JP2012255456A

JP2012255456A - ピニオンシャフト及びその製造方法

Info

Publication number: JP2012255456A
Application number: JP2011127393A
Authority: JP
Inventors: Riichiro Matoba; 理一郎的場
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-12-27

Abstract

【課題】塑性変形が抑制され、高荷重・高速回転・高温下においても長寿命なピニオンシャフト、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】炭素含有量（Ｃ（％））が０．８０〜１．２０質量％、クロム含有量（Ｃｒ（％））が０．１０〜１．００質量％、マンガン含有量（Ｍｎ（％））が０．４０〜１．２０質量％で、残部が鉄及び不可避不純物からなり、焼入れ性指数ＤＩ＝Ｄ_０×Ｆ_Ｍｎ×Ｆ_Ｃｒ＜４．００（但し、Ｄ_０＝０．１４＋０．２×Ｃ（％）、Ｆ_Ｍｎ＝１＋４．１×Ｍｎ（％）、Ｆ_Ｃｒ＝１＋２．３３×Ｃｒ（％））である合金鋼製であり、転動体が転走する軌道部が、周面の長手方向両端部を除いた部分に形成され、かつ、軌道部の最表面層の残留オーステナイト量が２０〜４０体積％で、硬さが７００〜９００Ｈｖであり、軌道部を除いた部分の残留オーステナイト量が０体積％で、硬さが３００Ｈｖ以下であるピニオンシャフト。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラネタリギア装置のピニオンシャフト及びその製造方法に関する。

自動車の自動変速機等に用いられるプラネタリギア装置は、例えば図１に示すように、図示しない軸が挿通されたサンギア１と、サンギア１と同心に配されたリングギア２と、サンギア１及びリングギア２に噛み合う１個以上（図１においては３個）のピニオンギア３と、サンギア１及びリングギア２と同心に配されピニオンギア３を回転自在に支持するキャリア４とを備えている。また、ピニオンギア３の中心には、かしめによりキャリア４に固定されたピニオンシャフト５が挿通されており、ピニオンシャフト５の外周面とピニオンギア３の内周面との間には図示されない複数の針状ころが配されている。ピニオンシャフト５の外周面は針状ころが転走する転動部となっており、ピニオンギア３はピニオンシャフト５を軸として回転自在とされている。

従来のプラネタリギア装置では、ピニオンシャフト５はＪＩＳ鋼種ＳＫ５等で構成され、焼入れが施されて、転動部材として必要な硬さ（Ｈｖ６５０以上）が付与されていた。そして、焼入れ法として高周波焼入れ法を採用することにより、軸受用ころが転走する部分（転走面）のみに高周波焼入れが施され、高周波焼入れが施されていない端部をかしめることによってピニオンシャフト５がキャリア４に固定されていた。

また、潤滑不良下や異物混入下のように剥離が起こり易い場合には、ピニオンシャフト５をＪＩＳ鋼種ＳＵＪ２等で作製し、浸炭窒化処理して寿命を確保するなどの対策が採られている。

一方で、近年では自動車の低燃費化の要求がますます強まっており、低燃費化を目的としてトランスミッションの小型化や高効率化が行われている。そのため、ピニオンギア３の回転速度が高まっており、ピニオンシャフト５に負荷される荷重が増大し、かつ温度が上昇し、さらに潤滑油量が減少する傾向になっており、ピニオンシャフト５の寿命低下につながっている。

また、荷重の増加とともに温度も上昇しているため、ピニオンシャフト５に塑性変形が発生し易い。この変形により、針状ころとピニオンシャフト５との間の滑りが増大して軌道面の摩耗やピーリングが生じたり、針状ころとピニオンシャフト５との接触がエッジロールになって早期剥離に至る問題が生じるおそれがある。

ピニオンシャフト５の塑性変形は、ピニオンシャフト５に負荷される荷重を緩和する方向に曲がりが生じる現象であり、鋼に内在する残留オーステナイト量が多いほど大きくなる傾向がる。そのため、塑性曲がりを抑制するためには残留オーステナイト量を極力少なくすることが重要である。しかしながら、ピニオンシャフト５の転走面の残留オーステナイト量が少ないと、転がり疲労寿命が低下し、必要な耐久性が得られないおそれがある。

本出願人も先に、特許文献１において、浸炭窒化処理後に焼き入れ、焼き戻しを施した後、高周波焼き入れ処理を施すことにより、塑性変形し難く、耐転がり疲労特性が向上することを示している。

特許第４４２３７５４号公報

しかしながら、特許文献１による方法は、処理工程が多く、処理に時間を要するため、効率的とはいい難く、改善の余地がある。

そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、塑性変形が抑制され、高荷重・高速回転・高温下においても長寿命なピニオンシャフト、及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下のピニオンシャフト及びその製造方法を提供する。
（１）両端部がキャリアに取り付けられ、ピニオンギアを複数の転動体を介して回転可能に支持するプラネタリギア装置用のピニオンシャフトにおいて、
炭素含有量（Ｃ（％））が０．８０〜１．２０質量％、クロム含有量（Ｃｒ（％））が０．１０〜１．００質量％、マンガン含有量（Ｍｎ（％））が０．４０〜１．２０質量％で、残部が鉄及び不可避不純物からなり、焼入れ性指数ＤＩ＝Ｄ_０×Ｆ_Ｍｎ×Ｆ_Ｃｒ＜４．００（但し、Ｄ_０＝０．１４＋０．２×Ｃ（％）、Ｆ_Ｍｎ＝１＋４．１×Ｍｎ（％）、Ｆ_Ｃｒ＝１＋２．３３×Ｃｒ（％））である合金鋼製であり、
転動体が転走する軌道部が、周面の長手方向両端部を除いた部分に形成され、かつ、軌道部の最表面層の残留オーステナイト量が２０〜４０体積％で、硬さが７００〜９００Ｈｖであり、軌道部を除いた部分の残留オーステナイト量が０体積％で、硬さが３００Ｈｖ以下であることを特徴とするピニオンシャフト。
（２）上記（１）に記載のピニオンシャフトを製造する方法であって、
炭素含有量（Ｃ（％））が０．８０〜１．２０質量％、クロム含有量（Ｃｒ（％））が０．１０〜１．００質量％、マンガン含有量（Ｍｎ（％））が０．４０〜１．２０質量％で、残部が鉄及び不可避不純物からなり、焼入れ性指数ＤＩ＝Ｄ_０×Ｆ_Ｍｎ×Ｆ_Ｃｒ＜４．００（但し、Ｄ_０＝０．１４＋０．２×Ｃ（％）、Ｆ_Ｍｎ＝１＋４．１×Ｍｎ（％）、Ｆ_Ｃｒ＝１＋２．３３×Ｃｒ（％））である合金鋼をピニオンシャフトの形状に加工した後、周面の長手方向両端部を除いた部分に高周波焼入れ処理を行い、次いで、焼き戻し処理を行うことを特徴とするピニオンシャフトの製造方法。

本発明のピニオンシャフトは、塑性変形が抑制され、高荷重・高速回転・高温下においても長寿命となる。また、製造方法も、特定箇所に高周波焼き入れを行うだけであるので、処理時間を要さず、簡素である。

プラネタリギア装置の分解斜視図である。本発明のピニオンシャフトの断面図である。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

本発明においてピニオンシャフトは、例えば、図１に示したプラネタリギア装置に使用されるものであるが、その材料として、炭素含有量（Ｃ（％））が０．８０〜１．２０質量％、クロム含有量（Ｃｒ（％））が０．１０〜１．００質量％、マンガン含有量（Ｍｎ（％））が０．４０〜１．２０質量％で、残部が鉄及び不可避不純物からなる合金鋼が用いられる。

炭素は、基地をマルテンサイト化して焼入れ・焼戻し後の硬さを向上させるために必要な元素である。そのため、炭素含有量が０．８０質量％未満であると、転動部材として必要な表面硬さ（ピッカース固さＨｖ７００以上）を得ることが困難となる。一方、炭素含有量が１．２０質量％を超えると、合金鋼の製造段階において転がり疲労寿命に有害な粗大炭化物が析出しやすい。好ましい炭素含有量は０．８５〜１．１５質量％である。

クロムは、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を向上させるのに有効な元素であり、基地を強化して転がり疲労寿命を向上させる。そのため、クロム含有量が０．１０質量％未満になるとこのような効果が十分に得られない。一方、クロム含有量が１．００質量％を超えると、セメンタイト中に凝集して焼入れ前の加熱の際に基地中への固溶を阻害する。後述するように本発明では高周波焼入れを行うが、短時間加熱においてはこれが問題となることから、好ましくは０．５質量％以下とする。

マンガンは、製鋼時の脱酸剤及び脱硫剤として必要な元素であり、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量を確保したり、焼き入れ性を向上させるのに有効な元素である。そのため、マンガン含有量が０．４０質量％未満になるとこのような効果が十分得られない。一方、マンガン含有量が１．２０質量％を超えると、非金属介在物が多くなり、かえって寿命が低下するおそれがある。また、鋼材の鍛造性及び被削性等の機械加工性が低下するようになる。これを考慮すると、マンガン含有量は１．００質量％以下が好ましい。

合金鋼の残部は、鉄及び比不可避不純物である。

また、合金鋼は、焼入れ性指数ＤＩ＝Ｄ_０×Ｆ_Ｍｎ×Ｆ_Ｃｒ＜４．００を満足する。尚、Ｄ_０＝０．１４＋０．２×Ｃ（％）、Ｆ_Ｍｎ＝１＋４．１×Ｍｎ（％）、Ｆ_Ｃｒ＝１＋２．３３×Ｃｒ（％）である。焼入れ性指数ＤＩは、焼入れ性を表すために規定した特性値であるが、この値が４．００以上になると高周波焼入れした際に硬化する領域が広くなり、その結果残留オーステナイトの絶対量が多くなり、残留オーステナイトの分解による塑性変形の影響が大きくなる。また、一定以上の有効硬化深さを得るためには、焼入れ性指数ＤＩは１．０以上が好ましい。

本発明では、上記の合金鋼を用い、目的とするシャフト形状に旋削加工した後に、高周波焼入れ処理、焼戻し処理を行う。高周波焼入れ処理は、図２に示すように、シャフトの両端面５ａ，５ａ、並びに周面の長手方向両端部５ｂ，５ｂを除いた領域に施す。尚、端部５ｂの長手方向の長さは、シャフト全長の５〜３０％が適当である。そして、高周波焼入れ処理が施された部分が硬化して、針状ころが転走する軌道部６となる。

軌道部６の最表面層の残留オーステナイト量が２０〜４０体積％となるように高周波焼入れ処理が施される。尚、最表面層とは５０μｍの深さまでの領域をいう。この最表面層の残留オーステナイト量が２０体積％未満になると、異物混入下において転がり疲労特性が低下する。一方、最表面層の残留オーステナイト量が４０体積％を超えると、十分な硬さが得られず同様に転がり疲労特性が低下する。

また、軌道部６の表面硬さは７００〜９００Ｈｖである。７００Ｈｖ未満では、硬さが不十分であり、転がり疲労特性が低下する。一方、９００Ｈｖを越える表面硬さを得るには高周波焼入れ処理における加熱温度を高くする必要があるが、それに伴って結晶粒の粗大化を招いて靭性が低下するおそれがある。

更に、軌道部６において、５５０Ｈｖ以上の硬さを有する領域（有効硬化層）が、表面から０．５〜２．０ｍｍ、好ましくは０．８〜１．５ｍｍとなることが好ましい。

高周波焼入れ処理では表面のみが硬化するため、ピニオンシャフト５の他の領域、即ち端面５ａ、端部５ｂ及び心部５ｃには残留オーステナイトが存在しない。また、これらの領域の硬さは３００Ｈｖ以下とする。これらの領域の硬さが３００Ｈｖを超えると、かしめ加工によるキャリア４への固定ができなくなる。

高周波焼入れ処理の後に、焼戻し処理を行い、最終加工を行ってピニオンシャフト５が得られる。従って、上記した最表面層の残留オーステナイト量及び表面硬さとなるように、高周波焼入れ処理及び焼戻し処理の処理条件を調整するが、高周波焼入れ処理における周波数は１００〜４００ｋＨｚ（好ましくは２００ｋＨｚ）、電圧は１００〜３００Ｖ（好ましくは１５０〜２５０Ｖ）、電流は５０〜２００Ａ（好ましくは１００〜１５０Ａ）、加熱温度は８００〜１０００℃、でコイルに対するピニオンシャフト軸方向移動速度１ｍｍ／ｓ〜３０ｍｍ／ｓとする。また、焼戻し処理は炉戻し、誘導戻しのどちらでも構わず、加熱温度は１００〜４００℃、処理時間は炉戻しの場合は０．５〜３ｈ、誘導戻しの場合は１ｓ〜６０ｓの範囲で適宜調整すればよい。

また、ピニオンシャフト５には、図２に示すように、潤滑剤を流通させるための油孔７が穿設されている。

以下に、実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（実施例１〜５、比較例１〜７）
表１に示す組成の合金鋼（比較例１はＪＩＳ鋼種ＳＵＪ２）を用意し、両端面（図２の符合５ａで表される部分）及び長手方向両端部（図２の符合５ｂで表される部分）を除いて高周波焼入れ処理（周波数２００ｋＨｚ、電流１００Ａ、電圧２５０Ｖ）を施した後、１８０℃で焼戻し処理を行い、高周波焼入れ処理した部分を硬化させて軌道部としたピニオンシャフトを作製した。尚、ピニオンシャフトは外径１６．７ｍｍ、内径３．５ｍｍであり、油孔を穿設した。

得られたピニオンシャフトの軌道部の最表面層の残留オーステナイト量、表面硬さ及び有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０以上の領域の深さ）、また、心部（図２の符合５ｃで表される部分）の残留オーステナイト量及び硬さを測定した。また、下記の（１）転がり疲労試験及び（２）熱変形試験を行い、寿命比（比較例１に対する相対値）及び曲がり量を求めた。結果を表１に併記する。

（１）転がり疲労試験
・基本動定格荷重Ｃ：２０５００Ｎ
・基本静定格荷重Ｃ０：２１０００Ｎ
・ラジアル荷重：１００００Ｎ
・ピニオンギアの自転速度：８０００ｍｉｎ^−１
・計算寿命Ｌ１０：４６時間
・潤滑油の種類：オートマチックトランスミッションオイル
・潤滑油の温度：９０℃
の条件にてピニオンシャフトを自転させ、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１つが破損した時点で寿命に至ったと判断し、それまでの回転時間を転がり軸受寿命とした。そして、比較例１の転がり疲労寿命との相対値を求めた。

（２）熱変形試験
・基本動定格荷重Ｃ：２０５００Ｎ
・基本静定格荷重Ｃ０：２１０００Ｎ
・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）：８０００ｍｉｎ^−１
・計算寿命Ｌ１０：４６時間
・潤滑油の種類：オートマチックトランスミッションオイル
・潤滑油の温度：９０℃
の条件にてピニオンシャフトを自転させさせながらキャリアの回転により公転させ、ピニオンシャフトの曲がり量をサーフコム形状測定機にて測定した。曲がり量は、最も曲がりが大きい部分からピニオンシャフトの両端面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。

表１に示すように、各実施例は曲がり量が比較例１と比べて半減しており、寿命比も１．８〜３．１倍と大幅に向上している。これに対し、比較例２〜７は、比較例１と比べて曲がり量が同等か、３〜４μｍと大きくなっており、寿命も短くなっている。このように、本発明によれば、熱による塑性変形が小さく、長寿命になることがわかる。

１サンギア
２リングギア
３ピニオンギア
４キャリア
５ピニオンシャフト
６軌道部
７油孔

Claims

両端部がキャリアに取り付けられ、ピニオンギアを複数の転動体を介して回転可能に支持するプラネタリギア装置用のピニオンシャフトにおいて、
炭素含有量（Ｃ（％））が０．８０〜１．２０質量％、クロム含有量（Ｃｒ（％））が０．１０〜１．００質量％、マンガン含有量（Ｍｎ（％））が０．４０〜１．２０質量％で、残部が鉄及び不可避不純物からなり、焼入れ性指数ＤＩ＝Ｄ_０×Ｆ_Ｍｎ×Ｆ_Ｃｒ＜４．００（但し、Ｄ_０＝０．１４＋０．２×Ｃ（％）、Ｆ_Ｍｎ＝１＋４．１×Ｍｎ（％）、Ｆ_Ｃｒ＝１＋２．３３×Ｃｒ（％））である合金鋼製であり、
転動体が転走する軌道部が、周面の長手方向両端部を除いた部分に形成され、かつ、軌道部の最表面層の残留オーステナイト量が２０〜４０体積％で、硬さが７００〜９００Ｈｖであり、軌道部を除いた部分の残留オーステナイト量が０体積％で、硬さが３００Ｈｖ以下であることを特徴とするピニオンシャフト。
請求項１に記載のピニオンシャフトを製造する方法であって、
炭素含有量（Ｃ（％））が０．８０〜１．２０質量％、クロム含有量（Ｃｒ（％））が０．１０〜１．００質量％、マンガン含有量（Ｍｎ（％））が０．４０〜１．２０質量％で、残部が鉄及び不可避不純物からなり、焼入れ性指数ＤＩ＝Ｄ_０×Ｆ_Ｍｎ×Ｆ_Ｃｒ＜４．００（但し、Ｄ_０＝０．１４＋０．２×Ｃ（％）、Ｆ_Ｍｎ＝１＋４．１×Ｍｎ（％）、Ｆ_Ｃｒ＝１＋２．３３×Ｃｒ（％））である合金鋼をピニオンシャフトの形状に加工した後、周面の長手方向両端部を除いた部分に高周波焼入れ処理を行い、次いで、焼き戻し処理を行うことを特徴とするピニオンシャフトの製造方法。