JP5708901B1 - 機械構造部品およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1には、初期歯形を冷間鍛造で張り出し成形し、その後、冷間鍛造により初期歯形から歯先の突き出しを行うように成形する歯形部品の製造方法が提案されている。
また、特許文献2に記載の製造方法では、冷間鍛造後に仕上げの機械加工を必要とし、その分製造コストの上昇が避けられなかった。
また、本発明は、上記した歯付き機械構造部品の有利な製造方法を提供することを目的とする。
その結果、好適な冷間鍛造用素材成分に対し、適切な冷間鍛造方法を組み合わせて制御することによって、冷間鍛造にて製造した歯付き部品の寸法精度が従来に比べて格段に向上することを見出した。そして、歯の寸法精度を向上させることによって、従来懸念された騒音を大幅に低減することができ、さらに浸炭処理後のオーステナイト粒の粗大化を阻止することによって、疲労強度の有利な向上が達成されることの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
1.質量%で、
C:0.10〜0.35%、
Si:0.01〜0.13%、
Mn:0.30〜0.80%、
P:0.03%以下、
S:0.03%以下、
Al:0.01〜0.045%、
Cr:0.5〜3.0%、
B:0.0005〜0.0040%、
Nb:0.003〜0.080%および
N:0.0080%以下
を含み、不純物として混入するTiを0.005%以下に抑制し、残部はFe及び不可避的不純物の成分組成からなる鋼を素材として、冷間鍛造および浸炭処理により得られる歯付き部品であって、浸炭処理後のオーステナイト粒径について、50μm以下の結晶粒の面積率が80%以上で、かつ300μm超えの結晶粒の面積率が10%以下であり、浸炭処理後の歯の全歯すじ誤差が下記式(1)を満足する機械構造部品。
記
(Bmax/L)×103≦5 ・・・ (1)
但し、Bmax は全ての歯における最大の全歯すじ誤差(mm)
Lは歯幅(mm)
Sb:0.0003〜0.50%および
Sn:0.0003〜0.50%
のうちから選んだ1種または2種を含有する前記1に記載の機械構造部品。
歯成形前の焼鈍を2回以内(0回を含む)とし、かつ歯成形時における断面減少率を下記式(2)の範囲とする機械構造部品の製造方法。
記
19%≦{(A−π×(d/2)2)/A}×100≦70% ・・・ (2)
但し、Aは歯成形前の断面積(mm2)
dは歯付き部品のピッチ円直径(mm)
まず、本発明において、鋼素材の成分組成を前記の範囲に限定した理由について説明する。なお、成分に関する「%」表示は、特に断らない限り「質量%」を意味するものとする。
C:0.10〜0.35%
冷間鍛造品に施す浸炭処理後の焼入れによって、鍛造品中心部において十分な硬度を得るためには、0.10%以上のCを必要とするが、Cの含有量が0.35%を超えると、中心部の靱性が劣化するため、C量は0.10〜0.35%の範囲に限定した。なお、靱性の面からは、好ましくは0.25%以下、より好ましくは0.20%以下である。
Siは、脱酸剤として有用であり、少なくとも0.01%の添加が必要である。しかしながら、Siは浸炭表層で優先的に酸化し、粒界酸化を促すだけでなく、フェライトを固溶強化し変形抵抗を高めて冷間鍛造性を劣化させるため、上限を0.13%とする。好ましくは0.02〜0.10%、より好ましくは0.02〜0.09%の範囲である。
Mnは、焼入性の向上に有効な元素で有り、少なくとも0.30%の添加を必要とする。しかし、Mnの過剰な添加は、固溶強化による変形抵抗の上昇を招くため、上限を0.80%とした。好ましくは0.60%以下、より好ましくは0.55%以下である。
Pは、結晶粒界に偏析し、靭性を低下させるため、その混入は低いほど望ましいが、0.03%までは許容される。好ましくは0.025%以下である。なお、下限については特に限定しなくても問題はないが、不要な低P化は精錬時間の増長や精錬コストの上昇を招くため、0.010%以上とするのがよい。好ましくは0.013%以上である。
Sは、硫化物系介在物として存在し、被削性の向上に有効な元素であるが、過剰な添加は冷間鍛造性の低下を招くため、上限を0.03%とした。また、下限については特に限定しないが、被削性の確保のためには0.010%以上とするのがよい。好ましくは0.012%以上である。
過剰なAlは、鋼中のNをAlNとして固定することによって、Bの焼入性効果を発現させてしまう。浸炭処理後の部品強度を安定化させるためには、Bの焼入性効果を発現させないことが重要であり、そのためにAl量の上限は0.045%とする。一方、Alは脱酸に有効な元素でもあるため、下限を0.01%とする。好ましくは0.01〜0.040%、より好ましくは0.015〜0.035%の範囲である。
Crは、焼入性のみならず、焼戻し軟化抵抗の向上に寄与し、さらには炭化物の球状化促進にも有用な元素である。しかしながら、含有量が0.5%に満たないと、その添加効果に乏しく、一方3.0%を超えると、過剰浸炭や残留オーステナイトの生成を促進し、疲労強度に悪影響を与える。よって、Cr量は0.5〜3.0%の範囲に限定した。好ましくは0.7〜2.5%、より好ましくは1.0〜1.8%、さらに好ましくは1.4〜1.8%の範囲である。
Bは、鋼中でNと結合することで、固溶Nを低減させる効果があり、そのため、固溶Nによる冷間鍛造時の動的ひずみ時効を低減することが可能であり、鍛造時の変形抵抗を下げることに寄与する。このためには、0.0005%以上のB添加が必要であるが、一方でB量が0.0040%を超えると、変形抵抗低減効果は飽和し、むしろ靱性の低下を招くことから、B量は0.0005〜0.0040%の範囲に限定した。好ましくは0.0005〜0.0030%、より好ましくは0.0005〜0.0020%の範囲である。
Nbは、鋼中でNbCを形成し、浸炭処理時のオーステナイト粒の粗粒化をピン止め効果により抑制する効果がある。この効果を得るためには、少なくとも0.003%のNb添加が必要であるが、0.080%を超えて添加すると、粗大なNbCの析出による粗粒化抑制能の低下や疲労強度の劣化を招くおそれがある。このためNb量は0.003〜0.080%の範囲に限定した。好ましくは0.010〜0.060%、より好ましくは0.015〜0.045%の範囲である。
Nは、鋼中に固溶し、冷間鍛造時に動的ひずみ時効を生じ、変形抵抗を増大させてしまうため、混入を極力回避することが好ましい成分である。そのため、N量は0.0080%以下とした。好ましくは0.0070%以下、より好ましくは0.0065%以下である。
Tiは、鋼中への混入を極力回避することが好ましい成分である。すなわち、Tiは、Nと結合して粗大なTiNを形成しやすく、またNbとの同時添加は粗大析出物をより生じやすくし、疲労強度の低下を招くことから、その混入は極力低減することが好ましいが、0.005%以下であれば許容される。好ましくは0.003%以下である。0%であってもよい。
Sb:0.0003〜0.50%
Sbは、鋼材表面の脱炭を抑制し、表面硬度の低下を防止するために有効な元素である。ただし、過剰な添加は冷間鍛造性を劣化させることから、Sbは0.0003〜0.50%の範囲で含有させるものとした。好ましくは0.0010〜0.050%、より好ましくは0.0015〜0.035%の範囲である。
Snは、鋼材表面の耐食性を向上させる上で有効な元素である。ただし、過剰な添加は冷間鍛造性を劣化させることから、Snは0.0003〜0.50%の範囲で含有させるものとした。好ましくは0.0010〜0.050%、より好ましくは0.0015〜0.035%の範囲である。
すなわち、浸炭処理後のオーステナイト粒径について、50μm以下の結晶粒の面積率が80%以上で、かつ300μm超えの結晶粒の面積率が10%以下とする必要がある。好ましくは、50μm以下の結晶粒の面積率が90%以上で、かつ300μm超えの結晶粒の面積率が5%以下である。
(Bmax/L)×103≦5 ・・・ (1)
但し、Bmax は全ての歯における最大の全歯すじ誤差(mm)
Lは歯幅(mm)
なお、(1)式を満足するような精度誤差、すなわち高い寸法精度と、十分な部品強度との両立は、従来の鋼素材では達成できておらず、本発明の鋼成分で初めて達成されたものである。
本発明は、歯の歯すじ精度を高め、もって騒音の低減および疲労強度の向上を図るものであるが、そのためには歯成形時における断面減少率が重要であり、この断面減少率を次式(2)を満足する範囲とすることが重要である。
19%≦{(A−π×(d/2)2)/A}×100≦70% ・・・ (2)
但し、Aは歯成形前の断面積(mm2)
dは歯付き部品のピッチ円直径(mm)
なお、本発明において、冷間鍛造条件については特に制限はなく、従来から公知の条件で行えばよい。
そこで、発明者らは、この点についても検討を重ねた結果、疲労強度の劣化が生じた場合は、浸炭処理後に結晶粒が粗大化していることが判明した。
すなわち、冷間鍛造の前または中間に焼鈍を行う場合、焼鈍前の鋼組織は加工により変形したフェライトとパーライトであるが、焼鈍を行うと再結晶したフェライト母相に球状炭化物が分散した組織となる。再結晶したフェライトは非常に微細であり、浸炭加熱中の逆変態オーステナイトの核生成サイトが増大するため、浸炭初期のオーステナイトが微細化する。極度に微細化したオーステナイトは、異常粒成長を起こしやすく、そのため焼鈍を行うことで、結晶粒は粗大化しやすくなることが明らかとなった。また、焼鈍により、析出物が粗大化することも確認された。本来、析出物が微細であれば、オーステナイトの異常粒成長は抑制できるが、焼鈍により析出物が粗大化すると、粒界のピン止め力が損なわれるため、オーステナイトの異常粒成長を抑制することは困難となる。これらの現象は、焼鈍を繰り返すほど顕著となり、かかる焼鈍の回数が3回以上になると結晶粒が粗大化して疲労強度が劣化することが突き止められたのである。
従って、低騒音化のみならず、高疲労強度化も併せて達成するには、歯成形前の焼鈍を2回以内として、浸炭処理後のオーステナイト粒径について、50μm以下の結晶粒の面積率が80%以上で、かつ300μm超えの結晶粒の面積率が10%以下とすることが好ましい。
ここに、冷間鍛造時における焼鈍条件については特に制限はなく、従来から公知の条件で行えばよい。好ましい焼鈍温度は760〜780℃程度である。
また、浸炭処理条件については特に制限はなく、従来から公知の条件で行えばよい。一般的な処理としては、浸炭ガス雰囲気中にて900〜960℃で浸炭を施したのち、焼入れし、ついで120〜250℃で焼き戻し行う処理が挙げられる。
表1に示す成分組成の鋼を溶製し、熱間圧延により39.5〜90mm径の丸棒に成形した。得られた丸棒を素材とし、表2に示すインボリュート歯車形状に冷間鍛造したのち、図1に示す条件にて浸炭熱処理を実施した。なお、表1中のTi含有量が0.001%あるいは0.002%の鋼は、Tiを積極的に添加しておらず、不純物として混入したTi含有量である。
浸炭熱処理後の歯車は、オーステナイト粒径測定用のものと、歯すじ精度の測定および疲労試験に供するものとをそれぞれ用意し、オーステナイト粒径および歯すじ精度を測定し、さらには疲労試験を実施した。
得られた結果を表3に示す。
また、歯すじ精度測定は、全ての歯の両面側からJIS B 1702-1に準拠して3次元形状測定器にて全歯すじ誤差を測定し、全歯すじ誤差の最大値Bmaxおよび歯幅Lから式(1)の左辺を算出した。
さらに、歯車の疲労試験は、動力循環式歯車疲労試験機を用いて、1800rpmで実施し、107回の疲労限強度(負荷トルク)を求めるとともに、該強度における騒音を騒音計にて測定した。なお、本試験における疲労強度は200N・m以上であれば十分であり、また騒音は80dB以下であれば良好といえる。
実施例1で使用した鋼A、B、C、Q、Rを、熱間圧延により50mm径の丸棒に成形した。ついで、得られた丸棒を図2に示す条件にて焼鈍し、表2に示すインボリュート歯車形状に冷間鍛造した。その後、図1に示す条件にて浸炭熱処理を実施した。
浸炭熱処理後に、オーステナイト粒径測定および歯すじ精度測定を行い、その後、疲労試験を実施した。
得られた結果を表4に示す。
なお、冷間鍛造時の断面減少率、浸炭熱処理後のオーステナイト粒径、歯すじ精度測定および疲労試験は、実施例1と同様の方法で行った。
実施例1で使用した鋼A、B、C、Q、Rを、熱間圧延により45mm径の丸棒に成形した。ついで、得られた丸棒を図2に示す条件にて焼鈍し、50 mm径の丸棒へ冷間鍛造した。その後、再び図2に示す条件にて焼鈍し、表2に示すインボリュート歯車形状に冷間鍛造した。その後、図1に示す条件にて浸炭熱処理を実施した。
浸炭熱処理後に、オーステナイト粒径測定および歯すじ精度測定を行い、その後、疲労試験を実施した。
得られた結果を表5に示す。
なお、冷間鍛造時の断面減少率、浸炭熱処理後のオーステナイト粒径、歯すじ精度測定および疲労試験は、実施例1と同様の方法で行った。
実施例1で使用した鋼A、B、C、Q、Rを、熱間圧延により40mm径の丸棒に成形した。ついで、得られた丸棒を図2に示す条件にて焼鈍し、45mm径の丸棒に冷間鍛造したのち、再び図2に示す条件にて焼鈍した。その後、50mm径の丸棒に冷間鍛造して、再び図2に示す条件にて焼鈍したのち、表2に示すインボリュート歯車形状に冷間鍛造した。その後、図1に示す条件にて浸炭熱処理を実施した。
浸炭熱処理後に、オーステナイト粒径測定および歯すじ精度測定を行い、その後、疲労試験を実施した。
得られた結果を表6に示す。
なお、冷間鍛造時の断面減少率、浸炭熱処理後のオーステナイト粒径、歯すじ精度測定および疲労試験は、実施例1と同様の方法で行った。
Claims (3)
- 質量%で、
C:0.10〜0.35%、
Si:0.01〜0.13%、
Mn:0.30〜0.80%、
P:0.03%以下、
S:0.03%以下、
Al:0.01〜0.045%、
Cr:0.5〜3.0%、
B:0.0005〜0.0040%、
Nb:0.003〜0.080%および
N:0.0080%以下
を含み、不純物として混入するTiを0.005%以下に抑制し、残部はFe及び不可避的不純物の成分組成からなる鋼を素材として、冷間鍛造および浸炭処理により得られる歯付き部品であって、浸炭処理後のオーステナイト粒径について、50μm以下の結晶粒の面積率が80%以上で、かつ300μm超えの結晶粒の面積率が10%以下であり、浸炭処理後の歯の全歯すじ誤差が下記式(1)を満足する機械構造部品。
記
(Bmax/L)×103≦5 ・・・ (1)
但し、Bmax は全ての歯における最大の全歯すじ誤差(mm)
Lは歯幅(mm) - 前記鋼素材が、質量%でさらに、
Sb:0.0003〜0.50%および
Sn:0.0003〜0.50%
のうちから選んだ1種または2種を含有する請求項1に記載の機械構造部品。 - 請求項1または2に記載の機械構造部品の製造方法であって、
請求項1または2に記載の成分組成からなる鋼素材を、焼鈍と冷間鍛造により歯付き部品としたのち、浸炭処理を施して機械構造部品を製造するに際し、
歯成形前の焼鈍を2回以内(0回を含む)とし、かつ歯成形時における断面減少率を下記式(2)の範囲とする機械構造部品の製造方法。
記
19%≦{(A−π×(d/2)2)/A}×100≦70% ・・・ (2)
但し、Aは歯成形前の断面積(mm2)
dは歯付き部品のピッチ円直径(mm)
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