JPH0214409B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、歯車の歯部表面層を硬化するための
焼入方法に関する。

一般に歯車においては、耐摩耗性、疲れ強さ等
を向上させるための一手段として、歯部の表面層
を焼入れによつて硬化処理することが行なわれて
おり、その焼入方法の一種に高周波焼入れがあ
る。この方法は高周波電流による誘導加熱作用を
利用して焼入れするものであり、処理時間が短
く、量産ラインにも組み入れ易いところから広く
用いられている。

従来、歯車の歯部を高周波焼入れで硬化処理す
る場合、歯部全体が均一に焼入温度に達する最適
の周波数を用いて焼入れし、歯面および歯底面
等、歯部の全面を表面硬化させるのが普通であ
る。ところがこの方法においては、焼割れ、焼入
れ変形等が生じ易い欠点があり、またこのような
焼入れによつて得られる歯車は、かみ合い時に歯
巾方向端部で接触させられた場合に、局部負荷の
状態を緩和することができず、従つて歯端部の歯
元に過度の曲げ応力が集中し易い傾向がある。

他方、歯端部表面の焼割れ等を防ぐことを目的
として、上記と同様の周波数を用い、かつ歯巾よ
り狭い誘導コイルで焼入温度まで加熱することに
よつて、歯端部を帯状に非硬化とすることも行な
われているが、この方法で得られる歯車は、歯
先、歯底を含めた歯端部全体が非硬化となるた
め、歯元の疲れ強さが低下し、従つて高い曲げ強
度を要求される歯車として使用できない不都合が
ある。

本発明は焼割れや局部当り時の応力緩和、更に
歯元の疲れ強さ等を考慮して、歯車端部の歯先表
面を残した状態で歯部表面を硬化させることので
きる焼入方法を提供することを目的としてなされ
たものであり、その要旨とするところは、(1)歯車
の歯部全体を焼入温度以下の温度に予備加熱し、
(2)その予備加熱した歯車を、歯先より歯元の方が
加熱温度が高くなる周波数で、歯車端部の歯先表
面は焼入温度に達せず他の歯部表面は焼入温度に
達する時間だけ高周波誘導加熱して、(3)その加熱
後、当該歯車を急冷するようにした点にある。

歯車端部の歯先表面だけが焼入温度に達しない
のは、歯元側から歯先側へ伝えられる伝導熱が、
歯車端部の歯先表面においてはふく射熱として逃
げる割合が他の部分の歯先表面より大きいことに
起因するものと推察される。

この焼入方法によれば、最も焼割れの生じ易い
歯端部の歯先部分が焼入れされないために、歯部
全体での焼割れの発生率が大巾に低下し、一方、
歯元側は焼入れによつて表面硬化させることがで
きるため、歯元の疲れ強さを高く保つことが可能
となる。

しかも、この焼入方法によつて得られる歯車
は、かみ合い時に歯端部の歯先部分で局部接触さ
せられる状況におかれても、その局部当りする歯
部表面が非硬化部となつているため、その表面が
塑性変形あるいは摩耗して歯当り範囲を拡げるこ
とができる。従つて、歯端部の歯元に生ずる曲げ
応力の集中が緩和され、局部当り状態における歯
部の早期折損を回避することができるのである。

以下、実施例について説明する。

なおこの例では、平歯車を全歯一発焼入れする
場合を示す。

焼入れ装置としては公知のものを適宜選定でき
るが、誘導コイル、高周波発生装置、冷却装置等
が必要となる。誘導コイルは銅管等から成形され
た、焼入歯車の外径よりやや大きい円環形状のも
のを用い、その巾は歯車の歯巾よりやや小さくす
る。誘導コイルは高周波発生装置に接続され、そ
の発生装置において、電動発電機あるいは真空管
等によつて発生させられる高周波電流を誘導コイ
ルに導くようにする。冷却装置は誘導コイルが兼
ねるようにし、そのコイル自体に設けられた多数
の小孔から水などの冷却剤を噴射して急冷工程を
行なう。

まず、焼入れする歯車２を第１図に示すように
誘導コイル４の内側に、歯部が誘導コイル４の両
端面から同量ずつ突出する状態に取付け、かつ軸
心まわりに回転可能な状態に保持する。最初に歯
車２の歯部全体を予備加熱するわけであるが、こ
の段階から誘導電流の周波数を、歯部全体が均一
に加熱される周波数（適正周波数）より低く設定
する。

上記適正周波数は、歯車のモジユール（ピツチ
円直径／歯数）に応じて決まるもので、第２図の
グラフでます目の部分がその範囲を示している。
その周波数より低い周波数を使えば歯先より歯元
の方が加熱温度が高くなるのであり、本実施例に
おいては第２図に斜線で示す範囲の、適正周波数
より低い周波数となるように、歯車のモジユール
を考慮して周波数を選定する。

その周波数の高周波電流を高周波発生装置から
誘導コイル４に導く一方、上記歯車２を100r.p.
m.程度に回転させて、歯部全体をA₁変態点（約
726℃）以下の温度、望ましくは300℃〜700℃に
数秒から10秒間程度予備加熱する。なお、この予
熱時の電力は歯部の温度が上記温度になるように
調整される。予備加熱において、歯元側と歯先側
との加熱温度は熱伝導によつてほぼ均一化する
が、歯車両端部の歯先部分は熱の逃げる割合が大
きいため、他の歯部表面よりある程度温度が低く
なる。

予備加熱に続いて、第３図に多点を施して示す
ように歯車端部の歯先表面を除く歯部表面を焼入
可能な温度にまで高める本加熱の工程を行なう。
本加熱に用いる誘導電流の周波数は予備加熱のと
きと同じ周波数を使用する。すなわち、歯先より
歯元の方が加熱温度が高くなる周波数であり、第
２図に示すグラフ（斜線部分）から明らかなよう
に、歯車のモジユールが例えば５であれば、約
10kHz〜20kHzの範囲の周波数が好適である。こ
れは、歯部全体が均一に加熱される周波数より約
25％〜85％程度低い周波数である。

このような周波数を用い、かつ予備加熱時より
大きい２〜10kW/cm²の密度の電力で、歯部表面
を１秒間以下高周波誘導加熱することによつて、
第３図に示す上記多点状部分のみをA₃変態点以
上に高める。歯部全体を予備加熱してあるため、
急速に加熱しても歯車がひずむ等のことは殆んど
ない。この際、歯車２を予備加熱時と同様に回転
させた状態で誘導加熱する。つまり加熱電力を変
えることで、予備加熱の工程に連続して本加熱の
工程を行なうのである。

上記のような、歯元の方が歯先より加熱温度が
高くなる周波数を用いるために、瞬間的にみれば
歯元側はA₃変態点を超えて最適な焼入温度かそ
れ以上の温度に高められるが、歯先の方はそこま
で加熱されない。歯先と歯元との間に温度勾配が
生じること、および前記予備加熱によつて歯部全
体が数百度に加熱されており、歯車の中心部への
熱伝導がそれ程大きくないことに起因して、歯元
から歯先側へ熱が伝導され、歯先部分の表面層の
温度が上昇する。一方、熱ふく射によつて歯先表
面からある程度の熱が逃げ、特に歯車端部におい
ては歯端面及び歯先面の両方から熱が逃げ、単位
重量当りのふく射面積が大きいため、熱の逃げる
割合が高い。従つて、歯先表面の中央部はA₃変
態点以上の焼入に好適な温度に達するが、両端の
歯先部だけは焼入温度にまで達しない。言い換え
れば、上記両端の歯先部を除く歯部表面が焼入温
度にまで高められる結果となるのである。

このような温度分布を歯部表面に生じさせるた
めには、周波数はもちろんのこと本加熱における
加熱時間も重要となる。加熱時間を余りに長くす
ると、両端部の歯先表面までが均熱化によつて焼
入温度に達してしまうこととなるため、前述のよ
うにその時間を１秒間以下にすることが望まし
く、特に0.5秒前後が最適である。

上記のような歯部表面層の温度および温度パタ
ーンが、熱伝導、熱ふく射等によつて変化しない
間に歯部表面を急冷する工程を行なう。本加熱
後、できるだけ速やかに急冷することが望まし
く、前記誘導コイル４自体に設けられた多数の小
孔から十分な冷却水を噴射するのであるが、冷却
速度、水温等の冷却条件を制御して行ない、必要
があれば焼割れ防止材を冷却水に加える。

冷却中は歯車２の回転を止めるか、回転速度を
落とした状態とし、冷却時間はおおむね20秒間程
度が望ましい。

本加熱後の急冷によつて歯車２の歯部表面は、
第３図に示すように両端部の歯先部分が焼入れさ
れないで非硬化部分６となり、その他の歯部表面
は焼入れされて硬化部分８となつて、目的とする
焼入れパターンの歯車が得られる。もちろん、歯
底面（歯溝）も硬化部分８の一部となる。歯部表
面の焼入組織の安定および均一化のために、必要
があれば100゜〜200℃程度の焼もどしを行なう。

なお実際には以上の各工程を、量産製造ライン
の一環に組み込まれた量産専用機ないし汎用機を
使用して、高度に自動化して行なうことが可能で
あり、また、既存の高周波歯車焼入機（周波数・
電力等が調整可能なもの）をそのまま用いること
もできる。

上記のようにして得られた歯車は、焼入れの際
に最も焼割れの生じ易い歯端部の歯先表面が非硬
化部分６となるため、そこに焼割れの生じるおそ
れがなく、また歯元及び歯底部が完全に硬化部分
８とされることで、高い曲げ応力および衝撃荷重
に対して十分な強度を保ち得る。

しかも、上記歯車がかみ合い時に局部当りさせ
られた場合、片側の非硬化部分６で集中荷重を受
けることとなるが、その部分６が摩耗ないし塑性
変形して歯当り部分を拡げる局部当り軽減機能を
有するため、歯端部の歯元に加わる応力の集中が
緩和され、歯当り状態の如何に拘らず安定した疲
れ強さを確保できるのである。

なお、歯車を回転させることなく静止させた状
態で予備加熱、本加熱等の工程を行なうことはも
ちろん可能である。特に大型歯車を焼入れする場
合にはその方が好都合のこともあり、それに伴な
つて全歯一発焼入れでなく、一歯焼入れないし歯
溝焼入れを採用することが好ましい場合もある。

更に、歯車端部の歯先表面の焼入れしない範囲
を面積的にどの程度にするかは、歯先表面の耐摩
耗性の向上効果と上記局部当り軽減機能とのバラ
ンスを考慮して最適な範囲に設定すべきであり、
そのパターンを変更する場合には、周波数、電
力、加熱時間等を調整すればよい。また、予備加
熱は加熱炉で行なうなど高周波誘導加熱以外の方
法で行なうことも可能である。

本発明は平歯車に限らず、かさ歯車、ウオー
ム、ラツク等種々の歯車に適用可能であつて、ヘ
ルカルギヤなど、ねじれ歯を有するものでも誘導
コイルの設計を考慮すれば十分適用することがで
きる。

その他、特許請求の範囲を逸脱することなく、
種々の変更を加えた態様で本発明を実施し得るこ
とは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例において、歯車を誘
導コイルへ取付けた状態を示す断面図であり、第
２図はその実施例において使用する高周波電流の
周波数及び通常用いられる周波数と、歯の大きさ
との関係を示すグラフであり、第３図は上記実施
例に基づいて焼入れされた歯部の焼入れパターン
を示す斜視図である。 ２：歯車、４：誘導コイル、６：非硬化部分、
８：硬化部分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 歯車の歯部全体を焼入温度以下の温度に予備
   加熱する工程と、 該予備加熱された歯車を、歯先よりも歯元の方
   が加熱温度が高くなる周波数で、歯車端部の歯先
   表面は焼入温度に達せず他の歯部表面は焼入温度
   に達する時間だけ高周波誘導加熱する工程と、 該高周波誘導加熱後当該歯車を急冷する工程と
   を含むことを特徴とする歯車の表面硬化焼入方
   法。