JPH032319A - 歯元強度に優れた高強度歯車の製造方法 - 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、高強度の歯車を製造するのに利用される高
強度歯車の製造方法に関するものである。 （従来の技術） 高強度が要求される歯車としては、変速機用歯車がある
。この変速機用歯車は、エンジンの高出力化に対応し、
またトランスミッションユニットの小型化による原価低
減などのために歯車の疲労強度向上が重要な課題となっ
ている。 従来、このような変速機用歯車を製造するに際しては１
通常の場合、歯車粗材に対して浸炭焼入れ等の表面硬化
処理を施すようにしており、疲労強度をより一層向上さ
せる必要のある場合にはショットピーニング処理が実施
されている。 そしてさらに疲労強度を向上させるにあたっては、シェ
ービング加工された歯車粗材に対して浸炭焼入れ等の表
面硬化処理を施したあと、シェービング段差部を含む歯
元フィレット部を二段階でシェービング加工を施し、第
一段階のショットピーニング加工では前記シェービング
段差部の除去またはその形状を変化させ、第二段階のシ
ョットピーニング加工では歯元フィレット部の表面仕上
げを行うようにするというふうに二段階でのショットピ
ーニングを行ない、最表面の圧縮残留応力を高める手法
（例えば、特開昭６１−１７０５１１号公報に記載され
た［高強度歯車の製造方法」）などがあった。 （発り１が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の高強度歯車の製造方法
にあっては、有効硬化層深さとショットピーニングとの
関係について何んら考慮することなく、単にショットビ
ーニゲによる最表面の圧縮残留応力の増加のみに着目し
てショットピーニングを行うようにしていたため、歯車
を有効に強化することに関していまだ不十分であるとい
う課題があった。また、とくに変速機に使用される高強
度が必要な歯車であるはす両歯車の疲労強度向上に関し
てはほとんど研究がなされていないのが実状であるとい
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、はす両歯車をはじめとする歯車の強化を十分な
ものとした疲労強度に優れた高強度歯車を製造すること
が可能である高強度歯車の製造方法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の製造方法は、歯車粗材に対
して浸炭焼入れ等の表面硬化処理を施す際の前記表面硬
化処理による有効硬化層深さを歯元において（歯車のモ
ジュールＸ０．２）［ｍｍ１未満とした後、ショットピ
ーニングを行うことにより歯元表面から１００［ｐｍ］
以内における圧縮残留応力の最大値を−６０［Ｋｇｆ／
ｍｍ２］以上とするような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製造方法の構成を従来の
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製造方法は、歯車粗材に対
して表面硬化処理を施すが、この歯車粗材としては、例
えば従来より歯車用鋼として用いられている種々のもの
が適用され、この歯車粗材に対する表面硬化処理として
は、浸炭焼入れや浸炭窒化などがある。そして、この表
面硬化処理を施すに際しては、前記表面硬化処理により
ビッカース硬さＨｖ５１３以上となる有効硬化層深さを
歯元において（歯車のモジュールＸ０．２）［ｍ　ｍ　
］未満となるようにしているが、このように表面硬化処
理による有効硬化層深さがより浅いものとなるように制
御している理由は、有効硬化層深さを浅くすることによ
って靭性が向上し、疲労亀裂の発生時期が遅くなるため
、疲労強度のより一層の向上が実現されるようになるこ
とによるものである。 このように１表面硬化処理による有効硬化層深さを歯元
において（歯車のモジュールＸ０．２）［ｍｍ１未満と
浅くした後、ショットピーニングを行うことにより歯元
表面から１００［７ｚｍ１以内における圧縮残留応力の
最大値を−６０［Ｋｇｆ／ｍｍ２］以上とするようにし
ているが、この理由は、表面硬化歯車の疲労強度は、表
面の残留応力値よりもむしろ表面から１００［ＪＬｍ］
以内とくに２０〜１１００ｐにおける圧縮残留応力の最
大値と相関があり、この表面から１００［ルｍ］以内に
おける圧縮応力の最大値を−６０［Ｋｇｆ／ｍｍ２］以
上と負側に大きくなる４ｊＱとすることによって疲労強
度のより一層の向上が実現されるようになるためである
。 （発明の作用） この発明に係る高強度歯車の製造方法は前述した構成を
有しているものであり、有効硬化層深さとショットピー
ニングとの関係について考慮し、有効硬化Ｐ：５深さを
従来最適とされているよりも浅いものとして靭性が向上
したものとすることによって疲労亀裂の発生時期が遅い
ものになると共に歯元の最表面よりもさらに入った表面
からやや内部における圧縮残留応力の最大値がより大き
な値を有するものとなるようにしているので、歯車の強
化が著しく有効なものとなり、従来あまり研究がなされ
ていなかったはすｆＡ鋼車等の歯車の疲労強度がより一
層向上したものになるという作用がもたらされる。 （実施例） この実施例では、クロム鋼（ＳＣｒ４２０Ｈ；０．１９
％Ｃ−０，２８％Ｓ　ｉ−０、８２％Ｍｎ−０，０５％
Ｎｉ−１，１１％Ｃｒ−０，０２％Ｍ　ｏ　−Ｆ　ｅ　
）よりなり、第１図の中に示すように、圧力角１７．５
’、モジュール１．５．歯数３３、ねじれ角３４°のは
す歯部１ａとこれに隣接する円筒部１ｂとを有するはす
両歯車１を製造する場合を例にとって示している。 そこで、上記クロム鋼よりなるはす両歯車粗材に対し、
第１表のＮｏ、１．２，３，４，６．７においてはガス
浸炭（ＲＸガスをキャリアガスとし、ブタンおよびアン
モニアを含む雰囲気中で行う浸炭処理）による表面硬化
処理を施し、第１表のＮｏ、５においては真空浸炭によ
る表面硬化処理を施したの−ち、焼もどしを行うことに
よって、有効硬化層深さを調整する表面硬化処理を行っ
た。 次に、上記有効硬化層深さを調節する表面硬化処理後に
おいて、ビッカース硬さでＨｖ５１３以上となっている
歯元における有効硬化層深さを調べたところ、同じく第
１表に示す結果であり。 Ｎｏ、１．２，４．５にあっては従来最適とされている
のと同様の深さ０．３５〜０．４０［ｍｍ］程度の歯元
における有効硬化層深さを有しているものとしているの
に対して、Ｎｏ、３゜６．７にあっては従来最適とされ
ているよりも浅い深さ０　、２０〜０　、２５　［ｍｍ
］程度の歯元における有効硬化層深さを有しているもの
とした。 次いで、第１表に示すＮｏ、２．３，４，６゜７のもの
に対して、アーク／＼イトが０．４５〜０　、９５　［
ｍｍＡ］　となるショットピーニングを行った。 そして、Ｎｏ、２．３，４，６．７に示すショットピー
ニング後において、Ｎｏ、１．５に示すショットピーニ
ングを行わないものと共に、各供試歯車（Ｎｏ−１〜７
）の円筒部（第１図参照）ｌｂにおける残留応力をＸ線
回折法により調べたところ、第１図に示すような深さ方
向における残留応力分布を有していた。 一方、本来ならば破損部位である歯元（第１図において
はす歯部１ａの歯元）における残留応力を測定すべきで
あるが、第１図において円筒部１ｂの残留応力を測定す
ることとした理由は、歯元での残留応力の分布測定がな
かなか困難であって時間を要するためである。 そこで、歯元での残留応力分布の測定に代えて、第２図
に示したように円筒部１ｂの残留応力分布を求め、円筒
部１ｂの残留応力分布より求めた圧縮残留応力の最大値
を歯元での値に換算する必要があるため、第２図に示す
ように、歯元での残留応力分布を求めた。この結果、第
２図に示すように、歯元での残留応力の最大値は円筒部
のそれに対して約６０％であることがわかる。したがっ
て、第１表の圧縮残留応力の最大値の欄においてショッ
トピーニングを行ったＮｏ、２．３゜４．６．７では、
実測値である円筒部の６０％の換算値として歯元におけ
る圧縮残留応力の最大値を示しである。なお、ショット
ピーニングを行わなかったＮｏ、１．５については換算
することなくそのままかっこを付して示しである。 次に、Ｎｏ、１〜７の各供試歯車をかみ合い疲労試験機
にかけてそれぞれの歯車における歯元の曲げ疲労強度を
調べた。これらの結果を第３図に示す、なお、この試験
の際における破損はすべてはす両歯車の歯元８部からの
曲げ疲労破損であった。 ところで、浸炭焼入れによる硬さＨＶ５１３以上となる
有効硬化層深さは、−船釣に歯車のモジュールに０．２
を掛けた値が最適とされており、それよりも浅くてもま
た深くても疲労強度は低下すると言われている。 第３図は、第１表のＮｏ、１．２．４の歯車においてモ
ジュール１．５の歯車の最適有効硬化層深さとされてい
る０　、　３０　［ｍｍｌを目標として浸炭焼入れを行
い、また、第１表のＮｏ、５の歯車において表面異常層
が形成されない真空浸炭を行い、さらに第１表のＮｏ、
３．８．７の歯車においてモジュール１．５の歯車の最
適有効硬化層深さとされている０、３［ｍｍｌ　よりも
浅い浸炭焼入れを行って、それぞれに対するショットピ
ーニングの有無による疲労強度への影響を調べた結果を
示すものである。 この結果から、ショットピーニングを行っていないＮ０
１１の歯車の疲労強度に比べて、ショットピーニングを
行ったＮｏ、２．３．４の疲労強度がかなり高くなって
おり、ショットピーニングは疲労強度の向上に対してか
なり有効であることが明らかである。この場合、Ｎｏ、
２の歯車に対してショットピーニングによる加工度を高
めたのがＮｏ、４の歯車であり、この結果、ＮＯ３４の
歯車の方が疲労強度はより一層向上していることが明ら
かである。また、Ｎｏ、２の歯車に対して歯元における
有効硬化層深さを従来最適とされている値よりも浅くし
たのがＮＯ３３の歯車であり、この結果、有効硬化層深
さの浅いＮｏ、３の歯車の方が疲労強度はより一層高い
ことが明らかである。 一方、Ｎ０１５の歯車は表面硬化処理として真空浸炭を
行った場合であり、ガス浸炭で発生する表面異常層をな
くし、表面の圧縮残留応力を高めた場合の効果を確認し
たものである。すなわち。 真空浸炭を施したＮ００５の歯車では、ガス浸炭を施し
たＮ０８１の歯車に比べて歯元表面での圧縮残留応力が
高くなっているにもかかわらず疲労強度はさほど向上し
ていないものであった。したがって、ＮＯ３１〜５に示
す歯車で得られた結果を圧縮残留応力という観点からみ
ると、表面よりもやや内部で発生する圧縮残留応力の最
大値と疲労強度とにおいて相関を有していることが明ら
かであった。 これに対して、Ｎｏ　、　６　、７の本発明による歯車
では、ビッカース硬さがＨｖ５１３である有効硬化層深
さを０．３［ｍｍ］（すなわち、モジュールＸ０．２　
［ｍｍ］　）未満としたものであるが、Ｎ０１４の歯車
に対して圧縮残留応力がほぼ同等であるにもかかわらず
、第３図に示すように疲労強度は大幅に向上しているこ
とが明らかである。 すなわち、有効硬化層深さが従来言われている値よりも
浅い方がショットピーニング後における疲労強度を高い
ものにできることが新規に認められた。しかし、Ｎｏ、
３の歯車で明らかなように、ショットピーニングによる
加工度が低いために歯元における圧縮残留応力が−６０
［Ｋｇｆ／ｍｍ’ｌに満たない場合には、疲労強度の向
上の程度は小さいものとなる。 ここで、有効硬化層深さが従来言われている値よりも浅
い方が疲労強度の高いものとなる理由は、有効硬化層深
さを浅くすることによって靭性が向上して疲労亀裂の発
生時期が遅くなるためと推定される。そして、このよう
な作用は、他のモジュールの歯車についても同様にして
得ることが可能であり、疲労強度のより一層の向上が得
られる。 このような実施結果から、歯車の疲労強度は、表面の残
留応力値よりも、第１図に示すように１表面からやへ内
部のところすなわち２０〜１００［ｐｍ］程度のところ
における圧縮残留応力の最大値と相関があり、この圧縮
残留応力の最大値を−６０［ｋ　ｇ　ｆ　／　ｍ　ｍ　
２］以上（すなわち、負の側に大きくなるよう）にする
と共に１表面硬化処理による有効硬化層深さを従来最適
とされる（歯車のモジュールＸ０．２）［ｍｍ］よりも
小さなものとすることによって、疲労強度が大幅に向上
することが明らかとなった。

【発明の効果】

この発明に係る高強度歯車の製造方法では、歯車粗材に
対して浸炭焼入れ等の表面硬化処理を施す際の前記表面
硬化処理による有効硬化層深さを歯元において（歯車の
モジュールＸ０．２）［ｍｍ１未満とした後、ショット
ピーニングを行うことにより歯元表面から１００［Ｐｍ
１以内における圧縮残留応力の最大値を−６０［Ｋｇｆ
／ｍｍ２］以上とする構成としたから、歯車の疲労強度
を大幅に向上させたものとすることが可能であり、従来
に比べて表面硬化処理後の有効硬化層深さを小さいもの
としているため、靭性の向上をはかることができて疲労
亀裂の発生時期を遅くすることができることから上記し
たように歯車の疲労強度を大幅に向上させることが可能
であると共に、表面硬化処理時間を短縮することが可能
であり、表面硬化処理時間の短縮による生産性の向上な
らびにエネルギコストの低減をはかることが可能であり
、歯車の疲労強度を同一とする場合にはショットピーニ
ングの際における加工強度を低いものにすることができ
るため、面荒れの少ないものとすることが可能であると
いう著しく優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例において各歯車の表面からの
距離と残留応力との関係を調べた結果を示すグラフ、第
２図は歯車の円筒部と歯元とにおける表面からの距離と
残留応力との相関を調べた結果を示すグラフ、第３図は
各歯車の疲労強度を調べた結果を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）歯車粗材に対して浸炭焼入れ等の表面硬化処理を
   施す際の前記表面硬化処理による有効硬化層深さを歯元
   において（歯車のモジュール×０．２）［ｍｍ］未満と
   した後、ショットピーニングを行うことにより歯元表面
   から１００［μｍ］以内における圧縮残留応力の最大値
   を−６０［Ｋｇｆ／ｍｍ＾２］以上とすることを特徴と
   する高強度歯車の製造方法。