JP2023068855A

JP2023068855A - 軸部材

Info

Publication number: JP2023068855A
Application number: JP2021180247A
Authority: JP
Inventors: 勇樹小川; Yuki Ogawa; 直哉嘉村; Naoya Kamura; 清茂山内; Kiyoshige Yamauchi
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2021-11-04
Filing date: 2021-11-04
Publication date: 2023-05-18

Abstract

【課題】塑性曲がりが生じ難い軸部材を提供する。【解決手段】軸部材は、表面を有する鋼製の軸部材である。鋼は、０．１０質量％以上０．４０質量％以下の炭素と、０．１０質量％以上２．５０質量％以下のシリコンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のマンガンと、０．４０質量％以上３．００質量％以下のクロムと、１．００質量％以下のモリブデンとを含み、かつ残部が鉄及び不可避不純物である。軸部材の表面と鋼の硬さが６５３Ｈｖとなる第１位置との間の距離は、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。表面の窒素濃度が０．２質量％以上１．２質量％以下であり、表面の炭素濃度が０．６質量％以上１．２質量％以下である。Ｘ線回折ピークにおいて、前記表面からの深さＺ（単位：ｍｍ）が前記軸部材の直径Ｄ（単位：ｍｍ）に対して０．０８５Ｄである第２位置での、マルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅が、６．５°以下である。【選択図】図３

Description

本発明は、軸部材に関する。

特開２０１０－１５２１号公報（特許文献１）には、軸が記載されている。特許文献１に記載の軸は、遊星歯車機構用のピニオンシャフトである。特許文献１に記載の軸の製造方法では、表面（軌道面）に対して浸炭窒化処理、焼入れ、サブゼロ処理、および焼戻しが順に行われている。これにより、特許文献１に記載の軸では、耐表面疲労性能が改善されているとともに、芯部の残留オーステナイト量が０体積％となるために塑性曲がりが生じ難くされている。

特開２０１０－１５２１号公報

特許文献１に記載の軸では、高温環境下で使用されたときに芯部の残留オーステナイトが熱分解することに伴う軸の塑性変形を抑制すべく、芯部の残留オーステナイト量を０体積％とされている。

しかしながら、特許文献１に記載の軸は、塑性曲がり性能（塑性曲がりの生じ難さ）に改善の余地がある。

本発明の主たる目的は、塑性曲がりが生じ難い軸部材を提供することにある。

本発明に係る軸部材は、表面を有する鋼製の軸部材である。鋼は、０．１０質量％以上０．４０質量％以下の炭素と、０．１０質量％以上２．５０質量％以下のシリコンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のマンガンと、０．４０質量％以上３．００質量％以下のクロムと、１．００質量％以下のモリブデンとを含み、かつ残部が鉄及び不可避不純物である。鋼の硬さが６５３Ｈｖとなる第１位置Ｐ１と外周面３０ａとの間の距離が０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。表面の窒素濃度が０．２質量％以上１．２質量％以下である。表面の炭素濃度が０．６質量％以上１．２質量％以下である。Ｘ線回折ピークにおいて、表面からの深さＺ（単位：ｍｍ）が軸部材の直径Ｄ（単位：ｍｍ）に対して０．０８５Ｄである第２位置での、マルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅が、６．５°以下である。

上記軸部材では、Ｘ線回折ピークにおいて、深さＺ（単位：ｍｍ）が０．０１７Ｄである第３位置でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅が、第２位置での半価幅よりも広い。

上記軸部材では、表面の残留オーステナイト量が、２５体積％以上４０体積％以下であり、第１位置及び第２位置のそれぞれよりも内側に位置する芯部の残留オーステナイト量が、０．５体積％以上３．０体積％以下であるのが好ましい。

上記軸部材では、直径Ｄが６ｍｍ以上３０ｍｍ以下であってもよい。

上記軸部材は、遊星減速機用の軸部材であってもよい。

本発明によれば、塑性曲がりが生じ難い軸部材を提供できる。

遊星歯車装置の正面図である。図１中のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。外周面近傍における軸部材の拡大断面図である。試料１～３の外周面からの深さとマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下では、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さない。

＜遊星歯車装置の構成＞
図１及び図２に示されるように、本実施の形態に係る軸部材３０は、遊星歯車装置１００のピニオンシャフトである。

遊星歯車装置１００は、内歯車１０と、軸部材２０と、太陽歯車２１と、軸部材３０と、遊星歯車３１と、保持器４０とを備える。遊星歯車装置１００は、例えば、自動車のトランスミッションの減速機に用いられる。つまり、軸部材３０は、例えば、遊星減速機用の軸部材である。

内歯車１０は、円環形状を有している。内歯車１０は、内周面と、外周面とを有している。内歯車１０の内周面には、内歯車１０の周方向に沿って複数の歯が形成されている。内歯車１０の歯は、内歯車１０の径方向内側に向かって、内歯車１０の内周面から突出している。

軸部材２０は、円柱形状を有している。軸部材２０の中心軸の位置は、内歯車１０の中心軸の位置に一致している。太陽歯車２１は、内周面と、外周面とを有している。太陽歯車２１の外周面には、太陽歯車２１の周方向に沿って複数の歯が形成されている。太陽歯車２１の歯は、太陽歯車２１の径方向外側に向かって、太陽歯車２１の外周面から突出している。太陽歯車２１の中心部には、太陽歯車２１を厚さ方向に沿って貫通している中心孔が形成されている。軸部材２０は、太陽歯車２１の中心孔に嵌め合わされることにより太陽歯車２１に取り付けられている。

軸部材３０は、円柱形状を有している。軸部材３０は、外周面３０ａを有している。軸部材３０の詳細構成は、後述する。遊星歯車３１は、内歯車１０と太陽歯車２１との間に配置されている。

遊星歯車３１は、内周面３１ａと、外周面３１ｂとを有している。遊星歯車３１の中心孔の内壁面が、内周面３１ａである。外周面３１ｂには、遊星歯車３１の周方向に沿って複数の歯が形成されている。遊星歯車３１の歯は、遊星歯車３１の径方向外側に向かって外周面３１ｂから突出している。遊星歯車３１の歯は、内歯車１０の歯及び太陽歯車２１の歯と噛み合っている。遊星歯車３１の中心部には、遊星歯車３１を厚さ方向に貫通している中心孔が形成されている。

軸部材３０は、遊星歯車３１の中心孔に嵌め合わされている。すなわち、軸部材３０は、ピニオンシャフトである。軸部材３０の外径Ｄは、例えば６．０ｍｍ以上３０．０ｍｍ以下である。軸部材３０は、内周面３１ａにより、回転自在に支持されている。より具体的には、外周面３０ａと内周面３１ａとの間には、複数の転動体３２が配置されている。

転動体３２は、例えば、針状ころである。転動体３２は、軸部材３０の外周面３０ａ及び遊星歯車３１の内周面３１ａの各々と接触する転動面３２ａを有している。転動体３２の外径は、外径ｄである。外径ｄは、外径Ｄの０．５倍以下である。外径ｄは、例えば１．５ｍｍ以上５．０ｍｍ未満である。

転動体３２は、鋼製である。転動体３２を構成している鋼は、例えば、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＧ４８０５：２０１９）に定められているＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼である。

好ましくは、転動面３２ａの窒素濃度は、残留オーステナイト量の富化及び焼戻し軟化抵抗の向上により耐表面疲労性能を改善する観点から、０．１質量％以上である。好ましくは、転動面３２ａの窒素濃度は、残留オーステナイト量が過多になることに伴う表面硬さの低下を抑制する観点から、０．７質量％以下である。

保持器４０は、軸部材３０と遊星歯車３１との間に配置されて、複数の転動体３２の各々を保持している。保持器４０を構成する材料は、特に制限されない。保持器４０を構成する材料には、例えば、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＧ３１４１：２０１７）に定められている冷間圧延鋼板（ＳＰＣ）、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＧ４０５３：２０１６）に定められているはだ焼き鋼（ＳＣＭ４１５、ＳＮＣＭ４１５等）、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＧ３４４５：２０１６）に定められている機械構造用炭素鋼鋼管（ＳＴＫＭ）が適用され得る。

＜軸部材の詳細構成＞
以下に、軸部材３０の詳細構成を説明する。

軸部材３０は、鋼製である。軸部材３０を構成している鋼は、０．１０質量％以上０．４０質量％以下の炭素と、０．１０質量％以上２．５０質量％以下のシリコンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のマンガンと、０．４０質量％以上３．００質量％以下のクロムと、１．００質量％以下のモリブデンとを含む。上記鋼が１．００質量％以下のモリブデンを含むとは、上記鋼がモリブデンを含んでいない、あるいは上記鋼が１．００質量％以下のモリブデンを含んでいることを意味する。上記鋼の残部は、鉄及び不可避不純物である。

鋼中の炭素の含有量は、軸部材３０内部の転位密度を低く抑えて耐塑性曲がり性能を向上させる観点で、０．４質量％以下である。軸部材３０内部の転位密度をより低く抑える観点から、軸部材３０を構成する鋼中の炭素の含有量は、０．１０質量％以上、０．２５質量％以下であるのが好ましい。

鋼中のシリコンの含有量は、焼戻し軟化抵抗の向上及び表層部における窒化物の析出を促進する観点から、０．１０質量％以上２．５０質量％以下である。鋼中のマンガンの含有量は、焼入れ性の向上及びオーステナイトの安定化を図る観点から、０．３０質量％以上１．２０質量％以下である。鋼中のクロムの含有量は、焼入れ性の向上及び焼戻し軟化抵抗の向上を図る観点から、０．４０質量％以上３．００質量％以下である。鋼中のモリブデンの含有量は、焼入れ性の向上及び焼戻し軟化抵抗の向上を図る観点から、１．００質量％以下である。

軸部材３０を構成している鋼は、例えば、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＧ４０５３：２０１６）に定められているＳＣＭ４２０、ＳＣＭ４２５、ＳＣＭ４３０、ＳＣＭ４３５等のクロムモリブデン鋼である。

軸部材３０を構成する鋼の上記化学成分は、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）を用いて測定される。

図３に示されるように、軸部材３０において、鋼のビッカース硬さが６５３ＨＶとなる位置を第１位置Ｐ１とする。硬さが６５３Ｈｖとなる第１位置Ｐ１と外周面３０ａとの間の距離は、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。異なる観点から言えば、軸部材３０は、ビッカース硬さが６５３ＨＶ以上である高硬度領域３０ｂを有している。高硬度領域３０ｂは、軸部材３０の径方向において第１位置Ｐ１と外周面３０ａとの間に形成されている。

軸部材３０を構成する鋼のビッカース硬さは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＺ２２４５：２００９）に定められているビッカース硬さ試験法により測定される。

なお、転動体３２と外周面３０ａとが接触した際の最大接触面圧は、例えば、２０００ＭＰａ以上４０００ＭＰａ以下である。この場合、軌道面ところの表面との接触による最大せん断応力は、外周面３０ａからの深さが０．２０ｍｍよりも深くかつ１．０ｍｍよりも浅い位置、すなわち高硬度領域３０ｂ内に加わることになる。

軸部材３０は、高硬度領域３０ｂよりも内側に位置する芯部３０ｃをさらに有している。芯部３０ｃは、鋼中の窒素の含有量及び炭素の含有量が外周面３０ａからの深さによらずに一定である領域である。つまり、外周面３０ａから深さ方向に沿って順次鋼中の窒素の含有量及び炭素の含有量を測定し、測定された窒素の含有量及び炭素の含有量が一定になる位置が、芯部３０ｃの外縁部になる。高硬度領域３０ｂは、芯部３０ｃよりも外側に位置する表層部の一部である。

外周面３０ａの窒素濃度は、残留オーステナイト量の富化及び焼戻し軟化抵抗の向上により耐表面疲労性能を改善する観点から、０．２質量％以上である。外周面３０ａの窒素濃度は、残留オーステナイト量が過多になることに伴う表面硬さの低下を抑制する観点から、１．２質量％以下である。好ましくは、外周面３０ａの窒素濃度は、０．３質量％以上０．７質量％以下である。芯部３０ｃの窒素濃度は、外周面３０ａの窒素濃度よりも低い。

外周面３０ａの炭素濃度は、表面硬さを確保する観点から、０．６質量％以上である。外周面３０ａの炭素濃度は、表層部において網状セメンタイトなどの異常組織の生成を抑制する観点から、１．２質量％以下である。好ましくは、外周面３０ａの炭素濃度は、０．７質量％以上０．９質量％以下である。芯部３０ｃの炭素濃度は、外周面３０ａの炭素濃度よりも低い。外周面３０ａの窒素濃度及び炭素濃度は、ＥＰＭＡを用いて測定される。

外周面３０ａからの深さＺ（単位：ｍｍ）が軸部材３０の直径Ｄ（単位：ｍｍ）に対して０．０８５Ｄである位置を、第２位置Ｐ２とする。Ｘ線回折ピークにおいて、第２位置Ｐ２でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅は、６．５°以下である。Ｘ線回折ピークは、未使用状態の軸部材３０を中心軸に直交する面で切断し、当該断面に対してＸ線残留応力測定装置を用いたＸ線回折により得られるものである。ここでの半価幅は、例えば、Ｃｒ管球のＫα線を用いて、管電圧を３０ｋＶ、管電流を１０ｍＡとし、入射角度（ψ角度）を１１．８°、２８．９°、４０．７°、及び５１．８°の各々として測定された、マルテンサイト相の結晶方位（２１１）に対応するそれぞれ測定した半価幅（測定値）の平均値である。

好ましくは、第２位置Ｐ２でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅は、６．０°以下である。

第２位置Ｐ２は、芯部３０ｃよりも外側に位置する。第２位置Ｐ２は、例えば上記径方向において第１位置Ｐ１よりも深い位置である。なお、第２位置Ｐ２は、上記径方向において第１位置Ｐ１よりも浅い位置であってもよい。

外周面３０ａからの深さＺ（単位：ｍｍ）が軸部材３０の直径Ｄ（単位：ｍｍ）に対して０．０３３Ｄである位置を、第３位置Ｐ３とする。Ｘ線回折ピークにおいて、第３位置Ｐ３でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅は、第２位置Ｐ２でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅よりも広い。第３位置Ｐ３でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅は、６．８°以下である。好ましくは、第３位置Ｐ３でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅は、６．２°以下である。

外周面３０ａと第３位置Ｐ３との間の上記径方向の距離（単位：ｍｍ）に対する、外周面３０ａから第３位置Ｐ３までの間での半価幅（単位：°）の減少量の比率（第１比率）は、第３位置Ｐ３と第２位置Ｐ２との間の上記径方向の距離（単位：ｍｍ）に対する、第３位置Ｐ３から第２位置Ｐ２までの間での半価幅（単位：°）の減少量の比率（第２比率）と比べて、高い。上記第１比率（単位：°／ｍｍ）は、例えば１以上９以下である。上記第２比率（単位：°／ｍｍ）は、例えば０．１以上１以下である。

軸部材３０の外周面３０ａの残留オーステナイト量は、硬質異物（摩耗粉等）が噛み込まれたときに外周面３０ａに形成される圧痕の周囲の盛り上がりの高さを抑制する観点で、２５体積％以上であるのが好ましい。上記圧痕の周囲の盛り上がりの高さが抑えられることにより、遊星歯車装置１００の寿命が長くなる。外周面３０ａの残留オーステナイト量は、表面硬さの低下を抑制する観点から、４０体積％以下であることが好ましい。

芯部３０ｃの残留オーステナイト量は、０．３体積％以上である。軸部材３０は、芯部３０ｃの残留オーステナイト量を０体積％とするための熱処理、例えばサブゼロ処理又は調質処理、が施されることなく、製造されている。芯部３０ｃの残留オーステナイト量は、残留オーステナイトのクリープ変形による軸部材３０の塑性曲がりを抑制する観点で、３体積％以下であることが好ましい。

鋼中の残留オーステナイト量は、Ｘ線回折法により測定される。より具体的には、鋼中の残留オーステナイト量は、鋼中のオーステナイトのＸ線回折ピークの積分強度と鋼中のその他の相のＸ線回折ピークの積分強度とを比較することにより測定される。

軸部材３０の直径Ｄは、例えば６ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。転動体３２の外径は、例えば１．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下である。

軸部材３０の高硬度領域３０ｂにおける旧オーステナイト結晶粒のＪＩＳ規格（ＪＩＳＧ０５５１）に定められる粒度番号は、９以上である。粒度番号は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＧ０５５１：２０２０）に定められた方法により測定される。

軸部材３０の外周面３０ａにおける圧縮残留応力は、６００ＭＰａ以上である。残留応力は、Ｘ線残留応力測定装置を用いたＸ線回折により得られるものである。

＜軸部材の製造方法＞
軸部材３０の製造方法は、準備工程Ｓ１と、浸炭工程Ｓ２と、浸炭浸窒工程Ｓ３と、焼入れ工程Ｓ４と、焼戻し工程Ｓ５と、後処理工程Ｓ６とを有している。浸炭工程Ｓ２は、準備工程Ｓ１の後に行われる。浸炭浸窒工程Ｓ３は、浸炭工程Ｓ２の後に行われる。焼入れ工程Ｓ４は、浸炭浸窒工程Ｓ３の後に行われる。焼戻し工程Ｓ５は、焼入れ工程Ｓ４の後に行われる。後処理工程Ｓ６は、焼戻し工程Ｓ５の後に行われる。

準備工程Ｓ１では、加工対象部材が準備される。加工対象部材は、棒状である。加工対象部材は、例えば、鍛造及び旋削等の機械加工を行って素形材を軸部材３０に近い形状に成形することにより準備される。

浸炭工程Ｓ２では、加工対象部材の表面に対する浸炭処理が行われる。浸炭処理は、熱処理ガス中において、加工対象部材を、加工対象部材を構成している鋼のＡ_１変態点以上の温度に保持することにより行われる。熱処理ガスには、例えば、吸熱型変成ガス（ＲＸガス）に、炭素源となるエンリッチガス（例えば、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）ガス、ブタンガス（Ｃ₄Ｈ₁₀））が添加されたものが用いられる。本工程Ｓ２での保持温度は、例えば８５０℃以上９４０℃以下である。

浸炭浸窒工程Ｓ３では、加工対象部材の表面に対する浸炭浸窒処理が行われる。浸炭浸窒処理は、熱処理ガス中において、加工対象部材を、加工対象部材を構成している鋼のＡ_１変態点以上の温度に保持することにより行われる。熱処理ガスには、例えば、吸熱型変成ガス（ＲＸガス）に、炭素源となるエンリッチガス（例えば、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）ガス、ブタンガス（Ｃ₄Ｈ₁₀））、及び窒素源となるガス（例えば、アンモニア（ＮＨ₃）ガス）が添加されたものが用いられる。本工程Ｓ３での保持温度は、例えば８５０℃以上９４０℃以下である。保持温度が９５０℃以上となると、アンモニアの分解が促進され、未分解のアンモニアが減少し、外周面３０ａの窒素濃度が低くなりやすい。好ましくは、浸炭浸窒工程Ｓ３での保持温度は、浸炭工程Ｓ２での保持温度と同じである。この場合、浸炭工程Ｓ２及び浸炭浸窒工程Ｓ３での炉内の雰囲気が安定するため、外周面３０ａの窒素濃度及び炭素濃度が上記数値範囲内に安定しやすい。なお、軸部材３０の製造方法では、浸炭工程Ｓ２が省略されてもよい。

焼入れ工程Ｓ４では、加工対象部材に対する焼入れが行われる。焼入れは、加工対象部材を、加工対象部材を構成している鋼のＡ_１変態点以上の温度で保持した後に加工対象部材を構成している鋼のＭ_Ｓ変態点以下の温度に急冷することにより行われる。焼入れは、高周波焼入れではなく、炉加熱による全体焼入れとして行われる。加工対象部材の急冷は、例えば、水冷又は油冷することにより行われる。

焼戻し工程Ｓ５では、加工対象部材に対する焼戻しが行われる。焼戻しは、加工対象部材を、加工対象部材を構成している鋼のＡ_１変態点未満の温度で保持することにより行われる。後処理工程Ｓ６では、加工対象部材に対する後処理が行われる。本工程Ｓ５での保持温度は、例えば１６０℃以上２００℃以下である。この後処理には、加工対象部材の表面への機械加工（研削、研磨等）、洗浄、及び防錆が含まれる。以上により、図１及び図２に示される軸部材３０が製造される。

＜転動体の製造方法＞
転動体３２の製造方法は、例えば、転動体３２に近い形状に成形された加工対象部材を準備する工程と、加工対象部材に対して全体焼入れを行う工程と、全体焼入れ（ずぶ焼入れ）が行われた加工対象部材に対して焼戻しを行う工程とを含む。軸部材３０とは異なり、転動体３２には塑性曲がりの問題は無い。上記製造方法によれば、既存の熱処理設備（例えば、連続炉）が使用可能であり、コストアップすることなく転動体３２を大量生産することが可能となる。

転動体３２の製造方法は、全体焼入れ工程に代えて、浸炭浸窒工程が行われてもよい。浸炭浸窒後に焼戻を行い、表層窒素濃度を０．１質量％以上とすることで針状ころの表面損傷対策を図ることができる。

＜効果＞
軸部材３０の効果を、比較例に係る軸部材との対比に基づいて説明する。

比較例に係る軸部材は、上記特許文献１に記載の軸に従ったものであり、炭素の含有量が比較的高い０．３質量％以上０．５質量％以下である鋼に対して浸炭又は浸炭窒化処理とサブゼロ処理とが行われることにより、表面の残留オーステナイト量が２０体積％以上であって芯部の残留オーステナイト量が０とされている。このような比較例に係る軸部材では、その表面から芯部にかけて転位密度が高くなる。そのため、高温環境下で使用されたときには、芯部の残留オーステナイトの熱分解を抑制できたとしても、芯部よりも表面に近い転位の移動に伴う塑性曲がりが生じ易い。

これに対し、軸部材３０を構成する鋼の炭素含有量は比較的低く、外周面３０ａの炭素濃度は０．６質量％以上１．２質量％以下である。このような軸部材３０では、炭素が浸炭処理及び浸炭浸窒処理により炭素が供給されているため、炭素濃度及び転位密度は外周面３０ａから芯部３０ｃに近づくほど低下する。さらに、軸部材３０では、Ｘ線回折ピークにおいて、外周面３０ａからの深さＺ（単位：ｍｍ）が軸部材３０の直径Ｄ（単位：ｍｍ）に対して０．０８５Ｄである第２位置でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅が６．５°以下である。つまり、軸部材３０の第２位置における転位密度が比較的少ない。そのため、軸部材３０では、第２位置及びそれよりも深い位置における転位密度が比較的少ないため、比較例に係る軸部材と比べて、高温環境下で使用されたときにも塑性曲がりが生じ難い。

さらに、軸部材３０では、鋼の硬さが６５３Ｈｖとなる第１位置Ｐ１と外周面３０ａとの間の距離が０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。

軸部材３０が自動車の遊星減速機のピニオンシャフトである場合には、軸部材３０の外周面３０ａと転動体３２の転動面３２ａとの最大接触面圧は、通常想定される値として、３０００ＭＰａ以上４０００ＭＰａ以下である。この場合、転動中に接触面下に生じる最大せん断応力は、上記径方向において軸部材３０の第１位置Ｐ１と外周面３０ａとの間に位置する高硬度領域３０ｂに加わる。つまり、軸部材３０では、最大せん断応力が生じる位置の近傍での鋼の硬さが十分に確保されているため、耐表面疲労性能が改善されている。

さらに、軸部材３０では、外周面３０ａの窒素濃度が０．２質量％以上１．２質量％以下であり、外周面３０ａの炭素濃度が０．６質量％以上１．２質量％以下であるため、焼戻し軟化抵抗を向上しながらも外周面３０ａの硬さが確保されているため、耐表面疲労性能が改善されている。

軸部材３０の芯部３０ｃの残留オーステナイト量は、０．３体積％以上である。本発明者らは、半価幅が上記数値範囲を満足する軸部材３０では、芯部の残留オーステナイト量が０．３体積％未満であるが半価幅が上記数値範囲を満足しない軸部材と比べて、耐塑性曲がり性能が改善されていることを確認した（詳細は後述する）。

また、軸部材３０は、芯部の残留オーステナイト量を０体積％とするための熱処理、例えばサブゼロ処理又は調質処理、が施されることなく、製造されている。そのため、軸部材３０の製造コストは、比較例に係る軸部材の製造コストとの対比において、増加しない。

軸部材３０の直径Ｄは、６ｍｍ以上３０ｍｍ以下であってもよい。軸部材３０の直径Ｄが上記範囲において比較的短い場合、第２位置Ｐ２は第１位置Ｐ１と外周面３０ａとの間に配置されてもよい。軸部材３０の直径Ｄが上記範囲において比較的長い場合、第２位置Ｐ２は第１位置Ｐ１よりも深くに配置される。いずれの場合にも、第２位置Ｐ２及びそれよりも深い位置の転位密度は、第２位置Ｐ２よりも浅い位置の転位密度よりも、塑性曲がり性能に影響する。そのため、第２位置Ｐ２の転位密度が抑えられている軸部材３０の耐塑性曲がり性能は、直径Ｄの値に依らず、向上し得る。

遊星歯車装置１００は、ピニオンシャフトとして軸部材３０を有しているため、ピニオンシャフトの転動疲労寿命及びピニオンシャフトの塑性曲がりが抑制されている。

（実施例）
本実施の形態に係る軸部材の効果を確認するために、軸部材の試料１～３に対して、静的曲げ試験、及び半価幅の評価試験を行った。

（試料）
表１に示されるように、試料１はＳＣＭ４２０からなる軸部材とし、試料２はＪＩＳ規格（ＪＩＳＧ４０５３（２０１６））に定められているＳＣｒ４３５からなる軸部材とし、試料３はＳＵＪ２からなる軸部材とした。試料１，２は、各鋼種から成る加工対象部材に対し上述した本実施の形態に係る軸部材の製造方法を施すことにより、準備された。試料３は、ＳＵＪ２から成る加工対象部材に対し、浸炭処理工程および浸炭浸窒工程に代えて全体焼入れを行うことにより、準備された。試料１に対する焼戻し温度は１７０℃とした。試料２及び試料３に対する焼戻し温度は１８０℃とした。各試料１～３の直径Ｄは１８ｍｍとし、軸方向の長さは７３．９ｍｍとした。

表１は、試料１～３に対して測定された、外周面の窒素濃度、炭素濃度、表面の残留オーステナイト量、表面硬さ、芯部の残留オーステナイト量、ビッカース硬さが６５３ＨＶとなる第１位置Ｐ１の外周面からの深さ、残留応力、及び第１位置の半価幅を示す。各パラメータの測定方法は、上記の通りである。

試料１では、外周面３０ａの窒素の含有量が０．５８質量％であり、外周面３０ａの炭素の含有量が０．７５質量％であった。試料２では、外周面３０ａの窒素の含有量が０．４２質量％であり、外周面３０ａの炭素の含有量が０．８０質量％であった。試料３では、外周面３０ａの窒素の含有量が０．１３質量％であり、外周面３０ａの炭素の含有量が１．００質量％であった。

試料１では、外周面の残留オーステナイト量が３１体積％であり、芯部の残留オーステナイト量が２体積％であった。試料２では、外周面の残留オーステナイト量が３０体積％であり、芯部の残留オーステナイト量が２体積％であった。試料３では、外周面の残留オーステナイト量が２０体積％であり、芯部の残留オーステナイト量が１０体積％であった。

試料１では、外周面の残留応力が－８１５ＭＰａであった。試料２では、外周面の残留応力が－６７０ＭＰａであった。試料３では、外周面の残留応力が－５７５ＭＰａであった。

表１及び図４に示されるように、試料１では、第２位置の半価幅が５．２°であり、第３位置の半価幅が５．６°だった。試料２では、第２位置の半価幅が５．９°であり、第３位置の半価幅が６．１°だった。試料３では、第２位置の半価幅が７．０°であり、第３位置の半価幅が６．９°だった。

（静的曲げ試験後の軸曲がり量、及び転動疲労寿命試験後の軸曲がり量の評価）
試料１～３に対して静的曲げ試験を行い、試験後の曲がり量を測定した。

静的曲げ試験では、温度が１３０℃に保持された炉内において、中心軸周りに回転させていない（回転速度０回／分）各試料の軸方向中央部を支持し、軸方向の両端部に合計１５０００Ｎのラジアル荷重を２００時間加えた。静的曲げ試験後、コントレーサ（輪郭形状測定機）により各試料の軸方向の全長を測定することで、各試料の負荷側および反負荷側の軸曲がり量を算出した。さらに、算出された負荷側および反負荷側の軸曲がり量の平均値として、各試料の軸曲がり量を算出した。測定結果を、表２に示す。

同様に、試料１～３の各々と保持器付き針状ころ軸受と外方部材とを用いて、転動疲労寿命試験を行った。転動疲労寿命試験では、潤滑は１２０℃の潤滑油（オートマチックトランスミッションフルード）を用い、ラジアル荷重は６６７０Ｎ、モーメント荷重は１３．５Ｎ・ｍとし、試験用軸に対する外方部材の相対的な回転速度は９０００回／分とした。転動疲労寿命試験後、各試料の軸曲がり量を、上記方法により測定した。測定結果を、表２に示す。

表２に示されるように、試料１及び試料２の各々の軸曲がり量は、相対的に芯部の残留オーステナイト量が多い試料３の軸曲がり量よりも少なかった。また、芯部の残留オーステナイト量が同程度である試料１と試料２との間では、第２位置の半価幅が相対的に狭い試料１の軸曲がり量が、第２位置の半価幅が相対的に広い試料２の軸曲がり量よりも少なかった。この結果から、第２位置の半価幅が狭いほど、塑性曲がりが抑制され得ることが実験的に確認された。

以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

１０内歯車、２０，３０軸部材、２１太陽歯車、３０ａ，３１ｂ外周面、３０ｂ高硬度領域、３０ｃ芯部、３１遊星歯車、３１ａ内周面、３２転動体、３２ａ転動面、４０保持器、１００遊星歯車装置。

Claims

表面を有する鋼製の軸部材であって、
前記鋼は、０．１０質量％以上０．４０質量％以下の炭素と、０．１０質量％以上２．５０質量％以下のシリコンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のマンガンと、０．４０質量％以上３．００質量％以下のクロムと、１．００質量％以下のモリブデンとを含み、かつ残部が鉄及び不可避不純物であり、
前記表面と前記鋼の硬さが６５３Ｈｖとなる第１位置との間の距離は、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、
前記表面の窒素濃度が０．２質量％以上１．２質量％以下であり、
前記表面の炭素濃度が０．６質量％以上１．２質量％以下であり、
Ｘ線回折ピークにおいて、前記表面からの深さＺ（単位：ｍｍ）が前記軸部材の直径Ｄ（単位：ｍｍ）に対して０．０８５Ｄである第２位置での、マルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅が、６．５°以下である、軸部材。
前記Ｘ線回折ピークにおいて、前記深さＺ（単位：ｍｍ）が０．０３３Ｄである第３位置でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅が、前記第２位置での前記半価幅よりも広い、請求項１に記載の軸部材。
前記表面の残留オーステナイト量が、２５体積％以上４０体積％以下であり、
前記第１位置及び前記第２位置のそれぞれよりも内側に位置する芯部の残留オーステナイト量が、０．５体積％以上３．０体積％以下である、請求項１または２に記載の軸部材。
前記直径Ｄが、６ｍｍ以上３０ｍｍ以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載の軸部材。
前記軸部材は、遊星減速機用の軸部材である、請求項１～３のいずれか１項に記載の軸部材。