JP7077198B2

JP7077198B2 - 歯車部品の製造方法

Info

Publication number: JP7077198B2
Application number: JP2018183470A
Authority: JP
Inventors: 一晃岡田; 義一戸高; 望足立
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyohashi University of Technology NUC; Aisin Corp
Current assignee: Toyohashi University of Technology NUC; Aisin Corp
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2022-05-30
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: JP2020050935A

Description

本発明は、歯車部品の製造方法に関する。

歯車部品のうち靱性を確保したい部位において他の部位よりも残留オーステナイトの量を多くする技術が知られている。具体的に、部品全体を浸炭焼入れした後に、靱性を確保したい部位のみ部分的に高周波焼入れを行うことにより、靱性を確保したい部位における残留オーステナイトの量を多くする技術が知られている（特許文献１，２、参照）。

特開２００７－１８２６０７号公報特開２００７－１８２６０９号公報

特許文献１，２のように、高周波焼入れにおいて８００～１０００℃まで加熱すると、固溶炭素量が増大する一方で、炭化物の量が減少することとなる。ここで、炭化物は、焼戻し時や部品使用時における発熱によって軟化することを阻害する因子である。従って、特許文献１，２においては、炭化物の量が減少することにより軟化を抑制することができなくなり、結果的に耐疲労性が低下してしまうという問題があった。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、炭化物の量と残留オーステナイトの量とを両立できる技術を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明の歯車部品の製造方法は、鋼材で形成された歯車部品を７５０℃以上かつ９５０℃以下のピーク温度で加熱する加熱工程と、加熱工程において加熱された歯車部品のうちの第２の部分を第１冷却速度で冷却し、歯車部品のうちの第１の部分を第１冷却速度よりも遅い第２冷却速度で冷却することにより、第１の部分における残留オーステナイトの量を第２の部分よりも大きくする冷却工程と、を含み、前記第１の部分は、前記歯車部品の回転軸の軸方向における両端部および軸方向の端面から全体の長さの１０％以内の部分であり、前記第２の部分は、前記第１の部分によって挟まれた側面部である。

以上説明した本発明の構成において、オーステナイトを冷却する際の冷却速度を遅くすると、マルテンサイトへの変態が抑制されて残留オーステナイトの量が増大することが知られている。そこで、冷却工程における第１の部分の冷却速度を遅くすることにより、第１の部分における残留オーステナイトの量を第２の部分よりも大きくすることができる。また、加熱工程におけるピーク温度を９５０℃以下に抑制することにより、炭化物を構成している炭素の固溶を抑制し、炭化物の量を維持することができる。従って、歯車部品の第１の部分において炭化物の量と残留オーステナイトの量とを両立でき、耐摩耗性と靱性とを両立できる。

図１Ａは歯車部品の側面図、図１Ｂは熱処理の模式図である。図２Ａは誘導加熱装置の断面模式図、図２Ｂは冷却装置の断面模式図である。図３は残留オーステナイトの量のグラフである。図４Ａ，図４Ｂは焼戻しのための誘導加熱装置の断面模式図である。図５Ａは残留応力のグラフ、図５Ｂは亀裂発生エネルギーのグラフである。

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）本発明の原理と実施例：
（２）他の実施形態：

（１）本発明の原理と実施例：
図１Ａは、本発明の製造方法によって製造される歯車部品１の側面図である。歯車部品１は、円筒状であり、側面に歯が形成されている。歯車部品１は、破線で示す回転軸Ｚまわりに回転する部材であり、例えば車両用自動変速機の遊星歯車として用いられる。歯車部品１の用途や機能は特に限定されない。

図１Ａに示すように、歯車部品１の回転軸Ｚの軸方向における両端部および軸方向の端面から全体の長さの１０％以内の部分を第１の部分Ａと定義し、第１の部分Ａによって挟まれた部分の表面（側面部）を第２の部分Ｂと定義する。また、歯車部品１の軸方向は、回転軸Ｚの中心軸の方向を意味することとする。歯車部品１の歯（歯幅）は、軸方向の全域において形成されており、歯の端面が第１の部分Ａに含まれることとなる。また、歯幅方向が軸方向と一致する歯車部品１を例示したが、歯車部品１は歯幅方向が軸方向に対して傾斜するヘリカルギアであってもよい。歯車部品１は、例えばＪＩＳ-ＳＣＭ４２０によって形成されている。

図１Ｂは、本実施形態の各工程と残留オーステナイトの量とを説明する模式図である。本実施形態において、加熱工程と冷却工程と焼戻し工程とが行われる。なお、加熱工程を行うにあたり、予め歯車部品１の歯切りと浸炭徐冷とが行われている。浸炭においては、目標の炭素濃度を１．３５％とし、温度を１０００℃とし、浸炭・拡散時間を４時間とした。浸炭後、窒素ガスや不活性ガス中において徐冷を行う。浸炭徐冷を行うことにより、鉄と炭素が化合した炭化物を歯車部品１の表面に形成することができる。

次に、加熱工程と冷却工程を順に行う。加熱工程と冷却工程とは、いわゆる高周波焼入れである。加熱工程は、鋼材で形成された歯車部品１を７５０℃以上かつ９５０℃以下のピーク温度で加熱する工程である。具体的に、加熱工程においては、歯車部品１を８２０℃のピーク温度で加熱した状態で３０分保持する。また、加熱工程においては、浸炭によって炭素濃度が増大した歯車部品１の表面全体が加熱され、オーステナイト相が形成される。加熱工程のピーク温度は、鉄と炭素の炭化物が維持できる程度に低温であればよく、９５０℃以下であればよい。加熱工程のピーク温度が高すぎると、炭化物を構成していた炭素がマトリクスに固溶してしまい、結果として、耐摩耗性が低下することとなる。加熱工程のピーク温度は、歯車部品１の表面をオーステナイト化できる程度に高温であればよく、７５０℃以上であればよい。

図２Ａは、加熱工程に用いる誘導加熱装置１０の断面構造を示す。誘導加熱装置１０は、円筒状の誘導コイル１２を備える。誘導コイル１２は、内部に円柱状の加熱空間１１を形成し、加熱工程にて加熱された歯車部品１が加熱空間１１内に導入される。歯車部品１は、軸方向の両側から一対の治具１３によって挟み込まれて保持される。歯車部品１と加熱空間１１の中心軸Ｃ（一点鎖線）が一致するように歯車部品１が加熱空間１１内に保持される。誘導コイル１２に高周波電流を供給することにより、歯車部品１の軸方向の全域において表面を加熱することができる。その結果、誘導加熱装置１０によって第１の部分Ａと第２の部分Ｂの双方が加熱される。

冷却工程においては、このオーステナイト相を急冷し、マルテンサイトに変態させることにより、歯車部品１の表面の硬度を確保する。図１Ｂに示すように、冷却工程においては、第２の部分Ｂを第１冷却速度Ｖ１（破線の傾きの大きさ）で急冷し、第１の部分Ａを第１冷却速度Ｖ１よりも遅い第２冷却速度Ｖ２（実線の傾きの大きさ）で急冷する。これにより、第１の部分Ａにおける残留オーステナイトの量を第２の部分Ｂにおける残留オーステナイトの量よりも多くすることができる。例えば、図１Ｂの下グラフに示すように、冷却工程後における第１の部分Ａ表面における残留オーステナイトの量を３５体積％とし、第２の部分Ｂ表面における残留オーステナイトの量を１０体積％としてもよい。

図２Ｂは、冷却工程に用いる冷却装置２０の断面構造を示す。冷却装置２０は、円筒状の水冷壁面２２を備える。水冷壁面２２は、内部に円柱状の水冷空間２１を形成し、加熱工程にて加熱された歯車部品１が水冷空間２１内に導入される。歯車部品１は、軸方向の両側から一対の治具２３によって挟み込まれて保持される。歯車部品１と水冷空間２１の中心軸Ｃが一致するように歯車部品１が水冷空間２１内に保持される。中心軸Ｃの方向は鉛直方向である。

冷却装置２０は、中心軸Ｃに関して回転対称の構造を有している。水冷壁面２２の外側側面に沿うように４個の冷媒室Ｐ１～Ｐ４が備えられている。冷媒室Ｐ１～Ｐ４は、円環状に形成されおり内部の中空空間に冷媒としての水が供給される。図示しない小型ポンプによって冷媒室Ｐ１～Ｐ４のそれぞれに水が供給され、冷媒室Ｐ１～Ｐ４内の水圧は個別に調整可能となっている。

水冷壁面２２には多数のノズルが形成されており、当該ノズルを介して冷媒室Ｐ１～Ｐ４内の水が水冷壁面２２の内側の水冷空間に向けて噴射される。水冷壁面２２のノズルを貫通し、水冷空間に向けて噴射される水をグレーの矢印で示す。水冷壁面２２のノズルのうち、上から数えて１，２番目に配置された冷媒室Ｐ１，Ｐ２と連通するノズルは、水平方向に対して１０度だけ下方に傾斜している。上から数えて３番目に配置された冷媒室Ｐ３と連通する水冷壁面２２のノズルは水平方向となっている。最も下方に配置された冷媒室Ｐ４と連通する水冷壁面２２のノズルは水平方向に対して１０度だけ上方に傾斜している。

最も上方と最も下方の冷媒室Ｐ１，Ｐ４（薄いグレー）に連通する水冷壁面２２の各ノズルから１０Ｌ／ｍｉｎの流量で水が噴射されるように冷媒室Ｐ１，Ｐ４内の水圧が調整されている。一方、上から数えて２，３番目の冷媒室Ｐ２，Ｐ３（濃いグレー）に連通する水冷壁面２２の各ノズルから４０Ｌ／ｍｉｎの流量で水が噴射されるように冷媒室Ｐ２，Ｐ３内の水圧が調整されている。

ここで、冷媒室Ｐ１，Ｐ４に連通する水冷壁面２２のノズルから噴射された水によって冷却される部位が図１Ａの第１の部分Ａとなる。すなわち、１０Ｌ／ｍｉｎの流量で噴射された水によって冷却される部位が第１の部分Ａとなる。一方、冷媒室Ｐ２，Ｐ３に連通する水冷壁面２２のノズルから噴射された水によって冷却される部位が図１Ａの第２の部分Ｂとなる。すなわち、４０Ｌ／ｍｉｎの流量で噴射された水によって冷却される部位が第２の部分Ｂとなる。

このように、第２の部分Ｂよりも第１の部分Ａの方が供給される冷媒の流量が小さいため、図１Ｂに示すように第２の部分Ｂの第１冷却速度Ｖ１（破線の傾きの大きさ）よりも第１の部分Ａの第２冷却速度Ｖ２（実線の傾きの大きさ）の方が小さくなる。その結果、第１の部分Ａの残留オーステナイトの量を３５体積％とし、第２の部分Ｂの残留オーステナイトの量を１０体積％とすることができる。

図３は、冷却工程における冷却速度と残留オーステナイトの量との関係を示すグラフである。同図の横軸は固溶炭素量を示し、縦軸は残留オーステナイトの体積分率を示す。固溶炭素量とは、冷却工程の直前においてマルテンサイト変態前のオーステナイトに固溶している炭素の質量濃度を意味する。図３において、冷却速度が７５０℃／ｓｅｃ、１２５０℃／ｓｅｃ、１７５０℃／ｓｅｃである場合の残留オーステナイトの体積分率をそれぞれ破線、一点鎖線、実線によって示す。

図３に示すように、冷却速度が遅いほど残留オーステナイトの量が大きくなり、冷却速度が速いほど残留オーステナイトの量が小さくなる傾向が見られた。本実施形態においては、冷却工程の直前において、約０．７８質量％の炭素がマルテンサイト変態前のオーステナイトに固溶していると推定できる。そのため、第１冷却速度Ｖ１を１７５０℃／ｓｅｃとすることにより、第２の部分Ｂの残留オーステナイトの量を１０体積％とすることができる。一方、第２冷却速度Ｖ２を７５０℃／ｓｅｃとすることにより、第１の部分Ａの残留オーステナイトの量を３５体積％とすることができる。

冷却装置２０は、第２の部分Ｂよりも第１の部分Ａの冷却速度を遅くすることができればよく、図２Ｂに示す装置に限られない。例えば、冷却装置２０は、中心軸Ｃが水平となるように歯車部品１が保持された状態で、歯車部品１を冷却する装置であってもよい。また、冷媒室Ｐ１～Ｐ４に供給される冷媒の温度や濃度が異なっていてもよい。

次に、焼戻しを行う。焼戻しは、冷却工程の後に、第１の部分Ａを焼戻しすることにより、第１の部分Ａの残留オーステナイトの一部をマルテンサイトに変態させる工程である。焼戻しにおいては、歯車部品１の第１の部分Ａを１８０℃のピーク温度で加熱した状態で４５～７５分（例えば６０分）保持する。加熱工程のピーク温度は、残留オーステナイトの一部をマルテンサイト変態させることが可能な温度であればよく、１５０℃以上であればよい。加熱工程のピーク温度は、すでに形成されているマルテンサイトを維持できる程度に低温であればよく、２００℃以下であればよい。焼戻しの加熱後おいては、歯車部品１を空冷する。その結果、第１の部分Ａの残留オーステナイトのうち５体積％をマルテンサイト変態させ、残った残留オーステナイトの量を３０体積％とすることができる。

図４Ａは、焼戻しに用いる誘導加熱装置３０の断面構造を示す。誘導加熱装置３０は、円筒状に形成された上下一対の誘導コイル３２を備える。誘導コイル３２は、それぞれ内部に円柱状の加熱空間３１を形成する。焼戻しにおいて加熱された歯車部品１は、第１の部分Ａが加熱空間３１に近接した位置に存在するように誘導加熱装置３０に導入される。歯車部品１は、軸方向の両側から一対の治具３３によって挟み込まれて保持される。歯車部品１と加熱空間３１の中心軸Ｃ（一点鎖線）が一致するように歯車部品１が誘導加熱装置３０内に保持される。誘導コイル３２のそれぞれに高周波電流を供給することにより、歯車部品１の第１の部分Ａを加熱することができる。なお、図４Ｂに示すように、第１の部分Ａに接触するように形成された磁場コイル４２によって第１の部分Ａを加熱する誘導加熱装置４０を使用して焼戻しを行ってもよい。

以上説明した本実施形態の構成において、冷却工程における第１の部分Ａの冷却速度を遅くすることにより、第１の部分Ａにおける残留オーステナイトの量を第２の部分Ｂよりも大きくすることができる。また、加熱工程におけるピーク温度を９５０℃以下に抑制することにより、炭化物を構成している炭素の固溶を抑制し、表面における面積率が５～２０％となるように炭化物の量を維持することができる。従って、歯車部品の第１の部分において炭化物の量と残留オーステナイトの量とを両立でき、耐摩耗性と靱性とを両立できる。

また、冷却工程の後に、第１の部分Ａを焼戻しすることによって第１の部分Ａの残留オーステナイトの一部をマルテンサイトに変態させることにより、変態した部分の体積を増大させることができ、圧縮の内部応力を残留させることができる。

図５Ａは、焼戻しの有無と残留応力との関係を示すグラフである。同図の縦軸は残留応力を示し、横軸は残留オーステナイトの体積分率を示す。残留応力が負であることは圧縮の残留応力が存在することを意味し、残留応力が小さいほど圧縮の残留応力が大きくなることを意味する。図５Ａにおいて、黒四角および実線は焼戻しを行わなかった場合の残留応力を示し、白四角および破線は焼戻しを行った場合の残留応力を示す。図５Ａに示すように、焼戻しを行うことにより圧縮の残留応力を増大させることができる。

以上のように、圧縮の内部応力を残留させることにより、亀裂を広げようとする力の反力を付与することができ、第１の部分Ａに亀裂が生じる可能性を低減できる。図５Ｂは、焼戻しの有無と亀裂の発生しにくさとの関係を示すグラフである。同図の縦軸は亀裂発生エネルギーを示し、横軸は残留オーステナイトの体積分率を示す。亀裂発生エネルギーはシャルピー衝撃試験において亀裂が生じるまでに要したエネルギーを意味し、亀裂発生エネルギーが大きいほど亀裂が発生しにくいことを意味する。図５Ｂにおいて、黒四角および実線は焼戻しを行わなかった場合の亀裂発生エネルギーを示し、白四角および破線は焼戻しを行った場合の亀裂発生エネルギーを示す。図５Ｂに示すように、焼戻しを行うことにより亀裂を発生しにくくすることができる。

（２）他の実施形態：
なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。例えば、加熱工程は歯車部品１の形状（第１の部分Ａ，第２の部分Ｂ）がある程度形成された後に行われればよく、加熱工程の前工程は浸炭徐冷でなくてもよい。また、残留オーステナイトの量はあくまでも例示に過ぎず、歯車部品１に要求される靱性や亀裂への耐性に応じて適宜調整されればよい。また、歯車部品１の冷却速度は２段階に調整されるものに限らず、３段階以上の冷却速度で歯車部品１が冷却されてもよい。

本発明において、歯車部品を構成する鋼材は、炭化物を生成するＣ以外の合金元素を含み、Ｃを０．０５～２．００質量％だけ含むことが望ましい。また、本発明の前工程として浸炭が行われてもよい。具体的に、鋼材は、Ｍｏを０．１５～０．３５質量％だけ含んでもよいし、Ｃｒを０．５～２．０質量％だけ含んでもよい。加熱工程は、いわゆる焼入れを行う工程である。そのため、加熱工程のピーク温度の下限値は、歯車部品の組織を一旦オーステナイト相に変化させることができる温度の下限値（７５０℃）以上の温度であればよい。一方、加熱工程のピーク温度の上限値は、炭化物を構成する炭素が固溶する量を低減できる温度の上限値（９５０℃）以下の温度であればよい。

少なくとも第２冷却速度を第１冷却速度よりも遅くすることにより、第１の部分における残留オーステナイトの量を第２の部分よりも大きくすることができる。具体的に、第２冷却速度は第１冷却速度の０．２５～０．７５倍であってもよい。また、第１冷却速は１２５０～１７５０℃／ｓｅｃであってもよく、第２冷却速は７５０～１２５０℃／ｓｅｃであってもよい。さらに、第１冷却速度と第２冷却速度は、１０００～４００℃の冷却温度範囲以内における冷却速度であってもよい。

また、冷却工程の後に、第１の部分を焼戻しすることにより、第１の部分の残留オーステナイトの一部をマルテンサイトに変態させてもよい。第１の部分の残留オーステナイトの一部をマルテンサイトに変態させることにより、変態した部分の体積を増大させることができ、圧縮の内部応力を残留させることができる。圧縮の内部応力を残留させることにより、亀裂を広げようとする力の反力を付与することができ、第１の部分に亀裂が生じる可能性を低減できる。ただし、冷却工程の後に第１の部分を焼戻しすることは必須ではなく、焼戻しが省略されてもよい。

また、冷却工程において、第１の部分に供給される冷媒の流量は、第２の部分に供給される冷媒の流量よりも小さくてもよい。これにより、第１の部分における冷却速度を第２の部分の冷却速度よりも遅くすることができる。ただし、必ずしも冷却速度は冷媒の流量によって調整されなくてもよく、冷媒の温度や濃度によって冷却速度が調整されてもよい。

さらに、第１の部分は、歯車部品の回転軸の方向における歯の端部であってもよい。これにより、回転軸の方向における歯の端部の耐摩耗性と靱性とを両立できる。

１…歯車部品、１０…誘導加熱装置、１１…加熱空間、１２…誘導コイル、１３…治具、２０…冷却装置、２１…水冷空間、２２…水冷壁面、２３…治具、３０…誘導加熱装置、３１…加熱空間、３２…誘導コイル、３３…治具、４０…誘導加熱装置、４２…磁場コイル、Ａ…第１の部分、Ｂ…第２の部分、Ｃ…中心軸、Ｐ１～Ｐ４…冷媒室、Ｐ４…冷媒室、Ｖ１…第１冷却速度、Ｖ２…第２冷却速度、Ｚ…回転軸

Claims

鋼材で形成された歯車部品を７５０℃以上かつ９５０℃以下のピーク温度で加熱する加熱工程と、
前記加熱工程において加熱された前記歯車部品のうちの第２の部分を第１冷却速度で冷却し、前記歯車部品のうちの第１の部分を前記第１冷却速度よりも遅い第２冷却速度で冷却することにより、前記第１の部分における残留オーステナイトの量を前記第２の部分よりも大きくする冷却工程と、
を含む歯車部品の製造方法であって、
前記第１の部分は、
前記歯車部品の回転軸の軸方向における両端部および軸方向の端面から全体の長さの１０％以内の部分であり、
前記第２の部分は、
前記第１の部分によって挟まれた側面部である、
歯車部品の製造方法。
前記冷却工程の後に、前記第１の部分を焼戻しすることにより、前記第１の部分の前記残留オーステナイトの一部をマルテンサイトに変態させる、
請求項１に記載の歯車部品の製造方法。
前記冷却工程において、前記第１の部分に供給される冷媒の流量は、前記第２の部分に供給される冷媒の流量よりも小さい、
請求項１または請求項２のいずれかに記載の歯車部品の製造方法。
前記第１の部分は、前記歯車部品の回転軸の方向における歯の端部である、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の歯車部品の製造方法。