耐咬合性?xún)?yōu)異的齒輪的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種齒輪，其具有規(guī)定的化學(xué)成分組成，并在表層部具有存在回火馬氏體和回火貝氏體中的至少一種的組織、以及以面積率計(jì)為1?10%的殘留奧氏體，并且碳化物以面積率計(jì)析出5%以上的鋼材組織，并且距表面20ym深度的氮濃度為2.0?6.0%,由此，在高旋轉(zhuǎn)/高滑動(dòng)且使用低動(dòng)粘度的潤(rùn)滑油的動(dòng)力傳輸部發(fā)揮出更優(yōu)異的耐咬合性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】耐咬合性?xún)?yōu)異的齒輪

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及在發(fā)生高旋轉(zhuǎn)/高滑動(dòng)的工作部位使用的、具有優(yōu)異的耐咬合性的齒 輪，特別是作為電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)用有用的齒輪。

【背景技術(shù)】
[0002] 例如，汽車(chē)的傳動(dòng)用齒輪等這樣的動(dòng)力傳輸部所使用的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件，已知在其 使用時(shí)，由于接觸面壓力的增大，會(huì)發(fā)生金屬接觸部分剝離損傷的點(diǎn)蝕損傷。因此，作為這 種用途所使用的鋼部件是如下的部件，使用SCr、SCM、SNCM等各種表面硬化鋼，以熱鍛和切 削加工進(jìn)行成形加工后，實(shí)施滲碳處理和氮碳共滲處理等表面硬化處理，再根據(jù)需要，在部 件表面形成二硫化鑰等固體潤(rùn)滑皮膜。
[0003] 但是，近年來(lái)，對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)部的高輸出化、小型輕量化要求提高，對(duì)這些動(dòng)力傳 輸部所使用的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件施加的負(fù)荷有越發(fā)增大的傾向。因此，不僅是SCr、SCM、SNCM等 各種表面硬化鋼實(shí)施了表面硬化處理的部件，即使形成固體潤(rùn)滑皮膜，仍難以達(dá)到所要求 的耐點(diǎn)蝕性。
[0004] 可是，從近年來(lái)減小環(huán)境負(fù)荷的角度出發(fā)，在生產(chǎn)量正在擴(kuò)大的電動(dòng)汽車(chē)中，為了 使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)直接傳達(dá)到減速齒輪，相比汽油車(chē)而言，這些部件被曝露在高旋轉(zhuǎn)下。另外， 因?yàn)樗褂玫臐?rùn)滑油其使用環(huán)境中的動(dòng)粘度比汽油車(chē)低，所以在這些構(gòu)成動(dòng)力傳輸部的鋼 部件的表面所形成的油膜薄，由于這種情況，導(dǎo)致處于幾乎未形成油膜的地方也局部性地 發(fā)生的環(huán)境下。特別是隨著高旋轉(zhuǎn)/高滑動(dòng)，油溫也上升，潤(rùn)滑油的動(dòng)粘度容易降低，發(fā)生 油膜缺失的部位越發(fā)增加。因此，在這些環(huán)境下，鋼部件彼此因金屬接觸而造成的磨耗容易 發(fā)生，另外發(fā)生由于摩擦熱引起的溫度上升，也容易發(fā)生鋼部件的軟化，因此存在容易早期 地發(fā)生卡咬這樣的問(wèn)題。
[0005] 在上述這樣的環(huán)境下使用的鋼構(gòu)件的相關(guān)技術(shù)，迄今為此也提出了各種。例如， 在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中，公開(kāi)有一種耐高表面壓力部件，其由以下的鋼材構(gòu)成，該部件表面的轉(zhuǎn) 動(dòng)部位的碳濃度為0. 8?1. 2%，該鋼材含有C :0. 15?0. 40%、Si :0. 50?1. 50%、Mn : 0? 20 ?I. 50%、Cr :0? 50 ?L 50%和 Mo :0? 05 ?0? 50%，并含有選自 Ni :0? 50 ?3. 50%、 Ti :0. 03?0. 20%、Nb :0. 03?0. 15%和Al :0. 01?0. 10%中的至少一種以上的元素 ，P 在0. 010%以下，余量是Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0006] 但是在該技術(shù)中，是以滲碳或氮碳共滲處理確保碳濃度，而沒(méi)有進(jìn)行氮化處理，因 此表層氮量還不足1%。由此，若在卡咬容易發(fā)生的環(huán)境下使用，則不能確保良好的耐咬合 性。
[0007] 在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中，公開(kāi)有一種疲勞強(qiáng)度、特別是表面疲勞強(qiáng)度優(yōu)異的機(jī)械結(jié)構(gòu)用 部件的制造方法，其特征在于，以如下鋼為原材，即分別含有C :0. 4?0. 7%、Si :0. 3%以 下、Mn :0? 2 ?1%、Cr :0? 2 ?3%、Mo :0? 1 ?1%、V :0? 1 ?1%、Al :0? 01 ?0? 05%、N : 0. 003?0. 02%、S :0. 07%以下、Ti :0. 002%以下，余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，該雜 質(zhì)中的P和〇分別抑制在0.02%以下、0.002%以下，將該原材成形為規(guī)定的部件形狀后，進(jìn) 行氮化處理或軟氮化處理，接著進(jìn)行高頻淬火處理，由此使氮從表面擴(kuò)散，從而形成在距最 表面至少0. 2mm的深度位置使氮濃度含有0. 05%以上的表面硬化層。
[0008] 但是在該技術(shù)中，因?yàn)榇嬖谑贡砻娴獢U(kuò)散的處理，所以不能高高地保持表層氮濃 度，另外部件表層也沒(méi)有分散碳化物，因此在高滑動(dòng)環(huán)境下不能發(fā)揮良好的耐咬合性。
[0009] 另一方面，在專(zhuān)利文獻(xiàn)3中，公開(kāi)有一種縫紉機(jī)的釜的制造方法，其特征在于，對(duì) 于碳表面硬化鋼和鉻鑰表面硬化鋼等表面硬化鋼進(jìn)行滲碳淬火、回火，進(jìn)一步實(shí)施軟氮化 處理。但是在該技術(shù)中，只是進(jìn)行通常的滲碳處理，碳化物沒(méi)有分散存在于在部件表層，在 高滑動(dòng)環(huán)境下不能發(fā)揮良好的耐咬合性。
[0010] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0011] 專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0012] 專(zhuān)利文獻(xiàn)1 :日本特開(kāi)2005-68453號(hào)公報(bào)
[0013] 專(zhuān)利文獻(xiàn)2 :日本特開(kāi)平06-172961號(hào)公報(bào)
[0014] 專(zhuān)利文獻(xiàn)3 :日本特開(kāi)昭62-211094號(hào)公報(bào)


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 發(fā)明所要解決的課題
[0016] 本發(fā)明是為了解決這樣的現(xiàn)有技術(shù)中的課題而形成的，其目的在于，提供一種在 高旋轉(zhuǎn)/高滑動(dòng)且使用低動(dòng)粘度的潤(rùn)滑油的動(dòng)力傳輸部發(fā)揮著優(yōu)異的耐咬合性，作為電動(dòng) 汽車(chē)電機(jī)用有用的齒輪。
[0017] 用于解決課題的手段
[0018] 能夠解決上述課題的本發(fā)明的齒輪在以下方面具有要旨，分別含有C :0. 15? 0.45% (表示"質(zhì)量％"，對(duì)于化學(xué)成分組成以下均同）、Si :0.05?I. 0%、Mn :1. 0?2.0%、 P :0? 05% 以下、S :0? 05% 以下、Cr :0? 9 ?2%、A1 :0? 01 ?0? 1%和 N :0? 02% 以下，余量由 鐵和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，并在表層部具有存在回火馬氏體和回火貝氏體中的至少一種的 組織、以及以面積率計(jì)為1?10%的殘留奧氏體，并且碳化物以面積率計(jì)析出5%以上的鋼 材組織，并且距表面20 ii m深度的氮濃度為2. 0?6. 0%。
[0019] 在本發(fā)明的齒輪中，根據(jù)需要，還含有如下成分也是有效的：(a)Mo :0.5 %以下 (不含0%);〇3)選自￥:0.2%以下（不含0%)、!1:0.1%以下（不含0%)和吣 ：0.2% 以下（不含〇%)中的一種以上；（c)B :0.01 %以下（不含0% ) ;(d)選自Cu :5%以下（不 含0%)和Ni :5%以下（不含0%)中的一種以上，根據(jù)所含有的成分，齒輪的特性得到進(jìn) 一步改善。
[0020] 在本發(fā)明的齒輪中，在距表面20 ii m深度的表層部存在氮化鐵的濃度為80質(zhì)量％ 以上的氮化層，該氮化層的氮化鐵中的Fe4N的比例為20質(zhì)量％以上也是優(yōu)選的要件。另 外在本發(fā)明的齒輪中，也包含在表面形成有潤(rùn)滑皮膜的齒輪。本發(fā)明的齒輪作為電動(dòng)汽車(chē) 電機(jī)用的齒輪是有用的。
[0021] 發(fā)明效果
[0022] 在本發(fā)明中，因?yàn)檫m當(dāng)?shù)卣{(diào)整了化學(xué)成分組成，并且一邊規(guī)定量確保碳化物面積 率和殘留奧氏體，一邊使表層部的組織為回火馬氏體和回火貝氏體中的至少一種的組織， 并且使距表面20 y m深度中的氮濃度為2. 0?6. 0%，由于以此方式，所以在高旋轉(zhuǎn)/高滑 動(dòng)且使用低動(dòng)粘度的潤(rùn)滑油的動(dòng)力傳輸部發(fā)揮出更優(yōu)異的耐咬合性，這樣的齒輪作為電動(dòng) 汽車(chē)電機(jī)用極其有用。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1是表示實(shí)施例中采用的各種高濃度滲碳處理（滲碳過(guò)程和碳化物析出過(guò)程） 模式的示意圖。
[0024] 圖2是用于滾軸點(diǎn)蝕試驗(yàn)的試驗(yàn)片的示意說(shuō)明圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 本發(fā)明的耐咬合性?xún)?yōu)異的齒輪，以如下等方面為特征：（i)距齒輪表面20 深度 的氮濃度為2. 0?6. 0% ; (ii)表層部的碳化物的面積率為5%以上；（iii)表層部的殘留 奧氏體的面積率為1?10%。
[0026] 主要以汽油車(chē)為對(duì)象發(fā)生的點(diǎn)蝕損傷被認(rèn)為是由于油膜缺失造成齒輪間的金屬 彼此接觸而導(dǎo)致摩擦熱發(fā)生，齒輪發(fā)生熱軟化。于是，為了實(shí)現(xiàn)耐點(diǎn)蝕性?xún)?yōu)異的齒輪部件， 提高部件自身的表面、內(nèi)部強(qiáng)度，或提高回火軟化阻抗是有效的，通過(guò)高強(qiáng)度化改善耐點(diǎn)蝕 性。但是，在電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)用齒輪中，與現(xiàn)有的汽油車(chē)比較，齒面間的滑動(dòng)速度達(dá)到其數(shù)倍 以上，損傷機(jī)理變化成卡咬，因此在使部件自身的表面、內(nèi)部強(qiáng)度、或回火軟化阻抗提高的 延伸中，并不能找出耐咬合性的改善方針。
[0027] 本發(fā)明人詳細(xì)地研究了滑動(dòng)速度極高的區(qū)域中的卡咬發(fā)生機(jī)理。其結(jié)果表明，在 高溫、高壓、高滑動(dòng)環(huán)境下，因發(fā)生磨耗造成的原子間鍵合，即粘附磨耗是支配性的。于是， 進(jìn)一步進(jìn)行研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，為了使得在容易發(fā)生粘附磨耗的環(huán)境下也難以出現(xiàn)原子間鍵 合，有效的是提高齒輪表層部的N含量（氮濃度），另外有效的是，相比于與各種添加元素化 合的氮化合物，使鐵氮化物大量形成，并且適當(dāng)?shù)乜刂畦F氮化物的組成。而且發(fā)現(xiàn)，使碳化 物分散在部件的滑動(dòng)部（表層）也有效，利用這些協(xié)同效果，能夠使耐咬合性顯著提高，從 而完成了本發(fā)明。
[0028] 本發(fā)明的耐咬合性改善的推定機(jī)理被認(rèn)為如下。即，以上述（i)的方式控制表層 部的N含量（氮濃度），能夠在熱力學(xué)上將N控制為穩(wěn)定的鐵氮化物組成，在金屬接觸部分 也能夠抑制原子間鍵合。另外，以（ii)的方式控制表層部的碳化物量，與鐵氮化物的效果 一樣，借助碳化物的化學(xué)的穩(wěn)定性，能夠利用其存在抑制粘附磨耗。
[0029] 但是，上述的效果在（i)或（ii)任意一項(xiàng)單獨(dú)采用時(shí)，并不能顯現(xiàn)耐咬合性的顯 著提高，利用（i)和（ii)的協(xié)同效果之后，才能夠?qū)崿F(xiàn)耐咬合性?xún)?yōu)異的齒輪。另外在本發(fā) 明中，以上述的（iii)的方式，規(guī)定殘留奧氏體量，通過(guò)利用殘留奧氏體的加工誘發(fā)相變， 能夠抑制重復(fù)負(fù)荷沖擊載荷時(shí)的龜裂發(fā)生和進(jìn)展。即，通過(guò)滿足上述（i)?（iii)的要件， 能夠得到不僅耐咬合性?xún)?yōu)異，而且低循環(huán)疲勞特性也優(yōu)異的齒輪。規(guī)定這些要件帶來(lái)的具 體的作用效果如下所述。
[0030] [ (i)的要件]
[0031] 為了改善作為齒輪的耐咬合性，需要控制距表面20 深度位置的氮濃度，使之 為2. 0?6. 0%。若這部分的氮濃度低于2. 0%，則容易發(fā)生金屬接觸造成的原子間鍵合， 將會(huì)發(fā)生粘附磨耗。另一方面，若氮濃度超過(guò)6. 0%，則表層鄰域的氮化物的原子結(jié)構(gòu)發(fā)生 變化，因此粘附磨耗反而容易發(fā)生。該氮濃度的優(yōu)選的下限為3. 2%以上（更優(yōu)選為3. 5% 以上），優(yōu)選的上限為5. 8%以下（更優(yōu)選為5. 5%以下）。
[0032] [(ii)的要件]
[0033] 通過(guò)在齒輪表層部使碳化物大量析出，在高滑動(dòng)環(huán)境下，能夠使耐咬合性提高。另 外存在于表層部的碳化物還具有的作用是，援助通過(guò)滲氮而使氮在表層部顯著稠化。為此， 需要表層部的碳化物的面積率為5%以上。碳化物的面積率不足5%時(shí)，不僅在表層部鄰域 的氮的稠化不充分，而且來(lái)自碳化物自身的耐咬合性改善效果也不足，因此得不到規(guī)定的 耐咬合性。該碳化物的面積率優(yōu)選為6%以上，更優(yōu)選為7%以上。
[0034] [(iii)的要件]
[0035] 通過(guò)殘留奧氏體發(fā)生加工誘發(fā)相變，能夠抑制負(fù)荷重復(fù)沖擊載荷時(shí)的龜裂發(fā)生和 進(jìn)展。為此需要在鋼中以面積率計(jì)存在1%以上的殘留奧氏體。但是，若殘留奧氏體的面積 率存在超過(guò)10%，則使齒輪部件軟化，容易發(fā)生粘附磨耗。殘留奧氏體的面積率的優(yōu)選的下 限為2%以上（更優(yōu)選為3%以上），優(yōu)選的上限為9%以下（更優(yōu)選為8%以下）。
[0036] 本發(fā)明中規(guī)定的組織如上所述，作為余量的基質(zhì)組織實(shí)質(zhì)上是回火馬氏體或回火 貝氏體，或是它們的復(fù)合組織（由回火馬氏體和回火貝氏體構(gòu)成的組織）。但是，在氮化處 理后，有在鋼中形成此基質(zhì)組織以外的組織的情況，例如鐵素體、珠光體、貝氏體鐵素體和 淬火態(tài)馬氏體、淬火態(tài)貝氏體等組織。這些組織造成齒輪的特性偏差，給耐咬合性帶來(lái)不利 影響，最好盡力不生成。但是，只要鐵素體、珠光體、貝氏體鐵素體、淬火態(tài)馬氏體和淬火態(tài) 貝氏體等組織以面積率計(jì)按5%以下的比例存在時(shí)，便不會(huì)對(duì)本發(fā)明的作用造成不利影響， 可以允許。
[0037] 在本發(fā)明的齒輪中，為了發(fā)揮作為最終制品（齒輪部件）的特性，還需要適當(dāng)調(diào)整 其化學(xué)成分組成。其化學(xué)成分組成的各成分（元素）的范圍限定理由如下。
[0038] [C :0? 15 ?0? 45% ]
[0039] C是確保作為機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼部件的芯部硬度所需要的兀素，若C含量低于0. 15%， 則芯部硬度不足，作為機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼部件而強(qiáng)度不足。但是，若C含量過(guò)剩，則滲碳時(shí)的碳 滲入量減少，不僅碳化物的析出量變少，而且芯部硬度過(guò)高，也使冷鍛加工性和被削性劣 化，因此需要抑制在〇. 45%以下。C含量的優(yōu)選的下限為0. 18%以上（更優(yōu)選為0. 20%以 上），優(yōu)選的上限為〇. 40%以下（更優(yōu)選為0. 35%以下）。
[0040] [Si :0? 05 ?1. 0% ]
[0041] Si發(fā)揮著提高回火軟化阻抗，抑制硬度降低的效果。為了發(fā)揮這樣的效果，需要 含有0. 05%以上。但是，若Si含量過(guò)剩，則使冷鍛時(shí)的金屬模具壽命降低，并且也使被削 性劣化，因此需要為1.0%以下。Si含量的優(yōu)選的下限為0. 10%以上（更優(yōu)選為0. 15%以 上），優(yōu)選的上限為〇. 8%以下（更優(yōu)選為0. 5 %以下）。
[0042] [Mn :1. 0 ?2. 0% ]
[0043] Mn具有使基體的固溶強(qiáng)化和淬火性提高，并且使殘留奧氏體容易生成的效果。為 了發(fā)揮這些效果，需要含有1.0%以上。但是，若Mn含量過(guò)剩，則作為低級(jí)氧化物的MnO濃 度上升，除了使疲勞特性惡化以外，加工性和被削性也顯著降低，因此需要為2. 0%以下。Mn 含量的優(yōu)選的下限為1. 1%以上（更優(yōu)選為1.2%以上），優(yōu)選的上限為1.8%以下（更優(yōu) 選為1.7%以下）。
[0044] [P :0.05% 以下]
[0045] P在結(jié)晶晶界偏析而縮短疲勞壽命，因此需要盡可能減少。特別是若其含量超過(guò) 0.05%，則疲勞壽命的降低明顯。由此，P含量為0.05%以下。P含量?jī)?yōu)選為0.045%以下， 更優(yōu)選為0.040%以下。
[0046] [S :0.05% 以下]
[0047] S是形成硫化物的元素，若其含量超過(guò)0. 05%，則生成粗大的硫化物，因此縮短疲 勞壽命。因此，S的含量為0.05%以下。S含量?jī)?yōu)選為0.045%以下，更優(yōu)選為0.040%以 下。
[0048] [Cr :0.9 ?2%]
[0049] Cr通過(guò)提高淬火性和形成穩(wěn)定的碳化物，對(duì)于強(qiáng)度的提高和使耐咬合性提高有效 地發(fā)揮作用。為了發(fā)揮這樣的效果，需要使Cr含有0.9%以上。但是，若Cr的含量過(guò)剩， 則碳化物粗大化，使疲勞特性和切削性降低，因此其含量需要為2%以下。Cr含量的優(yōu)選的 下限為1. 1%以上（更優(yōu)選為1.2%以上），優(yōu)選的上限為1.9%以下（更優(yōu)選為1.8%以 下）。
[0050] [Al :0? 01 ?0? 1% ]
[0051] Al作為脫氧劑起作用，發(fā)揮著減少氧化物系夾雜物量而提高鋼材的內(nèi)部品質(zhì)的作 用，優(yōu)選適量添加。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，Al含量為0.01%以上。但是，若Al含量過(guò)剩，則生成 粗大且硬的夾雜物（Al 2O3),使疲勞特性降低，因此需要為0.1 %以下。Al含量的優(yōu)選的下 限為0? 015%以上（更優(yōu)選為0? 020%以上），優(yōu)選的上限為0? 08%以下（更優(yōu)選為0? 06% 以下）。
[0052] [N :0.02% 以下]
[0053] N與Al結(jié)合而形成A1N，也具有使晶粒直徑微細(xì)化的效果，但另一方面，若N含量 過(guò)多，則乳制時(shí)容易發(fā)生裂紋，因此需要限制在〇. 02%以下。N含量?jī)?yōu)選為0. 018%以下，更 優(yōu)選為0.016%以下。
[0054] 本發(fā)明的齒輪的基本成分如上所述，余量是鐵和不可避的雜質(zhì)（例如，Sb、Mg等）。 在本發(fā)明的齒輪中，根據(jù)需要，也可以含有如下元素：(a)Mo :0.5%以下（不含0%) ;(b)選 自￥:0.2%以下（不含0%)、11:0.1%以下（不含0%)和吣：0.2%以下（不含0%)中 的一種以上；（c)B :0.01 %以下（不含0% ) ;(d)選自Cu :5%以下（不含0% )和Ni :5% 以下（不含〇%)中的一種以上等，根據(jù)所含有的元素的種類(lèi)，齒輪的特性得到進(jìn)一步改善。 這些元素的優(yōu)選的范圍設(shè)定理由如下所述。
[0055] [Mo :0? 5% 以下（不含 0% )]
[0056] Mo擁有使淬火時(shí)的淬火性顯著提高的效果，除此之外，對(duì)于提高沖擊強(qiáng)度也是有 效的元素。但是，若Mo含量過(guò)剩，則原材硬度變高，因此被削性不良，此外因?yàn)槠涫前嘿F的 元素，所以成為成本上升的要因，由此優(yōu)選為〇. 5%以下。更優(yōu)選為0. 45%以下，進(jìn)一步優(yōu) 選為0. 40 %以下。還有，為了有效地發(fā)揮Mo的效果，優(yōu)選含有0. 05 %以上，更優(yōu)選為0. 07 % 以上（進(jìn)一步優(yōu)選為〇. 10%以上）。
[0057] [選自￥:0.2%以下（不含0%)、！1:0.1%以下（不含0%)和恥：0.2%以下 (不含0%)中的一種以上]
[0058] V、Ti和Nb是使齒輪的表面硬度提高，從而對(duì)于提高耐咬合性有效的元素。其詳 細(xì)的作用效果如下。
[0059] V與軟氮化帶來(lái)的侵入N和侵入C結(jié)合，在表面層析出微細(xì)的V碳/氮化物（含 有V的碳化物、氮化物或碳氮化物），由此使表面硬度提高，使耐咬合性提高。但是，若V含 量過(guò)剩而超過(guò)〇. 2%，則V碳/氮化物容易粗大化，使表面硬度降低，并且使疲勞強(qiáng)度劣化。 更優(yōu)選為〇. 19%以下，進(jìn)一步優(yōu)選為0. 18%以下。還有，為了有效地發(fā)揮V帶來(lái)的效果，優(yōu) 選含有0. 05%以上，更優(yōu)選為0. 06 %以上（進(jìn)一步優(yōu)選為0. 07 %以上）。
[0060] Ti與軟氮化帶來(lái)的侵入N和侵入C結(jié)合，在表面層析出微細(xì)的Ti碳/氮化物（含 有Ti的碳化物、氮化物或碳氮化物），由此使表面硬度提高，使耐咬合性提高。但是，若Ti 含量過(guò)剩而超過(guò)0. 1 %，則Ti碳/氮化物容易粗大化，使表面硬度降低，并且使疲勞強(qiáng)度劣 化。更優(yōu)選為0.09%以下，進(jìn)一步優(yōu)選為0.08%以下。還有，為了有效地發(fā)揮Ti帶來(lái)的效 果，優(yōu)選含有0.03%以上，更優(yōu)選為0.04%以上（進(jìn)一步優(yōu)選為0.05%以上）。
[0061] Nb與軟氮化帶來(lái)的侵入N和侵入C結(jié)合，在表面層析出微細(xì)的Nb碳/氮化物（含 有Nb的碳化物、氮化物或碳氮化物），由此使表面硬度提高，使耐咬合性提高。但是，若Nb 含量過(guò)剩而超過(guò)0. 2%，則Nb碳/氮化物容易粗大化，使表面硬度降低，并且使疲勞強(qiáng)度劣 化。更優(yōu)選為0.19%以下，進(jìn)一步優(yōu)選為0.18%以下。還有，為了有效地發(fā)揮Nb帶來(lái)的效 果，優(yōu)選含有〇. 05%以上，更優(yōu)選為0. 06%以上（進(jìn)一步優(yōu)選為0. 07%以上）。
[0062] [B :0? 01% 以下（不含 0% )]
[0063] B不僅具有使淬火性顯著提高的效果，而且對(duì)于沖擊強(qiáng)度的提高也有效。但是，若 B含量過(guò)剩，則B化合物過(guò)剩地析出而使晶界強(qiáng)度降低，因此疲勞強(qiáng)度劣化。從這一觀點(diǎn)出 發(fā)，優(yōu)選為0.01 %以下。更優(yōu)選為0.007%以下，進(jìn)一步優(yōu)選為0.004%以下。
[0064] [選自Cu :5%以下（不含0% )和Ni :5%以下（不含0% )中的一種以上]
[0065] Cu在鋼中固溶，使表層和內(nèi)部硬度提高，對(duì)于提高耐咬合性有效地發(fā)揮作用。另 外在氮化處理時(shí)微細(xì)地析出，發(fā)揮著使鋼材硬化的作用。但是，若Cu含量過(guò)剩，則使鋼材脆 化，因此Cu含量?jī)?yōu)選為5%以下。更優(yōu)選為4%以下，進(jìn)一步優(yōu)選為3%以下。
[0066] Ni具有使鋼材固溶強(qiáng)化的作用。另外，與Cu復(fù)合添加，能夠進(jìn)一步發(fā)揮Cu的析出 硬化作用。但是，若Ni含量過(guò)剩，則其效果飽和，因此Ni含量?jī)?yōu)選為5%以下。更優(yōu)選為 4%以下，進(jìn)一步優(yōu)選為3%以下。
[0067] 本發(fā)明的齒輪是通過(guò)以下方式制造的，使用上述這樣的化學(xué)成分組成的鋼材，根 據(jù)需要實(shí)施退火等熱處理后，加工成規(guī)定的齒輪形狀，進(jìn)行高濃度滲碳淬火、回火，其后實(shí) 施氮化處理。在此制造工序中，直至加工成齒輪形狀為止，采用通常所用的方法即可，齒輪 加工也是通過(guò)熱鍛、冷鍛、溫鍛等各種鍛造/鐓鍛、滾壓或切削、磨削、以及這些方法的組合 而制造。
[0068] 高濃度滲碳淬火是以碳化物的析出為目的而實(shí)施的重要工序，其內(nèi)容分為滲碳工 序和碳化物析出工序。對(duì)于上述的化學(xué)成分組成的鋼材實(shí)施規(guī)定的高濃度滲碳淬火處理， 由此得到規(guī)定的組織形態(tài)?；鼗鸪鲇诜乐寡舆t裂紋的觀點(diǎn)而進(jìn)行，但淬火后立即進(jìn)行氮化 處理時(shí)，也可以省略?；鼗鹛幚砣绻诶?00?300°C的溫度范圍進(jìn)行1?180分鐘左 右，則能夠防止延遲裂紋。
[0069] 其后進(jìn)行的氮化處理也是重要的工序，對(duì)于通過(guò)上述的化學(xué)成分組成和高濃度滲 碳，而對(duì)在表層部具有分散有碳化物的組織的鋼材實(shí)施氮化處理，由此能夠成為規(guī)定的組 織形態(tài)，能夠改善耐咬合性。該氮化處理可以應(yīng)用公知的任意一種方法，例如，可列舉氣體 氮化、氣體軟氮化、鹽浴氮化、鹽浴氮碳共滲化、離子氮化、等離子體氮化、擴(kuò)散滲氮處理、氣 體氮碳共滲化等。還有，在本發(fā)明中，作為氮化處理的一例，應(yīng)用等離子體軟氮化處理和等 離子體氮化處理。等離子體軟氮化處理是通過(guò)在氮-氫-碳混合氣體（C混合氣體）中進(jìn) 行輝光放電而進(jìn)行氮化處理，等離子體氮化處理是通過(guò)在氮-氫混合氣體中進(jìn)行發(fā)生輝光 放電而進(jìn)行氮化處理。需要機(jī)械加工等精加工時(shí)，可以在氮化處理前進(jìn)行，在不對(duì)氮化層造 成影響的范圍內(nèi)，也可以在氮化處理后進(jìn)行。
[0070] 在進(jìn)行了上述這樣的氮化處理的齒輪中，在距表面20 深度的表層部存在氮化 鐵（鐵氮化物）的濃度為80質(zhì)量％以上的氮化層，該氮化層優(yōu)選氮化鐵中的Fe4N的比例為 20質(zhì)量％以上。通過(guò)滿足這樣的要件，耐咬合性進(jìn)一步提高?？梢哉J(rèn)為這一效果得到發(fā)揮 的理由如下。
[0071] 粘附磨耗由于金屬接觸造成的原子間鍵合而發(fā)生，但通過(guò)增加氮化鐵的比例，原 子間鍵合難以發(fā)生，能夠抑制粘附磨耗。另外，通過(guò)氮化處理而在表層生成的氮化鐵雖然有 Fe2 ~3N、Fe4N等種類(lèi)，但其中最難以發(fā)生粘附磨耗的是Fe4N,因此通過(guò)增加 Fe4N的比例，耐 咬合性進(jìn)一步提高。氮化層中的氮化鐵（鐵氮化物）的濃度更優(yōu)選為85質(zhì)量％以上，進(jìn)一 步優(yōu)選為90質(zhì)量％以上。另外氮化鐵中的Fe 4N的比例更優(yōu)選為25質(zhì)量％以上，進(jìn)一步優(yōu) 選為30質(zhì)量％以上。
[0072] 在本發(fā)明的鋼材成分中，Cr、Al和Mo是容易與氮結(jié)合的元素。若這些元素的含量 變多，則氮的擴(kuò)散速度變慢，F(xiàn)e 2~3N的量變多。通過(guò)適量添加這些元素（Cr為1. 3%以下，優(yōu) 選為1. 2%以下，Al為0. 040 %以下，優(yōu)選為0. 030%以下，Mo為0. 30%以下，優(yōu)選為0. 20% 以下），表層部成為Fe4N多的氮化層，能夠防止粘附磨耗（例如，參照后述實(shí)施例2的試驗(yàn) No. 28 ?30)。
[0073] 另外若進(jìn)行軟氮化處理，則表層部的氮濃度變高，與氮化處理相比，變得容易形成 Fe2~3N。為了增加 Fe4N的比例，適合的是進(jìn)行氮化處理（參照后述實(shí)施例2的試驗(yàn)No.24 和25)。通過(guò)提高氮化溫度（550?630°C左右，優(yōu)選為560?60(TC左右），氮適度擴(kuò)散， Fe4N的比例增加（參照后述實(shí)施例2的試驗(yàn)No. 24和26)。
[0074] 在氮化處理?xiàng)l件的氣體分率中，若增多N2分率，則Fe2~ 3N變多，若減少，則Fe4^f 力口。為了確保優(yōu)選的氮化鐵量和Fe4N量，優(yōu)選調(diào)整到適當(dāng)?shù)腘2分率（35?55%左右，優(yōu)選 為40?45 %左右）（參照后述實(shí)施例2的試驗(yàn)No. 24和27)。
[0075] 在本發(fā)明的齒輪中，為了使耐咬合性提高，在齒輪表面形成潤(rùn)滑皮膜也有效。潤(rùn)滑 皮膜處理能夠抑制金屬接觸，抑制溫度上升，并且抑制粘附磨耗的發(fā)生。對(duì)于潤(rùn)滑皮膜處理 而言，可代表性地例示例如銅、鋅、鉛等軟質(zhì)金屬；氧化鉛等金屬氧化物；二硫化鑰、二硫化 鎢等硫化物；氟化物；氮化物；石墨；磷酸錳等，其處理的種類(lèi)、處理方法采用通常的方法。
[0076] 以下，詳細(xì)地說(shuō)明用于制作出齒輪的組織的高濃度滲碳條件（滲碳條件、碳化物 析出條件）和氮化條件。
[0077][高濃度滲碳條件]
[0078] 1 ?滲碳條件
[0079] (1)加熱溫度（滲碳溫度）：900?980°C
[0080] 為了對(duì)鋼部件實(shí)施充分的滲碳，優(yōu)選滲碳溫度為900°C以上，在低于此溫度時(shí)，滲 碳所需的時(shí)間變長(zhǎng)，生產(chǎn)率降低，因此不優(yōu)選。更優(yōu)選為910°C以上，進(jìn)一步優(yōu)選為920°C以 上。另一方面，滲碳溫度過(guò)高，晶粒也會(huì)粗大化，鋼部件的韌性劣化，因此滲碳溫度優(yōu)選為 980°C以下。更優(yōu)選為970°C以下，進(jìn)一步優(yōu)選為950°C以下。該滲碳溫度下的保持時(shí)間（滲 碳時(shí)間）沒(méi)有特別限定，是能夠得到期望的滲碳層深度的時(shí)間即可，但從成本方面考慮，最 好在1小時(shí)以上且10小時(shí)以下的范圍內(nèi)適當(dāng)設(shè)定。
[0081] (2)加熱氣氛：Cp (碳勢(shì)）0? 9?1. 5%
[0082] 加熱氣氛以Cp為0. 9%以上且1. 5%以下的方式進(jìn)行控制。若該工序中的Cp過(guò) 低，則鋼部件表層的碳濃度變低，不能在下一道工序的碳化物析出工序中析出充分的碳化 物，結(jié)果是難以確保規(guī)定的耐咬合性。另一方面，Cp的上限沒(méi)有特別是限定，但若過(guò)高，則 被稱(chēng)為"煙灰（sooting)"的"碳黑"附著在鋼部件表面而阻礙滲碳，因此優(yōu)選為1.5%以下。 Cp的更優(yōu)選的下限為0. 95%以上（進(jìn)一步優(yōu)選為1. 0%以上），更優(yōu)選的上限為1. 3%以下 (進(jìn)一步優(yōu)選為1.2%以下）。
[0083] 還有，所述Cp的測(cè)定可以通過(guò)O2傳感器法、利用紅外線分析儀的CO2法、露點(diǎn)測(cè)定 法、使用了鐵絲的碳質(zhì)電位器等通常所采用的方法進(jìn)行測(cè)定，特別是將被稱(chēng)為Cp線圈的鐵 線放置在爐內(nèi)氣氛中，使用該Cp線圈通過(guò)紅外線吸收法等進(jìn)行定量分析的方法在測(cè)定精 度方面最優(yōu)。
[0084] (3)平均冷卻速度：10°C /分鐘?4200°C /分鐘
[0085] 以所述滲碳溫度保持一定時(shí)間后，優(yōu)選以平均冷卻速度KTC /分鐘以上進(jìn)行冷 卻。其理由在于，為了在作為下道工序的碳化物析出工序中析出微細(xì)的碳化物，以所述滲碳 溫度保持一定時(shí)間后，必須使?jié)B入的碳不析出而以過(guò)飽和固溶的狀態(tài)暫時(shí)冷卻至Ar 1相變 點(diǎn)以下，平均冷卻速度低于KTC /分鐘時(shí)，處于過(guò)飽和狀態(tài)的碳擴(kuò)散到結(jié)晶晶界的時(shí)間充 裕，析出時(shí)碳化物呈網(wǎng)眼狀析出，各種強(qiáng)度降低。平均冷卻速度的上限沒(méi)有特別是限定，但 過(guò)于急速地冷卻，鋼部件也會(huì)容易產(chǎn)生變形和裂紋，因此優(yōu)選在4200°C /分鐘以下。該平均 冷卻速度的更優(yōu)選的下限為13°C /分鐘以上（進(jìn)一步優(yōu)選為15°C /分鐘以上），更優(yōu)選的 上限為3600°C /分鐘以下（進(jìn)一步優(yōu)選為3000°C /分鐘以下）。
[0086] 2?碳化物析出條件
[0087] 如前所述，從經(jīng)由上述滲碳工序過(guò)飽和地固溶有碳的滲碳層內(nèi)，使微細(xì)的碳化物 析出，由此能夠提高齒輪部件的耐咬合性。接下來(lái)，對(duì)于碳化物析出條件進(jìn)行詳述。
[0088] (1)加熱溫度：800 ?860°C
[0089] 碳化物析出優(yōu)選在800°C以上且860°C以下的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。若加熱溫度超過(guò) 860°C，則碳量的固溶限度變大，析出的碳化物量減少。另一方面，若加熱溫度低于800°C，則 析出的碳化物過(guò)于微細(xì)化，對(duì)于耐咬合性提高的幫助變小。該加熱溫度的更優(yōu)選的下限為 820°C以上（進(jìn)一步優(yōu)選為830°C以上），更優(yōu)選的上限為855°C以下（進(jìn)一步優(yōu)選為850°C 以下）。
[0090] (2)加熱氣氛：Cp (碳勢(shì)）0? 7?I. 1 %
[0091] 在碳化物析出工序中，優(yōu)選在Cp為0. 7%以上且I. 1 %以下的氣氛中進(jìn)行碳化物 的析出。若Cp低于0.7%，則在所述加熱溫度保持中發(fā)生脫碳，析出的碳化物量減少。另一 方面，若Cp超過(guò)1. 1 %，則在所述加熱溫度保持中滲碳進(jìn)行，碳化物粗大化、點(diǎn)蝕等各種強(qiáng) 度降低，因此不優(yōu)選。Cp的更優(yōu)選的下限為0. 72%以上（進(jìn)一步優(yōu)選為0. 75 %以上），更 優(yōu)選的上限為I. 05%以下（進(jìn)一步優(yōu)選為1.0%以下）。還有，所述Cp可以用前述的方法 測(cè)定。
[0092][氮化條件]
[0093] (1)氮化處理溫度：350?650°C
[0094] 在本發(fā)明中，通過(guò)在氮化處理中使規(guī)定量的碳化物析出，并且促進(jìn)N向鋼材的擴(kuò) 散，控制成為原子間鍵合難以發(fā)生的鐵氮化物組成，由此可以得到優(yōu)異的耐咬合性。之所以 使處理溫度的下限為350°C，是因?yàn)樵诘幚頊囟冗^(guò)低時(shí)，N的擴(kuò)散速度降低，處理時(shí)間 長(zhǎng)時(shí)間化。另外，之所以使上限為650°C，是由于氮化處理溫度過(guò)高時(shí)，雖然在用于促進(jìn)N 的擴(kuò)散上有效，但母相基體的回火過(guò)度進(jìn)行，內(nèi)部硬度降低，從而得不到作為齒輪部件的特 性。因此，通過(guò)使氮化溫度處于350?650°C的范圍，能夠滿足作為齒輪部件的諸特性，并且 在電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)等的高滑動(dòng)環(huán)境下也能夠發(fā)揮出優(yōu)異的耐咬合性。氮化溫度的更優(yōu)選的下 限為400°C以上（進(jìn)一步優(yōu)選為450°C以上），更優(yōu)選的上限為630°C以下（進(jìn)一步優(yōu)選為 600°C 以下）。
[0095] (2)氮化處理時(shí)間：3?30小時(shí)
[0096] 氮化處理時(shí)間（氮化處理時(shí)的保持時(shí)間）是用于使N向鋼中擴(kuò)散，形成鐵氮化物 所需要的時(shí)間。通常溫度與時(shí)間聯(lián)動(dòng)而決定N的擴(kuò)散量、鐵氮化物量，但在本發(fā)明中，以溫 度、時(shí)間分別設(shè)定用于穩(wěn)定獲得規(guī)定的組織的范圍。通過(guò)使氮化時(shí)間為3?30小時(shí)，能夠 得到期望的組織，在電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)等的高滑動(dòng)環(huán)境下也能夠發(fā)揮優(yōu)異的耐咬合性。該氮化 時(shí)間為低于3小時(shí)的短時(shí)間時(shí)，不能得到充分的鐵氮化物，若為了通過(guò)低于3小時(shí)來(lái)達(dá)到期 望的組織而過(guò)度升高溫度，則有母相基體軟質(zhì)化的弊端。另一方面，若氮化時(shí)間超過(guò)30小 時(shí)，則母相基體也會(huì)軟質(zhì)化，若要為了對(duì)此加以防止而以低溫處理，則N無(wú)法充分地滲入鋼 中，存在不能生成充分的鐵氮化物的弊端。
[0097] (3)氮化處理氣氛：氮?dú)鉂舛?0?80%
[0098] 對(duì)于氮化處理氣氛中的氮?dú)鉂舛龋∟2分率）而言，能夠使N擴(kuò)散到鋼中，控制成為 原子間鍵合難以發(fā)生的鐵氮化物組成，從而得到優(yōu)異的耐咬合性。氣氛中的N 2分率低于 30%時(shí)，不能使鋼中充分含有N，得不到期望的齒輪特性。另一方面，若N2分率超過(guò)80%， 鋼中的N的含量過(guò)度增加，則組成再度向容易發(fā)生原子間鍵合的鐵氮化物變化，因此不能 改善耐咬合性。該N 2分率的更優(yōu)選的下限為35%以上（進(jìn)一步優(yōu)選為40%以上），更優(yōu)選 的上限為75%以下（進(jìn)一步優(yōu)選為70%以下）。
[0099] 本申請(qǐng)基于2012年3月30日申請(qǐng)的日本國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第2012-082613號(hào)主張優(yōu)先 權(quán)的利益。2012年3月30日申請(qǐng)的日本國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第2012-082613號(hào)的說(shuō)明書(shū)的全內(nèi)容， 在本申請(qǐng)用于參考并援引。
[0100] 實(shí)施例
[0101] 以下，列舉實(shí)施例更具體地說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明當(dāng)然不受下述實(shí)施例的限制，在 能夠符合前、后述的主旨的范圍內(nèi)當(dāng)然也可以適當(dāng)加以變更而實(shí)施，這些均包含在本發(fā)明 的技術(shù)范圍內(nèi)。
[0102] (實(shí)施例1)
[0103] 用小型爐熔煉下述表1、2所示的各種化學(xué)成分組成的鋼材（鋼種V相當(dāng)于JIS SCM420的鋼），熱鍛后進(jìn)行固溶處理和正火處理，接著，通過(guò)機(jī)械加工，粗加工成直徑： 26mmX長(zhǎng)度：130mm的滾軸點(diǎn)蝕試驗(yàn)片的形狀。對(duì)于粗加工后的試驗(yàn)片，以圖1所示的各種 模式[圖1(a)?（f)]，進(jìn)行高濃度滲碳處理（滲碳和碳化物析出處理）。
[0104]【表1】
[0105]

【權(quán)利要求】
1. 一種耐咬合性?xún)?yōu)異的齒輪，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)分別含有C :0. 15?0. 45%、 Si :0? 05 ?L 0%、Mn :1. 0 ?2. 0%、P :0? 05% 以下、S :0? 05% 以下、Cr :0? 9 ?2%、Al : 0. 01?0. 1%和N :0. 02%以下，余量由鐵和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，并在表層部具有存在回 火馬氏體和回火貝氏體中的至少一種的組織、以及以面積率計(jì)為1?10%的殘留奧氏體， 并且碳化物以面積率計(jì)析出5%以上的鋼材組織，并且距表面20 y m深度的氮濃度為2. 0? 6. 0%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪，其中，以質(zhì)量％計(jì)還含有Mo :0. 5%以下且不含0%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪，其中，以質(zhì)量％計(jì)還含有選自V :0. 2%以下且不含 0%、Ti :0. 1%以下且不含0%和Nb :0.2%以下且不含0%中的一種以上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪，其中，以質(zhì)量％計(jì)還含有B :0.01%以下且不含0%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪，其中，以質(zhì)量％計(jì)還含有選自Cu :5%以下且不含0% 和Ni :5 %以下且不含0 %中的一種以上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪，其中，在距表面20 y m深度的表層部存在氮化鐵的濃度 為80質(zhì)量％以上的氮化層，該氮化層的氮化鐵中的Fe4N的比例為20質(zhì)量％以上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪，其中，在表面形成有潤(rùn)滑皮膜。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪，其中，是電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)用。
【文檔編號(hào)】C23C8/54GK104220621SQ201380017469
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月30日
【發(fā)明者】永松清佳, 新堂陽(yáng)介 申請(qǐng)人:株式會(huì)社神戶制鋼所