(57)【要約】【課題】高い寸法安定性を確保し、曲がりを抑制して表面起点型の転がり寿命を向上させることができるピニオンシャフトを提供する。【解決手段】Ｓｉを０．３mass％以上１．５mass％以下含有する軸受鋼に浸炭窒化処理を施すことにより、転動体が転動する転動面の表層部にＳｉ及びＭｎを含有したＳｉ・Ｍｎ系窒化物が生成されたピニオンシャフトを形成する。ここで、表層部の窒素濃度は０．０５mass％以上０．５mass％以下であり、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率は０．２％以上３％以下であり、大きさが０．０５μm以上１μm以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物が面積３７５μm２中に２５個以上１５０個以下析出されており、表層部の残留オーステナイト量は２０vol％以上４０vol％以下とされている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
遊星歯車装置のサンギヤ及びリングギヤに螺合するピニオンを、転動体を介して回転自在に支持するピニオンシャフトにおいて、
Ｓｉを０．３mass％以上１．５mass％以下含有する軸受鋼に浸炭窒化処理を施すことにより、前記転動体が転動する転動面の表層部にＳｉ及びＭｎを含有したＳｉ・Ｍｎ系窒化物を生成してなることを特徴とするピニオンシャフト。
【請求項２】
前記表層部の窒素濃度が０．０５mass％以上０．５mass％以下であり、且つ前記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が０．２％以上３％以下であり、且つ大きさが０．０５μm以上１μm以下の前記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物が面積３７５μm２中に２５個以上１５０個以下析出していることを特徴とする請求項１記載のピニオンシャフト。
【請求項３】
前記表層部の残留オーステナイト量を２０vol％以上４０vol％以下としたことを特徴とする請求項１又は２記載のピニオンシャフト。
【請求項４】
Ｓｉを０．３mass％以上１．５mass％以下含有する軸受鋼からなるピニオンシャフト素材を、８２０℃〜９００℃で２〜１０時間、ＲＸガス、プロパンガスおよびアンモニアガスの混合ガス雰囲気中で浸炭窒化処理を行ない、
前記ピニオンシャフト素材の表層部にＳｉ及びＭｎを含有したＳｉ・Ｍｎ系窒化物を生成し、前記表層部の窒素濃度が０．０５mass％以上０．５mass％以下であり、且つ前記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が０．２％以上３％以下であり、且つ大きさが０．０５μm以上１μm以下の前記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物が面積３７５μm２中に２５個以上１５０個以下析出し、且つ前記表層部の残留オーステナイト量を２０vol％以上４０vol％以下とし、
前記浸炭窒化処理後に、前記ピニオンシャフト素材を油焼入れし、その後１６０℃〜２４０℃で２〜５時間焼戻し処理を施した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、遊星歯車装置のピニオンを回転自在に支持するピニオンシャフト及びこれの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７に示す遊星歯車装置は、油圧シャベル、クレーン等の建設機械、自動車用オートマチックトランスミッション等の歯車変速機構に使用されるものである。この遊星歯車装置は、サンギヤ１と、サンギヤ１と同心に配されたリングギヤ２と、サンギヤ１およびリングギヤ２に噛み合いサンギヤ１の周りを公転する１個以上（図７においては３個）のピニオン３と、サンギヤ１およびリングギヤ２と同心に配されてピニオン３を回転自在に支持するキャリヤ４とを備えている。
【０００３】
図８に示すように、ピニオン３の軸穴３ａにはピニオンシャフト５が挿通されており、ピニオンシャフト５の一端はキャリヤ４に連結されている。また、ピニオンシャフト５の外周面と軸穴３ａの内周面との間には、複数の針状ころ（転動体）６が転動自在に配設されている。
ピニオン３を支持するピニオンシャフト５は、高い寸法安定性と転がり寿命が必要とされる。寸法変化とは、軸受に含有される残留オーステナイトが分解することによって軸受部品が使用中に少しずつ膨張する現象であり、残留オーステナイトが含まれる以上避けることができない。遊星歯車装置を含む変速装置では、高速駆動による温度上昇で残留オーステナイトが分解するおそれがある。通常、軸受は回転運動を行っているので、寸法変化は均一に起こり、その寸法変化量がはめ合い量や内部隙間量を超えない限り大きな問題とはならない。
【０００４】
しかしながら、ピニオン３を支持するピニオンシャフト５は自転をしないので、ピニオンシャフト５の一定点に進行方向（ピニオン３とリングギヤ２の接線方向）と同じ方向に荷重Ｆが負荷される。これにより、図８の破線で示すように、ピニオンシャフト５は、荷重Ｆによる一定方向の外力によって、ピニオンシャフト５に寸法変化が不均一に生じ、曲がりが発生するおそれがある。この曲がりが発生したピニオンシャフト５と針状ころ６の端部との間（図８の符号Ａで示す部位）にエッジロードが発生し、はく離が生じやすくなる。
ピニオンシャフト５の曲がりを防ぐためには残留オーステナイト量を低下させる必要があるが、残留オーステナイトの低減は転がり寿命の低下を招くため、上記の要求機能が満たされない。
【０００５】
特許文献１では、浸炭窒化を施した後、焼き戻しにより全体の残留オーステナイトを０％とし、その後、表面層に高周波焼入れを施して表層部の残留オーステナイトを１５％〜４０％にする手法が報告されている。しかしながら、この特許文献１の手法では、製造工程に高周波焼入れが入るので製造工程が複雑になり、生産性に課題がある。したがって、残留オーステナイト量が多い状態で寸法安定性を確保するためには、残留オーステナイトの分解速度を低下させることが有効な手段と考えられる。残留オーステナイトの分解速度は合金成分に依存しており、Ｓｉは分解速度を低下させる上で有効な元素である。
【０００６】
一方、転がり寿命について考える。ピニオンシャフト５ではエッジロードによるはく離が生じやすい上に、ギアの摩耗粉の噛み込みによる圧痕が形成されやすく、表面起点型のはく離が生じやすい。表面起点型のはく離には硬さおよび残留オーステナイトの増加が有効である。浸炭窒化処理は、残留オーステナイトの増加に有効であるが軟質な組織であるため、その増加量には限界がある。一方、Ｓｉを含む鋼に浸炭窒化処理を施すとＳｉを含んだ窒化物が形成され、硬度が上昇するという特徴がある。
【０００７】
以上のように、高い寸法安定性と耐表面起点型はく離特性を両立させるためには、Ｓｉを含有した鋼に浸炭窒化処理を施すことが有効であるといえる。Ｓｉを含有した鋼に浸炭窒化を施す技術は、例えば特許文献２には、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物を効果的に析出させるための成分系が提示され良好な耐摩耗性や耐焼き付性が示されている。
Ｓｉを含有した鋼への浸炭窒化技術は、自動車に代表されるような小型の軸受に主として使用されてきた。
しかし、軸受が大型化すると、鋼材にはそれに応じた焼入れ性が必要とされる。ＳｉやＭｎが焼入れ性を向上させる上で有効な元素であることが知られている。だが、上述の表面起点型はく離寿命を延長させるためにＳｉ・Ｍｎ系窒化物を多量に析出させるとＳｉやＭｎは基地に固溶せず、窒化物が多量に析出した領域で焼入れ性が不足する場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許４４２３７５４号
【特許文献２】特開２００７−３３２３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、高い寸法安定性を確保し、曲がりを抑制して表面起点型の転がり寿命を向上させることができるピニオンシャフト及びピニオンシャフトの製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る請求項１記載のピニオンシャフトは、遊星歯車装置のサンギヤ及びリングギヤに螺合するピニオンを、転動体を介して回転自在に支持するピニオンシャフトにおいて、Ｓｉを０．３mass％以上１．５mass％以下含有する軸受鋼に浸炭窒化処理を施すことにより、前記転動体が転動する転動面の表層部にＳｉ及びＭｎを含有したＳｉ・Ｍｎ系窒化物を生成してなるピニオンシャフトである。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のピニオンシャフトにおいて、前記表層部の窒素濃度が０．０５mass％以上０．５mass％以下であり、且つ前記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が０．２％以上３％以下であり、且つ大きさが０．０５μm以上１μm以下の前記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物が面積３７５μm２中に２５個以上１５０個以下析出している。
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のピニオンシャフトにおいて、前記表層部の残留オーステナイト量を２０vol％以上４０vol％以下とした。
【００１２】
一方、本発明に係る請求項４のピニオンシャフトの製造方法は、Ｓｉを０．３mass％以上１．５mass％以下含有する軸受鋼からなるピニオンシャフト素材を、８２０℃〜９００℃で２〜１０時間、ＲＸガス、プロパンガスおよびアンモニアガスの混合ガス雰囲気中で浸炭窒化処理を行ない、前記ピニオンシャフト素材の表層部にＳｉ及びＭｎを含有したＳｉ・Ｍｎ系窒化物を生成し、前記表層部の窒素濃度が０．０５mass％以上０．５mass％以下であり、且つ前記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が０．２％以上３％以下であり、且つ大きさが０．０５μm以上１μm以下の前記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物が面積３７５μm２中に２５個以上１５０個以下析出し、且つ前記表層部の残留オーステナイト量を２０vol％以上４０vol％以下とし、前記浸炭窒化処理後に、前記ピニオンシャフト素材を油焼入れし、その後１６０℃〜２４０℃で２〜５時間焼戻し処理を施したことを特徴とするピニオンシャフトの製造方法である。
【００１３】
ピニオンシャフトに関する数値の臨界的意義は以下の通りである。
［Ｓｉ量は０．３mass％以上、１．５mass％以下］
Ｓｉは固溶することにより残留オーステナイトの分解を抑制し、窒素と結合することにより硬質な窒化物として析出する。特に、転動体が転動するピニオンシャフトの転動面の表層部においては、Ｓｉは窒化物の形成と焼入れ性の２つを同時に確保する役割を持つ。これらの効果を同時に確保するためにはＳｉは０．３mass％以上必要である。一方、多量に含有すると切削や鍛造において生産上の不都合が生じやすいので、上限を１．５mass％とした。
【００１４】
［窒素濃度は０．０５mass％以上、０．５mass％以下］
ＳｉおよびＭｎを含有した窒化物は熱的に安定な析出物であり、基地中に１００nmから1μmの大きさで均一微細に分散し、硬さを向上させる特徴がある。この効果によって、寿命延長、耐摩耗性、耐焼き付性の向上を図ることができる。上記の諸性質はＳｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量に依存しており、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量は窒素量に依存する。
【００１５】
寿命延長効果が認められる窒素濃度は０．０５mass％以上であることから下限値を０．０５mass％とした。一方、上限については、前述したように窒素量の増加に伴って焼入れ性を確保している ＳｉやＭｎが窒化物として固着され、焼入れ性向上に役立たなくなる。有効肉厚２０mm以上の大型部品においては窒素量が０．５mass％以上になると窒化物が析出する深さ領域において焼入れ性が不足し、通常の工程では不完全焼入れ組織が生成する場合があることから上限値を０．５mass％とした。
［面積３７５μm２中におけるＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率は０．２％以上、３％以下であり、０．０５μm以上、１μm以下の大きさのＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数は２５個以上、１５０個以下]
【００１６】
大きさ１μmを越える窒化物は、材料の強化にあまり寄与しない。この理由としては、析出物による強化は析出物の分散間隔に依存しているため、同じ体積率の析出物でも細かく分散しているほうが強化される。本発明の範囲では窒化物を生成させるための窒素濃度が焼入れ性の観点から制限されるので、０．０５μm以上１μm以下といった微細な析出物を分散させることが好ましい。析出物の大きさは窒素量と析出する温度によって決定される。浸炭窒化処理温度は８００℃〜８７０℃の範囲が好ましい。８７０℃を超えると窒化物が粗大化して微細なＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数が減少するとともに、窒素の固溶量が多くなり窒化物の体積率自体も減少する。窒素濃度が０．０５mass％〜０．５mass％および上記熱処理範囲では、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率は０．２％〜３％、個数は２５個〜１５０個となる。
【００１７】
［表層部の残留オーステナイト量は２０vol％以上、４０vol％以下］
残留オーステナイトは異物の噛み込みによる圧痕縁の応力集中を緩和する効果があり、標準的なずぶ焼に対して寿命延長効果が認められる２０％を下限とした。一方、残留オーステナイトが多くなると、表層部の硬度が低下して寿命が低下するおそれがあることから上限を４０％とした。浸炭窒化の初期工程から、ＲＸガスとエンリッチガスおよびアンモニウムガスの混合ガス雰囲気とし、Ｃｐ値は１．１％以上とする。焼入れは油温６０℃〜１６０℃の範囲で行う。この温度より高いと、十分な表層部の硬さが得られない場合がある。焼戻しは１６０℃〜２２０℃の温度範囲で行い、硬さの範囲としてはＨｖ７４０以上、望ましくはＨｖ７８０以上とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る請求項１記載のピニオンシャフトによると、転動体が転動するピニオンシャフトの転動面の表層部に対して、硬質な窒化物の形成及び焼入れ性を確保することができるとともに、切削性能及び鍛造性能を向上させることができる。
また、請求項２記載のピニオンシャフトによると、表層部に窒化物を微細に析出させることで、表層部のはく離寿命を向上させるとともに、表層部以外ではＳｉを基地中に固溶させることによって残留オーステナイトの分解速度を低減させ、残留オーステナイトの分解に起因したピニオンシャフトの曲がりを抑制することができる。
【００１９】
また、請求項３記載のピニオンシャフトによると、表面起点型の転がり寿命を向上させることができる。
一方、請求項４記載のピニオンシャフトの製造方法によると、高い寸法安定性を確保し、曲がりを抑制して表面起点型の転がり寿命が向上したピニオンシャフトを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の観察写真である。
【図２】窒素濃度とＳｉ・Ｍｎ系窒化物面積率との関係を示す説明図である。
【図３】Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物面積率と寿命比との関係を示す説明図である。
【図４】Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物個数と寿命比との関係を示す説明図である。
【図５】窒素濃度と寿命比との関係を示す説明図である。
【図６】残留オーステナイト量と寿命比との関係を示す説明図である。
【図７】遊星歯車装置の構成部材を示す分解斜視図である。
【図８】ピニオンを転動体を介して回転自在に支持するピニオンシャフトを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明のピニオンシャフトに係る１実施形態について図面を参照しながら説明する。
まず、窒素量とＳｉ・Ｍｎ析出物量および熱処理品質との関係を明らかにするために、ＪＩＳ  ＳＵＪ３を内径１０mm、外径５５mm、長さ１００mmの円柱試験片に旋削加工し、８２０℃〜９００℃で２〜１０時間、ＲＸガス、プロパンガスおよびアンモニアガスの混合ガス雰囲気中で浸炭窒化処理後、油焼入れし、その後１６０℃〜２４０℃で２〜５時間焼戻し処理を施した。上記処理条件を変化させて、種々の窒素濃度の試料を作製した。
【００２２】
［表面の窒化物の面積率及び窒化濃度の測定］
電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用いて、加速電圧１０ＫＶで各試料の表面（表層部）の観察を行った。窒化物面積率については、倍率５０００倍で最低３視野以上写真を撮影し、写真を二値化してから画像解析装置を用いて面積率を計算した。対象となる窒化物が微細なものもあるので、測定倍率５０００倍、測定面積３７５μm２とすると、０．０５μm〜１μmの窒化物数を測定することができる。窒素濃度の測定は電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用い、加速電圧１５ＫＶで行った。残留オーステナイト量はX線回折法により求めた。
【００２３】
［寿命試験］
寿命試験は外径Φ６０mm、厚さ６mmの板状試験片を作製し、上述した熱処理条件にて浸炭窒化処理を行い、焼戻しを経た後に、研磨・ラッピングにより鏡面とした。ただし、寿命試験用の熱処理においては、外径５５mmの円柱試験片において内部組織が良好であった条件である、窒素濃度が０．５mass％以下とした。
【００２４】
寿命試験条件は以下のとおりである。
試験荷重：５８８０Ｎ (６００Ｋｇ)
回転数：１０００min−１
潤滑油：ＶＧ６８
異物の硬さ：Ｈｖ８７０
異物の大きさ：７４μm〜１４７μm
異物混入量：２００ppm
【００２５】
各試料における、窒素濃度、面積率、内部組織調査、寿命比の関係を下記表1に示す。寿命比は比較例１のＬ１０寿命を１としたときの比率で示す。また、各試料表面の窒化物の観察写真を図1（ａ）に示す。図１（ｂ）は、エネルギー分散型分析装置で分析した窒化物の元素分析結果を示している。分析結果から、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎのピークが出現しており、表面の窒化物はＳｉ・Ｍｎ系窒化物であることが分かる。
【００２６】
【表１】
2011225928.tif 000003
【００２７】
表１の結果を元に、図２に窒素濃度とＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率の関係を示す。図２から、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率、すなわち析出量は窒素濃度に比例して増大することが分かる。
図３はＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と寿命の関係を示し、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が増大するに伴い、寿命が向上していることが分かる。そして、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が０．２％以上であると明らかな寿命延長効果が認められ、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が３％を越えると効果が飽和していることが分かる。
【００２８】
図４はＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数と寿命の関係を示し、寿命は窒化物の個数の増加にしたがって向上していることが分かる。そして、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の個数が２５個以上であると明らかな寿命延長効果が認められ、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の個数が１５０を超えると効果が飽和していることが分かる。
図５は窒素濃度と寿命の関係を示し、窒素濃度の増加に伴って寿命が向上していることが分かる。そして、窒化濃度が０．０５mass％以上であると明らかな寿命延長効果が認められ、窒化濃度が０．５mass％を越えると、内部組織に焼入れ不足に伴う異常組織が発生するので効果が飽和していることが分かる。
【００２９】
図６は各試料表面の残留オーステナイト量と寿命の関係を示し、残留オーステナイト量の増加に伴って寿命が向上していることが分かる。そして、残留オーステナイト量が２０vol％以上であると明らかな寿命延長効果が認められ、残留オーステナイト量が４０vol％を超えると試料表面の硬度が低下し、寿命が低下するおそれがあるので効果が飽和することが分かる。
【００３０】
[焼入れ性調査]
上記の検討により、機能を満足する浸炭窒化条件が確立されたので、鋼材成分の影響を検討する。鋼種1から鋼種３について前述の熱処理と同様の内径１０mm、外径５５mm、長さ１００mm円柱試験片に旋削加工し、ＲＸガス、プロパンガス、およびアンモニアガスの混合ガス雰囲気中で浸炭窒化処理後、油焼入れし、その後２００℃で２時間焼戻し処理を施した。浸炭窒化条件は窒素濃度が０．３mass％程度となる条件とした。表２に熱処理品質の調査結果を示す。なお、鋼種1はＪＩＳ  ＳＵＪ２、鋼種２，３はＪＩＳ  ＳＵＪ３に相当する。
【００３１】
【表２】
2011225928.tif 000004
【００３２】
表２の結果から、いずれの試料も窒化物の析出に関しては良好であった。ただし、熱処理後の内部組織を確認したところ、ＪＩＳ  ＳＵＪ３に相当する実施例１１、１２では内部組織は良好であったのに対し、ＪＩＳ  ＳＵＪ２に相当する比較例３（Ｓｉが０．２５mass％含有）では焼入れ不足による組織異常が発生した。このことから表面でのＳｉ・Ｍｎ系窒化物の生成と焼入れ性を確保するために、Ｓｉは０．３mass％以上必要であることが分かる。また、Ｓｉが多量に含有されると切削や鍛造において生産上の不都合が生じやすいので、Ｓｉの上限は１．５mass％である。
【符号の説明】
【００３３】
１…サンギヤ、２…リングギヤ、３…ピニオン、３ａ…軸穴、４…キャリヤ、５…ピニオンシャフト、６…針状ころ（転動体）
【図１】
2011225928.tif 000005
【図２】
2011225928.tif 000006
【図３】
2011225928.tif 000007
【図４】
2011225928.tif 000008
【図５】
2011225928.tif 000009
【図６】
2011225928.tif 000010
【図７】
2011225928.tif 000011
【図８】
2011225928.tif 000012