(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ  ：０．１０〜０．３０％、
Ｓｉ：０．５０〜１．８０％、
Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、
Ｃｒ：０．０１〜１．００％、
Ｍｏ：０．０１〜１．００％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、
Ｂ  ：０．０００５〜０．００５０％、
Ａ１：０．０１０〜０．１００％、
Ｎ：０．０１０％以下（以上、重量％）
を合有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学成分組成を有し、しかも、下記（１）式、
0003989138.tif 000015
によって算出されるＡｃ3変態温度が、８５０〜９６０℃の範囲内にあり、下記（２）式、
0003989138.tif 000016
によって算出される理想臨界直径が５０〜２００ｍｍの範囲内にあり、下記（３）式、
0003989138.tif 000017
によって算出される炭素当量が、０．６０％以下である化学成分組成を有することを特徴とする、機械加工性に優れた低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼材。
【請求項２】
前記鋼材は、
Ｎｉ：０．０１〜１．００％、
Ｖ  ：０．０１〜０．５０％（以上、重量％）
のうちの少なくとも１つの元素を、更に含有していることを特徴とする、請求項１記載の、機械加工性に優れた低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼材。
【請求項３】
前記鋼材は、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．０５０％（以上、重量％）
のうちの少なくとも１つの元素を、更に含有していることを特徴とする、請求項１または２記載の、機械加工性に優れた低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼材。
【請求項４】
Ｃ  ：０．１０〜０．３０％、
Ｓｉ：０．５０〜１．８０％、
Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、
Ｃｒ：０．０１〜１．００％、
Ｍｏ：０．０１〜１．００％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、
Ｂ  ：０．０００５〜０．００５０％、
Ａ１：０．０１０〜０．１００％、
Ｎ：０．０１０％以下（以上、重量％）
を合有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学成分組成を有し、しかも、下記（１）式、
0003989138.tif 000018
によって算出されるＡｃ3変態温度が、８５０〜９６０℃の範囲内にあり、下記（２）式、
0003989138.tif 000019
によって算出される理想臨界直径が５０〜２００ｍｍの範囲内にあり、下記（３）式、
0003989138.tif 000020
によって算出される炭素当量が、０．６０％以下である化学成分組成を有する鋼材を熱間鍛造して歯車粗形材に加工し、その後、ブリネル硬さを２００以下とする軟化焼鈍を施し、更に、機械加工を施して歯車形状に仕上げ、次いで、機械加工を施した前記鋼材に対して、８５０〜１０００℃の温度範囲内で浸炭処理を施し、浸炭処理終了後、前記鋼材をそのまま炉冷し、８００〜９５０℃の範囲内の温度であって、且つ、前記鋼材のＡ1変態点超〜Ａ3変態点未満の範囲内の温度で炉冷を止め、その温度に所定時間保持した後に急冷して焼入れ処理を施し、そして、焼戻し処理を施し、かくして、前記鋼材の非浸炭部の組織を、フェライトを１０〜７０面積％含むマルテンサイトからなる二相組織とすることを特徴とする、機械加工性に優れた低歪み型浸炭焼入れ歯車の製造方法。
【請求項５】
前記鋼材は、
Ｎｉ：０．０１〜１．００％、
Ｖ  ：０．０１〜０．５０％（以上、重量％）
のうちの少なくとも１つの元素を、更に含有していることを特徴とする、請求項４記載の、機械加工性に優れた低歪み型浸炭焼入れ歯車の製造方法。
【請求項６】
前記鋼材は、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．０５０％（以上、重量％）
のうちの少なくとも１つの元素を、更に含有していることを特徴とする、請求項４または５記載の、機械加工性に優れた低歪み型浸炭焼入れ歯車の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、自動車、建設機械、産業機械等に用いられる歯車用鋼材として好適な、歯車加工時の機械加工性に優れ、且つ、浸炭焼入れ時の歪み量が極めて小さい、低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼材およびその鋼材による歯車の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、最近の自動車においては、運転時の静粛性が要求されるが、騒音の原因の一つとして、歯車から発生するギアノイズがある。ギアノイズは、歯車の噛合わせの不具合によって発生するものであり、このような不具合は、所定形状に塑性加工、機械加工された歯車半製品に対し、その表面を硬化するために浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れ（以下、浸炭焼入れと総称する）処理を施した時に生じる歪みの結果発生する。
【０００３】
即ち、歯車用鋼材の浸炭焼入れに伴い発生するマルテンサ      イトの生成による変態応力、即ち、オーステナイト組織からマルテンサイト組織に変態する時に生ずる体積膨張に起因する応力が発生するため、鋼材に歪みが発生することが避けられず、その結果、歯面や歯車の軸部に捻じれやゆがみを生じてしまうためにギアノイズが発生する。
【０００４】
特に、自動車のトランスミッション用やデファレンシャル用のギヤにおいて、騒音に対して極めて厳しい制限があるにもかかわらず、その形状が小さく且つ歯自体の肉厚が薄いため、ギア内部の組織は、ベイナイト、残留オーステナイトを一部含むマルテンサイト主体の組織（以下、低温変態相と総称する）になっている。このために、浸炭焼入れ時に歪みが生じやすく、これが歯車騒音の最大の発生原因になっている。
【０００５】
また、装置全体の構成が複雑であり、例えば、左右のタイヤの回転を調整するデファレンシャル装置は、ドライブピニオン、ピニオンギヤ、サイドギヤ、ファイナルリングギヤの４種のギヤの噛合いにより構成されており、一部分に発生した歪みが装置全体に伝達されることになり、一層、騒音を増大させる結果となっている。
【０００６】
そこで、歯車の寸法精度を向上させる方法として、従来は、浸炭焼入れ後の歪みを研削にて除去して歯形を修正する方法や、浸炭焼入れ前の歯車を型で押さえて浸炭焼入れして歪みの発生を防止するプレスクエンチ法等の対策が採られてきた。
【０００７】
しかしながら、歪みを研削によって除去する方法は、極めて高精度な機械研削加工が必要であり、このために製造コストが大幅に高騰するうえに、表面硬さや残留応力にむらが生ずるので、品質上からも問題があった。
【０００８】
また、プレスクエンチ法は、特殊で高価な焼入れ設備と多数の作業者を必要とし、これも大幅な製造コストの高騰を招いていた。
【０００９】
上述した点から歯車用鋼材は、浸炭焼入れ後の歯形修正やプレスクエンチを行わずに使用されることが多く、従って、浸炭焼入れされた歯車半製品の寸法精度向上のためには、焼入れ歪みそのものを低減することが必要であった。
【００１０】
歯車用鋼材の焼入れ歪み量を低減する方法として、Ｎｂ、Ｔｉを添加してこれら元素の微細窒化物析出により、結晶粒の粗大化を防止して結晶粒を微細に調整する方法や、鋼の焼入れ性がジョミニーバンド下限になるように鋼の化学成分組成を特定の狭い範囲内に制御して、焼入れ性を低く、一定に抑える方法が採られてきた。しかしながら、これらの方法は、マルテンサイトの膨張を抑止する手段でないために、歪み防止のうえから十分な効果が得られなかった。
【００１１】
浸炭焼入れ後の組織を制御して炭入れ歪み量を低減する方法として、特開平５−７０９２５公報には、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶ等の化学成分組成を特定範囲に限定した鋼からなる歯車半製品に対して浸炭窒化処理を施した後、これを歯表面部、即ち、浸炭窒化部（以下、同じ）のＡｒ1変態点以下の温度域まで冷却し、次いで、歯表面部のＡｒ3変態点以上で且つ歯内部、即ち、非浸炭部（以下、同じ）をＡｒ3変態点未満の温度に再加熱して保持することにより、歯表面部をオーステナイト状態に保ちつつ、歯内部にフェライトを析出させてフェライト＋パーライト組織とし、次いで、焼入れをし、そして、焼戻しをすることにより歯表面部をマルテンサイトにし、既に変態を終了している歯内部を焼きの入っていないフェライトとパーライトとに維持する方法（以下、先行技術１という）が開示されている。
【００１２】
図１に、歯車の歯内部、歯表面部および歯車芯部を説明する概略斜視図を示す。図1において、１は、浸炭窒化部、２は、非浸炭部、３は、歯車芯部を示す。
【００１３】
また、特開平９−１１１４０３公報には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、ＭｏおよびＮｉ等の化学成分組成を特定範囲内に限定した鋼で、Ａｃ3変態温度を８５０〜９６０℃の範囲内に高め、且つ、理想臨界直径を３０〜２５０ｍｍの範囲内とした鋼材からなる歯車半製品に、８５０〜１０００℃の範囲内で浸炭処理を施し、浸炭処理終了後、前記鋼材をそのまま炉冷し、８００〜９５０℃の範囲内の温度であって且つ前記鋼材のＡ1変態点超〜Ａ3変態点未満の温度範囲内で冷却を止め、その温度に所定時間保持した後に急冷して焼入れ処理を施し、そして、焼戻し処理を行うことによって、前記鋼材の非浸炭部の組織を１０〜７０％のフェライト＋残部マルテンサイトの二相組織にすることにより、浸炭焼入れ歪みの発生を抑止する方法（以下、先行技術２という）が開示されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した各先行技術には、以下に述べるような問題がある。
【００１５】
先行技術１は、歯内部組織がフェライト＋パーライトであり、マルテンサイト変態に伴う体積膨張による焼入れ歪みを軽減できるという利点を有している。
【００１６】
しかしながら、先行技術１は、浸炭窒化処理後、一旦、室温付近まで冷却した歯車用鋼材に対し、歯内部に十分な量のフェライトを析出させるために、歯内部をＡ1〜Ａ3変態点温度の間に再加熱保持し、且つ、歯表面部は、Ａ3変態温度以上に保持してオーステナイト状態に保持した後、焼入れ・焼戻しを行うものであるので、歯内部の組織は、フェライト＋パーライトである。このために、十分な硬化が得られず、歯車に必要な強度を確保するには、合金元素を大幅に高めなければならないという欠点がある。
【００１７】
また、通常の浸炭処理は、１回の浸炭加熱処理後、焼入れるのが普通であるが、先行技術１の場合には、浸炭窒化加熱＋焼入れ加熱という２回の加熱処理を行わねばならないので、製造コストの大幅な高騰を招いてしまうという欠点を有している。
【００１８】
一方、先行技術２には、以下に述べるような問題がある。
【００１９】
鋼材の歯車への加工に当たっては、熱間鍛造により歯車の粗形状素材（以下、粗形材という）に加工することが多い。粗形材は、その後、外周切削、破面のホブ切り、ボルトを付けるための穴明け等の機械加工を施した後、浸炭焼入れ・焼戻し処理が施される。歯車用鋼材として広く使用きれＪｌＳ、ＳＣＭ４２０、ＳＣＭ８２２等の肌焼鋼は、熱間鍛造後、そのまま空冷すると、組織中にベイナイトが混在したブリネル硬さが２００を超える硬い組織になってしまう。組織の中にベイナイトが混在する鋼材を機械加工すると、切り屠の分断性、即ち、切り屠処理性が悪くなって、切り屑が加工工具に詰まったり、切り屑がドリル穴から排出されず、切り屠の詰まりによりドリルが折損したりする。
【００２０】
また、ＨＢ２００を超える硬い粗形材を機械加工すると、工具の摩耗が大きく、工具寿命が短くなってしまう。そのため熱間鍛造粗形材は、通常は９００℃前後の温度に数時間加熱した後、できる限り徐冷する軟化焼純を施して、組織が粗大なフェライト＋パーライト組織で、且つ、ＨＢが２００以下の比較的軟らかい粗形材とした後、概械加工が施される。
【００２１】
しかしながら、先行技術２は、通常行われている浸炭焼入れ条件にて歯車内部組織にフェライトを析出させるために、Ａｃ3変態温度を高める必要があり、このために、Ａｃ3変態温度を高めるＳｉ、Ｍｏ等の合金元素を多量に必要とする。
【００２２】
また、所望の浸炭硬化層深さを得るために、焼入れ性を確保する必要があるため、Ｍｎ、Ｃｒ等の焼入れ性向上に有効な元素を所定量以上添加する必要があり、これらＳｉ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｃｒの総量は、従来のＳＣＭ４２０、ＳＣＭ８２２と比べると大幅に高くなってしまい、従来の条件で軟化焼鈍を施しても、組織にベイナイトが残存したり、硬さがＨＢ２００を超えたりする。そのために、ベイナイトの発生を防止し、ＨＢ２００以下の硬さとするために、従来の軟化焼純より長時間の焼鈍を施す必要があり、製造コストの大幅な増大を招くという欠点を有している。
【００２３】
従って、この発明の目的は、加熱処理回数を低減し、しかも、粗形材の軟化焼鈍後の組織にベイナイトが残存したり、硬さが高いという欠点を解決して、短い焼鈍時間でブリネル硬さ２００以下となるように、鋼材の合金元素の総量を少なくして、機械加工性に優れた粗形材を安価に製造することが可能な、機械加工性に優れた低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼材およびその鋼材により製造される歯車を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上述した観点から、短い軟化焼鈍時間で、ベイナイトの発生を防止し、ＨＢ２００以下の軟質な粗形材とし、通常施される浸炭焼入れ・焼戻し条件で歯内部の組織をフェライト＋低温変態相の二相組織として、歯車の浸炭焼入れに伴って発生する歪みを軽減すべく鋭意研究を重ねた。
【００２５】
この結果、焼入れ性を向上させる元素として微量のＢを添加し、これによって鋼材のＡｃ3変態温度の低下、焼入れ性の低下を招くことなく、Ｍｎ、ＣｒあるいはＭｏ等の合金元素を低減することにより、上記目的が達成されることを見いだすに至った。
【００２６】
請求項1記載の発明は、
Ｃ  ：０．１０〜０．３０％、
Ｓｉ：０．５０〜１．８０％、
Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、
Ｃｒ：０．０１〜１．００％、
Ｍｏ：０．０１〜１．００％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、
Ｂ  ：０．０００５〜０．００５０％、
Ａ１：０．０１０〜０．１００％、
Ｎ：０．０１０％以下（以上、重量％）
を合有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学成分組成を有し、しかも、下記（１）式、
0003989138.tif 000002
によって算出されるＡｃ3変態温度が、８５０〜９６０℃の範囲内にあり、下記（２）式、
0003989138.tif 000003
によって算出される理想臨界直径が５０〜２００ｍｍの範囲内にあり、下記（３）式、
0003989138.tif 000004
によって算出される炭素当量が、０．６０％以下である化学成分組成を有することに特徴を有するものである。
【００２７】
請求項２記載の発明は、請求項１において前記鋼材が、
Ｎｉ：０．０１〜１．００％、
Ｖ  ：０．０１〜０．５０％（以上、重量％）
のうちの少なくとも１つの元素を、更に含有していることに特徴を有するものである。
【００２８】
請求項３記載の発明は、請求項１または２において前記鋼材が、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．０５０％（以上、重量％）
のうちの少なくとも１つの元素を、更に含有していることに特徴を有するものである。
【００２９】
請求項４記載の発明は、
Ｃ  ：０．１０〜０．３０％、
Ｓｉ：０．５０〜１．８０％、
Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、
Ｃｒ：０．０１〜１．００％、
Ｍｏ：０．０１〜１．００％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、
Ｂ  ：０．０００５〜０．００５０％、
Ａ１：０．０１０〜０．１００％、
Ｎ：０．０１０％以下（以上、重量％）
を合有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学成分組成を有し、しかも、下記（１）式、
0003989138.tif 000005
によって算出されるＡｃ3変態温度が、８５０〜９６０℃の範囲内にあり、下記（２）式、
0003989138.tif 000006
によって算出される理想臨界直径が５０〜２００ｍｍの範囲内にあり、下記（３）式、
0003989138.tif 000007
によって算出される炭素当量が、０．６０％以下である化学成分組成を有する鋼材を熱間鍛造して歯車粗形材に加工し、その後、ブリネル硬さを２００以下とする軟化焼鈍を施し、更に、機械加工を施して歯車形状に仕上げ、次いで、機械加工を施した前記鋼材に対して、８５０〜１０００℃の温度範囲内で浸炭処理を施し、浸炭処理終了後、前記鋼材をそのまま炉冷し、８００〜９５０℃の範囲内の温度であって、且つ、前記鋼材のＡ1変態点超〜Ａ3変態点未満の範囲内の温度で炉冷を止め、その温度に所定時間保持した後に急冷して焼入れ処理を施し、そして、焼戻し処理を施し、かくして、前記鋼材の非浸炭部の組織を、フェライトを１０〜７０面積％含むマルテンサイトからなる二相組織とすることに特徴を有するものである。
【００３０】
請求項５記載の発明は、請求項４において前記鋼材が、
Ｎｉ：０．０１〜１．００％、
Ｖ  ：０．０１〜０．５０％（以上、重量％）
のうちの少なくとも１つの元素を、更に含有していることに特徴を有するものである。
【００３１】
請求項６記載の発明は、請求項４または５において前記鋼材が、
Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．０５０％（以上、重量％）
のうちの少なくとも１つの元素を、更に含有していることに特徴を有するものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次に、この発明において、化学成分組成および浸炭焼入れその他の処理条件の限定理由について説明する。
【００３３】
Ｃ：０．１０〜０．３０％
Ｃは、浸炭焼入れによる歯車芯部の強度を保証する上で必要な元素であり、その作用を発揮させるためには、０．１０％以上含有していることが必要であり、０．１０％未満では、有効な浸炭硬化層深さを得るためには、長時間の浸炭焼入れが必要となるので、工業的に不可である。一方、０．３０％を超えると、靭性低下および機械加工性の低下を招く。従って、Ｃ含有量は、０．１０〜０．３０％の範囲内に限定する。
【００３４】
Ｓｉ：０．５０〜１．８０％
Ｓｉは、フェライト形成元素であり、安価にＡｃ3変態温度を高めるために有効である。しかしながら、０．５０％未満では、Ａｃ3変態温度を高めるためにＭｏ、Ｖ等の高価な元素を多量に必要とする。また、０．５０％未満では、浸炭加熱中に不可避的に表面から侵入してくる酸素原子を表層近傍で止める効果が弱く、粒界酸化層の深さが深くなって、疲労強度の低下を招く。しかし、Ｓｉは、フェライト形成元素であることから、１．８０％を超えて過剰になると、浸炭ガス中のＣ原子の鋼材表面からの侵入速度が小さくなって、焼入れ後の浸炭硬化層の深さが浅くなる。従って、Ｓｉの含有量は、０．５０〜１．８０％の範囲内に限定する。
【００３５】
Ｍｎ：０．２０〜１．５０％
Ｍｎは、鋼中のＳをＭｎＳとして無害化して、鋼の熱間延性を向上させる。また、焼入れ性を向上して、歯車芯部の強度を確保するのに有効な元素であり、その作用を発揮させるためには、０．２０％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｍｎは、Ａｃ3変態温度を下げる効果が大きく、１．５０％を超えて添加すると、浸炭焼入れ後にフェライトを含む二相組織が得られなくなるだけでなく、軟化焼鈍後の硬さも高いものになってしまう。従って、Ｍｎの含有量は、０．２０〜１．５０％の範囲内に限定する。
【００３６】
Ｃｒ：０．０１〜１．００％
Ｃｒは、Ｍｎと同様に焼入れ性を向上させるのに有効な元素であり、その作用を発揮させるためには、０．０１％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｃｒには、Ｍｎと同様にＡｃ3変態温度を低下させる作用があるので、その含有量が１．００％を超えて多くなると、フェライトを含む二相組織が得られなくなるだけでなく、軟化焼鈍後の硬さが高くなり、機械加工性の低下を招く。従って、Ｃｒの合有量は、０．０１〜１．００％の範囲内に限定する。
【００３７】
Ｍｏ：０．０１〜１．００％
Ｍｏは、Ａｃ3変態温度を高めてフェライトを生成するのに有効な元素であり、更に、焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性、靱性および疲労強度を向上させるのに有効な元素であり、その作用を発揮させるためには０．０１％以上の含有が必要である。しかしながら、Ｍｏは、高価な元素であり、１．００％を超えて添加しても上記効果は飽和して経済的に不利になるばかりか、焼純軟化性を妨げることになる。従って、Ｍｏ含有量は、０．０１〜ｌ．００％の範囲内に限定する。
【００３８】
Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％
Ｔｉは、炭化物、窒化物を析出し、結晶粒を微細化する。また、Ｎとの結合力がＢより強く、Ｎを窒化物として固定してＢを焼入れ性に有効なフリーＢとして確保するのに有効な元素である。しかしながら、０．００５％未満では、上記効果は小さい。一方、０．０５０％を超えて添加しても上記効果は飽和するのみならず、硬いＴｉ炭化物の量が多くなって、機械加工における工具寿命を低下させる。従って、Ｔｉの含有量は、０．００５〜０．０５０％の範囲内に限定する。
【００３９】
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｂは、微量で焼入れ性を高める元素であるが、焼入れ性に有効に作用させるためには０．０００５％以上の添加を必要とする。しかしながら、０．００５０％を超えて添加しても効果は飽和するのみならず、多量の炭ほう化物を析出し、割れの原因となったり、靱性を低下させたりする。従って、Ｂの含有量は、０.０００５〜０．００５０％の範囲内に限定する。
【００４０】
Ａ１：０．０１０〜０．１００％
Ａ１は、脱酸剤として重要な元素であるとともに、ＡｌＮを析出し結晶粒を微細にする元素である。これらの目的のためには、Ａ１は、少なくとも０．０１０％以上添加する必要がある。しかしながら、０．１００％を超えると酸化物系介在物の量が多くなって、鋼の清浄性を低下させ、熱間加工時の割れの原因となる。また、連続鋳造において、Ａ１2Ｏ3がノズルに堆積してノズル詰まりを引き起こす。従って、Ａ１の含有量は、０．０１０〜０．１００％の範囲内に限定する。
【００４１】
Ｎ：０．０１０％以下
Ｎは、Ｂと結合してＢＮを析出し、Ｂの焼入れ性効果を阻害するとともに、靱性を低下させる。Ｎが０．０１０％を超えると、Ｔｉを添加してＮを窒化物として固定し、焼入れ性に有効なフリーＢを確保するに際し、多量のＴｉを必要とし、経済的な不利を招くのみならず、硬いＴｉ窒化物が多量になって、機械加工における工具の寿命を低下させる。従って、Ｎの含有量は、０．０１０％以下に限定する。
【００４２】
Ｎｉ：０．０１〜１．００％
Ｎｉは、焼入れ性および靱性を高めるのに有効な元素であり、その作用を発揮させるためには、０．０１％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｎｉが１．００％を超えると焼入れ歪みが大きくなるとともに、焼鈍軟化性を妨げ、機械加工性を低下させる。また、Ｎｉは、高価な元素であるので、多量の添加は経済的に不利である。従って、Ｎｉの含有量は、０．０１〜１．００％の範囲内が望ましい。
【００４３】
Ｖ：０．０１〜０．０．５０％
Ｖは、Ａｃ3変態温度を高め、且つ、焼入れ性を向上する効果が大きい。この目的で添加する場合には、０．０１％以上含有させることが必要である。しかしながら、Ｖは高価な元素であり、また、０．５０％を超えて添加しても上記効果は飽和して経済的な不利を招くばかりか、Ｖ炭窒化物の量が多くなって靱性の低下および加工工具の寿命の低下を招く。従って、Ｖの含有量は、０．０１〜０．５０％の範囲内が望ましい。
【００４４】
Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％
Ｎｂは、Ｔｉと同様に炭化物、窒化物を析出し、結晶粒を微細化して、鋼の靱性を向上させる。この自的のためには、０．００５％以上の添加を必要とする。一方、０．０５０％を超えて添加しても上記効果は飽和するのみならず、硬いＮｂ炭化物、窒化物の量が多くなって、機械加工における工具寿命を低下させる。従って、Ｎｂの含有量は、０．００５〜０．０５０％の範囲内が望ましい。
【００４５】
Ｚｒ：０．００５〜０．０５０％
Ｚｒは、Ｔｉ、Ｎｂと同様に炭化物、窒化物を析出し、絡晶粒を微細化して、鋼の靱性を向上させる。この目的のためには．０．００５％以上の添加を必要とする。一方、０．０５０％を超えて添加しても上記効果は飽和するのみならず、やはり硬いＺｒ炭化物、窒化物の量が多くなって、機械加工における工具寿命を低下させる。従って、Ｚｒの含有量は、０．００５〜０．０５０％の範囲内が望ましい。
【００４６】
上述した、この発明の鋼には、以上の元素の他に、Ｐ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｓ等の不可避的に混入する元素を含む。また、機械加工性向上のために、Ｓ、Ｐｂ、Ｃａ等の快削元素を適宜添加しても良い。
【００４７】
Ａｃ3変態温度：８５０〜９６０℃
歯車用鋼材を９２０℃で浸炭し、炭素を鋼の内部に拡散させた後、歪みを軽減するため、浸炭温度より低温の８５０℃に保持し、次いで、オイル等で急冷して焼入れをする。従って、歯車用鋼材の下記（１）式によって算出されるＡｃ3変態温度が８５０℃未満では、浸炭後に８５０℃に保持しても、オーステナイト中にフェライトを確保することができない。一方、上記Ａｃ3変態温度が９６０℃を超えると、オーステナイト中のフェライト量が過剰になり、歯車芯部の強度が不足する。従って、下記（１）式、
0003989138.tif 000008
によって算出されるＡｃ3変態温度は、８５０〜９６０℃の範囲内に限定する。
【００４８】
理想臨界直径（ＤＩ）：５０〜２００ｍｍ
理想臨界直径ＤＩは、鋼の焼入れ性を表す値である。一般的に、鋼材が鋼材製品として使用されるときに要求される鋼材のオーステナイト粒度番号は、８番であり、浸炭焼入れ歯車においても同じである。所望の疲労強度を確保するためには、オーステナイト粒度番号が８番のときの鋼材の理想臨界直径ＤＩの算出式である下記（２）式、
0003989138.tif 000009
によって算出される理想臨界直径ＤＩが５０ｍｍ以上であることを必要とする。一方、理想臨界直径ＤＩが２００ｍｍを超えると、オーステナイト組織中に混在しているフェライトによるマルテンサイトの変態歪みの吸収効果が無くなり、焼入れ歪みが大きくなる。従って、オーステナイト粒度番号を８番として、上記（２）式によって算出される理想臨界直径ＤＩが５０〜２００ｍｍの範囲内になるように鋼材の化学成分組成を調整する。なお、右辺の係数２は、ボロンによる焼入れ性倍数である。また、右辺の係数７．９５は、オーステナイト粒度番号８番における係数であるが、粒度番号が８番以外の場合には、その粒度番号に応じたＤＩの算出値が、上述した範囲内になるように鋼の化学成分組成を限定する。
【００４９】
炭素当量Ｃｅｑ：０．６０％以下
熱間鍛造により製造された歯車の粗形材は、そのままでは硬いので、軟化焼純を施してブリネル硬さ２００以下の機械加工に適した硬さにまで軟化焼鈍を施す必要がある。下記（３）式により算出される炭素当量Ｃｅｑが０．６０％を超えると、球状化焼純等の長い時間を必要とする焼鈍を施さない限り、ブリネル硬さを２００以下にすることが困難になるので、炭素当量Ｃｅｑは、０．６０％以下とする。
【００５０】
0003989138.tif 000010
なお、ドリル穴明けにおいては、特に切り屠の穴からの排出性が重要であり、切り層を適当な大きさに破砕する必要がある。このために好ましい組織は、フェライト＋パーライト組織であって、パーライトが球状化した球状化焼鈍組織は、切り屠が破砕しにくいものである。従って、フェライト＋パーライト組織であって、ブリネル硬さを２００以下にすることが必要であり、そのためには、球状化焼鈍を施さずともブリネル硬さを２００以下になるように化学成分組成を調整することが必要である。従って、炭素当量Ｃｅｑは、０．６０％以下に限定する必要がある。
【００５１】
浸炭温度：８５０〜１０００℃
次に、鋼材に対する浸炭温度は、容易に且つ効率的に浸炭処理を行うことができる温度にすべきである。浸炭温度が８５０℃未満では、Ｃの拡散速度が遅く、所望の浸炭深さを得るために長時間を要する。一方、浸炭温度が１０００℃を超えると、結晶粒が粗大化し易く、歪みの発生が大きくなる。また、鋼材表面の酸化が著しくなる結果、疲労強度が低下する。従って、浸炭温度は、８５０〜１０００℃の範囲内に限定する。
【００５２】
浸炭処理後に行う焼入れ温度：８００〜９５０℃
浸炭処理後に行う焼入れ温度が８００℃未満では、上記浸炭炉の炉温をその温度にまで低下させるのに長時間を要する。一方、焼入れ温度が９５０℃を超えると焼入れ後に得られるマルテンサイト組織中のフェライト面積％を所望の値に保持することが困難になり、また、焼入れ歪みも大きくなる。従って、焼入れ温度は、８００〜９５０℃の間に限定する。
【００５３】
なお、浸炭処理後に行う焼入れ処理は、浸炭処理後にそのまま炉温を所定の温度まで下げて止め、その温度に所定特間保持した後、急冷して焼入れる。この発明においても同じ手順で行い、浸炭処理後に保持する上記焼入れ温度を、当該鋼材のＡ3変態点以上にすると、焼入れ後にフェライトが混在するマルテンサイト組織を得ることができない。一方、上記焼入れ温度を、当核鋼材のＡ1変態点以下にすると、焼入れ後にマルテンサイトを得ることができない。以上のことから、焼入れ温度は、８００〜９５０℃の範囲内であって、且つ、当該鋼材のＡ1変態点超〜Ａ3変態点未満の範囲内に限定する。
【００５４】
歯内部の組織（非浸炭部の組織）のフェライト面積率：１０〜７０％
浸炭焼入れ・焼戻し後の非浸炭部である歯内部の組織のフェライト面積率が、１０％未満では、マルテンサイトの歪みを十分に吸収することができず、焼戻し歪み量を小さく抑制することができない。一方、上記フェライト面積率が７０％を超えると、歯内部において所望の強度および靱性を確保することが困難になる。従って、歯内部のフェライト面積率量は、１０〜７０％に限定する。なお、この時、マルテンサイトには残留オーステナイトおよび／またはベイナイトを一部含んでいても良い。
【００５５】
【実施例】
次に、この発明を実施例によって更に詳細に説明する。
【００５６】
表１に示す本発明の条件（化学成分組成、Ａｃ3温度、理想臨界直径ＤＩ、炭素当量Ｃｅｑ）の範囲内である本発明鋼Ｎｏ．１〜１２、表２に示す本発明の条件の範囲外にある比較鋼Ｎｏ．２１〜３６、および、従来鋼Ｎｏ．３７、３８の供試用インゴットを調製した。
【００５７】
【表１】
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【００５８】
【表２】
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【００５９】
これらの鋼の直径８０ｍｍの熱間圧延丸棒鋼を、自動車作動装置の歯車であるリングギア粗形材に熱間鍛造した。その際、目視により鍛造時の割れの有無をチェックした、その後、粗形材に９５０℃、１ｈｒ→６５０℃、２ｈｒ空冷の軟化焼純を施し、その後、当該粗形材をホブ盤により歯切り加工して歯車に什上げ、更に、ドリル加工によりボルト取付け穴を歯面の裏側に加工した。その後、浸炭焼入れ・焼戻しを施して諸特性を調査した。浸炭焼入れは、所定の温度で浸炭処理を施した後、そのまま炉冷して所定の温度で止め、その温度に３０分保持した後に油槽に入れて急冷して焼入れ処理を施すパターンで行った。また、焼戻しは全て１７０℃×２ｈｒで行なった。
【００６０】
なお、焼鈍後の硬さをブリネル硬度計により測定し、機械加工性は、ドリルの工具寿命と切り屑の破砕性により総合的に良否判定した。また、浸炭焼入れ・焼戻し後の組織を顕微鏡により観察した。歯車の歪みの測定に当たっては、浸炭焼入れ・焼戻し後の歯車の圧力角の変化を測定した。更に、歯車を疲労試験機にかげて、歯元が折損するまでの回数を求め、寿命とした。これらの試験の結果を表３、表４に示す。
【００６１】
【表３】
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【００６２】
【表４】
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【００６３】
表３から明らかなように、この発明の実施例であるＮｏ．１−１〜１−６およびＮｏ．１−８〜１−１２は熱間鍛造時の割れは無く、焼鈍後のブリネル硬さは２００以下であり、このためドリル折損等が発生せず機械加工性が良好であった。また、浸炭時に雰囲気ガス中の酸素と鋼表面の合金元素が結合して生ずる焼入れ不良層深さは、高いＳｉにより酸素の鋼中への侵入が抑制されて７μｍ以下と浅いものであった。浸炭硬化層の深さも０．８ｍｍ以上と十分な深さであり、また、歯内部（歯元部）の硬さも全てビッカース硬さ３００以上と良好であり、歯内部の組織は、フェライトを１０〜６８％含むマルテンサイトとの二相組織であった。この結果、歯車の圧力角の歪みは、全て３分（１分は１°の６０分の１）未満と小さく、このため歯車の噛合わせおよび歯当たりが良好で、全て３０万回以上の長寿命の結果が得られた。
【００６４】
これに対して、表３から明らかなように、比較例Ｎｏ．１−１３は、浸炭温度が１０００℃を超えて高かったために、鋼表面の酸化が進み、焼入れ不良層が１０μｍを超えてしまい、表面の硬度が局部的に低下しているため、歯車疲労寿命が短いものであった。
【００６５】
比較例Ｎｏ．１−１４は、浸炭温度が本発明の範囲より低かったために、浸炭効果層深さが浅く、このため十分な残留応力が発生せず、疲労寿命の短いものであった。
【００６６】
比較例Ｎｏ．１−１５は、焼入れ温度がＡｃ3変態点より高かったために、フェライトが殆ど析出せず、このため圧力角の歪みが８分と大きく、歯車の噛合わせ不良を招き寿命の短いものであった。
【００６７】
比較例Ｎｏ．１−１６は、焼入れ温度が本発明の範囲より低かったために、フェライトの析出が多くなりすぎ、このため歯内部のビッカース硬さが３００を下回って、疲労寿命の短いものであった。
【００６８】
比較例Ｎｏ．２−２１は、Ｃが本発明の範囲より低く、ＤＩ値が低いことから浸炭硬化層深さが０．８０ｍｍより浅く、このため疲労寿命の短いものであった。
【００６９】
比較例Ｎｏ．２−２２は、鋼のＣ、Ｔｉが本発明の範囲を外れて高く、またＡｃ3点が本発明の範囲より低く、Ｃｅｑが本発明の範囲より高い。このため焼純後のブリネル硬さが２００を超え、機械加工性不良であり、フェライトの面積率も低く、歪みの発生が大きく、また、歯車寿命の短いものであった。
【００７０】
比較例Ｎｏ．２−２３は、鋼のＳｉが本発明の範囲より低く、Ｃｒが本発明の範囲より高く、またＡｃ3点が本発明の範囲より低い．このためフェライトの面積率が低く、歪みの発生が大きく、また歯車寿命の短いものであった。
【００７１】
比較例Ｎｏ．２−２４は、鋼のＳｉ、Ｍｏ、Ｚｒが本発明の範囲より高い鋼であり、熱間延性が不足して、熱間鍛造時に割れが発生した。
【００７２】
比較例Ｎｏ．２−２５は、鋼のＭｎが本発明の範囲より低く、Ｍｎ不足による熱間延性の低下により鍛造時に割れを発生し、またＴｉも低く、Ｎの固定が不十分でＢがＢＮとなって焼入れ性に有効に作用せず、浸炭硬化層の浅いものとなった。
【００７３】
比較例Ｎｏ．２−２６は、鋼のＭｎが本発明の範囲より高く、このためＡｃ3点が低く、ＤＩ値が大きく、従って歪みの発生が大きい。
【００７４】
比較例Ｎｏ．２−２７は、鋼のＢが本発明の範囲より高く、Ａｌが本発明の範囲より低いため、熱間延性が低下して鍛造割れを発生した。
【００７５】
比較例Ｎｏ．２−２８は、項のＡｌが本発明の範囲より高く、清浄性が低下して鍛造割れを発生した。また、ＤＩも本発明の範囲より大きく外れて高いため歪みが大きくなってしまった。
【００７６】
比較例Ｎｏ．２−２９は、鋼のＢが本発明の範囲より低く、またＮが高い。このためＢの殆どがＢＮとなってしまい焼入れ性向上に作用せず、計算上のＤＩは９０ｍｍであるが、実貿的には４５ｍｍとなり、本発明の範囲を下廻ってしまった。このため浸炭硬化層が浅く、疲労寿命の短いものであった。
【００７７】
比較例Ｎｏ．２−３０は、鋼のＮｉおよびＮｂが本発明の範囲より高く、Ｃｅｑが高くなって焼純後の硬さが高くなってしまい、機械加工性不良であった。
【００７８】
比較例Ｎｏ．２−３１は、鋼の化学成分は本発明の範囲内であるが、ＤＩおよびＣｅｑが本発明の範囲より大きく、従って、焼鈍後の硬さが高く、機械加工性不良となり、また歪みも大きいものとなった。
【００７９】
比較例Ｎｏ．２−３２は、鋼の化学成分は本発明の範囲内であるが、Ａｃ3点が高く、フェライト面積率が本発明の範囲より大きくなって、歯内部硬度が低く、従って、疲労寿命の短いものであった。
【００８０】
比較例Ｎｏ．２−３３は、鋼の化学成分は本発明の範囲内であるが、Ｃｅｑが本発明の範囲より高く、焼純後の硬さが高くなって機械加工性が不良であった。
【００８１】
比較例Ｎｏ．２−３４は、鋼の化学成分は本発明の範囲内であるが、ＤＩが本発明の範囲より低く、従って、浸炭硬化層さが浅く、疲労寿命の短いものであった。
【００８２】
比較例Ｎｏ．２−３５は、鋼の化学成分は本発明の範囲内であるが、Ａｃ3点が本発明の範囲より低く、従って、フェライト面積率が１０％を下廻り、歪みの発生が大きくなって、寿命の短いものてあった。
【００８３】
比較例Ｎｏ．２−３６は、鋼の化学成分は本発明の範囲内であるが、ＤＩ値が本発明の範囲より大きく、このため歪みの発生が大きくなってしまった。
【００８４】
従来例Ｎｏ．２−３７は、鋼がＢを含有しない従来型の二相鋼であり、Ｃｅ  ｑが本発明の範囲より大きい。このため焼鈍後の硬さが高く、従って、機械加工性が不良であった。
【００８５】
従来例Ｎｏ．２−３８は、鋼がＪＩＳ鋼種ＳＣＭ８２２に相当する鋼であるが、Ａｃ3点が低い。このため歪みの発生が大きく、従って、疲労寿命も短いものであった。
【００８６】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、簡単な焼純で軟化し易く、従って、機械加工性が良好で、また、歪みの発生力が小さく長寿命の歯車を製造することが可能であるといった有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】歯車の歯内部、歯表面部および歯車芯部を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１：浸炭窒化部
２：非浸炭部
３：歯車芯部
【図１】
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