JPS60243252A - 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） この発明は、強度が高くかつ強靭で信頼性の高い一車を
得るのに利用される歯車用鋼に関するものである。

（従来技術） 従来、歯車を使用した機械装置類としては、輪′送用機
械、農業用機械、産業用機械、宇宙航空機器などの非常
に多くのものがある０例えば日常生活において最もなじ
みの深い自動車では、ステアリング部品、ミッション部
品、デイ７アレンシャル部品などとして数多くの歯車が
使用されてあり、自動車に対する高品質化、高信頼性化
ならびに低燃比化の要求に伴って歯車に対する要求特性
も年々強まってきている。そして、自動車の重要な部品
であるミッションギアに例をとれば、騒音の減少、小型
軽量化、信頼性の増大などの要求があり、騒音の減少に
対しては歯車のモジュールを小さくすること、歯車の小
型化に対しては歯幅を小さくすること、信頼性の増大に
対しては靭性の高い歯車をつくること、などの対策が考
えられている。このようなモジュールの減少等の傾向に
対しては、歯車用鋼の高強度化が要請され、高強度化の
ために疲れ強度および耐衝撃性を向上させることが必要
であるが、従来の歯車用鋼ではいまだ不十分であるとい
う問題があった。

（発明の目的） この発明は、上述したような従来の状況に着目してなさ
れたもので、歯車用鋼の高強度化、すなわち相反する特
性である疲れ強度および耐衝撃性の向上をはかることに
よって、モジュールならびに歯幅を小さくすることが可
能であり、苛酷な応力や衝撃にも耐えることが可能であ
る歯車を製造するのに適した歯車用鋼を提供することを
目的としている。

（発明の背景） 一般に、歯車は肌焼に適する機械構造用鋼を素材として
これを歯車形状に機械加工し、次いで浸炭、窒化等の表
面硬化処理を施して、表面の耐摩耗性を高めつつ内部は
靭性を保つように製造されている。そこで、本発明者ら
は、強靭な歯車の条件をめて、まず、従来の実用歯車の
摩耗や破損の状態、および実験室で行う歯車試験や衝撃
試験におりてみられる損傷の状態を詳細に検討して、つ
ぎのことを知った。すなわち、高サイクル経過後の疲れ
破壊および衝撃破壊の両者とも、表面浸炭層で粒界破壊
が生じ、さらに擬へき開破壊をへて、６部は延性破壊し
ているという事実である。

また、ミクロ組織観察を進めたところ、浸炭層の表層部
には粒界酸化が起っていることが認められ、粒界酸化部
分を詳細に観察すると、不完全焼入れ組織（トルースタ
イト）が生じていることがわかった。これは、粒界酸化
により焼入性向上元素であるＭｎやＣｒが、ＭｎｘＯｙ
、ＣｒｘＯｙの形成に伴って粒界に優先的に拡散移行し
、粒界近傍の焼入性を低下させるためと考えられる。

こうした知見にもとづいて、本発明者らは、歯車の強靭
化にとって、浸炭組織内の粒界酸化の防止を中心とする
粒界の強化が有効であり、加えて粒内の強化もはかるの
がよい、との結論に達した。

そこで、各種合金元素の影響をしらべたところ、つぎの
ことがわかった。

まず、Ｓｔは粒界酸化を助長するので、その量。

をできるだけへらすべきであり、また、Ｐはオーステナ
イト粒界に偏析して粒界を弱めるので、これも低減する
のがよく、結晶粒を微細化すればクラック伝播に対する
抵抗となるため特定量のＡ文およびＮを添加することに
よってこれを実現し、Ｎ’ｂ’、Ｔａの添加は結晶粒微
細化にすこぶる効果的であり、ＭｏはＰの粒界偏析を抑
制して粒界強度を高める上に、不完全焼入れ組織を出現
しにくくするはたらきがあり、加えて、Ｎｉは焼入れ性
を高めるとともに粒内の靭性とくに浸炭層の靭性を向上
させるのに有効である。

さらにまた、疲れ特性に及ぼす６部硬さの影響を詳細に
検討した結果、第１図に示すように、およそＨｖ５００
までであれば、６部硬さが高いほど疲れ限度が高いこと
が判明した。一方、通常のＣｒ系（Ｓ　ＣＲ系）あるい
はＣｒ−Ｍｏ系（ＳＣＭ系）の肌焼鋼においては、６部
硬さを上昇させると耐衝撃性が著しく劣化することを確
認した。そこで、耐衝撃性に及ぼす合金元素の影響を検
討したところ、第２図に示すように耐衝撃性の向上には
Ｎｉの添加が極めて有効であり、Ｎｉ量を２．５０％以
上とすれば耐衝撃性を劣化させることなく６部硬さを高
めかつ疲れ特性をも改善できることが確認された。

（発明の構成） このようにして到達したこの発明による歯車用鋼は、基
本的態様としては、重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５
％、Ｓｉ：０．１５％以下、Ｍｎ：１．５０％以下、Ｐ
：０．０１５％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｎｉ：２
．５０〜５．００％、Ｃｒ：１．５０％以下、ＭＯ：１
．００％以下、Ａ文：０．０１０〜０　、０６０％、Ｎ
：０．００５〜０．０２５％、必要に応じて、Ｎｂおよ
びＴａの１種または２種＝０．００５〜０．０２５％、
耐疲れ性の向上をはかるために上記元素のうち、必要に
応じて、Ｍｎ：　０．４０％以下、Ｃｒ：０．４０％以
下、残部実質的にＦｅからなる組成を有することを特徴
としている。

次に、この発明による歯車用鋼の成分範囲（重量％）の
限定理由について説明する。

Ｃ：０．１０〜０．３５％　□ Ｃは歯車の心部強度を確保するために必要な元素であり
、０．１０％以上含有させた。しかし、心部強度を高く
しすぎると、歯車強度にとって有用な圧縮残留応力が生
じにくくなる上に靭性も低下するので０，３５％を上限
とした。

Ｓｉ：０．１５％以下 Ｓｉは浸炭層の表層部における粒界酸化を助長するので
、極力微量にしなければならないが、０．１５％以下で
あれば問題はないので、上限を０．１５％とした。

Ｍｎ：１．５０％以下 Ｍｎは焼入性の向上に寄与する元素であるので、適量を
添加するのも良い。この場合の添加量は、他の元素とく
にＣ，Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどとのバランスで決定するが
、後述のように耐疲れ性向上の点からは低い方が望まし
い。そして、Ｍｎ量が多すぎると不純物元素の粒界への
偏析を助長するので、１．５０％を上限とした。

Ｐ：０．０１５％以下 Ｐはオーステナイト化加熱時に粒界に偏析して粒界を脆
化するので、なるべく低減するのが良い。そして、種々
の試験を行った結果、０．０１５％以下の微量であれば
、その悪影響は実質上問題にならないことがわかった。

ところで、従来の浸炭処理して用いる鋼において、Ｐの
不純物としての許容限界は通常０．０３０％であって、
実際の材料は約０．０２０〜０．０３０％のＰを含有し
ていたが、この発明ではとくに上述した理由からＰの上
限を０．０１５％とした。

したがって、この発明による歯車用鋼の製造に当っては
、入念な脱リン精錬を行う必要がある。

Ｓ：０．０２０％以下 Ｓは鋼の被削性を高めるのに有効な元素であるので、被
削性の観点からは多少の存在が好ましい。しかし、Ｓ含
有量が多すぎると介在物量を増加させて靭性を低下させ
るので、０．０２０％を上限とした。したがって、Ｓ含
有量低下による被削性劣化を改善するために、Ｐｂ、Ｓ
ｅ、Ｔｅ。

Ｂｉ、Ｃａ等の被剛性向上元素を添加することも場合に
よっては望ましい。

Ｎｉ：２．５０〜５．００％ Ｎｉは焼入性を向上させるとともに、粒内の靭性特に浸
炭層の靭性を向上させるのに有効な元素である。そして
、耐衝撃性の向上にはＮｉが極めて効果的であり、Ｎｉ
量を２．５０％以上とすれば、耐衝撃性を劣化させるこ
となく６部硬さを高め、疲れ特性をも改善することがで
きる。しかし、多すぎると残留オーステナイトが増大し
て表面硬さが低下し、耐摩耗性が劣化したり、Ｐの偏析
を助長したりするので、５．００％を上限とした。

Ｃｒ：１．５０％以下 Ｃｒは焼入性の向上に寄与する元素であるので、適量添
加するのも良い。この場合の添加量は、他の元素とくに
Ｃ，Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏなどとのバランスで決定するが、
Ｃｒは酸化物を形成しやすい元素であって粒界酸化を招
くので、それをなるべく少なくする観点から、１．５０
％を上限とするのが良く、また、後述するようにＣｒ量
が低いほど耐疲れ性を高めることができるので、他の焼
入性向上元素とのバランスで低くする方が望ましい。

Ｍｏ、：４．００％以下 ＭＯは焼入性を向上させるのに有効であるとともに、結
晶粒微細化にも効果がある。また、Ｐの粒界偏析を抑制
して粒界強度を高めるはたらきもある。しかし、１．・
００％を超えて添加しても効果はそれ以上増大しないの
で、ｉ、ｏｏ％を上限とした。

Ａ文：０．Ｏ１Ｏ〜Ｏ，，０６０％ Ｎ：０．００５〜０　、０　ｊ５％ ＡＭおよびＮは化合物ＡｕＮを形成し、結晶粒を微細化
するはたらきがあり、整細粒の組織を得るために重要な
元素であ葛。そして、ＡＭおよびＮの一方でも下限値よ
り少ないと、上記した効果が不足する。しかし、多量に
加えても上記効果は飽和すると共に、上限を超える添加
は、Ａｎの場合地キズを生じるので避けるべきであり、
Ｎの場合溶製上の困難があるので好ましくない。

Ｎｂ、？３Ｊ：びＴａの１種マタは２種：０．００５〜
０．０２５％ Ｎｂ、Ｔａは結晶粒の微細化に対してきわめて有効な元
素であって、このような効果はＮｂおよびＴａの合計で
０．００５％という少量の添加でも得られる。しかし、
０．０２５％を超える添加では上記効果が飽和してしま
うので上記した成分に対して必要に応じて０．００５〜
０．０２５％の範囲で添加するのも良い。

Ｍｎ：０．４０％以下 Ｃｒ：０．４０％以下 ＭｎおよびＣｒはＳｉと同様に比較的酸化物を形成しや
すく、浸炭時の粒界酸化を生じさせる元素である。そし
て、この発明においては、Ｃ２Ｎｆ、Ｍｏ量を適量添加
してバランスさせることにより焼入性は十分に補完でき
るため、上記したＭｎ、Ｃｒの上限よりもさらに減少さ
せることが可能である。したがって、Ｍｎ　、　Ｃｒは
低いほど耐疲れ性を高めることができるので、必要に応
じてＭｎ、Ｃｒをいずれも０．４０％以下とすることが
より好ましい。

０：０゜００３０％以下 ０の存在は、若干のＩＱとの共存にもとづくＡ！Ｌ２０
３の生成に問題がある。すなわち、Ａ文、０３は表層部
の疲労破壊の原因となるからである。したがって、０含
有量は０．００３０％以下に低減することが望ましく、
できれば０．００２０％以下にするのがよい。この場合
。

真空脱ガスなどの精錬技術によって低酸素を実現するこ
とが考えられる。

この発明による歯車用鋼は、上記した成分範囲をもつも
のであるが、この歯車用鋼から歯車を製作する場合には
、例えば従来既知の切削や圧造等の技術に従って行えば
よい。

また、浸炭処理等の表面硬化処理についても通常の方法
の中から適当な条件をえらんで実施すればよい。この際
、処理が適切であれば、浸炭層のオーステナイト結晶粒
度がＪＩＳ粒度番号で７以上の整細粒を得ることは容易
に可能である。そして、Ｎｂ、Ｔａを添加した好ましい
組織の歯車用鋼においては、ＪＩＳ粒度番号で８以上の
整微細粒からなる組織が得られる。このように、この発
明による歯車用鋼では粗粒は出現しないから、粒界酸化
の防止および粒内を強化する効果とあいまって、強靭な
歯車をつくることができる。

（実施例） 第１表に示す化学成分の鋼（Ｎｏ、　１〜８が本発明鋼
、Ｎｏ、９．１０が比較鋼）を溶製したのち造塊し、続
いて分塊圧延、製品圧延を行ったのち焼ならしを施し、
次いで試験片に加工して、９１Ｏ℃における真空浸炭→
８３０℃Ｘ３０分間保持→油冷、ついで、１７０℃×２
時間の焼もとし→空冷の条件により浸炭焼入れを施した
。

次に、各供試材の浸炭層について、粒界酸化の状況と、
それに伴う不完全焼入れ組織の有無をしらべ、かつオー
ステナイト結晶粒度を測定した。

その結果を第２表に示す。

第　２　表 第１表および第２表に示すように、本発明鋼Ｎｏ、１〜
８はいずれも粒界酸化が著しく少なく、不完全焼入れ組
織もほとんどみられず、結晶粒も著しく細かい整細粒で
あった。また、Ｎｂを添加したＮ０１４〜６，８の方が
より細かい整微細粒で５あった。

次に各供試材を用いて歯車を製作し１．その性能を次の
試験法により試験した。

ｌ）歯車試験 外径７５ｍｍ、モジュール２．５、歯数３２の歯車を製
作し、動力循環式歯車試験機にかけて５．００Ｏｒｐｍ
で動力伝達を行い、繰返し数１０７回までくりかえし応
力を加え、歯元応力と繰返し数との関係をＳ−Ｎ曲線に
あられし、その結果から、疲れ限度をよみ取った。

２）回転曲げ疲れ強さ 平行部が直径８腸■の平滑試験片を用意し、小野式回転
曲げ疲れ試験機にかけて疲れ限度を調べた。

３）衝撃試験 歯車の歯１枚を想定した形状の試験片として、全長８０
１＋諺９幅２５ａ＋層、厚さ２０ｍ−の板１機械加工し
、長さ２ＢＩ１層、厚さ７１１１１の歯をつくり、残り
を基部としたものを用意した。なお、歯元の両側はＲ＝
１．２５ｍ層に仕上げた。

次に、各試験片の基部を固定して歯部に力を加えるアイ
ゾツト衝撃試験を行い、吸収エネルギーをめた。

上記１〜３の試験結果を第３表に示す。

第３表に示すように、本発明鋼Ｎ００１〜８は比較鋼Ｎ
ｏ、９．１０よりも疲れ限度がかなり向上しているにも
かかわらず、衝撃値についてもむしろ比較鋼よりも向上
しており、相反する特性である疲れ限度および衝撃値の
両方共に著しく優れており、とくに歯車のモジュール低
下への要求を満足するものであることが明らかである。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明による歯車用鋼は、
重量％で、Ｃ：　ｏ　、　ｉ　ｏ〜０．３５％、Ｓｉ：
０．１５％以下、Ｍｎ：１．５０％以下、Ｐ：０．０１
５％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｎｉ：２．５０〜５
．００％、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：１．００％以
下、Ａ見：０．０１０〜０．０６０％、Ｎ：０．００．
５〜０．０２５％、必要に応じて、ＮｂおよびＴａの１
種または２種：０．００５〜０．０２５％、残部実質的
にＦｅからなり、さらに耐疲れ性のより一層の向上をは
かるためにＭｎ：０．４０％以下、Ｃｒ：０４０％以下
とすることによって、この歯車用鋼を素材として製造し
た歯車の疲れ限度（強度）および耐衝撃性（靭性）を著
しく向上させることができ、歯車の高強度化を実現する
ことが可能であって、歯車作動に基〈騒音減少のための
モジュール低減の要求や小型・軽量化の要求等に十分こ
たえることができるという著大なる効果をもたらすもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は６部硬さと疲れ限・度との関係に及ぼすＮｉ量
の影響を示すグラフ、第２図は疲れ限度と吸、収エネル
ギーとの関係に及ぼすＮｉ量の影響を調べた結果を示す
グラフである。 特許出願人　大同特殊鋼株式会社 代理人弁理士　小　塩　豊 第１図 １し“舎ｙ石ｆ！さく）ｂｙ） 第２図 盛れ隈／ｌ　０ｑ２ｈηつ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）重量％で、Ｃ：０．ｌＯ〜０．３５％、Ｓｉ：０
   ．１５％以下、Ｍｎ：１．５０％以下、Ｐ：０．０１５
   ％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｎｉ　二　２．５０〜
   ５．００　％、　Ｃｒ：１．５０　％′　以下、Ｍａｉ
   ｌ−００％以下、Ａ見：０．０１０〜０．０６０％、Ｎ
   ：０．００５〜０．０２５％、残部実質的にＦｅからな
   ることを特徴とする歯車用鋼。 （２、特許請求の範囲第（１）項記載の歯車用鋼におい
   て、Ｍｎ：０．４０％以下、Ｃｒ二０．４０％以下とし
   たことを特徴とする歯車用鋼。 （３）重量％で、Ｃ：Ｏ，ｌＯ〜０．３５％、Ｓｉ：、
   ０．１５％以下、Ｍｎ：１．５０％以下、Ｐ：０．０１
   ５％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｎｉ　：２．５０〜
   ５．００％、Ｃｒ：　１．５０％以下、Ｍｏ：１．００
   ％以下、Ａ文：０．Ｏ１Ｏ〜０．０６０％、Ｎ：０．０
   ０５〜０．０２５％、ならびにＮｂおよびＴａの１種ま
   たは２種二０．００５〜０．０２５％、残部実質的にＦ
   ｅからなることを特徴とする歯車用鋼。 （４）特許請求の範囲第（３）項記載の歯車用鋼におい
   て、Ｍｎ：０．４０％以下、Ｃｒ：０．４０％以下とし
   たことを特徴とする歯車用鋼。