(57)【要約】【課題】浸炭用鋼からなる歯車などの機械構造用部品の高濃度浸炭焼入れによる機械構造部品の製造の際に熱処理時間を短縮し、耐ピッチング強度に優れた部品を製造する。【解決手段】０．１〜０．３質量％のＴｉを含有する機械構造用鋼からなる歯車などの機械構造部品に加工率２０％以上の冷間加工を施した後、部品の表面のＣ濃度を１．０質量％以上とする浸炭焼入れ処理の高濃度浸炭処理を行い、部品の表層部にＦｅ３Ｃからなる炭化物を析出させる耐ピッチング強度に優れた歯車などの機械構造部品の製造方法。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．１〜０．３質量％のＴｉを含有する機械構造用鋼からなる鋼部材に加工率２０％以上の冷間加工を施した後、部品の表層部に主としてＦｅ３Ｃからなる炭化物を析出させ表面のＣ濃度１．０質量％以上とする高濃度浸炭焼入れ処理を行うことを特徴とする耐ピッチング強度に優れた歯車等の機械構造部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた耐ピッチング性、耐摩耗性、耐焼き付き性を必要とする歯車などの機械構造部品の製造に関し、特に、機械構造部品表面のＣ濃度を１．０質量％以上とする高濃度浸炭焼入れ処理によって部品の表層部に主としてＦｅ３Ｃからなる炭化物を析出させた面圧強度に優れた歯車などの機械構造部品の製造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高濃度浸炭処理を歯車などの機械構造部品に施す目的の重要なものの一つとして、部品表層部に炭化物を析出させることにより耐ピッチング性、耐摩耗性、耐焼き付き性を向上させることがある。しかし、従来の高濃度浸炭焼入れ処理では、炭化物がオーステナイト粒界に沿って網目状に析出する。このような網目状の炭化物は疲労強度の低下を招くので、一旦炭化物を析出させた後に、炭化物を球状、微細にするために再びＡｒ１点以上に加熱して焼入れるなどの処理を必要としており、昇温、焼入れの処理を最低２回行っている。すなわち、肌焼用鋼から優れた耐ピッチング性、耐摩耗性、耐焼き付き性の歯車などの機械構造部品を製造するために高濃度浸炭焼入れ処理を行った後に炭化物の微細化および球状化を行うために再加熱焼入れを行う必要があった。
【０００３】
例えば、９３０℃前後でカーボンポテンシャル（Ｃｐ）を０．９〜１．２％の高炭素域に設定した状態で鋼材に炭素を浸み込ませて高炭素浸炭を行い、Ａｒ１変態（７２７℃）以下、例えば１６０℃、に一旦冷却した後、再び加熱して８５０℃に温度を上げてから油浴あるいは塩浴中で２００〜２３０℃に焼入れ、その焼入れ温度に０．５〜２時間の所定時間保持した後に冷却する方法により、強度低下を防止し、耐ピッチング性や曲げ疲れ限度を向上させる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。これらの方法では、熱処理に長時間を要し、コストを上昇させる問題がある。さらに、肌焼鋼にＴｉを０．１〜０．２％添加することにより冷間鍛造後に焼きならしを施すことなく、高温浸炭処理において以上粒成長を起こすことなく整粒を維持できるということが記載されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
しかしながら、本発明は、積極的にオーステナイト結晶粒を微細化することを目的に冷間加工を加えるという点で、特許文献２の発明とは大きく異なっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−３４２１８号公報
【特許文献２】
特開２００２−２５６３８９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
浸炭用鋼からなる歯車などの機械構造用部品の高濃度浸炭焼入れによる械構造部品の製造の際に熱処理時間を短縮して耐ピッチング強度に優れた部品を製造する方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
Ｔｉを０．１〜０．３質量％添加した機械構造用鋼において、鋼組織中にＴｉ炭化物、Ｔｉを含有する複合炭化物、Ｔｉ炭窒化物などの第二相の析出粒子を析出させることにより、その第二相の析出粒子によるオーステナイト結晶粒成長を抑制するピン止め効果を利用することができる。したがって、高濃度浸炭焼入れ処理前に冷間加工を施すことによって、浸炭時のオーステナイト粒を冷間加工を加えない場合よりも細粒にすることができる。浸炭時のオーステナイト粒が微細であるためにオーステナイト粒界面積が増加することとなり、このために高濃度浸炭を施すことにより粒界に析出する炭化物が微細になる。このため、再加熱焼入れ処理などを行うことなく微細炭化物の組織が得られ、その結果優れた耐ピッチング性、耐摩耗性、耐焼き付き性を有する機械構造用部品を得ることができる。
【０００８】
すなわち、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、０．１〜０．３質量％のＴｉを含有する機械構造用鋼からなる鋼部材に加工率２０％以上の冷間加工を施した後、部品の表層部に主としてＦｅ３Ｃからなる炭化物を析出させ表面のＣ濃度１．０質量％以上とする高濃度浸炭焼入れ処理を行うことを特徴とする耐ピッチング強度に優れた歯車などの機械構造部品の製造方法である。
【０００９】
上記の手段における機械構造用鋼において、Ｔｉを０．１〜０．３質量％を含有するものとする限定理由は、通常、Ｔｉを含有していない機械構造用鋼を浸炭前に冷間加工を加えることにより初期粒度を細かくした場合には、その後の浸炭時にオーステナイト結晶粒度の粗大化が起こることとなる。そこで、Ｔｉを０．１〜０．３質量％添加することによって、Ｔｉ炭化物、Ｔｉを含有する複合炭化物、Ｔｉ炭窒化物を微細に析出させることにより、浸炭時のオーステナイト結晶粒度の粗大化を抑制することを可能とし、それにより炭化物の微細析出を可能としている。Ｔｉが０．１％より少ないと、Ｔｉの大部分がＴｉＮとなり結晶粒微細安定化効果が十分でなく、Ｔｉが０．３質量％を超えると加工性が低下し、かつ、結晶粒微細化の効果が飽和する。そこで、Ｔｉを０．１〜０．３質量％とする。
【００１０】
冷間加工率が２０％以上とする理由は、冷間加工率が２０％未満の場合は、結晶粒微細化効果が薄いことによる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
表１に示す化学成分からなる鋼種Ａ〜Ｉの機械構造用鋼をそれぞれ１００ｋｇの真空誘導炉（ＶＩＭ）で真空溶解により溶製して鋼塊に鋳造し、得られた鋼塊を１２５０℃に加熱してφ５０の素材に鍛伸した。これらを焼きならしした後、引抜き若しくは圧延により表２に示す冷間加工率で冷間加工して図１に示すローラーピッチング試験片１に製作した。次いで図２に示すヒートパターンで１０００℃前後で一定時間、例えば１５０分、保持してカーボンポテンシャル（Ｃｐ）を０．９〜１．２％の高炭素域に設定した状態で鋼材に炭素を浸み込ませて油冷して表面炭素１．３％狙いの高濃度浸炭熱処理を行った。次いで図３に示すヒートパターンで１７０℃に９０分間保持して空冷する焼戻し処理を行った。
【００１２】
【実施例】
１００ｋｇの真空誘導炉（ＶＩＭ）で真空溶解により溶製した供試材の化学成分を表１に示す。表１において鋼種Ｆ、Ｇ、ＨはＴｉの含有量が、本発明における０．１質量％に充たない鋼種であり、鋼種ＩはＴｉを含有していない鋼種である。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
上記の表１の鋼種から冷間加工により作製したローラーピッチング試験片１を高濃度浸炭熱処理を行い、本願の発明の実施例と比較例について図４に示すローラーピッチング寿命試験を行い、さらに鍛伸方向と垂直な面で切断し、浸炭層表面から２００μｍまでの部位にて、浸炭層のオーステナイト結晶粒度特性と平均炭化物粒径を調査した。結晶粒度はＪＩＳ規格のＧ０５５１による方法でオーステナイト結晶粒度を測定し、これらの結果を実施例と比較例として表２に示した。
【００１５】
図４に示すローラーピッチング試験は、材質が表２の試験Ｎｏ．１〜１２に示す鋼種の小ローラーのローラーピッチング試験片１と、ＪＩＳ  ＳＣＭ４２０相当鋼からなる大ローラーの相手材２とを３３３４ＭＰａの面圧下で高速回転させ、ピッチングが発生するまでの寿命である回転数を求めて耐ピッチングを評価した。この場合、ローラーピッチング試験片１（小ローラー）と相手材２（大ローラー）との周速の差、すなわち滑り率は４０％である。そして各条件についてそれぞれ５本のローラーピッチング試験片１を対象として試験を行った後、ワイブルプロットを行い、５０％破損確率寿命（Ｂ５０）を求めて耐ピッチングを評価し、表２にローラーピッチング寿命Ｂ５０として示した。なお、比較例７は鋼種ＡでＴｉの含有量は本願発明の範囲のものであるが、冷間加工を施すことなく高濃度浸炭焼入れしたものであり、比較例８は同じく鋼種ＡでＴｉの含有量は本願発明の範囲のものであるが、冷間加工率が本願発明で規定する２０％に満たない１０％であるものに高濃度浸炭焼入れしたものである。さらに、比較例９〜１１は冷間加工率は本願発明の範囲の２０％以上のものであるが、鋼種がＦ、Ｇ、ＨのものでありＴｉの含有量が本願発明の０．１質量％未満の鋼種のものである。
【００１６】
【表２】
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【００１７】
以上の試験の結果、本願発明の実施例の試験Ｎｏ．１〜６は、ローラーピッチング寿命Ｂ５０が比較例の試験Ｎｏ．７〜１２に比して１桁ないし２桁高く、極めて高寿命である。結晶粒度Ｎｏ．が実施例の試験Ｎｏ．１〜６は、１０．４より高い値で極めて微細であるが、比較例は８．７より低い値で粒度が大きく、十分に微細化されていない。さらに、平均炭化物粒径も実施例の試験Ｎｏ．１〜６は１．３μｍ以下であるが、比較例は３．１μｍ以上の大きさである。
【００１８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本願発明は、機械構造用鋼の肌焼き鋼において、Ｔｉの含有量を０．１〜０．３質量％とし、この機械構造用鋼を使用して高濃度浸炭焼入れ処理の前に加工率２０％以上の冷間加工を行うことで、冷間加工後に再加熱する必要をなくしたもので、従って高濃度浸炭処理の熱処理時間を短縮することができ、コストの低下を図ることができ、かつ、高濃度浸炭による歯車などの部品の表層部にＦｅ３Ｃからなる微細な炭化物を析出させて面圧強度を高め、耐ピッチング強度の向上を図ることができるなど、従来にない優れた効果を奏する方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ローラーピッチング試験片の形状の概略図である。
【図２】高濃度浸炭処理のヒートパターンを示す図である。
【図３】焼戻し処理のヒートパターンを示す図である。
【図４】ローラーピッチング試験の原理を説明する模式図である。
【符号の説明】
１  ローラーピッチング試験片
２  相手材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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