JP2001032037A

JP2001032037A - 耐ピッチング性に優れた低歪み型歯車用鋼材およびその鋼材による歯車の製造方法

Info

Publication number: JP2001032037A
Application number: JP11208962A
Authority: JP
Inventors: Toyoaki Eguchi; 豊明江口
Original assignee: NKK Bars and Shapes Co Ltd
Current assignee: JFE Bars and Shapes Corp
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 1999-07-23
Publication date: 2001-02-06

Abstract

(57)【要約】自動車の伝達装置、差動装置等に使用される歯車にお
いて、鋼を通常の熱処理条件にて浸炭焼入れ・焼戻しを
施しても、歪みの発生力が小さく、耐ピッチング性に優
れ、且つ、歯元折損に至るまでの寿命の長い歯車を製造
する。【解決手段】成分のうちＳｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖを２．
００〜４．００％、Ａｃ ₃変態温度を８５０〜９５０
℃、ジョミニー焼入れ試験における９ｍｍ点でのロック
ウェルＣ硬さを２８〜４５の範囲内に調整した鋼材を、
熱間鍛造し、機械加工後、９００〜１０００℃の範囲内
で浸炭し、８００〜９００℃の範囲内で焼入れし、その
後、焼戻すことによって非浸炭部に１０〜７０％のフェ
ライトを含むマルテンサイトを生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、主として自動車
の伝達装置、差動装置に使用される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、歯車に加
工して浸炭焼入れを施した時に歪みの発生が小さく、ま
た、歯面の耐ピッチング性に優れた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】自動車の高出力化および燃費向上を自的
として、歯車等の動力伝達部品の高強度化、小型化を達
成するため、従来からの浸炭焼入れ処理に加え、ショッ
トピーニングやハードショットピーニングが採用されて
きている。

【０００３】この結果、歯車の歯元疲労強度は著しく向
上し、歯車が歯元の疲労により損傷することは少なくな
り、歯車の破損モードが歯元疲労からピッチングヘと移
行してきた。ここで、ピッチングとは歯面、特に、ピッ
チ円周上に高い繰返し負荷がかかることにより歯面が剥
離して小孔が発生し、これが成長し、数が増大してつい
には歯形が崩れてしまう現象をいう。

【０００４】従って、歯車用鋼材に要求される特性とし
て高い繰返し面圧を受けてもピッチングの発生しにく
い、耐ピッチング性の良好な歯車用鋼材が望まれてい
る。

【０００５】また、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ず
る歪みが原因して発生する。

【０００６】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
歪みの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。

【０００７】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アにおいては、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、ギア内部の組織はマルテ
ンサイト主体の組織になっている。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。

【０００８】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。

【０００９】しかしながら、歪みを研削にて除去する方
法は、極めて高精度な機械研削加工が必要であり、この
ための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。

【００１０】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。このため歯車用鋼材は、
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
用されることが多い。

【００１１】従って、歯車用鋼材には、耐ピッチング性
に優れ、しかも、浸炭焼入れした時の歪みの発生の少な
い低歪み特性を有することが重要である。

【００１２】耐ピッチング性を向上させた歯車用鋼、軸
受鋼として以下のものが開示されている。

【００１３】特開平７−２７８７４０号公報には、Ｃ：
０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．３
〜１．５％、Ｃｒ：０．５〜２．０％、Ｎｉ：０．５〜
１．５％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％を含有する鋼を浸
炭焼入れ・焼戻し処理して、残留オーステナイト量が７
〜２５％である浸炭軸受鋼が開示されている。即ち、主
として、Ｎｉ、Ｃｒの含有量を高めることにより耐ピッ
チング性を向上させるものである。（以下先行技術１と
いう）また、特開平８−０８１７４３号公報には、Ｃ：０．１
〜０．３％、Ｓｉ：０．３〜３．０％、Ｍｎ:１．５％
以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００５％以下、
Ｖ：０．０５〜０．５％、０：０．００１５％以下を含
有する浸炭用鋼が開示されている。即ち、主として、Ｓ
ｉ、Ｖの含有量を高めることにより、耐ピッチング性を
何上させるものである。（以下、先行技術２という）焼入れ歪み量を低減する方法として、特開平５−７０９
２５号公報には、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、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
温度域まで冷却する。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）のＡ
ｒ₃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
ライトに維持するという方法（以下、先行技術３とい
う）が開示されている。

【００１４】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賂斜視図を示す。図１において、１
は、浸炭窒化部、２は、非浸炭部、３は、歯車深部を示
す。

【００１５】また、特開平９−１１１４０３号公報に
は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、ＭｏおよびＮｉ等の化学成
分組成を特定範囲に限定した鋼で、Ａｃ₃変態温度を８
５０〜９６０℃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、８００〜９
５０℃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し、かくして、浸炭焼入れ
歪みの発生を抑止する方法（以下、先行技術４という）
が開示されている。

【００１６】

【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。

【００１７】先行技術１および２に開示された、単に耐
ピッチング性に有効な合金元素を高めるだけの方法で
は、合金元素の増大は焼入れ性の増大を招き、このこと
は浸炭焼入れ時の歪み発生の増大を招くので、低歪み歯
車用鋼材とすることはできない。また、歯車の加工に当
たってはギアブランクに熱間鍛造後、軟化焼純して硬さ
を低下させて、ホブ切り、穴明け等の機械加工性を改善
するが、合金元素の増大は、焼鈍後の硬さを増大させ
て、機械加工性を低下させる。

【００１８】先行技術３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する。し
かしながら、先行技術２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、歯内部をＡ₁〜Ａ₃変態
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。従って、歯内部の組織
は、フェライト＋パーライトであるために、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。

【００１９】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３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
を行わねばならず、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。更に、先行技術３には耐
ピッチング性を向上きせる方法については何ら開示され
ていない。

【００２０】また、先行技術４は、一回の浸炭焼入れ−
焼戻しで芯部組織をフェライト＋マルテンサイトにして
歪みの発生を低下させるという利点を有するが、耐ピッ
チング性を何上させる方法については開示されていな
い。

【００２１】従って、この発明の目的は、先行技術１お
よび２の欠点である焼入れ歪みの増大を抑止し、先行技
術３の欠点である焼入れ時の２回の加熱操作を適常の１
回とし、更に、先行技術３および４において考慮されて
いない歯車の耐ピッチング性を向上させることが可能
な、耐ピッチング性に優れた低歪み型歯車用鋼材および
その鋼材による歯車の製造方法を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上述した
問題を解決すべく鋭意研究をかさねた結果、下記知見を
得た。

【００２３】歯車用鋼材の浸炭焼入れ歪み量に影響を及
ばす主要因は、焼入れ特にオーステナイトがマルテンサ
イトに変態するときに発生する体積膨張に起因する歪み
であり、浸炭後の焼入れ温度に保持したときに、オース
テナイト中にフェライトを１０〜７０％混在させ、焼入
れ後の組織をフェライト＋マルテンサイトの二相組織に
することにより、焼入れ歪みは大幅に減少する。

【００２４】歯車は、回転運転中に温度が約３００℃に
まで上昇して、やがて歯面にピッチングを発生する。ピ
ッチングの発生過程は、歯表面直下の浸炭部において、
組織中に微細炭化物が析出し、次いで、ホワイトバンド
と呼ばれるフェライト相を析出し、このホワイトバンド
が成長して、亀裂を発生し表面剥離して小孔を発生する
ものである。

【００２５】即ち、ピッチング損傷の過程は、浸炭層の
焼戻しによって発生する金属組織の劣化であり、浸炭層
の焼戻し抵抗を向上させることによって、耐ピッチング
寿命を延ばすことができる。また、合金元素の配合にお
いて、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｖを最適に組み合わせることにより
焼戻し軟化抵抗を増大させ、且つ、Ａｃ₃変態温度を上
昇させて通常の浸炭焼入れ条件においてフェライト＋マ
ルテンサイト組織を得ることが可能で、これによって耐
ピッチング性に優れ、且つ、低歪みな歯車用鋼の製造が
可能であることを突き止めた。

【００２６】この発明は、上述の知見に基づきなされた
ものである。

【００２７】請求項１記載の発明は、Ｃ：０．１０〜
０．３０％、Ｓｉ：１．００〜２．００％、Ｍｎ：０．
５０〜１．５０％、Ｓ：０．００５〜０．０５０％、Ｃ
ｒ：０．５０〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜１．００
％、Ａｌ：０．０１０〜０．１００％（以上、重量％）
を含有し、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、Ｉｐ＝Ｓｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ ---（１）によって算出される耐ピッチング性指数（Ｉｐ）が２．
００〜４．００％であり、下記（２）式、Ａｃ₃＝９１０−２０３√Ｃ＋４４．７Ｓｉ＋３１．５Ｍｏ−３０Ｍｎ−１１Ｃｒ−１５．２Ｎｉ＋１０４Ｖ ---（２）によって算出されるＡｃ₃変態温度が８５０〜９５０℃
の範囲内にあり、且つ、ジョミニー式一端焼入れ試験に
おいて、水冷端から９ｍｍ点でのロックウェルＣ硬さが
２８〜４５の範囲内であることに特徴を有するものであ
る。

【００２８】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％、Ｂ：０．０００５〜０．００５
０％（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３記載の発明は、請求項１または２
において、前記鋼材が、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０
％、Ｚｒ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．００
５〜０．０５０％（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。

【００３０】請求項４記載の発明は、Ｃ：０．１０〜
０．３０％、Ｓｉ：１．００〜２．００％、Ｍｎ：０．
５０〜１．５０％、Ｓ：０．００５〜０．０５０％、Ｃ
ｒ：０．５０〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜１．００
％、Ａｌ：０．０１０〜０．１００％（以上、重量％）
を含有し、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、Ｉｐ＝Ｓｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ ---（１）によって算出される耐ピッチング性指数（Ｉｐ）が２．
００〜４．００％であり、下記（２）式、Ａｃ₃＝９１０−２０３√Ｃ＋４４．７Ｓｉ＋３１．５Ｍｏ−３０Ｍｎ−１１Ｃｒ−１５．２Ｎｉ＋１０４Ｖ ---（２）によって算出されるＡｃ₃変態温度が８５０〜９５０℃
の範囲内にあり、且つ、ジョミニー式一端焼入れ試験に
おいて、水冷端から９ｍｍ点でのロックウェルＣ硬さが
２８〜４５の範囲内である鋼材を熱間鍛造して歯車粗形
材を調製し、次いで、このようにして調製した鋼材を機
械加工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、９００〜１０００℃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、８００〜９００℃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とすることに特徴
を有するものである。

【００３１】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％、Ｂ：０．０００５〜０．００５
０％（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】請求項６記載の発明は、請求項３または４
において、前記鋼材が、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０
％、Ｚｒ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：０．００
５〜０．０５０％（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。

【００３３】

【発明の実施の形態】この発明において、化学成分組
成、ならびに浸炭焼入れその他の条件を上述したように
限定した理由を、以下に鋭明する。

【００３４】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うえ
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、０．１
０％未満では、有効な浸炭硬化層深さを得るために長特
間の浸炭焼入れを要するので工業的に不可である。しか
しながら、Ｃ量が０．３０％を超えると靱性の低下およ
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。

【００３５】Ｓｉ：１．００〜２．００％Ｓｉは、焼戻し軟化抵抗を増大するのに有効な元素であ
り、また、フェライト形成元素であり、安価にＡｃ₃変
態温度を高めるのに有効である。しかしながら、Ｓｉが
１．００％未満では、耐ピッチング性を所望の程度にま
で高めることが困難であり、また、Ａｃ₃変態温度を高
める効果も小さく、Ａｃ₃変態温度を高めるために、Ｍ
ｏ、Ｖ等の高価な元素を多量に必要とする。しかしなが
ら、２．００％を超えて過剰になると、焼入れ性が低下
するのみならず、Ｓｉは、フェライト形成元素であるこ
とから、浸炭ガス中のＣ原子の鋼材表面からの侵入速度
力が小さくなって、焼入れ後の浸炭硬化層の深さが浅く
なる。このために、焼入れ性向上元素を多量に必要と
し、高価になる。また、焼鈍後の硬さも高くなって、機
械加工性を低下させる。従って、Ｓｉの含有有量は、
１．００〜２．００％の範囲内に限定する。

【００３６】Ｍｎ：０．５０〜１．５０％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、０．５０％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、軟化焼鈍後の硬きも高いものになってしま
う。従って、Ｍｎの含有量は、０．５０〜１．５０％の
範囲内に限定する。

【００３７】Ｓ：０．００５〜０．０５０％Ｓは、ＭｎＳを形成し、機械加工性を改善するのに有効
な元素であるが、０．００５％未満ではその効果は小さ
い。しかしながら、０．０５０％を超えると、ＭｎＳが
破壊起点となって、耐ピッチング性を低下させるととも
に、衝撃値等の機械的特性を劣化させる。従って、Ｓの
含有量は、０．００５〜０．０５０％の範囲内に限定す
る。

【００３８】Ｃｒ：０．５０〜２．００％Ｃｒは、焼戻し軟化抵抗を高め、耐ピッチング性を改善
するのに有効な元素であり、また、Ｍｎと同様に焼入れ
性を大きく向上させるが、その作用を発揮させるために
は０．５０％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２．００％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の含有量は、０．５０〜
２．００％の範囲内に限定する。

【００３９】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き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
飽和して経済的な不利を招くのみならず、焼鈍軟化性を
妨げることになる。従って、Ｍｏ含有量は、０．０１〜
１．００％の範囲内に限定する。

【００４０】Ａｌ：０．０１０〜０．１００％Ａｌは、脱酸剤として重要な元素であるとともに、Ａｌ
Ｎ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Ａｌは、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、耐ピッ
チング性を低下させる。また、連続鋳造において、Ａｌ
₂Ｏ₃がノズルに堆積してノズル詰まりを引き起こす。従
って、Ａｌの含有量は、０．０１０〜０．１００％の範
囲内に限定する。

【００４１】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
含有させることが必要である。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、高価な元素であり、経済的な不利を招く。
従って、Ｎｉの含有量は、０．０１〜１．００％の範囲
内が望ましい。

【００４２】Ｖ：０．０１〜０．５０％Ｖは、焼戻し軟化抵抗を増大させ、耐ピッチング性を向
上させる。また、Ａｃ ₃変態温度を高め、且つ、焼入れ
性を向上させる効果が大きい。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。

【００４３】Ｂ：０．０００５〜０．００５０％Ｂは、焼入れ性の向上に有効な元素であり、極微量なＢ
が有効に焼入れ性に作用すると、０．２０％炭素鋼では
理想臨界直径を約２倍に増大させる。従って、この焼入
れ性向上効果により合金元素の大幅な削減が可能にな
り、軟化焼純後の硬さを低下させることが可能となる。
ここで、Ｂを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その効果は飽和
するのみならず、多量の炭ほう化物を析出して、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％６の範囲内
とするのが望ましい。

【００４４】Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％Ｔｉは，炭化物、窒化物を析出し、結晶粒を微細化し
て、靱性を向上させる。しかしながら、Ｔｉの添加量が
０．００５％未満ではこの効果は小さい。一方、０．０
５０％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％の範囲内とするのが望まし
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、
結晶粒を微細化して、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、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】Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％Ｎｂは、Ｔｉ、Ｚｒと同様に炭化物、窒化物を析出し、
結晶粒を微細化して、鋼の靭性を向上させる。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、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。

【００４７】この発明の鋼には、以上の他にＰ、Ｃｕ、
Ｓｎ、Ａｓ等の不可避的に混入する元素を合む。また、
ＣａやＰｂ等の快削元素を適宜添加して、機械加工性を
改善することは何ら差し支えない。

【００４８】耐ピッチング性指数（Ｉｐ）：２．００〜４．００％耐ピッチング性を向上させるには、焼戻し軟化抵抗を高
めることが重要であり、所望の耐ピッチング性を得るに
は、下記（１）式で算出される耐ピッチング性Ｉｐが
２．００％以上必要である。しかしながら、この値が
４．００％を超えると、焼純軟化性が悪くなって、機械
加工性が低下する。従って、下記（１）式で算出される
耐ピッチング性指数Ｉｐは、２．００〜４．００％の範
囲内に限定する。

【００４９】Ｉｐ＝Ｓｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ ---（１）Ａｃ₃変態温度：８５０〜９５０℃ 従来の常法による浸炭処理における熱処理パターンによ
れば、歯車用鋼材を９３０℃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に浸炭温度より低
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（２）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９５０℃をを超えると、オーステナイト中のフェ
ライトの量が過剰になり、歯車芯部の強度が不足する。
従って、下記（２）式によって算出されるＡｃ₃変想温
度は、８５０〜９５０℃の範囲内に限定する。

【００５０】Ａｃ₃＝９１０−２０３√Ｃ＋４４．７Ｓｉ＋３１．５Ｍｏ−３０Ｍｎ−１１Ｃｒ−１５．２Ｎｉ＋１０４Ｖ ---（２）Ｊ９：２８〜４５歯車においては、歯車の大きさに応じて、歯表面部にお
いては所定の範囲内の浸炭硬化層深さが必要であり、ま
た、歯内部においては所定の範囲内の硬さが必要であ
る。鋼の焼入れ性は、歯表面部の浸炭硬化層深さ、およ
び、歯内部の硬さいずれにも大きな影響を及ぼし、ジョ
ミニー式一端焼入れ試験における水冷端から９ｍｍ点で
のロックウェルＣ硬さ、即ち、Ｊ９が２８未満では、浸
炭硬化層深さが浅くなり十分な耐摩耗性を確保すること
が困難になるとともに、歯車芯部の強度が不足して疲労
強度が不足することになる。一方、Ｊ９が４５を超える
と、組織にフェライトを混在させても浸炭焼入れ後の歪
みが増大するとともに、合金量が増大して経済的に不利
となる。また、鋼の熱間延性が不足して表面疵の発生が
多くなる。従って、Ｊ９は、２８〜４５の範囲内に限定
する。

【００５１】浸炭焼入れ温度：９００〜１０００℃ 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９００℃未満では、Ｃの拡散速度が遅く、所望
の浸炭温度を得るのに長特間を要す。一方、浸炭温度が
１０００℃を超えると、結晶粒が粗大化し易く、且つ、
鋼材表面の酸化が著しくなる結果、面疲労特性が低下す
る。従って、浸炭温度を、９００〜１０００℃の範囲内
に限定すべきである。

【００５２】浸炭処理後に行う焼入れの温度が、８００
℃未満では、上記浸炭炉の炉温をその温度まで低下させ
るのに長時間を要する。一方、焼入れ温度が９００℃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％を所望の値に確保することか困難とな
り、また、焼入れ歪み量も大きくなる。従って、焼入れ
温度は、８００〜９００℃の範囲内に限定すべきであ
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、
その温度に所定時間保持した後、急冷して焼入れをす
る。この発明においても同じ手順で行ない、浸炭処理
後、保持する上記焼入れ温度を、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、当該鋼材のＡ₁変態点以下にすると、焼入れ時にマ
ルテンサイト組織を得ることができない。以上より、焼
入れ温度は、８００〜９００℃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
イト量：１０〜７０面積％浸炭焼入れ・焼戻し後の非浸炭部である歯内部の組織の
フェライト量が１０％未満ではマルテンサイトの変態歪
みを十分に吸収することができず、焼入れ歪み量を小さ
く抑制することができない。一方、上記フェライト量が
７０％を超えると、歯内部において所望の強度、靱性を
得ることが困難になる。従って、歯内部の組織のフェラ
イト量は、１０〜７０％の範囲内に限定すべきである。
なお、この時、フェライト以外の焼入れ相は、残留オー
ステナイトやベイナイトを一部含むマルテンサイトであ
り、この発明においては、これらを含めてマルテンサイ
トと総称している。

【００５５】

【実施例】次に、この発明を実施例により比較例と対比
して、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、
耐ピッチング指数、Ａｃ₃点パラメーター、水冷端から
９ｍｍ点での硬さ）の範囲内にある実施例Ｎｏ．１〜１
５、および、表２に示す、本発明の条件の範囲外にある
比較例Ｎｏ．１６〜３４の供試用鋼片を作成した。

【００５７】

【表１】

【００５８】

【表２】

【００５９】鋼種Ｎｏ．１〜１５は，化学成分組成、耐
ピッチング指数、Ａｃ₃変態点パラメータ、および、水
冷端から９ｍｍ点での硬さのいずれも本発明の範囲内に
ある本発明実施例である。

【００６０】鋼種Ｎｏ．１６は、化学成分は本発明の範
囲内であるが、耐ピッチング指数およびＡｃ₃温度とも
に本発明の範囲を下回って低い鋼、鋼種Ｎｏ．１７は、
化学成分は本発明の範囲内であるが、耐ピッチング指数
が本発明の範囲を上回って高い鋼、鋼種Ｎｏ．１８は、
化学成分は本発明の範囲内であるが、Ａｃ₃温度が本発
明の範囲を上回って高い鋼、鋼種Ｎｏ．１９は、化学成
分は本発明の範囲内であるが、Ｊ９が本発明の範囲を下
回って低い鋼、また、鋼種Ｎｏ．２０は、化学成分は本
発明の範囲内であるが、ジョニー試験における水冷端か
ら９ｍｍ点での硬さが本発明の範囲を上回って高い鋼で
ある。

【００６１】鋼種Ｎｏ．２１は、Ｃが本発明の範囲を下
回って低い鋼、鋼種Ｎｏ．２２は、Ｃが本発明の範囲を
上回って高く、Ｓｉ、Ｃｒが本発明の範囲より低く、こ
れらによってＡｃ₃温度が本発明の範囲より低い鋼、鋼
種Ｎｏ．２３は、Ｍｎが本発明の範囲を上回って高く、
またＡｃ₃温度か本発明の範囲より低い鋼、鋼種Ｎｏ．
２４は、Ｓｉが本発明の範囲を上回って高く、このため
焼入れ性が低下して、Ｊ９が本発明の範囲より下回って
いる鋼、鋼種Ｎｏ．２５は、Ｍｎが本発明の範囲を下回
って低く、また、Ｊ９が本発明の範囲より下回っている
鋼、鋼種Ｎｏ．２６は、Ｃｒが本発明の範囲を上回って
高く、このためＡｃ₃温度が本発明の範囲より低く、Ｊ
９が本発明の範囲より高い鋼、鋼種Ｎｏ．２７は、Ｍｏ
が本発明の範囲を上回って高く、このためＪ９が本発明
の範囲より高い鋼である。

【００６２】鋼種Ｎｏ．２８はＳ、Ｂが本発明の範囲を
下回って低く、焼入れ性向上に有効なＢが不足して、Ｊ
９が本発明の範囲より下回っている鋼、鋼種Ｎｏ．２９
は、Ｓ、Ｎｉが本発明の範囲を上回って高く、Ｊ９が本
発明の範囲より高い鋼、鋼種Ｎｏ．３０は、Ａｌが本発
明の範囲を上回って高い鋼、鋼種Ｎｏ．３１は、Ａｌ、
Ｔｉともに本発明の範囲より低い鋼、鋼種Ｎo．３２
は、Ｖ、Ｎｂが本発明の範囲を上回って高く、また、Ｊ
９が本発明の範囲より高い鋼、鋼種Ｎｏ．３３は、Ｂ、
Ｚｒが本発明の範囲より高い鋼、鋼種Ｎｏ．３４は、Ｔ
ｉが本発明の範囲より高い鋼である。

【００６３】上記の鋼の鋼塊を熱間圧延して、直径９０
ｍｍの丸棒鋼を調製し、自動車作動装置の歯車であるリ
ングギアの粗形材に熱間鍛造した。熱間鍛造した粗形材
は、鍛造による割れの有無を目視により確認した。

【００６４】その後、歯車粗形材を軟化焼鈍して軟化さ
せ、粗形材の底面にてブリネル硬さを測定した。熱処理
条件は、９３０℃、２ｈｒ加熱保持−６５０℃、１ｈｒ
保持後，空冷のパターンである。

【００６５】次いで、軟化焼鈍後の粗形材をホブ盤にて
歯切り加工し、そして、歯車裏側にボルト固定のため１
２個のドリル穴を明けた。機械加工性は、トラブル無く
穴明けできたものを良好、ドリル刃先の欠け、あるいは
ドリル折損の発生したものを不良と判定した。

【００６６】機械加工を終了した粗形材は、その後、浸
炭焼入れ・焼戻しを施して、歯表面および内部を硬化さ
せた。浸炭焼入れ条件は、種々の温度に変化させたが、
焼戻し条件は、１８０℃、２ｈｒ焼戻し後、油冷の一定
条件とした。浸炭焼入れ・焼戻しを終了した歯車より試
験片を採取し、ビッカース硬さ５５０となる浸炭硬化層
深さ、歯内部のフェライト面積率および歯内部の硬さを
調査した。

【００６７】また、浸炭焼入れ・焼戻しによって歯車に
発生する歪み量として、浸炭焼入れ・焼戻し前後の歯車
の圧力角の変化を測定した。更に、歯車を疲労試験機に
かけて回転させ、破面のピッチング発生の有無および歯
元の折損に至るまでの試験回数を測定した。但し、目標
の３０万回を達成した歯車については、３０万回にて試
験を中断した。

【００６８】以上の試験により得られた粗形材の割れの
有無、軟化焼鈍後の硬さ、歯車の機械加工性、浸炭なら
びに焼入れ温度、浸炭硬化層深さ、歯内部のフェライト
面積率、歯内部の硬さ、歯の圧力角の歪み量、ピッチン
グの有無、および、疲労試験回数の結果を表３および表
４に示す。

【００６９】

【表３】

【００７０】

【表４】

【００７１】表ｌ〜表４から明らかなように、本発明実
施例Ｎｏ．１−１〜Ｎｏ．１−１５は、いずれも、熱間
鍛造時の割れの発生は無く、軟化焼鈍後のブリネル硬さ
も２２０以下であり、従って、歯車の機械加工性も良好
であり、浸炭硬化層深さも０・６０ｍｍ以上と深く良好
であった。また、歯内部のフェライト面積も１１〜６６
％の範囲内にあり、歯内部のビッカース硬さは２７０以
上と、歯車として十分高い硬さを有しており、圧力角の
歪み量も全て４分以下（１分は１°の６０分の１）と小
さいものであり、このため歯面の噛合わせ状態が良好
で、歯車の疲労試験回数も全て３０万回を超えて良好で
あり、試験後の歯面にもピッチングの発生は見られず、
良好な試験結果であった。

【００７２】これに対して、比較例Ｎｏ．１−１６は鋼
のＩｐが２％より低く、従って、破面にピッチングが発
生した。また、Ａｃ₃変態温度が８５０℃より低く、従
って、フェライトの析出量が不足して歪みの発生が大き
く、歯当たり不良によって疲労寿命の短いものであっ
た。

【００７３】比較例Ｎｏ．１−１７は、鋼のＩｐが４％
を超えて高く、合金量が多くなって、焼鈍後の硬さが２
２０を超えて高く、従って、ドリル折損が発生し、機械
加工性が不良であった。

【００７４】比較例Ｎｏ．１−１８は、鋼のＡｃ₃変態
温度が９５０℃を超えて高く、フェライトの析出量が７
０％を超えて過大になり、歯内部の硬さが不足して疲労
寿命の短いものであった。

【００７５】比較例Ｎｏ．１−１９は、鋼の焼入れ性、
即ち、Ｊ９が２８より低く、従って、歯内部の硬さが不
足して疲労寿命の短いものであった。

【００７６】比較例Ｎｏ．１−２０は、鋼の焼入れ性、
即ち、Ｊ９が４５より高く、従って、歪みを十分抑制で
きず、疲労寿命の短いものであった。

【００７７】比較例Ｎｏ.１−２１からＮｏ.１−２４
は、鋼種Ｎｏ．７の試験結果である。Ｎｏ．１−２１
は、浸炭温度が１０００℃より高く、浸炭中の歯表面の
酸化が著しく、深い粒界酸化を起こし、これが疲労破壊
の起点となって、疲労寿命の短いものであった。

【００７８】比較例Ｎｏ．１−２２は、浸炭温度が９０
０℃より低く、鋼中へのＣの侵入速度が遅くなり、この
結果、浸炭硬化層深さが浅くなって、ピッチングが発生
し、また、疲労寿命も短かかった。

【００７９】比較例Ｎｏ．１−２３は、焼入れ温度が８
５０℃より高く、従って、フェライトの析出量が不足し
て歪みの発生が大きく、歯当たり不良によって疲労寿命
の短いものであった。

【００８０】比較例Ｎｏ．１−２４は、焼入れ温度が８
５０℃より低く、従って、フェライトの析出量が過大
で、歯内部の硬さが不足して、疲労寿命が短いものであ
った。

【００８１】比較例Ｎｏ．２−２１は、Ｃが本発明の範
囲より低いため、Ｊ９が低く、歯内部の硬さが低くなっ
て、疲労寿命が短いものであった。

【００８２】比較例Ｎｏ．２−２２は、Ｃ、Ｃｒが本発
明の範囲を外れているため、Ａｃ₃温度が低くなって、
フェライトの析出量が少なく、従って、歪みの発生が大
きく、疲労寿命の短いものであった。また、Ｃ量が高い
ため、焼鈍後の硬さが高く、機械加工性が不良であっ
た。

【００８３】比較例Ｎｏ．２−２３は、Ｍｎが本発明の
範囲より高く、よってＡｃ₃温度が本発明の範囲より低
くなったために、フェライトの量が少なく、歪みの発生
が大きくなって疲労寿命が低下した。

【００８４】比較側Ｎｏ．２−２４は、Ｓｉが本発明の
範囲を上回って高く、このため焼入れ性が低下して、Ｊ
９が本発明の範囲より低くなったために、歯内部の硬さ
が不足して疲労寿命が短くなった。

【００８５】比較例Ｎｏ．２−２５は、Ｍｎが本発明の
範囲を下回って低く、また、Ｊ９が本発明の範囲より低
くなったために、歯内部の硬さが不足して疲労寿命が短
くなった。

【００８６】比較例Ｎｏ．２−２６は、Ｃｒが本発明の
範囲を上回って高く、このためＡｃ ₃温度が本発明の範
囲より低く、Ｊ９が本発明の範囲より高くなり、歪みの
発生が大きくなって獲労寿合が低下した。

【００８７】比較例Ｎｏ．２−２７は、Ｍｏが本発明の
範囲を上回って高く、このためＪ９が本発明の範囲より
高くなり、歪みの発生が大きくなって疲労寿命が低下し
た。

【００８８】比較例Ｎｏ．２−２８は、Ｓが本発明の範
囲より低く、このため機械加工性が不良であった。ま
た、Ｂが本発明範囲を下回って低く、このためＪ９が本
発明の範囲より低く、歯内部の硬さが不足して、寿命が
短くなった。

【００８９】比較例Ｎｏ．２−２９は、Ｓが本発明の範
囲より高く、ＭｎＳがピッチング破壊の起点となり、破
面にピッチングが発生した。また、Ｎｉが本発明の範囲
より高いため、焼鈍後の硬さが硬く機械加工性に劣るも
のであった。

【００９０】比較例Ｎｏ．２−３０は、Ａｌが本発明の
範囲より高く、アルミナ系介在物が多量に存在したた
め、これが起点となってピッチングが発生し、また、寿
命が短くなった。

【００９１】比較例Ｎｏ．２−３１は、Ａｌ、Ｔｉが本
発明の範囲より低く、浸炭焼入れ後の結晶粒度が粗大と
なったため、歪みの発生が大きく、従って、疲労寿命が
低下した。

【００９２】比較例Ｎｏ．２−３２は、ＶおよびＮｂ、
Ｎｏ．２−３３は、ＢおよびＺｒ、Ｎｏ．２−３４は、
Ｔｉが本発明の範囲より高く、従って、これらの硬い、
あるいは脆い炭化物、窒化物か多数生成し、これが起点
となって、ピッチングが発生し、また、寿命が短くなっ
た。

【００９３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、歯車の寿命を支配する要因の一つである歯面の耐ピ
ッチング性に優れ、且つ、浸炭焼入れによる歪み量を小
さく抑えたことにより、歯形修正やプレスクエンチを施
さずとも歯車同士の歯当たりが良好で、歯元の折損に至
るまでの運転回数が長い歯車用鋼材を提供することが可
能とな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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：１．００〜２．００％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、Ｓ：０．００５〜０．０５０％、Ｃｒ：０．５０〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜１．００％、Ａｌ：０．０１０〜０．１００％（以上、重量％）を含
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、Ｉｐ＝Ｓｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ ---（１）によって算出される耐ピッチング性指数（Ｉｐ）が２．
００〜４．００％であり、下記（２）式、Ａｃ₃＝９１０−２０３√Ｃ＋４４．７Ｓｉ＋３１．５Ｍｏ−３０Ｍｎ−１１Ｃｒ−１５．２Ｎｉ＋１０４Ｖ ---（２）によって算出されるＡｃ₃変態温度が８５０〜９５０℃
の範囲内にあり、且つ、ジョミニー式一端焼入れ試験に
おいて、水冷端から９ｍｍ点でのロックウェルＣ硬さが
２８〜４５の範囲内であることを特徴とする、耐ピッチ
ング性に優れた低歪み型歯車用鋼材
【請求項２】前記鋼材は、Ｎｉ：０．０１〜１．００％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％（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、耐ピッチング性に優れ
た低歪み型歯車用鋼材。
【請求項３】前記鋼材は、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｚｒ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：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、耐ピッチング性
に優れた低歪み型歯車用鋼材。
【請求項４】Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：１．００〜２．００％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、Ｓ：０．００５〜０．０５０％、Ｃｒ：０．５０〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜１．００％、Ａｌ：０．０１０〜０．１００％（以上、重量％）を含
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、Ｉｐ＝Ｓｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ ---（１）によって算出される耐ピッチング性指数（Ｉｐ）が２．
００〜４．００％であり、下記（２）式、Ａｃ₃＝９１０−２０３√Ｃ＋４４．７Ｓｉ＋３１．５Ｍｏ−３０Ｍｎ−１１Ｃｒ−１５．２Ｎｉ＋１０４Ｖ ---（２）によって算出されるＡｃ₃変態温度が８５０〜９５０℃
の範囲内にあり、且つ、ジョミニー式一端焼入れ試験に
おいて、水冷端から９ｍｍ点でのロックウェルＣ硬さが
２８〜４５の範囲内である鋼材を熱間鍛造して歯車粗形
材を調製し、次いで、このようにして調製した鋼材を機
械加工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、９００〜１０００℃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、８００〜９００℃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とすることを特徴
とする、耐ピッチング性に優れた低歪み型歯車用鋼材に
よる歯車の製造方法。
【請求項５】前記鋼材は、Ｎｉ：０．０１〜１．００％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％（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、耐ピッチング性に優れ
た低歪み型歯車用鋼材による歯車の製造方法。
【請求項６】前記鋼材は、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｚｒ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｂ：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、耐ピッチング性
に優れた低歪み型歯車用鋼材による歯車の製造方法。