JP4643614B2

JP4643614B2 - 歯車の高周波輪郭焼入方法

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Publication number: JP4643614B2
Application number: JP2007149949A
Authority: JP
Inventors: 佳孝三阪; 裕清澤; 隆雄山崎; 一博川嵜
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2018-05-26
Also published as: JP2007277728A

Description

本発明は、歯車を誘導加熱により高周波焼入れ、特に歯部を輪郭焼入れする方法に関するものである。

歯車は、一般に、耐摩耗性や疲労強度などの機械的性質を向上させるために、その表面層が焼入れされて使用される。この場合、歯車の歯部のプロフィルに沿った焼入層を得る焼入れ（輪郭焼入れ）が疲労強度などの点から好ましい。この輪郭焼入れはガス浸炭焼入れで行えるが、ガス浸炭焼入れは時間もかかるし、また、焼人後の歯車に変形が多いこともある。そこで、輪郭焼入れを高周波焼入れで行うことがある。

輪郭焼入れを高周波焼入れで行う場合、所定周波数で歯車を予熱し、その後、この所定周波数とは異なる周波数で歯車を焼入温度にまで加熱（本加熱）する。このように予熱と本加熱とで周波数が異なる場合、高周波電源が２台必要になり、その分、焼入装置に費用がかかる。

予熱と本加熱とを同じ周波数で行うと１台の高周波電源で済むが、輪郭焼入れにならずに、歯部の全体が焼入れされることがある。１台の高周波電源を用いて予熱と本加熱とを同じ周波数にして歯車の輪郭焼入れを確実に行うために、高周波電力密度を限定して輪郭焼入れを行う技術が知られている（特公平２−１４４０８号公報）。

この技術では、モジュール３以下の小さな歯車が対象である。また、歯車を輪郭焼入れするに当っては、歯車の歯部を、Ａ_３変態点以上またはＡｃｍ変態点以上の温度に予熱し、一旦、Ａ_３変態点以下またはＡｃｍ変態点以下の温度にまで冷却し、その後、焼入れ温度にまで加熱して冷却する。

上述したように、１台の高周波電源で歯車を輪郭焼入れする従来の技術では、モジュール３以下の小さな歯車が対象であり、モジュールの大きな歯車には適用できないという問題がある。また、歯車の歯部をＡ_３変態点以上またはＡｃｍ変態点以上の温度に予熱した後に、一旦、Ａ_３変態点以下またはＡｃｍ変態点以下の温度にまで冷却し、その後、焼入れ温度にまで加熱して冷却するので、歯車が変態点を３度も通過することとなる。このため、焼入れ後の歯車に大きな変形が生じるおそれがあるという問題がある。
特公平２−１４４０８号公報

本発明は、上記事情に鑑み、モジュールの大きな歯車であっても輪郭焼入れでき、しかも、焼入れ後の歯車に生じる歪みを低減した高周波焼入方法を提供することを目的とする。

本発明は前記課題を解決するものであって、歯車の高周波輪郭焼入方法において、歯幅方向両端側から歯部を熱伝導性部材で挟むことなく歯車を誘導加熱コイル内に装入し、高周波の交流電力でＡ_１変態点未満の温度にまで予熱し、歯車のモジュールをＭとしたときｌｏｇＤ＝０．９−０．４Ｍ以上かつｌｏｇＤ＝１．９−０．４Ｍ以下の範囲内の前記予熱のときより高い電力密度Ｄ［ｋＷ／ｃｍ^２］で、１００ｒｐｍ以上２０００ｒｐｍ以下の範囲内の回転速度で前記歯車を回転しつつ前記誘導加熱コイル内で前記予熱のときと同じ周波数の交流電力により焼入温度に加熱し、１００ｒｐｍ未満の回転速度で前記歯車を回転させつつ噴射冷却することを特徴とする歯車の高周波輪郭焼入方法である。

ここにおいて、噴射冷却は歯車を囲んだ状態で該歯車に冷却液を噴射するリング状の冷却ジャケットにより行なわれ、前記冷却ジャケットは歯車の歯幅方向に一列に並んだ、冷却液を噴射する複数の噴射孔の列が、互いに隣接する歯先の間隔と同じ間隔で複数列形成されたものであることも特徴とする。

本発明の高周波焼入方法では、所定の周波数で歯車をＡ_１変態点未満の温度に誘導加熱し、その後、焼入温度に誘導加熱するので１台の電源しか用いないで済む。このため、２台の電源を用いる場合に比べて１台の電源のコスト分が安くなる。また、焼入れされる歯車は、焼入温度に加熱されるまでに変態点を１度しか通過しない。このため、焼入れ後の歯車に生じる歪みを低減できる。さらに、焼入温度まで誘導加熱する際に、上記した所定範囲内の電力密度で誘導加熱するので、歯車を輪郭焼入れできる。

図１から図３までを参照して、本発明の高周波焼入方法の実施形態を説明する。図１は、本発明の高周波焼入方法の一実施形態の熱処理パターンを示すグラフである。図２は、熱伝導性部材を用いて歯車を歯幅方向両端側から挟んだ状態で誘導加熱している様子を示す模式図である。図３は、輪郭焼入れされた歯車の一部を模式的に示す断面図である。

鋼製（例えば、ＪＩＳ規格でＳ５０Ｃ）の歯車１０を高周波焼入れするに当っては誘導加熱コイル２０を用いて、誘導加熱によって、歯車１０をＡ_１変態点未満の温度Ｔ_Ｐに予熱し、その後、焼入温度（オーステナイト化温度）Ｔ_Ｑにまで加熱（本加熱）し、その直後、歯車１０を急冷する。ここで、歯車１０のモジュールをＭとすると、このモジュールＭの歯車１０を誘導加熱するときの電力密度Ｄ［ｋＷ／ｃｍ^２］は、ｌｏｇＤ＝０．９−０．４Ｍ以上かつｌｏｇＤ＝１．９−０．４Ｍ以下の範囲内のものとした。このように、歯車１０のモジュールＭと電力密度Ｄ［ｋＷ／ｃｍ^２］を規定することにより、図３に示すように、歯車１０を輪郭焼入れできる。しかも、歯車１０が焼入温度に加熱されるまでには変態点を１度しか通過しないので、変態点を何度も通過する場合よりも焼入れ後の歪みを低減できる。

また、予熱と本加熱は上記のように誘導加熱コイル２０で続けて行なうので加熱コイルは同一であるが、この際の周波数も同一とする。従って、１台の電源で済むので２台の電源を使う場合よりも設備費は安価で済む。

また、歯車１０を誘導加熱する際には、リング状の熱伝導性部材３０を用いて歯車１０の歯部を歯幅方向両端側から挟んだ状態で誘導加熱してもよい。これにより、歯部の鋭角部１２から熱が奪われるので、この鋭角部１２が所定の焼入温度を超えて加熱される（オーバーヒートする）ことがない。

上記した条件によって、歯車１０を高周波焼入れすると、図３に示すように、歯部のプロフィルに沿った焼入層（硬化層）１４が得られ、歯車１０を輪郭焼入れできる。なお、歯車１０の内部は、硬化されていないコア部１６になっている。

表１に、歯車のモジュールや電力密度を変えて歯車を誘導加熱した実験例を示す。表１において、熱伝導性部材の欄に「有り」と記載されているのは、上記した熱伝導性部材３０を用いた場合であり、「無し」と記載されているのは、熱伝導性部材３０を用いていない場合である。

表１に示すように、モジュール３．０の歯車では、高周波電源（図示せず）の周波数を１５０ｋＨｚとして、予熱のときの電力密度と本加熱のときの電力密度を変えて実験した。予熱では、Ａ_１変態点未満の温度（例えば７００℃）になる電力密度で歯車を誘導加熱した。本加熱では、焼入温度（例えば８５０℃）になる電力密度、すなわち予熱のときより高い電力密度で歯車を誘導加熱した。本加熱の後、歯車に冷却液を噴射して歯車を急冷した。この結果、図３に示すように、歯車を輪郭焼入れすることができた。

図４にモジュールＭと電力密度Ｄの関係を示す。この図は、モジュールＭの歯車が輪郭焼入れされたときの電力密度Ｄを示すグラフであり、縦軸は電力密度Ｄ［ｋＷ／ｃｍ^２］を表わし、横軸はモジュールＭを表わす。

図４の菱形で表わした点のモジュールＭと電力密度Ｄのときに、歯車を輪郭焼入れできた。また、電力密度Ｄ［ｋＷ／ｃｍ^２］がｌｏｇＤ＝１．９−０．４Ｍを超えると、硬化層深さが深くなって輪郭焼入れができなかった。また、硬化層深さが深くなってこの焼入層の残留圧縮応力が低下し、疲労強度が低下した。一方、電力密度Ｄ［ｋＷ／ｃｍ^２］がｌｏｇＤ＝０．９−０．４Ｍ未満のときは、加熱温度が不足して均一なマルテンサイト組織を得られず、このため、強度が低くなった。

図５を参照して、焼入温度に加熱された歯車を噴射冷却するときに使用する冷却ジャケットを説明する。

図５（ａ）は、比較のために従来の冷却ジヤケツトを示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す従来の冷却ジャケットで歯車を冷却している様子を示す模式図であり、（ｃ）は、本発明の冷却ジャケットの一実施形態を示す斜視図である。

図５（ａ）に示す従来のリング状の冷却ジャケット４０では、内周面４２に多数の噴射孔４２ａが形成されている。これら多数の噴射孔４２ａは、不規則的な位置もしくは無作為な位置に形成されている。このため、図５（ｂ）に示すように、これら多数の噴射孔４２ａから噴射された冷却液４２ｂが歯先１０ａに衝突したりしなかったりし、また、歯底１０ｂに衝突したりしなかったりする。しかも、歯先１０ａに衝突した冷却液４２ｂが跳ね返って、近くの噴射孔４２ａから噴射されたばかりの冷却液に衝突してこの冷却液を飛散させ、冷却効率を低下させることもある。同様に、歯面１０ｃに衝突した冷却液４２ｂが跳ね返って、近くの噴射孔４２ａから噴射されたばかりの冷却液に衝突してこの冷却液を飛散させ、冷却効率を低下させることもある。

一方、図５（ｃ）に示す本発明のリング状の冷却ジャケット５０では、内周面５２に規則正しく複数の噴射孔５２ａが形成されている。複数の噴射孔５２ａは、歯車（ここでは、ヘリカルギアである）１０の歯幅方向（矢印Ａ方向であり、図６参照）に一列に並んで複数列形成されている。各列の間隔は、歯車１０の互いに隣接する歯先１０ａの間隔と同じ間隔であり、互いに隣接する歯底１０ｂの間隔とも同じ間隔である。このため、後述する図６及び図７で説明するように、歯車１０を回転させながら歯先１０ａと歯底１０ｂに交互に冷却液を一様に噴射できる。この結果、歯車１０が効率良く冷却され、一様な深さの焼入層１４が得られる。さらに、このように効率良く冷却するので歯車１０の各部分が均一に冷却されることとなり、焼入れ後の歯車１０の変形が減少する。

図６、図７を参照して、冷却ジャケット５０を用いて歯車１０を冷却する際に冷却液が歯車１０に衝突する様子を説明する。

図６は、回転している歯車の歯底に冷却ジャケットからの冷却液が衝突している様子を示す、（ａ）は、冷却ジャケットと歯車の一部を模式的に示す斜視図、（ｂ）は、冷却ジャケットと歯車の全体を模式的に示す平面図である。図７は、回転している歯車の歯先に冷却ジャケットからの冷却液が衝突している様子を示す、（ａ）は、冷却ジャケットと歯車の一部を模式的に示す斜視図、（ｂ）は、冷却ジャケットと歯車の全体を模式的に示す平面図である。これらの図では、図５に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号が付されている。

上述したように、噴射孔５２ａは、歯車１０の歯幅方向（矢印Ａ方向）に一列に並んで複数列形成されている。ここでは、歯車１０がヘリカルギア（はすば歯車、歯が斜めに形成されている歯車）の場合に対応する冷却ジャケット５０を示しており、一列の噴射孔５２ａが、図７に示すように、リング状の冷却ジャケット５０の中心軸に平行な直線５４に対して角度θだけ傾斜して形成されている。また、噴射孔５２ａの各列の間隔は、歯車１０の互いに隣接する歯先１０ａの間隔と同じ間隔であり、互いに隣接する歯底１０ｂの間隔とも同じ間隔である。

従って、図６に示すように、歯車１０を回転させながら冷却ジャケット５０でこの歯車１０を冷却する際に、噴射孔５２ａの列が歯底１０ｂに向き合う位置に移動してきたときは、噴射孔５２ａから噴射された冷却液５２ｂは歯底１０ｂにだけ直接に衝突する。このため、歯底１０ｂが確実に効率良く冷却される。一方、歯車１０が回転して、図７に示すように、噴射孔５２ａの列が歯先１０ａに向き合う位置に移動してきたときは、噴射孔５２ａから噴射された冷却液５２ｂは歯先１０ａにだけ直接に衝突する。このため、歯先１０ａが確実に効率良く冷却される。以上の結果、回転している歯車１０が効率良く冷却され、一様な深さの焼入層１４を得られることとなる。さらに、このように効率良く冷却するので歯車１０の各部分が均一に冷却されることとなり、焼入れ後の歯車１０の変形が減少する。なお、歯車の歯が大きい場合は、歯底と歯面に冷却液を同時に噴射したほうが良いときがある。

歯車１０の加熱時間と回転速度を変えて、歯車１０を高周波焼入れした実験例を説明する。

この実験では、歯車１０を誘導加熱する際に、加熱時間に応じて１００ｒｐｍ以上２０００ｒｐｍ以下の範囲内の回転速度で歯車１０を回転させた。具体的には、歯車１０を誘導加熱する加熱時間が短いとき、例えば加熱時間が０．１秒のときは、歯車１０を１２００ｒｐｍという高速で回転させて歯車１０の表面層が均一に加熱されるようにした。一方、歯車１０を誘導加熱する加熱時間が長いときは、歯車１０を比較的低速で回転させて歯車１０の表面層が均一に加熱されるようにした。

また、歯車１０を冷却する際には、３０ｒｐｍの回転速度で歯車１０を回転させながら、冷却ジャケット５０を用いて歯車１０を冷却した。このように、歯車１０を冷却する際の回転速度を遅くした理由は、加熱時と同程度の回転速度で歯車１０を回転させながら冷却すると、回転速度が速すぎるので冷却液が歯底１０ｂに充分に到達せず、歯底１０ｂを充分に冷却できないからである。この実験では、歯車１０を冷却する際の歯車１０の回転速度を遅くするので歯底１０ｂまで充分に冷却できた。この結果、図３に示すように、歯車１０に均一な厚さの焼入層１４が形成されて歯車１０を輪郭焼入れすることができた。

また冷却ジャケットの複数の噴射孔が、歯車の歯幅方向に一列に並んだものであり、しかも、この複数の噴射孔の列は、互いに隣接する歯先の間隔と同じ間隔で複数列形成されたものである場合は、互いに隣接する歯先の間隔と同じ間隔で噴射孔の列が複数列形成されているので、歯車を回転させながら歯先と歯底に交互に冷却液を一様に噴射でき、歯車をいっそう効率良く冷却できる。

上記のことから、歯車を焼入温度に誘導加熱する際には１００ｒｐｍ以上２０００ｒｐｍ以下の範囲内の回転速度でこの歯車を回転し、上記歯車を冷却する際には１００ｒｐｍ未満の回転速度でこの歯車を回転させるのが好ましいことが判った。なお、歯の形状によっては、歯車１０を停止させて冷却したほうがよい場合もある。

本発明の高周波焼入方法の一実施形態の熱処理パターンを示すグラフである。熱伝導性部材を用いて歯車を歯幅方向両端側から挟んだ状態で誘導加熱している様子を示す模式図である。輪郭焼入れされた歯車の一部を模式的に示す断面図である。モジュールＭの歯車が輪郭焼入れされたときの電力密度Ｄを示すグラフである。（ａ）は、比較のために従来の冷却ジャケットを示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す従来の冷却ジャケットで歯車を冷却している様子を示す模式図であり、（ｃ）は、本発明の冷却ジャケットの一実施形態を示す斜視図である。回転している歯車の歯底に冷却ジャケットからの冷却液が衝突している様子を示す、（ａ）は、冷却ジャケットと歯車の一部を模式的に示す斜視図、（ｂ）は、冷却ジャケットと歯車の全体を模式的に示す平面図である。回転している歯車の歯先に冷却ジャケットからの冷却液が衝突している様子を示す、（ａ）は、冷却ジャケットと歯車の一部を模式的に示す斜視図、（ｂ）は、冷却ジャケットと歯車の全体を模式的に示す平面図である。

符号の説明

１０歯車
１０ａ歯先
１０ｂ歯幅
５０冷却ジャケット
Ａ歯幅方向

Claims

歯車の高周波輪郭焼入方法において、歯幅方向両端側から歯部を熱伝導性部材で挟むことなく歯車を誘導加熱コイル内に装入し、高周波の交流電力でＡ_１変態点未満の温度にまで予熱し、歯車のモジュールをＭとしたときｌｏｇＤ＝０．９−０．４Ｍ以上かつｌｏｇＤ＝１．９−０．４Ｍ以下の範囲内の前記予熱のときより高い電力密度Ｄ［ｋＷ／ｃｍ^２］で、１００ｒｐｍ以上２０００ｒｐｍ以下の範囲内の回転速度で前記歯車を回転しつつ前記誘導加熱コイル内で前記予熱のときと同じ周波数の交流電力により焼入温度に加熱し、１００ｒｐｍ未満の回転速度で前記歯車を回転させつつ噴射冷却することを特徴とする歯車の高周波輪郭焼入方法。
噴射冷却は歯車を囲んだ状態で該歯車に冷却液を噴射するリング状の冷却ジャケットにより行なわれ、前記冷却ジャケットは歯車の歯幅方向に一列に並んだ、冷却液を噴射する複数の噴射孔の列が、互いに隣接する歯先の間隔と同じ間隔で複数列形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の歯車の高周波輪郭焼入方法。