(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材製の加工対象歯車の表面を硬化して前記歯車の機械的強度を向上させる方法であって、
前記歯車を低周波用コイル内に位置決めし、前記歯車の輪郭に沿って低周波熱を加える輪郭低周波予熱工程と、前記輪郭低周波予熱工程の停止後における熱拡散工程と、前記熱拡散工程に引き続いて前記歯車を高周波用コイル内に位置決めし、前記歯車の輪郭に沿って高周波熱を加えた後、水溶性焼入剤を用いて前記輪郭低周波予熱工程における予熱開始温度と同程度まで急冷する焼入れ処理を行い、前記歯車の表面に表面硬化層を形成する輪郭高周波焼入れ処理工程と、前記輪郭高周波焼入れ処理工程の後に前記予熱開始温度から低温焼戻し処理を行う工程と、前記低温焼戻し処理の完了に引続いて前記歯車の表面硬化層に２段階のショットピーニング加工を施す２段階のショットピーニング処理工程と、を順次工程として実施することを特徴とする歯車の表面硬化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械部品である鋼材製の歯車の表面の改質硬化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用歯車等の機械部品の表面改質方法として、現在、浸炭法浸炭＋ショットピーニング法、軟窒化法が用いられている。これらの技術は、例えば、特開平９−８５６２４号公報、特開平９−５７６２９号公報、特開平５−５１６２９号公報に開示されている。
【０００３】
しかし、これらの表面改質法は、下記の問題を持っている。
▲１▼浸炭法……９００℃以上の高温での長時間処理のため、熱処理歪みが大きい。
かつ、粒界酸化層や不完全焼入層等の表面異常層が発生するため、疲労強度を低下させる。
▲２▼浸炭＋ショットピーニング法……ショットピーニング法で、▲１▼の欠点の１つである表面異常層の除去や圧縮残留応力の付与で疲労強度低下をカバーできるが、熱処理歪みの問題は解決できない。
▲３▼軟窒化法……熱処理歪みは浸炭より小さいが、疲労限は浸炭以下である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の問題を解決するため、本発明は輪郭高周波焼入れとダブルショットピーニングとを組み合わせた表面硬化改質方法を提案するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の歯車の表面を硬化して前記歯車の機械的強度を向上させる方法は、鋼材製の加工対象歯車の表面を硬化して前記歯車の機械的強度を向上させる方法であって、前記歯車を低周波用コイル内に位置決めし、前記歯車の輪郭に沿って低周波熱を加える輪郭低周波予熱工程と、前記輪郭低周波予熱工程の停止後における熱拡散工程と、前記熱拡散工程に引き続いて前記歯車を高周波用コイル内に位置決めし、前記歯車の輪郭に沿って高周波熱を加えた後、水溶性焼入剤を用いて前記輪郭低周波予熱工程における予熱開始温度と同程度まで急冷する焼入れ処理を行い、前記歯車の表面に表面硬化層を形成する輪郭高周波焼入れ処理工程と、前記輪郭高周波焼入れ処理工程の後に前記予熱開始温度から低温焼戻し処理を行う工程と、前記低温焼戻し処理の完了に引続いて前記歯車の表面硬化層に２段階のショットピーニング加工を施す２段階のショットピーニング処理工程と、を順次工程として実施することを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の歯車の表面硬化改質方法に使用される輪郭高周波焼入れ装置の概要を示す説明図、図２は輪郭高周波焼入れの加熱温度と焼入れの加熱サイクルを示す説明図である。
全体を符号１で示す輪郭高周波焼入れ装置は、焼入れ対象である歯車１０を囲む第１のコイル２０と、第１のコイル２０に低周波を供給する低周波電源３０を有する。
【０００９】
第１のコイル２０の下部には、第２のコイル４０が配設され、第２のコイル４０は高周波電源５０に接続される。
第２のコイル４０の下方には、焼入れタンク６０が配設され、水溶性の焼入剤によりスプレー焼入れが行われる。
【００１０】
ワークである歯車１０は、支持部材７０を介して支持装置８０に支持され、第１のコイル２０と焼入れタンク６０の間を移動する。
第１のコイル２０内に位置決めされた歯車１０は、電源３０から供給される数ＫＨｚ、１，０００ＫＷ級の低周波により、１〜２秒間予熱される。
この予熱後に、約１秒間加熱を停止し、熱拡散を行なう。
【００１１】
次に、歯車１０を第２のコイル４０に挿入し、電源５０から１００〜数百ＫＨｚの高周波を供給し、０．１〜０．３秒間歯車の輪郭に沿って本加熱する。
その後に、歯車１０を焼入れタンク６０内で水溶性焼入剤を用いて、スプレー焼入れを行なう。
焼入れ後に、低温焼戻し処理を行なう。
【００１２】
図２は、この低周波による予加熱から高周波本加熱スプレー焼入れ、低温焼戻しまでの加熱サイクルによる歯車表面の絶対温度と時間経過の関係を示している。
焼入れ処理された歯車１０は、図３に示すように表面に沿って硬化層Ｈ１が形成されている。
【００１３】
次に、この表面に向けてショットピーニング加工を施す。
ショットピーニング加工は、２段階にわけて施される。ショットピーニング加工は、ノズル１００から投射材１１０を空気圧力により歯車及び歯底全体に投射して、表面硬化改質を施す加工である。
【００１４】
本発明にあっては、第１段のショットピーニングは直径が約０．６ｍｍで、歯車と同程度の硬さ（約６０ＨＲＣ程度）を有する鋼球を投射材として使用し、数Ｋｇ／ｃｍ２の空気圧でショットピーニング処理を行なう。
【００１５】
次に、第２段目のショットピーニング処理として、粒径寸法が約０．０８ｍｍの鋼球を投射材として使用し、数Ｋｇ／ｃｍ２の空気圧でショットピーニング処理を施した。
この処理により、歯車１０の歯先１２と歯元１４を含む表面直下に硬化層Ｈ１を形成することができる。
【００１６】
図４は、以上に説明した輪郭高周波焼入れに加えて２段階のショットピーニングを施した歯車と、従来の焼入れ処理を施した歯車の硬化層の残留応力を比較したグラフである。
丸印は、ＪＩＳ機械構造用炭素鋼であるＳ５０Ｃの歯車に、本発明の処理を施したもの、三角印は、Ｓ５０Ｃの歯車に調質と輪郭高周波焼入れを施したもの、四角印は、機械構造用合金鋼であるＳＣｒ４２０Ｈの歯車に焼なまし処理と浸炭焼入れ処理を施したものを示す。
グラフは、横軸に歯車表面からの深さを、たて軸に残留応力をとったもので、本発明の処理によれば、大きな残留圧縮応力を得ることができ、歯車の疲労強度を向上することができる。
【００１７】
図５は、同様の試料による焼入れ硬化層の硬度を比較したグラフである。
横軸に硬化層の表面からの深さを、たて軸にビッカース硬度をとったものである。本発明により硬度の向上を図ることができることが示されている。
特に、歯車の強度上重要な要因である歯車表面から０．１ｍｍ程度の深さまでの硬度が向上し、強度向上の硬化を得ることができる。
次に、本発明の処理を施した歯車の寿命に対する効果向上を説明する。
【００１８】
図６は、歯車の疲労試験装置を示す。
歯車１０を支持シャフト２１０に取り付け、歯山１２を固定部材２３０と可動部材２２０の間に挾む。可動部材２２０は油圧サーボ機構により、くり返し荷重Ｖが加えられる。可動部材２２０の先端には応力検知器２２２が取り付けてある。
【００１９】
図７は、横軸にくり返し荷重Ｖのサイクル回数を、たて軸に応力範囲を示したものである。
本発明の処理を施すことで、歯車の強度と寿命が格段に向上することが判明した。
【００２０】
本発明は以上のように、鋼材製の加工対象歯車の表面を硬化して前記歯車の機械的強度を向上させる方法であって、前記歯車を低周波用コイル内に位置決めし、前記歯車の輪郭に沿って低周波熱を加える輪郭低周波予熱工程と、前記輪郭低周波予熱工程の停止後における熱拡散工程と、前記熱拡散工程に引き続いて前記歯車を高周波用コイル内に位置決めし、前記歯車の輪郭に沿って高周波熱を加えた後、水溶性焼入剤を用いて前記輪郭低周波予熱工程における予熱開始温度と同程度まで急冷する焼入れ処理を行い、前記歯車の表面に表面硬化層を形成する輪郭高周波焼入れ処理工程と、前記輪郭高周波焼入れ処理工程の後に前記予熱開始温度から低温焼戻し処理を行う工程と、前記低温焼戻し処理の完了に引続いて前記歯車の表面硬化層に２段階のショットピーニング加工を施す２段階のショットピーニング処理工程と、を順次工程として実施するものであるため、ショットピーニング加工時に歯車の歯面が欠けるようなことはなくなり、従来技術に比べて、より一層歯車表面の硬度を向上するとともに、表面直下の硬化層に大きな残留圧縮応力を生ずることができるものである。この加工により、歯車の表面硬度を向上して、小型の歯車で大きなトルクを伝達することができ、また、寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に使用する輪郭高周波焼入れ装置の説明図。
【図２】輪郭高周波焼入れの熱サイクルの説明図。
【図３】本発明に使用するショットピーニング加工の説明図。
【図４】本発明と従来の加工を比較する硬化層の深さと残留応力を示す図。
【図５】本発明と従来の加工を比較する硬化層の深さとビッカース硬度を示す図。
【図６】歯車の耐久試験装置の説明図。
【図７】本発明と従来の加工を比較する歯車にかかる応力と寿命を示す図。
【符号の説明】
１  輪郭高周波焼入れ装置
１０  歯車
１２  歯先
１４  歯元
１００  ノズル
１１０  投射材
【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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【図６】
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【図７】
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