(57)【要約】【課題】歯車の歯面を高硬度化させる処理を行った後における歯面のなじみ性を向上させることのできる歯車の表面処理方法を提供する。【解決手段】歯車の表面に硬化層を形成する第１工程（ブロックＢ２）と、その後に硬化層を滑らかにしまたは表面に圧縮残留応力を生じさせる第２工程（ブロックＢ３）とを備えた歯車の表面処理方法において、第２工程後（ブロックＢ３）に、硬化層を形成した歯車の表面を軟化させることにより硬化層上に軟化層を形成する第３工程（ブロックＢ４）を備えることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯車の表面に硬化層を形成する第１工程と、その後に前記硬化層を滑らかにしまたは前記表面に圧縮残留応力を生じさせる第２工程とを備えた前記歯車の表面処理方法において、
前記第２工程後に、前記硬化層を形成した前記歯車の表面を軟化させることにより前記硬化層上に軟化層を形成する第３工程を備える
ことを特徴とする歯車の表面処理方法。
【請求項２】
前記第３工程は、前記表面から前記硬化層の表面粗さにおける最大の粗さに相当する深さまで、もしくは、前記表面から１０μｍ以内の深さまでを軟化させる
ことを特徴とする請求項１に記載の歯車の表面処理方法。
【請求項３】
前記第３工程は、前記表面を焼もどしする工程と、前記表面における炭素の量を相対的に少なくする工程と、エッチングにより前記表面を腐食させる工程と、酸素雰囲気中で前記表面の温度を上昇させて前記表面を酸素によって酸化させる工程とのいずれか１つを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の歯車の表面処理方法。
【請求項４】
前記第２工程は、前記硬化層を形成する場合に前記表面に形成された浸炭異常層や粒界酸化物層を除去して前記表面を滑らかにする歯研処理と、前記表面に圧縮残留応力を生じさせるショットピーニングとのいずれか一方を含む
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の歯車の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、相互に荷重を与えあって接触する歯車の表面処置方法に関し、特に、変速機などに使用される浸炭焼入れなどの表面を高硬度化する処理を行った歯車の表面処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両の変速機などに使用される歯車は、一般的に、所望の形状に加工した歯車の歯面を高硬度化するために、浸炭焼入れや窒化処理および高周波焼入れなどの処理を行った後に、歯面を滑らかにするためのシェービングや研削などを行って製造される。また、上述したシェービングや研削などに替えて、ショットピーニングを行うことによって、浸炭焼入れを行った際に生じる浸炭異常層と称される相対的に軟らかい不完全焼入層を除去し、かつ、歯面に圧縮残留応力を生じさせることも行われている。このような歯車の製造方法の一例が特許文献１ないし３に記載されている。例えば特許文献１には、歯車に浸炭焼入れを行った後に、ショットピーニングを行って歯面に圧縮残留応力を生じさせるように構成された歯車の製造方法が記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、所望の形状に加工した歯車にシェービングや研削を行い、その後に、浸炭焼入れによって歯面を高硬質化させるように構成された歯車の製造方法が記載されている。特許文献２に記載された製造方法によれば、このような順序によって歯車を製造することにより、研削の際に生じる研削痕と称される微細な傷がクラックやピッチングの原因になることを防止もしくは抑制することができる、とされている。また、浸炭焼入れを行った際に生じる浸炭異常層のうち、歯面から１０μｍの深さの範囲までを歯車同士を接触させた場合における潤滑材として機能させることにより、すなわち歯車同士が接触した場合に摩耗させることにより歯面の接触疲労強度を向上させることができる、とされている。
【０００４】
さらに、特許文献３には、浸炭焼入れを行った歯車にショットピーニングを行ってその表面に圧縮残留応力を生じさせるとともに多孔質化し、その後に、相対的に軟らかい金属粒子を使用してショットピーニングを行うことによって上記の表面に上記の金属の被膜を形成するように構成された歯車の製造方法が記載されている。この特許文献３に記載された製造方法によれば、歯車の表面に上記の金属の被膜が形成されるために、互いに噛み合う歯車同士における一方の歯面に対する他方の歯面の密着性（なじみ、あるいはなじみ性と称することがある）を向上させることができることにより歯車の疲労強度を従来になく向上させることができる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１１５７２号公報
【特許文献２】特開平６−９１４４１号公報
【特許文献３】特開平１−９２０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
浸炭焼入れや窒化処理あるいはショットピーニングなどを行った歯車の歯面は高硬度化されることによりその疲労強度が向上するものの、歯面同士の接触による摩耗が生じにくくなるために歯面同士がなじみにくくなる。そのため、特許文献１や特許文献２に記載された歯車を使用して車両用の変速機を構成した場合、いわゆる「ならし」に要する時間が長くなり、特にならしを行っている場合においては歯車間の動力伝達効率が低下して燃費が悪化する可能性がある。また、特許文献３に記載された歯車においては、上記の金属被膜が摩耗することにより歯面のなじみを向上させることができるものの、その金属被膜が摩耗によって削り取られた場合、金属被膜が形成された歯車の表面は多孔質化されているために、その表面粗さによってはなじみが促進されない虞がある。なお、浸炭異常層は、クラックやピッチングなどの疲労破壊の起点となり、疲労強度の低下の一因となることが従来に知られている。
【０００７】
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、歯車の歯面を高硬度化させる処理を行った後における歯面のなじみ性を向上させることのできる歯車の表面処理方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、歯車の表面に硬化層を形成する第１工程と、その後に前記硬化層を滑らかにしまたは前記表面に圧縮残留応力を生じさせる第２工程とを備えた前記歯車の表面処理方法において、前記第２工程後に、前記硬化層を形成した前記歯車の表面を軟化させることにより前記硬化層上に軟化層を形成する第３工程を備えることを特徴とする製造方法である。
【０００９】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第３工程は、前記表面から前記硬化層の表面粗さにおける最大の粗さに相当する深さまで、もしくは、前記表面から１０μｍ以内の深さまでを軟化させることを特徴とする歯車の表面処理方法である。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記第３工程は、前記表面を焼もどしする工程と、前記表面における炭素の量を相対的に少なくする工程と、エッチングにより前記表面を腐食させる工程と、酸素雰囲気中で前記表面の温度を上昇させて前記表面を酸素によって酸化させる工程とのいずれか１つを含むことを特徴とする歯車の表面処理方法である。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記第２工程は、前記硬化層を形成する場合に前記表面に形成された浸炭異常層や粒界酸化物層を除去して前記表面を滑らかにする歯研処理と、前記表面に圧縮残留応力を生じさせるショットピーニングとのいずれか一方を含むことを特徴とする歯車の表面処理方法である。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明によれば、互いに荷重を与えあって接触する歯車の表面に軟化層が形成されるため、軟化層が速やかに摩耗することにより、また、各軟化層に微視的な塑性変形が速やかに生じるなどのことによって各歯面における表面粗さを減少させかつ歯面同士の密着性を向上させることができる。いわゆるなじみを促進して歯車の疲労強度を向上させることができる。これに加えて、歯車同士のなじみが促進されない場合に比較して、歯車間の動力伝達効率を向上させかつこれらの間の発熱を回避することができる。また、歯面を高硬度化した後にその歯面を滑らかにするように構成されているため、例えば浸炭異常層と称され、ピッチングの起点となり得る不完全焼入層を取り除くことができる。その結果、この発明によれば、上述したように構成される歯車を使用した車両の燃費を向上させることも可能になる。
【００１３】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、軟化層は歯面から歯面の最大粗さに相当する深さまで、もしくは、歯面から１３μｍの深さにまで形成されているため、上述したなじみのために消費される軟化層を必要十分に確保することができる。また、浸炭異常層が歯面から１３μｍよりも深い範囲までに形成されている場合と比較して、歯車の回転曲げ疲労に対する強度を確保することができる。
【００１４】
請求項３の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果のに加えて、いずれの方法によっても硬化層における表面の軟化を効果的に行うことができる。
【００１５】
請求項４の発明によれば、請求項１ないし３のいずれかの発明による効果と同様の効果のに加えて、浸炭異常層や粒界酸化物層を除去して表面を滑らかにすることができるとともに、歯車の表面に圧縮残留応力を生じさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明に係る歯車の製造工程の一例を示すブロック図である。
【図２】軟化処理を行う前におけるギヤブランク表面の最大表面粗さが１０μｍ以下の場合を模式的に示す図である。
【図３】軟化処理を行う前におけるギヤブランク表面の最大表面粗さが１０μｍ以上の場合を模式的に示す図である。
【図４】軟化処理を行う前におけるギヤブランク表面の最大表面粗さが１０μｍ以下であり、かつ、ギヤブランクの表面における最も凹んだ部分からの最大表面粗さに相当する深さが、最大凸部の頂部から１０μｍまでの深さを超える場合を模式的に示す図である。
【図５】歯車の使用初期における歯面の最大粗さが相対的に小さい場合における歯面の最大粗さと、なじみ処理を行った後における歯面の最大粗さとの関係を模式的に示す図である。
【図６】歯車の使用初期における歯面の最大粗さが相対的に大きい場合における歯面の最大粗さと、なじみ処理を行った後における歯面の最大粗さとの関係を模式的に示す図である。
【図７】軟化層を除去せずに表面硬度をＨｖ５５０以下とした実施例である歯車における動力伝達効率の測定結果を示す図である。
【図８】軟化層を除去して表面硬度をＨｖ７００以上とした比較例である歯車における動力伝達効率の測定結果を示す図である。
【図９】実施例における歯面からのビッカース硬度の測定結果を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
この発明は、荷重を受けて接触する部材の表面処理に関するものであり、その部材の典型的な例は、歯車や軸受、および、スプラグなどの転動体を介してトルクを伝達する一方向クラッチなどである。これらの部材において、相互に荷重を与えあって接触する接触部は限られた領域である。この発明では少なくとも上記の限られた領域である接触部の表面に以下に説明する表面処理を行うように構成されていればよい。
【００１８】
図１は、この発明における歯車の製造工程の一例を示すブロック図であって、先ず、ギアブランクと称される歯車素材を用意し、これを例えば旋盤やフライス盤あるいはホブ盤などによって所望の歯車形状に切削するいわゆる歯切り加工を行う（ブロックＢ１）。上述したギヤブランクは一例として鋼や鋳鉄などの金属によって構成されている。次いで、上述したように歯切り加工を施したギヤブランクの表面を高硬度化させて耐摩耗性や耐疲労強度を向上させる表面硬化処理を行う（ブロックＢ２）。その処理は例えば、鋼の表面に炭素を浸入させることにより表面を高硬度化させる浸炭焼入れ処理や、炭素に替えて窒素を鋼の表面に浸入させる窒化処理、あるいはこれらの処理を同時にあるいは連続的に行なうように構成された浸炭浸窒処理などの従来知られている処理である。なお、これらの処理に替えて、高周波焼入れや火炎焼入れ処理あるいは硼化処理などを行ってもよい。このブロックＢ２では、要は歯切り加工を行ったギヤブランクの機械的な性質を向上させるように構成されていればよい。
【００１９】
ブロックＢ２における表面硬化処理を行った場合、ギヤブランクの表面に、不可避的に硅素（Ｓｉ）やマンガン（Ｍｎ）およびクロム（Ｃｒ）などの酸化物（粒界酸化物と称されることがある）が形成され、あるいはそれらの粒界酸化物の層が形成され、その周囲に不完全焼入層と称されるパーライトやベイナイトなどの拡散型の変態生成物が生じる。この不完全焼入層は、浸炭焼入れを行った場合には浸炭異常層と称されることがある。このような不完全焼入層が歯車の歯面にある程度存在する場合、不完全焼入層が歯車の疲労強度を低下させる原因となったり、クラックやピッチングの起点となることが知られている。そのため、この発明ではブロックＢ２での処理に続けて、研削や研磨などの歯研処理をはじめとする焼入後加工によりギヤブランクの表面から粒界酸化物層や不完全焼入層を除去する加工や、歯車の疲労強度を高める目的でギヤブランクの表面に圧縮応力を残留させるショットピーニングを行う（ブロックＢ３）。これらのブロックＢ３での加工により、ブロックＢ２の加工により形成された浸炭異常層や粒界酸化層が除去される。なお、浸炭異常層や粒界酸化層は硬化層よりも軟らかいため、なじみ性は良好であり、浸炭異常層や粒界酸化層が除去されることによりなじみ性は悪化する。上記の歯研処理は、例えば上記の歯車、すなわちギヤブランクとシェービングカッターとを噛み合わせることにより歯面を滑らかにするシェービングや、砥石によって歯面を研削するホーニング処理などの従来知られている処理である。また、ショットピーニングは、ショットと称される微細な鋼片を対象物、この発明では歯研処理を行ったギヤブランクに多量に投射することにより歯面に圧縮残留応力を生じさせる従来知られている処理である。
【００２０】
次いで、上記のように形成したギヤブランクの歯面における硬化層のうち、歯面から予め定めた厚みあるいは深さまでを軟化させる処理を行う（ブロックＢ４）。この軟化処理は、電子ビーム加工と称される従来知られている処理であってよい。具体的には、電子ビーム加工はギヤブランクの表面に加速した電子の束、すなわち電子ビームを照射することにより例えばギヤブランクの表面から１０μｍの範囲における温度を、いわゆる焼もどしを行う場合に設定する温度まで昇温させることにより前記表面を軟化させる処理である。上述したギヤブランクの表面から１０μｍの深さにおける温度を焼もどしが開始される約２００℃になるように、上述した電子ビームのエネルギー密度および照射時間などを調整すれば、上述した範囲を軟化することができる。なお、電子ビームを照射することによりギヤブランクの表面の温度が、１０μｍにおける温度よりも高くなることは明らかであるが、その表面の温度をいわゆる焼入れ温度である概ね７００℃以下となるようにする。また、電子ビーム加工に替えて、レーザー焼入れ加工を行ってもよい。すなわち、ギヤブランクの表面から１０μｍの深さにおける温度が約２００℃でかつ前記表面の温度が約７００℃以下となるように、ギヤブランクの表面に照射するレーザーの種類や、エネルギー密度および焦点ならびに照射時間そしてパルスなどを調整すればよい。すなわち、この軟化処理は、上述したようにして高硬度化させた表面を再度加熱して表面の硬度を低下させるとともにじん性を回復させる焼もどしなどの従来知られている処理であってよく、さらに、例えば鋼の表面から炭素を除くことにより軟化させる脱炭と称される処理であってもよい。上述したような熱処理によってギヤブランクの表面を軟化させる場合は、例えば上記のようにギヤブランクの表面から１０μｍにおける温度が約２００℃でかつ前記表面の温度が約７００℃以下となるようにすればよい。またこれらの処理に替えて、ギヤブランクを形成している鋼や鋳鉄に対して腐食性を有する溶液、すなわちエッチング液によって表面を腐食させることにより軟化させるエッチング処理や、上述したギヤブランクを酸素雰囲気中で高温に曝すことによって表面に積極的に粒界酸化物を形成させる処理であってもよい。すなわちこのような化学的な処理によってギヤブランクの表面を軟化させる場合は、ギヤブランクの表面から１０μｍまでの範囲が腐食あるいは酸化されるように、上述したエッチング液の種類やエッチング液の濃度および酸素濃度ならびに暴露時間や温度などを調整すればよい。このブロックＢ４での処理は、要は、硬化層における歯面から予め定めた厚みや深さまでを軟化させるように構成されていればよい。また、予め定めた深さとは、後述するように、一例として歯面からその表面粗さにおける最大の粗さに相当する深さまで、あるいは、上述した歯面から１０μｍの深さまでの範囲である。
【００２１】
そして、歯車同士を噛み合わせて上述した軟化層を摩耗させることにより、各歯面を滑らかにするとともに、歯面同士の密着性を向上させるなじみ処理を行う（ブロックＢ５）。このブロックＢ５でのなじみ処理は、要は、ならしと称される従来知られている処理である。なお、このなじみ処理は省略することができる。
【００２２】
ここで、上述した軟化層の厚みあるいは深さと、歯車の疲労強度との関係について簡単に説明すると、詳細は図示しないが、軟化層が歯車表面から１３μｍを超えて歯車の内部にまで形成された場合の歯車の疲労強度は、上記の軟化層が歯車表面から１３μｍ未満までの深さに形成された場合の疲労強度に比較して小さいことが従来一般的に知られている。そのため、上記の軟化層は歯車表面から１３μｍを超えない範囲とすることが好ましく、軟化層を有していたとしても十分な疲労強度を確保するためには歯面から１０μｍの深さまでとすることがより好ましい。なお、上記の疲労試験は例えば、対象物に予め定めた曲げモーメントを作用させかつその対象物を回転させることにより、その対象物が破断するまで繰り返し応力を負荷するいわゆる回転曲げ疲労試験である。また、軟化層は、一例として歯車に浸炭焼入れを行った場合においては、歯車の表面に不可避的に形成される浸炭異常層と称される軟化層である。
【００２３】
上述した軟化層を形成する厚みあるいは深さについて簡単に説明する。図２に、上述したブロックＢ４での軟化処理を行う前におけるギヤブランクの表面粗さのおける最大の粗さＲが１０μｍ以下の場合を模式的に示してある。この図２に示すように、ギヤブランクの最大表面粗さＲが１０μｍ以下の場合においては、少なくともギヤブランクの表面におけるいずれの箇所からも最大表面粗さＲに相当する深さまでが軟化されるようになっていればよい。図２にはクロスハッチングを付した領域として示してある。また、最大表面粗さＲが１０μｍ以上の場合においては、図３に示すように、少なくともギヤブランクの表面における最も凸となっている部分（以下、最大凸部と記す場合がある。）の頂部から１０μｍまでの深さに相当する範囲が軟化されるようになっていればよい。図３にはクロスハッチングを付した領域として示してある。さらに、最大表面粗さＲが１０μｍ以下であり、かつ、ギヤブランクの表面における最も凹んだ部分からの最大表面粗さＲに相当する深さが、前記最大凸部の頂部から１０μｍの深さを超える場合においては、図４に示すように、少なくとも最大凸部の頂部から１０μｍまでの深さに相当する範囲が軟化されるようになっていればよい。図４にはクロスハッチングを付した領域として示してある。
【００２４】
一方、図５に、歯車の使用初期における歯面の表面粗さが相対的に小さい場合におけるその歯面の粗さと、なじみ処理を行った後における歯面の表面粗さとの関係を模式的に示してあり、図６に、歯車の使用初期における歯面の表面粗さが相対的に大きい場合におけるその歯面の表面粗さと、なじみ処理を行った後における歯面の表面粗さとの関係を模式的に示してある。なお、図５および図６における縦軸は歯車の表面粗さを示し、横軸は一例として歯幅、すなわち表面粗さを測定した歯幅方向の長さを示している。図５および図６に示したように、なじみ処理を行うと、粗さ曲線の平均線に対して例えば図５および図６での上側に凸となっている部分が摩耗することにより、なじみ処理後の歯面の表面粗さは、使用初期に比較して滑らかになっていることが認められる。また、なじみ処理により摩耗する歯面の厚みあるいは深さは、図５および図６に示したように、歯車の使用初期における歯面の粗さ曲線の平均線に対して平行でかつ図５および図６での上側に最も凸となっている部分の頂部を通る線分と、図５および図６での下側に最も凸となっている部分の頂部、すなわち谷底を通る線分との間隔である最大粗さ以下となっている。これは、摩耗が進行することに伴って各歯面の間に油膜が形成され、各歯車はその油膜を介して相互に荷重を受けるようになるためと考えられる。これに加えて、各歯面における微細な凹凸が塑性変形するような接触状態が次第に減少し、一方で、前記凹凸が弾性変形するような接触状態が次第に増大するためであると考えられる。すなわち、歯車同士が主として油膜と、歯面における弾性変形とによって相互に荷重を受けるような接触状態となることにより、摩耗が進行しにくくなり、その結果、なじみが終了する、と言うことができる。
【００２５】
次に、表面硬度の異なる歯車毎に、動力伝達効率を測定した結果を示す。図７に、軟化層を除去せずに表面硬度をＨｖ５５０以下とした実施例である歯車における動力伝達効率の測定結果を示してあり、図８に、軟化層を除去して表面硬度をＨｖ７００以上とした比較例である歯車における動力伝達効率の測定結果を示してある。図７および図８に示すように、なじみが進行することにともなって動力伝達効率が向上することが認められた。また軟化層を有していることにより表面硬度が低い歯車においては、なじみによる動力伝達効率の伸びしろ、すなわちなじみ前と後とにおける動力伝達効率の差が大きいことが認められた。これらの結果は歯面の硬度を低下させることによりいわゆるなじみ性が向上することを示すと共に表面の硬度が高くなると、なじみ性が低下することを示している。
【００２６】
また実施例における歯面からのビッカース硬度の測定結果を模式的に図９に示してある。図９に示すように、ブロックＢ３までの加工を終了した状態では、歯面から数十μｍの範囲においては、表面からの深さに拘わらず、ビッカース硬度はほぼ一定となっている。一方で、この実施例では、表面から１０μｍよりも表面に近い側におけるビッカース硬度は、表面から１０μｍよりも深い部分におけるビッカース硬度よりも小さく、すなわち表面近傍が軟化されていることが認められる。
【００２７】
以上のように、この発明に係る歯車の表面処理方法によれば、浸炭焼入れによって不可避的に生じる浸炭異常層を除去することによりその歯面が高硬度化されたとしても、その硬化層の表面を軟化させ、その軟化させた表面をなじみ処理に使用するため、従来の歯面強度を維持しながら、歯車のなじみ性を向上させることができる。歯車同士のなじみが向上することによりこれらの間の動力伝達効率を向上させることができる。これらに加えて、歯車表面に軟化層を形成するために、なじみに要する時間を短縮することができる。それらの結果、このような構成の歯車を有する変速機を搭載した車両の燃費の向上を図ることができる。
【００２８】
ここで、上述した例とこの発明との関係を簡単に説明すると、ブロックＢ２での処理が、この発明における第１工程に相当し、ブロックＢ３での処理が、この発明における第２工程に相当し、ブロックＢ４での処理が、この発明における第３工程に相当する。
【符号の説明】
【００２９】
ブロックＢ２…第１工程、  ブロックＢ３…第２工程、  ブロックＢ４…第３工程。
【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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【図８】
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【図９】
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