JP2001032036A

JP2001032036A - 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る歯車の製造方法

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Publication number: JP2001032036A
Application number: JP11208963A
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
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: JP3989138B2

Abstract

(57)【要約】【課題】熱間鍛造後の簡単な焼純により機械加工に適
した軟質な鋼とし、浸炭焼入れ・焼戻し後の組織をフェ
ライト＋マルテンサイトの二相として、歪みの発生を抑
止し、長寿命の歯車を製造する。【解決手段】Ｂを含有する鋼において、Ａｃ₃点を８
５０〜９６０℃、ＤＩ値を５０〜２００ｍｍ、Ｃｅｑを
０．６０％以下に調整し、鋼を熱間鍛造、焼鈍、機械加
工の工程により歯車に加工した後、浸炭焼入れ・焼戻し
て、非浸炭部の組織をフェライトを１０〜７０％合むマ
ルテンサイトとの二相組織として歯車の歪みを抑制す
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、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８５
０〜９６０℃の範囲内に高め、且つ、理想臨界直径を３
０〜２５０ｍｍ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、８００〜９
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、ＳＣ
Ｍ８２２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２０
０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、ＨＢ２
００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％、Ｍ
ｏ：０．０１〜１．００％、Ｔｉ：０．００５〜０．０
５０％、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、Ａｃ₃＝９１０−２０３√Ｃ＋４４．７Ｓｉ＋３１．５Ｍｏ−３０Ｍｎ −１１Ｃｒ−１５．２Ｎｉ＋１０４Ｖ＋４０Ｔｉ ---（１）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、ＤＩ＝７．９５√Ｃ（１＋０．６４Ｓｉ）（１＋３．３Ｍｎ）（１＋２．１６Ｃｒ）（１＋３．０Ｍｏ）（１＋０．５２Ｎｉ）（１＋５．０Ｖ）×２ ---（２）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、Ｃｅｑ＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／７）＋（Ｃｒ／１０）＋（Ｍｏ／１１）＋（Ｎｉ／９）＋０．９Ｖ ---（３）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％、Ｍ
ｏ：０．０１〜１．００％、Ｔｉ：０．００５〜０．０
５０％、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、Ａｃ₃＝９１０−２０３√Ｃ＋４４．７Ｓｉ＋３１．５Ｍｏ−３０Ｍｎ −１１Ｃｒ−１５．２Ｎｉ＋１０４Ｖ＋４０Ｔｉ ---（１）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、ＤＩ＝７．９５√Ｃ（１＋０．６４Ｓｉ）（１＋３．３Ｍｎ）（１＋２．１６Ｃｒ）（１＋３．０Ｍｏ）（１＋０．５２Ｎｉ）（１＋５．０Ｖ）×２ ---（２）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、Ｃｅｑ＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／７）＋（Ｃｒ／１０）＋（Ｍｏ／１１）＋（Ｎｉ／９）＋０．９Ｖ ---（３）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、８５
０〜１０００℃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、０．１
０％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、０．５
０％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、０．５
０〜１．８０％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Ｔ
ｉ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、０.０００５〜０．０
０５０％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、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、０．０
１％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、Ｐ
ｂ、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８
５０℃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８
５０℃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、Ａｃ₃＝９１０−２０３√Ｃ＋４４．７Ｓｉ＋３１．５Ｍｏ−３０Ｍｎ −１１Ｃｒ−１５．２Ｎｉ＋１０４Ｖ＋４０Ｔｉ ---（１）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、ＤＩ＝７．９５√Ｃ（１＋０．６４Ｓｉ）（１＋３．３Ｍｎ）（１＋２．１６Ｃｒ）（１＋３．０Ｍｏ）（１＋０．５２Ｎｉ）（１＋５．０Ｖ）×２ ---（２）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２０
０ｍｍ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】Ｃｅｑ＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／７）＋（Ｃｒ／１０）＋（Ｍｏ／１１）＋（Ｎｉ／９）＋０．９Ｖ ---（３）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】浸炭焼入れ温度：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、８５
０〜１０００℃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、８００〜９
５０℃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】

【００５８】

【表２】

【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】

【００６２】

【表４】

【００６３】表３から明らかなように、この発明の実施
例であるＮｏ．１−１〜１−１２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３
０万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Ａ
ｃ₃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、Ｍ
ｏ、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Ｂ
Ｎとなってしまい焼入れ性向上に作用せず、計算上のＤ
Ｉ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、Ｃｅｑ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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２３Ｃ 8/32 Ｃ２３Ｃ 8/32 Ｆ１６Ｈ 55/06 Ｆ１６Ｈ 55/06

Claims

【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、Ａｃ₃＝９１０−２０３√Ｃ＋４４．７Ｓｉ＋３１．５Ｍｏ−３０Ｍｎ −１１Ｃｒ−１５．２Ｎｉ＋１０４Ｖ＋４０Ｔｉ ---（１）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、ＤＩ＝７．９５√Ｃ（１＋０．６４Ｓｉ）（１＋３．３Ｍｎ）（１＋２．１６Ｃｒ）（１＋３．０Ｍｏ）（１＋０．５２Ｎｉ）（１＋５．０Ｖ）×２ ---（２）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、Ｃｅｑ＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／７）＋（Ｃｒ／１０）＋（Ｍｏ／１１）＋（Ｎｉ／９）＋０．９Ｖ ---（３）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、Ａｃ₃＝９１０−２０３√Ｃ＋４４．７Ｓｉ＋３１．５Ｍｏ−３０Ｍｎ −１１Ｃｒ−１５．２Ｎｉ＋１０４Ｖ＋４０Ｔｉ ---（１）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、ＤＩ＝７．９５√Ｃ（１＋０．６４Ｓｉ）（１＋３．３Ｍｎ）（１＋２．１６Ｃｒ）（１＋３．０Ｍｏ）（１＋０．５２Ｎｉ）（１＋５．０Ｖ）×２ ---（２）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、Ｃｅｑ＝Ｃ＋（Ｓｉ／１０）＋（Ｍｎ／７）＋（Ｃｒ／１０）＋（Ｍｏ／１１）＋（Ｎｉ／９）＋０．９Ｖ ---（３）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、８５
０〜１０００℃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。