JP2013227615A - ピニオンシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】熱処理工程を従来より少なくして低コスト化を可能とするピニオンシャフトを提供する。
【解決手段】ピニオンシャフト５は、動体と摺動する表面に、浸炭窒化処理と波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、その表面硬さＨｖは６５０以上９００以下とされ、表層部の残留オーステナイト量は２０体積％以上５０体積％以下であり、平均残留オーステナイト量は１０体積％以下であり、両端部を高周波にて６００℃〜Ａ１変態点未満で焼戻しによる軟化処理を施し、その硬さがＨｖ１５０〜３５０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ピニオンシャフトに関する。

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、この遊星歯車機構は、ピニオンギアの中心穴にニードルローラを介してピニオンシャフトが相対回転自在に挿通され、前記ピニオンシャフトの両端部がキャリアで支持された構造となっている。
ピニオンシャフトの端部をキャリアに固定する場合の手段の一つとして、ピニオンシャフトの端部をキャリアに挿通したうえで、当該ピニオンシャフトの端部を加締めることが知られている。

ピニオンシャフトの加締め仕様の熱処理の技術の一例として特許文献１に記載のものが知られている。この熱処理は以下のような工程を経て行われる。
まず、ピニオンシャフトに浸炭窒化処理を施した後、焼入れを行う。次に、第一焼戻しを行う。この第一焼戻しの処理温度が３００℃以上である場合は調質（高温焼戻し）であり、３００℃未満である場合は低温焼戻しである。次に、転走面となる部分のみに高周波焼入れを施し、最後に第二焼戻し（低温焼戻し）を施す。
このようにして、ピニオンシャフトに硬化層（ローラ転送面）と非硬化部（加締め部）を確保している。

特開２００８−２２３１０４号公報

しかしながら、従来のピニオンシャフトでは、加締め仕様の熱処理工程が多い。すなわち、浸炭窒化処理後の焼入れと、焼戻し後の高周波焼入れとの合計２回の焼入れが必要となり、管理面など複雑でコスト高の問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、熱処理工程を従来より少なくして低コスト化を可能とするピニオンシャフトを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、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合金鋼製のピニオンシャフトにおいて、
前記転動体と摺動する表面に、浸炭窒化処理と波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、
両端部に、高周波の焼戻しによる軟化処理が施されていることを特徴とする。

また、本発明の上記構成において、前記表層部の残留オーステナイト量が０体積％以上５０体積％以下であり、平均残留オーステナイト量が１０体積％以下であることが好ましい。

また、本発明の上記構成において、ピニオンシャフトが、炭素を０．１重量％以上０．５重量％以下、クロムを２重量％以上５重量％以下、モリブデンを０．１重量％以上１．５重量％以下、マンガンを０．１重量％以上１．５重量％以下、ケイ素を０．１重量％以上１．５重量％以下含有する合金鋼で構成されていることが好ましい。

また、本発明の上記構成において、浸炭窒化された転動体と摺動する表面の炭素濃度と窒素濃度の和が０．８重量％以上２．０重量％以下であることが好ましい。

本発明によれば、熱処理工程を浸炭窒化処理、波焼入れ、焼戻し処理、両端部の高周波焼戻し処理とし、高周波焼入れを廃止して熱処理回数を従来より少なくして低コスト化が可能となる。

本発明の実施の形態を示す図であって、遊星歯車機構を示す分解斜視図である。 同、ピニオンシャフトを示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１に示す遊星歯車機構は、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ア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、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ニードルローラ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分岐孔１２とを有している。

前記ピニオンシャフト５は、炭素を０．１重量％以上０．５重量％以下、クロムを２重量％以上５重量％以下、モリブデンを０．１重量％以上１．５重量％以下、マンガンを０．１重量％以上１．５重量％以下、ケイ素を０．１重量％以上１．５重量％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、浸炭窒化焼入れ、焼戻し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、外周面のうちニードルローラと摺動する部分（転動面）も、硬化された表層部（焼入れ硬化部５ａが形成されている。さらに、ピニオンシャフト５の両端部は高周波焼戻しが施されて、非硬化部５ｂとなっている。この高周波焼戻しでは、高周波にて６００℃〜Ａ１変態点未満で焼戻しによる軟化処理を施すことによって、ピニオンシャフト５の両端部の硬さがＨｖ１５０〜３５０とされている。

熱処理の方法としては、まず、ピニオンシャフト５を浸炭窒化して引き続き焼入れ、焼戻しを行うことで、ピニオンシャフトの表層部の硬さをＨｖ６５０以上９００以下とする。その後、ピニオンシャフト５の両端面を部分的に高周波により焼戻し処理を行う。高周波焼戻し温度は６００℃〜Ａ１変態点未満とする。焼戻し戻し温度が６００℃未満の場合には、ピニオンシャフト５の端面の硬さＨｖ３５０以下の硬さを得ることができない場合があり、Ａ１変態点を超えると冷却時に焼入れ硬化する場合がある。

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２０体積％以上５０体積％以下、平均残留オーステナイト量は１０体積％以下となっている。また、浸炭窒化されたピニオンシャフト５の表面の炭素濃度と窒素濃度の和が重量％で０．８重量％〜２．０重量％となっている。

このようなピニオンシャフト５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、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。

ここで、ピニオンシャフト５に使用される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０．１重量％以上である必要がある。ただし、０．５重量％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０．５重量％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０．５重量％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）3Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）₇Ｃ₃、（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重量％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、５重量％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重量％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、１．５重量％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重量％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重量％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重量％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重量％以下にする必要がある。

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。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および上記の実施形態におけるニードルローラとほぼ同様の構成のニードルローラを製造し、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、加締め部耐久性試験を行った。

上記試験の結果を表２に示す。

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、８２０〜９５０℃で３〜５時間浸炭窒化処理を施した後に焼入れを施し（冷却は油冷）、次に、１５０〜２５０℃、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。
最後に、ピニオンシャフトの両端部に、高周波にて６００℃〜Ａ１変態点未満で焼戻しによる軟化処理を施した。

比較のために従来の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、８２０〜９５０℃で３〜５時間浸炭窒化処理を施した後に、１５０〜７８０℃，２時間の条件で焼戻し（高温焼戻し）を施す。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う。
次に、９００〜９５０℃，１秒〜２０秒の条件で高周波焼入れを施し、最後に１５０〜１８０℃，１．５時間の条件で焼戻し（低温焼戻し）を施す。

〔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プラネタリ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、複数のニードルローラ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。また、ニードルローラは、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、ニードルローラ、ピニオンギア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６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、ニードルローラ、ピニオンギア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プラネタリニードル試験機
・基本動定格荷重Ｃ：１５４００Ｎ
・基本静定格荷重Ｃ0：１６６００Ｎ
・ラジアル荷重：６０００Ｎ
・ピニオン自転数：８０００rpm
・計算寿命Ｌ１０＝４９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
・潤滑油量：１０cc/min/ピニオン
・潤滑油の温度：１００℃

表２から分かるように、実施例１〜６は比較例３〜６と比べて転動疲労寿命が優れていた。
比較例３は、平均残留オーステナイト量が多いため、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り、さらに、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。また、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６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、転動疲労寿命が短くなった。

〔転動疲労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、比較例３と比較例６が他の実施例や比較例に比して塑性曲がりが大きかった。
比較例３では、平均残留オーステナイト量が多いため、塑性曲がりが大きくなったと思われる。
比較例６では、表層部の残留オーステナイト量は少ないものの、浸炭窒化処理がされていないので、塑性曲がりが大きくなったと思われる。

〔加締め部耐久性について〕
加締め部の耐久性を確認するため、加締め割れ試験および加締め部疲労試験を行った。加締め割れ試験はピニオンシャフトをキャリアに固定するとき靭性不足により加締め部クラックや割れの発生有無を確認し、加締め部疲労試験はピニオンシャフトをキャリアに固定した状態で強度不足により加締め部破損の発生有無を確認した。
加締め割れ試験は、日本精工株式会社製の加締めプレス試験機にて、加締め荷重２．０ｔ、加締めスピード４５mm/secの同一条件で行った。結果を表２に示す。
ピニオンシャフト端面部硬さＨｖ３５０以下の実施例および比較例において、加締め部破損は認められなかった。比較例１はピニオンシャフト端面部硬（加締め端部硬さ）がＨｖ３５０より大きく、靭性不足により加締め部に亀裂が確認された。

加締め部疲労試験は、日本精工株式会社製の油圧式変動加振試験機にて抜け荷重４ｋＮ、加振周波数３０Ｈｚ、試験サイクル１２０万回の同一条件で行った。結果を表２に示す。
ピニオンシャフト端面部硬さＨｖ１５０以上の実施例および比較例において、加締め部破損は認められなかった。
比較例２はピニオンシャフト端面部硬（加締め端部硬さ）がＨｖ１５０より低く、強度不足により加締め部が変形し加締め固定部から離脱した。

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 ニードルローラ

Claims (4)

1. 相手部材である転動体に対して相対的に転動する合金鋼製のピニオンシャフトにおいて、
   前記転動体と摺動する表面に、浸炭窒化処理と波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、
   両端部に、高周波の焼戻しによる軟化処理が施されていることを特徴とするピニオンシャフト。
2. 前記表層部の残留オーステナイト量が０体積％以上５０体積％以下であり、
   平均残留オーステナイト量が１０体積％以下であることを特徴とする請求項１に記載のピニオンシャフト。
3. ピニオンシャフトが、炭素を０．１重量％以上０．５重量％以下、クロムを２重量％以上５重量％以下、モリブデンを０．１重量％以上１．５重量％以下、マンガンを０．１重量％以上１．５重量％以下、ケイ素を０．１重量％以上１．５重量％以下含有する合金鋼で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のピニオンシャフト。
4. 浸炭窒化された転動体と摺動する表面の炭素濃度と窒素濃度の和が０．８重量％以上２．０重量％以下であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のピニオンシャフト。

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