(57)【要約】【課題】歯面の強度向上効果を得ることができる歯車製造方法及び歯車を提供する。【解決手段】本発明に係る歯車製造方法では、歯車の成形を行う歯車成形工程と、歯車の歯面に対して表面改質処理を施す表面改質処理工程と、を含み、表面改質処理工程において、歯面の最表面の圧縮残留応力の大きさが８００ＭＰａ以上、歯面の最大高さ粗さＲｚが４μｍ以下、及び歯面の突出山部高さＲｐｋが０．４０μｍ以上となるように表面改質処理を施す。この歯車製造方法によれば、運転初期に適度に摩耗しつつ、なじみ摩耗の過程で表面に微少き裂が発生しないなじみ性の良い歯面の歯車を製造することができるので、従来と比べて十分高い歯面強度向上の効果を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯車の成形を行う歯車成形工程と、
前記歯車の歯面に対して表面改質処理を施す表面改質処理工程と、
を含み、
前記表面改質処理工程において、前記歯面の最表面の圧縮残留応力の大きさが８００ＭＰａ以上、前記歯面の最大高さ粗さＲｚが４μｍ以下、及び前記歯面の突出山部高さＲｐｋが０．４０μｍ以上となるように表面改質処理を施す、歯車製造方法。
【請求項２】
前記表面改質処理工程において、ショットピーニングによる表面改質処理を施す、請求項１に記載の歯車製造方法。
【請求項３】
歯面の最表面の圧縮残留応力の大きさが８００ＭＰａ以上、前記歯面の最大高さ粗さＲｚが４μｍ以下、及び前記歯面の突出山部高さＲｐｋが０．４０μｍ以上である、歯車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯車製造方法及び歯車に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、歯車の強度については、材料、熱処理、及び表面改質の寄与が大きい。そのため、大きな動力を伝える歯車では、合金鋼などを用いて浸炭焼入れや高周波焼入れなどの表面硬化処理を施し、これに加えて種々の表面改質が採用されることが多い。歯面の表面改質としては、ショットピーニングが広く普及している（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
ショットピーニングは、歯車強度を経済的に向上させる表面改質法として実用化されており、近年では、硬度の高いショット粒をエアノズル式ショットピーニングマシンなどを用いて投射させるハードショットピーニングや、微細な粒子（例えば直径２０〜３００μｍの粒子）を投射する微粒子ピーニングなどが用いられるようになってきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１２１６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ショットピーニングその他の表面改質を施す際は、目標とする効果が得られるように処理条件を選定しなければならない。例えば、ショットピーニングの効果は、ショット粒の大きさ及び硬度、投射速度、投射時間などの条件で変化するため，目的に応じた処理条件の選定が重要である。
【０００６】
具体的な選定方法としては、処理後の歯面性状、すなわち硬度、残留応力及び粗さなどの測定結果から歯面強度向上が得られるかを推定する方法が一般的である。最終的には、その条件で処理した歯車を用いて耐久試験を行うことで効果を確認する。歯面性状から歯面強度向上の効果を推定する際は、高い圧縮残留応力が付与され、歯面粗さが低いことが一般に用いられている判断基準である。しかしながら、歯面に高い圧縮残留応力が付与され、歯面粗さが低いにも関わらず、その条件で実際に歯車に処理を施しても、期待した歯面強度向上の効果を得られないことがあった。
【０００７】
そこで、本発明は、歯面強度向上の効果を得ることができる歯車製造方法及び歯車を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者による研究の結果、歯面強度には歯面のなじみ性が大きな影響を及ぼすことが見出された。なじみとは、機械加工後の未使用の歯面が運転開始初期にすべり転がり接触をすることで、お互いの表面粗さ突起が摩耗あるいは押し潰されて平滑になる現象をいう。歯面のなじみ性、すなわち歯面のなじみ易さが歯車の歯面強度に及ぼす寄与は大きく、歯面強度を向上させる上で重要な因子であることが発見された。
【０００９】
本発明に係る歯車製造方法は、歯車の成形を行う歯車成形工程と、歯車の歯面に対して表面改質処理を施す表面改質処理工程と、を含み、表面改質処理工程において、歯面の最表面の圧縮残留応力の大きさが８００ＭＰａ以上、歯面の最大高さ粗さＲｚが４μｍ以下、及び歯面の突出山部高さＲｐｋが０．４０μｍ以上となるように表面改質処理を施すことを特徴とする。
なお、本発明における歯面粗さの測定では、歯車の歯形方向を測定方向として得られた表面形状の曲線からカットオフ波長０．２５ｍｍのガウシアンフィルタを用いて粗さ曲線を抽出し、傾斜補正として最小二乗曲線補正を適用することで、歯面の最大高さ粗さＲｚ及び歯面の突出山部高さＲｐｋの値を求めている。
【００１０】
本発明に係る歯車製造方法は、トランスミッション歯車に代表される動力伝達用歯車の歯面の粗さと残留応力を最適化することで，歯面のなじみ性を向上させ，ピッチングやスポーリングと呼ばれる歯面がはく離する損傷に対する強度(以下、この損傷に対する強度を歯面強度と称す)を向上させるものである。
【００１１】
この歯車製造方法では、運転初期に適度に摩耗する歯面であり、かつ、なじみ摩耗の過程で表面に微少き裂を発生させない（若しくは微小き裂が発生しても進展させない）歯面がなじみ性の良い歯面であることに着目して、歯面の最大高さ粗さＲｚを４μｍ以下、突出山部高さＲｐｋを０．４０μｍ以上とすることにより、運転初期に適度に歯面が摩耗する歯車を製造することができる。また、歯面の最表面の圧縮残留応力の大きさが８００ＭＰａ以上とすることで、なじみ摩耗の過程で歯面に微少き裂を発生させない若しくは微小き裂が発生しても進展させない歯面を得ることができる。従って、この歯車製造方法によれば、なじみ性の良い歯面の歯車を製造することができるので、従来と比べて高く、より確実な歯面強度向上の効果を得ることができる。
【００１２】
本発明に係る歯車製造方法では、表面改質処理工程において、ショットピーニングによる表面改質処理を施してもよい。この場合、上述した条件を満たす歯面へ改質するようにショットピーニングの処理条件を選定することで、歯面強度向上の効果を有する歯車を効率良く製造することができる。
【００１３】
本発明に係る歯車は、歯面の最表面の圧縮残留応力の大きさが８００ＭＰａ以上、歯面の最大高さ粗さＲｚが４μｍ以下、及び歯面の突出山部高さＲｐｋが０．４０μｍ以上であることを特徴とする。
この歯車は、運転初期に適度に摩耗しつつ、なじみ摩耗の過程で表面に微少き裂が発生しない（若しくは微小き裂が発生しても進展させない）なじみ性の良い歯面を有するので、従来と比べて高く、より確実な歯面強度向上の効果が得られる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、歯面強度向上の効果を得ることができる歯車製造方法及び歯車を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】歯面の表面改質の種類と歯面強度比の関係を示すグラフである。
【図２】歯面強度比と粗さパラメータとの関係を示すグラフである。
【図３】歯面強度比となじみ運転前後の歯面粗さ変化率との関係を示すグラフである。
【図４】粗さパラメータとなじみ運転前後の歯面粗さ変化率との関係を示すグラフである。
【図５】歯面強度比と歯面の最大粗さ高さとの関係を示すグラフである。
【図６】歯面強度比と歯面の最表面の圧縮残留応力の値とを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
本実施形態に係る歯車としては、車両のトランスミッションを構成する合金鋼製（例えばＳＣＭ４２０Ｈ）のはすば歯車が例として挙げられる。但し、本発明に係る歯車の種類は特に限定されるものではなく、平歯車、内歯車、ラック、すぐばかさ歯車、曲がり歯かさ歯車、ねじ歯車、ウォームギヤ、ハイポイドギヤ等の何れであっても良い。また、歯車の使用目的も車両用のものに限られない。
【００１８】
このような歯車の製造方法では、まず、歯切り加工により合金鋼材から歯車を成形する歯車成形工程が行われる。なお、歯車の成形は、歯切り加工によるものに限られず、転造や鋳造その他の方法で成形してもよい。その後、歯車にガス浸炭焼入れを施して歯面を研磨し、歯面の強度向上のための表面改質処理工程を行う。
【００１９】
表面改質処理の種類としては、歯面に粒子（主に、小径の鋼球）を高速度で衝突させるショットピーニング、歯面にＭｏＳ２（二酸化モリブデン）などを塗布するコーティング、バレル研磨などの研磨処理などが挙げられる。
【００２０】
また、ショットピーニングの種類としては、通常のショットピーニングに比べて微細な粒子を投射する微粒子ピーニングや通常のショットピーニングに比べて硬度の高い粒子を投射するハードショットピーニング、ハードショットピーニングの後に微粒子ピーニングを行う二段ピーニングなどがある。
【００２１】
以下、図１〜図６を参照して歯面強度向上の効果が得られる表面改質処理の条件について説明する。
【００２２】
図１は、歯面の表面改質の種類と歯面強度比の関係を示すグラフである。図１に示す表面改質の種類と記号の関係を表１に示す。また、表１に示すショットピーニング及び微粒子ピーニングの処理条件の詳細を表２に示す。なお、表１及び表２に示すＦＰＢｄでは、二段微粒子ピーニングの表面改質を行った。表２に示すＦＰＢｄの上下二段の欄において、上段の欄は一度目の微粒子ピーニングの条件を示し、下段の欄は二度目の微粒子ピーニングの条件を示している。
【表１】
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【表２】
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【００２３】
図１では、表面改質処理を行っていないＳｔｄを基準として、各表面改質の種類の歯車強度比の相対評価を行った。ショットピーニングを施されたＳＨＰａ〜ＳＨＰｃでは、ＳＨＰａのみがＳｔｄを上回り、ＳＨＰｂ，ＳＨＰｃはＳｔｄを下回る結果となった。また、微粒子ピーニングを施されたＦＰＢａ〜ＦＰＢｄ（ＦＰＢｄは二段微粒子ピーリング）は、全てＳｔｄを上回った。また、ＭｏＳ２コーティングを施されたＭｏＳ２もＳｔｄを上回った。一方、バレル研磨を施したＢａｒｒｅｌは、Ｓｔｄを下回った。このように、表面改質の種類や条件は、歯面強度に大きな影響を与える。
【００２４】
歯面強度の測定は、例えば供試歯車に一定のトルクを負荷して歯面にはく離損傷(ピッチング，スポーリング)が起きるまで耐久運転を行い、強度限界に至るまでの総歯車回転数を求めることで行うことができる。なお、強度限界は、耐久運転中，一定時間毎に歯面の観察を行うことで判定可能である。すなわち、歯面に発生したはく離部の面積を求め、これが一定の値を超えた場合に強度限界と判定することができる。
【００２５】
この試験を数種類（例えば４〜６通り）の負荷トルクに対して行い、得られた結果をＳ−Ｎ線図(応力−繰返し数線図)にプロットして、対象としている条件の表面改質処理を施した供試歯車の歯面強度を求めることができる。処理条件が異なる供試歯車の歯面強度も同様の手順で求め、Ｓ−Ｎ線図上での差異を強度差として評価した。
【００２６】
図２は、歯面強度比となじみ運転前後の歯面粗さ変化率ξとの関係を示すグラフである。なじみ運転前後の歯面粗さ変化率ξとは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１，２００１に規定された歯面の最大粗さ高さＲｚについて、なじみ運転後のＲｚをなじみ運転前のＲｚで除したものである。歯面粗さ変化率ξは、歯面のなじみ性、すなわち歯面のなじみ易さを定量的に表わす指標の一つであり、ξの値が小さいほどなじみ性が良い。
【００２７】
図２に示されるように、歯面粗さ変化率ξと歯面強度比との間には、良い相関関係があり、歯面粗さ変化率ξが小さく歯面のなじみ性が良いほど歯面強度が高いことが分かる。なじみ性が良いと歯面強度が向上するのは、噛み合う歯面で摺り合わせが行われ、その結果、真実接触面積が大きくなり、局所的な接触圧力が低減することと、歯面における潤滑油膜の形成が良好になることの効果によるものと考えられる。
【００２８】
ここで、留意すべき点は、同じ種類の表面改質でも、処理条件によって歯面のなじみ性が良くなる場合と悪くなる場合とが有り、後者では歯面強度は向上しないことである。従来は、歯面強度を向上させるには、歯面に付与された圧縮残留応力の値（絶対値）が高く、歯面粗さは低いことが望ましいとの認識であったが、本発明者の研究によれば、従来の判断基準に従って表面改質処理を行っても歯面のなじみ性が良くならない場合があるため、必ずしも歯面強度が向上しないことを見出した。
【００２９】
ここで、なじみ性の良い歯面とは、歯面が運転初期に適度に摩耗するという第１の条件、及び、なじみ摩耗の過程で歯面に微小き裂を発生させない（若しくは微小き裂が発生してもき裂を進展させない）という第２の条件を満足する歯面である。歯面のなじみ性を向上させて歯面強度を高めるためには、両方の条件を満たすことが望ましい。第１の条件のみでは、歯面強度を向上できない場合がある。これは、なじみ摩耗の過程で歯面に微小き裂が発生し、き裂が進展すると、歯面の剥離損傷に至るからである。第１の条件に影響する要素は歯面性状や歯面の粗さであり、第２の条件に影響する要素は歯面の最表面の圧縮残留応力であると考えられる。
【００３０】
図３は、なじみ運転前後の歯面粗さ変化率ξ、すなわち歯面のなじみ性と、運転前の歯面の粗さパラメータＲｐｋとの関係を示すグラフである。粗さパラメータRpkは、線形負荷曲線による高さ特性、すなわち粗さの形状の特徴を示すものの一つである。粗さパラメータＲｐｋは、突出山部高さ（JIS  B0671-2  2002）と呼ばれ、JIS  B0671-2  2002に規定された粗さ曲線のコア部の上にある突出山部の平均高さを示す値である。
【００３１】
図３に示されるように、歯面粗さ変化率ξと粗さパラメータＲｐｋとは良い相関関係を有している。図３のグラフに示す範囲では、粗さパラメータＲｐｋが高いほど、歯面粗さ変化率ξすなわち歯面のなじみ性が良くなっている。なお、歯面粗さの測定では、歯車の歯形方向を測定方向として、表面粗さ形状測定機（サーコム１４００Ａ  東京精密株式会社製）を用いて得られた表面形状の曲線からカットオフ波長０．２５ｍｍのガウシアンフィルタを用いて粗さ曲線を抽出し、傾斜補正として最小二乗曲線補正を適用した。
【００３２】
図４は、粗さパラメータＲｐｋと歯面強度比との関係を示すグラフである。図４に示されるように、歯面強度向上の効果は、粗さパラメータＲｐｋが０．４０μｍ以上の場合に得られることが分かる。なお、粗さパラメータＲｐｋが０．５０μｍ以上であることがより好ましく、０．６０μｍ以上であることが更に好ましい。
【００３３】
前述したように、歯面強度向上の効果を得るためには歯面粗さが低ければ良いという従来の判断基準には問題があるが、歯面粗さが過度に大きいと歯面強度が低くなることは従来から知られている。図５は、歯面強度比と歯面の最大高さ粗さＲｚ（JIS  B601  2001）との関係を示すグラフである。なお、歯面の最大高さ粗さＲｚは、粗さパラメータＲｐｋと同じ方法で測定した。
【００３４】
図５に示されるように、歯面強度比は、最大高さ粗さＲｚが４．００μｍを超えると低下する傾向が認められる。このため、最大高さ粗さＲｚは４．００μｍ以下であることが好ましく、３．５０μｍ以下であることがより好ましい。
【００３５】
図６は、歯面の最表面の圧縮残留応力σＲの大きさ（絶対値）と歯面強度比との関係を示したグラフである。圧縮残留応力σＲは、例えばＸ線回折法により測定可能であり、電解研磨などを施すことなく歯面の最表面にＸ線を当てることで測定される。図６に示されるように、歯面の最表面に付与された圧縮残留応力σＲが高いほど、歯面強度が高い傾向が認められる。この結果から、歯面強度向上の効果は、歯面の最表面の圧縮残留応力σＲの大きさが８００ＭＰａ以上である場合に得られることが分かる。なお、圧縮残留応力σＲＲの大きさが１０００ＭＰａ以上であることがより好ましく、１２００ＭＰａ以上であることが更に好ましい。
【００３６】
以上説明した結果を踏まえ、本実施形態に係る歯車製造方法では、表面改質処理工程において、歯面の最表面の圧縮残留応力の大きさが８００ＭＰａ以上、歯面の最大高さ粗さＲｚが４．００μｍ以下、及び歯面の粗さパラメータ（突出山部高さ）Ｒｐｋが０．４０μｍ以上となるように表面改質処理を施す。
【００３７】
本実施形態に係る歯車製造方法では、運転初期に適度に摩耗する歯面であり、かつ、なじみ摩耗の過程で表面に微少き裂を発生させない（若しくは微小き裂が発生しても進展させない）歯面がなじみ性の良い歯面であることに着目して、歯面の最大高さ粗さＲｚを４μｍ以下、突出山部高さＲｐｋを０．４０μｍ以上とすることにより、運転初期に適度に歯面が摩耗する歯車を製造することができる。また、歯面の最表面の圧縮残留応力の大きさが８００ＭＰａ以上とすることで、なじみ摩耗の過程で歯面に微少き裂を発生させない若しくは微小き裂が発生しても進展させない歯面を得ることができる。従って、この歯車製造方法によれば、なじみ性の良い歯面の歯車を製造することができるので、従来と比べて高く、より確実な歯面強度向上の効果を得ることができる。
【００３８】
また、図１〜図６に示されるように、今回の処理条件においては微粒子ピーニングによる表面改質処理を施したＦＰＢａ〜ＦＰＢｄにおいて、上述した歯面強度向上の効果が得られた。このように、表面改質処理としてショットピーニングを採用し、上述した条件を満たす歯面へ改質するようにショットピーニングの処理条件を選定することで、歯面強度が向上された歯車を効率良く製造することができる。
【００３９】
そして、この歯車製造方法により製造された歯車は、運転初期に適度に摩耗しつつ、なじみ摩耗の過程で表面に微少き裂が発生しないなじみ性の良い歯面を有するので、従来と比べて高く、より確実な歯面強度向上の効果が得ることができる。
【００４０】
また、この歯車製造方法により製造された歯車の歯面には、微小な鱗片状のささくれがランダムな方向に形成されている。これらの鱗片状のささくれは、ショットピーニングにより設けられ、約数μｍ〜約１００μｍピッチのうねりがランダムに重層したテクスチャから形成されている。このような鱗片状のささくれを歯面が備えることにより、ささくれで他方の歯車の歯面の突起を削ぐことで歯面を平滑にしてなじみ性を向上させ、結果的に、剥離損傷を抑制するように歯面の強度を向上させることができる。
【００４１】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。表面改質処理は、単なるショットピーニングや微粒子ピーニングに限られず、例えば通常より硬度の高いショット材を投射するハードショットピーニングを用いてもよい。ハードショットピーニングにより歯車の歯元に高い圧縮残留応力を付与することで、歯元の折損強度を向上させることができる。
【００４２】
但し、ハードショットピーニングでは、歯面の最表面に付与される圧縮残留応力がやや低くなると共に歯面の最大高さ粗さＲｚが高くなるため、歯面の最表面の圧縮残留応力の大きさが８００ＭＰａ以上、歯面の最大高さ粗さＲｚが４μｍ以下、歯面の突出山部高さＲｐｋが０．４０μｍ以上の条件を満たさないことも考えられる。そこで、ハードショットピーニングの後に微粒子ピーニングを行う２段ピーニングを行うことで、歯元の折損強度を向上させつつ、上記条件を満たして歯面強度を十分に向上させることができる。
【００４３】
また、表面改質処理は、必ずしもショットピーニングである必要はなく、上記条件を満たように歯面を改質できる処理であればよい。
【実施例】
【００４４】
次に、本発明に係る実施例について説明する。実施例１，２及び比較例１，２に対する微粒子ピーニングの条件を表３に示す。
【表３】
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【００４５】
（実施例１）
合金材（ＳＣＭ４２０Ｈ）から歯車を成形した後、歯車の歯面に対して微粒子ピーニングによる表面改質処理を施した。微粒子ピーニングの条件は、アークハイトが０．２４ｍｍＮ、カバレージが２００％、投射圧力が０．４ＭＰａ、ショット材の粒径が８０μｍ、ショット材の硬度は７００〜８５０Ｈｖとした。
【００４６】
（実施例２）
微粒子ピーニングの条件について、アークハイトを０．４１ｍｍＮ、投射圧力を０．６ＭＰａ、ショット材の粒径を１３０μｍとした以外は実施例１と同様にした。
【００４７】
（比較例１）
微粒子ピーニングの条件について、アークハイトを０．１９ｍｍＮ、カバレージを３００％、投射圧力を０．３ＭＰａ、ショット材の粒径を５０μｍとした以外は実施例１と同様にした。
【００４８】
（比較例２）
微粒子ピーニングの条件について、アークハイトを０．２２ｍｍＮ、投射圧力を０．５ＭＰａとした以外は比較例１と同様にした。
【００４９】
以上説明した実施例１，２及び比較例１，２の歯面性状の測定結果を表４に示す。
【表４】
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【００５０】
表４に示されるように、実施例１，２は、歯面の最表面の圧縮残留応力の大きさが８００ＭＰａ以上、歯面の最大高さ粗さＲｚが４μｍ以下、歯面の突出山部高さＲｐｋが０．４０μｍ以上の条件を満たし、歯面強度向上の効果を得ることができた。一方、比較例１，２は、上記条件を満たさず、十分な歯面強度向上の効果を得ることができなかった。
【符号の説明】
【００５１】
ＳＴｄ…表面改質処理を施していない歯車  ＳＨＰａ〜ＳＨＰｃ…ショットピーニングを施した歯車  ＦＰＢａ-ＦＰＢｄ…微粒子ピーニングを施した歯車  Ｒｐｋ    粗さパラメータ（突出山部高さ）  ξ…歯面粗さ変化率  σＲ…圧縮残留応力
【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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