JP2007177287A

JP2007177287A - 軸の製造方法、ピニオンシャフト

Info

Publication number: JP2007177287A
Application number: JP2005377252A
Authority: JP
Inventors: Masahito Yoshida; 雅人吉田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2007-07-12

Abstract

【課題】ピニオンシャフトにフレーキングが生じた場合でも折損を生じ難くする。
【解決手段】炭素（Ｃ）含有率が０．９質量％以上１．５質量％以下、クロム（Ｃｒ）含有率が０．９質量％以上１．２質量％以下、珪素（Ｓｉ）含有率が０．４質量％以上０．８質量％以下、マンガン（Ｍｎ）含有率が０．９質量％以上１．２質量％以下であり、残部が鉄および不可避不純物である合金鋼からなる素材を用いる。表層部に窒素を導入する処理を行わずに、焼入れ焼戻しを行うことにより、表層部の硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で７００以上、芯部の硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で２６０以下とし、表層部の残留オーステナイト量を１５体積％以上５０体積％以下とし、芯部のオーステナイト量を０にする
【選択図】図１

Description

この発明は、プラネタリギヤ装置のピニオンシャフトのような、転がり軸受の内輪軌道面として機能する面を有する軸の製造方法に関する。

ラジアルニードル軸受では、軸の面を内輪軌道面として使用する（すなわち、軸に転動体である針状ころを転がり接触させる）ことが多い。例えば、自動車用オートマチックトランスミッションの遊星歯車機構（プラネタリギヤ装置）では、ピニオンシャフトの長さ方向中央部の外周面が内輪軌道面に、ピニオンギヤの内周面が外輪軌道面になっており、ピニオンシャフトとピニオンギヤの間に多数の針状ころが配置されている。

このようなラジアルニードル軸受の軸は、転がり疲労特性を向上することと、衝撃荷重が大きい場合であっても塑性変形を生じ難くすることが課題となっている。この課題を解決するために、下記の特許文献１には、ラジアルニードル軸受の内輪を兼ねる軸を、０．５〜１．２ｗｔ％の炭素を含有する鋼で構成するとともに、芯部の残留オーステナイト量を０とし、表面層の窒素含有率を０．０５〜０．４ｗｔ％とし、表面層の硬さをＨｖ６５０以上とし、表面層の残留オーステナイト量を１５〜４０ｖｏｌ％とすることが開示されている。

また、この文献には、前記構成の軸の製造方法として、浸炭窒化後に焼入れ・焼戻しを施して、軸の全体の硬さをＨｖ３００〜５００（望ましくはＨｖ４００〜５００）に調質し、次いで高周波焼入れと焼戻しを行って表層部の硬さをＨｖ６５０以上にする方法が記載されている。この方法では、芯部の残留オーステナイト量が０となり、芯部の硬さがＨｖ３００〜５００（望ましくはＨｖ４００〜５００）となる。
特開２００２−４００３号公報

ピニオンシャフトはフレーキングが生じても回転できるが、これを起点とした折損が生じると回転できなくなる。そして、芯部が硬いほどフレーキングを起点とした折損が生じ易くなる。よって、前記特許文献１に記載の技術には、塑性変形を生じ難くするために芯部の硬さを硬くしていることで、フレーキングが生じた際に、これを起点とした折損が生じやすいという問題点がある。
本発明の課題は、このような従来技術の問題点に着目し、ピニオンシャフトにフレーキングが生じた場合でも折損を生じ難くすることにある。

上記課題を解決するために、本発明は、転がり軸受の内輪軌道面として機能する面を有する軸の製造方法において、炭素（Ｃ）含有率が０．９質量％以上１．５質量％以下、クロム（Ｃｒ）含有率が０．９質量％以上１．２質量％以下、珪素（Ｓｉ）含有率が０．４質量％以上０．８質量％以下、マンガン（Ｍｎ）含有率が０．９質量％以上１．２質量％以下であり、残部が鉄および不可避不純物である合金鋼からなる素材を軸の形状に加工した後、この軸の表層部に窒素を導入する処理を行わずに、焼入れ焼戻しを行うことにより、表層部の硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で７００以上、芯部の硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で２６０以下とし、表層部の残留オーステナイト量を１５体積％以上５０体積％以下とし、芯部のオーステナイト量を０にすることを特徴とする軸の製造方法を提供する。

本発明の方法によれば、炭素（Ｃ）含有率が０．９質量％以上１．５質量％以下、クロム（Ｃｒ）含有率が０．９質量％以上１．２質量％以下、珪素（Ｓｉ）含有率が０．４質量％以上０．８質量％以下、マンガン（Ｍｎ）含有率が０．９質量％以上１．２質量％以下であり、残部が鉄および不可避不純物である合金鋼からなる素材を用いることにより、浸炭窒化処理や窒化処理を行わずに焼入れ焼戻しだけで、表層部の硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で７００以上に、表層部の残留オーステナイト量を１５体積％以上にすることができる。また、芯部の硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で２６０以下とすることにより、亀裂進展性が著しく低下するため、ピニオンシャフトにフレーキングが生じた場合でも折損を生じ難くすることができる。

前記不可避不純物としてはリン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、および窒素（Ｎ）が挙げられるが、これらの元素の含有率は、リン（Ｐ）と硫黄（Ｓ）が０．０２５質量％以下、ニッケル（Ｎｉ）とモリブデン（Ｍｏ）が０．１０質量％以下、窒素（Ｎ）が０．０３質量％以下であることが好ましい。
本発明はまた、プラネタリギヤ装置のサンギヤおよびリングギヤに螺合するピニオンギヤを、転動体を介して回転自在に支持するピニオンシャフトであって、本発明の方法で製造され、表層部の窒素含有率が０．０３質量％以下、表層部の硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で７００以上、芯部の硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で２６０以下、表層部の残留オーステナイト量が１５体積％以上５０体積％以下、芯部のオーステナイト量が０となっていることを特徴とするピニオンシャフトを提供する。

本発明のピニオンシャフトによれば、表層部の硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で７００以上で、表層部の残留オーステナイト量が１５体積％以上であるため、十分な耐久性が得られる。また、表層部の残留オーステナイト量が５０体積％以下であり、芯部のオーステナイト量が０であるため、塑性変形が生じ難くなる。また、芯部の硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で２６０以下であるため、亀裂進展性が著しく低下して、ピニオンシャフトにフレーキングが生じた場合でも折損を生じ難くすることができる。
なお、「表層部の窒素含有率が０．０３質量％以下」は軸の表層部に窒素を導入する処理を行わないため生じる構成である。また、表層部の残留オーステナイト量の値は、表面を電解研磨により約５０μｍ（研磨加工影響層）を除去して露出させた面の値である。

本発明の方法によれば、フレーキングが生じた場合でも折損が生じ難い軸を製造することができる。
本発明のピニオンシャフトによれば、フレーキングが生じた場合でも折損が生じ難くなる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
ピニオンシャフト用の素材として、下記の表１に示す組成の二種類の鋼Ａ，Ｂからなる棒状素材を用意した。

鋼Ａからなる素材および鋼Ｂからなる素材を加工して、直径２０ｍｍ、長さ８５ｍｍの軸を得た。この軸（ピニオンシャフト１）は、図１に示すように、軸線に沿って延びる平行路２１と、軸の長さ方向中心位置で、軸の径方向に沿って延びる垂直路２２とからなる油穴２を有する。

次に、各軸に対して、下記の表２に示す熱処理を下記の条件で行った。
No. １およびNo. ３では、先ず、温度８３０〜８７０℃、保持時間２〜５時間、Ｒｘガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス（アンモニアガス濃度１〜７vol ％）雰囲気の条件で浸炭窒化を行った。次に、５００℃に５時間保持する焼き鈍しを行った。
次に、周波数３０ｋＨｚ、電圧１０ｋＶ、電流１０Ａ、送り速度８〜１５ｍｍ／秒、冷却水量３５リットル／分の条件で、高周波焼入れを行った。次に、１６０〜４５０℃に１．５〜２時間保持する焼き戻しを行った。

No. ２およびNo. ４では、先ず、周波数３０ｋＨｚ、電圧１０ｋＶ、電流１０Ａ、送り速度８〜１５ｍｍ／秒、冷却水量３５リットル／分の条件で、高周波焼入れを行った。次に、１６０〜４５０℃に１．５〜２時間保持する焼き戻しを行った。
熱処理後のサンプルNo. １〜４のピニオンシャフトについて、表層部の硬さ（Ｈｖ）および残留オーステナイト量（γ_R）と、芯部の残留オーステナイト量（γ_R）と硬さ（Ｈｖ）を測定した。また、表層部の窒素含有率〔Ｎ〕を測定した。
これらの結果を下記の表２に示す。なお、Ｈｖ５５０以上となる表面硬化層の深さは、No. １〜４ともに１．１ｍｍであった。

また、各サンプルのピニオンシャフト１を組み込んだプラネタリギヤ装置を、図１に示す試験機にかけて回転試験を行った。
この試験機は、ピニオンシャフト１の一端を固定する一方のキャリア３を回転させる回転軸４と、サンギヤ５の回転軸６を回転自在に支持する支持構造７を備えている。ピニオンシャフト１の他端は他方のキャリア８に固定される。キャリア３とその回転軸４はボルト４３により固定されている。キャリア３と回転軸４には、ピニオンシャフト１の油穴２に通じる油穴３１，４１が形成されている。
ピニオンシャフト１とピニオンギヤ１１との間に、針状ころ１２とこれを保持する保持器１３が配置されている。サンギヤ５とピニオンギヤ１１が螺合している。ピニオンシャフト１の両端のキャリヤ８，３とピニオンギヤ１１との間の部分に、ワッシャー９１，９２が取り付けられている。

各サンプルのピニオンシャフト１に、予め９．８Ｎの荷重でビッカーズ圧痕を付けておき、これを組み込んだプラネタリギヤ装置を図１に示す試験機にかけて、回転軸４を回転速度７０００ｍｉｎ^-1で回転させた。これに伴い、ピニオンシャフト１は公転する。また、回転軸６を回転させることにより、サンギヤ５に螺合しているピニオンギヤ１１を回転速度７４００ｍｉｎ^-1で自転させた。この回転条件により、ピニオンシャフト１、ピニオンギヤ１１、および針状ころ１２で構成されるラジアルニードル軸受に、動定格荷重の４０％の荷重が加わる。また、油路４１，３１，２を介して「ＶＧ７」グレードの潤滑油をピニオンシャフト１とピニオンギヤ１１の間に供給し、１００時間回転した。回転中の廃油の温度は１２０℃であった。

No. １〜４のサンプルを各５本用意して試験を行った結果、No. １は５本中３本が折損し、No. ２は５本中２本が折損した。No. ３は、５本とも折損はしなかったが、圧痕が広がり、５本中２本が油穴２の垂直路２２の位置までクラックが到達していた。No. ４は５本とも折損せず、圧痕が僅かに拡がっただけであった。No. １〜３は本発明の比較例であり、No. ４は本発明の実施例である。この結果から、本発明の方法で得られたピニオンシャフト１は、フレーキングが生じた場合でも折損が生じ難いことが分かる。

実施形態で使用した試験装置を示す断面図である。

符号の説明

１ピニオンシャフト
１１ピニオンギヤ
１２針状ころ
１３保持器
２油穴
３キャリア
４回転軸
４１油穴
５サンギヤ
６回転軸
８キャリア

Claims

転がり軸受の内輪軌道面として機能する面を有する軸の製造方法において、
炭素（Ｃ）含有率が０．９質量％以上１．５質量％以下、クロム（Ｃｒ）含有率が０．９質量％以上１．２質量％以下、珪素（Ｓｉ）含有率が０．４質量％以上０．８質量％以下、マンガン（Ｍｎ）含有率が０．９質量％以上１．２質量％以下であり、残部が鉄および不可避不純物である合金鋼からなる素材を軸の形状に加工した後、
この軸の表層部に窒素を導入する処理を行わずに、焼入れ焼戻しを行うことにより、表層部の硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で７００以上、芯部の硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で２６０以下とし、表層部の残留オーステナイト量を１５体積％以上５０体積％以下とし、芯部のオーステナイト量を０にすることを特徴とする軸の製造方法。
プラネタリギヤ装置のサンギヤおよびリングギヤに螺合するピニオンギヤを、転動体を介して回転自在に支持するピニオンシャフトであって、
請求項１に記載の方法で製造され、表層部の窒素含有率が０．０３質量％以下、表層部の硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で７００以上、芯部の硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で２６０以下、表層部の残留オーステナイト量が１５体積％以上５０体積％以下、芯部のオーステナイト量が０となっていることを特徴とするピニオンシャフト。