JP2623005B2 - ショットピーニング処理型の高疲労強度歯車用肌焼鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は歯車等の機械構造用のアークハイト0.8A以上
の強力ショットピーニング処理型の高疲労強度歯車用肌
焼鋼に関するものである。

［従来の技術］ 従来より、歯車等の機械構造用の肌焼鋼においては、
被削性や冷間鍛造性、転動疲労特性、耐ピッチング性、
回転曲げ疲労特性等を向上させるためには、酸素量の低
減が効果あることが知られている。

例えば、特開昭58−45354号、特開昭60−208413号、
特公昭61−10028号、特開昭61−44159号、特公昭63−32
858号、特公昭63−32859号等の公報には、夫々焼肌鋼や
浸炭用鋼に係る発明が開示されている。これら前記の発
明鋼には、被削性や冷曲加工時の割れの観点から、鋼中
の酸素含有量を0.0015％〜0.0050％以下に制限した組成
となっている。

また、特開昭62−54064号、特開昭62−274025号、特
開昭63−60257号、特開昭63−118052号等の公報には、
転動疲労特性、耐ピッチング性の上から酸素含有量を0.
0010％〜0.0015％以下に制限している。

また、特開昭61−163246号、特開昭62−63653号、特
開昭63−137145号等の公報には、酸化物系介在物の生成
を抑制するためと、耐ピッチング性及び回転曲げ疲労の
観点から、酸素含有量を0.0015％〜0.0030％以下に低減
せしめている。

耐ピッチング性や疲労強度を向上させるための方法と
して、鋼の成分と製造プロセスを組合せたものに、特開
昭62−196322号の機械構造用部品の製造方法がある。

上記公報には、Mn 2.0〜5.0％と高Mnの浸炭性焼入れ
鋼に残留オーステナイトを生成させ、その上でショット
ピーニングを施し、疲労強度を向上させることが開示さ
れている。

尚ショットピーニングとは、ショット（鋼粒）を鋼材
の表面に噴射して、表面層に残留圧縮応力を生ぜしめ、
かつ加工硬化によってこれを強化する一種の表面加工硬
化法を言い、ショットピーニングを施したものは特に疲
れ強さが増加するので、バネ、シャフト、ピンなどの表
面加工に常用される。

またショットには、鋳鉄のチルショット、鋼粒ショッ
ト、カットワイヤーショット、マルテンショットなどの
種類があり、ショットピーニングの程度を定量的に表現
するには、アルメンゲージというものを用い、その盛上
がり高さ（アークハイト）によって行う。

［発明が解決しようとする課題］ 以上の従来の機械構造用の肌焼鋼においては、特開昭
62−196322号公報以外は、回転曲げによる疲労強度が10
00MPaを越えるものについては開示されていない。

また、上記特開昭62−196322号公報には、高Mn鋼をシ
ョットピーニングすることにより、疲労強度が1000MPa
以上の高疲労強度が得られているものの、このような高
Mn鋼には、鋼の製造条件や歯車の浸炭条件や熱処理条件
が従来鋼と変わり、工業的には使用上の新たな問題を招
く等の欠点があった。

本発明は、上記の問題点を解消した、強力ショットピ
ーニング処理型の高疲労強度歯車用肌焼鋼を提供するこ
とを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の第１は、 ショットピーニング処理効果に優れた重量％で、C:0.
1〜0.3％,Si:0.05〜0.5％,Mn:0.4〜1.5％,Cr:0.2〜1.5
％,Sol.Al:0.015〜0.05％,Total N:0.0050〜0.0200％,T
otal O:0.0010％以下及び混入するTi、Nb、Zrのいずれ
も0.005％以下とし、残部Fe及び不可避不純物からな
り、鋼中の直径20μｍ以上の酸化物系介在物と窒化物系
介在物を鋼1g当り14箇以下とするショットピーニング処
理型の高疲労強度歯車用肌焼鋼である。

また本発明の第２は、 ショットピーニング処理効果に優れた重量％で、C:0.
1〜0.3％,Si:0.05〜0.5％,Mn:0.4〜1.5％,Cr:0.2〜1.5
％,Sol.Al:0.015〜0.05％,Total N:0.0050〜0.0200％,T
otal O:0.0010％以下及び混入するTi、Nb、Zrのいずれ
も0.005％以下とし、さらにCu:0.1〜0.5％,Ni:0.2〜2.5
％,Mo:0.1〜0.5％のうち１種または２種以上を含有し、
残部Fe及び不可避不純物からなり、鋼中の直径20μｍ以
上の酸化物系介在物と窒化物系介在物を鋼1g当り14箇以
下とするショットピーニング処理型の高疲労強度歯車用
肌焼鋼である。

［作用］ このような強力ショットピーニング処理型の高疲労強
度歯車用肌焼鋼の成分値並びに酸化物系及び窒化物系介
在物の個数を限定した理由について以下に述べる。

（１）Ｃについて Ｃは浸炭焼入れにより芯部の硬さを確保するために必
要な元素であり、歯車やシャフト等に要求される疲労強
度を確保するためのHRC₂₅以上を得るためには少なくと
も0.10％以上添加する必要がある。

しかし、多量の添加は浸炭後の衝撃特性や切削性を損
なうので上限を0.3％に設定しＣ含有量の範囲を0.10〜
0.3％とした。

（２）Siについて Siは脱酸効果を確保するために必要な元素であり、0.
05％を下回るとこの硬化が確保出来なくなるので0.05％
を下限とする。また、0.5％を越えて添加すると、浸炭
時に浸炭異状層の発生を助長するので0.5％を上限と
し、Si含有量の範囲を0.05〜0.5％とした。

（３）Mnについて Mnは脱酸効果、脱硫効果、焼入性の向上のために添加
する元素である。しかし0.4％を下回ると、これらの効
果が確保出来なくなるので0.4％を下限とする。また、
1.5％を越えて添加すると、浸炭後の衝撃特性や鋼の加
工性を損なうので、1.5％を上限とし、Mn含有量の範囲
を0.40〜1.5％とした。

（４）Crについて Crは焼入性及び焼入、焼戻し後の強度を向上させるた
めに必要であり、浸炭部品に対しては、浸炭層の硬さ及
び有効浸炭深さの向上のためには0.2％以上添加する必
要があるので、0.2％を下限とした。しかし、添加量が
1.5％を越えて添加すると、過剰浸炭を招き、焼入性、
切削性を劣化させるので、1.5％を上限とし、Cr含有量
の範囲を0.2〜1.5％とした。

（５）Sol.Alについて Alは鋼の溶解時に脱酸材として、また浸炭時には、Ｎ
の結合してAlNを生成し、結晶粒の成長を抑制する。し
かし、0.015％以下では、これらの効果が確保出来なく
なるので0.015％を下限とした。また0.05％以上を添加
すると、酸化物系の介在物を多量に生成し、疲労強度を
劣化させるため0.05％を上限とし、Sol.Al含有量の範囲
を0.015〜0.05％とした。

（６）Total Nについて ＮはAlと結合してAlNを生成し、浸炭時に結晶粒粗大
化を防止する効果がある。

しかし、0.0060％以下ではこの効果が少なくので、0.
0060％を下限とした。

また0.0200％以上を添加すると、靭性を損なうので、
0.0200％を上限とし、Total N含有量の範囲を0.0060〜
0.0200％とした。

（７）Total Oについて Ｏは酸化物系介在物を生成し、歯車などの歯元疲労強
度、転動疲労特性、耐ピッチング特性に悪影響を与える
のでTotal O含有量を0.0010％以下と定めた。

（８）Ti、Nb、Zrについて Tiは鋼中のＮと結合し、TiNを生成する。このTiNは酸
化物系介在物と同様に疲労強度に悪影響を与えるので混
入するTiの上限を0.005％以下とした。

さらにTiの他、Nb、Zrなどの元素も高硬度の介在物を
生成する可能性があるので、同様にこれらの元素の上限
も0.005％以下とした。

（９）Cuについて Cuは任意添加元素の１種であり、浸炭異状層の生成防
止に効果がある。しかし、0.1％を下回るとこの効果が
少なくなるので、0.1％を下限とした。また、0..5％を
越えて添加すると、浸炭性が低下するので、0.5％を上
限とし、Cu含有量の範囲を0.1〜0.5％とした。

（10）Niについて Niも任意添加元素の１種であり、鋼の焼入性、浸炭性
を向上させる元素であり、また浸炭異状層の発生を抑制
する作用がある。

これらの作用を発揮させるため、少なくとも0.2％の
添加が必要であるので、0.2％を下限とした。また、Ni
は高価な元素であるため2.5％を越えて添加することは
得策ではないので、2.5％を上限とし、Ni含有量の範囲
を0.2〜2.5％とした。

（11）Moについて Moも任意添加元素の１種であり、Niと同様、鋼の焼入
性、浸炭性を向上させる元素であり、また浸炭異状層の
発生を抑制する作用がある。

これらの作用を発揮させるため、少なくとも0.1％の
添加が必要であるため、0.1％を下限とした。また、Mo
も高価な元素であるので0.5％を越えて添加することは
得策ではないので、0.5％を上限とし、Mo含有量の範囲
を0.1〜0.5％とした。

これらCu,Ni,Moのうち１種または２種以上を夫々含有
することが望ましい。

（12）鋼中の介在物について また鋼中の直径20μｍ以上の酸化物系介在物及び窒化
物系介在物の個数を鋼1g当り14個以下に限定したのは、
後述する実施例にも明らかなように、これら介在物が鋼
1g当り14個を越えた個数を含むと歯車などの曲げ疲労強
度が低下するためであり、さらに転動疲労特性や耐ピッ
チング特性への効果が期待できるからである。

直径20μｍ以上の酸化物系介在物と窒化物系介在物が
存在しない鋼或いは、より小さな介在物についても存在
しない鋼が望ましいが、工業的規模では上記のような介
在物の存在しない鋼を得ることは困難なため、サイズを
20μｍ以下、酸化物系介在物及び窒化物系介在物の個数
を鋼1g当り14個以下に限定した。

以下、本発明の実施例を説明する。

［実施例］ 表１は、本実施例に用いた本発明鋼と比較鋼の化学成
分値（重量％）であり、表２は、本実施例において用い
たショットピーニング条件である。

まず、上記の表１に示す化学成分を有すＡ〜Ｋまでの
11種類の鋼を溶製し、造塊した後、曲げ疲労試験片（直
径φ6mm）を作成した。

また表１に示す低酸素鋼（O:0.0009％，鋼Ａ）と通常
酸素鋼（O:0.0021％，鋼Ｂ）を用いて、表２に示すショ
ットピーニング条件により低酸素化の効果を調べた結
果、第１図並びに第２図に示すようなことが判明した。

第１図及び第２図は本発明鋼（低酸素鋼：鋼Ａ）及び
通常酸素鋼（鋼Ｂ）の場合の夫々φ６試験片回転曲げ疲
労試験結果を示し、応力振幅・MPaと繰り返し数との関
係グラフである。

さらに、表３は本実施例における鋼Ａ〜Ｋ鋼の鋼中の
20μｍ以上の酸化物系及び窒化物系介在物の鋼1g当りの
個数並びに各ショットピーニング条件毎の曲げ疲労試験
による疲労限MPa（kgf/mm²）の疲労試験結果である。

第１図、第２図並びに第３表に示すように、ショット
ピーニングを施さない場合には、AB両鋼とも637MPaの疲
労強度が得られ、Total O含有量0.0021％（鋼Ｂ）から
0.0009％（鋼Ａ）へと低酸素化してもその効果は、全く
認められなかった。

さらに、ショットピーニング条件のうち、アークハイ
ト値が0.45Aの従来条件のショットピーニングを施した
場合には、AB両鋼とも疲労強度の疲労限が1005MPaとな
り、ショットピーニングの効果は認められるものの、や
はり低酸素化してもその効果は認められないことを示し
ている。

それに対し、ショットピーニング条件のうち、アーク
ハイト値が0.30C（1.1A相当）の強力なショットピーニ
ングを施した場合、通常酸素鋼（鋼Ｂ）では疲労強度の
疲労限が1005MPaであるのに対し、低酸素鋼（鋼Ａ）の
疲労強度の疲労限は1127MPaと大きく向上していること
が判る。

この理由としては、ショットピーニング無し材では、
疲労破壊の起点が表面異状層から発生しているのに対
し、強力ショットピーニングにより表面を強化した材料
では、鋼中の粗大な酸化物系介在物等を起点として内部
から破壊が発生していることによることを確認した。

破面上の破壊起点としての介在物の平均直径は通常酸
素鋼では25μｍ、低酸素鋼では17μｍであった。

即ち、曲げ疲労試験による疲労強度を1000MPaを大き
く越えたレベルにまで向上させるためには、単に鋼中の
酸素量を低減すればよいというものではなく、アークハ
イトが0.8A以上の強力ショットピーニングにより表面を
強化し、同時に鋼中の粗大な硬い介在物低減することが
必須条件であることを確認した。

さらに、詳細な検討の結果、鋼の疲労強度は次の実験
式で示されることがわかった。

この式を用いて、1005MPa以上の疲労限を得るため
の、表面からの深さと非金属介在物の直径を求めると第
３図のように、直径20μｍ以上の介在物が破壊の起点に
なりうるといえる。

また、この値は疲労破壊面に認められた介在物のサイ
ズと良い一致があることがわかり、20μｍ以上の粗大な
介在物を減少させることが疲労強度の向上に重要なこと
が分かる。

以上より、表１の鋼Ａ及びＣからＦまでは、いずれも
化学成分及び鋼中の介在物個数が先に限定した範囲を満
足せしめる本発明鋼である。

これらの鋼に、ショットピーニング条件のうち、アー
クハイト値で0.30C（1.1A相当）の強力なショットピー
ニングを施すことにより1000MPaを大幅に上回る疲労強
度が得られている。

それに対し、鋼ＧからＫまでの鋼は酸素量あるいはTi
量が先に限定した範囲をはずれており、介在物の個数も
多くなっている。また、鋼Ｋは成分的には限定範囲内に
あるものの介在物個数が多い。

これらの鋼では、第４図に示すように、強力なショッ
トピーニングを施しても、疲労強度は1000MPa程度のレ
ベルにとどまる。なお、介在物は鋼中のＯ含有量を低減
しても、その粒径が必ずしも小さくなるものではなく、
大型のもの、小型のものが混在する。特に鋼中に大型の
介在物が存在するのを回避する場合には、加減圧精錬法
等を適用することによって達成できる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明の強力ショットピーニング処理
型の高疲労強度歯車用肌焼鋼によれば、鋼の化学成分と
同時に、鋼中の介在物のサイズと個数を限定することに
より、ショットピーニングの効果を著しく増加させるこ
とが可能となり、安価に、より高疲労強度を満足する歯
車用の肌焼鋼が得られ、その工業的な価値は大きいもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明鋼（低酸素鋼）鋼Ａ及び通常
酸素鋼（鋼Ｂ）の場合の夫々φ６試験片回転曲げ疲労試
験結果を示し、応力振幅（MPa）と繰り返し数との関係
グラフ、第３図は表面からの深さと内部欠陥限界寸法
（介在物寸法）の関係を示すグラフ、第４図は介在物個
数と疲労強度の関係を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 和明 東京都千代田区丸の内１丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 三瓶 哲也 東京都千代田区丸の内１丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−274052（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−196322（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−137145（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ショットピーニング処理効果に優れた重量
   ％で、C:0.1〜0.3％,Si:0.05〜0.5％,Mn:0.4〜1.5％,C
   r:0.2〜1.5％,Sol.Al:0.015〜0.05％,Total N:0.0050〜
   0.0200％,Total O:0.0010％以下及び混入するTi、Nb、Z
   rのいずれも0.005％以下とし、残部Fe及び不可避不純物
   からなり、鋼中の直径20μｍ以上の酸化物系介在物と窒
   化物系介在物を鋼1g当り14個以下とすることを特徴とす
   るショットピーニング処理型の高疲労強度歯車用肌焼
   鋼。
2. 【請求項２】ショットピーニング処理効果に優れた重量
   ％で、C:0.1〜0.3％,Si:0.05〜0.5％,Mn:0.4〜1.5％,C
   r:0.2〜1.5％,Sol.Al:0.015〜0.05％,Total N:0.0050〜
   0.0200％,Total O:0.0010％以下及び混入するTi、Nb、Z
   rのいずれも0.005％以下とし、さらにCu:0.1〜0.5％,N
   i:0.2〜2.5％,Mo:0.1〜0.5％のうち１種または２種以上
   を含有し、残部Fe及び不可避不純物からなり、鋼中の直
   径20μｍ以上の酸化物系介在物と窒化物系介在物を鋼1g
   当り14個以下とすることを特徴とするショットピーニン
   グ処理型の高疲労強度歯車用肌焼鋼。