耐摩耗性と面疲労特性に優れた高周波焼入歯車およびその製造方法
【課題】優れた耐摩耗性と面疲労特性を備え、自動車や各種産業機械に用いて好適な歯車およびその製造方法を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．２５〜０．６５％、Ｓｉ：０．７０〜２．００％以上、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｃｒ：１．５０％以下、必要に応じて、Ｎｂ：０．０１０〜０．０６０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％の１種以上を含有し、（１）式で計算されるＺの値が１５≦Ｚ≦３０で、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、高周波焼入れ部の組織が焼戻しマルテンサイト主体で内部に粒径３００ｎｍ未満の炭化物が１００μｍ2当り９０個以上微細に分散している高周波焼入れ歯車。Ｚ＝１０Ｓｉ＋Ｃｒ＋５０（Ｄ×Ｃｅｑ）／Ａ （１）ここで、Ｓｉ、Ｃｒはそれぞれの元素の含有する量（質量％）を示す。Ｄは焼入れ性指数、Ｃｅｑは炭素当量、ＡはＡｃ３変態点とする。上記成分組成の鋼を、熱間鍛造を行った後に焼入れ・焼戻しを行い、その後歯車形状に加工し、表面硬化熱処理として高周波焼入れ・焼戻しを行う。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．２５〜０．６５％、Ｓｉ：０．７０〜２．００％以上、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｃｒ：１．５０％以下、必要に応じて、Ｎｂ：０．０１０〜０．０６０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％の１種以上を含有し、（１）式で計算されるＺの値が１５≦Ｚ≦３０で、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、高周波焼入れ部の組織が焼戻しマルテンサイト主体で内部に粒径３００ｎｍ未満の炭化物が１００μｍ2当り９０個以上微細に分散している高周波焼入れ歯車。Ｚ＝１０Ｓｉ＋Ｃｒ＋５０（Ｄ×Ｃｅｑ）／Ａ （１）ここで、Ｓｉ、Ｃｒはそれぞれの元素の含有する量（質量％）を示す。Ｄは焼入れ性指数、Ｃｅｑは炭素当量、ＡはＡｃ３変態点とする。上記成分組成の鋼を、熱間鍛造を行った後に焼入れ・焼戻しを行い、その後歯車形状に加工し、表面硬化熱処理として高周波焼入れ・焼戻しを行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車や各種産業機械に用いて好適な、耐摩耗性と面疲労特性を備えた歯車およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に用いられている歯車は、近年、省エネルギー化による車体重量の軽量化に伴うサイズの小型化が要求されているが、エンジンの高出力化により負荷は増大している。歯車の破損は、大きく分別して、歯の衝撃破壊、歯元の曲げ疲労破壊ならびに歯面の面圧疲労（面疲労とも言う）破壊が原因となる。
【０００３】
従来は、ＪＩＳＳＣｒ４２０等の肌焼鋼を用いて歯車を成形し、浸炭等の表面処理を行って使用されてきた。しかし、浸炭では粒界酸化や浸炭異常層の影響による強度低下が大きく、それを避けるために素材を高合金添加系にするか、熱処理を真空雰囲気において実施することが必要となり、相当なコスト上昇が必要となる。
【０００４】
そこで、近年、合金添加量の少ない素材に高周波焼入れによる表面硬化を施した歯車が提案されている。
【０００５】
たとえば、特許文献１には、高周波焼入れ部品を対象に、成分規定とともに材料内の介在物のサイズ・個数を規定することで、曲げ疲労強度および転動疲労強度を向上させることが記載されている。
【０００６】
しかしながら、介在物のサイズ・個数の規定により曲げ疲労強度および転動疲労強度は向上するものの、介在物のサイズ・個数を制御する場合は成分組成に応じて鋳造、圧延の際の温度条件を制御することが必要となるため、製品を製造することは難しい。
【０００７】
特許文献２では成分組成中のＣ、Ｓｉ量を高めて、耐摩耗性、耐衝撃特性の向上を図っているが、Ｃ量が高いために内部の靭性が低く十分な衝撃特性の向上が得られない。
【０００８】
また、特許文献３にはＢ添加によりＣ量を高めずに焼入性を向上させ、同時に内部の靭性向上を図った高周波焼入れ部品が記載されている。しかし、Ｂ添加だけでは衝撃特性が向上したとしても、歯車で必用な面圧疲労強度は向上しない。
【０００９】
特許文献４には、本発明者らが高周波焼入れにて作成される歯車について行った研究成果である、衝撃特性、曲げ疲労特性、面疲労特性の優れた歯車が記載されている。しかしながら、開発された歯車のこれらの特性は良好であったが、摩耗量が大きめで、潤滑油の交換の頻度が大きくなり、さらに摩耗により歯車装置の動力性能の損失量が大きくなり、伝達損失が増加した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１７４９号公報
【特許文献２】特公平０４−８４９７号公報
【特許文献３】特許第３４０２５６２号
【特許文献４】特開２００７−９２１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記特許文献１〜４における問題点を解決する、具体的には、現行の一般的な設備により製造可能な素材を用いた、衝撃強度、曲げ疲労強度は従来の歯車並を維持しつつ、耐摩耗性に優れ、且つ面疲労特性が従来の歯車より良好な歯車およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記課題達成のため、鋭意研究を重ねて得た以下の（１）〜（５）の知見を基に、耐摩耗性、面疲労特性、すなわち面疲労強度を向上させる場合の素材の成分組成として、焼入性の管理により曲げ疲労性特性を確保した上で、焼戻軟化抵抗を高めて面疲労強度を向上させ、さらにＡｃ３変態点を高めた成分組成が有効であることを見出した。
（１）高周波焼入れ後において、現用の高周波焼入れ歯車と同等以上の優れた性能を得るためには、硬度分布を従来鋼と同等とすることが前提として必要で、焼入れ性指数：Ｄ値による調整が有効である。
（２）適量のＳｉ、Ｃｒ量を含有することにより焼戻し軟化抵抗を高めると、歯車接触面での発熱による軟化が抑制され、歯車駆動時に歯面の亀裂発生が防止可能である。
（３）焼戻し軟化抵抗は１０Ｓｉ＋Ｃｒ（但し、Ｓｉ、Ｃｒは含有量（質量％））の値で整理される。
（４）高周波焼入れ前の焼入れ・焼戻し組織において炭化物の析出をコントロールし、高周波焼入れ後の硬化層に微細な炭化物を分散させる。それにより、高周波焼入れ部の硬さがさらに向上し、炭化物の存在により耐摩耗性が向上するとともに、焼戻しにおいて軟化が起こりにくくなる。
（５）曲げ疲労強度は、高周波焼入れ特有の結晶粒微細化効果で向上するが、さらにＡｃ３変態点を高くして、高周波加熱後の結晶粒度を微細化すると、著しく向上する。
（５）Ａｃ３変態点の上昇による高周波焼入れ後の結晶粒微細化は、衝撃特性および面疲労強度も大きく増大させる。
【００１３】
本発明は得られた知見をもとに更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は
１．質量％で、Ｃ：０．２５〜０．６５％、Ｓｉ：０．７０〜２．００％以上、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｃｒ：１．５０％以下を含有し、（１）式で計算されるＺの値が１５≦Ｚ≦３０で、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、高周波焼入れ部の組織が焼戻しマルテンサイト主体で内部に粒径３００ｎｍ未満の炭化物が１００μｍ2当り９０個以上微細に分散していることを特徴とする耐摩耗性と面疲労特性に優れた高周波焼入れ歯車。
Ｚ＝１０Ｓｉ＋Ｃｒ＋５０（Ｄ×Ｃｅｑ）／Ａ ・・・（１）
ここで、Ｓｉ、Ｃｒはそれぞれの元素の含有する量（質量％）を示す。Ｄは焼入れ性指数、Ｃｅｑは炭素当量、ＡはＡｃ３変態点で、（２）、（３）、（４）式で計算された値とする。
Ｄ＝８．７６＊√（Ｃ）＊（１＋０．６４＊Ｓｉ）＊（１＋４．１＊Ｍｎ）＊（１＋２．３３＊Ｃｒ）・・・（２）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）で、Ｂを添加した場合はＤ値はこの計算式による値の２倍とする。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋０．０２３・・・（３）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）とする。
Ａ＝９２１−２０３√Ｃ＋４４．７＊Ｓｉ−３０＊Ｍｎ−１１＊Ｃｒ・・・（４）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）とする。
２．成分組成に、更に、質量％で、Ｎｂ：０．０１０〜０．０６０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％の１種以上を含有することを特徴とする１記載の耐摩耗性と面疲労特性に優れた高周波焼入れ歯車。
３．１または２に記載の成分組成の鋼を、熱間鍛造を行った後に焼入れ・焼戻しを行い、その後歯車形状に加工し、表面硬化熱処理として高周波焼入れ・焼戻しを行い、高周波焼入れ部の組織を焼戻しマルテンサイト主体で内部に粒径３００ｎｍ未満の炭化物が１００μｍ2当り９０個以上微細に分散しているものとすることを特徴とする、耐摩耗性と面疲労特性に優れた歯車の製造方法。
４．前記高周波焼入れ・焼戻し後、更に歯面にショットピーニングまたは研磨を行うことを特徴とする、３記載の耐摩耗性と面疲労特性に優れた歯車の製造方法。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、コストの安い、設備と成分組成を用いて製造可能な耐摩耗性と面疲労特性に優れた歯車およびその製造条件が得られ、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例で使用した高周波熱処理のパターンを示す図で（ａ）は高周波焼入れ条件、（ｂ）は焼戻し条件を示す。
【図２】実施例で使用した現行鋼Ｎｏ．３８鋼の浸炭焼入れ・焼戻し処理のパターンを示す図。
【図３】ローラーピッチング試験片を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明では１．素材となる鋼の成分組成、２．歯車の高周波焼入れ部のミクロ組織を規定する。以下に各限定理由について述べる。
［成分組成］ 以下の説明において、％は質量％とする。
Ｃ：０．２５〜０．６５％
Ｃは強度確保のために必要であり、高周波焼入れ後の表面硬さを決定する。含有量が０．２５％未満では表面硬さが５００ＨＶ以下にまで低下するために歯車としての強度を確保できない。一方、０．６５％を超えると歯車内部の靭性が低下して、疲労亀裂の進展が早くなるために、曲げ疲労特性が低下するため、０．２５〜０．６５％とする。
【００１７】
Ｓｉ：０．７０〜２．００％
Ｓｉは焼戻し軟化抵抗を高め、それにより面疲労特性を向上させるのに有効な元素である。その効果を得るため０．７０％以上とする。また、焼戻し軟化抵抗向上は炭化物の析出を遅らせる効果によるものであるため、高周波焼入れ前の焼入れ・焼戻し後において、炭化物を微細に析出させる事ができる。その結果、高周波焼入れの急速加熱においても、炭化物が固溶しやすくなり、高周波焼入れ後の表面硬度を高める事が出来る。更に、Ａｃ３変態点を上昇させて高周波焼入による結晶粒を微細化させる効果もある。上述した効果は２．００％を超えると飽和するので、含有量を０．７０〜２．００％とする。
【００１８】
Ｍｎ：０．３０〜２．００％
Ｍｎは焼入れ性を高める元素であり、その効果を得るため０．３０％以上とする。一方、２．００％を超えると過剰に焼入れ性が上がりすぎて靭性が劣化して曲げ疲労特性が低下する。また、加工性も劣化する、よって０．３０〜２．００％とする。
【００１９】
Ｃｒ：１．５０％以下
Ｃｒは焼入れ性と焼戻し軟化抵抗を高め、また、焼戻し時の炭化物析出にも大きく影響する元素であるため含有する。含有量が１．５０％を超えると、焼入れ性が高くなりすぎるため歯車内部の靭性が劣化し、曲げ疲労強度が低下するため、１．５０％以下とする。
【００２０】
１５≦Ｚ≦３０
Ｚは焼戻し軟化抵抗、焼入れ性、Ａｃ３変態点を考慮したパラメータであり、Ｚ＝１０Ｓｉ＋Ｃｒ＋５０（ＤｘＣｅｑ）／Ａ とする。ここで、Ｓｉ、Ｃｒはそれぞれの元素の含有する量（質量％）を示す。Ｄは焼入れ性指数、Ｃｅｑは炭素当量、ＡはＡｃ３変態点で、以下の（２）〜（４）式で計算された値とする。
Ｄ＝８．７６＊√（Ｃ）＊（１＋０．６４＊Ｓｉ）＊（１＋４．１＊Ｍｎ）＊（１＋２．３３＊Ｃｒ）・・・（２）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）で、Ｂを添加した場合はＤ値はこの計算式による値の２倍とする。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋０．０２３・・・（３）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）とする。
Ａ＝９２１−２０３√Ｃ＋４４．７＊Ｓｉ−３０＊Ｍｎ−１１＊Ｃｒ・・・（４）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）とする。
【００２１】
Ｚの値が１５以上３０以下の場合、面疲労強度を向上させ、且つ、衝撃強度、曲げ疲労強度を従来部品並に維持する事が可能である。Ｚの値が１５未満では面疲労強度を向上させる効果が無く、３０を超えると焼入れ性が高くなりすぎて焼き割れを起こしたり、硬さが高くなりすぎて機械加工性が低下する。
【００２２】
以上が本発明の基本成分組成で、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とする。不可避的不純物としてのＰおよび酸素含有量は、出来るだけ低いほうが望ましい。更に特性を向上させる場合、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｂの１種以上を含有することができる。
【００２３】
Ｎｂ：０．０１０〜０．０６０％
Ｎｂは炭窒化物形成により結晶粒を微細化させ、曲げ疲労強度を向上させる。結晶粒を微細化させるには０．０１０％以上必要であるが、０．０６０％を超えて含有してもその効果は飽和する。よってＮｂを含有する場合は０．０１０〜０．０６０％とする。
【００２４】
Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％
Ｔｉは炭窒化物形成により結晶粒を微細化させ、曲げ疲労強度を向上させる。結晶粒を微細化させるには０．００５％以上必要であるが、０．０５０％を超えて含有してもその効果は飽和する。よって、Ｔｉを含有する場合は０．００５〜０．０５０％とする。
【００２５】
Ｂ：０．０００５〜０．０１００％
Ｂは焼入れ性を上げるのに有効である。その効果は０．０００５％以上で得られるが、０．０１００％を超えて含有してもその効果は飽和する。よって、Ｂを含有する場合は０．０００５〜０．０１００％とする。
【００２６】
尚、本発明鋼において被削性を向上させる場合は、Ｓ、Ｐｂ、Ｓｅ、Ｃａ等の快削元素を添加する。
【００２７】
［歯車の高周波焼入れ部のミクロ組織］
高周波焼入れ部のミクロ組織を、粒径３００ｎｍ未満の炭化物が１００μｍ2当り９０個以上微細に分散した焼戻しマルテンサイトを主体とするミクロ組織に規定する。高周波焼入れ部のミクロ組織は歯車として必要な強度・靭性と耐摩耗性が得られるように焼戻しマルテンサイトを主体とする。主体とは少なくとも９５％含む場合とする。焼戻しマルテンサイトに存在する炭化物は耐摩耗性に有効であるが粒径３００ｎｍを超えて大きくなると、介在物と同様に疲労破壊の起点となり、疲労強度が低下する。
【００２８】
一方、粒径が３００ｎｍ未満と小さい場合であっても炭化物の密度が１００μｍ2当り９０個未満と少ない場合、耐摩耗性を向上させることができない。また、微細に分散していることも耐摩耗性を向上させるために必要である。よって上記のとおり限定した。ミクロ組織の観察方法は実施例において詳細に説明する。
【００２９】
本発明に係る歯車は上記成分組成の鋼を、熱間鍛造を行った後に焼入れ・焼戻しを行い、その後歯車形状に加工し、表面硬化熱処理として高周波焼入れ・焼戻しを行って製造する。高周波焼入れ・焼戻し後、更に歯面にショットピーニングまたは研磨を行っても良い。
【００３０】
熱間鍛造は１０００〜１３００℃で行い、その後室温まで冷却し、８５０〜９５０℃まで再加熱した後、６０〜１３０℃の油へ投入して焼入れするか、または鍛造後に７８０〜８８０℃まで空冷した後、同様に６０〜１３０℃の油へ投入して焼入れする。その後、４５０〜７００℃に再加熱して焼戻しを行い、歯車形状に加工することが望ましい。高周波焼入れ・焼戻し条件は、高周波焼入れ・焼戻し後における高周波焼入れ部のミクロ組織が上記ミクロ組織の規定を満足するように適宜選定する。本発明で高周波焼入れ部とは高周波焼入れ・焼戻しを受けて組織および硬さが変化した領域である。
【００３１】
歯車の歯面にショットピーニングを行う場合は、（１）粒径が０．０５〜０．１ｍｍΦの硬さ７００ＨＶ以上の粒を用いたショットピーニング、（２）粒径が０．４〜１．２ｍｍΦの硬さ７００ＨＶ以上の粒を用いて行った後、粒径が０．０５〜０．１ｍｍΦの硬さ７００ＨＶ以上の粒を用いて再度行うショットピーニング、（３）粒径が０．４〜１．２ｍｍΦの硬さ７００ＨＶ以上の粒と、０．０５〜０．１ｍｍΦの硬さ７００ＨＶ以上の粒を混合して行うショットピーニングのいずれかを行う。ショットピーニングとして（１）〜（３）の順で疲労特性は良好となるが、製造コストを考慮して適宜選定する。以下、本発明を実施例により比較例と対比し、さらに詳細に説明する。
【実施例】
【００３２】
表１に示す化学成分を有する鋼を溶解し供試材とした。表に示すＮｏ．１〜２０は本発明範囲内の成分組成の鋼で、Ｎｏ．２１〜３７は本発明範囲外の成分組成の鋼である。Ｎｏ．２２は従来鋼であるＪＩＳ ＳＣｒ４２０鋼である。
【００３３】
溶製された上記鋼のインゴットを熱間圧延により直径３２〜７０ｍｍの丸棒鋼に調製し、得られた丸棒鋼に対し、Ｎｏ．１〜３７の鋼は焼準処理後に焼入れ・焼戻しを、従来鋼には焼準処理を実施した。
【００３４】
Ｎｏ．１〜３７の鋼は焼入れ・焼戻し後の棒鋼から、従来鋼には焼準処理後の棒鋼から２０ｍｍφの丸棒、ＪＩＳ３号衝撃試験片、小野式回転曲げ疲労試験片、ローラーピッチング試験片を採取した。
【００３５】
丸棒および各疲労試験片に対して、Ｎｏ．１〜３７の鋼については、図１に示す高周波入れ・焼戻し処理（図１（ａ）は高周波焼入れ条件、図１（ｂ）は焼戻し条件）を施した。Ｎｏ．３８鋼については図２に示す浸炭焼入れ・焼戻し処理を施した後、表面硬度、内部硬度、有効硬化層深さの調査、および衝撃試験と回転曲げ疲労試験およびローラーピッチング試験を実施した。
【００３６】
また、Ｎｏ．１８の鋼材を用いて焼入れ焼戻し条件と高周波加熱条件について微調整を行い、高周波焼入れ部位に析出させる粒径３００ｎｍ未満の炭化物の個数を変化させたものを作成し、同様の試験を実施した。以下にそれぞれの調査内容について説明する。
【００３７】
［有効硬化層深さ、表面硬度、内部硬度調査、炭化物析出量］
２０φ（ｍｍ）丸棒を切断し、Ｎｏ．１〜３７の鋼については焼入れ・焼戻し後に高周波焼入れ・焼戻しを行い、従来鋼については浸炭焼入れ・焼戻しをした後、断面の硬度分布を測定し、ビッカース硬さで５５０ＨＶの得られる深さを調査し有効硬化層深さとした。さらに表面から５０μｍ深さ位置での硬度を表面硬度とし、内部（非硬化部）の硬度とともにビッカース硬度計を用いて測定した。また、Ｎｏ．１〜３７の鋼については高周波焼入れ部位をＦＥ−ＳＥＭで観察し、粒径３００ｎｍ未満の炭化物について１００μｍ2あたりの個数をカウントした。粒径は短径、長径の平均値とした。
【００３８】
［衝撃特性］
各鋼材を用いてＪＩＳ３号衝撃試験片を作製し、Ｎｏ．１〜３７の鋼については高周波焼入れ・焼戻しを、従来材については浸炭焼入れ焼戻しを施した後、シャルピー試験機により試験温度２０℃における衝撃値を調査した。
【００３９】
［回転曲げ疲労特性］
直径３２ｍｍの丸棒鋼から、平行部直径１０ｍｍの試験片を採取し、平行部に平行部と直角方向に深さ１．５ｍｍの切り欠き（切り欠き係数：１．４）を全周にわたってつけた回転曲げ疲労試験片を調製した。Ｎｏ．１〜３７の鋼については高周波焼入れ焼戻しを、従来鋼については浸炭焼入れ・焼戻し処理を行った。小野式回転曲げ疲労試験機を使用して１０７回を疲労限度として回転曲げ疲労試験を行い、回転曲げ疲労強度を測定した。
【００４０】
［面圧疲労特性］
面圧疲労特性をローラーピッチング試験により調査した。直径３２ｍｍの丸棒鋼から図３に示す試験面の直径が２６ｍｍ、幅が２８ｍｍの円筒部を有する試験片を作製した。また、直径７０ｍｍの丸棒鋼を用いて、鍛造により直径１３５ｍｍとした後、焼準処理を行い、直径１３０ｍｍ、幅１８ｍｍの大ローラーを作製した。
【００４１】
次いでローラー状試験片および大ローラーについて、Ｎｏ．１〜３７の鋼については高周波焼入れ焼戻し処理を、従来鋼については浸炭焼入れ・焼戻し処理を行った。ローラーピッチング試験機を使用して１０７回を疲労限度として試験を行った。試験条件は回転数：１５００ｒ．ｐ．ｍ 、すべり率４０％、潤滑剤：ミッションオイル、油温：１２０℃であった。
【００４２】
また、面圧３０００ＭＰａにて１千万回試験を行い、その試験前後の試験片重量の差から、摩耗量を算出した。
【００４３】
表２に調査結果を示す。比較例Ｎｏ．２１はＣ含有量が本発明範囲より高いために、内部硬度が高くなりすぎた。そのために衝撃値が低下し、さらに疲労亀裂の進行が促進されて回転曲げ疲労強度が低下した。
【００４４】
比較例Ｎｏ．２２はＣ含有量が本発明の範囲より低いために、焼入れ性が低すぎて表面硬度が低くなっている。また硬化層深さも浅すぎる。そのため、回転曲げ疲労強度および面疲労強度が低下した。
【００４５】
比較例Ｎｏ．２３はＳｉ含有量が本発明の範囲よりも低い。そのために軟化抵抗が低すぎて面疲労強度が低下した。比較例Ｎｏ．２４はＳｉ含有量が本発明の範囲より高く、そのために靭性が低くなっており、衝撃値および回転曲げ疲労強度が低下した。
【００４６】
比較例Ｎｏ．２５はＭｎ含有量が本発明範囲より低いために焼入性が低すぎて有効硬化層深さが浅すぎるために全体の強度が不足しており回転曲げ疲労強度が低下した。比較例Ｎｏ．２６はＭｎ含有量が本発明の範囲より高いために焼入れ性が高くなりすぎている。そのため、衝撃値および回転曲げ疲労強度が低下した。
【００４７】
比較例Ｎｏ．２７はＣｒ含有量が本発明範囲より高い。そのために靭性が低下し、曲げ疲労強度が低下した。比較例Ｎｏ．２８、２９はＮｂ含有量が本発明範囲よりも低いために結晶粒が大きめになって衝撃値および曲げ疲労強度が低下した。
【００４８】
比較例Ｎｏ．３０、３１、３５はＴｉ含有量が本発明範囲よりも低いために結晶粒が大きくなって衝撃値および曲げ疲労強度が低下した。
比較例Ｎｏ．３２、３３、３４はＢ含有量が本発明範囲よりも低いために焼入れ性が不足しており、硬化層深さが浅く、内部硬度も低めであるために全体の強度が不足して回転曲げ疲労強度が不足した。
【００４９】
比較例Ｎｏ．３６はＺの値が本発明範囲より低くなっており、面疲労強度が低下した。比較例Ｎｏ．３７はＺの値が本発明範囲よりも高くなっており、焼入れ性が高く、硬化深さ、内部硬度が高くなりすぎて衝撃値が低下し、回転曲げ疲労強度も低下した。
【００５０】
これに対して本発明鋼であるＮｏ．１〜２０は比較例Ｎｏ．２１〜３７および従来鋼Ｎｏ．３８に比べて、衝撃特性、回転曲げ疲労特性、面疲労特性ともに良好な結果が得られた。
【００５１】
表３に高周波焼入れ部位に析出させる粒径３００ｎｍ未満の炭化物の個数を変化させて回転曲げ疲労特性、面疲労特性を調査した結果を示す。径が３００ｎｍ以下の炭化物の個数が本発明範囲よりも少ない１８−５、１８−６、１８−７は摩耗量が大きい。それに対して本発明範囲内である１８−１、１８−２、１８−３、１８−４は摩耗量が少なく耐磨耗性が良好である。
【００５２】
【表１】
【００５３】
【表２】
【００５４】
【表３】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車や各種産業機械に用いて好適な、耐摩耗性と面疲労特性を備えた歯車およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に用いられている歯車は、近年、省エネルギー化による車体重量の軽量化に伴うサイズの小型化が要求されているが、エンジンの高出力化により負荷は増大している。歯車の破損は、大きく分別して、歯の衝撃破壊、歯元の曲げ疲労破壊ならびに歯面の面圧疲労（面疲労とも言う）破壊が原因となる。
【０００３】
従来は、ＪＩＳＳＣｒ４２０等の肌焼鋼を用いて歯車を成形し、浸炭等の表面処理を行って使用されてきた。しかし、浸炭では粒界酸化や浸炭異常層の影響による強度低下が大きく、それを避けるために素材を高合金添加系にするか、熱処理を真空雰囲気において実施することが必要となり、相当なコスト上昇が必要となる。
【０００４】
そこで、近年、合金添加量の少ない素材に高周波焼入れによる表面硬化を施した歯車が提案されている。
【０００５】
たとえば、特許文献１には、高周波焼入れ部品を対象に、成分規定とともに材料内の介在物のサイズ・個数を規定することで、曲げ疲労強度および転動疲労強度を向上させることが記載されている。
【０００６】
しかしながら、介在物のサイズ・個数の規定により曲げ疲労強度および転動疲労強度は向上するものの、介在物のサイズ・個数を制御する場合は成分組成に応じて鋳造、圧延の際の温度条件を制御することが必要となるため、製品を製造することは難しい。
【０００７】
特許文献２では成分組成中のＣ、Ｓｉ量を高めて、耐摩耗性、耐衝撃特性の向上を図っているが、Ｃ量が高いために内部の靭性が低く十分な衝撃特性の向上が得られない。
【０００８】
また、特許文献３にはＢ添加によりＣ量を高めずに焼入性を向上させ、同時に内部の靭性向上を図った高周波焼入れ部品が記載されている。しかし、Ｂ添加だけでは衝撃特性が向上したとしても、歯車で必用な面圧疲労強度は向上しない。
【０００９】
特許文献４には、本発明者らが高周波焼入れにて作成される歯車について行った研究成果である、衝撃特性、曲げ疲労特性、面疲労特性の優れた歯車が記載されている。しかしながら、開発された歯車のこれらの特性は良好であったが、摩耗量が大きめで、潤滑油の交換の頻度が大きくなり、さらに摩耗により歯車装置の動力性能の損失量が大きくなり、伝達損失が増加した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１７４９号公報
【特許文献２】特公平０４−８４９７号公報
【特許文献３】特許第３４０２５６２号
【特許文献４】特開２００７−９２１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記特許文献１〜４における問題点を解決する、具体的には、現行の一般的な設備により製造可能な素材を用いた、衝撃強度、曲げ疲労強度は従来の歯車並を維持しつつ、耐摩耗性に優れ、且つ面疲労特性が従来の歯車より良好な歯車およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記課題達成のため、鋭意研究を重ねて得た以下の（１）〜（５）の知見を基に、耐摩耗性、面疲労特性、すなわち面疲労強度を向上させる場合の素材の成分組成として、焼入性の管理により曲げ疲労性特性を確保した上で、焼戻軟化抵抗を高めて面疲労強度を向上させ、さらにＡｃ３変態点を高めた成分組成が有効であることを見出した。
（１）高周波焼入れ後において、現用の高周波焼入れ歯車と同等以上の優れた性能を得るためには、硬度分布を従来鋼と同等とすることが前提として必要で、焼入れ性指数：Ｄ値による調整が有効である。
（２）適量のＳｉ、Ｃｒ量を含有することにより焼戻し軟化抵抗を高めると、歯車接触面での発熱による軟化が抑制され、歯車駆動時に歯面の亀裂発生が防止可能である。
（３）焼戻し軟化抵抗は１０Ｓｉ＋Ｃｒ（但し、Ｓｉ、Ｃｒは含有量（質量％））の値で整理される。
（４）高周波焼入れ前の焼入れ・焼戻し組織において炭化物の析出をコントロールし、高周波焼入れ後の硬化層に微細な炭化物を分散させる。それにより、高周波焼入れ部の硬さがさらに向上し、炭化物の存在により耐摩耗性が向上するとともに、焼戻しにおいて軟化が起こりにくくなる。
（５）曲げ疲労強度は、高周波焼入れ特有の結晶粒微細化効果で向上するが、さらにＡｃ３変態点を高くして、高周波加熱後の結晶粒度を微細化すると、著しく向上する。
（５）Ａｃ３変態点の上昇による高周波焼入れ後の結晶粒微細化は、衝撃特性および面疲労強度も大きく増大させる。
【００１３】
本発明は得られた知見をもとに更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は
１．質量％で、Ｃ：０．２５〜０．６５％、Ｓｉ：０．７０〜２．００％以上、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｃｒ：１．５０％以下を含有し、（１）式で計算されるＺの値が１５≦Ｚ≦３０で、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、高周波焼入れ部の組織が焼戻しマルテンサイト主体で内部に粒径３００ｎｍ未満の炭化物が１００μｍ2当り９０個以上微細に分散していることを特徴とする耐摩耗性と面疲労特性に優れた高周波焼入れ歯車。
Ｚ＝１０Ｓｉ＋Ｃｒ＋５０（Ｄ×Ｃｅｑ）／Ａ ・・・（１）
ここで、Ｓｉ、Ｃｒはそれぞれの元素の含有する量（質量％）を示す。Ｄは焼入れ性指数、Ｃｅｑは炭素当量、ＡはＡｃ３変態点で、（２）、（３）、（４）式で計算された値とする。
Ｄ＝８．７６＊√（Ｃ）＊（１＋０．６４＊Ｓｉ）＊（１＋４．１＊Ｍｎ）＊（１＋２．３３＊Ｃｒ）・・・（２）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）で、Ｂを添加した場合はＤ値はこの計算式による値の２倍とする。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋０．０２３・・・（３）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）とする。
Ａ＝９２１−２０３√Ｃ＋４４．７＊Ｓｉ−３０＊Ｍｎ−１１＊Ｃｒ・・・（４）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）とする。
２．成分組成に、更に、質量％で、Ｎｂ：０．０１０〜０．０６０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％の１種以上を含有することを特徴とする１記載の耐摩耗性と面疲労特性に優れた高周波焼入れ歯車。
３．１または２に記載の成分組成の鋼を、熱間鍛造を行った後に焼入れ・焼戻しを行い、その後歯車形状に加工し、表面硬化熱処理として高周波焼入れ・焼戻しを行い、高周波焼入れ部の組織を焼戻しマルテンサイト主体で内部に粒径３００ｎｍ未満の炭化物が１００μｍ2当り９０個以上微細に分散しているものとすることを特徴とする、耐摩耗性と面疲労特性に優れた歯車の製造方法。
４．前記高周波焼入れ・焼戻し後、更に歯面にショットピーニングまたは研磨を行うことを特徴とする、３記載の耐摩耗性と面疲労特性に優れた歯車の製造方法。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、コストの安い、設備と成分組成を用いて製造可能な耐摩耗性と面疲労特性に優れた歯車およびその製造条件が得られ、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例で使用した高周波熱処理のパターンを示す図で（ａ）は高周波焼入れ条件、（ｂ）は焼戻し条件を示す。
【図２】実施例で使用した現行鋼Ｎｏ．３８鋼の浸炭焼入れ・焼戻し処理のパターンを示す図。
【図３】ローラーピッチング試験片を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明では１．素材となる鋼の成分組成、２．歯車の高周波焼入れ部のミクロ組織を規定する。以下に各限定理由について述べる。
［成分組成］ 以下の説明において、％は質量％とする。
Ｃ：０．２５〜０．６５％
Ｃは強度確保のために必要であり、高周波焼入れ後の表面硬さを決定する。含有量が０．２５％未満では表面硬さが５００ＨＶ以下にまで低下するために歯車としての強度を確保できない。一方、０．６５％を超えると歯車内部の靭性が低下して、疲労亀裂の進展が早くなるために、曲げ疲労特性が低下するため、０．２５〜０．６５％とする。
【００１７】
Ｓｉ：０．７０〜２．００％
Ｓｉは焼戻し軟化抵抗を高め、それにより面疲労特性を向上させるのに有効な元素である。その効果を得るため０．７０％以上とする。また、焼戻し軟化抵抗向上は炭化物の析出を遅らせる効果によるものであるため、高周波焼入れ前の焼入れ・焼戻し後において、炭化物を微細に析出させる事ができる。その結果、高周波焼入れの急速加熱においても、炭化物が固溶しやすくなり、高周波焼入れ後の表面硬度を高める事が出来る。更に、Ａｃ３変態点を上昇させて高周波焼入による結晶粒を微細化させる効果もある。上述した効果は２．００％を超えると飽和するので、含有量を０．７０〜２．００％とする。
【００１８】
Ｍｎ：０．３０〜２．００％
Ｍｎは焼入れ性を高める元素であり、その効果を得るため０．３０％以上とする。一方、２．００％を超えると過剰に焼入れ性が上がりすぎて靭性が劣化して曲げ疲労特性が低下する。また、加工性も劣化する、よって０．３０〜２．００％とする。
【００１９】
Ｃｒ：１．５０％以下
Ｃｒは焼入れ性と焼戻し軟化抵抗を高め、また、焼戻し時の炭化物析出にも大きく影響する元素であるため含有する。含有量が１．５０％を超えると、焼入れ性が高くなりすぎるため歯車内部の靭性が劣化し、曲げ疲労強度が低下するため、１．５０％以下とする。
【００２０】
１５≦Ｚ≦３０
Ｚは焼戻し軟化抵抗、焼入れ性、Ａｃ３変態点を考慮したパラメータであり、Ｚ＝１０Ｓｉ＋Ｃｒ＋５０（ＤｘＣｅｑ）／Ａ とする。ここで、Ｓｉ、Ｃｒはそれぞれの元素の含有する量（質量％）を示す。Ｄは焼入れ性指数、Ｃｅｑは炭素当量、ＡはＡｃ３変態点で、以下の（２）〜（４）式で計算された値とする。
Ｄ＝８．７６＊√（Ｃ）＊（１＋０．６４＊Ｓｉ）＊（１＋４．１＊Ｍｎ）＊（１＋２．３３＊Ｃｒ）・・・（２）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）で、Ｂを添加した場合はＤ値はこの計算式による値の２倍とする。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋０．０２３・・・（３）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）とする。
Ａ＝９２１−２０３√Ｃ＋４４．７＊Ｓｉ−３０＊Ｍｎ−１１＊Ｃｒ・・・（４）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）とする。
【００２１】
Ｚの値が１５以上３０以下の場合、面疲労強度を向上させ、且つ、衝撃強度、曲げ疲労強度を従来部品並に維持する事が可能である。Ｚの値が１５未満では面疲労強度を向上させる効果が無く、３０を超えると焼入れ性が高くなりすぎて焼き割れを起こしたり、硬さが高くなりすぎて機械加工性が低下する。
【００２２】
以上が本発明の基本成分組成で、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とする。不可避的不純物としてのＰおよび酸素含有量は、出来るだけ低いほうが望ましい。更に特性を向上させる場合、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｂの１種以上を含有することができる。
【００２３】
Ｎｂ：０．０１０〜０．０６０％
Ｎｂは炭窒化物形成により結晶粒を微細化させ、曲げ疲労強度を向上させる。結晶粒を微細化させるには０．０１０％以上必要であるが、０．０６０％を超えて含有してもその効果は飽和する。よってＮｂを含有する場合は０．０１０〜０．０６０％とする。
【００２４】
Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％
Ｔｉは炭窒化物形成により結晶粒を微細化させ、曲げ疲労強度を向上させる。結晶粒を微細化させるには０．００５％以上必要であるが、０．０５０％を超えて含有してもその効果は飽和する。よって、Ｔｉを含有する場合は０．００５〜０．０５０％とする。
【００２５】
Ｂ：０．０００５〜０．０１００％
Ｂは焼入れ性を上げるのに有効である。その効果は０．０００５％以上で得られるが、０．０１００％を超えて含有してもその効果は飽和する。よって、Ｂを含有する場合は０．０００５〜０．０１００％とする。
【００２６】
尚、本発明鋼において被削性を向上させる場合は、Ｓ、Ｐｂ、Ｓｅ、Ｃａ等の快削元素を添加する。
【００２７】
［歯車の高周波焼入れ部のミクロ組織］
高周波焼入れ部のミクロ組織を、粒径３００ｎｍ未満の炭化物が１００μｍ2当り９０個以上微細に分散した焼戻しマルテンサイトを主体とするミクロ組織に規定する。高周波焼入れ部のミクロ組織は歯車として必要な強度・靭性と耐摩耗性が得られるように焼戻しマルテンサイトを主体とする。主体とは少なくとも９５％含む場合とする。焼戻しマルテンサイトに存在する炭化物は耐摩耗性に有効であるが粒径３００ｎｍを超えて大きくなると、介在物と同様に疲労破壊の起点となり、疲労強度が低下する。
【００２８】
一方、粒径が３００ｎｍ未満と小さい場合であっても炭化物の密度が１００μｍ2当り９０個未満と少ない場合、耐摩耗性を向上させることができない。また、微細に分散していることも耐摩耗性を向上させるために必要である。よって上記のとおり限定した。ミクロ組織の観察方法は実施例において詳細に説明する。
【００２９】
本発明に係る歯車は上記成分組成の鋼を、熱間鍛造を行った後に焼入れ・焼戻しを行い、その後歯車形状に加工し、表面硬化熱処理として高周波焼入れ・焼戻しを行って製造する。高周波焼入れ・焼戻し後、更に歯面にショットピーニングまたは研磨を行っても良い。
【００３０】
熱間鍛造は１０００〜１３００℃で行い、その後室温まで冷却し、８５０〜９５０℃まで再加熱した後、６０〜１３０℃の油へ投入して焼入れするか、または鍛造後に７８０〜８８０℃まで空冷した後、同様に６０〜１３０℃の油へ投入して焼入れする。その後、４５０〜７００℃に再加熱して焼戻しを行い、歯車形状に加工することが望ましい。高周波焼入れ・焼戻し条件は、高周波焼入れ・焼戻し後における高周波焼入れ部のミクロ組織が上記ミクロ組織の規定を満足するように適宜選定する。本発明で高周波焼入れ部とは高周波焼入れ・焼戻しを受けて組織および硬さが変化した領域である。
【００３１】
歯車の歯面にショットピーニングを行う場合は、（１）粒径が０．０５〜０．１ｍｍΦの硬さ７００ＨＶ以上の粒を用いたショットピーニング、（２）粒径が０．４〜１．２ｍｍΦの硬さ７００ＨＶ以上の粒を用いて行った後、粒径が０．０５〜０．１ｍｍΦの硬さ７００ＨＶ以上の粒を用いて再度行うショットピーニング、（３）粒径が０．４〜１．２ｍｍΦの硬さ７００ＨＶ以上の粒と、０．０５〜０．１ｍｍΦの硬さ７００ＨＶ以上の粒を混合して行うショットピーニングのいずれかを行う。ショットピーニングとして（１）〜（３）の順で疲労特性は良好となるが、製造コストを考慮して適宜選定する。以下、本発明を実施例により比較例と対比し、さらに詳細に説明する。
【実施例】
【００３２】
表１に示す化学成分を有する鋼を溶解し供試材とした。表に示すＮｏ．１〜２０は本発明範囲内の成分組成の鋼で、Ｎｏ．２１〜３７は本発明範囲外の成分組成の鋼である。Ｎｏ．２２は従来鋼であるＪＩＳ ＳＣｒ４２０鋼である。
【００３３】
溶製された上記鋼のインゴットを熱間圧延により直径３２〜７０ｍｍの丸棒鋼に調製し、得られた丸棒鋼に対し、Ｎｏ．１〜３７の鋼は焼準処理後に焼入れ・焼戻しを、従来鋼には焼準処理を実施した。
【００３４】
Ｎｏ．１〜３７の鋼は焼入れ・焼戻し後の棒鋼から、従来鋼には焼準処理後の棒鋼から２０ｍｍφの丸棒、ＪＩＳ３号衝撃試験片、小野式回転曲げ疲労試験片、ローラーピッチング試験片を採取した。
【００３５】
丸棒および各疲労試験片に対して、Ｎｏ．１〜３７の鋼については、図１に示す高周波入れ・焼戻し処理（図１（ａ）は高周波焼入れ条件、図１（ｂ）は焼戻し条件）を施した。Ｎｏ．３８鋼については図２に示す浸炭焼入れ・焼戻し処理を施した後、表面硬度、内部硬度、有効硬化層深さの調査、および衝撃試験と回転曲げ疲労試験およびローラーピッチング試験を実施した。
【００３６】
また、Ｎｏ．１８の鋼材を用いて焼入れ焼戻し条件と高周波加熱条件について微調整を行い、高周波焼入れ部位に析出させる粒径３００ｎｍ未満の炭化物の個数を変化させたものを作成し、同様の試験を実施した。以下にそれぞれの調査内容について説明する。
【００３７】
［有効硬化層深さ、表面硬度、内部硬度調査、炭化物析出量］
２０φ（ｍｍ）丸棒を切断し、Ｎｏ．１〜３７の鋼については焼入れ・焼戻し後に高周波焼入れ・焼戻しを行い、従来鋼については浸炭焼入れ・焼戻しをした後、断面の硬度分布を測定し、ビッカース硬さで５５０ＨＶの得られる深さを調査し有効硬化層深さとした。さらに表面から５０μｍ深さ位置での硬度を表面硬度とし、内部（非硬化部）の硬度とともにビッカース硬度計を用いて測定した。また、Ｎｏ．１〜３７の鋼については高周波焼入れ部位をＦＥ−ＳＥＭで観察し、粒径３００ｎｍ未満の炭化物について１００μｍ2あたりの個数をカウントした。粒径は短径、長径の平均値とした。
【００３８】
［衝撃特性］
各鋼材を用いてＪＩＳ３号衝撃試験片を作製し、Ｎｏ．１〜３７の鋼については高周波焼入れ・焼戻しを、従来材については浸炭焼入れ焼戻しを施した後、シャルピー試験機により試験温度２０℃における衝撃値を調査した。
【００３９】
［回転曲げ疲労特性］
直径３２ｍｍの丸棒鋼から、平行部直径１０ｍｍの試験片を採取し、平行部に平行部と直角方向に深さ１．５ｍｍの切り欠き（切り欠き係数：１．４）を全周にわたってつけた回転曲げ疲労試験片を調製した。Ｎｏ．１〜３７の鋼については高周波焼入れ焼戻しを、従来鋼については浸炭焼入れ・焼戻し処理を行った。小野式回転曲げ疲労試験機を使用して１０７回を疲労限度として回転曲げ疲労試験を行い、回転曲げ疲労強度を測定した。
【００４０】
［面圧疲労特性］
面圧疲労特性をローラーピッチング試験により調査した。直径３２ｍｍの丸棒鋼から図３に示す試験面の直径が２６ｍｍ、幅が２８ｍｍの円筒部を有する試験片を作製した。また、直径７０ｍｍの丸棒鋼を用いて、鍛造により直径１３５ｍｍとした後、焼準処理を行い、直径１３０ｍｍ、幅１８ｍｍの大ローラーを作製した。
【００４１】
次いでローラー状試験片および大ローラーについて、Ｎｏ．１〜３７の鋼については高周波焼入れ焼戻し処理を、従来鋼については浸炭焼入れ・焼戻し処理を行った。ローラーピッチング試験機を使用して１０７回を疲労限度として試験を行った。試験条件は回転数：１５００ｒ．ｐ．ｍ 、すべり率４０％、潤滑剤：ミッションオイル、油温：１２０℃であった。
【００４２】
また、面圧３０００ＭＰａにて１千万回試験を行い、その試験前後の試験片重量の差から、摩耗量を算出した。
【００４３】
表２に調査結果を示す。比較例Ｎｏ．２１はＣ含有量が本発明範囲より高いために、内部硬度が高くなりすぎた。そのために衝撃値が低下し、さらに疲労亀裂の進行が促進されて回転曲げ疲労強度が低下した。
【００４４】
比較例Ｎｏ．２２はＣ含有量が本発明の範囲より低いために、焼入れ性が低すぎて表面硬度が低くなっている。また硬化層深さも浅すぎる。そのため、回転曲げ疲労強度および面疲労強度が低下した。
【００４５】
比較例Ｎｏ．２３はＳｉ含有量が本発明の範囲よりも低い。そのために軟化抵抗が低すぎて面疲労強度が低下した。比較例Ｎｏ．２４はＳｉ含有量が本発明の範囲より高く、そのために靭性が低くなっており、衝撃値および回転曲げ疲労強度が低下した。
【００４６】
比較例Ｎｏ．２５はＭｎ含有量が本発明範囲より低いために焼入性が低すぎて有効硬化層深さが浅すぎるために全体の強度が不足しており回転曲げ疲労強度が低下した。比較例Ｎｏ．２６はＭｎ含有量が本発明の範囲より高いために焼入れ性が高くなりすぎている。そのため、衝撃値および回転曲げ疲労強度が低下した。
【００４７】
比較例Ｎｏ．２７はＣｒ含有量が本発明範囲より高い。そのために靭性が低下し、曲げ疲労強度が低下した。比較例Ｎｏ．２８、２９はＮｂ含有量が本発明範囲よりも低いために結晶粒が大きめになって衝撃値および曲げ疲労強度が低下した。
【００４８】
比較例Ｎｏ．３０、３１、３５はＴｉ含有量が本発明範囲よりも低いために結晶粒が大きくなって衝撃値および曲げ疲労強度が低下した。
比較例Ｎｏ．３２、３３、３４はＢ含有量が本発明範囲よりも低いために焼入れ性が不足しており、硬化層深さが浅く、内部硬度も低めであるために全体の強度が不足して回転曲げ疲労強度が不足した。
【００４９】
比較例Ｎｏ．３６はＺの値が本発明範囲より低くなっており、面疲労強度が低下した。比較例Ｎｏ．３７はＺの値が本発明範囲よりも高くなっており、焼入れ性が高く、硬化深さ、内部硬度が高くなりすぎて衝撃値が低下し、回転曲げ疲労強度も低下した。
【００５０】
これに対して本発明鋼であるＮｏ．１〜２０は比較例Ｎｏ．２１〜３７および従来鋼Ｎｏ．３８に比べて、衝撃特性、回転曲げ疲労特性、面疲労特性ともに良好な結果が得られた。
【００５１】
表３に高周波焼入れ部位に析出させる粒径３００ｎｍ未満の炭化物の個数を変化させて回転曲げ疲労特性、面疲労特性を調査した結果を示す。径が３００ｎｍ以下の炭化物の個数が本発明範囲よりも少ない１８−５、１８−６、１８−７は摩耗量が大きい。それに対して本発明範囲内である１８−１、１８−２、１８−３、１８−４は摩耗量が少なく耐磨耗性が良好である。
【００５２】
【表１】
【００５３】
【表２】
【００５４】
【表３】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．２５〜０．６５％、Ｓｉ：０．７０〜２．００％以上、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｃｒ：１．５０％以下を含有し、（１）式で計算されるＺの値が１５≦Ｚ≦３０で、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、高周波焼入れ部の組織が焼戻しマルテンサイト主体で内部に粒径３００ｎｍ未満の炭化物が１００μｍ2当り９０個以上微細に分散していることを特徴とする耐摩耗性と面疲労特性に優れた高周波焼入れ歯車。
Ｚ＝１０Ｓｉ＋Ｃｒ＋５０（Ｄ×Ｃｅｑ）／Ａ ・・・（１）
ここで、Ｓｉ、Ｃｒはそれぞれの元素の含有する量（質量％）を示す。Ｄは焼入れ性指数、Ｃｅｑは炭素当量、ＡはＡｃ３変態点で、（２）、（３）、（４）式で計算された値とする。
Ｄ＝８．７６＊√（Ｃ）＊（１＋０．６４＊Ｓｉ）＊（１＋４．１＊Ｍｎ）＊（１＋２．３３＊Ｃｒ）・・・（２）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）で、Ｂを添加した場合はＤ値はこの計算式による値の２倍とする。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋０．０２３・・・（３）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）とする。
Ａ＝９２１−２０３√Ｃ＋４４．７＊Ｓｉ−３０＊Ｍｎ−１１＊Ｃｒ・・・（４）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）とする。
【請求項２】
成分組成に、更に、質量％で、Ｎｂ：０．０１０〜０．０６０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％の１種以上を含有することを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性と面疲労特性に優れた高周波焼入れ歯車。
【請求項３】
請求項１または２に記載の成分組成の鋼を、熱間鍛造後、焼入れ・焼戻しを行い、その後歯車形状に加工し、表面硬化熱処理として高周波焼入れ・焼戻しを行い、高周波焼入れ部の組織を焼戻しマルテンサイト主体で内部に粒径３００ｎｍ未満の炭化物が１００μｍ2当り９０個以上微細に分散したものとすることを特徴とする、耐摩耗性と面疲労特性に優れた歯車の製造方法。
【請求項４】
前記高周波焼入れ・焼戻し後、更に歯面にショットピーニングまたは研磨を行うことを特徴とする、請求項３記載の耐摩耗性と面疲労特性に優れた歯車の製造方法。
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．２５〜０．６５％、Ｓｉ：０．７０〜２．００％以上、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、Ｃｒ：１．５０％以下を含有し、（１）式で計算されるＺの値が１５≦Ｚ≦３０で、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、高周波焼入れ部の組織が焼戻しマルテンサイト主体で内部に粒径３００ｎｍ未満の炭化物が１００μｍ2当り９０個以上微細に分散していることを特徴とする耐摩耗性と面疲労特性に優れた高周波焼入れ歯車。
Ｚ＝１０Ｓｉ＋Ｃｒ＋５０（Ｄ×Ｃｅｑ）／Ａ ・・・（１）
ここで、Ｓｉ、Ｃｒはそれぞれの元素の含有する量（質量％）を示す。Ｄは焼入れ性指数、Ｃｅｑは炭素当量、ＡはＡｃ３変態点で、（２）、（３）、（４）式で計算された値とする。
Ｄ＝８．７６＊√（Ｃ）＊（１＋０．６４＊Ｓｉ）＊（１＋４．１＊Ｍｎ）＊（１＋２．３３＊Ｃｒ）・・・（２）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）で、Ｂを添加した場合はＤ値はこの計算式による値の２倍とする。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／７＋Ｍｎ／５＋Ｃｒ／９＋０．０２３・・・（３）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）とする。
Ａ＝９２１−２０３√Ｃ＋４４．７＊Ｓｉ−３０＊Ｍｎ−１１＊Ｃｒ・・・（４）
但し、式において各合金元素は含有量（質量％）とする。
【請求項２】
成分組成に、更に、質量％で、Ｎｂ：０．０１０〜０．０６０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１００％の１種以上を含有することを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性と面疲労特性に優れた高周波焼入れ歯車。
【請求項３】
請求項１または２に記載の成分組成の鋼を、熱間鍛造後、焼入れ・焼戻しを行い、その後歯車形状に加工し、表面硬化熱処理として高周波焼入れ・焼戻しを行い、高周波焼入れ部の組織を焼戻しマルテンサイト主体で内部に粒径３００ｎｍ未満の炭化物が１００μｍ2当り９０個以上微細に分散したものとすることを特徴とする、耐摩耗性と面疲労特性に優れた歯車の製造方法。
【請求項４】
前記高周波焼入れ・焼戻し後、更に歯面にショットピーニングまたは研磨を行うことを特徴とする、請求項３記載の耐摩耗性と面疲労特性に優れた歯車の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−１１２８２６（Ｐ２０１３−１１２８２６Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５７４８９（Ｐ２０１１−２５７４８９）
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（３９９００９６４２）ＪＦＥ条鋼株式会社 (45)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（３９９００９６４２）ＪＦＥ条鋼株式会社 (45)
【Ｆターム（参考）】
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