JP5191710B2 - 歯車及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、製造に必要な時間が短く、かつ粗大なセメンタイトの残留の抑制及び焼戻し軟化抵抗の向上により耐ピッチング性が向上した歯車及びその製造方法に関する。

建設機械車両の減速機やホイールローダのベベルギアなどに用いられる歯車に求められる特性の一つに、耐ピッチング性すなわち面圧強度の向上がある。耐ピッチング性を向上させる方法として、歯車を浸炭処理して表面に硬化層を形成する方法がある（例えば特許文献１参照）。

図９は、歯車に真空浸炭処理を行う従来の方法を説明するためのチャートであり、図１０（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ図９のＡ〜Ｄのタイミングにおける鋼の組織を示す模式図である。本図に示す方法では、まず歯車を減圧雰囲気下で加熱する。そしてＡｃ_３点以上の所定の温度（本図に示す例では１０００℃）に達した場合、この温度に維持したまま、雰囲気に炭化水素ガスを導入する。これにより、浸炭が行われる。このとき、図１０（Ａ）の模式図に示すように、オーステナイト結晶粒界に粗大なセメンタイトが析出する。

そして一定時間ほど浸炭が行われた後、炭化水素ガスの導入を終了し、かつ歯車を所定の温度に所定時間ほど維持する。これにより、図１０（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、粗大なセメンタイトが徐々に溶解し、そして消滅していく。

その後、歯車をＡｒ_１点以下に空冷する。次いで歯車を再び加熱し、歯車をＡｃ_１点以上の温度で所定時間保持する。これにより、図１０（Ｄ）に示すように、微細な粒状のセメンタイトが分散析出する。

特開２００６−１６１１４１号公報（第４段落）

上記した従来例では、浸炭処理後にセメンタイト分散の為の熱処理を行っても、例えば図１０（Ｃ）に示すように、粗大なセメンタイトが結晶粒界に残留する場合があった。粗大なセメンタイトは応力集中源となり、歯車の耐ピッチング性を低下させてしまう。なお、Ａ_１点を跨ぐように歯車の加熱・冷却を複数回繰り返して炭化物を分断する方法も考えられるが、この場合、歯車の製造に必要な時間が長くなってしまう。

また、使用中の歯車には、すべりによる摩擦熱が加わる為、常温雰囲気で歯車が使用されている場合であっても、歯車の表面は高温になりやすい。このため、歯車の耐ピッチング性を向上させるためには歯車の焼戻し軟化抵抗を向上させる必要がある

本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、製造に必要な時間が短く、かつ粗大なセメンタイトの残留の抑制及び焼戻し軟化抵抗の向上により耐ピッチング性が向上した歯車及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決する為、本発明に係る歯車は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：１．０〜１．５％、Ｍｎ：０．２０〜１．５％、Ｃｒ：０．３１％以下、Ｍｏ：０．１〜１．０％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ下記（１）式を満たす鋼で形成され、
表層に炭素濃度が１質量％以上の浸炭層が形成され、かつ該浸炭層中のセメンタイトの平均粒径が５μｍ以下であることを特徴とする。
ｗ_Ｃｒ≦（１．４２×１０^−３ｗ_Ｓｉ＋４．１５×１０^−４ｗ_Ｎｉ−３．４５×１０^−４ｗ_Ｍｎ−１．０６×１０^−４ｗ_Ｍｏ−９．１２×１０^−４）Ｔ−１．３７ｗ_Ｓｉ＋０．３８６ｗ_Ｎｉ＋０．２２１ｗ_Ｍｎ−０．１４７ｗ_Ｍｏ＋１．３５…（１）
ただし、ｗ_Ｃｒ、ｗ_Ｓｉ、ｗ_Ｎｉ、ｗ_Ｍｎ、及びｗ_ＭｏはそれぞれＣｒ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、及びＭｏの質量％、Ｔ＝浸炭処理を行う処理温度（Ｋ）。

また本発明に係る歯車の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：１．０〜１．５％、Ｍｎ：０．２０〜１．５％、Ｃｒ：０．３１％以下、Ｍｏ：０．１〜１．０％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ下記（１）式を満たす鋼からなる歯車を製造する工程と、
前記歯車をＡｃ_３点以上に加熱して真空浸炭処理を行うことにより、該歯車の表層に炭素濃度が１質量％以上の浸炭層を形成し、その後前記歯車をＡｒ_１以下の温度に冷却する工程と、
前記歯車をＡｃ_１点以上に加熱して所定時間保持することにより、前記浸炭層中に、平均粒径が５μｍ以下のセメンタイトを形成する工程と、
前記歯車を冷却して焼入れする工程と、
を具備する。
ｗ_Ｃｒ≦（１．４２×１０^−３ｗ_Ｓｉ＋４．１５×１０^−４ｗ_Ｎｉ−３．４５×１０^−４ｗ_Ｍｎ−１．０６×１０^−４ｗ_Ｍｏ−９．１２×１０^−４）Ｔ−１．３７ｗ_Ｓｉ＋０．３８６ｗ_Ｎｉ＋０．２２１ｗ_Ｍｎ−０．１４７ｗ_Ｍｏ＋１．３５…（１）
ただし、ｗ_Ｃｒ、ｗ_Ｓｉ、ｗ_Ｎｉ、ｗ_Ｍｎ、及びｗ_ＭｏはそれぞれＣｒ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、及びＭｏの質量％、Ｔ＝浸炭処理を行う処理温度（Ｋ）。

前記浸炭層を形成する工程において、前記歯車の表層に前記浸炭層を形成した後、セメンタイトを分断化させるための繰り返し熱処理を行わずに前記歯車をＡｒ１以下の温度に冷却することも可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る歯車について説明する。この歯車は、例えば建設機械車両の減速機やホイールローダのベベルギアなどに用いられる。以下、質量％を単に％と表示する。本発明者は、真空浸炭時の熱処理条件において粗大なセメンタイトが生成せず、微細なセメンタイトが分散することにより耐ピッチング性が高く、かつ焼戻し軟化抵抗が高い歯車を開発する為、鋭意検討を行った。

まず、焼戻し軟化抵抗を高くするために、歯車を構成する鋼への添加元素としてＳｉに着目した。Ｓｉを添加することにより、焼戻し軟化抵抗は上昇する。焼戻し軟化抵抗を十分得るためには、Ｓｉを１％以上鋼に添加する必要がある。一方、Ｓｉを過剰に添加すると被削性が劣化する為、１．５％を上限とした。

またＳｉは、フェライト生成元素である為、Ｓｉを添加することにより鋼のＡ_３点は上昇する。これを補うためには、オーステナイト生成元素を鋼に添加する必要がある。オーステナイト生成元素としては、Ｃ，Ｎ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｍｎ，Ｎｉなどがある。これらのうち、Ｃは硬さを著しく上昇させて機械加工性を劣化させる。また、Ｎは製鋼工程において特殊な設備が必要になり、コストが高くなる。またＣｕは赤熱脆性を引き起こす。またＡｕ，Ｐｔは高価である。以上のことから、本発明ではＭｎ，Ｎｉを添加することにより、Ａ_３点の上昇を抑制することにした。

Ａ_３点の上昇を抑制するためには、Ｍｎを０．２％以上添加する必要がある。また、Ｍｎは焼入性を向上させ、歯車に必要な内部強度を与える元素でもある。ただしＭｎを過剰に添加すると被削性が劣化する為、上限を１．５％とした。Ａ_３点の上昇を抑制するために不足する分は、Ｎｉで補った。Ｎｉの添加量は、例えば次式（１）で定められる。
Ａｅ_３（℃）＝９１０−２０３Ｃ（質量％）^０．５＋４４．７Ｓｉ（質量％）−１５．２Ｎｉ（質量％）−３０Ｍｎ（質量％）＋３１．５Ｍｏ（質量％）＋１１Ｃｒ（質量％）…（１）

なお、上記した添加元素のほかに、本発明では、以下の理由によりＣｒ及びＭｏを鋼に添加することにした。

Ｃｒは、焼入性を向上させるために必要な元素である。しかし、過剰に添加すると、後述するように浸炭処理中にセメンタイトが生成しやすくなるため、上限を０．３１％とした。

Ｍｏは、焼入性を向上させ、歯車に必要な内部強度を与える元素である。この効果を得るためには、Ｍｏを０．１％以上添加する必要がある。一方、Ｍｏを過剰に添加すると被削性が劣化する為、上限を１．０％とした。

次に、製造工程数を少なくする方法を検討した。真空浸炭時の熱処理条件においてセメンタイトが生成しない場合、セメンタイト分断化の為の繰り返し熱処理を行う必要が無くなり、歯車の製造工程数が少なくなる。本発明者はこの点に着目し、上記した添加元素を含有する鋼において、真空浸炭時の熱処理条件においてセメンタイトを生成させない方法を検討した。図１〜図４の各図は、真空浸炭時（すなわち炭素活量ａｃ＝１）において、セメンタイト析出の有無に及ぼす合金元素の影響を示す図である。具体的には、図１は、Ｃｒ濃度を横軸にしてＳｉ濃度を縦軸にした場合の、９００℃，９５０℃，１０００℃における鋼の相を示す図である。図２は、Ｃｒ濃度を横軸にしてＮｉ濃度を縦軸にした場合の、９００℃，９５０℃，１０００℃における鋼の相を示す図である。図３は、Ｃｒ濃度を横軸にしてＭｎ濃度を縦軸にした場合の、９００℃，９５０℃，１０００℃における鋼の相を示す図である。図４は、Ｃｒ濃度を横軸にしてＭｏ濃度を縦軸にした場合の、９００℃，９５０℃，１０００℃における鋼の相を示す図である。

真空浸炭処理中にセメンタイト（θ）が生成するか否かは、添加している合金元素が相対的にオーステナイト（γ）を安定にするか、セメンタイトを安定にするかによって定まる。例えば、ＣｒとＳｉについては図1のようにSi量が増加するほどγ領域が拡大し、Ｃｒ量が増加するほどγ+θ領域が拡大する。

添加元素の濃度の範囲が狭い場合、図１に示したγとγ+θの境界線は直線で近似でき、次式（２）のように表すことができる。
ｗ_Ｃｒ＝ａ_Ｓｉｗ_Ｓｉ＋ｂ …（２）
ここで、ａ_Ｓｉ、ｂは定数である。

ａ_Ｓｉは、狭い温度範囲では次式（３）に示すように、温度（Ｋ）の1次関数として表すことができる。
ａ_Ｓｉ＝ｐ_ＳｉＴ＋ｑ_Ｓｉ …（３）
そして図１において、境界線の左側の領域では真空浸炭中にはθが生成せず、この領域が本発明においてねらいとする領域である。

また図２、図３、及び図４に示すように、Ｎｉ、Ｍｎ、及びＭｏも、Ｓｉの場合と同様に、γ、θそれぞれの安定度を上記式（２）及び（３）と同様の式を用いて、Ｃｒとの相対値として表すことができる。Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、及びＭｏそれぞれにおける式（３）の係数ｐ，ｑは表１のようになる。なお、Crとの比較で表現したのは、Si、Ni、Mn、Mo、Crの中で、Crが最もθを安定にする元素だからである。

そして上記した各元素の相互作用は少ない為、複数の元素を鋼に添加した場合におけるγ、θそれぞれの安定度は、Ｃｒとの相対値として、上記式（２）の和として表すことができる。上記式（２）の和において、上記したｂの値は、次式（４）においては１．３５になった。

また上記したように、図１〜４において境界線の左側の領域では真空浸炭中にはθが生成せず、この領域が本発明においてねらいとする領域である。従って、次式（４）が真空浸炭中にθが生成しない条件になる。
ｗ_Ｃｒ≦（１．４２×１０^−３ｗ_Ｓｉ＋４．１５×１０^−４ｗ_Ｎｉ−３．４５×１０^−４ｗ_Ｍｎ−１．０６×１０^−４ｗ_Ｍｏ−９．１２×１０^−４）Ｔ−１．３７ｗ_Ｓｉ＋０．３８６ｗ_Ｎｉ＋０．２２１ｗ_Ｍｎ−０．１４７ｗ_Ｍｏ＋１．３５…（４）

次に、本発明における歯車の製造方法について説明する。まず上記した条件を満たす成分を有する鋼を溶製し、この鋼を用いて歯車を形成する。次いで、この歯車を、図５に示す処理チャートに従って処理する。

具体的には、まず歯車を真空浸炭炉内でＡｃ_３点以上の温度（例えば１０００℃）まで加熱する。そして雰囲気に浸炭ガスを導入し、歯車を真空浸炭処理して歯車の表層に浸炭層を形成する。浸炭ガスは、例えばエチレンと水素の混合ガスであるが、これに限定されない。

一定時間（例えば１１０分）ほど真空浸炭処理を行った後、浸炭ガスの導入を終了して真空浸炭処理を終了する。図６（Ａ）は、真空浸炭処理が終了した直後（図５のＡ点）における歯車の浸炭層の組織を模式的に示す図である。上記した成分を有しているため、真空浸炭処理後の歯車の浸炭層には、セメンタイトが析出していない。そして、Ｎ_２ガスを導入し、放冷ファンを駆動させることにより、歯車をＡｒ_１点以下に冷却する。

次いで歯車を再び加熱してＡｃ_１点以上の温度（例えば８５０℃）にして、この温度で一定時間（例えば９０分）熱処理する。図６（Ｂ）は、この熱処理が終了した直後（図５のＢ点）における歯車の浸炭層の組織を模式的に示す図である。熱処理を行うことにより、歯車の浸炭層には、セメンタイトが析出する。このときのセメンタイトの粒径は微細であり、その平均値は５μｍ以下になる。その後、歯車をＭｓ点以下に急冷（例えば油冷）する。

このように、本発明に係る歯車を製造する際には、真空浸炭処理を行った後、セメンタイト分断化のための繰り返し熱処理を行っていない。また、真空浸炭処理後の加熱・冷却は１サイクルのみである。このため、従来と比較して製造に必要な時間が短くなる。

表２に示す添加成分を有する実施例１，２に係る鋼を溶製し、これらを図５に示した処理チャートに従って真空浸炭処理した。真空浸炭時の鋼の温度を１０００℃として、真空浸炭処理時間を１１０分とした。またセメンタイト析出の為の熱処理温度を８５０℃として、熱処理時間を９０分とした。浸炭ガスとしては、エチレンと水素の混合ガスを用いた。

また、表２に示す添加成分を有する比較例１，２に係る鋼を、図５に示した処理チャートに従って真空浸炭処理した。真空浸炭時の鋼の温度を１０００℃として、真空浸炭処理時間を７０分として、拡散のための熱処理を３８分とした。またセメンタイト析出の為の熱処理温度を８５０℃として、熱処理時間を６０分とした。浸炭ガスとしては、エチレンと水素の混合ガスを用いた。なお、比較例２に係る鋼は、それぞれＳＣＭ４２０，ＳＮＣＭ２２０である。

また、比較例３に係る複数の鋼を、図１１に示した処理チャートに従ってガス浸炭処理した。なお、比較例３に係る鋼の添加成分は、実施例１，２に係る鋼の添加成分と略同じである。

図７（Ａ）は、実施例１に係る鋼の浸炭層の組織写真であり、図７（Ｂ）は、比較例１に係る鋼の浸炭層の組織写真である。なお、図７（Ｂ）の写真の倍率は、図７（Ａ）と同じである。図７（Ｂ）に示すように、比較例１においては、浸炭処理時に生成した粗大なセメンタイト（炭化物）が残留していた。これに対して、図７（Ａ）に示すように、実施例１においては、粗大なセメンタイトが生成しておらず、セメンタイトは微細粒の状態で分散していた。

次に、実施例１，２に対してローラピッチング試験を行い、さらに比較例３に対してローラピッチング試験を行った。ローラピッチング試験とは、小ローラである試験ローラに対して大ローラである負荷ローラを所定の面圧で押圧し、負荷ローラを所定の回転数で回転させて、ピッチングが発生するまでの回転数を調べる試験である。なお、試験ローラは負荷ローラに対して一定の割合ですべる。

図８は、実施例１，２に対してローラピッチング試験を行った結果を、比較例３に対してローラピッチング試験を行って結果と共に示す図であり、横軸にピッチングが発生するまでの回転数、縦軸に面圧（ｋｇ／ｍｍ２）を示している。ローラピッチング試験の条件としては、小ローラの回転速度＝２０００ｒｐｍ、すべり率＝４０％、潤滑剤として８０℃のエンジンオイルＥＯ３０を使用した。また負荷ローラとしては、ＳＣＭ４２０に浸炭処理を行ったものを使用した。なお、比較例３における、ピッチングが発生するまでの回転数と面圧の関係は回帰直線で示している。

本図から、実施例１，２に係る鋼は、耐ピッチング性が比較例３に対して高いことが示された。これは、粗大なセメンタイトの残留が抑制され、かつ焼戻し軟化抵抗が向上したためである。

以上より、本発明に係る成分を有する鋼を本発明に係る方法で処理することにより、耐ピッチング性が高くなることが示された。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。

Ｃｒ濃度を横軸にしてＳｉ濃度を縦軸にした場合の、９５０℃における鋼の組織を示す図。 Ｃｒ濃度を横軸にしてＮｉ濃度を縦軸にした場合の、９５０℃における鋼の組織を示す図。 Ｃｒ濃度を横軸にしてＭｎ濃度を縦軸にした場合の、９５０℃における鋼の組織を示す図。 Ｃｒ濃度を横軸にしてＭｏ濃度を縦軸にした場合の、９５０℃における鋼の組織を示す図。 歯車に行う処理を示す熱処理チャート。 （Ａ）は図５のＡ点における歯車の浸炭層の組織を模式的に示す図、（Ｂ）は図５のＢ点における歯車の浸炭層の組織を模式的に示す図。 （Ａ）は実施例１に係る鋼の浸炭層の組織写真、（Ｂ）は比較例１に係る鋼の浸炭層の組織写真。 実施例１，２に対してローラピッチング試験を行った結果を示す図。 歯車に真空浸炭処理を行う従来の方法を説明するためのチャート。 （Ａ）〜（Ｄ）は図９のＡ〜Ｄのタイミングにおける鋼の組織を示す模式図。 比較例３に係る歯車に行う熱処理を示すチャート。

Claims (2)

1. 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：１．０〜１．５％、Ｎｉ：０．５〜１．１％、Ｍｎ：０．２０〜１．５％、Ｃｒ：０．３１％以下、Ｍｏ：０．１〜１．０％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ下記（１）式を満たす鋼で形成され、
   表層に炭素濃度が１質量％以上の浸炭層が形成され、かつ該浸炭層中のセメンタイトの平均粒径が５μｍ以下であることを特徴とする歯車。
   ｗ_Ｃｒ≦（１．４２×１０^−３ｗ_Ｓｉ＋４．１５×１０^−４ｗ_Ｎｉ−３．４５×１０^−４ｗ_Ｍｎ−１．０６×１０^−４ｗ_Ｍｏ−９．１２×１０^−４）Ｔ−１．３７ｗ_Ｓｉ＋０．３８６ｗ_Ｎｉ＋０．２２１ｗ_Ｍｎ−０．１４７ｗ_Ｍｏ＋１．３５…（１）
   ただし、ｗ_Ｃｒ、ｗ_Ｓｉ、ｗ_Ｎｉ、ｗ_Ｍｎ、及びｗ_ＭｏはそれぞれＣｒ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、及びＭｏの質量％、Ｔ＝浸炭処理を行う処理温度（Ｋ）。
2. 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：１．０〜１．５％、Ｎｉ：０．５〜１．１％、Ｍｎ：０．２０〜１．５％、Ｃｒ：０．３１％以下、Ｍｏ：０．１〜１．０％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ下記（１）式を満たす鋼からなる歯車を製造する工程と、
   前記歯車をＡｃ_３点以上に加熱して真空浸炭処理を行うことにより、該歯車の表層に炭素濃度が１質量％以上の浸炭層を形成し、その後前記歯車をＡｒ_１以下の温度に冷却する工程と、
   前記歯車をＡｃ_１点以上に加熱して所定時間保持することにより、前記浸炭層中に、平均粒径が５μｍ以下のセメンタイトを形成する工程と、
   前記歯車を冷却して焼入れする工程と、
   を具備し、
   前記浸炭層を形成する工程において、前記歯車の表層に前記浸炭層を形成した後、セメンタイトを分散させるための繰り返し熱処理を行わずに前記歯車をＡｒ _１ 以下の温度に冷却する歯車の製造方法。
   ｗ_Ｃｒ≦（１．４２×１０^−３ｗ_Ｓｉ＋４．１５×１０^−４ｗ_Ｎｉ−３．４５×１０^−４ｗ_Ｍｎ−１．０６×１０^−４ｗ_Ｍｏ−９．１２×１０^−４）Ｔ−１．３７ｗ_Ｓｉ＋０．３８６ｗ_Ｎｉ＋０．２２１ｗ_Ｍｎ−０．１４７ｗ_Ｍｏ＋１．３５…（１）
   ただし、ｗ_Ｃｒ、ｗ_Ｓｉ、ｗ_Ｎｉ、ｗ_Ｍｎ、及びｗ_ＭｏはそれぞれＣｒ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、及びＭｏの質量％、Ｔ＝浸炭処理を行う処理温度（Ｋ）。