歯車モジュールと芯部硬さに適合させる浸炭硬化深さ
CHDは基準モジュールの0.15～0.25倍で設定：モジュール2.5以下では0.6～0.9 mm、モジュール5～10では1.2～1.8 mm、20CrMnTiで表面58～62 HRC。
硬化層は推測ではなく、寸法を決める必要がある理由
重負荷歯車では、浸炭焼入れが依然として標準的な熱処理ルートです。管理すべき寸法は有効硬化深さ（CHD）です。これは歯面から垂直に測定し、硬さが550 HVに低下するまでの距離です。実務ではこの値を基準モジュールに関連付け、0.15～0.25×モジュールの範囲を用います。これはモジュール2.5以下では0.6～0.9 mm、モジュール5～10では1.2～1.8 mmとなります。薄すぎるとヘルツ接触応力が歯面を圧壊し、厚すぎると歯元が脆化します。一般的な20CrMnTiの組み合わせでは、表面で58～62 HRC、内部で30～42 HRCが得られます。
浸炭および焼入れサイクルが行うこと
低炭素合金鋼歯車をオーステナイト域である920～950°Cの炭素リッチ雰囲気中に保持し、炭素を表面層に拡散させます。その後焼入れにより、炭素濃化した表層を高炭素マルテンサイトに変え、内部は低炭素で靭性を保ちます。耐摩耗性、耐ピッチング性、耐スカッフィング性は硬い表層が担い、歯元の曲げ荷重は延性のある芯部が支えます。
浸炭、焼入れ、次に160～200°Cで2～3時間の焼戻し — これが標準的な順序です。焼戻し中に焼入れ応力が緩和され、歯元靭性が回復し、表面硬さはわずかに低下するだけです。
通常選択される鋼種には、20CrMnTi、20CrMo、17CrNiMo6、SAE 8620があります。中国では中小モジュール用として20CrMnTiが広く使用されています。その焼入れ性は中程度で、油焼入れだけで十分です。
有効硬化深さの選定
CHDは全硬化深さとは異なります。550 HVを保持できるほど硬い領域だけが接触荷重を実際に支えるため、550 HVの境界が意味を持ちます。
実用規則：CHD ≈ 0.15～0.25 × 基準モジュール。
| 基準モジュール mn (mm) | CHD (mm) | 典型的な用途 |
|---|---|---|
| ≤ 2.5 | 0.6 – 0.9 | 自動車用ギアボックス、小型減速機 |
| 2.5 – 5 | 0.9 – 1.3 | 一般産業用ギアボックス |
| 5 – 10 | 1.2 – 1.8 | 重負荷ギアボックス、圧延機駆動装置 |
| > 10 | 1.6 – 2.5 | 鉱山・セメントミル用歯車 |
層が薄すぎる場合、接触応力が硬化層の支持能力を超え、崩壊型スポーリングが歯面に発生します。厚すぎる場合、残留応力が再分布し、歯元が脆性破壊を起こしやすくなります。厚ければ常に安全というわけではありません。
表面硬さと芯部硬さは同時に指定する必要がある
| パラメータ | 値 | 機能 |
|---|---|---|
| 表面硬さ | 58–62 HRC (≈650–700 HV) | 耐摩耗性、耐スカッフィング性、耐ピッチング性 |
| 芯部硬さ | 30–42 HRC | 歯元曲げ疲労強度、靭性 |
| 表面炭素含有量 | 0.75–1.05% C | マルテンサイト硬さ、残留オーステナイト制御 |
芯部硬さは最も見落とされがちな値です。およそ45 HRCを超えると、歯元はほとんど塑性余裕がなくなり、亀裂が急速に進展します。約28 HRCを下回ると歯元強度が低下し、曲げ疲労寿命が短くなります。20CrMnTiを焼ならしまたは焼入れ焼戻し状態にすると、芯部は通常30～38 HRCの範囲に落ち着きます。
測定方法と実務上の注意点
硬化深さを求める方法は2つあります。マルテンサイトまたは炭化物境界を現出させるエッチングは金属組織学的手法で、迅速ですが精度はエッチング品質に依存します。硬さ勾配のトラバースが決定的な方法です。表面から内部に向かって硬さをプロットし、550 HVとなる深さを読み取ります。読み取りは歯面中央と歯元で行うべきです。この2箇所では異なる値が要求されることがあります。
注意1：図面注記の「硬化深さ1.0 mm」は曖昧です。CHDか全硬化深さかを明確にしてください。両者の差は0.2～0.4 mmあり、誤って解釈するとサプライヤーに誤った仕様を指示することになります。
注意2：硬化目標に研削代を加える必要があります。歯面あたり0.2～0.3 mmを除去する場合、CHDにその余裕を加えて浸炭します。そうしないと研削中に硬化層が消失します。廃却された研削歯車の多くは、研削は正しく行われていましたが、硬化層が最初から薄すぎたのです。
注意3：ねじ穴、油穴、スプラインには防浸炭保護（銅めっきやストップオフペイント0.03～0.05 mmなど）が必要です。これがないとねじが硬化・脆化し、組立時に欠けます。
プロセスウィンドウと典型的な欠陥
カーボンポテンシャル0.75～1.05% C、温度930 ± 10°Cが浸炭雰囲気を定義します。時間は目標深さと炉の負荷で決まります。バッチ炉では、0.1 mmあたりおよそ1～1.5時間を見積もります。焼入れは2つの経路のいずれかです。直接焼入れは浸炭温度から830～850°Cに冷却してから油焼入れします。再加熱焼入れはまず徐冷し、再オーステナイト化して焼入れします — ひずみ制御は優れますが、サイクルは長くなります。
| 欠陥 | 症状 | 主な原因 | 対策 |
|---|---|---|---|
| 表面脱炭 / 内部酸化 | 軟点、歯面硬さ低下 | 高い露点、低いカーボンポテンシャル | 炉内雰囲気制御、CP向上 |
| 粗大結晶粒 | 粗いミクロ組織 | 温度過高または時間過長 | 温度管理、必要に応じ焼ならし |
| 公差外のひずみ | 歯すじ誤差 0.02–0.08 mm | 不均一な負荷、焼入れ応力 | 対称負荷、研削代 |
まとめ
モジュールが硬化深さを支配し、材料の焼入れ性が芯部硬さを支配し、下流の精密歯車加工工程が研削代を支配します。図面承認時にこれら3つを確定すれば、後工程の手直しはほぼ回避できます。材料とプロセスに関する質問は、歯車製品範囲および当社の能力ページからお寄せください。