JP4938475B2 - 耐衝撃疲労特性に優れた歯車用鋼及びそれを用いた歯車 - Google Patents
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Description
1.衝撃疲労特性の向上には旧オーステナイト粒界の強化が最も重要であり、Pを低減して旧オーステナイト粒界の脆化を抑制する。
2.さらに鋼中にBを固溶させて旧オーステナイト粒界に優先的に偏析させ、Pの粒界偏析を抑制する。
3.固溶Bを鋼中に存在させるには、Bとの結合力の強いNをTiまたはAlで結合させるが、Tiを用いた場合に溶製時に析出するTiNは比較的大きく、鋭利で硬質な介在物のため、疲労の起点となり易く、面疲労強度および曲げ疲労強度が低下する。
4.Alを添加してB,Nとの平衡関係を利用してN固定をした場合、BN,AlNが鋼中に析出する。AlNは微細なため、結晶粒は微細化し、衝撃疲労強度が向上する。また、AlNは微細なために疲労の起点にはならずTi添加よりも疲労強度向上が図られる。
5.衝撃疲労強度には粒界酸化層深さと内部の硬さおよび浸炭硬度分布(硬化層深さ)のバランスが大切であり、最適な範囲が存在する。
1.mass%で、C:0.16〜0.30%、Si:0.40%未満、Mn:0.50%以上、P:0.015%以下、Cu:0.30%以下、Cr:2.00%未満、Mo:0.16〜0.50%、Al:0.060〜0.110%、B:0.0004%以上、N:0.0065%以下を含有し、(1)式を満足する残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、浸炭焼入れ・焼戻し後に得られる有効硬化層深さE、内部硬度D、粒界酸化層深さPについて(2)式のS値を満足する耐衝撃疲労特性に優れた歯車用鋼。
I(=14/27×Al+14/10.8×B−N)≧0.03・・・(1)
但し、(1)式中のAl、B、Nは含有量(mass%)を示す。
170≦S(=E/2×D-P/2)≦250 ・・・(2)
但し、E:有効硬化層深さ(mm)、D:内部硬度(HV)、P:粒界酸化層深さ(μm)を示す。
2.更に、mass%で、Ti:0.020%未満、Nb:0.050%以下,V:0.030〜0.200%のいずれか1種以上を添加する1記載の耐衝撃疲労特性に優れた歯車用鋼。
3.1または2に記載の鋼材を用いて、機械加工、あるいは鍛造後に機械加工を行い歯車形状とした後、浸炭焼入れ処理を施す事により得られる、耐衝撃疲労特性に優れた歯車。
4.3の工程により歯車形状とした後、さらに歯面にショットピーニングあるいは研磨加工を施した、耐衝撃疲労特性に優れた歯車。
C:0.16〜0.30%
Cは強度確保のために必要であり、その量は内部硬さを決定する。その量が0.16%に満たないと表面硬さが300HV以下にまで低下し、歯車としての強度を確保できない。また、0.30%を超えると素材硬さが上昇しすぎるために加工性が低下し、生産コストが上昇するので、0.16〜0.30%とする。
Siは酸化されやすい元素であり、浸炭表面での粒界酸化を助長させ、不完全焼入層を生成する。含有量が0.40%以上で顕著となるため、0.40%未満とする。
Mnは焼き入れ性を高める元素であるが添加量が0.50%未満では焼入れ性が確保できない。よってMn添加量は0.50%以上とする。
Pは粒界に偏析して粒界を脆化させ粒界強度を低下させる。添加量が増えるほど疲労の亀裂の発生・伝播が起こりやすくなるため0.015%以下とする。
Cuは圧延や鍛造等の熱間加工性を低下させ、歯車等に加工した場合に加工精度が悪くなり疲労特性が低下するので0.30%以下とする。
Crは焼入れ性向上元素であるとともに、焼戻し軟化抵抗を高める元素である。しかしその添加量が2.00%以上の場合は軟化抵抗を高める効果は飽和し、焼入れ性が高くなりすぎるため歯車内部の靭性が劣化し、衝撃値が低くなるばかりでなく曲げ疲労強度が低下する。よって、Cr添加量は2.00%未満に限定した。
Moは焼入れ性を向上させるのに有効な元素であるが0.16%未満では焼入れ性が確保できないため、0.16%以上とする。Moは高価な元素でもあるため、0.50%を上限とし、0.16〜0.50%とする。
AlはNとBとの平衡において固溶Bを確するために必要な元素である。その添加量が0.060%未満ではその効果が得られず、0.110%を超えて添加すると溶製時において鋳造異常等の恐れがあるため、0.060〜0.110%とする。
Bは鋼中に固溶して粒界偏析し焼入れ性を向上させ、低Si化による焼入れ性の低下を補う。また、Pの粒界偏析を妨げ、粒界強度を向上させて疲労特性を改善するため0.0004%以上とする。
NはBと結合してBNを生成するので固溶Bの確保のためにはNは低いほど良い。しかし、AlとNとBの平衡関係においてNが0.0065%以下であれば固溶Bの確保は可能となるため、0.0065%以下とする。
本パラメータIは、衝撃疲労強度を向上させる固溶Bの確保のためにAl,B,Nのバランスを決める指標で、本パラメータIの値が0.03未満の場合は鋼中に固溶するBの確保が出来なくなるため0.03以上とする。式中のAl、B、Nは含有量(mass%)を示す。
TiはNと最も結合しやすく固溶Bの確保には有効な元素である。しかし、過剰に添加されると硬くて鋭利な形状の粗大なTiNが多く形成され、曲げ疲労や衝撃疲労の破壊の起点となり、強度を低下させる。その影響は0.020%以上の添加で顕著である。よってTiを添加する場合は、0.020%未満とする。
Nbは結晶粒を微細化させて粒界を強化して疲労強度を向上させるが、その効果は0.050%で飽和する。よってNbを添加する場合は0.050%以下とする。
Vには、浸炭後の内部強度を上昇させて全体の疲労強度を向上させる。その効果は0.030%以上で現れるが0.200%を超えると飽和するのでVを添加する場合は0.030〜0.200%とする。
(但し、E:有効硬化層深さ(mm)、D:内部硬度(HV)、P:粒界酸化層深さ(μm))
本パラメータSは、優れた耐衝撃疲労特性を付与するためのもので、170以上、250以下とする。表1のNo.1〜3の丸棒鋼を用いて衝撃疲労試験片を作成し、種々の条件で浸炭焼入れ・焼戻しを行い、粒界酸化層深さ,内部硬度,有効硬化層深さの異なる衝撃疲労試験片を作成し、衝撃疲労試験を実施した。表2と図4に結果を示す。
発明鋼、比較鋼および従来鋼の20φ丸棒を用いて、浸炭焼入れ焼戻し処理後、切断し、最大となる粒界酸化層深さを光学顕微鏡にて測定した。また断面の硬度分布を測定し、ビッカース硬さで550HVの得られる深さを調査し「有効硬化層深さ」とした。さらに表層より5mm深さ位置の硬度を「内部硬度」と規定してビッカース硬度計を用いて測定した。
直径32mm径の丸棒鋼より図2に示す試験片を作製し、図1に示す条件の浸炭焼入れ焼き戻しをした後、落錘型衝撃疲労試験機により、繰返し数200回で破壊する衝撃エネルギーを調査した。
直径32mm径の丸棒鋼から、図3に示す寸法、形状の平行部直径8mmの試験片を採取し、平行部にこれと直角方向の深さ2mmの切欠き(切欠き係数:1.34)を全周に付与した回転曲げ疲労試験片を調製した。
Claims (4)
- mass%で、C:0.16〜0.30%、Si:0.40%未満、Mn:0.50%以上、P:0.015%以下、Cu:0.30%以下、Cr:2.00%未満、Mo:0.16〜0.50%、Al:0.060〜0.110%、B:0.0004%以上、N:0.0065%以下を含有し、(1)式を満足する残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、浸炭焼入れ・焼戻し後に得られる有効硬化層深さE、内部硬度D、粒界酸化層深さPについて(2)式のS値を満足する耐衝撃疲労特性に優れた歯車用鋼。
I(=14/27×Al+14/10.8×B−N)≧0.03・・・(1)
但し、(1)式中のAl、B、Nは含有量(mass%)を示す。
170≦S(=E/2×D-P/2)≦250 ・・・(2)
但し、E:有効硬化層深さ(mm)、D:内部硬度(HV)、P:粒界酸化層深さ(μm)を示す。 - 更に、mass%で、Ti:0.020%未満、Nb:0.050%以下,V:0.030〜0.200%のいずれか1種以上を添加する請求項1記載の耐衝撃疲労特性に優れた歯車用鋼。
- 請求項1または2に記載の鋼材を用いて、機械加工、あるいは鍛造後に機械加工を行い歯車形状とした後、浸炭焼入れ処理を施す事により得られる、耐衝撃疲労特性に優れた歯車。
- 請求項3の工程により歯車形状とした後、さらに歯面にショットピーニングあるいは研磨加工を施した、耐衝撃疲労特性に優れた歯車。
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