耐咬合性優(yōu)異的齒輪的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種齒輪，其具有規(guī)定的化學成分組成，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、以及以面積率計為1?10%的殘留奧氏體，并且碳化物以面積率計析出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/高滑動且使用低動粘度的潤滑油的動力傳輸部發(fā)揮出更優(yōu)異的耐咬合性。
【專利說明】耐咬合性優(yōu)異的齒輪

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及在發(fā)生高旋轉/高滑動的工作部位使用的、具有優(yōu)異的耐咬合性的齒 輪，特別是作為電動汽車電機用有用的齒輪。

【背景技術】
[0002] 例如，汽車的傳動用齒輪等這樣的動力傳輸部所使用的機械結構部件，已知在其 使用時，由于接觸面壓力的增大，會發(fā)生金屬接觸部分剝離損傷的點蝕損傷。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 削加工進行成形加工后，實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滑皮膜。
[0003] 但是，近年來，對于機械結構部的高輸出化、小型輕量化要求提高，對這些動力傳 輸部所使用的機械結構部件施加的負荷有越發(fā)增大的傾向。因此，不僅是SCr、SCM、SNCM等 各種表面硬化鋼實施了表面硬化處理的部件，即使形成固體潤滑皮膜，仍難以達到所要求 的耐點蝕性。
[0004] 可是，從近年來減小環(huán)境負荷的角度出發(fā)，在生產(chǎn)量正在擴大的電動汽車中，為了 使電機的旋轉直接傳達到減速齒輪，相比汽油車而言，這些部件被曝露在高旋轉下。另外， 因為所使用的潤滑油其使用環(huán)境中的動粘度比汽油車低，所以在這些構成動力傳輸部的鋼 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/高滑動，油溫也上升，潤滑油的動粘度容易降低，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)生卡咬這樣的問題。
[0005] 在上述這樣的環(huán)境下使用的鋼構件的相關技術，迄今為此也提出了各種。例如， 在專利文獻1中，公開有一種耐高表面壓力部件，其由以下的鋼材構成，該部件表面的轉 動部位的碳濃度為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。
[0006] 但是在該技術中，是以滲碳或氮碳共滲處理確保碳濃度，而沒有進行氮化處理，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] 在專利文獻2中，公開有一種疲勞強度、特別是表面疲勞強度優(yōu)異的機械結構用 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和不可避免的雜質構成，該雜 質中的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 行氮化處理或軟氮化處理，接著進行高頻淬火處理，由此使氮從表面擴散，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] 但是在該技術中，因為存在使表面氮擴散的處理，所以不能高高地保持表層氮濃 度，另外部件表層也沒有分散碳化物，因此在高滑動環(huán)境下不能發(fā)揮良好的耐咬合性。
[0009] 另一方面，在專利文獻3中，公開有一種縫紉機的釜的制造方法，其特征在于，對 于碳表面硬化鋼和鉻鑰表面硬化鋼等表面硬化鋼進行滲碳淬火、回火，進一步實施軟氮化 處理。但是在該技術中，只是進行通常的滲碳處理，碳化物沒有分散存在于在部件表層，在 高滑動環(huán)境下不能發(fā)揮良好的耐咬合性。
[0010] 現(xiàn)有技術文獻
[0011] 專利文獻
[0012] 專利文獻1 :日本特開2005-68453號公報
[0013] 專利文獻2 :日本特開平06-172961號公報
[0014] 專利文獻3 :日本特開昭62-211094號公報


【發(fā)明內容】

[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)有技術中的課題而形成的，其目的在于，提供一種在 高旋轉/高滑動且使用低動粘度的潤滑油的動力傳輸部發(fā)揮著優(yōu)異的耐咬合性，作為電動 汽車電機用有用的齒輪。
[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"質量％"，對于化學成分組成以下均同）、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構成，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、以及以面積率計為1?10%的殘留奧氏體，并且碳化物以面積率計析出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 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質量％ 以上的氮化層，該氮化層的氮化鐵中的Fe4N的比例為20質量％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滑皮膜的齒輪。本發(fā)明的齒輪作為電動汽車 電機用的齒輪是有用的。
[0021] 發(fā)明效果
[0022] 在本發(fā)明中，因為適當?shù)卣{整了化學成分組成，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/高滑 動且使用低動粘度的潤滑油的動力傳輸部發(fā)揮出更優(yōu)異的耐咬合性，這樣的齒輪作為電動 汽車電機用極其有用。

【專利附圖】

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

【具體實施方式】
[0025] 本發(fā)明的耐咬合性優(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] 主要以汽油車為對象發(fā)生的點蝕損傷被認為是由于油膜缺失造成齒輪間的金屬 彼此接觸而導致摩擦熱發(fā)生，齒輪發(fā)生熱軟化。于是，為了實現(xiàn)耐點蝕性優(yōu)異的齒輪部件， 提高部件自身的表面、內部強度，或提高回火軟化阻抗是有效的，通過高強度化改善耐點蝕 性。但是，在電動汽車電機用齒輪中，與現(xiàn)有的汽油車比較，齒面間的滑動速度達到其數(shù)倍 以上，損傷機理變化成卡咬，因此在使部件自身的表面、內部強度、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)明人詳細地研究了滑動速度極高的區(qū)域中的卡咬發(fā)生機理。其結果表明，在 高溫、高壓、高滑動環(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， 進一步進行研究的結果發(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?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理被認為如下。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)任意一項單獨采用時，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，才能夠實現(xiàn)耐咬合性優(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，通過利用殘留奧氏體的加工誘發(fā)相變， 能夠抑制重復負荷沖擊載荷時的龜裂發(fā)生和進展。即，通過滿足上述（i)?（iii)的要件， 能夠得到不僅耐咬合性優(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， 將會發(fā)生粘附磨耗。另一方面，若氮濃度超過6. 0%，則表層鄰域的氮化物的原子結構發(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] 通過在齒輪表層部使碳化物大量析出，在高滑動環(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，不僅在表層部鄰域 的氮的稠化不充分，而且來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] 通過殘留奧氏體發(fā)生加工誘發(fā)相變，能夠抑制負荷重復沖擊載荷時的龜裂發(fā)生和 進展。為此需要在鋼中以面積率計存在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，作為余量的基質組織實質上是回火馬氏體或回火 貝氏體，或是它們的復合組織（由回火馬氏體和回火貝氏體構成的組織）。但是，在氮化處 理后，有在鋼中形成此基質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按5%以下的比例存在時，便不會對本發(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，還需要適當調整 其化學成分組成。其化學成分組成的各成分（元素）的范圍限定理由如下。
[0038] [C :0? 15 ?0? 45% ]
[0039] C是確保作為機械結構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，作為機械結構用鋼部件而強度不足。但是，若C含量過剩，則滲碳時的碳 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含量過剩，則使冷鍛時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含量過剩，則作為低級氧化物的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 0.05%，則疲勞壽命的降低明顯。由此，P含量為0.05%以下。P含量優(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含量優(yōu)選為0.045%以下，更優(yōu)選為0.040%以 下。
[0048] [Cr :0.9 ?2%]
[0049] Cr通過提高淬火性和形成穩(wěn)定的碳化物，對于強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部品質的作 用，優(yōu)選適量添加。從這一觀點出發(fā)，Al含量為0.01%以上。但是，若Al含量過剩，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結合而形成A1N，也具有使晶粒直徑微細化的效果，但另一方面，若N含量 過多，則乳制時容易發(fā)生裂紋，因此需要限制在〇. 02%以下。N含量優(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（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，齒輪的特性得到進一步改善。 這些元素的優(yōu)選的范圍設定理由如下所述。
[0055] [Mo :0? 5% 以下（不含 0% )]
[0056] Mo擁有使淬火時的淬火性顯著提高的效果，除此之外，對于提高沖擊強度也是有 效的元素。但是，若Mo含量過剩，則原材硬度變高，因此被削性不良，此外因為其是昂貴的 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，從而對于提高耐咬合性有效的元素。其詳 細的作用效果如下。
[0059] V與軟氮化帶來的侵入N和侵入C結合，在表面層析出微細的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 量過剩而超過〇. 2%，則V碳/氮化物容易粗大化，使表面硬度降低，并且使疲勞強度劣化。 更優(yōu)選為〇. 19%以下，進一步優(yōu)選為0. 18%以下。還有，為了有效地發(fā)揮V帶來的效果，優(yōu) 選含有0. 05%以上，更優(yōu)選為0. 06 %以上（進一步優(yōu)選為0. 07 %以上）。
[0060] Ti與軟氮化帶來的侵入N和侵入C結合，在表面層析出微細的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 含量過剩而超過0. 1 %，則Ti碳/氮化物容易粗大化，使表面硬度降低，并且使疲勞強度劣 化。更優(yōu)選為0.09%以下，進一步優(yōu)選為0.08%以下。還有，為了有效地發(fā)揮Ti帶來的效 果，優(yōu)選含有0.03%以上，更優(yōu)選為0.04%以上（進一步優(yōu)選為0.05%以上）。
[0061] Nb與軟氮化帶來的侵入N和侵入C結合，在表面層析出微細的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 含量過剩而超過0. 2%，則Nb碳/氮化物容易粗大化，使表面硬度降低，并且使疲勞強度劣 化。更優(yōu)選為0.19%以下，進一步優(yōu)選為0.18%以下。還有，為了有效地發(fā)揮Nb帶來的效 果，優(yōu)選含有〇. 05%以上，更優(yōu)選為0. 06%以上（進一步優(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，而且對于沖擊強度的提高也有效。但是，若 B含量過剩，則B化合物過剩地析出而使晶界強度降低，因此疲勞強度劣化。從這一觀點出 發(fā)，優(yōu)選為0.01 %以下。更優(yōu)選為0.007%以下，進一步優(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，使表層和內部硬度提高，對于提高耐咬合性有效地發(fā)揮作用。另 外在氮化處理時微細地析出，發(fā)揮著使鋼材硬化的作用。但是，若Cu含量過剩，則使鋼材脆 化，因此Cu含量優(yōu)選為5%以下。更優(yōu)選為4%以下，進一步優(yōu)選為3%以下。
[0066] Ni具有使鋼材固溶強化的作用。另外，與Cu復合添加，能夠進一步發(fā)揮Cu的析出 硬化作用。但是，若Ni含量過剩，則其效果飽和，因此Ni含量優(yōu)選為5%以下。更優(yōu)選為 4%以下，進一步優(yōu)選為3%以下。
[0067] 本發(fā)明的齒輪是通過以下方式制造的，使用上述這樣的化學成分組成的鋼材，根 據(jù)需要實施退火等熱處理后，加工成規(guī)定的齒輪形狀，進行高濃度滲碳淬火、回火，其后實 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施的重要工序，其內容分為滲碳工 序和碳化物析出工序。對于上述的化學成分組成的鋼材實施規(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裂紋的觀點而進行，但淬火后立即進行氮化 處理時，也可以省略。回火處理如果在例如100?300°C的溫度范圍進行1?180分鐘左 右，則能夠防止延遲裂紋。
[0069] 其后進行的氮化處理也是重要的工序，對于通過上述的化學成分組成和高濃度滲 碳，而對在表層部具有分散有碳化物的組織的鋼材實施氮化處理，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在氮-氫-碳混合氣體（C混合氣體）中進 行輝光放電而進行氮化處理，等離子體氮化處理是通過在氮-氫混合氣體中進行發(fā)生輝光 放電而進行氮化處理。需要機械加工等精加工時，可以在氮化處理前進行，在不對氮化層造 成影響的范圍內，也可以在氮化處理后進行。
[0070] 在進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質量％以上。通過滿足這樣的要件，耐咬合性進一步提高?？梢哉J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，通過氮化處理而在表層生成的氮化鐵雖然有 Fe2 ~3N、Fe4N等種類，但其中最難以發(fā)生粘附磨耗的是Fe4N,因此通過增加 Fe4N的比例，耐 咬合性進一步提高。氮化層中的氮化鐵（鐵氮化物）的濃度更優(yōu)選為85質量％以上，進一 步優(yōu)選為90質量％以上。另外氮化鐵中的Fe 4N的比例更優(yōu)選為25質量％以上，進一步優(yōu) 選為30質量％以上。
[0072] 在本發(fā)明的鋼材成分中，Cr、Al和Mo是容易與氮結合的元素。若這些元素的含量 變多，則氮的擴散速度變慢，F(xiàn)e 2~3N的量變多。通過適量添加這些元素（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，參照后述實施例2的試驗 No. 28 ?30)。
[0073] 另外若進行軟氮化處理，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，適合的是進行氮化處理（參照后述實施例2的試驗No.24 和25)。通過提高氮化溫度（550?630°C左右，優(yōu)選為560?60(TC左右），氮適度擴散， Fe4N的比例增加（參照后述實施例2的試驗No. 24和26)。
[0074] 在氮化處理條件的氣體分率中，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)選調整到適當?shù)腘2分率（35?55%左右，優(yōu)選 為40?45 %左右）（參照后述實施例2的試驗No. 24和27)。
[0075] 在本發(fā)明的齒輪中，為了使耐咬合性提高，在齒輪表面形成潤滑皮膜也有效。潤滑 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。對于潤滑皮膜處理 而言，可代表性地例示例如銅、鋅、鉛等軟質金屬；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、處理方法采用通常的方法。
[0076] 以下，詳細地說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] 為了對鋼部件實施充分的滲碳，優(yōu)選滲碳溫度為900°C以上，在低于此溫度時，滲 碳所需的時間變長，生產(chǎn)率降低，因此不優(yōu)選。更優(yōu)選為910°C以上，進一步優(yōu)選為920°C以 上。另一方面，滲碳溫度過高，晶粒也會粗大化，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，進一步優(yōu)選為950°C以下。該滲碳溫度下的保持時間（滲 碳時間）沒有特別限定，是能夠得到期望的滲碳層深度的時間即可，但從成本方面考慮，最 好在1小時以上且10小時以下的范圍內適當設定。
[0081] (2)加熱氣氛：Cp (碳勢）0? 9?1. 5%
[0082] 加熱氣氛以Cp為0. 9%以上且1. 5%以下的方式進行控制。若該工序中的Cp過 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，結果是難以確保規(guī)定的耐咬合性。另一方面，Cp的上限沒有特別是限定，但若過高，則 被稱為"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（進一步優(yōu)選為1. 0%以上），更優(yōu)選的上限為1. 3%以下 (進一步優(yōu)選為1.2%以下）。
[0083] 還有，所述Cp的測定可以通過O2傳感器法、利用紅外線分析儀的CO2法、露點測定 法、使用了鐵絲的碳質電位器等通常所采用的方法進行測定，特別是將被稱為Cp線圈的鐵 線放置在爐內氣氛中，使用該Cp線圈通過紅外線吸收法等進行定量分析的方法在測定精 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間后，優(yōu)選以平均冷卻速度KTC /分鐘以上進行冷 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的碳化物，以所述滲碳 溫度保持一定時間后，必須使?jié)B入的碳不析出而以過飽和固溶的狀態(tài)暫時冷卻至Ar 1相變 點以下，平均冷卻速度低于KTC /分鐘時，處于過飽和狀態(tài)的碳擴散到結晶晶界的時間充 裕，析出時碳化物呈網(wǎng)眼狀析出，各種強度降低。平均冷卻速度的上限沒有特別是限定，但 過于急速地冷卻，鋼部件也會容易產(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)由上述滲碳工序過飽和地固溶有碳的滲碳層內，使微細的碳化物 析出，由此能夠提高齒輪部件的耐咬合性。接下來，對于碳化物析出條件進行詳述。
[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以下的溫度范圍內進行。若加熱溫度超過 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 析出的碳化物過于微細化，對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（進一步優(yōu)選為830°C以上），更優(yōu)選的上限為855°C以下（進一步優(yōu)選為850°C 以下）。
[0090] (2)加熱氣氛：Cp (碳勢）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1. 1 %，則在所述加熱溫度保持中滲碳進行，碳化物粗大化、點蝕等各種強 度降低，因此不優(yōu)選。Cp的更優(yōu)選的下限為0. 72%以上（進一步優(yōu)選為0. 75 %以上），更 優(yōu)選的上限為I. 05%以下（進一步優(yōu)選為1.0%以下）。還有，所述Cp可以用前述的方法 測定。
[0092][氮化條件]
[0093] (1)氮化處理溫度：350?650°C
[0094] 在本發(fā)明中，通過在氮化處理中使規(guī)定量的碳化物析出，并且促進N向鋼材的擴 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，是因為在氮化處理溫度過低時，N的擴散速度降低，處理時間 長時間化。另外，之所以使上限為650°C，是由于氮化處理溫度過高時，雖然在用于促進N 的擴散上有效，但母相基體的回火過度進行，內部硬度降低，從而得不到作為齒輪部件的特 性。因此，通過使氮化溫度處于350?650°C的范圍，能夠滿足作為齒輪部件的諸特性，并且 在電動汽車電機等的高滑動環(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（進一步優(yōu)選為450°C以上），更優(yōu)選的上限為630°C以下（進一步優(yōu)選為 600°C 以下）。
[0095] (2)氮化處理時間：3?30小時
[0096] 氮化處理時間（氮化處理時的保持時間）是用于使N向鋼中擴散，形成鐵氮化物 所需要的時間。通常溫度與時間聯(lián)動而決定N的擴散量、鐵氮化物量，但在本發(fā)明中，以溫 度、時間分別設定用于穩(wěn)定獲得規(guī)定的組織的范圍。通過使氮化時間為3?30小時，能夠 得到期望的組織，在電動汽車電機等的高滑動環(huán)境下也能夠發(fā)揮優(yōu)異的耐咬合性。該氮化 時間為低于3小時的短時間時，不能得到充分的鐵氮化物，若為了通過低于3小時來達到期 望的組織而過度升高溫度，則有母相基體軟質化的弊端。另一方面，若氮化時間超過30小 時，則母相基體也會軟質化，若要為了對此加以防止而以低溫處理，則N無法充分地滲入鋼 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：氮氣濃度30?80%
[0098] 對于氮化處理氣氛中的氮氣濃度（N2分率）而言，能夠使N擴散到鋼中，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，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80%， 鋼中的N的含量過度增加，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（進一步優(yōu)選為40%以上），更優(yōu)選 的上限為75%以下（進一步優(yōu)選為70%以下）。
[0099] 本申請基于2012年3月30日申請的日本國專利申請第2012-082613號主張優(yōu)先 權的利益。2012年3月30日申請的日本國專利申請第2012-082613號的說明書的全內容， 在本申請用于參考并援引。
[0100] 實施例
[0101] 以下，列舉實施例更具體地說明本發(fā)明，但本發(fā)明當然不受下述實施例的限制，在 能夠符合前、后述的主旨的范圍內當然也可以適當加以變更而實施，這些均包含在本發(fā)明 的技術范圍內。
[0102] (實施例1)
[0103] 用小型爐熔煉下述表1、2所示的各種化學成分組成的鋼材（鋼種V相當于JIS SCM420的鋼），熱鍛后進行固溶處理和正火處理，接著，通過機械加工，粗加工成直徑： 26mmX長度：130mm的滾軸點蝕試驗片的形狀。對于粗加工后的試驗片，以圖1所示的各種 模式[圖1(a)?（f)]，進行高濃度滲碳處理（滲碳和碳化物析出處理）。
[0104]【表1】
[0105]

【權利要求】
1. 一種耐咬合性優(yōu)異的齒輪，其特征在于，以質量％計分別含有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構成，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、以及以面積率計為1?10%的殘留奧氏體， 并且碳化物以面積率計析出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)權利要求1所述的齒輪，其中，以質量％計還含有Mo :0. 5%以下且不含0%。
3. 根據(jù)權利要求1所述的齒輪，其中，以質量％計還含有選自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)權利要求1所述的齒輪，其中，以質量％計還含有B :0.01%以下且不含0%。
5. 根據(jù)權利要求1所述的齒輪，其中，以質量％計還含有選自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質量％以上的氮化層，該氮化層的氮化鐵中的Fe4N的比例為20質量％以上。
7. 根據(jù)權利要求1所述的齒輪，其中，在表面形成有潤滑皮膜。
8. 根據(jù)權利要求1所述的齒輪，其中，是電動汽車電機用。
【文檔編號】C23C8/54GK104220621SQ201380017469
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年3月29日 優(yōu)先權日:2012年3月30日
【發(fā)明者】永松清佳, 新堂陽介 申請人:株式會社神戶制鋼所