(57)【要約】【課題】３００℃近い高温雰囲気での使用に対しても耐熱性を維持できるピニオンシャフトおよびその製造方法を提供する。【解決手段】少なくとも、質量％で炭素は０．１０〜０．５０％、ケイ素は０．４０〜１．００％、マンガンは０．２０〜１．００％、クロムは１．５０〜４．００％、モリブデンは  ０．１０〜１．００％をそれぞれ含有し、残部が鉄および不可避不純物の鉄基合金製のピニオンシャフトにおいて、炭素および窒素を含有する表層部を設ける。その表層部中に含有する炭素および窒素の総和は質量％で１．８０％以上とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、質量％で、炭素は０．１０〜０．５０％、ケイ素は０．４０〜１．００％、マンガンは０．２０〜１．００％、クロムは１．５０〜４．００％、モリブデンは０．１０〜１．００％の各割合で含有し、残部が鉄および不可避不純物である鉄基合金製のピニオンシャフトであって、前記ピニオンシャフトには、炭素および窒素を含有する表層部を有しており、前記表層部中に含有する炭素および窒素の総和は質量％で１．８０％以上であることを特徴とするピニオンシャフト。
【請求項２】
前記表層部の最表面から０．１ｍｍの深さの位置における硬さがビッカース硬さで７５０ＨＶ以上であり、かつ前記表層部の残留オーステナイト量は２０体積％以上であることを特徴とする請求項１に記載のピニオンシャフト。
【請求項３】
前記表層部に存在する炭化物および炭窒化物が基地組織中に占める面積率は１０〜２５％の範囲であり、かつ前記表層部に存在する粒径０．５μｍ以上の炭化物および炭窒化物の個数は１０００μｍ２あたり３００個以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のピニオンシャフト。
【請求項４】
少なくとも、質量％で炭素は０．１０〜０．５０％、ケイ素は０．４０〜１．００％、マンガンは０．２０〜１．００％、クロムは１．５０〜４．００％、モリブデンは０．１０〜１．００％の各割合で含有し、残部が鉄および不可避不純物である鉄基合金製のピニオンシャフト素材を焼入処理する第一工程と、前記第一工程後に前記ピニオンシャフト素材に対して浸炭窒化処理を行う第二工程と、前記第二工程後に前記ピニオンシャフト素材を２３０℃以下の雰囲気下で焼戻し処理を行う第三工程を有することを特徴とするピニオンシャフトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主にプラネタリギア装置内に組み込まれるピニオンシャフトおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に減速機に内蔵されているプラネタリギア（遊星歯車）には大小様々な複数の歯車が使用されており、その歯車の軸として代表的なものにピニオンシャフトがある。このピニオンシャフトの素材として、これまでは特許文献１に開示されている中炭素鋼や軸受鋼が使用されてきた。
【０００３】
ピニオンシャフトは特許文献２および３に開示されているように高速回転および高荷重の過酷な環境下で使用されるため、その素材には相応の耐摩耗性や耐疲労特性など種々の特性が要求されていた。そのため、ピニオンシャフトの素材として多用されてきた中炭素鋼は、その表面に浸炭処理や窒化処理を施すことで表面硬度を上げる必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平７−４７７９５号公報
【特許文献２】特許第５１６８８９８号公報
【特許文献３】特開２０１５−１０５４３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ピニオンシャフトが使用される遊星歯車は長時間の使用によって３００℃近い高温雰囲気に達し、常温での使用環境下と比較すると表面硬度が低下する結果、耐久性も大幅に低下する。
【０００６】
加えて、近年では自然環境保護を目的に減速機内の潤滑油量を減らす傾向が顕著になり、３００℃近い高温雰囲気での使用に対してピニオンシャフトの素材に要求される耐熱性が足りないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は高温雰囲気での使用に対しても十分な耐熱性が維持できるピニオンシャフトおよびその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述した課題を解決するために、本発明のピニオンシャフトは、少なくとも、質量％で炭素を０．１０〜０．５０％、ケイ素を０．４０〜１．００％、マンガンを０．２０〜１．００％、クロムを１．５０〜４．００％、モリブデンを０．１０〜１．００％の割合でそれぞれ含有して、残部が鉄および不可避不純物である鉄基合金製のピニオンシャフトにおいて、炭素および窒素を含有する表層部を設けて、その表層部中の炭素および窒素の総含有量を質量％で１．８０％以上とする。
【０００９】
また、その表層部の最表面から０．１ｍｍの深さの位置における硬さがビッカース硬さで７５０ＨＶ以上として、かつ表層部の残留オーステナイト量を２０体積％以上としても構わない。さらに、表層部に存在する炭化物および炭窒化物が基地組織中に占める面積率は１０〜２５％の範囲として、粒径０．５μm以上の炭化物および炭窒化物の個数は１０００μｍ２あたり３００個以上とすることもできる。
【００１０】
ピニオンシャフトの製造方法の発明については、少なくとも、質量％で炭素は０．１０〜０．５０％、ケイ素は０．４０〜１．００％、マンガンは０．２０〜１．００％、クロムは１．５０〜４．００％、モリブデンは０．１０〜１．００％の各割合で含有し、残部が鉄および不可避不純物である鉄基合金製のピニオンシャフト素材を焼入処理する第一工程、第一工程後にピニオンシャフト素材に対して浸炭窒化処理を行う第二工程、第二工程後にピニオンシャフト素材を２３０℃以下の雰囲気下で焼戻し処理を行う第三工程の各工程を含む製造方法とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のピニオンシャフトは、炭素含有量が質量％で０．１０〜０．５０％の範囲である、いわゆる中炭素鋼製のピニオンシャフトにおいて、所定の合金元素を添加し、その表層部における炭素と窒素の総含有量を所定の範囲に規定した。その結果、本発明のピニオンシャフトは高温雰囲気（３００℃近傍）の使用に対して十分な耐熱性が維持できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１の転動疲労試験で用いた試験機の構成図である。
【図２】実施例１の転動疲労試験結果であるワイブル分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明であるピニオンシャフトの化学組成やミクロ組織などについて以下に説明する。まず本発明のピニオンシャフトの化学組成については、質量％で炭素を０．１０〜０．５０％、ケイ素を０．４０〜１．００％、マンガンを０．２０〜１．００％、クロムを１．５０〜４．００％、モリブデンを０．１０〜１．００％の割合でそれぞれ含有して、残部が鉄および不可避不純物とする鉄基合金（中炭素鋼）とする。また、同鋼に含有されるニッケルは０．２０％以下、銅は０．１５％以下としても構わない。
【００１４】
次に、本発明のピニオンシャフトのミクロ組織について説明する。同ピニオンシャフトの表層部（表面側）には、浸炭層および窒化層または浸炭窒化層が被覆されている。その表層部に含有する炭素と窒素の総含有量は質量％で１．８０％以上とする。また、炭素の含有量は質量％で０．５０％を超えて４．００％以下の範囲、窒素の含有量は質量％で０．１０％以上０．５％以下の範囲でそれぞれ含有できる。この場合、ピニオンシャフトの最表面における炭素含有量は、質量％で少なくとも１．００％以上とする。
【００１５】
表層部に存在する炭化物または炭窒化物は周囲の基地組織よりも高硬度であり、ピニオンシャフトの耐摩耗性に有効である。しかし、それらの粒子径が粗大であると高負荷の環境下ではピニオンシャフトの組織内に存在する炭化物や炭窒化物を起点として亀裂が発生し、終にはピニオンシャフトの損傷を招く恐れがある。
【００１６】
そこで、ピニオンシャフトの表層部に存在する炭化物および炭窒化物については、その面積率を１０％以上２５％以下として、かつ粒径０．５μｍの炭化物および炭窒化物の個数を１０００μｍ２あたり３００個以上とする。
【実施例１】
【００１７】
発明品と化学成分が異なる３種類の比較品を用いて、「ころ材」としての転がり疲れ特性の評価試験（転動疲労試験）を行なったので、その試験結果について説明する。転動疲労試験に使用した発明品１および３種類の比較品１〜３の化学成分（単位は質量％）を表１に示す。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
表１に示す化学成分の発明品１および３種類の比較品１〜３は、すべて同じ条件で製造した後に浸炭窒化処理を施して表面に浸炭窒化層を設けている。発明品１および比較品１〜３における浸炭窒化層に含有されるＣ量は１．０〜２．５質量％、Ｎ量は０．１〜０．３質量％の範囲とした。
【００２０】
転動疲労試験には図１に示す試験機を使用した。まず、直径φＤの円盤状の試験片３を取り付けた油槽に所定量の異物を混入した潤滑油５を注入し、テーブル４を押し上げる。その後、保持器に支持された鋼球２をスラスト軸受１で受けることで所定の面圧Ｐを負荷する。その状態でモータ（図示なし）からの動力を伝達する軸１０を回転させることで評価試験を行なう。試験条件は以下の条件で４〜９回の試験を実施し、ワイブル分布の累積破損率が１０％となるＬ１０寿命を求めて評価寿命を比較した。
・試験片寸法：直径（φＤ）６１ｍｍ×厚さ６ｍｍ
・試験面圧（Ｐ）：４．５ＧＰａ
・回転速度：１８００ｒｐｍ
・潤滑油剤：ナフテン系鉱油
・異物総量：２０ｍｇ
【００２１】
本試験の結果をワイブル分布図として図２に示す。図２において、横軸は繰返し数（単位：回）、縦軸は累積破損率（単位：％）を示す。累積破損率が１０％における繰返し数は、発明品１で４．１×１０６回であった。これに対して、比較品１〜３は全て繰返し数が２．３×１０６回以下であった。以上の試験結果より、発明品１の化学成分は、３種類の比較品１〜３の化学成分に対して転がり疲れ特性が優れていた。つまり、発明品であるピニオンシャフトは、他の化学成分のピニオンシャフトに対して転動寿命の向上が確認できた。
【実施例２】
【００２２】
次に、ピニオンシャフトの表面に施されている浸炭窒素化層のＣ量およびＮ量による高温雰囲気下での硬さの変化を測定したので、その結果について説明する。本試験に使用したピニオンシャフト素材の化学成分は実施例１の発明品と同じ化学成分とした。その上で、浸炭窒化層のＣ量とＮ量を変化させた複数の試験片（発明品１１〜１４、比較品１１の計５水準の試験片）を用いた。
【００２３】
本試験は、全ての試験片について常温（２５℃）で硬さを測定する。そして、試験片を３００℃で３時間の保持後に徐冷して、前述した要領で硬さを再度測定した。硬さの測定は、試験片の最表面から０．１ｍｍの深さの位置にて測定した。各試験片のＣ量、Ｎ量、およびそれらの総和量（Ｃ＋Ｎ量）、試験片５水準における常温時の硬さと３００℃で保持して冷却後の硬さの変化を表２に示す。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
発明品４水準（発明品１１〜１４）の試験結果は、表２に示す様に硬さの低下が３ＨＶ〜６ＨＶ程度であり、すべて１０Ｈｖ未満の範囲に収まった。しかし、比較品１１は２５ＨＶであり、３００℃で保持後の硬さと常温時の硬さの差が１０ＨＶを越えていた。つまり、浸炭窒化層に含まれるＣ量とＮ量の総和が１．８０％未満である比較品１１は、他の発明品１１〜１４に比べて硬さが大きく低下した。以上の測定結果から、ピニオンシャフト素材の表面に設ける浸炭窒化層のＣ量とＮ量の総和を所定量以上とすることで高温雰囲気下でも硬さ低下の抑制を図ることができた。
【実施例３】
【００２６】
次に、ピニオンシャフト素材の焼戻し温度による浸炭窒化層の内部硬さと残留オーステナイト量（γＲ量：単位は体積％）の変化を確認した。本試験で使用した試験片は、実施例１で用いた本発明品の化学組成として、浸炭窒化層に含有するＣ量とＮ量の総和は実施例２で用いた発明品１２に相当する量とした。本試験における焼戻し温度は、１６０℃〜２５０℃の範囲で任意の７水準を選定した。焼戻し温度１６０℃〜２５０℃の範囲におけるγＲ量の測定結果を表３に示す。
【００２７】
【表３】
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【００２８】
焼戻し温度を変化させた計７水準において、表３に示す様に全ての試験片で浸炭窒化層の内部硬さは８００ＨＶ前後（７９７ＨＶ〜８１９ＨＶ）であった。しかし、γＲ量は焼戻し温度でかなりのバラつきが発生した。具体的には、１６０℃の焼戻し温度では、γＲ量＝３６．５％、２００〜２３０℃では、γＲ量＝２１．８〜２７．８％、２４０〜２５０℃では、γＲ量＝１３％前後であった。
【００２９】
焼戻し温度を２３０℃以下とした、γＲ量が２０体積％以上の試験片は靭性を有する基地組織と高硬度の炭窒化物より成っており、耐摩耗性と疲労強度に優れる。一方、焼戻し温度を２４０℃以上とした、γＲ量が２０体積％未満の試験片は基地組織の靭性が低く、基地組織中に微細な炭窒化物が析出する。
【００３０】
それらの微細な炭窒化物が一定量を超えて析出し、γＲ量が２０体積％未満になると、亀裂に対する感受性が高くなり、フレーキング等の破損が発生しやすくなる。つまり、基地組織中のγＲ量を一定量以上に規定し、高硬度の炭窒化物を析出させることで、耐摩耗性と疲労強度の向上に寄与すると考える。なお、浸炭窒化層以外のγＲ量を１０％未満とすることにより、高温環境下での残留オーステナイトの変態による寸法変化が少なく、シャフト材としての曲がり抑制に寄与できると考えられる。
【図１】
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【図２】
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