齿轮及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及例如车辆的驱动传动用齿轮这样的对硬度和疲劳强度均要求高水准的齿轮及其制造方法。更详细而言，涉及以钢为原材料且晶界强度和耐塑性变形强度均优异的齿轮及其制造方法。
【背景技术】
[0002]作为以往的差动齿轮等这种高负荷用途的齿轮，可举出专利文献1中记载的齿轮。在该文献中，使用含有硼、硅等的钢种作为齿轮的原材料钢。而且，进行低浓度下的真空渗碳，其后进行淬火，然后将齿部的整体进行回火。由此，试图得到兼具齿根强度和齿面强度的齿轮。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本特开2010 - 1527号公报
【发明内容】
[0006]然而，上述现有技术中存在如下问题。除了作为完成的齿轮中的原材料钢的主体的硬度以外，有时表层的疲劳强度不足。因此，实际上有时会局部地发生疲劳破坏。尤其是，在如齿部与齿轮端面的边缘部那样的尖锐部分，在渗碳时碳过量地浸透而碳发生浓化，在淬火时成为碳浓度比齿面高的马氏体组织，因此疲劳强度的不足成为问题。若欲消除该问题，例如，可考虑降低渗碳时的碳浓度。由此，在如边缘部的尖锐部分形成与不降低碳浓度的情况相比碳浓度低的马氏体组织，因此可以提高疲劳强度。但是，齿面的碳浓度反而下降，齿面强度不足。因此，无法以那么高的水准兼具要求齿面等的硬度的部分的硬度与如边缘部那样的尖锐部分的疲劳强度。
[0007]本发明是为了解决上述现有技术所具有的问题而作出的。即，其课题在于提供一种面向包含差动齿轮的车辆的驱动传动系用途等高负荷用途而充分地兼具齿面的硬度和如边缘部的尖锐部分的疲劳强度的齿轮及其制造方法。
[0008]本发明的一个方式所涉及的驱动系部件是由原材料钢成型，具有圆板部和在圆板部离散地形成圆周状的多个齿部，为在齿部与齿部之间形成有齿根部的形状，在成型后经过真空渗碳处理和随后的利用高密度能量加热进行的淬火处理的齿轮，原材料钢的化学成分为:
[0009]C:0.10 ?0.30 质量％、
[0010]S1:0.50 ?3.00 质量％、
[0011]Μη:0.30 ?3.00 质量％、
[0012]P:0.030 质量％ 以下、
[0013]S:0.030 质量％ 以下、
[0014]Cu:0.01 ?1.00 质量％、
[0015]N1:0.01 ?3.00 质量％、
[0016]Cr:0.20 ?1.00 质量％、
[0017]Mo:0.10 质量％ 以下、
[0018]N:0.05 质量％ 以下、
[0019]Fe和不可避免的杂质:其余部分，并且
[0020]满足Si质量％ +Ni质量％ +Cu质量Cr质量％> 0.5，
[0021]在包含齿部和齿根部的轴向的一个端部的边缘部的至少一部分表层形成有部分回火区域，部分回火区域具有与通过淬火处理而生成于该一部分的表层的马氏体组织的硬度相比低的硬度，齿部和齿根部的除部分回火区域以外的部分的表层由通过淬火处理而生成的马氏体组织构成。
[0022]上述齿轮通过进行以下工序而制造:真空渗碳工序，将使用符合的化学成分的原材料钢而形成该形状的齿轮在低于大气压的压力的渗碳气氛中加热至原材料钢的奥氏体化温度以上的温度而在表面形成渗碳层；冷却工序，将真空渗碳工序后的齿轮以与原材料钢进行马氏体相变的冷却速度相比慢的冷却速度，冷却至利用冷却进行的组织相变结束的温度以下的温度；淬火工序，将冷却工序后的齿轮利用高密度能量加热进行加热，从而使其升温至原材料钢的奥氏体化温度以上的温度，从该状态开始，以原材料钢进行马氏体相变的冷却速度以上的冷却速度进行冷却，从而至少在渗碳层的部分形成马氏体组织；以及部分回火工序，将包含淬火工序后的齿轮的至少齿部和齿根部的轴向的端部的边缘部的至少一部分利用高密度能量加热进行加热，从而使其升温至180°C以上且未达到原材料钢的奥氏体化温度的温度，从该状态开始进行冷却，从而在包含边缘部的至少一部分的渗碳层的部分，使被固溶于马氏体组织的碳的浓度下降。
[0023]该齿轮的制造过程中，在真空渗碳时碳过量地渗入至边缘部，在部分回火工序中，在该部分形成铁碳化物，并且被固溶于马氏体组织的碳的浓度下降。由此，可取得齿面的晶界强度与晶粒内强度的平衡，边缘部的疲劳强度提高。由此，实现兼具齿面的硬度和边缘部的疲劳强度。另外，通过Si等的添加来确保淬透性和抗回火软化性。此外，在作为对象的齿轮中的齿部和齿根部的轴向的至少一个端部的边缘部形成有部分回火区域。而且，在这种情况的制造过程中，可以在部分回火工序中使用利用励磁线圈进行的高频加热作为加热方法，并且在具有齿轮的轴向的至少一个边缘部的端部进入励磁线圈的内部空间且齿轮的轴向的另一个端部从励磁线圈露出的状态下进行加热。
[0024]这里，作为使用的原材料钢的化学成分，优选进一步含有如下成分:
[0025]B:0.005 质量％ 以下、
[0026]T1:0.10 质量％。
[0027]这是因为通过B的添加，淬透性提高，并且渗碳层的晶界强度得到强化。此外，通过含有Ti，可以防止由B所产生的淬透性提高效果消失。
[0028]作为这种齿轮，进一步详细而言，可举出轴向的一个端部与另一个端部相比为大径的伞状形状的齿轮。在伞状形状的齿轮的情况下，在齿部和齿根部的大径侧的端部的边缘部，形成有部分回火区域。而且，在这种情况下的制造过程中，在部分回火工序中可以在伞状形状的齿轮的大径侧的端部进入励磁线圈的内部空间且小径侧的端部从励磁线圈露出的状态下进行加热。另外，作为伞状形状的齿轮，可举出锥齿轮、准双曲线齿轮。
[0029]此外，本方式的齿轮中，齿面的与其它齿轮的啮合区域优选不被包含于部分回火区域，且由通过淬火处理而生成的马氏体组织构成。进而，在将多个本方式的齿轮啮合而成的差动装置中的侧齿轮和小齿轮中，各齿轮的齿面的与啮合对象齿轮的啮合区域优选不被包含于部分回火区域，且由通过淬火处理生成的马氏体组织构成。这是因为该区域要求高硬度。
[0030]根据本发明，提供一种面向包含差动齿轮的车辆的驱动传动系用途等高负荷用途而充分地兼具硬度和疲劳强度的齿轮及其制造方法。
【附图说明】
[0031]图1是表示本方式所涉及的差动齿轮的立体图。
[0032]图2是表示本方式所涉及的差动齿轮的俯视图。
[0033]图3是图2的一部分的部分放大俯视图。
[0034]图4是从不同的方向观察本方式所涉及的差动齿轮的部分立体图。
[0035]图5是差动齿轮的边缘部的部分截面图。
[0036]图6是对由回火所产生的疲劳强度的上升进行说明的示意图。
[0037]图7是表示C浓度相对于淬火硬度和回火硬度的关系的图。
[0038]图8是通过表面硬度与4点弯曲强度的关系对回火效果进行说明的图。
[0039]图9是表示供给至图8的试验的试验片的形状和试验方法的正面图。
[0040]图10是表示进行部分回火时的加热方法的截面示意图。
[0041]图11是说明对差动装置中的侧齿轮和小齿轮的应用例的部分截面图。
[0042]图12是说明本方式的钢的抗回火软化性的图。
[0043]图13是表示回火中的C浓度的影响的图。
[0044]图14是说明对回火的硬度的影响的图。
[0045]图15是说明回火温度的影响的图。
[0046]图16是表示适合于本方式的热处理的热处理设备的构成的说明图。
[0047]图17是真空渗碳处理和减压缓慢冷却处理的加热模式的例子。
[0048]图18是淬火工序的加热模式的例子。
[0049]图19是部分回火工序的加热模式的例子。
【具体实施方式】
[0050]以下，参照附图对将本发明具体化的实施方式详细地进行说明。本方式以汽车的驱动传动系的差动装置中使用的差动齿轮的方式将本发明具体化。首先，将本方式所涉及的差动齿轮1的形状示于图1的立体图和图2的俯视图。差动齿轮1在圆形的圆板部12的周缘以等间隔尚散地设置有齿部11。在齿部11与齿部11之间存在齿根部13。此外，差动齿轮1是在轴向(图1中的上下方向)的上端面14侧和下端面15侧直径不同的锥齿轮。图1的齿轮中，上端面14侧为小径，下端面15侧为大径。图2是从小径的上端面14侧观察差动齿轮1的俯视图。另外，图1表示9齿的齿轮，图2表示10齿的齿轮。差动齿轮1是假设作为差动装置中的小齿轮使用的齿轮，但作为侧齿轮使用的齿轮除大小、齿数以外也是同样的锥齿轮。
[0051]通过图3和图4对差动齿轮1的边缘部16进行说明。图3是将作为图2中的一部分的区域A放大而显示的图。图4是从与图1不同的方向观察差动齿轮1的部分立体图。图4中从大径的下端面15侧观察差动齿轮1。图3和图4中，对差动齿轮1中的齿部11的下端面15侧的端部、或者齿根部13的下端面15侧的端部的突出形状乃至峰状形状的部分赋予斜线而示