JP4718781B2 - トランスミッションの構成部品および円錐ころ軸受 - Google Patents

トランスミッションの構成部品および円錐ころ軸受 Download PDF

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Description

本発明は、転動疲労特性が長寿命で、高度の耐割れ強度や耐経年寸法変化を有するトランスミッションの構成部品および円錐ころ軸受に関するものである。
軸受部品の転動疲労に対して長寿命を与える熱処理方法として、焼入れ加熱時の雰囲気ＲＸガス中にさらにアンモニアガスを添加するなどして、その軸受部品の表層部に浸炭窒化処理を施す方法がある（たとえば特開平８−４７７４号公報、特開平１１−１０１２４７号公報）。この浸炭窒化処理法を用いることにより、表層部を硬化させ、ミクロ組織中に残留オーステナイトを生成させ、転動疲労寿命を向上させることができる。
特開平８−４７７４号公報 特開平１１−１０１２４７号公報
しかしながら、上記の浸炭窒化処理方法は炭素および窒素を拡散させる拡散処理であるため、長時間高温に保持する必要がある。このため、組織が粗大化する等して耐割れ強度の向上を図ることは困難である。また、残留オーステナイトの増加による経年寸法変化率の増大も問題となる。
一方、転動疲労に対して長寿命を確保し、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率の増大を防ぐために、鋼の合金設計により組成を調整することによって対処することが可能である。しかし合金設計によると、原材料コストが高くなるなどの問題点が発生する。
今後のトランスミッションにおける軸受部品には、使用環境の高荷重化、高温化に伴い、またトランスミッションの小型化・コンパクト化の要求に伴い、従来よりも、大きな荷重条件でかつより高温で使用できる特性を備えることが要求される。このため、高強度で、転動疲労特性が長寿命で、高度の耐割れ強度と寸法安定性とを有する軸受部品が必要になる。
本発明は、高度の耐割れ強度と寸法安定性とを有し、疲労寿命（円錐ころ軸受の場合、または構成部品が転がり軸受または転がり軸受部品である場合には転動疲労寿命）に優れたトランスミッションの構成部品および円錐ころ軸受を提供することを目的とする。
本発明のトランスミッションの構成部品は、歯車の噛み合わせにより入力シャフトの回転速度に対して出力シャフトの回転速度を変化させることが可能なトランスミッションに組み込まれた、トランスミッションの構成部品であって、構成部品はＪＩＳ規格ＳＵＪ２の鋼よりなり、かつ表層部に窒素富化層を有し、その構成部品のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にあり、シャルピー衝撃値が６．２０〜６．６５Ｊ／ｃｍ2であることを特徴とするものである。
本発明のトランスミッションの構成部品によれば、オーステナイト粒径が微細であることにより、耐割れ強度、寸法安定性および疲労寿命（構成部品が転がり軸受または転がり軸受部品である場合には転動疲労寿命）が大幅に改良される。オーステナイト粒径の粒度番号が１０番以下では、疲労寿命は大きく改善されないので、１０番を超える範囲とする。通常、１１番以上とする。オーステナイト粒径は細かいほど望ましいが、通常、１３番を超える粒度番号を得ることは難しい。なお、トランスミッションの構成部品のオーステナイト粒は、浸炭窒化処理の影響を大きく受けている表層部でも、それより内側の内部でも変化しない。したがって、上記の結晶粒度番号の範囲の対象となる位置は、表層部および内部とする。
なお、上記の水素含有率は、拡散性水素は測定の対象にはせず、所定温度以上で鋼から放出される非拡散性水素のみを測定の対象とするものである。サンプルサイズが小さければ、常温でもサンプルから放出され散逸してしまうので、拡散性水素量は測定の対象から外している。非拡散性水素は、鋼中の欠陥部などにトラップされており、所定の加熱温度以上ではじめてサンプルから放出される水素である。この非拡散性水素に限定しても、水素含有率は測定方法によって大きく変動する。上記の水素含有率範囲は熱伝導度法による測定方法による範囲である。さらに、後記するように、ＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置またはそれに準じる測定装置を用いて測定することが望ましい。
上記のトランスミッションの構成部品において好ましくは、トランスミッションの構成部品は、入力シャフト、出力シャフトまたは歯車を回転可能に支持する転がり軸受であって、転がり軸受が円錐ころ軸受である。
上記のトランスミッションの構成部品において好ましくは、トランスミッションの構成部品は、入力シャフト、出力シャフトまたは歯車を回転可能に支持する転がり軸受であって、転がり軸受が針状ころ軸受である。
上記のトランスミッションの構成部品において好ましくは、トランスミッションの構成部品は、入力シャフト、出力シャフトまたは歯車を回転可能に支持する転がり軸受であって、転がり軸受が玉軸受である。
本発明の円錐ころ軸受は、内輪、外輪および円錐ころを有する円錐ころ軸受において、内輪、外輪および円錐ころのうち少なくともいずれか一つの部材がＪＩＳ規格ＳＵＪ２の鋼よりなり、かつ窒素富化層を有し、その部材のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にあり、シャルピー衝撃値が６．２０〜６．６５Ｊ／ｃｍ2であることを特徴とするものである。
本発明の円錐ころ軸受によれば、内輪、外輪、および転動体のうち少なくともいずれか１つの部材のオーステナイト粒径が微細であることにより、耐割れ強度、寸法安定性および転動疲労寿命が大幅に改良される。オーステナイト粒径の粒度番号が１０番以下では、転動疲労寿命は大きく改善されないので、１０番を超える範囲とする。通常、１１番以上とする。オーステナイト粒径は細かいほど望ましいが、通常、１３番を超える粒度番号を得ることは難しい。なお、トランスミッションにおけるシャフトの支持構造の内輪、外輪および転動体のオーステナイト粒は、浸炭窒化処理の影響を大きく受けている表層部でも、それより内側の内部でも変化しない。したがって、上記の結晶粒度番号の範囲の対象となる位置は、表層部および内部とする。
なお、本明細書における内輪または外輪は、シャフト、ハウジングなどの部材と一体化されたものであっても良く、また別体で設けられたものであっても良い。
また、オーステナイト粒という場合、焼入れられた後のマルテンサイトやベイナイトなどのフェライト相にその痕跡を残している。焼入れ前のオーステナイト粒界を強調するために「旧」を付する場合もある。すなわち、オーステナイト粒と旧オーステナイト粒とは同じものを表現している。
また、上記オーステナイト結晶粒は、対象とする部材の金相試料に対してエッチングなど、粒界を顕出する処理を施して観察することができる粒界であればよい。低温焼入れ直前の加熱された時点での粒界という意味で、上記のように旧オーステナイト粒と呼ぶ場合がある。測定は、ＪＩＳ規格の粒度番号の平均値から平均粒径に換算して求めてもよいし、切片法などにより金相組織に重ねたランダム方向の直線が粒界と会合する間の間隔長さの平均値をとってもよい。
また、上記窒素富化層は、あとで説明するように、浸炭窒化処理により形成されるが、上記窒素富化層に炭素が富化されていてもよいし、富化されていなくてもよい。
本発明のトランスミッションの構成部品および円錐ころ軸受を用いることにより、窒素富化層を形成した上で、これまでにない優れた破壊応力値を得ることができるため、優れた耐割れ強度などを得ることができる。また、トランスミッションをコンパクト化することもできる。
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施の形態におけるトランスミッションの構成部品が組み込まれたトランスミッションの構成を示す概略断面図である。図１を参照して、このトランスミッションは、常時噛合い式のトランスミッションであって、転がり軸受１０Ａ〜１０Ｆと、入力シャフト１１と、出力シャフト１２と、カウンターシャフト１３と、ギア（歯車）１４ａ〜１４ｋと、ハウジング１５とを主に有している。
入力シャフト１１は、転がり軸受１０Ａによりハウジング１５に回転可能に支持されている。この入力シャフト１１の外周にはギア１４ａが形成されており、内周にはギア１４ｂが形成されている。
出力シャフト１２は、一方側において転がり軸受１０Ｂによりハウジング１５に回転可能に支持されており、他方側において転がり軸受１０Ｃにより入力シャフト１１に回転可能に支持されている。この出力シャフト１２には、ギア１４ｃ〜１４ｇが取り付けられている。このギア１４ｃ〜１４ｇはハウジング１５との間にスラスト針状ころ軸受である転がり軸受１０Ｆによって軸方向の荷重を支持されている。
ギア１４ｃおよびギア１４ｄはそれぞれ同一部材の外周と内周に形成されている。ギア１４ｃおよびギア１４ｄが形成された部材は転がり軸受１０Ｄにより出力シャフト１２に回転可能に支持されている。ギア１４ｅは、出力シャフト１２と一緒に回転するように、かつ出力シャフト１２の軸方向にスライド可能なように、出力シャフト１２に取り付けられている。
また、ギア１４ｆおよびギア１４ｇの各々は同一部材の外周に形成されている。ギア１４ｆおよびギア１４ｇが形成された部材は、出力シャフト１２と一緒に回転するように、かつ出力シャフト１２の軸方向にスライド可能なように出力シャフト１２に取り付けられている。ギア１４ｆおよびギア１４ｇが形成された部材が、図中左側にスライドした場合にはギア１４ｆはギア１４ｂと噛合い可能であり、図中右側にスライドした場合にはギア１４ｇとギア１４ｄとが噛合い可能である。
カウンターシャフト１３は、ハウジング１５に固定されており、ギア１４ｈ〜１４ｋなどを有するギア部材を転がり軸受１０Ｅにより回転可能に支持している。ギア１４ｈはギア１４ａと常時噛合っており、かつギア１４ｉはギア１４ｃと常時噛合っている。また、ギア１４ｊは、ギア１４ｅが図中左側にスライドした場合に、ギア１４ｅと噛合い可能である。ギア１４ｋはギア１４ｅが図中右側にスライドした場合に、ギア１４ｅと噛合い可能である。
本実施の形態では、入力シャフト１１の支持構造は転がり軸受１０Ａおよび１０Ｃを有しており、出力シャフト１２の支持構造は転がり軸受１０Ｂおよび１０Ｃを有している。転がり軸受１０Ａおよび１０Ｂはたとえば深溝玉軸受であり、転がり軸受１０Ｃはたとえば針状ころ軸受である。ギア１４ｃ、１４ｈ〜１４ｋの支持構造は転がり軸受１０Ｄ〜１０Ｆを有しており、転がり軸受１０Ｄ、１０Ｅはたとえば針状ころ軸受であり、転がり軸受１０Ｆはスラスト針状ころ軸受である。
図２は、上記の転がり軸受１０Ａおよび１０Ｂとなる深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。図２を参照して、深溝玉軸受１０Ａ、１０Ｂは、ハウジング１５に固定される外輪１（外方部材）と、入力シャフト１１もしくは出力シャフト１２に固定される内輪２（内方部材）と、外輪１および内輪２の間で転動する複数の玉３と、複数の玉３の各々を一定の間隔で正しい位置に保持するための保持器４とを有している。
図１を参照して、転がり軸受１０Ｃとなる針状ころ軸受は、複数の針状ころ３ｂが保持器により保持されたケージ＆ローラ形式の構成を有している。この構成においては、転がり軸受１０Ｃの外方部材は入力シャフト１１と一体化しており、内方部材は出力シャフト１２と一体化している。
転がり軸受１０Ｄ、１０Ｅとなる針状ころ軸受は、複数の針状ころ３ｂが保持器により保持されたケージ＆ローラ形式の構成を有している。この構成においては、転がり軸受の外方部材はギア１４ｃ〜１４ｋと一体化しており、内方部材は出力シャフト１２またはカウンターシャフト１３と一体化している。転がり軸受１０Ｆとなるスラスト針状ころ軸受は、カウンターシャフト１３に固定される外輪１ｃ（外方部材）と、ギア１４ｈ〜１４ｋを有するギア部材に固定される内輪２ｃ（内方部材）と、外輪１ｃと内輪２ｃとの間で転動する複数の針状ころ３ｃと、複数の針状ころ３ｃの各々を一定の間隔で正しい位置に保持するための保持器とを有している。
上記のトランスミッションに組み込まれたトランスミッションの構成部品（たとえば転がり軸受１０Ａ〜１０Ｆの外方部材、内方部材、転動体、入力シャフト１１、出力シャフト１２、カウンターシャフト１３、ギア（歯車）１４ａ〜１４ｋ、ハウジング１５などの少なくとも１つ）は表層部に窒素富化層を有し、かつその構成部品のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にある。
特に転がり軸受１０Ａ〜１０Ｆの各々の外方部材、内方部材および転動体の少なくともいずれか一つ部材が本実施の形態のトランスミッションの構成部品に該当するときには、これらの外方部材（外輪１、出力シャフト１２の外輪部分もしくはギア１４ｃ、１４ｈ〜１４ｋ）、内方部材（内輪２、入力シャフト１１の内輪部分、出力シャフト１２の内輪部分もしくはカウンターシャフト１３の内輪部分）および転動体（玉３もしくは針状ころ３ｂ、３ｃ）のうち少なくともいずれか一つの部材が、窒素富化層を有する鋼を含み、かつその部材のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にある。
また、上記のトランスミッションに組み込まれたトランスミッションの構成部品（たとえば転がり軸受１０Ａ〜１０Ｆの外方部材、内方部材、転動体、入力シャフト１１、出力シャフト１２、カウンターシャフト１３、ギア（歯車）１４ａ〜１４ｋ、ハウジング１５などの少なくとも１つ）は表層部に窒素富化層を有し、かつ破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である。
特に転がり軸受１０Ａ〜１０Ｆの各々の外方部材、内方部材および転動体の少なくともいずれか一つ部材が本実施の形態のトランスミッションの構成部品に該当するときには、外方部材（外輪１、出力シャフト１２の外輪部分もしくはギア１４ｃ、１４ｈ〜１４ｋ）、内方部材（内輪２、入力シャフト１１の内輪部分、出力シャフト１２の内輪部分もしくはカウンターシャフト１３の内輪部分）および転動体（玉３もしくは針状ころ３ｂ、３ｃ）のうち少なくともいずれか一つの部材が、窒素富化層を有する鋼を含み、かつ破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である。
また、上記のトランスミッションに組み込まれたトランスミッションの構成部品（たとえば転がり軸受１０Ａ〜１０Ｆの外方部材、内方部材、転動体、入力シャフト１１、出力シャフト１２、カウンターシャフト１３、ギア（歯車）１４ａ〜１４ｋ、ハウジング１５などの少なくとも１つ）は表層部に窒素富化層を有し、かつ鋼中の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である。
特に転がり軸受１０Ａ〜１０Ｆの各々の外方部材、内方部材および転動体の少なくともいずれか一つ部材が本実施の形態のトランスミッションの構成部品に該当するときには、外方部材（外輪１、出力シャフト１２の外輪部分もしくはギア１４ｃ、１４ｈ〜１４ｋ）、内方部材（内輪２、入力シャフト１１の内輪部分、出力シャフト１２の内輪部分もしくはカウンターシャフト１３の内輪部分）および転動体（玉３もしくは針状ころ３ｂ、３ｃ）のうち少なくともいずれか一つの部材は、窒素富化層を有する鋼を含み、かつ鋼中の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である。
次に、このトランスミッションの変速動作について説明する。
ギア１４ｆがギア１４ｂと噛合わず、ギア１４ｇがギア１４ｄと噛合わず、かつギア１４ｅがギア１４ｊと噛合う場合には、入力シャフト１１の駆動力は、ギア１４ａ、ギア１４ｈ、ギア１４ｊおよびギア１４ｅを介して出力シャフト１２に伝達される。これはたとえば第１速とされる。
ギア１４ｇがギア１４ｄと噛合い、ギア１４ｅがギア１４ｊと噛合わない場合には、入力シャフト１１の駆動力は、ギア１４ａ、ギア１４ｈ、ギア１４ｉ、ギア１４ｃ、ギア１４ｄおよびギア１４ｇを介して出力シャフト１２に伝達される。これはたとえば第２速とされる。
ギア１４ｆがギア１４ｂと噛合い、ギア１４ｅがギア１４ｊと噛合わない場合には、入力シャフト１１はギア１４ｂおよびギア１４ｆとの噛合いにより出力シャフト１２に直結され、入力シャフト１１の駆動力は直接出力シャフト１２に伝達される。これはたとえば第３速（トップ）とされる。
次に、本実施の形態におけるトランスミッションの構成部品に行う浸炭窒化処理を含む熱処理について説明する。
図３および図４に、本発明の実施の形態における熱処理方法を示す。図３は１次焼入れおよび２次焼入れを行なう方法を示す熱処理パターンであり、図４は焼入れ途中で材料をＡ1変態点温度未満に冷却し、その後、再加熱して最終的に焼入れる方法を示す熱処理パターンである。どちらも本発明の実施の態様例である。
図３を参照して、まず軸受部品用の鋼がＡ1変態点を超える浸炭窒化処理温度（８４５℃）に加熱され、その温度で軸受部品用の鋼に浸炭窒化処理が施される。温度処理Ｔ1では鋼の素地に炭素や窒素が拡散され、また炭素が鋼に十分に溶け込ませられる。この後、軸受部品用の鋼は、処理Ｔ1の温度から油焼入れを施されて、Ａ1変態点未満の温度に冷却される。次いで１８０℃で焼戻しが行なわれるが、この焼戻しは省略することができる。
この後、軸受部品用の鋼がＡ1変態点以上の温度で上記の浸炭窒化処理の温度未満の温度（たとえば８００℃）に再加熱され、その温度で保持することにより処理Ｔ2が施された後、処理Ｔ2の温度から油焼入れを施されて、Ａ1変態点未満の温度に冷却される。次いで１８０℃で焼戻しが行なわれる。
図４を参照して、まず軸受部品用の鋼がＡ1変態点を超える浸炭窒化処理温度（８４５℃）に加熱され、その温度で軸受部品用の鋼に浸炭窒化処理が施される。温度処理Ｔ1では鋼の素地に炭素や窒素が拡散され、また炭素が鋼に十分に溶け込ませられる。この後、軸受部品用の鋼は焼入れされずにＡ1変態点以下の温度に冷却される。この後、軸受部品用の鋼がＡ1変態点以上の温度で上記の浸炭窒化処理の温度未満の温度（たとえば８００℃）に再加熱され、その温度で保持することにより処理Ｔ2が施された後、処理Ｔ2の温度から油焼入れを施されて、Ａ1変態点未満の温度に冷却される。次いで１８０℃で焼戻しが行なわれる。
上記の熱処理は、普通焼入れ（すなわち浸炭窒化処理に引き続いてそのまま１回焼入れ）するよりも、表層部分を浸炭窒化しつつ、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率を減少することができる。上述したように、上記の熱処理方法によれば、オーステナイト結晶粒の粒径を従来の２分の１以下となるミクロ組織を得ることができる。上記の熱処理を受けたトランスミッションの構成部品は、疲労寿命特性（構成部品が転がり軸受または転がり軸受部品である場合には転動疲労寿命特性）が長寿命であり、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率も減少させることができる。
上記の熱処理のどちらによっても、その中の浸炭窒化処理により「浸炭窒化処理層」である窒素富化層が形成される。浸炭窒化処理において素材となる鋼の炭素濃度が高いため、通常の浸炭窒化処理の雰囲気から炭素が鋼の表面に侵入しにくい場合がある。たとえば炭素濃度が高い鋼の場合（１重量％程度の鋼）、それ以上高い炭素濃度の浸炭層が生成する場合もあるし、それ以上高い炭素濃度の浸炭層は生成しにくい場合がある。しかし、窒素濃度は、Ｃｒ濃度などにも依存するが、通常の鋼では最大限０.０２５重量％程度以下と低いので、素材の鋼の炭素濃度によらず窒素富化層が明瞭に生成される。上記窒素富化層には炭素が富化されていてもよいことはいうまでもない。
上記図３に示す熱処理パターンを適用した軸受鋼のオーステナイト結晶粒度を図５（ａ）に示す。また、比較のため、従来の熱処理方法による軸受鋼のオーステナイト結晶粒度を図５（ｂ）に示す。また、図６（ａ）および図６（ｂ）に、上記図５（ａ）および図５（ｂ）を図解したオーステナイト結晶粒度を示す。これらオーステナイト結晶粒度を示す組織より、従来のオーステナイト粒径はＪＩＳ（Japanese Industrial Standard）規格の粒度番号で１０番であり、また本発明による熱処理方法によれば１２番の細粒を得ることができる。また、図５（ａ）の平均粒径は、切片法で測定した結果、５．６μｍであった。
次に、トランスミッションにおけるシャフトの支持構造の変形例について説明する。
図１に示す構成では、シャフトの支持構造として、転がり軸受１０Ａ、１０Ｂが深溝玉軸受である場合について説明したが、転がり軸受１０Ａ、１０Ｂは図７に示すような円錐ころ軸受であっても良く、また図８に示すような円筒ころ軸受であっても良い。
図７の円錐ころ軸受、図８の円筒ころ軸受のそれぞれの外方部材（外輪１）、内方部材（内輪２）および転動体（ころ３）のうち少なくともいずれか一つの部材が、本実施の形態のトランスミッションの構成部品に該当するときには、上記いずれか一つの部材が窒素富化層を有する鋼を含み、かつその部材のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にある。
また、図７の円錐ころ軸受、図８の円筒ころ軸受のそれぞれの外方部材（外輪１）、内方部材（内輪２）および転動体（ころ３）のうち少なくともいずれか一つの部材が、本実施の形態のトランスミッションの構成部品に該当するときには、上記いずれか一つの部材が窒素富化層を有する鋼を含み、かつ破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である。
また、図７の円錐ころ軸受、図８の円筒ころ軸受のそれぞれの外方部材（外輪１）、内方部材（内輪２）および転動体（ころ３）のうち少なくともいずれか一つの部材が、本実施の形態のトランスミッションの構成部品に該当するときには、上記いずれか一つの部材が窒素富化層を有する鋼を含み、かつ鋼中の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である。
また、図７の円錐ころ軸受、図８の円筒ころ軸受のそれぞれの外方部材（外輪１）、内方部材（内輪２）および転動体（ころ３）のうち少なくともいずれか一つの部材が、本実施の形態のトランスミッションの構成部品に該当するときには、上記いずれか一つの部材は、図３および図４に示す方法により形成される。
なお、図７に示す円錐ころ軸受は、外輪１と内輪２との間に、保持器４により保持された複数のテーパ状のころ（円錐ころ）３を有している。この円錐ころ軸受は、外輪１および内輪２の軌道面ところ３の円錐の頂面とが軸受の中心線上の１点で交わるように設計されたものである。このため、ころ３は、軌道面上を外輪１の軌道面と内輪２の軌道面とからうける合成力によって、内輪２の大つばに押し付けられて案内されながら転がる。
また、図８に示す円筒ころ軸受は、外輪１と内輪２との間に、保持器４により保持された複数の円筒状のころ３を有している。
また、図９に示す針状ころ軸受は、外輪１と内輪部分（図示せず）との間に、保持器４により保持された複数の針状のころ３を有している。ころ３は、一般的には、直径が５ｍｍ以下で、長さが直径の３倍〜１０倍である。
また、図１０に示す自動調心ころ軸受は、外輪１と内輪２との間に、保持器４により保持された２列の樽型のころ３を有している。このような２列の樽型のころ３を有することにより、シャフトの傾きなどに対応する調心性が得られる。
図１１は、図７に示す円錐ころ軸受をトランスミッションのシャフトの支持構造に用いた構成を示す概略図である。図１１を参照して、複数のギア２４ａ〜２４ｄが形成されたシャフト２１が、円錐ころ軸受１０Ａ（または１０Ｂ）によりハウジング１５に回転可能に支持されている。
また図１２は、図１０に示す自動調心ころ軸受をトランスミッションのシャフトの支持構造に用いた構成を示す概略図である。図１２を参照して、複数のギア３４ａ〜３４ｄが形成されたシャフト３１が、自動調心ころ軸受１０Ａによりハウジング１５に回転可能に支持されている。
上記の図１１または図１２に示すトランスミッションに組み込まれたトランスミッションの構成部品（図１１に示すたとえば複数のギア２４ａ〜２４ｄ、シャフト２１、円錐ころ軸受１０Ａ、１０Ｂの外方部材、内方部材、転動体、およびハウジング１５などの少なくとも１つ、または図１２に示すたとえば複数のギア３４ａ〜３４ｄ、シャフト３１、自動調心ころ軸受１０Ａの外方部材、内方部材、転動体、およびハウジング１５などの少なくとも１つ）は表層部に窒素富化層を有し、かつその構成部品のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にある。
また、上記の図１１または図１２に示すトランスミッションに組み込まれたトランスミッションの構成部品（図１１に示すたとえば複数のギア２４ａ〜２４ｄ、シャフト２１、円錐ころ軸受１０Ａ、１０Ｂの外方部材、内方部材、転動体、およびハウジング１５などの少なくとも１つ、または図１２に示すたとえば複数のギア３４ａ〜３４ｄ、シャフト３１、自動調心ころ軸受１０Ａの外方部材、内方部材、転動体、およびハウジング１５などの少なくとも１つ）は表層部に窒素富化層を有し、かつ破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である。
また、上記の図１１または図１２に示すトランスミッションに組み込まれたトランスミッションの構成部品（図１１に示すたとえば複数のギア２４ａ〜２４ｄ、シャフト２１、円錐ころ軸受１０Ａ、１０Ｂの外方部材、内方部材、転動体、およびハウジング１５などの少なくとも１つ、または図１２に示すたとえば複数のギア３４ａ〜３４ｄ、シャフト３１、自動調心ころ軸受１０Ａの外方部材、内方部材、転動体、およびハウジング１５などの少なくとも１つ）は表層部に窒素富化層を有し、かつ鋼中の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である。
また、図１に示す構成では、シャフトの支持構造として、転がり軸受１０Ｃが針状ころ軸受である場合について説明したが、この転がり軸受１０Ｃも図２に示すような深溝玉軸受であっても良く、また図７に示すような円錐ころ軸受であっても良く、また図８に示すような円筒ころ軸受であっても良く、また図９に示すような針状ころ軸受（外輪もしくは内輪を有する構成）であっても良く、また図１０に示すような自動調心ころ軸受であっても良い。
なお、上記の実施の形態においては、主に常時噛合い式（コンスタントメッシュ）のトランスミッションについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、選択摺動式（スライディングメッシュ）、同期噛合い式（シンクロメッシュ）などの他の方式のトランスミッションにも適用可能である。
次に本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０重量％Ｃ-０．２５重量％Ｓｉ-０．４重量％Ｍｎ-１．５重量％Ｃｒ）を用いて、本発明の実施例１を行った。表１に示した各試料の製造履歴を以下に示す。
Figure 0004718781
（試料Ａ〜Ｄ；本発明例）：温度８５０℃で１５０分間保持して浸炭窒化処理を施した。その浸炭窒化処理時の雰囲気は、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガスとした。図３に示す熱処理パターンにおいて、浸炭窒化処理温度８５０℃から１次焼入れを行ない、次いで浸炭窒化処理温度より低い温度域７８０℃〜８３０℃に加熱して２次焼入れを行った。ただし、２次焼入れ温度７８０℃の試料Ａは焼入れ不足のため試験の対象から外した。
（試料Ｅ、Ｆ；本発明例）：浸炭窒化処理は、本発明例Ａ〜Ｄと同じ履歴で行い、２次焼入れ温度を浸炭窒素処理温度（８５０℃）以上の８５０℃〜８７０℃で行った。
（従来浸炭窒化処理品；比較例）：温度８５０℃で１５０分間保持して浸炭窒化処理を施した。その浸炭窒化処理時の雰囲気は、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガスとした。その浸炭窒化処理時の温度からそのまま焼入れを行ない、２次焼入れは行わなかった。
（普通焼入れ品；比較例）：浸炭窒化処理を行なわずに、８５０℃に加熱して焼入れた。２次焼入れは行わなかった。
上記の各試料に対して、（１）水素量の測定、（２）結晶粒度の測定、（３）シャルピー衝撃試験、（４）破壊応力値の測定、（５）転動疲労試験、の各々を行った。その結果を表１に合わせて示す。
次にこれらの測定方法および試験方法について説明する。
（１）水素量の測定
水素量は、ＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置により、鋼中の非拡散性水素量を分析した。拡散性水素量は測定してない。このＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置の仕様を下記に示す。
分析範囲：０．０１〜５０．００ｐｐｍ
分析精度：±０．１ｐｐｍまたは±３％Ｈ（いずれか大なるほう）
分析感度：０．０１ｐｐｍ
検出方式：熱伝導度法
試料重量サイズ：１０ｍｇ〜３５ｇ（最大：直径１２ｍｍ×長さ１００ｍｍ）
加熱炉温度範囲：５０℃〜１１００℃
試薬：アンハイドロン（Ｍｇ（ＣｌＯ4）2）、アスカライト（ＮａＯＨ）
キャリアガス：窒素ガス、ガスドージングガス（水素ガス）、いずれのガスも純度９９．９９％以上、圧力４０ＰＳＩ（２．８ｋｇｆ／ｃｍ2）である。
測定手順の概要は以下のとおりである。専用のサンプラーで採取した試料をサンプラーごとに上記の水素分析装置に挿入する。内部の拡散性水素は窒素キャリアガスによって熱伝導度検出器に導かれる。この拡散性水素は本実施例では測定しない。次に、サンプラーから試料を取出し抵抗加熱炉内で加熱し、非拡散性水素を窒素キャリアガスによって熱伝導度検出器に導く。熱伝導度検出器において熱伝導度を測定することによって非拡散性水素量を知ることができる。
（２）結晶粒度の測定
結晶粒度の測定は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に基づいて行った。
（３）シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２の金属材料のシャルピー衝撃試験方法に基づいて行った。試験片には、ＪＩＳ Ｚ ２２０２に示されたＵノッチ試験片（ＪＩＳ３号試験片）を用いた。なお、シャルピー衝撃値は、次式の吸収エネルギーＥを断面積（０．８ｃｍ2）で除した値である。
吸収エネルギー：Ｅ＝ＷｇＲ（ｃｏｓβ−ｃｏｓα）
Ｗ：ハンマー重量（＝２５．４３８ｋｇ）
ｇ：重力加速度（＝９．８０６６５ｍ／ｓｅｃ2）
Ｒ：ハンマー回転軸中心から重心までの距離（＝０．６５６９ｍ）
α：ハンマー持ち上げ角度（＝１４６°）、β：ハンマー降り上がり角度
（４）破壊応力値の測定
図１３に破壊応力値の測定に用いた試験片を示す。アムスラー万能試験機を用いて図中のＰ方向に荷重を負荷して試験片が破壊されるまでの荷重を測定する。その後、得られた破壊荷重を、下記に示す曲がり梁の応力計算式により応力値に換算する。なお、試験片は図１３に示す試験片に限られず、他の形状の試験片を用いてもよい。
図１３の試験片の凸表面における繊維応力をσ1、凹表面における繊維応力をσ2とすると、σ1およびσ2は下記の式によって求められる（機械工学便覧Ａ４編材料力学Ａ４−４０）。ここで、Ｎは円環状試験片の軸を含む断面の軸力、Ａは横断面積、ｅ1は外半径、ｅ2は内半径を表す。また、κは曲がり梁の断面係数である。
σ1=(N/A) +｛M/(Aρo)｝［1 + e1/｛κ(ρo + e1)｝]
σ2=(N/A) +｛M/(Aρo)｝［1 - e2/｛κ(ρo - e2)｝]
κ=-(1/A)∫A ｛η/(ρo + η)｝dA
（５）転動疲労試験
転動疲労寿命試験の試験条件および試験装置の略図を、表２および図１４に示す。図１４において、転動疲労寿命試験片２２１は、駆動ロール２１１によって駆動され、ボール２１３と接触して回転している。ボール２１３は、（3/4）”のボールであり、案内ロール２１２にガイドされて、転動疲労寿命試験片２２１との間で高い面圧を及ぼし合いながら転動する。
次に上記の測定結果および試験結果について説明する。
（１）水素量
表１より、浸炭窒化処理したままの従来浸炭窒化処理品の鋼中水素量は、０．７２ｐｐｍと非常に高い値となっている。これは、浸炭窒化処理の雰囲気に含まれるアンモニア（ＮＨ3）が分解して水素が鋼中に侵入したためと考えられる。これに対して、試料Ｂ〜Ｆの鋼中水素量は０．３７〜０．４２ｐｐｍとなっており、従来浸炭窒化処理品の半分近くにまで減少している。この鋼中水素量は普通焼入れ品と同じレベルである。
上記の鋼中水素量の低減により、水素の固溶に起因する鋼の脆化を軽減することができる。すなわち、水素量の低減により、本発明例の試料Ｂ〜Ｆのシャルピー衝撃値および破壊応力値は大きく改善されている。
（２）結晶粒度
表１より、結晶粒度は、２次焼入れ温度が浸炭窒化処理時の焼入れ（１次焼入れ）の温度より低い場合、すなわち試料Ｂ〜Ｄの場合、オーステナイト粒は、結晶粒度番号１１〜１２と顕著に微細化されている。試料ＥおよびＦならびに従来浸炭窒化処理品および普通焼入品のオーステナイト粒は、結晶粒度番号１０であり、試料Ｂ〜Ｄより粗大な結晶粒となっている。
（３）シャルピー衝撃値
表１によれば、従来浸炭窒化処理品のシャルピー衝撃値は５．３３Ｊ／ｃｍ2であるのに比して、本発明例の試料Ｂ〜Ｆのシャルピー衝撃値は６．２０〜６．６５Ｊ／ｃｍ2と高い値が得られている。この中でも、２次焼入れ温度が低いほうがシャルピー衝撃値が高くなる傾向を示す。なお、普通焼入品のシャルピー衝撃値は６．７０Ｊ／ｃｍ2と高い。
（４）破壊応力値
上記破壊応力値は、耐割れ強度に相当する。表１によれば、従来浸炭窒化処理品は２３３０ＭＰａの破壊応力値となっている。これに比して、試料Ｂ〜Ｆの破壊応力値は２６５０〜２８４０ＭＰａと改善されている。普通焼入品の破壊応力値は２７７０ＭＰａであり、試料Ｂ〜Ｆの破壊応力値と同等である。このような、試料Ｂ〜Ｆの改良された耐割れ強度は、オーステナイト結晶粒の微細化と並んで、水素含有率の低減による効果が大きいと推定される。
（５）転動疲労試験
表１によれば、普通焼入品は窒素富化層を表層部に有しないことを反映して、転動疲労寿命Ｌ10は最も低い。これに比して従来浸炭窒化処理品の転動疲労寿命は３．１倍となる。試料Ｂ〜Ｄの転動疲労寿命は従来浸炭窒化処理品より大幅に向上する。試料Ｅ，Ｆは、従来浸炭窒化処理品とほぼ同等であった。
上記をまとめると、本発明例の試料Ｂ〜Ｆでは、鋼中水素量が低くなり、破壊応力値やシャルピー衝撃値が向上する。しかし、転動疲労寿命まで含めて改良しうるのは、さらにオーステナイト結晶粒度を粒度番号で１１番程度以上に微細化した試料Ｂ〜Ｄである。したがって、本発明例に該当するのは試料Ｂ〜Ｆであるが、より望ましい本発明の範囲は、２次焼入れ温度を浸炭窒化処理温度より低くして結晶粒の微細化をさらに図った試料Ｂ〜Ｄの範囲である。
（実施例２）
次に実施例２について説明する。
下記のＡ材、Ｂ材およびＣ材について、一連の試験を行った。熱処理用素材には、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０重量％Ｃ−０．２５重量％Ｓｉ−０．４重量％Ｍｎ−１．５重量％Ｃｒ）を用い、Ａ材〜Ｃ材に共通とした。Ａ材〜Ｃ材の製造履歴は次のとおりである。
（Ａ材：比較例）：普通焼入れのみを行なった（浸炭窒化処理せず）。
（Ｂ材：比較例）：浸炭窒化処理後にそのまま焼き入れた（従来の浸炭窒化焼入れ）。浸炭窒化処理の温度を８４５℃とし、保持時間を１５０分間とした。また浸炭窒化処理の雰囲気を、ＲＸガス＋アンモニアガスとした。
（Ｃ材：本発明例）：軸受鋼に図２の熱処理パターンを施した。浸炭窒化処理の温度を８４５℃とし、保持時間を１５０分間とし、雰囲気をＲＸガス＋アンモニアガスとした。また、最終焼入れ温度を８００℃とした。
（１）転動疲労寿命
転動疲労寿命試験の試験装置には上述した図７の装置を用い、試験条件は表２に示す条件とした。この転動疲労寿命試験結果を表３に示す。
Figure 0004718781
Figure 0004718781
表３によれば、浸炭窒化処理を施したＢ材（比較例）のＬ10寿命は、普通焼入れのみを施したＡ材（比較例）のＬ10寿命（試験片１０個中１個が破損する寿命）の３.１倍を示し、浸炭窒化処理による長寿命化の効果が認められる。これに対して、本発明例のＣ材は、Ｂ材の１．７４倍、またＡ材の５．４倍の長寿命を示している。この改良の主因はミクロ組織の微細化によるものと考えられる。
（２）シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験は、Ｕノッチ試験片を用いて、上述のＪＩＳ Ｚ ２２４２に準じた方法により行なった。試験結果を表４に示す。
Figure 0004718781
本発明例のＣ材では、普通焼入れのみを施したＡ材（比較例）と同等で、かつ浸炭窒化処理を施したＢ材（比較例）よりも高いシャルピー衝撃値が得られた。
（３）静的破壊靭性値の試験
静的破壊靭性試験の試験片には、図１５に示す試験体を用い、亀裂を予め約１ｍｍ導入した後に、３点曲げによる静的荷重Ｐを加え、破壊荷重を求めた。破壊靭性値（ＫIC値）の算出には次に示す次式を用いた。また、試験結果を表５に示す。
ＫIC＝（ＰＬ√ａ／ＢＷ2）｛５．８−９．２（ａ／Ｗ）＋４３．６（ａ／Ｗ）2−７５．３（ａ／Ｗ）3＋７７．５（ａ／Ｗ）4｝
Figure 0004718781
予め導入した亀裂の深さが窒素富化層深さよりも大きくなったため、比較例のＡ材とＢ材とには違いはない。しかし、本発明例のＣ材では比較例のＡ材およびＢ材に対して約１．２倍の破壊靭性値（ＫIC値）を得ることができた。
（４）静圧壊強度試験（破壊応力値の測定）
静圧壊強度試験片には、上述のように図１３に示す形状のものを用いた。図中、Ｐ方向に荷重を付加して、上記と同様にして静圧壊強度試験を行なった。試験結果を表６に示す。
Figure 0004718781
浸炭窒化処理を施したＢ材（比較例）の静圧壊強度は普通焼入れのみを施したＡ材（比較例）の静圧壊強度よりもやや低い値である。しかしながら、本発明例のＣ材の静圧壊強度は、Ｂ材の静圧壊強度よりも向上し、Ａ材の静圧壊強度よりもわずかに高いレベルになっている。
（５）経年寸法変化率
温度１３０℃で５００時間保持した場合の経年寸法変化率を測定した。その測定結果を、表面硬度、残留オーステナイト量（表面から０．１ｍｍ深さでの）とともに表７に示す。
Figure 0004718781
残留オーステナイト量の多いＢ材の寸法変化率に比べて、本発明例のＣ材の寸法変化率は低く抑えられていることがわかる。
（６）異物混入潤滑下における寿命試験
玉軸受６２０６を用い、標準異物を所定量混入させた異物混入潤滑下での転動疲労寿命を評価した。試験条件を表８に、また試験結果を表９に示す。
Figure 0004718781
Figure 0004718781
Ａ材に比べ、浸炭窒化処理を施したＢ材（比較例）では約２．５倍の、また本発明例のＣ材では約３．７倍の長寿命が得られた。本発明例のＣ材では、比較例のＢ材に比べて残留オーステナイトが少ないものの、窒素の侵入と微細化されたミクロ組織の影響とにより長寿命が得られている。
上記の結果より、本発明例のＣ材、すなわち本発明の熱処理方法によって製造されたトランスミッションにおける支持構造をなす軸受部品は、従来の浸炭窒化処理では困難であった転動疲労寿命の長寿命化、割れ強度の向上、経年寸法変化率の低減の３項目を同時に満足することができることがわかった。
なお、本明細書におけるオーステナイト結晶粒とは、焼入加熱中に相変態したオーステナイトの結晶粒のことであり、これは、冷却によりマルテンサイトへ変態した後も、過去の履歴として残存しているものをいう。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。たとえば針状ころ軸受は総ころタイプであっても、シェル型針状ころ軸受であってもよい。
本発明は、転動疲労特性が長寿命で、高度の耐割れ強度や耐経年寸法変化を有するトランスミッションにおける支持構造およびその製造方法ならびに円錐ころ軸受に特に有利に適用され得る。
本発明の一実施の形態におけるトランスミッションの構成部品が組み込まれたトランスミッションの構成を示す概略断面図である。 図１に示す転がり軸受１０Ａおよび１０Ｂとなる深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態におけるトランスミッションの構成部品に施される熱処理方法を説明する図である。 本発明の実施の形態におけるトランスミッションの構成部品に施される熱処理方法の変形例を説明する図である。 軸受部品のミクロ組織、とくにオーステナイト粒を示す図である。(ａ)は本発明例の軸受部品であり、（ｂ）は従来の軸受部品である。 （ａ）は図５（ａ）を図解したオーステナイト粒界を示し、（ｂ）は図５（ｂ）を図解したオーステナイト粒界を示す。 円錐ころ軸受の構成を概略的に示す断面図である。 円筒ころ軸受の構成を概略的に示す断面図である。 針状ころ軸受の構成を概略的に示す断面図である。 自動調心ころ軸受の構成を概略的に示す断面図である。 図７に示す円錐ころ軸受をトランスミッションのシャフトの支持構造に用いた構成を示す概略図である。 図１０に示す自動調心ころ軸受をトランスミッションのシャフトの支持構造に用いた構成を示す概略図である。 静圧壊強度試験（破壊応力値の測定）の試験片を示す図である。 転動疲労寿命試験機の概略図である。(ａ)は正面図であり、(ｂ)は側面図である。 静的破壊靭性試験の試験片を示す図である。
符号の説明
１，１ｃ 外輪、２，２ｃ 内輪、３，３ｂ，３ｃ 転動体、４ 保持器、１０Ａ〜１０Ｆ 転がり軸受、１１ 入力シャフト、１２ 出力シャフト、１３ カウンターシャフト、１４ａ〜１４ｋ，２４ａ〜２４ｄ，３４ａ〜３４ｄ ギア、１５ ハウジング、２１，３１ シャフト、２１１ 駆動ロール、２１２ 案内ロール、２１３ （3/4）”ボール、２２１ 転動疲労寿命試験片、Ｔ1 浸炭窒化処理温度、Ｔ2 焼入れ加熱温度。

Claims (5)

  1. 歯車の噛み合わせにより入力シャフトの回転速度に対して出力シャフトの回転速度を変化させることが可能なトランスミッションに組み込まれた、トランスミッションの構成部品であって、
    前記構成部品はＪＩＳ規格ＳＵＪ２の鋼よりなり、かつ表層部に窒素富化層を有し、前記構成部品のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にあり、シャルピー衝撃値が６．２０〜６．６５Ｊ／ｃｍ2である、トランスミッションの構成部品。
  2. 前記トランスミッションの構成部品は、前記入力シャフト、前記出力シャフトまたは前記歯車を回転可能に支持する転がり軸受であって、前記転がり軸受が円錐ころ軸受である、請求項１に記載のトランスミッションの構成部品。
  3. 前記トランスミッションの構成部品は、前記入力シャフト、前記出力シャフトまたは前記歯車を回転可能に支持する転がり軸受であって、前記転がり軸受が針状ころ軸受である、請求項１に記載のトランスミッションの構成部品。
  4. 前記トランスミッションの構成部品は、前記入力シャフト、前記出力シャフトまたは前記歯車を回転可能に支持する転がり軸受であって、前記転がり軸受が玉軸受である、請求項１に記載のトランスミッションの構成部品。
  5. 内輪、外輪および円錐ころを有する円錐ころ軸受において、
    前記内輪、前記外輪および前記円錐ころのうち少なくともいずれか一つの部材がＪＩＳ規格ＳＵＪ２の鋼よりなり、かつ窒素富化層を有し、前記部材のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にあり、シャルピー衝撃値が６．２０〜６．６５Ｊ／ｃｍ2である、円錐ころ軸受。
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