JP2013221207A - 転動軸 - Google Patents

Abstract

【課題】材料成形性が良く、かつ、使用条件が過酷な環境下でも熱変形曲がりが小さく、さらに加工コストを抑えることができる転動軸を提供する。
【解決手段】ピニオンシャフト５は、炭素を０．１５質量％以上０．２５質量％以下、クロムを２質量％以上４質量％以下、モリブデンを０．１質量％以上０．６質量％以下、マンガンを０．１質量％以上１．５質量％以下、ケイ素を０．１質量％以上１．５質量％以下含有する合金鋼で構成されている。ピニオンシャフト５は浸炭処理または浸炭窒化処理と焼入れと焼戻しとが施され硬化されてなる表層部が形成され、表面硬さＨｖが６５０以上９００以下とされている。表層部の残留オーステナイト量が１５体積％以上４５体積％以下である。表層部の内側の芯部の残留オーステナイト量が３体積％以下である。表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が０．８質量％以上２質量％以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、相手部材である転動体に対して相対的に転動する転動軸に関する。

車両等に搭載されているオートマチックトランスミッションには、一般的に遊星歯車機構が用いられており、その構成部品の一つであるピニオンギアは、回転やトルク伝達による荷重を受ける軸受およびピニオンシャフトを内部に有している。
このような遊星歯車装置のピニオンシャフトは、針状ころが転動する部分（転動面）には焼入れが施されて、ピニオンシャフトとして必要な硬さが付与されている。また、潤滑不良等による剥離寿命が問題となる場合には、ピニオンシャフトはその表層部に浸炭窒化処理等が施されて寿命が確保されている。

上記のようなピニオンシャフトの一例として、特許文献１に記載の転動軸が知られている。
この転動軸は、相手部材である転動体に対して相対的に転動する転動軸において、下記の６つの条件を満足することを特徴とするものである。
条件１：炭素を０．３質量％以上０．５質量％以下、クロムを２質量％以上５質量％以下、モリブデンを０．１質量％以上１．５質量％以下、マンガンを０．１質量％以上１．５質量％以下、ケイ素を０．１質量％以上１．５質量％以下含有する合金鋼で構成されている。
条件２：前記転動体と摺動する表面には、浸炭処理または浸炭窒化処理と焼入れと焼戻しとが施され硬化されてなる表層部が形成されており、表面硬さＨｖが６５０以上９００以下とされている。
条件３：前記表層部の残留オーステナイト量が５体積％以上４５体積％以下である。
条件４：前記表層部の内側の芯部の残留オーステナイト量が５体積％以下である。
条件５：前記表層部の残留オーステナイト量は、前記芯部の残留オーステナイト量の６倍以上である。
条件６：前記表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が０．８質量％以上２質量％以下である。

このような転動軸は、高温下、潤滑不良下、異物混入下、またはスミアリングや白色組織の発生しやすい環境下で使用されても、塑性変形が生じにくく耐久性に優れている。

特開２００８−１５０６７２号公報

ところが、前記従来の転動軸では、炭素を０．３質量％以上０．５質量％以下含有しており、炭素量が多いことが起因して材料成形性が悪いという問題がある。例えば、このような材質の棒材の径を細く成形して転動軸を形成するのが困難であるとともに、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。
また、表層部の内側の芯部の残留オーステナイト量が比較的多いことから、使用条件が過酷（高荷重、高速回転、高温度）な環境下では熱変形曲がりが大きくなる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、材料成形性が良く、かつ、使用条件が過酷な環境下でも熱変形曲がりが小さく、さらに加工コストを抑えることができる転動軸を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、相手部材である転動体に対して相対的に転動する転動軸において、下記の５つの条件を満足することを特徴とする。
条件１：炭素を０．１５質量％以上０．２５質量％以下、クロムを２質量％以上４質量％以下、モリブデンを０．１質量％以上０．６質量％以下、マンガンを０．１質量％以上１．５質量％以下、ケイ素を０．１質量％以上１．５質量％以下含有する合金鋼で構成されている。
条件２：前記転動体と摺動する表面には、浸炭処理または浸炭窒化処理と焼入れと焼戻しとが施され硬化されてなる表層部が形成されており、表面硬さＨｖが６５０以上９００以下とされている。
条件３：前記表層部の残留オーステナイト量が１５体積％以上４５体積％以下である。
条件４：前記表層部の内側の芯部の残留オーステナイト量が３体積％以下である。
条件５：前記表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が０．８質量％以上２質量％以下である。

本発明によれば、材料成形性が良く、かつ、使用条件が過酷な環境下でも熱変形曲がりが小さく、さらに材料コストを抑えることができる。

本発明の転動軸の実施形態に係るピニオンシャフトを備えた遊星歯車装置の分解斜視図である。 本発明の転動軸の実施形態に係るピニオンシャフトの断面図である。

本発明に係る転動軸の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１に示す遊星歯車装置は、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り、図示しない軸が挿通されたサンギア１と、該サンギア１と同心に配されたリングギア２と、サンギア１およびリングギア２に噛み合いサンギア１の周りを公転する１個以上（図１においては３個）のピニオンギア３と、サンギア１およびリングギア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ヤ４と、を備えている。

ピニオンギア３の中心穴には、かしめ等によりキャリヤ４に固定されたピニオンシャフト５（本発明の転動軸に相当する）が挿通されており、また、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しない複数の針状ころ（転動軸の相手部材である転動体に相当する）が転動自在に配されていて、これによりピニオンギア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（ピニオンシャフト５が転がり軸受の内輪に相当する）。

ピニオンシャフト５は、図２に示すように、円柱状に形成されており、当該ピニオンシャフト５には、摺動部分（転動面）に潤滑油を供給するための給油路１０が設けられている。給油路１０は、ピニオンシャフト５の径方向中心部分を軸方向に延び軸方向両端面のうち一方のみに開口する中心孔１１と、中心孔１１から分岐して径方向中心部分から径方向外方に延びピニオンシャフト５の外周面に開口する２つの分岐孔１２，１３とから構成されている。
そして、分岐孔１３の開口部から導入された潤滑油が、中心孔１１内を通って分岐孔１２に至り、外周面の軸方向略中央に位置する開口部から吐出されるようになっている。吐出された潤滑油は、摺動するピニオンシャフト５の外周面と前記針状ころとの間の潤滑に供される。すなわち、分岐孔１３の開口部は、中心孔１１内に潤滑油を導入する潤滑油導入口として機能し、分岐孔１２の開口部は、中心孔１１内の潤滑油を吐出する潤滑油吐出口として機能する。

前記ピニオンシャフト５は、炭素を０．１５質量％以上０．２５質量％以下、クロムを２質量％以上４質量％以下、モリブデンを０．１質量％以上０．６質量％以下、マンガンを０．１質量％以上１．５質量％以下、ケイ素を０．１質量％以上１．５質量％以下含有する合金鋼で構成されている。
ピニオンシャフト５には、浸炭処理または浸炭窒化処理と焼入れと焼戻しとが施されているので、その外周面には硬化された表層部が形成されていて、表面硬さＨｖが６５０以上９００以下とされている。よって、外周面のうち針状ころと摺動する部分（転動面）も、硬化された表層部が形成されている。

そして、ピニオンシャフト５の表層部の残留オーステナイト量は１５体積％以上４５体積％以下、該表層部の内側の芯部の残留オーステナイト量は３体積％以下となっており、さらに、表層部の炭素濃度と窒素濃度との和は、０．８質量％以上２質量％以下となっている。

このような構成の遊星歯車装置は、高温下、潤滑不良下、異物混入下、またはスミアリングや白色組織の発生しやすい環境下で使用されたとしても、ピニオンシャフト５に塑性変形が生じにくいので、耐久性に優れている。
また、材料成形性がよく、かつ、使用条件が過酷な環境下でも熱変形曲がりが小さく、さらに加工コストを抑えることができる。

異物潤滑混入下における遊星歯車装置の転がり寿命（転動疲労寿命）の低下は、異物の噛み込みによって形成された圧痕の盛り上がり縁部における応力集中が原因とされる。ピニオンシャフトの表面硬さＨｖが６５０以上９００以下であれば、針状ころの転動面の硬さが十分であり圧痕が形成されにくいので、異物混入下で使用されても長寿命である。表面硬さＨｖが６５０未満であると、硬さが不十分であるため圧痕が形成されるおそれがあり、９００超過であると、焼入れ温度を高くする必要が生じるため、結晶粒径の粗大化により靱性が低下するおそれがある。

また、表層部の残留オーステナイト量が１５体積％以上４５体積％以下であると、上記のような応力集中が生じにくい。１５体積％未満であると、表面疲労を緩和する応力集中の軽減効果が乏しく、疲労寿命が低下する。一方、４５体積％超過であると、表面硬さが不十分となり耐摩耗性や耐表面疲労性が損なわれるおそれがある。このような不都合がより生じにくく、優れた疲労寿命が安定して得られるためには、表層部の残留オーステナイト量は２０体積％以上４０体積％以下であることがより好ましい。

さらに、残留オーステナイトは、荷重等の応力や熱が加わると、分解してフェライトとセメンタイトの混合物やマルテンサイトに変化するため、ピニオンシャフトに塑性変形が生じる。したがって、表層部の残留オーステナイト量を芯部の残留オーステナイト量の６倍以上とすれば、両残留オーステナイト量の差が大きく荷重や遠心力の除荷時にピニオンシャフトを元の形状に復元する力が大きくなるので、ピニオンシャフトの塑性曲がりを抑制することが可能である。

さらに、表層部に残留オーステナイトを存在させることにより転動疲労寿命が向上し、芯部の残留オーステナイト量を極力少なくすることによりピニオンシャフトの塑性曲がりが抑制される。芯部の残留オーステナイト量は３体積％以下である必要があり、０体積％であることがより好ましい。芯部の残留オーステナイト量を少なくするためには、熱処理の最終工程である焼戻しにおいて、処理温度を１５０℃以上３００℃以下とすることが好ましい。焼戻し温度が高すぎると、表層部の残留オーステナイトが減少してしまい、転動疲労寿命の低下を招くおそれがある。

さらに、表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が０．８質量％以上２質量％以下であると、耐摩耗性，耐転がり疲労性，耐熱性が優れている。
０．８質量％未満であると、耐摩耗性の向上に有効な炭窒化物の析出が不十分となり、耐摩耗性が低下するおそれがある。また、表層部の残留オーステナイト量が１５体積％未満となって、転動疲労寿命の低下を引き起こすおそれがある。一方、２質量％超過であると、耐摩耗性の向上に対しては有利であるが、初析炭化物がネット状に発生して転がり寿命が低下したり、熱処理の生産性が低下したり、あるいは熱処理後の研削加工性が低下したりするおそれがある。また、Ｍｓ点が下がりすぎて残留オーステナイト量が４５体積％超過となってしまい、その結果、表面硬さＨｖが６５０未満となるおそれがある。耐摩耗性、耐転動疲労性、耐熱性等の性能をより高くするためには、表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が１質量％以上１．８質量％以下であることが好ましい。

ここで、合金鋼に含有される合金成分の含有量の臨界的意義について説明する。
〔炭素の含有量について〕
炭素（Ｃ）は、基地に固溶して焼入れ、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。
耐転動疲労性に必要な硬さを得るために行う浸炭窒化処理の時間が長くなるとコストアップを招くことから、処理時間の短縮のために、炭素の含有量は０．１５質量％以上である必要がある。ただし、０．２５質量％超過であると、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、炭素量が０．２５質量％超過であると鍛造性、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。さらに、炭素量が０．２５質量％超過であると、芯部の残留オーステナイトが多くなり、熱変形曲がりが大になって、転動疲労寿命が低下するとともに、棒材成型性が悪く、特に軸径φ１５ｍｍ以下は塑性加工困難で成型時に割れやクラックが発生する。

〔クロムの含有量について〕
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，および転動疲労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、合金鋼中に微細に分布する炭化物が、より高硬度の（Ｆｅ，Ｃｒ）3 Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）₇ Ｃ₃ 、（Ｆｅ，Ｃｒ）₂₃Ｃ₆ 等の炭化物からなるために、耐摩耗性を高める作用も有している。さらに、残留オーステナイトが熱により分解しにくくなり、結果として塑性変形し難い。

合金鋼中のクロムの含有量が２質量％未満であると、前述の作用が十分に得られない場合があり、４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、転動寿命や強度が低下する場合がある。

〔モリブデンの含有量について〕
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，およ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、合金鋼中に微細に分布する炭化物が、より高硬度のモリブデンの炭化物等からなるために、耐摩耗性を高める作用も有している。

合金鋼中のモリブデンの含有量が０．１質量％未満であると、前述の作用が十分に得られない場合があり、０．６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、転動寿命や強度が低下する場合がある。

〔マンガンの含有量について〕
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、０．１質量以上添加する必要がある。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、マルテンサイト変態開始温度が低下して、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。このため、マンガン（Ｍｎ）の添加量は１．５質量％以下にする必要がある。

〔ケイ素の含有量について〕
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、０．１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。ただし、多量に添加すると、鍛造性、冷間加工性、被削性および浸炭処理性が低下する場合がある。このため、ケイ素（Ｓｉ）の添加量は１．５質量％以下にする必要がある。

なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、遊星歯車装置のピニオンシャフトを例示して説明したが、本発明の転動軸は他の種類の様々な転がり軸受の内輪に相当する部材として適用することができる。

以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。以下のような方法により、上記の実施形態におけるピニオンシャフト５とほぼ同様の構成のピニオンシャフトを製造し、転動疲労寿命評価後ピニオンシャフトの塑性変形曲がり量測定、転動疲労寿命試験、軸径φ１５以下の成型性試験を行った。

ここで、各種試験に用いるピニオンシャフトの製造方法を説明する。ピニオンシャフトの素材には、表１に示すような組成を有する９種の合金鋼を用いた。この合金鋼からなる線材に、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１２ｍｍのピニオンシャフトを得た。
得られたピニオンシャフトの性状、すなわち表層部の硬さＨｖおよび残留オーステナイト量、芯部の硬さＨｖおよび残留オーステナイト量、表層部の炭素濃度と窒素濃度との和を表２に示す。
また、表２に、転がり寿命評価後ピニオンシャフト塑性変形曲がり量、転動疲労寿命、軸径φ１５以下の成型性を併せて示す。

熱処理の内容および条件は以下の通りである。合金鋼製の線材を旋削加工することにより得た円柱状部材に、８２０〜９８０℃で３〜５時間浸炭窒化処理を施した後に、１５０〜２００℃，１．５時間の条件で焼戻しを施した。この浸炭窒化処理は、ＲＸガス，エンリッチガス，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時間の条件で焼入れを施し、最後に１５０〜３００℃，１．５時間の条件で焼戻しを施した。なお、比較例８については、浸炭窒化処理は施しておらず、熱処理の内容はズブ焼入れおよび最後の焼戻しのみである。また、組織の安定化のためには、浸炭窒化処理と焼入れとの間においてＡ１
変態点よりも低い温度に冷却することが好ましい。

〔転動疲労寿命試験について〕
ピニオンシャフトを日本精工株式会社製のスラストニードル試験機に装着した。すなわち、ピニオンギアの中心穴にピニオンシャフトを挿通し、ピニオンシャフトの外周面とピニオンギアの内周面との間に、複数の針状ころを転動自在に介装した。これにより、ピニオンギアはピニオンシャフトを軸として回転自在とされる。この針状ころは、高炭素クロム鋼（ＳＵＪ２）製であり、その寸法は直径３ｍｍ、長さ６ｍｍである。また、針状ころは、ＪＩＳ鋼種ＳＣＭ４１５製の保持器で保持されてケージアンドローラとされている。なお、保持器には浸炭窒化処理が施されている。

そして、下記のような条件で回転試験を行い、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、それまでの回転時間を転動疲労寿命とした。結果を表２に示す。なお、表２の転動疲労寿命は、比較例８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。

・寿命試験機：日本精工株式会社製のスラストニードル試験機
・試験軸受：ＰＣＤ ５０ｍｍ、針状ころ φ３ｍｍ×６ｍｍ
・基本動定格荷重Ｃ：２４０００Ｎ
・基本静定格荷重Ｃ0：５５０００Ｎ
・スラスト荷重 ：６０００Ｎ
・相対回転数：５０００rpm
・計算寿命Ｌ１０＝３４０時間
・潤滑油の種類：オートマチックトランスミッションフルード
・潤滑油の温度：１００℃

表２から分かるように、実施例１〜５は、比較例１〜８と比べて転動疲労寿命が優れていた。
比較例１は、表層部の残留オーステナイト量が多く、表面硬さがＨｖ６５０未満であるため、耐摩耗性、耐転動疲労性、耐熱性が不十分となって、転動疲労寿命が短くなった。さらに、表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が高いため、耐摩耗性の向上に対しては有利であるが、初析炭化物がネット状に発生して転動疲労寿命が低下した。
比較例２は、芯部の残留オーステナイト量が多く、塑性曲がりが大きくなり転動疲労寿命が短かった。さらに、比較例２は、炭素量が０．２５質量％を超えて、０．４室量％と多いため、芯部の残留オーステナイトが多くなり、熱変形曲がりが大となって転動疲労寿命が短くなった。
比較例３は、表面硬さがＨｖ６５０未満であり、さらに、表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が低いため、耐摩耗性、耐転動疲労性、耐熱性が不十分となって、転動疲労寿命が短くなった。

比較例４は、表層部の残留オーステナイト量が少なく、表面疲労を緩和する応力集中軽減効果が不十分であるため、転動疲労寿命が短かった。
比較例５は、表面硬さがＨｖ６５０未満であり、さらに、表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が低いため、耐摩耗性、耐転がり疲労性、耐熱性が不十分となって、転動疲労寿命が短くなった。
比較例６、７は、芯部の残留オーステナイト量が多く、塑性曲がりが大きくなり転動疲労寿命が短かった。さらに、比較例６，７は、炭素量が０．２５質量％を超えて、それぞれ０．３質量％、０．５質量％と多いため、芯部の残留オーステナイトが多くなり、熱変形曲がりが大となって転動疲労寿命が短くなった。
比較例８は、表層部の残留オーステナイト量が少なく、表面疲労を緩和する応力集中軽減効果が不十分であり、さらに、芯部の残留オーステナイト量が多く、塑性曲がりが大きくなり転動疲労寿命が短かった。

〔転がり寿命評価後ピニオンシャフト塑性変形曲がり量について〕
サーフコム形状測定機を用いて、前述の転動疲労寿命試験を終えた後のピニオンシャフトの曲がり量を測定した。測定値は、ピニオンシャフトの両端部を結ぶ線と該線から最も離れた部分との間の荷重負荷方向（ピニオンシャフトの軸方向に垂直な方向）の距離である。結果を表２に示す。

表２から分かるように、芯部の残留オーステナイト量が少ないほど、塑性曲がりが小さい傾向があり、実施例１〜５は比較例２、６〜８と比べて塑性曲がりは少なかった。
また、比較例１では、芯部の残留オーステナイト量は実施例１、２と等しいが、表面硬さが低く、表層部の残留オーステナイト量が多いので、塑性曲がりが大きくなったと思われる。
一方、比較例３、４では、芯部の残留オーステナイト量が少ないので、塑性曲がりは実施例１〜５とほぼ等しくなったと思われる。

〔軸径φ１５以下の成型性について〕
表２から分かるように、実施例１〜５は、比較例２、６、７と比べて成型性が優れていた。
比較例２、６、７は、炭素量が０．２５質量％を超えて、それぞれ０．４質量％、０．３質量％、０．５質量％と多いため、棒材成型性が悪く、特に軸径φ１５ｍｍ以下は塑性加工困難で成型時に割れやクラックが発生した。

１ サンギア
２ リングギア
３ ピニオンギア
４ キャリヤ
５ ピニオンシャフト（転動軸）

Claims (1)

1. 相手部材である転動体に対して相対的に転動する転動軸において、下記の５つの条件を満足することを特徴とする転動軸。
   条件１：炭素を０．１５質量％以上０．２５質量％以下、クロムを２質量％以上４質量％以下、モリブデンを０．１質量％以上０．６質量％以下、マンガンを０．１質量％以上１．５質量％以下、ケイ素を０．１質量％以上１．５質量％以下含有する合金鋼で構成されている。
   条件２：前記転動体と摺動する表面には、浸炭処理または浸炭窒化処理と焼入れと焼戻しとが施され硬化されてなる表層部が形成されており、表面硬さＨｖが６５０以上９００以下とされている。
   条件３：前記表層部の残留オーステナイト量が１５体積％以上４５体積％以下である。
   条件４：前記表層部の内側の芯部の残留オーステナイト量が３体積％以下である。
   条件５：前記表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が０．８質量％以上２質量％以下である。

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