(57)【要約】【課題】肌焼鋼を材料とする浸炭歯車において、衝撃強度とともに、衝撃疲労強度が顕著に改善された浸炭歯車と、その製造方法を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：１．０％以下およびＭｎ：０．３〜１．７％を含有し、Ａｌ：０．００５％以下、Ｎ：０．０１０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３５％以下であって、残部が実質的にＦｅからなる合金組成を有する肌焼鋼を歯車形状に成形し、浸炭する。合金組成に加えて浸炭の条件を適切に選ぶことにより、歯底の組織がＪＩＳオーステナイト結晶粒度番号の４〜６番という、やや粗大なものにする。【選択図】    図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：１．０％以下およびＭｎ：０．３〜１．７％を含有し、Ａｌ：０．００５％以下、Ｎ：０．０１０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３５％以下であって、残部が実質的にＦｅからなる合金組成を有する肌焼鋼を歯車形状に成形し、浸炭してなり、歯底の組織がＪＩＳオーステナイト結晶粒度番号の４〜６番であることを特徴とする衝撃疲労強度にすぐれた浸炭歯車。
【請求項２】
請求項１に記載の合金成分に加えて、Ｃｒ：１．６％以下、Ｍｏ：１．０％以下およびＮｉ：３．０％以下の１種または２種以上を含有する肌焼鋼を材料とする請求項１の浸炭歯車。
【請求項３】
請求項１または２に記載の合金成分に加えて、Ｂ：０．００１〜０．００５％を含有する肌焼鋼を材料とする請求項１の浸炭歯車。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の合金成分に加えて、Ｐｂ：０．３％以下、Ｂｉ：０．１５％以下およびＣａ：０．１％以下の１種または２種以上を含有してなる肌焼鋼を材料とする請求項１の浸炭歯車。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の合金成分からなり、Ｎｂ：０．００５％以下である肌焼鋼を材料とする請求項１の浸炭歯車。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれかに記載の合金成分において、Ｓｉ：０．５％以下である肌焼鋼を材料とする請求項１の浸炭歯車。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載した合金組成を有する肌焼鋼を歯車形状に成形し、下式で定義されるＡが、
Ａ＝ｔ×ｅ（−２９４５０／Ｔ）
［ここで、Ｔ：浸炭温度（Ｋ）、ｔ：浸炭時間（ｍｉｎ）］
３．５×１０−９＜Ａ＜１４．１×１０−９
の範囲にある条件で浸炭することを特徴とする衝撃疲労強度にすぐれた浸炭歯車の製造方法。
【請求項８】
浸炭を、真空またはそれに近い減圧下で実施することを特徴とする請求項７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、歯車形状に成形後、浸炭処理を施して表層部の硬さを高めた歯車、代表的には自動車の変速機や差動機を構成する浸炭歯車に関し、衝撃疲労強度にすぐれた歯車を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
歯車の衝撃強度を向上させる手段として、これまで採用されて来たのは、肌焼鋼に対してＭｏやＶ等の合金元素を添加すること（特開昭６２−１８４３号）、ＰやＳのような不純物元素の量を低減すること（特開平１−２４７５６１号）、Ｓｉのような浸炭処理時に粒界酸化層を形成する元素を低減すること（特開平６−１００９７４号）などである。結晶粒を微細化することにより粒界の強度を向上させて、衝撃強度を高めることも知られている。しかし、既知の方法では、材料コストや加工コストが高くかかる割に、衝撃強度が改善される度合いは、期待ほどではなかった。
【０００３】
歯車の用途によっては、衝撃強度、すなわち強い衝撃に耐える特性だけでなく、衝撃疲労強度、すなわちある程度の衝撃が繰り返し加わる場合に、それに耐える特性が重要な場合がある。これまでの技術で与えられる浸炭歯車は、上述の、衝撃強度の改善度合いが低いということに加えて、衝撃疲労強度の点で不満足なものであった。
【０００４】
発明者らは、このような従来技術の問題を解決することを意図して、従来の取り組みとは異なる観点から、結晶粒度が衝撃疲労強度に与える影響を調査した結果、結晶粒度を適度に粗大化させることによって、衝撃疲労亀裂が発生した後の亀裂伝播速度を遅延させることができ、衝撃疲労強度にとっては有利に作用することを見出した。つまり、これまでは、組織が微細であることが衝撃強度を高くするために必要であるという固定観念にとらわれ、ひたすら微細組織の実現を追求していたが、繰り返し加わる衝撃に対応する衝撃疲労強度に関しては、微細組織よりもむしろ、ある程度の粗大さをもった組織の方が、有益であるという事実の発見である。
【０００５】
さらに研究を重ねた発明者らは、肌焼鋼にホウ素を添加することにより粒界を強化すれば、衝撃疲労亀裂それ自体の発生を抑制できること、さらには、浸炭操作を真空またはそれに近い減圧下に実施することによって、表面欠陥である粒界酸化層をなくせば、衝撃疲労亀裂の発生がいっそう抑制できることを見出した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、発明者らが得た上記の知見を活用し、従来の肌焼鋼を材料とする浸炭歯車にくらべて、衝撃強度はもとより、衝撃疲労強度が大いに改善された浸炭歯車と、その製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決する為の手段】
本発明の衝撃疲労強度にすぐれた歯車は、質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：１．０％以下およびＭｎ：０．３〜１．７％を含有し、Ａｌ：０．００５％以下、Ｎ：０．０１０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３５％以下であって、残部が実質的にＦｅからなる合金組成を有する肌焼鋼を歯車形状に成形し、浸炭してなり、歯底の組織がＪＩＳオーステナイト結晶粒度番号の４〜６番であることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の浸炭歯車を構成する肌焼鋼は、上記した基本的な合金成分に加えて、下記のグループに属する任意添加元素をひとつまたはふたつ以上含有することができる。
Ｉ）Ｃｒ：１．６％以下、Ｍｏ：１．０％以下およびＮｉ：３．０％以下の１種または２種以上
ＩＩ）Ｂ：０．００１〜０．００５％
ＩＩＩ）Ｐｂ：０．３％以下、Ｂｉ：０．１５％以下およびＣａ：０．１％以下の１種または２種以上
【０００９】
以下、本発明の浸炭歯車を構成する肌焼鋼の合金組成および組織について説明する。「％」は、質量％を示す。
【００１０】
Ｃ：０．１〜０．３％
Ｃは浸炭焼入れ後の硬さを向上させて、浸炭部品の強度を向上させる作用を有する。この効果は、Ｃ含有量が０．１％未満では乏しく、一方で０．３％を超えると、靭性の低下、衝撃強度の低下を生じる。
【００１１】
Ｓｉ：１．０％以下、好ましくは０．５％以下
Ｓｉは、鋼の焼入れ性を高めるのに有効な元素である。１．０％を超える含有は、浸炭時の粒界酸化を助長し、強度の低下をもたらす。０．５％以下が好ましい。浸炭を、粒界酸化が起こりにくい条件、すなわち真空またはそれに近い減圧下で実施する場合は、肌焼鋼のＳｉ含有量を１．０％まで増大しても、問題は生じない。
【００１２】
Ｍｎ：０．３〜１．７％
Ｍｎもまた、鋼の焼入れ性を高めるのに役立つ。靭性を高く得るためには、浸炭後に適度な量のオーステナイトが残留することも必要であり、そのため、０．３％以上の添加を要する。一方、過剰な含有は冷間鍛造性を低下させ、浸炭後の粒界酸化を助長するため、その上限を１．７％と定めた。
【００１３】
Ａｌ：０．００５％以下、Ｎ：０．０１０％以下
これらの成分は、積極的に添加すれば窒化物ＡｌＮが微細に鋼中に析出し、これが浸炭時における結晶粒界の移動を妨げる、いわゆるピンニング効果によって、結晶粒の成長を抑制する。Ａｌを０．００５％以下、Ｎは０．０１０％以下、好ましくは０．００５％以下に制限することによりこの効果が失われ、ある程度粗大な結晶粒を得ることが可能になる。
【００１４】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは浸炭層の靭性を低くする。その含有量が０．０３％を超えると、衝撃強度の低下が著しい。したがってこの値を上限とした。
【００１５】
Ｓ：０．０３５％以下
Ｓも、浸炭層の靭性を低くし、その含有量が０．０３％を超えると、衝撃強度の低下が著しい。そこで、Ｐと同様、これを上限とした。
【００１６】
歯底のＪＩＳオーステナイト結晶粒度番号：４〜６番
ここで「歯底」の語は、歯車の歯の底と、その両側にある歯の立ち上がり部、いわゆる「歯底アール部」を包含する広い意味を有する。衝撃疲労強度に関しては、むしろ歯底アール部の組織が重要である。発明者らが見出したように、歯底の組織の結晶粒度が７番以上の細粒では、衝撃疲労亀裂が伝播する速度が速くなり、破面の形態がディンプル（延性）破面またはへき開（脆性）破面となり、破壊寿命が短い。一方、結晶粒度が３番以下の粗粒では、衝撃疲労亀裂が伝播する領域においても粒界で亀裂が進展し、この場合も破壊寿命が短い。結晶粒度が４〜６番の組織であれば、衝撃疲労亀裂の伝播が遅く、破面の形態がストライエーション破面となり、長い破壊寿命が得られる。
【００１７】
Ｃｒ：１．６％以下、Ｍｏ：１．０％以下およびＮｉ：３．０％以下の１種または２種以上
Ｃｒ、ＭｏおよびＮｉは、いずれも鋼の焼入れ性を高めるのに有効な成分であるから、適量を添加するとよい。ＭｏおよびＮｉには、浸炭層の靭性を向上させるという効果もある。Ｃｒの過剰な添加は結晶粒界の脆化を招くから、上限１．６％以内の添加に止める。Ｍｏは過剰にあっても効果が飽和し、コスト上不利になるので、１．０％までの添加が得策である。Ｎｉも、多量に添加したとき効果が飽和してくるので、上限を３．０％と定めた。
【００１８】
Ｂ：０．００１〜０．００５％
Ｂは鋼の焼入れ性を向上させる元素である。また、浸炭層の結晶粒界に偏析して、浸炭層の粒界を強化する作用もある。こうした効果を得るには、Ｂを０．００１％以上添加する必要がある。しかし、０．００５％を超えて添加すると、焼入れ性向上の効果が施和するだけでなく、熱間および冷間の加工性が低下する。
【００１９】
Ｎｂ：０．００５％以下
Ｎｂは鋼中のＣ、Ｎと反応して炭窒化物を形成し、それらがＡｌＮと同様にピンニング効果を示して、浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止する作用がある。Ｎｂ量を０．００５％以下に制限することによりこの効果が失われ、適宜に粗大な結晶粒を得ることが可能になる。Ｎｂは、通常の製鋼原料からはめったに入ってくる成分ではないが、場合により混入することがあるから、本発明の肌焼鋼を製造するに当たっては、原料の吟味を要する。
【００２０】
浸炭の条件：Ａ＝ｔ×ｅ（−２９４５０／Ｔ）
［ここで、Ｔ：浸炭温度（Ｋ）、ｔ：浸炭時間（ｍｉｎ）］とするとき、
３．５×１０−９＜Ａ＜１４．１×１０−９
浸炭温度と浸炭時間との関係が、上記の範囲にある条件下に浸炭することが、衝撃疲労強度にすぐれた浸炭歯車を製造する上で好ましい。すでに説明したように、本発明は、ＡｌＮなどが結晶粒粗大化を抑制する作用を避けて、ＪＩＳオーステナイト結晶粒度番号にして４〜６番の、適度に粗大化した組織を得ることを特徴とするが、このような組織を得るために適切な浸炭処理の条件が、上記の浸炭温度および浸炭時間の組み合わせである。上式のＡの値が３．５×１０−９よりも小さい条件で処理をした場合は、結晶粒が目標とする６番よりも微細になり、また、Ａの値が１４．１×１０−９よりも大きい場合は４番よりも大きくなる。
【００２１】
真空またはそれに近い減圧下の浸炭：この場合はＳｉ：０．５％を超えて１．０％まで可
ここで「真空またはそれに近い減圧」の語は、おおよそ０．５〜１．０ｋＰａの圧力であることを意味する。１．０ｋＰａより低い真空度では、表層の酸化による強度への影響が無視できない。真空度は高いほうがよいが、０．５ｋＰａを超えて減圧してもコストがかかるだけで、さらなる強度の向上は得難くなり、実益がない。上に述べたように、多量のＳｉは浸炭時の粒界酸化を助長し、強度の低下をもたらすが、真空浸炭のような粒界酸化の抑制が可能な熱処理を行なう場合は、０．５％という上限を超えてＳｉを存在させることができる。ただし過剰な含有は機械加工性を著しく損なうから、Ｓｉ量は多くても１．０％の限界までに止めるべきである。
【００２２】
【実施例】
表１（実施例）および表２（比較例）に示す合金組成をもつ肌焼鋼を、常法にしたがって真空溶解により製造し、１５０ｋｇのインゴットに鋳造した。各インゴットを圧延し焼きならしした後、機械加工により、図１に示す形状・寸法の歯車試験片（モジュール１．５）素材を得た。各試験片素材について、図２に示すヒートパターンで浸炭焼入れ・焼戻しを行ない、仕上げ加工を施した。ただし、実施例４に限り、真空浸炭焼入れ・焼戻しを実施した。
【００２３】
このようにして製作した歯車試験片に対し、落錘型衝撃試験機により衝撃疲労試験を実施した。また、歯底アール部分のオーステナイト結晶粒度を、ＪＩＳ−Ｇ０５５１に規定された方法により測定した。それらの結果を、あわせて表１および表２に示す。衝撃疲労試験は、図３に示すように、歯車試験片（１）を相手歯車（２）と噛み合わせた後、歯車試験片に結合しているトルクアーム（４）に衝撃負荷を繰り返し加え、衝撃トルク毎の破損回数を求める試験である。図３において、符号（３）は固定端、（５）は衝撃荷重負荷位置である。この試験結果を、図４のグラフに示す。
【００２４】
実施例１および２は、ＡｌおよびＮの量を低減して、結晶粒度を６番または５．５番にすることにより、比較例２とくらべたとき、衝撃疲労強度が向上している。実施例３および４は、Ｂを添加するとともにＡｌ，Ｎｂを低減し、結晶粒度を５番または６番にすることにより、比較例２にくらべて衝撃疲労強度が向上している。実施例５においてはＳ量を高めに添加しているが、真空浸炭による粒界酸化層の低減の効果により、高い衝撃強度を得ることができている。比較例３および４は、肌焼鋼の合金成分が実施例２および４と同一であるにもかかわらず、浸炭処理時のＡ値が好適範囲になかったため、結晶粒度が４〜６の範囲を外れており、その結果として、衝撃疲労強度の顕著な向上が認められない。
【００２５】
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【００２６】
【発明の効果】
本発明による浸炭歯車は、従来の同種製品にくらべて材料コスト、加工コストを増加させることなく、衝撃疲労強度特性を大幅に向上させることができた。したがってこの歯車は、衝撃荷重負荷を受ける歯車部品として好適であって、同じ寸法であれば高強度化したものを、また一定の強度要求を満たしたものとしては軽量化してものを提供することができ、コストダウンにも寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例で製造した、歯車試験片の形状を示す縦断面図。
【図２】本発明の実施例で行なった浸炭焼入れ焼戻しの、ヒートパターンを示す図。
【図３】本発明の実施例で行なった衝撃試験の方法を示す装置の平面図。
【図４】本発明の実施例で得た、衝撃負荷トルクと破損回数の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１  歯車試験片
２  相手歯車
３  固定端
４  トルクアーム
５  衝撃荷重負荷位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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