DE102005061946B4

DE102005061946B4 - Case hardened steel having excellent tooth surface fatigue strength, gear using the same, and methods of making same

Info

Publication number: DE102005061946B4
Application number: DE102005061946A
Authority: DE
Inventors: Shuji Kozawa; Tatsuro Ochi; Hideo Kanisawa; Tomoko Serikawa; Koki Mizuno
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Nippon Steel Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2025-12-24
Also published as: US20060137766A1; DE102005061946A1

Abstract

Einsatzstahl mit hervorragender Zahnoberflächendauerfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass er in Gewichtsprozent enthält: C: 0,1 bis 0,3%, Si: 1,01 bis 2,0%, Mn: 0,3 bis 2,0%, S: 0,005 bis 0,05%, Cr: 1,01 bis 2,6%, Mo: 0,8 bis 4,0%, V: 0,1 bis 0,3%, Al: 0,001 bis 0,2%, und N: 0,003 bis 0,03%, P auf 0,03% oder weniger beschränkt, optional eines oder beide von Nb: 0,2% oder weniger und Ti: 0,2 oder weniger, und einen Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen aufweist, wobei er die nachstehende Gleichung (1) erfüllt. 31Si(%) + 15Mn(%) + 23Cr(%) + 26Mo(%) + 100V(%) ≥ 100(1)Case hardening steel with excellent tooth surface fatigue resistance, characterized in that it contains by weight: C: 0.1 to 0.3%, Si: 1.01 to 2.0%, Mn: 0.3 to 2.0%, S: 0.005 to 0.05%, Cr: 1.01 to 2.6%, Mo: 0.8 to 4.0%, V: 0.1 to 0.3%, Al: 0.001 to 0.2%, and N : 0.003 to 0.03%, P limited to 0.03% or less, optionally one or both of Nb: 0.2% or less and Ti: 0.2 or less, and having a balance of iron and unavoidable impurities, satisfying equation (1) below. 31Si (%) + 15Mn (%) + 23Cr (%) + 26Mo (%) + 100V (%) ≥ 100 (1)

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einsatzgehärteten Stahl mit hervorragender Zahnoberflächendauerfestigkeit bzw. -ermüdungsfestigkeit und ein diesen nutzendes Zahnrad, das für Teile von Automobilen, Baumaschinen, Industriemaschinen usw. verwendet wird, und ein Verfahren zur Herstellung desselben.The present invention relates to case hardened steel excellent in tooth surface fatigue strength and a gear used therefor used for parts of automobiles, construction machines, industrial machines, etc., and a method for producing the same.

In Automobilgetrieben usw. werden hauptsächlich aus JIS SCr 420, SCM 420 bestehende Zahnräder und andere in Zahnradformen geformte, und dann einer Oberflächenhärtung durch Karbonisieren, Härten und Anlassen usw. unterzogene Einsatzstähle verwendet. Bei derartigen Zahnrädern sind zur Steigerung der Leistung der Automobile und zur Verbesserung des Kraftstoffwirkungsgrades usw. ein geringeres Gewicht und eine höhere Zahnradfestigkeit sehr gefordert. In der Vergangenheit wurde zur Verbesserung der Festigkeit der Zahnräder eine Technologie zum Verbessern der Biegedauerfestigkeit der Zahnbasen der Zahnräder entwickelt. In letzter Zeit hat sich jedoch zusammen mit der Entwicklung des praxisgerechten Hartkugelstrahlens der Schwerpunkt in der Erhöhung der Festigkeit von Zahnrädern von der Biegedauerfestigkeit der Zahnbasen von Zahnrädern auf die Dauerfestigkeit der Zahnoberflächen verschoben.In automotive transmissions, etc., gears made of JIS SCr 420, SCM 420 and other gears formed in gear shapes and then subjected to surface hardening by carbonizing, hardening and tempering, etc. are mainly used. In such gears, to increase the performance of the automobiles and to improve the fuel efficiency, etc., a lower weight and a higher gear strength are very much required. In the past, technology for improving the flexural strength of the tooth bases of the gears has been developed for improving the strength of the gears. Recently, however, along with the development of practical hard-shot blasting, the emphasis in increasing the strength of gears has shifted from the flexural strength of the tooth bases of gears to the fatigue strength of the tooth surfaces.

Für die Verbesserung der Zahnoberflächendauerfestigkeit wurde jedoch eine Verbesserung der Anlassentfestigungsbeständigkeit als effektiv betrachtet. In der Vergangenheit wurden bereits als Mittel zum Verbessern der Anlassentfestigungsbeständigkeit verschiedene die Zusammensetzung der Stahlmaterialien der Zahnräder verbessernde Technologien vorgeschlagen. Beispielsweise offenbart die ungeprüfte japanische Patentoffenlegung Nr. 7-242994 Stahl, der Si in einer Menge von 1% oder weniger und Cr in einer Menge von 1,5 bis 5,0% enthält. Ferner offenbart die ungeprüfte japanische Patentoffenlegung Nr. 2001-329337 Stahl, der Si in einer Menge von 0,40 bis 1,50%, Mn in einer Menge von 0,30 bis 2,00% und Cr in einer Menge von 0,50 bis 3,00% enthält. Ferner offenbart die Japanische Patentoffenlegung (A) Nr. 2003-231943 Stahl, der Si in einer Menge von 0,7 bis 1,5%, Mn in einer Menge von 0,7 bis 1,5% und Cr in einer Menge von 0,1 bis 3,00% und Mn in einer Menge von 0,05 bis 1,5% enthält.However, for the improvement of the tooth surface endurance, improvement of the temper softening resistance was considered to be effective. In the past, various technologies improving the composition of the steel materials of the gears have already been proposed as means for improving the temper softening resistance. For example, the unexamined discloses Japanese Patent Laid-Open No. 7-242994 Steel containing Si in an amount of 1% or less and Cr in an amount of 1.5 to 5.0%. Furthermore, the unexamined discloses Japanese Patent Laid-Open No. 2001-329337 Steel containing Si in an amount of 0.40 to 1.50%, Mn in an amount of 0.30 to 2.00%, and Cr in an amount of 0.50 to 3.00%. Further, the Japanese Patent Laid-Open (A) No. 2003-231943 Steel containing Si in an amount of 0.7 to 1.5%, Mn in an amount of 0.7 to 1.5% and Cr in an amount of 0.1 to 3.00% and Mn in an amount of 0.05 to 1.5%.

Wie es vorstehend erläutert wurde, sind als wirksame Bestandteile von Stahl zur Verbesserung der Anlassentfestigungsbeständigkeit Si, Cr, Mn, Mo und weitere Elemente bekannt, aber derzeit sind einsatzgehärteter Stahl mit hervorragender Zahnoberflächendauerfestigkeit und Zahnräder aus demselben durch eine weitere Verbesserung der Anlassentfestigungsbeständigkeit erforderlich.As explained above, as effective components of steel for improving the temper softening resistance, Si, Cr, Mn, Mo and other elements are known, but at present, case hardened steel excellent in tooth surface endurance and gears thereof are required by further improving the temper softening resistance.

US 2005/0173026 A offenbart ein Element aus einsatzgehärteter Stahllegierung, hergestellt in einem Verfahren mit den folgenden Schritten: Bereitstellen einer Stahllegierung mit C: 0.10–0.50%; Si: 0,50–1.50% und Eisen als Hauptbestandteil, wobei die Stahllegierung eine mittels eines Stirnabschreckversuchs ermittelte Härtbarkeit J im Bereich von 35 bis 50 bei 12,5 mm aufweist; Formen der Stahllegierung in die gewünschte Form; Einsatzhärten der geformten Stahllegierung in einer Oxidations-verhindernden Atmosphäre; und Abschrecken der einsatzgehärteten Legierung durch Abkühlen von einer Perlit-Transformationstemperatur (A1-Temperatur) auf eine Martensit-Transformationsausgangstemperatur (Ms-Temperatur) mit einer Abschreckrate H im Bereich von 0.01 bis 0.08 (cm^–1) bis 0.08 (cm^–1) und ohne jegliche Unterbrechung durch einen Temperaturanstieg, wobei die einsatzgehärtete Schicht einen Restaustenitbereich von höchstens 25% mit einer Oberflächenhärte im Bereich von 700 bis 900 Hv aufweist sowie einen innenliegenden nicht-einsatzgehärteten Bereich, der sich innerhalb des einsatzgehärteten Bereichs befindet. US 2005/0173026 A discloses a case hardened steel alloy element made in a process comprising the steps of: providing a steel alloy with C: 0.10-0.50%; Si: 0.50-1.50% and iron as a main component, the steel alloy having a forehead quenching resistance J ranging from 35 to 50 at 12.5 mm; Forming the steel alloy into the desired shape; Case-hardening the shaped steel alloy in an oxidation-preventing atmosphere; and quenching the case hardened alloy by cooling from a pearlite transformation temperature (A1 temperature) to a martensite transformation starting temperature (Ms temperature) having a quench rate H in the range of 0.01 to 0.08 (cm ^-1 ) to 0.08 (cm ^-1 ) and without any interruption by a temperature rise, the case hardened layer having a residual austenite range of at most 25% with a surface hardness in the range of 700 to 900 Hv, and an inner non-case-hardened region located within the case-hardened region.

Angesichts des Vorstehenden besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines einsatzgehärteten Stahls mit hervorragender Zahnoberflächendauerfestigkeit und eines denselben verwendenden Zahnrades, indem die Anlassentfestigungsbeständigkeit effektiver verbessert wird.In view of the above, an object of the present invention is to provide a case-hardened steel excellent in tooth surface endurance and a gear using the same by more effectively improving the temper softening resistance.

Die vorstehende Aufgabe kann durch die in den Ansprüchen definierten Merkmale gelöst werden.The above object can be achieved by the features defined in the claims.

Wie es vorstehend erläutert wurde, ist es bekannt, dass es durch Erhöhen der Mengen von Si, Cr, Mn, Mo usw. in Stahl möglich ist, die Anlassentfestigungsbeständigkeit zu verbessern. Die Erfinder entdeckten die nachstehenden Punkte, um die Anlassentfestigungsbeständigkeit weiter zu verbessern und machten dadurch die vorliegende Erfindung:

(1) dass zusätzlich zu dem Si, Cr, Mn und Mo auch V eine Auswirkung auf die Verbesserung der Anlassentfestigungsbeständigkeit hat.
(2) dass die Gesamtmenge der fünf Elemente (Si, Cr, Mn, Mo und V) die Auswirkung einer Verbesserung der Anlassentfestigungsbeständigkeit in einer Menge von 31Si(%) + 15Mn(%) + 23Cr(%) + 26Mo(%) + 100 V(%) = 100 oder mehr hat.
Ferner werden, selbst wenn die Mengen der Zusetzung von Cr, Mo und V verringert werden, eine Mischkristallhärtung in dem Martensitgefüge erreicht, die erforderliche Anlassentfestigungsbeständigkeit sichergestellt und es können die Produktionskosten reduziert werden, so dass 37Si(%) + 18Mn(%) + 10Cr(%) + 31Mo(%) + 21 V(%) in dem Bereich von 100 bis 150 liegen sollten.
(3) dass die Verbesserung der Anlassentfestigungsbeständigkeit durch die Ausfällungshärtung durch Karbide der vorstehenden fünf Elemente unzureichend ist, und dass die Mischkristallhärtung der vorstehenden zugesetzten Elemente in dem Martensitgefüge eine effektivere Verbesserung der Anlassentfestigungsbeständigkeit ermöglicht.
(4) dass die Anlassentfestigungsbeständigkeit durch das Härten in der Karbonisierungshärtung usw. bei einer hohen Temperatur verbessert wird, was eine Auflösung der in dem Material (Stahl) ausgefällten Karbide bewirkt, und dem Intervall von der Oberfläche des behandelten Zahnrades bis zu einer Tiefe von 50 μm eine Röntgenbeugung-Halbwertsbreite von 6,4° oder mehr verleiht.

As explained above, it is known that by increasing the amounts of Si, Cr, Mn, Mo, etc. in steel, it is possible to improve the temper softening resistance. The inventors discovered the following points to further improve the temper softening resistance and thereby made the present invention:

(1) that in addition to the Si, Cr, Mn and Mo, V also has an effect on the improvement of the temper softening resistance.
(2) that the total amount of the five elements (Si, Cr, Mn, Mo and V) has the effect of improving the temper softening resistance in an amount of 31Si (%) + 15Mn (%) + 23Cr (%) + 26Mo (%) + 100V (%) = 100 or more.
Further, even if the amounts of addition of Cr, Mo and V are reduced, solid solution hardening in the martensite structure is achieved, the required temper softening resistance is ensured, and the production cost can be reduced so that 37Si (%) + 18Mn (%) + 10Cr (%) + 31Mo (%) + 21V (%) should be in the range of 100 to 150.
(3) that the improvement of the temper softening resistance by the precipitation hardening by carbides of the above five elements is insufficient, and that the solid solution hardening of the above added elements in the martensite structure makes it possible to more effectively improve the temper softening resistance.
(4) That the temper softening resistance is improved by hardening in the carbonating hardening, etc. at a high temperature, causing dissolution of carbides precipitated in the material (steel), and the interval from the surface of the treated gear to a depth of 50 gives an X-ray diffraction half width of 6.4 ° or more.

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorstehenden Behandlungen zu erzielen.The present invention has been made to achieve the above treatments.

In der Vergangenheit war es bereits bekannt, dass die Erhöhung der Menge von Si, Cr, Mn, Mo und anderer Elemente im Stahl die Anlassentfestigungsbeständigkeit verbessert. Die Erfinder glaubten jedoch, dass eine übermäßige Zusetzung dieser Elemente große Mengen von Karbiden ausfällen würde und die Durchschnittsgröße der Karbide zunehmen und daher die Anlassentfestigungsbeständigkeit umgekehrt verschlechtern würde. Daher dachten die Erfinder, dass es durch Lösen von Si, Cr, Mn, Mo und weiterer zugesetzter Elemente im Stahl möglich sein müsste, die Zahnoberflächendauerfestigkeit des Zahnrades effektiv zu verbessern.It has been known in the past that increasing the amount of Si, Cr, Mn, Mo and other elements in the steel improves the temper softening resistance. However, the inventors believed that excessive clogging of these elements would precipitate large amounts of carbides and increase the average size of the carbides and, conversely, degrade temper softening resistance. Therefore, the inventors thought that by dissolving Si, Cr, Mn, Mo and other added elements in the steel, it would be possible to effectively improve the tooth surface endurance of the gear.

Ferner dachten sie, dass es auch durch Zusetzen von V zu dem Stahl und Lösen dieses in dem Stahl möglich wäre, die Anlassentfestigungsbeständigkeit zu steigern.Furthermore, they thought that adding V to the steel and dissolving it in the steel would also make it possible to increase the temper softening resistance.

Daher postulierten die Erfinder, dass es durch Verwendung eines Stahls, der geeignete Mengen von Si, Cr, Mn, Mo, V und anderer Elemente enthält, um ein Zahnrad herzustellen, und indem man dann diese zugesetzten Elemente sich durch eine Hochtemperaturkarbonisierungshärtung oder andere Härtung lösen lässt, es möglich wäre, die Anlassentfestigungsbeständigkeit weiter zu verbessern. Sie verwendeten daher unterschiedliche Stähle mit unterschiedlichen Zusatzmengen von Si, Cr, Mn, Mo, V und anderen Elementen, um Zahnradformen herzustellen, und härteten dann die Oberflächen der Zahnräder durch eine Hochtemperaturkarbonisierungshärtung und Anlassung, um so unterschiedliche Zahnräder herzustellen und untersuchten die Ermüdungslebensdauer der Zahnoberflächen der Zahnräder. Ferner untersuchten sie unter Anwendung der Röntgenbeugung-Halbwertsbreite bei einer Tiefe von 50 μm von der Oberfläche des Zahnrades als ein Indikator für den Betrag der Mischkristallhärtung in dem Martensitgefüge und durch Messung der Röntgenbeugung-Halbwertsbreite bei einer Tiefe von 50 μm von der Oberfläche der erzeugten Zahnräder durch ein Mikroflächen-Röntgen-Restspannungsmesssystem, ob die Mischkristallhärtung durch die vorstehend genannten zugesetzten Elemente in dem Martensitgefüge die Ermüdungslebensdauer der Zahnoberflächen verbesserte.Therefore, the inventors postulated that by using a steel containing appropriate amounts of Si, Cr, Mn, Mo, V and other elements to make a gear, and then dissolving these added elements by high-temperature carbonation hardening or other hardening makes it possible to further improve temper softening resistance. They therefore used different steels with different addition amounts of Si, Cr, Mn, Mo, V and other elements to make gear shapes, and then hardened the surfaces of the gears by high-temperature carbonization hardening and starting to make different gears and examined the fatigue life of the tooth surfaces the gears. Further, using the X-ray diffraction half width at a depth of 50 μm from the surface of the gear as an indicator of the amount of solid solution hardening in the martensite structure and by measuring the X-ray diffraction half-width at a depth of 50 μm from the surface of the generated gears, they were examined by a micro-surface X-ray residual stress measuring system, whether the solid solution hardening by the above-mentioned added elements in the martensite structure improved the fatigue life of the tooth surfaces.

Als Ergebnis wurden die nachstehenden Punkte ersichtlich. Erstens wurde ersichtlich, dass zum Erzielen einer Verbesserung der Zahnoberflächendauerfestigkeit eines Zahnrades lediglich die Verwendung eines Stahls mit erhöhten Zusatzanteilen von Si, Cr, Mn, Mo usw. unzureichend ist. D. h., die Erfinder haben herausgefunden, dass zur Verbesserung der Anlassentfestigungsbeständigkeit die Zusetzung V zusätzlich zu dem herkömmlichen Si, Cr, Mn oder Mo ebenfalls effektiv ist, dass lediglich das Bewirken einer Ausfällung dieser zugesetzten Elemente als Karbide für die Verbesserung der Zahnoberflächendauerfestigkeit eines Zahnrades unzureichend ist, und dass die Lösung der zugesetzten Elemente in dem Stahl effektiv zu einer Verbesserung der Zahnoberflächendauerfestigkeit eines Zahnrades führt. Daraus nahmen sie an, dass metallurgisch die Zunahme in der Anlassentfestigungsbeständigkeit durch die Ausfällungshärtung der zugesetzten Elemente für die Verbesserung der Zahnoberflächendauerfestigkeit eines Zahnrades nicht ausreicht, und dass die Zunahme in der Anlassentfestigungsbeständigkeit durch die Mischkristallhärtung durch die zugesetzten Elemente in dem Martensitgefüge effektiv zu einer Verbesserung der Zahnoberflächendauerfestigkeit eines Zahnrades beitragen kann.As a result, the following points became apparent. First, it has become apparent that in order to achieve an improvement in the tooth surface endurance strength of a gear, only the use of a steel having increased additive contents of Si, Cr, Mn, Mo, etc. is insufficient. That is, the inventors have found that, for the purpose of improving the temper softening resistance, the addition V in addition to the conventional Si, Cr, Mn or Mo is also effective in merely causing precipitation of these added elements as carbides for improving the tooth surface endurance of a tooth Gear is insufficient, and that the solution of the added elements in the steel effectively leads to an improvement of the tooth surface endurance of a gear. From this, they assumed that metallurgically, the increase in temper softening resistance due to precipitation hardening of the added elements is insufficient for improving the tooth surface endurance of a gear, and that the increase in temper softening resistance due to solid solution hardening by the added elements in the martensite structure effectively improves the surface hardening resistance Tooth surface fatigue strength of a gear can contribute.

Ferner haben sie herausgefunden, dass in C, Si, Mn, S, Cr, Mo, V, Al, N, und P in vorbestimmten Mengen enthaltendem und im Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen usw. bestehendem Stahl eine Gesamtmenge von Si, Mn, Cr, Mo und V von 31Si(%) + 15Mn(%) + 23Cr(%) + 26Mo(%) + 100V(%) = 100 oder mehr effektiver die Anlassentfestigungsbeständigkeit verbessern kann.Further, they have found that a total amount of Si, Mn, C, Si, Mn, S, Cr, Mo, V, Al, N, and P contained in predetermined amounts and remaining in the balance of iron and unavoidable impurities, etc. Cr, Mo and V of 31Si (%) + 15Mn (%) + 23Cr (%) + 26Mo (%) + 100V (%) = 100 or more can more effectively improve the temper softening resistance.

Ferner werden selbst dann, wenn die Mengen der Zusetzung von Cr, Mo und V verringert werden, und 37Si(%) + 18Mn(%) + 10Cr(%) + 31Mo(%) + 21V(%)in den Bereich von 100 bis 150 gebracht wird, eine Mischkristallhärtung in dem Martensitgefüge erreicht, die erforderliche Anlassentfestigungsbeständigkeit sichergestellt, und es können die Produktionskosten reduziert werden. Further, even when the amounts of addition of Cr, Mo and V are reduced, and 37Si (%) + 18Mn (%) + 10Cr (%) + 31Mo (%) + 21V (%) fall in the range of 100 to 150, solid solution hardening is achieved in the martensite structure, the required temper softening resistance is ensured, and the production cost can be reduced.

Ferner wurde ersichtlich, dass, wenn dieser Stahl als ein Material verwendet wurde, dieser in eine Zahnradform geformt wurde, dann die Oberfläche des Zahnrades einer Vakuumkarbonisierung, Karbonitrierung und anderen Oberflächenhärtung unterworfen wurde, ein Zahnrad mit einer Röntgenbeugung-Halbwertsbreite bei einer Tiefe von 50 μm von der Oberfläche des Zahnrades von 6,4° oder mehr in der Anlassentfestigungsbeständigkeit weiter verbessert wird, das also eine hervorragende Zahnoberflächendauerfestigkeit aufweist.Further, it was seen that when this steel was used as a material, it was formed into a gear shape, then the surface of the gear was subjected to vacuum carbonization, carbonitriding and other surface hardening, a gear having an X-ray diffraction half-width at a depth of 50 μm is further improved from the surface of the gear of 6.4 ° or more in the temper softening resistance, thus having excellent tooth surface endurance.

Anhand des Vorstehenden kann man sagen, dass C, Si, Mn, S, Cr, Mo, V, Al, N und P in vorbestimmten Mengen enthaltender und den Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen aufweisender Stahl mit einer Gesamtmenge von Si, Mn, S, Cr, Mo und V von 31Si(%) + 15Mn(%) + 23Cr(%) + 26Mo(%) + 100V(%) von 100 oder mehr und ferner mit einer Gesamtmenge von Si, Mn, Cr, Mo und V von 37Si(%) + 18Mn(%) + 10Cr(%) + 31Mo(%) + 21V(%) in den Bereich von 100 bis 150 ein nützlicher einsatzgehärteter Stahl mit hervorragender Zahnoberflächendauerfestigkeit ist.From the above, it can be said that C, Si, Mn, S, Cr, Mo, V, Al, N, and P contain steel having a total amount of Si, Mn, S in predetermined amounts and containing iron and unavoidable impurities. Cr, Mo and V of 31Si (%) + 15Mn (%) + 23Cr (%) + 26Mo (%) + 100V (%) of 100 or more, and further with a total amount of Si, Mn, Cr, Mo and V of 37Si (%) + 18Mn (%) + 10Cr (%) + 31Mo (%) + 21V (%) in the range of 100 to 150 is a useful case-hardened steel excellent in tooth surface durability.

Ferner nimmt man an, dass durch Auswählen von Zahnrädern mit einer Röntgenbeugung-Halbwertsbreite bei einer Tiefe von 50 μm von der Oberfläche des Zahnrades von 6,4° oder mehr aus Zahnrädern, die durch Anwenden des vorstehend erwähnten Einsatzstahls als ein Material zur Formung von Zahnrädern, und dann durch Unterwerfen der Oberflächen der Zahnräder unter eine Vakuumkarbonisierung, Karbonitrierung und andere Oberflächenhärtung erhalten werden, Zahnräder mit hervorragendem Zahnoberflächendauerfestigkeit erhalten werden können. Daher glaubt man, dass bei den so erhaltenen Zahnräder die Temperatur in der Nähe der Oberfläche der Zahnflächen auf über 300°C aufgrund der durch den Kontakt der Antriebsflächen und angetriebenen Flächen der Zahnräder erzeugten Reibungswärme bei einem von Gleiten begleiteten hohem Flächendruck ansteigt und diese selbst bei der als Folge auftretenden Anlassentfestigung eine Beständigkeit aufweisen, und dass dieses ferner zu einer höheren Ausgangsleistung, verbessertem Brennstoffwirkungsgrad usw. in Automobilen, Baumaschinen, Industriemaschinen usw. beitragen kann. Man beachte, dass, obwohl Zahnräder mit hervorragender Zahnoberflächendauerfestigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung in der vorstehend erwähnten Weise erhalten werden können, diese auch durch Karbonisierung oder Karbonitrierung, dann Kugelstrahlen, tiefkühlen, WPC, WJP usw. erhalten werden können. Deshalb wird es möglich, dass restliche Austenit an der Oberfläche des Zahnrades in Martensit umzuwandeln und die Anlassentfestigungsbeständigkeit zu steigern.Further, by selecting gears having an X-ray diffraction half-width at a depth of 50 μm from the surface of the gear of 6.4 ° or more from gears selected by applying the above-mentioned insert steel as a material for forming gears, it is believed and then obtained by subjecting the surfaces of the gears under vacuum carbonization, carbonitriding and other surface hardening, gears having excellent tooth surface endurance can be obtained. Therefore, it is believed that in the thus obtained gears, the temperature near the surface of the tooth surfaces increases to over 300 ° C due to the frictional heat generated by the contact of the driving surfaces and driven surfaces of the gears at a high surface pressure accompanied by sliding and even at the consequential temper softening has durability, and that it can further contribute to higher output, improved fuel efficiency, etc. in automobiles, construction machinery, industrial machinery, and so on. Note that although gears having excellent tooth surface fatigue strength according to the present invention can be obtained in the aforementioned manner, they can also be obtained by carbonization or carbonitriding, then shot peening, freezing, WPC, WJP and so on. Therefore, it becomes possible to convert the residual austenite at the surface of the gear into martensite and to increase the temper softening resistance.

Anschließend werden die Bereiche der Gewichtsprozentanteile der in dem Stahl der vorliegenden Erfindung (einsatzgehärtetem Stahl) enthaltenen chemischen Bestandteile erläutert.Next, the ranges of the weight percentages of the chemical components contained in the steel of the present invention (case-hardened steel) will be explained.

C: 0,1 bis 0,3C: 0.1 to 0.3

C ist ein Element, das für die Aufrechterhaltung der Festigkeit von Stahl wesentlich ist. Sein Gehalt bestimmt die Festigkeit des Kernteils und beeinflusst auch die effektive gehärtete Schichttiefe. Daher wurde in der vorliegenden Erfindung 0,1 zum unteren Grenzwert der Menge von C gemacht, um die Kernfestigkeit sicherzustellen. Wenn jedoch der Gehalt zu groß ist, nimmt die Zähigkeit ab, so dass 0,3% zum oberen Grenzwert gemacht wurden.C is an element that is essential for maintaining the strength of steel. Its content determines the strength of the core part and also influences the effective hardened layer depth. Therefore, in the present invention, 0.1 was made the lower limit of the amount of C to ensure the core strength. However, if the content is too large, the toughness decreases, making 0.3% the upper limit.

Si: 1,01 bis 2,0Si: 1.01 to 2.0

Si ist ein Element mit verbessernder Wirkung auf die Anlassentfestigungsbeständigkeit. Eine Zusetzung von 1,01 ergibt diesen Effekt. Daher wurde in der vorliegenden Erfindung der untere Grenzwert der Menge von Si zu 1,01% gemacht. Wenn jedoch der Anteil über 2,0% liegt, verschlechtert sich die Karbonisierungsfähigkeit, so dass 2,0% zum oberen Grenzwert gemacht wurden.Si is an element having an improving effect on the temper softening resistance. An addition of 1.01 gives this effect. Therefore, in the present invention, the lower limit of the amount of Si made to 1.01%. However, if the content is over 2.0%, the carbonizing ability deteriorates to make 2.0% the upper limit.

Mn: 0,3 bis 2,0%Mn: 0.3 to 2.0%

Mn ist ein Element mit verbessernder Wirkung auf die Härtbarkeit und ist ferner ein Element mit verbessernder Wirkung auf die Anlassentfestigungsbeständigkeit. Ferner hat es auch die Wirkung einer Immobilisierung des unvermeidbar in dem Stahl als MnS enthaltenen Verunreinigungselementes S und macht dieses dadurch harmlos. Daher wird eine Menge von Mn 0,3% oder mehr als notwendig erachtet. Daher wurde in der vorliegenden Erfindung der untere Grenzwert der Menge von Mn zu 0,3% gemacht. Wenn jedoch der Gehalt über 2,0% liegt, führt dieses zu einer Erhöhung und Stabilisierung des restlichen Austenits in der karbonisierten Schicht in einem Umfang, der nicht mehr verhindert werden kann, selbst wenn eine Tiefkühlung durchgeführt wird, und der Anlassentfestigungsbeständigkeit verschlechtert sich umgekehrt, so dass 2,0% zu dem oberen Grenzwert gemacht wurden.Mn is an element having an improving effect on hardenability and is also an element having an effect of improving the temper softening resistance. Further, it also has the effect of immobilizing the impurity element S inevitably contained in the steel as MnS, thereby rendering it harmless. Therefore, an amount of Mn 0.3% or more is considered necessary. Therefore, in the present invention, the lower limit of the amount of Mn was made to be 0.3%. However, if the content is over 2.0%, it results in an increase and stabilization of residual austenite in the carbonized layer to an extent that can not be prevented even if deep-freezing is performed, and the temper softening resistance deteriorates inversely, so 2.0% was made to the upper limit.

S: 0,005 bis 0,05%S: 0.005 to 0.05%

S ist ein unvermeidbar enthaltenes Verunreinigungselement, das aber von dem Gesichtspunkt der Bearbeitbarkeit in einem Anteil von 0,005% oder mehr enthalten sein muss. Daher wurde in der vorliegenden Erfindung der untere Grenzwert der Menge von S zu 0,005% gemacht. Wenn jedoch der Gehalt über 0,05% liegt, wird die Schmiedbarkeit verhindert, so dass 0,05% zu dem oberen Grenzwert gemacht wurden.S is an inevitably contained impurity element, but it must be contained in a proportion of 0.005% or more from the viewpoint of workability. Therefore, in the present invention, the lower limit of the amount of S was made to be 0.005%. However, if the content is over 0.05%, the forgeability is prevented to make 0.05% of the upper limit.

Cr: 1,01 bis 2,6%Cr: 1.01 to 2.6%

Cr ist ein Element mit verbessernder Wirkung auf die Härtbarkeit und ist ein Element mit verbessernder Wirkung auf die Anlassentfestigungsbeständigkeit. Eine Zusetzung von 1,01% oder mehr ergibt diesen Effekt. Daher wurde in der vorliegenden Erfindung der untere Grenzwert der Menge von Cr zu 1,01% gemacht. Wenn jedoch der Gehalt 2,6% überschreitet, lösen sich die in dem Material vorhandenen Cr-Karbide selbst bei einer Hochtemperaturkarbonisierung nicht vollständig auf, und die Anlassentfestigungsbeständigkeit verschlechtert sich, so dass 2,6% zum oberen Grenzwert gemacht wurden. Man beachte, dass, um vollständig das Auftreten von groben Körnern in der Karbonisierung zu vermeiden, Cr bevorzugt 1,01 bis 1,8% ist.Cr is an element with hardenability-improving effect, and is an element having an effect of improving start-up resistance. An addition of 1.01% or more gives this effect. Therefore, in the present invention, the lower limit of the amount of Cr was 1.01%. However, when the content exceeds 2.6%, the Cr carbides present in the material do not completely dissolve even in high-temperature carbonization, and the temper softening resistance deteriorates to make 2.6% the upper limit. Note that in order to completely avoid the occurrence of coarse grains in the carbonization, Cr is preferably 1.01 to 1.8%.

Mo: 0,8 bis 4,0%Mo: 0.8 to 4.0%

Mo ist ein Element mit verbessernder Wirkung auf die Härtbarkeit und ist ein Element mit verbessernder Wirkung auf die Anlassentfestigungsbeständigkeit. Die Zusetzung von 0,8% oder mehr ergibt diesen Effekt. Daher wurde in der vorliegenden Erfindung der untere Grenzwert der Menge von Mo zu 0,8% gemacht. Wenn jedoch der Gehalt über 4,0% liegt, können die in dem Material vorhandenen Mo-Karbide selbst bei einer Hochtemperaturkarbonisierung nicht vollständig aufgelöst werden und die Anlassentfestigungsbeständigkeit verschlechtert sich demzufolge, so dass 4,0% zu dem oberen Grenzwert gemacht wurden. Man beachte, dass, um vollständig das Auftreten von groben Körnern in der Karbonisierung zu vermeiden, Mo bevorzugt 1,0 bis 1,2% ist.Mo is an element having an improving effect on hardenability and is an element having an improving effect on temper softening resistance. The addition of 0.8% or more gives this effect. Therefore, in the present invention, the lower limit of the amount of Mo was made 0.8%. However, when the content is over 4.0%, the Mo carbides present in the material can not be completely dissolved even in high-temperature carbonization, and the temper softening resistance accordingly deteriorates to make 4.0% to the upper limit. Note that in order to completely prevent the occurrence of coarse grains in the carbonization, Mo is preferably 1.0 to 1.2%.

V: 0,1 bis 0,3%V: 0.1 to 0.3%

V ist ein Element mit verbessernder Wirkung auf die Anlassentfestigungsbeständigkeit. Die Zusetzung von 0,1% oder mehr ergibt diesen Effekt. Daher wurde in der vorliegenden Erfindung der untere Grenzwert der Menge von V zu 0,1% gemacht. Wenn jedoch der Gehalt über 0,3% liegt, können die in dem Material vorhandenen V-Karbide selbst bei einer Hochtemperaturkarbonisierung nicht vollständig aufgelöst werden und die Anlassentfestigungsbeständigkeit verschlechtert sich demzufolge, so dass 0,3% zu dem oberen Grenzwert gemacht wurden. Man beachte, dass, um vollständig das Auftreten von groben Körnern in der Karbonisierung zu vermeiden, V bevorzugt 0,1 bis 0,25% ist.V is an element with improving effect on the temper softening resistance. The addition of 0.1% or more gives this effect. Therefore, in the present invention, the lower limit of the amount of V was made to be 0.1%. However, if the content is over 0.3%, the V carbides present in the material can not be completely dissolved even in high-temperature carbonization, and the temper softening resistance accordingly deteriorates, so that 0.3% is made the upper limit. Note that in order to completely avoid the occurrence of coarse grains in the carbonization, V is preferably 0.1 to 0.25%.

Al: 0,001 bis 0,2%Al: 0.001 to 0.2%

Al hat die Wirkung einer Verfeinerung der Kristallkörner aufgrund der Ausbildung von Verbindungen mit N, so dass 0,001% oder mehr als erforderlich betrachtet werden. Daher wurde in der vorliegenden Erfindung der untere Grenzwert der Menge von Al zu 0,001% gemacht. Jedoch ist über 0,2% die Bearbeitbarkeit deutlich eingeschränkt, so dass 0,2% zu dem oberen Grenzwert gemacht wurden.Al has the effect of refining the crystal grains due to the formation of compounds with N, so that 0.001% or more is considered necessary. Therefore, in the present invention, the lower limit of the amount of Al was made to be 0.001%. However, above 0.2%, the workability is significantly restricted, so that 0.2% has been made to the upper limit.

N: 0,003 bis 0,03%N: 0.003 to 0.03%

N ist ein unvermeidbar enthaltendes Element, hat aber ebenfalls den Effekt einer Verfeinerung der Kristallkörner durch Ausbildung von Verbindungen mit Al und N, so dass 0,003% oder mehr als notwendig betrachtet werden. Daher wurde in der vorliegenden Erfindung der untere Grenzwert der Menge von N zu 0,003% gemacht. Wenn jedoch der Anteil über 0,03% liegt, ist die Schmiedbarkeit erheblich beeinträchtigt, so dass 0,03% zum oberen Grenzwert gemacht wurden.N is an inevitably containing element, but also has the effect of refining the crystal grains by forming compounds with Al and N, so that 0.003% or more is considered necessary. Therefore, in the present invention, the lower limit of the amount of N was made to be 0.003%. However, if the proportion is over 0.03%, the forgeability is significantly impaired, making 0.03% the upper limit.

P: beschränkt auf 0,03% oder weniger. P: limited to 0.03% or less.

P ist ein unvermeidbar enthaltenes Verunreinigungselement. Es fällt an den Korngrenzen aus und verringert die Zähigkeit, so dass es auf 0,03% oder darunter zu beschränken ist. Daher wurde in der vorliegenden Erfindung der Anteil von P auf 0,03% oder darunter beschränkt.P is an inevitably contained impurity element. It precipitates at the grain boundaries and reduces the toughness so that it is limited to 0.03% or less. Therefore, in the present invention, the content of P was restricted to 0.03% or less.

Zusätzlich ist es für den Zweck der weiteren Verfeinerung der Kristallkörner und zur Verhinderung einer Vergröberung der Kristallkörner in dem Stahl der vorliegenden Erfindung auch möglich, Nb, Ti usw. zusätzlich zu den vorstehend erwähnten chemischen Bestandteilen zuzusetzen. In diesem Falle werden diese Elemente bevorzugt in den nachstehenden Bereichen, welche nicht die Produktivität des Warmwalzens, Warmschmiedens, Schneidens usw. beeinträchtigen, beigefügt.In addition, for the purpose of further refining the crystal grains and preventing coarsening of the crystal grains in the steel of the present invention, it is also possible to add Nb, Ti, etc. in addition to the above-mentioned chemical components. In this case, these elements are preferably added in the following ranges which do not affect the productivity of hot rolling, hot forging, cutting, etc.

Nb: 0,2% oder weniger und Ti: 0,2% oder weniger, eines oder beideNb: 0.2% or less and Ti: 0.2% or less, one or both

Nb und Ti haben den Effekt einer Verfeinerung der Kristallkörner aufgrund der Ausbildung von Verbindungen mit N, so dass die Einbeziehung von einem oder beiden von Nb und Ti zu bevorzugen ist. Jedoch wird, wenn jedes Element in einem Anteil von über 0,2% enthalten ist, der Effekt der Verfeinerung der Kristallkörner gesättigt und die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt, so dass 0,2% zum oberen Grenzwert gemacht wurden.Nb and Ti have the effect of refining the crystal grains due to the formation of compounds with N, so that the inclusion of one or both of Nb and Ti is preferable. However, when each element is contained in a proportion exceeding 0.2%, the effect of refining the crystal grains becomes saturated and the economy is impaired, so that 0.2% is made the upper limit.

Anschließend wird die Gesamtmenge von Si, Mn, Cr, Mo und V in dem Stahl der vorliegenden Erfindung erläutert. In der vorliegenden Erfindung ist ein Gesamtmenge von Si, Mn, Cr, Mo und V in der nachstehenden Formel von 100 oder mehr eine wesentliche Voraussetzung.Next, the total amount of Si, Mn, Cr, Mo and V in the steel of the present invention will be explained. In the present invention, a total amount of Si, Mn, Cr, Mo and V in the following formula of 100 or more is essential.

Dieses basiert, wie es vorstehend erläutert wurde, auf der intensiven Forschung und Entwicklung durch die Erfinder und als Folge der Entdeckung kann, wenn die Gesamtmenge von Si, Mn, Cr, Mo und V in dem nachstehenden Ausdruck gleich 100 oder größer ist, ein Zahnrad mit hervorragender Zahnoberflächendauerfestigkeit erhalten werden. Man beachte, dass sich auf der linken Seite in dem Ausdruck die Koeffizienten der Elemente von Si, Mn, Cr, Mo und V aufgrund des Grades, mit welchem die Elemente zur Verbesserung der Anlassentfestigungsbeständigkeit beitragen, unterscheiden. 31Si(%) + 15Mn(%) + 23Cr(%) + 26Mo(%) + 100V(%) ≥ 100 This is based, as explained above, on the intensive research and development by the inventors, and as a result of the discovery, when the total amount of Si, Mn, Cr, Mo and V in the expression below is equal to 100 or larger, a gear can be used with excellent tooth surface fatigue resistance. Note that on the left side in the expression, the coefficients of the elements of Si, Mn, Cr, Mo, and V differ due to the degree to which the elements contribute to the improvement of the temper softening resistance. 31Si (%) + 15Mn (%) + 23Cr (%) + 26Mo (%) + 100V (%) ≥ 100

Ferner ist in der vorliegenden Erfindung eine Gesamtmenge von Si, Mn, Cr, Mo und V in dem nachstehenden Ausdruck in dem Bereich von 100 bis 150 eine wesentliche Bedingung. Dieses beruht darauf, weil, wie es vorstehend erläutert wurde, die Erfinder intensive Forschung durchführten und als Ergebnis herausfanden, dass, wenn die Gesamtmenge von Si, Mn, Cr, Mo und V in der vorstehenden Gleichung 100 oder größer ist, ein Zahnrad mit hervorragender Zahnoberflächendauerfestigkeit erhalten werden kann. Wenn ein Stahlmaterial mit einer Hochlegierungszusammensetzung von über 150 in dem vorstehenden Ausdruck verwendet wird, fällt der Ausgangspunkt der Martensitumformung. Deshalb überschreitet die Menge an restlichen Austenit nach der Vakuumkarbonisierung 20%. Verglichen mit Martensit ist der restliche Austenit weicher. Deshalb wird ein merklicher Abfall in der Festigkeit der Oberfläche des Zahnrades bewirkt. Deshalb wurde in der vorliegenden Erfindung eine Gesamtmenge von Si, Mn, Cr, Mo und V in dem nachstehenden Ausdruck von 150 oder kleiner zu einer Bedingung gemacht. Man beachte, dass sich auf der linken Seite in dem Ausdruck die Koeffizienten der Elemente von Si, Mn, Cr, Mo und V aufgrund des Grades, mit welchem die Elemente zur Verbesserung der Anlassentfestigungsbeständigkeit beitragen, unterscheiden. 37Si(%) + 18Mn(%) + 10Cr(%) + 31Mo(%) + 21V(%) = 100 ~ 150 Further, in the present invention, a total amount of Si, Mn, Cr, Mo and V in the following expression in the range of 100 to 150 is an essential condition. This is because, as explained above, the inventors made intensive research, and as a result, found that when the total amount of Si, Mn, Cr, Mo and V in the above equation is 100 or more, a gear having excellent Tooth surface fatigue resistance can be obtained. When a steel material having a high alloy composition exceeding 150 is used in the above expression, the starting point of martensite transformation falls. Therefore, the amount of residual austenite after vacuum carbonization exceeds 20%. Compared with martensite, the remaining austenite is softer. Therefore, a noticeable drop in the strength of the surface of the gear is caused. Therefore, in the present invention, a total amount of Si, Mn, Cr, Mo and V has been made a condition in the following expression of 150 or smaller. Note that on the left side in the expression, the coefficients of the elements of Si, Mn, Cr, Mo, and V differ due to the degree to which the elements contribute to the improvement of the temper softening resistance. 37Si (%) + 18Mn (%) + 10Cr (%) + 31Mo (%) + 21V (%) = 100 ~ 150

Anschließend wird der Grund dafür, dass das erfindungsgemäße Zahnrad eine Röntgenbeugung-Halbwertsbreite bei einer Tiefe von 50 μm von der Oberfläche vom 6,4° oder mehr hat, zu einer Bedingung gemacht wird, erläutertSubsequently, the reason why the gear according to the invention has made an X-ray diffraction half-width at a depth of 50 μm from the surface of 6.4 ° or more is explained

Durch Erfüllen der vorstehenden Formel und Sicherstellung einer Röntgenbeugung-Halbwertsbreite bei einer Tiefe von 50 μm von der Oberfläche vom 6,4° oder mehr wurde ein Zahnrad mit hervorragender Zahnoberflächendauerfestigkeit realisiert. Selbst wenn Stahl verwendet wird, der gerade den vorstehenden Ausdruck zum Erzeugen einer Zahnradform erfüllt und dieser einer Karbonisierungshärtung und einem Anlassen bei 930°C unterworfen wird, wird die Röntgenbeugung-Halbwertsbreite bei einer Tiefe von 50 μm von der Oberfläche des Zahnrades nicht notwendigerweise zu 6,4° oder mehr. Die Erfinder glaubten, dass deshalb die Auswahl einer Oberflächenhärtung, welche eine Röntgenbeugung-Halbwertsbreite von 6,4° oder mehr ergibt, entscheidend war. Ferner bleibt in einem Stadium vor der Oberflächenhärtung ein Teil von dem Mn, Cr, Mo und V als Karbide zurück, so dass, sobald die Mengen von Mo, V usw. größer werden, mit der Karbonisierung bei den üblichen 930°C die Auflösung unzureichend wird und keine Röntgenbeugung-Halbwertsbreite von 6,4° oder mehr sichergestellt werden kann. Daher glaubt man, dass es erforderlich ist, eine Auflösung der Karbide bei einer Karbonisierungstemperatur von bevorzugt 950°C oder mehr, in einigen Fällen 1000°C oder mehr zu bewirken. Ferner tendiert, wenn der Wert auf der linken Seite des vorstehenden Ausdruckes größer wird, der Anteil des restlichen Austenits dazu allmählich größer zu werden. Zusammen damit tendiert die Röntgenbeugung-Halbwertsbreite dazu, kleiner zu werden. Aus diesem Grunde wird es, wenn der Wert des vorstehenden Ausdrucks 130 oder größer ist, als effektiv angesehen, eine Tiefkühlung oder ein Kugelstrahlen durchzuführen, um das restliche Austenit in Martensit überzuführen und die Röntgenbeugung-Halbwertsbreite zu 6,4° oder mehr zu machen.By satisfying the above formula and ensuring an X-ray diffraction half-width at a depth of 50 μm from the surface of 6.4 ° or more, a gear having excellent tooth surface endurance was realized. Even if steel is used which just satisfies the above expression for producing a gear shape and is subjected to carbonization hardening and tempering at 930 ° C, the X-ray diffraction half-width at a depth of 50 μm from the surface of the gear does not necessarily become 6 , 4 ° or more. The inventors believed, therefore, that the selection of a surface hardening giving an X-ray diffraction half width of 6.4 ° or more was crucial. Further, at a stage before surface hardening, part of the Mn, Cr, Mo remains and V as carbides, so that as the amounts of Mo, V, etc. become larger, with the carbonization at the usual 930 ° C, the resolution becomes insufficient and no X-ray diffraction half-width of 6.4 ° or more can be ensured. Therefore, it is believed that it is necessary to effect dissolution of the carbides at a carbonization temperature of preferably 950 ° C or more, in some cases 1000 ° C or more. Further, as the value on the left side of the above expression becomes larger, the proportion of residual austenite tends to become gradually larger. Along with this, the X-ray diffraction half-width tends to become smaller. For this reason, when the value of the above expression is 130 or more, it is considered effective to perform deep-cooling or shot peening to convert the residual austenite into martensite and make the X-ray diffraction half-width to 6.4 ° or more.

Daher wurde in der vorliegenden Erfindung eine Röntgenbeugung-Halbwertsbreite mit einer Tiefe von 50 μm von der Zahnradoberfläche von 6,4° oder mehr zu einer Bedingung gemacht. Man beachte, dass die vorstehend erwähnte Röntgenbeugung-Halbwertsbreite die Halbwertsbreite der Spitze bedeutet, wenn ein Mikroflächen-Röntgen-Restspannungsmesssystem (Cr-Lampe) zum Messen der α-Fe (211) Ebene über 60 Sekunden verwendet wird.Therefore, in the present invention, an X-ray diffraction half width having a depth of 50 μm from the gear surface of 6.4 ° or more has been made a condition. Note that the above-mentioned X-ray diffraction half-width indicates the half width of the peak when a micro-surface X-ray residual stress (Cr) measuring system is used for measuring the α-Fe (211) plane over 60 seconds.

Anschließend wird der Grund einer Vakuumkarbonisierung der Zahnoberflächen des Zahnrades bei einer Erwärmungstemperatur in dem Bereich von 900 bis 1050°C nach Verwendung des vorstehend erwähnten Stahlmaterials zum Erzeugen einer Zahnradform erläutert.Subsequently, the cause of vacuum carbonization of the tooth surfaces of the gear at a heating temperature in the range of 900 to 1050 ° C after using the above-mentioned steel material for producing a gear shape will be explained.

Eine Karbonisierungstemperatur von weniger als 950°C ist unzureichend, um die Karbide in dem Material, das 100 oder mehr von Elementen in der vorstehenden Formel (Stahl) enthält, dazu zu bringen, sich aufzulösen. 950°C oder mehr sind erforderlich. Daher wurde in der vorliegenden Erfindung der untere Grenzwert der Karbonisierungstemperatur zu 950°C gemacht. Wenn jedoch die Karbonisierungstemperatur 1050°C überschreitet, tritt das Problem grober Körner auf, so dass 1050°C zum oberen Grenzwert gemacht wurden.A carbonization temperature of less than 950 ° C is insufficient to cause the carbides in the material containing 100 or more of elements in the above formula (steel) to dissolve. 950 ° C or more is required. Therefore, in the present invention, the lower limit of the carbonization temperature was made 950 ° C. However, if the carbonization temperature exceeds 1050 ° C, the problem of coarse grains occurs, making 1050 ° C the upper limit.

Jedoch wird im Allgemeinen als Verfahren zur Karbonisierung Gaskarbonisierung und Vakuumkarbonisierung in breitem Umfang eingesetzt. Die Erfinder untersuchten dieses und fanden heraus, dass mit einer Gaskarbonisierung von in dem Träger Gas enthaltenem Sauerstoff eine Korngrenzenoxidation von etwa 10 μm an der Oberfläche bewirkte, die zu einem Abfall in der Festigkeit führte, so dass eine Vakuumkarbonisierung angewendet werden muss.However, gas carbonization and vacuum carbonization are widely used as the carbonization process in general. The inventors investigated this and found that with gas carbonization of oxygen contained in the carrier gas, grain boundary oxidation of about 10 μm on the surface caused deterioration in strength, so that vacuum carbonization must be applied.

Daher wurde in der vorliegenden Erfindung die Behandlung der Zahnoberflächen der Zahnradform durch eine Vakuumkarbonisierung zu einer Bedingung gemacht.Therefore, in the present invention, the treatment of tooth surfaces of the gear shape by vacuum carbonization has been made a condition.

Ferner verwendeten die Erfinder in der vorliegenden Ausführungsform das vorstehend erwähnte Stahlmaterial als ein Material zum Formen einer Zahnradform, unterzogen dieses dann einer Vakuumkarbonisierung bei einer Erwärmungstemperatur im Bereich von 950 bis 1050°C, um so ein Zahnrad mit hervorragender Zahnoberflächendauerfestigkeit zu erzeugen, wobei aber selbst nach Durchführung einer allgemein angewendeten Behandlung nach der vorstehenden Vakuumkarbonisierung, wie z. B. Kugelstrahlen, WPC, WJP, Tiefkühlung usw. der Effekt der vorliegenden Erfindung nicht verhindert wird, so dass diese Behandlungen nach der Vakuumkarbonisierung ausgeführt werden können.Further, in the present embodiment, the inventors used the above-mentioned steel material as a material for forming a gear shape, then subjected it to vacuum carbonization at a heating temperature in the range of 950 to 1050 ° C so as to produce a gear having excellent tooth surface endurance, but itself after performing a commonly applied treatment after the above vacuum carbonation, such as. As shot peening, WPC, WJP, freezing, etc., the effect of the present invention is not prevented, so that these treatments can be carried out after the vacuum carbonization.

BEISPIELEEXAMPLES

Anschließend wird die vorliegende Erfindung detaillierter anhand von Beispielen erläutert. Man beachte, dass diese Beispiele zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung gedacht sind und nicht den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einschränken.Subsequently, the present invention will be explained in more detail by way of examples. Note that these examples are intended to illustrate the present invention and do not limit the scope of the present invention.

Warmgewalzte Stahlmaterialien mit den in Tabelle 1 dargestellten chemischen Zusammensetzungen wurden kugelig geglüht, um die Bearbeitbarkeit sicherzustellen, und wurden dann zur Herstellung von Antriebszahnrädern und angetriebenen Zahnrädern mit einem Teilkreisdurchmesser von 65,8 mm, Modul von 1,5, und 35 Zähnen (Test Nr. 1 bis Nr. 15) verwendet.Hot rolled steel materials having the chemical compositions shown in Table 1 were spherically annealed to ensure machinability and were then used to make drive gears and driven gears having a pitch circle diameter of 65.8 mm, modulus of 1.5, and 35 teeth (test no No. 1 to No. 15).

Anschließend wurde die nachstehend erläuterte Oberflächenhärtung unter Bearbeitungsbedingungen durchgeführt, die eine effektive gehärtete Schichttiefe des Zahnrades von 0,6 mm ergaben. In den Tests Nr. 1 bis 3, 5, 6, 11 bis 15 wurde eine Vakuumkarbonisierungshärtung bei 1000°C durchgeführt, und dann wurde ein Anlassen bei 200°C für 90 Minuten durchgeführt. Im Test Nr. 7 wurde eine Vakuumkarbonisierungshärtung bei 1000°C durchgeführt, eine Tiefkühlung durch flüssigen Stickstoff für 60 Minuten durchgeführt und dann zum Schluss ein Anlassen bei 200°C für 90 Minuten durchgeführt. Im Test Nr. 4 wurden eine Gaskarbonisierung bei 950°C für 120 Minuten und eine Karbonitrierung bei 860°C für 30 Minuten nacheinander durchgeführt, dann eine Härtung durchgeführt und dann ein Anlassen bei 200°C für 90 Minuten durchgeführt, und dann Kugelstrahlen bei einer Bogenhöhe von 1,0 durchgeführt. In den Tests Nr. 8 und 9 wurde eine Vakuumkarbonisierungshärtung bei 1050°C durchgeführt, eine Tiefkühlung durch flüssigen Stickstoff für 60 Minuten durchgeführt und zum Schluss ein Anlassen bei 200°C für 90 Minuten durchgeführt. Im Test Nr. 10 wurde eine Vakuumkarbonisierung bei 1050°C durchgeführt, dann ein Anlassen bei 200°C für 90 Minuten durchgeführt und zum Schluss Kugelstrahlen bei einer Bogenhöhe von 1,0 durchgeführt.Subsequently, the surface hardening explained below was carried out under machining conditions giving an effective hardened layer depth of the gear of 0.6 mm. In Test Nos. 1 to 3, 5, 6, 11 to 15, vacuum carburization hardening was carried out at 1000 ° C, and then annealing was carried out at 200 ° C for 90 minutes. In Test No. 7, vacuum carburization hardening was carried out at 1000 ° C, deep cooling by liquid nitrogen was carried out for 60 minutes, and finally, annealing was carried out at 200 ° C for 90 minutes. In Test No. 4, gas carbonization was carried out successively at 950 ° C for 120 minutes and carbonitriding at 860 ° C for 30 minutes, followed by curing and then annealing at 200 ° C for 90 minutes, and then Shot peening at a bow height of 1.0. In Tests Nos. 8 and 9, vacuum carburization hardening was carried out at 1050 ° C, deep cooling by liquid nitrogen was carried out for 60 minutes, and finally, annealing was carried out at 200 ° C for 90 minutes. In Test No. 10, a vacuum carbonization was carried out at 1050 ° C, then annealed at 200 ° C for 90 minutes, and finally, shot peening was carried out at a sheet height of 1.0.

Dann bewerteten die Erfinder die Zunahmewerte der Anlassentfestigungsbeständigkeit aufgrund der Lösungshärtung durch das Si, Cr, Mn, Mo und weitere zugesetzte Elemente für die vorstehend erwähnten durchgeführten Tests Nr. 1 bis 15. Man beachte, dass die Anlassentfestigungsbeständigkeit üblicherweise unter Verwendung eines Vickers-Mikrohärtemessgerätes usw. zum Messen der Härte in einem Mikrobereich bewertet wird, wobei jedoch mit diesem Bewertungsverfahren der Härtungsbetrag aufgrund der Ausfällung und Härtungsbetrag aufgrund einer Mischkristallbildung nicht unterschieden werden können, so dass es nicht möglich ist, nur den Härtungsbetrag aufgrund der Mischkristallbildung zu messen. Daher maßen die Erfinder in dieser Ausführungsform auf der Basis der Entdeckung, dass der Betrag der Zunahme aufgrund der Mischkristallhärtung in dem Martensitgefüge wichtig für die Verbesserung der Zahnoberflächendauerfestigkeit eines Zahnrades ist, die Röntgenbeugung-Halbwertsbreite bei einer Tiefe von 50 μm von der Zahnradoberfläche des Zahnrades als einen Indikator des Betrags der Zunahme aufgrund der Mischkristallhärtung in dem Martensitgefüge durch ein Mikroflächen-Röntgen-Restspannungsmesssystem, um so den Betrag der Zunahme der Anlassentfestigungsbeständigkeit zu bewerten. Man beachte, dass die Röntgenbeugung-Halbwertsbreite bei einer Tiefe von 50 μm von der Zahnradoberfläche der Tests Nr. 1 bis 15 unter Verwendung eines Mikroflächen-Röntgen-Restspannungsmesssystems (Cr-Lampe) zum Messen der Halbwertsbreite der Spitze für die α-Fe (211) Ebene über 60 Sekunden gefunden wurde.Then, the inventors evaluated the increases in temper softening resistance due to solution hardening by the Si, Cr, Mn, Mo and other added elements for the above-mentioned conducted test Nos. 1 to 15. Note that the temper softening resistance is usually measured using a Vickers microhardness gauge, etc However, with this evaluation method, the hardening amount due to the precipitation and hardening amount due to solid solution formation can not be discriminated, so that it is not possible to measure only the hardening amount due to the mixed crystal formation. Therefore, in this embodiment, on the basis of the discovery that the amount of increase due to solid solution hardening in the martensite structure is important for improving the tooth surface endurance of a gear, the inventors measured the X-ray diffraction half width at a depth of 50 μm from the gear surface of the gear as an indicator of the amount of increase due to solid solution hardening in the martensite texture by a micro-surface X-ray residual stress measuring system, so as to evaluate the amount of increase of the temper softening resistance. Note that the X-ray diffraction half-width at a depth of 50 μm from the gear surface of the test Nos. 1 to 15 using a micro-surface X-ray residual stress measuring system (Cr lamp) for measuring the half-width of the peak for the α-Fe (211 ) Level was found over 60 seconds.

Ferner untersuchten die Erfinder die Haltbarkeitslebensdauer der Zahnoberflächen der Tests Nr. 1 bis 15 unter Verwendung eines Zahnraddauerprüfmaschine mit Kraftvariation, um die Lebensdauer (X) bei einer Testbelastung von 200 Nm zu messen. Man beachte, dass die Lebensdauer durch die Detektion der die Spänebildung der Zahnoberfläche begleitenden Schwingung gemessen wurde. Die vorstehenden Testergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. TABELLE 2 TEST-NR. OBERFLÄCHEN-HÄRTUNG RÖNTGENBEUGUNG-HALBWERTSBREITE (GRAD) TESTERGEBNISSE LEBENSDAUER (X) 1 ERFIND.-EX [1] 6.44 1,394,645 2 ERFIND.-EX [1] 6.48 1,275,430 3 ERFIND.-EX [1] 6.82 1,421,972 4 ERFIND.-EX [2), [3] 6.63 1,381,593 5 ERFIND.-EX [1] 6.51 1,291,377 6 ERFIND.-EX [1] 6.79 1,124,319 7 ERFIND.-EX [1], [4] 7.13 1,571,850 8 ERFIND.-EX [1], [4] 7.57 1,948,836 9 ERFIND.-EX [1], [4] 7.63 2,451,598 10 ERFIND.-EX [1], [3] 6.55 2,022,445 11 VERGL.- EX [1] 3.50 11,582 12 VERGL.- EX [1] 5.09 700,228 13 VERGL.- EX [1] 7.02 527,288 14 VERGL.- EX [1] 6.61 922,487 15 VERGL.- EX [1] 5.27 4,993 [1] Vakuumkarbonisierungshärtung und Anlassen
[2] Karbonitrierungshärtung und Anlassen
[3] Kugelstrahlen
[4] TiefkühlenFurther, the inventors examined the durability life of the tooth surfaces of the test Nos. 1 to 15 using a gear variation force testing machine to measure the life (X) at a test load of 200 Nm. Note that the lifetime was measured by the detection of the oscillation accompanying the formation of chips on the tooth surface. The above test results are shown in Table 2. TABLE 2 TEST NO. SURFACE HARDENING X-RAY HALF WIDTH (DEGREES) TEST RESULTS LIFE (X) 1 ERFIND.-EX [1] 6:44 1,394,645 2 ERFIND.-EX [1] 6:48 1,275,430 3 ERFIND.-EX [1] 6.82 1,421,972 4 ERFIND.-EX [2], [3] 6.63 1,381,593 5 ERFIND.-EX [1] 6:51 1,291,377 6 ERFIND.-EX [1] 6.79 1,124,319 7 ERFIND.-EX [1], [4] 7.13 1,571,850 8th ERFIND.-EX [1], [4] 7:57 1,948,836 9 ERFIND.-EX [1], [4] 7.63 2,451,598 10 ERFIND.-EX [1], [3] 6:55 2,022,445 11 COMP. EX [1] 3:50 11,582 12 COMP. EX [1] 5:09 700.228 13 COMP. EX [1] 7:02 527.288 14 COMP. EX [1] 6.61 922.487 15 COMP. EX [1] 5.27 4,993 [1] Vacuum carbonation hardening and tempering
[2] Carbonitriding hardening and tempering
[3] shot peening
[4] Freezing

Aus diesen Ergebnissen in den Erfindungstests Nr. 1 bis 10 wurde erkannt, dass die Zahnräder Lebensdauern von 1,000,000 oder mehr hatten, und somit eine hervorragende Zahnoberflächendauerfestigkeit hatten. Dieses beruhte, wie man glaubte, auf den Fakten, dass die Gewichtsprozente der in dem Stahl enthaltenen chemischen Bestandteile in den vorbestimmten Bereichen (C im Bereich von 0,1 bis 0,3 Si im Bereich von 1,01 bis 2,0%, Mn im Bereich von 0,3 bis 2,0%, S im Bereich von 0,005 bis 0,05%, Cr im Bereich von 1,01 bis 2,6%, Mo im Bereich von 0,8 bis 4,0%, V im Bereich von 0,1 bis 0,3%, Al im Bereich von 0,001 bis 0,2%, N im Bereich von 0,003 bis 0,03%, und P bei 0,03% oder weniger) lagen, die Gesamtmengen von Si, Mn, Cr, Mo und V in dem Stahl 31Si(%) + 15Mn(%) + 23Cr(%) + 26Mo(%) + 100V(%) = 100 oder mehr waren und die Röntgenbeugung-Halbwertsbreite bei einer Tiefe von 50 μm von der Zahnradoberfläche größer als 6,4 oder mehr war.From these results in Invention Tests Nos. 1 to 10, it was recognized that the gears had lifetimes of 1,000,000 or more, and thus had excellent tooth surface endurance. This was believed to be based on the facts that the weight percentages of the chemical constituents contained in the steel in the predetermined ranges (C in the range of 0.1 to 0.3 Si in the range of 1.01 to 2.0%, Mn in the range of 0.3 to 2.0%, S in the range of 0.005 to 0.05%, Cr in the range of 1.01 to 2.6%, Mo in the range of 0.8 to 4.0%, V ranging from 0.1 to 0.3%, Al ranging from 0.001 to 0.2%, N ranging from 0.003 to 0.03%, and P being 0.03% or less) Si, Mn, Cr, Mo and V in the steel were 31Si (%) + 15Mn (%) + 23Cr (%) + 26Mo (%) + 100V (%) = 100 or more and the X-ray diffraction half-width at a depth of 50 μm from the gear surface was greater than 6.4 or more.

Im Gegensatz dazu hatten in den Vergleichsbeispielstests Nr. 11, 12 die Zahnräder Gesamtmengen von Si, Mn, Cr, Mo, und V in dem Stahl im Bereich von 31Si(%) + 15Mn(%) + 23Cr(%) + 26Mo(%) + 100V(%) = 100 oder mehr, hatten aber unzureichende Lebensdauern von weniger als 1,000,000. Dieses beruhte, wie man glaubte, auf den hohen Si-Gehalten, die eine schlechte Karbonisierung bewirkten, was wiederum einen Abfall der Konzentration von C an den Zahnradoberflächen auf 0,3 bis 0,4% bewirkte und dadurch bewirkte, das die Röntgenbeugung-Halbwertsbreite kleiner als 6,4° wurde.In contrast, in Comparative Example Tests Nos. 11, 12, the gears had total amounts of Si, Mn, Cr, Mo, and V in the steel in the range of 31Si (%) + 15Mn (%) + 23Cr (%) + 26Mo (%). ) + 100V (%) = 100 or more, but had insufficient lifetimes of less than 1,000,000. This was believed to be due to the high levels of Si which caused poor carbonization, which in turn caused a drop in the concentration of C on the gear surfaces to 0.3-0.4%, thereby causing the X-ray diffraction half-width was less than 6.4 °.

In den Vergleichsbeispieltests Nr. 13 und Nr. 14 hatten die Zahnräder Röntgenbeugung-Halbwertsbreiten von 6,4° oder mehr, hatten aber unzureichende Lebensdauern von weniger als 1,000,000. Dieses beruhte wie man glaubte darauf, dass die Gesamtmengen von Si, Mn, Cr, Mo und V in dem Stahl mit 31Si(%) + 15Mn(%) + 23Cr(%) + 26Mo(%) + 100V(%) kleiner als 100 waren und daher einen Abfall der Anlassentfestigungsbeständigkeit bewirkten.In Comparative Example Tests Nos. 13 and 14, the gears had X-ray diffraction half widths of 6.4 ° or more, but had insufficient lives of less than 1,000,000. This was based on how it was believed that the total amounts of Si, Mn, Cr, Mo and V in the steel were 31Si (%) + 15Mn (%) + 23Cr (%) + 26Mo (%) + 100V (%) smaller than 100 and therefore caused a decrease in temper softening resistance.

In dem Vergleichsbeispieltest Nr. 15 hatte das Zahnrad eine Gesamtmenge von Si, Mn, Cr, Mo und V in dem Stahl mit 31Si(%) + 15Mn(%) + 23Cr(%) + 26Mo(%) + 100V(%) von 100 oder mehr, hatte aber unzureichende Lebensdauer von weniger als 1,000,000. Dieses wurde nach dem Test untersucht. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass in dem Vergleichsbeispieltest Nr. 15 ein großer Anteil von restlichem Austenit zurückgeblieben war. Daher glaubte man in dem Test Nr. 15, dass die große Mange an restlichem vorhandenen Austenit dazu führte, dass die Röntgenbeugung-Halbwertsbreite kleiner als 6,4° wurde und einen Abfall in der Anlassentfestigungsbeständigkeit bewirkte. Daher glaubte man bei diesem Vergleichsbeispiel, dass es durch eine weitere Durchführung einer Tiefkühlung, Kugelstrahlen oder eine andere Behandlung möglich wäre, das restliche Austenit zu einer Überführung in Martensit zu bringen, und die Röntgenbeugung-Halbwertsbreite 6,4° oder größer zu machen.In Comparative Example Test No. 15, the gear had a total amount of Si, Mn, Cr, Mo and V in the steel of 31Si (%) + 15Mn (%) + 23Cr (%) + 26Mo (%) + 100V (%) of 100 or more, but had insufficient life of less than 1,000,000. This was examined after the test. As a result, it was confirmed that in Comparative Example Test No. 15, a large amount of residual austenite remained. Therefore, in Test No. 15, it was believed that the large amount of residual austenite present caused the X-ray diffraction half-width to become smaller than 6.4 ° and caused a decrease in the temper softening resistance. Therefore, in this comparative example, it was believed that by further carrying out deep-freezing, shot peening or other treatment, it would be possible to make the residual austenite into martensite, and to make the X-ray diffraction half-width to be 6.4 ° or larger.

Warmgewalzte Stahlmaterialien mit den in Tabelle 3 dargestellten chemischen Zusammensetzungen wurden kugelig geglüht, um die Bearbeitbarkeit sicherzustellen und wurden dann zur Herstellung von Antriebszahnrädern und angetriebenen Zahnrädern mit einem Teilkreisdurchmesser von 65,8 mm, Modul von 1,5, und 35 Zähnen (Test Nr. 16 bis Nr. 31) verwendet.Hot rolled steel materials having the chemical compositions shown in Table 3 were spherically annealed to ensure workability and were then used to make drive gears and driven gears having a pitch circle diameter of 65.8 mm, modulus of 1.5, and 35 teeth (Test no. 16 to No. 31).

Anschließend wurde die nachstehend erläuterte Oberflächenhärtungsbehandlung unter Bearbeitungsbedingungen durchgeführt, welche eine effektive gehärtete Schichttiefe des Zahnrades von 0,6 mm ergibt. In den Tests Nr. 16, 17, 19 bis 21, 23, 25 und 28 wurde eine Vakuumkarbonisierungshärtung bei 1000°C durchgeführt, dann ein Anlassen bei 200° über 90 Minuten durchgeführt. In den Tests Nr. 18, 22, 26 und 27 wurde eine Vakuumkarbonisierungshärtung bei 950°C durchgeführt und dann ein Anlassen bei 200°C über 90 Minuten durchgeführt. Im Test Nr. 24 wurde eine Vakuumkarbonisierungshärtung bei 1050°C durchgeführt und dann ein Anlassen bei 200°C über 90 Minuten durchgeführt. Im Test Nr. 29 wurde eine Vakuumkarbonisierungshärtung bei 950°C durchgeführt und dann ein Anlassen bei 200°C über 90 Minuten durchgeführt. Im Test Nr. 30 wurde eine Hochkohlenstoffkarbonisierungsbehandlung durch eine Gaskarbonisierungshärtung bei 950°C und einem Kohlenstoffpotential von 1,3 gefolgt von einer Gaskarbonisierungshärtung bei einem Karbonpotential von 0,95 durchgeführt, und dann ein Anlassen bei 200°C über 90 Minuten durchgeführt. Im Test Nr. 31 wurde eine Vakuumkarbonisierungshärtung bei 890°C durchgeführt und dann ein Anlassen bei 200°C über 90 Minuten durchgeführt.Subsequently, the surface hardening treatment explained below was carried out under working conditions which gives an effective hardened layer depth of the gear of 0.6 mm. In Tests Nos. 16, 17, 19 to 21, 23, 25 and 28, a vacuum carburization hardening was carried out at 1000 ° C carried out, then a tempering at 200 ° for 90 minutes. In Tests Nos. 18, 22, 26 and 27, vacuum carburization hardening was carried out at 950 ° C, and then annealing was carried out at 200 ° C for 90 minutes. In Test No. 24, a vacuum carburization curing was carried out at 1050 ° C, and then annealing was carried out at 200 ° C for 90 minutes. In Test No. 29, vacuum carburization hardening was carried out at 950 ° C, and then annealing was carried out at 200 ° C for 90 minutes. In Test No. 30, high-carbon carbonation treatment was carried out by gas carbonization hardening at 950 ° C and carbon potential of 1.3 followed by gas carbonization hardening at carbon potential of 0.95, and then annealing at 200 ° C for 90 minutes. In Test No. 31, vacuum carburization curing was carried out at 890 ° C, and then annealing was carried out at 200 ° C for 90 minutes.

Nach dem Anlassen untersuchten die Erfinder die Ermüdungslebensdauer der Zahnoberflächen in den Tests Nr. 16 bis 31 unter Verwendung einer Zahnraddauerprüfmaschine mit Kraftvariation, um die Lebensdauer (X) bei einer Testbelastung von 200 Nm zu messen. Man beachte, dass die Lebensdauer durch die Detektion der die Spänebildung der Zahnoberfläche begleitenden Schwingung gemessen wurde.After tempering, the inventors studied the fatigue life of the tooth surfaces in Test Nos. 16 to 31 using a gear variation force testing machine to measure the life (X) at a test load of 200 Nm. Note that the lifetime was measured by the detection of the oscillation accompanying the formation of chips on the tooth surface.

Ferner untersuchten die Erfinder den Betrag der Zunahme der Anlassentfestigungsbeständigkeit aufgrund der Mischkristallhärtung von Si, Cr, Mn, Mo und der anderen zugesetzten Elemente für die Tests Nr. 16 bis 31. Man beachte, dass die Anlassentfestigungsbeständigkeit üblicherweise unter Verwendung eines Vickers-Mikrohärtemessgerätes usw. zum Messen der Härte in einem Mikrobereich bewertet wird, aber mit diesem Bewertungsverfahren die Zunahme in der Härte aufgrund von Ausfällungshärtung ebenfalls mit enthalten ist und daher die Zunahme in der Härte nur aufgrund von Mischkristallbildung nicht gemessen werden kann. Daher verwendeten die Erfinder in diesem Beispiel auf der Basis der Erkenntnis, dass die Zunahme in der der Härte aufgrund von Mischkristallbildung in dem Martensitgefüge wichtig für die Verbesserung der Zahnoberflächendauerfestigkeit eines Zahnrades ist, ein optisches Mikroskop, Rasterelektronenmikroskop usw., um die Mikrostruktur zu überprüfen und zu untersuchen, ob grobe Karbide in dem Intervall bei einer Tiefe von 50 μm von der Oberfläche der Zahnräder als ein Indikator für den Betrag der Zunahme der Härte aufgrund der Mischkristallhärtung in dem Martensitgefüge vorhanden waren, und insbesondere ob die durchschnittliche Größe der Karbide kleiner als 1 μm war. Man beachte, dass die durchschnittliche Größe der Karbide wie nachstehend erläutert gemessen wurde. Zuerst wurde nach dem Test das Zahnrad zerschnitten und in einem Harz eingebettet, um eine Probe zu erzeugen, welche dann spiegelpoliert wurde. Dann wurde die polierte Oberfläche der Probe mittels einer Nytal-Korrosionslösung geätzt, ein Rasterelektronenmikroskop verwendet, um zufällig Karbide bis zu einer Tiefe von 50 μm von der Zahnradoberfläche zu beobachten, und die Werte der Größe der beobachteten Karbide wurden dann arithmetisch gemittelt.Further, the present inventors investigated the amount of increase in temper softening resistance due to solid solution hardening of Si, Cr, Mn, Mo and the other added elements for Tests Nos. 16 to 31. Note that the temper softening resistance is usually measured by using a Vickers microhardness meter, etc. is evaluated for measuring the hardness in a micro range, but with this evaluation method, the increase in hardness due to precipitation hardening is also included and therefore the increase in hardness can not be measured only due to solid solution formation. Therefore, in this example, the inventors used the knowledge that the increase in hardness due to solid solution formation in the martensite structure is important for improving the tooth surface endurance of a gear, an optical microscope, scanning electron microscope, etc. to check the microstructure and to examine whether coarse carbides were present in the interval at a depth of 50 μm from the surface of the gears as an indicator of the amount of increase in hardness due to solid solution hardening in the martensite structure, and in particular whether the average size of the carbides is smaller than 1 was μm. Note that the average size of the carbides was measured as explained below. First, after the test, the gear was cut and embedded in a resin to produce a sample, which was then mirror-polished. Then, the polished surface of the sample was etched by a Nytal corrosion solution, a scanning electron microscope was used to randomly observe carbides to a depth of 50 μm from the gear surface, and the values of the observed carbide size were then arithmetically averaged.

Ferner ist es bekannt, dass, wenn der Ausgangspunkt der Martensitumformung in das Härtungsstadium fällt, die Menge an restlichem Austenit zunimmt und ein Abfall in der Festigkeit bewirkt wird. Daher wurde das Verhältnis der Menge des restlichen Austenits bei einer Tiefe von 50 μm von der Oberfläche des Zahnrades in jedem der Tests Nr. 16 bis 31 durch Beobachten der Struktur mittels eines Mikroskops gefunden. Die vorgenannten Testergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt. TABELLE 4

Further, it is known that when the starting point of the martensitic transformation falls in the hardening state, the amount of residual austenite increases and a decrease in strength is caused. Therefore, the ratio of the amount of residual austenite at a depth of 50 μm from the surface of the gear in each of Test Nos. 16 to 31 was found by observing the structure by means of a microscope. The aforementioned test results are shown in Table 4. TABLE 4

Aus diesen Ergebnissen wurde ersichtlich, dass, da die Tests Nr. 16 bis 24 der Beispiele der vorliegenden Erfindung Lebensdauern von mehr als 1,000,000 oder mehr hatten, diese eine hervorragende Zahnoberflächendauerfestigkeit haben.From these results, it became apparent that since Tests Nos. 16 to 24 of Examples of the present invention had lifetimes of more than 1,000,000 or more, they have excellent tooth surface endurance.

Dieses beruht, wie man glaubt, auf den Fakten, dass die Gewichtsprozente der in dem Stahlmaterial enthaltenen chemischen Bestandteile in den vorbestimmten Bereichen (C im Bereich von 0,15 bis 0,25%, Si im Bereich von 1,01 bis 1,5%, Mn im Bereich von 0,3 bis 2,0%, S im Bereich von 0,005 bis 0,05%, Cr im Bereich von 1,01 bis 1,8%, Mo im Bereich von 0,8 bis 1,2%, V im Bereich von 0,10 bis 0,25%, Al im Bereich von 0,001 bis 0,04%, N im Bereich von 0,003 bis 0,02%, und P bei 0,02% oder weniger) lagen, die Gesamtmengen von Si, Mn, Mo und V in dem Stahl mit 37Si(%) + 18Mn(%) + 10Cr(%) + 31Mo(%) + 21V(%) in den Bereich von 100 bis 150 lag, eine Vakuumkarbonisierung in einem Temperaturbereich von 900 bis 1050°C ausgeführt wird, und andere Bedingungen erfüllt werden, und dadurch der Anteil der Ausfällung von Karbiden an der Oberfläche des Zahnrades reduziert wird und der Anteil des restlichen Austenits auf unterhalb 20% begrenzt werden kann.This is believed to be based on the facts that the weight percentages of the chemical constituents contained in the steel material in the predetermined ranges (C in the range of 0.15 to 0.25%, Si in the range of 1.01 to 1.5 %, Mn in the range of 0.3 to 2.0%, S in the range of 0.005 to 0.05%, Cr in the range of 1.01 to 1.8%, Mo in the range of 0.8 to 1.2 %, V in the range of 0.10 to 0.25%, Al in the range of 0.001 to 0.04%, N in the range of 0.003 to 0.02%, and P in 0.02% or less) Total amounts of Si, Mn, Mo and V in the steel were 37Si (%) + 18Mn (%) + 10Cr (%) + 31Mo (%) + 21V (%) in the range of 100 to 150, vacuum carbonization in one Temperature range from 900 to 1050 ° C is performed, and other conditions are met, thereby reducing the proportion of precipitation of carbides on the surface of the gear and the proportion of residual austenite can be limited to below 20%.

Im Gegensatz dazu hatte in dem Vergleichsbeispieltest Nr. 26, trotz der kleinen Ausfällungsmenge von Karbiden und des das restlichen Austenits von 20% oder weniger, das Zahnrad eine unzureichende Lebensdauer von weniger als 1,000,000. Die Erfinder untersuchten dieses nach dem Test und lernten als Ergebnis, dass die schlechte Karbonisierung eine Abnahme der Konzentration von C an der Zahnradoberfläche auf niedrige 0,3% bewirkte. Daher glaubte man, dass, wenn der Si-Gehalt des Stahlmaterials über 1,5% liegt, sich die Karbonisierungsfähigkeit verschlechtert.In contrast, in Comparative Example Test No. 26, despite the small amount of precipitation of carbides and the remaining austenite of 20% or less, the gear had an insufficient life of less than 1,000,000. The inventors examined this after the test and, as a result, learned that the poor carbonization caused a decrease in the concentration of C on the gear surface to a low 0.3%. Therefore, it was believed that if the Si content of the steel material is over 1.5%, the carbonization ability deteriorates.

Auch in den Vergleichsbeispieltests Nr. 26 und Nr. 27 hatten die Zahnräder kleine Ausfällungsmengen an Karbiden und Mengen von restlichem Austenit von 20% und weniger und hatten trotzdem unzureichende Lebensdauern von weniger als 1,000,000. Dieses wurde aufgrund des Umstands für möglich, gehalten, dass die Gesamtmengen von Si, Mn, Cr, Mo und V in den Stahlmaterialien mit 37Si(%) + 18Mn(%) + 10Cr(%) + 31Mo(%) + 21V(%) kleiner als 100 waren. In dem Vergleichsbeispieltest Nr. 28 hatte das Zahnrad eine unzureichende Lebensdauer von kleiner als 1,000,000 und hatte keine Zahnoberflächendauerfestigkeit. Diese lag wie man glaubte daran, dass die Gesamtmenge von Si, Mn, Cr, Mo und V in dem Stahlmaterial mit 37Si(%) + 18Mn(%) + 10Cr(%) + 31Mo(%) + 21V(%) 150 überschritt und der Anteil des restlichen Austenits bis zu 30% betrug und daher die Festigkeit abfiel.Also in Comparative Example Tests Nos. 26 and 27, the gears had small amounts of precipitation of carbides and amounts of residual austenite of 20% and less and still had insufficient lives of less than 1,000,000. This was considered possible because of the fact that the total amounts of Si, Mn, Cr, Mo and V in the steel materials were 37Si (%) + 18Mn (%) + 10Cr (%) + 31Mo (%) + 21V (%). ) were less than 100. In Comparative Example Test No. 28, the gear had an insufficient life of less than 1,000,000 and had no tooth surface endurance. It was believed that the total amount of Si, Mn, Cr, Mo and V in the steel material exceeded 37Si (%) + 18Mn (%) + 10Cr (%) + 31Mo (%) + 21V (%) 150 and the proportion of residual austenite was up to 30% and therefore the strength dropped.

In dem Vergleichsbeispieltest Nr. 29 hatte das Zahnrad einen kleinen Ausfällungsanteil an Karbiden und einen Anteil von restlichem Austenit von 20% oder weniger und hatte trotzdem eine unzureichende Lebensdauer von weniger als 1,000,000. Es wurde erkannt, dass dieses auf der Korngrenzenoxidation von etwa 10 μm an der Zahnradoberfläche des Zahnrads beruhte, und dass diese Ausgangspunkte für einen Bruch bildete. Daher glaubte man, dass mit einer Gaskarbonisierungshärtung bei 950°C die in dem Trägergas enthaltene Feinmenge von Sauerstoff eine Korngrenzenoxidation an den Zahnoberflächen des Zahnrades bewirkt und einen Abfall in der Festigkeit mit sich bringt, so dass keine hervorragende Zahnoberflächendauerfestigkeit erzielt werden kann.In Comparative Example Test No. 29, the gear had a small precipitate content of carbides and a content of residual austenite of 20% or less and still had an insufficient life of less than 1,000,000. It was recognized that this was due to the grain boundary oxidation of about 10 microns on the gear surface of the gear, and that these were starting points for breakage. Therefore, it was believed that with gas carbonization hardening at 950 ° C, the fine amount of oxygen contained in the carrier gas causes grain boundary oxidation on the tooth surfaces of the gear and brings about a drop in strength, so that excellent tooth surface endurance can not be obtained.

Im Vergleichsbeispieltest Nr. 30 hatte das Zahnrad eine unzureichende Lebensdauer von weniger als 1,000,000 und keine hervorragende Zahnoberflächendauerfestigkeit. Die Erfinder untersuchten dieses nach dem Test. Als Ergebnis fanden sie heraus, dass ein Troostitgefüge beobachtet wurde und die Härtung unzureichend war. Diese unzureichende Härtung beruhte, wie man glaubte, darauf, dass sich Cr, Mo und V in fester Lösung in den Karbiden mit einer durchschnittlichen Größe von 15 μm oder ähnlich auflösten, die durch die Hochkohlenstoffkarbonisierung erzeugt wurden, und dadurch diese Elemente in dem Stahlmatrixmaterial zu wenig wurden. Deshalb glaubte man, dass mit einer Hochkohlenstoffkarbonisierung mittels einer Gaskarbonisierungshärtung bei 950°C keine hervorragende Zahnoberflächendauerfestigkeit erzielt werden kann.In Comparative Example Test No. 30, the gear had an insufficient life of less than 1,000,000 and no excellent tooth surface endurance. The inventors examined this after the test. As a result, they found that a troostite structure was observed and the cure was insufficient. This insufficient cure was believed to be due to solid solution dissolution of Cr, Mo and V in the carbides of average size 15μm or similar produced by the high carbon carbonation, and thereby these elements in the steel matrix material were little. Therefore, it was believed that high-carbon carbonization by gas carbonization hardening at 950 ° C could not achieve excellent tooth surface fatigue resistance.

In dem bei einer Vakuumkarbonisierungshärtung bei 890°C ausgeführten Vergleichsbeispieltest Nr. 31 wurde es deutlich, dass das Zahnrad eine unzureichende Lebensdauer von weniger als 1,000,000 hatte, und dass eine große Anzahl von Karbiden mit einer Durchschnittsgröße von 3 μm oder größer in dem Intervall von der Oberfläche des Zahnrades bis zu einer Tiefe von 50 μm verblieb. Deshalb glaubte man, dass mit einer Vakuumkarbonisierungshärtung bei 890°C eine große Anzahl von Karbiden mit einer Durchschnittsgröße von 3 μm oder mehr ausgebildet wird, und dass deshalb keine hervorragende Zahnoberflächendauerfestigkeit erzielt werden kann.In Comparative Example Test No. 31 performed at a vacuum carbonization hardening at 890 ° C, it became clear that the gear had an insufficient life of less than 1,000,000, and that a large number of carbides having an average size of 3 μm or larger in the interval of Surface of the gear remained up to a depth of 50 microns. Therefore, it was believed that vacuum carburization hardening at 890 ° C would form a large number of carbides having an average size of 3 μm or more, and therefore excellent tooth surface fatigue resistance could not be obtained.

Wie es vorstehend erläutert wurde, ist es möglich, effektiver die Anlassentfestigungsbeständigkeit zu verbessern und dadurch einen Einsatzstahl mit hervorragender Zahnoberflächendauerfestigkeit und ein denselben verwendendes Zahnrad bereitzustellen, und dass es möglich ist, diese zu verwenden, Kraftstoffwirkungsgrad von Automobilen, Baumaschinen, Industriemaschinen usw. beizutragen.As explained above, it is possible to more effectively improve the temper softening resistance and thereby to provide a case hardening steel excellent in tooth surface durability and a gear using the same, and it is possible to use them to contribute fuel efficiency of automobiles, construction machines, industrial machines and so on.

Claims

Case hardening steel with excellent tooth surface fatigue resistance, characterized in that it contains by weight: C: 0.1 to 0.3%, Si: 1.01 to 2.0%, Mn: 0.3 to 2.0%, S: 0.005 to 0.05%, Cr: 1.01 to 2.6%, Mo: 0.8 to 4.0%, V: 0.1 to 0.3%, Al: 0.001 to 0.2%, and N: 0.003 to 0.03%, P limited to 0.03% or less , optionally one or both of Nb: 0.2% or less and Ti: 0.2 or less, and having a balance of iron and unavoidable impurities, satisfying the following equation (1).

31Si (%) + 15Mn (%) + 23Cr (%) + 26Mo (%) + 100V (%) ≥ 100 (1)

A gear having excellent tooth surface endurance, characterized by comprising the steel of claim 1 and having an X-ray diffraction half-width at a depth of 50 μm from the gear surface of 6.4 ° or more when the steel is formed into a gear shape and the same carbonized or carbonated The "X-ray diffraction half-width" referred to herein means the half-width of the peak when a micro-surface X-ray residual stress (Cr) measuring system is used to measure the α-Fe (211) plane over 60 seconds.

A gear having excellent tooth surface fatigue strength according to claim 2, characterized in that the amount of Si, Cr, Mo and V on Si is 1.01 to 1.5%, Cr is 1.01 to 1.8%, Mo is 0.8 is limited to 1.2% and V: 0.10 to 0.25%, and satisfies the following equation (2) instead of the equation (1).

37Si (%) + 18Mn (%) + 10Cr (%) + 31Mo (%) + 21V (%) = 100 ~ 150 (2)

A method for producing a gear having excellent tooth surface endurance, characterized in that the steel according to claim 3 is formed into a gear shape, and then subjected to vacuum carbonization or vacuum carbonitriding at a heating temperature of 950 ° C or more.

A method for producing a gear having excellent tooth surface endurance according to claim 4, characterized in that the heating temperature is in the range of 950 to 1050 ° C.