JPH0483848A - 高疲労強度を有する浸炭歯車用鋼 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明鋼は、自動車、建設車輌及び産業機械等で使用さ
れる歯車のように浸炭焼入処理が施されて使用される部
品の中でも高い疲労強度や長い耐久寿命を必要とされる
ものへの適用に対し優れた鋼である。

［従来の技術］ 従来、歯車など浸炭焼入処理されて使用される部品の疲
労強度や耐久寿命の向上対策としては、素材である鋼の
非金属介在物の含有量を低減させる方法が採られてきた
。又、近年では一層の改善を図る目的から、Ｎｉを多量
に添加したり、疲労亀裂の原因となる浸炭層での粒界酸
化層の発生を低減させるため、ＳｉＳＭｎ。

Ｃｒのように酸化され易い元素を低減することにより対
応している。一方、浸炭焼入処理された歯車の表面へシ
ョットピーニング処理することにより、圧縮の残留応力
を高め、表面を強化する方法も対応策として採用されて
いる。

［発明が解消しようとする課題〕 しかしながら、これら非金属介在物含有量の低減や、従
来範囲でのＮｉの添加量増加では、近年の浸炭歯車のよ
うに、寸法の小形化を達成しながら、高い疲労寿命を確
保するという要求は満足されない。特に高い接触圧力と
回転方向の滑り作用を伴う歯車においてはピ・ソチング
を始めとする面疲労の強度向上に対しては充分てはない
。他方、ショットピーニング処理による圧縮残留応力の
付与は有効な方法ではあるが、ショットの投射が的確に
行われないと効果か不安定であること、又、実施するた
めには設備の設置か必要となること、など制約があり、
完全な対策とはなっていない。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、このような従来技術では達成することの困難
であった浸炭歯車の疲労強度、中でも回転曲げ疲労強度
とピ・ンチング疲労強度の向上を図ることを主眼として
、それぞれの疲労強度に及はす材料面からの対応策を解
析し、前者については第１表、後者については第２表に
表わした。

以上の解析に基づいて、主たる対応策として次の四項目
に着眼した。

■　浸炭層の強靭化として、Ｎ１ばかりでなくＭｏの添
加による強度と靭性値の向上を図る。

■　浸炭層表面硬さの向上を行うため■、ＭＯの添加を
行う。

■　浸炭層及び芯部の靭性向上のため、Ａｌ、Ｎｂ、Ｎ
を適正量添加を行い、オーステナイト結晶粒度の微細化
を図る。

■　浸炭層の粒界酸化層を少なくするため、Ｓｉ含有量
を低減し、Ｍｎ、Ｃｒも焼入性の調整以外極力少なくす
る。

これらの効果について、Ｎｉ、Ｍｏ５Ｖ。

Ａｌの含有量を種々変えた鋼を高周波溶解炉にて溶製し
、供試鋼として浸炭、焼入処理を想定した焼入、焼戻し
、又は一部浸炭焼入を行った後に、衝撃試験（１０ａｖ
Ｒノツチ付シヤルピー）及び焼もどし軟化抵抗など種々
の試験を行って評価し、本発明に到達した。

すなわち、本発明は、重量％で、Ｃ：　０．１５〜０．
２５％Ｓ　ｉ　：　０．２０％以下、Ｍ　ｎ　：　０．
４０〜０．７０％、Ｐ　：　　０．０１５％以下、Ｓ　
：　　０．００５〜０．０１５％、Ｎ　　ｉ　　：　　
１．００〜３．００％、　Ｃｒ　　：　　０．４０〜０
．７０％、Ｍ　ｏ　　：　　０．６０〜１．５　％、　
Ａ　　Ｉ　　＋　　　０．０１５〜０．０３０　　％、
Ｎ　　：　　０．０１００〜０．０１８０％、　Ｎｂ：
０．Ｏ１５〜０．０３０％、ＯＴ：　Ｏ，０ＯＬ５％以
下を含有し、残部Ｆｅ並びに不可避的不純物からなるこ
とを特徴とする高疲労強度を有する浸炭歯車用鋼である
。

次に本発明の上記組成について限定理由を説明する。

Ｃ：Ｃは浸炭焼入処理される歯車の要求される芯部硬さ
ＨＲＣ３５〜４５を得るためには０．１５％以上の添加
か必要である。しかし、０．２５％を超える多量の添加
は、焼入後、表面での圧縮の残留応力を充分導入できず
、又、芯部の衝撃値を低下させる。したかって、Ｃの添
加量は０．１５〜０．２５％の範囲とした。

Ｓｉ：Ｓｉは溶鋼の脱酸用として効果があり、後述する
Ｏ１値を低下させる上からは多量に添加しておく方が好
ましいが、逆に酸化され易い元素でもあり、浸炭された
表層部において浸炭処理中の雰囲気中酸素と反応し粒界
酸化層が生じ易く、このため粒界酸化層を少なく　（深
さ１０μｍ以下）するため上限を０．２０％とした。

Ｍｎ：Ｍｎは焼入性を確保するため少なくとも０．４０
％は必要とする反応、Ｓｉ同様浸炭雰囲気中の酸素と反
応し、粒界酸化層を形成することから、この低減を目的
として上限を０．７０％とした。したがって、Ｍｎの添
加量は０．４０〜０．７０％の範囲とした。

Ｎｉ　：Ｎｉは浸炭層並びに芯部の靭性を向上させる元
素であり、特に浸炭層の硬さを高くした場合の靭性確保
の上からは必要であり、本発明はこのＮｉと後述のＭＯ
含有量との靭性向上に及ぼす最適組合せより行ったもの
で、このため少なくとも１．００％以上必要であること
、一方、Ｎｉは残留オーステナイトの形成を助長する元
素であることと、過剰の添加は経済性を損うことから、
上限を３，００％とした。

したがって、Ｎｌの添加量は１．００〜３，００％の範
囲とした。

Ｃｒ：ＣｒはＭｎ同様に焼入性を得るために必要な元素
であると同時に浸炭雰囲気の酸素により粒界酸化を生じ
やすい元素であることから、下限を０．４０％上限を０
．７０％とした。

Ｍｏ：Ｍｏは焼入性向上元素であると共に、破壊の初期
における亀裂発生を軽減し、靭性を向上させる元素であ
ることか、本発明に至る研究から明らかになった。特に
浸炭層のような炭素含有量が高い場合にはＮｉより効果
が大きいことから、Ｎｉとの複合添加の下では下限が０
．６０％あれば充分である。しかし、１．５０％を超え
ると粗大炭化物を形成し、浸炭層の靭性を低下させる。

したがって、Ｍ　ｏの添加量は０．６０〜１６５０％の
範囲とした。

Ａｌ　：ＡｌはＮと結合してＡＩＮとなり、オーステナ
イト結晶粒度を細粒化する作用を有する元素であり、細
粒化は浸炭層並びに芯部の靭性を向上させる効果を有す
る。したがって、浸炭処理温度でも細粒を確保するため
下限を０．０１５％とした。一方、多量のＡＩは疲労強
度に対し有害なＡｌ２Ｏ３介在物の生成を助長すること
や歯車とした場合の焼入歪を増やすことから、上限を０
．０３０％とした。

Ｎ二ＮはＡ１と結合してＡＩＮを生成して結晶粒の微細
化を図るために必要な元素であり、含有するＡＩを全て
ＡＩＮとするに必要な下限値として０．０１００％を、
又、過剰な添加は微細化に対し効果がないばかりでなく
、冷間ての加工性を低下させるので、上限を０．０１８
０％とした。

Ｎｂ：ＮｂはＣＳＮと結合して炭窒化物を生成し、ＡＩ
Ｎと同様にオーステナイト結晶粒度の微細化に効果のあ
る元素であり、この微細化を介して浸炭層並びに芯部の
靭性向上に寄与する。したがって添加量はＡ１とＮの量
的バランスで決るが、少ないと効果が出ないので、０．
０１５％を下限とし、一方、過剰の添加は粗大な炭窒化
物を形成、析出し、浸炭層の靭性を損うことから　ｏ、
ｏａｏ％を上限とした。

ＦＤＰは結晶粒界に偏析しやすい元素であり、特に浸炭
層のような高炭素鋼の靭性に対する影響が大きいので、
靭性改善の上からは低い程望ましいが、原材料の選択な
ど経済性から上限を０．０１５％とした。

ＳＯ３は大部分は硫化物介在物として鋼中に存在し、多
量に存在する場合には、疲労強度低下の要因となる元素
であるが、一方歯車のように切削加工により成形される
部品では、被削性を与える元素でもあることから、この
両者の特性を満たすため、下限値を０．００５％、上限
値を０．０１５％とした。

ＯＴ　：０１は鋼中においては酸化物介在物として存在
し、疲労強度を損う元素であることから上限を０．００
１５％とした。

〔実施例〕

次に実施例を挙げ、本発明を更に詳細に説明する。

第１図に本発明に至る研究での試験工程の概要を示すが
、本研究は主として二種類の鋼を高周波溶解炉により溶
製して行った。すなわち、一つは浸炭層の強靭化に与え
るＮｉ、Ｍｏ、■及びＡ１の効果を調査する目的から製
造された炭素含有量が０．７４〜０．８０％の高炭素鋼
と、他は芯部の衝撃特性、焼入性、浸炭特性を調査、確
認するために製造された炭素含有量が０．１５〜０．２
１％の低炭素鋼である。各々の供試鋼の化学成分を前者
は第３表に、後者は第４表に示した。

高炭素供試鋼は、２０＋ｎｍφへ鍛伸され、６３０℃Ｘ
　２ｈｒで焼なましされた後、１０＋ｎｍＲノツチ付シ
ャルピー衝撃試験片（１０ｍｍＸ　１０ｍｍＸ　５５ｍ
ｍ１）と、硬さ測定用の試験片（１５ｍｍφＸ　２Ｏｎ
＋ｍｌ）を作成した後、浸炭後の焼入を想定した８５０
℃Ｘ０．５ｈｒ。

油焼入を施した。その後衝撃試験片は１８０℃×２ｈｒ
ｓ空冷、硬さ測定用の試験片は１８０〜３５０℃Ｘ８ｈ
ｒ、空冷の条件で焼もどし処理された。

衝撃試験片は室温にてシャルピー試験に供せられた。そ
の結果を第３表に併せて示す。

一方、種々の温度で焼もとし処理された硬さ測定用の試
験片は、軟化抵抗の確認のため硬さが測定された。結果
を第２図に示す。

又、低炭素供試鋼は熱間鍛造され、焼ならしされた後、
浸炭特性、ジョミニー焼入性試験及び浸炭焼入後の芯部
での衝撃特性を評価するための試験片に加工され、所定
の熱処理が施された後各試験に供せられた。各試験の結
果は第５表に示される通りである。

第５表 以上の結果より、浸炭層の強靭化と浸炭層の表面硬さに
対してはＮｉ、Ｍｏの増加、中でもＭｏの効果が大きい
こと、■は表面硬さを増すが浸炭層の靭性を低下させる
ことＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの低減により浸炭層の粒界酸化層
深さが少なくなることなどが明らかとなった。

これらの結果をもとに本来の目的である疲労強度向上が
達成されることを確認するために、第６表に示す化学成
分を有する鋼を実用炉（電気炉）にて溶製し、２．３ｔ
の鋼塊とし、所定の寸法へ熱間圧延した後、小野式回転
曲げ疲労試験（平滑）用と、第４図（ａ）に示すピッチ
ング疲労試験用の試験片（ｂ　）Ｖ７１０工した。第４
図（ａ）中、１は試験片、２は負荷ローラー　３．４は
ギヤ５は軸受、６はカップリング、７は伝達ベルト、８
はモーターである。なお、第４図（Ｃ）は負荷ローラー
２の詳細を示す。その後試験片は９２０℃Ｘ　１００ｍ
１ｎで０．８〜１．０ｍｍの有効硬化層深さが得られる
ようガス浸炭処理され、焼入、焼もどしされた。各々の
試験に際しては２種の発明鋼Ａ、Ｂは現用鋼であるＳＣ
Ｍ　４２０　、ＳＮ０Ｍ４２０との比較により評価が行
われた。

第７表は浸炭処理後の各供試鋼の特性を示す。

１１１６表 第７表 ＊試験片はｌＤｓｍＲノツチ／ヤルビー衝箪試駿斤この
ように、本発明鋼は当初設計したとおり現用鋼に比べ高
い靭性値と高い表面、かたさ、少ない粒界酸化層深さを
呈している。

第３図、第５図はそれぞれ小野式回転曲げ疲労試験及び
ピッチング疲労試験の結果を示したものであるが、比較
鋼とした各現用鋼に比へ、本発明鋼は優れた疲労特性を
示している。

［発明の効果コ 以上の実施例からも判るように、本発明鋼は回転曲げ疲
労強度並びにピッチング疲労強度か現用鋼に比べ優れて
いることから、浸炭歯車の小形化、軽量化に又は形状、
寸法が同じても高出力化による高負荷化に対しても寄与
することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は高周波溶解炉で溶製した供試鋼を使用して本願
発明鋼の構成を試験研究した工程図、第２図は浸炭層の
軟化抵抗に対する化学成分の影響を比較して示すグラフ
、第３図は本発明鋼の回転曲げ疲労強度を現用鋼である
ＳＣＭ４２０と比較して示すグラフ、第４図（ａ）、（
ｂ）、（ｃ）はピッチング疲労試験機及び試験片の概略
図、第５図は本発明鋼のピッチング疲労寿命を現用鋼で
あるＳＮＣＭ　４２０と比較して示すグラフである。 Ｊ下　、１） 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 重量％において、 Ｃ（炭素）：０．１５〜０．２５％ Ｓｉ（ケイ素）：０．２０％以下 Ｍｎ（マンガン）：０．４０〜０．７０％ Ｐ（リン）：０．０１５％以下 Ｓ（硫黄）：０．００５〜０．０１５％ Ｎｉ（ニッケル）：１．００〜３．００％ Ｃｒ（クロム）：０．４０〜０．７０％ Ｍｏ（モリブデン）：０．６０〜１．５０％Ａｌ（アル
   ミニウム）：０．０１５〜０．０３０％Ｎ（窒素）：０
   ．０１００〜０．０１８０％Ｎｂ（ニオビウム）：０．
   ０１５〜０．０３０％Ｏ＿Ｔ（酸素）：０．００１５％
   以下 を含有し、残部Ｆｅ並びに不可避的不純物元素からなる
   ことを特徴とする高疲労強度を有する浸炭歯車用鋼。