(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
肌焼鋼を歯車形状に成形後，浸炭処理して得られる歯車において，
上記肌焼鋼は，重量比にて，Ｃ：０．１０〜０．３０％，Ｓｉ：０．５０〜１．５０％，Ｍｎ：０．３０〜１．００％，Ｃｒ：０．５０〜２．００％，Ｍｏ：０．５０％以下を含有し，かつ，
１．５≦３×Ｓｉ（％）−Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）／４＋Ｍｏ（％）
を満足し，残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成よりなり，
かつ，浸炭処理後の歯車は，Ｃ濃度が０．６５％以上で，かつ，残留オーステナイト量が２５％以下の浸炭層を有していると共に，該浸炭層の外層には不完全焼入れ組織よりなる浸炭異常層を有しており，
上記浸炭異常層の最大深さは５〜４０μｍであって，かつ，該最大深さ位置から表面までの断面における上記浸炭異常層の占める面積は７０％以上であり，
かつ，ピッチング強度が２６００ＭＰａ以上であることを特徴とする耐ピッチング性に優れる歯車。
【請求項２】
請求項１において，上記肌焼鋼は，上記組成に加え，さらに，Ａｌ：０．０２０〜０．０６０％，Ｎ：０．００８０〜０．０２００％を含有していることを特徴とする耐ピッチング性に優れる歯車。
【請求項３】
請求項１又は２において，上記肌焼鋼は，上記組成に加え，さらに，Ｔｉ：０．２０％以下，Ｎｂ：０．２０％以下，Ｖ：０，３０％以下のうちから，１種または２種以上を含有していることを特徴とする耐ピッチング性に優れる歯車。
【請求項４】
重量比にて，Ｃ：０．１０〜０．３０％，Ｓｉ：０．５０〜１．５０％，Ｍｎ：０．３０〜１．００％，Ｃｒ：０．５０〜２．００％，Ｍｏ：０．５０％以下を含有し，かつ，
１．５≦３×Ｓｉ（％）−Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）／４＋Ｍｏ（％）
を満足し，残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成の肌焼鋼を用い，
該肌焼鋼を歯車形状に成形し，
次いで，浸炭処理を行って，Ｃ濃度が０．６５％以上で，かつ，残留オーステナイト量が２５％以下の浸炭層を形成すると共に，該浸炭層の外層には不完全焼入れ組織よりなる浸炭異常層を形成し，
かつ，該浸炭異常層の最大深さは５〜４０μｍとすると共に，該最大深さ位置から表面までの断面における上記浸炭異常層の占める面積は７０％以上とすることにより，ピッチング強度を２６００ＭＰａ以上とすることを特徴とする耐ピッチング性に優れる歯車の製造方法。
【請求項５】
請求項４において，上記肌焼鋼は，上記組成に加え，さらに，Ａｌ：０．０２０〜０．０６０％，Ｎ：０．００８０〜０．０２００％を含有していることを特徴とする耐ピッチング性に優れる歯車の製造方法。
【請求項６】
請求項４又は５において，上記肌焼鋼は，上記組成に加えさらに，Ｔｉ：０．２０％以下，Ｎｂ：０．２０％以下，Ｖ：０，３０％以下のうちから，１種または２種以上を含有していることを特徴とする耐ピッチング性に優れる歯車の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，自動車，建設車両および建設機器などにおいて広く利用される歯車，特に耐ピッチング性に優れる歯車，及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
自動車，建設車両および建設機器を取り巻く環境は，省エネルギー化や一層の性能向上が社会的に要請されており，益々，車体の軽量化やエンジン出力の増大への取り組みが進められている。このため，自動車や建設車両・機器に使用される歯車，特に，駆動系伝達部に使用されている歯車の使用環境は，一層過酷になっており，優れた歯元疲労強度や耐ピッチング性を備えた歯車が要求されている。
【０００３】
従来の歯車は，これを作製する歯車用鋼として，クロム鋼であるＪｌＳ−ＳＣｒ４２０鋼，あるいは，クロムモリブデン鋼であるＪｌＳ−ＳＣＭ４２０鋼などの肌焼鋼を用いていた。そして，これらの肌焼鋼を歯車形状に成形した後，浸炭・焼入れ・焼戻し（以下，浸炭処理という）を施して，いわゆる浸炭歯車となしていた。
【０００４】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の歯車においては，次の問題がある。
即ち，近年，自動車や建設車両・建設機器に要求されている車体の軽量化やエンジンの高出力要求が益々強くなっている。そのため，従来鋼を従来の基準で浸炭処理しただけの浸炭歯車では，これらの要求を満たすことができない状態になりつつある。
【０００５】
これに対し，強度を向上させた浸炭歯車用鋼については，多数の提案がなされており，また，ショットピーニング処理など製造方法に関する提案も多数なされている。そして，これらの提案によって，特に，歯元強度に関しては飛躍的な向上を示してきた。
【０００６】
しかし，歯元強度の向上に対して，歯面強度の向上はそれほど大きくない。このため，歯車の破損モードは，歯元疲労から歯面疲労すなわちピッチング破壊へと変遷した。特に，高面圧および高速回転で使用される歯車は，その環境に対応しきれず，耐ピッチング性が不足するという問題を生じている。
【０００７】
このような耐ピッチング性不足に対しては，鋼中酸素量を低減したり，微量元素を添加することによる介在物の形態制御や，浸炭異常層生成元素を低減することによる浸炭異常層の生成を抑制する手法，あるいは焼戻し軟化抵抗性を付与させた歯車用浸炭用鋼が，種々提案されている。
【０００８】
例えば，特開平１−５２４６７号公報には，非金属介在物の形状を規定する試みが示されている。しかし，このような提案は，製鋼工程において高度な処理を必要とするため，製造コストを上昇させ，最終的には鋼材のコストを上げることになり，コスト低減を主張するユーザのニーズには合わなくなってきている。
【０００９】
また，特開平２−８５３４３号公報には，Ｓｉ添加量を低減することにより浸炭異常層の発生を抑制し，歯面強度（耐ピッチング性）を向上させる提案が示されている。これに類似した提案は，他にも多数見うけられる。
しかしながら，本開発者らが行った詳細な調査・研究によると，浸炭異常層を抑制する方法では，優れた耐ピッチング性が得られないばかりか，個々の歯車におけるピッチング寿命のばらつきがかえって助長されることがわかった。
【００１０】
本発明は，かかる従来の問題に鑑みてなされたもので，低コストで製造することができ，かつ，耐ピッチング性に優れた歯車及びその製造方法を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題の解決手段】
請求項１の発明は，肌焼鋼を歯車形状に成形後，浸炭処理して得られる歯車において，
上記肌焼鋼は，重量比にて，Ｃ：０．１０〜０．３０％，Ｓｉ：０．５０〜１．５０％，Ｍｎ：０．３０〜１．００％，Ｃｒ：０．５０〜２．００％，Ｍｏ：０．５０％以下を含有し，かつ，
１．５≦３×Ｓｉ（％）−Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）／４＋Ｍｏ（％）
を満足し，残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成よりなり，
かつ，浸炭処理後の歯車は，Ｃ濃度が０．６５％以上で，かつ，残留オーステナイト量が２５％以下の浸炭層を有していると共に，該浸炭層の外層には不完全焼入れ組織よりなる浸炭異常層を有しており，
上記浸炭異常層の最大深さは５〜４０μｍであって，かつ，該最大深さ位置から表面までの断面における上記浸炭異常層の占める面積は７０％以上であり，
かつ，ピッチング強度が２６００ＭＰａ以上であることを特徴とする耐ピッチング性に優れる歯車にある。
【００１２】
本発明において注目すべきことは，上記特定の組成の肌焼鋼を用い，上記不完全焼入れ組織よりなる浸炭異常層を，積極的に設けたことである。
【００１３】
上記浸炭異常層とは，上記のごとく不完全焼入れ組織よりなる層である。不完全焼入れ組織とは，一連の浸炭処理における焼入れ時に発生したトルースタイトあるいはベイナイトよりなる組織である。この浸炭異常層は，処理品の断面を鏡面仕上げした後，ナイタール等の腐食液で腐食すると，黒く腐食されることで，その形態を容易に観察することが可能である。また，この浸炭異常層は，次のように生成する。
【００１４】
即ち，例えばガス浸炭処理の場合，浸炭雰囲気中にはある程度の酸素が含まれている。この酸素が鋼の表面から進入すると，結晶粒界近傍の素地に含まれている（固溶している）Ｓｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏなどのうち，ＳｉおよびＣｒ，Ｍｎは，結晶粒界を拡散してきた酸素と結びつき酸化物を形成する。このため，酸化物が形成された付近では焼入れ性が低下する。それ故，焼入れ時にマルテンサイトが生成されず，トルースタイトあるいはベイナイトが生成する。このトルースタイトあるいはベイナイトよりなる不完全焼入れ組織の層が浸炭異常層である。
【００１５】
この浸炭異常層は歯車の最表面に設けられるが，その最大深さは上記のごとく５〜４０μｍとし，さらに該最大深さ位置から表面までの断面における上記浸炭異常層の占める面積（以下，占有面積率という）が７０％以上とする。
この浸炭異常層は，図１に示すごとく，通常，深さにばらつきをもって形成される。そのため，本発明においては，浸炭異常層の厚みを最大深さによって定義すると共に，深さの凹凸の度合いを上記浸炭異常層の占有面積率によって定義した。
【００１６】
上記浸炭異常層の最大深さが５μｍ未満の場合には，後述する初期なじみ性の効果が十分に発揮されないという問題がある。一方，４０μｍを超える場合には，浸炭異常層の摩耗による摩耗量が大きすぎて歯車の歯当たりが悪化し，運転中のノイズが大きくなったり，かえって歯面に作用する応力分布が悪くなるという問題がある。
【００１７】
また，上記の最大深さ位置から表面までの間における浸炭異常層の占める面積が７０％未満の場合には，浸炭異常層の深さのばらつきが非常に大きくなる。そのため，後述する浸炭異常層の摩耗後においても，軟質の不完全焼入れ組織が浸炭層表面にくさび状に多数残存することとなる。それ故，これを起点とする亀裂が発生しやすいという問題がある。
【００１８】
一方，浸炭異常層の上記占有面積率の上限は，理想的には１００％であることが好ましい。即ち，上記浸炭異常層は，その占有面積率が高ければ高いほど深さの凹凸が少なくなり，均一な層となる。そのため，浸炭異常層の摩耗後においては，歯車表面に高硬度の浸炭層が露出し，その後の耐ピッチング性を向上させることができる。
【００１９】
次に，上記浸炭異常層の下層に位置する浸炭層は，上記のごとく，Ｃ（炭素）濃度が０．６５％以上で，かつ，残留オーステナイト量が２５％以下とする。
Ｃ濃度が０．６５％未満の場合には，浸炭焼入れによって得られるマルテンサイト組織の硬度があまり高くならないという問題がある。ただし，Ｃ濃度の上限は，粒界にセメンタイトが生成し，疲労強度や耐ピッチング性を低下させるおそれがあるため，１．２％とすることが好ましい。
また，浸炭層における残留オーステナイト量が２５％を超える場合には，浸炭層の硬度を十分に高めることができないという問題がある。
【００２０】
次に，本発明の歯車の素材としては，上記特定の組成からなる肌焼鋼を用いる。以下に，各化学成分範囲の限定理由を説明する。
【００２１】
Ｃ：０．１０〜０．３０％，
浸炭焼入処理，焼戻し処理を行った歯車部品に要求される強度を十分に満たすため，すなわち，浸炭歯車部品の内部硬さＨｖ２００〜５００を得るためには，０．１０％以上のＣを含有する必要がある。しかし，０．３０％を超えて含有させると内部の靱性が劣化し，歯車の強度を低下させ，さらには被削性の低下や冷間鍛造性を悪化させるため，上限を０．３０％とした。
【００２２】
Ｓｉ：０．５０〜１．５０％，
浸炭処理時，浸炭層のＳｉは，浸炭雰囲気中の酸素と反応して酸化物を形成する。このため被処理品の表層付近は焼入性が低下し，いわゆる浸炭異常層を形成する。すなわち，Ｓｉは，浸炭異常層の形成に重要な影響を及ぼす元素であり，かつ，マルテンサイト組織の焼戻し軟化抵抗性を高める元素でもある。本発明においては，所望の形態の浸炭異常層を得るため，および，焼戻し軟化抵抗性を高めるために，Ｓｉを０．５０％を超えて含有させる必要がある。しかし，１．５０％を超えて含有させると，上記の浸炭異常層が得られないばかりか，冷間鍛造性，被削性，靱性を低下させるため，上限を１．５０％とした。
【００２３】
Ｍｎ：０．３０〜１．００％，
Ｍｎは，焼入性向上に顕著な効果を有する元素であり，歯車の内部まで強度を確保するのに必要な硬さ（Ｈｖ２００〜５００）を保証するためには，０．３０％以上のＭｎを含有する必要がある。さらに，Ｍｎも浸炭異常層を生成する元素であるため，その添加量は浸炭異常層の形態を左右する。このため，歯車に必要な浸炭異常層を得るためには，１．００％を超えてはならない。
【００２４】
Ｃｒ：０．５０〜２．００％，
Ｃｒは，焼入性を向上させる元素であり，浸炭焼入れ後，上記の内部硬さを得るためには０．３０％以上含有させる必要がある。一方，２．００％を超えて含有させると，著しく冷間鍛造性や被削性を悪化させるため上限を２．００％とした。
【００２５】
Ｍｏ：０．５０％以下，
Ｍｏは，焼入性およひ靱性を向上させるとともに，浸炭処理後の結晶粒を微細化する効果を有する。また，浸炭異常層を抑制する効果があり，Ｓｉが有する浸炭異常層の生成効果と併用することにより，所望の形態の浸炭異常層を得ることができる。この元素は，多量に添加すると，所望の浸炭異常層が得られないだけでなく，コストを上昇させ，更には，冷間鍛造性・被削性を悪化させる。そのため，０．５０％を上限とした。なお，上記効果を発揮させるため，下限値は０．１０％とすることが好ましい。
【００２６】
次に，上記肌焼鋼において化学成分を規制するところの下記の関係式について説明する。
化学成分を規制する関係式，３×Ｓｉ（％）−Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）／４＋Ｍｏ（％）は，マルテンサイトの焼戻し抵抗性を規制するパラメータである。即ち，歯車の歯面は，摩擦による発熱により２００〜５００℃の環境にさらされ，表面が焼戻される。その結果，歯面の硬度の低下が大きい場合，つまり上記焼戻し抵抗性が低い場合には，ピッチング破壊の要因となる。
【００２７】
上記関係式において，その値が１．５以上の場合には，マルテンサイトの焼戻し抵抗性が向上し，歯車の使用中，歯面におけるマルテンサイトの硬さの低下をＨｖ１００以下に抑えることができ，歯面硬度の面から耐ピッチング性を向上させることができる。なお，上記関係式の値の上限値は，素材硬さの上昇による加工性（被削性）の悪化や合金元素の増量によるコスト上昇の理由により３．０であることが好ましい。
【００２８】
次に，本発明における作用につき説明する。
本発明の歯車は，上記のごとく，特定のＣ濃度及び残留オーステナイトを有する浸炭層の外層に，さらに上記特定量の浸炭異常層を設けてある。そのため，本発明の歯車は，実使用の段階において優れた初期なじみ性を発揮し，優れた耐ピッチング性を発揮する。
【００２９】
即ち，浸炭歯車においては，浸炭処理後に研磨などを行わない場合は，歯面の形状がある程度の誤差（ひずみ）を含むことは避けられない。また，個々の歯車は言うまでもなく，１つの歯車の中でも歯毎に形状が微妙に違っている。この誤差（ひずみ）は，歯面に加わる接触圧力分布に大きく影響を及ぼす。
その結果，従来の歯車のかみ合わせ駆動時において歯面に生じる最大の接触圧力は極度に高い値となり，負荷容量の限界値に達していることもしばしばである。これらは，歯車強度はもちろんのこと，特に面圧の影響が支配的な要因であるピッチング寿命を大きく左右する。
【００３０】
この点において，本発明の歯車は，上記高硬度の浸炭層の外層に上記浸炭異常層を上記特定厚みだけ有している。そのため，歯面に存在する誤差の悪影響は，装置に組み込まれた歯車のなじみ運転により，大幅に緩和することができる。
即ち，浸炭異常層は，不完全焼入れ組織よりなる軟質な組織である。そのため摩耗し易い特徴を持つ。この性質が，歯車の初期なじみ性を大きく向上させる。具体的には，歯車を実際にかみ合わせ駆動させることにより，歯面に生じている不均一な応力分布を緩和すべく浸炭異常層が摩耗し，歯面の形状が自己修正される。
【００３１】
そして，本発明における浸炭異常層の厚みは５〜４０μｍである。そのため，この浸炭異常層は上記の初期なじみによって十分に除去される。
また，浸炭異常層が除去された歯面においては，その下層の浸炭層が表面に露出した状態となる。この浸炭層は，上記のごとくＣ濃度が０．６５％以上のマルテンサイト組織よりなり，しかも含有する残留オーステナイト量が２５％以下であり，非常に高い硬度を有している。
【００３２】
そのため，初期なじみがなされた歯車においては，その歯面は，均一な接触状態が得られる形状と，均一な高硬度とを有するものとなる。
それ故，本発明の歯車は，なじみ運転後において，非常に優れた耐ピッチング性を発揮する。
【００３３】
一方，歯車は，使用中の摩擦熱により２００〜５００℃の環境に曝されて焼戻される。この焼戻しによって歯面の硬度，即ち浸炭層の硬度が低下した場合には，上記の優れた耐ピッチング性が損なわれる。
この点において，本発明の歯車は，上記特定の成分範囲の肌焼鋼を素材として用いている。そのため，焼戻しによる軟化抵抗性に優れている。それ故，高温に曝される運転中においても歯面強度を高く維持することができ，上記の優れた耐ピッチング性を発揮することができる。
【００３４】
また，本発明における上記肌焼鋼は，従来の素材に比べてコスト高となるような組成変更を行っていない。また，歯車形状への成形及び浸炭処理のコストも従来と同様とすることができる。
それ故，本発明においては，上記優れた耐ピッチング性の有する歯車を低コストで得ることができる。
【００３５】
なお，浸炭異常層自体は，例えばＪｌＳ−ＳＣｒ４２０鋼，ＳＣＭ４２０鋼などの従来の歯車用鋼を用いた場合においても形成することは可能ではある。しかしながら，これらの従来鋼の浸炭異常層は上記占有面積率が小さい（７０％未満）。即ち，微視的に見れば，不完全焼入れ組織とマルテンサイト組織の混在する層が歯面表面に存在する状態となる。
【００３６】
それ故，従来鋼を用いた歯車においては，たとえ浸炭異常層を設けたとしても，良好な初期なじみ状態が得られないばかりか，残留した不完全焼入れ組織を起点としてピッチング破壊に至る場合が多い。また，同鋼のマルチンサイト組織は軟化抵抗性にも劣る。
【００３７】
次に，請求項２の発明のように，上記肌焼鋼は，上記組成に加え，さらに，Ａｌ：０．０２０〜０．０６０％，Ｎ：０．００８０〜０．０２００％を含有していることが好ましい。これにより，歯車の強度をさらに向上させることができる。
【００３８】
Ａｌ：０．０２０〜０．０６０％，
Ａｌは，鋼中のＮと化合し，ＡｌＮとして浸炭焼入後の結晶粒を微細化し，靱性を向上させる効果を有する。この効果を得るためには，０．０２０％以上のＡｌを含有させる必要がある。しかし，０．０６０％を超えて含有させると，鋼中において過度のＡｌ2 Ｏ3 が生成され，強度が低下するため，上限を０．０６０％とした。
【００３９】
Ｎ：０．００８０〜０．０２００％，
Ｎは上述の通り，Ａｌと化合し，ＡｌＮとして結晶粒を微細化させる。このような効果を得るためには，０．００８０％以上のＮを含有する必要がある。一方，０．０２００％を超えて含有せさても，前記の効果が飽和するとともに，製鋼時にＮがガス化し，鋼の製造を困難にする恐れがあるため，上限を０．０２００％とした。
【００４０】
また，請求項３の発明のように，上記肌焼鋼は，上記組成に加え，さらに，Ｔｉ：０．２０％以下，Ｎｂ：０．２０％以下，Ｖ：０，３０％以下のうちから，１種または２種以上を含有していることが好ましい。これにより，歯車の強度をさらに高めることができる。
【００４１】
Ｔｉ：０．２０％以下，Ｖ：０．３０％以下，Ｎｂ：０．２０％以下，
これらの元素は，浸炭後の結晶粒を微細化するなど，靱性を向上させるとともに，疲労強度を向上させる。しかし，多量に添加しても，これらの効果が飽和するだけでなく，粗大な析出物を形成し，強度を低下させるため，上限を，Ｔｉは０．２０％，Ｖは０．３０％：Ｎｂは０．２０％とした。なお，上記効果を十分に発揮させるため，下限は，Ｔｉは０．０１％，Ｖは０．０３％，Ｎｂは０．０１％とすることが好ましい。
【００４２】
次に，請求項４の発明のように，重量比にて，Ｃ：０．１０〜０．３０％，Ｓｉ：０．５０〜１．５０％，Ｍｎ：０．３０〜１．００％，Ｃｒ：０．５０〜２．００％，Ｍｏ：０．５０％以下を含有し，かつ，
１．５≦３×Ｓｉ（％）−Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）／４＋Ｍｏ（％）
を満足し，残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成の肌焼鋼を用い，
該肌焼鋼を歯車形状に成形し，
次いで，浸炭処理を行って，Ｃ濃度が０．６５％以上で，かつ，残留オーステナイト量が２５％以下の浸炭層を形成すると共に，該浸炭層の外層には不完全焼入れ組織よりなる浸炭異常層を形成し，
かつ，該浸炭異常層の最大深さは５〜４０μｍとすると共に，該最大深さ位置から表面までの断面における上記浸炭異常層の占める面積は７０％以上とすることにより，ピッチング強度を２６００ＭＰａ以上とすることを特徴とする耐ピッチング性に優れる歯車の製造方法がある。
【００４３】
上記浸炭処理は，浸炭・焼入れ・焼戻しを含む一連の処理を指す。
また，浸炭は，従来と同様の種々の処理方法を用いることができる。そして，例えばガス浸炭を行う場合には，公知のごとく，ガスのカーボンポテンシャル，温度，処理時間等を最適値に調整することにより，容易に浸炭層のＣ濃度を調整することができる。
【００４４】
また，浸炭を行ってＣ濃度を調整した後には，その直後又は冷却後に焼入れを行う。焼入れは，一次焼入れと二次焼入れを組み合わせて行っても良いし，直接焼入れを行っても良い。また，上記残留オーステナイト量の調整のため，焼入れ後にサブゼロ処理を行うこともできる。
また，焼入れ後の焼戻しは，通常行われるように，約１３０〜１８０℃において行う。
【００４５】
このような一連の浸炭処理を，歯車形状に成形した上記特定の成分範囲の肌焼鋼に対して行う。これにより，上記特定の浸炭層と上記特定の浸炭異常層とを有する歯車を容易に製造することができる。
なお，各数値限定の限定理由は上記と同様である。
【００４６】
また，請求項５の発明のように，上記肌焼鋼は，上記組成に加え，さらに，Ａｌ：０．０２０〜０．０６０％，Ｎ：０．００８０〜０．０２００％を含有していることが好ましい。
さらに，請求項６の発明のように，上記肌焼鋼は，上記組成に加えさらに，Ｔｉ：０．２０％以下，Ｎｂ：０．２０％以下，Ｖ：０，３０％以下のうちから，１種または２種以上を含有していることが好ましい。
これらの場合にも上記と同様の効果が得られる。また，数値限定理由も上記と同様である。
【００４７】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかる耐ピッチング性に優れる歯車及びその製造方法につき，図１〜図３を用いて説明する。
本例の歯車１は，図２に示すごとく，一般的な平歯車の例である。なお，平歯車は一例であって，はすば歯車，やまば歯車，かさ歯車，ねじ歯車，ウォームギアその他の種々の歯車に適用可能である。
この歯車１を製造するに当たっては，まず，後述する表２に示したＡ鋼を素材の肌焼鋼として準備した。
【００４８】
Ａ鋼は，表２に示すごとく，Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏの含有量を本発明範囲内に規制すると共にＡｌを０．０３０％，Ｎを０．０１２０％加えた鋼であり，かつ，１．５≦３×Ｓｉ（％）−Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）／４＋Ｍｏ（％）を満足する鋼である。
【００４９】
そして，Ａ鋼を用いて歯車１を作製するに当たっては，これをまず，図２に示した形状の歯車１に切削加工により成形する。
次いで，成形された歯車１を浸炭処理する。本例における浸炭処理は，ガス浸炭法を用い，具体的には図３に示すごとく行った。
【００５０】
即ち，まずカーボンポテンシャル（Ｃ．Ｐ）を０．８〜１．２％に維持すると共に温度９５０℃にキープしたガス雰囲気中において７５分間浸炭させた後，同じく温度９５０℃で若干Ｃ．Ｐを下げたガス雰囲気中において炭素を鋼内に拡散させる。次いで，Ｃ．Ｐを維持したまま温度を８５０℃に下げて３０分間均熱処理をした後，１３０℃の油に焼入れた。その後，温度１６０℃，１時間の焼戻し処理を行った。
【００５１】
なお，この処理条件は，鋼種等によって変更することができる。例えば最初の浸炭及び拡散の温度を９３０〜９８０℃，時間を０．５〜５時間，均熱の温度を８４０〜８７０℃，時間を０．５〜２時間程度の間において変更することができる。
【００５２】
上記浸炭処理により得られた歯車１は，図１に示すごとく，母相１０の上に浸炭層１２が形成され，さらにその上に浸炭異常層１１が形成された表面状態となる。
本例における浸炭層１２は，ＥＰＭＡによる分析の結果，Ｃ濃度が０．７０％であり，Ｘ線回折法による調査の結果，残留オーステナイト量が２２％となっていた。また，浸炭層１２の硬度はＨｖ８１０と非常に高くなった。
【００５３】
また，浸炭異常層１１は，図１に示すごとく，その最大深さＤが１２μｍであって，かつ，最大深さ位置から表面までの断面Ａにおける浸炭異常層１１の占める面積は８０％であった。
【００５４】
次に，本例の歯車１の作用につき説明する。
本例の歯車１は，上記のごとく，高硬度の浸炭層１２の外層に，さらに上記特定量の浸炭異常層１２を設けてある。
そのため，図１に示すごとく，２つの歯車１をかみ合わせて駆動することにより優れた初期なじみ性が発揮される。
【００５５】
即ち，歯車１においては，歯面１５に生じる不均一な応力分布を緩和すべく浸炭異常層１１が摩耗し，歯面１５の形状が自己修正される。そして，浸炭異常層１１が摩耗により除去された歯面１５においては，その下層の浸炭層１２が表面に露出した状態となる。
【００５６】
それ故，本例の歯車１は，一定の初期なじみ運転後においては，歯面１５の均一な接触状態が得られて応力分布が均一となると共に，接触面が高硬度の浸炭層により構成されるようになる。
これにより，従来の浸炭異常層を極力少なくする対策を施した歯車に比べて接触時の応力状態を良好にすることができ，耐ピッチング性を向上させることができる。
【００５７】
さらに，本例の歯車１は，上記特定組成のＡ鋼を素材として用いている。そのため，歯車の運転時における摩擦熱による硬度低下も少ない。
それ故，本例の歯車１は，長期間の使用によっても耐ピッチング性があまり劣化せず，長寿命となる。
【００５８】
実施形態例２
本例は，実施形態例１のＡ鋼に代えて，表１に示した２０種類の供試鋼を準備して歯車を作製し，その浸炭層の軟化抵抗性を定量的に評価した。
各供試鋼を用いた歯車の作製は，基本的に実施形態例１と同様の製造方法によって行った。ただし，成分の違いによる焼入れ性の差異による影響を緩和するため，いずれの歯車も浸炭処理における焼戻し後において温度−４０〜−７０℃，１時間のサブゼロ処理を実施した。
【００５９】
また，軟化抵抗性の評価のため，上記のサブゼロ処理後において，さらに温度２５０℃，４時間の再焼戻し処理を行った。そして，再焼戻し処理前と後の浸炭層の断面硬度を測定した。
測定結果を表１及び図４に示す。また，各鋼の化学成分における次の関係式，３×Ｓｉ（％）−Ｍｎ（％）＋Ｃｒ（％）／４＋Ｍｏ（％）の値についても表１に併記する。
なお図４は，横軸に関係式の値を，縦軸に硬さ（Ｈｖ）をとり，再焼戻し前（○），再焼戻し後（●）の硬度をプロットしたものである。
【００６０】
表１及び図４より知られるごとく，いずれの供試鋼においても，再焼戻し前の浸炭層の硬度は，８００Ｈｖ前後と非常に高い硬度を示した。これに対し，再焼戻し後においては，上記関係式の値が小さいほど硬度が低い傾向を示した。特に，同図に示すごとく，関係式の値が１．５未満の場合には，７００Ｈｖを切るような低い硬度まで大きく低下した。
【００６１】
この硬度低下と上記関係式の値との関係を明確にすべく，これを図５に示す。
図５は，横軸に関係式の値を，縦軸に硬度の低下値（Ｈｖ）をとったものである。
同図より知られるごとく，関係式の値と再焼戻しによる硬度の低下値には相関関係があることがわかる。そして，関係式の値が１．５を超える場合には，再焼戻しによる硬さ低下が１００Ｈｖ以下となることもわかる。
【００６２】
以上の結果から，上記関係式の値を１．５以上に規制した鋼を用いた本発明の歯車は，歯車使用時の摩擦熱による軟化を抑制することができ，歯車の耐ピッチング性を長期にわたって維持することができることが明確となった。
【００６３】
【表１】
0004000616.tif 000002
【００６４】
実施形態例３
本例は，表２に示すごとく，実施形態例１において用いたＡ鋼の他に８種類（合計９種類）の供試鋼を準備し，肌焼鋼の組成，浸炭異常層の深さ等がピッチング強度等にどのように影響するかを定量的に評価した。
まず，準備した供試鋼の化学成分の一覧を表２に示す。
【００６５】
【表２】
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【００６６】
次に，各供試鋼は，溶解，鍛伸鍛造，焼ならしを行った後に，後述する各試験用の試験片に加工し，浸炭処理行った。浸炭処理は，後述の表３に示すごとく，浸炭層のＣ濃度を０．６５％以上に保ちつつ，浸炭異常層の最大深さ及び占有面積率を変化させるように行った。具体的には，通常のガス浸炭を行ったものについては，実施形態例１の浸炭方法（図３）を基本とし，温度，時間，Ｃ．Ｐの各条件を微調整することにより行った。また，浸炭異常層を全く生成させないものについては，真空ガス浸炭処理により行った。
【００６７】
次に，歯車における歯面強度の評価するための代替試験として，図６，図７に示すごとく，ローラピッチング試験を行った。
ローラピッチング試験は，図６，図７に示すごとく，中央部分に試験部分４１１を有する小ローラ４１と，円盤状の大ローラ４２とを用いて行う。これら小ローラ４１及び大ローラ４２は，同一鋼種を用いて同じ製造工程及び浸炭処理を施して作製する。
【００６８】
小ローラ４１は，図７（ａ）に示すごとく，全長Ｌが１３０ｍｍの中央部分に，幅Ｗが２８ｍｍ，外径Ｄ1 が２６ｍｍの試験部分４１１を設けてなる。また，大ローラ４２は，図７（ｂ）に示すごとく，厚みＴが１８ｍｍ，外径Ｄ2 が１３０ｍｍの円盤であって，その端部４２１は図７（ｃ）に示すごとく，クラウニング半径３００ｍｍの曲面にしてある。
【００６９】
そして，図６に示すごとく，軸４２９にセットした大ローラ４２の端部４２１と小ローラ４１の試験部分４１１とを当接させた状態で，それぞれの周速に差をつけて回転させる。具体的には，小ローラ４１の回転数を２０００ｒｐｍとし，すべり率（周速差）を−４０％とした。また，潤滑は油温１２０℃のＡＴＦ（オートマチックトランスミッションフルード）により行った。
【００７０】
そして，小ローラ４１と大ローラ４２との間に一定の面圧をかけた状態で回転させてピッチング発生までの小ローラ４１の総回転数を求める。これを面圧を代えて繰り返し行う。なお，ローラピッチング試験機としては，コマツエンジニアリング（株）製のものを用いた。
【００７１】
そして，本例においては，小ローラ４１を１０7 回以上回転させてもピッチングが発生しない面圧（１０7 回耐久面圧）をピッチング強度（ＭＰａ）として評価に用いた。
試験結果を表３に示す。
【００７２】
表３より知られるごとく，浸炭異常層の最大深さが０のもの及び４０μｍを超えるもの（試料Ｎｏ．１，６，１２）については，すべてピッチング強度が１８００ＭＰａ以下と低い値になった。
また，浸炭異常層の最大深さが５〜４０μｍの範囲内のものであっても，浸炭異常層の占有面積率が７０％未満の場合（試料Ｎｏ．３，１４）には，同じく１８００ＭＰａ以下という低い値となった。逆に，浸炭異常層の占有面積率が７０％以上の場合でも，上記のごとく浸炭異常層の最大深さが４０μｍを越える場合（試料Ｎｏ．６）には，同じく１８００ＭＰａ以下という低い値となった。
【００７３】
また，浸炭異常層の最大深さ及び占有面積率が良好であっても，鋼の成分範囲が本発明範囲外の場合（試料Ｎｏ．１３），及び浸炭異常層の最大深さ及び占有面積率が良好であり，かつ，鋼の成分範囲が本発明範囲内にあっても，上述した関係式の値が１．５未満の場合（試料Ｎｏ．１０）については，ピッチング強度が低い結果となった。
【００７４】
次に，歯車の歯元強度を推定するための代替試験として，小野式回転曲げ疲労試験を行った。
小野式回転曲げ疲労試験は，図８に示すごとき形状の試験片５を用い，ＪＩＳ−Ｚ２２７４の「金属材料の回転曲げ疲れ試験方法」に準じて行った。なお，回転数は３６００ｒｐｍとした。
そして，本例においては，１０7 回以上回転させても破断しない曲げ応力（１０7 回耐久応力）を評価に用いた。
【００７５】
試験結果を表３に示す。
表３により知られるごとく，試料Ｎｏ．６以外のものは５２Ｋｇｆ／ｍｍ2 以上となり良好な結果が得られた。これに対し，試料Ｎｏ．６は，小野式回転曲げ強度が最も低い値となった。これは，浸炭異常層の最大深さが深すぎたためであると考えられる。
【００７６】
【表３】
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【００７７】
以上の試験結果から，鋼の成分範囲，関係式の具備，浸炭異常層の適度な形成によって，ピッチング強度を確実に向上させることができることがわかる。また，ピッチング強度を向上できる範囲においては，小野式回転曲げ強度も良好であり，歯車における歯元強度も良好に維持することができることがわかる。
【００７８】
【発明の効果】
上述のごとく，本発明によれば，低コストで製造することができ，かつ，耐ピッチング性に優れた歯車及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，浸炭異常層の形成状態を示す説明図。
【図２】実施形態例１の歯車を示す説明図。
【図３】実施形態例１における，浸炭処理条件を示す説明図。
【図４】実施形態例２における，再焼戻し前後における浸炭層の硬度を示す説明図。
【図５】実施形態例２における，再焼戻しによる硬度低下状態を示す説明図。
【図６】実施形態例３における，ローラピッチング試験方法を示す説明図。
【図７】実施形態例３における，（ａ）小ローラ，（ｂ）大ローラ，（ｃ）大ローラ端部の形状を示す説明図。
【図８】実施形態例３における，小野式回転曲げ疲労試験の試験片形状を示す説明図。
【符号の説明】
１．．．歯車，
１０．．．母相，
１１．．．浸炭異常層，
１２．．．浸炭層，
【図１】
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【図２】
0004000616.tif 000006
【図３】
0004000616.tif 000007
【図４】
0004000616.tif 000008
【図５】
0004000616.tif 000009
【図６】
0004000616.tif 000010
【図７】
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【図８】
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