JP5879681B2 - 転動軸の製造方法 - Google Patents

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、具体的には、遊星歯車装置のピニオンシャフトのような、転がり軸受の内輪として機能する転動軸の製造方法に関する。

自動車用オートマチックトランスミッションなどの遊星歯車機構においては、図１に例示する遊星歯車装置が使用されている。この遊星歯車装置は、図示しない軸が挿通されたサンギヤ１と、サンギヤ１と同心に配されたリングギヤ２と、サンギヤ１およびリングギヤ２に噛み合いサンギヤ１の周りを公転する１個以上のピニオンギヤ３と、サンギヤ１およびリングギヤ２と同心に配されピニオンギヤ３を回転自在に支持するキャリア４と、を備える。

ピニオンギヤ３の中心穴には、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ヤ３の内周面との間には図示されない複数の針状ころが転動自在に配されていて、これによりピニオンギヤ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。

このように、ピニオンギヤ３と、図示しない複数の針状ころと、ピニオンシャフト５により、転がり軸受（ラジアルニードルころ軸受）が構成され、このうちのピニオンシャフト５が、転がり軸受の内輪に相当し、針状ころが転動軸の相手部材である転動体に相当する。

従来、遊星歯車装置のピニオンシャフトは、低炭素の工具鋼であるＪＩＳ鋼種ＳＫ５などで構成され、針状ころが転走する部分（転走面）には高周波焼入れが施されて、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、潤滑不良など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、高炭素クロム軸受鋼であるＪＩＳ鋼種ＳＵＪ２などで構成され、浸炭窒化処理などが施されることにより、その寿命が確保されている。

近年、自動車の低燃費化の要求がますます強まっており、トランスミッションの小型化や高効率化が行われている。そのため、遊星歯車装置の回転速度が高まっているので、ピニオンシャフトに加わる荷重が増大し、かつ温度が上昇し、さらに潤滑油量が減少する傾向となっており、こうした傾向は、ピニオンシャフトの寿命低下につながっている。

さらに、荷重の増大とともに温度も上昇しているため、ピニオンシャフトに塑性変形が発生しやすい。この変形により、針状ころとピニオンシャフトとの間の滑りが増大して軌道面の摩耗やピーリングが生じるという問題や、針状ころとピニオンシャフトとの接触がエッジロードになって早期剥離に至るという問題が生じるおそれがある。

ピニオンシャフトの塑性変形は、ピニオンシャフトに負荷される荷重を緩和する方向に曲がりが生じる現象である。この塑性曲がりは、鋼に内在している残留オーステナイト量が多いほど大きくなる傾向がある。このため、塑性曲がりを抑制するためには、残留オーステナイト量を極力少なくすることが最も重要である。しかしながら、ピニオンシャフトの転走面の残留オーステナイト量が少ないと、転動疲労寿命が低下し、必要な耐久性が得られないおそれがある。

また、遊星歯車装置に使用される転がり軸受は、高温、高速、軽荷重という条件で使用されることがあり、ピニオンシャフトの転走面に、潤滑油中に混入する硬質の異物の噛み込みなどによる圧痕を起点とする表面起点型剥離や、軽荷重下で生じやすいスミアリングが早期に発生し、軸受寿命を著しく低下させることがある。よって、ＳＫ５やＳＵＪ２などの鋼でピニオンシャフトが構成されていると、このような条件下では十分な軸受寿命が得られない場合がある。

さらに、遊星歯車装置に使用される転がり軸受は、高温、高荷重、高振動、潤滑不足という条件で使用されることがあり、転走面下の最大剪断応力位置に腐食されにくく、光学顕微鏡で白く見える白色組織が生じる場合があり、この白色組織に起因する白色はく離により、転がり寿命を著しく低下させることがある。この破損原因となる組織変化は、局所的なメタルコンタクトにより潤滑油中の水素が分解し鋼中に侵入することに起因する。よって、ＳＫ５やＳＵＪ２などの鋼でピニオンシャフトが構成されていると、このような条件下では十分な軸受寿命が得られない場合がある。

これに対して、特許文献１には、転動軸を、０．５重量％〜１．２重量％の炭素を含有する合金鋼で構成すると共に、浸炭窒化を行った後に調質を行い、引き続き高周波焼入れを行うことにより、芯部の残留オーステナイト量を０体積％として、表面層の窒素含有量を０．０５重量％〜０．４重量％とし、表面層の硬さをＨｖ６５０以上とし、表面層のオーステナイト量を１５体積％〜４０体積％として、ピニオンシャフトの塑性曲がりを抑制することが開示されている。

また、特許文献１には、浸炭窒化後に焼入れおよび焼戻しを施して、転動軸全体の硬さをＨｖ３００〜５００に調質し、次いで、高周波焼入れと焼戻しを施して、表面の硬さをＨｖ６５０以上とすることにより、転動疲労寿命を向上させることが開示されている。

しかしながら、特許文献１では、ＳＵＪ２、Ｓ５５Ｃ、ＳＡＣ５１６０、ＳＣｒ４２０などの鋼で転動軸を構成しているため、回転速度の高速化や、潤滑不良などの油膜形成性が劣化する環境下での転動疲労寿命を確保することが困難な場合がある。また、高周波焼入れは、管理面やコスト面において多くの問題がある。

これに対して、本発明者は、上記の従来技術が有する問題点を解決するために、高温下、潤滑不良下、または異物混入下で使用されても、塑性変形が生じにくく、耐久性に優れた転動軸の改良について複数の提案を行っている。

特許文献２では、転動軸を構成する合金鋼の炭素含有率だけでなく、クロム、モリブデン、マンガン、ケイ素の含有率を特定すると共に、８２０℃〜９５０℃の温度、３時間〜５時間の浸炭処理または浸炭窒化処理を施し、さらに８２０℃〜９００℃の温度の焼入れ、および、１６０℃〜２００℃の温度の焼戻しを行うことにより、表面の炭素濃度と窒素濃度との和が１質量％以上２．５質量％以下、表面硬さＨｖが６３０以上、表面の残留オーステナイト量が１５体積％以上４５体積％以下、平均残留オーステナイト量が８体積％以下として、高温、高速条件下においても、焼付き、かじりなどが生じにくく、長寿命で、かつ、モーメント荷重を受けた場合にも変形の発生を抑制できる転動軸を提案している。

この提案では、平均残留オーステナイト量に着目しているが、塑性曲がりを抑制するためには、平均残留オーステナイト量を規定するだけでは不十分である。すなわち、平均残留オーステナイト量が規定されていても、表面部と芯部の残留オーステナイト量の差が小さいと、残留オーステナイトの分解による塑性変形量が表面部と芯部との間で近い量となり、荷重や遠心力の除荷時に転動軸を元の形状に戻す力が小さくなるため、転動軸の塑性曲がり量が大きくなる場合がある。

特許文献３では、熱処理工程において、８２０℃〜９８０℃の温度、３時間〜５時間の条件で浸炭窒化処理を施し、１５０℃〜２００℃の温度、１．５時間の条件で焼戻しを施し、さらに８６０℃〜９５０℃の温度、０．５時間の条件で焼入れを施し、さらに、１５０℃〜３００℃の温度、１．５時間の条件で焼戻しを行うことにより、表面硬さＨｖが６５０〜９００、表層部の残留オーステナイト量が５体積％〜４５体積％、芯部の残留オーステナイト量が５体積％以下、表層部の残留オーステナイト量が芯部の残留オーステナイト量の６倍以上で、かつ、表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が０．８質量％〜２質量％である転動軸を提案している。この転動軸は、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の使用によっても、塑性変形が生じにくく、耐久性に優れている。ただし、この転動軸は、従来のＳＵＪ２鋼を用いた転動軸と比較して、転動疲労寿命が最大で７倍程度であり、さらなる改善が望まれている。

特許文献４では、熱処理工程において、８２０℃〜９５０℃の温度、３時間〜５時間の条件で浸炭窒化処理を施し、焼入れを施し、１５０℃〜８００℃の温度、２時間の条件で調質または低温の第１焼戻しを施し、さらに、９００℃〜９５０℃、１秒〜２０秒の条件で、転走面となる部分のみ高周波焼入れを施し、最後に、１５０℃〜１８０℃、１．５時間の条件で第２焼戻しを施すことで、表面硬さＨｖが６５０〜９００、表層部の残留オーステナイト量が１５体積％〜５０体積％、芯部の残留オーステナイト量が０体積％で、かつ、表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が０．８質量％〜２質量％である転動軸を提案している。この転動軸は、高温下、潤滑不良下、異物混入下での使用によっても、塑性変形が生じにくく、耐久性に優れている。ただし、この転動軸は、高周波焼入れを必要としており、かつ、従来のＳＵＪ２鋼を用いた転動軸と比較して、転動疲労寿命が最大で９倍程度であり、さらなる改善が望まれている。

特許文献５では、浸炭窒化処理、第１の焼戻し、焼入れの工程の後で、−１００℃〜−３０℃の温度で、０．５時間〜１．０時間保持するサブゼロ処理を行い、さらに、第２の焼戻しを施すことで、表面硬さＨｖが７００〜９００、表層部の残留オーステナイト量が２０体積％〜５０体積％、芯部の残留オーステナイト量が０体積％で、かつ、表層部の炭素濃度と窒素濃度との和が０．８質量％〜２質量％であって、高温下、潤滑不良下、異物混入下での転動疲労寿命と熱変形を改善した転動軸を提案している。ただし、この技術では、サブゼロ処理が必要であり、このようなサブゼロ処理を必要としない転動軸およびその製造方法が望まれている。

特開２００２−４００３号公報 特開２００５−２９１３４２号公報 特開２００８−１５０６７２号公報 特開２００８−２２３１０４号公報 特開２０１０−１５２１号公報

本発明は、本発明者による上記の先行技術をさらに改善し、高周波焼き入れやサブゼロ処理などの追加的な処理を施すことなく、高温下、潤滑不良下、異物混入下、または白色組織の発生しやすい環境下で使用されても、塑性変形がより生じにくく、耐久性にさらに優れた、転動軸を提供することを目的としている。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明の対象となる転動軸は、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であって、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０．３５質量％以上０．５質量％以下、クロムを２．５質量％以上７．０質量％以下、モリブデンを０．４５質量％を超え３．０質量％以下、マンガンを０．５質量％以上２．０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。なお、この合金鋼は、鉄を主成分としており、上記の添加元素のほか、不可避不純物を含む。

条件２：外周面には、硬化された表面部が形成されており、表面から５０μｍの位置における窒素含有量は０．２５質量％以上０．７質量％以下であり、その表面硬さＨｖは６５０以上９００以下である。

条件３：部材全体の残留オーステナイト量の平均値である平均残留オーステナイト量（体積％）が、前記クロム、モリブデン、およびケイ素の含有量の和（質量％）の０．４５倍以上２．０倍以下である。

条件４：表面から５０μｍの位置における残留オーステナイト量は、１５体積％以上４５体積％以下である。

条件５：表面から５０μｍの位置における、ケイ素含有量、窒素含有量、残留オーステナイト量が次の関係式を満たす。
（ケイ素含有量（質量％）＋窒素含有量（質量％））／残留オーステナイト量（体積％）＞０．０１

また、本発明の対象となる転動軸は、上述した条件１〜５を具備するとともに、下記の特性１および２を備えることを特徴とする。

特性１：本発明の転動軸をピニオンシャフトとして、ピニオンギヤの中心穴に挿通し、該ピニオンシャフトの外周面と該ピニオンギヤの内周面との間に、複数の針状ころを転動自在に介装することにより、該ピニオンギヤが該ピニオンシャフトを軸として回転自在となるように構成して、以下の条件で回転試験を実施した場合において、該ピニオンシャフトの転動疲労寿命を示す９０％残余寿命が１５００時間以上である。
［転動疲労寿命試験の条件］
・基本動定格荷重Ｃ：１５５００Ｎ
・基本静定格荷重Ｃ₀：１６７００Ｎ
・ラジアル荷重：５０００Ｎ
・ピニオンギヤの自転速度：１００００ｍｉｎ^-1
・計算寿命Ｌ₁₀：７２．４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
・潤滑油の供給量：１０ｍｌ／ｍｉｎ
・潤滑油の温度：１２０℃
・潤滑油に添加した異物：鋼粉（直径７４μｍ〜１４７μｍ、硬さＨｖ６００）
・異物の添加量：３００ｐｐｍ

特性２：前記回転試験終了後における前記ピニオンシャフトの塑性曲がり量が４μｍ以下である。
上述のような転動軸を造るために、本発明の転動軸の製造方法は、前記合金鋼に、浸炭窒化処理と焼入れと焼戻しとを含む熱処理を施すことにより、外周面に硬化された表面部を形成するとともに、該表面部に、窒素をさらに含有させる。

なお、前記平均残留オーステナイト量は、１０体積％以下であることが好ましい。

このような本発明の転動軸の製造方法は、前記合金鋼によって構成される線材に、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、転動軸を得る工程において、
前記熱処理を、（１）前記旋削加工により得られた円柱状部材に、雰囲気ガスに含まれる窒素量を、アンモニア換算で０．３ｍ³／ｈ以上０．８ｍ³／ｈ未満として、８２０℃以上９８０℃以下の温度で、３時間以上５時間以下の浸炭窒化処理を施し、（２）１５０℃以上２００℃以下の温度で、０．５時間以上２時間以下の第１の焼戻しを施し、（３）８６０℃以上９５０℃以下の温度で、０．３時間以上２．０時間以下の焼入れを施し、さらに、（４）１５０℃以上３００℃以下の温度で、１時間以上２時間以下の条件で第２の焼戻しを施す、工程により構成することが好ましい。

本発明により得られる転動軸は、平均残留オーステナイト量が少ないことから、曲げ応力が発生する使用環境や、高温下、潤滑不良下、または異物混入下において使用された場合でも、塑性変形である曲がりが生じにくく、耐久性に優れている。

また、特に表面の窒素濃度が高められていることから、さらには、これにより、表面における残留オーステナイトの分解が抑止されることによって、白色はく離やエッジロードによる摩耗などの不具合が防止される。

図１は、遊星歯車装置の概略構造を示す斜視図である。

［合金鋼の組成］
本発明により得られる転動軸は、炭素を０．３５質量％以上０．５質量％以下、クロムを２．５質量％以上７．０質量％以下、モリブデンを０．４５質量％を超えて３．０質量％以下、マンガンを０．５質量％以上２．０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ことを特徴とする。なお、この合金鋼は、鉄を主成分としており、上記の添加元素のほか、不可避不純物を含む。

〔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、バナジウムなど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。耐転がり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０．３５質量％以上とする必要がある。ただし、０．５質量％を超えると、製鋼時に粗大な共晶炭化物が生成されやすくなり、転動寿命や強度が低下する場合がある。また、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。

〔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、および転動寿命を高める作用を有する元素である。また、炭素、窒素など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など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。

合金鋼中のクロムの含有量が２．５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、７．０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、窒素など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などからなるために、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０．４５質量％以下であると、前述の作用が十分に得られない場合があり、３．０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、０．５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、焼入れ性を高めたりする作用を有している。ただし、２．０質量％を超えて添加すると、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。

〔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、１．５質量％を超えて添加すると、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。

［表面処理］
本発明の転動軸の製造方法は、上記組成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順に施す。特に、本発明により得られる転動軸は、前記熱処理工程において、浸炭窒化処理と焼入れと焼戻しとが施されることにより、その外周面には、硬化された表面部が形成されており、その表面硬さＨｖは６５０以上９００以下となっている。

異物混入下における転動軸の転がり寿命の低下は、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。転動軸の表面硬さＨｖが６５０以上９００以下であれば、転動軸の転走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となる。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を超えると、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、後述する転動軸の各特性を得るためには、前記浸炭窒化処理、焼入れ、焼戻しについて、以下の条件で行うことが重要である。

まず、浸炭窒化処理は、転動軸の素材、具体的には前記合金鋼からなる線材に前記旋削加工を施すことにより得られた円柱状部材を、ＲＸガス（Ｎ₂、Ｈ₂、ＣＯ、ＣＯ₂などの混合ガス）、エンリッチガス、アンモニアガスなどを含有する雰囲気下で、８２０℃以上９８０℃以下の温度で、３時間以上５時間以下の条件で加熱処理を行うことにより、施される。なお、雰囲気としては、ＲＸガス、エンリッチガス、およびアンモニアガスの混合ガスからなる雰囲気とすることが好ましい。また、この雰囲気ガス内のアンモニア流量を０．３ｍ³／ｈ以上０．８ｍ³／ｈ未満とする。アンモニア流量が０．３ｍ³／ｈ未満では、表面から５０μｍの位置における窒素含有量を十分に高くすることができず、０．８ｍ³／ｈ以上になると、研削性などの加工特性に問題が生ずる。なお、このアンモニア流量については、雰囲気ガスが、アンモニアガス以外のガスを含む場合、全体の窒素量をアンモニア量に換算した場合の数値を意味するものとする。

浸炭窒化処理の温度が８２０℃未満であるか、処理時間が３時間未満である場合には、転動軸の表面に窒素および炭素が十分に含浸できず、浸炭窒化の効果が十分に得られない。一方、温度が９８０℃を超えるか、５時間を超える場合には、必要以上に窒素と炭素が含浸して、転動軸の表面部における炭素濃度と窒素濃度との和が１．５質量％を超えて、初析炭化物がネット上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するため、好ましくない。なお、転動軸の表面部の炭素濃度と窒素濃度との和を０．６５質量％以上１．５質量％以下とすることが好ましい。

この浸炭窒化処理の後に、通常大気下で、１５０℃以上２００℃以下の温度、０．５時間以上２時間以下の条件で、第１の焼戻しを行うことが好ましい。

次に、８６０℃以上９５０℃以下の温度で、０．３時間以上２．０時間以下の焼入れを施す。この焼入れ後にも、１５０℃以上３００℃以下の温度で、１時間以上２時間以下の条件で第２の焼戻しを施すことが好ましい。

これらの温度または時間の条件が下限を下回ると、それぞれの処理効果が十分に得られず、一方、これらの温度または時間の条件が上限を上回ると、残留オーステナイト量の増加など、得られる転動軸の特性が十分に得られないほか、熱処理の生産性が低下するなどの問題が生じるおそれがある。

［平均残留オーステナイト量］
本発明により得られる転動軸では、部材全体の残留オーステナイト量の平均値である平均残留オーステナイト量（体積％）が、前記クロム、モリブデン、およびケイ素の平均含有量の和（質量％）の０．４５倍以上２．０倍以下である。なお、「平均残留オーステナイト量」とは、転動軸の全体における残留オーステナイト量の平均値を意味し、たとえば、転動軸の表面から芯部までの残留オーステナイト量の分布を、Ｘ線回折装置を用いて深さ方向に測定し、その平均値を算出することにより得ることができる。

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、転動軸に塑性変形が生じる。ＣｒおよびＭｏの作用により、高温下における残留オーステナイトの分解を抑制することは可能であるが、部材全体における残留オーステナイト量が多すぎると、長期間にわたって高温に曝された場合に残留オーステナイトの分解が生じてしまう。そして、寸法変化により隙間が減少するため、焼付きが生じるおそれがある。

よって、平均残留オーステナイト量を、部材全体のクロム、モリブデン、およびケイ素の平均含有量の和に対して、０．４５倍以上２．０倍以下とする必要がある。すなわち、部材全体における、クロム含有量、モリブデン含有量、ケイ素含有量、および平均残留オーステナイト量が、次の関係式：０．４５≦平均残留オーステナイト量（体積％）／（クロム含有量（質量％）＋モリブデン含有量（質量％）＋ケイ素残留量（質量％））≦２．０を満たす必要がある。

［表面から５０μｍの位置における残留オーステナイト量］
本発明により得られる転動軸では、表面から５０μｍの位置における残留オーステナイト量が、１５体積％以上４５体積％以下である。なお、「表面から５０μｍの位置における残留オーステナイト量」とは、転動軸の表面から５０μｍの位置における残留オーステナイト量の分布を同様に測定し、その平均値を算出することにより得ることができる。

転動軸の表面における残留オーステナイトは表面疲労を軽減する作用があるので、１５体積％以上とする必要があり、２０体積％以上とすることがより好ましい。一方、表面の残留オーステナイト量が多いと、表面硬さが低下したり、軸受の組み立て時に変形が生じやすくなり、組み立て性が低下したりする場合があるので、４５体積％以下とする必要があり、４０体積％以下とすることがより好ましい。

なお、「表面から５０μｍの位置」で定義をされる表面を除き、転動軸の芯部では、残留オーステナイト量は５体積％以下であることが好ましく、０体積％であることがより好ましい。

［表面から５０μｍの位置における窒素とケイ素の含有量］
本発明により得られる転動軸では、表面から５０μｍの位置における窒素含有量が０．２５質量％以上０．７質量％以下であり、かつ、表面から５０μｍの位置において、ケイ素含有量、窒素含有量、残留オーステナイト量が、次の関係式：（ケイ素含有量（質量％）＋窒素含有量（質量％））／残留オーステナイト量（体積％）＞０．０１を満たしている。

窒素は、窒化物や炭窒化物を形成して、摩擦摩耗特性を大きく向上させる作用を有している。また、表面から５０μｍの位置における窒素含有量が高くなるほど、得られる転動軸において塑性曲がりが抑えられる。これは、窒素濃度が高くなることにより、残留オーステナイトが加工誘起マルテンサイトへと変態することが抑制されるからである。そして、塑性曲がりが抑えられることにより、白色はく離の発生が抑えられるという効果が得られる。その作用を十分に発揮させるためには、転動軸の表面である、表面から５０μｍの位置における窒素含有量を０．２５質量％以上とする必要があり、０．３質量％以上であることがより好ましい。ただし、加工特性を確保する観点から、窒素含有量を０．７質量％以下とすることが好ましい。また、かかる表面における窒化物または炭窒化物の濃度は、面積率で０．５％以上である必要があり、０．７％以上であることがより好ましい。

なお、従来、表面部における窒素の含有量が高いと、研削性などの加工特性に問題が生ずるとして、その含有量は抑えられていたのであるが、本発明では、表面から５０μｍの位置における窒素含有量を０．２５質量％以上と高くして、その効果を積極的に利用しようとする点に特徴がある。このように、表面部における窒素濃度を高めるためには、浸炭窒化処理における雰囲気ガス内のアンモニア流量を増加させることが必要となる。

また、本発明により得られる転動軸では、表面に残留オーステナイトを存在させることに特徴があるが、窒素およびケイ素は、残留オーステナイトの分解を抑制する作用を有する。したがって、表面から５０μｍの位置において、残留オーステナイト量に対する、窒素とケイ素の含有量が不十分であると、長時間の使用により、表面の残留オーステナイトが分解し、その分解に伴って、転動軸に塑性変形が生じ、その寿命が低下してしまうこととなる。すなわち、上記関係式の値が０．０１以下の場合には、かかる効果が十分に得られないこととなる。

なお、転動軸の表面である、表面から５０μｍの位置における炭素含有量と窒素含有量との和は、０．６５質量％以上１．５質量％以下とすることが好ましい。この範囲であると、耐摩耗性、耐転がり疲労性、耐熱性に優れることになるが、０．６５質量％未満では、耐摩耗性の向上に有効な炭窒化物が不十分となって、その効果が十分に得られなくなるおそれがある。なお、１．５質量％を超えると、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％を超えてしまい、その結果、表面硬さＨｖが６５０未満となるおそれがある。

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。また、本発明により得られる転動軸は、遊星歯車装置のピニオンシャフトに好適に適用されるが、該転動軸は、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可能である。

［転動軸の特性］
本発明は、転動軸の製造工程、特に熱処理工程において、調質（高温焼戻し）またはサブゼロ処理を施す必要もなく、また、高周波焼入れを施す必要なく、表面における窒素含有量、ケイ素含有量、および残留オーステナイト量を適切に規制し、白色はく離や摩耗に影響を受ける転動疲労寿命をさらに改善するとともに、芯部の残留オーステナイト量を極力少なくさせて、ピニオンシャフトの塑性曲がりを抑制することを可能とする点に特徴がある。

たとえば、本発明により得られる転動軸をピニオンシャフトとして、ピニオンギヤの中心穴に挿通し、その外周面とピニオンギヤの内周面との間に、複数の針状ころを転動自在に介装し、ピニオンギヤがピニオンシャフトを軸として回転自在となるように構成して、以下の条件で回転試験（転動疲労寿命試験）を実施した場合に、その転動疲労寿命を示す９０％残存寿命（Ｌ₁₀寿命）を１５００時間以上とすることができる。また、この回転試験の終了後におけるピニオンシャフトの塑性曲がり量を４μｍ以下とすることができる。
［転動疲労寿命試験の条件］
・基本動定格荷重Ｃ：１５５００Ｎ
・基本静定格荷重Ｃ₀：１６７００Ｎ
・ラジアル荷重：５０００Ｎ
・ピニオンギヤの自転速度：１００００ｍｉｎ^-1
・計算寿命Ｌ₁₀：７２．４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
・潤滑油の供給量：１０ｍｌ／ｍｉｎ
・潤滑油の温度：１２０℃
・潤滑油に添加した異物：鋼粉（直径７４μｍ〜１４７μｍ、硬さＨｖ６００）
・異物の添加量：３００ｐｐｍ

また、本発明により得られる転動軸は、ラジアル荷重を８０００Ｎ、計算寿命Ｌ₁₀を１５．１時間としたこと以外は、上述した転動疲労寿命試験と同様の条件で回転試験を実施した場合に、白色はく離の発生を抑制することができる。

なお、本発明の転動軸の製造方法は、上述した調質、サブゼロ処理、高周波焼入れを適宜追加することにより、得られる転動軸の特性をさらに向上させてもよく、このような改良は本発明の範囲内にある。

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。以下のような方法により、図１に示したものとほぼ同様の構成のピニオンシャフトを製造した。

〔合金鋼の種類とピニオンシャフトの製造〕
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１５種の合金鋼を用いた。この合金鋼からなる１７種類の線材に、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１４．１７ｍｍ、長さ７０ｍｍのピニオンシャフトをそれぞれ得た。

なお、上記の加工はすべて公知の手段により行ったが、比較例１、比較例１０〜１２を除き、熱処理工程については、以下の条件で行った。すなわち、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、約９００℃の温度、約３時間の条件で浸炭窒化処理を施した。次に、約１７０℃の温度、約２時間の条件で第１焼戻しを施した。なお、この浸炭窒化処理は、ＲＸガス、エンリッチガス、およびアンモニアガスの混合ガスからなる雰囲気下で行った。また、この混合ガス内におけるアンモニアの流量は０．５ｍ³／ｈであった。次に、約８９０℃の温度、約０．５時間の条件で焼入れを施し、最後に約１８０℃の温度、約１．５時間の条件で第２焼戻しを施した。

なお、比較例１０は、浸炭窒化処理を約９３０℃、約３時間の条件で行った点で、比較例１１は、浸炭窒化処理における混合ガス内のアンモニアの流量を０．２ｍ³／ｈとした点で、比較例１２は、浸炭窒化処理における混合ガス内のアンモニアの流量を０．８ｍ³／ｈとした点で異なるほかは、同様の条件で処理を施した。また、これらの実施例、参考例および比較例では、いずれの焼戻しについても、低温焼戻しを行った。ただし、比較例１については、浸炭窒化処理を施しておらず、熱処理の内容は、約８３５℃の温度、約０．５時間の条件でのズブ焼入れおよび最後の焼戻しのみとした。また、いずれの実施例、参考例および比較例においても、浸炭窒化処理と焼入れとの間に、Ａ1変態点よりも低い温度まで冷却する工程を経るようにした。

〔ピニオンシャフトの性状〕
得られたピニオンシャフトについて、表面から５０μｍの位置における窒素含有量（質量％）、表面から５０μｍの位置における窒素およびケイ素の含有量の和（質量％）、表面から５０μｍの位置における残留オーステナイト量（体積％）について、Ｘ線回折装置（株式会社リガク製）を用いて測定した。この測定結果を、上記の残留オーステナイト量に対する窒素およびケイ素の含有量の和の比について、表２に示す。

また、同様に、得られたピニオンシャフトの部材全体における平均残留オーステナイト量（体積％）を測定した。この測定結果を、この部材全体におけるクロム、モリブデン、およびケイ素の平均含有量（質量％）に対する平均残留オーステナイト量の比についても、表２に示す。

なお、同時に、ビッカース硬さ試験機（株式会社アカシ製、ＡＶＫ−ＣＯ）を用いて、それぞれのピニオンシャフトの表面の硬さを測定したところ、Ｈｖ６５０〜９００の範囲にあり、問題はなかった。

〔転動疲労寿命試験〕
ピニオンシャフトをプラネタリニードル試験機（日本精工株式会社製）に装着した。すなわち、ピニオンギヤ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ヤの内周面との間に、複数の針状ころを転動自在に介装して、ピニオンギヤがピニオンシャフトを軸として回転自在となるようにした。なお、針状ころとしては、高炭素クロム鋼（ＳＵＪ２）製で、直径２．５ｍｍ、長さ２４．８ｍｍの寸法を有し、かつ、ＪＩＳ鋼種ＳＣＭ４１５製で浸炭窒化処理が施されている保持器で保持されている、いわゆるケージアンドローラを用いた。

下記のような条件で回転試験を行い、ピニオンシャフト、ピニオンギヤ、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。なお、転動疲労寿命は、９０％残存寿命（Ｌ₁₀寿命）を測定し、たとえば、１５００時間回転させてもフレーキングや焼付きが生じなかった場合には、Ｌ₁₀寿命が１５００時間であるとした。潤滑油には、異物として直径７４μｍ〜１４７μｍの鋼粉（硬さＨｖ６００）を３００ｐｐｍ添加した。
・基本動定格荷重Ｃ：１５５００Ｎ
・基本静定格荷重Ｃ₀：１６７００Ｎ
・ラジアル荷重：５０００Ｎ
・ピニオンギヤの自転速度：１００００ｍｉｎ^-1
・計算寿命Ｌ₁₀：７２．４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
・潤滑油の供給量：１０ｍｌ／ｍｉｎ
・潤滑油の温度 ：１２０℃

〔白色はく離寿命試験について〕
下記のようにラジアル荷重などの条件が異なる以外は、上述の転動疲労寿命試験と同様にして回転試験を行い、ピニオンシャフトに白色はく離が発生した時点で寿命に至ったとし、それまでの回転時間を白色はく離寿命とした。
・ラジアル荷重：８０００Ｎ
・計算寿命Ｌ₁₀：１５．１時間

なお、回転試験自体は、まず、ピニオンシャフト、ピニオンギヤ、針状ころのうちどの部材が最も破損しやすいか、もしくは白色はく離を生じやすいかについて、予備試験を行って、ピニオンシャフトが最も破損しやすく、かつ、白色はく離を生じやすいことを確認した後に、この回転試験を行った。

また、回転試験終了後に、ピニオンシャフトの塑性曲がり量について、ダイヤルゲージ（株式会社ミツトヨ製）を用いて、測定した。これらの試験結果を、表３に併せて示す。

〔評価〕
表３における耐久試験の結果から理解されるように、実施例１〜６および参考例７は、比較例１〜１２と比べて格段に長寿命である。特に、実施例１〜６は、合金鋼中のクロムの含有量、表面から５０μｍの位置における窒素含有量、残留オーステナイト量、表面から５０μｍの位置における残留オーステナイト量に対する窒素およびケイ素の含有量の和の比、平均オーステナイト量、すなわち部材全体におけるクロム、モリブデン、およびケイ素の平均含有量に対する平均残留オーステナイト量の比のすべてが好適な値であり、高温下かつ異物混入潤滑下においても、フレーキングや焼付きがまったく生じなかった。なお、参考例７は、クロムの含有量が好適な範囲内にあるものの若干多い合金鋼を用いたため、非晶炭化物が生成しており、実施例１〜６と比べると若干寿命が短かった。なお、ピニオンシャフトを構成する材料の結晶性状は、金属顕微鏡（株式会社ニコン製、ＬＶ１００Ｄ）を用いて確認した。

また、実施例１〜６および参考例７では、塑性曲がりを抑えることで、白色はく離の発生が防止されていることが理解される。

これに対して、比較例１〜９は、合金鋼の組成が本発明の範囲から外れているので、実施例１〜７と比べて短寿命であった。比較例１および２はＳＵＪ２製であり、比較例１は、ズブ焼入れを施したもの、比較例２は、浸炭窒化処理を施したものであった。比較例２の浸炭窒化処理を施したものは、比較例１と比べると寿命が長くなっていたが、各実施例と比べると著しく短寿命であった。

一方、比較例１０〜１２は、それぞれ合金鋼の組成は好適であるものの、比較例１０は、平均残留オーステナイト量が好適な範囲ではなく、比較例１１は、表面から５０μｍの位置における残留オーステナイト量が好適な範囲ではなく、それぞれ焼付きが生じて短寿命であった。また、比較例１２は、表面から５０μｍの位置における窒素含有量が多く、摩耗が激しく短寿命であった。

１ サンギヤ
２ リングギヤ
３ ピニオンギヤ
４ キャリア
５ ピニオンシャフト

Claims (3)

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の製造方法であって、
   （１）炭素を０．３５質量％以上０．５質量％以下、クロムを２．５質量％以上７．０質量％以下、モリブデンを０．４５質量％を超え３．０質量％以下、マンガンを０．５質量％以上２．０質量％以下、ケイ素を０．１質量％以上１．５質量％以下含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる合金鋼で構成されており、
   （２）表面から５０μｍの位置における窒素含有量は０．２５質量％以上０．７質量％以下であり、表面硬さＨｖは６５０以上９００以下であり、
   （３）部材全体の残留オーステナイト量の平均値であり、体積％で表される平均残留オーステナイト量が、質量％で表される前記クロム、モリブデン、およびケイ素の含有量の和の０．４５倍以上２．０倍以下であり、
   （４）表面から５０μｍの位置における残留オーステナイト量は、１５体積％以上４５体積％以下であり、および、
   （５）表面から５０μｍの位置における、ケイ素含有量、窒素含有量、残留オーステナイト量が、次の関係式：
   （ケイ素含有量（質量％）＋窒素含有量（質量％））／残留オーステナイト量（体積％）＞０．０１
   を満たす、
   という条件を具備し、
   （６）前記転動軸をピニオンシャフトとして、ピニオンギヤの中心穴に挿通し、該ピニオンシャフトの外周面と該ピニオンギヤの内周面との間に、複数の針状ころを転動自在に介装することにより、該ピニオンギヤが該ピニオンシャフトを軸として回転自在となるように構成して、基本動定格荷重Ｃを１５５００Ｎ、基本静定格荷重Ｃ₀を１６７００Ｎ、ラジアル荷重を５０００Ｎ、該ピニオンギヤの自転速度を１００００ｍｉｎ^-1および計算寿命Ｌ₁₀を７２．４時間とし、異物として、直径７４μｍ以上１４７μｍ以下で硬さＨｖが６００である鋼粉を３００ｐｐｍ含み、１２０℃に調整されたオートマチックトランスミッションフルードを１０ｍｌ／ｍｉｎで供給して、回転試験を実施した場合において、該ピニオンシャフトの転動疲労寿命を示す９０％残余寿命が１５００時間以上であり、かつ、
   （７）前記回転試験終了後における前記ピニオンシャフトの塑性曲がり量が４μｍ以下である
   転動軸を造るために、
   前記合金鋼に、浸炭窒化処理と焼入れと焼戻しとを含む熱処理を施すことにより、外周面に硬化された表面部を形成するとともに、該表面部に、窒素をさらに含有させる
   ことを特徴とする、転動軸の製造方法。
2. 前記平均残留オーステナイト量が、１０体積％以下である、請求項１に記載の転動軸の製造方法。
3. 前記熱処理は、
   （１）前記合金鋼によって構成される線材に旋削加工を施すことにより得られた円柱状部材に、雰囲気ガスに含まれる窒素量を、アンモニア換算で０．３ｍ³／ｈ以上０．８ｍ³／ｈ未満として、８２０℃以上９８０℃以下の温度で、３時間以上５時間以下の浸炭窒化処理を施し、
   （２）１５０℃以上２００℃以下の温度で、０．５時間以上２時間以下の第１の焼戻しを施し、
   （３）８６０℃以上９５０℃以下の温度で、０．３時間以上２．０時間以下の焼入れを施し、さらに、
   （４）１５０℃以上３００℃以下の温度で、１時間以上２時間以下の条件で第２の焼戻しを施す、
   工程からなり、
   その後、外径粗研削、外径仕上げ研削、および超仕上げ研削を施す、請求項１または２に記載の転動軸の製造方法。

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