JPH0261032A

JPH0261032A - 疲労強度の優れた肌焼鋼

Info

Publication number: JPH0261032A
Application number: JP21005688A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Uno; 宇野　光男; Fukukazu Nakazato; 中里　福和
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1988-08-24
Filing date: 1988-08-24
Publication date: 1990-03-01

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】（産業上の利用分野）本発明は、例えば、歯車、シャフト等の機械部品に使用
される肌焼鋼に関する。

（従来の技術）従来、自動車、土木建築機械、その他の各種産業機械に
使用される歯車やシャフトａで、高強度を必要とする機
械部品は、肌焼＠　（ＪＩＳで機械構造用合金鋼として
定められている５Ｃｒ−４２０％ＳＣＭ４２０　、ＳＮ
ＣＭ−４２０など）を素材とし、これらを所定の形状に
機械加工した後、浸炭処理、焼入・焼戻をして製造され
ている。

しかし、上記肌焼鋼を素材として製造された歯車等を最
近の高出力エンジンなどに使用すると、歯面疲労、歯元
疲労等による疲労破壊を生じることがある。歯元疲労強
度は、ショットピーニング処理を施すことにより、ある
程度まで改善することができるが、反面、歯面疲労強度
が低下して歯面が損傷し騒音が酷くなるなどの問題があ
る。

以上のように、高い疲労強度を有する機械部品が要求さ
れるようになると、従来の肌焼鋼では、その素材として
の使命を果たせなくなって来た。

（発明が解決しようとする課題）本発明の目的は、鋼中の化学成分を厳密に制御すること
により、従来の肌焼鋼では到底達することのできなかっ
た優れた疲労特性、特に高い歯面疲労強度と歯元疲労強
度を有する肌焼鋼を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明者らは、肌焼鋼の疲労強度の向上を回るため種々
研究を行い、鋼中のＳｉＸＭｎ、Ｃｒ含有量を低減させ
、かつＮｂを適正量含有させることにより、優れた疲労
特性を有する肌焼鋼を発明し、先に特許出願した（特願
昭６３−１８７２６２号）。

上記特願昭６３−１８７２６２号による肌焼鋼を素材と
して製造された歯車は、従来の肌焼鋼により製造された
ものより優れた歯面疲労強度と歯元疲労強度を有してい
る。

最近のように、高負荷で使用される歯車では、−段と高
い歯面疲労強度を有することが必要であることから、本
発明者らは、歯面疲労強度の一層の向上について、更に
研究を続けた結果、下記のような貴重な知見を得た。即
ち、（ａ）疲労による歯面の損傷は、旧オーステナイト粒界
に沿って破壊する粒界破壊に起因している。

■）鋼中に不純物として存在するＰ及びＳは、オーステ
ナイト粒界を脆化させる作用があり、Ｎｂは結晶粒の微
細化、浸炭層の焼入性向上および粒界を強化させる働き
がある。従って、粒界強化を行うには、■鋼中のＰ及び
Ｓの含有量を低減させるか、Ｐ又はＳの一方を低下させ
、かっ■適量のＮｂを含有させればよい。

ＦＣ）粒界強化によって、歯元疲労強度も向上させるこ
とができる。

本発明は、上記知見に基づいて成されたものであって、
その要旨は「重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓ
ｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：２．００％以下、Ｎｂ：０
．０１０〜０．１００％、残部がＦｅおよび不可避不純
物からなり、不純物中のＰとＳの少なくとも一方を０．
０１２％以下であることを特徴とする疲労強度の優れた
肌焼鋼」および［重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％
、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：２．００％以下、Ｎｂ
：０．０１０〜０．１００％、更ニＮｉ：３．５０％以
下、Ｃｒ：０．１０〜２．００％、Ｍｏ：０．１０〜１
．００％、Ｃｕ　：　１　、００以下、Ａ　ｆ　：０．
０１０〜０．１００％、Ｔｉ：０．０１０〜０．１００
％、Ｖ　：０．０１〜０．３０％、およびＢ　：０．０
００３〜０．００５０％の１種または２種以上を含み、
残部がＦｅおよび不可避不純物がらなり、ＰとＳの少な
くとも一方が０．０１２％以下であることを特徴とする
疲労強度の優れた肌焼Ｆ４Ｊにある。

（作用）本発明は、鋼中の化学組成を厳密に制御することにより
、旧オーステナイト粒界を強化して優れた歯面疲労強度
および歯元疲労強度を有する肌焼鋼を出現せしめたもの
である。以下に、その化学組成の限定理由について述べ
る。

Ｃ：Ｃは鋼に所定の静的強度を付与するために必要な元
素であるが、その反面靭性を低下させる。

特に浸炭処理を施す肌焼鋼では、静的強度と靭性のバラ
ンスが必要であって、最低限の静的強度を得るには０．
１５％以上が必要である。一方、通常Ｃが０．２５％を
越えると靭性は低下するが、この発明ではＰ、Ｓを低減
し、かつＮｂを含有させることにより粒界を強化し靭性
を向上させることができる。このため、Ｃが０．３５％
まで含有されても靭性の低下は許容される範囲である。

ＦＤＰは綱の旧オーステナイト粒界に析出あるいは濃縮
して粒界を脆化する作用がある。特にＳ量が０．０１２
％を越える場合、Ｐ含有量が０．０１２％を越えると粒
界脆化が著しい。従って本発明の目的である歯面疲労強
度および歯元疲労強度の向上を実現するには、Ｓ量が０
．０１２％を越える場合、Ｐ含有量を０．０１２％以下
にする必要がある。

ＳＯ５ばＰと同様に綱の旧オーステナイト粒界に析出ま
たはｌ縮して粒界を脆化させる。特に上記Ｐ含有量が０
．０１２％を越える場合に、Ｓ含有量が０．０１２％を
越えると著しい粒界脆化を起こす。

歯面疲労強度および歯元疲労強度の向上を図るためには
、ＰＩが０．０１２％を越える場合、Ｓ含有量を０．０
１２％以下にする必要がある。

本発明では、ＰとＳは両方とも上記の上限以下にするこ
とが望ましい、しかし一方だけを０．０１２％以下にす
るだけでもよい、但し、一方が０．０１２％以下であっ
ても、他方の上限値は０．０３０％以下に抑えるべきで
ある。それは、０．０３０％を超えると熱間加工性を損
なうことにによる。

Ｎｂ：Ｎｂは結晶粒の微細化および浸炭層の焼入性を向
上させると共に、結晶粒界を強化する働きをする０本発
明のように結晶粒界強化によって歯面疲労強度および歯
元疲労強度を向上させるためには、０．０１０％以上含
有させる必要がある。しかし、０．１００％を越えて含
有させると切削性が低下するため０．１００％を上限と
する。

Ｓｉ：Ｓｉは鋼の脱酸に必要であり、また鋼の静的強度
を向上させるために必要な元素である。しかし、０．５
０％を越えて含有させると浸炭性が悪くなる。従って浸
炭処理が施される本発明の肌焼鋼では、その上限を０．
５０％とする。

Ｍｎ：ＭｎはＳｉと同様に、綱の脱酸に必要な元素であ
る。また鋼に焼入性を与えるのに有効である。しかし、
２．００％を越えて含有させると高温軟化抵抗が弱くな
って静的強度が低下するため上限を２．００％以下とす
る。

本発明の肌焼鋼は、上記のＣ，Ｐ、、Ｓ、Ｎｂ。

ＳｔＳＭｎを所定量含有することを骨子とするものであ
るが、下記元素の１種以上を適正量含有させることによ
って、−層その効果が発揮される。

Ｎｉ　：　Ｎｉは鋼に所定の焼入性を与えると共に静的
強度を上昇させ、また靭性を向上させる。しかし、３．
５％を越えて含有させても、その効果が飽和し経済性を
損なうため３．５０％を上限とする。

Ｃｒ：Ｃｒは鋼に焼入性を付与するのに有効な元素であ
る。また浸炭性を向上させるために肌焼鋼には含有させ
ることが多い、その効果を充分に発揮させるためには、
少なくとも０．１０％以上を含有させることが必要であ
る。しかし、２．０％を越えて含有させても、その効果
は飽和するので２．０％を上限とする。

Ｍｏ：Ｍｏは鋼に焼入性を与え、静的強度を向上させ、
また浸炭性を向上させる。その効果を発揮させるために
は、０．１０％以上を含有させることが必要である。し
かし１．０％を越えて含有させても、それ以上効果は上
がらないため１．０％を上限とする。

Ａ１：Ａｌは鋼の結晶粒を微細化して靭性を向上させる
効果を有する。その効果を発揮させるためには、０．０
１０％以上含有さ°せることが必要である。しかし、ｏ
、ｔｏｏ％を越えて含有させると鋼の清浄度が悪化して
切削性を損ない、また結晶粒を粗大化させ靭性を低下さ
せるため、その上限値は０．１００％とする。

■：ｖは鋼中で炭窒化物を析出させ、鋼の高温強度を高
めるために有効な元素である０例えば、高出力エンジン
の歯車として使用する場合、その熱間静的強度を発揮さ
せるためには、０．０１％以上含有させることが必要で
ある。しかし、０．３０％を越えて含有させると、熱間
加工性が低下するため０．３０％を上限とする。

Ｔｉ：　ＴｉはＡｌｌと同様に鋼の結晶粒を微細化して
鋼の靭性を向上させる。その効果を充分に発揮させるた
めには、０．０１０％以上の含有が必要である。一方、
ｏ、ｔｏｏ％を越えて含有させると鋼の清浄度が低下し
て切削性が悪くなり、また結晶粒を粗大化させ靭性を低
下させるため、０．１００％を上限とする。

Ｃｕ：Ｃｕは綱の焼入性と静的強度を上昇させるために
有効である。しかし、１％を越えて含有させると熱間加
工性が低下する。また静的強度も低下するので１．０％
を上限とする。

ＢＩＢは鋼の焼入性を向上させ、静的強度を上昇させる
。その効果を出させるためには、０．０００３％以上を
の含有させることが必要である。しかし、含有量がｏ、
ｏｏｓｏ％を越えると鋼の結晶粒が粗大化して靭性を低
下させるため上限を０．００５０％とする。

（実施例）以下、実施例に基づいて本発明の肌焼鋼について更に説
明する。

溶解能力１５０ｋｇの真空溶解炉で第１表の１（本発明
鋼）および第２表の１（比較鋼）に示す成分の肌焼鋼を
溶製して鋼塊を得、この鋼塊を１２５０°Ｃに１時間加
熱して鍛造し、直径１００ｍ鵬と３０ｍｍの鍛伸材を作
った。

上記鍛伸材から試験片を作成し、この試験片を用いて（
ａ）歯車疲労（歯面疲労と歯元疲労強度）試験、Φ）静
的曲げ試験、（Ｃ）シャルピー衝撃試験を行い、本発明
鋼および比較鋼の疲労特性を調べた。

（ａ）歯車疲労（歯面疲労と歯元疲労強度）試験直径１
００ｍｍ、長さ３０００ａｎの鍛伸材を９２５°Ｃに５
時間加熱したあと空冷して焼準し、機械加工により第１
図に示すようなピッチ半径３３ＩＩ１１、歯数３３枚、
モジュール２．０１歯幅２０ｍ１１の試験用平歯車１を
作成した。この平歯車１に、炭素ポテンシャル１．０、
浸炭温度９２５°Ｃ，浸炭時間６ｈｒで浸炭を施したあ
と焼入・焼戻を行い、さらにショットピーニング処理（
ショット粒径０．６ｍｍ、投射速度４７Ｉｌ／ｓ、投射
時間１５■ｉｎ）を施した。

この平歯車ｌを動力循環式歯車疲労試験機に取りつけ歯
面疲労および歯元疲労強度を調査した。

併せて浸炭部の旧オーステナイト結晶粒度を測定した。

上記歯面疲労は、１０’回転において破壊を生じなかっ
た歯車歯面の損傷の程度で評価し、歯元疲労強度は、１
０７回転で破壊を生じなかった強度（疲労限度）で評価
した。また粒界破面率は、破壊した歯車破面を電子顕微
鏡で観察し画像処理をして求めた。

試験結果を第１表の２（本発明ＩＩＩ）および第２表の
２（比較鋼）の歯車試験の欄に示す。

歯面疲労についてみると、本発明鋼（Ｎｏ、　１〜１８
の鋼）および比較鋼の中でＰ、Ｓ、Ｎｂ　（以下、略し
て３元素と記す）が本発明の範囲内にある鋼（Ｎｏ、１
９．２０，２１，２６，２８，２９．３０，３１．３２
の１ｉｉ１）では、歯面の損傷は全くなかった。歯元疲
労強度では、本発明鋼および３元素が本発明鋼の範囲に
ある比較鋼は、他の比較鋼に比べ３０〜４０％程度向上
している。また粒界破面率では、本発明鋼および３元素
が本発明で定める範囲にある比較鋼は、いずれも０％で
あった。

一方、Ｎｂのみが本発明範囲を外れたＮｏ、２２および
２３の鋼は、歯面に微細ながら損傷が有り、歯元疲労強
度も低く、粒界破面が現れている。

Ｐ、Ｓ、Ｎｂが本発明範囲であっても、Ａｌが外れてい
るＮｏ、　２８および２９の鋼、Ｔｉが上限を越えたＮ
ｏ、３１の鋼、Ｂが上限より多いＮｏ、３２の綱は、旧
オーステナイト結晶粒が粗大化している。

Ｐ、５ＳＮｂが本発明の範囲から外れたＮｏ、２４゜２
５．２７および従来の肌焼鋼（Ｎｏ、３３．３４．３５
）は、何れも歯車歯面の損傷が著しく、歯元疲労強度も
低くなっており、粒界破面率も１００％と極めて悪い状
態になっている。

（ロ）静的曲げ試験直径３０Ｉｌ１１の鍛伸材を９２５”Ｃに１時間加熱し
て空冷して、第２図に示すような静的曲げ試験片２を作
成した。この試験片を炭素ポテンシャル１．０、浸炭温
度９２５°Ｃ，浸炭時間６ｈｒの条件で浸炭処理を施し
た後、焼入および焼戻を行った。更にショット−ピーニ
ング処理を施したあと、１０−”／ｓの歪速度で静的曲
げ強度を調査した。この静的曲げ強度は、亀裂発生荷重
で評価した。

試験結果を第１表の２（本発明鋼）および第２表の２（
比較鋼）の静的曲げ強度の欄に示す。

本発明鋼の場合の静的曲げ強度は、何れも目標の１８０
０Ｋｇｆをクリアーしている。しかし、比較鋼の場合、
全てが目標値に未達である。

（Ｃ）シャルピー衝撃試験直径３０ａｎ、長さ２０（ｌ１ｍの鍛伸材を９２５°Ｃ
に１時間加熱後空冷して焼準し、直径２５ｍｍに切削し
た。これを９２５°Ｃで１時間加熱して水焼入を行った
後１７０°Ｃで１時間焼戻処理を施し、ＪＩＳ３号（２
ｍｌＩＩＵノツチ）シャルピー試験片に加工した。

この試験片を用い常温で衝撃試験を行った。

試験結果を第１表の２（本発明鋼）および第２表の２（
比較ｆ！Ａ）に示す。

本発明鋼の衝撃値は、何れも目標の６　Ｋｇｆ−ｍを越
えている。しかし、比較鋼の内Ｎｏ、１９を除き他の鋼
は目標値に達していない、特にＡＩ！、が本発明鋼の範
囲から外れたＮｏ、２８および２９の綱、Ｎｂが上限に
外れたＮｏ、２３の鋼、Ｔｉが上限を越えたＮｏ、３１
の鋼、Ｂが上限に外れたＮｏ、３２の鋼は、オーステナ
イト結晶粒が粗大化したため、捲めて低い衝撃値しか得
られていない。

（発明の効果）以上説明したように、本発明の肌焼鋼は、Ｐ、Ｓ含有量
を通常の肌焼鋼より低く、かつ適正量のＮｂを含有する
ことによって、高い歯面疲労と歯元疲労強度を有する。

従って本発明の肌焼鋼は、最近の高疲労強度が要求され
る機械部品の素材として最適の肌焼鋼である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、試験用平歯車の断面図、第２図は、静的曲げ試験片の図、である。１は平歯車、２は静的曲げ試験片。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０
．５０％以下、Ｍｎ：２．００％以下、Ｎｂ：０．０１
０〜０．１００％、残部がＦｅおよび不可避不純物から
なり、不純物中のＰとＳの少なくとも一方が０．０１２
％以下であることを特徴とする疲労強度の優れた肌焼鋼
。
（２）重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０
．５０％以下、Ｍｎ：２．００％以下、Ｎｂ：０．０１
０〜０．１００％、更にＮｉ：３．５０％以下、Ｃｒ：
０．１０〜２．００％、Ｍｏ：０．１０〜１．００％、
Ｃｕ：１．００以下、Ａｌ：０．０１０〜０．１００％
、Ｔｉ：０．０１０〜０．１００％、Ｖ：０．０１〜０
．３０％、およびＢ：０．０００３〜０．００５０％の
１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避不
純物からなり、不純物中のＰとＳの少なくとも一方が０
．０１２％以下であることを特徴とする疲労強度の優れ
た肌焼鋼。