(57)【要約】【課題】  優れた衝撃疲労強度を備える肌焼鋼及びそれを用いた浸炭部品（特には差動歯車）を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明の肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０％以上０．３０％以下，Ｓｉ：０．１０％以下，Ｍｎ：０．３％以上０．８５％以下，Ｐ：０．００２％以上０．０１５％以下，Ｓ：０．０１５％以下，Ｃｒ：０．３０％以上０．６５％以下，Ｍｏ：０．１０％以上１．００％以下，Ｂ：０．０００５％以上０．００３５％以下，Ｎｂ：０．０１５％以上０．１００％以下，Ａｌ：０．０１％以上０．１％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、下記式（１）を満たすことを特徴とする。２．０≦１０Ｓｉ(%)＋Ｃｒ(%)＋Ｍｎ(%)＋Ｍｏ(%)≦３．０  ・・・式（Ａ）【選択図】        図１
2007092102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０％以上０．３０％以下，Ｓｉ：０．１０％以下，Ｍｎ：０．３％以上０．８５％以下，Ｐ：０．００２％以上０．０１５％以下，Ｓ：０．０１５％以下，Ｃｒ：０．３０％以上０．６５％以下，Ｍｏ：０．１０％以上１．００％以下，Ｂ：０．０００５％以上０．００３５％以下，Ｎｂ：０．０１５％以上０．１００％以下，Ａｌ：０．０１％以上０．１％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、下記式（１）を満たすことを特徴とする肌焼鋼。
２．０≦１０Ｓｉ(%)＋Ｃｒ(%)＋Ｍｎ(%)＋Ｍｏ(%)≦３．０  ・・・式（Ａ）
【請求項２】
請求項１に記載の肌焼鋼を用い、部品形状に加工され、表面硬化処理が施されてなることを特徴とする浸炭部品。
【請求項３】
請求項１に記載の肌焼鋼を用い、差動歯車形状に加工され、表面硬化処理が施されてなることを特徴とする差動歯車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、肌焼鋼及びそれを用いた浸炭部品（特には差動歯車）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、肌焼鋼としては、ＪＩＳに規格されているＳＣｒ４２０Ｈ，ＳＣＭ４２０Ｈ，ＳＮＣＭ４２０Ｈなどが用いられている。これらは、部品形状に加工された後、表層に浸炭処理や浸炭窒化処理等の表面硬化処理が施されることによって、例えば自動車等のエンジン，変速機，減速機などの機械構造部品に供される（いわゆる浸炭部品）。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−３０６５７２号公報
【特許文献２】特開２００３−９６５３９号公報
【特許文献３】特開２００５−３６２５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年の自動車等における高出力化・軽量化の動向に伴い、かかる機械構造部品には衝撃強度向上のニーズが高まっており、上記したＪＩＳ規格鋼ではそれに十分ではないため、従来より衝撃強度を高めるための種々の工夫が為されている（特許文献１ないし３参照）。
【０００５】
しかしながら、減速機における差動歯車（デファレンシャルギア）等の用途では、衝撃強度（強い衝撃に耐える特性）に加えて、衝撃疲労強度（繰り返し加わる強い衝撃に耐える特性）が特に必要とされるが、従来のものはいずれも衝撃疲労強度の観点からして満足いくものではないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題を鑑みて為されたものであり、優れた衝撃疲労強度を備える肌焼鋼及びそれを用いた浸炭部品（特には差動歯車）を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００７】
本発明者等は、衝撃疲労破壊のメカニズムについて鋭意研究を重ねた結果、浸炭処理や浸炭窒化処理等の表面硬化処理（特に、鋼材の表層酸化を伴う表面硬化処理）が施された浸炭部品では、浸炭された鋼材表層に粒界酸化が浸炭欠陥として発生していることから、強い衝撃が繰り返し加わると、その粒界酸化を起点とした亀裂が進行することによって破壊が生じるとの知見を得た。そして、これを解決すべく、以下に詳述する本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明の肌焼鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０％以上０．３０％以下，Ｓｉ：０．１０％以下，Ｍｎ：０．３％以上０．８５％以下，Ｐ：０．００２％以上０．０１５％以下，Ｓ：０．０１５％以下，Ｃｒ：０．３０％以上０．６５％以下，Ｍｏ：０．１０％以上１．００％以下，Ｂ：０．０００５％以上０．００３５％以下，Ｎｂ：０．０１５％以上０．１００％以下，Ａｌ：０．０１％以上０．１％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、下記式（１）を満たすことを特徴とする。
２．０≦１０Ｓｉ(%)＋Ｃｒ(%)＋Ｍｎ(%)＋Ｍｏ(%)≦３．０  ・・・式（Ａ）
【０００９】
上記本発明では、第１に、肌焼鋼に含まれる元素のうち粒界酸化に影響するＳｉ，Ｃｒ，Ｍｎを特定の範囲に低減（中でも、特にＣｒを低減）することにより、衝撃疲労破壊の起点となる粒界酸化の発生を著しく抑制し、表面硬化処理後の高衝撃疲労強度を実現している。具体的には、１０Ｓｉ(%)＋Ｍｎ(%)＋Ｃｒ(%)≦２．５を満たすようにこれらの元素を低減することで粒界酸化の発生を抑制でき、そのためには、特にＣｒを０．６５％以下まで低減しなければならない。
【００１０】
なお、Ｓｉを低減して粒界酸化の発生を抑制する思想は特許文献２及び３に示唆されているが、これらは十分な衝撃疲労強度を有するものではない。本発明では、特に大きな衝撃疲労が加わる差動歯車等の用途に供することを目的としており、優れた衝撃疲労強度を付与するため、Ｓｉ等のみならずＣｒまでも極度に低減して粒界酸化の発生を著しく抑制している。また、後述するように、Ｃｒを低減することによる不具合を解消する手段も施している。これらの構成及び効果は、特許文献２及び３には記載も示唆もされていないものである。
【００１１】
上記本発明では、第２に、Ｃｒを単に低減しただけでは鋼の焼入れ性が不足する可能性があることから、それを補完するためにＭｏを必須元素としている。すなわち、浸炭焼入れ後に不完全焼入れ層が生じた場合、表層の硬さが低下して耐摩耗性等に問題が生じることから、粒界酸化を促進させずに焼入れ性を向上させる元素としてＭｏに着目し、これを必須元素とした。
【００１２】
具体的には、焼入れ性を確保して十分な浸炭焼入れ後の硬さ（例えば、Ｈｖ６５０以上）を得るには、例えば臨界直径（ＤＩ）が１．２インチ以上である必要がある。そのためには、Ｍｏとともに焼入れ性に寄与する他の元素（Ｓｉ，Ｃｒ，Ｍｎ）を一定範囲に調整するとともに、特に、Ｍｏを０．１０％以上添加する必要がある。
【００１３】
（１）２．０≦１０Ｓｉ(%)＋Ｃｒ(%)＋Ｍｎ(%)＋Ｍｏ(%)≦３．０・・式（Ａ）
本発明者等は、以上の２つの条件を勘案した結果、粒界酸化の発生を抑制しつつ焼入れ性を確保するためには、Ｓｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｍｏが式（Ａ）を満たす必要があるとの結論に達した。２．０以上としたのは、上述の如く、焼入れ性を確保して十分な浸炭焼入れ後の硬さを得るためである。好ましくは２．１以上、更に好ましくは２．２５以上とする。他方、３．０以下としたのは、上述の如く、粒界酸化の発生を十分に抑制するためである。好ましくは２．８以下とする。
【００１４】
以下、各元素の組成限定理由について説明する。
【００１５】
（２）Ｃ：０．１０％以上０．３０％以下
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。この効果を得るには、０．１０％以上の含有が必要である。他方、過度に含有させると、靭性および衝撃強度が低下してしまうため、０．３０％以下の含有とする。好ましくは０．２５％以下である。
【００１６】
（３）Ｓｉ：０．１０％以下
Ｓｉは、浸炭時（鋼材の表層酸化を伴う表面硬化処理時）における粒界酸化を助長する元素であり、衝撃疲労強度の低下をもたらすため、その含有を極力制限する必要がある。具体的には、０．１０％以下の含有とする。好ましくは０．０８％以下である。なお、Ｓｉは、鋼の焼入れ性を高めるのに有効であるため、この効果を得るために０．０１％以上を含有させることができる。好ましくは０．０３％以上である。
【００１７】
（４）Ｍｎ：０．３％以上０．８５％以下
Ｍｎは、浸炭時（鋼材の表層酸化を伴う表面硬化処理時）における粒界酸化を助長する元素であり、衝撃疲労強度の低下をもたらすため、その含有を極力制限する必要がある。具体的には、０．８５％以下の含有とする。他方、Ｍｎは、鋼の焼入れ性を上げるのに有効な元素であり、また、靭性向上のためには浸炭後の適度なオーステナイトの残留が必要である。これらの効果を得るには、０．３％以上の含有が必要である。好ましくは０．５％以上である。
【００１８】
（５）Ｐ：０．００２％以上０．０１５％以下
Ｐは、浸炭層の靭性を劣化させる元素であり、衝撃強度を著しく低下させるため、その含有を０．０１５％以下に制限する。好ましくは０．０１０％以下である。なお、Ｐを過度に制限することはコストが高くつくため、０．００２％以上の含有を許容する。
【００１９】
（６）Ｓ：０．０１５％以下
Ｓも、浸炭層の靭性を劣化させる元素であり、衝撃強度を著しく低下させるため、その含有を０．０１５％以下に制限する。好ましくは０．０１０％以下である。なお、Ｓを過度に制限することはコストが高くつくため、０．００２％以上の含有を許容する。また、被削性を求める場合には、０．０１０％以上含有させることができる。
【００２０】
（７）Ｃｒ：０．３０％以上０．６５％以下
Ｃｒは、本発明を特徴付ける重要な元素であり、浸炭時（鋼材の表層酸化を伴う表面硬化処理時）における粒界酸化を助長する元素であり、衝撃疲労強度の低下をもたらすため、その含有を極力制限する必要がある。具体的には、その含有量を０．６５％以下に制限する。好ましくは０．５％以下である。なお、Ｃｒは、鋼の焼入れ性を高めるのに有効な成分であるから、この効果を得るには０．３０％以上の含有が必要である。好ましくは０．３５％以上である。
【００２１】
（８）Ｍｏ：０．１０％以上１．００％以下
Ｍｏは、鋼の焼入れ性を高めるのに有効な成分であり、Ｃｒ含有量を制限したことにより不足する鋼の焼入れ性を補完させるために添加する。また、浸炭された表層の靭性を向上させるのに有効な元素でもある。これらの効果を得るには、０．１０％以上の含有が必要である。好ましくは０．２０％以上、更に好ましくは０．３０％以上である。他方、過度に含有させると、浸炭焼入れ後の硬さが高くなり過ぎ、製造性が悪化してしまうので、１．００％以下の含有とする。好ましくは０．５０％以下である。
【００２２】
（９）Ｂ：０．０００５％以上０．００３５％以下
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。これらの効果を得るには、０．０００５％以上の含有が必要である。他方、過度に含有させると、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ので、０．００３５％以下の含有とする。
【００２３】
（１０）Ｎｂ：０．０１５％以上０．１００％以下
Ｎｂは、鋼中のＣやＮと反応して炭窒化物を形成し、それらによるピンニング効果によって、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。この効果を得るには、０．０１５％以上の含有が必要である。他方、過度に添加しても、その効果は飽和することから、０．１００％以下の含有とする。
【００２４】
（１１）Ａｌ：０．０１％以上０．１％以下
Ａｌは、鋼中のＮと反応してＡｌＮを形成し、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。この効果を得るには、０．０１％以上の含有が好ましい。他方、過度に添加しても、かかる効果は飽和してしまうので、０．１％以下の含有が好ましい。
【００２５】
なお、本発明の肌焼鋼には、不純物としてＣｕ及びＮｉの一方または両方が含まれることがあるが、それぞれ０．５％以下であれば特に問題はない。
【００２６】
次に、本発明の浸炭部品（特には差動歯車）は、以上に説明した本発明の肌焼鋼を用い、部品形状（差動歯車形状）に加工され、表面硬化処理が施されてなることを特徴とする。これによると、本発明の肌焼鋼は、上述のように衝撃疲労破壊の起点となる粒界酸化の発生を抑制することが可能であることから、鋼材の表層酸化を伴う表面硬化処理（例えば、ガス浸炭）を施す場合に特に有効であり、これにより高い衝撃疲労強度を得ることができる。
【００２７】
また、本発明の肌焼鋼は、鋼材の表層酸化をほとんど伴わない表面硬化処理（例えば、真空浸炭やプラズマ浸炭）を施さずとも、粒界酸化の発生を抑制でき、高い衝撃疲労強度を得ることができることから、加工コスト面において優れる。
【００２８】
なお、以上の説明は、本発明の肌焼鋼には、鋼材の表層酸化を伴う表面硬化処理（例えば、ガス浸炭）を施すことが有効であることを説明するものであって、鋼材の表層酸化をほとんど伴わない表面硬化処理（例えば、真空浸炭やプラズマ浸炭）を施すことを排除するものではない。
【００２９】
本発明の浸炭部品（特には差動歯車）を得るべく本発明の肌焼鋼に適用される表面硬化処理（浸炭焼入れ焼戻し）のヒートパターンは、その効果を得うる範囲であれば、特に限定されるものではない。図３に、浸炭焼入れ焼戻しのヒートパターンの例を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の肌焼鋼は、衝撃疲労破壊の起点となる粒界酸化の発生を抑制することが可能であることから、部品形状に加工された後、浸炭処理や浸炭窒化処理等の鋼材の表層酸化を伴う表面硬化処理（例えば、ガス浸炭）が施されることにより、本発明の浸炭部品として、例えば自動車等のエンジン，変速機，減速機などの機械構造部品に好適に供することができる。
【００３１】
また、本発明の肌焼鋼は、衝撃疲労強度（繰り返し加わる強い衝撃に耐える特性）が特に必要とされる差動歯車（デファレンシャルギア）の用途に好適である。  以下、本発明の差動歯車の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００３２】
図１は、本発明の差動歯車（デファレンシャルギア）を用いた自動車の減速機（デファレンシャルユニット）１００の例を示す断面模式図である。デファレンシャルユニット１００は、デファレンシャルケース１内に、デファレンシャルギアとして、左右一対のサイドギア２，２と、両サイドギア２間に係合する複数の差動ピニオン３とを収容している。各サイドギア２は、左右の車軸側となるサイドフランジ４，４に連結してあり、差動ピニオン３は、デファレンシャルケース１に設けたメートシャフト５に対して回転自在に装着してある。
【００３３】
車両の走行時、デファレンシャルユニット１００は、エンジンからの回転トルクをドライブピニオン１０，リングギア８を介して、デファレンシャルケース１，メートシャフト５，差動ピニオン３，サイドギア２の順に伝達し、サイドフランジ４（またはこれに相当する部品）を介して左右両輪を駆動する。
【００３４】
ここで、デファレンシャルギア（２，３）は、上述した肌焼鋼を用いたものであって、少なくとも摺動接触面に、鋼材の表層酸化を伴う表面硬化処理（例えば、ガス浸炭）が施されており、高い衝撃疲労強度を有する。
【００３５】
ここで、デファレンシャルユニット１００は、上記の如く駆動する際に、潤滑油の存在下において、デファレンシャルケース１とデファレンシャルギア（サイドギア２，差動ピニオン３）とが摺動接触し、特に、デファレンシャルギア（サイドギア２，差動ピニオン３）とワッシャ（サイドワッシャ６，メートワッシャ７）とが摺動接触するとともに、デファレンシャルケース１とワッシャ（サイドワッシャ６，メートワッシャ７）とが摺動接触する。
【００３６】
以上、本発明の肌焼鋼を適用した本発明の差動歯車の実施形態について説明したが、適用範囲はこれに限定されるものではなく、特に衝撃疲労強度が重要視される全ての機械構造部品に適用することができる。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明の効果を確認するために行った試験について説明する。
【００３８】
表１に示す化学組成の発明鋼１〜１３，表２に示す化学組成の比較鋼１〜１７を、それぞれ通常の方法によって１５０ｋｇ真空溶製した。これらの鋼を通常の方法によって、圧延し、焼きならした後、図２に示す歯車試験片（モジュール１．５）に加工した。さらに、各試験片について図３に示すヒートパターンで浸炭焼入れ焼戻しを行い、仕上げ加工を施した。このようにして作製した各歯車試験片を以下の試験に供した。
【００３９】
【表１】
2007092102.tif 000003
【００４０】
【表２】
2007092102.tif 000004
【００４１】
（１）衝撃疲労試験
落錘型衝撃試験機により衝撃疲労試験を実施した。衝撃疲労試験は、図４に示すように、歯車試験片１０１を相手歯車１０２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１０４に衝撃負荷を繰り返し加え、各衝撃負荷トルクにおける破損までの衝撃負荷回数を求める試験である。また、図４において、１０３は固定端、１０５は衝撃荷重負荷位置である。そして、衝撃負荷トルクと破損回数の関係から、１００回破損時の衝撃負荷トルクを求めた。
ここでは、１００回破損時の衝撃負荷トルクが１５００Ｎ・ｍ以上のものを良とする。
【００４２】
（２）粒界酸化層深さ
粒界酸化層深さは、試験片の切断面を鏡面研磨し、光学顕微鏡で表層部分の酸化層を観察することにより評価した。観察部位は、破壊起点に相当する歯車の歯元（Ｒ部分：視野面積０．０３ｍｍ２）の断面部分とした。粒界酸化層深さは、表層からの深さ方向の長さで規定する。また、研磨時に表面が削れ過ぎて粒界酸化層深さの読み取り値がバラつくことを抑えるため、Ｎｉメッキを施した状態で行った。
ここでは、粒界酸化層深さが６μｍ以下のものを良とする。
【００４３】
（３）焼準（焼ならし）後の硬さ
焼準後の鋼材（試験片加工前）の硬さを、JIS G 0557に基づき測定した。但し、有効酸化層の限界硬さはＨｖ５１３とした。
ここでは、ＨＲＢ１００以下のものを良とする。
【００４４】
（４）浸炭焼入れ焼戻し後の硬さ
浸炭焼入れ焼戻し後の硬さを、JIS Z 2244に基づき測定した。
ここでは、Ｈｖ６５０以上のものを良とする。
【００４５】
以上の試験結果を表１及び２に示す。これによると、発明鋼１〜１３は、式（Ａ）を満たし、粒界酸化が低減されており、衝撃疲労強度が本発明の範囲を逸脱した比較鋼１〜１７と比べて優れたものとなっていることがわかる。また、発明鋼１〜１３は、浸炭焼入れ焼戻し後の硬さが十分なものとなっていることもわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の差動歯車（デファレンシャルギア）を用いたデファレンシャルユニットの例を示す断面模式図
【図２】歯車試験片を示す側面図
【図３】浸炭焼入れ焼戻しのヒートパターンを示す図
【図４】衝撃試験の構成を示す図
【符号の説明】
【００４７】
１  デファレンシャルケース
２  サイドギア（デファレンシャルギア（差動歯車））
３  差動ピニオン（デファレンシャルギア（差動歯車））
４  サイドフランジ
５  メートシャフト
６  サイドワッシャ
７  メートワッシャ
８  リングギア
１０  ドライブピニオン
１００  デファレンシャルユニット（減速機）
【図１】
2007092102.tif 000005
【図２】
2007092102.tif 000006
【図３】
2007092102.tif 000007
【図４】
2007092102.tif 000008