WO2012032630A1 - 歯車 - Google Patents

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WO2012032630A1
WO2012032630A1 PCT/JP2010/065482 JP2010065482W WO2012032630A1 WO 2012032630 A1 WO2012032630 A1 WO 2012032630A1 JP 2010065482 W JP2010065482 W JP 2010065482W WO 2012032630 A1 WO2012032630 A1 WO 2012032630A1
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WO
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residual stress
depth
mpa
less
shot peening
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PCT/JP2010/065482
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English (en)
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Inventor
久佳 田和
三林　雅彦
坂上　秀幸
角田　佳介
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トヨタ自動車株式会社
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Priority to EP10856979.9A priority patent/EP2618028B1/en
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/10—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P9/00—Treating or finishing surfaces mechanically, with or without calibrating, primarily to resist wear or impact, e.g. smoothing or roughening turbine blades or bearings; Features of such surfaces not otherwise provided for, their treatment being unspecified
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H55/00—Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02—Toothed members; Worms
    • F16H55/06—Use of materials; Use of treatments of toothed members or worms to affect their intrinsic material properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H55/00—Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02—Toothed members; Worms
    • F16H55/17—Toothed wheels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49462—Gear making

Definitions

  • the present invention relates to a gear strengthened by applying residual stress to a gear whose surface is carburized.
  • Patent Document 1 for the purpose of easily improving the fatigue strength of mechanical parts, a step of carburizing a gear, a step of nitriding, and a first shot peening that performs shot peening with a shot particle size of 0.8 mm A process and a second shot peening process in which shot peening is performed with a shot particle size of 0.1 mm are described.
  • Patent Document 2 for the purpose of surface modification of alloy steel for machine structure, ultra-rapid and short-time heating and quenching treatment is performed after vacuum carburizing treatment, and shot peening is performed with a shot particle size of 0.6 mm. A first shot peening process and a second shot peening process for shot peening with a shot particle size of 0.08 mm are described.
  • the root bending fatigue strength can be increased by setting the residual stress in the region having a depth of 20 ⁇ m or less from the surface to ⁇ 1400 MPa or less. That is, a stress (compressive stress) of ⁇ 1400 MPa or less is left in a region having a depth of 20 ⁇ m or less from the surface.
  • a stress (compressive stress) of ⁇ 1400 MPa or less is left in a region having a depth of 20 ⁇ m or less from the surface.
  • the conventional gear has the following problems.
  • FIG. 8 shows the result of the CAE analysis of the gear when the conventional test (1) of shot peening treatment for increasing the root bending fatigue strength is performed.
  • the analysis in FIG. 8 is a simulated analysis by carburizing the gear to HV750 and then hitting the shot grains having a particle size of 0.8 mm and a hardness of HV800 on the gear so that the shot marks overlap each other by three-quarters. I do.
  • FIG. 12 is a distribution diagram of the residual stress of the gear in the shot peening test (1).
  • the region P1 which is the region corresponding to the depth T of 100 ⁇ m from the surface P, has the maximum strain at S1.
  • the strain is larger as it is closer to S1, and is smaller as it is closer to S6.
  • the strain was S3 or more in the region P2 which is a region where the depth from the surface P is about 50 ⁇ m, and in the region P3 which is a region where the depth from the surface P (upward in the figure) is about 150 ⁇ m. .
  • the residual stress in the regions E2 to E3 where the depth from the surface P is 50 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less is larger than other regions.
  • the peak position E1 is also present in a region where the depth from the surface P is 50 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less.
  • the region having a depth from the surface U corresponding to the region P where the strain was S1 was 100 ⁇ m. It was found that an internal crack Q occurred in Moreover, it turns out that the width
  • the present inventor conducted a test of shot peening treatment for preventing internal cracks by reducing the residual stress as shown by the solid line D in FIG. I tried 2).
  • the test is performed with shot grains having a particle diameter of 0.8 mm and a hardness of HV580.
  • the residual stress in the regions D2 to D3 having a depth from the surface of 50 ⁇ m to 150 ⁇ m is compared with that in the shot peening test (1) shown in FIG. I was able to make it smaller. Further, the peak position D1 was also lower than E1.
  • the residual stress in the region having a depth from the surface of 50 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less was reduced, but the depth from the surface requiring the tooth root bending strength was 20 ⁇ m or less.
  • the residual stress becomes small and the strength becomes insufficient.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a gear having high tooth base bending strength and no chipping of a tooth tip.
  • one aspect of the gear of the present invention has the following configuration.
  • the residual stress in a region where the depth from the surface is 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less is ⁇ 1000 MPa or less; It is preferable that the residual stress in a region where the depth is 50 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less is ⁇ 1000 MPa or more.
  • the residual stress in the region where the depth from the surface is more than 150 ⁇ m and not more than 230 ⁇ m is preferably ⁇ 500 MPa or less.
  • the residual stress in a region where the depth from the surface is 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less is ⁇ 1000 MPa or less;
  • the residual stress in the region of 50 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less is ⁇ 1000 MPa or more, so that the residual stress in the region of 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less of the depth from the surface against the fatigue fracture of the tooth root.
  • the compressive stress is 1000 MPa or more
  • the stress cancels the stress, and cracks do not occur on the surface of the tooth root. It can prevent fatigue fracture of the tooth root.
  • the residual stress in the region where the depth from the surface is more than 150 ⁇ m and less than 230 ⁇ m is ⁇ 500 MPa or less, so that the Hertz stress generated by the contact between the tooth surfaces (the maximum value in the gear is the depth from the surface, Present in the vicinity of 200 ⁇ m), and the surface fatigue strength can be improved.
  • the distribution map of the residual stress after performing a shot peening B process and a shot peening C process is represented.
  • the distribution map of the residual stress of the gear in a shot peening B process is represented.
  • the distribution map of the residual stress of the gear in shot peening C processing is represented.
  • photographed the tooth tip cross section of the gear after performing the shot peening B process and the shot peening C process are represented.
  • the figure equivalent to the micrograph shown in FIG. 4 is represented.
  • or the shot peening C process is represented.
  • the distribution map of the residual stress of the gear in a shot peening A process is represented.
  • the distortion distribution figure by CAE analysis of the tooth tip cross section of the gear which performed the conventional shot peening is represented.
  • photographed the tooth-tip cross section of the gearwheel of FIG. 8 are represented.
  • the figure equivalent to the micrograph shown in FIG. 9 is represented.
  • the distribution map of the residual stress of the gear in the test (1) of the shot peening treatment is shown.
  • the distribution map of the residual stress of the gear in the test (2) of the shot peening treatment is shown.
  • surface of the experimental result of a tooth missing is represented.
  • a shot peening process is performed on the gear after the carburization process. Since the shot peening process is an essential part of the present invention, it will be described in detail.
  • the shot peening treatment is widely used since a remarkable fatigue strength improvement effect has been confirmed.
  • the compressive residual stress is applied by accelerating shots of shot grains using high-pressure air or a high-pressure water jet, jetting shot grains from a nozzle, and colliding with parts.
  • the shot peening process is effective because the depth and peak value of residual stress can be controlled by the grain size and hardness of the shot grains, and the control range is very wide.
  • the residual stress can be controlled from the outermost surface to 400 ⁇ m in depth, and the residual stress can be controlled from ⁇ 800 MPa to ⁇ 1600 MPa in peak value.
  • the value of the residual stress generated can be increased by increasing the hardness of the shot particles. Further, by increasing the particle size of the shot particles, the peak position of the residual stress can be brought deeper from the surface of the member. On the other hand, by reducing the particle size of the shot particles, the peak position of the residual stress can be brought to a shallow position from the surface of the member.
  • the shot peening process is performed in the order of the shot peening B processing process and the shot peening C processing process.
  • the shot peening process is performed first in a deep range from the surface.
  • Fig. 2 shows the distribution of residual stress in shot peening B treatment.
  • the residual stress was measured with an X-ray stress measuring device (manufactured by Rigaku) (the same applies to the residual stress measurement in other distribution maps).
  • the residual stress in the region corresponding to a depth from the surface of 50 ⁇ m to 150 ⁇ m is set to ⁇ 1000 MPa or more in order to prevent chipping. If the residual stress in the region where the depth from the surface is 50 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less can be ⁇ 1000 MPa or more, there will be no residual stress that causes ⁇ 1000 MPa or less causing internal cracks. Therefore, internal cracks do not occur and chipping of the tooth tip can be prevented.
  • the grain size of shot grains is 1 mm. As shown in FIG. 2, by setting the grain size of the shot grains to 1 mm, the peak position of the residual stress can be set to a position of 50 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less.
  • the hardness of the shot grains is HV450.
  • the value of the residual stress can be set to ⁇ 1000 MPa or more.
  • the solid line B is the position B1 which is the peak position with a residual stress of ⁇ 1000 MPa with a depth of 80 ⁇ m from the surface.
  • the residual stress at position B2 where the depth from the surface is 50 ⁇ m is ⁇ 900 MPa
  • the residual stress at position B3 where the depth from the surface is 150 ⁇ m is ⁇ 850 MPa. Therefore, in the region where the depth from the surface is 50 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less, the residual stress has a range of ⁇ 850 MPa to ⁇ 1000 MPa.
  • the residual stress can be set to ⁇ 1000 MPa or more in a region where the depth from the surface is 50 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • the shot particle size is 1 mm, but if the shot particle size is 0.8 mm or more and 1.2 mm or less by experiment, the hardness is set to HV450, and the depth from the surface is 50 ⁇ m or more. In the region corresponding to 150 ⁇ m or less, it was confirmed that the residual stress could be ⁇ 1000 MPa or more.
  • FIG. 3 shows a distribution diagram of residual stress in the shot peening C process.
  • the residual stress in the region where the depth from the surface is 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less is set to ⁇ 1500 MPa or less in order to improve the strength of the portion to which the root bending fatigue stress is applied. If the residual stress in the region where the depth from the surface is 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less can be set to ⁇ 1500 MPa or less, the compressive stress cancels the stress when a repeated load (stress) is applied to the tooth, and the surface of the tooth root In this case, cracks do not occur and fatigue failure of the tooth root can be prevented. In the present embodiment, since it is ⁇ 1500 MPa or less, it naturally includes ⁇ 1000 MPa or less.
  • the grain size of shot grains is 0.2 mm. As shown in FIG. 4, by setting the grain size of the shot grains to 0.2 mm, the peak position of the residual stress can be set to a position of 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the hardness of the shot grains is HV800.
  • the value of the residual stress can be increased to ⁇ 1400 MPa or less.
  • the solid line C is a position C1 which is a peak position with a residual stress of ⁇ 1600 MPa at a depth of 15 ⁇ m from the surface.
  • the residual stress at the position C2 at a depth of 5 ⁇ m from the surface is ⁇ 1500 MPa
  • the residual stress at the position C3 at a depth of 20 ⁇ m from the surface is ⁇ 1400 MPa. Therefore, the residual stress can be maintained as high as ⁇ 1400 MPa to ⁇ 1600 MPa in the region where the depth from the surface where the residual stress is required for preventing the root bending fatigue is 5 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the depth from the surface can be ⁇ 1400 MPa or less in the region corresponding to 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the shot particle size is 0.2 mm.
  • the hardness is set to HV800, and the depth from the surface is reduced. It was confirmed that in the region corresponding to 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, the pressure could be ⁇ 1400 MPa or less.
  • FIG. 1 shows a distribution diagram of residual stress after performing shot peening B processing and shot peening C processing in the present embodiment.
  • the residual stress of the gear in the present embodiment is indicated by a solid line A
  • the resulting residual stress of the gear is shown as a broken line E.
  • the solid line A appears as a line in which the respective distribution maps are gathered by performing the shot peening B process and the shot peening C process.
  • the depth from the surface of the broken line E is ⁇ 650 MPa or more larger than the residual stress ⁇ 950 MPa of E1 corresponding to 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the residual stress in the region where the depth from the surface is 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less is ⁇ 1400 MPa or less (compressive stress is 1400 MPa or more) with respect to the fatigue stress at the tooth root.
  • compressive stress cancels the stress, and internal cracks do not occur on the surface of the tooth root, and fatigue failure of the tooth root can be prevented.
  • the residual stress in the regions A2 to A3 where the depth from the surface causing internal cracks is 50 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less is ⁇ 1000 MPa or more. Therefore, since the residual stress is not large like the residual stress in the region where the depth from the surface of the broken line E is 50 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less, the strength is lower than that of the broken line E. However, although the residual stress is not large, it is necessary and sufficient if it is ⁇ 1000 MPa or more in order to maintain the strength of the gear. Therefore, the gear strength can be sufficiently maintained.
  • FIG. 4 shows a micrograph and a scale obtained by photographing the tooth tip cross section of the gear 1 after performing the shot peening B process and the shot peening C process.
  • FIG. 5 shows a view corresponding to the photomicrograph shown in FIG.
  • an internal crack Q as shown in FIG. 10 occurs in R1, which is a region having a depth of 100 ⁇ m from the surface R of the gear 1 after the shot peening B treatment and the shot peening C treatment. Not done.
  • the gear and gear manufacturing method according to the second embodiment adds shot peening A processing in addition to shot peening B processing and shot peening C processing, as compared with the gear and gear manufacturing method according to the first embodiment. There is no difference except the point. Therefore, in 2nd Embodiment, other description is omitted by demonstrating the residual stress of the last gear at the time of performing a shot peening B process and a shot peening C process.
  • the shot peening A process is performed before the shot peening B process and the shot peening B process. That is, in the second embodiment, the shot peening process is performed in the order of shot peening A processing, shot peening B processing, and shot peening C processing.
  • the second embodiment has the same operations and effects as the first embodiment.
  • FIG. 7 shows a distribution diagram of residual stress in the shot peening A process.
  • the grain size of shot grains is 2 mm. As shown in FIG. 7, by setting the grain size of the shot grains to 2 mm, the peak position of the residual stress can be set to a position exceeding 160 ⁇ m and not more than 230 ⁇ m.
  • the hardness of the shot grains is HV700.
  • HV700 the hardness of the shot grains
  • the depth from the surface can be set to ⁇ 1000 MPa or less in a region corresponding to more than 160 ⁇ m and 230 ⁇ m or less.
  • the solid line F is a position F1 which is a peak position with a residual stress of ⁇ 1300 MPa when the depth from the surface exceeds 160 ⁇ m and is 230 ⁇ m or less.
  • the residual stress at position F2 at a depth of 160 ⁇ m from the surface is ⁇ 1000 MPa
  • the residual stress at position F3 at a depth of 230 ⁇ m from the surface is ⁇ 1050 MPa. Therefore, in the region where the depth from the surface where the residual stress is required for preventing the root bending fatigue is from 160 ⁇ m to 230 ⁇ m, the residual stress can be kept as high as ⁇ 1000 MPa to ⁇ 1300 MPa.
  • the depth from the surface can be reduced to ⁇ 1200 MPa or less in a region corresponding to more than 160 ⁇ m and not more than 230 ⁇ m.
  • the residual stress at the position where the depth from the surface is 150 ⁇ m is ⁇ 900 ⁇ m
  • the residual stress at the position F3 where the depth from the surface is 230 ⁇ m is ⁇ 1050 MPa.
  • the residual stress can be kept as high as ⁇ 900 MPa to ⁇ 1300 MPa.
  • the region having a depth from the surface of 150 ⁇ m to 230 ⁇ m is set to ⁇ 900 MPa or less.
  • the applicant of the present invention sets the region having a depth from the surface of 150 ⁇ m to 230 ⁇ m to ⁇ 500 MPa or less. It was confirmed by experiments that the surface fatigue strength can be sufficiently maintained.
  • FIG. 6 is a distribution diagram of residual stresses of gears subjected to shot peening A processing to shot peening C processing.
  • the residual stress of the gear in this embodiment is indicated by a solid line X
  • the load stress against bending is indicated by a broken first broken line Y
  • the load stress against surface pressure is indicated by a broken second broken line Z.
  • the solid line X appears as a line in which the respective distribution maps are aggregated by performing the shot peening A process to the shot peening C process.
  • the residual stress of the Y1 bending load stress with a depth from the surface of the first broken line Y of 5 ⁇ m to 20 ⁇ m is ⁇ 1000 MPa.
  • the residual stress of X1 having a depth from the surface of the solid line X corresponding to Y2 of 5 ⁇ m to 20 ⁇ m is ⁇ 1500 MPa. Therefore, by performing the shot peening A treatment, the residual stress with a depth from the surface of the gear of 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less is ⁇ 500 MPa greater than the load stress for bending.
  • the residual stress in the region where the depth from the surface is 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less is ⁇ 1400 MPa or less (compressive stress is 1400 MPa or more) with respect to the fatigue fracture of the tooth root.
  • compressive stress is 1400 MPa or more
  • the residual stress of the bending stress of Y1 having a depth from the surface of 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less is ⁇ 1000 MPa or less, it is not smaller than the bending stress. Therefore, when a load (stress) is repeatedly applied to the teeth, the compressive stress cancels the stress, cracks do not occur on the surface of the teeth, and fatigue failure of the teeth can be prevented.
  • the residual stress of the applied stress with respect to the maximum surface pressure of Z1 in the range where the depth from the surface of the second broken line Z exceeds 160 ⁇ m and is 230 ⁇ m or less is ⁇ 1000 MPa or less.
  • the residual stress of X4 until the depth from the surface of the corresponding solid line X exceeds 160 ⁇ m and is 230 ⁇ m or less it is ⁇ 1000 MPa or less. Therefore, by performing the shot peening A process, the residual stress from the surface of the gear to the depth of 160 ⁇ m to 230 ⁇ m is not smaller than the load stress with respect to the surface pressure.
  • the maximum value of the gear is a depth from the surface in the vicinity of 200 ⁇ m
  • the surface pressure fatigue strength can be improved.
  • the residual stress of the second broken line Z1 is ⁇ 1000 MPa, but the magnitude of the load stress with respect to the surface pressure varies depending on the size of the gear and the like. Therefore, as a result of experiments on gears of various sizes, the applicant of the present invention has a residual stress of a load stress with respect to a surface pressure of ⁇ 500 MPa or less when the depth from the surface is 150 ⁇ m to 230 ⁇ m. It was confirmed by experiments that surface fatigue strength can be maintained.
  • the load stress of the bending stress of Y2 is ⁇ 600 MPa or less in the region where the depth from the surface of the first broken line Y is 50 ⁇ m or more.
  • the load stress of the surface pressure of Z2 is ⁇ 200 MPa or less.
  • the residual stress of X2 having a depth of 50 ⁇ m or more from the surface of the solid line X is ⁇ 1000 MPa or more.
  • the load stress of bending of Y3 is ⁇ 450 MPa or more.
  • the load stress of the surface pressure of Z3 is ⁇ 700 MPa or more.
  • the residual stress of X3 having a depth of 50 ⁇ m or more from the surface of the solid line X is ⁇ 1000 MPa or more.
  • the solid line X has a residual stress of ⁇ 1000 MPa or more. Therefore, the residual stress of the solid line X becomes larger than the bending load stress of the first broken line Y and the load stress of the surface pressure of the second broken line Z.
  • the probability of occurrence of internal cracks is low, and further, generation of chipping of the tooth tip can be prevented.
  • gear and the manufacturing method of the gear of the present invention are not limited to the above embodiment, and various applications are possible.
  • this embodiment it is performed by shot peening, but other wet blasting, ultrasonic shots, and strong processing can also be used.
  • Hertzian stress caused by contact between tooth surfaces because the residual stress in the region where the depth from the surface exceeds 150 ⁇ m and not more than 300 ⁇ m does not increase uniformly from the peak of the residual stress whose depth from the surface is 150 ⁇ m or less.
  • the maximum value of the depth from the surface is in the vicinity of 200 ⁇ m), and the surface pressure fatigue strength can be improved.
  • a shot peening C treatment step of performing shot peening with a shot particle size of 0.3 mm or less has a depth from the surface of 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less with respect to fatigue fracture of the tooth root. Since the residual stress at ⁇ 1000 MPa or less (compressive stress is 1000 MPa or more), when a load (stress) is repeatedly applied to the teeth, the compressive stress cancels the stress and cracks occur on the surface of the tooth root. It is possible to prevent fatigue destruction of the tooth root.
  • a shot peening B treatment step in which shot peening is performed with a shot particle diameter of 0.8 mm or more and 1.2 mm or less in order that the residual stress in a region having a depth from the surface of 50 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less is ⁇ 1000 MPa or more; And by performing the shot peening C treatment step after the shot peening B treatment step, the residual stress in the region where the depth from the surface is 50 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less is ⁇ 1000 MPa or more. Therefore, the occurrence of chipping of the tooth tip can be prevented.
  • the shot peening C treatment step after the peening A treatment step By performing the shot peening C treatment step after the peening A treatment step, the Hertz stress generated by the contact between the tooth surfaces (the maximum value of the gear from the surface is near the depth of 200 ⁇ m) can be offset. And the surface pressure fatigue strength can be improved.
  • the residual stress in the region where the depth from the surface is 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less is ⁇ 1000 MPa or less (compressive stress) due to the fatigue fracture of the tooth root. Therefore, when a repeated load (stress) is applied to the teeth, the compressive stress cancels the stress and cracks do not occur on the surface of the teeth, preventing fatigue failure of the teeth. it can.
  • the residual stress in the region where the depth from the surface is 50 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less is ⁇ 1000 MPa or more, internal cracks do not occur, and chipping of the tooth tip can be prevented.
  • the Hertzian stress caused by contact between the tooth surfaces (the maximum value of the gear has a depth from the surface in the vicinity of 200 ⁇ m) can be offset, and the surface pressure fatigue strength can be improved.

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Abstract

　本願は、歯元曲げ強度が強いと共に、歯先の欠けが発生することがない歯車を提供すること、を課題とする。そこで、表面が浸炭された歯車に残留応力を付与することにより強化された歯車において、表面からの深さが、５μｍ以上２０μｍ以下の領域における残留応力が、－１０００ＭＰａ以下であること、表面からの深さが、５０μｍ以上１５０μｍ以下の領域における残留応力が、－１０００ＭＰａ以上であること、を特徴とする。

Description

歯車
　本発明は、表面が浸炭された歯車に残留応力を付与することにより強化された歯車に関するものである。
　特許文献１には、機械部品の疲労強度を簡便に向上させる目的で、歯車に浸炭処理を行う工程と、窒化処理を行う工程と、０．８ｍｍのショット粒径でショットピーニングする第１ショットピーニング工程と、０．１ｍｍのショット粒径でショットピーニングする第２ショットピーニング工程とが記載されている。
　また、特許文献２には、機械構造用合金鋼の表面改質する目的で、真空浸炭処理の後、超急速・短時間の加熱急冷処理を行い、０．６ｍｍのショット粒径でショットピーニングする第１ショットピーニング工程と、０．０８ｍｍのショット粒径でショットピーニングする第２ショットピーニング工程とが記載されている。
　特許文献１，２の技術では、表面からの深さが２０μｍ以下の領域における残留応力を－１４００ＭＰａ以下とすることにより、歯元曲げ疲労強度を強くすることはできる。すなわち、表面からの深さ２０μｍ以下の領域に－１４００ＭＰａ以下の応力（圧縮応力）を残留させる。歯にかかる繰り返し応力が歯元表面に対して大きな繰返し応力としてかかるが、その繰り返し応力が残留する応力により相殺されるため、疲労強度が増すのである。
特開２００７－２６２５０６号公報 特開２００２－０３０３４４号公報
　しかしながら、従来の歯車には、次のような問題があった。
第１に、歯車の強度としては、歯元曲げ疲労強度の他に、接触面圧による歯面の疲労破壊が問題となるが、特許文献１、２においては、面圧疲労強度について、考慮されていないため問題となる。
　第２に、歯元曲げ疲労強度を強くしようとして、表面からの深さが、２０μｍ以下の領域により多くの残留応力を付与すると、歯車の歯先欠けの発生につながるため問題となる。
　具体的には、従来行われてきた、歯元曲げ疲労強度を強くするためのショットピーニング処理の試験(１)を行った場合の歯車のＣＡＥ解析の結果を図８に示す。図８における解析は、歯車をＨＶ７５０に浸炭処理した後、粒径が０．８ｍｍで、硬さがＨＶ８００であるショット粒をショット痕が４分の３ずつ重なるように歯車に打ちつけることにより模擬解析を行う。図１２に、ショットピーニング処理の試験(１)における歯車の残留応力の分布図を示す。
　図８に示すように、表面Ｐからの深さが１００μｍの深さＴにあたる領域である領域Ｐ１は、ひずみがＳ１で最大となっていることが判明した。ひずみはＳ１に近いほど大きく、Ｓ６に近いほど小さい。表面Ｐからの深さが約５０μｍにあたる領域である領域Ｐ２、表面Ｐ(図中上方向)からの深さが約１５０μｍにあたる領域である領域Ｐ３においてひずみがＳ３以上となっていることが判明した。
　図１２に示すように、実線Ｅにおいても、表面Ｐからの深さが５０μｍ以上１５０μｍ以下にあたる領域Ｅ２～Ｅ３までの残留応力が他の領域と比較しても大きいことが分かる。また、ピーク位置Ｅ１も表面Ｐからの深さが５０μｍ以上１５０μｍ以下にあたる領域に存在する。
　また、図９に示す歯車の歯先欠け直前の歯先断面を顕微鏡写真で確認したところ、図１０に示すように、ひずみがＳ１であった領域Ｐにあたる表面Ｕからの深さが１００μｍの領域には内部クラックＱが生じることが分かった。また、表面Ｕからの深さが１００μｍあたりの内部クラックＱ１の内部クラックの幅が広いことも分かる。表面Ｕからの深さが１００μｍあたりの内部クラックＱ１の幅が広くなるのは、図８に示すそのまわりＰ２及びＰ３といった領域のひずみがＳ３以上となっており、内部クラックの幅が広くなると考えられるためである。
　図１３に示すように、ショットピーニング処理の試験(１)においては、８個の歯車のうち５個に内部クラックが生じていた。
　すなわち、従来のショットピーニング処理の試験(１)においては、歯元曲げの疲労強度を向上させるために、残留応力を大きくするあまり、表面からの深さが５０μｍ以上１５０μｍ以下の領域においてひずみが生じ内部クラックが発生していたことが分かった。
　他方、本発明者は、表面からの深さが５０μｍ以上１５０μｍ以下の領域において、図１１に示す実線Ｄのように残留応力を小さくすることで内部クラックを防止するためのショットピーニング処理の試験(２)を試みた。図１１に示す、ショットピーニング処理の試験(２)では、粒径が０．８ｍｍで、硬さがＨＶ５８０であるショット粒により行う。ショットピーニング処理の試験(２)においては、表面からの深さが５０μｍ以上１５０μｍ以下の領域Ｄ２～Ｄ３までの残留応力を、図１２に示すショットピーニング処理の試験(１)の場合と比較して小さくすることができた。また、ピーク位置Ｄ１に関してもＥ１よりも低くできた。
　そのため、図１３に示すように、ショットピーニング処理の試験(２)においては、内部クラックが８個の歯車のうち１個も生じなかった。
　しかし、ショットピーニング処理の試験(２)においては、表面からの深さが５０μｍ以上１５０μｍ以下の領域の残留応力を小さくできた反面、歯元曲げ強度が必要な表面からの深さが２０μｍ以下の領域、及び接触面圧による歯面の疲労破壊の強度が必要な表面からの深さが１６０μｍ超え２３０μｍ以下の領域において、残留応力が小さくなるため強度不足となるため問題となる。
　したがって、歯元曲げの疲労強度、及び接触面圧による歯面の疲労強度の全ての強度を大きくすることができない問題があった。
　本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、歯元曲げ強度が強いと共に、歯先の欠けが発生することがない歯車を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の歯車の一態様は、次のような構成を有している。
（１）表面が浸炭された歯車に残留応力を付与することにより強化された歯車において、表面からの深さが、５μｍ以上２０μｍ以下の領域における残留応力が、－１０００ＭＰａ以下であること、表面からの深さが、５０μｍ以上１５０μｍ以下の領域における残留応力が、－１０００ＭＰａ以上であることが好ましい。
（２）（１）に記載する歯車において、表面からの深さが１５０μｍ超え２３０μｍ以下の領域における残留応力が、－５００ＭＰａ以下であることが好ましい。
　次に、本発明に係る歯車、及び歯車の製造方法の作用及び効果について説明する。
（１）表面が浸炭された歯車に残留応力を付与することにより強化された歯車において、表面からの深さが、５μｍ以上２０μｍ以下の領域における残留応力が、－１０００ＭＰａ以下であること、表面からの深さが、５０μｍ以上１５０μｍ以下の領域における残留応力が、－１０００ＭＰａ以上であることにより、歯元の疲労破壊に対して、表面からの深さが、５μｍ以上２０μｍ以下の領域における残留応力が－１０００ＭＰａ以下ある（圧縮応力としては、１０００ＭＰａ以上ある）ため、歯に繰り返し荷重（応力）がかかった時に、その応力を圧縮応力が相殺し、歯元の表面においてクラックが発生することがなく、歯元の疲労破壊を防止できる。
　同時に、表面からの深さが、５０μｍ以上１５０μｍ以下の領域における残留応力を、－１０００ＭＰａ以上としているので、内部クラックが発生せず、歯先の欠けの発生を防止することができる。
（２）表面からの深さが１５０μｍ超え２３０μｍ以下の領域における残留応力が、－５００ＭＰａ以下であることにより、歯面同士の接触により生じるヘルツ応力（歯車では最大値が表面からの深さが、２００μｍ付近に存在する。）を相殺することができ、面圧疲労強度を向上させることができる。
ショットピーニングＢ処理及びショットピーニングＣ処理を行った後の残留応力の分布図を表す。 ショットピーニングＢ処理における歯車の残留応力の分布図を表す。 ショットピーニングＣ処理における歯車の残留応力の分布図を表す。 ショットピーニングＢ処理及びショットピーニングＣ処理を行った後の歯車の歯先断面を撮影した顕微鏡写真及びスケールを表す。 図４に示す顕微鏡写真に相当する図を表す。 ショットピーニングＡ処理乃至ショットピーニングＣ処理を行った後の歯車の残留応力の分布図を表す。 ショットピーニングＡ処理における歯車の残留応力の分布図を表す。 従来のショットピーニングを行った歯車の歯先断面のＣＡＥ解析による歪の分布図を表す。 図８の歯車の歯先断面を撮影した顕微鏡写真及びスケールを表す。 図９に示す顕微鏡写真に相当する図を表す。 ショットピーニング処理の試験(１)における歯車の残留応力の分布図を表す。 ショットピーニング処理の試験(２)における歯車の残留応力の分布図を表す。 歯欠けの実験結果の表を表す。
　次に、本発明の一実施形態の歯車、及び歯車の製造方法について図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
　第１実施形態に関わる歯車にショットピーニングを施す製造工程について説明する。
　ショットピーニング処理を行う前に、機械部品である歯車に対して浸炭処理を行う。浸炭処理は、浸炭材の中で変態点以上の温度を保持すると、表面から炭素が侵入する。これを焼き入れすることにより浸炭した部分だけが硬くなる。浸炭処理については、従来技術と異なるところがないため、説明を割愛する。浸炭処理のほか、場合によっては窒化処理を行う場合もある。
(ショットピーニング処理)
　浸炭処理後の歯車に対して、ショットピーニング処理を行う。ショットピーニング処理について本発明の本質部分となるため、詳細に説明する。
　ショットピーニング処理は、顕著な疲労強度向上効果が確認され広く用いられているものである。例えば、高圧エアや高圧のウォータジェットを利用してショット粒のショットを加速させノズルからショット粒を噴射させて部品に衝突させることにより圧縮残留応力を付与する。
　ショットピーニング処理は、ショット粒の粒径と硬さによって、残留応力の深さとピーク値をコントロールでき、そのコントロール範囲も非常に広いため有効な処理である。ショットピーニング処理によれば、深さは、最表面～４００μｍまで残留応力をコントロールでき、ピーク値は、－８００ＭＰａ～－１６００ＭＰａまで残留応力をコントロールできる。
　具体的には、ショット粒子の硬さを増加させることにより、生成される残留応力の値を高めることができる。また、ショット粒子の粒径を大きくすることにより、部材の表面から深い位置に残留応力のピーク位置を持ってくることができる。他方、ショット粒子の粒径を小さくすることにより、部材の表面から浅い位置に残留応力のピーク位置を持ってくることができる。
　第１実施形態においては、ショットピーニングＢ処理工程、ショットピーニングＣ処理工程の順番でショットピーニング工程を行う。ショットピーニング処理は、表面から深い範囲を先に実施する。
(ショットピーニングＢ処理工程)
　ショットピーニングＢ処理において、表面からの深さが５０μｍ以上１５０μｍ以下にあたる領域の残留応力を付与する。
　図２に、ショットピーニングＢ処理における残留応力の分布図を示す。残留応力は、Ｘ線応力測定装置（リガク製）により測定した(その他の分布図の残留応力測定も同様である)。本実施例においては、ショットピーニングＢ処理において、歯先欠けを防止するため表面からの深さが５０μｍ以上１５０μｍ以下にあたる領域の残留応力を－１０００ＭＰａ以上とする。表面からの深さが５０μｍ以上１５０μｍ以下にあたる領域の残留応力を－１０００ＭＰａ以上とすることができれば、内部クラックの原因となる－１０００ＭＰａ以下となる残留応力が存在しない。そのため、内部クラックが生じず歯先の欠けを防止することができる。
　ショットピーニングＢ処理においては、ショット粒の粒径を１ｍｍとする。図２に示すように、ショット粒の粒径を１ｍｍとすることにより、残留応力のピーク位置が５０μｍ以上１５０μｍ以下の位置とすることができる。
　また、ショット粒の硬さをＨＶ４５０とする。ショット粒の硬さをＨＶ４５０とすることにより、図２に示すように、残留応力の値を－１０００ＭＰａ以上にすることができる。具体的には、図２に示すように、残留応力を実線Ｂに示す。実線Ｂは、表面からの深さが８０μｍの残留応力が－１０００ＭＰａとなりピーク位置である位置Ｂ１となる。また、表面からの深さが５０μｍの位置Ｂ２の残留応力は、－９００ＭＰａとなり、表面からの深さが１５０μｍの位置Ｂ３の残留応力は、－８５０ＭＰａとなる。そのため、表面からの深さが５０μｍ以上１５０μｍ以下の領域において、残留応力は－８５０ＭＰａ～－１０００ＭＰａの幅がある。
　したがって、ショット粒の粒径を１ｍｍとし、かつ硬さをＨＶ４５０とすることで、表面からの深さが５０μｍ以上１５０μｍ以下にあたる領域において、残留応力を－１０００ＭＰａ以上とすることができる。
　本実施形態においては、ショット粒径を１ｍｍとしたが、実験により０．８ｍｍ以上１．２ｍｍ以下のショット粒径であれば、硬さをＨＶ４５０とすることで、表面からの深さが５０μｍ以上１５０μｍ以下にあたる領域において、残留応力を－１０００ＭＰａ以上とすることができることを確認した。
(ショットピーニングＣ処理工程)
　ショットピーニングＣ処理において、表面からの深さが５μｍ以上２０μｍ以下にあたる領域に残留応力を付与する。表面からの深さが５μｍ以上２０μｍ以下にあたる領域は、歯元曲げ疲労が掛かるため強度向上が求められるためである。図３に、ショットピーニングＣ処理における残留応力の分布図を示す。
　本実施例においては、ショットピーニングＣ処理において、歯元曲げ疲労応力が掛かる部分の強度を向上させるため表面からの深さが５μｍ以上２０μｍ以下にあたる領域の残留応力を－１５００ＭＰａ以下とする。表面からの深さが５μｍ以上２０μｍ以下にあたる領域の残留応力を－１５００ＭＰａ以下とすることができれば、歯に繰り返し荷重（応力）がかかった時に、その応力を圧縮応力が相殺し、歯元の表面においてクラックが発生することがなく、歯元の疲労破壊を防止できる。本実施形態においては、－１５００ＭＰａ以下であるため、当然－１０００ＭＰａ以下も包含する。
　ショットピーニングＣ処理においては、ショット粒の粒径を０．２ｍｍとする。図４に示すように、ショット粒の粒径を０．２ｍｍとすることにより、残留応力のピーク位置が５μｍ以上２０μｍ以下の位置とすることができる。
　また、ショット粒の硬さをＨＶ８００とする。ショット粒の硬さをＨＶ８００とすることにより、図３に示すように、残留応力の値を－１４００ＭＰａ以下に高めることができる。
　具体的には、図３に示すように、残留応力を実線Ｃに示す。実線Ｃは、表面からの深さが１５μｍの残留応力が－１６００ＭＰａとなりピーク位置である位置Ｃ１となる。また、表面からの深さが５μｍの位置Ｃ２の残留応力は、－１５００ＭＰａとなり、表面からの深さが２０μｍの位置Ｃ３の残留応力は、－１４００ＭＰａとなる。そのため、歯元曲げ疲労防止のために残留応力が必要とされる表面からの深さが５μｍ以上２０μｍ以下の領域において、残留応力は－１４００ＭＰａ～－１６００ＭＰａと高い残留応力を保持することができる。
　したがって、ショット粒の粒径を０．２ｍｍとし、かつ硬さをＨＶ８００とすることで、表面からの深さが５μｍ以上２０μｍ以下にあたる領域において、－１４００ＭＰａ以下とすることができる。
　本実施形態においては、ショット粒径を０．２ｍｍとしたが、実験により０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下のショット粒径であれば、硬さをＨＶ８００とすることで、表面からの深さが５μｍ以上２０μｍ以下にあたる領域において、－１４００ＭＰａ以下とすることができることを確認した。
（ショットピーニングＢ処理及びショットピーニングＣ処理を行った歯車の効果）
　図１に、本実施形態における、ショットピーニングＢ処理及びショットピーニングＣ処理を行った後の残留応力の分布図を示す。図１のうち、本実施形態おける歯車の残留応力を実線の実線Ａで示し、上記図１２に示した従来における歯車の歯元曲げの疲労強度を増すためのショットピーニング処理の試験(１)を行った歯車の残留応力を破線Ｅとして示す。実線Ａは、ショットピーニングＢ処理及びショットピーニングＣ処理を行うことにより、それぞれの分布図が集合した形の線として表れる。
　図１に示すように、実線Ａにおいては、歯元曲げ疲労が掛かる表面からの深さが５μｍ以上２０μｍ以下にあたるＡ１の残留応力は－１６００ＭＰａ以下である。そのため、破線Ｅの表面からの深さが５μｍ以上２０μｍ以下にあたるＥ１の残留応力－９５０ＭＰａと比較して、－６５０ＭＰａ以上大きい。
　そのため、歯元の疲労応力に対して、表面からの深さが５μｍ以上２０μｍ以下の領域における残留応力が－１４００ＭＰａ以下ある（圧縮応力としては、１４００ＭＰａ以上ある）ため、歯に繰り返し荷重（応力）がかかった時に、その応力を圧縮応力が相殺し、歯元の表面において内部クラックが発生することがなく、歯元の疲労破壊を防止できる。
　また、図１に示すように、実線Ａにおいては、内部クラックの原因となる表面からの深さが５０μｍ以上１５０μｍ以下にあたる領域Ａ２～Ａ３の残留応力について、－１０００ＭＰａ以上である。そのため、破線Ｅの表面からの深さが５０μｍ以上１５０μｍ以下にあたる領域の残留応力のように、残留応力が大きくないため、破線Ｅと比較して強度は低くなる。しかし、残留応力が大きくないが、歯車の強度を保つためには、－１０００ＭＰａ以上であれば必要十分な残留応力である。そのため、歯車の強度を十分に保つこともできる。
　また、破線ＥにおけるＥ２～Ｅ３のように残留応力が－１５００ＭＰａ以下となる部分がある場合には、内部クラックが発生し、歯先欠けの原因となるが、－１０００ＭＰａ以上であることにより内部クラックが発生しないため、歯先欠けも生じない。
　図４に、ショットピーニングＢ処理及びショットピーニングＣ処理を行った後の歯車１の歯先断面を撮影した顕微鏡写真及びスケールを示す。図５に、図４に示す顕微鏡写真に相当する図を示す。
　図５に示すように、ショットピーニングＢ処理及びショットピーニングＣ処理を行った後の歯車１の表面Ｒからの深さが１００μｍの領域であるＲ１において、図１０に示すような内部クラックＱが発生していない。
　さらに、図１３に示すように、ショットピーニングＢ処理及びショットピーニングＣ処理を行った本実施形態によれば、８個の歯車のうち内部クラックが生じた歯車は一つもなかった。したがって、内部クラックを防止することができるため歯先欠けを防止することができた。
＜第２実施形態＞
　第２実施形態に係る歯車、歯車の製造方法は、第１実施形態に係る歯車、歯車の製造方法と比較して、ショットピーニングＢ処理及びショットピーニングＣ処理に加えてショットピーニングＡ処理を追加する点以外異なるところがない。そのため、第２実施形態においては、ショットピーニングＢ処理及びショットピーニングＣ処理を行った場合の最終の歯車の残留応力について説明することにより、その他の説明を割愛する。ショットピーングＡ処理は、ショットピーニングＢ処理及びショットピーニングＢ処理の前に行う。すなわち、第２実施形態においては、ショットピーニングＡ処理、ショットピーニングＢ処理、ショットピーニングＣ処理の順番でショットピーニング工程を行う。
　なお、第２実施形態ではその他の説明を割愛するが、第１実施形態と同様の作用、及び効果を有する。
（ショットピーニングＡ処理）
　ショットピーニングＡ処理において、表面からの深さが１６０μｍ超え２３０μｍ以下にあたる領域の残留応力を付与する。表面からの深さが１６０μｍ超え２３０μｍ以下にあたる領域は、歯車動作時に面圧疲労が掛かるため強度向上が求められるためである。図７に、ショットピーニングＡ処理における残留応力の分布図を示す。
　ショットピーニングＡ処理においては、ショット粒の粒径を２ｍｍとする。図７に示すように、ショット粒の粒径を２ｍｍとすることにより、残留応力のピーク位置が１６０μｍ超え２３０μｍ以下の位置とすることができる。
　また、ショット粒の硬さをＨＶ７００とする。ショット粒の硬さをＨＶ７００とすることにより、図７に示すように、表面からの深さが１６０μｍ超え２３０μｍ以下にあたる領域の残留応力の値を－１２００ＭＰａ以下に高めることができる。
　したがって、ショット粒の粒径を２ｍｍとし、かつ硬さをＨＶ７００とすることで、表面からの深さが１６０μｍ超え２３０μｍ以下にあたる領域において、－１０００ＭＰａ以下とすることができる。
　具体的には、図７に示すように、残留応力を実線Ｆに示す。実線Ｆは、表面からの深さが１６０μｍ超え２３０μｍ以下の残留応力が－１３００ＭＰａとなりピーク位置である位置Ｆ１となる。
　また、表面からの深さが１６０μｍの位置Ｆ２の残留応力は、－１０００ＭＰａとなり、表面からの深さが２３０μｍの位置Ｆ３の残留応力は、－１０５０ＭＰａとなる。そのため、歯元曲げ疲労防止のために残留応力が必要とされる表面からの深さが１６０μｍ超え２３０μｍ以下の領域において、残留応力は－１０００ＭＰａ～－１３００ＭＰａと高い残留応力を保持することができる。
　したがって、ショット粒の粒径を２ｍｍとし、かつ硬さをＨＶ７００とすることで、表面からの深さが１６０μｍ超え２３０μｍ以下にあたる領域において、－１２００ＭＰａ以下とすることができる。
　さらに、表面からの深さが１５０μｍの位置の残留応力は、－９００μｍとなり、表面からの深さが２３０μｍの位置Ｆ３の残留応力は、－１０５０ＭＰａとなる。そのため、歯元曲げ疲労防止のために残留応力が必要とされる表面からの深さが１５０μｍ超え２３０μｍ以下の領域において、残留応力は－９００ＭＰａ～－１３００ＭＰａと高い残留応力を保持することができる。
　本実施形態においては、表面からの深さが１５０μｍ超え２３０μｍ以下の領域を－９００ＭＰａ以下としているが、本出願人は、表面からの深さが１５０μｍ超え２３０μｍ以下の領域について－５００ＭＰａ以下とすることによっても、面圧疲労強度を十分に保つことができることを実験により確認した。
（ショットピーニングＡ処理乃至ショットピーニングＣ処理を行った歯車の効果）
　図６に、ショットピーニングＡ処理乃至ショットピーニングＣ処理を行った歯車の残留応力の分布図を示す。
　図６のうち、本実施形態における歯車の残留応力を実線の実線Ｘで示し、曲げに対する負荷応力を破線の第１破線Ｙで示し、面圧に対する負荷応力を破線の第２破線Ｚで示す。実線Ｘは、ショットピーニングＡ処理乃至ショットピーニングＣ処理を行うことにより、それぞれの分布図が集合した形の線として表れる。
　第１破線Ｙの表面からの深さが５μｍ以上２０μｍ以下のＹ１の曲げの負荷応力の残留応力は、－１０００ＭＰａである。それに対して、Ｙ２に対応する実線Ｘの表面からの深さが５μｍ以上２０μｍ以下のＸ１の残留応力は－１５００ＭＰａである。したがって、上記ショットピーニングＡ処理を行うことにより、歯車における表面からの深さが５μｍ以上２０μｍ以下の残留応力が、曲げに対する負荷応力よりも－５００ＭＰａ大きい。
　そのため、歯元の疲労破壊に対して、表面からの深さが５μｍ以上２０μｍ以下の領域における残留応力が－１４００ＭＰａ以下ある（圧縮応力としては、１４００ＭＰａ以上ある）ため、歯に繰り返し荷重（応力）がかかった時に、その応力を圧縮応力が相殺し、歯元の表面においてクラックが発生することがなく、歯元の疲労破壊を防止できる。
　また、表面からの深さが５μｍ以上２０μｍ以下のＹ１の曲げの負荷応力の残留応力が－１０００ＭＰａ以下である場合にも、曲げに対する負荷応力よりも小さいことはない。そのため、歯に繰り返し荷重（応力）がかかった時に、その応力を圧縮応力が相殺し、歯元の表面においてクラックが発生することがなく、歯元の疲労破壊を防止できる。
　図６に示すように、第２破線Ｚの表面からの深さが１６０μｍ超え２３０μｍ以下までの範囲で最大のＺ１の面圧に対する負荷応力の残留応力は、－１０００ＭＰａ以下である。それに対して、対応する実線Ｘの表面からの深さが１６０μｍ超え２３０μｍ以下までＸ４の残留応力においては、－１０００ＭＰａ以下である。したがって、上記ショットピーニングＡ処理を行うことにより、歯車における表面からの深さが１６０μｍ超え２３０μｍ以下までの残留応力が、面圧に対する負荷応力よりも小さいことはない。
　そのため、歯面同士の接触により生じるヘルツ応力（歯車では最大値が表面からの深さが、２００μｍ付近に存在する。）を相殺することができ、面圧疲労強度を向上させることができる。
　なお、本実施例においては、第２破線Ｚ１の残留応力が－１０００ＭＰａとしたが、面圧に対する負荷応力の大きさは歯車のサイズ等により異なる。そのため、本出願人は、様々なサイズの歯車を実験した結果、面圧に対する負荷応力の残留応力に対しては、表面からの深さが１５０μｍ超え２３０μｍ以下の場合に－５００ＭＰａ以下であれば、面圧疲労強度を保つことができることを実験により確認した。
　図６に示すように、第１破線Ｙの表面からの深さが５０μｍ以上にあたる領域でＹ２の曲げの負荷応力の負荷応力は、－６００ＭＰａ以下である。第２破線Ｚの表面からの深さが５０μｍ以上にあたる領域でＺ２の面圧の負荷応力は、－２００ＭＰａ以下である。それに対して、実線Ｘの表面からの深さが５０μｍ以上にあたるＸ２の残留応力は、－１０００ＭＰａ以上である。
　第１破線Ｙの表面からの深さが１５０μｍ以上にあたる領域でＹ３の曲げの負荷応力は、－４５０ＭＰａ以上である。第２破線Ｚの表面からの深さが１５０μｍ以上にあたる領域でＺ３の面圧の負荷応力は、－７００ＭＰａ以上である。それに対して、実線Ｘの表面からの深さが５０μｍ以上にあたるＸ３の残留応力は、－１０００ＭＰａ以上である。
　したがって、表面からの深さが５０μｍ以上１５０μｍ以上にあたる領域においては、実線Ｘは、残留応力を、－１０００ＭＰａ以上とする。それにより、実線Ｘの残留応力は、第１破線Ｙの曲げの負荷応力及び第２破線Ｚの面圧の負荷応力よりも、大きくなる。
　そのため、最もクラックが発生し易い表面からの深さが５０μｍ以上１５０μｍ以上にあたる領域において、内部クラックが発生する確率が低く、さらに、歯先の欠けの発生を防止することができる。
　なお、本発明の歯車、歯車の製造方法は、上記実施例に限定されることなく、色々な応用が可能である。
　例えば、本実施形態においては、ショットピーニング処理により行うが、その他ウエットブラスト、超音波ショット、強加工を用いることもできる。
　表面からの深さが、１５０μｍ超え３００μｍ以下の領域における残留応力が、表面からの深さが１５０μｍ以下の残留応力のピークから、一様増加でないことにより、歯面同士の接触により生じるヘルツ応力（歯車では最大値が表面からの深さが、２００μｍ付近に存在する。）を相殺することができ、面圧疲労強度を向上させることができる。
　表面が浸炭処理された歯車にショットピーニングにより残留応力を付与することにより強化される歯車の製造方法において、表面からの深さが、５μｍ以上２０μｍ以下の領域における残留応力が、－１０００ＭＰａ以下とするために、０．３ｍｍ以下のショット粒径でショットピーニングをするショットピーニングＣ処理工程と、を有することにより、歯元の疲労破壊に対して、表面からの深さが、５μｍ以上２０μｍ以下の領域における残留応力が－１０００ＭＰａ以下ある（圧縮応力としては、１０００ＭＰａ以上ある）ため、歯に繰り返し荷重（応力）がかかった時に、その応力を圧縮応力が相殺し、歯元の表面においてクラックが発生することがなく、歯元の疲労破壊を防止できる。
　表面からの深さが、５０μｍ以上１５０μｍ以下の領域における残留応力が、－１０００ＭＰａ以上とするために、０．８ｍｍ以上１．２ｍｍ以下のショット粒径でショットピーニングをするショットピーニングＢ処理工程と、有すること、ショットピーニングＢ処理工程後に、ショットピーニングＣ処理工程を行うことにより、表面からの深さが、５０μｍ以上１５０μｍ以下の領域における残留応力を、－１０００ＭＰａ以上としているので、内部クラックが発生せず、歯先の欠けの発生を防止することができる。
　表面からの深さが１５０μｍ超え２３０μｍ以下の領域における残留応力を、－１２００ＭＰａ以下とするために、１．５ｍｍ以上のショット粒径でショットピーニングをするショットピーニングＡ処理工程と、を有すること、ショットピーニングＡ処理工程後に、ショットピーニングＣ処理工程を行うことにより、歯面同士の接触により生じるヘルツ応力（歯車では最大値が表面からの深さが、２００μｍ付近に存在する。）を相殺することができ、面圧疲労強度を向上させることができる。
　ショットピーニングＡ処理工程後に、ショットピーニングＢ処理工程を行うことにより、歯元の疲労破壊に対して、表面からの深さが、５μｍ以上２０μｍ以下の領域における残留応力が－１０００ＭＰａ以下ある（圧縮応力としては、１０００ＭＰａ以上ある）ため、歯に繰り返し荷重（応力）がかかった時に、その応力を圧縮応力が相殺し、歯元の表面においてクラックが発生することがなく、歯元の疲労破壊を防止できる。
　また、表面からの深さが、５０μｍ以上１５０μｍ以下の領域における残留応力を、－１０００ＭＰａ以上としているので、内部クラックが発生せず、歯先の欠けの発生を防止することができる。
　また、歯面同士の接触により生じるヘルツ応力（歯車では最大値が表面からの深さが、２００μｍ付近に存在する。）を相殺することができ、面圧疲労強度を向上させることができる。
Ｒ　　表面

Claims (2)

  1. 　表面が浸炭された歯車に残留応力を付与することにより強化された歯車において、
    　表面からの深さが、５μｍ以上２０μｍ以下の領域における残留応力が、－１０００ＭＰａ以下であること、
    　表面からの深さが、５０μｍ以上１５０μｍ以下の領域における残留応力が、－１０００ＭＰａ以上であること、
    を特徴とする歯車。
  2. 　請求項１に記載する歯車において、
    　表面からの深さが１５０μｍ超え２３０μｍ以下の領域における残留応力が、－５００ＭＰａ以下であること、
    を特徴とする歯車。
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