JP2006131922A

JP2006131922A - 鋼製歯車の製造方法

Info

Publication number: JP2006131922A
Application number: JP2004319185A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Oda; 和幸織田; Yukio Arimi; 幸夫有見
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】窒化処理後の鋼製歯車において、化合物層を良好に除去することができる鋼製歯車の製造方法を提供する。
【解決手段】窒化元素を含有する鋼製歯車の製造方法において、該鋼製歯車に窒化処理を施すことにより、歯車の歯面の表面部に窒素の化合物層と、その下層に窒素の拡散層とを形成した後、歯車の歯面にショットピーニング処理を施すことにより、表面部に形成された窒素の化合物層を除去して、歯車の歯面に窒素の拡散層を露出させる。鋼製歯車にガス軟窒化処理を施して化合物層をポーラス状に形成させ、ショットピーニング処理は、硬さがビッカース硬さで化合物層より１００以上硬いショット粒子を用いることにより、化合物層を容易に除去することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、強度及び耐摩耗性に優れる鋼製歯車の製造方法に関する技術分野に属する。

従来、自動車用駆動系等に用いられる各種歯車は、走行に必要なトルクを歯面で伝達するから、駆動時の高圧接触に耐えうる高い強度や耐摩耗性が要求される。そこで、一般に、上記駆動系歯車の強化方法として、焼入れ処理や浸炭処理、窒化処理等の表面処理が行われている。焼入れ処理は、高温の鋼製歯車を急速に冷却することによって、鋼製歯車のオーステナイト相を硬いマルテンサイトに変態させる一方、浸炭処理は、鋼製歯車の表面に炭素Ｃを拡散浸入させて歯車表面の硬化を図り、窒化処理は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ等の鉄以外の各種元素を添加した鋼製歯車の表面に窒素Ｎを拡散浸入させ、これらの添加元素が窒化合物を形成して歯車表面の硬化を図るものである。さらに、鋼製歯車の表面にショット粒子を吹きつけて衝突させ、該表面に塑性変形を生じさせて歯元疲労強度向上をするショットピーニング処理がある。

例えば、特許文献１に開示された方法によると、鋼製歯車に浸炭窒化処理を行った後、焼入れ処理を行い、さらにショットピーニング処理を施すことにより残留オーステナイト相をマルテンサイトに変態させるようにしている。

特開平１０−１７６２１９号公報

ところで、上記特許文献１に開示された方法において行われる焼入れ処理は、鋼製歯車に熱処理歪を生じ、その結果歯車の噛合い誤差によるギヤノイズを発生させるという問題がある。一方、窒化処理を施した歯車は、熱処理歪は少ないが、浸炭ほどの強度を確保することができないので、自動車用駆動系用の歯車としては使用されず、専らエンジン用歯車等の低負荷環境で使用されているのが現状である。

また、図１に示すように、窒化処理により得られた鋼製歯車（鋼素材）の表面硬化層は、表面部に主にＦｅ−Ｎ化合物で形成された化合物層と、該化合物層の下層に窒素固溶、Ｆｅ−Ｎ化合物、及び窒化合物で形成された拡散層とを生成する。このような化合物層の発生は、材料や熱処理条件により拡散層の深さや硬さが向上するように設定しても回避することができない。

一方、上記化合物層は、硬くて脆いという性質を有しており、図６に示すように、自動車用駆動系に用いられる歯車においては、歯車の歯当りによる高面圧やすべりにより歯面の所々の化合物層が拡散層から剥離するという問題が発生する。その結果、歯車の理想的な歯型形状が変化して、つまり歯車の寸法精度が低下し、ギヤノイズの発生や相手側の歯車に対する衝撃が大きくなって摩耗進行を招く。

一方、窒化処理後の鋼製歯車に対して、化合物層を除去するための加工を行うことが考えられるが、化合物層は拡散層よりも硬い場合があり、化合物層を拡散層から良好に除去することは困難である。

そこで、本発明は、窒化処理後の鋼製歯車において、化合物層を良好に除去することができる鋼製歯車の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、窒化元素を含有する鋼製歯車の製造方法において、該鋼製歯車に窒化処理を施すことにより、歯車の歯面の表面部に窒素の化合物層と、その下層に窒素の拡散層とを形成した後、歯車の歯面にショットピーニング処理を施すことにより、表面部に形成された窒素の化合物層を除去して、歯車の歯面に窒素の拡散層を露出させることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、上記請求項１に記載の鋼製歯車の製造方法において、窒化処理は、ガス軟窒化処理であり、このガス軟窒化処理により化合物層をポーラス状に形成することを特徴とする。

さらに、請求項３に記載の発明は、上記請求項２に記載の鋼製歯車の製造方法において、化合物層をポーラス状に形成するガス軟窒化処理は、鋼製歯車にＲＸガス、ＮＨ_３ガス、及びエアを含む混合気を送りながら、所定の条件で加熱することを特徴とする。

そして、請求項４に記載の発明は、上記請求項１から請求項３のいずれかに記載の鋼製歯車の製造方法において、ショットピーニング処理は、硬さがビッカース硬さで化合物層より１００以上硬いショット粒子を用いることを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明によれば、窒化処理を施した鋼製歯車に対してショットピーニング処理を施すことにより、窒素の化合物層を良好に除去することができ、化合物層を除去した結果、鋼製歯車の歯面に窒素の拡散層が露出することになって、強度の高い鋼製歯車となる。このように、予め化合物層を除去しておくことによって、運転中に化合物層の剥離等が生じて歯形形状が変化することなく、ギヤノイズの発生や歯面の摩耗進行を防止することができる。さらに、化合物層除去後に露出した拡散層は、ショットピーニング処理の作用で歯元疲労強度を向上させることができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、鋼製歯車にガス軟窒化処理を施して、化合物層をポーラス状に形成させる。ポーラス状に形成した化合物層は、比較的強度が低いので、このポーラス状の化合物に対してショットピーニング処理を施すことによって、容易に化合物層を除去することができる。

さらに、請求項３に記載の発明によれば、ガス軟窒化処理を、鋼製歯車にＲＸガス、ＮＨ_３ガス、及びエアを含む混合気を送りながら、所定の条件で加熱することによって、上記混合気に含まれるエアが化合物層をポーラス状に形成することに寄与し、上記請求項２に記載の発明の作用効果が得られる。このように混合気にエアを含ませることによっては、拡散層の強度特性は変わらず、化合物層のみポーラス状にして軟化させる。

また、上記所定の条件として、例えば５５０〜６２０℃の処理温度で１〜５時間加熱するように設定したときに所望の窒化処理が行われる。つまり、処理温度が５５０℃以下のときは、鋼製歯車の窒化速度が遅く、処理温度が６２０℃以上のときは、オーステナイト化して強度の低い層が生成する問題がある。一方、処理時間が１時間以下のときは、窒素浸入が浅く十分な表面硬化を図れず、処理時間が５時間以上のときは、経済面で効率が悪いという問題がある。

そして、請求項４に記載の発明によれば、硬さがビッカース硬さで化合物層より１００以上硬いショット粒子を用いてショットピーニング処理を施すことによって、化合物層を容易に除去することができる。

このように、ショット粒子の硬さが化合物層の硬さよりおよそ１００Ｈｖ（ビッカース硬さ、以下同じ）以上硬い場合に特に良好に化合物層を除去することができるが、一般的にショットピーニング処理で使用されるショット粒子は、硬さがおよそ８５０Ｈｖ以下のものであり、化合物層の硬さが例えば７５０Ｈｖ以上の場合は、化合物層より１００Ｈｖ以上硬いショット粒子として特殊なものを準備しなければならないことになる。これに対して、上記請求項２、３に記載の発明のように、化合物層をポーラス状に形成して、該化合物層の強度を低減させることによって、通常のショット粒子を使用して、化合物層を良好に除去することができる。

ところで、表１に示すように、鋼製歯車を製造するための鋼素材の組成は、Ｆｅに対して、Ｃ：０．２３〜０．２８重量％、Ｓｉ：０．ｌ５〜０．３５重量％、Ｍｎ：０．７０〜１．００重量％、Ｐ：０．０３０重量％以下、Ｓ：０．０３０重量％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．２０重量％、Ｍｏ：０．１５〜０．３０重量％、Ｖ：０．０８〜０．１４重量％、Ａｌ：０．０４〜０．０８重量％、Ｐｂ：０．０４〜０．１２重量％としている。

ここで、鋼素材を構成する各成分の意義を以下に説明する。

まず、Ｃ（０．２３〜０．２８重量％）は、基地の硬さに影響する適当なベイナイト量を得るのに必要な成分であり、芯部硬さを確保するために０．２３重量％以上が望ましい。しかし、０．２８重量％を越えると、芯部の延性、靱性が劣化すると共に、軟窒化後の表面硬さ、硬化深さが減少する。

Ｓｉ（０．１５〜０．３５重量％）は、Ｆｅと固溶して鋼の強度を増大させるのに必要な成分である。Ｓｉは、通常、鋼の脱酸剤として添加されているが、浸炭を阻害するため浸炭と窒化が同時に進行する軟窒化においては、Ｓｉが少ないほど硬化特性は優れる。

Ｍｎ（０．７０〜１．００重量％）は、Ｃｒと共に焼入れ性の向上に寄与するのに必要な成分である。Ｍｎは、製鋼時の脱酸剤として不可欠であると共に、芯部の強度確保のために０．７０重量％以上が好ましい。しかし、１．００重量％以上のときは、切削性が劣化する。

Ｐ（０．０３０重量％以下）、Ｓ（０．０３０重量％以下）及びＰｂ（０．０４〜０．１２重量％）は、軟窒化処理前に切削を施す場合、切削性向上に有効である。軟窒化処理前に深穴穿設、重切削、高速切削などが施される場合には、切削性が要求される度合いに応じてこれらを含有させてもよい。なお、これらの成分は、硬化特性には何ら影響を与えない。また、Ｐ又はＳが０．０３０重量％以上、もしくはＰｂが０．１２重量％以上の場合は、強度靱性の低下が著しくなる。

Ｃｒ（０．９０〜１．２０重量％）は、焼入れを高め、冷却状態でベイナイトを析出させるのに必要な成分である。Ｃｒは、軟窒化による浸入窒素と結合して表面硬さを高めると共に、硬化深さを大きくする（０．２ｍｍ以上）ために有効である。その効果を十分に発揮させるためには、０．９０重量％以上添加することが好ましい。しかし、１．２０重量％を越えると、表面硬さのみが高まり硬化深さに対してはむしろ逆効果となる。

Ｍｏ（０．１５〜０．３０重量％）は、鋼の強度と靱性を増すのに有効な成分である。この効果を発揮させるには０．１５重量％以上必要である一方、０．３０重量％以上を越えて添加してもその効果は飽和して経済性を損なう。

Ｖ（０．０８〜０．１４重量％）は、軟窒化による浸入窒素及び浸入炭素と結合して微細なＶ炭窒化物を析出させ、表面硬さ及び硬化深さを向上させるのに必要な成分である。Ｖは、Ｃｒと比べたとき、表面硬さの上昇に対する寄与は比較的小さいが、硬化深さの増加に対する寄与が大きい。また、Ｖは、析出強化によって芯部硬さを上昇させるため、硬化深さが深く、かつ表面から芯部へ硬さ勾配が緩やかな硬化曲線を得るのにきわめて有効である。この硬化を十分に発揮させるためには、少なくとも０．０８重量％は必要である。しかし、０．１４重量％を越えるとその効果が飽和するかむしろ低下し始める。

Ａｌ（０．０４〜０．０８重量％）は、Ｃｒと同様に、軟窒化による浸入窒素と結合して表面硬さを高めるが、硬化深さ向上にはあまり有効でない。特にＶとの複合添加では０．０８重量％以上添加すると硬化深さはむしろ低下する。しかし、表面硬さに対しては、微添加量でも有効であり、この効果は０．０４重量％の添加で認められる。

そして、以下に説明する各実験においては、表２に示すように、鋼素材の化学成分を、Ｆｅに対して、Ｃ：０．２５重量％、Ｓｉ：０．３重量％、Ｍｎ：０．９重量％、Ｐ：０．０１４重量％、Ｓ：０．０２９重量％、Ｃｒ：０．９６重量％、Ｍｏ：０．１８重量％、Ｖ：０．０９重量％、Ａｌ：０．０５重量％、Ｐｂ：０．１重量％とした。

まず、この鋼素材について熱処理を行った。熱処理は、加熱条件を９００℃前後に設定し、鋼素材がオーステナイト化することを目的とした。そして、この温度条件で２時間の熱処理を行った後、冷却速度０．５〜１．０℃／ｓで除冷した。ここで、冷却速度が０．５℃／ｓ未満では、フェライト＋パーライト組織となって、所定の芯部硬化が得られない。また、冷却速度が１．０℃／ｓを越えると、組織がベイナイトとマルテンサイトの混在組織となり機械加工性が著しく劣化する。０．５〜１．０℃／ｓの冷却速度とすることで、ベイナイトを主体とした組織となり、所定の芯部硬さが得られ、軟窒化特性も所定のものが得られた。

次に、この熱処理後の鋼素材に対して、粒度調整（結晶粒の均一化）や残留応力を除去するために焼鈍処理を行った。焼鈍処理では、室温まで冷却した鋼素材を５２０℃の処理温度で１．５時間再加熱した。

そして、焼鈍処理後の鋼素材にガス軟窒化処理を施した。ガス軟窒化処理は、気密の加熱炉中に鋼素材を配置し、ＮＨ_３ガスとＲＸガス（一酸化炭素ＣＯ：２３体積％、水素Ｈ_２：３３体積％、窒素Ｎ_２：４４体積％の組成のガス）とで生成された混合気を加熱炉中に送りながら５５０〜６２０℃の処理温度で１〜５時間加熱した。

ガス軟窒化処理の結果、図１に示すような表面硬化層が得られた。すなわち、この表面硬化層は、表面部にＦｅ−Ｎ化合物で形成された化合物層と、該化合物層の下層にあって上記混合気から浸入した窒素が拡散して生成した窒素固溶、Ｆｅ−Ｎ化合物、及び窒化合物を含む拡散層とを有している。表面部の化合物層は硬くて脆いという性質を有すると共に、該化合物層の下層の拡散層はＡｌ、Ｃｒ等と結合して窒化合物が生成し格子歪を生じて硬化している。
［エア添加量に対する化合物層硬さ測定試験］
そして、ガス軟窒化処理の際に、混合気にエアを所定割合含ませることによって、化合物層をポーラス状に形成することができるが、混合気に含むエア添加量を変化させて、エア添加量に応じた化合物層硬さを測定する実験を行った。

この実験では、混合気の組成を、ＮＨ_３ガス：ＲＸガス：エア＝７０−ｖ１：３０：ｖ１（体積％）とし、鋼素材を５７０℃の処理温度で３時間加熱した。そして、混合気中のエア添加量ｖ１を０〜６体積％に変化させた結果、図２のグラフに示すような特性曲線が得られた。この特性曲線によると、エア添加量ｖ１が０のときに化合物層の硬さが約８００Ｈｖ（ビッカース硬さ、以下同じ）で最も硬く、エアの割合ｖ１を増加させるに従って化合物層の硬さが減少することがわかった。
［ガス軟窒化処理後断面硬さ分布測定試験］
次に、３体積％のエアを含む場合（実施例）と混合気中にエアを含まない場合（比較例）とにおいて、表面硬化層の深さ方向の硬さ分布を測定する実験を行った。なお、表３に実施例と比較例とにおいてガス軟窒化処理で使用する混合気の組成を示す。

まず、実施例においては、ガス軟窒化処理条件を、ＲＸガス：６７体積％、ＮＨ_３ガス：３０体積％、エア：３体積％の組成の混合気を用い、５７０℃の処理温度で３時間加熱した。図３のグラフに示すように、ガス軟窒化処理の結果、化合物層の硬さが６５０Ｈｖで、表面からおよそ０．０５０ｍｍ〜０．１５０ｍｍの深さの範囲において拡散層形成による高い強度（約６００〜７５０Ｈｖ）が測定され、０．２０ｍｍよりも深い位置においては、鋼素材自身の比較的低い強度（約３００〜４００Ｈｖ）が測定された。

一方、比較例においては、ガス軟窒化処理条件を、ＲＸガス：５０体積％、ＮＨ_３ガス：５０体積％、エア：０体積％の組成の混合気を用い、上記実施例と同様に、５７０℃の処理温度で３時間加熱した。ガス軟窒化処理の結果、化合物層の硬さが８００Ｈｖで、図３のグラフに示すように、表面から０．０５０ｍｍ〜０．１５０ｍｍの深さの範囲において拡散層形成による高い強度（約６００〜７５０Ｈｖ）が測定され、表面から０．２０ｍｍよりも深い位置においては、鋼素材自身の比較的低い強度（約３００〜４００Ｈｖ）が測定された。

ここで、上記実施例と比較例との実験結果を比較すると、化合物層においては強度の差が顕著に表れているのに対して、拡散層の強度はほぼ同じ特性となることが確認できた。つまり、混合気にエアを含ませることは、化合物層をポーラス状に形成して該化合物層の強度を低減させる一方、窒化処理で得られる拡散層の強度には影響しないということがわかる。

そして、上記実施例で得られた鋼素材を用い、６５０Ｈｖの化合物層が除去された鋼製歯車と、上記比較例で得られた鋼素材を用い、８００Ｈｖの化合物層が残ったままの鋼製歯車とを自動車の部品として使用して、走行距離１０４５ｋｍ間における発生したギヤノイズについて比較した。

実施例の鋼製歯車を使用した場合においては、１０４５ｋｍ走行した際のギヤノイズは走行距離０〜１０４５ｋｍに亘ってほとんど変わらなかった。一方、比較例の鋼製歯車を使用した場合においては、走行距離が長くなるに従ってギヤノイズが増大して、走行距離１０４５ｋｍの時点では、実施例の鋼製歯車を使用した場合に比べてギヤノイズが３ｄｂ増大したことが測定された。さらに、比較例において１０４５ｋｍ走行後の鋼製歯車の歯面を調べると、表面に５〜１０μｍの化合物剥離が測定された。
［ショットピーニング処理による化合物層除去試験］
次に、上記ガス軟窒化処理後断面硬さ分布測定試験における実施例で得られた鋼素材に対してショットピーニング処理を施した。ショットピーニング処理は、ノズルからエアと共にショット粒子を吹き出して、該ショット粒子を鋼素材表面に衝突させる処理である。ここで、ショットピーニング条件、すなわち、ショット粒子の径（ショット径）、ショット粒子の硬さ（ショット硬さ）、エアノズルによる投射エア圧、ショット粒子の投射量を表４に示すように設定した実施例及び比較例において、化合物層の除去状況を観測した。

すなわち、この実験では、ショット径：０．３φｍｍ、ショット硬さ：８５０Ｈｖ、投射エア圧：０．４ＭＰａ、投射量：２０００ｋｇ／ｍ^２という条件とされた実施例と、ショット径：０．８φｍｍ、ショット硬さ：７００Ｈｖ、投射エア圧：０．４ＭＰａ、投射量：３５００ｋｇ／ｍ^２という条件とされた比較例とでショットピーニング処理を行い、化合物層の除去状況を観測した。

まず、図４に示すように、実施例においては、ショットピーニング処理により化合物層が除去されたのが観測されたのに対し、図５に示すように、比較例においては、ショットピーニング処理を施しても化合物層はあまり変化しなかったことが観測された。ここで、化合物層の硬さと上記ショット硬さとの差を算出すると、実施例においてはショット粒子が化合物層より２００Ｈｖ高い値で、比較例においては化合物層より１００Ｈｖ低い値である。さらに、比較例においては、ショット径及び投射量が実施例よりも大きく設定されており、衝突時に化合物層に与えるエネルギーが大きく、化合物層の除去能力が高いと考えられるにもかかわらず、結果においてショット硬さが硬く設定されただけの実施例の方が良好に化合物層を除去したという事実から、ショット硬さが化合物層を除去するための最も重要な要因であると考えられる。

以上のように、ガス軟窒化処理で使用する混合気にエアを含ませて、化合物層をポーラス状に形成する一方、化合物層に対してショットピーニング処理を施すことにより、化合物層を良好に除去することができ、化合物層を除去した結果、鋼製歯車の歯面に窒素の拡散層が露出することになって、強度の高い歯車を製造することができる。このように、予め化合物層を除去しておくことによって、運転中に化合物層の剥離等が生じて歯形形状が変化することなく、ギヤノイズの発生や摩耗進行を防止することができる。さらに、化合物層除去後に露出した拡散層は、ショットピーニング処理により歯元疲労強度が向上することになる。

なお、上記各実験においては、窒化処理としてガス軟窒化処理を行った例について示しているが、これに限らずガス窒化処理やタフトライド法による塩浴窒化処理でも同様の作用効果が得られた。

本発明は、窒化処理後の鋼製歯車において、化合物層を良好に除去することができる鋼製歯車の製造方法を提供する。本発明は、強度及び耐摩耗性に優れる鋼製歯車の製造方法に関する技術分野に広く好適である。

ガス軟窒化処理により得られた表面硬化層の説明図である。ガス軟窒化処理で使用する混合気に含むエアの割合を変化させたときの化合物層の硬さ特性を表すグラフである。ガス軟窒化処理後の表面からの距離に対する硬さ特性を表すグラフである。実施例によるショットピーニング処理の説明図である。比較例によるショットピーニング処理の説明図である。歯車表面から化合物層が剥離した様子の説明図である。

Claims

窒化元素を含有する鋼製歯車の製造方法において、該鋼製歯車に窒化処理を施すことにより、歯車の歯面の表面部に窒素の化合物層と、その下層に窒素の拡散層とを形成した後、歯車の歯面にショットピーニング処理を施すことにより、表面部に形成された窒素の化合物層を除去して、歯車の歯面に窒素の拡散層を露出させることを特徴とする鋼製歯車の製造方法。
窒化処理は、ガス軟窒化処理であり、このガス軟窒化処理により化合物層をポーラス状に形成することを特徴とする請求項１に記載の鋼製歯車の製造方法。
化合物層をポーラス状に形成するガス軟窒化処理は、鋼製歯車にＲＸガス、ＮＨ_３ガス、及びエアを含む混合気を送りながら、所定の条件で加熱することを特徴とする請求項２に記載の鋼製歯車の製造方法。
ショットピーニング処理は、硬さがビッカース硬さで化合物層より１００以上硬いショット粒子を用いることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の鋼製歯車の製造方法。