(57)【要約】【課題】  高強度歯車用肌焼鋼の改善によって、より低コストでかつ歯車の歯元強度と歯面強度の向上を図ることである。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００８〜０．０３５％、Ｃｒ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０３５％、Ｔｉ：０．１０〜０．２５％、Ｎ：０．００２０〜０．０１００％を含有し、Ｓｉ＋５Ｔｉ：１．０〜２．５％とし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる歯車の耐ピッチング性および歯元曲げ疲労強度に優れる高強度歯車用肌焼鋼。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３５％、Ｓｉ：０．４０〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００８〜０．０３５％、Ｃｒ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０３５％、Ｔｉ：０．１０〜０．２５％、Ｎ：０．００２０〜０．０１００％を含有し、Ｓｉ＋５Ｔｉ：１．０〜２．５％とし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする歯車の耐ピッチング性および歯元曲げ疲労強度に優れる高強度歯車用肌焼鋼。
【請求項２】
請求項１に記載の鋼成分に加えて、質量％で、Ｍｏ：０．１５〜１．５％、Ｎｉ：０．２５〜１．５％、Ｂ：０．０００３〜０．００８０％、Ｖ：０．０３〜０．３０％から１種または２種以上を選択的に含有することを特徴とする歯車の耐ピッチング性および歯元曲げ疲労強度に優れる高強度歯車用肌焼鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車などの動力伝達部品である歯車に使用する高強度歯車用肌焼鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の歯車は、ＪＩＳ  ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０、ＳＮＣＭ４２０を代表とする機械構造用鋼材を熱間鍛造あるいは冷間鍛造した後に切削加工や研削加工により歯車形状に成形し、さらにそれらを浸炭あるいは浸炭窒化で表面硬化して用いることが多い。
【０００３】
近年、環境問題への関心の高まりに伴い、自動車の燃費向上のために歯車の軽量化が重視されるようになり、そのために歯車用鋼は高強度化のニーズが益々高まっている。
【０００４】
歯車の高強度化は、歯元強度の向上と歯面強度向上に大別される。従来から歯元強度、特に歯元の曲げ疲労強度を改善する対策としてショットピーニングなどが案出され、その効果が大きいために広く実用化されている。その結果、現在では歯元強度よりも歯面強度の方が、歯車用鋼の高強度化のネックとなりつつある。
【０００５】
歯面強度の中で特に問題となるのが面圧強度、つまり耐ピッチング性であり、これを改善するために、過共析浸炭焼入れ焼戻し処理を施した後歯面を研削しショットピーニングを施す技術が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。さらに、Ｓｉ＋Ｃｒ量を１．８〜２．８として軟化抵抗を高め、かつ、浸炭窒化または浸炭浸窒した後に表面のＣ＋Ｎ量を１．０〜２．０に規制することにより、表面に適度な量の残留オーステナイトを形成させて耐ピッチング性を改善する技術がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
さらに、機械構造用鋼材の歯車形状の表面から深さ０．１ｍｍまでのＣ、Ｓｉ、Ｍｎ量が５．５％＜３×Ｃ％＋５．２×Ｓｉ％＋Ｃｒ％とし、表面から深さ５０μｍでのビッカース硬さが７００〜９００であると共に、表面硬さが最大粗さＲｍａｘで５μｍ以下、平均粗さＲａで１μｍ以下で良好なピッチング寿命が得られるとした発明が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００７】
以上のように、従来の歯車の面圧強度の改善策は、歯車表面が３００℃付近まで上昇することから、材料の面ではＳｉ、Ｍｏ、Ｃｒを代表とする耐軟化抵抗性つまり高温硬さ改善が一般的であり、表面処理の面では浸炭や浸炭窒化により表面のＣ量やＮ量を制御すること、そして歯車表面に圧縮残留応力を付与したり、粗度を改善する方法が行われており、これらの組合せによって必要な面圧強度を確保している。
【０００８】
ところで、一般に自動車用を代表とした機械における歯車は大量生産されるため、製造コストの削減が常に求められている。この点で見ると、表面処理は効果が著しいもののコスト高という欠点がある。面圧強度の改善を鋼材の化学成分、特にＳｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、による焼戻し軟化抵抗という方策が考えられ、これは表面処理による対策よりも比較的低コストである。しかし、これまでの鋼材の化学成分による面圧強度の改善は限られた範囲のもので不十分であった。そこで、さらに材料面での新たな面圧強度の改善策が必要となっている。
【０００９】
一方、被削性に優れた高強度高靱性調質鋼としてＴｉ快削鋼の発明が提案されている。（例えば、特許文献４参照。）。しかし、この発明では、Ｔｉは炭硫化物を形成して被削性を上昇させるために添加しているのであり、さらに、Ｓｉも被削性を改善するために添加されている。しかし、この発明は、歯車の面圧強度改善については一切記載されておらず、したがって、歯車の面圧強度改善のためにＳｉとＴｉを複合添加する点についての記載は全くなく、従って、その全実施例についても、本発明の範囲から外れており、実質的に歯車の面圧強度改善について示唆するものではない。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−３０９３１８号公報
【特許文献２】特開平０９−２９６２５０号公報
【特許文献３】特許第３３０８３７７号公報
【特許文献４】特開平１１−１７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、上記した材料面での新たな改善策に応えるもので、高強度歯車用肌焼鋼のさらなる改善によって、より低コストでかつ歯元強度と歯面強度の向上を図った鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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：０．４０〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００８〜０．０３５％、Ｃｒ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０３５％、Ｔｉ：０．１０〜０．２５％、Ｎ：０．００２０〜０．０１００％を含有し、Ｓｉ＋５Ｔｉ：１．０〜２．５％とし、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする歯車の耐ピッチング性および歯元曲げ疲労強度に優れる高強度歯車用肌焼鋼である。
【００１３】
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、Ｍｏ：０．１５〜１．５％、Ｎｉ：０．２５〜１．５％、Ｂ：０．０００３〜０．００８０％、Ｖ：０．０３〜０．３０％から１種または２種以上を選択的に含有することを特徴とする歯車の耐ピッチング性および歯元曲げ疲労強度に優れる高強度歯車用肌焼鋼である。
【００１４】
上記の化学成分の限定理由を以下に説明する。なお、％は質量％とする。
【００１５】
Ｃ：０．１０〜０．３５％
Ｃは、鋼の強度を確保するために必要な元素であり、０．１０％未満では芯部強度が確保できず、０．３５％を超えると、被削性が阻害される。そこでＣは０．１０〜０．３５％とし、好ましくは０．１５〜０．２５％とする。
【００１６】
Ｓｉ：０．４０〜１．５０％
Ｓｉは、高温硬さおよび歯面同士の摩擦係数を低減するために必要な元素であり、脱酸剤としても必要な元素であり、０．４０％未満では、それらの効果は十分でなく、１．５０％を超えると、被削性を阻害する。一方、１．５０％を超えると、フェライト生成元素のため焼入れ後のマルテンサイト中にフェライトが生成し、疲労強度を低下する。そこでＳｉは０．４０〜１．５０％とし、好ましくは、０．４５〜１．２５％とする。
【００１７】
Ｍｎ：０．３０〜１．００％
Ｍｎは、焼入性を確保するために必要な元素であり、０．３０％未満ではその効果はなく、１．００％を超えると被削性を阻害する。そこでＭｎは０．３０〜１．００％とし、好ましくは０．３５〜０．８０％とする。
【００１８】
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、オーステナイト粒界に偏析して衝撃強度低下させるため、含有量を０．０３０％以下とし、好ましくは０．０２５％以下とする。
【００１９】
Ｓ：０．００８〜０．０３５％
Ｓは、硫化物による被削性を確保するために必要な元素であり、０．００８％未満ではその効果はなく、０．０３５％を超えると熱間加工性および衝撃強度を低下する。そこでＳは０．００８〜０．０３５％とし、好ましくは０．０１２〜０．０２５％とする。
【００２０】
Ｃｒ：０．５〜２．０％
Ｃｒは、焼入性を確保するために必要な元素であり、０．５％未満ではその効果はなく、２．０％を超えると被削性を阻害する。そこでＣｒは０．５〜２．０％とし、好ましくは０．６〜１．７％とする。
【００２１】
Ａｌ：０．００５〜０．０３５％
Ａｌは、脱酸剤として添加される元素であり、０．００５％未満ではその効果はなく、０．０３５％を超えて添加してもその効果は飽和し、通常の電気炉レベルで０．０３５％以下である。そこでＡｌは、０．００５〜０．０３５％とし、好ましくは、０．０１０〜０．０３０％とする。
【００２２】
Ｔｉ：０．１０〜０．２５％
Ｔｉは、浸炭あるいは浸炭窒化時にＴｉＣあるいはＴｉＣＮを析出し、耐ピッチング性と曲げ疲労強度を改善する元素であり、０．１０％未満ではその効果はなく、０．２５％を超えると被削性を阻害する。そこでＴｉは、０．１０〜０．２５％とし、好ましくは０．１２〜０．２０％とする。
【００２３】
Ｎ：０．００２０〜０．０１００％
Ｎは、溶鋼中に大型ＴｉＮを晶出し、被削性を低下するので上限を０．０１００％とする。しかし、Ｎが０．００２０％未満の低Ｎ化操業はコスト高となる。そこでＮは０．００２０〜０．０１００％とし、好ましくは０．００５０〜０．００８０％とする。
【００２４】
Ｓｉ＋５Ｔｉ：１．０〜２．５％
Ｔｉ添加鋼からなる歯車は相手歯車材を摩擦させ易くなるが、Ｓｉ添加により緩和可能であり、Ｓｉ＋５Ｔｉが１．０％未満ではこの効果は十分でなく、２．５％を超えると被削性を阻害し、疲労強度を低下する。そこでＳｉ＋５Ｔｉは１．０〜２．５％とし、好ましくは、１．２〜２．２０％とする。
【００２５】
Ｍｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｖは１種または２種以上を選択的に含有し得る元素であり、以下に説明する。
【００２６】
Ｍｏ：０．１５〜１．５％
Ｍｏは、高温硬さおよび焼入性確保に効果のある元素であり、０．１５％未満ではその効果はなく、１．５％を超えると被削性を低下しコスト的に不利となる。そこでＭｏは０．１５〜１．５％とし、好ましくは０．２５〜１．０％とする。
【００２７】
Ｎｉ：０．２５〜１．５％
Ｎｉは、歯車の曲げ疲労強度確保に効果のある元素であり、０．２５％未満ではその効果はなく、１．５％を超えると被削性を低下しコスト的に不利となる。そこでＮｉ：０．２５〜１．５％とし、好ましくは０．３〜１．０％とする。
【００２８】
Ｂ：０．０００３〜０．００８０％
Ｂは、焼入性確保に効果のある元素であり、０．０００３％未満ではその効果はなく、０．００８０％を超えるとホウ炭化物析出により強度が低下する。そこでＢ：０．０００３〜０．００８０％とし、好ましくは０．００１０〜０．００３０％とする。
【００２９】
Ｖ：０．０３〜０．３０％
Ｖは、高温硬さ確保に効果のある元素であり、０．０３％未満ではその効果はなく、０．３０％を超えるとコスト的に不利となる。そこでＶは０．０３〜０．３０％とし、好ましくは０．１０〜０．２５％とする。
【００３０】
さらに、上記の限定理由のうち、特にＴｉおよびＳｉについて説明する。本発明では、Ｔｉ含有量を０．１〜０．２５％に規定している。Ｔｉは浸炭あるいは浸炭窒化時にＴｉＣあるいはＴｉＣＮとしてナノサイズのオーダーで析出する。その結果、浸炭などの処理を施してもオーステナイト結晶粒を微細なまま保つことが可能であり、疲労強度に有害とされる混粒組織を抑制することが可能となる。また、ビッカース硬さが３０００以上のＴｉＣあるいはＴｉＣＮがマトリックス組織中に微細、かつ、多量に分散してマトリックス自体が強化されるため、歯車の歯面同士の金属接触時にマトリックスの軟化が抑制される。その結果、マトリックス間の元素の拡散が抑制され面圧強度が上昇する。
【００３１】
ただし、噛み合う一対の歯車の内、片方のみをＴｉで強化すると、ＴｉＣあるいはＴｉＣＮが相手の歯車表面を攻撃し、摩耗を促進させるために潤滑油膜が形成され難くなり、歯車の面圧強度の低下を招くことがある。
【００３２】
そこで、本発明ではこの問題をＳｉを０．４０〜１．５０％添加することで解決した。Ｓｉは、歯面温度が３００℃付近まで上昇した時の高温硬さを確保するために添加するのは、従来の知見であるが、さらに、Ｓｉには歯面同士の金属接触時に摩擦抵抗を低減させる効果があることが判明し、ＴｉＣあるいはＴｉＣＮによる相手材攻撃性が緩和される。すなわち、硬質のＴｉＣあるいはＴｉＣＮが相手材表面を引っかき、摩耗を促進する相手材攻撃性が緩和される。
【００３３】
本発明の鋼は、従来から利用されている様々な表面処理、例えばガス浸炭、真空浸炭、浸炭窒化、高濃度浸炭（過共析浸炭）などの表面硬化処理や、微粒子ショットを含むショットピーニングや、歯研処理あるいはその他の摩擦係数低減化処理によって、さらなる歯元強度および歯面強度の改善が可能となる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明は、高強度歯車用の肌焼鋼の化学成分を請求項に記載のものとすることで、歯車の歯元強度および歯面強度の高強度化が図られ、自動車などの機械の小型軽量化が促進でき、その結果、燃費が改善され、環境改善に寄与するなど、本発明は優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明を実施するための最良の形態について説明する。先ず、表１に示す化学成分からなる本発明鋼と比較鋼の各供試材を１００ｋｇ真空溶解炉で溶製し、鋼塊とした。得られた鋼塊から径３０ｍｍの棒材に熱間鍛造して放冷後、さらに９００℃に１時間保持して放冷した。
【００３６】
【表１】
2005163148.tif 000002
【００３７】
上記で得た棒材から、ローラーピッチング試験片と切欠き回転曲げ疲労試験片を作製して表面処理を施した。これらの試験片を用いて、表２に示す試験条件でローラーピッチング試験を行なった。
【００３８】
【表２】
2005163148.tif 000003
【００３９】
さらに小野式回転曲げ疲労試験を行なった。小野式回転曲げ疲労試験とローラーピッチング試験の結果を表３および表４に示す。なお、表３は、９３０℃で６時間かけて雰囲気のＣｐ０．８で浸炭および拡散処理し、８３０℃から６０℃の油中に焼入れし、１８０℃で焼き戻した共析浸炭材である。さらに表４は、９３０℃で６時間かけて窒化し、８３０℃から６０℃の油中に焼入れし、１８０℃で焼き戻したものである。
【００４０】
【表３】
2005163148.tif 000004
【００４１】
上記の共析浸炭材の処理の目標値は、回転曲げ疲労強度で４００ＭＰａ以上、ローラーピッチングＬ50寿命は５．０×１０6以上である。
【００４２】
表３に示すように、発明鋼は回転曲げ疲労強度、ローラーピッチング寿命ともに目標を達成している。しかし、比較鋼は少なくとも一方の目標が未達成である。
【００４３】
【表４】
2005163148.tif 000005
【００４４】
上記の窒化材の処理の目標値は、回転曲げ疲労強度で７５０ＭＰａ以上、ローラーピッチングＬ50寿命は１０．０×１０6以上である。
表４に示すように、発明鋼は回転曲げ疲労強度、ローラーピッチング寿命ともに目標を達成している。しかし、比較鋼は少なくとも一方の目標が未達成である。