JPH09241821A

JPH09241821A - 浸炭歯車

Info

Publication number: JPH09241821A
Application number: JP4854896A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Murai; 暢宏村井
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-03-06
Filing date: 1996-03-06
Publication date: 1997-09-16
Anticipated expiration: 2016-03-06
Also published as: JP3269374B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ＮｉやＭｏといった高価な合金元素の添加を極
力抑えた廉価な鋼を母材とし、耐剥離性と曲げ疲労強度
に優れた浸炭歯車を提供すること。【解決手段】母材が、重量％で、Ｃ：０．１〜０．３
％、Ｍｎ：０．２〜１．４％、Ｃｒ：０．１〜１．５
％、Ｂ：０．００１〜０．００５％、Ａｌ：０．０１〜
０．１％、Ｍｏ：０〜０．１５％、Ｎｂ：０〜０．０５
％、Ｔｉ：０〜０．０５％、Ｎ：０〜０．０１５％、Ｓ
ｉ：０．４％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｐ：０．０３
％以下、Ｓ：０．０３％以下、残部Ｆｅ及び不純物の化
学組成の鋼であって、浸炭硬化層の表面Ｃ量が０．６〜
１．１重量％で、且つその浸炭硬化層の表面から深さ
０．５ｍｍまでの領域におけるトルースタイトの面積分
率が歯面部では５％以下で、歯元部では５％以上である
ことを特徴とする浸炭歯車。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、浸炭歯車に関し、
より詳しくは疲労による剥離に対する抵抗性と曲げ疲労
強度に優れた浸炭歯車に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車や産業機械に使用される動力伝達
用の歯車には、歯面に繰り返しの高い応力が作用する。
このため、歯車の互いに噛み合う歯の接触部となる歯面
においては疲労による剥離（スポーリングやピッチン
グ）に対する寿命の長いことが、又、非接触部となる歯
元においては曲げ疲労に対する寿命の長いことが要求さ
れる。ここで、繰り返しの面圧が負荷されることによっ
て歯面が剥離する疲労現象のうち、剥離が比較的大きな
ものは「スポーリング」、又、剥離が比較的小さいもの
は「ピッチング」と呼ばれることもある。この歯面の剥
離（以下、単に「剥離」ともいう）は、歯車回転時の騒
音の原因や、歯の部分欠損の原因となる。

【０００３】近年、地球環境問題に端を発して、エンジ
ンの出力向上や構造部品の小型化、軽量化が求められる
ようになってきた。このため、歯車への負荷はますます
大きくなり、前記の「剥離」や「曲げ疲労」に対する対
策が重要になっている。

【０００４】歯車は、従来、ＪＩＳ規格鋼のＳＣｒ４２
０、ＳＣＭ４２０やＳＮＣＭ４２０などを母材（素材
鋼）として所望形状に加工した後、これに浸炭処理を施
して製造されてきた。しかし、前記のＪＩＳ規格鋼を母
材とした場合には、上記の剥離や曲げ疲労に対しては充
分な寿命が得られない。そこで、上記の疲労に対する抵
抗性を高めるために、ガス浸炭処理を前提とした種々の
鋼が提案されている。

【０００５】例えば、特開昭６０−２４３２５２号、特
開昭６２−６３６５３号の各公報には、ＳｉやＭｎ、Ｃ
ｒの含有量を制限し、ＮｉやＭｏを積極的に添加した鋼
が開示されている。しかしながら、ＮｉやＭｏといった
高価な合金元素の添加は、鋼材コストを高めることにな
るため、歯車製造コストは大幅に上昇してしまう。又、
Ｎｉの添加は、歯車製造工程である機械加工時の被削性
を劣化させてしまう。更に、上記の各公報に提案された
鋼を母材として用いても、前記の疲労に対する抵抗性は
必ずしも充分ではなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、Ｎｉ
やＭｏといった高価な合金元素の添加を極力抑えた廉価
な鋼を母材とし、疲労による剥離に対する抵抗性と曲げ
疲労強度に優れた浸炭歯車を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決するため、浸炭歯車の母材となる廉価な歯車用
鋼の化学組成及び浸炭後の組織、並びに浸炭歯車の破壊
の状態などについて研究を行った結果、下記の知見を得
た。

【０００８】Ｂは鋼の焼入れ性を高める元素として知
られているが、浸炭層のようにＣ含有量が高い場合に
は、焼入れ性向上効果は殆ど生じない。したがって、Ｂ
添加鋼を浸炭焼入れすれば母材（素材鋼）の硬度だけを
高めることができる。

【０００９】Ｃ、Ｍｎ及びＣｒ量を調整して焼入れ性
を制御した廉価な鋼に適正量のＢを添加して浸炭焼入れ
すると、浸炭硬化層にマルテンサイトと残留オ−ステナ
イトに加えてトルースタイトを生成させることができ
る。

【００１０】なお、ここでいう「トルースタイト」と
は、通常のガス浸炭を行った場合に鋼材表面部に見られ
る「不完全焼入れ層」とは異なったものである。すなわ
ち、所謂「不完全焼入れ層」は、浸炭焼入れ時に鋼材表
面部のＣｒ、ＭｎやＳｉなどの合金元素が酸化され、そ
の周辺部で前記の合金元素（Ｃｒ、ＭｎやＳｉなど）が
欠乏し、焼入れ性が不足することが原因で生じた組織で
ある。この組織は鋼材の表面に対して層状、あるいは粒
界の酸化物に沿った形状で現出する。一方、上記の「ト
ルースタイト」は、マルテンサイトと残留オ−ステナイ
トの中に粒状に観察されるもので、前記の所謂「不完全
焼入れ層」とは明らかに形態が異なった組織である。こ
の両者は、５００倍程度の倍率で光学顕微鏡観察すれば
容易に識別できる。

【００１１】浸炭硬化層にトルースタイトが生成する
と、曲げ疲労に対する抵抗性（曲げ疲労強度）は大きく
なる。しかし、トルースタイトの面積分率が大きくなる
と剥離に対する抵抗性が劣化する。

【００１２】上記のから、歯車の歯面における剥離
の発生と、歯元における曲げ疲労発生の問題を同時に解
決するには、浸炭硬化層の組織に関して、歯車歯面の組
織は主としてマルテンサイトと残留オ−ステナイトから
なるものとなし、歯元組織はマルテンサイトと残留オ−
ステナイト及び曲げ疲労特性に優れたトルースタイトと
の混合組織となせば良い。

【００１３】ここで、歯車の「歯面」とは歯車の噛み合
わせで互いの歯同士が接触する部分のことをいう。又、
「歯元」とは、互いの歯が接触しない部分のことをい
い、歯車の歯底を含む部分のことである。

【００１４】剥離の起点は歯車の歯面の表面に生ず
る。したがって、剥離に対する抵抗性を高めるには浸炭
歯車の歯面部浸炭硬化層の組織を制御すれば良い。この
場合、特に表面から深さ０．５ｍｍまでの領域における
組織を制御することが、剥離の進展を抑制するのに極め
て効果的である。

【００１５】歯元の曲げ疲労強度を高めるには浸炭焼
入れ後の母材の強度を高めると共に、浸炭歯車の歯元部
浸炭硬化層の組織、なかでも表面から深さ０．５ｍｍま
での領域における組織を制御すれば良い。

【００１６】浸炭処理した歯車における浸炭硬化層の
表面Ｃ量は、曲げ疲労強度と剥離に対する抵抗性に影響
を及ぼす。すなわち、浸炭硬化層の表面Ｃ量が重量％で
０．６％を下回ると、耐剥離性が劣化する。一方、重量
％で１．１％を超えると、曲げ疲労強度が低下してしま
う。

【００１７】ここで「表面Ｃ量」とは「表面から０．１
ｍｍまでの領域における基地のＣ濃度（重量％）のこ
と」をいい、「表面Ｃ量が０．６％を下回る」というこ
とは、「前記領域でのＣ濃度分布が一部でも０．６％を
下回る」ことをいう。同様に、「表面Ｃ量が１．１％を
超える」ということは、「前記領域でのＣ濃度分布が一
部でも１．１％を超える」ことをいう。

【００１８】表面Ｃ量（表面Ｃ濃度分布）は、例えば波
長分散型ＥＰＭＡなどの装置を用いて検量線により測定
すれば良い。

【００１９】極表面においては特性Ｘ線の発生領域の問
題から、試料のマウントなどが影響して正確な分析を行
い難い場合があるが、このような時には最も表面に近く
てマウントなどの影響が無い点から外挿して表面Ｃ量を
読み取れば良い。

【００２０】上記知見に基づく本発明は、下記の浸炭歯
車を要旨とする。

【００２１】「母材が、重量％で、Ｃ：０．１〜０．３
％、Ｍｎ：０．２〜１．４％、Ｃｒ：０．１〜１．５
％、Ｂ：０．００１〜０．００５％、Ａｌ：０．０１〜
０．１％、Ｍｏ：０〜０．１５％、Ｎｂ：０〜０．０５
％、Ｔｉ：０〜０．０５％、Ｎ：０〜０．０１５％、Ｓ
ｉ：０．４％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｐ：０．０３
％以下、Ｓ：０．０３％以下、残部Ｆｅ及び不可避不純
物の化学組成の鋼であって、浸炭硬化層の表面Ｃ量が重
量％で０．６〜１．１％で、且つその浸炭硬化層の表面
から深さ０．５ｍｍまでの領域におけるトルースタイト
の面積分率が歯面部では５％以下で、歯元部では５％以
上であることを特徴とする浸炭歯車。」ここで、「トル
ースタイトの面積分率」は、「表面から深さ０．５ｍｍ
までの領域における平均面積分率」のことを指す。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の各要件について詳
しく説明する。なお、成分含有量の「％」は「重量％」
を意味する。

【００２３】（Ａ）母材（素材鋼）の化学組成Ｃ：Ｃは、浸炭焼入れ後の母材（素材鋼）の強度を上昇
させて、歯車の曲げ強度や疲労強度を向上させる作用を
有する。しかし、Ｃ含有量が０．１％未満では、母材強
度が低下して歯車における曲げ強度や疲労強度が大きく
低下してしまう。一方、０．３％を超えると、歯車の製
造工程である切削加工時に切削性が劣化して工具寿命を
縮めてしまう。したがって、Ｃの含有量を０．１〜０．
３％とした。なお、Ｃ含有量は０．１５〜０．２５％と
することが好ましい。

【００２４】Ｍｎ：Ｍｎは、鋼の焼入れ性を高める元素
で、浸炭焼入れ後の歯車の浸炭硬化層及び母材を硬化さ
せる作用がある。しかし、その含有量が０．２％未満で
は上記の作用が期待できない。一方、１．４％を超えて
含有させると、焼入れ性が大きくなりすぎるので歯元の
トル−スタイト生成が困難となり、トルースタイトを生
成させて歯元の曲げ疲労強度を高めたいとする本発明の
目的が達成できない。したがって、Ｍｎの含有量を０．
２〜１．４％とした。なお、Ｍｎの含有量は０．４〜
１．２％とすることが望ましい。

【００２５】Ｃｒ：Ｃｒも鋼の焼入れ性を高める元素
で、浸炭焼入れ後の歯車の浸炭硬化層及び母材を硬化さ
せる作用がある。しかし、その含有量が０．１％未満で
は上記の作用が期待できない。一方、１．５％を超えて
含有させると、焼入れ性が大きくなりすぎるので歯元の
トル−スタイト生成が困難となり、トルースタイトを生
成させて歯元の曲げ疲労強度を高めたいとする本発明の
目的が達成できない。したがって、Ｃｒの含有量を０．
１〜１．５％とした。なお、Ｃｒの好ましい含有量は
０．２〜１．２％である。

【００２６】Ｂ：Ｂは、本発明において重要な元素であ
る。Ｂには、浸炭後に焼入れされる浸炭層の焼入れ性は
上昇させずに、母材の焼入れ性だけを高める作用があ
る。このため、浸炭焼入れ後の母材硬度は高めても、浸
炭硬化層、なかでも歯元部の浸炭硬化層におけるトルー
スタイトの生成を抑制することがない。したがって、浸
炭焼入れ後に、母材の高い硬度と歯元部における適正量
のトルースタイトとの相乗効果によって、浸炭歯車の歯
元折損寿命（曲げ疲労寿命）を高めるのに極めて有効な
元素である。しかし、Ｂの含有量が０．００１％未満で
は添加効果に乏しく、０．００５％を超えて含有させて
も前記効果は飽和してコストの上昇をきたすことに加え
て、熱間加工性の劣化を招く。したがって、Ｂの含有量
を０．００１〜０．００５％とした。なお、Ｂの含有量
は０．００１〜０．００３％とすることが好ましい。

【００２７】Ａｌ：Ａｌは、浸炭処理時のオ−ステナイ
ト粒の粗大化を抑制して、浸炭焼入れ後の硬化層及び母
材部の結晶粒を微細化する作用がある。しかし、その含
有量が０．０１％未満では前記作用は期待できない。一
方、０．１％を超えると前記作用が飽和する。したがっ
て、Ａｌの含有量を０．０１〜０．１％とした。なお、
Ａｌの望ましい含有量は０．０２〜０．０６％である。

【００２８】Ｍｏ：Ｍｏは添加しなくても良い。添加す
れば鋼の焼入れ性を高める作用を有する。特に、前記し
たＭｎやＣｒの場合とは異なり、微量の添加によって母
材部に対して浸炭層の焼入れ性を相対的に高める作用が
あるので、浸炭硬化層におけるトルースタイト生成量を
調整するのに好適な元素である。この効果を確実に得る
には、Ｍｏは０．０５％以上の含有量とすることが好ま
しい。しかし、その含有量が０．１５％を超えると浸炭
歯車の歯元浸炭硬化層におけるトルースタイトの生成が
困難となり、トルースタイトを生成させて歯元の曲げ疲
労強度を高めたいとする本発明の目的が達成できない。
したがって、Ｍｏの含有量を０〜０．１５％とした。

【００２９】Ｎｂ：Ｎｂは添加しなくても良い。添加す
れば浸炭処理時のオ−ステナイト結晶粒の粗大化を抑制
し、浸炭焼入れ後の硬化層及び母材部の結晶粒を微細化
する作用がある。この効果を確実に得るには、Ｎｂは
０．００５％以上の含有量とすることが好ましい。しか
し、その含有量が０．０５％を超えると前記作用が飽和
し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｎｂの含
有量を０〜０．０５％とした。

【００３０】Ｔｉ：Ｔｉも添加しなくても良い。添加す
れば浸炭処理時のオ−ステナイト結晶粒の粗大化を抑制
し、浸炭焼入れ後の硬化層及び母材部の結晶粒を微細化
する作用がある。この効果を確実に得るには、Ｔｉは
０．００５％以上の含有量とすることが好ましい。しか
し、その含有量が０．０５％を超えると前記作用が飽和
し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｔｉの含
有量を０〜０．０５％とした。

【００３１】Ｎ：Ｎは含有させなくても良い。含有させ
れば、窒化物を生成して浸炭処理時のオ−ステナイト結
晶粒の粗大化を抑制し、浸炭焼入れ後の硬化層及び母材
部の結晶粒を微細化する作用がある。この効果を確実に
得るには、Ｎは０．００３％以上の含有量とすることが
好ましい。しかし、その含有量が０．０１５％を超える
と前記作用が飽和し、更には前記したＢ添加の効果が失
われてしまう。したがって、Ｎの含有量を０〜０．０１
５％とした。なお、Ｎ含有量の上限は０．０１２％とす
ることが好ましい。

【００３２】Ｓｉ：Ｓｉは、歯車の製造工程である冷間
鍛造時の変形抵抗を大きくしたり、切削加工時の切削性
を低下させてしまう。特に０．４％を超えて含有する
と、冷間鍛造性と切削性の著しい劣化をきたす。したが
って、Ｓｉの含有量の上限を０．４％とした。なお、Ｓ
ｉ含有量は０．３％以下とすることが望ましい。

【００３３】Ｎｉ：Ｎｉは、歯車の製造工程である切削
加工時の被削性を低下させてしまう。特に０．５％を超
えて含有すると、被削性の著しい劣化をきたす。したが
って、Ｎｉの含有量の上限を０．５％とした。なお、Ｎ
ｉ含有量は０．３％以下とすることが望ましい。

【００３４】Ｐ：Ｐは浸炭鋼において、特に旧オ−ステ
ナイト粒界に偏析して浸炭硬化層を脆化し、歯元の曲げ
疲労強度を低下させてしまう。特に、その含有量が０．
０３％を超えると、歯元の曲げ疲労強度の低下が著し
い。したがって、Ｐ含有量の上限を０．０３％とした。
なお、Ｐの含有量は０．０２％以下とすることが好まし
い。

【００３５】Ｓ：Ｓも浸炭鋼において、浸炭硬化層を脆
化して歯元の曲げ疲労強度を低下させてしまう。特に、
その含有量が０．０３％を超えると、歯元の曲げ疲労強
度の低下が著しい。したがって、Ｓ含有量の上限を０．
０３％とした。なお、Ｓの含有量は０．０２％以下とす
ることが望ましい。

【００３６】（Ｂ）浸炭硬化層の表面Ｃ量浸炭処理した歯車の浸炭硬化層の表面Ｃ量は、歯元の曲
げ疲労強度と歯面の耐剥離性に影響を及ぼす。すなわ
ち、浸炭硬化層の表面Ｃ量が０．６％未満であると、歯
面の耐剥離性が劣化する。一方、１．１％を超えると、
歯元の曲げ疲労強度が低下してしまう。したがって、浸
炭硬化層の表面Ｃ量を０．６〜１．１％とした。なお、
浸炭硬化層の表面Ｃ量は０．７〜１．０％とすることが
好ましい。

【００３７】（Ｃ）浸炭硬化層の組織剥離の起点は歯車の歯面の表面に生ずる。したがって、
疲労による剥離に対する抵抗性を高めるには、浸炭歯車
の歯面部浸炭硬化層の組織を制御すれば良い。この場
合、特に表面から深さ０．５ｍｍまでの領域における組
織を制御することが、剥離の進展を抑制するのに極めて
効果的である。

【００３８】一方、浸炭焼入れ後の母材の強度を高める
と共に、浸炭歯車の歯元浸炭硬化層の組織、なかでも表
面から深さ０．５ｍｍまでの領域における組織を制御す
ることが、歯元の曲げ疲労強度を高めるのに効果的であ
る。

【００３９】したがって、歯車の歯面における剥離の発
生と、歯元における曲げ疲労発生の問題を同時に解決し
ようとする本発明においては、浸炭硬化層の組織とし
て、表面から深さ０．５ｍｍまでの領域における組織を
規定する。

【００４０】一般に、浸炭焼入れした歯車において、浸
炭硬化層の表面から深さ０．５ｍｍまでの領域における
主組織は、マルテンサイトと残留オ−ステナイトから構
成される。しかし、Ｃ、Ｍｎ及びＣｒ量を厳密に制御し
た上で適正量のＢを添加した、本発明の対象鋼を母材
（素材鋼）とした歯車の場合には、浸炭焼入れで、前記
の領域にマルテンサイトと残留オ−ステナイトに加えて
トルースタイトが生成する。このトルースタイトの面積
分率は、浸炭焼入れ時の冷却速度の大きな歯面部では小
さく、冷却速度が遅くなる歯元部では逆に大きくなる。

【００４１】前記浸炭焼入れした歯車の、浸炭硬化層の
表面から深さ０．５ｍｍまでの領域に生成したトルース
タイトは、曲げ疲労に対する抵抗性（曲げ疲労強度）と
耐剥離性に影響する。詳しく述べれば、前記の領域にお
けるトルースタイトは、歯元の曲げ疲労寿命（歯元の折
損寿命）を高めるが、歯面の剥離寿命を低下させる。

【００４２】歯面部に関しては、前記領域でのトルース
タイトが面積分率（平均面積分率）で５％を超えると、
剥離寿命の低下をきたす。したがって、前記領域におけ
るトルースタイトの面積分率を５％以下とした。なお、
トルースタイト分率の下限値は特に定める必要はない
が、トルースタイトが剥離に対しては抵抗性のない組織
であるため、なるべく少なくした方が良い。すなわち、
歯車歯面部の組織はマルテンサイトと残留オ−ステナイ
トからなる通常の浸炭焼入れ組織であっても構わない。

【００４３】歯元部に関しては、前記領域でのトルース
タイトが面積分率（平均面積分率）で５％を下回ると、
曲げ疲労寿命（折損寿命）の低下をきたす。したがっ
て、前記領域におけるトルースタイトの面積分率を５％
以上とした。なお、前記領域におけるトルースタイトの
面積分率は１０％以上とすることが好ましい。トルース
タイトは、歯元の曲げ疲労強度には影響を及ぼさない。
したがって、その分率の上限は特に定める必要はない
が、製造面からして、現実には８０％程度が上限になっ
てしまうと考えられる。但し、前記領域におけるトルー
スタイトの面積分率が８０％を超えても勿論構わない。

【００４４】本発明の対象鋼を母材とした歯車の場合に
は、通常の浸炭焼入れを施すだけで、上記の歯面部組織
と歯元部組織とを両立させることができる。しかし、よ
り大きな耐剥離性と曲げ疲労強度とを得るためには、既
に述べたように、歯面部ではトルースタイトの面積分率
をできるだけ小さくし、歯元部ではトルースタイト分率
が５％、特に１０％を超えるようにすることが重要とな
る。

【００４５】したがって、通常の浸炭焼入れを施す場合
には、浸炭焼入れ時の質量効果を考えて、対象とする歯
車は、外径で約２０ｍｍから約２５０ｍｍまでのサイズ
とすることが好ましい。一方、対象とする歯車のサイズ
に関係なく容易に所望の組織とするためには、浸炭焼入
れ時の歯元部と歯面部での冷却の調整が可能な、ドブ漬
け処理を行うことが望ましい。なお、「ドブ漬け」とは
冷却媒体（焼入れ剤）に浸漬する方法をいう。冷却の媒
体については、特に制限はなく、歯車のサイズに応じて
水、油、塩（ソルト）などを適当な温度で用いれば良
い。

【００４６】本発明に係わる浸炭歯車は、上記した化学
組成を有する母材（素材鋼）を、例えば通常の方法で溶
製した後、熱間で圧延又は鍛造し、更に必要に応じて熱
処理を行い、次いで切削や圧造などで所望の歯車形状と
した後、浸炭焼入れを行い、必要に応じて低温での焼戻
しや研削、研磨をして製造される。

【００４７】

【実施例】表１、２に示す化学組成の鋼を通常の方法に
よって１５０ｋｇ真空溶製した。表１における鋼 A〜 J
は本発明対象鋼（以下、本発明鋼という）、表２におけ
る鋼 K〜 Uは成分のいずれかが本発明で規定する範囲か
ら外れた比較鋼である。比較鋼のうち鋼 S及び Tはそれ
ぞれＪＩＳ規格のＳＣＭ４２０及びＳＮＣＭ４２０に相
当するものである。又、鋼 Uは高強度歯車用鋼として知
られている高Ｍｏ−高Ｎｉの従来鋼である。

【００４８】

【表１】

【００４９】

【表２】

【００５０】次いで、これらの鋼を通常の方法によって
鋼片となした後、１２００℃に加熱してから、１２００
〜１０００℃の温度で熱間鍛造して直径８５ｍｍの丸棒
とし、更に、９２５℃で焼準した。

【００５１】こうして得られた焼準後の丸棒から、通常
の方法で熱間鍛造して歯車素形材を作製し、その後切削
加工（ホブ切りとシェービング加工）して、表３に示す
諸元の「はすば歯車」を切り出した。

【００５２】

【表３】

【００５３】（実施例１）本発明鋼である鋼 Aを母材と
する前記のはすば歯車に対して、浸炭条件を表４のａ〜
ｅと変えて、図１に示すヒートパターンで浸炭焼入れを
施し、その後１８０℃で２時間の焼戻しを行った。な
お、浸炭条件ａ〜ｅのすべてにおいて、浸炭後の歯車は
１２０℃の油中に焼入れした。

【００５４】

【表４】

【００５５】この後、上記の浸炭焼入れ、焼戻しを施し
た歯車を供試材として、図２に概要を示す試験機によ
り、動力循環歯車試験を行った。

【００５６】すなわち、供試ギアボックス 1内に前記の
ようにして製作した大歯車 2と小歯車 3を装着し、ウエ
イトレバ− 4とストッパー 5により負荷トルク（トルク
検出機 6に表示される）を一定値（２００Ｎ・ｍ）に調
整して、小歯車 3を３１２３ｒｐｍで回転させた。この
条件で動力循環歯車試験を行うと、小歯車 3の歯元が曲
げ疲労によって折損するか、あるいは小歯車 3の歯面に
剥離が生じる。小歯車3 の歯元における折損、あるいは
歯面の剥離（以下、これらを単に「損傷」ともいう）の
発生は、供試ギアボックス 1に取り付けられた振動計 7
とトルク変動により検知できる。ここでは、上記のいず
れかの損傷が発生した時点における「相手歯車の歯と噛
み合った回数」をその歯車対の疲労寿命（以下、単に疲
労寿命という）と判定した。なお、動力循環歯車試験の
ｎ数は各５である。

【００５７】なお、各浸炭条件で処理した小歯車に関
し、ＥＰＭＡによる浸炭硬化層の表面Ｃ量測定と、光学
顕微鏡による歯面部及び歯元部における浸炭硬化層の、
表面から深さ０．５ｍｍまでの領域の組織観察を行っ
た。

【００５８】表５に結果を示す。この表５は、浸炭歯車
の疲労寿命に及ぼす浸炭硬化層の表面Ｃ量の影響を示す
ものである。なお、表５において「歯面トルースタイト
量」及び「歯元トルースタイト量」とあるのは、それぞ
れ歯面部及び歯元部における浸炭硬化層の、表面から深
さ０．５ｍｍまでの領域におけるトルースタイトの平均
面積分率のことを指し、トルースタイト以外の部分（面
積分率）はマルテンサイトと残留オ−ステナイトである
ことを意味する。

【００５９】表５から、浸炭硬化層の表面Ｃ量が本発明
で規定する範囲から外れた浸炭条件ｄとｅの比較例で
は、本発明例の浸炭条件ａ〜ｃに比べて疲労寿命が短い
ことが明らかである。比較例のうち浸炭条件ｄでは、浸
炭硬化層の表面Ｃ量が０．５４％と低いために表面硬度
が不足し、剥離によって短時間で破損する。一方、浸炭
条件ｅでは、表面Ｃ量が１．１５％と高すぎるために浸
炭硬化層が脆化し、曲げ疲労による折損が生じて短時間
で破壊する。

【００６０】

【表５】

【００６１】（実施例２）本発明鋼である鋼 A〜 Jと、
比較鋼である鋼 K〜 Uを母材とする前記のはすば歯車に
対して、表４のｂの浸炭条件で、図１に示すヒートパタ
ーンの浸炭焼入れを施し、その後１８０℃で２時間の焼
戻しを行った。なお、本実施例においても浸炭後の歯車
は１２０℃の油中に焼入れした。

【００６２】この後、上記の浸炭焼入れ・焼戻しした歯
車を供試材として、上記の実施例１の場合と同じ条件
で、動力循環歯車試験を行った。又、実施例１の場合と
同様に小歯車に関し、ＥＰＭＡによる浸炭硬化層の表面
Ｃ量測定と、光学顕微鏡による歯面部及び歯元部におけ
る浸炭硬化層の、表面から深さ０．５ｍｍまでの領域の
組織観察を行った。

【００６３】表６に結果を示す。なお、表６において
「歯面トルースタイト量」及び「歯元トルースタイト
量」とあるのは、上記表５におけると同様に、それぞれ
歯面部及び歯元部における浸炭硬化層の、表面から０．
５ｍｍまでの領域におけるトルースタイトの平均面積分
率のことを指し、トルースタイト以外の部分（面積分
率）はマルテンサイトと残留オ−ステナイトであること
を意味する。

【００６４】本発明鋼を母材とする浸炭歯車では、表４
のｂの浸炭条件による浸炭焼入れによって、本発明で規
定する範囲の浸炭硬化層における表面Ｃ量と組織が得ら
れている。そして、いずれの場合も浸炭歯車は２×１０
⁶ 以上の疲労寿命を有している。この本発明鋼を母材と
した歯車の疲労寿命は、ＪＩＳ規格鋼（鋼 S、T ）や高
Ｍｏ−高Ｎｉの従来鋼（鋼 U）を母材とした浸炭歯車の
疲労寿命より２倍以上長く、極めて良好である。

【００６５】本発明鋼を母材とした浸炭歯車の場合、歯
面部浸炭硬化層の表面から深さ０．５ｍｍまでの領域に
おけるトル−スタイトの面積分率が他のものに比べてや
や高いもの（鋼C と Hを母材としたもの）だけが、剥離
により破損した。その他は、曲げ疲労による歯元の折損
を生じていた。

【００６６】一方、鋼 K〜 Rの比較鋼を素材鋼（母材）
とした浸炭歯車の疲労寿命は、いずれも１×１０⁶ 未満
の短いものである。

【００６７】鋼 Kは、Ｍｎ及びＣｒの含有量が本発明で
規定する値よりも高い。このため、鋼 Kを母材とする浸
炭歯車では、浸炭硬化層の焼入れ性が高くなって歯元部
にトル−スタイトが生成せず、曲げ疲労による歯元折損
が生じ、疲労寿命が短い。

【００６８】鋼 Lは、不純物元素であるＰとＳの含有量
が高い。このため、鋼 Lを素材鋼とした浸炭歯車は、浸
炭硬化層が脆化して曲げ疲労による歯元折損が生じ、疲
労寿命が短い。

【００６９】鋼 Mは、Ｎの含有量が本発明で規定する値
よりも高い。このため、鋼 Mを母材とする浸炭歯車で
は、Ｂ添加の効果が失われるため母材の硬度が低く、曲
げ疲労による歯元折損が生じ、疲労寿命が短い。ちなみ
に、鋼 Mの母材硬度はＨｖ２９０であった。一方、Ａｌ
とＮを除いた他の成分元素量が鋼 Mとほぼ同じである本
発明鋼 Aの場合、母材硬度はＨｖ３８０であった。

【００７０】鋼 Nは、Ｍｏの含有量が本発明で規定する
値よりも高い。このため、鋼 Nを素材鋼とする浸炭歯車
は、浸炭硬化層の焼入れ性が高くなって歯元部にトル−
スタイトが生成せず、曲げ疲労による歯元折損が生じて
疲労寿命が短い。

【００７１】鋼 O及び PはＢの含有量が本発明で規定す
る値より低い。このため、鋼 O及びP を母材とする浸炭
歯車では、母材の硬度が低く、曲げ疲労による歯元折損
が生じ、疲労寿命が短い。ちなみに、鋼 O及び Pの母材
硬度はそれぞれＨｖ２７５とＨｖ２９５であった。

【００７２】鋼 Qは、Ｃｒの含有量が本発明で規定する
値より低く、Ｍｎ含有量が規定の下限値に近い。このた
め、鋼 Qを素材鋼とする浸炭歯車では、焼入れ性が不足
して歯面部に多量のトルースタイトが生成して剥離によ
り破損し、疲労寿命が短い。

【００７３】鋼 Rは、ＣｒとＢの含有量が本発明で規定
する値より低い。このため、鋼 Rを母材とする浸炭歯車
は、焼入れ性が不足して歯面部に多量のトルースタイト
が生成して剥離により破損し、疲労寿命が短い。

【００７４】

【表６】

【００７５】

【発明の効果】本発明の浸炭歯車は、廉価な鋼を母材
（素材鋼）とし、疲労による剥離に対する抵抗性（耐剥
離性）と曲げ疲労強度に優れることから、自動車や産業
機械に使用される動力伝達用の安価な歯車として利用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で施した浸炭焼入れのヒートパターンを
示す図である。

【図２】実施例で用いた動力循環歯車試験機の概要を示
す図である。

【符号の説明】

1 ：供試ギアボックス 2 ：大歯車 3 ：小歯車 4 ：ウエイトレバー 5 ：ストッパー 6 ：トルク検出機 7 ：振動計

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】母材が、重量％で、Ｃ：０．１〜０．３
％、Ｍｎ：０．２〜１．４％、Ｃｒ：０．１〜１．５
％、Ｂ：０．００１〜０．００５％、Ａｌ：０．０１〜
０．１％、Ｍｏ：０〜０．１５％、Ｎｂ：０〜０．０５
％、Ｔｉ：０〜０．０５％、Ｎ：０〜０．０１５％、Ｓ
ｉ：０．４％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｐ：０．０３
％以下、Ｓ：０．０３％以下、残部Ｆｅ及び不可避不純
物の化学組成の鋼であって、浸炭硬化層の表面Ｃ量が重
量％で０．６〜１．１％で、且つその浸炭硬化層の表面
から深さ０．５ｍｍまでの領域におけるトルースタイト
の面積分率が歯面部では５％以下で、歯元部では５％以
上であることを特徴とする浸炭歯車。