(実施例1)
 本発明の実施例に係る鋼部材の製造方法に� ��き、図を用いて説明する。
 本例では、自動変速機の部品として用いら� ��るリング状の鋼部材8(リングギヤ)について� ��本発明の製造方法(本発明方法)および比較� �ための従来の製造方法(比較方法)を実施して 、表面硬度特性、歪み発生状況等を評価した 。本例において処理する鋼部材8は、図8(図3� �図8を模式図的に示したもの)に示すごとく、 リング状の本体部80の内周面に歯形部81を備� �たものであり、歯形部81の硬度が高く、また 真円度が非常に重要な部品である。

 まず、図1に示すごとく、本発明方法にお けるヒートパターンAと、比較方法における� �ートパターンBとを比較する。同図は、横軸� ��時間を、縦軸に温度を取り、熱処理中にお� ��る鋼部材の温度をヒートパターンA、Bとし� �示したものである。

 本発明方法は、同図のヒートパターンAよ り知られるように、浸炭温度である950℃まで 加熱した後、その温度で49分間保持して減圧� ��炭工程a1を行い、その後、40分かけて150℃以 下の温度まで減圧徐冷する減圧徐冷工程a2を� ��い、その後、再度焼入れ温度である950℃ま� ��高周波加熱により急速加熱した後水焼入れ� ��る高周波焼き入れ工程a3を行うというもの� �ある。

 一方、比較方法は、同図のヒートパター� ��Bより知られるように、浸炭温度である950℃ まで加熱した後、その温度で220分間保持して 通常の浸炭工程b1を行い、その後焼入れ温度� ��ある850℃に保持した後、油焼入れする焼入� ��工程b2を行うというものである。また、比� �方法では、油焼入れ時に付着した冷却剤(油) を洗い落とす後洗工程b3と焼入硬化層の靱性� ��保も目的とした焼き戻し工程b4を行うが、� �の際にも若干の昇温を行う。なお、後述す� �歪み評価、強度評価、および残留応力評価� �おいては、この焼き戻し工程b4を行った後の 状態で行った。

 これらの処理内容をより詳細に説明する前� ��、本発明方法を実施するための熱処理設備5 と、比較方法を実施するための浸炭焼入れ設 備9について、簡単に説明する。
 図2(a)に示すごとく、本発明方法を実施する ための熱処理設備5は、浸炭焼入れ処理前に� �部材を洗浄するための前洗槽51と、加熱室521 、減圧浸炭室522、および減圧徐冷室523を備え た減圧浸炭徐冷装置52と、高周波焼き入れ機5 3と、欠陥を検査するための磁気探傷装置54と を備えたものである。

 図2(b)に示すごとく、比較方法を実施する ための浸炭焼入れ設備9は、浸炭焼入れ処理� �に鋼部材を洗浄するための前洗槽91と、加熱 ・浸炭・拡散を行うための浸炭炉921および焼 入れ油槽922とを備えた長大な浸炭炉92と、浸� ��焼入れ処理後に鋼部材を洗浄するための後� ��槽93と、焼き戻し処理を行うための焼き戻� �炉94とを備えたものである。

 次に、上記各設備を用いて、それぞれ上記� ��部材8の浸炭焼入れ処理を行い、強度特性、 歪み発生状況、および残留応力発生状況につ いての比較を行った。
 本発明方法では、上述したごとく、図1のヒ ートパターンAにも示すように、鋼部材を減� �下の浸炭ガス中において浸炭処理する減圧� �炭工程a1と、該減圧浸炭工程を終えた上記鋼 部材を、冷却ガス中において冷却するに当た り、該冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した 状態で冷却する減圧徐冷工程a2と、冷却され� ��上記鋼部材の所望部分を高周波加熱した後� ��水焼入れする高周波焼き入れ工程a3とを行� �た。

 上記減圧浸炭工程a1は、炭化水素系の上記� �炭ガス中に上記鋼部材を保持し該鋼部材の� �面に炭素を侵入させる浸炭期と、炭素を上� �鋼部材の内部へ拡散させる拡散期を有する� �のであるが、本例では、これら両方の処理(� ��炭処理および拡散処理)としてオーステナイ ト化温度以上の温度である950℃に49分間保持� ��る処理を行った。その際の浸炭室の真空度� ��1hPa、浸炭ガスの種類はアセチレンという条 件とした。つまり、浸炭期も拡散期も上記の ごとく減圧して行い、浸炭期はアセチレンを 浸炭室内に投入し、拡散期はアセチレンの投 入を停止して減圧のみを行った。温度は上記 のごとく浸炭期と拡散期を通して一定とした 。ここで、特に注目すべき点は、鋼部材8が� �ングギヤであって、その形状に起因して浸� �処理時に侵入した炭素の拡散速度が異なる� �1部位(炭素容易拡散部位)と第2部位(炭素難拡 散部位)とを有し、第1部位は、歯底815及び歯� ��811であり、該第1部位よりも侵入した炭素の 拡散速度が遅い第2部位は、歯先角部813(歯面8 11と歯先812との間の角部)であるが、上記減圧 浸炭工程は、第1部位である歯底815の表面浸� �濃度が0.65±0.05質量%の範囲内となる条件で行 う点である。
 なお、上記歯底815と歯面811とは、後述する� ��10(a)、図10(b)からも知られるように、その断 面形状における表面の角度が180度に近く、確 実に130度以上の形状の部位である。

 上記減圧徐冷工程a2は、冷却ガスは窒素(N ₂ )、減圧状態は200hPa、冷却ガスの撹拌は有り� �減圧徐冷工程の期間は浸炭処理直後のオー� �テナイト化温度以上の温度からA1変態点より も低い150℃の温度となるまで、冷却速度は0.1 ~3.0℃/秒の範囲内、具体的には10℃/分(0.17℃/� ��)という条件とした。

 高周波焼き入れ工程a3は、高周波加熱に� �って鋼部材8の内周部である歯形部81を、オ� �ステナイト化温度以上の温度である950℃に� �熱し、その後、浸炭層においてマルテンサ� �ト変態する急冷臨界冷却速度以上の冷却速� �が容易に得られるように、水を吹き付けて� �焼入れするという条件で行った。この水焼� �れによる冷却速度は268℃/秒であった。上記� ��周波加熱による加熱は、鋼部材8を1個単位� �流して(運搬して)1個ずつ加熱処理し、加熱� �の冷却時には、鋼部材8を回転させながら、� ��囲から冷却水を上記鋼部材8に向かって噴射 して1個ずつ冷却して、歪みの発生を最も抑� �られる方法をとった。

 比較方法では、図1のヒートパターンBか� �も知られるように、浸炭温度である950℃ま� �加熱した後、その温度で220分間保持して通� �の浸炭工程b1を行い、その後焼入れ温度であ る850℃に保持した後、油焼入れする焼入れ工 程b2を行うというものである。ここで、比較� ��法における浸炭処理は、カーボンポテンシ� ��ルを調整して、鋼部材8の表面全体の浸炭濃 度がほぼ0.8質量%となる条件で行った。なお� �比較例では、焼入れ工程b2後に後洗工程を実 施し、更に、後洗工程b3後に焼き戻し工程b4� �実施した。

 また、上記比較方法と本発明方法共に、� ��炭に適したSCM420(JIS)を素材として用いた。

 浸炭焼入れ処理を終えた鋼部材に対して� ��ギヤの歯底815(図3)部分の表面からの距離に� ��するビッカース硬さ(Hv)を測定し、これを強 度評価とした。測定結果を図4に示す。同図� �横軸に表面からの距離(mm)を、縦軸にビッカ� ��ス硬さ(Hv)をとったものである。そして、本 発明方法により処理した鋼部材の結果を符号 E1、比較方法により処理した鋼部材の結果を� ��号C1として示した。

 同図から知られるように、本発明方法(E1) の場合は、内部に行くにつれて比較方法(C1)� �場合よりも若干硬度が低くなるが、最表面� �はむしろ比較方法よりも高い硬度が得られ� �。これらの結果から、本発明方法を適用す� �ことにより、従来と同等以上の優れた熱処� �を施すことができることがわかる。特に、� �発明方法の場合には、歯底部815の浸炭濃度(0 .65±0.05質量%)を比較例の場合の浸炭濃度(0.8質 量%)よりも低く設定したが、十分な焼き入れ� ��能が得られたことがわかる。

 また、本発明方法で処理した鋼部材8の歯先 角部813の表面浸炭濃度を測定した結果、ほぼ 0.8質量%となっており、その硬度は歯底部815� �同等であった。これにより、本発明方法の� �圧浸炭工程の条件設定が非常に有効である� �とがわかる。
 この点を図7を用いて補足説明する。
 同図は、横軸に表面の浸炭濃度(炭素含有量 )を取り、縦軸に焼入れ後の表面硬度を取っ� �ものである。そして、同図には、本発明方� �の減圧浸炭工程での浸炭濃度と水焼き入れ� �の硬度との関係について実験によって求め� �結果を曲線Aとして、従来方法の浸炭工程の� ��合に浸炭濃度と油焼入れ後の硬度との関係� ��ついて実験によって求めた結果を曲線Bとし て示した。さらに、過剰浸炭により異常組織 が生じやすい領域S(炭素濃度0.85%以上)を示し� ��。

 また、同図には、従来方法の場合に浸炭濃� ��0.8質量%の浸炭処理条件を選択した場合に最 終的に到達する実際の浸炭濃度について、第 1部位(歯底815)については矢印b1の先端位置で� ��し、第2部位(歯先角部813)については矢印b2� �先端位置で示した。
 また、本発明方法の場合に、第1部位(歯底81 5)の浸炭濃度が0.8質量%となる浸炭処理条件を 選択した場合に最終的に到達する浸炭濃度に ついて、第1部位(歯底815)については矢印c1の� ��端位置で示し、第2部位(歯先角部813)につい� ��は矢印c2の先端位置で示した。
 さらに、本発明方法の場合に、第1部位(歯� �815)の浸炭濃度が0.60質量%となる条件を選択� �た場合に最終的に到達する浸炭濃度につい� �、第1部位(歯底815)については矢印a1の先端位 置で示し、第2部位(歯先角部813)については矢 印a2の先端位置で示した。

 同図より知られるごとく、従来方法の場� ��には、焼入れ後の硬度が、浸炭濃度が高い� ��ど高くなる。一方、過剰浸炭は問題がある� ��で、浸炭濃度をすべての部位において0.8質� ��%となるように設定することが望ましい。こ の点、従来方法の場合には、第1部位も第2部� ��もほぼ同等の浸炭濃度とすることができる� ��で、浸炭濃度の条件を0.8質量%に設定するこ とによって全体的に高硬度を得ることができ る。

 本発明方法の場合には、焼入れ後の硬度が� ��浸炭濃度0.6~0.8質量%の間ではほぼ同等であ� �。これは、上述した優れた焼き入れ工程を� �極的に採用した結果である。
 そして、第1部位(歯底815)の浸炭濃度が0.8質� ��%となるように減圧浸炭を行った場合(c1)に� �、第2部位(歯先角部813)の浸炭濃度(c2)が、過� ��浸炭領域Sに突入してしまう。
 これに対し、第1部位(歯底815)の浸炭濃度が0 .6質量%となるように減圧浸炭を行った場合(a1 )には、第2部位(歯先角部813)の浸炭濃度(a2)を0 .8質量%以下の範囲に抑えることができる。そ して、このように浸炭濃度に差があっても、 得られる硬度はほぼ同等に維持できることが わかる。

 また、本発明方法(E1)の場合には、従来と 同様の浸炭処理に適した材料を用いた場合に は、浸炭時間を大幅に短くした分だけ浸炭深 さが浅くなることによる強度低下が考えられ る。しかし、本例のように、適用材料の変更 と、水焼入れの採用によって、これらの強度 的な問題を解消することができた。また、内 部強度の従来品並までの向上は、素材の成分 改良によって解決できる可能性がある。

 次に、浸炭焼入れ処理を終えた鋼部材の寸� ��を測定することにより歪み発生量を比較し� ��。
 寸法の測定は、「BBD」と「BBDだ円」の2種類 を行った。「BBD」は、図3に示すごとく、歯� �81の谷部分に接触するように所定の直径の鋼 球88を配置し、対向する硬球88同士の内径寸� �を測定して得られた寸法である。そして、� �の測定を軸方向3箇所(同図(b)のa位置、b位置� ��びc位置)において、全周に対して行い、そ� �測定値の平均値(Ave)、最大値(Max)、最小値(Min )を求めた。
 次に、軸方向の各測定位置における上記「B BD」の最大値と最小値の差を「BBDだ円(μm)」� �して求めた。そして、上記と同様に、その� �定値の平均値(Ave)、最大値(Max)、最小値(Min)� �求めた。

 図5には、上記の「BBD」と「BBDだ円」の測定 結果を示す。同図左側の欄には、本発明方法 の結果として、減圧浸炭前、減圧浸炭+減圧� �冷後、高周波焼き入れ後の3つのタイミング� ��おける結果を示した。また、同図右側の欄� ��は、比較方法の結果として、浸炭焼入れ前� ��浸炭焼入れ後2つのタイミングにおける結果 を示した。また、各欄に示した表記は、左か ら図3(b)におけるa位置、b位置、c位置の3箇所� ��ついてそれぞれ最大値、最小値平均値をプ� ��ットして最大値と最小値を太線で縦に結ん� ��ものである。また、3箇所の位置の平均値は 細線により結んだ。
 同図より知られるごとく、本発明方法を採� ��すれば、焼入れ後においても歪み発生が抑� ��されることがわかる。また、その歪み発生� ��抑制効果は減圧浸炭後の減圧徐冷によって� ��でに得られていることもわかる。
 これに対し、比較例は、浸炭焼入れ処理に� ��って大きな歪みが発生していることがわか� ��。

 次に、浸炭焼入れ処理を終えた鋼部材の残� ��応力を測定し、比較した。測定結果を図6に 示す。同図は、横軸に歯底815の表面からの距 離をとり、縦軸に残留応力を、引張を+、圧� �を-としてとった。
 本発明方法(E1)の場合には、少なくとも最表 面から圧縮残留応力状態となっており、一方 、比較方法(C1)の場合には、最表面が引張残� �応力となっていることがわかる。最表面の� �留応力が引張応力である場合には、様々な� �題が生じるおそれがあるので、例えば熱処� �あるいは表面改質処理を行って引張残留応� �を緩和することが必要となる。したがって� �本発明の方法は、そのような残留応力を改� �するための処理を特に設ける必要がないと� �う効果も得られることがわかる。

 なお、本例の効果は、上記リングギヤに� ��らず、様々な歯車に本例の方法を適用した� ��合に得られる。また、ギヤに限らず、凹凸� ��状を有するものでも同様の効果が得られる� ��ギヤの例としては、図8に、上述したリング ギア8を示し、図9に、外歯のはす歯歯車802を� ��す。

 また、外歯歯車の場合の歯形部81を拡大� �て示したものが図10(a)である。同図に歯形部 81が、歯底815、歯面811、歯先812及び歯先角部8 13を有していることを示してある。図10(b)に� �、歯先角部813の断面形状における角度θを示 す。自動変速機用外歯歯車における歯先角部 の断面形状における表面の角度θは、商業的� ��製品化されているものを複数選択して測定� ��たところ、それぞれ、118.15度、125.7度、112.7 度、111.5度、124.8度、119.0度、113.7度であり、� ��べて110~126度の範囲に含まれておいる。した がって、通常の歯車の歯先角部813は第2部位(� ��素難拡散部位)である。一方、少なくとも、 歯底815、歯面811、歯先812は、上記角度が130度 を超える部位であって、第1部位(炭素容易拡� ��部位)である。

 図10(c)には、歯先角部813近傍の輪郭形状(� ��10(b)の断面形状に対応する)において、第1部 位(炭素容易拡散部位)816の領域と、第2部位(� �素難拡散部位)817の領域とをよりわかりやす� ��するために例示する。すなわち、第1部位816 は、その直線及び矢印816aによって示される� �囲であって、歯先角部813(図10(b))を含まず、� ��こから離れた部位である。一方、第2部位817 は、歯先角部813(頂点部)を含み、その両側に� ��ながる2つの矢印817aに挟まれた微小な範囲� �表面である。

 このようなギヤに本発明の製造方法を適� ��する場合には、上記歯面811または歯底815の� ��炭濃度が0.65±0.1質量%となるように減圧浸炭 工程の条件を設定すればよい。

(実施例2)
 本例では、実施例1と同じ形状で同じ材質の リング状の鋼部材8(リングギヤ)について、上 記実施例1の本発明方法によって、歯面811の� �面浸炭濃度の狙い値を変更して製造し、得� �れた歯形部81の歯先角部813と歯面811の浸炭濃 度及び表面硬度を測定すると共に、両者の表 面組織の観察を行った。減圧浸炭工程での歯 面811の表面浸炭濃度の狙い値は、表2にある� �うに、本発明例1の場合が0.65質量%、本発明� �2の場合が0.57質量%、本発明例3の場合が0.75質 量%とした。

 また、比較のために、2種類の比較方法によ る製造も行った。
 比較例1は、基本的な製造方法は本発明方法 と同じであるが、その減圧浸炭工程での歯面 811の表面浸炭濃度の狙い値を、表2にあるよ� �に、0.78質量%に高めた例である。
 比較例2は、実施例1の比較方法と同じ従来� �ガス浸炭直後に油焼き入れをする方法であ� �。この場合のガス浸炭工程での歯面811及び� �先角部813の表面浸炭濃度の狙い値は、表2に� ��るように、0.75質量%とした。
 以上の本発明例1~3及び比較例1、2の条件及� �評価結果を表1及び表2に示す。

 表1、表2より知られるごとく、本発明方� �1~3により得られた鋼部材(リングギヤ)は、歯 先角部813と歯面811の両方が、浸炭濃度が0.65~0 .85質量%の範囲内に収まり、かつ、非常に優� �た硬度特性を有し、組織もセメンタイトの� �出が見られない健全なマルテンサイト組織� �なっていた。

 一方、比較例1の場合には、基本的な方法が 本発明と同様であるが、減圧浸炭工程での第 1部位の歯面811の表面浸炭濃度の狙い値を0.75� ��量%を超える値(0.78)としたことによって、第 2部位である歯面角部813の表面浸炭濃度の実� �値が0.85質量%を超えて0.91質量%にまで達した� ��め、セメンタイト析出が見られる異常組織� ��なった。
 また、比較例2の場合には、本発明例と比べ て若干表面硬度が低い状態となった。このこ とは、逆に、本発明例によれば、浸炭濃度が 0.55~0.85質量%の範囲に入っていれば、従来の� �流の製造方法であるガス浸炭とその直後の� �焼き入れの方法に比べて遜色ない、むしろ� �強度特性として有利な結果が得られること� �明確に示している。