JP2005127403A

JP2005127403A - ピニオンシャフト

Info

Publication number: JP2005127403A
Application number: JP2003362839A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sakaguchi; 尚坂口
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】プラネタリーギヤ装置の高温、高速回転化に伴う寿命低下を防止して長寿命化を図ることができるピニオンシャフトを低コストで提供する。
【解決手段】プラネタリーギヤ装置のピニオン５をニードルローラを介して回転自在に支持するピニオンシャフト６において、高周波焼入れ後高温焼戻しを施し、全体の残留オーステナイト量を３．０体積％以下、表面硬さをＨｖ７４０以上とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車、工作機械等の変速機や減速機に用いられるプラネタリーギヤ装置のピニオンを転動体を介して回転自在に支持するピニオンシャフトに関し、特に高温高速回転で用いられる場合に好適なピニオンシャフトに関する。

例えば自動車の自動変速機に用いられるプラネタリーギヤ装置は、図３に示すように、出力軸１の周りにサンギヤ２、キャリア３及びリングギヤ４が配設され、サンギヤ２及びリングギヤ４にピニオン５が噛合している。そして、ピニオン５はキャリア３に固定されたピニオンシャフト６に転動体としてのニードルローラ（図示せず）を介して回転可能に支持されている。
ピニオン５は変速機の各回転要素の中では回転速度が最も高く、該ピニオン５の回転数に応じてピニオンシャフト６に遠心力が作用するため該シャフト６には大きな荷重が負荷される。従って、ピニオンシャフト６には高硬度で、且つ転がり疲労寿命が良好である材料が用いられる。
これらの材料としては、一般にＪＩＳ鋼種であるＳＵＪ２やＳＫ５等が挙げられるが、高面圧下で繰返しせん断応力を受けるため、転がり疲労寿命を確保すべく、素材に焼入焼戻しを施し、表面硬さをＨｖ６５０〜Ｈｖ８００としたものが広く用いられている（例えば特許文献１参照）。
特開平８−３１２６２０号公報

近年、自動車の低燃費化への要求が益々強くなり、自動変速機の小型化や高効率化が図られているため、従来に比べてピニオンシャフトの使用条件が大変厳しくなっている。自動変速機の小型化によりピニオンの回転数が高速になり、ピニオンシャフトに対する負荷荷重が増大し、且つ発熱が大きくなるといった傾向を示している。
従来のピニオンシャフトはＪＩＳ鋼種であるＳＵＪ２やＳＫ５等を用い、ニードルローラが転走する部分に高周波焼入れを施して転動部材として必要なＨｖ６５０以上の表面硬さとし、また、潤滑不良等によるはく離寿命が問題となる場合には、ＪＩＳ鋼種であるＳＵＪ２に浸炭窒化処理を施す等して寿命を確保しているが、近年ではピニオンシャフトに対する負荷荷重が増大し、且つ発熱が大きくなるのに伴って発生するシャフト変形に起因する寿命の低下が解決すべき課題となっている。
本発明はこのような技術的課題を解決するためになされたものであり、プラネタリーギヤ装置の高温、高速回転化に伴う寿命低下を防止して長寿命化を図ることができるピニオンシャフトを低コストで提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、プラネタリーギヤ装置のピニオンを転動体を介して回転自在に支持するピニオンシャフトにおいて、
高周波焼入れ後高温焼戻しが施され、全体の残留オーステナイト量が３．０体積％以下で、表面硬さ（最表面から２％Ｄａ（Ｄａ：転動体径）深さにおける硬さ）がＨｖ７４０以上であることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記高周波焼入れの前工程で浸炭窒化処理及び調質を行い、且つ表面のＮ濃度を０．０５〜０．５重量％としたことを特徴とする。請求項３に係る発明は、請求項１又は２において、素材として、Ｃ：０．１５〜１．２重量％、Ｃｒ：０．１〜２重量％、Ｓｉ：０．０５〜１．３重量％、Ｍｎ：０．２５〜１．５重量％、Ｍｏ：３重量％以下、Ｏ：１２ｐｐｍ以下、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる合金鋼を用いたことを特徴とする。

使月条件の高温高速化に伴うピニオンシャフトの変形を防止するには、ピニオンシャフトに含有される残留オーステナイト量を抑制する必要がある。焼入れ後の残留オーステナイトは高温や高速回転に伴う応力を受けることにより変形を生じ易いため、高温、高負荷で使用する際には焼戻し時に極力分解させておく必要がある。
残留オーステナイト量を抑制するには焼戻し温度を高くする必要があるが、焼戻し温度を高くすると表面層の硬さが低下するため、転動疲労寿命の低下を招くという問題が発生する。この問題を解決するために、本発明では、残留オーステナイトを抑制しつつ、表面層の硬さを従来の鋼よりも高くする。

また、従来のずぶ焼入れでは高温焼戻しを施すと表面層の硬さが著しく低下するため、転動疲労寿命の低下を招くという問題が発生する。この問題を解決するために、本発明では、高周波焼入れを施して表面層を硬化させ、高温焼戻し後の硬さを従来の鋼よりも高くする。
高周波焼入れを施すと鋼の表面に残留応力が残存するため、表面層の硬さが著しく向上する。また、焼入れ後の残留オーステナイトの量もずぶ焼入れと比較してある程度抑制できるため、高温焼戻し時にはずぶ焼入れに比べ高い硬さを保持することができる。従って、高周波焼入れを施すと最表面から２％Ｄａ深さにおけるビッカース硬さをＨｖ７４０以上にすることが可能になり、効果的に長寿命化を図ることができる。

更に、浸炭窒化処理を施すとＮが表面層の硬さを高くするのに加えて、高温での耐摩耗性及び長寿命化を促すのに有効であるため、高周波焼入れの前工程に浸炭窒化処理を施すことが望ましい。尚、本完成品はＮの効果を発揮させるため表面層のＮ濃度の下限を０．０５重量％とし、仕上げ加工性の点からは、Ｎ濃度の上限を０．５重量％とすることが望ましい。

本発明によれば、ピニオンシャフトの経時変形及び転動疲労寿命を改善することにより、高温高速回転で用いられるピニオンシャフトの寿命の低下を低コストで防止することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態の一例を説明する。
本発明の実施の形態の一例であるピニオンシャフトは、素材として、Ｃ：０．１５〜１．２重量％、Ｃｒ：０．１〜２重量％、Ｓｉ：０．０５〜１．３重量％、Ｍｎ：０．２５〜１．５重量％、Ｍｏ：３重量％以下、Ｏ：１２ｐｐｍ以下、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる合金鋼を用い、高周波焼入れ及び高温焼戻し、好ましくは高周波焼入れの前工程で浸炭窒化処理及び調質を施すことで、表面硬さ（最表面から２％Ｄａ（Ｄａ：転動体径）深さにおける硬さ）をＨｖ７４０以上に保持しつつ、シャフト全体の残留オーステナイト量を３．０体積％以下としたものである。

以下、本発明の各数値の臨界的意義について説明する。
（Ｃ：０．１５〜１．２重量％）
Ｃは基地をマルテンサイト化することにより強度を増加させるために必要な元素であるため、Ｃ含有量の下限を０．１５重量％とした。しかしながら、Ｃ含有量が少なすぎると最表面から２％Ｄａ深さにおけるビッカース硬さをＨｖ７４０以上にすることが困難であるため、Ｃ含有量が少ない鋼には浸炭窒化処理を施すことでＣ含有量を増加させる必要がある。但し、Ｃ含有量を高くしすぎると、非常に強固で粗大な炭化物が形成されやすく、転動疲労寿命を低下させる原因となるため、Ｃ含有量の上限を１．２重量％とした。以上のことから素材の段階ではＣ含有量は０．１５〜１．２重量％とした。

（Ｃｒ：０．１〜２．０重量％）
Ｃｒは焼入れ性や焼戻し軟化抵抗性を向上させるのに有効な元素であり、基地を強化して転動疲労寿命特性を向上させることができる。また、微細で高硬度な炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる効果もある。その効果を発揮するためＣｒ含有量の下限を０．１重量％にした。
更に、Ｃｒは浸炭窒化層のＣ濃度を高める効果も有するが、その一方で多量に添加すると表面にＣｒの不動態膜が形成され、浸炭窒化特性を阻害する可能性があるため、Ｃｒ含有量の上限を２．０重量％以下にした。以上のことから素材の段階ではＣｒ含有量は０．１〜２．０重量％とした。

（Ｓｉ：０．１５〜１．３重量％）
Ｓｉは焼戻し軟化抵抗性を向上するため、特に高温環境において長寿命化に有効である。更に、製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、その効果を発揮するためＳｉ含有量の下限を０．１５重量％にした。しかしながら、Ｓｉを過剰に含有すると、寿命延長効果が飽和するだけではなく素材の被削性を低下させるため、Ｓｉ含有量の上限は１．３重量％とした。以上のことから素材の段階ではＳｉ含有量を０．１５〜１．３重量％とした。

（Ｍｎ：０．２５〜１．５重量％）
Ｍｎは製鋼時の脱酸剤だけではなく脱硫剤としても有効な元素であり、０．２５重量％程度添加される。また、Ｍｎは焼入れ性の向上にも効果的である。但し、Ｍｎ含有量を高くしすぎると、非金属介在物を多量に形成する起因となる他、素材の鍛造性、被削性等の機械加工性を低下させる虞れがあるためＭｎ含有量の上限は１．５重量％にした。以上のことから素材の段階ではＭｎ含有量を０．２５〜１．５重量％とした。

（Ｍｏ：３．０重量％以下）
Ｍｏは上述したＣｒと同様に焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性の向上に有効な元素であり、また、高硬度で微細な炭化物を形成して耐摩耗性の向上に効果的であるため必要に応じて添加する。しかしながら、３．０重量％を超えて含有してもＭｏの効果が飽和するばかりか、製鋼時に非常に粗大な炭化物を形成して寿命特性の低下を招き、含有量が高くなるのに伴いコストも高くなるため、素材の段階ではＭｏ含有量の上限を３．０重量％以下にした。

（Ｏ：１２ｐｐｍ以下）
Ｏは転動疲労寿命特性に有害な酸化物系の非金属介在物を形成することから、極力その含有量を低くする必要があるため、素材の段階での含有量の上限を１２ｐｐｍとした。
尚、本発明に用いる合金鋼は上記以外にもＰ，Ｓ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｅ，Ｓｂ等の不可避不純物元素が含有される。

（シャフト全体の残留オーステナイト量を３体積％以下）
ピニオンシャフトを高温で使用する際、残留オーステナイトがシャフト中に残存すると、高温や高速回転に伴う応力を受けることにより残留オーステナイトが分解して軌道面が変形し、寿命特性が低下する。従って、シャフト全体の残留オーステナイト量を３体積％以下とした。
尚、残留オーステナイト量は合金成分と熱処理条件によって調整することが可能であり、本発明の合金元素の成分であれば、２００°Ｃ以上の高温焼戻しを行えばよい。但し、あまりに焼戻し温度を高温にすると、表面硬さが著しく低下するため、焼戻し温度の上限は３５０°Ｃとする。
本発明での残留オーステナイトは、最表面から芯部まで０．１ｍｍ間隔で測定を行い、その最大値を残留オーステナイト量と定義し、測定部を転走部中心とした。

次に、本発明の具体的な実施例について説明する。表１に実施例及び比較例に用いた鋼の主成分を示す。表１の全材料Ａ〜ＪのＯ濃度は１２ｐｐｍ以下とした。

（ピニオンシャフトの製造方法）
表１のＡ〜Ｊの鋼を用いて、素材から鍛造や旋削等にて所定の寸法に加工し、硬化熱処理を施し研削等の仕上げ加工を行うことにより、外径φ１５ｍｍ、長さ７５ｍｍのピニオンシャフトを製造した。
硬化熱処理条件は、次に示すいずれかの条件にて行った。
ア：浸炭窒化→調質→高周波焼入れ→高温焼戻し
イ：高周波焼入れ→高温焼戻し
ウ：ずぷ焼入れ→高温焼戻し
エ：浸炭窒化→調質→高周波焼入れ→低温焼戻し
オ：浸炭窒化焼入れ→低温焼戻し
カ：高周波焼入れ→低温焼戻し
キ：ずぶ焼入れ→低温焼戻し
但し、
浸炭窒化処理：８２０〜９２０°Ｃで１〜５時間、ＲＸガス＋エンリッチガス（１〜３体積％）＋アンモニアガス（１〜７体積％）雰囲気で処理後放冷
調質：４００〜７２０°Ｃで１〜５時間
高周波焼入れ：周波数１００ｋＨｚ、電圧３〜６ｋＶ、電流２．５〜５．５Ａ、シャフト移動速度２〜２０ｍｍ／ｓ
ずぷ焼入れ：８２０〜８７０°Ｃで１〜５時間
低温焼戻し：１５０〜１８０°Ｃで１〜３時間
高温焼戻し：２００〜３５０°Ｃで１〜３時間

（曲げ試験）
ピニオンシャフトの高温下における曲げ特性を評価するため、図１に示す曲げ試験機を用いてピニオンシャフト６の曲げ試験を行った。試験に使用したピニオンシャフト６は外径φ１５ｍｍ、長さ７５ｍｍの寸法であり、ブロック７に６０ｍｍスパン長で固定し、その中央に荷重を加えた。試験荷重は６６００Ｎ、試験温度は１６０°Ｃ、試験時間は１５時間とし、試験後の曲がり量を測定した。

（寿命試験）
試験には、転動体として、外径φ２ｍｍ、長さ１５ｍｍのニードルローラを用い、ラジアル荷重６６００Ｎ、回転数１００００ｍｉｎ^-1、油温１５０°Ｃで試験を行い、はく離が生じるまでの時間を寿命として評価を行った。また、試験機には、図２に示すように、ピニオンシャフト６と外輪（ピニオン相当）８の間にニードルローラ９を配置して、外輪８に図示しないサポート軸受を介して荷重を負荷しながら回転させる構造の試験機を用いた。尚、ピニオンシャフト６には潤滑油の給油穴６ａが設けてあり、端面側から潤滑油を給油しながら試験を行った。
（曲げ試験結果）

曲げ試験の結果を表２に示す。表２には、残留オーステナイトの効果を確かめるため、表１の材料Ａについての曲げ試験結果を示している。また、残留オーステナイト量についてはＸ線回折実験から導出を行った。
試験後の曲がり量を形状測定機にて測定を行った。測定は荷重負荷側と背面側の２箇所について行い、その平均値を曲がり量とした。
表２から判るようにＮｏ．１〜Ｎｏ．４のピニオンシャフトは、Ｎｏ．５〜Ｎｏ．８のピニオンシャフトに比べて曲がり量が極めて小さく、高温、高負荷に対して非常に効果的であるということが確認された。

Ｎｏ．５〜Ｎｏ．８のようにピニオンシャフトに低温焼戻しを施すと、残留オーステナイト量（γ_R）が高温焼戻しを施した場合に比べて表面層に多く残存しているため、高温高負荷で使用する際、寸法安定性を有することが困難であるのに対し、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４のように高温焼戻しを施したピニオンシャフトでは、ピニオンシャフト全体の残留オーステナイト量が３体積％以下であるため、寸法安定性が非常に良好である。
以上のことより、耐久性を上げるにはシャフトの残留オーステナイト量を表面層から芯部にかけて抑制する必要性があり、表面に残留オーステナイトが残存していると寸法安定性が劣る結果になることから、曲がりを防止するには高温焼戻しを施すことが有効であることが判った。

（寿命試験結果）
試験の結果を表３に示す。尚、表３のＮｏ．は表２のＮｏ．に対応しており、表２のＮｏ．５〜Ｎｏ．８（低温焼戻し）については、曲げ試験からも考察されるように試験を行っていない。また、表３では、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３及びＮｏ．９〜Ｎｏ．１７が本発明の実施例であり、Ｎｏ．４が比較例である。更に、浸炭窒化処理を施した鋼（Ａ〜Ｊ）は、表面層のＣ濃度及びＮ濃度をそれぞれＣ濃度：０．７〜１．５重量％及びＮ濃度：０．０５〜０．５重量％に調整した。

寿命はＳＵＪ２のずぶ焼入れである比較例Ｎｏ．４のＬ₁₀寿命を１．０としたときの寿命比で示した。また、表面硬さについての結果も併記している。
表３から判るように、本発明の実施例であるＮｏ．１〜Ｎｏ．３及びＮｏ．９〜Ｎｏ．１７のピニオンシャフトは、比較例であるＮｏ．４のピニオンシャフトと比較して３倍以上の良好な寿命特性を示した。
本発明の実施例及び比較例ではすべて残留オーステナイト量は３体積％以下であるが、表３に示すように、表面硬さが寿命に大きく影響するのが判る。本発明の実施例であるＮｏ．３と比較例であるＮｏ．４では焼入れ方法が異なっており、Ｎｏ．３では高周波焼入れを施しているため、ずぶ焼であるＮｏ．４に比べて焼戻し後の表面硬さが高く、転動寿命に有効である。

従って、高周波焼入れを施すと、高温焼戻し後もＨｖ７４０以上の表面硬さを有することが可能であるため、転動疲労寿命に効果的であり、Ｍｏ，Ｓｉのような焼戻し軟化抵抗性を向上させる元素を、Ｍｏの場合は０．４４重量％以上、Ｓｉの場合は０．９５重量％以上含有すると、さらに寿命に有効である。
更に、高周波焼入れの前工程に浸炭窒化処理を施すと、表面硬さがより向上し耐摩耗性が良好になるため、転動疲労寿命に有効であることが判る。
なお、本発明は上記実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

ピニオンシャフトの曲げ試験機を示す概略図である。ピニオンシャフトの寿命試験機を示す概略断面図である。プラネタリーギヤ装置の概略を示す斜視図である。

符号の説明

５ピニオン
６ピニオンシャフト
９ニードルローラ（転動体）

Claims

プラネタリーギヤ装置のピニオンを転動体を介して回転自在に支持するピニオンシャフトにおいて、
高周波焼入れ後高温焼戻しが施され、全体の残留オーステナイト量が３．０体積％以下で、表面硬さがＨｖ７４０以上であることを特徴とするピニオンシャフト。
前記高周波焼入れの前工程で浸炭窒化処理及び調質を行い、且つ表面のＮ濃度を０．０５〜０．５重量％としたことを特徴とする請求項１に記載したピニオンシャフト。
素材として、Ｃ：０．１５〜１．２重量％、Ｃｒ：０．１〜２重量％、Ｓｉ：０．０５〜１．３重量％、Ｍｎ：０．２５〜１．５重量％、Ｍｏ：３重量％以下、Ｏ：１２ｐｐｍ以下、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる合金鋼を用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載したピニオンシャフト。