JP2011179080A - 歯車の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造作業に手間をかけることなく必要な部分について浸炭処理時に防炭を行うことができる歯車の製造方法を提供する。
【解決手段】一態様は、ギヤ１０の浸炭処理を行う熱処理工程を有するギヤ１０の製造方法において、熱処理工程前にてギヤ１０の歯形部１６における歯先曲面１８に対し防炭材の粒子１４をコールドスプレーガン１２で噴射するコールドスプレー法により防炭材の粒子１４を歯先曲面１８に付与する防炭材付与工程を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、浸炭焼入れなどの熱処理を行う歯車の製造方法に関するものである。

自動車などに用いられる鋼材部品において、高い疲労強度を得るために、浸炭焼入れ後にショットピーニング処理を施すことが広く行われている。このショットピーニング処理は、鋼材表面にショット粒を投射して残留応力を付与する技術であり、投射するショット粒の硬度が高いほど、高い残留応力を付与でき、高い疲労強度を得られることが一般に知られている。

しかし、鋼材部品の一例であるギヤ（歯車）にショットピーニング処理を行うに際しては、ショット粒の硬度が高すぎるとギヤの歯形部の歯先に歯欠けが発生するおそれがある。
その原因としては、実際に歯先に歯欠けが生じたギヤの検証結果やシュミレーションによる解析結果より、以下のように考えられる。ギヤのショットピーニング処理においては、一般に、回転するギヤにショット粒を投射する。このとき、ギヤの歯形部における歯先にショット粒が繰り返し当たることになる。具体的には、図５に示すように、ショット粒１００が歯先曲面１０２と、歯面における歯先部分の歯末面１０４とに繰り返し当たる。このとき、ショット粒１００の硬度が高いと、歯先の内部に塑性歪みの大きい領域１０６が発生して、塑性疲労によるクラックが生じてしまう。そして、このクラックが進展することにより歯先において歯欠けが発生すると考えられる。

ここで、特許文献１には、浸炭処理前にギヤの歯先部に銅メッキをしておき、浸炭処理における歯先部への炭素の侵入・拡散を防止して、歯先部のみを高靭性化する技術が開示されている。

特開昭６３−１０９１５２号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、ギヤの歯形部を形成する歯切り工程の後に歯先部に銅メッキを実施する場合には、歯面や歯底面などの浸炭処理が必要な部分には銅メッキがされないようにメッキ防止用の治具をギヤに取り付けることが必要である。このメッキ防止用の治具の形状は複雑であり、また、メッキ防止用の治具をギヤに取り付ける作業も非常に困難であり、製造作業に手間がかかってしまう。

また、ギヤの歯形部を形成する歯切り工程の前に銅メッキを実施する場合には、ギヤの歯形部を形成する際に密着性の低い銅メッキが剥がれてしまい、浸炭処理時における防炭が不十分になるおそれがある。
また、銅メッキを行うことは環境への負荷を高めることにもなり、さらに、銅メッキを行うには多くの作業時間を要してしまう。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、製造作業に手間をかけることなく必要な部分について浸炭処理時に防炭を行うことができる歯車の製造方法を提供すること、を課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、歯車の浸炭処理を行う熱処理工程を有する歯車の製造方法において、前記熱処理工程前にて前記歯車の歯形部における歯先部に対し防炭材を噴射手段で噴射する溶射法により前記防炭材を前記歯先部に付与する防炭材付与工程を有すること、を特徴とする。

本発明によれば、作業に手間をかけることなく歯先部における防炭処理を行うことができるので、熱処理工程において歯先部を硬化させず高靭性を維持させることができる。そのため、熱処理工程後に、ショットピーニング処理を行っても、歯先部の歯欠けを抑制することができる。

上記の態様においては、前記防炭材付与工程では、前記噴射手段を前記歯先部に沿って走査させること、が好ましい。

かかる態様によれば、歯車の大小、歯車の歯形部の形状によらず、歯先部に防炭材を付与できるので、さまざまな種類の歯車の歯先部の防炭処理を行うことができる。そのため、さまざまな種類の歯車について、熱処理工程後に、ショットピーニング処理を行っても、歯先部の歯欠けを抑制することができる。

上記の態様においては、前記防炭材付与工程では、前記歯車を前記歯形部の１ピッチ分回転させる角度ずつ間欠回転させること、が好ましい。

かかる態様によれば、歯車の全周にわたって確実に歯先部にのみ防炭材を付与することができる。そのため、熱処理工程後に、ショットピーニング処理を行っても、より確実に歯先部の歯欠けを抑制することができる。

上記の態様においては、前記防炭材として、銅またはニッケルを使用すること、が好ましい。

かかる態様によれば、歯先部における防炭効果が向上するので、熱処理工程において歯先部を確実に硬化させず、確実に高靭性を維持させることができる。そのため、熱処理工程後に、ショットピーニング処理を行っても、確実に歯先部の歯欠けを抑制することができる。
また、融点が高いので溶射法における溶射材料に適しており、さらに、コストを低減することができる。

上記の態様においては、前記溶射法は、コールドスプレー法であること、が好ましい。

本発明に係るによれば、製造作業に手間をかけることなく必要な部分について浸炭処理時に防炭を行うことができる。

防炭材の粒子をギヤの歯先曲面に付与する様子を示す図である。 熱処理工程の条件を示す図である。 評価結果を示す図である。 防炭治具をギヤに取り付けた様子を示す図である。 ギヤの歯形部における歯先部にショット粒が繰り返し当たる様子を示す図である。

以下、本発明を具体化した形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
〔実施例１〕
＜ギヤの製造方法の説明＞
本実施例のギヤ（歯車）の製造方法では、ギヤの歯形部を形成する歯切り工程を行った後、防炭材付与工程として、ギヤの歯形部の歯先部に対し防炭材を溶射法により付与する。本実施例における溶射法とは、防炭材を噴射手段で噴射させて微細な防炭材の粒子とし、ギヤの歯先部に付着させて被膜形成する方法である。具体的な溶射法としては、コールドスプレー法、レーザー溶射法、プラズマ溶射法などが考えられる。

ここで、本実施例におけるコールドスプレー法とは、溶射材料である防炭材の融点または軟化温度よりも低い温度のガスを超音速流にして、その流れ中に防炭材の粒子を投入して加速させ、固相状態のままギヤの歯先曲面に高速で衝突させて皮膜を形成する溶射法である。
また、本実施例におけるレーザー溶射法とは、レーザーを溶射の熱源とする溶射法であって、集光したレーザービームを通過させるように防炭材の粒子をガスジェットに投入してギヤの歯先曲面に皮膜を形成する溶射法である。
また、本実施例におけるプラズマ溶射法とは、プラズマを溶射の熱源とする溶射法であって、防炭材の粒子をプラズマジェットに投入してギヤの歯先曲面に皮膜を形成する溶射法である。

ここでは、コールドスプレー法を例に挙げて説明する。図１に示すように、ギヤ１０を例えば不図示のモータを駆動源とする不図示の回転軸などに取り付けて回転させながら、本発明における噴射手段の一例であるコールドスプレーガン１２から、ギヤ１０の外周面に向かって防炭材の粒子１４を噴射させる。具体的には、回転軸を制御してギヤ１０の外周面に形成された１つの歯形部１６の歯先曲面１８を、コールドスプレーガン１２の噴射口２０に対向する位置に合わせる。なお、歯先曲面１８とは、歯形部１６におけるギヤ１０の径方向の先端に位置する面である。

次に、コールドスプレーガン１２をギヤ１０の歯先曲面１８に沿って走査させながら、コールドスプレーガン１２から防炭材の粒子１４を噴射させて、歯先曲面１８に防炭材の粒子１４を塗布する。なお、本実施例では、ギヤ１０の種類として、ハイポイドギヤを例に挙げて説明する。

そして、１つの歯形部１６の歯先曲面１８における防炭材の粒子１４の塗布が終了すると、回転軸を制御してギヤ１０を歯形部１６の１ピッチ分に相当する角度だけ回転させて、ギヤ１０の周方向における次の歯形部１６の歯先曲面１８を、コールドスプレーガン１２の噴射口２０に対向する位置に合わせる。そして、前記と同様に、歯先曲面１８に防炭材の粒子１４を塗布する。その後、ギヤ１０を歯形部１６の１ピッチ分回転させる角度ずつ間欠回転させながら、これらの工程を繰り返して、ギヤ１０の全周の歯先曲面１８に防炭材の粒子１４を塗布する。

防炭材の粒子１４としては、銅、またはニッケルなどの粒子を用いる。銅、またはニッケルなどの粒子は浸炭され難いので、その後の熱処理工程において歯先曲面１８における防炭効果が向上する効果を得ることができる。また、銅、またはニッケルなどの粒子は融点が高く溶射法の溶射材料として適しており、さらに、コストを低減することができる。
また、銅、またはニッケルなどの粒子は軟質金属であり、コールドスプレー法によりギヤ１０の歯先曲面１８に対し投射・堆積させやすい、という効果を得ることもできる。

防炭材付与工程が終了すると、その後、熱処理工程としてギヤ１０の浸炭焼入れを行う。
本実施例では、熱処理工程の前において、防炭材付与工程によりギヤ１０の歯先曲面１８に防炭材の粒子１４を塗布したので、熱処理工程においては歯先曲面１８を硬化させず高靭性を維持することができる。

そして、熱処理工程が終了すると、その後、ショットピーニング処理工程として、中心軸を中心に回転させたギヤ１０の外周面にショット粒を投射するショットピーニング処理を行う。これにより、ギヤ１０の外周面に残留応力を付与して疲労強度の高いギヤ１０を製造することができる。なお、ショットピーニング処理工程では、１種類のショット条件のもとでショットピーニング処理を行う１段ショットピーニング処理、または２種類のショット条件のもとでショットピーニング処理を行う２段ショットピーニング処理を行う。

ここで、本実施例のギヤ１０の歯先曲面１８は、熱処理工程において硬化させず高靭性を維持している。ショットピーニング処理工程では、ショット粒がギヤ１０の歯形部１６における歯先曲面１８と歯面２２とに繰り返し当たるが、ショット粒のエネルギーが歯先曲面１８で吸収される。そのため、歯形部１６の歯先部の内部に塑性歪みの大きな領域が発生することを抑制でき、歯先部の歯欠けの発生を抑制する効果を得ることができる。
また、本実施例では、コールドスプレー法を採用するので、製造作業の手間をかけずにギヤ１０の歯先曲面１８に確実に防炭材の粒子１４を塗布することができる。

＜ギヤのショットピーニング処理後の評価実験＞
ここで、防炭材付与工程を有することの効果を確認するため、防炭材の粒子１４を付与しなかったギヤと防炭材の粒子１４を付与した本実施例のギヤ１０とについて、所定の条件のもとで熱処理工程とショットピーニング処理工程とを行った後の歯先部の歯欠けに関する評価実験を行った。なお、ギヤの種類としては、ハイポイドギヤを使用した。

評価実験において防炭材付与工程、熱処理工程、ショットピーニング処理工程における各条件は、以下のとおりである。
防炭材付与工程の条件としては、溶射法としてコールドスプレー法を採用し、防炭材の粒子１４としてφ３０μｍの径の銅の粒子を使用し、ガス種としてヘリウムガスを使用し、ガス圧を２ＭＰａ、ガス温度を４００℃とした。

また、熱処理工程の条件としては、図２に示すように、温度が９５０℃、カーボンポテンシャル（ＣＰ）が０．８％のガス雰囲気中で所定時間、浸炭処理と拡散処理とを行った後、温度を８５０℃まで降下させて所定時間保持した後、温度＝１３０℃の油冷による焼入れ処理を行った。
さらに、ショットピーニング処理工程の条件としては、ショット粒の硬度をＨＶ８００、ショット粒の径をφ０．８ｍｍ、カバレージを３００％、圧力を０．３ＭＰａとした。

以上の条件のもと、図３に示すような評価結果を得ることができた。図３（ａ）に示すように防炭材の粒子１４を付与しなかったギヤでは歯先部に歯欠けが発生していたが、図３（ｂ）に示すように防炭材付与工程により防炭材の粒子１４を付与した本実施例のギヤ１０では歯先部に歯欠けが発生しなかった。

このように、本実施例のギヤ１０の製造方法では、ギヤ１０の歯先曲面１８に防炭材の粒子１４を付与する防炭材付与工程を有することにより、熱処理工程において歯先曲面１８が硬化されず、歯先曲面１８において高靭性を維持する効果を得ることができる。そのため、ショットピーニング処理工程においてギヤ１０の外周面にショットピーニング処理を行っても、歯先曲面１８ではショット粒のエネルギーが吸収される。したがって、ショットピーニング処理工程において歯先曲面１８と歯面２２とに繰り返しショット粒が当たっても、歯形部１６の歯先部の内部に塑性歪みの大きな領域が発生することを抑制でき、歯先部の歯欠けの発生を抑制する効果を得ることができる。ゆえに、歯先部の歯欠けの発生を抑制しつつ、疲労強度の高いギヤ１０を製造することができる。

また、コールドスプレー法を採用するので、ギヤ１０の歯先曲面１８に確実に防炭材の粒子１４を塗布することができ、製造作業の手間がかからない効果を得ることができる。

なお、従来のように歯先曲面を含めてギヤの外周面の全てを浸炭処理して製造したギヤと比較すると、本実施例の製造方法により製造されたギヤ１０における歯形部１６の歯先部の強度は低下するが、ギヤ１０の駆動時において歯先部には負荷がかからないので、問題にはならない。

また、本実施例ではコールドスプレーガン１２を用いて防炭材の粒子１４を溶射するので、歯先曲面１８のみに的確に防炭材の粒子１４を付与することができ、歯先曲面１８以外の浸炭処理が必要な歯面２２や歯底面２４には防炭材の粒子１４を付与しないようにできる。そのため、ハイポイドギヤなど歯形部１６の形状が複雑なギヤにおいても、確実に歯先曲面１８に防炭材の粒子１４を付与することができ、様々な種類のギヤに防炭材の粒子１４を付与することができる。
また、本実施例ではコールドスプレー法を採用するので、歯先曲面１８に対し防炭材の粒子１４を高速で堆積させて付与することができる。

コールドスプレーガン１２の噴射口２０の位置を制御して、コールドスプレーガン１２の噴射口２０を歯先曲面１８に沿って走査させることにより、ギヤの大小、種類に関わらず様々なギヤに適用することができる。例えば、図１ではギヤ１０の種類としてハイポイドギヤを例に挙げたが、その他、平歯車、はすば歯車などの様々な種類のギヤに適用することができる。

また、本実施例では、従来の銅メッキによる防炭に比べて環境負荷が低く、また、防炭処理の時間の短縮を図ることができる。

また、本実施例では、歯先曲面１８のみに防炭材の粒子１４を付与したが、歯面２２における基準ピッチ円より歯先曲面１８側に位置する歯末面にも防炭材の粒子１４を付与してもよい。なお、本実施例のギヤ１０では、歯先曲面１８と歯末面とにより歯先部を構成するものとする。

歯末面に防炭材の粒子１４を付与する場合において、防炭材付与工程にて歯末面における防炭材の粒子１４を付与する範囲の一例として、ショットピーニング処理工程にてφ０．８ｍｍの粒径のショット粒を使用してショットピーニング処理を行うとするときに、歯末面における歯先曲面１８から約１．０ｍｍの範囲内に防炭材の粒子１４を付与すること、が考えられる。

また、上記の実施例では、ギヤ１０を回転させたが、これに限定されず、ギヤ１０を固定しておき、コールドスプレーガン１２をギヤ１０の周方向に移動させることとしてもよい。

また、上記の実施例では、コールドスプレーガン１２を移動させてギヤ１０の歯先曲面１８を走査させていたが、これに限定されず、コールドスプレーガン１２を固定しておきギヤ１０をギヤ１０の中心軸方向にも移動させることにより、コールドスプレーガン１２の噴射口２０がギヤ１０の歯先曲面１８に沿ってギヤ１０に対して相対的に走査させてもよい。
また、複数のコールドスプレーガン１２をギヤ１０の周方向に配置すれば、防炭材付与工程に要する時間をさらに短縮することができる。

〔実施例２〕
また、実施例２として、実施例１の防炭材付与工程を行わない代わりに、あるいは、実施例１の防炭材付与工程を行った上に、熱処理工程において、図４に示すように、防炭治具２６を使用して浸炭処理を行うこと、が考えられる。

図４に示すように、防炭治具２６は、ボルト２８などの締結部材により両端の締結部３０を締結することにより、円環状に形成される。そして、円環状に形成された部分の内周側に複数の歯部３２が形成されており、この歯部３２をギヤ１０の歯先曲面１８に密着させる。また、防炭治具２６の材質は、銅や、ニッケルなどが考えられる。

熱処理工程において、図４に示すように防炭治具２６をギヤ１０の歯先曲面１８に密着させて浸炭焼入れを行うことにより、ギヤ１０の歯先曲面１８における浸炭が防止される。また、油冷による焼入れを行うときに、防炭治具２６が有する熱容量の影響によりギヤ１０の歯先曲面１８の急冷を防ぐことができ、歯先曲面１８の高靭性を維持させることができる。

また、図４に示すような防炭治具２６では、複数の歯部３２間は隙間３４が形成されているので、熱処理工程においてガスや冷却油の流路が確保されており、ギヤ１０の歯面２２や歯底面２４などの強度が必要な部位には所望の浸炭焼入れができる。

また、防炭治具２６の形状や大きさを変えることにより、ギヤ１０の大小に関わらず、あるいは平歯車やはすば歯車やハイポイドギヤなどのギヤ１０の種類に関わらず、様々なギヤ１０の仕様に対応させることができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。

１０ ギヤ
１２ コールドスプレーガン
１４ 防炭材の粒子
１６ 歯形部
１８ 歯先曲面
２０ 噴射口
２２ 歯面
２４ 歯底面
２６ 防炭治具
３２ 歯部
３４ 隙間

Claims (5)

1. 歯車の浸炭処理を行う熱処理工程を有する歯車の製造方法において、
   前記熱処理工程前にて前記歯車の歯形部における歯先部に対し防炭材を噴射手段で噴射する溶射法により前記防炭材を前記歯先部に付与する防炭材付与工程を有すること、
   を特徴とする歯車の製造方法。
2. 請求項１に記載する歯車の製造方法において、
   前記防炭材付与工程では、前記噴射手段を前記歯先部に沿って走査させること、
   を特徴とする歯車の製造方法。
3. 請求項１または２に記載する歯車の製造方法において、
   前記防炭材付与工程では、前記歯車を前記歯形部の１ピッチ分回転させる角度ずつ間欠回転させること、
   を特徴とする歯車の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載する歯車の製造方法において、
   前記防炭材として、銅またはニッケルを使用すること、
   を特徴とする歯車の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載する歯車の製造方法において、
   前記溶射法は、コールドスプレー法であること、
   を特徴とする歯車の製造方法。