歯車用鋼の選定：浸炭 vs 全体焼入れ

二つの考え方

歯車の歯には、接触（ピッチング）強度のための硬く耐摩耗性のある表面と、曲げ強度のための靭性のある芯部が必要です。二つの鋼種族はそのバランスを異なる方法で実現します。

浸炭用鋼

低炭素合金鋼 — 8620、16MnCr5、20MnCr5、20CrMnTi — は軟らかい状態で機械加工され、浸炭された後、焼入れされます。結果は、おそらく 30–45 HRC の芯部の上に、およそ 58–62 HRC の硬化層が形成されます。

• 一般的な選択肢の中で最も高い接触疲労強度と曲げ疲労強度。
• 硬化層深さは歯の大きさに比例します：広く使われる経験則では、有効硬化層深さはモジュールのおよそ 0.15–0.30 倍とされます — モジュール 3 の歯車にはわずか数十分の一ミリメートルで十分ですが、モジュール 10 の歯車には比例してより多くが必要です。
• コスト：浸炭サイクルは長く、歪みを管理しなければならず（しばしば仕上げ研削が必要）、非常に大きな歯車では均一に硬化層を形成することが実用的でなくなります。

全体焼入れ鋼

42CrMo4 / 4140 および類似の中炭素合金鋼は、均一なおよそ 28–36 HRC に焼入れ・焼戻しされ、その後切削または仕上げ加工されます。表面硬度 — したがって耐ピッチング性 — は低くなりますが：

• 硬化層深さの制限がありません；大モジュール、大径の歯車（風力、ミル、船舶補機）に適します。
• 歯はその後に高周波焼入れでき（側面でおよそ 50–55 HRC）、焼戻しした芯部を保ちながら表面の耐久性を回復できます。
• 窒化用鋼は中程度の荷重向けの第三の方法です：歪みがほとんどなく非常に硬い薄い硬化層が得られますが、硬化層深さは限られます。

選定の論理

状況	標準的な選択
小／中モジュール、高いトルク密度、自動車およびギアボックス用途	浸炭：8620、16MnCr5、20CrMnTi
大モジュール、衝撃荷重、単品の産業用歯車	全体焼入れした 42CrMo4、任意で高周波焼入れ
歪みを修正できない精密歯車	窒化用鋼
低荷重、低コスト、交換可能な歯車	1045 または鋳鋼、未焼入れまたは軽く焼入れ

実用的な境界は大きさと応力です：モジュールが大きくなり硬化層深さが一ミリメートル程度を超えるようになると、浸炭のコストと歪みは急激に増し、表面処理を伴う全体焼入れが通常勝ります。

熱処理と仕上げの現実

浸炭は数時間から数日に及ぶバッチプロセスです：歯車は研削代を付けて機械加工され、硬化層を形成し、焼入れされ、歯の精度を回復するために仕上げ研削またはハードスカイビングされます — その仕上げ工程は最初からプロセス計画と公差予算に入れておかなければなりません。全体焼入れ歯車はより単純です：まず焼入れと焼戻しを行い、次に大きさが許せば硬化した素材に歯を切り、ハード切削が与える側面仕上げを受け入れるか、軟らかい状態で切削し高周波焼入れしてやや緩い精度を受け入れます。どちらの方法でも、鋼の焼入性バンド（購入規格における H バンド）が歯元での芯部硬度を保証します；焼入性バンドなしに鋼種を指定すると、最も重要な歯車の特性を偶然に委ねることになります。