JP2006037979A - 歯車及び歯車の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
より安価により簡便に寸法精度を確保することができる歯車と、そのような歯車を製造する製造方法とを提供する。
【解決手段】
鋼材を歯車１０の形状に加工して、該歯車１０の歯面１４を含む表面に浸炭浸窒焼き入れ処理を施す。該浸炭浸窒焼き入れ処理において、雰囲気中の炭素ポテンシャルと窒素ポテンシャルとを、焼き入れの後の歯車１０の歯面１４近傍における残留オーステナイトの割合が４０〜８０となるように調整する。表面部１６が軟化されるので、該歯車１０の使用中に歯当たりが改善されるため、寸法精度の向上のための加工が不要となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は鋼製歯車とその製造方法に関するものである。

従来、自動車のトランスミッションギヤ等に使用される鋼製歯車は、例えば特許文献１に記載されているように、その歯面に浸炭浸窒焼き入れ処理を行って、歯車を構成する鋼中に窒素を侵入させるようにしている。これは、歯車を使用すると歯面の温度が上昇して、歯車の歯面近傍が軟化してピッチングや焼き付きが生じやすいため、歯面近傍に窒素を侵入させて、歯面近傍の軟化抵抗を上昇させるためである。このような浸炭浸窒焼き入れ処理により耐ピッチング性や耐焼き付き性を向上させることができる。このように、浸炭浸窒焼き入れ処理により耐ピッチング性の向上を図るようにすると、歯車を焼き入れたときに該歯車の形状が変形したり歪んだりする。そのため、この状態のまま歯車として使用すると、歯車対の歯当たり不良が生じ、ノイズが発生したり、歯車の片当たり等が発生したりすることがある。歯車の片当たりが生じると、その部分において応力が集中しやすくなるため、歯車の歯面が剥離したり歯車の歯自体が破壊されたりする。そのため、通常は浸炭浸窒焼き入れ処理の後に、歯車を研削加工等することにより、歯車の精度修正を行うようにしている。
特許０３３８７４２７号公報

しかしながら、浸炭浸窒焼き入れ処理を行って、歯車の歯面近傍の強度を向上させてしまうと、歯車の寸法精度を向上させるための研削加工が困難となり、加工するためには高価な器具が必要となる。あるいは、浸炭浸窒焼き入れ処理において、研削加工において研削する研削代を考慮して、予め深めに炭素や窒素を侵入させておく必要があり、工程時間や材料の無駄があった。

本発明の課題は、より安価により簡便に寸法精度を確保することができる歯車と、そのような歯車を製造する製造方法とを提供することを課題とする。

上記課題を解決するための、本発明の第１の歯車は、歯面が浸炭浸窒焼き入れ処理された鋼製の歯車であって、前記歯面の最表面にＸ線を照射してＸ線回折測定をしたときの測定結果において、残留オーステナイト量が４０〜８０体積％であることを特徴とする。

さらに、上記課題を解決するための、本発明の第２の歯車は、歯面が浸炭浸窒焼き入れ処理された鋼製の歯車であって、前記歯面から深さ１０μｍまでの領域における残留オーステナイト量が４０〜８０体積％であることを特徴とする。

さらに、本発明の第１及び第２の歯車においては、歯面から深さ方向に沿うビッカース硬さの分布を示すビッカース硬さプロファイルにおいて、歯面の最表面におけるビッカース硬さがＨｖ４５０〜６５０とされており、歯面から深さ０．１５〜０．２５ｍｍの領域に最大値を有するとともに、さらに歯車の内部に向かうほど該最大値からビッカース硬さが減少するようになっているのがよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の歯車の製造方法は、歯車となる鋼材を加工して所定形状の歯車を得る歯車加工工程と、該歯車加工工程の後に、前記歯車を炭化系ガス及びアンモニアガスを含有する雰囲気でオーステナイト域まで昇温させたのち焼き入れする浸炭浸窒焼き入れステップを少なくとも含む熱処理工程とを有し、前記浸炭浸窒焼き入れステップは、前記歯車の歯面を含む最表面における残留オーステナイト量が４０％〜８０体積％とするものであることを特徴とする。

さらに、本発明の歯車の製造方法においては、前記熱処理工程は、炭化系ガスを含有する雰囲気中あるいは炭化系ガス及びアンモニアガスを含有する雰囲気中において前記歯車をオーステナイト域まで昇温させた後にマルテンサイト域になるように急冷して、前記歯車を焼き入れする第一焼き入れステップと、前記浸炭浸窒焼き入れステップとを有するものであるのがよい。

さらに、本発明の製造方法は、前記歯車と対となって摺動する成形用歯車を用意しておく工程と、前記熱処理工程ののち、前記歯車と前記成形用歯車とをかみ合わせて摺動させる工程とをさらに有し、前記成形用歯車の歯面により前記歯車の歯面を変形させることにより、歯車の寸法精度を向上させるようにするのがよい。

以下、本明細書において、歯面から、該歯面の最表面にＸ線を照射したときに該Ｘ線が浸透する深さまでの領域を「歯面近傍」というものとする。ここで、鋼に対するＸ線の浸透深さ（照射Ｘ線の強度が減衰して５％となる深さ）は約１０μｍとされるので、本明細書では、「歯面近傍」を歯面から深さ１０μｍまでの領域と定義する。

一方、浸炭浸窒焼き入れ処理により、歯面から炭素及び窒素が拡散する深さまでの領域を、本明細書において歯車の「表面部」というものとする。具体的には、浸炭浸窒焼き入れ処理の処理時間によるが、歯面から深さ０．１５〜０．２５ｍｍまでの領域を表面部とすることができる。

従来の浸炭浸窒焼き入れ処理を歯車の歯面に施す場合、基本的に歯面の強度を向上させることを目的として行われていたので、表面部における残留オーステナイト量は抑制されるのが通常であった。具体的には、歯面近傍における残留オーステナイト量は、２０体積％前後に抑制されるのが通常であった。これは、残留オーステナイト量が多くなると硬度が低下することは周知の事実であるため、歯車の歯面近傍における残留オーステナイト量を２０体積％前後よりも多くすると、歯車の表面部における残留オーステナイト量も多くなることにより表面部の硬度が低下して、曲げ疲労強度、引張り強度、耐ピッチング強度が劣ると考えられていたためである。

しかし、本発明者らの鋭意検討の結果、歯車の表面部における残留オーステナイト量が比較的多くても、歯車の耐ピッチング性が劣化しないことがわかった。つまり、本発明の歯車のように、浸炭浸窒焼き入れ処理された鋼製の歯車にあっては、その表面部の残留オーステナイト量を従来よりも大きくしても、耐ピッチング性が劣化しないことがわかった。これは、浸炭浸窒焼き入れ処理により、歯面を含む表面部に侵入した炭素及び窒素により、鋼の結晶粒界あるいは粒内に炭窒化物が形成される結果、表面部の強度が十分に維持されるためであると推察される。具体的には、歯面の最表面にＸ線を照射してＸ線回折測定をしたときの測定結果において、残留オーステナイト量が４０〜８０体積％であってもよいことがわかった。また、鋼に対するＸ線の浸透深さが約１０μｍであることから、歯面から深さ１０μｍまでの領域における残留オーステナイト量が４０〜８０体積％であってもよいことがわかった。歯面近傍における残留オーステナイト量がこの程度まで多ければ、浸炭浸窒焼き入れ処理がされた表面部における残留オーステナイト量も比較的多くなっていると考えられる。

このように、歯面近傍における残留オーステナイト量を４０〜８０体積％として、表面部における残留オーステナイト量を多くすることにより、焼き入れ後に寸法精度を向上させるための加工が容易となったり、不要となったりする。ここで、寸法精度を向上させるための加工が容易となるとは、歯面近傍の残留オーステナイト量が４０〜８０体積％であると、表面部の硬度は比較的低くなるので、高価な器具等を使用しなくても表面部を加工することができるということである。一方、寸法精度を向上させるための加工が不要であるとは、浸炭浸窒焼き入れ処理後の歯車をそのまま歯車対として使用することにより、歯車同士の歯当たりを良好にすることができるということである。つまり、浸炭浸窒焼き入れ処理後の歯車に対して、他の歯車を噛み合わせて、該歯車対を摺動させることにより、該歯車対の摺動初期において、歯面を含む表面部が変形、もしくは磨耗することにより、歯車の歯当たりが改善されるため、寸法精度を向上させるための加工が不要になるということである。

上記のように、浸炭浸窒焼き入れ処理後の歯車をそのまま使用する場合、歯車の歯当たりが歯車対の摺動初期によって改善されるため、寸法精度を向上させるための加工を特別に行わなくても、歯車におけるノイズ低減や歯車の片当たりによる応力集中が原因の歯の破壊も抑制することができる。

さらに、表面部における残留オーステナイト量を多くしても、歯車を使用する段階で歯面に応力がかかる結果、残留オーステナイトの加工誘起変態により、該残留オーステナイトがマルテンサイトに変態することで、表面部の硬度が歯車の使用とともに向上するという効果も推察される。これにより、歯車の使用とともに歯車の歯当たりが改善されるとともに、歯当たりが改善された後の強度も十分に維持でき耐ピッチング性も確保できるものと考えられる。

ここで、歯面近傍における残留オーステナイト量が４０体積％未満であると、表面部が十分に軟化しない結果、研削加工が必要となったり、歯車を焼き入れ処理後に研削加工なしで使用しても、歯当たり改善の効果が発揮されず、ノイズや片当たりの原因となったりするため好ましくない。一方、歯面近傍における残留オーステナイト量が８０体積％を超えるようにしようとすると、表面部に多量の窒素を侵入させる必要があるが、侵入させる窒素の量を多くしすぎると、歯面にボイドと呼ばれる欠陥が生じ、歯面近傍及び表面部における強度が低下する。したがって、そのままの状態で歯車を使用すると、ピッチングや歯面の剥離等の原因となるため、改めて研削加工が必要であり、本発明の効果を得ることができない。

さらに、前述したように、本発明の歯車は、歯面から深さ方向に沿うビッカース硬さプロファイルにおいて、歯面の最表面におけるビッカース硬さがＨｖ４５０〜６５０とされており、歯面から深さ０．１５〜０．２５ｍｍの領域にビッカース硬さの最大値が存在し、さらに、歯車の内部に向かうほど、該最大値からビッカース硬さが減少するようになっている。これは、浸炭浸窒焼き入れ処理された歯車において、表面部が軟化されていることを意味している。歯面の最表面におけるビッカース硬さがＨｖ４５０〜６５０であるとは、歯面近傍における残留オーステナイト量が４０〜８０体積％であることに相当する。歯面の最表面のビッカース硬さをＨｖ４５０よりも低くするためには、残留オーステナイト量を多くする必要があり、オーステナイト安定化元素である窒素を多量に歯面近傍の表面部に侵入させる必要があるが、窒素の侵入量が多くなりすぎると、前述したように歯面においてボイドが発生し好ましくない。一方、ビッカース硬さがＨｖ６５０を超えると、浸炭浸窒焼き入れ処理後に、歯車をそのまま使用しても、歯当たり改善の効果が得られず、研削加工等が必要となるため、本発明の効果を得ることができない。

また、ビッカース硬さプロファイルにおいて、ビッカース硬さの最大値が、歯面から深さ０．１５〜０．２５ｍｍの領域に存在しないと、歯車の歯面を含む表面部が十分に浸炭浸窒焼き入れ処理されていないこととなり、歯面を含む表面部における強度を十分に維持することができない。

次に、本発明の歯車の製造方法においては、熱処理工程において、浸炭浸窒焼き入れステップを採用し、該浸炭浸窒焼き入れステップを行う雰囲気を鋼中に窒素が入りやすい雰囲気中で行うことにより、オーステナイト安定化元素である窒素を歯車の表面部に積極的に侵入させて、表面部における残留オーステナイトの割合を高めるとともに、表面部の結晶粒界や粒内に多量の炭窒化物を形成することができる。このように、浸炭浸窒焼き入れ処理により表面部に炭窒化物を形成しつつ、表面部における残留オーステナイトの割合を高めることで、歯車の歯面における耐ピッチング性や耐磨耗性を十分に維持しながらも、表面部の硬度を低下させることが可能となった。すなわち、耐ピッチング性が良好で、寸法精度を向上させるための加工が容易、あるいは不要な歯車を製造することができる。

さらに、熱処理工程において、前記浸炭浸窒焼き入れ処理の前に、炭化系ガスを含有する雰囲気中あるいは炭化系ガス及びアンモニアガスを含有する雰囲気中において前記歯車をオーステナイト域まで昇温させた後にマルテンサイト域になるように急冷して、前記歯車を焼き入れする第１焼き入れステップを行うことにより、結晶粒界あるいは粒内に、より一層微細な炭窒化物を多量に形成することができ、表面部における強度の向上に一層寄与する。つまり、第１焼き入れステップにより、表面部においてマルテンサイト中に高密度な転位や炭窒化物が形成されるが、浸炭浸窒焼き入れステップでの再加熱の際に、これら高密度な転位や炭窒化物が核となってオーステナイト結晶粒が多数形成される。そのため、炭化系ガス及びアンモニアを含む雰囲気中から侵入した炭素と窒素により、結晶粒界あるいは粒内に微細な炭窒化物が多数形成されることになる。

さらに、第１焼き入れステップにおいて、雰囲気は炭化系ガスとアンモニアを含有する雰囲気とすることにより、表面部の強度をより一層向上させることができる。つまり、炭化系ガスのみを含有する雰囲気で浸炭するよりも、第１焼き入れステップにおいて形成される炭窒化物の量が多くなる結果、浸炭浸窒焼き入れステップ後に形成される炭窒化物の量もより微細となり、より多数形成されるためである。

また、本発明の歯車の製造方法において、前記歯車と対となって摺動する成形用歯車を用意しておく工程と、前記熱処理工程ののち、前記歯車と前記成形用歯車とをかみ合わせて摺動させる工程とをさらに有するようにすれば、切削加工等をしなくてもより容易に歯車の寸法精度を向上させることができる。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の歯車及び歯車の製造方法の実施形態について説明する。図１は、本実施形態の歯車を説明するための模式図である。歯車１０は、複数の歯１２を有し、歯面１４を含む表面部１６を有するものである。ここで表面部１６とは、浸炭浸窒焼き入れ処理により、炭素及び窒素が侵入した領域であり、例えば、歯車１０の歯面１４から深さ０．２ｍｍまでの領域とすることができる。。歯面１２から表面部１６よりも深い領域は中心部１８とする。

ここで、本実施形態の歯車１０の材質とは合金鋼を採用することができる。特に、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等を含有する合金鋼を採用することができる。本実施形態の歯車１０においては、中心部１８における構成元素の含有量が例えば以下のようにされている。つまり、クロム（Ｃｒ）の含有量が０．７〜１．１質量％とされており、モリブデン（Ｍｏ）の含有量が０．３〜０．５５質量％とされており、炭素（Ｃ）の含有量が０．１７〜０．２３質量％とされており、残部が鉄（Ｆｅ）とされている。さらに、その他の添加添加元素として、ニッケル（Ｎｉ）を含有するようにしてもよい。Ｎｉを添加する場合、ニッケル（Ｎｉ）の含有量は０．８〜０．１１質量％とされる。さらに、その他の添加元素としてＭｎ、Ｎｂ等を添加することもできる。

ここで、炭素の含有量が０．１７質量％未満であると、鋼の焼き入れ性が劣るとともに、焼き入れ後の硬度が不十分となるため好ましくない。一方、炭素の含有量が０．２３質量％を超えると、焼入れ後の内部硬度が高くなりすぎ、強度の低下を招くおそれがある。

本実施形態の歯車１０は、その歯面１４を含む表面部１６が浸炭浸窒焼き入れ処理されているものである。表面部１６は浸炭浸窒焼き入れ処理されて、マルテンサイトが生成しているが、表面部１６のすべての領域がマルテンサイト変態しているものではない。特に、本実施形態の歯車１０においては、歯車１０の歯面１４近傍において、残留オーステナイトの割合が４０〜８０体積％とされている。

歯車１０の歯面１４近傍における残留オーステナイトの割合は、歯面１４にＸ線を照射してＸ線回折測定を行うことにより知ることができる。具体的には、歯面１４にＸ線を照射して得られるＸ線回折パターンのうちマルテンサイトに係るピークの積分強度と、オーステナイトに係るピークの積分強度との比を求めることにより得ることができる。

また、表面部１６には、炭窒化物が多数形成されている。この炭窒化物により歯車の表面部１６における強度が十分に維持されている。具体的には、炭窒化物は表面部１６における断面観察画像において、直径２０μｍの円内における個数（以下、その単位を個／φ２０μｍとする）が、５〜６０個／φ２０μｍとされているのがよい。炭窒化物の個数が５個／φ２０μｍ未満であると、表面部１６における炭窒化物析出強化の効果が不十分となるおそれがある。一方、炭窒化物の個数が６０個／φ２０μｍを超えると、固溶しているＣｒ量が減少し、表面近傍にて、不完全焼入れ層が形成されるという不具合がある。

このような、歯車１０において、歯面１４から深さ方向に沿うビッカース硬さの分布を示すビッカース硬さプロファイルは、図２のようになる。図２を見てわかるように、ビッカース硬さプロファイルは、歯車１０の歯面１４の最表面側から深くなるほどビッカース硬さが上昇し、歯面１４の最表面から深さ０．１５〜０．２５ｍｍの領域においてビッカース硬さが最大値となり、さらに歯車１０の内部に向かうほど、ビッカース硬さがしだいに減少するようになっている。特に、本実施形態に係る歯車１０においては、歯面１４の最表面におけるビッカース硬さはＨｖ４５０〜６５０とされている。また、歯面１４の最表面から深さ０．１５〜０．２５ｍｍの領域にあるビッカース硬さの最大値は、Ｈｖ７２０〜８５０とされている。このように、歯面１４の最表面におけるビッカース硬さが比較的低くなっているので、歯車１０の寸法精度をさらに向上させる加工が容易又は不要となる。さらに、このような歯車１０を使用すると、歯車対の摺動初期において歯面１４を含む表面１６の一部が変形あるいは磨耗することにより、歯車対の歯当たりが改善される効果がある。歯当たりが改善されると、ノイズの低減や片当たりによる歯１２の破壊等を抑制することができる。

次に、本実施形態の歯車の製造方法について説明する。本実施形態の歯車の製造方法は、大別すると、歯車１０となる鋼材を加工して所定形状の歯車１０を得る歯車加工工程と、該歯車１０に対して浸炭浸窒焼き入れ処理を行う熱処理工程とを有するものである。さらに、熱処理工程ののち、浸炭浸窒焼き入れ処理後の歯車１０の寸法精度を向上させる工程を行ってもよい。

歯車加工工程においては、例えば、通常の鍛造加工や打ち抜き加工や切削加工等により、鋼材を歯車の形状に加工する。歯車加工工程に供給される鋼材は、図１の歯車１０の材質と同様のものである。特に、焼きなましされたフェライト状態のものを好適に使用することができる。打ち抜きや切削等の粗加工が比較的容易に行われるためのである。

歯車加工工程において得られる加工後の歯車（以下、加工後歯車とする）は、最終製品形状と略同等の寸法に加工されるが、後述する熱処理工程により、歯車の寸法が変化するので、この寸法の変化を見越して加工するのがよい。特に、熱処理工程後の歯車の形状が最終製品形状となるように、鋼材を加工するのが望ましい。

上記のように歯車加工工程により得られる加工後歯車は、ついで熱処理工程において熱処理される。図３は、本実施形態の歯車の製造方法において、熱処理工程のヒートパターンを示すものである。まず、図３に示すように、本実施形態にかかる熱処理工程は、大別してＴ１〜Ｔ４の４つのステップから構成されている。特に、本実施形態の熱処理工程は、第１焼き入れステップと、浸炭浸窒焼き入れステップとを有するものである。処理Ｔ１では、炭化系ガスを含む雰囲気中あるいは炭化系ガス及びアンモニアを含む雰囲気中に加工後歯車を保持し、該加工後歯車の温度を９００〜９５０℃まで昇温させて該加工後歯車に対して浸炭あるいは浸炭浸窒を行い、加工後歯車の歯面を含む表面に炭素（及び窒素）を拡散させる。ここで、炭化系ガスを含む雰囲気あるいは炭化系ガス及びアンモニアを含む雰囲気は、該雰囲気中の炭素の割合である炭素ポテンシャル（ＣＰ）が０．７５〜１質量％とされ、雰囲気中の窒素の割合である窒素ポテンシャル（ＮＰ）が０〜０．７質量％とされる雰囲気である。また、加工後歯車が保持される温度は、加工後歯車を構成する鋼材がオーステナイトとなる温度である。

熱処理工程前において、加工後歯車に含まれる全体の炭素量は、例えば０．１７〜０．２３質量％とされ、窒素量は、例えば０〜０．０５質量％とされているが、この処理Ｔ１により、加工後歯車の表面から０．２ｍｍまでの深さの炭素量は、例えば０．７５〜１質量％とされ、窒素量は０〜０．７質量％とされる。この処理Ｔ１は上記温度により数時間行われる。この時間保持されることにより、所定量の炭素が加工後歯車の表面部に浸炭させられるとともに、加工後歯車の構成する鋼材がオーステナイトに変態する。

次に、処理Ｔ２において、上記雰囲気中で加工後歯車の温度を８２０〜８７０℃に降温させて浸炭を行う。この処理Ｔ２は約２０〜６０分行われる。これは、焼き入れ後の歪みを小さくするためである。

そして、上記のような処理Ｔ２ののち、加工後歯車を約１２０〜１４０℃の油中に浸し、加工後歯車を急冷する。この急冷により加工後歯車の焼き入れ処理がなされるこれら処理Ｔ１と処理Ｔ２と焼き入れ処理とが、本発明にかかる第１焼入れ処理とされる。

本実施形態の歯車の製造方法においては、上記のように焼き入れされた状態の加工後歯車に対して、更に、浸炭浸窒処理を行ったのちに焼き入れする浸炭浸窒焼き入れステップを行う。具体的には、図３の処理Ｔ３に示すように、炭化系ガス及びアンモニアを含む雰囲気中に、前述の第１焼き入れ処理後の加工後歯車を保持し、この加工後歯車の温度を８００〜８５０℃に昇温する。そして、加工後歯車の温度をそのような温度に昇温させた状態で、２０〜６０分保持する。これにより、第１焼き入れステップ後の加工後歯車に対して、浸炭浸窒処理を行うことができる。ここで、炭化系ガス及びアンモニアを含む雰囲気とは、該雰囲気中に含まれる炭素の割合である炭素ポテンシャル（ＣＰ）が０．７５〜１質量％であり、雰囲気中に含まれる窒素の割合である窒素ポテンシャル（ＮＰ）が０．５〜０．７質量％である雰囲気とされている。

なお、浸炭浸窒処理が行われる温度は、加工後歯車を構成する鋼材がオーステナイトとなる温度である。また該鋼材の焼き入れ性と加工後歯車の内部の硬度が十分に確保できるように設定される。

上記のような処理Ｔ３の浸炭浸窒処理の後に、浸炭浸窒処理がなされた加工後歯車を、温度が１２０〜１４０℃の油中に浸して、加工後歯車を急冷させる。これにより加工後歯車の焼き入れが行われる。この処理Ｔ３とそれに続く焼入れ処理が浸炭浸窒焼き入れステップとされる。

この浸炭浸窒焼き入れステップ後の加工後歯車においては、加工後歯車の表面近傍における炭素の含有量は、０．７５〜１質量％とされ、窒素の含有量は、０．５〜０．７質量％とされ、内部に行くに従い、炭素量及び窒素量は減少していく。

上記のような処理Ｔ３の後、処理Ｔ４の焼き戻し処理が行われる。焼き戻し処理は、１２０〜２００℃の温度で数時間加工後歯車を保持することにより行われる。この焼き戻し処理後において、加工後歯車の歯面における残留オーステナイトの割合が４０〜８０体積％とされ、本発明にかかる歯車１０が製造される。

上記のような熱処理工程により作製された歯車１０に対して、以下のような寸法精度を向上させる工程を行ってもよい。本実施形態においては、寸法精度を向上させる工程は、以下のように行われる。つまり、歯車１０と対となって摺動する成形用歯車を用意しておき、歯車１０と該成形用歯車とをかみ合わせて摺動させて、成形用歯車の歯面により歯車１０の歯面を変形させることにより、歯車の寸法精度を向上させるようにする。上記熱処理工程により、歯車１０の歯面１４近傍における残留オーステナイト量が４０〜８０体積％とされているので、歯車１０と成形用歯車とを摺動させることにより、歯車１０の歯面１４を含む表面部１６のうち、成形用歯車との間で歯当たり不良となる部分が変形したり、あるいは磨耗したりすることにより、最終的に歯当たり不良が起こらないようになる。これにより歯車１０の寸法精度が向上し、ノイズの低減や片当たりによる歯１２の破壊等が抑制されることになる。

以下、本発明の効果を実証するため、以下のような実験を行った。まず、鋼材としてＮｉ含有量が０．９６質量％、Ｃｒ含有量が０．７３質量％、Ｍｏ含有量が０．４７質量％、Ｃ含有量が０．２２質量％、残部がＦｅである合金鋼を採用して、該鋼材からトランスミッションギヤの駆動ギヤ（歯車）を加工した。該駆動ギヤに対して前述した実施形態の熱処理方法に基づき、様々な条件で浸炭浸窒焼き入れを行った。なお、第１焼き入れステップにおいては、加工後歯車を保持する雰囲気の炭素ポテンシャルを０．８０質量％とた。一方、浸炭浸窒焼き入れステップにおいては、駆動ギヤを保持する雰囲気中の炭素ポテンシャルと窒素ポテンシャルとをさまざまに変化させて、浸炭浸窒焼き入れ処理を行い、表面部１６における残留オーステナイトの割合がそれぞれ異なる複数の駆動ギヤを作製した。浸炭浸窒焼き入れステップにおいて、駆動ギヤを保持する温度は８００〜８５０℃とし、保持時間は６０分とした。

以上のように作製されたサンギヤに対して、それらの歯面においてＸ線回折測定を行い、歯面近傍におけるオーステナイトの割合を測定した。より具体的には、Ｘ線回折測定は、微小部Ｘ線応力測定装置（ＰＳＰＣ―ＲＳＦ 株式会社リガク製）によって行った。さらに、駆動ギヤの歯面におけるビッカース硬さをマイクロビッカース硬さ試験機によって測定した。

また、浸炭浸窒焼き入れ処理後の駆動ギヤに対して、その歯面を目視により観察し、歯面にボイドが形成されているかどうかを評価した。ボイドの形成が認められたものは、以下の耐久試験は行わず不良とした。

さらに、これらの駆動ギヤに対して、該駆動ギヤと対となって使用される従動オンギヤを噛み合わせて両者の歯車を摺動させ、トルク：６００Ｎ・ｍで所定時間摺動させて歯車の耐久試験を行った。従動ギヤの材質は、駆動ギヤの材質と同一である。このような耐久試験の後、サンギヤの歯面におけるピッチングの発生の有無を目視により観察し耐ピッチング性について評価した。耐ピッチング性は、ピッチングが全く観察されなかったものを○、ピッチングが観察されたが強度的に問題とならないレベルのものを△、歯面の剥離や破壊が起こったものを×として評価した。なお、○あるいは△と評価されるものは製品として問題なく使用できるものである。さらに、駆動ギヤの歯面を目視により観察し、駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面との歯当たり痕の面積により、それぞれの歯車の歯面の片当たりが改善されたかどうかを評価した。より具体的には、駆動ギヤの歯面を観察して、歯面全体に金属光沢部分が形成されている場合、歯当たりが改善されたもの（改善有り）とし、歯面に浸炭浸窒焼き入れ処理後のそのままの表面部分が残っている場合には、歯面の歯当たりが改善されなかったもの（改善なし）として評価した。以上の結果を表１に示す。

表１にしめすように、炭素ポテンシャル（ＣＰ）が０．７５質量％以上であり、窒素ポテンシャル（ＮＰ）が０．５２質量％以上である雰囲気中で駆動ギヤをオーステナイト域まで加熱して、浸炭浸窒焼き入れを行うことで、駆動ギヤの歯面近傍におけるオーステナイトの割合を４０〜８０体積％とすることができる。図４、図５、図６は、それぞれサンプルＮＯ．１７、１２、３の歯面に直交する断面観察像である。いずれの観察画像も、縦幅が０．１８ｍｍ、横幅が０．２４ｍｍとされている。観察像中、白く映し出されている部分が残留オーステナイトであり、黒く映し出されている部分がマルテンサイトである。図６に示すサンプルに比べて、図４、図５に示すサンプルにおいては、歯面から所定深さ（例えば０．１〜０．２ｍｍ）までの領域におけるオーステナイトの割合は、それよりも内部におけるオーステナイトの割合に比べて非常に多くなっており、表面部にオーステナイトが重点的に生成していることがわかる。

また、表１の比較例のように、歯面近傍におけるオーステナイトの割合が４０体積％未満であると、表面におけるビッカース硬さがＨｖ６５０を超え、表面部の硬度が高くなり過ぎてしまい、駆動ギヤを従動ギヤにかみ合わせて摺動しても、歯当たりは改善されないことから、浸炭浸窒焼き入れ処理の後に研削加工等の歯車の寸法精度を向上させる工程が必要であるといえる。一方、歯面近傍におけるオーステナイトの割合が８０体積％を超える場合は、駆動ギヤの歯面にボイドが観察されることがわかる。これは、表面部にオーステナイト安定化元素である窒素を多量に侵入させた結果であると推察される。このようなボイドが形成されている歯車は、確実に耐久性に劣るので使用することはできない。あるいは、ボイドを除去する工程が必要となる。

一方、歯面近傍における残留オーステナイトの割合が４０〜８０体積％である本実施例のサンギヤは、耐ピッチング性も良好であるとともに、歯当たり改善も観察されていることがわかる。これは、表面部における残留オーステナイトが比較的多く、さらに、表面部に炭窒化物が多量に形成されているため、表面部の強度が十分に維持されているにもかかわらず、表面部が軟化していることが原因であると推察される。

以上の実施例からわかるように、本発明に係る歯車は耐ピッチング性に優れるともともに、焼き入れ処理後に寸法精度を向上させる加工が容易であったり、不要となったりする。そのため、より安価により簡便に、歯車の寸法精度を確保することができる。

本発明にかかる歯車の概要を示す断面図。 本発明にかかる歯車の製造方法における熱処理工程を説明する図。 本発明にかかる歯車の歯面から深さ方向に沿うビッカース硬さプロファイルを示す図。 実施例における歯車の歯面近傍の断面観察像。 図４とは異なる実施例における歯車の歯面近傍の断面観察像。 比較例における歯車の歯面近傍の断面観察像。

符号の説明

１０ 歯車
１２ 歯部
１４ 歯面
１６ 表面部
１８ 中心部

Claims (6)

1. 歯面が浸炭浸窒焼き入れ処理された鋼製の歯車であって、前記歯面の最表面にＸ線を照射してＸ線回折測定をしたときの測定結果において、残留オーステナイト量が４０〜８０体積％であることを特徴とする歯車。
2. 歯面が浸炭浸窒焼き入れ処理された鋼製の歯車であって、前記歯面から深さ１０μｍまでの領域における残留オーステナイト量が４０〜８０体積％であることを特徴とする歯車。
3. 歯面から深さ方向に沿うビッカース硬さの分布を示すビッカース硬さプロファイルにおいて、歯面の最表面におけるビッカース硬さがＨｖ４５０〜６５０とされており、歯面から深さ０．１５〜０．２５ｍｍの領域に最大値を有するとともに、さらに歯車の内部に向かうほど該最大値からビッカース硬さが減少するようになっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の歯車。
4. 歯車となる鋼材を加工して所定形状の歯車を得る歯車加工工程と、
   該歯車加工工程の後に、前記歯車を炭化系ガス及びアンモニアガスを含有する雰囲気でオーステナイト域まで昇温させたのち焼き入れする浸炭浸窒焼き入れステップを少なくとも含む熱処理工程とを有し、
   前記浸炭浸窒焼き入れステップは、前記歯車の歯面を含む最表面における残留オーステナイト量が４０％〜８０体積％とするものであることを特徴とする歯車の製造方法。
5. 前記熱処理工程は、炭化系ガスを含有する雰囲気中あるいは炭化系ガス及びアンモニアガスを含有する雰囲気中において前記歯車をオーステナイト域まで昇温させた後にマルテンサイト域になるように急冷して、前記歯車を焼き入れする第一焼き入れステップと、前記浸炭浸窒焼き入れステップとを有するものであることを特徴とする請求項４に記載の歯車の製造方法。
6. 前記歯車と対となって摺動する成形用歯車を用意しておく工程と、
   前記熱処理工程ののち、前記歯車と前記成形用歯車とをかみ合わせて摺動させる工程とをさらに有し、前記成形用歯車の歯面により前記歯車の歯面を変形させることにより、歯車の寸法精度を向上させることを特徴とする請求項４又は５に記載の歯車の製造方法。

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