(57)【要約】【課題】異常層を低減すると共に、歯車における表層部の炭素分布を適切に制御することによって、耐ピッチング性と共になじみ性をも改善した歯車部品を提供する。【解決手段】本発明の歯車部品は、所定の化学成分組成を有する鋼材を所定形状に成形した後、浸炭処理または浸炭窒化処理した歯車部品であって、表面異常層の深さが５μｍ以下であると共に、歯面から５０μｍ深さ位置でのＣ濃度［Ｃｍ］が０．４〜１．５％であり、且つ歯面から２５μｍ深さ位置でのＣ濃度［Ｃｓ］と前記Ｃ濃度［Ｃｍ］との比［Ｃｓ］／［Ｃｍ］が１．０未満を満足するものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．１０〜０．３０％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：１．５％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：１．５％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：０．５〜２．５％、Ｍｏ：０．５％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部：鉄および不可避不純物からなる鋼材を所定形状に成形した後、浸炭処理または浸炭窒化処理した歯車部品であって、表面異常層の深さが５μｍ以下であると共に、歯面から５０μｍ深さ位置でのＣ濃度［Ｃｍ］が０．４〜１．５％であり、且つ歯面から２５μｍ深さ位置でのＣ濃度［Ｃｓ］と前記Ｃ濃度［Ｃｍ］との比［Ｃｓ］／［Ｃｍ］が１．０未満を満足するものであることを特徴とするなじみ性に優れた歯車部品。
【請求項２】
歯面から５０μｍ深さ位置でのＮ濃度［Ｎｍ］が０．０５〜１．０％である請求項１に記載の歯車部品。
【請求項３】
前記鋼材は、更に他の元素として、Ｎｉ：２．０％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１または２に記載の歯車部品。
【請求項４】
前記鋼材は、更に他の元素として、Ｂ：０．００５％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜３のいずれかに記載の歯車部品。
【請求項５】
前記鋼材は、更に他の元素として、Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．１％以下（０％を含まない）およびＶ：０．１％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上を含有するものである請求項１〜４のいずれかに記載の歯車部品。
【請求項６】
前記鋼材は、更に他の元素として、Ｎ：０．０３％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜５のいずれかに記載の歯車部品。
【請求項７】
前記鋼材は、更に他の元素として、Ｓ：０．０４％以下（０％を含まない）、Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｐｂ：０．１％以下（０％を含まない）およびＢｉ：０．０５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上を含有するものである請求項１〜６のいずれかに記載の歯車部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯車部品に関するものであり、殊に動力伝達部で使用される場合に、優れたなじみ性を発揮すると共に耐ピッチング性も良好な歯車部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車のトランスミッション等の動力伝達部で使用される歯車部品は、ＪＩＳ  Ｇ４１０４、ＪＩＳ  Ｇ４１０５、ＪＩＳ  Ｇ４１０３等に規定されているＣｒ肌焼鋼（ＳＣｒ材）、Ｃｒ−Ｍｏ肌焼鋼（ＳＣＭ材）、Ｎｉ−Ｃｒ―Ｍｏ肌焼鋼（ＳＮＣＭ材）等の機械構造用鋼を用いて所定の形状に成形加工した後、浸炭処理や浸炭窒化処理（以下、単に「浸炭・浸炭窒化処理」と呼ぶことがある）等の表面硬化処理を施して作製されるのが一般的である。
【０００３】
近年、高出力化や小型軽量化に対する要望が高くなっていることから、動力伝達部に使用される歯車などの鋼材部品への負荷応力がますます増大する傾向にある。こうした状況の下、上述したような従来の機械構造用鋼材や表面硬化処理鋼材では、上記のような厳しい使用環境に対応し難いものとなっている。
【０００４】
こうしたことから、特にすべりを伴う接触環境下において、接触面圧の増加による接触面の剥離損傷（即ちピッチング損傷）を抑制するために、Ｓｉを添加して成分の適正化を図ったり、浸炭条件の最適化等によって鋼材表面硬さの向上を図る等が検討されている。
【０００５】
一方、歯車の表面硬さの増加と共に、歯車対の勘合する歯面の「なじみ性」の低下という問題も生じている。通常では、歯車対の勘合による摩擦によって、歯面の加工誤差や熱処理歪みによる歯形の変形が修正され、過剰な歯車への歯面への面圧力上昇が抑制されることになる。
【０００６】
しかしながら、上記のようなピッチング損傷を抑制するために、表面硬さを上昇させると、そのなじみ性に対する作用が低下してしまい、歯面の一部に過剰な面圧上昇が起こり、却ってピッチング損傷が早期に発生することがある。
【０００７】
ところで、通常の浸炭・浸炭窒化処理では、粒界酸化層や不完全焼入れ層からなる浸炭異常層（以下、単に「異常層」と呼ぶことがある）が生成し、これが歯車の特性劣化（歯元曲げ疲労強度や耐ピッチング性等の低下）となって現れることになる。上記なじみ性を改善するという観点から、上記浸炭異常層を積極的に利用する技術も提案されているが（例えば特許文献１）、上記特性劣化を抑制するための根本的な対策となっているとはいえない。
【０００８】
従来のガス浸炭・浸炭窒化処理に対して、減圧下での浸炭・浸炭窒化処理（以下、「真空浸炭・浸炭窒化処理」と呼ぶことがある）を行うことも提案されている（例えば、非特許文献１、２）。こうした真空浸炭・浸炭窒化処理では、上記異常層が歯車表層に実質的に生成せず、表層の焼入れ性が確保できるので、表層硬さが向上して耐ピッチング性が改善されたものとなる。
【０００９】
しかしながら、これまで提案されている真空浸炭・窒化処理条件では、「なじみ性」が良好となるような表面性状の歯車が必ずしも得られているとは限らず、特に表層Ｃ量が過剰になることによるなじみ性劣化の傾向があるのが実情である。
【特許文献１】特開２０００−３２２５３６号公報
【非特許文献１】「熱処理」  ３７巻第３号、Ｐ１５４〜１５９、平成９年６月、日本熱処理技術協会発行
【非特許文献２】「石川島播磨技報」  Ｖｏｌ．４５  Ｎｏ．１、Ｐ１５〜２０（２００５−３）、石川島播磨重工業株式会社発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明はこの様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、異常層を低減すると共に、歯車における表層部の炭素分布を適切に制御することによって、耐ピッチング性と共になじみ性をも改善した歯車部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成することのできた本発明の歯車部品とは、Ｃ：０．１０〜０．３０％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：１．５％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：１．５％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：０．５〜２．５％、Ｍｏ：０．５％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部：鉄および不可避不純物からなる鋼材を所定形状に成形した後、浸炭処理または浸炭窒化処理した歯車部品であって、表面異常層の深さが５μｍ以下であると共に、歯面から５０μｍ深さ位置でのＣ濃度［Ｃｍ］が０．４〜１．５％であり、且つ歯面から２５μｍ深さ位置でのＣ濃度［Ｃｓ］と前記Ｃ濃度［Ｃｍ］との比［Ｃｓ］／［Ｃｍ］が１．０未満を満足するものである点に要旨を有するものである。この歯車部品においては、歯面から５０μｍ深さ位置でのＮ濃度［Ｎｍ］が０．０５〜１．０％であることが好ましい。
【００１２】
本発明の歯車部品を構成する鋼材には、必要によって更に他の元素として、（ａ）Ｎｉ：２．０％以下（０％を含まない）、（ｂ）Ｂ：０．００５％以下（０％を含まない）、（ｃ）Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．１％以下（０％を含まない）およびＶ：０．１％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上、（ｄ）Ｎ：０．０３％以下（０％を含まない）（ｅ）Ｓ：０．０４％以下（０％を含まない）、Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｐｂ：０．１％以下（０％を含まない）およびＢｉ：０．０５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上、等を含有させることも有効であり、含有させる元素の種類に応じて歯車部品の特性が更に改善されることになる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、鋼線材の化学成分組成を特定すると共に、浸炭・窒化処理条件を適切に制御することによって、表層異常層の深さを低減し、且つ歯面表層におけるＣ濃度分布を最適化することによって、耐ピッチング性と共になじみ性をも改善した歯車部品が実現でき、こうした歯車部品は動力伝達部で使用される歯車部品として極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明者らは、真空浸炭・浸炭窒化処理を適用して異常層を低減することを前提とし、歯車部品における「なじみ性」を向上させるべく、様々な角度から検討した。その結果、所定の化学成分組成を有する鋼材を用いると共に、真空浸炭・窒化処理の条件を適正化して処理し、歯面表層におけるＣ濃度分布を上記のように制御してやれば、上記目的に適う歯車部品が実現できることを見出し、本発明を完成した。
【００１５】
本発明の歯車部品においては、基本的には、歯面から５０μｍ深さ位置でのＣ濃度［Ｃｍ］が０．４〜１．５％であり、且つ歯面から２５μｍ深さ位置でのＣ濃度［Ｃｓ］と前記Ｃ濃度［Ｃｍ］との比［Ｃｓ］／［Ｃｍ］が１．０未満を満足するものであるが、これらの要件を規定した理由は次の通りである。
【００１６】
歯面から２５μｍ深さ位置は、歯車対の勘合による摩耗で除去されやすく、ピッチング損傷等に影響する歯面の強度は、歯面から５０μｍ深さ位置のＣ濃度［Ｃｍ］に左右されることになる。こうした観点から、歯面から５０μｍ深さ位置でのＣ濃度［Ｃｍ］を少なくとも０．４％以上として、歯面の強度を確保する必要がある。但し、上記Ｃ濃度［Ｃｍ］が１．５％を超えると、粗大な炭化物が析出し、却って歯面の強度を低下させることになる。また歯車部品におけるピッチング損傷を更に低減するという観点からして、歯面から５０μｍ深さ位置のＮ濃度［Ｎｍ］が０．０５〜１．０％となるように制御することが好ましい（その範囲設定理由はＣの場合と同等）。歯面から５０μｍ深さ位置のＮ濃度［Ｎｍ］を０．０５％以上とすることによって、歯面の強度を更に高めることができる。但し、上記Ｎ濃度［Ｎｍ］が１．０％を超えると、粗大な窒化物が析出し、却って歯面の強度を低下させることになる。
【００１７】
一方、歯車のなじみ性については、歯車対の勘合による摩耗で除去されやすい位置（歯面から２５μｍ深さ位置）での性状に影響されることになる。即ち、機械加工等で生じた凹凸が勘合による摩耗で少なくなり(即ち、表面粗さが小さくなり)、表面で生じる過剰な応力が低減され、その結果としてなじみ性が良好なものとなると考えられる。こうした状態を確保するためには、歯面から２５μｍ深さ位置でのＣ濃度［Ｃｓ］と前記Ｃ濃度［Ｃｍ］との比［Ｃｓ］／［Ｃｍ］が１．０未満とする必要がある。
【００１８】
本発明の歯車部品は、ピッチング損傷を低減するという観点から、異常層は極力低減したものであるが、こうした効果を発揮するためには、表面異常層の深さが５μｍ以下であることも必要である。但し、本発明の歯車部品を製造するには、真空浸炭・浸炭窒化処理を行うものであるので（詳細については、後述する）、基本的に表面異常層の深さが５μｍよりも深くなることはない。尚、上記した「歯面から２５μｍ（または５０μｍ）深さ位置」とは、表面異常層が存在するときは、その厚さをも含めた趣旨である。
【００１９】
本発明の歯車部品では、その素材となる鋼材の化学成分組成も適切に制御する必要があるが、基本的な成分の範囲限定理由は下記の通りである。
【００２０】
［Ｃ：０．１０〜０．３０％］
Ｃは、機械構造用鋼部品としての芯部の硬さを確保するために必要な元素であり、こうした効果を発揮させるためには、少なくとも０．１０％含有させる必要がある。しかしながら、Ｃ含有量が過剰になると、芯部の硬さが過大となって歯車の靭性を劣化させることになる。こうしたことから、Ｃ含有量は０．３０％以下とする必要がある。Ｃ含有量の好ましい下限は０．１５％であり、好ましい上限は０．２５％である。
【００２１】
［Ｓｉ：１．５％以下（０％を含まない）］
Ｓｉは、鋼の溶製時に脱酸性元素として有効に作用する他、耐摩耗性や耐ピッチング性を良好にする上でも有効に作用する。これらの作用はその含有量が増加するにつれて増大するが、Ｓｉ含有量が過剰になると、それらの効果が飽和するばかりか被削性が悪化するので１．５％以下にするのが良い。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．３％であり、好ましい上限は１．０％である。
【００２２】
［Ｍｎ：１．５％以下（０％を含まない）］
Ｍｎは、脱酸剤・脱硫剤および焼入れ性向上元素として有効に作用する。これらの作用はその含有量が増加するにつれて増大するが、Ｍｎ含有量が過剰になると、浸炭・浸炭窒化処理後の残留オーステナイト量が増加し、硬さが低下するので、１．５％以下にする必要がある。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．３％であり、好ましい上限は１．２％である。
【００２３】
［Ｃｒ：０．５〜２．５％］
Ｃｒは、焼入れ性を向上させる上で有効な元素であり、こうした効果を発揮させるためには０．５％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｃｒ含有量が過剰になると、最表面の硬さが増大して良好ななじみ性が確保できなくなるので、２．５％以下とする必要がある。Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．８％であり、好ましい上限は１．７％である。
【００２４】
［Ｍｏ：０．５％以下（０％を含まない）］
Ｍｏは、Ｃｒと同様に、焼入れ性を向上させる上で有効な元素であり、また歯車表層部における異常層を低減する効果も認められる。こうした効果はその含有量が増加するにつれて増大するが、Ｍｏ含有量が過剰になると、最表面の硬さが増大して良好ななじみ性が確保できなくなるので、０．５％以下とする必要がある。Ｍｏ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、好ましい上限は０．３％である。
【００２５】
本発明で規定する含有元素は上記の通りであって、残部は鉄および不可避不純物（例えば、Ｐ，Ｏ等）であるが、必要によって、下記元素を積極的に含有させて特性を一段と高めることも有効である。これらの元素を含有させるときの範囲限定理由は、次の通りである。
【００２６】
［Ｎｉ：２．０％以下（０％を含まない）］
Ｎｉは、歯車部品の疲労強度を向上させるのに有効な元素であり、必要によって含有させる。しかしながら、Ｎｉ含有量が過剰になると、最表層のなじみ性が低下するので、２．０％以下（より好ましくは１．０％以下）とすることが好ましい。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は０．４％程度である。
【００２７】
［Ｂ：０．００５％以下（０％を含まない）］
Ｂは、焼入性向上元素であり、表層部の粒界強化に働き、疲労強度向上に有効な成分である。しかしながら、Ｂ含有量が過剰になると、粒界を脆化させるので、０．００５％以下（より好ましくは０．００３％以下）とすることが好ましい。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は０．００１％程度である。
【００２８】
［Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．１％以下（０％を含まない）およびＶ：０．１％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上］
Ａｌ，Ｎｂ，ＴｉおよびＶは、微細な炭窒化物を形成することによって、結晶粒を微細化する効果があり、歯車部品の疲労強度向上に寄与する。しかしながら、これらの元素の含有量が過剰になると、炭窒化物が粗大になって上記効果が低下するので、夫々上記の範囲で含有させることが好ましい。
【００２９】
［Ｎ：０．０３％以下（０％を含まない）］
Ｎは、上記炭窒化物形成元素（Ａｌ，Ｎｂ，ＴｉおよびＶ）等と炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化する効果がある。しかしながら、Ｎ含有量が過剰になると、その効果が飽和するばかりか、靭性が低下するので０．０３％以下とすることが好ましい。
【００３０】
［Ｓ：０．０４％以下（０％を含まない）、Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｐｂ：０．１％以下（０％を含まない）およびＢｉ：０．０５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上］
Ｓ，Ｃａ，Ｍｇ，ＰｂおよびＢｉは、被削性を向上させる元素であり、必要によって含有される。しかしながら、これらの元素の含有量が過剰になると、その効果が飽和するばかりか、疲労強度が低下するので、夫々上記の範囲で含有させることが好ましい。
【００３１】
本発明の歯車部品では、歯面表層におけるＣ濃度分布を適切の制御したものであるが、こうした歯車部品を製造するには、例えば次のように行えば良い。上記した化学成分組成を満足する鋼材を所定の形状（歯車形状）に成形した後、高温（例えば、９３０℃程度）での真空浸炭・浸炭窒化処理時に、浸炭ガス（例えば、アセチレンガス）を炉内に流す時間（浸炭時間：Ｃｘ）と、浸炭ガスを流した後に炭素を内部に拡散させる目的で高温状態のままで浸炭ガスを流さない時間（拡散時間：Ｄｘ）の時間比（Ｄｘ／Ｃｘ）を２．２よりも大きな値として操業する。
【００３２】
上記時間比（Ｄｘ／Ｃｘ）は、従来では、浸炭効率化（浸炭時間の短縮・適正化）の観点から、１．５〜２．０程度にされていたが（例えば、前記非特許文献２）、拡散時間Ｄｘの比率を大きくすることで、目的とする炭素分布を得ることができる。即ち、拡散時間Ｄｘの比率を大きくすることによって、歯面からより深い位置（歯面から５０μｍ深さ位置）でのＣ濃度［Ｃｍ］を高くすると共に、比較的浅い位置（歯面から２５μｍ深さ位置）でのＣ濃度［Ｃｓ］を少なくして、これらの比［Ｃｓ／Ｃｍ］を１．０未満とすることができる。
【００３３】
尚、本発明の歯車部品においては、歯面からより深い位置（歯面から５０μｍ深さ位置）でのＮ濃度［Ｎｍ］を０．０５〜１．０％程度にすることも好ましいが、こうしたＮ濃度を達成するには、上記拡散時の炉内雰囲気をアンモニア雰囲気（ＮＨ3雰囲気）とすれば良い（他の条件については上記と同様）。
【００３４】
上記のような浸炭・浸炭窒化処理を行った後は、熱処理歪抑制等の観点から、一旦８６０℃程度まで冷却（通常、ヒータＯＦＦでの炉冷）した後、油冷等によって焼入れすれば良い。
【００３５】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００３６】
下記表１に示す化学成分組成の鋼材を真空溶製炉で溶製し、鍛造、焼きならしを行い、部品に近い形状にブランク加工した後に、歯切り等の機械加工を行って、歯車部品を作製した。
【００３７】
【表１】
2008121075.tif 000003
【００３８】
得られた歯車部品に、種々の浸炭・浸炭窒化処理を施した。そして歯車表層部におけるＣ濃度（［Ｃｍ］、［Ｃｓ］）およびＮ濃度［Ｎｍ］をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｚｅｒ）を用いた分析によって測定した。また異常層の深さは歯面断面の走査型顕微鏡（ＳＥＭ）観察によって求めた。
【００３９】
試験歯車（上記で作製した歯車部品）と相手歯車を組み合わせた動力循環式歯車試験を行った。このときの用いた歯車対の諸元と、歯車試験条件は下記の通りである。
【００４０】
［歯車対の諸元］
モジュール：試験歯車（２．５ｍｍ）、相手歯車（２．５ｍｍ）
圧力角    ：試験歯車（２０°）、相手歯車（２０°）
歯数      ：試験歯車（２２）、相手歯車（２５）
歯幅      ：試験歯車（１２ｍｍ）、相手歯車（２５ｍｍ）
ねじれ角  ：試験歯車（３０°）、相手歯車（３０°）
【００４１】
［歯車試験条件］
入力軸トルク：３００Ｎ・ｍ
入力軸回転数：１０００ｒｐｍ
油類        ：ＡＴＦ（オートマチック用トランスミッションオイル）
油温        ：８０℃
【００４２】
規定回数である２００万回回転させた試験歯車の９０°毎（軸芯に対して９０°）の歯の歯面において、歯幅の１／４、２／４、３／４の各位置での表面粗さＲａ（算術平均粗さ）を測定した。このときの、幅方向の測定位置を図１に示す（１／４＝Ａ、２／４＝Ｂ、３／４＝Ｃに対応）。そして、これらの平均値を歯面粗さＲａとした。
【００４３】
更に、継続して歯車試験を実施し、ピッチング寿命を求めた。このとき、ピッチング寿命は、いずれか１歯の面に１ｍｍ2以上のピッチングが生じたときの回数とした。これらの試験結果を、浸炭・浸炭窒化処理条件、Ｃ濃度（［Ｃｍ］、［Ｃｓ］）、Ｎ濃度［Ｎｍ］および異常層の深さ等と共に、下記表２に示す。
【００４４】
【表２】
2008121075.tif 000004
【００４５】
これらの結果から明らかなように、製造条件を適切にして表層部におけるＣ濃度分布を適切にしたもの（試験Ｎｏ．１〜７）では、いずれも表面粗さＲａが小さくなっており、摩耗によるなじみ性向上が確認できる。またピッチング寿命も良好な結果となっている。
【００４６】
これに対して、試験Ｎｏ．８〜１７のものでは、本発明で規定するいずれかの要件を満足しておらず、表面粗さＲａは大きな値を示しており、またピッチング寿命も低下している。
【００４７】
これらの結果に基づいて、上記［Ｃｓ］／［Ｃｍ］比が、歯面表面粗さＲａ（２００万回回転後の表面粗さＲａ）とピッチング寿命に与える影響を、図２に示す。図２から明らかなように、上記［Ｃｓ］／［Ｃｍ］比を適切な範囲（１．０未満）とすることによって、なじみ性と共に耐ピッチング性も良好になっていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】歯面に表面粗さＲａを測定するときの幅方向の測定位置を示した模式図である。
【図２】［Ｃｓ］／［Ｃｍ］比が、歯面表面粗さＲａとピッチング寿命に与える影響を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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