JP5405325B2 - Differential gear and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、差動歯車およびその製造方法に関する。詳しくは、いわゆる「低〜中サイクル域」における曲げ疲労強度、すなわち、「塑性変形を与えるように繰返しの衝撃的な負荷をかけた場合に、103〜104サイクル程度以下の繰返し数で曲げ疲労破壊が発生する強度」が、従来の浸炭焼入れ処理された差動歯車よりも高い差動歯車およびその製造方法に関する。さらに詳しくは、熱間鍛造および調質処理時の脱炭を防止し、かつ調質処理後、輪郭高周波焼入れを施す2段焼入れ工程を行うことで、従来よりも「低〜中サイクル域」での曲げ疲労強度を向上させることが可能な高周波焼入れ差動歯車およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a differential gear and a manufacturing method thereof. Specifically, the bending fatigue strength in the so-called “low to medium cycle range”, that is, “bending at a repetition rate of about 10 3 to 10 4 cycles or less when repeated impact load is applied so as to give plastic deformation”. The present invention relates to a differential gear having a higher strength at which fatigue fracture occurs than a conventional carburized and quenched differential gear and a method for manufacturing the same. More specifically, by performing a two-stage quenching process in which decarburization during hot forging and tempering treatment is performed, and after the tempering treatment, contour induction induction quenching is performed, in a “low to medium cycle range” than before. The present invention relates to an induction-quenched differential gear capable of improving the bending fatigue strength of the steel and a manufacturing method thereof.

自動車の駆動部品である差動歯車は、JISに規格化されているSCr420、SCM420などの機械構造用合金鋼(鋼材)を素材とし、熱間鍛造により所定形状に成形した後、歯元部での曲げ疲労強度を確保するために、表面硬化処理を施して製造されており、上記の差動歯車に対する表面硬化処理としては、一般に、非特許文献1に示されるような「浸炭焼入れ処理」が用いられてきた。   The differential gears, which are the driving parts of automobiles, are made of alloy steels (steel materials) for mechanical structures such as SCr420 and SCM420, which are standardized in JIS, and are formed into a predetermined shape by hot forging. In order to ensure the bending fatigue strength of the steel sheet, it is manufactured by subjecting it to a surface hardening treatment. As the surface hardening treatment for the above-mentioned differential gear, in general, a “carburizing and quenching treatment” as shown in Non-Patent Document 1 is used. Has been used.

一方、近年では、自動車の燃費向上あるいは排ガス低減など、環境への対応という観点から、自動車用部品の軽量化に対する要求がさらに高まり、差動歯車に対して曲げ疲労強度の一層の向上が望まれている。   On the other hand, in recent years, from the viewpoint of responding to the environment, such as improving the fuel efficiency of automobiles and reducing exhaust gas, there has been an increasing demand for weight reduction of automotive parts, and further improvement in bending fatigue strength is desired for differential gears. ing.

しかしながら、差動歯車の歯元部での曲げ疲労強度を確保するために、上述の「浸炭焼入れ処理」、なかでも「ガス浸炭焼入れ処理」を施した場合には、
〔1〕「粒界酸化層」の形成、
〔2〕高炭素マルテンサイト組織に起因した表面の硬化層の脆化、
を回避することが困難であるため、上記の要望に対して十分には応えることができていない。
However, in order to ensure the bending fatigue strength at the tooth root portion of the differential gear, when the above-mentioned “carburizing and quenching treatment”, especially “gas carburizing and quenching treatment” is performed,
[1] Formation of “grain boundary oxide layer”
[2] Embrittlement of the hardened layer on the surface due to the high carbon martensite structure,
Since it is difficult to avoid the above, it is not possible to sufficiently meet the above demand.

そこで、非特許文献1に「浸炭焼入れ処理」を前提とした材料の検討がなされているが、こうした材料の変更のみでは、上述した〔1〕および〔2〕の問題を同時に回避することが困難であり、やはり、衝撃的な負荷が加わる差動歯車の歯元部曲げ疲労強度を向上するには十分とはいえないものであった。   Thus, although Non-Patent Document 1 discusses materials based on the premise of “carburizing and quenching”, it is difficult to avoid the problems [1] and [2] described above only by changing these materials. Again, it cannot be said that it is sufficient to improve the bending fatigue strength of the tooth root portion of the differential gear to which an impact load is applied.

こうした背景から、差動歯車の歯元部にかかる衝撃的な負荷に対する疲労強度、すなわち「低〜中サイクル域」での曲げ疲労強度を向上させるために、上述した「浸炭焼入れ処理」に代わる表面硬化処理方法として「高周波焼入れ処理」を用いた技術が提案されている。   From such a background, in order to improve the fatigue strength against shock load applied to the tooth root portion of the differential gear, that is, the bending fatigue strength in the “low to medium cycle range”, a surface that replaces the above-mentioned “carburizing and quenching treatment”. As a curing method, a technique using “induction hardening” has been proposed.

具体的には、非特許文献2に、中炭素鋼であるS45Cを素材とし、「焼入れ−焼戻し」のいわゆる「調質処理」を行った後でさらに高周波焼入れによる輪郭焼入れを行う「繰り返し焼入れ処理」を施した歯車の曲げ疲労強度が、SCM420を素材として従来の浸炭焼入れ処理を行った歯車の曲げ疲労強度より高くなることが開示されている。   Specifically, in Non-Patent Document 2, “repeated quenching treatment” is performed by using S45C, which is a medium carbon steel, as a raw material, and after performing so-called “tempering treatment” of “quenching-tempering”, further performing contour quenching by induction quenching. It is disclosed that the bending fatigue strength of a gear subjected to "" is higher than the bending fatigue strength of a gear subjected to conventional carburizing and quenching treatment using SCM420 as a raw material.

松島ら:R&D神戸製鋼技報、Vol.50、No.1(2000)、P.57−60Matsushima et al .: R & D Kobe Steel Engineering Reports, Vol. 50, no. 1 (2000), P.I. 57-60 堀川ら:社団法人日本材料学会・学術講演会講演論文集、Vol.46、(1997)、pp.281−282Horikawa et al .: Proceedings of the Japan Society of Materials Science / Academic Lecture, Vol. 46, (1997) pp. 281-282

前述の非特許文献2には、調質処理後に高周波焼入れによる輪郭焼入れを行ったS45Cの歯車が、従来の浸炭焼入れしたSCM420の歯車よりも高い曲げ疲労強度を有することが開示されているが、高周波焼入れは、高周波による誘導加熱処理によって急速かつ短時間加熱を行った後、冷却媒体を用いて焼入れ処理する技術である。したがって、高周波焼入れによる輪郭焼入れを行うと、その加熱速度や鋼成分によっては変態点が変わるため、不完全焼入れ組織が生じる場合のあることが考えられる。なお、マルテンサイト組織よりも軟質な不完全焼入れ組織が存在する場合には、その不完全焼入れ組織が応力集中限となって、疲労破壊が生じることを避けられないことがある。このため、非特許文献2で提案された技術は、必ずしも「低〜中サイクル域」における曲げ疲労強度の向上効果が得られるというものではない。   Non-Patent Document 2 discloses that the S45C gear subjected to contour quenching by induction hardening after the tempering treatment has higher bending fatigue strength than the conventional carburized and quenched SCM420 gear. Induction hardening is a technique in which heating is performed rapidly and for a short time by induction heating using high frequency, and then quenched using a cooling medium. Therefore, when contour quenching by induction quenching is performed, the transformation point changes depending on the heating rate and the steel component, and thus it is considered that an incompletely quenched structure may occur. When an incompletely quenched structure that is softer than the martensite structure exists, it may be unavoidable that the incompletely quenched structure becomes a stress concentration limit and fatigue failure occurs. For this reason, the technique proposed in Non-Patent Document 2 does not necessarily provide an effect of improving the bending fatigue strength in the “low to medium cycle range”.

さらに、前記の非特許文献2には旧オーステナイト結晶粒径の影響が開示されていないので、曲げ疲労強度の向上に対して、旧オーステナイト結晶粒径の微細化がどの程度寄与するのかも不明であった。   Furthermore, since the influence of the prior austenite crystal grain size is not disclosed in the Non-Patent Document 2, it is unclear how much the refinement of the prior austenite crystal grain size contributes to the improvement of bending fatigue strength. there were.

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、「低〜中サイクル域」における曲げ疲労強度を大幅に向上させた差動歯車とその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described present situation, and an object thereof is to provide a differential gear and a method of manufacturing the same that greatly improve the bending fatigue strength in the “low to medium cycle range”.

本発明者らは、「低〜中サイクル域」における差動歯車の曲げ疲労特性を向上させるために、種々の調査・検討を行った。   The present inventors conducted various investigations and studies in order to improve the bending fatigue characteristics of the differential gear in the “low to medium cycle range”.

その結果先ず、機械構造用合金鋼SCM440を素材として調質処理を行い、その後さらに、硬化層の旧オーステナイト結晶粒径が微細になるように高周波焼入れして「繰り返し焼入れ処理」を行い、さらに上記の高周波焼入れを行う場合に、不完全焼入れ組織の生成を抑制することができれば「低〜中サイクル域」における曲げ疲労強度が向上することが確認できた。   As a result, first, tempering treatment was performed using the alloy steel for mechanical structure SCM440 as a raw material, and after that, induction hardening was performed so that the old austenite crystal grain size of the hardened layer became fine, and "repetitive quenching treatment" was performed, and further It was confirmed that the bending fatigue strength in the “low to medium cycle region” was improved if the generation of incompletely quenched structure could be suppressed when induction hardening was performed.

次に本発明者らは、高周波焼入れ性を高めて不完全焼入れ組織の形成を抑制するために、材料面からの検討を行うこととし、鋼の化学成分について種々検討を加えた。   Next, in order to improve the induction hardenability and suppress the formation of an incompletely hardened structure, the present inventors made a study from the viewpoint of materials and made various studies on the chemical composition of steel.

その結果、下記(a)〜(d)の基本成分設計思想が得られた。   As a result, the following basic component design concepts (a) to (d) were obtained.

(a)Siは、含有量の増加に伴ってA3変態点を上昇させる元素であるため、高周波焼入れ性の低下を招く。したがって、Siの含有量は低くするのがよい。 (A) Since Si is an element that raises the A 3 transformation point as the content increases, it causes a reduction in induction hardenability. Therefore, the Si content should be low.

(b)Crは、セメンタイトを安定化する作用がある。このため、通常焼入れの場合には焼入れ性を増加させる元素の一つであるCrも、加熱時間が短い高周波焼入れの場合には、その含有量が高いと、セメンタイトが十分固溶せず、高周波焼入れ性の低下を招くことがある。したがって、Crの含有量も低くするのがよい。   (B) Cr has the effect of stabilizing cementite. For this reason, Cr, which is one of the elements that increase the hardenability in the case of normal quenching, does not sufficiently dissolve cementite when the content is high in the case of induction hardening with a short heating time. It may cause a decrease in hardenability. Therefore, the Cr content should be low.

(c)高周波焼入れした際の不完全焼入れ組織の生成を防止するためには、C、Mn、MoおよびBの含有量を高めてこれらの元素による高周波焼入れ性向上作用を活用するのがよい。   (C) In order to prevent the formation of an incompletely quenched structure when induction-quenched, it is preferable to increase the contents of C, Mn, Mo, and B and utilize the effect of induction hardening by these elements.

(d)Bの焼入れ性向上効果を確保するためにはNを固定するためにTiを含有させるのがよいものの、Tiの含有量が多すぎる場合には、鋼材中のC量が減少してフェライトの割合が多くなるので、鋼材のA3変態点を上昇させ、却って高周波焼入れ性の低下を招く場合がある。このため、Tiの含有量を適正な範囲に調整するのがよい。 (D) In order to secure the hardenability improvement effect of B, it is preferable to contain Ti in order to fix N. However, when the Ti content is too large, the amount of C in the steel material is reduced. Since the ratio of ferrite increases, the A 3 transformation point of the steel material may be raised, and on the contrary, induction hardenability may be reduced. For this reason, it is good to adjust content of Ti to an appropriate range.

そこで本発明者らは、上記の基本成分設計思想のもとに基礎試験を行うために、種々の鋼を溶製して作製した4点曲げ試験片について調質処理を行い、さらに硬化層の旧オーステナイト結晶粒径が微細になるように高周波焼入れして「繰り返し焼入れ処理」を行い、曲げ疲労強度を評価した。   Therefore, in order to perform a basic test based on the above basic component design concept, the present inventors performed tempering treatment on a four-point bending specimen prepared by melting various steels, and further, Induction quenching was performed so that the prior austenite crystal grain size became fine, and "repetitive quenching treatment" was performed to evaluate the bending fatigue strength.

その結果、SCr420に相当する鋼を浸炭焼入れ−焼戻しした場合の曲げ疲労強度を基準にして、それより40%以上高い曲げ疲労強度を得ることができた。   As a result, it was possible to obtain a bending fatigue strength higher by 40% or more based on the bending fatigue strength when the steel corresponding to SCr420 was carburized and quenched and tempered.

そこで上記基礎試験結果をもとに、本発明者らはさらに熱間鍛造によって差動歯車を作製し、作製した差動歯車に対して同様の処理を行い、実部品での評価を行った。   Therefore, based on the above basic test results, the present inventors further produced a differential gear by hot forging, performed the same processing on the produced differential gear, and evaluated with actual parts.

その結果、SCr420に相当する鋼を浸炭焼入れ−焼戻しした場合の曲げ疲労強度に対して40%以上とまではいえないものの、実部品である差動歯車においても30%程度曲げ疲労強度を向上することができた。   As a result, although it cannot be said that the steel equivalent to SCr420 is 40% or more of bending fatigue strength when carburizing and tempering steel, bending fatigue strength is improved by about 30% even in the differential gear which is an actual part. I was able to.

そこで、本発明者らは実部品での曲げ疲労強度の向上効果が、基礎試験での曲げ疲労強度の向上効果よりも小さくなった原因について調査した。   Therefore, the present inventors investigated the cause of the bending fatigue strength improvement effect in actual parts being smaller than the bending fatigue strength improvement effect in the basic test.

その結果、調質処理後に輪郭高周波焼入れ−焼戻しした差動歯車の表層部には、従来のカーボンポテンシャルの高い雰囲気の浸炭焼入れ−焼戻し処理で製造した差動歯車の場合には生ずることのなかった「脱炭」が生じており、特に、差動歯車の表層部に生じた全脱炭層深さ(以下、「DM−T」ともいう。)が実体の差動歯車の曲げ疲労強度に対して影響を及ぼしていることが明らかになった。   As a result, the surface layer of the differential gear subjected to contour induction hardening and tempering after the tempering treatment did not occur in the case of the differential gear manufactured by the conventional carburizing and quenching treatment in a high carbon potential atmosphere. “Decarburization” has occurred, and in particular, the total decarburization layer depth (hereinafter also referred to as “DM-T”) generated in the surface layer portion of the differential gear is compared with the bending fatigue strength of the actual differential gear. It became clear that it had an influence.

そこで、上記の差動歯車表層部における脱炭を抑制するために検討を重ね、次の知見に至った。   Therefore, studies have been made to suppress the decarburization in the differential gear surface layer, and the following knowledge has been reached.

(e)差動歯車表層部に生じた脱炭は、熱間鍛造工程、鍛造後の調質処理工程または輪郭高周波焼入れ処理工程のいずれかで生じたと推定されるが、輪郭高周波焼入れ処理工程は、急速かつ短時間の加熱処理であるため脱炭はほとんど生じない。   (E) Although decarburization that occurred in the differential gear surface layer is estimated to have occurred in either the hot forging process, the tempering process after forging, or the contour induction hardening process, the contour induction hardening process is Since the heat treatment is rapid and short, decarburization hardly occurs.

(f)熱間鍛造時のオーステナイト単相域に加熱された状態での脱炭を抑制するためには、低温でかつ短時間加熱を行うことが有効である。また、熱間鍛造後の冷却工程における脱炭を抑制するには、オーステナイトとフェライトの2相組織温度領域を可能な限り短時間で通過させればよい。   (F) In order to suppress decarburization in the state heated to the austenite single phase region at the time of hot forging, it is effective to perform heating at a low temperature for a short time. Moreover, what is necessary is just to let the two-phase structure | tissue temperature area | region of austenite and a ferrite pass as short as possible in order to suppress the decarburization in the cooling process after hot forging.

(g)調質処理工程において、大気雰囲気中で加熱処理を行えば脱炭が生じてしまう。調質処理工程での脱炭を抑制するためには、調質処理工程の焼入れ時の加熱雰囲気のカーボンポテンシャルを鋼のC含有量と同程度以上に調整すればよい。   (G) In the tempering treatment step, decarburization occurs if heat treatment is performed in an air atmosphere. In order to suppress decarburization in the tempering treatment step, the carbon potential of the heating atmosphere at the time of quenching in the tempering treatment step may be adjusted to be equal to or higher than the C content of steel.

(h)しかしながら、熱間鍛造工程における脱炭抑制と、鍛造後の調質処理工程における脱炭抑制を図っても脱炭が生じる場合がある。   (H) However, decarburization may occur even if suppression of decarburization in the hot forging step and suppression of decarburization in the tempering treatment step after forging are attempted.

(i)この特異な現象は、熱間鍛造工程において鍛造品の表面に形成される酸化スケールが影響するもので、たとえ焼入れ時の加熱雰囲気のカーボンポテンシャルを制御して加熱しても、酸化スケールが酸素供給源となり材料側のCと結合してCO2を形成し、鍛造品の表層部のC量を低下させることとなり、その結果フェライト脱炭が生じてしまう。 (I) This unique phenomenon is affected by the oxide scale formed on the surface of the forged product in the hot forging process, and even if it is heated by controlling the carbon potential of the heating atmosphere during quenching, the oxide scale Becomes an oxygen supply source and combines with C on the material side to form CO 2 , thereby reducing the amount of C in the surface layer portion of the forged product, resulting in ferrite decarburization.

(j)したがって、熱間鍛造後に行う調質処理工程における脱炭を抑制するためには、熱間鍛造の段階で表面に形成された酸化スケールを除去した上で、焼入れ時の加熱雰囲気のカーボンポテンシャルを鋼のC含有量と同程度以上に調整すればよい。   (J) Therefore, in order to suppress decarburization in the tempering treatment step performed after hot forging, carbon oxide in the heating atmosphere at the time of quenching after removing the oxide scale formed on the surface in the hot forging stage What is necessary is just to adjust potential to the same level or more as C content of steel.

そして、以上の方法によって差動歯車表層部での脱炭を抑制すれば、調質処理後に輪郭高周波焼入れ−焼戻し処理を行った実部品の差動歯車による曲げ疲労強度は、基礎試験での結果と同じく、SCr420に相当する鋼を浸炭焼入れ−焼戻しした差動歯車の曲げ疲労強度に比べて40%以上向上することが判明した。   And, if decarburization at the differential gear surface layer portion is suppressed by the above method, the bending fatigue strength by the differential gear of the actual part that has undergone contour induction hardening and tempering treatment after the tempering treatment is the result of the basic test. Similarly, it was found that the bending fatigue strength of a differential gear obtained by carburizing and tempering steel corresponding to SCr420 is improved by 40% or more.

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記(1)および(2)に示す差動歯車ならびに(3)に示す差動歯車の製造方法にある。   The present invention has been completed based on the above findings, and the gist of the present invention resides in the differential gear shown in the following (1) and (2) and the method for manufacturing the differential gear shown in (3).

(1)生地の鋼が、質量%で、C:0.35〜0.45%、Si:0.10%以下、Mn:0.50〜1.0%、P:0.015%以下、S:0.030%以下、Cr:0.05〜0.15%、Mo:0.15〜0.25%、Al:0.01〜0.05%、N:0.010%以下、O(酸素):0.0020%以下、B:0.0010〜0.0030%およびTi:0.010〜0.045%を含有し、残部はFeおよび不純物からなる化学組成を有する鋼であり、かつ、下記の条件(イ)〜(ニ)を満たすことを特徴とする差動歯車。
(イ)硬化層深さ:0.80〜1.50mm、
(ロ)硬化層の旧オーステナイト平均粒径:12μm以下、
(ハ)歯元部において表面から50μm位置での残留応力:−700MPa以下、
(ニ)〔(表層部のビッカース硬さ)−(芯部のビッカース硬さ)〕で表されるΔHVの値:10〜40。
(1) The dough steel is in mass%, C: 0.35 to 0.45%, Si: 0.10% or less, Mn: 0.50 to 1.0%, P: 0.015% or less, S: 0.030% or less, Cr: 0.05 to 0.15%, Mo: 0.15 to 0.25%, Al: 0.01 to 0.05%, N: 0.010% or less, O (Oxygen): 0.0020% or less, B: 0.0010 to 0.0030% and Ti: 0.010 to 0.045%, the balance being steel having a chemical composition consisting of Fe and impurities, And the differential gear characterized by satisfying the following conditions (A) to (D).
(I) Hardened layer depth: 0.80 to 1.50 mm,
(B) Old austenite average particle diameter of the hardened layer: 12 μm or less,
(C) Residual stress at the position of 50 μm from the surface in the tooth root part: −700 MPa or less,
(D) Value of ΔHV represented by [(Vickers hardness of surface layer part) − (Vickers hardness of core part)]: 10-40.

(2)上記(1)に記載の差動歯車において、さらに下記の条件(ホ)および(ヘ)を満たすことを特徴とする差動歯車。
(ホ)表層部の全脱炭層深さ:0.015mm以下、
(ヘ)表層部のC量:0.35〜0.50%。
(2) The differential gear described in (1) above, wherein the following conditions (e) and (f) are further satisfied.
(E) Decarburized layer depth of the surface layer part: 0.015 mm or less,
(F) C content of surface layer portion: 0.35 to 0.50%.

(3)上記(1)に記載した差動歯車の生地の化学組成を有する鋼材を、下記の工程〈1〉〜〈8〉の順に処理することを特徴とする差動歯車の製造方法。
工程〈1〉:鋼材を1000〜1200℃の温度域の温度であるT℃において加熱時間を10min以内として加熱する。
工程〈2〉:加熱した鋼材を、鍛造終了温度を900℃以上として熱間鍛造し、差動歯車の形状に成形する。
工程〈3〉:成形した差動歯車形状品を、熱間鍛造終了温度から1〜20℃/sの平均冷却速度で300℃まで冷却する。
工程〈4〉:差動歯車形状品の表面に生成した酸化スケールを除去する。
工程〈5〉:酸化スケールを除去した差動歯車形状品を、カーボンポテンシャルが0.40〜0.50%の雰囲気で820〜1000℃に加熱した後、焼入れを行う。
工程〈6〉:焼入れした差動歯車形状品を200℃以下の温度で焼戻し処理する。
工程〈7〉:焼戻し処理した差動歯車形状品に、さらに、加熱は周波数40〜60kHzで行い、差動歯車の歯底表面温度が600〜700℃になるよう予熱処理を行い、その後大気放冷して、加熱時間0.2〜0.5sで歯底表面温度が950〜1050℃になるよう、本加熱処理を施して輪郭高周波焼入れを行う。
工程〈8〉:輪郭高周波焼入れした差動歯車形状品を200℃以下の温度で焼戻し処理する。
(3) A method of manufacturing a differential gear, characterized in that the steel material having the chemical composition of the differential gear cloth described in (1) is processed in the order of the following steps <1> to <8>.
Step <1>: The steel material is heated at a temperature in the temperature range of 1000 to 1200 ° C. and at a heating time of 10 minutes or less.
Step <2>: The heated steel material is hot forged at a forging end temperature of 900 ° C. or higher and formed into a differential gear shape.
Step <3>: The formed differential gear-shaped product is cooled to 300 ° C. at an average cooling rate of 1 to 20 ° C./s from the hot forging end temperature.
Step <4>: The oxide scale generated on the surface of the differential gear-shaped product is removed.
Step <5>: The differential gear-shaped product from which the oxide scale has been removed is heated to 820 to 1000 ° C. in an atmosphere having a carbon potential of 0.40 to 0.50%, and then quenched.
Step <6>: The quenched differential gear product is tempered at a temperature of 200 ° C. or lower.
Step <7>: The tempered differential gear-shaped product is further heated at a frequency of 40 to 60 kHz, preheated so that the root surface temperature of the differential gear reaches 600 to 700 ° C., and then released to the atmosphere. It cools and this heat processing is performed so that a root surface temperature may be 950-1050 degreeC by heating time 0.2-0.5 s, and contour induction hardening is performed.
Process <8>: The differential gear-shaped product subjected to contour induction hardening is tempered at a temperature of 200 ° C. or lower.

なお、残部としての「Feおよび不純物」における「不純物」とは、鉄鋼材料を工業的に製造する際に、原料としての鉱石やスクラップあるいは環境などから混入するものを指す。   The “impurities” in the remaining “Fe and impurities” refers to those mixed from ore, scrap, or the environment as raw materials when industrially producing steel materials.

「硬化層深さ」は表面からビッカース硬さが550となる位置までの距離を指し、「硬化層」は表面から上記「硬化層深さ」に至るまでの領域を指す。   “Hardened layer depth” refers to the distance from the surface to a position where the Vickers hardness is 550, and “hardened layer” refers to the region from the surface to the above “hardened layer depth”.

残留応力における「負号」は圧縮残留応力であることを示す。   “Negative sign” in the residual stress indicates a compressive residual stress.

「全脱炭層深さ」は、JIS G 0558(2007)の「鋼の脱炭層深さ測定方法」に規定された顕微鏡による測定方法での「DM−T」を指す。   The “total decarburization layer depth” refers to “DM-T” in the measurement method using a microscope defined in “Method for measuring the decarburization layer depth of steel” of JIS G 0558 (2007).

「表層部のC量」は、表面から深さ100μmまでの位置における平均C量を指す。   “The amount of C in the surface layer portion” refers to the average amount of C at a position from the surface to a depth of 100 μm.

鋼材の加熱温度は、鋼材表面における温度を指す。同様に、差動歯車形状品の加熱温度も差動歯車形状品の表面における温度を指す。また、熱間鍛造終了温度は被鍛造材の表面における温度を指し、焼戻し温度は焼戻し炉の設定温度を指す。   The heating temperature of a steel material refers to the temperature on the steel material surface. Similarly, the heating temperature of the differential gear shape product also indicates the temperature at the surface of the differential gear shape product. The hot forging end temperature indicates the temperature at the surface of the material to be forged, and the tempering temperature indicates the set temperature of the tempering furnace.

平均冷却速度とは、熱間鍛造を終了した差動歯車形状品の表面温度から求めた値を指す。   An average cooling rate refers to the value calculated | required from the surface temperature of the differential gear shape goods which complete | finished hot forging.

以下、上記 (1)および(2)に示す差動歯車に係る発明ならびに(3)に示す差動歯車の製造方法に係る発明をそれぞれ、「本発明(1)」〜「本発明(3)」という。また、総称して「本発明」ということがある。   The invention relating to the differential gear shown in the above (1) and (2) and the invention relating to the manufacturing method of the differential gear shown in (3) are respectively referred to as “present invention (1)” to “present invention (3)”. " Also, it may be collectively referred to as “the present invention”.

本発明の差動歯車の「低〜中サイクル域」での曲げ疲労強度は、従来の浸炭焼入れ−焼戻し処理した差動歯車の曲げ疲労強度に比べて大幅に向上している。このため、本発明の差動歯車は、衝撃的でしかも比較的大きな負荷が加わることのある自動車用差動歯車として用いるのに好適である。なお、この差動歯車は本発明の製造方法によって容易に製造することができる。   The bending fatigue strength in the “low to medium cycle range” of the differential gear of the present invention is greatly improved compared to the bending fatigue strength of a differential gear subjected to conventional carburizing and quenching treatment. For this reason, the differential gear of the present invention is suitable for use as an automobile differential gear which is shocking and may be subjected to a relatively large load. This differential gear can be easily manufactured by the manufacturing method of the present invention.

実施例で用いた差動歯車の形状を説明する図である。It is a figure explaining the shape of the differential gear used in the Example. 実施例において、差動歯車形状品に施した輪郭高周波焼入れ−焼戻しの条件を説明する図である。In an Example, it is a figure explaining the conditions of the contour induction hardening-tempering performed to the differential gear shape goods. 差動耐久試験装置について、その一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows the example typically about a differential durability test apparatus. 差動耐久試験装置におけるディファレンシャルユニットについて、その一例を模式的に示す図である。なお、図中の「ピニオンギア」と「サイドギア」が「差動歯車」に該当する。It is a figure which shows typically the example about the differential unit in a differential durability test apparatus. Note that “pinion gear” and “side gear” in the figure correspond to “differential gears”.

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「%」は「質量%」を意味する。   Hereinafter, each requirement of the present invention will be described in detail. In addition, “%” of the content of each element means “mass%”.

(A)生地の鋼の化学組成
C:0.35〜0.45%
Cは、鋼の強度を確保する作用および高周波焼入れ後の硬化層硬さを確保する作用を有する。しかしながら、その含有量が0.35%未満では、前記作用による所望の効果が得られない。一方、Cの含有量が0.45%を超えると、高周波焼入れで形成された硬化層が脆性破壊を起こすため、靱性が低下する。したがって、Cの含有量を0.35〜0.45%とした。なお、前記の効果を安定して得るために、C含有量の下限は0.38%とすることが好ましい。
(A) Chemical composition of dough steel C: 0.35 to 0.45%
C has the effect | action which ensures the intensity | strength of steel, and the effect | action which ensures the hardened layer hardness after induction hardening. However, if the content is less than 0.35%, the desired effect due to the above action cannot be obtained. On the other hand, if the content of C exceeds 0.45%, the hardened layer formed by induction hardening causes brittle fracture, so that the toughness decreases. Therefore, the content of C is set to 0.35 to 0.45%. In addition, in order to acquire the said effect stably, it is preferable that the minimum of C content shall be 0.38%.

Si:0.10%以下
Siは、不純物として含有される元素である。SiはA3変態点を上昇させ、高周波焼入れ性を低下させる。しかも、Siの含有量の増加に伴ってA3変態点が上昇するため、熱間鍛造後の冷却過程で脱炭が生じやすいオーステナイトとフェライトの2相領域の温度が広がるので、Siの含有量が高い場合には脱炭が生じやすくなる。特に、Siの含有量が0.10%を超えると、高周波焼入れ性の低下および熱間鍛造後の脱炭の生成が著しくなる。したがって、Siの含有量を0.10%以下とした。Siはその含有量が少なければ少ないほど好ましい。
Si: 0.10% or less Si is an element contained as an impurity. Si increases the A 3 transformation point, reducing the high-frequency hardenability. Moreover, since the A 3 transformation point rises with increasing content of Si, the temperature of the two-phase region of the hot decarburization prone austenite and ferrite in the cooling process after the forging spread, the content of Si When it is high, decarburization tends to occur. In particular, when the Si content exceeds 0.10%, the induction hardenability is deteriorated and decarburization after hot forging is remarkably generated. Therefore, the Si content is set to 0.10% or less. The smaller the content of Si, the better.

Mn:0.50〜1.0%
Mnは、高周波焼入れ性を向上させる元素である。しかしながら、Mnの含有量が0.50%未満の場合、前記作用による所望の効果が得られない。一方、1.0%を超えてMnを含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Mnの含有量を0.50〜1.0%とした。なお、合金コストを低く抑えたうえで前記の効果を安定して得るために、Mnの含有量の下限は0.55%にすることが好ましい。
Mn: 0.50 to 1.0%
Mn is an element that improves induction hardenability. However, when the content of Mn is less than 0.50%, the desired effect due to the above action cannot be obtained. On the other hand, even if Mn is contained exceeding 1.0%, the above effect is saturated and the cost is increased. Therefore, the content of Mn is set to 0.50 to 1.0%. In order to obtain the above effect stably while keeping the alloy cost low, the lower limit of the Mn content is preferably 0.55%.

P:0.015%以下
Pは、高周波焼入れによる硬化層の靱性を低下させ、特に、その含有量が0.015%を超えると、硬化層の靱性低下が著しくなる。したがって、Pの含有量を、0.015%以下とした。なお、Pの含有量は、0.010%以下にすることが好ましい。
P: 0.015% or less P lowers the toughness of the hardened layer by induction hardening. In particular, when the content exceeds 0.015%, the toughness of the hardened layer is significantly reduced. Therefore, the content of P is set to 0.015% or less. The P content is preferably 0.010% or less.

S:0.030%以下
Sは、不純物として含有される元素である。また、Sは、添加すればMnと結合してMnSを形成し、被削性、なかでも切り屑処理性を高める作用を有する。しかしながら、Sの含有量が多くなってMnSの生成量が多くなりすぎると、被削性は改善されても、疲労強度の低下を招き、特に、Sの含有量が0.030%を超えると、疲労強度の低下が著しくなる。したがって、Sの含有量を0.030%以下とした。なお、S含有量の上限は好ましくは0.020%である。
S: 0.030% or less S is an element contained as an impurity. Further, S, when added, combines with Mn to form MnS, and has an effect of improving machinability, particularly chip disposal. However, if the S content increases and the amount of MnS produced increases too much, even if the machinability is improved, the fatigue strength is reduced. In particular, when the S content exceeds 0.030%. The fatigue strength is significantly reduced. Therefore, the content of S is set to 0.030% or less. The upper limit of the S content is preferably 0.020%.

Cr:0.05〜0.15%
Crは、CやMnと同様、鋼の焼入れ性を高めて強度を向上させる作用を有する。しかしながら、Crの含有量が0.05%未満の場合、十分な効果が得られない。一方、Crにはセメンタイトを安定化する作用があるため、高周波焼入れの場合には、その含有量が高くなるとセメンタイトが十分固溶せず、却って焼入れ性の低下を招くことになり、特に、Crの含有量が0.15%を超えると、高周波焼入れ性の低下が著しくなる。したがって、Crの含有量を0.05〜0.15%とした。
Cr: 0.05 to 0.15%
Cr, like C and Mn, has the effect of improving the hardenability of the steel and improving the strength. However, when the Cr content is less than 0.05%, a sufficient effect cannot be obtained. On the other hand, since Cr has an action of stabilizing cementite, in the case of induction hardening, when the content is high, the cementite does not sufficiently dissolve, and on the contrary, the hardenability is lowered. If the content of exceeds 0.15%, the induction hardenability will be significantly reduced. Therefore, the Cr content is set to 0.05 to 0.15%.

Mo:0.15〜0.25%
Moは、CやMnと同様、鋼の焼入れ性を高めて強度を向上させる作用を有する。Moには、焼戻し軟化抵抗を高める効果もある。しかしながら、Moの含有量が0.15%未満の場合には、強度向上効果および焼戻し軟化抵抗向上効果を安定して得ることができない。一方、0.25%を超えてMoを含有させてもコストが嵩むばかりである。したがって、Moの含有量を0.15〜0.25%とした。
Mo: 0.15-0.25%
Mo, like C and Mn, has the effect of increasing the hardenability of the steel and improving the strength. Mo also has the effect of increasing the temper softening resistance. However, when the Mo content is less than 0.15%, the strength improvement effect and the temper softening resistance improvement effect cannot be obtained stably. On the other hand, even if the Mo content exceeds 0.25%, the cost is increased. Therefore, the Mo content is set to 0.15 to 0.25%.

Al:0.01〜0.05%
Alは、Siと同様に脱酸作用を有する。さらに、Alは、鋼中のNと結合してAlNを形成し、このAlNが高周波焼入れする際の結晶粒粗大化を防止する作用がある。しかしながら、Alの含有量が0.01%未満の場合には、脱酸効果やAlNの形成による高周波焼入れする際の結晶粒粗大化防止効果が期待できない。一方、AlもA3変態点を上昇させ、高周波焼入れ性を低下させる元素であり、Alの含有量が多くなって0.05%を超えると、高周波焼入れ性の低下が著しくなる。したがって、Alの含有量を0.01〜0.05%とした。
Al: 0.01 to 0.05%
Al has a deoxidizing action like Si. Furthermore, Al combines with N in the steel to form AlN, and this AlN has the effect of preventing crystal grain coarsening when induction hardening is performed. However, when the Al content is less than 0.01%, it is not possible to expect a deoxidation effect or an effect of preventing grain coarsening when induction hardening is performed by the formation of AlN. On the other hand, Al is an element that raises the A 3 transformation point and lowers the induction hardenability. When the Al content increases and exceeds 0.05%, the induction hardenability is significantly reduced. Therefore, the Al content is set to 0.01 to 0.05%.

N:0.010%以下
Nは、不純物として含有される元素である。Nは、B、Al、Tiなどとの親和力が大きい元素であり、Bと結合してBNを形成した場合には、後述するBの高周波焼入れ性を高める効果を得難くなり、特に、Nの含有量が多くなって0.010%を超えると、BN形成によって、Bによる高周波焼入れ性向上効果を確保できなくなる。さらに、鋼中の固溶N量が増加すると、熱間変形能の低下をきたし、特に、Nの含有量が0.010%を超えると、熱間変形能の低下が著しくなる。したがって、Nの含有量を、0.010%以下とした。なお、鋼中の不純物としてのNの含有量は可能な限り低減することが好ましい。
N: 0.010% or less N is an element contained as an impurity. N is an element having a large affinity with B, Al, Ti and the like, and when it is combined with B to form BN, it becomes difficult to obtain the effect of enhancing the induction hardenability of B, which will be described later. If the content increases and exceeds 0.010%, the effect of improving the induction hardenability by B cannot be ensured by BN formation. Furthermore, when the amount of solute N in the steel increases, the hot deformability decreases, and particularly when the N content exceeds 0.010%, the hot deformability decreases remarkably. Therefore, the N content is set to 0.010% or less. Note that the content of N as an impurity in the steel is preferably reduced as much as possible.

O(酸素):0.0020%以下
Oは、不純物として含有される元素である。Oは、鋼中の元素と結合して酸化物を形成し、強度低下、なかでも疲労強度の低下を招く。特に、Oの含有量が0.0020%を超えると、形成される酸化物が多くなるとともにMnSが粗大化して、疲労強度の低下が顕著になる。したがって、Oの含有量を0.0020%以下とした。なお、鋼中の不純物としてのOの含有量は0.0015%以下とすることが好ましい。
O (oxygen): 0.0020% or less O is an element contained as an impurity. O combines with elements in steel to form oxides, leading to a decrease in strength, particularly a decrease in fatigue strength. In particular, when the O content exceeds 0.0020%, the amount of oxide formed increases and MnS coarsens, resulting in a significant decrease in fatigue strength. Therefore, the content of O is set to 0.0020% or less. The content of O as an impurity in the steel is preferably 0.0015% or less.

B:0.0010〜0.0030%
Bは、高周波焼入れ性を向上させる作用を有し、その効果はBの含有量が0.0010%以上で顕著である。しかしながら、0.0030%を超えてBを含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Bの含有量を0.0010〜0.0030%とした。
B: 0.0010 to 0.0030%
B has the effect | action which improves induction hardenability, The effect is remarkable when content of B is 0.0010% or more. However, even if it contains B exceeding 0.0030%, the above-mentioned effect is saturated and the cost is increased. Therefore, the content of B is set to 0.0010 to 0.0030%.

なお、上記した範囲の量のBを含有する場合であっても、Bが鋼中の不純物として存在するNと結合してBNを形成した場合には、高周波焼入れ性を高めることができない。したがって、既に述べたように、Bの高周波焼入れ性向上効果を発揮させるためには、鋼中の不純物として存在するNの含有量を低減する必要がある。   Even when B is contained in an amount in the above range, induction hardenability cannot be improved when BN is formed by combining B with N present as an impurity in steel. Therefore, as described above, in order to exhibit the effect of improving the induction hardenability of B, it is necessary to reduce the content of N present as an impurity in the steel.

Ti:0.010〜0.045%
Bを含有することによって高周波焼入れ性が向上するのは、Bが化合物ではなく、単独で存在する場合である。そのため、BがNと結合して窒化物を形成した場合には、Bによる焼入れ性向上効果は期待できない。上記の理由から、BよりもNとの親和力が大きく窒化物形成能が強いTiを0.010%含有させる。しかしながら、0.045%を超える量のTiを含有させても、Nを固定する効果が飽和するばかりか、粗大なTiNが多量に生成してしまう。また、Tiの含有量が多すぎる場合には、鋼材中のC量が減少してフェライトの割合が多くなるので、鋼材のA3変態点を上昇させ、却って高周波焼入れ性の低下を招く。そのため、疲労特性の低下をきたす場合がある。したがって、Tiの含有量を0.010〜0.045%とした。なお、Bの焼入れ性向上作用を確実に発揮させるために、Ti含有量の下限は0.015%とすることが好ましい。
Ti: 0.010 to 0.045%
Inclusion of B improves induction hardenability when B is not a compound but exists alone. Therefore, when B is combined with N to form a nitride, the effect of improving hardenability by B cannot be expected. For the above reason, 0.010% of Ti having a greater affinity for N than B and a stronger nitride forming ability is contained. However, even if Ti is contained in an amount exceeding 0.045%, not only the effect of fixing N is saturated, but a large amount of coarse TiN is generated. When the content of Ti is too large, since the C content in the steel is the proportion of ferrite is increased to decrease, increasing the A 3 transformation point of the steel material, rather deteriorating the high-frequency hardenability. Therefore, the fatigue characteristics may be reduced. Therefore, the Ti content is set to 0.010 to 0.045%. In order to ensure the effect of improving the hardenability of B, the lower limit of the Ti content is preferably 0.015%.

(B)差動歯車の表面の硬化層の特性
生地の鋼が、前記(A)項で述べた化学組成を有する本発明の差動歯車は、その表面の硬化層が下記(イ)〜(ニ)の条件を満たすものでなければならない。
(B) Characteristics of the hardened layer on the surface of the differential gear The differential gear of the present invention in which the material steel has the chemical composition described in the above section (A) has the hardened layer on the surface as described in It must meet the conditions of d).

(イ)硬化層深さ:0.80〜1.50mm、
(ロ)硬化層の旧オーステナイト平均粒径:12μm以下、
(ハ)歯元部において表面から50μm位置での残留応力:−700MPa以下、
(ニ)〔(表層部のビッカース硬さ)−(芯部のビッカース硬さ)〕で表されるΔHVの値:10〜40。
(I) Hardened layer depth: 0.80 to 1.50 mm,
(B) Old austenite average particle diameter of the hardened layer: 12 μm or less,
(C) Residual stress at the position of 50 μm from the surface in the tooth root part: −700 MPa or less,
(D) Value of ΔHV represented by [(Vickers hardness of surface layer part) − (Vickers hardness of core part)]: 10-40.

以下、上記(イ)〜(ニ)のそれぞれについて説明する。   Hereinafter, each of the above (a) to (d) will be described.

(イ)硬化層深さ:
差動歯車の表面からビッカース硬さ(以下、「HV硬さ」ともいう。)が550となる位置までの距離である硬化層深さは、曲げ疲労強度に大きな影響を与える。硬化層深さが0.80mm未満の場合には、硬化層深さが浅すぎて亀裂進展寿命が短くなるため、曲げ疲労強度が向上しない。一方、硬化層深さが1.50mmを超える場合は、輪郭高周波焼入れ時に投入する熱エネルギーが大きくなるので硬化層の結晶粒を微細にすることができず、このために硬化層の靱性が低下して、曲げ疲労強度を高めることができない。したがって、硬化層深さを0.80〜1.50mmと規定した。なお、硬化層深さの下限は好ましくは0.90mmである。また、硬化層深さの上限は好ましくは1.40mmである。
(I) Hardened layer depth:
The depth of the hardened layer, which is the distance from the surface of the differential gear to the position where the Vickers hardness (hereinafter also referred to as “HV hardness”) is 550, greatly affects the bending fatigue strength. When the hardened layer depth is less than 0.80 mm, the hardened layer depth is too shallow and the crack growth life is shortened, so that the bending fatigue strength is not improved. On the other hand, when the depth of the hardened layer exceeds 1.50 mm, the thermal energy input at the time of contour induction hardening becomes large, so that the crystal grains of the hardened layer cannot be made fine, and the toughness of the hardened layer is thus lowered. Thus, the bending fatigue strength cannot be increased. Therefore, the hardened layer depth was defined as 0.80 to 1.50 mm. The lower limit of the hardened layer depth is preferably 0.90 mm. The upper limit of the hardened layer depth is preferably 1.40 mm.

(ロ)硬化層の旧オーステナイト平均粒径:
輪郭高周波焼入れで形成された硬化層の旧オーステナイト平均粒径が12μmを超える場合、硬化層の靱性低下が生じるので、曲げ疲労強度を高めることができない。したがって、硬化層の旧オーステナイト平均粒径を12μm以下と規定した。硬化層の旧オーステナイト平均粒径の上限は好ましくは10μmである。なお、硬化層の旧オーステナイト平均粒径の下限は特に規定する必要はないものの、工業的には1.0μm程度が限界になる。
(B) Old austenite average particle diameter of the hardened layer:
When the prior austenite average particle diameter of the hardened layer formed by contour induction hardening exceeds 12 μm, the toughness of the hardened layer is reduced, so that the bending fatigue strength cannot be increased. Therefore, the prior austenite average particle diameter of the hardened layer was defined as 12 μm or less. The upper limit of the prior austenite average particle size of the hardened layer is preferably 10 μm. The lower limit of the prior austenite average particle size of the hardened layer is not particularly required, but is industrially limited to about 1.0 μm.

(ハ)歯元部において表面から50μm位置での残留応力:
輪郭高周波焼入れすることによって、差動歯車の表面近傍には圧縮の残留応力(負の残留応力)が生じる。しかしながら、曲げ疲労強度が特に必要とされる差動歯車の歯元部において、表面から50μm位置での残留応力(以下、「σr(50)」ともいう。)が−700MPaより大きい場合(絶対値としての残留応力が小さい場合)には、曲げ疲労強度の向上効果が乏しい。したがって、歯元部においてσr(50)を−700MPa以下と規定した。σr(50)の上限は好ましくは−750MPaである。なお、残留応力であるσr(50)の下限は特に規定する必要はないものの、工業的には−2000MPa程度が限界になる。
(C) Residual stress at the position of 50 μm from the surface in the tooth root part:
Contour induction hardening causes compressive residual stress (negative residual stress) near the surface of the differential gear. However, in the tooth root portion of the differential gear where bending fatigue strength is particularly required, the residual stress at the position of 50 μm from the surface (hereinafter also referred to as “σr (50)”) is greater than −700 MPa (absolute value). When the residual stress is small), the effect of improving the bending fatigue strength is poor. Therefore, σr (50) is defined as −700 MPa or less at the root portion. The upper limit of σr (50) is preferably −750 MPa. Although the lower limit of σr (50), which is a residual stress, does not need to be specified in particular, about −2000 MPa is an industrial limit.

(ニ)ΔHVの値:
差動歯車の曲げ疲労強度を向上するには、高周波焼入れにより形成される硬化層の硬さを増加させつつ、靱性も高める必要がある。〔(表層部のビッカース硬さ)−(芯部のビッカース硬さ)〕で表されるΔHVの値が10未満の場合、表面の硬化層と差動歯車芯部の硬さがほとんど変わらないことになり、曲げ疲労強度の向上が期待できない。一方、工業的な高周波焼入れによる製造の場合に、ΔHVの値が40を超えるようにすることは困難である。したがって、ΔHVの値を10〜40と規定した。なお、ΔHVの下限は好ましくは12である。
(D) Value of ΔHV:
In order to improve the bending fatigue strength of the differential gear, it is necessary to increase the toughness while increasing the hardness of the hardened layer formed by induction hardening. When the ΔHV value represented by [(Vickers hardness of the surface layer portion) − (Vickers hardness of the core portion)] is less than 10, the hardness of the hardened layer on the surface and the hardness of the differential gear core portion hardly change. Therefore, improvement in bending fatigue strength cannot be expected. On the other hand, in the case of production by industrial induction hardening, it is difficult for the value of ΔHV to exceed 40. Therefore, the value of ΔHV was defined as 10-40. The lower limit of ΔHV is preferably 12.

本発明の差動歯車は、その表層部が、さらに下記(ホ)および(ヘ)の条件を満たすことがより望ましい。   In the differential gear of the present invention, it is more desirable that the surface layer further satisfies the following conditions (e) and (f).

(ホ)表層部の全脱炭層深さ:0.015mm以下、
(ヘ)表層部のC量:0.35〜0.50%。
(E) Decarburized layer depth of the surface layer part: 0.015 mm or less,
(F) C content of surface layer portion: 0.35 to 0.50%.

以下、上記(ホ)と(ヘ)のそれぞれについて説明する。   Hereinafter, each of the above (e) and (f) will be described.

(ホ)表層部の全脱炭層深さ:
差動歯車表層部に生じた脱炭は曲げ疲労強度に大きな影響を与える。JIS G 0558(2007)に規定された顕微鏡による測定方法での表層部の全脱炭層深さ(DM−T)が0.015mmを超えると、表層部である硬化層のマルテンサイトの靱性は向上するが、強度が低下するため、「低〜中サイクル域」における曲げ疲労強度の向上効果が小さくなる。したがって、表層部の全脱炭層深さを0.015mm以下とすることが好ましい。DM−Tの上限は好ましくは0.012mmである。なお、DM−Tの下限は特に規定する必要はなく、小さければ小さいほど好ましい。
(E) Total decarburized layer depth in the surface layer:
Decarburization generated in the differential gear surface layer has a great influence on the bending fatigue strength. When the total decarburized layer depth (DM-T) of the surface layer part exceeds 0.015 mm in the measuring method by a microscope specified in JIS G 0558 (2007), the toughness of the martensite of the hardened layer as the surface layer part is improved. However, since the strength is reduced, the effect of improving the bending fatigue strength in the “low to medium cycle range” is reduced. Therefore, it is preferable that the total decarburized layer depth of the surface layer portion is 0.015 mm or less. The upper limit of DM-T is preferably 0.012 mm. In addition, the lower limit of DM-T does not need to be specified, and the smaller the better.

(へ)表層部のC量:
差動歯車の曲げ疲労強度を向上するには、高周波焼入れにより形成される硬化層の硬さと靱性をともに高める必要がある。表層部のC量が0.35%未満の場合、硬化層の靱性を高くすることができるが、硬さが不足し、曲げ疲労強度の向上が期待できない。また、表層部のC量が0.50%を超えると、硬化層の硬さは十分確保できるが、靱性が低下し、曲げ疲労強度の向上効果が小さくなる。したがって、表層部のC量を0.35〜0.50%とすることが好ましい。なお、表層部のC量の下限は好ましくは0.38%である。また、表層部のC量の上限は好ましくは0.48%である。
(F) C amount in the surface layer:
In order to improve the bending fatigue strength of the differential gear, it is necessary to increase both the hardness and toughness of the hardened layer formed by induction hardening. When the amount of C in the surface layer is less than 0.35%, the toughness of the hardened layer can be increased, but the hardness is insufficient and improvement in bending fatigue strength cannot be expected. On the other hand, when the amount of C in the surface layer portion exceeds 0.50%, the hardness of the hardened layer can be sufficiently secured, but the toughness is lowered and the effect of improving the bending fatigue strength is reduced. Therefore, the C content in the surface layer portion is preferably 0.35 to 0.50%. The lower limit of the amount of C in the surface layer is preferably 0.38%. Further, the upper limit of the amount of C in the surface layer portion is preferably 0.48%.

(C)製造条件について:
以下に詳述する差動歯車の製造条件は、工業的な規模で本発明の差動歯車を経済的に要領よく実現するための方法の一つであり、差動歯車自体の技術的範囲はこの製造条件によって規定されるものではない。
(C) About manufacturing conditions:
The manufacturing condition of the differential gear described in detail below is one of methods for economically realizing the differential gear of the present invention on an industrial scale, and the technical scope of the differential gear itself is as follows. It is not defined by this manufacturing condition.

本発明に係る差動歯車は、(A)項に記載の生地の化学組成を有する鋼を用いて製造された鋼材に、例えば、下記の工程〈1〉〜〈8〉に記載の処理を順に施すことにより製造することができる。   For the differential gear according to the present invention, for example, the treatments described in the following steps <1> to <8> are sequentially performed on a steel material manufactured using the steel having the chemical composition of the dough described in (A). It can be manufactured by applying.

なお、工程〈1〉の処理を施す前の鋼材の製造については、特にその条件を特定する必要はない。   In addition, about manufacture of the steel materials before performing the process of process <1>, it is not necessary to specify the conditions in particular.

(C−1)工程〈1〉の加熱処理:
工程〈1〉では、(A)項に記載の生地の化学組成を有する鋼材を、1000〜1200℃の温度域の温度であるT℃において加熱時間を10min以内として加熱する。
(C-1) Heat treatment in step <1>:
In the step <1>, the steel material having the chemical composition of the dough described in the item (A) is heated at T ° C., which is a temperature range of 1000 to 1200 ° C., for a heating time within 10 minutes.

加熱処理である工程〈1〉において、先ず、1000〜1200℃の温度域の温度であるT℃に加熱するのは、所定の差動歯車形状に成形する前の鋼材に生じる加熱の際の脱炭を抑制し、かつ、熱間鍛造時の極端な変形抵抗の上昇を抑制するためである。   In step <1>, which is a heat treatment, first, heating to T ° C., which is a temperature in the temperature range of 1000 to 1200 ° C., is the removal during heating that occurs in the steel material before forming into a predetermined differential gear shape. This is for suppressing charcoal and suppressing an increase in extreme deformation resistance during hot forging.

加熱温度が1000℃未満の場合には、脱炭の抑制効果は顕著であるものの、熱間鍛造の変形抵抗が高くなりすぎるため、所定の差動歯車形状に成形する熱間鍛造のための過剰な設備増強が必要となりコストの増大を招くことがある。   When the heating temperature is less than 1000 ° C., the decarburization suppression effect is remarkable, but the deformation resistance of hot forging becomes too high, so excessive for hot forging to be formed into a predetermined differential gear shape Costly increase may be required.

一方、加熱温度が1200℃を超える場合、熱間鍛造時の変形抵抗は低くなるが、脱炭を抑制することが困難になるとともに、熱間鍛造後の差動歯車形状品の表面に形成される酸化スケールの厚みが増し、酸化スケールの除去が困難になる場合がある。   On the other hand, when the heating temperature exceeds 1200 ° C., the deformation resistance during hot forging becomes low, but it becomes difficult to suppress decarburization and is formed on the surface of the differential gear-shaped product after hot forging. In some cases, the thickness of the oxide scale increases, making it difficult to remove the oxide scale.

また、1000〜1200℃の温度域の温度であるT℃に加熱する場合であっても、保持時間が10minを超える場合には、脱炭を抑制することが困難になることがある。   Further, even when heating to T ° C., which is a temperature in the temperature range of 1000 to 1200 ° C., it may be difficult to suppress decarburization if the holding time exceeds 10 min.

加熱温度としてのT℃の下限は、熱間鍛造時の鍛造荷重の低減(金型寿命向上)の観点から、1050℃とすることがより好ましい。また、加熱温度T℃の上限は、脱炭抑制の観点から、1100℃とすることがより好ましい。   The lower limit of T ° C. as the heating temperature is more preferably 1050 ° C. from the viewpoint of reducing the forging load during hot forging (improving die life). The upper limit of the heating temperature T ° C is more preferably 1100 ° C from the viewpoint of suppressing decarburization.

なお、加熱温度T℃に到達すれば、その直後に熱間鍛造を開始してもよい。加熱手段については特に規定するものではないが、脱炭抑制の観点から、例えば、急速加熱が可能な高周波誘導加熱や通電加熱方式を用いることが好ましい。   If the heating temperature reaches T ° C., hot forging may be started immediately after that. Although it does not prescribe | regulate especially about a heating means, it is preferable to use the high frequency induction heating which can be rapidly heated, or an electrically-heating method from a viewpoint of decarburization suppression, for example.

(C−2)工程〈2〉の熱間鍛造処理:
工程〈2〉では、加熱した鋼材を、鍛造終了温度を900℃以上として熱間鍛造し、差動歯車の形状に成形する。
(C-2) Hot forging process in step <2>:
In step <2>, the heated steel material is hot forged at a forging end temperature of 900 ° C. or higher and formed into a differential gear shape.

熱間鍛造終了温度が900℃を下回ると、鍛造荷重が高くなるとともに、材料の延性不良に起因した割れが生じて、成形不良になることがある。差動歯車の形状に成形する熱間鍛造の終了温度の下限は950℃とすることがより好ましい。   When the hot forging end temperature is lower than 900 ° C., the forging load increases and cracks due to poor ductility of the material may occur, resulting in poor molding. The lower limit of the end temperature of hot forging formed into the shape of the differential gear is more preferably 950 ° C.

また、熱間鍛造で成形する部品の形状によっては、加工発熱に伴う温度上昇が大きくなる場合が想定される。この加工発熱に伴う温度上昇によって、熱間鍛造終了温度が1200℃を超える場合には、脱炭を抑制することが困難になる場合がある。したがって、差動歯車の形状に成形する熱間鍛造の終了温度の上限は1200℃とすることが好ましい。   In addition, depending on the shape of a part to be formed by hot forging, a case where a temperature rise accompanying processing heat generation becomes large is assumed. If the hot forging end temperature exceeds 1200 ° C. due to the temperature rise accompanying the heat generated by the processing, it may be difficult to suppress decarburization. Therefore, the upper limit of the end temperature of hot forging formed into the shape of the differential gear is preferably 1200 ° C.

(C−3)工程〈3〉の熱間鍛造で成形した差動歯車形状品の冷却処理:
工程〈3〉では、成形した差動歯車形状品を、熱間鍛造終了温度から1〜20℃/sの平均冷却速度で300℃まで冷却する。
(C-3) Cooling treatment of the differential gear shape product formed by hot forging in step <3>:
In step <3>, the formed differential gear-shaped product is cooled to 300 ° C. at an average cooling rate of 1 to 20 ° C./s from the hot forging end temperature.

熱間鍛造終了後、その温度から300℃までの温度域の平均冷却速度が1℃/s未満の場合には、脱炭を生じやすいオーステナイトとフェライトの2相組織となる温度域に長時間滞留することになり、脱炭を抑制することが困難になる場合がある。   When the average cooling rate in the temperature range from the temperature to 300 ° C. is less than 1 ° C./s after the end of hot forging, it stays for a long time in the temperature range where the two-phase structure of austenite and ferrite is likely to cause decarburization. Therefore, it may be difficult to suppress decarburization.

一方、熱間鍛造終了後、その温度から300℃までの温度域の平均冷却速度が20℃/s以上の場合には、マルテンサイトが生成して差動歯車形状品にいわゆる「焼割れ」が生じることがある。   On the other hand, after the end of hot forging, when the average cooling rate in the temperature range from that temperature to 300 ° C. is 20 ° C./s or more, martensite is generated and so-called “burning cracks” are formed in the differential gear shape product. May occur.

なお、1〜20℃/sの平均冷却速度で冷却する温度域の下限温度は300℃までとすれば十分であって、300℃を下回る温度域の冷却速度については制限を設けるには及ばない。このため、製造設備や生産性を勘案して、例えば、空冷(放冷)、強制風冷やミスト冷却などから適宜決定すればよい。   The lower limit temperature of the temperature range for cooling at an average cooling rate of 1 to 20 ° C./s is sufficient to be up to 300 ° C., and the cooling rate in the temperature range below 300 ° C. is not limited. . For this reason, it may be determined as appropriate from, for example, air cooling (cooling), forced air cooling, mist cooling, etc. in consideration of manufacturing equipment and productivity.

(C−4)工程〈4〉の差動歯車形状品の表面に生成した酸化スケールの除去処理:
工程〈4〉では、差動歯車形状品の表面に生成した酸化スケールを除去する。これは、酸化スケールを除去しない状態では、たとえ焼入れの際の加熱を雰囲気制御して実施しても、酸化スケールが酸素供給源となり、材料側のCと結合してCO2を形成し、差動歯車形状品の表層部のC量を低下させることとなって、フェライト脱炭を抑制することが困難となることがあるからである。
(C-4) Removal treatment of oxide scale generated on the surface of the differential gear-shaped product in step <4>:
In step <4>, the oxide scale formed on the surface of the differential gear-shaped product is removed. This is because, in the state where the oxide scale is not removed, even if the heating at the time of quenching is carried out by controlling the atmosphere, the oxide scale serves as an oxygen supply source and combines with C on the material side to form CO 2. This is because the amount of C in the surface layer portion of the dynamic gear-shaped product is reduced, and it may be difficult to suppress ferrite decarburization.

なお、差動歯車形状品の表面に生成した酸化スケールの除去手段については特に規定するものではない。切削などの機械加工、ショットブラスト、酸洗など適宜の手段で行えばよい。   The means for removing the oxide scale generated on the surface of the differential gear-shaped product is not particularly specified. What is necessary is just to perform it by appropriate means, such as machining, such as cutting, shot blasting, and pickling.

(C−5)工程〈5〉の酸化スケールを除去した差動歯車形状品の焼入れ処理:
工程〈5〉では、酸化スケールを除去した差動歯車形状品を、カーボンポテンシャルが0.40〜0.50%の雰囲気で820〜1000℃に加熱した後、焼入れを行う。
(C-5) Quenching of the differential gear-shaped product from which the oxidized scale of step <5> has been removed:
In step <5>, the differential gear-shaped product from which the oxide scale has been removed is heated to 820 to 1000 ° C. in an atmosphere having a carbon potential of 0.40 to 0.50%, and then quenched.

焼入れ処理工程において、加熱雰囲気のカーボンポテンシャルが0.40%未満の場合には、前記(A)項に記載した生地のC含有量に対して雰囲気のカーボンポテンシャルが低いため、脱炭を生じる場合がある。一方、加熱雰囲気のカーボンポテンシャルが0.50%を超える場合、脱炭を抑制することはできるものの、前記(A)項に記載した生地のC含有量に対して雰囲気のカーボンポテンシャルが高いために、雰囲気からCが侵入するいわゆる「浸炭現象」が生じ、差動歯車形状品の表層部のC量が増加することに伴い、硬化層の靱性確保が困難になって脆性破壊を生じやすくなるため、曲げ疲労強度の向上効果が乏しくなることがある。   In the quenching process, when the carbon potential of the heating atmosphere is less than 0.40%, the carbon potential of the atmosphere is low relative to the C content of the dough described in the above (A), and thus decarburization occurs. There is. On the other hand, when the carbon potential of the heating atmosphere exceeds 0.50%, decarburization can be suppressed, but the carbon potential of the atmosphere is high with respect to the C content of the dough described in the above (A) item. The so-called “carburizing phenomenon” in which C enters from the atmosphere occurs, and as the amount of C in the surface layer portion of the differential gear-shaped product increases, it becomes difficult to ensure the toughness of the hardened layer, and brittle fracture is likely to occur. In some cases, the effect of improving the bending fatigue strength may be poor.

なお、上記雰囲気中での加熱温度が820℃未満の場合には、表面の硬化層が均一硬質なマルテンサイト組織にならず、焼入れ処理後のミクロ組織にフェライトが残存するか、あるいは、焼入れ後に全てマルテンサイトになっても、C濃度のゆらぎが生じることになる。その結果、後述する輪郭高周波焼入れによって不完全焼入れ組織が生じることを抑制できないために、曲げ疲労強度が低下する場合がある。   In addition, when the heating temperature in the said atmosphere is less than 820 degreeC, the surface hardened layer does not become a uniform hard martensite structure, but ferrite remains in the microstructure after quenching, or after quenching Even if they all become martensite, fluctuations in the C concentration occur. As a result, since it is not possible to suppress the occurrence of an incompletely hardened structure by contour induction hardening described later, the bending fatigue strength may be reduced.

一方、上記雰囲気中での加熱温度が1000℃を超える場合、焼入れ処理後のミクロ組織は均一なマルテンサイト組織であるものの、旧オーステナイト粒径が粗大となるため、後述する輪郭高周波焼入れによって形成される硬化層の旧オーステナイト平均粒径を12μm以下に微細化することが困難になり、その結果、曲げ疲労強度の低下を招くことがある。   On the other hand, when the heating temperature in the above atmosphere exceeds 1000 ° C., the microstructure after the quenching treatment is a uniform martensite structure, but since the prior austenite grain size becomes coarse, it is formed by contour induction hardening described later. It becomes difficult to refine the prior austenite average particle size of the hardened layer to 12 μm or less, and as a result, the bending fatigue strength may be lowered.

上記条件による焼入れを行うことによって、差動歯車の表層部のC量を、前述した(へ)の特性、具体的には、「表層部のC量:0.35〜0.50%」の特性を容易に具備させることができる。   By performing quenching under the above conditions, the amount of C in the surface layer portion of the differential gear is the above-mentioned characteristic (to), specifically, “the amount of C in the surface layer portion: 0.35 to 0.50%” Characteristics can be easily provided.

(C−6)工程〈6〉の差動歯車形状品の焼戻し処理:
工程〈6〉では、焼入れした差動歯車形状品を、焼入れ後のいわゆる置き割れを防止することを目的に、200℃以下の温度で焼戻し処理を行う。
(C-6) Tempering the differential gear-shaped product in step <6>:
In step <6>, the tempered differential gear-shaped product is tempered at a temperature of 200 ° C. or lower for the purpose of preventing so-called cracking after quenching.

(C−7)工程〈7〉の差動歯車形状品の輪郭高周波焼入れ処理:
工程〈7〉では、焼戻し処理した差動歯車形状品に、さらに、加熱は周波数40〜60kHzで行い、差動歯車の歯底表面温度が600〜700℃になるよう、予熱処理を行い、その後大気放冷して、加熱時間0.2〜0.5sで歯底表面温度が950〜1050℃になるよう、本加熱処理を施して輪郭高周波焼入れを行う。
(C-7) Contour induction hardening of the differential gear-shaped product in step <7>:
In step <7>, the tempered differential gear-shaped product is further heated at a frequency of 40 to 60 kHz, preheated so that the tooth bottom surface temperature of the differential gear is 600 to 700 ° C., and thereafter It is left to cool to the atmosphere, and this heat treatment is performed so that the root surface temperature becomes 950 to 1050 ° C. with a heating time of 0.2 to 0.5 s, and contour induction hardening is performed.

輪郭高周波焼入れを行う際、短時間で所定の温度まで加熱して焼入れを行う必要がある。しかしながら、差動歯車形状品を常温から加熱した場合には焼入れ可能なオーステナイトの温度域まで差動歯車形状品を短時間で加熱することはできない。したがって、本加熱時の差動歯車形状品の温度上昇を助けるために、予め差動歯車形状品を加熱する予熱処理を行う必要がある。   When performing contour induction hardening, it is necessary to perform quenching by heating to a predetermined temperature in a short time. However, when the differential gear-shaped product is heated from room temperature, the differential gear-shaped product cannot be heated in a short time to the quenchable austenite temperature range. Therefore, in order to help increase the temperature of the differential gear-shaped product during the main heating, it is necessary to perform pre-heat treatment for heating the differential gear-shaped product in advance.

周波数を40〜60kHzにする理由は、周波数が40kHz未満では歯先の温度が上がらず、一方周波数が60kHzを超えると歯底の温度が上がらないためである。   The reason for setting the frequency to 40 to 60 kHz is that the tooth tip temperature does not rise when the frequency is less than 40 kHz, whereas the tooth bottom temperature does not rise when the frequency exceeds 60 kHz.

歯底表面温度が600〜700℃となるよう予熱処理する理由は、歯底表面温度が600℃より低いと予熱の効果が得られず、一方歯底表面温度が700℃を超えると再オーステナイト化し、焼入れ時に差動歯車形状品の変形が大きくなってしまうからである。   The reason for performing the pre-heat treatment so that the root surface temperature becomes 600 to 700 ° C. is that if the bottom surface temperature is lower than 600 ° C., the effect of pre-heating cannot be obtained. This is because the deformation of the differential gear-shaped product becomes large during quenching.

本加熱の加熱時間を0.2〜0.5sにする理由は、本加熱の加熱時間が0.2s未満では高周波焼入れの制御が困難で加熱ができないからであり、一方本加熱の加熱時間が0.5sを超えると輪郭に沿った硬化層が形成できないためである。   The reason for setting the heating time for the main heating to 0.2 to 0.5 s is that if the heating time for the main heating is less than 0.2 s, it is difficult to control the induction hardening, and heating cannot be performed. This is because if it exceeds 0.5 s, a hardened layer along the contour cannot be formed.

歯底表面温度が950〜1050℃となるよう本加熱する理由は、歯底表面温度が950℃より低いとオーステナイト化が十分でなく、一方歯底表面温度が1050℃より高いと結晶粒が粗大化するためである。   The reason for this heating so that the root surface temperature is 950 to 1050 ° C. is that austenitization is not sufficient when the root surface temperature is lower than 950 ° C., whereas the crystal grains are coarse when the root surface temperature is higher than 1050 ° C. This is because of

差動歯車形状品に対して上記の加熱処理を行った後に、水冷や油冷等により焼入れを行う。   After performing the above heat treatment on the differential gear-shaped product, quenching is performed by water cooling, oil cooling, or the like.

上記条件による輪郭高周波焼入れを行うことによって、差動歯車の表面硬化層に、前述した(ロ)の特性、具体的には、「硬化層の旧オーステナイト平均粒径:12μm以下」の特性を容易に具備させることができる。   Contour induction hardening under the above conditions facilitates the above-mentioned property (b), specifically, the property of “old austenite average particle size of the hardened layer: 12 μm or less” on the surface hardened layer of the differential gear. Can be provided.

なお、輪郭高周波焼入れの条件は、部品形状などにより調整すれば良く、周波数を固定して高周波加熱を行ってもよいし、また加熱途中で周波数を変更してもよい。   Note that the conditions of the contour induction hardening may be adjusted according to the shape of the part, etc., the frequency may be fixed and the high frequency heating may be performed, or the frequency may be changed during the heating.

(C−8)工程〈8〉の差動歯車形状品の焼戻し処理:
工程〈8〉では、輪郭高周波焼入れした差動歯車形状品を200℃以下の温度で焼戻し処理する。
(C-8) Tempering the differential gear-shaped product in step <8>:
In step <8>, the differential gear-shaped product subjected to contour induction hardening is tempered at a temperature of 200 ° C. or lower.

上記条件による焼戻しを行うことによって、差動歯車の表面硬化層に、前述した(ハ)および(ニ)の特性、具体的には、「歯元部において表面から50μm位置での残留応力:−700MPa以下」および「〔(表層部のビッカース硬さ)−(芯部のビッカース硬さ)〕で表されるΔHVの値:10〜40」の特性を容易に具備させることができる。   By performing tempering under the above conditions, the above-mentioned characteristics (c) and (d) are applied to the hardened surface layer of the differential gear, specifically, “residual stress at the position of 50 μm from the surface in the tooth base portion: − 700 MPa or less ”and“ [(Vickers hardness of surface layer portion) − (Vickers hardness of core portion)] ”ΔHV value: 10 to 40” can be easily provided.

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention more concretely, this invention is not limited to these Examples.

(実施例1)
表1に示す化学組成を有する鋼A〜Eを真空炉溶製して150kg鋼塊を作製した。
Example 1
Steels A to E having the chemical composition shown in Table 1 were melted in a vacuum furnace to produce a 150 kg steel ingot.

なお、表1中の鋼Aは、機械構造用合金鋼SCM440の成分に対してSiとCrの含有量をそれぞれ0.05%、0.10%と低くすることで高周波焼入れ性の低下を抑制し、かつBを添加することで高周波焼入れ性を向上させた鋼である。鋼Bは、鋼Aと同様に機械構造用合金鋼SCM440の成分に対してSiとCrの含有量をそれぞれ0.08%、0.10%と低くすることで高周波焼入れ性の低下を抑制し、かつCの含有量を0.51%に増加させ、さらにBを添加した鋼であり、鋼Cは、機械構造用合金鋼SCM440の成分に対してMoを添加しない鋼であり、鋼Dは、機械構造用合金鋼SCM440の成分に対してCの含有量を0.21%に低下させ、かつMoを添加しない鋼であり、鋼Eは、機械構造用合金鋼SCM440の成分に対してCの含有量を0.21%に低下させた鋼である。上記のうちで鋼Dおよび鋼Eはそれぞれ、従来の表面硬化処理の手法である浸炭焼入れ処理での特性を比較するために作製したSCr420およびSCM420に相当する鋼である。   Steel A in Table 1 suppresses induction hardenability degradation by lowering the content of Si and Cr to 0.05% and 0.10%, respectively, of the components of alloy steel for machine structural use SCM440. In addition, the steel is improved in induction hardenability by adding B. Steel B, like Steel A, suppresses the decrease in induction hardenability by lowering the contents of Si and Cr to 0.08% and 0.10%, respectively, with respect to the components of alloy steel SCM440 for machine structural use. , And the content of C is increased to 0.51% and B is further added. Steel C is a steel in which Mo is not added to the components of alloy steel for mechanical structure SCM440, and steel D is The steel is a steel in which the content of C is reduced to 0.21% with respect to the components of the alloy steel for mechanical structure SCM440 and Mo is not added. Is a steel whose content is reduced to 0.21%. Among the above, steel D and steel E are steels corresponding to SCr420 and SCM420, which were produced in order to compare the characteristics in carburizing and quenching treatment, which is a conventional surface hardening treatment technique.

Figure 0005405325
Figure 0005405325

上記の各鋼塊を1250℃に加熱した後、熱間鍛造して直径34mmの丸棒とした。なお、熱間鍛造後の冷却は大気中での放冷とした。   Each steel ingot was heated to 1250 ° C. and then hot forged into a round bar having a diameter of 34 mm. The cooling after hot forging was allowed to cool in the atmosphere.

鋼A〜Cについては、熱間鍛造して得た上記の直径34mmの丸棒の中心部から、機械加工によって直径21mmの丸棒を作製し、この直径21mmの丸棒を表2に示す種々の加熱温度に加熱して90min均熱保持した後、油焼入れを行った。油焼入れした後、さらに加熱温度180℃、均熱時間120minの焼戻し処理を施した。   For steels A to C, a round bar with a diameter of 21 mm was produced by machining from the center of the round bar with a diameter of 34 mm obtained by hot forging. Various round rods with a diameter of 21 mm shown in Table 2 were prepared. After heating to a heating temperature of 90 ° C. and maintaining soaking for 90 minutes, oil quenching was performed. After oil quenching, tempering was further performed at a heating temperature of 180 ° C. and a soaking time of 120 minutes.

上記の調質処理を行った直径21mmの丸棒の中心部から、機械加工によって、断面が13mm×13mmで長さが100mmの直方体を切り出し、その後さらに、上記直方体の一つの面の長さ方向中央の部位に、半径2mmの半円切欠きを設けて、4点曲げ試験片を作製した。   A rectangular parallelepiped having a cross section of 13 mm × 13 mm and a length of 100 mm is cut out from the central portion of the round bar having a diameter of 21 mm subjected to the tempering treatment, and then the length direction of one surface of the rectangular parallelepiped. A semicircle notch with a radius of 2 mm was provided at the central portion to prepare a 4-point bending test piece.

上記の4点曲げ試験片の一部について、半円切欠きを設けた面に、出力が50kWの条件で加熱時間を変えて高周波加熱した後に水冷する高周波焼入れを施した。なお、表2に上記高周波焼入れ条件の詳細を併記した。   A part of the above four-point bending test piece was subjected to induction hardening in which the semicircular notch was subjected to induction heating by changing the heating time under a condition where the output was 50 kW and then water cooling. Table 2 also shows details of the induction hardening conditions.

次いで、上記の高周波焼入れした4点曲げ試験片を加熱温度180℃、均熱時間60minの条件で焼戻しして、高周波焼入れ性および硬化層の旧オーステナイト粒径の調査を行った。   Next, the induction-quenched 4-point bending test piece was tempered under the conditions of a heating temperature of 180 ° C. and a soaking time of 60 minutes, and the induction hardening property and the prior austenite grain size of the hardened layer were investigated.

高周波焼入れ性は、上記の高周波焼入れ−焼戻し後の4点曲げ試験片の半円切欠きを設けた部位での横断面が調査できるように樹脂に埋め込んで研磨した後、JIS Z 2244(2009)に規定された方法でビッカース硬さ試験を行って評価した。すなわち、試験力を2.94Nとしてビッカース硬さ試験を行って硬さ分布を求め、硬化層の表面である切欠き底からHV硬さが550となる位置までの距離(mm)を求めた。なお、以下においては、切欠き底(すなわち、硬化層の表面)からHV硬さが550となる位置までの距離を「硬化層深さ」という。   Induction hardenability is determined by JIS Z 2244 (2009) after embedding in a resin and polishing so that the cross-section of the four-point bending test piece after induction hardening and tempering can be examined at the site where the semicircular notch is provided. The Vickers hardness test was conducted by the method prescribed in the above. That is, a Vickers hardness test was performed with a test force of 2.94 N to obtain a hardness distribution, and a distance (mm) from a notch bottom, which is the surface of the cured layer, to a position where the HV hardness is 550 was obtained. In the following, the distance from the notch bottom (that is, the surface of the hardened layer) to the position where the HV hardness is 550 is referred to as “hardened layer depth”.

さらに、試験片の半円切欠きを設けた部位の横断面において、上記JIS Z 2244(2009)に規定された方法で、試験力を2.94Nとして、切欠き底から0.03mmの位置のHV硬さと中心部のHV硬さを測定し、各々の測定値を表層部のビッカース硬さおよび芯部のビッカース硬さとして、〔ΔHV=(表層部のビッカース硬さ)−(芯部のビッカース硬さ)〕によって表されるΔHVを求めた。   Further, in the cross section of the part provided with the semicircular cutout of the test piece, the test force is set at 2.94 N and the position at 0.03 mm from the cutout bottom by the method defined in JIS Z 2244 (2009). HV hardness and HV hardness of the central part are measured, and each measured value is determined as Vickers hardness of the surface layer part and Vickers hardness of the core part, [ΔHV = (Vickers hardness of the surface layer part) − (Vickers of the core part) [Delta] HV expressed by (hardness)].

硬化層の旧オーステナイト粒径は、上記高周波焼入れ−焼戻し後の4点曲げ試験片の半円切欠きを設けた部位での横断面が観察できるように樹脂に埋め込んで鏡面研磨した後、界面活性剤を添加したピクリン酸飽和水溶液で腐食して旧オーステナイト粒界を現出させ、表面から上記の「硬化層深さ」までの領域について任意に5視野撮影した倍率400倍の光学顕微鏡写真を用いて、切断法によって「平均切片長さ」Lを求め、「1.128×L」を硬化層の旧オーステナイト平均粒径とした。   The prior austenite grain size of the hardened layer was determined by embedding in a resin so that the cross section at the site where the semicircle notch of the four-point bending test piece after induction hardening and tempering was provided was mirror-polished and then surface-active. Corrosion with a saturated aqueous solution of picric acid added with an agent causes the prior austenite grain boundaries to appear, and using an optical micrograph at a magnification of 400 times taken arbitrarily for five fields from the surface to the above-mentioned “hardened layer depth” Then, the “average section length” L was determined by a cutting method, and “1.128 × L” was defined as the prior austenite average particle diameter of the hardened layer.

なお、高周波焼入れ−焼戻しを行わなかった表2の試験番号8の場合についても、4点曲げ試験片の半円切欠きを設けた部位での横断面が調査できるように樹脂に埋め込んで研磨した後、JIS Z 2244(2009)に規定された方法で、試験力を2.94Nとしてビッカース硬さ試験を行って、切欠き底から0.03mmの位置のHV硬さと中心部のHV硬さを測定し、各々の測定値を表層部のビッカース硬さおよび芯部のビッカース硬さとして、〔ΔHV=(表層部のビッカースの硬さ)−(芯部のビッカース硬さ)〕によって表されるΔHVを求めた。また、表面から0.5mmの深さまでの領域について任意に5視野撮影した倍率400倍の光学顕微鏡写真を用いて、切断法によって「平均切片長さ」Lを求め、同様に「1.128×L」の値を旧オーステナイト平均粒径とした。   In addition, in the case of test number 8 in Table 2 where induction hardening and tempering were not performed, polishing was performed by embedding in a resin so that the cross section at the site where the semicircle notch of the four-point bending test piece was provided could be investigated. After that, the Vickers hardness test was conducted with the test force set to 2.94 N by the method specified in JIS Z 2244 (2009), and the HV hardness at the position of 0.03 mm from the notch bottom and the HV hardness at the center were determined. Each measured value is expressed as [ΔHV = (Vickers hardness of the surface layer portion) − (Vickers hardness of the core portion)] as Vickers hardness of the surface layer portion and Vickers hardness of the core portion. Asked. In addition, using an optical micrograph at a magnification of 400 times taken arbitrarily for five fields from a surface to a depth of 0.5 mm, an “average section length” L is obtained by a cutting method, and similarly “1.128 × The value of “L” was defined as the prior austenite average particle diameter.

一方、鋼Dおよび鋼Eについては、前記の熱間鍛造して得た直径34mmの丸棒の中心部から、直接に機械加工によって、断面が13mm×13mmで長さが100mmの直方体を切り出し、その後さらに、上記直方体の一つの面の長さ方向中央の部位に、半径2mmの半円切欠きを設けて、4点曲げ試験片を作製した。   On the other hand, for steel D and steel E, a rectangular parallelepiped having a cross section of 13 mm × 13 mm and a length of 100 mm is directly cut out from the center of the 34 mm diameter round bar obtained by hot forging, Thereafter, a semicircle notch having a radius of 2 mm was provided at a central portion in the length direction of one surface of the rectangular parallelepiped to prepare a four-point bending test piece.

次いで、カーボンポテンシャル0.8%の状態下で、940℃で180min保持してから870℃に冷却してさらに60min保持した後、油焼入する条件で浸炭焼入れした。上記の浸炭焼入れ後さらに、加熱温度180℃、均熱時間60minの条件で焼戻しした後、既に述べたのと同様の方法で硬化層深さおよびΔHVを調査し、さらに、上記の「硬化層深さ」までの領域について任意に5視野撮影した倍率400倍の光学顕微鏡写真を用いて、切断法によって「平均切片長さ」Lを求め、「1.128×L」の値を硬化層の旧オーステナイト平均粒径とした。   Next, the carbon potential was maintained at 940 ° C. for 180 minutes under a carbon potential of 0.8%, then cooled to 870 ° C. and further maintained for 60 minutes, followed by carburizing and quenching under oil quenching conditions. After carburizing and quenching, the steel was further tempered under the conditions of a heating temperature of 180 ° C. and a soaking time of 60 minutes, and then the hardened layer depth and ΔHV were investigated in the same manner as described above. Using an optical micrograph of 400 times magnification arbitrarily taken for 5 fields for the area up to “sa”, the “average section length” L is obtained by a cutting method, and the value of “1.128 × L” is set to the old value of the cured layer. The austenite average particle diameter was used.

また、上記の各種処理を行った鋼A〜Eの計16条件の4点曲げ試験片を用いて、その半円切欠き底の表面から50μmの位置における残留応力であるσr(50)の値を測定した。なお、測定は電解研磨により表面から50μmの深さ位置まで研磨し、50μm深さ位置で回折X線の強度を測定し、その測定で得られたピーク強度の半値幅とピーク中心位置との関係から残留応力を求めた。   Moreover, the value of σr (50) which is a residual stress at a position of 50 μm from the surface of the semicircular notch bottom using a total of 16 conditions of four-point bending test pieces of steels A to E subjected to the above various treatments. Was measured. The measurement is performed by electrolytic polishing to a depth of 50 μm from the surface, the intensity of the diffracted X-ray is measured at the depth of 50 μm, and the relationship between the half-value width of the peak intensity obtained by the measurement and the peak center position. From this, the residual stress was determined.

さらに、上記の各種処理を行った鋼A〜Eの計16条件の4点曲げ試験片を用いて、曲げ疲労強度を調査した。   Furthermore, the bending fatigue strength was investigated using the 4-point bending test piece of the total 16 conditions of steel AE which performed said various process.

曲げ疲労強度試験は、応力比を0.1、支点間距離を45mmとして行い、繰り返し回数1×104回での亀裂発生強度を曲げ疲労強度として評価した。 In the bending fatigue strength test, the stress ratio was 0.1 and the distance between the fulcrums was 45 mm, and the crack initiation strength at the number of repetitions of 1 × 10 4 was evaluated as the bending fatigue strength.

なお、SCr420に相当する鋼Dを浸炭焼入れ−焼戻しした場合の曲げ疲労強度を基準にして、それより40%以上向上していることを目標とした。   In addition, on the basis of the bending fatigue strength when the steel D corresponding to SCr420 was carburized and quenched and tempered, the target was to improve it by 40% or more.

表2に、上記の各試験結果を併せて示す。なお、表2には、試験番号15の曲げ疲労強度を基準値とした場合の、その値からの向上率を併せて示した。   Table 2 also shows the results of the above tests. Table 2 also shows the improvement rate from the value when the bending fatigue strength of test number 15 is used as a reference value.

Figure 0005405325
Figure 0005405325

表2から、試験番号1〜7の場合、良好な曲げ疲労強度を有しているのに対して、試験番号8〜14の場合には、曲げ疲労強度が低いことが明らかになった。   Table 2 reveals that test numbers 1 to 7 have good bending fatigue strength, whereas test numbers 8 to 14 have low bending fatigue strength.

そして、この表2から、820〜1000℃の温度範囲で加熱後、焼入れ−焼戻しの調質処理を行い、さらに高周波焼入れ−焼戻しを行うことによって、
・硬化層深さを0.80〜1.50mm、
・硬化層の旧オーステナイト平均粒径を12μm以下、
・表面から50μmの位置における残留応力を−700MPa以下、
・〔(表層部のビッカース硬さ)−(芯部のビッカース硬さ)〕で表されるΔHVの値を10以上、
とすれば、浸炭処理した鋼Dの曲げ疲労強度を基準にして、それより40%以上高い曲げ疲労強度が得られることが判る。
And from this Table 2, after heating in the temperature range of 820 to 1000 ° C., performing tempering treatment of quenching and tempering, and further performing induction quenching and tempering,
-Hardened layer depth 0.80-1.50mm,
-The prior austenite average particle size of the hardened layer is 12 μm or less,
-Residual stress at a position of 50 μm from the surface is −700 MPa or less,
A value of ΔHV represented by [(Vickers hardness of surface layer portion) − (Vickers hardness of core portion)] is 10 or more,
Then, it can be seen that a bending fatigue strength higher by 40% or more than that can be obtained on the basis of the bending fatigue strength of the carburized steel D.

(実施例2)
表3に示した化学組成を有する鋼F〜Hを真空炉溶製して150kg鋼塊を作製し、実部品形状での評価を実施した。
(Example 2)
Steels F to H having the chemical compositions shown in Table 3 were melted in a vacuum furnace to produce a 150 kg steel ingot, and evaluation was performed on the actual part shape.

なお、表3中の鋼Fは、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼であり、前述の表1の鋼Aに相当する鋼である。一方、鋼Gは、成分元素のうちのCが本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例の鋼である。また、鋼Hは、成分元素のうちのC、Si、P、Cr、Mo、Ti、NおよびBが本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例の鋼である。   Steel F in Table 3 is a steel whose chemical composition is within the range defined by the present invention, and is a steel corresponding to Steel A in Table 1 described above. On the other hand, the steel G is a steel of a comparative example in which C among the constituent elements is out of the content range defined in the present invention. Steel H is a steel of a comparative example in which C, Si, P, Cr, Mo, Ti, N, and B among the constituent elements deviate from the content range defined in the present invention.

なお、上記の比較例の鋼のうちで鋼Hは、JIS G 4053(2008)に記載されたSCr420に相当し、前述の表1の鋼Dに相当する鋼である。   Of the steels of the above comparative examples, steel H corresponds to SCr420 described in JIS G 4053 (2008), and corresponds to steel D in Table 1 described above.

Figure 0005405325
Figure 0005405325

上記の各鋼塊を1250℃に加熱した後、熱間鍛造して直径34mmの丸棒とした。なお、熱間鍛造後の冷却は大気中での放冷とした。   Each steel ingot was heated to 1250 ° C. and then hot forged into a round bar having a diameter of 34 mm. The cooling after hot forging was allowed to cool in the atmosphere.

次いで、鋼Fおよび鋼Gについては、熱間鍛造して得た上記の直径34mmの丸棒を、870℃で60min加熱してオーステナイト単相組織にした後、大気中で放冷した。一方、鋼Hについては、熱間鍛造して得た上記の直径34mmの丸棒を、925℃で60min加熱してオーステナイト単相組織にし、大気中で放冷した。   Next, with regard to Steel F and Steel G, the above-mentioned round bar having a diameter of 34 mm obtained by hot forging was heated at 870 ° C. for 60 minutes to form an austenite single phase structure, and then allowed to cool in the atmosphere. On the other hand, for steel H, the above-mentioned round bar having a diameter of 34 mm obtained by hot forging was heated at 925 ° C. for 60 minutes to form an austenite single phase structure and allowed to cool in the atmosphere.

上記の直径34mmの放冷材の中心部から、機械加工によって直径が28mmで長さが34.3mmの試験片を切り出し、この試験片を素材として、表4に示す条件で熱間鍛造して、図1に示す外径が53.5mm、内径が18mmで厚みが18mmの差動歯車の形状に成形した。   A test piece having a diameter of 28 mm and a length of 34.3 mm was cut out from the center of the cooling material having a diameter of 34 mm by machining, and hot forging was performed under the conditions shown in Table 4 using this test piece as a material. 1 was formed into the shape of a differential gear having an outer diameter of 53.5 mm, an inner diameter of 18 mm, and a thickness of 18 mm.

具体的には、試験番号17、試験番号20および試験番号21では、加熱温度T℃を1100℃として加熱時間3minの加熱処理を行った後、鍛造終了温度が1000℃となるように熱間鍛造して、差動歯車の形状に成形した。   Specifically, in Test No. 17, Test No. 20 and Test No. 21, hot forging was performed so that the forging end temperature would be 1000 ° C. after performing a heat treatment for 3 min with a heating temperature T ° C. of 1100 ° C. And it shape | molded in the shape of the differential gearwheel.

試験番号18および試験番号19では、加熱温度T℃を1100℃として加熱時間5minの加熱処理を行った後、鍛造終了温度が1000℃となるように熱間鍛造して、差動歯車の形状に成形した。   In Test No. 18 and Test No. 19, after heating for 5 minutes with a heating temperature T ° C. of 1100 ° C., hot forging was performed so that the forging end temperature would be 1000 ° C. to obtain a differential gear shape. Molded.

なお、試験番号17では、熱間鍛造終了後、10℃/sの平均冷却速度で300℃まで冷却し、その後大気中で放冷して室温まで冷却した。   In Test No. 17, after completion of hot forging, the sample was cooled to 300 ° C. at an average cooling rate of 10 ° C./s, and then allowed to cool in the atmosphere to cool to room temperature.

試験番号18では、熱間鍛造終了後、0.1℃/sの平均冷却速度で300℃まで冷却し、その後大気中で放冷して室温まで冷却した。   In test number 18, after the hot forging was completed, it was cooled to 300 ° C. at an average cooling rate of 0.1 ° C./s, and then allowed to cool in the air to cool to room temperature.

試験番号19および試験番号20では、熱間鍛造終了後、2℃/sの平均冷却速度で300℃まで冷却し、その後大気中で放冷して室温まで冷却した。   In Test No. 19 and Test No. 20, after completion of hot forging, the sample was cooled to 300 ° C. at an average cooling rate of 2 ° C./s, then allowed to cool in the atmosphere and cooled to room temperature.

試験番号21では、熱間鍛造終了後、0.2℃/sの平均冷却速度で300℃まで冷却し、その後大気中で放冷して室温まで冷却した。   In test number 21, after completion of hot forging, the steel was cooled to 300 ° C. at an average cooling rate of 0.2 ° C./s, and then allowed to cool in the atmosphere to cool to room temperature.

Figure 0005405325
Figure 0005405325

次に、試験番号17、試験番号18、試験番号20および試験番号21の差動歯車形状品については、熱間鍛造時にその表面に生成した酸化スケールを、HV硬さが400〜500のスチール球を用いて、投射時間が15min、投射圧が0.2〜0.4MPa(2〜4kgf/cm2)の条件でショットブラスト処理して除去した。なお、試験番号19の差動歯車形状品については、表面に生成した酸化スケールを除去しなかった。 Next, for the differential gear-shaped products of test number 17, test number 18, test number 20 and test number 21, an oxide scale formed on the surface during hot forging is used as a steel ball having an HV hardness of 400 to 500. Was removed by shot blasting under conditions of a projection time of 15 min and a projection pressure of 0.2 to 0.4 MPa ( 2 to 4 kgf / cm 2 ). For the differential gear shape product of test number 19, the oxide scale generated on the surface was not removed.

上記処理の後、試験番号17〜20の差動歯車形状品は、表4に示すカーボンポテンシャルに調整した雰囲気中で870℃に加熱して90min均熱保持した後、油焼入れを行った。   After the above-described treatment, the differential gear-shaped products of test numbers 17 to 20 were heated to 870 ° C. in an atmosphere adjusted to the carbon potential shown in Table 4 and held soaked for 90 minutes, and then oil quenching was performed.

油焼入れした後、さらに加熱温度180℃、均熱時間120minの焼戻し処理を施した。   After oil quenching, tempering was further performed at a heating temperature of 180 ° C. and a soaking time of 120 minutes.

上記の処理を行った試験番号17〜20の差動歯車形状品に図2に示す条件で輪郭高周波焼入れ−焼戻しを施し、差動歯車に仕上げた。なお、高周波焼入れ時の冷却には水溶性焼入れ冷却剤を用いた。   The differential gear-shaped products of test numbers 17 to 20 subjected to the above treatment were subjected to contour induction hardening and tempering under the conditions shown in FIG. A water-soluble quenching coolant was used for cooling during induction quenching.

なお、試験番号21の差動歯車形状品については、ショットブラストによって表面に生成した酸化スケールを除去した後、カーボンポテンシャル0.8%の状態下で、940℃で180min保持してから870℃に冷却してさらに60min保持した後、油焼入する条件で浸炭焼入れした。上記の浸炭焼入れ後さらに、加熱温度180℃、均熱時間60minの条件で焼戻しして、差動歯車に仕上げた。   For the differential gear-shaped product of test number 21, after removing the oxidized scale generated on the surface by shot blasting, holding at 940 ° C. for 180 minutes under the condition of carbon potential of 0.8%, the temperature was increased to 870 ° C. After cooling and holding for an additional 60 minutes, carburizing and quenching was performed under conditions for oil quenching. After carburizing and quenching, the steel was further tempered under the conditions of a heating temperature of 180 ° C. and a soaking time of 60 minutes to finish a differential gear.

上記のようにして作製した各差動歯車について、顕微鏡による測定方法での全脱炭層深さ(DM−T)、硬化層深さ(以下、「d」ということがある。)、硬化層の旧オーステナイト平均粒径、歯元部において表面から50μm位置での残留応力(σr(50))、〔(表層部のビッカース硬さ)−(芯部のビッカース硬さ)〕によって表されるΔHVの調査、硬化層の表層部のC量の測定とともに、疲労強度の評価を行った。但し、試験番号19の差動歯車については、疲労強度の評価は行わなかった。   About each differential gear produced as mentioned above, the total decarburized layer depth (DM-T) by the measuring method by a microscope, a hardened layer depth (henceforth "d" may be hereafter), and a hardened layer. Old austenite average particle diameter, ΔHV expressed by [residual stress (σr (50)) at the position of 50 μm from the surface in the root portion], [(Vickers hardness of surface layer portion) − (Vickers hardness of core portion)] Fatigue strength was evaluated along with investigation and measurement of the amount of C in the surface layer portion of the hardened layer. However, the fatigue strength of the differential gear No. 19 was not evaluated.

先ず、差動歯車の歯元部での縦断面が調査できるように樹脂に埋め込んで研磨した後、3%硝酸アルコール液(ナイタル)で腐食し、JIS G 0558(2007)に規定されたDM−Tを調査した。   First, it was embedded in a resin and polished so that the longitudinal cross section at the tooth root portion of the differential gear could be investigated, then corroded with 3% nitric acid alcohol solution (nitral), and DM- as defined in JIS G 0558 (2007). T was investigated.

また、差動歯車の歯元部での縦断面が調査できるように樹脂に埋め込んで研磨した後、JIS Z 2244(2009)に規定された方法で、試験力を2.94Nとしてビッカース硬さ試験を行って硬さ分布を求め、歯元部表面からHV硬さが550となる位置までの距離dを求めた。また、歯元部の縦断面において、上記JIS Z 2244(2009)に規定された方法で、試験力を2.94Nとして、表面から0.03mmの位置のHV硬さと中心部のHV硬さを測定し、各々の測定値を表層部のビッカース硬さおよび芯部の硬さとして、〔ΔHV=(表層部のビッカース硬さ)−(芯部のビッカース硬さ)〕によって表されるΔHVを求めた。   Also, after embedding and polishing in resin so that the longitudinal section at the tooth root part of the differential gear can be investigated, the test force is set to 2.94N and the Vickers hardness test is performed according to the method specified in JIS Z 2244 (2009). To obtain the hardness distribution, and the distance d from the tooth root surface to the position where the HV hardness is 550 was obtained. Further, in the longitudinal section of the tooth root portion, the HV hardness at the position of 0.03 mm from the surface and the HV hardness at the center portion are set to 2.94 N by the method defined in JIS Z 2244 (2009). Measure each measured value as the Vickers hardness of the surface layer part and the hardness of the core part, and obtain ΔHV represented by [ΔHV = (Vickers hardness of the surface layer part) − (Vickers hardness of the core part)]. It was.

さらに、差動歯車の歯元部における硬化層の縦断面が観察できるように樹脂に埋め込んで鏡面研磨した後、界面活性剤を添加したピクリン酸飽和水溶液で腐食して旧オーステナイト粒界を現出させ、表面からの距離がdまでの硬化層について任意に5視野撮影した倍率400倍の光学顕微鏡写真を用いて、切断法によって「平均切片長さ」Lを求め、「1.128×L」から硬化層の旧オーステナイト平均粒径を算出した。   Furthermore, after embedding in a resin and mirror polishing so that the longitudinal section of the hardened layer at the root part of the differential gear can be observed, it is corroded with a saturated aqueous solution of picric acid added with a surfactant, and the former austenite grain boundary appears. Then, using an optical micrograph of magnification 400 times taken arbitrarily for 5 fields of the cured layer having a distance from the surface of up to d, an “average section length” L was determined by a cutting method, and “1.128 × L” From this, the prior austenite average particle size of the hardened layer was calculated.

また、表層部のC量は、差動歯車の歯元部での縦断面が調査出来るように樹脂に埋め込んで研磨した後、表面から100μmの範囲を、歯車の中心方向に波長分散型EPMA装置を用いて検量線により測定して求めた。   Further, the amount of C in the surface layer portion is embedded in a resin so that the longitudinal section at the tooth root portion of the differential gear can be investigated and polished, and then the wavelength dispersion type EPMA device in the center direction of the gear is in a range of 100 μm from the surface. It was determined by measuring with a calibration curve using

加えて、電解研磨により表面から50μmの深さ位置まで研磨し、50μm深さ位置で回折X線の強度を測定し、その測定で得られたピーク強度の半値幅とピーク中心位置との関係から、差動歯車の歯元部において表面から50μm位置での残留応力であるσr(50)の値を測定した。   In addition, the surface is polished to a depth of 50 μm from the surface by electrolytic polishing, the intensity of the diffracted X-ray is measured at the depth of 50 μm, and the relationship between the half-value width of the peak intensity obtained by the measurement and the peak center position The value of σr (50), which is the residual stress at the position of 50 μm from the surface, was measured at the root portion of the differential gear.

疲労強度の評価には差動耐久試験装置を用い、入力側の回転数を12rpmとして実施した。   For the evaluation of fatigue strength, a differential durability test apparatus was used, and the rotational speed on the input side was set to 12 rpm.

図3に、差動耐久試験装置について、その一例を模式的に示す。また、図4に、差動耐久試験装置におけるディファレンシャルユニットについて、その一例を模式的に示す。   FIG. 3 schematically shows an example of the differential durability test apparatus. FIG. 4 schematically shows an example of the differential unit in the differential durability test apparatus.

以下、差動耐久試験装置の機構について説明する。   Hereinafter, the mechanism of the differential durability test apparatus will be described.

先ず、差動耐久試験装置の入力シャフト 1から入力したトルクが、リングギア 2を介してディファレンシャルユニット 3を構成するディファレンシャルケース 4に入力される。なお、上記の入力シャフト 1から入力したトルクとはモーターの設定値を意味する。   First, torque input from the input shaft 1 of the differential durability test apparatus is input to the differential case 4 constituting the differential unit 3 via the ring gear 2. The torque input from the input shaft 1 means a set value of the motor.

次いで、ディファレンシャルケース 4に入力された回転が、ピニオンシャフト 5を介してピニオンギア 6およびこのピニオンギア 6に噛み合わされた一対のサイドギア 7に伝達され、その一対のサイドギア 7から、出力シャフト 8へと出力される。   Next, the rotation input to the differential case 4 is transmitted to the pinion gear 6 and the pair of side gears 7 meshed with the pinion gear 6 via the pinion shaft 5, and from the pair of side gears 7 to the output shaft 8. Is output.

なお、ディファレンシャルユニット 3を構成するディファレンシャルケース 4からの出力は、一端が固定シャフト 8'となっており、出力シャフト 8の回転との間でディファレンシャルケース 4が差動する構造になっている。すなわち、上記のピニオンギア 6が回転することにより、一対のサイドギア 7の相対回転、つまり差動が可能になる構造であり、図中の「ピニオンギア 6」と「サイドギア 7」が「差動歯車」に該当する。   Note that one end of the output from the differential case 4 constituting the differential unit 3 is a fixed shaft 8 ′, and the differential case 4 is configured to be differential with the rotation of the output shaft 8. That is, when the above-described pinion gear 6 is rotated, the paired side gears 7 can be rotated relative to each other, that is, differentially. The “pinion gear 6” and the “side gear 7” in the figure are “differential gears”. It corresponds to.

差動耐久試験装置を用いた試験で得られたトルクと繰り返し回数の関係から、繰り返し数1×104回での破断トルクを算出し、算出した破断トルクを曲げ疲労強度として評価した。 From the relationship between the torque obtained in the test using the differential durability test apparatus and the number of repetitions, the breaking torque at the number of repetitions of 1 × 10 4 was calculated, and the calculated breaking torque was evaluated as the bending fatigue strength.

なお、曲げ疲労強度は、SCr420に相当する鋼Hを浸炭焼入れ−焼戻しした試験番号21の場合の曲げ疲労強度を基準にして、それより30%以上向上していることを第1目標とし、40%以上向上していることを第2目標とした。   The bending fatigue strength is a first target that the bending fatigue strength in the case of test number 21 in which the steel H corresponding to SCr420 is carburized and quenched and tempered is 30% or more. The second goal was to improve more than%.

表5に、上記の各試験結果を示す。   Table 5 shows the results of the above tests.

Figure 0005405325
Figure 0005405325

表5から、本発明で規定する条件を満たす試験番号17の差動歯車の場合、曲げ疲労強度は2880N・mであって、JIS G 4053(2008)に記載されたSCr420に相当する鋼Hを用いて、浸炭焼入れ−焼戻しした試験番号21の差動歯車の曲げ疲労強度より40%以上向上しており、第2目標である「低〜中サイクル域」で優れた曲げ疲労強度を有することが明らかである。   From Table 5, in the case of the differential gear of test number 17 that satisfies the conditions defined in the present invention, the bending fatigue strength is 2880 N · m, and steel H corresponding to SCr420 described in JIS G 4053 (2008) is used. It is 40% or more higher than the bending fatigue strength of the differential gear No. 21 carburized and quenched and tempered, and has excellent bending fatigue strength in the second target “low to middle cycle range”. it is obvious.

また、試験番号18の差動歯車の場合、曲げ疲労強度はSCr420に相当する鋼Hを用いて、浸炭焼入れ−焼戻しした試験番号21の差動歯車の曲げ疲労強度より30%以上向上しており、第1目標の曲げ疲労強度を有している。しかしながら、脱炭層が生じており、DM−Tが0.030mmと発明で規定する上限値を超えるため、第2目標の40%向上には達していない。   Further, in the case of the differential gear of test number 18, the bending fatigue strength is improved by 30% or more than the bending fatigue strength of the differential gear of test number 21 which is carburized and tempered using steel H corresponding to SCr420. The first target has a bending fatigue strength. However, a decarburized layer has occurred, and DM-T exceeds 0.030 mm, which exceeds the upper limit specified in the invention, so that it has not reached the 40% improvement of the second target.

これに対して、試験番号20の差動歯車の場合、生地となる鋼GのC含有量が0.51%と高く、本発明で規定する上限を超えるため、硬化層の靱性が低下し、曲げ疲労強度はSCr420に相当する鋼Hを用いて浸炭焼入れ−焼戻しした試験番号21の差動歯車に比べて向上していない。   On the other hand, in the case of the differential gear of test number 20, since the C content of the steel G as a dough is as high as 0.51% and exceeds the upper limit specified in the present invention, the toughness of the hardened layer is reduced. The bending fatigue strength is not improved as compared with the differential gear of test number 21 carburized and tempered using steel H corresponding to SCr420.

本発明の差動歯車の「低〜中サイクル域」での曲げ疲労強度は、従来の浸炭焼入れ−焼戻し処理した差動歯車の曲げ疲労強度に比べて大幅に向上している。このため、本発明の差動歯車は、衝撃的でしかも比較的大きな負荷が加わることのある自動車用差動歯車として用いるのに好適である。なお、この差動歯車は本発明の製造方法によって容易に製造することができる。   The bending fatigue strength in the “low to medium cycle range” of the differential gear of the present invention is greatly improved compared to the bending fatigue strength of a differential gear subjected to conventional carburizing and quenching treatment. For this reason, the differential gear of the present invention is suitable for use as an automobile differential gear which is shocking and may be subjected to a relatively large load. This differential gear can be easily manufactured by the manufacturing method of the present invention.

1:入力シャフト
2:リングギア
3:ディファレンシャルユニット
4:ディファレンシャルケース
5:ピニオンシャフト
6:ピニオンギア
7:サイドギア
8:出力シャフト
8':固定シャフト
1: Input shaft
2: Ring gear
3: Differential unit
4: Differential case
5: Pinion shaft
6: Pinion gear
7: Side gear
8: Output shaft
8 ': Fixed shaft

Claims (3)

生地の鋼が、質量%で、C:0.35〜0.45%、Si:0.10%以下、Mn:0.50〜1.0%、P:0.015%以下、S:0.030%以下、Cr:0.05〜0.15%、Mo:0.15〜0.25%、Al:0.01〜0.05%、N:0.010%以下、O(酸素):0.0020%以下、B:0.0010〜0.0030%およびTi:0.010〜0.045%を含有し、残部はFeおよび不純物からなる化学組成を有する鋼であり、かつ、下記の条件(イ)〜(ニ)を満たすことを特徴とする差動歯車。
(イ)硬化層深さ:0.80〜1.50mm
(ロ)硬化層の旧オーステナイト平均粒径:12μm以下
(ハ)歯元部において表面から50μm位置での残留応力:−700MPa以下
(ニ)〔(表層部のビッカース硬さ)−(芯部のビッカース硬さ)〕で表されるΔHVの値:10〜40
The dough steel is in mass%, C: 0.35 to 0.45%, Si: 0.10% or less, Mn: 0.50 to 1.0%, P: 0.015% or less, S: 0 0.030% or less, Cr: 0.05 to 0.15%, Mo: 0.15 to 0.25%, Al: 0.01 to 0.05%, N: 0.010% or less, O (oxygen) : 0.0020% or less, B: 0.0010 to 0.0030% and Ti: 0.010 to 0.045%, the balance being steel having a chemical composition composed of Fe and impurities, and A differential gear characterized by satisfying the conditions (a) to (d).
(I) Hardened layer depth: 0.80 to 1.50 mm
(B) Old austenite average particle diameter of the hardened layer: 12 μm or less (c) Residual stress at the position of 50 μm from the surface at the root part: −700 MPa or less (d) [(Vickers hardness of the surface layer part) − (core part ΔHV value represented by Vickers hardness)]: 10 to 40
請求項1に記載の差動歯車において、さらに下記の条件(ホ)および(ヘ)を満たすことを特徴とする差動歯車。
(ホ)表層部の全脱炭層深さ:0.015mm以下
(ヘ)表層部のC量:0.35〜0.50%
The differential gear according to claim 1, further satisfying the following conditions (e) and (f):
(E) Total decarburized layer depth of surface layer: 0.015 mm or less (f) C content of surface layer: 0.35 to 0.50%
請求項1に記載した差動歯車の生地の化学組成を有する鋼材を、下記の工程〈1〉〜〈8〉の順に処理することを特徴とする差動歯車の製造方法。
工程〈1〉:鋼材を1000〜1200℃の温度域の温度であるT℃において加熱時間を10min以内として加熱する。
工程〈2〉:加熱した鋼材を、鍛造終了温度を900℃以上として熱間鍛造し、差動歯車の形状に成形する。
工程〈3〉:成形した差動歯車形状品を、熱間鍛造終了温度から1〜20℃/sの平均冷却速度で300℃まで冷却する。
工程〈4〉:差動歯車形状品の表面に生成した酸化スケールを除去する。
工程〈5〉:酸化スケールを除去した差動歯車形状品を、カーボンポテンシャルが0.40〜0.50%の雰囲気で820〜1000℃に加熱した後、焼入れを行う。
工程〈6〉:焼入れした差動歯車形状品を200℃以下の温度で焼戻し処理する。
工程〈7〉:焼戻し処理した差動歯車形状品に、さらに、加熱は周波数40〜60kHzで行い、差動歯車の歯底表面温度が600〜700℃になるよう予熱処理を行い、その後大気放冷して、加熱時間0.2〜0.5sで歯底表面温度が950〜1050℃になるよう、本加熱処理を施して輪郭高周波焼入れを行う。
工程〈8〉:輪郭高周波焼入れした差動歯車形状品を200℃以下の温度で焼戻し処理する。
A method for manufacturing a differential gear, comprising: treating the steel material having the chemical composition of the cloth of the differential gear according to claim 1 in the order of the following steps <1> to <8>.
Step <1>: The steel material is heated at a temperature in the temperature range of 1000 to 1200 ° C. and at a heating time of 10 minutes or less.
Step <2>: The heated steel material is hot forged at a forging end temperature of 900 ° C. or higher and formed into a differential gear shape.
Step <3>: The formed differential gear-shaped product is cooled to 300 ° C. at an average cooling rate of 1 to 20 ° C./s from the hot forging end temperature.
Step <4>: The oxide scale generated on the surface of the differential gear-shaped product is removed.
Step <5>: The differential gear-shaped product from which the oxide scale has been removed is heated to 820 to 1000 ° C. in an atmosphere having a carbon potential of 0.40 to 0.50%, and then quenched.
Step <6>: The quenched differential gear product is tempered at a temperature of 200 ° C. or lower.
Step <7>: The tempered differential gear-shaped product is further heated at a frequency of 40 to 60 kHz, preheated so that the root surface temperature of the differential gear reaches 600 to 700 ° C., and then released to the atmosphere. It cools and this heat processing is performed so that a root surface temperature may be 950-1050 degreeC by heating time 0.2-0.5 s, and contour induction hardening is performed.
Process <8>: The differential gear-shaped product subjected to contour induction hardening is tempered at a temperature of 200 ° C. or lower.
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