(57)【要約】      （修正有）【課題】歯車用浸炭鋼の製造時に添加するニッケルが高価で加工性を低下させる問題点と、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼を適用する歯車の加工の難しさによる生産性の低下、加工具の寿命短縮などの問題点を解決することができる変速機歯車用高強度Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼を提供する。【解決手段】変速機歯車用高強度Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼において、Ｆｅを主成分とし、０．１７〜０．２１重量％のＣと、０．１５重量％以下のＳｉと、０．６０〜０．８５重量％のＭｎと、０．０２重量％以下のＰと、０．０３重量％以下のＳと、１．２５〜１．４５重量％のＣｒと、０．５５〜０．６５重量％のＭｏと、０．０１５〜０．０３５重量％のＮｂとを含有する合金系成分で、溶存酸素量を１５ｐｐｍ以下にすることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅを主成分として、０．１７〜０．２１重量％のＣと、０．１５重量％以下のＳｉと、０．６０〜０．８５重量％のＭｎと、０．０２重量％以下のＰと、０．０３重量％以下のＳと、１．２５〜１．４５重量％のＣｒと、０．５５〜０．６５重量％のＭｏと、０．０１５〜０．０３５重量％のＮｂとを含有する合金系成分で、溶存酸素量を１５ｐｐｍ以下にすることを特徴とする変速機歯車用高強度Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変速機歯車用高強度Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼に関するものであって、優れた物性を有しながらもコストタウンが実現できて、また結晶粒微細化効果の極大化により高温浸炭が可能で熱処理サイクルの時間を減らすことができる変速機歯車用高強度Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車変速機歯車の製造工程は、図１に示すように、素材→熱間または冷間鍛造→冷却（空冷または放冷）→加工前熱処理（ＩＳＯ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ  ｏｒ  Ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ）→加工（Ｓｈａｖｉｎｇ  ＆  Ｈｏｂｂｉｎｇ）→浸炭熱処理→後加工（研磨、Ｈｏｎｉｎｇ）などの工程を経て製造されている。
【０００３】
従来、自動車変速機歯車用合金鋼としてよく使用される素材には、Ｃｒ合金鋼、Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼などがあり、主に浸炭熱処理を行って使用するが、各々の工程に適合して、安価で、熱処理後の物性にも優れたものが最適の合金鋼素材であると言える。
即ち、鍛造性及び加工性に優れて、値段も安く、物性（例えば、疲労特性、衝撃特性など）にも優れているものが好ましい。
【０００４】
Ｃｒ合金鋼とＣｒ−Ｍｏ合金鋼は、廉価であるが、疲労特性及び衝撃特性が優れておらず、主に大きい負荷を受けない歯車によく使われている（特開平９−２０１６４４号、特開平４−８８１４８号）。
反面、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼は、Ｎｉを含有するため高価で、加工が難しいという大きい短所はあるが、疲労特性及び衝撃特性に優れているため主に大きい負荷を受ける歯車類に適用される（特開平９−２９６２５０号、特開昭６３−２３５４５２号）。
北米やヨーロッパなどの自動車メーカーでは、Ｎｉの値段がアジア地域よりは安いため、自動車のギア及びシャフト用としてＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼をよく使用する。
【０００５】
通常、歯車用の浸炭鋼の場合、焼入性を高めて、高強度、高靱性を得るために、合金元素のＭｏやＮｉを添加するが、Ｎｉは高価であるとともに鋼の靱性を過度に高めるため様々な問題を起こす。例えば、歯車に加工する際、切削性が悪く歯車の歯面粗度を悪化させ、加工具の寿命を短縮するため生産性低下につながると言う問題点がある。
従って、焼入性及び加工性の問題だけではなく、コストダウンの側面からも優れたＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼に代替可能なＣｒ−Ｍｏ合金鋼の開発が望まれている。
【特許文献１】特開平９−２９６２５０号公報
【特許文献２】特開昭６３−２３５４５２号公報
【特許文献３】特開平９−２０１６４４号公報
【特許文献４】特開平４−８８１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記のような問題点を解決するためになされたもので、歯車用浸炭鋼の製造時に添加するニッケルが高価で加工性を低下させる問題点と、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼を適用する歯車の加工の難しさによる生産性の低下、加工具の寿命短縮などの問題点を解決することができる変速機歯車用高強度Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼を提供することにその目的がある。
【０００７】
また、従来のＣｒ−Ｍｏ合金鋼及びＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼の短所は改善し、高強度、高耐久性、コンパクト設計への対応等の長所はそのまま保持でき、結晶粒微細化効果の大幅向上による高温浸炭によって熱処理サイクルの時間を短縮することでコストタウンが計れる変速機歯車用高強度Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明は、変速機歯車用高強度Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼において、Ｆｅを主成分とし、０．１７〜０．２１重量％のＣと、０．１５重量％以下のＳｉと、０．６０〜０．８５重量％のＭｎと、０．０２重量％以下のＰと、０．０３重量％以下のＳと、１．２５〜１．４５重量％のＣｒと、０．５５〜０．６５重量％のＭｏと、０．０１５〜０．０３５重量％のＮｂとを含有する合金系成分で、溶存酸素量を１５ｐｐｍ以下にすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による変速機歯車用高強度Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼は、高価なＮｉを含有するＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼に比べ、低廉であるにも拘わらず同等以上の特性を有し、加工具の寿命を延長する効果が得られる。
特に、高負荷を受けるため従来のＣｒ−Ｍｏ合金鋼は適用困難であった歯車類及びシャフト類（Ｏｕｔｐｕｔ  Ｆｉｎａｌ  Ｇｅａｒ，  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｄｒｉｖｅ  Ｇｅａｒ，  高出力手動変速機のＩｎｐｕｔ  ａｎｄ  Ｏｕｔｐｕｔ  Ｓｈａｆｔなど）に広く適用可能な利点を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明による変速機歯車用高強度Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼では、加工性を向上させるためにＮｉは添加せず、その代わりに、ＣｒとＭｏの含有量を従来のＣｒ−Ｍｏ合金鋼の含有量より増して特性を補完した。
また、Ｃｒ含有量増加による表面異常層増加の問題は、Ｓｉ含有量を下げることで克服し、Ｍｏ含有量増加によるＭｏ炭化物析出問題は、Ｍｏより炭化物形成親和度の高いＮｂの含有量を通常より多くして克服した。
また、ＣｒとＭｏ含有量増加の結果である強度向上による加工性低下は、Ｓの含有量を害のない範囲で増加させることにより改善した。
【００１１】
以下、本発明の主要構成元素についてさらに詳細に説明する。
表１は、本発明によるＣｒ−Ｍｏ合金鋼の成分と、従来のＣｒ−Ｍｏ合金鋼及びＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼の成分とを比較して示したものである。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
本発明のＣｒ−Ｍｏ合金鋼には、加工性向上及びコストダウンの点からＮｉを添加せず、Ｃは、物性と焼入性を考慮して０．１７〜０．２１重量％添加する。
Ｓｉ含有量は、合金鋼１００重量％に対し、０．１５重量％以下として浸炭時発生する表面異常層を低減させた。
その理由は、本発明では、特性向上のために表面異常層を生じやすいＣｒの含有量を、従来のＣｒ−Ｍｏ合金鋼に比べ増やしたため、Ｓｉが０．１５重量％を超える場合は、表面異常層の過剰生成による悪影響が現れるためである。
【００１４】
Ｃｒ含有量は、合金鋼１００重量％に対し、１．２５〜１．４５重量％としたが、これはＣｒ含有量が１．２５重量％未満の場合、従来のＣｒ−Ｍｏ合金鋼の特性と近いものとなり特性向上がみられないためである。
また、Ｃｒ含有量が１．４５重量％を超える場合は、コストアップとなるほか、浸炭時、表面の浸炭層にＣｒ炭化物（またはＣｒ−Ｍｏ系炭化物）が析出し、脆性が強くなるとともに、Ｓｉの含有量を０．１５重量％以下に制限したにもかかわらず、表面異常層の厚さが１５μｍ以上になるためである。
【００１５】
Ｍｏは、合金鋼１００重量％に対し、従来のＣｒ−Ｍｏ合金鋼より多い０．５５〜０．６５重量％を含有する。その含有量が０．５５重量％未満の場合はＣｒの場合と同様に、従来のＣｒ−Ｍｏ合金鋼の特性と比べ、改善効果があまり大きくないため、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金鋼を代替するほどの改善効果がない。
Ｍｏ含有量が０．６５重量％を超える場合、Ｍｏより炭化物形成親和度の高いＮｂの含量を既存より多くしたにもかかわらず、浸炭層にＣｒ−Ｍｏ系炭化物が粒界に析出するだけではなく、粒界の周りに微細なクラックが生じて、脆性が大きくなる問題が発生する。
【００１６】
Ｓは、加工性の低下を改善するために、害のない範囲内で、従来のＣｒ−Ｍｏ合金鋼に比べ、含有量の上限を０．０３重量％に上げた。
また、高温浸炭時、結晶粒の粗大化を防止し、結晶粒の微細化効果を最大にするために、Ｎｂを０．０１５〜０．０３５重量％添加した。
Ｎｂは、合金鋼内で微細なＮｂ窒化物及び炭化物を作って結晶粒の粗大化を抑える元素であって、その含有量が０．０１５重量％未満であると効果があまり大きくなく、０．０３５重量％を超えると、炭化物が結晶粒界に過剰析出して脆性が大きくなる問題がある。
本発明のＣｒ−Ｍｏ合金鋼では、従来のＣｒ−Ｍｏ合金鋼に比べＮｂ含有量の上限値を上げたが、これは、ＭｏやＣｒの含量増加によるＭｏ炭化物やＣｒ炭化物の形成を防ぐためである。
また、鋼の不純物の含量を減らし清浄度を向上させるために、溶存酸素量を１５ｐｐｍ以下に抑えた。
【実施例】
【００１７】
以下、実施例を通じて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明の実施例及び比較例の合金成分は、次の表２に示した通りであって、通常の方法により合金鋼を製造した。
表２において、実施例は本発明の合金鋼であり、比較例１〜４は合金含量による特性の影響を分析するために製造した合金鋼であって、比較例５〜７は、従来に量産及び適用中の合金鋼である。
【００１８】
【表２】
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【００１９】
試験例
表２の実施例及び比較例について変速機用歯車に必要な基本物性を実験し比較した。
表３及び表４、図２はその結果を示したものである。表３は、浸炭熱処理後の疲労特性及び衝撃特性の試験結果を示したものである。
表４は、歯車の製造時に重要な因子である加工性を比較した結果であって、手動変速機用特定歯車のシェービング（ｓｈａｖｉｎｇ）加工時の加工ツール（ｔｏｏｌ）１個当たりの歯車加工数量を示す。
加工性試験は、本発明の鋼の実施例及び従来の鋼の比較例５〜６に対して行った。
【００２０】
図２は、本発明の鋼の実施例と、現在ヨーロッパのメーカーで高強度用素材として適用されている従来鋼の比較例７について、歯車状態における疲労特性を試験して比較した結果である。
【００２１】
【表３】
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【００２２】
【表４】
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【００２３】
表３から分かるように、本発明実施例の鋼は、Ｎｉが添加されていないにもかかわらず、従来のＣｒ−Ｍｏ系合金鋼である比較例５より著しく優れた特性を示し、また、従来のＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金鋼である比較例６、７との比較では同等以上の特性を示した。
【００２４】
ＣｒとＭｏの含有量を調整して比較した結果を要約すると、両合金元素の含有量が本発明の含有量の範囲を超えた場合（比較例１と比較例３）、焼入性が高くなるだけではなく、浸炭された表面硬化層にＣｒ−Ｍｏ系炭化物が粒界に多量析出して脆性が大きくなる短所があった（衝撃値低下）。
反面、本発明の含有量より少ない場合は、疲労関連特性が著しく劣ることが分かった。
【００２５】
また、Ｎｂを添加した場合の結晶粒の大きさは、Ｎｂ添加による微細化効果により、Ｎｂを添加していない場合（比較例５）に比べ、全ての点で優れており、また、Ｎｂの添加により高温浸炭が可能になって、熱処理サイクルタイムを短縮することもできると予想される。
加工性も、本発明の実施例が、従来のＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金鋼である比較例６に比べ著しく向上（約３３％）したが、これは、Ｓの含有量を増加させることにより、強度向上による加工性の低下を改善したからである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】自動車の変速機用歯車の製造工程を示す製造工程図である。
【図２】歯車の曲げ疲労試験の結果を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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