JPH0968261A - 鋳鉄製歯車及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋳鉄製歯車において、歯形の歯面に沿った高
周波焼入れを施すにあたり、焼入れ後におけるフェライ
トの残存を阻止し、振動、騒音の減衰機能が大きく、か
つ充分な靱性と硬さとを有してタイミングギヤ等の高負
荷、高回転歯車として好適な歯車を提供する。 【解決手段】 鋳鉄材からなる歯車を製造するに際し、
歯車素材に焼入れ、焼戻し処理を施した後、歯切り加工
を行い、次いで歯面に高周波焼入れ処理を施し、高周波
焼入層の基地組織にフェライトを含まないようにして、
曲げ疲労強度を向上せしめた鋳鉄製歯車を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンのタイミ
ングギヤ等に適用される鋳鉄製歯車、特に球状黒鉛鋳鉄
製歯車及びその製造方法に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】自動車用エンジン等の
高速エンジンのタイミングギヤは、高負荷、高回転で使
用され、また歯車の噛み合い時の片当りが生じ易い等、
厳しい条件下で使用されるため、通常、炭素鋼及び合金
鋼の表面に窒化、軟窒化あるいは、浸炭焼入等の表面硬
化処理を施した歯車が使用されている。

【０００３】しかしながら、近年エンジンの低騒音化が
とみに要求されるようになり、これに対応するタイミン
グギヤとして、振動、騒音の減衰特性の大きい、つまり
ヤング率Ｅの小さい鋳鉄製歯車（鋼材のヤング率Ｅ＝２
１０００ｋｇｆ／ｍｍ² 程度に対し鋳鉄はＥ＝１７００
０ｋｇｆ／ｍｍ² 程度）が提案されてきている。

【０００４】かかる鋳鉄製歯車としては、その強度面や
硬さから、球状黒鉛鋳鉄（いわゆるダクタイル鋳鉄、以
下このように呼称する）が好適である。然るに、このダ
クタイル鋳鉄材で以て表面硬化を施した鋼製歯車に匹敵
する強度を得るための手段の１つとして、ダクタイル鋳
鉄素材からその歯切り成形した歯車の歯形に高周波焼入
れを施す手段が提供されている。

【０００５】この高周波焼入れについては、通常の焼入
れ手法による場合は歯形全体が硬化してしまい靱性が著
しく低下するため、鋼材における高周波焼入れ技術をダ
クタイル鋳鉄材に適用し、歯形の表面に沿った焼入れを
施す手法が提案されつつある。

【０００６】この技術においてはダクタイル鋳鉄（例え
ばＪＩＳ．ＦＣＤ７００）素材から歯切加工した歯車に
歯形の表面に沿った高周波焼入れを施しているが、歯面
に沿った焼入れであることから高周波加熱の時間が１秒
以下と非常に短いため、黒鉛周りの、フェライトが高周
波焼入れ後にも残存し、所望の硬さが得られないという
問題点があった。

【０００７】本発明の目的は、ダクタイル鋳鉄製歯車に
おいて、歯形の歯面に沿った高周波焼入れを施すにあた
り、焼入れ後におけるフェライトの残存を阻止し、振
動、騒音の減衰機能が大きく、かつ充分な硬さを有して
タイミングギヤ等の高負荷、高回転歯車として好適な歯
車を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決するもので、その要旨とする第１の手段は、球状黒鉛
鋳鉄を含む鋳鉄材からなる歯車であって、歯の表面に、
歯形に沿った高周波焼入れ層が形成され、該焼入れ層の
基地組織は実質的にフェライトを含まない組織であるこ
とを特徴とする。

【０００９】また前記第１の手段において、前記基地組
織が球状黒鉛鋳鉄のソルバイト組織であること、及び前
記高周波焼入れ層の厚みを０．３ｍｍないし０．６ｍｍ
に構成することも本発明の２つの形態である。

【００１０】さらに、本発明方法は、上記構成を備えた
鋳鉄製歯車を製造するに際し、歯車素材に焼入れ、焼戻
し処理を施した後、歯切り加工を行い、次いで歯面に高
周波焼入れ処理を施すことにある。

【００１１】本発明に係る鋳鉄製歯車及びその製造方法
は上記のように構成されているので、高周波焼入れの前
の歯車素材に通常の焼入れを施し、フェライトを消失さ
せ、次いで、焼戻し処理により靱性を回復させた後に高
周波焼入れを施すため、焼入れ層の基地組織はフェライ
トを含まず、歯形には表面に沿った充分な硬さを有する
高周波焼入層が形成される。

【００１２】これにより、高負荷、高回転歯車として充
分な振動、騒音の減衰機能と強度とを備えた歯車が得ら
れる。

【００１３】また、上記本発明方法によれば、歯車素材
に通常の焼入れ焼戻し処理を施す工程を高周波焼入れの
前に加えるという、極めて簡単な作業工程を附加するの
みであるので、実質的な製造工程のコストアップを最小
限に抑制して、上記のような、振動、騒音の減衰効果が
大きくかつ高強度の鋳鉄性歯車を得ることが可能とな
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下図１〜図５を参照して本発明
の実施形態につき詳細に説明する。但し、この実施形態
に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相
対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発
明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例
にすぎない。

【００１５】図５には本発明の実施形態に係る球状黒鉛
鋳鉄（以下ダクタイル鋳鉄という）製歯車が適用される
エンジンのタイミングギヤ装置の１例が示されており、
図において１０はクランクケース、１１はクランク軸に
固定されたクランクギヤ、１２はカムギヤ、１３はオイ
ルポンプ駆動用のオイルポンプギヤ、１４はアイドラギ
ヤ、１５は燃料噴射ポンプ駆動用の噴射ポンプギヤ、１
６はパワステポンプギヤである。

【００１６】上記タイミングギヤに使用されるダクタイ
ル鋳鉄製歯車は、その金属組成はＪＩＳ．ＦＣＤ７００
材相当であり、特記すべき附加成分は無いが、従来のこ
の種歯車に対して熱処理及び表面硬化処理の内容及び過
程が異なる。

【００１７】図１には、かかるダクタイル鋳鉄製歯車の
製造プロセスが示されている。図１において、ベース素
材１には上記のようにＪＩＳ．ＦＣＤ７００に相当する
ダクタイル鋳鉄からなる鋳造素材が用いられる。

【００１８】上記ＦＣＤ７００材の基地組織はパーライ
ト＋若干のフェライト組織であって、変態温度域以上の
温度に加熱されると変態を起こす。この変態による基地
組織の改良については、加熱温度や冷却方法によって生
成される組織が異なる。

【００１９】次に焼入れ（Ｑ）、焼戻し（Ｔ）工程２に
おいては、上記ダクタイル鋳鉄素材をＡ1 変態点以上の
８００〜９００℃程度に加熱後急冷する焼入れ処理を施
し、続いてＡ1 変態点未満の温度に加熱後徐冷する焼戻
し処理を施す。

【００２０】上記焼入れ、焼戻し処理は、通常なされて
いる手法による。この焼入れ、焼戻し処理により基地組
織がソルバイト組織となる。

【００２１】次に、機械仕上げ工程３においては、上記
焼入れ、焼戻しの調質処理を施された素材に施削及び歯
切り加工を施し、歯形を形成する。さらに歯形表面のシ
ェービング仕上げを行い、歯形を高精度に仕上げる。

【００２２】次いで、高周波焼入れ工程４においては、
規定寸法に仕上げられた歯車の歯形に通常の手法により
高周波焼入れを施す。

【００２３】前記のように高周波焼入時の加熱時間は非
常に短く、このため従来の手法による場合は高周波焼入
れ後にもフェライトが残存していたが、この実施形態の
ものにあっては、前記のように素材に焼入れ、焼戻し処
理を施して基地をソルバイト組織としたので、高周波焼
入れ後にフェライトが残存することは皆無となる。

【００２４】前記高周波焼入れの焼入れ条件は次のよう
に設定する。高周波焼入れを施された歯車の歯形１の焼
入れパターンを図２に示す。図２から明らかなように、
高周波焼入れ後の硬化層２は歯先部４が深く、歯元部５
が浅くなる。

【００２５】然るに歯形１の曲げ疲労は歯先部４で最大
となるので、該部の曲げ疲労強度を上げるため、Ｈｖ≧
５００を有する有効硬化層深さＨを大きくすることが要
求される。

【００２６】しかしながら、高周波焼入れの加熱時間を
長く採って歯元部５の硬化層深さ、Ｈを大きくし、これ
を０．７ｍｍ以上に採ると上記のように歯元部５よりも
硬化深さが大きくなる歯先部４においては、ピッチ円部
よりも歯先側が全て硬化層となり、所要の靱性が保持で
きなくなる。

【００２７】一方、上記硬化層深さＨが０．２ｍｍ以下
であると、硬化層が薄く所要の疲労強度が得られない。
従って高周波焼入れ後の硬化層深さＨ＝０．３ｍｍ〜
０．６ｍｍが、歯形１における曲げ疲労強度及び上記の
ような硬度分布特性を勘案して最も適切な値であり、高
周波焼入れ条件、特に加熱時間は焼入れ硬化層の深さが
この範囲になるように設定する。

【００２８】以上の工程を経たダクタイル鋳鉄製高周波
焼入れ歯車は、歯形１の表面に沿った硬化層の硬さＨｖ
５００〜７００、深さ０．３ｍｍ〜０．６ｍｍを得るこ
とができる。尚、以上の説明はモジュール３以下の歯車
を例にとって説明したものである。

【００２９】尚、以上の手順を経た高周波焼入れ歯車
を、必要に応じ研削、ショットピーニング等の最終仕上
工程５を経て成品とする。

【００３０】

【実施例】次の要目を有する、ＪＩＳ．ＦＣＤ７００ダ
クタイル鋳鉄製歯車に、前記の過程で、焼入れ、焼戻し
→機械加工（施削、歯切り、シェービング）→高周波焼
入れの処理を行い、エンジンのタイミングギヤに適用し
て、次の（１）、（２）に示すような実験を行った。

【００３１】（１）実験用ダクタイル鋳鉄製はすば歯車
の要目 歯形：並歯 モジュール：２．０ 歯数 ：６３ 圧力角 ：２０° ねじれ角 ：１９．５°

【００３２】（２）騒音計測試験 エンジン台上で、アイドル回転数における騒音を計測し
た結果を図３に示す。図３に明らかなように、本発明の
実施製品であるＦＣＤ７００材高周波焼入れ歯車は、従
来のＳ５８Ｃ材軟窒化歯車に比べ、１．１ｄＢの騒音低
減効果が得られた。これは、前記のように鋳鉄材は鋼材
に較べてヤング率Ｅが小さいことから、噛み合い衝撃力
が小さく、減衰特性が優れることによる。

【００３３】（３）曲げ疲労試験 歯形１に正弦波の片振り繰り返し曲げ荷重を与え、歯元
部５の曲げ疲労限度を測定して得た疲労限度線図を図４
に示す。図４より供試ダクタイル鋳鉄製歯車の曲げ疲労
限度は１０ＫＮ程度で、実用上充分な値である。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、歯車素材
に通常の焼入れ、焼戻しを施す工程を高周波焼入れの前
に加えるという、きわめて簡単な作業工程を附加するの
みであるので、実質的な製造工程のコストアップを最小
限に抑制して、振動、騒音の減衰効果が大きく、かつ充
分な曲げ疲労強度を有する鋳鉄製歯車を得ることができ
る。

【００３５】また、請求項３の発明のように高周波焼入
れ層の深さを設定すれば、歯先から歯元の歯形全体に亘
ってむらなく表面効果がなされ、安定した品質の歯車が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る、ダクタイル鋳鉄製歯
車の製造手順を示すブロック図。

【図２】上記実施形態に係る歯車の歯形の硬化状態を示
す部分拡大図。

【図３】本発明の実施例に係るダクタイル鋳鉄製歯車の
騒音実験結果をを示す図。

【図４】上記実施例における曲げ疲労限度線図。

【図５】自動車用エンジンのタイミングギヤ装置の要部
正面図。

【符号の説明】

１ 歯形 ２ 硬化層 ３ 素材 ４ 歯先 ５ 歯元 １１ クランクギヤ １２ カムギヤ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 球状黒鉛鋳鉄を含む鋳鉄材からなり、歯
   の表面に、歯形に沿った高周波焼入れ層が形成され、該
   焼入れ層の基地組織は実質的にフェライトを含まない組
   織であることを特徴とする鋳鉄製歯車。
2. 【請求項２】 前記基地組織が球状黒鉛鋳鉄のソルバイ
   ト組織である請求項１記載の鋳鉄製歯車。
3. 【請求項３】 前記高周波焼入れ層の厚みが０．３ｍｍ
   ないし０．６ｍｍである請求項１及び２記載の鋳鉄製歯
   車。
4. 【請求項４】 球状黒鉛鋳鉄を含む鋳鉄材からなる歯車
   を製造するに際し、歯車素材に焼入れ、焼戻し処理を施
   した後、歯切り加工を行い、次いで歯面に高周波焼入れ
   処理を施すことを特徴とする鋳鉄製歯車の製造方法。
5. 【請求項５】 エンジンのタイミングギヤに適用される
   鋳鉄製歯車において、前記歯車が球状黒鉛鋳鉄を含む鋳
   鉄材からなり、歯の表面に、歯形に沿った高周波焼入れ
   層が形成され、該焼入れ層の基地組織は実質的にフェラ
   イトを含まない組織であることを特徴とする鋳鉄製歯
   車。