JPH08165557A

JPH08165557A - 耐ピッチング性軟窒化歯車の製造方法

Info

Publication number: JPH08165557A
Application number: JP30927394A
Authority: JP
Inventors: Koji Izumi; 康治和泉; Toru Takayama; 透高山; Yoshihiko Kamata; 芳彦鎌田; Masaaki Kondo; 正顕近藤; Motohide Mori; 元秀森; Masami Suzuki; 正実鈴木
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-12-13
Filing date: 1994-12-13
Publication date: 1996-06-25

Abstract

(57)【要約】【目的】軟窒化特性に優れ、耐ピッチング性に優れる
軟窒化高強度歯車の製造方法を提供する。【構成】重量％で、Ｃ：0.15〜0.50％、 Si：1.20
％以下、 Mn：0.60〜1.30％、Cr：0.70〜1.50％、
Mo：０〜0.50％、 Al：0.02〜0.10％、Ｎ：0.006
〜0.020 ％、Ｖ：0.05〜0.20％、さらに必要によりＳ：
0.005〜0.060 ％、Pb：0.02〜0.20％、およびCa：0.00
50〜0.010 ％から成る群から選んだ１種または２種以
上、残部Feおよび不可避的不純物の組成を有する鋼から
なる歯車に、窒化雰囲気を歯車表面の窒素濃度が６〜10
％になるように調整し、かつ550 〜650 ℃の処理温度で
軟窒化処理を施し、ポーラス層／化合物層比が0.50以下
にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐ピッチング性に優れ
た高強度軟窒化歯車の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、高面圧下で使用される高強度歯
車は、表面の耐摩耗性、耐折損性、耐疲労性等を高める
ため、肌焼鋼に表面硬化処理を施したものが使用されて
いる。そのなかで、窒化および軟窒化処理は、浸炭・高
周波焼入に比べ、処理後の熱処理歪が少なく、寸法精度
の高い歯車の製造が可能となる。

【０００３】しかし、窒化処理は、熱処理歪の問題はな
いものの、通常、処理時間が50〜100 hrと著しく長く、
処理後も表面の脆い化合物層を除去する必要があるな
ど、製造上に問題があった。

【０００４】これに対して、軟窒化処理は、一般に500
〜600 ℃の温度域でＮとＣを同時に侵入・拡散させて、
表面硬化をはかる処理であり窒化処理に比べて処理時間
が約半分ですみ、軟窒化処理は多量生産および安定操業
が可能なことから、熱処理歪の少ない歯車用表面処理法
として急速に普及しつつある。

【０００５】しかし、現在、これら軟窒化処理して用い
られている歯車用炭素鋼や低合金鋼は、歯車高強度化の
動向に対し、十分な表面硬さおよび硬化深さが得られて
おらず、また、歯車実働時に最表面の化合物層が剥離す
る問題 (耐ピッチング性の低下) が生じてきている。

【０００６】このような問題を解決するために特開昭59
−16950 号公報の開示する発明では、Al、Cr、Ｖ等の化
学成分を制限することによって表面硬さおよび硬化深さ
の向上を図っているが、歯車接触部で生じるピッチング
特性に関しては充分でない。

【０００７】また、特開昭63−93821 号公報開示の発明
では、軟窒化処理品のポーラス層をショットピーニング
により除去し、耐疲労性向上を図ることを提案している
が、耐ピッチング性に関しては充分でなく、耐ピッチン
グ性に優れた軟窒化処理歯車の開発が望まれていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、以上
のような問題を解決し、軟窒化特性に優れ、耐ピッチン
グ性に優れる軟窒化高強度歯車の製造方法とそれにより
製造されて歯車を提供することである。

【０００９】また本発明の具体的な目的は、歯車の歯面
の耐ピッチング性の向上を発揮でき、疲労強度の上昇、
表面硬さの増加、硬化深さの深化が得られる軟窒化歯車
とその製造方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる目
的を達成すべく、種々検討を重ね、次のような知見を得
た。

【００１１】軟窒化特性向上策 Cr、Ｖ、Alを最適量添加することで、表面硬さおよび硬
化深さを向上させ、軟窒化処理時間の短縮に効果があ
る。

【００１２】耐ピッチング性向上策軟窒化処理後の歯車表面の窒素濃度および処理温度に制
限を加え、歯車接触部である化合物層の組成を単層化す
ることが有効である。また表層のポーラス層／化合物層
の比率を制限することが有効である。

【００１３】かくして、本発明によれば、軟窒化特性に
優れ、耐ピッチング性に優れる軟窒化歯車を得ることが
できるのであって、本発明の要旨とするところは、重量
％で、Ｃ：0.15〜0.50％、 Si：1.20％以下、 M
n：0.60〜1.30％、Cr：0.70〜1.50％、 Mo：０〜0.5
0％、 Al：0.02〜0.10％、Ｎ：0.006 〜0.020 ％、
Ｖ：0.05〜0.20％、残部Feおよび不可避的不純物の組成
を有する鋼からなる歯車に、窒化雰囲気を歯車表面の窒
素濃度が６〜９重量％になるように調整し、かつ550 〜
650 ℃の処理温度で軟窒化処理を施し、ポーラス層／化
合物層比が0.50以下にすることを特徴とする、耐ピッチ
ング性に優れる高強度軟窒化歯車の製造方法である。

【００１４】本発明の実施態様によれば、前記組成が、
重量％で、さらにＳ： 0.005〜0.060 ％、Pb：0.02〜0.
20％、およびCa：0.0050〜0.010 ％から成る群から選ん
だ１種または２種以上を含有していてもよい。

【００１５】

【作用】次に、本発明において、製造条件を上述のよう
に限定した理由についてその作用とともに詳述する。な
お、本明細書において、「％」はとくに断りがない限
り、「重量％」である。

【００１６】Ｃ：0.15〜0.50％Ｃは焼入性を確保して所定の芯部硬さを確保するために
必要な元素であり、このためには0.15％以上含有する必
要があるが、0.50％を超える場合には、焼入性増大によ
り靱性が低下するとともに切削性が大幅に低下する。よ
って、Ｃ含有量を0.15〜0.50％とした。好ましくは、0.
15〜0.35％である。

【００１７】Si：1.20％以下 Siは脱酸剤として添加されるが、固溶強化を示し、1.20
％を超えると靱性および切削性を悪化させるので、1.20
％以下とした。好ましくは、0.50％以下である。

【００１８】Mn：0.60〜1.30％ Mnは脱酸剤として不可欠であり、芯部強度を確保する上
で有効な元素であり、芯部硬さ確保のためには他元素と
の関連において0.60％以上必要である。また、1.30％を
超えると加工性・切削性を害するので、0.60〜1.30％の
範囲とした。好ましくは、0.70〜1.10％である。

【００１９】Cr：0.70〜1.50％ Crは芯部強度を向上させる他、軟窒化性に関しては、多
く添加するほど表面硬さおよび硬化深さを上昇させる元
素であるが、0.70％未満では軟窒化性と芯部強度の向上
効果を得ることができず、また1.50％を超えると、表面
に強固な軟窒化層を形成するため、逆に硬化深さは減少
する。よって、0.70〜1.50％の範囲とした。好ましく
は、0.80〜1.20％である。

【００２０】Mo：０〜0.50％ Moは良好な焼入性を確保すると同時に靱性を向上させる
のに有効な任意添加元素であるが、0.50％を超えると前
記効果が飽和するとともにコスト高となることから、０
〜0.50％とした。好ましくは、0.35％以下である。

【００２１】Al：0.02〜0.10％ Alは溶製時に脱酸剤として用いられ、軟窒化の際に侵入
してくるＮと結合して表面硬さを高め、かつ硬化深さを
深めるのに有効な元素である。このような効果を発揮す
るには0.02％以上の含有が必要で、また0.10％を超える
と表面に強固な軟窒化層を形成するため、逆に硬化深さ
は減少する。よって、0.02〜0.10％の範囲とした。

【００２２】Ｎ： 0.006〜0.020 ％Ｎは結晶粒度を微細化させ、芯部の靱性を向上させる。
このためには、0.006％以上の含有が必要となる。また
0.020 ％を超えるとＶ窒化物の生成が顕著になり靱性が
逆に劣化し始める。よって、 0.006〜0.020 ％の範囲と
した。好ましくは、0.006 〜0.015 ％である。

【００２３】Ｖ：0.05〜0.20％Ｖは焼入れ性を向上させると共に、軟窒化時にＮとＣと
結合し微細なＶ炭窒化物を析出することにより、表面硬
さおよび硬化深さを向上させる。特に硬化深さ増加に対
する寄与が大きいことから、耐疲労性等にきわめて効果
が大きい。この効果を出すには、0.05％以上必要となる
が、0.20％超になると含有Ｎと結合して粗大なＶ窒化物
が析出し芯部靱性が悪化する。よって、0.05〜0.20％の
範囲とした。

【００２４】本発明に係る軟窒化鋼は、以上の元素を必
須成分とするものであるが、必要に応じて、快削成分と
してＳ、Pb、Caよりなる群から選ばれる１種以上を含有
するものであってもよい。

【００２５】Ｓ： 0.005〜0.060 ％、Pb：0.02〜0.20
％、Ca：0.0050〜0.010 ％Ｓ、Pb、Caはいずれも被削性を向上させるための元素で
ある。さらなる被削性の向上を行うには、これらの元素
は少なくともそれぞれＳ：0.005 ％、Pb：0.02％、Ca：
0.0050％以上の添加が必要である。しかし、上記の上限
を超えて添加しても被削性の顕著な向上効果は認められ
ず、かえって靱性を低下させることになるから、Ｓ：
0.005〜0.060 ％、Pb：0.02〜0.20％、Ca：0.0050〜0.0
10 ％とした。

【００２６】図１は、本発明にかかる軟窒化歯車の表面
部の金属組織の模式的説明図であり、図中、最表層から
順に、ポーラス層10、化合物層12、そして拡散層13から
成り、芯部へと続いている。

【００２７】なお、従来の窒化層も一般には、図１に示
したように、表層近傍に化合物層12(ポーラス層10と緻
密層からなる) が存在し、その内部が拡散層13と呼ばれ
るマトリックスに窒素が固溶した層となる。生成される
化合物層の最表層であるポーラス層10は通常酸化物を含
有していると言われ、化合物層12の厚さの1/3 以下であ
ることが耐剥離特性の観点からは望ましいとされ、これ
が現場的な良品判定基準とされている。

【００２８】図１に示すように、軟窒化処理後の化合物
層・拡散層の形態は耐ピッチング性に影響を及ぼす。特
に、化合物層の制御は非常に重要となる。軟窒化処理に
より、ξ (Fe₂Ｎ) 、ε (Fe_2-3Ｎ) 、γ'(Fe₄Ｎ) 、
Fe₃Ｃの化合物層を生じるが、これらが混在すると、組
織の境界において応力が発生し、耐ピッチング性が低下
する。

【００２９】そこで、強固なε層を単一形成できる様、
歯車表面の窒素濃度および処理温度に制限を加えること
で、化合物層および耐ピッチング性の強化を図ることが
できる。そのように組織を実現するために、本発明によ
れば、次のような製造条件が採用される。

【００３０】歯車表面の窒素濃度：６〜９wt％窒素濃度が６wt％未満ではε層以外にγ' 層が形成し、
複層化する。また、９wt％を超えるとポーラス層／化合
物層比が0.5 を超えてしまい、耐ピッチング性が低下す
ることから、歯車表面の窒素濃度を６〜９wt％とした。

【００３１】550 〜650 ℃の処理温度処理温度が550 ℃未満になると窒化速度の低下による窒
化特性の悪化となる。また、650 ℃を超えると化合物中
にFe₃Cが混在することから、処理温度を550 〜650 ℃と
した。

【００３２】ポーラス層／化合物層の比率：0.50以下ポーラス層厚さの制御は耐ピッチング性、耐摩耗性およ
び耐疲労性等を向上させるのに必須な因子である。特に
比率が0.50を超えると、ポーラス層先端部は鋭角で空洞
が多く脆弱になる。特に、揺動部に用いた場合、ポーラ
ス層内部に存在する長いマイクロクラックの先端への応
力負荷が増大し、急速に内部に亀裂の伝播が進行し、耐
ピッチング性が低下することから、0.50以下とした。図
２に示すように、この比率が0.50を越えると表面のＮ₂
濃度も９％を超えることになる。

【００３３】このようにして、本発明によれば、前述の
鋼組成を有するとともに、ポーラス層／化合物層の厚さ
の比が0.50以下であって、さらに化合物層が実質上ε相
単相から成る耐ピッチング性軟窒化歯車が得られる。次
に、実施例によって本発明の作用効果をさらに具体的に
詳述する。

【００３４】

【実施例】

(実施例１)本例は、本発明にかかる鋼の軟窒化特性をみ
るものである。表１に示す化学成分を有する鋼を溶製
後、各々160 mm角の鋼片とし、この鋼片を1100℃に加熱
し、仕上温度950 ℃の熱間鍛造を施して直径30mmの丸棒
とした後、放冷した。

【００３５】950 ℃で焼きならし後、歯車作製時の基礎
特性を調査するために、直径20mmの試験片、ＪＩＳ４号
引張試験片およびＪＩＳ２号回転曲げ疲労試験片をそれ
ぞれ採取し、処理条件570 ℃×３hr→ＯＣ (油冷) 、Ｒ
Ｘ／ＮＨ₃＝１のガス軟窒化処理を施した。

【００３６】これらの試験片を用い、断面調査、引張試
験、および疲労試験を行った。これらの試験の測定結果
を表２に示す。表２は、歯車製造での必要特性を目標値
として示しているが、本発明例では、表面硬さ、硬化深
さ、引張強度、伸びおよび疲労強度すべてにおいて特性
を満足している。

【００３７】一方、比較鋼である供試鋼 No.16〜32と従
来鋼No.33 、34のうち、Ｃ、Mn、Crが規定より少ない鋼
(No.16、19、21) は、引張強度が大きく低下し、目標を
はずれている。

【００３８】Ｃ、Si、Mn、Cr、Mo、Ｖ、Ｎが規定より多
い鋼(No.17、18、20、22、23、25、29、30、31、32) お
よびＮが規定より少ない鋼(No.28) は強度は満足するも
のの、伸びが大きく低下し、目標をはずれている。

【００３９】Cr 、Ｖ、Alが規定より少ない鋼(No.21、2
4、26、31) やCr、Alが規定より多い鋼(No.22、27、32)
さらに従来鋼(No.33、34) では、表面硬さ、硬化深さ
ともに低く、目標値に達していない。以上のように、本
発明で規定する成分組成以外では目標とする特性を得る
ことができない。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】(実施例２)本例は、処理条件の影響をみる
ものである。直径50mmの丸棒を素材とした表１に示す供
試鋼の No.２、９を、熱間鍛造、焼ならし、機械加工に
より外径：120 mm、モジュール：2.0 、歯数：56、歯
幅：20mm、歯たけ：4.6 mmの歯車を作製し、これらを試
験品としてガス軟窒化処理を施した。

【００４３】ガス軟窒化処理はガス組成比、処理温度を
変えた表３の条件で実施し、歯車疲労試験をおこなっ
た。評価は、トルク：40Kgf 、回転速度：1000RPM 、油
温：80℃の条件下で歯車を回転させ、10⁷回転時の歯面
１枚 (接触面積：52 mm²) 当たりのピッチング面積測定
により行った。

【００４４】表４および５に測定結果を示す。また、表
面のＮ₂濃度とピッチング面積との関係を図２にグラフ
で示す。歯車表面の窒素濃度、処理温度、そしてポーラ
ス層／化合物層比が満足するものは、化合物層がε単層
となり、ピッチングは発生していない。

【００４５】歯車表面の窒素濃度が６％未満となると、
化合物層はε層以外にγ' 層が出現し、ピッチングが多
数発生する。９％を超える場合は、ポーラス層比が0.50
を超えてしまい、ピッチング発生が増大する。また処理
温度が550 ℃未満となると、硬化深さが十分でなく評価
完了までに破損し、評価不能となり、650 ℃を超える場
合には化合物層はγ' ＋εの複層となり、ピッチング特
性は低下する。以上のように、本発明で規定する処理条
件以外では目標とする特性を得ることができない。

【００４６】

【表３】

【００４７】

【表４】

【００４８】

【表５】

【００４９】

【発明の効果】本発明は高強度が要求される歯車を製造
するに際し、ポーラス層の厚さの比を調整した化合物層
をε単独相とすること、つまり歯車表面の窒素濃度の調
整およびポーラス層／化合物層の比率調整をおこなうこ
とにより、軟窒化鋼として従来鋼にない優れたピッチン
グ特性を保有することで、歯車の高強度化・軽量化が可
能となるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】最表層の金属組織の模式的説明図である。

【図２】本発明におけるＮ₂濃度とピッチング面積 (ポ
ーラス層／化合物厚の厚さ比)との関係を示すグラフで
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鎌田芳彦北九州市小倉北区許斐町１番地住友金属工業株式会社小倉製鉄所内 (72)発明者近藤正顕愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者森元秀愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者鈴木正実愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.15〜0.50％、 Si：1.20％以下、 Mn：0.60
〜1.30％、 Cr：0.70〜1.50％、 Mo：０〜0.50％、 Al：0.02
〜0.10％、Ｎ：0.006 〜0.020 ％、Ｖ：0.05〜0.20％、残部Feおよび不可避的不純物の組成を有する鋼からなる
歯車に、窒化雰囲気を歯車表面の窒素濃度が６〜９重量
％になるように調整し、かつ550 〜650 ℃の処理温度で
軟窒化処理を施し、ポーラス層／化合物層の厚さの比が
0.50以下にすることを特徴とする、耐ピッチング性に優
れる高強度軟窒化歯車の製造方法。
【請求項２】前記組成が、重量％で、さらにＳ： 0.0
05〜0.060 ％、Pb：0.02〜0.20％、およびCa：0.0050〜
0.010 ％から成る群から選んだ１種または２種以上を含
有する、請求項１記載の高強度軟窒化歯車の製造方法。