WO2003056054A1

WO2003056054A1 - Element carbure et trempe et son procede de production

Info

Publication number: WO2003056054A1
Application number: PCT/JP2002/013561
Authority: WO
Inventors: Takao Taniguchi; Kazumasa Tsukamoto; Koji Oobayashi; Tomoki Hanyuda; Yutaka Kurebayashi; Hideo Kanisawa; Seiji Itoh
Original assignee: Aisin Aw Co., Ltd.
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2003-07-10
Also published as: KR20040088016A; US20050173026A1; JP4354277B2; EP1550736A1; EP1550736A4; JPWO2003056054A1; CN1539026A

Description

明細書浸炭焼入部材ぉよびその製造方法技術分野

本発明は，疲労強度及び寸法精度に優れた浸炭焼入部材及びその製造方法に関する。背景技術

例えば自動変速機の動力伝達用部品である歯車などには，表面硬度と靱性の両者を高めるべく，浸炭焼入を施した浸炭焼入部材が多用されている。従来の浸炭焼入部材は，肌焼き鋼（J I S ： S CM 4 2 0 H, S C R 4 2 O H, S N CM 2 2 0 ) などを用いて所望形状に成形した後，これを浸炭雰囲気中においてガス浸炭し，その後油等に焼入れて作製するのが一般的であつた。

ところで，上記浸炭焼入部材に対しては，これまで以上にコストダウンと性能向上が求められている。

このコストダウンと性能向上を両立させるためには，上記従来の肌焼き鋼を用いた通常の浸炭焼入方法により作製した浸炭焼入部材における種々の問題点を，一つずつ解消していく必要がある。

浸炭焼入部材が有する課題の一つには，浸炭焼入後の強度をさらに向上させる一方，焼入歪みをこれまで以上に抑制して寸法精度を向上させるというものがある。

しかしながら，周知のごとく，焼入性を向上させた場合には，通常，焼入歪みを増大させることに繋がる。浸炭焼入前の強度まで向上して加工性が低下し，加工コストが高くなるおそれもある。本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，焼入歪みを十分に抑制しつつ高強度化を図ることができる浸炭焼入部材及ぴその製造方法を提供しょうとするものである。発明の開示

本発明の第 1の側面は， F eを主成分として含有すると共に， Cを 0. 1 0〜0. 5 0重量％， 3 1を0. 5 0〜1. 5 0重量⁰ /₀含有し，かつ，一端焼入試験による焼き入れ性 J力 S 3 5〜 5 0 (a t 1 2. 5 mm) である合金鋼を素材として用い，

該素材を所望の形状の部材に成形した後，酸化防止雰囲気において浸炭処理することによつて浸炭層を形成し，

該浸炭処理後に，パーライト変態点（A 1点）からマルテンサイト変態開始点（M s点）まで単調に冷却する条件で，かつ焼入急冷度 Hが 0. 0 1 ~ 0. 0 8 (c m-¹) となる条件で焼入処理を行うことを特徴とする浸炭焼入部材の製造方法にある。

ここで，上記一端焼入試験による焼き入れ性 Jとは， J I S ： G O 5 6 1 に規定された一端焼入試験法（一般にはジョミエ一一端焼入試験法と呼ばれる）により得られる値である。また，（a t 1 2. 5mm) は，ジョミニ一一端焼入試験用の棒状試験片において，その水冷側端面から 1 2. 5 mmの位置についての焼き入れ性 Jの値であることを意味するものである。

また，上記焼入急冷度 Hとは， Grossmannらによつて提唱され広く普及している焼入れの強さを表す指標であつて，被処理材である鋼の熱伝導率を γ (k c a l /mh⁰C), 焼入雰囲気における上記鋼の表面熱伝達係数を a (k c a 1 /mh²⁰C) とした場合， H= 0. 5 X (α/γ) にて定義されるものである。

そして，本発明においては，上記のごとく， C含有量及び S i含有量と焼き入れ性 Jが上記特定の範囲内にある特定の合金鋼を素材として用い，酸化防止雰囲気において浸炭処理によって浸炭層を形成した後，上記単調冷却の条件及び上記特定の焼入急冷度 Hの条件の両方を満たすように焼き入れする。即ち，これらすベての材料特性及び製造条件を確実に具備することによつて，初めて，焼入歪みを十分に抑制しつつ高強度化を図った浸炭焼入部材を得ることができるのである。

この点をさらに説明すると，上記 C含有量を 0 . 1〜0 . 5 0重量％とすることにより，浸炭焼入後における非浸炭部（内部）の適度な靱性と強度を確保することができる。一方， C含有量が 0 . 1重量％未満の場合には，上記効果があまり得られず，また， 0 . 5 0重量％を超えると焼入前硬度が高くなりすぎ，加工コストの上昇およぴ靱性低下のおそれがある。また，浸炭焼入後の非浸炭部内部の,袓織変態率上昇により，変態応力が増大し，大きな焼入歪みにより部品精度低下の要因となる。

また，本発明では，その成分に S iを積極的に含み，またその含有量は， 0 . 5 0〜1 . 5 0重量％とする。そして，上記浸炭処理は，酸化防止雰囲気において行う。これにより，浸炭処理時に発生しゃすい粒界酸化を抑制しつつ，面疲労強度の向上，焼き入れ性の向上，焼き戻し軟化抵抗の向上等を得ることができる。ここで，上記 S iの含有量が 0 . 5 0重量。 /₀未満の場合には，上記向上効果が少なく，特に，浸炭処理時における粒界酸化防止効果が低下してしまうという問題がある。一方， 1 . 5 0重量％を超える場合には，上記向上効果が飽和してくると共に焼入前の均一オーステナイト化が困難であるという問題がある。また，材料の塑性加工性，切削加工性，あるいは成形性の低下を抑制するために， 3 1の含有量を0 . 7 0重量％以下に抑えることがより好ましい。従って， S iの含有量のより好ましい範囲は， 0 . 5 0重量％超え， 0 . 7 0重量％以下の範囲内である。

また，上記素材の上記焼き入れ性 Jは 3 5〜 5 0 ( a t 1 2 . 5 mm) に限定する。これにより，上記焼入急冷,度 Hの範囲を上記の範囲に限定しても優れた焼入効果を得ることができる。一方，上記焼き入れ性 Jが 3 5未満の場合には，浸炭処理後の焼入工程において，上記浸炭層および非浸炭部（内部）に十分な焼入効果を与えることができず所望の高強度化を図ることができない。それ故，より好ましくは，上記焼き入れ性 Jを 3 8以上とすることが好ましい。また，上記焼き入れ性 Jが 5 0を超える場合には，特に，非浸炭部である内部の組織変態率上昇により，変態応力が増大し，焼入歪みが生じやすくなるという問題がある。また，この焼き入れ性 Jが高いほど，浸炭焼き入れ前の硬度が高くなるので，浸炭処理前の塑性加工性，切削加工性等の加工性が低下する。そのため，この加工性低下を防止するためには，上記焼き入れ性 Jを 4 5以下とすることがより好ましい。

また，上記焼入急冷度 Hは 0 . 0 1〜0 . 0 8 ( c m'¹) に限定する。そして，上述した特定の炭素量及び焼き入れ性能を有する上記合金を素材として用いることによって，焼入時における焼入れ歪みを抑制し優れた寸法精度を確保することができる。一方，上記焼入急冷度 Hが 0 . 0 1 ( c m—¹) 未満の場合には，上記焼き入れ性 Jが 3 5未満の場合と同様に，浸炭処理後の焼入工程において，上記浸炭層および非浸炭部（内部）に十分な焼入効果を与えることができず所望の高強度化を図ることができない。また，焼入急冷度 H が 0 . 0 8 ( c m—¹) を超える場合には，上記焼き入れ性 Jが 5 0を超える場合と同様に，特に，非浸炭部である内部の組織変態率上昇により，変態応力が増大し，焼入歪みが生じやすくなるという問題がある。

また，上記焼入処理は，上記焼入急冷度 Hの範囲だけでなく，上記のごとく A 1点から M s点まで単調に冷却する条件で必ず行う。ここでいう単調に冷却とは，冷却途中で再加熱しないこと，すなわち，冷却中の材料温度が上昇することが無いことを意味する。従って，上記の単調冷却の条件を満たす場合としては，材料温度が降下し続ける場合，もしくはその途中で温度降下が止まったとしても温度一定となって決して上昇せず，その後再び降下する場合を含み，また，冷却速度の変化は勿論許容される。

そして，このような単調冷却を必須条件に加えることによって，炭化物の析出を抑制することができるのである。

また，上記単調冷却の条件では，上記浸炭部におけるいわゆる恒温変態曲線に示される S曲線のノーズの領域にかからないように冷却する条件を選択することができる。そして，これにより，十分なマルテンサイト変態を確保することができる。

そして，多言するようであるが，本発明では，以上のごとく，上記 C含有量， S i含有量，焼き入れ性 J，酸化防止雰囲気における浸炭処理，上記単調冷却の条件及び上記特定の焼入急冷度 Hの条件の両方を満たす焼入処理のすべてを具備することによって，焼入歪みを十分に抑制しつつ高強度化を図つた浸炭焼入部材を得ることができるのであり，上記要件の 1つでも欠けると，所期の目的を達し得ないのである。そして，本願発明者らは，これらを多数の実験を通して初めて見出したのである。

次に，本明の第 2の側面は，上記製造方法により製造された浸炭焼入部材であつて，上記浸炭層の表面硬度が 7 0 0〜9 0 0 H v，上記浸炭層内側の非浸炭部の内部硬度が 2 5 0〜4 5 O H vであることを特徴とする浸炭焼入れ部材にある。

この浸炭焼入部材は，上記優れた製造方法を採用し，かつ，成分範囲処理条件を調整して上記のごとく浸炭層の表面硬度及び非浸炭部の内部硬度を上記特定の範囲に限定したものである。これにより，部材に作用する付加荷重により発生する部材への作用応力と，部材形状の凹凸，穴等に伴って発生する部材表面近傍での応力集中とを合成した部材へ付加される応力分布に対し , 静的強度（引張強度，曲げ強度，ねじり強度等）と動的強度（面疲労強度 , 曲げ疲労強度，ねじり疲労強度等）を表面から内部（心部）まで確保することができる。

上記浸炭層の表面硬度が 7 0 0 H V未満の場合には，部材表面近傍での応力集中に対し，強度を確保できない問題が考えられる。また，最表面での耐摩耗性不足という問題も考えられる。一方表面硬度が 9 0 O H vを超える場合，表層にセメンタイト等の炭化物の生成が考えられ，かえって強度不足，特に靱性の低下という問題が考えられる。

また，上記非浸炭部の内部硬度が 2 5 O H v未満の場合には強度不足，特に静的強度不足という問題が考えられる。一方，内部硬度が 4 5 O H vを超えると，組織の変態率から考えて， 4 5 0 H Vを確保するよう焼入処理するときに大きな変態応力が発生し，これが大きな焼入歪みとなって部品精度低下の要因となるという問題がある。図面の簡単な説明

図 1は，回転曲げ疲れ試験片を示す説明図である。

図 2 aは，評価用歯車の平面図である。

図 2 bは，評価用歯車の断面図である。発明を実施するための最良の形態

本発明の第 1の側面の浸炭焼入部材の製造方法においては，上記浸炭処理は， 1〜 3 0 h P aに減圧した減圧雰囲気下において行うことが好ましい。これにより，上記酸化防止雰囲気を減圧により容易に得ることができ，浸炭時の粒界酸ィ匕を十分に防止することができる。ここで上記減圧雰囲気の減圧の値が 1 h P a未満は，酸化抑制に対しては過剰であるし，減圧のための装置も高減圧仕様となり，コスト上昇してしまうという問題がある。一方， 3 O h P aを超える場合には，酸化抑制効果の低下，浸炭炉内における煤の発生等の問題がある。また，上記浸炭処理は，不活性ガスを主成分とする雰囲気下において行うことも好ましい。この場合にも，上記酸化防止雰囲気を容易に形成することができる。上記不活性ガスとしては，例えば，窒素ガス，アルゴンガス等がある。

また，上記浸炭層の表面炭素量が 0 . 6〜1 . 5重量％となるように上記浸炭処理を行うことが好ましい。浸炭層の表面炭素濃度は浸炭焼入材の表面硬さに影響し，浸炭層の表面炭素量が 0 . 6重量％未満の場合には，表面硬さが不足するという問題があり，一方， 1 . 5重量％を超えると炭化物の析出量が多くなつて基地の焼入性が顕著に低下し，表面硬さが不足するという問題がある。

また，上記素材の表面から生じる粒界酸化が 3 zx m以下であることが好ましい。即ち，素材の成分組成，上記浸炭時の酸化防止雰囲気，加熱温度，加熱時間等を調整することにより，上記粒界酸化を表面から 3 μ m以下に抑制することが好ましい。

粒界酸化物（部）が生成されると粒界強度が低下するため，一般浸炭焼入層（部）より強度が低く，粒界酸ィ匕が 3 μ πιを超えて深くまで生じた場合には，部材の強度不足や硬度低下等による対摩耗性の低下を引き起こすおそれがある。また，粒界酸化生成時に，その周辺の合金元素も化学的な化合物反応により粒界酸化物に取り込まれる。これにより，粒界酸化物周辺の浸炭焼入層における焼入性向上元素が上記粒界酸化物に取り込まれて消費され，粒界酸化物層周囲に添加物の枯渴領域が生じるため，浸炭焼入層そのものの焼入性不足が生じ，硬度不足，強度不足を引き起こすおそれがある。

また，上記素材の表面圧縮残留応力が 3 0 0〜8 0 0 M P aであることが好ましい。即ち，素材の成分組成，上記浸炭時の酸化防止雰囲気，加熱温度，加熱時間等を調整することにより，上記表面の圧縮残留応力を 3 0 0 M P a以上にすることが好ましい。これにより，表面近傍の引張作用応力を部材の表面近傍の圧縮残留応力により，作用応力を緩和することができ，特に動的強度（面疲労強度，曲げ疲労強度，ねじり疲労強度）を向上することができる。一方，上記表面圧縮残留応力が 8 0 O M P aを超える場合には，マルテンサイト量を多くするため，焼入処理時の冷却速度を限度を超えて大きくしなければならない。そのため，大きな焼入れ歪みが生じてしまい，部材の寸法精度が確保できないという問題が生じる。

上記表面圧縮残量応力は，浸炭層に焼入れ処理してマルテンサイトを生成させ，変態に伴う体積膨張により圧縮応力場を生じさせることによって得ることができる。し力し，マルテンサイトの生成量が少ない場合，すなわち残留オーステナイトが多い場合，またはトルースタイト組織が多い場合は，十分な圧縮残留応力場を形成できない。従って，残留オーステナイトを減少させること（具体的には 2 5 %以下とすること）とトルースタイト組織を減少させること（具体的には 1 0 %以下とすること）は，このような圧縮残留応力効果を高める観点において有利に作用する。なお，マルテンサイト変態時の体積膨張の吸収は，マルテンサイト量が少ない場合は周囲の残留オーステナイト，またはトルースタイト組織を塑性変形させて進行するため応力緩和し，表面圧縮残留応力の増大にはそれほど寄与しない。しかし，マルテンサィト量が増え残留オーステナイト，またはトルースタイト組織が上記のように減少すると，塑性変形により導入された転位の密度が増加し，すべり変形が拘束されるため，表面圧縮残留応力は急速に増加する。

また，焼入れ後にショットビーユング等の表層加工を施して圧縮残留応力を増加させる方法もある。後者の場合，ショットピーユング処理により残留オーステナイトをマルテンサイト化させると，圧縮残留応力を向上させる上でより有利となる。

また，上記焼入処理はオーステナイト領域の温度から 3 0 0 °Cまでの間，上記焼入急冷度 Hの範囲において単調に冷却する条件で焼入を行うことが好ましい。これにより，十分な焼入効果を得ることができる。一方，オーステナイト領域の温度から 3 0 0 °Cまでの間の冷却における上記焼入急冷度 Hが 0. 0 1 ( c m'¹) 未満の場合は，焼入れ不足となり，所望の焼入組織，特性が確保できず，部材強度不足となる。また，オーステナイト領域の温度から 3 0 0 °Cまでの間の冷却における上記焼入急冷度 Hが焼入急冷度 Hが 0. 0 8 ( c m"¹) を超える場合には，急冷が過剰で組織変態応力及ぴ熱応力が増大し，焼入歪みが大きくなり部品精度が低下するおそれがある。

また，上記焼入処理はガス冷却により焼入れすることが好ましい。この場合には，上記焼入急冷度 Hを比較的容易に確保することができる。

また，上記ガス冷却は不活性ガスにて行うことが好ましい。これにより，焼入時における安全性を確保することができる。

また，上記不活性ガスは窒素ガスであることが好ましい。窒素ガスは，量産操業時における入手容易性，コスト，取り扱い容易性などの点から上記不活性ガスに採用することが好ましい。

次に，本発明の第 2の側面の浸炭焼入部材においては，上記浸炭層の残留オーステナイト面積率が 2 5 %以下であることが好ましい。残留オーステナイト面積率が 2 5 %を超える場合には，浸炭焼入工程より後の加工工程，あるいは，部材を使用中の作用応力 '温度変化に伴い，残留オーステナイトがマルテンサイトへ組織変態を起こし，そのときの変態応力により歪みを発生し，部品精度を低下させるおそれがある。なお，残留オーステナイト面積率は，より望ましくは 2 0 %以下であるのがよい。また，残留オーステナイト面積率を減少させるためには，例えばショットピーユング等により，残留ォーステナイトを強制的にマルテンサイト化して面積率を減らすこともできるまた，上記浸炭層表層のトルースタイト組織の面積率が 1 0 %以下であることが好ましい。上記トルースタイトは，浸炭焼入れ後の浸炭層に生成する不完全焼入れ組織であり硬さも小さいため，組織の面積率が 1 0 %を超える場合には，低強度のトルースタイトにより部品の強度が低下するおそれがある。

また，上記浸炭焼入部材は，その内部組織がベイナイトであることが好ましい。より具体的には，断面組織におけるベイナイトの面積率は 5 0 %以上であることが望ましい。ベイナイトはマルテンサイトと異なり，格子をなす鉄原子が部分的に拡散しながら変態が進行する。従って，マルテンサイトと比較して変態に伴う歪みの発生が小さく，しかも，さらに冷却速度が小さくなったときに生成するパーライトよりは硬さが大きいので，内側の非浸炭部の強度を適度に高めることができる。内層部をべイナイト主体に構成するには，上記冷却急冷度 Hを 0 . 0 1〜0 . 0 8 ( c m—¹) の範囲に設定することによって，べィナイトが主体となる組織が得られるように組成選定することが望ましい。これにより，強度と靱性を合わせ持った部品を得ることができる。

また，上記浸炭焼入部材は，浸炭歯車であることが好ましい。歯車は，様々な厳しい条件が要求される部品であり，上記製造方法により得られた優れた特性が非常に有効である。実施例

本発明の実施例に係る浸炭焼入部材にっき，さらに具体例を示して詳しく説明する。

(実施例 1 )

実施例 1として，本発明の効果を確認するために行なった実験結果について説明する。

まず，表 1に示す化学組成の鋼（鋼 1 1〜1 4 ) をアーク炉で溶製後，熱間圧延により直径 1 5 0 mm及ぴ直径 3 2 mmの丸棒とし， 9 2 5 °〇に1時間保持後空冷の焼ならしを行った。

鋼 1 1, 鋼 12は本実施例において新たに開発した成分組成を有する鋼種であり，鋼 1 3及び鋼 14はそれぞれ J I Sの肌焼鋼 SCM420及び SN CM 81 5に相当する鋼種である。

まず，すべての鋼種について， J I S ： GO 561に基づきジョミニ端焼入試験を行って焼き入れ性 Jを求めた。

この結果を表 1に示す。この特性は，後述する製法に関係ない素材の特性である。

表 1より知られるごとく，鋼 11，鋼 1 2は，材質及び焼き入れ性 Jの面から本発明における素材に適用可能な合金鋼である。一方，鋼 13は，焼き入れ性 Jと S i含有量が本発明範囲を外れ，鋼 14は S i含有量が本発明範囲を外れている。

次に,. 上記鋼 11 14を用いて，直径 25 mm, 長さ 50 mmの丸棒試験片（図示略）を加工すると共に，図 1に示す形状の回転曲げ疲れ試験片 1 を加工した。

また，直径 1 5 O mmの焼ならし材からは，図 2に示すごとく，機械加工によりピッチ半径 5 4 mm，歯数 2 7，モジュール 4 , 歯幅 9 mm, 軸穴半径 3 5 mm (等価丸棒径 1 0 . 5 mm φ ) の試験用平歯車 4を作製した。そして，上記鋼 1 1 , 1 2及び鋼 1 4から作製した各試験片及び歯車は，表 2に示す「製法 1」の条件で低圧浸炭（真空浸炭）及びガス焼入れを行つた。

また，鋼 1 3から作製した各試験片は，表 3に示す「製法 2」の条件でガス浸炭及ぴ油焼入れを行った。

ここで，上記「製法 1」は，表 1に示すごとく，浸炭処理後における焼入急冷度 Ηが 0 . 0 5 ( c m'¹) で有り，本発明の製造方法の要件を具備したものである。

また，上記「製法 2」は，表 4に示すごとく，浸炭処理後における焼入急冷度 Hが 0 . 1 5 ( c m'¹) で有り，本発明の製造方法の要件を具備していないものである。

次に，上記のごとく作製した各試験片に対し次のような試験を行った。まず直径 2 5 mmの丸棒試験片について，ビッカース硬度計により横断面の硬さ分布（内部硬度）を調べた。また，浸炭焼入材の表層硬さ（表面硬度 ) は，表面から 0 . 0 2 mmの位置において測定した。さらに，これと同等の位置においてトルースタイトの面積率を，走査型電子顕微鏡写真を画像解析することにより測定した。

また，粒界酸下層は，光学顕微鏡にて，表層金属組織から最大の酸化層深さを彻 J定した。

また，表面炭素濃度は， X線マクロアナライザ一にて表面から 5 0 / mの位置を測定した。また，残留オーステナイト面積率は， X線回折装置において C o— K a線を用いて部材表面を測定した。

また，表面残留応力は， X線応力測定器にて F e— 線を用いて半価幅中点法により測定した。

これらの結果を表 4に示す。

(表 2) 製法 1

(表 3) 製法 2

工程温度時間雰囲気圧力焼入急冷度 H ョ =L フ'タンと空気の変成反応によ

930。C 3hr

る CO，H₂，N₂等の混合ガス大気圧フ、'タンと空気の変成反応によ

拡散 930°C lhr

る CO,H₂，N₂等の混合ガス大気圧ブタンと空気の変成反応によ

均熱 850°C 0.5hr

る CO，H₂,N₂等の混合ガス大気圧焼入れ 120°C 油大気氐 0.15cm—¹ 焼戻し 150°C 2hr 大気大気圧

. 表 4に示すごとく，鋼 11, 銅 12を製法 1により処理して得られた浸炭焼入れ材「鋼 11 12+製法1」（以下，鋼種と製法の組み合わせを「鋼種 +製法」という表記で示す）の中心部の硬さはすべて 25 OHv以上である。表層及び中心部の組織はいずれもマルテンサイトであり，顕著な不完全焼入組織は存在していない。

これに対し，「鋼 13+製法 2」の表層硬さ及ぴ中心部硬さは，上記「鋼 1 1, 12+製法 1」のいずれに比べても低い。

また，「鋼 14+製法 1」の表層硬さ及び中心部硬さは上記「鋼 1 1， 12 +製法 1」とほぼ同等であるが，残留オーステナイト面積率が大きく表面残留が小さくなる。それに伴い面疲労強度が劣る。

次に，回転曲げ疲れ試験は，小野式回転曲げ疲れ試験機を用い，繰り返し数 1千万回を基準とする疲労強度を求めた。その結果を曲げ疲労，面疲労として表 4に示した。

表 4からわかるように，「鋼 1 1， 12+製法1」では，回転曲げ疲労強度において，「鋼 13+製法 2 J および「鋼 14+製法 1」を大きく上回る特性が得られている。

次に，歯車については，.以下のようにギヤ精度及び寸法精度を評価した。ギヤ精度を評価するに当たっては，専用の精密ギヤ精度測定機を用い，左右歯面それぞれにギヤの圧力各方向の誤差量とネジレ角方向の誤差量を測定した。また，歯溝高さを全周測定し，最大値から最小値を差し引いた値を歯溝の振れとして算出した。

寸法精度を評価するに当たっては，歯車の互いに向かい合った 2つの歯溝にポールを入れ，その外周寸法を専用の O. B. D測定器を用いて測定した。 O. B. Dの測定は，図 2に示すごとく，円周方向は直角 2方向（X, Y ) で有り，歯幅方向は上■中■下の 3箇所（A, B, C) とした。そして， O. B. D楕円として，直角 2方向での O. B. Dの差の絶対値を求め， O . B. Dテーパーとして歯幅方向での上部 O. B. Dと下部 O. B. Dの差を求めた。二れらの結果を表 5に示す。

(表 5)

表 5より知られるごとく，ギヤ精度，寸法精度ともに，「鋼 11, 12+製法 1」が他のものに比べて優れた精度を示した。

以上の結果から， C含有量及び S i含有量と焼き入れ性 Jが上記特定の範囲内にある特定の合金鋼を素材として用い，酸化防止雰囲気における浸炭処理によって浸炭層を形成した後，上記特定の焼入急冷度 Hの条件下において焼き入れした「鋼 1 1, 12+製法1」の場合には，焼入歪みを十分に抑制しつつ高強度化を図ることができることがわかる。 '

特に合金鋼は， F eを主成分とし，副成分として， C： 0. 1 2〜0. 2 2質量％, S i ： 0. 5〜1. 5質量％， Mn ： 0. 25〜0. 45質量⁰ /₀ , N i ： 0. 5 ~ 1. 5質量％, C r ： 1. 3〜 2. 3質量％， B ： 0. 0 ◦ 1〜 0. 003質量％， T i : 0. 02〜0. 06質量％, N b ： 0. 0 2〜0. 12質量％， A 1 ： 0. 005〜0. 05質量％を含有するように設定するとよい。

より具体的には上記合金鋼として，

N≡106XC (質量％) + 10. 8 X S i (質量⁰/。） + 1 9. 9 XMn ( 質量％) + 16. 7 XN i (質量％) +8. 55 X C r (質量％) +45. 5 XMo (質量％) +28 により表される成分パラメータ Nが 9 5以下となるように組成調整するとよい。

ここで上記鋼種 1 1， 1 2の Nはそれぞれ 8 7 . 6 , 9 3 . 4であり，本発明の成分範囲外となる鋼種 1 3 , 1 4では Nは 9 5より大きくなる。 Nが 9 5を超えると，鋼の圧延状態の硬さや焼ならし状態の硬さが著しく上昇し，機械加工性及ぴ冷間加工性が得られなくなるからである。したがって，製造性を重視する場合にはこの成分パラメータ Nが 9 5以下となるように鋼の成分組成を制御する必要がある。

上記本発明の成分範囲内となる合金鋼は，冷却速度が少なくとも 0 . 1 °C /秒以下の範囲においてはべイナイトが生成せず，かつ，冷却速度が少なくとも 1 2 °CZ秒以上の領域ではフェライトが生成しない。上記冷却速度の範囲は，鋼の連続冷却変態線図（Continuous Cooling Transformation diagram ： C C T線図）を種々の冷却速度により測定することにより特定できる。本発明では，ガス冷却でも浸炭層に十分焼きが入るように，鋼の組成を，冷却速度が少なくとも 1 2 °C/秒以上（以下，これを上限冷却速度という）の領域ではフェライトが生成しなくなるように設定する。 1 2 °CZ秒以上に冷却速度を大きくしてもフェライトが生成するようでは，ガス冷却によって浸炭層に十分にマルテンサイトが形成されず，硬さが不足することにつながる。

しかし，焼入れ性が過度に良好となるのも，却って不利に作用し，浸炭の影響が及ばない内層部においてもマルテンサイトが過剰に生成するようであれば，部材全体としてのマルテンサイト生成量が大きくなつて寸法精度の低下につながる。そこで，ガス焼入時に，浸炭層においては十分にマルテンサィトが生成するが，内層部では過度のマルテンサイトが形成されないように，組成を選定することが重要である。具体的には，冷却速度が少なくとも 0 . 1 °C/秒以下の範囲においてはべイナイトが生成しないようにする。 0 . 1 °CZ秒以下の冷却速度でもべィナイトが生成するようであれば，浸炭層の影響が及ばない内層部にまで深く焼きが入って歪みが増大してしまう。

また， 0. 1 °c /秒未満の冷却速度でべィナイトが生成しないようにすれば，実際の焼き鈍し冷却速度範囲にてべイナイトの生成が十分抑制され，フエライト +パーライトの多い加工性に富んだ組織を得ることができる。したがって，焼きなまし状態，すなわちオーステナイトからの冷却速度が放冷または空冷に相当する範囲において，加工性を向上させるのに十分低い素材硬度が得られ，浸炭焼入前の加工を容易に行うことができる。

さらに，冷却速度を 0. 1~10°CZsとすることによって内層部をべィナイト主体となる組織が得られるように組成選定することが望ましく，特に 3で sにて冷却したときべイナイト主体となるものが望ましい。

(実施例 2)

次に，本例では，表 6に示す化学成分の鋼（鋼 21〜24及び鋼 31〜3 8) を溶製したのち造塊し，次に分塊圧延，棒鋼圧延して直径 7 Ommの丸棒を製造した。

続いて， 7 Οπιιηφの丸棒を熱間鍛造により 12 Οπιηιψに延伸し， 92 5 °Cで焼きならし処理した後，実施例 1と同様の各試験片及び歯車（図 1 , 図 2参照）を作製した。

次に，各試験片及ぴ歯車を， 3種類の製造方法（製法 3〜5) に振り分けて処理した。

「製法 3」は，ガス浸炭と油焼入れを特徴とするもので，浸炭ガス雰囲気中で 930 °C X 5時間加熱→ 850 °C X 1時間拡散→ 130 °C油焼入れ→ 1 80°CX 1時間焼戻しの条件で浸炭焼入れ，焼戻しを行うものである。この場合の焼入急冷度 Hは 0. 15 (cm—¹) である。

「製法 4」は，真空浸炭とガス冷却を特徴とするもので，真空浸炭で 93 0 °C X 5時間加熱→ 8 5 0 °C X 1時間拡散—窒素ガス冷却→ 1 8 0 °C X 1時間焼戻しの条件で浸炭焼入れ，焼戻しを行うものである。この場合の焼入急冷度 Hは 0 . 0 5 ( c m'¹) である。

「製法 5」は，上記製法 4における窒素ガス冷却を 1 3 0 °C油焼入に変更したものであり，この場合の焼入急冷度 Hは 0 . 1 5 ( c m'¹) である。そして，上記製法により処理した各試験片及び歯車について，実施例 1と同様の測定及び試験等を行つた。

その結果を表 7 , 表 8に示す。

表 7，表 8に示すように，鋼種 3 1〜3 8は曲げ疲労強度あるいは面疲労強度が低く，また，油冷却による部品は焼入れ歪による精度のばらつきが大きく，実用上問題が多い。

鋼種 3 1〜3 4はガス浸炭時の粒界酸化生成による不完全焼入組織ができており，それに伴い表面硬度も低いため各強度が低い。また，油冷却により，焼入れがガス冷却よりも急激であり，冷却むらも大きいため，焼入歪みによる精度のばらつきが大きくなつた。

また，鋼種 3 7 , 3 8は，鋼材の焼入れ性に対して油冷却での焼入れが強すぎ，内部の硬度が上昇しすぎた。また表面の糸且織変態と内部の組織変態の割合差が小さくなり，すなわち，表面硬度と内部硬度の差が小さくなり，結果的に表層圧縮残留応力が小さくなつたため，各強度が低くなつた。また，油冷却により，焼入れがガス冷却よりも急激であり，冷却むらも大きいため，焼入歪みによる精度のばらつきが大きくなつた。

一方，鋼種 2 1〜 2 4では，何れも表面硬度が高く，内部硬度も適切なィ直を示し，また歪みも小さくに抑制でき，高強度と低歪みを両立できていることが明らかである。

したがって，本例からも， C含有量及び S i含有量と焼き入れ性 Jが上記特定の範囲内にある特定の合金鋼を素材として用い，酸化防止雰囲気において浸炭処理によって浸炭層を形成した後，上記特定の焼入急冷度 Hの条件下において焼き入れした場合には，焼入歪みを十分に抑制しつつ高強度化を図ることができることがわかる。

この場合，合金鋼は F eを主成分とし，副成分と， C : 0. 1〜0. 5質量⁰ん S i ： 0. 5〜： L. 0質量％， Mn : 0. 3〜1. 0質量％， C r ： 0. 1〜1. 0質量⁰ん P ： 0. 003〜0. 01 5質量％， S ： 0. 00 5〜 0. 03質量％， A 1 ： 0. 01〜0. 06質量％， N： 0. 005〜 0. 03質量⁰ /₀を含むとともに， Mo ： 0. 3〜1. 3質量％， N i : 0. 1-1. 0質量％の 1種以上をを含有するように設定するとよい。さらに副成分として， V： 0. 05〜： L. 5質量⁰ /₀， Nb ： 0. 02〜0. 2質量⁰ /₀ , T i : 0. 01〜0. 2質量％の 1種以上，または， B ： 0. 0005〜 0. 005質量⁰/。， T i ： 0. 005〜0. 1質量⁰んまたは， B ： 0. 0 005〜0. 005質量％， T i ： 0. 1 1〜0. 2質量⁰ /₀を含有してもよい。更に他の元素として，質量％で， C a ： 0. 01%以下， Mg ： 0. 0 1%以下， Z r ： 0. 05%以下， T e ： 0. 1 %以下よりなる群から選択される，少なくとも 1種以上を含有してもよい。

(表 7)

浸炭粒界卜ルースタイ卜残留表面 10⁷疲労限

鋼棰入れ酸化層灰素濃度囬楨才ースァ 7イトタ、ノ J 曲げ疲労面疲労

工程 ( ju m) (%) (%) (Hv) 面積率(％) ( Pa) (Hv) (MPa) (MPa)

21

(製法 0 0.67 3 845 6 -392 280 1200 3500 4)

22 0 0.61 3 874 8 -370 315 1250 3500

23 真空浸炭 + 0 0.68 3 844 7 -390 275 1200 3500

ガス冷却

24 0 0.62 4 840 9 -390 300 1200 3600

31 15 0.61 41 680 20 50 290 800 2800

(製法 3)

32 5 0.66 28 670 22 40 280 750 2800 C ガス浸炭 +

33 18 0.61 40 780 18 80 350 900 3100

34 油冷却 20 0.62 43 770 17 90 360 900 3000

35 (製法 4) 0 0.68 2 813 12 - 360 230 1000 3100

真空浸炭 +

36 ガス冷却 0 0.69 3 780 13 - 300 220 1000 3200

37 (製法 5) 0 0.66 3 780 10 - 160 390 1000 3000

真空浸炭 +

38 油冷却 0 0.64 4 850 10 - 100 400 1000 3100

(表 8)

ギヤ精度 (％) 寸法精度 (％) 浸灰各特性のバラッ

鋼種入れ圧力角ネジレ角歯溝の O.B.D O.B.D O.B.D 工程誤差振れバラツキ楕円テーパー

21 右 48 60

65 55 80 36 左 52 54

(製法 4)

22 右 47 55

70 68 85 48 左 48 59

炭 +ガス 7

23 右 60 6

66 70 77 32 冷却左 52 61

24 右 51 56

64 60 79 47 左 47 52

31 右 103 108

105 98 100 110 左 112 105

32 (製法 3) 右 99 105

100 100 110 105 左 18 98

ガス浸炭

33 +油冷却右 110 105

101 108 106 99

105 104

34 右 102 109

106 111 111 107 左 106 110

(製法 4〉右 60 59

35 70 65 77 43 真空浸左 51 65

炭 +ガス

36 右 59 55

78 64 85 48 冷却左 54 59

(製法 5) 9 106

37 右 9

105 97 110 102 左 108 111

38 炭 +油冷右 100 100

100 100 100 100 却左 100 ' 100

Claims

請求の範囲

1. F eを主成分として含有すると共に， Cを 0. 10〜0. 50重量％, 3 1を0. 50〜1. 50重量％含有し，かつ，一端焼入試験による焼き入れ性 Jが 35〜 50 (a t 12. 5 mm) である合金鋼を素材として用い，該素材を所望の形状の部材に成形した後，酸化防止雰囲気において浸炭処理することによつて浸炭層を形成し，

該浸炭処理後に，パーライト変態点（A1点）力マルテンサイト変態開始点（Ms点）まで単調に冷却する条件で，かつ焼入急冷度 Hが 0. 01〜 0. 08 (c m"¹) となる条件で焼入処理を行うことを特徴とする浸炭焼入部材の製造方法。

2. 請求項 1において，上記浸炭処理は， 1〜 30 h P aに減圧した減圧雰囲気下において行うことを特徴とする浸炭焼入部材の製造方法。

3. 請求項 1において，上記浸炭処理は，不活性ガスを主成分とする雰囲気下において行うことを特徴とする浸炭焼入部材の製造方法。

4. 請求項 1において，上記浸炭層の表面炭素量が 0. 6〜1. 5重量％となるように上記浸炭処理を行うことを特徴とする浸炭焼入部材の製造方法。

5. 請求項 1において，上記素材の表面から生じる粒界酸化が 3 m以下であることを特徴とする浸炭焼入部材の製造方法。

6. 請求項 1において，上記素材の表面圧縮残留応力が 300〜800MP aであることを特徴とする浸炭焼入部材の製造方法。

7. 請求項 1において，上記焼入処理はオーステナイト領域の温度から 30 0°Cまでの間，上記焼入急冷度 Hの範囲において焼入を行うことを特徴とする浸炭焼入部材の製造方法。

8. 請求項 1において，上記焼入処理はガス冷却により焼入れすることを特徴とする浸炭焼入部材の製造方法。

9. 請求項 8において，上記ガス冷却は不活性ガスにて行うことを特徴とする浸炭焼入部材の製造方法。

10. 請求項 9において，上記不活性ガスは窒素ガスであることを特徴とする浸炭焼入部材の製造方法。

1 1. 請求項 1に記載の製造方法により製造された浸炭焼入部材であって，上記浸炭層の表面硬度が 700〜900Hv，上記浸炭層内側の非浸炭部の内部硬度が 250〜45 OHvであることを特徴とする浸炭焼入れ部材。

1 2. 請求項 1 1において，上記浸炭層の残留オーステナイト面積率が 25 %以下であることを特徴とする浸炭焼入部材。

13. 請求項 1 1において，上記浸炭層表層のトルースタイト組織の面積率が 10 %以下であることを特徴とする浸炭焼入部材。

14. 請求項 1 1において，内部組織がべィナイトであることを特徴とする浸炭焼入部材。

15. 請求項 1 1において，上記浸炭焼入部材は，浸炭歯車であることを特徴とする浸炭焼入部材の製造部材