(57)【要約】【課題】疲労特性に優れた歯車およびその疲労特性向上方法を提供する。【解決手段】歯元表面または歯面における残留応力が下記（Ａ）式を満足することを特徴とする疲労特性に優れた歯車およびその疲労特性向上方法。−２．４＜（残留応力[MPa]）／（表面ビッカース硬度Hv.）＜−１．５                                                  ・・・（Ａ）【選択図】図１
2006105352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯元表面における残留応力が下記（Ａ）式を満足することを特徴とする疲労特性に優れた歯車。
−２．４＜（残留応力[MPa]）／（表面ビッカース硬度Hv.）＜−１．５
・・・（Ａ）
【請求項２】
歯面表面の残留応力が下記（Ｂ）式を満足し、かつ、歯面の平均表面粗度が０．５μｍ以下であることを特徴とする疲労特性に優れた歯車。
−２．４＜（残留応力[MPa]）／（表面ビッカース硬度Hv.）＜−１．５
・・・（Ａ）
【請求項３】
歯車の疲労特性向上方法であって、振動数１０ｋ〜６０ｋＨｚ、振幅０．３〜５０μｍで振動し、かつ、先端部の曲率半径Ｒが下記（Ｂ）式を満足する超音波振動端子を前記歯車の歯元に押し付けることを特徴とする歯車の疲労特性向上方法。
（歯元の曲率半径）≧Ｒ≧（歯元の曲率半径）／２・・・（Ｂ）
【請求項４】
歯車の疲労特性向上方法であって、振動数１０ｋ〜６０ｋＨｚ、振幅０．３〜５０μｍで振動し、かつ、先端部の曲率半径Ｒが下記（Ｃ）式を満足する超音波振動端子で歯面を走査することを特徴とする歯車の疲労特性向上方法。
１．０mm≧Ｒ≧２５mm・・・（Ｃ）
【請求項５】
歯車とかみ合わせた処理用歯車を振動数１０ｋ〜６０ｋＨｚ、振幅０．３〜５０μｍで振動させ、かつ、前記歯車をかみ合わせたまま０．１ｒｐｍ以上２００ｒｐｍ以下の回転数で回転するとことを特徴とする歯車の疲労特性向上方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、疲労特性に優れた歯車およびその疲労特性向上方法に関する。
具体的には、歯元における歯元疲労強度や歯面におけるピッチング疲労強度に優れた歯車およびその疲労特性向上方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車などに用いられる動力伝達装置は、燃費の向上を目的に、益々小型軽量化される傾向にあり、それに伴って動力伝達用歯車に対する負荷はさらに大きくなっているため、より一層すぐれた歯元強度および歯面強度が要求されている。
図４は、歯車の疲労を説明する図であり、歯元に働く繰り返し荷重による歯元疲労と、歯車同士が接触して高い剪断応力が働くことによる歯面のピッチング疲労に大別される。
歯車の従来の強化方法は、浸炭焼入、浸窒焼入等の熱処理（熱処理により、表層をマルテンサイト化し硬化）、ショットピーニング（加工硬化）、硬質皮膜コーティングおよびその組み合わせが主なものであり、それぞれ以下に説明する。
【０００３】
＜浸炭・浸窒焼入＞
例えば、特許文献１には、浸炭・浸窒による硬化処理方法が開示されており、その浸炭・浸窒をいかに巧く行うかが、最近の技術開発の傾向であるが、基本的な発明となるべきものは出てきていない。
特許文献１に記載の発明もその周辺発明の一つであり、熱鍛（粗形作成）→浸炭→センタ穴抜き→歯入れ→切削仕上げといった従来行程では歯車センター穴は浸炭層切れが起きていた。また、浸炭層切れを防ぐためにセンター穴内バリを薄くしようとすると型の寿命が短くなっていたため、この発明では、穴開け行程を工夫することによって、浸炭層切れのない歯車を提供するものである。
しかしながら、特許文献１に記載の発明における硬化処理は浸炭のみでありピッチング疲労に対して十分な効果が得られなかった。
【０００４】
＜ショットピーニング＞
例えば、特許文献２には、ショット球をガラスとすることにより、ショットピーニングによる肌荒れを防止する方法に関する発明が提案されている。
しかし、この発明の方法は、鋼球によるショットピーニングに比べ、残留応力が入りにくいため、長時間処理が必要であり生産性が低下するうえ、ガラスが砕けるため、再利用率が鋼球より低く、コスト上昇を招くという問題点があった。
＜硬質皮膜コーティング＞
特許文献３には、歯元にＴｉＮ等の硬質皮膜をコーティングすることにより、歯元のピッチング寿命を向上させる方法に関する発明が開示されている。
しかし、この発明の方法は処理コストが著しく上昇するという問題点があった。
【特許文献１】特開２００２−１０２９９４号公報
【特許文献２】特開２０００−４２９２３号公報
【特許文献３】特開２０００−２３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、疲労特性に優れた歯車およびその疲労特性向上方法を提供するものであり、具体的には下記の３点を課題とする。
１）肌荒れのない表面強化法である。
２）簡便（低コスト）な強化法である。
３）大きな圧縮残留応力を付加することが可能な強化方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前述の課題を解決するために鋭意検討の結果なされたものであり、歯車の歯元または歯面に超音波打撃処理を施して、表層に圧縮残留応力を導入することによって、疲労特性に優れた歯車およびその疲労特性向上方法を提供するものであり、その要旨とするところは、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）歯元表面における残留応力が下記（Ａ）式を満足することを特徴とする疲労特性に優れた歯車。
−２．４＜（残留応力[MPa]）／（表面ビッカース硬度Hv.）＜−１．５
・・・（Ａ）
（２）歯面表面の残留応力が下記（Ｂ）式を満足し、かつ、歯面の平均表面粗度が0.5μm以下であることを特徴とする疲労特性に優れた歯車。
−２．4＜（残留応力[MPa]）／（表面ビッカース硬度Hv.）＜−１．５
・・・（Ａ）
（３）歯車の疲労特性向上方法であって、振動数１０ｋ〜６０ｋＨｚ、振幅０．３〜５０μｍで振動し、かつ、先端部の曲率半径Ｒが下記（Ｂ）式を満足する超音波振動端子を前記歯車の歯元に押し付けることを特徴とする歯車の疲労特性向上方法。
（歯元の曲率半径）≧Ｒ≧（歯元の曲率半径）／２・・・（Ｂ）
（４）歯車の疲労特性向上方法であって、振動数１０ｋ〜６０ｋＨｚ、振幅０．３〜５０μｍで振動し、かつ、先端部の曲率半径Ｒが下記（Ｃ）式を満足する超音波振動端子で歯面を走査することを特徴とする歯車の疲労特性向上方法。
１．０mm≧R≧２５mm・・・（Ｃ）
（５）歯車とかみ合わせた処理用歯車を振動数１０ｋ〜６０ｋＨｚ、振幅０．３〜５０μｍで振動させ、かつ、前記歯車をかみ合わせたまま０．１ｒｐｍ以上２００ｒｐｍ以下の回転数で回転するとことを特徴とする歯車の疲労特性向上方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、歯車の歯元または歯面に超音波打撃処理を施して、表層に圧縮残留応力を導入することによって、疲労特性に優れ、肌荒れが少ない歯車および簡便な疲労強度向上方法を提供することができ、歯車が破壊することがなくなり部品の信頼性を増すことができる。
また、強化分相応の部品の軽量化が可能となり燃費向上・コスト削減に寄与するなど、産業上有用な著しい効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明を実施するための最良の形態について以下に説明する。
一定方向に回転している歯車の歯元には片振りの繰り返し応力がかかり疲労破壊の起点となっている。
また歯面には、歯と歯がこすり合わされることによる剪断応力が働くためピッチング疲労が生じ、歯車寿命の低下や騒音の増大を招いていた。
これら歯元疲労、ピッチング疲労に対する対策として、これまで、浸炭焼入およびショットピーニングによる高強度化と圧縮残留応力付与が行なわれてきた。
本発明者等は、超音波振動する端子で歯車の歯元および歯面を打撃することにより、表面粗度が小さく、しかも、大きな圧縮の残留応力を付与し、疲労強度の大幅向上が可能であることを見出した。
本発明において、超音波打撃処理行なう部位を歯元および歯面に限定したのは、歯元および歯面が疲労（歯元疲労およびピッチング）の起点であるからである。これ以外の箇所、例えば軸穴やキー溝から疲労亀裂が発生する場合にもこの技術は有効であると考えられる。
【０００９】
図１は、本発明を平歯車に適用した場合の歯元の疲労特性向上方法の実施形態を例示する図であり、図１（a）は歯車の正面図を示し、図１（b）は歯車の側面断面図を示す。
図１において、１は歯車、２は超音波振動端子を示す。
図１に示すように、歯車１の歯元に、超音波振動端子２を押付けて歯元に対して垂直方向に振動を与えながら矢印の方向に移動させることによって、歯元の表面に大きな圧縮残留応力を付与して疲労強度を向上させることができる。
【００１０】
この歯元表面における残留応力は、下記（Ａ）式を満足することが好ましい。
−２．４＜（残留応力[MPa]）／（表面ビッカース硬度Hv.）＜−１．５
・・・（Ａ）
疲労特性を向上させるためには、表面ビッカース硬度が大きいほど即ち強度が高いほど好ましいが、本発明では更に圧縮残留応力を表面ビッカース硬度に比例して高めることを要求している。
本発明に用いる超音波打撃処理では、（残留応力[MPa]）／（表面ビッカース硬度Hv.）を−２．４以下にすることは困難であることから、その下限を-2.4とする。
一方（残留応力[MPa]）／（表面ビッカース硬度Hv.）が−１．５以上では十分な疲労強度向上が認められないことから、その上限を−１．５とする。
歯元に超音波打撃処理を行なう場合は、超音波振動端子２の先端形状が球状ないしは図１に示すような蒲鉾状の振動端子を用い、図１に示すように歯元に沿って移動させながら打撃処理を行なうことが好ましい。
この時、図１（a）に示すように歯元からの垂線に対して±５°以下の角度で揺動させることによって、圧縮残留応力が効果的に付与できる。
この時、超音波振動端子の先端部の曲率半径Ｒは、歯元の曲率半径以上では、歯元まで超音波振動する端子が届かないため、歯元の曲率半径以下であることが必要である。また、歯元の曲率半径の半分以下の曲率半径では、超音波振動子を押し付けたとき、塑性変形が大きくなりすぎ、かえって疲労寿命を低下させるため、最小の曲率半径を歯元の曲率半径の半分以上の曲率半径とする。
従って、超音波振動端子の先端部の曲率半径Ｒは下記（Ｂ）式の範囲が好ましい。
（歯元の曲率半径）≧Ｒ≧（歯元の曲率半径）／２・・・（Ｂ）
【００１１】
また、超音波振動端子による打撃処理の条件は、振動数１０ｋ〜６０ｋＨｚ、振幅０．３〜５０μｍが好ましい。
超音波振動子の振動数を１０ｋ〜６０ｋＨｚとするのは、鋼材に与えられる圧縮の残留応力がこの領域で大きくなるからである。同様に、超音波振動するピン先端の振幅を０．３μｍ以上とするのも、これ以下の振幅では十分な圧縮残留応力を鋼材に与えることができないからである。振幅は大きいほど残留応力が増すが、５０μｍ以上では塑性変形が大きくなり過ぎ、部品の寸法精度および粗度が低下するとともに疲労強度も低下するため、振幅の上限を５０μｍが好ましい。
【００１２】
図２は、本発明の歯車における歯面のピッチング疲労特性向上方法の第１の実施形態を例示する図である。
図２において、１は歯車、２´は超音波振動端子を示す。
図２に示すように、歯車１の歯面に、超音波振動端子２´を押し付けて歯面に対して垂直方向に振動を与えことによって、歯面に大きな圧縮残留応力を付与して疲労強度を向上させることができる。
この歯面における残留応力は、下記（Ａ）式を満足することが好ましい。
−２．４＜（残留応力[MPa]）／（表面ビッカース硬度Hv.）＜−１．５
・・・（Ａ）
疲労特性を向上させるためには、表面ビッカース硬度が大きいほど即ち強度が高いほど好ましいが、本発明では更に圧縮残留応力を表面ビッカース硬度に比例して高めることを要求している。
本発明に用いる超音波打撃処理では、（残留応力[MPa]）／（表面ビッカース硬度Hv.）を−２．４以下にすることは困難であることから、その下限を−２．４とする。
一方（残留応力[MPa]）／（表面ビッカース硬度Hv.）が−１．５以上では十分な疲労強度向上が認められないことから、その上限を−１．５とする。
歯面の処理を行なう場合は、先端形状が図２に示すような複数のピンからなる球状ないしは蒲鉾状の端子を用い、図２のように超音波振動端子を歯面に当て、歯筋に沿って処理を行なう。この場合の端子先端の曲率半径は、１mm以下では歯面の粗度が０．５μｍを確保できないため、１ｍｍ以上とする。また、２５ｍｍ以上の曲率半径では、十分な圧縮残留応力が入らないため、曲率半径の上限を２５ｍｍとすることが好ましい。
従って、超音波振動端子の先端部の曲率半径Ｒは下記（Ｃ）式を満足することが好ましい。
１．０mm≧Ｒ≧２５mm・・・（Ｃ）
【００１３】
また、超音波振動端子による打撃処理の条件は、振動数１０ｋ〜６０ｋＨｚ、振幅０．３〜５０μｍが好ましい。
超音波振動子の振動数を１０ｋ〜６０ｋＨｚとするのは、鋼材に与えられる圧縮の残留応力がこの領域で大きくなるからである。同様に、超音波振動するピン先端の振幅を０．３μｍ以上とするのも、これ以下の振幅では十分な圧縮残留応力を鋼材に与えることができないからである。振幅は大きいほど残留応力が増すが、５０μｍ以上では塑性変形が大きくなり過ぎ、部品の寸法精度および粗度が低下するとともに疲労強度も低下するため、振幅の上限を５０μｍが好ましい。
また、歯面の平均表面粗度は、０．５μｍ以上であるとピッチング疲労により歯車の寿命を劣化させるのので、その上限を０．５μｍとする。
【００１４】
図３は、本発明の歯車における歯面のピッチング疲労特性向上方法の第２の実施形態を例示する図である。
図３において、１は歯車、２´´は超音波振動端子として用いる歯車を示す。
図３に示すように、歯車１の歯面に、超音波振動端子として用いる歯車２´´をかみ合わせて回転させることによって、歯面に大きな圧縮残留応力を付与して疲労強度を向上させることができる。
超音波振動する歯車２´´を用いて打撃処理を行なう場合には、２００ｒｐｍ以上の回転速度で被処理歯車を回転させると、十分な圧縮残留応力が導入されないため、被処理歯車の最大回転速度を２００ｒｐｍ以下にすることが好ましい。
また、回転速度を遅くすると処理に時間がかかり効率が低下するため、最小の回転速度を０．１ｒｐｍとすることが好ましい。
【００１５】
処理歯車への超音波の伝達は、処理歯車軸を所定の方向へ超音波振動させればよい。
また、超音波振動端子による打撃処理の条件は、振動数１０ｋ〜６０ｋＨｚ、振幅０．３〜５０μｍが好ましい。
超音波振動子の振動数を１０ｋ〜６０ｋＨｚとするのは、鋼材に与えられる圧縮の残留応力がこの領域で大きくなるからである。同様に、超音波振動するピン先端の振幅を０．３μｍ以上とするのも、これ以下の振幅では十分な圧縮残留応力を鋼材に与えることができないからである。振幅は大きいほど残留応力が増すが、５０μｍ以上では塑性変形が大きくなり過ぎ、部品の寸法精度および粗度が低下するとともに疲労強度も低下するため、振幅の上限を５０μｍが好ましい。
【００１６】
以上のように、本発明は、ショットピーニングに代わる圧縮残留応力付与手法であり、ショットピーニングに比べて以下のような特徴を有する。
１）付与される圧縮残留応力が高い。
２）表面粗度が小さい。
３）ショット球のように飛散するものもないため装置が簡便で小型化可能である。
なお、本発明は、歯車の鋼材成分および熱処理条件は問わず適用することができ、例えば、ＪＩＳ  Ｇ  ４１０４で規定されるＳＣＲ４２０などの鋼材に浸炭焼入を施した歯車の疲労特性向上に特に効果を発揮する。
【実施例】
【００１７】
本発明の歯車の疲労強度に優れた歯車について、まず、歯元疲労向上に関する実施例を示す。
ＪＩＳ  Ｇ  ４１０４で規定されるＳＣＲ４２０をベースに浸炭をしたときの炭素濃度を模して炭素のみ０．８％に濃化した表１中の鋼Ａを用意し、この素材を図６に示す条件で焼入し、浸炭を模した。この素材から歯車の歯元疲労を模した平面曲げ試験片（ＪＩＳ  Ｚ  ２２７５  １号試験片、ｂ＝２０ｍｍ、Ｒ＝３０ｍｍ、ｔ＝２ｍｍ）を切り出した。
この試験片に本発明の超音波処理を施したもの、および無処理ないしは本発明の範囲外の処理を施した比較例を用意し、両振り平面曲げ疲労試験を行ない疲労強度を求めた結果を表２に示す。超音波打撃処理は、図５に示すように、くびれ部分について裏表行なった。この時の端子の形状は曲率半径５ｍｍの蒲鉾状端子で行なった。表２中の残留応力測定値は、疲労試験を行っていない試験片を別途用意し表層の残留応力を測定したものである。なお、残留応力の測定はＸ線を用いて行ない、回折Ｘ線の強度を測定しピーク強度の半値幅から求めている。
比較例に比べ、適正な超音波打撃処理を行った本発明例は、圧縮の残留応力を導入することにより、疲労強度を向上することができた。
【００１８】
次に、歯面のピッチング疲労の向上に関する実施例を示す。
表１中の鋼Ｂ（ＳＣＲ４２０）の化学成分の鋼から直径が２６ｍｍ、幅２８ｍｍの円筒部を有する図７に示すようなローラー状試験片を作成した。
また同一素材から直径１３０ｍｍ、幅１８ｍｍの大ローラーを作成した。
ローラー状試験片と大ローラーを図６に示す浸炭条件で浸炭油焼入し、その後１８０℃×１時間焼戻しを行った。その後、直径で５０μｍの研削を行った。
浸炭時に生じる粒界酸化層深さは、小ローラーの断面を走査型電子顕微鏡で２０００倍で観察したところ約１５μｍであり、この研削により粒界酸化層は除去されていた。なお、研削後の粗さはＲmax２μｍ以下であった。
小ローラーについて表３に示した条件で、本発明の超音波処理を施したもの、および無処理ないしは範囲外処理を施した比較材を用意した。超音波処理に用いた端子は曲率半径５ｍｍの半球状の先端を持ち、処理は小ローラーを旋盤に挟んで６０ｒｐｍで回転させ、それに超音波端子を接触させて軸方向に走査することにより面処理を行なった。処理の様子を図７に示す。
ピッチング疲労寿命の評価として、上記ローラー状試験片と大ローラーを組み合わせたローラーピッチング試験を行った。試験条件は、試験片の回転数１０００ｒｐｍ，すべり率４０％、潤滑剤にはオートマチック用オイルを用い、油温は約８０℃で行った。
評価は、健全なままで１０7回まで回転が可能な最大面圧をその鋼材のピッチング疲労強度とした。なお、面圧はヘルツ面圧で計算した。
以上のことから、本発明は比較例に比べ、大幅な疲労強度向上が認められ、有効であることが確認された。
【表１】
2006105352.tif 000003
【表２】
2006105352.tif 000004
【表３】
2006105352.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の歯車における歯元の疲労特性向上方法の実施形態を例示する図である。
【図２】本発明の歯車における歯面のピッチング疲労特性向上方法の第１の実施形態を例示する図である。
【図３】本発明の歯車における歯面のピッチング疲労特性向上方法の第２の実施形態を例示する図である。
【図４】歯車の疲労を説明する図である。
【図５】本発明の実施例に用いた試験片を示す図である。
【図６】本発明の実施例に用いた浸炭焼入条件を示す図である。
【図７】本発明の実施例に用いた試験方法を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１  歯車
２、２´  超音波振動端子
２´´  超音波振動端子として用いる歯車
３  小ローラー
【図１】
2006105352.tif 000006
【図２】
2006105352.tif 000007
【図３】
2006105352.tif 000008
【図４】
2006105352.tif 000009
【図５】
2006105352.tif 000010
【図６】
2006105352.tif 000011
【図７】
2006105352.tif 000012