JP2016148428A - 転動軸及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー焼入れを行うことにより硬化層を効率よく形成するとともに、硬化層の入りすすぎを防ぎ、更に油孔付近でのオーバーヒートを抑えてより長寿命化を図る。【解決手段】中心穴及び油孔を有し、レーザー焼入れ硬化層が形成された転動軸であって、レーザー焼入れ硬化層の、中心穴の貫通長と重複する領域における有効硬化層の最深をＹ１、転動軸の外径をａ、中心穴の開口径をｔ１とするときに「０．０４≦Ｙ１／［（ａ−ｔ１）／２］≦０．７」を満足し、油孔の開口径をｔ２とし、該油孔を中心に（ｔ２＋２）ｍｍの範囲における有効硬化層の最深をＹ２とするときに「０．０５≦Ｙ２／Ｙ１≦１．４」を満足し、軌道部の最表面層の残留オーステナイト量が１５〜３９体積％、心部の残留オーステナイト量が０体積％であり、外表面の硬さがＨｖ６５８〜９００、軸端面の硬さがＨｖ３００以下である転動軸。【選択図】図１

Description

本発明は、ピニオンシャフト等の転動軸及びその製造方法に関する。

遊星歯車装置では、軸受内部に異物が混入するような厳しい環境下で使用される場合があるため、異物混入環境下において長寿命なピニオンシャフトの開発が望まれている。異物混入環境下で使用されるピニオンシャフトを長寿命化する方法として、異物によって形成された圧痕縁への応力集中を緩和する効果のある残留オーステナイトを確保することが有効である。

例えば、特許文献１では、浸炭処理または浸炭窒化処理を施すことにより鋼材中の残留オーステナイト量を増加させている。しかしながら、浸炭処理または浸炭窒化処理にはコストと処理時間がかかって非効率である。

これに対し、特許文献２では、浸炭処理または浸炭窒化処理の代わりに高周波焼入れして残留オーステナイト量の増加を図っている。しかしながら、高周波焼入れでは、硬化層が深くまで入りすぎる場合があり、細径のピニオンシャフトの作製が困難になることがある。特に、軸の中心に穴が開いている場合には、硬化層が中心部にまで貫通してしまい、熱変形に伴う剥離が発生する可能性がある。

また、特許文献３では、レーザー照射により熱処理することにより、細径のピニオンシャフトでも硬化層が入りすぎることなく、表面硬さと表面残留オーステナイト量のコントロールを可能にしている。しかしながら、冷却方法が自己冷却のため、中心に穴が開いているピニオンシャフトに適用した場合、穴が開いている中空部分と、その他の中実部分とで熱の伝わり方が不均一になり、硬化層が全体として不均一になる可能性がある。また、油孔付近ではオーバーヒートしやすい。

特許第４８１１０７２号公報 特開２０１２−５７７１４号公報 特開２０１４−１００３６２号公報

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、レーザー焼入れを行うことにより硬化層を効率よく形成するとともに、硬化層の入りすぎを防ぎ、更に油孔付近でのオーバーヒートを抑えてより長寿命化を図ることを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、下記の転動軸及びその製造方法を提供する。
（１）一方の端面中心が開口して軸線に沿って所定の深さで中心穴が形成され、前記中心穴から分岐して外表面に至る油孔が開口し、外表面の少なくとも転動体摺動部にレーザー焼入れ硬化層が形成された転動軸であって、
前記レーザー焼入れ硬化層の、前記中心穴と重複する領域において、硬さＨＶ５５０となる有効硬化層の最も深い位置から表面までの距離をＹ１、転動軸の外径をａ、前記中心穴の開口径をｔ１とするときに「０．０４≦Ｙ１／［（ａ−ｔ１）／２］≦０．７」を満足し、
前記油孔の開口径をｔ２とし、該油孔を中心に（ｔ２＋２）ｍｍの領域において、硬さＨＶ５５０となる有効硬化層の最も深い位置から表面までの距離をＹ２とするときに「０．０５≦Ｙ２／Ｙ１≦１．４」を満足し、
前記レーザー焼入れ硬化層の最表面層の残留オーステナイト量が１５〜３９体積％、心部の残留オーステナイト量が０体積％であり、
前記レーザー焼入れ硬化層の表面硬さがＨｖ６５８〜９００、軸端面の硬さがＨｖ３００以下であることを特徴とする転動軸。
（２）上記（１）記載の転動軸の製造方法であって、
ワークを回転移動させながらレーザー照射するとともに、レーザー照射直後のレーザー照射部に冷媒を作用させる冷却装置を備えるレーザー焼入れ装置を用いてレーザー焼入れを行った後、焼戻し処理を施すことを特徴とする転動軸の製造方法。
（３）前記中心穴から前記油孔に冷媒を流通させて内部からも冷却することを特徴とする上記（２）記載の転動軸の製造方法。

本発明によれば、レーザー焼入れを行うため処理時間が短く、効率よく硬化層を形成することができる。しかも、レーザー焼入れの際に、レーザー照射直後の照射部分に冷媒を作用させて強制的に冷却するため、硬化層全体が均一になる。また、油孔近傍がオーバーヒートになることもない。そのため、本発明の転動軸は、これまでよりも長寿命となる。

本発明の転動軸（ピニオンシャフト）の断面を示す模式図である。 図１に示す転動軸（ピニオンシャフト）の製造方法を示す模式図である。 （Ｙ２／Ｙ１）値と寿命比との関係を示すグラフである。

以下、本発明に関して詳細に説明する。

本実施形態では、転動軸としてピニオンシャフトを例示して説明する。図１は、その断面を示す模式図であるが、図示されるピニオンシャフト１は、一方の端面１０の中心が開口しており、軸線に沿って所定の深さで中心穴２０が形成されており、更に中心穴２０の適所から分岐して外表面１１に至る油孔３０が開口している。また、外表面１１の少なくとも転動体摺動部にレーザー焼入れ硬化層４０が形成されている。本発明では、レーザー焼入れ硬化層４０を次のように規定する。

レーザー焼入れ硬化層４０において、中心穴２０と重複する領域をＡとすると、この領域Ａの硬さＨｖ５５０になる有効硬化層の最も深い位置から表面までの距離をＹ１、ピニオンシャフト１の外径をａ、中心穴２０の開口径をｔ１とするとき、下記（１）式を満足する。
０．０４≦Ｙ１／［（ａ−ｔ１）／２］≦０．７・・・（１）

（Ｙ１／［（ａ−ｔ１）／２］）の値が０．０４よりも小さい場合、レーザー焼入れ硬化層４０が十分な硬さにならず、表面硬さや残量オーステナイト量も確保できない。一方、０．７よりも大きい場合、使用中に残留オーステナイトの分解による塑性変形が大きくなり、曲り量が増加して剥離しやすくなる。（１）式の好ましい範囲は、０．１５〜０．５である。

また、油孔３０の開口径をｔ２とし、油孔３０を中心に（ｔ２＋２）ｍｍの領域Ｂにおいて、硬さＨｖ５５０となる有効硬化層の最も深い位置から表面までの距離をＹ２とするときに、下記（２）式を満足する。
０．０５≦Ｙ２／Ｙ１≦１．４・・・（２）

（Ｙ２／Ｙ１）の値が１．４以下であれば、油孔３０の近傍でのオーバーヒートもなく、転がり疲労特性に影響が及ばない。但し、油孔３０の近傍でもある程度の有効硬化層深さを備える必要があり、（Ｙ２／Ｙ１）の値の下限を０．０５以上とする。（２）式の好ましい範囲は、０．８〜１．２である。

更に、油孔３０の近傍における有効硬化層が深すぎると、疲労寿命が低下する可能性があるため、下記（３）式を満足することが好ましい。
０．８５［（ａ−ｔ１）／２］―Ｙ２≧０・・・（３）

レーザー焼入れ硬化層４０において、最表面層、即ち表面から５０μｍの深さまでの領域の残留オーステナイト量を１５〜３９体積％とする。最表面層の残留オーステナイト量が１５体積％未満では、異物混入下で表面欠陥周縁の応力集中を十分に緩和することができず、転がり疲労特性が低下する。一方、３９体積％を超えると、十分な硬さが得られず転がり疲労特性が低下する。最表面層の残留オーステナイト量は、好ましくは２０〜２５体積％である。

また、レーザー焼入れ硬化層４０の表面硬さをＨｖ６５８〜９００とする。表面硬さがＨｖ６５８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、Ｈｖ９００を超えると、焼入れ時の焼入れ温度を高くする必要があり、その結果、結晶粒の粗大化により寿命が低下するおそれがある。表面硬さは、好ましくは６９７〜８５０である。

一方、ピニオンシャフト１の心部、即ちレーザー焼入れ硬化層４０が形成されていない軸心部分では、曲りを防ぐために残留オーステナイト量を０体積％にする。

また、ピニオンシャフト１の端面１０は、加締め加工を考慮して、硬さをＨｖ３００以下、好ましくはＨｖ２００〜３００とする。

尚、ピニオンシャフト１の素材としては、焼入れ性、材料清浄度、コスト面等により、高炭素クロム軸受鋼が好ましい。

上記ピニオンシャフト１を作製するには、高炭素クロム軸受鋼等からなる棒状素材に中心穴２０及び油孔３０を形成した後、外表面にレーザー焼入れを行い、焼戻し処理を施してレーザー焼入れ硬化層４０を形成する。レーザー焼入れは、目的とする深さで硬化層を形成することができ、しかも浸炭処理や浸炭窒化処理のように処理ガス中で長時間加熱処理する必要がなく、極めて効率的に硬化層を形成することができる。また、製造効率の点から、焼戻しをレーザー加熱により行ってもよい。

但し、ピニオンシャフト１では、中心穴２０が形成されている中空部分（領域Ａに相当）と、その他の中実部分とで熱の伝わり方が不均一になり、レーザー焼入れ硬化層４０も全体として不均一になる恐れがある。そこで本発明では、図２に示すように、レーザー照射装置１００に追従して移動する冷却装置２００を備えるレーザー焼入れ装置を用いる。そして、このようなレーザー焼入れ装置により、レーザー照射直後のレーザー照射部分に冷却装置２００から冷媒２０１を吹き付けて強制的に冷却する。それにより、中空部分と中実部分とで熱の伝わり方が一様になり、レーザー焼入れ硬化層４０の全体が均一になる。

但し、上記したように、レーザー焼入れ硬化層４０において、油孔３０の近傍の領域ＢのＹ２を、領域ＡのＹ１以下にする必要がある。レーザー照射はワークを回転しながら行うが、その際に、領域Ｂでの冷媒２０１の吹き付け量を領域Ａでの吹き付け量よりも多くして冷却度合いを強めることにより、領域Ｂにおける有効硬化層深さ（Ｙ２）を領域Ａにおける有効硬化層深さ（Ｙ１）よりも浅くすることができる。また、同図に示すように、中心穴２０から油孔３０に水等の冷媒を流通させながらレーザー焼入れを行ってもよい。このように冷媒を流通させることにより、油孔３０の近傍がより冷却される。

尚、上記に挙げたその他の規定は、レーザー焼入れ条件（出力や照射距離、照射時間等）や、焼戻し条件を調整すればよい。

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１〜６、比較例１〜６）
高炭素クロム鋼である直径（ａ）が８ｍｍのＳＵＪ２の棒状素材に、外径（ｔ１）が２ｍｍの中心穴及び中心穴から分岐する油孔を形成し、更に実施例及び比較例６では外周面にレーザー焼入れ、比較例１〜５では高周波焼入れをそれぞれの処理条件を変えて行った後、１８０℃にて焼戻して硬化層を形成した。その際、実施例では、図２に示すように照射部分に冷媒（水）を吹き付け、更に中心穴から油孔に冷媒を流通させながらレーザー照射した。また、比較例６では、冷媒による強制冷却を行わずにレーザー照射した。

尚、実施例１〜４、６及び比較例１〜４、６では、心部硬さ（軸端面硬さ）がＨｖ２１０の素材を用いた。また、実施例５では、レーザー焼入れ前に調質処理してＨｖ３００とし、比較例５では高周波焼入れ前に調質処理してＨｖ６１５とした。

得られた熱処理後のピニオンシャフトの表面及び心部の硬さ、表面及び心部の残留オーステナイト量(γＲ)、（１）式の値（Ｙ１／［（ａ−ｔ１）／２］）、（２）式の値（Ｙ２／Ｙ１）、（３）式の値（０．８５［（ａ−ｔ１）／２］―Ｙ２）、曲がり量、転動疲労寿命比を表１に示す。尚、転動疲労寿命比は、比較例１に対する相対値であり、（Ｙ２／Ｙ１）との関係をグラフ化して図３に示す。

転動疲労寿命は、プラネタリーニードル試験機を用い、下記条件にてピニオンシャフトを自転させる回転試験を行い、ニードルころ、ピニオンシャフト、ピニオンギアのうち少なくとも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。尚、この回転試験では、ニードルころ、ピニオンシャフト、ピニオンギアのうち、どの部位が最弱であるかは予備実験を行い、ピニオンシャフトがそれに該当することを確認した後に本試験を行った。
＜試験条件＞
・基本動定格荷重：７６００Ｎ
・基本静定格荷重：６３５０Ｎ
・ラジアル荷重：３０００Ｎ
・ピニオンギアの自転速度：５０００ｍｉｎ^−１
・計算寿命Ｌ１０：７４時間
・潤滑油の修理：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℃

また、曲がり量については、上記の回転試験後にプラネタリーニードル試験機からピニオンシャフトを取り外し、試験前からの曲がり量を測定した。

表１に示すように、実施例は何れも冷媒による強制冷却を行いながらレーザー焼入れ硬化層を形成したものであり、更に表面及び心部の残留オーステナイト量や硬さ、（１）式及び（２）式の各値が本発明の範囲を満足するものであり、曲がり量が小さく、転動寿命比も比較例１の１．５倍から３．１倍に延びている。

これに対し比較例６では、レーザー焼入れを行っているものの、冷媒による強制冷却を行っていないため（２）式の値が過大になり、転動疲労寿命が大きく劣っている。また、比較例１〜５は何れも高周波焼入れ処理したものであり、表面及び心部の残留オーステナイト量、表面及び心部の硬さ、（１）式の値、（２）式の値の何れかが本発明の範囲外である。比較例２、４は、硬化層深さが深く入りすぎたため（１）式の値が過大であり、曲がり量が大きく、転動疲労寿命も短くなっている。比較例３は、高周波焼入れ時の加熱温度を抑えた例であるが、表面硬さ、表面残留オーステナイト量が本発明の範囲を満たしておらず、転動比等寿命も短い。比較例５は、硬化層が貫通したために回転試験途中に破損した。

１ ピニオンシャフト
２０ 中心穴
３０ 油孔
４０ レーザー焼入れ硬化層
１００ レーザー照射装置
２００ 冷却装置
２０１ 冷媒

Claims (3)

1. 一方の端面中心が開口して軸線に沿って所定の深さで中心穴が形成され、前記中心穴から分岐して外表面に至る油孔が開口し、外表面の少なくとも転動体摺動部にレーザー焼入れ硬化層が形成された転動軸であって、
   前記レーザー焼入れ硬化層の、前記中心穴と重複する領域において、硬さＨＶ５５０となる有効硬化層の最も深い位置から表面までの距離をＹ１、転動軸の外径をａ、前記中心穴の開口径をｔ１とするときに「０．０４≦Ｙ１／［（ａ−ｔ１）／２］≦０．７」を満足し、
   前記油孔の開口径をｔ２とし、該油孔を中心に（ｔ２＋２）ｍｍの領域において、硬さＨＶ５５０となる有効硬化層の最も深い位置から表面までの距離をＹ２とするときに「０．０５≦Ｙ２／Ｙ１≦１．４」を満足し、
   前記レーザー焼入れ硬化層の最表面層の残留オーステナイト量が１５〜３９体積％、心部の残留オーステナイト量が０体積％であり、
   前記レーザー焼入れ硬化層の表面硬さがＨｖ６５８〜９００、軸端面の硬さがＨｖ３００以下であることを特徴とする転動軸。
2. 請求項１記載の転動軸の製造方法であって、
   ワークを回転移動させながらレーザー照射するとともに、レーザー照射直後のレーザー照射部に冷媒を作用させる冷却装置を備えるレーザー焼入れ装置を用いてレーザー焼入れを行った後、焼戻し処理を施すことを特徴とする転動軸の製造方法。
3. 前記中心穴から前記油孔に冷媒を流通させて内部からも冷却することを特徴とする請求項２記載の転動軸の製造方法。