WO2022153770A1 - 軸部材 - Google Patents

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WO2022153770A1
WO2022153770A1 PCT/JP2021/046283 JP2021046283W WO2022153770A1 WO 2022153770 A1 WO2022153770 A1 WO 2022153770A1 JP 2021046283 W JP2021046283 W JP 2021046283W WO 2022153770 A1 WO2022153770 A1 WO 2022153770A1
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WO
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less
distance
peripheral surface
shaft member
outer peripheral
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PCT/JP2021/046283
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直哉 嘉村
良典 杉崎
勇樹 小川
聖也 丸亀
Original Assignee
Ntn株式会社
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Publication date
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/34—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with more than 1.5% by weight of silicon
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/22—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings
    • F16C19/24—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for radial load mainly
    • F16C19/26—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for radial load mainly with a single row of rollers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H57/00—General details of gearing
    • F16H57/08—General details of gearing of gearings with members having orbital motion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/28—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for plain shafts

Definitions

  • the present invention relates to a shaft member.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-1521 describes a pinion shaft.
  • the amount of retained austenite in the core portion is 0% by volume.
  • the pinion shaft described in Patent Document 1 has a hardness of 650 Hv or more on the outer peripheral surface.
  • the pinion shaft is used in a high temperature environment where a moment load is applied. Therefore, the pinion shaft may creep and deform with use.
  • the pinion shaft described in Patent Document 1 since the amount of retained austenite in the core portion is 0% by volume, the occurrence of creep deformation due to use is suppressed. Further, in the pinion shaft described in Patent Document 1, since the hardness on the outer peripheral surface is 650 Hv or more, the rolling fatigue life is improved.
  • the pinion shaft described in Patent Document 1 has room for improvement in resistance to creep deformation and rolling fatigue life. That is, in the pinion shaft described in Patent Document 1, since the depth of the surface-hardened layer existing on the outer peripheral surface and the distance from the outer peripheral surface to the core portion are not specified, resistance to creep deformation and rolling fatigue life Can be inadequate.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art. More specifically, the present invention provides a shaft member capable of suppressing creep deformation and improving rolling fatigue life in a high temperature environment in which a moment load is applied.
  • the shaft member according to the first aspect of the present invention is made of steel and includes an outer peripheral surface that comes into contact with a rolling element.
  • the hardness is 653 Hv or more.
  • the amount of retained austenite is 7% by volume or less.
  • the first distance is larger than the radial distance from the outer peripheral surface to the position where the maximum shear stress when the rolling element and the outer peripheral surface come into contact is 650 MPa.
  • the second distance is 1.5 times or less the distance in the radial direction from the outer peripheral surface to the position where the maximum shear stress when the rolling element and the outer peripheral surface come into contact is 650 MPa.
  • the shaft member is made of steel and includes an outer peripheral surface that comes into contact with the rolling element.
  • the hardness is 653 Hv or more.
  • the amount of retained austenite is 7% by volume or less.
  • the first distance is 0.038 times or more the diameter when the diameter of the shaft member is less than 12 mm, 0.03 times or more the diameter when the diameter is 12 mm or more and less than 16 mm, and the diameter is 16 mm or more.
  • the second distance is 0.04 times or less of the diameter when the diameter is less than 12 mm, 0.038 times or less of the diameter when the diameter is 12 mm or more and less than 16 mm, and 16 mm or more and less than 20 mm. In some cases, it is 0.03 times or less of the diameter, and in some cases, it is 0.025 times or less of the diameter when the diameter is 20 mm or more.
  • the shaft member is made of steel and includes an outer peripheral surface that comes into contact with the rolling element.
  • the hardness is 653 Hv or more.
  • the amount of retained austenite is 7% by volume or less.
  • the first distance is 0.02 times or more the diameter when the diameter of the shaft member is 12 mm or less.
  • the first distance is 0.015 times or more the diameter when the diameter is more than 12 mm.
  • the second distance is 0.025 times or less the diameter when the diameter is 12 mm or less.
  • the second distance is 0.02 times or less the diameter when the diameter is more than 12 mm.
  • the steel is 0.10% by weight or more and 0.40% by weight or less of carbon, 0.10% by weight or more and 2.50% by weight or less of silicon, and 0.30% by weight or more and 1.20 by weight. It may contain no more than a weight percent manganese, no more than 1.20 weight percent chromium, and no more than 0.30 weight percent molybdenum.
  • the steel is composed of 0.90% by weight or more and 1.20% by weight or less of carbon, 0.10% by weight or more and 2.50% by weight or less of silicon, and 0.50% by weight or less of manganese. , 1.20 weight percent or more and 1.70 weight percent or less, and 0.08 weight percent or less molybdenum may be contained.
  • the steel is 0.90% by weight or more and 1.20% by weight or less of carbon, 0.10% by weight or more and 2.50% by weight or less of silicon, and 0.80% by weight or more and 1.30% by weight. It may contain no more than a percent of manganese, 0.80 percent or more and 1.30 percent or less of chromium, and 0.08 percent or less of molybdenum.
  • the outer peripheral surface may be carburized or carburized and nitrogen-treated.
  • the amount of retained austenite on the outer peripheral surface may be 10% by volume or more and 40% by volume or less.
  • the shaft member may be a pinion shaft for a planetary gear device.
  • the shaft members according to the first and second aspects of the present invention it is possible to suppress creep deformation and improve rolling fatigue life in a high temperature environment where a moment load is applied.
  • FIG. 1 It is a front view of the planetary gear device 100. It is sectional drawing in II-II in FIG. It is an enlarged sectional view of the shaft member 30 in the vicinity of the outer peripheral surface 30a.
  • 6 is a graph showing the relationship between the maximum shear stress and the outer diameter D1 at a position where the distance from the outer peripheral surface 30a in the radial direction of the shaft member 30 is 0.015 times the outer diameter D1.
  • 6 is a graph showing the relationship between the maximum shear stress and the outer diameter D1 at a position where the distance from the outer peripheral surface 30a in the radial direction of the shaft member 30 is 0.02 times the outer diameter D1.
  • 6 is a graph showing the relationship between the maximum shear stress and the outer diameter D1 at a position where the distance from the outer peripheral surface 30a in the radial direction of the shaft member 30 is 0.025 times the outer diameter D1.
  • 6 is a graph showing the relationship between the maximum shear stress and the outer diameter D1 at a position where the distance from the outer peripheral surface 30a in the radial direction of the shaft member 30 is 0.03 times the outer diameter D1.
  • 6 is a graph showing the relationship between the maximum shear stress and the outer diameter D1 at a position where the distance from the outer peripheral surface 30a in the radial direction of the shaft member 30 is 0.038 times the outer diameter D1. It is a process drawing which shows the manufacturing method of a shaft member 30.
  • FIG. 1 is a front view of the planetary gear device 100.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.
  • the planetary gear device 100 includes an internal gear 10, a shaft member 20, a sun gear 21, a shaft member 30, a planetary gear 31, and a carrier 40 (not shown in FIG. 1). Is omitted).
  • the planetary gear device 100 is used, for example, as a speed reducer for an automobile transmission.
  • the internal gear 10 has an annular shape.
  • the internal gear 10 has an inner peripheral surface and an outer peripheral surface.
  • a plurality of teeth are formed on the inner peripheral surface of the internal gear 10 along the circumferential direction of the internal gear 10.
  • the teeth of the internal gear 10 project inward in the radial direction of the internal gear 10 from the inner peripheral surface of the internal gear 10.
  • the shaft member 20 has a cylindrical shape.
  • the position of the central shaft of the shaft member 20 coincides with the position of the central shaft of the internal gear 10.
  • the sun gear 21 has an inner peripheral surface and an outer peripheral surface.
  • a plurality of teeth are formed on the outer peripheral surface of the sun gear 21 along the circumferential direction of the sun gear 21.
  • the teeth of the sun gear 21 project outward from the outer peripheral surface of the sun gear 21 in the radial direction of the sun gear 21.
  • a central hole is formed in the center of the sun gear 21 so as to penetrate the sun gear 21 along the thickness direction.
  • the shaft member 20 is attached to the sun gear 21 by being fitted into the center hole of the sun gear 21.
  • the shaft member 30 has a cylindrical shape.
  • the shaft member 30 has an outer peripheral surface 30a.
  • the detailed configuration of the shaft member 30 will be described later.
  • the planetary gear 31 is arranged between the internal gear 10 and the sun gear 21.
  • a central hole is formed in the center of the planetary gear 31 so as to penetrate the planetary gear 31 in the thickness direction.
  • the outer diameter of the shaft member 30 is the outer diameter D1.
  • the planetary gear 31 has an inner peripheral surface 31a and an outer peripheral surface 31b.
  • the inner wall surface of the central hole of the planetary gear 31 is the inner peripheral surface 31a.
  • a plurality of teeth are formed on the outer peripheral surface 31b along the circumferential direction of the planetary gear 31.
  • the teeth of the planetary gear 31 project from the outer peripheral surface 31b toward the outer side in the radial direction of the planetary gear 31.
  • the teeth of the planetary gear 31 mesh with the teeth of the internal gear 10 and the teeth of the sun gear 21.
  • the shaft member 30 is inserted into the center hole of the planetary gear 31. That is, the shaft member 30 is a so-called pinion shaft.
  • the shaft member 30 is rotatably supported by the inner peripheral surface 31a. More specifically, a plurality of rolling elements 32 are arranged between the outer peripheral surface 30a and the inner peripheral surface 31a. From another point of view, the outer peripheral surface 30a is the surface of the shaft member 30 that comes into contact with the rolling element 32.
  • the rolling element 32 is, for example, a needle-shaped roller.
  • the outer diameter of the rolling element 32 is the outer diameter D2.
  • the outer diameter D2 is 0.5 times or less the outer diameter D1.
  • the carrier 40 is fixed to one end of the shaft member 30 in the axial direction.
  • the sun gear 21 rotates around the central axis of the shaft member 20. Since the teeth of the planetary gear 31 mesh with the teeth of the sun gear 21 and the teeth of the internal gear 10, the planetary gear 31 revolves around the sun gear 21 as the sun gear 21 rotates. The revolution of the planetary gear 31 is transmitted to the carrier 40 via the shaft member 30, and the output shaft (not shown) fixed to the carrier 40 is rotated around the central axis. In this way, according to the planetary gear device 100, the rotation of the input shaft is decelerated and then transmitted to the output shaft.
  • the shaft member 30 is made of steel.
  • the steel constituting the shaft member 30 is preferably a steel having the following first composition, second composition or third composition.
  • the steels of the first composition are composed of 0.10% by weight or more and 0.40% by weight or less of carbon, 0.10% by weight or more and 2.50% by weight or less of silicon, and 0.30. It contains manganese from weight percent to 1.20 weight percent, chromium from 1.20 weight percent or less, and molybdenum from 0.30 weight percent or less.
  • the steel of the first composition does not have to contain chromium and molybdenum.
  • the rest of the steel of the first composition is iron and unavoidable impurities.
  • the steels of the second composition are composed of 0.90% by weight or more and 1.20% by weight or less of carbon, 0.10% by weight or more and 2.50% by weight or less of silicon, and 0.50. It contains no more than 1.20 weight percent manganese, 1.20 weight percent or more and 1.70 weight percent or less chromium, and 0.08 weight percent or less molybdenum.
  • the steel having the second composition does not have to contain molybdenum.
  • the rest of the steel of the second composition is iron and unavoidable impurities.
  • the steels of the second composition are composed of 0.90% by weight or more and 1.20% by weight or less of carbon, 0.10% by weight or more and 2.50% by weight or less of silicon, and 0.80. It contains manganese from weight percent to 1.30 weight percent, chromium from 0.80 weight percent to 1.30 weight percent, and molybdenum from 0.08 weight percent.
  • the steel having the third composition does not have to contain molybdenum.
  • the rest of the steel of the third composition is iron and unavoidable impurities.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the shaft member 30 in the vicinity of the outer peripheral surface 30a.
  • FIG. 3 shows a cross section of the shaft member 30 passing through the central axis.
  • the shaft member 30 has a first region 30b and a second region 30c.
  • the first region 30b is on the outer peripheral surface 30a.
  • the first region 30b is a region in which the distance from the outer peripheral surface 30a in the radial direction of the shaft member 30 is a distance L1 or less.
  • the hardness is 653 Hv or more (58 HRC or more).
  • the position where the maximum shear stress when the rolling element 32 and the outer peripheral surface 30a come into contact is 650 MPa is defined as the position P.
  • the distance L1 is larger than the radial distance of the shaft member 30 from the outer peripheral surface 30a to the position P.
  • the maximum contact surface pressure when the rolling element 32 and the outer peripheral surface 30a are in contact with each other is, for example, 2000 MPa or more and 4000 MPa or less.
  • the second region 30c is a region where the distance from the outer peripheral surface 30a in the radial direction of the shaft member 30 is a distance L2 or more.
  • the amount of retained austenite is 7% by volume or less.
  • the amount of retained austenite in the second region 30c may be 0% by volume.
  • the distance L2 is, for example, a distance L1 or more. However, the distance L2 may be smaller than the distance L1. From another point of view, the first region 30b and the second region 30c may overlap each other in the radial direction of the shaft member 30. If the distance L2 is too large, the second region 30c becomes too thin and creep deformation cannot be suppressed. Therefore, the distance L2 is 1.5 times or less the distance in the radial direction of the shaft member 30 from the outer peripheral surface 30a to the position P. The distance L2 is preferably 1.3 times or less the distance in the radial direction of the shaft member 30 from the outer peripheral surface 30a to the position P.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the maximum shear stress and the outer diameter D1 at a position where the distance from the outer peripheral surface 30a in the radial direction of the shaft member 30 is 0.015 times the outer diameter D1.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the maximum shear stress and the outer diameter D1 at a position where the distance from the outer peripheral surface 30a of the shaft member 30 in the radial direction is 0.02 times the outer diameter D1.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the maximum shear stress and the outer diameter D1 at a position where the distance from the outer peripheral surface 30a of the shaft member 30 in the radial direction is 0.025 times the outer diameter D1.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the maximum shear stress and the outer diameter D1 at a position where the distance from the outer peripheral surface 30a in the radial direction of the shaft member 30 is 0.03 times the outer diameter D1.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the maximum shear stress and the outer diameter D1 at a position where the distance from the outer peripheral surface 30a of the shaft member 30 in the radial direction is 0.038 times the outer diameter D1.
  • the minimum value of the exemplary distance L1 and the maximum value of the distance L2 are set for each outer diameter D1 and outer diameter D2. As shown in Tables 5 and 6.
  • the outer peripheral surface 30a is carburized.
  • the outer peripheral surface 30a may be subjected to carburizing and nitriding treatment.
  • the carburizing treatment is preferably performed so that the carbon concentration on the outer peripheral surface 30a is 0.7% by weight or more.
  • Carburizing The carburizing treatment is preferably performed so that the carbon concentration and the nitrogen concentration on the outer peripheral surface 30a are 0.7% by weight or more and 0.3% by weight or more, respectively.
  • the amount of retained austenite on the outer peripheral surface 30a is preferably 10% by volume or more and 40% by volume or more. If the amount of retained austenite in the region where the distance from the outer peripheral surface 30a is up to 0.01 times the outer diameter D1 is 10% by volume or more and 40% by volume or more, "the amount of retained austenite on the outer peripheral surface 30a is 10% by volume or more". 40% by volume or more "is satisfied.
  • the hardness in the first region 30b is measured by the Vickers hardness test method defined in the JIS standard (JIS Z 2244: 2009).
  • the amount of retained austenite in the first region 30b and the second region 30c is measured by X-ray diffraction. That is, the amount of retained austenite can be obtained by comparing the integrated intensity of the X-ray diffraction peak of austenite with the integrated intensity of the X-ray diffraction peak of the phase other than austenite in the steel.
  • FIG. 9 is a process diagram showing a method of manufacturing the shaft member 30.
  • the method for manufacturing the shaft member 30 includes a preparation step S1, a carburizing and nitriding treatment step S2, a quenching step S3, a tempering step S4, and a post-treatment step S5.
  • the member to be processed is prepared.
  • the carburizing and nitriding treatment step S2 the carburizing and nitriding treatment is performed on the outer peripheral surface of the member to be processed.
  • Carburizing The carburizing treatment is performed by heating and holding the member to be processed in an atmosphere containing carbon and nitrogen.
  • Atmospheric gas used for carburizing and nitrification treatment includes, for example, RX gas, enriched gas and ammonia gas.
  • the heating and holding temperature when the carburizing and nitriding treatment is performed is, for example, a temperature equal to or higher than the A1 transformation point of the steel constituting the member to be processed.
  • the member to be processed is heated and held at a temperature equal to or higher than the A1 transformation point.
  • austenite is generated in the steel constituting the member to be processed.
  • the member to be processed is rapidly cooled to a temperature equal to or lower than the MS transformation point.
  • the member to be processed is heated and held at a temperature lower than the A1 transformation point. As a result, a part of the residual austenite remaining after the quenching step S3 is decomposed.
  • finish processing grinding, polishing, etc.
  • cleaning of the member to be processed are performed. As described above, the shaft member 30 having the structure shown in FIG. 3 is manufactured.
  • the deep cooling treatment step S6 may be further performed after the quenching step S3 is performed and before the tempering step S4 is performed.
  • the member to be processed is cooled to a temperature equal to or lower than the M f transformation point. As a result, a part of the retained austenite remaining after the quenching step S3 is transformed into martensite.
  • the distance L1 and the distance L2 are adjusted by appropriately adjusting the heating temperature and holding time in the tempering step S4 and the cooling temperature in the deep cooling treatment step S6.
  • the rolling fatigue life of the shaft member 30 may be insufficient.
  • the hardness at the position P is sufficient (more specifically, the hardness is 653 Hv or more). ) Can be secured. Therefore, according to the shaft member 30, the rolling fatigue life can be improved.
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the contents of the 4-point bending test. As shown in FIG. 10, the four-point bending test of the test piece W is performed by applying a load to the positions P3 and P4 while being supported at the positions P1 and P2.
  • the dimensions of the test piece W are 140 mm in length, 20 mm in width, and 3 mm in thickness.
  • Positions P1 and P2 are arranged symmetrically with respect to the center of the test piece W in the longitudinal direction.
  • the distance between the position P1 and the position P2 is 120 mm.
  • the distance between the position P3 and the position P4 is 60 mm.
  • Positions P3 and P4 are arranged symmetrically with respect to the center of the test piece W in the longitudinal direction.
  • the load on the test piece W is applied so that the maximum value of the bending stress applied to the test piece W is 200 MPa. This load is applied from the second surface Wb side of the test piece W toward the first surface Wa side. Under the above load, the test piece W is held in the air at 130 ° C. for 50 hours.
  • the amount of warpage of the test piece W is the distance between the end of the test piece W on the second surface Wb in the longitudinal direction and the position on the second surface Wb where the distance from the end is maximize
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the amount of retained austenite in the test piece W and the amount of warpage of the test piece W in the 4-point bending test. As shown in FIG. 11, the smaller the amount of retained austenite in the test piece W before the four-point bending test is performed, the smaller the amount of warpage of the test piece W. Therefore, by setting the amount of retained austenite in the second region 30c to 7% by volume or less, creep deformation of the shaft member 30 can be suppressed.
  • the distance L2 is larger than 1.5 times the radial distance of the shaft member 30 from the outer peripheral surface 30a to the position P, the second region 30c becomes too thin and the amount of retained austenite is set to 7% by volume or less. As a result, the effect of suppressing creep deformation may be insufficient.
  • the distance L2 is 1.5 times or less the distance in the radial direction of the shaft member 30 from the outer peripheral surface 30a to the position P, creep deformation is sufficiently suppressed.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the change in the amount of retained austenite in the test piece W and the amount of warpage of the test piece W before and after the 4-point bending test. As shown in FIG. 12, there is no particular phase between the change in the amount of retained austenite in the test piece W before and after the 4-point bending test and the amount of warpage of the test piece W.
  • test piece W is formed by SUJ3 defined in JIS standard (JIS G 4805: 2019)
  • test piece W is formed by SUJ2 defined in JIS standard.
  • the amount of warpage of the test piece W is smaller than that in the case of forming. That is, the alloy component in the steel constituting the shaft member 30 affects the creep deformation of the shaft member 30.
  • SUJ3 contains a relatively large amount of silicon and manganese as compared with SUJ2.
  • the steel of the first composition has a relatively large silicon content as compared with SUJ2 and SUJ3.
  • the steels of the second composition and the third composition have relatively large contents of silicon and manganese as compared with SUJ2 and SUJ3. Therefore, by forming the shaft member 30 with steel having a first composition or a third composition, creep deformation is further suppressed.
  • the steel having the third composition has a relatively low carbon concentration as compared with SUJ2 and SUJ3. Therefore, by forming the shaft member 30 from the steel having the third composition, creep deformation is further suppressed.
  • the creep deformation of the steel is promoted. Since the steel having the first composition to the third composition has a relatively low chromium content, creep deformation can be suppressed. Further, as a result of suppressing the content of chromium in the steel, the cost of the steel material can be reduced.
  • the outer peripheral surface 30a is carburized or carburized and nitrogen-distilled, the hardness of the shaft member 30 on the outer peripheral surface 30a is increased, so that the rolling fatigue life of the shaft member 30 can be further improved.
  • the amount of retained austenite on the outer peripheral surface 30a is 10% or more and 40% or less, the presence of retained austenite suppresses stress concentration and generation of indentations, and the rolling fatigue life in a foreign matter-mixed environment is further improved.
  • the planetary gear device 100 Since the planetary gear device 100 has a shaft member 30 as a pinion shaft, the rolling fatigue life of the pinion shaft and the creep deformation of the pinion shaft are suppressed.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the distance from the outer peripheral surface 30a of the shaft member 30 in the radial direction and the maximum shear stress.
  • the outer diameter D1 was set to 18 mm, and the outer diameter D2 was set to 3.5 mm.
  • the maximum contact surface pressure between the outer peripheral surface 30a and the rolling element 32 was set to 2164 MPa.
  • the maximum shear stress applied to the shaft member 30 may be less than 650 MPa depending on the outer diameter D1, the outer diameter D2, and the maximum contact surface pressure between the outer peripheral surface 30a and the rolling element 32. Even in such a case, it is necessary to consider preventing damage to the surface origin. Also in this case, if the second region 30c is too thin, it becomes difficult to suppress creep deformation. From this point of view, when the outer peripheral surface 30a and the rolling element 32 are in contact with each other at the maximum contact surface pressure such that the maximum shear stress is 650 MPa or less in the shaft member 30, the distance L1 and the distance L2 are the outer diameters D1. Each may be set as shown in Table 8.
  • This embodiment is particularly advantageously applied to a pinion shaft and a planetary gear device using a pinion shaft.

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Abstract

軸部材（３０）は、鋼製であり、転動体（３２）に接触する外周面（３０ａ）を備えている。軸部材の径方向における外周面からの距離が第１距離（Ｌ１）以下の領域では、硬さが、６５３Ｈｖ以上になっている。軸部材の径方向における距離が第２距離（Ｌ２）以上の領域では、残留オーステナイト量が、７体積パーセント以下になっている。第１距離は、外周面から転動体と外周面とが接触した際の最大せん断応力が６５０ＭＰａとなる位置（Ｐ）までの径方向における距離よりも大きい。第２距離は、外周面から転動体と外周面とが接触した際の最大せん断応力が６５０ＭＰａとなる位置までの径方向における距離の１．５倍以下である。

Description

軸部材
　本発明は、軸部材に関する。
　特許文献１（特開２０１０－１５２１号公報）には、ピニオンシャフトが記載されている。特許文献１に記載のピニオンシャフトは、芯部における残留オーステナイト量が０体積パーセントになっている。特許文献１に記載のピニオンシャフトは、外周面における硬さが６５０Ｈｖ以上とされている。
　ピニオンシャフトは、モーメント荷重が加わる高温環境下において使用される。そのため、ピニオンシャフトは、使用に伴い、クリープ変形することがある。特許文献１に記載のピニオンシャフトでは、芯部における残留オーステナイト量が０体積パーセントになっているため、使用に伴うクリープ変形の発生が抑制されている。また、特許文献１に記載のピニオンシャフトでは、外周面における硬さが６５０Ｈｖ以上であるため、転動疲労寿命が改善されている。
特開２０１０－１５２１号公報
　しかしながら、本発明者らが鋭意検討を行ったところ、特許文献１に記載のピニオンシャフトは、クリープ変形に対する耐性及び転動疲労寿命に関して改善の余地がある。すなわち、特許文献１に記載のピニオンシャフトでは、外周面に存在している表面硬化層の深さ及び外周面から芯部までの距離が特定されていないため、クリープ変形に対する耐性及び転動疲労寿命が不十分になり得る。
　本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、モーメント荷重が加わる高温環境下におけるクリープ変形の抑制及び転動疲労寿命の改善が可能な軸部材を提供するものである。
　本発明の第１態様に係る軸部材は、鋼製であり、転動体に接触する外周面を備える。軸部材の径方向における外周面からの距離が第１距離以下の領域では、硬さが６５３Ｈｖ以上になっている。軸部材の径方向における距離が第２距離以上の領域では、残留オーステナイト量が７体積パーセント以下になっている。第１距離は、外周面から転動体と外周面とが接触した際の最大せん断応力が６５０ＭＰａとなる位置までの径方向における距離よりも大きい。第２距離は、外周面から転動体と外周面とが接触した際の最大せん断応力が６５０ＭＰａとなる位置までの径方向における距離の１．５倍以下である。
　本発明の第２態様に係る軸部材は、軸部材は、鋼製であり、転動体に接触する外周面を備える。軸部材の径方向における外周面からの距離が第１距離以下の領域では、硬さが６５３Ｈｖ以上になっている。軸部材の径方向における距離が第２距離以上の領域では、残留オーステナイト量が７体積パーセント以下になっている。第１距離は、軸部材の直径が１２ｍｍ未満である場合に直径の０．０３８倍以上であり、直径が１２ｍｍ以上１６ｍｍ未満である場合に直径の０．０３倍以上であり、直径が１６ｍｍ以上２０ｍｍ未満である場合に直径の０．０２５倍以上であり、直径が２０ｍｍ以上である場合に直径の０．０２倍以上である。第２距離は、直径が１２ｍｍ未満である場合に直径の０．０４倍以下であり、直径が１２ｍｍ以上１６ｍｍ未満である場合に直径の０．０３８倍以下であり、直径が１６ｍｍ以上２０ｍｍ未満である場合に直径の０．０３倍以下であり、直径が２０ｍｍ以上である場合に直径の０．０２５倍以下である。
　本発明の第３態様に係る軸部材は、軸部材は、鋼製であり、転動体に接触する外周面を備える。軸部材の径方向における外周面からの距離が第１距離以下の領域では、硬さが６５３Ｈｖ以上になっている。軸部材の径方向における距離が第２距離以上の領域では、残留オーステナイト量が７体積パーセント以下になっている。第１距離は、軸部材の直径が１２ｍｍ以下である場合に直径の０．０２倍以上である。第１距離は、直径が１２ｍｍ超である場合に直径の０．０１５倍以上である。第２距離は、直径が１２ｍｍ以下である場合に直径の０．０２５倍以下である。第２距離は、直径が１２ｍｍ超である場合に直径の０．０２倍以下である。
　上記の軸部材では、鋼が、０．１０重量パーセント以上０．４０重量パーセント以下の炭素と、０．１０重量パーセント以上２．５０重量パーセント以下のシリコンと、０．３０重量パーセント以上１．２０重量パーセント以下のマンガンと、１．２０重量パーセント以下のクロムと、０．３０重量パーセント以下のモリブデンとを含んでいてもよい。
　上記の軸部材では、鋼が、０．９０重量パーセント以上１．２０重量パーセント以下の炭素と、０．１０重量パーセント以上２．５０重量パーセント以下のシリコンと、０．５０重量パーセント以下のマンガンと、１．２０重量パーセント以上１．７０重量パーセント以下のクロムと、０．０８重量パーセント以下のモリブデンとを含んでいてもよい。
　上記軸部材では、鋼が、０．９０重量パーセント以上１．２０重量パーセント以下の炭素と、０．１０重量パーセント以上２．５０重量パーセント以下のシリコンと、０．８０重量パーセント以上１．３０重量パーセント以下のマンガンと、０．８０重量パーセント以上１．３０重量パーセント以下のクロムと、０．０８重量パーセント以下のモリブデンとを含んでいてもよい。
　上記の軸部材では、外周面に、浸炭処理又は浸炭浸窒処理が施されていてもよい。外周面における残留オーステナイト量は、１０体積パーセント以上４０体積パーセント以下であってもよい。上記の軸部材は、遊星歯車装置用のピニオンシャフトであってもよい。
　本発明の第１態様及び第２態様に係る軸部材によると、モーメント荷重が加わる高温環境下におけるクリープ変形の抑制及び転動疲労寿命の改善が可能である。
遊星歯車装置１００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３０ａ近傍における軸部材３０の拡大断面図である。 軸部材３０の径方向における外周面３０ａからの距離が外径Ｄ１の０．０１５倍となる位置での最大せん断応力と外径Ｄ１との間の関係を示すグラフである。 軸部材３０の径方向における外周面３０ａからの距離が外径Ｄ１の０．０２倍となる位置での最大せん断応力と外径Ｄ１との間の関係を示すグラフである。 軸部材３０の径方向における外周面３０ａからの距離が外径Ｄ１の０．０２５倍となる位置での最大せん断応力と外径Ｄ１との間の関係を示すグラフである。 軸部材３０の径方向における外周面３０ａからの距離が外径Ｄ１の０．０３倍となる位置での最大せん断応力と外径Ｄ１との間の関係を示すグラフである。 軸部材３０の径方向における外周面３０ａからの距離が外径Ｄ１の０．０３８倍となる位置での最大せん断応力と外径Ｄ１との間の関係を示すグラフである。 軸部材３０の製造方法を示す工程図である。 ４点曲げ試験の内容を説明するための模式図である。 ４点曲げ試験における試験片Ｗ中の残留オーステナイト量と試験片Ｗの反り量との関係を示すグラフである。 ４点曲げ試験の前後での試験片Ｗ中の残留オーステナイト量の変化と試験片Ｗの反り量との関係を示すグラフである。 軸部材３０の径方向における外周面３０ａからの距離と最大せん断応力との関係を示すグラフである。
　実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。ここでは、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。
　（実施形態に係る遊星歯車装置及び実施形態に係る軸部材の構成）
　以下に、実施形態に係る遊星歯車装置（以下「遊星歯車装置１００」とする）及び実施形態に係る軸部材（以下「軸部材３０」とする）の構成を説明する。
　図１は、遊星歯車装置１００の正面図である。図２は、図１中のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。図１及び図２に示されるように、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、キャリア４０（図１中において図示を省略）とを有している。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。
　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の外径は、外径Ｄ１である。
　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。
　軸部材３０は、遊星歯車３１の中心孔に挿入されている。すなわち、軸部材３０は、いわゆるピニオンシャフトである。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。このことを別の観点から言えば、外周面３０ａは、転動体３２に接触する軸部材３０の面である。転動体３２は、例えば、針状ころである。転動体３２の外径は、外径Ｄ２である。外径Ｄ２は、外径Ｄ１の０．５倍以下である。キャリア４０は、軸部材３０の軸方向における一方端に固定されている。
　入力軸になる軸部材２０を中心軸回りに回転させることにより、太陽歯車２１が軸部材２０の中心軸回りに回転する。遊星歯車３１の歯は太陽歯車２１の歯及び内歯車１０の歯と噛み合っているため、太陽歯車２１の回転に伴って、遊星歯車３１は、太陽歯車２１の回りを公転することになる。遊星歯車３１の公転は、軸部材３０を介してキャリア４０に伝達され、キャリア４０に固定された出力軸（図示せず）を中心軸回りに回転させる。このように、遊星歯車装置１００によると、入力軸の回転が減速された上で出力軸に伝達されることになる。
　＜実施形態に係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、好ましくは、以下の第１組成、第２組成又は第３組成の鋼である。
　表１に示されるように、第１組成の鋼は、０．１０重量パーセント以上０．４０重量パーセント以下の炭素と、０．１０重量パーセント以上２．５０重量パーセント以下のシリコンと、０．３０重量パーセント以上１．２０重量パーセント以下のマンガンと、１．２０重量パーセント以下のクロムと、０．３０重量パーセント以下のモリブデンとを含んでいる。なお、第１組成の鋼は、クロム及びモリブデンを含んでいなくてもよい。第１組成の鋼の残部は、鉄及び不可避不純物である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表２に示されるように、第２組成の鋼は、０．９０重量パーセント以上１．２０重量パーセント以下の炭素と、０．１０重量パーセント以上２．５０重量パーセント以下のシリコンと、０．５０重量パーセント以下のマンガンと、１．２０重量パーセント以上１．７０重量パーセント以下のクロムと、０．０８重量パーセント以下のモリブデンとを含んでいる。なお、第２組成の鋼は、モリブデンを含んでいなくてもよい。第２組成の鋼の残部は、鉄及び不可避不純物である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表３に示されるように、第２組成の鋼は、０．９０重量パーセント以上１．２０重量パーセント以下の炭素と、０．１０重量パーセント以上２．５０重量パーセント以下のシリコンと、０．８０重量パーセント以上１．３０重量パーセント以下のマンガンと、０．８０重量パーセント以上１．３０重量パーセント以下のクロムと、０．０８重量パーセント以下のモリブデンとを含んでいる。なお、第３組成の鋼は、モリブデンを含んでいなくてもよい。第３組成の鋼の残部は、鉄及び不可避不純物である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　図３は、外周面３０ａ近傍における軸部材３０の拡大断面図である。図３には、軸部材３０の中心軸を通る断面が示されている。図３に示されるように、軸部材３０は、第１領域３０ｂと、第２領域３０ｃとを有している。
　第１領域３０ｂは、外周面３０ａにある。第１領域３０ｂは、軸部材３０の径方向における外周面３０ａからの距離が距離Ｌ１以下の領域である。第１領域３０ｂでは、硬さが６５３Ｈｖ以上（５８ＨＲＣ以上）となっている。
　転動体３２と外周面３０ａとが接触した際の最大せん断応力が６５０ＭＰａとなる位置を、位置Ｐとする。距離Ｌ１は、外周面３０ａから位置Ｐまでの軸部材３０の径方向における距離よりも大きい。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。
　転動体３２と外周面３０ａとが接触した際の最大せん断応力は、式（１）に式（２）及び式（３）を代入することにより、外周面３０ａからの距離の関数となる。そのため、この関数に基づき、位置Ｐが求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　第２領域３０ｃは、軸部材３０の径方向における外周面３０ａからの距離が距離Ｌ２以上の領域である。第２領域３０ｃでは、残留オーステナイト量が７体積パーセント以下となっている。第２領域３０ｃにおける残留オーステナイト量は、０体積パーセントであってもよい。
　距離Ｌ２は、例えば距離Ｌ１以上である。但し、距離Ｌ２は、距離Ｌ１よりも小さくてもよい。このことを別の観点から言えば、第１領域３０ｂと第２領域３０ｃとは、軸部材３０の径方向において、互いに重なり合っていてもよい。距離Ｌ２が大きすぎると、第２領域３０ｃが細くなりすぎ、クリープ変形を抑制できなくなる。そのため、距離Ｌ２は、外周面３０ａから位置Ｐまでの軸部材３０の径方向における距離の１．５倍以下である。距離Ｌ２は、好ましくは、外周面３０ａから位置Ｐまでの軸部材３０の径方向における距離の１．３倍以下である。
　図４は、軸部材３０の径方向における外周面３０ａからの距離が外径Ｄ１の０．０１５倍となる位置での最大せん断応力と外径Ｄ１との間の関係を示すグラフである。図５は、軸部材３０の径方向における外周面３０ａからの距離が外径Ｄ１の０．０２倍となる位置での最大せん断応力と外径Ｄ１との間の関係を示すグラフである。図６は、軸部材３０の径方向における外周面３０ａからの距離が外径Ｄ１の０．０２５倍となる位置での最大せん断応力と外径Ｄ１との間の関係を示すグラフである。
　図７は、軸部材３０の径方向における外周面３０ａからの距離が外径Ｄ１の０．０３倍となる位置での最大せん断応力と外径Ｄ１との間の関係を示すグラフである。図８は、軸部材３０の径方向における外周面３０ａからの距離が外径Ｄ１の０．０３８倍となる位置での最大せん断応力と外径Ｄ１との間の関係を示すグラフである。
　なお、図４～図８に示されるグラフの算出に際して、転動体３２と外周面３０ａとの間の最大接触面圧、外径Ｄ１、外径Ｄ２、転動体３２と外周面３０ａとの間の接触幅、ヤング率、ポワソン比及び摩擦係数には、表４に示される値が適用された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　図４～図８に示されるグラフ及び第１領域３０ｂを形成するための熱処理のばらつきを考慮して、例示的な距離Ｌ１の最小値及び距離Ｌ２の最大値を外径Ｄ１及び外径Ｄ２ごとに求めると、表５及び表６に示されるとおりとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　外周面３０ａには、浸炭処理が行われていることが好ましい。外周面３０ａには、浸炭浸窒処理が行われていてもよい。浸炭処理は、外周面３０ａにおける炭素濃度が０．７重量パーセント以上となるように行われることが好ましい。浸炭浸窒処理は、外周面３０ａにおける炭素濃度及び窒素濃度がそれぞれ０．７重量パーセント以上及び０．３重量パーセント以上となるように行われることが好ましい。
　外周面３０ａにおける残留オーステナイト量は、１０体積パーセント以上４０体積パーセント以上であることが好ましい。なお、外周面３０ａからの距離が外径Ｄ１の０．０１倍までの領域における残留オーステナイト量が１０体積パーセント以上４０体積パーセント以上であれば、「外周面３０ａにおける残留オーステナイト量が１０体積パーセント以上４０体積パーセント以上である」ことが充足される。
　第１領域３０ｂにおける硬さは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｚ　２２４４：２００９）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。第１領域３０ｂ及び第２領域３０ｃにおける残留オーステナイト量は、Ｘ線回折法により測定される。すなわち、オーステナイトのＸ線回折ピークの積分強度と鋼中のオーステナイト以外の相のＸ線回折ピークの積分強度とを比較することにより、残留オーステナイト量が得られる。
　＜実施形態に係る軸部材の製造方法＞
　図９は、軸部材３０の製造方法を示す工程図である。図９に示されるように、軸部材３０の製造方法は、準備工程Ｓ１と、浸炭浸窒処理工程Ｓ２と、焼入れ工程Ｓ３と、焼戻し工程Ｓ４と、後処理工程Ｓ５とを有している。
　準備工程Ｓ１においては、加工対象部材が準備される。浸炭浸窒処理工程Ｓ２においては、加工対象部材の外周面に対する浸炭浸窒処理が行われる。浸炭浸窒処理は、炭素及び窒素を含有する雰囲気中において、加工対象部材を加熱保持することにより行われる。浸炭浸窒処理に用いられる雰囲気ガスは、例えば、ＲＸガス、エンリッチガス及びアンモニアガスを含む。浸炭浸窒処理が行われる際の加熱保持温度は、例えば、加工対象部材を構成している鋼のＡ１変態点以上の温度である。
　焼入れ工程Ｓ３においては、第１に、加工対象部材が、Ａ１変態点以上の温度で加熱保持される。これにより、加工対象部材を構成している鋼中に、オーステナイトが生成される。焼入れ工程Ｓ３においては、第２に、加工対象部材が、ＭＳ変態点以下の温度に急冷される。これにより、上記の加熱保持により生成されたオーステナイトの一部がマルテンサイトとなり、その残部が残留オーステナイトとなる。
　焼戻し工程Ｓ４においては、加工対象部材がＡ１変態点未満の温度で加熱保持される。これにより、焼入れ工程Ｓ３後に残存していた残留オーステナイトの一部が分解される。後処理工程Ｓ５においては、加工対象部材に対する仕上げ加工（研削、研磨等）及び洗浄が行われる。以上により、図３に示される構造の軸部材３０が製造される。
　加工対象部材中の残留オーステナイト量をさらに少なくしようとする場合には、焼入れ工程Ｓ３が行われた後焼戻し工程Ｓ４が行われる前に、深冷処理工程Ｓ６がさらに行われてもよい。深冷処理工程Ｓ６においては、加工対象部材が、Ｍｆ変態点以下の温度に冷却される。これにより、焼入れ工程Ｓ３後に残存していた残留オーステナイトの一部が、マルテンサイトに変態する。
　なお、距離Ｌ１及び距離Ｌ２は、焼戻し工程Ｓ４における加熱温度及び保持時間並びに深冷処理工程Ｓ６における冷却温度を適宜調整することにより、調整される。
　（実施形態に係る遊星歯車装置及び実施形態に係る軸部材の効果）
　以下に、遊星歯車装置１００及び軸部材３０の効果を説明する。
　距離Ｌ１が外周面３０ａから位置Ｐまでの軸部材３０の径方向における距離よりも小さい場合、位置Ｐにおいて十分な硬さを確保することができない。その結果、軸部材３０の転動疲労寿命が不十分となるおそれがある。しかしながら、軸部材３０では、距離Ｌ１が外周面３０ａから位置Ｐまでの軸部材３０の径方向における距離よりも大きいため、位置Ｐにおいて十分な硬さ（より具体的には、６５３Ｈｖ以上の硬さ）を確保することができる。そのため、軸部材３０によると、転動疲労寿命を改善することができる。
　図１０は、４点曲げ試験の内容を説明するための模式図である。図１０に示されるように、試験片Ｗが４点曲げ試験は、位置Ｐ１及び位置Ｐ２において支持された状態で、位置Ｐ３及び位置Ｐ４に荷重を加えることにより行われる。
　試験片Ｗの寸法は、長さが１４０ｍｍ、幅が２０ｍｍ、厚さが３ｍｍである。位置Ｐ１及び位置Ｐ２は、試験片Ｗの長手方向における中心に関して、対称な位置に配置される。位置Ｐ１と位置Ｐ２との間の距離は、１２０ｍｍである。位置Ｐ３と位置Ｐ４との間の距離は、６０ｍｍである。位置Ｐ３及び位置Ｐ４は、試験片Ｗの長手方向における中心に関して、対称な位置に配置される。試験片Ｗに対する荷重は、試験片Ｗに加わる曲げ応力の最大値が２００ＭＰａとなるように加えられる。この荷重は、試験片Ｗの第２面Ｗｂ側から第１面Ｗａ側に向かって加えられる。上記の荷重が加わっている状態で、試験片Ｗは、大気中において、１３０℃で５０時間保持される。試験片Ｗの反り量は、第２面Ｗｂの試験片Ｗの長手方向における端と当該端からの距離が最大になる第２面Ｗｂ上の位置との間の距離である。
　図１１は、４点曲げ試験における試験片Ｗ中の残留オーステナイト量と試験片Ｗの反り量との関係を示すグラフである。図１１に示されるように、４点曲げ試験が行われる前における試験片Ｗ中の残留オーステナイト量が小さくなるほど、試験片Ｗの反り量が小さくなっている。このことから、第２領域３０ｃにおける残留オーステナイト量が７体積パーセント以下とすることにより、軸部材３０のクリープ変形を抑制することができる。
　しかしながら、距離Ｌ２が外周面３０ａから位置Ｐまでの軸部材３０の径方向における距離の１．５倍よりも大きい場合、第２領域３０ｃが細くなり過ぎ、残留オーステナイト量を７体積パーセント以下としたことによるクリープ変形の抑制効果が不足することがある。軸部材３０では、距離Ｌ２が外周面３０ａから位置Ｐまでの軸部材３０の径方向における距離の１．５倍以下であるため、クリープ変形が十分に抑制される。
　図１２は、４点曲げ試験の前後での試験片Ｗ中の残留オーステナイト量の変化と試験片Ｗの反り量との関係を示すグラフである。図１２に示されるように、４点曲げ試験の前後での試験片Ｗ中の残留オーステナイト量の変化と試験片Ｗの反り量との間には、特段の相はない。
　他方で、図１１に示されるように、試験片ＷをＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｇ　４８０５：２０１９）に定められているＳＵＪ３で形成している場合、試験片ＷをＪＩＳ規格に定められているＳＵＪ２で形成している場合と比較して、試験片Ｗの反り量が小さくなる。すなわち、軸部材３０を構成している鋼中の合金成分は、軸部材３０のクリープ変形に影響を与える。
　ＳＵＪ３は、ＳＵＪ２と比較して、相対的に多くのシリコン及びマンガンを含有している。第１組成の鋼は、ＳＵＪ２及びＳＵＪ３と比較して、相対的にシリコンの含有量が大きくなっている。第２組成及び第３組成の鋼は、ＳＵＪ２及びＳＵＪ３と比較して相対的にシリコン及びマンガンの含有量が大きくなっている。そのため、軸部材３０を第１組成ないし第３組成の鋼で形成することにより、クリープ変形がさらに抑制される。
　鋼中の炭素濃度が低い場合、焼入れにより生成されたマルテンサイト中の転位密度が引くなり、高温保持がなされた際に転位が移動しにくい。第３組成の鋼は、炭素濃度がＳＵＪ２及びＳＵＪ３と比較して相対的に炭素濃度が低くなっている。そのため、軸部材３０を第３組成の鋼で形成することにより、クリープ変形がさらに抑制される。
　鋼中におけるクロムの含有量が増加すると、当該鋼のクリープ変形が促進される。第１組成ないし第３組成の鋼は、クロムの含有量が相対的に少ないため、クリープ変形を抑制することができる。また、鋼中のクロムの含有量が抑えられている結果、鋼材コストを低減することができる。
　外周面３０ａに浸炭処理又は浸炭浸窒処理が行われている場合、外周面３０ａにおける軸部材３０の硬さが上昇するため、軸部材３０の転動疲労寿命をさらに改善できる。外周面３０ａにおける残留オーステナイト量が１０パーセント以上４０パーセント以下である場合、残留オーステナイトの存在により応力集中及び圧痕の発生が抑制され、異物混入環境下における転動疲労寿命がさらに改善される。
　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クリープ変形が抑制されている。
　（変形例１）
　生産効率等の観点から、表５及び表６に示されているように外径Ｄ１及び外径Ｄ２ごとに距離Ｌ１及び距離Ｌ２を変化させることが困難な場合がある。この場合には、外径Ｄ１ごとに距離Ｌ１及び距離Ｌ２を変化させることにより、同様の効果が得られる。より具体的には、軸部材３０において、外周面３０ａと転動体３２とが４０００ＭＰａの最大接触面圧で接触する場合、距離Ｌ１及び距離Ｌ２は、外径Ｄ１ごとに、表７に示されるよう設定されてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　（変形例２）
　図１３は、軸部材３０の径方向における外周面３０ａからの距離と最大せん断応力との関係を示すグラフである。図１３のグラフの算出に際して、外径Ｄ１は１８ｍｍとされ、外径Ｄ２は３．５ｍｍとされた。また、図１３のグラフの算出に際して、外周面３０ａと転動体３２との間の最大接触面圧は、２１６４ＭＰａとされた。
　図１３に示されるように、外径Ｄ１、外径Ｄ２及び外周面３０ａと転動体３２との間の最大接触面圧によっては、軸部材３０に加わる最大せん断応力が６５０ＭＰａを下回ることがある。このような場合でも、表面起点の損傷を防ぐことを考慮する必要がある。この際も、第２領域３０ｃが細すぎるとクリープ変形の抑制が困難となる。このような観点からは、軸部材３０において、外周面３０ａと転動体３２とが最大せん断応力が６５０ＭＰａ以下となるような最大接触面圧で接触する場合、距離Ｌ１及び距離Ｌ２は、外径Ｄ１ごとに、表８に示されるよう設定されてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
　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、請求の範囲によって示され、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。
　本実施形態は、ピニオンシャフト及びピニオンシャフトを用いた遊星歯車装置に特に有利に適用される。
　１０　内歯車、２０　軸部材、２１　太陽歯車　３０　軸部材、３０ａ　外周面、３０ｂ　第１領域、３０ｃ　第２領域、３１　遊星歯車、３１ａ　内周面、３１ｂ　外周面、３２　転動体、４０　キャリア、１００　遊星歯車装置、Ｄ１　外径、Ｄ２　外径、Ｐ　位置、Ｐ１　位置、Ｐ２　位置、Ｐ３　位置、Ｐ４　位置、Ｌ１　距離、Ｌ２　距離、Ｓ１　準備工程、Ｓ２　浸炭浸窒処理工程、Ｓ３　焼入れ工程、Ｓ４　焼戻し工程、Ｓ５　後処理工程、Ｓ６　深冷処理工程、Ｗ　試験片。

Claims (8)

  1. 　鋼製の軸部材であって、
    　転動体に接触する外周面を備え、
    　前記軸部材の径方向における前記外周面からの距離が第１距離以下の領域では、硬さが６５３Ｈｖ以上になっており、
    　前記径方向における前記外周面からの距離が第２距離以上の領域では、残留オーステナイト量が７体積パーセント以下になっており、
    　前記第１距離は、前記外周面から前記転動体と前記外周面とが接触した際の最大せん断応力が６５０ＭＰａとなる位置までの前記径方向における距離よりも大きく、
    　前記第２距離は、前記外周面から前記転動体と前記外周面とが接触した際の最大せん断応力が６５０ＭＰａとなる位置までの前記径方向における距離の１．５倍以下である、軸部材。
  2. 　鋼製の軸部材であって、
    　転動体に接触する外周面を備え、
    　前記軸部材の径方向における前記外周面からの距離が第１距離以下の領域では、硬さが６５３Ｈｖ以上になっており、
    　前記径方向における前記外周面からの距離が第２距離以上の領域では、残留オーステナイト量が７体積パーセント以下になっており、
    　前記第１距離は、前記軸部材の直径が１２ｍｍ未満である場合には前記直径の０．０３８倍以上であり、前記直径が１２ｍｍ以上１６ｍｍ未満である場合には前記直径の０．０３倍以上であり、前記直径が１６ｍｍ以上２０ｍｍ未満である場合には前記直径の０．０２５倍以上であり、前記直径が２０ｍｍ以上である場合には前記直径の０．０２倍以上であり、
    　前記第２距離は、前記直径が１２ｍｍ未満である場合には前記直径の０．０４倍以下であり、前記直径が１２ｍｍ以上１６ｍｍ未満である場合には前記直径の０．０３８倍以下であり、前記直径が１６ｍｍ以上２０ｍｍ未満である場合には前記直径の０．０３倍以下であり、前記直径が２０ｍｍ以上である場合には前記直径の０．０２５倍以下である、軸部材。
  3. 　鋼製の軸部材であって、
    　転動体に接触する外周面を備え、
    　前記軸部材の径方向における前記外周面からの距離が第１距離以下の領域では、硬さが６５３Ｈｖ以上になっており、
    　前記径方向における前記外周面からの距離が第２距離以上の領域では、残留オーステナイト量が７体積パーセント以下になっており、
    　前記第１距離は、前記軸部材の直径が１２ｍｍ以下である場合に前記直径の０．０２倍以上であり、前記直径が１２ｍｍ超である場合に前記直径の０．０１５倍以上であり、
    　前記第２距離は、前記直径が１２ｍｍ以下である場合に前記直径の０．０２５倍以下であり、前記直径が１２ｍｍ超である場合に前記直径の０．０２倍以下である、軸部材。
  4. 　前記鋼は、０．１０重量パーセント以上０．４０重量パーセント以下の炭素と、０．１０重量パーセント以上２．５０重量パーセント以下のシリコンと、０．３０重量パーセント以上１．２０重量パーセント以下のマンガンと、１．２０重量パーセント以下のクロムと、０．３０重量パーセント以下のモリブデンとを含む、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の軸部材。
  5. 　前記鋼は、０．９０重量パーセント以上１．２０重量パーセント以下の炭素と、０．１０重量パーセント以上２．５０重量パーセント以下のシリコンと、０．５０重量パーセント以下のマンガンと、１．２０重量パーセント以上１．７０重量パーセント以下のクロムと、０．０８重量パーセント以下のモリブデンとを含む、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の軸部材。
  6. 　前記鋼は、０．９０重量パーセント以上１．２０重量パーセント以下の炭素と、０．１０重量パーセント以上２．５０重量パーセント以下のシリコンと、０．８０重量パーセント以上１．３０重量パーセント以下のマンガンと、０．８０重量パーセント以上１．３０重量パーセント以下のクロムと、０．０８重量パーセント以下のモリブデンとを含む、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の軸部材。
  7. 　前記外周面には、浸炭処理又は浸炭浸窒処理が施されており、
    　前記外周面における残留オーステナイト量は、１０体積パーセント以上４０体積パーセント以下である、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の軸部材。
  8. 　遊星歯車装置用のピニオンシャフトである、請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の軸部材。
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