JP5876759B2

JP5876759B2 - 歯面疲労損傷寿命に優れた歯車

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Publication number: JP5876759B2
Application number: JP2012072296A
Authority: JP
Inventors: 匡司野村; 新堂　陽介; 陽介新堂
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: JP2013204645A

Description

本発明は、自動車用変速機をはじめとした各種伝達装置、或はＣＶＴプーリー等の動力伝達部品へ適用する歯車に関するものであり、特に優れた歯面疲労損傷寿命を発揮する様な歯車に関するものである。

自動車用変速機等で用いられる歯車は、高い接触面圧で使用されることから、ピッチング（ｐｉｔｔｉｎｇ）やスコーリング（ｓｃｏｒｉｎｇ）等の歯面の疲労損傷（剥離損傷）が生じることがある。特に近年では、燃費向上を目的としてユニットの小型化によって歯車も小型化しており、歯車の単位面積に加わる負荷が増大し、これによって歯車表面の摩擦力が増大して歯車表面の温度が上昇しやすくなっており、歯面疲労損傷が生じやすい状況である。歯面疲労損傷は、歯車の寿命を縮めることになるので、歯面疲労損傷に対する耐性（これを「歯面疲労損傷寿命」と呼ぶ）に優れていることは、歯車において重要な要求特性である。

歯面疲労損傷寿命を向上させる技術としては、焼戻し軟化抵抗性を向上させ、高温硬さを高めることが行われている。しかしながら、歯車の高温硬さを高くすると、歯面間の馴染み性が低下し、歯面での応力緩和が起こり難くなり、却って歯面疲労損傷寿命が低下することになる。

一方、リン酸マンガン処理等の化成処理（化学研磨）を施し、歯車表面の摩擦力を低減する潤滑処理が行われている。このような化成処理を施すことによって、歯車表面に加わる摩擦力が低減され、歯面疲労損傷寿命が向上することが期待される。しかしながら、歯車の単位面積に加わる負荷が増大しており、化成処理を施しても十分な歯面疲労損傷寿命が得られない場合がある。

歯面疲労損傷寿命を向上させるための技術としてこれまでにも様々提案されている。例えば特許文献１には、リン酸塩処理にて潤滑性を確保すると共に、焼戻し軟化抵抗性を高めるために、鋼材中のＳｉ，ＣｒおよびＭｏの含有量を適切に規定することが提案されている。しかしながら、鋼材の化学成分組成を調整するだけでは、歯面疲労損傷寿命を向上させることには限度がある。

また特許文献２には、歯車表面に凹部を設け、この凹部にリン酸マンガン粒子を残留させることによって、歯車の潤滑性を向上させる金属表面処理方法が提案されている。更に、特許文献３では、リン酸塩処理、化学研磨、電解研磨等による歯車の歯面粗さの片寄りを制御することによって、歯面疲労強度を向上させることが提案されている。しかしながら、これらの技術においても、近年要求されるような十分な歯面疲労損傷寿命が得られない場合がある。

特開２０１０−１８５１２３号公報特開２００５−３２０６０４号公報特開平７−２９３６６８号公報

本発明はこの様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、優れた歯面疲労損傷寿命を発揮して近年の要求特性に十分に対応できる様な歯車を提供することにある。

上記課題を解決することのできた本発明の歯車とは、歯車素地表面に凹部形状が存在する表面性状において、ＪＩＳＢ０６７１−２に規定される突出山部断面積Ａ１（μｍ²）と、突出谷部断面積Ａ２（μｍ²）の比（Ａ２／Ａ１）が３〜１１．０であると共に、ＪＩＳＢ０６０１に規定される粗さ曲線の最大谷深さＲｖが１０．０μｍ以下である点に要旨を有するものである。

本発明の歯車においては、歯車素地表面に存在する凹部における開口径の平均値が、１６〜３０μｍであることが好ましい。

本発明は上記のように構成されており、歯車素地表面に凹部を存在させると共に、その表面性状を適正に制御することによって、歯面の強度を維持しつつ潤滑油保持機能を向上させ、歯面疲労損傷寿命を飛躍的に向上させることができた。

突出山部断面積Ａ１と突出谷部断面積Ａ２の測定方法を説明するための図である。ローラーピッチング試験に用いた試験片の概略説明図である。

本発明者らは、歯車における歯面疲労損傷寿命を向上させるべく、様々な角度から検討した。その結果、仕上げ加工後に適切な条件で酸洗し、歯車素地表面における表面性状を適切に制御してやれば、歯面の基本的な強度を維持しつつ潤滑油保持機能を向上させることができ、これによって歯面疲労損傷寿命を飛躍的に向上させることができることを見出し、本発明を完成した。

歯面疲労損傷寿命を向上させるためには、相対する歯車歯面間の金属接触を防ぐ潤滑油膜の形成を助長させるような、潤滑油保持機能を高めた表面形状であることが必要であり、そのためには、歯面に深い凹部形状を形成することが有効である。また、従来のリン酸塩処理等の化学研磨や通常の酸洗処理では、歯車素地の表面にある程度の凹部が存在する状態とはなるが、潤滑油保持機能（以下、「油留り性」と呼ぶことがある）を高め得るような形態にはならないのが実状である。また、凹凸形状が大きくなり過ぎたり、凹部の深さが深くなり過ぎたりすると、歯面強度が低下し、歯面疲労損傷寿命が却って低下することも考慮する必要がある。

こうした着想に基づき、歯車素地表面の表面性状を適正化する指標として、ＪＩＳＢ０６７１−２（２００２）に規定される突出山部断面積Ａ１（μｍ²）と突出谷部断面積Ａ２（μｍ²）との比（Ａ２／Ａ１）、およびＪＩＳＢ０６０１（２００１）に規定される粗さ曲線の最大谷深さＲｖを選び、これらを適切な範囲に規定したものである。これらの基本的な概念、および範囲設定理由は次の通りである。

突出山部断面積Ａ１と突出谷部断面積Ａ２は、ＪＩＳＢ０６７１−２（２００２）に規定される概念であり、下記のようにして求められる。

突出山部断面積Ａ１と突出谷部断面積Ａ２は、ＪＩＳＢ０６７１−２（２００２）基づき、図１に示す負荷曲線から求められる。具体的には、負荷曲線上で、負荷長さ率Ｍｒが４０％となるような２点（Ａ，Ｂ）を通る直線の中で、傾きが最も小さい直線を求め、この直線とＭｒ＝０％、Ｍｒ＝１００％との交点を夫々点Ｃ、点Ｄとする。この点Ｃを通る切断レベルと負荷曲線との交点をＨ、Ｍｒ＝０％との交点をＩとしたとき、線分ＣＨ、線分ＣＩ、曲線ＨＩで囲まれる面積が突出山部断面積Ａ１である。また点Ｄを通る切断レベルと負荷曲線との交点をＥとし、Ｍｒ＝１００％との交点をＦとしたとき、線分ＤＥ、線分ＤＦ、曲線ＥＦで囲まれる面積が突出谷部断面積Ａ２である。尚、本発明では、突出山部断面積Ａ１と突出谷部断面積Ａ２は、評価長さ：４ｍｍ、カットオフ：０．８ｍｍ、５区間の条件で求めた。

本発明の歯車では、歯車素地の表面性状において、上記のようにして求められる突出山部断面積Ａ１（μｍ²）と突出谷部断面積Ａ２（μｍ²）の比（Ａ２／Ａ１）が３〜１１．０であることが必要である。この比（Ａ２／Ａ１）の値が３未満になると、歯車素地表面の凹部での油留り性が低下して歯面疲労損傷寿命の向上効果が発揮されない。また比（Ａ２／Ａ１）の値が１１．０を超えると、歯車素地表面の凹部の量が大きくなり過ぎ、歯面が脆くなり、歯面疲労損傷寿命が低下する。比（Ａ２／Ａ１）の値の好ましい下限は３．５以上（より好ましくは４．０以上）であり、好ましい上限は１０．５以下（より好ましくは１０．０以下）である。

一方、粗さ曲線の最大谷深さＲｖは、ＪＩＳＢ０６０１（２００１）に規定されるものであり、粗さ曲線の最大深さを表したものである。この最大谷深さＲｖは、粗さ曲線を基準長さ毎に区切り（例えば、５区間）、各基準長さにおいて、平均線から谷底までの深さをＲｖｉとしたときに、各基準長さにおいて求めたＲｖｉの深さの最大値が最大谷深さＲｖである。尚、本発明では、最大谷深さＲｖは、評価長さ：４ｍｍ、カットオフ：０．８ｍｍ、５区間の条件で求めた。

最大谷深さＲｖの平均値が１０．０μｍよりも大きくなると、凹部が歯面疲労損傷の起点となり、歯面疲労損傷寿命が低下することになる。最大谷深さＲｖの平均値は好ましくは９．０μｍ以下（より好ましくは８．０μｍ以下）である。最大谷深さＲｖの平均値の下限は特に限定されないが、例えば０．５μｍ程度である。

本発明の歯車においては、歯車素地表面に存在する凹部における開口径の平均値（平均開口径）が、１６〜３０μｍであることが好ましい。平均開口径が１６μｍ未満では、歯車素地表面の凹部の油溜り性が小さくなり、歯車疲労強度が向上しない。平均開口径が３０μｍを超えると、歯車素地表面の凹部が大きくなり、凹部が歯面疲労損傷の起点となるため歯面疲労損傷寿命が低下する傾向を示す。平均開口径の好ましい下限は１８μｍ以上であり（より好ましくは２０μｍ以上）、好ましい上限は２８μｍ以下（より好ましくは２６μｍ以下）である。尚、凹部における開口径とは、凹部における摺動方向の幅と摺動方向に垂直な方向の幅との平均値である。

上記のような歯車素地表面の表面性状は、リン酸塩処理等の化学研磨を施しては実現できず、化学研磨する代わりに特定の条件で酸洗処理する必要がある。即ち、圧延材に対して、粗加工を施した後、浸炭処理および仕上げ加工を施し、その後にリン酸塩処理等の化学研磨を施す代わりに、所定の条件で酸洗処理する必要がある。このときの酸洗条件としては、用いる鋼種によっても若干異なるが、濃度が１５〜３５％程度（好ましくは２０〜３０％程度）の硫酸水溶液を用い、水溶液温度３０〜９０℃程度（好ましくは４０〜８０℃程度、より好ましくは５０〜７０℃程度）として３〜７５分程度（好ましくは５〜６０分程度、より好ましくは１０〜５０分程度）の浸漬処理を行う必要がある。

本発明で用いる鋼材としては、歯車用に用いられている通常のものであればよく、例えばＪＩＳに規定されているＳ３５Ｃ、Ｃ４５Ｃ等の機械構造用炭素鋼や、ＳＣｒ４２０、ＳＣｒ４２０Ｈ、ＳＣＭ４２０、ＳＮＣ４１５、ＳＮＣＭ４２０等の機械構造用合金鋼等が挙げられる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することは勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

ＪＩＳＳＣｒ４２０Ｈ相当鋼の圧延材を、所定の形状に粗加工した後、浸炭処理を行った後、仕上げ加工を行い、図２に示す試験片形状（ローラーピッチング試験片形状）に加工し、試験片とした。尚、このときの浸炭処理は、９３０℃にてカーボンポテンシャル（Ｃｐ）が０．８％、有効浸炭深さ（ＥＣＤ）が１．０ｍｍとなるようにし、その後、焼戻し１７０℃×２時間を行った。

上記で得られた試験片に対し、下記表１に示す各種の潤滑処理（化成処理、酸洗処理）を施した。尚、酸洗する試験片については、酸洗前の表面粗さが粗いと凹部が生成されにくいため、上記仕上げ加工では通常の歯車の研磨品と同等となるように、算術平均粗さＲａで０．１〜０．４μｍとなるように研磨処理を施した。この研磨後、硫酸や塩酸等を用いて酸洗を実施し、試験片の摺動面（試験片の試験面）に凹部を生成した。下記表１には、酸洗条件を示した。

上記の処理を施した各試験片について、表面性状（Ｒｖ、Ａ２、Ａ１、Ａ２／Ａ１、平均開口径）を下記の方法で測定すると共に、ローラーピッチング試験によって、歯面疲労損傷寿命を測定した。

[表面性状の測定]
ミツトヨ社製「ＣＳ３２００」にて、図２に示す試験片の円周上９０°ごと４箇所で、評価長さ：４ｍｍ、カットオフ：０．８ｍｍ、５区間の条件にて、ＪＩＳＢ０６０１（２００１）に規定される最大谷深さＲｖと、ＪＩＳＢ０６７１−２（２００２）に規定される突出山部断面積Ａ１（μｍ²）、突出谷部断面積Ａ２(μｍ²）を測定し、それぞれについて平均値を求めた。尚、リン酸マンガンで処理したもの（表１の試験Ｎｏ．２、３）については、ローラーピッチング試験後の試験片にて５％クロム酸溶液にてリン酸マンガン皮膜を除去した後、非摺動部にて粗さ測定を実施した。

[凹部開口部分の開口径の測定]
レーザーテック社製「１ＬＭ２１Ｗ」にて、試験片表面に存在する凹部を１０００倍にて観察し、摺動方向の幅と摺動方向に対して垂直方向の幅の平均を、凹部の開口径と定義し、３視野の平均値を求めた。

［歯面疲労損傷寿命の評価方法］
歯車特性の評価方法として、図２に示す二円筒試験片を用い、コマツ式二円筒試験機（ＲＰ２０１）にてローラーピッチング試験を実施した。ローラーピッチング試験は、前記試験片（小ローラ）と、同じ鋼種で作製された大ローラ（相手材）とを用いる。試験条件は、面圧：３ＧＰａ、回転速度：１５００ｒｐｍ、すべり速度１．２２ｍ／ｓであり、振動計にて歯面疲労損傷による振動停止までの繰返し数を測定し、これを歯面疲労損傷寿命とした。なお潤滑油としては市販されているＡＴＦを用いた。

これらの結果（歯面疲労損傷寿命）を、試験片の表面性状（Ｒｖ、Ａ２、Ａ１、Ａ２／Ａ１、凹部開口径の平均値）と共に、下記表２に示す。

これらの結果から次のように考察することができる。まずＮｏ．４〜１０（試験Ｎｏ．の意味、以下同じ）は、適切な条件（酸洗条件）で試験片表面（歯車素地表面に相当）に凹部形状を形成することによって、表面性状は本発明で規定する要件を満足するものとなり、いずれも優れた歯面疲労損傷寿命が発揮されていることがわかる。このうちＮｏ．４のものは、本発明例中、酸洗溶液の温度が低く、酸洗処理時間が短く、好ましい要件である凹部開口径の平均値が若干小さくなっているものであり、Ｎｏ．５〜１０の発明例と比べて歯面疲労損傷寿命が若干低下しているが、基本的に問題のない程度である。

これに対し、Ｎｏ．１〜３、１１〜２０では、試験片表面（歯車素地表面に相当）に形成される凹部形状が本発明で規定するいずれかの要件を外れるものとなっており、歯面疲労損傷寿命の向上が殆ど見られないことがわかる。即ち、Ｎｏ．１のものは、研磨仕上げしたままで潤滑処理を施していないものであり、表面に凹部が無いため歯面疲労損傷寿命が低くなっている。

Ｎｏ．２、３のものは、リン酸マンガン処理を施したものであるが、硫酸で酸洗処理する場合と比べて、鉄に対する溶解力が弱くなり、前記比（Ａ２／Ａ１）の値が小さく、幅も小さくなるため、油溜り性が低くなり、歯面に加わる摩擦力が低減しないため歯面疲労損傷寿命が向上していない。

Ｎｏ．１１は、酸洗処理に用いた硫酸の温度が低い（室温）ものであり、酸溶液の腐食力が小さいために適正な凹部形状が生成しにくくなっており、前記比（Ａ２／Ａ１）が３よりも小さいものとなって油溜り性が改善されず、歯面に加わる摩擦力が低減しないため、歯面疲労損傷寿命が向上しない。

Ｎｏ．１２は、酸洗溶液の濃度が低いと腐食量が小さくなって、凹部が生成しないため油溜り性が低く歯面に加わる摩擦力が低減しないため、歯面疲労損傷寿命が向上していない。Ｎｏ．１３は、酸洗時の浸漬時間が短くなっており、前記比（Ａ２／Ａ１）の値が小さくなっているため、凹部による油溜り性が改善されず、歯面に加わる摩擦力が低減しないため、歯面疲労損傷寿命が向上していない。

Ｎｏ．１４、１５は、酸洗時の硫酸濃度が高くなっており、最大谷深さ（Ｒｖ）が大きくなり、凹部が起点となって早期に破損が起こるため歯面疲労損傷寿命が短いくなっている。Ｎｏ．１６では、浸漬時間が長く、前記比（Ａ２／Ａ１）の値が大きく、また凹部の開口径の平均値が大きくなり、歯面の強度が低下するため歯面疲労損傷寿命が低下している。

Ｎｏ．１７では、酸洗時の浸漬時間が長くなって、前記比（Ａ２／Ａ１）の値が大きくなり、最大谷深さＲｖおよび凹部の開口径の平均値が大きくなり、凹部が起点となって歯面の強度が低下するため歯面疲労損傷寿命が低下している。

Ｎｏ．１８〜２０は、塩酸による酸洗処理（濃度１０〜３０％、常温）を行ったものであるが、硫酸で酸洗処理する場合と比べて鉄に対する溶解力が弱く、前記比（Ａ２／Ａ１）の値が小さいため歯面に加わる摩擦力が低減せず、歯面疲労損傷寿命が向上していない。

Claims

歯車素地表面に凹部形状が存在する表面性状において、ＪＩＳＢ０６７１−２に規定される突出山部断面積Ａ１（μｍ²）と、突出谷部断面積Ａ２（μｍ²）の比（Ａ２／Ａ１）が３〜１１．０であると共に、ＪＩＳＢ０６０１に規定される粗さ曲線の最大谷深さＲｖの平均値が１０．０μｍ以下であり、歯車素地表面に存在する凹部における開口径の平均値が、１６〜３０μｍであることを特徴とする歯面疲労損傷寿命に優れた歯車。