JP7179286B2 - 低酸素環境下用歯車およびその製造方法 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 発行所名：近畿大学理工学部機械工学科 刊行物名：平成２９年度卒業研究発表会概要集 発行年月日：平成３０年２月３日 ／ 集会名：平成２９年度卒業研究発表会 開催日：平成３０年２月３日 ／ 発行所名：近畿大学大学院総合理工学研究科 刊行物名：平成２９年度 修士学位論文発表会概要集 発行年月日：平成３０年２月６日 ／ 集会名：平成２９年度修士学位論文発表会 開催日：平成３０年２月６日

本発明は低酸素環境下で利用されるチタン若しくはチタン合金製の歯車およびその製造方法に係るものである。

宇宙空間（真空中）や水中といった環境では潤滑油の使用が困難である。しかし、真空中で作業を行うロボットや機械装置、また水潤滑下で使用される食品機械では、歯車を使用したいという要請がある。

通常このような環境では、プラスチックが歯車素材として利用される。しかし、プラスチックは弾性係数が低く変形してしまうといった問題がある。また、プラスチックは摩耗が早いという課題があった。

一方、金属系の真空用の潤滑部材としてマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ等）や高クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）などを素材とするものはあった。しかし、これらの部材は比重が大きく重量が増大する。

チタン合金は軽量で比強度も高く、歯車素材に適しているが、凝着しやすいため摩擦係数が高く、また摩耗量も多い。そこで、特許文献１では、チタン若しくはチタン合金の機材に浸炭層が形成され、さらに固体潤滑材が設けられた真空用軽量潤滑部材が開示されている。この真空用軽量潤滑部材は、歯車、ボールねじ等に利用することができる。

また、特許文献２では、耐熱性、高強度のチタン金属をねじにした際に生じる、摩擦係数が高いという課題を、真空中でプラズマ浸炭処理を行い、さらにポリテトラフルオロエチレンを潤滑塗料として塗着させることで、耐熱性、高強度を保持したまま摩擦係数を低くして解決するという発明が開示されている。

特開平３－２４４８９９号公報 特開平８－２６０１２７号公報

宇宙空間（真空中）や水中といった環境に送りこんだ機器は、回収が容易ではない場合が多い。従って、歯車の潤滑は長期に渡って維持できる必要がある。

また、チタンもしくはチタン合金の摩擦係数を低下させる方法の一つとして、浸炭処理を行うのは有効ではある。しかし、チタン若しくはチタン合金製の歯車に浸炭処理を行うと、歯端部が歯車の周方向に膨出して変形し、却って摩擦係数を高めるという問題があった。

本発明は上記の問題に鑑みて想到されたものであり、低い摩擦係数が安定して持続するチタン若しくはチタン合金製の低酸素環境下用歯車を提供することができる。

より具体的に本発明に係る低酸素環境下用歯車は、
チタン若しくはチタン合金製の低酸素環境下用歯車であって、
歯面中央に設けられた浸炭層と、
歯端を含み前記浸炭層の両側に設けられた非浸炭部と、
前記歯面に配された銀を有し、
前記非浸炭部は角落としされていることを特徴とする。

また本発明に係る低酸素環境下用歯車の製造方法は、
チタン若しくはチタン合金で形成された歯車の両歯端から歯面中央側に向けた所定範囲に角落とし処理を行う工程と、
前記所定範囲に防炭処理を行う工程と、
前記歯車に浸炭処理を行う工程と、
前記防炭処理を除去する工程と、
前記歯車に銀メッキを行う工程を含むことを特徴とする。

本発明に係る低酸素環境下用歯車は、固体潤滑剤として銀を用いる。銀は固体潤滑剤として用いる場合には、酸化が問題となる。しかし、低酸素環境下では、銀の酸化は問題とならない。また、銀は浸炭処理されたチタンとは反応せず、軟性金属でもあり、さらに銀同士の密着性に優れる。そのため、銀は、浸炭処理されたチタンの表面で脱着を繰り返すものの、係合する相手側の歯車との間に常に残留し続ける。そのため、時間が経過しても、潤滑性を維持し続ける事ができる。したがって、真空中や水潤滑といった低酸素環境下でも摩擦係数が低く、伝達効率の高い歯車を提供することができる。

本発明に係る低酸素環境下用歯車の一例を示す図である。 真空浸炭処理前で角落とし処理を行っていない場合の歯筋方向の歯面を測定した図である。 角落とし処理を行わないまま、真空浸炭処理を行った場合の歯の形状を測定した例を示す。 防炭処理を行った部分を示す図である。 角落とし処理を行っただけの歯面のプロファイルと、防炭処理を行い、浸炭処理を行った後の歯面のプロファイルを比較した図である。 伝達効率を測定する測定系を説明する図である。 チタン金属製歯車とそれに金属メッキを施した場合の伝達効率を測定した結果を示す図である。 浸炭処理した歯面の伝達効率試験の経過毎（ｃｙｃｌｅｓ）の状態を示す写真である。 浸炭処理し、銀メッキした歯面の伝達効率試験の経過毎（ｃｙｃｌｅｓ）状態を示す写真である。

以下に本発明に係る低酸素環境下用歯車について図面を示し説明を行う。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態および一実施例を例示するものであり、本発明が以下の説明に限定されるものではない。以下の説明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変することができる。

図１に本発明に係る低酸素環境下用歯車の一例を示す。低酸素環境用歯車１（以下単に「歯車１」とも呼ぶ。）は、チタン若しくはチタン合金で形成される。チタンは全ての金属と合金を形成することができるので、チタン合金に含まれるチタン以外の成分について特に限定されるものではない。銅、スズ、鉄、アルミニウム、バナジウム、クロム、コバルト、モリブデン、タングステン等が好適に利用できる。以下チタンおよびチタン合金を含めて「チタン金属」と呼ぶ。したがって、本発明に係る歯車１は、チタン金属製の歯車である。なお、チタン金属製の歯車は、少なくとも歯の部分がチタン金属であればよい。

図１では、歯車１の形態として平歯車を示しているが、歯車１の形態は特に限定されない。はすば歯車、ラック・ヘリカルラック、内歯車といった平行軸系の歯車だけでなく、すぐばかさ歯車といった交差軸系の歯車や、ねじ歯車といった食い違い軸系の歯車であってもよい。

歯車１は、本体９と歯１０で構成されている。本体９には軸孔９ａが形成されている。図１（ａ）に例示したのは歯数が２０の平歯車である。説明のために、歯車の一方の面を表面１ａとし、裏側の面を裏面１ｂとする。

図１（ｂ）には、歯の部分の拡大図を示す。歯筋１２方向において、中央部分には真空浸炭処理により形成された浸炭層３０が形成されている。浸炭層３０は、歯面１６の中央部全面に形成されており、歯先１４および歯底２０に形成されていてもよい。つまり、浸炭層３０は、歯面１６の中央に形成されている。

歯筋１２方向において、浸炭層３０の両脇には、非浸炭部３２が配置されている。非浸炭部３２は、浸炭層３０が形成されていない部分である。歯の形状に加工されたチタン金属自体であってもよいし、浸炭層３０以外の層が形成されていてもよい。

図１（ｂ）では、非浸炭部３２を斜線で示した。非浸炭部３２は、歯面１６だけでなく、歯先１４および歯底２０に配置されていてもよい。また、斜線は省略したが、歯の表面１ａ側および裏面１ｂ側に配置されていてもよい。

また、歯１０には歯端部１８を角落としする角落とし処理が施されている。角落とし処理は、クラウニング処理若しくはレリービング処理であってもよい。また、歯端部１８の面取り処理であってもよい。図１（ｂ）では、角落とし処理としてクラウニング処理を行っている状態を示している。この処理によって、歯先１４を平面視すると樽型形状になっている。

歯面１６の中央に施された浸炭層３０の上面にはメッキ層４０が施されている。このメッキ層４０によって本発明に係るチタン合金等で形成された歯車１はメッキ層４０がない場合よりも伝達効率が高くなる。

メッキ層４０に用いるのは、銀が好適に利用できる。銀は軟性金属として酸化鉛と共に、知られている。しかし、固体潤滑材として用いる場合は、酸化が課題となる。しかし、低酸素環境下においては、酸化が問題になることはない。また、銀は真空浸炭処理されたチタンの浸炭層３０には、強固に付着することがない。そして、銀は自己粘着性が高い。したがって、係合する歯車の歯面間で銀は脱着を繰り返し、その際に歯車同士の摩擦係数を低減させ、伝達効率を高く維持することができる。

なお、メッキ層４０の銀は、後述する実施例で示されるように、使用されるにつれ、歯面１６から脱着を繰り返す。したがって、銀は歯面１６の一部に存在していればよく、全面に亘って存在していなくてもよい。

実験で使用した歯車の諸元を表１に示す。歯車の材質はチタン合金（Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ）である。

この歯車には以下のような理由で角落とし処理を行った。図２（ａ）には、角落とし処理をしていないチタン金属製歯車の浸炭前の歯筋方向の寸法を示す。縦軸は、歯筋方向の距離（ｍｍ）を表す。横軸は高さの変化を表す。中央の縦軸より右側は右歯面を表し、左側は左歯面を表す。左右の歯面の歯底からの異なる高さの３か所で測定を行った。それぞれ測定箇所Ｍ１、測定箇所Ｍ２、測定箇所Ｍ３とする。

図２（ｂ）は左歯面側のそれぞれの測定箇所を示す。右歯面も同様である。図２（ａ）を参照して、歯車として形成された状態では歯面１６は歯筋１２方向にほとんど高さの変化はない。

図３（ａ）は、真空浸炭処理を行った後の歯面の高さを測定したものである。歯底２０から異なる４か所の高さで測定を行った。左右の歯面１６とも歯端部１８の部分が周方向
３６（歯厚方向といってもよい。）へ出っ張るように変形しているのがわかる。図３（ｂ）は、模式的に浸炭処理の変化を示した。歯端部１８がこのように変形すると、歯車が組み合った時に歯端部１８だけに力が加わり、歯端部１８の欠けや、歯車全体の摩擦係数の増大という問題が生じる。

そこで、歯端部１８に角落とし処理を行った。これはクラウニングとして知られている処理である。クラウニングは曲線で歯端部１８の角落とし処理を行うが、直線で角落とし処理を行うレリービングを行ってもよい。また、歯端部１８を単に面取りを行う処理であってもよい。

また、歯面１６に銀メッキを行うために、歯端部１８から歯面１６中央に向かって所定距離だけ防炭処理を行った。真空浸炭処理を行うと、チタン合金の表面の炭素の含有量が多くなり、導電性が低下し、銀メッキができなくなる。そこで歯端部１８を防炭処理する。

防炭処理を行うとその部分には、浸炭層３０が形成されず、チタン合金のままとなる。この部分は非浸炭部３２となる。非浸炭部３２を形成しておくことで、歯面１６に銀メッキを行うことができる。

図４にはクラウニング処理を行い、防炭処理を行った状態の歯車の図を示す。防炭処理を行った部分は斜線で示す。ここでは、防炭処理は、両歯端部１８から歯面１６中央側に向けて１．５ｍｍの幅で防炭処理を行った。

このように準備を行った歯車に真空浸炭処理を行った。したがって、歯面１６中央には浸炭層３０が形成され、その両側（歯端部１８）には非浸炭部３２が形成される。真空浸炭処理の後、防炭処理を除去し、歯面形状を測定した。

図５（ａ）は、浸炭処理を行う前の歯面形状を表す。すなわちクラウニング処理を行っただけの歯面１６の測定結果である。歯幅２２において歯面１６中央部が歯端部１８よりも高くなっている（歯端部１８が歯面１６中央より低くなっている）のがわかる。図５（ｂ）は、真空浸炭処理を行った後に、歯筋１２方向の歯面１６形状を測定した結果である。浸炭処理をすることで歯面１６の高さには若干の凹凸は生じるものの、歯端部１８が周方向へ膨出するといった弊害は回避されていた。

すなわち、クラウニング処理を行い、歯面１６中央部に浸炭層３０を形成させ、歯端部１８には非浸炭部３２が形成された歯車を得た。これを真空浸炭歯車と呼ぶ。また、真空浸炭歯車の歯面１６に銀メッキを行った。これを真空浸炭＋銀メッキ歯車と呼ぶ。

真空浸炭歯車と真空浸炭＋銀メッキ歯車について、図６の測定装置で伝達効率を測定した。図６を参照する。モータ５０で駆動軸５０ａを回転させ、駆動軸５０ａに固定された入力側試験歯車５４を回転させた。駆動軸５０ａにかかるトルクは入力側トルクメータ５２で計測した。入力側試験歯車５４を回転させ、入力側試験歯車５４と係合させられた出力側試験歯車５６からの回転は、出力軸５６ａに伝えられる。出力軸５６ａのトルクは、出力側トルクメータ５８で計測した。

測定系全体の負荷トルクは、倍速機６０を介して出力軸５６ａに結合されたパウダーブレーキ６２で負荷トルクを与えた。モータ５０の回転数、入力側トルクメータ５２、出力側トルクメータ５８の測定値は、データレコーダによって記録され、伝達効率が計算される。具体的な測定条件としては、入力トルク１５Ｎｍ、入力回転速度２０ｒｐｍとした。

図７は運転試験による伝達効率の結果を示す図である。横軸は総回転数（ｃｙｃｌｅｓ）であり、縦軸は伝達効率（％）である。ラインＡ（丸印）は真空浸炭歯車による測定結果を曲線で結んだ結果である。一方、ラインＢ（四角印）は、真空浸炭＋銀メッキ歯車による測定結果である。

ラインＢ（真空浸炭＋銀メッキ歯車）は、回転数が少ない時には、銀メッキの状態が安定せずに、伝達効率は８０％前後と低かった。しかし、総回転数が多くなってくると、伝達効率は次第に改善し、１００００ｃｙｃｌｅｓ後には、ラインＡ（真空浸炭歯車）より伝達効率が高くなった。

図８には、真空浸炭歯車の歯面１６の伝達効率測定中の写真を示す。試験前は真空浸炭処理がされているので、全面真っ黒である。しかし、総回転数が増えるに従い、白い部分が増えている。これは歯車同士の摩擦によって、浸炭層３０が消失し、炭素含有量の少ないチタン合金地が見えていると考えられる。

図９には、真空浸炭＋銀メッキ歯車の歯面１６の伝達効率測定中の写真を示す。試験前には全面に銀メッキが施され、歯面１６は白く見える。総回転数が４０００回の際には銀の部分がかなり消失し、下地の浸炭層３０の黒色が見える。しかし、その後、再び銀の白く見える部分が増えているのがわかる。具体的には、４０００回の白丸で囲んだ部分は銀が剥離しているが、１００００回での同じ箇所では、白くなっており、銀が再付着しているのがわかる。

これは、歯面１６の銀が係合した相手側の歯車の歯面１６との間で脱着を繰り返していることを意味する。つまり、銀が脱着を繰り返すことで、歯車同士の係合における摩擦が軽減され伝達効率が高くなる。さらに、銀は、脱着を繰り返すが、消失することはない。したがって、摩擦が低い状態を長期間維持することができる。

本発明に係る低酸素環境下用歯車は、さまざまなタイプの歯車に好適に利用することができる。

１ 歯車
９ 本体
１０ 歯
１２ 歯筋
１４ 歯先
１６ 歯面
１８ 歯端部
２０ 歯底
２２ 歯幅
３０ 浸炭層
３２ 非浸炭部
４０ メッキ層

Claims (6)

1. チタン若しくはチタン合金製の低酸素環境下用歯車であって、
   歯面中央に設けられた浸炭層と、
   歯端を含み前記浸炭層の両側に設けられた非浸炭部と、
   前記歯面に配された銀を有し、
   前記非浸炭部は角落としされている ことを特徴とする低酸素環境下用歯車。
2. 前記角落としが曲線（クラウニング）であることを特徴とする請求項１に記載された低酸素環境下用歯車。
3. 前記角落としが直線（レリービング）であることを特徴とする請求項１に記載された低酸素環境下用歯車。
4. チタン若しくはチタン合金で形成された歯車の両歯端から歯面中央側に向けた所定範囲に角落とし処理を行う工程と、
   前記 所定範囲に防炭処理を行う工程と、
   前記歯車に浸炭処理を行う工程と、
   前記防炭処理を除去する工程と、
   前記歯車に銀メッキを行う工程を含むことを特徴とする低酸素環境下用歯車の製造方法。
5. 前記角落とし処理はクラウニング処理であることを特徴とする請求項４に記載された低酸素環境下用歯車の製造方法。
6. 前記角落とし処理はレリービング処理であることを特徴とする請求項４に記載された低酸素環境下用歯車の製造方法。

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