特許 5969273 焼結歯車の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5969273

(24)【登録日】2016年7月15日

(45)【発行日】2016年8月17日

(54)【発明の名称】焼結歯車の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 5/08 20060101AFI20160804BHJP

   B22F 3/24 20060101ALI20160804BHJP

   F16H 55/06 20060101ALI20160804BHJP

【ＦＩ】

   B22F5/08

   B22F3/24 B

   B22F3/24 K

   B22F3/24 E

   F16H55/06

【請求項の数】8

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-132820(P2012-132820)

(22)【出願日】2012年6月12日

(65)【公開番号】特開2013-256688(P2013-256688A)

(43)【公開日】2013年12月26日

【審査請求日】2015年3月4日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000102692

【氏名又は名称】ＮＴＮ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】奥野 孝洋

(72)【発明者】

【氏名】島津 英一郎

【審査官】 米田 健志

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００７−５３７３５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５２３７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００４−５０２０２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２９４９０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１１２２３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０１０９０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５２−０２７６８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｆ ５／００

Ｂ２２Ｆ ３／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属焼結体からなる焼結歯車の製造方法であって、
金属からなる原料粉末を準備する工程と、
前記原料粉末を成形および焼結することにより前記金属焼結体を作製する工程と、
前記金属焼結体の歯元領域に、前記歯元領域の表面およびＨｏｆｅｒの３０°接線法によって求められる危険断面を含み、且つ、前記歯元領域よりも歯先面側に位置するかみ合い領域および歯先領域のいずれよりも高い密度を有する高密度歯元領域を形成する工程と、
前記高密度歯元領域の表面に表面硬化層を形成する工程と、を備え、
前記高密度歯元領域を形成する工程では、前記金属焼結体のうちの前記歯元領域の表面に対応する部分のみを転造加工する転造ダイスが用いられる、
焼結歯車の製造方法。

【請求項2】

前記高密度歯元領域を形成する工程では、ホブ形状を有する前記転造ダイスの回転と前記金属焼結体の回転とを相互に同期させながら前記金属焼結体のうちの前記歯元領域の表面に対応する部分のみが転造加工される、
請求項１に記載の焼結歯車の製造方法。

【請求項3】

前記高密度歯元領域を形成する工程では、円柱形状に形成された根元部と半球形状に形成された先端部とを刃形状として有する前記転造ダイスが用いられる、
請求項１または２に記載の焼結歯車の製造方法。

【請求項4】

前記高密度歯元領域の表面に前記表面硬化層を形成する工程では、浸炭焼入れ焼戻し処理が施されることにより前記表面硬化層が形成される、
請求項１から３のいずれか１項に記載の焼結歯車の製造方法。

【請求項5】

前記高密度歯元領域を形成する工程では、冷間加工が実施されることにより前記高密度歯元領域が形成される、
請求項１から４のいずれか１項に記載の焼結歯車の製造方法。

【請求項6】

前記金属焼結体を作製する工程では、９３％以上の相対密度を有する前記金属焼結体が作製される、
請求項１から５のいずれか１項に記載の焼結歯車の製造方法。

【請求項7】

前記原料粉末を準備する工程では、平均粒径がＤ５０において１００μｍ以下の粒度を有する前記原料粉末が準備される、
請求項１から６のいずれか１項に記載の焼結歯車の製造方法。

【請求項8】

前記高密度歯元領域が形成される前の前記金属焼結体の歯底円直径は、完成品として得られる前記焼結歯車の歯底円直径よりも、１００μｍ〜８００μｍの範囲で大きい、
請求項１から７のいずれか１項に記載の焼結歯車の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、焼結歯車およびその製造方法に関し、特に、金属焼結体からなる焼結歯車およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

古くから、歯車は動力を伝達するための部品として用いられている。歯車は、溶製材などを用いて作製される。溶製材からなる歯車の代表的な作製方法としては、ホブまたはラックカッターなどを用いる歯切り法が知られている。歯切り法においては、円盤形状を有する材料（歯車ブランク）が準備される。この歯車ブランクは、歯以外の部分が予め加工されている。歯車ブランクに対して歯溝を削り取る加工が行われることにより、所望の形状を有する歯車が得られる。

【0003】

歯切り法は、歯車ブランクを切削することにより所望の歯車形状を得るため、切削工程に長い時間を要したり、切り粉が発生して材料ロスが増加したりしやすい。近年では、歯切り法に代わって粉末冶金法が用いられる。粉末冶金法の中でも、特に、粉末プレス成形法が多く用いられている。粉末プレス成形法においては、原料粉末が金型内に充填される。金型を用いて原料粉末がプレス成形されることにより、原料粉末は、所定の形状に成形される。その後、成形された材料を焼成処理により焼結させることで、所望の形状を有する歯車が得られる。粉末プレス成形法は、作製時間を短縮させたり、材料ロスを低減させたりすることができる。

【0004】

一方で、粉末プレス成形法を用いて作製された焼結体からなる歯車は、通常、８５％〜９２％程度の相対密度（溶製材の真密度に対する焼結体の密度の割合）を有しており、多くの空孔が焼結体の内部に残存している。焼結体の内部の空孔は、応力負荷時に溶製材におけるき裂のような振る舞いをする。空孔は応力集中源となり、引張強度、圧縮強度、および曲げ強度などの静的強度のほか、衝撃強度（靭性）および疲労強度などの動的強度も低下させる。焼結体からなる歯車は、溶製材からなるものと比較して、同じ材質であっても静的強度、靭性および疲労強度などにおいて劣るものとなりやすい。

【0005】

特開平０１−３１２０５６号公報（特許文献１）は、高密度の焼結体を得る技術として、２回成形２回焼結（２Ｐ２Ｓ）法を開示している。この方法においては、一旦仮焼結された仮焼成形体が、再び金型内で圧縮成形される。その後、材料が本焼結されることによって、高密度焼結体が得られる。特開昭５８−１３３３０１号公報（特許文献２）は、高密度の焼結体を得る他の技術として、焼結後に後加工を施す焼結鍛造法を開示している。この方法においては、焼結体を金型に入れた状態で熱間鍛造が施されるため、真密度により近い焼結体が得られる。

【0006】

特許文献１，２に開示された方法においては、歯車に熱履歴が加えられるため、最終的に得られた歯車の寸法精度が低下しやすい。特に、焼結鍛造法においては、熱間加工が施されるため、最終的に得られた歯車の寸法精度はより低下しやすい。特許文献１，２に開示された方法は、いずれも特殊な工程を含んでいるため、製造コストも増大しやすい。

【0007】

特表平０６−５０１９８８号公報（特許文献３）および特開２００４−２５５３８７号公報（特許文献４）は、転造によって焼結歯車の表面を緻密化する技術を開示している。特許文献３に開示された方法では、歯車ブランクに対して平行軸歯車対の関係になるように配置された転造ダイスを用いて転造が施される。特許文献４に開示された方法では、ホブのような形状を有する転造ダイスを用いて転造が施される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平０１−３１２０５６号公報

【特許文献2】特開昭５８−１３３３０１号公報

【特許文献3】特表平０６−５０１９８８号公報

【特許文献4】特開２００４−２５５３８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は、高い形状精度を有し高い疲労特性を発揮することが可能な焼結歯車およびその製造方法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】

【0010】

本発明に基づく焼結歯車は、金属焼結体からなる焼結歯車であって、歯元領域と、上記歯元領域よりも歯先面側に位置するかみ合い領域と、上記かみ合い領域よりも上記歯先面側に位置する歯先領域と、を備え、上記歯元領域には、上記歯元領域の表面およびＨｏｆｅｒの３０°接線法によって求められる危険断面を含むように、上記かみ合い領域および上記歯先領域のいずれよりも高い密度を有する高密度歯元領域が形成されており、上記高密度歯元領域の表面には、表面硬化層が形成されている。

【0011】

好ましくは、上記高密度歯元領域の空孔率は、２％以下である。好ましくは、上記表面硬化層は、浸炭焼入れ焼戻し処理が施されることにより形成されている。好ましくは、上記高密度歯元領域の表面の硬度は、ＨＲＡ７５以上である。好ましくは、上記高密度歯元領域は、冷間加工が実施されることにより形成されている。

【0012】

好ましくは、上記高密度歯元領域は、上記金属焼結体のうちの上記歯元領域の表面に対応する部分のみを転造加工する転造ダイスを用いた上記冷間加工により形成されている。好ましくは、上記高密度歯元領域は、ホブ形状を有する上記転造ダイスの回転と上記金属焼結体の回転とを相互に同期させながら上記金属焼結体のうちの上記歯元領域の表面に対応する部分のみを転造加工する上記冷間加工により形成されている。好ましくは、上記高密度歯元領域は、円柱形状に形成された根元部と半球形状に形成された先端部とを刃形状として有する上記転造ダイスを用いた上記冷間加工により形成されている。

【0013】

本発明に基づく焼結歯車の製造方法は、金属焼結体からなる焼結歯車の製造方法であって、金属からなる原料粉末を準備する工程と、上記原料粉末を成形および焼結することにより上記金属焼結体を作製する工程と、上記金属焼結体の歯元領域に、上記歯元領域の表面およびＨｏｆｅｒの３０°接線法によって求められる危険断面を含み、且つ、上記歯元領域よりも歯先面側に位置するかみ合い領域および歯先領域のいずれよりも高い密度を有する高密度歯元領域を形成する工程と、上記高密度歯元領域の表面に表面硬化層を形成する工程と、を備える。

【0014】

好ましくは、上記高密度歯元領域の表面に上記表面硬化層を形成する工程では、浸炭焼入れ焼戻し処理が施されることにより上記表面硬化層が形成される。好ましくは、上記高密度歯元領域を形成する工程では、冷間加工が実施されることにより上記高密度歯元領域が形成される。好ましくは、上記金属焼結体を作製する工程では、９３％以上の相対密度を有する上記金属焼結体が作製される。

【0015】

好ましくは、上記原料粉末を準備する工程では、平均粒径がＤ５０において１００μｍ以下の粒度を有する上記原料粉末が準備される。好ましくは、上記高密度歯元領域が形成される前の上記金属焼結体の歯底円直径は、完成品として得られる上記焼結歯車の歯底円直径よりも、１００μｍ〜８００μｍの範囲で大きい。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、高い形状精度を有し高い疲労特性を発揮することが可能な焼結歯車およびその製造方法を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】実施の形態における焼結歯車の全体構成を示す斜視図である。

【図2】実施の形態における焼結歯車の内部構造を示す部分断面図である。

【図3】実施の形態における焼結歯車の歯に形成されたＨｏｆｅｒの３０°接線法によって求められる危険断面を説明するための断面図である。

【図4】実施の形態における焼結歯車の製造方法に用いられる転造ダイスを示す図である。

【図5】実施の形態における焼結歯車の製造方法を示す図である。

【図6】実施の形態における焼結歯車の製造方法の焼結工程で得られる金属焼結体を示す図である。

【図7】実施の形態に関する実験例の実験条件を示す第１図である。

【図8】実施の形態に関する実験例の実験条件を示す第２図である。

【図9】実施の形態に関する実験例の実験結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明に基づいた実施の形態および各実施例について、以下、図面を参照しながら説明する。実施の形態および各実施例の説明において、個数および量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数およびその量などに限定されない。実施の形態および各実施例の説明において、同一の部品および相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

【0019】

（焼結歯車１０）
図１は、実施の形態における焼結歯車１０の全体構成を示す斜視図である。焼結歯車１０は、円盤状の形状を有する本体部１１と、本体部１１から径方向に突出する複数の歯１２とを備えている。焼結歯車１０は、金属焼結体からなっている。この金属焼結体は、鉄が主成分であってもよく、より具体的には８０質量％以上の鉄を含有するものであってもよい。

【0020】

図２は、焼結歯車１０（図１参照）の内部構造を示す部分断面図である。歯１２は、本体部１１（図１参照）に対応するベース領域１３の外縁である歯底面１４から、歯先面１５に向かって突出するように形成されている。歯１２は、歯底面１４側に位置する歯元領域１６と、歯元領域１６よりも歯先面１５側に位置するかみ合い領域１７と、かみ合い領域１７よりも歯先面１５側に位置する歯先領域１８とを含む。焼結歯車１０の歯１２には、Ｈｏｆｅｒの３０°接線法によって求められる危険断面２０が形成されている。

【0021】

図３は、歯１２に形成されたＨｏｆｅｒの３０°接線法によって求められる危険断面２０を説明するための断面図である。図示上の便宜のため、図３の中の歯１２には、高密度歯元領域１９（図２を参照して詳細は後述する）および表面硬化層２１（図２を参照して詳細は後述する）のいずれも図示されていない。

【0022】

図３に示すように、歯１２に形成されたＨｏｆｅｒの３０°接線法によって求められる危険断面２０とは、歯１２の歯形中心線ＣＣに対してそれぞれ３０°の角度θ１，θ２で交差する直線Ｌ１，Ｌ２が、歯１２の歯元の歯形曲線に内接する位置（２点）を結んだ際に形成される仮想的な断面である。焼結歯車１０の歯１２に荷重が作用するとき、危険断面２０は周囲の部位に比べて破損しやすい。

【0023】

図２を再び参照して、歯１２の歯元領域１６には、高密度歯元領域１９が形成されている。高密度歯元領域１９は、歯元領域１６の表面１６Ｓの略全体に及ぶように形成され、且つ、Ｈｏｆｅｒの３０°接線法によって求められる危険断面２０の両端寄りの部分を含むように形成されている。高密度歯元領域１９の密度は、かみ合い領域１７の密度よりも高く、且つ、歯先領域１８の密度よりも高い。

【0024】

換言すると、高密度歯元領域１９の空孔率は、かみ合い領域１７の空孔率よりも小さく、かつ、歯先領域１８の空孔率よりも小さい。高密度歯元領域１９の空孔率は、２％以下であるとよい。この構成によれば、静的強度、靭性および疲労強度をより向上させることができる。高密度歯元領域１９の表面１９Ｓの硬度は、ＨＲＡ（ロックウェル硬さＡスケール）で７５以上であるとよい。この構成によれば、高密度歯元領域１９の表面１９Ｓに高い強度を付与することが可能となる。

【0025】

高密度歯元領域１９の空孔率は、たとえば以下のように測定することができる。まず、焼結歯車１０の歯１２を、高密度歯元領域１９の表面１９Ｓに垂直な断面において切断する。次に、切断面を研磨し、研磨された切断面を光学顕微鏡で観察し、画像データ（あるいは写真）を取得する。取得した画像データ（あるいは写真）を二値化処理し、たとえば空孔部が黒色となるように設定し、空孔部以外の領域が白色となるように設定する。白色の領域に対する黒色の領域の割合（面積率）は、空孔率として算出されることができる。

【0026】

高密度歯元領域１９の表面１９Ｓには、表面硬化層２１が形成されている。本実施の形態の歯１２においては、歯底面１４の表面、歯元領域１６の表面１６Ｓ、かみ合い領域１７の表面１７Ｓ、歯先領域１８の表面１８Ｓ、および、歯先面１５の表面の全部に及ぶように、表面硬化層２１が形成されている。表面硬化層２１は、高密度歯元領域１９の表面１９Ｓの全部を含むように形成されている。表面硬化層２１は、浸炭焼入れ処理または窒化処理などの硬化処理が施されることにより、浸炭層として容易に形成されることができる。

【0027】

図４を参照して、高密度歯元領域１９（図２参照）は、冷間加工が実施されることにより形成されているとよい。冷間加工は、熱を加えることなく高密度歯元領域１９を形成することができるため、金属組織の変化および寸法精度の低下を抑制することができる。たとえば、高密度歯元領域１９が形成される際には、転造ダイス３０が予め準備され、金属焼結体１に対して転造加工が実施される。金属焼結体１は、焼結歯車１０（図１参照）を作製するための基本材料であり、金属を含む原料粉末がプレス成形されることによって得られる。金属焼結体１は、回転軸２の周りに、矢印ＡＲ１方向に回転駆動される。

【0028】

転造ダイス３０は、回転軸３１によって支持された本体部３２と、本体部３２の外周から突出するように設けられた複数の刃３３とを含み、全体としてホブ形状（ホブのようなネジ形状）を有している。転造ダイス３０の刃３３は、金属焼結体１の歯に噛み合うように形成される。刃３３は、円柱形状に形成された根元部３４と、半球形状に形成された先端部３５とを、刃形状として有している。転造ダイス３０は、回転軸３１の周りに、矢印ＡＲ３０方向に回転駆動される。

【0029】

金属焼結体１および転造ダイス３０は、回転軸２および回転軸３１同士が交差せず且つ平行な位置関係にもならない、いわゆる筋違い軸状に配置される。金属焼結体１および転造ダイス３０は、転造ダイス３０が金属焼結体１に対して矢印ＡＲ３１方向に相対移動しながら、各々の回転が相互に同期される。転造ダイス３０は、転造ダイス３０および金属焼結体１同士が接触した状態で、金属焼結体１のうちの歯元領域の表面に対応する部分（金属焼結体１から作製される焼結歯車１０の歯元領域１６の表面１６Ｓに対応する部分）のみに圧力を付与して転造加工する。

【0030】

この転造加工によって、高密度歯元領域１９（図２参照）を有する焼結歯車１０（図１参照）が得られる。詳細は後述されるが、この転造加工（冷間加工）は、焼結後で表面硬化処理が施される前の工程で行われる。これにより、弱い加工力で、比較的大きな変形を施すことができる。転造ダイス３０によれば、転造時のすべりを抑制しつつ、転造時に金属焼結体１の歯元領域（図６における歯元形成領域６を参照）に大きな面圧を付与することができる。転造ダイス３０によれば、他の領域の形状を損なうことを防止しつつ、少ない押付け荷重でより大きな押込み量を得ることができる。転造ダイス３０の半球形状に形成された先端部３５の半径の大きさを調整することで、転造ダイス３０の回転数と転造ダイス３０の移動速度とに応じて、滑り量を低減することもできる。

【0031】

（作用および効果）
実施の形態の焼結歯車１０においては、高密度歯元領域１９が部分的に形成され、Ｈｏｆｅｒの３０°接線法によって求められる危険断面２０付近（歯元部分）の空孔が低減されている。焼結歯車１０が使用される状態においては、危険断面２０付近の歯元部分に最大引張応力が発生しやすいが、焼結歯車１０の危険断面２０付近においては応力集中源が減少している。焼結体である焼結歯車１０の歯１２の表面からの亀裂の発生および歯１２の内部への亀裂の進展により破損が発生し易い歯元付近に高密度歯元領域１９が形成されていることにより、焼結体である焼結歯車１０内での亀裂の発生および亀裂の進展が鈍化し、焼結歯車１０は、静的強度、靭性および疲労強度（動的強度）を向上させることが可能となっている。

【0032】

冒頭で説明した特表平０６−５０１９８８号公報（特許文献３）および特開２００４−２５５３８７号公報（特許文献４）に開示された転造方法においては、歯先から歯元に向かって歯面全体に対して加工が施される。十分な転造押込み量を確保しつつ、且つ、かみ合い領域の形状精度を保つように加工を施すためには、歯面の肉の流れを考慮しなければならず、歯先部転造時に歯元に大きな曲げ応力がかかってしまい、歯元領域（特に危険断面）での割れまたは微小クラックが生じる恐れもある。歯面での転造ダイスの滑り量が大きくなりやすく、十分な転造押し込み量を確保しつつ、高精度の歯面形状をも確保することは、特許文献３，４の方法では困難である。

【0033】

これに対して実施の形態の焼結歯車１０においては、高密度歯元領域１９が部分的に形成されており、焼結歯車１０の全体が高密度化されてはいない。焼結歯車１０の製造に際して、焼結歯車１０の全体を高密度化する２回成形２回焼結（２Ｐ２Ｓ）法、および、焼結後に熱間鍛造を施す方法のいずれも採用される必要がない。高密度歯元領域１９を含む焼結歯車１０は、冷間圧延処理などの冷間加工を用いて作製されることができるため、高い寸法精度を確保することが可能となる。

【0034】

実施の形態の焼結歯車１０においては、高密度歯元領域１９の表面１９Ｓに表面硬化層２１が形成されているため、き裂の発生が抑制され、表面１９Ｓの静的強度および疲労強度がさらに向上している。浸炭焼入れ焼戻しを施すことで焼結歯車１０の内部の靱性が確保されるため、き裂の進展も抑制されることができる。以上述べたように、実施の形態の焼結歯車１０は、高い寸法精度を確保しながら、静的強度の向上および靭性の向上、ならびに、高い疲労特性を発揮することができる。

【0035】

（焼結歯車１０の製造方法）
図５を参照して、実施の形態における焼結歯車１０の製造方法の一例について説明する。焼結歯車１０の製造方法は、原料粉末準備工程Ｓ１０、成形工程Ｓ２０、焼結工程Ｓ３０、高密度歯元領域形成工程Ｓ４０、表面硬化層形成工程Ｓ５０、および、仕上げ工程Ｓ６０を備えている。これらの各工程Ｓ１０〜Ｓ６０は、この順番で実施されることができる。

【0036】

原料粉末準備工程Ｓ１０においては、金属からなる原料粉末が、焼結体の原料として準備される。金属からなる原料粉末としては、ＪＩＳ Ｚ ２５５０におけるＰ１０６４〜Ｐ１０８４、または、Ｐ３０７４〜Ｐ３１０６などの鉄系粉末が準備されるとよい。金属からなる原料粉末の粒度は、好ましくは、Ｄ５０において５μｍ以上１００μｍ以下である。より好ましくは、金属からなる原料粉末の粒度は、Ｄ５０において１０μｍ以上５０μｍ以下である。

【0037】

成形工程Ｓ２０においては、原料粉末準備工程Ｓ１０で準備された原料粉末が、金型に充填されてプレス成形される。焼結歯車１０（若しくは、図６に示す金属焼結体１）の形状に対応する形状を有する成形体が作製される。このとき、必要に応じて原料粉末に潤滑剤または焼結助剤が添加されてもよい。

【0038】

焼結工程Ｓ３０においては、成形工程Ｓ２０で作製された成形体が、たとえばアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中において加熱されることにより、焼結される。焼結歯車１０（図１参照）の概略形状を有する金属焼結体１（図６参照）が得られる。このとき、相対密度が９３％以上である金属焼結体１が作製されることが好ましい。たとえば高密度歯元領域１９が冷間加工によって形成される場合、少ない加工代で十分な緻密性を有する高密度歯元領域１９を得ることができる。金属焼結体１の平均空孔径は、１００μｍ以下であることが好ましい。金属焼結体１の全体の空孔を抑制することができる。

【0039】

図６に示すように、焼結工程Ｓ３０によって得られた金属焼結体１は、焼結歯車１０（図１参照）の概略形状を有し、円盤状の本体部の周りに複数の歯３が形成されている。歯３は、焼結歯車１０（図１参照）における歯１２（図１参照）に対応する部位である。歯３は、歯底面４から歯先面５に向かって延びており、歯元形成領域６（歯元領域）、かみ合い形成領域７（かみ合い領域）、および、歯先形成領域８（歯先領域）を含んでいる。

【0040】

歯底面４は、焼結歯車１０（図１参照）における歯底面１４（図２参照）に対応する部位である。歯底面４は、歯底円９を形成している。歯先面５は、焼結歯車１０における歯先面１５に対応する部位である。歯元形成領域６は、焼結歯車１０における歯元領域１６に対応する部位である。かみ合い形成領域７は、焼結歯車１０におけるかみ合い領域１７に対応する領域である。歯先形成領域８は、焼結歯車１０における歯先領域１８に対応する領域である。

【0041】

次述する高密度歯元領域形成工程Ｓ４０において、高密度歯元領域１９が形成される。高密度歯元領域１９が形成される前の金属焼結体１の歯底円直径Ｄ９は、完成品として得られる焼結歯車１０の歯底円直径よりも、１００μｍ〜８００μｍの範囲で大きいことが好ましい。当該構成によれば、後に行われる冷間加工において、歯元領域（歯元形成領域６）に押し込むための余肉を確保することが可能となる。

【0042】

完成品としての焼結歯車１０に高い形状精度を確保するためには、押し込み量をモジュールから決まる頂げきの大きさ以下にすることも好ましい。当該構成によれば、歯面のかみ合い領域を塑性加工することなく、歯元領域（歯元形成領域６）のみに対して塑性加工を実施することが可能になる。たとえばモジュール１の焼結歯車１０を作製する場合、金属焼結体１の歯底円直径Ｄ９は、完成品として得られる焼結歯車１０の歯底円直径よりも、１００〜５００μｍ程度大きくすることが好ましい。

【0043】

高密度歯元領域形成工程Ｓ４０においては、冷間加工が実施される。焼結工程Ｓ３０において得られた金属焼結体１のうちの歯元形成領域６の表面（換言すると、焼結歯車１０の歯元領域１６の表面１６Ｓに対応する表面）に対して冷間圧延処理などの冷間加工が施される。金属焼結体１の歯元形成領域６（歯元領域）には、歯元形成領域６の表面およびＨｏｆｅｒの３０°接線法によって求められる危険断面を含み、且つ、歯元形成領域６（歯元領域）よりも歯先面５側に位置するかみ合い形成領域７（かみ合い領域）および歯先形成領域８（歯先領域）のいずれよりも高い密度を有する高密度歯元領域１９が形成される。

【0044】

図５を再び参照して、表面硬化層形成工程Ｓ５０においては、硬化処理が実施される。高密度歯元領域形成工程Ｓ４０において高密度歯元領域１９が形成された金属焼結体１の高密度歯元領域１９の表面１９Ｓを含む領域に、たとえば浸炭焼入れ焼戻し処理または窒化処理などの硬化処理を施すことにより、表面硬化層２１が形成される。

【0045】

次に、仕上げ工程Ｓ６０が実施される。この工程では、必要に応じて所望の領域に研磨などの仕上げ加工が実施される。以上の手順により、本実施の形態における焼結歯車１０の製造方法は完了し、図１に示すような焼結歯車１０を得ることができる。上述のとおり、焼結歯車１０は、高い寸法精度を確保しながら、静的強度の向上および靭性の向上、ならびに、高い疲労特性を発揮することができる。

【0046】

（実験例）
図７〜図９を参照して、本発明に関する実験例について説明する。この実験例は、実施例１〜５および比較例１〜３に基づく各実験を含む。実験の手順は以下のとおりである。まず、図７に示す３種類の材質および３種類の粉末平均粒径（Ｄ５０）を有する金属粉末を原料粉末として準備した。それぞれの原料粉末を、図７に示される成形圧力でプレス成形し、図７に示される焼結条件で焼結した。外径φ２０ｍｍ×肉厚ｔ７ｍｍの寸法を有する焼結素形体が得られた。

【0047】

実施例１〜５および比較例１〜３のそれぞれで得られた焼結素形体に対して、切削加工を実施した。図８に示される各歯車特性を有するように、実施例１〜５および比較例１〜３のそれぞれで得られた焼結素形体は加工された。実施例１〜５で得られた金属焼結体の歯底部については、切削加工の後、図９に示されるそれぞれの圧下量で冷間加工を実施した。この冷間加工が実施されることにより、歯元領域の表面の略全体に及ぶように、且つ、Ｈｏｆｅｒの３０°接線法によって求められる危険断面の両端寄りの部分を含むように、高密度歯元領域が形成された。

【0048】

実施例１〜５の金属焼結体に形成された高密度歯元領域は、図９に示されるような空孔率を有していた。比較例１〜３の焼結歯車（金属焼結体）は高密度歯元領域を有していないため、図９中の比較例１〜３については、実施例１〜５の金属焼結体に形成された高密度歯元領域に対応する領域の空孔率が記載されている。

【0049】

高密度歯元領域の形成後、浸炭焼入れ焼戻し処理を実施し、表面硬化層を形成した。浸炭焼入れの条件は、浸炭深さが約２００μｍとなるように制御され、その後に行った焼戻し条件は、処理温度が１５０℃に設定され、処理時間が９０ｍｉｎに設定された。以上のようにして、実施例１〜５および比較例１〜３のそれぞれにおける焼結歯車を得た。

【0050】

上記手順に沿って得られた実施例１〜５および比較例１〜３のそれぞれの焼結歯車の試験片に対して、ロックウェル硬度計を用いて表面硬度を測定し、歯元曲げ疲労強さ試験を実施した。歯元曲げ疲労強さ試験の条件では、またぎ歯数が２枚となるように設定され、応力比が０．１となるように設定され、周波数が４０Ｈｚとなるように設定された。

【0051】

表面硬度測定および歯元曲げ疲労強さ試験の結果は、図９に示されるとおりである。図９中の歯元曲げ疲労強さ試験の結果については、転造加工の前後での疲労強さの向上率（応力振幅）に基づき評価した値が記載されている。この向上率が１０％以上２０％未満の場合、Ｂ評価を付している。この向上率が２０％以上３０％未満の場合、Ａ評価を付している。この向上率が３０％以上の場合、Ｓ評価を付している。

【0052】

図９を参照して、実施例１〜５は、いずれも対応する比較例に比べて表面の硬度が上昇するとともに、歯元曲げ疲労強さが１０％以上向上している。特に、歯元曲げ疲労強さに関しては、実施例２の焼結歯車は対応する比較例１に対して、５０％以上の向上率を有するという極めて顕著な効果が確認された。以上の実験結果から、実施例１〜５に基づく焼結歯車は、高い疲労強度を有することが確認された。

【0053】

以上、本発明に基づいた実施の形態および各実施例について説明したが、今回開示された実施の形態および各実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【産業上の利用可能性】

【0054】

本発明の焼結歯車およびその製造方法は、寸法精度の低下を抑制しつつ、静的強度、靭性および疲労強度の向上を達成することが求められる焼結歯車およびその製造方法に、特に有利に適用されることができる。

【符号の説明】

【0055】

１ 金属焼結体、２，３１ 回転軸、３，１２ 歯、４，１４ 歯底面、５，１５ 歯先面、６ 歯元形成領域、７ かみ合い形成領域、８ 歯先形成領域、９ 歯底円、１０ 焼結歯車、１１，３２ 本体部、１３ ベース領域、１６ 歯元領域、１６Ｓ，１７Ｓ，１８Ｓ，１９Ｓ 表面、１７ かみ合い領域、１８ 歯先領域、１９ 高密度歯元領域、２０ 危険断面、２１ 表面硬化層、３０ 転造ダイス、３３ 刃、３４ 根元部、３５ 先端部、ＡＲ１，ＡＲ３０，ＡＲ３１ 矢印、ＣＣ 歯形中心線、Ｄ９ 歯底円直径、Ｌ１，Ｌ２ 直線、Ｓ１０ 原料粉末準備工程、Ｓ２０ 成形工程、Ｓ３０ 焼結工程、Ｓ４０ 元領域形成工程、Ｓ５０ 表面硬化層形成工程、Ｓ６０ 仕上げ工程、θ１，θ２ 角度。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】