(57)【要約】金属マトリクスと気孔とを有する焼結合金からなる焼結歯車である。歯の歯面（２，３，４）及び歯底面（５）に焼結合金より気孔率を１０％以下に低下させた稠密化層（１１）を有し、歯面の稠密化層は３００〜１０００μｍの厚さで形成され、歯底面の稠密化層は１０〜３００μｍの厚さで形成され稠密化層の界面は実質的に段差がないように歯面側から歯底面側へ連続している。
2004030852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属マトリクスと気孔とを有する焼結合金からなる焼結歯車であって、歯の歯面に３００〜１０００μｍの厚さで形成され気孔率を１０％以下に低下させた第１の稠密化層と、歯底面に１０〜３００μｍの厚さで形成され気孔率を１０％以下に低下させた第２の稠密化層とを有し、前記第１の稠密化層の界面と前記第２の稠密化層の界面とは実質的に段差がないように連続している焼結歯車。
【請求項２】
更に、前記歯の歯先面に１０〜３００μｍの厚さで形成され前記焼結合金より気孔率を１０％以下に低下させた第３の稠密化層を有し、前記第１の稠密化層の界面と前記第３の稠密化層の界面とは実質的に段差がないように連続している請求の範囲１に記載の焼結歯車。
【請求項３】
前記焼結合金は、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｃ合金、又は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃ合金である請求の範囲１に記載の焼結歯車。
【請求項４】
前記焼結合金の組成は、質量比でＦｅ−０．５％Ｎｉ−０．５％Ｍｏ−０．３％Ｃである請求の範囲１に記載の焼結歯車。
【請求項５】
全体密度が６．７〜７．１ｇ／ｃｍ３である請求の範囲１に記載の焼結歯車。
【請求項６】
凸歯同士の噛み合いによる動力伝達に用いられる請求の範囲１に記載の焼結歯車。
【請求項７】
チェーンへ動力伝達するスプロケットホイールとして用いられる請求の範囲１に記載の焼結歯車。
【請求項８】
前記焼結合金と前記第１及び第２の稠密化層の最表面との気孔率の差は７％以上である請求の範囲１に記載の焼結歯車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、金属粉末を加圧成形し焼結することによって製造される焼結歯車に関し、凸歯同士が噛み合う通常の歯車の他、チェーン巻掛車などの動力伝導車を包含する。特に、サイレントチェーン用スプロケットホイール等を含む強度と静音性とを必要とされる焼結歯車に関する。
【背景技術】  焼結歯車は、一般に金属粉末を充填した金型をパンチで上下方向から圧縮成形することによって得られる歯車形状の圧粉体を焼結したものである。このような焼結歯車は、安価に大量生産が可能なことから、各種用途に向けて多様な製品として提供されている。焼結歯車は、その製造方法に由来して金属マトリクス中に気孔が残留する。従って、歯車を形成する材料の密度は真密度より低く、真密度をもつ一般の溶製鋼の歯車に比べて強度が低下するという問題がある。この問題に対して、従来においては、溶製鋼歯車の材料より高いグレードの材料を用いることによって強度不足を補ったり、製造工程において成形及び焼結を二度行う（成形、仮焼結、二次成形及び焼結）２Ｐ−２Ｓ法を採用したり、粉末を温間で成形する温間成形技術等を適用して高密度化することによって対応してきた。
しかし、近年において、低価格化に対する要求がより一層高まり、高グレードの材料の使用や複雑な製造工程の適用は、この要求に対応する上で極めて不利であり、問題の解決を困難にする。このため、安価な材料を用いて簡易な製造方法によって製造することができ、且つ、強度の高い焼結歯車が求められている。
この点に関して、粉末金属素材をプレスし焼結して形成される歯車の歯、歯元及びフランクの領域を表面硬化させて少なくとも３８０μｍの深さまで９０乃至１００％の範囲の稠密を確立した歯車が提案されている（例えば、特表平６−５０１９８８号公報、第２〜３頁、図１参照）。
他方、歯車は、相手部材の歯やチェーンと噛み合って回転することにより動力を伝達する部材であり、歯車の噛合部における接触、摩擦は騒音を発生する。この騒音を抑制し、静音性を高めた歯車を求める要求も強くなってきている。
本発明は、上記のような要望に応え、低コストで容易に製造でき、静音性の高い焼結歯車を提供することを目的とする。
【発明の開示】
上記課題を解決するために、本発明の焼結歯車は、金属マトリクスと気孔とを有する焼結合金からなる焼結歯車であって、歯の歯面に３００〜１０００μｍの厚さで形成され気孔率を１０％以下に低下させた第１の稠密化層と、歯底面に１０〜３００μｍの厚さで形成され気孔率を１０％以下に低下させた第２の稠密化層とを有し、前記第１の稠密化層の界面と前記第２の稠密化層の界面とは実質的に段差がないように連続していることを要旨とする。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明に係る焼結歯車の一実施形態を示す部分断面図である。
図２は、本発明に係る焼結歯車の製造プロセスにおける成形工程を示す説明図である。
図３は、焼結歯車の製造プロセスにおける成形工程を示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】  歯車同士の噛合いや歯車によるチェーンへの動力伝達において、歯が転がり接触することにより応力が発生する。転がり接触による応力が最大となる位置（応力集中部と称する）は、歯面つまり転がり接触する面（歯元面〜歯末面）の面上ではなく、表面より少し内部にある。このため、金属粉末の成形及び焼結によって得られる焼結歯車において、歯面の表層部分を内部（コア）より気孔率が低くなるように稠密化して適切な厚さの稠密化層を設けることによって、転がり接触による歯の疲労強度を高めることができる。焼結歯車は、一般的に気孔率（容積比）が８５〜９０％程度の焼結体で構成され、本発明において稠密化加工は、気孔率が１０％以下に減少するように施し、稠密化層の厚さ（稠密化層と歯車のコア部分との界面の表面からの深さ）が３００〜１０００μｍとなるように形成する。気孔率が１０％を越える状態では疲労強度が十分に得られない。つまり、本発明において稠密化層は気孔率が１０％以下に減少した部分を意味する。稠密化層は表面から内部に向かって気孔率が高くなる傾向があり、稠密化層の気孔率は稠密化層の表面から内部までの平均値で表す。稠密化層の厚さが３００μｍ未満であると、応力集中部が稠密化層より深い位置となり、疲労強度は改善されない。又、厚さが１０００μｍを越えても、それ以上に効果が得られるわけではないので、無意味である。
上記のような稠密化層の形成は、歯車の静音化に利用することもできる。以下に稠密化層による静音化について説明する。
歯車の気孔率が全体に均一である場合、歯車の噛合いにより歯面で発生する振動は、焼結合金のマトリクスを通じて、歯車が貫挿されるシャフトに伝達される。これに比べ、前述のように歯の表層部に密度の高い稠密化層を設けると、表層部と内部とで気孔率に差が生じ、振動は密度の高い部分を選択的に伝導し易くなるため、シャフト方向に伝達される振動は少なくなり減衰し易くなる。振動発生位置から稠密化層を通じて伝播する振動は歯車表面に沿って拡散し、伝播と共に徐々に減衰する。振動伝播の選択性は、静音性の向上において重要であり、稠密化層の最表面と内部のコア部分との気孔率の差が大きいほど選択性が向上し、この気孔率の差が約７％以上であるのが好ましい。この点を考慮すると、焼結歯車のコア部分を構成する焼結体の気孔率は１０〜１５％程度、稠密化層の気孔率は１〜９％程度であるものが加工容易性及び全体的な強度バランス等の点から好ましい。
稠密化層は、歯の噛合いにおいて接触する歯面部分だけでなく、接触しない歯底面や歯先面にまで伸長して設けると、振動の伝播により静音性を向上する効果が高まるので、有用である。この場合、歯面の稠密化層と歯底面及び歯先面の稠密化層との連続性が高い方が振動伝播が良好であり静音性を向上させる。従って、これらの稠密化層間の気孔率の差が小さく変化が急激でないことが望ましい。
歯底面や歯先面は、相手の歯車と直接接触しないので、転がり接触に対する疲労強度を付与するために深い稠密化層を設ける必要はない。しかし、歯底面は、歯面が相手側歯車の歯と接触する際の応力を受けて引っ張り応力が集中する部分であるので、歯底面の表層部を稠密化することは引っ張り強さを向上する上でも有効である。これらの点から、歯底面については、気孔率が１０％以下の稠密化層を１０μｍ以上の厚さで設けるとよい。厚さが１０μｍ未満であると、振動の選択伝播効果及び引っ張り強さの向上効果が不十分となる。但し、厚さが３００μｍを越えても、それ以上の静音化効果は得られないので、最も有用性の高い稠密化の厚さの範囲は１０μｍ以上３００μｍ以下となる。
歯先面については、強度向上のための稠密化は必要ではない。しかし、ころがり接触している歯面の稠密化層をその背側に位置する歯面まで伸長し振動の伝達経路を背側の稠密化層に連続させることは、静音化に有効である。従って、歯先の稠密化においても、稠密化層は、気孔率が１０％以下であって厚さが表面から１０μｍ以上３００μｍ以下とするとよい。
歯車のコア部分（稠密化されない部分）と稠密化層との界面の形状は、応力作用や振動の伝播挙動に重要な影響を与える。具体的には、界面が不連続に（つまり角ばって）屈折したり凹凸が激しいと、その部分に応力が集中して材料疲労を生じ易い。従って、歯車のコア部分と稠密化層との界面は、連続的（つまり滑らかで角がない）であり実質的な断差又は凹凸が存在せず、稠密化層の厚さが局所的に急激に変化しないような形状であることが必要である。
稠密化層は、焼結工程によって得られる歯車形の焼結体に、サイジング、転造、押し出し加工等のような表面を押圧する加圧加工を施して表面を圧縮することによって形成することができ、加圧加工を複数の工程に分けて段階的に施したり複数種の加工を組み合わせて施してもよい。焼結体の形状は、加圧加工によって減少する加工代を最終の歯車の形状に見込んで決定する。１回の加圧加工によって圧縮可能な加工代は加工条件、つまり、加工を施す素材、加工圧や加工温度によって異なるので、例えば転造による場合、形成する稠密化層の厚さ及び気孔率に応じて転造代、転造圧及び温度を調節することによって所望の稠密化層を１回の工程で設けることができる。
上記のような表面に稠密化層を有する歯車は、構造用焼結合金として従来より使用されている比較的低グレードの焼結合金を適用することができる。その具体例としては、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｃ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃ系合金等の鉄系焼結合金が挙げられ、全体密度が６．７〜７．１ｇ／ｃｍ３程度、気孔率１０〜１５％程度の焼結体が歯車素材として適している。上記のような組成の合金粉末を常法に従って加圧圧縮して歯車形に成形した後に焼結し、歯車形の焼結体を歯車素材として、前述の加圧加工を施して稠密化層を形成する。この後、必要に応じて熱処理を施してもよい。このようにして稠密化層を有する焼結歯車を製造することにより、従来の焼結合金歯車よりも強度及び静音性の向上した歯車が得られる。
図１は、本発明に係る焼結歯車の一実施形態を示す歯車の一部の径方向断面図である。歯車１の歯の表面に稠密化層１１が形成されており、稠密化層１１と歯車の内部１３とを分ける界面１２が形成される。歯面２、つまり歯末面３及び歯元面４では、稠密化層１１の厚さ２１が３００〜１０００μｍ、この例では５００μｍとなるように加工されている。一方、歯底面５では、稠密化層１１の厚さ２２は１０〜３００μｍ、この例では１５０μｍである。歯車の内部１３の気孔率は１１〜１３％であり、稠密化層１１の気孔率は０〜１０％となる。稠密化層１１は、厚さが急激に変化せず界面１２が滑らかに歯末面３側から歯底面５側へ連続するように形成されている。つまり、歯面３及び歯底面５の稠密化層の界面は連続し、実質的に段差がない。
図２（ａ），（ｂ）は、図１のような焼結歯車を製造する加工工程の一例を説明するための断面図である。図２（ａ）は、転造加工前の歯車素材Ｍの歯形プロフィール３１を示し、図２（ｂ）は、転造後の歯車１ａの歯形プロフィール３２を示す。図２（ａ）には、転造後の歯形プロフィール３２を一点鎖線により併せて記載し、転造前後の歯形プロフィールの差が転造代である。転造加工前の歯車素材は、気孔率が１０％を越えるが、転造加工により、図２（ｂ）中の稠密化層１１ａの気孔率は１０％以下となる。歯面の稠密化層と歯底面の稠密化層との接続部分Ａでは、稠密化層１１ａの厚さが２１ａから２２ａに徐々に変化し、稠密化層１１ａの界面１２ａは、連続している（つまり滑らかで角がない）。従って、稠密化層の厚さが急激に変化することによる段差は界面１２ａに存在しない。
図３（ａ），（ｂ）は、同じ歯形プロフィール３２の歯車を異なる歯形プロフィール３１’の歯車素材Ｍ’の転造加工により製造した場合を示す断面図で、図３（ａ）は、転造加工前の歯車素材Ｍ’の歯形プロフィール３１’を示し、図３（ｂ）は、転造後の歯車１ｂを示す。図３（ａ）に記載する転造後の歯形プロフィール３２と転造前の歯形プロフィール３１’の差が転造代であり、転造代の厚さが急激に変化する部分では、転造後の歯車１ｂにおいても稠密化層１１ｂの厚さが２２ｂから２２ｂに急激に変化し、歯面の稠密化層２１ｂと歯底面の稠密化層２２ｂとの接続部分Ｂで界面１２ｂに段差が生じる。稠密化層にかかる転がり接触時の応力は、接続部分Ｂの段差部分に集中し、段差部分の界面及びそれより内部における損傷を生じ易くなる。また、歯面で生じる転がり接触の振動については、稠密化層１１ｂを伝播する際に、接続部Ｂの段差部分における界面１２ｂで反射し、段差付近の急激な挟搾により歯底面の稠密化層へ伝播する割合が減少する。反射する振動波による干渉で、振動波のエネルギーが段差付近に集中する。
上記のように稠密化層を形成することにより、強度と静音性とに優れた焼結歯車が得られるので、焼結合金の利点である軽量化を活かして全体密度が６．７〜７．１ｇ／ｃｍ３程度の焼結歯車を有効に利用することができる。
【実施例】
【実施例１】  組成が質量比でＦｅ−０．５％Ｎｉ−０．５％Ｍｏの鉄合金粉末（粒度：８０メッシュ）に黒鉛粉末を添加して黒鉛粉末の割合が０．３質量％の混合粉末（組成：Ｆｅ−０．５％Ｎｉ−０．５％Ｍｏ−０．３％Ｃ）を調製し、これを原料粉末として用いて以下の操作を行った。
［試料１Ａ］
原料粉末を加圧圧縮してスプロケットホイール形状に成形し、１１９５℃で焼結して歯車素材を得た。この歯車素材に転造加工を施した後に９００℃で熱処理を施して、図１のような稠密化層を表面に有する試料１Ａの焼結歯車を得た。尚、転造加工における転造代は、歯面において０．０９ｍｍ、歯底面及び刃先面において０．０２ｍｍとし、転造圧は３ｔｏｎとした。
試料１Ａの焼結歯車を、ＪＩＳ  Ｚ２５０１に規定される測定方法により全体密度を測定したところ、７．０ｇ／ｃｍ３であった。又、焼結歯車の歯部の金属組織断面を倍率２００倍で撮影した画像を画像解析ソフトを用いて解析することにより密度分布を決定し気孔率を算出したところ、稠密化層の気孔率（容積比）は最表面では２．５％、平均で５％であり、その内側のコア部分の気孔率は１３％であった。稠密化層の厚さは歯面において１０００μｍ、歯底面及び刃先面において３００μｍであり、稠密化層とコア部分との界面は段差がなく滑らかでった。
他方、試料１Ａの焼結歯車をシャフトに固定し、歯車のスプロケットにチェーンを巻き掛けて、歯車の回転速度８０００ｒｐｍ、チェーン負荷２９．４Ｎ・ｍの条件下でシャフトを回転し、１００時間チェーン駆動させた。この間、歯車から１００ｍｍ離れた位置にマイクロホンを固定し、騒音測定を行った。又、チェーン駆動終了後、歯車の摩耗量を測定した。騒音及び摩耗量の測定結果を表１に示す。
［試料１Ｂ］
原料粉末を温間成形によって試料１Ａと同じスプロケットホイール形状に成形し、１１９５℃で焼結して歯車素材を得た。この歯車素材に９００℃で熱処理を施して試料１Ｂの焼結歯車を得た。
試料１Ｂの焼結歯車を、試料１Ａと同じ測定方法により全体密度を測定したところ、７．２ｇ／ｃｍ３であった。又、焼結歯車の歯部の金属組織断面の密度分布を試料１Ａと同じ解析方法によって調べたところ、気孔率は平均で１２％であった。
他方、試料１Ｂの焼結歯車をシャフトに固定し、試料１Ａと同じ条件で１００時間チェーン駆動させ、この間、歯車から１００ｍｍ離れた位置の騒音測定を試料１Ａと同様に行った。又、チェーン駆動終了後、歯車の摩耗量を測定した。騒音及び摩耗量の測定結果を表１に示す。
2004030852.tif 000003
表１から、試料１Ａの焼結歯車は、試料１Ｂの焼結歯車より素材密度が低いにもかかわらず、耐摩耗性に優れると共に静音性にも優れることが明らかである。しかも、試料１Ａの歯車は安価に製造することができる。
【実施例２】  実施例１と同じ原料粉末を用い、転造加工における転造代を０．０２〜０．１２ｍｍの範囲で適宜変更したこと以外は試料１Ａと同じ方法に従って成形、焼結、転造加工及び熱処理を行い、表２に示す厚さの稠密化層を歯面、歯底面及び歯先面に有する焼結歯車（試料２Ａ〜２Ｆ）を各々製造した。
また、成形体のスプロケット形状が図３のように歯元に凹部を有すること以外は試料２Ｂと同じ製造方法に従って成形、焼結、転造加工及び熱処理を行い、試料２Ｂ’の焼結歯車を製造した。
試料２Ａ〜２Ｆの焼結歯車を、試料１Ａと同じ測定方法により全体密度を測定したところ、各々、７．０ｇ／ｃｍ３であった。又、焼結歯車の歯部の金属組織断面から密度分布及び気孔率を試料１Ａと同じ解析方法によって調べたところ、いずれの試料も、稠密化層の気孔率は最表面で２．５％、平均で５％であり、その内側のコア部分の気孔率は１３％であった。稠密化層とコア部分との界面は断佐賀なく滑らかであった。又、試料２Ｂ’の焼結歯車の金属組織断面の解析により、稠密化層の界面は、歯面の稠密化層と歯底の稠密化層との接続部分において断差状になった。
試料２Ａ〜２Ｆ及び２Ｂ’の焼結歯車を各々、３球式ピッチング試験にかけて、歯面の面圧疲れ強さを測定した。又、歯車の歯末面にジグを当接して歯車の周方向に負荷を３０Ｈｚで繰り返し加えて歯元が破壊する時の繰り返し回数を測定し、負荷と破壊時の繰り返し回数との関係から１０７回で破壊しない最大荷重を求めることにより、歯元曲げ疲れ強さを測定した。測定結果を表２に示す。
2004030852.tif 000004
表２から、面圧疲れ強さは稠密化層の厚さの増加によって向上し、特に３００μｍ以上の厚さにおいて疲れ強さの向上が顕著であることがわかる。但し、厚さが１０００μｍを越えると疲れ強さの向上は乏しくなる。以上の結果から、歯面の稠密化層の厚さが３００〜１０００μｍの範囲において疲れ強さの向上効果が効率的に得られることが確認される。又、稠密化層の界面が断差状になるとその部分における疲れ強さが低下することが明らかである。
【実施例３】  実施例１と同じ原料粉末を用い、転造加工における歯底の転造代を０〜０．０６ｍｍの範囲で適宜変更したこと以外は試料１Ａと同じ方法に従って成形、焼結、転造加工及び熱処理を行い、歯底面に有する稠密化層の厚さが表３のように異なる焼結歯車（試料３Ａ〜３Ｆ）を各々製造した。
試料３Ａ〜３Ｆの焼結歯車を、試料１Ａと同じ測定方法により全体密度を測定したところ、各々、７．０ｇ／ｃｍ３であった。又、焼結歯車の歯部の金属組織断面の密度分布を試料１Ａと同じ解析方法によって調べたところ、いずれも、稠密化層の気孔率は最表面で２．５％、平均で６％で、その内側のコア部分の気孔率は１３％であった。稠密化層とコア部分との界面は段差がなく滑らかでった。
試料３Ａ〜３Ｆの焼結歯車を各々、シャフトに固定し、試料１Ａと同じ条件で１００時間チェーン駆動させ、この間、歯車から１００ｍｍ離れた位置の騒音測定を試料１Ａと同様に行った。測定結果を表３に示す。
2004030852.tif 000005
表３から、歯底の稠密化層の厚さの増加により騒音レベルが低下し、特に１０μｍ以上の厚さにおいて静音効果が顕著であることがわかる。又、稠密化層の界面に段差があると、静音効果が減少することがわかる。
【産業上の利用可能性】  本発明によれば、安価なＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃ系合金等の粉末を用いて強度及び動作時の静音性に優れた焼結歯車を得ることができ、品質グレードが格別高い原料粉末を採用する必要がないので、焼結歯車の適用範囲が広がり、歯車を備えた装置の軽量化、製造コストの低減及び静音化を実現する手段として利用することができる。
【図１】
2004030852.tif 000006
【図２】
2004030852.tif 000007
【図３】
2004030852.tif 000008
【国際調査報告】
2004030852.tif 000009
2004030852.tif 000010
2004030852.tif 000011