JP6191906B2

JP6191906B2 - 耐摩耗性及びピッチング強度に優れた歯車を形成するためのショットピーニング方法

Info

Publication number: JP6191906B2
Application number: JP2013086314A
Authority: JP
Inventors: 直樹梅森; 亮平石倉
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2033-04-17
Also published as: JP2014210294A

Description

本発明は、耐摩耗性及びピッチング強度に優れた歯車を形成するためのショットピーニング方法に関する。

自動車等に使用されている歯車では、歯元と歯面で疲労破壊形態が異なっており、近年、歯車の小型化に伴う面圧増加に対応して、歯元疲労強度（曲げ疲労強度）のみならず、歯面疲労強度（ピッチング強度）の向上が一層求められている。
ここで、歯面疲労強度については、ショットピーニングによる表層硬さ、表層に付与される圧縮残留応力及び表面粗さが大きな影響を与え、圧縮残留応力の応力値については、投射材の粒径、硬度、投射速度、投射時間等が大きな影響を与えることが知られており、ショットピーニングの条件が圧縮残留応力の応力値に及ぼす影響について様々な研究がなされている（例えば、下記特許文献１参照）。
一方、ショットピーニング後の表面粗さについては、ショットピーニングの投射条件や投射材の硬さ等が影響することが知られている（例えば、下記特許文献２参照）。
また、ピッチング強度については、摩擦熱により歯車の表面温度が上昇することから、焼戻し硬さが影響することが知られている。具体的には、焼戻し硬さを向上させる成分（Ｓｉ，Ｃｒ，Ｍｏ等）を増加させることで、ピッチング強度を向上させることができる（例えば、下記非特許文献１参照）。

ところで、歯車においてギヤ比が小さい場合には、対となる両歯車ともに高い疲労強度が求められるため、両歯車に対してショットピーニングを行うのが一般的である。この場合、相互に硬さが高く、表面粗さが大きくなっており、歯面疲労としては摩耗が生じてからピッチングが発生する破壊形態を呈する。摩耗が進行すると、両ギヤ同士の歯当たりが変わり、滑らかに接触することが困難となって、歯車の噛み合い時にノイズが発生するようになる。したがって、ノイズの発生を抑制するためには、摩耗の進行を抑制することが必要となる。一方、ピッチングは、通常、ショットピーニングにより圧縮残留応力が付与された深さ位置までの表層部が摩耗し終わってから生じるため、ピッチング強度をより向上させるためには、ショットピーニングによる圧縮残留応力をより深い位置にまで付与することが必要となる。
これらに関し下記特許文献３，４には、圧縮残留応力を付与することで耐摩耗性を向上させる旨が記載されている。また、下記特許文献５には、焼戻し硬さ、最表面での圧縮残留応力、更に表面粗さを向上させることでピッチング強度を向上させる旨が記載されている。

特開２００７−３０７６７８号公報特開平７-２９０３６３号公報特開平９-１７６７９２号公報特開２０００-２３０５４４号公報特開２００２-３２２５３６号公報 CAMP-ISIJ,16(1993),796、Society of Automotive Engineers,Inc,P1〜7

しかしながら、上記特許文献３，４においては、ピッチング強度について何ら考慮されていない。また、上記特許文献５においては、摩耗及び圧縮残留応力深さについて何ら考慮されておらず、付与する圧縮残留応力の応力値が小さいため、摩耗の進行を抑制しながらピッチング強度の向上を図ることはできなかった。

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、歯車の歯面疲労強度を良好に向上させることが可能で、特に歯車対ともにショットピーニングを行う場合に摩耗の進行を抑制しつつ、ピッチング強度を向上させ得るショットピーニング方法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耐摩耗性及びピッチング強度に優れた歯車を形成するためのショットピーニング方法は、７００ＨＶ以上の硬さの投射材を、投射エア圧力０．２〜０．６ＭＰａの条件下で、１段目の投射材として粒径がφ０．３〜１．０ｍｍの範囲内のものを用い、２段目の投射材として粒径がφ０．０５〜０．２ｍｍの範囲内のものを用いて浸炭処理後の歯車に投射する２段ショットピーニングを行うことにより、歯車における歯面の表面の圧縮残留応力が１０００ＭＰａ以上１６０５ＭＰａ以下、圧縮残留応力が最大となる深さ位置が、歯面の表面を除く歯面の表面から３０μｍまでの間にあり、その最大圧縮残留応力が１５００ＭＰａ以上、歯面の表面から７５μｍ深さ位置での圧縮残留応力が６００ＭＰａ以上、圧縮残留応力が６００ＭＰａとなる歯面の表面からの深さ位置が７６μｍ以上１２１μｍ以下の間にあり、かつ歯面の表面粗さＲａが０．８μｍ以下に設定されることを特徴とする。

ショットピーニングによる圧縮残留応力をより深い位置にまで付与するために、粒径がφ０．３ｍｍ以上の投射材を用いることが考えられる。ところが、投射材の粒径がφ０．３ｍｍ以上であると、ショットピーニング後の表面が荒くなって表面粗さが悪化する。表面粗さが悪化すると、摩耗が促進されるため、圧縮残留応力を深い位置にまで付与した効果が薄れてしまう。これらを回避するためには２段ショットピーニングが有効である。すなわち、１段目に粒径がφ０．３〜１．０ｍｍの投射材を用い、２段目に粒径がφ０．０５〜０．２ｍｍの微粒子状の投射材を用いることで、表面粗さの悪化を解消することができる。その結果、圧縮残留応力を深い位置にまで付与しつつ、表面粗さを所定値以下に抑制することが可能となる。なお、１段目に粒径がφ１．０ｍｍを超える投射材を用いると、表面粗さが極端に悪化し、２段目の微粒子ショットピーニングを施しても表面粗さを小さくすることができないため、１段目の投射材の粒径はφ１．０ｍｍ以下とする必要がある。

本発明のショットピーニング方法によれば、ショットピーニング後において歯車の歯面の表層から３０μｍ深さ位置までの最大圧縮残留応力を１５００ＭＰａ以上、歯面の表層から７５μｍ深さ位置での圧縮残留応力を６００ＭＰａ以上、かつ歯面の表面粗さＲａを０．８μｍ以下に設定することができる。これにより、歯面疲労強度を良好に向上させることができ、例えば歯車対ともにショットピーニングを行う場合でも、摩耗の進行を抑制しつつ、ピッチング強度の向上を図ることが可能となる。

本発明のショットピーニング方法の適用対象の一例である歯車の歯元及び歯面を示す部分拡大図。（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用ローラーを示す正面図。（Ｂ）は（Ａ）の側面図。各鋼種における表層からの深さ位置（距離）と圧縮残留応力との関係を示すグラフ。鋼種がＳＣｒ４２０である場合において、圧縮残留応力が６００ＭＰａとなる深さ位置とピッチング寿命との関係を示すグラフ。鋼種が真空浸炭用鋼である場合において、圧縮残留応力が６００ＭＰａとなる深さ位置とピッチング寿命との関係を示すグラフ。

本発明のショットピーニング方法は、ＪＩＳで規定されたＳＣｒ４２０Ｈ、ＳＣＭ４２０Ｈ、ＳＮＣＭ２２０Ｈなどの肌焼構造用鋼や、これらにＮｂ,Ｔｉを０．１％以下添加した鋼等に適用することができる。表１には、本実施例で採用した鋼の一例としてＳＣｒ４２０の組成が示してある。

また、上記鋼以外にも、例えば特開２００７−２９１４８６号公報に記載されている真空浸炭用鋼に適用することもできる。この真空浸炭用鋼は、質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．３〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、Ｃｒ：０．３〜１．０％、Ｍｏ：２．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、
［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．５
の条件を満たしている。表１には、本実施例で採用した真空浸炭用鋼の組成の一例が示してある。ここで、真空浸炭用鋼について各元素の組成限定理由について概説しておく。

Ｃ（０．１〜０．３％）は、歯車１０の歯元１１の強度（図１参照）を確保する上で適切な範囲である。Ｍｎは、脱酸剤として鋼の溶製時に添加されるが、炭化物の生成にはあまり影響を与えないから、その量は広い範囲（０．３〜３．０％）から選ぶことができる。Ｐ及びＳは不純物であって、製品の機械的性質にとって好ましくない成分であるから、その量は低い方がよい。前記の値（ともに０．０３％）は、許容限度である。

Ｓｉ（０．５〜３．０％）、Ｎｉ（０．０１〜３．００％）及びＣｕ（０．０１〜１．００％）は、炭化物の生成を抑制する成分であって、それぞれ上記の下限値以上であって、かつ、それらの量の合計からＣｒの量を差し引いた値が０．５を上回るように添加しなければならない。しかし、大量の添加は、熱間加工性を低下させるから、それぞれに上記の上限を設けた。

Ｃｒ：０．３〜１．０％
Ｃｒは炭化物の生成を促進する成分であるから、多量に存在させることができない。１．０％は、炭化物の生成を抑制する成分が多量である場合に可能な、Ｃｒ量の上限である。ただし、あまり低減しすぎると焼入れ性が低くなって、製品の機械的特性が不満足になるので、下限値として０．３％を設けた。

Ｍｏ：２．０％以下
Ｍｏは焼入れ性を向上させ、焼戻し軟化抵抗性を高めるために添加することができる。多量になると鋼の加工性を悪くするので、２．０％以下の適切な添加量を選ぶべきである。

［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．５
Ｓｉ、Ｎｉ及びＣｕは炭化物の生成を抑制し、一方、Ｃｒは増加させるから、前三者の影響と後者の影響とをバランスさせて、抑制効果が高くなるようにすることによって、エッジ部の炭化物生成量抑制を実現することができる。

上記真空浸炭用鋼は、上述した基本的な合金成分に加えて、以下の任意添加元素の、少なくとも一つを含有する合金組成とすることができる。

Ｎｂ：０．１０％以下及びＴｉ：０．１０％以下の１種または２種
これらの成分は、浸炭時に生じる結晶粒の成長を抑制し、整粒組織を保つという目的にとって有効である。過大な添加は加工性に悪影響を及ぼすので、それぞれ上記の限界内の添加量に止める。

Ｂ：０．０１％以下
Ｂは、焼入れ性の向上に効果があるので、所望により添加する。大量の存在は加工性にとって有害であるから、０．０１％以下の添加量を選ぶ。

Ｐｂ：０．０１〜０．２０％、Ｂｉ：０．０１〜０．１０％及びＣａ：０．０００３〜０．０１００％の１種または２種以上
これらの成分は、被削性の向上という目的にとって有効である。過大な添加は靱性に悪影響を及ぼすので、それぞれ上記の限界内の添加量に止める。

本発明のショットピーニング方法に適用される歯車１０は、自動車の歯車の用途に好適である。ここで、歯面１２は、図１に示されるように、歯車１０の噛み合いに預かる面の全てを意味する。

（鋼種、試験片形状）
まず、表１に示す合金組成（残部はＦｅ及び不可避不純物）の各鋼を真空溶解炉を用いて溶製し、インゴットに鋳造した。次に、このインゴットを圧延してバー材にした後、図２に示されるように、ローラー部２１と軸部２２が一体のローラーピッチング試験片２０（以下、試験用ローラー２０という）を作成した。ローラーピッチング試験（以下、ＲＰ試験ともいう）については後述する。

（浸炭方法）
次に、試験用ローラー２０に対し、下記の条件で浸炭及び熱処理を施した。すなわち、９５０℃で均熱保持後、そのままの温度で浸炭処理、拡散処理をこの順に行い、その後８５０℃で３０分間保持し、油焼入れを行った。焼戻しは１６０℃で２時間行った。浸炭処理は、圧力１５００Ｐａとしてアセチレンガス雰囲気で行った。また、拡散処理は、窒素雰囲気で行った。拡散処理後に仕上げ研削加工を施し、歯面の表面粗さＲａを０．０１〜０．４μｍの範囲内に調整した。

（ショットピーニング方法）
装置の噴射ノズルから試験用ローラー２０までの距離を２００ｍｍとし、投射角はローラー部２１の加工面に垂直となるよう試験用ローラー２０を設置した。ショットピーニングは、試験用ローラー２０におけるローラー部２１の転走面を狙って行い、ローラー部２１の転走面に対して均一にショットピーニングが施されるように、試験用ローラー２０を設置したテーブルを回転させた。表２には、投射条件としての投射材の硬さ、投射材の粒径及びエア圧力（＝投射圧）が示してある。なお、２段目ショットピーニングを行わなかった比較鋼１〜３，５〜７，９〜１１については、２段目ショットピーニングの投射条件の各欄に「−」号を記載した。

（圧縮残留応力測定）
ショットピーニング後の試験用ローラー２０の圧縮残留応力測定方法は、非破壊的方法として一般的な「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。今回の試験用ローラー２０は、マルテンサイト組織の鋼であるため、測定は特性Ｘ線の種類＝ＣｒＫα線、Ｘ線応力係数ｋ＝−３１８[ＭＰａ／°]を用いて行った。また、測定部位はショットピーニング狙い位置中心とした。なお、図４，５において、表層から圧縮残留応力が６００ＭＰａとなる深さ位置までの距離を「圧縮残留応力-６００ＭＰａ深さ（μｍ）」とした。

（表面粗さ測定）
試験用ローラー２０におけるローラー部２１の転走面について、表面粗さ測定器(東京精密株式会社製:SURFCOM1500SD-13)を用いて軸方向の表面粗さＲａを測定した。測定長さ８ｍｍ、カットオフ波長０．８ｍｍ、傾斜補正は最小二乗曲線補正とした。

（面疲労強度評価）
面疲労強度を評価するために、ＲＰ試験を行った。ＲＰ試験は、図２に示されるように、負荷用ローラー３０と試験用ローラー２０（例えば、直径φ２６ｍｍ、軸部２２を含む全長１３０ｍｍ）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ることにより、歯車のピッチング（剥離）損傷を再現する試験である。試験条件は面圧３．０ＧＰａ、すべり率−６０％、回転数１５００ｒｐｍとした。潤滑油はＣＶＴ用オイルを用い、湯温３２３Ｋ、流量２Ｌ／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φ１３０ｍｍ、曲率半径１０００ｍｍのクラウニング加工を施したもの）を用いた。

表２に各鋼種における測定結果を示す。表２中の「摩耗+ピッチング寿命」は、摩耗量の大小にかかわらない、ピッチングが発生するまでのＲＰ試験による試験数を示している。また、表２における評価の「○」、「×」は、以下の判断基準に基づいている。すなわち、ＲＰ試験前の表面粗さＲａが０．８μｍ以下である試験用ローラー２０は、図４及び図５ともに塗り潰された四角形で示されており、図４のＳＣｒ４２０では、圧縮残留応力-６００ＭＰａ深さが７５μｍよりも浅い場合はピッチング寿命が１．０×１０^６cycleを下回る一方、７５μｍよりも深い場合はピッチング寿命が１．０×１０^６cycleを若干量上回ったあたりで安定化する（７５μｍよりも深くなっても、ピッチング寿命はそれほど増加しない）ことが分かる。同様に、図５の真空用浸炭鋼では、圧縮残留応力-６００ＭＰａ深さが７５μｍよりも浅い場合はピッチング寿命が１．０×１０^７cycleを下回る一方、７５μｍよりも深い場合はピッチング寿命が１．０×１０^７cycleを若干量上回ったあたりで安定化する（７５μｍよりも深くなっても、ピッチング寿命はそれほど増加しない）ことが分かる。

そこで、鋼種の違いにかかわらず、圧縮残留応力-６００ＭＰａ深さが７５μｍの深さ位置よりも深くなること、すなわち表層から７５μｍ深さ位置での圧縮残留応力が６００ＭＰａ以上となることを指標として規定するとともに、真空用浸炭鋼がＳＣｒ４２０に比べて焼戻し硬さが高く、摩耗速度の抑制効果に優れる等、材料自体の相違等を考慮に入れて、ＳＣｒ４２０を用いたときの目標寿命を１．０×１０^６cycle、真空用浸炭鋼を用いたときの目標寿命を１．０×１０^７cycleとし、鋼種毎に対応する目標寿命を超えたものについては「○」を、超えなかったものについては「×」を記載することとした。

表２において、ＳＣｒ４２０を用いた発明鋼１〜６と比較鋼１〜１１との比較、真空用浸炭鋼を用いた発明鋼７〜９と比較鋼１２〜１４との比較から、いずれの鋼種においても、１段ショットピーニングのみを行ったものについては圧縮残留応力-６００ＭＰａ深さが７５μｍ深さ位置よりも浅くなる一方、２段ショットピーニングを行ったものについては圧縮残留応力-６００ＭＰａ深さが７５μｍ深さ位置よりも深くなる、すなわち表層から７５μｍ深さ位置での圧縮残留応力が６００ＭＰａ以上となることが分かる。そして、１段ショットピーニングのみを行ったものに比べて２段ショットピーニングを行ったものの方が、摩耗＋ピッチング寿命が増加傾向となることが分かる。

また、表２及び図３に示されるように、２段ショットピーニングを行った発明鋼２，７を含む発明鋼１〜９のいずれにおいても、表層から７５μｍ深さ位置での圧縮残留応力が６００ＭＰａ以上となり、表層から３０μｍ深さ位置までの最大圧縮残留応力が１５００ＭＰａ以上となり、さらに最表層（図３にて０μｍの深さ位置に対応）での圧縮残留応力が１０００ＭＰａ以上となることが分かる。なお、図３中の比較鋼１１は、特開２００２−３２２５３６号公報に記載されている、表層から５０μｍ深さ位置までの最大圧縮残留応力が１２５０ＭＰａとなる実施例に相当している。

表２において、比較鋼１〜３，５〜７，１２は、２段ショットピーニングを行わないことで、圧縮残留応力-６００ＭＰａ深さが７５μｍ深さ位置よりも浅くなり、７５μｍ深さ位置での圧縮残留応力が６００ＭＰａを下回ることとなって、摩耗＋ピッチング寿命が目標寿命に達しない例を示す。比較鋼４，８，１３，１４は、２段ショットピーニングを行っても、圧縮残留応力-６００ＭＰａ深さが７５μｍ深さ位置よりも浅ければ、摩耗＋ピッチング寿命が目標寿命に達しない例を示す。比較鋼９〜１１は、圧縮残留応力-６００ＭＰａ深さが７５μｍ深さ位置よりも深くなるように１段目ショットピーニングを行うようにした場合には、投射材の粒径との関係で表面粗さＲａが０．８μｍを超えてしまい、摩耗＋ピッチング寿命が目標寿命に達しない例を示す。

以上の説明からも明らかなように、本発明のショットピーニング方法によれば、ショットピーニング後において歯車１０の歯面１２の表層から３０μｍ深さ位置までの最大圧縮残留応力を１５００ＭＰａ以上、歯面１２の表層から７５μｍ深さ位置での圧縮残留応力を６００ＭＰａ以上、かつ歯面１２の表面粗さＲａを０．８μｍ以下に設定することができる。これにより、歯車対ともにショットピーニングを行う場合でも、歯面１２における摩耗の進行を抑制しつつ、ピッチング強度の向上を図ることができる。

特に、本発明のショットピーニング方法によれば、歯面１２の最表層の圧縮残留応力を１０００ＭＰａ以上に設定することができる。したがって、表面粗さＲａを０．８μｍ以下に設定できることと相まって、歯面１２における摩耗の進行をより一層良好に抑制することができる。

１０歯車
１１歯元
１２歯面
２０試験用ローラー（ローラーピッチング試験片）
２１ローラー部
２２軸部
３０負荷用ローラー

Claims

７００ＨＶ以上の硬さの投射材を、投射エア圧力０．２〜０．６ＭＰａの条件下で、１段目の前記投射材として粒径がφ０．３〜１．０ｍｍの範囲内のものを用い、２段目の前記投射材として粒径がφ０．０５〜０．２ｍｍの範囲内のものを用いて浸炭処理後の歯車に投射する２段ショットピーニングを行うことにより、
前記歯車における歯面の表面の圧縮残留応力が１０００ＭＰａ以上１６０５ＭＰａ以下、圧縮残留応力が最大となる深さ位置が、前記歯面の表面を除く前記歯面の表面から３０μｍまでの間にあり、その最大圧縮残留応力が１５００ＭＰａ以上、前記歯面の表面から７５μｍ深さ位置での圧縮残留応力が６００ＭＰａ以上、圧縮残留応力が６００ＭＰａとなる前記歯面の表面からの深さ位置が７６μｍ以上１２１μｍ以下の間にあり、かつ前記歯面の表面粗さＲａが０．８μｍ以下に設定されることを特徴とする耐摩耗性及びピッチング強度に優れた歯車を形成するためのショットピーニング方法。
質量％で、
Ｃ：０．１〜０．３％、
Ｓｉ：０．５〜３．０％、
Ｍｎ：０．３〜３．０％、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０３％以下、
Ｃｕ：０．０１〜１．００％、
Ｎｉ：０．０１〜３．００％、
Ｃｒ：０．３〜１．０％、
Ｍｏ：２．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、
［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．５
の条件を満たす真空浸炭用鋼を用いることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性及びピッチング強度に優れた歯車を形成するためのショットピーニング方法。