JPH10158743A - 表面硬化処理方法および歯車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面への浸炭量や窒化量を過度に増加させた
り、強いショットピーニングを施したりすることなく、
運転中の温度上昇による軟化抵抗を高めることができ、
耐摩耗性および耐ピッチング性を向上させることのでき
る表面硬化処理方法を提供する。 【解決手段】 ワーク表面部の総窒素量が０．３％以上
となる浸炭窒化処理を行ったのち、焼入を施し、さらに
径０．８ｍｍ以下、ビッカース硬度６５０以上のショッ
ト粒によるショットピーニング処理をワーク表面に施
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、動力伝達部品、特
に歯車やその他の転動部品に適用される表面硬化処理に
係わり、さらに詳しくは、部品表面への浸炭量や窒化量
を過度に増加させたり、強いショットピーニング処理を
施したりすることなく、使用中の温度上昇による部品の
軟化抵抗を高め、表面硬さを確保し、耐摩耗性を向上さ
せると共に、耐ピッチング性を向上させることのできる
表面硬化処理方法と、このような特性を備えた歯車に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、歯車を始めとする転動部品にお
いては、その内部の強靭性を損なうことなく表面硬さを
増し、耐摩耗性を向上させることを目的に、はだ焼鋼と
称せられる炭素鋼（ＪＩＳ Ｇ ４０５１に規定される
Ｓ１５ＣＫ，Ｓ２０ＣＫなど）や、クロム鋼（ＪＩＳ
Ｇ ４１０４に規定されるＳＣｒ４１５，ＳＣｒ４２０
など），クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ Ｇ ４１０５に
規定されるＳＣＭ４２０，ＳＣＭ４２１など），ニッケ
ルクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ Ｇ ４１０３に規定さ
れるＳＮＣＭ２２０，ＳＮＣＭ４２０など）などを素材
として、これに浸炭焼入や浸炭窒化焼入を施したり、こ
のような浸炭焼入や浸炭窒化焼入ののち、必要に応じて
さらにショットピーニング処理を施したりしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な転動部品においては、近年、機械装置の高出力化に伴
って高面圧化が進むと共に、高寿命化の要請が高まりつ
つあり、従来以上の強度，耐摩耗性が求められている。

【０００４】このような転動部品の強度を向上させるに
は、例えば、素材鋼中のＣｒなどの合金成分を増量する
ことや、浸炭および浸炭窒化処理において、素材鋼表面
への浸炭量および窒化量を増加するなどの方法が考えら
れる。

【０００５】しかしながら、合金成分の増量による方法
では、材料コストの増加が避けられないばかりか、合金
成分の増加によって被削性が劣化し、素材鋼の機械加工
が困難になるという問題が生ずる。

【０００６】また、浸炭および浸炭窒化処理による浸炭
量および窒化量の増加は、高強度がえられる方向にはあ
るものの、セメンタイト析出や異常組織の出現傾向が高
くなり、浸炭量や窒化量をいたずらに増量することは必
ずしも得策とは言えない。

【０００７】ショットピーニング処理を施すことによ
り、表面硬さが向上すると共に、表層部に圧縮残留応力
が付与され、種々の疲労強度が向上することが知られて
いるが、このような効果を増加させるためには、ショッ
ト粒の硬さやショット粒の投射速度などを増す必要があ
り、とくに歯車のような転動部品においては、歯面での
肉の盛り上がり現象を生じ、ノイズなど歯車の基本性能
に悪影響を及ぼすおそれがある。

【０００８】また、浸炭焼入、あるいは浸炭窒化焼入後
のショットピーニング処理は、残留オーステナイトを応
力誘起マルテンサイトに変態させることによって表面硬
さを向上させるには有効であるものの、高い面圧と滑り
を伴う近年の転動部品においては、運転中に歯面の表面
温度が２００℃以上、とくに負荷の厳しい運転条件の下
では４００℃近くにまで昇温することもあり、これによ
って表面硬さが低下（軟化）するばかりでなく、ショッ
トピーニング処理によって得られた残留応力の多くが、
使用を開始したのち、かなり初期の段階で解放されてし
まう傾向にあり、高寿命化がさほど期待できないという
問題点があり、これら問題点を解消することが歯車を始
めとする転動部品の強度，耐摩耗性を改善し、耐用寿命
を向上させるための課題となっていた。

【０００９】

【発明の目的】本発明は、歯車などの転動部品に施され
る従来の表面硬化処理方法における上記課題に着目して
なされたものであって、表面への浸炭量や窒化量を過度
に増加させたり、強いショットピーニングを施したりす
ることなく、運転中の温度上昇にも係わらず表面硬さを
確保することができ、耐摩耗性および耐ピッチング性を
向上させることのできる表面硬化処理方法と、耐摩耗
性，耐ピッチング性に優れ、使用中の温度上昇に対する
軟化抵抗が高く、耐用寿命に優れた歯車を提供すること
を目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係わ
る表面硬化処理方法は、ワークの表面下１０μｍから５
０μｍの部位における総窒素量が０．３％以上となる浸
炭窒化処理を施したのち焼入し、さらに、径が０．８ｍ
ｍ以下、硬さがビッカース硬度で６５０以上のショット
粒を用いたショットピーニング処理を施す構成としたこ
とを特徴としており、本発明に係わる表面硬化処理方法
の実施態様として請求項２に係わる処理方法は、ワーク
が歯車である構成としたことを特徴としており、表面硬
化処理方法におけるこのような構成を前述した従来の課
題を解決するための手段としている。

【００１１】本発明の請求項３に係わる歯車は、表面下
１０μｍから５０μｍの部位における総窒素量が０．３
％以上である浸炭窒化焼入組織を有し、歯先の盛り上が
り量が５μｍ以下となるショットピーニングが施されて
いる構成とし、本発明に係わる歯車の実施態様として請
求項４に係わる歯車は、３００℃での焼戻し硬さがビッ
カース硬度で６７０以上である構成としたことを特徴と
しており、歯車におけるこのような構成を前述した従来
の課題を解決するための手段としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明に係わる表面硬化処理方法
において、ワーク素材として使用する鋼としては、いわ
ゆるはだ焼鋼、例えば、前述した炭素鋼（ＪＩＳ Ｇ
４０５１）やクロム鋼（ＪＩＳ Ｇ ４１０４），クロ
ムモリブデン鋼（ＪＩＳ Ｇ ４１０５），ニッケルク
ロムモリブデン鋼（ＪＩＳ Ｇ ４１０３）のうちの炭
素含有量の低いもの、すなわちＳ０９ＣＫ，Ｓ１５Ｃ
Ｋ，Ｓ２０ＣＫ，ＳＣｒ４１５，ＳＣｒ４２０，ＳＣＭ
４１５，ＳＣＭ４１８，ＳＣＭ４２０，ＳＣＭ４２１，
ＳＣＭ８２２，ＳＮＣＭ２２０，ＳＮＣＭ４１５，ＳＮ
ＣＭ４２０，ＳＮＣＭ６１６，ＳＮＣＭ８１５として規
定される鋼材などを使用することができる。

【００１３】本発明に係わる表面硬化処理方法において
行われる浸炭窒化処理方法についてはとくに制約はな
く、常法に基づいて、例えばＲＸガスなどの浸炭性ガス
を用いたガス浸炭法、およびアンモニアガスを用いたガ
ス窒化方法を適用することができ、ワーク表面部の総窒
素量が０．３％以上となるように設定された条件のもと
に浸炭窒化処理が行われる。

【００１４】また、焼入処理についてもとくに制約はな
く、例えばソルト焼入、油焼入などが適用され、焼入の
後、残留応力の除去を目的に、２００℃近辺での焼戻し
が行われる。

【００１５】さらに、ショットピーニング処理について
も、０．８ｍｍ以下の径と６５０以上のビッカース硬度
を備えた、例えば鋳鋼ショットを使用することによっ
て、通常のショットピーニングマシンにより処理するこ
とができる。

【００１６】

【発明の作用】本発明の請求項１に係わる表面硬化処理
方法では、浸炭窒化焼入を施した状態において、ワーク
は窒素を過飽和に固溶したマルテンサイト状態となって
おり、過飽和に固溶した不安定な窒素は、運転時の高い
面圧と滑りに基づく昇温過程において、素材鋼中のＣｒ
あるいはＦｅとの間に窒化物を形成し、極めて微細に分
散析出することによって析出硬化を起こす。本発明に係
わる表面硬化処理方法においては、浸炭窒化焼入のの
ち、ショットピーニング処理を施すようにしているの
で、残留オーステナイトのマルテンサイト化による強化
のみならず、ワークの表層部に微視的な歪みが与えられ
ことによって、窒化物の微細分散析出が促進され、歪時
効によって耐摩耗性および耐ピッチング性が大幅に向上
することになる。

【００１７】このとき、浸炭窒化処理に際して、ワーク
表面部（ワークの表面下１０μｍから５０μｍ）におけ
る総窒素量を０．３％以上とすることが必要であるが、
これは総窒素量が０．３％に満たない場合には、上記の
ような微細な窒化物の分散析出が生じないため、運転時
の昇温による軟化抵抗を高めることができなくなると共
に、耐摩耗性や耐ピッチング性を向上させることができ
なくなることによる。

【００１８】また、ショットピーニング処理に際して
は、径が０．８ｍｍ以下、硬さがビッカース硬度で６５
０以上のショット粒を使用することが必要であるが、こ
れは、ショット粒の径が０．８ｍｍを超えた場合には、
転動部品の表面、例えば歯車の歯先部分に大きな肉の盛
り上がりが生じてノイズの原因となること、また、この
ようなノイズを防止するためには肉の盛り上がりを除去
する必要が生じ、場合によっては０．２ｍｍも研削除去
することが必要となって歯面強度の低下を招くことによ
る。さらに、ショット粒の硬さがビッカース硬度で６５
０未満の場合には、ワークの表面硬さの方がむしろ高く
なって、ワーク表面硬さの効率的な向上が望めなくなる
ことによる。

【００１９】本発明に係わる表面硬化処理方法の実施態
様として請求項２に係わる処理方法においては、ワーク
が歯車、すなわち、当該表面硬化処理方法を歯車の製造
に適用するようにしているので、歯車の耐摩耗性，耐ピ
ッチング性が向上し、使用中の温度上昇に対する軟化抵
抗が高いものとなる。

【００２０】本発明の請求項３に係わる歯車は、表面下
１０μｍから５０μｍの部位における総窒素量が０．３
％以上である浸炭窒化焼入組織を有すると共に、ショッ
トピーニングが施されているので、残留オーステナイト
のマルテンサイト化により強化されると共に、窒化物の
微細分散析出が促進され、歪時効によって耐摩耗性，耐
ピッチング性，温度上昇に対する軟化抵抗が大幅に向上
する。

【００２１】このとき、ショットピーニングによる歯先
の盛り上がり量を５μｍ以下に限定したのは、盛り上が
り量が５μｍを超えるとノイズの原因となることによ
る。また、表面下１０μｍから５０μｍの部位における
総窒素量を０．３％以上としたのは、総窒素量が０．３
％未満の場合には、微細な窒化物の分散析出が生じなく
なり、上記のような比較的軽度のショットピーニングで
は、耐摩耗性，耐ピッチング性，軟化抵抗を十分に向上
させることができなくなることによる。

【００２２】本発明に係わる歯車の実施態様として請求
項４に係わる歯車は、３００℃での焼戻し硬さがビッカ
ース硬度で６７０以上となっているので、運転時の昇温
によって軟化することがなく、耐用寿命が確実に向上す
ることになる。

【００２３】

【発明の効果】本発明の請求項１に係わる表面硬化処理
方法においては、ワークの表面下１０μｍから５０μｍ
の部位における総窒素量が０．３％以上となるような浸
炭窒化処理を施したのち焼入し、さらに、径が０．８ｍ
ｍ以下、硬さがビッカース硬度で６５０以上のショット
粒を用いたショットピーニング処理を施すようにしてい
るので、残留オーステナイトのマルテンサイト化による
強化のみならず、ワークの表層部に微視的な歪みが与え
られことによって、過飽和窒素と鋼中のＣｒあるいはＦ
ｅとの間の窒化物の微細分散析出を促進することがで
き、運転時の昇温による軟化抵抗を高めることができる
と共に、耐摩耗性および耐ピッチング性を大幅に向上さ
せることができるという極めて優れた効果がもたらされ
る。

【００２４】本発明に係わる表面硬化処理方法の実施態
様として請求項２に係わる処理方法においては、当該表
面硬化処理方法をとくに歯車の製造に適用するようにし
ているので、耐摩耗性，耐ピッチング性、温度上昇に対
する軟化抵抗に優れ、耐用寿命に優れた歯車を得ること
ができる。

【００２５】本発明の請求項３に係わる歯車は、表層部
の総窒素量が０．３％以上である浸炭窒化焼入組織を有
し、刃先の盛り上がり量が５μｍ以下となるショットピ
ーニングが施されているので、耐摩耗性，耐ピッチング
性，温度上昇に対する軟化抵抗を向上させることがで
き、運転時のノイズを軽減させることができるという極
めて優れた効果がもたらされる。

【００２６】本発明に係わる歯車の実施態様として請求
項４に係わる歯車は、３００℃での焼戻し硬さがビッカ
ース硬度で６７０以上となっているので、運転時の温度
上昇によっても軟化することがなく、耐用寿命を確実に
向上させることができるという効果がもたらされる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明する。

【００２８】まず、ＪＩＳ Ｇ ４０５２に規定される
ＳＣｒ４２０Ｈ鋼を使用して、オートマチックトランス
ミッション用ギヤと、図１（ａ）に示すような、全長１
３０ｍｍ，中央部長さ２８ｍｍ，中央部径２６ｍｍ，両
端部径２２ｍｍのローラーピッチング試験片をそれぞれ
作成した。

【００２９】次に、上記したギヤとローラーピッチング
試験片に、図２に示すような条件の浸炭窒化処理を施
し、８４０℃の浸炭窒化温度から、１８０℃に保持した
ソルト浴槽中に焼入れたのち、１７０℃×２時間の焼戻
しを施した。なお、このとき、浸炭窒化時間、浸炭窒化
におけるＲＸガス（キャリヤガス）中のアンモニア濃
度、およびカーボンポテンシャルを図中に示す範囲内で
増減することによって、各ワークへの浸炭窒化量を調整
するようにした。

【００３０】次いで、上記の浸炭窒化処理を終えたギヤ
およびローラーピッチング試験片に、０．６ないし０．
９ｍｍ径を有する５９０Ｈｖ，７００Ｈｖの鋳鋼ボール
および８００Ｈｖのラウンドカットワイヤからなるショ
ット粒を用いて、エアーノズル式ショットピーニングマ
シンにより、カバレージ３００％以上のショットピーニ
ング処理を施した。

【００３１】そして、運転時の面圧と滑りによる昇温を
想定した３００℃×３時間の焼戻し処理を施したのち、
ギヤについては歯先の盛り上がり量を測定すると共に、
歯先の表面硬さを測定した。この結果を各試験片の表面
部（表面下１０〜５０μｍ）における炭素量，窒素量、
およびアークハイトと共に表１に示す。なお、表１中に
は、表面窒化量が少なかったり、ショットピーニング処
理を省略したり、ショットピーニング条件を変えたりし
た比較例をも併せて示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】さらに、ローラーピッチング試験片を用い
て、図１（ｂ）に示す要領のローラーピッチング試験を
行い、ピッチング発生寿命と、最大摩耗深さを調査し
た。この結果を比較例と共に、表２に示す。

【００３４】なお、ローラーピッチング試験は、図１
（ｂ）に示すように、図１（ａ）に示した形状のローラ
ーピッチング試験片Ｓの中央部分に、径１３０ｍｍ，厚
さ１８ｍｍの相手材Ｒを押付けて回転させ、試験片Ｓの
表面にピッチングが発生するまでの回転数をもって耐ピ
ッチング性を評価するものであって、この実施例におい
ては、接触面圧３７６０ＭＰａ，滑り率４０％の試験条
件を採用し、潤滑油として８０℃に保持したオートマチ
ックトランスミッション用オイルを毎分２．６Ｌ使用
し、装置に設けた振動センサーによってピッチングの発
生を検知して自動停止させ、このときまでの回転数のカ
ウント値を求め、繰返し数を５としてワイブル分布図か
ら累積破損率が５０％となる値を求めて、ピッチング発
生寿命とした。

【００３５】また、最大摩耗深さについては、回転数が
１．０×１０⁵ となった時点における摩耗量を触針式粗
さ計によって測定し、繰返し数を５として平均値を求め
た。

【表２】

【００３６】これらの結果、ワーク表面部の総窒素量が
０．３％以上となる浸炭窒化処理を行ったのち焼入を施
し、さらに、径０．８ｍｍ以下、ビッカース硬度が６５
０以上のショット粒によってショットピーニング処理を
施した発明例１ないし５においては、歯先をさほど盛り
上がらせることなくビッカース硬度６８０以上の表面硬
さが得られると共に、優れた耐摩耗性および耐ピッチン
グ性を示すことが確認された。

【００３７】これに対し、ショットピーニングを行わな
かった比較例１ないし５、７，９，１１，１３，１５お
よび１７においては、全般に歯先硬さが低く、このうち
ローラーピッチング試験を実施した比較例２および４に
おいては、総窒素量が０．３％以上となる浸炭窒化処理
が施してあるにも拘らず、耐摩耗性および耐ピッチング
性に劣ることが判明し、ショットピーニング処理の必要
性が確認された。

【００３８】また、浸炭窒化処理における窒化量が不足
な比較例６，８および１２においては、ショットピーニ
ングを施してもさほど歯先硬さが増加せず、耐摩耗性お
よび耐ピッチング性に劣ることが確認された。

【００３９】さらに、粒径の大きなショット粒を用いて
ショットピーニング処理を行った、比較例１０，１４お
よび１６においては、浸炭量および窒化量が多い関係
上、比較的良好な耐摩耗性および耐ピッチング性を示し
たが、ショットピーニングによる肉の盛り上がり量が大
きくなることが確認された。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明に係わる表面硬化処理方法の実施
例において採用したローラピッチング試験片の形状を示
す正面図である。 （ｂ）本発明に係わる表面硬化処理方法の実施例におい
て採用したローラピッチング試験要領を示す斜視図であ
る。

【図２】本発明に係わる表面硬化処理方法の実施例にお
いて採用した浸炭窒化処理条件を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村 上 陽 一 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワークの表面下１０μｍから５０μｍの
   部位における総窒素量が０．３％以上となる浸炭窒化処
   理を施したのち焼入し、 さらに、径が０．８ｍｍ以下、硬さがビッカース硬度で
   ６５０以上のショット粒を用いたショットピーニング処
   理を施すことを特徴とする表面硬化処理方法。
2. 【請求項２】 ワークが歯車であることを特徴とする請
   求項１記載の表面硬化処理方法。
3. 【請求項３】 表面下１０μｍから５０μｍの部位にお
   ける総窒素量が０．３％以上である浸炭窒化焼入組織を
   有し、歯先の盛り上がり量が５μｍ以下となるショット
   ピーニングが施されていることを特徴とする歯車。
4. 【請求項４】 ３００℃での焼戻し硬さがビッカース硬
   度で６７０以上であることを特徴とする請求項３記載の
   歯車。