JP6127694B2

JP6127694B2 - 歯面強度及び歯元強度に優れた高強度歯車及びその製造方法

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Publication number: JP6127694B2
Application number: JP2013095678A
Authority: JP
Inventors: 浩平山口; 康志松村
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2013-04-30
Filing date: 2013-04-30
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2033-04-30
Also published as: JP2014214377A

Description

本発明は、歯面強度及び歯元強度に優れた高強度歯車及びその製造方法に関する。

自動車等に用いられる歯車部品においては、肌焼鋼を所定の歯車形状に鍛造成形もしくは切削加工した後に浸炭処理を施すのが一般的である。この種の歯車部品には、歯面における面疲労強度、及び歯元における曲げ疲労強度を向上させることが望まれているが、面疲労強度及び曲げ疲労強度のうちの一方を向上させると、他方が低下してしまうことが多い。このため、両者の両立を図るために、浸炭処理後にショットピーニング処理を施す技術が知られている（下記特許文献１参照）。これによれば、歯車部品において面疲労強度及び曲げ疲労強度を両立させ、両強度を共に向上させることが可能となる。

特開２００８−２５５４７０号公報特開平７−００３３９１号公報

ところが、ショットピーニング処理を用いるとコストが高くなるという問題がある。他方、熱処理により内部をマルテンサイト組織（一部残留オーステナイトを含む）とフェライトが主体となる混合組織（以下、本願ではマルテンサイト組織とフェライトの混合組織という）とし、浸炭層をマルテンサイト組織（一部残留オーステナイトを含む。以下、本願ではマルテンサイト組織という）とする技術が知られている（上記特許文献２参照）。この技術を用いると、浸炭層に圧縮の残留応力を付与することが可能となって、面疲労強度と曲げ疲労強度を共に向上させることが可能である。しかし、上記特許文献２に記載の技術は、あくまでも熱処理歪の低減を図りつつ、Ｖ化合物の析出により芯部の強度を確保することを目的としており、面疲労強度と曲げ疲労強度を共に向上させるためには未だ不十分であった。

本発明は、上記問題に対処するためになされたものであり、その目的は、低コスト化の要請に応えつつ、面疲労強度と曲げ疲労強度の両立が可能な歯車部品を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記目的を達成するために本発明の歯面強度及び歯元強度に優れた高強度歯車の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．３０％、Ｓｉ：０．０３〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｎｉ：３．００％以下、Ｃｒ：０．２０〜１．５０％、Ｍｏ：０．５０％以下、を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、焼入れ処理により内部をマルテンサイト組織とフェライトの混合組織としつつ、該マルテンサイト組織の比率を体積率で３０〜７０％に設定し、かつ浸炭処理後の浸炭層のＣ濃度を質量％で０．４０〜０．８０％に設定することで該浸炭層をマルテンサイト組織とするとともに、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒをそれぞれ質量％で表したとき、前記焼入れ処理時の焼入れ温度Ｔが下記式(1)を満たすことを特徴とする。
(８５９-２３０×Ｃ+４５×Ｓｉ-１５×Ｍｎ-１８×Ｎｉ-１．５×Ｃｒ)-Ｔ≧１０
…(1)
また、上記目的を達成するために本発明の歯面強度及び歯元強度に優れた高強度歯車は、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．３０％、Ｓｉ：０．０３〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｎｉ：３．００％以下、Ｃｒ：０．２０〜１．５０％、Ｍｏ：０．５０％以下、を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、内部がマルテンサイト組織とフェライトの混合組織とされ、該マルテンサイト組織の比率が体積率で３０〜７０％に設定され、浸炭層のＣ濃度が質量％で０．４０〜０．８０％に設定されることで該浸炭層がマルテンサイト組織とされており、浸炭層の表面から５０μｍの深さ位置までの圧縮の残留応力の最大値が７００ＭＰａ以上であることを特徴とする。なお、浸炭層における「マルテンサイト組織」とは、マルテンサイト組織の比率が体積率で１００％である場合の他、残留オーステナイトを一部に含みマルテンサイト組織の比率が体積率で７０％以上である組織を含む意である。

本発明の高強度歯車では、上記式(1)を満たすように焼入れ温度を調整することで、表層と内部との膨張量に適度の差をつけることができる。これにより、表層に所定大きさ以上の圧縮の残留応力を付与することができるようになって、面疲労強度及び曲げ疲労強度を共に向上させることができる。

（Ａ）はローラーピッチング試験で使用される負荷用ローラーと試験片とを示す正面図。（Ｂ）は（Ａ）の側面図。

以下、本発明の高強度歯車における各元素の組成限定理由および限定条件について説明する。

（１）Ｃ：０．０５〜０．３０％
Ｃは、内部硬さを確保するための必須元素である。焼入れ処理により内部硬さを確保するためには、少なくとも０．０５％以上の添加が必要である。他方、０．３０％を超えて含有させると、内部にてマルテンサイト組織とフェライトの混合組織を確保することが困難となるので、０．３０％を上限とする。好ましくは０．０５〜０．２０％である。

（２）Ｓｉ：０．０３〜１．００％
Ｓｉは、焼戻し硬さを高めるために有効な元素である。この効果を得るために０．０３％以上の添加が必要である。他方、１．００％を超えて含有させると、加工性及び切削性が低下するため、１．００％を上限とする。

（３）Ｍｎ：０．２０〜１．５０％
Ｍｎは、添加し過ぎると加工性及び切削性が低下するため、その含有を制限する必要がある。具体的には、１．５０％以下の含有とする。好ましくは１．００％以下である。他方、Ｍｎは、鋼の焼入れ性を高めるのに有効な元素であり、焼入れ処理により内部硬さを確保するためには、０．２０％以上の含有が必要である。

（４）Ｎｉ：３．００％以下
Ｎｉは、靭性の向上に寄与する。ただし、過度の添加は加工性を劣化させるため、３．００％以下の含有とする。好ましくは０．０５〜０．３０％、より好ましくは０．０５〜０．２０％である。

（５）Ｃｒ：０．２０〜１．５０％
Ｃｒは、マトリックス中に固溶して焼入性を高め、硬さ向上に寄与するとともに、焼戻し硬さを向上させる。これらの効果を得るために０．２０％以上の添加が必要である。他方、１．５０％を超えて添加すると、切削性が低下してしまうので、１．５０％を上限とする。好ましくは０．５０〜１．３０％である。

（６）Ｍｏ：０．５０％以下
Ｍｏも、Ｃｒと同様にマトリックス中に固溶して焼入性を高め、硬さ向上に寄与する。あるいは軟化抵抗性を高めるために有効な元素である。他方、過度の含有は、加工性及び切削性が低下してしまうので、０．５０％以下の含有とする。

（７）内部をマルテンサイト組織とフェライトの混合組織とした上で、マルテンサイト組織の比率が体積率で３０〜７０％
内部がマルテンサイト組織とフェライトの混合組織である場合、マルテンサイト組織の比率が３０％の体積率を下回ると、内部組織の耐塑性変形性が低すぎることとなって、降伏等が発生する可能性が高くなる。一方、マルテンサイト組織の比率が７０％の体積率を上回ると、表層と内部との膨張量に差をつけることが困難となる。マルテンサイト組織の比率は体積率で４０〜６０％とするのが望ましい。

（８）浸炭処理後の浸炭層のＣ濃度が質量％で０．４０〜０．８０％
本発明の高強度歯車にはガス又は真空浸炭処理が施される。ガス又は真空浸炭処理によれば、浸炭処理後の浸炭層のＣ濃度（表層Ｃ濃度）を所定の設定値に容易に設定することができる。この場合、表層Ｃ濃度が０．４０％未満となると、浸炭層の表面硬さが不足し、所定の表面硬さを確保することが困難となる。一方、浸炭層のＣ濃度が０．８０％を超えると、浸炭層に占める残留オーステナイトの比率が大きくなってしまい、表層と内部との膨張量の差が小さくなって、高い圧縮の残留応力を付与することが困難となる。好ましくは０．４５〜０．７５％である。

（９）焼入れ処理時の焼入れ温度Ｔが下記式（１）を満たすこと。
(８５９-２３０×Ｃ+４５×Ｓｉ-１５×Ｍｎ-１８×Ｎｉ-１．５×Ｃｒ)-Ｔ≧１０
…(1)
内部をマルテンサイト組織とフェライトの混合組織とするために必要な条件であり、その２相域で焼入れを行うための温度条件を示している。なお、焼入れは浸炭処理後、続けて行っても、１度徐冷し、再加熱してもよい。

本発明の高強度歯車では、さらに以下の条件を満たすように設定することができる。
（１０）浸炭層の表面から５０μｍの深さ位置までの圧縮の残留応力の最大値が７００ＭＰａ以上
曲げ疲労による、き裂の発生を抑制する観点から、後述する試験結果を踏まえて圧縮の残留応力の最大値を７００ＭＰａ以上とする。なお、後述する表３では、圧縮の残留応力を「マイナス」符号を付して示してある。

（鋼種、試験片形状）
まず、上記表１に示す合金組成（残部はＦｅ及び不可避不純物）の鋼種Ａ〜Ｃを真空溶解炉を用いて溶製し、インゴットに鋳造した。なお、鋼種Ａ〜Ｃは、いずれもＣ：０．０５〜０．３０％、Ｓｉ：０．０３〜１．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｎｉ：３．００％以下、Ｃｒ：０．２０〜１．５０％、Ｍｏ：０．５０％以下、の含有条件を満たしている。次に、このインゴットを圧延してバー材にし、焼準処理を施した後、曲げ疲労強度を評価するための試験片（図示省略）と、面疲労強度を評価するための試験片２０とをそれぞれ複数作成した。曲げ疲労強度を評価するための試験片は、周知の小野式回転曲げ試験片、例えば段付き円柱形状の試験片の中間部（例えば外径φ８ｍｍ）にＲ１．０のノッチを形成したものである。また、試験片２０は、試験内容に応じて図１に示されるようなローラー部２１と軸部２２が一体の段付き円柱形状（例えば、ローラー部２１の外径φ２６×軸部２２の軸長１３０ｍｍ）に形成した。

（浸炭を含む熱処理）
上記各試験片に対し、表２に示される条件で熱処理を施した。具体的には、９５０℃で均熱保持後、浸炭処理（カーボンポテンシャルＣＰ＝０．９）を１８０分間行い、続いてそのままの温度で拡散処理を１８０分間行った。このとき、拡散処理でのカーボンポテンシャルＣＰを変えることで（カーボンポテンシャルＣＰ＝０．５，０．７，０．９）、浸炭層のＣ濃度分布を変化させた。その後、種々の焼入れ前温度で６０分間保持して油焼入れ処理を行い、必要に応じて焼戻し処理を行った（例えば１４０〜１６０℃で１２０分間）。

（浸炭層のＣ濃度測定）
浸炭層のＣ濃度分布をＥＰＭＡによるライン分析で測定した。

（圧縮の残留応力測定）
上記各試験片の圧縮残留応力測定方法は、一般的な「ＪＩＳＢ２７１１」に規定されているＸ線回折を利用したＸ線応力測定法を用いた。

（曲げ疲労強度の評価方法）
小野式回転曲げ疲労試験機を用いて、常温で回転曲げ疲労試験（高強度用）を行った。この疲労試験では、疲労限度の応力、もしくは破断繰返し数が１０^６回に達したときの応力をもって疲労強度とした。

（面疲労強度の評価方法）
面疲労強度の評価方法の一つとして、図１に示されるようなローラーピッチング試験（以下、ＲＰ試験ともいう）により、ピッチングが発生するまでの剥離寿命を評価することとした。ローラーピッチング試験では、負荷用ローラー３０と試験片２０を油潤滑下にて一定面圧で接触させ、すべりを与えながら回転させた。試験条件は面圧２．５ＧＰａ、すべり率６０％、回転数１５００ｒｐｍとした。潤滑油は市販のＣＶＴＦを用い、油温３２３Ｋ、流量３Ｌ／ｍｉｎで試験を行った。負荷用ローラー３０は、軸受鋼ＳＵＪ２を焼入れ・焼戻し後に表面研削したもの（例えば、直径１３０ｍｍ、曲率半径１５０ｍｍのクラウニング加工を施したもの）を用いた。

表３に各鋼種における測定結果を示す。ここでは、曲げ疲労試験において疲労限度の応力（もしくはサイクル数が１０^６回に達したときの応力）が８３０ＭＰａ以上であれば、曲げ疲労強度判定を良とした。また、ＲＰ試験においてピッチングが発生するまでの剥離寿命が１０^７回以上であれば、面疲労強度判定を良とした。

表３に示されるように、発明鋼１〜６は、浸炭処理後の浸炭層のＣ濃度が質量％で０．４０〜０．８０％の条件を満たし、かつ焼入れ温度Ｔが式（１）の条件を満たしている。このため、内部がマルテンサイト組織とフェライトの混合組織となり、しかもそのマルテンサイト組織の比率が体積率で３０〜７０％の範囲内に収まっている。一方、表層はマルテンサイト組織となっている。これにより、表層にて圧縮の残留応力が得られ、その大きさが絶対値で７００ＭＰａ以上となることが分かる。その結果、８３０ＭＰａ以上の疲労限度の応力（もしくはサイクル数が１０^６回に達したときの応力）が得られ、１０^７回以上の剥離寿命が得られることとなった。

一方、比較鋼１，２，５，７は、いずれも焼入れ温度Ｔが式（１）の条件を満たしていない。これにより、比較鋼１，２，５，７は、それぞれの内部がマルテンサイト組織となってしまい、表層にて圧縮の残留応力が得られるものの、極めて小さな値となっていることが分かる（比較鋼１：−４８９ＭＰａ，比較鋼２：−４０１ＭＰａ，比較鋼５：−１５６ＭＰａ，比較鋼７：−３８９ＭＰａ）。その結果、疲労限度の応力（もしくはサイクル数が１０^６回に達したときの応力）が規定の８３０ＭＰａに達しておらず、剥離寿命も規定の１０^７回に達していない。

また、比較鋼３，４は、焼入れ温度Ｔが式（１）の条件を満たしているものの、浸炭層のＣ濃度が上限である０．８０％を上回っている。これにより、比較鋼３，４は、それぞれの表層に占める残留オーステナイトの比率が高くなってしまい、表層にて圧縮の残留応力が得られるものの、極めて小さな値となっていることが分かる（比較鋼３：−２８０ＭＰａ，比較鋼４：−２５９ＭＰａ）。その結果、疲労限度の応力（もしくはサイクル数が１０^６回に達したときの応力）が規定の８３０ＭＰａに達しておらず、剥離寿命も規定の１０^７回に達していない。

また、比較例６は、浸炭層のＣ濃度が所定の範囲内（０．４０〜０．８０％）に属するものの、焼入れ温度Ｔが式（１）の条件を僅かながら満たしていない。これにより、表層における圧縮の残留応力が不足することとなって（−５８０ＭＰａ）、やはり疲労限度の応力（もしくはサイクル数が１０^６回に達したときの応力）が規定の８３０ＭＰａに達しておらず、剥離寿命も規定の１０^７回に達していない。なお、参考鋼は、熱処理後にショットピーニング（ＳＰ）処理を施したものであり、この場合は、焼入れ温度Ｔが式（１）の条件を満たしておらず、しかも内部がマルテンサイト組織であっても、表層にて十分な大きさの圧縮の残留応力が得られることが分かる。

以上の説明からも明らかなように、本発明の高強度歯車によれば、上記式(1)を満たすように焼入れ温度Ｔを調整することで、表層と内部との膨張量に適度の差をつけることができる。これにより、表層に所定大きさ以上の圧縮の残留応力（７００ＭＰａ以上）を付与することができるようになって、面疲労強度及び曲げ疲労強度を共に向上させることができる。特に、高サイクル曲げ疲労強度特性に優れた高強度歯車とすることができる。

２０試験片

Claims

質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０３〜１．００％、
Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、
Ｎｉ：３．００％以下、
Ｃｒ：０．２０〜１．５０％、
Ｍｏ：０．５０％以下、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、
焼入れ処理により内部をマルテンサイト組織とフェライトの混合組織としつつ、該マルテンサイト組織の比率を体積率で３０〜７０％に設定し、かつ浸炭処理後の浸炭層のＣ濃度を質量％で０．４０〜０．８０％に設定することで該浸炭層をマルテンサイト組織とするとともに、
Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒをそれぞれ質量％で表したとき、前記焼入れ処理時の焼入れ温度Ｔが下記式(1)を満たすことを特徴とする歯面強度及び歯元強度に優れた高強度歯車の製造方法。
(８５９-２３０×Ｃ+４５×Ｓｉ-１５×Ｍｎ-１８×Ｎｉ-１．５×Ｃｒ)-Ｔ≧１０
…(1)
質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０３〜１．００％、
Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、
Ｎｉ：３．００％以下、
Ｃｒ：０．２０〜１．５０％、
Ｍｏ：０．５０％以下、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、
内部がマルテンサイト組織とフェライトの混合組織とされ、該マルテンサイト組織の比率が体積率で３０〜７０％に設定され、浸炭層のＣ濃度が質量％で０．４０〜０．８０％に設定されることで該浸炭層がマルテンサイト組織とされており、
前記浸炭層の表面から５０μｍの深さ位置までの圧縮の残留応力の最大値が７００ＭＰａ以上であることを特徴とする歯面強度及び歯元強度に優れた高強度歯車。