(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．１〜０．５％、
Ｓｉ：０．４〜１．０％、
Ｍｎ：０．３〜１．０％、
Ｃｒ：０．１〜１．０％、
Ｐ：０．００３〜０．０１５％、
Ｓ：０．００５〜０．０３％、
Ａｌ：０．０１〜０．０６％、
Ｎ：０．００５〜０．０３％
を含むとともに、
Ｍｏ：０．３〜１．３％、
Ｎｉ：０．１〜１．０％
の１種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不純物よりなる合金鋼を素材として用い、
該素材を所望の歯車形状に成形した後、１〜３０ｈＰａに減圧した減圧雰囲気下において浸炭することによって表面炭素量が０．６〜１．５質量％になるように浸炭層を形成し、該浸炭処理後に窒素ガス冷却により下記（１）式で定義する焼入急冷度Ｈが０．０１〜０．０８（ｃｍ−１）となる焼入処理を行って表面圧縮残留応力を３００〜８００ＭＰａとすることを特徴とする浸炭焼入歯車の製造方法。
焼入急冷度Ｈ＝０．５×（α／γ）・・・（１）
ここで、
α：焼入雰囲気における上記鋼の表面の熱伝達係数（ｋｃａｌ／ｍ２ｈ℃）
γ：上記鋼の熱伝導率（ｋｃａｌ／ｍｈ℃）
である。
【請求項２】
合金鋼が、更に他の元素として、質量％で、
Ｖ：０．０５〜１．５％、
Ｎｂ：０．０２〜０．２％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２％
の１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の浸炭焼入歯車の製造方法。
【請求項３】
合金鋼が、更に他の元素として、質量％で、
Ｂ：０．０００５〜０．００５％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１％
を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の浸炭焼入歯車の製造方法。
【請求項４】
合金鋼が、更に他の元素として、質量％で、
Ｃａ：０．０１％以下、
Ｍｇ：０．０１％以下、
Ｚｒ：０．０５％以下、
Ｔｅ：０．１％以下
よりなる群から選択される、少なくとも１種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の浸炭焼入歯車の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において、上記焼入処理はオーステナイト領域の温度から３００℃までの間、上記焼入急冷度Ｈの範囲において焼入を行うことを特徴とする浸炭焼入歯車の製造方法。
【請求項６】
質量％で、
Ｃ：０．１〜０．５％、
Ｓｉ：０．４〜１．０％、
Ｍｎ：０．３〜１．０％、
Ｃｒ：０．１〜１．０％、
Ｐ：０．００３〜０．０１５％、
Ｓ：０．００５〜０．０３％、
Ａｌ：０．０１〜０．０６％、
Ｎ：０．００５〜０．０３％
を含むとともに、
Ｍｏ：０．３〜１．３％、
Ｎｉ：０．１〜１．０％
の１種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不純物よりなる合金鋼からなり、浸炭層の表面炭素量が０．６〜１．５質量％であり、表面からの粒界酸化層深さが３μｍ以下であり、表面の圧縮残留応力が３００〜８００ＭＰａであり、浸炭層の表面硬度が７００〜９００Ｈｖ、浸炭層の内側の非浸炭部の内部硬度が２５０〜３５０Ｈｖであり、さらに、浸炭層の残留オーステナイト面積率が１５％以下であることを特徴とする浸炭焼入歯車。
【請求項７】
合金鋼が、更に他の元素として、質量％で、
Ｖ：０．０５〜１．５％、
Ｎｂ：０．０２〜０．２％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２％
の１種以上を含有することを特徴とする請求項６に記載の浸炭焼入歯車。
【請求項８】
合金鋼が、更に他の元素として、質量％で、
Ｂ：０．０００５〜０．００５％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１％
を含有することを特徴とする請求項６または７に記載の浸炭焼入歯車。
【請求項９】
合金鋼が、更に他の元素として、質量％で、
Ｃａ：０．０１％以下、
Ｍｇ：０．０１％以下、
Ｚｒ：０．０５％以下、
Ｔｅ：０．１％以下
よりなる群から選択される、少なくとも１種以上を含有することを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の浸炭焼入歯車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浸炭焼入れして用いられる機械構造用部品、特に自動車等の動力伝達部品用に適用できる高い疲労強度を有し、かつ、浸炭焼入れによる寸法変化の少ない浸炭焼入歯車等の浸炭焼入部品及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械構造用部品、例えば自動変速機の動力伝達用部品である歯車などは、その曲げ疲労強度、ピッチング強度、耐摩耗性を向上するために表面硬化処理、なかでもその効果の大きい浸炭雰囲気中におけるガス浸炭と油等による焼入れを行う浸炭焼入れが広範に行われている。しかし、従来の浸炭用鋼（例えばＪＩＳ−ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０、ＳＮＣＭ４２０）にガス浸炭を施すと、ガス中に含まれている酸化性ガス（ＣＯ2、Ｈ2Ｏ）により、浸炭部表面に粒界酸化層が生じ、これに付随して不完全焼入れ組織（トルースタイト）が生成する。このため、表面硬さが低下し、疲労強度の向上効果が不十分となっている。そこで、本発明者は粒界酸化層及び不完全焼入れ層の生成防止を目的とした浸炭用鋼を特開平１−４７８３８号公報で提案した。
【０００３】
しかし、最近益々進展している自動車の環境対策より、燃費低減を図るために部品の軽量化を促進することが要求され、更に強度が高く、寸法精度が高い部品が望まれている。このため、従来の浸炭用鋼を用いた浸炭焼入部品以上の十分な強度と寸法精度を備えた浸炭焼入部品の開発が望まれている。
【０００４】
浸炭焼入部品を高疲労強度化するには、粒界酸化層を減らし、表層の不完全焼入れ層を抑制することが広く用いられているが、これには、▲１▼Ｓｉを低減し、▲２▼ＭｏやＮｉを多く含有した鋼材を用いることや、▲３▼焼入れ時の油の温度を下げて冷却速度を早くする方法がある。しかしながら、Ｓｉを低減すると十分な強度が得られず、また、ＭｏやＮｉを多量添加すると高価な鋼材となるとともに、少なからず焼入れ性を高めることとなり、焼入れ歪みを増大させる問題が生じてくる。同じように、焼入れ油の温度を下げて冷却速度を高める方法も、焼入れ歪みの増大の問題を抱えている。
【０００５】
浸炭焼入れは、高温の浸炭雰囲気中で長時間加熱し、その後、冷却する処理であるので、この処理に際しては、相変態に伴う体積変化、変態応力や熱応力が発生して、熱処理歪みは不可避的に発生する。しかも、上記浸炭焼入れ処理は、部品加工の最終段階で行われるため、上記熱処理歪みはそのまま部品に残され寸法精度が劣化する。また、浸炭焼入部品には、必要に応じてショットピーニング処理が行われているが、浸炭硬化層中に存在する残留オーステナイトの加工誘起変態による変形が生じ、寸法精度の劣化が生じる。このような寸法精度の劣化は、部品の性能に直接影響を及ぼし、部品使用時に騒音や振動の発生等を招く。
【０００６】
このような問題を解決するために、浸炭焼入れの際に、拘束治具を用いる方法や、浸炭処理後に矯正を行う等の方法はあるが、いずれも多大な費用と労力を要する問題がある。そのため、高強度化とともに、焼入れ歪みの小さい浸炭部品が強く要望されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、浸炭焼入れして用いられる歯車等の機械構造部品、なかでも自動車等の動力伝達部品用に適用できる高い疲労強度と、浸炭焼入れによる寸法変化が少ない浸炭焼入歯車及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述した従来技術の問題点に対して広範な研究を行った結果、鋼材成分と浸炭焼入れ方法が、疲労強度及び浸炭歪み等に及ぼす影響に関して、次のような知見を得た。
【０００９】
（１）  従来の粒界酸化層を低減し、表面硬度を高める多くの鋼材は、通常のガス浸炭・油焼入では、内部組織はベイナイトとマルテンサイトの混在組織となり、そのため硬度が必要以上に上がり、焼入歪みが大きかった。また、浸炭硬化層の残留オーステナイト量が２０〜２５％と多いため、本鋼材をショットピーニング処理した場合、残留オーステナイトの加工誘起変態による変形量が大きいため、更に歪みは大きくなった。
【００１０】
（２）  現行のＳＣＭ４２０を浸炭後、緩速冷却した場合、表面硬度は通常の油焼入れと同等の値を得られるものの、内部組織はフェライト相を多数含むベイナイトで、硬度が低くなった。
【００１１】
（３）  現行に比べて焼入性を高めた鋼材を、浸炭後に緩速冷却した場合、内部の非浸炭部は硬度の過剰な増加を抑制したベイナイトとなり、併せて浸炭層の残留オーステナイト量は少なかった。
【００１２】
（４）  高い焼入れ性を有する鋼材から試作した歯車を、ガス冷却することによって、現行の焼入れ性であるＳＣＭ４２０を油焼入れした歯車に比べ、歯車の寸法精度のバラツキが大幅に改善できた。
【００１３】
こうした知見を基に、本発明者らは浸炭用鋼の疲労強度の向上には、現行の浸炭用鋼材に比べ高い焼入れ性の鋼材を、油冷却に比べ遅い緩速冷却することによって、粒界酸化層を抑制しつつ、残留オーステナイトを１５％以下に抑制することにより、表面硬度を高めながら、ショットピーニング処理時に、残留オーステナイトの加工誘起変態により変形を低減できることを明らかにした。更に、高い焼入れ性の鋼材でありながら、緩速冷却により、内部のマルテンサイトの生成を抑制でき、焼入れ歪みと靭性において、優れた特性を有することを見いだした。
【００１４】
そこで、前述の高強度化の知見に基づいて、更に研究検討を重ね、以下のような具体的な達成手段を明らかにし、本発明に至った。
【００１５】
（１）  高価な合金元素の多用無しに粒界酸化層及び不完全焼入れ層の生成を防止するために、浸炭処理としては酸化防止雰囲気での浸炭処理、特に真空浸炭処理を前提とする。
【００１６】
（２）  鋼材成分としては、ピッチング強度及び靭性の向上を狙いに、高Ｓｉ化による焼戻し軟化抵抗を高め、転動疲労時の組織変化の抑制を図る。併せて、ＭｏとＢの添加により、衝撃特性の向上を図る。
【００１７】
（３）  更に結晶粒の細粒化及び、ＭｎＳの形態制御により強度の異方性を低減する。
【００１８】
（４）  鋼材の焼入れ性を高めつつ、高温から緩速冷却することにより、内部組織をＨｖ３５０以下のベイナイトとし、浸炭層の残留オ−ステナイト量を１５％以下とする。
【００１９】
（５）  （４）を達成するため、緩速冷却の条件は、焼入急冷度Ｈを０．０１〜０．０８ｃｍ-1とする。
【００２０】
なお、上記焼入急冷度Ｈとは、ｇｒｏｓｓｍａｎｎらによって提唱され、広く普及している焼入れの強さを表す指標であって、被処理物である鋼の熱伝導率をγ（ｋｃａｌ／ｍｈ℃）、焼入れ雰囲気における上記鋼の表面伝達係数をα（ｋｃａｌ／ｍ２ｈ℃）とした場合、Ｈ＝０．５×（α／γ）にて定義されるものである。
【００２１】
こうした知見をもとに、本発明者らは粒界酸化層及び表層の不完全焼入れ組織の発生を防止しつつ、高温硬度や靭性を高めつつ、かつ、焼入れ歪みとショットピ−ニング処理後の変形を低減することにより、歯元部の曲げ疲労強度と耐ピッチング性の優れ、かつ歪みの低減を可能とした歯車等の浸炭焼入部品の製造方法及び浸炭焼入部品を開発したのである。
【００２２】
即ち、本発明の要旨は、次の通りである。
【００２３】
（１）    質量％で、
Ｃ：０．１〜０．５％、
Ｓｉ：０．４〜１．０％、
Ｍｎ：０．３〜１．０％、
Ｃｒ：０．１〜１．０％、
Ｐ：０．００３〜０．０１５％、
Ｓ：０．００５〜０．０３％、
Ａｌ：０．０１〜０．０６％、
Ｎ：０．００５〜０．０３％
を含むとともに、
Ｍｏ：０．３〜１．３％、
Ｎｉ：０．１〜１．０％
の１種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不純物よりなる合金鋼を素材として用い、
該素材を所望の歯車形状に成形した後、１〜３０ｈＰａに減圧した減圧雰囲気下において浸炭することによって表面炭素量が０．６〜１．５質量％になるように浸炭層を形成し、該浸炭処理後に窒素ガス冷却により下記（１）式で定義する焼入急冷度Ｈが０．０１〜０．０８（ｃｍ−１）となる焼入処理を行って表面圧縮残留応力を３００〜８００ＭＰａとすることを特徴とする浸炭焼入歯車の製造方法。
焼入急冷度Ｈ＝０．５×（α／γ）・・・（１）
ここで、
α：焼入雰囲気における上記鋼の表面の熱伝達係数（ｋｃａｌ／ｍ２ｈ℃）
γ：上記鋼の熱伝導率（ｋｃａｌ／ｍｈ℃）
である。
【００２４】
（２）  合金鋼が、更に他の元素として、質量％で、
Ｖ：０．０５〜１．５％、
Ｎｂ：０．０２〜０．２％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２％
の１種以上を含有することを特徴とする上記（１）に記載の浸炭焼入歯車の製造方法。
【００２５】
（３）  合金鋼が、更に他の元素として、質量％で、
Ｂ：０．０００５〜０．００５％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１％
を含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の浸炭焼入歯車の製造方法。
【００２７】
（４）  合金鋼が、更に他の元素として、質量％で、
Ｃａ：０．０１％以下、
Ｍｇ：０．０１％以下、
Ｚｒ：０．０５％以下、
Ｔｅ：０．１％以下
よりなる群から選択される、少なくとも１種以上を含有することを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の浸炭焼入歯車の製造方法。
【００３４】
（５）  上記（１）〜（４）のいずれか１項において、上記焼入処理はオーステナイト領域の温度から３００℃までの間、上記焼入急冷度Ｈの範囲において焼入を行うことを特徴とする浸炭焼入歯車の製造方法。
【００３８】
（６）  質量％で、
Ｃ：０．１〜０．５％、
Ｓｉ：０．４〜１．０％、
Ｍｎ：０．３〜１．０％、
Ｃｒ：０．１〜１．０％、
Ｐ：０．００３〜０．０１５％、
Ｓ：０．００５〜０．０３％、
Ａｌ：０．０１〜０．０６％、
Ｎ：０．００５〜０．０３％
を含むとともに、
Ｍｏ：０．３〜１．３％、
Ｎｉ：０．１〜１．０％
の１種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不純物よりなる合金鋼からなり、浸炭層の表面炭素量が０．６〜１．５質量％であり、表面からの粒界酸化層深さが３μｍ以下であり、表面の圧縮残留応力が３００〜８００ＭＰａであり、浸炭層の表面硬度が７００〜９００Ｈｖ、浸炭層の内側の非浸炭部の内部硬度が２５０〜３５０Ｈｖであり、さらに、浸炭層の残留オーステナイト面積率が１５％以下であることを特徴とする浸炭焼入歯車。
【００３９】
（７）  合金鋼が、更に他の元素として、質量％で、
Ｖ：０．０５〜１．５％、
Ｎｂ：０．０２〜０．２％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２％
の１種以上を含有することを特徴とする上記（６）に記載の浸炭焼入歯車。
【００４０】
（８）  合金鋼が、更に他の元素として、質量％で、
Ｂ：０．０００５〜０．００５％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１％
を含有することを特徴とする上記（６）または（７）に記載の浸炭焼入歯車。
【００４１】
（９）  合金鋼が、更に他の元素として、質量％で、
Ｃａ：０．０１％以下、
Ｍｇ：０．０１％以下、
Ｚｒ：０．０５％以下、
Ｔｅ：０．１％以下
よりなる群から選択される、少なくとも１種以上を含有することを特徴とする上記（６）〜（８）のいずれかに記載の浸炭焼入歯車。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００４３】
最初に、本発明で特定される浸炭焼入部品の製造方法について述べる。
【００４４】
本発明の浸炭焼入部品は、浸炭焼入れ処理により製造されるものであり、特定の内部硬度を得るために、Ｃ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．３〜１．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％を含有させることとした。このような高い焼入れ性を有する鋼材を通常の浸炭、油焼入を行うと、内部組織はマルテンサイトとベイナイトの混在した組織となり、硬さが高く、熱処理歪みも大きい。このため、本発明では、ガス等による緩速冷却により、焼入急冷度Ｈを０．０１〜０．０８ｃｍ-1とする。焼入急冷度Ｈが０．０１ｃｍ-1未満の場合は、焼入れ不足となり、所定の焼入れ組織、特性が確保できず、部材は強度不足となる。焼入急冷度Ｈが０．０８ｃｍ-1を超える場合は、焼入（急冷）が過剰で、組織変態応力や熱応力の発生が増大し、焼入歪みが大きくなり、部品精度が低下する。
【００４５】
同時に、ガス冷却により、浸炭硬化層の残留オーステナイトを面積率で１５％以下に低減する。この低い残留オーステナイトにより、たとえ浸炭後ショットピーニング処理を施しても、加工誘起変態によるマルテンサイトへの変化を抑制でき、歪みの小さい浸炭焼入歯車等の浸炭焼入部品となる。
【００４６】
また、浸炭焼入部材は、その内部組織がベイナイトであることが好ましい。これにより、強度と靭性を合わせ持った部品を得ることができる。
【００４７】
粒界酸化層が３μｍ以下でマルテンサイト組織主体の浸炭層とから形成される浸炭焼入部品は、酸化防止雰囲気、特に真空浸炭をベースに達成される。即ち、浸炭処理は、１〜３０ｈＰａに減圧した減圧雰囲気下において行うことが必要である。これにより、上記酸化防止雰囲気を減圧により容易に得ることができ、浸炭時の粒界酸化を十分に防止することができる。ここで上記減圧雰囲気の減圧の値が１ｈＰａ未満は、酸化抑制に対しては過剰であるし、減圧のための装置も高減圧仕様となり、コスト上昇してしまうという問題がある。一方、３０ｈＰａを超える場合には、酸化抑制効果の低下、浸炭炉内における煤の発生等の問題がある。
【００４８】
また、浸炭処理は、不活性ガスを主成分とする雰囲気下において行うことも好ましい。この場合にも、上記酸化防止雰囲気を容易に形成することができる。不活性ガスとしては、例えば、窒素ガス、アルゴンガス等がある。
【００４９】
また、浸炭層の表面炭素量が０．６〜１．５質量％となるように浸炭処理を行うことが必要である。浸炭層の表面炭素濃度は浸炭焼入材の表面硬さに影響し、浸炭層の表面炭素量が０．６質量％未満の場合には、表面硬さが不足するという問題があり、一方、１．５質量％を超えると炭化物の析出量が多くなって基地の焼入性が顕著に低下し、表面硬さが不足するという問題がある。
【００５０】
粒界酸化層は一般浸炭焼入層より強度が低く、粒界酸化層が３μｍを超えて深くまで生じた場合には、部材の強度不足を引き起こすおそれがある。
【００５１】
また、粒界酸化物生成時に、その周辺の合金元素も化学的な化学物反応により粒界酸化物に取り込まれる。これにより、粒界酸化物周辺の浸炭焼入層における焼入性向上元素が上記粒界酸化物に取り込まれて消費され、浸炭焼入層そのものの焼入不足が生じ、硬度不足、強度不足を引き起こすおそれがある。このため、本発明では粒界酸化層を３μｍ以下とした。
【００５２】
また、表面の圧縮残留応力は３００ＭＰａ〜８００ＭＰａであることが必要である。即ち、素材の成分組成、上記浸炭時の酸化防止雰囲気、加熱温度、加熱時間等を調整することにより、上記表面の圧縮残留応力を３００ＭＰａ以上にすることが必要である。これにより、表面近傍の引張作用応力を部材の表面近傍の圧縮残留応力により、作用応力を緩和することができ、特に動的強度（面疲労強度、曲げ疲労強度、ねじり疲労強度）を向上することができる。一方、上記表面圧縮残留応力が８００ＭＰａを超える場合には、マルテンサイト量を多くするため、焼入処理時の冷却速度を限度を超えて大きくしなければならない。そのため、大きな焼入歪みが生じてしまい、部材の寸法精度が確保できないという問題が生じる。
【００５３】
また、焼入処理はオーステナイト領域の温度から３００℃までの間、焼入急冷度Ｈ０．０１〜０．０８（ｃｍ-1）の範囲において焼入を行うことが好ましい。これにより、十分な焼入効果を得ることができる。一方、オーステナイト領域の温度から３００℃までの間の冷却における上記焼入急冷度Ｈが０．０１（ｃｍ-1）未満の場合は、焼入れ不足となり、所望の焼入組織、特性が確保できず、部材強度不足となる。また、オーステナイト領域の温度から３００℃までの間の冷却における上記焼入急冷度Ｈが０．０８（ｃｍ-1）を超える場合には、急冷が過剰で組織変態応力及び熱応力が増大し、焼入歪みが大きくなり部品精度が低下するおそれがある。
【００５４】
また、焼入処理は窒素ガス冷却により焼入れする必要がある。窒素ガスによる冷却は、焼入急冷度Ｈを比較的容易に確保することができると共に、焼入時における安全性の確保、量産操業時における入手容易性、コスト、取り扱い容易性などの点から採用すべきである。
【００５７】
また、浸炭層は表面硬度を７００〜９００Ｈｖとすることが必要である。浸炭層の表面硬度が７００Ｈｖ未満の場合には、部材表面近傍での応力集中に対し、強度を確保できない問題が考えられる。また、最表面での耐摩耗性不足という問題も考えられる。一方表面硬度が９００Ｈｖを超える場合、表層にセメンタイト等の炭化物の生成が考えられ、かえって強度不足、特に靭性の低下という問題が考えられる。そして、上記表面硬度とするためには、浸炭層の表面炭素量は、０．６〜１．５％とすることが必要である。
【００５８】
また、非浸炭部の内部硬度が２５０Ｈｖ未満の場合には強度不足、特に静的強度不足という問題が考えられる。一方、内部硬度が３５０Ｈｖを超えると、組織の変態率から考えて、３５０Ｈｖを確保するよう焼入処理するときに大きな変態応力が発生し、これが大きな焼入歪みとなって部品精度低下の要因となるという問題があるので、本発明では内部の非浸炭部の硬度（Ｈｖ）を２５０〜３５０Ｈｖとした。
【００５９】
即ち、特定の成分に調整され、高い焼入れ性を有した鋼材を、上記に述べたように酸化防止雰囲気における浸炭、特に真空浸炭と緩速冷却、特にガス冷却とを行うことにより、本発明の浸炭焼入部品を得ることができ、部材に作用する付加荷重により発生する部材への作用応力と部材形状の凹凸、穴等に伴って発生する部材表面近傍、応力集中とを合成した部材へ付加される応力分布に対し、静的強度（引張強度、曲げ強度、ねじり強度等）と動的強度（面疲労強度、曲げ疲労強度、ねじり疲労強度等）を表面から内部（心部）まで確保することができる。
【００６０】
次に、鋼材の化学成分について述べる。
【００６１】
Ｃは浸炭部品として必要な強度と靭性、特に芯部（非浸炭部）の強度と靭性を確保するために添加する元素であるが、０．１％未満ではこのような効果を十分に得ることができず、０．５％超では焼入前硬度が高くなりすぎ、加工コストの上昇及び靭性が低下して脆くなり、また、浸炭焼入後の非浸炭内部の組織変態率上昇により、変態応力が増大し、大きな焼入歪みにより部品精度の低下の要因となるので、その含有量を０．１％以上０．５％以下とする。
【００６２】
Ｓｉは浸炭用鋼の焼き戻し軟化抵抗を高め、高温硬度を向上する元素であり、含有量が０．４％未満ではその効果が不十分であり、１．０％超ではその効果はほぼ飽和するので、その含有量を０．４％以上１．０％以下とする。
【００６３】
Ｍｎは鋼に強度、靭性、焼入れ性を与えるのに必要な元素であるが、１．０％超では熱間圧延後の冷却においてベイナイトやマルテンサイトの硬質な組織になり、その後の切削等の二次加工には適さなくなるために１．０％以下とする。しかしＭｎの添加量が０．３％未満では焼入れ性の効果が十分でなく、その含有量は０．３％以上とする。
【００６４】
Ｃｒは鋼の機械的性質、焼入れ性、耐摩耗性の向上に寄与するが、この元素も１．０％超では、熱間圧延後の冷却においてベイナイトやマルテンサイトの硬質な組織になり、その後の切削等の二次加工には適さなくなるために１．０％以下とする。しかし、Ｃｒの添加量が０．１％未満では焼入れ性の効果が十分でなく、その含有量は０．１％以上とする。
【００６５】
Ｐは粒界に極めて偏析しやすく延性を阻害したり遅れ破壊強度を低下する元素である。このため、上記の悪影響を回避するには０．０１５％以下に保つことが必要であり、また０．００３％未満では延性向上効果はほぼ飽和し、かつ低減のためのコストが著しく増加するため、０．００３％以上０．０１５％以下と定めた。
【００６６】
Ｓは被削性を高めるのに必要な元素であり、０．００５％以上含有させる。しかし、０．０３％を超えて含有させると鋼中の介在物量を増加し、冷間での塑性加工性に悪影響を及ぼすため上限を０．０３％とする。
【００６７】
Ａｌは結晶粒の粗大化を防止し高延性を図るために添加し、その効果を得るには０．０１％以上の添加が必要であり、一方０．０６％超ではその効果が飽和する。従って０．０１％以上０．０６％以下とする。
【００６８】
Ｎは浸炭時にＡｌと結合し、組織を微細化する目的で添加する。しかし、その効果を得るには０．００５％以上の添加が必要であり、一方、０．０３％超ではその効果が飽和する。従って０．００５％以上０．０３％以下とする。
【００６９】
Ｍｏ及びＮｉは鋼に所定の焼入れ性を与え、強度及び靭性を向上させるのに必要な元素であり、１種以上添加する。本発明では靭性や低サイクル疲労強度の向上をねらいに、Ｍｏは０．３％以上、Ｎｉは０．１％以上を含有させる。しかし、Ｍｏは１．３％、Ｎｉは１．０％を超えて含有させてもその効果は飽和して経済性を損なうためそれぞれ上限を１．３％、１．０％とする。
【００７０】
Ｖ、Ｔｉ及びＮｂは炭窒化物を生成し、浸炭結晶粒を微細化に効果のある元素であり、任意に添加することができる。その効果を得るにはＶで０．０５％以上、Ｎｂで０．０２％以上及びＴｉで０．０１％以上の含有が必要である。しかし、Ｖで１．５％を超えて、Ｎｂで０．２％を超えて、Ｔｉで０．２％を超えて含有しても効果は飽和するため、上限をＶで１．５％、Ｎｂで０．２％、Ｔｉで０．２％とする。
【００７１】
Ｂは粒界に偏析し、粒界強度を高める効果がある。その効果を得るにはＢで０．０００５％以上含有させる。一方、０．００５％を超えると靭性を低下させるので、上限は０．００５％とする。また、Ｂを有効に機能させるには、炭窒化物となっていない、固溶Ｂの存在が必要である。一方、フリーＮが存在すると、ＢはＢＮとなりＢとしての本来の機能が損なわれる。そのため、Ｂを添加する際は、同時にＴｉを添加し、ＮをＴｉＮとして固定することが必要である。その効果を得るには、Ｔｉは０．００５％以上０．１％以下を必要とするが、Ｎの固定効果と結晶粒の微細化をともに得るには、Ｔｉ：０．１１〜０．２％の含有が必要である。
【００７２】
Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒ及びＴｅは、歯車の歯元曲げ疲労破壊や軸部品のスプラインの底の疲労破壊に対して、ＭｎＳの延伸を抑制し、いっそう曲げ疲労強度を向上する元素である。即ち、ＭｎＳの延伸抑制効果を与えるために、Ｃａで０．０１％以下、Ｍｇで０．０１％以下、Ｚｒで０．０５％以下及びＴｅで０．１％以下を含有させる。しかし、各元素で前記量を超えて含有させても、その効果は飽和して経済性を損なうため上限とする。
【００７３】
なお、本発明の浸炭焼入部品は、浸炭焼入処理後にショットピ−ニング処理を施しても、その特性は、何ら損なうことはない。特に、歯曲げ疲労強度は、浸炭ままに比べ、更に強度が向上することを確認している。従って、浸炭焼入部品の強度向上を目的として、浸炭焼入処理後に、ショットピーニング処理を行うことができる。
【００７４】
【実施例】
以下に実施例をあげて更に説明する。
【００７５】
表１に示す化学成分の鋼（鋼Ａ１〜Ｂ８及び鋼Ｂ１〜Ｂ８）を溶製したのち造塊し、次に分塊圧延、棒鋼圧延して直径７０ｍｍの丸棒を製造した。
【００７６】
続いて、７０ｍｍφの丸棒を熱間鍛造により１２０ｍｍφに延伸し、９２５℃で焼きならし処理した後、機械加工によりピッチ半径５４ｍｍ、歯数２７、モジュール４、歯幅９ｍｍ、軸穴半径３５ｍｍ（等価丸棒径１０．５ｍｍφ）の試験用平歯車を作成した。一方、ピッチング試験片は棒鋼から試験面の直径が２６ｍｍの二円筒式のローラーピッチング疲労試験片を機械加工により製作した。
【００７７】
次に、各試験片及び歯車を、３種類の製造方法（製法１〜３）に振り分けて処理した。
【００７８】
「製法１」は、ガス浸炭と油焼入れを特徴とするもので、浸炭ガス雰囲気中で９３０℃×５時間加熱→８５０℃×１時間拡散→１３０℃油焼入れ→１８０℃×１時間焼戻しの条件で浸炭焼入れ、焼戻しを行うものである。この場合の焼入急冷度Ｈは０．１５（ｃｍ-1）である。
【００７９】
「製法２」は、真空浸炭とガス冷却を特徴とするもので、真空浸炭で９３０℃×５時間加熱→８５０℃×１時間拡散→窒素ガス冷却→１８０℃×１時間焼戻しの条件で浸炭焼入れ、焼戻しを行うものである。この場合の焼入急冷度Ｈは０．０５（ｃｍ-1）である。
【００８０】
「製法３」は、上記製法２における窒素ガス冷却を１３０℃油焼入に変更したものであり、この場合の焼入急冷度Ｈは０．１５（ｃｍ-1）である。
【００８１】
そして、上記製法により処理した各試験片及び歯車について、測定及び試験等を行った。
【００８２】
各試験片に対しては次のような試験を行った。
【００８３】
まず直径２５ｍｍの丸棒試験片について、ビッカース硬度計により横断面の硬さ分布（内部硬度）を調べた。また、浸炭焼入材の表層硬さ（表面硬度）は、表面から０．０２ｍｍの位置において測定した。更に、これと同等の位置においてトルースタイトの面積率を、走査型電子顕微鏡写真を画像解析することにより測定した。
【００８４】
また、粒界酸下層は、光学顕微鏡にて、表層金属組織から最大の酸化層深さを測定した。
【００８５】
また、表面炭素濃度は、Ｘ線マクロアナライザーにて表面から５０μｍの位置を測定した。
【００８６】
また、残留オーステナイト面積率は、Ｘ線回折装置においてＣｏ−Ｋα線を用いて部材表面を測定した。
また、表面残留応力は、Ｘ線応力測定器にてＦｅ−Ｋα線を用いて半価幅中点法により測定した。
【００８７】
また、歯車については、以下のようにギヤ精度及び寸法精度を評価した。
【００８８】
ギヤ精度を評価するに当たっては、専用の精密ギヤ精度測定機を用い、左右歯面それぞれにギヤの圧力各方向の誤差量とネジレ角方向の誤差量を測定した。また、歯溝高さを全周測定し、最大値から最小値を差し引いた値を歯溝の振れとして算出した。
【００８９】
寸法精度を評価するに当たっては、歯車の互いに向かい合った２つの歯溝にボールを入れ、その外周寸法を専用のＯ．Ｂ．Ｄ測定器を用いて測定した。
【００９０】
その結果を表２、表３に示す。
【００９１】
表２、表３に示すように、比較例である鋼種Ｂ１〜Ｂ８は曲げ疲労強度あるいは面疲労強度が低く、また、油冷却による部品は焼入れ歪による精度のばらつきが大きく、実用上問題が多い。
【００９２】
鋼種Ｂ１〜Ｂ４はガス浸炭時の粒界酸化生成による不完全焼入組織ができており、それに伴い表面硬度も低いため各強度が低い。また、油冷却により、焼入れがガス冷却よりも急激であり、冷却むらも大きいため、焼入歪みによる精度のばらつきが大きくなった。
【００９３】
また、鋼種Ｂ７、Ｂ８は、鋼材の焼入れ性に対して油冷却での焼入れが強すぎ、内部の硬度が上昇しすぎた。また表面の組織変態と内部の組織変態の割合差が小さくなり、即ち、表面硬度と内部硬度の差が小さくなり、結果的に表面圧縮残留応力が小さくなったため、各強度が低くなった。また、油冷却により、焼入れがガス冷却よりも急激であり、冷却むらも大きいため、焼入歪みによる精度のばらつきが大きくなった。
【００９４】
一方、本発明例の鋼種Ａ１〜Ａ８では、何れも表面硬度が高く、内部硬度も適切な値を示し、また歪みも小さくに抑制でき、高強度と低歪みを両立できていることが明らかである。
【００９５】
従って、本実施例からも、特定の合金鋼を素材として用い、酸化防止雰囲気において浸炭処理によって浸炭層を形成した後、上記特定の焼入急冷度Ｈの条件下において焼き入れした場合には、焼入歪みを十分に抑制しつつ高強度化を図ることができることがわかる。
【００９６】
【表１】
0004229609.tif 000002
【００９７】
【表２】
0004229609.tif 000003
【００９８】
【表３】
0004229609.tif 000004
【００９９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明による浸炭焼入歯車は、自動車の動力伝達部品として使用して、高い歯元の疲労強度及び耐ピッチング性を達成しつつ、歯車の熱処理歪みを低減することが可能である。従って、自動車の高出力化に対して歯車の大型化を行う必要がなく、更に浸炭を前提とした軸部品の高強度化にも適用でき、かつ、歯車を拘束治具による焼入れや浸炭後の矯正を省略できる、という優れた効果を有するもので、その工業上の効果は極めて顕著なものがある。