JP2010001521A

JP2010001521A - 軸、ピニオンシャフト

Info

Publication number: JP2010001521A
Application number: JP2008160663A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yamamoto; 幸一山本
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-06-19
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2010-01-07

Abstract

【課題】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として、油膜形成性が劣化する過酷な環境下での転動疲労特性が良好で、熱変形（塑性曲がり）が生じ難いものを提供する
【解決手段】ピニオンシャフト５を、所定の合金鋼からなる素材を用い、浸炭または浸炭窒化処理、焼入れ処理、サブゼロ処理、および１５０℃以上２００℃以下での焼戻し処理をして得、表面の炭素と窒素の合計含有率を０．８質量％以上２．０質量％以下、表面硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で７００以上９００以下、表面の残留オーステナイト量を２０体積％以上５０体積％以下とし、芯部の残留オーステナイト量を０にする。
【選択図】図１

Description

この発明は、遊星歯車（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（ピニオンシャフト）は、過酷な環境下（高温、潤滑不良等による油膜形成性が劣化する環境下、異物混入潤滑下など）での転動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熱変形（塑性曲がり）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面の硬さを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。

しかしながら、この文献に記載された発明では使用する鋼の合金成分が特定されていなく、実施例では、ＳＵＪ２、Ｄ５５Ｃ、ＳＡＣ１６９Ｓ、及びＣｒ４２０が使用されている。このような鋼では、回転速度の高速化や、潤滑不良などの油膜形成性が劣化する環境下での転動疲労寿命を確保することが難しい場合がある。また、高周波焼入れは管理面やコスト面などに多くの問題点がある。

下記の特許文献２には、プラネタリギヤ装置のピニオンシャフト（プラネタリーシャフト）の製造方法として、鋼の炭素含有率だけでなく、合金成分であるクロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）、珪素（Ｓｉ）の含有率も特定し、浸炭または浸炭窒化、焼入れ、１６０〜２００℃での焼戻しを行うことで、表面の炭素と窒素の合計含有率と、表面硬さと表面の残留オーステナイト量と、ピニオンシャフト全体の平均オーステナイト量が特定されたピニオンシャフトを得ることが記載されている。この方法の目的は、高温、高速条件下で使用されても焼き付き、かじり等が生じにくく、長寿命で、且つ、モーメント荷重を受けた場合にも変形や生じ難くすることである。また、この方法ではサブゼロ処理を行っていない。

下記の特許文献３には、軸受鋼などの高炭素鋼系材料からなる転がり部品（内輪、外輪）を熱処理する方法として、浸炭窒化または窒化などの処理を施して、表面部の基質を内部より高炭素、高窒素とし、少なくとも表面部に炭窒化物を形成させ、焼入れを行って、表面部の基質の残留オーステナイトを内部より多くし、サブゼロ処理を行った後、１５０〜２５０℃の範囲で焼戻しを行って、内部の残留オーステナイトを実質的に０にするとともに、表面部のオーステナイトを所定量残留させることが記載されている。この方法の目的は、寸法安定性、耐摩耗性、転動疲労寿命の全てを満足することである。
しかしながら、特許文献３に記載された発明では使用する鋼が軸受鋼などの高炭素鋼系であるため、回転速度の高速化、潤滑不良などの油膜形成性が劣化する環境下での転動疲労寿命を確保することが難しい場合がある。
特開２００２−４００３号公報特開２００５−２９１３４２号公報特公平３−５６３０５号公報

本発明の課題は、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として、過酷な環境下（高温、潤滑不良等による油膜形成性が劣化する環境下、異物混入潤滑下など）での転動疲労特性が良好で、熱変形（塑性曲がり）が生じ難いものを提供することである。

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であって、炭素（Ｃ）含有率が０．３０質量％以上０．５０質量％以下、クロム（Ｃｒ）含有率が２．０質量％以上５．０質量％以下、モリブデン（Ｍｏ）含有率が０．１質量％以上１．５質量％以下、マンガン（Ｍｎ）含有率が０．１０質量％以上１．５質量％以下、珪素（Ｓｉ）含有率が０．１０質量％以上１．５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、少なくとも内輪軌道面として機能する面は、浸炭または浸炭窒化処理、焼入れ処理、サブゼロ処理、および焼戻し処理をして得られ、表面の炭素と窒素の合計含有率が０．８質量％以上２．０質量％以下、表面硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で７００以上９００以下、表面の残留オーステナイト量が２０体積％以上５０体積％以下であり、芯部のオーステナイト量が０であることを特徴とする軸を提供する。

本発明の軸は、前記合金鋼からなる素材を用い、浸炭または浸炭窒化処理、焼入れ処理、サブゼロ処理、および焼戻し処理をして得られ、少なくとも内輪軌道面として機能する面は、表面の炭素と窒素の合計含有率が０．８質量％以上２．０質量％以下、表面硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で７００以上９００以下、表面の残留オーステナイト量が２０体積％以上５０体積％以下であるため、回転速度の高速化、潤滑不良などの油膜形成性が劣化する環境下での転動疲労寿命を確保することができる。また、芯部のオーステナイト量が０であるため熱変形が生じ難い。また、前記合金鋼からなる素材を用いることで耐熱性が良好になる。

前記表面の残留オーステナイト量を２０体積％以上５０体積％以下とすることで、異物により生じる圧痕のエッジ部における応力の集中を軽減することができる。前記表面の残留オーステナイト量が２０体積％未満であると、この応力集中軽減効果が不足して、転動疲労寿命が低下する。前記表面の残留オーステナイト量が５０体積％を超えると、熱変形が大きくなって、プラネタリギヤ装置とした時に、針状ころ（転動体）とピニオンシャフト（軸）の接触がエッジロード（端部に局所的な面圧が生じる状態）となり易く、転動疲労寿命が低下する。
前記表面および芯部の残留オーステナイト量は、サブゼロ処理の温度により調整されるが、サブゼロ処理の温度が−１００℃未満であると表面の残留オーステナイト量が２０体積％未満となり、−３０℃より高いと芯部の残留オーステナイト量が０にならないため、サブゼロ処理の温度は−１００℃以上−３０℃以下とすることが好ましい。

また、前記表面の残留オーステナイト量を２０体積％以上５０体積％以下とするために、サブゼロ処理後の焼戻し温度は１５０℃以上２００℃以下とすることが好ましい。
前記表面の硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で７００未満であると、潤滑不良などの油膜形成性が劣化する環境下で前記表面に圧痕が形成され易くなる。前記表面の硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）９００より硬くするためには、サブゼロ処理の温度をより低温で行う必要があるが、その場合、表面の残留オーステナイト量を２０体積％以上にできなくなる。よって、前記表面の硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で７００以上９００以下とする。そして、前記表面の硬さをこの範囲にすることで、耐摩耗性、耐圧痕性、静的強度が良好になる。
前記合金鋼の各成分を所定範囲に特定した理由を以下に述べる。

〔炭素（Ｃ）含有率：０．３０質量％以上０．５０質量％以下〕
炭素（Ｃ）は、基地（マトリックス）に固溶して焼入れ、焼戻し後の硬さを向上させて強度を向上させるとともに、鉄、クロム、モリブデン、バナジウム等の炭化物形成元素と結合して炭化物を形成し、耐摩耗性を高める作用を有する元素である。
本発明では、浸炭または浸炭窒化処理を行って表面に炭素（または炭素と窒素）を導入して、表面の炭素と窒素の合計含有率を０．８質量％以上２．０質量％以下にするため、この処理に係る時間を短縮する目的で、素材をなす合金鋼中の炭素含有率を０．３０質量％以上とし、好ましくは０．３５質量％以上とする。
一方、炭素含有率が０．５０質量％を超えると、製鋼時に粗大な共晶炭化物が生成されやすくなり、転動疲労寿命や強度が低下する場合がある。また、鍛造性、冷間加工性、被削性が低下して、加工コストの上昇を招く場合がある。そのため、好ましくは炭素含有率を０．４５質量％以下とする。

〔クロム（Ｃｒ）含有率：２．０質量％以上５．０質量％以下〕
クロム（Ｃｒ）は、基地に固溶して、焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性、耐食性、及び転動寿命を高める作用を有する元素である。また、炭素、窒素等の侵入型固溶元素を実質的に動きにくくして基地の組織を安定化し、水素侵入時の寿命低下を大幅に抑制する作用も有している。
さらに、炭素と結合して形成されるクロム炭化物（Ｆｅ，Ｃｒ）₃Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）₇Ｃ₃、（Ｆｅ，Ｃｒ）₂₃Ｃ₆等は微細で、硬度が高いため、耐摩耗性を高める作用も有している。

また、基地に固溶してＭｓ点（マルテンサイト変態開始温度）を降下させて、多量の残留オーステナイトを確保する作用も有する。すなわち、クロムの存在により、残留オーステナイトが熱で分解しにくくなるため、合金鋼を塑性変形し難くする作用を有する。
クロムの含有率が２．０質量％未満であると前述の作用が不足し、５．０質量％を超えると、冷間加工性、被削性、浸炭窒化性が低下して、コストの上昇を招くおそれがある。さらに、製鋼時に粗大な共晶炭化物が生成されやすくなり、転動疲労寿命や強度が不足する。クロム含有率の好ましい範囲は２．５〜３．５質量％である。

〔モリブデン（Ｍｏ）含有率：０．１０質量％以上１．５質量％以下〕
モリブデン（Ｍｏ）は、クロムと同様に、基地に固溶して焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性、耐食性、及び転動寿命を高める作用を有する元素である。また、クロムと同様に炭素、窒素等の侵入型固溶元素を実質的に動きにくくして基地の組織を安定化し、水素侵入時の寿命低下を大幅に抑制する作用も有している。
さらに、炭素と結合して形成されるモリブデン炭化物は微細で硬度が高いため、耐摩耗性を高める作用も有している。
モリブデン含有率が０．１０質量％未満であると、前述の作用が不足する。１．５質量％を超えると、冷間加工性、被削性が低下して、コストの上昇を招くおそれがある。さらに、製鋼時に粗大な共晶炭化物が生成されやすくなり、転動疲労寿命や強度が不足する。よって、モリブデン含有率は１．５質量％以下とする。好ましくは１．２質量％以下とする。

〔マンガン（Ｍｎ）含有率：０．１０質量％以上１．５質量％以下〕
マンガン（Ｍｎ）は、製鋼時に脱酸剤として作用する元素であり、０．１０質量％以上添加する必要がある。好ましくは０．５０質量％以上添加する。
また、クロムと同様に、基地に固溶してＭｓ点を降下させて、多量の残留オーステナイトを確保したり、焼入れ性を高める作用を有している。ただし、多量に添加すると、冷間加工性、被削性が低下するだけでなく、Ｍｓ点が低下し過ぎて、浸炭窒化後に多量の残留オーステナイトが残存し、十分な硬さが得られない場合があるため、１．５質量％以下とする。好ましくは１．３質量％以下とする。

〔珪素（Ｓｉ）含有率：０．１０質量％以上１．５質量％以下〕
ケイ素（Ｓｉ）は、マンガンと同様に製鋼時に脱酸剤として作用する元素であり、０．１０質量％以上添加する必要がある。また、クロム、マンガンと同様に焼入れ性を向上させるとともに、基地のマルテンサイト化や残留オーステナイトの安定化を促進し、軸受寿命の向上に有効な元素である。さらに、焼戻し軟化抵抗性を高める作用も有している。好ましくは０．３０質量％以上添加する。
ただし、多量に添加すると、鍛造性、冷間加工性、被削性、及び浸炭処理性が低下する場合があるため、１．５質量％以下とする。好ましくは０．５質量％以下とする。
本発明の軸は、遊星歯車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として好適である。

本発明によれば、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として、過酷な環境下（高温、潤滑不良等による油膜形成性が劣化する環境下、異物混入潤滑下）での転動疲労特性（耐熱性、耐摩耗性、耐圧痕性、静的強度等）が良好で、熱変形（塑性曲がり）が生じ難いものが提供される。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１に示すプラネタリギヤ装置は、自動車用オートマチックトランスミッション等の遊星歯車機構に好適に使用されるものである。このプラネタリギヤ装置は、サンギヤ１と、サンギヤ１と同心に配されたリングギヤ２と、サンギヤ１およびリングギヤ２に噛み合いサンギヤ１の周りを公転する１個以上（図１においては３個）のピニオンギヤ３と、サンギヤ１およびリングギヤ２と同心に配されてピニオンギヤ３を回転自在に支持するキャリヤ４と、を備えている。

ピニオンギヤ３の中心穴には、ピニオンシャフト（軸）５が挿通されている。この部分の断面図を図２に示す。図２に示すように、ピニオンシャフト５の一端は、かしめ等によりキャリヤ４に固定されている。また、ピニオンシャフト５の外周面とピニオンギヤ３の内周面との間には、複数の針状ころ（転動体）６が転動自在に配されている。これにより、ピニオンギヤ３は、ピニオンシャフト５を軸として、針状ころ６を介して回転自在とされている。すなわち、ピニオンシャフト５の外周面は内輪軌道面として機能している。
このピニオンシャフト５を以下の方法で作製した。
下記の表１に示す合金鋼Ａ〜Ｊからなる線材を用意し、旋削加工、熱処理、外径粗研削、外径仕上げ研削、および超仕上げ研削を施して、直径１６ｍｍ、長さ８０ｍｍのピニオンシャフトのサンプル（No. １〜１２）を得た。

サンプルNo. １〜６では、熱処理を以下の方法で行った。先ず、８３０〜９３０℃で３〜５時間、浸炭窒化処理を施した後に、１５０〜２００℃、１．０〜２．５時間の条件で焼戻しを施した。浸炭窒化処理は、ＲＸガス、エンリッチガス、およびアンモニアガスを含有する雰囲気下で行った。次に、８６０〜９５０℃、０．５〜２．０時間の条件で焼入れを施した後、−１００℃〜−３０℃の範囲の各温度で０．５〜１．０時間保持するサブゼロ処理を行った。次に、１５０〜２００℃、１．０〜２．５時間の条件で焼戻しを施した。

サンプルNo. ７〜１２では、熱処理を以下の方法で行った。先ず、８３０〜９３０℃で３〜５時間、浸炭窒化処理を施した後に、１５０〜２００℃、１．０〜２．５時間の条件で焼戻しを施した。浸炭窒化処理は、ＲＸガス、エンリッチガス、およびアンモニアガスを含有する雰囲気下で行った。次に、８６０〜９５０℃、０．５〜２．０時間の条件で焼入れを施した後、サブゼロ処理をしないで、２００〜３００℃（２１０〜２５０℃）、１．０〜２．５時間の条件で焼戻しを施した。
なお、浸炭窒化後に焼戻しをしないで焼入れを行うと、置き割れ等が生じる可能性があるが、浸炭窒化後焼入れ前に焼戻しを行うことで、組織が安定化し靱性も向上するため置き割れ等が生じ難くなる効果が得られる。

得られた各ピニオンシャフトについて、表面の炭素と窒素の合計含有率（〔Ｃ〕＋〔Ｎ〕）、硬さ（Ｈｖ）、および残留オーステナイト量（γ_R）、芯部の硬さ（Ｈｖ）と残留オーステナイト量（γ_R）を測定した。その結果を下記の表２に示す。表２では、本発明の範囲から外れている数値に下線を施してある。
そして、得られた各ピニオンシャフトと、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼２種）製で、ずぶ焼き後に焼戻し処理がなされて得られたピニオンギヤおよび針状ころ（直径３ｍｍ、長さ１７．８ｍｍ）と、ＳＣＭ４１５製で浸炭窒化処理が施された保持器を、日本精工（株）製のプラネタリニードル試験機に組み込んで、転動疲労寿命試験と熱変形試験を行った。なお、針状ころは保持器で保持されてケージアンドローラとされて試験機に組み込まれている。

転動疲労寿命試験としては、下記の条件でピニオンシャフトを自転させる回転試験を行い、ピニオンシャフト、ピニオンギア、針状ころのうち少なくとも一つが破損した時点で寿命に至ったとして回転試験を中止し、それまでの回転時間を転動疲労寿命とした。その結果も下記の表２に併せて示す。
なお、表２の転動疲労寿命は、No. ７の転動疲労寿命を１とした場合の相対値で示してある。また、ピニオンシャフト、ピニオンギア、針状ころのうち、どの部材が最も破損しやすいかを調べる予備試験を行い、ピニオンシャフトが最も破損しやすいことを確認した後に回転試験を行っている。

＜転動疲労寿命試験条件＞
・基本動定格荷重Ｃ：２４７００Ｎ
・基本静定格荷重Ｃ₀：４４０００Ｎ
・ラジアル荷重：１００００Ｎ
・ピニオンギアの自転速度：１２０００ｍｉｎ^-1
・計算寿命Ｌ₁₀：２８．３時間
・潤滑油の種類：ＡＴＦ（オートマチックトランスミッションフルード）
・潤滑油の供給量：３０ｍｌ／ｍｉｎ
・潤滑油の温度：１２０℃
熱変形試験としては、下記の条件で、ピニオンシャフトを自転させながらキャリアの回転により公転させる回転試験を行い、ピニオンシャフトの曲がり量（熱変形量）をサーフコム形状測定機にて測定した。この曲がり量は、最も曲がり量が大きい部分から、ピニオンシャフトの両端部を結ぶ線に下ろした垂線の長さ（曲がる前のピニオンシャフトの軸方向に垂直な方向の長さ）である。その結果も下記の表２に併せて示す。

＜熱変形試験条件＞
・基本動定格荷重Ｃ：２４７００Ｎ
・基本静定格荷重Ｃ₀：４４０００Ｎ
・ラジアル荷重：１００００Ｎ
・キャリアの回転速度（ピニオンギアの公転速度）：７０００ｍｉｎ^-1
・ピニオンギアの自転速度：１００００ｍｉｎ^-1
・潤滑油の種類：ＡＴＦ
・潤滑油の供給量（キャリアに対して）：１００ｍｌ／ｍｉｎ
・潤滑油の温度：１２０℃
・試験時間：２０時間

この表から分かるように、本発明の実施例に相当するNo. １〜６では、転動疲労寿命がNo. ７の２．５〜４．０倍と長くなり、熱変形量は１μｍと少なかった。これに対して、本発明の比較例に相当するNo. ７〜１２では、転動疲労寿命がNo. ７と同じか半分と短く、熱変形量は４〜７μｍと多かった。
したがって、この実施形態のNo. １〜６のピニオンシャフト（本発明の実施例に相当する軸）は、No. ７〜１２のピニオンシャフト（本発明の比較例に相当する軸）と比較して、前述の条件での転動疲労寿命が長く、熱変形が生じにくいものとなっている。

プラネタリギヤ装置の構成を説明するための斜視図である。図１のプラネタリギヤ装置を構成するピニオンシャフトとピニオンギアと針状ころ（転動体）との配置を示す断面図である。

符号の説明

１サンギヤ
２リングギヤ
３ピニオンギヤ
４キャリヤ
５ピニオンシャフト（軸）
６針状ころ（転動体）

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であって、
炭素（Ｃ）含有率が０．３０質量％以上０．５０質量％以下、クロム（Ｃｒ）含有率が２．０質量％以上５．０質量％以下、モリブデン（Ｍｏ）含有率が０．１０質量％以上１．５質量％以下、マンガン（Ｍｎ）含有率が０．１０質量％以上１．５質量％以下、珪素（Ｓｉ）含有率が０．１０質量％以上１．５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、
少なくとも内輪軌道面として機能する面は、浸炭または浸炭窒化処理、焼入れ処理、サブゼロ処理、および焼戻し処理をして得られ、表面の炭素と窒素の合計含有率が０．８質量％以上２．０質量％以下、表面硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で７００以上９００以下、表面の残留オーステナイト量が２０体積％以上５０体積％以下であり、芯部のオーステナイト量が０であることを特徴とする軸。
請求項１記載の軸であって、遊星歯車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。