(57)【要約】【課題】歯車材における歯面疲労強度を良好に向上させ得るショットピーニング方法及びそれを用いた歯車材を提供する。【解決手段】本発明のショットピーニング方法は、表面から２５μｍ深さ位置での歯面の硬さが７５０ＨＶ以上、かつ該歯面の表面粗さＲａが０．０１〜０．４μｍの範囲内に予め設定された歯車材に対して、粒径が０．０５〜０．３ｍｍの範囲内、かつ歯面に比べて硬さが５０〜１５０ＨＶの範囲内で高く設定された投射材を、エア圧力０．２〜０．６ＭＰａの条件下で該歯面に投射する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面から２５μｍ深さ位置での歯面の硬さが７５０ＨＶ以上、かつ該歯面の表面粗さＲａが０．０１〜０．４μｍの範囲内に予め設定された歯車材に対して、粒径が０．０５〜０．３ｍｍの範囲内、かつ前記歯面に比べて硬さが５０〜１５０ＨＶの範囲内で高く設定された投射材を、投射エア圧力０．２〜０．６ＭＰａの条件下で該歯面に投射することを特徴とするショットピーニング方法。
【請求項２】
請求項１に記載されたショットピーニング方法によって、前記歯面の表面粗さＲａが０．８μｍ以下とされ、かつ該歯面の圧縮残留応力が１８００ＭＰａ以上とされることを特徴とする歯車材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショットピーニング方法及びそれを用いた歯車材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等に使用されている歯車の疲労強度向上の手段として、ショットピーニング処理が有用な手段として用いられている。このような歯車では、歯元と歯面で疲労破壊形態が異なっており、近年、歯車の小型化に伴う面圧増加に対応して、歯元疲労強度（曲げ疲労強度）のみならず、歯面疲労強度（ピッチング強度）及び磨耗抑制の向上が一層求められている。
ここで、歯元疲労強度の向上には、ショットピーニング処理による表層の圧縮残留応力が大きく影響し、歯車を構成する歯車材に高い圧縮残留応力を付与することで、歯元疲労強度だけではなく、歯面疲労強度を向上させ得ることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。そして、圧縮残留応力の応力値は、投射材の粒径、硬度、投射速度、投射時間等が影響することも知られており、ショットピーニングの条件が圧縮残留応力の応力値に及ぼす影響についても従来様々な研究がなされている（例えば、下記特許文献１参照）。
一方、ショットピーニング処理後の表面粗さはショットピーニングの投射条件や投射材の硬さ等が影響することが知られており、軟質なショット粒を用いることで、表面粗さ突起を滑らかな形状にすることができる（例えば、下記特許文献２参照）。
また、更なる疲労強度向上のために、ショットピーニング処理を施しつつ、歯車材により高い圧縮残留応力を付与することが求められている。その要求強度を達成するために、歯車材の硬さをその投射材の硬さに見合った硬さにすることで、ショットピーニング処理による歯車材の削食量を抑えつつ、歯車材に高い圧縮残留応力を付与することができる（例えば、下記特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３０７６７８号公報
【特許文献２】特開平７-２９０３６３号公報
【特許文献３】特開２００９−１３１９１２号公報
【非特許文献１】“電気製鋼”、２０１０、第８１巻、第２号ｐ．９９−１０８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１〜３等では、ショットピーニング処理に伴う表面粗さの悪化に起因した歯面疲労強度の低下に関しては記載がなく、ショットピーニング処理による表面粗さの悪化に起因して歯面疲労強度が低下することがあった。
【０００５】
本発明は、上記問題に対処するためになされたものであり、その目的は、歯車材における歯面疲労強度を良好に向上させ得るショットピーニング方法及びそれを用いた歯車材を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、以下の知見を得た。
歯面疲労強度の向上には、ショットピーニング処理による表層の硬さおよび圧縮残留応力の増加を図りつつ、表面粗さの悪化を抑制する必要がある。
【０００７】
すなわち、本発明のショットピーニング方法は、表面から２５μｍ深さ位置での歯面の硬さが７５０ＨＶ以上、かつ該歯面の表面粗さＲａが０．０１〜０．４μｍの範囲内に予め設定された歯車材に対して、粒径が０．０５〜０．３ｍｍの範囲内、かつ歯面に比べて硬さが５０〜１５０ＨＶの範囲内で高く設定された投射材を、エア圧力０．２〜０．６ＭＰａの条件下で該歯面に投射することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の歯車材は、上記ショットピーニング方法によって、歯面の表面粗さＲａが０．８μｍ以下とされ、かつ該歯面の圧縮残留応力が１８００ＭＰａ以上とされることを特徴とする。
【０００９】
本発明のショットピーニング方法によれば、ショットピーニング後の歯面の表面粗さＲａを０．８μｍ以下に抑制しつつ、歯面の圧縮残留応力を１８００ＭＰａ以上とした歯車材を得ることができる。歯面疲労強度の向上は、最表面位置の硬さと圧縮残留応力及び表面粗さが特に影響因子になっている。高硬度と高い圧縮残留応力を付与するためには、硬さが７５０ＨＶ以上の歯車材に対して、該歯車材よりも５０〜１５０ＨＶの範囲内で硬さの高い投射材を投射することで、１８００ＭＰａ以上の高い圧縮残留応力の付加が可能となる。
この場合、投射材の粒径を０．０５〜０．３ｍｍの範囲内とし、投射エア圧力を０．２〜０．６ＭＰａの条件とする必要がある。投射材の粒径が０．３ｍｍを超えると、表面粗さが悪化する。また、投射エア圧力が０．２ＭＰａ未満では、投射エネルギーが不足しており、高い圧縮残留応力を得ることができない。したがって、投射材の粒径を０．０５〜０．３ｍｍの範囲内とし、投射エア圧力を０．２〜０．６ＭＰａの条件とすることで、表面粗さを０．８μｍ以下に抑制しつつ、１８００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を得ることが可能となる。
なお、浸炭は真空浸炭が望ましい。ガス浸炭の場合、表面酸化に伴う軟質な浸炭異常層が生じるため、ショットピーニング前の歯車材硬さ７５０ＨＶ以上を満たすことが難しい。但し、ガス浸炭の場合でも焼入れ性の高い材料を用いることやショットピーニング前に浸炭異常層を取りきることで、ショットピーニング前の歯車材硬さ７５０ＨＶを満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の歯車材を適用した歯車における歯の歯元及び歯面を示す部分拡大図。
【図２】（Ａ）はＲＰ試験で使用される負荷用ローラーと試験用ローラーを示す正面図。（Ｂ）は（Ａ）の側面図。
【図３】相対硬さ（投射材硬さ−ショットピーニング前の歯車材硬さ）と圧縮残留応力との関係を示すグラフ。
【図４】投射エア圧力と圧縮残留応力との関係を示すグラフ。
【図５】圧縮残留応力とＲＰ試験寿命との関係を示すグラフ。
【図６】相対硬さ（投射材硬さ−ショットピーニング前の歯車材硬さ）と歯車材の表面粗さとの関係を示すグラフ。
【図７】投射材粒径と歯車材の表面粗さとの関係を示すグラフ。
【図８】歯車材の表面粗さとＲＰ試験寿命との関係を示すグラフ。
【図９】投射エア圧力と歯車材の表面粗さとの関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の歯車材として、ＪＩＳで規定された鋼、例えば表１に示されるＳＣｒ４２０，ＳＣＭ４２０，ＳＮＣＭ２２０を採用することができる。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
また、これらに加えて、例えば特開２００７−２９１４８６号公報に記載されている真空浸炭用鋼を採用することもできる。この真空浸炭用鋼は、質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．３〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、Ｃｒ：０．３〜１．０％、Ａｌ：０．２０％以下、Ｎ：０．０５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、
［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．５
の条件を満たすものをいう。以下、その真空浸炭用鋼について各元素の組成限定理由について概説する。
【００１４】
Ｃ（０．１〜０．３％）は、歯車材の心部強度（歯元１１の強度、図１参照）を確保する上で適切な範囲である。Ｍｎは、脱酸剤として鋼の溶製時に添加されるが、炭化物の生成にはあまり影響を与えないから、その量は広い範囲（０．３〜３．０％）から選ぶことができる。Ｐ及びＳは不純物であって、製品の機械的性質にとって好ましくない成分であるから、その量は低い方がよい。前記の値（ともに０．０３％）は、許容限度である。
【００１５】
Ｓｉ（０．５〜３．０％）、Ｎｉ（０．０１〜３．００％）及びＣｕ（０．０１〜１．００％）は、炭化物の生成を抑制する成分であって、それぞれ上記の下限値以上であって、かつ、それらの量の合計からＣｒの量を差し引いた値が０．５を上回るように添加しなければならない。しかし、大量の添加は、熱間加工性を低下させるから、それぞれに上記の上限を設けた。
【００１６】
Ｃｒ：０．３〜１．０％
Ｃｒは炭化物の生成を促進する成分であるから、多量に存在させることができない。１．０％は、炭化物の生成を抑制する成分が多量である場合に可能な、Ｃｒ量の上限である。ただし、あまり低減しすぎると焼入れ性が低くなって、製品の機械的特性が不満足になるので、下限値として０．３％を設けた。
【００１７】
Ａｌ：０．２０％以下
Ａｌは脱酸剤として添加されるが、過大な添加は、やはり加工性を損なうから、０．２０％までの添加量を選ぶのがよい。Ａｌはまた、結晶粒の粗大化を抑制するはたらきもあり、その効果を得たい場合は０．００５％以上添加する必要がある。
【００１８】
Ｎ：０．０５０％以下
Ｎは結晶粒の粗大化を防止する作用があるので、好ましくは少なくとも０．００１％が存在するようにする。この効果は０．０５０％程度で飽和するので、この限界を超えて存在させる意味はない。
【００１９】
［Ｓｉ％］＋［Ｎｉ％］＋［Ｃｕ％］−［Ｃｒ％］＞０．５
Ｓｉ、Ｎｉ及びＣｕは炭化物の生成を抑制し、一方、Ｃｒは増加させるから、前三者の影響と後者の影響とをバランスさせて、抑制効果が高くなるようにすることによって、エッジ部の炭化物生成量抑制を実現することができる。
【００２０】
上記真空浸炭用鋼は、上述した基本的な合金成分に加えて、以下の任意添加元素の、少なくとも一つを含有する合金組成とすることができる。
【００２１】
Ｍｏ：２．０％以下
Ｍｏは焼入れ性を向上させ、焼戻し軟化抵抗性を高めるために添加することができる。多量になると鋼の加工性を悪くするので、２．０％以下の適切な添加量を選ぶべきである。
【００２２】
Ｎｂ：０．２０％以下及びＴｉ：０．２０％以下の１種または２種
これらの成分は、浸炭時に生じる結晶粒の成長を抑制し、整粒組織を保つという目的にとって有効である。過大な添加は加工性に悪影響を及ぼすので、それぞれ上記の限界内の添加量に止める。
【００２３】
Ｂ：０．０１％以下
Ｂは、焼入れ性の向上に効果があるので、所望により添加する。大量の存在は加工性にとって有害であるから、０．０１％以下の添加量を選ぶ。
【００２４】
Ｐｂ：０．０１〜０．２０％、Ｂｉ：０．０１〜０．１０％及びＣａ：０．０００３〜０．０１００％の１種または２種以上
これらの成分は、被削性の向上という目的にとって有効である。過大な添加は靱性に悪影響を及ぼすので、それぞれ上記の限界内の添加量に止める。
【００２５】
本発明の歯車材は、自動車の歯車の用途に好適である。ここで、歯面１２は、図１に示されるように、歯１０の噛み合いに預かる面の全てを意味する。
【００２６】
歯面１２の表層Ｃ濃度を下げることで、靭性を向上させ、き裂の発生を遅延化させることができる。ただし、表層Ｃ濃度が少なすぎると耐塑性変形性が著しく悪化する。表層Ｃ濃度（質量％）は０．６０〜０．８５％程度となることが望ましい。また、歯面１２の表層硬さ（表面から２５μｍの深さ位置における硬さ）は、表面強度を確保する観点から少なくとも７５０ＨＶの硬さが必要である。
【実施例１】
【００２７】
（鋼種、試験片形状）
まず、上記表１に示す歯車材としての合金組成（残部はＦｅ及び不可避不純物）の鋼を真空溶解炉を用いて溶製し、インゴットに鋳造した。次に、このインゴットを圧延してバー材にした後、図２に示されるように、ローラー部２１と軸部２２が一体のローラーピッチング試験片２０（以下、試験用ローラー２０という）を作成した。ローラーピッチング試験については後述する。
【００２８】
（浸炭方法）
次に、試験用ローラー２０に対し、下記の条件で浸炭および熱処理を施した。すなわち、９５０℃で均熱保持後、そのままの温度で浸炭処理後に拡散処理を行い、その後８５０℃で３０分間保持し、油焼入れを行った。焼戻しは１６０℃で２時間行った。浸炭処理は、アセチレンガス雰囲気で圧力１５００Ｐａ、拡散処理は、窒素雰囲気で行った。拡散処理後に仕上げ研削加工を施し、歯面の表面粗さＲａを０．０１〜０．４μｍの範囲内に調整した。
【００２９】
（炭素濃度測定）
ガス浸炭および真空浸炭後の表層Ｃ濃度分布をＥＰＭＡによるライン分析で測定した。浸炭条件（ガス浸炭：平衡Ｃ濃度、真空浸炭：浸炭時間）を変えることで、表層Ｃ濃度分布を変化させ、ショットピーニング前の試験用ローラー２０の硬さを調整した。
【００３０】
（ショットピーニング方法）
装置の噴射ノズルから試験用ローラー２０までの距離を２００ｍｍとし、投射角はローラー部２１の加工面に垂直となるよう試験用ローラー２０を設置した。そして、試験用ローラー２０に対し均一にショットピーニングが施されるように、試験用ローラー２０を設置したテーブルを回転させた。投射材は、粒径＝０．０５〜０．６ｍｍ、硬さ７００〜１２００ＨＶのものを使用し、投射圧(＝エア圧)は、０．１〜０．６ＭＰａの範囲で実験を行った。ショットピーニングは、試験用ローラー２０におけるローラー部２１の転走面を狙って行った。
【００３１】
（圧縮残留応力測定）
ショットピーニング処理後の試験用ローラー２０の圧縮残留応力測定方法は、非破壊的方法として一般的な「ＪＩＳ  Ｂ２７１１」に規定されているＸ線回折を利用したＸ線応力測定法を用いた。今回の試験用ローラー２０は、マルテンサイト組織の鋼であるため、測定は特性Ｘ線の種類＝ＣｒＫα線、Ｘ線応力係数ｋ＝−３１８[ＭＰａ／°]を用いて行った。また、測定部位はショットピーニング狙い位置中心とした。
【００３２】
（表面粗さ測定）
試験用ローラー２０におけるローラー部２１の転走面について、表面粗さ測定器(東京精密株式会社製:SURFCOM1500SD-13)を用いて軸方向の表面粗さＲａを測定した。測定長さ８ｍｍ、カットオフ波長０．８ｍｍ、傾斜補正は最小二乗曲線補正とした。
【００３３】
（硬さ測定）
ビッカース硬さ（＝ＨＶ）は、「ＪＩＳ  Ｚ２２４４」に規定されたビッカース硬さ試験法に従って測定したものであり、装置はマイクロビッカース硬さ試験機を用いた。圧子は「ＪＩＳ  Ｂ７７２５」に規定されている対面角が１３６°のダイヤモンド四角錘圧子を用い、破壊されない程度の試験荷重で試験用ローラー２０の鏡面研磨された平面に窪みをつける。そして、この窪みの対角線長さd[ｍｍ]と試験荷重F[Ｎ]とから次式によって計算した値をビッカース硬さとした。
ＨＶ＝０．１８９×（Ｆ／ｄ^２）
なお、試験荷重は１００ｇで負荷時間は１５秒とし、測定位置は試験用ローラー２０におけるローラー部２１の転走面から深さ２５μｍ程度の位置とした。
【００３４】
（面疲労強度評価）
面疲労強度の評価方法として、ローラーピッチング試験によるピッチング評価を行った。ローラーピッチング試験（以下、ＲＰ試験という）は、図２に示されるように、負荷用ローラー３０と試験用ローラー２０（例えば、直径２６ｍｍ、全長１３０ｍｍ）、を油潤滑下にて一定面圧で接触させ、すべりを与えながら回転させることにより、歯車のピッチング（剥離）損傷を再現する試験である。試験条件は面圧３．０ＧＰａ、すべり率−６０％、回転数１５００ｒｐｍとした。潤滑油はＣＶＴ用オイルを用い、油温３６３Ｋ、流量２Ｌ／ｍｉｎで試験を行った。負荷用ローラー３０は、軸受鋼ＳＵＪ２を焼入れ・焼戻し後に表面研削したもの（例えば、直径１３０ｍｍ、曲率半径１５０ｍｍのクラウニング加工を施したもの）を用いた。上記条件におけるピッチングが発生するまでの寿命を評価した。
【００３５】
表２に各鋼種における測定結果を示し、図３〜９に相対硬さ、圧縮残留応力、表面粗さ、投射材粒径、投射エア圧力及びＲＰ試験寿命をそれぞれパラメータとする、各パラメータ間の関係を示す。ここでは、ＲＰ試験寿命が７×１０^６以上で、かつ、圧縮残留応力の絶対値が１８００ＭＰａ以上の場合を良（実施例）とし、それ以外の場合を否（比較例）とする。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
表２、図３，４に示されるように、ショットピーニング前の試験用ローラー２０の表面硬さが７５０ＨＶ以上であるとき、相対硬さが５０〜２５０ＨＶの範囲内にあり、かつ投射エア圧力が０．２ＭＰａ以上であると、１８００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が得られることが分かる。投射エア圧力が０．２ＭＰａ未満では、投射エネルギーが不足しており、１８００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を得ることができない。図５に示されるように、圧縮残留応力が１８００ＭＰａ以上になると、ＲＰ試験での寿命が安定化するようになる。
【００３８】
ところが、１８００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が得られても、図６に示されるように、相対硬さが１５０ＨＶを超えると、表面粗さＲａが悪化する。また、相対硬さが１５０ＨＶ以下でも、図７に示されるように、投射材粒径が０．３ｍｍを超える場合も、表面粗さＲａが悪化してしまう。
【００３９】
表面粗さＲａは、図８に示されるように、０．８μｍを超えるとＲＰ試験での寿命を低下させ、０．８μｍ以下になるとＲＰ試験での寿命を安定化させるように該寿命に大きな影響を与える。０．６μｍ以下になるとＲＰ試験での寿命がより一層安定化するため、表面粗さＲａは０．６μｍ以下とするのが好ましい。また、図６に示したように、相対硬さが１００ＨＶ以下になると表面粗さＲａがより一層安定化するため、相対硬さは５０〜１００ＨＶとするのが好ましい。
【００４０】
以上より、相対硬さを５０〜１５０ＨＶの範囲内とし、かつ投射材粒径を０．０５〜０．３ｍｍの範囲内とすることで、１８００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を得ながら、表面粗さＲａを０．８μｍ以下とすることができる。その結果、図５に示したように、ＲＰ試験での寿命を７×１０^６以上とすることができ、この歯車材を歯車に適用した場合に高い歯面疲労強度を得られることが期待できる。なお、投射エア圧力を０．２ＭＰａ以上としても、図９に示されるように、表面粗さＲａが０．８μｍを超えることはない。
【００４１】
以上の説明からも明らかなように、本発明のショットピーニング方法によれば、ショットピーニング後の歯面の表面粗さＲａを０．８μｍ以下に抑制しつつ、歯面の圧縮残留応力を１８００ＭＰａ以上とした歯車材を得ることができる。したがって、本発明の歯車材を歯車に適用することによって、歯面疲労強度を向上させることが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  歯
１１  歯元
１２  歯面
２０  試験用ローラー（ローラーピッチング試験片）
２１  ローラー部
２２  軸部
３０  負荷用ローラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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