JP5335523B2 - 耐曲げ疲労性および耐剥離性に優れた歯車用軸鋼並びに歯車用軸 - Google Patents

Description

本発明は、歯車のピニオンシャフト等に使用される歯車用軸鋼および歯車用軸に関するものであり、特にピニオンシャフト等の歯車用軸として使用されたときに優れた耐曲げ疲労性および耐剥離性を発揮することのできる歯車用軸鋼等に関するものである。

自動車用変速機や差動装置をはじめとする各種歯車伝達装置へ利用される歯車は、環境保全の観点から、小型・軽量化を可能とする高強度化が望まれている。またそれに伴って、歯車に使用されるピニオンシャフト等の軸部材（歯車用軸）においても小型化が要望されている。

一方で、モータを電力源とした電気自動車では、トルク向上という観点から、モータの回転数をより高速化する必要があり、この高速化に対応できる歯車や歯車用挿入軸の開発が望まれている。

ピニオンシャフト等の軸部材（歯車用軸）として、小型化に対応するために要求される特性は、耐曲げ疲労特性があり、特に低サイクルで生じる曲げ疲労特性が必要となる。この特性が低下する要因としては、小型化に伴う軸断面積の減少から生じる軸断面平均硬さの低下が考えられ、小型化に伴って負荷が増大するために、高負荷が繰り返された場合には、疲労破壊が生じて破損に繋がることになる。また、摺動によって生じる発熱が鋼材を軟化させるので、軸断面平均硬さが低下し、疲労破壊が生じて破損に繋がる。

特に、デファレンシャルギアに使用されるピニオンシャフトでは、歯車と組み合わせた状態で、棒状部材（軸部材）を挿入して使用され、衝撃的な負荷が掛かるものであり、極めて優れた耐曲げ疲労特性が要求されることになる。

一方、高速化に対応するために要求される特性としては、耐剥離性がある。この特性が低下する要因としては、高速化に伴う部材摺動部の発熱量が増加（油膜切れに伴う潤滑不良による摩擦熱上昇等）することが考えられる。発熱によって摺動部が軟化すれば、軟化箇所から微小な剥離が生じるため、剥離箇所を起点にピッチング疲労破壊が進み、最終的に破損に繋がることになる。また、微小な剥離箇所は応力集中を招き、更には発熱による軟化も生じていることから、疲労亀裂の発生を助長させ、上記の曲げ疲労特性が劣化し、破損を速めることになる。

また、歯車への軸挿入、軸圧入、負荷や潤滑剤中不純物の影響によって、軸部材表面に圧痕がつけば、耐曲げ疲労特性および耐剥離性の両方を低下させることになる。従って、ピニオンシャフト等の軸部材として、小型化に対応するために要求される特性としては、摺動に伴い発熱したとしても軸断面平均硬さが高いことが必要であることは勿論のこと、圧痕に対する抵抗性（耐圧痕性）をも向上させる必要がある。

これまで、一般的なピニオンシャフトに適用される鋼材としては、ＳＣＭ４２０ＨやＳＣｒ４２０Ｈに代表される様に、焼入れ性を保証した肌焼鋼が適用されている。しかしながら、これらの鋼材では、近年の高強度化に対応できるような特性を発揮するピニオンシャフトは実現できていないのが実情である。

これまでにもピニオンシャフト等の軸部材の高寿命化を図る技術も様々提案されている。こうした技術として、例えば特許文献１では、高Ｃｒ化（Ｃｒ含有量１９．５〜２５％）した調質鋼を用いて高寿命化（特に、耐摩耗性向上）を図ることについて開示されている。しかしながら、このような鋼材では、鋼材コストが高くなることに加え、加工性の劣化を招くため、高い性能を有しているとしても、製造性、汎用性に優れているとはいえない。

また特許文献２には、ガス軟窒化の適用によって、こう軸部材の高寿命を図る技術が提案されている。しかしながら、ガス軟窒化を適用するには、そのための専門設備が必要になることに加え、アンモニアを使用するので、作業環境が悪化するという別の問題がある。また、ガス軟窒化を施せば、内部硬さの低下を招くことは明らかであり、近年の軸部材に要求される特性を満足するような軸部材が得られない。

一方、特許文献３には、非調質鋼材を用い、これに高周波焼入れを行なうことによって、コストダウンを図りつつ、軸部材の高寿命化を達成する技術が開示されている。しかしながら、高周波焼入れを適用した場合には、急速加熱・冷却効果に加えて残留応力の追加効果が加わり、最大硬さがビッカース硬さＨｖで７５０程度となり、発熱を伴うような環境下で使用される場合には、残留応力の解放が進み、小型化・高速化に対応できるような耐摩耗性を発揮できない状況である。

ところで、製造コストの面を考慮すると、焼入れ・焼戻し処理を行なうだけで、上記のような要求特性を満足するピニオンシャフト部材が実現できるような鋼材の実現が望ましい。或は、必要によって、浸炭焼入れ・焼戻し処理程度までに止めることが好ましい。従って、ピニオンシャフト部材に適用される鋼材の設計に当たっては、このようなコスト面をも調整する必要がある。

特開昭６４−７９３４８号公報 特開昭５９−１４０３２８号公報 特開２００４−２７２９２号公報

本発明は前記のような事情に着目してなされたものであって、その目的は、焼入れ・焼戻し処理または浸炭焼入れ・焼戻し処理を行なうだけであっても、優れた耐曲げ疲労特性、耐摩耗性および圧痕性を発揮することができ、ピニオンシャフト部材等の軸部材の素材として最適な鋼材（本発明では、このような鋼材を便宜上「歯車用軸鋼」と呼んでいる）、並びに歯車用軸を提供することにある。

上記目的を達成することのできた本発明の歯車用軸鋼とは、Ｃ：０．５０〜０．７０％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：１．２〜２．５％、Ｍｎ：０．４〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：０．５〜２％、Ａｌ：０．０８％以下（０％を含まない）、Ｎ：０．０３％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなるものである点に要旨を有するものである。

本発明の歯車用軸鋼においては、必要により更に、（ａ）Ｎｉ：０．３％以下（０％を含まない）および／またはＶ：０．３％以下（０％を含まない）、（ｂ）Ｃａ：０．００３０％以下（０％を含まない）、（ｃ）Ｂｉ：０．０２％以下（０％を含まない）、（ｄ）Ｂ：０．００３０％以下（０％を含まない）等を含有することも有用であり、含有される元素の種類に応じて、軸鋼の特性が更に改善される。

一方、本発明の歯車用軸は、上記のような化学成分を有し、熱処理後の残留オーステナイト（残留γ）量が２０体積％以下である点に要旨を有するものである。

本発明によれば、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ等の高価な合金元素を多量に使用することなく適切な量とし、且つ通常の合金元素（Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｃｒ，Ａｌ等）を厳密に規定するだけで、焼入れ・焼戻し処理または浸炭焼入れ・焼戻し処理を行なうだけであっても、優れた耐曲げ疲労特性、耐摩耗性および耐圧痕性を発揮することができる歯車用軸、およびそのための歯車用軸鋼を得ることができた。

熱処理パターンを示す説明図である。 ４点曲げ疲労強度試験片の形状を示す概略説明図である。 剥離寿命試験片の形状を示す概略説明図である。

本発明者らは、製造コストの低減をも考慮しつつ、小型化・高速化に対応できる軸鋼を実現するべく、様々な角度から検討した。その結果、小型化・高速化に伴う寿命低下に対しては、摺動に伴う発熱が３００℃付近になることから、３００℃で熱処理（焼戻し）した鋼材表面から２ｍｍまでの断面平均硬さを向上させることが、有効であることが判明した。また、残留γ量が多過ぎると、圧痕が生じやすくなり、圧痕を起点とした破損に至るので、鋼材の表層領域における断面平均残留γ量を２０体積％以下にすることが有効であることも分かった。

また、上記の特性を満足させるためには、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ等の高価な合金元素を多量に使用することなく適切な量とし、且つ通常の合金元素（Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｃｒ，Ａｌ等）を厳密に規定するだけで、焼入れ・焼戻し処理または浸炭焼入れ・焼戻し処理を行なうだけ良いことを見出し、本発明を完成した。

本発明の軸鋼では、その化学成分組成を厳密に規定することが重要であるが、本発明で規定する化学成分組成の範囲限定理由は次の通りである。

［Ｃ：０．５０〜０．７０％］
Ｃは、軸鋼に必要な硬さを確保する上で重要な元素である。Ｃ含有量が０．５０％未満となると、３００℃断面平均硬さが不足し、曲げ疲労強度および剥離強度が低下する。しかしながら、Ｃ含有量が過剰になると、硬さが上昇しすぎて被削性が低下したり、或は耐圧痕性を劣化させる残留γ量が増加するので、０．７０％以下とする必要がある。尚、Ｃ含有量の好ましい下限は０．５５％（より好ましくは０．５８％）であり、好ましい上限は０．６５％（より好ましくは０．６２％）である。

［Ｓｉ：１．２〜２．５％］
Ｓｉは、３００℃における耐軟化性確保のために必要な元素であり、こうした効果を有効に発揮させるためには、Ｓｉ含有量は１．２％以上とする必要があり、好ましくは１．３％以上（更に好ましくは１．５％以上）とするのが良い。しかしながら、Ｓｉ含有量が過剰になると、被削性が低下するので、２．５％以下とする必要がある。尚、Ｓｉ含有量の好ましい上限は２．２％（より好ましくは２．１％）である。

［Ｍｎ：０．４〜１．０％］
Ｍｎは、焼入性を向上させて鋼材の硬さを向上させる上で重要な元素である。Ｍｎ含有量が０．４％未満となると、３００℃断面平均硬さが不足し、曲げ疲労強度および剥離寿命が低下する。一方、Ｍｎ含有量が過剰になると、Ｍｎはマルテンサイト変態開始点（Ｍｓ点）低下元素でもあるため、耐圧痕性を劣化させる残留γ量が増加するので、１．０％以下とする必要がある。尚、Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．５％（より好ましくは０．６％）であり、好ましい上限は０．９％（より好ましくは０．７％）である。

［Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）］
Ｐは、鋼材中に不可避的に含まれる元素（不純物）であり、結晶粒界に偏析して部品の衝撃特性を低下させる元素であるため、できるだけ低減することが好ましい。こうした観点から、Ｐ含有量は０．０２％以下とする必要がある。Ｐ含有量は好ましくは、０．０１８％以下であり、より好ましくは０．０１５％以下であり、更に好ましくは０．０１０％以下とするのがよい。Ｐは、その量を０％とすることは工業的に困難である。

［Ｓ：０．０３％以下（０％を含まない）］
Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎＳ介在物を形成し、疲労強度、衝撃強度を低下させるので、できるだけ低減することが好ましい。しかしながら、Ｓは被削性を向上させる元素でもあるので、その含有量は適宜調整する必要がある。通常の機械構造用鋼では、疲労強度、衝撃特性を確保するという観点から、０．０３％以下とする必要がある。尚、Ｓ含有量は、好ましくは０．０２０％以下であり、より好ましくは０．０１５％以下とするのがよい。但し、Ｓは、鋼に不可避的に含まれる不純物であり、その量を０％とすることは工業的に困難である。

［Ｃｒ：０．５〜２％］
Ｃｒは、鋼材の焼入性を高め、鋼材の硬さを向上させるために有効な元素である。Ｃｒ含有量が０．５％未満となると、３００℃断面平均硬さが不足し、曲げ疲労強度および剥離寿命が低下する。一方、Ｃｒ含有量が過剰になると、ＣｒはＭｓ点低下元素でもあるため、耐圧痕性を劣化させる残留γ量が増加するので、２％以下とする必要がある。尚、Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．６％（より好ましくは０．８％）であり、好ましい上限は１．８％（より好ましくは１．１％）である。

［Ａｌ：０．０８％以下（０％を含まない）］
Ａｌは、脱酸剤として作用し、酸化物系介在物を低減して鋼材の内部品質を高めるのに有効な元素であるため、適量含有させることが好ましい。しかしながら、Ａｌ含有量が過剰になると、鋼材中の粗大な硬い非金属介在物（Ａｌ₂Ｏ₃）が生成し、疲労特性を低下させるので０．０８％以下とする必要がある。尚、Ａｌ含有量は、好ましくは０．０７０％以下であり、より好ましくは０．０５０％以下とするのがよい。

［Ｎ：０．０３％以下（０％を含まない）］
Ｎは、鋼材に不可避的に含まれる元素（不純物）であり、Ｎ量が多くなると粗大なＴｉＮ介在物が生成して切削性や転動疲労強度を低下させると共に、鋼材の硬さ、変形抵抗を増大させ鍛造性を低下させるので、できるだけ低減することが好ましい。こうした観点から、Ｎ含有量は０．０３％以下とする必要がある。Ｎ含有量は好ましくは、０．０２０％以下であり、より好ましくは０．０１５％以下とするのがよい。

本発明の軸鋼の基本成分組成は上記の通りであり、残部は実質的に鉄である。但し原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避的不純物（例えば、Ｃｕ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｓｂ等）が鋼中に含まれることは許容される（夫々０．０１％以下程度）。また本発明の軸鋼には、必要に応じて、以下の選択元素を含有していても良い。含有される元素の種類に応じて、鋼材の特性が更に改善される。

［Ｎｉ：０．３％以下（０％を含まない）および／またはＶ：０．３％以下（０％を含まない）］
ＮｉとＶは、焼入性を向上させ、焼入性を向上させて鋼材の硬さを向上させる上で重要な元素である。しかしながら、いずれもその含有量が０．３％を超えると、Ｍｓ点低下元素でもあることによって、残留γ量が増加し、曲げ疲労強度および剥離寿命が低下することになる。尚、より好ましい上限はいずれも０．２５％（更に好ましくは０．１５％）である。

［Ｃａ：０．００３０％以下（０％を含まない）］
ＣａはＯと反応してＣａＯとなり、切削時に工具表面にベラーグを形成することができるため、工具寿命が向上する元素である。こうした効果はその含有量が増加するにつれて増大するが、０．００３０％を超えて過剰に含有されると、多量のＣａＯが生成し、曲げ疲労強度を低下させることになる。Ｃａ含有量のより好ましい上限は０．００２５％である。

［Ｂｉ：０．０２％以下（０％を含まない）］
Ｂｉは鉛（Ｐｂ）と同様の挙動を示し、液体金属脆化することから切削性を向上させるのに有効である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、Ｂｉの含有量が過剰になると、圧延時間に割れや疵等の不良を招くので、０．０２％以下とすることが好ましい。Ｂｉ含有量のより好ましい上限は、０．０１５％である。

［Ｂ：０．００３０％以下（０％を含まない）］
Ｂは微量で鋼材の焼入性を大幅に向上させる効果があることに加え、結晶粒界を強化し衝撃強度を高める作用があるため、必要によって含有させる。しかしながら、Ｂを過剰に含有させてもその効果が飽和するばかりか、コストアップを招くので、０．００３０％以下とすることが好ましい。より好ましい上限は、０．００２０％である。また、Ｂの添加効果を有効に発揮させるためには、０．０００５％以上（より好ましくは０．００１０％以上）含有させることが好ましい。

本発明の軸鋼では、上記のような化学成分組成を厳密に規定することによって、焼入れ・焼戻し処理または浸炭焼入れ・焼戻し処理等の熱処理を行なうだけで、ピニオンシャフト等の軸部材（歯車用軸）として要求される耐曲げ疲労特性、耐摩耗性および圧痕性を優れたものとすることができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記・下記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

下記表１、２に示す化学成分組成の鋼塊を溶解炉にて作製し、直径：３２ｍｍφの丸棒材、および横断面が１７ｍｍ×１７ｍｍの角材に熱間鍛造し、所定の形状に加工した後、図１に示す熱処理条件で、焼入れ・焼戻し、または浸炭焼入れ・焼戻しを実施した［図１（ａ）は焼入れ・焼戻し条件、図１（ｂ）は浸炭焼入れ・焼戻し（浸炭処理）条件を示す］。浸炭処理時の雰囲気（浸炭雰囲気）は、表層の断面平均残留γ量が２０％以下となる浸炭濃度に調節した。熱処理後、仕上げ加工を行い、各試験片形状に加工した。

得られた各試験片について、下記の方法によって、３００℃断面平均硬さを測定すると共に、下記の各方法によって４点曲げ疲労強度、剥離寿命を測定した。また、断面平均残留γ量については、焼戻しをしない段階（焼入れままの状態）で、下記の方法にて測定した。

［３００℃断面平均硬さの測定］
試験片の一部を採出し、３００℃断面平均硬さは、３００℃で３時間焼戻しした後、表面から深さ５０μｍの位置から深さ２ｍｍの位置までの範囲を、５０μｍピッチ間隔（４０箇所）で荷重２．９４Ｎで硬さ測定を行い、得られた硬さ総和を４０（測定箇所数）で除した値を採用した。

［断面平均残留γ量の測定］
試験片の一部を採出し、３００℃で３時間焼戻しした後、表面から深さ２００μｍの位置までの範囲を、５０μｍピッチ間隔（５箇所）で、微小部Ｘ線測定装置（リガク社製）を用いて測定し、得られた残留γ量の総和を５（測定箇所数）で除した値を採用した。

［４点曲げ疲労強度試験］
４点曲げ疲労強度は、油圧サーボ試験機（２００ｋＮ仕様：島津製作所製）を用い、４点支持になる治具を用いて、５〜２０Ｈｚの振幅で、Ｓ−Ｎ線図（応力Ｓ−繰返数Ｎ線図）を作成し、このＳ−Ｎ線図に基づいて１００サイクル時の応力Ｓを求め、その値を４点曲げ疲労強度とした。また、一般的な肌焼鋼であるＳＣｒ４２０Ｈの浸炭品の硬さを１（１００％）としたときの強度比も示した。尚、４点曲げ疲労強度試験で用いた試験片の形状を図２（概略説明図）に示す。

［剥離寿命試験］
剥離寿命の評価は、２円筒試験機（「ＲＰ２０１型」コマツエンジニアリング製）を用いて、試験面圧：２．５ＧＰａ、回転速度：１５００ｒｐｍ、相対すべり率：６０％、試験油温度：９０℃の条件で行い、剥離が発生した時点を寿命とした。また、一般的な肌焼鋼であるＳＣｒ４２０Ｈの浸炭品の寿命を１（１００％）としたときの寿命比も示した。剥離寿命試験で用いた試験片の形状を図３（概略説明図）に示す。

３００℃断面平均硬さ（３００℃焼戻し断面平均硬さ）および断面平均残留γ量の測定結果を、熱処理（焼入れ・焼戻し、若しくは浸炭焼入れ・焼戻し）の有無と共に、下記表３、４に示す。また、４点曲げ疲労強度試験結果（４点曲げ疲労強度、４点曲げ疲労強度比）および剥離寿命試験結果（剥離寿命、剥離寿命比）を、下記表５、６に示す。

これらの結果から次のように考察できる。まず本発明の要件を満たす試験Ｎｏ．１〜２３のものは、４点曲げ疲労強度比と剥離寿命比のいずれも優れていることが分かる。特にこれらは、従来のＳＣｒ４２０Ｈ鋼を用いた場合に比べて、４点曲げ疲労強度試験で１２０％以上、剥離寿命試験で３４６％以上の特性向上が認められることが分かる。

これに対して試験Ｎｏ．２４〜３５のものでは、本発明で規定する要件を満足しないものであり、４点曲げ疲労強度および剥離寿命の少なくともいずれかの特性が劣化したものとなっている。

具体的には、試験Ｎｏ．２４のものでは、Ｃ含有量が少なくなっており、鋼材自体の焼入れ性が不足した結果、３００℃焼戻し平均断面硬さが低下し、４点曲げ疲労強度比と剥離寿命比ともに、優れた性能を示していない。

試験Ｎｏ．２５のものでは、Ｃ含有量が過剰になっており、残留γ量が多量に生成し、優れた３００℃焼戻し平均断面硬さを有するものの、過剰な残留γ量によって耐圧痕性が劣化し、４点曲げ疲労強度比と剥離寿命比ともに、優れた性能を示していない。

試験Ｎｏ．２６〜２８のものでは、Ｓｉ含有量が少なくなっており、優れた耐軟化抵抗性が得られず、優れた３００℃焼戻し平均断面硬さを有していないため、４点曲げ疲労強度比と剥離寿命比ともに、優れた性能を示していない。

試験Ｎｏ．２９〜３１のものでは、Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ等のＭｓ点低下元素が過剰になっており、残留γ量が多量に生成し、優れた３００℃焼戻し平均断面硬さを有するものの、過剰な残留γ量によって耐圧痕性が劣化し、４点曲げ疲労強度比と剥離寿命比ともに、優れた性能を示していない。

試験Ｎｏ．３２，３３のものでは、優れた耐軟化抵抗性を確保するため、Ｓｉを本発明で規定する量を含有させ、浸炭処理を施したが、浸炭処理では内部硬さの確保が困難であるため、その結果として、３００℃焼戻し平均断面硬さが確保できず、優れた４点曲げ疲労強度比を得ることができない。一方、剥離寿命比は表層での軟化抵抗が特に重要となり、断面平均残留γ量が適正な値であることから、優れた剥離寿命を示した。

試験Ｎｏ．３４，３５のものは、ＪＩＳ鋼で一般的に使用されているＳＣｒ４２０Ｈ、ＳＣＭ４２０Ｈを夫々用いたものであるが、３００℃焼戻し平均断面硬さが不十分であるため、４点曲げ疲労強度比と剥離寿命比ともに優れた性能を示していない。

Claims (6)

1. Ｃ：０．５０〜０．７０％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：１．２〜２．５％、Ｍｎ：０．４〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：０．５〜２％、Ａｌ：０．０８％以下（０％を含まない）、Ｎ：０．０３％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなるものであることを特徴とする耐曲げ疲労性および耐剥離性に優れた歯車用軸鋼。
2. 更に、Ｎｉ：０．３％以下（０％を含まない）および／またはＶ：０．３％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１に記載の歯車用軸鋼。
3. 更に、Ｃａ：０．００３０％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１または２に記載の歯車用軸鋼。
4. 更に、Ｂｉ：０．０２％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜３のいずれかに記載の歯車用軸鋼。
5. 更に、Ｂ：０．００３０％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜４のいずれかに記載の歯車用軸鋼。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の化学成分組成を有し、熱処理後の表層領域における残留オーステナイト量が２０体積％以下であることを特徴とする歯車用軸。

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