JP2790788B2

JP2790788B2 - 低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼材

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Publication number: JP2790788B2
Application number: JP7289383A
Authority: JP
Inventors: 豊明江口; 弘馬島
Original assignee: TOOA SUCHIIRU KK
Current assignee: TOOA SUCHIIRU KK
Priority date: 1995-10-11
Filing date: 1995-10-11
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2015-10-11
Also published as: JPH09111405A

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、産業機械等の歯車用鋼材として好適な、
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
時における静粛性が著しく向上しているが、それにもか
かわらず運転時に騒音が生ずる。これは、主として歯車
から発生するギヤノイズによるものである。ギヤノイズ
は、歯車の噛み合いの不具合によって発生するものであ
り、このような歯車の噛み合いの不具合は、所定形状に
成形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の結果発生す
る。

【０００３】即ち、歯車用鋼材に対する浸炭焼入れ時
に、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
歪みが生ずることを避けることができず、その結果、歯
車の寸法精度を高く維持することができないためにギア
ノイズが発生する。特に、自動車のトランスミッション
用ギヤにおいては、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肉厚が薄いた
め、ギヤ内部の組織はベイナイトを一部含むマルテンサ
イト主体の組織になっているために、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。

【０００４】そこで、歯車の寸法精度の向上を図るため
に、浸炭焼入れされた歯車半成品を機械切削加工して、
浸炭層を部分的に除去し、焼入れ歪み量を低減させる歯
形修正処理を施す方法がある。しかしながら、このよう
な機械研削による歯形修正では、製造工程が増えること
により生産性が大幅に低下するのみならず、機械研削加
工により製造コストが大幅に高騰するうえ、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
る。

【０００５】上述した点から、歯車用鋼材は、浸炭焼入
れ後、歯形修正処理を施さ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成品の寸法精度向上の
ために、焼入れ歪みを低減することが必要とされてい
る。このような浸炭焼入れ歪み量は、鋼材の焼入れ性に
よって大きく影響される。更に、浸炭焼入れは、通常約
920 ℃の高温で行われるので、浸炭中にオーステナイト
結晶粒が粗大化することも、歪み発生原因の一つとされ
ている。更に、最近では、浸炭時間を短縮して生産性を
向上させるために、浸炭温度を高め、これに伴い焼入温
度もたかめる方法が試行されている。

【０００６】歯車用鋼材の焼入れ歪み量を低減する方法
については、従来から種々の研究がなされており、例え
ば、焼入れ性がジョミニーバンドの下限になるように鋼
材の化学成分組成を特定の狭い範囲内にコントロールし
て焼入れ性を低く抑える方法が知られ、また、特開平４
−２４７８４８号公報および特開昭５９−１２３７４３
号公報等は、浸炭および保温中の結晶粒粗大化を抑制す
るために、鋼中に、Al、Ti、Nb等の結晶粒微細化元素を
適正量添加することにより結晶粒を微細に調整する方法
( 以下、先行技術１という）を開示している。

【０００７】また、特開平５−７０９２５号公報は、S
i、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成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Ａr₁変態点以下である温度域に保持するこ
とにより、歯表面部をオ−ステナイト状態に保ちつつ歯
内部を微細なフェライト・パーライトにし、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
の浸炭窒化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微細パ
ーライトに維持するという方法 (以下、先行技術２とい
う）が開示されている。図５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。

【０００８】また、例えば特開平３−２６００４８号公
報は、タフトライドやガス窒化、ガス軟窒化などの低温
で行なう窒化処理により熱処理歪みの低減を図る方法
（以下、先行技術３という）を開示している。

【０００９】

【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、下記問題がある。先行技術１は、結
晶粒を微細に調整することにより浸炭および保温中の結
晶粒粗大化を抑制することができるので、歯内部におけ
る焼入れ歪みのバラツキを小さくすることができ、且
つ、焼入れ歪みを均一化することができるという利点を
有する。しかしながら、先行技術１は、マルテンサイト
変態に伴う歪みの発生を抑制するのに限界があり、歪み
を十分に小さくすることができないという問題を有す
る。

【００１０】先行技術２は、歯内部をフェライト・パー
ライト組織にすることによりマルテンサイト発生に伴う
体積膨張による焼入れ歪みを軽減することができるとい
う利点を有する。しかしながら、先行技術２は、歯内部
即ち非浸炭部がフェライト・パーライト組織であるため
に、十分な靱性を確保することが困難であり、且つ、熱
処理温度を厳格に管理しなければならないので、熱処理
操作が複雑となり、生産性を阻害するのみならず、コス
ト高になるという問題を有する。

【００１１】先行技術３は、表面に硬い窒素化合物層を
形成させることができるので、良好な耐磨耗性を有する
表面硬化層を得ることができ、また、５００〜７００℃
の低温域で処理するので処理部品の変形が小さいという
利点を有する。しかしながら、先行技術３は、硬化層深
さが浅く、十分な硬化層を得るには５０〜１００時間に
も及ぶ長時間の窒化処理が必要であるため、生産性を阻
害するのみならず、コスト高になるという欠点を有す
る。

【００１２】従って、この発明の目的は、上述した問題
を解決し、通常の効率的な浸炭処理をし、そして、焼入
れおよび焼戻し処理をした後の歪みの発生量が極めて小
さく、従って、寸法精度の高い歯車が得られ、その結
果、使用時にギヤノイズが発生しない、自動車、建設機
械、産業機械等の歯車を、容易に且つ効率的に熱処理を
行ない経済的に製造することができる、低歪み型浸炭焼
入れ歯車用鋼を提供することにある。

【００１３】

【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重ねた結果、下記知見を得
た。

【００１４】歯車用鋼材の浸炭焼入れ歪み量に影響を及
ぼす主要因子は、オーステナイト組織がマルテンサイト
組織に変態するときに生ずる体積膨張に起因する歪みに
あることから、本発明者等は、焼入れ前の加熱時にオー
ステナイト組織中にフェライトを１０〜７０％混在さ
せ、浸炭焼入れ後の組織をフェライト・マルテンサイト
二相組織とすることにより、焼入れ歪み量が劇的に低減
することを見出した。

【００１５】この発明においては、容易で且つ経済的な
浸炭焼入れの熱処理条件で歯車を製造することができる
鋼材を提供することも重要な目標の一つである。しか
も、この発明の鋼材は、浸炭焼入れにより、マルテンサ
イト組織中にフェライトが混在する組織になることが必
須要件である。従って、この発明の鋼材のAc₃変態温度
は、通常の浸炭焼入れ温度領域よりも高くなっているこ
とが必要である。

【００１６】そこで、鋼中Si、Mn、Cr、Mo、Al、V 等の
元素の、Ａc₃変態温度に及ぼす影響について詳細に検討
した結果、これらの元素の含有量を適正に限定すること
により、通常の浸炭条件でも容易にフェライト・マルテ
ンサイト二相組織が得られ、且つ、フェライト強化元素
を適正量添加することにより、歯内部即ち非浸炭部が強
化され、且つ、歯表面部の疲労強度が向上するので、歯
元の疲労強度を低下させることなく焼入れ歪み量を劇的
に低減し得ることを知見した。

【００１７】本発明の内、請求項１に記載の低歪み型浸
炭焼入れ歯車用鋼材は、上記知見に基づいてなされたも
のであって、Ｃ：0.10〜0.35wt.%、Ｓｉ：0.01〜2.5 w
t.%、Ｍｎ：0.20〜2.50wt.%、Ａｌ：0.01〜2.5 wt.%、
および、Ｃｒ：0.01〜2.50wt.%を含有し、且つ、Ｓｉ＋
Ａｌ：0.5 〜2.6 wt.%の関係を満たし、残部：鉄および
不可避不純物からなる化学成分組成を有し、しかも、下
記(1) 式によって算出されるAc₃点パラメーターが、85
0 〜960 ℃の範囲内にあり、下記(2) 式によって算出さ
れる理想臨界直径 (Ｄ_I) が30〜250mm の範囲内にある
化学成分組成を有する鋼材であって、上記鋼材に対し
て、温度８５０〜１０００℃の範囲内で浸炭処理を施
し、前記浸炭処理終了後、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Ａ ₁ 点超え〜Ａ ₃ 点未満の範囲内の温度でとめ、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、次いで、焼戻し処理を施し、このようにし
て得られた前記鋼材の非浸炭部の組織が、フェライトを
１０〜７０面積％含むマルテンサイトよりなる二相組織
になるよう調整されていることに特徴を有するものであ
る。なお、この発明において、下記（１）式および
（２）式によりAc₃点パラメーターおよび理想臨界直径
(Ｄ_I) を算出するとき、（１）式および（２）式の右
辺には所定の成分元素に係る項があるが、化学成分組成
については限定のない成分元素であるＮｉ、Ｍｏ、Ｗ、
ＶおよびＴｉの含有量は０（零）であるとして算定する
ものとする。以下、請求項２〜１０記載の発明について
もこれと同様とする。また、後述する実施例での比較鋼
および従来鋼についてもこれと同様とする。 Ac₃＝920-203 √C+44.7Si+31.5Mo-30Mn-11Cr+40Al-15.2Ni+13.1W+104V+40Ti ------------ (1) Ｄ_I＝7.95√C(1+0.70Si)(1+3.3Mn)(1+2.16Cr)(1+3.0Mo)(1+0.36Ni)(1+5.0V) ------------ (2)

【００１８】また、請求項１に記載された発明の歯車用
鋼材の化学成分組成に、更に、Ｍｏ：0.01〜0.70wt.%、
Ｎｉ：0.01〜2.0 wt.%、Ｗ：0.01〜0.70wt.%、および、
Ｖ：0.01〜1.0 wt.%からなる群から選んだ少なくとも１
つの元素を付加して含有していることに特徴を有するも
の、請求項１に記載された発明に更に、Ｔｉ：0.005〜
1.0 wt.%、Ｎｂ：0.005 〜0.50wt.%、および、Ｚｒ：0.
005 〜0.50wt.%からなる群から選んだ少なくとも１つの
元素を付加して含有していることに特徴を有するもの、
または、請求項１に記載された発明に更に、Ｍｏ：0.01
〜0.70wt.%、Ｎｉ：0.01〜2.0 wt.%、Ｗ：0.01〜0.70w
t.%、および、Ｖ：0.01〜1.0 wt.%からなる群から選ん
だ少なくとも１つの元素、並びに、Ｔｉ：0.005 〜1.0
wt.%、Ｎｂ：0.005 〜0.50wt.%、および、Ｚｒ：0.005
〜0.50wt.%からなる群から選んだ少なくとも１つの元素
を付加して含有していることに特徴を有するもの、のい
ずれかであれば一層望ましい。

【００１９】本発明の内、請求項５に記載の低歪み型浸
炭焼入れ歯車用鋼材も、上記知見に基づいてなされたも
のであって、Ｃ：0.10〜0.35wt.%、Ｓｉ：0.50〜2.5 w
t.%、Ｍｎ：0.20〜2.50wt.%、および、Ｃｒ：0.01〜2.5
0wt.%を含有し、残部：鉄および不可避不純物からなる
化学成分組成を有し、しかも、上記(1) 式によって算出
されるAc₃点パラメーターが、850 〜960 ℃の範囲内に
あり、上記(2) 式によって算出される理想臨界直径 (Ｄ
_I) が30〜250mm の範囲内にある化学成分組成を有する
鋼材であって、上記鋼材に対して、温度８５０〜１００
０℃の範囲内で浸炭処理を施し、前記浸炭処理終了後、
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Ａ ₁ 点超え〜Ａ ₃ 点未満
の範囲内の温度でとめ、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、次いで、焼戻し
処理を施し、このようにして得られた前記鋼材の非浸炭
部の組織が、フェライトを１０〜７０面積％含むマルテ
ンサイトよりなる二相組織になるよう調整されているこ
とに特徴を有するものである。

【００２０】また、請求項５に記載された発明の歯車用
鋼材の化学成分組成に、更に、Ｗ：0.01〜0.70wt.%、
および、Ｖ：0.01〜1.0 wt.%からなる群から選んだ少な
くとも１つの元素を付加して含有していることに特徴を
有するもの、請求項５に記載された発明に更に、Ａ
ｌ：0.005 〜2.0 wt.%、Ｔｉ：0.005 〜1.0 wt.%、Ｎ
ｂ：0.005 〜0.50wt.%、および、Ｚｒ：0.005 〜0.50w
t.%からなる群から選んだ少なくとも１つの元素を付加
して含有していることに特徴を有するもの、または、
請求項５に記載された発明に更に、Ｗ：0.01〜0.70wt.
%、および、Ｖ：0.01〜1.0 wt.%からなる群から選んだ
少なくとも１つの元素、並びに、Ａｌ：0.005 〜2.0 w
t.%、Ｔｉ：0.005 〜1.0 wt.%、Ｎｂ：0.005 〜0.50wt.
%、および、Ｚｒ：0.005 〜0.50wt.%からなる群から選
んだ少なくとも１つの元素を付加して含有していること
に特徴を有するもの、のいずれかであれば一層望まし
い。

【００２１】

【発明の実施の形態】この発明によれば、Ａc₃変態温度
を高め、且つ焼入れ性を向上させる元素であるSi、Moお
よびV 、並びに、Ａc₃変態温度を高めるAl、TiおよびW
の含有量を増加させることによって、浸炭焼入れ処理に
より容易にフェライト・マルテンサイト二相組織とする
ことができ、フェライトがマルテンサイトの膨張歪みを
吸収することによって、焼入れ歪み量が大幅に減少し、
更に、焼入れ時の歯車の芯部（以下、「歯車芯部」とい
う。図５参照）の硬さも十分に確保できるので、従来鋼
と遜色のない疲労強度が得られる。

【００２２】また、自動車の歯車においては、歯元疲労
強度の向上を目的として、ショットピーニング処理が施
されることが多いが、本発明鋼材によれば、表面の粒界
酸化層の形成が抑制され、且つ、焼入れ不良組織が発生
しないので、ショットピーニング処理を施した場合、表
面粗さが劣化することなく歯元疲労強度が増加する。更
に、Si、Mo、W 、V によって焼戻し軟化抵抗が増大して
面疲労強度が向上する。

【００２３】このように、この発明においては、鋼材中
の各元素は種々の作用効果を発揮すし、鋼材に含有され
るべき化学成分元素は必須成分と選択成分からなる。そ
して、選択成分を２グループに分けた。選択成分として
のＷおよびＶの作用効果の内、焼入れ性向上において共
通するので第１のグループにし、また、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎ
ｂおよびＺｒを結晶粒微細化による焼入れ歪み抑制にお
いて共通するので第２のグループにした。

【００２４】次に、この発明の浸炭焼入れ歯車用鋼材の
化学成分組成を、上述した範囲内に限定した理由につい
て、以下に述べる。 (1) 炭素(C) 炭素は、浸炭焼入れによる歯車芯部の強度を保証する上
で必要な基本的元素であり、その作用を発揮させるため
には、0.10 wt.％以上含有していることが必要であり、
0.10 wt.％未満では、有効な浸炭硬化層深さを得るため
には長時間を要するので工業的には不可である。しかし
ながら、炭素含有量が0.35 wt.％を超えると靱性の劣化
および被削性の低下を招く。従って、炭素含有量を、0.
10〜0.35％の範囲内に限定すべきである。

【００２５】この発明においては、請求項１〜４および
９記載の発明と、請求項５〜８および１０記載の発明と
では、シリコンおよびアルミニウムの化学成分組成を、
一部分で重複しているものの他の部分で異なった組成範
囲を限定した。これは、この発明におけるシリコンおよ
びアルミニウムのそれぞれの作用効果において、異なる
特徴部分を適用したので、これに基づき一部分で重複し
ているものの他の部分で異なる組成範囲を限定すること
が必要となったためである。

【００２６】(2) シリコン（Si) はじめに、シリコン含有量の下限値について述べる。請
求項１〜４および９記載の発明においては、シリコンは
脱酸剤として重要な作用をする元素であり、このために
は、０．０１wt.%以上の添加を必要とし、更に、浸炭処
理における歯車表面の粒界酸化の進行を抑制するため
に、アルミニウム含有量とシリコン含有量との和（Ａｌ
＋Ｓｉ含有量）で０．５０wt.%以上を必要とする（後述
する）。ここで、浸炭処理の粒界酸化の進行原因は、浸
炭処理時に浸炭ガス中に不可避的に存在する微量酸素と
結合することによって、上記微量酸素が鋼材の深部まで
侵入するのを防止することができないからである。この
場合には、粒界酸化が著しく深くなり、歯車の歯元疲労
強度の低下を招く。これに対して、請求項５〜８および
１０記載の発明は、上記粒界酸化の進行による歯元疲労
強度の低下を、シリコン単独で抑制しよとする場合であ
り、このためには、シリコン含有量が０．５０wt.%未満
では不十分である。但し、Ｓｉ＋Ａｌ含有量の下限を限
定しない場合である。一方、シリコンは、フェライト形
成元素であり、Ａc₃変態点を高めるのに有効であり、且
つ、比較的安価な元素である。更に、焼戻し軟化抵抗を
増大させて、面疲労強度を向上させる。しかしながら、
シリコン含有量が２．５wt.%を超えて過剰になると、フ
ェライト量が多くなり過ぎて、強度および靱性が低下す
るのみならず、ＳｉＯ₂系の非金属介在物が増加する結
果、逆に疲労強度の低下を招く。従って、シリコン含有
量は、２．５wt.%以下にしなければなない。以上によ
り、請求項１〜４および９記載の発明においては、シリ
コン含有量を、０．０１〜２．５wt.%の範囲内に限定す
べきであり、一方、請求項５〜８および１０記載の発明
においては、シリコン含有量を、０．５０〜２．５wt.%
の範囲内に限定すべきである。

【００２７】(3) アルミニウム(Al) アルミニウムは窒素と結合してAlN を生成し、結晶粒を
微細化させることにより、焼入れ時の歪みを小さくする
上、靱性および疲労強度を向上させるのに有効な元素で
ある。このために必要なアルミニウム含有量の下限値
は、請求項１〜４および９記載の発明においては、０．
０１wt.%以上であり、一方、請求項５〜８および１０記
載の発明においては、０．００５wt.%以上である。この
ように、請求項５〜８および１０記載の発明における方
が少量のアルミニウム含有量でよい理由は、シリコン含
有量の下限を０．５０wt.%以上と、請求項１〜４および
９記載の発明の場合（０．０１wt.%以上）よりも多目に
限定しているので、このシリコンが上述した粒界酸化に
よりアルミニウムが消費されるを守ってくれるから、そ
の分だけ少なくて良いからである。また、アルミニウム
はシリコンと同様にフェライト形成元素であり、経済的
にＡc₃変態点を大きく高めることができる。しかしなが
ら、アルミニウム含有量が所定量を超えて多量になると
アルミナ系介在物が増加して、靱性および疲労強度の低
下を招く。この所定量の値は、請求項１〜４および９記
載の発明の場合には、２．５wt.%であり、一方、請求項
５〜８および１０記載の発明においては、２．０wt.%で
ある。このように、請求項５〜８および１０記載の発明
における方が少量のアルミニウム含有量でよい理由は、
シリコン含有量の下限を０．５０wt.%以上と、請求項１
〜４および９記載の発明の場合（０．０１wt.%以上）よ
りも多目に限定しているので、け少なくて良いからであ
る。以上により、請求項１〜４および９記載の発明にお
いては、アルミニウム含有量を、０．０１〜２．５wt.%
の範囲内に限定すべきであり、一方、請求項５〜８およ
び１０記載の発明においては、アルミニウム含有量を、
０．００５〜２．０wt.%の範囲内に限定すべきである。
また、シリコンとアルミニウムを併用する場合には、鋼
の清浄性、靱性を確保するため、その総量は2.6wt.％以
下に規制することが望ましい。

【００２８】(4) シリコン(Si)＋アルミニウム(Al) 請求項１〜４および９記載の発明においては、Ｓｉ＋Ａ
ｌ含有量が０．５wt.%未満では、浸炭処理時に浸炭ガス
中の微量酸素と結合する表層のＳｉ濃度が低いために、
上記微量酸素が歯車半製品の深部まで侵入して、粒界酸
化層が著しく深くなる結果、歯元疲労強度の低下を招
く。一方、Ｓｉ＋Ａｌ含有量が２．６wt.%を超えると、
鋼材の清浄性および靱性が低下しはじめる。従って、Ｓ
ｉ＋Ａｌ含有量を、０．５〜２．６wt.%の範囲内に限定
すべきである。一方、請求項５〜８および１０記載の発
明においては、Ｓｉ含有量が０．５０wt.%以上であるか
ら、Ｓｉ＋Ａｌ含有量の下限値限定は不要である。ま
た、Ｓｉ＋Ａｌ含有量が２．６wt.%以下であることが望
ましいが、鋼材の清浄性および靱性の許容水準を低目側
に広くとることを図るために、必須条件とはしない。

【００２９】(5) マンガン(Mn) マンガンは、焼入れ性を向上させ、そして歯車芯部の強
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、０．２０wt.%以上含有させることが必要
である。しかしながら、マンガンにはＡc₃変態点を大き
く低下させる作用があるので、その含有量が２．５０w
t.%を超えて多量になると、マルテンサイトおよびフェ
ライトの二相組織が得られなくなるだけでなく、硬度が
高くなり過ぎ、被削性の劣化を招く。従って、マンガン
含有量を、０．２０〜２．５０wt.%の範囲内に限定すべ
きである。

【００３０】(6) クロム(Cr) クロムは、マンガン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
wt.％以上含有させることが必要である。しかしなが
ら、クロムにはマンガンと同様にＡc₃変態点を低下させ
る作用があるので、その含有量が2.50 wt.％を超えて多
量になると、マルテンサイトおよびフェライトの二相組
織が得られなくなるだけでなく、硬度が高くなり過ぎ、
被削性の劣化を招く。従って、クロム含有量を、0.01〜
2.50 wt.％の範囲内に限定すべきである。

【００３１】(7) モリブデン(Mo) 請求項１〜４および９記載の発明においては、モリブデ
ンはＡc₃変態点を高めてフェライト生成に有効であり、
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 wt.％以上含有させることが必要で
ある。しかしながら、モリブデンは極めて高価な元素で
あり、その含有量が0.70 wt.％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。従って、モリブデ
ン含有量を、0.01〜0.70 wt.％の範囲内に限定すべきで
ある。

【００３２】(8) ニッケル(Ni) 請求項１〜４および９記載の発明においては、ニッケル
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 wt.％以上含
有させることが必要である。しかしながら、ニッケル含
有量が2.0 wt.％を超えて多量になると硬度が高くなり
過ぎ、被削性が劣化する上、ニッケルは高価な元素であ
るために経済的な不利を招く。従って、ニッケル含有量
を、0.01〜2.0 wt.％の範囲内に限定すべきである。

【００３３】(9) タングステン(W) タングステンは、モリブデンと同様にＡc₃変態点を高め
てフェライト生成に有効であり、また、焼戻し軟化抵抗
を増大させて、面疲労強度を向上させ、更に、靱性およ
び歯元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 wt.％以上含有させ
ることが必要である。しかしながら、タングステンも高
価な元素であり、その含有量が0.70 wt.％を超えて添加
しても、効果の割りには経済的な不利を招く。従って、
タングステン含有量を、0.01〜0.70 wt.％の範囲内に限
定すべきである。なおタングステンとモリブデンを併用
して添加する場合にはその総量は0.70 wt.％以下とする
のが望ましい。0.70 wt.％を超える場合には浸炭焼入れ
歪みが大きくなって好ましくない。

【００３４】(10)バナジウム(V) バナジウムは、Ａc₃変態点を高める作用が大きく、また
焼入れ性を高め歯元疲労強度を向上させ、焼戻し軟化抵
抗を増大させて、面疲労強度を向上させるのに有効な元
素であり、且つ、炭窒化物を生成し結晶粒を微細化さ
せ、焼入れ歪みを小さく抑える作用を有しており、その
作用を発揮させるためには0.01 wt.％以上含有させるこ
とが必要である。しかしながら、バナジウム含有量が1.
0 wt.％を超えると、その効果が飽和し経済的な不利を
招くばかりか、炭窒化物の量が多くなって靱性の低下を
招く。従って、バナジウム含有量を、0.01〜1.0 wt.％
の範囲内に限定すべきである。

【００３５】(11)チタン(Ti) チタンもフェライト形成元素であり、Ａc₃変態点を高め
る作用が大きく、またオーステナイト結晶粒を微細化す
るのに有効な元素であり、且つ、浸炭部および歯内部の
降伏強度を高めて、疲労強度の向上に寄与する作用を有
しており、その効果を発揮させるためには、0.005wt.％
以上含有させることが必要である。しかしながら、チタ
ン含有量が1.0wt.％を超えると、その効果が飽和し経済
的な不利を招くばかりか、炭窒化物の量が多くなり過ぎ
て靱性の低下を招く。従って、チタン含有量を、0.005
〜1.0wt.％の範囲内に限定すべきである。

【００３６】(12)ニオブ(Nb) ニオブもオーステナイト結晶粒を微細化するのに有効な
元素であり、その作用を発揮させるためには0.005wt.％
以上含有させることが必要である。しかしながら、ニオ
ブ含有量が 0.50wt. ％を超えると、その効果が飽和し
経済的な不利を招くばかりか、炭窒化物の量が多くなっ
て靱性の低下を招く。従って、ニオブ含有量を、0.005
〜0.50wt. ％の範囲内に限定すべきである。

【００３７】(13)ジルコニウム(Zr) ジルコニウムもチタン、ニオブと同様にオーステナイト
結晶粒を微細化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0.005wt.％以上含有させることが必
要である。しかしながら、ジルコニウム含有量が0.50w
t. ％を超えると、その効果が飽和し経済的な不利を招
くばかりか、炭窒化物の量が多くなって靱性の低下を招
く。従ってジルコニウム含有量を、0.005 〜0.50 wt.％
の範囲内に限定すべきである。

【００３８】なお、本発明鋼中には、不可避不純物とし
てのＰ、ＣｕおよびＯ含有量は、できるだけ低い方が望
ましい。また、Ｎは結晶粒を微細化させる目的で、必要
に応じて、0.20wt. ％までは添加が許される。また被削
性を向上させるために、必要に応じて、Ｓ、Ｐｂ、Ｃａ
およびＳｅ等の快削元素を含有させてもよい。

【００３９】(14)Ａc₃点パラメーター: 従来の常法によ
る浸炭処理における熱処理パターン例を、図６に示す。
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、歪みを低減するため浸炭温度より低温の８５
０℃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点パラメーターが850 ℃未満では、浸炭後に８５
０℃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点パラメーター
が960 ℃を超えると、オ−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、本
発明鋼の下記(1) 式： Ac₃＝920-203 √C+44.7Si+31.5Mo-30Mn-11Cr+40Al-15.2Ni+13.1W+104V+40Ti ------------ (1) によって算出されるＡc₃点パラメーターを、850 〜960
℃の範囲内に限定すべきである。

【００４０】(15)理想臨界直径 (Ｄ_I）：理想臨界直径
(Ｄ_I) は鋼の焼入れ性を表わす値である。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
製品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 (Ｄ_I) の算出式である下記(2)
式：Ｄ_I＝7.95√C(1+0.70Si)(1+3.3Mn)(1+2.16Cr)(1+3.0Mo)(1+0.36Ni)(1+5.0V) ------------ (2) により算出される理想臨界直径 (Ｄ_I) 値が30mm以上で
あることを必要とする。一方、上記理想臨界直径
(Ｄ_I) 値が250mm 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) 式により算出される理想臨界直径 (Ｄ_I) 値が、30
〜250 mmの範囲内になるように歯車の化学成分組成を限
定すべきである。そして、焼入れ歪みを更に小さくする
ためには、その値を30〜150mm の範囲内に限定すること
が望ましい。なお、オーステナイト粒度番号が８番以外
のときには、その粒度番号に応じて上記（２）式の右辺
の係数が定まるので、オーステナイト粒度番号に応じた
Ｄ_Iの算出式を用いた算定値が、上述した範囲内になる
ように歯車の化学成分組成を限定すべきである。

【００４１】浸炭焼入れ温度について次に、鋼材に対する浸炭温度は、容易に、且つ、効率的
に浸炭処理を行な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のに長時間を要する。一方、浸炭温
度が１０００℃を超えると、結晶粒が粗大化し易く、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、８５０〜１０００℃の範
囲内に限定すべきである。

【００４２】浸炭処理後に行なう焼入れ温度が、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％を所望の値に確保することが困難とな
り、また、焼入れ歪み量も大きくなる。従って、焼入れ
温度は、８００〜９５０℃の範囲内に限定すべきであ
る。なお、浸炭処理後に行なう焼入れ処理は、浸炭処理
後にそのまま炉温を所定の温度まで下げてとめ、その温
度に所定時間保持した後、急冷して焼入れをする。本発
明においても同じ手順で行ない、浸炭処理後に保持する
上記焼入れ温度を、当該鋼材のＡ ₃ 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Ａ ₁ 点以下にすると、焼入れ後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、８０
０〜９５０℃の範囲内であって、且つ当該鋼材のＡ ₁ 点
超え〜Ａ ₃ 点未満の範囲内に限定しなければならない。

【００４３】歯内部の組織 (非浸炭部の組織) のフェラ
イト量について浸炭焼入れ・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、歯内部の組織の
フェライト量を、10〜70％の範囲内に限定すべきであ
る。なお、この時、マルテンサイト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よい。

【００４４】

【実施例】次に、この発明を、実施例により比較例と対
比しながら説明する。［実施例１］請求項１〜４および９に対応する本発明の
実施例を説明する。表１および２に示す本発明の条件
（化学成分組成、Ａc₃点パラメーター、理想臨界直径
（Ｄ_I）、浸炭温度、焼入れ温度、および、浸炭焼入れ
・焼戻し後の非浸炭部のフェライト面積％）の範囲内で
ある本発明鋼Ｎo.１〜１５、並びに、表３および表４に
示す本発明の範囲外の条件である比較鋼のＮo.１６〜２
３および従来鋼Ｎo.２４〜２７の供試鋼用インゴットを
調製した。

【００４５】

【表１】

【００４６】

【表２】

【００４７】

【表３】

【００４８】

【表４】

【００４９】比較鋼No.16 はＣｒ含有量が本発明の範囲
を超えて多く、Ａc₃点パラメーターが本発明の範囲より
低く、理想臨界直径（Ｄ_I）が本発明より大きい鋼、比
較鋼No.17 はＣ、Ｍｎ含有量が本発明の範囲より少な
く、Ｓｉ含有量が多い、またＡc₃点パラメーターが本発
明の範囲より高く、理想臨界直径（Ｄ_I）が本発明より
小さい鋼、比較鋼No.18 はＡｌおよびＭｎ含有量が本発
明の範囲を超えて多い鋼、比較鋼No.19 はＣ含有量が本
発明の範囲を超えて多い鋼、比較鋼No.20 はＭｏ含有量
が本発明の範囲を超えて多い鋼、比較鋼No.21 はＮｉお
よびＴｉ含有量が本発明の範囲を超えて多く、Ａc₃点パ
ラメーターが本発明の範囲より低い鋼、比較鋼No.22 は
ＷおよびＮｂ含有量が本発明の範囲を超えて多い鋼、比
較鋼No.23はＶおよびＺｒ含有量が本発明の範囲を超え
て多い鋼である。

【００５０】従来鋼No.24 〜27は従来のＪＩＳ鋼種であ
って、従来鋼No.24 はJIS SMnC420であり、従来鋼No.26
はJIS SCM420であり、従来鋼No.27 はJIS SNCM420 で
あり、従来鋼No.25 はJIS SCM435であって、いずれもＳ
ｉ含有量およびＡc₃点パラメーターが本発明の範囲を外
れて少ない鋼である。

【００５１】［実施例２］請求項５〜８および１０に対
応する本発明の実施例を説明する。表５に示す本発明の
条件（化学成分組成、Ａc₃点パラメーター、理想臨界直
径（Ｄ_I）、浸炭温度、焼入れ温度、および、浸炭焼入
れ・焼戻し後の非浸炭部のフェライト面積％）の範囲内
である本発明鋼Ｎo.２０１〜２０８、並びに、表６およ
び７に示す本発明の範囲外の条件である比較鋼のＮo.２
１６〜２１８および従来鋼Ｎo.２２４〜２２７の供試鋼
用インゴットを調製した。

【００５２】

【表５】

【００５３】

【表６】

【００５４】

【表７】

【００５５】比較鋼No. ２１６はＣｒ含有量が本発明の
範囲を超えて多く、Ａc₃点パラメーターが８５０℃未満
で、理想臨界直径（Ｄ_I）も本発明の範囲を超えて大き
い鋼、比較鋼No. ２１７はＣ含有量が本発明の範囲より
少なく、Ｓｉが本発明の範囲を超えて多く、Ａc₃点パラ
メーターが965 ℃と高く、また理想臨界直径（Ｄ_I）も
小さい鋼、比較鋼No. ２１８はＭｎ含有量が本発明の範
囲を超えて多く、理想臨界直径（Ｄ_I）も本発明の範囲
を超えて大きい鋼である。

【００５６】従来鋼No. ２２４〜２２７は従来のＪＩＳ
鋼種であって、従来鋼No. ２２４はJIS SMnC420 であ
り、従来鋼No. ２２５はJIS SCM420であり、従来鋼No.
２２６はJIS SNCM420 であり、従来鋼No. ２２７はJIS
SCM435であって、いずれもＳｉ含有量およびＡc₃点パラ
メーターが本発明の範囲を外れて低い鋼である。

【００５７】実施例１および２の本発明鋼、比較鋼およ
び従来鋼のインゴットを熱間圧延して、直径２０〜９０
mmの丸棒鋼を調製し、得られた丸棒鋼に対し焼準処理を
施した。焼準処理後の丸棒鋼から、焼入れ歪み試験片お
よび疲労試験片を採取した。各試験片に対し浸炭焼入れ
・焼戻し処理を施した後、浸炭焼入れ歪み量、回転曲げ
疲労特性および歯車疲労特性を試験した。更に、焼準後
の２０mmの丸棒鋼について、浸炭焼入れ・焼戻しを行な
った後、引張試験片および衝撃試験片を採取し、強度お
よび靱性を試験した。なお、上記浸炭焼入れはすべて、
図６に示したように浸炭後、そのまま炉冷して所定の温
度でとめ、その温度に所定時間保持した後に急冷して焼
入れ処理を施すパターンで行なった。そして、焼入れ温
度での保持時間はすべて０．５Ｈｒで油焼入れをし、ま
た、焼戻しはすべて１６０℃×２Ｈｒで行なった。各試
験方法は下記の通りである。

【００５８】(1) 浸炭焼入れ歪み量：直径65mmの丸棒鋼
から、ネイビーＣ試験片を調製した。図１に、ネイビー
Ｃ試験片の正面図を、図２に、その側面図を示す。ネイ
ビーＣ試験片１は、両図に示したように、円盤状体に開
口部２および円形状空間３を有し、試験片各部の寸法
は、次のとおりである。試験片直径(a):60mm、厚さ(b):12mm、円形状空間の直径
(c):34.8mm、開口部間隔(d):6 mm、試験片中心と開口部
円中心との距離(p):10.2mm。

【００５９】浸炭焼入れ・焼戻し後の歪み量の測定は、
ネイビーＣ試験片の開口部間隔の、浸炭焼入れ前後の変
化率を測定して行なった。ネイビーＣ試験片による浸炭
焼入れ・焼戻し後の歪み量が、1.0 ％を超えるような大
きな歪みを示す歯車用鋼材を用いて、歯車に加工し、こ
れを浸炭焼入れ・焼戻しをした場合には、大きな変形が
生じて、機械研削により歯形修正処理をしなければなら
ず、機械研削を省略することができない。歯形修正研削
を行なわず、浸炭焼入れ・焼戻しのまま歯車として使用
を可能とするためには、ネイビーＣ試験片における浸炭
焼入れ・焼戻し後の歪み量が、1.0 ％以下であることが
必要であり、更に、歯車の形状・寸法等にかかわらず歯
形修正研削を行なわずに使用することができるために
は、0.5 ％以下であることが一層望ましい。

【００６０】上記形状のネイビーＣ試験片１を各供試鋼
当たり10個作製し、この試験片１に対し、浸炭・焼入れ
し、次いで、焼戻した後に、この試験片の開口部間隔
（ｄ）の、浸炭焼入れ・焼戻し前後の変化率を測定し、
この値を浸炭焼入れ歪み量と定義した。浸炭焼入れ歪み
量の試験結果を、試験繰り返し数ｎ＝１０の平均値およ
びそのバラツキで示す。表８〜１１に実施例１の試験結
果を、そして、表１２〜１４に実施例２の試験結果を示
す。なお、以下の他の試験結果も同表に示す。

【００６１】

【表８】

【００６２】

【表９】

【００６３】

【表１０】

【００６４】

【表１１】

【００６５】

【表１２】

【００６６】

【表１３】

【００６７】

【表１４】

【００６８】(2) 非浸炭部のフェライト面積％：次に、
浸炭焼入れ歪み量測定済みの試験片を用いて、各供試鋼
の浸炭焼入れ・焼戻し後における非浸炭部のフェライト
−マルテンサイト二相組織のフェライト面積％を検鏡試
験で測定し、歯内部のフェライト面積％と定義し、測定
結果を示した。

【００６９】(3) 回転曲げ疲労特性：直径20mmの丸棒鋼
から、平行部直径１０mmの試験片を採取し、平行部にこ
れと直角方向の深さ１mmの切り欠き( 応力集中係数α＝
1.8)を全円周にわたってつけた、回転曲げ疲労試験片を
調製し、この試験片に対し、ネイビーＣ試験片に対して
施したと同じ条件で、浸炭焼入れ・焼戻し処理を施した
後、ショットピーニング処理 (アークハイト:0.6mmA 、
カバレージ:300％) をし、このような処理の施された試
験片に対し、小野式回転曲げ疲労試験機を使用して10⁷
回の回転曲げ疲労試験を行い、その回転曲げ疲労強度を
測定し、結果を示した。

【００７０】(4) 歯車疲労特性、および、粒界酸化層深
さ、焼入れ不良層深さ、および、有効硬化層深さ：直径
90mmの丸棒鋼から、切削加工によって外径75mm、歯幅10
mm、モジュール2.5 、歯数28枚の試験用歯車を調製し、
上記回転曲げ疲労特性と同じ条件で、浸炭焼入れ・焼戻
しおよびショットピーニング処理を施した後、得られた
試験片に対し、動力循環式歯車疲労試験機を使用し、回
転数：3000rpm で歯車疲労試験を行い、繰り返し数10⁷
回で破損しなかったトルク値を歯車の歯元強度として求
め、歯車疲労耐久トルクの試験結果、および、チッピン
グの有無を示した。更に、歯車疲労試験に供した歯車か
ら歯部を切り出して所定の試験片を調製し、浸炭焼入れ
にともなう粒界酸化層深さ、焼入れ不良層深さ、およ
び、有効硬化層深さを測定し、その結果を示した。

【００７１】(5) 強度および衝撃値：浸炭焼入れ・焼戻
し後の２５mmφ丸棒からＪＩＳ４号引張試験片（平行部
径：１４mmφ）、および、ＪＩＳ３号シャルピー試験片
を調製し、引張試験および衝撃試験を行ない、それぞれ
により歯車芯部の強度、および、歯車芯部の靱性を評価
し、測定結果を示した。

【００７２】実施例１の試験条件および結果を示した表
１〜４および８〜１１から明らかなように、比較鋼No.1
6 はＣｒ含有量が本発明の範囲を超えて多く、Ａc₃点パ
ラメーターが本発明の範囲より低く、理想臨界直径（Ｄ
_I）が本発明より大きい鋼で、このため焼入れ歪みが１
％を超えている。比較鋼No.17 は、ＣおよびＭｎ含有量
が本発明の範囲より少なく、Ｓｉ含有量が多い、またＡ
c₃点パラメーターが本発明の範囲より高く、理想臨界直
径（Ｄ_I）が本発明より小さい鋼で、このためフェライ
ト面積率が高くなって、芯部の強度が低く、回転曲げ疲
労強度、歯車疲労耐久トルクが低い。比較鋼No.18 は、
ＡｌおよびＭｎ含有量が本発明の範囲を超えて多い鋼
で、このため芯部の靱性が低く、且つ焼入れ歪みが１％
を超えて大きい。比較鋼No.19 は、Ｃ含有量が本発明の
範囲を超えて高く、このため芯部の靱性が低い。比較鋼
No.20 は、Ｍｏ含有量が本発明の範囲を超えて多く、こ
のため焼入れ歪みが１％を超えて大きい。比較鋼No.21
は、ＮｉおよびＴｉ含有量が本発明の範囲を超えて多
く、Ａc₃点パラメーターが本発明の範囲より低い、この
ため芯部の靱性が低く、且つ焼入れ歪みが１％を超えて
大きい。比較鋼No.22 は、ＷおよびＮｂ含有量が本発明
の範囲を超えて多く、このため芯部の靱性、回転曲げ疲
労強度、歯車疲労耐久トルクが低い。比較鋼No.23 は、
ＶおよびＺｒ含有量が本発明の範囲を超えて多く、この
ため芯部の靱性、回転曲げ疲労強度、歯車疲労耐久トル
クが低い。

【００７３】また従来鋼No.24 〜27は、フェライト面積
率が５〜８％であって本発明の範囲を外れて少なく、粒
界酸化層深さおよび焼入れ不良層深さが大で、且つ、焼
入れ歪み量が大きい。

【００７４】これに対して、本発明鋼No. １〜15は、従
来鋼に比べ粒界酸化層が大幅に低減し、焼入れ不良層が
全く認められず、且つ、浸炭焼入れ特性である浸炭の有
効硬化層深さおよび芯部強度、並びに、衝撃値は、従来
鋼と同等ないし同等以上であり、更に12〜68％のフェラ
イトが存在するフェライト・マルテンサイト二相組織と
なっているので、焼入れ歪み量は 0〜1 ％の間と小さ
く、ロット内のバラツキも少なかった。図３に本発明鋼
および従来鋼の理想臨界直径（Ｄ_I）と浸炭焼入れ歪み
の関係を示す。これより明らかなように、本発明により
熱処理歪みは著しく低減され、歪み０から従来鋼の４０
％程度までに小さくなっているのが判る。

【００７５】また、比較鋼No.17 〜22および従来鋼No.2
4 〜27は、低トルク領域で歯面にチッピングが発生し
た。これに対して本発明鋼No.1〜15は、従来鋼よりも優
れた疲労強度および歯元強度を有しており, 且つ, 焼入
れ不良層がなく、Ｓｉ含有量の増加によって、焼戻し軟
化抵抗が高くなり、チッピングが発生せず、面圧強度も
強化された。

【００７６】次に、実施例２の試験条件および結果を示
した表５〜７および表１２〜１４から明らかなように、
比較鋼No. ２１６は、Ｃｒ含有量が本発明の範囲を超え
て多く、Ａc₃点パラメーターが低く、理想臨界直径（Ｄ
_I）が大きいので、焼入れ歪みが１％を超えて大きい。
比較鋼No. ２１７は、Ｃ含有量が本発明の範囲より低
く、Ｓｉ含有量が本発明の範囲を超えて多く、フェライ
ト面積率が７０％を超え、また理想臨界直径（Ｄ_I）も
小さい。このため十分な強度を確保することができず、
回転曲げ疲労強度、歯車疲労耐久トルクが低い。比較鋼
No. ２１８は、Ｍｎ含有量が本発明の範囲を超えて多い
ので、このため芯部の衝撃値が低い。また理想臨界直径
（Ｄ_I）も本発明の範囲を外れて大きいので、焼入れ歪
みが大きい。

【００７７】また従来鋼No. ２２４〜２２７は、フェラ
イト面積率が５〜８％であって本発明の範囲を外れて少
なかったので、粒界酸化層深さおよび焼入れ不良層深さ
が大で、且つ、焼入れ歪み量が大きかった。

【００７８】これに対して、本発明鋼No. ２０１〜２０
８は従来鋼に比べ粒界酸化層が大幅に低減し、焼入れ不
良層が全く認められず、且つ浸炭焼入れ特性である, 浸
炭の有効硬化層深さおよび芯部強度、衝撃値は、従来鋼
と同等ないし同等以上であり, 更に12〜68％のフェライ
トが存在するフェライト・マルテンサイト二相組織とな
っているので、焼入れ歪み量は 0〜1 ％の間と小さく、
ロット内のばらつきも少なかった。図４に本発明鋼およ
び従来鋼の理想臨界直径（Ｄ_I）と浸炭焼入れ歪みの関
係を示す。これより明らかなように、本発明により熱処
理歪みは著しく低減され、歪み０から従来鋼の４０％程
度までに小さくなっているのが判る。

【００７９】また、比較鋼No. ２１７および２１８、並
びに、従来鋼No. ２２４〜２２７は低トルク領域で歯面
にチッピングが発生した。これに対して本発明鋼No. ２
０１〜２０８は従来鋼よりも優れた疲労強度および歯元
強度を有しており、且つ、焼入れ不良層がなく、Ｓｉ含
有量の増加によって、焼戻し軟化抵抗が高くなり、チッ
ピングが発生せず、面圧強度も強化された。

【００８０】

【発明の効果】この発明は、以上のように構成したの
で、浸炭焼入れ処理による歪み量を、従来鋼の２．３〜
３．５％程度に比べて、０〜１．０％という小さい値に
抑制することが可能であり、且つ、歯元強度に優れた歯
車用鋼材を、通常の浸炭焼入れ処理によって得ることが
でき、歯形修正を施さない自動車用歯車として好適であ
る上、浸炭焼入れ後に歯形修正を必要とする建設機械、
産業機械等の歯車においても、浸炭焼入れ歪み量を減少
し得るので、歯形修正を施す必要がなく、従って、加工
コストの低減および生産性の向上を図ることができる低
歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼材を提供することができ、工
業上多くの優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】浸炭焼入れ歪み量を測定するための試験片の一
例（ネイビーＣ試験片）を示す正面図である。

【図２】図２の側面図である。

【図３】実施例１における本発明鋼および従来鋼の理想
臨界直径（Ｄ_I）と浸炭焼入れ歪み量との関係を示すグ
ラフである。

【図４】実施例２における本発明鋼および従来鋼の理想
臨界直径（Ｄ_I）と浸炭焼入れ歪み量との関係を示すグ
ラフである。

【図５】歯車の歯内部およびは表面部を説明する概略斜
視図である。

【図６】従来の常法による浸炭処理および焼入れの熱処
理パターンの例を示すグラフである。

【符号の説明】

１ネイビーＣ試験片２開口部３円形状空間４歯内部（非浸炭部）５歯表面部（浸炭部）６歯車芯部

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ２２Ｃ 38/50 Ｃ２２Ｃ 38/50 38/58 38/58 Ｃ２３Ｃ 8/22 Ｃ２３Ｃ 8/22 Ｆ１６Ｈ 55/06 Ｆ１６Ｈ 55/06 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60 C21D 6/00 C21D 9/32

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：0.10〜0.35wt.%、Ｓｉ：0.01〜2.5 wt.%、Ｍｎ：0.20〜2.50wt.%、Ａｌ：0.01〜2.5 wt.%、および、Ｃｒ：0.01〜2.50wt.% を含有し、且つ、Ｓｉ＋Ａｌ：0.5 〜2.6 wt.% の関係を満たし、残部：鉄および不可避不純物からなる化学成分組成を有し、しかも、下記(1) 式： Ac₃＝920-203 √C+44.7Si+31.5Mo-30Mn-11Cr+40Al-15.2Ni+13.1W+104V+40Ti ------------ (1) によって算出されるAc₃点パラメーターが、850 〜960
℃の範囲内にあり、下記(2) 式：Ｄ_I＝7.95√C(1+0.70Si)(1+3.3Mn)(1+2.16Cr)(1+3.0Mo)(1+0.36Ni)(1+5.0V) ------------ (2) によって算出される理想臨界直径 (Ｄ_I) が30〜250mm
の範囲内にある化学成分組成を有する鋼材であって、前記鋼材に対して、温度８５０〜１０００℃の範囲内で
浸炭処理を施し、前記浸炭処理終了後、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Ａ ₁ 点超え〜Ａ ₃ 点未満の範囲内の温度
でとめ、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、次いで、焼戻し処理を施し、こ
のようにして得られた前記鋼材の非浸炭部の組織が、フ
ェライトを１０〜７０面積％含むマルテンサイトよりな
る二相組織になるよう調整されていることを特徴とす
る、低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼材。
【請求項２】下記化学成分組成からなる群：Ｍｏ：0.01〜0.70wt.%、Ｎｉ：0.01〜2.0 wt.%、Ｗ：0.01〜0.70wt.%、および、Ｖ：0.01〜1.0 wt.% から選んだ少なくとも１つの元素を、更に付加して含有
している、請求項１記載の低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼
材。
【請求項３】下記化学成分組成からなる群：Ｔｉ：0.005 〜1.0 wt.%、Ｎｂ：0.005 〜0.50wt.%、および、Ｚｒ：0.005 〜0.50wt.% から選んだ少なくとも１つの元素を、更に付加して含有
している、請求項１記載の低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼
材。
【請求項４】下記化学成分組成からなる群：Ｍｏ：0.01〜0.70wt.%、Ｎｉ：0.01〜2.0 wt.%、Ｗ：0.01〜0.70wt.%、および、Ｖ：0.01〜1.0 wt.% から選んだ少なくとも１つの元素、並びに、下記化学成
分組成からなる群：Ｔｉ：0.005 〜1.0 wt.%、Ｎｂ：0.005 〜0.50wt.%、および、Ｚｒ：0.005 〜0.50wt.% から選んだ少なくとも１つの元素を、更に付加して含有
している、請求項１記載の低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼
材。
【請求項５】Ｃ：0.10〜0.35wt.%、Ｓｉ：0.50〜2.5 wt.%、Ｍｎ：0.20〜2.50wt.%、および、Ｃｒ：0.01〜2.50wt.% を含有し、残部：鉄および不可避不純物からなる化学成分組成を有し、しかも、下記(1) 式： Ac₃＝920-203 √C+44.7Si+31.5Mo-30Mn-11Cr+40Al-15.2Ni+13.1W+104V+40Ti ------------ (1) によって算出されるAc₃点パラメーターが、850 〜960
℃の範囲内にあり、下記(2) 式：Ｄ_I＝7.95√C(1+0.70Si)(1+3.3Mn)(1+2.16Cr)(1+3.0Mo)(1+0.36Ni)(1+5.0V) ------------ (2) によって算出される理想臨界直径 (Ｄ_I) が30〜250mm
の範囲内にある化学成分組成を有する鋼材であって、前記鋼材に対して、温度８５０〜１０００℃の範囲内で
浸炭処理を施し、前記浸炭処理終了後、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Ａ ₁ 点超え〜Ａ ₃ 点未満の範囲内の温度
でとめ、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、次いで、焼戻し処理を施し、こ
のようにして得られた前記鋼材の非浸炭部の組織が、フ
ェライトを１０〜７０面積％含むマルテンサイトよりな
る二相組織になるよう調整されていることを特徴とす
る、低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼材。
【請求項６】下記化学成分組成からなる群：Ｗ：0.01〜0.70wt.%、および、Ｖ：0.01〜1.0 wt.% から選んだ少なくとも１つの元素を、更に付加して含有
している、請求項５記載の低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼
材。
【請求項７】下記化学成分組成からなる群：Ａｌ：0.005 〜2.0 wt.%、Ｔｉ：0.005 〜1.0 wt.%、Ｎｂ：0.005 〜0.50wt.%、および、Ｚｒ：0.005 〜0.50wt.% から選んだ少なくとも１つの元素を、更に付加して含有
している、請求項５記載の低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼
材。
【請求項８】下記化学成分組成からなる群：Ｗ：0.01〜0.70wt.%、および、Ｖ：0.01〜1.0 wt.% から選んだ少なくとも１つの元素、並びに、下記化学成分組成からなる群：Ａｌ：0.005 〜2.0 wt.%、Ｔｉ：0.005 〜1.0 wt.%、Ｎｂ：0.005 〜0.50wt.%、および、Ｚｒ：0.005 〜0.50wt.% から選んだ少なくとも１つの元素を、更に付加して含有
している、請求項５記載の低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼
材。
【請求項９】前記理想臨界直径 (Ｄ_I) は、30〜150 mm
の範囲内にある、請求項１〜請求項４の内のいずれか１
つに記載の低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼材。
【請求項１０】前記理想臨界直径 (Ｄ_I) は、30〜150
mmの範囲内にある、請求項５〜請求項８の内のいずれか
１つに記載の低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼材。