(57)【要約】【課題】優れた転がり疲労寿命を有するピニオンシャフトを提供する。【解決手段】ピニオンシャフト５は、自動車用オートマチックトランスミッション等の遊星歯車機構に好適に使用されるものであり、残留オーステナイト量が２０体積％以上５０体積％以下で且つパーライト及びベイナイトを有していない硬化層５ａを、その外周面に備えている。この硬化層５ａは、高周波加熱した後、Ｍｆ点よりも高い温度に冷却し、該温度で所定時間保持して、室温程度に冷却するという高周波焼入れ処理により形成されたものである。【選択図】  図２
2007024250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心に位置するサンギヤと、該サンギヤと同心に配されたリングギヤと、前記サンギヤと前記リングギヤとに噛み合い前記サンギヤの周りを公転するピニオンギヤと、を備える遊星歯車装置に使用され、前記ピニオンギヤの中心穴に挿通されニードル軸受を介して前記ピニオンギヤを回転自在に支持するピニオンシャフトにおいて、その外周面に下記の３つの条件を満足する硬化層を備えることを特徴とするピニオンシャフト。
条件１：高周波加熱した後、Ｍｆ点よりも高い温度に冷却し、該温度で所定時間保持して、室温に冷却するという高周波焼入れ処理により形成されたものである。
条件２：パーライト及びベイナイトを有していない。
条件３：残留オーステナイト量が２０体積％以上５０体積％以下である。
【請求項２】
前記高周波焼入れ処理の前に浸炭窒化処理が施されてい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】
前記浸炭窒化処理と前記高周波焼入れ処理との間に高温焼戻し処理が施され、前記高周波焼入れ処理の後に低温焼戻し処理が施されていることを特徴とする請求項２に記載のピニオンシャフト。
【請求項４】
０．８質量％以上１．２質量％以下の炭素、０．１質量％以上１．２質量％以下のケイ素、０．７質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上１．５質量％以下のマンガンを含有する鋼で構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のピニオンシャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用オートマチックトランスミッション等の遊星歯車装置のピニオンギアに使用されるピニオンシャフトに関する。
【背景技術】
【０００２】
ピニオンシャフトの外周面上をころが転動すると、数ＧＰａの高い接触応力が発生する。このため、ピニオンシャフトに使用される材料には、硬く負荷に耐え転がり疲労寿命が優れ且つ滑りに対する耐摩耗性が良好であることが要求される。このような要求を満足するため、従来においては例えばＳＣｒ４２０等の肌焼き鋼や、ＳＫ５等の高周波焼入れ材が使用されている。
【０００３】
また、ピニオンシャフトは高面圧下で繰り返し剪断応力を受けるため、剪断応力に耐えて転がり疲労寿命が優れていることが要求される。このような要求を満足するため、従来においては例えばＳＵＪ２，ＳＵＪ３に浸炭処理，浸炭窒化処理等の熱処理を施し、引き続いて高周波熱処理を施して、表面硬さを確保するとともに転がり疲労寿命を向上させている。
しかしながら、転がり軸受の使用環境は近年ますます苛酷化しているため、従来の材料を用いたピニオンシャフトでは、例えば自動車用トランスミッションに使用される転がり軸受のように、異物が混入した潤滑条件下や高温下で使用される場合に、満足する耐久性を得ることができなかった。
【０００４】
そこで、上記のような問題に対する対策として、特許文献１には、高炭素クロム軸受鋼に窒化処理又は浸炭窒化処理を施して、表層部に残留圧縮応力を付与し、同時に窒化物を形成して高硬度とし、耐熱性と転がり疲労寿命を改善する例が開示されている。また、特許文献２には、ＳＵＪ３相当の高ケイ素且つ高マンガンの鋼で構成し、さらに残留オーステナイト量を高くしてオーステナイトの分解を抑制した転がり軸受が開示されている。
【特許文献１】米国特許第３２１６８６９号明細書
【特許文献２】特開平７−１９００７２号公報
【特許文献３】特開２００２−４００３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ピニオンシャフトの転動面に高周波熱処理を施す場合には、ピニオンシャフトの直径や長さ等の形状が異なると、転動面に安定した量の残留オーステナイトを形成することは困難であり、品質保証の面で問題があった。
一方、ピニオンシャフトに焼入れを施す際には、高周波加熱したピニオンシャフトの外周面に冷却水を噴射して冷却するので、ピニオンシャフトの表面側が先に冷却され、引き続き芯部に向かって冷却されて行くこととなる。よって、ピニオンシャフトの表層部に、マルテンサイト変態の始まる温度域（ＳＵＪ２の場合は２００〜３００℃）において熱処理変態応力が生じるとともに、表層部と芯部との温度差から熱膨張の差による熱的内部応力が生じることとなる。
【０００６】
遊星歯車装置に使用されるピニオンシャフトには、概して、外周面の軸方向中央部と軸方向端面とに潤滑油を供給する油孔が設けられているが、油孔の先端のエッジ部のような応力集中部に冷却水が噴射されると、瞬間的に熱的内部応力が誘発され、材料の強度が低下するおそれがあった。
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、優れた転がり疲労寿命を有するピニオンシャフト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、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１のピニオンシャフトは、中心に位置するサンギヤと、該サンギヤと同心に配されたリングギヤと、前記サンギヤと前記リングギヤとに噛み合い前記サンギヤの周りを公転するピニオンギヤと、を備える遊星歯車装置に使用され、前記ピニオンギヤの中心穴に挿通されニードル軸受を介して前記ピニオンギヤを回転自在に支持するピニオンシャフトにおいて、その外周面に下記の３つの条件を満足する硬化層を備えることを特徴とする。
【０００８】
条件１：高周波加熱した後、Ｍｆ点よりも高い温度に冷却し、該温度で所定時間保持して、室温に冷却するという高周波焼入れ処理により形成されたものである。
条件２：パーライト及びベイナイトを有していない。
条件３：残留オーステナイト量が２０体積％以上５０体積％以下である。
高周波焼入れ処理は高周波加熱した金属部材を冷却する処理であるが、この冷却工程において、マルテンサイト変態が終了する温度（Ｍｆ点）よりも高い温度で保持すると、表層部と芯部との温度差が小さくなるので、前記温度保持なしに冷却した場合に生じるような熱変形が抑制される。また、冷却水を噴射して冷却した際にピニオンシャフトの応力集中部（例えば、油孔の先端のエッジ部）に熱的内部応力が誘発され材料の強度が低下することも抑制される。
【０００９】
さらに、前記温度保持中にオーステナイトが安定化して、高周波焼入れ処理後の残留オーステナイト量が増加するので、圧痕生成の抑制，圧痕部の応力集中の低減，亀裂発生抵抗の向上等により転がり疲労寿命が向上する。優れた転がり疲労寿命を得るためには、残留オーステナイト量を２０体積％以上とする必要があるが、５０体積％超過であると硬さが低下する場合がある。
【００１０】
なお、パーライト及びベイナイトが存在すると、硬さや靱性が低下して転がり疲労寿命が著しく劣化するおそれがあるので、高周波焼入れ処理時にパーライト変態及びベイナイト変態が起きないように、適切な冷却速度を設定する必要がある。また、前記温度保持の前段階では鋼組織がマルテンサイトとオーステナイトからなっているが、前記温度保持の時間が長すぎると、鋼組織がマルテンサイトとオーステナイトと下部ベイナイトの混合したものに変化するため、前記温度保持の時間は１時間以下（数十分程度）とすることが好ましい。
【００１１】
前記温度保持は、Ｍｆ点よりも高い温度で且つパーライトやベイナイトが生じないような温度で保持する必要があり、マルテンサイトが生成し始める温度（Ｍｓ点）よりも高い温度で保持してもよいし、Ｍｓ点以下で且つＭｆ点よりも高い温度で保持してもよい。一例としては、４３℃以上６５℃以下があげられる。また、前記温度保持終了後は、室温程度に冷却すればよい。一例としては、１０℃以上３０℃以下があげられる。Ｍｆ点が室温よりも低い場合があるので、必ずしもＭｆ点以下に冷却する必要はない。
【００１２】
また、本発明に係る請求項２のピニオンシャフトは、請求項１に記載のピニオンシャフトにおいて、前記高周波焼入れ処理の前に浸炭窒化処理が施されていることを特徴とする。
高周波焼入れ処理の前に浸炭窒化処理が施されたピニオンシャフトは、窒素富化にともなって表層部にオーステナイトが残っているので、この残留オーステナイトにより転がり疲労寿命が優れている。また、窒素の添加により表層部に微細な炭窒化物が分散しているため、耐摩耗性や靱性が優れている。
【００１３】
さらに、本発明に係る請求項３のピニオンシャフトは、請求項２に記載のピニオンシャフトにおいて、前記浸炭窒化処理と前記高周波焼入れ処理との間に高温焼戻し処理が施され、前記高周波焼入れ処理の後に低温焼戻し処理が施されていることを特徴とする。
浸炭窒化処理の後に高温焼戻し処理を施すと、鋼に内在している残留オーステナイトが消滅する。そして、その後に高周波焼入れ処理を施すと、表層部のみが硬化して硬化層が形成される。この硬化層には、残留オーステナイトが２０体積％以上５０体積％以下残存しているので、異物混入潤滑下においても転がり疲労寿命が優れている。なお、高温焼戻し処理の温度は、３００℃以上７００℃以下が好ましく、処理時間は数時間程度が好ましい。
また、低温焼戻し処理は一般的な焼戻し処理であり、歪みの除去や靱性の向上という効果がある。
【００１４】
さらに、本発明に係る請求項４のピニオンシャフトは、請求項１〜３のいずれか一項に記載のピニオンシャフトにおいて、０．８質量％以上１．２質量％以下の炭素、０．１質量％以上１．２質量％以下のケイ素、０．７質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上１．５質量％以下のマンガンを含有する鋼で構成されることを特徴とする。
硬化層の硬さを十分なものとするためには、炭素の含有量は０．８質量％以上１．２質量％以下とすることが好ましい。なお、硬化層の硬さ（表面硬さ）はＨｖ７５０以上であることが好ましい。
【００１５】
また、硬化層の残留オーステナイト量を安定して２０体積％以上として焼戻し軟化抵抗性を付与し耐熱性を確保するためには、ケイ素の含有量は０．１質量％以上とすることが好ましい。ただし、１．２質量％を超えると、浸炭窒化処理において表層部の窒素及び炭素の富化が阻害されるおそれがある。
さらに、クロムの含有量が０．７質量％未満であると、炭化物の形成量が少なくなり硬化層の硬さが不十分となるおそれがあり、１．８質量％を超えると、炭化物が粗大化して剥離の起点となり短寿命となりやすい。
【００１６】
さらに、マンガンは焼入れ性を確保する元素であるが、本発明においては焼入れ工程及び焼戻し工程において残留オーステナイトを安定化させる作用があるため、硬化層の残留オーステナイト量を高めることとなる。ただし、多量に添加すると冷間加工牲の低下，焼き割れ，脆化の原因となるので、含有量の上限は１．５質量％とすることが好ましい。
このような合金鋼としては、ＳＵＪ１，ＳＵＪ２，ＳＵＪ３，ＳＵＪ４，ＳＵＪ５があげられる。なお、ＳＵＪ４，ＳＵＪ５には、焼入れ性を改善するためにモリブデンが０．３質量％以下添加されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のピニオンシャフトは優れた転がり疲労寿命を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に係るピニオンシャフトの実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１に示す遊星歯車装置は、自動車用オートマチックトランスミッション等の遊星歯車機構に好適に使用されるものであり、図示しない軸が挿通されたサンギヤ１と、該サンギヤ１と同心に配されたリングギヤ２と、サンギヤ１及びリングギヤ２に噛み合いサンギヤ１の周りを公転する１個以上（図１においては３個）のピニオンギヤ３と、サンギヤ１及びリングギヤ２と同心に配されピニオンギヤ３を回転自在に支持するキャリヤ４と、を備えている。
【００１９】
ピニオンギヤ３の中心穴には、かしめ等によりキャリヤ４に固定されたピニオンシャフト５が挿通されており、また、ピニオンシャフト５の外周面とピニオンギヤ３の内周面との間には図示されない複数の針状ころが配されていて、これによりピニオンギヤ３はピニオンシャフト５を軸として回転自在とされている。
このピニオンシャフト５は、０．８質量％以上１．２質量％以下の炭素、０．１質量％以上１．２質量％以下のケイ素、０．７質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上１．５質量％以下のマンガンを含有し、残部が鉄及び不可避の不純物である鋼で構成されている。そして、浸炭窒化処理，高温焼戻し処理，高周波焼入れ処理，低温焼戻し処理の順序で熱処理が施されている。
【００２０】
この高周波焼入れ処理は、高周波誘導加熱により８００〜９００℃に加熱して外周面の表層部をオーステナイト組織とした後、焼入れ液によって表層部を冷却して硬化させるというものである。まず、第一段階の冷却においては、焼入れ液の温度をＭｆ点よりも高い温度とし、該温度まで冷却する。そして、この温度で所定時間保持（温度保持工程）する。次に、第二段階の冷却においては、焼入れ液の温度を室温とし、Ｍｆ点以下に冷却する。Ｍｆ点が室温以下である場合は、Ｍｆ点以下に冷却する必要はない。ＳＵＪのＭｆ点は、一般に室温以下である。
【００２１】
このような熱処理が施された結果、ピニオンシャフト５には表層部の硬化層５ａと芯部とが形成され（図２を参照）、硬化層５ａの残留オーステナイト量は２０体積％以上５０体積％以下、表面硬さはＨｖ７５０以上となっている。なお、この硬化層５ａは、ピニオンシャフト５の外周面のうち前記針状ころの転動面となる部分のみに形成されている。また、第一段階の冷却における冷却速度は、パーライト変態及びベイナイト変態が起きないような速度に設定されているので、硬化層５ａはパーライト及びベイナイトを有していない。
このようなピニオンシャフト５は、前述のような硬化層５ａを備えているので、優れた転がり疲労寿命を有する。また、前述のような高周波焼入れ処理であれば、内部割れや材料強度の低下が抑制される。
【００２２】
〔実施例〕
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。鋼の種類と熱処理の内容を表１に示すように種々変更した点を除いては、前述のピニオンシャフト５の場合と同様にして実施例及び比較例のピニオンシャフトを製造した。熱処理の内容は、実施例１〜３及び比較例３はピニオンシャフト５の場合と同様で、実施例４は浸炭窒化処理がない点が異なっている。また、比較例１，２は高周波焼入れ処理の温度保持工程がない点が異なっており、比較例４は浸炭窒化処理及び高周波焼入れ処理の温度保持工程がない点が異なっている。
【００２３】
【表１】
2007024250.tif 000003
【００２４】
得られた各ピニオンシャフトの外周面の表面硬さ，硬化層の残留オーステナイト量，及び芯部の硬さを表１に示す。
なお、これらのピニオンシャフトの外径は１６．７ｍｍ、内径は３．５ｍｍで、図２に示すような油孔を有している。また、ピニオンシャフトの材料としてＳＵＪ２，ＳＵＪ３を用いたが、ＳＵＪ１，ＳＵＪ４，ＳＵＪ５を用いてもよい。
【００２５】
各ピニオンシャフトを日本精工株式会社製のプラネタリニードル試験機に装着して回転試験を行い、前記ピニオンシャフトを備える総ころ軸受の転がり疲労寿命及び内部割れの有無を評価した。試験条件は以下の通りである。
・基本動定格荷重Ｃ  ：２０５００Ｎ
・基本静定格荷重Ｃ0 ：２１０００Ｎ
・ラジアル荷重      ：１００００Ｎ
・ピニオンギアの自転速度：８０００ｒｐｍ
・計算寿命Ｌ10      ：４６時間
・潤滑油の種類      ：オートマチックトランスミッションフルード
・潤滑油の温度      ：９０℃
【００２６】
試験結果を表１に示す。なお、転がり疲労寿命の数値は、比較例１の転がり疲労寿命を１とした場合の相対値で示してある。また、内部割れの有無は、ピニオンシャフトを軸方向に沿う平面で破断し、油孔の周辺、特に油孔の先端のエッジ部のような応力集中が起きやすい部分を光学顕微鏡を用いて観察することにより評価した。
【００２７】
表１から分かるように、実施例１〜４は比較例１〜４と比べて転がり疲労寿命が優れていた。この理由としては、残留オーステナイト量が多いことがあげられる。実施例２と比較例２との比較から、温度保持工程により残留オーステナイト量が増加することが分かる。これは、温度保持工程においてオーステナイトの安定化が起こり、未変態のオーステナイトが残留したためと考えられる。また、実施例４と比較例４との比較から、浸炭窒化処理がない場合でも同様の結果となることが分かる。
また、比較例２，４は、内部割れが生じたため転がり疲労寿命が大きく劣っていた。さらに、比較例３は、残留オーステナイト量が５０体積％を超えているため、表面硬さ及び降伏応力が低くなり、転がり疲労寿命が不十分であった。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態であるピニオンシャフトを備えた遊星歯車装置の分解斜視図である。
【図２】ピニオンシャフトの断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１      サンギヤ
２      リングギヤ
３      ピニオンギヤ
４      キャリヤ
５      ピニオンシャフト
５ａ    硬化層
【図１】
2007024250.tif 000004
【図２】
2007024250.tif 000005