JP4193145B2

JP4193145B2 - 歯面強度に優れた歯車の製造方法および歯面強度に優れた歯車

Info

Publication number: JP4193145B2
Application number: JP2005162815A
Authority: JP
Inventors: 陽一渡辺
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2017-07-31
Also published as: JP2005330587A

Description

本発明は、自動車、産業機械、農業機械等々の各種機械構造物において用いられる機械要素のうち歯車として利用される歯面強度に優れた歯車の製造方法および歯面強度に優れた歯車に関するものである。

この種の歯車においては、歯面での耐ピッティング性，耐摩耗性（あるいは、耐スコーリング性）に優れていることが要求されるが、このような歯面での耐ピッティング性，耐摩耗性（あるいは、耐スコーリング性）を向上させる場合には、浸炭焼入れや浸炭窒化焼入れなどの表面硬化処理を施すことによって、表面硬さを上昇させたり、硬化深さを増大させたりする方法が広く採用されている。

そして、このような表面硬化処理を施した場合に、表面からの深さとＣ量およびＮ量との関係は、例えば、図２に示すように、最表面のＣ量（０．７〜０．９重量％）は深さ方向に次第に減少するものとなっており、また、最表面のＮ量（０．１〜０．３重量％）は深さ方向に急激に減少するものとなっていた。

そこで、近年では、歯車に対する面圧負荷がさらに増大する傾向にあり、その対策として、焼入れ性の良くない異常組織を低減するために、含クロム鋼を浸炭処理し、浸炭処理後に温度を若干降下させて引続き窒化処理に移行するようにしたり、窒化処理前に再加熱処理するようにした方法（特許文献１および２）や、浸炭窒化処理により生成させた残留オーステナイトを加工硬化させて負荷能力を向上させるようにした方法（特許文献３）などが考えられた。
特開昭６２−３３７５５号公報（特公平７−１３２９３号公報）特開昭６２−３３７５７号公報（特公平７−１３２９４号公報）特開昭４９−１０１２４号公報（特公昭５４−１７６９９号公報）

しかしながら、面圧負荷はさらに高まる傾向となっており、接触表面において従来以上の発熱（例えば、３００℃以上の発熱）を伴う場合もみられるようになっており、このような場合には、従来のごとき異常組織の低減や残留オーステナイトの加工硬化による活用だけでは、耐ピッティング性，耐摩耗性（あるいは、耐スコーリング性）の向上に対しては十分でないという問題点があり、このような問題点を解決することが課題としてあった。

本発明は、このような従来の課題に着目してなされたものであって、歯面における耐ピッティング性，耐摩耗性（あるいは、耐スコーリング性）がさらに向上した歯面強度に優れた歯車の製造方法および歯面強度に優れた歯車を提供することを目的としている。

本発明者は、面圧負荷がさらに高まり、接触表面において従来以上の発熱（例えば、３００℃以上の発熱）を伴う場合もみられるようになってきていることにかんがみ、このような場合においても耐ピッティング性，耐摩耗性（あるいは、耐スコーリング性）をより一層十分なものとするためには、３００℃前後においても軟化のしにくい表面硬化層を形成させることが有効であることを見い出し、窒素をさらに活用した浸炭窒化に着目し、この際、焼き戻し軟化抵抗の向上に有効な窒素の深さ方向の最適分布を求めると共に、このような最適分布が得られる熱処理方法を開発して本発明に至ったものである。

すなわち、本発明に係わる歯面強度に優れた歯車の製造方法は、請求項１に記載しているように、Ｃｒを０．３〜３．０重量％含有させた機械構造用はだ焼鋼を素材とし、最表面のＣ量が０．５重量％以上０．９重量％以下であり且つ最表面のＮ量が０．３重量％以上０．８重量％以下であって、Ｎ量をＣ量並みとすると共に、Ｎの侵入深さが、硬さＨｖ５５０が得られる深さである有効硬化深さの少なくとも８０％の深さにまで達している表面硬化組織を有する歯車を製造する方法であって、機械構造用はだ焼鋼からなる歯車素材に対し８００℃以上９５０℃以下の温度で浸炭処理と同時に浸窒処理を行ったのち冷却し、さらに８００℃以上９３０℃以下のオーステナイト化温度にまで再加熱して再び浸窒処理を行ったのち焼入れすることにより、表面硬化組織が、ＣのみでなくＮをも固溶したことを特徴としている。

また、本発明に係わる歯面強度に優れた歯車は、請求項２に記載しているように、Ｃｒを０．３〜３．０重量％含有させた機械構造用はだ焼鋼を素材とし、最表面のＣ量が０．５重量％以上０．９重量％以下であり且つ最表面のＮ量が０．３重量％以上０．８重量％以下であって、Ｎ量をＣ量並みとすると共に、Ｎの侵入深さが、硬さＨｖ５５０が得られる深さである有効硬化深さの少なくとも８０％の深さにまで達しており、表面硬化組織が、ＣのみでなくＮをも固溶した緻密なマルテンサイト組織を有することを特徴としている。

本発明に係わる歯面強度に優れた歯車の製造方法および歯面強度に優れた歯車において、その素材としては、ＳＮＣ４１５，ＳＮＣ８１５等のニッケル・クロム系，ＳＮＣＭ２２０，ＳＮＣＭ４１５，ＳＮＣＭ４２０，ＳＮＣＭ６１６，ＳＮＣＭ８１５等のニッケル・クロム・モリブデン系，ＳＣｒ４１５，ＳＣｒ４２０等のクロム系，ＳＣＭ４１５，ＳＣＭ４１８，ＳＣＭ４２０，ＳＣＭ４２１，ＳＣＭ８２２等のクロム・モリブデン系，ＳＭｎ４２０，ＳＭｎＣ４２０等のマンガンおよびマンガン・クロム系などの機械構造用合金はだ焼鋼が使用される。

この場合、クロムを含有する機械構造用はだ焼鋼においては、Ｃｒ含有量が０．３〜３．０重量％であるものを用い、Ｃｒはこの種のはだ焼鋼において焼入れ性の向上に寄与する作用を有していることから、このような作用を得るために０．３重量％以上とすることが望ましいが、多すぎると靭性を低下させることとなるので３．０重量％以下とすることが望ましい。

また、バナジウムを含有する機械構造用はだ焼鋼においては、Ｖ含有量が０．１〜０．５重量％であるものを用いることがより望ましく、Ｖはこの種のはだ焼鋼において靭性を向上させる作用を有していることから、このような作用を得るために０．１重量％以上とすることが望ましいが、多すぎても効果の向上はみられずかえって靭性を低下させることとなるので０．５重量％以下とすることが望ましい。

そして、このほか、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｎｉ，Ｍｏ等についてもこの種のはだ焼鋼に適する範囲とすることが望ましいことはいうまでもない。

また、その他、結晶粒微細化作用があるＡｌ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｎ等を含有させたり、被削性向上作用があるＰｂ，Ｓ，Ｃａ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｂｉ等を含有させたりしたものであってもよい。

そして、このようなＣｒを０．３〜３．０重量％含有させた機械構造用はだ焼鋼を用いて、塑性加工や切削加工などを行うことによって歯車素材に加工したあと、この歯車素材に対し、８００℃以上９５０℃以下の温度で浸炭処理と同時に浸窒処理を行ったのち冷却することにより、表面硬化組織が、ＣのみでなくＮをも固溶した歯面強度に優れた歯車を製造する。

さらに説明すれば、歯車素材に対し、８００℃以上９５０℃以下の温度で浸炭処理と同時に浸窒処理を行ったのち冷却し、さらに８００℃以上９３０℃以下のオーステナイト化温度にまで再加熱して再び浸窒処理を行ったのち焼入れする。

このようにして、例えば図１に示すように、最表面のＣ量が０．５重量％以上０．９重量％以下であり且つ最表面のＮ量が０．３重量％以上０．８重量％以下であって、Ｎ量をＣ量並みとすると共に、Ｎの侵入深さが、硬さＨｖ５５０が得られる深さである有効硬化深さの少なくとも８０％の深さにまで達している表面硬化組織を有する歯面強度に優れた歯車を得る。

この場合、より好ましくは、表面硬化組織は、ＣのみでなくＮをも固溶した緻密なマルテンサイト組織からなっているものとすることがより望ましい。

本発明に係わる歯面強度に優れた歯車の製造方法によれば、Ｃｒを０．３〜３．０重量％含有させた機械構造用はだ焼鋼を素材とし、最表面のＣ量が０．５重量％以上０．９重量％以下であり且つ最表面のＮ量が０．３重量％以上０．８重量％以下であって、Ｎ量をＣ量並みとすると共に、Ｎの侵入深さが、硬さＨｖ５５０が得られる深さである有効硬化深さの少なくとも８０％の深さまで達しており、表面硬化組織が、ＣのみでなくＮをも固溶した緻密なマルテンサイト組織を有する歯車を得ることができ、接触面圧が高くかつ滑り率が大きく変動するような負荷においても優れた耐ピッティング性および耐摩耗性（あるいは、耐スコーリング性）を有し、歯面強度に優れたものにできると共に、再加熱焼入れを行うことで、Ｎ量が多いにもかかわらず残留オーステナイト（γＲ）量が少なく、硬さの低下が小さい長寿命の歯車を製造することが可能であるという著大なる効果がもたらされる。さらに、本発明では、素材としてＣｒを０．３〜３．０重量％含有させた機械構造用はだ焼鋼を用いているので、焼入れ性の向上に寄与する作用が得られると共に、靭性を低下させないという更なる効果を有する。

本発明に係わる歯面強度に優れた歯車によれば、接触面圧が高くかつ滑り率が大きく変動するような負荷においても優れた耐ピッティング性および耐摩耗性を有し、歯面強度に優れたものにでき、また、Ｃｒを０．３〜３．０重量％含有させた機械構造用はだ焼鋼を素材としているので、焼入れ性が良く且つ靭性を低下させずに製造し得ると共に、表面硬化組織が、ＣのみでなくＮをも固溶させた緻密なマルテンサイト組織であって、組織が緻密であるため、クラックの進展抵抗が大であり、長寿命であるという著大なる効果がもたらされる。

（実施例１）
表１に示す鋼を素材とし、９２０℃で６０分間保持後冷却する焼ならしを行い、さらに、図４（ａ）に示すような中央太径部の直径が２６ｍｍ，中央太径部の長さが２８ｍｍ，両側細径部の直径がともに２２ｍｍ，全長が１３０ｍｍのローラーピッティング試験用試験片Ｓ１を機械加工により製作すると共に、図５に示すような直径が７０ｍｍ，厚さが１０ｍｍのピンオンディスク摩耗試験用円盤試験片Ｓ２を機械加工により製作した。

次いで、図３に示す温度−時間説明図において、温度Ｔ１＝９００℃，時間ｔ１＝２４０分，雰囲気ガスＮ１，Ｎ２＝６体積％ＮＨ３ガス，雰囲気カーボンポテンシャルＣ．Ｐ．＝１．１の条件、および、温度Ｔ２＝８４０℃，時間ｔ２＝１００分，雰囲気ガスＮ１，Ｎ２＝８体積％ＮＨ３ガス，雰囲気カーボンポテンシャルＣ．Ｐ．＝０．９５の条件による浸炭処理と浸窒処理とを同時に行ったのち、空冷（Ａ．Ｃ．）した。

続いて、各試験片Ｓ１，Ｓ２を温度Ｔ３＝８５０℃にまで再加熱してオーステナイト化し、時間ｔ３＝１５０分，雰囲気ガスＮ３＝８体積％ＮＨ３ガスによる浸窒処理を再度行ったのち、温度１８０℃のソルト浴中に浸漬する焼入れ（Ｓ．Ｑ．）を行った。

そして、各試験片Ｓ１，Ｓ２の最表面のＣ量，最表面のＮ量，Ｎの侵入深さ、有効硬化深さ，有効硬化深さに対するＮの侵入深さを調べたところ、同じく表１に示す結果であった。

さらに、図４（ａ）に示したローラーピッティング試験用試験片Ｓ１を用いて、図４（ｂ）に示すような直径が１３０ｍｍ，厚さが１８ｍｍのローラー（ＳＣｒ４２０鋼の浸炭焼入れ品）Ｒを相手材とし、接触圧力：３．７ＧＰａ，すべり率：−４０％、潤滑油温度：８０℃の条件によるローラーピッティング試験を行って、ピッティング寿命を調べたところ、同じく表１に示す結果であった。

さらにまた、図５に示した円盤試験片Ｓ２を用いて、同じく図５に示すような本体部の直径が８ｍｍ，本体部先端の半径が１００ｍｍＲ，鍔部の直径が１２ｍｍのピン（ＳＫ３の熱処理品）Ｐを相手材として、接触圧力：１５０ＭＰａ，摺動速度：０．２８ｍ／ｓの条件によるピンオンディスク摩耗試験を行って摩耗深さを調べたところ、同じく表１に示す結果であった。

なお、表１の比較例１は浸炭処理のみを行った場合を示し、比較例２は従来の浸炭窒化焼入れを行った場合を示し、比較例３は過剰な浸窒処理を行った場合を示しており、これらの場合についても同様の評価試験を行った。

表１に示すように、発明例１〜４ではいずれもピッティング寿命が長く、摩耗深さは小さいものとなっていた。

これに対して、比較例１〜３ではピッティング寿命が短く、摩耗深さは大きいものとなっていた。

（実施例２）
表２に示す鋼を素材とし、９２０℃で６０分間保持後冷却する焼ならしを行い、さらに、図４（ａ）に示すような中央太径部の直径が２６ｍｍ，中央太径部の長さが２８ｍｍ，両側細径部の直径がともに２２ｍｍ，全長が１３０ｍｍのローラーピッティング試験用試験片Ｓ１を機械加工により製作すると共に、図５に示すような直径が７０ｍｍ，厚さが１０ｍｍのピンオンディスク摩耗試験用円盤試験片Ｓ２を機械加工により製作した。

次いで、図３に示す温度−時間説明図において、温度Ｔ１，時間ｔ１，雰囲気ガスＮ１，Ｎ２がそれぞれ表２に示す条件でかつ雰囲気カーボンポテンシャルＣ．Ｐ．が１．１の条件、および、温度Ｔ２，時間ｔ２，雰囲気ガスＮ１，Ｎ２がそれぞれ表２に示す条件でかつ雰囲気カーボンポテンシャルＣ．Ｐ．が０．９５の条件による浸炭処理と浸窒処理とを同時に行ったのち、空冷（Ａ．Ｃ．）した。

続いて、各試験片Ｓ１，Ｓ２を再加熱してオーステナイト化し、温度Ｔ３，時間ｔ３，雰囲気ガスＮ３がそれぞれ表２に示す条件による浸窒処理を再度行ったのち、温度１８０℃のソルト浴中に浸漬する焼入れ（Ｓ．Ｑ．）を行った。

そして、各試験片Ｓ１，Ｓ２の最表面のＣ量，最表面のＮ量，Ｎの侵入深さ、有効硬化深さ，有効硬化深さに対するＮの侵入深さを調べたところ、表３に示す結果であった。

さらに、図４（ａ）に示したローラーピッティング試験用試験片Ｓ１を用いて、図４（ｂ）に示すような直径が１３０ｍｍ，厚さが１８ｍｍのローラー（ＳＣｒ４２０鋼の浸炭焼入れ品）Ｒを相手材とし、接触圧力：３．７ＧＰａ，すべり率：−４０％、潤滑油温度：８０℃の条件によるローラーピッティング試験を行って、ピッティング寿命を調べたところ、同じく表３に示す結果であった。

さらにまた、図５に示した円盤試験片Ｓ２を用いて、同じく図５に示すような本体部の直径が８ｍｍ，本体部先端の半径が１００ｍｍＲ，鍔部の直径が１２ｍｍのピン（ＳＫ３の熱処理品）Ｐを相手材として、接触圧力：１５０ＭＰａ，摺動速度：０．２８ｍ／ｓの条件によるピンオンディスク摩耗試験を行って摩耗深さを調べたところ、同じく表３に示す結果であった。

なお、表１の比較例１１は浸炭・浸窒温度を低くかつ再浸窒温度を高くして行った場合を示し、比較例１２，１３は浸炭・浸窒温度を高くかつ再浸窒温度を低くして行った場合を示しており、これらの場合についても同様の評価試験を行ったところ、同じく表３に示す結果であった。

表２，表３に示すように、発明例１１，１２及び参考例１ではいずれもピッティング寿命が長く、摩耗深さは小さいものとなっていた。

これに対して、比較例１１〜１３ではピッティング寿命が短く、摩耗深さは大きいものとなっていた。

本発明による表面硬化組織を有する歯車における表面からの深さとＣ量およびＮ量との関係を概略的に示すグラフである。従来例による表面硬化組織を有する歯車における表面からの深さとＣ量およびＮ量との関係を概略的に示すグラフである。浸炭・浸窒処理および再浸窒処理条件を示す温度−時間説明図である。ローラーピッティング試験片の平面説明（図４（ａ））およびローラーピッティング試験要領を示す斜面説明図（図４（ｂ））である。ピンオンディスク型摩耗試験要領を示す正面説明図である。

Claims

Ｃｒを０．３〜３．０重量％含有させた機械構造用はだ焼鋼を素材とし、最表面のＣ量が０．５重量％以上０．９重量％以下であり且つ最表面のＮ量が０．３重量％以上０．８重量％以下であって、Ｎ量をＣ量並みとすると共に、Ｎの侵入深さが、硬さＨｖ５５０が得られる深さである有効硬化深さの少なくとも８０％の深さにまで達している表面硬化組織を有する歯車を製造する方法であって、機械構造用はだ焼鋼からなる歯車素材に対し８００℃以上９５０℃以下の温度で浸炭処理と同時に浸窒処理を行ったのち冷却し、さらに８００℃以上９３０℃以下のオーステナイト化温度にまで再加熱して再び浸窒処理を行ったのち焼入れすることにより、表面硬化組織が、ＣのみでなくＮをも固溶したことを特徴とする歯面強度に優れた歯車の製造方法。
Ｃｒを０．３〜３．０重量％含有させた機械構造用はだ焼鋼を素材とし、最表面のＣ量が０．５重量％以上０．９重量％以下であり且つ最表面のＮ量が０．３重量％以上０．８重量％以下であって、Ｎ量をＣ量並みとすると共に、Ｎの侵入深さが、硬さＨｖ５５０が得られる深さである有効硬化深さの少なくとも８０％の深さにまで達しており、表面硬化組織が、ＣのみでなくＮをも固溶した緻密なマルテンサイト組織を有することを特徴とする歯面強度に優れた歯車。