WO2023022044A1 - 変速機用軸およびそれを用いた軸受装置 - Google Patents

変速機用軸およびそれを用いた軸受装置 Download PDF

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WO2023022044A1
WO2023022044A1 PCT/JP2022/030282 JP2022030282W WO2023022044A1 WO 2023022044 A1 WO2023022044 A1 WO 2023022044A1 JP 2022030282 W JP2022030282 W JP 2022030282W WO 2023022044 A1 WO2023022044 A1 WO 2023022044A1
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WO
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transmission shaft
martensite
less
diffusion layer
base material
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PCT/JP2022/030282
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直樹 中杤
佳祐 宮崎
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Ntn株式会社
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    • C21D1/06—Surface hardening
    • 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
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    • 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
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    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/58—Raceways; Race rings
    • F16C33/62—Selection of substances

Definitions

  • the present invention relates to a transmission shaft and a bearing device using the same.
  • a bearing device In a transmission such as a transmission, a bearing device is used that is a set of a shaft having an outer diameter portion as a raceway surface and a needle roller bearing with a retainer arranged on the outer peripheral portion of the shaft.
  • This bearing device is used in a high-temperature environment with a large amount of foreign matter such as abrasion powder. For this reason, this bearing device requires parts that are resistant to surface damage due to foreign matter or poor lubrication.
  • the shaft since the shaft is a fixed part, it has a structure where the same part is always damaged, and it tends to be the weakest part.
  • a heat treatment (carbonitriding treatment) is performed on steel parts in a carbonitriding atmosphere containing ammonia (NH 3 ) to reduce the amount of retained austenite on the surface, carbon, Fortification methods that increase the concentration of nitrogen are generally known.
  • Patent Document 1 discloses a technique of providing recesses in a shaft or roller by shot peening and coating the recesses with a solid lubricant to reduce the coefficient of friction.
  • Patent Document 2 discloses a technique of forming a hardened layer (Hv850 or more and Hv10000 or less) on the surface layer by shot peening and applying a large compressive residual stress (absolute value of 600 MPa or more and 1700 MPa or less) for strengthening is disclosed in, for example, JP-A-2017-106534.
  • Patent Document 2 discloses a technique of providing recesses in a shaft or roller by shot peening and coating the recesses with a solid lubricant to reduce the coefficient of friction.
  • a transmission shaft of the present invention is used in a transmission and has a raceway surface on which needle rollers roll, and includes a base material and a triiron tetraoxide film.
  • the base material is made of any one of chromium steel, chromium molybdenum steel, and nickel chromium molybdenum steel, and has a diffusion layer containing at least one crystal grain of iron carbide, iron nitride, and iron carbonitride on the surface. have in The triiron tetraoxide film is formed on the surface of the base material and arranged at least on the raceway surface.
  • the transmission in the present invention may be either a speed reducer or a speed increaser.
  • the thickness of the triiron tetroxide film is 1 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less.
  • the base material is made of chromium molybdenum steel.
  • the average grain size of the prior austenite crystal grains on the surface of the base material is 8 ⁇ m or less.
  • the area ratio of compound grains containing at least one crystal grain in the diffusion layer is 3% or more, and the average grain size of the compound grains is 0.3 ⁇ m or less.
  • the diffusion layer includes a plurality of martensite blocks.
  • the martensite block has a maximum grain size of 3.8 ⁇ m or less.
  • a bearing device of the present invention includes the transmission shaft described above and a plurality of needle rollers that roll on the raceway surface of the transmission shaft.
  • a method of manufacturing a transmission shaft according to the present invention is a method of manufacturing a transmission shaft that is used in a transmission and has raceway surfaces on which needle rollers roll, and includes the following steps.
  • a steel material made of any one of chromium steel, chromium molybdenum steel, and nickel chromium molybdenum steel is prepared.
  • the steel material is carbonitrided.
  • a triiron tetroxide film is formed on the surface of the carbonitrided steel material.
  • the steel material is chromium molybdenum steel.
  • the step of carbonitriding the steel material includes a step of heating the steel material to 930° C. or more and 940° C. or less in a carbonitriding atmosphere containing ammonia. After heating the carbonitrided steel material to a primary quenching temperature of more than 850° C. and less than 930° C., the steel material is primary quenched by cooling to a temperature below the Ms point. After heating the primary hardened steel material to a secondary hardening temperature of A1 point or more and less than 850° C., the steel material is secondary hardened by cooling to a temperature of Ms point or less.
  • FIG. 1 is a partially broken perspective view showing a planetary gear and its supporting structure in a planetary transmission, with the planetary gear broken away;
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the planetary gear shown in FIG. 1 and its supporting structure;
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing an enlarged configuration of a transmission shaft in a region R of FIG. 2;
  • FIG. 4 is a flowchart showing a method of manufacturing a transmission shaft according to one embodiment;
  • FIG. 5 is a flow chart showing the subdivided steps of the carbonitriding heat treatment in FIG. 4 ;
  • 4 is a graph showing a heat pattern in a method of manufacturing a transmission shaft according to one embodiment;
  • FIG. 5 is a diagram showing the driving force of the needle rollers and the load distribution acting on the raceway surface in each of a straight raceway surface (A) and a bent raceway surface (B).
  • 4 is a graph showing measurement results of carbon concentration and nitrogen concentration by EPMA for Sample 1.
  • FIG. 4 is a graph showing measurement results of carbon concentration and nitrogen concentration by EPMA for Sample 2.
  • FIG. 3 is an electron microscopic image in the vicinity of the surface of sample 1.
  • FIG. 3 is an electron microscopic image in the vicinity of the surface of sample 2.
  • FIG. 4 is an optical microscope image of the vicinity of the surface of sample 1.
  • FIG. 4 is an optical microscope image of the vicinity of the surface of sample 2.
  • FIG. 4 is a graph showing average grain sizes of martensite blocks belonging to groups 3 and 5 in the vicinity of the surfaces of samples 1 and 2.
  • FIG. 4 is a graph showing average aspect ratios of martensite blocks belonging to groups 3 and 5 in the vicinity of the surfaces of samples 1 and 2;
  • FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing a planetary gear and its support structure in a planetary transmission with the planetary gear cut away.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the planetary gear and its support structure shown in FIG.
  • a planetary transmission has a planetary gear device.
  • a planetary gear device has three systems of gears: a sun gear, a planetary gear, and an internal gear.
  • a required shift is executed by fixing or releasing either one of the other two systems of gears in response to an input to one system of gears.
  • the planetary gear 4 has a plurality of teeth 4a on its outer circumference.
  • the teeth 4a of the planetary gear 4 mesh with teeth provided on the outer peripheral side of a sun gear (not shown).
  • the planetary gear 4 rotates on the outer peripheral side of the sun gear.
  • the teeth 4a of the planetary gear 4 mesh with teeth provided on the inner peripheral side of an internal gear (not shown).
  • the planetary gear 4 rotates on the inner peripheral side of the internal gear.
  • the planetary gear 4 revolves around the sun gear axis between the sun gear and the internal gear.
  • the planetary transmission has a rolling bearing device 10 that rotatably supports the planetary gears 4 .
  • the rolling bearing device 10 has a transmission shaft 1 , a plurality of needle rollers 2 and a retainer 3 . Note that the rolling bearing device 10 may include the planetary gear 4 .
  • a through hole is provided in the central portion of the planetary gear 4 .
  • a wall surface 4 b that defines the through hole constitutes an inner peripheral surface of the planetary gear 4 .
  • the transmission shaft 1 is inserted into the through hole of the planetary gear 4 .
  • the planetary gear 4 surrounds the outer circumference of the transmission shaft 1 .
  • the transmission shaft 1 has, for example, a cylindrical shape.
  • the transmission shaft 1 has an oil passage 1a therein.
  • the transmission shaft 1 corresponds to the inner member of the rolling bearing device 10
  • the planetary gear 4 corresponds to the outer member of the rolling bearing device 10 .
  • a needle roller bearing with retainer is arranged between the outer peripheral surface (raceway surface 1b) of the transmission shaft 1 and the inner peripheral surface (raceway surface 4b) of the planetary gear 4 .
  • a needle roller bearing with retainer has a plurality of needle rollers 2 and a retainer 3 .
  • the retainer 3 has an annular shape and surrounds the outer peripheral surface of the transmission shaft 1 .
  • the retainer 3 has a plurality of pockets 3a.
  • a plurality of pockets 3a are arranged along the circumferential direction at substantially equal intervals.
  • a needle roller 2 is rotatably held in each of the plurality of pockets 3a.
  • each of the plurality of needle rollers 2 rolls on an outer peripheral surface serving as the raceway surface 1 b of the transmission shaft 1 and an inner peripheral surface serving as the raceway surface 4 b of the planetary gear 4 . are placed in The planetary gear 4 is rotatably supported on the transmission shaft 1 by the needle roller bearing with retainer.
  • gear type transmission has been described as an application example of the transmission shaft, it can also be applied to belt type, toroidal type, hydraulic type, etc. transmissions.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing the configuration of the transmission shaft in the region R of FIG.
  • the transmission shaft 1 has a base material 11 and a triiron tetroxide film 12 .
  • the base material 11 is made of steel containing chromium, for example.
  • the material of the base material 11 is, for example, chromium steel, chromium molybdenum steel, or nickel chromium molybdenum steel.
  • the chromium steel, chromium molybdenum steel and nickel chromium molybdenum steel mentioned above are steels belonging to SCr steel grade, SCM steel grade and SNCM steel grade specified in JIS (Japanese Industrial Standards) (JIS G 4053:2016).
  • the base material 11 is subjected to carbonitriding heat treatment. Therefore, the base material 11 has a diffusion layer DR on its surface (peripheral surface).
  • the diffusion layer DR is a portion in which the concentration of nitrogen and carbon is higher than the concentration of nitrogen and carbon in the steel material forming the transmission shaft 1 (IP inside the diffusion layer DR).
  • a depth D of the diffusion layer DR is, for example, 0.6 mm or more and 1.5 mm or less.
  • the diffusion layer DR has a plurality of compound grains.
  • the compound grains are crystal grains of at least one of iron (Fe) carbide, iron nitride and iron carbonitride. More specifically, the compound grain is a compound ( That is, they are crystal grains of (Fe, Cr) 3 (C, N) compound).
  • the triiron tetroxide film 12 is arranged in contact with the surface of the base material 11 .
  • the triiron tetraoxide film 12 is made of triiron tetroxide (Fe 3 O 4 ), is so-called black rust, and is a passive oxide film.
  • the surface of the triiron tetraoxide film 12 is porous.
  • the thickness of the triiron tetraoxide film 12 is 1 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less.
  • the triiron tetroxide film 12 is arranged on at least the raceway surface 1 b of the transmission shaft 1 .
  • the triiron tetroxide film 12 may be arranged so as to cover the entire surface of the base material 11 .
  • the triiron tetroxide film 12 is formed on the surface of the base material 11 by a chemical conversion treatment called a blackening treatment method, for example.
  • the blackening treatment method in this embodiment is immersion in a strong alkaline aqueous solution containing sodium hydroxide (NaOH) as a main component at 130° C. or higher and 160° C. or lower for 3 minutes or longer.
  • NaOH sodium hydroxide
  • the temperature of the strong alkaline aqueous solution is as low as 130.degree. Therefore, changes in the structure, strength, properties, etc. of the base material 11 are suppressed, and the structure, strength, properties, etc. of the base material 11 obtained by the carbonitriding heat treatment are maintained even after the blackening treatment.
  • the thickness of the triiron tetroxide film 12 formed by the blackening treatment method is as thin as 1 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less. Therefore, the surface condition of the base material 11 with which the triiron tetraoxide film 12 is in contact is substantially the same as the surface condition of the steel material subjected to the carbonitriding heat treatment.
  • the base material 11 is made of, for example, chromium molybdenum, and is preferably subjected to a special carbonitriding heat treatment shown in FIG.
  • This special carbonitriding heat treatment enhances grain refinement of the base material 11 and enriches the precipitated compounds. As a result, resistance to surface damage is strengthened, fatigue strength is improved, deformation due to deflection is suppressed, and the service life is further improved.
  • the diffusion layer DR has a plurality of martensite blocks in addition to the plurality of compound grains.
  • the average grain size of the compound grains in the diffusion layer DR is 0.3 ⁇ m or less.
  • the average grain size of the compound grains in the diffusion layer DR is preferably 0.25 ⁇ m or less.
  • the area ratio of the compound grains in the diffusion layer DR is 3% or more.
  • the area ratio of the compound grains in the diffusion layer DR is preferably 8% or more.
  • the area ratio of the compound grains in the diffusion layer DR is, for example, 10% or less.
  • the average particle size and area ratio of the compound grains in the diffusion layer DR are measured by the following methods. First, cross-sectional polishing of the diffusion layer DR is performed. Second, erosion of the polished surface takes place. Third, SEM (Scanning Electron Microscopy) photography is performed on the corroded polished surface (hereinafter, an image obtained by SEM photography is referred to as an "SEM image"). The SEM image is taken such that a sufficient number (20 or more) of compound particles are included. Fourthly, by performing image processing on the obtained SEM image, the area of each compound grain and the total area of the compound grains in the SEM image are calculated.
  • SEM Sccanning Electron Microscopy
  • the average particle diameter of the compound grains in the diffusion layer DR is obtained by dividing the sum of the equivalent circle diameters of the compound grains displayed in the SEM image by the number of compound grains displayed in the SEM image. It is said that A value obtained by dividing the total area of the compound grains displayed in the SEM image by the area of the SEM image is the area ratio of the compound grains in the diffusion layer DR.
  • a martensite block is a martensite phase block composed of crystals with aligned crystal orientations.
  • the martensite phase is a non-equilibrium phase obtained by rapidly cooling the austenite phase of iron in which carbon is dissolved. If the crystal orientation of the block of the first martensite phase deviates from the crystal orientation of the block of the second martensite phase adjacent to the block of the first martensite phase by 15° or more, the first martensite The phase block and the second martensite phase block are different martensite blocks.
  • the first The martensite phase block and the second martensite phase block constitute one martensite block.
  • the maximum grain size of martensite blocks in the diffusion layer DR is 3.8 ⁇ m or less.
  • the maximum grain size of martensite blocks in the diffusion layer DR is, for example, 3.6 ⁇ m or more.
  • the martensite blocks contained in the diffusion layer DR with a crystal grain size of 1 ⁇ m or less constitute the first group.
  • the area ratio of the martensite blocks forming the first group to the total area of the martensite blocks contained in the diffusion layer DR is preferably 0.55 or more and 0.75 or less.
  • the martensite blocks included in the diffusion layer DR may be divided into a second group and a third group.
  • the maximum grain size of the martensite blocks belonging to the second group is smaller than the minimum grain size of the martensite blocks belonging to the third group.
  • a value obtained by dividing the total area of the martensite blocks belonging to the third group by the total area of the martensite blocks included in the diffusion layer DR is 0.5 or more.
  • the value obtained by dividing the total area of the martensite blocks belonging to the third group excluding the martensite block belonging to the third group and having the largest crystal grain size by the total area of the martensite blocks included in the diffusion layer DR is less than 0.5. is.
  • the martensite blocks included in the second group and the martensite blocks belonging to the third group are classified by the following method. That is, first, each martensite block is assigned to the first group in order from the smallest crystal grain size, and the total number of martensite blocks assigned to the second group with respect to the total area of the martensite blocks Areas are calculated sequentially. Second, when the ratio of the total area of the martensite blocks assigned to the second group to the total area of the martensite blocks reaches a limit not exceeding 50%, the assignment of the martensite blocks to the second group is be stopped. Third, martensitic blocks not assigned to the second group are assigned to the third group.
  • the average grain size of the martensite blocks included in the third group is 0.7 ⁇ m or more and 1.4 ⁇ m or less.
  • the martensite blocks included in the third group have an average aspect ratio of 2.5 or more and 2.8 or less.
  • the martensite blocks included in the diffusion layer DR may be divided into a fourth group and a fifth group.
  • the maximum grain size of the martensite blocks belonging to the fourth group is smaller than the minimum grain size of the martensite blocks belonging to the fifth group.
  • a value obtained by dividing the total area of the martensite blocks belonging to the fifth group by the total area of the martensite blocks included in the diffusion layer DR is 0.7 or more.
  • the value obtained by dividing the total area of the martensite blocks belonging to the fifth group excluding the martensite block belonging to the fifth group having the largest crystal grain size by the total area of the martensite blocks included in the diffusion layer DR is less than 0.7. is.
  • the martensite blocks belonging to the fourth group and the martensite blocks belonging to the fifth group are classified by the following method. That is, first, each martensite block is assigned to the fourth group in order from the smallest crystal grain size, and the total number of martensite blocks assigned to the fourth group with respect to the total area of the martensite blocks Areas are calculated sequentially. Second, when the ratio of the total area of the martensite blocks assigned to the fourth group to the total area of the martensite blocks reaches a limit that does not exceed 30%, the assignment of the martensite blocks to the fourth group is be stopped. Third, martensite blocks not assigned to the fourth group are assigned to the fifth group.
  • the average grain size of martensite blocks included in the fifth group is 0.7 ⁇ m or more and 1.1 ⁇ m or less.
  • the martensite blocks included in the fifth group have an average aspect ratio of 2.4 or more and 2.6 or less.
  • the grain size of the martensite blocks and the aspect ratio of the martensite blocks in the diffusion layer DR are measured using the EBSD (Electron Back Scattered Diffraction) method.
  • EBSD image a cross-sectional image is taken in the diffusion layer DR (hereinafter referred to as "EBSD image"). Note that the EBSD image is taken such that a sufficient number (20 or more) of martensite blocks are included. Based on the EBSD image, the crystallographic misorientation of adjacent martensitic phase blocks is identified. This identifies the boundaries of each martensite block. Second, based on the identified martensite block boundaries, the area and shape of each martensite block displayed in the EBSD image are calculated.
  • the circle of each martensite block displayed in the EBSD image is calculated by calculating the square root of the area of each martensite block displayed in the EBSD image divided by 4/ ⁇ .
  • An equivalent diameter is calculated.
  • the largest value is taken as the maximum grain size of the martensite blocks in the diffusion layer DR.
  • the martensite blocks belonging to the first group are determined among the martensite blocks displayed in the EBSD image.
  • the value obtained by dividing the total area of the martensite blocks belonging to the first group among the martensite blocks displayed in the EBSD image by the total area of the martensite blocks displayed in the EBSD image is the diffusion It is the total area of the martensite blocks in the layer DR divided by the total area of the martensite blocks in the diffusion layer DR.
  • the martensite blocks displayed in the EBSD image are classified into the second group and the third group (or the fourth group and fifth group).
  • the sum of the equivalent circle diameters of the martensite blocks displayed in the EBSD images classified into the third group (or fifth group) is displayed in the EBSD images classified into the third group (or fifth group)
  • the value obtained by dividing by the number of martensite blocks is the average grain size of the martensite blocks in the diffusion layer DR belonging to the third group (or belonging to the fifth group).
  • each martensite block displayed in the EBSD image is approximated to an ellipse by the method of least squares.
  • This elliptical approximation by the method of least squares is performed according to the method described in S. Biggin and D. J. Dingley, Journal of Applied Crystallography, (1977) 10, 376-378.
  • the aspect ratio of each martensite block displayed in the EBSD method image is calculated by dividing the dimension of the major axis by the dimension of the minor axis.
  • the sum of the aspect ratios of the martensite blocks displayed in the EBSD images classified into Group 3 (or Group 5) is the marten displayed in the EBSD images classified into Group 3 (or Group 5).
  • the value obtained by dividing by the number of site blocks is taken as the average aspect ratio of the martensite blocks in the diffusion layer DR belonging to the third group (or belonging to the fifth group).
  • the diffusion layer DR contains a plurality of prior austenite grains.
  • the prior austenite grains are regions defined by grain boundaries (prior austenite grain boundaries) of austenite grains formed in holding steps S13a and S14a (FIG. 5) described later.
  • the average grain size of the prior austenite grains is preferably 8 ⁇ m or less. More preferably, the average grain size of the prior austenite grains is 6 ⁇ m or less.
  • the average grain size of prior austenite grains in the diffusion layer DR is measured by the following method. First, cross-sectional polishing of the diffusion layer DR is performed. Second, erosion of the polished surface takes place. Thirdly, the corroded polished surface is photographed with an optical microscope (hereinafter, an image obtained by the optical microscope photographing is referred to as an "optical microscope image"). The optical microscope image is taken such that a sufficient number (20 or more) of prior austenite grains are included. Fourthly, by performing image processing on the obtained optical microscope image, the area of each prior austenite grain in the optical microscope image is calculated.
  • the equivalent circle diameter of each prior austenite grain displayed in the optical microscope image is calculated. be done.
  • the value obtained by dividing the total equivalent circle diameter of each prior austenite grain displayed in the optical microscope image by the number of prior austenite grains displayed in the optical microscope image is the average grain size of the prior austenite grains in the diffusion layer DR. diameter.
  • the average carbon concentration in the diffusion layer DR between the surface (peripheral surface) of the base material 11 and a depth position at a distance of 10 ⁇ m from the surface of the base material 11 is preferably 0.7% by mass or more.
  • the average carbon concentration in the diffusion layer DR between the surface (peripheral surface) of the base material 11 and a depth position at a distance of 10 ⁇ m from the surface of the base material 11 is preferably 1.2% by mass or less. .
  • the average nitrogen concentration in the diffusion layer DR between the surface (peripheral surface) of the base material 11 and a depth position at a distance of 10 ⁇ m from the surface of the base material 11 is preferably 0.2% by mass or more.
  • the average nitrogen concentration in the diffusion layer DR between the surface (peripheral surface) of the base material 11 and a depth position at a distance of 10 ⁇ m from the surface of the base material 11 is preferably 0.4% by mass or less. .
  • the average carbon concentration and average nitrogen concentration in the diffusion layer DR between the surface (peripheral surface) of the base material 11 and the depth position at a distance of 10 ⁇ m from the surface of the base material 11 are measured by EPMA (Electron Probe Micro Analyzer) Measured using EPMA (Electron Probe Micro Analyzer) Measured using EPMA (Electron Probe Micro Analyzer) Measured using EPMA (Electron Probe Micro Analyzer) Measured using EPMA (Electron Probe Micro Analyzer) Measured using EPMA (Electron Probe Micro Analyzer)
  • FIG. 4 is a flowchart showing a method of manufacturing a transmission shaft according to one embodiment.
  • FIG. 5 is a flow chart showing the subdivided steps of the carbonitriding heat treatment in FIG.
  • FIG. 6 is a graph showing heat patterns in the method of manufacturing a transmission shaft according to one embodiment.
  • the transmission shaft manufacturing method includes a step S1 of preparing a steel material, a step S2 of performing carbonitriding heat treatment, grinding, superfinishing, honing, and the like. and a step S4 of forming the triiron tetroxide film 12 .
  • step S1 a steel material made of one of chromium steel, chromium molybdenum steel and nickel chromium molybdenum steel is prepared.
  • step S2 the steel material prepared in step S1 is subjected to carbonitriding heat treatment.
  • this carbonitriding heat treatment an atmosphere gas containing, for example, ammonia (NH 3 ) gas is used.
  • step S3 the carbonitriding heat-treated steel material is subjected to grinding, superfinishing, honing, and the like. As a result, the steel material is finished to have an outer diameter dimension as the transmission shaft 1 .
  • a triiron tetraoxide film 12 is formed on the surface of the steel material.
  • the triiron tetraoxide film 12 is formed, for example, by a chemical conversion treatment called a blackening treatment method.
  • the steel material is immersed in a strong alkaline aqueous solution containing sodium hydroxide as a main component at 130° C. or higher and 160° C. or lower for 3 minutes or longer.
  • a triiron tetroxide film 12 is formed on the surface of the base material 11, and the transmission shaft 1 of the present embodiment is manufactured.
  • step S2 As the carbonitriding heat treatment in step S2, a special carbonitriding heat treatment shown in FIGS. 5 and 6 may be performed. This special carbonitriding heat treatment will be described below.
  • the special carbonitriding heat treatment includes a carbonitriding step S11, a diffusion step S12, a primary quenching step S13, a secondary quenching step S14, and a tempering step S15.
  • the carbonitriding step S11 for example, carbonitriding is performed on the surface of the steel material made of chromium molybdenum steel prepared in the step S1 shown in FIG.
  • the steel material is held in a furnace at a predetermined temperature (hereinafter referred to as "first holding temperature") for a predetermined time (hereinafter referred to as “first holding time”).
  • first holding temperature a predetermined temperature
  • first holding time a predetermined time
  • the first holding temperature is, for example, 930° C. or higher and 940° C. or lower.
  • the first holding time is, for example, 10 hours or more and 15 hours or less.
  • the diffusion step S12 the carbon and nitrogen introduced from the surface of the steel material in the carbonitriding step S11 diffuse into the steel material.
  • the diffusion step S12 is performed by holding in a furnace at a predetermined temperature (hereinafter referred to as "second holding temperature") for a predetermined time (hereinafter referred to as "second holding time").
  • a predetermined temperature hereinafter referred to as "second holding temperature”
  • second holding time For the atmosphere in the furnace, for example, an endothermic transformation gas (R gas) and a gas containing ammonia are used.
  • the second holding temperature is, for example, 930° C. or higher and 940° C. or lower.
  • the second holding time is, for example, 5 hours or more and 10 hours or less.
  • ⁇ defined by the following equations (1) and (2) is adjusted to be lower than in the carbonitriding step S11. Adjustment of ⁇ is performed by adjusting the amount of carbon monoxide, the amount of carbon dioxide, and the amount of undecomposed ammonia in the atmosphere, as is clear from equations (1) and (2).
  • the amount of undecomposed ammonia in the atmosphere is preferably 0.1% by volume or more.
  • the primary quenching step S13 the steel material is quenched.
  • the primary quenching step S13 has a holding step S13a and a cooling step S13b.
  • the holding step S13a is performed by holding the steel material in the furnace at a predetermined temperature (hereinafter referred to as "third holding temperature") for a predetermined time (hereinafter referred to as "third holding time").
  • the atmosphere in the furnace does not contain ammonia.
  • the third holding temperature is a temperature equal to or higher than the A1 transformation point of steel constituting the steel material and lower than the first holding temperature and the second holding temperature.
  • the third holding temperature is, for example, 850°C or higher and lower than 930°C.
  • the third holding temperature is 860°C or higher and 880°C or lower.
  • the third holding time is, for example, 0.5 hours or more and 2 hours or less.
  • the steel material is cooled from the third holding temperature to a temperature below the Ms point.
  • the cooling step S13b is performed, for example, by oil cooling.
  • the secondary quenching step S14 the steel material is quenched.
  • the secondary quenching step S14 has a holding step S14a and a cooling step S14b.
  • the holding step S14a is performed by holding the steel material in the furnace at a predetermined temperature (hereinafter referred to as "fourth holding temperature") for a predetermined time (hereinafter referred to as "fourth holding time").
  • the atmosphere in the furnace does not contain ammonia.
  • the fourth holding temperature is a temperature equal to or higher than the A1 transformation point of steel constituting the steel material and lower than the third holding temperature.
  • the fourth holding temperature is, for example, above the A1 transformation point of steel constituting the steel material and below 850°C.
  • the fourth holding temperature is preferably 820° C. or higher and 840° C. or lower.
  • the fourth retention time is, for example, 1 hour or more and 2 hours or less.
  • the steel material is cooled from the fourth holding temperature to a temperature below the Ms point.
  • the cooling step S14b is performed, for example, by oil cooling.
  • the compound grains in the diffusion layer DR are mainly precipitated in the holding step S13a and the holding step S14a.
  • the solid solubility limits of carbon and nitrogen in steel increase as the holding temperature increases (and decrease as the holding temperature decreases).
  • the third holding temperature is set higher than the holding temperature during normal quenching in order to avoid excessive precipitation of compound grains in the diffusion layer DR in the holding step S13a ( set so that the solid solubility limits of carbon and nitrogen in steel are relatively wide).
  • the fourth holding temperature is set lower than the third holding temperature in order to narrow the solid solubility limits of nitrogen and carbon in steel and promote the precipitation of compound grains in the holding step S14a.
  • the area ratio of the compound grains in the diffusion layer DR can be 3% or more.
  • the average particle size can be 0.3 ⁇ m or less.
  • the growth of the austenite crystal grains is suppressed by the pinning effect of the compound grains precipitated in large amounts and finely as described above, and the austenite crystal grains remain fine.
  • martensite transformation a plurality of martensite blocks are formed within one austenite grain. From another point of view, one martensite block is not formed across a plurality of austenite grains. Therefore, the finer the austenite grains, the finer the martensite blocks contained therein.
  • the steel material is tempered.
  • the steel material is held in a furnace at a predetermined temperature (hereinafter referred to as "fifth holding temperature") for a predetermined time (hereinafter referred to as "fifth holding time") and then cooled. It is done by The fifth holding temperature is a temperature below the A1 transformation point of steel forming the steel material.
  • the fifth holding temperature is, for example, 150° C. or higher and 350° C. or lower.
  • the fourth holding time is, for example, 0.5 hours or more and 5 hours or less. Cooling in the tempering step S15 is performed, for example, by air cooling.
  • step S11 to S15 the carbonitriding heat treatment shown in step S2 in FIG. 4 is performed.
  • FIG. 6 is a graph showing the heat pattern in the method of manufacturing the transmission shaft according to the embodiment.
  • FIG. 6 schematically shows the relationship between the first to fifth holding temperatures and the first to fifth holding times.
  • FIG. 7 is a diagram showing the driving force of the needle rollers and the load distribution acting on the raceway surface when the raceway surface is straight (A) and when the raceway surface is bent (B).
  • FIG. 7A when the raceway surface 1b is straight in the axial direction, the load distribution applied to the raceway surface 1b through the rollers (rolling elements) 2 is substantially uniform. As a result, the driving force for the rollers 2 is also substantially uniform in the axial direction of the rollers 2 .
  • the triiron tetroxide film 12 has a porous surface and has a structure including concave portions on the surface. Therefore, by forming the triiron tetraoxide film 12, the oil is retained in the concave portions of the surface, the oil film forming ability is improved, and the life under lean lubrication conditions is improved.
  • the triiron tetroxide film 12 is softer than the mating material (needle roller). For this reason, unevenness due to processing or protrusions around indentations formed when foreign matter is bitten in are quickly worn out, and metal contact in actual use can be reduced. In the life test, the triiron tetroxide film 12 wore about 0.8 ⁇ m in the initial stage of operation, and the wear did not progress until breakage occurred. Therefore, the thickness of the triiron tetraoxide film 12 should be 0.8 ⁇ m or more (preferably 1 ⁇ m or more). In addition, if the triiron tetroxide film 12 is made thicker, the time required for the blackening treatment becomes longer, leading to an increase in cost.
  • the blackening process it is possible to process multiple products at once, and it is possible to reduce the cost increase due to additional processing. Further, since the surface roughness is improved during the blackening treatment, the number of man-hours for processing the transmission shaft 1 can be reduced.
  • this experiment conducted to confirm the effect of the transmission shaft 1 according to the embodiment will be described below.
  • Samples 1 and 2 were used in this experiment.
  • the steel material used for Samples 1 and 2 is SCM435 (JIS G 4053:2016) as shown in Table 1.
  • Each of Sample 1 and Sample 2 is a rotating shaft that is an inner member of a needle roller bearing device.
  • each of Sample 1 and Sample 2 was subjected to the carbonitriding step S11 under the conditions of a first holding temperature of 930° C. or higher and 940° C. or lower and a first holding time of 13 hours. .
  • the diffusion step S12 was performed under the conditions that the second holding temperature was 930° C. or higher and 940° C. or lower and the second holding time was 6 hours.
  • the amount of carbon monoxide, the amount of carbon dioxide, and the amount of ammonia in the atmosphere in the carbonitriding step S11 and the diffusion step S12 are 11% by volume or more and 17% by volume or less and 0.05% by volume or more and 0.15% by volume or less, respectively. , 0.1% by volume or more and 0.3% by volume or less.
  • the primary quenching step S13 was performed under the condition that the third holding temperature was 870°C and the third holding time was 1 hour. After that, the sample 1 was subjected to the secondary quenching step S14 under the condition that the fourth holding temperature was 830° C. and the fourth holding temperature was 1.5 hours. Sample 2 was not subjected to the secondary quenching step S14. Thereafter, the tempering step S15 was performed on each of the samples 1 and 2 under the conditions of a fifth holding temperature of 180° C. and a fifth holding time of 3 hours. After that, each of the samples 1 and 2 was subjected to mechanical polishing with a polishing amount of 150 ⁇ m as the processing step S3.
  • FIG. 8 is a graph showing the measurement results of the carbon concentration and nitrogen concentration of sample 1 by EPMA.
  • FIG. 9 is a graph showing the measurement results of the carbon concentration and nitrogen concentration of sample 2 by EPMA.
  • the horizontal axis is the distance (unit: mm) from the surface of sample 1 and sample 2
  • the vertical axis is carbon concentration and nitrogen concentration (unit: mass % concentration).
  • FIG. 10 is an electron microscope image in the vicinity of the surface of the sample 1.
  • FIG. 10 it was confirmed that a large number of compound particles with a size of 0.2 ⁇ m or more and 3.0 ⁇ m or less were precipitated in the vicinity of the surface of Sample 1.
  • the average grain size of the compound grains near the surface of Sample 1 was about 0.25 ⁇ m.
  • the area ratio of the compound grains was about 8%.
  • FIG. 11 is an electron microscope image in the vicinity of the surface of sample 2. As shown in FIG. 11, in the vicinity of the surface of sample 2, it was confirmed that the area ratio of the compound grains was about 1%.
  • the maximum grain size of the martensite block was within the range of 3.6 ⁇ m or more and 3.8 ⁇ m or less. It was also confirmed that in the vicinity of the surface of Sample 1, martensite blocks with a crystal grain size of 2 ⁇ m or less account for 90% or more of the area of the martensite blocks. Furthermore, it was confirmed that in the vicinity of the surface of Sample 1, martensite blocks having a crystal grain size of 1 ⁇ m or less occupied 55% or more and 75% or less of the area of the martensite blocks.
  • the maximum grain size of the martensite block was within the range of 5.1 ⁇ m or more and 7.3 ⁇ m or less. It was also confirmed that in the vicinity of the surface of Sample 2, martensite blocks with a crystal grain size of 2 ⁇ m or less occupied 65% or more and 80% or less of the area of the martensite blocks. Furthermore, it was confirmed that in the vicinity of the surface of Sample 2, martensite blocks having a crystal grain size of 1 ⁇ m or less occupied 35% or more and 45% or less of the area of the martensite blocks.
  • FIG. 12 is an optical microscope image near the surface of sample 1.
  • the average grain size of the prior austenite grains is in the range of 4 ⁇ m or more and 8 ⁇ m or less, and the crystal grain size of the prior austenite grains is distributed in the range of 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • FIG. 13 is an optical microscope image in the vicinity of the surface of the sample 2.
  • the average grain size of the prior austenite grains is in the range of 12 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less, and the crystal grain size of the prior austenite grains is distributed over a wide range of 5 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less. It was confirmed that
  • FIG. 14 is a graph showing the average grain sizes of martensite blocks belonging to the third and fifth groups in the vicinity of the surfaces of samples 1 and 2.
  • the vertical axis indicates the average particle diameter (unit: ⁇ m).
  • the average grain size of martensite blocks belonging to the third group was about 1.0 ⁇ m. From this, it was confirmed that in Sample 1, the average grain size of the martensite blocks belonging to the third group was in the range of 0.7 ⁇ m or more and 1.4 ⁇ m or less.
  • the average grain size of martensite blocks belonging to the fifth group was about 0.8 ⁇ m. From this, it was confirmed that in sample 1, the average grain size of martensite blocks belonging to the fifth group was in the range of 0.6 ⁇ m or more and 1.1 ⁇ m.
  • the average grain size of martensite blocks belonging to the third group was about 1.7 ⁇ m.
  • the average grain size of martensite blocks belonging to the fifth group was about 1.3 ⁇ m.
  • FIG. 15 is a graph showing the average aspect ratios of martensite blocks belonging to the third and fifth groups in the vicinity of the surfaces of samples 1 and 2.
  • the vertical axis indicates the average aspect ratio.
  • the average aspect ratio of martensite blocks belonging to the third group was about 2.8. From this, it was confirmed that in Sample 1, the average aspect ratio of the martensite blocks belonging to the third group was within the range of 2.5 or more and 2.8 or less.
  • the average aspect ratio of martensite blocks belonging to the fifth group was about 2.6. From this, it was confirmed that in sample 1, the average aspect ratio of the martensite blocks belonging to the fifth group was within the range of 2.4 or more and 2.6 or less.
  • the average aspect ratio of martensite blocks belonging to the third group was about 3.2.
  • the average aspect ratio of martensite blocks belonging to the fifth group was about 3.0.
  • Sample 3 is a transmission shaft obtained by subjecting sample 1 to blackening treatment
  • sample 4 is a transmission shaft obtained by subjecting sample 2 to blackening treatment.
  • Each of Samples 3 and 4 was blackened by immersion in a strong alkaline aqueous solution containing sodium hydroxide at about 130° C. for 10 minutes or longer.
  • the thickness of the triiron tetroxide film formed by this blackening treatment was 1.8 ⁇ m.
  • lubrication was oil bath lubrication using engine oil SAE30, the load was 24.5 kN, and the relative rotational speed of the outer member to the transmission shaft was 2150 rpm.

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Abstract

変速機用軸（１）は、変速機に用いられ、針状ころ（２）が転動する軌道面を有する。変速機用軸（１）は、母材（１１）と、四三酸化鉄皮膜（１２）とを備える。母材（１１）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（１２）は、母材（１１）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。

Description

変速機用軸およびそれを用いた軸受装置
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　＜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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　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請求の範囲によって示され、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 (8)

  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、を備えた、変速機用軸。
  2. 　前記四三酸化鉄皮膜の厚みは、１μｍ以上２μｍ以下である、請求項１に記載の変速機用軸。
  3. 　前記母材は、クロムモリブデン鋼からなる、請求項１または請求項２に記載の変速機用軸。
  4. 　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１から請求項３のいずれか１項に記載の変速機用軸。
  5. 　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１から請求項４のいずれか１項に記載の変速機用軸。
  6. 　前記拡散層は、複数のマルテンサイトブロックを含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の変速機用軸。
  7. 　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６に記載の変速機用軸。
  8. 　請求項１から請求項７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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