JP2002286115A - 高強度歯車及びその製造方法 - Google Patents

高強度歯車及びその製造方法

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JP2002286115A
JP2002286115A JP2001086195A JP2001086195A JP2002286115A JP 2002286115 A JP2002286115 A JP 2002286115A JP 2001086195 A JP2001086195 A JP 2001086195A JP 2001086195 A JP2001086195 A JP 2001086195A JP 2002286115 A JP2002286115 A JP 2002286115A
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iron
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strength
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Takuo Yamaguchi
拓郎 山口
Keizo Otani
敬造 尾谷
Atsushi Kato
淳 加藤
Toshiki Sato
俊樹 佐藤
Satoshi Abe
安部  聡
Shoichi Ikeda
正一 池田
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Kobe Steel Ltd
Nissan Motor Co Ltd
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    • F16H55/00Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02Toothed members; Worms
    • F16H55/06Use of materials; Use of treatments of toothed members or worms to affect their intrinsic material properties
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/32Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for gear wheels, worm wheels, or the like
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/80After-treatment
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T428/21Circular sheet or circular blank
    • Y10T428/211Gear

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い強度を有し、特に、歯車噛み合い面の耐
ピッティング性、耐スポーリング性及び耐摩耗特性が大
幅に改善されており、長期に亘って適切な強度を維持で
き、しかも低コストで容易に得られる、高強度歯車及び
その製造方法を提供すること。 【解決手段】 高強度歯車は、鉄基合金を母材とし、こ
れに浸炭又は浸炭窒化処理を行い、更にその噛み合い面
に、鉄の窒化物及び/又は鉄の炭窒化物を含有する被膜
を付与して成る。母材を所望の歯車形状に形成し、次い
で、浸炭又は浸炭窒化処理を施し、更に少なくともその
噛み合い面に蒸着処理を行って、上記被膜を形成する高
強度歯車の製造方法である。蒸着処理を、窒素及び/又
はメタンの存在下、バイアス電圧50V以下、且つ成膜
時の処理温度300℃以下の条件によるイオンプレーテ
ィング法で行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高強度歯車及びそ
の製造方法に係り、更に詳細には、駆動機関等に要求さ
れる高出力に耐え、摩耗特性等が改善され超寿命化が可
能な歯車及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、自動車の変速機等の歯車には、一
般に浸炭鋼又は浸炭窒化鋼が用いられているが、近年の
高出力化に伴い、歯車の噛み合い面に発生するピッティ
ングやスポーリング、摩耗などによる損傷が問題となっ
ている。
【0003】その対策としては、歯車の噛み合い表面に
硬質被膜を被覆することが考えられる。硬質被膜の摺動
部材への適用例としては、例えば特開平5−78821
号公報に、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)及びモ
リブデン(Mo)から選ばれた少なくとも1種の金属
と、クロム(Cr)、チタン(Ti)及びタングステン
(W)から選ばれた少なくとも1種の金属の炭化物又は
窒化物との混合組織から成る被膜により、耐摩耗性を向
上させたピストンリングが提案されている。また、歯車
用としては、耐ピッティング性の向上を目的として、窒
化チタン(TiN)被覆を施すことが、特開平10−1
67348号公報に提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術では、十分な靭性を確保するために高価なN
i、Co及びMo等を多量に添加する必要がある上、硬
質被膜を形成する際には、複数種のターゲットを用いる
複雑な成膜操作が必要となるため、コスト高となってい
た。
【0005】また、歯車の母材としては、安価で靭性の
高い鋼材が用いられるが、上記従来技術に開示されてい
る被膜成分は、かかる歯車母材鋼との弾性率の差が大き
いため、局所的に高い面圧を受ける歯車への適用におい
ては、被膜と母材の界面に高い剪断応力が生じた際に剥
離が生じ易いという課題があった。
【0006】更に、上記従来技術においては、被膜に十
分な密着性と靭性を与えるためには成膜温度を少なくと
も300℃以上にしなければならず、このような高温で
は母材が軟化し、耐ピッティング性や曲げ疲労強度など
が低下してしまう。よって、高温でも軟化しないよう
に、加工性や靭性の低い材料を母材としなければならな
いことになるが、このような母材は工具鋼などといった
歯車用としては高価であるという課題があった。
【0007】本発明は、このような従来技術の有する課
題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、高い強度を有し、特に、歯車噛み合い面の耐ピッテ
ィング性、耐スポーリング性及び耐摩耗特性が大幅に改
善されており、長期に亘って適切な強度を維持でき、し
かも低コストで容易に得られる、高強度歯車及びその製
造方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、鉄(Fe)基合金
系の歯車の噛み合い面に、所定の被膜を被覆することに
より、上記課題が解決されることを見出し、本発明を完
成するに至った。
【0009】即ち、本発明の高強度歯車は、鉄基合金の
母材に浸炭又は浸炭窒化処理を行って成る歯車におい
て、更に、その噛み合い面に、鉄の窒化物及び/又は鉄
の炭窒化物を含有する被膜を付与して成ることを特徴と
する。
【0010】また、本発明の高強度歯車の好適形態は、
上記浸炭又は浸炭窒化処理後の、表面から0.1mmの
深さまでの範囲における炭素量[Cs]が0.7%以
上、窒素量[Ns]が0.6〜2%であり、且つ次式 R=1.11×[Cs]+1.25×[Ns]+1.89×(全体での珪素含 有量)+1.22×(全体でのマンガン含有量)+0.67×(全体での モリブデン含有量)+3.94… で表されるR値が7.5%以上であることを特徴とす
る。
【0011】更に、本発明の高強度歯車の製造方法は、
上述の如き高強度歯車を製造するに当たり、上記母材で
所定形状の歯車を形成した後、浸炭又は浸炭窒化処理を
施し、次いで、少なくともその噛み合い面に蒸着処理を
行って、上記被膜を付与することを特徴とする。
【0012】また、本発明の高強度歯車の製造方法の好
適形態は、上記浸炭又は浸炭窒化処理後の歯車につき、
その噛み合い面の表面粗さ(Ra)を0.25μm以下
とする表面処理を施し、しかる後、上記蒸着処理による
被膜形成を行うことを特徴とする。更に、本発明の高強
度歯車の製造方法の他の好適形態は、上記噛み合い面の
被膜につき、その表面粗さ(Ra)を0.25μm以下
とする表面処理を施すことを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明の高強度歯車につい
て詳細に説明する。なお、本明細書において、「%」は
特記しない限り質量百分率を表すものとする。上述の如
く、本発明の歯車は、母材としての鉄(Fe)基合金に
浸炭処理又は浸炭窒化処理を行った鋼材、被膜材料とし
て鉄の窒化物及び/又は鉄の炭窒化物を用いたものであ
り、その噛み合い面に、鉄の窒化物及び/又は炭窒化物
を含有する被膜を被覆して成る。なお、かかる被膜が鉄
の窒化物及び/又は鉄の炭窒化物のみから構成されてい
てもよいのは勿論である。
【0014】上記被膜材料は、靱性に優れ硬度が高いも
のである。本発明では、上述のような構成とすること
で、上記鋼材と被膜材料との熱膨張率及び弾性率の差が
少なくされているため、成膜時及び歯車使用時に鋼材と
被膜の界面で発生する剪断応力が低減されており、上記
被膜が剥離し難く、密着性に優れるものとなる。よっ
て、本発明の高強度歯車は、歯車噛み合い面の耐ピッテ
ィング性、耐スポーリング性及び耐摩耗特性が大幅に改
善されている。
【0015】ここで、上記被膜材料としては、比較的安
価で、且つ被膜の靱性を向上させる上で、JIS G4
303[ステンレス鋼棒]、JIS G4304[冷間
圧延ステンレス鋼板及び鋼帯]の規定に代表されるJI
S分類SUS304材を用いるのがより好ましい。
【0016】本発明の歯車の母材には、鉄基合金全般を
用いることが可能だが、歯車に必要な衝撃及び曲げ疲労
強度を確保するには浸炭鋼材を用いるのがよい。また、
成膜時の準高温における母材の軟化を抑制するには、浸
炭窒化した鋼材を用いるのがよい。なお、浸炭鋼材又は
浸炭窒化鋼材の別は、実使用の用途に応じて適宜選択す
ることができる。
【0017】本発明の歯車において、上述した鉄基合金
系母材の代表的鋼材組成としては、炭素(C):0.1
5〜0.25%、珪素(Si):0.4〜0.9%、マ
ンガン(Mn):0.05〜0.7%、クロム(C
r):1.25〜2.5%、モリブデン(Mo):0.
35〜1%、アルミニウム(Al):0.02〜0.0
6%、窒素(N):0.007〜0.015%、残部:
実質的に鉄(Fe)を挙げることができる。
【0018】上述した各成分範囲が好ましい理由は下記
の通りである。 (a)炭素(C):0.15〜0.25% 炭素は浸炭窒化処理した歯車に所定の芯部硬さを付与す
るとともに、有効硬化深さを確保するのに欠くことので
きない元素で、0.15%以上含有させることが好まし
い。但し、炭素の含有量が多すぎると鋼材の靱性や被削
性、冷間加工性が低下するので、その上限を0.25%
とすることが好ましい。なお、炭素含有量のより好まし
い範囲は、0.17〜0.22%である。
【0019】(b)珪素(Si):0.4〜0.9% 珪素は歯車表面に炭窒化物を形成して、炭窒化物析出層
の軟化抵抗性の向上に大きく寄与する元素であり、更に
は炭窒化物が粒界に析出するのを抑制するとともに、炭
窒化物を球状化させて耐摩耗性を高める上でも有効な元
素である。また、浸炭窒化層の基地を硬くする作用もあ
り、これらの作用を有効に発揮させるには、0.4%以
上含有させることが好ましい。但し、珪素含有量が多す
ぎると浸炭窒化層が阻害されるとともに、鋼材の靱性や
被削性が著しく低下するので、その上限を0.9%とす
ることが好ましい。なお、珪素含有量のより好ましい上
限は0.8%である。
【0020】(c)マンガン(Mn):0.05〜0.
7% マンガンも炭窒化物を形成することにより炭窒化物析出
層の軟化抵抗性の向上に大きく寄与する元素であり、更
には溶製時に脱酸成分として作用し、また焼き入れ性の
向上及び硫化マンガン(MnS)の形成による切削性の
向上に有効に作用する。これらの効果を有効に発現させ
るには、少なくとも0.05%以上含有させることが好
ましいが、多すぎると鍛造性や機械加工性に悪影響を及
ぼす他、表層部の残留オーステナイト量が過剰となるた
め、却って表面硬さを低下させるので、0.7%以下に
抑えることが好ましい。なお、より好ましいマンガン含
有量の下限は0.2%である。
【0021】(d)クロム(Cr):1.25〜2.5
% クロムは母材の焼き入れ性を高め、安定した硬化層深さ
や必要な芯部硬さを付与することにより、歯車の静的強
度及び疲労強度を確保し、更には表面硬化層の基地の焼
き戻し軟化抵抗性を高めるため、少なくとも1.25%
以上含有させることが好ましい。しかし、多すぎると粒
界に窒化クロム(CrN)が多量に析出するためにオー
ステナイト中の固溶クロム量が減量し、焼き入れ性を低
下させるために表面硬さが低下する。また、多すぎると
浸炭窒化性が阻害される他に被削性にも悪影響を及ぼす
ので、2.5%以下に抑えることが好ましい。なお、ク
ロムのより好ましい含有量は、1.4〜2.2%であ
る。
【0022】(e)モリブデン(Mo):0.35〜1
% モリブデンは侵入窒素量を増大することにより、上述し
たCrNの析出量が増加した場合でも、その周辺の焼き
入れ性を高レベルに維持する上で極めて重要な作用を有
しており、更には炭窒化物の形成とその微細化を促す作
用も有している。即ち、モリブデン含有量を高めるにつ
れて浸炭窒化量が増大し、また、この複合炭窒化物は硬
質であるため、浸炭窒化層の硬さを高める上でも有効に
作用する。これらの作用により、モリブデンは、浸炭窒
化層表面における不完全焼き入れ組織のような異常層の
低減、及び浸炭窒化層内部の強度向上に寄与する。こう
した作用を有効に発揮させるには0.35%以上含有さ
せることが好ましい。しかし、多すぎると靱性や機械加
工性が低下するとともに、表層部の残留オーステナイト
量が過剰となって、逆に表面硬さを低下させるので、1
%以下に抑えることが好ましい。なお、モリブデンのよ
り好ましい含有量は0.4〜0.9%である。
【0023】(f)珪素(Si)+マンガン(Mn)+
モリブデン(Mo):1〜2.2% この条件は、上記代表組成には特に示さなかったが、か
なり重要である。珪素、マンガン及びモリブデンは、そ
れぞれ上述したような作用を有しているが、いずれも準
高温域における焼き戻し軟化抵抗性を増大させるのに有
効に作用する。しかしこの反面、多すぎると靱性及び冷
間圧延性や被削性などの生産性を損なう。即ち、珪素、
マンガン及びモリブデンをバランス良く含有させること
が重要であり、生産性を極端に低下させることなく、本
発明で意図する優れた軟化抵抗性を確保するには、[珪
素(Si)+マンガン(Mn)+モリブデン(Mo)]
のトータル含有量を1〜2.2%の範囲とすることが好
ましい。なお、[珪素(Si)+マンガン(Mn)+モ
リブデン(Mo)]のトータル含有量のより好ましい範
囲は1.2〜1.8%である。
【0024】(g)アルミニウム(Al):0.02〜
0.06% アルミニウムは脱酸剤として作用する他、熱処理時に窒
化アルミニウム(AlN)を生成し、焼き入れ後の結晶
粒を微細化して靱性を高める上で有効な元素であるた
め、0.02%以上含有させることが好ましい。しか
し、アルミニウムの含有量が過剰になると、微細化した
結晶粒が凝集して結晶粒の成長を招くので、0.06%
以下に抑えることが好ましい。なお、より好ましいアル
ミニウム含有量の上限は0.04%である。
【0025】(h)窒素(N):0.007〜0.01
5% 窒素はアルミニウムと結合してAlNを形成し、結晶粒
を微細化する作用を有しているため、0.007%以上
含有させることが好ましい。しかし、その作用は0.0
15%で飽和するので、上限を0.015%とすること
が好ましい。なお、より好ましい窒素含有量は、0.0
08〜0.012%である。
【0026】次に、本発明の高強度歯車の他の特性につ
いて説明する。本発明の歯車は、上記母材を所望の歯車
形状に加工した後、浸炭窒化処理を行い、更に蒸着処理
を行うことで上記被膜を形成されるが、上記被膜の表
面、即ち被膜形成後の歯車噛み合い面の表面から0.1
mmの深さまでの範囲における、炭素量[Cs]が0.
7%以上、窒素量[Ns]が0.6〜2%で、且つ下記
の式から求められるR値を7.5%以上とすることが
好ましい。 R=1.11×[Cs]+1.25×[Ns]+1.89×(全体での珪素含 有量)+1.22×(全体でのマンガン含有量)+0.67×(全体での モリブデン含有量)+3.94…
【0027】かかる特性を具備することにより、本発明
の歯車は、表面硬化層の準高温における軟化抵抗が大幅
に高められているところに特徴を有している。これらの
条件を定めた理由は下記の通りである。
【0028】(i)[Cs]:0.7%以上、且つ[N
s]:0.6〜2% [Cs]及び[Ns]は、浸炭又は浸炭窒化処理された
歯車表層部における浸炭量と浸窒量の指標となるもので
ある。[Cs]は主に表面硬化層の硬さ確保に重要な条
件であり、表面硬化層に十分な強度と硬さを付与するに
は0.7%以上にすることが好ましい。一方、[Ns]
は主として焼き入れ後の準高温域における表面硬化層の
軟化抵抗性を高めるのに有効で、本発明では特に珪素系
及び鉄系炭窒化物の寄与が大きい。そこで、[Ns]を
この範囲とすることで、軟化抵抗性に寄与する珪素系窒
化物が析出し、且つ熱処理後の残留オーステナイト量が
望ましい含有量となり、また不完全焼き入れ組織のよう
な異常組織を生じ難くなるため硬度を維持することがで
きる。なお、[Cs]及び[Ns]が上記の条件を充た
す範囲は、歯車の使用時に高い剪断性の発生する、歯車
最表面、特に噛み合い面の最表面から深さ0.1mmま
であれば十分である。
【0029】(j)R値:7.5以上 上述したように、使用する母材の化学成分、特に珪素、
マンガン及びモリブデンの含有量や、浸炭又は浸炭窒化
処理によって形成される表面硬化層中の[Cs]及び
[Ns]は、炭窒化物の析出量や存在形態に大きな影響
を及ぼし、本発明所定の条件を充足させることによっ
て、特に準高温における軟化抵抗性を高められるが、R
値は軟化後の表面硬さと高い相関性を有している。この
点から、こうした作用をより確実に発揮させるには、上
記式によって求められるR値を7.5%以上に制御す
ることが極めて重要となる。なお、上記の式からも明
らかなように、R値には表面硬化層中の[Cs]、[N
s]、珪素、マンガン及びモリブデンの各含有量が相互
に影響を及ぼすが、中でも珪素含有量が与える影響が最
も大きく、本発明の推奨する歯車(歯車材料組成)の大
きな特徴といえる。
【0030】また、本発明の歯車では、上記被膜を形成
した後の歯車噛み合い面の表面において、存在する粒状
鉄基物質を面積率で20%以下に制御することが好まし
い。ここで、「面積率」とは、平均面積率であり、歯車
全表面に対して粒状鉄基物質の占める面積の割合を示
す。かかる範囲とすることで、歯車噛み合い面の剥離強
度と、歯元部の曲げ疲労/衝撃強度(割れ)を容易に両
立することができる。
【0031】次に、本発明の高強度歯車の製造方法につ
いて詳細に説明する。上述の如く、本発明の製造方法で
は、上述した母材を所望の歯車形状に形成し、次いで、
浸炭又は浸炭窒化処理を施し、更に少なくともその噛み
合い面に蒸着処理を行って、鉄の窒化物又は鉄の炭窒化
物を含有する被膜を付与し、高強度歯車を得る。
【0032】ここで、上記被膜は蒸着処理により形成さ
れるが、かかる蒸着処理法としては、窒素及び/又はメ
タン存在下における物理蒸着法を挙げることができ、特
に成膜速度、反応性、密着性及び操作性の観点から、ア
ークイオンプレーティング法(以下、「AIP法」と略
す)に代表されるイオンプレーティング法を好適に適用
することができる。不活性ないし還元性雰囲気で行うこ
とで適切な被膜形成が行われるため、かかるAIP法な
どは、窒素及び/又はメタン存在下で行うことが望まし
い。また、本発明の歯車は、被膜の靱性及び密着性に優
れるため、AIP法の処理温度としては比較的低温の3
00℃以下で、バイアス電圧を50V以下としても実用
上十分な靱性及び密着性が得られるので、成膜時の母材
の軟化を抑制すべく、AIP法の処理温度を300℃以
下、バイアス電圧を50V以下とすることが好ましい。
【0033】なお、AIP法による成膜においては、通
常ドロップレットと称される粒状鉄基物質がターゲット
となる部品表面(本発明では歯車表面、特に噛み合い面
表面)に形成される。一般に、ドロップレットが多量に
存在したまま部品を使用すると、使用開始後、早期にド
ロップレットが脱落して形成された孔が欠陥となり、部
品の耐久寿命が著しく低下するため、使用前に仕上加工
などにより全て除去される。しかし、本発明において
は、歯車の噛み合い面の粗さ(Ra)を0.25μm以
下とすることにより、噛み合い面にドロップレットが少
量残存していても耐ピッティング性は低下せず、むしろ
耐ピッティング寿命を向上させることができる。
【0034】上述の現象は、ドロップレットが相手面を
研磨するため、本発明の歯車の使用開始後、早期に表面
粗さが滑らかになる「なじみ効果」を発揮し、歯車対の
噛み合い面での発熱が抑えられることに起因する。本発
明では、必要以上の仕上加工(付加加工)によるコスト
増を抑えるため、噛み合い面の粗さについては、Ra
0.25μm以下を好ましい範囲とした。なお、ここで
の表面粗さRaはJIS B0601に準拠するもので
ある。
【0035】また、成膜前における母材の噛み合い面の
表面粗さが小さいほど、上記なじみ後における本発明の
歯車及び相手歯車の噛み合い面が滑らかになることか
ら、母材歯車(原料鉄基合金に浸炭又は浸炭窒化処理を
施した歯車)の噛み合い面の表面粗さをRa0.25μ
m以下とした後に、上記AIP方などによる被覆形成処
理を行うことが好ましい。また同様に、上記被膜形成後
に、歯車噛み合い面の表面粗さRaを0.25μm以下
とすることが更に好ましい。
【0036】
【実施例】以下、本発明を実施例及び比較例により更に
詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定される
ものではない。
【0037】実施例及び比較例の母材には、本発明に係
る母材の代表的鋼材組成を充足する鋼材及び比較鋼種と
して、表1に示す鋼種a〜rを使用した。鋼種a〜rに
焼きならしを行った後、これを図1に示すピッティング
試験片形状に加工し、図2(A)及び(B)に示す浸炭
処理又は浸炭窒化処理を行った。なお、浸炭窒化処理後
の[Cs]及び[Ns]は、表面から0.05〜0.1
5mmまでの深さから採取した切粉の分析結果の平均値
として求めた。
【0038】これらの材料の被削性を示す尺度として、
焼きならし後の硬さを、また成膜時の母材の軟化抵抗性
を示す尺度として、300℃の雰囲気中で3時間保持し
た後の硬さを、いずれも最表面から0.1mmの位置に
おけるマイクロビッカース硬度にて調べた。ローラーピ
ッティング試験には、母材として上記鋼材のうち本発明
の成分範囲を充たす鋼種aを用い、図2(B)に示す浸
炭窒化処理後に試験片のφ26部仕上加工を行い、以下
の条件にて、本発明の被膜材料としてJIS分類SUS
304材の窒化物、及び比較例としてTiN、CrNを
用いて被膜を形成させた。その後、バレル研磨により表
面粗さを調整した。次いで、ローラーピッティング試験
前後にて試験片の接触部における表面粗さRaを調べ
た。また、試験後に試験片を切断し、被膜下0.1mm
での母材硬さをマイクロビッカース硬度にて調べた。
【0039】 ・アークイオンプレーティング成膜条件 (I)本発明に基づく実施例の成膜条件 ガス導入前真空度 :1.33×10−1〜6.66×10−3Pa (1×10−3〜5×10−5Torr) スパッタクリーニング:アルゴン(Ar)、−600〜−700V、 4min(間欠) ガス導入後圧力 :窒素(N)1.33〜5.32Pa (10〜40mTorr) 成膜時カソード電流 :60〜100A 成膜時バイアス電圧 :30V 成膜前温度 :100〜150℃ 成膜パターン :10分成膜後、50分休止のサイクル
【0040】 (II)比較例の成膜条件 ガス導入前真空度 :1.33×10−1〜6.66×10−3Pa (1×10−3〜5×10−5Torr) スパッタクリーニング:アルゴン(Ar)、−600〜−700V、 4min(間欠) ガス導入後圧力 :窒素(N)1.33〜5.32Pa (10〜40mTorr) 成膜時カソード電流 :100〜150A 成膜時バイアス電圧 :70V 成膜前温度 :250〜300℃ 成膜パターン :10分成膜後、50分休止のサイクル
【0041】 ・ローラーピッティング試験条件 面圧 :3GPa 回転数 :1500rpm 滑り率 :60% 油温 :90℃ オイル :日産純正ベルトフルードNS−1 供給油量 :2L/min 相手ローラー :JIS SCM435浸炭品
【0042】表1に、鋼種a〜rの焼きならし後硬さを
併せて示す。実施例の鋼a〜lには硬さに大差を認めら
れないが、珪素やマンガン、モリブデンの含有量が多い
鋼種j、m及びpでは[珪素+マンガン+モリブデン]
が高く、焼きならし後の硬さが高い。同じくクロムの多
い鋼種nも硬度が高い。
【0043】
【表1】
【0044】表2に、浸炭窒化後の[Cs]、[N
s]、R値及び300℃にて3時間保持後の硬さを示
す。珪素含有量の多い鋼種jのNo.10と28や、ク
ロム含有量の多い鋼種No.14と32では、浸炭窒化
性が阻害されて[Cs]及び[Ns]が本発明の条件を
充たさなくなっている。また、本発明の条件を充たすN
o.19〜27は準高温保持後の硬さがいずれもHv7
60以上であるのに比べて、成分が不適切であるNo.
10〜18及びNo.28〜36、あるいは[Ns]が
低くR値が本発明の条件を充たさないNo.1〜9はい
ずれも硬さがHv750に満たない。
【0045】
【表2】
【0046】表3に、ローラーピッティング試験片の試
験前後の粗さ及び試験後の母材硬度、剥離寿命を調べた
結果を示す。実施例であるNo.37,38では剥離が
生じなかったのに比べて、被膜の成分が異なるNo.4
3〜46では膜の靱性又は密着性の不足により被膜が早
期に失われ、剥離が生じてしまった。また、本発明の条
件を充たすNo.38には、ドロップレットが少量残存
しても剥離が生じなかったのに比べて、ドロップレット
が多量に残存し表面粗さが悪いNo.39では早期に剥
離が生じてしまった。更に、本発明の条件を充たす条件
Iにて成膜を行ったNo.37,38では試験後の母材
硬さがHv770以上であるのに比べて、高温で成膜し
たNo.40〜42,44,46では母材硬度が低下
し、Hv730以下となっている。
【0047】
【表3】
【0048】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、鉄基合金系の歯車の噛み合い面に、所定の被膜を被
覆することとしたため、高い強度を有し、特に、歯車噛
み合い面の耐ピッティング性、耐スポーリング性及び耐
摩耗特性が大幅に改善されており、長期に亘って適切な
強度を維持でき、しかも低コストで容易に得られる、高
強度歯車及びその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】耐ピッティング性を評価するのに用いたローラ
ーピッティング試験片の形状を示す図である。
【図2】実施例に用いた母材の熱処理パターンを示す図
である。
───────────────────────────────────────────────────── 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 14/06 14/06 A 14/32 14/32 F F16H 55/17 F16H 55/17 Z (72)発明者 尾谷 敬造 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 加藤 淳 兵庫県神戸市西区高塚台1丁目5番5号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 佐藤 俊樹 兵庫県神戸市西区高塚台1丁目5番5号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 安部 聡 兵庫県神戸市灘区灘浜東町2番地 株式会 社神戸製鋼所神戸製鉄所内 (72)発明者 池田 正一 兵庫県神戸市灘区灘浜東町2番地 株式会 社神戸製鋼所神戸製鉄所内 Fターム(参考) 3J030 AC10 BC02 BC03 4K028 AA03 AB01 AC03 4K029 AA02 BA58 BC02 BD04 CA04 DD06 EA08 FA01 FA04 4K042 AA18 BA02 BA03 CA01 CA06 CA08 DA06

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 鉄基合金の母材に浸炭又は浸炭窒化処理
    を行って成る歯車において、更に、その噛み合い面に、
    鉄の窒化物及び/又は鉄の炭窒化物を含有する被膜を付
    与して成ることを特徴とする高強度歯車。
  2. 【請求項2】 上記母材は、0.15〜0.25%の炭
    素、0.4〜0.9%の珪素、0.05〜0.7%のマ
    ンガン、1.25〜2.5%のクロム、0.35〜1%
    のモリブデン、0.02〜0.06%のアルミニウム、
    0.007〜0.015%の窒素を含み、残部が実質的
    に鉄から成る鋼材であること特徴とする請求項1記載の
    高強度歯車。
  3. 【請求項3】 珪素とマンガンとモリブデンの合計含有
    量が、1〜2.2%であることを特徴とする請求項2記
    載の高強度歯車。
  4. 【請求項4】 上記浸炭又は浸炭窒化処理後の、表面か
    ら0.1mmの深さまでの範囲における炭素量[Cs]
    が0.7%以上、窒素量[Ns]が0.6〜2%であ
    り、且つ次式 R=1.11×[Cs]+1.25×[Ns]+1.89×(全体での珪素含 有量)+1.22×(全体でのマンガン含有量)+0.67×(全体での モリブデン含有量)+3.94… で表されるR値が7.5%以上であることを特徴とする
    請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の高強度歯車。
  5. 【請求項5】 上記被膜表面における粒状鉄基物質が、
    面積率で20%以下に制御されていることを特徴とする
    請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の高強度歯車。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5のいずれか1つの項に記載
    の高強度歯車を製造するに当たり、 上記母材で所定形状の歯車を形成した後、浸炭又は浸炭
    窒化処理を施し、次いで、少なくともその噛み合い面に
    蒸着処理を行って、上記被膜を付与することを特徴とす
    る高強度歯車の製造方法。
  7. 【請求項7】 上記蒸着処理を、窒素及び/又はメタン
    の存在下、バイアス電圧50V以下、且つ成膜時の処理
    温度300℃以下の条件によるイオンプレーティング法
    で行うことを特徴とする請求項6記載の高強度歯車の製
    造方法。
  8. 【請求項8】 上記浸炭又は浸炭窒化処理後の歯車につ
    き、その噛み合い面の表面粗さ(Ra)を0.25μm
    以下とする表面処理を施し、しかる後、上記蒸着処理に
    よる被膜形成を行うことを特徴とする請求項6又は7記
    載の高強度歯車の製造方法。
  9. 【請求項9】 上記噛み合い面の被膜につき、その表面
    粗さ(Ra)を0.25μm以下とする表面処理を施す
    ことを特徴とする請求項6〜8のいずれか1つの項に記
    載の高強度歯車の製造方法。
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