ギアに最適な5つの素材を比較

歯車の材料とその熱処理を選択する際には、伝動モード、負荷特性とサイズ、伝動速度、要求精度などの使用条件を考慮することが不可欠です。

さらに、鋼の焼入れ性、歯面の焼入れ要求、ギヤモジュールと断面サイズに応じたギヤペアの材質と硬度値の適合性などの要因も考慮しなければなりません。

歯車は、鋳鉄、鋼、粉末冶金材料、非鉄合金（銅合金など）、非金属材料など、さまざまな材料から作ることができます。鋼は歯車に最もよく使われる材料で、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼、合金鋼に分類されます。

焼ならし、焼なまし、焼入れ・焼戻し、浸炭、窒化、表面焼入れなどの適切な熱処理は、材料の性能、切削能力、加工品質、歯車の耐用年数を大幅に向上させます。

以下に各種鋼材の特徴と適用条件、歯車の熱処理方法を示します：

1.焼入れ・焼戻し鋼

鋼種

• 45、35SiMn、42SiMn、37SiMn2MoV、40MnB、45MnB、40Cr、45Cr、35CrMo、42CrMoなど。

工程1：焼戻しまたは焼ならし

1. 強さとタフネス:焼入れ・焼戻し鋼の歯車は、良好な強度と靭性を示し、一般的に220～300HBWの硬度範囲である。
2. ツールの制限:焼戻しピニオンの硬度が工具の制約で改善できない場合、大小の硬度差を維持するために焼ならし大歯車を使用することがあります。ただし、焼ならし歯車は、焼戻し歯車に比べ強度が劣ります。
3. ファインカッティング:ファインカットにより、熱処理による歪みをなくし、歯車精度を維持することができます。
4. 費用対効果:焼ならし歯車は、特別な熱処理や歯面仕上げ設備を必要としないため、比較的安価に製造できる。
5. ベアリング容量:焼ならし歯車は、歯面硬度が低いため、耐力が制限されることがある。

適用条件:焼ならし歯車は、強度や精度が要求されない一般的な中低速用途や、熱処理や仕上げが難しい大型歯車に広く使用されている。

工程2：表面焼入れ（高周波焼入れ、火炎焼入れ）

1. 硬度と耐性:表面焼入れ歯車は、歯面硬度が高く、耐孔食性、耐摩耗性に優れています。表面硬化により残留応力が発生し、歯元強度が大幅に向上します。一般的な歯面硬度は合金鋼で45～55HRC、炭素鋼で40～50HRCです。
2. コア・ストレングス:表面焼入れの前に焼入れ・焼戻し処理を行い、芯の強度をさらに向上させることもできる。
3. 効率性:高周波焼入れ時間が短い。
4. 一貫性:ケース硬化層の深さと硬さは、歯面に沿って異なる場合があります。
5. ひび割れのリスク:急激な加熱・冷却はひび割れの原因となる。

適用条件:表面焼き入れ歯車は、高負荷、少量の用途に広く使用されています。

2.浸炭鋼

鋼種

• 20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、20CrMo、22CrMo、20CrNiMo、18Cr2Ni4W、20Cr2Ni4Aなど。

プロセス浸炭と焼入れ

1. 硬度と耐性:浸炭焼入れ歯車は、歯面硬度が高く、耐孔食性、耐摩耗性に優れています。表面硬化により残留応力が発生し、歯元強度が大幅に向上します。一般的な歯面硬度は56～63HRCです。
2. 切断性能:浸炭歯車は良好な切削性能を示す。
3. 歪みと精度:浸炭焼入れは熱処理歪みが大きく、高精度を得るためには熱処理後の研磨が必要となる。これは加工時間とコストを増加させる。

適用条件:浸炭焼入れ歯車は、高耐力、耐衝撃性、高精度、小容量の中小型歯車に広く使用されています。

3.窒化鋼

鋼種

• 38CrMoAlA、30CrMoSiA、25Cr2MoVなど。

プロセス窒化処理

1. 硬度と耐性:歯面硬度、耐孔食性、耐摩耗性に優れている。コアの靭性も良い。中炭素鋼はコアの強度を向上させるため、最初に焼入れ・焼戻しされることが多い。
2. 最小限の歪み:加熱温度が低いため、熱処理歪みが少なく、窒化処理後に歯を研磨する必要がない。
3. レイヤーの厚さ:硬化層が薄いため衝撃荷重に弱く、浸炭焼入れ歯車に比べ耐力が劣る。
4. コストと時間:窒化処理は、他の熱処理よりも時間がかかり、高価である。

適用条件:窒化ギアは、負荷が大きく安定した用途や、歯面仕上げ設備がないが硬い歯面が必要な場合に適しています。

4.鋳鋼

鋼種

• ZG310-570、ZG340-640、ZG42SiMn、ZG50SiMn、ZG40Cr1、ZG35CrMnSiなど。

1. 複雑な形状:複雑な形状の大型歯車の製造に適している。
2. 強さ:この製法で製造された歯車の強度は、同じ鋼種で熱処理を施した焼入れ焼戻し鋼よりも低い。
3. 鋳造欠陥:この工程は鋳造欠陥の原因となる。

適用条件:鍛造では対応できない大型ギアに適している。

5.鋳鉄

鋼種

• 各種ねずみ鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、可鍛鋳鉄など。

1. コスト:鋳鉄は材料費が安い。
2. 耐摩耗性:鋳鉄製歯車は良好な耐摩耗性を示す。
3. 複雑な形状:複雑な形状の大型歯車の製造に適している。
4. テクノロジー:鋳鉄は鋳造技術、切削技術に優れている。
5. ベアリング容量:鋳鉄製歯車は他の材料に比べベアリング能力が低い。

適用条件:ねずみ鋳鉄と可鍛鋳鉄は、低速、軽負荷、衝撃のない歯車に適しています。ダクタイル鋳鉄は、大きな荷重や衝撃のある歯車に使用できます。

様々なギア材料と熱処理プロセスの特性と適切な用途を理解することで、エンジニアは様々な産業用途においてギアの性能と寿命を最適化するための情報に基づいた決定を下すことができます。