JP6088322B2 - 耐焼付き性に優れた歯車 - Google Patents
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Description
歯車としての耐焼付き性を改善するためには、表面から20μm深さ位置での窒素濃度を2.0〜6.0%となるように制御する必要がある。この部分における窒素濃度が、2.0%未満になると、金属接触による原子間結合が発生しやすくなり、凝着摩耗が生じることになる。一方、窒素濃度が6.0%を超えると、表層近傍の窒化物の原子構造が変化してしまうため、却って凝着摩耗が生じやすくなる。この窒素濃度の好ましい下限は3.2%以上(より好ましくは3.5%以上)であり、好ましい上限は5.8%以下(より好ましくは5.5%以下)である。
歯車表層部に炭化物を多数析出させることで、高すべり環境下において、耐焼付き性を向上させることができる。また表層部に存在する炭化物は、窒化によって表層部に窒素を著しく濃化させることを援助する作用も有する。そのためには、表層部での炭化物の面積率は5%以上である必要がある。炭化物の面積率が5%に満たない場合には、表層部近傍での窒素の濃化が不十分になるだけでなく、炭化物自身による耐焼付き性改善効果も不足するため、所定の耐焼付き性を得られない。この炭化物の面積率は好ましくは6%以上であり、より好ましくは7%以上である。
残留オーステナイトは、加工誘起変態することで、繰り返し衝撃荷重負荷時の亀裂発生および進展を抑制することができる。そのためには鋼中に、面積率で1%以上の残留オーステナイトを存在させることが必要である。しかしながら、残留オーステナイトの面積率が10%を超えて存在すると、歯車部品を軟化させて、凝着摩耗が生じやすくなる。残留オーステナイトの面積率の好ましい下限は2%以上(より好ましくは3%以上)であり、好ましい上限は9%以下(より好ましくは8%以下)である。
Cは、機械構造用鋼部品としての芯部硬さを確保するのに必要な元素であり、C含有量が0.15%未満では芯部硬さが不足し、機械構造用鋼部品として強度が不足する。しかしながら、C含有量が過剰になると、浸炭時の炭素浸入量が減って炭化物の析出量が少なくなるだけでなく、芯部硬さが過度に高くなって冷鍛加工性や被削性も劣化するので、0.45%以下に抑える必要がある。C含有量の好ましい下限は0.18%以上(より好ましくは0.20%以上)であり、好ましい上限は0.40%以下(より好ましくは0.35%以下)である。
Siは、焼戻し軟化抵抗を高めて硬さの低下を抑制する効果を発揮する。こうした効果を発揮させるためには、0.05%以上含有させる必要がある。しかしながら、Si含有量が過剰になると、冷間鍛造時の金型寿命を低下させるとともに、被削性も劣化させるため、1.0%以下とする必要がある。Si含有量の好ましい下限は0.10%以上(より好ましくは0.15%以上)であり、好ましい上限は0.8%以下(より好ましくは0.5%以下)である。
Mnは、マトリクスの固溶強化および焼入れ性を向上させると共に、残留オーステナイトを生成させ易くする効果がある。これらの効果を発揮させるためには、1.0%以上含有させる必要がある。しかしながら、Mn含有量が過剰になると、低級酸化物であるMnO濃度が上昇し、疲労特性を悪化させる他、加工性や被削性が著しく低下するので、2.0%以下とする必要がある。Mn含有量の好ましい下限は1.1%以上(より好ましくは1.2%以上)であり、好ましい上限は1.8%以下(より好ましくは1.7%以下)である。
Pは、結晶粒界に偏析して疲労寿命を短くするのでできるだけ低減する必要がある。特に、その含有量が0.05%を超えると、疲労寿命の低下が著しくなる。こうしたことから、P含有量は0.05%以下とした。P含有量は好ましくは0.045%以下であり、より好ましくは0.040%以下である。
Sは、硫化物を形成する元素であり、その含有量が0.05%を超えると、粗大な硫化物が生成するため疲労寿命を短くする。従って、Sの含有量は0.05%以下とする。S含有量は好ましくは0.045%以下であり、より好ましくは0.040%以下である。
Crは、焼入れ性の向上と安定な炭化物の形成を通じて、強度の向上および耐焼付き性を向上させるのに有効に作用する。こうした効果を発揮させるためには、Crは0.9%以上含有させる必要がある。しかしながら、Crの含有量が過剰になると、炭化物が粗大化し、疲労特性および切削性を低下させるため、その含有量は2%以下とする必要がある。Cr含有量の好ましい下限は1.1%以上(より好ましくは1.2%以上)であり、好ましい上限は1.9%以下(より好ましくは1.8%以下)である。
Alは、脱酸剤として作用し、酸化物系介在物量を低減して鋼材の内部品質を高める作用を発揮するため適量添加することが好ましい。こうした観点から、Al含有量は0.01%以上とした。しかしながら、Al含有量が過剰になると、粗大で硬い介在物(Al2
O3)が生成し、疲労特性を低下させるので0.1%以下とする必要がある。Al含有量
の好ましい下限は0.015%以上(より好ましくは0.020%以上)であり、好ましい上限は0.08%以下(より好ましくは0.06%以下)である。
Nは、Alと結合してAlNを形成し、結晶粒径を微細化する効果も有するが、その一方でN含有量が多すぎると、圧延時に割れが発生しやすくなるので0.02%以下に制限する必要がある。N含有量は、好ましくは0.018%以下であり、より好ましくは0.016%以下である。
Moは、焼入れ時の焼入性を著しく向上させる効果を持つのに加え、衝撃強度の向上に有効な元素である。しかしながら、Mo含有量が過剰になると、素材硬さが高くなるため被削性が不良となり、更には高価な元素であるためコストアップの要因となることから0.5%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.45%以下であり、更に好ましくは0.40%以下である。尚、Moによる効果を有効に発揮させるためには、0.05%以上含有させることが好ましく、より好ましくは0.07%以上(更に好ましくは0.10%以上)である。
V、TiおよびNbは、歯車の表面硬さを向上させることによって、耐焼付き性を向上させるのに有効な元素である。これらにおける詳細な作用効果は次の通りである。
Bは、焼入性を著しく向上させる効果を有するだけでなく、衝撃強度の向上にも有効である。しかしながら、B含有量が過剰になると、B化合物が過剰に析出して粒界強度を低下させるため、疲労強度が劣化する。こうした観点から、0.01%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.007%以下であり、更に好ましくは0.004%以下である。
Cuは、鋼中に固溶し、表層および内部硬さを向上させ、耐焼付き性を向上させるのに有効に作用する。また窒化処理時に微細に析出して、鋼材を硬化させる作用を発揮する。しかしながら、Cu含有量が過剰になると、鋼材を脆化させるのでCu含有量は5%以下とすることが好ましい。より好ましくは4%以下であり、更に好ましくは3%以下である。
1.浸炭条件
(1)加熱温度(浸炭温度):900〜980℃
鋼部品に十分な浸炭を施すには、浸炭温度を900℃以上とすることが好ましく、これより低温である場合には、浸炭に要する時間が長くなり生産性が低下するので好ましくない。より好ましくは910℃以上であり、更に好ましは920℃以上である。一方、浸炭温度が高すぎても結晶粒が粗大化し、鋼部品の靭性が劣化するので、浸炭温度は980℃以下とするのがよい。より好ましくは970℃以下であり、更に好ましくは950℃以下である。この浸炭温度での保持時間(浸炭時間)は、特に制約されるものではなく所望の浸炭層深さが得られる時間とすればよいが、コスト面からは1時間以上、10時間以下の範囲内で適宜設定するのがよい。
加熱雰囲気は、Cpが0.9%以上、1.5%以下となるように制御するのがよい。この工程におけるCpが低過ぎると、鋼部品表層の炭素濃度が低くなり、次工程の炭化物析出工程で十分な炭化物を析出させることができず、結果として所望の耐焼付き性を確保することが困難となる。一方、Cpの上限には特に制約はないが、高すぎると「スーティング」と呼ばれる「すす」が鋼部品表面に付着して浸炭が阻害されるので、1.5%以下とすることが好ましい。Cpのより好ましい下限は0.95%以上(更に好ましくは1.0%以上)であり、より好ましい上限は1.3%以下(更に好ましくは1.2%以下)である。
前記浸炭温度で一定時間保持した後は、平均冷却速度10℃/分以上で冷却するのがよい。その理由は、次工程である炭化物析出工程で微細な炭化物を析出させるには、前記浸炭温度で一定時間保持した後、浸炭した炭素を析出させず過飽和に固溶した状態で一旦Ar1変態点以下まで冷却しなければならず、平均冷却速度が10℃/分未満では、過飽和状態にある炭素が結晶粒界に拡散する時間的余裕があり、析出時に炭化物が網目状に析出して各種強度が低下するからである。平均冷却速度の上限には特に制約はないが、あまり急速に冷却しても鋼部品に変形や割れが生じ易くなるので、4200℃/分以下とするのがよい。この平均冷却速度のより好ましい下限は13℃/分以上(更に好ましくは15℃/分以上)であり、より好ましい上限は3600℃/分以下(更に好ましくは3000℃/分以下)である。
前述した様に、上記浸炭工程にて過飽和に炭素を固溶した浸炭層内から、微細な炭化物を析出させることによって、歯車部品の耐焼付き性を向上させることができる。次に、炭化物析出条件について詳述する。
炭化物析出は、800℃以上、860℃以下の温度範囲内で行うのがよい。加熱温度が860℃を超えると、炭素量の固溶限界が大きくなり、析出する炭化物量が減少する。一方、加熱温度が800℃未満になると、析出する炭化物が微細化し過ぎて耐焼付き性向上に対する寄与が小さくなる。この加熱温度のより好ましい下限は820℃以上(更に好ましくは830℃以上)であり、より好ましい上限は855℃以下(更に好ましくは850
℃以下)である。
炭化物析出工程では、Cpが0.7%以上、1.1%以下の雰囲気で炭化物の析出を行うのがよい。Cpが0.7%未満になると、前記加熱温度保持中に脱炭してしまい、析出する炭化物量が減少する。一方、Cpが1.1%を超えると、前記加熱温度保持中に浸炭が進んで炭化物が粗大化し、ピッチング等の各種強度が低下するので好ましくない。Cpのより好ましい下限は0.72%以上(更に好ましくは0.75%以上)であり、より好ましい上限は1.05%以下(更に好ましくは1.0%以下)である。尚、前記Cpは、前述した方法で測定することができる。
(1)窒化処理温度:350〜650℃
本発明では、窒化処理において所定量の炭化物を析出させると共に、Nの鋼材への拡散を促進させ、原子間結合の発生しにくい鉄窒化物組成へと制御することによって、優れた耐焼付き性を得ることが可能となる。処理温度の下限を350℃としたのは、窒化処理温度が低過ぎる場合には、Nの拡散速度が低下してしまい、処理時間が長時間化してしまうためである。また、上限を650℃としたのは、窒化処理温度が高すぎる場合、Nの拡散促進のためには有効であるが、母相マトリクスの焼戻しが進行し過ぎて内部硬さが低下し、歯車部品としての特性を得られなくなるためである。従って、窒化温度を350〜650℃の範囲とすることにより、歯車部品としての諸特性を満足すると共に、電気自動車モータ等の高すべり環境下においても優れた耐焼付き性を発揮することができる。窒化温度のより好ましい下限は400℃以上(更に好ましくは450℃以上)であり、より好ましい上限は630℃以下(更に好ましくは600℃以下)である。
窒化処理時間(窒化処理時の保持時間)は、Nを鋼中に拡散させ、鉄窒化物を形成させるために必要とされるものである。通常は温度と時間が連動してNの拡散量、鉄窒化物量が決まるものであるが、本発明では、安定に所定の組織を得るための範囲を、温度、時間で夫々設定した。窒化時間を3〜30時間とすることで、所望の組織を得ることができ、電気自動車モータ等の高すべり環境下においても優れた耐焼付き性を発揮することができる。この窒化時間が3時間未満の短時間では、十分な鉄窒化物を得ることができず、3時間未満で所望の組織を達成するために温度を上げ過ぎると、母相マトリクスが軟質化してしまう弊害がある。一方、窒化時間が30時間を超える場合にも母相マトリクスが軟質化してしまい、これを防ぐために低温で処理しようとすると、Nが十分に鋼中に入り込まれず、十分な鉄窒化物を生成できない弊害がある。
窒化処理雰囲気における窒素ガス濃度(N2分率)は、Nを鋼中に拡散させ、原子間結合の発生しにくい鉄窒化物組成へと制御することによって、優れた耐焼付き性を得ることができる。雰囲気中のN2分率が30%未満では、Nを鋼中に十分含有させることができず、所望の歯車特性が得られない。一方、N2分率が80%を超え、鋼中のNの含有量が増え過ぎると、原子間結合しやすい鉄窒化物へと組成が再び変化するため、耐焼付き性を改善できない。このN2分率のより好ましい下限は35%以上(更に好ましくは40%以上)であり、より好ましい上限は75%以下(更に好ましくは70%以下)である。
下記表1、2に示す各種化学成分組成の鋼材(鋼種Vは、JIS SCM420相当鋼)を、小型炉によって溶製し、熱間鍛造後に溶体化処理および焼きならし処理を行い、引き継き、機械加工により直径:26mm×長さ:130mmのローラーピッチング試験片の形状に粗加工した。粗加工後の試験片に、図1に示す各種パターン[図1(a)〜(f)]で、高濃度浸炭処理(浸炭、および炭化物析出処理)を行った。
組織中(主組織は焼戻しマルテンサイトおよび/または焼戻しベイナイト)の炭化物の面積率は、窒化処理後の試験片を横断面で切断、樹脂に埋め込み、鏡面研磨、エッチングしたサンプルを用い、その表面から深さ20μmの位置を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて測定した。高濃度浸炭を行うと、炭素が表層から内部に向けて拡散する。その結果、表層部から内部に向かって炭素の濃化層が形成され、それに伴って炭化物も形成される。ここでは、表面近傍における炭化物が重要であり、表面近傍における炭化物が面積率で5%以上あることが必要である。しかしながら、表面近傍の炭化物を直接測定することは困難であるため、ここでは表面近傍とほぼ同じ面積率になっている表面から20μm深さ位置における炭化物を表面近傍の炭化物と定義し、その面積率が5%以上であることを本発明の要件とした。任意の9μm×12μmの視野を、倍率8000倍で観察し、画像解析ソフトで炭化物の部分を識別し、その面積率を求めた。このとき測定は3視野行い、それら3視野の算術平均を炭化物の面積率とした。
試験片の一部を採出し、表面から深さ200μmの位置までの範囲を、50μmピッチ間隔(5箇所)で、微小部X線測定装置を用いて測定し、得られた残留オーステナイト量(残留γ面積率)の総和を5(測定箇所数)で除した値を採用した。
表層部(表面から20μm深さ位置)における窒素濃度は、前記試験片を横断面で切断、樹脂に埋め込み、鏡面研磨後、表層部から内部に向かって窒素濃度を、電子線マイクロプローブ分析計(Electron Probe Microanalyzer:EPMA)を用いた分析によって測定した。
部品特性の評価方法として、ローラーピッチング試験を実施した。ローラーピッチング試験は、前記試験片(小ローラー)と、高炭素クロム軸受鋼SUJ2で作製された大ローラー(相手材)とを用いて、ローラーピッチング試験機によって行った。試験条件は、回転速度:1000rpm、相対すべり率:700%、油温:90℃で行い、焼付きの発生によって生じた振動で試験装置が停止するまでの回転数を求めた。このとき20000×103回を上限とし、焼付き発生寿命とした。10000×103回までに焼付きが発生しなかったものを、耐焼付き性に優れると評価した。
焼付き性が劣化している。試験No.17は、炭化物析出時の加熱温度が880℃と高すぎるため[熱処理パターン図1(e)]、炭化物面積率が確保できず、耐焼付き性が劣化している。
に窒素が濃化しすぎて耐焼付き性が劣化している。試験No.19は、浸炭時のカーボンポテンシャル(Cp)が低いため[熱処理パターン図1(d)]、炭化物面積率が確保できず、耐焼付き性が劣化している。
劣化している。
下記表7に示す各種化学成分組成の鋼材(鋼種B、W、X、Y:このうち鋼種Bは、前記表1に示した鋼種Bと同じ)を、小型炉によって溶製し、熱間鍛造後に溶体化処理および焼きならし処理を行い、引き継き、機械加工により直径:26mm×長さ:130mmのローラーピッチング試験片の形状に粗加工した。粗加工後の試験片に、前記図1(a)に示した熱処理パターンで、高濃度浸炭処理(浸炭、および炭化物析出処理)を行った。このとき、高濃度浸炭後の平均冷却速度は、50℃/秒とした。その後焼戻し処理を行い、窒化処理(プラズマ軟窒化処理またはプラズマ窒化処理)を行って、表層部に窒素を高濃度に含有する組織を形成した。窒化処理後、仕上げ加工を行い、試験片とした。実施例1と同様にローラーピッチング試験を行なった。
試験片の一部を採出し、試験片表層部(表面から20μm深さまでの表層部)において、以下に示す測定条件でX線回折を行った。
分析装置:2次元微小部X線回折装置「RINT−RAPID II」株式会社リガク社製
(1)分析条件
管球:Co、単色化:モノクロメータを使用(Kα線)、管球出力:40kV−26mA、検出器:イメージングプレート(2次元)
(2)反射法
コリメータ:φ300μm、ω角(X線入射角):22°〜30°揺動(1°/秒)、
φ角(面内回転):固定、測定時間(露光):30分
窒化鉄割合(質量%)={表層中のFe4Nの相対濃度(質量%)+表層中のFe2〜3Nの相対濃度(質量%)}
窒化鉄中でのFe4Nの割合(質量%)={Fe4Nの相対濃度(質量%)/[Fe4Nの相対濃度(質量%)+Fe2〜3Nの相対濃度(質量%)]}×100(%)
Claims (8)
- C:0.15〜0.45%(「質量%」の意味、化学成分組成について以下同じ)、Si:0.05〜1.0%、Mn:1.0〜2.0%、P:0.05%以下(0%を含まない)、S:0.05%以下(0%を含まない)、Cr:0.9〜2%、Al:0.01〜0.1%、およびN:0.02%以下(0%を含まない)を夫々含有し、残部が鉄および不可避不純物からなり、表面から深さ200μmの位置までの範囲において、焼戻しマルテンサイトおよび/または焼戻しベイナイトに、面積率1〜10%で残留オーステナイトが存在すると共に、表面から深さ20μmの位置に、炭化物が面積率で5%以上析出している鋼材組織を有し、且つ表面から20μm深さにおける窒素濃度が2.0〜6.0%であり、更に、
ローラーピッチング試験機を用い、試験片を小ローラー、かつ相手材を高炭素クロム軸受鋼SUJ2で作製された大ローラーとし、回転速度:1000rpm、相対すべり率:700%、油温:90℃の試験条件でローラーピッチング試験を実施したときに、10000×10 3 回までに焼付きが発生しないことを特徴とする耐焼付き性に優れた歯車。 - 更に、Mo:0.5%以下(0%を含まない)を含有する請求項1に記載の歯車。
- 更に、V:0.2%以下(0%を含まない)、Ti:0.1%以下(0%を含まない)およびNb:0.2%以下(0%を含まない)よりなる群から選ばれる1種以上を含有する請求項1または2に記載の歯車。
- 更に、B:0.01%以下(0%を含まない)を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の歯車。
- 更に、Cu:5%以下(0%を含まない)および/またはNi:5%以下(0%を含まない)を含有する請求項1〜4のいずれかに記載の歯車。
- 表面から20μm深さまでの表層部において、窒化鉄の濃度が80質量%以上である窒化層が存在しており、当該窒化層は、窒化鉄中のFe4Nの割合が20質量%以上である請求項1〜5のいずれかに記載の歯車。
- 表面に潤滑皮膜が形成されたものである請求項1〜6のいずれかに記載の歯車。
- 電気自動車モータ用である請求項1〜7のいずれかに記載の歯車。
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