JPH01306521A

JPH01306521A - 疲労強度にすぐれる歯車の製造方法

Info

Publication number: JPH01306521A
Application number: JP13459488A
Authority: JP
Inventors: Morifumi Nakamura; 中村　守文; Toyofumi Hasegawa; 長谷川　豊文; Yoshitake Matsushima; 義武松島; Yoshiyuki Nakatani; 中谷　良行
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1988-05-31
Filing date: 1988-05-31
Publication date: 1989-12-11

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】皮朶上少剋朋分団本発明は、疲労強度にすぐれる歯車の製造方法に関し、
詳しくは、浸炭及びショットピーニング処理によって、
疲労強度が格段に改善された歯車であって、自動車や産
業機械等において、厳しい応力下に動力伝達系の主要部
品として好適に用いることができる歯車の製造方法に関
する。

従来の技術自動車や産業機械等における動力伝達系には、歯車が広
く用いられている。これら歯車は、その作動時、高速回
転下に高い応力が加えられる。従って、従来、歯車の製
造においては、耐疲労性や耐摩耗性を向上させるために
、肌焼鋼を用いて成形し、最終工程にて浸炭処理を施し
て、表面硬さと圧縮残留応力を高くしている。しかし、
最近、例えば、自動車部品においては、エンジン性能の
向上と部品の小型化及び軽量化に伴って、従来よりも一
層疲労強度にすぐれる歯車が要求されるに至っており、
従来の肌焼鋼を用いる歯車では、かかる要求に応えるこ
とができない。

ロカ稍ｐしようとする課題 −ｉに、ショットピーニング処理は、ばね等の疲労強度
を図るための表面処理として、従来より広く知られてい
る。そこで、前記要求に応えて、歯車の高強度化を図る
ことを目的として、浸炭後の歯車にショットピーニング
処理を施すことが提案されている。しかし、歯車用鋼と
して、従来より知られている低合金肌焼銅を用いる場合
、浸炭処理後に歯車の表層部に深さ１０〜２０μｍであ
って、硬さの著しく低い不完全焼入れ層が生成している
。この不完全焼入れ層は、酸化異常層とも呼ばれており
、歯車の浸炭時に雰囲気ガスによって表層部が粒界に沿
って酸化され、ＳｉやＭ　ｎ、Ｃｒ等の酸化物が形成さ
れ、焼入れ性に有効な固９９ＭｎやＣｒの量が減少して
おり、その結果として、焼入れ性が低くなっている。従
って、その硬さは、内部に比べてＨＶにて２００〜３０
０程度も低い。

このように、歯車の表層部に不完全焼入れ層が生成する
ときは、ショットピーニング処理を施しても、加工硬化
が十分に起こらず、高い圧縮残留応力を得ることができ
ない。また、不完全焼入れ層の発生がない場合であって
も、浸炭焼入れ後に歯車の表層部に適正量の残留オース
テナイトが存在しないときは、ショットピーニング処理
によっても、十分な強度向上を達成することができない
。

更に、従来、ショットピーニング処理は、ばね等の製造
においては、通常は、硬さがＨＲＣ４５程度のショット
粒を投射速度５０ｍ／秒程度にて投射することによって
行なわれている。歯車にショットピーニング処理を施し
て、高い疲労強度を得るには、従来のショット粒よりも
硬いものを用いて、ショットピーニング時にショット粒
自体の塑性変形量を少なくし、同一時間投射したときに
被加工材に吸収されるエネルギー量を増大させる必要が
ある。また、投射速度を大きくジζ、運動エネルギーを
増大させることも有効である。しかし、従来より知られ
ている歯車用鋼からなる歯車に硬いショット粒を高速で
投射した場合、十分な圧縮残留応力を得ることができな
いのみならず、表面のネｌさが増して、これらが応力集
中源となって、却って疲労強度の低下を招く。

そこで、本発明者らは、歯車の浸炭焼入れ後に上記不完
全焼入れ層の発生を防止し得るように最適に合金設計を
行なうと共に、浸炭焼入れ後の最表層部に適正量のオー
ステナイトを残留させることができる浸炭用鋼を得、か
かる鋼からなる歯車を浸炭焼入れした後、強力なショッ
トピーニング処理を施すことによって、表面を粗くする
ことなく、疲労強度が格段に改善された歯車を得ること
ができることを見出して、本発明に至ったものである。

従って、本発明は、浸炭処理及びその後のショットピー
ニング処理によって、疲労強度にすぐれる歯車を製造す
る方法を提供することを目的とする。

朋〈を解決するたべ９王役本発明による疲労強度にすぐれる歯車の製造方法は、重
量％にてＣ０．１０〜０．４０％、Ｓｉ０．３０％以下、Ｍｎ　　　０．３０〜２．００％、Ｃｒ２．００％以下、Ｍｏ０．３０〜２．００％、Ｐ　　　０．０３０％以下、Ｓ　　　０．０３０％以下、及び０　　０．００２０％以下を含有する鋼を歯車に成形加工した後、浸炭処理し、浸
炭表層部における残留オーステナイｌ−ｆｆｉを面積率
にて１０〜４０％の範囲とし、次いで、硬さＨＲＣ５０
以上のショット粒にて投射速度６０ｍ／秒以上にてショ
ットピーニング処理することを特徴とする。

以下に本発明について詳細に説明する。

Ｃは、強度を向上させるために少なくとも０．１０％の
添加を必要とする。しかし、０．４０％を越えて過多に
添加するときは、切削性等の加工性を損なう。

Ｓｉは、脱酸のために添加されるが、過多に添加すると
きは、冷間鍛造性を劣化させるので、添加量は０．３０
％以下とする。

Ｍｎは、粒界酸化物を生成しやすい元素であるが、焼入
性の向上による強度上界、更には脱酸のためにも必要で
ある。本発明においては、上記脱酸のために少なくとも
０．３０％を添加するが、過多に添加するときは切削性
を劣化させるので、添加量は２．０％以下とする。

Ｃｒも、Ｍｎと同様に、粒界酸化物の生成傾向の強い元
素であるが、同時に、焼入れ性を向上させる元素でもあ
る。本発明においては、好ましくは、０．４０％以上が
添加される。しかし、過多量の添加は、炭化物を生成し
、粒界酸化物を生成して、焼入れ性を向上させる効果が
飽和するので、本発明においては、添加量を２．００％
以下とする。

ＭＯは、粒界酸化物を生成し難く、浸炭表層部の焼入れ
性を確保し得る元素であり、更に、浸炭時の平衡炭素濃
度を上昇させる結果、焼入れ後に適当量の残留オーステ
ナイトを生成させ、かくして、ショットピーニング処理
によって高い圧縮残留応力を得ることができるので、本
発明において最も重要な合金元素の一つである。本発明
においては、このように、表層部の焼入性を改善して、
焼入れ後に適正量の残留オーステナイトを生成させるた
めに、０．３０％以上を添加することが必要であるが、
しかし、２．０％を越える過多量を添加しても、上記効
果が飽和すると共に、炭化物が著しく生成し、却って疲
労強度を低下させることとなる。

Ｐは、その含有量が０．０３０％を越えるときは粒界強
度を低下させ、疲労強度の低下を招くので、本発明にお
いては、０．０３０％以下とする。

Ｓも、その含有量が０．０３０％を越えるときは横目の
強度を低下させるので、０．０３０％以下とする。

０は、酸化物系介在物を生成して、疲労強度を低減させ
るので、製鋼上、可能な限りに少なくすることが望まし
く、本発明においては、０．００２０％以下とする。

本発明において用いる浸炭用鋼は、得られる歯車が一層
すぐれた疲労強度を有するように、以下に説明するよう
に、種々の合金元素を含有していてもよい。

先ず、本発明において用いる浸炭用鋼は、Ｎｉを含有す
ることができる。Ｎｉは、前述したＭＯとは反対に、浸
炭時の平衡炭素濃度を減少させるが、Ｍ、変態点を低下
させ、オーステナイトを安定化させることによって、残
留オーステナイ！・の生成を助長する結果として、ショ
ットピーニング処理によって残留オーステナイトがマル
テンサイトに変態し、かくして、高い圧縮残留応力を得
て、疲労強度の一層の向上を図ることができる。かかる
効果を有効に得るためには、少な（とも０．３０％−以
上の添加を必要とする。しかし、過多に添加するときは
、過剰の残留オーステナイトが生成して、却って強度低
下を招くのて、４．０％以下の範囲で添加される。

更に、本発明におい°ζは、鋼は、上記Ｎｉと共に、又
はＮｉとは別に、Ｃａ０．０１０％以下、 ’ｒｅｏ、ｘｏ％以下、Ｚｒ０．１０％以下、及びＲＥＭ０．１０％以下よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有す
ることができる。

Ｃａは、Ｓ又はＭｎＳと結合することによって、圧延、
鍛造によって変形し難いＣａＳ、Ｃａ−Ｍｎ５を生成し
て、横目の強度低下を防止する効果を有する。かかる効
果を有効に得るためには、好ましくは、０．０００３％
以上が添加される。しかし、過多量の添加は、Ｃａの巨
大な介在物を生成するおそれがあるので、添加量は０．
０１０％以下とする。

Ｔｅも、Ｃａと同様に、Ｔｅ−Ｍｎ５の生成による硫化
物の形態制御を通じて、横目の強度低下を防止する効果
を有し、好ましくは０．００５％以上が添加される。し
かし、０．１θ％を越えて添加しても、かかる効果が飽
和する。

Ｚｒも、Ｃａと同様に、Ｚｒ−Ｍｎ５を生成し、硫化物
を形態制御して、横目の強度低下を防止する効果を有し
、好ましくは０．００５％以上が添加される。しかし、
０．１０％を越えて添加しても、かかる効果が飽和する
。

ＲＥＭも同様に、硫化物の形態制御によって、横目の強
度低下を防止する効果を有し、好ましくは０．００５％
以上が添加される。しかし、０．１０％を越えて添加し
ても、かかる効果が飽和する。

本発明において用いる鋼がかかる硫化物形態制御元素を
含有するときは、硫化物系介在物のアスペクト比、即ち
、長さをｌ、幅をＷとするとき、１／Ｗが５以下である
ことが好ましい。歯車の疲労強度は、横目強度であるの
で、鋼中に紐状に長く延びる硫化物系介在物が存在する
ときは、疲労強度の劣化を招くからである。

また、本発明において用いる浸炭用鋼は、前記Ｎｉや硫
化物形態制御元素と共に、又はこれらとは別に、Ｖ　　　０．０３〜０゜２０％、及びＷ　　　０．０３〜１．０％よりなる群から選ばれる少な（とも１種の元素を含有す
ることができる。

■及びＷは、Ｍｏと同様に、浸炭時の平衡炭素濃度を上
昇させて、焼入れ及びショットピーニング後に、高い疲
労強度を得ることを可能とするオーステナイトの適正量
を残留させる効果を有する。

かかる効果を有効に得るためには、■及びＷのいずれの
元素についても、少なくとも０．０３％を添加すること
が必要である。■は、これを過多に添加するときは、結
晶粒を小さくさせ、残留オーステナイトの生成を阻害す
るので、添加量は０．２０％以下とする。また、Ｗは、
１．０％を越えて添加しても、上記効果が飽和する。

本発明において用いる浸炭用鋼は、Ｃｕを含有していて
もよい。しかし、Ｃｕは、Ｍｏとは反対に、浸炭時の平
衡濃度を下げて、焼入れ後にショットピーニングによっ
て高い疲労強度を得るための適正量のオーステナイトを
残留させる前記Ｍ。

の効果を低減させるので、添加量の上限を０．１０％と
する。

本発明の方法によれば、上記した化学成分を有する鋼を
常法に従って、これを例えば鍛造し、焼きならし処理し
、浸炭焼入れ焼戻しする際に、浸炭表層部における残留
オーステナイト量を面積率にて１０〜４０％の範囲とし
、次いで、硬さＨＲＣ５０以上のショット粒にて投射速
度６０ｍ／秒以上にてショットピーニング処理すること
によって、疲労強度にすぐれる歯車を得るものである。

ショットピーニング処理による圧縮残留応力の向上は、
概ね残留オーステナイトの加工誘起変態によるものであ
る。従って、上記残留オーステナイトが１０％よりも少
ないときは、ショットピーニング処理によっても、高い
圧縮残留応力を得ることができない。他方、４０％を越
えるときは、疲労強度が大きく低下する。

前述した合金元素のうち、特に、Ｍｏ、■、Ｗ及びＣｕ
は、浸炭焼入れ後に高い疲労強度を得るに必要な適正な
残留オーステナイトの生成に大きい影響を及ぼす。本発
明においては、上記した元素の添加量は、通常、次式％式％）を満足させるように、前記範囲内で選択することによっ
て、浸炭焼入れ後の浸炭表層部における残留オーステナ
イＩ−１を面積率にて１０〜４０％の範囲とすることが
できる。

本発明の方法においては、重要な特徴として、浸炭焼入
れ後の歯車に前記した条件にて強烈ショットピーニング
処理を行なう。即ち、ショット粒硬さがＨＲＣ５０より
も低いときは、不完全焼入層のない表層部に塑性変形を
起こさせることが困難であり、延いては高い圧縮残留応
力を得ることができない。ショット粒硬さの上限は、特
に限定されるものではないが、実用上、通常、ＨＲＣ６
５程度である。また、投射速度も、６０ｍ／秒よりも小
さいときは、浸炭最表層部に生成させた残留オーステナ
イトに加工誘起変態させるに十分な運動エネルギーを得
ることができず、延いては高い圧縮残留応力を得ること
ができない。投射速度は、好ましくは８０ｍ／秒以上で
ある。投射速度の上限も、特に限定されるものではない
か、実用上、通常、１５０ｍ／秒程度である。ショット
粒径は、通常のショットピーニング処理におけると同じ
でよく、通常、２．Ｏｌ以下であり、好ましくは０．３
〜１．５　ｖｒｖｒの範囲のものが用いられる。本発明
の方法においては、かかるショットピーニング処理は、
通常、単数回でよいが、必要に応じて、２回以上の複数
回行なってもよい。

光」の効果以上のように、本発明によれば、特に、高ＭＯ量化と低
Ｓｉ化を図ると共に、更に、Ｐ及びｏｌを規制する合金
設計によって、浸炭最表層部の不完全焼入れ層の発生を
低減し、表面硬さと圧縮残留応力を高め、更に、浸炭焼
入れ後に残留オーステナイト量を適正量生成させるよう
にした浸炭用鋼を得ることができ、かくして、かかる鋼
を用いて歯車を成形し、浸炭焼入れ後に強力なショット
ピーニング処理を施すことによって、疲労強度が格段に
改善された歯車を得ることができる。

実施Ｍ以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこ
れら実施例により何ら限定されるものではない。

実施例１第１表に発明鋼１〜１２及び比較鋼ｌ〜４の化学成分を
示す。これら供試鋼を鍛造した後、焼きならし処理し、
試験片に加工し、次いで、９２５℃で３時間、カーボン
ポテンシャル０．８０％の条件下にて浸炭処理し、次い
で８５０℃に炉冷し、３０分間保持し、油冷して焼入れ
した後、１８０℃にて２時間加熱し、空冷して、焼戻し
処理した。

この後、試験片に硬さＨＲＣ６２、粒径０．６龍のショ
ット粒を用いて、投射速度１００ｍ／秒、カバレージ５
００％にてショットピーニング処理した。

このように浸炭処理し、ショットピーニング処理した試
験片の浸炭特性を第２表に示す。ショットピーニング処
理前の試験片の浸炭特性も併せて第２表に示す。

また、浸炭処理及びショットピーニング処理後の試験片
の回転曲げ疲労試験結果及び歯車疲労試験結果を第３表
に示す。回転曲げ疲労試験は、応第３表力集中係数２．０の切欠き付き回転曲げ疲労試験片を用
いて、回転数３６００ｒｐｍにて行なった。また、歯車
疲労試験は、歯数３８枚、モジュール１゜５の歯車につ
いて、動力循環式歯車疲労試験機を用いて、回転数３０
００ｒｐｍにて行なった。

実施例２ …Ｉ記第１表における発明鋼１及び比較鋼１を鍛造した
後、焼きならし処理し、試験片に加工し、次いで、９２
５℃で３時間、カーボンポテンシャル０．８０％の条件
下にて浸炭処理し、次いで８５０℃に炉冷し、３０分間
保持し、油冷して焼入れした後、１８０℃にて２時間加
熱し、空冷して、焼戻し処理した。

この後、試験片にＨＲＣ硬さが４５．５４又は６２であ
る粒径Ｑ、５　ａｍのショット粒を用いて、投射速度１
００　ｒｎ　７秒又は６０ｍ／秒、カバレージ５００％
にてショットピーニング処理した。

ごのように浸炭処理し、ショットピーニング処理した試
験片の材料特性を第４表に示す。また、実施例１と同じ
条件にて回転曲げ疲労試験及び歯車疲労試験を行なった
。結果を第４表に示す。

発明鋼ｌからなる歯車であっても、ショット粒硬さがＨ
ＲＣ４５の場合は、疲労強度の改善が尚、不十分である
が、本発明に従って、ｆ（ＲＣ硬さ５０以上のショット
粒を用いてショットピーニング処理することによって、
疲労強度が顕著に改善される。他方、比較鋼からなる歯
車の場合は、ショットピーニング条件を強力にするほど
、疲労強度は向上するが、しかし、その水準は、本発明
の方法による歯車に比べて著しく低い。

特許出願人　　株式会社神戸製鋼所代理人　弁理士　　牧　野　逸　部

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％にてＣ０．１０〜０．４０％、Ｓｉ０．３０％以下、Ｍｎ０．３０〜２．００％、Ｃｒ２．００％以下、Ｍｏ０．３０〜２．００％、Ｐ０．０３０％以下、Ｓ０．０３０％以下、及びＯ０．００２０％以下を含有する鋼を歯車に成形加工した後、浸炭焼入れ処理
し、浸炭表層部における残留オーステナイト量を面積率
にて１０〜４０％の範囲とし、次いで、ＨＲＣ硬さ５０
以上のショット粒にて投射速度６０ｍ／秒以上にてショ
ットピーニング処理することを特徴とする疲労強度にす
ぐれる歯車の製造方法。