耐咬合性优异的齿轮的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种齿轮，其具有规定的化学成分组成，并在表层部具有存在回火马氏体和回火贝氏体中的至少一种的组织、以及以面积率计为1?10%的残留奥氏体，并且碳化物以面积率计析出5%以上的钢材组织，并且距表面20ym深度的氮浓度为2.0?6.0%,由此，在高旋转/高滑动且使用低动粘度的润滑油的动力传输部发挥出更优异的耐咬合性。
【专利说明】耐咬合性优异的齿轮
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在发生高旋转/高滑动的工作部位使用的、具有优异的耐咬合性的齿 轮，特别是作为电动汽车电机用有用的齿轮。
【背景技术】
[0002] 例如，汽车的传动用齿轮等这样的动力传输部所使用的机械结构部件，已知在其 使用时，由于接触面压力的增大，会发生金属接触部分剥离损伤的点蚀损伤。因此，作为这 种用途所使用的钢部件是如下的部件，使用SCr、SCM、SNCM等各种表面硬化钢，以热锻和切 削加工进行成形加工后，实施渗碳处理和氮碳共渗处理等表面硬化处理，再根据需要，在部 件表面形成二硫化钥等固体润滑皮膜。
[0003] 但是，近年来，对于机械结构部的高输出化、小型轻量化要求提高，对这些动力传 输部所使用的机械结构部件施加的负荷有越发增大的倾向。因此，不仅是SCr、SCM、SNCM等 各种表面硬化钢实施了表面硬化处理的部件，即使形成固体润滑皮膜，仍难以达到所要求 的耐点蚀性。
[0004] 可是，从近年来减小环境负荷的角度出发，在生产量正在扩大的电动汽车中，为了 使电机的旋转直接传达到减速齿轮，相比汽油车而言，这些部件被曝露在高旋转下。另外， 因为所使用的润滑油其使用环境中的动粘度比汽油车低，所以在这些构成动力传输部的钢 部件的表面所形成的油膜薄，由于这种情况，导致处于几乎未形成油膜的地方也局部性地 发生的环境下。特别是随着高旋转/高滑动，油温也上升，润滑油的动粘度容易降低，发生 油膜缺失的部位越发增加。因此，在这些环境下，钢部件彼此因金属接触而造成的磨耗容易 发生，另外发生由于摩擦热引起的温度上升，也容易发生钢部件的软化，因此存在容易早期 地发生卡咬这样的问题。
[0005] 在上述这样的环境下使用的钢构件的相关技术，迄今为此也提出了各种。例如， 在专利文献1中，公开有一种耐高表面压力部件，其由以下的钢材构成，该部件表面的转 动部位的碳浓度为0. 8?1. 2%，该钢材含有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%，并含有选自 Ni :0? 50 ?3. 50%、 Ti :0. 03?0. 20%、Nb :0. 03?0. 15%和Al :0. 01?0. 10%中的至少一种以上的元素 ，P 在0. 010%以下，余量是Fe和不可避免的杂质。
[0006] 但是在该技术中，是以渗碳或氮碳共渗处理确保碳浓度，而没有进行氮化处理，因 此表层氮量还不足1%。由此，若在卡咬容易发生的环境下使用，则不能确保良好的耐咬合 性。
[0007] 在专利文献2中，公开有一种疲劳强度、特别是表面疲劳强度优异的机械结构用 部件的制造方法，其特征在于，以如下钢为原材，即分别含有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和不可避免的杂质构成，该杂 质中的P和〇分别抑制在0.02%以下、0.002%以下，将该原材成形为规定的部件形状后，进 行氮化处理或软氮化处理，接着进行高频淬火处理，由此使氮从表面扩散，从而形成在距最 表面至少0. 2mm的深度位置使氮浓度含有0. 05%以上的表面硬化层。
[0008] 但是在该技术中，因为存在使表面氮扩散的处理，所以不能高高地保持表层氮浓 度，另外部件表层也没有分散碳化物，因此在高滑动环境下不能发挥良好的耐咬合性。
[0009] 另一方面，在专利文献3中，公开有一种缝纫机的釜的制造方法，其特征在于，对 于碳表面硬化钢和铬钥表面硬化钢等表面硬化钢进行渗碳淬火、回火，进一步实施软氮化 处理。但是在该技术中，只是进行通常的渗碳处理，碳化物没有分散存在于在部件表层，在 高滑动环境下不能发挥良好的耐咬合性。
[0010] 现有技术文献
[0011] 专利文献
[0012] 专利文献1 :日本特开2005-68453号公报
[0013] 专利文献2 :日本特开平06-172961号公报
[0014] 专利文献3 :日本特开昭62-211094号公报
【发明内容】
[0015] 发明所要解决的课题
[0016] 本发明是为了解决这样的现有技术中的课题而形成的，其目的在于，提供一种在 高旋转/高滑动且使用低动粘度的润滑油的动力传输部发挥着优异的耐咬合性，作为电动 汽车电机用有用的齿轮。
[0017] 用于解决课题的手段
[0018] 能够解决上述课题的本发明的齿轮在以下方面具有要旨，分别含有C :0. 15? 0.45% (表示"质量％"，对于化学成分组成以下均同）、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 铁和不可避免的杂质构成，并在表层部具有存在回火马氏体和回火贝氏体中的至少一种的 组织、以及以面积率计为1?10%的残留奥氏体，并且碳化物以面积率计析出5%以上的钢 材组织，并且距表面20 ii m深度的氮浓度为2. 0?6. 0%。
[0019] 在本发明的齿轮中，根据需要，还含有如下成分也是有效的：(a)Mo :0.5 %以下 (不含0%);〇3)选自￥:0.2%以下（不含0%)、!1:0.1%以下（不含0%)和吣 ：0.2% 以下（不含〇%)中的一种以上；（c)B :0.01 %以下（不含0% ) ;(d)选自Cu :5%以下（不 含0%)和Ni :5%以下（不含0%)中的一种以上，根据所含有的成分，齿轮的特性得到进 一步改善。
[0020] 在本发明的齿轮中，在距表面20 ii m深度的表层部存在氮化铁的浓度为80质量％ 以上的氮化层，该氮化层的氮化铁中的Fe4N的比例为20质量％以上也是优选的要件。另 外在本发明的齿轮中，也包含在表面形成有润滑皮膜的齿轮。本发明的齿轮作为电动汽车 电机用的齿轮是有用的。
[0021] 发明效果
[0022] 在本发明中，因为适当地调整了化学成分组成，并且一边规定量确保碳化物面积 率和残留奥氏体，一边使表层部的组织为回火马氏体和回火贝氏体中的至少一种的组织， 并且使距表面20 y m深度中的氮浓度为2. 0?6. 0%，由于以此方式，所以在高旋转/高滑 动且使用低动粘度的润滑油的动力传输部发挥出更优异的耐咬合性，这样的齿轮作为电动 汽车电机用极其有用。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是表示实施例中采用的各种高浓度渗碳处理（渗碳过程和碳化物析出过程） 模式的示意图。
[0024] 图2是用于滚轴点蚀试验的试验片的示意说明图。
【具体实施方式】
[0025] 本发明的耐咬合性优异的齿轮，以如下等方面为特征：（i)距齿轮表面20 深度 的氮浓度为2. 0?6. 0% ; (ii)表层部的碳化物的面积率为5%以上；（iii)表层部的残留 奥氏体的面积率为1?10%。
[0026] 主要以汽油车为对象发生的点蚀损伤被认为是由于油膜缺失造成齿轮间的金属 彼此接触而导致摩擦热发生，齿轮发生热软化。于是，为了实现耐点蚀性优异的齿轮部件， 提高部件自身的表面、内部强度，或提高回火软化阻抗是有效的，通过高强度化改善耐点蚀 性。但是，在电动汽车电机用齿轮中，与现有的汽油车比较，齿面间的滑动速度达到其数倍 以上，损伤机理变化成卡咬，因此在使部件自身的表面、内部强度、或回火软化阻抗提高的 延伸中，并不能找出耐咬合性的改善方针。
[0027] 本发明人详细地研究了滑动速度极高的区域中的卡咬发生机理。其结果表明，在 高温、高压、高滑动环境下，因发生磨耗造成的原子间键合，即粘附磨耗是支配性的。于是， 进一步进行研究的结果发现，为了使得在容易发生粘附磨耗的环境下也难以出现原子间键 合，有效的是提高齿轮表层部的N含量（氮浓度），另外有效的是，相比于与各种添加元素化 合的氮化合物，使铁氮化物大量形成，并且适当地控制铁氮化物的组成。而且发现，使碳化 物分散在部件的滑动部（表层）也有效，利用这些协同效果，能够使耐咬合性显著提高，从 而完成了本发明。
[0028] 本发明的耐咬合性改善的推定机理被认为如下。即，以上述（i)的方式控制表层 部的N含量（氮浓度），能够在热力学上将N控制为稳定的铁氮化物组成，在金属接触部分 也能够抑制原子间键合。另外，以（ii)的方式控制表层部的碳化物量，与铁氮化物的效果 一样，借助碳化物的化学的稳定性，能够利用其存在抑制粘附磨耗。
[0029] 但是，上述的效果在（i)或（ii)任意一项单独采用时，并不能显现耐咬合性的显 著提高，利用（i)和（ii)的协同效果之后，才能够实现耐咬合性优异的齿轮。另外在本发 明中，以上述的（iii)的方式，规定残留奥氏体量，通过利用残留奥氏体的加工诱发相变， 能够抑制重复负荷冲击载荷时的龟裂发生和进展。即，通过满足上述（i)?（iii)的要件， 能够得到不仅耐咬合性优异，而且低循环疲劳特性也优异的齿轮。规定这些要件带来的具 体的作用效果如下所述。
[0030] [ (i)的要件]
[0031] 为了改善作为齿轮的耐咬合性，需要控制距表面20 深度位置的氮浓度，使之 为2. 0?6. 0%。若这部分的氮浓度低于2. 0%，则容易发生金属接触造成的原子间键合， 将会发生粘附磨耗。另一方面，若氮浓度超过6. 0%，则表层邻域的氮化物的原子结构发生 变化，因此粘附磨耗反而容易发生。该氮浓度的优选的下限为3. 2%以上（更优选为3. 5% 以上），优选的上限为5. 8%以下（更优选为5. 5%以下）。
[0032] [(ii)的要件]
[0033] 通过在齿轮表层部使碳化物大量析出，在高滑动环境下，能够使耐咬合性提高。另 外存在于表层部的碳化物还具有的作用是，援助通过渗氮而使氮在表层部显著稠化。为此， 需要表层部的碳化物的面积率为5%以上。碳化物的面积率不足5%时，不仅在表层部邻域 的氮的稠化不充分，而且来自碳化物自身的耐咬合性改善效果也不足，因此得不到规定的 耐咬合性。该碳化物的面积率优选为6%以上，更优选为7%以上。
[0034] [(iii)的要件]
[0035] 通过残留奥氏体发生加工诱发相变，能够抑制负荷重复冲击载荷时的龟裂发生和 进展。为此需要在钢中以面积率计存在1%以上的残留奥氏体。但是，若残留奥氏体的面积 率存在超过10%，则使齿轮部件软化，容易发生粘附磨耗。残留奥氏体的面积率的优选的下 限为2%以上（更优选为3%以上），优选的上限为9%以下（更优选为8%以下）。
[0036] 本发明中规定的组织如上所述，作为余量的基质组织实质上是回火马氏体或回火 贝氏体，或是它们的复合组织（由回火马氏体和回火贝氏体构成的组织）。但是，在氮化处 理后，有在钢中形成此基质组织以外的组织的情况，例如铁素体、珠光体、贝氏体铁素体和 淬火态马氏体、淬火态贝氏体等组织。这些组织造成齿轮的特性偏差，给耐咬合性带来不利 影响，最好尽力不生成。但是，只要铁素体、珠光体、贝氏体铁素体、淬火态马氏体和淬火态 贝氏体等组织以面积率计按5%以下的比例存在时，便不会对本发明的作用造成不利影响， 可以允许。
[0037] 在本发明的齿轮中，为了发挥作为最终制品（齿轮部件）的特性，还需要适当调整 其化学成分组成。其化学成分组成的各成分（元素）的范围限定理由如下。
[0038] [C :0? 15 ?0? 45% ]
[0039] C是确保作为机械结构用钢部件的芯部硬度所需要的兀素，若C含量低于0. 15%， 则芯部硬度不足，作为机械结构用钢部件而强度不足。但是，若C含量过剩，则渗碳时的碳 渗入量减少，不仅碳化物的析出量变少，而且芯部硬度过高，也使冷锻加工性和被削性劣 化，因此需要抑制在〇. 45%以下。C含量的优选的下限为0. 18%以上（更优选为0. 20%以 上），优选的上限为〇. 40%以下（更优选为0. 35%以下）。
[0040] [Si :0? 05 ?1. 0% ]
[0041] Si发挥着提高回火软化阻抗，抑制硬度降低的效果。为了发挥这样的效果，需要 含有0. 05%以上。但是，若Si含量过剩，则使冷锻时的金属模具寿命降低，并且也使被削 性劣化，因此需要为1.0%以下。Si含量的优选的下限为0. 10%以上（更优选为0. 15%以 上），优选的上限为〇. 8%以下（更优选为0. 5 %以下）。
[0042] [Mn :1. 0 ?2. 0% ]
[0043] Mn具有使基体的固溶强化和淬火性提高，并且使残留奥氏体容易生成的效果。为 了发挥这些效果，需要含有1.0%以上。但是，若Mn含量过剩，则作为低级氧化物的MnO浓 度上升，除了使疲劳特性恶化以外，加工性和被削性也显著降低，因此需要为2. 0%以下。Mn 含量的优选的下限为1. 1%以上（更优选为1.2%以上），优选的上限为1.8%以下（更优 选为1.7%以下）。
[0044] [P :0.05% 以下]
[0045] P在结晶晶界偏析而缩短疲劳寿命，因此需要尽可能减少。特别是若其含量超过 0.05%，则疲劳寿命的降低明显。由此，P含量为0.05%以下。P含量优选为0.045%以下， 更优选为0.040%以下。
[0046] [S :0.05% 以下]
[0047] S是形成硫化物的元素，若其含量超过0. 05%，则生成粗大的硫化物，因此缩短疲 劳寿命。因此，S的含量为0.05%以下。S含量优选为0.045%以下，更优选为0.040%以 下。
[0048] [Cr :0.9 ?2%]
[0049] Cr通过提高淬火性和形成稳定的碳化物，对于强度的提高和使耐咬合性提高有效 地发挥作用。为了发挥这样的效果，需要使Cr含有0.9%以上。但是，若Cr的含量过剩， 则碳化物粗大化，使疲劳特性和切削性降低，因此其含量需要为2%以下。Cr含量的优选的 下限为1. 1%以上（更优选为1.2%以上），优选的上限为1.9%以下（更优选为1.8%以 下）。
[0050] [Al :0? 01 ?0? 1% ]
[0051] Al作为脱氧剂起作用，发挥着减少氧化物系夹杂物量而提高钢材的内部品质的作 用，优选适量添加。从这一观点出发，Al含量为0.01%以上。但是，若Al含量过剩，则生成 粗大且硬的夹杂物（Al 2O3),使疲劳特性降低，因此需要为0.1 %以下。Al含量的优选的下 限为0? 015%以上（更优选为0? 020%以上），优选的上限为0? 08%以下（更优选为0? 06% 以下）。
[0052] [N :0.02% 以下]
[0053] N与Al结合而形成A1N，也具有使晶粒直径微细化的效果，但另一方面，若N含量 过多，则乳制时容易发生裂纹，因此需要限制在〇. 02%以下。N含量优选为0. 018%以下，更 优选为0.016%以下。
[0054] 本发明的齿轮的基本成分如上所述，余量是铁和不可避的杂质（例如，Sb、Mg等）。 在本发明的齿轮中，根据需要，也可以含有如下元素：(a)Mo :0.5%以下（不含0%) ;(b)选 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 的一种以上；（c)B :0.01 %以下（不含0% ) ;(d)选自Cu :5%以下（不含0% )和Ni :5% 以下（不含〇%)中的一种以上等，根据所含有的元素的种类，齿轮的特性得到进一步改善。 这些元素的优选的范围设定理由如下所述。
[0055] [Mo :0? 5% 以下（不含 0% )]
[0056] Mo拥有使淬火时的淬火性显著提高的效果，除此之外，对于提高冲击强度也是有 效的元素。但是，若Mo含量过剩，则原材硬度变高，因此被削性不良，此外因为其是昂贵的 元素，所以成为成本上升的要因，由此优选为〇. 5%以下。更优选为0. 45%以下，进一步优 选为0. 40 %以下。还有，为了有效地发挥Mo的效果，优选含有0. 05 %以上，更优选为0. 07 % 以上（进一步优选为〇. 10%以上）。
[0057] [选自￥:0.2%以下（不含0%)、！1:0.1%以下（不含0%)和恥：0.2%以下 (不含0%)中的一种以上]
[0058] V、Ti和Nb是使齿轮的表面硬度提高，从而对于提高耐咬合性有效的元素。其详 细的作用效果如下。
[0059] V与软氮化带来的侵入N和侵入C结合，在表面层析出微细的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 量过剩而超过〇. 2%，则V碳/氮化物容易粗大化，使表面硬度降低，并且使疲劳强度劣化。 更优选为〇. 19%以下，进一步优选为0. 18%以下。还有，为了有效地发挥V带来的效果，优 选含有0. 05%以上，更优选为0. 06 %以上（进一步优选为0. 07 %以上）。
[0060] Ti与软氮化带来的侵入N和侵入C结合，在表面层析出微细的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 含量过剩而超过0. 1 %，则Ti碳/氮化物容易粗大化，使表面硬度降低，并且使疲劳强度劣 化。更优选为0.09%以下，进一步优选为0.08%以下。还有，为了有效地发挥Ti带来的效 果，优选含有0.03%以上，更优选为0.04%以上（进一步优选为0.05%以上）。
[0061] Nb与软氮化带来的侵入N和侵入C结合，在表面层析出微细的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 含量过剩而超过0. 2%，则Nb碳/氮化物容易粗大化，使表面硬度降低，并且使疲劳强度劣 化。更优选为0.19%以下，进一步优选为0.18%以下。还有，为了有效地发挥Nb带来的效 果，优选含有〇. 05%以上，更优选为0. 06%以上（进一步优选为0. 07%以上）。
[0062] [B :0? 01% 以下（不含 0% )]
[0063] B不仅具有使淬火性显著提高的效果，而且对于冲击强度的提高也有效。但是，若 B含量过剩，则B化合物过剩地析出而使晶界强度降低，因此疲劳强度劣化。从这一观点出 发，优选为0.01 %以下。更优选为0.007%以下，进一步优选为0.004%以下。
[0064] [选自Cu :5%以下（不含0% )和Ni :5%以下（不含0% )中的一种以上]
[0065] Cu在钢中固溶，使表层和内部硬度提高，对于提高耐咬合性有效地发挥作用。另 外在氮化处理时微细地析出，发挥着使钢材硬化的作用。但是，若Cu含量过剩，则使钢材脆 化，因此Cu含量优选为5%以下。更优选为4%以下，进一步优选为3%以下。
[0066] Ni具有使钢材固溶强化的作用。另外，与Cu复合添加，能够进一步发挥Cu的析出 硬化作用。但是，若Ni含量过剩，则其效果饱和，因此Ni含量优选为5%以下。更优选为 4%以下，进一步优选为3%以下。
[0067] 本发明的齿轮是通过以下方式制造的，使用上述这样的化学成分组成的钢材，根 据需要实施退火等热处理后，加工成规定的齿轮形状，进行高浓度渗碳淬火、回火，其后实 施氮化处理。在此制造工序中，直至加工成齿轮形状为止，采用通常所用的方法即可，齿轮 加工也是通过热锻、冷锻、温锻等各种锻造/镦锻、滚压或切削、磨削、以及这些方法的组合 而制造。
[0068] 高浓度渗碳淬火是以碳化物的析出为目的而实施的重要工序，其内容分为渗碳工 序和碳化物析出工序。对于上述的化学成分组成的钢材实施规定的高浓度渗碳淬火处理， 由此得到规定的组织形态。回火出于防止延迟裂纹的观点而进行，但淬火后立即进行氮化 处理时，也可以省略。回火处理如果在例如100?300°C的温度范围进行1?180分钟左 右，则能够防止延迟裂纹。
[0069] 其后进行的氮化处理也是重要的工序，对于通过上述的化学成分组成和高浓度渗 碳，而对在表层部具有分散有碳化物的组织的钢材实施氮化处理，由此能够成为规定的组 织形态，能够改善耐咬合性。该氮化处理可以应用公知的任意一种方法，例如，可列举气体 氮化、气体软氮化、盐浴氮化、盐浴氮碳共渗化、离子氮化、等离子体氮化、扩散渗氮处理、气 体氮碳共渗化等。还有，在本发明中，作为氮化处理的一例，应用等离子体软氮化处理和等 离子体氮化处理。等离子体软氮化处理是通过在氮-氢-碳混合气体（C混合气体）中进 行辉光放电而进行氮化处理，等离子体氮化处理是通过在氮-氢混合气体中进行发生辉光 放电而进行氮化处理。需要机械加工等精加工时，可以在氮化处理前进行，在不对氮化层造 成影响的范围内，也可以在氮化处理后进行。
[0070] 在进行了上述这样的氮化处理的齿轮中，在距表面20 深度的表层部存在氮化 铁（铁氮化物）的浓度为80质量％以上的氮化层，该氮化层优选氮化铁中的Fe4N的比例为 20质量％以上。通过满足这样的要件，耐咬合性进一步提高。可以认为这一效果得到发挥 的理由如下。
[0071] 粘附磨耗由于金属接触造成的原子间键合而发生，但通过增加氮化铁的比例，原 子间键合难以发生，能够抑制粘附磨耗。另外，通过氮化处理而在表层生成的氮化铁虽然有 Fe2 ~3N、Fe4N等种类，但其中最难以发生粘附磨耗的是Fe4N,因此通过增加 Fe4N的比例，耐 咬合性进一步提高。氮化层中的氮化铁（铁氮化物）的浓度更优选为85质量％以上，进一 步优选为90质量％以上。另外氮化铁中的Fe 4N的比例更优选为25质量％以上，进一步优 选为30质量％以上。
[0072] 在本发明的钢材成分中，Cr、Al和Mo是容易与氮结合的元素。若这些元素的含量 变多，则氮的扩散速度变慢，Fe 2~3N的量变多。通过适量添加这些元素（Cr为1. 3%以下，优 选为1. 2%以下，Al为0. 040 %以下，优选为0. 030%以下，Mo为0. 30%以下，优选为0. 20% 以下），表层部成为Fe4N多的氮化层，能够防止粘附磨耗（例如，参照后述实施例2的试验 No. 28 ?30)。
[0073] 另外若进行软氮化处理，则表层部的氮浓度变高，与氮化处理相比，变得容易形成 Fe2~3N。为了增加 Fe4N的比例，适合的是进行氮化处理（参照后述实施例2的试验No.24 和25)。通过提高氮化温度（550?630°C左右，优选为560?60(TC左右），氮适度扩散， Fe4N的比例增加（参照后述实施例2的试验No. 24和26)。
[0074] 在氮化处理条件的气体分率中，若增多N2分率，则Fe2~ 3N变多，若减少，则Fe4^f 力口。为了确保优选的氮化铁量和Fe4N量，优选调整到适当的N2分率（35?55%左右，优选 为40?45 %左右）（参照后述实施例2的试验No. 24和27)。
[0075] 在本发明的齿轮中，为了使耐咬合性提高，在齿轮表面形成润滑皮膜也有效。润滑 皮膜处理能够抑制金属接触，抑制温度上升，并且抑制粘附磨耗的发生。对于润滑皮膜处理 而言，可代表性地例示例如铜、锌、铅等软质金属；氧化铅等金属氧化物；二硫化钥、二硫化 钨等硫化物；氟化物；氮化物；石墨；磷酸锰等，其处理的种类、处理方法采用通常的方法。
[0076] 以下，详细地说明用于制作出齿轮的组织的高浓度渗碳条件（渗碳条件、碳化物 析出条件）和氮化条件。
[0077][高浓度渗碳条件]
[0078] 1 ?渗碳条件
[0079] (1)加热温度（渗碳温度）：900?980°C
[0080] 为了对钢部件实施充分的渗碳，优选渗碳温度为900°C以上，在低于此温度时，渗 碳所需的时间变长，生产率降低，因此不优选。更优选为910°C以上，进一步优选为920°C以 上。另一方面，渗碳温度过高，晶粒也会粗大化，钢部件的韧性劣化，因此渗碳温度优选为 980°C以下。更优选为970°C以下，进一步优选为950°C以下。该渗碳温度下的保持时间（渗 碳时间）没有特别限定，是能够得到期望的渗碳层深度的时间即可，但从成本方面考虑，最 好在1小时以上且10小时以下的范围内适当设定。
[0081] (2)加热气氛：Cp (碳势）0? 9?1. 5%
[0082] 加热气氛以Cp为0. 9%以上且1. 5%以下的方式进行控制。若该工序中的Cp过 低，则钢部件表层的碳浓度变低，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，结果是难以确保规定的耐咬合性。另一方面，Cp的上限没有特别是限定，但若过高，则 被称为"烟灰（sooting)"的"碳黑"附着在钢部件表面而阻碍渗碳，因此优选为1.5%以下。 Cp的更优选的下限为0. 95%以上（进一步优选为1. 0%以上），更优选的上限为1. 3%以下 (进一步优选为1.2%以下）。
[0083] 还有，所述Cp的测定可以通过O2传感器法、利用红外线分析仪的CO2法、露点测定 法、使用了铁丝的碳质电位器等通常所采用的方法进行测定，特别是将被称为Cp线圈的铁 线放置在炉内气氛中，使用该Cp线圈通过红外线吸收法等进行定量分析的方法在测定精 度方面最优。
[0084] (3)平均冷却速度：10°C /分钟?4200°C /分钟
[0085] 以所述渗碳温度保持一定时间后，优选以平均冷却速度KTC /分钟以上进行冷 却。其理由在于，为了在作为下道工序的碳化物析出工序中析出微细的碳化物，以所述渗碳 温度保持一定时间后，必须使渗入的碳不析出而以过饱和固溶的状态暂时冷却至Ar 1相变 点以下，平均冷却速度低于KTC /分钟时，处于过饱和状态的碳扩散到结晶晶界的时间充 裕，析出时碳化物呈网眼状析出，各种强度降低。平均冷却速度的上限没有特别是限定，但 过于急速地冷却，钢部件也会容易产生变形和裂纹，因此优选在4200°C /分钟以下。该平均 冷却速度的更优选的下限为13°C /分钟以上（进一步优选为15°C /分钟以上），更优选的 上限为3600°C /分钟以下（进一步优选为3000°C /分钟以下）。
[0086] 2?碳化物析出条件
[0087] 如前所述，从经由上述渗碳工序过饱和地固溶有碳的渗碳层内，使微细的碳化物 析出，由此能够提高齿轮部件的耐咬合性。接下来，对于碳化物析出条件进行详述。
[0088] (1)加热温度：800 ?860°C
[0089] 碳化物析出优选在800°C以上且860°C以下的温度范围内进行。若加热温度超过 860°C，则碳量的固溶限度变大，析出的碳化物量减少。另一方面，若加热温度低于800°C，则 析出的碳化物过于微细化，对于耐咬合性提高的帮助变小。该加热温度的更优选的下限为 820°C以上（进一步优选为830°C以上），更优选的上限为855°C以下（进一步优选为850°C 以下）。
[0090] (2)加热气氛：Cp (碳势）0? 7?I. 1 %
[0091] 在碳化物析出工序中，优选在Cp为0. 7%以上且I. 1 %以下的气氛中进行碳化物 的析出。若Cp低于0.7%，则在所述加热温度保持中发生脱碳，析出的碳化物量减少。另一 方面，若Cp超过1. 1 %，则在所述加热温度保持中渗碳进行，碳化物粗大化、点蚀等各种强 度降低，因此不优选。Cp的更优选的下限为0. 72%以上（进一步优选为0. 75 %以上），更 优选的上限为I. 05%以下（进一步优选为1.0%以下）。还有，所述Cp可以用前述的方法 测定。
[0092][氮化条件]
[0093] (1)氮化处理温度：350?650°C
[0094] 在本发明中，通过在氮化处理中使规定量的碳化物析出，并且促进N向钢材的扩 散，控制成为原子间键合难以发生的铁氮化物组成，由此可以得到优异的耐咬合性。之所以 使处理温度的下限为350°C，是因为在氮化处理温度过低时，N的扩散速度降低，处理时间 长时间化。另外，之所以使上限为650°C，是由于氮化处理温度过高时，虽然在用于促进N 的扩散上有效，但母相基体的回火过度进行，内部硬度降低，从而得不到作为齿轮部件的特 性。因此，通过使氮化温度处于350?650°C的范围，能够满足作为齿轮部件的诸特性，并且 在电动汽车电机等的高滑动环境下也能够发挥出优异的耐咬合性。氮化温度的更优选的下 限为400°C以上（进一步优选为450°C以上），更优选的上限为630°C以下（进一步优选为 600°C 以下）。
[0095] (2)氮化处理时间：3?30小时
[0096] 氮化处理时间（氮化处理时的保持时间）是用于使N向钢中扩散，形成铁氮化物 所需要的时间。通常温度与时间联动而决定N的扩散量、铁氮化物量，但在本发明中，以温 度、时间分别设定用于稳定获得规定的组织的范围。通过使氮化时间为3?30小时，能够 得到期望的组织，在电动汽车电机等的高滑动环境下也能够发挥优异的耐咬合性。该氮化 时间为低于3小时的短时间时，不能得到充分的铁氮化物，若为了通过低于3小时来达到期 望的组织而过度升高温度，则有母相基体软质化的弊端。另一方面，若氮化时间超过30小 时，则母相基体也会软质化，若要为了对此加以防止而以低温处理，则N无法充分地渗入钢 中，存在不能生成充分的铁氮化物的弊端。
[0097] (3)氮化处理气氛：氮气浓度30?80%
[0098] 对于氮化处理气氛中的氮气浓度（N2分率）而言，能够使N扩散到钢中，控制成为 原子间键合难以发生的铁氮化物组成，从而得到优异的耐咬合性。气氛中的N 2分率低于 30%时，不能使钢中充分含有N，得不到期望的齿轮特性。另一方面，若N2分率超过80%， 钢中的N的含量过度增加，则组成再度向容易发生原子间键合的铁氮化物变化，因此不能 改善耐咬合性。该N 2分率的更优选的下限为35%以上（进一步优选为40%以上），更优选 的上限为75%以下（进一步优选为70%以下）。
[0099] 本申请基于2012年3月30日申请的日本国专利申请第2012-082613号主张优先 权的利益。2012年3月30日申请的日本国专利申请第2012-082613号的说明书的全内容， 在本申请用于参考并援引。
[0100] 实施例
[0101] 以下，列举实施例更具体地说明本发明，但本发明当然不受下述实施例的限制，在 能够符合前、后述的主旨的范围内当然也可以适当加以变更而实施，这些均包含在本发明 的技术范围内。
[0102] (实施例1)
[0103] 用小型炉熔炼下述表1、2所示的各种化学成分组成的钢材（钢种V相当于JIS SCM420的钢），热锻后进行固溶处理和正火处理，接着，通过机械加工，粗加工成直径： 26mmX长度：130mm的滚轴点蚀试验片的形状。对于粗加工后的试验片，以图1所示的各种 模式[图1(a)?（f)]，进行高浓度渗碳处理（渗碳和碳化物析出处理）。
[0104]【表1】
[0105]
【权利要求】
1. 一种耐咬合性优异的齿轮，其特征在于，以质量％计分别含有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，余量由铁和不可避免的杂质构成，并在表层部具有存在回 火马氏体和回火贝氏体中的至少一种的组织、以及以面积率计为1?10%的残留奥氏体， 并且碳化物以面积率计析出5%以上的钢材组织，并且距表面20 y m深度的氮浓度为2. 0? 6. 0%。
2. 根据权利要求1所述的齿轮，其中，以质量％计还含有Mo :0. 5%以下且不含0%。
3. 根据权利要求1所述的齿轮，其中，以质量％计还含有选自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%中的一种以上。
4. 根据权利要求1所述的齿轮，其中，以质量％计还含有B :0.01%以下且不含0%。
5. 根据权利要求1所述的齿轮，其中，以质量％计还含有选自Cu :5%以下且不含0% 和Ni :5 %以下且不含0 %中的一种以上。
6. 根据权利要求1所述的齿轮，其中，在距表面20 y m深度的表层部存在氮化铁的浓度 为80质量％以上的氮化层，该氮化层的氮化铁中的Fe4N的比例为20质量％以上。
7. 根据权利要求1所述的齿轮，其中，在表面形成有润滑皮膜。
8. 根据权利要求1所述的齿轮，其中，是电动汽车电机用。
【文档编号】C23C8/54GK104220621SQ201380017469
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年3月29日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】永松清佳, 新堂阳介 申请人:株式会社神户制钢所