焼結金属を転造加工した歯車の気孔率分布センサの開発
信州大学 工学部 電気電子工学科教授 水野 勉
（平成 21 年度 一般研究開発助成 AF-2009008）
キーワード：焼結歯車，気孔率，渦電流形センサ

1. 研究の目的と背景

上述した焼結歯車に転造加工を施すことで歯の表面が緻密

焼結歯車は粉末金属を焼結することで製造されるため化される。ギア形状の工具を押し込む方法で加工を行うと，に，複雑な形状に成形が可能であり，材料の無駄がなく安加工前に比べて歯が小さくなる。また，過度な転造加工をす価に大量生産できる。また焼結歯車に転造加工を施すことると剥離などの欠陥が生ずる。転造加工前である未転造歯で歯の表面が緻密化して，荷重負荷能力の改善ができる 。

車，適切な転造加工を施した転造歯車，過度な転造加工によ

そのために，転造歯車は自動車トランスミッション用歯車って剥離が生じた過転造歯車の 3 種類の焼結歯車を用いて測として期待されており定を行った。

1)2), 3)，転造歯車の良否をインライン

表 4 は 3 種類の焼結歯車のまたぎ歯厚(図 1(a)参照)である。

で判定するためのセンサが要求されている。
転造加工によって，気孔率，残留応力，抵抗率および透磁率が変化する4)。これらの物理量を測定することで，転転造加工を施すことで，またぎ歯厚は 0.27 mm 減少して，過度な転造加工を施すと 0.28 mm 減少した。

造歯車の良否判定ができる可能性がある。一般に，気孔率

図 2 は，適切な転造加工を施した転造歯車の表面からの深測定には，切断した歯車を光学的に測定する破壊検査方法

さ d に依存する気孔である。図中の黒い部分が気孔である。

が用いられている。また，残留応力を測定するためには，レーザ顕微鏡(OLYMPUS，OLS-4000)を用いて表面からの深渦電流形センサやX線回析，超音波などを用いた非破壊検さ d に依存する気孔を観察した。転造加工によって表面が緻査が用いられている。X線回析を用いた残留応力の測定密化されている。同図に示したように 0.15 × 1.50 mm の抽出では，X線の侵透する深さが浅いために，歯の表面から内範囲面積 At と気孔の総面積 Av を用いて気孔率 P を次式より部までの測定が行えない問題がある。

算出した。

5), 6)

そこで，著者は渦電流形センサを用いた測定法を提案している

P=。本センサは，渦電流非破壊検査であるために，

7), 8)

AvAt× 100(%) ............................................. (１)

非破壊かつ短時間で測定が可能である9)。また励振周波数

図 3 は，式(1)を用いて算出した 3 種類の焼結歯車の気孔率を変化，すなわち磁束の浸透深さを変えて，表面から内部P - 表面からの深さ d 特性である。なお，同図は 2 つの歯のまでの測定ができる利点がある。

P の平均値である。未転造歯車は，d = 0.2 mm のときに P が本報告書では，まず，励振コイルと磁束密度検出用ホー最大となり，d の増加にともなって P は減少して 1.5 %に収ル素子を有するセンサの構成，次に，転造加工によって生束した。転造歯車と過転造歯車は，d = 0 - 0.3 mm の範囲におずる気孔率，残留応力，抵抗率および透磁率の変化についいて P = 0 %であった。d の増加にともなって P は増加しなて述べる。さらに，転造加工量の異なる焼結歯車の出力電がら 1.5 %，1.0 %にそれぞれ収束した。

圧特性に基づく転造加工の良否判定を検討しており，下記
表1の事項を明らかにする。
(1) 気孔率，残留応力，抵抗率および透磁率

Substance
CMoCrFe(2) 転造加工の良否判定

2.

転造加工を施した歯車および渦電流形センサ
2･1

焼結材の化学成分
Share (wt%)
0.23
0.20
1.50Bal.

転造加工を施した歯車

表 1 と表 2 に焼結歯車の素材の化学成分と特性をそれぞ表2れ示した。焼結歯車はヘガネス AB 社製の完全合金粉から，

Item
PowderManufacturing
process
Density (g/ml)
Porosity (%)
Hardness (HRB)

冷間で 1 回圧縮成形した後に 1 回焼結する工程により成形した。
図 1 に焼結歯車の寸法，表 3 に歯車の特性をそれぞれ示した。歯数 Z = 16，モジュール M = 3.0 のはすば歯車を用いた。

ー 47 ー

焼結材の特性
Value
Completely alloyed powder
1 Cold Press,
1 Sintering
7.55
3.285

図2

転造歯車の表面からの深さ d に依存する気孔(単位：mm)(a) 全体図
3

Porosity P (%)

Non form rolling

21Form rollingOver form rolling(b) 歯図100.00.3

図3気孔率 P - 表面からの深さ d 特性

0.60.91.2

Depth from surface, d (mm)1.51.8焼結歯車の寸法(単位：mm)2･2
表3焼結歯車の特性

Gear parameters
Gear types
ModuleNumber of tooth

図 4 に渦電流形センサの測定原理を示した。励振コイル

SymbolValue−

Helical gear
3.0

M

16

Pressure angle (deg)ZαHelix angle (deg)β20

表4から発生する磁束を歯車に作用させると，渦電流が生ずる。発生する渦電流は歯車の抵抗率，比透磁率に依存するために，渦電流によって変化する磁束密度をホール素子で出力電圧として検出する。後述する図 7 と図 8 に示したように，抵抗率と比透磁率は，焼結鋼の残留応力と気孔率に20依存している。励振周波数を変化，すなわち磁束の浸透深さδ を変えて測定することで，深さ方向 d の特性が得られる。δ は下式で与えられる。

測定に用いた焼結歯車

Base tangent
length before
Sintered gear
form rolling,
Wo (mm)Non form rolling
23.69
Form rolling
23.69
Over form rolling23.69

渦電流形センサδ =ρ(m) .............................................. (２)Base tangent
length, W(mm)Reduction ofbase tangent
length, ΔW(mm)

ここに，ρ：抵抗率 (Ωm)，f：励振周波数 (Hz)，μr：−
23.43
23.42

−
0.27
0.28

局所的な磁束密度，すなわち局所の測定可能である。ホーπ f μr μ0比透磁率，μ0：真空の透磁率 (H/m)

ホール素子の磁束密度検出部は小さいために(∅0.3 mm)
ル素子の出力電圧Voは次式となる。

ー 48 ーVo =RH ⋅ I cdH⋅B3.

(V) ....................................... (３)

ここに，RH：ホール係数(m2/As)，Ic：直流電流(A)，dH：ホール素子の厚さ(m)，B：磁束密度(T)
表 5 に渦電流形センサの仕様を示した。ホール素子は歯先に配置してあり，3 種類の焼結歯車の出力電圧を比較する。

材料特性

図 4 に示した渦電流は焼結歯車の抵抗率および比透磁率に依存する 9)。したがって，転造歯車の応力に依存する抵抗率と比透磁率を明確にする必要がある。電磁鋼板などの磁性材料の抵抗率と比透磁率の応力依存性はすでに検討されている 10) - 12)。しかし，機械構造材料である本焼結材の特性は検討されていない。本焼結歯車の形状は複雑であるために，応力に依存する抵抗率と比透磁率の測定が困難であった。そこで，円筒状の転造加工した焼結鋼の表面からの深さに依存する気孔率，応力，抵抗率，比透磁率をそれぞれ測定した。
3･1 測定試料
図 5 は応力σ，気孔率 P，抵抗率ρ，比透磁率μr の測定試料である。転造加工した焼結鋼は表 1 に示した焼結歯車と同じ完全合金粉(CAP)を 1 回冷間圧縮，1 回焼結の工程で製造した後に転造加工を施した。転造加工によって焼結鋼の外径は未転造時に比べて 0.1 - 0.2 mm 減少した。
同図に示したように厚さ 0.2 mm ごとに放電加工によって抵抗率測定試料，比透磁率測定試料を作製した。拡大図に示した気孔率測定試料は，原点 O と対称な位置においても切り出した。すなわち，気孔率測定試料は計 2 個，抵抗率測定試料と比透磁率測定試料は，それぞれ計 10 個である。また応力測定には，図 5 に示した転造加工した焼結鋼と同一条件で作製した試料を用いた。
3･2 測定方法
気孔率 P は，レーザ顕微鏡(OLYMPUS，OLS-4000)を用いて表面からの深さ d に依存する P を測定した。図 6 に示したように 0.1× 2.56 mm の抽出範囲面積 At と気孔の総面積 Av を用いて P を式(1)より算出した。また，抵抗率ρは，ディジタルナノボルト・マイクロオームメータ(Agilent，AG34420A)を用いて試料の長さ l における抵抗R を測定して， ρを下式を用いて求めた。

ρ =RAl(Ω·m) ........................................... (４)

ここに，A：断面積( = 2.0 × 10−6 m2)
さらに，比透磁率μr は，試料振動型磁力計（VSM，理研電子，BHV-55）を用いて試料の B - H ループを測定して求めた。図 4 に示した励振コイルによって磁界の強さ H =7)± 320 A/m を歯車に作用させている 。そのために H = ±320 A/m を作用させたときの軸方向のμr を下式を用いて求めた。
図4
表5

渦電流形センサの測定原理

Hallelement
Excitingcoil

B.................................................. (５)µ0 H

応力σ は，同一条件で作製した転造加工した焼結鋼を 0.2

渦電流形センサの仕様

Manufacturer
Model number
Installation point
Diameter of conductor (mm)
Layer
Number of turns
DC resistance Rdc(Ω)µr =Asahi Kasei
HW-322B
addendum
0.093
130
16.2

mm ごとに電解エッチングを施して，軸方向の応力σa，円周方向の応力σθをそれぞれ測定した。なお，測定には X 線
応力測定装置 (リガク製 PSPC-MSF-3M)を用いた。
3･3 測定結果
図 7 は表面からの深さ d に依存する図(a) P，図(b) ρ とμr，図(c) σである。表面からの深さ d の増加にともなって，P は単調増加した。ρ は d = 0 mm - 0.2 mm の範囲においてー 49 ー

図5

応力，気孔率，抵抗率，比透磁率の測定試料(単位：mm)

d の増加にともなって減少して，d = 0.2 mm においては最小となった。また，d = 0.2 mm - 2.0 mm の範囲では d の増加にともなってρは増加した。さらにμr は d = 0 mm - 0.4 mmの範囲では d の増加により増加しており，0.4 mm - 2.0 mmの範囲では d が増加すると減少した。
応力σ は，d = 0 mm - 0.2 mm の範囲において d の増加にともなって減少しており，d = 0.2 mm - 0.4 mm の範囲においては最小となった。さらに d = 0.4 mm 以降は増加した。
図8は図7の結果から得られたσに依存するP，ρ ，μrである。なお同図らは，d = 0.4 mm以降で残留応力が小さくなっていく範囲の特性をまとめてある。σの増加にともなって，Pとρ は増加して，μrは減少することがわかった。
本渦電流形センサは，転造加工によって生ずるσの相違をρ とμrの観点から検出することで，転造加工の良否判定をする。

4.

出力電圧特性図 4 に示したように励振コイルに励振周波数 f = 0.3 kHz- 80 kHz，励振電圧 5 V を印加したときのホール素子の出力電圧 Vo を測定した。なお，ホール素子に直流電流 Ic = 15

図6

転造加工した焼結鋼の表面からの深さ d に依存する気孔(単位：mm)

造歯車，過転造歯車の Vo より常に大きくなった。
転造加工に依存する出力電圧特性を明確にするために，転造歯車と未転造歯車の相違に着目して，出力電圧の変化量ΔVo を下式で定義した 8)。

mA を流した。表 4 に示した 3 種類の焼結歯車の出力電圧Vo をロックインアンプ(NF, LI5640)を用いて測定した。
図 9 は出力電圧 Vo - 励振周波数 f 特性である。図 8 に基づいて，ρ = 18 μΩm，μr = 74 と仮定して式(2)に代入して求めたδ を参考として記載した。さらに，式(3)を用いて求めた磁束密度 B も示してある。また，未転造歯車の Vo は転ー 50 ー

Δ Vo = Vo (form rolling ) − Vo ( Non form rolling )(V) .......... (６)
ここに，Vo(Form rolling)：転造歯車の出力電圧(V)，
Vo(Non form rolling)：未転造歯車の出力電圧(V)3

Porosity P (%)

2100.00.30.60.91.2

Depth from surface, d (mm)1.52101.8−200− 30090246020

Relative permeability µ r

Relative permeability µ r

Resistivity ρ (μΩcm)

Relative permeability µ r

1202812028
Relative permeability µ r

90246020Resistivity ρResistivity ρ0.3(b)0.60.91.2

Depth from surface, d (mm)1.530161.8− 300

抵抗率 ρ および比透磁率μr− 200− 100
Axial stress σa (MPa)(b)
図8Axial stress σa

Circumferential stress σθ

− 200− 300

0.0

図70.30.60.91.2

Depth from surface, d (mm)1.51007.62805.723.811.9001.8(c) 応力σ
転造加工した焼結鋼の表面からの深さ d 特性

16抵抗率ρ および比透磁率μr9.52Output voltage Vo (mV)

0Magnetic flux density B (mT)Stress σ (MPa)

Reference0

転造加工した焼結鋼の応力σ 特性

100− 1000(a) 気孔率 P(a) 気孔率 P

300.0

−100

Axial stress σa (MPa)Resistivity ρ (μΩcm)

Porosity P (%)

3Non form rolling
Form rollingOver form rolling

60402000.3

1102Exciting frequency f (kHz)

1.4

0.8

0.20.6Skin depth δ (mm)800.1 Reference

図 9 出力電圧Vo - 励振周波数f 特性(V = 5 V, f = 0.3 - 80 kHz, Ic = 15 mA, room temparature:
T = 25 ℃)

ー 51 ーReference0− 0.29− 0.58− 0.87− 1.16

Difference in output voltage ΔVo (mV)

Difference in magnetic flux density ΔB (mT)

図10は出力電圧の変化量ΔVo - 励振周波数f特性である。
f = 2 -10 kHz (δ = 0.2 - 0.6 mm)の範囲において，ΔVoが最も小さくなった。これは転造加工を施すことで，この範囲で抵抗率ρおよび比透磁率μrが最も変化することに起因すると考えられる。
またf = 0.3 - 2 kHz (δ = 0.6 - 1.4 mm)の範囲において，適切な転造歯車と過転造歯車のΔVoの差が大きくなった。図3に示したように適切な転造歯車と過転造歯車はd = 0.9 mm
よりも大きな範囲において，気孔率Pに差が生じている。Pによって応力σが変化，すなわちρおよびμrがそれぞれ変化する。そのために，低い周波数であるf = 0.3 - 2 kHzにおいて適切な転造歯車と過転造歯車のΔVoに差が生じたと考えられる。以上の結果より，出力電圧は転造加工に依存しており，過度な転造加工によって剥離が生じた過転造歯車を出力電圧によって判定できることがわかった。

0−3Form rolling−6−9− 12Over form rolling

0 .3

1102Exciting frequency f (kHz)

1.4

0.8

0.20.6Skin depth δ (mm)800.1 Reference

図 10 出力電圧の変化量ΔVo - 周波数f 特性(V = 5 V, f = 0.3 -80 kHz, Ic = 15 mA, T = 25 ℃)

5.

あとがき
(1) 気孔率，残留応力，抵抗率および透磁率
渦電流センサを用いるために，転造加工を施した焼結鋼の表面からの深さ特性を測定した。その結果，残留応力の増加にともなって，気孔率と抵抗率は減少して，比透磁率は増加することがわかった。
(2) 転造加工の良否判定
転造加工前である未転造歯車，適切な転造加工を施した転造歯車，過度な転造加工によって剥離が生じた過転造歯車の3種類の焼結歯車を用いて出力電圧Voを測定した。出
力電圧の変化量ΔVoは転造加工に依存しており，転造加工の良否判定ができることがわかった。

謝 辞本研究の一部は（財）天田金属加工機械技術振興財団の研究助成により行われたものであり，関係各位に感謝の意を表す次第である。

参考文献
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ー 52 ー