JP6113141B2 - 歯車などの構成部品を処理する方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属構成部品が使用時に受ける負荷によりよく耐えることができる、鋼で作られる金属構成部品の処理の分野に関する。本発明は、特に、歯車の処理に関する。

歯車、図１に示される例示的な実施形態は、回転負荷を伝達する機械構成部品である。図に示される歯車１は、その周縁に形成される歯セット５を有するホイールディスク３を備える。ホイールディスク３は、円筒体を形成する円筒状表面７よって軸線方向に延在され、これは、外部または内部スプライン８、および外部転がり軸受けランド９を有することができる。これらの領域は、機械組立体の他の構成部品、すなわち他の歯車の歯セットを有する歯セット５、転がり軸受けの内側リングを有する転がり軸受けランド、および例えば伝達シャフトの対応するスプラインを有するスプラインと接触している。このように、負荷は、したがって最も高い応力を受けるこれらの領域を通して伝達される。硬化処理は、通常、それらの耐摩耗性を改善するように行われる。

通常、上記の領域に施される処理は、硬度、およびしたがってスリップ、ならびに構成部品の寿命を改善することを目的とする表面硬化処理である。

構成部品の他の領域の処理は、任意であり、またはいくつかの例では、ある表面領域が未硬化のままであることが必要な場合には、回避されなければならない。これは、ねじ山、薄い領域、溶接向きの領域、または、曲げ荷重を受ける歯車の大きなホイールディスクでさえ当てはまる。また、構成部品の中心の材料が適切なレベルの弾性を維持することも必要である。

この結果を達成するために、１つの公知手段は、０．１０％から０．２０％の間の炭素含有量を有する、低合金鋼から作られるブランクを製造すること、９００℃〜９３５℃の温度で適切なガス雰囲気の下で浸炭することによってブランクの表面を炭素で富化すること、および次いで、添加剤を含む、ガス、油、水内で構成部品全体を焼入れすることである。

次いで、これは、炭素で非常に富化されたその表面を有する低炭素含有量からなる低合金材料の通し焼入れ構成部品を生む。構成部品は、表面から材料のコアに向かって硬度勾配を示す。

この技術は、任意の形状の構成部品に適するように作られることができ、かつこれが有効であるという利点を提供する。しかしながら、これは、長いと分かり得る処理時間を必要とする。さらに、製造スケジュールは、通常、電解銅めっきによってある領域から隔離させることが必要である限りにおいて複雑であり、銅めっきを施し、除去する作業、または「硬質加工（ｈａｒｄ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）」作業を必要とし、これは、長くて高価な機械加工工程を必要とする。さらに、この方法は構成部品全体を焼入れすることが必要であるので、全体的な構成部品変形が予想されなければならず、調整機械加工作業が、構成部品の非常に多くの領域で行われなければならない。同様に、歯セットまたはスプラインなどの硬化された機能的領域上の研削加工作業に備えることが必要である。

他の公知手段は、高周波輪郭焼入れである。そのために、０．４％を超える、先行技術の場合よりも高い炭素含有量を有する鋼の基材を通して使用が行われる。例えば、ブランクは、０．５６％〜０．６４％に及ぶ炭素含有量を有する合金基準６０Ｃｒ４で作られる。ブランクを作成することは、特に歯セットの機械加工を必要とする。次いで、部分高周波焼入れ作業が行われる。この作業は、硬化されるべき領域だけを加熱すること、構成部品の輪郭に沿って配置される誘導加熱手段を用いること、および硬化作業を続けることから成る。次いで、これは、輪郭を硬化した状態の、表面硬化されるが通し焼入れされない構成部品を生む。構成部品はいかなる浸炭処理も受けないので、炭素含有量は、処理によって変更されず、これが表面にあるものとコアのところで同じ炭素含有量のままである。

この方法は、実施が急速であり、いかなるマスキングも必要とせず、硬質加工は、硬化された領域の仕上げ研削または表面研削に限定される。選択焼入れによって、未硬化領域のいかなる変形も生じない。しかしながら、これは、常にうまく行われるとは限らず、最適化が困難であるという欠点を有する。さらに、高価である高周波発生器を使用することが必要であり、他方では、構成部品につき、および処理されるべき領域につき、特定の工具を作成することが必要であり、したがって、投資が高コストになる。

本発明の目的は、先行技術の方法の欠点を有さない方法である。

したがって、本発明の第１の目的は、接触領域の表面硬化を達成し、それによりスリップおよび寿命を改善することができる方法である。

本発明の他の目的は、作動負荷、特に歯車の場合の歯セットを支持するために、１ミリメートル程度の深さにわたる硬化処理である。

本発明の他の目的は、弾性が維持されるために、構成部品の通し焼入れを回避する方法である。

本発明の最後の目的は、硬化されない領域を有する構成部品の作成である。

本発明によれば、これらの目的は、表面領域の硬化を有する鋼で作られる機械構成部品を製造する方法によって達成され、本方法は、構成部品のブランクから開始し、浸炭するステップに焼入れすることなく冷却するステップが続くステップと、鋼のオーステナイト化温度まで前記領域を誘導加熱するステップと、焼入れするステップとを含むことを特徴とする。

表面を炭素で富化し、硬化されるべき領域を選択的に焼入れすることによって、浸炭される領域の表面特性が保存されるが、同時に、予定された熱処理が簡単化される。さらに、選択焼入れによって、構成部品全体の変形を回避することができ、機械加工ステップで出来ているスケジュールが簡単化される。具体的には、本発明のスケジュールは、非機能的領域の浸炭および焼入れ処理の後の硬度が高い機械加工を意味する、いかなる「硬質加工」も必要としない。他方では、熱処理より前の銅めっき作業と、次いで熱処理作業の後の銅めっき除去とを必要とすることになる、いかなるマスキングも必要とされない。

他の特徴によれば、材料は、少なくとも０．３％の炭素含有量を有する鋼である。

コアが硬化されないので、使用される鋼は弾力的なままであるが、同時に、浸炭のために、所望の硬度を与える程度の十分な量まで富化され得る。したがって、他の特徴によれば、表面の炭素含有量は、少なくとも０．７％である。

本発明は、特に、歯車の製造に適用される。好ましくは、次いで、ブランクの誘導加熱が、歯セットの深さ全体にわたって施される。「全歯（ｆｕｌｌ ｔｏｏｔｈ）」高周波焼入れの１つの利点は、輪郭焼入れの場合とは違って、この場合は任意の特別な精度を有する加熱を施す必要がないので、実施することが容易であるということである。

したがって、本方法により、少なくとも６８０ＨＶの表面硬度、および１００ＨＢから４００ＨＢの間のコア硬度を有する歯車を作成することができる。

次いで、本発明が添付の図面を参照してより詳細に説明される。

硬化される必要があるそのさまざまな領域を有する歯車の描写の図である。 構成部品全体が浸炭され焼入れされた後の歯車の歯セットの構造の概略断面図である。 輪郭焼入れと知られるものの後の歯車の歯セットの構造の概略断面図である。 本発明の処理の後の歯セットの構造を概略的に示す図である。

本発明によれば、鋼棒は、製造されるべき構成部品のブランクを得るように適切な方法で機械加工され、鍛造され、または改造される。使用される鋼は、低炭素含有量を有する。例えば、これは、０．３％程度である。歯車の場合は、周囲の歯セットが機械加工される。硬化されるべき他の領域も同様である。図１に示される歯車の場合は、転がり軸受けのための支持体を形成する円筒状部分、およびシャフトと歯車との間で駆動負荷を回転可能に伝達するためのスプラインは、次に続く硬化熱処理または熱化学処理より前にブランクで機械加工されることが有利である。

いったんブランクが準備されると、これは、特におよそ０．８％まで、所望の深さにわたって表面層に炭素含有量を増加させることを目的にする拡散処理を受ける。ここで、目的は、硬化されるべき領域の炭素含有量を増加させることである。処理は、従来のもの、例えば、低圧浸炭ＬＰＣという公知技術の場合は分圧の下で、または反応性ガス混合物の制御流れ内のガス浸炭という公知技術の場合は大気圧で、炉内の浸炭であり得る。例えば、ＬＰＣの場合は、浸炭工程は、
− チャンバを排気するステップと、
− 浸炭温度まで徐々に均質化浸透のある段階で、放射または他の同等の手段によって、真空下で加熱するステップと、
− ＬＰＣの場合は制御された分圧下で、制御された質量流量で浸炭ガス状混合物を注入するステップと、
− 所望の深さおよび輪郭に応じた、拡散および浸炭シーケンスの連続のステップと
を含む。

本発明は、この熱化学処理モードに限定されない。この結果を達成する処理の任意のモードが適合する。したがって、ガス浸炭の場合は、加熱は従来のものである。

次いで、構成部品は、周囲温度まで徐々に冷やされる。冷却速度は構成部品が有するべきであると所望される通し焼入れの量によって選択されることに留意されたい。好ましくは、冷却速度は、未通し焼入れ状態が実現される焼入れ速度から十分に離されている。

次のステップは、鋼のオーステナイト化温度まで磁気誘導によって所望の領域で局部的に構成部品を加熱するステップと、次いで焼入れするステップとである。

電磁誘導焼入れは、０．５ｍｍから数センチメートルまで制御され、再現可能な深さにわたって均一な急速加熱を得ることができる、それ自体公知の方法である。強磁性材料の構成部品が、高周波、中周波、または低周波ＡＣ電流が通過するソレノイドの内側に配置される。構成部品を有するこのソレノイドは、変圧器のように機能し、その内部に誘導電流を発生する。構成部品の周縁の加熱効果は非常に急速である。

高周波輪郭焼入れは、その関連する周波数が２０ｋＨｚから６００ｋＨｚの間に及ぶ高周波電流を使用し、１００ｋＷを超える電力を有する発生器を必要とする。

中周波の誘導表面焼入れは、５０ｋＷ程度の電力、および１０ｋＨｚ程度の関連する電流周波数を有する中周波の電流発生器を使用する。

低周波の誘導表面焼入れは、１ｋＷより小さい電力、および１ｋＨｚより小さい関連する電流周波数を有する低周波の電流発生器を使用する。発生器の選択は、通常、処理の選択される深さに依存する。

加熱後に、構成部品は、急冷流体、通常１つまたは複数の適切な添加剤を混ぜ合わせた水に浸漬される。

本発明の文脈内で、これは、輪郭焼入れと呼ばれる電磁誘導焼入れ技術と異なる。

歯車の輪郭加熱は、軸方向磁界を作成するために、この歯車の歯付き周辺を同軸に取り巻くシングルターンまたはマルチターンインダクタの交番磁界内にこの歯車を配置すること必要とすることが想起されよう。歯セットの輪郭焼入れのためにインダクタが供給される交番磁界は、通常、２０ｋＨｚ〜６００ｋＨｚに及ぶ周波数を有し、１００ｋＷを超える電力の電流発生器を有する高周波磁場である。

本発明はしかしながら歯の輪郭に正確に従うとは限らない表面焼入れを達成することを提案するので、本発明が提案するものは、低周波または中周波焼入れである。

したがって、本発明によれば、「全歯」誘導加熱と呼ばれるものが行われ、それによって、歯セットの正確な輪郭に従わない表面焼入れが達成される。加熱は、同じくらいに正確ではないが、低周波または中周波電流発生器によって実行され得る。電流は歯の輪郭に従う必要がないので、加熱は最適化するのにより容易である。

加熱に続いて、構成部品は、急冷を受け、例えば水で急冷される。

図２、図３、および図４は、さまざまな処理モードの効果を示しており、最初の２つは先行技術に対応し、第３のものは本発明に対応する。

図２の歯セット５は、表面層５１に浸炭された状態を有する。構成部品３は、通し焼入れされる。０．１５％の低炭素含有量を有する合金鋼の使用が行われる。浸炭工程を通して、表面層の炭素含有量は０．８％に達する。

図３の歯セット５′は、高周波輪郭焼入れによって硬化される表面層５１′を有する。この表面層は比較的厚い場合がある。コア内にある一定のレベルの靱性を維持するために、鋼は、前よりも高い炭素含有量、すなわち０．６％を有する。含有量は、構成部品全体に同じである。

図４の歯セット５′′は、その表面炭素含有量が０．８％で高い、浸炭された表面層５１′′を有する。歯セット全体に施される高周波焼入れのため、先端から根元まで歯の全体によって形成されるこの部分５２′′の全体、および２つの隣接する歯の間の溝は、ディスクの下にある部分の硬度よりも大きな硬度を有する。材料は、通し焼入れされない。

Claims (3)

1. 硬化表面領域の相を有する鋼製歯付歯車を製造する方法であって、硬化されるべき領域を有する構成部品のブランクを作成するステップと、次いで
   浸炭するステップであり、この浸炭するステップに焼入れすることなく冷却するステップが続くステップと、
   少なくとも１つの中周波または低周波電流発生器を用いて局部誘導加熱するステップであり、これが鋼のオーステナイト化温度まで歯車歯セットの深さ全体に施されるステップと、
   焼入れするステップと
   を含むことを特徴とする、方法。
2. 材料が、少なくとも０．３％の炭素含有量を有する鋼である、請求項１に記載の方法。
3. 構成部品が、表面の炭素含有量が少なくとも０．８％であるように浸炭される、請求項１または２に記載の方法。

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