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JP2013213260A - Surface treatment method of gear - Google Patents

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JP2013213260A
JP2013213260A JP2012084273A JP2012084273A JP2013213260A JP 2013213260 A JP2013213260 A JP 2013213260A JP 2012084273 A JP2012084273 A JP 2012084273A JP 2012084273 A JP2012084273 A JP 2012084273A JP 2013213260 A JP2013213260 A JP 2013213260A
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JP
Japan
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gear
layer
tooth
hardened layer
treatment method
Prior art date
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JP2012084273A
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Japanese (ja)
Inventor
Morihiro Matsumoto
守弘 松本
Daisuke Okamoto
大典 岡本
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface treatment method of a gear, capable of improving the conformability of a tooth surface after being subjected to a treatment in which the tooth surface of a gear is highly hardened.SOLUTION: A surface treatment method of a gear includes: a first step (block B2) of forming a hardened layer at a surface of a gear; and then, a second step (block B3) of smoothing the hardened layer or causing a compressive residual stress to be generated at the surface. The surface treatment method of a gear further includes a third step (block B4) of forming a softened layer on the hardened layer by softening the surface of the gear on which the hardened layer has been formed, after the second step (block B3).

Description

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。   The present invention relates to a surface treatment method for gears that are in contact with each other by applying a load, and more particularly, to a surface treatment method for gears that have been subjected to a treatment for increasing the hardness of a surface such as carburizing and quenching used in a transmission or the like. It is.

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。   Gears used in vehicle transmissions and the like are generally subjected to treatments such as carburizing quenching, nitriding treatment, and induction hardening in order to increase the hardness of the gear teeth processed into a desired shape. Manufactured by shaving or grinding to smooth the tooth surface. In addition, by performing shot peening instead of the above-described shaving and grinding, a relatively soft incomplete quenching layer called a carburizing abnormal layer generated when carburizing and quenching is performed, and teeth are removed. Compressive residual stress is also generated on the surface. An example of such a gear manufacturing method is described in Patent Documents 1 to 3. For example, Patent Document 1 describes a method of manufacturing a gear configured to perform compressive residual stress on a tooth surface by performing shot peening after carburizing and quenching the gear.

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。   Patent Document 2 describes a gear manufacturing method in which a gear machined into a desired shape is subjected to shaving and grinding, and then the tooth surface is hardened by carburizing and quenching. According to the manufacturing method described in Patent Document 2, by manufacturing the gear in such an order, it is possible to prevent fine scratches called grinding marks generated during grinding from causing cracks and pitching. Or it can be suppressed. In addition, among the carburizing abnormal layers generated when carburizing and quenching is performed, the gears contact each other up to a depth of 10 μm from the tooth surface, that is, when the gears are in contact with each other. It is said that the contact fatigue strength of the tooth surface can be improved by being worn.

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。   Further, in Patent Document 3, shot peening is performed on a carburized and hardened gear to generate a compressive residual stress on the surface and the surface is made porous, and then shot peening is performed using relatively soft metal particles. A method of manufacturing a gear configured to form the metal coating on the surface by performing is described. According to the manufacturing method described in Patent Document 3, since the metal coating is formed on the surface of the gear, the adhesion between the other tooth surfaces with respect to one tooth surface of the gears meshing with each other (familiarity, In other words, the fatigue strength of the gear can be improved compared to the conventional case.

特開2001−11572号公報JP 2001-11572 A 特開平6−91441号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-91441 特開平1−92069号公報JP-A-1-92069

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。   The tooth surfaces of gears that have undergone carburizing, nitriding, or shot peening are hardened, but their fatigue strength improves, but wear due to contact between the tooth surfaces is less likely to occur, so the tooth surfaces become familiar. It becomes difficult. Therefore, when a vehicle transmission is configured using the gears described in Patent Document 1 and Patent Document 2, the time required for so-called “run-in” becomes long, and in particular when running-in is performed. There is a possibility that the power transmission efficiency between the gears is lowered and the fuel consumption is deteriorated. In addition, in the gear described in Patent Document 3, the wear of the metal coating can improve the tooth surface fit, but when the metal coating is scraped off by wear, a metal coating is formed. Since the surface of the gear is made porous, there is a possibility that the familiarity may not be promoted depending on the surface roughness. It has been conventionally known that the carburized abnormal layer is a starting point for fatigue failure such as cracking and pitting, and contributes to a decrease in fatigue strength.

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。   The present invention has been made paying attention to the above technical problem, and provides a gear surface treatment method capable of improving the conformability of the tooth surface after performing the treatment for increasing the hardness of the tooth surface of the gear. It is intended to provide.

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。   In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a first step of forming a hardened layer on the surface of the gear, and then a second step of smoothing the hardened layer or generating compressive residual stress on the surface. And a third step of forming a softened layer on the hardened layer by softening a surface of the gear on which the hardened layer is formed after the second step. Is a manufacturing method characterized by

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。   The invention of claim 2 is the invention of claim 1, wherein the third step is from the surface to a depth corresponding to the maximum roughness in the surface roughness of the hardened layer, or within 10 μm from the surface. It is a gear surface treatment method characterized by softening up to a depth of.

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。   According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the third step includes tempering the surface, relatively reducing the amount of carbon on the surface, and corroding the surface by etching. And a step of oxidizing the surface by oxygen by raising the temperature of the surface in an oxygen atmosphere.

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。   The invention of claim 4 is the invention of any one of claims 1 to 3, wherein the second step removes an abnormal carburization layer and a grain boundary oxide layer formed on the surface when the hardened layer is formed. Then, the gear surface treatment method includes any one of a tooth grinding process for smoothing the surface and shot peening for generating compressive residual stress on the surface.

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。   According to the first aspect of the present invention, since the softened layer is formed on the surfaces of the gears that are in contact with each other by applying a load to each other, the softened layer is worn quickly, and each softened layer is microscopically plastic. The surface roughness in each tooth surface can be reduced and the adhesion between the tooth surfaces can be improved by the fact that the deformation occurs quickly. The so-called familiarity can be promoted to improve the fatigue strength of the gear. In addition, the power transmission efficiency between the gears can be improved and heat generation between them can be avoided as compared with the case where the familiarity between the gears is not promoted. In addition, since the tooth surface is smoothened after the tooth surface is hardened, an incompletely hardened layer, which is referred to as a carburizing abnormal layer and can be a starting point of pitching, can be removed. As a result, according to the present invention, it becomes possible to improve the fuel efficiency of the vehicle using the gear configured as described above.

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。   According to the invention of claim 2, in addition to the same effect as that of the invention of claim 1, the softening layer has a depth corresponding to the maximum roughness of the tooth surface from the tooth surface or a depth of 13 μm from the tooth surface. Therefore, the softened layer consumed for the above-mentioned familiarity can be ensured sufficiently and sufficiently. Moreover, compared with the case where the carburizing abnormal layer is formed in a range deeper than 13 μm from the tooth surface, the strength against rotational bending fatigue of the gear can be ensured.

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。   According to the invention of claim 3, in addition to the effect similar to the effect of the invention of claim 1, the surface of the hardened layer can be effectively softened by any method.

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。   According to the invention of claim 4, in addition to the effect similar to the effect of any one of the inventions of claims 1 to 3, it is possible to smooth the surface by removing the carburizing abnormal layer and the grain boundary oxide layer. In addition, a compressive residual stress can be generated on the surface of the gear.

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。It is a block diagram which shows an example of the manufacturing process of the gear which concerns on this invention. 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。It is a figure which shows typically the case where the maximum surface roughness of the gear blank surface before performing a softening process is 10 micrometers or less. 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。It is a figure which shows typically the case where the maximum surface roughness of the gear blank surface before performing a softening process is 10 micrometers or more. 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。The maximum surface roughness of the gear blank surface before the softening treatment is 10 μm or less, and the depth corresponding to the maximum surface roughness from the most concave portion on the surface of the gear blank is from the top of the maximum convex portion. It is a figure which shows typically the case where the depth to 10 micrometers is exceeded. 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。It is a figure which shows typically the relationship between the maximum roughness of a tooth surface when the maximum roughness of the tooth surface in the use initial stage of a gearwheel is relatively small, and the maximum roughness of the tooth surface after performing a fitting process. 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。It is a figure which shows typically the relationship between the maximum roughness of a tooth surface when the maximum roughness of the tooth surface in the use initial stage of a gear is relatively large, and the maximum roughness of the tooth surface after performing a conforming process. 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。It is a figure which shows the measurement result of the power transmission efficiency in the gearwheel which is an Example which made surface hardness Hv550 or less, without removing a softening layer. 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。It is a figure which shows the measurement result of the power transmission efficiency in the gear which is a comparative example which removed the softening layer and made surface hardness Hv700 or more. 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。It is a figure which shows typically the measurement result of the Vickers hardness from the tooth surface in an Example.

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。   The present invention relates to a surface treatment of a member that contacts under load, and typical examples of the member include gears, bearings, and one-way clutches that transmit torque via rolling elements such as sprags. It is. In these members, the contact portions that are in contact with each other by applying a load are limited areas. In the present invention, it is only necessary that the surface treatment described below is performed on the surface of the contact portion which is at least the limited region.

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。   FIG. 1 is a block diagram showing an example of a manufacturing process of a gear according to the present invention. First, a gear material called a gear blank is prepared, and this is formed into a desired gear shape by, for example, a lathe, a milling machine, or a hobbing machine. So-called gear cutting is performed (block B1). The gear blank mentioned above is comprised by metals, such as steel and cast iron as an example. Next, the surface of the gear blank that has been subjected to gear cutting as described above is hardened to perform a surface hardening process that improves wear resistance and fatigue resistance (block B2). Examples of the treatment include carburizing and quenching treatment in which the surface of the steel is hardened by carbon intrusion, nitriding treatment in which nitrogen is infiltrated into the steel surface instead of carbon, or these treatments simultaneously or continuously. This is a conventionally known process such as a carburizing and nitriding process that is configured to be performed. Note that in place of these treatments, induction hardening, flame hardening treatment, or boride treatment may be performed. In this block B2, the main point is that it is configured to improve the mechanical properties of the gear blank subjected to gear cutting.

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。   When the surface hardening treatment is performed in the block B2, the surface of the gear blank is inevitably referred to as oxide (grain boundary oxide) such as silicon (Si), manganese (Mn), and chromium (Cr). ) Or a layer of the grain boundary oxide is formed, and a diffusion type transformation product such as pearlite or bainite, which is called an incompletely quenched layer, is formed around it. This incompletely hardened layer may be referred to as a carburized abnormal layer when carburizing and quenching is performed. When such an incompletely hardened layer is present on the tooth surface of the gear to some extent, it is known that the incompletely hardened layer causes a reduction in the fatigue strength of the gear, or a starting point for cracks and pitching. . Therefore, in the present invention, the grain boundary oxide layer and the incompletely quenched layer are removed from the surface of the gear blank by post-quenching processing such as grinding and polishing after the processing in the block B2. Shot peening is performed to leave compressive stress on the surface of the gear blank for the purpose of processing and increasing the fatigue strength of the gear (block B3). By the processing in these blocks B3, the carburizing abnormal layer and the grain boundary oxidation layer formed by the processing in the block B2 are removed. In addition, since the carburizing abnormal layer and the grain boundary oxide layer are softer than the hardened layer, the conformability is good, and the adaptability deteriorates when the carburizing abnormal layer and the grain boundary oxide layer are removed. The above-mentioned tooth grinding process is a conventionally known process such as shaving for smoothing the tooth surface by meshing the above gear, that is, a gear blank and a shaving cutter, or a honing process for grinding the tooth surface with a grindstone. It is. Also, shot peening is a conventionally known technique that generates a compressive residual stress on the tooth surface by projecting a large amount of steel called a shot onto a target object, in this invention a gear blank that has been ground. It is processing.

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。   Subsequently, the process which softens from the tooth surface to the predetermined thickness or depth among the hardened layer in the tooth surface of the gear blank formed as mentioned above is performed (block B4). This softening process may be a conventionally known process called electron beam processing. Specifically, in the electron beam processing, the surface of the gear blank is accelerated by a bundle of electrons, that is, the temperature in the range of 10 μm from the surface of the gear blank, for example, is set when performing so-called tempering. This is a process of softening the surface by raising the temperature to a temperature. If the energy density and irradiation time of the electron beam described above are adjusted so that the temperature at a depth of 10 μm from the surface of the gear blank described above is about 200 ° C. at which tempering is started, the above range is softened. be able to. Although it is clear that the surface temperature of the gear blank becomes higher than the temperature at 10 μm by irradiating the electron beam, the surface temperature is set to a so-called quenching temperature of approximately 700 ° C. or lower. . Further, instead of electron beam processing, laser hardening processing may be performed. That is, the type of laser irradiating the surface of the gear blank, the energy density, the focus, and the like so that the temperature at a depth of 10 μm from the surface of the gear blank is about 200 ° C. and the surface temperature is about 700 ° C. or less. What is necessary is just to adjust irradiation time and a pulse. That is, this softening treatment may be a conventionally known treatment such as tempering that reheats the surface that has been increased in hardness as described above to reduce the hardness of the surface and restore toughness, Furthermore, the process called decarburization which softens by removing carbon from the surface of steel, for example may be sufficient. When the surface of the gear blank is softened by the heat treatment as described above, for example, if the temperature at 10 μm from the surface of the gear blank is about 200 ° C. and the surface temperature is about 700 ° C. or less as described above. Good. Further, instead of these treatments, a solution having corrosiveness to the steel or cast iron forming the gear blank, that is, an etching treatment for softening the surface by corroding the surface with an etching solution, or the above-described gear blank in an oxygen atmosphere. It may be a treatment in which grain boundary oxides are positively formed on the surface by being exposed to a high temperature. That is, when the surface of the gear blank is softened by such chemical treatment, the kind of the etching solution, the concentration of the etching solution, and the oxygen are used so that the range from the surface of the gear blank to 10 μm is corroded or oxidized. The concentration, exposure time and temperature can be adjusted. In short, the processing in this block B4 only needs to be configured so as to soften the predetermined thickness and depth from the tooth surface in the hardened layer. In addition, the predetermined depth is a range from the tooth surface to a depth corresponding to the maximum roughness in the surface roughness, or from the above-described tooth surface to a depth of 10 μm, as will be described later.

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。   The gears are meshed with each other to wear the softening layer described above, thereby smoothing each tooth surface and performing a conforming process for improving the adhesion between the tooth surfaces (block B5). The familiar process in the block B5 is basically a conventionally known process called “run-in”. This familiarization process can be omitted.

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。   Here, the relationship between the thickness or depth of the softened layer and the fatigue strength of the gear will be briefly described. Although the details are not illustrated, the softened layer is formed from the gear surface to the inside of the gear beyond 13 μm. It is generally known that the fatigue strength of the gear in this case is smaller than the fatigue strength when the softening layer is formed to a depth of less than 13 μm from the gear surface. Therefore, it is preferable that the above-mentioned softening layer is within a range not exceeding 13 μm from the gear surface, and even if it has a softening layer, in order to ensure sufficient fatigue strength, the depth should be 10 μm from the tooth surface. Is more preferable. The fatigue test is, for example, a so-called rotational bending fatigue test in which a predetermined bending moment is applied to an object and the object is rotated to repeatedly apply stress until the object breaks. The softened layer is a softened layer called a carburized abnormal layer that is inevitably formed on the surface of the gear when the gear is carburized and quenched as an example.

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。   The thickness or depth for forming the softening layer will be briefly described. FIG. 2 schematically shows a case where the maximum roughness R in the surface roughness of the gear blank before the softening process in the block B4 is 10 μm or less. As shown in FIG. 2, when the maximum surface roughness R of the gear blank is 10 μm or less, at least the depth corresponding to the maximum surface roughness R is softened from any position on the surface of the gear blank. It only has to be. In FIG. 2, it is shown as a region with cross hatching. When the maximum surface roughness R is 10 μm or more, as shown in FIG. 3, at least the top of the most convex portion on the surface of the gear blank (hereinafter sometimes referred to as the maximum convex portion). It is sufficient that the range corresponding to the depth of 10 to 10 μm is softened. FIG. 3 shows the region with cross-hatching. Furthermore, the maximum surface roughness R is 10 μm or less, and the depth corresponding to the maximum surface roughness R from the most concave portion on the surface of the gear blank is 10 μm deep from the top of the maximum convex portion. When exceeding, as shown in FIG. 4, the range corresponding to the depth from the top part of the largest convex part to 10 micrometers should just be softened. In FIG. 4, it is shown as a region with cross hatching.

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。   On the other hand, FIG. 5 schematically shows the relationship between the roughness of the tooth surface when the tooth surface roughness is relatively small in the initial use of the gear and the surface roughness of the tooth surface after the blending process. FIG. 6 shows the relationship between the surface roughness of the tooth surface when the gear surface roughness is relatively large in the initial use of the gear and the surface roughness of the tooth surface after the fitting process. It is shown schematically. 5 and 6, the vertical axis indicates the surface roughness of the gear, and the horizontal axis indicates the tooth width, that is, the length in the tooth width direction in which the surface roughness is measured as an example. As shown in FIG. 5 and FIG. 6, when the familiarity processing is performed, the familiarity processing is performed because, for example, a portion protruding upward in FIG. 5 and FIG. 6 wears against the average line of the roughness curve. It is recognized that the surface roughness of the subsequent tooth surface is smoother than that at the beginning of use. Further, as shown in FIGS. 5 and 6, the thickness or depth of the tooth surface worn by the conforming treatment is parallel to the average line of the tooth surface roughness curve at the initial use of the gear, and FIGS. The distance between the line segment that passes through the top of the most convex part in FIG. 6 and the top part of the most convex part in FIG. 5 and FIG. Or less than the maximum roughness. This is presumably because an oil film is formed between the tooth surfaces as wear progresses, and the gears receive loads from each other through the oil film. In addition to this, it is considered that the contact state in which fine unevenness on each tooth surface is plastically deformed gradually decreases, while the contact state in which the unevenness is elastically deformed is gradually increased. In other words, it can be said that the gears are brought into contact with each other mainly due to the oil film and the elastic deformation of the tooth surfaces, so that wear does not easily progress, and as a result, familiarity is terminated. .

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。   Next, the result of having measured the power transmission efficiency for every gear with different surface hardness is shown. FIG. 7 shows a measurement result of power transmission efficiency in a gear which is an example in which the surface hardness is Hv 550 or less without removing the softened layer, and FIG. 8 shows the surface hardness of Hv 700 or more by removing the softened layer. The measurement result of the power transmission efficiency in the gear which is a comparative example is shown. As shown in FIGS. 7 and 8, it was recognized that the power transmission efficiency was improved as the familiarity progressed. In addition, in the gear having a low surface hardness due to the softening layer, it was recognized that the power transmission efficiency due to running-in increases, that is, the difference in power transmission efficiency before and after running-in is large. These results indicate that the so-called conformability is improved by reducing the hardness of the tooth surface, and that the conformability is decreased when the surface hardness is increased.

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。   Moreover, the measurement result of the Vickers hardness from the tooth surface in an Example is typically shown in FIG. As shown in FIG. 9, in the state where the processing up to the block B3 is completed, the Vickers hardness is substantially constant regardless of the depth from the surface in the range of several tens of μm from the tooth surface. On the other hand, in this example, it is recognized that the Vickers hardness on the side closer to the surface than 10 μm from the surface is smaller than the Vickers hardness in the portion deeper than 10 μm from the surface, that is, the vicinity of the surface is softened.

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。   As described above, according to the surface treatment method for a gear according to the present invention, even if the tooth surface is hardened by removing the carburizing abnormal layer inevitably generated by carburizing and quenching, the surface of the hardened layer is obtained. Since the softened surface is used for the conforming treatment, the conformability of the gear can be improved while maintaining the conventional tooth surface strength. By improving the familiarity between the gears, the power transmission efficiency between them can be improved. In addition to these, since the softened layer is formed on the surface of the gear, it is possible to reduce the time required for familiarization. As a result, it is possible to improve the fuel efficiency of a vehicle equipped with a transmission having a gear having such a configuration.

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。   Here, the relationship between the above-described example and the present invention will be briefly described. The processing in the block B2 corresponds to the first step in the present invention, and the processing in the block B3 corresponds to the second step in the present invention. The processing in block B4 corresponds to the third step in the present invention.

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。   Block B2 ... 1st process, Block B3 ... 2nd process, Block B4 ... 3rd process.

Claims (4)

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。
In the gear surface treatment method comprising a first step of forming a hardened layer on the surface of the gear and a second step of subsequently smoothing the hardened layer or generating compressive residual stress on the surface,
A gear surface treatment method comprising: a third step of forming a softened layer on the hardened layer by softening a surface of the gear having the hardened layer formed thereon after the second step.
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。
The said 3rd process softens from the said surface to the depth equivalent to the maximum roughness in the surface roughness of the said hardened layer, or to the depth within 10 micrometers from the said surface. Gear surface treatment method.
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。
The third step includes a step of tempering the surface, a step of relatively reducing the amount of carbon on the surface, a step of corroding the surface by etching, and increasing the temperature of the surface in an oxygen atmosphere. The method of claim 1, further comprising oxidizing the surface with oxygen.
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。
In the second step, when the hardened layer is formed, a grinding treatment for smoothing the surface by removing the carburizing abnormal layer and the grain boundary oxide layer formed on the surface, and compressive residual stress on the surface 4. The gear surface treatment method according to claim 1, further comprising any one of shot peening and the like.
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