(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯面に沿い高周波焼入れ層が形成されたモジュール１〜５の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車であって、前記高周波焼入れ層以外の部位の基地組織がパーライトとフェライトを含み、前記フェライトの面積率が０．１〜１５％であり、前記高周波焼入れ層の厚みが、歯元部で表面からモジュール比０．０３〜０．３５、基準ピッチ円直径部で表面からモジュール比０．０３〜０．７、歯先部で表面からモジュール比０．０３〜１．５であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車。
【請求項２】
前記フェライトの面積率が０．１〜１０％であることを特徴とする請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車。
【請求項３】
前記高周波焼入れ層の硬さがＨｖ５５０以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車。
【請求項４】
前記歯車の歯元部の圧縮残留応力が３００〜１５００ＭＰａであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車。
【請求項５】
前記球状黒鉛鋳鉄材が、ＪＩＳＦＣＤ８００に規定される組成を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車。
【請求項６】
球状黒鉛鋳鉄からなる歯車素材に、８５０〜９００℃の温度に０．５〜２時間保持してオーステナイト化した後、放冷または強制空冷を行う焼きならしを行い、歯切り加工をした後、歯形に沿った高周波焼き入れを行って、請求項１〜５のいずれかに記載の歯車を製造することを特徴とする球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン用歯車、特に自動車エンジン用歯車に適用される球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
歯車のうちのエンジン用歯車としては、エンジン補器類を駆動するための噴射ポンプ歯車、カム用歯車やクランク用歯車等数多くの歯車があり、歯面の接触疲労強度、歯元の曲げ疲労強度が重要視される。一般にエンジン用歯車は、高負荷、高回転での厳しい条件下で使用されるため、炭素鋼または合金鋼などを鍛造成形後、表面に窒化、軟窒化あるいは、浸炭焼入れ等の表面硬化処理を施して製作されている。
【０００３】
しかしながら、最近エンジンの低騒音化が要求されるようになり、これに対応する歯車として、振動、騒音の減衰特性の大きい、つまりヤング率（縦弾性係数）Ｅの小さい球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車（鋼材のヤング率Ｅ＝約２１０×１０3 ＭＰａに対し、鋳鉄はＥ＝約１７０×１０3 ＭＰａ）が提案されている。
【０００４】
そして、球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車について、鋼製歯車に匹敵する強度を得る手段の１つとして、歯切り加工後、その歯車の歯形に高周波焼入れを施すことが行われてきている。通常の焼入れ法で高周波焼入れを施すと、歯形全体が硬化して靭性が著しく低下するので、鋼材における高周波焼入れ技術を適用して、歯形に沿って焼入れする方法が提案されている。
【０００５】
ところが、球状黒鉛鋳鉄材から歯切加工した歯車に、歯形の表面に沿って高周波焼入れする方法では、高周波加熱の時間が１秒以下と非常に短いため、黒鉛周りのフェライトが高周波焼入れ後にも相当量残存し、所望の硬さが得られ難いという問題点が生じることが多い。
【０００６】
この問題点を解決しようと、特開平９−６８２６１号公報には、球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車を製造するに際し、歯車素材に予め焼入れ、焼き戻しを施して、フェライトを含まない組織とした後、歯切り加工を行い、次いで歯面に高周波焼入れを施し、高周波焼入れ後の基地組織にフェライトを残存しないようにして、曲げ疲労強度を向上する記載がある。また、この特開平９−６８２６１号公報には、基地組織をソルバイト組織とすること、および歯形に沿った高周波焼入れ層の厚みを０．３ｍｍ乃至０．６ｍｍにするとの記載がある。
【０００７】
そして、特開平９−６８２６１号公報によれば、高周波焼入れの前の歯車素材に通常の焼入れを施し、フェライトを消失させ、次いで焼戻し処理により靭性を回復させた後に高周波焼入れを施すため、焼入れ層の基地組織はフェライトを含まず、歯形には表面に沿った充分な硬さを有する高周波焼入れ層が形成され、高負荷、高回転歯車として充分な振動、騒音の減衰機能と強度とを備えた歯車が得られるとしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
球状黒鉛鋳鉄材に含まれるフェライトを完全に消失させる熱処理は容易でなく、前記特開平９−６８２６１号公報に記載のように焼入れ、焼戻しの２工程の熱処理を行うなど複数の工程を必要とする。また、特開平９−６８２６１号公報に記載のように、歯切り加工前の球状黒鉛鋳鉄材の基地組織をソルバイトとすると、通常の基地組織であるパーライトおよびフェライトの混合組織よりも硬度が大きくなって、歯切り加工が困難となる。
【０００９】
本発明の課題は、歯の表面に歯面に沿った高周波焼入れ層が形成されたモジュール１〜５の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車およびその製造方法であって、騒音が小さく、かつ充分な曲げ疲労強度を有して、高負荷、高回転歯車として好適な歯車を安価に得ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、歯面に沿い高周波焼入れ層が形成されたモジュール１〜５の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車について、騒音が小さく、曲げ疲労強度を持ち、かつ安価に得ることを鋭意研究した。そして、高周波焼入れ後の焼入れ層以外の基地組織を、ある一定量のフェライトの残存を許容させたパーライトとフェライトとすることにより、騒音が小さく、かつ曲げ疲労強度を有し、かつ安価に得られるとの知見を得て本発明に想到した。
【００１１】
すなわち第１発明は、歯面に沿い高周波焼入れ層が形成されたモジュール１〜５の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車であって、前記高周波焼入れ層以外の部位の基地組織がパーライトとフェライトを含み、前記フェライトの面積率が０．１〜１５％であり、前記高周波焼入れ層の厚みが、歯元部で表面からモジュール比０．０３〜０．３５、基準ピッチ円直径部で表面からモジュール比０．０３〜０．７、歯先部で表面からモジュール比０．０３〜１．５であることを特徴とする。
【００１２】
第２発明は、第１発明において、前記フェライトの面積率が０．１〜１０％であることを特徴とする。
【００１３】
第３発明は、第１発明または第２発明において、前記高周波焼入れ層の硬さがＨｖ５５０以上であることを特徴とする。
【００１４】
第４発明は、第１発明乃至第３発明の何れかにおいて、前記歯車の歯元部の圧縮残留応力が３００〜１５００ＭＰａであることを特徴とする。
【００１５】
第５発明は、第１乃至第４発明の何れかにおいて、前記球状黒鉛鋳鉄材が、ＪＩＳＦＣＤ８００に規定される組成を有することを特徴とする。
【００１６】
第６発明は、球状黒鉛鋳鉄からなる歯車素材に、８５０〜９００℃の温度に０．５〜２時間保持してオーステナイト化した後、放冷または強制空冷を行う焼きならしを行い、歯切り加工をした後、歯形に沿った高周波焼き入れを行って、第１乃至第５発明のいずれかに記載の歯車を製造することを特徴とする。
【００１７】
以下、本発明での構成の理由を説明する。
（１）モジュール１〜５
歯車の歯形の大きさは、モジュール、つまり歯車の基準ピッチ円直径部の直径を歯数で除した値で表記される。そして、エンジン用歯車の多くは、モジュール１〜５の範囲で選択できる。
【００１８】
（２）高周波焼入れ層以外の部位の基地組織がパーライトとフェライトを含み、フェライトの面積率が０．１〜１５％、好ましくはフェライトの面積率が０．１〜１０％
高周波焼入れ前、球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車素材に焼ならし処理の１工程のみの熱処理を施すことで、高周波焼入れ層以外の部位がパーライトとフェライトを含む基地組織となる。そして、焼ならし処理の１工程により、高周波焼入れ前のフェライトの面積率を０．１〜１５％として、歯面に沿った高周波焼入れ後において歯面近傍のフェライトの残存が実質的に抑制され、歯の表面に所望の硬さを得ることができる。好ましくは高周波焼入れ前のフェライトの面積率は０．１〜１０％として、歯面に沿った高周波焼入れ後において歯面近傍のフェライトの残存がほぼ完全に抑制され、歯の表面に所望の硬さを安定して得ることができる。
【００１９】
（３）高周波焼入れ層の厚みが、歯元部で表面からモジュール比０．０３〜０．３５
モジュール比とは、高周波焼入れ層の歯面の法線方向に測定した値（単位ｍｍ）をこの歯車のモジュールで除した値である。高周波焼入れ層の厚みが、歯元部で表面からモジュール比０．０３未満では、焼入れ層が薄くなりすぎて歯元の疲労強度が劣る。一方、高周波焼入れ層の厚みが、歯元部で表面からモジュール比０．３５を超えると焼入れ層が厚くなりすぎて歯元の靭性が劣る。
【００２０】
（４）歯車の高周波焼入層の厚みが、基準ピッチ円直径部で表面からモジュール比０．０３〜０．７、歯先部で表面からモジュール比０．０３〜１．５
高周波焼入れ層の厚みが、基準ピッチ円直径部で表面からモジュール比０．０３未満では、相互に歯が当たる基準ピッチ円直径部での面圧強度が劣ってへたりが生じるおそれがあり、一方、基準ピッチ円直径部で表面からモジュール比０．７を超えると焼入れ層が厚くなりすぎ靭性が低下して焼入れ層の剥離が生じるおそれがある。また、高周波焼入れ層の厚みが、歯先部で表面からモジュール比０．０３未満では焼入れ層が薄くなりすぎて耐摩耗性が劣り、一方、モジュール比１．５を超えると焼入れ層が厚くなりすぎて靭性が劣る。
【００２１】
（５）高周波焼入れ層の硬さがＨｖ５５０以上
高周波焼入れ層の硬さをＨｖ５５０以上とすることにより歯面の耐摩耗性が確保できる。
【００２２】
（６）歯元部の圧縮残留応力が３００〜１５００ＭＰａ
歯元部の圧縮残留応力を３００〜１５００ＭＰａとすることにより、疲労強度が確保できる。
【００２３】
以上の構成により、高負荷、高回転歯車として充分な振動、騒音の減衰機能と、曲げ疲労強度とを備えた歯車が得られる。また、本発明の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車は、高周波焼入れの前に通常の焼ならし処理を１工程加えるだけでよいので、また、焼ならし後のパーライトおよびフェライト混合組織のため歯切り加工が容易で、低コストに製造できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を図１乃至図５をもとに説明する。
図１は、本発明の球状黒鉛鋳鉄からなる歯車の製造工程を示す図である。
（ａ）球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車素材の作製
（ＪＩＳ）ＦＣＤ７００や（ＪＩＳ）ＦＣＤ８００に規定される球状黒鉛鋳鉄から歯車素材を作製する。
【００２５】
（ｂ）焼きならし
次に、球状黒鉛鋳鉄からなる歯車素材に、焼きならしを行う。焼きならしは８５０〜９００℃の温度に０．５〜２時間保持してオーステナイト化した後、放冷または強制空冷を行う。これにより、基地組織をパーライトとフェライトを含み、フェライトの面積率が０．１〜１５％、好ましくは０．１〜１０％とすることができる。なお、パーライトとフェライトを含む基地組織を得る手段としては、鋳型に鋳造した球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車素材を赤熱状態で鋳型から取り出して、そのまま放冷または強制空冷することによっても可能である。
【００２６】
図２は、ＦＣＤ８００相当の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車素材を８７５℃で２時間保持後強制空冷する焼きならし後の金属組織写真（倍率：４００倍）を示す図である。画像解析装置を用いて求めたフェライト（白色部）の面積率は０．１％で、基地組織はパーライトである。なお、円い黒色部のものは黒鉛である。
【００２７】
図３は、ＦＣＤ７００相当の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車素材を８１０℃で２時間保持後、空気中で放冷する焼きならし後の金属組織写真（倍率：４００倍）を示す図である。画像解析装置を用いて求めたフェライト（白色部）の面積率は１０％で、基地組織はパーライトである。基地組織のなかで黒色雲状部分は、鋳造後のフェライトが焼きならし処理によりパーライトになった部分である。なお、円い黒色部のものは黒鉛である。
【００２８】
図４は、ＦＣＤ７００相当の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車素材を８１０℃で２時間保持後、空気中で放冷する焼きならし後の金属組織写真（倍率：４００倍）を示す図である。画像解析装置を用いて求めたフェライト（白色部）の面積率は１５％で、基地組織はパーライトであるが、この基地組織のなかで黒色雲状部分は、鋳造後のフェライトが焼きならし処理によりパーライトになった部分である。なお、円い黒色部のものは黒鉛である。
【００２９】
（ｃ）歯切り加工
焼ならし処理を行った球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車素材に歯切り加工を施してモジュール１〜５の歯形を形成する。
【００３０】
（ｄ）高周波焼入れ
次に、高周波焼入れにより歯形に沿った焼入れ層を形成する。図５は、高周波焼入れ層２の状態を示す拡大図である。高周波焼入れ層２の硬さはＨｖ５５０以上となり、この高周波焼入れ層２の表面からの厚みは、歯元部６でモジュール比０．０３〜０．３５、基準ピッチ円直径部５でモジュール比０．０３〜０．７、歯先部２でモジュール比０．０３〜１．５となり、歯先部２で深く、歯元部６が浅くなっている。
【００３１】
（ｅ）仕上加工
高周波焼入れした歯車について、必要に応じ研削、ショットピーニングなどの仕上加工を行い完成品とする。
【００３２】
【実施例】
（１）騒音測定
（ＪＩＳ）ＦＣＤ８００相当の球状黒鉛鋳鉄材から歯車素材を作製し、焼きならし、歯切り加工、高周波焼入れ、仕上加工の工程により、表１に示す諸元のはすば歯車を作製した。また、同じ表１に示す諸元で（ＪＩＳ）ＳＣＭ４３５材を調質して歯車を作製した。
【００３３】
（表１）    はすば歯車諸元
歯形：並歯
モジュール：３．０
圧力角：２０°
歯数：３６（駆動側）／３６（被駆動側）
ねじれ角：２０°
基準ピッチ円直径：１１４．９３１ｍｍ
歯幅：２０ｍｍ
精度：（ＪＩＳ）１級
【００３４】
そして、（ＪＩＳ）ＦＣＤ８００相当の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車同士を一対とし、動力吸収式歯車運転試験機を用いて音圧測定により騒音測定を行い、実施例１とした。一方、駆動側歯車と被駆動側歯車とも同じ(ＪＩＳ)ＳＣＭ４３５材同士での騒音測定を行い、従来例１とした。なお、図６は一対の歯車と音圧測定位置を示す概略図である。騒音測定結果を表２に示す。
【００３５】
0004526616.tif 000002
【００３６】
表２に示すように、実施例１の（ＪＩＳ）ＦＣＤ８００相当の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車素材を、焼きならし、高周波焼入れした歯車は、音圧が、回転数６００ｒｐｍで６７．５ｄＢ、回転数１２００ｒｐｍで７４．５ｄＢである。一方、ＳＣＭ４３５を調質した従来材１の歯車は、音圧が、回転数６００ｒｐｍで８２ｄＢ、回転数１２００ｒｐｍで８９．５ｄＢである。実施例１の歯車は、従来例１の歯車に比較して、約１５ｄＢの騒音低減効果があることがわかる。
【００３７】
（２）曲げ疲労強度
（ＪＩＳ）ＦＣＤ８００相当の球状黒鉛鋳鉄材から歯車素材を作製し、焼きならし、歯切り加工、高周波焼入れ、仕上加工の工程により、表３に示す諸元の平歯車を作製し、実施例２とした。また、同じ表３に示す諸元で（ＪＩＳ）Ｓ４５Ｃ材を高周波焼入れして歯車を作製し、従来例２とした。また、同じ表３に示す諸元で（ＪＩＳ）ＳＣＭ４２０材を浸炭焼入れして歯車を作製し、従来例３とした。
【００３８】
（表３）    平歯車諸元
歯形：並歯
モジュール：３．０
圧力角：２０°
歯数：４０
基準ピッチ円直径：１２０ｍｍ
歯幅：２０ｍｍ
精度：（ＪＩＳ）３級
【００３９】
そして、実施例２、従来例２および従来例３の各歯車について、歯元部６の圧縮残留応力を測定した。また、同じく実施例２、従来例２および従来例３の各歯車について、歯先部４に正弦波の片振り繰り返し曲げ荷重を与え、歯元部６の曲げ疲労強度を測定した。圧縮残留応力と歯元部６の曲げ疲労強度の結果を図７に示す。
【００４０】
図７から、実施例２の（ＪＩＳ）ＦＣＤ８００相当の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車素材を、焼きならし、高周波焼入れした歯車は、歯元部６の圧縮残留応力が５２０ＭＰａで、歯元部６の曲げ疲労強度が１２００ＭＰａであることがわかる。これは、（ＪＩＳ）Ｓ４５Ｃ材を高周波焼入れした従来例２の歯元部６の圧縮残留応力が６８０ＭＰａで、歯元部６の曲げ疲労強度が１２００ＭＰａとそん色ない歯車であることがわかる。一方、（ＪＩＳ）ＳＣＭ４２０材を浸炭焼入れした従来例３は、歯元部６の圧縮残留応力が２９０ＭＰａで、歯元部６の曲げ疲労強度が８５０ＭＰａであり、実施例２に対して劣っている。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車は、（１）振動、騒音の減衰効果が大きく、（２）曲げ疲労強度に優れ、（３）焼ならし後のパーライトおよびフェライト混合組織のため歯切り加工が容易で、（４）焼ならしを施した後に高周波焼入れするだけであるため、低コストに製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の球状黒鉛鋳鉄材からなる歯車の製造工程を示す図である。
【図２】ＦＣＤ８００相当の球状黒鉛鋳鉄材を８７５℃で２時間保持した後、強制空冷した焼きならし後の金属組織顕微鏡写真（倍率：４００倍）を示す図である。
【図３】ＦＣＤ７００相当の球状黒鉛鋳鉄材を８１０℃で２時間保持した後、空気中で放冷した焼きならし後の金属組織顕微鏡写真（倍率：４００倍）を示す図である。
【図４】ＦＣＤ７００相当の球状黒鉛鋳鉄材を８１０℃で２時間保持した後、空気中で放冷した焼きならし後の金属組織顕微鏡写真（倍率：４００倍）を示す図である。
【図５】実施の形態における歯面に沿った高周波焼入れ層の状態を示す拡大図である。
【図６】一対の歯車と音圧測定位置を示す概略図である。
【図７】歯元の曲げ疲労強度線図である。
【符号の説明】
１・・・歯形、２・・・高周波焼入れ層、３・・・高周波焼入れ層以外の部位、４・・・歯先部、５・・・基準ピッチ円直径部、６・・・歯元部。
【図１】
0004526616.tif 000003
【図２】
0004526616.tif 000004
【図３】
0004526616.tif 000005
【図４】
0004526616.tif 000006
【図５】
0004526616.tif 000007
【図６】
0004526616.tif 000008
【図７】
0004526616.tif 000009