(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学成分としてＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、又はこれら成分にＭｏ若しくはＭｏ及びＶを添加した機械構造用肌焼鋼を素材とし、歯車成形体に対して浸炭窒化処理が施されていて、この処理が浸炭工程、ＮＨ３ガスによる窒化工程、ソルトへの浸漬工程および焼戻し工程をこの順で行う表面硬化熱処理であり、
表面から少なくとも１５０μｍ深さまでの窒素含有量が０．２％以上０．８％以下であり、かつ、窒素を含有した緻密なマルテンサイトおよび１０〜４０％の残留オーステナイトの混合組織、あるいは窒素を含有した緻密なマルテンサイト、下部ベイナイトおよび１０〜４０％の残留オーステナイトの混合組織からなる表面硬化層を有することを特徴とする高強度歯車。
【請求項２】
機械構造用肌焼鋼が０．３〜３．０％のＣｒを含有する請求項１に記載の高強度歯車。
【請求項３】
Ｖ添加鋼が０．１〜０．５％のＶを含有する請求項１または２に記載の高強度歯車。
【請求項４】
ショットピーニングが施されている請求項１ないし３のいずれかに記載の高強度歯車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車，産業機械，農業機械等々の各種機械構造物の機械要素のうち歯車として利用される歯面疲労強度に優れた高強度歯車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｓ１５ＣＫ，Ｓ２０ＣＫなどの機械構造用炭素肌焼鋼や、ＳＣｒ４２０，ＳＣＭ４２０などの機械構造用合金肌焼鋼を素材として、歯車成形体を塑性加工や切削加工などにより製作したのち、浸炭ないしは浸炭窒化処理および焼入れを施し、さらに場合によってはショットピーニング処理を行うことが広く行われている。
【０００３】
このような処理を施すことによって、歯面において、芯部に比べて硬い硬化層ないしは圧縮残留応力をも有する硬化層を形成させ、これによって歯面疲労強度（主に、ピッティング強度）や耐摩耗性を向上させるようにしている（例えば、特開昭６２−３３７５５号，特開平３−２４２５７号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年におけるエンジン出力の向上および軽量化の要請等により、さらに高い歯面疲労強度、特により優れた耐ピッティング強度を有する歯車が求められるようになっている。
【０００５】
ところが、歯車の歯面における接触面圧の大幅な上昇は、歯面表層部での発熱を招き、従来の表面硬化層では、時間と共に軟化したり、圧縮残留応力が早期に解放されてしまったりするなどの現象を伴うことがあった。
【０００６】
このため、主として、ピッティングや摩耗が早期に生じそして進行し、ノイズ発生などの不具合に至ることがありうることから、このような不具合の発生を防止することが課題となっていた。
【０００７】
【発明の目的】
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであって、歯車の歯面における接触面圧が大幅に上昇したときでも、耐ピッティング性や耐摩耗性に優れているため、ピッティングや摩耗が早期に生じず、ノイズ発生などの不具合が生じがたい歯面疲労強度に優れた高強度歯車を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる歯面疲労強度に優れた高強度歯車は、化学成分としてＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、又はこれら成分にＭｏ若しくはＭｏ及びＶを添加した機械構造用肌焼鋼を素材とし、歯車成形体に対して浸炭窒化処理が施されていて、この処理が浸炭工程、ＮＨ３ガスによる窒化工程、ソルトへの浸漬工程および焼戻し工程をこの順で行う表面硬化熱処理であり、表面から少なくとも１５０μｍ深さまでの窒素含有量が０．２％以上０．８％以下であり、かつ、窒素を含有した緻密なマルテンサイトおよび１０〜４０％の残留オーステナイトの混合組織、あるいは窒素を含有した緻密なマルテンサイト、下部ベイナイトおよび１０〜４０％の残留オーステナイトの混合組織からなる表面硬化層を有する構成としたことを特徴としている。
【０００９】
また、本発明に係わる歯面疲労強度に優れた高強度歯車の実施態様においては、機械構造用肌焼鋼が０．３〜３．０％のＣｒを含有するものとしたり、０．１〜０．５％のＶを含有するものとしたりすることができ、同じく実施態様において、ショットピーニングが施されているものとしたりすることができる。
【００１０】
本発明に係わる歯面疲労強度に優れた高強度歯車において、その素材としては、化学成分としてＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、又はこれら成分にＭｏ若しくはＭｏ及びＶを添加した機械構造用肌焼鋼が使用される。
【００１１】
この場合、クロムを含有する機械構造用肌焼鋼においては、Ｃｒ含有量が０．３〜３．０％であるものを用いることがより望ましく、Ｃｒはこの種の肌焼鋼において焼入れ性の向上に寄与する作用を有していることから、このような作用を得るために０．３％以上とすることが望ましいが、多すぎると靭性を低下させることとなるので３．０％以下とすることが望ましい。
【００１２】
また、バナジウムを含有する機械構造用肌焼鋼においては、Ｖ含有量が０．１〜０．５％であるものを用いることがより望ましく、Ｖはこの種の肌焼鋼において靭性を向上させる作用を有していることから、このような作用を得るために０．１％以上とすることが望ましいが、多すぎても効果の向上はみられずかえって靭性を低下させることとなるので０．５％以下とすることが望ましい。
【００１３】
そして、このほか、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｎｉ，Ｍｏ等についてもこの種の肌焼鋼に適する範囲とすることが望ましいことはいうまでもない。
【００１４】
また、その他、結晶粒微細化作用があるＡｌ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｎ等を含有させたり、被削性向上作用があるＰｂ，Ｓ，Ｃａ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｂｉ等を含有させたりしたものであってもよい。
【００１５】
そして、このような機械構造用肌焼鋼を素材として、塑性加工や切削加工などを行うことによって歯車成形体に加工したのち、浸炭窒化処理および焼入れを行う。
【００１６】
この際の浸炭窒化処理および焼入れに際しては、特に格別な手法を採用せねばならないことはなく、このような熱処理を施すことによって、表面から少なくとも１５０μｍ深さまでの窒素（Ｎ）含有量が０．２％以上０．８％以下であり、かつ、窒素を含有した緻密なマルテンサイトおよび１０〜４０％の残留オーステナイトの混合組織、あるいは窒素を含有した緻密なマルテンサイト，下部ベイナイトおよび１０〜４０％の残留オーステナイトの混合組織からなる表面硬化層が得られるようにする。
【００１７】
この場合、少なくとも１５０μｍ深さまでの窒素含有量が０．２％以上０．８％以下であるようにすることによって、耐ピッティング性および耐摩耗性を大幅に向上させることが可能である。
【００１８】
また、表面硬化層はマルテンサイトおよび１０〜４０％の残留オーステナイトの混合組織、あるいはマルテンサイト，下部ベイナイトおよび１０〜４０％の残留オーステナイトの混合組織とすることによって、Ｎを含有した緻密でかつ高硬度のマルテンサイト組織が得られ、また、靭性に優れ疲労亀裂先端の応力を緩和しその伝播を阻止する作用がある残留オーステナイトにおいても従来に比べて高硬度であってかつまた容易に変態しないものとなっていることから、表面の耐ピッティング性および耐摩耗性を大幅に向上させることが可能である。
【００１９】
さらに、このような浸炭窒化処理および焼入れを行ったのち、ショットピーニング処理を施すことによって、表面に圧縮残留応力を有する表面硬化層とすることが可能であり、歯面の疲労強度をより一層向上させたものとすることが可能である。
【００２０】
【発明の作用】
本発明に係わる高強度歯車は、上記した構成を有するものであり、表面窒素含有量の増加および適正化によって、高温（３００℃程度まで）での軟化抵抗が大幅に向上し、例えばエンジン出力の上昇や軽量化などにより歯面の接触面圧が増大して歯面表層部での発熱を生じたときでも、表面硬化層で軟化しがたいものとなる。
【００２１】
これは、主に、微細なＣｒ，Ｖ系等の炭窒化物が形成されることと、Ｎの固溶硬化が得られることにより、高温での軟化抵抗が大幅に向上することとなり、さらには、窒素を含有したマルテンサイトは緻密でかつ高硬度の組織であると共に残留オーステナイトにおいても従来に比べて高硬度であり、また、容易に変態しない特徴を有していることから、これらによって、耐ピッティング性および耐摩耗性が大幅に向上することとなる。
【００２２】
【実施例】
実施例１
表１に示す化学成分のＳＣｒ４２０，ＳＣＭ４２０およびＳＣＭ４２０のＶ添加鋼を真空溶解によって溶製したのち直径３２ｍｍに鍛造し、９２０℃で６０分保持後空冷の焼ならしを行ったのち、直径２６ｍｍ×長さ１５０ｍｍに機械加工し、さらに、図１に示す浸炭窒化条件で表面硬化熱処理（９３０℃×５ｈｒの浸炭および拡散→８４０℃×２ｈｒのＮＨ３ガスによる窒化（５００リットル／ｈｒ）→１８０℃ソルトへの浸漬→１７０℃×２ｈｒの焼戻し→空冷）を行った。
【００２３】
次いで、一部については、アークハイト：０．９７ｍＡ，カバレージ：３００％以上、ショット粒径：０．６ｍｍ，ショット硬さ：Ｈｖ７００の条件でショットピーニング（Ｓ／Ｐ）を行ったのち、研削（直径０．２ｍｍ）を行って本発明例のローラーピッティング試験片（表２に示す発明品１〜６）を作製した。
【００２４】
そして、表２に示す発明品１〜６の表面硬さ，表面窒素量，残留オーステナイト量および高温軟化抵抗（３００℃×３ｈｒの焼戻し硬さ）を調べたところ、同じく表２に示す結果であった。
【００２５】
比較例１
表１に示す化学成分のＳＣｒ４２０，ＳＣＭ４２０およびＳＣＭ４２０のＶ添加鋼を真空溶解によって溶製したのち直径３２ｍｍに鍛造し、９２０℃で６０分保持後空冷の焼ならしを行ったのち、直径２６ｍｍ×長さ１５０ｍｍに機械加工し、さらに、図２に示す浸炭条件で表面硬化熱処理（９３０℃×５ｈｒの浸炭および拡散→８４０℃×２ｈｒの加熱保持→１８０℃ソルトへの浸漬→１７０℃×２ｈｒの焼戻し→空冷）を行った。
【００２６】
次いで、一部について実施例１と同じ条件でショットピーニング（Ｓ／Ｐ）を行ったのち、研削（直径０．２ｍｍ）を行って比較例のローラーピッティング試験片（表２に示す比較品１〜３）を作製した。
【００２７】
そして、表２に示す比較品１〜３の表面硬さ，表面窒素量，残留オーステナイト量および高温軟化抵抗（３００℃×３ｈｒの焼戻し硬さ）を調べたところ、同じく表２に示す結果であった。
【００２８】
評価試験例１
次に、実施例１（発明品１〜６）および比較例１（比較品１〜３）で作製したローラーピッティング試験片に対して、図３に示すローラーピッティング試験方法によってローラーピッティング試験を行った。
【００２９】
図３において、１は小ローラー（駆動ローラー，試験片）であって、接触部の直径が２６ｍｍ，幅が２８ｍｍのものであり、２は大ローラー（従動ローラー）であって、接触部の幅が８ｍｍ，直径が１３０ｍｍのものである。
【００３０】
このローラーピッティング試験において、大ローラー（相手材）２として、ＳＣｒ４２０よりなる浸炭焼入れ材を用い、試験条件として、面圧：３６７７ＭＰａ，すべり率：−４０％，潤滑油：ミッションオイル）を選んで実施し、ピッティング発生寿命を調べた。この結果を同じく表２に示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
【表２】
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【００３３】
表１および表２より明らかなように、表面の窒素含有量が０．２〜０．８％の範囲内にあり、１０〜４０％の残留オーステナイトを含む混合組織である表面硬化層が得られるようにした発明品１〜６では、いずれも３００℃×３ｈｒでの焼戻し硬さが大であって高温軟化抵抗が大きなものになっていると共に、４×１０６回以上のピッティング発生寿命回数を得ることができ、歯面疲労強度および耐摩耗性が良好なものとなっていることが確かめられた。
【００３４】
これに対して、浸炭処理を施し、表面窒素量が０％である比較品１〜３では、３００℃の高温で軟化を生じやすいものとなっており、高温軟化抵抗性も低いと共に、ピッティング寿命回数は４×１０６回以下であった。
【００３５】
実施例２
表１に示す化学成分のＳＣＭ４２０およびＳＣＭ４２０のＶ添加鋼を素材として小型の歯車成形体に成形したのち、図１に示す浸炭窒化条件で表面硬化熱処理を行った。
【００３６】
次いで、実施例１と同じ条件でショットピーニング（Ｓ／Ｐ）を行って小型実歯車（表３に示す発明品７，８）を作製した。
【００３７】
そして、表３に示す発明品７，８の表面硬さ，表面窒素量，残留オーステナイト量および高温軟化抵抗（３００℃×３ｈｒの焼戻し硬さ）を調べたところ、同じく表３に示す結果であった。
【００３８】
比較例２
表１に示す化学成分のＳＣＭ４２０およびＳＣＭ４２０のＶ添加鋼を素材として小型の歯車成形体を成形したのち、図２に示す浸炭条件で表面硬化処理を行った。
【００３９】
次いで、実施例１と同じ条件でショットピーニング（Ｓ／Ｐ）を行って小型実歯車（表３に示す比較品４，５）を作製した。
【００４０】
そして、表３に示す比較品４，５の表面硬さ，表面窒素量，残留オーステナイト量および高温軟化抵抗（３００℃×３ｈｒの焼戻し硬さ）を調べたところ、同じく表３に示す結果であった。
【００４１】
評価試験例２
次に、実施例２（発明品７，８）および比較例２（比較品４，５）で作製した小型実歯車のピッティング発生寿命を動力循環式歯車疲労試験により評価した。この結果を同じく表３に示す。
【００４２】
【表３】
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【００４３】
表１および表３より明らかなように、発明品７，８では高温軟化抵抗が大きなものになっていると共に歯面のピッティング発生寿命回数が多くなっており、Ｎ＝１．５×１０６回での歯面の摩耗量は少ないものとなっていた。
【００４４】
これに対して、比較品４，５では高温軟化抵抗が発明品７，８に比べて小さくなっており、比較品５では発明品に匹敵する歯面のピッティング発生寿命回数を有しているものの、比較品４，５のＮ＝１．５×１０６回での歯面の摩耗量は発明品よりも多いものとなっていた。
【００４５】
【発明の効果】
本発明に係わる高強度歯車は、化学成分としてＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、又はこれら成分にＭｏ若しくはＭｏ及びＶを添加した機械構造用肌焼鋼を素材とし、歯車成形体に対して浸炭窒化処理として、浸炭工程、ＮＨ３ガスによる窒化工程、ソルトへの浸漬工程および焼戻し工程がこの順で行われる表面硬化熱処理であり、表面から少なくとも１５０μｍ深さまでの窒素含有量が０．２％以上０．８％以下であり、かつ、窒素を含有した緻密なマルテンサイトおよび１０〜４０％の残留オーステナイトの混合組織、あるいは窒素を含有した緻密なマルテンサイト，下部ベイナイトおよび１０〜４０％の残留オーステナイトの混合組織からなる表面硬化層を有するものであるから、表面窒素量の増加および適正化によって高温（３００℃程度まで）の軟化抵抗が大幅に向上し、歯面の接触面圧が増大して歯面表層部での発熱を生じたときでも、表面硬化層において軟化を生じがたいものとなり、さらには、窒素を含有したマルテンサイトは緻密でかつ高硬度であると共に残留オーステナイトも従来に比べて高硬度であり、かつまた、容易に変態しないものとなっているので、耐ピッティング性および耐摩耗性が大幅に向上した歯面疲労強度に優れたものとなっていて、ノイズ発生などの不具合が生じがたいものになるという著しく優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１，２で採用した表面硬化熱処理条件（浸炭窒化条件）を示す説明図である。
【図２】本発明の比較例１，２で採用した表面硬化熱処理条件（浸炭窒化条件）を示す説明図である。
【図３】本発明の実施例１，比較例１で採用したローラーピッティング試験方法を示す説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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