JPH08267167A

JPH08267167A - 鋳鉄歯車の製造方法

Info

Publication number: JPH08267167A
Application number: JP7071751A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Fujiwara; 康之藤原; Izuru Yamamoto; 出山本; Masazumi Onishi; 昌澄大西; Toshiaki Tanaka; 利秋田中; Yoshinari Tsuchiya; 能成土屋; Atsushi Danno; 敦団野
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1995-03-29
Filing date: 1995-03-29
Publication date: 1996-10-15
Anticipated expiration: 2015-10-03
Also published as: DE69621866D1; KR960034437A; JP3093123B2; US5690756A; EP0735150B1; EP0735150A2; KR0183209B1; EP0735150A3; DE69621866T2

Abstract

(57)【要約】【目的】高精度で、かつ鋳鉄の黒鉛粒の露出による強度
低下や焼割れ及び転造割れがなく、したがって高強度
で、しかも生産性良く、低コストで鋳鉄歯車を製造す
る。【構成】鋳鉄よりなる粗材の歯形成部が少なくともオー
ステナイト化領域となる温度に加熱する加熱工程と、加
熱された粗材の冷却過程中、オーステナイト化領域にあ
る熱間状態の粗材の歯形成部に転造型の突歯型部を強圧
することにより歯部を創成する熱間転造工程とを順に実
施する。塑性変形抵抗の少ない熱間転造加工を利用して
歯部を創成するので、転造割れを防止することができる
とともに黒鉛粒の歯面への露出がほとんどない。熱間転
造により旧γ粒が微細化されるので強靱化するとともに
焼割れ感受性が低下する。熱間転造では加工応力の残留
が少ないので再加熱時において残留応力の開放により精
度が低下することが少ない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鋳鉄歯車の製造方法に関
し、詳しくは熱間転造を利用した鋳鉄歯車の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、鋳鉄歯車として、（１）球状
黒鉛鋳鉄よりなる円板状の基部の外周面に、切削加工に
より歯切りをして歯部を創成した後、高周波焼入れ、焼
もどしをして歯面の耐摩耗性及び靱性を確保したもの、
（２）減圧造型法等の精密鋳造法で形成した鋳型のキャ
ビティに球状黒鉛鋳鉄の溶湯を注湯し、固化させ、これ
により基部とともに歯部を創成、鋳造し、その後に転造
ダイスを歯部に押しつけて冷間転造により仕上加工し、
歯部を高精度に仕上げ、さらに高周波焼入れにより歯面
を硬化させたもの（特開昭６４−２６０４６号公報参
照）が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の鋳
鉄歯車は以下に示すような問題点があった。（１）歯部を切削加工による歯切りにより形成する場
合、生産性や製造コスト等の面で十分に満足できるもの
ではなく、また鋳鉄の黒鉛粒が歯面に露出し、これが切
欠きとなって応力集中により歯面の強度が低下する。さ
らに、鋳鉄を高周波焼入れする場合、鋳鉄は炭素や珪素
の含有量が鋼に比べて多いため、これらの元素の影響に
より焼割れを生じ易い。

【０００４】（２）減圧造型法等の精密鋳造法により歯
部を創成する場合、鋳造コストが高い。また、冷間転造
により表面に塑性変形を生じさせて歯部を仕上加工する
場合、冷間域の鋳鉄（ダクタイルを含む）の変形能は小
さいため転造割れを生じ易く、また冷間転造時に鋳鉄の
黒鉛粒が潰されて歯面に露出するため歯面の強度が低下
する。さらに、このような冷間転造により仕上加工した
製品を高周波焼入れする場合、冷間転造時の残留加工応
力が高周波焼入れ時に開放されるため精度が低下する。

【０００５】なお、特開平５−９３２２５号公報には、
球状黒鉛鋳鉄よりなり、基部の外周面に歯部が形成され
た歯車粗形体をオーステナイト化温度領域に加熱し、次
にベイナイト化温度領域に冷却し、この温度に保持して
いる間に転造加工を施して、歯部を温間転造により仕上
げる鋳鉄歯車の製造方法が開示されている。この方法に
よれば、上記（１）及び（２）の問題点を解決できるも
のの、等温変態と温間仕上転造を利用しているため、処
理時間が長く、生産性及びコスト面で不利となる。

【０００６】本発明は上記実情に鑑みてなされたもので
あり、高精度で、かつ、鋳鉄の黒鉛粒の露出による強度
低下や焼割れ及び転造割れがなく、したがって高強度
で、しかも生産性良く、低コストで鋳鉄歯車を製造する
ことを解決すべき技術課題とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の鋳鉄歯車の製造方法は、鋳鉄からなり歯部となる歯
形成部を備えた粗材と、突歯型部を備えた転造型とを用
い、少なくとも該粗材の該歯形成部が少なくともオース
テナイト化領域となる温度に該粗材を加熱する加熱工程
と、加熱された該粗材の冷却過程中、オーステナイト化
領域にある熱間状態の該粗材の歯形成部に該転造型の該
突歯型部を強圧して該歯形成部を転造することにより、
該粗材の該歯形成部に歯部を創成する熱間転造工程とを
順に実施することを特徴とするものである。

【０００８】上記熱間転造工程は、歯形成部がオーステ
ナイト・フェライト相の領域である時に転造する形態、
歯形成部が安定オーステナイトの領域である時に転造す
る形態、歯形成部が過冷または準安定オーステナイトの
領域である時に転造する形態、歯形成部がパーライト変
態中において転造を終了する形態のいずれでも良い。な
お、サイジング工程など加工度が小さい場合は、熱間転
造工程は歯形成部がパーライト変態中において転造する
形態が好適である。

【０００９】好適な態様において、上記加熱工程では、
上記粗材を粗材の溶融開始温度より１０〜１６０℃低い
温度範囲で保持する。好適な態様において、上記加熱工
程では、上記粗材の歯形成部は、形成する歯部の歯丈の
１．５〜１．８倍に相当する深さまでの範囲がオーステ
イナイト化領域とされるように加熱され、この状態で熱
間転造が行われるとともに、熱間転造工程において、上
記歯形成部に上記歯部の歯丈の９０％以上を形成する温
度域を７５０℃以上とする。

【００１０】好適な態様において、加熱工程における加
熱後の冷却過程において、１０００〜６００℃での冷却
速度を２５℃／秒以上とし、次いで６００〜４００℃で
の冷却速度を１０℃／秒以上として、上記歯部の組織を
マルテンサイト主体の組織又はマルテンサイトと微細パ
ーライトとの混合組織とする。好適な態様において、加
熱工程における加熱後の冷却過程において、１０００〜
６００℃での冷却速度を２５℃／秒以上とし、次いで６
００〜４００℃での冷却速度を１℃／秒以上、かつ１０
℃／秒未満とするか、又は１０００〜６００℃での冷却
速度を１℃／秒以上、かつ２５℃／秒未満として、上記
歯部の組織を微細なパーライト主体の組織又はフェライ
トとパーライトとの混合組織とする。

【００１１】好適な態様において、熱間転造工程後に、
オーステナイト生成温度以下で行われる窒化処理、軟窒
化処理及び浸硫窒化処理のうち少なくとも１つの処理を
実施する。

【００１２】

【作用】本発明の鋳鉄歯車の製造方法では、少なくとも
粗材の歯形成部が少なくともオーステナイト化領域とな
る温度に該粗材を加熱した後、加熱された粗材の冷却過
程中、オーステナイト化領域にある熱間状態の該粗材の
歯形成部に転造型の突歯型部を強圧して該歯形成部を転
造することにより、該粗材の該歯形成部に歯部を創成す
る。

【００１３】このように熱間転造により歯部を創成する
ので、変形能が大きい状態で転造加工を施すことがで
き、転造割れを防止することができるとともに、黒鉛粒
の歯面への露出を極めて小さくでき、黒鉛粒露出の切欠
による強度低下を防止することができる。また、変態点
近傍の温度で塑性変形を利用して歯部を創成するので、
歯面における旧γ粒が微細化される。特に、加工度が大
きく、強度面で重要な歯底面における旧γ粒が一層微細
化される。このように旧γ粒が微細化された表面に焼入
れを施すと、比較的低温でオーステナイト化され、微細
なマルテンサイトの金属組織を得ることができ、高い強
度を有する部品を製造できる。すなわち、本発明方法の
ように熱間転造により歯部を創成すれば、炭素や珪素の
含有量が多く焼割れが生じ易い鋳鉄材に対して、組織の
微細化等により焼割れ感受性を低下させて焼割れの発生
を抑制することができる。

【００１４】さらに、熱間転造により歯部を創成するの
で、加工応力が残留することがほとんどない。したがっ
て、再加熱（焼入れ、焼もどし、窒化処理等）時におい
て、残留応力の開放により精度が低下することがほとん
どない。なお、転造加工により歯部を創成するので、切
削加工により歯切りをして歯部を創成する場合と比較し
て、生産性及びコスト面で有利となることは勿論であ
る。

【００１５】本発明の鋳鉄歯車の製造方法の加熱工程に
おいて、上記粗材を粗材の溶融開始温度より１０〜１６
０℃低い温度範囲で保持した場合、温度が高いほどマト
リックスＣの拡散速度が速くなることから、粗材の歯形
成部を構成するマトリックスへのＣ拡散を短時間で行う
ことができる。このため、生産性を向上させることがで
きるとともに、加熱保持時間が長くなって粗材全体に熱
が広がることによる精度低下を抑えることができる。ま
た、粗材の歯形成部を構成するマトリックス中のＣ％を
所定濃度以上とすることにより、冷却後の硬度を向上さ
せることが可能となる。

【００１６】本発明の鋳鉄歯車の製造方法において、上
記加熱工程で、上記粗材の歯形成部は、形成する歯部の
歯丈の１．５〜１．８倍に相当する深さまでの範囲がオ
ーステナイト化領域とされるように加熱され、この状態
で熱間転造が行われるとともに、熱間転造工程におい
て、上記歯形成部に上記歯部の歯丈の９０％以上を形成
する温度域を７５０℃以上とした場合、熱間転造後の歯
面における傷の発生を良好に抑えることができる。オー
ステナイト化領域とする加熱深さＨを歯部の歯丈ｈの
１．５倍より浅くすると、転造歯車歯元部の材料流れが
悪くなって、まくれ込み欠陥が生じ易くなり、歯面にお
ける傷の発生を良好に抑えることができない。一方、上
記加熱深さＨを歯部の歯丈ｈの１．８倍より深くする
と、加熱時間が長くなり生産性が低下するとともに、歯
車精度も低下し易くなる。また、歯形成部に歯部の歯丈
の９０％以上を形成する温度域を７５０℃より低くする
と、材料の変形抵抗が大きく、材料流れも悪くなり、歯
面における傷の発生を良好に抑えることができない。

【００１７】本発明の鋳鉄歯車の製造方法において、加
熱工程後の冷却速度については、特に限定されるもので
はないが、以下のような組織となるように冷却速度を設
定することにより特有の作用、効果を奏する。すなわ
ち、加熱工程における加熱後の冷却過程において、１０
００〜６００℃での冷却速度を２５℃／秒以上として、
フェライトやパーライト変態を抑制し、次いで６００〜
４００℃での冷却速度を１０℃／秒以上とする場合、パ
ーライトやベイナイト相の生成を抑制することにより、
後に高周波焼入れ等の焼入れを加えることなく、マルテ
ンサイト主体の組織又はマルテンサイトに微細パーライ
トが一部混合した組織とすることができ、高強度の金属
組織を得ることができる。したがって、鋳鉄に多い焼割
れを回避することができるとともに、生産性及びコスト
面で有利となる。なおこの場合、その後に必要に応じて
適当な温度で焼もどしを施すことにより硬度を調整する
ことができる。なお、鋳鉄の組成や、上記冷却条件の範
囲内でのさらなる細かい冷却条件の調整に応じて、マル
テンサイト主体の組織になるか、あるいはマルテンサイ
トと微細パーライトとの混合組織になるかが決定され
る。そして、マルテンサイトと微細パーライトとの混合
組織とされた場合、この混合組織はマルテンサイト主体
の組織よりも靱性向上を図ることができる。

【００１８】また、加熱工程における加熱後の冷却過程
において、１０００〜６００℃での冷却速度を２５℃／
秒以上とし、次いで６００〜４００℃での冷却速度を１
℃／秒以上、かつ１０℃／秒未満とするか、又は１００
０〜６００℃での冷却速度を１℃／秒以上、かつ２５℃
／秒未満として、上記歯部の組織を微細なパーライト主
体の組織又はフェライトとパーライトとの混合組織とし
た場合、マンテンサイト主体の組織よりも高い靱性を有
する歯車が得られるという作用効果を奏する。なお、こ
の場合、熱間転造工程後に高密度エネルギーにより再加
熱後、放冷する焼入工程を実施して高強度化を図ること
が好ましく、高密度エネルギーを用いて再加熱すること
により、短時間で、比較的低い温度でオーステナイトと
なり、これを冷却することによりマルテンサイト組織が
均一に生成されるマルテンパー効果により低歪化と更な
る焼割れ防止を図ることができ、さらに硬さや耐摩耗性
を向上させることができる。また、その後に必要に応じ
て適当な温度で焼もどしを施すことにより硬度を調整す
ることができる。さらに、鋳鉄の組成や、上記冷却条件
の範囲内でのさらなる細かい冷却条件の調整に応じて、
微細なパーライト主体の組織になるか、あるいはフェラ
イトとパーライトとの混合組織になるかが決定される。
そして、微細なパーライト主体の組織と、フェライト及
びパーライトの混合組織とを比較した場合、引張り強度
や耐摩耗性、硬さの点で微細なパーライト主体の組織の
方が有利となる。

【００１９】本発明の鋳鉄歯車の製造方法において、熱
間転造工程後に、オーステナイト生成温度以下で行われ
る窒化処理、軟窒化処理及び浸硫窒化処理のうち少なく
とも１つの処理を実施する場合、これらの処理により歯
部の表面に硬化層を形成することができ、耐摩耗性と衝
撃特性を向上させることができる。すなわち、鋳鉄は珪
素を含むため、通常窒化が困難であるが、熱間転造工程
により歯部の表面に酸化膜が形成されており、この酸化
膜の存在により窒化を促進できるので、上記各種の窒化
処理を効果的に施すことが可能となる。なお、窒化処
理、軟窒化処理及び浸硫窒化処理のうち少なくとも１つ
の処理を施す場合、同時に焼もどしの効果も兼ねるた
め、別途焼もどし処理を施す必要がない。

【００２０】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。本実施例は、『円筒はすば歯車』を製造する例であ
る。（実施例１）球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ４５０）を機械加工
して図１に示すような粗材１を準備した。粗材１は中央
孔１ａを有する略円筒状をなし、その外周縁付近に上方
に突出するリング状の突部１１と、突部１１から半径方
向外方に突出する外径φＤ＝２７０．３５ｍｍ、幅ｂ＝
１１ｍｍの歯形成部１０とを有している。なお、図１の
斜線で示す歯形成部１０の部位が転造部位となる。

【００２１】次に、図２に示す誘導加熱コイル装置４を
用い、常温の粗材１を誘導加熱コイル装置４にセットし
た。即ち、図２に示す様に粗材１の中央孔１ａにワーク
アーバー４１を配置すると共に、加熱コイル４０と粗材
１とを同軸的に配置して加熱コイル４０の内周部と粗材
１の歯形成部１０の外周部とを同軸的に対面させた。そ
して、ワークアーバー４１により粗材１を矢印Ａ１方向
に回転させつつ、加熱コイル４０に高周波電流を通電し
て、粗材１の外周部である歯形成部１０を高周波誘導加
熱した。これにより粗材１の歯形成部１０（図２におい
て斜線で示される領域）は、約８．３ｍｍの深さＨ（こ
の深さＨは、製造する歯車の歯丈ｈの１．５倍に相当す
る）までが約１１００℃程度に加熱され、オーステナイ
ト化される。なお誘導加熱条件は適宜選択できるが、電
力：６０ｋＷ、周波数：１０ｋＨｚ、加熱時間：８０秒
とした。この際、粗材１の突部１１の内面温度は２００
〜４００℃程度である。

【００２２】次に、図示しないチャック装置のワークア
ーバー５１を粗材１の中央孔１ａにセットして粗材１を
油圧押し込み式の転造盤６に移した。転造盤６には、図
３に示すように、扇型の補助加熱コイル６０が装備され
ており、この補助加熱コイル６０と粗材１の歯形成部１
０とを対面させ、転造盤６において転造直前に高周波誘
導加熱により盤内加熱した。この盤内加熱は、主とし
て、粗材１の着脱移動時の温度低下を補充して、粗材１
を上記高周波誘導加熱後と同様の加熱状態とするもので
ある。また、転造盤６は、多数個の突歯型部６４ａ、６
５ａを外周部にそって備えた構造のピニオン型の鋼製の
一対のローラーダイス６４、６５を有している。ローラ
ーダイス６４、６５は駆動機構により回転駆動される様
になっている。そして、粗材１の冷却過程中、一対のロ
ーラーダイス６４、６５を矢印Ｅ１方向に駆動回転させ
つつ、そのローラーダイス６４、６５をそれぞれの油圧
シリンダにより矢印Ｆ１方向に移動させて互いに接近さ
せた。これによりローラーダイス６４、６５の突歯型部
６４ａ、６５ａを粗材１の歯形成部１０に押し込んで熱
間転造加工した。この際、粗材１は従動して回る。

【００２３】なお、熱間転造開始温度は１０００℃、熱
間転造終了温度は６００℃程度であり、転造時間は約７
秒である。また、最高加熱温度である１１００℃での保
持時間は１０秒とした。さらに、熱間転造工程における
加工荷重は４０ｋＮである。さらに、１０００〜６００
℃での冷却速度は５０℃／秒、６００〜４００℃での冷
却速度は平均で２℃／秒となるように設定した。

【００２４】上記熱間転造後、粗材１を高周波焼入れし
た。これは、高周波焼入コイルを用い、４０ｋＨｚ、２
００ｋＷの条件で歯部を９５０〜１１００℃（本実施例
では１０５０℃）の温度に８秒で加熱し、直ちに放冷す
ることにより行った。なお、放冷したのは、自己冷却の
みで充分に所定の硬さが得られるためであり、放冷する
代わりに冷却剤を噴射等することにより冷却してもよ
い。また、加熱温度から５００℃までの冷却時間は２０
秒以内とし、かつＭｓ点から室温までの冷却時間は３０
秒以上とすることにより、焼き割れをより確実に防止す
ることができるので好ましい。

【００２５】上記高周波焼入れ後、粗材１を１６０〜５
６０℃程度の温度で３６００秒間保持して焼もどしを施
して、本実施例１に係る鋳鉄歯車を製造した。なお、こ
の歯車の諸元は、モジュール：２．５、ねじれ角：０
°、歯数：１０６枚、歯幅：１３ｍｍである。（評価）上記実施例１の鋳鉄歯車について、静的曲げ試
験、アイゾット衝撃試験及び曲げ疲労試験を行った。静
的曲げ試験は、圧子及びアムスラー型万能機を用いて、
一つの歯が折れるまで圧下することにより行った。ま
た、アイゾット衝撃試験は一つの歯のみを削り出して片
持ちで支持した後、歯先を打撃することにより行った。
また疲労試験は、試験歯を固定し、相手ギアと噛み合わ
せて脈動トルクを付加することにより行った。

【００２６】静的曲げ試験の結果を図４に、アイゾット
衝撃試験の結果を図５に、疲労試験の結果を図６にそれ
ぞれ示す。なお、図４〜図６中、○印は実施例１に係る
鋳鉄歯車についての結果を示し、×印は比較のために従
来の鋼を用いて高周波焼入れ・焼もどしを施した同一諸
元（但し、歯幅：９ｍｍ）の歯車についての結果を示
す。

【００２７】図４〜図６から明らかなように、本実施例
１に係る鋳鉄歯車は、円筒歯車として、静的曲げ試験、
アイゾット衝撃試験及び疲労試験の評価結果がいずれも
満足できるものであった。また、本実施例において、粗
材１の歯形成部１０の金属組織を示す写真（５０倍、ノ
ーエッチ）を図７に、熱間転造終了後の歯底の金属組織
を示す写真（５０倍、ノーエッチ）を図８に、同じく熱
間転造終了後の歯底近傍の金属組織を示す写真（４００
倍、ナイタル）を図９にそれぞれ示す。

【００２８】図７〜図９から明らかなように、熱間転造
することにより、歯底表面においては球状の黒鉛粒が偏
平状に潰されており、また１０００〜６００℃での冷却
速度を２５℃／秒以上（本実施例１では５０℃／秒）と
するとともに、６００〜４００℃での冷却速度を１０℃
／秒未満、かつ１℃／秒以上（本実施例では平均２℃／
秒）とすることにより、熱間転造終了後の歯底近傍の金
属組織は微細なパーライト主体の組織となっていた。な
お、１０００℃〜６００℃での冷却速度を１℃／秒以上
かつ２５℃／秒未満とするとともに、６００℃〜４００
℃での冷却速度を１０℃／秒未満とした場合には、熱間
転造後の歯部組織はフェライトとパーライトとの混合組
織となっていた。

【００２９】さらに、上記実施例１において、熱間転造
後の歯部を観察したところ、いずれも転造割れは発生し
ていなかった。また、高周波焼入れ後の歯部を観察した
ところ、焼割れは発生していなかった。さらに、上記実
施例１に係る鋳鉄歯車について、歯車精度を評価した結
果、ＪＩＳ等級で６級に納まっていた。

【００３０】（実施例２）上記実施例１と同様の粗材１
及び同一諸元の転造型を用い、加熱工程の加熱条件を実
施例１と同様にして熱間転造を行った。但し、本実施例
２では、１０００〜６００℃での冷却速度は５０℃／秒
と実施例１と同様であるが、６００〜４００℃での冷却
速度は自己冷却のみでは１０℃／秒未満のため水噴射を
加味することにより２５℃／秒となるように設定し、転
造、冷却後で充分マルテンサイト主体の焼入組織となる
ようにした。

【００３１】その後、実施例１と同様に焼もどしを施し
て、本実施例２に係る鋳鉄歯車を製造した。なお、この
歯車について、強度評価を行ったところ、実施例１と同
様の結果が得られた。また、熱間転造終了後の歯底の金
属組織を示す写真（４００倍、ナイタル）を図１０に示
す。図１０から明らかなように、１０００〜６００℃で
の冷却速度を２５℃／秒以上（本実施例２では５０℃／
秒）、６００〜４００℃での冷却速度を１０℃／秒以上
（本実施例２では２５℃／秒）とすることにより、熱間
転造後終了後の歯底の金属組織はマルテンサイト主体の
組織となっていた。

【００３２】（実施例３）上記実施例１と同様の粗材１
を用い、加熱工程における誘導加熱条件を電力：５０ｋ
Ｗ、周波数：１０ｋＨｚ、加熱時間：１００秒とし、粗
材１の歯形成部１０の約９．５ｍｍの深さＨ（この深さ
Ｈは、製造する歯車の歯丈ｈの１．７倍に相当する）ま
でを約１１００℃程度に加熱後、熱間転造加工を施し
た。

【００３３】なお、熱間転造開始温度は１０００℃、熱
間転造終了温度は７００℃程度であり、転造時間は約８
秒である。また、熱間転造工程における加工荷重は３０
ｋＮである。さらに、最高加熱温度である１１００℃で
の保持時間は２０秒とした。さらに、１０００〜７００
℃での冷却速度は、自己冷却とローラーダイス６４、６
５による冷却によって４０℃／秒となるように設定し
た。続いて、７００〜６００℃での冷却速度は３０℃／
秒、続く６００〜４００℃での冷却速度は８℃／秒とな
るように水噴射を行い、その後水の噴射を中止して４０
０℃〜室温での冷却速度を平均で１．５℃／秒とするこ
とにより、マルテンサイトと微細パーライトとが混在し
た平均硬さＨｖ（２０ｋｇｆ）４００の混合組織組織の
歯車を得た。

【００３４】なお、この歯車は、焼もどし工程なしでも
高い強度を示し、５００℃で焼もどしを施す実施例１の
ものと同一水準であった。また、熱間転造終了後の歯底
の金属組織を示す写真（４００倍、ナイタル）を図１１
に示す。図１１から明らかなように、１０００〜６００
℃での冷却速度を２５℃／秒以上（本実施例３では４０
℃／秒、３０℃／秒）、６００〜４００℃での冷却速度
を１℃／秒以上１０℃／秒未満（本実施例３では８℃／
秒）とすることにより、熱間転造後終了後の歯底の金属
組織はマルテンサイトと微細パーライトとの混合組織と
なっていた。

【００３５】（実施例４）球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ５０
０）を機械加工して実施例１と同様の粗材１を準備し
た。なお、この粗材１の溶融開始温度は１１６０℃であ
る。そして実施例１と同様の誘導加熱コイル装置４を用
い、図１２に示すように、３０〜３５秒（本実施例では
３０秒）かけて粗材１の歯形成部１０の約１１ｍｍの深
さＨ（この深さＨは、製造する歯車の歯丈ｈの１．６倍
に相当する）までが１０００〜１１５０℃（本実施例で
は１０７０℃）に加熱されるように粗材１を加熱し、こ
の温度で１０秒間保持した。なお誘導加熱条件は適宜選
択できるが、電力：７０ｋＷ、周波数：１０ｋＨｚとし
た。これにより、粗材１の歯形成部１０を構成するマト
リックスのＣ％を０．８％とした。

【００３６】次に、実施例１と同様の転造盤６を用い、
粗材１の冷却過程中、粗材１の歯形成部１０を熱間転造
加工して、本実施例に係る鋳鉄歯車を製造した。なお、
熱間転造開始温度は９００〜１１００℃（本実施例では
９５０℃）、歯丈の９０％を成形するローラ押し込み終
了温度は８００℃、サイジング終了となる転造終了温度
は３８０〜４３０℃（本実施例では４００℃）であり、
転造時間は約１５秒である。また、熱間転造工程におけ
る加工荷重は４０ｋＮである。このとき、９５０〜６０
０℃での冷却速度は４０℃／秒、６００〜４００℃での
冷却速度は１０℃／秒、４００℃〜室温での冷却速度は
２℃／秒とした。さらに、この歯車の諸元は、外径：φ
１８３．６、はす歯ねじれ角：３０°、モジュール：
２．４、全歯丈：６．７１３とした。

【００３７】上記歯車の硬度を測定したところ、歯部全
体はＨｖ４５０であり、またその組織を観察したとこ
ろ、マルテンサイトと微細パーライトとの混合組織であ
った。したがって、熱間転造後に再加熱して別途焼入れ
処理を施すことなく、十分な硬度を得ることができた。（加熱保持温度とＣ拡散量及び冷却後の硬さとの関係）
加熱工程時の加熱温度及びその温度における保持時間
は、マトリックス中のＣ％、ひいては冷却後の硬度に影
響し、マトリックス中のＣ％ができるだけ短時間で０．
４％以上となるように加熱温度及び加熱保持時間を設定
することが好ましい。なお、マトリックス中のＣ％が
０．４％未満では冷却中のパーライト変態やフェライト
変態が生じ易く、焼入れ硬さも高いものが得られにく
い。加熱工程時におけるＣのマトリックス中への拡散速
度は、温度が高い方が速い。また、加熱工程時における
温度が低過ぎると、加熱時間が長くなり生産性が低下す
るとともに粗材１全体に熱が広がり精度低下につなが
る。このため、できる限り加熱保持時間を６０秒以内の
短時間とすることができるように、加熱温度を設定する
が好ましい。実験により、加熱保持温度を１０００℃以
上とすることにより、６０秒以下の保持時間でマトリッ
クス中のＣ％を０．４％以上とすることができることを
確認している。とくに、加熱保持温度を１０５０℃以上
とした場合には、数秒〜３０秒の保持時間でマトリック
ス中のＣ％を０．４％以上とすることができ、また溶融
開始温度である１１６０℃より１０℃低い１１５０℃と
した場合には、保持時間０秒でもマトリックス中のＣ％
を０．４％以上とすることができる。さらに、加熱保持
温度を１１００℃以上とすれば、数秒〜１５秒でマトリ
ックス中のＣ％を０．４％以上とすることができ、そし
て１０００〜６００℃での冷却速度が２５℃／秒でも加
工度によっては充分マルテンサイト主体の組織として所
定の硬さを得ることができるので、好ましい。なお、加
熱保持温度を粗材１の溶融開始温度より１０度低い温度
より高くすると、粗材１の溶融が起こるおそれがあり、
望ましくない。さらに、上記の加熱温度と、その温度に
応じた保持時間を越えると、粗材１に局部的な溶融が開
始するので好ましくない。また、高温加熱のため、強度
低下が考えられるが、実験の結果、図４〜図６に示す如
く強度低下は認められなかった。これは、熱間転造加工
により、γ粒がつぶされて変態後の粒が微細であるため
と考えられる。

【００３８】上記実施例４において、加熱保持温度を１
１００〜１１４０℃の範囲で変更し、かつ、加熱保持時
間を０〜６０秒の範囲で局部的な溶融が生じない条件下
で変更して、マトリックス中のＣ％と冷却中に施した加
工の加工度を変化させて成形した場合について、それぞ
れ硬度を測定した。なお、加熱工程後の冷却過程中の、
冷却速度を１０００〜６００℃では２０℃／秒とし、６
００〜４００℃でも２０℃／秒とした。その結果を図１
３に示す。

【００３９】図１３から明らかなように、加工度により
硬度は異なるが、加熱温度と保持時間をコントロールす
ることにより、冷却後の硬さをＨｖ２５０〜６００の範
囲で制御可能である。また、１０００〜６００℃での冷
却速度を２５℃／秒に上げることにより、加工度６０％
においても、さらに硬度がＨｖ４００まで上昇すること
を確認している。

【００４０】（実施例５）上記実施例１において、熱間
転造工程後、焼入れ、焼もどしをする代わりに窒化処理
を施して、本実施例の鋳鉄歯車とした。窒化処理の条件
は適宜選択できるが、例えば、イオン窒化で、温度：５
２０〜５８０℃、時間が：８０〜２４０分、減圧度：
０．０１〜１０ｔｏｒｒ、雰囲気：窒素とアンモニアガ
スの混合、プラズマ電流：６〜１０Ａ、化合物層の厚み
が：０〜３５μｍ、表面硬さ：Ｈｖ４５０〜９５０であ
る。

【００４１】本実施例では、イオン窒化で温度：５６０
℃、時間：１８０分、減圧度：０．１ｔｏｒｒ、雰囲
気：窒素とアンモニアガスの混合、プラズマ電流：８Ａ
として、厚み：１８μｍの化合物層を形成し、表面硬
さ：Ｈｖ８６０とした。（実施例６）上記実施例１において、熱間転造工程後、
焼入れ、焼もどしをする代わりに軟窒化処理を施して、
本実施例の鋳鉄歯車とした。

【００４２】軟窒化処理の条件は適宜選択できるが、例
えば、連続処理炉を用いるガス軟窒化で、温度：５６０
〜５８０℃、時間：１８０〜２４０分、雰囲気：窒素と
アンモニアとプロパンガスの混合、露点：−５〜＋１５
℃、化合物層の厚み：１５〜４０μｍ、表面硬さ：Ｈｖ
５５０〜１０００である。本実施例では、ガス軟窒化
で、温度：５８０℃、時間：１８０分、雰囲気：窒素と
アンモニアとプロパンガスの混合、露点：＋５℃とし
て、厚み：２２μｍの化合物層を形成し、表面硬さ：Ｈ
ｖ７３５とした。

【００４３】（実施例７）上記実施例１において、熱間
転造工程後、焼入れ、焼もどしをする代わりにショット
ピーニング処理を施して、本実施例の鋳鉄歯車とした。
ショットピーニング処理の条件は適宜選択できるが、エ
アノズルタイプの場合には、ノズル径：φ７〜９ｍｍ、
ショット回数：１〜２回、ショット粒径：φ０．３〜
０．８ｍｍ、ショット粒の硬さ：Ｈｖ５００〜７２０、
エア圧：２〜５ｋｇ／ｃｍ²、ショット時間：１５〜３
０秒、アークハイト：０．４〜０．７ｍｍであり、これ
により圧縮残留応力は５０〜１４０ｋｇｆ／ｍｍ²にで
きる。本実施例では、ノズル径：φ８ｍｍ、ショット回
数：１回、ショット粒径：φ０．３ｍｍ、ショット粒の
硬さ：Ｈｖ７００、エア圧：４ｋｇ／ｃｍ²、ショット
時間：３０秒、アークハイト：０．６ｍｍとし、これに
より圧縮残留応力を９０ｋｇｆ／ｍｍ²とした。

【００４４】（実施例８）上記実施例１において、熱間
転造工程後、焼入れ、焼もどしをする代わりに浸硫窒化
処理を施して、本実施例の鋳鉄歯車とした。浸硫窒化処
理の条件は適宜選択できるが、例えば、温度が５５０〜
５８０℃、時間が１８０〜４８０分、雰囲気：窒素とア
ンモニアと硫化水素の混合、化合物層の厚み：１０〜２
０μｍ、窒素の拡散層の深さ：０．２〜０．４ｍｍ、表
面硬さ：Ｈｖ６５０〜９００である。

【００４５】本実施例では、温度：５８０℃、時間：２
４０分、雰囲気：窒素とアンモニアと硫化水素の混合と
し、化合物層の厚み：１５μｍ、窒素の拡散層の深さ：
０．２ｍｍとして表面硬さ：Ｈｖ７５０とした。なお、
上記実施例６〜８の各処理は、実施例３において、熱間
転造工程後に焼もどしをする代わりに、また実施例２に
おいて熱間転造工程後に焼もどしを兼ねた処理として、
それぞれの処理を施すことが可能である。

【００４６】（実施例９）上記実施例１において、熱間
転造工程後、焼入れ、焼もどしをする代わりに、適当な
温度範囲で歯部に仕上転造処理を施して、本実施例の鋳
鉄歯車とした。この仕上げ転造処理の条件は適宜選択で
きるが、例えば、処理温度：６００〜３００℃、転造時
間：２〜２０秒、転造時の加工荷重：１０〜４０ｋＮと
することができる。

【００４７】本実施例では、５００〜３５０℃まで１０
秒間、転造時の加工荷重：２５ｋＮとして、仕上げ転造
（歯面に３０μｍの圧下）を施した。これにより、歯面
精度をＪＩＳ等級で１級向上させることができた。な
お、この仕上げ転造処理は、冷間で行うことも勿論可能
である。（実施例１０）上記実施例１において、加熱工程時の誘
導加熱条件を電力：６０ｋＷ、周波数：１０ｋＨｚとし
て、粗材１の溶融開始温度直下（１０５０〜１１４０
℃、本実施例では１０７０℃）の温度域まで高周波加熱
した後、その温度で０秒（保持なし）〜３０秒保持する
ことにより、その加熱深さの変化が転造欠陥に及ぼす影
響を調べた。

【００４８】すなわち、図１４に示すように、ブランク
外径（図１に示す外径φＤのこと）からのオーステナイ
ト化域（図１４に斜線で示す部分）にある深さを加熱深
さＨとして、（加熱深さＨ）／（歯丈ｈ）の値を１．２
〜２．０の範囲で種々変更し、また歯丈の９０％成形終
了時の温度を６００〜９００℃の範囲で種々変更して、
熱間転造後の歯面の傷の程度を調べた。その結果を図１
５に示す。

【００４９】図１５から明らかなように、Ｈ／ｈの値が
１．５〜１．８の範囲にあり、かつ、歯丈の９０％成形
終了時の温度が７５０〜９００℃の範囲にある場合に、
歯面の傷の深さＫが０．０５ｍｍ以下となり良好であっ
た。このような結果となったのは、図１５に示す如く従
来の鋼の場合の適正条件に比べて、鋳鉄の成形性が劣っ
たためと考えられる。なお、Ｈ／ｈの値が１．８を越え
る場合は、加熱時間が２．５分以上と長く、歯車精度の
低下も大きくなるため好ましくない。また、Ｈ／ｈの値
が２．０を越えると精度が極端に低下する。

【００５０】（実施例１１）鋳鉄材料と加工度との関係
を調べるために、下記のような実験を行った。長さ：９
５ｍｍ、幅：１０ｍｍ、厚さＴ：１５ｍｍのＦＣ２３０
（片状黒鉛鋳鉄）よりなる試験片Ｎｏ．１と、同一形状
寸法のＦＣＤ５００（球状黒鉛鋳鉄）よりなる試験片Ｎ
ｏ．２とを準備した。図１６に示すように、歯車の歯元
形状を模擬した高さ１．８ｍｍの突起７１を有するプレ
ス型７を用い、高周波加熱温度：１１５０℃（昇温時間
４０秒で保持は０秒）、加工時の温度：９００℃とし、
加工度を種々変更しながら、各試験片をプレス加工し
た。このとき、１０００〜６００℃での冷却速度は１０
℃／秒とした。

【００５１】下式で示される加工度と割れの発生状況と
の関係を調べた。その結果を図１７に示す。なお、ｔは
加工後の試験片の厚さである。また、図１７中、○印は
割れが発生しなかったこと、△印は割れが少し発生した
こと、×印は多くの割れが発生したことを示す。（加工度）＝｛（Ｔ−ｔ）／Ｔ｝×１００（％）Ｔ：加工前の試験片の厚さ、ｔ：加工後の試験片の厚さ図１７から明らかなように、片状黒鉛鋳鉄においては、
球状黒鉛鋳鉄と比べて熱間加工時の割れの発生を生じな
い加工度は低いが、ある程度の加工は可能なことがわか
る。この結果から、黒鉛形状が芋虫状であるバーミキュ
ラー黒鉛鋳鉄についても、適正な加工度を選択すれば当
然適用可能であると判断される。

【００５２】（実施例１２）ＦＣＤ５００（球状黒鉛鋳
鉄）素材を１１５０℃に高周波加熱（昇温時間４０秒で
保持は０秒）した後、１０００〜６００℃での冷却速度
を１０℃／秒とし、次いで６００℃〜室温での冷却速度
を２℃／秒として室温まで冷却して、微細なパーライト
主体の組織でＨｖ２５０とした試験片を製作した。そし
て、上記実施例１１と同様に熱間プレス加工することに
より、歯形の歯元を模擬したＶノッチ溝を設け、加工度
が３０％と５０％（これは平行部での値で、Ｖノッチ底
では４５％と６５％となる）の２種類の強度評価用切欠
試験片とした。なお、Ｖノッチ溝の深さは４．３ｍｍ
（平行部は５．２ｍｍ）、幅は１０ｍｍとした。また、
比較のために加工度０％の試験片（切削でＶノッチ溝を
削り出したもの）も準備した。

【００５３】これらの強度評価用切欠試験片を高周波誘
導加熱により１０５０℃まで３０秒で昇温後、９００℃
で油入れし、３００〜６００℃の範囲で焼もどしを行っ
て硬さを約Ｈｖ３００〜５５０の範囲に変化させたもの
について、Ｖノッチ底部を破壊起点とする曲げ試験、衝
撃試験及び曲げ疲労試験を行った。曲げ強度を図１８
に、衝撃値を図１９に、曲げ疲労強度を図２０にそれぞ
れ示す。なお、図１８〜図２０において、○印は加工度
０％の結果を、□印は加工度３０％の結果を、△印は加
工度５０％の結果をそれぞれ示す。

【００５４】図１８〜図２０から明らかなように、加工
度が５０％の試験片は、曲げ強度の低下が見られるが、
強度上重要な衝撃値と曲げ疲労強度に及ぼす加工度の影
響は見られなかった。このことは、鋳鉄の熱間加工・熱
処理条件を選択すれば、熱間鍛造等の塑性加工において
も、歯車状部品やその他の部品の製造が可能となること
を示すものである。

【００５５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の鋳鉄歯車の
製造方法は、転造時の塑性抵抗が小さい熱間転造を利用
して歯部を創成するものであるから、高精度で、かつ、
鋳鉄の黒鉛粒の露出による強度低下や焼割れ及び転造割
れがなく、したがって高強度で、しかも生産性良く、低
コストで鋳鉄歯車を製造することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例で用いた粗材の部分側面図である。

【図２】加熱工程において粗材の歯形成部を誘導加熱し
ている状態の構成図である。

【図３】一対のダイスを備えた転造盤を概略して示す構
成図である。

【図４】本実施例１に係る鋳鉄歯車について、静的曲げ
試験結果を示すグラフである。

【図５】本実施例１に係る鋳鉄歯車について、アイゾッ
ト衝撃試験結果を示すグラフである。

【図６】本実施例１に係る鋳鉄歯車について、曲げ疲労
試験結果を示すグラフである。

【図７】本実施例１に係り、粗材の歯形成部の金属組織
を示す写真（５０倍、ノーエッチ）である。

【図８】本実施例１に係り、熱間転造終了後の歯底の金
属組織を示す写真（５０倍、ノーエッチ）である。

【図９】本実施例１に係り、熱間転造終了後の歯底の金
属組織を示す写真（４００倍、ナイタル腐食）である。

【図１０】本実施例２に係り、熱間転造終了後の歯底の
金属組織を示す写真（２００倍、ナイタル）である。

【図１１】本実施例３に係り、熱間転造終了後の歯底の
金属組織を示す写真（２００倍、ナイタル）である。

【図１２】本実施例４の製造方法における温度履歴を示
す図である。

【図１３】本実施例４に係り、加熱温度及び加熱保持時
間と、冷却後の硬さとの関係を示すグラフである。

【図１４】本実施例１０に係り、加熱深さＨと歯丈ｈと
の関係を示す説明図である。

【図１５】本実施例１０に係り、加熱深さＨ／歯丈ｈの
値、及び歯丈の９０％成形終了時の温度と傷の深さとの
関係を示す図である。

【図１６】本実施例１１に係り、加工度と割れの発生状
況を調べる様子を示す説明図である。

【図１７】本実施例１１に係り、加工度と割れの発生状
況を示す図である。

【図１８】本実施例１１に係り、曲げ試験結果を示すグ
ラフである。

【図１９】本実施例１１に係り、衝撃試験結果を示すグ
ラフである。

【図２０】本実施例１１に係り、曲げ疲労試験結果を示
すグラフである。

【符号の説明】

図中、１は粗材、１０は歯形成部、６４、６５はローラ
ーダイス、６４ａ、６５ａは突歯型部である。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年４月７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図９】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１０】

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１１】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山本出愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者大西昌澄愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者田中利秋愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者土屋能成愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者団野敦愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋳鉄からなり歯部となる歯形成部を備えた
粗材と、突歯型部を備えた転造型とを用い、少なくとも該粗材の該歯形成部が少なくともオーステナ
イト化領域となる温度に該粗材を加熱する加熱工程と、加熱された該粗材の冷却過程中、オーステナイト化領域
にある熱間状態の該粗材の歯形成部に該転造型の該突歯
型部を強圧して該歯形成部を転造することにより、該粗
材の該歯形成部に歯部を創成する熱間転造工程とを順に
実施することを特徴とする鋳鉄歯車の製造方法。
【請求項２】加熱工程において、上記粗材を粗材の溶融
開始温度より１０〜１６０℃低い温度範囲で保持するこ
とを特徴とする請求項１記載の鋳鉄歯車の製造方法。
【請求項３】加熱工程において、上記粗材の歯形成部
は、形成する歯部の歯丈の１．５〜１．８倍に相当する
深さまでの範囲がオーステイナイト化領域とされるよう
に加熱され、この状態で熱間転造が行われるとともに、
熱間転造工程において、上記歯形成部に上記歯部の歯丈
の９０％以上を形成する温度域を７５０℃以上としたこ
とを特徴とする請求項１記載の鋳鉄歯車の製造方法。
【請求項４】加熱工程における加熱後の冷却過程におい
て、１０００〜６００℃での冷却速度を２５℃／秒以上
とし、次いで６００〜４００℃での冷却速度を１０℃／
秒以上として、上記歯部の組織をマルテンサイト主体の
組織又はマルテンサイトと微細パーライトとの混合組織
としたことを特徴とする請求項１記載の鋳鉄歯車の製造
方法。
【請求項５】加熱工程における加熱後の冷却過程におい
て、１０００〜６００℃での冷却速度を２５℃／秒以上
とし、次いで６００〜４００℃での冷却速度を１℃／秒
以上、かつ１０℃／秒未満とするか、又は１０００〜６
００℃での冷却速度を１℃／秒以上、かつ２５℃／秒未
満として、上記歯部の組織を微細なパーライト主体の組
織又はフェライトとパーライトとの混合組織としたこと
を特徴とする請求項１記載の鋳鉄歯車の製造方法。
【請求項６】熱間転造工程後に、オーステナイト生成温
度以下で行われる窒化処理、軟窒化処理及び浸硫窒化処
理のうち少なくとも１つの処理を実施することを特徴と
する請求項１記載の鋳鉄歯車の製造方法。