JPH02138554A - 高強度歯車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の目的】

（産業上の利用分野） この発明は、自動車、フォークリフト、繊維機械、工作
機械、農業機械などの各種機械装置類の歯車機構部分を
構成するのに利用される高強度歯車に関するものである
。 （従来の技術） 従来、この種の歯車としては、その疲労強度を高めるた
めに表面硬化処理を施したものが多く用いられており１
例えば、肌焼鋼（ＪＩＳ　　５２０ＣＫ等、５ＮＣ８１
５等、ＳＮＣＭ８１５等。 ５Ｃｒ４２０等、ＳＣＭ４２０等）に浸炭または浸炭窒
化処理を施した後、浸炭または浸炭窒化によって発生す
る表面異常層を通常のショットピーニングによって回復
させる方法（「鉄と鋼」１９８７−３１３０６）や、あ
らかじめ肌焼鋼の化学成分を調整した表面異常層低減鋼
を用いてハードショットピーニングを施す方法（「自動
車技術Ｊ　Ｖｏｌｌ　、４２．１９８８）や、浸炭窒化
焼入時に最表面層に数十％の残留オーステナイトを生成
させ、常温でショットピーニングをかけるか、使用時の
応力で表面残留オーステナイトを加工誘起変態によりマ
ルテンサイト化する方法（ｒｓＡＥベーパＪ　８２１１
０２，１９８２）等が提案され、実用化されている。 一方、浸炭または浸炭窒化深さと衝撃強度および歯元曲
げ疲労強度との関係は第１５図（「トヨタ技報Ｊ　Ｖｏ
ｌｌ６　、Ｎｏ、１．１９６４）および第１６図（ａ）
（ｂ）（ｒ機械の研究」第２３巻　６号　１９７１）に
よってその傾向が知られており、衝撃強度（シャルピー
値）は硬化層が浅いほど強く、歯元曲げ疲労強度は硬化
層深さが約０．２〜０．４ｍｍのところにピークが存在
する（ただし、モジュールＭ＝３〜２．２５の場合）と
報告されている。 一般的に、浸炭歯車の硬化層深さを決める基準は、第１
７図に示す米国のグリーソン社から出されている推奨値
が公知であり、歯車の設計時にモジュールに合わせて硬
化層深さが決められている。この場合の値は、主に相手
歯車からの伝達圧力に耐える歯面の圧壊強さ、スポーリ
ングおよびピッチング強さを中心に決められている（「
機械設計Ｊ　２６．１３　（１９８２）７４）。 このようにして図面化された浸炭有効硬化層深さは、モ
ジュール１〜２の小歯形歯車で０．６〜０．８ｍｍ、モ
ジュール４程度の中歯形歯車で０．９〜１．２ｍｍが一
般的である。 また、従来のガス浸炭またはガス浸炭窒化処理技術で処
理する場合に、図面に指示されたピッチ円部の有効硬化
層深さ（Ｄ）を満足する条件で処理すると、歯底および
歯底すみＲ部の有効硬化層深さはこの部分でのガスの流
れが悪いために０．８〜０．９Ｄ程度となることが知ら
れている。 ところで、昨今の自動車においては、動力性能の著しい
向上に伴なって、動力伝達系の歯車に対しては止まるこ
とのない高強度化の要望が出されている。それゆえ、歯
車の寸法を増大することなしに歯車の高強度化が実現で
きれば、車高および重量の増大を防止することができ、
高性能化。 小型軽量化の要望に応えることが可能となる。 そこで、現在、浸炭歯車技術にあっては高強度歯車の開
発が重要なテーマのひとつとなっている。 （発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の浸炭または浸炭窒化処
理した歯車にあっては、同じ歯車の歯面と歯底および歯
底すみＲ部とおける硬化層深さを任意に変える技術が確
立されていないため、歯底部および歯底すみＲ部の耐衝
撃特性および曲げ疲労強度を重視して浸炭層または浸炭
窒化層の深さを浅めにしたときには、歯面部分の摩耗、
陥没。 面疲労によるピッチング、スポーリングが発生し、歯車
が破壊してしまうことがありうるという課題があった。 （発明の目的） この発明は、このような従来の課題に着目してなされた
もので、歯底部および歯底すみＲ部における耐衝撃性お
よび曲げ疲労強度に優れていると同時に歯面部分におけ
る耐摩耗性にも優れており、歯面において陥没や面疲労
によるピッチング、スポーリングが発生しない品質の優
れた高強度の歯車を提供することを目的としている。

【発明の構成】

（課題を解決するための手段） この発明に係る高強度歯車は、浸炭または浸炭窒化処理
した歯車であって、歯底部および歯底すみＲ部の有効硬
化層深さが、ピッチ円上である歯面の有効硬化層深さの
８０％未満（０％を含む、）の任意の深さにコントロー
ルされている構成としたことを特徴としており、このよ
うな高強度歯車の構成を上述した従来の課題を解決する
ための手段としている。 この発明に係る高強度歯車の素材としては、ＪＩＳ　　
５−ＣＫ、ＳＮＣ，ＳＮＣＭ、ＳＣｒ。 ＳＣＭに規制する肌焼鋼はもちろんのこと、適宜の合金
成分をさらに添加したものなどが使用され、とくに限定
されないことはいうまでもない。 また、浸炭および浸炭窒化の手法においてもとくに限定
されず、通常のＲＸガス浸炭法のほか、ガス浸炭窒化、
真空浸炭、固型浸炭材を用いた簡易ガス浸炭、流動床ガ
ス浸炭等の各種の浸炭、浸炭窒化法が用いられる。また
、高濃度浸炭法によって歯面にセメンタイトを析出分散
させて歯底への析出量を歯面より少なくしたり、あるい
は歯底へのセメンタイトの析出を防止したりし、歯底の
浸炭層を任意に制御することも必要に応じて可能である
。 さらに、この発明に係る高強度歯車のより望ましい実施
態様においては、歯底部および歯底すみＲ部の有効硬化
層深さが、歯底部および歯底すみＲ部の曲げ疲れ強さが
大きな値となるように、浅めの０．２〜０．６ｍｍとな
っており、ピッチ円上である歯面の有効硬化層深さが、
所要の面圧強度を満足することができるように、０．６
〜３．０ｍｍとなっている（ただし、歯底部および歯底
すみＲ部の有効硬化層深さは歯面の有効硬化層深さの８
０％未満（０％を含む、）のものとするのが望ましく、
歯車の歯底部および歯底すみＲ部の有効硬化層深さが、
ピッチ円上である歯面の有効硬化層深さの８０％以上で
ある場合において、歯底部および歯底すみＲ部の耐衝撃
性および曲げ疲労強度を重視して浸炭層または浸炭窒化
層の深さを浅めにしたときには、歯面での＃摩耗性や面
疲労強度が劣化するので好ましくなく、歯面での耐摩耗
性や面疲労強度を重視して浸炭層または浸炭窒化層の深
さを大きめにしたときには、歯底部および歯底すみＲ部
での耐衝撃性および曲げ疲労強度が低下するので好まし
くない。 そこで、この発明に係る高強度歯車において、歯底部お
よび歯底すみＲ部の有効硬化層深さが、ピッチ円上であ
る歯面の有効硬化層深さの８０％未満（０％を含む、）
の任意の深さにコントロールされたものであるようにす
るための手段としては、次に例示するようなものを採用
することができる。 ■　素材の浸炭または浸炭窒化深さおよび素材を歯車に
鍛造成形するときの加工率を変化させる手法 歯車の素材である丸棒の状態において１通常のガス浸炭
（例えば、９３０℃×５Ｈ）または浸炭窒化（例えば、
８７０℃×３Ｈ）処理を施したのち、その熱を利用して
熱間あるいは温間において歯形鍛造を行って歯車粗材と
し、次いで焼入温度（例えば、８４０℃）に保持した中
性塩浴に浸漬（例えば、１５秒間）したのち油中（例え
ば、８０℃）に焼入れする。 第１図は上述した加工および焼入れを行ったのちの歯形
部分の断面マクロ金属組織を示しており、また第２図は
表面からの距離と硬度との関係すなわち断面硬度分布を
示しているものであって、第１図および第２図より明ら
かなように。 ピッチ円上である歯面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０の
場合）は０．７９ｍｍ、歯底部の有効硬化層深さ（同）
は０．５３ｍｍ（歯面の約６７％）、歯底すみＲ部の有
効硬化層深さ（同）は０．２９ｍｍ（歯面の約３７％）
であり、丸棒状素材の浸炭または浸炭窒化深さおよび歯
形鍛造時の加工率を変化させることによって、ピッチ円
部と歯底部および歯底すみＲ部とにおける浸炭または浸
炭窒化による有効硬化層深さを変えることが可能である
。 ■　めっきの付着形状や防炭剤の塗布形状をコントロー
ルする手法 歯車粗材に対してめっき（例えば、銅めっき）や防炭剤
（例えば、商品名「コンドルサル」「ノーカーブ」）を
付着ないし塗布するに際し、第３図に示すように、歯形
部分１において、歯底部および歯底すみＲ部にめっきや
防炭剤２をメツシュ状（第３図（ａ）の中央歯底部分Ａ
および第３図（ｂ）に示す形状であって例えば１　、０
ｍｍ幅および１．０ｍｍ間隔）、水玉模様状（第３図（
ａ）の右側歯底部分に示す。）等に付着ないし塗布した
状態とし、その後浸炭または浸炭窒化処理を施す。そし
て、この場合に、歯底部および歯底すみＲ部における有
効硬化層深さは、めっきの４１着面積比や防炭剤の塗布
面積比をコントロールすることによって任意に制御する
ことができる。 ■　当金の寸法、形状をコントロールする手法 歯車素材に対する防炭手法のひとつとして当金を用いる
ものがある。そこで、第４図（ａ）に示すように、多数
の溝３ａ（または穴状のもの′：Ｊ）を表面に形成した
当会（例えば、銅製であって、溝幅０．５ｍｍ、溝深さ
０．５ｍｍのもの）３を用い、これを第４図（ｂ）に示
すように歯形部分１の歯底部および歯底すみＲ部に当て
がい、リンク４．４で連結することによって当金３を固
定した状態とし、その後浸炭または浸炭窒化処理を施す
、そして、この場合に、歯底部および歯底すみＲ部にお
ける有効硬化層深さは、当金３に形成した溝３ａ（また
は穴状のもの等）の寸法をコントロールすることによっ
て任意に制御することができる。 ■　防炭剤の希釈倍率（濃度）をコントロールルする手
法 従来、浸炭および浸炭窒化処理して使用される部品にお
いて、浸炭および浸炭窒化を部分的に行わないようにす
るために、該当する部分に防炭剤（例えば、商品名「コ
ンドルサル」　　「ノーカーブ」）を塗布する手法があ
った。しかしながら。 このような防炭剤を塗布した場合には、浸炭および浸炭
窒化深さが０であり、浸炭および浸炭窒化層深さを任意
にコントロールすることはできなかった。そこで、この
発明に係る高強度歯車を開発するにあたり鋭意研究を重
ねた結果、防炭剤を塗布するに際し、同一歯車に対する
同一浸炭条件において部分的に任意の浸炭あるいは浸炭
窒化層深さが得られるように、防炭剤を希釈して（濃度
をコントロールして）歯形部分に塗布するようにし、ピ
ッチ円上である歯面部分には所要程度まで希釈した防炭
剤を塗布するか防炭しないようにし、歯底部および歯底
すみＲ部には歯面部分はど希釈しない防炭剤を塗布する
ようになすことが良いことを確認した。この場合、防炭
剤を希釈する（濃度をコントロールする）ことによって
低下する粘度を増粘剤の添加によって補ない、希釈した
防炭剤を歯車の所要部分に塗布した場合の粘着性が得ら
れるようにし、防炭剤の垂れを防止するようになすこと
も必要に応じて望ましい。そして、このための増粘剤と
しては、例えば、グリセリン［ＣＨ２（ＯＨ）ＣＨ（Ｏ
Ｈ）ＣＨ２（ＯＨ）］を用いることができる。 このようにして、歯車に塗布する防炭剤の希釈倍率を高
めることによって、実施例の第６図に示すように、浸炭
または浸炭窒化処理後の有効硬化層深さが大きくなるの
で、歯底部および歯底すみＲ部における有効硬化層深さ
は防炭剤の希釈倍率をコントロールすることによって任
意に制御することができる。 ■　浸炭または浸炭窒化処理条件を部分的に変える手法 例えば、プラズマ浸炭（イオン浸炭）の際の条件、例え
ば、電圧、電流、気圧、ガス混合比、ガス流入方向等を
第１表に示すように変化させることによって、第５図（
ａ）、第５図（ｂ）、第５図（Ｃ）に示すように歯形部
分１の各部における有効硬化層深さを任意に制御するこ
とが可能である。 ■　研磨または研削による手法 歯車粗材に対し通常の方法によって浸炭または浸炭窒化
処理を施したのち、例えば、ショットピーニングなどに
よる物理的研磨、電解研磨などの化学的研磨、ＣＢＮ（
立方晶窒化はう素）などの工具による機械的研削等によ
って歯底部および歯底すみＲ部を選択的に研磨または研
削し、歯底部および歯底すみＲ部の有効硬化層深さを任
意に制御することも可能である。この場合には、研磨ま
たは研削によって除去する分だけ歯車粗材に余肉を設け
ておくことが望ましい。 （発明の作用） この発明に係る浸炭または浸炭窒化処理した歯車では、
歯底部および歯底すみＲ部の有効硬化層深さが、ピッチ
円上である歯面の有効硬化層深さの８０％未満（０％を
含む、）であるようにしているので、歯底部および歯底
すみＲ部の疲労強度が高いものになっていると同時に歯
面の耐摩耗性および耐疲労性が優れたものになっている
という作用がもたらされる。 （実施例） この実施例では、 第２表に示す歯車を供試体と して用いた。 また、防炭剤としては市販のもの（商品名「コンドルサ
ル」および「メーカープ」）を用い、「コンドルサル」
はキシレン、「メーカープ」は木で希釈して用いた。 そして、歯車への浸炭に先立ち、Ｊｘｓ　　５ｃｒ４２
ＯＨ材よりなる丸棒の表面に前記希釈した防炭剤を塗布
し、乾燥したのち３時間で９２０″Ｃまで加熱し、ＲＸ
ガス中けおいて９２０　”０で５時間保持して浸炭処理
を行い、浸炭処理後８６０℃から８０℃の油に焼入れし
て、防炭剤の希釈倍率と有効硬化層深さとの関係を調べ
たところ、第６図に示す結果であった。 第６図に示すように、防炭剤に対する希釈液量を増大す
ることによって有効硬化層深さが大きくなっていた。 このように防炭剤を希釈することによって任意の浸炭層
深さを得ることが可能であるが、希釈した防炭剤を塗布
すると流れやすくなるため、増粘剤を加えて粘度調整す
ることが望ましく、この実施例では増粘材として浸炭条
件に影響を及ぼさないグリセリンを用いた。 そこで、第２表に示した諸元の歯車に対し、歯底部およ
び歯底すみＲ部に塗布する防炭剤の希釈倍率を調整し、
塗布後乾燥したのちＲＸガスを用いて浸炭処理を行った
。 第７図ないし第１Ｏ図は、浸炭処理後の断面マクロ金属
組織を示しており、第７図は歯底部および歯底すみＲ部
の防炭を行わなかった歯車（以下、「歯車Ａ」とする、
）の場合を示し、第８図は防炭剤の希釈倍率３倍として
歯底部および歯底すみＲ部の防炭を行った歯車（以下、
「歯車Ｂ」とする、）の場合を示し、第９図は防炭剤の
希釈倍率を２倍として歯底部および歯底すみＲ部の防炭
を行った歯車（以下、「歯車Ｃ」とする、）場合を示し
、第１０図は防炭剤の希釈倍率を１．５倍として歯底部
および歯底すみＲ部の防炭を行った歯車（以下、「歯車
ＤＪとする。）場合を示している。 この第７図ないし第１０図に示すように、防炭剤の希釈
倍率が大きいほど浸炭層深さが大きくなっており、防炭
処理を施さない歯車Ａに近づいた断面組織となっている
。 次に、前記各歯車Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄの歯底部分における断
面硬さ分布を等べたところ、第１１図に示す結果であり
、比較例の歯車Ａの歯底部分における有効硬化層深さは
約０．８３ｍｍ、実施例の歯車Ｂの歯底部分における有
効硬化層深さは約０．５５ｍｍ（歯面部分に対し約６６
．３％）、実施例の歯車Ｃの歯底部分における有効硬化
層深さは約０．３４ｍｍ（歯面部分に対し約４１．０％
）、実施例の歯車りの歯底部分においては約０．２ｍｍ
の深さまで微浸炭しているものの有効硬化層深さは０（
歯面部分に対し０％）であった。 次に、このように歯底部分の有効硬化層深さが異なる各
歯車Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄおよび前記歯車Ｃに対してショット
ピーニング（アークハイト０．４ｍｍ、カバレージ３０
０％、ショット球径０．８ｍｍ）を施した歯車Ｅに対し
、歯形部分の側面から周波数５０Ｈｚで繰り返し歯止を
加える歯元曲げ疲労強度試験を行って歯元曲げ疲労強８
度（Ｓ−Ｎ曲線）を測定したところ、第１２図に示す結
果であった。 第１２図に示すように、歯車Ｃにショットピーニングを
施した歯車Ｅの疲労強度が最も高く、図示はしないがシ
ョットピーニング条件を変えてアークハイトを０．７〜
１．０ｍｍとするハードシ曹ットピーニングを施すこと
によって疲労強度をさらに向上させることが可能であり
、次いで歯車Ｃ１歯車Ｂ、歯車りの順で疲労強度が高く
、いずれも従来の歯車Ａよりも疲労強度が高いものとな
っており、歯元曲げ疲労限で最大１００％。 １０５強度で２５％以上向上していることが認められた
。 さらに、第１３図に示す歯車衝撃試験装置（ただし、衝
撃部分を拡大して示す）を用いて各歯車Ａ、Ｂ、Ｄの耐
衝撃性を調べた。この衝撃試験装置では、基台６に固定
した固定歯車７と回転アーム８に固定した回転歯車９と
をかみ合わせ、図示しないハンマーによって回転アーム
８を図示矢印Ｐ方向からたたくことによって固定歯車７
と回転歯車９とのかみ合い部分に衝撃を与え、この際の
折損歯数によって各歯車の耐衝撃性を調べるものである
、この結果を第１４図に示す。 第１４図に示すように本発明実施例による各歯車Ｂ、Ｄ
は比較例による歯車Ａに比べて折損歯数が少ないものと
なっており、歯車Ａでは約２０％、歯車りでは約４０％
も耐衝撃性が向上していることが認められた。

【発明の効果】

以上説明してきたように、この発明に係る高強度歯車は
、浸炭または浸炭窒化処理した歯車であって、歯底部お
よび歯底すみＲ部の有効硬化層深さが、ピッチ円上であ
る歯面の有効硬化層深さの８０％未満の任意の深さにコ
ントロールされているものであるから、歯底部および歯
底すみＲ部における耐衝撃性および曲げ疲労強度に優れ
ていると同時に歯面部分における耐摩耗性にも優れてお
り、歯面において陥没や面疲労によるピッチング、スポ
ーリングなどの不具合が発生しない品質の優れた高強度
の歯車であるという非常に優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は歯車の素材である丸棒に浸炭を施したのち歯形
鍛造を行って得た歯車粗材の歯形部分の断面マクロ金属
組織写真、第２図は第１図に示した歯形部分の表面から
の硬度分布を調べた結果を例示するグラフ、第３図（Ｌ
）は歯底部分に付着ないしは塗布するめっきおよび防炭
剤の形状を例示する斜面説明図、第３図（ｂ）は第３図
（ａ）の歯底部分Ａの拡大説明図、第４図（ａ）は歯底
部分にあてがう当金の形状を例示する斜面説明図、第４
図（ｂ）および第４図（Ｃ）は第４図（ａ）に示した当
金を歯底部分に固定する要領を示す各々正面説明図およ
び断面説明図、第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）はプラズマ浸
炭によって歯形部分の有効硬化層深さを変える要領を示
す各々断面説明図、第６図は防炭剤の希釈液量（希釈倍
ａ）と有効硬化層深さとの関係を例示するグラフ、第７
図、第８図、第９図および第１Ｏ図は各々比較例の歯車
Ａ、実施例の歯車Ｂ、実施例の歯車Ｃおよび実施例の歯
車りの歯形部分の断面マクロ金属組織写真、第１１図は
第７図ないし第１０図の歯車Ａないし歯車りの歯底部分
における断面硬さ分布を調べた結果を例示するグラフ、
第１２図は各歯車の歯元曲げ疲労強度を調べた結果を例
示するグラフ、第１３図は歯車衝撃試験装置の衝撃部分
を拡大して示す説明図、第１４図は歯車衝撃試験結果を
例示するグラフ、第１５図および第１６図（ａ）（ｂ）
は浸炭または浸炭窒化深さと衝撃強度および歯元曲げ疲
労強度との関係を例示するグラフ、第１７図は歯車のモ
ジュールと投炭硬化層深さとの好ましい推奨値を示すグ
ラフである。 第２図 特許出願人　　日産自動車株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　浸炭または浸炭窒化処理した歯車であって、歯
   底部および歯底すみＲ部の有効硬化層深さが、ピッチ円
   上である歯面の有効硬化層深さの８０％未満の任意の深
   さにコントロールされていることを特徴とする高強度歯
   車。