JP3915710B2

JP3915710B2 - 耐低サイクル衝撃疲労特性に優れた浸炭差動歯車

Info

Publication number: JP3915710B2
Application number: JP2003030638A
Authority: JP
Inventors: 雅之堀本
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: JP2004238702A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐低サイクル衝撃疲労特性に優れた浸炭差動歯車に関し、より詳しくは、特に低サイクル衝撃疲労強度が重視されるデファレンシャルピニオンギアやサイドギアに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンの高出力化や部品の軽量化の目的から、自動車用部品に対して高強度化の要求が大きくなっている。特に、表面硬化のために浸炭処理が施される自動車の差動歯車装置に用いられるデファレンシャルピニオンギアやサイドギアにおいては、エンジンの高トルク化や自動車の急発進、急停止などによるトルク伝達時の急激で衝撃的な負荷の増加を背景として、浸炭焼入れ後に大きな耐疲労特性、なかでも数１０〜数１００回という非常に低い繰り返し回数での衝撃的な疲労破壊に対する抵抗性（以下、耐低サイクル衝撃疲労特性という）を有することが要求されている。
【０００３】
従来、上記のデファレンシャルピニオンギアやサイドギアの多くは、例えばＪＩＳ規格鋼であるＳＣｒ４２０やＳＣＭ４２０などを機械加工で所定の形状にした後、浸炭焼入れ処理を施して製造されてきた。しかし、従来鋼を母材とした浸炭焼入れ後のデファレンシャルピニオンギアやサイドギアは、深い硬化層を有するにもかかわらず浸炭最表層部に不完全焼入れ層を伴った粒界酸化層が形成される場合があるため、最近の部品の小型化に際して、耐疲労特性、特に耐低サイクル衝撃疲労特性を保つことが難しい状況となってきており、低サイクル衝撃疲労強度を向上させることが求められている。
【０００４】
耐疲労特性を高める技術として、特許文献１に介在物の形態を制御した「疲労特性および被削性に優れた肌焼鋼」が開示されている。しかし、この公報で提案された技術は１０⁷ 回程度の高サイクル曲げ疲労強度を対象とするものであり、低サイクルでの衝撃疲労に対しての配慮がなされたものではない。このため、充分な耐低サイクル衝撃疲労特性が得られるというものではなかった。
【０００５】
特許文献２には、良好な歯切り性と耐衝撃性を、疲労強度を低下させることなく付与することができる「歯切り性に優れた浸炭歯車用鋼」が開示されている。しかし、この公報で提案された浸炭歯車用鋼を母材としてもなお、低サイクル衝撃疲労の様な繰り返し荷重下での衝撃疲労強度を大幅に改善することは困難であった。
【０００６】
特許文献３には、Ｓｉ、Ｍｎ及びＣｒの含有量を低減することによってオーステナイト粒界の酸化を防止して粒界を強化した素材鋼を使用し、高周波誘導加熱による加工熱処理プロセスを用いる「衝撃疲労寿命に優れた歯車の製造方法」が開示されている。しかし、この公報で提案された技術は、Ｃｒ含有量の低い鋼を素材とするものであるため歯車の芯部硬さが低く、現状のエンジンの高出力化には必ずしも対応できなくなってきた。更に、浸炭処理後に特定の条件で高周波誘導加熱処理を行い、その後直ちに歯車に鍛造する技術であるため、従来の所定形状に加工した後、浸炭焼入れ処理を施す製造プロセスとは異なるので、新しい製造ラインを設ける必要があり、したがって、設備コスト面での問題もあった。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１７６７８４号公報
【特許文献２】
特開平９−６７６４４号公報
【特許文献３】
特開平６−１７２８６７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、その目的は、浸炭焼入れ後の耐衝撃疲労特性に優れた浸炭差動歯車、とりわけ低サイクル衝撃疲労による破損に対して、後述の実施例で示す落錘型衝撃疲労試験機を用いた低サイクル衝撃疲労試験における１００回疲労強度が３３００ＭＰａ以上に対応する優れた耐久性を有するデファレンシャルピニオンギアやサイドギアを提供することである。なお、本明細書においては、以下「浸炭差動歯車」を「浸炭部品」と記載して説明する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）及び（２）に示す耐低サイクル衝撃疲労特性に優れた浸炭部品にある。
【００１０】
（１）質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０％、Ｓｉ：０．０３〜０．２５％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｃｒ：０．９％を超えて２．０％まで、Ａｌ：０．０１５〜０．０５％、Ｔｉ：０．０１５〜０．１５０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％及びＮ：０．００２〜０．０２％、並びに、Ｎｂ：０．００１〜０．０５％及びＶ：０．０１〜０．３％のうちの１種以上を含み、残部はＦｅ及び不純物からなり、下記（１）式で表されるＳcaseの値が１．２を超えるとともに、下記（２）式で表されるＳcoreの値が０．８以上である鋼材を素材とする浸炭部品であって、その部品を素材の圧延方向又は鍛錬軸に平行に切断した面におけるＭｎＳの面積の平方根を極値統計処理し、予測される累積分布関数が９９％の時のＭｎＳの最大面積の平方根ＲＳが４０μｍ以下で、且つ、浸炭層の表面のＣ濃度が質量％で、０．８５％以下である耐低サイクル衝撃疲労特性に優れた浸炭部品。
【００１１】
Ｓcase＝Ｍｏ＋Ｃｒ＋（Ｎｉ／２）−（Ｓｉ／５）−Ｐ^0.5＋｛Ｂ／（Ｔｉ−３．４Ｎ）｝・・・（１）、
Ｓcore＝Ｃ^0.8＋（Ｍｎ／２０）^1.25＋（Ｃｒ／６）^0.85＋（Ｍｏ／５）^0.74＋Ｂ^0.21・・・（２）、
但し、（１）式及び（２）式における元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
【００１２】
（２）質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０％、Ｓｉ：０．０３〜０．２５％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｃｒ：０．９％を超えて２．０％まで、Ａｌ：０．０１５〜０．０５％、Ｔｉ：０．０１５〜０．１５０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％及びＮ：０．００２〜０．０２％、並びに、Ｎｂ：０．００１〜０．０５％及びＶ：０．０１〜０．３％のうちの１種以上を含むとともに、Ｍｏ：１．５％以下及びＮｉ：３．０％以下の１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、前記（１）式で表されるＳcaseの値が１．２を超えるとともに、前記（２）式で表されるＳcoreの値が０．８以上である鋼材を素材とする浸炭部品であって、その部品を素材の圧延方向又は鍛錬軸に平行に切断した面におけるＭｎＳの面積の平方根を極値統計処理し、予測される累積分布関数が９９％の時のＭｎＳの最大面積の平方根ＲＳが４０μｍ以下で、且つ、浸炭層の表面のＣ濃度が質量％で、０．８５％以下である耐低サイクル衝撃疲労特性に優れた浸炭部品。
【００１３】
なお、上述の部品を素材の圧延方向又は鍛錬軸に平行に切断した面におけるＭｎＳの面積の平方根を極値統計処理し、予測される累積分布関数が９９％の時のＭｎＳの最大面積の平方根ＲＳ（以下、「極値統計処理によって予測される累積分布関数が９９％の時のＭｎＳの最大面積の平方根ＲＳ」という）は次のようにして求めたものを指す。
【００１４】
（イ）部品を素材の圧延方向又は鍛錬軸に平行に切断した面を鏡面研磨した後、その研磨面を被検面とする。その際一つの観察面を１００ｍｍ² とし、ＥＰＭＡで観察面中の最大のＭｎＳの像を撮影する。次いで、その像を画像解析して面積を算出し、その平方根を当該観察面における代表値とする。この操作を１００観察面以上で実施する。なお、切断面の総面積が１００００ｍｍ² に満たない場合は、測定後の観察面を更に５０μｍ鏡面研磨し、その研磨面を被検面として上記の観察を実施する。
【００１５】
（ロ）上記（イ）で求めた１００のＭｎＳの面積の平方根の値を小さいものから順に並べ直してそれぞれＲＳ_j （ここで、ｊ＝１〜１００）とし、それぞれのｊについて累積分布関数Ｆ_j ＝１００（ｊ／１０１）（％）を計算する。
【００１６】
（ハ）基準化変数ｙ_j ＝−ｌｏｇ_e （−ｌｏｇ_e （ｊ／１０１））を縦軸に、横軸にＲＳ_j を取ったグラフを書き、最小自乗法によって近似直線を求める。
【００１７】
（ニ）上記（ハ）で求めた直線から、累積分布関数Ｆ_j が９９％となる時（すなわち、基準化変数ｙ_j ≒４．６となる時）のＲＳ_j の値を読みとり、これをＭｎＳの最大面積の平方根ＲＳとする。
【００１８】
以下、上記（１）及び（２）の耐低サイクル衝撃疲労特性に優れた浸炭部品に係る発明を（１）及び（２）の発明という。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、前記した目的を達成するために、浸炭部品の低サイクル衝撃疲労強度に及ぼす要因について様々な角度から検討した。その結果、下記（ａ）〜（ｉ）の知見を得た。
【００２０】
（ａ）浸炭部品の低サイクル衝撃疲労破壊は浸炭層の粒界を起点とする破壊である。
【００２１】
（ｂ）上記の低サイクル衝撃疲労破壊には、疲労の過程で生じるラチェット型の歪が大きく関与している。
【００２２】
（ｃ）浸炭部品の芯部（つまり、浸炭処理を施しても浸炭されていない部分）は浸炭層よりも硬さが低く降伏点も低い。このため、急激で衝撃的な負荷が加わると、先ず最初に芯部で塑性変形が生じる。この時、応力分布の再配分が生じるため、芯部硬さが低い部品ほど表面に発生する局所的な歪であるラチェット型の歪の量が大きくなり、結果として浸炭層に亀裂が発生しやすくなる。
【００２３】
（ｄ）浸炭部品の耐低サイクル衝撃疲労特性を大きく高めるためには、 (1)上記の局所的に発生するラチェット型の歪の量を低減すること、に加えて (2)破壊の起点となる浸炭層を強靱化すること、及び (3)粒界三重点に見出される粗大なＭｎＳを低減すること、が有効である。
【００２４】
（ｅ）上記の(1)〜(3)を達成するには、浸炭部品の素材となる鋼の化学組成を適正化して芯部硬さを高めるとともに浸炭層を強靱化し、更に浸炭層の表面Ｃ濃度を適正化することが重要である。
【００２５】
（ｆ）浸炭層の強靱性は前記（１）式で表されるＳcaseで整理できる。上記のＳcaseは生じたラチェット型の歪に対する亀裂発生抵抗の指標であり、ＳｉとＰの含有量が高い場合その値は小さくなって、浸炭層の強靱性が極めて低下してしまう。
【００２６】
（ｇ）浸炭部品の芯部硬さは前記（２）式で表されるＳcoreで整理でき、同じ大きさの衝撃的な負荷がかかる時、Ｓcoreの値が高い場合ほど前記の局所的に発生するラチェット型の歪の量は小さくなる。
【００２７】
（ｈ）浸炭層の強靱性にはＭｎＳの形態も影響を及ぼし、極値統計処理によって予測される累積分布関数が９９％の時のＭｎＳの最大面積の平方根ＲＳが４０μｍ以下であれば、浸炭層の粒界三重点にＭｎＳが存在して応力集中源として作用することがなく、したがって浸炭層に大きな強度を付与できる。
【００２８】
（ｉ）浸炭層の表面Ｃ濃度が大きくなれば粒界にセメンタイトが発生して浸炭層の強度は低下してしまう。
【００２９】
前記の（１）及び（２）の本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００３０】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
（Ａ）素材の化学組成
Ｃ：
Ｃは、鋼の焼入れ性を高めて芯部硬さを向上させる元素である。しかし、その含有量が０．１５％未満では添加効果に乏しく、一方、０．３０％を超えて含有させると被削性及び冷間鍛造性の低下を招く。したがって、Ｃの含有量を０．１５〜０．３０％とした。なお、より好ましいＣの含有量は０．１５〜０．２３％である。
【００３１】
Ｓｉ：
Ｓｉは、脱酸作用を有する元素であるが過剰に添加すると加工性の低下をきたすほか、浸炭部品の表面部に粒界酸化層を生成させて疲労強度の低下を招く。特に、その含有量が０．２５％を超えると浸炭層の強度低下が著しくなって耐低サイクル衝撃疲労特性が著しくなる。一方、Ｓｉの含有量を０．０３％未満とするには、精錬に時間がかかり溶製コストが嵩んで経済的でない。したがって、Ｓｉの含有量を０．０３〜０．２５％とした。
【００３２】
Ｍｎ：
Ｍｎも浸炭部品の芯部硬さを高めるのに有効な元素である。そのためには、Ｍｎは少なくとも０．５％以上含有させる必要がある。一方、Ｍｎは浸炭時の表面Ｃ濃度を高めるので過剰に添加すると粒界強度が低下し、特にその含有量が１．０％を超えると浸炭層の粒界強度の低下が著しくなる。したがって、Ｍｎの含有量を０．５〜１．０％とした。なお、より好ましいＭｎの含有量は０．６〜０．９％である。
【００３３】
Ｐ：
Ｐは浸炭時にオ−ステナイト粒界に偏析し、浸炭層のオ−ステナイト粒界強度を著しく低下させる好ましくない不純物元素である。そこで、Ｐの粒界偏析による粒界脆化を少なくし、良好な耐低サイクル衝撃疲労特性を確保するためＰの含有量は０．０２％を上限とした。
【００３４】
Ｓ：
Ｓは、結晶粒界に残存して粒界強度を著しく低下させ耐衝撃疲労特性の劣化をもたらすし、多すぎると粒界三重点に粗大なＭｎＳを形成して、低サイクル衝撃疲労強度を著しく低下させてしまう好ましくない不純物元素である。このため、Ｓの含有量の上限を０．０２％とした。なお、より好ましいＳ含有量の上限値は０．０１５％である。
【００３５】
Ｃｒ：
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を向上させる元素であり、芯部硬さを高めるのに有効である。しかし、その含有量が０．９％以下ではこの効果が得難い。一方、過剰に添加すると粒界にＣｒ炭化物が析出して粒界強度が低下するため浸炭層が脆化する。したがって、Ｃｒの含有量を０．９％を超えて２．０％までとした。なお、より好ましいＣｒの含有量は０．９％を超えて１．７％までである。
【００３６】
Ａｌ：
Ａｌは溶製時に脱酸剤として作用し、更に、鋼中のＮと結合してＡｌＮを形成して結晶粒の粗大化を防止するのにも有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Ａｌは０．０１５％以上含有させる必要があるが、その効果は０．０５％で飽和する。したがって、Ａｌの含有量を０．０１５〜０．０５％とした。
【００３７】
Ｔｉ：
本発明に係る浸炭部品の素材はＢ添加鋼であり、後述するように固溶Ｂを確保することが重要である。すなわち、フリーのＮが過剰に存在するとＢと結合してＢＮを形成し、Ｂの効果がなくなるので、Ｔｉを添加して少なくともフリーのＮの一部をＴｉＮとして固定し、固溶Ｂを確保する。このとき、Ｔｉの含有量が０．０１５％未満では添加効果に乏しく、一方、０．１５０％を超えて含有させると靱性の劣化を招くこととなる。したがって、Ｔｉの含有量を０．０１５〜０．１５０％とした。Ｔｉの含有量は０．０１５〜０．０５０％とすることが好ましい。なお、フリーのＮをＴｉＮとして十分に固定するには、Ｔｉ（％）−３．４Ｎ（％）の値を０．０１５％以上とするのがよい。
【００３８】
Ｂ：
Ｂは、浸炭層の強靱化作用及び焼入れ性を高めて芯部硬さを高める作用を有する。前記作用はＢが固溶Ｂとして鋼中に存在するときに発揮される。しかし、Ｂの含有量が０．０００３％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の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｂの含有量を０．０００３〜０．００５％とした。なお、Ｂの含有量は０．０００３〜０．００４％とすることが一層好ましい。
【００３９】
Ｎ：
Ｎは鋼中でＴｉ、Ａｌ、ＶやＮｂと結合して窒化物を形成し、結晶粒の粗大化を抑制する作用を有する。又、炭窒化物を形成して、結晶粒の粗大化を抑制する作用もある。これらの効果を発揮させるには、Ｎの含有量は０．００２％以上とする必要がある。しかし、Ｎを０．０２０％を超えて含有させても前記の効果が飽和するばかりか、冷間加工性が劣化するようになるし介在物も増加する。このため、Ｎの含有量を０．００２〜０．０２％とした。なお、Ｎ含有量のより好ましい上限値は０．０１０％である。
【００４０】
Ｎｂ、Ｖ：
Ｎｂ及びＶは鋼中のＣ及びＮと結合して炭窒化物や窒化物を生成し、結晶粒の粗大化を抑制するのでこれらの合金元素を１種以上添加する。但し、ＮｂとＶはそれぞれ０．００１％未満の含有量では上記効果が得難い。Ｎｂを過剰に含有させても前記効果が飽和するばかりか被削性や冷間加工性の低下をきたし、特にＮｂの含有量が０．０５％を超えると被削性や冷間加工性の低下が著しくなる。又、Ｖの場合には過剰に含有させると熱間加工性の低下をきたし、特にＶの含有量が０．３％を超えると熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、０．００１〜０．０５％のＮｂと０．００１〜０．３％のＶの１種以上を含有させることとした。なお、より好ましいＮｂの含有量は０．００１〜０．０４％である。
【００４１】
前記（１）の発明に係る耐低サイクル衝撃疲労特性に優れた浸炭部品の素材は、上記のＣからＮまで、並びに、Ｎｂ及びＶの１種以上の元素と、残部がＦｅ及び不純物の化学組成を有する鋼である。
【００４２】
前記（２）の発明に係る耐低サイクル衝撃疲労特性に優れた浸炭部品の素材は、浸炭層の靱性を高めることを目的として、上記（１）の発明の素材のＦｅの一部に代えて、Ｍｏ：１．５％以下及びＮｉ：３．０％以下の１種以上を含有させた化学組成を有する鋼である。
【００４３】
上記のＭｏとＮｉはいずれも浸炭層の靱性を高める作用を有するので、ＭｏとＮｉは、以下に述べる範囲内でそれぞれを単独で含有させてもよいし、複合して含有させてもよい。
【００４４】
Ｍｏ：
Ｍｏは、浸炭層の靱性を高める作用を有する。Ｍｏには、鋼の焼入れ性を高めて芯部硬さを上昇させる作用もある。こうした効果を確実に得るには、Ｍｏは０．１０％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、１．５％を超えて含有させても前記の効果が飽和して、コスト的に不利になるばかりである。したがって、Ｍｏを添加する場合には、その含有量を１．５％以下とするのがよい。なお、Ｍｏの含有量は１．０％以下とするのが一層よい。
【００４５】
Ｎｉ：
Ｎｉは、組織を微細化して浸炭層の靱性を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｎｉは０．５％以上含有させることが望ましい。しかし、Ｎｉを多量に添加すると、変態せずに残存するオーステナイト（いわゆる「残留オーステナイト」）の量が増加し、特に、その含有量が３．０％を超えると残留オーステナイトの量が極めて多くなる。したがって、Ｎｉを添加する場合には、その含有量を３．０％以下とするのがよい。なお、より加工性を向上させたい場合には、Ｎｉ含有量は２．０％以下とするのがよい。
【００４６】
Ｓcase：
浸炭層の強靱性は前記（１）式で表されるＳcaseで整理できこのＳcaseは生じたラチェット型の歪に対する亀裂発生抵抗の指標であり、Ｓcaseの値が１．２を超える場合に、後述の実施例で示す落錘型衝撃疲労試験機を用いた低サイクル衝撃疲労試験における１００回疲労強度で３３００ＭＰａ以上に対応する所望の優れた耐久性が確保できる。したがって、（１）式で表されるＳcaseの値が１．２を超えるように規定した。このＳcaseの値の上限は被削性を確保するために、２．５程度とするのがよい。
【００４７】
Ｓcore：
浸炭部品の芯部硬さは前記（２）式で表されるＳcoreで整理でき、同じ大きさの衝撃的な負荷がかかる時、Ｓcoreの値が高い場合ほど前記の局所的に発生するラチェット型の歪の量は小さくなり、特に、Ｓcoreの値が０．８以上の場合に前記した落錘型衝撃疲労試験機を用いた低サイクル衝撃疲労試験における１００回疲労強度で３３００ＭＰａ以上に対応する所望の優れた耐久性が確保できる。したがって、（２）式で表されるＳcoreの値を０．８以上と規定した。なお、被削性を重視する場合にはＳcoreの値は１．２以下とするのがよい。
（Ｂ）ＭｎＳ
浸炭部品に優れた耐低サイクル衝撃疲労特性、特に、後述の実施例で示す落錘型衝撃疲労試験機を用いた低サイクル衝撃疲労試験における１００回疲労強度で３３００ＭＰａ以上に対応する優れた耐久性を付与するためには、前記（Ａ）項に記載した化学成分に加えて、ＭｎＳのサイズを制御することも重要である。
【００４８】
すなわち、浸炭層の強靱性に対してはＭｎＳの形態も影響を及ぼし、前記した極値統計処理によって予測される累積分布関数が９９％の時のＭｎＳの最大面積の平方根ＲＳが４０μｍを超えると、浸炭層の粒界三重点にＭｎＳが存在して応力集中源として作用するため、浸炭層の強度が低下してしまう。
【００４９】
したがって、極値統計処理によって予測される累積分布関数が９９％の時のＭｎＳの最大面積の平方根ＲＳ（つまり、部品を素材の圧延方向又は鍛錬軸に平行に切断した面におけるＭｎＳの面積の平方根を極値統計処理し、予測される累積分布関数が９９％の時のＭｎＳの最大面積の平方根ＲＳ）を４０μｍ以下と規定した。
（Ｃ）浸炭層の表面Ｃ濃度
浸炭層の表面Ｃ濃度が大きくなれば粒界にセメンタイトが発生して浸炭層の強度は低下してしまう。特に、浸炭層の表面Ｃ濃度が０．８５％を超えると浸炭層の強度が低下し、前記した落錘型衝撃疲労試験機を用いた低サイクル衝撃疲労試験における１００回疲労強度が３３００ＭＰａ以上という所望の優れた耐久性が確保できなくなる。したがって、浸炭層の表面Ｃ濃度を０．８５％以下とした。なお、浸炭層の表面Ｃ濃度の下限値は０．７５％程度であればよい。
【００５０】
上記（Ａ）〜（Ｃ）で述べた規定を満たす浸炭部品は、例えば、次のようにして製造すればよい。
【００５１】
(1) 鋼を溶製した後、鋳込み時の冷却速度を０．０５〜０．１℃／秒として鋼塊を製造する。ここで「鋼塊」にはJIS G 0203に記載されているように「鋳片」を含む。
【００５２】
(2) 鋼塊の横断面の周長をｍ単位でＬとしたとき、１２５０℃以上で３Ｌ時間以上保持してから、寸法に圧延又は鍛造する。
【００５３】
(3) 次いで、必要に応じて熱処理と機械加工を施し、所定の浸炭部品の形状に加工する。
【００５４】
(4) 粒界にセメンタイトを析出させないために浸炭時の炭素ポテンシャルをなるべく低くし、拡散時間はなるべく長くとるようにして浸炭焼入れする。
【００５５】
(5) 低温で焼戻しを行うと表面硬度及び芯部硬度の大きな低下を伴わずに靱性を改善できるので、浸炭焼入れ後に必要に応じて焼戻しを行っても良い。焼戻しは、通常の方法によれば良いが、硬度確保のためその温度は１５０〜２００℃であることが望ましい。
【００５６】
【実施例】
表１〜３に示す化学組成を有する鋼を１８０ｋｇの真空溶解炉を用いて溶製した。表１〜３において、鋼６、鋼７及び鋼９〜３１は化学組成が本発明で規定する範囲内の本発明例の鋼、鋼１〜５及び鋼８は化学組成が本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例の鋼である。なお、鋼１〜３はそれぞれＪＩＳ規格鋼のＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４２０及びＳＣＭ８２２に相当する鋼である。
【００５７】
上記の鋼のうち鋼１〜６、鋼８，鋼９及び鋼１１〜３１は、鋳込み時の冷却速度を０．０５〜０．１℃／秒とした。一方、鋼７及び鋼１０は、鋳込み時の冷却速度を０．０１℃／秒とした。
【００５８】
【表１】

【００５９】
【表２】

【００６０】
【表３】

【００６１】
次いで、上記の各鋼塊を１２５０℃で２時間保持してから熱間鍛造し、直径４５ｍｍの丸棒を得た。
【００６２】
このようにして得た直径４５ｍｍの丸棒を、９２５℃で６０分間焼ならしした後、常温まで空冷した。
【００６３】
こうして得られた焼ならし後の各丸棒から、実歯車の歯元Ｒ部を模擬した図１に示す試験片を冷間鍛造によって作製し、この試験片に浸炭焼入れと焼戻しを施した。
【００６４】
すなわち、鋼２、鋼６及び鋼９を素材とするものを除いて、図２に示すヒートパターンでの浸炭焼入れと焼戻し（９４０℃で、雰囲気の炭素ポテンシャル（図ではＣＰと表示）を１．０％にして６０分浸炭後、雰囲気の炭素ポテンシャルを０．８％として４５分間拡散処理し、その後８５０℃から１３０℃の油中に焼入れし、次いで、１８０℃で１２０分間焼戻し）を施した。
【００６５】
鋼２、鋼６及び鋼９を素材とするものは、９３０℃で、雰囲気の炭素ポテンシャルを１．２％にして７０分浸炭後、雰囲気の炭素ポテンシャルを１．０％として３５分間拡散処理し、その後８５０℃から１３０℃の油中に焼入れし、次いで、１８０℃で１２０分間焼戻しを施した。
【００６６】
上記の処理を施した各試験片に、落錘型衝撃疲労試験機を用いて種々のレベルの衝撃負荷をかけた低サイクル衝撃疲労試験を行い、１００回疲労強度すなわち１００回で破断が生じる応力を求めた。なお、部品の小型化に対処する目的から、１００回疲労強度で３３００ＭＰａ以上が確保されておれば、耐低サイクル衝撃疲労特性は良好であるとした。
【００６７】
試験片の浸炭層の表面Ｃ濃度測定はＥＰＭＡを用いて行った。
【００６８】
又、焼ならし後の各丸棒から冷間鍛造して作製した図１に示す試験片について、素材の鍛錬軸に平行に切断した面におけるＭｎＳの面積の平方根を極値統計処理し、予測される累積分布関数が９９％の時のＭｎＳの最大面積の平方根ＲＳを既に述べた方法によって求めた。
【００６９】
すなわち、（イ）素材の鍛錬軸に平行に切断した面を鏡面研磨した後、その研磨面を被検面として観察する際に、一つの観察面を１００ｍｍ² としてＥＰＭＡで観察面中の最大のＭｎＳの像を撮影し、次いで、その像を画像解析して面積を算出し、その平方根を当該観察面における代表値として、この操作を１００観察面で実施した。なお、この測定は、切断面の総面積が１００００ｍｍ² に達するまで測定後の観察面を更に５０μｍ鏡面研磨して行った。次に、（ロ）上記（イ）で求めた１００のＭｎＳの面積の平方根の値を小さいものから順に並べ直してそれぞれＲＳ_j （ここで、ｊ＝１〜１００）とし、それぞれのｊについて累積分布関数Ｆ_j ＝１００（ｊ／１０１）（％）を計算した。更に、（ハ）基準化変数ｙ_j ＝−ｌｏｇ_e （−ｌｏｇ_e （ｊ／１０１））を縦軸に、横軸にＲＳ_j を取ったグラフを書き、最小自乗法によって近似直線を求め、最後に、（ニ）上記（ハ）で求めた直線から、累積分布関数Ｆ_j が９９％となる時（すなわち、基準化変数ｙ_j ≒４．６となる時）のＲＳ_j の値を読みとり、これをＭｎＳの最大面積の平方根ＲＳとした。
【００７０】
表４に、各種の調査結果をまとめて示す。
【００７１】
【表４】

【００７２】
表４から、素材の化学組成、極値統計処理によって予測される累積分布関数が９９％の時のＭｎＳの最大面積の平方根ＲＳ及び浸炭層の表面のＣ濃度が本発明で規定する条件を満たす本発明例の試験番号１１〜３１の場合、１００回疲労強度は大きく、目標の３３００ＭＰａを超えている。
【００７３】
これに対して、化学組成が本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例の鋼である鋼１〜５及び鋼８を素材とする試験番号１〜５及び試験番号８の場合には、１００回疲労強度は目標とする３３００ＭＰａに達していない。
【００７４】
一方、素材はその化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼６、鋼７、鋼９及び鋼１０であるものの、極値統計処理によって予測される累積分布関数が９９％の時のＭｎＳの最大面積の平方根ＲＳ、又は浸炭層の表面のＣ濃度のいずれかが本発明で規定する条件から外れた試験番号６、試験番号７、試験番号９及び試験番号１０の場合も、１００回疲労強度は目標とする３３００ＭＰａに達していない。
【００７５】
【発明の効果】
本発明の浸炭部品は、浸炭焼入れ後の耐低サイクル衝撃疲労特性に優れので、自動車のデファレンシャルピニオンギアやサイドギアとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の落錘型衝撃疲労試験機による低サイクル衝撃疲労試験で用いた試験片を示す図である。
【図２】実施例において低サイクル衝撃疲労試験で用いた試験片に施した浸炭焼入れ、焼戻しのヒートパターンの一例を示す図である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０％、Ｓｉ：０．０３〜０．２５％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｃｒ：０．９％を超えて２．０％まで、Ａｌ：０．０１５〜０．０５％、Ｔｉ：０．０１５〜０．１５０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％及びＮ：０．００２〜０．０２％、並びに、Ｎｂ：０．００１〜０．０５％及びＶ：０．０１〜０．３％のうちの１種以上を含み、残部はＦｅ及び不純物からなり、下記（１）式で表されるＳcaseの値が１．２を超えるとともに、下記（２）式で表されるＳcoreの値が０．８以上である鋼材を素材とする浸炭差動歯車であって、その差動歯車を素材の圧延方向又は鍛錬軸に平行に切断した面におけるＭｎＳの面積の平方根を極値統計処理し、予測される累積分布関数が９９％の時のＭｎＳの最大面積の平方根ＲＳが４０μｍ以下で、且つ、浸炭層の表面のＣ濃度が質量％で、０．８５％以下である耐低サイクル衝撃疲労特性に優れた浸炭差動歯車。
Ｓcase＝Ｍｏ＋Ｃｒ＋（Ｎｉ／２）−（Ｓｉ／５）−Ｐ^0.5＋｛Ｂ／（Ｔｉ−３．４Ｎ）｝・・・（１）
Ｓcore＝Ｃ^0.8＋（Ｍｎ／２０）^1.25＋（Ｃｒ／６）^0.85＋（Ｍｏ／５）^0.74＋Ｂ^0.21・・・（２）
但し、（１）式及び（２）式における元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。
質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０％、Ｓｉ：０．０３〜０．２５％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｃｒ：０．９％を超えて２．０％まで、Ａｌ：０．０１５〜０．０５％、Ｔｉ：０．０１５〜０．１５０％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％及びＮ：０．００２〜０．０２％、並びに、Ｎｂ：０．００１〜０．０５％及びＶ：０．０１〜０．３％のうちの１種以上を含むとともに、Ｍｏ：１．５％以下及びＮｉ：３．０％以下の１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、下記（１）式で表されるＳcaseの値が１．２を超えるとともに、下記（２）式で表されるＳcoreの値が０．８以上である鋼材を素材とする浸炭差動歯車であって、その差動歯車を素材の圧延方向又は鍛錬軸に平行に切断した面におけるＭｎＳの面積の平方根を極値統計処理し、予測される累積分布関数が９９％の時のＭｎＳの最大面積の平方根ＲＳが４０μｍ以下で、且つ、浸炭層の表面のＣ濃度が質量％で、０．８５％以下である耐低サイクル衝撃疲労特性に優れた浸炭差動歯車。
Ｓcase＝Ｍｏ＋Ｃｒ＋（Ｎｉ／２）−（Ｓｉ／５）−Ｐ^0.5＋｛Ｂ／（Ｔｉ−３．４Ｎ）｝・・・（１）
Ｓcore＝Ｃ^0.8＋（Ｍｎ／２０）^1.25＋（Ｃｒ／６）^0.85＋（Ｍｏ／５）^0.74＋Ｂ^0.21・・・（２）
但し、（１）式及び（２）式における元素記号は、その元素の質量％での鋼中含有量を表す。