(57)【要約】【課題】優れた耐久性と塑性加工性又は靱性とを共に有する機械部品を提供する。【解決手段】機械部品は、クロムを含有する合金鋼で構成され、表面硬化層を有する高硬度部と、高硬度部の表面硬さよりも表面硬さが低い低硬度部とを備える。低硬度部は、クロム酸化物を含有する不動態皮膜を表面に有し、不動態皮膜の内側に存在する炭化物の量が表面硬化層に存在する炭化物の量よりも少ない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロムを含有する合金鋼で構成され、表面硬化層を有する高硬度部と、前記高硬度部の表面硬さよりも表面硬さが低い低硬度部とを備え、前記低硬度部は、クロム酸化物を含有する不動態皮膜を表面に有し、前記不動態皮膜の内側に存在する炭化物の量が前記表面硬化層に存在する炭化物の量よりも少ない機械部品。
【請求項２】
前記高硬度部の表面硬さよりも表面硬さが低く且つ前記低硬度部の表面硬さよりも表面硬さが高い中硬度部を備える請求項１に記載の機械部品。
【請求項３】
前記合金鋼は、炭素を０．１質量％以上０．２９質量％以下、クロムを２．０質量％以上５．０質量％以下、モリブデンを０．１質量％以上１．５質量％以下、マンガンを０．１質量％以上１．５質量％以下、ケイ素を０．１質量％以上１．５質量％以下含有し、且つ、残部が鉄及び不可避的不純物であり、
前記高硬度部の表面硬さがＨＶ７００以上ＨＶ８５０以下であり、
前記不動態皮膜の厚さは０．１μｍ以上３０μｍ以下である請求項１又は請求項２に記載の機械部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は機械部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車の自動変速機に用いられる遊星歯車装置においては、太陽歯車及びリング歯車に噛み合う遊星歯車が、軸方向端部がキャリアに加締め固定されたピニオンシャフトに、ニードルころを介して回転自在に支持されている。よって、ピニオンシャフトは、その外周面は転がり軸受の内輪としてせん断応力に対する強度を有する必要があるとともに、その軸方向端部は加締め可能な塑性加工性を有する必要がある。
【０００３】
このような相反する特性を兼ね備えるピニオンシャフトを製造する方法としては、高炭素クロム軸受鋼を材料として用い、浸炭窒化後に高温で焼戻（調質）し軸方向端部（加締め部）の硬さを低下させた後に、外周面（転動面）を高周波焼入れする方法が開示されている（特許文献１〜３を参照）。また、クロムの含有量を増加させた肌焼鋼を材料として用い、浸炭窒化により外周面（転動面）の組織安定性を高める方法が開示されている。
【０００４】
しかしながら、クロムの含有量の多い合金鋼に通常の浸炭窒化処理を施すと、その後の冷却過程において粒界に選択的に初析炭化物が析出する場合がある。その結果、ピニオンシャフトの軸方向端部（加締め部）は、加締め可能な程度にまで硬さが低下していても、初析炭化物の影響によって延性が低くなる可能性がある。上記の従来技術においては、クロムの含有量の多い合金鋼の初析炭化物による加締め性（塑性加工性）の低下について考慮されておらず、ピニオンシャフトの軸方向端部の加締め性に関して、さらなる改良の余地があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４０２２１号公報
【特許文献２】特開２００８−２２３１０４号公報
【特許文献３】特開２０１３−２２８０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、優れた耐久性と塑性加工性又は靱性とを共に有する機械部品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】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明の一態様に係る機械部品は、クロムを含有する合金鋼で構成され、表面硬化層を有する高硬度部と、高硬度部の表面硬さよりも表面硬さが低い低硬度部とを備え、低硬度部は、クロム酸化物を含有する不動態皮膜を表面に有し、不動態皮膜の内側に存在する炭化物の量が表面硬化層に存在する炭化物の量よりも少ないことを要旨とする。
【０００８】
本発明の一態様に係る機械部品においては、不動態皮膜の内側に存在する炭化物の量が面積率で１５％以下で且つ低硬度部の表面硬さがＨＶ１５０以上ＨＶ３５０以下であってもよい。
なお、不動態皮膜の内側に存在する炭化物の量が面積率で１．０％以上１２％以下で且つ低硬度部の表面硬さがＨＶ１５０以上ＨＶ３５０以下であることがより好ましく、不動態皮膜の内側に存在する炭化物の量が面積率で１．０％以上１２％以下で且つ低硬度部の表面硬さがＨＶ１５０以上ＨＶ３２０以下であることがさらに好ましい。
【０００９】
また、本発明の一態様に係る機械部品は、高硬度部の表面硬さよりも表面硬さが低く且つ低硬度部の表面硬さよりも表面硬さが高い中硬度部を備えていてもよい。
また、本発明の一態様に係る機械部品においては、合金鋼は、炭素を０．１質量％以上０．２９質量％以下、クロムを２．０質量％以上５．０質量％以下、モリブデンを０．１質量％以上１．５質量％以下、マンガンを０．１質量％以上１．５質量％以下、ケイ素を０．１質量％以上１．５質量％以下含有し、且つ、残部が鉄及び不可避的不純物であり、高硬度部の表面硬さがＨＶ７００以上ＨＶ８５０以下であり、不動態皮膜の厚さは０．１μｍ以上３０μｍ以下であってもよい。
【００１０】
さらに、本発明の一態様に係る機械部品は、遊星歯車装置の部品とすることができる。すなわち、遊星歯車装置は、本発明の一態様に係る機械部品を備えていてもよい。また、本発明の一態様に係る機械部品は、自動車等の車両の部品とすることができる。すなわち、自動車等の車両は、本発明の一態様に係る機械部品を備えていてもよい。さらに、本発明の一態様に係る機械部品は、ボールねじを構成する部品（例えばねじ軸）とすることができる。すなわち、ボールねじは、本発明の一態様に係る機械部品を備えていてもよい。さらに、本発明の一態様に係る機械部品は、歯車であってもよい。さらに、本発明の一態様に係る機械部品は、セレーションを有する部品であってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、優れた耐久性と優れた塑性加工性又は靱性とを共に有する機械部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の機械部品の第一実施形態に係るピニオンシャフトの構造を示す断面図である。
【図２】図１のピニオンシャフトの製造方法を説明するヒートパターン図である。
【図３】図１のピニオンシャフトを用いた遊星歯車装置を軸方向端部側から見た正面図である。
【図４】図３のIII −III 断面図である。
【図５】基端部が加締められたピニオンシャフトの模式的部分断面図である。
【図６】基端部が加締められたピニオンシャフトの模式的端面図である。
【図７】本発明の機械部品の第二実施形態に係るピニオンシャフトの構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本実施形態の機械部品は、クロムを含有する合金鋼で構成されている。そして、表面硬化層を有する高硬度部と、高硬度部の表面硬さよりも表面硬さが低い低硬度部とを備えている。この低硬度部は、クロム酸化物を含有する不動態皮膜を表面に有しており、不動態皮膜の内側に存在する炭化物の量が高硬度部の表面硬化層に存在する炭化物の量よりも少ない。
【００１４】
本実施形態の機械部品は、耐久性（例えば転動疲労寿命、耐摩耗性）の向上のためにクロムを含有する合金鋼で構成されているが、低硬度部の表面に不動態皮膜が形成されているため、浸炭時又は浸炭窒化時の浸炭量が制御される。そのため、低硬度部の炭化物の量が抑制されているので、低硬度部はより加締め可能な塑性加工性又は靱性を有している。よって、本実施形態の機械部品は、優れた耐久性とより加締め可能な塑性加工性又は靱性とを共に有する。
【００１５】
このような本実施形態の機械部品においては、不動態皮膜の内側に存在する炭化物の量が面積率で１５％以下で且つ低硬度部の表面硬さがＨＶ１５０以上ＨＶ３５０以下であることが好ましく、不動態皮膜の内側に存在する炭化物の量が面積率で１．０％以上１２％以下で且つ低硬度部の表面硬さがＨＶ１５０以上ＨＶ３５０以下であることがより好ましく、不動態皮膜の内側に存在する炭化物の量が面積率で１．０％以上１２％以下で且つ低硬度部の表面硬さがＨＶ１５０以上ＨＶ３２０以下であることがさらに好ましい。このような構成であれば、低硬度部の塑性加工性又は靱性がより優れたものとなる。
【００１６】
また、本実施形態の機械部品を構成する合金鋼は、炭素を０．１質量％以上０．２９質量％以下、クロムを２．０質量％以上５．０質量％以下、モリブデンを０．１質量％以上１．５質量％以下、マンガンを０．１質量％以上１．５質量％以下、ケイ素を０．１質量％以上１．５質量％以下含有し、且つ、残部が鉄及び不可避的不純物であってもよい。そして、高硬度部の表面硬さがＨＶ７００以上ＨＶ８５０以下であってもよい。また、表面硬化層の残留オーステナイト量が２０体積％以上５０体積％以下で、且つ、表面硬化層の内側の芯部の残留オーステナイト量が０体積％（又は０体積％超過２．０体積％以下）であってもよい。さらに、不動態皮膜の厚さは０．１μｍ以上３０μｍ以下であってもよい。このような構成であれば、高硬度部の耐久性がより優れたものとなるとともに、低硬度部の塑性加工性又は靱性がより優れたものとなる。
【００１７】
以下に、本実施形態の機械部品の一例として、自動車の自動変速機等に用いられる遊星歯車装置において遊星歯車を回転自在に支持するピニオンシャフトについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の各実施形態の説明で参照する各図においては、同一又は相当する部分には同一の符号を付してある。
〔第一実施形態〕
図１のピニオンシャフト４は、クロムを含有する合金鋼で構成されて略円柱状（丸棒状）をなしており、軸方向孔１５と、複数個（本例の場合３個）の径方向孔１６、１６、１６と、一対の円形凹部１８ａ、１８ｂと、を有する。円形凹部１８ａ、１８ｂは、円すい台状であり、ピニオンシャフト４の軸方向両端面に切削により形成されている。すなわち、円形凹部１８ａ、１８ｂの内面（ピニオンシャフト４の軸方向両端面）は切削面となっている。
【００１８】
ピニオンシャフト４の軸方向に延びる軸方向孔１５は、ピニオンシャフト４の径方向中心部に形成されており、その軸方向一端部（図１の左端部）が一方の円形凹部１８ａの底部に開口しているとともに、軸方向他端部（図１の右端部）がピニオンシャフト４の軸方向中間部Ｘの他端寄り部分に位置している。
また、このピニオンシャフト４の軸方向略中央に、このピニオンシャフト４を径方向に貫通するようにして一対の径方向孔１６、１６が形成されているとともに、このピニオンシャフト４の軸方向他端寄り部分に、ピニオンシャフト４の径方向に延びる１つの径方向孔１６が形成されている。これら各径方向孔１６、１６、１６は、それぞれの径方向内端部が軸方向孔１５の内周面に開口しているとともに、それぞれの径方向外端部がピニオンシャフト４の外周面に開口している。
【００１９】
ピニオンシャフト４のうち軸方向両端部Ｙ、Ｙの外周面（すなわち円柱面）には、切削が施されており、軸方向両端部Ｙ、Ｙの外周面は切削面となっている。また、ピニオンシャフト４のうち軸方向両端部Ｙ、Ｙを除いた軸方向中間部Ｘの外周面（すなわち円柱面）には、研削が施されており、外周面は研削面となっている。そして、ピニオンシャフト４の軸方向中間部Ｘには、浸炭窒化処理（浸炭処理でもよい）、調質処理（焼鈍し）、高周波焼入れ処理、及び焼戻し処理がこの順に施されており、ピニオンシャフト４の軸方向中間部Ｘの外周面には表面硬化層１９が形成されている。また、ピニオンシャフト４の軸方向両端部Ｙ、Ｙで、両円形凹部１８ａ、１８ｂと軸方向に整合する部分（円形凹部１８ａ、１８ｂの周囲部分）は、高周波焼入れ硬化せずに調質のままである。
【００２０】
なお、ピニオンシャフト４のうち表面硬化層１９が、本発明の構成要件である「高硬度部」に相当する。また、ピニオンシャフト４のうち後述する不動態皮膜２１を有する部分が、本発明の構成要件である「低硬度部」に相当する。
軸方向両端部Ｙ、Ｙの円形凹部１８ａ、１８ｂの底部の表面と軸方向両端部Ｙ、Ｙの外周面とには、クロム酸化物を含有する不動態皮膜２１、２１が形成されている。不動態皮膜２１（厚さは、例えば０．１μｍ以上３０μｍ以下である）が表面に形成されているため、軸方向両端部Ｙ、Ｙの外周面（円柱面）にも軸方向中間部Ｘと同時に浸炭窒化処理が施されているが、軸方向両端部Ｙ、Ｙのうち不動態皮膜２１の内側に存在する炭化物の量は面積率で１５％以下であり、表面硬化層１９に存在する炭化物の量よりも少ない。
【００２１】
また、軸方向中間部Ｘ（表面硬化層１９）の表面硬さはＨＶ７００以上ＨＶ８５０以下で、表面硬化層１９の残留オーステナイト量は２０体積％以上５０体積％以下で、且つ、表面硬化層１９の内側の芯部２０の残留オーステナイト量は０体積％超過２．０体積％以下である。さらに、軸方向両端部Ｙ、Ｙ（特に不動態皮膜２１、２１が形成された部分）の表面硬さはＨＶ１５０以上ＨＶ３５０以下である。
【００２２】
このようなピニオンシャフト４は、軸方向端部Ｙの靱性が確保されているため、軸方向端部Ｙを加締めて遊星歯車装置のキャリア等の部材に固定する際に、軸方向端部Ｙにひびや割れ等の損傷が発生しにくい。よって、ピニオンシャフト４をキャリア等の部材に固定する際に、加締め等の塑性加工を好ましく使用可能である。また、軸方向中間部Ｘの強度が確保されているため、遊星歯車装置の運転時に軸方向中間部Ｘ（転動面）が損傷しにくい。
ここで、合金鋼に含有される合金成分の含有量、表面硬さ、残留オーステナイト量等の臨界的意義について詳細に説明する。
【００２３】
〔炭素の含有量について〕
炭素（Ｃ）は、基地に固溶して焼入れ、焼戻し後の硬さを向上させて強度を向上させるとともに、鉄、クロム、モリブデン、バナジウム等の炭化物形成元素と結合して炭化物を形成し耐摩耗性を高める作用を有する元素である。耐転動疲労性に必要な硬さを得るために行う浸炭処理、浸炭窒化処理の時間が長くなるとコストアップを招くことから、処理時間の短縮のために、炭素の含有量は０．１質量％以上であることが好ましい。
【００２４】
ただし、０．２９質量％超過であると、製鋼時に粗大な共晶炭化物が生成されやすくなり、転動疲労寿命や強度が低下する場合がある。また、０．２９質量％超過であると、鍛造性、冷間加工性、被削性が低下して、加工コストの上昇を招く場合がある。さらに、０．２９質量％超過であると、棒状部材への成形性が低く、特に直径１５ｍｍ以下の棒状部材へ成形しようとすると、塑性加工が困難で成形時に割れやクラックが発生するおそれがある。
【００２５】
〔クロムの含有量について〕
クロム（Ｃｒ）は、基地に固溶して焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性、耐食性、及び転動疲労寿命を高める作用を有する元素である。また、炭素、窒素等の侵入型固溶元素を実質的に動きにくくして基地の組織を安定化し、水素侵入時の寿命低下を大幅に抑制する作用も有している。さらに、合金鋼中に微細に分布する炭化物が、より高硬度の（Ｆｅ，Ｃｒ）3 Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）7 Ｃ3 、（Ｆｅ，Ｃｒ）23Ｃ6 等の炭化物からなるために、耐摩耗性を高める作用も有している。さらに、残留オーステナイトが熱により分解しにくくなり、結果として塑性変形し難い。
【００２６】
合金鋼中のクロムの含有量が２質量％未満であると、不動態皮膜が形成されにくいことに加えて、前述の作用が十分に得られない場合がある。また、合金鋼中のクロムの含有量が５質量％を超えると、冷間加工性、被削性、浸炭窒化性（又は浸炭性）が低下してコストの上昇を招くおそれがある。さらに、製鋼時に粗大な共晶炭化物が生成されやすくなり、転動寿命や強度が低下する場合がある。
【００２７】
〔モリブデンの含有量について〕
モリブデン（Ｍｏ）は、クロムと同様に基地に固溶して焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性、耐食性、及び転動寿命を高める作用を有する元素である。また、クロムと同様に炭素、窒素等の侵入型固溶元素を実質的に動きにくくして基地の組織を安定化し、水素侵入時の寿命低下を大幅に抑制する作用も有している。さらに、合金鋼中に微細に分布する炭化物が、より高硬度のモリブデンの炭化物等からなるために、耐摩耗性を高める作用も有している。
合金鋼中のモリブデンの含有量が０．１質量％未満であると、前述の作用が十分に得られない場合があり、１．５質量％を超えると、冷間加工性、被削性が低下してコストの上昇を招くおそれがある。さらに、製鋼時に粗大な共晶炭化物が生成されやすくなり、転動寿命や強度が低下する場合がある。
【００２８】
〔マンガンの含有量について〕
マンガン（Ｍｎ）は、製鋼時に脱酸剤として作用する元素であり、０．１質量以上添加することが好ましい。また、クロムと同様に基地に固溶してＭｓ点を降下させて、多量の残留オーステナイトを確保したり、焼入れ性を高める作用を有している。ただし、１．５質量％を超えて添加すると、冷間加工性、被削性が低下するだけでなく、マルテンサイト変態開始温度が低下して、浸炭窒化後（又は浸炭後）に多量の残留オーステナイトが残存し十分な硬さが得られない場合がある。
【００２９】
〔ケイ素の含有量について〕
ケイ素（Ｓｉ）は、マンガンと同様に製鋼時に脱酸剤として作用する元素であり、０．１質量以上添加することが好ましい。また、クロム、マンガンと同様に焼入れ性を向上させるとともに、基地のマルテンサイト化や残留オーステナイトの安定化を促進し、軸受寿命の向上に有効な元素である。さらに、焼戻し軟化抵抗性を高める作用も有している。ただし、１．５質量％を超えて添加すると、鍛造性、冷間加工性、被削性、及び浸炭窒化性（又は浸炭性）が低下する場合がある。
【００３０】
〔転動面の表面硬さについて〕
異物潤滑環境下における遊星歯車装置の転動寿命の低下は、異物の噛み込みによって形成された圧痕の盛り上がり縁部における応力集中が原因とされる。ピニオンシャフト４の転動面の表面硬さ（軸方向中間部Ｘ（表面硬化層１９）の表面硬さ）がＨＶ７００以上ＨＶ８５０以下であれば圧痕が形成されにくいので、遊星歯車装置が異物混入下で使用されても長寿命である。ピニオンシャフト４の転動面の表面硬さがＨＶ７００未満であると、硬さが不十分であるため圧痕が形成されるおそれがあり、ＨＶ８５０超過であると、焼入れ温度を高くする必要があるため、結晶粒径の粗大化により靭性が低下するおそれがある。
【００３１】
〔表面硬化層１９の残留オーステナイト量について〕
表面硬化層１９の残留オーステナイト量が２０体積％以上５０体積％以下であると、上記のような応力集中が生じにくい。２０体積％未満であると、表面疲労を緩和する応力集中の軽減効果が乏しく、疲労寿命が低下する。一方、５０体積％超過であると、表面硬さが不十分となり耐摩耗性や耐表面疲労性が損なわれるおそれがある。このような不都合が生じにくく、優れた疲労寿命が安定して得られるためには、表面硬化層１９の残留オーステナイト量は好ましくは２０体積％以上５０体積％以下の範囲に、より好ましくは３０体積％以上４０体積％以下の範囲に規制される。
【００３２】
〔芯部２０の残留オーステナイト量について〕
転動面表面の残留オーステナイト量を２０体積％以上５０体積％以下に確保することで、異物潤滑環境下の転動疲労寿命を向上させることができる。一方、残留オーステナイトは、荷重等の応力や熱が加わると、分解してフェライトとセメンタイトの混合物やマルテンサイトに変化するため、ピニオンシャフトに塑性変形が生じる。そこで、ピニオンシャフト４の塑性曲がりを極力抑制させるために、表面硬化層１９の内側の芯部２０の残留オーステナイト量は０体積％超過２．０体積％以下とすることが好ましく、０体積％とすることがより好ましい。
【００３３】
〔軸方向端部Ｙの表面硬さについて〕
ピニオンシャフト４においては、転動疲労寿命を確保するため転動面には高い硬さが必要とされるが、軸方向端部Ｙは加締めによる固定を行うため、塑性変形可能な硬さにしなければならない。軸方向端部Ｙ（特に不動態皮膜２１、２１が形成された部分）の表面硬さは、ＨＶ３５０以下であることが好ましく、ＨＶ１５０以上ＨＶ３５０以下であることがより好ましく、ＨＶ１５０以上ＨＶ３２０以下であることがさらに好ましい。軸方向端部Ｙの表面硬さがＨＶ３５０超過であると、加締め加工の際に割れが発生する場合があり、ＨＶ１５０未満では加締め後の剛性を保つことができない場合がある。また、軸方向端部Ｙの表面硬さがＨＶ３２０以下であれば、加締め加工の際の割れの発生をより抑制できるので、加締め加工の加工条件をより自由に設定可能である。
【００３４】
〔不動態皮膜２１の厚さについて〕
クロム酸化物を含有する不動態皮膜２１をピニオンシャフト４の軸方向端部Ｙ（円形凹部１８ａ、１８ｂの底部及び外周面）の表面に設けることにより、浸炭時、浸炭窒化時の軸方向端部Ｙへの炭素の侵入を制限し、軸方向端部Ｙの表面硬さ及び初析炭化物の発生を抑制することができる。不動態皮膜２１の厚さは０．１μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。不動態皮膜２１の厚さが０．１μｍ未満であると、炭素の侵入を十分に抑制できないおそれがあり、３０μｍ超過であると、有害なスケールとして実機での使用中に剥離して、悪影響が出るおそれがある。
【００３５】
〔軸方向端部Ｙの炭化物の量について〕
例えば、クロムの含有量を増加させた肌焼鋼に通常の浸炭窒化処理を行うと、その後の冷却過程において粒界に選択的に初析炭化物が析出しやすくなり、軸方向端部Ｙの表面硬さが低い場合でも、析出した炭化物が加締め加工の際の割れの起点となるおそれがある。そのため、軸方向端部Ｙの炭化物の量、すなわち、不動態皮膜２１の内側に存在する炭化物の量は、面積率で１５％以下であることが好ましく、１．０％以上１２％以下であることがより好ましい。
【００３６】
軸方向端部Ｙの炭化物の量が１５％超過であると、炭化物同士が結合しやすくなり、加締め加工を行った際に加締め割れが生じやすくなる。一方、軸方向端部Ｙの炭化物の量が１．０％以上であれば、十分な強度を有することとなるので、より確実に加締め固定が可能となる。また、軸方向端部Ｙの炭化物の量が１２％以下であでば、加締め加工の際の割れの発生をより抑制できるので、加締め加工の加工条件をより自由に設定可能である。
【００３７】
次に、このようなピニオンシャフト４の製造方法について、図２を参照しながら説明する。まず、クロムを含有する合金鋼（例えば高炭素クロム軸受鋼、肌焼鋼）からなる素材を略円柱状（丸棒状）に加工し、ピニオンシャフトの形状の部材とする（加工工程）。この加工の際には、略円柱状の素材の軸方向中間部の外周面（円柱面）を研削するとともに、略円柱状の素材の少なくとも軸方向両端面を、加工変質層が形成されるように且つ塑性流動を伴うように切削して、この部材の軸方向両端部（円形凹部１８ａ、１８ｂの底部）の表面に加工変質層を生じさせる。略円柱状の素材の軸方向端部の外周面も切削して、外周面にも加工変質層を生じさせてもよい。
【００３８】
加工変質層は、強加工になるほど厚く形成され、研削では形成されにくい。加工変質層の厚さは、加工速度等の条件の調整により、例えば３μｍ以上４０μｍ以下に制御するとよい。
切削加工の条件は、加工変質層が形成されるように且つ塑性流動を伴うように切削できるならば特に限定されるものではないが、例えば軸受用鋼製の素材からピニオンシャフトを製造する場合であれば、下記のような条件を例示することができる。直径１６ｍｍの略円柱状に加工した軸受用鋼製の素材を、１０００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下の回転速度で回転させつつ０．０２ｍｍ／回転の送り速度で軸方向に移動させながら、素材の軸方向両端面や外周面に切削加工を施す。そうすれば、塑性流動を伴うように切削が行われ、加工変質層が形成される。
【００３９】
続いて、加工変質層を有する部材に、８５０℃以上９５０℃以下で浸炭処理又は浸炭窒化処理を含む熱処理を施す（熱処理工程）。その際、熱処理工程の熱処理の昇温過程において加工変質層を有する部材に加熱処理が施されるため、加工変質層が形成された軸方向両端面や軸方向端部の外周面には、クロム酸化物を含有する不動態皮膜２１が形成される（不動態皮膜形成工程）。一方、加工変質層が形成されていない軸方向中間部（すなわち、研削された部分）には、昇温過程の後に浸炭処理又は浸炭窒化処理による表面硬化が施される。すなわち、不動態皮膜２１の形成と浸炭処理又は浸炭窒化処理による表面硬化とが、１回の処理により達成される。
【００４０】
ただし、不動態皮膜２１の形成と浸炭処理又は浸炭窒化処理による表面硬化とを分けて行ってもよい（２回の処理を行ってもよい）。すなわち、加工変質層を有する部材に加熱処理を施して、加工変質層が形成された軸方向両端面や軸方向端部の外周面に不動態皮膜２１を形成（不動態皮膜形成工程）した後に、不動態皮膜２１が形成された部材に浸炭処理又は浸炭窒化処理を含む熱処理を施してもよい。
なお、浸炭処理又は浸炭窒化処理を含む熱処理時の昇温は、不動態皮膜２１が形成されやすいように徐々に行うことが好ましく、昇温速度は例えば５℃／ｍｉｎ以上２５℃／ｍｉｎ以下に制御することが好ましい。
【００４１】
浸炭処理又は浸炭窒化処理を含む熱処理に続いて、大気中又は窒素雰囲気中にて６５０℃以上７８０℃以下で焼鈍し処理（調質処理）を行った後に、軸方向中間部（熱処理工程で熱処理を施された素材の表面のうち、加工変質層を形成した部分とは異なる部分）のみに高周波焼入れを施して表面硬化層１９を形成する（高周波焼入れ工程）。そして、焼戻し処理をさらに施す。このような処理によって、表面硬さがＨＶ７００以上ＨＶ８５０以下の表面硬化層１９を軸方向中間部Ｘに有し、軸方向両端部Ｙ、Ｙの表面硬さがＨＶ１５０以上ＨＶ３５０以下であり、軸方向両端面及び軸方向端部Ｙの外周面に不動態皮膜２１を有するピニオンシャフト４が得られる。また、不動態皮膜２１の内側に存在する炭化物の量を面積率で１５％以下とする。さらに、表面硬化層１９の残留オーステナイト量を２０体積％以上５０体積％以下とし、且つ、表面硬化層１９の内側の芯部２０の残留オーステナイトを０体積％とする。
【００４２】
このように、加工変質層の厚さと浸炭処理又は浸炭窒化処理を含む熱処理時の昇温速度とを規定することにより不動態皮膜２１が形成されて、軸方向端部Ｙ（不動態皮膜２１の内側）に存在する炭化物の量が抑制されるので、転動疲労寿命向上のためにクロムの含有量を多くした合金鋼を用いているにもかかわらず、粗大粒生成防止元素であるニオブ（Ｎｂ）の添加を必要としない。
【００４３】
ここで、軸方向端部Ｙの加工変質層及び浸炭時又は浸炭窒化時の昇温速度について詳述する。
不動態皮膜２１の形成には、表面の加工変質層と昇温時の昇温速度が関係している。表面の加工変質層の存在によって表面へのクロムの拡散が助長されるので、浸炭又は浸炭窒化の開始前までの間に（すなわち、浸炭又は浸炭窒化の昇温時に）クロム酸化物を含有する不動態皮膜２１が形成される。
【００４４】
加工変質層の厚さが３μｍ未満では、不動態皮膜２１の生成が不十分になるおそれがある。一方、４０μｍより深い加工変質層を得るには（すなわち、加工変質層の厚さが４０μｍ超過であると）、過酷な切削条件での加工が必要となるので、製品の寸法精度や加工装置への負荷を考えると現実的ではない。
また、不動態皮膜２１は常温で加工を行った際に形成されるものではなく、昇温中のある一定の温度環境下において形成される。よって、２５℃／ｍｉｎよりも速い速度で昇温された場合には、十分な厚さの不動態皮膜２１が形成できないおそれがある。一方、５℃／ｍｉｎよりも遅い速度では、浸炭温度又は浸炭窒化温度までの昇温に時間がかかりすぎてしまうため、生産性の問題から現実的ではない。
【００４５】
なお、図１のピニオンシャフト４は不動態皮膜２１を備えているが、不動態皮膜２１は浸炭時、浸炭窒化時の軸方向端部Ｙへの炭素の侵入を制限するためのものであるので、浸炭、浸炭窒化の終了後は不必要である。したがって、浸炭、浸炭窒化後に、切削等で不動態皮膜を除去する工程によって不動態皮膜２１を除去してもよい。不動態皮膜２１を除去すると、軸方向端部Ｙが硬度のより低い層のみで構成されることとなるので、加締め加工がより行いやすくなる。
【００４６】
次に、ピニオンシャフト４を用いた遊星歯車装置について、図３、４を参照しながら説明する。遊星歯車装置は、外周面に歯１ａを形成した太陽歯車１と、この太陽歯車１と同心に配置され、内周面に歯２ａを形成したリング歯車２と、太陽歯車１とリング歯車２との間に円周方向に関して等間隔に配置された複数個（一般的には３〜４個）の遊星歯車３、３、３と、を備えている。そして、これら複数個の遊星歯車３、３、３の外周面に形成した歯３ａは、両歯１ａ、２ａに噛み合っている。
【００４７】
複数個の遊星歯車３、３、３は、それぞれピニオンシャフト４の周囲に、それぞれ複数本ずつのニードルころ５、５を介して回転自在に支持されている。すなわち、遊星歯車３とピニオンシャフト４と各ニードルころ５、５とにより、転がり軸受（ラジアルニードル軸受）が構成されており、このうちのピニオンシャフト４が、転がり軸受の内輪に相当する。
【００４８】
各ピニオンシャフト４の基端部（図４の右端部）は、太陽歯車１を中心として回転自在なキャリア６の基板７に固定されている。詳述すると、各ピニオンシャフト４の基端部が加締められ、基板７に形成された通孔８ａに締まり嵌めで嵌合されている。基端部が加締められたピニオンシャフト４を、図５、６に示す。ピニオンシャフト４の基端部の周方向一部分又は周方向全体が径方向外方に加締め広げられることにより、キャリア６の基板７に固定される。ピニオンシャフト４の基端部を径方向外方に加締め広げる際には、ピニオンシャフト４の基端部の内周側部分は引張応力により伸延変形し、外周側部分は圧縮応力により収縮変形する。よって、加締め加工の際に割れが発生しにくい。
【００４９】
また、図示の例では、太陽歯車１を円筒状に形成し、基板７を、断面Ｌ字形で全体を円輪状に形成している。そして、図４に示すように、基板７の内周縁部に形成した円筒部１０を、回転軸１１の外周面にスプライン係合させている。太陽歯車１は、回転軸１１の周囲に、回転軸１１に対して相対回転自在に支持されている。また、リング歯車２は、太陽歯車１、キャリア６、回転軸１１の周囲に、これら太陽歯車１、キャリア６、回転軸１１に対して相対回転自在に支持されている。
【００５０】
さらに、各ピニオンシャフト４の先端部（図４の左端部）は、基板７と共にキャリア６を構成する、円輪状に形成された連結板１２に形成した通孔８ｂに嵌め込まれて加締め固定され、各ピニオンシャフト４の先端部同士が連結されている。ピニオンシャフト４の先端部の加締めについても、前述したピニオンシャフト４の基端部の場合と同様であり、図５、６に示すように、ピニオンシャフト４の先端部の周方向一部分又は周方向全体が径方向外方に加締め広げられることにより、連結板１２に固定される。
【００５１】
これら複数のピニオンシャフト４の軸方向中間部の外周面（基板７と連結板１２との間の部分）は、円柱面状の内輪軌道１３とされている。一方、遊星歯車３の内周面は、円筒面状の外輪軌道１４とされている。そして、これら内輪軌道１３と外輪軌道１４との間に各ニードルころ５、５を配して、遊星歯車３は、ピニオンシャフト４の軸方向中間部の周囲に、回転自在に支持されている。
【００５２】
このような遊星歯車３及びピニオンシャフト４等を備える遊星歯車装置は、例えば、回転軸１１を駆動軸又は従動軸としており、太陽歯車１又はリング歯車２の中心が従動軸又は駆動軸に結合されている。そして、太陽歯車１、リング歯車２、及び遊星歯車３のいずれかを回転自在とし、太陽歯車１、リング歯車２、及び遊星歯車３のいずれかを回転不能とするかを切り換えることにより、駆動軸と従動軸との間の変速並びに回転方向の変換を行う。
【００５３】
〔第二実施形態〕
次に、第二実施形態のピニオンシャフト４を、図７を参照しながら説明する。なお、第二実施形態のピニオンシャフト４の構成及び製造方法は、第一実施形態のピニオンシャフト４の構成及び製造方法とほぼ同様であるので、異なる部分のみ説明し、同様の部分の説明は省略する。
【００５４】
第一実施形態のピニオンシャフト４の場合は、円形凹部１８ａ、１８ｂの内面及び軸方向端部Ｙの外周面に不動態皮膜２１、２１が形成されていた。これに対して、第二実施形態のピニオンシャフト４の場合は、軸方向両端面を切削により凹化して円形凹部１８ａ、１８ｂを形成するとともに、軸方向両端部Ｙ、Ｙの外周の角部を切削により面取りしたため（よって、円形凹部１８ａ、１８ｂの内面、軸方向両端面の外周側部分、及び面取り部は切削面となっている。）、図７に示すように、円形凹部１８ａ、１８ｂの内面とともに、軸方向両端面の外周側部分及び面取り部にも不動態皮膜２１、２１が形成されている。なお、面取り部の形状は、図７に示すように平面状（いわゆるＣ面取り）でもよいし、曲面状（いわゆるＲ面取り（丸み面取り））でもよい。
【００５５】
第二実施形態のピニオンシャフト４の場合は、上記のように、ピニオンシャフト４の製造時に切削により素材の軸方向長さが短くなるので、その分を考慮して、素材の軸方向長さを決定する。すなわち、完成品のピニオンシャフト４よりも軸方向長さが大きい素材を用意し、その素材の軸方向両端部を上記のように切削してピニオンシャフト４の正規の軸方向長さとすれば、上記のような製造方法を採る場合であっても、所望の軸方向長さのピニオンシャフト４を製造することができる。また、浸炭、浸炭窒化後に切削等で不動態皮膜２１を除去する場合には、その分だけ軸方向長さが短くなることをさらに考慮に加えて、素材の軸方向長さを決定すればよい。
【００５６】
また、第一実施形態のピニオンシャフト４の場合は、表面硬化層１９を有する軸方向中間部Ｘと、不動態皮膜２１を有する軸方向端部Ｙとが接して軸方向に並んでいた。これに対して、第二実施形態のピニオンシャフト４の場合は、図７に示すように、軸方向中間部Ｘと軸方向端部Ｙとの間に、不動態皮膜２１も表面硬化層１９も有していない中硬度の中硬度部Ｚが介在している。中硬度部Ｚの表面には、不動態皮膜２１も表面硬化層１９も形成されていないので、中硬度部Ｚの表面硬さは、表面硬化層１９よりも硬さが低く且つ不動態皮膜２１を有する部分よりも硬さが高い（すなわち、不動態皮膜２１の表面硬さと表面硬化層１９の表面硬さとの間の硬さである）。
【００５７】
なお、上記の第一及び第二実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は第一及び第二実施形態に限定されるものではない。また、第一及び第二実施形態には種々の変更又は改良を加えることが可能であり、そのような変更又は改良を加えた形態も本発明に含まれ得る。
例えば、第一及び第二実施形態においては、機械部品の例として、遊星歯車装置等に使用される部品としてのピニオンシャフトをあげたが、本発明の機械部品はピニオンシャフトに限定されるものではない。本発明を適用可能な機械部品の他の例としては、タペットローラ軸等の軸部品や、ボールねじを構成する部品や、歯車や、セレーションを有する部品があげられる。
【００５８】
例えばボールねじのねじ軸は、使用者の所望により製造者が製造時に端部を種々の形状に加工（後加工）する場合や、使用者が所望により使用時に端部を種々の形状に加工（後加工）する場合がある。そのため、ねじ軸の端部を本発明における低硬度部とすれば、上記のような後加工において端部が加工しやすい。よって、本発明の機械部品は、ボールねじのねじ軸のように、後加工を行う部品に好適である。
【００５９】
また、例えば歯車は、歯元が高硬度であると、応力集中により亀裂が発生しやすい場合がある。歯車の摺動部を本発明における高硬度部とし、歯元を本発明における低硬度部として靱性を高めれば、歯車の小型化を図ることができる。よって、本発明の機械部品は、歯車のように、応力集中による破壊を抑制すべき部品に好適である。
さらに、例えばセレーションを有する部品は、セレーション接合時にセレーション部を塑性変形させることによって接合力を高めることができる。そのため、セレーション部の少なくとも一部分を本発明における低硬度部とすれば、セレーション接合時に接合力が高くなりやすい。よって、本発明の機械部品は、セレーションを有する部品のように、使用時に塑性変形させる部品に好適である。
【符号の説明】
【００６０】
４        ピニオンシャフト
１３        内輪軌道
１９        表面硬化層
２０        芯部
２１        不動態皮膜
Ｘ        軸方向中間部
Ｙ        軸方向端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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