JPH0421757A - 高面圧歯車 - Google Patents

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】 【発明の目的】

（産業上の利用分野） 本発明は、各種機械装置類の構成要素として利用され、
とくに、ピッチング寿命等の面圧疲労強度が高く、かつ
また、歯元疲労強度が高く、強靭で信頼性の高い高面圧
歯車に関するものである。 （従来の技術） 近年、自動車においてその高出力化および軽量化が進み
、歯車類、シャフト類などの高強度化ならびに高信頼性
の要求は年々強まっている。 これに伴い、とくに歯車類に適用される高強度歯車用鋼
の開発が進んでおり、例えば、特開昭６０−２１５３９
号公報に記載されているように、浸炭層の靭性を劣化さ
せる不完全焼入層である粒界酸化層を低減させるために
Ｓｉ　、Ｐを低減し、Ｐの粒界偏析を抑制して粒界強度
を高めて不完全焼入層を出現しにくくするＭｏを添加し
、焼入性を向上させて粒内の強度を増加するＮｉを添加
するようにした歯車用鋼もあった。 さらに、歯車類の素材面からの改良に加えて、最近では
ショットビーこングによる高強度化の手法が多く採用さ
れている。この手法は、ショットピーニングを施すこと
によって残留オーステナイトを加工誘起マルテンサイト
に変態させることにより被ショー２トピーニング部に残
留応力を付与するようにしたものであって、この残留応
力が負荷応力を緩和する働きをなすため、疲れ限度が著
しく向上する。 （発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記したような従来の素材の選定および
ショットピーニングの実施による高強度化をはかった歯
車類にあっては、歯元の疲労強度は著しく強化されるも
のの、相対的に歯面の強度が低下するため、破壊の起点
が歯面側に移行し、歯車の寿命が歯面のピッチング寿命
およびフレーキング寿命に律速されるようになってしま
うという問題点があった。 そして、ピッチング寿命を向上させるためには、焼もど
し軟化抵抗を高めるＳｉの添加が通常の場合に有効であ
るが、通常のガス浸炭においては粒界酸化層の生成を助
長させて、歯元疲労強度を低下させるため、Ｓｉの添加
はむしろ逆効果になるといった問題点があった。 そのため、従来の高強度歯車用鋼素材の選定とショット
ピーニングの実施との組み合わせによる歯車の疲労強度
向上には限界があるという課題があった。 （発明の目的） 本発明は、上述した従来の課題にかんがみてなされたも
のであって、とくに、ピッチング寿命等の面圧疲労強度
が高く、かつまた、歯元疲労強度が高く、強靭で信頼性
の高い高面圧歯車を提供することを目的としてし）る。

【発明の構成】

帽１を解決するための手段） 本発明に係わる高面圧歯車は、重量％で、Ｃ：０．１０
〜０．３０％、Ｓｉ：０．２５〜１．５０％、Ｍｎ：０
．２〜２．０％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０２
０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍ　ｏ　：　０　、２
〜１　、０％、Ｓｉ＋Ｍｏ：０．６〜２．０％、Ａ文＝
０．０１０−０．０６０％、Ｎ：０．００５〜０．０２
５％、０：０．００１５％以下、残部Ｆｅおよび不純物
よりなる鋼を素材とし、プラズマ浸炭もしくは真空浸炭
により浸炭処理した表面にアークハイトが０．４ｍｍＡ
以上のショットピーニングが施されている構成としたこ
とを特徴としており、必要に応じて、素材中に、焼入性
向上元素として、Ｎｉ：４．０％以下を含有している構
成とし５．同じく必要に応じて、素材中に、結晶粒微細
化元素として、Ｎｂ：０．００６〜０．０５０％、Ｖ：
０．０５〜０．３０％、Ｔａ：０．００３〜０．０２５
％、Ｚｒ：０．００３〜０．０２５％のうちから選ばれ
るｌＩｗまたは２種以上を含有している構成とし、同じ
く必要に応じて、素材中に、被削性向上元素として、Ｂ
：０．００１〜０．０３０％を含有している構成とした
ことを特徴としており、上記した高面圧歯車の構成を前
述した従来の課題を解決するための手段としている。 次に、本発明に係わる高面圧歯車の成分組成（重量％）
ならびに浸炭およびショットピーニング条件の限定理由
について説明する。 Ｃ：０．１０〜０．３０％ Ｃは歯車の強度を確保するのに有用な元素であるが、０
．１０％よりも少ないと強度の低下を招くので好ましく
なく、０．３０％を超えると靭性の劣化を招くので、Ｃ
含有量は０．１０〜０．３０％の範囲とした。 Ｓｉ：０．２５〜１．５０％ Ｓｔはピッチング寿命等の面圧疲労強度を向上させるた
めに焼もどし軟化抵抗性を高めるのに有用な元素である
が、０．２５％よりも少ないと十分な焼もどし軟化抵抗
性を得ることができなくなるので好ましくなく、１．５
０％を超えると靭性の劣化を招くので、Ｓｉ含有量は０
．２５〜１．５０％の範囲とした。 Ｍｎ：０．２〜２−０％ Ｍｎは鋼溶製時の脱酸および脱硫元素として有用である
と共に焼入性の向上にも寄与する元素であるが、０．２
％よりも少ないと前記した脱酸および脱硫作用が十分に
得られないと共に焼入性の向上効果も小さなものとなる
ため好ましくなく、２．０％を超えると靭性の劣化を招
くと共に、不純物元素の粒界への偏析を助長することと
なるので、Ｍｎ含有量は０．２〜２．０％の範囲とした
。 Ｐ：ｏ−ｏｔｓ％以下 Ｐはオーステナイト粒界に偏析して粒界を脆化させるこ
とにより靭性を劣化させるので、０．０１５％以下とし
た。 Ｓ：０．０２０％以下 ＳはＭｎＳを形成して靭性を劣化させるので、０．０２
０％以下とした。 Ｃｒ：２．０％以下 Ｃｒは焼入性を向とさせるのに有用な元素であるが、多
すぎると靭性を劣化させると共に冷間鍛造性の劣化を招
くこととなるので、２．０％以下とした。 Ｍｏ：０．２〜１．０％ ＭＯはＰの粒界偏析を抑制して粒界強度を高め、また、
焼入性を十分なものにすると共に焼もどし軟化抵抗性を
高めて靭性を向上させ、ピッチング寿命等の面圧疲労強
度を向上させるのに有用な元素であるが、０．２％より
も少ないとＰの粒界偏析の抑制作用が十分でなくなると
共に十分な焼入性や焼もどし軟化抵抗性を確保すること
ができなくなるので好ましくなく、１．０％を超えると
焼入性向上の効果が飽和するので、ＭＣ含有量は０．２
〜１．０％の範囲とした。 Ｓｉ＋Ｍｏ：０．６〜２．０％ ＳｔおよびＭＯは、前記したように、ピッチング寿命等
の面圧疲労強度を向上させるために、焼もどし軟化抵抗
を大きくする合金成分として添加させるものであり、Ｓ
ｉとＭＯによる焼もどし軟化抵抗増大の効果は同程度で
あって、このような効果を得るためにはＳｉとＭｏの合
計量を０．６％以上とすることが必要である。しかし、
多すぎるとＡｃ３変態点の上昇を招き、浸炭処理時にフ
ェライトを生成しやすくなって、不完全焼入層が形成さ
れやすくなるので、ＳｔとＭＯの合計量は２．０％以下
とすることが必要である。 Ａ５Ｌ：０．ｏｌＯ〜０．０６０％ ＡＭは鋼溶製時の脱酸剤として作用すると共に、結晶粒
を微細化させ、クラック伝播の抵抗を増大させて、浸炭
層の靭性を増加させるのに有用な元素であるが、０．０
１０％よりも少ないと脱酸や結晶粒微細化の作用が小さ
くなるので好ましくなく、ｏ、ｏｓｏ％よりも多いと地
紙の発生を招くこととなるので、Ａ！；Ｌ含有量は０．
０１０〜ｏ、ｏｓｏ％の範囲とした。 Ｎ：０．００５〜０．０２５％ Ｎは上記Ａｎと共にＡ文Ｎによる結晶粒の微細化に有用
な元素であると共に、Ｂを添加した場合のＢＮによる被
削性の向上に有用な元素であるが、０．００５％よりも
少ないと前記ＡＩＨによる結晶粒の微細化作用やＢＮに
よる被削性の向上作用が十分なものとなりがたいので好
ましくなく、０．０２５％より多くしても効果が飽和す
ると共に鋼の製造性を低下させ、地紙の発生を招くので
、Ｎ含有量は０．００５％〜０．０２５％の範囲とした
。 ０：０．００１５％以下 Ｃ含有量が多すぎると疲労起点となるＡ交２０３の生成
を招くので、０．００１５％以下とした。 Ｎｉ：４．０％以下 Ｎｉは焼入性を向上させて結晶粒内の強度を増加させる
のに有用な元素であるので、必要に応じて添加するのも
よいが、多すぎても焼入性向上の効果は飽和すると共に
かえってＰの粒界偏析を助長するので、含有させるとし
ても４．０％以下とすることが必要である。 Ｎｂ：０．００６〜０．０５０％、Ｖ：０．０５〜０．
３０％、Ｔａ：０．００３〜０．０２５％、Ｚｒ　：　
０．００３〜０．０２５％のうちから選ばれる１種また
は２種以上 Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒは結晶粒を微細化して靭性を向上
させるのに有用な元素であるので、これらの１種または
２種以上を必要に応じて添加するのも良い、しかし、Ｎ
ｂがｏ、ｏｏｓ％未満、■が０．０５％未満、Ｔａが０
．００３％未満。 Ｚｒが０．００３％未満であると上記した結晶粒の微細
化作用は十分に得られなくなるので好ましくなく、反対
にＮｂが０．０５０％を超え、■が０．３０％を超え、
Ｔａが０．０２５％を超え。 Ｚｒが０．０２５％を超えると炭窒化物が粗大化して結
晶粒微細化の効果が消失するので、含有させるとしても
上述した各範囲内の１．ｗまたは２種以上とする必要が
ある。 Ｂ：０．０１０〜０．０３０％ Ｂは鋼中のＮと結合してＢＮを形成することにより被削
性を向上させるのに有効な元素であるので、被削性のよ
り一層の向上が望まれる場合には必要に応じて含有させ
るのもよい、しかし、０．００１％よりも少ないと被削
性向上の効果が小さく、０．０３０％を超えると機械的
性質が劣化するので、含有させるとしてもｏ、ｏｏｉ〜
０．０３０％の範囲とする必要がある。 浸炭処理：プラズマ浸炭もしくは真空浸炭本発明に係わ
る高面圧歯車では、ピッチング寿命等の面圧疲労強度を
向上させるために、焼もどし軟化抵抗を高める合金成分
としてＳｉおよびＭＯを添加しているが、Ｓｉの添加に
より通常のガス浸炭では粒界酸化層がより多く形成され
てこの粒界酸化層が疲労起点となることにより曲げ疲労
強度が低下することとなって靭性が劣化したものとなり
、浸炭後のショットピーニング効果も低下するので、浸
炭処理としては粒界酸化層を生成しないプラズマ浸炭も
しくは真空浸炭を実施することとした。 これらのプラズマ浸炭や真空浸炭ではＳｉ含有量が多い
ときでも粒界酸化層が全く認められないものとなるので
、この後に実施されるショットピーニングによる強化が
著しく有効に作用するものとなる。 ショットピーニング：アークハイトが０．４ｍｍＡ以上 浸炭処理後に実施されるシヨｙ　）ピーニングは、歯車
の歯元疲労強度のみならずピッチング寿命等の面圧疲労
強度を向上させるのに有効であることが判明したので、
このような効果を得るためにアークハイトが０．４ｍｍ
Ａ以上のショットピーニングを実施することとした。 本発明に係わる高面圧歯車は、上述した組成の歯車用鋼
を素材とするものであり、このような組成の歯車用鋼を
素材として歯車を製作する場合に機械加工を行うに際し
ては、従来既知の技術に従って行えばよいが、ショット
ピーニングによる表面粗さを除去するために、研削やホ
ーニング等の加工を行うことも必要に応じて望ましい。 また、浸炭処理として真空浸炭を用いる場合には、高温
の熱処理であって結晶粒が粗大化しやすいことを考慮し
て、Ａｎ　、ＮのみならずＮｂ　、Ｖ等の結晶粒微細化
元素を複合添加することも必要に応じて望ましい。 （発明の作用） 本発明に係わる高面圧歯車は、上記の構成を有するもの
であり、歯車のピッチング寿命等の面圧疲労強度を向上
させるために、焼もどし軟化抵抗を増大させる合金成分
として、Ｓｉ、Ｍｏを添加し、Ｓｉの添加により通常の
ガス浸炭では粒界酸化層が著しく形成されて靭性が劣化
し、ショットピーニングの効果も低減するので、浸炭処
理として粒界酸化層を生成しないプラズマ浸炭または真
空浸炭を選定することとしてこの後にショットピーニン
グを行うようにしていることから、浸炭処理後に粒界酸
化層が全く認められなくなってこの後のショットピーニ
ングによる強化が著しく有効に作用することとなって、
ピッチング寿命等の面圧疲労強度が高いものとなり、か
つまた、歯元疲労強度が高いものとなって、強靭で信頼
性の高い高面圧歯車となる。 （実施例） 第１表に示す発明例Ａ−Ｍおよび比較例Ｎ−Ｓの化学成
分の鋼を溶製したのち造塊して圧延し、焼ならしを施し
たのち各々試験片に加工して第２表に示す条件で浸炭焼
入れを行った。 なお、ｔｓ１表において、発明例Ａ−Ｍは本発明が適用
される鋼成分範囲を満足するものであり、比較例ＮはＪ
ＩＳ　　ＳＣＭ４２０鋼であり、比較例Ｏはｐ、ｓ、ｏ
の不純物が多すぎる鋼であり、比較例Ｐは低Ｓｔ鋼であ
り、比較例Ｑは低Ｍｏ鋼であり、比較例Ｒは低Ｓｉ＋Ｍ
ｏ鋼であり、比較例Ｓは低Ａｎ　、Ｎ鋼である。 次いで、前記各試験片に対して第２表に示す条件で浸炭
焼入れを施した。 第 表 続いて、 前記条件で浸炭焼入れ焼もどしを施し たあと第３表に示す条件でショッ ト ピーニングを 行った。 第 表 次に、第４表に示す条件によりローラーピッチング試験
を行って、各供試材のピッチング寿命を測定した。この
結果を第６表のピッチング寿命の欄に示す。 第 表 また、９５表に示す仕様の歯車を作製し、これら各歯車
を動力循環式歯車試験機にかけて５０００ｒｐｍで動力
伝達を行い、繰り返し数１０７回まで繰り返し応力を加
えて、歯元応力と繰り返し数との関係をＳ−Ｎ曲線に表
わし、その限界から疲れ限度と破損応力を読み取って各
歯車の疲れ強さを評価した。この結果を第６表の歯車疲
れ強さの欄に示す。 ８８５表 さらに、前記第５表に示した仕様の歯車を計装化歯車衝
撃試験に固定部と回転部の一組を装着し、ハンマーにて
衝撃荷重を与えてそのときの荷重値を読みとることによ
って各歯車の衝撃時、性を調べた。この結果を第６表の
歯車衝撃破断荷重の欄に示す。 １ｓ６表に示すように、本発明例Ａ−Ｍでは、ピッチン
グ寿命が大きく、歯車疲れ強さが大であると共に、歯車
衝撃破断荷重も大きな値を示すことが認められ、強靭で
信頼性の高い高面圧歯車となっていることが確かめられ
た。 これに対して、従来のＪＩＳ　　３０Ｍ４２０鋼を素材
とした比較例Ｎでは本発明と同様のプラズマ浸炭および
ショットピーニングを施してはいるもののいずれの特性
も低い値を示していた。また、不純物含有量の多い比較
例Ｏにあってもいずれの特性も低いものとなっておりと
くにＡ文。 ０３が多量に存在するため転勤寿命、ピッチング寿命が
低く、Ｐの粒界酸化偏析のために衝撃値も低いものとな
っていた・ さらに、低Ｓｉの比較例Ｐ、低Ｍｏの比較例０．低Ｓｉ
＋Ｍｏの比較例Ｒにおいては焼もどし軟化抵抗が低いた
め転勤中に発生する熱による軟化が原因で転勤寿命が低
いものとなっており、低ＡＭ、Ｎの比較例Ｓでは浸炭中
に結晶粒が粗大化するため衝撃値が低いものとなってい
た。 さらにまた、比較のために、本発明が適用される第１表
に示すＡ鋼を素材とするもののシ、ットピーニングを行
わなかった比較例Ａ！およびショットピーニングを行っ
たとしてもアークハイトが低い比較例Ａ２の場合は歯車
衝撃破断荷重は良好な値を示すもののピッチング寿命お
よびは歯車疲れ強さは良くないものであった。 さらにまた、本発明が適用される第１表に示すＡ鋼を素
材とするものの通常用いられるガス浸炭を施した比較例
ａ１では粒界酸化層が深くショットピーニングの効果が
小さくなるため、いずれの特性においてもかなり劣った
ものとなっていることが認められた。

【発明の効果】

本発明に係わる高面圧歯車は、重量％で、Ｃ：０．１０
〜０．３０％、Ｓｉ：０．２５〜１．５０％、Ｍ　ｎ　
：　０　、２〜２　、０％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ
　：　０．０２０％以下、Ｃｒ＝２．０％以下、Ｍｏ：
０．２〜１．０％、Ｓｉ＋Ｍｏ：０．６〜２．０％、　
Ａ文　：０．０１０〜０．０６０％、Ｎ：０．００５〜
０．０２５％、０：０．００１５％以下、必要に応じて
、焼入性向上元素として、Ｎｉ：４．０％以下を含有し
、同じく必要に応じて、結晶粒微細化元素として、Ｎｂ
：０．００６〜０．０５０％、Ｖ：０．０５〜０．３０
％、Ｔａ：０．００３〜０．０２５％、Ｚｒ：０．００
３〜０．０２５％のうちから選ばれる１種または２．１
！以上を含有し、同じく必要に応じて、ＩＩＫ削性向上
元素として、Ｂ：０．００１〜０．０３０％を含有し、
残部Ｆｅおよび不純物よりなる鋼を素材とし、プラズマ
浸炭もしくは真空浸炭により浸炭処理した表面にアーク
ハイトが０．４ｍｍＡ以上のショットピーニングが施さ
れている構成としたことから、ピッチング寿命等の面圧
疲労強度が高く、かつまた、歯元疲労強度が高く、強靭
で信頼性の高い高面圧歯車であるという著しく優れた効
果がもたらされる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０
   ．２５〜１．５０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｐ：０
   ．０１５％以下、Ｓ： ０．０２０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：０．２
   〜１．０％、Ｓｉ＋Ｍｏ：０．６〜２．０％、Ａｌ：０
   ．０１０〜０．０６０％、Ｎ：０．００５〜０．０２５
   ％、Ｏ：０．００１５％以下、残部Ｆｅおよび不純物よ
   りなる鋼を素材とし、プラズマ浸炭もしくは真空浸炭に
   より浸炭処理した表面にアークハイトが０．４ｍｍＡ以
   上のショットピーニングが施されていることを特徴とす
   る高面圧歯車。
2. （２）素材中に、焼入性向上元素として、Ｎｉ：４．０
   ％以下を含有している請求項第（１）項に記載の高面圧
   歯車。
3. （３）素材中に、結晶粒微細化元素として、Ｎｂ：０．
   ００６〜０．０５０％，Ｖ：０．０５〜０．３０％，Ｔ
   ａ：０．００３〜０．０２５％，Ｚｒ：０．００３〜０
   ．０２５％のうちから選ばれる１種または２種以上を含
   有している請求項第（１）項または第（２）項に記載の
   高面圧歯車。
4. （４）素材中に、被削性向上元素として、Ｂ：０．００
   １〜０．０３０％を含有している請求項第（１）項，第
   （２）項または第（３）項のいずれかに記載の高面圧歯
   車。