JPH01154861A

JPH01154861A - 歯車の製造方法

Info

Publication number: JPH01154861A
Application number: JP31427487A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Ishiwatari; 裕石渡; Motoji Tsubota; 基司坪田; Akinori Nagata; 永田　晃則
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-12-14
Filing date: 1987-12-14
Publication date: 1989-06-16

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は繊維、粒子等で強化した金属基複合材料を一部
に用いて軽量かつ耐摩耗性にすぐれた歯車を製造する方
法に係り、特に耐熱強度等に優れた歯車の製造を可能と
する歯車の製造方法に関する。

（従来の技術）産業用ロボットや工作機械等では高速性および動作の正
確性が要求されるため、歯車の小型化、動力損失の減少
（伝達効率の向上）、振動及び騒音の減少等が図られて
いる。近年、このような歯車の材料として軽量、高強度
、高剛性かつ耐摩耗性に優れた金属基複合材料が注目さ
れている。

例えばアルミニウム（Ａ、ｌり、マグネシウム（Ｍｇ）
等の合金をセラミクス繊維や粒子で強化した金属基複合
材料は、鉄系材料に比べて軽量かつ高強度であり、この
ような金属基複合材料で形成した歯車は回転慣性モーメ
ントが小さく、耐摩耗性にも優れている。したがって、
歯車の摩耗が軽減され、動力損失の減少、即ち伝達効率
の向上等の利点がある。

しかし、金属基複合材料の多くは、金属材料に比べて摩
擦係数が大きく、熱伝導率も悪いので、運転中の歯部温
度上昇による歯車の熱膨張で回転精度が低下するという
欠点がある。さらに、振動減衰性も悪いので運転時の振
動が残存し易くなり、それだけ、騒音が大きくなること
が予測される。

このような欠点を改善するために、発明者らは第３図に
示すように、歯車ａの歯部とベースの歯付根部近傍のみ
を高強度、高剛性、耐摩耗性にすぐれた金属基複合材料
すで形成し、他のベース部を熱伝導率、振動減衰性等に
すぐれた金属材料Ｃで形成した歯車を提案した。

このような部分的に金属基複合材料を配した従来の製造
方法を第４図（ａ）〜（ｈ）を用いて説明する。

まず、所定量の１１８１粒子等のセラミクス強化材１を
秤量後、これに必要に応じて水等の溶媒やバインダーを
加え、撹拌機２で十分攪拌し、混合粉３を得る（第４図
（ａ））。次いで、円柱状の中子４を有する金型５の中
に混合粉３を入れ、円筒状の上バンチ６と下バンチ７で
上下方向から圧縮成形しく同図（ｂ））、離型すること
により中空状の予備成形体８を得る（同図（Ｃ））、予
備成形体８は十分乾燥優、溶浸用金型９に挿入しく同図
（ｄ））、ヒータ１０により３００〜６００℃に予熱し
た後（同図（ｅ））。溶融マトリクス金属１１を金型１
２内に注湯しく同図（ｆ））、ピストン１３で溶湯１１
を加圧することにより予備成形体８中に溶融マトリクス
金ｊ１１１を含浸させ、複合部１４を形成させる（同図
（Ｑ））。その後さらにピストン１３を押し下げ、予備
成形体８中に完全にマトリクス金属１１を含浸させ、凝
固後、金型１２から取り出して切断し、外周側が金属基
複合材料部１５、内側が金属材料部１６の歯車素材１７
を得（同図（ｈ））、その後、機械加工により歯切り加
工を行う。

（発明が解決しようとする問題点）しかし、セラミクス繊維や粒子等を含有した金属基複合
材料の熱膨張率は、マトリクスの金属材料に比べて著し
く小さいため、第４図の方法で製造した歯車では、冷却
時、熱処理時または運転時に発生する熱応力により、第
３図に示すように、金属基複合材料部すと金属材料部Ｃ
の界面にクラックｄが生じ、この部分で剥離するという
問題がある。

そこで金属基複合材料部すと金属材料部Ｃの界面に発生
する熱応力を低減させる方法として、径方向に沿って強
化材の濃度を連続的に変えることが有効と考えられる。

ところが、予備成形体８を用いる前記の方法では、その
ような強化材分布を得ることが殆ど不可能である。また
、強化材による予備成形体は脆く、強度も低いので、歯
車の歯の形状の予備成形体を成形することも困難である
だけでなく、複合時の溶浸圧力により、潰れたり、破損
することも多々あり、歩留りも低い。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、軽量
かつ高強度で、高耐摩耗性を有するとともに、放熱性が
良く、耐熱性、耐熱衝撃性等にすぐれた歯車を歩留り良
く、低コストで製造する方法を提供することを目的とす
る。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段と作用）本発明は、マト
リクス金属としての軽金属溶湯に繊維、ウィスカまたは
粒子状の強化材を添加し、これを鋳型に注入して歯車の
歯部とその近傍部分を前記マトリクス金属と強化材との
複合材料で形成するとともに、その歯車のベース部をマ
トリクス金属のみで形成する歯車の製造方法において、
鋳型として歯車形状のキャビティを有する遠心鋳造用鋳
型を用い、その鋳型を回転させて遠心力場をつくること
により、歯車中心部から歯部に向って前記強化材の濃度
を連続的に変化させることを特徴とする。

即ち、物体に作用する遠心力Ｆは一般に、Ｆ＝ｍ−ｒ・
ω２　　　　　　・・・・・・（１）ｍ：物質の質量ｒ：中心からの距離 ω：角速度で与えられる。したがって、例えばアルミナ（八ρ２０
３）、炭化チタン（Ｔ　ｉ　Ｃ）　、酸化ジルコニウム
（ＺｒＯ２）等のように、Ａ、ｌ！　、ＭＯ合金等より
も密度の大きいセラミクス成分を添加したＡρ、ＭＱ合
金溶揚湯遠心力を負荷した場合、セラミクス成分は外周
側である歯部およびその周辺に凝集する傾向を示し、歯
車の耐摩耗性は飛躍的に向上する。また、式（１）から
、同一物質でも粒径が大きく、質量の大きい物はど、大
ぎな遠心力を受けるので、必然的に大きい粒径の物は外
側に、小さい物はその内側に分布する。その結果、本発
明によれば外側のセラミクス含有率は高く、内側の含有
率は低くなる。よって、熱応力条件が厳しく、より連続
的に熱膨張率を変化させたい場合には、予め粒度分布が
異なるセラミクス繊維、粒子や、密度の異なるセラミク
ス成分を複合添加することが有効である。

（実施例１）以下、本発明の一実施例を第１図および第２図を参照し
て説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は歯車の製造工程を示し
ている。本実施例では、平均粒径が２０μｍのアルミナ
粒子（密度的４）と、平均粒径が３μ雇のアルミナ粒子
との２種類の粒径の強化材を、マトリクスとしてのへ１
合金に複合添加する。

まず、第１図（ａ）に示すように、上述の粒度分布をも
つアルミナ粒子２１を、Ｊ　ｌ５Ａ６０６１　　／１合
金溶湯（比重的２．８）２２中に添加し、機械的に十分
攪拌しアルミナ粒子を含有する複合材料の溶１２３を作
る。この溶湯２３を７００〜８００℃に保持し、内周面
に歯形状の溝を有し、４００〜５５０℃に予熱され、約
２００Ｏｒｐｍで回転する金型２４に注湯する。同図（
ｂ）に示すように、完全注湯した状態で、数分間保持し
、アルミナ粒子２１が歯車の歯部近傍に十分凝集した時
点で、金型２４を急冷し、凝固後その金型２４の回転を
停止させ、離型する。しかして、同図（Ｃ）に示すよう
に、歯車外周部にアルミナ含有率の高い金属基複合材料
部２５が形成され、その内側にアルミナ含有率の比較的
低い金属基複合材料部２６が形成され、中心部にアルミ
ナのほとんど含有されない金属材料部２７が形成された
、中心孔２８を有する歯車２９が形成される。そして、
粒径の大きいアルミナ粒子は歯車２９の外周部に集積す
る。

このような実施例の方法によって製造した歯車２９につ
いて歯先から中心側に向かうごッカース硬さ分布を調べ
たところ、第２図の曲線Ａで示す結果が得られた。即ち
、歯先部ではビッカース硬さが高く、中心側に向って緩
かな傾斜をなして連続的に低下する。これはアルミナ粒
子の分布状態に基づくものと考えられる。金属基複合材
料の熱膨張率と硬とさは、強化材の含有率に対応して高
まることが知られており、その含有率が小さいほど、熱
膨張率および硬さはマトリクス全屈の値に近づく。よっ
て、前記の歯車２９では熱膨張率が歯先側から中心側に
向って連続的に変化していることから、熱応力は非常に
小さいことが予想できる。

下記の第１表は耐熱衝撃性を調べるため、歯車を１００
〜５５０℃の温度から焼入れだ場合のマトリクス・複合
材料部分の界面の割れ発生状況をＩ！察した結果を示し
たものである。本実施例により製造した歯車では、Ａ６
０６１合金の溶体化処理温度である５５０℃から水冷し
ても、殆ど割れが発生しないことが確認できた。このこ
とから、本発明の方法により得られる歯車は、耐熱衝撃
性に極めて優れたものであることがわかる。

（実施例２）前述した実施例１と略同様の方法で、粒径が略２０μｍ
の単一粒径のアルミナ粒子（密度的４）をマトリクス金
属としてへ６０６１合金に添加して、歯車を製造した。

この方法の場合にも、歯先側にアルミナ粒子の含有率が
高い金属基複合材料が形成され、歯付根部にアルミナ含
有率が比較的低い金属基複合材料部が形成され、中心部
にアルミナが殆ど含有されない金属材料部が形成された
。

この実施例の方法によって製造した歯車のごッカース硬
さ分布は第２図に曲線Ｂで示すように、実施例１の場合
よりは傾斜角度が大きいが、歯先側から中心側に向って
連続的に硬さが変化することが認められた。

また、耐熱衝撃性については、下記の第２表に示すよう
に、５５０℃からの焼入れによって界面に一部割れが生
じたものの、それ以下の温度からの焼入れによっては界
面割れが生じないことが確認された。

したがって、この実施例においても、実施例１と略同様
の強度向上の効果が得られる。

（従来例）第３図に示す従来の方法により、平均粒径が２０μ卯の
アルミナ粒子をマトリクス金属としてのＡ６０６１合金
に添加して歯車を製造した。

この方法により製造した歯車では、マトリクス金属部分
と金属基複合材料部分との界面が明確なこと前記の通り
であった。

そして、この方法で製造した歯車のビッカース硬さ分布
を調べたところ、第２図に曲線Ｃで示すように、歯先部
から中心部に向かうある特定の距離位置（１０〜１２０
ｍの位置）で硬さが極端に低下することが認められた。

即ち、金属基複合材料部分とマトリクス部分との間の熱
膨張率の差により、熱負荷を受けた場合の境界部での熱
応力が非常に大きいことがわかる。

耐熱ＷＪ撃性については、下記の第２表に示すように、
３００’Ｃに、上の温度からの焼入れ時に全て界面割れ
が生じることが認められた。

〔以下余白〕

第１表 △：界面に一部割れ有り ×：界面割れ有り以上のように、前記実施例によれば歯部及び歯付根部近
傍が軽量、高強度で、耐摩耗性にすぐれた金属基複合材
料で形成され、他のベース部が熱伝導性、振動減衰性に
すぐれた金属材料で形成された高性能の歯車が製造でき
る。しかも、耐熱衝撃性が著しく改善され、Ａｌ１合金
に不可欠な熱処理時の金属基複合材料と金属材料界面の
割れ、剥離を完全に防止できる。

さらに、従来方法と異なり、多大な時間を費す予備成形
体の成形工程が不要であり、しかも歯車形状に近いＮｅ
ａｒ−Ｎｅｔ−３ｈａｐｅの状態で鋳造が行なえるので
、平円盤から歯切り加工を行う従来方法に比べて製造コ
ストを著しく低減することができる。

（発明の効果）以上のように、本発明によれば、軽量かつ高強度で、高
耐摩耗性を有し、かつ放熱性が良く、しかも耐熱性、耐
熱衝撃性にすぐれた歯車を歩留りよく、低コストで製造
することができるという効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（Ｃ）は本発明に係る歯車の製造方法の
一実施例を工程順に示す図、第２図は前記実施例の方法
によって製造した歯車の硬さ特性を示すグラフ、第３図
は従来の方法により製造した歯車を示す図、第４図（ａ
）〜（ｈ）は従来の方法を工程順に示す図である。２１・・・アルミナ粒子（強化材）、２２・・・ＡｆＪ
合金溶湯（マトリクス金Ｗｂ＞　、２３・・・複合材料
の溶湯、２４・・・金型（鋳型）、２９・・・歯車。（α）　　　　　　　　　　　　（ｂ）第１図自元力゛らの距離（ｍｙｎ）第２図第３図

Claims

【特許請求の範囲】１、マトリクス金属としての軽金属溶湯に繊維、ウィス
カまたは粒子状の強化材を添加し、これを鋳型に注入し
て歯車の歯部とその近傍部分を前記マトリクス金属と強
化材との複合材料で形成するとともに、その歯車のベー
ス部をマトリクス金属のみで形成する歯車の製造方法に
おいて、鋳型として歯車形状のキャビティを有する遠心
鋳造用鋳型を用い、その鋳型を回転させて遠心力場をつ
くる、ことにより、歯車中心部から歯部に向つて前記強
化材の濃度を連続的に変化させることを特徴とする歯車
の製造方法。２、強化材として、異なつた密度または粒度分布を有す
るものを用い、歯車外周側に密度または粒度の大きい強
化材を配置させる特許請求の範囲第１項記載の歯車の製
造方法。３、マトリクス金属としてＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉまたはこれ
らの合金を使用する特許請求の範囲第１項記載の歯車の
製造方法。４、強化材としてＴｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｉの酸化物、窒
化物または炭化物の短繊維、ウィスカもしくは粒子を用
いる特許請求の範囲第１項記載の歯車の製造方法。