(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯車の歯先のうち歯すじ方向一端部を除いた他の部分を硬化させると共に歯底及び歯面も硬化させるように前記歯車を高周波焼入れする高周波焼入方法において、
前記歯車を誘導加熱する際の周波数を２０〜４０kＨzの値に設定しておき、
前記歯先の前記他の部分に誘導加熱コイルを接近させて該他の部分、前記歯底、及び前記歯面を所定の予熱温度になるように所定の予熱時間だけ誘導加熱し、この誘導加熱の直後に、
前記歯車を、所定の放冷時間だけ放冷し、この放冷の直後に、
前記所定の予熱温度よりも高い所定の焼入温度になるように前記歯先の前記他の部分、前記歯底、及び前記歯面を、所定の本加熱時間だけ誘導加熱し、
この誘導加熱の際には、前記放冷時間を１〜５秒間とすると共に、前記予熱時間と前記放冷時間と前記本加熱時間の比が、３〜４：１〜２：２〜３となるように設定しておき、
前記歯先の前記他の部分、前記歯底、及び前記歯面を急冷して該他の部分、該歯底、及び該歯面を硬化することを特徴とする高周波焼入方法。
【請求項２】
前記周波数を２５ｋＨｚ以上３５ｋＨｚ以下の周波数に設定することを特徴とする請求項１に記載の高周波焼入方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯先のうち歯すじ方向一端部を除いた他の部分を硬化させると共に歯底も硬化させるように歯車を高周波焼入れする高周波焼入方法及び歯車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、様々な産業装置（機械）において、様々な歯車が使用されている。
歯車を製造する際には、一般に、その耐摩耗性や強度などを向上させるために、歯先、歯面、及び歯底を高周波焼入れしてこれらに硬化層を形成する。
【０００３】
ところで、様々な歯車のなかには、歯先のうち歯すじ方向一端部を除いた他の部分を硬化させるように高周波焼入れされるものがある。このような歯車では、歯先のうち歯すじ方向一端部は硬化されないので、通常、この一端部は高周波焼入れ後に機械加工される。
【０００４】
歯車の歯先のうち歯すじ方向一端部を硬化しないようにこの歯車を高周波焼入れする場合、上記の歯すじ方向一端部を除いた他の部分に誘導加熱コイルを接近させ、この他の部分を焼入温度に加熱して急冷する。この場合、歯面も歯底も焼入温度に加熱されて急冷される。しかし、歯先のうち歯すじ方向一端部には誘導加熱コイルが接近していないので、この歯すじ方向一端部に対応する歯底の部分も焼入温度に加熱されない。従って、この歯底の部分は硬化されにくい。即ち、この歯底の部分が硬化される面積は、歯先のうち歯すじ方向一端部を除いた他の部分が硬化される面積よりも狭くなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように歯底のうち歯すじ方向一端部が硬化されにくい場合、その分、歯底の強度が低下して歯車の強度が低下することとなる。歯底の全て（全領域）を硬化して歯車の強度を向上させるためには、歯先の全面に誘導加熱コイルを接近させてこの全面を焼入温度に加熱する。しかし、このようにして歯先の全面を硬化させた場合、焼入れ後に、歯先の歯すじ方向一端部を非常に機械加工しにくい。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、歯先の歯すじ方向一端部を硬化させずに歯底を広い領域に渡って硬化させて歯車の強度を向上させる高周波焼入方法、及び強度を向上した歯車を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の高周波焼入方法は、歯車の歯先のうち歯すじ方向一端部を除いた他の部分を硬化させると共に歯底及び歯面も硬化させるように前記歯車を高周波焼入れする高周波焼入方法において、
（１）前記歯先の前記他の部分に誘導加熱コイルを接近させて該他の部分、前記歯底、及び前記歯面を所定の予熱温度になるように誘導加熱し、この誘導加熱の直後に、
（２）前記歯車を所定の放冷時間だけ放冷し、この放冷の直後に、
（３）前記所定の予熱温度よりも高い所定の焼入温度になるように前記歯先の前記他の部分、前記歯底、及び前記歯面を誘導加熱し、
（４）前記歯先の前記他の部分、前記歯底、及び前記歯面を急冷して該他の部分、該歯底、及び該歯面を硬化することを特徴とするものである。
【０００８】
ここで、
（５）前記歯車を前記所定の放冷時間だけ放冷する際に、１秒間以上５秒間以下の範囲内の放冷時間だけ放冷してもよい。
【０００９】
また、
（６）前記歯先の前記他の部分、前記歯底、及び前記歯面を前記所定の予熱温度に加熱する予熱時間は、前記所定の放冷時間よりも長い時間であり、
（７）前記歯先の前記他の部分、前記歯底、及び前記歯面を前記所定の焼入温度に加熱する本加熱時間は、前記放冷時間と同じ時間若しくは該放冷時間よりも長い時間であり、前記予熱時間と同じ時間若しくは該予熱時間よりも短い時間であってもよい。
【００１０】
さらに、
（８）前記予熱時間を３乃至４としたときに、前記放冷時間は１乃至２となり、前記本加熱時間は２乃至３となるような比で、前記予熱時間、前記放冷時間、及び前記本加熱時間を設定してもよい。
【００１１】
さらにまた、
（９）前記歯先の前記他の部分、前記歯底、及び前記歯面を前記所定の予熱温度になるように誘導加熱する際の周波数、及び、前記歯先の前記他の部分、前記歯底、及び前記歯面を前記所定の焼入温度になるように誘導加熱する際の周波数を、２０ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下の周波数に設定してもよい。
【００１２】
さらにまた、
（１０）前記周波数を２５ｋＨｚ以上３５ｋＨｚ以下の周波数に設定してもよい。
【００１３】
また、上記目的を達成するための本発明の歯車は、
（１１）歯すじ方向一端部に所定幅の未硬化部分が形成された歯先と、
（１２）前記所定幅と略同じ幅であって前記歯先の未硬化部分に連続する未硬化部分が形成された歯面と、
（１３）前記所定幅と略同じ幅であって前記歯面の未硬化部分に連続する未硬化部分が形成された歯底とを備えたことを特徴とするものである。
【００１４】
ここで、
（１４）前記歯先の未硬化部分は、機械加工代であってもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
先ず、本発明の高周波焼入方法の一実施形態によって高周波焼入れされる歯車について、図１と図２を参照して説明する。
【００１７】
図１は、高周波焼入れの対象になる歯車を示す平面図である。図２は、歯車の一部を示す斜視図である。
【００１８】
歯車１０の歯部２０には、この歯部２０の外側に向いた歯先２２と歯底２４が交互に形成されている。歯先２２と歯底２４は、底部１２の厚さ方向（歯すじ方向。図２の矢印Ｂ方向であり、図１の紙面に垂直な方向である。）に延びている。なお、歯車１０は鋼製であり、Ｓ４５Ｃ（ＪＩＳ）から作製されている。
【００１９】
歯車１０を高周波焼入れするに当っては、歯先２２のうち歯すじ方向の一端部２２ａ（図２の斜線で示す領域）を硬化させず、他の部分２２ｂを硬化させる。
また、歯底２４は出来るだけ広い領域にわたって硬化させる。
【００２０】
図３と図４を参照して、歯車１０の歯部２０を高周波焼入れする方法を説明する。
【００２１】
図３は、歯車の歯部とこの歯部に接近させた誘導加熱コイルの一部を示す側面図である。図４は、歯部を誘導加熱して急冷するときのヒートパターンを示すグラフである。
【００２２】
歯車１０を高周波焼入れするに際しては、図３に示すように、歯車１０を治具４０に固定する。治具４０に固定された歯車１０の歯先２２の他の部分２２ｂに環状の誘導加熱コイル５０を接近させる。上記のように歯先２２の他の部分２２ｂに誘導加熱コイル５０を接近させた状態で誘導加熱コイル５０に高周波電流を通し、歯先２２の他の部分２２ｂ、歯面２３ｂ、及び歯底２４が所定の予熱温度になるように所定の予熱時間だけ加熱（予熱）する。ここでは、図５に示すように、歯先２２の他の部分２２ｂを９０８℃に加熱し、歯底２４を８９７℃に加熱した。また、誘導加熱の際の周波数を３０ｋＨｚとし、予熱時間を３．５秒間とした。
【００２３】
上記のようにして歯先２２の他の部分２２ｂ、歯面２３ｂ、及び歯底２４が所定の予熱温度に加熱された後、誘導加熱コイル５０に高周波電流を通さずに歯先２２の他の部分２２ｂ、歯面２３ｂ、及び歯底２４を所定の放冷時間（２秒間）だけ放冷した。この放冷によって、歯先２２の他の部分２２ｂ、歯面２３ｂ、及び歯底２４の温度は、約６５０〜６８０℃の範囲内の温度まで下がった。
【００２４】
上記の放冷の後、直ちに、誘導加熱コイル５０に高周波電流を通し、歯先２２の他の部分２２ｂ、歯面２３ｂ、及び歯底２４を所定の焼入温度に所定の時間（本加熱時間）だけ加熱した。ここでは、図５に示すように、歯先２２の他の部分２２ｂを１０１５℃に加熱し、歯底２４を１０２６℃に加熱した。また、誘導加熱の際の周波数を３０ｋＨｚとし、本加熱時間を２．５秒間とした。
【００２５】
歯先２２の他の部分２２ｂ、歯面２３ｂ、及び歯底２４が上記の焼入温度に加熱された後、これらの部分に冷却液を噴射してこれらを急冷した。冷却液の噴射量は６０リットル／分であり、１４秒間だけ噴射した。この結果、歯先２２の他の部分２２ｂ、歯面２３ｂ、及び歯底２４に所望の硬化深さをもつ硬化層が形成された。ここでは、限界硬さを４５０（Ｈｖ）としたときの有効硬化層深さは、歯先２２の他の部分２２ｂで２．８ｍｍであり、歯底２４で１．８ｍｍであった。次に、硬化された領域について説明する。
【００２６】
図５を参照して、歯車１０の歯先２２、歯面２３ｂ、及び歯底２４が硬化された領域（硬化領域）について説明する。
【００２７】
図５は、歯先、歯面、及び歯底の硬化領域を示す斜視図であり、斜線部分及びクロス線部分双方が硬化された領域である。
【００２８】
上述したように、高周波焼入れの際には、誘導加熱コイル５０を他の部分２２ｂに接近させる。しかし、歯すじ方向一端部２２ａ（斜線もクロス線も無い部分）に対向する位置には、誘導加熱コイル５０が存在しないので、この一端部２２ａは加熱されにくい。従って、一端部２２ａは硬化されていない。また、この一端部２２ａに連続する歯面２３の一部２３ａ（斜線もクロス線も無い部分）及び歯底２４の一部２４ａ（斜線もクロス線も無い部分）も硬化されていない。一端部２２ａと一部２４ａの歯すじ方向（矢印Ｂ方向）長さはほぼ同じであった。
【００２９】
ところで、上記した実施形態では、歯先２２、歯面２３ｂ、及び歯底２４を焼入温度に加熱するに先立って、これらを予熱して放冷した。この結果、歯底２４では、斜線部分とクロス線部分が硬化された領域となった。これに対し、上記した予熱と放冷を行わずに歯先２２、歯面２３ｂ、及び歯底２４を焼入温度に加熱した場合、歯底２４では斜線部分のみが硬化領域となり、クロス線部分は硬化されない非硬化領域となる。
【００３０】
このように予熱と放冷を行って焼入れをした場合、歯底２４の硬化領域が広くなるので、予熱と放冷を行わない焼入れに比べて歯車１０の強度が向上する。なお、上記の実施形態では予熱の後に放冷を行ったが、放冷時間が長すぎた場合、硬化深さが深くなり過ぎる。また、目的とする硬化深さによっては放冷を行わなくてもよい。
【００３１】
ここで、放冷時間について実験した結果を説明する。
【００３２】
上記した例では、放冷時間を２秒間としたが、放冷時間を種々に変えて実験を行った。この結果、放冷時間が１秒間未満のときは、歯底の硬化領域は狭くなり、歯底の強度は向上しなかった。この理由は、歯底の加熱領域を広げられずこの加熱領域が狭かったからであると考えられる。一方、放冷時間が５秒間を超えるときは、歯先の硬化領域が広くなりすぎた。このため、焼入れ後に歯先を機械加工しにくくなった。この理由は、歯先の加熱領域が広くなりすぎたからだと考えられる。以上の結果、放冷時間は、１秒間以上５秒間以下の範囲内が最適である
【００３３】
次に、予熱時間、放冷時間、及び本加熱時間の関係について実験した結果を説明する。
【００３４】
この実験では、予熱時間を所定の放冷時間よりも長くし、本加熱時間を放冷時間と同じ時間若しくは放冷時間よりも長くすると共に予熱時間と同じ時間若しくは予熱時間よりも短い時間とした。このように予熱時間、放冷時間、及び本加熱時間を設定することにより、歯先の硬化領域に比べて歯底の硬化領域が広くなり、歯底の強度が向上した。
【００３５】
上記した予熱時間、放冷時間、及び本加熱時間を比で表した場合、
予熱時間：放冷時間：本加熱時間＝（３乃至４）：（１乃至２）：（２乃至３）となった。
【００３６】
このような比で表される時間を設定することにより、歯先の硬化領域に比べて歯底の硬化領域がいっそう確実に広くなったので、歯底の強度がいっそう確実に向上した。
【００３７】
また、予熱と本加熱の際に周波数を種々に変えて実験した結果を説明する。
【００３８】
この実験によれば、予熱と本加熱の際の周波数が２０ｋＨｚ未満のときは、歯先の温度が上がり過ぎて歯先の硬化領域が広くなり過ぎたので、焼入れ後における歯先の機械加工が困難になった。一方、周波数が４０ｋＨｚを超えるときは、歯底の温度が十分に加熱されずに歯底の硬化領域が狭くなったので、歯底の強度が低下した。従って、歯先の他の部分、歯底、及び歯面を所定の予熱温度になるように誘導加熱する際の周波数、及び、歯先の他の部分、歯底、及び歯面を所定の焼入温度になるように誘導加熱する際の周波数を、２０ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下の周波数に設定することにより、歯先と歯底の硬化領域を適宜に広げられる。
【００３９】
また、この実験によれば、上記の周波数を２５ｋＨｚ以上３５ｋＨｚ以下の周波数に設定することにより、歯先の硬化領域がいっそう確実に適切な広さになったので、焼入れ後における歯先の機械加工が容易になった。また、歯底の硬化領域もいっそう適切な広さになったので、歯底の強度が向上した。
【００４０】
なお、上記の周波数を８０ｋＨｚとした場合、予熱では、歯底温度が８６９℃になり、歯先温度は８６７℃になった。放冷後の本加熱では、歯底温度が９８４℃になり、歯先温度は１０２２℃になった。このように本加熱の際に歯先温度が歯底温度よりも高くなったときは歯先の硬化領域が広くなり過ぎるおそれがあり、歯底の硬化領域が狭まるおそれがあるので、都合が悪い。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の高周波焼入方法によれば、歯底が所定の予熱温度になるように誘導加熱した後に、この歯車を所定の放冷時間だけ放冷するので、この放冷時間を適宜に選択することにより、歯底が加熱される（歯すじ方向の）領域（加熱領域）を広めたり狭めたりできることとなる。従って、焼入れ後において、歯底が硬化される（歯すじ方向の）領域（硬化領域）を広めたり狭めたりできる。また、放冷後に、歯底を所定の焼入温度に誘導加熱するので、歯底の加熱領域を広めていたときは、歯底は歯すじ方向の広い範囲にわたって焼入温度に加熱され、焼入温度になる加熱領域が広がる。このようにして焼入温度に加熱された歯底を急冷するので、歯底は歯すじ方向の広い範囲にわたって（広い加熱領域で）焼入れされて硬化される。この結果、歯車の強度が向上する。また、歯先のうち歯すじ方向一端部を誘導加熱しないようにしているので、この一端部は硬化されない。従って、焼入れ後に、この一端部を加工し易い。また、歯先の他の部分と歯底とを予熱温度及び焼入れ温度に誘導加熱する際には周知の誘導加熱コイルを使用できるので、歯車を低コストで焼入れできる。
【００４２】
ここで、前記歯車を前記所定の放冷時間だけ放冷する際に、１秒間以上５秒間以下の範囲内の放冷時間だけ放冷する場合は、歯底の硬化領域を最適に広げられる。放冷時間が１秒間未満のときは、歯底の加熱領域を広げられずこの加熱領域は狭くなるので、歯底の硬化領域も狭くなり、歯底の強度は向上しない。一方、放冷時間が５秒間を超えるときは、歯先の加熱領域が広くなりすぎてその硬化領域も広くなりすぎる。この結果、焼入れ後に歯先を機械加工しにくくなる。
【００４３】
また、前記歯先の前記他の部分、前記歯底、及び前記歯面を前記所定の予熱温度に加熱する予熱時間は、前記所定の放冷時間よりも長い時間であり、前記歯先の前記他の部分、前記歯底、及び前記歯面を前記所定の焼入温度に加熱する本加熱時間は、前記放冷時間と同じ時間若しくは該放冷時間よりも長い時間であり、前記予熱時間と同じ時間若しくは該予熱時間よりも短い時間である場合は、歯先の硬化領域に比べて歯底の硬化領域が広くなるので、歯底の強度が向上する。
【００４４】
さらに、前記予熱時間を３乃至４としたときに、前記放冷時間は１乃至２となり、前記本加熱時間は２乃至３となるような比で、前記予熱時間、前記放冷時間、及び前記本加熱時間を設定する場合は、歯先の硬化領域に比べて歯底の硬化領域がいっそう確実に広くなるので、歯底の強度がいっそう確実に向上する。
【００４５】
さらにまた、前記歯先の前記他の部分、前記歯底、及び前記歯面を前記所定の予熱温度になるように誘導加熱する際の周波数、及び、前記歯先の前記他の部分、前記歯底、及び前記歯面を前記所定の焼入温度になるように誘導加熱する際の周波数を、２０ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下の周波数に設定する場合は、歯先と歯底の硬化領域を適宜に広げられる。周波数が２０ｋＨｚ未満のときは、歯先の温度が上がり過ぎて歯先の硬化領域が広くなり過ぎるので、焼入れ後における歯先の機械加工が困難になる。一方、周波数が４０ｋＨｚを超えるときは、歯底の温度が十分に加熱されずに歯底の硬化領域が狭くなるので、歯底の強度が低下する。
【００４６】
さらにまた、前記周波数を２５ｋＨｚ以上３５ｋＨｚ以下の周波数に設定する場合は、歯先の硬化領域がいっそう確実に適切な広さになるので、焼入れ後における歯先の機械加工が容易になる。また、歯底の硬化領域もいっそう適切な広さになるので、歯底の強度が向上する。
【００４７】
また、本発明の歯車では、歯先、歯面、及び、歯底それぞれの未硬化部分の幅が略同じであるので、歯先のうち歯すじ方向一端部に機械加工などのための未硬化部分を形成しても、強度の高い歯車が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高周波焼入れの対象になる歯車を示す平面図である。
【図２】歯車の一部を示す斜視図である。
【図３】歯車の歯部とこの歯部に接近させた誘導加熱コイルの一部を示す側面図である。
【図４】歯部を誘導加熱して急冷するときのヒートパターンを示すグラフである。
【図５】歯先と歯底の硬化領域を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０  歯車
１２  底部
２０  歯部
２２  歯先
２２ａ  歯先の歯すじ方向一端部
２２ｂ  歯先の他の部分
２３  歯面
２４  歯底
５０  誘導加熱コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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