歯車用鋼材の比較：20CrMnTi、40Cr、42CrMo、17CrNiMo6
まず熱処理ルートを選び、次に鋼種を選ぶ。40Crと42CrMoの調質歯車、浸炭20CrMnTi、38CrMoAlの窒化を網羅。
熱処理ルートが先、鋼種名は後
鋼種だけでは歯車の性能は決まらない。決めるのは、鋼種と熱処理の組み合わせである。40Crの丸棒を1本取って、調質するか、表面焼入れするかで、結果は2倍以上異なる。
作業の大半は3つのルートで説明できる：
- 調質（Q&T） — 焼入れ後、高温で保持して焼戻しソルバイトを生成する。HB 240–320が通常の硬さ範囲。靭性と強度が同時に得られ、歯面が特に硬さを必要としない低速・中速歯車に十分である。
- 浸炭焼入れ — 低炭素鋼を920–950°Cの浸炭雰囲気中で保持し、焼入れする。炭素が歯面をマルテンサイトに変え、内部は低炭素で靭性を保つ：軟質な芯の上の硬質な表皮。過酷な接触応力を受ける歯車が自然な用途である。
- 窒化 — 約500–570°Cで、アンモニアを含むガスが窒素を表面に拡散させ、窒化硬化層を形成する。温度が低いため歪みは小さく、層は浅い（通常0.3–0.6 mm）ため、最終研削を必要としない小モジュール精密歯車に限られる。
決定手順：まず歯元曲げ応力と歯面接触応力を計算する。これにより表面を硬化させる必要があるかが分かる。必要なら、次の問いは浸炭鋼か窒化鋼かである。
要約：鋼種より先に熱処理ルートを決める。中程度の荷重を受ける低速・中速歯車は通常、調質40Cr（調質後HB 260–300）で対応する。断面がより大きく重い場合は42CrMo（HB 280–320）が引き継ぐ。重荷重下で硬質歯面が必須の場合は浸炭する：20CrMnTiは表面HRC 58–62、芯部HRC 30–42を与える。歪みが懸念される小モジュール精密歯車には38CrMoAlの窒化が適し、表面硬さはHV 950–1100程度。同一ブランクでは、浸炭鋼は調質鋼の約1.3–1.5倍のコストがかかる — 材料選定は本質的に、疲労寿命を得るために多く支払うことである。
一般的な歯車用鋼を用途に合わせる
| 鋼種 | ルート | 硬さ | 典型的な用途 | 相対ブランクコスト |
|---|---|---|---|---|
| 40Cr | 調質 | HB 260–300 | 低速/中速、中程度荷重、工作機械歯車、一般減速機 | 1.0 |
| 42CrMo | 調質 | HB 280–320 | 大モジュール重軸、大径歯車 | 1.15 |
| 20CrMnTi | 浸炭焼入れ | 表面HRC 58–62、芯部HRC 30–42 | 自動車トランスミッション、産業用減速機歯車 | 1.35 |
| 17CrNiMo6 | 浸炭焼入れ | 表面HRC 58–62、芯部HRC 33–45 | 重負荷ギヤボックス、風力主駆動 | 1.8 |
| 38CrMoAl | 調質＋窒化 | 表面~HV 950–1100 | 小モジュール精密歯車、厳しい歪み制限 | 1.2 |
これらのコストは同一ブランクサイズを前提とし、熱処理は含まない。浸炭鋼のプレミアムで買うのは接触疲労寿命である：同一荷重で、浸炭歯面は通常、調質歯面より1グレード優れた耐ピッチング性を発揮する。
40Crと42CrMo：調質ペア
中国では、40Crは最もよく見られる調質歯車鋼であり、安価で入手しやすい。42CrMoはより深く硬化するため、厚肉断面も完全焼入れされる。その特性から、大モジュール・大径軸歯車はこれで切削される。荷重が中程度で、モジュールが8未満、歯幅が限られる場合、調質40Crで一般に事足りる。
20CrMnTiと17CrNiMo6：浸炭ペア
20CrMnTiの焼入れ性は中程度に過ぎないが、油焼入れでも要求硬さに達する — これが中国で中小モジュールの重負荷歯車を支配し、自動車トランスミッションやカスタム歯車の仕事に繰り返し登場する理由である。より深い硬化と靭性の高い芯部が17CrNiMo6の提供するもので、大モジュールや強い衝撃荷重に適するが、価格は高い。
38CrMoAl：窒化の選択
窒化した38CrMoAl部品は、高い表面硬さと最小の歪みを両立し、最終研削は通常不要である。浅い硬化層が難点である：接触疲労能力が限られるため、重い歯面荷重には対応できない。接触応力計算が限界以下に留まる場合にのみ使用する。
完全な図面は材料を完全に明記する
完成歯車図面の材料欄には3つの項目がある：鋼種、熱処理、硬さ範囲。熱処理を省き「40Cr」とだけ書くと、サプライヤーは推測に頼り、検収は紛争になる。
鋼材サプライヤーからミルシートを入手する — ヒート番号、化学成分、マクロ組織 — 通常はGB/T 3077に準拠。同一鋼種でも焼入れ性帯はミルごとに異なるため、量産では単一ミルに固定する。
実務ノート：当社の精密歯車加工段階での図面承認時には、3つのチェックを行う：歯面接触応力が材料の許容値以下か、モジュールと歯幅が示す断面サイズが焼入れ性の範囲内か、硬さ要件と測定位置が明記されているか。手直しは通常、材料か注記に起因し、加工には起因しない。当社が実施する浸炭バッチはすべて同伴試験片を備える；CHDと表面硬さを測定し記録を保管するので、後の故障はそのヒートに遡及できる。選定オプションを検討するには、歯車製品範囲をご覧ください；プロセス情報は当社の能力ページにあります。
間違った材料は故障として現れる
当社の記録には3つの教訓的な案件がある：
- 20CrMnTi指定箇所に40Crを使用。 減速機出力歯車で約2,000運転時間後にピッチングが発生。HB 285での調質40Cr歯面の接触疲労強度は浸炭層より低いため、結果は予測可能だった — 図面で接触応力チェックを行った者がいなかった。
- 20CrMnTiで浸炭した大モジュール歯車。 モジュール12、歯幅120 mmの歯車の芯部硬さはHRC 25–28しかなく、HRC 30の要求を下回った；したがって歯元曲げ強度が不足し、歯の破断リスクが上昇した。厚肉断面は20CrMnTiでは完全に硬化しない；この案件は17CrNiMo6を要した。
- 表面硬化なしの40Cr調質、歯面摩耗。 歯面が高速で動き、滑り率が高い場合、調質硬さは摩耗に対する防御にならない。HRC 45–52への高周波表面焼入れで解決した。
最初から間違った材料を、下流の作業で補うことはできない。