JP3534506B2 - 低歪み型浸炭焼入れ歯車用鋼材 - Google Patents

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、Si、M
n、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Ａ
r₁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４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、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】この発明は、上記知見に基づいてなされた
ものであって、請求項１記載の発明の低歪み型浸炭焼入
れ歯車用鋼材は、C ：0.10〜0.35mass%、Si：0.50〜2.5
mass%、Mn：0.20〜2.50mass%、Mo：0.01〜0.70mass%、
および、Ni：0.01〜2.0 mass%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： 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： 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、次いで、温度８００〜９５０℃の範囲内
で焼入れ処理を施し、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
よりなる二相組織であ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、上記（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Ａｌ、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２〜４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。

【００１８】請求項２記載の発明の低歪み型浸炭焼入れ
歯車用鋼材は、請求項１記載の発明の歯車用鋼材に、更
に付加的に、下記化学成分組成からなる群：アルミニウ
ム(Al)：0.005 〜2.0 mass%、チタン(Ti) ：0.005
〜1.0 mass%、ニオブ(Nb) ：0.005 〜0.50mass
%、および、ジルコニウム(Zr)：0.005 〜0.50mass%から
選んだ少なくとも１つの元素を含有しているものであ
る。

【００１９】請求項３記載の発明の低歪み型浸炭焼入れ
歯車用鋼材は、請求項１記載の発明の歯車用鋼材に、更
に付加的に、下記化学成分組成からなる群：タングステ
ン(W) ：0.01〜0.70mass%、および、バナジウム(V)
：0.01〜1.0 mass%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：アルミニウム(A
l)：0.005 〜2.0 mass%、チタン(Ti) ：0.005 〜
1.0 mass%、ニオブ(Nb) ：0.005 〜0.50mass%、お
よび、ジルコニウム(Zr)：0.005 〜0.50mass%から選ん
だ少なくとも１つの元素を含有しているものである。

【００２０】請求項４記載の発明の低歪み型浸炭焼入れ
歯車用鋼材は、請求項１から３記載の発明の低歪み型浸
炭焼入れ歯車用鋼材のいずれか１つにおいて、前記理想
臨界直径 (Ｄ_I ) が、30〜150 mmの範囲内にあることに
特徴を有するものである。

【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４参照）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、Ｎｂ
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 mass%以上含有していることが必要であり、
0.10 mass%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 mass%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 mass%の範囲内に限定すべきである。

【００２５】(2) シリコン（Si） シリコンは、この発明において下記の通り重要な役目を
果たす元素である。即ち、シリコンは、表面層の粒界酸
化の防止に有効であり、フェライト形成元素であり、Ａ
c₃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
0.50 mass%未満では、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表層のシリコン濃度が
低過ぎるために、上記微量酸素が鋼材の深部まで侵入し
て、粒界酸化層が著しく深くなる結果、疲労強度の低下
を招く。一方、シリコン含有量が2.5mass%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、SiO ₂ 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
コン含有量を、0.50〜2.5mass%の範囲内に限定すべきで
ある。

【００２６】(3) 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、0.20 mass%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2.50 mass%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、0.20〜2.50 mass%の範囲内に限定すべきである。

【００２７】(4) モリブデン(Mo) 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 mass%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 mass%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 mass%の範囲内に限定
すべきである。

【００２８】(5) ニッケル(Ni) 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 mass%
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2.0mass%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、0.01〜2.0mass%の範囲内に限定すべきである。

【００２９】(6) 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 mass%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 mass%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 mass%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 mass%以下とする
のが望ましい。0.70 mass%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。

【００３０】(7) 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 mass%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.
0mass%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、0.01〜1.0mass%の範
囲内に限定すべきである。

【００３１】(8) 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。このためには0.005mass%以上含有していることが
必要である。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2.0mass%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。従って、ア
ルミニウム含有量を、0.005 〜2.0mass%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2.6mass%以下に規制することが望ましい。

【００３２】(9) 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、0.005mass%
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1.0mass%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
〜1.0mass%の範囲内に限定すべきである。

【００３３】(10)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0.005mass%
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 0.50mass%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〜
0.50mass%の範囲内に限定すべきである。

【００３４】(11)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0.005mass%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0.50ma
ss%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 mass%
の範囲内に限定すべきである。

【００３５】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、0.20mass%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。

【００３６】(12)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５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８５０℃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８５０℃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Ａ
c₃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： 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。

【００３７】(13)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： 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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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
でいてもよい。

【００４１】

【実施例】次に、この発明を、実施例により比較例と対
比し、更に詳細に説明する。表１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.１〜１２、並びに、表２および３に示
す本発明の条件の範囲外である比較鋼のＮo.１〜７、お
よび、従来鋼Ｎo.１〜４の供試鋼用インゴットを調製し
た。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】

【表３】

【００４５】比較鋼No. １はＭｏ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966 ℃と高い鋼、
比較鋼No. ２はＣ含有量が本発明の範囲より少なく、理
想臨界直径（Ｄ_I）も本発明より小さい鋼、比較鋼No.
３はＭｎ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）も本発明の範囲を超えて高い鋼、比較鋼No. ４はＳ
ｉおよびＮｉ含有量が本発明の範囲を超えて高く、Ｍｎ
が逆に低い。また理想臨界直径（Ｄ_I）も本発明の範囲
より低い鋼、比較鋼No. ５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. ６はＡｌ、Ｖおよ
びＺｒ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を超えて高い鋼、そして、比較
鋼No. ７はＷおよびＮｂ含有量が本発明の範囲を超えて
多い鋼である。

【００４６】従来鋼Ｎo.１〜４は、従来のＪＩＳで規定
された鋼であって、従来鋼Ｎo.１はJIS SMnC420 であ
り、従来鋼Ｎo.２はJIS SCM420であり、従来鋼Ｎo.３は
JIS SNCM420 であり、そして、従来鋼Ｎo.４はJIS SCM4
35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少ない鋼である。

【００４７】上記本発明鋼、比較鋼および従来鋼のイン
ゴットを熱間圧延して、直径20〜90mm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。各試験方法は下記の通りである。

【００４８】(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。

【００４９】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。

【００５０】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４〜５に、上記測定結果を示
す。なお、以下の他の試験結果についても上表に示す。

【００５１】

【表４】

【００５２】

【表５】

【００５３】

【表６】

【００５４】(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、その結果を上表に示した。

【００５５】(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た。上表にその測定結果を併記
した。

【００５６】(4) 歯車疲労特性、並びに、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10mm、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
して求めた。上表に、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併記した。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、これら
を上表に示した。

【００５７】(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８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た。上表に、強度および靱性の試験
結果を併記した。

【００５８】表１〜３および表４〜６から下記事項が明
らかである。比較鋼No. １は、Ｍｏが本発明の範囲を超
えて多く、このため焼入れ歪みが１％を超えて大きくな
ってしまった。またＡc₃点パラメーターが本発明の範囲
を超えて高く、このためフェライト面積率が高くなっ
て、回転曲げ疲労強度、歯車疲労耐久トルクが低いもの
である。比較鋼No. ２は、Ｃが本発明の範囲より少な
く、理想臨界直径（Ｄ_I ）も本発明より小さい鋼で、こ
のため芯部強度が低く、回転曲げ疲労強度、歯車疲労耐
久トルクが低い。比較鋼No. ３は、Ｍｎ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）も本発明の範囲を超えて高
い鋼で、このためフェライト面積率が本発明の範囲より
低く、焼入れ歪みが１％を超えてしまった。比較鋼No.
４は、Ｓｉ、Ｎｉが本発明の範囲を超えて高く、Ｍｎが
逆に低い。また理想臨界直径（Ｄ_I ）も本発明の範囲よ
り低い。このため芯部の靱性が低く、また十分な強度を
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. ５は、Ｗ、Ｎｂが本発明の
範囲を超えて多く、このため芯部の靱性が低く、回転曲
げ疲労強度、歯車疲労耐久トルクが低い。また比較鋼N
o. ６は、Ａｌ、Ｖ、Ｚｒ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を超えて高い鋼
であり、芯部の靱性が低く、回転曲げ疲労強度、歯車疲
労耐久トルクが低い。比較鋼No. ７は、ＷおよびＮｂが
本発明の範囲を超えて多いため芯部の靱性に劣る。

【００５９】また従来鋼No. １〜４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
れ歪み量が大きかった。

【００６０】これに対して、本発明鋼No. １〜１２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
の有効硬化層深さ並びに歯車芯部の強度および歯車芯部
の衝撃値は、従来鋼と同等ないし同等以上であり、更
に、フェライトの面積率が本発明の範囲内の１２〜６８
％のフェライト・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％の範囲内と小さく、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、従来鋼の０〜４０％程度に小さく
なっているのが判る。

【００６１】更に、明らかなように、比較鋼Ｎo.２〜７
および従来鋼Ｎo.１〜４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.１〜１２
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。

【００６２】

【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2.4 〜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】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】歯車の歯内部および表面部を説明する概略斜視
図である。

【図５】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.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｃ２３Ｃ 8/22 Ｃ２３Ｃ 8/22 Ｆ１６Ｈ 55/06 Ｆ１６Ｈ 55/06 (56)参考文献 特開 平７−3391（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−262941（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−4819（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−188895（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−210154（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 C21D 6/00 C21D 9/32 C23C 8/22 F16H 55/06

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭素(C) ：0.10〜0.35mass%、 シリコン(Si) ：0.50〜2.5 mass%、 マンガン(Mn) ：0.20〜2.50mass%、 モリブデン(Mo)：0.01〜0.70mass%、および、 ニッケル(Ni) ：0.01〜2.0 mass%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： 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： 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、次いで、温度８００〜９５０℃の範囲
   内で焼入れ処理を施し、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であることを特徴とする、低歪み型
   浸炭焼入れ歯車用鋼材。
2. 【請求項２】下記化学成分組成からなる群： アルミニウム (Al) ： 0.005 〜 2.0 mass% 、 チタン (Ti) ： 0.005 〜 1.0 mass% 、 ニオブ (Nb) ： 0.005 〜 0.50mass% 、および、 ジルコニウム (Zr) ： 0.005 〜 0.50mass% 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。
3. 【請求項３】下記化学成分組成からなる群： タングステン (W) ： 0.01 〜 0.70mass% 、および、 バナジウム (V) ： 0.01 〜 1.0 mass% 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： アルミニウム (Al) ： 0.005 〜 2.0 mass% 、 チタン (Ti) ： 0.005 〜 1.0 mass% 、 ニオブ (Nb) ： 0.005 〜 0.50mass% 、および、 ジルコニウム (Zr) ： 0.005 〜 0.50mass% 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。
4. 【請求項４】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３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。