歯車の設計に使用する材料を検討する場合、最も重要な決定は、機械加工の容易さと材料の耐久性です。ほとんどの設計者は、材料を選択するときに最大曲げ強度のみを考慮します。ただし、これはギアのせん断破壊にのみ対処します。ギアシステムの寿命にとってより重要なのは、材料の表面耐久性です。歯車の表面耐久性は歯車の寿命の観点から見る必要があります。表面の耐久性は、適切な潤滑と最小限の振動により、特定の負荷の下でギアが動作し続けることができるサイクル数を決定します。負荷を超えると寿命が短くなります。潤滑剤のメンテナンスを適切に行わないと寿命が短くなります。通常、システム内の歯数が最も少ないギアは他のギアよりも頻繁に噛合するため、表面の耐久性はこのギアに影響します。この歯車の寿命を延ばすためには、表面の耐久性を高めるために適切な熱処理を施す必要があります。

熱処理は、金属の必要な構造特性を得るために実行される、材料の加熱と冷却を制御するプロセスです。加熱方法には、焼鈍、焼戻し、焼入れ、表面硬化などがあります。

熱処理は、連続的な熱処理を行うと材料の硬度が増加するため、鋼の特性を高めるために実行されます。これにより、歯面強度が大幅に向上するため、それに伴い歯車の強度も向上します。表１に示すように、鋼に含まれる炭素（C）の量により熱処理が異なります。

表1
以下に、鋼を熱処理するさまざまな方法の一部を示します。

正規化は、鋼の小さな結晶の微細構造に適用され、全体の構造を統一する熱処理プロセスです。この処理は、内部応力を緩和したり、成形プロセス中に発生した不均一な繊維構造を解決するために実行されます。

アニーリングは、鋼を柔らかくし、結晶構造を調整し、内部応力を緩和し、冷間加工と切削性能のために材料を変更するために適用される熱処理プロセスです。焼鈍には、完全焼鈍、軟化焼鈍、応力除去焼鈍、矯正焼鈍、中間焼鈍など、用途に応じていくつかの種類があります。

完全焼鈍は、組織を変化させることなく内部応力を除去するために使用される焼鈍です。
矯正焼鈍は、鋼に生じた変形を修正するために行われる焼鈍です。これは、加熱しながら負荷をかけることによって行われます。
中間焼鈍とは、冷間加工の過程で行われる焼鈍で、加工硬化した材料を柔らかくして次の工程を容易にするために行われます。
焼き入れとは、高温で加熱した後に急冷する鋼の熱処理工程です。焼入れには冷却条件により水焼入れ、油焼入れ、真空焼入れがあります。焼入れ後に焼き戻しを行うことが必須です。

焼き戻しは、適切な速度で冷却する熱処理プロセスです。焼入れ硬化処理を行った後、再度加熱して焼き戻しを行います。焼入れ後は必ず焼き戻しを行ってください。硬度の調整、靭性の付与、内部応力の緩和などを目的として焼入れを行います。焼戻しには高温焼戻しと低温焼戻しの2種類があります。より高い温度で焼き戻しを行うと、硬度は低下しますが、より高い靭性が得られます。調質には高温焼戻しが行われます。高周波焼入れや浸炭焼入れの場合、表面硬化処理後に必要な焼戻しは低温焼戻しです。

調質は、鋼の硬度、強度、靭性を調整するために適用される熱処理プロセスです。焼入れと高温焼戻しを組み合わせた処理です。調質を行った後、これらの処理により硬度を調整し、金属の被削性を高めます。

調質の目標硬度:

JIS S45C/AISI 1045（機械構造用炭素鋼）200 – 270 HB
JIS SCM440/AISI 4140(機械構造用合金鋼) 230～270HB
浸炭は、炭素が存在し、表面に浸透して材料の表面を硬化するために特別に実行される熱処理プロセスです。低炭素鋼の表面は浸炭（熱と圧力の下で炭素の浸透を受ける）することができ、その結果、外表面に高炭素の層が形成されます。このプロセスには焼き入れが必要です。焼入れ後に低温焼戻しを施し、硬さを調整します。浸炭により表面だけでなく内部の材料組織もある程度硬化しますが、表面ほどではありません。表面の一部にマスキング剤を塗布するとカーボンの浸透を防ぎ、硬度は変わりません。表面の目標硬度と硬化深さは以下の通りです。

焼入れ硬度 55 – 63 HRC
有効硬化深さ 0.3 ～ 1.2 mm
浸炭処理により歯車は変形し、歯車の精度は必ず低下します。精度を向上させるため、浸炭処理後に歯面などの重要な面に対して歯車研削を行うことをお勧めします。

高周波焼入れは、最小組成が 0.3% の炭素を含む鋼を高周波加熱して歯車の表面を硬化する熱処理プロセスです。このプロセスでは、ギアの周囲に誘導コイルが配置され、コイルに電流が流されます。この電流により鋼が急速に加熱され、その後焼き入れが行われます。歯車製品の場合、高周波焼入れは歯面や先端などの歯部の硬化には有効ですが、根元部分は硬化できない場合があります。一般に歯車は高周波焼入れによる変形により精度が低下します。 S45C ギアを高周波焼き入れする場合、有効な硬度と深さは次のとおりです。

焼入硬度 45 – 55 HRC
有効硬化深さ 1 ～ 2 mm
火炎硬化は、鋼に直接火を当てることによって実行されるもう 1 つの表面硬化処理です。歯車の広い部分にわたって均一な硬度を達成するために適切な熱レベルと時間を維持するのは難しいため、この処理は通常、部分的な硬化のために表面に実行されます。

窒化処理とは、鋼の表面に窒素を導入して歯車を硬くする熱処理です。合金鋼にアルミニウム、クロム、モリブデンが含まれていると窒化性が向上し、所望の硬度が得られます。鋼材全体を中心部まで加熱し、その後急冷することで表面硬化だけでなく中心部も硬化させる熱処理です。

レーザー硬化は、比較的新しい表面熱処理プロセスです。材料は、40mm mrad ビームを備えた 4kW レーザーにさらされます。このプロセスにより、0.3 ～ 0.8 mm の深さで 55 ～ 65 HRC の硬度を達成できます。レーザー処理の利点の 1 つは、曲げ強度が平均 10% 低下する高周波焼入れとは異なり、曲げ強度が変わらないことです。レーザー処理では表面耐久性を 2.2 倍に高めることができますが、高周波焼き入れでは 2.5 ～ 2.6 倍に向上します。この方法では、加える熱の時間が短く、焼き入れの必要がないため、歪みが最小限に抑えられます。並べて比較すると、長さ 1 メートルのラックでは、高周波焼入れにより長さが 0.233 mm 増加しました。ただし、同じラックをレーザー硬化した場合、長さはわずか 0.019 mm 増加しました。

これらの熱処理方法はそれぞれ、選択した材料と用途の設計寿命に適した表面硬度を開発する上で役割を果たします。材料の選択、コスト、二次加工が適切な選択のガイドとなります。