(57)【要約】【課題】歯車転動時の初期なじみ性の改善により長期使用に耐え得る高い歯面疲労強度を備えた歯車、ギアアセンブリ及び減速機を提供する。【解決手段】ガス浸炭焼入れを施し、歯面から５−３０μｍの厚さに、ベイナイト、トルースタイト、フェライト及びパーライトの少なくとも一種と残部の不可避成分とからなる非マルテンサイト焼入れ層４を形成するとともに、非マルテンサイト焼入れ層４の直下で歯面から１００μｍ以内の深さ領域に、２０−４０％の残留オーステナイトを含有する残留オーステナイト層５を形成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベイナイト、トルースタイト、フェライト及びパーライトの少なくとも一種と残部の不可避成分とからなり、歯面を含む表層部に５−３０μｍの厚さで形成された非マルテンサイト焼入れ層と、
前記非マルテンサイト焼入れ層の直下で歯面から１００μｍ以内の深さ領域に形成され、２０−４０％の残留オーステナイトを含有する残留オーステナイト層と
を備えたことを特徴とする歯車。
【請求項２】
前記残留オーステナイト層の硬さが６００−７５０Ｈｖであることを特徴とする請求項１の歯車。
【請求項３】
互いに噛み合う複数の請求項１又は２の歯車を備えたギアアセンブリ。
【請求項４】
請求項３のギアアセンブリを含む減速機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯車、及びこれを用いたギアアセンブリ並びに減速機に関する。
【背景技術】
【０００２】
トランスミッションや減速機等に用いられる動力伝達用歯車は、一般的に肌焼鋼を歯車形状に成形した後、浸炭処理や浸炭浸窒処理をすることで製造される。近年はコストダウンを狙いとして歯車の小型化が進み、より高強度な歯車が求められている。歯車の破壊要因の一つに歯面の損傷破壊（ピッチング）がある。歯面の損傷破壊は、歯面にすべりを伴う高面圧が掛かる傾向にある高速回転歯車に発生し易い。このため、産業機械や建設機械等に用いられる高面圧が掛かる高速回転歯車の寿命を延ばすためには、歯面の耐ピッチング性を高めることが重要である。
【０００３】
歯車の疲労強度を向上させる手法として、例えば、歯車の歯元部分や歯面部分に意図的に残留オーステナイトを形成して、歯車の転動力によるマルテンサイト変態を利用して、歯車の疲労強度を向上させる方法がある（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１０７１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された技術では、浸炭浸窒処理によって歯車に窒素を侵入させることで、焼入れ性を向上させて不完全焼入れ層の生成を抑制している。そのため、高硬度な歯面が得られるものの、運転開始後の初期段階において互いに噛み合う歯車同士の歯当りが良好な状態に至る（歯面のなじみ性が良くなる）前に摩耗が進行する恐れがあることから、表面部分を起点とするピッチングの発生を招き兼ねない。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するものであって、歯車転動時の初期なじみ性の改善により長期使用に耐え得る高い歯面疲労強度を備えた歯車、ギアアセンブリ及び減速機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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る歯車は、ベイナイト、トルースタイト、フェライト及びパーライトの少なくとも一種と残部の不可避成分とからなり、歯面から５−３０μｍの厚さで形成された非マルテンサイト焼入れ層と、前記非マルテンサイト焼入れ層の直下で歯面から１００μｍ以内の深さ領域に形成され、２０−４０％の残留オーステナイトを含有する残留オーステナイト層とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、歯車転動時の初期なじみ性を改善し、長期使用に耐え得る高い歯面疲労強度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る歯車を適用した減速機の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る歯車の構成を模式的に表す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
（１）減速機及びギアアセンブリ
図１は本発明の一実施形態に係る歯車を適用した減速機の断面図である。図１に示した減速機１０は、例えば油圧ショベルの走行モータの出力軸に連結される減速機である。この減速機１０には、互いに噛み合う複数の歯車、この例ではサンギア（太陽歯車）１とプラネタリギア（遊星歯車）２により構成されるギアアセンブリ３が備わっている。本例ではサンギア１及びプラネタリギア２が発明に係る歯車である。次に、サンギア１及びプラネタリギア２の構成について説明していく。
【００１２】
（２）歯車
図２はサンギア１及びプラネタリギア２の構成を模式的に表す部分断面図である。サンギア１及びプラネタリギア２の材質には、ＪＩＳＧ４１０４、ＪＩＳＧ４１０５、ＪＩＳＧ４１０３等に規定されているＣｒ鋼（ＳＣｒ材）、Ｃｒ−Ｍｏ鋼（ＳＣＭ材）、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼（ＳＮＣＭ材）等が適用可能であるが、ここではＳＣＭ材を使用した場合を例に挙げて説明する。例えばＳＣＭ４２０は、重量％で０．２１％のＣ、０．２４％のＳｉ、０．８２％のＭｎ、０．０１４％のＰ、０．０１２％のＳ、０．０２％のＣｕ、０．０１％のＮｉ、１．１１％のＣｒ、０．１９％のＭｏを含有していて、残部がＦｅ及び不可避な不純物からなる。このＳＣＭ４２０を鍛造し焼きならした後、ホブ盤で歯切り加工をして歯車形状に成形し、ガス浸炭処理を施してサンギア１及びプラネタリギア２を製作する。
【００１３】
ガス浸炭処理の工程では、メタンやプロパン、ブタン等の純粋な工業ガスではなく、こうした純粋な工業ガスにＨ２Ｏ、ＣＯ２、ＣＯ等の酸素を含むガスが混ざったガスを浸炭剤とする浸炭雰囲ガスを用い、肌焼鋼に炭素を侵入させる過程で歯車表層のＭｎ、Ｃｒ等のＦｅより高温酸化し易い元素に酸素を結合させ、結晶粒界に酸化物を析出（粒界酸化）させる。その結果、結晶粒界付近で固溶元素Ｍｎ、Ｃｒが局所的に減少して焼入れ性が低下するため、浸炭焼入れ後のサンギア１及びプラネタリギア２の表層には、マルテンサイト変態に至らなかった軟質の焼入れ層である非マルテンサイト焼入れ層４が生成される。非マルテンサイト焼入れ層４は、このようにして焼入れ性を低下させ、マルテンサイト変態を抑えることによって発生させたベイナイト、トルースタイト、フェライト及びパーライトの少なくとも一種で大部分（例えば９０％以上）が形成されるようにする。但し、非マルテンサイト焼入れ層４の構成比率の１００％が、ベイナイト、トルースタイト、フェライト及びパーライトの少なくとも一種となるようにすることは実際には難しいので、その他の不可避成分が非マルテンサイト焼入れ層４に含有することは許容するものとする。
【００１４】
また、熱処理条件を含めてガス浸炭処理の工程を説明すると、例えばプロパン変成のＲＸガスを浸炭剤とした浸炭雰囲気中で９５０℃に５時間保持して浸炭した後油冷し、その後、大気中で１８０℃の条件で２時間保持して焼戻しを行う。これにより、サンギア１及びプラネタリギア２において歯面を含む表層に５−３０μｍの厚みで非マルテンサイト焼入れ層４が形成されると同時に、非マルテンサイト焼入れ層４の直下で（非マルテンサイト焼入れ層４に対して深さ方向に隣接し）歯面から深さ１００μｍ以内の領域に残留オーステナイト量が２０−４０％の残留オーステナイト層５が形成される。残留オーステナイト層５の硬さは６００−７５０Ｈｖとなるようにする。
【００１５】
（３）効果
非マルテンサイト焼入れ層４はマルテンサイト変態した通常の焼入れ層（完全焼入れ層又は不完全焼入れ層）と比較して軟質で摩耗し易い。歯面を含む表層部にこの軟質な非マルテンサイト焼入れ層４を意図的に形成することで、歯面をマルテンサイト変態させて硬質に仕上げた場合に比べて、減速機１０の運転開始後（減速機１０の使用開始後）の初期段階におけるサンギア１及びプラネタリギア２の互いのなじみ性が向上し、良好な歯当りを得ることができる。なお、完全焼入れとは、１００％マルテンサイト組織が得られた焼入れのことをいい、不完全焼入れとは、マルテンサイトのみの組織が得られなかった焼入れのことをいう。
【００１６】
また、非マルテンサイト焼入れ層４の直下層を残留オーステナイト層５としたことで、歯車転動時の衝撃を緩和することができる。残留オーステナイト組織は、マルテンサイト組織と比較して硬度が低いものの靱性に優れている特徴があるためである。残留オーステナイト層５で非マルテンサイト焼入れ層４が弾性的に支持されるようにしたことで、非マルテンサイト焼入れ層４の早期摩耗を抑制することができ、上述した歯車転動時のなじみ性向上の効果を適正期間だけ得ることができる。
【００１７】
加えて、減速機１０の運転が始まると、サンギア１及びプラネタリギア２の転動により生じる外力で残留オーステナイト層５の組織は徐々にマルテンサイト変態（加工誘起マルテンサイト変態）し、硬さが向上していく。前述した通り残留オーステナイト組織は優れた靱性によって転動初期のなじみ段階でなじみ性向上の効果が期待できる一方で、マルテンサイト組織に比べて硬度が低く亀裂の発生起点になる恐れがある。しかし、本実施形態では歯車転動を利用して残留オーステナイト層５を加工誘起マルテンサイト変態させることにより、残留オーステナイト組織を起点とした亀裂の発生を抑制し、一定の運転時間を経た頃には十分な耐摩耗性も獲得することができる。
【００１８】
以上のように、本実施形態によれば、歯車転動時の初期なじみ性の改善により長期使用に耐え得る高い歯面疲労強度を確保することができる。
【００１９】
また、図１に示したサンギア１及びプラネタリギア２のように互いに噛み合う歯車の双方に本発明を適用することにより、初期なじみ性の向上、初期段階における靱性の確保、及びその後の加工誘起マルテンサイト変態といった上記の効果が相乗して得られる。産業機械や建設機械に用いられるもののように高速回転で高面圧が掛かる歯車にあっては、初期なじみ性の向上、初期段階における靱性の確保、及びその後の加工誘起マルテンサイト変態といった一連の効果が特に有利に働く。
【００２０】
（４）非マルテンサイト焼入れ層の厚みについて
非マルテンサイト焼入れ層４の厚みは前述したように５−３０μｍ程度が好ましい。下限を５μｍとしたのは、非マルテンサイト焼入れ層４が５μｍよりも薄いと期待するなじみ効果を発揮する前に非マルテンサイト焼入れ層４が摩耗により消失し、良好な歯当りを得ることができない恐れがあるからである。上限を３０μｍとしたのは、非マルテンサイト焼入れ層４が３０μｍより厚いとサンギア１及びプラネタリギア２が互いに転動するうちに粒界酸化が進行してしまい、損傷起点となり得るためである。
【００２１】
（５）残留オーステナイト層の厚み等について
残留オーステナイト層５の残留オーステナイト含有量は２０−４０％程度が望ましい。下限値を２０％としたのは、歯部の残留オーステナイト量が２０％未満であると十分な加工誘起マルテンサイト量が得られなくなるからである。上限値を４０％としたのは、４０％より多いと、残留オーステナイト組織全体が加工誘起マルテンサイト変態するのに要する時間が延び、非マルテンサイト焼入れ層４の消失後も必要以上に残留オーステナイト組織が残存し、残留オーステナイト組織が亀裂の発生起点となる確率が増すためである。
【００２２】
加えて、残留オーステナイト層５は非マルテンサイト焼入れ層４の直下で歯面から１００μｍ以内の領域に形成されることが望ましい。この領域を満たすように残留オーステナイト層５が形成されるとより好ましい。表層で発生する亀裂の伝播は歯面から１００μｍ以内の領域の状態に大きく影響されるためである。
【００２３】
また、残留オーステナイト層５の硬度は６００−７５０Ｈｖ程度であることが好ましい。上限値を７５０Ｈｖとしたのは、７５０Ｈｖより高いと残留オーステナイト層５の靱性が低下し、初期のなじみ性を向上させる効果が十分に得られなくなる恐れがあるからである。下限値を６００Ｈｖとしたのは、６００Ｈｖ未満では硬度が低過ぎ、運転初期段階で非マルテンサイト焼入れ層４との界面から亀裂が発生し易くなるからである。
【００２４】
（６）その他
油圧ショベルの走行モータに連結する減速機１０のサンギア１及びプラネタリギア２（遊星歯車機構）に本発明を適用した場合を例に挙げて説明したが、適用する機械の種類・大きさ、適用機械に対する歯車の適用箇所、歯車の用途・大きさ・種類等は必ずしも限定されず、様々な機械に用いられる各種歯車に本発明は適用可能である。例えば適用する機械が油圧ショベルである場合には、旋回装置等に用いる歯車にも本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００２５】
１…サンギア、２…プラネタリギア、３…非マルテンサイト焼入れ層、４…残留オーステナイト層
【図１】
2016196677.tif 000003
【図２】
2016196677.tif 000004