発生しない最大トルクを求めた。尚使用した潤滑油は自動車用潤滑油であり、油温度は９０℃に調整して使用した。
歯車の形状は以下の通りである。
歯形：並歯
モジュール：３．４
歯数：１４
歯幅：１０ｍｍ
圧力角：２５°
尚、表２中の残留γ，表層C，表層硬さ，内部硬さの各数値は、具体的には以下のようにして求めた。
残留γ量
歯元強度試験終了後の試験片から試験に未使用の歯を切断し、ピッチ点辺りを測定個所とし、表面下０．０５ｍｍ内部での残量γ量を測定した。測定面の研磨には電解研磨を用い、測定にはＸ線回析装置を使用した。
表層C濃度
歯元強度試験終了後の試験片から試験に未使用の歯を切断し、さらに歯幅方向に半分に切断して埋め込み、研磨を実施して測定用の試験片を作成した。表層C濃度の測定にはＥＰＭＡを用い、歯底Ｒに対し法線方向に表層から２ｍｍの距離を線分析し、表層C濃度を求めた。
表層硬さ及び内部硬さ
歯元強度試験終了後の試験片から試験に未使用の歯を切断し、さらに歯幅方向に半分に切断して埋め込み、研磨を実施して測定用の試験片を作成した。測定にはビッカース硬さ試験機を用い、ＪＩＳ：Ｚ２２４４に規定された試験方法により測定した。尚、試験片荷重は０．２９４Ｎとした。測定個所は歯元部で表層から０．０５ｍｍ内部の硬さの４点平均を表層硬さとした。
内部硬さについては、歯底Ｒ部に対し法線方向表層より２ｍｍ内側の位置を測定した。

表２の結果に表われているように、組成的には本発明の条件を満たしているものの、サブゼロ処理が施されていないことによって残留γ量が本発明の上限値よりも過大な比較例１については、表層硬さが低く、歯面強度が弱いものとなっている。
また浸炭されていない比較例２では表層硬さが低く、歯面強度が弱いものとなっている。

C含有量が本発明の下限を外れて低い比較例３では内部硬さが低く、歯元強度の弱いものとなっている。
またSi含有量が本発明の下限を外れて低い比較例４では歯面強度が弱く、Niが本発明の下限を外れて低い比較例５では歯元強度が弱いものとなっている。
更にCrが本発明の下限を外れて低い比較例６では歯面強度が弱く、またMoが本発明の下限を外れて低い比較例７では歯面強度，歯元強度が弱く、Si，Cr，Moの全体の量が本発明の下限を外れて低い比較例８では、同じく歯面強度が弱いものとなっている。

一方、(Ni+Mo)/Cの値が本発明の下限を外れて低い比較例９では、歯元強度が弱いものとなっており、更にSi，Cr，Moの全体の量、及びNiとMoの全体の量がそれぞれ本発明の下限を外れて低い比較例１０では、歯面強度，歯元強度ともに弱いものとなっている。
これに対して本発明例のものは何れも良好な特性を示している。

以上本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一例示である。
例えば浸炭焼入れについての上記の例はあくまで一例であって、これら処理は他の様々な態様で行うことができる。
例えば予め焼入れを行ってから浸炭焼入れを行ったり、２次焼入れを行うこと等も可能であり、更にサブゼロ処理についても上例以外の他の様々な方法にて行うことが可能である等、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた形態で実施可能である。

本発明の実施例において行った歯車衝撃試験の試験方法の説明図である。

Claims (3)

1. 質量％で
   C：0.25〜0.60％
   Si：0.80〜3.00％
   Mn：0.20〜0.50％
   P：≦0.010％
   S：≦0.005％
   Ni：1.50〜4.50％
   Cr：1.00〜2.50％
   Mo：0.50〜2.00％
   Al：≦0.015％
   残部Fe及び不可避的不純物からなる組成で下記式(１)，式(２)を満たし、且つ浸炭後の残留オーステナイト量が１５体積％以下であることを特徴とする疲労強度に優れた浸炭部品。
   2.4Si+1Cr+3.2Mo≧6・・式(１)
   5≦(Ni＋Mo)/C≦20 ・・式(２)
   （但し式中の元素記号は対応する元素の含有質量％を表す）
2. 請求項１において、質量％で
   Nb：0.005〜0.20％
   を更に含有していることを特徴とする疲労強度に優れた浸炭部品。
3. 請求項１，２の何れかにおいて、質量％で
   Ti：0.005〜0.05％、及び／又はB：0.0005〜0.0030％
   を更に含有していることを特徴とする疲労強度に優れた浸炭部品。

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