JP7657119B2 - 変速機用軸およびそれを用いた軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、変速機用軸およびそれを用いた軸受装置に関する。

トランスミッションなどの変速機では、外径部を軌道面とする軸と、その軸の外周部に配置された保持器付き針状ころ軸受とのセットである軸受装置が使用される。この軸受装置は、高温かつ摩耗粉などの異物が多い環境下で使用される。このため、この軸受装置には、異物または潤滑不良による表面損傷に強い部品が要求される。特に軸は固定部品であるため、同じ箇所が常にダメージを受ける構造を有し、最弱部となりやすい。

軸受において異物環境下または希薄潤滑下にて寿命を延ばす方法として、鋼材からなる部品にアンモニア（ＮＨ₃）を含む浸炭窒化雰囲気で熱処理（浸炭窒化処理）を行ない、表面の残留オーステナイト量および炭素、窒素の濃度を多くする強化方法が一般的に知られている。

またショットピーニングにより軸またはころに凹部を設け、その凹部に固体潤滑剤を被覆して摩擦係数を低下させる技術が、例えば特開２００６－１６１８８７号公報（特許文献１）に開示されている。また同様に、ショットピーニングにより表層に硬化層（Ｈｖ８５０以上Ｈｖ１００００以下）を形成するとともに大きな圧縮残留応力（絶対値が６００ＭＰａ以上１７００ＭＰａ以下）を与えて強化する技術が、例えば特開２０１７－１０６５３４号公報（特許文献２）に開示されている。

特開２００６－１６１８８７号公報 特開２０１７－１０６５３４号公報

しかしながら一般的な浸炭窒化処理だけでは十分な寿命を得ることができない。また特許文献１、２のようなショットピーニングを伴う長寿命化手法では製品毎の個別処理が必要になり製造プロセスが煩雑となる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡易な製造プロセスにて長寿命化を図ることができる変速機用軸およびそれを用いた軸受装置を提供することである。

本発明の変速機用軸は、変速機に用いられ、針状ころが転動する軌道面を有する変速機用軸であって、母材と、四三酸化鉄皮膜とを備える。母材は、クロム鋼、クロムモリブデン鋼およびニッケルクロムモリブデン鋼のいずれかの材質からなり、かつ鉄の炭化物、鉄の窒化物および鉄の炭窒化物の少なくとも１つの結晶粒を含む拡散層を表面に有する。四三酸化鉄皮膜は、母材の表面上に形成され、少なくとも軌道面に配置されている。

なお本発明における変速機は減速機および増速機のいずれであってもよい。

上記の変速機用軸において、四三酸化鉄皮膜の厚みは１μｍ以上２μｍ以下である。

上記の変速機用軸において、母材はクロムモリブデン鋼からなる。

上記の変速機用軸において、母材の表面における旧オーステナイト結晶粒の平均粒径は８μｍ以下である。

上記の変速機用軸において、拡散層中における少なくとも１つの結晶粒を含む化合物粒の面積比率は３％以上であり、化合物粒の平均粒径は０．３μｍ以下である。

上記の変速機用軸において、拡散層は、複数のマルテンサイトブロックを含む。

上記の変速機用軸において、マルテンサイトブロックの最大粒径は３．８μｍ以下である。

本発明の軸受装置は、上記の変速機用軸と、その変速機用軸の軌道面を転動する複数の針状ころとを備える。

本発明の変速機用軸の製造方法は、変速機に用いられ、針状ころが転動する軌道面を有する変速機用軸の製造方法であって、以下の工程を備える。

クロム鋼、クロムモリブデン鋼およびニッケルクロムモリブデン鋼のいずれかの材質からなる鋼材が準備される。鋼材が浸炭窒化される。浸炭窒化された鋼材の表面上に四三酸化鉄皮膜が形成される。

上記の変速機用軸の製造方法において、鋼材は、クロムモリブデン鋼からなる。鋼材を浸炭窒化する工程は、鋼材を、アンモニアを含む浸炭窒化雰囲気中で９３０℃以上９４０℃以下に加熱する工程を含む。浸炭窒化された鋼材を８５０℃超え９３０℃未満の１次焼入温度に加熱した後、Ｍｓ点以下の温度まで冷却することにより、鋼材が１次焼入れされる。１次焼入れされた鋼材をＡ１点以上８５０℃未満の２次焼入温度に加熱した後、Ｍｓ点以下の温度まで冷却することにより、鋼材が２次焼入れされる。

本発明によれば、簡易な製造プロセスにて長寿命化を図ることができる変速機用軸およびそれを用いた軸受装置を実現することができる。

遊星型変速機における遊星歯車およびその支持構造を、遊星歯車を破断して示す一部破断斜視図である。 図１に示す遊星歯車およびその支持構造の断面図である。 図２の領域Ｒにおける変速機用軸の構成を拡大して示す拡大断面図である。 一実施形態に係る変速機用軸の製造方法を示すフロー図である。 図４における浸炭窒化熱処理の工程を細分化して示すフロー図である。 一実施形態に係る変速機用軸の製造方法におけるヒートパターンを示すグラフである。 軌道面がストレートの状態（Ａ）と軌道面にたわみがある状態(Ｂ)との各々における針状ころの駆動力と軌道面に作用する荷重分布とを示す図である。 試料１に対するＥＰＭＡによる炭素濃度および窒素濃度の測定結果を示すグラフである。 試料２に対するＥＰＭＡによる炭素濃度および窒素濃度の測定結果を示すグラフである。 試料１の表面近傍における電子顕微鏡像である。 試料２の表面近傍における電子顕微鏡像である。 試料１の表面近傍における光学顕微鏡像である。 試料２の表面近傍における光学顕微鏡像である。 試料１および試料２の表面近傍における第３群および第５群に属するマルテンサイトブロックの平均粒径を示すグラフである。 試料１および試料２の表面近傍における第３群および第５群に属するマルテンサイトブロックの平均アスペクト比を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。以下の図面においては、同一また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。

＜遊星型変速機における遊星歯車とその支持構造＞
まず一実施形態に係る遊星型変速機における遊星歯車とその支持構造について図１および図２を用いて説明する。

図１は、遊星型変速機における遊星歯車およびその支持構造を、遊星歯車を破断して示す一部破断斜視図である。図２は、図１に示す遊星歯車およびその支持構造の断面図である。

遊星型変速機は、遊星歯車装置を有している。遊星歯車装置は、太陽歯車（サン・ギヤ）と、遊星歯車（プラネタリ・ギヤ）と、内歯車（インターナル・ギヤ）との３系統の歯車を有している。遊星歯車装置では、１系統の歯車への入力に対して、他の２系統の歯車のどちらかを固定または開放することで必要な変速が実行される。

図１に示されるように、遊星歯車４は、外周部に複数の歯４ａを有している。遊星歯車４の歯４ａは、太陽歯車（図示せず）の外周側に設けられた歯と噛み合う。これにより遊星歯車４は、太陽歯車の外周側で回転する。また遊星歯車４の歯４ａは、内歯車（図示せず）の内周側に設けられた歯と噛み合う。これにより遊星歯車４は、内歯車の内周側で回転する。このように遊星歯車４は、太陽歯車と内歯車との間で、太陽歯車の軸を中心として公転する。

遊星型変速機は、遊星歯車４を回転可能に支持する転がり軸受装置１０を有している。転がり軸受装置１０は、変速機用軸１と、複数の針状ころ２と、保持器３とを有している。なお転がり軸受装置１０は、遊星歯車４を含んでいてもよい。

遊星歯車４の中央部には、貫通孔が設けられている。貫通孔を規定する壁面４ｂは、遊星歯車４の内周面を構成している。遊星歯車４の貫通孔には、変速機用軸１が挿入されている。これにより遊星歯車４は、変速機用軸１の外周を取り囲んでいる。変速機用軸１は、例えば円柱形状を有している。変速機用軸１は、内部に油路１ａを有している。変速機用軸１は転がり軸受装置１０の内方部材に対応し、遊星歯車４は転がり軸受装置１０の外方部材に対応する。変速機用軸１の外周面（軌道面１ｂ）と遊星歯車４の内周面（軌道面４ｂ）との間には、保持器付き針状ころ軸受が配置されている。

保持器付き針状ころ軸受は、複数の針状ころ２と、保持器３とを有している。保持器３は、環状の形状を有しており、変速機用軸１の外周面を取り囲んでいる。保持器３は、複数のポケット３ａを有している。複数のポケット３ａは、ほぼ等しい間隔で周方向に沿って配置されている。複数のポケット３ａの各々には、針状ころ２が転動自在に保持されている。

図２に示されるように、複数の針状ころ２の各々は、変速機用軸１の軌道面１ｂとなる外周面と遊星歯車４の軌道面４ｂとなる内周面とを転動するように配置されている。保持器付き針状ころ軸受により、遊星歯車４は変速機用軸１に対して回転自在に支持されている。

なお、変速機用軸の適用例として歯車式変速機について述べたが、ベルト式やトロイダル式、油圧式などの変速機にも適用できる。

＜変速機用軸１の構成＞
次に、変速機用軸１の構成について図３を用いて説明する。

図３は、図２の領域Ｒにおける変速機用軸の構成を拡大して示す拡大断面図である。図３に示されるように、変速機用軸１は、母材１１と、四三酸化鉄皮膜１２とを有している。母材１１の材質は、例えばクロムを含む鋼材よりなっている。母材１１の材質は、例えばクロム鋼、クロムモリブデン鋼およびニッケルクロムモリブデン鋼のいずれかである。上記におけるクロム鋼、クロムモリブデン鋼およびニッケルクロムモリブデン鋼のそれぞれは、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standards）規格（ＪＩＳ Ｇ ４０５３：２０１６）に規定されるＳＣｒ鋼種、ＳＣＭ鋼種およびＳＮＣＭ鋼種に属する鋼である。

母材１１には、浸炭窒化熱処理が施されている。このため母材１１は、表面（外周面）において、拡散層ＤＲを有している。拡散層ＤＲは、窒素および炭素の濃度が、変速機用軸１を構成する鋼材中（拡散層ＤＲよりも内部ＩＰ）の窒素および炭素の濃度よりも高くなっている部分である。拡散層ＤＲの深さＤは、例えば０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。

拡散層ＤＲは、複数の化合物粒を有している。化合物粒は、鉄（Ｆｅ）の炭化物、鉄の窒化物および鉄の炭窒化物の少なくとも１つの結晶粒である。より具体的には、化合物粒は、セメンタイト（Ｆｅ₃Ｃ）の鉄サイトの一部がクロムによって置換されており、炭素（Ｃ）サイトの一部が窒素（Ｎ）により置換されている化合物（すなわち、（Ｆｅ，Ｃｒ）₃（Ｃ，Ｎ）により示される化合物）の結晶粒である。

四三酸化鉄皮膜１２は、母材１１の表面に接して配置されている。四三酸化鉄皮膜１２は、四三酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）よりなっており、いわゆる黒錆といわれるものであり、不動態酸化皮膜である。四三酸化鉄皮膜１２の表面は、多孔質である。四三酸化鉄皮膜１２の厚みは、１μｍ以上２μｍ以下である。四三酸化鉄皮膜１２は、変速機用軸１の少なくとも軌道面１ｂに配置されている。四三酸化鉄皮膜１２は、母材１１の表面全面を覆うように配置されていてもよい。

四三酸化鉄皮膜１２は、例えば黒染め処理法といわれる化成処理により母材１１の表面上に形成される。本実施形態における黒染め処理法は、１３０℃以上１６０℃以下の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を主成分とする強アルカリ水溶液中に３分以上浸漬することである。この黒染め処理法によれば、強アルカリ水溶液の温度が１３０℃以上１６０℃以下と低いため、母材１１が変質または変形するほどまで加熱されない。このため母材１１の組織、強度、性質などの変化が抑制され、浸炭窒化熱処理により得られた母材１１の組織、強度、性質などは黒染め処理後にも維持されている。また黒染め処理法により形成される四三酸化鉄皮膜１２の厚みは１μｍ以上２μｍ以下と薄い。このため四三酸化鉄皮膜１２が接する母材１１の表面状態は、浸炭窒化熱処理が施された鋼材の表面状態とほぼ同じである。

母材１１は、例えばクロムモリブデンよりなり、四三酸化鉄皮膜１２の形成前に、後述の図６に示す特殊な浸炭窒化熱処理を施されていることが好ましい。この特殊な浸炭窒化熱処理により、母材１１の結晶粒微細化が強化されるとともに、析出化合物が富化される。これにより耐表面損傷が強化され、疲労強度が向上し、たわみによる変形が抑止されて、さらなる寿命向上が図られる。

以下に、上記特殊な浸炭窒化熱処理が施された母材１１について説明する。

拡散層ＤＲは、複数の化合物粒以外に、複数のマルテンサイトブロックを有している。拡散層ＤＲ中における化合物粒の平均粒径は、０．３μｍ以下である。拡散層ＤＲ中における化合物粒の平均粒径は、０．２５μｍ以下であることが好ましい。拡散層ＤＲ中における化合物粒の面積比率は、３％以上である。拡散層ＤＲ中における化合物粒の面積比率は、８％以上であることが好ましい。拡散層ＤＲ中における化合物粒の面積比率は、例えば１０％以下である。

なお、拡散層ＤＲ中における化合物粒の平均粒径および面積比率は、以下の方法で測定される。第１に、拡散層ＤＲの断面研磨が行われる。第２に、研磨面の腐食が行われる。第３に、腐食が行われた研磨面に対して、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscopy）撮影が行われる（以下においては、ＳＥＭ撮影によって得られた画像を、「ＳＥＭ画像」という）。なお、ＳＥＭ画像は、十分な数（２０個以上）の化合物粒が含まれるように撮影される。第４に、得られたＳＥＭ画像に対して画像処理を行うことにより、当該ＳＥＭ画像中における各々の化合物粒の面積および化合物粒の総面積が算出される。

化合物粒の円相当径と化合物粒の面積との間には、π×（化合物粒の円相当径）²／４＝化合物粒の面積、の関係が成立する。そのため、当該ＳＥＭ画像中に表示されている各々の化合物粒の面積を４／πで除した値の平方根を計算することにより、当該ＳＥＭ画像中に表示されている各々の化合物粒の円相当径が算出される。当該ＳＥＭ画像中に表示されている各々の化合物粒の円相当径の合計を当該ＳＥＭ画像中に表示されている化合物粒の数で除した値が、拡散層ＤＲ中における化合物粒の平均粒径とされる。当該ＳＥＭ画像中に表示されている化合物粒の総面積を当該ＳＥＭ画像の面積で除した値が、拡散層ＤＲ中における化合物粒の面積比率とされる。

マルテンサイトブロックは、結晶方位が揃った結晶により構成されているマルテンサイト相のブロックである。マルテンサイト相は、炭素が固溶した鉄のオーステナイト相を急冷することにより得られる非平衡相である。第１のマルテンサイト相のブロックの結晶方位と第１のマルテンサイト相のブロックに隣接する第２のマルテンサイト相のブロックの結晶方位とのずれが１５°以上である場合、第１のマルテンサイト相のブロックと第２のマルテンサイト相のブロックとは、異なるマルテンサイトブロックである。他方、第１のマルテンサイト相のブロックの結晶方位と第１のマルテンサイト相のブロックに隣接する第２のマルテンサイト相のブロックの結晶方位とのずれが１５°未満である場合、第１のマルテンサイト相のブロックと第２のマルテンサイト相のブロックとは、１つのマルテンサイトブロックを構成している。

拡散層ＤＲ中におけるマルテンサイトブロックの最大粒径は、３．８μｍ以下である。拡散層ＤＲ中におけるマルテンサイトブロックの最大粒径は、例えば３．６μｍ以上である。

結晶粒径が１μｍ以下の拡散層ＤＲ中に含まれるマルテンサイトブロックは、第１群を構成している。拡散層ＤＲ中に含まれているマルテンサイトブロックの総面積に対する第１群を構成しているマルテンサイトブロックの面積比率は、０．５５以上０．７５以下であることが好ましい。

拡散層ＤＲに含まれるマルテンサイトブロックは、第２群と、第３群とに区分されていてもよい。第２群に属するマルテンサイトブロックの結晶粒径の最大値は、第３群に属するマルテンサイトブロックの結晶粒径の最小値よりも小さい。第３群に属するマルテンサイトブロックの総面積を拡散層ＤＲに含まれるマルテンサイトブロックの総面積で除した値は、０．５以上である。第３群に属する結晶粒径が最も大きいマルテンサイトブロックを除く第３群に属するマルテンサイトブロックの総面積を拡散層ＤＲに含まれるマルテンサイトブロックの総面積で除した値は、０．５未満である。

このことを別の観点からいえば、第２群に含まれるマルテンサイトブロックと第３群に属するマルテンサイトブロックとは、以下の方法により区分される。すなわち、第１に、各々のマルテンサイトブロックを、結晶粒径が最も小さいものから順次第１群に割り当てていくとともに、マルテンサイトブロックの総面積に対する第２群に割り当てられたマルテンサイトブロックの総面積が順次計算される。第２に、マルテンサイトブロックの総面積に対する第２群に割り当てられたマルテンサイトブロックの総面積の割合が５０％を超えない限界に達した時点で、第２群へのマルテンサイトブロックの割り当てが停止される。第３に、第２群に割り当てられていないマルテンサイトブロックが、第３群に割り当てられる。

好ましくは、第３群に含まれるマルテンサイトブロックの平均粒径は、０．７μｍ以上１．４μｍ以下である。好ましくは、第３群に含まれるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比は、２．５以上２．８以下である。

拡散層ＤＲに含まれるマルテンサイトブロックは、第４群と、第５群とに区分されていてもよい。第４群に属するマルテンサイトブロックの結晶粒径の最大値は、第５群に属するマルテンサイトブロックの結晶粒径の最小値よりも小さい。第５群に属するマルテンサイトブロックの総面積を拡散層ＤＲに含まれるマルテンサイトブロックの総面積で除した値は、０．７以上である。第５群に属する結晶粒径が最も大きいマルテンサイトブロックを除く第５群に属するマルテンサイトブロックの総面積を拡散層ＤＲに含まれるマルテンサイトブロックの総面積で除した値は、０．７未満である。

このことを別の観点からいえば、第４群に含まれるマルテンサイトブロックと第５群に属するマルテンサイトブロックとは、以下の方法により区分される。すなわち、第１に、各々のマルテンサイトブロックを、結晶粒径が最も小さいものから順次第４群に割り当てていくとともに、マルテンサイトブロックの総面積に対する第４群に割り当てられたマルテンサイトブロックの総面積が順次計算される。第２に、マルテンサイトブロックの総面積に対する第４群に割り当てられたマルテンサイトブロックの総面積の割合が３０％を超えない限界に達した時点で、第４群へのマルテンサイトブロックの割り当てが停止される。第３に、第４群に割り当てられていないマルテンサイトブロックが、第５群に割り当てられる。

好ましくは、第５群に含まれるマルテンサイトブロックの平均粒径は、０．７μｍ以上１．１μｍ以下である。好ましくは、第５群に含まれるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比は、２．４以上２．６以下である。

拡散層ＤＲ中におけるマルテンサイトブロックの結晶粒径およびマルテンサイトブロックのアスペクト比は、ＥＢＳＤ（Electron BackScattered Diffraction）法を用いて測定される。

第１に、ＥＢＳＤ法に基づいて、拡散層ＤＲにおける断面画像が撮影される（以下においては、「ＥＢＳＤ画像」という）。なお、ＥＢＳＤ画像は、十分な数（２０個以上）のマルテンサイトブロックが含まれるように撮影される。ＥＢＳＤ画像に基づいて、隣接するマルテンサイト相のブロックの結晶方位のずれが特定される。これにより、各々のマルテンサイトブロックの境界が特定される。第２に、特定されたマルテンサイトブロックの境界に基づいて、ＥＢＳＤ画像に表示されている各々のマルテンサイトブロックの面積および形状が算出される。

より具体的には、ＥＢＳＤ画像に表示されている各々のマルテンサイトブロックの面積を４／πで除した値の平方根を計算することにより、ＥＢＳＤ画像に表示されている各々のマルテンサイトブロックの円相当径が算出される。ＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイトブロックの円相当径のうち、最も大きな値が、拡散層ＤＲ中におけるマルテンサイトブロックの最大粒径とされる。

上記のように算出された各々のマルテンサイトブロックの円相当径に基づいて、ＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイトブロックのうち、第１群に属するマルテンサイトブロックが決定される。ＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイトブロックのうち第１群に属するマルテンサイトブロックの総面積を、ＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイトブロックの総面積で除した値は、第１群に属する拡散層ＤＲ中のマルテンサイトブロックの総面積を拡散層ＤＲ中のマルテンサイトブロックの総面積により除した値とされる。

上記のように算出された各々のマルテンサイトブロックの円相当径に基づいて、ＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイトブロックは、第２群と第３群とに分類される（または、第４群と第５群とに分類される）。第３群（または第５群）に分類されたＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイトブロックの円相当径の合計を第３群（または第５群）に分類されたＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイトブロックの個数で除した値が、第３群に属する（または第５群に属する）拡散層ＤＲ中のマルテンサイトブロックの平均粒径とされる。

ＥＢＳＤ画像に表示されている各々のマルテンサイトブロックの形状から、ＥＢＳＤ画像に表示されている各々のマルテンサイトブロックの形状が最小二乗法により楕円近似される。この最小二乗法による楕円近似は、S. Biggin and D. J. Dingley, Journal of Applied Crystallography, （1977）10, 376-378に記載の方法にしたがって行われる。この楕円形状において、長軸の寸法を短軸の寸法で除することにより、ＥＢＳＤ法画像に表示されている各々のマルテンサイトブロックのアスペクト比が算出される。第３群（または第５群）に分類されたＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイトブロックのアスペクト比の合計を第３群（または第５群）に分類されたＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイトブロックの個数で除した値が、第３群に属する（または第５群に属する）拡散層ＤＲ中のマルテンサイトブロックの平均アスペクト比とされる。

拡散層ＤＲ中には、複数の旧オーステナイト粒が含まれている。なお、旧オーステナイト粒は、後述する保持工程Ｓ１３ａおよびＳ１４ａ（図５）において形成されるオーステナイト粒の結晶粒界（旧オーステナイト粒界）により画される領域である。旧オーステナイト粒の平均粒径は、８μｍ以下であることが好ましい。旧オーステナイト粒の平均粒径は、６μｍ以下であることがさらに好ましい。

なお、拡散層ＤＲ中における旧オーステナイト粒の平均粒径は、以下の方法で測定される。第１に、拡散層ＤＲの断面研磨が行われる。第２に、研磨面の腐食が行われる。第３に、腐食が行われた研磨面に対して、光学顕微鏡撮影が行われる（以下においては、光学顕微鏡撮影によって得られた画像を、「光学顕微鏡画像」という）。なお、光学顕微鏡画像は、十分な数（２０個以上）の旧オーステナイト粒が含まれるように撮影される。第４に、得られた光学顕微鏡画像に対して画像処理を行うことにより、当該光学顕微鏡画像中における各々の旧オーステナイト粒の面積が算出される。

光学顕微鏡画像に表示されている各々の旧オーステナイト粒の面積を４／πで除した値の平方根を計算することにより、光学顕微鏡像に表示されている各々の旧オーステナイト粒の円相当径が算出される。光学顕微鏡像に表示されている各々の旧オーステナイト粒の円相当径の合計を光学顕微鏡像に表示されている旧オーステナイト粒の数で除した値が、拡散層ＤＲ中における旧オーステナイト粒の平均粒径とされる。

母材１１の表面（外周面）と母材１１の表面から１０μｍの距離にある深さ位置との間にある拡散層ＤＲ中における平均炭素濃度は、０．７質量％以上であることが好ましい。母材１１の表面（外周面）と母材１１の表面から１０μｍの距離にある深さ位置との間にある拡散層ＤＲ中における平均炭素濃度は、１．２質量％以下であることが好ましい。

母材１１の表面（外周面）と母材１１の表面から１０μｍの距離にある深さ位置との間にある拡散層ＤＲ中における平均窒素濃度は、０．２質量％以上であることが好ましい。母材１１の表面（外周面）と母材１１の表面から１０μｍの距離にある深さ位置との間にある拡散層ＤＲ中における平均窒素濃度は、０．４質量％以下であることが好ましい。

母材１１の表面（外周面）と母材１１の表面から１０μｍの距離にある深さ位置との間にある拡散層ＤＲ中における平均炭素濃度および平均窒素濃度は、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）を用いて測定される。

＜変速機用軸１の製造方法＞
次に、一実施形態に係る変速機用軸１の製造方法を図４～図６を用いて説明する。

図４は、一実施形態に係る変速機用軸の製造方法を示すフロー図である。図５は、図４における浸炭窒化熱処理の工程を細分化して示すフロー図である。図６は、一実施形態に係る変速機用軸の製造方法におけるヒートパターンを示すグラフである。

図４に示されるように、本実施形態に係る変速機用軸の製造方法は、鋼材を準備する工程Ｓ１と、浸炭窒化熱処理を実施する工程Ｓ２と、研削、スーパーフィニッシュ、ホーニング加工などを実施する工程Ｓ３と、四三酸化鉄皮膜１２を形成する工程Ｓ４とを有している。工程Ｓ１においては、クロム鋼、クロムモリブデン鋼およびニッケルクロムモリブデン鋼のいずれかの材質からなる鋼材が準備される。

工程Ｓ２においては、工程Ｓ１において準備された鋼材に浸炭窒化熱処理が施される。この浸炭窒化熱処理においては、例えばアンモニア（ＮＨ₃）のガスを含む雰囲気ガスが用いられる。工程Ｓ３においては、浸炭窒化熱処理が施された鋼材に、研削、スーパーフィニッシュ、ホーニング加工などが実施される。これにより鋼材は、変速機用軸１としての外径寸法に仕上げられる。

この後、工程Ｓ４において、鋼材の表面に四三酸化鉄皮膜１２が形成される。四三酸化鉄皮膜１２は、例えば黒染め処理法といわれる化成処理により形成される。本実施形態においては、鋼材は１３０℃以上１６０℃以下の水酸化ナトリウムを主成分とする強アルカリ水溶液中に３分以上浸漬される。これにより図３に示されるように、母材１１の表面上に四三酸化鉄皮膜１２が形成され、本実施形態の変速機用軸１が製造される。

なお工程Ｓ２における浸炭窒化熱処理として、図５および図６に示す特殊な浸炭窒化熱処理が実施されてもよい。以下、この特殊な浸炭窒化熱処理について説明する。

図５に示されるように、特殊な浸炭窒化熱処理は、浸炭窒化工程Ｓ１１と、拡散工程Ｓ１２と、一次焼き入れ工程Ｓ１３と、二次焼き入れ工程Ｓ１４と、焼き戻し工程Ｓ１５とを有している。

浸炭窒化工程Ｓ１１においては、例えば図４に示す工程Ｓ１で準備されたクロムモリブデン鋼からなる鋼材の表面に対する浸炭窒化が行われる。浸炭窒化工程Ｓ１１は、鋼材を、所定の温度（以下においては、「第１保持温度」という）において、所定の時間（以下においては、「第１保持時間」という）炉内に保持することにより行われる。炉内雰囲気には、例えば、吸熱型変成ガス（Ｒガス）およびアンモニアを含有するガスが用いられる。第１保持温度は、例えば９３０℃以上９４０℃以下である。第１保持時間は、例えば１０時間以上１５時間以下である。

拡散工程Ｓ１２においては、浸炭窒化工程Ｓ１１において鋼材の表面から導入された炭素および窒素が鋼材の内部へと拡散する。拡散工程Ｓ１２は、所定の温度（以下においては、「第２保持温度」という）において、所定の時間（以下においては、「第２保持時間」という）炉内に保持することにより行われる。炉内雰囲気には、例えば、吸熱型変成ガス（Ｒガス）およびアンモニアを含有するガスが用いられる。第２保持温度は、例えば９３０℃以上９４０℃以下である。第２保持時間は、例えば５時間以上１０時間以下である。

拡散工程Ｓ１２においては、以下の式（１）および式（２）により定義されるαが、浸炭窒化工程Ｓ１１よりも低くなるように調整される。αの調整は、式（１）および式（２）から明らかなとおり、雰囲気中の一酸化炭素の量、二酸化炭素の量および未分解のアンモニアの量を調整することにより行われる。なお、雰囲気中の未分解のアンモニアの量は、０．１体積％以上であることが好ましい。

一次焼き入れ工程Ｓ１３においては、鋼材に対する焼き入れが行われる。一次焼き入れ工程Ｓ１３は、保持工程Ｓ１３ａと、冷却工程Ｓ１３ｂとを有している。保持工程Ｓ１３ａは、鋼材を所定の温度（以下においては、「第３保持温度」という）において所定の時間（以下においては「第３保持時間」という）炉内に保持することにより行われる。なお、一次焼き入れ工程Ｓ１３においては、炉内の雰囲気にアンモニアは含まれていない。第３保持温度は、鋼材を構成する鋼のＡ１変態点以上の温度であって、第１保持温度および第２保持温度よりも低い温度である。第３保持温度は、例えば８５０℃以上９３０℃未満である。好ましくは、第３保持温度は、８６０℃以上８８０℃以下である。第３保持時間は、例えば０．５時間以上２時間以下である。冷却工程Ｓ１３ｂにおいては、第３保持温度からＭｓ点以下の温度まで、鋼材の冷却が行われる。冷却工程Ｓ１３ｂは、例えば油冷により行われる。

二次焼き入れ工程Ｓ１４においては、鋼材の焼き入れが行われる。二次焼き入れ工程Ｓ１４は、保持工程Ｓ１４ａと、冷却工程Ｓ１４ｂとを有している。保持工程Ｓ１４ａは、鋼材を所定の温度（以下においては、「第４保持温度」という）において所定の時間（以下においては「第４保持時間」という）炉内に保持することにより行われる。なお、二次焼き入れ工程Ｓ１４においては、炉内の雰囲気にアンモニアは含まれていない。第４保持温度は、鋼材を構成する鋼のＡ１変態点以上の温度であって、第３保持温度よりも低い温度である。第４保持温度は、例えば鋼材を構成する鋼のＡ１変態点以上８５０℃以下である。第４保持温度は、８２０℃以上８４０℃以下であることが好ましい。第４保持時間は、例えば１時間以上２時間以下である。冷却工程Ｓ１４ｂにおいては、第４保持温度からＭｓ点以下の温度まで、鋼材の冷却が行われる。冷却工程Ｓ１４ｂは、例えば油冷により行われる。

拡散層ＤＲ中の化合物粒は、主として保持工程Ｓ１３ａおよび保持工程Ｓ１４ａにおいて析出する。鋼中における炭素および窒素の固溶限は、保持温度が高くなるほど大きくなる（保持温度が低くなるほど小さくなる）。第３保持温度は、保持工程Ｓ１３ａにおける拡散層ＤＲ中に化合物粒が過大に析出することを避けるため、通常の焼き入れ時の保持温度よりも高く設定されている（通常の焼き入れ時よりも鋼中における炭素および窒素の固溶限が相対的に広くなるように設定されている）。

保持工程Ｓ１４ａにおいては、保持工程Ｓ１３ａにおいて既に化合物粒が析出している。つまり、保持工程Ｓ１４ａにおいては、母材中の炭素濃度および窒素濃度が低下しており、保持工程Ｓ１３ａよりも相対的に化合物粒が析出しにくくなっている。そのため、第４保持温度は、鋼中における窒素および炭素の固溶限を狭くして保持工程Ｓ１４ａにおける化合物粒の析出を促進するため、第３保持温度よりも低く設定されている。これにより、拡散層ＤＲ中における化合物粒の面積比率と３％以上とすることができる。また、第４保持温度を第３保持温度よりも低く設定することにより、保持工程Ｓ１３ａおよび保持工程Ｓ１４ａにおいて析出した化合物粒の粗大化を抑制することができるため、拡散層ＤＲ中における化合物粒の平均粒径を０．３μｍ以下とすることができる。

保持工程Ｓ１３ａおよび保持工程Ｓ１４ａにおいては、上記のようにして多量かつ微細に析出させた化合物粒のピン止め効果によりオーステナイト結晶粒の成長が抑制され、オーステナイト結晶粒が微細なままとされる。マルテンサイト変態に際しては、１つのオーステナイト結晶粒内に複数のマルテンサイトブロックが形成される。このことを別の観点からいえば、１つのマルテンサイトブロックは、複数のオーステナイト結晶粒に跨って形成されることはない。そのため、オーステナイト結晶粒が微細化されるほど、それに含まれるマルテンサイトブロックも微細化される。

焼き戻し工程Ｓ１５においては、鋼材に対する焼き戻しが行われる。焼き戻し工程Ｓ１５は、鋼材を、所定の温度（以下においては、「第５保持温度」という）において所定の時間（以下においては、「第５保持時間」という）炉内に保持した後に冷却することにより行われる。第５保持温度は、鋼材を構成する鋼のＡ１変態点以下の温度である。第５保持温度は、例えば１５０℃以上３５０℃以下である。第４保持時間は、例えば０．５時間以上５時間以下である。焼き戻し工程Ｓ１５における冷却は、例えば空冷により行われる。

以上の工程Ｓ１１～Ｓ１５により、図４の工程Ｓ２に示す浸炭窒化熱処理が行なわれる。

図６は、実施形態に係る変速機用軸の製造方法におけるヒートパターンを示すグラフである。図６には、上記の第１保持温度～第５保持温度および第１保持時間～第５保持時間の関係が模式的に示されている。

＜本実施形態の作用効果＞
次に、本実施形態の変速機用軸の作用効果について図７（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明する。

図７は、軌道面がストレートの状態（Ａ）と軌道面にたわみがある状態(Ｂ)との各々における針状ころの駆動力と軌道面に作用する荷重分布とを示す図である。図７（Ａ）に示されるように、軌道面１ｂが軸方向にストレートの場合、ころ（転動体）２越しに軌道面１ｂに負荷される荷重分布はほぼ均等となる。これによりころ２の駆動力もころ２の軸方向にほぼ均等となる。

これに対して図７（Ｂ）に示されるように、変速機用軸１の両端が固定された状態で変速機用軸１のおよそ中央部分に荷重が負荷される。このため、軌道面１ｂが軸方向にたわみ、曲げ応力が作用した状態で変速機用軸１は使用される。軌道面１ｂがたわんでいる場合、軌道面１ｂ上を転動するころ２の形状の左右差などによりスキューが生じやすくなり、滑りが大きくなる。このため、油膜切れが発生しやすく、金属接触による表面損傷の危険性が高くなる。

四三酸化鉄皮膜１２は、多孔質の表面を有し、表面に凹部を含んだ構造をしている。このため四三酸化鉄皮膜１２が形成されることにより、表面の凹部に油が保持されて油膜形成能力が向上し、希薄潤滑条件下における寿命が向上する。

また四三酸化鉄皮膜１２は相手材（針状ころ）に比べて軟らかい。このため、加工目による凹凸部または異物を噛みこんだ際にできる圧痕周辺の凸部が早期に摩滅し、実使用における金属接触を低減させることができる。なお寿命試験において、運転初期段階で四三酸化鉄皮膜１２に０．８μｍ程度の摩耗が発生し、破損発生まで摩耗が進行しなかった。このことから四三酸化鉄皮膜１２の厚みは、０．８μｍ以上（好ましくは１μｍ以上）必要である。また四三酸化鉄皮膜１２を厚膜化した場合に黒染め処理の時間が長くなりコストアップにつながるため、四三酸化鉄皮膜１２の厚みは２μｍ以下であることが望ましい。

黒染め処理によれば、一度に複数の製品を処理することが可能であり、処理追加によるコストアップを抑えることができる。また黒染め処理時に表面粗さが向上するため、変速機用軸１の加工工数を抑えることができる。

なお、一方方向荷重が長時間作用した場合、時間と共に大きくなる微小な塑性変形（クリープ）が懸念される。しかし、図５および図６に示される特殊な浸炭窒化熱処理を施した変速機用軸１では、結晶粒の微細化と析出化合物の増加とにより、最大曲げ応力が作用する表層部の降伏応力が大きくなる。このため、一般的な浸炭窒化処理品よりもクリープ変形を抑えることができ、長時間たわみによる変形を最小限に抑えることができる。また、図５および図６に示される特殊な浸炭窒化熱処理では従来の浸炭窒化処理に比べて、母材１１の疲労強度と耐表面損傷性能とが向上しており、さらに寿命が向上される。

以下に、実施形態に係る変速機用軸１の効果を確認するために行った実験（以下において「本実験」という）を説明する。

＜試料＞
本実験には、試料１および試料２が用いられた。試料１および試料２に用いられた鋼材は、表１に示されるようにＳＣＭ４３５（ＪＩＳ Ｇ ４０５３：２０１６）である。試料１および試料２の各々は、針状ころ軸受装置の内方部材である回転軸である。

表２に示されるように、試料１および試料２の各々に対しては、第１保持温度が９３０℃以上９４０℃以下、第１保持時間が１３時間の条件で浸炭窒化工程Ｓ１１が行われた。試料１および試料２の各々に対しては、第２保持温度が９３０℃以上９４０℃以下、第２保持時間が６時間の条件で拡散工程Ｓ１２が行われた。なお、浸炭窒化工程Ｓ１１および拡散工程Ｓ１２における雰囲気中の一酸化炭素量、二酸化炭素量、およびアンモニア量は、それぞれ１１体積％以上１７体積％以下、０．０５体積％以上０．１５体積％以下、０．１体積％以上０．３体積％以下とされた。

試料１および試料２の各々に対して、第３保持温度が８７０℃、第３保持時間が１時間の条件で一次焼き入れ工程Ｓ１３が行われた。この後、試料１に対して、第４保持温度が８３０℃、第４保持温度が１．５時間の条件で二次焼き入れ工程Ｓ１４が行われた。試料２には、この二次焼き入れ工程Ｓ１４が行われなかった。この後、試料１および試料２の各々に対して、第５保持温度が１８０℃、第５保持時間が３時間の条件で焼き戻し工程Ｓ１５が行われた。この後、試料１および試料２の各々に対して、加工工程Ｓ３として、研磨量が１５０μｍの機械研磨が行われた。

＜炭素濃度および窒素濃度の測定＞
図８は、試料１に対するＥＰＭＡによる炭素濃度および窒素濃度の測定結果を示すグラフである。図９は、試料２に対するＥＰＭＡによる炭素濃度および窒素濃度の測定結果を示すグラフである。なお、図８および図９においては、横軸は試料１および試料２の表面からの距離（単位：ｍｍ）であり、縦軸は炭素濃度および窒素濃度（単位：質量％濃度）である。

図８に示されるように、試料１の表面近傍においては、炭素濃度および窒素濃度に、鋭いピークが多数確認された。この結果から、試料１においては、表面近傍に炭化物、窒化物および炭窒化物などの微細な化合物粒が析出していることが実験的に確認された。また、試料１においては、表面と表面から１０μｍの距離にある深さ位置との間の領域における平均炭素濃度が０．７％以上１．２％以下の範囲内にあり、当該領域における平均窒素濃度が０．２質量％以上０．４質量％以下の範囲内にあった。他方、図９に示されるように、試料２の表面近傍において、炭素濃度および窒素濃度に、鋭いピークが多数確認されなかった。この結果から、試料２においては、表面近傍に炭化物、窒化物および炭窒化物などの微細な化合物粒が析出していないことが実験的に確認された。

＜組織観察＞
図１０は、試料１の表面近傍における電子顕微鏡像である。図１０に示されるように、試料１の表面近傍においては、０．２μｍ以上３．０μｍ以下の化合物粒が多数析出していることが確認された。また、試料１の表面近傍においては、化合物粒の平均粒径が約０．２５μｍであることが確認された。さらに、試料１の表面近傍においては、化合物粒の面積比率が約８％であることが確認された。

図１１は、試料２の表面近傍における電子顕微鏡像である。図１１に示されるように、試料２の表面近傍においては、化合物粒の面積比率が約１％であることが確認された。

また試料１の表面近傍におけるＥＢＳＤ画像を確認したところ、試料１の表面近傍においては、マルテンサイトブロックの最大粒径が３．６μｍ以上３．８μｍ以下の範囲内にあることが確認された。また、試料１の表面近傍においては、マルテンサイトブロックの面積の９０％以上を結晶粒径が２μｍ以下のマルテンサイトブロックが占めていることが確認された。さらに、試料１の表面近傍においては、マルテンサイトブロックの面積の５５％以上７５％以下を結晶粒径が１μｍ以下のマルテンサイトブロックが占めていることが確認された。

また試料２の表面近傍におけるＥＢＳＤ画像を確認したところ、試料２の表面近傍においては、マルテンサイトブロックの最大粒径が５．１μｍ以上７．３μｍ以下の範囲内にあることが確認された。また、試料２の表面近傍においては、マルテンサイトブロックの面積の６５％以上８０％以下を結晶粒径が２μｍ以下のマルテンサイトブロックが占めていることが確認された。さらに、試料２の表面近傍においては、マルテンサイトブロックの面積の３５％以上４５％以下を結晶粒径が１μｍ以下のマルテンサイトブロックが占めていることが確認された。

図１２は、試料１の表面近傍における光学顕微鏡像である。図１２に示されるように、試料１の表面近傍においては、旧オーステナイト粒の平均粒径が４μｍ以上８μｍ以下の範囲にあり、旧オーステナイト粒の結晶粒径は１μｍ以上１０μｍ以下の範囲で分布していることが確認された。図１３は、試料２の表面近傍における光学顕微鏡像である。図１３に示されるように、試料２の表面近傍においては、旧オーステナイト粒の平均粒径が１２μｍ以上２５μｍ以下の範囲にあり、旧オーステナイト粒の結晶粒径は５μｍ以上１００μｍ以下の広い範囲で分布していることが確認された。

図１４は、試料１および試料２の表面近傍における第３群および第５群に属するマルテンサイトブロックの平均粒径を示すグラフである。なお、図１４においては、縦軸は平均粒径（単位：μｍ）を示している。

図１４に示されるように、試料１の表面近傍においては、第３群に属するマルテンサイトブロックの平均粒径が約１．０μｍであった。このことから、試料１においては、第３群に属するマルテンサイトブロックの平均粒径が、０．７μｍ以上１．４μｍ以下の範囲内にあることが確認された。

図１４に示されるように、試料１の表面近傍においては、第５群に属するマルテンサイトブロックの平均粒径が約０．８μｍであった。このことから、試料１においては、第５群に属するマルテンサイトブロックの平均粒径が、０．６μｍ以上１．１μｍの範囲内にあることが確認された。

他方で、試料２の表面近傍においては、第３群に属するマルテンサイトブロックの平均粒径が約１．７μｍであった。また、試料２の表面近傍においては、第５群に属するマルテンサイトブロックの平均粒径が約１．３μｍであった。

図１５は、試料１および試料２の表面近傍における第３群および第５群に属するマルテンサイトブロックの平均アスペクト比を示すグラフである。なお、図１５においては、縦軸は平均アスペクト比を示している。

図１５に示されるように、試料１の表面近傍においては、第３群に属するマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が、約２．８であった。このことから、試料１においては、第３群に属するマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が２．５以上２．８以下の範囲内にあることが確認された。

図１５に示されるように、試料１の表面近傍においては、第５群に属するマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が、約２．６であった。このことから、試料１においては、第５群に属するマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が２．４以上２．６以下の範囲内にあることが確認された。

他方で、試料２の表面近傍においては、第３群に属するマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が、約３．２であった。また、試料２の表面近傍においては、第５群に属するマルテンサイトブロックの平均アスペクト比は、約３．０であった。

＜異物混入潤滑下における転動疲労寿命試験＞
試料１～試料４の各々における変速機用軸と保持器付き針状ころ軸受と外方部材とを用いて、異物混入潤滑下における転動疲労試験（以下においては、「転動疲労試験」という）が行なわれた。試料３は試料１に黒染め処理を施した変速機用軸であり、試料４は試料２に黒染め処理を施した変速機用軸である。試料３および４の各々に施した黒染め処理は、約１３０℃の水酸化ナトリウムを主成分とする強アルカリ水溶液中に１０分以上浸漬することにより行なわれた。この黒染め処理により形成された四三酸化鉄皮膜の厚みは１．８μｍであった。

転動疲労試験においては、潤滑はエンジン油ＳＡＥ３０を用いた油浴潤滑とされ、荷重は２４．５ｋＮとされ、変速機用軸に対する外方部材の相対的な回転速度は２１５０ｒｐｍとされた。

転動疲労試験においては、Ｌ₁₀寿命（試験開始から剥離が発生するまでの時間を統計的に解析し、累積破損確率が１０％となるときの試験時間）、Ｌ₅₀寿命（試験開始から剥離が発生するまでの時間を統計的に解析し、累積破損確率が５０％となるときの試験時間）で評価を行った。その結果を以下の表３に示す。

表３の結果から、一般的な浸炭窒化を施され、かつ黒染め処理が施されていない試料２を基準として、一般的な浸炭窒化を施され、かつ黒染め処理が施された試料４の寿命が向上していることが分かった。また図５、６に示す浸炭窒化熱処理が施され、かつ黒染め処理が施された試料３の寿命は、試料２を基準として大幅に向上することが分かった。また試料３の寿命は、図５、６に示す浸炭窒化熱処理が施され、かつ黒染め処理が施されていない試料１を基準としても向上することが分かった。

以上より黒染め処理が施されることにより黒染め処理が施されない場合よりも寿命が向上することが分かった。また図５、６に示す特殊な浸炭窒化熱処理を施したうえで黒染め処理を施すことにより寿命が大幅に向上することが分かった。

今回開示された実施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。

１ 変速機用軸、１ａ 油路、１ｂ，４ｂ 軌道面、２ 針状ころ、３ 保持器、３ａ ポケット、４ 遊星歯車、４ａ 歯、１０ 軸受装置、１１ 母材、１２ 四三酸化鉄皮膜、ＤＲ 拡散層、ＩＰ 内部。

Claims (7)

1. 変速機に用いられ、針状ころが転動する軌道面を有する変速機用軸であって、
   クロム鋼、クロムモリブデン鋼およびニッケルクロムモリブデン鋼のいずれかの材質からなり、かつ鉄の炭化物、鉄の窒化物および鉄の炭窒化物の少なくとも１つの結晶粒を含む拡散層を表面に有する母材と、
   前記母材の前記表面上に形成され、少なくとも前記軌道面に配置された四三酸化鉄皮膜と、を備え、
   前記母材の材質におけるクロムの含有量は、０．９０ｗｔ％以上１．２０ｗｔ％以下であり、
   前記四三酸化鉄皮膜の厚みは、１μｍ以上２μｍ以下である、変速機用軸。
2. 前記母材は、クロムモリブデン鋼からなる、請求項１に記載の変速機用軸。
3. 前記母材の前記表面における旧オーステナイト結晶粒の平均粒径は、８μｍ以下である、請求項２に記載の変速機用軸。
4. 前記拡散層中における前記少なくとも１つの結晶粒を含む化合物粒の面積比率は３％以上であり、前記化合物粒の平均粒径は０．３μｍ以下である、請求項２または請求項３に記載の変速機用軸。
5. 前記拡散層は、複数のマルテンサイトブロックを含む、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の変速機用軸。
6. 前記マルテンサイトブロックの最大粒径は、３．８μｍ以下である、請求項５に記載の変速機用軸。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の変速機用軸と、
   前記変速機用軸の前記軌道面を転動する複数の針状ころと、を備えた、軸受装置。

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