WO2023080064A1 - 軸部材及び転がり軸受 - Google Patents

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WO2023080064A1
WO2023080064A1 PCT/JP2022/040301 JP2022040301W WO2023080064A1 WO 2023080064 A1 WO2023080064 A1 WO 2023080064A1 JP 2022040301 W JP2022040301 W JP 2022040301W WO 2023080064 A1 WO2023080064 A1 WO 2023080064A1
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less
shaft member
steel
peripheral surface
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勇樹 小川
直哉 嘉村
清茂 山内
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Ntn株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to shaft members and rolling bearings.
  • a shaft is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-1521 (Patent Document 1).
  • the shaft described in Patent Document 1 is a pinion shaft for a planetary gear mechanism.
  • the surface is subjected to carbonitriding, quenching, subzero treatment, and tempering in this order.
  • the surface fatigue resistance performance is improved, and the amount of retained austenite in the core is 0% by volume, so plastic bending is less likely to occur.
  • the amount of retained austenite in the core is set to 0% by volume in order to suppress plastic deformation of the shaft due to thermal decomposition of retained austenite in the core when used in a high-temperature environment. It is
  • Patent Document 1 has room for improvement in plastic bending performance (hardness of plastic bending).
  • a main object of the present invention is to provide a shaft member in which plastic bending is unlikely to occur and a rolling bearing comprising the shaft member.
  • a shaft member according to one embodiment of the present invention is a steel shaft member having a surface.
  • Steel contains 0.10% by mass to 0.40% by mass of carbon, 0.10% by mass to 2.50% by mass of silicon, and 0.30% by mass to 1.20% by mass of manganese. , 0.40% by mass to 3.00% by mass of chromium, 1.00% by mass or less of molybdenum, and the balance being iron and unavoidable impurities.
  • the distance between the first position P1 at which the steel hardness is 653 Hv and the outer peripheral surface 30a is 0.2 mm or more and 1.0 mm or less.
  • the surface nitrogen concentration is 0.2% by mass or more and 1.2% by mass or less.
  • the surface carbon concentration is 0.6% by mass or more and 1.2% by mass or less.
  • the martensite crystal (211) plane at the second position where the depth Z (unit: mm) from the surface is 0.085D with respect to the diameter D (unit: mm) of the shaft member
  • the half width of the peak is 6.5° or less.
  • the half width of the martensite crystal (211) plane peak at the third position where the depth Z (unit: mm) is 0.017D is wider than the half-value width.
  • the amount of retained austenite on the surface is 25% by volume or more and 40% by volume or less, and the amount of retained austenite in the core portion positioned inside each of the first position and the second position is 0.5% by volume. % or more and 3.0 volume % or less.
  • the shaft member may have a diameter D of 6 mm or more and 30 mm or less.
  • the shaft member may be a shaft member for a planetary reduction gear.
  • a rolling bearing according to the present invention comprises a plurality of needle rollers which have rolling surfaces and are made of high-carbon chromium bearing steel, and steel which has an outer diameter surface in contact with the rolling surface of each of the plurality of needle rollers. and a retainer that retains each of the plurality of needle rollers.
  • the steel constituting the shaft member contains 0.10% by mass or more and 0.40% by mass or less of carbon, 0.10% by mass or more and 2.50% by mass or less of silicon, and 0.30% by mass or more and 1.20% by mass. % or less manganese, 0.40 mass % or more and 3.00 mass % or less chromium, and 1.00 mass % or less molybdenum, and the balance is iron and unavoidable impurities.
  • the Vickers hardness of the outer diameter surface is 653HV or more and 800HV or less.
  • a high-hardness region having a Vickers hardness of 653 HV or more exists at a depth of 0.2 mm or more and 1.0 mm or less from the outer diameter surface.
  • the nitrogen concentration on the outer diameter surface is 0.2% by mass or more and 0.7% by mass or less.
  • the carbon concentration of the outer diameter surface is 0.6% by mass or more and 0.9% by mass or less.
  • the grain size number of the prior austenite crystal grains in the high hardness region is 9 or more as defined by the JIS standard.
  • the amount of retained austenite in the outer diameter surface is 25% by volume or more and 40% by volume or less, and the nitrogen content and carbon content in the steel are constant regardless of the depth from the outer peripheral surface 30a.
  • the amount of retained austenite in the core portion, which is the region of, is 0.5% by volume or more and 3% by volume or less.
  • the nitrogen concentration on the rolling surface of each of the needle rollers is 0.1% by mass or more and 0.7% by mass or less.
  • the shaft member is a shaft member for a planetary gear device.
  • FIG. 1 is a front view of a planetary gear device according to Embodiment 1;
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view along II-II in FIG. 1;
  • 4 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the outer peripheral surface of the shaft member in Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 8 is a front view of a planetary gear device according to Embodiment 2;
  • FIG. 5 is a cross-sectional view along VV in FIG. 4;
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the outer peripheral surface of the shaft member according to Embodiment 2;
  • 3 is a graph showing the relationship between the depth from the outer peripheral surface of Samples 1 to 3 and the half-value width of the peak of the (211) plane of the martensite crystal.
  • 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 retainer 40 .
  • the planetary gear device 100 is used, for example, in a speed reducer of an automobile transmission. That is, the shaft member 30 is, for example, a shaft member for a planetary reduction gear.
  • 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 protrude radially inwardly 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 axis of the shaft member 20 matches the position of the central axis 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 protrude from the outer peripheral surface of the sun gear 21 toward the radially outer side of the sun gear 21 .
  • a central hole is formed in the central portion 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. A 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 .
  • the planetary gear 31 has an inner peripheral surface 31a and an outer peripheral surface 31b.
  • the inner wall surface of the center hole of the planetary gear 31 is the inner peripheral surface 31a.
  • a plurality of teeth are formed along the circumferential direction of the planetary gear 31 on the outer peripheral surface 31b.
  • the teeth of the planetary gear 31 protrude radially outward of the planetary gear 31 from the outer peripheral surface 31b.
  • the teeth of the planetary gear 31 mesh with the teeth of the internal gear 10 and the sun gear 21 .
  • a central hole is formed in the central portion of the planetary gear 31 so as to penetrate the planetary gear 31 in the thickness direction.
  • the shaft member 30 is fitted into the center hole of the planetary gear 31 . That is, the shaft member 30 is a pinion shaft.
  • the outer diameter D of the shaft member 30 is, for example, 6.0 mm or more and 30.0 mm or less.
  • 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.
  • the rolling elements 32 are, for example, needle rollers.
  • the rolling element 32 has a rolling surface 32 a that contacts each of the outer peripheral surface 30 a of the shaft member 30 and the inner peripheral surface 31 a of the planetary gear 31 .
  • the outer diameter of the rolling element 32 is the outer diameter d.
  • the outer diameter d is 0.5 times the outer diameter D or less.
  • the outer diameter d is, for example, 1.5 mm or more and less than 5.0 mm.
  • the rolling elements 32 are made of steel.
  • the steel forming the rolling elements 32 is, for example, high-carbon chromium bearing steel such as SUJ2 defined in the JIS standard (JIS G 4805:2019).
  • the nitrogen concentration of the rolling surface 32a is 0.1% by mass or more from the viewpoint of improving the surface fatigue resistance performance by enriching the amount of retained austenite and improving the temper softening resistance.
  • the nitrogen concentration of the rolling surface 32a is 0.7% by mass or less from the viewpoint of suppressing a decrease in surface hardness due to an excessive amount of retained austenite.
  • the cage 40 is arranged between the shaft member 30 and the planetary gear 31 and holds each of the plurality of rolling elements 32 .
  • a material forming the retainer 40 is not particularly limited.
  • the material constituting the retainer 40 includes, for example, cold-rolled steel plate (SPC) defined in JIS (JIS G 3141:2017) and bare steel defined in JIS (JIS G 4053:2016). Tempered steel (SCM415, SNCM415, etc.) and carbon steel pipe for machine structural use (STKM) specified in JIS standards (JIS G 3445:2016) can be applied.
  • SPC cold-rolled steel plate
  • STKM carbon steel pipe for machine structural use
  • the shaft member 30 is made of steel.
  • the steel constituting the shaft member 30 contains 0.10% by mass or more and 0.40% by mass or less of carbon, 0.10% by mass or more and 2.50% by mass or less of silicon, and 0.30% by mass or more of 1 0.20 wt% or less manganese, 0.40 wt% to 3.00 wt% chromium, and 1.00 wt% or less molybdenum.
  • the steel contains 1.00% by weight or less of molybdenum, it means that the steel does not contain molybdenum or that the steel contains 1.00% by weight or less of molybdenum.
  • the balance of the steel is iron and inevitable impurities.
  • the carbon content in the steel is 0.4% by mass or less from the viewpoint of keeping the dislocation density inside the shaft member 30 low and improving the plastic bending resistance performance. From the viewpoint of keeping the dislocation density inside the shaft member 30 lower, the carbon content in the steel forming the shaft member 30 is preferably 0.10% by mass or more and 0.25% by mass or less.
  • the content of silicon in the steel is 0.10% by mass or more and 2.50% by mass or less from the viewpoint of improving temper softening resistance and promoting nitride precipitation in the surface layer.
  • the content of manganese in steel is 0.30% by mass or more and 1.20% by mass or less from the viewpoint of improving hardenability and stabilizing austenite.
  • the content of chromium in steel is 0.40% by mass or more and 3.00% by mass or less from the viewpoint of improving hardenability and temper softening resistance.
  • the content of molybdenum in the steel is 1.00% by mass or less from the viewpoint of improving hardenability and temper softening resistance.
  • the steel forming the shaft member 30 is, for example, chromium molybdenum steel such as SCM420, SCM425, SCM430, and SCM435 defined in the JIS standard (JIS G 4053:2016).
  • the chemical composition of the steel that constitutes the shaft member 30 is measured using an EPMA (Electron Probe Micro Analyzer).
  • the position where the Vickers hardness of the steel is 653HV is defined as the first position P1.
  • the distance between the first position P1 at which the hardness is 653 Hv and the outer peripheral surface 30a is 0.2 mm or more and 1.0 mm or less.
  • the shaft member 30 has a high hardness region 30b with a Vickers hardness of 653HV or higher.
  • the high-hardness region 30b is formed between the first position P1 and the outer peripheral surface 30a in the radial direction of the shaft member 30. As shown in FIG.
  • the Vickers hardness of the steel forming the shaft member 30 is measured by the Vickers hardness test method defined in the JIS standard (JIS Z 2245:2009).
  • the maximum contact surface pressure when the rolling elements 32 and the outer peripheral surface 30a contact is, for example, 2000 MPa or more and 4000 MPa or less.
  • the maximum shear stress due to contact with the surface of the raceway surface is applied to a position deeper than 0.20 mm and shallower than 1.0 mm from the outer peripheral surface 30a, that is, the high hardness region 30b.
  • the shaft member 30 further has a core portion 30c located inside the high hardness region 30b.
  • the core portion 30c is a region where the nitrogen content and carbon content in the steel are constant regardless of the depth from the outer peripheral surface 30a. That is, the nitrogen content and carbon content in the steel are sequentially measured along the depth direction from the outer peripheral surface 30a, and the position where the measured nitrogen content and carbon content are constant is the core portion. It becomes the outer edge of 30c.
  • the high-hardness region 30b is a part of the surface layer portion located outside the core portion 30c.
  • the nitrogen concentration of the outer peripheral surface 30a is 0.2% by mass or more from the viewpoint of improving the surface fatigue resistance performance by enriching the amount of retained austenite and improving the temper softening resistance.
  • the nitrogen concentration of the outer peripheral surface 30a is 1.2% by mass or less from the viewpoint of suppressing a decrease in surface hardness due to an excessive amount of retained austenite.
  • the nitrogen concentration of the outer peripheral surface 30a is 0.3% by mass or more and 0.7% by mass or less.
  • the nitrogen concentration of the core portion 30c is lower than the nitrogen concentration of the outer peripheral surface 30a.
  • the carbon concentration of the outer peripheral surface 30a is 0.6% by mass or more from the viewpoint of ensuring surface hardness.
  • the carbon concentration of the outer peripheral surface 30a is 1.2% by mass or less from the viewpoint of suppressing the formation of abnormal structures such as network cementite in the surface layer portion.
  • the carbon concentration of the outer peripheral surface 30a is 0.7% by mass or more and 0.9% by mass or less.
  • the carbon concentration of the core portion 30c is lower than that of the outer peripheral surface 30a.
  • the nitrogen concentration and carbon concentration of the outer peripheral surface 30a are measured using EPMA.
  • a position where the depth Z (unit: mm) from the outer peripheral surface 30a is 0.085D with respect to the diameter D (unit: mm) of the shaft member 30 is defined as a second position P2.
  • the half width of the peak of the martensite crystal (211) plane at the second position P2 is 6.5° or less.
  • the X-ray diffraction peak is obtained by cutting the shaft member 30 in an unused state along a plane orthogonal to the central axis and performing X-ray diffraction on the cross section using an X-ray residual stress measurement device.
  • the half-value width here is obtained by using, for example, a K ⁇ ray of a Cr tube, a tube voltage of 30 kV, a tube current of 10 mA, and incident angles ( ⁇ angles) of 11.8°, 28.9°, 40 . 7° and 51.8°, respectively, are the mean values of the measured half-value widths (measured values) corresponding to the crystallographic orientation (211) of the martensite phase.
  • the half width of the peak of the martensite crystal (211) plane at the second position P2 is 6.0° or less.
  • the second position P2 is located outside the core portion 30c.
  • the second position P2 is, for example, a position deeper than the first position P1 in the radial direction. Note that the second position P2 may be a position shallower than the first position P1 in the radial direction.
  • a position where the depth Z (unit: mm) from the outer peripheral surface 30a is 0.033D with respect to the diameter D (unit: mm) of the shaft member 30 is defined as a third position P3.
  • the half-value width of the martensite crystal (211) plane peak at the third position P3 is wider than the half-value width of the martensite crystal (211) plane peak at the second position P2.
  • the half width of the peak of the martensite crystal (211) plane at the third position P3 is 6.8° or less.
  • the half width of the peak of the martensite crystal (211) plane at the third position P3 is 6.2° or less.
  • the ratio of the reduction amount of the half width (unit: °) between the outer peripheral surface 30a and the third position P3 to the radial distance (unit: mm) between the outer peripheral surface 30a and the third position P3 (First ratio) is the half-value width between the third position P3 and the second position P2 ( unit: °) is high compared to the ratio of the amount of decrease (second ratio).
  • the first ratio (unit: °/mm) is, for example, 1 or more and 9 or less.
  • the second ratio (unit: °/mm) is, for example, 0.1 or more and 1 or less.
  • the amount of retained austenite on the outer peripheral surface 30a of the shaft member 30 is 25 volumes from the viewpoint of suppressing the height of the swelling around the indentation formed on the outer peripheral surface 30a when hard foreign matter (abrasion powder, etc.) is caught. % or more. By suppressing the height of the bulge around the indentation, the life of the planetary gear device 100 is lengthened.
  • the amount of retained austenite in the outer peripheral surface 30a is preferably 40% by volume or less from the viewpoint of suppressing a decrease in surface hardness.
  • the amount of retained austenite in the core portion 30c is 0.3% by volume or more.
  • the shaft member 30 is manufactured without being subjected to heat treatment such as sub-zero treatment or refining treatment for reducing the amount of retained austenite in the core portion 30c to 0% by volume.
  • the amount of retained austenite in the core portion 30c is preferably 3% by volume or less from the viewpoint of suppressing plastic bending of the shaft member 30 due to creep deformation of the retained austenite.
  • the amount of retained austenite in steel is measured by the X-ray diffraction method. More specifically, the amount of retained austenite in the steel is measured by comparing the integrated intensity of the X-ray diffraction peaks of the austenite in the steel and the integrated intensity of the X-ray diffraction peaks of other phases in the steel. .
  • a diameter D of the shaft member 30 is, for example, 6 mm or more and 30 mm or less.
  • the outer diameter of the rolling element 32 is, for example, 1.5 mm or more and 5.0 mm or less.
  • the grain size number defined by the JIS standard (JIS G 0551) of the prior austenite crystal grains in the high hardness region 30b of the shaft member 30 is 9 or more.
  • the particle size number is measured by the method specified in JIS (JIS G 0551:2020).
  • the compressive residual stress on the outer peripheral surface 30a of the shaft member 30 is 600 MPa or more. Residual stress is obtained by X-ray diffraction using an X-ray residual stress measuring device.
  • the method for manufacturing the shaft member 30 includes a preparation step S1, a carburizing step S2, a carbonitriding step S3, a quenching step S4, a tempering step S5, and a post-treatment step S6.
  • the carburizing step S2 is performed after the preparatory step S1.
  • the carbo-nitriding step S3 is performed after the carburizing step S2.
  • the hardening step S4 is performed after the carbonitriding step S3.
  • the tempering step S5 is performed after the quenching step S4.
  • the post-treatment step S6 is performed after the tempering step S5.
  • members to be processed are prepared.
  • the member to be processed is rod-shaped.
  • the member to be processed is prepared by, for example, performing machining such as forging and turning to form a raw material into a shape similar to the shaft member 30 .
  • the surface of the member to be processed is carburized.
  • the carburizing treatment is performed by maintaining the member to be processed at a temperature equal to or higher than the A1 transformation point of the steel forming the member to be processed in a heat treatment gas.
  • a heat treatment gas for example, an endothermic modified gas (RX gas) to which an enriched gas serving as a carbon source (for example, propane (C 3 H 8 ) gas, butane gas (C 4 H 10 )) is added is used. be done.
  • the holding temperature in this step S2 is, for example, 850° C. or higher and 940° C. or lower.
  • a carbonitriding treatment is performed on the surface of the member to be processed.
  • the carbo-nitriding treatment is performed by maintaining the member to be processed at a temperature equal to or higher than the A1 transformation point of the steel forming the member to be processed in a heat treatment gas.
  • the heat treatment gas includes, for example, an endothermic transformation gas (RX gas), an enriched gas serving as a carbon source (e.g., propane (C 3 H 8 ) gas, butane gas (C 4 H 10 )), and a gas serving as a nitrogen source. (For example, ammonia (NH 3 ) gas) is used.
  • RX gas endothermic transformation gas
  • a carbon source e.g., propane (C 3 H 8 ) gas, butane gas (C 4 H 10 )
  • a gas serving as a nitrogen source e.g., ammonia (NH 3 ) gas
  • the holding temperature in this step S3 is, for example, 850° C. or higher and 940° C
  • the holding temperature in the carbo-nitriding step S3 is the same as the holding temperature in the carburizing step S2.
  • the atmosphere in the furnace is stabilized in the carburizing step S2 and the carbonitriding step S3, the nitrogen concentration and the carbon concentration of the outer peripheral surface 30a tend to be stabilized within the above numerical ranges.
  • the carburizing step S2 may be omitted.
  • the member to be processed is quenched.
  • the member to be processed is held at a temperature equal to or higher than the A1 transformation point of the steel constituting the member to be processed, and then rapidly cooled to a temperature equal to or lower than the MS transformation point of the steel constituting the member to be processed.
  • performed by The quenching is not induction quenching, but overall quenching by furnace heating. Rapid cooling of the member to be processed is performed, for example, by water cooling or oil cooling.
  • the member to be processed is tempered. Tempering is carried out by holding the workpiece at a temperature below the A1 transformation point of the steel from which the workpiece is constructed.
  • post-processing step S6 post-processing is performed on the member to be processed.
  • the holding temperature in this step S5 is, for example, 160° C. or higher and 200° C. or lower.
  • This post-treatment includes machining (grinding, polishing, etc.) the surface of the member to be processed, cleaning, and rust prevention. As described above, the shaft member 30 shown in FIGS. 1 and 2 is manufactured.
  • the method of manufacturing the rolling elements 32 includes, for example, a step of preparing a member to be processed that is formed into a shape similar to the rolling elements 32, a step of quenching the whole of the member to be processed, and a step of quenching the whole (submerged quenching). and tempering the cut workpiece member.
  • rolling elements 32 do not suffer from plastic bending.
  • existing heat treatment equipment for example, a continuous furnace
  • the rolling elements 32 can be mass-produced without increasing the cost.
  • a carbo-nitriding process may be performed instead of the overall quenching process.
  • the shaft member according to the comparative example conforms to the shaft described in Patent Document 1, and is carburized with respect to steel having a relatively high carbon content of 0.3% by mass or more and 0.5% by mass or less.
  • the amount of retained austenite in the surface is 20% by volume or more and the amount of retained austenite in the core is 0 by performing carbonitriding treatment and sub-zero treatment.
  • the dislocation density increases from the surface to the core. Therefore, when used in a high-temperature environment, even if the thermal decomposition of the retained austenite in the core can be suppressed, plastic bending is likely to occur due to movement of dislocations closer to the surface than the core.
  • the carbon content of the steel forming the shaft member 30 is relatively low, and the carbon concentration of the outer peripheral surface 30a is 0.6% by mass or more and 1.2% by mass or less.
  • carbon is supplied by carburizing treatment and carbonitriding treatment, so the carbon concentration and dislocation density decrease from the outer peripheral surface 30a toward the core portion 30c.
  • the depth Z (unit: mm) from the outer peripheral surface 30a is 0.085D with respect to the diameter D (unit: mm) of the shaft member 30 at the second position.
  • the half width of the peak of the martensite crystal (211) plane of is 6.5° or less.
  • the dislocation density at the second position of the shaft member 30 is relatively low. Therefore, in the shaft member 30, since the dislocation density at the second position and deeper positions is relatively low, compared to the shaft member according to the comparative example, plastic bending is less likely to occur even when used in a high-temperature environment. .
  • the distance between the first position P1 at which the steel hardness is 653 Hv and the outer peripheral surface 30a is 0.2 mm or more and 1.0 mm or less.
  • the maximum contact surface pressure between the outer peripheral surface 30a of the shaft member 30 and the rolling surface 32a of the rolling element 32 is usually assumed to be 3000 MPa. 4000 MPa or less.
  • the maximum shear stress generated under the contact surface during rolling is applied to the high hardness region 30b located between the first position P1 of the shaft member 30 and the outer peripheral surface 30a in the radial direction. That is, in the shaft member 30, since the hardness of the steel is sufficiently secured in the vicinity of the position where the maximum shear stress occurs, the surface fatigue resistance performance is improved.
  • the outer peripheral surface 30a has a nitrogen concentration of 0.2% by mass or more and 1.2% by mass or less, and a carbon concentration of the outer peripheral surface 30a is 0.6% by mass or more and 1.2% by mass or less. Therefore, the hardness of the outer peripheral surface 30a is ensured while the temper softening resistance is improved, so the surface fatigue resistance performance is improved.
  • the amount of retained austenite in the core portion 30c of the shaft member 30 is 0.3% by volume or more.
  • the present inventors have found that the shaft member 30 having a half-value width satisfying the above numerical range has a retained austenite amount in the core portion of less than 0.3% by volume, but the half-value width does not satisfy the above numerical range. In comparison, it was confirmed that the plastic bending resistance performance was improved (details will be described later).
  • the shaft member 30 is manufactured without being subjected to heat treatment for reducing the amount of retained austenite in the core to 0% by volume, such as sub-zero treatment or refining treatment. Therefore, the manufacturing cost of the shaft member 30 does not increase in comparison with the manufacturing cost of the shaft member according to the comparative example.
  • the diameter D of the shaft member 30 may be 6 mm or more and 30 mm or less. If the diameter D of the shaft member 30 is relatively short within the above range, the second position P2 may be arranged between the first position P1 and the outer peripheral surface 30a. When the diameter D of the shaft member 30 is relatively long within the above range, the second position P2 is arranged deeper than the first position P1. In any case, the dislocation densities at and deeper than the second location P2 affect plastic bending performance more than the dislocation densities at locations shallower than the second location P2. Therefore, the plastic bending resistance performance of the shaft member 30 in which the dislocation density at the second position P2 is suppressed can be improved regardless of the value of the diameter D.
  • the planetary gear device 100 Since the planetary gear device 100 has the shaft member 30 as the pinion shaft, the rolling fatigue life of the pinion shaft and the plastic bending of the pinion shaft are suppressed.
  • the rolling bearing according to this embodiment is configured as part of a planetary gear device 101.
  • the rolling bearing includes an outer ring raceway surface configured as an inner diameter surface (inner peripheral surface 131a) of the planetary gear 131, an inner ring raceway surface configured as an outer diameter surface (outer peripheral surface 130a) of the shaft member 130, and a needle-shaped and a roller (rolling element 132).
  • the planetary gear device 101 includes an internal gear 110, a shaft member 120, a sun gear 121, a shaft member 130, a planetary gear 131, rolling elements 132, a retainer 140, and a carrier 150.
  • illustration of the carrier 150 is omitted.
  • the planetary gear device 101 is used, for example, as a speed reducer of an automobile transmission. That is, the shaft member 130 is, for example, a shaft member for a planetary reduction gear.
  • the internal gear 110 has an annular shape.
  • the internal gear 110 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 110 along the circumferential direction of the internal gear 110 .
  • the teeth of the internal gear 110 protrude radially inward of the internal gear 110 from the inner peripheral surface of the internal gear 110 .
  • the shaft member 120 has a cylindrical shape.
  • the position of the central axis of shaft member 120 matches the position of the central axis of internal gear 110 .
  • the sun gear 121 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 121 along the circumferential direction of the sun gear 121 .
  • the teeth of the sun gear 121 protrude from the outer peripheral surface of the sun gear 121 toward the radially outer side of the sun gear 121 .
  • a center hole is formed in the center of the sun gear 121 so as to penetrate the sun gear 121 along the thickness direction.
  • the shaft member 120 is attached to the sun gear 121 by being fitted into the center hole of the sun gear 121 .
  • the shaft member 130 has a cylindrical shape.
  • the shaft member 130 has an outer peripheral surface 130a. A detailed configuration of the shaft member 130 will be described later.
  • Planetary gear 131 is arranged between internal gear 110 and sun gear 121 .
  • the planetary gear 131 has an inner peripheral surface 131a and an outer peripheral surface 131b.
  • the inner wall surface of the center hole of the planetary gear 131 is the inner peripheral surface 131a.
  • a plurality of teeth are formed along the circumferential direction of the planetary gear 131 on the outer peripheral surface 131b.
  • the teeth of the planetary gear 131 protrude radially outward of the planetary gear 131 from the outer peripheral surface 131b.
  • the teeth of the planetary gear 131 mesh with the teeth of the internal gear 110 and the teeth of the sun gear 121 .
  • a central hole is formed in the central portion of the planetary gear 131 so as to penetrate the planetary gear 131 in the thickness direction.
  • the shaft member 130 is fitted into the center hole of the planetary gear 131 . That is, shaft member 130 is a pinion shaft.
  • the outer diameter D of the shaft member 130 is, for example, 6.0 mm or more and 30.0 mm or less.
  • the shaft member 130 is rotatably supported by the inner peripheral surface 131a. More specifically, a plurality of rolling elements 132 are arranged between the outer peripheral surface 130a and the inner peripheral surface 131a. Further, a retainer 140 is arranged to hold each of the plurality of rolling elements 132 at intervals in the circumferential direction.
  • the shaft member 130 is formed with, for example, an oil passage 130e through which lubricating oil flows. It should be noted that illustration of the oil passage 130e is omitted in FIG.
  • the rolling elements 132 are, for example, needle rollers.
  • the rolling element 132 has a rolling surface 32 a that contacts each of the outer peripheral surface 130 a of the shaft member 130 and the inner peripheral surface 131 a of the planetary gear 131 .
  • the outer diameter of the rolling element 132 is the outer diameter d.
  • the outer diameter d is 0.5 times the outer diameter D or less.
  • the outer diameter d is, for example, 1.5 mm or more and less than 5.0 mm.
  • the rolling elements 132 are made of steel.
  • the steel forming the rolling elements 132 is, for example, high-carbon chromium bearing steel such as SUJ2 defined in the JIS standard (JIS G 4805:2019).
  • the nitrogen concentration of the rolling surface 32a is 0.1% by mass or more from the viewpoint of improving the surface fatigue resistance performance by enriching the amount of retained austenite and improving the temper softening resistance.
  • the nitrogen concentration of the rolling surface 32a is 0.7% by mass or less from the viewpoint of suppressing a decrease in surface hardness due to an excessive amount of retained austenite.
  • the cage 140 is arranged between the shaft member 130 and the planetary gear 131 and holds each of the plurality of rolling elements 132 .
  • a material forming retainer 140 is not particularly limited. Materials that constitute the retainer 140 include, for example, cold-rolled steel plate (SPC) defined in JIS standards (JIS G 3141:2017) and bare steel defined in JIS standards (JIS G 4053:2016). Hardened steel (SCM415, SNCM415, etc.), carbon steel pipe for machine structural use (STKM) specified in JIS standards (JIS G 3445:2016), or high strength specified in JIS standards (JIS H 5120:2016) Brass castings (such as CAC301) may be applied.
  • the carrier 150 is attached to one axial end of the shaft member 130 .
  • the shaft member 130 is made of steel.
  • the steel constituting the shaft member 130 contains 0.10% by mass or more and 0.40% by mass or less of carbon, 0.10% by mass or more and 2.50% by mass or less of silicon, and 0.30% by mass or more of 1 0.20 wt% or less manganese, 0.40 wt% to 3.00 wt% chromium, and 1.00 wt% or less molybdenum.
  • the steel contains 1.00% by weight or less of molybdenum, it means that the steel does not contain molybdenum or that the steel contains 1.00% by weight or less of molybdenum.
  • the balance of the steel is iron and inevitable impurities.
  • the carbon content in the steel is 0.4% by mass or less from the viewpoint of keeping the dislocation density inside the shaft member 130 low and improving the plastic bending resistance performance. If the carbon content in the steel is 0.10% by mass or more and 0.40% by mass or less, the amount of retained austenite in the core portion 130c of the shaft member 130, which will be described later, can be 3% by volume or less. From the viewpoint of keeping the dislocation density inside the shaft member 130 lower, the carbon content in the steel forming the shaft member 130 is preferably 0.10% by mass or more and 0.25% by mass or less.
  • the content of silicon in the steel is 0.10% by mass or more and 2.50% by mass or less from the viewpoint of improving temper softening resistance and promoting nitride precipitation in the surface layer.
  • the content of manganese in steel is 0.30% by mass or more and 1.20% by mass or less from the viewpoint of improving hardenability and stabilizing austenite.
  • the content of chromium in steel is 0.40% by mass or more and 3.00% by mass or less from the viewpoint of improving hardenability and temper softening resistance.
  • the content of molybdenum in the steel is 1.00% by mass or less from the viewpoint of improving hardenability and temper softening resistance.
  • the steel forming the shaft member 130 is, for example, chromium molybdenum steel such as SCM420, SCM425, SCM430, SCM435 defined in JIS standards (JIS G 4053:2016).
  • the chemical composition of the steel forming the shaft member 130 is measured using an EPMA (Electron Probe Micro Analyzer).
  • the shaft member 130 has a high hardness region 130d with a Vickers hardness of 653HV or higher.
  • the high hardness region 130d extends to a depth of at least 0.2 mm or more from the outer peripheral surface 130a.
  • a high hardness region 130d having a Vickers hardness of 653 HV or more exists at a depth of 0.2 mm or more and 1.0 mm or less from the outer peripheral surface 130a.
  • a position where the Vickers hardness of steel is 653HV is defined as a first position P1.
  • the distance between the first position P1 at which the hardness is 653 Hv and the outer peripheral surface 130a is 0.2 mm or more and 1.0 mm or less.
  • the Vickers hardness of the outer peripheral surface 130a is 653HV or more and 800HV or less.
  • the Vickers hardness of the steel forming the shaft member 130 is measured by the Vickers hardness test method defined in the JIS standard (JIS Z 2244-1:2020).
  • the maximum contact surface pressure when the rolling elements 132 and the outer peripheral surface 130a contact is, for example, 2000 MPa or more and 4000 MPa or less.
  • the maximum shear stress due to contact with the surface of the raceway surface is applied to a position deeper than 0.20 mm and shallower than 1.0 mm from the outer peripheral surface 130a, that is, the high hardness region 130d.
  • the shaft member 130 further has a core portion 130c located inside the high hardness region 130d.
  • the core portion 130c is a region where the nitrogen content and carbon content in the steel are constant regardless of the depth from the outer peripheral surface 130a. That is, the nitrogen content and carbon content in the steel are sequentially measured along the depth direction from the outer peripheral surface 130a, and the position where the measured nitrogen content and carbon content are constant is the core portion. It becomes the outer edge of 130c.
  • the high-hardness region 130d is a portion of the surface layer positioned outside the core portion 130c.
  • the nitrogen concentration of the outer peripheral surface 130a is 0.2% by mass or more from the viewpoint of improving the surface fatigue resistance performance by enriching the amount of retained austenite and improving the temper softening resistance.
  • the nitrogen concentration of the outer peripheral surface 130a is 1.2% by mass or less from the viewpoint of suppressing a decrease in surface hardness due to an excessive amount of retained austenite.
  • the nitrogen concentration of outer peripheral surface 130a is 0.3% by mass or more and 0.7% by mass or less.
  • the nitrogen concentration of the core portion 130c is lower than the nitrogen concentration of the outer peripheral surface 130a.
  • the carbon concentration of the outer peripheral surface 130a is 0.6% by mass or more from the viewpoint of ensuring surface hardness.
  • the carbon concentration of the outer peripheral surface 130a is 1.2% by mass or less from the viewpoint of suppressing the formation of abnormal structures such as network cementite in the surface layer portion.
  • the carbon concentration of outer peripheral surface 130a is 0.7% by mass or more and 0.9% by mass or less.
  • the carbon concentration of the core portion 130c is lower than the carbon concentration of the outer peripheral surface 130a.
  • the nitrogen concentration and carbon concentration of the outer peripheral surface 130a are measured using EPMA.
  • a position where the depth Z (unit: mm) from the outer peripheral surface 130a is 0.085D with respect to the diameter D (unit: mm) of the shaft member 130 is defined as a second position P2.
  • the half width of the peak of the martensite crystal (211) plane at the second position P2 is 6.5° or less.
  • the X-ray diffraction peak is obtained by cutting the shaft member 130 in an unused state along a plane orthogonal to the central axis and performing X-ray diffraction on the cross section using an X-ray residual stress measurement device.
  • the half-value width here is obtained by using, for example, a K ⁇ ray of a Cr tube, a tube voltage of 30 kV, a tube current of 10 mA, and incident angles ( ⁇ angles) of 11.8°, 28.9°, 40 . 7° and 51.8°, respectively, are the mean values of the measured half-value widths (measured values) corresponding to the crystallographic orientation (211) of the martensite phase.
  • the half width of the peak of the martensite crystal (211) plane at the second position P2 is 6.0° or less.
  • the second position P2 is positioned outside the core portion 130c.
  • the second position P2 is, for example, a position deeper than the first position P1 in the radial direction. Note that the second position P2 may be a position shallower than the first position P1 in the radial direction.
  • a position where the depth Z (unit: mm) from the outer peripheral surface 130a is 0.033D with respect to the diameter D (unit: mm) of the shaft member 130 is defined as a third position P3.
  • the half-value width of the martensite crystal (211) plane peak at the third position P3 is wider than the half-value width of the martensite crystal (211) plane peak at the second position P2.
  • the half width of the peak of the martensite crystal (211) plane at the third position P3 is 6.8° or less.
  • the half width of the peak of the martensite crystal (211) plane at the third position P3 is 6.2° or less.
  • the ratio of the reduction amount of the half width (unit: °) from the outer peripheral surface 130a to the third position P3 to the radial distance (unit: mm) between the outer peripheral surface 130a and the third position P3 (First ratio) is the half-value width between the third position P3 and the second position P2 ( unit: °) is high compared to the ratio of the amount of decrease (second ratio).
  • the first ratio (unit: °/mm) is, for example, 1 or more and 9 or less.
  • the second ratio (unit: °/mm) is, for example, 0.1 or more and 1 or less.
  • the amount of retained austenite on the outer peripheral surface 130a of the shaft member 130 is set to 25 volumes from the viewpoint of suppressing the height of the swelling around the impression formed on the outer peripheral surface 130a when hard foreign matter (abrasion powder, etc.) is caught. % or more. By suppressing the height of the bulge around the indentation, the life of the planetary gear device 101 is lengthened.
  • the amount of retained austenite in the outer peripheral surface 130a is preferably 40% by volume or less from the viewpoint of suppressing a decrease in surface hardness.
  • the amount of retained austenite in the core portion 130c is 0.3% by volume or more.
  • the shaft member 130 is manufactured without being subjected to heat treatment such as sub-zero treatment or refining treatment for reducing the amount of retained austenite in the core portion 130c to 0% by volume.
  • the amount of retained austenite in the core portion 130c is preferably 3% by volume or less from the viewpoint of suppressing plastic bending of the shaft member 130 due to creep deformation of retained austenite.
  • the amount of retained austenite in steel is measured by the X-ray diffraction method. More specifically, the amount of retained austenite in the steel is measured by comparing the integrated intensity of the X-ray diffraction peaks of the austenite in the steel and the integrated intensity of the X-ray diffraction peaks of other phases in the steel. .
  • a diameter D of the shaft member 130 is, for example, 6 mm or more and 30 mm or less.
  • the outer diameter of the rolling element 132 is, for example, 1.5 mm or more and 5.0 mm or less.
  • the grain size number defined by the JIS standard (JIS G 0551:2020) of the prior austenite crystal grains in the high hardness region 130d of the shaft member 130 is 9 or more from the viewpoint of improving the rolling contact fatigue life.
  • the particle size number is measured by the method specified in JIS (JIS G 0551:2020).
  • the compressive residual stress on the outer peripheral surface 130a of the shaft member 130 is 600 MPa or more. Compressive residual stress delays the occurrence of cracks in the outer peripheral surface 130a of the shaft member 130, suppresses crack propagation, and improves fatigue strength. Residual stress is obtained by X-ray diffraction using an X-ray residual stress measuring device.
  • the method for manufacturing the shaft member 130 includes a preparation step S1, a carburizing step S2, a carbonitriding step S3, a quenching step S4, a tempering step S5, and a post-treatment step S6.
  • the carburizing step S2 is performed after the preparatory step S1.
  • the carbo-nitriding step S3 is performed after the carburizing step S2.
  • the hardening step S4 is performed after the carbonitriding step S3.
  • the tempering step S5 is performed after the quenching step S4.
  • the post-treatment step S6 is performed after the tempering step S5.
  • members to be processed are prepared.
  • the member to be processed is rod-shaped.
  • the member to be processed is prepared by, for example, performing machining such as forging and turning to form a raw material into a shape similar to the shaft member 130 .
  • the surface of the member to be processed is carburized.
  • the carburizing treatment is performed by maintaining the member to be processed at a temperature equal to or higher than the A1 transformation point of the steel forming the member to be processed in the heat treatment gas.
  • the heat treatment gas for example, an endothermic modified gas (RX gas) to which an enriched gas serving as a carbon source (for example, propane (C 3 H 8 ) gas, butane gas (C 4 H 10 )) is added is used. be done.
  • the holding temperature in this step S2 is, for example, 850° C. or higher and 940° C. or lower.
  • a carbonitriding treatment is performed on the surface of the member to be processed.
  • the carbo-nitriding treatment is performed by maintaining the member to be processed at a temperature equal to or higher than the A1 transformation point of the steel forming the member to be processed in the heat treatment gas.
  • the heat treatment gas includes, for example, an endothermic transformation gas (RX gas), an enriched gas serving as a carbon source (e.g., propane (C 3 H 8 ) gas, butane gas (C 4 H 10 )), and a gas serving as a nitrogen source. (For example, ammonia (NH 3 ) gas) is used.
  • RX gas endothermic transformation gas
  • a carbon source e.g., propane (C 3 H 8 ) gas, butane gas (C 4 H 10 )
  • a gas serving as a nitrogen source e.g., ammonia (NH 3 ) gas
  • the holding temperature in this step S3 is, for example, 850° C. or higher and 940° C.
  • the holding temperature in the carbo-nitriding step S3 is the same as the holding temperature in the carburizing step S2.
  • the nitrogen concentration and carbon concentration of the outer peripheral surface 130a tend to be stabilized within the numerical ranges described above.
  • the carburizing step S2 may be omitted.
  • the member to be processed is quenched. Quenching is performed by holding the member to be processed at a temperature equal to or higher than the A1 transformation point of the steel constituting the member to be processed, and then rapidly cooling the member to a temperature equal to or lower than the MS transformation point of the steel constituting the member to be processed. will be Rapid cooling of the member to be processed is performed, for example, by water cooling or oil cooling.
  • the member to be processed is tempered. Tempering is performed by holding the work piece at a temperature below the A1 transformation point of the steel forming the work piece.
  • post-processing step S6 post-processing is performed on the member to be processed.
  • the holding temperature in this step S5 is, for example, 160° C. or higher and 200° C. or lower.
  • This post-treatment includes machining (grinding, polishing, etc.) the surface of the member to be processed, cleaning, and rust prevention. As described above, the shaft member 130 shown in FIGS. 4 and 5 is manufactured.
  • the method of manufacturing the rolling element 132 includes, for example, a step of preparing a member to be processed that is formed into a shape similar to the rolling element 132, a step of entirely quenching the member to be machined, and a step of quenching the entire member (submerged quenching). and tempering the cut workpiece member.
  • rolling elements 132 do not suffer from plastic bending.
  • existing heat treatment equipment for example, a continuous furnace
  • the rolling elements 132 can be mass-produced without increasing costs.
  • a carbo-nitriding process may be performed instead of the overall quenching process.
  • the rolling bearing is equipped with a shaft member 130 that has improved resistance to plastic bending, it is highly durable and has a long service life even when used in harsh environments (environments containing foreign matter, high temperatures, etc.). is.
  • the carbon content of the steel forming the shaft member 130 is relatively low, and the carbon concentration of the outer peripheral surface 130a is 0.6% by mass or more and 0.9% by mass or less.
  • carbon is supplied by carburizing treatment and carbonitriding treatment, so the carbon concentration and dislocation density decrease from the outer peripheral surface 130a toward the core portion 130c.
  • the amount of retained austenite in the core portion 130c can be 0.3% by volume or more and 3.0% by volume or less.
  • Such a shaft member 130 has improved resistance to plastic bending.
  • the Vickers hardness of the outer peripheral surface 130a is 653 HV or more and 800 HV or less, and the Vickers hardness is 653 HV or more at a depth of 0.2 mm or more and 1.0 mm or less from the outer peripheral surface 130a. 130d exists.
  • the maximum contact surface pressure between the outer peripheral surface 130a of the shaft member 130 and the rolling surface 32a of the rolling element 132 is usually assumed to be 2000 MPa. 4000 MPa or less.
  • the maximum shear stress generated under the contact surface during rolling is applied to the high hardness region 130d positioned between the first position P1 of the shaft member 130 and the outer peripheral surface 130a in the radial direction. That is, in the shaft member 130, since the hardness of the steel is sufficiently secured in the vicinity of the position where the maximum shear stress occurs, surface fatigue resistance performance is improved.
  • the nitrogen concentration of the outer peripheral surface 130a is 0.2% by mass or more and 0.7% by mass or less, and the carbon concentration of the outer peripheral surface 130a is 0.6% by mass or more and 0.9% by mass or less. Therefore, since the hardness of the outer peripheral surface 130a is ensured while the resistance to temper softening is improved, the surface fatigue resistance performance is improved.
  • the JIS standard grain size number of the prior austenite crystal grains in the high hardness region 130d is 9 or more, so the resistance to foreign matter is improved when used in an environment where foreign matter is mixed. and the rolling life is improved. Further, the finer the crystal grain size, the slower the propagation of cracks when cracks occur, and the longer the rolling contact life.
  • the shaft member 130 is manufactured without being subjected to heat treatment for reducing the amount of retained austenite in the core to 0% by volume, such as sub-zero treatment or refining treatment. Therefore, the manufacturing cost of the shaft member 130 does not increase in comparison with the manufacturing cost of the shaft member according to the comparative example.
  • the diameter D of the shaft member 130 may be 6 mm or more and 30 mm or less. If the diameter D of the shaft member 130 is relatively short within the above range, the second position P2 may be arranged between the first position P1 and the outer peripheral surface 130a. When the diameter D of the shaft member 130 is relatively long within the above range, the second position P2 is arranged deeper than the first position P1. In either case, the dislocation densities at and deeper than the second location P2 affect plastic bending performance more than the dislocation densities at locations shallower than the second location P2. Therefore, the plastic bending resistance performance of the shaft member 130 in which the dislocation density at the second position P2 is suppressed can be improved regardless of the value of the diameter D.
  • the nitrogen concentration on the rolling surface of each of the needle rollers may be 0.1% by mass or more and 0.7% by mass or less.
  • a rolling bearing comprising such needle rollers 32 and the shaft member 130 has high durability and long life even when used in a harsh environment (environment containing foreign matter, high temperature environment, etc.).
  • the planetary gear device 101 Since the planetary gear device 101 has the shaft member 130 as the pinion shaft, the rolling fatigue life of the pinion shaft and the plastic bending of the pinion shaft are suppressed.
  • Sample 1 is a shaft member made of SCM420
  • Sample 2 is a shaft member made of SCr435 defined in the JIS standard (JIS G 4053 (2016))
  • Sample 3 is a shaft made of SUJ2. It was used as a member.
  • Samples 1 and 2 were prepared by applying the above-described method for manufacturing a shaft member according to the present embodiment to members to be processed made of each steel type.
  • Sample 3 was prepared by subjecting a SUJ2 workpiece member to overall quenching instead of the carburizing and carbo-nitriding steps.
  • the tempering temperature for sample 1 was 170°C.
  • the tempering temperature for samples 2 and 3 was 180°C.
  • Each sample 1 to 3 had a diameter D of 18 mm and an axial length of 73.9 mm.
  • Table 1 shows the nitrogen concentration on the outer peripheral surface, the carbon concentration, the amount of retained austenite on the surface, the surface hardness, the amount of retained austenite on the core, and the Vickers hardness measured for samples 1 to 3. Depth from the outer peripheral surface of position P1, residual stress, and grain size number are shown. The method for measuring each parameter is as described above.
  • the nitrogen content of the outer peripheral surface 30a was 0.58% by mass, and the carbon content of the outer peripheral surface 30a was 0.75% by mass.
  • the nitrogen content of the outer peripheral surface 30a was 0.42% by mass, and the carbon content of the outer peripheral surface 30a was 0.80% by mass.
  • the nitrogen content of the outer peripheral surface 30a was 0.13% by mass, and the carbon content of the outer peripheral surface 30a was 1.00% by mass.
  • sample 1 the amount of retained austenite in the outer peripheral surface was 31% by volume, and the amount of retained austenite in the core was 2% by volume.
  • sample 2 the amount of retained austenite in the outer peripheral surface was 30% by volume, and the amount of retained austenite in the core was 2% by volume.
  • Sample 3 the amount of retained austenite in the outer peripheral surface was 20% by volume, and the amount of retained austenite in the core was 10% by volume.
  • sample 1 the residual stress on the outer peripheral surface was -815 MPa.
  • Sample 2 had a residual stress of ⁇ 670 MPa on the outer peripheral surface.
  • Sample 3 had a residual stress of -575 MPa on the outer peripheral surface.
  • Sample 1 As shown in Table 1 and FIG. 7, in Sample 1, the half-value width at the second position was 5.2° and the half-value width at the third position was 5.6°. Sample 2 had a half-value width of 5.9° at the second position and a half-value width of 6.1° at the third position. Sample 3 had a half-value width of 7.0° at the second position and a half-value width of 6.9° at the third position.
  • each sample was not rotated around the central axis (rotation speed 0 times / min). was subjected to a total radial load of 15000 N for 200 hours.
  • the total length of each sample in the axial direction was measured with a contour measuring instrument to calculate the amount of axial bending on the load side and the anti-load side of each sample. Further, the amount of axial bending of each sample was calculated as the average value of the calculated amounts of axial bending on the load side and the anti-load side. Table 2 shows the measurement results.
  • the amount of axial bending of each of samples 1 and 2 was smaller than the amount of axial bending of sample 3, which has a relatively large amount of retained austenite in the core.
  • the amount of axial bending of Sample 1 which has a relatively narrow half-value width at the second position, is the half-value width at the second position. was smaller than the amount of axial bending of Sample 2, which was relatively wide. From this result, it was experimentally confirmed that the narrower the half width at the second position, the more the plastic bending can be suppressed.

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Abstract

軸部材は、表面を有する鋼製の軸部材である。鋼は、０．１０質量％以上０．４０質量％以下の炭素と、０．１０質量％以上２．５０質量％以下のシリコンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のマンガンと、０．４０質量％以上３．００質量％以下のクロムと、１．００質量％以下のモリブデンとを含み、かつ残部が鉄及び不可避不純物である。軸部材の表面と鋼の硬さが６５３Ｈｖとなる第１位置との間の距離は、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。表面の窒素濃度が０．２質量％以上１．２質量％以下であり、表面の炭素濃度が０．６質量％以上１．２質量％以下である。Ｘ線回折ピークにおいて、前記表面からの深さＺ（単位：ｍｍ）が前記軸部材の直径Ｄ（単位：ｍｍ）に対して０．０８５Ｄである第２位置での、マルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅が、６．５°以下である。

Description

軸部材及び転がり軸受
　本発明は、軸部材及び転がり軸受に関する。
　特開２０１０－１５２１号公報（特許文献１）には、軸が記載されている。特許文献１に記載の軸は、遊星歯車機構用のピニオンシャフトである。特許文献１に記載の軸の製造方法では、表面（軌道面）に対して浸炭窒化処理、焼入れ、サブゼロ処理、および焼戻しが順に行われている。これにより、特許文献１に記載の軸では、耐表面疲労性能が改善されているとともに、芯部の残留オーステナイト量が０体積％となるために塑性曲がりが生じ難くされている。
特開２０１０－１５２１号公報
　特許文献１に記載の軸では、高温環境下で使用されたときに芯部の残留オーステナイトが熱分解することに伴う軸の塑性変形を抑制すべく、芯部の残留オーステナイト量を０体積％とされている。
　しかしながら、特許文献１に記載の軸は、塑性曲がり性能（塑性曲がりの生じ難さ）に改善の余地がある。
　本発明の主たる目的は、塑性曲がりが生じ難い軸部材及び当該軸部材を備える転がり軸受を提供することにある。
　本発明の一実施形態に係る軸部材は、表面を有する鋼製の軸部材である。鋼は、０．１０質量％以上０．４０質量％以下の炭素と、０．１０質量％以上２．５０質量％以下のシリコンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のマンガンと、０．４０質量％以上３．００質量％以下のクロムと、１．００質量％以下のモリブデンとを含み、かつ残部が鉄及び不可避不純物である。鋼の硬さが６５３Ｈｖとなる第１位置Ｐ１と外周面３０ａとの間の距離が０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。表面の窒素濃度が０．２質量％以上１．２質量％以下である。表面の炭素濃度が０．６質量％以上１．２質量％以下である。Ｘ線回折ピークにおいて、表面からの深さＺ（単位：ｍｍ）が軸部材の直径Ｄ（単位：ｍｍ）に対して０．０８５Ｄである第２位置での、マルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅が、６．５°以下である。
　上記軸部材では、Ｘ線回折ピークにおいて、深さＺ（単位：ｍｍ）が０．０１７Ｄである第３位置でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅が、第２位置での半価幅よりも広い。
　上記軸部材では、表面の残留オーステナイト量が、２５体積％以上４０体積％以下であり、第１位置及び第２位置のそれぞれよりも内側に位置する芯部の残留オーステナイト量が、０．５体積％以上３．０体積％以下であるのが好ましい。
　上記軸部材では、直径Ｄが６ｍｍ以上３０ｍｍ以下であってもよい。
　上記軸部材は、遊星減速機用の軸部材であってもよい。
　本発明に係る転がり軸受は、転動面を有し高炭素クロム軸受鋼製である複数の針状ころと、複数の針状ころの各々の転動面と接触する外径面を有する鋼製の軸部材と、複数の針状ころの各々を保持する保持器とを備える。軸部材を構成する鋼は、０．１０質量％以上０．４０質量％以下の炭素と、０．１０質量％以上２．５０質量％以下のシリコンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のマンガンと、０．４０質量％以上３．００質量％以下のクロムと、１．００質量％以下のモリブデンとを含み、かつ残部が鉄及び不可避不純物である。外径面のビッカース硬さが６５３ＨＶ以上８００ＨＶ以下である。ビッカース硬さが６５３ＨＶ以上である高硬度領域が、前記外径面からの深さが０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以内に存在する。外径面の窒素濃度が０．２質量％以上０．７質量％以下である。外径面の炭素濃度が０．６質量％以上０．９質量％以下である。高硬度領域における旧オーステナイト結晶粒のＪＩＳ規格に定められた粒度番号が、９以上である。
　上記転がり軸受では、外径面の残留オーステナイト量が、２５体積％以上４０体積％以下であり、鋼中の窒素の含有量及び炭素の含有量が外周面３０ａからの深さによらずに一定の領域である芯部の残留オーステナイト量が、０．５体積％以上３体積％以下である。
　上記転がり軸受では、複数の針状ころの各々の転動面の窒素濃度が、０．１質量％以上０．７質量％以下である。
　上記転がり軸受では、軸部材は、遊星歯車装置用の軸部材である。
　本発明によれば、塑性曲がりが生じ難い軸部材及び当該軸部材を備える転がり軸受を提供できる。
実施の形態１に係る遊星歯車装置の正面図である。 図１中のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。 実施の形態１における軸部材の外周面近傍の拡大断面図である。 実施の形態２に係る遊星歯車装置の正面図である。 図４中のＶ－Ｖにおける断面図である。 実施の形態２における軸部材の外周面近傍の拡大断面図である。 試料１～３の外周面からの深さとマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅との関係を示すグラフである。
　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下では、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。
（実施の形態１）
　＜遊星歯車装置の構成＞
　図１及び図２に示されるように、本実施の形態に係る軸部材３０は、遊星歯車装置１００のピニオンシャフトである。
　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、保持器４０とを備える。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。つまり、軸部材３０は、例えば、遊星減速機用の軸部材である。
　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。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は、遊星歯車３１の中心孔に嵌め合わされている。すなわち、軸部材３０は、ピニオンシャフトである。軸部材３０の外径Ｄは、例えば６．０ｍｍ以上３０．０ｍｍ以下である。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。
　転動体３２は、例えば、針状ころである。転動体３２は、軸部材３０の外周面３０ａ及び遊星歯車３１の内周面３１ａの各々と接触する転動面３２ａを有している。転動体３２の外径は、外径ｄである。外径ｄは、外径Ｄの０．５倍以下である。外径ｄは、例えば１．５ｍｍ以上５．０ｍｍ未満である。
　転動体３２は、鋼製である。転動体３２を構成している鋼は、例えば、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｇ　４８０５：２０１９）に定められているＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼である。
　好ましくは、転動面３２ａの窒素濃度は、残留オーステナイト量の富化及び焼戻し軟化抵抗の向上により耐表面疲労性能を改善する観点から、０．１質量％以上である。好ましくは、転動面３２ａの窒素濃度は、残留オーステナイト量が過多になることに伴う表面硬さの低下を抑制する観点から、０．７質量％以下である。
　保持器４０は、軸部材３０と遊星歯車３１との間に配置されて、複数の転動体３２の各々を保持している。保持器４０を構成する材料は、特に制限されない。保持器４０を構成する材料には、例えば、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｇ　３１４１：２０１７）に定められている冷間圧延鋼板（ＳＰＣ）、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｇ　４０５３：２０１６）に定められているはだ焼き鋼（ＳＣＭ４１５、ＳＮＣＭ４１５等）、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｇ　３４４５：２０１６）に定められている機械構造用炭素鋼鋼管（ＳＴＫＭ）が適用され得る。
　＜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、０．１０質量％以上０．４０質量％以下の炭素と、０．１０質量％以上２．５０質量％以下のシリコンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のマンガンと、０．４０質量％以上３．００質量％以下のクロムと、１．００質量％以下のモリブデンとを含む。上記鋼が１．００質量％以下のモリブデンを含むとは、上記鋼がモリブデンを含んでいない、あるいは上記鋼が１．００質量％以下のモリブデンを含んでいることを意味する。上記鋼の残部は、鉄及び不可避不純物である。
　鋼中の炭素の含有量は、軸部材３０内部の転位密度を低く抑えて耐塑性曲がり性能を向上させる観点で、０．４質量％以下である。軸部材３０内部の転位密度をより低く抑える観点から、軸部材３０を構成する鋼中の炭素の含有量は、０．１０質量％以上、０．２５質量％以下であるのが好ましい。
　鋼中のシリコンの含有量は、焼戻し軟化抵抗の向上及び表層部における窒化物の析出を促進する観点から、０．１０質量％以上２．５０質量％以下である。鋼中のマンガンの含有量は、焼入れ性の向上及びオーステナイトの安定化を図る観点から、０．３０質量％以上１．２０質量％以下である。鋼中のクロムの含有量は、焼入れ性の向上及び焼戻し軟化抵抗の向上を図る観点から、０．４０質量％以上３．００質量％以下である。鋼中のモリブデンの含有量は、焼入れ性の向上及び焼戻し軟化抵抗の向上を図る観点から、１．００質量％以下である。
　軸部材３０を構成している鋼は、例えば、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｇ　４０５３：２０１６）に定められているＳＣＭ４２０、ＳＣＭ４２５、ＳＣＭ４３０、ＳＣＭ４３５等のクロムモリブデン鋼である。
　軸部材３０を構成する鋼の上記化学成分は、ＥＰＭＡ（Electron　Probe　Micro　Analyzer）を用いて測定される。
　図３に示されるように、軸部材３０において、鋼のビッカース硬さが６５３ＨＶとなる位置を第１位置Ｐ１とする。硬さが６５３Ｈｖとなる第１位置Ｐ１と外周面３０ａとの間の距離は、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。異なる観点から言えば、軸部材３０は、ビッカース硬さが６５３ＨＶ以上である高硬度領域３０ｂを有している。高硬度領域３０ｂは、軸部材３０の径方向において第１位置Ｐ１と外周面３０ａとの間に形成されている。
　軸部材３０を構成する鋼のビッカース硬さは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｚ　２２４５：２００９）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。
　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。この場合、軌道面ところの表面との接触による最大せん断応力は、外周面３０ａからの深さが０．２０ｍｍよりも深くかつ１．０ｍｍよりも浅い位置、すなわち高硬度領域３０ｂ内に加わることになる。
　軸部材３０は、高硬度領域３０ｂよりも内側に位置する芯部３０ｃをさらに有している。芯部３０ｃは、鋼中の窒素の含有量及び炭素の含有量が外周面３０ａからの深さによらずに一定である領域である。つまり、外周面３０ａから深さ方向に沿って順次鋼中の窒素の含有量及び炭素の含有量を測定し、測定された窒素の含有量及び炭素の含有量が一定になる位置が、芯部３０ｃの外縁部になる。高硬度領域３０ｂは、芯部３０ｃよりも外側に位置する表層部の一部である。
　外周面３０ａの窒素濃度は、残留オーステナイト量の富化及び焼戻し軟化抵抗の向上により耐表面疲労性能を改善する観点から、０．２質量％以上である。外周面３０ａの窒素濃度は、残留オーステナイト量が過多になることに伴う表面硬さの低下を抑制する観点から、１．２質量％以下である。好ましくは、外周面３０ａの窒素濃度は、０．３質量％以上０．７質量％以下である。芯部３０ｃの窒素濃度は、外周面３０ａの窒素濃度よりも低い。
　外周面３０ａの炭素濃度は、表面硬さを確保する観点から、０．６質量％以上である。外周面３０ａの炭素濃度は、表層部において網状セメンタイトなどの異常組織の生成を抑制する観点から、１．２質量％以下である。好ましくは、外周面３０ａの炭素濃度は、０．７質量％以上０．９質量％以下である。芯部３０ｃの炭素濃度は、外周面３０ａの炭素濃度よりも低い。外周面３０ａの窒素濃度及び炭素濃度は、ＥＰＭＡを用いて測定される。
　外周面３０ａからの深さＺ（単位：ｍｍ）が軸部材３０の直径Ｄ（単位：ｍｍ）に対して０．０８５Ｄである位置を、第２位置Ｐ２とする。Ｘ線回折ピークにおいて、第２位置Ｐ２でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅は、６．５°以下である。Ｘ線回折ピークは、未使用状態の軸部材３０を中心軸に直交する面で切断し、当該断面に対してＸ線残留応力測定装置を用いたＸ線回折により得られるものである。ここでの半価幅は、例えば、Ｃｒ管球のＫα線を用いて、管電圧を３０ｋＶ、管電流を１０ｍＡとし、入射角度（ψ角度）を１１．８°、２８．９°、４０．７°、及び５１．８°の各々として測定された、マルテンサイト相の結晶方位（２１１）に対応するそれぞれ測定した半価幅（測定値）の平均値である。
　好ましくは、第２位置Ｐ２でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅は、６．０°以下である。
　第２位置Ｐ２は、芯部３０ｃよりも外側に位置する。第２位置Ｐ２は、例えば上記径方向において第１位置Ｐ１よりも深い位置である。なお、第２位置Ｐ２は、上記径方向において第１位置Ｐ１よりも浅い位置であってもよい。
　外周面３０ａからの深さＺ（単位：ｍｍ）が軸部材３０の直径Ｄ（単位：ｍｍ）に対して０．０３３Ｄである位置を、第３位置Ｐ３とする。Ｘ線回折ピークにおいて、第３位置Ｐ３でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅は、第２位置Ｐ２でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅よりも広い。第３位置Ｐ３でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅は、６．８°以下である。好ましくは、第３位置Ｐ３でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅は、６．２°以下である。
　外周面３０ａと第３位置Ｐ３との間の上記径方向の距離（単位：ｍｍ）に対する、外周面３０ａから第３位置Ｐ３までの間での半価幅（単位：°）の減少量の比率（第１比率）は、第３位置Ｐ３と第２位置Ｐ２との間の上記径方向の距離（単位：ｍｍ）に対する、第３位置Ｐ３から第２位置Ｐ２までの間での半価幅（単位：°）の減少量の比率（第２比率）と比べて、高い。上記第１比率（単位：°／ｍｍ）は、例えば１以上９以下である。上記第２比率（単位：°／ｍｍ）は、例えば０．１以上１以下である。
　軸部材３０の外周面３０ａの残留オーステナイト量は、硬質異物（摩耗粉等）が噛み込まれたときに外周面３０ａに形成される圧痕の周囲の盛り上がりの高さを抑制する観点で、２５体積％以上であるのが好ましい。上記圧痕の周囲の盛り上がりの高さが抑えられることにより、遊星歯車装置１００の寿命が長くなる。外周面３０ａの残留オーステナイト量は、表面硬さの低下を抑制する観点から、４０体積％以下であることが好ましい。
　芯部３０ｃの残留オーステナイト量は、０．３体積％以上である。軸部材３０は、芯部３０ｃの残留オーステナイト量を０体積％とするための熱処理、例えばサブゼロ処理又は調質処理、が施されることなく、製造されている。芯部３０ｃの残留オーステナイト量は、残留オーステナイトのクリープ変形による軸部材３０の塑性曲がりを抑制する観点で、３体積％以下であることが好ましい。
　鋼中の残留オーステナイト量は、Ｘ線回折法により測定される。より具体的には、鋼中の残留オーステナイト量は、鋼中のオーステナイトのＸ線回折ピークの積分強度と鋼中のその他の相のＸ線回折ピークの積分強度とを比較することにより測定される。
　軸部材３０の直径Ｄは、例えば６ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。転動体３２の外径は、例えば１．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下である。
　軸部材３０の高硬度領域３０ｂにおける旧オーステナイト結晶粒のＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｇ　０５５１）に定められる粒度番号は、９以上である。粒度番号は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｇ　０５５１：２０２０）に定められた方法により測定される。
　軸部材３０の外周面３０ａにおける圧縮残留応力は、６００ＭＰａ以上である。残留応力は、Ｘ線残留応力測定装置を用いたＸ線回折により得られるものである。
　＜軸部材の製造方法＞
　軸部材３０の製造方法は、準備工程Ｓ１と、浸炭工程Ｓ２と、浸炭浸窒工程Ｓ３と、焼入れ工程Ｓ４と、焼戻し工程Ｓ５と、後処理工程Ｓ６とを有している。浸炭工程Ｓ２は、準備工程Ｓ１の後に行われる。浸炭浸窒工程Ｓ３は、浸炭工程Ｓ２の後に行われる。焼入れ工程Ｓ４は、浸炭浸窒工程Ｓ３の後に行われる。焼戻し工程Ｓ５は、焼入れ工程Ｓ４の後に行われる。後処理工程Ｓ６は、焼戻し工程Ｓ５の後に行われる。
　準備工程Ｓ１では、加工対象部材が準備される。加工対象部材は、棒状である。加工対象部材は、例えば、鍛造及び旋削等の機械加工を行って素形材を軸部材３０に近い形状に成形することにより準備される。
　浸炭工程Ｓ２では、加工対象部材の表面に対する浸炭処理が行われる。浸炭処理は、熱処理ガス中において、加工対象部材を、加工対象部材を構成している鋼のＡ１変態点以上の温度に保持することにより行われる。熱処理ガスには、例えば、吸熱型変成ガス（ＲＸガス）に、炭素源となるエンリッチガス（例えば、プロパン（Ｃ3Ｈ8）ガス、ブタンガス（Ｃ4Ｈ10））が添加されたものが用いられる。本工程Ｓ２での保持温度は、例えば８５０℃以上９４０℃以下である。
　浸炭浸窒工程Ｓ３では、加工対象部材の表面に対する浸炭浸窒処理が行われる。浸炭浸窒処理は、熱処理ガス中において、加工対象部材を、加工対象部材を構成している鋼のＡ１変態点以上の温度に保持することにより行われる。熱処理ガスには、例えば、吸熱型変成ガス（ＲＸガス）に、炭素源となるエンリッチガス（例えば、プロパン（Ｃ3Ｈ8）ガス、ブタンガス（Ｃ4Ｈ10））、及び窒素源となるガス（例えば、アンモニア（ＮＨ3）ガス）が添加されたものが用いられる。本工程Ｓ３での保持温度は、例えば８５０℃以上９４０℃以下である。保持温度が９５０℃以上となると、アンモニアの分解が促進され、未分解のアンモニアが減少し、外周面３０ａの窒素濃度が低くなりやすい。好ましくは、浸炭浸窒工程Ｓ３での保持温度は、浸炭工程Ｓ２での保持温度と同じである。この場合、浸炭工程Ｓ２及び浸炭浸窒工程Ｓ３での炉内の雰囲気が安定するため、外周面３０ａの窒素濃度及び炭素濃度が上記数値範囲内に安定しやすい。なお、軸部材３０の製造方法では、浸炭工程Ｓ２が省略されてもよい。
　焼入れ工程Ｓ４では、加工対象部材に対する焼入れが行われる。焼入れは、加工対象部材を、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保持した後に加工対象部材を構成している鋼のＭＳ変態点以下の温度に急冷することにより行われる。焼入れは、高周波焼入れではなく、炉加熱による全体焼入れとして行われる。加工対象部材の急冷は、例えば、水冷又は油冷することにより行われる。
　焼戻し工程Ｓ５では、加工対象部材に対する焼戻しが行われる。焼戻しは、加工対象部材を、加工対象部材を構成している鋼のＡ１変態点未満の温度で保持することにより行われる。後処理工程Ｓ６では、加工対象部材に対する後処理が行われる。本工程Ｓ５での保持温度は、例えば１６０℃以上２００℃以下である。この後処理には、加工対象部材の表面への機械加工（研削、研磨等）、洗浄、及び防錆が含まれる。以上により、図１及び図２に示される軸部材３０が製造される。
　＜転動体の製造方法＞
　転動体３２の製造方法は、例えば、転動体３２に近い形状に成形された加工対象部材を準備する工程と、加工対象部材に対して全体焼入れを行う工程と、全体焼入れ（ずぶ焼入れ）が行われた加工対象部材に対して焼戻しを行う工程とを含む。軸部材３０とは異なり、転動体３２には塑性曲がりの問題は無い。上記製造方法によれば、既存の熱処理設備（例えば、連続炉）が使用可能であり、コストアップすることなく転動体３２を大量生産することが可能となる。
　転動体３２の製造方法は、全体焼入れ工程に代えて、浸炭浸窒工程が行われてもよい。浸炭浸窒後に焼戻を行い、表層窒素濃度を０．１質量％以上とすることで針状ころの表面損傷対策を図ることができる。
　＜効果＞
　軸部材３０の効果を、比較例に係る軸部材との対比に基づいて説明する。
　比較例に係る軸部材は、上記特許文献１に記載の軸に従ったものであり、炭素の含有量が比較的高い０．３質量％以上０．５質量％以下である鋼に対して浸炭又は浸炭窒化処理とサブゼロ処理とが行われることにより、表面の残留オーステナイト量が２０体積％以上であって芯部の残留オーステナイト量が０とされている。このような比較例に係る軸部材では、その表面から芯部にかけて転位密度が高くなる。そのため、高温環境下で使用されたときには、芯部の残留オーステナイトの熱分解を抑制できたとしても、芯部よりも表面に近い転位の移動に伴う塑性曲がりが生じ易い。
　これに対し、軸部材３０を構成する鋼の炭素含有量は比較的低く、外周面３０ａの炭素濃度は０．６質量％以上１．２質量％以下である。このような軸部材３０では、炭素が浸炭処理及び浸炭浸窒処理により炭素が供給されているため、炭素濃度及び転位密度は外周面３０ａから芯部３０ｃに近づくほど低下する。さらに、軸部材３０では、Ｘ線回折ピークにおいて、外周面３０ａからの深さＺ（単位：ｍｍ）が軸部材３０の直径Ｄ（単位：ｍｍ）に対して０．０８５Ｄである第２位置でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅が６．５°以下である。つまり、軸部材３０の第２位置における転位密度が比較的少ない。そのため、軸部材３０では、第２位置及びそれよりも深い位置における転位密度が比較的少ないため、比較例に係る軸部材と比べて、高温環境下で使用されたときにも塑性曲がりが生じ難い。
　さらに、軸部材３０では、鋼の硬さが６５３Ｈｖとなる第１位置Ｐ１と外周面３０ａとの間の距離が０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。
　軸部材３０が自動車の遊星減速機のピニオンシャフトである場合には、軸部材３０の外周面３０ａと転動体３２の転動面３２ａとの最大接触面圧は、通常想定される値として、３０００ＭＰａ以上４０００ＭＰａ以下である。この場合、転動中に接触面下に生じる最大せん断応力は、上記径方向において軸部材３０の第１位置Ｐ１と外周面３０ａとの間に位置する高硬度領域３０ｂに加わる。つまり、軸部材３０では、最大せん断応力が生じる位置の近傍での鋼の硬さが十分に確保されているため、耐表面疲労性能が改善されている。
　さらに、軸部材３０では、外周面３０ａの窒素濃度が０．２質量％以上１．２質量％以下であり、外周面３０ａの炭素濃度が０．６質量％以上１．２質量％以下であるため、焼戻し軟化抵抗を向上しながらも外周面３０ａの硬さが確保されているため、耐表面疲労性能が改善されている。
　軸部材３０の芯部３０ｃの残留オーステナイト量は、０．３体積％以上である。本発明者らは、半価幅が上記数値範囲を満足する軸部材３０では、芯部の残留オーステナイト量が０．３体積％未満であるが半価幅が上記数値範囲を満足しない軸部材と比べて、耐塑性曲がり性能が改善されていることを確認した（詳細は後述する）。
　また、軸部材３０は、芯部の残留オーステナイト量を０体積％とするための熱処理、例えばサブゼロ処理又は調質処理、が施されることなく、製造されている。そのため、軸部材３０の製造コストは、比較例に係る軸部材の製造コストとの対比において、増加しない。
　軸部材３０の直径Ｄは、６ｍｍ以上３０ｍｍ以下であってもよい。軸部材３０の直径Ｄが上記範囲において比較的短い場合、第２位置Ｐ２は第１位置Ｐ１と外周面３０ａとの間に配置されてもよい。軸部材３０の直径Ｄが上記範囲において比較的長い場合、第２位置Ｐ２は第１位置Ｐ１よりも深くに配置される。いずれの場合にも、第２位置Ｐ２及びそれよりも深い位置の転位密度は、第２位置Ｐ２よりも浅い位置の転位密度よりも、塑性曲がり性能に影響する。そのため、第２位置Ｐ２の転位密度が抑えられている軸部材３０の耐塑性曲がり性能は、直径Ｄの値に依らず、向上し得る。
　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塑性曲がりが抑制されている。
　（実施の形態２）
　＜遊星歯車装置の構成＞
　図４及び図５に示されるように、本実施の形態に係る転がり軸受は、遊星歯車装置１０１の一部として構成されている。転がり軸受は、遊星歯車１３１の内径面（内周面１３１ａ）として構成されている外輪軌道面と、軸部材１３０の外径面（外周面１３０ａ）として構成されている内輪軌道面と、針状ころ（転動体１３２）とを備える。
　遊星歯車装置１０１は、内歯車１１０と、軸部材１２０と、太陽歯車１２１と、軸部材１３０と、遊星歯車１３１と、転動体１３２と、保持器１４０と、キャリア１５０とを備える。図４では、キャリア１５０の図示が省略されている。遊星歯車装置１０１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。つまり、軸部材１３０は、例えば、遊星減速機用の軸部材である。
　内歯車１１０は、円環形状を有している。内歯車１１０は、内周面と、外周面とを有している。内歯車１１０の内周面には、内歯車１１０の周方向に沿って複数の歯が形成されている。内歯車１１０の歯は、内歯車１１０の径方向内側に向かって、内歯車１１０の内周面から突出している。
　軸部材１２０は、円柱形状を有している。軸部材１２０の中心軸の位置は、内歯車１１０の中心軸の位置に一致している。太陽歯車１２１は、内周面と、外周面とを有している。太陽歯車１２１の外周面には、太陽歯車１２１の周方向に沿って複数の歯が形成されている。太陽歯車１２１の歯は、太陽歯車１２１の径方向外側に向かって、太陽歯車１２１の外周面から突出している。太陽歯車１２１の中心部には、太陽歯車１２１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１２０は、太陽歯車１２１の中心孔に嵌め合わされることにより太陽歯車１２１に取り付けられている。
　軸部材１３０は、円柱形状を有している。軸部材１３０は、外周面１３０ａを有している。軸部材１３０の詳細構成は、後述する。遊星歯車１３１は、内歯車１１０と太陽歯車１２１との間に配置されている。
　遊星歯車１３１は、内周面１３１ａと、外周面１３１ｂとを有している。遊星歯車１３１の中心孔の内壁面が、内周面１３１ａである。外周面１３１ｂには、遊星歯車１３１の周方向に沿って複数の歯が形成されている。遊星歯車１３１の歯は、遊星歯車１３１の径方向外側に向かって外周面１３１ｂから突出している。遊星歯車１３１の歯は、内歯車１１０の歯及び太陽歯車１２１の歯と噛み合っている。遊星歯車１３１の中心部には、遊星歯車１３１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１３０は、遊星歯車１３１の中心孔に嵌め合わされている。すなわち、軸部材１３０は、ピニオンシャフトである。軸部材１３０の外径Ｄは、例えば６．０ｍｍ以上３０．０ｍｍ以下である。軸部材１３０は、内周面１３１ａ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１３０ａと内周面１３１ａとの間には、複数の転動体１３２が配置されている。また、複数の転動体１３２の各々を周方向に間隔を空けて保持する保持器１４０が配置されている。軸部材１３０には、例えば内部に潤滑油が流れるための油路１３０ｅが形成されている。なお、図３では、油路１３０ｅの図示が省略されている。
　転動体１３２は、例えば、針状ころである。転動体１３２は、軸部材１３０の外周面１３０ａ及び遊星歯車１３１の内周面１３１ａの各々と接触する転動面３２ａを有している。転動体１３２の外径は、外径ｄである。外径ｄは、外径Ｄの０．５倍以下である。外径ｄは、例えば１．５ｍｍ以上５．０ｍｍ未満である。
　転動体１３２は、鋼製である。転動体１３２を構成している鋼は、例えば、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｇ　４８０５：２０１９）に定められているＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼である。
　好ましくは、転動面３２ａの窒素濃度は、残留オーステナイト量の富化及び焼戻し軟化抵抗の向上により耐表面疲労性能を改善する観点から、０．１質量％以上である。好ましくは、転動面３２ａの窒素濃度は、残留オーステナイト量が過多になることに伴う表面硬さの低下を抑制する観点から、０．７質量％以下である。
　保持器１４０は、軸部材１３０と遊星歯車１３１との間に配置されて、複数の転動体１３２の各々を保持している。保持器１４０を構成する材料は、特に制限されない。保持器１４０を構成する材料には、例えば、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｇ　３１４１：２０１７）に定められている冷間圧延鋼板（ＳＰＣ）、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｇ　４０５３：２０１６）に定められているはだ焼き鋼（ＳＣＭ４１５、ＳＮＣＭ４１５等）、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｇ　３４４５：２０１６）に定められている機械構造用炭素鋼鋼管（ＳＴＫＭ）、又はＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｈ　５１２０：２０１６）に定められている高力黄銅鋳物（ＣＡＣ３０１等）が適用され得る。キャリア１５０は、軸部材１３０の軸方向の一方端に取り付けられている。
　＜軸部材の詳細構成＞
　以下に、軸部材１３０の詳細構成を説明する。
　軸部材１３０は、鋼製である。軸部材１３０を構成している鋼は、０．１０質量％以上０．４０質量％以下の炭素と、０．１０質量％以上２．５０質量％以下のシリコンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のマンガンと、０．４０質量％以上３．００質量％以下のクロムと、１．００質量％以下のモリブデンとを含む。上記鋼が１．００質量％以下のモリブデンを含むとは、上記鋼がモリブデンを含んでいない、あるいは上記鋼が１．００質量％以下のモリブデンを含んでいることを意味する。上記鋼の残部は、鉄及び不可避不純物である。
　鋼中の炭素の含有量は、軸部材１３０内部の転位密度を低く抑えて耐塑性曲がり性能を向上させる観点で、０．４質量％以下である。鋼中の炭素の含有量が０．１０質量％以上０．４０質量％以下であれば、後述する軸部材１３０の芯部１３０ｃの残留オーステナイト量を３体積％以下とすることができる。軸部材１３０内部の転位密度をより低く抑える観点から、軸部材１３０を構成する鋼中の炭素の含有量は、０．１０質量％以上、０．２５質量％以下であるのが好ましい。
　鋼中のシリコンの含有量は、焼戻し軟化抵抗の向上及び表層部における窒化物の析出を促進する観点から、０．１０質量％以上２．５０質量％以下である。鋼中のマンガンの含有量は、焼入れ性の向上及びオーステナイトの安定化を図る観点から、０．３０質量％以上１．２０質量％以下である。鋼中のクロムの含有量は、焼入れ性の向上及び焼戻し軟化抵抗の向上を図る観点から、０．４０質量％以上３．００質量％以下である。鋼中のモリブデンの含有量は、焼入れ性の向上及び焼戻し軟化抵抗の向上を図る観点から、１．００質量％以下である。
　軸部材１３０を構成している鋼は、例えば、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｇ　４０５３：２０１６）に定められているＳＣＭ４２０、ＳＣＭ４２５、ＳＣＭ４３０、ＳＣＭ４３５等のクロムモリブデン鋼である。
　軸部材１３０を構成する鋼の上記化学成分は、ＥＰＭＡ（Electron　Probe　Micro　Analyzer）を用いて測定される。
　図６に示されるように、軸部材１３０は、ビッカース硬さが６５３ＨＶ以上である高硬度領域１３０ｄを有している。高硬度領域１３０ｄは、外周面１３０ａから少なくとも０．２ｍｍ以上の深さにまで延びている。異なる観点から言えば、外周面１３０ａからの深さが０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以内にビッカース硬さが６５３ＨＶ以上である高硬度領域１３０ｄが存在する。軸部材１３０において、鋼のビッカース硬さが６５３ＨＶとなる位置を第１位置Ｐ１とする。硬さが６５３Ｈｖとなる第１位置Ｐ１と外周面１３０ａとの間の距離は、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。外周面１３０ａのビッカース硬さは６５３ＨＶ以上８００ＨＶ以下である。
　軸部材１３０を構成する鋼のビッカース硬さは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｚ　２２４４－１：２０２０）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。
　なお、転動体１３２と外周面１３０ａ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。この場合、軌道面ところの表面との接触による最大せん断応力は、外周面１３０ａからの深さが０．２０ｍｍよりも深くかつ１．０ｍｍよりも浅い位置、すなわち高硬度領域１３０ｄ内に加わることになる。
　軸部材１３０は、高硬度領域１３０ｄよりも内側に位置する芯部１３０ｃをさらに有している。芯部１３０ｃは、鋼中の窒素の含有量及び炭素の含有量が外周面１３０ａからの深さによらずに一定である領域である。つまり、外周面１３０ａから深さ方向に沿って順次鋼中の窒素の含有量及び炭素の含有量を測定し、測定された窒素の含有量及び炭素の含有量が一定になる位置が、芯部１３０ｃの外縁部になる。高硬度領域１３０ｄは、芯部１３０ｃよりも外側に位置する表層部の一部である。
　外周面１３０ａの窒素濃度は、残留オーステナイト量の富化及び焼戻し軟化抵抗の向上により耐表面疲労性能を改善する観点から、０．２質量％以上である。外周面１３０ａの窒素濃度は、残留オーステナイト量が過多になることに伴う表面硬さの低下を抑制する観点から、１．２質量％以下である。好ましくは、外周面１３０ａの窒素濃度は、０．３質量％以上０．７質量％以下である。芯部１３０ｃの窒素濃度は、外周面１３０ａの窒素濃度よりも低い。
　外周面１３０ａの炭素濃度は、表面硬さを確保する観点から、０．６質量％以上である。外周面１３０ａの炭素濃度は、表層部において網状セメンタイトなどの異常組織の生成を抑制する観点から、１．２質量％以下である。好ましくは、外周面１３０ａの炭素濃度は、０．７質量％以上０．９質量％以下である。芯部１３０ｃの炭素濃度は、外周面１３０ａの炭素濃度よりも低い。外周面１３０ａの窒素濃度及び炭素濃度は、ＥＰＭＡを用いて測定される。
　外周面１３０ａからの深さＺ（単位：ｍｍ）が軸部材１３０の直径Ｄ（単位：ｍｍ）に対して０．０８５Ｄである位置を、第２位置Ｐ２とする。Ｘ線回折ピークにおいて、第２位置Ｐ２でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅は、６．５°以下である。Ｘ線回折ピークは、未使用状態の軸部材１３０を中心軸に直交する面で切断し、当該断面に対してＸ線残留応力測定装置を用いたＸ線回折により得られるものである。ここでの半価幅は、例えば、Ｃｒ管球のＫα線を用いて、管電圧を３０ｋＶ、管電流を１０ｍＡとし、入射角度（ψ角度）を１１．８°、２８．９°、４０．７°、及び５１．８°の各々として測定された、マルテンサイト相の結晶方位（２１１）に対応するそれぞれ測定した半価幅（測定値）の平均値である。
　好ましくは、第２位置Ｐ２でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅は、６．０°以下である。
　第２位置Ｐ２は、芯部１３０ｃよりも外側に位置する。第２位置Ｐ２は、例えば上記径方向において第１位置Ｐ１よりも深い位置である。なお、第２位置Ｐ２は、上記径方向において第１位置Ｐ１よりも浅い位置であってもよい。
　外周面１３０ａからの深さＺ（単位：ｍｍ）が軸部材１３０の直径Ｄ（単位：ｍｍ）に対して０．０３３Ｄである位置を、第３位置Ｐ３とする。Ｘ線回折ピークにおいて、第３位置Ｐ３でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅は、第２位置Ｐ２でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅よりも広い。第３位置Ｐ３でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅は、６．８°以下である。好ましくは、第３位置Ｐ３でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅は、６．２°以下である。
　外周面１３０ａと第３位置Ｐ３との間の上記径方向の距離（単位：ｍｍ）に対する、外周面１３０ａから第３位置Ｐ３までの間での半価幅（単位：°）の減少量の比率（第１比率）は、第３位置Ｐ３と第２位置Ｐ２との間の上記径方向の距離（単位：ｍｍ）に対する、第３位置Ｐ３から第２位置Ｐ２までの間での半価幅（単位：°）の減少量の比率（第２比率）と比べて、高い。上記第１比率（単位：°／ｍｍ）は、例えば１以上９以下である。上記第２比率（単位：°／ｍｍ）は、例えば０．１以上１以下である。
　軸部材１３０の外周面１３０ａの残留オーステナイト量は、硬質異物（摩耗粉等）が噛み込まれたときに外周面１３０ａに形成される圧痕の周囲の盛り上がりの高さを抑制する観点で、２５体積％以上であるのが好ましい。上記圧痕の周囲の盛り上がりの高さが抑えられることにより、遊星歯車装置１０１の寿命が長くなる。外周面１３０ａの残留オーステナイト量は、表面硬さの低下を抑制する観点から、４０体積％以下であることが好ましい。
　芯部１３０ｃの残留オーステナイト量は、０．３体積％以上である。軸部材１３０は、芯部１３０ｃの残留オーステナイト量を０体積％とするための熱処理、例えばサブゼロ処理又は調質処理、が施されることなく、製造されている。芯部１３０ｃの残留オーステナイト量は、残留オーステナイトのクリープ変形による軸部材１３０の塑性曲がりを抑制する観点で、３体積％以下であることが好ましい。
　鋼中の残留オーステナイト量は、Ｘ線回折法により測定される。より具体的には、鋼中の残留オーステナイト量は、鋼中のオーステナイトのＸ線回折ピークの積分強度と鋼中のその他の相のＸ線回折ピークの積分強度とを比較することにより測定される。
　軸部材１３０の直径Ｄは、例えば６ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。転動体１３２の外径は、例えば１．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下である。
　軸部材１３０の高硬度領域１３０ｄにおける旧オーステナイト結晶粒のＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｇ　０５５１：２０２０）に定められる粒度番号は、転動疲労寿命を向上する観点で、９以上である。粒度番号は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｇ　０５５１：２０２０）に定められた方法により測定される。
　軸部材１３０の外周面１３０ａにおける圧縮残留応力は、６００ＭＰａ以上である。圧縮残留応力は、軸部材１３０の外周面１３０ａの亀裂の発生を遅らせ、亀裂の進展を抑制して疲労強度を向上させる。残留応力は、Ｘ線残留応力測定装置を用いたＸ線回折により得られるものである。
　＜軸部材の製造方法＞
　軸部材１３０の製造方法は、準備工程Ｓ１と、浸炭工程Ｓ２と、浸炭浸窒工程Ｓ３と、焼入れ工程Ｓ４と、焼戻し工程Ｓ５と、後処理工程Ｓ６とを有している。浸炭工程Ｓ２は、準備工程Ｓ１の後に行われる。浸炭浸窒工程Ｓ３は、浸炭工程Ｓ２の後に行われる。焼入れ工程Ｓ４は、浸炭浸窒工程Ｓ３の後に行われる。焼戻し工程Ｓ５は、焼入れ工程Ｓ４の後に行われる。後処理工程Ｓ６は、焼戻し工程Ｓ５の後に行われる。
　準備工程Ｓ１では、加工対象部材が準備される。加工対象部材は、棒状である。加工対象部材は、例えば、鍛造及び旋削等の機械加工を行って素形材を軸部材１３０に近い形状に成形することにより準備される。
　浸炭工程Ｓ２では、加工対象部材の表面に対する浸炭処理が行われる。浸炭処理は、熱処理ガス中において、加工対象部材を、加工対象部材を構成している鋼のＡ１変態点以上の温度に保持することにより行われる。熱処理ガスには、例えば、吸熱型変成ガス（ＲＸガス）に、炭素源となるエンリッチガス（例えば、プロパン（Ｃ3Ｈ8）ガス、ブタンガス（Ｃ4Ｈ10））が添加されたものが用いられる。本工程Ｓ２での保持温度は、例えば８５０℃以上９４０℃以下である。
　浸炭浸窒工程Ｓ３では、加工対象部材の表面に対する浸炭浸窒処理が行われる。浸炭浸窒処理は、熱処理ガス中において、加工対象部材を、加工対象部材を構成している鋼のＡ１変態点以上の温度に保持することにより行われる。熱処理ガスには、例えば、吸熱型変成ガス（ＲＸガス）に、炭素源となるエンリッチガス（例えば、プロパン（Ｃ3Ｈ8）ガス、ブタンガス（Ｃ4Ｈ10））、及び窒素源となるガス（例えば、アンモニア（ＮＨ3）ガス）が添加されたものが用いられる。本工程Ｓ３での保持温度は、例えば８５０℃以上９４０℃以下である。保持温度が９５０℃以上となると、アンモニアの分解が促進され、未分解のアンモニアが減少し、外周面１３０ａの窒素濃度が低くなりやすい。好ましくは、浸炭浸窒工程Ｓ３での保持温度は、浸炭工程Ｓ２での保持温度と同じである。この場合、浸炭工程Ｓ２及び浸炭浸窒工程Ｓ３での炉内の雰囲気が安定するため、外周面１３０ａの窒素濃度及び炭素濃度が上記数値範囲内に安定しやすい。なお、軸部材１３０の製造方法では、浸炭工程Ｓ２が省略されてもよい。
　焼入れ工程Ｓ４では、加工対象部材に対する焼入れが行われる。焼入れは、加工対象部材を、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保持した後に加工対象部材を構成している鋼のＭＳ変態点以下の温度に急冷することにより行われる。加工対象部材の急冷は、例えば、水冷又は油冷することにより行われる。
　焼戻し工程Ｓ５では、加工対象部材に対する焼戻しが行われる。焼戻しは、加工対象部材を、加工対象部材を構成している鋼のＡ１変態点未満の温度で保持することにより行われる。後処理工程Ｓ６では、加工対象部材に対する後処理が行われる。本工程Ｓ５での保持温度は、例えば１６０℃以上２００℃以下である。この後処理には、加工対象部材の表面への機械加工（研削、研磨等）、洗浄、及び防錆が含まれる。以上により、図４及び図５に示される軸部材１３０が製造される。
　＜転動体の製造方法＞
　転動体１３２の製造方法は、例えば、転動体１３２に近い形状に成形された加工対象部材を準備する工程と、加工対象部材に対して全体焼入れを行う工程と、全体焼入れ（ずぶ焼入れ）が行われた加工対象部材に対して焼戻しを行う工程とを含む。軸部材１３０とは異なり、転動体１３２には塑性曲がりの問題は無い。上記製造方法によれば、既存の熱処理設備（例えば、連続炉）が使用可能であり、コストアップすることなく転動体１３２を大量生産することが可能となる。
　転動体１３２の製造方法は、全体焼入れ工程に代えて、浸炭浸窒工程が行われてもよい。浸炭浸窒後に焼戻を行い、表層窒素濃度を０．１質量％以上とすることで針状ころの表面損傷対策を図ることができる。
　＜効果＞
　以下、本実施の形態に係る転がり軸受の効果を説明する。転がり軸受は、以下の耐塑性曲がり性能が改善されている軸部材１３０を備えるため、過酷な環境下（異物混入環境、高温環境など）で使用された場合にも高い耐久性を有し長寿命である。
　軸部材１３０を構成する鋼の炭素含有量は比較的低く、外周面１３０ａの炭素濃度は０．６質量％以上０．９質量％以下である。このような軸部材１３０では、炭素が浸炭処理及び浸炭浸窒処理により炭素が供給されているため、炭素濃度及び転位密度は外周面１３０ａから芯部１３０ｃに近づくほど低下する。その結果、芯部１３０ｃの残留オーステナイト量が０．３体積％以上３．０体積％以下となり得る。このような軸部材１３０では、耐塑性曲がり性能が改善されている。
　さらに、軸部材１３０では、外周面１３０ａのビッカース硬さが６５３ＨＶ以上８００ＨＶ以下であり、外周面１３０ａからの深さが０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以内にビッカース硬さが６５３ＨＶ以上である高硬度領域１３０ｄが存在する。
　軸部材１３０が自動車の遊星減速機のピニオンシャフトである場合には、軸部材１３０の外周面１３０ａと転動体１３２の転動面３２ａとの最大接触面圧は、通常想定される値として、２０００ＭＰａ以上４０００ＭＰａ以下である。この場合、転動中に接触面下に生じる最大せん断応力は、上記径方向において軸部材１３０の第１位置Ｐ１と外周面１３０ａとの間に位置する高硬度領域１３０ｄに加わる。つまり、軸部材１３０では、最大せん断応力が生じる位置の近傍での鋼の硬さが十分に確保されているため、耐表面疲労性能が改善されている。
　さらに、軸部材１３０では、外周面１３０ａの窒素濃度が０．２質量％以上０．７質量％以下であり、外周面１３０ａの炭素濃度が０．６質量％以上０．９質量％以下であるため、焼戻し軟化抵抗を向上しながらも外周面１３０ａの硬さが確保されているため、耐表面疲労性能が改善されている。
　さらに、軸部材１３０では、高硬度領域１３０ｄ（表層部）における旧オーステナイト結晶粒のＪＩＳ規格に定められた粒度番号が９以上であるため、異物混入環境で使用されたときに異物に対する耐性が向上し、転動寿命が向上する。また、結晶粒度が細かい程、亀裂が生じた時の亀裂の進展が遅くなり、転動寿命が向上する。
　また、軸部材１３０は、芯部の残留オーステナイト量を０体積％とするための熱処理、例えばサブゼロ処理又は調質処理、が施されることなく、製造されている。そのため、軸部材１３０の製造コストは、比較例に係る軸部材の製造コストとの対比において、増加しない。
　軸部材１３０の直径Ｄは、６ｍｍ以上３０ｍｍ以下であってもよい。軸部材１３０の直径Ｄが上記範囲において比較的短い場合、第２位置Ｐ２は第１位置Ｐ１と外周面１３０ａとの間に配置されてもよい。軸部材１３０の直径Ｄが上記範囲において比較的長い場合、第２位置Ｐ２は第１位置Ｐ１よりも深くに配置される。いずれの場合にも、第２位置Ｐ２及びそれよりも深い位置の転位密度は、第２位置Ｐ２よりも浅い位置の転位密度よりも、塑性曲がり性能に影響する。そのため、第２位置Ｐ２の転位密度が抑えられている軸部材１３０の耐塑性曲がり性能は、直径Ｄの値に依らず、向上し得る。
　複数の針状ころの各々の転動面の窒素濃度は、０．１質量％以上０．７質量％以下であってもよい。このような針状ころ３２と上記軸部材１３０とを備える転がり軸受は、過酷な環境下（異物混入環境、高温環境など）で使用された場合にも高い耐久性を有し長寿命である。
　遊星歯車装置１０１は、ピニオンシャフトとして軸部材１３０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塑性曲がりが抑制されている。
　（実施例）
　本実施の形態に係る軸部材の効果を確認するために、軸部材の試料１～３に対して、静的曲げ試験、及び半価幅の評価試験を行った。
　（試料）
　表１に示されるように、試料１はＳＣＭ４２０からなる軸部材とし、試料２はＪＩＳ規格（ＪＩＳ　Ｇ　４０５３（２０１６））に定められているＳＣｒ４３５からなる軸部材とし、試料３はＳＵＪ２からなる軸部材とした。試料１，２は、各鋼種から成る加工対象部材に対し上述した本実施の形態に係る軸部材の製造方法を施すことにより、準備された。試料３は、ＳＵＪ２から成る加工対象部材に対し、浸炭処理工程および浸炭浸窒工程に代えて全体焼入れを行うことにより、準備された。試料１に対する焼戻し温度は１７０℃とした。試料２及び試料３に対する焼戻し温度は１８０℃とした。各試料１～３の直径Ｄは１８ｍｍとし、軸方向の長さは７３．９ｍｍとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１は、試料１～３に対して測定された、外周面の窒素濃度、炭素濃度、表面の残留オーステナイト量、表面硬さ、芯部の残留オーステナイト量、ビッカース硬さが６５３ＨＶとなる第１位置Ｐ１の外周面からの深さ、残留応力、及び結晶粒度番号を示す。各パラメータの測定方法は、上記の通りである。
　試料１では、外周面３０ａの窒素の含有量が０．５８質量％であり、外周面３０ａの炭素の含有量が０．７５質量％であった。試料２では、外周面３０ａの窒素の含有量が０．４２質量％であり、外周面３０ａの炭素の含有量が０．８０質量％であった。試料３では、外周面３０ａの窒素の含有量が０．１３質量％であり、外周面３０ａの炭素の含有量が１．００質量％であった。
　試料１では、外周面の残留オーステナイト量が３１体積％であり、芯部の残留オーステナイト量が２体積％であった。試料２では、外周面の残留オーステナイト量が３０体積％であり、芯部の残留オーステナイト量が２体積％であった。試料３では、外周面の残留オーステナイト量が２０体積％であり、芯部の残留オーステナイト量が１０体積％であった。
　試料１では、外周面の残留応力が－８１５ＭＰａであった。試料２では、外周面の残留応力が－６７０ＭＰａであった。試料３では、外周面の残留応力が－５７５ＭＰａであった。
　表１及び図７に示されるように、試料１では、第２位置の半価幅が５．２°であり、第３位置の半価幅が５．６°だった。試料２では、第２位置の半価幅が５．９°であり、第３位置の半価幅が６．１°だった。試料３では、第２位置の半価幅が７．０°であり、第３位置の半価幅が６．９°だった。
　（静的曲げ試験後の軸曲がり量、及び転動疲労寿命試験後の軸曲がり量の評価）
　試料１～３に対して静的曲げ試験を行い、試験後の曲がり量を測定した。
　静的曲げ試験では、温度が１３０℃に保持された炉内において、中心軸周りに回転させていない（回転速度０回／分）各試料の軸方向中央部を支持し、軸方向の両端部に合計１５０００Ｎのラジアル荷重を２００時間加えた。静的曲げ試験後、コントレーサ（輪郭形状測定機）により各試料の軸方向の全長を測定することで、各試料の負荷側および反負荷側の軸曲がり量を算出した。さらに、算出された負荷側および反負荷側の軸曲がり量の平均値として、各試料の軸曲がり量を算出した。測定結果を、表２に示す。
　同様に、試料１～３の各々と保持器付き針状ころ軸受と外方部材とを用いて、転動疲労寿命試験を行った。転動疲労寿命試験では、潤滑は１２０℃の潤滑油（オートマチックトランスミッションフルード（４０℃での粘度が３７．５４ｃｓｔ、１００℃での粘度が７．０２６ｃｓｔ）））を用い、ラジアル荷重は６６７０Ｎ、モーメント荷重は１３．５Ｎ・ｍとし、試験用軸に対する外方部材の相対的な回転速度は９０００回／分とした。転動疲労寿命試験後、各試料の軸曲がり量を、上記方法により測定した。測定結果を、表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示されるように、試料１及び試料２の各々の軸曲がり量は、相対的に芯部の残留オーステナイト量が多い試料３の軸曲がり量よりも少なかった。また、芯部の残留オーステナイト量が同程度である試料１と試料２との間では、第２位置の半価幅が相対的に狭い試料１の軸曲がり量が、第２位置の半価幅が相対的に広い試料２の軸曲がり量よりも少なかった。この結果から、第２位置の半価幅が狭いほど、塑性曲がりが抑制され得ることが実験的に確認された。
　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。
　１０　内歯車、２０，３０　軸部材、２１　太陽歯車、３０ａ，３１ｂ　外周面、３０ｂ　高硬度領域、３０ｃ　芯部、３１　遊星歯車、３１ａ　内周面、３２　転動体、３２ａ　転動面、４０　保持器、１００　遊星歯車装置。

Claims (9)

  1. 　表面を有する鋼製の軸部材であって、
    　前記鋼は、０．１０質量％以上０．４０質量％以下の炭素と、０．１０質量％以上２．５０質量％以下のシリコンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のマンガンと、０．４０質量％以上３．００質量％以下のクロムと、１．００質量％以下のモリブデンとを含み、かつ残部が鉄及び不可避不純物であり、
    　前記表面と前記鋼の硬さが６５３Ｈｖとなる第１位置との間の距離は、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、
    　前記表面の窒素濃度が０．２質量％以上１．２質量％以下であり、
    　前記表面の炭素濃度が０．６質量％以上１．２質量％以下であり、
    　Ｘ線回折ピークにおいて、前記表面からの深さＺ（単位：ｍｍ）が前記軸部材の直径Ｄ（単位：ｍｍ）に対して０．０８５Ｄである第２位置での、マルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅が、６．５°以下である、軸部材。
  2. 　前記Ｘ線回折ピークにおいて、前記深さＺ（単位：ｍｍ）が０．０３３Ｄである第３位置でのマルテンサイト結晶（２１１）面のピークの半価幅が、前記第２位置での前記半価幅よりも広い、請求項１に記載の軸部材。
  3. 　前記表面の残留オーステナイト量が、２５体積％以上４０体積％以下であり、
    　前記第１位置及び前記第２位置のそれぞれよりも内側に位置する芯部の残留オーステナイト量が、０．５体積％以上３．０体積％以下である、請求項１または２に記載の軸部材。
  4. 　前記直径Ｄが、６ｍｍ以上３０ｍｍ以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載の軸部材。
  5. 　前記軸部材は、遊星減速機用の軸部材である、請求項１～３のいずれか１項に記載の軸部材。
  6. 　転動面を有し高炭素クロム軸受鋼製である複数の針状ころと、
    　前記複数の針状ころの各々の前記転動面と接触する外径面を有する鋼製の軸部材と、
    　前記複数の針状ころの各々を保持する保持器とを備え、
    　前記軸部材を構成する前記鋼は、０．１０質量％以上０．４０質量％以下の炭素と、０．１０質量％以上２．５０質量％以下のシリコンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のマンガンと、０．４０質量％以上３．００質量％以下のクロムと、１．００質量％以下のモリブデンとを含み、かつ残部が鉄及び不可避不純物であり、
    　前記外径面のビッカース硬さが６５３ＨＶ以上８００ＨＶ以下であり、
    　ビッカース硬さが６５３ＨＶ以上である高硬度領域が、前記外径面からの深さが０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以内に存在し、
    　前記外径面の窒素濃度が０．２質量％以上０．７質量％以下であり、
    　前記外径面の炭素濃度が０．６質量％以上０．９質量％以下であり、
    　前記高硬度領域における旧オーステナイト結晶粒のＪＩＳ規格に定められた粒度番号が、９以上である、転がり軸受。
  7. 　前記外径面の残留オーステナイト量が、２５体積％以上４０体積％以下であり、
    　鋼中の窒素の含有量及び炭素の含有量が外径面からの深さによらずに一定の領域である芯部の残留オーステナイト量が、０．５体積％以上３体積％以下である、請求項６に記載の転がり軸受。
  8. 　前記複数の針状ころの各々の前記転動面の窒素濃度が、０．１質量％以上０．７質量％以下である、請求項６または７に記載の転がり軸受。
  9. 　前記軸部材は、遊星減速機用の軸部材である、請求項６～８のいずれか１項に記載の転がり軸受。
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