JP5178104B2 - 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
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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ることのできるはだ焼鋼に関する。
自動車の動力伝達用の歯車は、主として優れた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・焼戻しを行な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。
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：０．４０〜０．７３％、Ｍｎ：０．１０〜０．７２％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０〜３．０％、Ａｌ：０．０２〜０．０５％、Ｎ：０．０１〜０．０３％、およびＮｂ：０．０２〜０．２０％を含有し、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２の発明では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜０．７３％、Ｍｎ：０．１０〜０．７２％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０〜３．０％、Ａｌ：０．０２〜０．０５％、Ｎ：０．０１〜０．０３％、およびＮｂ：０．０２〜０．２０％を含有し、さらにＮｉ：３．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下の１種又は２種を含有し、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、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜０．７３％、Ｍｎ：０．１０〜０．７２％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５〜３．０％、Ａｌ：０．０２〜０．０５％、Ｎ：０．０１％未満、Ｔｉ：０．１０〜０．２０％、およびＮｂ：０．０２〜０．２０％を含有し、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。
請求項４の発明では、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜０．７３％、Ｍｎ：０．１０〜０．７２％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５〜３．０％、Ａｌ：０．０２〜０．０５％、Ｎ：０．０１％未満、Ｔｉ：０．１０〜０．２０％、およびＮｂ：０．０２〜０．２０％を含有し、さらにＮｉ：３．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下の１種または２種を含有し、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。
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。
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：０．４０〜０．７３％
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。しかしながら、Ｎｂを必須とする鋼の場合には、実施例に合せてＳｉの上限は０．７３％とする。
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。しかしながら、Ｎｂを必須とする鋼の場合には、実施例に合せてＳｉの上限は０．７３％とする。
Ｍｎ：０．１０〜０．７２％
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、０．１５％を超えると、加工性を低下する。しかしながら、Ｎｂを必須とする鋼の場合には、実施例に合せてＭｎの上限は０．７２％とする。
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、０．１５％を超えると、加工性を低下する。しかしながら、Ｎｂを必須とする鋼の場合には、実施例に合せてＭｎの上限は０．７２％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。
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として存在することにより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させる。そこで、Ｓは０．０３０％以下とする。
Ｓは、鋼中にＭｎＳとして存在することにより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させる。そこで、Ｓは０．０３０％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、靱性及び焼戻し軟化抵抗特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。
Ｃｒは、鋼の焼入性、靱性及び焼戻し軟化抵抗特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。
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。
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。
Ｎ：１００〜３００ｐｐｍ
Ｎは、鋼中のＡｌと反応してＡｌＮを生成し、浸炭時におけるオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する作用を有するが、Ｎが１００ｐｐｍ未満であると結晶粒粗大化を防止する効果が小さく、多すぎると窒化物が増加して疲労強度及び加工性が低下する。そこでＮは１００〜３００ｐｐｍとする。
Ｎは、鋼中のＡｌと反応してＡｌＮを生成し、浸炭時におけるオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する作用を有するが、Ｎが１００ｐｐｍ未満であると結晶粒粗大化を防止する効果が小さく、多すぎると窒化物が増加して疲労強度及び加工性が低下する。そこでＮは１００〜３００ｐｐｍとする。
ところで請求項３、請求項４の手段は、請求項１、請求項２の手段の鋼成分に、さらにＴｉを添加した鋼であり、このようにＴｉを添加した場合はＮを次の段落に記載するように規定するものである。
Ｎ：１００ｐｐｍ未満、望ましくは５０ｐｐｍ以下
Ｎは、多すぎるとＴｉＮが過剰に生成して疲労強度を低下し、さらに加工性を低下する。そこでＴｉを添加する請求項３、請求項４の場合は、Ｎを１００ｐｐｍ未満に規定する。
Ｎは、多すぎるとＴｉＮが過剰に生成して疲労強度を低下し、さらに加工性を低下する。そこでＴｉを添加する請求項３、請求項４の場合は、Ｎを１００ｐｐｍ未満に規定する。
Ｔｉ：０．１０〜０．２０％、望ましくは０．１２〜０．１７％
Ｔｉは、結晶粒の粗大化を防止する効果を有するが、０．１０％未満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０．１０〜０．２０％、望ましくは０．１２〜０．１７％とする。
Ｔｉは、結晶粒の粗大化を防止する効果を有するが、０．１０％未満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０．１０〜０．２０％、望ましくは０．１２〜０．１７％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、かつ真丹精を阻害する。そこで、Ｎｂは０．０２〜０．２０％、望ましくは０．０３〜０．１０％とする。
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、かつ真丹精を阻害する。そこで、Ｎｂは０．０２〜０．２０％、望ましくは０．０３〜０．１０％とする。
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。
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、靱性及び焼戻し軟化抵抗特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。
Ｍｏは、鋼の焼入性、靱性及び焼戻し軟化抵抗特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。
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両方の特性を向上させ、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。
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なった後、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℃に焼戻す方法による。
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。
表２に見られるように、本発明の実施例はＳｉ、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、密な異常層を生成することができ、衝撃強度、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。
Claims (4)
- 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜０．７３％、Ｍｎ：０．１０〜０．７２％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０〜３．０％、Ａｌ：０．０２〜０．０５％、Ｎ：０．０１〜０．０３％、およびＮｂ：０．０２〜０．２０％を含有し、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。
- 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜０．７３％、Ｍｎ：０．１０〜０．７２％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５０〜３．０％、Ａｌ：０．０２〜０．０５％、Ｎ：０．０１〜０．０３％、およびＮｂ：０．０２〜０．２０％を含有し、さらにＮｉ：３．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下の１種または２種を含有し、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。
- 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜０．７３％、Ｍｎ：０．１０〜０．７２％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．５〜３．０％、Ａｌ：０．０２〜０．０５％、Ｎ：０．０１％未満、Ｔｉ：０．１０〜０．２０％、およびＮｂ：０．０２〜０．２０％を含有し、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。
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