JPH07188853A - 歯車用浸炭用鋼 - Google Patents

歯車用浸炭用鋼

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JPH07188853A
JPH07188853A JP34681293A JP34681293A JPH07188853A JP H07188853 A JPH07188853 A JP H07188853A JP 34681293 A JP34681293 A JP 34681293A JP 34681293 A JP34681293 A JP 34681293A JP H07188853 A JPH07188853 A JP H07188853A
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JP
Japan
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steel
gear
weight
fatigue strength
mns
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JP34681293A
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English (en)
Inventor
Yuji Kawachi
雄二 河内
Yoshiaki Kusano
祥昌 草野
Hideo Kanisawa
秀雄 蟹澤
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Publication date
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  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は酸化物系介在物を超微細化し面疲労
強度を飛躍的に向上させると共に、MnSの延伸性も大
幅に抑制し歯曲げ疲労強度の向上も同時に達成しうる歯
車用鋼を提供するものである。 【構成】 重量%にてC:0.1〜0.4%、Si:
0.15%以下、Mn:0.3〜2.0%、Cr:0.
4〜2.0%を基本成分とする歯車用浸炭用鋼におい
て、MgをT.Mgとして0.0015〜0.0350
%含有させる。 【効果】 面疲労強度及び歯曲げ疲労強度を大幅に向上
した歯車用鋼の提供が可能となった。これにより、歯車
の大型化あるいは表面加工を行う必要がなくなり、さら
に浸炭を前提とした軸部品等の疲労強度が顕著に向上す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は浸炭焼入れして用いられ
る歯車用鋼、なかでも自動車等の駆動伝達用に適用でき
る歯元疲労強度及び耐ピッチング性の高い歯車を製造す
るための浸炭用鋼に関するものである。
【0002】
【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。これらの歯車はその
動作時、高速回転下に高い応力が加えられる。そのた
め、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
してきた。
【0003】しかし、最近では自動車部品においてはエ
ンジン性能の向上と小型化及び軽量化に伴って、従来よ
りも一層疲労強度に優れた歯車が要求されるに至ってい
る。
【0004】このような状況のもとで、例えば、特開平
1−306545に見られるように、疲労強度及びピッ
チング性を劣化させる表面不完全焼入れ層の生成を抑制
した歯車用浸炭用鋼や、特開平5−25586の如く、
表面不完全焼入れ層の生成抑制と、歯曲げ疲労強度を劣
化させる鋼材中MnSの延伸性を抑制した歯車用浸炭用
鋼が提案され、一定の成果を収めてきた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、自動車
部品の小型化及び軽量化要求は、地球規模での環境保全
の高まりもあり、益々強くなる傾向にあり、歯車用鋼に
おいてもより一層、疲労強度に優れた鋼が要求されるに
至っている。本発明はこのような要請に応じるものであ
り、酸化物系介在物を超微細化し面疲労強度を飛躍的に
向上させると共に、MnSの延伸性も大幅に抑制し歯曲
げ疲労強度の向上も同時に達成するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは以下の通りである。重量%で、 C :0.1〜0.4% Si:0.15%以下 Mn:0.3〜2.0% Cr:0.4〜2.0% P :0.03%以下 S :0.005〜0.03% T.O:0.003%以下を含有し、及び/または Mo:0.3〜2.0% Ni:1.0%以下の1種以上を含有し、及び/または V :0.03〜0.30% Nb:0.02〜0.20% Ti:0.01〜0.30% W :0.03〜1.2%の1種以上を含有し、さらに T.Mg:0.0015〜0.0350%、を含有する
ことを特徴とする歯車用浸炭用鋼。
【0007】
【作用】本発明鋼の最大の技術的ポイントは鋼材中にM
gを含有させることにある。これにより酸化物系介在物
(主にアルミナ)のサイズが微細化されると共にMnS
の延伸性が抑制される。
【0008】まず、酸化物系介在物サイズの微細化機構
を述べる。溶鋼中に酸化物系介在物としてAl23
存在する状況下でMgを添加すると、酸化物の組成はA
23 からMgO・Al23 あるいはMgOへと改
質される。この際、MgO・Al23 あるいはMgO
はAl23 と比較して、溶鋼との界面エネルギーが小
さいために凝集合体しにくく、微細化が達成される。鋼
材中の酸化物系介在物はそのサイズが大きいほど、その
部分に応力が集中しやすくなり、疲労破壊の起点となり
やすい。それゆえ酸化物系介在物のサイズを微細化する
ことにより、この問題は大幅に改善される。歯車用鋼で
は、特に面疲労強度が大幅に向上する。
【0009】一方、MnSの延伸性抑制機構は次の通り
である。溶鋼中に添加されたMgは、Al23 の改質
に続いて、以下のMnSの組成改質が進行する。 MnS+Mg→(Mn・Mg)S ここに生成した(Mn・Mg)SはMnSに比べ、Mg
が複合したために球状化され、さらに圧延時の延伸性が
大幅に抑制される。この効果は(Mn・Ca)Sよりも
大きく、歯車の曲げ疲労強度が顕著に向上する。
【0010】以上を考慮した最適Mg含有量は、トータ
ルMg(=T.Mg)で表示すると、0.0015〜
0.0350重量%となる。T.Mgが0.001重量
%未満では、アルミナの微細化が不十分であり、かつM
nSの球状化がほとんど達成されない。T.Mgが0.
030重量%を越えるとMgSの生成が顕著となり、被
削性維持のためのMnSが減少し好ましくない。
【0011】次に、本発明鋼の製造方法について述べ
る。本発明鋼の製造方法は特に限定するものではない。
即ち、母溶鋼の溶製は高炉−転炉法あるいは電気炉法の
いずれでもよい。また、溶鋼へのMg添加方法も特定す
るものではなく、Mg源を自然落下による添加法、不活
性ガスを用い吹込む方法、Mg源を充填した鉄製ワイヤ
ーを溶鋼中へ供給する方法等を採用してよい。添加場所
も溶鋼取鍋、連続鋳造タンディッシュ、連続鋳造モール
ド等を自由に選定してよい。Mg源としては金属Mg,
Mg−Coke,Mg−Al合金、Mg−Si合金、M
g−Si−Mn合金等の粒状品を使用でき、これらとF
e,Al,Fe−Si合金の粒状品を混合して使用する
ことも可能である。さらに、母溶鋼から鋼塊あるいは鋳
片を製造し、圧延する方法も限定するものではない。
【0012】次に、Mg以外の成分の規定理由について
述べる。Cは強度を向上させるために少なくとも0.1
重量%以上必要とする。しかし0.4重量%を越えると
切削性等の加工性を損ない好ましくない。Siは粒界酸
化物を生成しやすい元素であり、粒界酸化物の生成は粒
界強度を低下させるので、その添加量は最小限とするの
が望ましいが、0.15重量%までは許容される。Mn
も粒界酸化物を生成しやすい元素であるが、焼入れ性向
上による強度向上、さらには脱酸のため必要であり、
0.3重量%以上添加すべきである。しかし、2.0重
量%を越えて添加すると切削性が劣化する。CrもMn
と同様、粒界酸化物を生成しやすい元素であるが、焼入
れ性向上による強度向上のため必要であり、0.4重量
%以上添加すべきである。しかし、2.0重量%を越え
ると、炭化物を生成し、さらに粒界酸化物を生成して、
焼入れ性向上効果が飽和する。
【0013】Pは粒界強度を低下させ、疲労強度の低下
を招くので最小限とするのが望ましいが、0.03重量
%までは許容される。Sは鋼の切削性を高めるために
0.005重量%以上添加する必要がある。しかし、
0.03重量%を越えると、鋼中の介在物が増加し、冷
間加工性に悪影響を及ぼし好ましくない。T.Oは酸化
物介在物量の目安であり、0.003重量%を越える
と、酸化物量増大による疲労強度特性を悪化させ好まし
くない。
【0014】Mo及びNiは鋼に所定の焼入れ性を与
え、強度及び靱性を向上させるのに必要な元素であり、
1種以上添加する。本発明鋼では前述のSi,Mn,C
r含有量に関する限定のもとで、それ以上の焼入れ性を
与えるために、Moは0.3重量%以上含有させる。し
かし、2.0重量%を越えて含有させても、その効果は
飽和し経済性を損なう結果となる。また、Niは1.0
重量%を越えて含有させても、その効果は飽和するの
で、上限を1.0重量%とする。
【0015】V,Nb,Ti及びWは炭窒化物を生成
し、浸炭結晶粒の微細化に効果がある元素であり、任意
に1種以上添加できる。その効果を十分得るにはVで
0.03重量%以上、Nbで0.02重量%以上、Ti
で0.01重量%以上、Wで0.03重量%以上の添加
が必要である。しかしVで0.3重量%、Nbで0.2
重量%、Tiで0.2重量%、Wで1.2重量%を越え
て添加しても、その効果は飽和する。以下に本発明の実
施例を述べ、本発明の効果について記載する。
【0016】
【実施例】高炉−転炉−連続鋳造法により表1に示す化
学成分の鋳片を製造した。Mg添加は、転炉から排出さ
れた取鍋内溶鋼に、金属Mg粒及びFe−Si合金粒の
混合物を充填した鉄製ワイヤーを供給する方法によっ
た。次に分塊圧延、棒鋼圧延して直径70mmの丸棒
(圧延比50)を製造した。この直径70mmの丸棒の
圧延方向断面の酸化物サイズ及びMnSの長さを測定し
た結果、表2に示すように本発明鋼は比較鋼、従来鋼に
比べて、極めて良好な成績が得られた。
【0017】
【表1】
【0018】
【表2】
【0019】続いて、直径70mmの丸棒を925℃で
焼ならし処理した後、回転曲げ疲労試験片及び面疲労試
験片に機械加工した。回転曲げ疲労試験片は圧延方向に
対して直角方向から切出し、試験断面直径は9mmとし
た。また面疲労試験片も圧延方向に対して直角方向から
切出し、試験断面直径を26mmのローラーピッチング
疲労試験片とした。次に各試験片に対して、浸炭ガス雰
囲気中で930℃×5時間加熱→130℃油焼入れ→1
80℃×1時間焼戻しを行った。こうして得られた試験
片を小野式回転曲げ疲労試験及びローラーピッチング面
疲労試験に供した。小野式回転曲げ疲労試験及びローラ
ーピッチング面疲労試験成績を表2に示すが、本発明鋼
は比較鋼、従来鋼に比べて、極めて良好な成績が得られ
た。
【0020】さらに直径70mmの丸棒を熱間鍛造によ
り直径120mm丸棒とした後、925℃で焼ならし処
理し、歯曲げ疲労試験片に機械加工した。歯車形状はピ
ッチ半径54mm、歯数27、モジュール4、歯幅9m
m、軸穴半径35mmの平歯車である。その後、各歯車
を同様に浸炭、焼入れし、油圧サーボ式引張り圧縮試験
機による歯曲げ疲労試験を行った。その結果、表2に示
すように本発明鋼は比較鋼、従来鋼に比べて、極めて良
好な成績であった。
【0021】本発明鋼において、小野式回転曲げ疲労試
験及びローラーピッチング面疲労試験成績が良好であっ
た理由は、酸化物系介在物サイズが微細化されたためで
あり、歯曲げ疲労試験成績が良好であった理由は酸化物
系介在物サイズ微細化に加えてMnSの延伸性が顕著に
抑制されたことによる。これらの効果はMg添加により
達成されたものである。
【0022】
【発明の効果】以上、詳細に述べてきたように、本発明
により酸化物系介在物を微細化し面疲労強度を飛躍的に
向上させると共に、MnSの延伸性も大幅に抑制し歯曲
げ疲労強度の向上も同時に達成しうる歯車用鋼の提供が
可能となった。これにより、従来のように歯車の大型化
あるいは表面加工を行う必要がなくなり、さらに浸炭を
前提とした軸部品等にも適用できるという優れた効果を
有するもので、その産業上の波及効果は極めて顕著なも
のがある。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、 C :0.1〜0.4% Si:0.15%以下 Mn:0.3〜2.0% Cr:0.4〜2.0% P :0.03%以下 S :0.005〜0.03% T.O:0.003%以下を含有し、 かつ、T.Mg:0.0015〜0.0350%、 残部Fe及び不可避的不純物から成る歯車用浸炭用鋼。
  2. 【請求項2】 重量%で、 C :0.1〜0.4% Si:0.15%以下 Mn:0.3〜2.0% Cr:0.4〜2.0% P :0.03%以下 S :0.005〜0.03% T.O:0.003%以下を含有し、 かつ Mo:0.3〜2.0% Ni:1.0%以下の1種以上を含有し、 及び T.Mg:0.0015〜0.0350%、 残部Fe及び不可避的不純物から成る歯車用浸炭用鋼。
  3. 【請求項3】 重量%で、 C :0.1〜0.4% Si:0.15%以下 Mn:0.3〜2.0% Cr:0.4〜2.0% P :0.03%以下 S :0.005〜0.03% T.O:0.003%以下を含有し、 かつ Mo:0.3〜2.0% Ni:1.0%以下の1種以上を含有し、 及び V :0.03〜0.30% Nb:0.02〜0.20% Ti:0.01〜0.30% W :0.03〜1.2%の1種以上を含有し、 さらに T.Mg:0.0015〜0.0350%、 残部Fe及び不可避的不純物から成る歯車用浸炭用鋼。
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Cited By (5)

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WO2007148475A1 (ja) 2006-06-21 2007-12-27 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho 鍛造用鋼およびその製造方法並びに鍛造品
EP1978124A1 (en) 2007-04-05 2008-10-08 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho Forging steel, forging and crankshaft
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Effective date: 19990810