JP6319212B2 - 歯車部品および歯車部品の製造方法 - Google Patents
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Description
1.C:0.10〜0.40質量%、
Si:0.01〜1.20質量%、
Mn:0.30〜1.50質量%、
P:0.1質量%以下、
S:0.5質量%以下、
Cr:0.40〜2.00質量%、
Al:0.010〜0.080質量%および
N:0.05質量%以下
を含み、残部はFe及び不可避的不純物の成分組成を有し、少なくとも歯部分に浸炭層を有する歯車部品であって、前記歯部分の表面から1mm厚の表層域における介在物の大きさが下記式(1)を満足する歯車部品。
記
√b ≦ 40 (μm) ・・・(1)
但し、bは前記表層域における最大介在物の断面積(μm2)
Mo:1質量%以下、
Cu:1質量%以下、
Ni:1質量%以下および
B:0.01質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有する前記1に記載の歯車部品。
Nb:0.1質量%以下、
Hf:0.1質量%以下、
Ta:0.1質量%以下および
Se:0.3質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有する前記1または2に記載の歯車部品。
Ti:0.1質量%以下および
V:0.1質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種を含有する前記1乃至3のいずれかに記載の歯車部品。
Sb:0.5質量%以下および
Sn:0.5質量%以下、
のうちから選ばれる1種または2種を含有する前記1乃至4のいずれかに記載の歯車部品。
Si:0.01〜1.20質量%、
Mn:0.30〜1.50質量%、
P:0.1質量%以下、
S:0.5質量%以下、
Cr:0.40〜2.00質量%、
Al:0.010〜0.080質量%および
N:0.05質量%以下
を含み、残部はFe及び不可避的不純物の成分組成を有する鋼の鋳片に、下記式(2)を満足する断面減少率にて熱間加工を施して棒鋼または線材とし、該棒鋼または線材に下記式(3)を満足する条件にて鍛造を行ったのち、浸炭処理を施す歯車部品の製造方法。
記
(Si―Sf)/Si ≧0.960 ・・・(2)
0.2 ≦ εtotal ≦ 90 ・・・(3)
但し、Siは鋳片断面積(mm2)、Sfは熱間加工後の棒鋼または線材の断面積(mm2)
ここで、kは棒鋼または線材を鍛造する鍛造工程における総鍛造回数、εnは該
鍛造工程におけるn番目の鍛造時に導入される最大の相当塑性歪量。
Mo:1質量%以下、
Cu:1質量%以下、
Ni:1質量%以下および
B:0.01質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有する前記6に記載の歯車部品の製造方法。
Nb:0.1質量%以下、
Hf:0.1質量%以下、
Ta:0.1質量%以下および
Se:0.3質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有する前記6または7に記載の歯車部品の製造方法。
Ti:0.1質量%以下および
V:0.1質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種を含有する前記6乃至8のいずれかに記載の歯車部品の製造方法。
Sb:0.5質量%以下および
Sn:0.5質量%以下、
のうちから選ばれる1種または2種を含有する前記6乃至9のいずれかに記載の歯車部品の製造方法。
C:0.10〜0.40質量%
Cは、浸炭熱処理後の焼入れにより中心部の硬度を高めるために、0.10質量%以上を必要とする。一方、含有量が0.40質量%を超えると、芯部の靭性が低下するため、C量は0.10〜0.40質量%の範囲に限定した。好ましくは、0.13〜0.27質量%の範囲である。より好ましくは、0.15〜0.25%の範囲である。
Siは、脱酸剤として必要であり、少なくとも0.01質量%以上の添加が必要である。しかしながら、Siは浸炭表層で優先的に酸化し、粒界酸化を促進する元素である。また、固溶強化により変形抵抗を高めて鍛造性を劣化させるため、上限を1.20質量%とする。好ましくは0.02〜0.35質量%である。さらに好ましくは、0.03〜0.15質量%である。また、冷間鍛造用途の場合に最も好ましい範囲は0.03〜0.09%である。
Mnは、焼入性の向上に有効な元素で有り、少なくとも0.30質量%の添加を必要とする。しかし、Mnの過剰な添加は、固溶強化による変形抵抗の上昇を招くため、上限を1.50質量%とした。好ましくは0.40〜1.0質量%であり、より好ましくは0.40〜0.90質量%である。
Pは、結晶粒界に偏析し、靭性を低下させるため、その混入は低いほど望ましいが、0.1質量%までは許容される。好ましくは、0.02質量%以下である。また、下限については特に限定せずとも問題はないが、無駄な低P化は精錬時間の増長や精錬コストを上昇させてしまうため、0.003%以上とするとよい。
Sは、硫化物系介在物として存在し、被削性の向上に有効な元素であるが、過剰な添加は冷間鍛造性の低下を招くため、上限を0.5質量%とした。また、下限については特に限定しないが、過度の低S化は精錬コストを上昇させてしまうため、0.003%以上とするとよい。好ましくは0.004〜0.3質量%であり、さらに好ましくは0.005〜0.09質量%である。
Crは、焼入性と焼戻し軟化抵抗の向上に寄与し、さらには炭化物の球状化促進にも有用な元素であるが、含有量が0.40質量%に満たないと、その添加効果に乏しい。一方、2.00質量%を超えると、過剰浸炭や残留オーステナイトの生成を促進し、疲労強度に悪影響を与える。よって、Cr量は0.40〜2.00質量%の範囲に限定した。好ましくは0.7〜1.9質量%の範囲である。より好ましくは0.8〜1.8質量%である。
Alは、脱酸に有効な元素であるとともに、窒化物を形成して結晶粒の粗大化防止に有効である。が、含有量が0.010質量%に満たないと、その添加効果に乏しい。また、過剰な添加は介在物の増加を招き、疲労破壊の起点を増やし、低疲労強度の原因となることから、上限を0.080質量%とした。好ましくは、0.015〜0.080質量%であり、さらに好ましくは0.015〜0.060質量%である。Bと組み合わせて固溶Bによる焼入れ性向上も疲労強度向上に効果的であり、その場合は0.035〜0.070質量%の範囲が好適である。
Nは、鋼の精錬時に大気中より混入する。N量が0.05質量%を超えた場合、凝固時に割れが発生してしまい、圧延または鍛造後でも疵として残り、製品として使用できなくなる。疵が残ったまま鍛造をした場合、その疵が開き、割れが著しく発生しやすくなってしまう。そこで、Nの上限を0.05質量%とした。また、下限については特に限定しないが、過度の低N化は精錬コストを上昇させてしまうため、0.001%以上とするとよい。好ましくは0.0015〜0.03質量%であり、さらに好ましくは0.002〜0.025質量%である。また、鋼中固溶N量を低減し、冷間鍛造時の動的ひずみ時効による冷間鍛造荷重の上昇を抑え、鍛造荷重低減を志向する場合は、0.002〜0.0060質量%の範囲が好適である。
Mo:1質量%以下、Cu:1質量%以下、Ni:1質量%以下およびB:0.01質量%以下のうちから選ばれる1種または2種以上
Moは、焼入性と焼戻し軟化抵抗性の向上に寄与し、さらには浸炭異常層を低減する効果も示し、有用な元素であるため添加してもよい。しかし、含有量が1質量%を超えると、焼入れが過剰となり、圧延後の取り扱い時に疵が発生または割れが発生する懸念がある。そのため、Mo含有量は1質量%以下の範囲に制限することが好ましい。なお、Moによる上記の焼入性、焼戻し軟化抵抗性の向上、浸炭異常層の低減の各効果を発現させるためには、Moは0.01質量%以上で含有されることが好ましい。さらに、好ましくは0.03〜0.5質量%の範囲である。より好ましくは0.05〜0.3質量%である。
Cuは、焼入性の向上に寄与する元素であり、また、Seととともに添加することにより、鋼中でSeと結合し、結晶粒の粗大化防止効果を示す有用な元素である。これらの効果を得るためには、Cuは0.01質量%以上で含有されることが好ましい。一方、Cu含有量が1質量%を超えると、圧延材の表面肌が荒れてしまい、疵として残存する懸念がある。そこで、Cu量は1質量%以下の範囲に限定することが好ましい。より好ましくは0.015〜0.5質量%の範囲である。更に好ましくは0.03〜0.3質量%である。
Niは、焼入性の向上に寄与するとともに、靱性の向上に有用な元素である。これらの効果を得るためには、Niは0.01質量%以上で含有されることが好ましい。一方、1質量%を超えて含有されても、上記の効果が飽和する。よって、Ni含有量は1質量%以下の範囲に限定することが好ましい。より好ましくは0.015〜0.5質量%の範囲である。更に好ましくは0.03〜0.3質量%である。
Bは、粒界に偏析し、拡散型変態を抑制することで、焼入性の向上に有効であり、加えて粒界を強化し、疲労亀裂の発生および進展を抑制し疲労強度を向上させる効果もある。Bによるこの効果を得るためには、0.0003質量%以上でBを含有させることが好ましい。一方、0.01%を超えると、靱性が低下するため、B量は0.01質量%以下の範囲に限定することが好ましい。より好ましくは、0.0005〜0.005質量%の範囲である。更に好ましくは0.0007〜0.002質量%である。
Nb:0.1質量%以下
Nbは、鋼中でNbCを形成し、浸炭熱処理時のオーステナイト粒径の粗粒化をピン止め効果により抑制する。Nbによるこの効果を得るためには、少なくとも0.003質量%でNbを添加することが好ましい。一方、0.1質量%を超えて添加すると、粗大なNbCの析出による粗粒化抑制能の低下や疲労強度の劣化を招くおそれがあるため、Nb含有量は0.1質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.005〜0.08質量%である。さらに好ましくは、0.01〜0.06質量%である。
Hfは、鋼中で炭化物を形成し、浸炭熱処理時のオーステナイト粒径の粗粒化をピン止め効果により抑制する。Hfによるこの効果を得るためには、少なくとも0.003質量%でHfを添加することが好ましい。一方、0.1質量%を超えて添加すると、鋳造凝固時に粗大な析出物を生成し、粗粒化抑制能の低下や疲労強度の劣化を招くおそれがあるため、Hfの含有量は0.1質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.005〜0.06質量%である。さらに好ましくは、0.01〜0.05質量%である。
Taは、鋼中で炭化物を形成し、浸炭熱処理時のオーステナイト粒径の粗粒化をピン止め効果により抑制する。Taによるこの効果を得るためには、少なくとも0.003質量%でTaを添加することが好ましい。一方、0.1質量%を超えて添加すると、鋳造凝固時に割れを生じやすくなり、圧延および鍛造後でも疵が残存してしまう懸念があるため、Taの含有量は0.1質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.005〜0.06質量%である。さらに好ましくは、0.01〜0.05質量%である。
Seは、MnやCuと結合し、鋼中に析出物として分散する。Se析出物は浸炭熱処理温度域で析出物成長がほとんど起こらず安定に存在しており、オーステナイト粒径のピン止め効果が高い。このため、Se添加は結晶粒の粗大化防止に有効であるが、この効果を得るためには、少なくとも0.001質量%以上でSeを添加することが好ましい。一方、0.3質量%を超えて添加しても、結晶粒の粗大化防止効果は飽和する。このため、Se含有量は0.3質量%とすることが好ましい。より好ましくは、0.005〜0.1質量%である。さらに好ましくは、0.008〜0.09質量%である。
Ti:0.1質量%以下
Tiは、鋼中で炭化物や窒化物を形成し、浸炭熱処理時のオーステナイト粒径の粗粒化をピン止め効果により抑制する。Tiによるこの効果を得るためには、少なくとも0.003質量%以上でTiを含有させることが好ましい。一方、0.1質量%を超えて添加すると、粗大な析出物による粗粒化抑制能の低下を招くおそれがあるため、Ti含有量は0.1質量%以下とすることが好ましい。また、TiはNとの結合力が極めて強く、少量であっても窒化物を形成する。このTi窒化物は凝固段階から粗大に生成し、圧延後も残存するため、接触疲労強度を著しく低下する場合がある。ピッチングや表面剥離等の接触疲労破壊が優先的に生じる部材または使用環境における負荷応力が非常に高い歯車部品の場合は、むしろ添加せず不純物としてもなるべく混入を避けることが望ましく、0.003%以下としてもよい。
Vは、鋼中でVCを形成し、浸炭熱処理時のオーステナイト粒径の粗粒化をピン止め効果により抑制する。Vによるこの効果を得るためには、少なくとも0.003質量%以上でVを含有させることが好ましい。一方、0.1質量%を超えて添加しても合金コストが高価となるばかりであり、結晶粒の粗大化防止効果は飽和する。よって、V含有量は0.1質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.005〜0.08質量%である。さらに好ましくは、0.01〜0.06質量%である。
Sb:0.5質量%以下
Sbは、鋼材表面の脱炭を抑制し、表面硬度の低下を防止するために有効な元素である。この効果を発現させるためには、Sbは0.0003質量%以上含有させることが好ましい。一方、過剰な添加は鍛造性を劣化させることから、Sbの含有量は0.5質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.001〜0.05質量%であり、更に好ましくは、0.0015〜0.035質量%である。
Snは、鋼材表面の耐食性を向上させるために有効な元素である。耐食性向上の観点からは、Snは0.003質量%以上含有させることが好ましい。一方、過剰な添加は鍛造性を劣化させることから、Snの含有量は0.5質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.0010〜0.050質量%であり、更に好ましくは、0.0015〜0.035質量%である。
以上説明した元素以外の残部はFeおよび不可避的不純物である。
記
√b ≦ 40 (μm) ・・・(1)
但し、bは前記表層域における最大介在物の断面積(μm2)である。
記
但し、Zは試験片本数(小数点以下を切上)、Xは歯車部品の危険体積、Yは疲労試験片の危険体積である。また、Wは歯直角基礎円歯厚、Tは全歯たけ、Hは歯幅、Nは歯数であり、rは回転曲げ疲労試験片の平行部半径または切欠底半径、Lは回転曲げ疲労試験片の平行部長さである。
上掲式(1)を満足させるためには、上記した範囲での成分組成の調整に加えて、鋳片に、下記式(2)を満足する断面減少率にて熱間加工を施し、棒鋼または線材とする必要がある。
記
(Si―Sf)/Si ≧0.960 ・・・(2)
但し、Siは鋳片断面積(mm2)、Sfは熱間加工後の棒鋼または線材の断面積(mm2)
SiおよびSfはそれぞれ、熱間加工時の延伸方向と直交する断面における鋳片断面積(mm2)、熱間加工後の棒鋼または線材の断面積(mm2)である。
そして、上掲式(2)の左辺で示される指標が、0.960未満では、後述する歯車部品への鍛造の際の鍛造条件を満足したとしても、最終の歯車部品において粗大な介在物が残留してしまい、この粗大介在物に起因する早期疲労破壊を示し、疲労強度が低下してしまう。より好ましくは、(2)式の左辺が0.980以上であり、さらに好ましくは、0.995以上である。最適は0.9995以上である。
記
0.2 ≦ εtotal ≦ 90 ・・・(3)
但し、歯車部品の総鍛造回数をk、該鍛造工程におけるn番目の鍛造時に導入される最大の相当塑性歪量をεnとしたときに、εtotalは以下の式により算出される値である。
歯車疲労試験は、動力循環式歯車疲労試験機を用いて、負荷トルクは500N・m、回転数は3000rpmで実施し、破壊までの繰り返し数を求めた。本試験において、100,000回以上の破壊寿命を示す場合、高疲労強度であるといえる。疲労破壊後の破面について走査型電子顕微鏡にて観察し、フィッシュアイ中心部の介在物面積を画像解析(Media Cybernetics社製Image-Pro_PLUS)にて求め、bとして評価した。
これらより、顕微鏡観察による介在物予測最大径は疲労寿命との相関性がほとんどないが、本発明の√bは疲労寿命との相関性が高い。従って、本発明に従う歯車部品は高疲労強度を有することが分かる。
Claims (10)
- C:0.10〜0.40質量%、
Si:0.01〜1.20質量%、
Mn:0.30〜1.50質量%、
P:0.1質量%以下、
S:0.5質量%以下、
Cr:0.40〜2.00質量%、
Al:0.010〜0.080質量%および
N:0.05質量%以下
を含み、残部はFe及び不可避的不純物の成分組成を有し、少なくとも歯部分に浸炭層を有する歯車部品であって、前記歯部分の表面から1mm厚の表層域における介在物の大きさが下記式(1)を満足する歯車部品。
記
√b ≦ 40 (μm) ・・・(1)
但し、bは前記表層域における最大介在物の断面積(μm2) - 前記成分組成はさらに、
Mo:1質量%以下、
Cu:1質量%以下、
Ni:1質量%以下および
B:0.01質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有する請求項1に記載の歯車部品。 - 前記成分組成はさらに、
Nb:0.1質量%以下、
Hf:0.1質量%以下、
Ta:0.1質量%以下および
Se:0.3質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有する請求項1または2に記載の歯車部品。 - 前記成分組成はさらに、
Ti:0.1質量%以下および
V:0.1質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種を含有する請求項1乃至3のいずれかに記載の歯車部品。 - 前記成分組成はさらに、
Sb:0.5質量%以下および
Sn:0.5質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種を含有する請求項1乃至4のいずれかに記載の歯車部品。 - C:0.10〜0.40質量%、
Si:0.01〜1.20質量%、
Mn:0.30〜1.50質量%、
P:0.1質量%以下、
S:0.5質量%以下、
Cr:0.40〜2.00質量%、
Al:0.010〜0.080質量%および
N:0.05質量%以下
を含み、残部はFe及び不可避的不純物の成分組成を有する鋼の鋳片に、下記式(2)を満足する断面減少率にて熱間加工を施して棒鋼または線材とし、該棒鋼または線材に下記式(3)を満足する条件にて鍛造を行ったのち、浸炭処理を施す、歯部分の表面から1mm厚の表層域における介在物が√b≦40μm(但し、bは前記表層域における最大介在物の断面積:μm 2 )である、歯車部品の製造方法。
記
(Si―Sf)/Si ≧0.960 ・・・(2)
0.2 ≦ εtotal ≦ 90 ・・・(3)
但し、Siは鋳片断面積(mm2)、Sfは熱間加工後の棒鋼または線材の断面積(mm2)
ここで、kは棒鋼または線材を鍛造する鍛造工程における総鍛造回数、εnは該
鍛造工程におけるn番目の鍛造時に導入される最大の相当塑性歪量。 - 前記成分組成はさらに、
Mo:1質量%以下、
Cu:1質量%以下、
Ni:1質量%以下および
B:0.01質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有する請求項6に記載の歯車部品の製造方法。 - 前記成分組成はさらに、
Nb:0.1質量%以下、
Hf:0.1質量%以下、
Ta:0.1質量%以下および
Se:0.3質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有する請求項6または7に記載の歯車部品の製造方法。 - 前記成分組成はさらに、
Ti:0.1質量%以下および
V:0.1質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種を含有する請求項6乃至8のいずれかに記載の歯車部品の製造方法。 - 前記成分組成はさらに、
Sb:0.5質量%以下および
Sn:0.5質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種を含有する請求項6乃至9のいずれかに記載の歯車部品の製造方法。
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