(57)【要約】【課題】  焼入れ性を高めることで、ＮｉやＭｏを添加しないかまたは必要最小限の添加により、耐繰返し衝撃特性に優れた大形歯車用鋼を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．１３〜０．３０％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．２〜２．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．８〜３．０％、Ａｌ：０．０５０％以下、Ｏ：０．００２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、Ｃ、Ｓｉ、ＭｎおよびＣｒの含有量が（０．０４＋０．３５×Ｃ）×（１．００＋０．７０×Ｓｉ）×（０．７０＋３．９６×Ｍｎ）×（１．０＋２．１６×Ｃｒ）≧３．０、但し括弧内のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの値はそれら成分元素の質量％の数字部分、を満足することを特徴とする耐繰返し衝撃特性に優れた浸炭あるいは浸炭窒化用鋼。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１３〜０．３０％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．２〜２．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．８〜３．５％、Ａｌ：０．０５０％以下、Ｏ：０．００２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、Ｃ、Ｓｉ、ＭｎおよびＣｒの含有量が（０．０４＋０．３５×Ｃ）×（１．００＋０．７０×Ｓｉ）×（０．７０＋３．９６×Ｍｎ）×（１．０＋２．１６×Ｃｒ）≧３．０、但し括弧内のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの値はそれら成分元素の質量％の数字部分であることを特徴とする耐繰返し衝撃特性に優れた大形歯車用鋼。
【請求項２】
請求項１に記載の鋼成分に加えて、質量％で、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｏ：０．０２〜０．３％のうちの１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏの含有量が（０．０４＋０．３５×Ｃ）×（１．００＋０．７０×Ｓｉ）×（０．７０＋３．９６×Ｍｎ）×（０．９９＋０．３８×Ｎｉ）×（１．０＋２．１６×Ｃｒ）×（１．０＋３．０×Ｍｏ）≧３．０、但し括弧内のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏの値はそれら成分元素の質量％の数字部分、であることを特徴とする耐繰返し衝撃特性に優れた大形歯車用鋼。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鋼成分を有する浸炭あるいは浸炭窒化用鋼を浸炭または浸炭窒化焼入れ処理した該鋼材の芯部のマルテンサイト面積率が５０％以上であることを特徴とする耐繰返し衝撃特性に優れた大形歯車用鋼。
【請求項４】
請求項１または２に記載の鋼成分を有する浸炭あるいは浸炭窒化用鋼を浸炭または浸炭窒化焼入れ処理を行った後の芯部の硬さは３０〜５０ＨＲＣであることを特徴とする請求項３に記載の耐繰返し衝撃特性に優れた大形歯車用鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械構造用鋼を浸炭あるいは浸炭窒化処理して使用する各種機械構造用部品に用いる鋼であって、特に耐繰返し衝撃特性に優れた大形歯車部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、繰返して衝撃的な負荷が掛かる部品には、例えばＪＩＳ規格のＳＮＣＭ４２０（質量％で、例えば、Ｃ：０．２０％、Ｎｉ：１．６％、Ｍｏ：０．１５％を含有）やＳＮＣＭ８１５（質量％で、例えば、Ｃ：０．１５％、Ｎｉ：４．０％、Ｍｏ：０．１５％を含有）など、Ｎｉを１．６〜４．０％、Ｍｏを０．１５〜０．３０％として有するＮｉ−Ｍｏ鋼が用いられてきた。しかし、これらのＮｉやＭｏの金属元素は原料コストが高く、かつ、希少であるので、省資源化が要求されている。
【０００３】
近年、大形の歯車部品などはＪＩＳ規格の鋼よりも一層の耐繰返し衝撃特性が必要となってきており、その解決方法として、Ｎｉ量やＭｏ量を増加することや、浸炭焼入れ処理あるいは浸炭窒化焼入れ処理後の芯部の組織や硬さを適正化することが必要となっている。しかし、そのためには、ＮｉやＭｏよりもさらに高価な合金元素の添加の必要があり、コストが高くなることや、浸炭焼入れ処理あるいは浸炭窒化焼入れ処理後の芯部の組織が焼入れ性の不足により適正化できず、浸炭時や浸炭窒化時の焼入れ段階で、耐繰返し衝撃特性に有効となるマルテンサイト組織を得ることが難しくなり、部分的にベイナイト組織を含む不完全焼入れ組織を生成してしまう。
【０００４】
通常、芯部にベイナイト組織を含む不完全焼入れ組織が存在して、適正な芯部の硬度を確保できない場合には、芯部まで至るき裂の進展を容易にしてしまうため、衝撃的な負荷に対する耐疲労寿命が得られない問題がある。そのため、芯部の組織が重要となり、焼入性の良好な鋼を大形の機械構造用材料として、浸炭焼入れ−焼戻しまたは浸炭窒化焼入れ−焼戻し後の表面硬度がＨＲＣ６０以上で、かつ、芯部の硬度ＨＲＣ３０〜４８を得るものとした発明が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、大形の歯車部品等は繰返し加わる衝撃的な負荷に対する耐疲労寿命だけでなく、部品強度も要求されており、高い焼入れ性を確保し、中心部までマルテンサイト組織とすることで、充分な硬さを得ることができ、部品としての強度を確保している。しかし、従来の技術では、ＮｉやＭｏを添加することで部品強度および焼入れ性を確保していたが、ＮｉやＭｏを含有するために素材コストが高くなる問題があった（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３０８７４０号公報
【特許文献２】特開平７−２７８７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、焼入れ性を高めることで耐繰返し衝撃特性を従来使用されているＮｉやＭｏを添加した鋼と同等以上に確保するとともに、ＮｉやＭｏの添加量の減少により素材コストを低減した大形歯車用鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の発明者らは、高い焼入れ性を有する鋼成分とすることで、浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れ後の鋼材の芯部に生成の不完全焼入れ組織であるべイナイト組織を抑制し、鋼材の芯部を適正な比率のマルテンサイト面積率とベイナイト面積率を有し、かつ、適正な芯部硬さを有するものとすることで、ＮｉやＭｏを多量に添加することなく、ＳＮＣＭ４２０やＳＮＣＭ８１５と同等以上の耐繰返し衝撃特性を確保できることを見出した。しかも、ＮｉやＭｏの添加量を減らすことができるため、素材コストの低減が可能となることを見出した。
【０００９】
そこで、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、浸炭あるいは浸炭窒化用鋼として、質量％で、Ｃ：０．１３〜０．３０％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．２〜２．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：１．８〜３．５％、Ａｌ：０．０５０％以下、Ｏ：０．００２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる合金組成の鋼からなり、Ｃ、Ｓｉ、ＭｎおよびＣｒの含有量が（０．０４＋０．３５×Ｃ）×（１．００＋０．７０×Ｓｉ）×（０．７０＋３．９６×Ｍｎ）×（１．０＋２．１６×Ｃｒ）≧３．０、但し括弧内のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの値はそれら成分元素の質量％の数字部分、である耐繰返し衝撃特性に優れた大形歯車用鋼である。
【００１０】
請求項２の発明では、請求項１の手段の鋼成分に加えて、質量％で、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｏ：０．０２〜０．３％のうちの１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる合金組成の鋼からなり、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏの含有量が（０．０４＋０．３５×Ｃ）×（１．００＋０．７０×Ｓｉ）×（０．７０＋３．９６×Ｍｎ）×（０．９９＋０．３８×Ｎｉ）×（１．０＋２．１６×Ｃｒ）×（１．０＋３．０×Ｍｏ）≧３．０、但し括弧内のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの値はそれら成分元素の質量％の数字部分、である耐繰返し衝撃特性に優れた大形歯車用鋼である。
【００１１】
請求項３の発明では、請求項１または２の手段の鋼成分を有する浸炭あるいは浸炭窒化用鋼を、浸炭または浸炭窒化焼入れ処理を行った後の芯部のマルテンサイト面積率が５０％以上であることを特徴とする耐繰返し衝撃特性に優れた大形歯車用鋼である。
【００１２】
請求項４の発明では、請求項１または２の手段の鋼成分を有する浸炭あるいは浸炭窒化用鋼を、浸炭または浸炭窒化焼入れ処理を行った後の芯部の硬さが３０〜５０ＨＲＣであることを特徴とする請求項３の手段の浸炭あるいは浸炭窒化用鋼である。
【００１３】
上記の発明の手段における浸炭あるいは浸炭窒化用鋼の成分の限定理由について説明する。なお、以下の各成分の％は質量％で示す。
【００１４】
Ｃ：０．１３〜０．３０％
Ｃが０．１３％未満では浸炭に多大な時間を要する。また０．３０％を超えると必要以上の内部硬度となり靭性が低下するほか、被削性や冷間加工性が低下してしまう。そこでＣは０．１３〜０．３０％とする。
【００１５】
Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは鋼溶製時の脱酸元素として必要である。そのためＳｉは０．１％以上とする必要がある。しかし、１％を超えると靭性が低下し素材硬度が上昇して加工性が劣化するか、浸炭性の阻害や粒界酸化を助長する原因となる。そこでＳｉは０．１〜１．０％とする。
【００１６】
Ｍｎ：１．２〜２．０％
Ｍｎは鋼溶製時の脱酸元素として必要である。さらに、焼入れ性を高めるため１．２％以上添加する必要がある。しかし、２．０％より多く添加するとＰ等の粒界偏析を助長し、粒界を脆化させるため靭性が低下してしまう。さらに、被削性や冷間加工性も劣化させる。そこでＭｎは１．２〜２．０％とする。
【００１７】
Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下
ＰおよびＳは、靭性を低下させる元素であるため、０．０３０％以下とする。
【００１８】
Ｃｒ：１．８〜３．５％
Ｃｒは焼入れ性の向上および靭性を向上させる元素であるため、１．８％以上添加する必要がある。しかし、３．５％より多く添加すると浸炭性の阻害や粗大炭化物が析出してしまう。そこでＣｒは１．８〜３．５％とする。
【００１９】
Ａｌ：０．０５０％以下
Ａｌは鋼溶製時の脱酸元素として必要である。多く添加しすぎると鋼の清浄度が低下し、疲労強度が低下する。そこでＡｌは０．０５０％以下とする。
【００２０】
Ｏ：２０ｐｐｍ以下
Ｏは耐衝撃性に対して有害な酸化系介在物を形成するために、その上限を２０ｐｐｍとする。
【００２１】
Ｎｉ：０．０５〜１．０％
Ｎｉは焼入れ性を向上させ、また衝撃的な変形に対して有効であるため靭性の向上に有効な元素である。しかし、Ｎｉが０．０５％未満になると焼入れ性や靭性の向上にさほど寄与しない。また、Ｎｉを多量に添加するとコスト上昇を招くだけでなく、機械加工前の軟化処理の硬さが高くなり被削性だけでなく冷間加工性も大きく低下する。そこでＮｉは０．０５〜１．０％とする。
【００２２】
Ｍｏ：０．０２〜０．３％
ＭｏはＮｉと同様に焼入れ性を向上させ、靭性の向上に有効な元素である。しかし、Ｍｏが０．０２％未満になると焼入れ性や靭性の向上にさほど寄与しない。また、靭性向上の効果は約０．３％で飽和し多量に添加するとコスト上昇を招いてしまう。そこでＭｏは０．０２〜０．３％とする。
【００２３】
本発明では、大形部品を浸炭または浸炭窒化処理をした後に芯部のマルテンサイト面積率を５０％以上とすることで優れた耐繰返し衝撃特性を得ることを狙いとしており、高い焼入れ性を付与することが重要となる。この焼入れ性を相対的に表す指標として、請求項１では（０．０４＋０．３５×Ｃ）×（１．００＋０．７０×Ｓｉ）×（０．７０＋３．９６×Ｍｎ）×（１．０＋２．１６×Ｃｒ）、但し括弧内のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの値はそれら成分元素の質量％の数字部分、からなる計算式１を、請求項２では（０．０４＋０．３５×Ｃ）×（１．００＋０．７０×Ｓｉ）×（０．７０＋３．９６×Ｍｎ）×（０．９９＋０．３８×Ｎｉ）×（１．０＋２．１６×Ｃｒ）×（１．０＋３．０×Ｍｏ）、但し括弧内のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの値はそれら成分元素の質量％の数字部分、からなる計算式２をそれぞれ当て焼入れ指数とした。この計算式の値が高いほど焼入れ性が高く、芯部のマルテンサイト面積率が上昇し、この値が低いと焼入れ性が低く芯部のマルテンサイト面積率が減少する。本発明では、これらの計算式１、計算式２の値が、それぞれ３．０以上である場合に、特に優れた耐繰返し衝撃特性が得られることが明らかになったため、これを請求範囲における構成要件とした。
【００２４】
これらの計算式１ならびに計算式２の導出方法は、ＡＳＴＭ規格（Ａｍｅｒｉｃａ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｔｅｓｔ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）２５５−０２に記載の値から、各元素のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、ＣｒならびにＭｏの値を近似して求めている。
【００２５】
請求項１では、ＮｉやＭｏを添加しなくても、浸炭または浸炭窒化処理を施して冷却した後の鋼材の芯部組織は、マルテンサイト面積率が５０％以上である組織となり、大形歯車部品の芯部を模擬したφ９０ｍｍの丸棒を浸炭処理後に油焼入れした材料の芯部では、マルテンサイト面積率が５０％以上となることで、優れた耐繰返し衝撃特性を確保することができる。
【００２６】
請求項２では、請求項１と同様に鋼材の芯部のマルテンサイト面積率が５０％以上の組織となり、優れた耐繰返し衝撃特性を確保することができる。但し、ＮｉやＭｏを添加すると、添加しない鋼と比べて耐繰返し衝撃特性は若干向上するが、上述のように素材コストが高くなるため、必要最小限の添加にとどめるものとした。
【００２７】
請求項３では、請求項１または２に記載の鋼成分を有する鋼材の芯部のマルテンサイト面積率を５０％以上とすることで耐繰返し衝撃特性を向上することができる。
【００２８】
請求項４では、請求項１または２に記載の鋼成分を有する鋼材の芯部の硬さが３０〜５０ＨＲＣである適正な芯部硬さとすることで、優れた耐繰返し衝撃特性を確保することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の手段からなる機械構造用部品に用いる鋼は、鋼材の焼入れ性を高め、芯部のマルテンサイト面積率を５０％以上とすることで、ＮｉやＭｏを添加しないかあるいは必要最小限のみの添加により、優れた耐繰返し衝撃特性を有し、かつ素材コストの低減が図れた大形歯車部品が得られる鋼である。特に、耐繰返し衝撃特性の向上に寄与するＮｉやＭｏの添加を行わなくても、現用の含Ｎｉ−Ｍｏ鋼と同等以上の耐繰返し衝撃特性を有する大形歯車部品を得ることが可能となる。さらに一層の耐繰返し衝撃特性が必要となる場合には、ＮｉやＭｏを一定の範囲で添加することで有効となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実験で採用した浸炭焼入れ・焼戻し条件処理を示す図である．
【図２】実験で使用した衝撃疲労試験の概要を示す図である．
【図３】実験で使用した衝撃疲労試験の概要を示す図である．
【発明を実施するための形態】
【００３１】
１００ｋｇ真空溶解炉で溶製して、表１に示す実施例１〜１０および比較例１〜８の鋼成分を含有し、かつ、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を製造した。表１に本発明の実施例と比較例の計算値を載せているが、計算式１の（０．０４＋０．３５×Ｃ）×（１．００＋０．７０×Ｓｉ）×（０．７０＋３．９６×Ｍｎ）×（１．０＋２．１６×Ｃｒ）、但し括弧内のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの値はそれら成分元素の質量％の数字部分、の焼入れ指数の値、および計算式２の（０．０４＋０．３５×Ｃ）×（１．００＋０．７０×Ｓｉ）×（０．７０＋３．９６×Ｍｎ）×（０．９９＋０．３８×Ｎｉ）×（１．０＋２．１６×Ｃｒ）×（１．０＋３．０×Ｍｏ）、但し括弧内のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの値はそれら成分元素の質量％の数字部分、の焼入れ指数の値は実施例ではいずれも３．０以上である。しかし、比較例では、比較例４、８を除き、焼入れ指数の値はいずれも３．０未満となっている。なお、表１における網かけを入れた値は請求項から外れることを示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
表１に示す実施例および比較例の鋼を熱間鍛伸によりφ９０ｍｍの棒鋼とした。さらに焼ならし処理した後、図１に示す浸炭焼入れを油焼入れで行い、焼戻しを行った。これらの棒鋼から、これら鋼材の中周部の衝撃疲労特性、マルテンサイト面積率、芯部硬さを評価するため、試験片を切出した。なお、表１において計算式１または計算式２は、請求項１または２に記載の焼入れ指数の式である。
【００３４】
φ９０ｍｍの棒鋼を油焼入れ処理した理由としては、大形歯車の実部品の芯部硬さとφ９０ｍｍ油焼入れ材の硬さがほぼ同等となるためである。これにより、大形歯車の芯部の靭性を簡易的にラボにて評価することが可能となる。なお、本発明では浸炭窒化焼入れ焼戻し処理を行った場合においても浸炭焼入れ焼戻し処理と同等のマルテンサイト面積率、芯部硬さとなることを確認している。
【００３５】
表２にφ９０ｍｍの棒鋼を油焼入れ後に中周部から切出した時のマルテンサイト面積率を示す。各組織の面積率の測定はＳＥＭ観察した写真を画像測定することで算出した。実施例では焼入れ性を高めた成分としており、いずれもマルテンサイト面積率は５０％以上を有している。一方、比較例では比較例４、８を除いてＳｉ、ＭｎやＣｒの添加量が少なく、焼入れ性が低くベイナイト面積率が多いため、マルテンサイト面積率は５０％以下の値となっている。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
さらに、表２に芯部硬さ測定結果を示す。実施例では焼入れ性を高めた適切な鋼成分とすることで芯部硬さが３０〜５０ＨＲＣとなっている。一方、比較例では比較例４、８を除いて焼入れ性が低く、マルテンサイト面積率の値が５０％以下であったため、適正な芯部硬さを得ることができず３０ＨＲＣ未満となった。
【００３８】
【表３】
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【００３９】
表３に耐繰返し衝撃特性を評価した結果を示す。耐繰返しの衝撃特性を評価する方法として、図２に示す松村式衝撃疲労試験で行っており、試験方法は重さ約８ｋｇのハンマー２を繰返し支点４で上下させ、台３上の試験片１が破断に至るまでのサイクル数で評価を行っている。試験片形状を図３の（ａ）に示し、Ｖノッチ形状を図３の（ｂ）に示した。試験片に負荷する衝撃エネルギーは本試験方法で最小である２０ｋｇ・ｃｍならびに最大である５０ｋｇ・ｃｍとしている。実施例の破断に至るまでのサイクル数は、衝撃エネルギー５０ｋｇ・ｃｍで１００３〜１２１９回、衝撃エネルギー２０ｋｇ・ｃｍで７４９８〜８０４７回であった。
【００４０】
一方、比較例１〜３、５〜７では衝撃エネルギー５０ｋｇ・ｃｍで５３７〜７２６回、衝撃エネルギー２０ｋｇ・ｃｍで５７６７〜６３８９回であり、実施例よりも低い衝撃疲労特性となった。マルテンサイト面積率が５０％以上を有する比較例４、８では衝撃エネルギー５０ｋｇ・ｃｍで１０５０回、衝撃エネルギー２０ｋｇ・ｃｍで７７００回程度と実施例と同程度あった。但し、比較例４はＮｉを３．５１％、Ｍｏを０．３７％、比較例８はＮｉを１．８３％、Ｍｏを０．５１％添加しており、素材コストが多くかかってしまう。さらに、上記したようにＮｉが本発明量よりも多く含有されると、機械加工前の軟化処理の硬さが高くなり被削性が大きく低下する。したがって、これらの比較例は衝撃疲労特性が高くても本願の発明とは異なるものである。
【００４１】
実施例では、マルテンサイト面積率を５０％以上有することで、芯部にベイナイト組織よりも微細であるマルテンサイト組織を多くし、繰返して衝撃的な負荷がかかった時にき裂が発生し、その後進展するき裂を抑制することが可能となるため、耐繰返し衝撃特性が優れていると考えられる。よって、芯部のマルテンサイト面積率が高いほどき裂の進展を抑制することができ、耐繰返し衝撃特性は優れることなる。しかし、マルテンサイト面積率が高い場合であっても、適正な芯部硬さの範囲とすることが重要となる。つまり、３０ＨＲＣ未満では芯部が塑性変形してしまう懸念があり、５０ＨＲＣを超えると靭性が低下することで耐繰返しの衝撃特性は劣化してしまう。
【００４２】
なお、実施例７および８では、マルテンサイト面積率、芯部硬さ、はいずれも同等であるが、耐繰返し衝撃特性はＮｉやＭｏを添加した実施例７の方が優れている。本発明の成分からなる鋼において、さらなる耐繰返し衝撃特性が必要となる場合にはＮｉやＭｏを必要最小限添加することが有効となる。
【００４３】
以上の説明から明らかなように、本発明による大形歯車部品に用いる鋼は、焼入れ性を高め、芯部のマルテンサイト面積率を５０％以上とし、芯部の硬さを３０〜５０ＨＲＣとすることで、ＮｉやＭｏを添加しないか、あるいは、必要最小限のみの添加により、優れた耐繰返し衝撃特性を有し、かつ、素材コストの低減が図れた大形歯車部品が得られる鋼とすることができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  試験片
２  ハンマー
３  台
４  支点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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