プラズマ窒化歯車の負荷能力向上に関する研究

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10650154
• 研究機関: 熊本工業大学
• 研究代表者: 石橋 彰 熊本工業大学, 工学部, 教授 (80037720)
• 研究分担者: 江副 覚 水産大学校, 助教授 (30039292) ; 園田 計二 熊本工業大学, 工学部, 助教授 (50163142)
• キーワード: 歯車 / 負荷能力 / プラズマ窒化 / 熱処理 / 曲げ強度 / 衝撃曲げ強度 / 疲労強度 / 衝撃疲労強度

研究概要

自動車の変速機の歯車のように、小さい容積で大きな動力を高速で安全に伝達することが要求される歯車には、浸炭表面硬化鋼が使用されている。しかし、ある種の熱処理を施した球状黒鉛鋳鉄(ADI,austempered ductile iron)が浸炭硬化歯車以上に高い歯面の負荷能力を示す場合があることが最近の研究で明らかにされたので、球状黒鉛鋳鉄にプラズマ窒化を施した場合の歯の曲げ疲労強度を調べた。歯面を窒化で硬化すれば、歯面の耐摩耗性は向上するが、衝撃曲げ強度が低下するので、プラズマ窒化を施した球状黒鉛鋳鉄歯車とプラズマ窒化を施さない歯車の衝撃曲げ疲労強度を比較して調べた。プラズマ窒化により曲げ強度は低下するが、フェライト基地のものの方がパーライト基地のものよりも衝撃疲労強度が高く、ある種の高張力鋼(SM50B)歯車にプラズマで窒化した場合と同じ程度の強度が得られた。これらに関する研究成果は、平成11年3月にフランスで開催されれた、歯車および動力伝達機構に関する第4回世界会議で11ページの英文論文として発表した。窒化した球状黒鉛鋳鉄歯車の基地部は、浸炭硬化した鋼表面と同等以上に硬いが、基地部に囲まれて分散して存在する小さな球状の軟質部(球状黒鉛)があるので、潤滑油や作動流体に硬い異物が混入している装置の中で使用される歯車には有効に利用できると考えられる。
次に代表的な鋼材を用いて、浸炭硬化歯車と窒化鋼歯車の強度の比較試験を行なった。窒化で硬化した鋼製歯車は、浸炭で硬化した鋼製歯車よりも歯が折れ易いので、自動車用歯車のように、重荷重を伝達する歯車には使用できないといわれている。このことが全面的正しいかどうかを調べた。本研究の結果でも、普通一般に歯車に使用されている鋼材では、確かに窒化歯車の方が浸炭硬化歯車よりも、衝撃曲げ疲労強度が低かった。しかし、筆者らは本研究で、今まで歯車に使用されたことのないある種の低炭素合金鋼で歯車を作りプラズマ窒化を施せば、従来からよく使用されている浸炭硬化鋼歯車よりも衝撃曲げ疲労強度が高くなる場合のあることを発見した。今後の研究の進展により、各種の異なる条件の下でも、この新事実が応用できることが証明されれば、歯車工業関係のみならず、衝撃疲労強度が問題になる製造業に大きな影響を及ぼすものと予想される。

研究成果

• [文献書誌] 前之園 好爾: "Effects of Temperature and Plasma Nitriding upon Impact Strength of Ductile Iron" 日本材料強度学会誌. 31巻・1号. 1-10 (1998)
• [文献書誌] 陳 勇: "自動車の児童変速機用複列遊星歯車機構の動力伝達効率" 日本機械学会 第76期全国大会講演会,講演論文集. No.98-3. 91-92 (1998)
• [文献書誌] M.A.Haidar: "Minimization of Effect of CBN Wheel Wear on Ground Gear Errors" International Journal Machine Tools & Manufacture. Vo1.39,No.4. 607-626 (1999)
• [文献書誌] 石橋 彰: "Effects of Kind of Lubricants and Shape of Tooth Profiles upon Efficiency of Gear Drives" Journal of Lubrication Science. (印刷中). (1999)
• [文献書誌] 石橋 彰: "Effects of Kind of Bearings and Lubricants upon Power Transmission Efficiency of Planetary Gear Drives" Proceedings of the 4th World Congress on Gearing and Power Transmission. (印刷中). (1999)
• [文献書誌] 園田 計二: "A New Planetary Gear Drive with Three Crank Shafts for Eliminating Pin-Hole Coupling" Proceedings of the 4th World Congress on Gearing and Power Transmission. (印刷中). (1999)
• [文献書誌] 前之園 好爾: "Effect of Plasma Nitriding upon Impact Fatigue Strength of Gears Made of Ductile Iron" Proceedings of the 4th World Congress on Gearing and Power Transmission. (印刷中). (1999)