金属歯車の材質

歯車鋼は、普通炭素鋼と合金鋼の 2 つの一般的なクラスに分類できます。合金鋼は工業分野である程度使用されていますが、熱処理された普通炭素鋼の方がはるかに一般的です。歯車に未処理の合金鋼を使用することが正当化されることは、たとえあったとしてもほとんどなく、それは熱処理設備が不足している場合に限られます。熱処理普通炭素鋼と熱処理合金鋼のどちらを使用するかを決定する際に考慮すべき点は、使用条件や設計が合金鋼の優れた特性を必要とするか、または合金鋼が必要ない場合でも、得られる利点が追加コストを相殺するかどうかです。ほとんどの用途では、目的の用途に最適な品質を得るために熱処理された普通炭素鋼が満足のいくものであり、非常に経済的です。熱処理普通炭素鋼の代わりに熱処理合金鋼を使用することで得られる利点は次のとおりです。

同じ炭素含有量と焼入れで、表面硬度と硬度侵入の深さが増加します。

それほど急激な焼き入れを行わずに同じ表面硬度を得ることができ、合金によってはより低い焼き入れ温度を実現できるため、歪みが少なくなります。

降伏点、伸び、面積減少の値が高いことで示されるように、靱性が向上します。

粒子サイズが細かくなり、衝撃靱性が向上し、耐摩耗性が向上します。

一部の合金の場合、加工品質が向上したり、より高い硬度での加工が可能になったりします。

肌焼き鋼の使用

歯車鋼の 2 つの一般的なクラスはそれぞれ、次のようにさらに細分化できます。

肌焼き鋼;

完全硬化鋼。

3) 熱処理され、機械加工が可能な硬度まで引き抜かれた鋼。

最初の 2 つ (表面硬化鋼と完全硬化鋼) は、ある種のサービスでは交換可能であり、選択は個人的な意見の問題であることがよくあります。耐摩耗性が必要な場合は、非常に硬く、きめの細かい (適切に処理された場合) 表面と比較的柔らかく延性のあるコアを備えた肌焼き鋼が一般に使用されます。肌焼き合金鋼はかなり強靱な中心部を持っていますが、全硬化鋼の中心部ほどではありません。コアの特性から最大の利点を実現するには、肌焼き鋼を二重焼入れする必要があります。これは合金鋼に特に当てはまります。合金鋼の使用によって得られる利点は、コアが 2 回目の焼き入れによって精製され強化されない限り、追加の出費に見合ったものになることはほとんどないからです。追加の改良に対して支払わなければならないペナルティは歪みの増加であり、形状または設計がケースハードニングプロセスに適さない場合、歪みが過剰になる可能性があります。

「貫通硬化」鋼の使用

貫通硬化鋼は、優れた強度、高い耐久限界、靭性、耐衝撃性が必要な場合に使用されます。これらの品質は、使用される鋼の種類と処理によって決まります。肌焼き鋼ほどではありませんが、かなり高い表面硬度が得られます。そのため耐摩耗性はあまり高くありませんが、高い強度と靱性を兼ね備えた耐摩耗性が求められる場合にはこの鋼種が優れています。貫通硬化鋼は硬化時にある程度の歪みが生じますが、その程度は使用する鋼材や焼入れ媒体によって異なります。そのため、スルーハードニング鋼は、歯の研削が可能である場合を除き、騒音が要因となる高速歯車装置や、精度が最も重要となる歯車装置には適していません。中程度および高炭素の割合では油焼き入れが必要ですが、炭素含有量が低い場合は最高の物理的特性と硬度を得るために水焼き入れが必要になる場合があります。ただし、水冷すると歪みが大きくなります。

機械加工を可能にする熱処理

歯車の歯の研磨が現実的でなく、高度な精度が必要な場合は、歯を切断できる硬度まで焼入れ鋼を引き抜くか焼き戻すことができます。この処理により、高度に精製された組織、優れた靭性、および低硬度にもかかわらず、優れた摩耗特性が得られます。強度の低下は、不正確さによって引き起こされる衝撃による増加荷重を排除することである程度補われます。表面から芯までの硬度の浸透が低い鋼をこの方法で処理すると、表面の硬度に対応する物理的特性に基づいた設計を行うことができなくなります。物性は硬度によって決まるため、表面から芯まで硬度が低下すると、最も応力がかかる歯の根元の物性が低くなります。焼入れ媒体は、使用する鋼材と必要な硬度侵入に応じて、油、水、または塩水のいずれかになります。もちろん熱処理後に加工するので歪み量は問題ありません。