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JP2009068064A - 面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼 - Google Patents

面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼 Download PDF

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Abstract

【課題】 浸炭歯車の面圧強度と衝撃強度の向上及び回転曲げ疲労強度の向上を両立させ、低コストで歯車の主要特性を向上させた高強度のはだ焼鋼を提供することである。
【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０〜３．０％、Ｔｉ：０．０２〜０．２０％、Ａｌ：０．０２〜０．０５％、Ｂ：０．００１０〜０．００５０％、Ｎ：０．０１％以下を含有し、Ｔｉ＞３．４Ｎ、７Ｓｉ＋３Ｃｒ＋Ｍｎ≧７．０を満足し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなる鋼を図４に示す工程でガス浸炭及び焼入れ・焼戻しをした面圧強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れた歯車用のはだ焼鋼である。
【選択図】 図４

Description

本発明は、低コストのガス浸炭焼入れ・焼戻しを施すことにより、動力を伝達する歯車の主要必要特性である、面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度を向上させたはだ焼鋼に関する。
自動車の動力伝達用の歯車は、主として歯面の面圧疲労強度と歯元の衝撃強度及び曲げ疲労強度が要求される。このため、自動車の動力伝達用の歯車には、ＪＩＳ鋼のＳＣｒ４２０やＳＣＭ４２０などのはだ焼鋼に浸炭焼入れ・焼戻しを行い使用される場合が多い。しかし、近年地球温暖化防止気運が高まり、自動車の二酸化炭素排出量削減のための燃費向上ニーズが高まっている。そのため、歯車の小型軽量化ニーズが高まっており、上記ＪＩＳ鋼では十分な強度が得られなくなってきている。
従来、歯車用のはだ焼鋼において、面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度を同時に向上させようとした場合は、一般的なＪＩＳ ＳＣｒ４２０やＳＣＭ４２０に対し、Ｓｉ量を低減し、浸炭異常層深さを抑制し、Ｃｒ、Ｍｏなどの合金元素を増量添加し、焼戻し軟化抵抗特性を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この技術はＳｉを低減したことにより、焼戻し軟化抵抗特性はそれほど高くなく、面圧強度は十分とは言えない。
一方、従来のＪＩＳはだ焼鋼に対し、Ｓｉを増量し、焼戻し軟化抵抗特性を向上させ、かつ浸炭異常層深さを低減し、衝撃強度や曲げ疲労強度を低下させることなく、面圧強度を向上させた歯車用はだ焼鋼が提案されている（特許文献２）。しかし、この技術はＳｉ量が浸炭異常層深さに影響を及ぼすことは述べられているが、その他の元素が浸炭異常層深さや形態にどの様な影響を及ぼすかは述べられておらず、その他の元素の影響は不明である。
特開２０００−２９７３４７号公報 特開平７−２５８７９３号公報
本願の発明が解決しようとする課題は、浸炭歯車の面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度の全ての特性を向上させ、低コストのガス浸炭で浸炭部品の強度を向上させるはだ焼鋼を提供することである。
上記の課題を解決するための、本発明の手段は、請求項１の発明では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．５％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０〜３．０％、Ｔｉ：０．０２〜０．２０％、Ａｌ：０．０２〜０．０５％、Ｂ：０．００１０〜０．００５０％、Ｎ：０．０１％以下を含有し、Ｔｉ＞３．４Ｎ、７Ｓｉ＋３Ｃｒ＋Ｍｎ≧７．０を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが１０μｍ以下であることを特徴とする面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼である。
請求項２の発明では、請求項１の組成に加え、さらに質量％で、Ｎｉ：３．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下の１種または２種を含有し、Ｔｉ＞３．４Ｎ、７Ｓｉ＋３Ｃｒ＋Ｍｎ≧７．０を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが１０μｍ以下であることを特徴とする面圧強度と衝撃強度、及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼である。
請求項３の発明では、請求項１の組成に加え、さらにＮｂ：０．０２〜０．２０％、Ｖ：０．０２〜０．２０％の１種または２種を含有し、Ｔｉ＞３．４Ｎ、７Ｓｉ＋３Ｃｒ＋Ｍｎ≧７．０を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが１０μｍ以下であることを特徴とする面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼である。
請求項４の発明では、請求項２の組成に加え、さらにＮｂ：０．０２〜０．２０％、Ｖ：０．０２〜０．２０％の１種または２種を含有し、Ｔｉ＞３．４Ｎ、７Ｓｉ＋３Ｃｒ＋Ｍｎ≧
７．０を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが１０μｍ以下であることを特徴とする面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼である。
上記の手段における鋼成分の限定理由を以下に説明する。なお、以下において、％は質量％を示す。
Ｃ：０．１０〜０．３５％、望ましくは０．１０〜０．２５％
Ｃは、強度を付与するために必要な元素であるが、０．１０％未満であると、浸炭焼入後の芯部強度が確保できず低く、０．３５％超えると靱性が低下するとともに素材の硬度が上昇して加工性が劣化する。そこで、Ｃは０．１０〜０．３５％とし、望ましくは０．１０〜０．２５％とする。
Ｓｉ：０．４０〜１．５０％、望ましくは０．５〜１．０％
Ｓｉは、本発明において重要な元素であり、鋼の脱酸に有効な元素であるとともに、鋼に必要な強度及び焼入性を付与し、焼戻し軟化抵抗特性を向上し、一定量以上の添加で浸炭異常層深さを小さくするために有効な元素であるが、０．４０％未満では、焼戻し軟化抵抗特性が低く、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが大きくなる。一方、１．５０％を超えると素材硬度が上昇し、加工性が劣化する。そこで、Ｓｉは０．４０〜１．５０％とし、望ましくは０．５０〜１．０％とする。
Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、望ましくは０．１０〜１．０％
Ｍｎは、鋼の焼入性を向上させる元素であるが、０．１０％未満では脱酸が不十分であり、１．５０％を超えると、加工性を低下する。そこで、Ｍｎは０．１０〜１．５０％、望ましくは０．１０〜１．０％とする。
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、粒界に偏析して靱性及び疲労強度を低下させ、その結果、衝撃強度及び曲げ疲労強度を低下させる元素である。そこで、Ｐは０．０３０％以下とする。
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、鋼中にＭｎＳとして存在し素材の被削性を向上させる元素であるが、０．０３０％を超えると、粒界偏析により粒界脆化を招き、冷間加工性及び靱性を劣化する。そこで、Ｓは以下とする。
Ｃｒ：０．５０〜３．０％、望ましくは１．５〜３．０％
Ｃｒは、鋼の焼入性及び靱性の向上に必要な元素である。少な過ぎると焼戻し軟化抵抗特性が低くなるので、下限値を０．５％とし、望ましくは１．５％する。しかし、多すぎると加工性を低下させ、かつ浸炭性を低下するので、Ｃｒは、３．０％以下とする。
Ｎｉ：３．０％以下
Ｎｉは、鋼の焼入性及び靱性の向上に有効な元素である。３．０％を超えると素材の硬度が上昇しすぎて加工性を低下させ、かつ、鋼材コストを上昇する。そこでＮｉは３．０％以下とする。
Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは、鋼の焼入性及び靱性の向上に必要な元素である。しかし、多すぎると加工性を低下し、かつ鋼材コストが上昇する。そこでＭｏは１．０％以下とする。
Ａｌ：０．０２〜０．０５％
Ａｌは、鋼の脱酸作用を有すると同時に、窒素と結合してＡｌＮを生成し、結晶粒の粗大化を抑制する効果を有するが、多すぎると脱酸効果が不十分であり、多くなり過ぎると酸化物が増加して疲労強度を低下し、さらに加工性を低下する。そこで、Ａｌは０．０２〜０．０５％とする。
Ｔｉ：０．０２〜０．２０％
Ｔｉは、ＴｉＣとして鋼中に微細に析出し、鋼を分散強化し、疲労き裂の生成、伝播を抑制する元素であるが、０．０２％以下ではその効果は小さく、０．２０％を超えると加工性を低下する。そこで、Ｔｉは０．０２〜０．２０％とする。
Ｂ：０．００１０〜０．００５０％
Ｂは、極微量の添加によって鋼の焼入れ性を著しく向上させる元素であり、かつ粒界に偏析し粒界破壊を抑制することにより浸炭焼入れ・焼戻し後の疲労強度や衝撃強度を向上させるが、０．００１０％未満ではその効果が十分でなく、０．００５％を超えると逆に強度を低下させる。そこで、Ｂは０．００１０〜０．００５０％とする。
Ｎb：０．０２〜０．２０％、望ましくは０．０３〜０．１０％
Ｎｂは、結晶粒の粗大化を防止する効果を有するが、０．０２％未満ではその効果は小さく、０．２０％を超えるとその効果は飽和する傾向があり、かつ浸炭性を阻害する。そこで、Ｎｂは０．０２〜０．２０％、望ましくは０．０３〜０．１０％とする。
Ｖ：０．０２〜０．２０％、望ましくは０．０５〜０．１０％
Ｖは、結晶粒の粗大化を防止する効果を有するが、０．０２％未満ではその効果は小さく、０．２０％を超えるとその効果は飽和する傾向があり、かつ加工性を低下する。そこで、Ｖは０．０２〜０．２０％、望ましくは０．０５〜０．１０％とする。
Ｎ：０．０１％（１００ｐｐｍ）以下
Ｂは、鋼中に固溶することによって上記効果を発揮するが、Ｂ添加時にｆｒｅｅ−Ｎが存在すると、ＢＮを生成してしまい上記効果を発揮できなくなるため、Ｂ添加前にＴｉを添加し、鋼中のｆｒｅｅ−ＮをＴｉＮの形で固定する必要がある。Ｎが多すぎるとＴｉＮ量が多くなり、疲労強度、衝撃強度、加工性を低下するので、Ｎは０．０１０％以下とする。また、全てのｆｒｅｅ−ＮをＴｉＮの形で固定するためには３．４Ｎ＜Ｔｉを満たさなければならない。
本発明は、上記の手段とすることにより、浸炭部品の焼戻し軟化抵抗特性を向上しつつ、浸炭異常層が浅くなり、面圧強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度の全ての特性を向上させ、さらにガス浸炭法により密な異常層を生成することで製品である歯車の歯面の接触面のなじみ性を向上させ面圧強度をさらに向上させるはだ焼鋼を提供することができた。
前述の特許文献２に示されているように、Ｓｉを増量していくと浸炭異常層深さはある値で最も深くなり、それ以上の添加で逆に浅くなることが示されている。しかし、発明者らは、鋭意研究したところ、Ｓｉ以外のＣｒ、Ｍｎにも同様の効果があり、７Ｓｉ＋３Ｃｒ＋Ｍｎ≧７．０を満たせば、浸炭異常層の深さが浅くなることを見出し、本発明を開発した。
そこで、本発明の実施の形態を以下に説明する。表１に示す比較例及び本発明の実施例の化学成分の鋼を１００ｋｇ真空溶解炉で溶製し、インゴットに鋳造して鋼片とし、この鋼片を１２５０℃に加熱して５時間保持して溶体化処理した後、棒鋼に鍛伸した。シャルピー衝撃試験片は角４０（４０ｍｍ×４０ｍｍ角棒）に、回転曲げ疲労試験片はφ２０（径２０ｍｍ丸棒）に、ローラーピッチング試験片はφ３２（径３２ｍｍ丸棒）にそれぞれ鍛伸した。
Figure 2009068064
ついで、この棒鋼を９００℃に加熱し、１時間保持後空冷して焼きならしを行った後、図１に示す形状の２ｍｍ１０ＲＣノッチを有するシャルピー衝撃試験片と、図２に示す形状の２ｍｍＶノッチを有する回転曲げ疲労試験片と図３に示す形状のローラーピッチング試験片を作製し、それぞれ図４に示す浸炭焼入・焼戻し条件によりガス浸炭による浸炭焼入・焼戻しを行った。
この場合、ガス浸炭処理は、機械加工後の鋼部材を８００〜１０００℃に加熱し、加熱炉中でＣＯ又はＣＨ4を含有する浸炭ガス雰囲気中に１〜５時間保持し、鋼部材の表面から１ｍｍ程度の深さまで炭素を拡散浸透させた。浸炭が終了した鋼部材は水中、または油中で焼入れし、さらに１５０〜２００℃に焼戻した。
次いで、シャルピー衝撃試験、回転曲げ疲労試験、ローラーピッチング試験を実施し、その結果の比較例及び本発明の実施例の浸炭異常層深さ、衝撃値、回転曲げ疲労強度並びにローラーピッチング寿命を表２に示す。回転曲げ疲労強度は１０7サイクル強度で評価をおこなった。また、表２の衝撃値、回転曲げ疲労強度並びにローラーピッチング寿命は比較例１の強度を１．０とした際の強度比で示す。
Figure 2009068064
表２に見られるように、本発明の実施例の各鋼は、成分のＳｉ量、Ｃｒ量およびＭｎ量を７Ｓｉ＋３Ｃｒ＋Ｍｎ≧７．０を満足する範囲のものとしたことで、浸炭異常層の深さが１０μｍ以下と浅くなり、密な異常層を生成することができ、衝撃強度および曲げ疲労強度を向上させ、ローラーピッチング寿命も大幅に向上できた。
２ｍｍ１０ＲＣノッチを有するシャルピー衝撃性試験片で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図を示し、数値の単位はｍｍである。 ２ｍｍＶノッチを有する回転曲げ疲労試験片で、（ａ）は正面図、（ｂ）はノッチ部の拡大図を示し、数値の単位はｍｍである。 ローラーピッチング試験片の形状を示し、数値の単位はｍｍである。 ガス浸炭による浸炭焼入・焼戻し例で、（ａ）は浸炭焼入、（ｂ）は焼戻しを示す。

Claims (4)

  1. 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０〜３．０％、Ｔｉ：０．０２〜０．２０％、Ａｌ：０．０２〜０．０５％、Ｂ：０．００１０〜０．００５０％、Ｎ：０．０１％以下を含有し、Ｔｉ＞３．４Ｎ、７Ｓｉ＋３Ｃｒ＋Ｍｎ≧７．０を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが１０μｍ以下であることを特徴とする面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼。
  2. 請求項１の組成に加え、さらに質量％で、Ｎｉ：３．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下の１種または２種を含有し、Ｔｉ＞３．４Ｎ、７Ｓｉ＋３Ｃｒ＋Ｍｎ≧７．０を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが１０μｍ以下であることを特徴とする面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼。
  3. 請求項１の組成に加え、さらにＮｂ：０．０２〜０．２０％、Ｖ：０．０２〜０．２０％の１種または２種を含有し、Ｔｉ＞３．４Ｎ、７Ｓｉ＋３Ｃｒ＋Ｍｎ≧７．０を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが１０μｍ以下であることを特徴とする面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼。
  4. 請求項２の組成に加え、さらにＮｂ：０．０２〜０．２０％、Ｖ：０．０２〜０．２０％の１種または２種を含有し、Ｔｉ＞３．４Ｎ、７Ｓｉ＋３Ｃｒ＋Ｍｎ≧７．０を満足し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、ガス浸炭時の浸炭異常層深さが１０μｍ以下であることを特徴とする面圧疲労強度と衝撃強度及び曲げ疲労強度に優れたはだ焼鋼。
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