JP2002181164A - 高強度・高精度歯車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】歯面と歯端面との境界部たるエッジ部分におけ
る熱歪みを抑えることにより、歯面精度を向上させる。 【解決手段】 浸炭焼入れ又は浸炭浸窒焼入れにより焼
入れ硬化層が形成された歯車であって、歯面における焼
入れ硬化層５の深さに対する歯幅端面１ａにおける焼入
れ硬化層の深さの比が０〜０．７とされていることを特
徴とする。歯幅端面１ａにおける焼入れを抑えることに
より、歯幅端面１ａにおいて、焼入れ時のマルテンサイ
ト変態に伴う体積膨張に因る熱歪みを抑えることができ
る。このため、歯幅端面１ａと歯面との境界部たるエッ
ジ部分においても、熱歪みの度合いを小さくすることが
でき、歯面精度の向上を図ることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両や産業機械等
の各種機械構造物の機械要素のうち歯車として利用され
る高強度・高精度歯車に関し、詳しくは浸炭焼入れ又は
浸炭浸窒焼入れにより焼入れ硬化層が形成された高強度
・高精度歯車に関する。

【０００２】

【従来の技術】歯車は、一般に、歯面における耐摩耗性
等を向上させるべく、浸炭焼入れ又は浸炭浸窒焼入れに
より表面硬化処理が施される。

【０００３】例えば、浸炭焼入れでは、浸炭処理により
歯車の表面におけるＣ（炭素）濃度を０．８％程度に高
めた後、焼入れ処理によりオーステナイト状態からマル
テンサイトに変態させて、表面硬度を向上させる。

【０００４】ところが、歯車に通常の浸炭焼入れ又は浸
炭浸窒焼入れを施すと、焼入れ時の熱歪みにより、歯面
精度が低下することを避けられない。歯面精度の低下し
た歯車をそのまま用いると、相手材との歯当たりのずれ
等により、振動や騒音の発生源になるという問題があ
る。このため、焼入れ処理後の歯車は、ホーニングに代
表される研磨加工やシェービング等の物理的な仕上げ加
工を実施して、熱歪みを修正してから実用に供されてい
る（特開平２−１３８５５４号公報等参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たような物理的な仕上げ加工は、生産性の低下やコスト
アップを招くという問題がある。

【０００６】そこで、物理的な仕上げ加工を不要とすべ
く、焼入れ時の熱歪みの発生を極力抑えることのできる
方策が望まれる。

【０００７】ところで、上記焼入れ時の熱歪みは、マル
テンサイト変態に伴う体積膨張に因るものである。この
ため、浸炭処理によるＣ拡散量に応じて変態量が多くな
れば、それだけ体積膨張に因る熱歪みの度合いも大きく
なる。また、マルテンサイト変態自体は焼入れ時の冷却
速度による影響を受け、冷却速度が大きければ、変態量
も多くなって熱歪みの度合いも大きくなる。

【０００８】このようにマルテンサイト変態に伴う熱歪
みは、浸炭処理時のＣ拡散量や焼入れ時の冷却速度によ
る影響を受け、Ｃ拡散量が多いほど、また冷却速度が大
きいほど、熱歪みの度合いが大きくなる。

【０００９】一方、浸炭処理時のＣ拡散量及び焼入れ時
の冷却速度は、歯形状による影響を受ける。すなわち、
歯面や歯端面等の面部分は、Ｃの侵入方向や冷却液との
接触方向が一方向のみであるのに対し、歯面と歯端面と
の境界部等のエッジ部分は、Ｃの侵入方向や冷却液との
接触方向が二方向以上となる。このため、歯面と歯端面
との境界部等のエッジ部分は、歯面や歯端面等の面部分
と比べて、Ｃ拡散量が多く、また冷却速度が大きくな
り、したがって熱歪みの度合いも大きくなる。

【００１０】本発明は上記実情に鑑みてなされたもので
あり、歯面と歯端面との境界部たるエッジ部分における
熱歪みを抑えることにより、歯面精度を向上させた高強
度・高精度歯車を提供することを解決すべき技術課題と
するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の高強度・高精度歯車は、浸炭焼入れ又は浸炭浸窒焼
入れにより焼入れ硬化層が形成された歯車であって、歯
面における焼入れ硬化層の深さに対する歯幅端面におけ
る焼入れ硬化層の深さの比が０〜０．７とされているこ
とを特徴とするものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の高強度・高精度歯車は、
上述のとおり、浸炭焼入れ又は浸炭浸窒焼入れにより焼
入れ硬化層が形成された歯車であって、歯面における焼
入れ硬化層の深さに対する歯幅端面における焼入れ硬化
層の深さの比が０〜０．７とされている。

【００１３】ここに、上記歯幅端面とは、歯幅方向にお
ける端面をいう。また、歯面における焼入れ硬化層の深
さに対する歯幅端面における焼入れ硬化層の深さの比
（以下、適宜「硬化比」という）は、歯面全体における
焼入れ硬化層の深さに対する歯幅端面全体における焼入
れ硬化層の深さの比を意味する。ただし、この硬化比を
算出するための便宜を図るべく、上記硬化比は、ピッチ
円上における焼入れ硬化層の深さの比を意味する。すな
わち、図７に示すように、上記硬化比（Ｗｔ／Ｐｔ）が
０〜０．７ということは、ピッチ円（Ｐ）上の歯面
（Ａ）における焼入れ硬化層の深さ（Ｐｔ）が１であっ
た場合、ピッチ円（Ｐ）上の歯幅端面（Ｂ）における焼
入れ硬化層の深さ（Ｗｔ）が０〜０．７であることを意
味する。

【００１４】このように上記硬化比が０〜０．７とされ
た本発明の高強度・高精度歯車では、歯幅端面における
焼入れが抑えられている。すなわち、高強度が要求され
る歯面においては、必要とされる有効焼入れ硬度を得る
べく、十分な焼入れが施される一方で、高強度が要求さ
れない歯幅端面においては、極力焼入れが抑えられてい
る。こうして歯幅端面における焼入れを抑えることによ
り、歯幅端面において、焼入れ時のマルテンサイト変態
に伴う体積膨張に因る熱歪みを抑えることができる。こ
のため、該歯幅端面と歯面との境界部たるエッジ部分に
おいても、焼入れ時のマルテンサイト変態に伴う体積膨
張に因る熱歪みの度合いを小さくすることができ、もっ
て歯面精度の向上を図ることが可能となる。

【００１５】本発明の高強度・高精度歯車は、鋼材を素
材として、塑性加工や切削加工等を行うことにより歯車
成形体とし、この歯車成形体に対して浸炭処理又は浸炭
浸窒処理を施した後に焼入れ処理を施し、必要に応じて
焼き戻し処理を施すことにより、製造することができ
る。

【００１６】上記鋼材の種類としては、特に限定される
ものではなく、例えばＪＩＳ ＳＣｒ４２０Ｈ等のクロ
ム鋼、ＪＩＳ ＳＣＭ４２０Ｈ等のクロム・モリブデン
鋼、ＪＩＳ ＳＮＣＭ４２０Ｈ等のニッケル・クロム・
モリブデン鋼等を用いることができる。

【００１７】上記浸炭処理又は浸炭浸窒処理や焼入れ処
理の条件は、特に限定されるものではなく、歯面におけ
る必要な強度等を確保すべく適宜設定可能である。な
お、歯面における焼入れ硬化層の深さは、０．２〜２．
０ｍｍ程度とすることができる。

【００１８】ただし、浸炭処理又は浸炭浸窒処理をする
際に、少なくとも歯幅端面に対して防炭処理又は浸炭抑
制処理を施すことが必要である。この防炭処理又は浸炭
抑制処理の方法は、歯幅端面にＣが侵入することを防止
又は抑制することにより、上記硬化比を０．７以下とな
しうる方法であれば、特に限定されない。例えば、歯幅
端面に防炭剤を塗布したり、浸炭防止部材で歯幅端面を
被覆したり、あるいは銅めっき等の化学処理を歯幅端面
に施したりする方法を採用することができる。また、プ
ラズマ浸炭を利用して、部分的にのみ浸炭処理を施す方
法も採用することができる。

【００１９】また、防炭処理又は浸炭抑制処理する範囲
は少なくとも歯幅端面全体であるが、必要に応じてリム
部の端面も防炭処理又は浸炭抑制処理してもよい。リム
部の端面も防炭処理又は浸炭抑制処理すれば、リム部端
面におけるマルテンサイト変態に伴う体積膨張を抑えて
熱歪みの度合いを小さくすることができるので、歯車全
体としての精度を向上させることが可能となり、より好
ましい。

【００２０】上記硬化比は、０〜０．７とされるが、歯
面精度をより向上させるべく、０．３以下とすることが
より好ましく、０（零）とすることが最適である。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の高強度・高精度歯車の具体的
な実施例について、図面を参照しつつ説明する。

【００２２】（実施例１）図１〜図３に示す本実施例は
自動車用トランスミッションギヤに本発明を適用したも
のである。

【００２３】この高強度・高精度歯車は、歯形の部分で
軸方向に沿って切った断面図を図１に、正面図を図２に
示すように、外歯１が自己の外周面に設けられた円筒状
のリム２部と、このリム２部と同軸状に配設されるとと
もに該リム部２と略同等の軸方向長さを有する内周側の
ボス部３と、リム部２及びボス部３を一体に結合するリ
ング状の連結部４とから構成されている。

【００２４】そして、上記外歯１の両歯幅端面（軸方向
における両端面）１ａ、１ａと、上記リム部２の両軸方
向端面２ａ、２ａとを除く歯車の外表面には、０．７ｍ
ｍ程度の略均一深さの焼入れ硬化層５が形成されてい
る。すなわち、この歯車においては、外歯１の両歯面１
ｂ、１ｂ、外歯１の歯先面１ｃ、外歯１の歯底面（リム
部２の外周面）１ｄ、リム部２の内周面２ｂ、連結部４
の両軸方向端面４ａ、４ａ、ボス部３の外周面３ａ、ボ
ス部３の内周面３ｂ及びボス部３の両軸方向端面３ｃ、
３ｃに、焼入れ硬化層５が形成されている。

【００２５】ここに、外歯１の両歯面１ｂ、１ｂにおけ
る焼入れ硬化層５の深さ（Ｐｔ）は、ピッチ円（Ｐ）上
において、０．７ｍｍ程度とされている。一方、外歯１
の両歯幅端面１ａ、１ａにおける焼入れ硬化層の深さ
（Ｗｔ）は０である。このため、本実施例の歯車は、前
記硬化比（Ｗｔ／Ｐｔ）が０である。

【００２６】なお、この高強度・高精度歯車は、モジュ
ール：２．６、歯数：５２、ピッチ円径：１７２．１２
ｍｍ、歯はけ：５．２ｍｍ、リム部２を含む歯先までの
高さ：２１ｍｍ、材質：ＪＩＳ ＳＣｒ４２０のはすば
歯車である。

【００２７】上記構成を有する本実施例の高強度・高精
度歯車は、以下のようにして製造した。

【００２８】まず、鍛造や切削加工等により上記形状を
有する歯車成形体を形成した後、外歯１の両歯幅端面１
ａ、１ａ全体と、リム部の両軸方向端面２ａ、２ａ全体
に対して、防炭処理を施した。すなわち、図３に示すよ
うに、外歯１の両歯幅端面１ａ、１ａと、リム部２の両
軸方向端面２ａ、２ａとに、防炭剤（商品名「コンドル
サル００９０」、ヌスレ（独）社製）６を塗布した。な
お、防炭剤６の塗布は、歯面等をマスキングし、部分浸
漬することにより行った。そして、９５０℃の変性ガス
中で１４０分間、浸炭させてから８６０℃まで放冷して
Ｃ拡散させる浸炭処理を行った後、８５０℃から１３０
℃まで油中冷却して焼入れ処理し、最後に１５０℃×
１．５時間の焼もどし処理を実施して、本実施例の歯車
を完成した。

【００２９】（実施例２）本実施例の高強度・高精度歯
車は、外歯１の両歯幅端面１ａ、１ａ及びリム部２の両
軸方向端面２ａ、２ａに、前記実施例１の焼入れ硬化層
５よりも深さの浅い焼入れ硬化層が形成されている。ま
た、外歯１の両歯面１ｂ、１ｂ、外歯１の歯先面１ｃ、
外歯１の歯底面（リム部２の外周面）１ｄ、リム部２の
内周面２ｂ、連結部４の両軸方向端面４ａ、４ａ、ボス
部３の外周面３ａ、ボス部３の内周面３ｂ及びボス部３
の両軸方向端面３ｃ、３ｃには、前記実施例１と同様の
焼入れ硬化層５が形成されている。

【００３０】ここに、外歯１の両歯面１ｂ、１ｂにおけ
る焼入れ硬化層５の深さ（Ｐｔ）は、前記実施例１と同
様、ピッチ円（Ｐ）上において、０．７ｍｍ程度とされ
ている。一方、外歯１の両歯幅端面１ａ、１ａにおける
焼入れ硬化層の深さ（Ｗｔ）は、ピッチ円（Ｐ）上にお
いて、０．２１ｍｍ程度とされている。このため、本実
施例の歯車は、前記硬化比（Ｗｔ／Ｐｔ）が０．３とさ
れている。

【００３１】本実施例の高強度・高精度歯車は、以下の
ようにして製造した。

【００３２】まず、前記実施例１と同様に歯車成形体を
形成した。そして、図４に示すように、浸炭防止部材と
しての一対の銅製スペーサ７、７で歯車の両軸方向端面
を被覆することにより、外歯１の両歯幅端面１ａ、１ａ
と、リム部の両軸方向端面２ａ、２ａに対して、浸炭抑
制処理を施した。

【００３３】この銅製スペーサ７は、歯車の外径と同等
又は若干大きい外径を有するとともに、歯車のボス部３
の内周面に嵌合可能なリング状突起部７ａを有するリン
グ状部材で、リング状突起部７ａをボス部３に嵌合させ
た状態で、歯車の両軸方向端面全体を完全に覆うことが
できる形状となされている。

【００３４】本実施例では、各上記銅製スペーサ７をボ
ス部３に嵌合させるとともに、各銅製スペーサ７を歯車
の軸方向端面、すなわち外歯１の歯幅端面１ａ、リム部
２の軸方向端面２ａ、ボス部３の軸方向端面３ａに密着
させた。そして、この状態で、前記実施例１と同様、浸
炭処理、焼入れ処理及び焼もどし処理を施して、本実施
例の歯車を完成した。

【００３５】（実施例３）本実施例の高強度・高精度歯
車は、外歯１の両歯幅端面１ａ、１ａ及びリム部２の両
軸方向端面２ａ、２ａに、前記実施例１の上記焼入れ硬
化層５よりも深さの浅い焼入れ硬化層が形成されてい
る。また、外歯１の両歯面１ｂ、１ｂ、外歯１の歯先面
１ｃ、外歯１の歯底面（リム部２の外周面）１ｄ、リム
部２の内周面２ｂ、連結部４の両軸方向端面４ａ、４
ａ、ボス部３の外周面３ａ、ボス部３の内周面３ｂ及び
ボス部３の両軸方向端面３ｃ、３ｃには、前記実施例１
と同様の焼入れ硬化層５が形成されている。

【００３６】ここに、外歯１の両歯面１ｂ、１ｂにおけ
る焼入れ硬化層５の深さ（Ｐｔ）は、前記実施例１と同
様、ピッチ円（Ｐ）上において、０．７ｍｍ程度とされ
ている。一方、外歯１の両歯幅端面１ａ、１ａにおける
焼入れ硬化層の深さ（Ｗｔ）は、ピッチ円（Ｐ）上にお
いて、０．４９ｍｍ程度とされている。このため、本実
施例の歯車は、前記硬化比（Ｗｔ／Ｐｔ）が０．７とさ
れている。

【００３７】本実施例の高強度・高精度歯車は、前記実
施例２において、銅製スペーサ７を歯車の軸方向端面に
密着させずに、銅製スペーサ７と歯車の軸方向端面との
間に０．３ｍｍのクリアランスを設けること以外は、前
記実施例２と同様の方法により製造した。

【００３８】（比較例１）この歯車は、外歯１の両歯幅
端面１ａ、１ａ及びリム部２の両軸方向端面２ａ、２ａ
に防炭処理又は浸炭抑制処理を何ら施さないこと以外
は、前記実施例１と同様に製造したもので、外歯１の両
歯幅端面１ａ、１ａ及びリム部２の両軸方向端面２ａ、
２ａにも、他の表面に形成された前記実施例１の焼入れ
硬化層５が形成されている。その他の構成は、前記実施
例１と同様である。

【００３９】このため、この歯車は、前記硬化比（Ｗｔ
／Ｐｔ）が１．０とされている。

【００４０】（比較例２）この歯車は、前記比較例１の
歯車について、外歯１の両歯面１ｂ、１ｂをホーニング
加工したものである。

【００４１】（評価１）前記実施例１〜３及び比較例
１、２の各歯車について、歯形個内変化量を調べた。す
なわち、ひとつの歯車において、焼入れ処理前の外歯の
歯面に対する、焼入れ処理及び焼もどし処理後の外歯１
の歯面１ｂの歪み量を、各外歯１について測定し、その
歪み量の最大値を歯形個内変化量として評価した。

【００４２】結果を図５に示すように、防炭処理又は浸
炭抑制処理を何ら施していない比較例１の歯車の歯形個
内変化量が５μｍ程度であったのに対し、防炭処理を施
した本実施例１の歯車、並びに浸炭抑制処理を施した本
実施例２及び３の歯車は、いずれも歯形個内変化量が４
μｍ程度以下であり、歯面精度の向上が認められた。特
に、前記硬化比が０である実施例１及び前記硬化比が
０．３である実施例２の歯車は、歯形個内変化量が比較
例１の歯車の半分以下となっており、ホーニング加工を
施した比較例２の歯車と同程度に歯面精度が向上した。

【００４３】（評価２）前記実施例１及び前記実施例２
の各歯車について、ピッチ円上の歯面１ｂにおける硬さ
分布と、ピッチ円上の歯幅端面１ａにおける硬さ分布と
をそれぞれ調べた。

【００４４】その結果を図６に示す。なお、図６中、実
線は、実施例１及び実施例２の歯車の歯面１ｂにおける
硬さ分布を示し、点線は、防炭処理を施した実施例１の
歯車の歯幅端面１ａにおける硬さ分布を示し、一点鎖線
は、浸炭抑制処理を施した実施例２の歯車（硬化比：
０．３）の歯幅端面１ａにおける硬さ分布を示す。

【００４５】図６から明らかなように、防炭処理を施し
た実施例１に係る歯幅端面１ａ及び浸炭抑制処理を施し
た実施例２に係る歯幅端面１ａは、通常の浸炭焼入れ処
理を施した歯面１ｂと比べて、焼入れ処理による表面硬
化度合いが少なかった。特に、防炭処理を施した実施例
１に係る歯幅端面１ａは、最表面においてもほとんど硬
化していなかった。

【００４６】（実施例４）本実施例の高強度・高精度歯
車は、外歯１の両歯幅端面１ａ、１ａ全体にのみ防炭処
理を施して外歯１のリム部２の両軸方向端面２ａ、２ａ
全体には防炭処理を施さないこと以外は、前記実施例１
と同様に製造したものである。すなわち、この歯車にお
いて、外歯１の両歯幅端面１ａ、１ａには焼入れ硬化層
が形成されておらず、他の表面には前記実施例１の焼入
れ硬化層５が形成されている。その他の構成は、前記実
施例１と同様である。

【００４７】このため、この歯車は、前記硬化比（Ｗｔ
／Ｐｔ）が１．０されている。

【００４８】（比較例３）この歯車は、外歯１の両歯幅
端面１ａ、１ａのうち歯たけの１／２の高さから歯先ま
での範囲（歯先側の１／２の範囲）にのみ防炭処理を施
して、両歯幅端面１ａ、１ａのうち歯底から歯たけの１
／２の高さまでの範囲及びリム部２の両軸方向端面２
ａ、２ａ全体には防炭処理を施さないこと以外は、前記
実施例１と同様に製造したものである。すなわち、この
歯車において、外歯１の両歯幅端面１ａ、１ａのうち歯
たけの１／２の高さから歯先までの範囲にのみ焼入れ硬
化層が形成されておらず、他の表面には前記実施例１の
焼入れ硬化層５が形成されている。その他の構成は、前
記実施例１と同様である。

【００４９】（比較例４）この歯車は、外歯１の両歯幅
端面１ａ、１ａのうち歯たけの２／３の高さから歯先ま
での範囲（歯先側の１／３の範囲）にのみ防炭処理を施
して、両歯幅端面１ａ、１ａのうち歯底から歯たけの２
／３の高さまでの範囲及びリム部２の両軸方向端面２
ａ、２ａ全体には防炭処理を施さないこと以外は、前記
実施例１と同様に製造したものである。すなわち、この
歯車において、外歯１の両歯幅端面１ａ、１ａのうち歯
たけの２／３の高さから歯先までの範囲にのみ焼入れ硬
化層が形成されておらず、他の表面には前記実施例１の
焼入れ硬化層５が形成されている。その他の構成は、前
記実施例１と同様である。

【００５０】（評価３）前記実施例１及び実施例３、並
びに前記比較例３及び比較例４の歯車について、歯形個
内変化量を測定し、防炭範囲の歯形個内変化量に対する
影響を調べた。

【００５１】その結果を表１に示す。

【００５２】

【表１】

【００５３】実施例１と実施例３とを比較すると明らか
なように、歯幅端面１ａ全体のみならず、リム部２の端
面２ａ全体にも防炭処理することにより、歯面１ｂにお
ける歪み量をより低減させることができる。また、実施
例３、比較例３及び比較例４を比較すると明らかなよう
に、歯幅端面１ａのうち防炭処理する範囲を広げるほ
ど、歯面１ｂにおける歪み低減効果が向上することがわ
かる。

【００５４】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の高強度・高
精度歯車は、歯面における焼入れ硬化層の深さに対する
歯幅端面における焼入れ硬化層の深さの比が０〜０．７
とされており、歯幅端面における焼入れが抑えられてい
ることから、歯幅端面における熱歪みを抑えることがで
きる。このため、該歯幅端面と歯面との境界部たるエッ
ジ部分においても、熱歪みの度合いを小さくすることが
でき、もって歯面精度の向上を図ることが可能となる。

【００５５】したがって、本発明の高強度・高精度歯車
によれば、ホーニング加工等の物理的な仕上げ加工を施
すことなく、高い歯面精度を得ることが可能となり、生
産性及びコスト面で有利となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の高強度・高精度歯車を示し、歯形
部分で軸方向に沿って切断した部分断面図である。

【図２】 実施例１の高強度・高精度歯車の正面図であ
る。

【図３】 実施例１に係り、防炭処理する範囲を説明す
る図である。

【図４】 実施例２の高強度・高精度歯車を製造する様
子を説明する断面図である。

【図５】 歯形個内変化量の評価結果を示す棒グラフで
ある。

【図６】 硬さ分布を示す線図である。

【図７】 硬化比を説明するためのずであり、（ａ）は
歯形の斜視図、（ｂ）は歯形をピッチ円上で切った断面
図である。

【符号の説明】

１…歯形 １ａ…歯幅端面 １ｂ…歯面 ２…リム部 ２ａ…軸方向端面 ５…焼入れ硬化
層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２１Ｄ 9/32 Ｃ２１Ｄ 9/32 Ａ (72)発明者 藤原 康之 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 山邨 典 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3J030 BC03 BC06 CA10 4K028 AA01 AA03 AB01 AB06 4K042 AA18 BA03 DA06

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 浸炭焼入れ又は浸炭浸窒焼入れにより焼
   入れ硬化層が形成された歯車であって、 歯面における焼入れ硬化層の深さに対する歯幅端面にお
   ける焼入れ硬化層の深さの比が０〜０．７とされている
   ことを特徴とする高強度・高精度歯車。